Il legame peptidico è un legame ammidico covalente che unisce i residui di amminoacidi nei peptidi e nelle proteine. Questi legami formano uno scheletro molecolare continuo delle catene peptidiche, preservando un ordine specifico di amminoacidi e consentendo allo stesso tempo all'intera catena di assumere diverse strutture tridimensionali.
I legami peptidici sono uno degli elementi costitutivi fondamentali peptidi. La comprensione della loro chimica aiuta a spiegare come i singoli amminoacidi possano formare molecole più grandi con una sequenza e una struttura ben definite.
Sebbene la definizione di base sia relativamente semplice, la chimica del legame peptidico presenta diverse caratteristiche importanti. Gli elettroni all'interno del gruppo ammidico sono distribuiti in modo tale che il legame carbonio-azoto assomigli parzialmente a un doppio legame. Ciò limita la possibilità di una libera rotazione attorno al legame peptidico, ma non rende l'intero peptide o la proteina una molecola rigida. Altri legami nello scheletro mantengono una maggiore libertà di rotazione, consentendo alle catene peptidiche di piegarsi e ripiegarsi.
I legami peptidici possono essere analizzati da diverse prospettive scientifiche. I chimici studiano la loro struttura elettronica e la loro geometria. I biologi molecolari analizzano il modo in cui vengono formati dai ribosomi e da altri sistemi biologici. I biologi strutturali verificano come la geometria di questi legami influenzi l'architettura delle proteine. I biochimici, invece, studiano il modo in cui gli enzimi rompono selettivamente i legami peptidici durante la lavorazione e la degradazione delle proteine.
Queste distinzioni aiutano a comprendere come le proteine possano mantenere contemporaneamente una specifica sequenza di amminoacidi, assumere strutture complesse, essere prodotte in processi biologici controllati e successivamente subire una lavorazione o una degradazione. Lo studio della struttura elettronica, della geometria dei peptidi, della catalisi ribosomiale, della sintesi proteica e dell'idrolisi enzimatica fornisce informazioni complementari su questi processi. [1] [2] [3]
Cos'è il legame peptidico?
Definizione chimica del legame peptidico
Il legame peptidico è legame amidico tra il gruppo derivante dal gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo derivante dal gruppo amminico di un secondo amminoacido. In un tipico scheletro proteico vengono uniti l'atomo di carbonio del gruppo carbonilico e l'atomo di azoto del residuo amminoacidico successivo.
Il frammento più frequentemente rappresentato ha la forma di:
–C(=O)–NH–
Il frammento C=O è gruppo carbonilico, mentre il legame C–N è il legame a cui pensiamo di solito quando parliamo specificamente di legame peptidico. Insieme, questi atomi e il loro immediato intorno formano la cosiddetta il gruppo peptidico o gruppo ammidico.
Questa distinzione è importante, poiché il modello strutturale completo del gruppo peptidico contiene diversi tipi di legami. Il legame carbonio-ossigeno non è il legame che unisce due residui amminoacidici. Questa funzione è svolta dal legame ammidico carbonio-azoto.
Quando un amminoacido viene unito a un altro, l'atomo di carbonio del gruppo carbonilico legato a un residuo viene legato covalentemente all'atomo di azoto legato al residuo successivo. La ripetizione di questo schema porta alla formazione dello scheletro di una tipica catena peptidica.
Gli studi sulla struttura elettronica analizzano, tra le altre cose, l'interazione del doppietto elettronico solitario dell'azoto con il sistema carbonilico adiacente, il che permette di spiegare perché questo legame differisca da un normale legame semplice carbonio-azoto a libero rotazione. [1]
Perché il legame peptidico è un legame covalente?
Il legame peptidico è covalente, poiché gli atomi legati condividono elettroni.
Non si tratta né di un’interazione ionica tra due aminoacidi carichi distinti, né di un legame idrogeno che mantiene vicine diverse parti della catena ondulata.
È proprio il legame covalente a garantire la continuità chimica della sequenza aminoacidica. I residui rimangono parte della stessa catena finché una reazione chimica non ne modifica il modo in cui sono collegati.
