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.

Hydrolyse Verändert hingegen chemische Verbindungen, indem es ein empfindliches Bindungspartner in einer Reaktion mit Wasser zerfällt.

Unter bestimmten Bedingungen können beide Prozesse in derselben Probe ablaufen, aber sie sind nicht identisch.

Die Protein-Verlängerung bedeutet also nicht automatisch, dass es in kürzeren Peptiden oder freien Aminosäuren umgewandelt wird.

Diese Unterscheidung ist auch bei strukturbasierten Studien zu erkennen. In Experimenten mit thermisch veredeltem Kollagen wurden verschiedene Konfigurationen von cis- und trans-peptidischen Bindungen identifiziert, die mit Prolin verknüpft sind. Die Änderung der Strukturkonfiguration ist ein anderes Phänomen als ihre chemische Auflösung. [9]

Die Bildung, Eigenschaften und Hydrolyse von Peptidbindungen

Die Stabilität hängt vom Typ der analysierten Reaktion ab.

Peptidbindungen sind dauerhaft genug, um biologische Ketten zu halten, und gleichzeitig können Organismen sie selektiv bilden und zersetzen.

Darin besteht keine Widersprüche.

Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt unter anderem von Barrieren für die Aktivierung und Anwesenheit von Katalysatoren, Die Frage, ob eine Reaktion thermodynamisch vorteilhaft ist, ist jedoch eine andere.

Der Prozess kann chemisch möglich sein, aber ohne die richtige Katalysierung verläuft er extrem langsam.

Auf der anderen Seite kann ein Enzym eine bestimmte Reaktion deutlich beschleunigen, indem es eine günstigere Reaktionsroute bereitstellt.

Das Enzym verändert nicht die Peptidbindung, sondern verändert die Art und Weise, wie die chemische Reaktion ablaufen soll.

Es wäre ebenfalls falsch, eine universelle Dauerhaftigkeit für alle Peptidverbindungen, Peptide oder Proteine zu bezeichnen, die in Wasser enthalten sind.

Die Sequenz, die lokale Struktur, die Bindungsfähigkeit, die benachbarte chemische Gruppe, die Temperatur, der pH-Wert, die Zusammensetzung des Lösungsmittels sowie die Anwesenheit von Katalysatoren können auf das beobachtete Verhalten einwirken.

Was ändert die Hydrolyse?

Die Hydrolyse nutzt Wasser bei der chemischen Abspaltung des Amidbindes, wodurch neue Enden entstehen, die aus Carboxyl- und Amingruppen bestehen.

Ihre genaue ionische Form hängt von den Bedingungen des umgebenden Lösungsmittels ab.

Die Spaltung eines Bindungsglieds im Skelett führt nicht automatisch zur Bildung von freien Aminosäuren.

Wenn die innere peptidische Bindung in einem längeren offenen Kettenabschnitt zerrieben wird, sind die direkten Produkte in der Regel zwei kürzere Peptidfragmente.

Weitere Reaktionen der Spaltung sind erforderlich, um diese Fragmente schrittweise zu verkürzen und schließlich einzelne Aminosäuren freizulegen.

Strukturelle Untersuchungen an Penicillopepsin analysierten die Art und Weise, wie die Aspartatprotease beim Hydrolyseprozess Wasser und Substratgruppen organisieren kann. Das vorgeschlagene Reaktionsmodell basiert auf Kristallographie-Beobachtungen und Modellierung. Es liefert Informationen über einen einzigen enzymatischen Mechanismus, aber belegt nicht, dass jede Protease denselben Katalysierungsmechanismus verwendet. [4]

Die Hydrolyse kann selektiv sein

Proteasen und Peptidasen unterscheiden sich hinsichtlich der erkennbaren Bindungen und molekularen Umgebungen.

Einige Enzyme unterbrechen die Bindungen innerhalb des Rückgratsträgers, während andere die Reststoffe von dessen Enden entfernen.

Die Sequenz, die lokale Struktur, die Verfügbarkeit und die umgebenden chemischen Gruppen können beeinflussen, ob ein potenziell anfälliges Gebiet tatsächlich zersplittert wird.

Davidson und Hutton untersuchten ein Enzym, das mit Insulinsekretierenden-Zellen verbunden ist. Das gereinigte Produkt entfernte die basischen Reste aus Substraten, die aus Proinsulins stammen, und führte im angewendeten Test nicht zu einer weiteren Zersetzung der reifen Insulins. [10]

Das zeigt das selektive biologische Verarbeitung, und nicht die zufällige Aufspaltung aller Peptidbindungen.

