Пептиды
Историческая справка
Историческая справка
Номенклатура пептидов
Классификация пептидов
Примеры пептидов различного строения
Примеры пептидов различного строения
Особенности строения пептидной связи
Свойства пептидов
Химические свойства пептидов
Синтез пептидов
Регуляция кровяного давления:
Строение пантотеновой кислоты
Химический синтез пептидов
Защитные группы
Способы образования пептидной связи
Карбодиимидный метод:
Метод смешанных ангидридов:
Азидный метод:
Рацемизация при синтезе пептидов:
Методы деблокирования
Биологическая роль пептидов, группы пептидов:
484.90K
Категория: ХимияХимия

Пептиды. Номенклатура и классификация пептидов. Особенности строения пептидной связи. Физические и химические свойства пептидов

1. Пептиды

Номенклатура и классификация пептидов.
Особенности строения пептидной связи. Физические и
химические свойства пептидов. Изоэлекрическая
точка. Группы пептидов, биороль. Синтез пептидов.

2.

ПЕПТИДЫ – это природные или синтетические соединения, молекулы
которых построены из остатков α-аминокислот, соединенных между
собой пептидными (амидными) связями -C(O) NH-.
O
H2N CH C OH
R
O
H2N CH C NH CH COOH
H NH CH COOH
- H2O
R
R
R
пептидная связь
пептидные связи
O
O
O
H2N CH C NH CH C NH CH C NH CH COOH
R2
R4
R1
R3
С-конец
N-конец
тетрапептид
Могут содержать в молекуле также неаминокислотную
компоненту (например, остаток углевода, НК).
По числу аминокислотных остатков, входящих в молекулы
пептидов, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д.
Пептиды, содержащие до 10 аминокислотных остатков, называются
олигопептидами, содержащие более 10 аминокислотных остатков
полипептидами. Природные полипептиды с молекулярной массой более
6 000 Да называются белками.
Пептиды. Лекция
2
28.11.2018

3. Историческая справка

Впервые пептиды были выделены из ферментативных гидролизатов
белков.
Термин «пептиды» предложен Э. Фишером.
Первый синтетический пептид получил T. Курциус в 1881
Э. Фишер к 1905 разработал первый общий метод синтеза пептидов и
синтезировал ряд олигопептидов различного строения.
Существенный вклад в развитие химии пептидов внесли ученики Э.
Фишера: Э. Абдергальден, Г. Лейке и M. Бергман. В 1932 M Бергман и Л.
Зервас использовали в синтезе пептидов бензилоксикарбонильную
группу (карбобензоксигруппу) для защиты α-аминогрупп аминокислот,
что ознаменовало новый этап в развитии синтеза пептидов.
Полученные N-защищенные аминокислоты (Nкарбобензоксиаминокислоты) широко использовали для получения
различных пептидов, которые успешно применяли для изучения ряда
ключевых проблем химии и биохимии, например, для исследования
субстратной специфичности протеолитических ферментов. С
применением N-карбобензоксиаминокислот были впервые
синтезированы природные пептиды (глутатион, карнозин и др.).
Пептиды. Лекция
3
28.11.2018

4. Историческая справка

Важное достижение в этой области - разработанный в начале 50-х гг. P.
Воганом и др. синтез пептидов методом смешанных ангидридов.
В 1953 В. Дю Виньо синтезировал первый пептидный гормон - окситоцин.
На основе разработанной P. Меррифилдом в 1963 концепции
твердофазного пептидного синтеза были созданы автоматические
синтезаторы пептидов. Получили интенсивное развитие методы
контролируемого ферментативного синтеза пептидов. Использование
новых методов позволило осуществить синтез гормона инсулина и др.
Успехи синтетической химии пептидов были подготовлены
достижениями в области разработки таких методов разделения,
очистки и анализа пептидов, как ионообменная хроматография,
электрофорез на различных носителях, гель-фильтрация,
высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), иммунохимический анализ и др. Получили большое развитие также методы
анализа концевых групп и методы ступенчатого расщепления пептидов.
Были, в частности, созданы автоматические аминокислотные
анализаторы и автоматические приборы для определения первичной
структуры пептидов - секвенаторы.
Пептиды. Лекция
4
28.11.2018

