Peptidisidokset: määritelmä, esiintyminen ja biologinen merkitys

Peptidisidos on kovalenttinen amidisidos, joka yhdistää aminohappotähteet peptideissä ja proteiineissa. Nämä sidokset muodostavat peptidiketjujen yhtenäisen molekyylirungon, säilyttäen aminohappojen tietyn järjestyksen ja mahdollistavat samalla koko ketjun muodostavan erilaisia kolmiulotteisia rakenteita.

Peptidisidokset ovat yksi rakenteen perusosista peptidit. Niiden kemian ymmärtäminen auttaa selittämään, miten yksittäiset aminohapot voivat muodostaa suurempia molekyylejä, joilla on tarkasti määritelty sekvenssi ja rakenne.

Vaikka perusmääritelmä on suhteellisen yksinkertainen, peptidisidoksen kemiassa on muutamia merkittäviä piirteitä. Amidiryhmän elektronit ovat jakautuneet siten, että hiili–typpi-sidos muistuttaa osittain kaksoissidosta. Tämä rajoittaa vapaata pyörimistä peptidisidoksen ympärillä, mutta ei tee koko peptidistä tai proteiinista jäykkää molekyyliä. Muut sidokset rakenteessa säilyttävät suuremman pyörimisvapauden, minkä ansiosta peptidiketjut voivat taipua ja taittua.

Peptidisidoksia voidaan analysoida useista eri tieteellisistä näkökulmista. Kemistit tutkivat niiden elektronirakennetta ja geometriaa. Molekyylibiologit analysoivat, miten ribosomit ja muut biologiset järjestelmät muodostavat niitä. Rakennebiologit tutkivat, miten näiden sidosten geometria vaikuttaa proteiinien rakenteeseen. Biokemistit puolestaan tutkivat, miten entsyymit katkaisevat peptidisidoksia selektiivisesti proteiinien prosessoinnin ja hajoamisen aikana.

Nämä erot auttavat ymmärtämään, kuinka proteiinit voivat samanaikaisesti säilyttää tietyn aminohapposekvenssin, muodostaa monimutkaisia rakenteita, syntyä hallituissa biologisissa prosesseissa ja sen jälkeen joutua prosessoitaviksi tai hajoaviksi. Elektronirakenteen, peptidien geometrian, ribosomaalisen katalyysin, proteiinisynteesin ja entsymaattisen hydrolyysin tutkimukset tarjoavat toisiaan täydentävää tietoa näistä prosesseista. [1] [2] [3]

Mikä on peptidisidos?

Peptidisidoksen kemiallinen määritelmä

Peptidisidos on amidisidoksella yhden aminohapon karboksyyliryhmästä peräisin olevan ryhmän ja toisen aminohapon aminoryhmästä peräisin olevan ryhmän välillä. Tyypillisessä proteiinin runkorakenteessa karbonyyliryhmän hiiliatomi ja seuraavan aminohappojäännöksen typpiatomi liittyvät toisiinsa.

Yleisimmin esitetty katkelma on seuraavanlainen:

–C(=O)–NH–

C=O-ryhmä on karbonyyliryhmä, kun taas C–N-sidos on se sidos, jota yleensä tarkoitamme, kun puhumme nimenomaan peptidisidoksesta. Yhdessä nämä atomit ja niiden välitön ympäristö muodostavat niin sanotun peptidiryhmä tai amidiryhmä.

Tämä ero on tärkeä, koska peptidiryhmän täydellinen rakennekaava sisältää useita erilaisia sidoksia. Hiili–happi-sidos ei ole side, joka yhdistää kaksi aminohappojäännöstä toisiinsa. Tämän tehtävän hoitaa hiili–typpi-amidisidos.

Kun yksi aminohappo liitetään toiseen, yhden aminohappojäännöksen karbonyyliryhmän hiiliatomi muodostaa kovalenttisen sidoksen seuraavan aminohappojäännöksen typpiatomiin. Tämän kaavan toistuminen johtaa tyypillisen peptidiketjun rungon muodostumiseen.

Elektronirakennetutkimuksissa analysoidaan muun muassa typpiatomin vapaan elektroniparin vuorovaikutusta viereisen karbonyyliryhmän kanssa, mikä selittää, miksi tämä sidos eroaa tavallisesta, vapaasti pyörivästä yksittäisestä hiili–typpi-sidoksesta. [1]

Miksi peptidisidos on kovalenttinen sidos?

Peptidisidos on kovalenttiset, koska yhdistyneet atomit jakavat elektroneja.

Se ei ole ioninen vuorovaikutus kahden erillisen, varautuneen aminohapon välillä eikä vety sidosta, joka pitää aaltoilevan ketjun eri osat lähellä toisiaan.

Juuri tämä kovalenttinen sidos takaa aminohapposekvenssin kemiallisen jatkuvuuden. Aminohapot pysyvät osana samaa ketjua, kunnes kemiallinen reaktio muuttaa niiden välistä sidosta.

Tämä ero on erityisen tärkeä, kun käsitellään proteiinien taittumista ja avautumista. Peptidiketju voi taipua, muuttaa konformaatiotaan, menettää osan rakenteensa vakauttavista vuorovaikutuksista ja jopa suoristaa huomattavasti ilman, että sen alkuperäistä sekvenssiä ylläpitävät peptidisidokset katkeavat.

Kovalenttinen ei kuitenkaan tarkoita tuhoutumatonta.

Entsyymit ja sopivat kemialliset olosuhteet voivat aiheuttaa peptidisidosten katkeamisen. Tällainen katkeaminen on kuitenkin kemiallinen reaktio, joka muuttaa atomien sitoutumistapaa, eikä pelkästään molekyylin muodon muutoksena.

Erään aspartyyliproteinaasin rakennetutkimukset osoittavat, kuinka entsyymi pystyy järjestämään peptidisidoksen sisältävän substraatin ja vesimolekyylin hydrolyysille olennaiseen muotoon. [4]

Kaksoissidoksen osittainen luonne ja resonanssi

Peptidisidos C–N esitetään kaavioissa usein yksittäisenä viivana, mutta todellinen elektronijakauma on monimutkaisempi.

Typpiatomin vapaa elektronipari voi osallistua karbonyliryhmän viereiseen elektronijärjestelmään. Elektronien delokalisaatio saa aikaan sen, että C–N-sidos saa kaksoissidoksen osittainen luonne.

Tätä ilmiötä selitetään usein resonanssirakenteiden avulla.

Resonanssirakenteet ovat vaihtoehtoisia tapoja kuvata elektronien jakautumista samassa molekyylissä. Niitä ei tule tulkita erillisiksi molekyylimuodoiksi, jotka muuttuvat nopeasti toisikseen.

Vastaavasti kaksoissidoksen osittainen luonne ei tarkoita, että peptidisidos olisi tietyn prosenttiosuuden ajasta tavallinen yksinkertaissidos ja lopun ajan tavallinen kaksoissidos.

Todellinen elektronirakenne johtuu elektronien delokalisoitumisesta koko amidoryhmän sisällä.

Laskennallisessa tutkimuksessaan Fedorov analysoi resonanssin osuutta peptidisidoksen kertaluvun määrittämisessä. Tarkat numeeriset arvot riippuvat käytetystä elektronirakenteen analyysimenetelmästä. Yleisen ymmärryksen kannalta tärkein johtopäätös on kuitenkin se, että typen elektronijärjestelmän ja karbonyyliryhmän välinen vuorovaikutus selittää osan C–N-sidoksen epätyypillisistä ominaisuuksista. [1]

Miksi kierto peptidisidoksen ympärillä on rajoitettua?

Kaksoissidoksen osittainen luonne aiheuttaa merkittävän rakenteellisen seurauksen: kierto amidisidoksen C–N ympärillä on rajoitetumpaa kuin kierto tyypillisen hiili–typpi-yksisidoksen ympärillä.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, etteivätkö proteiinit voisi taipua tai taittua.

