Пептиди, протеини и аминокиселини: основните разлики

Аминокиселините са основните молекулни единици, от които се образуват пептидите и протеините. Пептидите са вериги от аминокиселинни остатъци, свързани предимно чрез пептидни връзки, докато протеините се състоят от една или няколко полипептидни вериги, чиято последователност, структура, взаимни взаимодействия, биологично преработване и функционален контекст определят тяхната идентичност. Всички тези групи са химически свързани помежду си, но тези понятия не могат да се използват взаимозаменяемо.

Разликата между свободна аминокиселина и пептид е сравнително лесна за определяне: свързването на аминокиселините чрез пептидни съединения води до образуването на ново молекула с определена последователност и начин на свързване на атомите. Границата между разликата между пептида и белтъка е значително по-неясна.

Дължината на веригата е полезен ориентировъчен критерий. В учебните материали или в някои системи за класификация може да се срещне, например, условна граница от около 50 аминокиселинни остатъка. В научната литература обаче не се използва един универсален праг. Верига, състояща се от десет остатъка, е описана като мини-протеин, структурно организираното молекула, състоящо се от 29 остатъка, е определено като полипептид, а някои протеини могат да се намират в значително хаотично състояние, вместо да приемат една устойчива, компактна структура. [1] [2] [3]

Тези примери илюстрират един важен принцип: Дължината на последователността предоставя важна информация, но сама по себе си не е достатъчна за еднозначното класифициране на всяка аминокиселинна верига.

За да се разграничат по-добре пептиди, полипептиди и протеини, е добре да се вземат предвид няколко характеристики едновременно:

• броя на аминокиселинните остатъци;
• последователността им;
• дали молекулата е линейна, циклична, разклонена или многоверижна;
• вид на ковалентните връзки;
• структура, потвърдена експериментално;
• посттранслационни или химически модификации;
• начинът на биологичното преработване на молекулата;
• терминологията, приета за конкретното молекула в научната литература.

В тази статия обясняваме как аминокиселините, пептидите, полипептидите и протеините са свързани помежду си, как дължината на веригата влияе върху използваната терминология, по какъв начин пептидните връзки образуват вериги и защо познаването на последователност, молекулярна архитектура и експериментално потвърдени свойства е по-информативна от самото наименование на категорията.

С какво се различават аминокиселините, пептидите и протеините?

Аминокиселините са единични градивни елементи

Типичен алфа-аминокиселина съдържа централен въглероден атом, свързан с аминогрупа, карбоксилна група, водороден атом и променлива странична верига.

Именно страничната верига е това, което отличава една аминокиселина от друга.

При условията, характерни за много биологични среди, аминогрупите и карбоксилните групи често се срещат в заредени форми. Популярната неутрална структурна формула, използвана в основната химия, е следователно полезен начин за представяне на аминокиселината, но не е задължително да отразява нейното преобладаващо йонно състояние във всички биологични условия.

Страничните вериги на отделните аминокиселини се различават, наред с другото, по:

• по размер;
• електричен заряд;
• полярност;
• хидрофобност;
• способността да образува водородни връзки;
• пространствени характеристики;
• химична реактивност.

Например глицинът има като странична верига един водороден атом, поради което е по-малък по размер от останалите стандартни аминокиселини. Цистеинът, от друга страна, съдържа странична верига със сярен атом, който може да участва в образуването на дисулфидни мостове.

Другите аминокиселини могат да съдържат ароматни, киселинни, основни, полярни или предимно неполярни странични вериги.

Тези разлики помагат да се разбере защо заместването на една аминокиселина с друга може да промени свойствата на пептида или протеина. Скелетът на молекулата може да продължи да бъде свързан чрез същия вид пептидни връзки, но се променят химичните свойства, произтичащи от наличието на конкретни странични вериги.

Аминокиселината може също така да се среща и да участва в метаболизма независимо от пептида или протеина.

Свободните аминокиселини са отделни молекули.

След включването им в пептидната или протеиновата верига отделните единици се определят по-точно като аминокиселинни остатъци.

В ежедневния език твърдението, че протеинът е „верига от аминокиселини”, е разбираемо. От гледна точка на структурната химия обаче по-точно е определението „верига от аминокиселинни остатъци”, тъй като включването на аминокиселина във веригата променя нейния химичен контекст.

Пептидите съдържат аминокиселини, свързани с пептидни връзки

В типичната пептидна верига въглеродният атом на карбонилната група, произхождаща от карбоксилната група на една оста, се свързва с азотния атом, свързан със следващата оста.

Тази ковалентна амидна връзка се нарича пептидна връзка.

Съединяването на двете части води до образуването на дипептид.

Останалите три образуват трипептид.

Четири образуват тетрапептид, а по-нататъшното удължаване на веригата води до образуването на все по-дълги пептиди и полипептиди, основани на един и същ общ тип химичен скелет.

Образуващата се молекула е нещо повече от просто съвкупност от съставните ѝ части.

Сместа, съдържаща отделни молекули глицин и аланин, се различава химически от дипептида глицилоаланин.

Свързаното молекула има:

• определена последователност;
• определени ковалентни връзки;
• определени крайни групи;
• собствена молекулна маса;
• възможни конформации;
• химични свойства, различни от свойствата на отделните аминокиселини.

Обръщането на реда води до възникването на аланилоглицини.

Глицилоаланинът и аланилоглицинът съдържат едни и същи видове аминокиселини, но имат различна последователност.

Този прост пример илюстрира един от основните принципи на пептидната химия:

Аминокиселинният състав не е същото като аминокиселинната последователност.

Пептидните връзки също притежават характерни структурни свойства. Тяхната електронна конфигурация ограничава въртенето около въглерод-азотната връзка в скелета, докато съседните връзки осигуряват значителна част от конформационната еластичност на веригата.

Експерименталните и изчислителните изследвания показват, че пептидната група е приблизително плоска, макар че са възможни незначителни отклонения от идеалната плоскост. [4]

Протеините съдържат една или повече полипептидни вериги

Белтъкът обикновено се разбира като биологична макромолекула, съставена от една или няколко полипептидни вериги.

