Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

е синтеза определенной асимметричной циклической молекулы. Именно наличие специфических белок-белковых взаимодействий обеспечивает эффективный полипептидный синтез. Другими словами, вся информация, необходимая для синтеза грамицидина S, позволяющая узнать аминокислоты и осуществить синтез пептидных связей, содержится в макромолекулярном ферментативном комплексе.

Такой внерибосомный пептидный синтез — замечательный пример, показывающий важность хиральности (разд. 4.2.1). Мы еще очень далеки от умения проводить пептидный синтез в лаборатории с такой же эффективностью даже с использованием твердофазного метода Меррифильда (разд. 2.6.3). Однако аналогия здесь очевидна.

Группа Летсингера и Клотца разработала недавно метод синтеза пептидов с использованием матриц; этот метод напоминает природный механизм синтеза на рибосомах (рис. 2.1). В методе используются полимерный носитель и полинуклеотидная матрица, но отсутствует необходимость, как и в природных системах, временно защищать аминокислоты для образования правильных связей. Такой подход назван методом комплементарного носителя (рис. 2.5). Растущая полипептидная цепь связана концевой карбоксильной группой с 5'-ОН-группой олнгонуклеотида эфирной связью. Новая поступающая аминокислота также присоединена эфирной связью, но с З'-ОН-группой второго олнгонуклеотида.

3 Зак. 549

66

Глава 2

При изучении стабильности спиральных структур оказалось, что носитель длиной в 8 нуклеотидов достаточен для правильного связывания с более длинной олигонуклеотидной матрицей благодаря образованию уотсон-криковскнх комплементарных пар (разд. 3.2.2). Использование современных химических методов образования пептидной связи позволяет удлинить полипептидную

аналогично ио

NHj

аналогично аминоацил-тРНК, присоединенной

пептидил-тРНК, присоеаиненмой /////

К Р-центру ЩЧУрР и—г—к к А-центри ///// рибосомы^ li^L н Y к^Р"6°«мь« Щ1 С=0

О

NH Р

I нг |

К— СН N—С—Н

1 У I -г ,с=о

с^оо^

аналогично оеаминоацилированной трнк, уходящей с рибосомы NH

J

соответствует

мРНК 4 О

II

.с—с н

NH I

I *

Н—С—R I

—NH-~K

НО О

с=о

Рис. 2.5. Схема пептидного синтеза с использованием комплементарных носителей, предложенная Леитсингером и Клотцем, которая очень схожа с механизмом рибосомного синтеза белков [6].

цепь на одну аминокислоту. Чтобы перейти к следующей стадии конденсации, несвязавшиеся олигонуклеотиды просто смываются с нерастворимого носителя в условиях, разрушающих спаривание оснований, например при повышении температуры или понижении ионной силы.

Эту последовательность реакций можно повторять, пока не будет синтезирована желаемая полипептидная цепь. Отметим, что на каждой стадии растущая полипептидная цепь переносится на олигонуклеотидный носитель, а после окончания синтеза оли-гонуклеотидный носитель отщепляют от нерастворимой матрицы. Олигонуклеотид, прикрепленный к полипептидной цепи, облегчит хроматографическую очистку полипептида, а затем его можно отщепить мягкой щелочной обработкой.

Важная особенность метода — специфичность образования амидной связи строго определенным, направляемым матрицей

Биоорганическая химия аминокислот

67

переносом ацилыюй группы. Более того, правильное расположение пептидил- и аминоацил-олигонуклеотидов на полинуклеотид-ной матрице контролирует полипептидный синтез. Именно этим способом достигается правильное считывание при биосинтезе белков в природных объектах.

Каким образом олигонуклеотиды могут направлять синтез полипептидов в отсутствие белков или рибосом, ясно из рис. 2.5, где представлена схема удачной биоорганической модели пребио-тического синтеза белков (разд. 3.7.2.1). Действительно, представляется в высшей степени вероятным, что примитивные биосистемы использовали подобный механизм в примитивном белковом синтезе, основу которого составляет уотсон-криковское взаимодействие оснований, обеспечивающее правильное копирование и контроль белкового синтеза. С течением времени олигонуклеотидные носители могли эволюционировать в более эффективные молекулы, как, например, современные молекулы тРНК.

2.6. Химический синтез белков

Биохимический синтез белков — это сложный процесс, для которого необходимы организующая поверхность, белковые катализаторы, запас энергии и т. д. Уже само перечисление предъявляемых требований показывает, что осуществление химического синтеза белка — трудная задача. Следовательно, прежде чем приступать к ее решению, следует принять во внимание некоторые соображения.

