Пептидни връзки: определение, разпространение и биологично значение

Пептидната връзка е ковалентна амидна връзка, която свързва аминокиселинните остатъци в пептидите и протеините. Тези връзки образуват непрекъсната молекулна структура на пептидните вериги, като запазват определена последователност на аминокиселините и същевременно позволяват на цялата верига да приема различни триизмерни структури.

Пептидните връзки са един от основните елементи на структурата пептиди. Разбирането на тяхната химия помага да се обясни как отделните аминокиселини могат да образуват по-големи молекули с точно определена последователност и структура.

Въпреки че основното определение е сравнително просто, химията на пептидната връзка има няколко съществени характеристики. Електроните в амидната група са разположени по такъв начин, че връзката въглерод–азот донякъде наподобява двойна връзка. Това ограничава възможността за свободно въртене около пептидната връзка, но не превръща целия пептид или протеин в твърда молекула. Другите връзки в скелета запазват по-голяма свобода на въртене, благодарение на което пептидните вериги могат да се извиват и да се сгъват.

Пептидните връзки могат да се анализират от няколко различни научни гледни точки. Химиците изследват тяхната електронна структура и геометрия. Молекулярните биолози анализират начина, по който те се образуват от рибозомите и други биологични системи. Структурните биолози проучват как геометрията на тези връзки влияе върху архитектурата на протеините. Биохимиците от своя страна изследват как ензимите селективно разкъсват пептидните връзки по време на преработката и разграждането на протеините.

Тези разграничения помагат да се разбере как протеините могат едновременно да запазват определена аминокиселинна последователност, да приемат сложни структури, да се образуват в контролирани биологични процеси и впоследствие да бъдат преработени или разградени. Изследванията на електронната структура, геометрията на пептидите, рибозомната катализа, синтеза на протеини и ензимната хидролиза предоставят допълваща се информация за тези процеси. [1] [2] [3]

Какво представлява пептидната връзка?

Химическо определение на пептидната връзка

Пептидната връзка е амидна връзка между групата, произхождаща от карбоксилната група на една аминокиселина, и групата, произхождаща от аминогрупата на друга аминокиселина. В типичната протеинова верига се свързват въглеродният атом на карбонилната група и азотният атом на следващия аминокиселинен остатък.

Най-често цитираният откъс е в следния вид:

–C(=O)–NH–

Фрагментът C=O е карбонилна група, докато връзката С–N е именно тази, която обикновено имаме предвид, когато говорим конкретно за пептидна връзка. Заедно тези атоми и тяхното непосредствено обкръжение образуват така наречената пептидна група или амидна група.

Това разграничение е важно, тъй като пълната структурна формула на пептидната група съдържа няколко различни връзки. Връзката въглерод–кислород не е връзката, която свързва две аминокиселинни остатъци. Тази функция се изпълнява от амидната връзка въглерод–азот.

Когато една аминокиселина се свърже с друга, въглеродният атом на карбонилната група, свързан с едната оста, се свързва ковалентно с азотния атом, свързан със следващата оста. Повтарянето на тази схема води до образуването на скелета на типичната пептидна верига.

Изследванията на електронната структура анализират, наред с другото, взаимодействието на свободната електронна двойка на азота със съседната карбонилна група, което позволява да се обясни защо тази връзка се различава от обикновената, свободно въртяща се единична връзка въглерод–азот. [1]

Защо пептидната връзка е ковалентна връзка?

Пептидната връзка е ковалентни, тъй като свързаните атоми споделят електрони.

Това не е йонно взаимодействие между две отделни, заредени аминокиселини, нито водородна връзка, която задържа в близост различни части от нагънатата верига.

Именно ковалентната връзка осигурява химическата непрекъснатост на аминокиселинната последователност. Остатъците остават част от същата верига, докато химичната реакция не промени начина, по който са свързани.

Това разграничение става особено важно при разглеждането на сгъването и разгъването на протеините. Пептидната верига може да се извива, да променя конформацията си, да загуби част от взаимодействията, стабилизиращи структурата ѝ, и дори да претърпи значително разгъване, без да е необходимо разкъсване на пептидните връзки, поддържащи първичната ѝ последователност.

„Ковалентен“ обаче не означава „неразрушим“.

Ензимите и подходящите химични условия могат да предизвикат разграждане на пептидните връзки. Това разграждане обаче е химична реакция, променяща начина на свързване на атомите, а не просто промяна на формата на молекулата.

Структурните изследвания на една от аспартиловите протеинази показват как ензимът може да организира по подходящ начин субстрата, съдържащ пептидна връзка и молекула вода, по начин, който е от съществено значение за хидролизата. [4]

Частичният характер на двойната връзка и резонансът

Пептидната връзка C–N често се изобразява в формулите като единична линия, но действителното разпределение на електроните е по-сложно.

Свободната електронна двойка на азотния атом може да участва в съседната електронна система на карбонилната група. Делокализацията на електроните води до това, че връзката C–N придобива частичният характер на двойната връзка.

Това явление често се обяснява с помощта на резонансни структури.

Резонансните структури са алтернативни начини за представяне на разпределението на електроните в една и съща молекула. Те не трябва да се тълкуват като отделни форми на молекулата, които бързо се превръщат една в друга.

По същия начин частичният характер на двойната връзка не означава, че пептидната връзка е обикновена единична връзка през определен процент от времето, а през останалото време – обикновена двойна връзка.

Действителната електронна структура се дължи на делокализацията на електроните в рамките на цялата амидна група.

В своето изчислително изследване Федоров анализира ролята на резонанса при определянето на реда на пептидната връзка. Конкретните числови стойности зависят от използваната метода за анализ на електронната структура. За общото разбиране обаче най-важен е изводът, че взаимодействието между електронната система на азота и карбонилната група е отговорно за част от необичайните свойства на C–N връзката. [1]

Защо въртенето около пептидната връзка е ограничено?