Die selektive Spaltung hat eine wichtige biologische Bedeutung, da größere Vorläufermoleküle an bestimmten Stellen verarbeitet werden können, was zu der Bildung spezifischer reifere Produkte führt, anstatt zu einer zufälligen Abspaltung.

Die Bedingungen sind von Bedeutung: zwei experimentelle Beispiele

Kenley und Warne untersuchten rekombinante menschliche Interleukin-11 unter gezielten stressbedingten Bedingungen, die eine erhöhte Temperatur und verschiedene pH-Werte beinhalteten.

In einem sauren Medium identifizierten sie eine Spaltung im bestimmten Asp–Pro-Paar. Die Ergebnisse zeigen eine sequenzabhängige und bedingte Degradation, sollten jedoch nicht als universelle Regelung interpretiert werden, die das Verhalten aller Proteine unter typischen biologischen Bedingungen beschreibt. [11]

In einer anderen Studie wurde die Radioaktivitätsspaltung eines radioaktiv markierten intestinalen vasoaktiven Peptids in einer verdünnten Lösung mit neutralem pH beobachtet. Verwandte, kürzere Fragmente zeigten bei den gleichen experimentellen Bedingungen keine messbare Degradation, und die Zugabe von Zusatzstoffen führte zu einem unterschiedlichen Ergebnis [12].

Beide Studien zeigen, warum die Stabilität der Peptidbindungen im Zusammenhang mit der spezifischen Teilchengröße, der Sequenz, des Umfelds und der experimentellen Bedingungen, Statt zu postulieren, dass ein bestimmtes pH-Wert oder eine bestimmte Temperatur das gleiche Verhalten jedes Peptids bewirkt, wird vorgeschlagen, dass die Temperatur und der pH-Wert die Aktivität des Peptids beeinflussen.

Warum sind peptidische Bindungen biologisch wichtig?

Peptidbindungen bewahren die Reihenfolge der Aminosäurereste bei, die den Peptid- oder Proteinketten definieren.

Die Geometrie dieser Strukturen begrenzt die möglichen räumlichen Verhältnisse des Graphen, während die Carboxylgruppen und die im Peptidkern vorhandene Stickstoffgruppe an molekularen Reaktionen beteiligt sind.

Die kontrollierte Bildung von Peptidverbindungen ermöglicht die Synthese von Peptiden und Proteinen.

Die kontrollierte Spaltung dieser Verbindungen beteiligt sich jedoch an der Verarbeitung von Präkursoren, der Verdauung, dem Transport von Proteinen, an regulatorischen Pfaden und der endgültigen Abbauphase von Molekülen.

Dieser gleiche grundlegende chemische Reiz beteiligt sich also auf mehreren Ebenen der biologischen Organisation.

Seine Entstehung legt die Kontinuität der Sequenz fest.

Seine elektronische Struktur beeinflusst die Geometrie des Skeletts.

Die in ihm enthaltenen chemischen Gruppen nehmen an molekularen Reaktionen teil.

Seine selektive Spaltung ermöglicht es biologischen Systemen, Proteine und Peptide zu verarbeiten und zu entfernen.

Diese Funktionen verbinden molekulare Chemie mit Biologie. Die Beweise stammen unter anderem aus Berechnungen der Elektronenstruktur, strukturellen Messungen, enzymatischen Untersuchungen, chemischer Synthese und Experimenten mit vollständigen biologischen Systemen. Jede dieser Methoden zeigt einen anderen Aspekt des Mechanismus und sollte nicht dazu verwendet werden, Schlussfolgerungen zu ziehen, die über den tatsächlich untersuchten Prozess hinausgehen. [2] [3] [10]

Häufig gestellte Fragen

1. Ist das Peptidbindungssystem kovalentes?

Ja. Peptidbindung ist eine kovalente Amidbindung zwischen Aminosäuregruppen. Der Kohlenstoffatom und der Stickstoffatom teilen Elektronen mit, was die chemische Kontinuität des Peptidketts gewährleistet. Untersuchungen der elektronischen Struktur analysieren, wie diese Elektronenteilung von der benachbarten Carboxylgruppe beeinflusst wird und wie sie zu den charakteristischen Eigenschaften der Amidbindung beiträgt. „Kovalente” bedeutet jedoch nicht, dass Bindungen nicht zersetzbar sind. Unter entsprechenden chemischen Bedingungen oder bei Beteiligung von Enzymen kann diese Hydrolyse auftreten. Es ist wichtig zu unterscheiden, dass peptidische Bindungen chemisch die Reste in eine einzige Molekülteilchen verbinden und nicht nur eine Anziehung zwischen einzelnen Molekülen oder Fragmenten derselben Moleküle bewirken. [1]

