A peptidkötés egy kovalens amidkötés, amely a aminosav-maradékokat kapcsolja össze a peptidekben és a fehérjékben. Ezek a kötések alkotják a peptidláncok folytonos molekuláris vázát, megőrizve az aminosavak meghatározott sorrendjét, miközben lehetővé teszik, hogy az egész lánc különböző háromdimenziós szerkezeteket vegyen fel.
A peptidkötések az egyik alapeleme a felépítésnek peptidok. A kémiájuk megértése segít megmagyarázni, hogyan képesek az egyes aminosavak szigorúan meghatározott szekvenciájú és szerkezetű nagyobb molekulákat alkotni.
Bár az alapvető definíció viszonylag egyszerű, a peptidkötés kémiájának van néhány lényeges sajátossága. Az amidcsoporton belüli elektronok eloszlása olyan, hogy a szén-nitrogén kötés részben kettős kötésre emlékeztet. Ez korlátozza a szabad elfordulás lehetőségét a peptidkötés körül, de nem teszi a teljes peptidet vagy fehérjét merev molekulává. A váz többi kötése nagyobb fokú elfordulási szabadságot tart fenn, aminek köszönhetően a peptidláncok képesek meghajolni és összehajtogatódni.
A peptidkötések számos különböző tudományos szempontból elemezhetők. A vegyészek az elektronstruktúrájukat és geometriájukat vizsgálják. A molekuláris biológusok azt elemzik, hogyan szintetizálják őket a riboszómák és más biológiai rendszerek. A strukturális biológusok azt vizsgálják, hogy e kötések geometriája hogyan befolyásolja a fehérjék architektúráját. A biokémikusok viszont azt kutatják, hogy az enzimek hogyan hasítják szelektíven a peptidkötéseket a fehérjék feldolgozása és lebontása során.
Ezek a megkülönböztetések segtenek megérteni, hogy a fehérjék hogyan képesek egyszerre megőrizni egy meghatározott aminosavszekvenciát, bonyolult szerkezeteket felvenni, ellenőrzött biológiai folyamatok során létrejönni, majd feldolgozáson vagy lebomláson átesni. Az elektronstruktúra, a peptidgeometria, a riboszomális katalízis, a fehérjeszintézis és az enzimatikus hidrolízis vizsgálata kiegészítő információkkal szolgál e folyamatokról. [1] [2] [3]
A peptidkötés egy kovalens kötés, amely két aminosav karboxilcsoportja és aminocsoportja között jön létre vízkilépés (kondenzáció) közben.
A peptidkötés kémiai definíciója
A peptidkötés amidkötéssel az egyik aminosav karboxilcsoportjából származó csoport és a másik aminosav aminocsoportjából származó csoport között. Egy tipikus fehérjevázban a karbonilcsoport szénatomja és a következő aminosavmaradék nitrogénatomja kapcsolódik össze.
A leggyakrabban ábrázolt részlet a következő formájú:
–C(=O)–NH–
A C=O fragmentum karbonilcsoporttal, míg a C–N kötés az a kötés, amelyre általában gondolunk, amikor kifejezetten a pepttkötésről beszélünk. Ezek az atomok közvetlen környezetükkel együtt alkotják az úgynevezett peptidkötést vagy amidocsoport.
Ez a megkülönböztetés azért fontos, ponieważ a peptidcsoport teljes szerkezeti képlete több különböző kötést tartalmaz. A szén–oxigén kötés nem olyan kapcsolat, amely két aminosavmaradékot köt össze. Ezt a funkciót az amidoszerű szén–nitrogen kötés látja el.
Amikor az egyik aminosav összekapcsolódik a másikkal, az egyik maradékhoz kapcsolódó karbonilcsoport szénatomja kovalens kötést létesít a következő maradékhoz kapcsolódó nitrogénatommal. Ennek a mintázatnak az ismétlődése a tipikus peptidlánc vázának kialakulásához vezet.
Az elektronstruktúra-vizsgálatok egyebek mellett a nitrogén nemkötő elektronpárjának és a szomszédos karbonilrendszernek a kölcsönhatását elemzik, ami magyarázatot ad arra, hogy ez a kötés miért tér el a szokásos, szabadon elforduló szén–nitrogén egyszeres kötéstől. [1]
Miért kovalens kötés a peptidkötés?
A peptidkötés kovalens, mivel a kapcsolódó atomok elektronokat osztanak meg.
Nem ionos kölcsönhatás két különálló, feltöltött aminosav között, sem pedig hidrogénkötés, amely a feltekeredett lánc különböző részeit tartja a közelben.
Ez a kovalens kötés biztosítja az aminosavszekvencia kémiai folytonosságát. A maradékok ugyanannak a láncnak a részei maradnak mindaddig, amíg egy kémiai reakció meg nem változtatja a kapcsolódási módjukat.
Ez a megkülönböztetés különösen fontossá válik a fehérjék feltekeredésének és kibontakozásának megvitatásakor. A peptidlánc meghajolhat, megváltoztathatja konformációját, elveszítheti szerkezetét stabilizáló kölcsönhatásainak egy részét, sőt jelentősen ki is bonthatódhat anélkül, hogy az elsődleges szekvenciáját fenntartó peptidkötések feladnának vagy megszakadnának.
A kovalens azonban nem jelenti azt, hogy elpusztíthatatlan.
Az enzimek és a megfelelő vegyi körülmények a peptida kötések hasadását okozhatják. Az ilyen hasadás azonban kémiai reakcióval, amely megváltoztatja az atomok kapcsolódási módját, és nem csupán a molekula alakjának megváltozásával.
Az egyik aszpartil-proteináz szerkezeti vizsgálatai feltárják, hogy az enzim hogyan képes a peptidh kötést tartalmazó szubsztrátot és egy vízmolekulát a hidrolízis szempontjából alapvető módon megfelelően elrendezni. [4]
A kettős kötés részleges jellege és a rezonancia
A C–N peptidkötést a képleteken gyakran szimpla vonalként ábrázolják, de a valós elektronszerkezet összetettebb.
A nitrogénatom nemkötő elektronpárja részt vehet a karbonilcsoport szomszédos elektronrendszerében. Az elektronok delokalizációja révén a C–N kötés a kettős kötés részleges jellege.
Ezt a jelenséget gyakran rezonanciaszerkezetek segítségével magyarázzák.
A rezonancia szerkezetek az elektronok eloszlásának alternatív ábrázolási módjai ugyanabban a molekulában. Nem szabad őket a molekula különálló formáiként értelmezni, amelyek gyorsan átalakulnak egymásba.
Hasonlóképpen a kettős kötés részleges jellege nem azt jelenti, hogy a peptida kötés az idő egy bizonyos százalékában rendes egyszeres kötés, a fennmaradó időben pedig rendes kettős kötés.
A tényleges elektronszerkezet az elektronok delokalizációjából ered az egész amidcsoporton belül.
Számításos vizsgálatában Fedorov a rezonancia szerepét elemezte a peptidkötés rendjének meghatározásában. A részletes numerikus értékek az alkalmazott elektronszerkezet-elemzési módszertől függnek. Az általános megértés szempontjából azonban a legfontosabb az a következtetés, hogy a nitrogén elektronrendszere és a karbonilcsoport közötti kölcsönhatás felelős a C–N kötés szokatlan tulajdonságainak egy részéért. [1]
Miért korlátozott a rotáció a peptidkötés körül?
