4.2. Структура целлюлозы.

Целлюлоза является еще одним полисахаридом, который растение создает из первичного продукта фотосинтеза – глюкозы. Древесина состоит из целлюлозы на 50 – 60%, хлопок почти полностью.

Брутто - формула целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_n, нерастворима в воде, имеет высокую молекулярную массу от 250 000 до 1 000 000, состоит из более 1 500 глюкозных остатков. При полном гидролизе дает D-(+)-глюкозу, при частичном гидролизе среди продуктов обнаруживается один дисахарид (+)-целлобиоза, в молекуле которой глюкозные остатки связаны β- гликозидной связью. При метилировании и последующем гидролизе целлюлоза дает практически один эфир – 2,3,6-три-О-метил-D-глюкозу. Этих данных достаточно, чтобы придать целлобиозе следующую структурную формулу

В дальнейшем вместо этой полной структурной формулы, будем использовать сокращенную формулу, которая вполне передает самое существенное в целлюлозе – наличие трех гидроксильных групп в элементарном фрагменте этого полимера

[С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n

Поскольку целлюлоза является дешевым, доступным и возобновляемым природным полисахаридом, то большое значение имеет получение на ее основе ценных продуктов. Превращения целлюлозы в основном базируются на наличии в молекуле этого полисахарида множества гидроксильных групп.

Нитраты целлюлозы. При этерификации целлюлозы как многоатомного спирта смесью азотной и серной кислот в ее состав можно ввести от 2 до 3 остатков кислоты

Полностью нитрованная целлюлоза (нитроцеллюлоза) используется при производстве бездымного пороха, нитролаков, нитрокрасок Продукт нитрования, содержащий от 2 до 3 остатков азотной кислоты (пироксилин) применяется при изготовлении пластмасс типа целлулоида и коллодия и различных изделий на их основе.

Ацетаты целлюлозы получаются при взаимодействии полисахарида уксусным ангидридом в присутствии ледяной уксусной и серной кислот. В результате реакции получается примерно диацетат целлюлозы

При этом происходит и разукрупнение самой целлюлозы на фрагменты, содержащие 200 – 300 глюкозных звеньев.

Ацетат целлюлозы, в отличие от целлюлозы, растворяется в ацетоне. Раствор пропускают через тонкие отверстия (фильеры), удаляют растворитель и получают нити так называемого ацетатного шелка. Изделия из ацетатного шелка устойчивы к биологическим воздействиям, не повреждаются молью.

Ксантогенат целлюлозы. При обработке целлюлозы водным раствором NaOH, а затем сероуглеродом (СS₂), получается ксантогенат целлюлозы

В приведенных выше схемах превращения целлюлозы, к сожалению, не отражено главное. Ксантогенат целлюлозы, в отличие от самой целлюлозы, растворяется в водной щелочи. Следовательно, весь смысл получения ксантогената – в придании целлюлозе растворимой формы. Как и при получении ацетатного шелка, щелочной раствор ксантогената продавливают через фильеры в ванну с раствором серной кислоты, где и происходит образование нитей вискозного волокна. При этом генерируется целлюлоза, которая называется гидратцеллюлозой, и выделяется обратно сероуглерод. Гидратцеллюлоза в вискозе (230-320 остатков глюкозы) отличается от исходного полисахарида, потому что в ходе переработки происходит разукрупнение молекулы целлюлозы.

Простые эфиры целлюлозы получаются при взаимодействии полисахарида с алкилирующими агентами. В качестве таковых не раз уже упоминались диметилсульфат, иодистый- и хлористый метил и др.

К простым эфирам относится и карбоксиметиловый эфир целлюлозы (КМЦ), получаемый взаимодействием полисахарида с хлоруксусной кислотой

Под действием на целлюлозу окиси этилена получается еще одно ее производное эфирного типа – оксиэтилцеллюлоза

Простые эфиры целлюлозы применяются как загустители шампуней, при изготовлении лаков, эмалевых красок и упаковочных материалов, в текстильной промышленности.

