Peptidbindungen: Definition, Vorkommen und biologische Bedeutung

Eine Peptidbindung ist eine kovalente Amidbindung, die Aminosäurereste in Peptiden und Proteinen verknüpft. Diese Bindungen bilden ein kontinuierliches molekulares Rückgrat von Peptidketten, wobei sie eine bestimmte Aminosäurerendfolge bewahren und gleichzeitig der gesamten Kette ermöglichen, verschiedene dreidimensionale Strukturen anzunehmen.

Peptidbindungen sind eines der grundlegenden Strukturelemente Peptide. Das Verständnis ihrer Chemie hilft zu erklären, wie einzelne Aminosäuren größere Moleküle mit einer genau definierten Sequenz und Struktur bilden können.

Obwohl die grundlegende Definition relativ einfach ist, weist die Chemie der Peptidbindung einige wesentliche Merkmale auf. Die Elektronen innerhalb der Amidgruppe sind so verteilt, dass die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung teilweise einer Doppelbindung gleicht. Dies schränkt die Möglichkeit einer freien Rotation um die Peptidbindung ein, führt jedoch nicht dazu, dass das gesamte Peptid oder Protein zu einem starren Molekül wird. Andere Bindungen im Rückgrat behalten eine größere Rotationsfreiheit, wodurch sich Peptidketten biegen und falten können.

Peptidbindungen können aus mehreren verschiedenen wissenschaftlichen Perspektiven analysiert werden. Chemiker untersuchen ihre Elektronenstruktur und Geometrie. Molekularbiologen analysieren die Art und Weise ihrer Bildung durch Ribosomen und andere biologische Systeme. Strukturbiologen prüfen, wie die Geometrie dieser Bindungen die Proteinearchitektur beeinflusst. Biochemiker hingegen untersuchen, wie Enzyme Peptidbindungen bei der Verarbeitung und dem Abbau von Proteinen selektiv spalten.

Diese Unterscheidungen helfen zu verstehen, wie Proteine gleichzeitig eine bestimmte Aminosäurereduktion beibehalten, komplexe Strukturen annehmen, in kontrollierten biologischen Prozessen entstehen und anschließend verarbeitet oder abgebaut werden können. Untersuchungen zur Elektronenstruktur, Peptidgeometrie, ribosomalen Katalyse, Proteinsynthese und enzymatischen Hydrolyse liefern sich ergänzende Informationen zu diesen Prozessen. [1] [2] [3]

Was ist eine Peptidbindung?

Die chemische Definition der Peptidbindung

Die Peptidbindung ist Amidbindung zwischen einer Gruppe, die von der Carboxygruppe einer Aminosäure stammt, und einer Gruppe, die von der Aminogruppe einer anderen Aminosäure stammt. In einem typischen Proteinkrückgrat werden das Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe und das Stickstoffatom des nächsten Aminosäurerests verknüpft.

Der am häufigsten dargestellte Ausschnitt hat die Form:

–C(=O)–NH–

Das Fragment C=O ist Karbonylgruppe, während die C–N-Verbindung die Bindung ist, die wir normalerweise meinen, wenn wir speziell von der Peptidbindung sprechen. Zusammen bilden diese Atome und ihre unmittelbare Umgebung das sogenannte Peptidgruppe oder Amidgruppe.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da die vollständige Strukturformel der Peptidgruppe mehrere verschiedene Bindungen enthält. Die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung ist keine Verbindung, die zwei Aminosäurereste miteinander verknüpft. Diese Funktion wird von der Amid-Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung übernommen.

Wenn eine Aminosäure mit einer anderen verknüpft wird, wird das Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe, das an einen Rest gebunden ist, kovalent mit dem Stickstoffatom verbunden, das an den nächsten Rest gebunden ist. Die Wiederholung dieses Musters führt zur Entstehung des für eine Peptidkette typischen Rückgrats.

Untersuchungen zur elektronischen Struktur analysieren unter anderem die Wechselwirkung des freien Elektronenpaars des Stickstoffs mit dem benachbarten కార్bonyldienst / Carbonylsystem, was zu erklären hilft, warum sich diese Bindung von einer gewöhnlichen, frei drehbaren Kohlenstoff-Stickstoff-Einfachbindung unterscheidet. [1]

Warum ist die Peptidbindung eine kovalente Bindung?

Die Peptidbindung ist kovalent, da die verbundenen Atome Elektronen teilen.

Es handelt sich dabei weder um eine Ionenwechselwirkung zwischen zwei getrennten, geladenen Aminosäuren noch um eine Wasserstoffbrückenbindung, die verschiedene Teile der gefalteten Kette in der Nähe hält.

Genau diese kovalente Bindung gewährleistet die chemische Kontinuität der Aminosäuresequenz. Die Reste bleiben so lange Teil desselben Kettenmoleküls, bis eine chemische Reaktion ihre Verknüpfung verändert.

Diese Unterscheidung wird besonders wichtig bei der Erörterung der Proteinfaltung und -entfaltung. Die Peptidkette kann sich biegen, ihre Konformation ändern, einen Teil der Wechselwirkungen verlieren, die ihre Struktur stabilisieren, und sich sogar stark entfalten, ohne dass die Peptidketten, die ihre Primärsequenz aufrechterhalten, gebrochen werden müssen.

Kovalent bedeutet jedoch nicht unzerstörbar.

Enzyme und geeignete chemische Bedingungen können die Spaltung von Peptidbindungen verursachen. Eine solche Spaltung ist jedoch chemische Reaktion, die die Art und Weise verändert, wie Atome miteinander verbunden sind, und nicht nur einer bloßen Formveränderung des Moleküls.

Strukturstudien einer der Aspartatproteasen zeigen, wie das Enzym das eine Peptidbindung enthaltende Substrat und ein Wassermolekül in einer für die Hydrolyse wesentlichen Weise anordnen kann. [4]

Der teilweise Charakter der Doppelbindung und die Resonanz

Die C–N-Peptidbindung wird in Formeln oft als einfache Linie dargestellt, jedoch ist die tatsächliche Elektronenverteilung komplexer.

Das freie Elektronenpaar des Stickstoffatoms kann am benachbarten Elektronensystem der Carbonylgruppe teilnehmen. Durch die Delokalisierung der Elektronen erhält die C–N-Bindung Teilcharakter der Doppelbindung.

Dieses Phänomen wird oft mithilfe von Resonanzstrukturen erklärt.

Resonanzstrukturen sind alternative Möglichkeiten zur Darstellung der Elektronenverteilung im selben Molekül. Sie sollten nicht als getrennte Formen des Moleküls interpretiert werden, die sich schnell ineinander umwandeln.

Ebenso bedeutet der teilweise Charakter der Doppelbindung nicht, dass die Peptidbindung während eines bestimmten Prozentsatzes der Zeit eine einfache Bindung und für die restliche Zeit eine normale Doppelbindung ist.

Die tatsächliche Elektronenstruktur resultiert aus der Delokalisierung der Elektronen innerhalb der gesamten Amidgruppe.

In einer computergestützten Studie analysierte Fedorov den Beitrag der Resonanz zur Bestimmung der Peptidbindungsordnung. Die genauen numerischen Werte hängen von der verwendeten Methode zur Analyse der Elektronenstruktur ab. Für das allgemeine Verständnis ist jedoch die Schlussfolgerung am wichtigsten, dass die Wechselwirkung zwischen dem Elektronensystem des Stickstoffs und der Carbonylgruppe für einen Teil der ungewöhnlichen Eigenschaften der C–N-Bindung verantwortlich ist. [1]

Warum ist die Rotation um die Peptidbindung eingeschränkt?