5. Номенклатура пептидов

Аланилфенилаланилглицилсерин
NH2 CH CO NH CH CO NH CH2 CO NH CH COOH
CH2 C6H5
CH2 OH
CH3
Ala-Phe-Gly-Ser
Пептиды. Лекция
5
или
AFGS
28.11.2018

6. Классификация пептидов

Гомомерные пептиды при гидролизе образуют только аминокислоты, гетеромерные наряду с
аминокислотами соеденения 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 могут быть соединены между собой только пептидными связями (гомодетные
пептиды) или не только пептидными, а сложноэфирными, дисульфидными и др. (гетеродетные
пептиды). Гетеродетные пептиды со встроенными в цепь гидроксиаминокислотами называются
пептолидами. Пептиды, содержащие в молекуле остатки только одной аминокислоты, называются
гомополиаминокислотами, а содержащие одинаковые повторяющиеся участки (из одной или
нескольких аминокислотных остатков) регулярными пептидами. Депсипептиды содержат одну или
несколько сложноэфирных групп.
Пептиды. Лекция
6
28.11.2018

7. Примеры пептидов различного строения

Глутатион - трипептид γ-глутамилцистеинилглицин. Важность глутатиона в
клетке определяется его антиоксидантными свойствами. Фактически
глутатион не только защищает клетку от таких токсичных агентов, как
свободные радикалы, но и в целом определяет редокс-статус внутриклеточной
среды.
Glu-Cys-Gly
2 Glu-Cys-Gly
S
S
Glu-Cys-Gly
Карнозин (бета-аланил-L-гистидин) и ансерин (метилкарнозин) — дипептиды, состоящие из
остатков аминокислот бета-аланина и гистидина (метилгистидина). Обнаружены в высоких
концентрациях в мышцах и тканях мозга. Они увеличивают амплитуду мышечного
сокращения, предварительно сниженную утомлением.
CH3
Пептиды. Лекция
7
28.11.2018

8. Примеры пептидов различного строения

Tyr-Gly-Gly-Phe-Met
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
Met- энкефалин
Leu- энкефалин
Энкефалины – нейропептиды с морфиноподобным действием, вырабатываемые центральной нервной
системой позвоночных. Уменьшают двигательную активность, участвуют в обезболивании и др.
Являются олигопептидами – состоят из 5 аминокислот, образуются в результате посттрансляционного
преобразования полипротеина.
цикло-(D-Hyd-L-Ser)2
Мембранно-активный антибиотик серратомолид — тетрапептид с повторяющимися
остатками D-8-гидроксидекановой кислоты (D-Hyd) и L-серина является депсипепдом.
(D-Phe – L-Pro – L-Val – L-Orn – L-Leu)2
Пептиды. Лекция
Грамицидин S — антибиотик тиротрициновой группы. Продуцируется
споровой палочкой Bacillus brevis var. G.- B. В промышленности
получают синтетическим путём. Первый советский антибиотик, был
выделен Г. Ф. Гаузе и М. Г. Бражниковой в 1942 г. Cыграл важную роль в
спасении многих тысяч жизней на фронтах Великой Отечественной
войны
8
28.11.2018

9. Особенности строения пептидной связи

R
R
C NH
O
R1
C NH
R1
O
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).
Следствия:
к –NH- в –CONH- не может присоединятся или отщепляться Н при рН 0-14
свободное вращение вокруг связи С-N отсутствует
Пептиды. Лекция
9
28.11.2018

10. Свойства пептидов

Олигопептиды по свойствам близки к аминокислотам, полипептиды подобны
белкам. Олигопептиды представляют собой, как правило, кристаллические
вещества, разлагающиеся при t 200-300 0C. Пептиды хорошо растворимы в воде,
разбавленных кислотах и щелочах, почти не растворимы в органических
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.
+
NH
NH2
3
NH
3
CH3 CH
CO
CH3
NH
CH
COO-
pH > 7
+
+H
CH3 CH
CO
NH
CH3 CH
COOpH = 7
+ H+
CH3 CH
CO
NH
CH3 CH
COOH
pH < 7
Изоэлектрическая точка (рI) пептидов колеблется в широких пределах и зависит
от состава аминокислотных остатков в молекуле.
Основные 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.
Пептиды. Лекция
10
28.11.2018