Тези вериги могат да образуват:

• плътни глобулярни структури;
• удължени структури;
• мембранни структури;
• гъвкави региони;
• региони с вътрешна неорганизираност;
• комплекси, състоящи се от няколко вериги;
• комбинации от различни конструктивни елементи.

Някои протеини съдържат също така свързани с тях въглехидрати, липиди, метални йони, протетични групи, ковалентни модификации или други свързани с тях съставки.

Определянето на дадено молекула като „белтък“ обикновено предоставя повече информация, отколкото самото констатиране на наличието на пептидни връзки.

Този термин поставя молекулата в по-широк в структурен и биологичен контекст.

Това обаче не означава, че всяка молекула, определяна като протеин, трябва да притежава:

• определена минимална дължина;
• една трайно твърда структура;
• само една полипептидна верига;
• ензимна активност;
• един конкретен вид биологична функция.

Добър пример за това е протеинът KISS1.

Изследователите са използвали, наред с другото, ядрен магнитен резонанс и малък ъгъл на разсейване на рентгенови лъчи, за да опишат KISS1 като вътрешно неорганизирано протеиново съединение, което е малко по-издължено от типичния статистически полимерен кълбо. Следователно класифицирането му като белтък не зависи от наличието на една компактна и устойчива структура. [3]

Аминокиселини, пептиди и протеини – сравнение

Таблицата представя общоприетите различия и не установява една единствена формална граница, валидна за всички частици.

Примерите за къси, подредени молекули и вътрешнонеподредени протеини показват къде опростените дефиниции изискват допълнително обяснение. [1] [2] [3]

Какъв полимер се получава от аминокиселини?

Когато множество аминокиселинни остатъци се свържат чрез повтарящ се скелет, съдържащ пептидни връзки, се образува полипептид.

Един протеин може да съдържа една полипептидна верига или няколко вериги, свързани в по-голяма структура.

Тези понятия подчертават следователно малко по-различни характеристики:

полипептид се отнася преди всичко до химичния състав на веригата;

протеин обикновено описва цялостна биологична молекула или молекулен комплекс.

Това разграничение е полезно при четенето на научни публикации.

В една статия авторите могат да опишат синтеза на полипептид, преди да определят неговата пространствена структура или биологична активност. В друга статия могат да анализират протеин, състоящ се от няколко полипептидни вериги.

В нито един от тези случаи това не означава промяна в основния химичен състав на аминокиселините.

В проучването, в което се сравнява бактериалната експресия със синтеза на пептиди в твърда фаза, бяха анализирани пептиди с дължина 20–40 оста „полипептиди и минипротеини”. Използваната терминология показва, че тези термини могат частично да се припокриват в зависимост от дължината, структурните свойства и научния контекст. [5]

Дължината на веригата и класификацията

Какво означават термините „дипептид“, „трипептид“, „олигопептид“ и „полипептид“?

Дипептид съдържа две аминокиселинни остатъци.

Трипептид съдържа три.

По същия начин тетрапептидът и пентапептидът съдържат съответно четири и пет оста.

Тези наименования позволяват точно да се определи броят на остатъците, ако се отнасят към цялата анализирана верига.

Олигопептид обикновено означава сравнително къса верига.

Полипептид подчертава наличието на много аминокиселинни остатъци в една верига и често, макар и не винаги, се използва по отношение на по-дълги последователности.

Числените граници между термини като олигопептид, пептид и полипептид варират в зависимост от научната дисциплина и публикацията.

Ето защо действителната последователност или посоченият от авторите брой остатъци е по-надежден, отколкото предположението, че всички изследователи използват една и съща конвенция.

В типична неразклонена, линейна верига, съдържаща накрая се среща:

n − 1 пептидни връзки в скелета.

Следователно трипептидът съдържа три остатъка, но две пептидни връзки.

Отворената верига, състояща се от десет остатъка, има девет такива връзки.

Тази зависимост се отнася за единична отворена верига.

Цикличният пептид, затворен чрез свързване на N- и C-края, има допълнителна връзка, която затваря скелета, поради което при n остатъка съдържа n пептидни връзки в скелета.

Връзките между страничните вериги трябва да се анализират поотделно.

Дали 50 аминокиселини представляват границата между пептида и протеина?

Дължина около 50 аминокиселинни остатъка се използва като практична образователна конвенция, която позволява да се разграничат пептидите от протеините.

Това обаче не е универсален химичен закон.

Преходът от 50 към 51 остатъка не води до никаква внезапна химична промяна, която автоматично да превърне пептида в протеин.

Отделните научни области използват тези понятия по малко по-различен начин, а някои молекули запазват исторически установените си наименования, които не съответстват на проста числова граница.

Добър пример за това е CLN025.

CLN025 съдържа едва десет остатъка, но въпреки това изследователите го определиха като мини-протеин и анализираха неговата бета-hairpin структура чрез спектроскопия и молекулярна динамика. Малката му дължина не му попречи да приеме подредена конформация при изследваните условия. [1]

Това не означава, че всеки пептид, състоящ се от десет остатъка, трябва да се нарича протеин.

Това обаче показва защо прекалено категоричните твърдения, като например:

„Всеки протеин съдържа повече от 50 аминокиселини”

или

„Всяка верига, по-къса от 50 аминокиселини, е хаотичен пептид”

са прекалено голямо опростяване.

По-прецизен подход е да се разглежда броят на остатъците като една от няколкото характеристики, описващи молекулата.

Кратък пептид може да се нарича също полипептид

Друг добър пример е калата B1.

В първоначалното структурно изследване това растително молекула с 29 оста е описана като полипептид, беше потвърдена нейната циклична структура и беше изследвана нейната триизмерна структура. [2]

Така че тя обединява:

• сравнително кратка последователност;
• циклична архитектура на скелета;
• допълнителни ковалентни ограничения;
• подредена пространствена структура.

Следователно терминът „полипептид“ не означава непременно много голямо молекула.