A kettős kötés részleges jellege fontos szerkezeti következménnyel jár: az amid C–N kötés körüli elfordulás korlátozottabb, mint a tipikus szén–nitrogén egyszeres kötés körüli elfordulás.
Ez azonban nem jelenti azt, hogy a fehérjék ne tudnának meghajolni vagy feltekeredni.
A peptidváz egyéb olyan kötéseket is tartalmaz, amelyek körül forgás lehetséges. A fehérjelánc tehát ismétlődő, viszonylag merev peptidcsoportokból áll, amelyeket a váz nagyobb konformációs rugalmasságát mutató egyéb kötései kapcsolnak össze.
E korlátozások és a rotációs lehetőségek kombinációja nagymértékben hozzájárul a háromdimenziós struktúrák óriási sokféleségéhez, amelyeket a peptidek és fehérjék felvehetnek.
A hozzávetőleges síkússág nem jelent tökéletesen sík szerkezetet
Az elektronok delokalizációja kedvez a a peptidlánc közel síkgeometriája és korlátozza a rotációt az amidos C–N kötés körül.
A tényleges molekuláris szerkezetek azonban kissé eltérhetnek az ideális matematikai síktól.
Improta és munkatársai a kvantummechanikai számításokat peptidek és fehérjék kristályszerkezetének elemzésével ötvözték. Az eredmények kis, szisztematikus eltéréseket mutattak, amelyek a helyi vázgeometriától függtek. [2]
Ezért helyes az a megállapítás, hogy a peptidcsoportok közelítőleg sík, azonban túl nagy egyszerűsítés lenne azt állítani, hogy minden egyes peptidkötés minden peptidben vagy fehérjében teljesen sík.
Ez egy jó példa a hasznos oktatási modell és a valós molekuláris szerkezetek részletesebb viselkedése közötti különbségre.
Hol fordulnak elő a peptifot kötések?
A peptidek és fehérjék vázában
A peptidkötések a tipikus peptid- és fehérjeláncokban a szomszédos aminosavmaradékok között jönnek létre.
A környező atomokkal együtt ismétlődő egységet alkotnak molekulaváz. Az aminosavak oldalláncai kinyúlnak ebből a vázból, és további kémiai tulajdonságokat kölcsönöznek az egyes maradékoknak.
A fehérje állhat egyetlen peptidláncból vagy több, nagyobb molekuláris komplexszé kapcsolódott láncból. Mindegyiknek megvannak a saját vázkapcsolatai.
A különböző láncok kapcsolódhatnak nem-kovalens kölcsönhatások vagy további kovalens kötések révén. Az ilyen kapcsolatokat nem szabad automatikusan a peptidakötések közé sorolni.
A szarvasmarha hasnyálmirigy-tripszininhibitor, azaz a BPTI kémiai szintézise jól mutatja a különbséget a peptidinváz kialakítása és a további diszulfidhidak képződése között. A kutatók először egy lineáris anyagot állítottak elő, majd elvégezték annak oxidációját és jellemzését. A vizsgálat így elválasztja a lánc felépítését a későbbi szerkezeti szerveződéstől. [5]
A peptidkötések határozzák meg az elsődleges szekvencia folytonosságát
az aminosavmaradékok sorrendje egy peptidben vagy fehérjében az ő elsődleges szerkezet.
A peptidkötések biztosítják a szekvenciát fenntartó alapvető kovalens folytonosságot.
Például a következő sorozat:
Ala–Gly–Ser
ugyanazt a három aminosavat tartalmazza, mint:
Szer–Gly–Ala
Ezek azonban nem ugyanazok a peptidhiszekenciák.
Az egyes aminosavmaradékok helyzete eltér a peptidkötésekhez képest.
Ezért a mintában jelen lévő aminosavak listája önmagában nem elegendő a peptid azonosításához. Szükséges továbbá a sorrendjük és a kapcsolódási módjuk ismerete is.
A lineáris és ciklikus peptidekben
Egy tipikus nyitott peptidláncnak két vége van, amelyeket úgy neveznek, hogy N-vég i C-vége.
Az N-terminális a peptidváz egyik végének felel meg, míg a C-terminális a másiknak. A peptidszekvenciákat alapvetően az N-terminálistól a C-terminális irányába írják.
Fej-farok típusú ciklikus peptid, azaz a lánc végeinek összekapcsolásával zárt, egy további vázkötést tartalmaz, amely gyűrűt képez.
Azonban nem minden ciklikus peptid záródik ugyanúgy. A gyűrű oldallánc közreműködésével પણ képződhet, és egyes molekulák egynél több típusú keresztkötést tartalmaznak.
Meghatározás ciklikus Ez tehát a molekula architektúrájának egy tulajdonságát írja le, nem pedig az összekapcsolódásának egyetlen univerzális módját.
A kalata B1 egy konkrét példa egy olyan peptidre, amelynek ciklikus vázát többek között enzimes hasításos vizsgálatokkal, szekvenciaelemzéssel és molekuláris szerkezettel igazolták. A molekula diszulfidkötéseket is tartalmaz. Ezek a kén-kén közötti további kötések kémiailag különböznek a peptidváz aminosavmaradványait összekötő amidkötésektől. [6]
Peptidkötések vs. izopeptidkötések
Egy tipikus fehérjevázban a peptidkötések kötik össze a fő aminocsoportokat és a karboxilcsoportokból származó csoportokat.
amidkötés, amelynek létrejöttében részt vesz aminosav oldallánc funkciós csoportja, gyakran úgy emlegetik, mint izopeptid-kötés.
A legfontosabb szabály tehát annak megállapítása, hogy mely atomok kapcsolódtak valóban egymáshoz.
Maga az amidkötés jelenléte nem jelenti automatikusan azt, hogy az egy tipikus peptidinakban található. Ugyanakkor nem minden keresztkötés egy peptidben vagy fehérjében amidkötés – a diszulfidhidak és egyéb kovalens módosulások eltérő kémiával rendelkeznek.
A kezdők számára a leghasznosabb kiindulópontot a vázban található szokásos peptidkötések jelentik. A speciálisabb kapcsolatok ezután a molekuláris szervezet eltérő változataiként tekinthetők.
Mennyi peptidkötés található a láncban?
Egyetlen nyitott, el nem ágazó lánc, amely tartalmaz Az n aminosav-maradék n − 1 peptidkötést tartalmaz a vázban.
Ez azt jelenti, hogy:
- A dipeptidnek 2 maradéka és 1 peptidkötése van;
- a tripeptidnek 3 maradéka és 2 peptidkötése van;
- a tetrapeptid 4 maradékból és 3 peptidkötésből áll;
- A pentapeptid 5 aminosavmaradékból és 4 peptifkötésből áll;
- A 10 aminosavmaradványt tartalmazó nyitott lánc 9 peptidhordozóval (helyesen: 9 pepttkötéssel) rendelkezik.
Ez az összefüggés közvetlenül a molekula kapcsolódási módjából adódik: minden egyes további egység egy további vázkötéssel nyújtja meg a meglévő láncot.
A neki megfelelő ciklikus fej-farok típusú lánc n peptidkötést tartalmaz a vázban, mivel egy további kötés zárja a gyűrűt.