Questa distinzione diventa particolarmente importante quando si discute del ripiegamento e dello spiegamento delle proteine. Una catena peptidica può piegarsi, cambiare conformazione, perdere parte delle interazioni che stabilizzano la sua struttura e persino subire un significativo spiegamento senza la necessità di rompere i legami peptidici che mantengono la sua struttura primaria.
Tuttavia, covalente non significa indistruttibile.
Gli enzimi e opportune condizioni chimiche possono causare la scissione dei legami peptidici. Tuttavia, tale scissione è reazione chimica che modifica il modo in cui gli atomi sono legati, e non semplicemente cambiando la forma della molecola.
Gli studi strutturali su una delle proteasi aspartiliche mostrano in che modo l'enzima sia in grado di organizzare adeguatamente il substrato, contenente un legame peptidico e una molecola d'acqua, in modo determinante per l'idrolisi. [4]
Carattere parziale del doppio legame e risonanza
Il legame peptidico C–N viene spesso rappresentato nelle formule come una singola linea, tuttavia la reale distribuzione degli elettroni è più complessa.
Il doppietto elettronico solitario dell'atomo di azoto può partecipare al sistema elettronico adiacente del gruppo carbonilico. La delocalizzazione degli elettroni fa sì che il legame C–N acquisisca carattere parziale del doppio legame.
Questo fenomeno viene spesso spiegato ricorrendo alle strutture di risonanza.
Le strutture di risonanza sono modi alternativi per rappresentare la distribuzione degli elettroni nella stessa molecola. Non devono essere interpretate come forme distinte della molecola che si interconvertono rapidamente l'una nell'altra.
Allo stesso modo, la natura parziale del doppio legame non significa che il legame peptidico sia un normale legame singolo per una determinata percentuale del tempo e un normale legame doppio per il resto del tempo.
La reale struttura elettronica risulta dalla delocalizzazione degli elettroni all'interno dell'intero gruppo amidico.
In uno studio computazionale, Fedorov ha analizzato il ruolo della risonanza nella determinazione dell’ordine del legame peptidico. I valori numerici specifici dipendono dal metodo utilizzato per l’analisi della struttura elettronica. Per una comprensione generale, tuttavia, è fondamentale la conclusione secondo cui l’interazione tra il sistema elettronico dell’azoto e quello del gruppo carbonilico è responsabile di alcune delle proprietà atipiche del legame C–N. [1]
Perché la rotazione attorno al legame peptidico è limitata?
Il carattere parziale del doppio legame comporta un’importante conseguenza strutturale: la rotazione attorno al legame ammidico C–N è più limitata rispetto a quella attorno a un tipico legame singolo carbonio-azoto.
Ciò non significa tuttavia che le proteine non possano piegarsi o ripiegarsi.
Lo scheletro peptidico contiene anche altri legami attorno ai quali è possibile la rotazione. La catena proteica è quindi costituita da gruppi peptidici ripetuti e relativamente rigidi, collegati tra loro da altri legami dello scheletro caratterizzati da una maggiore flessibilità conformazionale.
La combinazione di queste restrizioni e capacità di rotazione contribuisce all'enorme diversità di strutture tridimensionali che peptidi e proteine possono assumere.
La planarità approssimativa non implica una struttura perfettamente piana
La delocalizzazione elettronica favorisce nell'ambito della geometria approssimativamente piatta del gruppo peptidico e limita la rotazione attorno al legame amidico C–N.
Tuttavia, le strutture molecolari reali possono discostarsi leggermente dal piano matematico ideale.
Improta e collaboratori hanno combinato calcoli quantomeccanici con l'analisi delle strutture cristalline di peptidi e proteine. I risultati hanno mostrato piccole deviazioni sistematiche dipendenti dalla geometria locale dello scheletro. [2]
Pertanto è corretto affermare che i gruppi peptidici sono approssimativamente piatto, tuttavia, affermare che ogni legame peptidico in ogni peptide o proteina sia perfettamente planare sarebbe una semplificazione eccessiva.
Questo è un buon esempio della differenza tra un utile modello educativo e il comportamento più dettagliato delle strutture molecolari reali.
Dove si trovano i legami peptidici?
