Пептидная связь: от аминокислоты до пространственной структуры

Чтобы понимать любые тексты про пептиды, достаточно разобраться с одной химической деталью. Все остальное - следствия.

Аминокислота как строительный блок

Каждая из двадцати стандартных протеиногенных аминокислот устроена одинаково: центральный атом углерода, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и боковой радикал. Различаются они только радикалом, и именно он задает характер остатка: гидрофобный или гидрофильный, заряженный или нейтральный, объемный или компактный.

Боковые радикалы - это алфавит. Последовательность, в которой они выстроены, определяет, во что молекула свернется и с каким рецептором сможет связаться.

Как образуется связь

Пептидная связь возникает при реакции конденсации: карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой другой, при этом отщепляется молекула воды. Получается амидная связь между углеродом и азотом.

Дальше начинается самое интересное. Электронная пара азота частично делокализована в сторону карбонильного кислорода, поэтому связь между углеродом и азотом приобретает частично двойной характер. Вращение вокруг нее сильно затруднено, и шесть атомов вокруг связи лежат практически в одной плоскости.

Две степени свободы

Свободное вращение сохраняется вокруг двух связей, примыкающих к альфа-углероду. Углы этого вращения обозначают греческими буквами фи и пси. Комбинация этих двух углов для каждого остатка полностью описывает геометрию основной цепи.

Не все комбинации возможны: объемные боковые радикалы сталкиваются друг с другом и запрещают целые области значений. Карта разрешенных сочетаний, построенная еще в начале шестидесятых годов, до сих пор используется для проверки корректности структурных моделей.

Уровни организации

Короткие пептиды в растворе обычно останавливаются на первом уровне и существуют как подвижный ансамбль конформаций. Это одновременно и слабость, и сила: связывание с мишенью хуже, зато молекула проще в синтезе и дешевле в производстве.

Почему пептиды так быстро разрушаются

Главная практическая проблема класса - короткий период полувыведения. Причин несколько, и они накладываются друг на друга.

• Протеазы. В крови и тканях работают ферменты, специально предназначенные для расщепления пептидных связей. Немодифицированная цепь может жить считанные минуты.
• Почечная фильтрация. Небольшая молекулярная масса означает быстрое выведение через почки.
• Барьер кишечника. При приеме внутрь молекула сначала встречает пепсин и трипсин, а затем, если уцелела, упирается в плохую проницаемость эпителия.

Фармацевтическая химия давно научилась это обходить. Вводят неприродные аминокислоты, которые протеазы не узнают, замыкают цепь в кольцо, присоединяют жирнокислотный остаток для связывания с альбумином, ставят полиэтиленгликолевые хвосты. Каждая такая модификация - отдельная инженерная задача, и именно на ней держится разница между лабораторной молекулой и работающим лекарством.

Как пептиды получают

Твердофазный синтез, предложенный Робертом Меррифилдом в 1963 году, перевернул область. Растущая цепь закрепляется на нерастворимой полимерной подложке, а реагенты просто пропускаются через колонку и смываются на каждом шаге. Это позволило автоматизировать процесс и собрать то, что раньше требовало месяцев работы.

Метод имеет предел: с ростом длины падает выход, поскольку ошибки накапливаются на каждом цикле. Поэтому длинные цепи и полноценные белки чаще получают рекомбинантно, встраивая ген в бактерию или дрожжи и заставляя клетку производить молекулу самостоятельно.