Частичният характер на двойната връзка има важно структурно последствие: въртенето около амидната връзка C–N е по-ограничено, отколкото въртенето около типичната единична връзка въглерод–азот.

Това обаче не означава, че протеините не могат да се огъват или да се нагъват.

Пептидният скелет съдържа и други връзки, около които е възможно въртене. Следователно протеиновата верига се състои от повтарящи се, относително твърди пептидни групи, свързани чрез други връзки на скелета, които се характеризират с по-голяма конформационна гъвкавост.

Съчетанието от тези ограничения и възможности за ротация допринася за огромното разнообразие от триизмерни структури, които могат да приемат пептидите и протеините.

Приблизителната равнинност не означава идеално равна структура

Преместването на електроните благоприятства приблизително плоската геометрия на пептидната група и ограничава въртенето около амидната връзка C–N.

Реалните молекулни структури обаче могат да се различават леко от идеалната математическа равнина.

Импрота и колегите му съчетаха квантовомеханични изчисления с анализ на кристалните структури на пептидите и протеините. Резултатите показаха незначителни, систематични отклонения, зависещи от локалната геометрия на скелета. [2]

Ето защо е правилно да се каже, че пептидните групи са приблизително плоски, докато твърдението, че всяка пептидна връзка във всеки пептид или протеин е идеално плоска, би било прекалено голямо опростяване.

Това е добър пример за разликата между полезен образователен модел и по-подробно представяне на реалните молекулни структури.

Къде се срещат пептидните връзки?

В структурата на пептидите и протеините

Пептидните връзки се срещат между съседни аминокиселинни остатъци в типичните пептидни и протеинови вериги.

Заедно с атомите около тях те образуват повтаряща се скелет на молекулата. Страничните вериги на аминокиселините излизат извън този скелет и придават на отделните остатъци допълнителни химични свойства.

Белтъкът може да се състои от една пептидна верига или от няколко вериги, свързани в по-голям молекулен комплекс. Всяка от тях има свои собствени скелетни връзки.

Различните вериги могат да се свързват чрез нековалентни взаимодействия или чрез допълнителни ковалентни връзки. Такива връзки не трябва автоматично да се причисляват към пептидните връзки.

Химичният синтез на инхибитора на трипсина от говеждия панкреас, т.е. BPTI, добре илюстрира разликата между образуването на пептидния скелет и образуването на допълнителни дисулфидни мостове. Изследователите първо получиха линеен материал, след което извършиха неговото окисляване и характеризиране. Изследването разграничава структурата на веригата от последващата й структурна организация. [5]

Пептидните връзки определят непрекъснатостта на първичната последователност

Последователността на аминокиселинните остатъци в пептида или протеина се определя като неговата първична структура.

Пептидните връзки осигуряват основната ковалентна непрекъснатост, която поддържа тази последователност.

Например, последователност:

Ала–Гли–Сер

съдържа същите три вида аминокиселини като:

Ser–Gly–Ala

Това обаче не са същите пептидни последователности.

Разположението на отделните остатъци спрямо пептидните връзки е различно.

Ето защо самият списък с аминокиселините, присъстващи в пробата, не е достатъчен за идентифицирането на пептида. Необходимо е също така да се знае тяхната последователност и начинът, по който са свързани.

В линейните и цикличните пептиди

Типичната отворена пептидна верига има два края, наричани N-край i C-край.

N-краят съответства на единия край на пептидния скелет, а C-краят — на другия. Пептидните последователности обикновено се записват от N-края към C-края.

Цикличен пептид от типа „head-to-tail“, т.е. затворен чрез свързване на краищата на веригата, съдържа допълнителна скелетна връзка, образуваща пръстен.

Не всички циклични пептиди обаче се затварят по един и същ начин. Пръстенът може да се образува и с участието на странична верига, а някои молекули съдържат повече от един вид напречна връзка.

Определение цикличен Следователно това описва характеристика на архитектурата на молекулата, а не един универсален начин за нейното свързване.

Калата B1 е конкретен пример за пептид, чиято циклична структура е потвърдена, наред с другото, чрез изследвания на ензимното разграждане, анализ на последователността и молекулярната структура. Молекулата съдържа също така дисулфидни мостове. Тези допълнителни сяра-сяра връзки се различават химически от амидните връзки, свързващи остатъците в скелета на пептида. [6]

Пептидни връзки и изопептидни връзки

В типичната структура на протеина пептидните връзки свързват основните аминогрупи и групите, произхождащи от карбоксилните групи.

Амидна връзка, в образуването на която участва функционална група на аминокиселината в страничната верига, често се нарича изопептидна връзка.

Следователно най-важното правило е да се установи кои атоми действително са се свързали помежду си.

Самото наличие на амидна връзка не означава автоматично, че тя се намира в типичната пептидна верига. В същото време не всяка напречна връзка в пептида или протеина е амидна връзка — дисулфидните мостове и другите ковалентни модификации имат различна химична структура.

За начинаещите най-полезната отправна точка са обикновените пептидни връзки, срещащи се в скелета. По-специализираните връзки могат след това да се разглеждат като различни варианти на молекулярната организация.

Колко пептидни връзки има във веригата?

Единична отворена, неразклонена верига, съдържаща Всяка аминокиселинна оста има n − 1 пептидни връзки в скелета.

Това означава, че:

• дипептидът има 2 остатъка и 1 пептидна връзка;
• трипептидът има 3 оста и 2 пептидни връзки;
• тетрапептидът има 4 оста и 3 пептидни връзки;
• пентапептидът има 5 оста и 4 пептидни връзки;
• отворената верига, съдържаща 10 остатъка, има 9 пептидни връзки.

Тази зависимост произтича пряко от начина на свързване на молекулата: всяка следваща група удължава съществуващата верига чрез една допълнителна скелетна връзка.