В зависимост от контекста това може просто да подчертава, че анализираната молекула представлява верига от аминокиселинни остатъци.

Ето защо при тълкуването на научната литература е добре да се проверят действителната последователност, броят на остатъците, молекулярната архитектура и експерименталните резултати, вместо да се придава допълнително значение единствено на използваното наименование.

Броят на остатъците и молекулното тегло са две различни величини

Броят на остатъците определя, колко аминокиселинни единици се съдържат в молекулата.

Молекулното тегло, от друга страна, описва масата на цялата молекула на молекулярно ниво.

Тези величини са свързани помежду си, но не са равностойни.

Отделните аминокиселинни остатъци имат различна маса. Две вериги, съдържащи един и същ брой остатъци, могат следователно да имат различна молекулна маса, ако се различават по последователността си.

Химичните модификации също могат да повлияят на масата.

Прибавянето на въглехидрат, липид, фосфатна група, крайна модификация или друг компонент може да увеличи масата на молекулата, без да се увеличи броят на аминокиселините в нейния скелет.

Освен това белтъкът може да се състои от няколко вериги.

Общият брой на остатъците в цялото протеин може следователно да се различава от дължината на всяка отделна верига.

Точното научно описание трябва да уточнява дали посочената стойност се отнася за:

• дължината на една верига;
• общият брой остатъци в комплекса;
• молекулно тегло на единична верига;
• масата на целия молекулен комплекс.

Нито един от тези параметри сам по себе си не определя биологичната активност, нито качеството на доказателствата за декларираното действие на молекулата.

Трябва да се вземе предвид действителната молекулна форма, която е предмет на анализа

Прекурсорът и неговите продукти на преработка не трябва автоматично да се разглеждат като една и съща молекулярна последователност.

Например проинсулин се преработва чрез междинни форми в инсулин и пептид С.

Аналитичният преглед на продуктите на конверсията на проинсулина показва защо разграничаването на тези форми е от значение при интерпретирането на резултатите от измерванията. [6]

Изследванията на ензима, присъстващ в инсулиноотделящите зърна, показаха освен това селективно отстраняване на алкални остатъци от субстрати, произхождащи от проинсулина, без последващо разграждане на зрялата инсулина в използвания тест. [7]

Това беше експеримент, свързан с биохимичната преработка, а не доказателство, че всички пептиди се разграждат по един и същ начин.

Ако в публикацията се посочват дължината, масата, концентрацията или активността на пептида, е добре да се установи дали измерваната стойност се отнася за:

• прекурсор;
• непряка форма;
• зрял пептид;
• фрагмент, образувал се в резултат на разцепване;
• една верига от многоверижна молекула;
• на целия молекулен комплекс.

Без такова разграничение две научно правилни описания могат на пръв поглед да си противоречат, макар че всъщност се отнасят до различни форми на едно и също или свързано между си молекула.

Структура, нагъване и биологична функция

Първична структура: всичко започва от последователността

Първичната структура означава аминокиселинната последователност, а в по-пълното химично описание – и съответните ковалентни връзки.

Видът и последователността на остатъците определят кои странични вериги са налични и в кои части на скелета се намират.

Следователно последователността не може да се приравнява на състава.

Две вериги могат да съдържат точно същите видове и брой аминокиселини, но в същото време те да са подредени в различен ред.

Промяната в реда може да повлияе, наред с другото, на:

• разположение на товара;
• разположението на хидрофобните области;
• местна гъвкавост;
• възможни конфигурации на водородните връзки;
• тенденция към образуване на определени вторични структури;
• разпознаване от други молекули;
• биологична активност.

Следователно пълната последователност съдържа значително повече информация, отколкото обикновеният списък с аминокиселините, присъстващи в молекулата.

Промените в аминокиселинната последователност могат също така да повлияят на връзката между свързването на молекулата и биологичния отговор.

В проучването на растителния сигнализиращ пептид системини Беше доказано, че различните участъци от последователността участват по различен начин в свързването с рецептора и неговата активация. Цялото молекула и по-късите му фрагменти не бяха функционално еквивалентни. [8]

Вторична, третична и четвъртична структура

Вторична структура описва повтарящи се локални структури на скелета, като алфа-спирали и бета-листи.

На тяхното образуване допринасят, наред с другото, подредените системи от водородни връзки в скелета.

Те обаче не се образуват чрез заместване на пептидните връзки, отговорни за първичната структура.

Третична структура описва по-широката, триизмерна структура на единична полипептидна верига.

Четвъртична структура се отнася до начина, по който няколко полипептидни вериги са организирани в по-голям молекулен комплекс.

Следователно белтъкът, съставен от една верига, не е задължително да притежава четвъртична структура.

По същия начин един къс пептид не е необходимо да притежава всички нива на структурна организация, за да има определени биологични свойства.

Към организирането на молекулната структура могат да допринесат, наред с другото:

• водородни връзки;
• електростатични въздействия;
• ван дер Ваалсови сили;
• хидрофобен ефект;
• ароматични ефекти;
• координацията на металните йони в някои молекули;
• ковалентни напречни връзки, като например дисулфидни мостове.

Дисулфидните мостове, ако има такива, свързват атомите на сярата, произхождащи от остатъците на цистеина.

Те се различават химически от пептидните връзки, които образуват скелета на веригата.

Изследвания в областта на синтеза биволски панкреатичен инхибитор на трипсина (BPTI) добре илюстрират разликата между изграждането на веригата и постигането на нейната правилно нагъната и активна форма.

Изследователите синтезираха химически линейна последователност, след което проведоха процес на окисляване и сгъване, като получиха материал, съответстващ на естествения протеин според описаните структурни и функционални анализи. [9]

Могат ли пептидите да имат стабилна триизмерна структура?

Да.

Кратката верига не означава непременно, че молекулата няма подредена структура.

CLN025 образуваше бета-hairpin структура в изследваните среди, докато цикличният калат B1 показваше подредена архитектура, въпреки наличието на едва 29 остатъка. [1] [2]

Това обаче са наблюдения, отнасящи се до конкретни молекули.

