Полипептид — цепь аминокислот¶

Полипептид — линейная цепь аминокислот, соединённых между собой пептидными связями, образованная в результате биосинтеза на рибосомах. Термин «полипептид» обычно применяют к цепям, содержащим от нескольких десятков до нескольких сотен аминокислотных остатков; более короткие цепи (2–20 остатков) принято называть олигопептидами, а компактные функциональные полипептидные цепи с устойчивой третичной структурой — белками. В биохимии различие между «полипептидом» и «белком» во многом условно: белок может состоять из одной или нескольких полипептидных цепей, и именно сборка цепей в нативную структуру придаёт молекуле биологическую активность.

¶Строение полипептидной цепи

¶Пептидная связь

Основу полипептида составляет пептидная связь — амидная связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой следующей. Образование связи сопровождается отщеплением молекулы воды (реакция конденсации). Пептидная связь обладает частично двойным характером из-за сопряжения неподелённой пары электронов азота с карбонильной группой, что придаёт ей плоскую конфигурацию и ограничивает вращение вокруг неё. Вращение возможно вокруг связей Cα—CO и N—Cα, описываемых соответственно углами φ (phi) и ψ (psi); комбинации этих углов анализируются на диаграмме Рамачандрана.

¶Первичная структура

Первичной структурой полипептида называют последовательность аминокислотных остатков, заданную ДНК и записываемую от N-конца (свободной аминогруппы) к C-концу (свободной карбоксильной группе). Последовательность полностью определяет дальнейшую свёртку цепи. В природных полипептидах используются 20 стандартных аминокислот, кодируемых генетическим кодом; некоторые белки содержат дополнительно селеноцистеин и пирролизин.

¶Вторичная, третичная и четвертичная структуры

Вторичная структура — локальные упорядоченные конформации полипептидного скелета, стабилизированные водородными связями между амидными группами. Основные типы — α-спираль (правозакрученная спираль с 3,6 остатков на оборот) и β-лист (бета-структура из вытянутых участков, соединённых водородными связями). Третичная структура — общая трёхмерная форма одной полипептидной цепи, формируемая гидрофобным эффектом, водородными связями, ионными взаимодействиями, дисульфидными мостиками и ван-дер-ваальсовыми силами. Четвертичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) в мультицепном белке, например в гемоглобине (четыре субъединицы) или коллагене (три цепи).

¶Биосинтез полипептидов

Полипептидная цепь синтезируется на рибосомах по матрице иРНК в процессе трансляции. Каждая аминокислота доставляется соответствующей тРНК, а последовательность аминокислот определяется последовательностью триплетов (кодонов) иРНК. Синтез идёт от N- к C-концу; удлинение цепи происходит в три стадии: инициация, элонгация и терминация. У прокариот синтез может идти кинетически — несколько рибосом (полисома) одновременно читают одну иРНК. У эукариот первичный продукт часто подвергается посттрансляционным модификациям: отщеплению сигнальных пептидов, гликозилированию, фосфорилированию, ацетилированию, образованию дисульфидных связей.

¶Химический синтез

Помимо биосинтеза, полипептиды могут получать химически. Основной метод — твёрдофазный пептидный синтез, разработанный в 1960-х годах Брюсом Меррифилдом (Нобелевская премия по химии, 1984). Аминокислоты последовательно присоединяются к носителю с защитными группами, что позволяет собирать цепи заданной последовательности длиной до нескольких десятков остатков. Метод широко применяется для получения пептидных гормонов, вакцинных пептидов и диагностических реагентов.

¶Классификация полипептидов

По происхождению:

• Природные — продукты жизнедеятельности организмов: гормоны (инсулин, 51 аминокислотный остаток, состоит из двух цепей), глюкагон (29 остатков), вазопрессин (9 остатков), окситоцин (9 остатков), антибиотики (грамицидин S, тиротрицин).
• Синтетические — полученные химическим путём или рекомбинантными технологиями.

По функции:

• Структурные (коллаген, эластин, кератин).
• Ферменты (большинство ферментов — полипептидные цепи или их агрегаты).
• Транспортные (гемоглобин, миоглобин).
• Защитные (антитела, лизоцим, интерфероны).
• Регуляторные (пептидные гормоны, нейропептиды).

¶Значение в биохимии и медицине

Полипептиды играют ключевую роль в метаболизме: пептидные гормоны регулируют углеводный обмен, водно-солевой баланс, сокращение гладкой мускулатуры. Нейропептиды (эндорфины, субстанция P, нейротензин) участвуют в передаче нервных сигналов. Многие лекарственные средства являются полипептидами или их аналогами — инсулин, используемый для лечения сахарного диабета с 1920-х годов, стал первым крупным белковым препаратом, полученным генно-инженерным способом в начале 1980-х.

Полипептидные вакцины — направление, в котором работают российские исследователи: синтетические пептидные антигены используются при разработке средств против инфекционных заболеваний. Пептидные биорегуляторы, получаемые из органов и тканей животных, изучаются в Институте биорегуляции в Санкт-Петербурге.

¶Методы исследования

Для определения первичной структуры применяют автоматизированный эдмановский деградация (последовательное отщепление N-концевых остатков) и масс-спектрометрию. Пространственную структуру определяют рентгеноструктурным анализом кристаллов и ЯМР-спектроскопией в растворе; для крупных молекул используют криоэлектронную микроскопию. Вычислительное предсказание структуры по последовательности достигло высокой точности с развитием нейросетевых методов (программа AlphaFold, 2020).

¶История

Термин «полипептид» ввёл в 1902 году немецкий химик Франц Фишер, предложивший пептидную теорию строения белков и ввёвший понятие «пептидная связь». В 1901—1906 годах Фишер совместно с Эрнестом Форманеком синтезировал ряд дипептидов и полипептидов, доказав, что белки — это цепи аминокислот, связанных амидными связями. В 1953 году Фредерик Сэнгер определил полную последовательность инсулина, за что получил Нобелевскую премию по химии (1958).

История белка, Фредерик Сэнгер, определение первичной структуры инсулина, пептидная связь, α-спираль, твёрдофазный синтез пептидов, трансляция, нейропептиды, инсулин, диаграмма Рамачандрана, полисома, криоэлектронная микроскопия.