Пептиды: пептидная связь и синтез

Пептидная связь

Пептидная связь — это амидная связь (урок 263) между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Как и в любом амиде, неподелённая пара атома азота сопряжена с карбонильной группой. От этого сопряжения зависят и форма белковой цепи, и устойчивость пептидной связи к гидролизу.

Как описать пептид

1. Опишите геометрию: атом азота отдаёт неподелённую пару карбонильной группе, и связь C–N становится частично двойной (1,32 Å против 1,47 Å у одинарной связи). Поэтому фрагмент –CO–NH– плоский, а вращение вокруг связи C–N затруднено.
2. Запишите пептид от N-конца к C-концу: слева остаток со свободной группой \(\ce{NH3+}\), справа — остаток со свободной группой \(\ce{COO-}\).
3. Назовите пептид: все остатки, кроме последнего, получают суффикс «-ил», а последний сохраняет название аминокислоты. Так, Gly-Ala — глицилаланин.
4. Посчитайте число возможных последовательностей: из n разных аминокислот, взятых по одному разу, можно составить n! пептидов. Если аминокислоты повторяются, n! делят на факториалы чисел повторов.
5. Учтите дисульфидные мостики: два остатка цистеина окисляются в дисульфид –S–S– (цистин), а тиолы, например 2-меркаптоэтанол, восстанавливают его обратно.

Примеры

1. Ala-Gly и Gly-Ala. Дипептиды Ala-Gly \(\ce{H2NCH(CH3)CONHCH2COOH}\) и Gly-Ala \(\ce{H2NCH2CONHCH(CH3)COOH}\) — разные вещества: у первого N-концевой остаток — аланин, а у второго — глицин.

2. Трипептиды из трёх аминокислот. Из аланина, глицина и серина, взятых по одному разу, можно составить \(3! = 6\) трипептидов: Ala-Gly-Ser, Ala-Ser-Gly, Gly-Ala-Ser, Gly-Ser-Ala, Ser-Ala-Gly и Ser-Gly-Ala.

3. Аспартам. Подсластитель аспартам \(\ce{C14H18N2O5}\) (рисунок во вводной части темы) — метиловый эфир дипептида Asp-Phe, то есть L-аспартил-L-фенилаланина; он примерно в 200 раз слаще сахарозы.

Синтез пептида

Если просто нагреть смесь двух аминокислот с конденсирующим реагентом, они соединятся во всех возможных сочетаниях. Чтобы получить один пептид с заданным порядком остатков, у каждой аминокислоты закрывают лишнюю функциональную группу (защитные группы аминов — урок 311), а карбоксильную группу, которая должна образовать амидную связь, активируют.

Как синтезировать дипептид

1. Защитите аминогруппу N-концевой аминокислоты: трет-бутоксикарбонильной группой Boc (реагент \(\ce{Boc2O}\)), бензилоксикарбонильной группой Cbz (реагент CbzCl) или группой Fmoc.
2. Защитите карбоксильную группу второй аминокислоты в виде метилового, бензилового или трет-бутилового эфира.
3. Активируйте свободную карбоксильную группу и проведите конденсацию: с дициклогексилкарбодиимидом (DCC) и добавкой HOBt, через активированный эфир (п-нитрофениловый, пентафторфениловый), смешанный ангидрид (с \(\ce{ClCOOEt}\)) или азид.
4. Снимите защитные группы в условиях, которые не затрагивают пептидную связь. Группу Boc и трет-бутиловые эфиры снимают трифторуксусной кислотой, группу Cbz и бензиловые эфиры — водородом на палладии, группу Fmoc — пиперидином.
5. Длинные пептиды получают твердофазным синтезом Меррифилда: C-концевую аминокислоту пришивают к полимерной смоле и наращивают цепь к N-концу циклами «снятие защиты — присоединение»; избыток реагентов после каждой стадии просто отмывают.

Примеры

1. Ala-Gly (рисунок выше). Boc-аланин конденсируют с бензиловым эфиром глицина в присутствии DCC. Затем трифторуксусная кислота удаляет группу Boc, а водород на палладии — бензильную группу, и получается Ala-Gly; побочные продукты — дициклогексилмочевина, \(\ce{CO2}\), изобутен и толуол.

2. Наращивание цепи. Если снять с Boc-Ala-Gly-OBn только группу Boc трифторуксусной кислотой \(\ce{CF3COOH}\) (бензиловый эфир при этом сохраняется), к освободившейся аминогруппе можно присоединить следующий остаток, например Boc-Leu с DCC. После снятия обеих защит получается трипептид Leu-Ala-Gly: цепь растёт от C-конца к N-концу, как в синтезе Меррифилда.