2. Warum ist das Peptidbindungsprotein nur teilweise ein Doppelbindungsprotein?

Die teilweisen Eigenschaften der doppelten Bindung resultieren aus der Wechselwirkung der freien Elektronenpaare des Stickstoffs mit dem benachbarten Elektronenorbital des Carbonsäure-Stoffs. Dadurch wird die Elektronenzahl innerhalb der Amidgruppe de-lokalisiert. Berechnungsstudien analysierten den Anteil dieses Phänomens in der Peptidbindung. Die für die Erklärung dieser Struktur verwendeten Rezonanzstrukturen stellen alternative Möglichkeiten dar, dieselbe elektronische Struktur darzustellen, anstatt getrennte Teilchen, die sich gegenseitig verändern. Auch die numerischen Werte, die die Bindungsreihe beschreiben, können von der angewendeten analytischen Methode abhängen. Die wichtigste strukturelle Konsequenz ist die Verringerung des Rotationsumlaufs um die C–N-Bindung im Vergleich zu einem typischen, frei rotierenden Einzelbindung. [1]

3. Welche Atome bilden die Peptidbindung?

In einem typischen Peptidmolekül verbindet das Peptidbindungsverhältnis den Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe einer Restgruppe mit dem Stickstoffatom einer anderen Restgruppe. Der Stickstoffatom bleibt Teil der Carboxylgruppe und bildet keine direkte Verbindung zwischen den beiden Aminosäureresten. Elektronen- und Strukturanalysen untersuchen diese Atome als Bestandteil einer verbundenen Amidgruppe, wobei sie gleichzeitig die einzelnen Bindungen unterscheiden. Bei der Identifizierung eines typischen Peptidbindungsverhältnisses in einem Strukturbild ist daher die Suche nach einem C–N-Bindungsverhältnis unerlässlich, das direkt an der Carboxylgruppe liegt. [2]

4. Wo findet die Peptidbindung im Protein statt?

Peptidbindungen befinden sich in der Struktur jedes Proteinkettens und verbinden benachbarte Aminosäurereste. Sie unterscheiden sich von den transversalen Bindungen zwischen den Seitenketten und den Interaktionen zwischen einzelnen Ketten. Chemische Synthese von BPTI zeigt diese Unterscheidung durch die Trennung der Struktur des Skeletts von der späteren Bildung von disziären Brücken. Die vollständige dreidimensionale Struktur eines Proteins kann viele Arten von kovalenter und nichtkovalenter Wechselwirkungen enthalten, weshalb die Identifizierung von Peptidbindungen eine Analyse des Aminosäureskellets erfordert und nicht die Zählung aller Linien oder Verbindungen aufweist, die auf dem Modell der Moleküle dargestellt sind. [5]

5. Sind alle Amidverbindungen Peptidverbindungen?

Nein. Amidverbindungen treten in vielen verschiedenen organischen Verbindungen auf, während der Begriff „Peptidbindung” sich auf bestimmte Verbindungen bezieht, die aus Aminosäuren in Peptiden und Proteinen stammen. Eine typische peptidische Bindung im Knochen ist eine Art Amidbindung. Daher sollten Bindungen, die einen Aminosäurerückgrat verwenden, nicht automatisch zu normalen Skelettbindungen gezählt werden. Studien zur Peptidgeometrie konzentrieren sich auf eine definierte Amidgruppe im Skelett, ohne alle möglichen Amide als chemisch und strukturell identisch zu betrachten. Die entsprechende Bezeichnung hängt von den beteiligten Gruppen und ihrer Position in der Molekülstruktur ab. [2]

6. Wie viele Peptidverbindungen befinden sich in einem Tripeptid?

Ein typischer offener, nicht verzweigter Tripeptid enthält zwei Peptidbindungen, Da drei Restringe zwei Verbindungen erfordern, um einen kontinuierlichen offenen Kettenreaktor zu bilden. Dies ergibt sich aus der allgemeinen Beziehung n − 1 für einen typischen offenen Kettenreaktor mit n Restringen. Dies ist eine Berechnung, die aus der Struktur der Moleküle resultiert und keine experimentelle Bestimmung oder Informationen über ihre biologische Funktion ist. Die Antwort wäre anders, wenn die zusätzliche Skalenbindung die Moleküle in einen Ring einbinden würde. Die Bindungen an die Seitenketten und andere kovalente Bindungen müssen jedoch separat berechnet werden. Vor der Anwendung der allgemeinen Regel muss daher die Struktur der untersuchten Moleküle festgelegt werden.

