Пептидната връзка, обяснена на достъпен език

Пептидната връзка е ковалентна връзка между карбоксилната група на една аминокиселина и аминогрупата на друга аминокиселина. По време на образуването ѝ се отделя молекула вода, като се получава характерната единица – CO – NH – . Именно тази връзка съставлява химичната основа на пептидните вериги ( peptides ) и протеините и затова е от ключово значение за разбирането на това как отделните аминокиселини се съединяват в по-големи биологични молекули.

За разбирането на изследването Peptides този основен принцип е особено важен, както показва наръчникът за начинаещи в областта на изследванията peptides: Акцентът не е върху отделната аминокиселина, а върху това колко аминокиселини са подредено свързани в верига. Ключовите термини могат да бъдат бързо намерени и в речника на пептидите. По-долу затова обясняваме не само образуването на пептидната връзка, но и нейната специфична планарност, дължаща се на резонанса, както и ясното разграничение от термини като амидна връзка, пептид, полипептид и протеин.

Как се образува връзката между две аминокиселини

Когато две аминокиселини влязат в реакция помежду си, α-карбоксилната група на едната аминокиселина се свързва с α-аминогрупата на другата. По този начин се образува характерната пептидна връзка с формула – CO – NH – . След реакцията вече не говорим за свободни аминокиселини, а за аминокиселинни остатъци, които са станали част от обща верига.

От химическа гледна точка това е реакция на кондензация. OH-групата произхожда от карбоксилната група, а водородният атом – от аминогрупата; заедно те се отделят под формата на вода. По този начин от две свързани аминокиселини първо се образува дипептид. Ако се свържат три аминокиселини, се получава трипептид, а при по-нататъшно повторение могат да се образуват по-дълги вериги.

Важно е след първото свързване не всички реактивни краища да бъдат изчерпани. Пептидната верига все още притежава свободен аминокрай – N-терминала – и свободен карбоксилен край – C-терминала. Това позволява прикрепването на допълнителни аминокиселини. По този начин възникват олигопептиди, полипептиди и накрая протеини, съставени от много пептидни връзки, свързани последователно.

В биологичните системи обаче образуването на тези връзки не става просто чрез спонтанно смесване на аминокиселини. Реакцията протича чрез активирани междинни съединения и се катализира в рибозомата. Единствено тези контролирани етапи правят възможно ефективното и подредено сглобяване на пептидните вериги. Дали след синтеза са налице чистота и правилно образуване на веригата може да се провери чрез HPLC анализ на peptides. Последователността и правилните връзки се потвърждават аналитично чрез LC-MS тест за идентичност на peptides.

Защо пептидната връзка е плоска и почти не може да се върти

Пептидната връзка не се държи като обикновена, свободно въртяща се единична връзка. Причината се крие в нейните резонансни форми: самотната електронна двойка на азота може да взаимодейства с карбонилната група. В резултат на това електроните са делокализирани между карбонилния въглерод, кислорода и азота. Казано по-просто, електронната плътност е разпределена върху няколко атома от амидната група.

Този резонанс придава на връзката С–N частичен характер на двойна връзка. Поради това тя е по-къса и значително по-малко подвижна от обикновената единична връзка С–N. Вследствие на това атомите, участващи в пептидната група, лежат приблизително в една равнина. Именно затова говорим за планарност на пептидната връзка.

Ограничената възможност за въртене не означава, че цялата пептидна верига е твърда. Гъвкавостта се дължи главно на съседните единични връзки на основната верига. Около самата пептидна връзка обаче въртенето е силно затруднено. Това ограничава възможните пространствени подредби и по този начин оказва пряко влияние върху структурата на пептидите ( peptides ) и протеините.