Der teilweise Charakter der Doppelbindung hat eine wichtige strukturelle Konsequenz: Die Rotation um die Amid-C–N-Bindung ist stärker eingeschränkt als die Rotation um eine typische Kohlenstoff–Stickstoff-Einfachbindung.

Das bedeutet jedoch nicht, dass sich Proteine nicht biegen oder falten können.

Das Peptidgerüst enthält auch andere Bindungen, um die eine Drehung möglich ist. Die Proteinkette besteht somit aus sich wiederholenden, relativ steifen Peptidgruppen, die über andere Bindungen des Gerüsts mit größerer konformazioneller Flexibilität verbunden sind.

Die Kombination dieser Einschränkungen und Rotationsmöglichkeiten trägt zu der enormen Vielfalt dreidimensionaler Strukturen bei, die Peptide und Proteine annehmen können.

Ungefähre Ebenheit bedeutet keine perfekt ebene Struktur

Die Elektronenresonanz begünstigt in der Näherung der ebenen Geometrie der Peptidgruppe und schränkt die Rotation um die Amid-C–N-Bindung ein.

Reale molekulare Strukturen können jedoch geringfügig von der idealen mathematischen Ebene abweichen.

Improta und Mitarbeiter kombinierten quantenmechanische Berechnungen mit der Analyse von Kristallstrukturen von Peptiden und Proteinen. Die Ergebnisse zeigten geringe, systematische Abweichungen, die von der lokalen Skelettgeometrie abhängen. [2]

Daher ist die Feststellung richtig, dass Peptidgruppen annähernd flach, während es jedoch eine zu starke Vereinfachung wäre zu behaupten, dass jede Peptidbindung in jedem Peptid oder Protein perfekt planar ist.

Dies ist ein gutes Beispiel für den Unterschied zwischen einem nützlichen Bildungsmodell und dem detaillierteren Verhalten echter molekularer Strukturen.

Wo kommen Peptidbindungen vor?

Im Rückgrat von Peptiden und Proteinen

Peptidbindungen kommen zwischen benachbarten Aminosäureresten in typischen Peptid- und Proteinzelden vor.

Sie bilden zusammen mit den sie umgebenden Atomen eine sich wiederholende Molekülgerüst. Die Seitenketten der Aminosäuren ragen über dieses Rückgrat hinaus und verleihen den einzelnen Resten zusätzliche chemische Eigenschaften.

Ein Protein kann aus einer einzigen Peptidkette oder aus mehreren Ketten bestehen, die zu einem größeren Molekülkomplex verbunden sind. Jede von ihnen hat ihre eigenen Rückgratbindungen.

Verschiedene Ketten können sich durch nichtkovalente Wechselwirkungen oder zusätzliche kovalente Bindungen verbinden. Solche Verknüpfungen sollten nicht automatisch als Peptidbindungen eingestuft werden.

Die chemische Synthese des bovinen pankreatischen Trypsininhibitors, kurz BPTI, verdeutlicht gut den Unterschied zwischen dem Aufbau des Peptidrückgrats und der Bildung zusätzlicher Disulfidbrücken. Die Forscher erhielten zunächst ein lineares Material und führten anschließend dessen Oxidation und Charakterisierung durch. Die Studie trennt somit den Kettenaufbau von der späteren strukturellen Organisation. [5]

Peptidbindungen bestimmen die Kontinuität der Primärsequenz

Aminosäuresequenz Primärstruktur.

Peptidbindungen sorgen für die grundlegende kovalente Kontinuität, die diese Sequenz aufrechterhält.

Zum Beispiel die Sequenz:

Ala-Gly-Ser

enthält dieselben drei Arten von Aminosäuren wie:

Ser–Gly–Ala

Dies sind jedoch nicht dieselben Peptidsequenzen.

Die Position der einzelnen Reste relativ zu den Peptidbindungen ist unterschiedlich.

Deshalb reicht allein das Vorhandensein einer Aminosäurenliste in einer Probe nicht aus, um das Peptid zu identifizieren. Es ist auch notwendig, ihre Reihenfolge und die Art ihrer Verknüpfung zu kennen.

In linearen und cyclischen Peptiden

Eine typische offene Peptidkette hat zwei Enden, die als N-koniec i C-Ende.

Das N-Ende entspricht dem einen Ende des Peptidrückgrats, während das C-Ende dem anderen entspricht. Peptidsequenzen werden standardmäßig vom N-Ende zum C-Ende geschrieben.

Head-to-Tail-cyclisches Peptid, d. h. durch die Verknüpfung der Kettenenden geschlossen, enthält eine zusätzliche Rückgratbindung, die einen Ring bildet.

Nicht alle cyclischen Peptide schließen sich jedoch auf dieselbe Weise. Der Ring kann auch unter Beteiligung einer Seitenkette entstehen, und einige Moleküle enthalten mehr als eine Art von Quervernetzung.

Begriff zyklisch es beschreibt somit ein Merkmal der molekularen Architektur und nicht eine einzige universelle Art ihrer Verknüpfung.

Kalata B1 ist ein konkretes Beispiel für ein Peptid, dessen cyclisches Rückgrat unter anderem durch enzymatische Spaltungsuntersuchungen, Sequenzanalyse und molekulare Struktur bestätigt wurde. Das Molekül enthält zudem Disulfidbrücken. Diese zusätzlichen Schwefel-Schwefel-Bindungen unterscheiden sich chemisch von den Amidbindungen, die die Reste im Peptidrückgrat verknüpfen. [6]

Peptidbindungen im Vergleich zu Isopeptidbindungen

In einem typischen Proteinkrüger verknüpfen Peptidbindungen die Hauptaminogruppen und die von Carboxylgruppen stammenden Gruppen.

eine Amidbindung, an deren Bildung beteiligt ist Funktionsgruppe der Aminosäurenseitenkette, wird oft als bezeichnet Isopeptidbindung.

Die wichtigste Regel ist daher festzustellen, welche Atome tatsächlich miteinander verbunden wurden.

Das alleinige Vorhandensein einer Amidbindung bedeutet nicht automatisch, dass sie sich in einem typischen Peptidrückgrat befindet. Gleichzeitig ist nicht jede Quervernetzung in einem Peptid oder Protein eine Amidbindung – Disulfidbrücken und andere kovalente Modifikationen weisen eine andere Chemie auf.

Für Anfänger ist ein besonders nützlicher Ausgangspunkt die gewöhnliche Peptidbindung im Rückgrat. Speziellere Verbindungen können dann als unterschiedliche Varianten der molekularen Organisation betrachtet werden.

Wie viele Peptidbindungen befinden sich in der Kette?

Einzelne offene, unverzweigte Kette enthaltend n Aminosäurereste haben n − 1 Peptidbindungen im Rückgrat.

Das bedeutet, dass:

• Ein Dipeptid hat 2 Reste und 1 Peptidbindung;
• Tripeptid hat 3 Reste und 2 Peptidbindungen;
• Tetrapeptid hat 4 Reste und 3 Peptidbindungen;
• Ein Pentapeptid hat 5 Reste und 4 Peptidbindungen;
• Eine offene Kette mit 10 Resten hat 9 Peptidbindungen.

