Пептиды, природные или синтетич. соед., молекулы которых построены из остатков a-аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями C(O) NH. Могут содержать в молекуле также неаминокислотную компоненту (напр., остаток углевода). По числу аминокислотных остатков, входящих в молекулы пептида, различают ди-пептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, наз. олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков полипептидами Прир полипептиды с мол. м. более 6 тыс. наз. белками
Историческая справка. Впервые пептиды были выделены из ферментативных гидролизатов белков. Термин "ПЕПТИДЫ" предложен Э. Фишером. Первый синтетический пептид получил T. Кур-циус в 1881 Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и синтезировал ряд олигопептидов разл. строения. Существ. вклад в развитие химии ПЕПТИДЫ внесли ученики Э. Фишера Э. Абдергальден, Г. Лейке и M. Бергман. В 1932 M Бергман и Л. Зервас использовали в синтезе ПЕПТИДЫ бензилоксикарбонильную группу (карбобензоксигруппу) для защиты a-аминогрупп аминокислот, что ознаменовало новый этап в развитии синтеза ПЕПТИДЫ Полученные N-защищенные аминокислоты (N-карбобензоксиаминокислоты) широко использовали для получения различных пептидов, которые успешно применяли для изучения ряда ключевых проблем химии и биохимии этих B-B, напр, для исследования субстратной специфичности протеолитич. ферментов. С применением N-карбобензоксиаминокислот были впервые синтезированы природные пептиды (глутатион, карнозин и др.). Важное достижение в этой области разработанный в нач. 50-х гг. P. Вога-ном и др. синтез ПЕПТИДЫ методом смешанных ангидридов (подробно методы синтеза пептидов рассмотрены ниже). В 1953 В. Дю Виньо синтезировал первый пептидный гормон -окси-тоцин. На основе разработанной P. Меррифилдом в 1963 концепции твердофазного пептидного синтеза были созданы автоматич. синтезаторы пептидов. Получили интенсивное развитие методы контролируемого ферментативного синтеза пептидов. Использование новых методов позволило осуществить синтез гормонаинсулина и др.
Успехи синтетич. химии пептидов были подготовлены достижениями в области разработки таких методов разделения, очистки и анализа пептидов, как ионообменная хроматография, электрофорез на разл. носителях, гель-фильтрация, высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), иммуно-хим. анализ и др. Получили большое развитие также методы анализа концевых групп и методы ступенчатого расщепления пептидов. Были, в частности, созданы автоматич. аминокислотные анализаторы и автоматич. приборы для определения первичной структуры пептидов - т.наз. секвенаторы.
Номенклатура пептидов Аминокислотный остаток пептидов, несущий своб. a-аминогруппу, наз. N-концевым, а несущий своб. a-карбоксильную группу - С-концевым. Название пептида образуется из назв. входящих в его состав аминокислотных остатков, перечисляемых последовательно, начиная с N-концевого. При этом используют тривиальные назв. аминокислот, в которых окончание "ин" заменяется на "ил"; исключение C-концевой остаток, назв. которого совпадает с назв. соответствующей аминокислоты. Все аминокислотные остатки, входящие в пептид, нумеруются, начиная с N-конца. Для записи первичной структуры пептида (аминокислотной последовательности) широко используют трехбуквенные и однобуквенные обозначения аминокислотных остатков (напр., Ala Ser -Asp Phe -GIy аланил-серил-аспарагил-фенилаланил-глицин).
Классификация пептидов Все пептиды делятся на гомомерные и гетеро-мерные. Гомомерные пептиды при гидролизе образуют только аминокислоты, гетеромерные наряду с аминокислотами соед. др. классов. В зависимости от структуры неаминокислотной компоненты, гетеромерные пептиды делятся на глико-, липо-, нуклео-, фосфопептиды и др. Гомомерные и гетеромерные пептиды могут быть линейными и циклическими. Аминокислотные остатки в них м.б. соединены между собой только пептидными связями (гомодетные пептиды) или не только пептидными сложноэфирными, дисульфидными и др. (гетеродетные пептиды). Гетеродетные пептиды с встроенными в цепь гидроксиаминокислотами наз. пептолидами. пептиды, содержащие в молекуле остатки только одной аминокислоты, наз. гомополиаминокислотами, а содержащие одинаковые повторяющиеся участки (из одной или неск. аминокислотных остатков) регулярными пептидами. Особую группу гетеромерных гетеро-детных пептидов образуют депсипептиды.