В связи с проблемой с углеводородным топливом следует упомянуть еще одно практическое направление использования целлюлозы – производство этилового спирта. Такой спирт под названием гидролизного спирта давно уже производится. При этом целлюлозу гидролизуют до глюкозы, при спиртовом брожении которого получается этанол

Этанол может быть добавлена к бензинам в количестве 10 – 15%.

АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ.

1. Аминокислоты

К аминокислотам относятся соединения, в молекуле которых содержатся амино - и карбоксильная группы. Эти функциональные группы могут по-разному расположится в молекуле относительно друг друга. В α - аминокислотах, которые в основном будут рассматриваться в данном разделе, аминогруппа и карбоксил примыкают к одному и тому углеродному атому кислоты

В этом случае все многообразие аминокислот определяется только природой заместителя R (см. табл.1).

В настоящее время более 70 аминокислот получены путем гидролиза различных белков: мяса, кожи, шерсти и др., белков растительной или животной клетки, гормонов и ферментов. Белки являются основой всего живого, а сами они образованы аминокислотами, которые связаны друг с другом за счет амидных (пептидных) связей

В белках подобным образом могут быть связаны сотни и тысячи остатков различных аминокислот. Для этого природа использует обычно около 20 аминокислот. Поэтому любой белок напоминает слово, составленное из 20 букв в различных сочетаниях, и любой длины. Отсюда следует, что число возможных белковых молекул практически безгранично. Для развития и жизнедеятельности организма используется десятки тысяч белков, которые синтезируются в живых клетках под контролем нуклеиновых кислот.

Установлено, что в организме животного некоторые аминокислоты могут синтезироваться, а другие нет. Для человека незаменимыми аминокислотами принято считать: изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин. Эти аминокислоты человек должен получать с пищей.

После предварительного знакомства с аминокислотами и белками напрашивается сравнение их моно – и полисахаридами природного происхождения. В случае углеводов природа воспользовалась только одним мономером (D-глюкозой), чтобы по-разному связав глюкозные остатки (α- и β-гликозидные связи между С-1 одной молекулы и С-4 или С-6 другой) получить крахмал или целлюлозу. При синтезе же белковой молекулы понадобилось 20 аминокислот, чтобы, связав их только одним способом – с помощью амидной (пептидной) связи – получить по существу бесконечное их множество.

1.1. Стереохимия аминокислот.

Все аминокислоты, за исключением глицина, содержат хотя бы один асимметрический атом углерода, следовательно, существуют в виде двух энантиомеров. Изучение стереохимии природных аминокислот, полученных гидролизом белков, показало, самые главные 20 из них (стандартные аминокислоты) относятся к L – ряду. При этом о принадлежности аминокислоты к тому или иному ряду судят по конфигурации при α- углеродном атоме. Если в проекции Фишера аминогруппа расположена справа, то аминокислота относится к D – ряду, в противном случае – к L – ряду. Так стало считаться с тех пор, как Э.Фишер (-)-серину условно приписал «L»-конфигурацию

Когда стало возможным определять абсолютные конфигурации, выяснилось, что фишеровское отнесение конфигураций соответствует действительности.

Следует отметить, что в природе встречаются и аминокислоты D – ряда, однако они не участвуют в образовании белков.

1.2. Кислотно основные свойства.

Со времен Бутлерова, творца теории химического строения, известно, что строение молекулы и ее свойства взаимосвязаны. По строению молекулы можно предсказать свойства соединения, а по свойствам можно составить правильное представление о строении молекулы. Однако иногда ожидаемого соответствия не наблюдается – свойства не вытекают из строения молекулы. Обычно это означает только одно – молекула построена не так, как мы думаем. Типичный случай имеет отношение к аминокислотам.

Если аминокислота построена просто как аминозамещенная карбоновая кислота

Н₂NCHRCOOH

то почему:

- она относится к нелетучим кристаллическим веществам, плавящимся с разложением при высокой температуре,

- нерастворима в неполярных растворителях, обладает определенной растворимостью в воде,

- в водных растворах имеют высокий дипольный момент.