11. Химические свойства пептидов

Химические свойства олигопептидов определяются содержащимися в них
функциональными группами, а также особенностями пептидной связи. Их
химические превращения в значительной мере аналогичны соответствующим
реакциям аминокислот. Они дают положитительную биуретовую реакцию и
нингидриновую реакцию.
NH2 CH CO NH CH COOH
CH3
CH3
1. CH3I, HCl
NH2 CH CO NH CH CO OCH3
2.NH3, - NH4Cl
CH3
CH3
аланилаланин
метиловый эфир аланилаланина
Дипептиды и их производные (особенно эфиры) легко циклизуются, превращаясь в
дикетопиперазины:
CH3
NH
O
NH2 CH CO NH CH COOH
CH3
CH3
- H2O
O
NH
CH3
аланилаланин
2,5 - диметилдикетопиперазин
Под действием 5,7 Н соляной кислоты пептиды гидролизуются до аминокислот в
течение 24 ч при 105 0C:
O
H2N CH C
R
NH CH COOH
R
+ H2O
O
H2N CH C OH
R
H NH CH COOH
R
пептидная связь
Пептиды. Лекция
11
28.11.2018

12. Синтез пептидов

В организме:
каскадные процессы
рибосомальный синтез
нерибосомальный синтез (пантотеновая к-та и
фосфопантотеин) – у микроорганизмов
Вне организма:
химический синтез
Пептиды. Лекция
12
28.11.2018

13. Регуляция кровяного давления:

1
2
3
4 5 6
7
8
9 10 11
Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe - His - Ley - Val - .....
Ангиотензиноген
Ренин
1
2
3
4 5 6
7
8
9 10
Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe - His - Ley
Ангиотензин - 1
Карбоксидипептидилпептидаза
АПФ
1
2
3
4 5 6
7
8
Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe
Ангиотензин - 2
Ангиотензин-2 — олигопептидный гормон, который вызывает вазоконстрикцию
(сужение сосудов), повышение кровяного давления и высвобождение другого гормона
альдостерона из коры надпочечеников в кровоток. Ангиотензин образуется из белкапредшественника ангиотензиногена, сывороточного глобулина, который продуцируется в
основном печенью. Ангиотензин играет важную роль в т. н. ренин-ангиотензиновой системе.
Пептиды. Лекция
13
28.11.2018

14. Строение пантотеновой кислоты

остаток -аланина
CH3
HOCH2 C CH OH
CH3
C NHCH2CH2COOH
O
остаток, синтезирующийся из валина
Пантотеновая кислота (Витамин B5) - белый мелкокристаллический порошок,
хорошо растворимый в воде. Она синтезируется растениями и микроорганизмами, содержится
во многих продуктах животного и растительного происхождения (яйцо, печень, мясо, рыба,
молоко, дрожжи, картофель, морковь, пшеница, яблоки). В кишечнике человека пантотеновая
кислота в небольших количествах продуцируется кишечной палочкой. Пантотеновая кислота универсальный витамин, в ней или её производных нуждаются человек, животные, растения и
микроорганизмы.
Пептиды. Лекция
14
28.11.2018

15. Химический синтез пептидов

N - конец
С - конец
Три аминокислотных остатка могут дать 6
трипептидов с различными
аминокислотами в составе,
четыре – 20 тетрапептидов,
двадцать – 1014 и т.д.
Ala - Val
NH2 CH COOH
CH3
Val - Ala
NH2 CH COOH
CH CH3
Ala - Ala
2
Val - Val
Стратегия химического синтеза пептидов:
1.
2.
3.
4.
Защита амино- и карбоксильной групп, не участвующих в образовании пептидной связи
Активация карбоксильной группы, участвующей в образовании пептидной связи
Образование пептидной связи
Снятие защиты
Карбоксильная
компонента
NH2 CH COOH
CH3
Аминная
компонента
NH2 CH COOH
CH CH3
1, 2
ZNH CH COX
CH3
NH2 CH CO NH CH COOH
CH3
2
3
NH2 CH COY
ZNH CH CO NH CH COY
CH3
CH3
CH CH3
4
4
2
NH2 CH CO NH CH COY
Пептиды. Лекция
2
4
1
CH CH3
CH CH3
CH CH3
2
2
ZNH CH CO NH CH COOH
15
CH3
CH CH3
2
28.11.2018