7. Haben cyclische Peptide zusätzliche Peptidbindungsmöglichkeiten?

Der cyclische Peptidtyp head-to-tail weist eine zusätzliche Struktureinheit mehr als der entsprechende offene Kettenstrang auf, da eine zusätzliche Amidbindung beide Enden verbindet und den Ring verschließt. Andere cyclische Peptide können jedoch einen Ring mit Beteiligung von Seitenketten bilden, weshalb diese Regelung nicht automatisch für jede als cyclische bezeichnete Substanz gilt. Untersuchungen an der Bakterie B1 bestätigten einen konkreten Fall eines cyclischen Skeletts, das zusätzlich disziärsche Brücken enthält. Die Verschließung des Skeletts zu einem Ring und die Bildung von Verbindungen zwischen Seitenketten müssen daher bei der Berechnung der Bindungen und der Darstellung der molekularen Struktur separat beschrieben werden [6].

8. Sind peptidische Bindungen immer perfekt flach?

Nein. Peptide sind im Wesentlichen flach, aber es sind messbare Abweichungen von der idealen Geometrie möglich. Eine Untersuchung, die quantenmechanische Berechnungen mit der Analyse struktureller Daten von Peptiden und Proteinen kombiniert, hat geringe Verformungen im Zusammenhang mit der lokalen Struktur des Skeletts ergeben. Diese Beobachtungen ergänzen das vereinfachte handbuchmäßige Modell, machen es jedoch nicht nutzlos. Die Planarität bleibt eine wichtige strukturelle Präferenz, die aus der elektronischen Struktur der Amidgruppe resultiert, doch eine genaue strukturelle Analyse sollte lokale Unterschiede berücksichtigen, die für eine bestimmte Teilchenart charakteristisch sind. [2]

9. Kann sich Protein verformen, wenn die Drehzahl um die Peptidbindung begrenzt ist?

Ja. Das Proteinstrukturmodell enthält weitere Bindungen, um die sich die Torsowinkel ändern können. Der begrenzte Dreh um die Amidbindung C–N hält also nicht den gesamten Kettenabschnitt zusammen. Strukturbiologische Analysen unterscheiden die Drehungen um die benachbarten Proteinstrukturbindungen von den Drehungen, die mit dem Peptidbindung selbst verbunden sind. Striktive Beschränkungen, lokale chemische Einwirkungen sowie die Art der benachbarten Reste haben zudem Einfluss darauf, welche Anordnungen energetisch und physikalisch verfügbar sind. Die Proteine sind also weder feste Stäbe noch Ketten aus vollständig frei rotierenden Elementen. Ihre Struktur resultiert aus der Verbindung von begrenzten und relativ flexiblen Freiheitsgraden des Proteinstruktursystems. [2]

10. Was sind cis- und trans-Peptidbindungen?

Die Begriffe cis und trans beschreiben die unterschiedlichen räumlichen Anordnungen der Gruppen, die sich auf beiden Seiten des peptidischen Bindungsbands befinden. In typischen Proteinen sind die Trans-Konfigurationen dominant. Eine besondere Aufmerksamkeit erfordert die peptidische Bindung im Zusammenhang mit Prolinen, da die Trans-Konfiguration in diesem Fall häufiger vorkommt als bei vielen anderen Restkombinationen. In NMR-Studien an thermisch verformtem Kollagen wurden beide Konfigurationen erkannt. Diese Ergebnisse beziehen sich jedoch auf ein bestimmtes Protein unter bestimmten experimentellen Bedingungen und sollten nicht als universelle Prozentwerte für alle Peptide und Proteine interpretiert werden. Die Begriffe cis und trans beschreiben die Geometrie der peptidischen Bindung und nicht verschiedene Arten von chemischen Bindungen. [9]