- не обнаруживает тех значений кислотности и основности, которые характерны для карбоновых кислот и алифатических аминов. Вспомним, что К_a и К_b для этих классов органических соединений составляют примерно 10^-5 и 10^-4 соответственно, для глицина К_a =1,6^.10^-10 и К_b =2,5^.10^-12.

Все упомянутые свойства скорее свойственны не аминам и карбоновым кислотам, а солям.

Наблюдаемые противоречия между строением и свойствами легко устраняются, если обратить внимание на то, что в молекуле аминокислоты имеются кислотная (-СООН) и основная группы (-NН₂). Благодаря этому аминокислоты относятся к амфотерным веществам, способным существовать в виде анионов и катионов.

В аминокислоте в твердом состоянии происходит перенос протона от кислоты к основанию и она существует в виде соли. Поскольку соль образуется внутримолекулярно, то ее называют внутренней солью, диполярным ионом и цвиттер – ионом

Как кислота цвиттер – ион в водном растворе отдает протон молекуле воды

Константа кислотности К_a при этом определяется из соотношения

Из уравнения видно, что измеряемая кислотность аминокислоты удивительным образом относится к кислотности иона аммония , а не карбоксильной группы. Поэтому кислотность аминокислот нельзя сравнивать с кислотностью карбоновых кислот.

Если цвиттер – ион выступает как основание, то он отдает протон от карбоксила молекуле воды

В этом случае константа основности может быть вычислена из соотношения

Вновь обращает на себя внимание тот факт, что измеряемая основность относится не к аминогруппе, а карбоксилат – иону. Поэтому основность аминокислот не следует сравнивать с основностью аминов.

Теперь можно рассмотреть такой вопрос: что будет, если аминокислоту помесить в среду, обладающую проводимостью, и снабженную электродами?

Все будет зависеть от рН среды: в кислых средах аминокислота будет перемещаться к катоду, а в щелочных растворах – к аноду

При каких-то значениях рН, строго индивидуальных для каждой аминокислоты, она не будет перемещаться ни к катоду, ни к аноду и будет оставаться цвиттер – ионом. Такое значение рН называется изоэлектрической точкой и обозначается рI (см. табл.1). Если через раствор, содержащий смесь аминокислот, пропустить постоянный ток, то они начнут двигаться к электродам. Скорость этого движения будет зависеть от природы аминокислоты и рН среды. Это явление используется для анализа и разделения смеси аминокислот и называется электрофорезом.

1.3. Методы получения аминокислот.

Среди множества методов получения аминокислот особое место занимает аммонолиз α- галогензамещенных кислот, которые могут быть синтезированы различными путями. Для этого чаще всего используется реакция Геля – Фольгарда - Зелинского – галогенирование карбоновых кислот в присутствии фосфора или галогенидов фосфора. Другой метод базируется на галогенировании при помощи малоновой кислоты. Приведем схему синтеза фенилаланина этим методом

Суммарный выход рацемического фенилаланина не превышает 35%. Гораздо лучшие результаты получаются при использовании фталимидного синтеза по Габриэлю. Глицин по этому методу может быть получен с выходом 89%

Новые возможности открываются при синтезе аминокислот фталимидомалоновым методом, представляющим собой комбинацию синтеза через малоновый эфир и реакции Габриэля. Покажем использование фталимидомалонового метода для получения аспарагиновой кислоты

При получении аминокислот используется также синтез Штреккера, заключающийся во взаимодействии карбонильного соединения с хлоридом аммония и цианистым натрием. При этом вначале образуются аммиак и цианистый водород

Дальше имеет место присоединение этих реагентов к карбонильной группе

Любой химический синтез аминокислот неизбежно приводит к получению их рацемической смеси. Поскольку обычно целью синтезов являются кислоты L ряда, то возникает проблема разделения рацематов. Для этого предложен целый ряд методов. Мы же ограничимся рассмотрением лишь одного из них под названием ферментативного разделения.

