Пептидная связь

Ковалентная химическая связь между аминокислотами в пептидной или белковой цепи.

Пептидная связь

В органической химии пептидная связь представляет собой ковалентную химическую связь амидного типа , соединяющую две последовательные альфа-аминокислоты от C1 ( углерод номер один) одной альфа-аминокислоты и N2 ( азот номер два) другой вдоль пептида или белка. цепь. ^[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 друг с другом, при этом фрагмент карбоновой кислоты без боковой цепи (C1) одной приближается к аминогруппе небоковой цепи (N2) другой. Один теряет водород и кислород из своей карбоксильной группы (СООН), а другой теряет водород из своей аминогруппы (NH ₂ ). В результате этой реакции образуется молекула 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 (H ₂ O), следовательно, процесс представляет собой реакцию синтеза дегидратации .

Дегидратационная конденсация двух аминокислот с образованием пептидной связи (красный) с выделением воды (синий).

На образование пептидной связи расходуется энергия, которая в организмах получается из АТФ . ^[3] Пептиды и белки представляют собой цепочки 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 из них являются нерибосомальными пептидами , поскольку они синтезируются специализированными ферментами, а не рибосомами. Например, трипептид глутатион синтезируется в два этапа из свободных аминокислот двумя ферментами : глутамат-цистеиновой лигазой (образует изопептидную связь , которая не является пептидной связью) и глутатионсинтетазой (образует пептидную связь). ^{[7] [8]}

Деградация

Пептидная связь может быть разорвана гидролизом (присоединением воды). При гидролизе пептидных связей в воде выделяется 8–16  кДж / моль (2–4  ккал / моль ) энергии Гиббса . ^[9] Этот процесс чрезвычайно медленный: период полураспада при 25 ° C составляет от 350 до 600 лет на одну связь. ^[10]

В живых организмах этот процесс обычно катализируется ферментами , известными как пептидазы или протеазы , хотя есть сообщения о гидролизе пептидных связей, 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 чувствительной 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 и встречается либо в цис- , либо в транс-изомерах . В развернутом состоянии белков пептидные группы могут изомеризоваться и принимать оба изомера; однако в свернутом состоянии в каждом положении принимается только один изомер (за редкими исключениями). Транс-форма является преимущественно предпочтительной для большинства пептидных связей (соотношение примерно 1000:1 в популяциях транс:цис). 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, см. Рисунок.

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

Обозначен двугранный угол, связанный с пептидной группой (определяемой четырьмя атомами Cα ^–C’ –N–Cα ⁾ ; для цис-изомера ( синперипланарная конформация) и для транс-изомера ( антиперипланарная конформация). Амидные группы могут изомеризоваться по связи C'–N между цис- и транс-формами, хотя и медленно (  секунды при комнатной температуре). Переходные состояния требуют частичного разрыва двойной связи, чтобы энергия активации составляла примерно 80 кДж/моль (20 ккал/моль). Однако энергия активации может быть снижена (и катализирована изомеризация ) за счет изменений, которые благоприятствуют форме с одинарной связью, таких как помещение пептидной группы в гидрофобное окружение или передача водородной связи атому азота пептидной группы X-Pro. . Оба этих механизма снижения энергии активации наблюдались в пептидилпролилизомеразах (PPIases), которые представляют собой встречающиеся в природе 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 замедляя его, либо предотвращая его даже 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 в меньшей степени, чем аналогичные соединения, такие как сложные эфиры . Тем не менее, пептидные связи могут вступать в химические реакции, обычно посредством атаки электроотрицательного атома на карбонильный углерод , разрывая двойную карбонильную связь и образуя тетраэдрический промежуточный продукт. Это путь, которым следуют при протеолизе и, в более общем смысле, в реакциях обмена N–O-ацилов, таких как реакции интеинов . Когда функциональная группа, атакующая пептидную связь, представляет собой тиол , гидроксил или амин , полученную молекулу можно назвать циклолом или , более конкретно, тиациклолом, оксациклолом или азациклолом соответственно.

Смотрите также

• Карта протеолиза

Рекомендации

1. «Номенклатура и символика аминокислот и пептидов. Рекомендации 1983 г.». Европейский журнал биохимии . 138 (1): 9–37. 1984. doi : 10.1111/j.1432-1033.1984.tb07877.x . ISSN  0014-2956. ПМИД  6692818.
2. Мюллер, П. (1 января 1994 г.). «Словарь терминов, используемых в физической органической химии (Рекомендации ИЮПАК, 1994 г.)». Чистая и прикладная химия . 66 (5): 1077–1184. дои : 10.1351/pac199466051077 . ISSN  1365-3075. S2CID  195819485.
3. Уотсон, Джеймс; Хопкинс, Нэнси; Робертс, Джеффри; Агецингер Штайц, Джоан; Вайнер, Алан (1987) [1965]. Молекулярная биология гена (твердый переплет) (Четвертое изд.). Менло-Парк, Калифорния: The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. 168. ИСБН 978-0-8053-9614-0.
4. Миллер БР; Гулик А.М. (2016). «Структурная биология нерибосомальных пептидсинтетаз». Биосинтез нерибосомальных пептидов и поликетидов . Методы молекулярной биологии. Том. 1401. стр. 3–29. дои : 10.1007/978-1-4939-3375-4_1. ISBN 978-1-4939-3373-0. ПМК  4760355 . ПМИД  26831698.
5. Гриффитс AJ; Миллер Дж. Х.; Сузуки ДТ; Левонтин РЦ; Гелбарт В.М. (2000). Синтез белка (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
6. Уолтон Дж.Д.; Халлен-Адамс HE; Ло Х. (2010). «Рибосомальный биосинтез циклических пептидных токсинов грибов мухомор». Биополимеры . 94 (5): 659–664. дои : 10.1002/bip.21416. ПМЦ 4001729 . ПМИД  20564017. 
7. У Г.; Клык YZ; Ян С.; Луптон-младший; Тернер Н.Д. (март 2004 г.). «Метаболизм глутатиона и его значение для здоровья». Журнал питания . 134 (3): 489–492. дои : 10.1093/jn/134.3.489 . ПМИД  14988435.
8. Мейстер А. (ноябрь 1988 г.). «Метаболизм глутатиона и его селективная модификация». Журнал биологической химии . 263 (33): 17205–17208. дои : 10.1016/S0021-9258(19)77815-6 . ПМИД  3053703.
9. Мартин Р.Б. (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. Радзичка, Анна; Вулфенден, Ричард (1 января 1996 г.). «Скорость некаталитического гидролиза пептидных связей в нейтральном растворе и сродство протеаз к переходному состоянию». Журнал Американского химического общества . 118 (26): 6105–6109. дои : 10.1021/ja954077c. ISSN  0002-7863.
11. Сандберг А.; Йоханссон Д.Г.; Макао Б.; Херд Т. (апрель 2008 г.). «Аутопротеолиз домена SEA, ускоренный конформационным напряжением: энергетические аспекты». Журнал молекулярной биологии . 377 (4): 1117–1129. дои : 10.1016/j.jmb.2008.01.051. ПМИД  18308334.
12. Гольдфарб А.Р.; Сайдел Л.Дж.; Мосович Э. (ноябрь 1951 г.). «УФ-спектры поглощения белков». Журнал биологической химии . 193 (1): 397–404. дои : 10.1016/S0021-9258(19)52465-6 . ПМИД  14907727.