Това не означава, че всеки къс пептид образува еднакво стабилна структура.

Дали даден пептид приема подредена конформация зависи, наред с другото, от:

• последователност;
• взаимодействия между остатъците;
• ограничения, произтичащи от цикличността;
• дисулфидни мостове;
• разтворител;
• температури;
• концентрации;
• наличието на обвързващи партньори;
• химични модификации.

Околната среда може да бъде от особено значение.

В изследването на синтетичния невропептид Y, съдържащ 36 оста, беше анализирана конформацията в смес от разтворители, съдържаща предимно трифлуороетанол. Беше наблюдавана спирална област в близост до С-края, докато Н-краят не показваше сравнително редовна структура. [10]

Наблюдението, извършено в такава среда, не трябва да се представя като доказателство, че пептидът приема точно същата структура при всички биологични условия.

Ето защо при интерпретирането на структурните изследвания трябва да се обръща внимание на експерименталните условия.

Констатация:

„Пептидът образуваше спирала при изследваните условия”

е научно по-точно от:

„Пептидът винаги има спираловидна структура”.

Всички протеини ли имат една и съща структура?

Не.

Много протеини съдържат стабилно нагънати домени, но други имат обширни региони с вътрешна неорганизираност, а някои от тях могат да бъдат до голяма степен хаотични.

Такива молекули съществуват като динамични съвкупности от различни конформации, вместо да остават през цялото време в една и съща твърда триизмерна структура.

Изследванията върху KISS1 са пряк пример за такава ситуация.

Резултатите, получени чрез няколко експериментални метода, потвърждаваха неговия вътрешно хаотичен характер. [3]

Това показва ограниченията на опростения образователен модел, в който всяко протеин се представя като компактна и неподвижна молекула.

Това обаче не означава, че вътрешно неорганизираният протеин не може да проявява организация, специфичност на взаимодействията или биологично значение.

Вътрешната хаотичност също трябва да се разграничава от денатурация.

Това може да представлява естествено свойство на дадена последователност при определени условия.

Денатурацията, от друга страна, означава нарушаване на съществуващата структурна организация на молекулата.

Никое от тези явления само по себе си не означава хидролиза на пептидните връзки, нито разпадане на молекулата на свободни аминокиселини.

Функцията зависи от конкретната молекула

Аминокиселините, пептидите и протеините участват в редица взаимно свързани биологични процеси, но принадлежността към някоя от тези категории не означава, че те действат съвместно.

Сигнален пептид, вътреклетъчен трипептид, ензим и структурен протеин могат да бъдат съставени от аминокиселинни остатъци, като в същото време изпълняват напълно различни функции.

Например, при физиологично проучване с участието на хора бяха анализирани GLP-1(7–36) като инкретинин и се измерваха реакциите по време на инфузията при седем доброволци. [11]

Изследването се отнасяше до конкретно сигнално молекула и конкретен експериментален протокол.

Това не позволява да се направи изводът, че други пептиди предизвикват същите ефекти по отношение на секрецията на инсулин.

Друг пример е глутатион.

Това е трипептид, участващ в биологията на клетъчните редокс процеси. В едно от проучванията е използвана изотопно маркирана вода за оценка на синтеза на глутатион при зайци, като е показано, че дори много малък пептид може да бъде изследван като метаболитно регулирана молекула. [12]

Това беше проучване, свързано с биосинтезата, а не проучване за приемането на добавки при хора.

От научна гледна точка правилният въпрос е следователно:

Какво прави точно това молекула или тази последователност, при какви условия и въз основа на какви доказателства?

Термините „пептид” и „белтък” помагат да се опише молекулярната същност.

Те не определят универсална биологична функция.

Прекъсването на веригата може да промени нейната същност и активност

Хидролизата води до разкъсване на пептидните връзки.

Единично разцепване може да доведе до образуването на по-къси пептидни вериги, докато достатъчно обширна хидролиза може в крайна сметка да освободи отделни аминокиселини.

Едно прекъсване на дълга верига обикновено не води до незабавно освобождаване на всичките ѝ остатъци.

Биологичната преработка на молекулите може да използва селективното разграждане, между другото, за:

• активиране на прекурсорите;
• премахване на сигнални последователности;
• разделяне на функционалните региони;
• създаване на зрели пептиди;
• приключване на дейността;
• образуването на молекули с различни биологични функции.

Изследването на систенина показва защо не трябва да се приема, че даден фрагмент автоматично запазва активността на молекулата-предшественик.

N-крайният регион участваше в свързването с рецептора, докато C-крайният регион беше необходим за неговата активация. Изследваните фрагменти не се държаха просто като по-къси версии на пълния сигнално-предавателен молекула. [8]

Храносмилането е още един процес, при който се променя молекулярната идентичност.

В проучване с участието на хора в кръвта са открити определени пептиди с колагенен произход след приемане на хидролизати от желатин. [13]

Това се потвърждава от наличието на конкретни фрагменти при условията на това проучване.

Това обаче не означава, че:

• всеки пептид, произхождащ от храната, се усвоява в неизменен вид;
• всеки пептиден фрагмент преминава през процес на разграждане;
• всички протеинови хидролизати се държат по един и същ начин;
• Самото откриване на пептиден фрагмент потвърждава определена полза за здравето.

Защо границата между пептида и протеина не е ясно очертана?

Различните термини отговарят на различни въпроси

Термините „пептид“, „полипептид“ и „белтък“ частично се припокриват, тъй като често подчертават различни свойства на молекулата.

Пептид най-често предполага сравнително къса верига.

Полипептид подчертава химическата същност на аминокиселинната верига.

Протеин обикновено се отнася до конкретно биологично молекула, молекулен комплекс или единица с определен структурен и функционален контекст.

Тъй като тези понятия отговарят на малко по-различни описателни въпроси, техните значения могат частично да се припокриват.

Това обаче не означава, че всички различия изчезват.

Свободната аминокиселина остава химически различна молекула от свързаната верига.

Дипептидът, състоящ се от два оста, е значително по-малък и структурно по-прост от големия белтъчен комплекс, състоящ се от много вериги.