Diese Abhängigkeit ergibt sich direkt aus der Art und Weise, wie das Molekül verknüpft ist: Jachste (jeder folgende Rest verlängert...) -> Jeder weitere Rest verlängert die bestehende Kette um eine zusätzliche Rückgratbindung.

Der Entsprechende zyklische Kopf-Schwanz-Kette enthält n Peptidbindungen im Rückgrat, da eine zusätzliche Bindung den Ring schließt.

Diese Annahmen sind jedoch wichtig. Verzweigungen, ungewöhnliche Seitenkettenverknüpfungen, das Vorhandensein mehrerer Ketten, Isopeptidbindungen oder von Amidbindungen abweichende Rückgrat-Elemente erfordern eine detailliertere Analyse.

Die bloße Anzahl der Reste reicht daher nicht immer aus, um alle kovalenten Bindungen zu bestimmen, die in einem komplexen Peptid oder Protein vorhanden sind.

Wie verbinden Peptidbindungen Aminosäuren?

Von freien Aminosäuren zu Aminosäureresten

Eine freie Aminosäure und der entsprechende in einem Peptid befindliche Rest sind miteinander verbunden, beschreiben jedoch nicht exakt denselben chemischen Zustand.

Wenn eine Aminosäure in ein Peptid eingebaut wird, sind ihre funktionellen Gruppen an den Bindungen beteiligt, die die Kette bilden.

Beispielsweise führt die Verknüpfung von Glycin und Alanin in einer bestimmten Reihenfolge zur Entstehung von Glycylalanin. Die Umkehrung der Reihenfolge führt zur Entstehung alanyloglicyny.

Die Arten der Aminosäuren sind dieselben, aber ihre Position und ihre chemische Umgebung unterscheiden sich.

Dies zeigt, warum die Peptidsequenz mehr Informationen enthält als eine bloße Liste ihrer Bestandteile.

Die Bildung von Bindungen kann direkt untersucht werden. Stachelhaus und Mitarbeiter analysierten Elemente des nichtribosomalen Peptidsynthesesystems und wiesen nach, dass die Veränderung eines Restes in der vorgeschlagenen katalytischen Stelle die untersuchte Kondensationsreaktion verhinderte. Das Experiment verknüpft somit die Entstehung eines bestimmten Peptidprodukts mit der Aktivität einer konkreten molekularen Maschinerie. [7]

Die Kondensationsgleichung ist ein Reaktionsbilanzmodell

In der Grundlagenchemie wird die Bildung eines Peptids oft durch folgende Gleichung dargestellt:

Aminosäure + Aminosäure → Dipeptid + Wasser

Die Gleichung zeigt den Unterschied in der Zusammensetzung zwischen den freien Ausgangsmolekülen und dem verbundenen Produkt.

Es ist nützlich, um die chemische Beziehung zwischen den Edukten und dem Produkt zu verstehen.

Er darf jedoch nicht als vollständiger Mechanismus der Proteinsynthese innerhalb einer lebendigen Zelle interpretiert werden.

Freie Aminosäuren reihen sich im Wasser nicht einfach aneinander, setzen nicht spontan Wassermoleküle frei und bilden nicht von selbst eine bestimmte Proteinsequenz.

Die biologische Synthese erfordert aktivierte Substrate, eine geordnete molekulare Maschinerie, sequenzbestimmende Information und energiebedürftige vorbereitende Prozesse.

Es ist daher wichtig, zwischen sumarischen chemischen Gleichung a Reaktionsmechanismus.

Die Gleichung beschreibt die Ausgangs- und Endzusammensetzung. Der Mechanismus erklärt die tatsächlichen molekularen Schritte und Zwischenprodukte, die zu der Reaktion führen.

Ribosomenexperimente untersuchen genau solche mechanistischen Details, anstatt nur die bekannte Kondensationsgleichung nachzubilden. [3]

Wie bildet das Ribosom Peptidbindungen?

Während der Translation transportieren Transfer-RNAs, also tRNA, transportieren Aminosäuren und die wachsende Peptidkette innerhalb des Ribosoms.

Die Aminogruppe der neu angelieferten Aminosäure reagiert mit dem an tRNA gebundenen, aktivierten Ende der bestehenden Kette, was zum Transfer des wachsenden Peptids auf den an die neue tRNA gebundenen Rest führt.

Eine Peptidkette wird normalerweise am Ende verlängert C-Końca.

Die Aktivierung von Aminosäuren und deren Bindung an tRNA sind energieabhängige Prozesse. Daher wäre die Beschreibung jeder ribosomalen Peptidbindung als direkt zwischen zwei freien Aminosäuren entstehend oder als einfache „Wasserentfernung” durch das Ribosom eine zu starke Vereinfachung.

Weinger und Mitarbeiter modifizierten eine chemische Gruppe im tRNA-Substrat und beobachteten eine deutliche Einschränkung der Peptidbindung Bildung ohne eine entsprechende Abnahme der Substratbindung. Dieses Ergebnis lieferte Beweise für substratinduzierte Katalyse, bei der die chemischen Eigenschaften der Substrate selbst am Reaktionsverlauf beteiligt sind. [3]

Das Experiment weist somit auf eine mechanistische Rolle der tRNA-Chemie hin und nicht ausschließlich auf ihre Funktion als passiver Träger.

Die Bildung von Peptidbindungen hat eine bestimmte Richtung.

Die Proteinsynthese ist ein gerichteter Prozess.

Da die wachsende Kette am C-Terminus verlängert wird, entwickelt sich die Sequenz in einer bestimmten Orientierung.

Dies hängt mit der üblichen Konvention zusammen, Peptid- und Proteinsequenzen von N-terminal bis C-terminal.

Die Richtung ist jedoch nicht nur eine Schreibkonvention. Die Umkehrung der Sequenz führt in der Regel zur Entstehung eines anderen Moleküls, da jeder Rest dann eine andere Position relativ zu den übrigen Elementen der Kette einnimmt.

Andere Möglichkeiten zur Erstellung ähnlicher Arten von Bindungen

Peptidbindungen können auch außerhalb des RibosOMS entstehen.

Spezialisierte nichtribosomale Enzymsysteme synthetisieren einige Peptide, während die实验室gesteuerte Peptidsynthese aktivierte Komponenten und kontrollierte Kupplungsreaktionen nutzt.

Diese Wege unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Organisation, ihrer Substrate, der Reaktionsbedingungen und ihrer katalytischen Mechanismen.

Sie sollten nicht als identische Prozesse betrachtet werden, nur weil die Endprodukte Amidbindungen enthalten.

Die Erforschung der nichtribosomalen Bindungsbildung und die chemische Synthese von BPTI stellen Beispiele für solche unterschiedlichen Produktionsmethoden dar. [7] [5]

Auch die Herstellungsweise bestimmt an sich nicht, ob ein bestimmtes Molekül ein Peptid oder ein Protein ist. Die chemische Synthese kann zu einem Material führen, das einem natürlich vorkommenden Peptid oder Protein entspricht, vorausgesetzt, dass seine Sequenz und andere wesentliche strukturelle Merkmale korrekt festgelegt wurden.