Освен това транс-конфигурацията е много по-разпространена при пептидните връзки, отколкото цис-формата. При транс-конфигурацията съседните странични вериги обикновено са стерично по-благоприятни, тъй като се пречат по-малко една на друга. Това на пръв поглед незначително свойство на пептидната връзка има следователно големи структурни последствия: то оформя пептидната основна верига и спомага да се определи кои сгъвания и конформации изобщо са възможни. Как трябва да се разбират чистотата, страничните продукти и показателите за качество във връзка с пептидната връзка, е обяснено в статията „Разбиране на чистотата на пептидите“.

Пептидна връзка или амидна връзка: Каква е разликата?

От химическа гледна точка пептидната връзка не представлява напълно отделен клас връзки, а е специална форма на амидната връзка. Разликата се състои главно в контекста и терминологията.

Накратко: Всяка пептидна връзка е амидна връзка, но не всяка амидна връзка е пептидна връзка. Функционалната група и нейното резонансно поведение са сходни; специфичното за пептидната връзка е преди всичко това, че тя свързва аминокиселините в пептидите ( peptides ) и протеините.

Пептид, полипептид, протеин: ясно разграничаване на термините

Посочените по-долу наименования не описват различни видове връзки, а дължината и функционалната класификация на верига, съставена от аминокиселини. Пептидната връзка остава една и съща по цялата дължина.

Една проста зависимост улеснява изчисленията: верига от n аминокиселини съдържа точно n−1 пептидни връзки. Следователно верига от 10 аминокиселини има 9 пептидни връзки. Това правило важи независимо дали става дума за къс пептид или за голям протеин.

За научноизследователската практика това разграничение е полезно, тъй като термини като „дипептид“, „олигопептид“ или „протеин“ бързо дават представа за структурата и мащаба. В контекста на Research Peptides и в речника на Research-peptide от 24Peptides тази терминология улеснява също така правилната класификация на дадено вещество, без да предполага наличието на различен тип химична връзка.

Как пептидната връзка се разкъсва отново

Обратният процес на образуването на връзки се нарича хидролиза. При този процес към пептидната връзка се добавя вода, така че връзката между карбонилния въглерод и азота отново се разкъсва. В зависимост от ситуацията това води до образуването на по-къси пептидни фрагменти или, в случай на пълно разкъсване, отново до свободни аминокиселини.

Въпреки че реакцията се изразява лесно с уравнение, разкъсването на пептидната връзка протича сравнително бавно без катализа. Причината е същата като при нейната планарност: резонансният (мезомерен) ефект стабилизира амидната група. Тъй като електроните са делокализирани и връзката С – N има частичен характер на двойна връзка, тя е по-малко реактивна, отколкото би била обикновена единична връзка, което също е от значение за полуживота на пептида при планирането на експеримента. Хидролизата протича по-бързо при условия, които улесняват реакцията химически или биологично. Те включват кисели или основни среди, повишени температури и ензими. В биологичните системи тази задача се изпълнява по-специално от протеазите и пептидазите. Те понижават бариерата на активиране и позволяват целенасочено разкъсване на определени места по пептидната верига. Дали връзките и структурата остават стабилни при условия на съхранение и експериментални условия може да се оцени чрез тест за целостта на пептида.

Биологичната полза е огромна: протеините могат да бъдат разграждани, преобразувани или рециклирани по контролиран начин, а при необходимост от по-дълги вериги могат да се образуват по-малки фрагменти. Ензимното разграждане на пептидните връзки също играе централна роля в храносмилането. От гледна точка на химическото разбиране най-важното е, че образуването и разграждането на връзките са неразделно свързани: пептидната връзка е достатъчно стабилна, за да поддържа подредени вериги, но при подходящи условия все пак може да бъде селективно достъпна отново.

Именно тази комбинация от стабилност и контролирана разкъсваемост превръща пептидната връзка в толкова важен градивен елемент на биохимията. Всеки, който иска да разбере peptides, полипептидите или протеините в контекста на изследванията Peptides , не може да пренебрегне нейното образуване, резонансните ѝ свойства и хидролизата ѝ.