Несигурността възниква преди всичко, когато се прави опит да се установи една универсална числова граница която разграничава всички пептиди от всички протеини.

Научни примери, които илюстрират ограниченията на простите правила

Тези примери са взети от структурни, синтетични и биохимични изследвания, а не от публикация, която установява един-единствен официален класификационен праг.

Значението им се състои преди всичко в това, че показват ограниченията на прекалено опростените дефиниции. [1] [2] [3] [7] [9]

Естественият или синтетичният произход не е определящ за класификацията

Пептидът не се определя от факта, че е синтезиран в лаборатория.

По същия начин белтъкът не се определя от факта, че е бил изолиран от жив организъм.

Клетките естествено синтезират пептиди и протеини, докато учените могат да получават множество аминокиселинни вериги чрез:

• химична синтеза;
• рекомбинантна експресия;
• безклетъчна синтеза;
• други контролирани производствени системи.

Проучване, сравняващо бактериалната експресия със синтеза в твърда фаза за последователности, съдържащи 20–40 оста, показа, че изборът на метод за производство зависи, наред с другото, от конкретната последователност и изследователските изисквания. [5]

Едно вещество не преминава в друга химическа категория само защото е променен начинът на неговото производство.

По същия начин изследванията на синтетичния BPTI показват, че химичната синтеза може да доведе до получаването на молекула, класифицирана като протеин. [9]

Самото понятие синтетичен това не потвърждава пълната молекулярна еквивалентност, но синтетичният произход също не изключва класифицирането като протеин.

Как точно да се опише молекулата?

Едно полезно научно описание трябва да посочва наименованието на молекулата, а в съответните случаи също така:

• аминокиселинна последователност;
• броя на остатъците;
• молекулно тегло;
• информация дали структурата е линейна или циклична;
• броя на веригите;
• значими ковалентни напречни връзки;
• химични или посттранслационни модификации;
• структурни свойства, потвърдени експериментално;
• потвърдена биологична функция.

Например изразът:

„десет-аминокиселинен пептид, изследван като мини-протеин със структура на бета-шпилка”

предава значително повече информация, отколкото спорът за това дали дадена молекула трябва да принадлежи изключително към категорията на пептидите или на протеините.

По същия начин терминът:

„вътрешно неорганизирано протеин”

това е научно коректно описание, а не противоречие. [1] [3]

Това разграничение има особено значение при тълкуването на твърденията, отнасящи се до биологичната активност.

Доказателствата, отнасящи се до един пептид, не могат автоматично да се приложат към друг само защото и двете молекули са къси вериги от аминокиселинни остатъци.

Класификацията ни показва с какъв вид молекула имаме работа. За да се установи какво точно прави дадената молекула, обаче, са необходими изследвания, отнасящи се именно до тази последователност и тази молекулна форма.

Често задавани въпроси

1. Всички пептиди ли са протеини?

Не. Пептидите и протеините имат обща химическа основа под формата на аминокиселинни вериги, но не всеки пептид се класифицира като протеин. Късите вериги обикновено се определят като пептиди, докато терминът „протеин” отчита също така биологичния, структурния и историческия контекст. CLN025 показва защо е трудно да се определи строга граница: изследователите описаха тази последователност от десет оста като минипротеин с подредена бета-шпилкова структура. Това обаче не означава, че всеки къс пептид е протеин. Показва само, че понятията частично се припокриват и нито един конкретен брой оста не решава всички случаи на класификация. [1]

2. Пептидите и аминокиселините едно и също ли са?

Не. Аминокиселините са отделни молекулни единици, докато пептидите съдържат аминокиселинни остатъци, свързани с пептидни връзки. Свързването на аминокиселините води до образуването на молекула със собствена последователност, краища на веригата, ковалентни връзки и химични свойства. Така че това не е просто смес от първични аминокиселини. Изследванията върху системина показват значението на конкретната последователност: различните части на свързания пептид участваха по различен начин в свързването и активирането на рецептора. Резултатите се отнасят до конкретна растителна система, но добре илюстрират общия принцип, че идентичността на пептида зависи от неговата свързана молекулна структура. [8]

3. Какъв полимер се образува от аминокиселините?

Веригата, образувана чрез свързване на аминокиселинни остатъци с пептидни връзки, се нарича полипептид. Един или повече полипептидни вериги могат да образуват протеин, макар че самият термин „полипептид” не посочва конкретна пространствена структура или биологична функция. В литературата този термин се използва и за сравнително къси последователности, съдържащи 20–40 остатъка. Следователно най-точният общ отговор е „полипептид”, докато терминът „протеин“ се използва, когато той съответства на по-широката биологична идентичност на даденото молекула или комплекс. [5]

4. С какво се различава аминокиселината от останалата част на аминокиселинната верига?

Аминокиселината е единична молекула, представляваща градивна единица, докато аминокиселинният остатък е съответстващата ѝ единица след включването ѝ в пептидна или протеинова верига. Разликата се дължи на участието на тази единица в връзките на скелета и на нейната конкретна позиция в последователността. При структурните изследвания на пептидите често се говори за позициите на отделните остатъци, тъй като те влияят върху локалната геометрия и молекулярните взаимодействия. В ежедневния език изразът „аминокиселини в протеина” е разбираем, но терминът „аминокиселинна остатъчна група” е по-точен от химическа гледна точка по отношение на готовата верига. [4]

5. Полипептидът винаги ли е протеин?

Не. Терминът „полипептид” описва преди всичко аминокиселинна верига и не означава автоматично, че молекулата се класифицира като протеин. Този термин се среща в изследвания на сравнително къси молекули, като например 29-аминокиселинната калата B1, както и в работи, отнасящи се до последователности, съдържащи 20–40 аминокиселини. Начинът на употреба на понятието зависи от областта, поради което самото слово „полипептид“ не определя постоянна дължина, потвърдена структура или биологична функция. Най-добре е да се разглежда като описание на химическата природа на веригата, а останалите характеристики да се определят въз основа на изследвания на конкретното молекула. [2] [5]

6. Колко аминокиселини трябва да съдържа един протеин?