Peptidbindungen im Vergleich zu anderen Bindungen in Proteinen

Rückgratbindungen im Vergleich zu den für die Faltung verantwortlichen Wechselwirkungen

Peptidbindungen halten die verbundene Aminosäuresequenz zusammen.

Andere Wechselwirkungen tragen hingegen dazu bei, zu bestimmen, wie sich diese Sequenz im dreidimensionalen Raum anordnet oder wie einzelne Peptidketten miteinander wechselwirken.

Wasserstoffbrückenbindungen entstehen zwischen entsprechenden Wasserstoffdonoren und -akzeptoren. Innerhalb des Peptidrückgrats können die Sauerstoffatome der Carbonylgruppen als Akzeptoren und viele N–H-Amidgruppen als Donoren fungieren.

Amidstickstoff wird in der Regel nicht als Wasserstoffbrückenakzeptor betrachtet, da sein freies Elektronenpaar am Elektronensystem der Amidgruppe beteiligt ist.

Besondere Aufmerksamkeit verdienen auch Prolin-haltige Peptidgruppen, da der Stickstoff im Gerüst in diesem Fall nicht über das typische N–H-Wasserstoffatom verfügt.

Eine Gruppe, die eine Peptidbindung enthält, kann also an der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt sein, aber Peptidbindung und Wasserstoffbrückenbindung sind unterschiedliche Arten von Verbindungen.

Das eine verbindet Aminosäurereste kovalent. Das zweite ist an intra- oder intermolekularen Wechselwirkungen beteiligt.

Untersuchungen an dem kurzen, gefalteten Peptid CLN025 analysierten eine Struktur, die unter anderem durch Wasserstoffbrückenbindungen und andere intrakomolekulare Wechselwirkungen stabilisiert wird. Dies zeigt, dass eine Faltung stattfinden kann, ohne dass ein neues Rückgrat gebildet wird. [8]

Disulfidbrücken verbinden schwefelhaltige Seitenketten

Disulfidbrücken sind kovalente Schwefel-Schwefel-Bindungen, die meistens zwischen den Seitenketten von Cystein entstehen.

Sie können entfernte Abschnitte desselben Peptidstrangs oder verschiedene Stränge verknüpfen.

Sie sind keine Peptidbindungen und kommen nicht in allen Proteinen vor.

Die Bildung oder Spaltung einer Disulfidbrücke kann die räumliche Organisation des Moleküls wesentlich verändern, ohne dass dessen Peptidrückgrat zerschnitten werden muss.

In einer Studie zur Synthese von BPTI wurden die natürliche Sequenz sowie Analoga hergestellt, die darauf ausgelegt waren, die Möglichkeiten der Disulfidbrückenbildung zu verändern. Das Material mit der natürlichen Sequenz wurde mittels analytischer und funktionaler Methoden mit natürlichem BPTI verglichen. Das Abstract der Publikation bestätigte nicht alle strukturellen Konsequenzen bezüglich der Analoga, weshalb die vorgeschlagenen Unterschiede nicht als vollständig gesicherte Ergebnisse dargestellt werden sollten. [5]

Ionische und hydrophobe Wechselwirkungen

Geladene Gruppen können sich anziehen oder abstoßen und so die räumliche Organisation des Moleküls beeinflussen.

In den nichtpolaren Regionen hingegen findet eine Wechselwirkung mit der wässrigen Umgebung statt, die dazu beitragen kann, dass sie sich im Inneren einer Struktur, einer Assoziation oder einer Aggregation verstecken. Dieses Phänomen wird häufig im Zusammenhang mit hydrophoben Effekts.

Diese Wechselwirkungen können für die Faltung von Proteinen von enormer Bedeutung sein, doch die hydrophobe Wechselwirkung stellt keine neue kovalente Bindung zwischen Aminosäuren dar.

Deshalb ist es falsch, alle proteinstabilisierenden Kräfte als Peptidbindungen zu bezeichnen.

Einzelne Arten von Wechselwirkungen können zudem unterschiedlich auf Temperatur, Lösungsmittel, Acidität, Ionenbedingungen und andere Umweltveränderungen reagieren. Die Bestimmung, welche Art von Bindung oder Wechselwirkung sich verändert, ermöglicht ein genaueres Verständnis des Experimentsergebnisses.

Denaturierung ist nicht dasselbe wie Hydrolyse

Denaturierung ändert die typische strukturelle Organisation des Proteins.

Es kann die Faltung oder Assoziation von Molekülen stören, während die meisten oder alle Peptidbindungen intakt bleiben.

Hydroliza zmienia natomiast połączenia chemiczne poprzez rozszczepienie podatnego wiązania w reakcji z udziałem wody.

W pewnych warunkach oba procesy mogą zachodzić w tej samej próbce, ale nie są synonimami.

Rozwinięcie białka nie oznacza więc automatycznie jego przekształcenia w krótsze peptydy lub wolne aminokwasy.

Rozróżnienie to jest widoczne również w badaniach strukturalnych. W eksperymentach dotyczących termicznie rozwiniętego kolagenu zidentyfikowano różne konfiguracje cis i trans wiązań peptydowych związanych z proliną. Zmiana konfiguracji szkieletu jest innym zjawiskiem niż jego chemiczne rozszczepienie. [9]

Powstawanie, właściwości i hydroliza wiązań peptydowych

Stabilność zależy od rodzaju analizowanej reakcji

Wiązania peptydowe są wystarczająco trwałe, aby utrzymywać biologiczne łańcuchy, a jednocześnie organizmy mogą je selektywnie tworzyć i rozszczepiać.

Nie ma w tym sprzeczności.

Szybkość reakcji zależy między innymi od bariery aktywacji i obecności katalizatorów, natomiast to, czy dana reakcja jest korzystna termodynamicznie, stanowi odrębne zagadnienie.

Proces może być chemicznie możliwy, ale bez odpowiedniej katalizy przebiegać niezwykle wolno.

Z drugiej strony enzym może znacząco przyspieszyć określoną reakcję poprzez zapewnienie korzystniejszej drogi reakcji.

Enzym nie zmienia wiązania peptydowego w zupełnie inny rodzaj wiązania. Zmienia drogę, którą przebiega reakcja chemiczna.

Nieprawidłowe byłoby również przypisywanie jednego uniwersalnego czasu trwałości wszystkim wiązaniom peptydowym, peptydom czy białkom znajdującym się w wodzie.

Sekwencja, lokalna struktura, dostępność wiązania, sąsiadujące grupy chemiczne, temperatura, pH, skład roztworu oraz obecność katalizatorów mogą wpływać na obserwowane zachowanie.

Co zmienia hydroliza?

Hydroliza wykorzystuje wodę w reakcji chemicznego rozszczepienia wiązania amidowego, prowadząc do powstania nowych końców pochodzących od grup karboksylowych i aminowych.

Ich dokładna postać jonowa zależy od warunków otaczającego roztworu.

Rozszczepienie jednego wiązania w szkielecie nie prowadzi automatycznie do powstania wolnych aminokwasów.

Jeśli rozerwane zostanie wewnętrzne wiązanie peptydowe w dłuższym otwartym łańcuchu, bezpośrednimi produktami będą zazwyczaj dwa krótsze fragmenty peptydowe.

Dalsze reakcje rozszczepiania są potrzebne, aby stopniowo skracać te fragmenty i ostatecznie uwalniać pojedyncze aminokwasy.