Peptidirunko sisältää myös muita sidoksia, joiden ympärillä kiertoliike on mahdollista. Proteiiniketju koostuu siis toistuvista, suhteellisen jäykistä peptidiryhmistä, jotka on yhdistetty toisiinsa muiden runkosidosten avulla, joille on ominaista suurempi konformaatiojoustavuus.

Näiden rajoitusten ja kiertomahdollisuuksien yhdistelmä edistää peptidien ja proteiinien kolmiulotteisten rakenteiden valtavaa monimuotoisuutta.

Arvioitu tasaisuus ei tarkoita täysin tasaista rakennetta

Elektronien siirtyminen edistää peptidiryhmän suunnilleen tasomaisen geometrian ja rajoittaa pyörimistä C–N-amidisidoksen ympärillä.

Todelliset molekyylirakenteet voivat kuitenkin poiketa hieman ihanteellisesta matemaattisesta tasosta.

Improta ja hänen työryhmänsä yhdistivät kvanttimekaaniset laskelmat peptidien ja proteiinien kiderakenteiden analyysiin. Tulokset osoittivat pieniä, systemaattisia poikkeamia, jotka riippuivat rakenteen paikallisesta geometriasta. [2]

Siksi on oikein todeta, että peptidiryhmät ovat suunnilleen tasainen, kun taas väite, että jokainen peptidisidos jokaisessa peptidissä tai proteiinissa olisi täysin tasainen, olisi liian suuri yksinkertaistus.

Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten hyödyllinen koulutusmalli eroaa todellisten molekyylirakenteiden tarkemmasta käyttäytymisestä.

Missä peptidisidoksia esiintyy?

Peptidien ja proteiinien rakenteessa

Peptidisidoksia esiintyy vierekkäisten aminohappotähteiden välillä tyypillisissä peptidi- ja proteiiniketjuissa.

Ympäröivien atomien kanssa ne muodostavat toistuvan molekyylin rakenne. Aminohappojen sivuketjut ulottuvat tämän runkorakenteen ulkopuolelle ja antavat yksittäisille jäännöksille lisäominaisuuksia.

Proteiini voi koostua yhdestä peptidiketjusta tai useista ketjuista, jotka ovat yhdistyneet suuremmaksi molekyylikompleksiksi. Jokaisella niistä on omat rakenneyhteytensä.

Eri ketjut voivat liittyä toisiinsa ei-kovalenttisten vuorovaikutusten tai ylimääräisten kovalenttisten sidosten kautta. Tällaisia yhteyksiä ei tule automaattisesti luokitella peptidisidoksiksi.

Naudan haiman trypsiinin estäjän, eli BPTI:n, kemiallinen synteesi havainnollistaa hyvin eron peptidirungon muodostumisen ja lisädisulfidisiltojen syntymisen välillä. Tutkijat saivat ensin lineaarisen materiaalin, jonka jälkeen he suorittivat sen hapettamisen ja karakterisoinnin. Tutkimuksessa erotetaan siis ketjun rakenne sen myöhemmästä rakenteellisesta järjestäytymisestä. [5]

Peptidisidokset määrittävät primaarisen sekvenssin jatkuvuuden

Aminohappojen järjestys peptidissä tai proteiinissa määritellään sen ensimmäisen asteen rakenne.

Peptidisidokset takaavat tämän sekvenssin ylläpitävän perustavanlaatuisen kovalenttisen jatkuvuuden.

Esimerkiksi seuraava sekvenssi:

Ala–Gly–Ser

sisältää samat kolme aminohappotyyppiä kuin:

Ser–Gly–Ala

Nämä eivät kuitenkaan ole samoja peptidijaksoja.

Yksittäisten jäännösten sijainti peptidisidosten suhteen vaihtelee.

Siksi pelkkä luettelo näytteessä esiintyvistä aminohapoista ei riitä peptidin tunnistamiseen. On myös tiedettävä niiden järjestys ja sitoutumistapa.

Lineaarisissa ja syklisissä peptideissä

Tyypillisessä avoimessa peptidiketjussa on kaksi päätä, joita kutsutaan N-pää i C-pää.

N-pää vastaa peptidirungon toista päätä, kun taas C-pää vastaa toista päätä. Peptidisekvenssit kirjoitetaan tavallisesti N-päästä C-päähän päin.

Head-to-tail-tyyppinen syklinen peptidi, eli ketjun päiden liitoksella suljettu, sisältää ylimääräisen runkosidoksen, joka muodostaa renkaan.

Kaikki sykliset peptidit eivät kuitenkaan muodosta rengasta samalla tavalla. Rengas voi muodostua myös sivuketjun avulla, ja joissakin molekyyleissä on useampaa kuin yhtä tyyppiä poikittaissidoksia.

Määritelmä sykliinen Se kuvaa siis molekyylin rakenteellista ominaisuutta, ei yhtä yleistä tapaa sen yhdistämiseen.

Kalata B1 on konkreettinen esimerkki peptidistä, jonka syklinen runko on vahvistettu muun muassa entsymaattisen pilkkomisen tutkimuksilla, sekvenssianalyysillä ja molekyylirakenteen määrittämisellä. Molekyyli sisältää myös disulfidisiltoja. Nämä ylimääräiset rikki–rikki-sidokset eroavat kemiallisesti peptidirungon jäännöksiä yhdistävistä amidisidoksista. [6]

Peptidisidokset ja isopeptidisidokset

Tyypillisessä proteiinin rakenteessa peptidisidokset yhdistävät pääaminoryhmät ja karboksyyliryhmistä peräisin olevat ryhmät.

Amidisidoside, jonka muodostumiseen osallistuu aminohapon sivuketjun funktionaalinen ryhmä, jota kutsutaan usein nimellä isopeptidisidos.

Tärkein periaate on siis selvittää, mitkä atomit ovat todellakin liittyneet toisiinsa.

Amidisidoksen läsnäolo sinänsä ei tarkoita automaattisesti, että se sijaitsee tyypillisessä peptidirungossa. Toisaalta kaikki peptidien tai proteiinien ristisidokset eivät ole amidisidoksia — disulfidisillat ja muut kovalenttiset modifikaatiot perustuvat erilaisiin kemiallisiin reaktioihin.

Aloittelijoille hyödyllisin lähtökohta ovat tavalliset peptidisidokset, joita esiintyy molekyylirungossa. Erikoistuneempia sidoksia voidaan sitten tarkastella erilaisina molekyylirakenteen muunnoksina.

Kuinka monta peptidisidosta ketjussa on?

Yksittäinen avoin, haaraamaton ketju, joka sisältää n aminohappojäännöstä sisältää n − 1 peptidisidosta rungossa.

Tämä tarkoittaa, että:

• dipeptidissä on 2 aminohappotähdettä ja 1 peptidisidos;
• tripeptidissä on 3 aminohappotähdettä ja 2 peptidisidosta;
• tetrapeptidissä on 4 aminohappotähdettä ja 3 peptidisidosta;
• pentapeptidissä on 5 aminohappojäännöstä ja 4 peptidisidosta;
• 10 aminohappojäännöstä sisältävässä avoimessa ketjussa on 9 peptidisidosta.

Tämä riippuvuus johtuu suoraan molekyylin rakenteesta: jokainen peräkkäinen jäännös pidentää olemassa olevaa ketjua yhdellä ylimääräisellä runkosidoksella.

Sitä vastaava toistuva head-to-tail-tyyppinen ketju sisältää n peptidisidosta rungossaan, koska ylimääräinen sidos sulkee renkaan.

Nämä oletukset ovat kuitenkin tärkeitä. Haarautumat, epätavalliset sivuketjujen liitokset, useiden ketjujen esiintyminen, isopeptidisidokset tai muut kuin amidisidokset sisältävät runko-osat vaativat tarkempaa analyysia.

