Пептид — это органическое химическое соединение, образованное путем соединения нескольких аминокислот. Эти аминокислоты соединяются в определенном порядке в неразветвленную цепь амидной связью. Из-за большой значимости пептидов в биохимии и органической химии, такую форму связывания часто называют пептидным связыванием.

Пептиды представляют собой относительно короткие аминокислотные цепи, содержащие примерно до 50 (максимум 100) аминокислот. Они отличаются от белков только своим размером. Различие между пептидами и белками не является резким и может быть более или менее произвольным.

В природе пептиды в основном образуются в результате биосинтеза белков. Информация о последовательности аминокислот закодирована в ДНК. Термин «пептид» был введен Эмилем Фишером (1906).

Содержание статьи:

Функции пептидов многогранны

Пептиды играют многогранную роль в нашем организме, однако их функции и механизмы действия часто плохо изучены.

Некоторые пептиды выполняют роль гормонов, другие обладают противовоспалительным эффектом. Кроме того, существуют пептиды, которые обладают свойствами антибиотиков и противовирусных агентов.

Некоторые белки — глютен, казеин и белки, содержащиеся в яйцах и шпинате, могут преобразовываться в организме в опиоидные пептиды в процессе пищеварения. Эти пептиды оказывают на организм воздействие, сходное с действием морфия. У людей, которые не способны эффективно их метаболизировать, проявляются признаки различных физических и психических заболеваний.

Что такое пептидная связь — это просто

При конденсации аминокислот карбоксильная группа одной аминокислоты формально реагирует с выделением воды с аминогруппой другой аминокислоты с образованием кислой амидной группы -CO-NH- (пептидная связь). Во время трансляции эту реакцию катализируют рибосомы.

Свободная аминогруппа на одном конце пептида называется N-концом, свободная карбоксильная группа на другом конце называется С-концом.

Поскольку аминогруппа слишком слабо нуклеофильна, чтобы образовывать амид непосредственно с карбоксильной группой, равновесие в стандартных условиях полностью левое, т. е. дипептид не образуется самопроизвольно и химическая реакция является эндергонической.

Как при лабораторном, так и при биологическом синтезе пептидов и белков сначала необходимо активировать реакционноспособные группы. Это происходит за счет предварительного преобразования в более реакционноспособные соединения.

Трипептиды, полипептиды и, наконец, белки — цепочечные макромолекулы, состоящие из аминокислот, образуются путем многократной конденсации. Полипептидные цепи (белковые) образуют основной структурный элемент белков.

Рентгеновский анализ аминокислот и дипептидов показывает, что амидная группа плоская, то есть все атомы, участвующие в структуре соединения, лежат в одной плоскости. Таким образом, двугранный угол (HNCO) составляет 180 °, и атомы не могут скручиваться друг против друга из-за стабилизации мезомерии.

Длины связей между азотом и карбонильным углеродом составляют 132 пм, между азотом и углеродом боковой цепи 147 пм, между карбонильным углеродом и углеродом боковой цепи 153 пм и между карбонильным углеродом и кислородом 124 пм. Более короткая длина связи CN в амидной связи по сравнению с нормальной связью CN указывает на то, что она имеет характер двойной связи. Этот тип химической связи также называют частичной двойной связью. Эта особенность объясняется мезомерией пептидной связи.

Пептидная структура и классификация

Количество аминокислот, составляющих молекулу пептида, также называется длиной цепи. По длине цепи различают:

Олигопептиды – состоят из до 10 аминокислот.
Дипептиды – состоят из 2 аминокислот.
Трипептиды – состоят из 3 аминокислот.
Полипептиды – состоящие из более чем 10 аминокислот.
Макропептиды – состоят из более чем 100 аминокислот.

Пептидные группы (ди-, три-) представляют собой лишь более тонкую классификацию олиго- и полипептидов. Различие между олиго- и полипептидами, с одной стороны, и между полипептидами и белками, с другой, неясно. Указанные ограничения на длину цепи приблизительны.

Олигопептиды

Олигопептиды — это химические соединения, состоящие из до десяти аминокислот, связанных друг с другом посредством пептидных связей.