Няма един-единствен минимален брой остатъци, който да важи във всички случаи. Конвенциите, основани на дължината, са полезни в образованието и класификацията, но съществуват признати изключения. CLN025, например, съдържа десет оста, но въпреки това е изследван като подредено минибелтче със структура на бета-шпилка. Това не означава, че практическото разграничение между късите пептиди и по-големите протеини е безсмислено. То просто показва, че е най-добре да се посочва действителният брой аминокиселинни остатъци, вместо да се представя един праг като универсално правило за наименование. [1]

7. Дали ограничението от 50 аминокиселини е строго научно правило?

Не. Границата от около 50 оста е практическа конвенция, използвана в някои контексти, а не универсален химичен закон. Химията на пептидните връзки не се променя внезапно при преминаването от 50 към 51 оста. Изследванията, които описват късите вериги като минипротеини или полипептиди, показват, че терминологията може да зависи също така от структурата, биологичния контекст и изследователската традиция. Различните области могат да използват различни оперативни дефиниции, поради което числовият праг следва да се представя като конвенция, а не като абсолютно правило. [1] [5]

8. Може ли кратък пептид да образува стабилна структура?

Да. Някои къси пептиди могат да приемат подредени структури при подходящи условия. CLN025 е изследван като десет-аминокиселинна структура от типа „бета-шпилка“, докато цикличният калат B1 е проявил подредена архитектура въпреки наличието само на 29 аминокиселини. Тези резултати показват възможностите на конкретни последователности, а не на всички къси пептиди. Сгъването зависи, наред с другото, от последователността, молекулярните ограничения, разтворителя, температурата, концентрацията и модификациите. Следователно структурната стабилност трябва да се оценява по отношение на конкретното молекула и експерименталната среда. [1] [2]

9. Всички ли протеини имат постоянна триизмерна форма?

Не. Някои протеини или части от тях са вътрешно неорганизирани и се срещат като динамични комплекси с различни конформации, вместо като една устойчива, компактна структура. Изследванията на KISS1 потвърдиха именно такова състояние. Това не означава, че всички протеини са неорганизирани, нито че неорганизираността е равнозначна на увреждане. Структурата на протеините обхваща спектър от стабилни, нагънати домени до еластични региони и динамични конформационни комплекси. Точното описание зависи от конкретната молекула и експерименталните условия. [3]

10. Могат ли два пептида с еднаква дължина да действат по различен начин?

Да. Един и същ брой остатъци не означава една и съща последователност, структура, химичен състав или биологична активност. Видът на страничните вериги и последователността на аминокиселините оказват влияние върху молекулярните взаимодействия. Изследванията на системина показаха, че различните фрагменти от последователността участват по различен начин в свързването и активирането на рецептора. Това не е сравнение на всички възможни пептиди с една и съща дължина, но показва защо само броят на остатъците не позволява да се предскаже функцията. При сравняване на два пептида трябва да се анализират тяхната последователност, структура и преките експериментални данни. [8]

11. По-тежката молекула винаги ли съдържа повече аминокиселини?

Не. Молекулното тегло зависи от броя и вида на аминокиселинните остатъци, както и от наличието на допълнителни химични групи. Два пептида, съдържащи един и същ брой остатъци, могат да имат различна маса, тъй като отделните аминокиселини се различават по маса. Химичните модификации могат допълнително да увеличат масата, без да увеличават броя на остатъците в скелета. Броят на остатъците и молекулното тегло описват следователно различни свойства и нито едно от тях само по себе си не определя универсална граница между пептида и протеина.

12. Всяко протеин ли се състои само от една верига?

Не. Белтъците могат да съдържат една или няколко взаимосвързани полипептидни вериги. Дължината на отделната верига и съставът на цялостния белтък са следователно две различни величини. Добър пример за биологично преобразуване е инсулинът: неговата зряла форма съдържа две вериги, свързани с дисулфидни мостове, които се образуват в резултат на преобразуването на проинсулина и отстраняването на пептид С. Изследванията на продуктите от преобразуването разграничават тези форми, вместо да третират прекурсора и зрелия хормон като идентични молекули. При посочване на броя на остатъците следователно трябва да се уточни дали той се отнася за една верига, за всички вериги, за прекурсора или за зрялата форма. [6] [7]

13. Пептидите и протеините изпълняват ли едни и същи функции?

Те могат да участват в сходни области на биологията, но отделните молекули изпълняват различни функции. В проучванията на GLP-1 е анализиран конкретен пептид по отношение на инкретиновата му активност при хората, докато проучванията на глутатиона са се отнасяли до синтеза на трипептид, участващ в биологията на клетъчните редокс процеси. Това не означава, че всички пептиди проявяват някое от тези действия, точно както не всички протеини имат една обща функция. Научно обоснованото сравнение трябва да се отнася до конкретни молекули, техните последователности и експериментално потвърдените им свойства. [11] [12]

14. Запазва ли фрагментът от пептида функцията на изходното молекула?

Не непременно. Разцепването може да премахне областта, отговорна за свързването, областта, необходима за активирането, да разкрие нов фрагмент или да доведе до образуването на продукт с напълно различна биологична функция. В проучването на систенина фрагментите просто не възпроизвеждаха пълния набор от свойства, свързани със свързването и активирането на рецептора, наблюдавани при цялото молекула. Резултатът зависи от конкретната последователност и не може автоматично да се пренесе върху всички продукти на разцепването. Фрагментът трябва да се разглежда като отделна молекулярна форма, изискваща собствени данни относно структурата и активността. [8]

15. Денатурацията превръща ли протеина в аминокиселини?

Не. Денатурацията нарушава по-висшите нива на структурната организация на протеина, но по дефиниция не изисква разкъсване на неговия пептиден скелет. Образуването на по-къси пептиди или свободни аминокиселини изисква хидролиза на пептидните връзки, т.е. друг химичен процес. Самото структурното разстройство също не означава непременно разграждане, пример за което е непокътнатото, вътрешно разстроено протеин KISS1. При много агресивни условия денатурацията и химичната деградация могат да протичат едновременно, но все пак това са отделни процеси: загубата на сгънатостта не е същото като разкъсването на ковалентната верига. [3]

16. Може ли синтетичното молекула все пак да бъде протеин?