Съответстващ на него циклична верига от типа „head-to-tail“ съдържа n пептидни връзки в скелета, тъй като допълнителната връзка затваря пръстена.

Тези предположения обаче са важни. Разклоненията, необичайните връзки между страничните вериги, наличието на няколко вериги, изопептидните връзки или елементите на скелета, различни от амидните, изискват по-подробен анализ.

Самият брой на остатъците не винаги е достатъчен, за да се определят всички ковалентни връзки, присъстващи в сложен пептид или протеин.

Как пептидните връзки свързват аминокиселините?

От свободните аминокиселини до аминокиселинните остатъци

Свободната аминокиселина и съответстващата ѝ оста, намираща се в пептида, са свързани помежду си, но не описват точно едно и също химично състояние.

Когато аминокиселината се включи в пептида, нейните функционални групи участват във връзките, които образуват веригата.

Например, съединяването на глицин и аланин в определена последователност води до образуването на глицилоаланин. Обръщането на реда води до възникването на аланилоглицини.

Видовете аминокиселини са едни и същи, но тяхното разположение и химичната среда, в която се намират, се различават.

Това показва защо пептидната последователност съдържа повече информация, отколкото обикновеният списък на съставните ѝ части.

Образуването на връзки може да се изследва директно. Стахелхаус и колегите му анализираха елементи от нерибозомната система за синтез на пептиди и показаха, че промяната на оста, намираща се на предложеното каталитично място, възпрепятстваше изследваната реакция на кондензация. Следователно експериментът свързва образуването на определен пептиден продукт с действието на конкретен молекулен механизъм. [7]

Уравнението за кондензация е модел на реакционния баланс

В основната химия образуването на пептид често се представя чрез следното уравнение:

аминокиселина + аминокиселина → дипептид + вода

Уравнението показва разликата в състава между свободните изходни молекули и образувания продукт.

Това е полезно за разбирането на химическата връзка между субстратите и продукта.

Той обаче не трябва да се тълкува като цялостен механизъм за синтеза на протеини в живата клетка.

Свободните аминокиселини не се подреждат просто една до друга във водата, не отделят спонтанно водни молекули и не образуват сами определена аминокиселинна последователност.

Биологичната синтеза изисква активирани субстрати, добре организирана молекулярна машина, информация, определяща последователността, както и подготвителни процеси, изискващи енергия.

Затова е важно да се прави разграничение между общо химично уравнение a механизъм на реакцията.

Уравнението описва началния и крайния състав. Механизмът обяснява действителните молекулярни етапи и междинните продукти, водещи до реакцията.

Експериментите с рибозоми изследват именно такива механистични детайли, а не просто възпроизвеждат известното уравнение за кондензация. [3]

Как рибозомата образува пептидни връзки?

По време на транслацията трансферните РНК, т.е. тРНК, пренасят аминокиселини и нарастващата пептидна верига в рамките на рибозома.

Аминогрупата на новодоставената аминокиселина реагира с активирания край на съществуващата верига, свързана с тРНК, което води до пренос на нарастващия пептид към остатъка, свързан с новата тРНК.

Пептидната верига обикновено се удължава от страната на C-край.

Активирането на аминокиселините и свързването им с тРНК са енергийнозависими процеси. Ето защо описанието на всяка рибозомна пептидна връзка като възникваща директно между две свободни аминокиселини или като просто „отстраняване на вода” от рибозома би било прекалено голямо опростяване.

Вайнер и колегите му модифицираха химичната група в тРНК-субстрата и наблюдаваха значително намаляване на образуването на пептидни връзки, без това да е съпроводено със съответно намаляване на свързването на субстрата. Този резултат предостави доказателства за катализа, подпомагана от субстрата, при която химичните свойства на самите субстрати участват в протичането на реакцията. [3]

Експериментът сочи, че химията на тРНК играе механистична роля, а не само функция на пасивен носител.

Образуването на пептидни връзки има определена посока

Синтезът на протеини е еднопосочен процес.

Тъй като нарастващата верига се удължава от страна на С-края, последователността се развива в определена ориентация.

Това се дължи на общоприетата конвенция за записване на последователностите на пептидите и протеините, започваща от От N-края до C-края.

Посоката обаче не е само конвенция за записване. Обръщането на последователността обикновено води до образуването на друго молекула, тъй като всяка група заема тогава различна позиция спрямо останалите елементи на веригата.

Други начини за създаване на подобни връзки

Пептидните връзки могат да се образуват и извън рибозомата.

Специализирани нерибозомни ензимни системи синтезират някои пептиди, докато лабораторният синтез на пептиди използва активирани съставки и контролирани реакции на свързване.

Тези пътища се различават по своята организация, субстрати, реакционни условия и каталитични механизми.

Не трябва да се разглеждат като идентични процеси само защото крайните продукти съдържат амидни връзки.

Изследванията на нерибозомното образуване на връзки и химичният синтез на BPTI са примери за такива различни начини на производство. [7] [5]

Самият начин на получаване също не определя дали даденото молекула е пептид или протеин. Химичната синтеза може да доведе до получаване на материал, съответстващ на естествено срещащ се пептид или протеин, при условие че неговата последователност и други съществени структурни характеристики са правилно определени.

Пептидните връзки и другите връзки в протеините

Скелетните връзки и силите, отговорни за нагъването

Пептидните връзки поддържат свързаната аминокиселинна последователност.

Други взаимодействия пък помагат да се определи как тази последователност се разполага в триизмерното пространство или как отделните пептидни вериги взаимодействат помежду си.

Водородните връзки се образуват между съответните донори и акцептори на водород. В рамките на пептидния скелет атомите на кислорода в карбонилните групи могат да изпълняват функцията на акцептори, а много от амидните групи N–H могат да бъдат донори.