В качестве примера рассмотрим ферментативное разделение смеси D – и L – лейцинов. Вначале рацемат ацетилируют уксусным ангидридом с получением N-ацетилпроизводных. В последующем смесь этих производных ферментативно гидролизуют с помощью ацилазы, выделенной из почек свиньи. Уже не раз упоминалось, что ферменты как катализаторы химических реакций проявляют уникальную избирательность. Так и в данном случае ацилаза гидролизует только N-ацетил-D-лейцин. Поэтому после ферментативного гидролиза образуется легко разделяемая смесь L-лейцина и N-ацетил-D-лейцина. Гидролиз последнего обычными методами, например, разбавленной кислотой, завершает процесс разделения

1.4. Химические свойства аминокислот.

По своим химическим свойствам аминокислоты ведут себя подобно аминам и карбоновым кислотам.

За счет карбоксильной группы аминокислот можно получить все известные производные карбоновых кислот: соли, сложные эфиры, ангидриды и галогенангидриды, амиды и т. д. Приведем некоторые примеры

Как известно, амины можно алкилировать и ацилировать. В указанные реакции вступают и аминокислоты за счет аминогруппы. При этом происходит N - алкилирование и N – ацилирование

Приведенные реакции не исчерпывают химические свойства аминокислот. При рассмотрении аминокислот постоянно следует помнить, что они относятся к уникальным органическим соединениям, которых природа выбрала для создания белковых молекул - носителей жизни. Отсюда понятно, что многие превращения аминокислот происходят в клетках живых организмов и имеют глубокий биологический смысл. К числу таких реакций относятся дезаминирование, переаминирование и декарбоксилирование.

Дезаминирование аминокислоты заключается в том, что под действием ферментов она элиминирует аминогруппу, теряет оптическую активность и превращается просто в непредельную карбоновую кислоту

Эту реакцию организм использует для избавления от избытка аминокислот.

Переаминирование представляет собой ферментативный процесс переноса аминогруппы из одной молекулы в другую

Реакция переаминирования моделирует биосинтез аминокислот в живых организмах.

Декарбоксилирование также протекает с помощью ферментов. Примером может послужить ферментативное декарбоксилирование 3,4-диоксифенилаланина в дофамин

Организм использует эту реакцию для синтеза важных в биологическом смысле аминов. Например, дофамин является предшественником такого гормона, как адреналин.

2. Пептиды.

К пептидам относятся соединения, в которых аминокислотные остатки соединены между собой за счет амидных связей. В данном случае эти связи называются пептидными связями. На образование этой связи одна молекула предоставляет аминогруппу, а другая молекула – карбоксил.

Если бы возникла необходимость расставлять химические реакции по ранжиру, то реакция образования пептидной связи была бы вне конкуренции. Потому что именно ее природа выбрала как универсальный способ соединения молекул аминокислот между собой при синтезе пептидов и белков.

Строение пептидной связи хорошо изучено. Установлено, что амидная группа является плоской – атомы азота, углерода карбонильной группы и все другие атомы, связанные с ними лежат в одной плоскости

Обычная длина одинарной связи С-N составляет величину 1,47 Å, а при образовании пептидной связи она укорачивается до значения 1,32 Å. Это говорит о том, что в пептидах эта связь скорее двойная, чем одинарная. По этой причине геометрия азота близка к геометрии тригонального углерода и углы между атомами близки 120⁰.

Продукт соединения при помощи пептидной связи двух аминокислот называется дипептидом, многих аминокислот – полипептидом. Рассмотрим

Подробнее как образуется дипептид.

Если в образования дипептида участвует лишь две молекулы одной и той же аминокислоты, то имеется лишь один вариант соединения их между собой с образованием лишь одного дипептида. Дипептид, образованный только одной аминокислотой, называется гомополимером. Если в образовании полипептида участвуют различные аминокислоты, то полипептид называется гетерополимером.

Ситуация усложнятся при получении хотя бы дипептида из различных аминокислот. Так, из глицина и аланина можно произвести два пептида

Прежде чем продолжить рассмотрение пептидов, необходимо условиться относительно их названий.