Строение. Пептидная связь имеет свойства частично двойной связи. Это проявляется в уменьшении длины этой связи (0,132 нм)по сравнению с длиной простой связи C N (0,147 нм). Частично двоесвязный характер пептидной связи делает невозможным своб. вращение заместителей вокруг нее. поэтому пептидная группировка является плоской и имеет обычно транс-конфигурацию (ф-ла I). T. обр., остов пептидной цепи представляет собой ряд жестких плоскостей с подвижным ("шарнирным") сочленением в месте, где расположены асимметрич. атомы С (в ф-ле I обозначены звездочкой).
В растворах пептидов наблюдается предпочтительное образование определенных конформе-ров. С удлинением цепи более выраженную устойчивость приобретают (аналогично белкам) упорядоченные элементы вторичной структуры (α-спираль и β-структура). Образование вторичной структуры особенно характерно для регулярных пептидов, в частности для полиаминокислот.
Свойства. Олигопептиды по свойствам близки к аминокислотам, полипептиды подобны белкам. Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллич. вещества, разлагающиеся при нагр. до 200 300 0C. Они хорошо раств. в воде, разб. кислотах и щелочах, почти не раств. в орг. растворителях. Исключение Олигопептиды, построенные из остатков гидрофобных аминокислот.
Олигопептиды обладают амфотерными свойствами и, в зависимости от кислотности среды, могут существовать в форме катионов, анионов или цвиттер-ионов. Осн. полосы поглощения в ИК спектре для группы NH 3300 и 3080 см-1, для группы C=O 1660 см-1. В УФ спектре полоса поглощения пептидной группы находится в области 180-230 нм. Изоэлектрич. точка (рI) пептидов колеблется в широких пределах и зависит от состава аминокислотных остатков в молекуле. Величины рКа пептидов составляют для а-СООН ок. 3, для a-NH2 ок. 8.
Хим. свойства олигопептидов определяются содержащимися в них функц. группами, а также особенностями пептидной связи. Их хим. превращения в значит. мере аналогичны соответствующим реакциям аминокислот. Они дают положит. биуретовую реакцию и нингидриновую реакцию. Дипептиды и их производные (особенно эфиры) легко циклизуются, превращаясь в дикетопиперазины. Под действием 5,7 н. соляной кислоты пептиды гидролизуются до аминокислот в течение 24ч при 105 0C.
Синтез. Хим. синтез пептидов заключается в создании пептидной связи между группой COOH одной аминокислоты и NH2 др. аминокислоты или пептида. В соответствии с этим различают карбоксильную и аминную компоненты реакции пептидного синтеза. Для проведения целенаправленного контролируемого синтеза пептидов необходима предварит. временная защита всех (или некоторых) функц. групп, которые не участвуют в образовании пептидной связи, а также предварит. активация одной из компонент пептидного синтеза. После окончания синтеза защитные группы удаляют. При получении биологически активных пептидов необходимое условие - предотвращение рацемизацииаминокислот на всех этапах пептидного синтеза.
Все защитные группы делят на N-защитные (для временной защиты группы NH2), С-защитные (для временной защиты карбоксильных групп COOH) и R-защитные (для временной защиты др. функц. групп в боковой цепи аминокислот H2NCHRCOOH).
