Aminohapete iooniline side. Aminohapete disulfiidside. Aminohapete vesinikside

Peptiidside tekib ühe aminohappe aminorühma ja teise karboksüülrühma reaktsioonil veemolekuli vabanemisega:

CH 3 -CH (NH 2) -COOH + CH 3 - CH (NH 2) -COOH → CH 3 -CH (NH 2) -CO-NH-(CH 3) CH-COOH + H 2 O

Peptiidsidemega seotud aminohapped moodustavad polüpeptiidahela. Peptiidsidemel on tasapinnaline struktuur: C, O ja N aatomid on sp 2 hübridisatsioonis; N aatomil on p-orbitaal üksiku elektronpaariga; moodustub p-p-konjugeeritud süsteem, mis viib C-N sideme lühenemiseni (0,132 nm) ja pöörlemise piiramiseni (pöörlemisbarjäär on ~63 kJ/mol). Peptiidsidemetel on valdavalt transs- konfiguratsioon peptiidsideme tasapinna suhtes. Sarnane peptiidsideme struktuur mõjutab valgu sekundaarse ja tertsiaarse struktuuri teket. Peptiidside- jäik, kovalentne, geneetiliselt määratud. AT struktuurivalemid kujutatud üksiksidemena, kuid tegelikult on see süsiniku ja lämmastiku vaheline side osaliselt kaksiksideme kujul:

See on tingitud C, N ja O aatomite erinevast elektronegatiivsusest.Pöörlemine ümber peptiidsideme on võimatu, kõik neli aatomit asuvad samas tasapinnas, s.t. koplanaarne. Teiste sidemete pöörlemine ümber polüpeptiidi selgroo on üsna vaba.

Põhistruktuuri avastas Kaasani ülikooli professor A.Ya. Danilevski aastal 1989. 1913. aastal sünteesis E. Fisher esimesed peptiidid. Iga valgu aminohappejärjestus on ainulaadne ja geneetiliselt fikseeritud.

Tripeptiid: glütsüülalanüüllüsiin

Üksiku, keemiliselt homogeense aine esmase struktuuri määramiseks polüpeptiidahel aminohappe koostis määratakse hüdrolüüsi teel: iga kahekümne aminohappe suhe homogeenses polüpeptiidi proovis. Seejärel jätkake üht vaba NH2 rühma ja üht vaba COOH rühma sisaldava polüpeptiidahela terminaalsete aminohapete keemilise olemuse määramist.

Et määrata olemus N-terminaalne aminohape on välja pakutud mitmeid meetodeid, eelkõige Sangeri meetod (selle arendamise eest pälvis F. Sanger Nobeli preemia aastal 1958). See meetod põhineb polüpeptiidi arüülimisreaktsioonil 2,4-dinitrofluorobenseeniga. Polüpeptiidi lahust töödeldakse 2,4-dinitrofluorobenseeniga, mis reageerib peptiidi vaba α-aminorühmaga. Pärast reaktsioonisaaduse happelist hüdrolüüsi on reagendiga seotud ainult üks aminohape 2,4-dinitrofenüülaminohappe kujul. Erinevalt teistest aminohapetest on sellel kollane. See eraldatakse hüdrolüsaadist ja identifitseeritakse kromatograafiaga.

Määramiseks C-terminaalne aminohape sageli kasutatakse ensümaatilisi meetodeid. Polüpeptiidi töötlemine karboksüpeptidaasiga, mis puruneb peptiidside vaba COOH rühma sisaldava peptiidi lõpust viib C-terminaalse aminohappe vabanemiseni, mille olemust saab kromatograafia abil tuvastada. C-terminaalse aminohappe määramiseks on ka teisi meetodeid, eriti polüpeptiidi hüdrasinolüüsil põhinev Akabori keemiline meetod.

Järgmine etapp töö on seotud polüpeptiidi aminohapete järjestuse määramisega. Selleks tuleb esmalt läbi viia polüpeptiidahela osaline (keemiline ja ensümaatiline) hüdrolüüs lühikesteks peptiidfragmentideks, mille järjestust saab täpselt määrata. Pärast elektroforeesi ja kromatograafiaga hüdrolüüsi tehakse peptiidikaardid. Seejärel määratakse eraldatud peptiidide aminohapete järjestus ja kogu molekuli esmane struktuur.