В гетерополиамиде имеется два конца. Один конец составляет аминокислота со свободной аминогруппой. Она называется «N – концевая аминокислота». В другом конце дипептида – аминокислота со свободной карбоксильной группой, которая получает название «С – концевой аминокислоты»

Когда нумеруют аминокислотные остатки в полипептидной цепи, то начинают с N – концевой аминокислоты, а сами полипептиды называют как производные С- концевой аминокислоты. Очень часто используется сокращенная запись аминокислотных остатков в полипептидной цепи (список сокращенной записи аминокислот приведен в табл.1).

В качестве примера приведем названия упомянутых выше двух возможных дипептидов глицина и аланина

Природные полипептиды обычно содержат в своей молекуле множество остатков аминокислот. Поэтому определение качественного и количественного аминокислотного состава пептида, а также последовательности расположения отдельных аминокислот в полипептидной цепи, представляет огромный интерес.

Строение полипептидов устанавливается химическими методами.

Как и любой амид, полипептиды способны гидролизоваться в присутствии кислот и оснований. Основания могут вызвать рацемизацию аминокислот, поэтому гидролиз обычно проводится под действием кислот. При изучении пептидов используется как полный, так и частичный гидролиз полипептидов. На основании изучения продуктов полного гидролиза устанавливается аминокислотный состав пептида, а продукты частичного гидролиза помогают выявить последовательность соединения отдельных аминокислот в полипептидной цепи.

В качестве примера рассмотрим установление строения простейшего трипептида под названием гидантоин.

При полном гидролизе гидантоин дает три аминокислоты: глицин, глутаминовую кислоту и цистеин (glu + cys + gly). Эти аминокислоты могут образовать шесть трипептида

glu – cys – gly gly – cys – glu cys – gly – glu

glu – gly – cys cys – glu – gly gly – glu - cys

При неполном гидролизе образуются

glu – cys + gly + glu + cys – gly + cys

Отсюда следует, что рассматриваемый трипептид имеет строение γ- глутамилцистеинилглицина (glu – cys – gly)

Важнейший раздел химии пептидов – это их синтез, который всегда привлекал к себе внимание, поскольку пептиды относятся к биологически активным соединениям.

На первый взгляд в синтезе полипептидов нет ничего сложного – несколько аминокислот необходимо соединить за счет амидных связей. Сложности возникают оттого, что сами аминокислоты должны относиться к L ряду, в пептидной цепи они должны быть расположены в строго определенном порядке. А ведь даже две аминокислоты могут соединяться друг с другом образуя два дипептида. Еще раз вернемся к случаю образования дипептида из глицина и аланина. Если просто смешать эти аминокислоты, то получится два дипептида

Чтобы получить только один из дипептидов, необходимо воспрепятствовать образование другого. Для этого надо сделать так, чтобы в одной аминокислоте не могла реагировать аминогруппа, а в другой карбоксильная группа. Их необходимо временно заблокировать, или, как принято говорить в органической химии – защитить, а в последующем снять защиту. Причем при снятии защиты нельзя повредить созданный полипептид. Сказанное поясним на примере.

Предположим, из глицина и аланина надо получить дипептид gly – ala. Из записи видно, что глицин в дипептиде составляет N - концевую аминокислоту, а аланин – С – концевую аминокислоту. Отсюда следует, что при синтезе дипептида заданной структуры в глицине необходимо защитить аминогруппу, а в аланине – карбоксильную группу. Это и есть главное в синтезе пептидов. Можно даже сказать, что успехи в синтезе пептидов в основном связаны с разработкой новых методов защиты функциональных групп.

К настоящему времени для защиты аминогруппы предложено несколько реакций и почти все они основаны на связывании этой функциональной группы в амид.

