Пептидная связь

Пептидная связь — это разновидность амидной связи, возникающая между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты в результате реакции дегидратации. Пептидная связь является основным типом ковалентной связи, формирующей первичную структуру белков и пептидов, и определяет их полимерную природу.

Химическая природа и механизм образования

Пептидная связь образуется в ходе реакции конденсации, при которой выделяется молекула воды. Карбоксильная группа одной аминокислоты теряет гидроксильную группу (-OH), а аминогруппа другой — атом водорода (-H). В результате между атомом углерода карбоксильной группы и атомом азота аминогруппы возникает ковалентная связь (-CO-NH-).

Химическая реакция выглядит следующим образом: NH₂-CHR₁-COOH + NH₂-CHR₂-COOH → NH₂-CHR₁-CO-NH-CHR₂-COOH + H₂O

Образовавшаяся молекула, содержащая две аминокислоты, называется дипептидом. Присоединение последующих аминокислот приводит к образованию трипептидов, тетрапептидов и, в конечном итоге, полипептидной цепи.

Особенности строения

Пептидная связь обладает рядом уникальных химических свойств, отличающих её от обычной одинарной связи:

• Частичный двойной характер. Электронная плотность в пептидной связи делокализована между атомами углерода, кислорода и азота. Это приводит к тому, что связь C-N приобретает свойства двойной связи (около 40% двойного характера), а связь C=O — свойства одинарной. Длина связи C-N в пептидной группе (1,32 Å) короче, чем длина одинарной связи C-N (1,47 Å), но длиннее, чем двойной связи C=N (1,27 Å).
• Плоскостность. Из-за частичного двойного характера связи C-N вращение вокруг неё затруднено. Все шесть атомов, образующих пептидную группу (Cα, C, O, N, H, Cα), лежат в одной плоскости. Эта плоскость называется пептидной плоскостью.
• Транс-конфигурация. В подавляющем большинстве природных пептидов и белков пептидная связь находится в транс-конформации. В этой конфигурации атомы водорода и кислорода, а также боковые радикалы аминокислот находятся по разные стороны от связи C-N. Цис-конфигурация встречается редко, в основном в случае, когда за пептидной связью следует пролин, и является менее стабильной энергетически.
• Полярность. Пептидная группа является полярной. Атом кислорода карбонильной группы несёт частичный отрицательный заряд (δ-), а атом водорода аминогруппы — частичный положительный заряд (δ+). Это делает пептидную связь способной к образованию водородных связей, что критически важно для формирования вторичной и третичной структуры белков.

Классификация пептидных связей

Пептидные связи классифицируют по нескольким признакам, в первую очередь по типу аминокислот, которые они соединяют.

• По типу аминокислот:
• Изопептидная связь — образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой, не находящейся в α-положении другой аминокислоты (например, ε-аминогруппа лизина). Такие связи встречаются в некоторых белках (например, в коллагене) и в процессе посттрансляционной модификации.
• Псевдопептидная связь — образуется при участии нестандартных аминокислот или их аналогов, например, в пептидомиметиках.
• По положению в полипептидной цепи:
• Внутренняя пептидная связь — связь между двумя аминокислотами, расположенными внутри цепи.
• Концевая пептидная связь — связь, соединяющая N-концевую или C-концевую аминокислоту с остальной цепью.

Роль в биологии

Пептидная связь является фундаментальной для существования жизни, так как она формирует основу всех белков и пептидов.

Первичная структура белка

Последовательность аминокислот, соединённых пептидными связями, называется первичной структурой белка. Эта последовательность строго детерминирована генетическим кодом и определяет все последующие уровни организации белка (вторичную, третичную и четвертичную структуры), а также его биологическую функцию. Даже замена одной аминокислоты в цепи может привести к изменению свойств белка и развитию заболеваний (например, серповидноклеточная анемия).

Формирование пространственной структуры

Пептидные связи ограничивают конформационную свободу полипептидной цепи. Вращение возможно только вокруг связей N-Cα и Cα-C, которые называются торсионными углами φ (фи) и ψ (пси). Комбинации этих углов для каждой аминокислоты определяют, какую вторичную структуру (α-спираль, β-лист, β-поворот) примет данный участок цепи. Водородные связи, образующиеся между пептидными группами, стабилизируют эти структуры.

Ферментативная активность и сигнализация

Пептидные связи являются мишенью для ферментов, называемых протеазами (пептидазами). Эти ферменты гидролизуют пептидные связи, расщепляя белки на более мелкие фрагменты или отдельные аминокислоты. Протеолиз играет ключевую роль в пищеварении, регуляции клеточного цикла, апоптозе (запрограммированной клеточной гибели) и активации сигнальных молекул (например, инсулина).

Применение в науке и технологии

Понимание природы пептидной связи лежит в основе многих научных и технологических разработок.

• Синтез пептидов. Химический синтез пептидов (например, методом твердофазного синтеза по Меррифилду) основан на последовательном образовании пептидных связей между защищёнными аминокислотами. Это позволяет создавать искусственные пептиды для медицинских исследований и разработки лекарств.
• Дизайн лекарств. Пептидные связи являются мишенью для многих лекарственных препаратов, особенно ингибиторов протеаз. Примером служат ингибиторы протеазы ВИЧ, используемые в терапии СПИДа.
• Биоматериалы. Пептидные связи используются для создания биосовместимых полимеров и гидрогелей, применяемых в тканевой инженерии и доставке лекарств.
• Пептидомиметики. Учёные разрабатывают соединения, имитирующие структуру пептидных связей, но обладающие большей стабильностью к ферментативному расщеплению и лучшей биодоступностью. Такие соединения (псевдопептиды) используются в качестве лекарственных средств.

Интересные факты

• Пептидная связь является одной из самых прочных ковалентных связей в биологических молекулах. Её энергия составляет около 80-85 ккал/моль.
• В 1902 году немецкий химик Эмиль Фишер впервые предположил, что белки состоят из аминокислот, соединённых пептидными связями. За эту и другие работы он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1902 году.
• В 1953 году Фредерик Сенгер впервые определил полную аминокислотную последовательность белка — инсулина, доказав тем самым, что белки имеют строго определённую первичную структуру, состоящую из пептидных связей.

Источники

1. Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 т. — М.: Мир, 1985.
2. Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011.
3. Берг Дж., Тымочко Дж., Страйер Л. Биохимия. — М.: Мир, 2015.
4. Введение в химию пептидов. Под ред. В.Т. Иванова. — М.: Наука, 1983.
5. Pauling L., Corey R.B., Branson H.R. The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1951, 37(4): 205-211.