Пепти́дная связь (эупептидная связь), амидная ковалентная связь между атомом углерода в состоянии sp²-гибридизации и атомом азота с валентностью III, которая образуется в ходе реакции конденсации при взаимодействии α-аминогруппы одной аминокислоты и α-карбоксильной группы другой аминокислоты; основа для построения молекул пептидов и белков.

Структура пептидной связи

ПепРезонансная структура пептидной связи.Резонансная структура пептидной связи.тидная связь представляет собой амидную связь, и вследствие сопряжения связи C–N с карбонильной группой C=O пептидная связь приобретает в определённой мере характер двойной, её длина составляет 1,32 Å (Степанов. 1996), что примерно на 10 % короче, чем одинарная связь C–N (1,47–1,5 Å). При этом возникают резонансные структуры.

Пептидная связь характеризуется следующими свойствами:

1) жёсткость пептидной группировки –C(O)–N(H)–;

2) затруднённость вращения вокруг связи C–N, что приводит к возникновению цис-транс-изомерии;

3) плоская форма пептидной группы, причём в одной плоскости находятся 6 атомов: Cα–C(O)–N(H)–Cα.

Цис- и транс-конфигурация пептидной связи.Цис- и транс-конфигурация пептидной связи.

Поскольку транс-изомер энергетически более выгоден, чем цис-изомер, то в природных белках и пептидах, состоящих из L-аминокислотных остатков, подавляющее большинство пептидных связей находятся в транс-конфигурации (примерное соотношение транс-/цис- составляет 1000:1). Однако если пептидная связь образована азотом пролина (Xaa–Pro, где Xaa – любая аминокислота), соотношение транс-/цис- составляет 30:1 вследствие почти симметричного расположения атомов Cα и Cδ пирролидинового кольца и близости по энергии цис- и транс-изомеров (Степанов. 1996).

Торсионные углы пептидной связи.Торсионные углы пептидной связи.Поскольку пептидная группа имеет плоскую форму, то в полипептидах эти плоскости сочленяются у Cα атомов, в результате чего образуются двугранные углы. Угол, который характеризует вращение вокруг связи N–Cα, называется углом φ, а угол, который характеризует вращение вокруг связи Cα–C(O), – углом ψ (Ramachandran. 1963; Финкельштейн. 2012).

Внутри одного аминокислотного остатка вращение по углам φ и ψ взаимосвязано, а набор разрешённых углов φ и ψ ограничен. Карты, на которых изображены «разрешённые» и «запрещённые» конформации аминокислотных остатков для данного полипептида, называются картами Рамачандрана. Если по ходу полипептидной цепи соседние аминокислотные остатки имеют похожие углы φ и ψ, то такие участки цепи локально образуют регулярную структуру, которая называется вторичной структурой белка и может существовать в нескольких видах.

Способы образования пептидной связи

Образование пептидной связи представляет собой нуклеофильную атаку карбонильного атома углерода одной аминокислоты аминогруппой другой аминокислоты, т. е. реакцию конденсации между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты с выделением молекулы воды.Схема образования пептидной связи.Схема образования пептидной связи.Эта реакция термодинамически невыгодна, протекает с затратами энергии, и её равновесие сдвинуто в сторону исходных веществ. В живых организмах пептидная связь образуется либо в ходе биосинтеза белка на рибосомах, либо в ходе нерибосомального синтеза пептидов; в любом случае энергия для процесса образования пептидной связи берётся из молекулы АТФ (Уотсон. 1978). При химическом синтезе пептидов необходимо использовать конденсирующие реагенты, во многих случаях также нужно активировать карбоксильную группу, например с помощью реакции образования сложных эфиров с электроотрицательными заместителями. Кроме того, при химическом синтезе для минимизации образования побочных продуктов требуется предварительное временное блокирование (защита) функциональных групп, которые не должны участвовать в реакции (Степанов. 1996; Якубке. 1985).

Различают химический пептидный синтез в растворе, который применяется для пептидов длиной не более 8–10 аминокислотных остатков, и твердофазный пептидный синтез, когда синтезирующийся полипептид закреплён одним из концов (обычно своей группой –COOH) на твёрдом полимере, а второй конец постадийно наращивается. Альтернативой химическому синтезу пептидов является ферментативный пептидный синтез, где в качестве катализаторов образования пептидной связи используются ферменты группы протеаз из класса гидролаз (Степанов. 1996). В этом случае нет необходимости использовать конденсирующие реагенты, также не нужно защищать боковые функциональные группы. Сдвиг равновесия достигается за счёт удаления продукта из сферы реакции (выпадения в осадок образующегося пептида или использования экстракционных методов для его извлечения) либо уменьшения концентрации воды в системе благодаря проведению реакции в среде органических растворителей. Ограниченность применения этого метода синтеза обусловлена избирательностью, нестабильностью и довольно высокой стоимостью ферментов.

Гидролиз пептидной связи

Гидролиз пептидной связи, хотя и является термодинамически выгодным процессом (ΔG = 8–16 кДж/моль) (Martin. 1998), самопроизвольно протекает крайне медленно, поскольку имеет высокую энергию активации (около 100 кДж/моль) (Binju. 2010; Xiong. 2006). Такой высокий энергетический барьер обусловлен необходимостью образования тетраэдрического переходного состояния.

Среднее время полужизни пептидной связи в чистой воде при 25 °C составляет от 350 до 600 лет, в зависимости от аминокислотных остатков (Radzicka. 1996).

Схема гидролиза пептидной связи.Схема гидролиза пептидной связи.Механизм реакции гидролиза пептидной связи в водном растворе зависит от pH. В кислом растворе карбонильный кислород может быть протонирован, и за протонированием следует нуклеофильная атака атомом кислорода молекулы воды, т. е. кислотный катализ реакции гидролиза. Однако в нейтральных и осно́вных растворах (т. е. в большинстве физиологических условий) доминирующим путём реакции является т. н. гидролиз, катализируемый основанием, например нуклеофильная атака гидроксид-иона на карбонильный углерод; нейтральный гидролиз (т. е. прямая реакция пептидной связи с молекулой воды) играет незначительную роль. Катализируемый основаниями гидролиз рассматривается как модель ферментативного расщепления пептидных связей (Xiong. 2006).

В живых клетках процесс деградации пептидных связей обычно катализируется ферментами группы протеаз. Однако известны и случаи самопроизвольного гидролиза пептидной связи в конформационно-напряжённых частях белковой молекулы.

Другие химические реакции пептидной связи

В физиологических условиях пептидная связь слабо реакционноспособна вследствие резонансной стабилизации. Тем не менее пептидная связь может вступать в такие химические реакции, где происходит атака электроотрицательного атома на карбонильный углерод, с разрывом двойной связи C=O и образованием тетраэдрического переходного состояния. Именно этот путь осуществляется в реакциях N–O ацильного обмена, таких как белковый сплайсинг (Shah. 2014). Кроме того, пептидную связь могут атаковать тиолы, гидроксилы или амины.

Спектр поглощения

Пептидная связь способна поглощать ультрафиолетовый свет с длиной волны 190–230 нм, что делает её особенно чувствительной к УФ-излучению. Широкий пик поглощения пептидной связи позволяет проводить фотометрические измерения для определения концентрации белков и пептидов при 214 и/или 220 нм, что имеет практическое преимущество с точки зрения оборудования и точности измерений (Noble. 2009).