Среди N-защитных групп наиб. важными являются ациль-ные защитные группы [в т.ч. типа ROC(O)], а также алкильные и аралкильные защитные группы. Примеры N-защитных групп типа ROC(O)-бензилоксикарбонильная группа (карбобензоксигруппа) C6H5CH2OCO и трет-бутокси-карбонильная группа (СН3)3СОСО. К ацильным N-защитным группам относят: формильную HCO, трифторацетильную CF3CO и др. Представители N-защитных групп алкильной и аралкильной природы - триметилсилильная (CH3)3Si и трифенилметильная (тритильная) (C6H 5)3С.
Среди С-защитных групп важнейшими являются сложно-эфирные и замещенные гидразидные группы. К первым относят, например, метокси-, этокси- и трет-бутоксигруппы. С-защитные группы гидразидного типа - бензилоксикарбонил-, трет-бутилоксикарбонил-, тритил- и фенил-гидразиды.
В качестве R-защитных групп широко используют ацильные группы, в т. ч. типа ROC(O) (для защиты аминогрупп и гуанидиногрупп в боковых цепях лизина и аргинина соотв.), сложноэфирные группировки (для защиты карбоксилов в боковых цепях аспарагиновой и глутаминовой кислот), а также алкильные и аралкильные группы (для защиты групп ОН и SH в боковых цепях гидроксиаминокислот и цистеина соотв.).
Наряду с указанными группировками, для защиты амино-, гуанидино- и карбоксигрупп в молекулах исходных аминокислот или пептидов широко используют реакции солеобразования. Разработаны также спец. приемы временной защиты при синтезе ПЕПТИДЫ тиоэфирной функции метионина, ими-дазольного кольца гистидина, амидных групп в боковых цепях аспарагина и глутамина, а также индольного кольца триптофана.
Наиб. важные способы образования пептидной связи при осуществлении реакции в растворе-методы активир. эфиров, карбодиимидный, смешанных ангидридов и азидный метод.
Метод активированных эфиров основан на предварит. образовании сложноэфирного производного карбоксильной компоненты путем введения в нее спиртового остатка, содержащего сильный электроноакцепторный заместитель. В результате образуется высокореакционноспособный эфир, легко подвергающийся аминолизу под действием аминокомпоненты пептидного синтеза. В качестве активир. эфиров при синтезе ПЕПТИДЫ широко используют пента-фтор-, пентахлор-, трихлор- и n-нитрофениловые и ряд др. эфиров защищенных аминокислот и пептидов.
Карбодиимидный метод образования пептидной связи предусматривает использование в качестве конденсирующих реагентов разл. замещенных карбодиимидов. Особенно широкое применение при синтезе пептидов получил дициклогексилкарбодиимид:
X и Y-соотв. N- и С-защитные группы С этим конденсирующим реагентом можно осуществлять синтез ПЕПТИДЫ и в водных средах, т. к. скорости реакций гидролиза и аминолиза промежуточно образующейся О-ацилизомочевины (II) существенно различаются. При синтезе ПЕПТИДЫ находят также применение разл. водорастворимые карбодиимиды (напр., N-диметиламинопропил-N'-этилкарбодиимид).
Метод смешанных ангидридов основан на предварит. активации карбоксильной компоненты пептидного синтеза путем образования смешанного ангидрида с карбоновой или неорг. кислотой. Наиб. часто используют алкиловые эфиры хлормуравьиной (хлоругольной) кислоты, особенно этиловый и изобутиловый эфиры, например:
При синтезе пептидов по этому методу весьма эффективны смешанные ангидриды N-ациламинокислот и пивалиновой (триметилуксусной) кислоты. Благодаря сильному положит. индуктивному эффекту трет-бутильной группы электрофильность карбоксильного атома С в остатке пивалиновой кислоты существенно снижена, и это, наряду со стерич. препятствиями, подавляет нежелат. побочную реакцию образования уретана и своб. N-ациламинокислоты, которая осуществляется по схеме:
В одном из вариантов метода смешанных ангидридов применяют в качестве конденсирующего агента 1-этоксикар-бонил-2-этокси-1,2-дигидрохинолин. Это соед. легко образует с карбоксильной компонентой пептидного синтеза про-межут. смешанный ангидрид, быстро вступающий в реакцию конденсации, причем полностью исключается нежелат. побочная реакция.