Ezek a feltételezések azonban fontosak. A elágazások, a szokatlan oldallánc-kapcsolatok, több lánc jelenléte, az izopeptidkötések vagy a váz amidsktől eltérő elemei részletesebb elemzést igényelnek.
Magában a maradékok száma nem mindig elegendő ahhoz, hogy meghatározzuk az összetett peptidben vagy fehérjében jelen lévő összes kovalens kötést.
Hogyan kötik össze a peptidkötések az aminosavakat?
A szabad aminosavaktól az aminosavmaradékokig
A szabad aminosav és a peptidben található, neki megfelelő maradék egymással kapcsolatban áll, de nem írják le pontosan ugyanazt a kémiai állapotot.
Amikor egy aminosav beépül egy peptidbe, funkcionális csoportjai részt vesznek a láncot alkotó kötésekben.
Például a glicin és az alanin egy bizonyos sorrendben történő kapcsolódása a következőhöz vezet: glicil-alanin. A sorrend megfordítása a következőhöz vezet: alanyloglicyny.
Az aminosavak típusai ugyanazok, de elhelyezkedésük és vegyi környezetük eltérő.
Ez jól szemlélteti, hogy a peptid szekvenciája miért tartalmaz több információt, mint a komponenseinek egyszerű felsorolása.
A kötésképzés közvetlenül vizsgálható. Stachelhaus és munkatársai nem-riboszomális peptidszintézis-rendszerek elemeit elemezték, és kimutatták, hogy a javasolt katalitikus helyen lévő aminosavmaradék megváltoztatása megakadályozta a vizsgált kondenzációs reakciót. A kísérlet így összekapcsolja egy adott peptidtermék létrejöttét egy konkrét molekuláris gépezet működésével. [7]
A kondenzációs egyenlet egy reakcióegyensúlyi modell
Az alapvető kémiában a peptidképződést gyakran az alábbi egyenlettel mutatják be:
aminosav + aminosav → dipeptid + víz
Az egyenlet mutatja a különbséget a kiindulási szabad molekulák és a kapcsolódott termék összetétele között.
Hasznos a substrátok és a termék közötti kémiai kapcsolat megértéséhez.
Ezt azonban nem szabad úgy értelmezni, mintha ez lenne az élő sejten belüli fehérjeszintézis teljes mechanizmusa.
A szabad aminosavak nem rendeződnek csak úgy egymás mellé a vízben, nem bocsátanak ki spontán módon vízmolekulákat, és nem alkotnak önmaguktól egy meghatározott fehérjeszekvenciát.
A biológiai szintézis aktivált szubsztrátokat, rendezett molekuláris gépezetet, a szekvenciát meghatározó információt, valamint energiát igénylő előkészítő folyamatokat igényel.
Ezért fontos a különbségtétel a következők között összegképlettel leírt kémiai egyenlettel a reakciómechanizmus.
Egyenlet írja le a kezdeti és a végső összetételt. A mechanizmus magyarázza meg a valós molekuláris lépéseket és a reakcióhoz vezető köztes termékeket.
A riboszómákkal kapcsolatos kísérnek pontosan ilyen mechanisztikus részleteket vizsgálnak, ahelyett, hogy csupán az ismert kondenzációs egyenletet ismételnék meg. [3]
Hogyan hoz létre a riboszóma peptidkötéseket?
A transzfer-RNS-ek translációja során, vagyis tRNA, amelyek aminosavakat és a növekvő peptidláncot szállítják a riboszómán belül.
Az újonnan szállított aminosav aminocsoportja reagál a meglévő lánc tRNA-hoz kapcsolt aktivált végével, ami a növekvő peptid átvitelét eredményezi az új tRNA-hoz kötött aminosavmaradékra.
A peptidlánc általában az irányba hosszabbodik meg C-ig.
Az aminosavak aktiválása és a tRNA-hoz való kapcsolódásuk energiafüggő folyamatok. Ezért minden olyan leírás, amely a riboszomális peptidkötést úgy mutatja be, mint ami közvetlenül két szabad aminosav között jön létre, vagy mint a riboszómán általi egyszerű „vízelvonás”, túlzott leegyszerűsítés lenne.
Weinger és munkatársai módosítottak egy kémiai csoportot a tRNA-szubsztrátban, és a peptiskötés-képződés jelentős csökkenését figyelték meg a szubsztrátkötődés ezzel arányos csökkenése nélkül. Ez az eredmény bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy szubsztrátum által támogatott katalízis, amelyben maguknak a reaktánsoknak a kémiai tulajdonságai vesznek részt a reakció lefolyásában. [3]
A kísérlet tehát a tRNA kémiai tulajdonságainak mechanisztikus szerepére utal, és nem kizárólag passzív hordozóként betöltött funkciójára.
A peptinkötések képződésének határozott iránya van
A fehérjeszintézis egy irányított folyamat.
Mivel a növekvő lánc a C-terminális irányába hosszabbodik meg, a szekvencia egy meghatározott orientációban alakul ki.
Ez összefügg a peptidek és fehérjék szekvenciájának írására vonatkozó általános konvencióval, amely szerint N-terminálistól a C-terminálisig.
Az irány azonban nem csupán jelölési konvenció. A szekvencia megfordítása általában más molekula létrejöttéhez vezet, mivel ekkor minden egyes maradék eltérő pozíciót foglal el a lánc többi eleméhez képest.
Más módszerek hasonló típusú kötések létrehozására
A peptidkötések a riboszómán kívül is létrejúlhatnak.
Specializált nem-riboszomális enzimrendszerek egyes peptideket szintetizálnak, míg a peptidek laboratóriumi szintézise aktivált összetevőket és ellenőrzött kapcsolási reakciókat alkalmaz.
Ezek a útvonalak szervezetükben, szubsztrátjaikban, reakciókörülményeikben és katalitikus mechanizmusaikban különböznek egymástól.
Nem szabad őket azonos folyamatoknak tekinteni csak azért, hogy a végtermékek amidkötéseket tartalmaznak.
A nem-riboszomális kötésképzés vizsgálata és a BPTI kémiai szintézise példák az ilyen eltérő előállítási módokra. [7] [5]
Magas szintű előállítási mód önmagában szintén nem határozza meg, hogy egy adott molekula peptid-e vagy fehérje. A kémiai szintézis eredményezhet a természetben előforduló peptiddel vagy fehérjével azonos anyagot, feltéve, hogy szekvenciáját és egyéb lényeges szerkezeti tulajdonságait helyesen határozzák meg.
Peptidkötések és más kötések a fehérjékben
Csontvázkötések és a hajtogatásért felelős kölcsönhatások
A peptidkötések tartják összekapcsolva az aminosavak sorrendjét.
Ezek a kölcsönhatások viszont segítenek meghatározni, hogy ez a szekvens hogyan rendeződik el a háromdimenziós térben, vagy hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással az egyes peptidláncok.
A hidrogénkötések a megfelelő hidrogén-donorok és -akceptorok között jönnek létre. A peptidvázon belül a karbonilcsoportok oxigénatomjai akceptorként szolgálhatnak, míg számos N–H amidcsoport donor lehet.
Az amidnitrogént általában nem tekintik hidrogénkötés-akceptornak, mivel a nemkötő elektronpárja részt vesz az amidcsoport elektronrendszerében.