11. Wird beim Aufbau eines Peptidbindungsmechanismus immer direkt Wasser freigesetzt?

Nein. Die bekannte Gleichung zur Wasserabgabe beschreibt lediglich die kumulative Kondensationsreaktion zwischen freien funktionellen Gruppen, stellt jedoch nicht jeden tatsächlichen Mechanismus der Peptidbindung dar. Die ribosomale Synthese nutzt aktivierte Substrate, die mit tRNA verbunden sind, und experimentelle Untersuchungen weisen auf die Beteiligung der Substratchemie an der Katalyse hin. Die direkte Reaktionsabfolge ist daher komplexer als die einfache Entfernung von Wasser aus zwei frei löslichen Aminosäuren. Die Unterscheidung zwischen der kumulativen Reaktionsbilanz und dem tatsächlichen biologischen Mechanismus verhindert, dass die nützliche Bildungsgleichung in einen falschen Beschrieb der Protein-Synthese überführt wird. [3]

12. Verursacht das Mischen von Aminosäuren mit Wasser die Bildung von Protein?

Nein. Die Mischung freier Aminosäuren bildet nicht automatisch eine bestimmte Proteinsequenz. Die kontrollierte Bildung von Peptiden erfordert eine entsprechende Chemie und auch in den Zellen eine ordentliche Synthesemaskine, die in der Lage ist, die Reihenfolge der Aminosäuren zu steuern und Verbindungen zu bilden. Experimente zur nicht-ribosomalen Proteinbildung haben gezeigt, dass eine Störung eines bestimmten katalytischen Elements die Bildung des untersuchten peptidischen Produkts verhindern kann. Die Ergebnisse beziehen sich auf ein bestimmtes Biosynthesereignis, zeigen jedoch eine allgemeineren Grundprinzip: Die Anwesenheit von molekularen Bausteinen allein reicht nicht aus. Die Bildung einer definierten Sequenz erfordert eine kontrollierte Bildung von molekularen Verbindungen. [7]

13. Ist das Peptidbindungsmuster das gleiche wie das Wasserstoffbindungsmuster?

Nein. Peptidbindung ist eine kovalente Verbindung innerhalb des Proteinkörpers, während Wasserbindung die Wechselwirkung zwischen dem entsprechenden Donor und dem Wasserstoffakzeptor darstellt. Chemische Gruppen, die im Peptidkern vorhanden sind, können an der Bildung von Wasserbindungen teilnehmen, ohne dass zusätzliche Peptidbindungen entstehen. Studien zu dem verformbaren Dekapptide CLN025 untersuchten Wasserbindungen und andere Wechselwirkungen, die an der Stabilisierung seiner Struktur beteiligt sind. Diese Unterscheidung trennt die Bindungen, die die grundlegende kovalente Sequenz des Proteins definieren, von den Wechselwirkungen, die dem bereits verbundenen Kettenstrang helfen, sich in der dreidimensionalen Raumstruktur zu verhalten. [8]

14. Ist das Disaccharidmolekül eine Art Peptidbindung?

Nein. Der disziarysche Brückengang ist eine kovalente Verbindung von Schwefel-Schwefel, die normalerweise zwischen den Seitenketten von Cystein entsteht. Der Peptidbindung ist hingegen eine amidische Verbindung, die Aminogruppen aus den Aminosäuren im Peptidkern verbindet. Studien zur Synthese von BPTI behandelten den Aufbau des Skeletts und die Bildung von disziaryschen Brücken als separate Prozesse. Beide Bindungsarten können für die Struktur der Moleküle von entscheidender Bedeutung sein, verbinden jedoch andere Atome und nehmen an anderen chemischen Reaktionen teil. Die Auflösung eines disziaryschen Brückengangs muss also nicht den Peptidkern durchbrechen, während die Auflösung einer Peptidbindung die Kontinuität der Kettensequenz direkt verändert. [5]

15. Verursacht die Denaturierung von Protein die Zerlegung der Peptidbindungen?

Dies ist nicht erforderlich. Denaturierung bedeutet eine Störung der typischen verformten oder komplexen Struktur eines Proteins und erfordert definieren nicht die Auflösung der Peptidbindungen. Je nach den angewandten Bedingungen kann die chemische Degradation gleichzeitig mit der Denaturierung ablaufen, aber beide Prozesse sollten nicht automatisch gleichgesetzt werden. In Studien mit thermisch verformtem Kollagen wurden weiterhin verschiedene Konfigurationen seiner Peptidbindungen analysiert. Der verformte und die hydrolysiert genommene Kette sind daher verschiedene Molekularzustände: Der erste betrifft vor allem die dreidimensionale Organisation, während die zweite die Wechselwirkungen zwischen den Kovalenten verbindungen betrifft. [9]