Один из способов защиты аминогруппы заключается в реакции аминокислоты с карбобензилоксихлоридом (Бергман, Зервас, 1932 г). После создания амидной связи защита снимается либо каталитическим гидрогенолизом или с помощью бромистого водорода в уксусной кислоте. Сам карбобензоксихлорид получается из бензилового спирта и фосгена. Общая схема превращений следующая

Более подходящим реагентом для защиты аминогруппы в аминокислотах оказался трет-бутоксикарбоксазид (БОК). В последующем данную защиту легко можно снять при помощи реакции со смесью соляной и уксусных кислот

Еще один способ защиты аминогруппы – ацилировние ее бензоилхлоридом. Эта защита снимается гидролизом

Для защиты аминогруппы был предложен и 2,4-динитрофторбензол – реактив Сэнгера. В этом случае соответствующее производное образуется в результате бимолекулярного нуклеофильного замещения фтора, чему способствуют нитрогруппы в бензольном кольце. Защитная группа снимается в результате гидролиза

Карбоксильную группу в аминокислотах защищают обычно этерификацией различными спиртами, используя кислотные катализаторы (хлористоводородная кислота, n-толуолсульфокислота). И в этом случае защита снимается при помощи реакции гидролиза

Вернемся к синтезу пептидов. Если мы хотим получить дипептид из глицина и аланина gly – ala, то любым из только что рассмотренных способов защитим аминогруппу в глицине и карбоксильную группу в аланине

После этого, используя аминокислоты с защищенными функциональными группами, свяжем их между собой пептидной связью. Эта реакция идет особенно хорошо с участием такого водоотнимающего средства как дициклогексилкарбодимида (ДЦГКДИ)

Синтез дипептида завершается снятием защиты с аминной и карбоксильной групп при помощи гидролиза

Точно таким же образом можно синтезировать три- и вообще полипептиды. Однако это исключительно трудоемкая и малоэффективная работа из-за многостадийности синтеза. Подсчитано, что если синтез включает 100 стадий и выход целевого продукта на каждой из них составляет 90%, то общий выход будет всего 0,003%! Тем не менее, на этом пути удалось достичь поразительных успехов. В качестве примера приведем случай с инсулином. Этот полипептид является гормоном, контролирующим метаболизм глюкозы в организме. Он синтезируется бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Сэнгер (Сэнджер), установивший первичную структуру инсулина, состоящего из 51 аминокислотного остатка, в 1958 году был удостоен Нобелевской премии. В 1963 году удалось осуществить полный синтез этого полипептида. Интересно отметить. что синтез проводился в течение 3 лет и состоял из 230 последовательных реакций

Несравненно более эффективным методом синтеза полипептидов является так называемый твердофазный синтез (Меррифилд).

В этом случае синтез начинается с «закрепления» карбоксильной группы будущей С –концевой аминокислоты к полимерной матрице за счет образования эфирной связи с хлорметильной группы полимера

В качестве полимерной подложки часто используется полистирол, у которого около 1% остатков бензольных колец связаны с хлорметильными группами

В последующем аминокислотой с защищенной аминогруппой ацилируют другую аминокислоту, которая закреплена на полимере. Дальше снимают защиту амингруппы, теперь уже у образовавшегося дипептида, и цепь готова к наращиванию следующей аминокислотой.

Твердофазный синтез пептидов оказался необычайно эффективным, поскольку растущая полипептидная цепь ни на одной стадии не требует выделения и специальной очистки. Синтез может быть автоматизирован, а его скорость такова, что за сутки можно получить гексапептид. С помощью твердофазного синтеза был получен фермент рибонуклеаза, молекула которого состоит из 124 аминокислот. Синтез был осуществлен на автоматическом режиме всего за 3 недели. Для сшивания между собой 124 аминокислот в определенной последовательности понадобилось осуществить 369 реакций, включающих 11 931 стадию!

1.3. Белки.

Как и полипептиды, белки состоят из аминокислот. Различие между ними обычно видят в молекулярной массе. Если она более 5000, то полипептид относят к белкам. В то же время бросается в глаза несовершенство такого подхода. Более существенное различие между полипептидами и белками состоит в их структуре: молекулы полипептидов представляют собой гибкие и линейные образования, а молекулы белков свернуты в клубок или в другие структуры.

1.3.1. Состав и строение белков.