Nell'ossatura dei peptidi e delle proteine
I legami peptidici si trovano tra residui amminoacidici adiacenti nelle tipiche catene peptidiche e proteiche.
Insieme agli atomi circostanti formano un ripetersi scheletro molecolare. Le catene laterali degli amminoacidi sporgono da questo scheletro e conferiscono alle singole residui ulteriori proprietà chimiche.
Una proteina può essere costituita da una singola catena peptidica o da più catene unite in un complesso molecolare più grande. Ciascuna di esse ha i propri legami dello scheletro.
Diverse catene possono unirsi tramite interazioni non covalenti o ulteriori legami covalenti. Tali collegamenti non devono essere automaticamente classificati come legami peptidici.
La sintesi chimica dell'inibitore della tripsina pancreatica bovina, ovvero BPTI, mostra bene la differenza tra la formazione dello scheletro peptidico e la creazione di ponti disolfuro aggiuntivi. I ricercatori hanno prima ottenuto il materiale lineare e successivamente ne hanno effettuato l'ossidazione e la caratterizzazione. Lo studio separa quindi la costruzione della catena dalla successiva organizzazione strutturale. [5]
I legami peptidici determinano la continuità della sequenza primaria
La sequenza dei residui di amminoacidi in un peptide o in una proteina è definita come la sua struttura primaria.
I legami peptidici forniscono la continuità covalente di base che mantiene questa sequenza.
Ad esempio la sequenza:
Ala-Gly-Ser
contiene gli stessi tre tipi di aminoacidi di:
Ser–Gly–Ala
Tuttavia non si tratta delle stesse sequenze peptidiche.
La posizione dei singoli residui rispetto ai legami peptidici è diversa.
Pertanto, il solo elenco degli aminoacidi presenti nel campione non è sufficiente per identificare il peptide. È necessaria anche la conoscenza della loro sequenza e del modo in cui sono legati.
Nei peptidi lineari e ciclici
Tipico catena peptidica aperta ha due estremità, denominate Fine-N i C-fine.
L'estremità N corrisponde a un'estremità dello scheletro peptidico, mentre l'estremità C corrisponde all'altra. Le sequenze peptidiche vengono solitamente scritte dall'estremità N verso l'estremità C.
Peptide ciclico testa-coda, ovvero chiuso dalla giunzione delle estremità della catena, contiene un legame di ossatura aggiuntivo che forma un anello.
Non tutti i peptidi ciclici si chiudono tuttavia nello stesso modo. L'anello può formarsi anche con il coinvolgimento di una catena laterale e alcune molecole contengono più di un tipo di legame trasversale.
Termine ciclico descrive quindi una caratteristica dell'architettura della molecola, e non un unico modo universale della sua connessione.
La kalata B1 è un esempio specifico di peptide il cui scheletro ciclico è stato confermato, tra l'altro, mediante studi di scissione enzimatica, analisi della sequenza e struttura molecolare. La molecola contiene anche ponti disolfuro. Questi legami zolfo-zolfo aggiuntivi differiscono chimicamente dai legami amidici che collegano i residui nello scheletro peptidico. [6]
Legami peptidici vs legami isopeptidici
In un tipico scheletro proteico, i legami peptidici collegano i gruppi amminici principali e i gruppi derivati dai gruppi carbossilici.
Legame amidico, alla cui formazione partecipa gruppo funzionale della catena laterale dell'amminoacido, è spesso definito come legame isopeptidico.
La regola più importante è quindi stabilire quali atomi siano stati effettivamente legati tra loro.
La sola presenza di un legame ammidico non significa automaticamente che esso si trovi in uno scheletro peptidico tipico. Allo stesso tempo, non ogni legame crociato in un peptide o in una proteina è un legame ammidico: i ponti disolfuro e altre modificazioni covalenti hanno una chimica differente.
Per i principianti, il punto di partenza più utile sono i legami peptidici ordinari presenti nello scheletro. I collegamenti più specializzati possono poi essere considerati come varianti distinte dell'organizzazione molecolare.
Quanti legami peptidici ci sono nella catena?
Singola catena aperta non ramificata contenente n residui amminoacidici hanno n − 1 legami peptidici nello scheletro.