Különös figyelmet igényelnek a prolint tartalmazó peptidcsoportok is, mivel a vázban lévő nitrogénnek nincsen ekkor tipikus N–H hidrogénje.
A peptidkötést tartalmazó csoport tehát részt vehet hidrogénkötések kialakításában, de A peptidkötés és a hidrogénkötés különböző típusú kapcsolatok..
Az egyik kovalensen kapcsolja össze az aminosavmaradékokat. A másik a molekulán belüli vagy molekulák közötti kölcsönhatásokban vesz részt.
A rövid, hullámos CLN025 peptid vizsgálatai feltárták a többek között hidrogénkötésekkel és egyéb sejten belüli kölcsönhatásokkal stabilizált szerkezetet. Ez azt mutatja, hogy a hajtogatás végbemehet új vázszerkezet kialakulása nélkül is. [8]
A diszulfidhidak kéntartalmú oldalláncokat kötnek össze
A diszulfidhidak kovalens kén–kén kapcsolatok, amelyek leggyakrabban cisztein oldalláncok között alakulnak ki.
Összekapcsolhatják ugyanannak a peptidláncnak távoli szakaszait vagy különböző láncokat.
Ezek nem peptidkötések, és nincsenek jelen minden fehérjében.
A diszulfidhíd létrejötte vagy felhasadása jelentősen megváltoztathatja egy molekula térbeli szerkezetét anélkül, hogy a peptidláncát fel kéne szakítani.
A BPTI szintéziséről szóló tanulmányban előállították a természetes szekvenciát és a diszulfidhidak képződési képességének módosítására tervezett analógokat. A természetes szekvenciájú anyagot analitikai és funkcionális módszerekkel összehasonlították a természetes BPTI-vel. A publikáció absztraktja nem erősítette meg az analógokra vonatkozó összes szerkezeti következményt, ezért a javasolt különbségeket nem szabad teljesen megalapozott eredményként bemutatni. [5]
Ionos és hidrofób kölcsönhatások
A feltöltött csoportok vonzhatják vagy taszíthatják egymást, befolyásolva a molekula térbeli szerkezetét.
A nem poláris régiók ezzel szemben olyan módon lépnek kölcsönhatásba a vizes környezettel, ami kedvezhet a szerkezet belsejében való elrejtőzésüknek, asszociációjuknak vagy aggregációjuknak. Ezt a jelenséget gyakran tárgyalják a következő kontekusban: hidrofób hatás.
Ezek a kölcsönhatások rendkívüli jelentőséggel bírhatnak a fehérjék feltekeredése (hajtogatódása) szempontjából, azonban hidrofób kölcsönhatás nem jelent új kovalens kötést az aminosavak között.
Ezért helytelen a fehérjét stabilizáló összes erőt peptinkötésnek nevezni.
Az egyes kölcsönhatástípusok ráadásul eltérően reagálhatnak a hőmérsékletre, az oldószerre, a savasságra, az ionos viszonyokra és egyéb környezeti változásokra. Annak megállapítása, hogy melyik kötési vagy kölcsönhatási típus megy át változáson, lehetővé teszi a kísérleti eredmény pontosabb megértését.
| Kapcsolat vagy kölcsönhatás | Fő elhelyezkedés vagy funkció | Összeköti a szomszédos maradékokat egy tipikus vázban? |
|---|---|---|
| Peptidkötés | Kovalens amidkötés a lánc mentén | Tak |
| Hidrogénkötés | A megfelelő donor és akceptor közötti kölcsönhatás | Nem |
| Diszulfidkötés | Kovalens kötés a kéntartalmú oldalláncok között | Nem |
| Ionenes hatás | Töltött csoportok vonzása vagy taszítása | Nem |
| Hidrofób hatás | A nem poláros csoportok és oldószerkörnyezetük hatása | Nem |
A denaturáció nem ugyanaz, mint a hidrolízis
Denaturacja zmienia typową organizację strukturalną białka.
Może zaburzać fałdowanie lub asocjację cząsteczek, pozostawiając jednocześnie większość lub wszystkie wiązania peptydowe nienaruszone.
Hydroliza zmienia natomiast połączenia chemiczne poprzez rozszczepienie podatnego wiązania w reakcji z udziałem wody.
W pewnych warunkach oba procesy mogą zachodzić w tej samej próbce, ale nie są synonimami.
Rozwinięcie białka nie oznacza więc automatycznie jego przekształcenia w krótsze peptydy lub wolne aminokwasy.
Rozróżnienie to jest widoczne również w badaniach strukturalnych. W eksperymentach dotyczących termicznie rozwiniętego kolagenu zidentyfikowano różne konfiguracje cis i trans wiązań peptydowych związanych z proliną. Zmiana konfiguracji szkieletu jest innym zjawiskiem niż jego chemiczne rozszczepienie. [9]
Powstawanie, właściwości i hydroliza wiązań peptydowych
Stabilność zależy od rodzaju analizowanej reakcji
Wiązania peptydowe są wystarczająco trwałe, aby utrzymywać biologiczne łańcuchy, a jednocześnie organizmy mogą je selektywnie tworzyć i rozszczepiać.
Nie ma w tym sprzeczności.
Szybkość reakcji zależy między innymi od bariery aktywacji i obecności katalizatorów, natomiast to, czy dana reakcja jest korzystna termodynamicznie, stanowi odrębne zagadnienie.
Proces może być chemicznie możliwy, ale bez odpowiedniej katalizy przebiegać niezwykle wolno.
Z drugiej strony enzym może znacząco przyspieszyć określoną reakcję poprzez zapewnienie korzystniejszej drogi reakcji.
Enzym nie zmienia wiązania peptydowego w zupełnie inny rodzaj wiązania. Zmienia drogę, którą przebiega reakcja chemiczna.
Nieprawidłowe byłoby również przypisywanie jednego uniwersalnego czasu trwałości wszystkim wiązaniom peptydowym, peptydom czy białkom znajdującym się w wodzie.
Sekwencja, lokalna struktura, dostępność wiązania, sąsiadujące grupy chemiczne, temperatura, pH, skład roztworu oraz obecność katalizatorów mogą wpływać na obserwowane zachowanie.
Co zmienia hydroliza?
Hydroliza wykorzystuje wodę w reakcji chemicznego rozszczepienia wiązania amidowego, prowadząc do powstania nowych końców pochodzących od grup karboksylowych i aminowych.
Ich dokładna postać jonowa zależy od warunków otaczającego roztworu.
Rozszczepienie jednego wiązania w szkielecie nie prowadzi automatycznie do powstania wolnych aminokwasów.
Jeśli rozerwane zostanie wewnętrzne wiązanie peptydowe w dłuższym otwartym łańcuchu, bezpośrednimi produktami będą zazwyczaj dwa krótsze fragmenty peptydowe.
Dalsze reakcje rozszczepiania są potrzebne, aby stopniowo skracać te fragmenty i ostatecznie uwalniać pojedyncze aminokwasy.