Jäämien lukumäärä ei siis aina riitä määrittämään kaikkia monimutkaisessa peptidissä tai proteiinissa esiintyviä kovalenttisia sidoksia.

Miten peptidisidokset yhdistävät aminohappoja?

Vapaista aminohapoista aminohappojäämiin

Vapaa aminohappo ja sitä vastaava peptidissä oleva ryhmä liittyvät toisiinsa, mutta ne eivät kuvaa täsmälleen samaa kemiallista tilaa.

Kun aminohappo liitetään peptidiin, sen funktionaaliset ryhmät osallistuvat ketjun muodostaviin sidoksiin.

Esimerkiksi glysiinin ja alaniinin yhdistelmä tietyssä järjestyksessä johtaa glykyylialaniini. Järjestyksen kääntäminen johtaa seuraavan muodostumiseen alaniloglysiinit.

Aminohappojen tyypit ovat samat, mutta niiden sijainti ja kemiallinen ympäristö eroavat toisistaan.

Tämä osoittaa, miksi peptidijono sisältää enemmän tietoa kuin pelkkä luettelo sen rakenneosista.

Sidosten muodostumista voidaan tutkia suoraan. Stachelhaus ja hänen työryhmänsä analysoivat ei-rybosomaalisen peptidisynteesijärjestelmän osia ja osoittivat, että ehdotetussa katalyyttisessä kohdassa sijaitsevan jäännöksen muuttaminen esti tutkittavan kondensaatioreaktion. Kokeessa yhdistetään siis tietyn peptidituotteen muodostuminen tietyn molekyylikoneiston toimintaan. [7]

Kondensaatioyhtälö on reaktiotasapainomalli

Peruskemian oppitunneilla peptidin muodostumista kuvataan usein seuraavalla yhtälöllä:

aminohappo + aminohappo → dipeptidi + vesi

Yhtälö osoittaa koostumuseron lähtöaineiden vapaiden molekyylien ja muodostuneen tuotteen välillä.

Se on hyödyllinen substraattien ja tuotteen välisen kemiallisen suhteen ymmärtämisessä.

Sitä ei kuitenkaan pidä tulkita elävän solun sisällä tapahtuvan proteiinisynteesin täydelliseksi mekanismiksi.

Vapaat aminohapot eivät yksinkertaisesti asetu vierekkäin vedessä, eivät vapauta spontaanisti vesimolekyylejä eivätkä muodosta itsestään tiettyä proteiinisekvenssiä.

Biologinen synteesi edellyttää aktivoituja substraatteja, järjestäytynyttä molekyylikoneistoa, sekvenssin määrittelevää tietoa sekä energiaa vaativia valmistelevia prosesseja.

On siis tärkeää tehdä ero seuraavien välillä: yleinen kemiallinen yhtälö a reaktiomekanismi.

Yhtälö kuvaa alku- ja loppukoostumusta. Mekanismi selittää reaktioon johtavat todelliset molekyylitason vaiheet ja välituotteet.

Ribosomeja koskevissa kokeissa tutkitaan juuri tällaisia mekanistisia yksityiskohtia, eikä niissä pelkästään toisteta tunnettua kondensaatioyhtälöä. [3]

Miten ribosomi muodostaa peptidisidoksia?

Translaation aikana siirto-RNA, eli tRNA, kuljettavat aminohappoja ja kasvavaa peptidiketjua ribosomin sisällä.

Äskettäin toimitetun aminohapon aminoryhmä reagoi tRNA:han sitoutuneen olemassa olevan ketjun aktivoidun pään kanssa, mikä johtaa kasvavan peptidin siirtymiseen uuteen tRNA:han sitoutuneeseen jäännökseen.

Peptidiketjua pidennetään yleensä puolelta C-pää.

Aminohappojen aktivointi ja niiden sitoutuminen tRNA:han ovat energiaa vaativia prosesseja. Siksi olisi liian yksinkertaistettua kuvata jokaisen ribosomaalisen peptidisidoksen muodostuvan suoraan kahden vapaan aminohapon välillä tai pelkästään ribosomin suorittamana „veden poistamisena”.

Weinger ja hänen työryhmänsä muokkasivat tRNA-substraatin kemiallista ryhmää ja havaitsivat, että peptidisidosten muodostuminen väheni merkittävästi ilman, että substraatin sitoutuminen olisi vähentynyt vastaavasti. Tämä tulos tarjosi näyttöä siitä, että substraatin avustama katalyysi, jossa substraattien omat kemialliset ominaisuudet vaikuttavat reaktion kulkuun. [3]

Koe viittaa siis tRNA:n kemiallisen rakenteen mekanistiseen rooliin, eikä pelkästään sen toimintaan passiivisena kantajana.

Peptidisidosten muodostumisella on tietty suunta

Proteiinien synteesi on suunnattu prosessi.

Koska kasvava ketju pitenee C-pään puolelta, sekvenssi kehittyy tietyssä suunnassa.

Tämä johtuu yleisesti noudatetusta käytännöstä, jonka mukaan peptidi- ja proteiinisekvenssit kirjoitetaan alkaen N-päästä C-päähän.

Suunta ei kuitenkaan ole pelkästään merkintätapa. Sekvenssin kääntäminen johtaa yleensä uuden molekyylin muodostumiseen, koska jokainen jäännös on silloin eri asemassa suhteessa ketjun muihin osiin.

Muita tapoja luoda samanlaisia sidoksia

Peptidisidoksia voi muodostua myös ribosomin ulkopuolella.

Erikoistuneet ei-rybosomaaliset entsyymijärjestelmät ne syntetisoivat tiettyjä peptidejä, kun taas laboratorio-olosuhteissa tapahtuvassa peptidisynteesissä käytetään aktivoituja ainesosia ja hallittuja kytkentäreaktioita.

Nämä reitit eroavat toisistaan rakenteeltaan, substraateiltaan, reaktio-olosuhteiltaan ja katalyyttisiltä mekanismeiltaan.

Niitä ei pidä pitää identtisina prosesseina pelkästään sen vuoksi, että lopputuotteissa on amidisidoksia.

Ei-rybosomaalisen sidosmuodostuksen tutkimukset sekä BPTI:n kemiallinen synteesi ovat esimerkkejä tällaisista erilaisista tuotantomenetelmistä. [7] [5]

Myöskään valmistustapa ei sinänsä määrää, onko kyseinen molekyyli peptidi vai proteiini. Kemiallinen synteesi voi johtaa luonnossa esiintyvää peptidiä tai proteiinia vastaavan aineen tuottamiseen, edellyttäen että sen sekvenssi ja muut olennaiset rakenteelliset ominaisuudet on määritetty oikein.

Peptidisidokset ja muut sidokset proteiineissa

Rakenteelliset sidokset ja taittumista aiheuttavat vuorovaikutukset

Peptidisidokset pitävät aminohapposekvenssin koossa.

Muut vuorovaikutukset puolestaan auttavat määrittämään, miten tämä sekvenssi sijoittuu kolmiulotteisessa avaruudessa tai miten yksittäiset peptidiketjut ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

Vety sidokset muodostuvat sopivien vetyluovuttajien ja -vastaanottajien välille. Peptidirakenteen sisällä karbonyyliryhmien happiatomit voivat toimia vastaanottajina, ja monet amidiryhmien N–H-sidokset voivat toimia luovuttajina.

Amidityppeä ei yleensä pidetä vetysidoksen akseptorina, koska sen vapaa elektronipari osallistuu amidiryhmän elektronijärjestelmään.

Erityistä huomiota vaativat myös proliinia sisältävät peptidiryhmät, koska tällöin rakenteessa oleva typpi ei sisällä tyypillistä N–H-vetyatomia.