- keemiline side, mis tekib kahe molekuli vahel kondensatsioonireaktsiooni tulemusena ühe molekuli karboksüülrühma (-COOH) ja teise aminorühma (-NH 2) vahel, samal ajal kui vabaneb üks veemolekul (H 2 O) . Peptiidsidet sisaldavat molekuli nimetatakse amiidiks. Kotirüoatomi funktsionaalrühma -C(=O)NH- nimetatakse amiidrühmaks või valkudele viidates peptiidrühmaks.

Peptiidsidemeid leidub looduses kõige sagedamini peptiidide ja valkude koostises, need seovad omavahel aminohappejääke. Peptiidsidemed on ka peptiidnukleiinhappe (PNA) selgroog. Polüamiidid, nagu nailon ja aramiid, on sünteetilised molekulid (polümeerid), mis sisaldavad ka peptiidsidemeid.

Peptiidsideme moodustumine

Peptiidside moodustub karboksüül- ja aminorühma vahelise kondensatsioonireaktsiooni tulemusena. Sel juhul mängib aminorühm nukleofiili rolli, asendades karboksüülrühma hüdroksüülrühma:

Kuna -OH on halb jäätmerühm, on kirjeldatud kondensatsioonireaktsioon väga raske. Pöördreaktsiooni – peptiidsideme hävimist – nimetatakse hüdrolüüsireaktsiooniks. Standardtingimustes asendatakse tasakaal täpselt hüdrolüüsi ja vabade aminohapete (või muude monomeersete üksuste) moodustumise suunas. Seega on peptiidside metastabiilne, hoolimata asjaolust, et selle hüdrolüüsi käigus vabaneb umbes 10 kJ / mol energiat, kulgeb see protsess hüdrolüüsikatalüsaatorita äärmiselt aeglaselt: peptiidi eluiga vesilahuses on umbes 1000 aastat. . Elusorganismides kiirendavad hüdrolüüsireaktsioone ensüümid.

Kondensatsioonireaktsioon, mille tulemusena tekib peptiidside, nõuab vaba energia panust. Nii keemilises sünteesis kui ka valkude biosünteesis tagab selle karboksüülrühmade aktiveerimine, mille tulemusena soodustatakse hüdroksüülrühma eemaldamist.

Peptiidirühma resonantsvormid

1930. ja 1940. aastatel viisid Linus Pauling ja Robert Corey läbi mitmete aminohapete ja dipeptiidide röntgenanalüüsi. Neil õnnestus kindlaks teha, et peptiidrühmal on jäik tasapinnaline struktuur, kuus aatomit asuvad samas tasapinnas: α-süsiniku aatom ja esimese aminohappe C = O rühm ja N-H rühm ja teise aminohappe α-süsiniku aatom. Pauling selgitas seda peptiidrühma kahe resonantsvormi olemasoluga, millele viitas lühem pikkus C-N ühendused peptiidrühmas (133 pm) kui sama side lihtsates amiinides (149 pm). Seega on karbonüülhapniku ja amiidlämmastiku vahelise elektronpaari osalise eraldumise tõttu peptiidsideme 40% ulatuses topeltsideme omadused:

Peptiidrühmades ei toimu pöörlemist ümber C-N sideme selle osalise duaalsuse tõttu. Pöörlemine on lubatud ainult ümber C-C ühendusedα ja N-C α. Selle tulemusena võib peptiidi selgroo kujutada väljade seeriana, mis on eraldatud ühiste pöördepunktidega (C α aatomid). See struktuur piirab peptiidahelate võimalike konformatsioonide arvu.

Lisaks stabiliseerib resonantsefekt rühma, lisades energiat ligikaudu 84 kcal/mol, muutes selle vähem reaktiivseks kui paljud sarnased rühmad (nt eetrid). See rühm on füsioloogiliste pH väärtuste juures laenguta, kuid kahe resonantsvormi olemasolu tõttu kannab karbonüülhapnik osaliselt negatiivset ja amiidlämmastik osaliselt positiivset laengut. See loob dipooli, mille dipoolmoment on umbes 3,5 debüüti (0,7 elektroni angströmi). Need dipoolmomendid võivad orienteeruda paralleelselt teatud tüübid sekundaarne struktuur(näiteks α-heeliksid).