В природе существуют разнообразные белки и они участвуют во всех процессах, связанных с жизнедеятельностью животных и растений. Свыше половины сухого веса клетки приходится на долю сотен и тысяч белков, выполняющих самые разные биологические функции. Белки отличаются друг от друга составом, структурой, свойствами и биологической специализацией. Если для описания простых органических молекул достаточно знать элементный состав, молекулярную массу, порядок связей атомов в молекуле, то в случае белков всего перечисленного совершенно не достаточно. При изучении белков приходится устанавливать их так называемые первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

Первичная структура белка – это последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка. Эта последовательность строго индивидуальна для белков каждого организма. Просто как полимерную макромолекулу белок с установленной аминокислотной последовательностью можно записать следующим образом

Вторичная структура белка. Обращает на себя внимание, что в полипептидной цепи имеются структурные элементы, способные образовать водородную связь – это кислород карбонильной группы и водородный атом иминной группы. Однако в случае белков эта возможность реализуется не просто, например, установлением водородной связи в пределах пептидной связи одного аминокислотного остатка. По ряду причин указанная связь возникает между водородом иминной группы и кислородом карбоксила, отстоящего от него на четыре аминокислотных остатка

Так возникает α-спираль, как назвали рассматриваемую структуру предложившие ее Полинг и Кори (1950 г). Почему возникает именно α- спираль? Оказывается, только в случае α-спирали возможно образование водородных связей между всеми способными на это водородами и кислородами полипептидной цепи. Образование структуры типа α-спирали с множеством водородных связей придает ей значительную устойчивость

Благодаря рентгеноструктурному анализу параметры α-спирали стали известны даже раньше, чем она была предложена. Оказалось, что шаг спирали составляет 0,54 нм, расстояние между одноименными группами в цепи – 0,15 нм, угол между горизонталью и плоскостью, занимаемой аминокислотным остатком, составляет 26⁰. Виток спирали включает 3,6 аминокислотных остатка.

Известно, что имеется и другой тип пространственной организации полипептидной цепи -β-конформация или складчатая β-структура. Она возникает в результате образования водородных связей между соседними полипептидными цепями, лишенными таких же внутримолекулярных связей. Для возникновения β-конформации необходимо, чтобы заместители при α- углеродных атомах аминокислотных остатков имели сравнительно небольшие размеры. Интересно, что чаще встречается β-конформация между антипараллельными полипептидными цепями, т.е. когда из двух цепей одна вытянута в направлении от N-концевой аминокислоты к С-концевой аминокислоте, а другая наоборот.

В заключение отметим, что α-спиральная и складчатая β-структуры полипептидных цепей и составляют вторичную структуру белка.

Третичная структура белка. Входящие в полипептидную цепь аминокислоты могут содержать, кроме амино- и карбоксигруппы, много других функциональных групп. Эти группы могут взаимодействовать друг с другом и обеспечить появление дополнительной связи между соседними петлями полипептидной цепи. Взаимодействия между функциональными группами в пределах одной полипептидной цепи можно отнести к следующим четырем случаям.

1. Водородные связи. Они возникают, например, между водородом гидроксильной группы остатка серина в одном участке полипептидной цепи и азотом остатка гистидина в другом участке той же цепи.

2. Ионные связи. Электростатическое притяжение между разноименно заряженными функциональными группами появляется, например, между –СОО^- ионом остатка глутаминовой кислоты и NН₃⁺ ионом остатка лизина.

3. Ковалентные связи. Они образуются, например, при связывании отдельных петель цепи дисульфидными связями в остатке цистина.

4. Гидрофобные взаимодействия. Они возникают между гидрофобными заместителями (метил, этил, изопропил, фенил) в аминокислотных остатках в полипептидной цепи.

Благодаря вышеуказанным взаимодействиям каждая α-спираль сама может быть, по предположению Полинга, закручена в суперспираль, имеющий один виток на 35 витков более простой спирали в случае α- кератина. Структурирование α-спирали в спираль более высокого порядка и называют третичной структурой белка.

Четвертичная структура белка. Биологическая активность ряда белков обусловлена образованием ассоциата (олигопротеина) из нескольких из них. Эти биологически активные макрокомплексы и получили название четвертичной структуры белка.

146