Амидният азот обикновено не се разглежда като акцептор на водородна връзка, тъй като свободната му електронна двойка участва в електронната структура на амидната група.

Особено внимание заслужават и пептидните групи, съдържащи пролин, тъй като азотът в скелета тогава не притежава типичния водород N–H.

Групата, съдържаща пептидна връзка, може следователно да участва в образуването на водородни връзки, но пептидната връзка и водородната връзка са различни видове връзки.

Едното от тях свързва аминокиселинните остатъци чрез ковалентни връзки. Другото участва във взаимодействия вътре в молекулата или между молекулите.

Изследванията на късия, нагънат пептид CLN025 анализираха структурата, стабилизирана, наред с другото, чрез водородни връзки и други вътремолекулни взаимодействия. Това показва, че нагъването може да протича без образуването на нова скелетна последователност. [8]

Дисулфидните мостове свързват страничните вериги, съдържащи сяра

Дисулфидните мостове са ковалентни връзки между атоми на сяра, които най-често се образуват между страничните вериги на цистеина.

Те могат да свързват отдалечени участъци от една и съща пептидна верига или различни вериги.

Те не са пептидни връзки и не се срещат във всички протеини.

Образуването или разкъсването на дисулфидната връзка може значително да промени пространствената организация на молекулата, без да е необходимо да се прекъсва нейният пептиден скелет.

В проучването, посветено на синтеза на BPTI, бяха синтезирани естествената последователност и аналози, проектирани с цел промяна на способността за образуване на дисулфидни мостове. Материалът с естествената последователност беше сравнен с естествения BPTI чрез аналитични и функционални методи. Резюмето на публикацията не потвърждава всички структурни последствия, свързани с аналозите, поради което предложените разлики не трябва да се представят като напълно установени резултати. [5]

Йонни и хидрофобни взаимодействия

Заредените групи могат да се привличат или да се отблъскват, като по този начин влияят върху пространствената организация на молекулата.

Неполярните региони, от друга страна, взаимодействат с водната среда по начин, който може да благоприятства скриването им във вътрешността на структурата, асоциацията или агрегацията. Това явление често се разглежда в контекста на хидрофобния ефект.

Тези взаимодействия могат да имат огромно значение за сгъстяването на протеините, но хидрофобното взаимодействие не представлява нова ковалентна връзка между аминокиселините.

Ето защо е неправилно всички сили, стабилизиращи протеина, да се наричат пептидни връзки.

Отделните видове взаимодействия могат също така да реагират по различен начин на температурата, разтворителя, киселинността, йонните условия и други промени в средата. Установяването на това кой вид връзка или взаимодействие се променя позволява по-точно разбиране на резултата от експеримента.

Денатурацията не е същото като хидролизата

Денатурация променя типичната структурна организация на протеина.

Може да наруши сгъването или асоциацията на молекулите, като в същото време остави повечето или всички пептидни връзки непокътнати.

Хидролиза от друга страна, променя химичните връзки чрез разкъсване на уязвима връзка при реакция с участието на вода.

При определени условия и двата процеса могат да протичат в една и съща проба, но те не са синоними.

Следователно разграждането на белтъка не означава автоматично превръщането му в по-къси пептиди или свободни аминокиселини.

Това разграничение се наблюдава и в структурните изследвания. В експерименти с термично разгърнат колаген са идентифицирани различни конфигурации на цис- и транс-връзки в пептидните вериги, свързани с пролина. Промяната в конфигурацията на скелета е явление, различно от неговото химично разграждане. [9]

Образуване, свойства и хидролиза на пептидните връзки

Стабилността зависи от вида на анализираната реакция

Пептидните връзки са достатъчно устойчиви, за да поддържат биологичните вериги, а в същото време организмите могат избирателно да ги образуват и разграждат.

В това няма противоречие.

Скоростта на реакцията зависи, наред с другото, от бариери за активиране и наличието на катализатори, докато това дали дадена реакция е термодинамично изгодна, е отделен въпрос.

Процесът може да е химически възможен, но без подходящ катализатор протича изключително бавно.

От друга страна, ензимът може значително да ускори дадена реакция, като осигури по-благоприятен реакционен път.

Ензимът не превръща пептидната връзка в съвсем различен вид връзка. Той променя пътя, по който протича химичната реакция.

Би било неправилно също така да се приписва един универсален срок на годност на всички пептидни връзки, пептиди или протеини, намиращи се във вода.

Последователността, локалната структура, достъпността на връзката, съседните химични групи, температурата, рН, съставът на разтвора и наличието на катализатори могат да повлияят на наблюдаваното поведение.

Какво променя хидролизата?

При хидролизата водата се използва в реакцията на химичното разграждане на амидната връзка, което води до образуването на нови крайни групи, произхождащи от карбоксилни и аминогрупи.

Точната им йонна форма зависи от условията на околния разтвор.

Разкъсването на една връзка в скелета не води автоматично до образуването на свободни аминокиселини.

Ако се разкъса вътрешна пептидна връзка в по-дълга отворена верига, обикновено като преки продукти се получават два по-къси пептидни фрагмента.

Необходими са допълнителни реакции на разграждане, за да се съкращават постепенно тези фрагменти и в крайна сметка да се освободят отделните аминокиселини.

Структурните изследвания на пеницилопепсина анализираха начина, по който аспарталната протеиназа може да организира водата и субстратните групи в процеса на хидролиза. Предложеният модел на реакцията се основава на кристалографски наблюдения и моделиране. Той предоставя информация за един ензимен механизъм, но не доказва, че всяка протеаза използва идентичен начин на катализа. [4]

Хидролизата може да бъде селективна

Протеазите и пептидазите се различават по отношение на разпознаваните връзки и молекулярните среди.

Някои ензими разкъсват връзките, намиращи се във вътрешността на веригата, докато други отстраняват остатъците от краищата ѝ.