Во-первых, необходимо добиться специфичности, или последовательного присоединения аминокислот. Следует избегать нежелательных побочных реакций. Рассмотрим, например, синтез ди-пептида глицилаланина (Gly-Ala). Нельзя просто смешать две аминокислоты, чтобы произошла реакция, так как искомая последовательность окажется не единственным продуктом. Например, вполне возможно, что глицин прореагирует сам с собой, образуя дипептид глицилглицин. На самом деле могло бы образоваться четыре пептида (Gly-Gly, Gly-Ala, Ala-Gly, Ala-Ala); из них только один обладает правильной последовательностью. Синтез искомого пептида затрудняется по мере его удлинения. Если бы для синтеза последовательности, соответствующей половине молекулы грамицидина S, использовалась статистическая полимеризация (т. е. если пять аминокислот поместить в реакционный сосуд и проводить реакцию между ними), то число образующихся пентапептидов с различными последовательностями достигло бы 3125. Из них только один представлял бы продукт с искомой последовательностью, остальные 3124 следовало бы отделить как побочные.

68

Глава 2

Отсюда ясно, что для успешного синтеза белков необходимо последовательное присоединение аминокислот с малой степенью образования побочных продуктов. Этого можно добиться, используя защитные группировки для аминогрупп, карбоксильных групп и боковых цепей, потенциально способных участвовать в реакции. В качестве примера вернемся к синтезу Gly-AIa; если аминогруппа глицина защищена (превращена в химически неактивную), то взаимодействие молекул глицина между собой невозможно. Далее, если карбоксильная группа аланина также защищена, то единственная возможная реакция — взаимодействие карбоксильной (активированной) группы глицина и аминогруппы аланина с образованием искомого дипептида.

Конечно, после образования пептидной связи необходимо удалить защитные группы в условиях, при которых продукт реакции не разрушается. Следовательно, защитные группы должны легко присоединяться к реагирующим соединениям и удаляться из конечного продукта в мягких условиях и достаточно полно. С учетом этих требований легко себе представить, что химия защитных групп — важный раздел органической химии. Это замечание справедливо не только для синтеза пептидов, но вообще для синтеза любых сложных органических молекул, например синтеза полкнуклеотидов (разд. 3.6), строение которых предполагает возможность протекания побочных реакций по нескольким реакцион-носпособным центрам.

Поскольку каждая аминокислота присоединяется поочередно, при химическом синтезе белков очень важен выход на каждой стадии. Вновь обращаясь к синтезу Gly-AIa, отметим, что, если синтез пептидной связи прошел на 90%, такой синтез может считаться удовлетворительным. Однако, если те же условия использованы для синтеза декапептида грамицидина S, то общий выход составит 0,910 X 100% = 35%. При этом не учитываются потери при введении и снятии защитных групп. Следовательно, при синтезе белковых макромолекул образование пептидной связи должно проходить с высоким выходом.

Следует учитывать и другой фактор, присущий исключительно биологическим системам,— оптическую чистоту. Белки состоят из ь-аминокислот. Поэтому при химическом синтезе следует исходить из ь-аминокислот, а в процессе синтеза рацемизация должна быть сведена к минимуму. В наибольшей степени это относится к синтезу ферментов, каталитическая активность которых зависит от оптической чистоты. Аминокислоты особенно легко подвергаются рацемизации, когда они ацилированы (т. е. когда аминогруппа блокирована ацильной группировкой) через промежуточное образование азлактона. Такое превращение может произойти, например, в процессе введения защитной группы или в процессе образования пептидной связи:

Биоорганическая химия аминокислот

69

а углеродный атом L- аминокислоты

о Н — Гухосящая группа

у; // I (актиеировпнны!

/5 y~\ 1 корбонил иль

H-r-N / L [пептионая связь)

основание

f

Р

промежуточный азлактон

протон может присоединяться с любой стороны плоскости

стабилизированный .г?/?*-карбанион

H2N—R'-

О О II II Р—С—NH—СН—С—NH—R

1

оптически неактивный продукт

а-Протон азлактона лабилен в щелочных условиях (так как образуется стабилизированный карбанион), так что протон может оторваться, а затем вновь присоединиться с любой стороны плоскости кольца, что приводит к потере оптической чистоты. Более того, азлактоны могут принимать участие в реакциях образования пептидной связи, так что в процессе синтеза они исчезают, вызывая появление рацемических аминокислот в конечном белковом продукте.

70 Глава 2

2.6.1. Блокирование аминогрупп

грег-Бутоксикарбоннльиая группа (/-ВОС)

Эта группа представляет собой ацильную защитную группу, предназначенную для блокирования аминогрупп и легко удаляемую при мягкой кислотной обработке. После ацилироваиия аминогруппа становится химически неактивной, т.е. теряет иуклеофильиые свойства, в результате делокализации электронов по амидной связи (карбамат). Эта группировка вводится прн взаимодействии соответствующего хлорида с аминокислотой. Хлорид синтезируют из грег-бутанола и фосгена.

i-Bu—ОН + С1—С—С1 -=?Е О

<5> "

t-Bu—О—С—CI

(*-В0С-С1)

г г /'

(сн3)2с—о—с-гС1 —> (сн,)2с=сн2 + со2 + на

сн2Д

н

Хлорид — очень нестабильное соединение при хранении и использовании. Поэтому вместо него применяют менее реакционноспособиый трег-бутилазидоформиат. Такой азид был до последнего времени широко распространенным реагентом, однако иедавио появилось

страница 12
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(29.06.2017)