Пептидная связь

Ковалентная химическая связь между аминокислотами в пептидной или белковой цепи

Пептидная связь

В органической химии пептидная связь представляет собой амидный тип ковалентной химической связи, соединяющей две последовательные альфа-аминокислоты от C1 ( углерод номер один) одной альфа-аминокислоты и N2 ( азот номер два) другой, вдоль пептидной или белковой цепи. ^[1]

Ее также можно назвать эупептидной связью ^[1], чтобы отличить ее от изопептидной связи , которая представляет собой другой тип амидной связи между двумя аминокислотами.

Синтез

Образование пептидной связи посредством реакции дегидратации

Когда две аминокислоты образуют дипептид через пептидную связь , ^[1] это тип реакции конденсации . ^[2] При таком типе конденсации две аминокислоты сближаются, при этом не- боковая цепь (C1) карбоновой кислоты одной приближается к не-боковой цепи (N2) аминогруппы другой. Одна теряет водород и кислород из своей карбоксильной группы (COOH), а другая теряет водород из своей аминогруппы (NH 2 ₎ . Эта реакция производит молекулу воды (H ₂ O) и две аминокислоты, соединенные пептидной связью (−CO−NH−). Две соединенные аминокислоты называются дипептидом.

Амидная связь синтезируется, когда карбоксильная группа одной молекулы аминокислоты реагирует с аминогруппой другой молекулы аминокислоты, вызывая высвобождение молекулы воды (H2O ₎ , поэтому процесс представляет собой реакцию дегидратационного синтеза .

Дегидратационная конденсация двух аминокислот с образованием пептидной связи (красная) с выделением воды (синяя)

Образование пептидной связи потребляет энергию, которая в организмах вырабатывается из АТФ . ^[3] Пептиды и белки представляют собой цепи аминокислот, удерживаемые вместе пептидными связями (а иногда и несколькими изопептидными связями ). Организмы используют ферменты для производства нерибосомальных пептидов , ^[4] и рибосомы для производства белков посредством реакций, которые в деталях отличаются от синтеза дегидратации. ^[5]

Некоторые пептиды, такие как альфа-аманитин , называются рибосомальными пептидами, поскольку они производятся рибосомами, ^[6] но многие являются нерибосомальными пептидами , поскольку они синтезируются специализированными ферментами, а не рибосомами. Например, трипептид глутатион синтезируется в два этапа из свободных аминокислот двумя ферментами : глутамат-цистеинлигазой (образует изопептидную связь , которая не является пептидной связью) и глутатионсинтетазой (образует пептидную связь). ^{[7] [8]}

Деградация

Пептидная связь может быть разорвана гидролизом (добавлением воды). Гидролиз пептидных связей в воде высвобождает 8–16  кДж / моль (2–4  ккал / моль ) энергии Гиббса . ^[9] Этот процесс чрезвычайно медленный, с периодом полураспада при 25 °C от 350 до 600 лет на связь. ^[10]

В живых организмах этот процесс обычно катализируется ферментами , известными как пептидазы или протеазы , хотя имеются сообщения о гидролизе пептидной связи, вызванном конформационным напряжением, когда пептид/белок сворачивается в нативную структуру. ^[11] Таким образом, этот неферментативный процесс ускоряется не стабилизацией переходного состояния, а скорее дестабилизацией основного состояния.

Спектры

Длина волны поглощения пептидной связи составляет 190–230 нм ^[12] , что делает ее особенно восприимчивой к УФ- излучению.

Цис/транс изомеры пептидной группы

Значительная делокализация неподеленной пары электронов на атоме азота придает группе характер частичной двойной связи . Частичная двойная связь делает амидную группу плоской , встречающейся либо в цис- , либо в транс-изомерах . В развернутом состоянии белков пептидные группы могут свободно изомеризоваться и принимать оба изомера; однако в свернутом состоянии в каждой позиции принимается только один изомер (за редкими исключениями). Транс-форма в подавляющем большинстве пептидных связей предпочтительнее (примерно 1000:1 соотношение в транс:цис-популяциях). Однако пептидные группы X-Pro имеют тенденцию иметь соотношение примерно 30:1, предположительно потому, что симметрия между атомами C ^α и C ^δ пролина делает цис- и транс-изомеры почти равными по энергии, как показано на рисунке ниже.

Изомеризация пептидной связи X-Pro. Цис- и транс-изомеры находятся слева и справа соответственно, разделенные переходными состояниями.

Двугранный угол, связанный с пептидной группой (определяется четырьмя атомами C ^α –C'–N–C ^α ), обозначается ; для цис-изомера ( синперипланарная конформация) и для транс-изомера ( антиперипланарная конформация). Амидные группы могут изомеризоваться вокруг связи C'–N между цис- и транс-формами, хотя и медленно (  секунды при комнатной температуре). Переходные состояния требуют, чтобы частичная двойная связь была разорвана, так что энергия активации составляет примерно 80 кДж/моль (20 ккал/моль). Однако энергию активации можно снизить (и катализировать изомеризацию ) путем изменений, которые благоприятствуют форме с одинарной связью, например, путем помещения пептидной группы в гидрофобную среду или передачи водородной связи атому азота пептидной группы X-Pro. Оба эти механизма снижения энергии активации наблюдались в пептидилпролилизомеразах (ППИазах), которые представляют собой природные ферменты, катализирующие цис-транс-изомеризацию пептидных связей X-Pro. ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \omega =0^{\circ }}$ ${\displaystyle \omega =180^{\circ }}$ ${\displaystyle \tau \sim 20}$ ${\displaystyle \omega =\pm 90^{\circ }}$