Badania strukturalne penicillopepsyny analizowały sposób, w jaki proteinaza aspartylowa może organizować wodę i grupy substratu w procesie hydrolizy. Zaproponowany model reakcji oparto na obserwacjach krystalograficznych i modelowaniu. Dostarcza on informacji o jednym mechanizmie enzymatycznym, ale nie dowodzi, że każda proteaza wykorzystuje identyczny sposób katalizy. [4]
Hydroliza może być selektywna
Proteazy i peptydazy różnią się pod względem rozpoznawanych wiązań i środowisk molekularnych.
Niektóre enzymy przecinają wiązania znajdujące się wewnątrz łańcucha, natomiast inne usuwają reszty od jego końców.
Sekwencja, lokalna struktura, dostępność i otaczające grupy chemiczne mogą wpływać na to, czy potencjalnie podatne miejsce zostanie rzeczywiście rozszczepione.
Davidson i Hutton badali enzym związany z ziarnistościami wydzielającymi insulinę. Oczyszczony preparat usuwał zasadowe reszty z substratów pochodzących z proinsuliny, a w zastosowanym teście nie powodował dalszego rozpadu dojrzałej insuliny. [10]
Pokazuje to selektywne przetwarzanie biologiczne, a nie przypadkowe rozrywanie wszystkich wiązań peptydowych.
Selektywne rozszczepianie ma istotne znaczenie biologiczne, ponieważ większe cząsteczki prekursorowe mogą być przetwarzane w określonych miejscach, prowadząc do powstania konkretnych dojrzałych produktów zamiast przypadkowej degradacji.
Warunki mają znaczenie: dwa przykłady eksperymentalne
Kenley i Warne badali rekombinowaną ludzką interleukinę 11 w celowo zastosowanych warunkach stresowych, obejmujących podwyższoną temperaturę i różne wartości pH.
W kwaśnym środowisku zidentyfikowali rozszczepienie w określonym miejscu Asp–Pro. Wyniki pokazują degradację zależną od sekwencji i warunków, ale nie powinny być przekształcane w uniwersalną zasadę opisującą zachowanie wszystkich białek w typowych warunkach biologicznych. [11]
W innym badaniu obserwowano fragmentację radiojodowanego wazoaktywnego peptydu jelitowego w rozcieńczonym roztworze o obojętnym pH. Pokrewne, krótsze fragmenty nie wykazywały mierzalnej degradacji w tych samych warunkach eksperymentalnych, a dodatki do roztworu wpływały na wynik. [12]
Oba badania pokazują, dlaczego stabilność wiązań peptydowych należy omawiać w odniesieniu do konkretnej cząsteczki, sekwencji, środowiska i warunków eksperymentalnych, zamiast zakładać, że określone pH lub temperatura będą powodowały takie samo zachowanie każdego peptydu.
Dlaczego wiązania peptydowe są biologicznie ważne?
Wiązania peptydowe zachowują kolejność reszt aminokwasowych definiującą łańcuch peptydowy lub białkowy.
Ich geometria ogranicza możliwe ułożenia przestrzenne łańcucha, natomiast grupy karbonylowe i zawierające azot, obecne w szkielecie peptydowym, uczestniczą w oddziaływaniach molekularnych.
Kontrolowane tworzenie wiązań peptydowych umożliwia syntezę peptydów i białek.
Kontrolowane rozszczepianie tych wiązań uczestniczy natomiast w przetwarzaniu prekursorów, trawieniu, obrocie białek, szlakach regulacyjnych i ostatecznej degradacji cząsteczek.
Ten sam podstawowy rodzaj połączenia chemicznego uczestniczy więc w kilku poziomach organizacji biologicznej.
Jego powstanie ustala ciągłość sekwencji.
Jego struktura elektronowa wpływa na geometrię szkieletu.
Obecne w nim grupy chemiczne uczestniczą w oddziaływaniach molekularnych.
Jego selektywne rozszczepianie pozwala układom biologicznym przetwarzać i usuwać białka oraz peptydy.
Funkcje te łączą chemię molekularną z biologią. Dowody pochodzą między innymi z obliczeń struktury elektronowej, pomiarów strukturalnych, badań enzymatycznych, syntezy chemicznej i eksperymentów z wykorzystaniem kompletnych układów biologicznych. Każda z tych metod pokazuje inny element mechanizmu i nie powinna być wykorzystywana do wyciągania wniosków wykraczających poza rzeczywiście badany proces. [2] [3] [10]
Gyakran ismételt kérdések
1. Czy wiązanie peptydowe jest kowalencyjne?
Tak. Wiązanie peptydowe jest kowalencyjnym połączeniem amidowym pomiędzy grupami pochodzącymi od aminokwasów. Atom węgla i atom azotu współdzielą elektrony, co zapewnia chemiczną ciągłość łańcucha peptydowego. Badania struktury elektronowej analizują, jak na to współdzielenie elektronów wpływa sąsiadująca grupa karbonylowa i w jaki sposób przyczynia się ona do charakterystycznych właściwości wiązania amidowego. Określenie „kowalencyjne” nie oznacza jednak, że wiązania nie można rozerwać. W odpowiednich warunkach chemicznych lub przy udziale enzymów może ono ulegać hydrolizie. Najważniejsze jest rozróżnienie, że wiązanie peptydowe chemicznie łączy reszty w jedną cząsteczkę, a nie tylko powoduje przyciąganie pomiędzy oddzielnymi cząsteczkami lub fragmentami tej samej cząsteczki. [1]
2. Dlaczego wiązanie peptydowe ma częściowy charakter wiązania podwójnego?
Częściowy charakter wiązania podwójnego wynika z oddziaływania wolnej pary elektronowej azotu z sąsiadującym układem elektronowym grupy karbonylowej. Dzięki temu gęstość elektronowa ulega delokalizacji w obrębie grupy amidowej. Badania obliczeniowe analizowały udział tego zjawiska w rzędzie wiązania peptydowego. Struktury rezonansowe wykorzystywane do jego wyjaśnienia są alternatywnymi sposobami przedstawienia tej samej struktury elektronowej, a nie odrębnymi cząsteczkami zmieniającymi się jedna w drugą. Również wartości liczbowe opisujące rząd wiązania mogą zależeć od zastosowanej metody analitycznej. Najważniejszą konsekwencją strukturalną jest ograniczenie obrotu wokół połączenia C–N w porównaniu z typowym, swobodnie obracającym się wiązaniem pojedynczym. [1]
3. Które atomy tworzą wiązanie peptydowe?
W typowym szkielecie peptydowym wiązanie peptydowe łączy atom węgla grupy karbonylowej jednej reszty z atomem azotu kolejnej reszty. Atom tlenu pozostaje częścią grupy karbonylowej i nie stanowi bezpośredniego połączenia pomiędzy dwiema resztami aminokwasowymi. Badania elektronowe i strukturalne analizują te atomy jako element powiązanej grupy amidowej, jednocześnie rozróżniając ich poszczególne wiązania. Podczas identyfikowania typowego wiązania peptydowego we wzorze strukturalnym przydatnym punktem wyjścia jest więc znalezienie wiązania C–N bezpośrednio sąsiadującego z grupą karbonylową. [2]