Peptidisidoksen sisältävä ryhmä voi siis osallistua vetysidosten muodostumiseen, mutta peptidisidos ja vetysidos ovat erilaisia sidostyyppejä.

Toinen niistä muodostaa kovalenttisia sidoksia aminohappotähteiden välillä. Toinen osallistuu vuorovaikutuksiin molekyylin sisällä tai molekyylien välillä.

Lyhyen, taitetun CLN025-peptidin tutkimuksissa analysoitiin rakennetta, jota stabiloivat muun muassa vetysidokset ja muut molekyylinsisäiset vuorovaikutukset. Tämä osoittaa, että taittuminen voi tapahtua ilman uuden runkosekvenssin muodostumista. [8]

Disulfidisillat yhdistävät rikkiä sisältäviä sivuketjuja

Disulfidisillat ovat kovalenttisia rikki–rikki-sidoksia, joita muodostuu useimmiten kysteiinin sivuketjujen välille.

Ne voivat yhdistää saman peptidiketjun kaukana toisistaan olevia osia tai eri ketjuja.

Ne eivät ole peptidisidoksia, eivätkä ne esiinny kaikissa proteiineissa.

Disulfidisillan muodostuminen tai katkeaminen voi muuttaa merkittävästi molekyylin avaruudellista rakennetta ilman, että sen peptidirunkoa tarvitsee katkaista.

BPTI:n synteesiä koskevassa tutkimuksessa valmistettiin luonnollinen sekvenssi sekä analogit, jotka oli suunniteltu muuttamaan disulfidisiltojen muodostumismahdollisuuksia. Luonnollisen sekvenssin sisältävää materiaalia verrattiin luonnolliseen BPTI:hin analyyttisten ja toiminnallisten menetelmien avulla. Julkaisun tiivistelmä ei vahvistanut kaikkia analogien rakenteellisia seurauksia, minkä vuoksi ehdotettuja eroja ei tule esittää täysin vakiintuneina tuloksina. [5]

Ioniset ja hydrofobiset vuorovaikutukset

Varautuneet ryhmät voivat vetää toisiaan puoleensa tai työntää toisiaan pois, mikä vaikuttaa molekyylin avaruudelliseen rakenteeseen.

Ei-polaariset alueet puolestaan ovat vuorovaikutuksessa vesiympäristön kanssa tavalla, joka voi edistää niiden piiloutumista rakenteen sisälle, assosiaatioihin tai aggregaatioihin. Tätä ilmiötä käsitellään usein yhteydessä hydrofobisen vaikutuksen.

Näillä vuorovaikutuksilla voi olla valtava merkitys proteiinien taitumiselle, mutta hydrofobinen vuorovaikutus ei ole uusi kovalenttinen sidos aminohappojen välillä.

Siksi on virheellistä kutsua kaikkia proteiinia stabiloivia voimia peptidisidoksiksi.

Eri vuorovaikutustyypit voivat myös reagoida eri tavoin lämpötilaan, liuottimeen, happamuuteen, ionisiin olosuhteisiin ja muihin ympäristön muutoksiin. Sen selvittäminen, mikä sidostyyppi tai vuorovaikutus muuttuu, auttaa ymmärtämään kokeen tulosta tarkemmin.

Denaturointi ei ole sama asia kuin hydrolyysi

Denaturointi muuttaa proteiinin tyypillistä rakenteellista järjestystä.

Se voi häiritä molekyylien taitumista tai assosiaatiota, mutta jättää samalla suurimman osan tai kaikki peptidisidokset ehjiksi.

Hydrolyysi se puolestaan muuttaa kemiallisia sidoksia katkaisemalla herkän sidoksen vedellä tapahtuvassa reaktiossa.

Tietyissä olosuhteissa molemmat prosessit voivat tapahtua samassa näytteessä, mutta ne eivät ole synonyymejä.

Proteiinin hajoaminen ei siis tarkoita automaattisesti sen muuttumista lyhyemmiksi peptideiksi tai vapaiksi aminohapoiksi.

Tämä ero näkyy myös rakennetutkimuksissa. Termisesti kehittynyttä kollageenia koskevissa kokeissa on tunnistettu erilaisia proliiniin sitoutuneiden peptidisidosten cis- ja trans-konfiguraatioita. Rungon konfiguraation muutos on eri ilmiö kuin sen kemiallinen hajoaminen. [9]

Peptidisidosten muodostuminen, ominaisuudet ja hydrolyysi

Vakaus riippuu analysoitavan reaktion tyypistä

Peptidisidokset ovat riittävän kestäviä biologisten ketjujen ylläpitämiseksi, ja samalla organismit pystyvät muodostamaan ja hajottamaan niitä valikoivasti.

Tässä ei ole mitään ristiriitaa.

Reaktionopeus riippuu muun muassa aktivointikynnykset ja katalyyttien läsnäolo, kun taas se, onko tietty reaktio termodynaamisesti edullinen, on erillinen kysymys.

Prosessi voi olla kemiallisesti mahdollinen, mutta ilman asianmukaista katalyysiä se etenee erittäin hitaasti.

Toisaalta entsyymi voi merkittävästi nopeuttaa tiettyä reaktiota tarjoamalla sille suotuisamman reittin.

Entsyymi ei muuta peptidisidosta täysin erilaiseksi sidokseksi. Se muuttaa kemiallisen reaktion kulkureittiä.

Olisi myös virheellistä määrittää yksi yleispätevä stabiilisuusaika kaikille vedessä oleville peptidisidoksille, peptideille tai proteiineille.

Sekvenssi, paikallinen rakenne, sidoksen saatavuus, viereiset kemialliset ryhmät, lämpötila, pH, liuoksen koostumus sekä katalyyttien läsnäolo voivat vaikuttaa havaittuun käyttäytymiseen.

Mitä hydrolyysi muuttaa?

Hydrolyysissä käytetään vettä amidisidoksen kemialliseen katkaisuun, minkä seurauksena syntyy uusia pääteryhmiä, jotka ovat peräisin karboksyyliryhmistä ja aminoryhmistä.

Niiden tarkka ionimuoto riippuu liuoksen ympäröivistä olosuhteista.

Yhden sidoksen katkeaminen molekyylirungossa ei johda automaattisesti vapaiden aminohappojen muodostumiseen.

Jos pidemmän avoimen ketjun sisäinen peptidisidos katkeaa, välittömiksi tuotteiksi muodostuvat yleensä kaksi lyhyempää peptidipätkää.

Tarvitaan lisää pilkkomisreaktioita, jotta näitä palasia voidaan asteittain lyhentää ja lopulta vapauttaa yksittäisiä aminohappoja.

Penicillopepsiinin rakennetutkimuksissa analysoitiin, miten aspartyyliproteinaasi voi järjestellä vettä ja substraattiryhmiä hydrolyysiprosessissa. Ehdotettu reaktiomalli perustui kristallografisiin havaintoihin ja mallinnukseen. Se tarjoaa tietoa yhdestä entsymaattisesta mekanismista, mutta ei todista, että jokainen proteaasi käyttäisi identtistä katalyysitapaa. [4]

Hydrolyysi voi olla selektiivistä

Proteaasit ja peptidaasit eroavat toisistaan tunnistamiensa sidosten ja molekyyliympäristöjen suhteen.

Jotkut entsyymit katkaisevat ketjun sisällä olevia sidoksia, kun taas toiset poistavat jäämiä sen päistä.

Sekvenssi, paikallinen rakenne, saatavuus ja ympäröivät kemialliset ryhmät voivat vaikuttaa siihen, hajoaako potentiaalisesti haavoittuva kohta todellisuudessa.