16. Verursacht die Hydrolyse sofort die Bildung freier Aminosäuren?

Nicht immer. Die Hydrolyse eines inneren Peptidbindungsmoleküls in einem längeren offenen Kettenabschnitt führt in der Regel zu der Bildung zweier kürzerer Peptidfragmente. Weitere Spaltungsprozesse sind erforderlich, um die Länge dieser Fragmente schrittweise zu verringern und schließlich einzelne Aminosäuren freizulassen. In experimentellen Studien wurden bestimmte Fragmente identifiziert, die nach der Hydrolyse von Peptidbindungen entstehen, unter anderem bei Untersuchungen zur Degradation von Interleukin-11 und des endothelialen vasoaktiven Peptids. Die Art der entstehenden Produkte hängt von den Stellen ab, die hydrolysiert wurden, sowie von dem Stadium der Hydrolyse. Daher bedeutet der Begriff „hydrolysiert” nicht automatisch, dass ein Peptid oder Protein vollständig in freie Aminosäuren umgewandelt wurde. [11] [12]

17. Zerfallen alle peptidischen Bindungen mit der gleichen Geschwindigkeit?

Nein. Die beobachtete Trenngeschwindigkeit hängt von der Peptidsequenz, der lokalen molekularen Struktur, der Bindungsaffinität, den benachbarten chemischen Gruppen, dem Lösungsmittelaufbau, der Temperatur, dem pH-Wert und der Anwesenheit von Katalysatoren wie proteolytischen Enzymen ab. Studien zur Interleukin-11 und dem intestinalen vasoaktiven Peptid zeigten eine selektive, bedingte Degradation und nicht die gleiche Verhaltensweise aller Bindungen. Diese Experimente legen jedoch keine universelle Haltbarkeit für andere Peptide fest. Wissenschaftlich gerechtfertigt ist der Schluss, dass die Bindungsstabilität eines Peptids bezüglich der jeweiligen Teilchen, des Umgebungsmediums und der Reaktion beurteilt werden muss und nicht ausschließlich anhand der Bindungsbezeichnung vorausgesagt werden kann. [11] [12]

18. Wie unterscheidet sich das Peptidbindungsprozeß von dem Isopetidbindungsprozeß?

Typische peptidische Bindungen im Skelett verbinden in der Regel eine Hauptgruppe aus der Carboxylgruppe einer der Resten mit einer Hauptgruppe aus der Aminogruppe der anderen Resten. Die Isopeptidbindung ist ebenfalls ein Amidbindung, aber bei ihrer Bildung beteiligt sich mindestens eine funktionelle Gruppe, die außerhalb des typischen Skelettschemas liegt, beispielsweise eine entsprechende Gruppe im Boc-Rest eines Aminosäurebausteins. Beide Arten von Bindungen basieren daher auf verwandter Amidchemie, nehmen jedoch andere Positionen in der molekularen Struktur ein. Die Unterscheidung ist wichtig, da allein die Erkennung einer Amidbindung nicht ausreicht, um festzustellen, ob sie zu einem normalen peptidischen Skelett gehört.

19. Warum sind peptidische Bindungen für die Struktur von Proteinen wichtig?

Peptidbindungen halten eine geordnete kovalente Sequenz der Aminosäurereste zusammen und stellen gleichzeitig geometrische Einschränkungen für den Molekülaufbau dar. Ihre teilweise Doppelbindungcharakteristik begrenzt die Rotation um die amidgebundene C–N-Verbindung und begünstigt eine annähernd flache Geometrie der Peptidgruppe. Gleichzeitig können Carboxylgruppen und N–H-Gruppen im Molekül an Wasserstoffbindungen teilnehmen, die für Strukturen höherer Ordnung wichtig sind. Peptidbindungen verbinden also nicht nur Aminosäuren — ihre elektronischen und geometrischen Eigenschaften helfen dabei, die strukturellen Möglichkeiten des gesamten Graphens zu bestimmen. [1] [2]

