Амінокислоти: будова, 20 протеїногенних і як утворюється пептидний зв'язок

Амінокислоти — це той рівень, з якого варто починати розуміння пептидів: не з назв молекул і не з таблиць чистоти, а з простої хімії. Чому та сама четвірка будівельних блоків у різному порядку дає різні речовини? Чому одні амінокислоти організм виробляє сам, а інші мусить отримувати з їжею? Розберемо будову, двадцятку протеїногенних і пептидний зв'язок — з нуля, без спрощень, які потім доводиться перевчувати.

Будова амінокислоти: чотири групи навколо одного атома

Класична амінокислота побудована навколо одного атома вуглецю, який називають альфа-вуглецем. До нього приєднані рівно чотири речі:

• Аміногрупа (-NH2) — азот із двома воднями, основний центр молекули.
• Карбоксильна група (-COOH) — кислотний центр.
• Атом водню — просто водень.
• Радикал R, він же бічний ланцюг — єдине, чим одна амінокислота відрізняється від іншої.

Звідси й назва: аміно- плюс кислота. У воді при фізіологічному pH обидві групи заряджені одночасно — аміногрупа приєднує протон і стає -NH3+, карбоксильна віддає й стає -COO−. Молекулу з двома протилежними зарядами та сумарним нулем називають цвіттеріоном.

Альфа-вуглець із чотирма різними замісниками — хіральний центр, тобто молекула існує у двох дзеркальних формах, L і D. У білках усіх живих організмів працює практично лише L-форма. Виняток серед двадцятки один: гліцин, у якого радикал — просто водень, тож дзеркальних варіантів у нього немає.

Двадцять протеїногенних амінокислот і їхні радикали

Протеїногенні — ті, що кодуються генетичним кодом і вбудовуються в ланцюг рибосомою. Їх двадцять. Класифікують за характером радикала, і ця класифікація пояснює поведінку майже будь-якого пептиду:

• Неполярні, гідрофобні: гліцин, аланін, валін, лейцин, ізолейцин, метіонін, пролін, фенілаланін, триптофан. Ховаються всередину молекули, подалі від води.
• Полярні незаряджені: серин, треонін, цистеїн, аспарагін, глутамін, тирозин. Утворюють водневі зв'язки.
• Кислі, із зарядом мінус: аспарагінова та глутамінова кислоти.
• Основні, із зарядом плюс: лізин, аргінін, гістидин.

Два радикали варто запам'ятати окремо. Цистеїн несе тіольну групу -SH: дві такі групи окиснюються й зшиваються в дисульфідний місток, що жорстко фіксує форму. Пролін — єдиний, чий бічний ланцюг замикається назад на власний азот у кільце; він жорсткий, ламає спіральні ділянки й ускладнює роботу ферментам, тому в коротких активних пептидах трапляється дуже часто.

Незамінні й замінні: що організм синтезує сам

Цей поділ стосується людського обміну, а не хімії. Замінні — ті, які тіло збирає з проміжних продуктів метаболізму. Незамінних для дорослої людини дев'ять: гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан і валін. Відповідних ферментних шляхів у нас немає, тож єдине джерело — їжа.

Є й проміжна категорія — умовно незамінні: аргінін, цистеїн, глутамін, гліцин, пролін і тирозин. У звичайних умовах організм їх виробляє, але за швидкого росту чи важкого стресу потреба перевищує власний синтез. Тирозин, наприклад, утворюється з фенілаланіну: бракує фенілаланіну — стає дефіцитним і тирозин.

Пептидний зв'язок: реакція з відщепленням води

Тепер головне. Карбоксильна група однієї амінокислоти реагує з аміногрупою іншої. Від -COOH відходить гідроксил -OH, від -NH2 — водень. Разом вони дають молекулу води, а між вуглецем і азотом залишається новий ковалентний зв'язок C-N. Це і є пептидний зв'язок, за хімічною природою амідний. Реакцію такого типу називають конденсацією, зворотну — гідролізом.

Наслідки, які варто знати:

• Кожна амінокислота в ланцюзі втратила воду, тому її називають не амінокислотою, а залишком. Маса залишку менша за масу вільної амінокислоти приблизно на 18 дальтонів.
• Ланцюг завжди має два різні кінці: вільну аміногрупу (N-кінець) і вільну карбоксильну (C-кінець). Послідовність записують від N до C.
• Через резонанс пептидний зв'язок частково має характер подвійного: обертання навколо нього обмежене, а сусідні атоми лежать в одній площині. Саме це задає геометрію всього ланцюга.

Як амінокислоти визначають властивості пептиду

Порядок залишків — це первинна структура. З неї випливає решта: окремі ділянки скручуються в альфа-спіраль або складаються в бета-структуру, потім увесь ланцюг згортається у тривимірну форму. Форма визначає, з якими рецепторами й білками молекула взагалі здатна взаємодіяти. Один замінений залишок може змінити згортання й позбавити молекулу активності.

Масштаб легко порахувати: для ланцюга з n залишків можливих послідовностей 20 у степені n. Для трипептиду це 8000 варіантів, для пептиду з 15 залишків — число з двадцятьма цифрами. Природа використовує з цього простору мізерну частку.

Реальні приклади. GHK-Cu — трипептид гліцил-L-гістидил-L-лізин, що утворює комплекс з міддю; він визнаний косметичний інгредієнт і широко використовується в догляді за шкірою. Епіталон — усього чотири залишки: аланін, глутамінова кислота, аспарагінова кислота, гліцин. Семакс — сім залишків, де до фрагмента природного пептиду добудовано стійкий хвіст пролін-гліцин-пролін. Різна довжина, різні радикали — принципово різні молекули.