Последователността, локалната структура, достъпността и околните химични групи могат да повлияят на това дали потенциално уязвимото място действително ще бъде разцепено.

Дейвидсън и Хътън изследваха ензим, свързан с инсулиноотделящите зърна. Пречистеният препарат отстраняваше алкалните остатъци от субстратите, произхождащи от проинсулина, и в проведения тест не предизвикваше по-нататъшно разграждане на зрелия инсулин. [10]

Това показва, че селективна биологична преработка, а не случайно разкъсване на всички пептидни връзки.

Селективното разграждане има важно биологично значение, тъй като по-големите прекурсорни молекули могат да бъдат преработени на определени места, което води до образуването на конкретни зрели продукти, вместо до случайно разграждане.

Условията имат значение: два експериментални примера

Кенли и Уорн изследваха рекомбинантния човешки интерлейкин 11 при целенасочено създадени стресови условия, включващи повишена температура и различни стойности на рН.

В кисела среда те идентифицираха разцепване на определено място между Asp и Pro. Резултатите показват разграждане, зависещо от аминокиселинната последователност и условията, но не трябва да се превръщат в универсално правило, описващо поведението на всички протеини при типични биологични условия. [11]

В друго проучване е наблюдавана фрагментация на радиойодиран вазоактивен чревен пептид в разреден разтвор с неутрално pH. Сродните, по-къси фрагменти не показваха измерима деградация при същите експериментални условия, а добавките към разтвора оказваха влияние върху резултата. [12]

И двете проучвания показват защо стабилността на пептидните връзки трябва да се разглежда във връзка с конкретно молекула, последователност, среда и експериментални условия, вместо да се приема, че определено pH или температура ще предизвикат едно и също поведение при всеки пептид.

Защо пептидните връзки са биологично важни?

Пептидните връзки запазват последователността на аминокиселинните остатъци, която определя пептидната или протеиновата верига.

Тяхната геометрия ограничава възможните пространствени конфигурации на веригата, докато карбонилните и азотсъдържащите групи, присъстващи в пептидния скелет, участват в молекулярните взаимодействия.

Контролираното образуване на пептидни връзки позволява синтеза на пептиди и протеини.

Контролираното разкъсване на тези връзки, от друга страна, участва в преработката на прекурсорите, храносмилането, обмена на протеини, регулаторните пътища и крайното разграждане на молекулите.

Следователно същият основен вид химична връзка участва в няколко нива на биологичната организация.

Неговото създаване определя последователността на поредицата.

Електронната му структура влияе върху геометрията на скелета.

Наличните в него химични групи участват в молекулярните взаимодействия.

Неговото селективно разграждане позволява на биологичните системи да преработват и отстраняват протеини и пептиди.

Тези функции съчетават молекулярната химия с биологията. Доказателствата произтичат, наред с другото, от изчисления на електронната структура, структурни измервания, ензимни изследвания, химична синтеза и експерименти с използване на цялостни биологични системи. Всеки от тези методи разкрива различен елемент от механизма и не следва да се използва за извеждане на заключения, които излизат извън рамките на действително изследвания процес. [2] [3] [10]

Често задавани въпроси

1. Пептидната връзка ковалентна ли е?

Да. Пептидната връзка е ковалентна амидна връзка между групи, произхождащи от аминокиселини. Въглеродният и азотният атом споделят електрони, което осигурява химическата непрекъснатост на пептидната верига. Изследванията на електронната структура анализират как съвместното ползване на електрони се влияе от съседната карбонилна група и как тя допринася за характерните свойства на амидната връзка. Терминът „ковалентна” обаче не означава, че връзката не може да бъде разкъсана. При подходящи химични условия или с участието на ензими то може да претърпи хидролиза. Най-важното е да се направи разграничението, че пептидната връзка химически свързва остатъците в едно молекула, а не само предизвиква привличане между отделни молекули или фрагменти от едно и също молекула. [1]

2. Защо пептидната връзка има частичен характер на двойна връзка?

Частичният характер на двойната връзка се дължи на взаимодействието на свободната електронна двойка на азота със съседната електронна система на карбонилната група. Благодарение на това електронната плътност се делокализира в рамките на амидната група. Изчислителните изследвания анализираха приноса на това явление в пептидната връзка. Резонансните структури, използвани за неговото обяснение, са алтернативни начини за представяне на една и съща електронна структура, а не отделни молекули, които се превръщат една в друга. Също така числовите стойности, описващи реда на връзката, могат да зависят от използваната аналитична метода. Най-важната структурна последица е ограничаването на въртенето около връзката C–N в сравнение с типичната, свободно въртяща се единична връзка. [1]

3. Кои атоми образуват пептидна връзка?

В типичната пептидна верига пептидната връзка свързва въглеродния атом на карбонилната група на един остатък с азотния атом на следващия остатък. Атомът на кислорода остава част от карбонилната група и не представлява пряка връзка между двете аминокиселинни остатъци. Електронните и структурните изследвания анализират тези атоми като част от свързаната амидна група, като същевременно разграничават отделните им връзки. Следователно при идентифицирането на типична пептидна връзка в структурната формула полезна отправна точка е намирането на C–N връзка, непосредствено съседна на карбонилната група. [2]

4. Къде в белтъка се намира пептидната връзка?

Пептидните връзки се намират в скелета на всяка протеинова верига и свързват съседните аминокиселинни остатъци. Те се различават от напречните връзки между страничните вериги и взаимодействията между отделните вериги. Химичният синтез на BPTI илюстрира това разграничение чрез отделяне на изграждането на скелета от последващото образуване на дисулфидни мостове. Пълната триизмерна структура на протеина може да съдържа много видове ковалентни и нековалентни взаимодействия, затова идентифицирането на пептидните връзки изисква проследяване на аминокиселинния скелет, а не преброяване на всички линии или връзки, представени на модела на молекулата. [5]

5. Всяка амидна връзка ли е пептидна връзка?