4. Gdzie w białku znajduje się wiązanie peptydowe?
Wiązania peptydowe znajdują się w szkielecie każdego łańcucha białkowego i łączą sąsiadujące reszty aminokwasowe. Różnią się od wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami bocznymi oraz oddziaływań pomiędzy oddzielnymi łańcuchami. Chemiczna synteza BPTI pokazuje to rozróżnienie poprzez oddzielenie budowy szkieletu od późniejszego powstawania mostków disiarczkowych. Pełna struktura trójwymiarowa białka może zawierać wiele rodzajów oddziaływań kowalencyjnych i niekowalencyjnych, dlatego identyfikacja wiązań peptydowych wymaga śledzenia szkieletu aminokwasowego, a nie liczenia wszystkich linii lub połączeń przedstawionych na modelu cząsteczki. [5]
5. Czy każde wiązanie amidowe jest wiązaniem peptydowym?
Nie. Wiązania amidowe występują w wielu różnych związkach organicznych, natomiast termin „wiązanie peptydowe” odnosi się do określonych połączeń pochodzących od aminokwasów w peptydach i białkach. Typowe wiązanie peptydowe w szkielecie jest jednym z rodzajów układu amidowego. Wiązania amidowego wykorzystującego łańcuch boczny aminokwasu nie należy więc automatycznie zaliczać do zwykłych wiązań szkieletowych. Badania geometrii peptydów koncentrują się na zdefiniowanej grupie amidowej szkieletu, a nie traktują wszystkich możliwych amidów jako chemicznie i strukturalnie identycznych. Odpowiednia nazwa zależy od uczestniczących grup oraz ich położenia w cząsteczce. [2]
6. Ile wiązań peptydowych znajduje się w tripeptydzie?
Typowy otwarty, nierozgałęziony tripeptyd zawiera dwa wiązania peptydowe, ponieważ trzy reszty wymagają dwóch połączeń, aby utworzyć jeden ciągły otwarty łańcuch. Wynika to z ogólnej zależności n − 1 dla typowego otwartego łańcucha zawierającego n reszt. Jest to obliczenie wynikające z budowy cząsteczki, a nie wynik eksperymentalny czy informacja o jej funkcji biologicznej. Odpowiedź będzie inna, jeśli dodatkowe wiązanie szkieletowe zamknie cząsteczkę w pierścień. Wiązania łańcuchów bocznych i inne połączenia kowalencyjne należy natomiast liczyć oddzielnie. Przed zastosowaniem ogólnej reguły należy więc określić architekturę analizowanej cząsteczki.
7. Czy peptydy cykliczne mają dodatkowe wiązanie peptydowe?
Peptyd cykliczny typu head-to-tail ma o jedno wiązanie szkieletowe więcej niż odpowiadający mu otwarty łańcuch, ponieważ dodatkowe wiązanie amidowe łączy oba końce i zamyka pierścień. Inne peptydy cykliczne mogą jednak tworzyć pierścień z udziałem łańcuchów bocznych, dlatego zasada ta nie dotyczy automatycznie każdej cząsteczki określanej jako cykliczna. Badania kalaty B1 potwierdziły konkretny przypadek cyklicznego szkieletu zawierającego dodatkowo mostki disiarczkowe. Zamknięcie szkieletu w pierścień oraz tworzenie połączeń pomiędzy łańcuchami bocznymi należy więc opisywać oddzielnie podczas liczenia wiązań i przedstawiania architektury molekularnej. [6]
8. Czy wiązania peptydowe są zawsze idealnie płaskie?
Nie. Grupy peptydowe są w przybliżeniu płaskie, ale możliwe są mierzalne odchylenia od idealnej geometrii. Badanie łączące obliczenia kwantowo-mechaniczne z analizą danych strukturalnych peptydów i białek wykazało niewielkie zniekształcenia związane z lokalnym ułożeniem szkieletu. Obserwacje te uzupełniają uproszczony model podręcznikowy, ale nie czynią go bezużytecznym. Planarność pozostaje ważną preferencją strukturalną wynikającą z elektronowej budowy grupy amidowej, jednak dokładna analiza strukturalna powinna uwzględniać lokalne różnice charakterystyczne dla konkretnej cząsteczki. [2]
9. Czy białko może się zginać, skoro obrót wokół wiązania peptydowego jest ograniczony?
Tak. Szkielet białka zawiera inne wiązania, wokół których mogą zachodzić zmiany kątów torsyjnych. Ograniczony obrót wokół amidowego wiązania C–N nie unieruchamia więc całego łańcucha. Analizy strukturalne rozróżniają kąty obrotu wokół sąsiednich wiązań szkieletowych od kąta związanego z samym wiązaniem peptydowym. Ograniczenia steryczne, lokalne oddziaływania chemiczne oraz rodzaj sąsiednich reszt wpływają dodatkowo na to, które ułożenia są energetycznie i fizycznie dostępne. Białka nie są więc ani sztywnymi prętami, ani łańcuchami złożonymi z całkowicie swobodnie obracających się elementów. Ich struktura wynika z połączenia ograniczonych i stosunkowo elastycznych stopni swobody szkieletu. [2]
10. Czym są wiązania peptydowe cis i trans?
Określenia cis i trans opisują różne przestrzenne ułożenie grup znajdujących się po obu stronach wiązania peptydowego. W typowych szkieletach białkowych dominuje konfiguracja trans. Szczególnej uwagi wymagają wiązania peptydowe związane z proliną, ponieważ konfiguracja cis występuje w ich przypadku częściej niż dla wielu innych kombinacji reszt. W badaniach NMR termicznie rozwiniętego kolagenu wykryto obie konfiguracje. Wyniki te dotyczą jednak konkretnego białka w określonych warunkach eksperymentalnych i nie powinny być przekształcane w uniwersalne wartości procentowe dotyczące wszystkich peptydów i białek. Terminy cis i trans opisują geometrię wiązania peptydowego, a nie różne rodzaje wiązań chemicznych. [9]
11. Czy podczas tworzenia wiązania peptydowego zawsze bezpośrednio uwalniana jest woda?
Nie. Znane równanie przedstawiające uwalnianie wody opisuje sumaryczną relację kondensacji pomiędzy wolnymi grupami funkcyjnymi, ale nie przedstawia każdego rzeczywistego mechanizmu powstawania wiązań peptydowych. Synteza rybosomalna wykorzystuje aktywowane substraty połączone z tRNA, a badania eksperymentalne wskazują na udział chemii substratu w katalizie. Bezpośredni przebieg reakcji jest więc bardziej złożony niż proste usunięcie wody z dwóch swobodnie rozpuszczonych aminokwasów. Rozróżnienie pomiędzy sumarycznym bilansem reakcji a rzeczywistym mechanizmem biologicznym zapobiega przekształceniu przydatnego równania edukacyjnego w nieprawidłowy opis syntezy białek. [3]
12. Czy zmieszanie aminokwasów z wodą prowadzi do powstania białka?
Nie. Mieszanina wolnych aminokwasów nie tworzy automatycznie określonej sekwencji białkowej. Kontrolowane tworzenie peptydów wymaga odpowiedniej chemii, a w komórkach także uporządkowanej maszynerii syntezy zdolnej do kontrolowania kolejności aminokwasów i tworzenia wiązań. Eksperymenty dotyczące nierybosomalnego składania peptydów wykazały, że zaburzenie określonego elementu katalitycznego może uniemożliwić powstawanie badanego produktu peptydowego. Wyniki dotyczą konkretnego układu biosyntetycznego, ale pokazują szerszą zasadę: sama obecność molekularnych składników budulcowych nie wystarcza. Powstanie zdefiniowanej sekwencji wymaga kontrolowanego tworzenia połączeń molekularnych. [7]