Badania strukturalne penicillopepsyny analizowały sposób, w jaki proteinaza aspartylowa może organizować wodę i grupy substratu w procesie hydrolizy. Zaproponowany model reakcji oparto na obserwacjach krystalograficznych i modelowaniu. Dostarcza on informacji o jednym mechanizmie enzymatycznym, ale nie dowodzi, że każda proteaza wykorzystuje identyczny sposób katalizy. [4]

Hydroliza może być selektywna

Proteazy i peptydazy różnią się pod względem rozpoznawanych wiązań i środowisk molekularnych.

Niektóre enzymy przecinają wiązania znajdujące się wewnątrz łańcucha, natomiast inne usuwają reszty od jego końców.

Sekwencja, lokalna struktura, dostępność i otaczające grupy chemiczne mogą wpływać na to, czy potencjalnie podatne miejsce zostanie rzeczywiście rozszczepione.

Davidson i Hutton badali enzym związany z ziarnistościami wydzielającymi insulinę. Oczyszczony preparat usuwał zasadowe reszty z substratów pochodzących z proinsuliny, a w zastosowanym teście nie powodował dalszego rozpadu dojrzałej insuliny. [10]

Pokazuje to selektywne przetwarzanie biologiczne, a nie przypadkowe rozrywanie wszystkich wiązań peptydowych.

Selektywne rozszczepianie ma istotne znaczenie biologiczne, ponieważ większe cząsteczki prekursorowe mogą być przetwarzane w określonych miejscach, prowadząc do powstania konkretnych dojrzałych produktów zamiast przypadkowej degradacji.

Warunki mają znaczenie: dwa przykłady eksperymentalne

Kenley i Warne badali rekombinowaną ludzką interleukinę 11 w celowo zastosowanych warunkach stresowych, obejmujących podwyższoną temperaturę i różne wartości pH.

W kwaśnym środowisku zidentyfikowali rozszczepienie w określonym miejscu Asp–Pro. Wyniki pokazują degradację zależną od sekwencji i warunków, ale nie powinny być przekształcane w uniwersalną zasadę opisującą zachowanie wszystkich białek w typowych warunkach biologicznych. [11]

W innym badaniu obserwowano fragmentację radiojodowanego wazoaktywnego peptydu jelitowego w rozcieńczonym roztworze o obojętnym pH. Pokrewne, krótsze fragmenty nie wykazywały mierzalnej degradacji w tych samych warunkach eksperymentalnych, a dodatki do roztworu wpływały na wynik. [12]

Oba badania pokazują, dlaczego stabilność wiązań peptydowych należy omawiać w odniesieniu do konkretnej cząsteczki, sekwencji, środowiska i warunków eksperymentalnych, zamiast zakładać, że określone pH lub temperatura będą powodowały takie samo zachowanie każdego peptydu.

Dlaczego wiązania peptydowe są biologicznie ważne?

Wiązania peptydowe zachowują kolejność reszt aminokwasowych definiującą łańcuch peptydowy lub białkowy.

Ich geometria ogranicza możliwe ułożenia przestrzenne łańcucha, natomiast grupy karbonylowe i zawierające azot, obecne w szkielecie peptydowym, uczestniczą w oddziaływaniach molekularnych.

Kontrolowane tworzenie wiązań peptydowych umożliwia syntezę peptydów i białek.

Kontrolowane rozszczepianie tych wiązań uczestniczy natomiast w przetwarzaniu prekursorów, trawieniu, obrocie białek, szlakach regulacyjnych i ostatecznej degradacji cząsteczek.

Ten sam podstawowy rodzaj połączenia chemicznego uczestniczy więc w kilku poziomach organizacji biologicznej.

Jego powstanie ustala ciągłość sekwencji.

Jego struktura elektronowa wpływa na geometrię szkieletu.

Obecne w nim grupy chemiczne uczestniczą w oddziaływaniach molekularnych.

Jego selektywne rozszczepianie pozwala układom biologicznym przetwarzać i usuwać białka oraz peptydy.

Funkcje te łączą chemię molekularną z biologią. Dowody pochodzą między innymi z obliczeń struktury elektronowej, pomiarów strukturalnych, badań enzymatycznych, syntezy chemicznej i eksperymentów z wykorzystaniem kompletnych układów biologicznych. Każda z tych metod pokazuje inny element mechanizmu i nie powinna być wykorzystywana do wyciągania wniosków wykraczających poza rzeczywiście badany proces. [2] [3] [10]

Häufig gestellte Fragen

1. Czy wiązanie peptydowe jest kowalencyjne?

Tak. Wiązanie peptydowe jest kowalencyjnym połączeniem amidowym pomiędzy grupami pochodzącymi od aminokwasów. Atom węgla i atom azotu współdzielą elektrony, co zapewnia chemiczną ciągłość łańcucha peptydowego. Badania struktury elektronowej analizują, jak na to współdzielenie elektronów wpływa sąsiadująca grupa karbonylowa i w jaki sposób przyczynia się ona do charakterystycznych właściwości wiązania amidowego. Określenie „kowalencyjne” nie oznacza jednak, że wiązania nie można rozerwać. W odpowiednich warunkach chemicznych lub przy udziale enzymów może ono ulegać hydrolizie. Najważniejsze jest rozróżnienie, że wiązanie peptydowe chemicznie łączy reszty w jedną cząsteczkę, a nie tylko powoduje przyciąganie pomiędzy oddzielnymi cząsteczkami lub fragmentami tej samej cząsteczki. [1]

2. Dlaczego wiązanie peptydowe ma częściowy charakter wiązania podwójnego?

Częściowy charakter wiązania podwójnego wynika z oddziaływania wolnej pary elektronowej azotu z sąsiadującym układem elektronowym grupy karbonylowej. Dzięki temu gęstość elektronowa ulega delokalizacji w obrębie grupy amidowej. Badania obliczeniowe analizowały udział tego zjawiska w rzędzie wiązania peptydowego. Struktury rezonansowe wykorzystywane do jego wyjaśnienia są alternatywnymi sposobami przedstawienia tej samej struktury elektronowej, a nie odrębnymi cząsteczkami zmieniającymi się jedna w drugą. Również wartości liczbowe opisujące rząd wiązania mogą zależeć od zastosowanej metody analitycznej. Najważniejszą konsekwencją strukturalną jest ograniczenie obrotu wokół połączenia C–N w porównaniu z typowym, swobodnie obracającym się wiązaniem pojedynczym. [1]

3. Które atomy tworzą wiązanie peptydowe?

W typowym szkielecie peptydowym wiązanie peptydowe łączy atom węgla grupy karbonylowej jednej reszty z atomem azotu kolejnej reszty. Atom tlenu pozostaje częścią grupy karbonylowej i nie stanowi bezpośredniego połączenia pomiędzy dwiema resztami aminokwasowymi. Badania elektronowe i strukturalne analizują te atomy jako element powiązanej grupy amidowej, jednocześnie rozróżniając ich poszczególne wiązania. Podczas identyfikowania typowego wiązania peptydowego we wzorze strukturalnym przydatnym punktem wyjścia jest więc znalezienie wiązania C–N bezpośrednio sąsiadującego z grupą karbonylową. [2]