Не. Амидните връзки се срещат в много различни органични съединения, докато терминът „пептидна връзка” се отнася до конкретни връзки, произтичащи от аминокиселините в пептидите и протеините. Типичната пептидна връзка в скелета е един от видовете амидни структури. Следователно амидната връзка, използваща страничната верига на аминокиселината, не трябва автоматично да се причислява към обикновените скелетни връзки. Изследванията на геометрията на пептидите се фокусират върху определена амидна група на скелета, а не третират всички възможни амиди като химически и структурно идентични. Подходящото наименование зависи от участващите групи и тяхното разположение в молекулата. [2]

6. Колко пептидни връзки има в трипептида?

Типичният отворен, неразклонен трипептид съдържа две пептидни връзки, тъй като трите остатъка изискват две връзки, за да образуват една непрекъсната отворена верига. Това произтича от общото съотношение n − 1 за типична отворена верига, съдържаща n остатъка. Това е изчисление, произтичащо от структурата на молекулата, а не експериментален резултат или информация за нейната биологична функция. Отговорът ще бъде различен, ако допълнителна скелетна връзка затвори молекулата в пръстен. Връзките на страничните вериги и другите ковалентни връзки трябва да се броят отделно. Преди да се приложи общото правило, трябва да се определи архитектурата на анализираното молекула.

7. Имат ли цикличните пептиди допълнителна пептидна връзка?

Цикличният пептид от типа „head-to-tail“ има с една скелетна връзка повече от съответстващата му отворена верига, тъй като допълнителната амидна връзка свързва двата края и затваря пръстена. Други циклични пептиди обаче могат да образуват пръстен с участието на странични вериги, поради което това правило не важи автоматично за всяко молекула, определено като циклично. Изследванията на калата B1 потвърдиха конкретен случай на цикличен скелет, съдържащ допълнително дисулфидни мостове. Затварянето на скелета в пръстен и образуването на връзки между страничните вериги трябва следователно да се описват отделно при преброяването на връзките и представянето на молекулната архитектура. [6]

8. Пептидните връзки винаги ли са идеално плоски?

Не. Пептидните групи са приблизително плоски, но са възможни измерими отклонения от идеалната геометрия. Изследване, съчетаващо квантовомеханични изчисления с анализ на структурни данни за пептиди и протеини, показа незначителни деформации, свързани с локалното разположение на скелета. Тези наблюдения допълват опростения учебнически модел, но не го правят безполезен. Планарността остава важна структурна предпочитаност, произтичаща от електронната структура на амидната група, но точният структурен анализ трябва да отчита локалните разлики, характерни за конкретната молекула. [2]

9. Може ли протеинът да се извива, след като въртенето около пептидната връзка е ограничено?

Да. Скелетът на протеина съдържа и други връзки, около които могат да възникват промени в ъглите на усукване. Ограниченото въртене около амидната връзка C–N следователно не обездвижва цялата верига. Структурните анализи разграничават ъглите на въртене около съседните връзки на скелета от ъгъла, свързан със самата пептидна връзка. Стеричните ограничения, локалните химични взаимодействия и видът на съседните остатъци оказват допълнително влияние върху това кои конфигурации са енергийно и физически достъпни. Следователно протеините не са нито твърди пръти, нито вериги, съставени от напълно свободно въртящи се елементи. Тяхната структура е резултат от съчетанието на ограничени и относително гъвкави степени на свобода на скелета. [2]

10. Какво представляват цис- и транс-пептидните връзки?

Термините „цис“ и „транс“ описват различното пространствено разположение на групите, намиращи се от двете страни на пептидната връзка. В типичните протеинови скелети преобладава транс-конфигурацията. Особено внимание заслужават пептидните връзки, свързани с пролина, тъй като в техния случай конфигурацията „цис“ се среща по-често, отколкото при много други комбинации от остатъци. При изследвания с ЯМР на термично разгърнат колаген бяха открити и двете конфигурации. Тези резултати обаче се отнасят до конкретен протеин при определени експериментални условия и не трябва да се превръщат в универсални процентни стойности, валидни за всички пептиди и протеини. Термините „цис“ и „транс“ описват геометрията на пептидната връзка, а не различни видове химични връзки. [9]

11. При образуването на пептидна връзка винаги ли се отделя директно вода?

Не. Известното уравнение, описващо отделянето на вода, представя общата връзка на кондензацията между свободните функционални групи, но не описва всеки реален механизъм на образуване на пептидни връзки. Рибозомната синтеза използва активирани субстрати, свързани с тРНК, а експерименталните изследвания сочат участието на субстратната химия в катализа. Прякото протичане на реакцията е следователно по-сложно от простото отстраняване на вода от две свободно разтворени аминокиселини. Разграничаването между общия баланс на реакцията и действителния биологичен механизъм предотвратява превръщането на полезното образователно уравнение в неточно описание на синтеза на протеини. [3]

12. Води ли смесването на аминокиселини с вода до образуването на протеин?

Не. Сместа от свободни аминокиселини не образува автоматично определена протеинова последователност. Контролираното образуване на пептиди изисква подходяща химия, а в клетките – и добре организирана синтетична система, способна да контролира последователността на аминокиселините и образуването на връзки. Експериментите, свързани с нерибозомното сглобяване на пептиди, показаха, че нарушаването на определен каталитичен елемент може да попречи на образуването на изследвания пептиден продукт. Резултатите се отнасят до конкретна биосинтетична система, но илюстрират по-общ принцип: самото наличие на молекулни градивни елементи не е достатъчно. Образуването на определена последователност изисква контролирано създаване на молекулни връзки. [7]

13. Пептидната връзка същото ли е като водородната връзка?