13. Czy wiązanie peptydowe jest tym samym co wiązanie wodorowe?
Nie. Wiązanie peptydowe jest kowalencyjnym połączeniem w szkielecie cząsteczki, natomiast wiązanie wodorowe jest oddziaływaniem pomiędzy odpowiednim donorem i akceptorem wodoru. Grupy chemiczne znajdujące się w szkielecie peptydowym mogą uczestniczyć w tworzeniu wiązań wodorowych bez powstawania dodatkowych wiązań peptydowych. Badania pofałdowanego dekapeptydu CLN025 analizowały wiązania wodorowe i inne oddziaływania uczestniczące w stabilizacji jego struktury. Rozróżnienie to oddziela wiązania definiujące podstawową kowalencyjną sekwencję łańcucha od oddziaływań pomagających już połączonemu łańcuchowi organizować się w przestrzeni trójwymiarowej. [8]
14. Czy mostek disiarczkowy jest rodzajem wiązania peptydowego?
Nie. Mostek disiarczkowy jest kowalencyjnym połączeniem siarka–siarka, zwykle powstającym pomiędzy łańcuchami bocznymi cysteiny. Wiązanie peptydowe jest natomiast połączeniem amidowym łączącym grupy pochodzące od aminokwasów w szkielecie peptydu. Badania syntezy BPTI traktowały budowę szkieletu i powstawanie mostków disiarczkowych jako odrębne procesy. Oba rodzaje wiązań mogą mieć istotne znaczenie dla struktury cząsteczki, ale łączą inne atomy i uczestniczą w innych reakcjach chemicznych. Rozerwanie mostka disiarczkowego nie musi więc przecinać szkieletu peptydowego, natomiast rozszczepienie wiązania peptydowego bezpośrednio zmienia ciągłość sekwencji łańcucha. [5]
15. Czy denaturacja białka powoduje rozerwanie wiązań peptydowych?
Nie jest to konieczne. Denaturacja oznacza zaburzenie typowej pofałdowanej lub zespołowej struktury białka i z definicji nie wymaga rozszczepienia wiązań peptydowych. W zależności od zastosowanych warunków degradacja chemiczna może zachodzić jednocześnie z denaturacją, ale obu procesów nie należy automatycznie utożsamiać. W badaniach termicznie rozwiniętego kolagenu nadal analizowano różne konfiguracje jego wiązań peptydowych. Rozwinięty łańcuch i łańcuch poddany hydrolizie są więc różnymi stanami molekularnymi: pierwszy dotyczy przede wszystkim organizacji trójwymiarowej, natomiast drugi zmiany połączeń kowalencyjnych. [9]
16. Czy hydroliza natychmiast prowadzi do powstania wolnych aminokwasów?
Nie zawsze. Hydroliza jednego wewnętrznego wiązania peptydowego w dłuższym otwartym łańcuchu prowadzi zazwyczaj do powstania dwóch krótszych fragmentów peptydowych. Dalsze reakcje rozszczepiania są konieczne, aby stopniowo zmniejszać długość tych fragmentów i ostatecznie uwolnić pojedyncze aminokwasy. W badaniach eksperymentalnych identyfikowano konkretne fragmenty powstające po rozszczepieniu wiązań peptydowych, między innymi podczas badań degradacji interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego. Rodzaj produktów zależy od miejsc, które zostały rozszczepione, oraz stopnia zaawansowania hydrolizy. Określenie „zhydrolizowany” nie oznacza więc automatycznie, że peptyd lub białko zostało całkowicie przekształcone w wolne aminokwasy. [11] [12]
17. Czy wszystkie wiązania peptydowe rozpadają się z taką samą szybkością?
Nie. Obserwowana szybkość rozszczepiania zależy od sekwencji peptydu, lokalnej struktury molekularnej, dostępności wiązania, sąsiednich grup chemicznych, składu roztworu, temperatury, pH oraz obecności katalizatorów, takich jak enzymy proteolityczne. Badania interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego wykazały selektywną, zależną od warunków degradację, a nie jednakowe zachowanie wszystkich wiązań. Eksperymenty te nie określają uniwersalnego czasu trwałości dla innych peptydów. Naukowo uzasadniony wniosek jest taki, że stabilność wiązania peptydowego należy oceniać w odniesieniu do konkretnej cząsteczki, środowiska i reakcji, a nie przewidywać wyłącznie na podstawie nazwy wiązania. [11] [12]
18. Czym różni się wiązanie peptydowe od wiązania izopeptydowego?
Typowe wiązanie peptydowe w szkielecie zwykle łączy główną grupę pochodzącą od grupy karboksylowej jednej reszty z główną grupą aminową kolejnej reszty. Wiązanie izopeptydowe również jest połączeniem amidowym, ale w jego tworzeniu uczestniczy co najmniej jedna grupa funkcyjna znajdująca się poza typowym układem szkieletu, na przykład odpowiednia grupa w łańcuchu bocznym aminokwasu. Oba rodzaje połączeń opierają się więc na pokrewnej chemii amidowej, ale zajmują inne miejsca w architekturze molekularnej. Rozróżnienie jest istotne, ponieważ samo wykrycie wiązania amidowego nie wystarcza do stwierdzenia, że należy ono do zwykłego szkieletu peptydowego.
19. Dlaczego wiązania peptydowe są ważne dla struktury białek?
Wiązania peptydowe utrzymują uporządkowaną kowalencyjną sekwencję reszt aminokwasowych, a jednocześnie nakładają ograniczenia geometryczne na szkielet cząsteczki. Ich częściowy charakter wiązania podwójnego ogranicza obrót wokół amidowego połączenia C–N i sprzyja w przybliżeniu płaskiej geometrii grupy peptydowej. Jednocześnie grupy karbonylowe i N–H w szkielecie mogą uczestniczyć we wzorcach wiązań wodorowych ważnych dla struktur wyższego rzędu. Wiązania peptydowe nie tylko łączą więc aminokwasy — ich właściwości elektronowe i geometryczne pomagają określać możliwości strukturalne całego łańcucha. [1] [2]
20. Czy enzymy mogą rozrywać wiązania peptydowe?
Tak. Proteazy i peptydazy mogą katalizować hydrolizę wiązań peptydowych, ale nie muszą przecinać wszystkich wiązań bez rozróżnienia. Poszczególne enzymy rozpoznają określone sekwencje, środowiska strukturalne lub pozycje w łańcuchach peptydowych. Badania strukturalne penicillopepsyny analizowały sposób organizacji substratu i wody przez proteinazę aspartylową podczas hydrolizy, natomiast Davidson i Hutton wykazali selektywne przetwarzanie substratów związanych z proinsuliną. Przykłady te pokazują, w jaki sposób układy biologiczne mogą w kontrolowany sposób rozszczepiać określone wiązania peptydowe podczas przetwarzania i degradacji cząsteczek. [4] [10]
Ograniczenia w interpretacji badań nad wiązaniami peptydowymi
Podczas przechodzenia od podstawowej chemii wiązań peptydowych do wniosków dotyczących rzeczywistych peptydów i białek należy pamiętać o kilku ograniczeniach.