4. Gdzie w białku znajduje się wiązanie peptydowe?

Wiązania peptydowe znajdują się w szkielecie każdego łańcucha białkowego i łączą sąsiadujące reszty aminokwasowe. Różnią się od wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami bocznymi oraz oddziaływań pomiędzy oddzielnymi łańcuchami. Chemiczna synteza BPTI pokazuje to rozróżnienie poprzez oddzielenie budowy szkieletu od późniejszego powstawania mostków disiarczkowych. Pełna struktura trójwymiarowa białka może zawierać wiele rodzajów oddziaływań kowalencyjnych i niekowalencyjnych, dlatego identyfikacja wiązań peptydowych wymaga śledzenia szkieletu aminokwasowego, a nie liczenia wszystkich linii lub połączeń przedstawionych na modelu cząsteczki. [5]

5. Czy każde wiązanie amidowe jest wiązaniem peptydowym?

Nie. Wiązania amidowe występują w wielu różnych związkach organicznych, natomiast termin „wiązanie peptydowe” odnosi się do określonych połączeń pochodzących od aminokwasów w peptydach i białkach. Typowe wiązanie peptydowe w szkielecie jest jednym z rodzajów układu amidowego. Wiązania amidowego wykorzystującego łańcuch boczny aminokwasu nie należy więc automatycznie zaliczać do zwykłych wiązań szkieletowych. Badania geometrii peptydów koncentrują się na zdefiniowanej grupie amidowej szkieletu, a nie traktują wszystkich możliwych amidów jako chemicznie i strukturalnie identycznych. Odpowiednia nazwa zależy od uczestniczących grup oraz ich położenia w cząsteczce. [2]

6. Ile wiązań peptydowych znajduje się w tripeptydzie?

Typowy otwarty, nierozgałęziony tripeptyd zawiera dwa wiązania peptydowe, ponieważ trzy reszty wymagają dwóch połączeń, aby utworzyć jeden ciągły otwarty łańcuch. Wynika to z ogólnej zależności n − 1 dla typowego otwartego łańcucha zawierającego n reszt. Jest to obliczenie wynikające z budowy cząsteczki, a nie wynik eksperymentalny czy informacja o jej funkcji biologicznej. Odpowiedź będzie inna, jeśli dodatkowe wiązanie szkieletowe zamknie cząsteczkę w pierścień. Wiązania łańcuchów bocznych i inne połączenia kowalencyjne należy natomiast liczyć oddzielnie. Przed zastosowaniem ogólnej reguły należy więc określić architekturę analizowanej cząsteczki.

7. Czy peptydy cykliczne mają dodatkowe wiązanie peptydowe?

Peptyd cykliczny typu head-to-tail ma o jedno wiązanie szkieletowe więcej niż odpowiadający mu otwarty łańcuch, ponieważ dodatkowe wiązanie amidowe łączy oba końce i zamyka pierścień. Inne peptydy cykliczne mogą jednak tworzyć pierścień z udziałem łańcuchów bocznych, dlatego zasada ta nie dotyczy automatycznie każdej cząsteczki określanej jako cykliczna. Badania kalaty B1 potwierdziły konkretny przypadek cyklicznego szkieletu zawierającego dodatkowo mostki disiarczkowe. Zamknięcie szkieletu w pierścień oraz tworzenie połączeń pomiędzy łańcuchami bocznymi należy więc opisywać oddzielnie podczas liczenia wiązań i przedstawiania architektury molekularnej. [6]

8. Czy wiązania peptydowe są zawsze idealnie płaskie?

Nie. Grupy peptydowe są w przybliżeniu płaskie, ale możliwe są mierzalne odchylenia od idealnej geometrii. Badanie łączące obliczenia kwantowo-mechaniczne z analizą danych strukturalnych peptydów i białek wykazało niewielkie zniekształcenia związane z lokalnym ułożeniem szkieletu. Obserwacje te uzupełniają uproszczony model podręcznikowy, ale nie czynią go bezużytecznym. Planarność pozostaje ważną preferencją strukturalną wynikającą z elektronowej budowy grupy amidowej, jednak dokładna analiza strukturalna powinna uwzględniać lokalne różnice charakterystyczne dla konkretnej cząsteczki. [2]

9. Czy białko może się zginać, skoro obrót wokół wiązania peptydowego jest ograniczony?

Tak. Szkielet białka zawiera inne wiązania, wokół których mogą zachodzić zmiany kątów torsyjnych. Ograniczony obrót wokół amidowego wiązania C–N nie unieruchamia więc całego łańcucha. Analizy strukturalne rozróżniają kąty obrotu wokół sąsiednich wiązań szkieletowych od kąta związanego z samym wiązaniem peptydowym. Ograniczenia steryczne, lokalne oddziaływania chemiczne oraz rodzaj sąsiednich reszt wpływają dodatkowo na to, które ułożenia są energetycznie i fizycznie dostępne. Białka nie są więc ani sztywnymi prętami, ani łańcuchami złożonymi z całkowicie swobodnie obracających się elementów. Ich struktura wynika z połączenia ograniczonych i stosunkowo elastycznych stopni swobody szkieletu. [2]

10. Czym są wiązania peptydowe cis i trans?

Określenia cis i trans opisują różne przestrzenne ułożenie grup znajdujących się po obu stronach wiązania peptydowego. W typowych szkieletach białkowych dominuje konfiguracja trans. Szczególnej uwagi wymagają wiązania peptydowe związane z proliną, ponieważ konfiguracja cis występuje w ich przypadku częściej niż dla wielu innych kombinacji reszt. W badaniach NMR termicznie rozwiniętego kolagenu wykryto obie konfiguracje. Wyniki te dotyczą jednak konkretnego białka w określonych warunkach eksperymentalnych i nie powinny być przekształcane w uniwersalne wartości procentowe dotyczące wszystkich peptydów i białek. Terminy cis i trans opisują geometrię wiązania peptydowego, a nie różne rodzaje wiązań chemicznych. [9]

11. Czy podczas tworzenia wiązania peptydowego zawsze bezpośrednio uwalniana jest woda?

Nie. Znane równanie przedstawiające uwalnianie wody opisuje sumaryczną relację kondensacji pomiędzy wolnymi grupami funkcyjnymi, ale nie przedstawia każdego rzeczywistego mechanizmu powstawania wiązań peptydowych. Synteza rybosomalna wykorzystuje aktywowane substraty połączone z tRNA, a badania eksperymentalne wskazują na udział chemii substratu w katalizie. Bezpośredni przebieg reakcji jest więc bardziej złożony niż proste usunięcie wody z dwóch swobodnie rozpuszczonych aminokwasów. Rozróżnienie pomiędzy sumarycznym bilansem reakcji a rzeczywistym mechanizmem biologicznym zapobiega przekształceniu przydatnego równania edukacyjnego w nieprawidłowy opis syntezy białek. [3]

12. Czy zmieszanie aminokwasów z wodą prowadzi do powstania białka?

Nie. Mieszanina wolnych aminokwasów nie tworzy automatycznie określonej sekwencji białkowej. Kontrolowane tworzenie peptydów wymaga odpowiedniej chemii, a w komórkach także uporządkowanej maszynerii syntezy zdolnej do kontrolowania kolejności aminokwasów i tworzenia wiązań. Eksperymenty dotyczące nierybosomalnego składania peptydów wykazały, że zaburzenie określonego elementu katalitycznego może uniemożliwić powstawanie badanego produktu peptydowego. Wyniki dotyczą konkretnego układu biosyntetycznego, ale pokazują szerszą zasadę: sama obecność molekularnych składników budulcowych nie wystarcza. Powstanie zdefiniowanej sekwencji wymaga kontrolowanego tworzenia połączeń molekularnych. [7]

