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肽键其实没那么简单2020-06-20

关键词:酰胺键、肽平面、酸碱稳定性

关键概念:共轭效应、诱导效应、亲核性、亲电性、路易斯酸碱、互变异构

我们经常用“脱水缩合”这个已经用烂的概念来概括肽的生物合成,相应的,我们用“肽键”来形容连接肽内两个氨基酸残基的相互作用。诚然,‘肽键’——连接两个α-氨基酸的-CONH-片段,这一概念精确的描述了多肽链合成的基本机制,与多肽链的方向。只将思维局限在“肽键”这一生物学概念显然不会有助于深入了解多肽、蛋白质各个方面的性质。

肽键

酰胺键

从有机化学的角度上,所有的‘肽键’都是酰胺键;所有的多肽都是“复杂改性后的聚酰胺”下面我将用简短的文字介绍酰胺键的化学性质,以及酰胺键的特殊化学性质给予多肽的‘特殊能力’。

酰胺键,顾名思义,可以理解成一个酰基碳与有机胺氮原子之间的共价相互作用。酰胺,即酰基化的胺,或胺亲核加成酰基碳的产物。

左,酰基;右,丙氨酰胺

由于N原子具有sp3孤对电子,酰基碳氧双键上的π电子会与N孤对电子形成共轭体系,从而使原本的C-N单键具有一部分双键的性质,同时-C-O-双键相应的削弱。共振理论将这种若隐若现的共轭体系描述为类似酮-烯醇互变异构的共振式。而这种酰胺键的共轭体系在生物化学上的具体体现即为“肽平面”。

上,酰胺键的互变异构;下,“增强的单键”与“削弱的双键”

在p电子-π电子共轭效应的作用下,羰基碳(Co),与羰基碳相连的碳原子(Cα1),与氮原子相连的碳(Cα2)和氮原子相连的氢原子共同构成了具有一定刚性的平面结构——肽平面,其结构类似于烯基碳碳双键。肽平面相对刚性的平面结构给予了多肽氨基酸残基之间空间结构变化的可能,通过改变肽平面之间的平面角,即可实现不同多肽的二级结构,α-螺旋与β-折叠。

肽平面

α-螺旋与β-折叠

正常情况下,胺因为N原子所具有的孤对电子因此具有路易斯碱性(路易斯酸碱理论认为,提供孤对电子的原子团即可定义为碱,不同于阿列尼乌斯碱和布朗斯特碱),通常情况下可以夺取水溶液中的质子使溶液呈碱性。而正常情况下酰基的烷基衍生物–酮,则因为羰基上-C-O-键所具有的诱导效应,羰基碳与α-C(羰基旁侧的碳)的电子流向电负性更强的氧原子,α-H的成键电子流向α-C,因此更易解离处质子,从而呈酸性。但酰胺键却不同于酮与胺,出奇的呈现近乎中性的酸碱特质。为什么呢?-C-O-键与N孤对电子形成的共轭效应具有电子结构的稳定效应——从而使N原子外层电子密度下降,进而导致路易斯碱性降低;而不一样的是,共轭效应使得α-C上电子密度升高,从而减缓了α-H质子化的进程。因此,酰胺键呈现近乎中性的酸碱特质,并且对于弱酸和弱碱环境具有较强的稳定性。我们日常使用最频繁的高分子材料——尼龙66,即1-氨基戊酸和1-氨基庚酸的高聚物,日常服装的主要高分子成分,在弱酸与弱碱下即呈现稳定性。同样的,只有在强酸与强碱作用下,多肽才会水解成为α-氨基酸,这种氨基酸制备方法被称为酸水解法与碱水解法。

聚酰胺尼龙66的形成

我方才提过,多肽其实是经过复杂改性的“聚酰胺”,而多肽却和真正的聚酰胺之间不仅存在一定的相似性,更存在较大的性质、结构的差异。相似性主要体现在两方面:首先酰胺键相对较高的强度决定了尼龙和多肽的化学稳定性:弱酸弱碱下很难水解,尤其是和羧酸酯化合物相比较而言;多肽中肽平面和酰胺键中类似的“酰胺平面”的存在保证了尼龙和多肽在形成立体结构时的“整齐划一”,避免无序——多肽通过形成结构专一的α-螺旋和β-折叠保证其稳定的二级结构,同样的,“酰胺平面”的存在使尼龙单分子链结构充满刚性,保证其物理性能。而不同点体现在结晶难易程度的不同,尼龙酰胺键含量越高,酰胺平面的存在使高分子体系各向异性升高;侧链极性基团引入越显著,增加了整个链的极性,有助于结晶现象的产生。而多肽(蛋白质)侧链R基所具有不同性质,不同R基的交叉排列使得在疏水力、亲水作用、极性的互相作用下,多肽链不会以“直链”的方式存在,而是形成复杂的二级结构(如α-螺旋与β-折叠),从而避免结晶。另外一个主要原因是多肽(蛋白质)外层富含的亲水基团易于水分子形成水化层,这便加速了蛋白质形成蛋白胶体的过程。

二十种常见氨基酸的侧链基团-R基表现出不同的极性、亲水性,改变了蛋白质外层水化层、内层折叠的结构从而使蛋白质已形成胶体。同时复杂的外层R基性质也使得蛋白质的结晶相比于聚酰胺困难得多。

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