20. Können Enzyme Peptidbindungen abbauen?

Ja. Proteasen und Peptidase können die Hydrolyse von Peptidbindungen katalysieren, müssen jedoch nicht alle Bindungen ohne Unterscheidung abbauen. Einzelne Enzyme erkennen bestimmte Sequenzen, strukturelle Umgebungen oder Positionen in Peptidketten. Strukturbiologische Studien an Penicillopepsin haben die Art der Organisation des Substrats und des Wassers durch die aspartatische Protease während der Hydrolyse analysiert, während Davidson und Hutton gezeigt haben, wie selektive Substratverarbeitung mit Proinsulin-verknüpften Verbindungen erfolgt. Diese Beispiele zeigen, wie biologische Systeme kontrolliert bestimmte Peptidbindungen während der Verarbeitung und der Abbau von Molekülen aufspalten können. [4] [10]

Begrenzungen bei der Interpretation von Studien zu peptidischen Bindungen

Beim Übergang von der grundlegenden Chemie der Peptidbindungen zu Schlussfolgerungen über reale Peptide und Proteine ist man sich jedoch über einige Einschränkungen bewusst.

Zunächst einmal ist die in Lehrbüchern vorgestellte idealisierte Peptidgruppe als Modell für ein typisches strukturelles System. Reale molekulare Strukturen können messbare Abweichungen von der idealen Planheit und Geometrie aufweisen. [2]

Zweitens: Stabilität des peptidischen Bindungsverhaltens Es hängt vom Kontext ab. Die Ergebnisse von Experimenten bei erhöhter Temperatur, ungewöhnlichem pH-Wert, sehr geringem Konzentrationsniveau oder in Gegenwart bestimmter Katalysatoren sollten nicht automatisch verwendet werden, um das Verhalten der Teilchen unter völlig anderen Bedingungen vorherzusagen. [11] [12]

Zweitens nutzen verschiedene Enzyme unterschiedliche katalytische Mechanismen. Beweise, die die Hydrolyse durch eine aspartatische Protease beschreiben, zeigen nicht, dass alle Proteasen die Peptidbindungen auf genau die gleiche Weise abbauen. [4]

Viertens können peptidische Bindungen durch verschiedene Mechanismen entstehen. Translason in der Ribosome, nicht-ribosomaler Biosynthese und chemische Synthese im Labor können zu Amidverbindungen führen, obwohl sie unterschiedliche Substrate und molekulare Maschinen verwenden. [3] [7]

Fünfmal, die Strukturänderung eines Proteins sollte nicht automatisch als Zerfall der Peptidbindungen interpretiert werden. Denaturierung, konformative Veränderungen, Cis-Trans-Übergänge, Störungen der Wasserstoffbindungen, Reduktion disziärer Brücken und die Hydrolyse von Peptidbindungen beschreiben verschiedene molekulare Ereignisse.

Diese Unterscheidungen sind wichtig, da der Begriff Peptidbindung beschreibt eine bestimmte Art von Kovalenzverbindung. Um zu verstehen, was tatsächlich mit einem Peptid oder einem Protein geschieht, muss festgestellt werden, welche chemische Bindung oder molekulare Wechselwirkung verändert wurde.

Zusammenfassung

Peptidbindungen sind kovalerzentielle Amidverbindungen, die Aminosäurereste in Peptid- und Proteinketten verbinden. Obwohl sie oft einfach als C–N-Bindungen im wiederkehrenden Skelettfragmente dargestellt werden, –C(=O)–NH–, Die Chemie dieser Moleküle ist komplexer als die der üblichen, frei rotierenden Bindungen einzelner Atome.

Die Lokalisierung der Elektronen innerhalb der Amidgruppe verleiht dem C–N-Verbund einen teilweisen Doppelbindungscharakter, der die Rotation des Bindungsmoleküls einschränkt und eine annähernd flache Geometrie der Peptidgruppe begünstigt. Gleichzeitig ermöglicht die Möglichkeit der Rotation um die benachbarten Skelettbindungen es den Peptidketten, sehr unterschiedliche dreidimensionale Strukturen aufzunehmen. [1] [2]

Peptidbindungen treten in den Proteinen und Peptiden der klassischen Art auf, werden jedoch von hydrowandalen Bindungen, disziären Brücken, jonischen Reaktionen, hydrophobem Effekt und spezialisierten Verbindungen der Seitenketten, wie isopeptidischen Bindungen, unterschieden.