Не. Пептидната връзка е ковалентна връзка в скелета на молекулата, докато водородната връзка е взаимодействие между съответния донор и акцептор на водород. Химичните групи, намиращи се в пептидния скелет, могат да участват в образуването на водородни връзки, без да се образуват допълнителни пептидни връзки. Изследванията на нагънатия декапептид CLN025 анализираха водородните връзки и други взаимодействия, участващи в стабилизирането на неговата структура. Това разграничение отделя връзките, определящи основната ковалентна последователност на веригата, от взаимодействията, които помагат на вече свързаната верига да се организира в триизмерното пространство. [8]

14. Дали дисулфидната връзка е вид пептидна връзка?

Не. Дисулфидната връзка е ковалентна връзка сяра–сяра, която обикновено се образува между страничните вериги на цистеина. Пептидната връзка, от друга страна, е амидна връзка, свързваща групи, произхождащи от аминокиселини в скелета на пептида. Изследванията върху синтеза на BPTI разглеждаха изграждането на скелета и образуването на дисулфидни мостове като отделни процеси. И двата вида връзки могат да имат съществено значение за структурата на молекулата, но свързват различни атоми и участват в различни химични реакции. Разкъсването на дисулфидния мост следователно не е задължително да пресича пептидния скелет, докато разкъсването на пептидната връзка пряко променя непрекъснатостта на последователността на веригата. [5]

15. Денатурацията на белтъка води ли до разкъсване на пептидните връзки?

Това не е необходимо. Денатурацията означава нарушаване на типичната нагъната или модулна структура на протеина и по дефиниция не изисква разкъсване на пептидните връзки. В зависимост от приложените условия химичната деградация може да протича едновременно с денатурацията, но двата процеса не трябва автоматично да се приравняват. При изследванията на термично разгънатия колаген продължават да се анализират различни конфигурации на неговите пептидни връзки. Разгънатата верига и веригата, подложена на хидролиза, са следователно различни молекулни състояния: първото се отнася преди всичко до триизмерната организация, докато второто — до промени в ковалентните връзки. [9]

16. Води ли хидролизата незабавно до образуването на свободни аминокиселини?

Не винаги. Хидролизата на една вътрешна пептидна връзка в по-дълга отворена верига обикновено води до образуването на два по-къси пептидни фрагмента. Необходими са допълнителни реакции на разцепване, за да се намали постепенно дължината на тези фрагменти и в крайна сметка да се освободят отделни аминокиселини. В експериментални изследвания са идентифицирани конкретни фрагменти, образуващи се след разцепване на пептидните връзки, между другото при изследвания на разграждането на интерлейкин 11 и на вазоактивния чревен пептид. Видът на продуктите зависи от местата, които са били разцепени, както и от степента на напредване на хидролизата. Терминът „хидролизиран” следователно не означава автоматично, че пептидът или протеинът е бил напълно превърнат в свободни аминокиселини. [11] [12]

17. Всички пептидни връзки ли се разпадат с една и съща скорост?

Не. Наблюдаваната скорост на разграждане зависи от пептидната последователност, локалната молекулна структура, достъпността на връзката, съседните химични групи, състава на разтвора, температурата, рН, както и от наличието на катализатори, като например протеолитични ензими. Изследванията на интерлейкин 11 и на вазоактивния чревен пептид показаха селективна, зависима от условията деградация, а не еднакво поведение на всички връзки. Тези експерименти не определят универсален срок на трайност за други пептиди. Научно обоснованото заключение е, че стабилността на пептидната връзка трябва да се оценява по отношение на конкретното молекула, средата и реакцията, а не да се предвижда единствено въз основа на наименованието на връзката. [11] [12]

18. С какво се различава пептидната връзка от изопептидната връзка?

Типичната пептидна връзка в скелета обикновено свързва основната група, произхождаща от карбоксилната група на един остатък, с основната аминогрупа на следващия остатък. Изопептидната връзка също е амидна връзка, но в нейното образуване участва поне една функционална група, намираща се извън типичната структура на скелета, например съответната група в страничната верига на аминокиселината. И двата вида връзки се основават на сходна амидна химия, но заемат различни места в молекулярната архитектура. Разграничението е важно, тъй като самото откриване на амидна връзка не е достатъчно, за да се установи, че тя принадлежи към обикновения пептиден скелет.

19. Защо пептидните връзки са важни за структурата на протеините?

Пептидните връзки поддържат подредена ковалентна последователност на аминокиселинните остатъци и в същото време налагат геометрични ограничения върху скелета на молекулата. Частичният характер на двойната връзка ограничава въртенето около амидната връзка C–N и допринася за приблизително плоска геометрия на пептидната група. В същото време карбонилните групи и N–H в скелета могат да участват в модели на водородни връзки, важни за структурите от по-висок ред. Следователно пептидните връзки не само свързват аминокиселините — техните електронни и геометрични свойства помагат за определяне на структурните възможности на цялата верига. [1] [2]

20. Могат ли ензимите да разкъсват пептидните връзки?

Да. Протеазите и пептидазите могат да катализират хидролизата на пептидните връзки, но не е задължително да разграждат всички връзки без разграничение. Отделните ензими разпознават определени последователности, структурни условия или позиции в пептидните вериги. Структурните изследвания на пеницилопепсина анализираха начина, по който аспартилова протеиназа организира субстрата и водата по време на хидролизата, докато Дейвидсън и Хътън демонстрираха селективното преработване на субстрати, свързани с проинсулина. Тези примери показват как биологичните системи могат по контролиран начин да разграждат определени пептидни връзки по време на преработката и разграждането на молекулите. [4] [10]

Ограничения при интерпретацията на изследванията върху пептидните връзки

При преминаването от основната химия на пептидните връзки към изводи относно реалните пептиди и протеини трябва да се имат предвид няколко ограничения.