Po pierwsze, idealizowana grupa peptydowa przedstawiana w podręcznikach jest modelem typowego układu strukturalnego. Rzeczywiste struktury molekularne mogą wykazywać mierzalne odchylenia od idealnej planarności i geometrii. [2]
Po drugie, stabilność wiązania peptydowego zależy od kontekstu. Wyników eksperymentów prowadzonych w podwyższonej temperaturze, przy nietypowym pH, bardzo małym stężeniu lub w obecności określonych katalizatorów nie należy automatycznie wykorzystywać do przewidywania zachowania cząsteczki w zupełnie innych warunkach. [11] [12]
Po trzecie, różne enzymy wykorzystują różne mechanizmy katalityczne. Dowody opisujące hydrolizę prowadzoną przez jedną proteinazę aspartylową nie oznaczają, że wszystkie proteazy rozszczepiają wiązania peptydowe w dokładnie taki sam sposób. [4]
Po czwarte, wiązania peptydowe mogą powstawać poprzez różne mechanizmy. Translacja rybosomalna, biosynteza nierybosomalna i laboratoryjna synteza chemiczna mogą prowadzić do powstawania połączeń amidowych, mimo że wykorzystują odmienne substraty i maszynerię molekularną. [3] [7]
Po piąte, zmian struktury białka nie należy automatycznie interpretować jako rozszczepienia wiązań peptydowych. Denaturacja, zmiany konformacyjne, przejścia cis–trans, zaburzenie wiązań wodorowych, redukcja mostków disiarczkowych i hydroliza wiązań peptydowych opisują różne zdarzenia molekularne.
Rozróżnienia te są istotne, ponieważ termin wiązanie peptydowe opisuje konkretny rodzaj połączenia kowalencyjnego. Aby zrozumieć, co rzeczywiście dzieje się z peptydem lub białkiem, należy ustalić, które wiązanie chemiczne lub oddziaływanie molekularne uległo zmianie.
Összefoglaló
Wiązania peptydowe są kowalencyjnymi połączeniami amidowymi, które łączą reszty aminokwasowe w łańcuchy peptydowe i białkowe. Choć często przedstawia się je po prostu jako wiązania C–N w powtarzającym się fragmencie szkieletu –C(=O)–NH–, ich chemia jest bardziej złożona niż chemia zwykłego, swobodnie obracającego się wiązania pojedynczego.
Delokalizacja elektronów w obrębie grupy amidowej nadaje połączeniu C–N częściowy charakter wiązania podwójnego, ograniczając jego rotację i sprzyjając w przybliżeniu płaskiej geometrii grupy peptydowej. Jednocześnie możliwość obrotu wokół sąsiednich wiązań szkieletowych pozwala łańcuchom peptydowym przyjmować bardzo różnorodne struktury trójwymiarowe. [1] [2]
Wiązania peptydowe występują w szkielecie typowych peptydów i białek, ale należy odróżniać je od wiązań wodorowych, mostków disiarczkowych, oddziaływań jonowych, efektu hydrofobowego oraz wyspecjalizowanych połączeń łańcuchów bocznych, takich jak wiązania izopeptydowe.
Mogą one powstawać w wyniku różnych procesów. Rybosomy tworzą wiązania peptydowe podczas translacji z wykorzystaniem aktywowanych substratów związanych z tRNA, układy nierybosomalne wykorzystują wyspecjalizowaną maszynerię enzymatyczną, natomiast synteza laboratoryjna opiera się na kontrolowanych reakcjach chemicznego sprzęgania. [3] [7]
Równie ważne jest ich rozszczepianie. Hydroliza może podzielić łańcuch peptydowy na krótsze fragmenty, a proteazy i peptydazy umożliwiają organizmom selektywne przeprowadzanie tego procesu. Badania proteinaz, przetwarzania proinsuliny, degradacji interleukiny 11 i wazoaktywnego peptydu jelitowego pokazują, że rozszczepianie zależy od kontekstu molekularnego oraz warunków eksperymentalnych. [4] [10] [11] [12]
Najważniejsza zasada jest więc prosta:
wiązania peptydowe zapewniają kowalencyjną ciągłość łańcuchów aminokwasowych, natomiast ich struktura elektronowa, kontrolowane tworzenie i selektywne rozszczepianie łączą podstawową chemię z biologią peptydów i białek.
Jogi nyilatkozat
Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Wyjaśnia chemię wiązań peptydowych, ich strukturę molekularną, powstawanie, hydrolizę oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie stanowi porady medycznej, wskazówki dotyczącej leczenia, instrukcji laboratoryjnej, rekomendacji produktu ani porady dotyczącej stosowania jakiegokolwiek peptydu lub białka. Wyniki badań obliczeniowych, strukturalnych, biochemicznych, badań na zwierzętach oraz innych eksperymentów powinny być interpretowane w granicach warunków i ograniczeń poszczególnych badań.
Hivatkozások
- Fedorov, D. G. (2024). The peptide bond: Resonance increases bond order and complicates fragmentation. ChemPhysChem, 25(14), Article e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
- Improta, R., Vitagliano, L., & Esposito, L. (2011). Peptide bond distortions from planarity: New insights from quantum mechanical calculations and peptide/protein crystal structures. PLOS ONE, 6(9), Article e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
- Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R., & Strobel, S. A. (2004). Substrate-assisted catalysis of peptide bond formation by the ribosome. Nature Structural & Molecular Biology, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
- James, M. N., & Sielecki, A. R. (1985). Stereochemical analysis of peptide bond hydrolysis catalyzed by the aspartic proteinase penicillopepsin. Biochemistry, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
- Ferrer, M., Woodward, C., & Barany, G. (1992). Solid-phase synthesis of bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) and two analogues. A chemical approach for evaluating the role of disulfide bridges in protein folding and stability. International Journal of Peptide and Protein Research, 40(3–4), 194–207. PubMed record
- Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Elucidation of the primary and three-dimensional structure of the uterotonic polypeptide kalata B1. Biochemistry, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
- Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., & Marahiel, M. A. (1998). Peptide bond formation in nonribosomal peptide biosynthesis. Catalytic role of the condensation domain. Journal of Biological Chemistry, 273(35), 22773–22781. https://doi.org/10.1074/jbc.273.35.22773
- Hatfield, M. P. D., Murphy, R. F., & Lovas, S. (2010). VCD spectroscopic properties of the beta-hairpin forming miniprotein CLN025 in various solvents. Biopolymers, 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
- Sarkar, S. K., Young, P. E., Sullivan, C. E., & Torchia, D. A. (1984). Detection of cis and trans X-Pro peptide bonds in proteins by 13C NMR: application to collagen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 81(15), 4800–4803. https://doi.org/10.1073/pnas.81.15.4800
- Davidson, H. W., & Hutton, J. C. (1987). The insulin-secretory-granule carboxypeptidase H. Purification and demonstration of involvement in proinsulin processing. Biochemical Journal, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
- Kenley, R. A., & Warne, N. W. (1994). Acid-catalyzed peptide bond hydrolysis of recombinant human interleukin 11. Pharmaceutical Research, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
- Mody, R., Tramontano, A., & Paul, S. (1994). Spontaneous hydrolysis of vasoactive intestinal peptide in neutral aqueous solution. International Journal of Peptide and Protein Research, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x