stereoisomeeria

Võimalikud konfiguratsioonid

Tasapinnalise peptiidsideme jaoks on võimalikud kaks konfiguratsiooni: sisse transs-konfiguratsiooniga α-süsiniku aatomid ja kõrvalahelad paiknevad mööda erinevad küljed peptiidside, samas cis-konfiguratsioon - samaga. transvorm peptiid-n" sidemed on palju levinumad kui cis(esineb 99,6% juhtudest), kuna viimasel juhul on aminohapete külgrühmade vahelise ruumilise kokkupõrke tõenäosus suur:

Erandiks on aminohape proliin, kui see on aminorühma kaudu seotud mõne teise aminohappega. Proliin on ainus proteinogeenne aminohape, mis sisaldab Cα lähedal mitte esialgset, vaid sekundaarset aminorühma. Selles on lämmastikuaatom seotud kahe süsinikuaatomiga, mitte ühega, nagu teistes aminohapetes. Peptiidis sisalduvas proliinis ei erine lämmastikuaatomi asendajad nii palju kui teistes aminohapetes. Seetõttu on erinevus transs- ja cis-konfiguratsioon on väga väike ja ühelgi neist pole energiaeelist.

Võimalikud konformatsioonid

Peptiidi konformatsiooni määravad kolm väändenurka, mis peegeldavad pöördeid ümber kolme järjestikuse sideme peptiidi selgroos: ψ (psi) ümber C α1-C, ω (oomega) ümber C-N ja φ (phi) ümber N-C α2.

Nagu juba mainitud, ei toimu pöörlemist ümber tegeliku peptiidsideme, seega on ω nurga väärtus alati ca. 180° tolli transs-konfiguratsioonid ja 0 ° palju harvem cis- konfiguratsioon.

Kuna N-C ühendusedα2 ja C α1-C mõlemal pool peptiidi on tavalised üksiksidemed, pöörlemine nende ümber on piiramatu, mille tulemuseks on peptiidahelad võib võtta erinevaid ruumilisi konformatsioone. Kõik väändenurkade kombinatsioonid pole aga võimalikud, mõnede puhul tekivad aatomite ruumilised kokkupõrked. Kehtivad väärtused visualiseerituna kahemõõtmelisel graafikul nimetatakse Ramachandrani diagrammiks.

Määramise meetodid

Biureti reaktsioon

Peptiidrühmal on iseloomulik neeldumisriba vahemikus 190-230 nm.

Kvalitatiivne reaktsioon peptiidsidemele on biureedi reaktsioon vask(II)sulfaadi (CuSO 4) kontsentreeritud lahusega aluselises keskkonnas. Toode on sinakasvioletne kompleks vaseaatomi ja lämmastikuaatomi vahel.

Biureedi reaktsiooni saab kasutada valkude ja peptiidide kontsentratsiooni kolorimeetriliseks mõõtmiseks, kuid selle meetodi madala tundlikkuse tõttu kasutatakse selle modifikatsioone palju sagedamini. Üks selline modifikatsioon on Lowry meetod, mille puhul biureedi reaktsioon kombineeritakse aromaatsete aminohappejääkide oksüdeerimisega.

Polüpeptiidahelas olevad aminohapped on seotud amiidsidemega, mis moodustub ühe aminohappe α-karboksüülrühma ja järgmise aminohappe α-aminorühma vahel (joonis 1). Aminohapete vahel tekkinud kovalentset sidet nimetatakse peptiidside. Peptiidirühma hapniku- ja vesinikuaatomid hõivavad sel juhul transpositsiooni.

Riis. 1. Peptiidsideme moodustumise skeem.Igas valgus või peptiidis võib eristada: N-ots valk või peptiid, millel on vaba a-aminorühm (-NH2);

Saadamillel on vaba karboksüülrühm (-COOH);

Peptiidi selgroogkorduvatest fragmentidest koosnevad valgud: -NH-CH-CO-; Aminohappe radikaalid(külgmised ketid) (R1 ja R2)- muutuvad rühmad.

Polüpeptiidahela lühendatud kirje, samuti valgu süntees rakkudes, algab tingimata N-otsast ja lõpeb C-otsaga:

Peptiidis sisalduvate ja peptiidsideme moodustavate aminohapete nimedel on lõpud - haige. Näiteks ülaltoodud tripeptiidi nimetatakse treonüül-histidüül-proliin.

Ainus muutuv osa, mis eristab üht valku kõigist teistest, on selle moodustavate aminohapete radikaalide (külgahelate) kombinatsioon. Seega määravad valgu individuaalsed omadused ja funktsioonid polüpeptiidahela aminohapete struktuur ja järjestus.