Davidson ja Hutton tutkivat insuliinia erittäviä rakeita koskevaa entsyymiä. Puhdistettu valmiste poisti emäksiset jäännökset proinsuliinista peräisin olevista substraateista, eikä se aiheuttanut kypsän insuliinin edelleen hajoamista käytetyssä testissä. [10]

Tämä osoittaa, että valikoiva biologinen käsittely, eikä kaikkien peptidisidosten satunnainen katkeaminen.

Selektiivinen pilkkoutuminen on biologisesti merkittävää, koska suurempia esiasteita voidaan prosessoida tietyissä paikoissa, mikä johtaa tiettyjen kypsien tuotteiden muodostumiseen satunnaisen hajoamisen sijaan.

Olosuhteilla on merkitystä: kaksi kokeellista esimerkkiä

Kenley ja Warne tutkivat rekombinanttia ihmisen interleukiini 11:tä tarkoituksellisesti luotuissa stressiolosuhteissa, joihin kuuluivat kohonnut lämpötila ja erilaiset pH-arvot.

Happamassa ympäristössä he havaitsivat Asp–Pro-kohdassa tapahtuvan pilkkoutumisen. Tulokset osoittavat sekvenssistä ja olosuhteista riippuvaa hajoamista, mutta niitä ei tulisi tulkita yleispätevänä sääntönä, joka kuvaisi kaikkien proteiinien käyttäytymistä tyypillisissä biologisissa olosuhteissa. [11]

Toisessa tutkimuksessa seurattiin radiojodatun vasoaktiivisen suolistopeptidin hajoamista laimennetussa liuoksessa, jonka pH oli neutraali. Samanlaiset, lyhyemmät fragmentit eivät osoittaneet mitattavissa olevaa hajoamista samoissa koeolosuhteissa, ja liuokseen lisätyt aineet vaikuttivat tulokseen. [12]

Molemmat tutkimukset osoittavat, miksi peptidisidosten stabiilisuutta tulisi tarkastella suhteessa tietyn molekyylin, sekvenssin, ympäristön ja koeolosuhteiden, sen sijaan että oletettaisiin, että tietty pH-arvo tai lämpötila aiheuttaisi jokaiselle peptidille samanlaisen käyttäytymisen.

Miksi peptidisidokset ovat biologisesti tärkeitä?

Peptidisidokset säilyttävät aminohappojäämien järjestyksen, joka määrittää peptidi- tai proteiiniketjun.

Niiden geometria rajoittaa ketjun mahdollisia avaruudellisia asentoja, kun taas peptidirungossa esiintyvät karbonyyli- ja typpiryhmät osallistuvat molekyylivälineisiin vuorovaikutuksiin.

Peptidisidosten hallittu muodostuminen mahdollistaa peptidien ja proteiinien synteesin.

Näiden sidosten hallittu katkeaminen puolestaan osallistuu esiasteiden prosessointiin, ruoansulatukseen, proteiinien kierrätykseen, säätelyreitteihin ja molekyylien lopulliseen hajoamiseen.

Sama kemiallisen sidoksen perustyyppi esiintyy siis useilla biologisen organisaation tasoilla.

Sen synty määrittää sekvenssin jatkuvuuden.

Sen elektronirakenne vaikuttaa rungon geometriaan.

Siinä esiintyvät kemialliset ryhmät osallistuvat molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin.

Sen selektiivinen pilkkominen mahdollistaa biologisten järjestelmien proteiinien ja peptidien käsittelyn ja poistamisen.

Nämä ilmiöt yhdistävät molekyylikemian ja biologian. Todisteita on saatu muun muassa elektronirakenteen laskelmista, rakennemittauksista, entsyymitutkimuksista, kemiallisesta synteesistä sekä kokonaisvaltaisia biologisia järjestelmiä hyödyntävistä kokeista. Jokainen näistä menetelmistä valaisee eri osaa mekanismista, eikä niitä tulisi käyttää johtopäätösten tekemiseen, jotka ulottuvat tutkittavan prosessin ulkopuolelle. [2] [3] [10]

Usein kysytyt kysymykset

1. Onko peptidisidos kovalenttinen?

Kyllä. Peptidisidos on kovalenttinen amidisidos aminohapporyhmien välillä. Hiili- ja typpiatomit jakavat elektroneja, mikä takaa peptidiketjun kemiallisen jatkuvuuden. Elektronirakennetutkimuksissa analysoidaan, miten viereinen karbonyyliryhmä vaikuttaa tähän elektronien jakamiseen ja miten se vaikuttaa amidisidoksen ominaispiirteisiin. Termi „kovalenttinen” ei kuitenkaan tarkoita, että sidosta ei voida katkaista. Sopivissa kemiallisissa olosuhteissa tai entsyymien vaikutuksesta se voi hydrolysoitua. Tärkeintä on ymmärtää, että peptidisidos yhdistää jäännökset kemiallisesti yhdeksi molekyyliksi eikä ainoastaan aiheuta vetovoimaa erillisten molekyylien tai saman molekyylin osien välillä. [1]

2. Miksi peptidisidoksella on osittain kaksoissidoksen ominaisuuksia?

Kaksoissidoksen osittainen luonne johtuu typen vapaan elektroniparin vuorovaikutuksesta karbonyyliryhmän viereisen elektronijärjestelmän kanssa. Tämän ansiosta elektronitiheys delokalisoituu amidoryhmän sisällä. Laskennallisissa tutkimuksissa on analysoitu tämän ilmiön osuutta peptidisidoksen muodostumisessa. Sen selittämiseen käytetyt resonanssirakenteet ovat vaihtoehtoisia tapoja esittää samaa elektronirakennetta, eivätkä erillisiä molekyylejä, jotka muuttuvat toisikseen. Myös sidoksen järjestystä kuvaavat numeeriset arvot voivat riippua käytetystä analyysimenetelmästä. Tärkein rakenteellinen seuraus on C–N-sidoksen ympärillä tapahtuvan pyörimisen rajoittuminen verrattuna tyypilliseen, vapaasti pyörivään yksittäissidokseen. [1]

3. Mitkä atomit muodostavat peptidisidoksen?

Tyypillisessä peptidirungossa peptidisidos yhdistää yhden aminohappojäännöksen karbonyyliryhmän hiiliatomin seuraavan aminohappojäännöksen typpiatomiin. Happiatomi pysyy osana karbonyyliryhmää eikä muodosta suoraa sidosta kahden aminohappojäännöksen välillä. Elektronimikroskooppisissa ja rakenteellisissa tutkimuksissa näitä atomeja analysoidaan osana toisiinsa liittyvää amidiryhmää, samalla kun niiden yksittäiset sidokset erotetaan toisistaan. Tunnistettaessa tyypillistä peptidisidosta rakennekaavassa on siis hyödyllistä aloittaa etsimällä C–N-sidos, joka sijaitsee välittömästi karbonyyliryhmän vieressä. [2]

4. Missä proteiinin sisällä peptidisidos sijaitsee?

Peptidisidokset sijaitsevat jokaisen proteiiniketjun runko-osassa ja yhdistävät vierekkäisiä aminohappotähteitä. Ne eroavat sivuketjujen välisistä ristisidoksista ja erillisten ketjujen välisistä vuorovaikutuksista. BPTI:n kemiallinen synteesi havainnollistaa tätä eroa erottamalla runkorakenteen myöhemmästä disulfidisiltojen muodostumisesta. Proteiinin täydellinen kolmiulotteinen rakenne voi sisältää monenlaisia kovalenttisia ja ei-kovalenttisia vuorovaikutuksia, siksi peptidisidosten tunnistaminen edellyttää aminohapporungon seuraamista sen sijaan, että laskettaisiin kaikki molekyylimallissa esitetyt viivat tai yhteydet. [5]

