Решение задачи: Структура и pH трипептида Гис-Асп-Гли

Задача 5. Напишите структуру и предскажите pH раствора трипептида Гис-Асп-Гли. Укажите C- и N-концевые аминокислоты и пептидные связи.

Решение:

Для начала определим аминокислоты, входящие в состав трипептида Гис-Асп-Гли:

1. Гис – Гистидин
2. Асп – Аспарагиновая кислота
3. Гли – Глицин

1. Структура трипептида Гис-Асп-Гли:

Трипептид образуется путем образования пептидных связей между аминокислотами. N-конец всегда находится слева, а C-конец – справа.

Структура трипептида Гис-Асп-Гли:

\[ \text{H}_2\text{N} - \text{CH}(\text{R}_1) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}(\text{R}_2) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}(\text{R}_3) - \text{COOH} \]

Где:

• \(\text{R}_1\) – боковая цепь Гистидина (имидазольное кольцо)
• \(\text{R}_2\) – боковая цепь Аспарагиновой кислоты (\(\text{CH}_2\text{COOH}\))
• \(\text{R}_3\) – боковая цепь Глицина (\(\text{H}\))

Полная структурная формула (в нейтральной форме, для удобства построения, затем учтем ионизацию):

\[ \text{H}_2\text{N} - \text{CH}(\text{CH}_2\text{C}_3\text{H}_3\text{N}_2) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}(\text{CH}_2\text{COOH}) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}_2 - \text{COOH} \]

На рисунке это будет выглядеть так:

(Примечание: На рисунке показана структура, где N-конец протонирован, а C-конец депротонирован, что соответствует цвиттер-ионной форме в растворе.)

2. C- и N-концевые аминокислоты:

• N-концевая аминокислота: Гистидин (Гис) – это аминокислота, у которой свободная аминогруппа (\(\text{NH}_2\)) находится на одном конце пептидной цепи.
• C-концевая аминокислота: Глицин (Гли) – это аминокислота, у которой свободная карбоксильная группа (\(\text{COOH}\)) находится на другом конце пептидной цепи.

3. Пептидные связи:

Пептидные связи – это амидные связи, образующиеся между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты с выделением молекулы воды.

В трипептиде Гис-Асп-Гли есть две пептидные связи:

1. Между Гистидином и Аспарагиновой кислотой: \(\text{CO} - \text{NH}\)
2. Между Аспарагиновой кислотой и Глицином: \(\text{CO} - \text{NH}\)

4. Предсказание pH раствора:

Для предсказания pH раствора необходимо рассмотреть ионизируемые группы в трипептиде и их pKa значения.

Ионизируемые группы в Гис-Асп-Гли:

1. N-концевая аминогруппа (Гистидин): \(\text{pKa} \approx 9.0\)
2. Карбоксильная группа Аспарагиновой кислоты (боковая цепь): \(\text{pKa} \approx 3.9\)
3. Имидазольное кольцо Гистидина (боковая цепь): \(\text{pKa} \approx 6.0\)
4. C-концевая карбоксильная группа (Глицин): \(\text{pKa} \approx 2.3\)

Чтобы предсказать pH, мы можем найти изоэлектрическую точку (pI) трипептида. pI – это pH, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю.

Поскольку в трипептиде есть две кислые группы (карбоксильные группы Аспарагиновой кислоты и C-концевая) и две основные группы (N-концевая аминогруппа и имидазольное кольцо Гистидина), мы можем ожидать, что pI будет зависеть от соотношения их pKa.

В данном случае у нас есть:

• Две кислые группы с низкими pKa (2.3 и 3.9)
• Две основные группы с более высокими pKa (6.0 и 9.0)

Для расчета pI многозарядных молекул, таких как пептиды, нужно найти pH, при котором сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю. Это обычно находится между двумя pKa значениями, которые "окружают" нейтральный заряд.

Рассмотрим последовательную ионизацию:

• При очень низком pH (например, pH 0), все группы протонированы:
  • \(\text{NH}_3^+\) (N-конец)
  • \(\text{COOH}\) (C-конец)
  • \(\text{COOH}\) (Асп)
  • \(\text{His}^+\) (имидазол)
  Общий заряд: +2
• Повышаем pH:
  • Первой депротонируется C-концевая \(\text{COOH}\) (\(\text{pKa} \approx 2.3\)). Заряд становится +1.
  • Затем депротонируется \(\text{COOH}\) Аспарагиновой кислоты (\(\text{pKa} \approx 3.9\)). Заряд становится 0.

Таким образом, изоэлектрическая точка (pI) будет находиться между \(\text{pKa}_2\) (3.9) и \(\text{pKa}_3\) (6.0), то есть между депротонированием второй карбоксильной группы и депротонированием имидазольного кольца.

Формула для pI, когда нейтральный заряд находится между двумя pKa:

\[ \text{pI} = \frac{\text{pKa}_{\text{кислой группы}} + \text{pKa}_{\text{основной группы}}}{2} \]

В данном случае, когда заряд переходит от +1 к 0, это происходит при депротонировании карбоксильной группы Аспарагиновой кислоты (\(\text{pKa} \approx 3.9\)). Когда заряд переходит от 0 к -1, это происходит при депротонировании имидазольного кольца Гистидина (\(\text{pKa} \approx 6.0\)).

Следовательно, pI будет находиться между этими двумя значениями:

\[ \text{pI} = \frac{3.9 + 6.0}{2} = \frac{9.9}{2} = 4.95 \]

Вывод:

Поскольку изоэлектрическая точка (pI) трипептида Гис-Асп-Гли составляет приблизительно 4.95, это означает, что в растворе с pH около 4.95 молекула будет иметь суммарный нулевой заряд. В нейтральном растворе (pH 7) этот трипептид будет иметь отрицательный заряд, так как pH 7 выше его pI. Это указывает на то, что трипептид является кислым.

Таким образом, можно предсказать, что pH раствора трипептида Гис-Асп-Гли будет кислым, близким к его изоэлектрической точке, то есть около 4.95.

Ответ:

1. Структура трипептида Гис-Асп-Гли:

\[ \text{H}_2\text{N} - \text{CH}(\text{CH}_2\text{C}_3\text{H}_3\text{N}_2) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}(\text{CH}_2\text{COOH}) - \text{CO} - \text{NH} - \text{CH}_2 - \text{COOH} \]

2. C- и N-концевые аминокислоты:

• N-концевая аминокислота: Гистидин (Гис)
• C-концевая аминокислота: Глицин (Гли)

3. Пептидные связи:

1. Между Гистидином и Аспарагиновой кислотой (\(\text{CO} - \text{NH}\))
2. Между Аспарагиновой кислотой и Глицином (\(\text{CO} - \text{NH}\))

4. Предсказанный pH раствора:

pH раствора будет кислым, приблизительно 4.95 (изоэлектрическая точка pI).