Ciò significa che:
- il dipeptide ha 2 residui e 1 legame peptidico;
- il tripeptide ha 3 residui e 2 legami peptidici;
- Il tetrapeptide ha 4 residui e 3 legami peptidici;
- Il pentapeptide ha 5 residui e 4 legami peptidici;
- una catena aperta contenente 10 residui ha 9 legami peptidici.
Questa dipendenza deriva direttamente dal modo in cui la molecola è legata: ogni residuo successivo allunga la catena esistente di un legame di scheletro aggiuntivo.
Il corrispondente catena ciclica di tipo testa-coda contiene n legami peptidici nello scheletro, poiché un legame addizionale chiude l'anello.
Questi presupposti sono tuttavia importanti. Le ramificazioni, le connessioni insolite delle catene laterali, la presenza di più catene, i legami isopeptidici o elementi dello scheletro diversi da quelli amidici richiedono un'analisi più dettagliata.
La sola quantità di residui non è quindi sempre sufficiente per determinare tutti i legami covalenti presenti in un peptide complesso o in una proteina.
Come fanno i legami peptidici a unire gli amminoacidi?
Da amminoacidi liberi a residui amminoacidici
Un amminoacido libero e il corrispondente residuo che si trova nel peptide sono correlati tra loro, ma non descrivono esattamente lo stesso stato chimico.
Quando un amminoacido viene incorporato in un peptide, i suoi gruppi funzionali partecipano ai legami che formano la catena.
Ad esempio, la combinazione di glicina e alanina in un determinato ordine porta alla formazione di glicilalanina. L'inversione dell'ordine porta alla creazione alanilglicina.
I tipi di amminoacidi sono gli stessi, ma la loro posizione e l'ambiente chimico differiscono.
Ciò dimostra perché la sequenza di un peptide contiene più informazioni della semplice lista dei suoi componenti.
La formazione di legami può essere studiata direttamente. Stachelhaus e collaboratori hanno analizzato gli elementi del sistema di sintesi peptidica non ribosomiale e hanno dimostrato che la modifica di un residuo situato nel sito catalitico proposto impediva la reazione di condensazione studiata. L'esperimento collega quindi la formazione di uno specifico prodotto peptidico all'azione di un particolare macchinario molecolare. [7]
L'equazione di condensazione è un modello di bilancio della reazione
Nella chimica di base, la formazione di un peptide viene spesso rappresentata con l'equazione:
amminoacido + amminoacido → dipeptide + acqua
L'equazione mostra la differenza di composizione tra le molecole di partenza libere e il prodotto unito.
È utile per comprendere la relazione chimica tra i reagenti e il prodotto.
Tuttavia, non deve essere interpretato come un meccanismo completo di sintesi proteica all'interno di una cellula viva.
Gli amminoacidi liberi non si limitano a disporsi l'uno accanto all'altro nell'acqua, non rilasciano spontaneamente molecole d'acqua e non formano automaticamente una specifica sequenza proteica.
La sintesi biologica richiede substrati attivati, macchinari molecolari ordinati, informazioni che specificano la sequenza e processi preparatori che richiedono energia.
È quindi essenziale distinguere tra equazione chimica complessiva a meccanismo di reazione.
L'equazione descrive la composizione iniziale e finale. Il meccanismo spiega le fasi molecolari reali e i prodotti intermedi che portano alla reazione.
Gli esperimenti sui ribosomi studiano proprio tali dettagli meccanicistici, anziché limitarsi a riprodurre la nota equazione di condensazione. [3]
Come forma il ribosoma i legami peptidici?
Durante la traduzione, l'acido ribonucleico di trasferimento, o tRNA, trasportano gli amminoacidi e la catena peptidica in crescita all'interno del ribosoma.
Il gruppo amminico dell'amminoacido appena fornito reagisce con l'estremità attivata della catena esistente legata al tRNA, determinando il trasferimento del peptide in crescita sul residuo legato al nuovo tRNA.
La catena peptidica viene solitamente allungata dall'estremità C-końca.
L'attivazione degli amminoacidi e il loro legame al tRNA sono processi dipendenti dall'energia. Pertanto, la descrizione di qualsiasi legame peptidico ribosomale come formato direttamente tra due amminoacidi liberi o come una semplice „rimozione di acqua” da parte del ribosoma sarebbe una semplificazione eccessiva.