Частный случай метода смешанных ангидридов - метод симметрич. ангидридов, в котором используют ангидриды аминокислот [XNHCH(R)C(O)]2O. Их применение исключает возможность диспропорционирования или неправильного аминолиза.
Азидный метод синтеза предусматривает активацию карбоксильной компоненты предварительным превращением ее в азид N-замещенной аминокислоты или пептида:
Ввиду нестойкости азидов их в своб. виде из раствора, как правило, не выделяют. Если вместо нитритов щелочных металлов для реакции с гидразидом использовать алкиловые эфиры азотистой кислоты (напр., трет-бутилнитрит), то азидную конденсацию можно проводить в орг. растворителе; образующуюся HN3 связывают третичными аминами. Нередко азидная конденсация осложняется нежелат. побочными реакциями (превращ. гидразида не в азид, а в амид; реакция гидразида с азидом, ведущая к образованию 1,2-диацил-гидразина; промежут. образование изоцианата, который в результате перегруппировки Курциуса может приводить к производному мочевины или соответствующему уретану и др.). Преимущества азидного метода-малая степень рацемизации, возможность применения серина и треонина без защиты гидроксильных группептиды
Для превращ. защищенных пептидов в свободные используют спец. методы деблокирования, которые основаны на реакциях, обеспечивающих отщепление разл. защитных групп, гарантирующих сохранение всех пептидных связей в молекуле. Примеры деблокирования: удаление бензил оксикарбонильной группы каталитич. гидрогенолизом при атм. давлении и комнатной температуре, отщепление трет-бутилоксикарбонильной группы мягким ацидолизом, а также гидролитич. отщепление трифторацетильной группы под действием разб. растворов оснований.
При синтезе биологически активных пептидов важно, чтобы не происходила рацемизация, которая может осуществляться в результате обратимого отщепления H+ от a-атома С N-ациламинокислоты или пептида. Рацемизации способствуют основания и кислоты, высокая температура и полярные растворители. Решающую роль играет рацемизация, катализируемая основаниями, которая может протекать по т. наз. азалактоновому механизму или через енолизацию по схеме:
Наиб. важные способы исключения рацемизации: 1) наращивание пептидной цепи в направлении от С-конца к N-концу с применением N-защитных групп типа ROC(O). 2) Активация N-защищенных пептидных фрагментов с С-концевыми остатками пролина или глицина. 3) Использование азид-ного метода (при отсутствии избытка третичного основания и поддержании низких температур в реакц. среде). 4) Применение активированных эфиров аминокислот, аминолиз которых протекает через переходное состояние, стабилизир. водородными мостиками (напр., эфиров, образованных с N-гидроксипиперидином и 8-гидроксихинолином). 5) Использование карбодиимидного метода с добавками N-гидроксисоед. или кислот Льюиса.
Наряду с синтезом пептидов в растворах, важное значение имеет синтез пептидов с применением нерастворимых носителей. Он включает твердофазный синтез пептидов (реакция, или метод, Мэррифилда) и синтез пептидов с использованием полимерных реагентов.
Стратегия твердофазного пептидного синтеза предусматривает временное закрепление синтезируемой пептидной цепи на нерастворимом полимерном носителе и осуществляется по схеме:
Благодаря этому способу удалось заменить весьма сложные и трудоемкие процедуры разделения и очистки промежут. пептидов простыми операциями промывки и фильтрования, а также свести процесс пептидного синтеза к стандартной последовательности периодически повторяющихся процедур, легко поддающихся автоматизации. Метод Меррифилда позволил существенно ускорить процесс синтеза пептидов. На основе этой методологии созданы разл. типы автоматич. синтезаторов пептидов.