Да. Химичната синтеза не изключва класифицирането на молекулата като протеин. Изследователите химически синтезираха говежди панкреатичен инхибитор на трипсина и след подходящо окисляване и сгъване получиха материал, съответстващ на естествения протеин в описаните аналитични и функционални сравнения, включително по отношение на инхибиторната активност. Резултатът зависеше от правилното изграждане на последователността, сгъването и характеристиките и не означава, че всеки синтетичен полипептид автоматично приема правилната структура. Класификацията се определя от молекулярната идентичност и контекста, докато начинът на производство е отделна характеристика. [9]

17. Хранителните протеини, протеиновите хидролизати и свободните аминокиселини едно и също ли са?

Не. Хранителните протеини са по-големи свързани молекули, протеиновите хидролизати съдържат смеси от продукти на разграждане, докато свободните аминокиселини са единични молекулни единици. Следователно техният състав и молекулни форми са различни. В проучване с участието на хора в кръвта са открити определени пептиди, произхождащи от колаген, след приемане на хидролизати от желатин, което показва, че в процеса на храносмилане и усвояване могат да се появят идентифицируеми пептидни фрагменти. Проучването обаче не потвърди универсалното усвояване на всички пептиди в непроменена форма, нито равностойното действие на всички протеинови продукти. [13]

18. С какво се различава пептидът от полипептида?

И двата термина описват вериги от аминокиселинни остатъци, свързани с пептидни връзки. Терминът „пептид” често се използва за относително къси вериги, докато „полипептид” подчертава сложната аминокиселинна верига и обикновено се използва за по-дълги последователности. Няма обаче универсална числова граница, при превишаването на която единият термин трябва да бъде заменен с другия. Изследвания, в които 29-аминокиселинната калата B1 се описва като полипептид, както и трудове, посветени на полипептиди с дължина 20–40 аминокиселинни остатъка, показват припокриване на тази терминология. Следователно действителният брой оста и молекулната архитектура са по-информативни, отколкото поставянето на строга граница. [2] [5]

19. Могат ли едни и същи аминокиселини да образуват различни пептиди?

Да. Един и същ набор от аминокиселини може да доведе до образуването на различни пептиди, ако се промени тяхната последователност. Например, глицилоаланинът и аланилоглицинът съдържат глицин и аланин, но обръщането на тяхната последователност води до образуването на различна молекулна последователност. При по-дългите пептиди промяната в последователността може да повлияе на разпределението на заряда, на хидрофобните области, на свързващите повърхности и на структурните тенденции. Ето защо идентичността на пептида зависи не само от това какви аминокиселини съдържа, но и от тяхната последователност и начина, по който са свързани.

20. Защо последователността е по-важна от самото понятие „пептид”?

Терминът „пептид” описва широка химическа категория, а не един-единствен вид биологична активност. Два пептида могат да се различават напълно по последователност, дължина, структура, локализация, начин на преработка и молекулярни цели. Изследванията на системина показват експериментално, че дори различни региони на едно и също молекула могат да играят различни роли при свързването и активирането на рецептора. [8] Поради тази причина резултатите, отнасящи се до един пептид, не могат да се пренасят към друг само защото двете молекули принадлежат към една и съща категория. За да се определи биологичната функция, са необходими данни за конкретната последователност и конкретната молекула.

Ограничения при класифицирането на пептидите и протеините

При употребата на термините „аминокиселина“, „пептид“, „полипептид“ и „протеин“ трябва да се имат предвид няколко ограничения.

На първо място, не съществува универсална числова граница между пептида и протеина. Праг от 50 остатъка може да се окаже полезна конвенция, но в научната литература има явни изключения. [1] [2] [5]

На второ място, структурата също не образува права граница. Някои къси пептиди приемат подредени структури, докато някои добре познати протеини остават до голяма степен вътрешно неорганизирани. [1] [2] [3]

Трето, молекулното тегло и броят на остатъците са свързани, но отделни параметри. Модификациите, различните видове остатъци и наличието на няколко вериги могат да променят масата, без това да се отрази пряко върху дължината на отделната верига.

Четвърто, трябва да се прави разграничение между прекурсорните и зрелите форми. Биологичната преработка може да промени дължината на веригата, начина на свързване и молекулярната идентичност, като пример за това е преработката на проинсулина. [6] [7]

Пето, методът на производство не определя класификацията. Молекулите, получени по естествен път или синтезирани химически, могат да имат една и съща основна молекулна идентичност, ако са потвърдени тяхната последователност, структура и други съществени свойства. [5] [9]

Шесто, принадлежността към дадена категория не позволява да се предвиди биологичното действие. Пептидите нямат един общ физиологичен ефект само защото са пептиди, точно както и всички протеини не изпълняват една и съща функция. [8] [11] [12]

Накрая, структурните наблюдения трябва да се тълкуват в контекста на условията, при които са получени. Пептид, който приема определена конформация в един разтворител или експериментална среда, може да се държи по различен начин при други условия. [10]

Тези ограничения не означават, че терминологията е безполезна. Те по-скоро показват защо е най-добре да се използва заедно с по-подробно описание на молекулярните свойства.

Резюме

Аминокиселините, пептидите, полипептидите и протеините принадлежат към една и съща широка химическа йерархия, но описват различни нива на молекулярна организация.

Аминокиселини са отделни градивни единици.

Когато аминокиселинните остатъци се свържат ковалентно чрез пептидни връзки, се образуват пептиди и полипептидни вериги.

Белтъчини се състоят от една или няколко такива вериги, разглеждани в по-широк структурен и биологичен контекст.

Преходът от аминокиселина към пептид е химически ясен, тъй като образуването на пептидна връзка води до създаването на нова, свързана молекула.

Границата между пептида и протеина е значително по-неясна.