13. Czy wiązanie peptydowe jest tym samym co wiązanie wodorowe?

Nie. Wiązanie peptydowe jest kowalencyjnym połączeniem w szkielecie cząsteczki, natomiast wiązanie wodorowe jest oddziaływaniem pomiędzy odpowiednim donorem i akceptorem wodoru. Grupy chemiczne znajdujące się w szkielecie peptydowym mogą uczestniczyć w tworzeniu wiązań wodorowych bez powstawania dodatkowych wiązań peptydowych. Badania pofałdowanego dekapeptydu CLN025 analizowały wiązania wodorowe i inne oddziaływania uczestniczące w stabilizacji jego struktury. Rozróżnienie to oddziela wiązania definiujące podstawową kowalencyjną sekwencję łańcucha od oddziaływań pomagających już połączonemu łańcuchowi organizować się w przestrzeni trójwymiarowej. [8]

14. Czy mostek disiarczkowy jest rodzajem wiązania peptydowego?

Nie. Mostek disiarczkowy jest kowalencyjnym połączeniem siarka–siarka, zwykle powstającym pomiędzy łańcuchami bocznymi cysteiny. Wiązanie peptydowe jest natomiast połączeniem amidowym łączącym grupy pochodzące od aminokwasów w szkielecie peptydu. Badania syntezy BPTI traktowały budowę szkieletu i powstawanie mostków disiarczkowych jako odrębne procesy. Oba rodzaje wiązań mogą mieć istotne znaczenie dla struktury cząsteczki, ale łączą inne atomy i uczestniczą w innych reakcjach chemicznych. Rozerwanie mostka disiarczkowego nie musi więc przecinać szkieletu peptydowego, natomiast rozszczepienie wiązania peptydowego bezpośrednio zmienia ciągłość sekwencji łańcucha. [5]

15. Czy denaturacja białka powoduje rozerwanie wiązań peptydowych?

Nie jest to konieczne. Denaturacja oznacza zaburzenie typowej pofałdowanej lub zespołowej struktury białka i z definicji nie wymaga rozszczepienia wiązań peptydowych. W zależności od zastosowanych warunków degradacja chemiczna może zachodzić jednocześnie z denaturacją, ale obu procesów nie należy automatycznie utożsamiać. W badaniach termicznie rozwiniętego kolagenu nadal analizowano różne konfiguracje jego wiązań peptydowych. Rozwinięty łańcuch i łańcuch poddany hydrolizie są więc różnymi stanami molekularnymi: pierwszy dotyczy przede wszystkim organizacji trójwymiarowej, natomiast drugi zmiany połączeń kowalencyjnych. [9]

16. Czy hydroliza natychmiast prowadzi do powstania wolnych aminokwasów?

Nie zawsze. Hydroliza jednego wewnętrznego wiązania peptydowego w dłuższym otwartym łańcuchu prowadzi zazwyczaj do powstania dwóch krótszych fragmentów peptydowych. Dalsze reakcje rozszczepiania są konieczne, aby stopniowo zmniejszać długość tych fragmentów i ostatecznie uwolnić pojedyncze aminokwasy. W badaniach eksperymentalnych identyfikowano konkretne fragmenty powstające po rozszczepieniu wiązań peptydowych, między innymi podczas badań degradacji interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego. Rodzaj produktów zależy od miejsc, które zostały rozszczepione, oraz stopnia zaawansowania hydrolizy. Określenie „zhydrolizowany” nie oznacza więc automatycznie, że peptyd lub białko zostało całkowicie przekształcone w wolne aminokwasy. [11] [12]

17. Czy wszystkie wiązania peptydowe rozpadają się z taką samą szybkością?

Nie. Obserwowana szybkość rozszczepiania zależy od sekwencji peptydu, lokalnej struktury molekularnej, dostępności wiązania, sąsiednich grup chemicznych, składu roztworu, temperatury, pH oraz obecności katalizatorów, takich jak enzymy proteolityczne. Badania interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego wykazały selektywną, zależną od warunków degradację, a nie jednakowe zachowanie wszystkich wiązań. Eksperymenty te nie określają uniwersalnego czasu trwałości dla innych peptydów. Naukowo uzasadniony wniosek jest taki, że stabilność wiązania peptydowego należy oceniać w odniesieniu do konkretnej cząsteczki, środowiska i reakcji, a nie przewidywać wyłącznie na podstawie nazwy wiązania. [11] [12]

18. Czym różni się wiązanie peptydowe od wiązania izopeptydowego?

Typowe wiązanie peptydowe w szkielecie zwykle łączy główną grupę pochodzącą od grupy karboksylowej jednej reszty z główną grupą aminową kolejnej reszty. Wiązanie izopeptydowe również jest połączeniem amidowym, ale w jego tworzeniu uczestniczy co najmniej jedna grupa funkcyjna znajdująca się poza typowym układem szkieletu, na przykład odpowiednia grupa w łańcuchu bocznym aminokwasu. Oba rodzaje połączeń opierają się więc na pokrewnej chemii amidowej, ale zajmują inne miejsca w architekturze molekularnej. Rozróżnienie jest istotne, ponieważ samo wykrycie wiązania amidowego nie wystarcza do stwierdzenia, że należy ono do zwykłego szkieletu peptydowego.

19. Dlaczego wiązania peptydowe są ważne dla struktury białek?

Wiązania peptydowe utrzymują uporządkowaną kowalencyjną sekwencję reszt aminokwasowych, a jednocześnie nakładają ograniczenia geometryczne na szkielet cząsteczki. Ich częściowy charakter wiązania podwójnego ogranicza obrót wokół amidowego połączenia C–N i sprzyja w przybliżeniu płaskiej geometrii grupy peptydowej. Jednocześnie grupy karbonylowe i N–H w szkielecie mogą uczestniczyć we wzorcach wiązań wodorowych ważnych dla struktur wyższego rzędu. Wiązania peptydowe nie tylko łączą więc aminokwasy — ich właściwości elektronowe i geometryczne pomagają określać możliwości strukturalne całego łańcucha. [1] [2]

20. Czy enzymy mogą rozrywać wiązania peptydowe?

Tak. Proteazy i peptydazy mogą katalizować hydrolizę wiązań peptydowych, ale nie muszą przecinać wszystkich wiązań bez rozróżnienia. Poszczególne enzymy rozpoznają określone sekwencje, środowiska strukturalne lub pozycje w łańcuchach peptydowych. Badania strukturalne penicillopepsyny analizowały sposób organizacji substratu i wody przez proteinazę aspartylową podczas hydrolizy, natomiast Davidson i Hutton wykazali selektywne przetwarzanie substratów związanych z proinsuliną. Przykłady te pokazują, w jaki sposób układy biologiczne mogą w kontrolowany sposób rozszczepiać określone wiązania peptydowe podczas przetwarzania i degradacji cząsteczek. [4] [10]

Ograniczenia w interpretacji badań nad wiązaniami peptydowymi

Podczas przechodzenia od podstawowej chemii wiązań peptydowych do wniosków dotyczących rzeczywistych peptydów i białek należy pamiętać o kilku ograniczeniach.