Polüpeptiidahelad erinevad valgud organismid võivad sisaldada mõnest aminohappest kuni sadade ja tuhandete aminohappejääkideni. Nende molekulmass (molekulmass) on samuti väga erinev. Niisiis koosneb hormoon vasopressiin 9 aminohappest, ütlevad nad. mass 1070 kD; insuliin - 51 aminohappest (2 ahelas), ütlevad nad. mass 5733 kD; lüsosüüm - 129 aminohappest (1 ahel), ütlevad nad. mass 13 930 kD; hemoglobiin - 574 aminohappest (4 ahelat), ütlevad nad. mass 64 500 kD; kollageen (tropokollageen) - umbes 1000 aminohappest (3 ahelat), ütlevad nad. mass ~130 000 kD.

Valgu omadused ja funktsioon sõltuvad aminohapete struktuurist ja vaheldumise järjekorrast ahelas, muutusest aminohapete koostis võib neid palju muuta. Niisiis, 2 hüpofüüsi tagumise hormooni - oksütotsiin ja vasopressiin - on nanopeptiidid ja erinevad kahe aminohappe poolest 9-st (positsioonides 3 ja 8):

Oksütotsiini peamine bioloogiline toime on kontraktsiooni stimuleerimine Sujuv muskel emakas sünnituse ajal ning vasopressiin põhjustab vee tagasiimendumist neerutuubulites (antidiureetiline hormoon) ja sellel on vasokonstriktor. Seega, vaatamata suurele struktuurilisele sarnasusele, erineb nende peptiidide füsioloogiline aktiivsus ja sihtkuded, millele nad mõjuvad, s.t. ainult 2 aminohappe asendamine 9-st põhjustab peptiidi funktsiooni olulise muutuse.

Mõnikord põhjustab väga väike muutus suure valgu struktuuris selle aktiivsuse pärssimist. Seega koosneb ensüüm alkoholdehüdrogenaas, mis lagundab inimese maksas etanooli, 500 aminohappest (4 ahelas). Selle aktiivsus Aasia piirkonna (Jaapan, Hiina jt) elanike seas on palju madalam kui Euroopa elanike seas. See on tingitud asjaolust, et ensüümi polüpeptiidahelas asendatakse glutamiinhape positsioonis 487 lüsiiniga.

Mängivad koostoimed aminohapete radikaalide vahel suur tähtsus valkude ruumilise struktuuri stabiliseerimisel saab eristada 4 tüüpi keemilisi sidemeid: hüdrofoobsed, vesinik-, ioon-, disulfiidsidemed.

Hüdrofoobsed sidemed tekivad mittepolaarsete hüdrofoobsete radikaalide vahel (joonis 2). Nad mängivad juhtivat rolli valgu molekuli tertsiaarse struktuuri moodustamisel.

Riis. 2. Hüdrofoobsed vastasmõjud radikaalide vahel

Vesiniksidemed- moodustuvad liikuva vesinikuaatomiga polaarsete (hüdrofiilsete) laenguta radikaalide rühmade ja elektronegatiivse aatomiga (-O või -N-) rühmade vahel (joonis 3).

Ioonsed sidemed moodustuvad polaarsete (hüdrofiilsete) ioonradikaalide vahel, millel on vastupidiselt laetud rühmad (joonis 4).

Riis. 3. Aminohapperadikaalide vahelised vesiniksidemed

Riis. 4. Iooniline side lüsiini ja asparagiinhape(A) ja ioonsete interaktsioonide näited (B)

disulfiidside- kovalentne, moodustub kahest polüpeptiidahela erinevates kohtades paiknevatest tsüsteiiniradikaalide sulfhüdrüül- (tiool) rühmast (joonis 5). Seda leidub sellistes valkudes nagu insuliin, insuliini retseptor, immunoglobuliinid jne.

Disulfiidsidemed stabiliseerivad ühe polüpeptiidahela ruumilist struktuuri või seovad omavahel 2 ahelat (näiteks insuliinihormooni ahelad A ja B) (joonis 6).

Riis. 5. Disulfiidsideme teke.

Riis. 6. Disulfiidsidemed insuliini molekulis. Disulfiidsidemed: sama ahela tsüsteiinijääkide vahel AGA(a) kettide vahel AGA ja AT(b). Numbrid - aminohapete asukoht polüpeptiidahelates.