Химический синтез белков в промышленности
Биосинтез
белков
Каковы же
основные формы связи аминокислот в сложной молекуле белка? Ещё в 1891 г. А. Я.
Данилевский высказал предположение, что это амидные связи, образованные
карбоксилом одной молекулы аминокислоты и аминогруппой другой (поликонденсация
типа “голова – хвост”),
например:
-H2O
H2N-CH2-C=O +HNHCH2COOH--à
\
OH
à H2N-CH2-CO-NH-CH2-COOH
(пептидная связь)
Амидные связи этого типа называются
пептидными связями,а низкомолекулярные соединения, в которых аминокислоты
соединены друг с другом пептидными связями, принято называть пептидами (или
полипептидами).
Пептиды образуются при частичном гидролизе белков.
Пептидная теория строения белка была развита Э. Фишером и Гофмейстером и в
настоящее время окончательно подтверждена.
В зависимости от числа
аминокислотных остатков, входящих в молекулу полипептида, различают дипептиды,
трипептиды, тетрапептиды и т. д. . Характерную для пептидов группировку
-CO-NH- называют пептидной.
Названия
полипептидов производят от названий остатков аминокислот, прореагировавших
своими карбоксильными группами, и от названия аминокислоты, реагирующей своей
аминогруппой и сохраняющей свободную карбоксильную группу:
H2N-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH
глицилаланин(H-гли-ала-OH)
NH2-CH(CH3)-CO-NH-NH2-CO-NH-CH2-COOH
Аланилглицилглицин(H-ала-гли-гли-OH)
К настоящему времени разработано много
методов превращения а-аминокислот в пептиды и синтезированы
простейшие природные белки –инсулин, рибонуклеаза, вазопрессин, окситоцин и др.
Для того чтобы соединить две
аминокислоты пептидной связью, необходимо: а) закрыть
(защитить) карбоксильную группу глицина и аминогруппу аланина, чтобы не произошло
нежелательных реакций по этим группам; б) образовать
пептидную связь; в) снять защитные группы. Защитные группы
должны надёжно закрывать аминную и карбоксильную группы в процессе синтеза и
потом легко сниматься без разрушения пептидной связи.
-HCl
R-COCl+H2N-CH-COOH--àR-CO-NH-CH-COOH
|
|
CH2 CH3
Карбоксильную группу для защиты превращают в сложноэфирную:
-HOH
H2N-CH2-COOH+HOR--à H2N-CH2-COOR
Для образования пептидной связи или активируют
карбоксильную группу N-ацилаланина, превращая его в хлорангидрид, или
проводят конденсацию в присутствии сильных водоотнимающих веществ
(дициклогексилкарбодиимид, этоксиацетилен):
-H2O
R-CO-NH-CH-COOH+HNHCH2-COOR--à
|
CH3
гидролиз
à R-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOR----à
|
CH3
à H2N-CH-CO-NH-CH2-COOH
|
CH3
Затем снимают
защитные группы в таких условиях, чтобы не затрагивалась пептидная связь. Таким
образом можно синтезировать не только ди-, но и три-, и тетрапептиды и т. д. .
Очень
перспективный метод синтеза пептидных связей предложил в 1960 г. Мерифильд
(США). Этот метод потом получил название твёрдофазного синтеза пептидов.
Первая аминокислота с защищённой аминогруппой присоединяется к твёрдому
носителю – ионнообменной смоле, содержащей первоначально группы –CH2Cl (1-ая
стадия), с образованием так называемой “якорной” связи, которая обозначена жирной линией: (1)-NaCl
||
||
O O
+HOOC-CHR’’-NHOR(3)
-NH2-----------àСмола-CH2O-C-CHR-
||
(4) O
-NHCO-CHR’’-NHCOR’àСмола-CH2O-C-CHR--NHCO-CHR’’-NH2 и т. д. ||
O
Затем наращивают
пептидную цепь, пропуская через смолу растворы соответствующих реагентов. Для
этого сначала убирают группу, защищающую конечную NH2 – группу (2-ая стадия). Пропуская через смолу раствор
другой аминокислоты с защищённой аминогруппой в присутствии водоотнимающих
реагентов, образуют пептидную связь между первой и второй аминокислотой (3-я
стадия). Если затем убрать защитную группу (4-ая стадия), синтез пептида можно
вести далее. После наращивания пептидной цепи до нужной величины гидролизуют “якорную”
сложноэфирную связь и смывают полипептид со смолы:
HBr
Смола-CH2O-CO-CHR-NH…CO-CHR’NH2---à
àСмола-CH2OH+HOOCCHRNH…COCHR’NH2
Полипептид
Метод Мерифильда прост в
техническом оформлении, что
позволяет полностью автоматизировать процесс. Поэтому, хотя вышеупомянутые
белки инсулин(51 аминокислота) и рибонуклеаза(124 аминокислоты) были
синтезированы классическими методами, метод Мерифильда позволяет значительно
сократить затраты труда и времени на синтез белков. Так, рибонуклеаза была
синтезирована Мерифильдом в 1968 г. менее чем за месяц, хотя синтез включал 369
последовательных реакций.
Чеботарёв А. 11п1