Weinger e colleghi hanno modificato un gruppo chimico in un substrato di tRNA e hanno osservato una significativa riduzione della formazione di legami peptidici senza una corrispondente diminuzione del legame del substrato. Questo risultato ha fornito prove che catalisi assistita da substrato, in cui le proprietà chimiche dei substrati stessi partecipano al decorso della reazione. [3]
L'esperimento indica quindi un ruolo meccanicistico della chimica del tRNA, e non esclusivamente la sua funzione di vettore passivo.
La formazione dei legami peptidici ha una direzione specifica
La sintesi proteica è un processo direzionale.
Poiché la catena in crescita viene allungata dall'estremità C-terminale, la sequenza si sviluppa in un orientamento specifico.
Ciò è correlato alla convenzione comune di scrivere le sequenze peptidiche e proteiche da Da N a C.
Tuttavia, la direzione non è semplicemente una convenzione di scrittura. L'inversione della sequenza porta solitamente alla formazione di una molecola diversa, poiché ciascun residuo occupa quindi una posizione differente rispetto agli altri elementi della catena.
Altri modi per creare legami simili
I legami peptidici possono formarsi anche al di fuori del ribosoma.
Specializzate sistemi enzimatici non ribosomiali sintetizzano alcuni peptidi, mentre la sintesi peptidica di laboratorio utilizza componenti attivati e reazioni di accoppiamento controllate.
Queste vie differiscono per organizzazione, substrati, condizioni di reazione e meccanismi catalitici.
Non bisogna considerarli come processi identici solo perché i prodotti finali contengono legami amidici.
Gli studi sulla sintesi di legami non ribosomiale e la sintesi chimica della BPTI costituiscono esempi di tali metodi di produzione differenti. [7] [5]
Il metodo di produzione in sé non determina nemmeno se una data molecola sia un peptide o una proteina. La sintesi chimica può portare all'ottenimento di un materiale corrispondente a un peptide o a una proteina naturalmente presenti, a condizione che la sua sequenza e le altre caratteristiche strutturali rilevanti siano stabilite correttamente.
Legami peptidici e altri legami nelle proteine
Legami dello scheletro e interazioni responsabili del ripiegamento
I legami peptidici tengono unita la sequenza di amminoacidi.
Altri tipi di interazioni aiutano invece a determinare il modo in cui questa sequenza si dispone nello spazio tridimensionale o come i singoli catene peptidiche interagiscono tra loro.
I legami idrogeno si formano tra opportuni donatori e accettori di idrogeno. All'interno dello scheletro peptidico, gli atomi di ossigeno dei gruppi carbonilici possono fungere da accettori e molti gruppi amidici N–H possono fungere da donatori.
L'azoto amidico di solito non è considerato un accettore di legame ad idrogeno poiché il suo doppietto elettronico libero partecipa al sistema elettronico del gruppo amidico.
Anche i gruppi peptidici contenenti prolina richiedono particolare attenzione, poiché l'azoto nello scheletro non possiede in quel caso il tipico idrogeno N–H.
Il gruppo contenente il legame peptidico può quindi partecipare alla formazione di legami a idrogeno, ma il legame peptidico e il legame a idrogeno sono diversi tipi di legami.
Uno di essi lega covalentemente i residui amminoacidici. L'altro partecipa a interazioni all'interno della molecola o tra le molecole.
Studi sul breve peptide pieghettato CLN025 hanno analizzato la struttura stabilizzata, tra l'altro, da legami a idrogeno e altre interazioni intramolecolari. Ciò dimostra che il ripiegamento può avvenire senza la creazione di una nuova sequenza di scheletro. [8]
I ponti disolfuro collegano le catene laterali contenenti zolfo
I ponti disolfuro sono legami covalenti zolfo-zolfo che più comunemente si formano tra le catene laterali della cisteina.
Possono unire frammenti distanti dello stesso catena peptidica o catene diverse.
Non sono legami peptidici e non sono presenti in tutte le proteine.
