Пептидная связь
Все двадцать аминокислот характеризуются центральным α-углеродом, ковалентно связанным с карбоксильной группой, аминогруппой, атомом водорода и переменной боковой группой R'. Хотя пептидные связи не обязательно образуются только между аминокислотами, чаще всего они рассматриваются именно в этом контексте.
Механизм образования пептидной связи
Пептидная связь образуется, когда карбоксильная группа (R–C[O]OH) одной аминокислоты реагирует с аминогруппой (R–NH2) другой. В результате образуется амидная связь — C–N (R–C(O)–NH–R). Это реакция конденсации, при которой образуется дипептид и выделяется молекула воды: гидроксильная группа (OH) покидает карбоксильную группу, а атом водорода — аминогруппу. В биологии этот процесс часто называют «реакцией дегидратации», поскольку он сопровождается потерей воды при построении более сложной структуры.
Пептидная связь: плоская и жёсткая
Хотя пептидная связь изображается как одинарная, она обладает частично двойственным характером, что делает её плоской и стабильной. Карбонильный кислород несёт частичный отрицательный заряд (–0,28) и является хорошим акцептором водородной связи, а амидный азот — частично положительный (+0,28) и выступает донором водородной связи.
Это означает, что пептидная связь (C=O и N–H) лежит в одной плоскости. Из-за частичного двойственного характера связи между углеродом карбонильной группы и азотом, вращение вокруг этой связи ограничено (требуется энергия 88 кДж/моль). Таким образом, пептидный фрагмент — это плоская, жёсткая структура, и вращение возможно только вокруг связей, включающих α-углерод:
Плоская пептидная связь может существовать в двух конфигурациях: в транс-конфигурации атомы Cα находятся по разные стороны от связи, а в цис-конфигурации — по одну сторону.
В природных пептидах большинство связей находятся в транс-конфигурации. Однако цис-форма может возникать перед остатками пролина. В таких случаях цис-конфигурация более стабильна, поскольку боковая цепь пролина создаёт меньшее стерическое препятствие. Для большинства пептидов цис-форма примерно в 1000 раз менее стабильна, чем транс.
Разрыв пептидной связи
Интересно, что равновесие реакции пептидной связи смещено в сторону гидролиза, а не синтеза. Поэтому биосинтез пептидной связи требует затрат свободной энергии. Однако, несмотря на это, пептидные связи чрезвычайно устойчивы с кинетической точки зрения: в водной среде их срок жизни — около 1000 лет. Обратное расщепление пептидной связи без ферментов крайне затруднено и осуществляется только с участием протеаз, таких как субтилизин, который, например, используется в стиральных порошках для расщепления белков.
Управляемое расщепление пептидных связей важно во многих научных направлениях. В частности, в разработке антитело-препаратных конъюгатов, где фрагменты антител соединяются с активными веществами для прицельного действия на опухоли.
Поглощение пептидной связью
Пептидные связи поглощают УФ-излучение в диапазоне 190–230 нм, что используется при УФ-спектроскопии белков и пептидов. Это поглощение связано с электронными переходами в амидных хромофорах (n→π* и π→π*). Чувствительность к окружающей среде позволяет с помощью спектроскопии отслеживать изменения в свёртывании и денатурации белков. Поглощение на 280 нм часто используется для оценки концентрации белков и пептидов — на основе содержания ароматических аминокислот. Таким образом, УФ-поглощение пептидной связи даёт информацию о структуре, конформации и концентрации биомолекул.
Пептидные связи в биологии
Пептидные связи образуются на рибосомах в процессе трансляции — для создания полипептидной цепи. Затем она проходит модификации и принимает трёхмерную форму, которая называется белком. Белки могут состоять как из 44 аминокислот, так и из 35 000. Ошибки в процессе трансляции могут приводить к неправильному сворачиванию белка и, как следствие, к заболеваниям. Именно поэтому важно понимать физику пептидной связи — это позволяет учёным моделировать структуры белков с высокой точностью.