16. Защитные группы

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 других
функциональных групп в боковой цепи аминокислот).
Среди N-защитных групп наиболее важными являются ацильные 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
трет-бутоксикарбонильная 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 соответственно),
сложноэфирные группировки (для защиты карбоксилов в боковых цепях аспарагиновой и
глутаминовой к-т), а также алкильные и аралкильные группы (для защиты групп ОН и SH в боковых
цепях гидроксиаминокислот и цистеина соответственно).
Пептиды. Лекция
16
28.11.2018

17. Способы образования пептидной связи

Метод активированных эфиров:
основан на предварительном образовании сложноэфирного производного
карбоксильной компоненты путем введения в нее спиртового остатка, содержащего
сильный электроноакцепторный заместитель. В качестве активированных эфиров
широко используют пентафтор-, пентахлор-, трихлор- и n-нитрофениловые эфиры
защищенных аминокисот и пептидов;
Карбодиимидный метод:
предусматривает использование различных замещенных карбодиимидов, таких как
дициклогексилкарбодиимид (ДЦГ) : C6H11 N C N C6H11
Метод смешанных ангидридов:
основан на предварительной активации карбоксильной компоненты пептидного
синтеза путем образования смешанного ангидрида с карбоновой или
неорганической кислотой. Наиболее часто используют алкиловые эфиры
хлормуравьиной (хлоругольной) к-ты, особенно этиловый и изобутиловый эфиры:
C2H5 O C Cl
O
Азидный метод:
предусматривает активацию карбоксильной компоненты предварительным
превращением ее в азид N-замещенной аминокислоты или пептида.
Пептиды. Лекция
17
28.11.2018

18. Карбодиимидный метод:

Карбоксильная
компонента
ДЦГ
N C
XNH CH COOH
N
R
Аминокомпонента
XN H CH CO O
R
C
H2 N
N
HN
Дициклогексилизомочевина
Дипептид
XNH CH CO
R
CHR 1 COY
NH CH
NH C NH
COY
R1
O
Использование ДЦГ в качестве конденсирующего реагента позволяет
осуществлять синтез пептидов и в водных средах, т. к. скорости реакций гидролиза и
аминолиза промежуточно образующейся О-ацилизомочевины существенно различаются.
При синтезе пептидов этим методом находят также применение различные
водорастворимые карбодиимиды (например, N-диметиламинопропил-N'этилкарбодиимид).
Пептиды. Лекция
18
28.11.2018

19. Метод смешанных ангидридов:

Карбоксильная
компонента
XN H CH COOH
Этоксикарбохлорид
CH3 N
3
C2H5 O C Cl
R
O
15 0C,
CH3 NHCl
3
Аминокомпонента
XN H CH C
R
O
O C O C2H5
H2 N
CHR 1 COY
CO2
C2H5OH
O
Дипептид
XN H CH CO
R
NH CH
COY
R1
В одном из вариантов метода смешанных ангидридов в качестве конденсирующего
агента применяют 1-этоксикарбонил-2-этокси-1,2-дигидрохинолин. Это соеденение легко
образует с карбоксильной компонентой промежуточный смешанный ангидрид, быстро
вступающий в реакцию конденсации, причем полностью исключается нежелательная
побочная реакция.
Частный случай метода смешанных ангидридов - метод симметричных ангидридов,
в котором используют ангидриды аминокислот [XNHCH(R)C(O)]2O. Их применение исключает
возможность диспропорционирования или неправильного аминолиза.
Пептиды. Лекция
19
28.11.2018

20. Азидный метод:

Карбоксильная
компонента
Гидразин
XNH CH COOAlk
NH2 NH2
NaNO2 , H
XNH CH CO
R
NH NH2
R
Азид АК
XNH CH C
R
Аминокомпонента
H2 N
N N N
CHR 1 COY
O
Дипептид
XNH CH CO
R
NH CH
COY
N3H
R1
Ввиду нестойкости азидов их в свободном виде из раствора, как правило, не
выделяют. Если вместо нитритов щелочных металлов для реакции с гидразидом
использовать алкиловые эфиры азотистой кислоты (например, трет-бутилнитрит), то
азидную конденсацию можно проводить в органическом растворителе; образующуюся
HN3 связывают третичными аминами.
Нередко азидная конденсация осложняется нежелательными побочными
реакциями (превращение гидразида не в азид, а в амид; реакция гидразида с азидом,
ведущая к образованию 1,2-диацил-гидразина; промежуточное 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 групп.
Пептиды. Лекция
20
28.11.2018

21. Рацемизация при синтезе пептидов:

Дипептид
XNH CH CO
R
Енольная форма
NH CH
R1
COY
XNH CH CO
NH C
R1
R
C
Y
Рацемат
OH
Наиболее 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-концевы-ми остатками
пролина или глицина.
3) Использование азидного метода (при отсутствии избытка третичного основания
и поддержании низких температур в реакционной среде).
4) Применение активированных эфиров аминокислот, аминолиз которых протекает
через переходное состояние, стабилизирующееся водородными связями
(например, эфиров, образованных с N-гидроксипиперидином и 8гидроксихинолином).
5) Использование карбодиимидного метода с добавками N-гидроксисоеденений или
кислот Льюиса.
Пептиды. Лекция
21
28.11.2018

22. Методы деблокирования

Для превращения защищенных пептидов в свободные
используют специальные методы деблокирования, которые основаны на
реакциях, обеспечивающих отщепление различных защитных групп,
гарантирующих сохранение всех пептидных связей в молекуле.
Примеры деблокирования:
удаление бензилоксикарбонильной группы каталитическим гидрогенолизом при
атмосферном давлении и комнатной температуре:
C6H5
O
CH2 O C NH CH
R
H2/Pd
COOH
H2N CH COOH + CO2 + C6H5 CH3
R
отщепление трет-бутилоксикарбонильной группы мягким ацидолизом:
CF3COOH
CH3 3C O C NH CH CO
R
O
NH2
CH CO
CH3
C OH
3
CO2
R
гидролитическое отщепление трифторацетильной группы под действием
разбавленных растворов оснований:
CF3
C NH CH CO
O
Пептиды. Лекция
NaOH
NH2
CH CO
R
CF3 COONa
R
22
28.11.2018

23.

Твердофазный пептидный синтез:
ClCH2OCH3
P
CH2Cl
P
tBOCNHCHR1COOH
P
CH2Cl
HCl/CH3COOH
P
CH2 O CO CH NH
tBOC
R1
P
tBOCOH
C2H5
CH2 O CO CH NH3Cl
3N
R1
P
CH2 O CO CH NH2
tBOCNHCHR2COOH
R1
HBr/H2O
P
CH2 O CO CH NH CO CH NH
R1
P
CH2Br
tBOCOH
R2
HO CO CH NH CO CH NH3
R1
Пептиды. Лекция
tBOC
23
R2
28.11.2018

24. Биологическая роль пептидов, группы пептидов:

-гормоны (окситоцин, инсулин, и др.)
- регуляторы иммунитета (тафтсин: Thr—Lys—Pro—Arg)
-участвующие в пищеварении (гастрин)
- регулирующие тонус сосудов (ангиотензин-2, брадикинин)
- обезболивающие (энкефалины, эндорфины)
- регулирующие аппетит (лептин, нейропептид Y)
- участвующие в высшей нервной деятельности (сон, память,
страх и т.д.)
- токсины (токсины ос, пчел, амфибий, конусов)
- антибиотики (валиномицин, грамицидин S) и т.д.
Пептиды. Лекция
24
28.11.2018
English     Русский Правила