La formazione o la rottura di un ponte disolfuro può alterare in modo significativo l'organizzazione spaziale di una molecola senza la necessità di tagliare il suo scheletro peptidico.
In uno studio sulla sintesi del BPTI, sono stati preparati la sequenza naturale e analoghi progettati per modificare la capacità di formazione dei ponti disolfuro. Il materiale con sequenza naturale è stato confrontato con il BPTI naturale mediante metodi analitici e funzionali. L'abstract della pubblicazione non confermava tutte le conseguenze strutturali relative agli analoghi, pertanto le differenze proposte non devono essere presentate come risultati pienamente stabiliti. [5]
Interazioni ioniche e idrofobiche
I gruppi carichi possono attrarsi o respingersi, influenzando l'organizzazione spaziale della molecola.
Le regioni non polari interagiscono invece con l'ambiente acquoso in modo tale da favorire il loro occultamento all'interno della struttura, l'associazione o l'aggregazione. Questo fenomeno è spesso discusso nel contesto effetto idrofobico.
Queste interazioni possono essere di enorme importanza per il ripiegamento delle proteine, tuttavia l'interazione idrofobica non è un nuovo legame covalente tra gli amminoacidi.
Pertanto è errato definire tutte le forze che stabilizzano le proteine come legami peptidici.
I singoli tipi di interazioni possono anche reagire diversamente alla temperatura, al solvente, all'acidità, alle condizioni ioniche e ad altri cambiamenti ambientali. Determinare quale tipo di legame o interazione subisce una modifica consente di comprendere più accuratamente il risultato dell'esperimento.
| Connessione o interazione | Posizione o funzione principale | Crea un legame tra residui adiacenti in un'impalcatura tipica? |
|---|---|---|
| Legame peptidico | Legame amidico covalente lungo la catena | Sì |
| Legame idrogeno | L'interazione tra un donatore e un accettore appropriati | Non |
| Ponte disolfuro | Legame covalente tra catene laterali contenenti zolfo | Non |
| Interazione ionica | Attrazione o repulsione di gruppi carichi | Non |
| Effetto idrofobico | L'influenza dei gruppi non polari e del loro ambiente solvente | Non |
La denaturazione non è la stessa cosa dell'idrolisi
Denaturazione cambia la tipica organizzazione strutturale della proteina.
Può alterare la faldazione o l'associazione delle molecole, lasciando allo stesso tempo la maggior parte o tutte le leghe peptidiche intatte.
Idrolisi Modifica invece i legami chimici attraverso la disintegrazione dei legami suscettibili di scissione nella reazione con l'acqua.
In determinate condizioni, entrambi i processi possono verificarsi nella stessa provetta, ma non sono sinonimi.
La formazione del proteina non significa quindi automaticamente la sua trasformazione in peptidi più brevi o amminoacidi liberi.
Questa distinzione è evidente anche negli studi strutturali. In esperimenti relativi al collagene termicamente sviluppato sono state identificate diverse configurazioni cis e trans delle interazioni peptoidiche legate alla prolina. La modifica della configurazione del reticolo è un fenomeno diverso dal suo scissione chimica. [9]
La formazione, le proprietà e l'idrolisi dei legami peptidici
La stabilità dipende dal tipo di reazione analizzata
Le legami peptidici sono abbastanza duraturi da sostenere le catene biologiche, e allo stesso tempo gli organismi possono sceglierli per formare e scindere.
Non c'è nulla di controverso in questo.
La velocità della reazione dipende, tra l'altro, da barriere di attivazione e presenza dei catalizzatori, Il fatto che una reazione sia termodinamicamente vantaggiosa è un aspetto separato.
Il processo può essere chimicamente possibile, ma senza la corretta catalisi si svolge molto lentamente.
D'altro canto, un enzima può accelerare significativamente una reazione specifica, garantendo una via di reazione più favorevole.
L'enzima non cambia la struttura peptidica in un altro tipo di legame. Modifica la via attraverso cui avviene la reazione chimica.
Sarebbe anche errato attribuire un tempo di conservazione universale a tutti i legami peptidici, ai peptidi o alle proteine presenti nell'acqua.
La sequenza, la struttura locale, la disponibilità di legami, i gruppi chimici circostanti, la temperatura, il pH, la composizione del soluto e la presenza di catalizzatori possono influire sulla reazione osservata.