Sie können durch verschiedene Prozesse entstehen. Die Ribosomen bilden Peptidbindungen während der Transkription mithilfe von aktiven Substraten, die mit tRNA verbunden sind; die nichtribosomale Synthese nutzt spezialisierte enzymatische Maschinen, während die Labor-Synthese auf kontrollierten chemischen Bindungsprozessen basiert. [3] [7]

Genauso wichtig ist auch ihre Spaltung. Die Hydrolyse kann den Peptidketten einen kürzeren Teil zugeordnet machen, und Proteasen und Peptidase ermöglichen es den Organismen, diesen Prozess selektiv durchzuführen. Studien zu Proteasen, der Verarbeitung von Proinsulins, der Degradation von Interleukin-11 und des endothelialen Peptids zeigen, dass die Spaltung vom molekularen Kontext und den experimentellen Bedingungen abhängt. [4] [10] [11] [12]

Die wichtigste Regel ist also einfach:

Peptidbindungen gewährleisten eine konvexe Kontinuität der Aminosäureketten, während ihre elektronische Struktur, die kontrollierte Bildung und die selektive Abspaltung Verbindungen die grundlegende Chemie mit der Biologie von Peptiden und Proteinen verbinden.

Haftungsausschluss

Der Artikel hat ausschließlich eine pädagogische und wissenschaftliche informative Natur. Er erläutert die Chemie peptidischer Bindungen, ihre molekulare Struktur, die Bildung, Hydrolyse und Beispiele, die aus veröffentlichten Studien stammen. Er stellt keine medizinische Beratung, Heilbehandlungen, Laboranweisungen, Produktempfehlungen oder Ratschläge zur Anwendung eines beliebigen Peptids oder Proteins dar. Die Ergebnisse der Berechnungsergebnisse, Strukturbiochemie, Tierversuche und andere Experimente sollten unter den Bedingungen und Einschränkungen der einzelnen Studien interpretiert werden.

Referenzen

1. Fedorov, D. G. (2024). Das Peptidbindungsglied: Resonanz erhöht die Bindungsordnung und erschwert die Fragmentierung. ChemPhysChem, 25(14), Artikel e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
2. Improta, R., Vitagliano, L., & Esposito, L. (2011). Peptidebindungsverzerreiungen durch Planarität: Neue Erkenntnisse aus quantenmechanischen Berechnungen und Peptid-/Protein-Kristallstrukturen. PLOS ONE, 6(9), Artikel e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
3. Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R., & Strobel, S. A. (2004). Substratgestützte Katalyse der Peptidbindung durch das Ribosome. Nature Structural & Molecular Biology, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
4. James, M. N., & Sielecki, A. R. (1985). Stereochemische Analyse der durch die Aspartat-Proteinase Penicillopepsin katalysierte Hydrolyse von Peptidbindungen. Biochemie, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
5. Ferrer, M., Woodward, C., & Barany, G. (1992). Festphasen-Synthese von bovinem Pankreatin-Trypsin-Inhibitor (BPTI) und zwei Analoga. Eine chemische Methode zur Bewertung der Rolle von Disulfidbrücken bei der Protein-Faltung und -Stabilität. Internationales Journal für Peptide und Proteinforschung, 40(3–4), 194–207. PubMed-Eintrag
6. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Aufklärung der primären und dreidimensionalen Struktur des uterotischen Polypeptids kalata B1. Biochemie, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
7. Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., & Marahiel, M. A. (1998). Peptidebondbildung in der nicht-ribosomalen Peptidbiosynthese. Katalytische Rolle des Kondensationsdomains. 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). Spektroskopische Eigenschaften von VCD des beta-Haarspinnen-bildenden Miniproteins CLN025 in verschiedenen Lösungsmitteln. Biopolymere, 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). Erkennung von cis- und trans-X-Pro-Peptidbindungen in Proteinen durch 13C-NMR: Anwendung auf Kollagen. Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten von Amerika, 81(15), 4800–4803. https://doi.org/10.1073/pnas.81.15.4800
10. Davidson, H. W., & Hutton, J. C. (1987). Die Insulinsekretor-Granule-Carboxypeptidase H. Die Reinigung und Demonstration ihrer Beteiligung an der Proinsulin-Verarbeitung. Biochemische Zeitschrift, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
11. Kenley, R. A., & Warne, N. W. (1994). Säure-katalysierte Peptidbindungshydrolyse von rekombinantem humanem Interleukin-11. Pharmakologische Forschung, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
12. Mody, R., Tramontano, A., & Paul, S. (1994). Spontane Hydrolyse von vasoaktivem Darmpeptid in neutraler wässriger Lösung. Internationales Journal für Peptid- und Proteinforschung, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x