Po pierwsze, idealizowana grupa peptydowa przedstawiana w podręcznikach jest modelem typowego układu strukturalnego. Rzeczywiste struktury molekularne mogą wykazywać mierzalne odchylenia od idealnej planarności i geometrii. [2]

Po drugie, stabilność wiązania peptydowego zależy od kontekstu. Wyników eksperymentów prowadzonych w podwyższonej temperaturze, przy nietypowym pH, bardzo małym stężeniu lub w obecności określonych katalizatorów nie należy automatycznie wykorzystywać do przewidywania zachowania cząsteczki w zupełnie innych warunkach. [11] [12]

Po trzecie, różne enzymy wykorzystują różne mechanizmy katalityczne. Dowody opisujące hydrolizę prowadzoną przez jedną proteinazę aspartylową nie oznaczają, że wszystkie proteazy rozszczepiają wiązania peptydowe w dokładnie taki sam sposób. [4]

Po czwarte, wiązania peptydowe mogą powstawać poprzez różne mechanizmy. Translacja rybosomalna, biosynteza nierybosomalna i laboratoryjna synteza chemiczna mogą prowadzić do powstawania połączeń amidowych, mimo że wykorzystują odmienne substraty i maszynerię molekularną. [3] [7]

Po piąte, zmian struktury białka nie należy automatycznie interpretować jako rozszczepienia wiązań peptydowych. Denaturacja, zmiany konformacyjne, przejścia cis–trans, zaburzenie wiązań wodorowych, redukcja mostków disiarczkowych i hydroliza wiązań peptydowych opisują różne zdarzenia molekularne.

Rozróżnienia te są istotne, ponieważ termin wiązanie peptydowe opisuje konkretny rodzaj połączenia kowalencyjnego. Aby zrozumieć, co rzeczywiście dzieje się z peptydem lub białkiem, należy ustalić, które wiązanie chemiczne lub oddziaływanie molekularne uległo zmianie.

Zusammenfassung

Wiązania peptydowe są kowalencyjnymi połączeniami amidowymi, które łączą reszty aminokwasowe w łańcuchy peptydowe i białkowe. Choć często przedstawia się je po prostu jako wiązania C–N w powtarzającym się fragmencie szkieletu –C(=O)–NH–, ich chemia jest bardziej złożona niż chemia zwykłego, swobodnie obracającego się wiązania pojedynczego.

Delokalizacja elektronów w obrębie grupy amidowej nadaje połączeniu C–N częściowy charakter wiązania podwójnego, ograniczając jego rotację i sprzyjając w przybliżeniu płaskiej geometrii grupy peptydowej. Jednocześnie możliwość obrotu wokół sąsiednich wiązań szkieletowych pozwala łańcuchom peptydowym przyjmować bardzo różnorodne struktury trójwymiarowe. [1] [2]

Wiązania peptydowe występują w szkielecie typowych peptydów i białek, ale należy odróżniać je od wiązań wodorowych, mostków disiarczkowych, oddziaływań jonowych, efektu hydrofobowego oraz wyspecjalizowanych połączeń łańcuchów bocznych, takich jak wiązania izopeptydowe.

Mogą one powstawać w wyniku różnych procesów. Rybosomy tworzą wiązania peptydowe podczas translacji z wykorzystaniem aktywowanych substratów związanych z tRNA, układy nierybosomalne wykorzystują wyspecjalizowaną maszynerię enzymatyczną, natomiast synteza laboratoryjna opiera się na kontrolowanych reakcjach chemicznego sprzęgania. [3] [7]

Równie ważne jest ich rozszczepianie. Hydroliza może podzielić łańcuch peptydowy na krótsze fragmenty, a proteazy i peptydazy umożliwiają organizmom selektywne przeprowadzanie tego procesu. Badania proteinaz, przetwarzania proinsuliny, degradacji interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego pokazują, że rozszczepianie zależy od kontekstu molekularnego oraz warunków eksperymentalnych. [4] [10] [11] [12]

Najważniejsza zasada jest więc prosta:

wiązania peptydowe zapewniają kowalencyjną ciągłość łańcuchów aminokwasowych, natomiast ich struktura elektronowa, kontrolowane tworzenie i selektywne rozszczepianie łączą podstawową chemię z biologią peptydów i białek.

Haftungsausschluss

Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Wyjaśnia chemię wiązań peptydowych, ich strukturę molekularną, powstawanie, hydrolizę oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie stanowi porady medycznej, wskazówki dotyczącej leczenia, instrukcji laboratoryjnej, rekomendacji produktu ani porady dotyczącej stosowania jakiegokolwiek peptydu lub białka. Wyniki badań obliczeniowych, strukturalnych, biochemicznych, badań na zwierzętach oraz innych eksperymentów powinny być interpretowane w granicach warunków i ograniczeń poszczególnych badań.

Referenzen

1. Fedorov, D. G. (2024). The peptide bond: Resonance increases bond order and complicates fragmentation. ChemPhysChem, 25(14), Article e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
2. Improta, R., Vitagliano, L., & Esposito, L. (2011). Peptide bond distortions from planarity: New insights from quantum mechanical calculations and peptide/protein crystal structures. PLOS ONE, 6(9), Article e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
3. Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R., & Strobel, S. A. (2004). Substrate-assisted catalysis of peptide bond formation by the ribosome. Nature Structural & Molecular Biology, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
4. James, M. N., & Sielecki, A. R. (1985). Stereochemical analysis of peptide bond hydrolysis catalyzed by the aspartic proteinase penicillopepsin. Biochemistry, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
5. Ferrer, M., Woodward, C., & Barany, G. (1992). Solid-phase synthesis of bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) and two analogues. A chemical approach for evaluating the role of disulfide bridges in protein folding and stability. International Journal of Peptide and Protein Research, 40(3–4), 194–207. PubMed record
6. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Elucidation of the primary and three-dimensional structure of the uterotonic polypeptide kalata B1. Biochemistry, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
7. Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., & Marahiel, M. A. (1998). Peptide bond formation in nonribosomal peptide biosynthesis. Catalytic role of the condensation domain. Journal of Biological Chemistry, 273(35), 22773–22781. https://doi.org/10.1074/jbc.273.35.22773
8. Hatfield, M. P. D., Murphy, R. F., & Lovas, S. (2010). VCD spectroscopic properties of the beta-hairpin forming miniprotein CLN025 in various solvents. Biopolymers, 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
9. Sarkar, S. K., Young, P. E., Sullivan, C. E., & Torchia, D. A. (1984). Detection of cis and trans X-Pro peptide bonds in proteins by 13C NMR: application to collagen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 81(15), 4800–4803. https://doi.org/10.1073/pnas.81.15.4800
10. Davidson, H. W., & Hutton, J. C. (1987). The insulin-secretory-granule carboxypeptidase H. Purification and demonstration of involvement in proinsulin processing. Biochemical Journal, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
11. Kenley, R. A., & Warne, N. W. (1994). Acid-catalyzed peptide bond hydrolysis of recombinant human interleukin 11. Pharmaceutical Research, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
12. Mody, R., Tramontano, A., & Paul, S. (1994). Spontaneous hydrolysis of vasoactive intestinal peptide in neutral aqueous solution. International Journal of Peptide and Protein Research, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x