Соединение высокопроизводит. твердофазного синтеза пептидов с разделяющими способностями препаративной ВЭЖХ обеспечивает выход на качественно новый уровень хим. синтеза пептидов, что, в свою очередь, благотворно влияет на развитие разл. областей биохимии, мол. биологии, генной инженерии, биотехнологии, фармакологии и медицины.
Стратегия синтеза пептидов с применением полимерных реагентов предусматривает временное связывание с высокомол. носителем активир. карбоксильной компоненты или конденсирующего агента пептидного синтеза. Преимущество этого метода: закрепленные на полимере реагенты могут вводиться в избытке, а отделение синтезированных пептидов от нерастворимых полимеров не представляет затруднений.
Пример такого синтеза-пропускание аминокомпоненты в заданной последовательности через неск. колонок, в каждой из которых находится связанный с полимерным носителем активир. эфир определенной аминокислоты.
Наряду с линейными м. б. синтезированы циклические пептиды. При синтезе гомодетных циклических пептидов используют те же методы образования пептидных связей, что и при синтезе линейных пептидов. Для подавления побочной реакции линейной межмол. конденсациициклизацию ведут при высоком разбавлении.
Для синтеза гетеродетных циклических пептидов применяют реакции, обеспечивающие замыкание циклов путем образования новых дисульфидных или эфирных связей.
Частный случай синтеза пептидов - получение полиаминокислот и регулярных полипептидов, которое осуществляют поликонденсациейаминокислот или коротких пептидов. Если в поликонденсацию вовлекаются функц. группы боковых цепей аминокислот, образуются разветвленные ПЕПТИДЫ Для синтеза регулярных полипептидов наиб. часто применяют в качестве исходных соед. активир. эфиры коротких пептидов с незащищенной аминогруппой N-концевого аминокислотного остатка.
Все большее значение приобретают методы контролируемого ферментативного синтеза пептидов. Они основаны на способности протеолитич. ферментов в определенных условиях (подбор растворителя, рН и др.) катализировать синтез пептидной связи с большей скоростью, чем ее гидролиз (осн. функция этих ферментов).
Перспективно также осуществление синтеза пептидов на ДНК-матрице с использованием рибосом, находящихся вне живой клетки, а также методами генетической инженерии.
Некоторые пептиды - регуляторы иммунитета. К таким пептидам относят гормоны тимуса, тетрапептид тафтсин Thr—Lys—Pro—Arg (букв. обозначения см. в ст. Аминокислоты), являющийся фрагментом домена СН2 иммуноглобулина G, и пептидный антибиотик циклоспорин А, обладающий иммунодепрессивными свойствами. К пептидным антибиотикам относят также актиномицины и др. Важную роль в активном транспорте ионов через биол. мембраны играют ионофоры.
Среди пептидов известны вещества, обладающие высокой токсичностью,-токсины из яда пчел и ос, пептиды из бледной поганки (фаллоидин, аманитины и др.), нейротоксины из яда змей (см. Токсины). К биологически активным пептидам принадлежат анзерин, глутатион и карнозин, участвующие в биохим. реакциях в тканях животных, а также пептидные алкалоиды.
Некоторые пептиды обладают выраженными вкусовыми качествами, например аспартам слаще сахара в 200 раз.
Лит.: Гринштейн Дж., Виниц M., Химияаминокислот и пептидов, пер. с англ., M., 1965; Шредер Э., Любке К., Пептиды, пер. с англ., т. 1 2, M., 1967; Новые методы анализа аминокислот, пептидов и белков, пер. с англ., M., 1974; Дэвени Т., Гергей Я., Аминокислоты, пептиды и белки, пер. с англ., M., 1976; Пептиды, пер. с англ., M., 1983; Стюарт Дж., в кн.: Реакции на полимерных подложках в органическом синтезе, пер. с англ., M., 1983, с. 417 97; Ленинджер А., Основы биохимии, пер. с англ., т. 1 3, M., 1985; Якуб-ке X.-Д., Ешкайт X., Аминокислоты, пептиды, белки, пер. с нем., M., 1985.