Від амінокислот до готового пептиду в лабораторії

Пептиди синтезують твердофазним методом, який запропонував Роберт Меріфілд і за який отримав Нобелівську премію з хімії 1984 року. Логіка проста: перший залишок кріплять C-кінцем до нерозчинної полімерної смоли; його аміногрупа й реакційноздатні радикали закриті захисними групами, щоб зв'язок утворився саме там, де потрібно. Далі захист знімають, приєднують наступну амінокислоту з активованою карбоксильною групою — і цикл повторюють стільки разів, скільки залишків у послідовності. Наприкінці ланцюг відщеплюють від смоли й очищають.

Жоден цикл не йде на всі сто відсотків, тому в сирому продукті завжди є домішки — насамперед ланцюги з пропущеним залишком. Їх відділяють хроматографією, а результат перевіряють методами HPLC і мас-спектрометрії. Мас-спектрометрія працює саме на арифметиці залишків: сума їхніх мас плюс одна молекула води має збігтися з очікуваною. Тонкість у тому, що лейцин та ізолейцин мають однакову масу, а лізин і глутамін відрізняються на 0,036 дальтона — тому потрібен прилад з високою роздільною здатністю. Підсумок фіксують у сертифікаті аналізу COA, який Polar Peptides видає на кожну партію.

Знання радикалів має і побутове застосування. Метіонін окиснюється, аспарагін і глутамін схильні до дезамідування, а вільні цистеїни можуть зшитися неправильно — тому ліофілізований порошок зберігають у холоді й без світла, а розведений розчин має обмежений термін. Саме розведення завжди рахують у концентрації: скільки міліграмів речовини у флаконі й скільки мілілітрів бактеріостатичної води додано, тобто в мг/мл.

У каталозі Polar Peptides Україна для кожної позиції вказано послідовність або міжнародну назву — і саме послідовність, а не торгова назва, є справжнім описом молекули. Якщо ви тільки починаєте, логічний наступний крок — матеріал про те, що таке пептиди; після базової хімії амінокислот він читається зовсім інакше. Продукція Polar Peptides виготовляється в Канаді з чистотою 99%+.

Часті запитання

Що таке амінокислоти простими словами?

Амінокислоти — це органічні молекули, у яких на одному атомі вуглецю сходяться аміногрупа, карбоксильна група, водень і бічний радикал. Радикал у кожної свій, і саме він задає характер молекули: заряд, розчинність, здатність утворювати зв'язки. З'єднуючись між собою, амінокислоти утворюють ланцюги: короткі називають пептидами, довгі згорнуті — білками.

Скільки існує амінокислот?

Протеїногенних амінокислот двадцять — саме стільки кодує генетичний код і вбудовує рибосома. Додатково існують дві рідкісні, селеноцистеїн і піролізин, які вбудовуються за особливим механізмом. Загалом же в природі описано сотні амінокислот, що не входять до складу білків: орнітин, цитрулін, таурин та інші. У синтетичних пептидах іноді використовують неприродні залишки, зокрема D-форми, стійкіші до ферментів.

Як утворюється пептидний зв'язок?

Пептидний зв'язок утворюється, коли карбоксильна група однієї амінокислоти реагує з аміногрупою іншої, і при цьому відщеплюється молекула води. Від -COOH відходить гідроксил, від -NH2 — водень; між вуглецем і азотом залишається ковалентний зв'язок амідної природи. Таку реакцію називають конденсацією. Зворотний процес — гідроліз: вода вбудовується назад і розриває ланцюг.

Чим пептид відрізняється від білка?

Різниця між пептидом і білком — у довжині ланцюга, а не в хімії: зв'язок в обох випадках той самий пептидний. Умовно пептидами називають ланцюги приблизно до 50 амінокислотних залишків, довші — поліпептидами й білками. Білки, крім того, мають стабільну тривимірну структуру, тоді як короткі пептиди часто гнучкі й набувають визначеної форми лише при взаємодії з мішенню.

Які амінокислоти є незамінними для людини?

Незамінних амінокислот для дорослої людини дев'ять: гістидин, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, фенілаланін, треонін, триптофан і валін. Організм не має ферментів для їхнього синтезу, тому єдине джерело — їжа. Ще шість вважають умовно незамінними: аргінін, цистеїн, глутамін, гліцин, пролін і тирозин. Тіло їх виробляє, але за важкого стресу чи швидкого росту власного синтезу може не вистачати.

Чому послідовність амінокислот така важлива?

Послідовність визначає властивості молекули, бо саме з неї випливає її просторова форма. Порядок залишків — це первинна структура; з неї формуються спіралі та складки, а далі загальне згортання ланцюга. Форма ж вирішує, з якими рецепторами й білками молекула здатна зв'язатися. Тому Gly-His-Lys і Lys-His-Gly, за однакового складу, але різного порядку, — це дві різні речовини.

Чому пептиди руйнуються у шлунку?

Пептиди руйнуються у шлунку та кишечнику тому, що там працюють протеази — ферменти, які цілеспрямовано гідролізують пептидні зв'язки. Пепсин, трипсин і хімотрипсин розрізають ланцюг у певних позиціях, і далі всмоктуються здебільшого окремі амінокислоти та дуже короткі фрагменти. Саме тому стійкість до ферментного розщеплення — окреме завдання при проєктуванні пептидів, яке часто вирішують через пролінові вставки або неприродні залишки.

Матеріал має інформаційний характер. Усі продукти Polar Peptides призначені виключно для лабораторних досліджень і не для споживання людиною, медичного чи діагностичного застосування.