5. Onko jokainen amidisidos peptidisidos?

Ei. Amidisidoksia esiintyy monissa erilaisissa orgaanisissa yhdisteissä, kun taas termi „peptidisidos” viittaa tiettyihin aminohapoista peräisin oleviin sidoksiin peptideissä ja proteiineissa. Tyypillinen peptidisidos runkorakenteessa on yksi amidisidosten tyypeistä. Aminohapon sivuketjua hyödyntävää amidisidosta ei siis tule automaattisesti lukea tavallisiin runkosidoksiin. Peptidien geometrian tutkimukset keskittyvät määriteltyyn runko-amidiryhmään eivätkä pidä kaikkia mahdollisia amideja kemiallisesti ja rakenteellisesti identtisinä. Oikea nimi riippuu mukana olevista ryhmistä ja niiden sijainnista molekyylissä. [2]

6. Kuinka monta peptidisidosta tripeptidissä on?

Tyypillinen avoin, haaraamaton tripeptidi sisältää kaksi peptidisidosta, koska kolme jäännöstä vaativat kaksi sidosta yhden yhtenäisen avoimen ketjun muodostamiseksi. Tämä johtuu yleisestä n − 1 -suhteesta tyypilliselle avoimelle ketjulle, joka sisältää n jäännöstä. Tämä laskelma perustuu molekyylin rakenteeseen, eikä se ole kokeellinen tulos tai tietoa sen biologisesta toiminnasta. Vastaus on erilainen, jos ylimääräinen runkosidos sulkee molekyylin renkaaksi. Sivuketjujen sidokset ja muut kovalenttiset sidokset on sen sijaan laskettava erikseen. Ennen yleissäännön soveltamista on siis määritettävä analysoitavan molekyylin rakenne.

7. Onko syklisissä peptideissä ylimääräinen peptidisidos?

Head-to-tail-tyyppisessä syklisessä peptidissä on yksi runkosidos enemmän kuin vastaavassa avoimessa ketjussa, koska ylimääräinen amidisidos yhdistää molemmat päät ja sulkee renkaan. Muut sykliset peptidit voivat kuitenkin muodostaa renkaan sivuketjujen avulla, joten tämä sääntö ei päde automaattisesti kaikkiin molekyyleihin, joita kutsutaan syklisiksi. Kalata B1:tä koskevat tutkimukset ovat vahvistaneet konkreettisen tapauksen syklisestä runko-rakenteesta, joka sisältää lisäksi disulfidisiltoja. Rungon sulkeminen renkaaksi ja sivuketjujen välisten yhteyksien muodostuminen on siis kuvattava erikseen sidoksia laskettaessa ja molekyylirakennetta esitettäessä. [6]

8. Ovatko peptidisidokset aina täysin tasaisia?

Ei. Peptidiryhmät ovat suunnilleen tasomaisia, mutta ihanteellisesta geometriasta voi esiintyä mitattavissa olevia poikkeamia. Tutkimus, jossa yhdistettiin kvanttimekaaniset laskelmat peptidien ja proteiinien rakenneanalyysiin, osoitti pieniä vääristymiä, jotka liittyvät luurangon paikalliseen järjestykseen. Nämä havainnot täydentävät yksinkertaistettua oppikirjamallia, mutta eivät tee siitä käyttökelvotonta. Tasomaisuus on edelleen tärkeä rakenteellinen preferenssi, joka johtuu amidiryhmän elektronirakenteesta, mutta tarkassa rakenneanalyysissä tulisi ottaa huomioon kyseiselle molekyylille ominaiset paikalliset erot. [2]

9. Voiko proteiini taipua, vaikka kiertoliike peptidisidoksen ympäri on rajoitettua?

Kyllä. Proteiinin runko sisältää muita sidoksia, joiden ympärillä vääntökulmien muutoksia voi tapahtua. Rajoitettu kierto C–N-amidisidoksen ympärillä ei siis lukitse koko ketjua paikoilleen. Rakenneanalyyseissä erotetaan toisistaan vierekkäisten runkosidosten ympärillä tapahtuvat kiertokulmat ja itse peptidisidokseen liittyvä kiertokulma. Steriset rajoitukset, paikalliset kemialliset vuorovaikutukset sekä viereisten aminohappotähteiden tyyppi vaikuttavat lisäksi siihen, mitkä asennot ovat energian ja fysiikan kannalta mahdollisia. Proteiinit eivät siis ole jäykkiä sauvoja eivätkä ketjuja, jotka koostuvat täysin vapaasti pyörivistä osista. Niiden rakenne johtuu runko-osien rajoitettujen ja suhteellisen joustavien vapausasteiden yhdistelmästä. [2]

10. Mitä ovat cis- ja trans-peptidisidokset?

Termit cis ja trans kuvaavat peptidisidoksen molemmin puolin sijaitsevien ryhmien erilaisia avaruudellisia asentoja. Tyypillisissä proteiinirunkoissa trans-konfiguraatio on vallitseva. Erityistä huomiota vaativat proliiniin liittyvät peptidisidokset, koska niissä cis-konfiguraatio esiintyy useammin kuin monissa muissa aminohappoyhdistelmissä. Termisesti avautuneen kollageenin NMR-tutkimuksissa havaittiin molempia konfiguraatioita. Nämä tulokset koskevat kuitenkin tiettyä proteiinia tietyissä kokeellisissa olosuhteissa, eikä niitä tulisi yleistää koskemaan kaikkia peptidejä ja proteiineja. Termit cis ja trans kuvaavat peptidisidoksen geometriaa, eivätkä erilaisia kemiallisia sidoksia. [9]

11. Vapautuuko vettä aina välittömästi peptidisidoksen muodostumisen yhteydessä?

Ei. Tunnettu yhtälö, joka kuvaa veden vapautumista, kuvaa vapaiden funktionaalisten ryhmien välisen kondensaation kokonaiskuvaa, mutta se ei kuvaa jokaista todellista peptidisidosten muodostumismekanismia. Rybosomaalinen synteesi hyödyntää tRNA:han sitoutuneita aktivoituja substraatteja, ja kokeelliset tutkimukset viittaavat substraattikemian osallisuuteen katalyysissä. Reaktion välitön kulku on siis monimutkaisempi kuin pelkkä veden poistuminen kahdesta vapaasti liuenneesta aminohaposta. Ero reaktion kokonaisenergiataseen ja todellisen biologisen mekanismin välillä estää hyödyllisen opetustarkoituksiin tarkoitetun yhtälön muuttumisen virheelliseksi kuvauksiksi proteiinisynteesistä. [3]

12. Johtaako aminohappojen sekoittaminen veteen proteiinin muodostumiseen?

Ei. Vapaiden aminohappojen seos ei muodosta automaattisesti tiettyä proteiinisekvenssiä. Peptidien hallittu muodostuminen edellyttää asianmukaista kemiaa, ja soluissa myös järjestäytynyttä synteesikoneistoa, joka kykenee hallitsemaan aminohappojen järjestystä ja sidosten muodostumista. Kokeet, jotka koskevat peptidien ei-rybosomaalista koostumista, ovat osoittaneet, että tietyn katalyyttisen elementin häiriö voi estää tutkittavan peptidituotteen muodostumisen. Tulokset koskevat tiettyä biosynteettistä järjestelmää, mutta ne osoittavat laajemman periaatteen: pelkkä molekyylisten rakennuspalikoiden läsnäolo ei riitä. Määritellyn sekvenssin muodostuminen edellyttää molekyylisidosten hallittua muodostumista. [7]

13. Onko peptidisidos sama asia kuin vetysidos?

Ei. Peptidisidos on kovalenttinen sidos molekyylin runko-osassa, kun taas vetysidos on vuorovaikutus sopivan vedyn luovuttajan ja vastaanottajan välillä. Peptidirungossa olevat kemialliset ryhmät voivat osallistua vetysidosten muodostumiseen ilman, että syntyy uusia peptidisidoksia. Aaltoilevasta dekapeptidistä CLN025 tehdyssä tutkimuksessa analysoitiin vetysidoksia ja muita vuorovaikutuksia, jotka osallistuvat sen rakenteen stabilointiin. Tämä ero erottaa sidokset, jotka määrittelevät ketjun peruskovalenttisen sekvenssin, vuorovaikutuksista, jotka auttavat jo muodostunutta ketjua järjestäytymään kolmiulotteisessa tilassa. [8]

