Все двадцать аминокислот характеризуются центральным альфа-углеродом, ковалентно связанным с карбоксильной группой, аминогруппой, атомом водорода и переменной группой R’. Хотя пептидные связи не обязательно должны возникать между двумя аминокислотами, в большинстве случаев, когда о них упоминается, речь идет именно об этом контексте.

Механизм образования пептидной связи

Пептидная связь образуется, когда карбоновая кислота группа (R-C[O]OH) одной аминокислоты вступает в реакцию с аминогруппа (республиканец от штата Нью-Гэмпшир)2) другого. В результате образуется амид со связью C–N (R-C(O)-NH-R). В результате этой реакции конденсации образуется дипептид и выделяется молекула воды — при этом гидроксильная (OH) группа отходит от карбоксильной группы, а атом водорода — от амина — при этом карбоксильная группа выделяет гидроксид, а амин — атом водорода. Обычно, когда мы говорим об этом процессе в биологии, мы называем его «дегидратационным синтезом», поскольку мы строим структуру более высокого порядка за счет потери воды.

Пептидная связь: плоская и жесткая

Несмотря на то что пептидная связь изображается как одинарная, она обладает частичными свойствами двойной связи, что обеспечивает четко выраженную плоскую структуру. Карбонильный кислород имеет частичный отрицательный заряд (-0,28) и является хорошим акцептором водородной связи, в то время как амидный азот имеет частичный положительный заряд (+0,28) и является хорошим донором водородной связи.

Это означает, что пептидная связь (C=O и N-H) расположена в одной плоскости. Поскольку связь между карбонильным атомом углерода и азотом частично носит характер двойной связи, вращение вокруг этой связи ограничено (для вращения требуется энергия 88 кДж/моль). Следовательно, пептидный остаток представляет собой плоскую жесткую структуру, и вращение в пептидном остове ограничено связями, в которых участвует углерод:

Существует две возможные конформации плоской пептидной связи: в транс-конфигурации атомы Cα находятся по разные стороны от пептидной связи, а в цис-конфигурации — по одну сторону от пептидной связи.

В пептидах природного происхождения большинство пептидных связей имеет транс-конфигурацию. Однако в пептидных связях, предшествующих остатку пролина, могут встречаться цис-формы. В таких случаях цис-форма оказывается более стабильной, чем обычно, поскольку боковая цепь пролина создает меньшее пространственное препятствие. Для большинства пептидов цис-форма примерно в 1000 раз менее стабильна, чем транс-форма.

Разрыв пептидной связи

Интересно отметить, что равновесие этой реакции смещено в сторону гидролиза, а не синтеза. Следовательно, для биосинтеза пептидной связи требуется приток свободной энергии. Поэтому может показаться неожиданным, что пептидные связи довольно кинетически стабильны: время жизни пептидной связи в водном растворе составляет примерно 1000 лет. Разрушить пептидную связь без участия фермента чрезвычайно сложно, поэтому этот процесс обычно осуществляется с помощью фермента, называемого протеазой, такого как субтилизин, который часто добавляют в стиральные порошки для расщепления многих белковых загрязнений.

Способность предсказуемо разрывать пептидные связи имеет жизненно важное значение для целого ряда научных областей. Например, в настоящее время большой интерес вызывают конъюгаты антител с лекарственными препаратами; в них фрагментированные антитела объединяются с фармакологически активными соединениями, в частности, для целенаправленного воздействия на раковые опухоли.

Поглощение пептидной связи

Поглощение пептидных связей, наблюдающееся преимущественно в УФ-диапазоне около 190–230 нм, имеет решающее значение для изучения белков и пептидов с помощью УФ-спектроскопии. Это поглощение связано с электронными переходами в амидных хромофорах пептидной связи, в частности с переходами n→π* и π→π*. Благодаря чувствительности к локальной среде УФ-спектроскопия позволяет обнаруживать конформационные изменения в белках, что делает ее ценным инструментом для изучения динамики фолдинга и денатурации. “Поглощение при 280 нм” обычно используется для оценки концентраций пептидов и белков, опираясь на вклад остатков ароматических аминокислот. По сути, поглощение пептидных связей дает представление о структуре, конформации и концентрации этих биомолекул.

Пептидные связи в биологии

Пептидные связи образуются внутри рибосом в ходе процесса, называемого «трансляцией», в результате чего образуются полипептиды, которые затем подвергаются различным молекулярным преобразованиям и модификациям, прежде чем принимают трехмерную форму, которую мы называем белком. Белки могут состоять как из сорока четырёх аминокислот, так и из тридцати пяти тысяч. Ошибка в процессе трансляции может привести к неправильному сворачиванию белка и, в свою очередь, к заболеванию. Крайне важно понимать физические силы, лежащие в основе пептидной связи, поскольку это позволяет ученым разрабатывать точные, прогнозирующие модели трехмерных структур белков.