На първо място, идеализираната пептидна група, представяна в учебниците, е модел на типична структурна схема. Реалните молекулни структури могат да показват измерими отклонения от идеалната плоскостност и геометрия. [2]

На второ място, стабилността на пептидната връзка зависи от контекста. Резултатите от експерименти, проведени при повишена температура, при необичайно pH, при много ниска концентрация или в присъствието на определени катализатори, не трябва автоматично да се използват за прогнозиране на поведението на молекулата при напълно различни условия. [11] [12]

Трето, различните ензими използват различни каталитични механизми. Данните, описващи хидролизата, осъществявана от една аспартална протеиназа, не означават, че всички протеази разграждат пептидните връзки по абсолютно същия начин. [4]

Четвърто, пептидните връзки могат да се образуват чрез различни механизми. Рибозомната транслация, нерибозомната биосинтеза и лабораторната химична синтеза могат да доведат до образуването на амидни връзки, въпреки че използват различни субстрати и молекулярен апарат. [3] [7]

Пето, промените в структурата на протеина не трябва автоматично да се тълкуват като разкъсване на пептидните връзки. Денатурацията, конформационните промени, преходите cis–trans, нарушаването на водородните връзки, редукцията на дисулфидните мостове и хидролизата на пептидните връзки описват различни молекулярни явления.

Тези разграничения са важни, тъй като терминът пептидна връзка описва конкретен вид ковалентна връзка. За да се разбере какво всъщност се случва с пептида или протеина, трябва да се установи коя химическа връзка или молекулно взаимодействие е претърпяло промяна.

Резюме

Пептидните връзки са ковалентни амидни връзки, които свързват аминокиселинните остатъци в пептидни и протеинови вериги. Въпреки че често се представят просто като C–N връзки в повтарящия се фрагмент на скелета –C(=O)–NH–, тяхната химия е по-сложна от тази на обикновената, свободно въртяща се единична връзка.

Делокализацията на електроните в рамките на амидната група придава на връзката С–N частичен характер на двойна връзка, като ограничава нейното въртене и благоприятства приблизително плоската геометрия на пептидната група. В същото време възможността за въртене около съседните скелетни връзки позволява на пептидните вериги да приемат много разнообразни триизмерни структури. [1] [2]

Пептидните връзки се срещат в скелета на типичните пептиди и протеини, но трябва да се разграничават от водородните връзки, дисулфидните мостове, йонните взаимодействия, хидрофобния ефект и специализираните връзки между страничните вериги, като например изопептидните връзки.

Те могат да възникнат в резултат на различни процеси. Рибозомите образуват пептидни връзки по време на транслацията, като използват активирани субстрати, свързани с тРНК; нерибозомните системи използват специализирана ензимна система, докато лабораторната синтеза се основава на контролирани реакции на химично свързване. [3] [7]

Също толкова важно е и тяхното разграждане. Хидролизата може да раздели пептидната верига на по-къси фрагменти, а протеазите и пептидазите позволяват на организмите да извършват този процес селективно. Изследванията върху протеиназите, преработката на проинсулина, разграждането на интерлевкин 11 и вазоактивния чревен пептид показват, че разграждането зависи от молекулярния контекст и експерименталните условия. [4] [10] [11] [12]

Така че най-важното правило е просто:

Пептидните връзки осигуряват ковалентна непрекъснатост на аминокиселинните вериги, докато тяхната електронна структура, контролираното им образуване и селективното им разграждане свързват фундаменталната химия с биологията на пептидите и протеините.

Забележка

Статията има изцяло образователен и научно-информативен характер. В нея се обясняват химичните свойства на пептидните връзки, тяхната молекулна структура, образуването им, хидролизата, както и се привеждат примери от публикувани изследвания. Той не представлява медицински съвет, указания за лечение, лабораторни инструкции, препоръки за продукти, нито съвети относно употребата на какъвто и да е пептид или протеин. Резултатите от изчислителни, структурни и биохимични изследвания, експерименти върху животни и други експерименти трябва да се тълкуват в рамките на условията и ограниченията на конкретните изследвания.

Препратки

1. Федоров, Д. Г. (2024). Пептидната връзка: Резонансът увеличава степента на свързване и затруднява фрагментацията. ChemPhysChem, 25(14), статия e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
2. 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
3. Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R., & Strobel, S. A. (2004). Катализа, подпомагана от субстрат, на образуването на пептидна връзка от рибозомата. Nature Structural & Molecular Biology, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
4. Джеймс, М. Н., и Сиелецки, А. Р. (1985). Стереохимичен анализ на хидролизата на пептидните връзки, катализиран от аспарагиновата протеиназа пеницилопепсин. Биохимия, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
5. 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
6. 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
7. Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., & Marahiel, M. A. (1998). Образуване на пептидна връзка при нерибозомната биосинтеза на пептиди. Каталитична роля на домена на кондензацията. Списание „Journal of Biological Chemistry“, 273(35), 22773–22781. https://doi.org/10.1074/jbc.273.35.22773
8. 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
9. Саркар, С. К., Янг, П. Е., Съливан, С. Е. и Торчия, Д. А. (1984). Откриване на цис- и транс-пептидни връзки на X-Pro в протеини чрез 13C ЯМР: приложение към колагена. Сборник с доклади на Националната академия на науките на Съединените американски щати, 81(15), 4800–4803. https://doi.org/10.1073/pnas.81.15.4800
10. 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
11. Кенли, Р. А. и Уорн, Н. У. (1994). Хидролиза на пептидната връзка на рекомбинантен човешки интерлейкин 11, катализирана от киселина. Фармацевтични изследвания, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
12. Mody, R., Tramontano, A. и Paul, S. (1994). Спонтанна хидролиза на вазоактивния чревен пептид в неутрален воден разтвор. Международно списание за изследвания на пептидите и протеините, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x