Пептидний зв'язок і поліпептидний ланцюг

Карбоксильна група однієї амінокислоти та аміногрупа іншої, втрачаючи молекулу води, утворюють ковалентний зв’язок, який називається пептидним (рис. 3). Група атомів O−C’−N−H називається пептидною групою. Оскільки в утворенні зв’язку між мономерами беруть участь різні хімічні групи, поліпептидний ланцюг має напрям: його кінець, де залишається аміногрупа, називається N-кінцем, протилежний (карбоксильна група) – С-кінцем. Синтезуються поліпептидні ланцюги у напрямку N → С, у цьому ж напрямку представляються за умовчанням амінокислотні послідовності білків.

Рис. 3. Фрагмент поліпептидного ланцюга.

Дві властивості пептидної групи відіграють ключову роль в утворенні просторової структури білка:

1) Пептидна група є полярною − виступає одночасно донором і акцептором водневих зв’язків. Таким чином, остов поліпептидного ланцюга (пептидні групи та Сα-атоми, що чергуються), від якого відгалужуються полярні та неполярні бокові залишки (див. рис. 4), є полярним.

2) Одна з пар електронів, що відповідає зв’язку C’−О (зазвичай позначається як подвійний, як праворуч на рис. 3), насправді делокалізована також між атомами C’−N: пептидний зв’язок є напівподвійним, що унеможливлює обертання навкруг нього. Для більшості амінокислот реалізується більш вигідна трансконформація пептидного зв’язку: приєднані до пептидної групи Сα-атоми дивляться в різні боки (рис. .4). Єдине виключення − пептидий зв’язок перед Pro, приблизно 10 % таких зв’язків знаходяться в цис-конформації.

Рис. 4. Тетрапептид і приблизна діаграма Рамачандрана: синім кольором позначено заборонені, білим − дозволені для більшості амінокислотних залишків зони. Літери α і β позначають зони, які відповідають певним регулярним конформаціям.

Оскільки обертання навкруг пептидного зв’язку є неможливим, конформація поліпептидного ланцюга може змінюватись тільки за рахунок обертання навкруг суміжних до пептидної групи одинарних зв’язків (обертальні кути φ і ψ, рис. 4), а також обертання навкруг зв’язків у межах бокових залишків (χ₁, χ₂ .). Унаслідок стеричних обмежень не всі комбінації кутів обертання φ і ψ є можливими − для поліпептидного ланцюга реалізується обертально-ізомерний механізм гнучкості. Дозволені для більшості залишків зони конформаційного простору в координатах φ-ψ (діаграма Рамачандрана) показано на рис. 4. Діаграми Рамачандрана мають свої специфічні ознаки для окремих залишків. Особливо це проявляється, якщо ввести третю координату − вільну енергію для кожної пари обертальних кутів. Інакше кажучи, переважна (найбільш імовірна) локальна конформація ланцюга залежить від амінокислотної послідовності.