14. Onko disulfidisilta eräs peptidisidoksen tyyppi?

Ei. Disulfidisilta on kovalenttinen rikki–rikki-sidos, joka muodostuu yleensä kysteiinin sivuketjujen välille. Peptidisidos on sen sijaan amidisidos, joka yhdistää aminohapoista peräisin olevat ryhmät peptidin runkoon. BPTI:n synteesiä koskevissa tutkimuksissa runkorakenteen muodostumista ja disulfidisiltojen muodostumista käsiteltiin erillisinä prosesseina. Molemmilla sidostyypeillä voi olla merkittävä vaikutus molekyylin rakenteeseen, mutta ne yhdistävät eri atomeja ja osallistuvat erilaisiin kemiallisiin reaktioihin. Disulfidisillan katkeaminen ei siis välttämättä katkaise peptidirunkoa, kun taas peptidisidoksen katkeaminen muuttaa suoraan ketjun sekvenssin jatkuvuutta. [5]

15. Aiheuttaako proteiinin denaturoituminen peptidisidosten katkeamisen?

Se ei ole välttämätöntä. Denaturoituminen tarkoittaa proteiinin tyypillisen poimuisen tai kierteisen rakenteen häiriintymistä, eikä se määritelmänsä mukaan vaadi peptidisidosten katkeamista. Käytetyistä olosuhteista riippuen kemiallinen hajoaminen voi tapahtua samanaikaisesti denaturoitumisen kanssa, mutta näitä kahta prosessia ei pidä automaattisesti samaistaa. Termisesti avautuneen kollageenin tutkimuksissa analysoitiin edelleen sen peptidisidosten erilaisia konfiguraatioita. Avoin ketju ja hydrolysoitu ketju ovat siis erilaisia molekyylitiloja: ensimmäinen koskee ennen kaikkea kolmiulotteista rakennetta, kun taas jälkimmäinen koskee kovalenttisten sidosten muutoksia. [9]

16. Johtaako hydrolyysi välittömästi vapaiden aminohappojen muodostumiseen?

Ei aina. Yhden sisäisen peptidisidoksen hydrolyysi pidemmässä avoimessa ketjussa johtaa yleensä kahden lyhyemmän peptidifragmentin muodostumiseen. Lisää pilkkoutumisreaktioita tarvitaan näiden fragmenttien pituuden asteittaiseen lyhentämiseen ja lopulta yksittäisten aminohappojen vapautumiseen. Kokeellisissa tutkimuksissa on tunnistettu tiettyjä peptidisidosten katkeamisen jälkeen muodostuvia fragmentteja, muun muassa interleukiini 11:n ja vasoaktiivisen suolistopeptidin hajoamista koskevissa tutkimuksissa. Tuotteiden tyyppi riippuu pilkotuista kohdista sekä hydrolyysin etenemisasteesta. Termi „hydrolysoitu” ei siis automaattisesti tarkoita, että peptidi tai proteiini olisi muuttunut kokonaan vapaiksi aminohapoiksi. [11] [12]

17. Hajoavatko kaikki peptidisidokset samalla nopeudella?

Ei. Havaitun pilkkoutumisnopeuden määräävät peptidin sekvenssi, molekyylin paikallinen rakenne, sidoksen saatavuus, viereiset kemialliset ryhmät, liuoksen koostumus, lämpötila, pH sekä katalyyttien, kuten proteolyyttisten entsyymien, läsnäolo. Interleukiini-11:n ja vasoaktiivisen suolistopeptidin tutkimukset ovat osoittaneet, että hajoaminen on selektiivistä ja olosuhteista riippuvaa, eivätkä kaikki sidokset käyttäydy samalla tavalla. Nämä kokeet eivät määritä yleispätevää stabiilisuusaikaa muille peptideille. Tieteellisesti perusteltu johtopäätös on, että peptidisidoksen stabiilisuutta tulee arvioida suhteessa tiettyyn molekyyliin, ympäristöön ja reaktioon, eikä sitä tule ennustaa pelkästään sidoksen nimen perusteella. [11] [12]

18. Miten peptidisidos eroaa isopeptidisidoksesta?

Tyypillinen peptidisidos runkorakenteessa yhdistää yleensä yhden aminohapon karboksyyliryhmästä peräisin olevan pääryhmän seuraavan aminohapon aminoryhmään. Isopeptidisidos on myös amidisidos, mutta sen muodostumiseen osallistuu vähintään yksi funktionaalinen ryhmä, joka sijaitsee tyypillisen runkorakenteen ulkopuolella, esimerkiksi vastaava ryhmä aminohapon sivuketjussa. Molemmat sidostyypit perustuvat siis samankaltaiseen amidokemiaan, mutta ne sijaitsevat eri paikoissa molekyylin rakenteessa. Ero on merkittävä, koska pelkkä amidisidoksen havaitseminen ei riitä todentamaan, että se kuuluu tavalliseen peptidirunkoon.

19. Miksi peptidisidokset ovat tärkeitä proteiinien rakenteelle?

Peptidisidokset pitävät yllä järjestäytynyttä kovalenttista aminohappojonoa ja asettavat samalla geometrisia rajoituksia molekyylin runkoon. Niiden osittainen kaksoissidoksen luonne rajoittaa pyörimistä C–N-amidiyhteyden ympärillä ja edistää peptidiryhmän suunnilleen tasomaista geometriaa. Samalla runkon karbonyyliryhmät ja N–H-ryhmät voivat osallistua korkeamman asteen rakenteille tärkeisiin vetysidosten muodostumisiin. Peptidisidokset eivät siis ainoastaan yhdistä aminohappoja – niiden elektroniset ja geometriset ominaisuudet auttavat määrittämään koko ketjun rakenteellisia mahdollisuuksia. [1] [2]

20. Voivatko entsyymit katkaista peptidisidoksia?

Kyllä. Proteaasit ja peptidaasit voivat katalysoida peptidisidosten hydrolyysiä, mutta niiden ei tarvitse katkaista kaikkia sidoksia erottelematta. Yksittäiset entsyymit tunnistavat tiettyjä sekvenssejä, rakenteellisia ympäristöjä tai sijainteja peptidiketjuissa. Penicillopepsiinin rakennetutkimuksissa analysoitiin, miten aspartyyliproteinaasi järjestää substraatin ja veden hydrolyysin aikana, kun taas Davidson ja Hutton osoittivat proinsuliiniin liittyvien substraattien selektiivisen prosessoinnin. Nämä esimerkit osoittavat, kuinka biologiset järjestelmät voivat hallitusti katkaista tiettyjä peptidisidoksia molekyylien prosessoinnin ja hajoamisen aikana. [4] [10]

Peptidisidoksia koskevien tutkimusten tulkinnan rajoitukset

Siirryttäessä peptidisidosten peruskemian käsittelystä todellisia peptidejä ja proteiineja koskeviin johtopäätöksiin on syytä muistaa muutamia rajoituksia.