Олигопептид образуется, когда аминогруппа первой аминокислоты реагирует с карбоксильной группой второй аминокислоты, удаляя при этом воду. Свободная аминогруппа полученного дипептида затем реагирует с карбоксильной группой другой аминокислоты. Остальные аминокислоты соединяются по этой схеме, образуя короткую цепочку аминокислот, которые соединяются друг с другом посредством пептидных связей.

Олигопептиды играют роль, например, компонентов ферментов в детоксикационных, транспортных и метаболических процессах.

Дипептиды

Дипептид — химическое соединение, состоящее из двух аминокислотных остатков, которые можно расщепить на две аминокислоты путем гидролиза.

Дипептиды образуются как промежуточные продукты при ферментативном расщеплении белков (полипептидов). Здесь работает фермент дипептидилпептидаза. Дипептидазы расщепляют их до аминокислот. Классический органический синтез для получения дипептидов — синтез азлактона Бергмана.

Примеры дипептидов:

Карнозин. Бета-аланил-L-гистидин встречается в повышенных концентрациях в мышечной ткани и мозге.
Ансерин. Бета-аланил-N-метилгистидин обнаружен в скелетных мышцах и мозге млекопитающих.
Гомоансерин. N-(4-аминобутирил)-L-гистидин — еще один дипептид, обнаруженный в мышцах и мозге млекопитающих.
Киоторфин. L-тирозил-L-аргинин — нейрофизиологически активный дипептид, участвующий в регуляции боли в головном мозге.
Баленин (также офидин). Бета-аланил-N тау-метилгистидин) — был идентифицирован в мышцах различных видов млекопитающих: у людей и кур.
Аспартам. NLa-аспартил-L-фенилаланин 1-метиловый эфир) — подсластитель.
Глорин. N-пропионил-γ-L-глутамил-L-орнитин-δ-лак-этиловый эфир представляет собой хемотаксический дипептид для Polysphondylium violaceum.
Бареттин. Цикло-[(6-бром-8-ен-триптофан)-аргинин] — циклический дипептид, выделенный из губки Geodia barretti.
Псевдопролин.

Полипептиды

Полипептид – это пептид, состоящий как минимум из десяти аминокислот. Более короткие полипептиды называются олигопептидами. Полипептиды могут быть природного и синтетического происхождения.

Полипептиды, содержащие более 100 аминокислот называют белками, но для белка необходимы дополнительные требования, например, сворачивание белка. В зависимости от исторической классификации некоторые аминокислотные цепи, содержащие более 100 аминокислот, также называют пептидами.

Сворачивание белков — это процесс, посредством которого белки приобретают трехмерную структуру во время и после синтеза пептидной цепи. Это необходимое условие безошибочного функционирования белка. Первая комплексная теория сворачивания белков была разработана китайским учёным Сянь Ву в 1920-х годах. В европейско-американском регионе первая значительная работа была проведена Кристианом Б. Анфинсеном (Нобелевская премия по химии 1972 года) в 1950-х годах.

В природе полипептиды образуются посредством механизмов биосинтеза белков, основанных на инструкциях, закодированных в ДНК или РНК. Белки синтезируются на рибосомах в виде линейных полимеров аминокислот. Последовательность отдельных аминокислот представляет собой первичную структуру. Во время или после синтеза эти аминокислотные цепи складываются в определенную пространственную структуру (третичная структура), содержащую более мелкие структурные элементы (вторичная структура). Если олигомеры образуются также из нескольких белков третичной структуры, это называется четвертичной структурой.

При сворачивании цепочка аминокислот за доли секунды принимает единственно правильную из очень большого числа возможных конформаций (→ парадокс Левинталя). Точный процесс сворачивания белка еще не ясен, но ясно, что свернутый белок обычно имеет наименьшую свободную энергию из всех возможных состояний. Кроме того, путь туда пролегает через локальные энергетические минимумы. Этот процесс поддерживается и становится возможным для многих белков благодаря помощникам сворачивания.