Дължината на веригата предоставя полезна описателна информация, но не съществува единен универсален праг на броя на остатъците, който да класифицира правилно всяка молекула. Изследванията на десет-аминокиселинния минипротеин CLN025, 29-аминокиселинния цикличен калат B1 и вътрешнонеупорядочения протеин KISS1 показват защо простите правила изискват допълнителен контекст. [1] [2] [3]

Структурата също не определя универсална граница. Късите пептиди могат да приемат подредени конформации, докато някои протеини могат да съдържат значителна степен на безредие.

По същия начин молекулното тегло, естественият или синтетичният произход и биологичната функция сами по себе си не са достатъчни, за да се определи дали дадена аминокиселинна верига трябва да се нарича пептид или протеин.

Ето защо в научната комуникация най-информативно е точното описание на конкретно молекула:

нейната последователност, броя на остатъците, архитектурата, модификациите, експериментално наблюдаваната структура, степента на преработка и потвърдените биологични свойства.

Най-важната разлика може да се обобщи по следния начин:

аминокиселините са градивни единици; пептидните връзки свързват тези единици в пептиди и полипептидни вериги; от своя страна, протеините са биологични молекули, съставени от една или няколко такива вериги. Границата между пептида и протеина обаче произтича от научната конвенция и молекулярния контекст, а не от едно универсално число аминокиселини.

Забележка

Статията има изцяло образователен и научно-информационен характер. В нея се обясняват терминологията, молекулното строение, класификацията на пептидите и протеините, биологичното преработване на молекулите, както и се привеждат примери от публикувани изследвания. Той не представлява медицински или хранителен съвет, указания за лечение, препоръка за продукт, нито съвет относно употребата на пептиди, протеини, аминокиселинни продукти, добавки или свързани с тях вещества. Резултатите от структурни, биохимични, експерименти върху животни и клинични изследвания трябва да се тълкуват в контекста на методите, условията и ограниченията на конкретните проучвания.

Препратки

1. Хатфийлд, М. П. Д., Мърфи, Р. Ф. и Ловас, С. (2010). Спектроскопични свойства на VCD на минипротеина CLN025, образуващ бета-шпилка, в различни разтворители. „Биополимери“, 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
2. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Разкриване на първичната и триизмерната структура на утеротоничния полипептид „Калата B1“. Биохимия, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
3. Ибаньес де Опакуа, А., Мерино, Н., Вилате, М., Кордейро, Т. Н., Ормаза, Г., Санчес-Карбайо, М., Диркс, Т., Бернадо, П., & Бланко, Ф. Дж. (2017). Супресорът на метастазите KISS1 е присъщо безредно протеин, малко по-разтегнат от случайна спирала. PLOS ONE, 12(2), статия e0172507. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0172507
4. Импрота, Р., Витаглиано, Л. и Еспозито, Л. (2011). Деформации на пептидните връзки, дължащи се на плоскостността: нови познания, получени чрез квантовомеханични изчисления и кристални структури на пептиди и протеини. PLOS ONE, 6(9), член e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
5. Странер, П., Тарицка, Н., Сабо, М., Тот, Г. К. и Перцел, А. (2016). Бактериална експресия и/или синтез на пептиди в твърда фаза на полипептиди с дължина 20–40 аминокиселини и минипротеини – казус на лиганди на GPCR от клас B. „Current Protein & Peptide Science“, 17(2), 147–155. https://doi.org/10.2174/1389203716666151102105215
6. Линде, С., Велиндер, Б. С. и Нилсен, Й. Х. (1993). Анализ на проинсулина и продуктите от неговото превръщане чрез високоефективна течна хроматография с обратна фаза. Journal of Chromatography, 614(2), 185–204. https://doi.org/10.1016/0378-4347(93)80309-r
7. Davidson, H. W., & Hutton, J. C. (1987). Карбоксипептидаза H в гранулите, секретиращи инсулин. Пречистване и доказване на участието ѝ в преработката на проинсулина. Biochemical Journal, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
8. Meindl, T., Boller, T. и Felix, G. (1998). Растителният хормон „системин“, свързан с рана, се свързва с рецептора си чрез N-терминалната си част, но се нуждае от C-терминалната си част, за да го активира. The Plant Cell, 10(9), 1561–1570. https://doi.org/10.1105/tpc.10.9.1561
9. Ферер, М., Уудърд, К. и Барани, Г. (1992). Твърдофазен синтез на инхибитор на говеждата панкреатична трипсин (BPTI) и два негови аналога. Химичен подход за оценка на ролята на дисулфидните мостове в сгъването и стабилността на протеините. Международно списание за изследвания на пептидите и протеините, 40(3–4), 194–207. Запис в PubMed
10. Миерке, Д. Ф., Дур, Х., Кесслер, Х. и Юнг, Г. (1992). Невропептид Y. Оптимизирана синтеза в твърда фаза и конформационен анализ в трифлуороетанол. „European Journal of Biochemistry“, 206(1), 39–48. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1992.tb16899.x
11. Крейман, Б., Уилямс, Г., Гатей, М. А. и Блум, С. Р. (1987). Глюкагоноподобен пептид-1 7-36: физиологичен инкретин при човека. The Lancet, 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
12. Кабрал, К. Б., Булок, К. Х., Бишоф, Д. Дж., Томпкинс, Р. Г., Ю, Й. М., & Келехър, Дж. К. (2008). Оценка на синтеза на глутатион с деутерирана вода: модел за биосинтеза на пептиди. „Analytical Biochemistry“, 379(1), 40–44. https://doi.org/10.1016/j.ab.2008.04.042
13. Ивай, К., Хасегава, Т., Тагучи, Й., Моримацу, Ф., Сато, К., Накамура, Й., Хигаши, А., Кидо, Й., Накабо, Й., & Оцуки, К. (2005). Идентифициране на колагенови пептиди от хранителен произход в човешката кръв след перорален прием на хидролизати на желатин. Списание „Journal of Agricultural and Food Chemistry“, 53(16), 6531–6536. https://doi.org/10.1021/jf050206p