Конформационное сворачивание белка обычно происходит намного быстрее (обычно 10–100 мс), чем цис-транс-изомеризация (10–100 с). Ненативный изомер некоторых пептидных групп может значительно нарушить конформационное сворачивание, либо замедлив его, либо даже предотвратив его возникновение до тех пор, пока не будет достигнут нативный изомер. Однако не все пептидные группы оказывают одинаковое влияние на сворачивание; ненативные изомеры других пептидных групп могут вообще не влиять на сворачивание.

Химические реакции

Благодаря своей резонансной стабилизации пептидная связь относительно нереактивна в физиологических условиях, даже меньше, чем аналогичные соединения, такие как эфиры . Тем не менее, пептидные связи могут подвергаться химическим реакциям, обычно посредством атаки электроотрицательного атома на карбонильный углерод , разрывая карбонильную двойную связь и образуя тетраэдрический промежуточный продукт. Это путь, по которому следуют в протеолизе и, в более общем смысле, в реакциях обмена ацила N–O, таких как реакции интеинов . Когда функциональная группа, атакующая пептидную связь, является тиолом , гидроксилом или амином , полученная молекула может быть названа циклолом или, более конкретно, тиациклолом, оксациклолом или азациклолом соответственно.

Смотрите также

• Карта протеолиза

Ссылки

1. "Номенклатура и символика аминокислот и пептидов. Рекомендации 1983". Европейский журнал биохимии . 138 (1): 9–37. 1984. doi : 10.1111/j.1432-1033.1984.tb07877.x . ISSN  0014-2956. PMID  6692818.
2. Muller, P. (1994-01-01). "Глоссарий терминов, используемых в физической органической химии (Рекомендации ИЮПАК 1994 г.)". Pure and Applied Chemistry . 66 (5): 1077–1184. doi : 10.1351/pac199466051077 . ISSN  1365-3075. S2CID  195819485.
3. Уотсон, Джеймс; Хопкинс, Нэнси; Робертс, Джеффри; Агецингер Стейтц, Джоан; Вайнер, Алан (1987) [1965]. Молекулярная биология гена (твердый переплет) (четвертое изд.). Менло-Парк, Калифорния: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. стр. 168. ISBN 978-0-8053-9614-0.
4. Miller BR; Gulick AM (2016). "Структурная биология нерибосомальных пептидных синтетаз". Биосинтез нерибосомальных пептидов и поликетидов . Методы в молекулярной биологии. Т. 1401. С. 3–29. doi :10.1007/978-1-4939-3375-4_1. ISBN 978-1-4939-3373-0. PMC  4760355 . PMID  26831698.
5. Гриффитс А. Дж.; Миллер Дж. Х.; Сузуки Д. Т.; Левонтин Р. К.; Гелбарт В. М. (2000). Синтез белка (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
6. Уолтон Дж. Д.; Халлен-Адамс Х. Э.; Луо Х. (2010). «Рибосомальный биосинтез циклических пептидных токсинов грибов Amanita». Биополимеры . 94 (5): 659–664. doi :10.1002/bip.21416. PMC 4001729. PMID 20564017  . 
7. Wu G.; Fang YZ; Yang S.; Lupton JR; Turner ND (март 2004 г.). «Метаболизм глутатиона и его влияние на здоровье». The Journal of Nutrition . 134 (3): 489–492. doi : 10.1093/jn/134.3.489 . PMID  14988435.
8. Meister A. (ноябрь 1988 г.). «Метаболизм глутатиона и его селективная модификация». Журнал биологической химии . 263 (33): 17205–17208. doi : 10.1016/S0021-9258(19)77815-6 . PMID  3053703.
9. Мартин РБ (декабрь 1998 г.). «Свободные энергии и равновесия гидролиза и образования пептидных связей». Биополимеры . 45 (5): 351–353. doi :10.1002/(SICI)1097-0282(19980415)45:5<351::AID-BIP3>3.0.CO;2-K.
10. Радзицка, Анна; Вольфенден, Ричард (1996-01-01). «Скорости некатализируемого гидролиза пептидных связей в нейтральном растворе и сродство протеаз к переходному состоянию». Журнал Американского химического общества . 118 (26): 6105–6109. doi :10.1021/ja954077c. ISSN  0002-7863.
11. Sandberg A.; Johansson DG; Macao B.; Härd T. (апрель 2008 г.). «Автопротеолиз домена SEA, ускоренный конформационным напряжением: энергетические аспекты». Журнал молекулярной биологии . 377 (4): 1117–1129. doi :10.1016/j.jmb.2008.01.051. PMID  18308334.
12. Goldfarb AR; Saidel LJ; Mosovich E. (ноябрь 1951). «Ультрафиолетовые спектры поглощения белков». Журнал биологической химии . 193 (1): 397–404. doi : 10.1016/S0021-9258(19)52465-6 . PMID  14907727.