Функция белков как ферментов, структурных строительных блоков (например, кератина волос ) и т. д. возможна только благодаря определенной структуре. Это делает сворачивание белка очень важным для биологии и медицины. Заболевания, вызванные неправильным сворачиванием белков, делятся на несколько категорий:

Те, в которых мутации препятствуют правильному сворачиванию, и, таким образом, белок больше не функционирует. Пример: Формы рака, вызванные мутациями белка p53.
Те, в которых мутации препятствуют правильному сворачиванию и, следовательно, агрегированию белков. Пример: серповидно-клеточная анемия, при которой агрегируется гемоглобин, болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона.
Те, в которых мутации препятствуют правильному сворачиванию и, таким образом, белок оказывает токсическое действие.

Ещё один важный процесс, о котором нужно знать, изучая белки, — денатурация. При сворачивании белок принимает нативное (структурированное или биологически функциональное) состояние. Денатурация 3 это обратный процесс. Сворачивание и денатурация белков напоминают фазовые переходы первого рода, то есть внезапное изменение таких значительных величин, как объем и тепловая энергия. Денатурация белка вызывается жарой, экстремальными условиями pH, экстремальными концентрациями солей, растворителями и другими факторами.

Синтез пептидов — как их получают

Выбор метода синтеза пептида определенной последовательности различается в зависимости от его длины:

Короткие пептиды строятся шаг за шагом путем связывания аминокислот.
Более длинные пептиды образуются путем связывания более коротких пептидов.

Если попытаться получить специфический дипептид (например, Gly-Val) из двух разных аминокислот (Gly + Val) путем термической дегидратации, в значительных количествах будет получен ряд нежелательных продуктов.

Для повышения селективности (химии) карбоксильные и аминогруппы, которые не должны быть связаны, снабжаются защитной группой (например, сложноэфирной, Boc).

Поскольку защитные группы могут быть удалены кислотами и основаниями, необходимы мягкие условия реакции. Используются различные реагенты сочетания, которые активируют карбоксильную группу и, таким образом, облегчают связывание в мягких условиях.

Существуют разные классы таких реагентов сочетания:

фосфониевые реагенты (например, BOP);
урониевые реагенты (например, HBTU, HATU);
иммониевые реагенты;
карбодиимидные реагенты (например, DCC );
имидазолиевые реагенты;
фосфорорганические реагенты;
кислотные галогенирующие реагенты;
хлорформиаты и другие.

Помимо этого типа химического синтеза сегодня чаще используются твердофазные синтезы. Кроме того, также для синтеза пептидов можно использовать ферменты.

Синтез Меррифилда — ещё одна Нобелевская премия

Синтез Меррифилда — это процесс, разработанный Робертом Брюсом Меррифилдом для синтеза пептидов из отдельных аминокислот. За это он получил Нобелевскую премию по химии в 1984 г. Первый полный синтез инсулина был осуществлен по методу Меррифилда.

В этом процессе используется твердая фаза из полистирола, имеющая на поверхности группы CH 2 Cl. Процесс состоит из нескольких вводных этапов, этапов распространения и заключительного этапа реакции.

Хотя классический твердофазный синтез пептидов по Меррифилду весьма трудоемкий, время, необходимое для удлинения пептида на одну аминокислотную единицу, составляет порядка часов (для биосинтеза белка это секунды), процесс можно автоматизировать. С 2003 года был достигнут значительный прогресс за счет использования микроволновых технологий. Отдельные стадии реакции можно провести в одномодовом микроволновом устройстве за 30 с. Помимо ускорения реакции также фиксируется повышение чистоты.

На первом этапе аминокислота, защищенная на N-конце, связывается с поверхностью твердой фазы на С-конце. Молекула хлористого водорода (HCl) отщепляется. Поскольку аминокислота теперь прочно связана с субстратом, проводят промывку для удаления продуктов реакции и избытка аминокислоты. На следующем этапе защитная группа отделяется. Аминокислота, связанная с субстратом, теперь имеет реактивный N-конец. Его снова промывают.

Для распространения пептидов добавляется аминокислота, защищенная на N-конце, которая реагирует с уже связанной аминокислотой, образуя пептидную связь. Далее следует повторное промывание. Затем защитная группа вновь добавленной аминокислоты удаляется. Затем можно снова добавить N-защищенную аминокислоту и при необходимости удлинить пептид.

Отменить реакцию можно с помощью бромистоводородной и трифторуксусной кислот. Введенная первой аминокислота удаляется от субстрата и протонируется, в результате чего получается готовый пептид.