Ensinnäkin oppikirjoissa esitetty idealisoitu peptidiryhmä on tyypillisen rakennejärjestelmän malli. Todellisissa molekyylirakenteissa voi esiintyä mitattavissa olevia poikkeamia ihanteellisesta tasomaisuudesta ja geometriasta. [2]

Toiseksi, peptidisidoksen stabiilisuus riippuu asiayhteydestä. Korkeassa lämpötilassa, epätavallisessa pH-arvossa, hyvin pienessä pitoisuudessa tai tiettyjen katalyyttien läsnä ollessa suoritettujen kokeiden tuloksia ei pidä automaattisesti käyttää molekyylin käyttäytymisen ennustamiseen täysin erilaisissa olosuhteissa. [11] [12]

Kolmanneksi eri entsyymit käyttävät erilaisia katalyyttisiä mekanismeja. Yhden aspartyyliproteaasin aiheuttamaa hydrolyysiä kuvaava näyttö ei tarkoita, että kaikki proteaasit pilkkoisivat peptidisidoksia täsmälleen samalla tavalla. [4]

Neljänneksi peptidisidokset voivat muodostua eri mekanismien kautta. Ribosomaalinen translaatio, ei-ribosomaalinen biosynteesi ja laboratoriossa tapahtuva kemiallinen synteesi voivat johtaa amidisidosten muodostumiseen, vaikka niissä käytetään erilaisia substraatteja ja molekyylimekanismeja. [3] [7]

Viidenneksi proteiinin rakenteen muutoksia ei pidä automaattisesti tulkita peptidisidosten katkeamiseksi. Denaturoituminen, konformaatiomuutokset, cis–trans-siirtymät, vetysidosten häiriintyminen, disulfidisiltojen pelkistyminen ja peptidisidosten hydrolyysi kuvaavat erilaisia molekyylitason ilmiöitä.

Nämä erot ovat tärkeitä, koska termi peptidisidos kuvaa tiettyä kovalenttisen sidoksen tyyppiä. Jotta voidaan ymmärtää, mitä peptidille tai proteiinille todella tapahtuu, on selvitettävä, mikä kemiallinen sidos tai molekyylivälinen vuorovaikutus on muuttunut.

Yhteenveto

Peptidisidokset ovat kovalenttisia amidisidoksia, jotka yhdistävät aminohappojäämät peptidi- ja proteiiniketjuiksi. Vaikka ne esitetään usein yksinkertaisesti C–N-sidoksina toistuvassa runko-osassa –C(=O)–NH–, niiden kemiallinen rakenne on monimutkaisempi kuin tavallisen, vapaasti pyörivän yksinkertaisen sidoksen.

Elektronien delokalisointi amidoryhmän sisällä antaa C–N-sidokselle osittaisen kaksoissidoksen luonteen, mikä rajoittaa sen pyörimistä ja edistää peptidiryhmän suunnilleen tasomaista geometriaa. Samalla mahdollisuus pyöriä vierekkäisten runkosidosten ympäri antaa peptidiketjuille mahdollisuuden omaksua hyvin monenlaisia kolmiulotteisia rakenteita. [1] [2]

Peptidisidoksia esiintyy tyypillisten peptidien ja proteiinien rakenteessa, mutta ne on erotettava vetysidoksista, disulfidisiltoja, ionisia vuorovaikutuksia, hydrofobista vaikutusta sekä erikoistuneita sivuketjujen yhteyksiä, kuten isopeptidisidoksia.

Ne voivat syntyä erilaisten prosessien seurauksena. Rybosomit muodostavat peptidisidoksia translaation aikana käyttämällä aktivoituja, tRNA:han sitoutuneita substraatteja, ei-rybosomaaliset järjestelmät hyödyntävät erikoistunutta entsyymikoneistoa, kun taas laboratoriossa tapahtuva synteesi perustuu kontrolloituihin kemiallisiin kytkentäreaktioihin. [3] [7]

Yhtä tärkeää on niiden pilkkominen. Hydrolyysi voi pilkkoa peptidiketjun lyhyemmiksi palasiksi, ja proteaasit ja peptidaasit mahdollistavat eliöille tämän prosessin valikoivan toteuttamisen. Proteinaaseja, proinsuliinin prosessointia, interleukiini-11:n hajoamista ja vasoaktiivisen suolistopeptidin hajoamista koskevat tutkimukset osoittavat, että pilkkominen riippuu molekyylikontekstista ja kokeellisista olosuhteista. [4] [10] [11] [12]

Tärkein sääntö on siis yksinkertainen:

Peptidisidokset takaavat aminohappoketjujen kovalenttisen jatkuvuuden, kun taas niiden elektronirakenne, hallittu muodostuminen ja selektiivinen katkeaminen yhdistävät peruskemian peptidien ja proteiinien biologiaan.

Vastuuvapauslauseke

Tämä artikkeli on luonteeltaan yksinomaan opettavainen ja tieteellis-tiedottava. Siinä selitetään peptidisidosten kemiaa, niiden molekyylirakennetta, muodostumista ja hydrolyysiä sekä esitetään esimerkkejä julkaistuista tutkimuksista. Se ei ole lääketieteellistä neuvontaa, hoito-ohjeita, laboratorio-ohjeita, tuotesuosituksia eikä neuvoja minkään peptidin tai proteiinin käytöstä. Laskennallisten, rakenteellisten ja biokemiallisten tutkimusten sekä eläinkokeiden ja muiden kokeiden tuloksia tulisi tulkita kunkin tutkimuksen ehtojen ja rajoitusten puitteissa.

Viitteet

1. Fedorov, D. G. (2024). Peptidisidos: Resonanssi lisää sidoksen järjestystä ja vaikeuttaa fragmentoitumista. ChemPhysChem, 25(14), artikkeli e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
2. Improta, R., Vitagliano, L., & Esposito, L. (2011). Peptidisidosten vääristymät tasomaisuuden vuoksi: Uusia näkemyksiä kvanttimekaanisista laskelmista ja peptidi-/proteiinikiteiden rakenteista. PLOS ONE, 6(9), artikla e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
3. Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R., & Strobel, S. A. (2004). Ribosomin välittämä substraatin avustama peptidisidoksen muodostumisen katalyysi. Nature Structural & Molecular Biology, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
4. James, M. N., & Sielecki, A. R. (1985). Aspartiini-proteinaasi penicillopepsiinin katalysoiman peptidisidoksen hydrolyysin stereokemiallinen analyysi. Biokemia, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
5. Ferrer, M., Woodward, C. ja Barany, G. (1992). Naudan haiman trypsiinin estäjän (BPTI) ja kahden analogin kiinteävaiheinen synteesi. Kemiallinen lähestymistapa disulfidisiltojen roolin arvioimiseksi proteiinien taitossa ja stabiilisuudessa. International Journal of Peptide and Protein Research, 40(3–4), 194–207. PubMed-tietue
6. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Uterotonisen polypeptidin kalata B1:n primaarisen ja kolmiulotteisen rakenteen selvittäminen. Biochemistry, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
7. Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., & Marahiel, M. A. (1998). Peptidisidoksen muodostuminen ei-ribosomaalisessa peptidien biosynteesissä. Kondensaatiodomeenin katalyyttinen rooli. 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. ja Lovas, S. (2010). Beeta-hairpin-rakenteen muodostavan miniproteiinin CLN025:n VCD-spektroskooppiset ominaisuudet eri liuottimissa. Biopolymers, 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
9. Sarkar, S. K., Young, P. E., Sullivan, C. E. ja Torchia, D. A. (1984). Cis- ja trans-X-Pro-peptidisidosten havaitseminen proteiineissa 13C-NMR:n avulla: sovellus kollageeniin. 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). Insuliinia erittävien rakeiden karboksipeptidaasi H. Puhdistus ja sen osallisuuden osoittaminen proinsuliinin prosessoinnissa. Biochemical Journal, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
11. Kenley, R. A., & Warne, N. W. (1994). Rekombinantin ihmisen interleukiini 11:n peptidisidoksen happokatalysoitu hydrolyysi. Pharmaceutical Research, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
12. Mody, R., Tramontano, A. ja Paul, S. (1994). Vasoaktiivisen suolistopeptidin spontaani hydrolyysi neutraalissa vesiliuoksessa. International Journal of Peptide and Protein Research, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x