Cosa cambia con l’idrolisi?
L'idrolisi utilizza l'acqua in una reazione chimica che scinde il legame amidico, dando origine a nuove estremità derivanti dai gruppi carbossilici e amino.
La loro forma ionica esatta dipende dalle condizioni del solvente circostante.
La scissione di un legame nel cheratopoiese non porta automaticamente alla formazione di amminoacidi liberi.
Se il legame peptidico interno si rompe nel lungo catetere aperto, i prodotti diretti saranno solitamente due brevi frammenti peptidici.
Sono necessarie ulteriori reazioni di scissione per ridurre gradualmente questi frammenti e infine liberare le singole amminoacidi.
Le ricerche strutturali sulla penicillopepsina hanno analizzato il modo in cui la proteasi aspartica può organizzare l’acqua e i gruppi substrato nel processo di idrolisi. Il modello di reazione proposto si basa su osservazioni cristallografiche e sul modellamento. Offre informazioni su un singolo meccanismo enzimatico, ma non dimostra che ogni proteasi utilizzi lo stesso modo di catalisi. [4]
L'idrolisi può essere selettiva
Le proteasi e le peptidasi differiscono per i legami riconosciuti e per gli ambienti molecolari.
Alcuni enzimi interrogano le leghe presenti all'interno del catena, mentre altri eliminano le rimanenti parti dalla sua estremità.
La sequenza, la struttura locale, la disponibilità e i gruppi chimici circostanti possono influire sul fatto che l'area potenzialmente suscettibile venga effettivamente scissa.
Davidson e Hutton hanno studiato un enzima coinvolto nella secrezione di insulina da parte delle cellule beta. Il preparato purificato eliminava le rimanenti sostanze acide dei substrati derivanti dalla proinsulina e, nel test utilizzato, non causava ulteriori degradazioni dell'insulina matura. [10]
Questo dimostra Trattamento biologico selettivo, e non un semplice scardinamento di tutti i legami peptidici.
La separazione selettiva ha un significato biologico importante poiché le particelle precursori più grandi possono essere trasformate in determinati punti, portando alla formazione di prodotti maturi specifici invece della degradazione casuale.
Le condizioni sono importanti: due esempi sperimentali
Kenley e Warne hanno studiato l'interleuchina 11 umana ricombinante in condizioni di stress intenzionalmente applicate, che comprendevano temperature elevate e diversi valori di pH.
In un ambiente acido, sono stati identificati i frammenti nello specifico sito Asp–Pro. I risultati mostrano una degradazione dipendente dalla sequenza e dalle condizioni, ma non dovrebbero essere considerati una regola universale che descriva il comportamento di tutte le proteine in condizioni biologiche tipiche. [11]
In un altro studio è stato osservato la frammentazione del vazoattivante peptido intestinale radioiodato in un soluto diluito a pH neutro. Frammenti più brevi e simili non hanno mostrato una degradazione misurabile nei medesimi parametri sperimentali, mentre gli additivi nel soluto hanno influito sul risultato. [12]
Entrambi i studi dimostrano perché la stabilità delle interazioni peptoidiche deve essere discussa in relazione a di una particella specifica, di una sequenza, di un ambiente e di condizioni sperimentali, Invece di presupporre che un determinato pH o temperatura determinasse la stessa reazione di ogni peptide.
Perché i legami peptidici sono biologicamente importanti?
Le leghe peptiche mantengono l'ordine delle restrizioni aminoacidi che definiscono il catenaccio peptidico o proteico.
La loro geometria limita le possibili configurazioni spaziali del reticolo, mentre le gru carbossiliche e le gru azotate presenti nel reticolo peptidico partecipano agli interazioni molecolari.
La sintesi controllata dei legami peptidici consente la sintesi di peptidi e proteine.
La scission controllata di queste leghe è invece coinvolta nel trattamento dei precursori, nel metabolismo, nel trasporto delle proteine, nei percorsi regolatori e nell'ultima degradazione delle molecole.
Questo stesso tipo di legame chimico fondamentale è quindi coinvolto in diversi livelli dell'organizzazione biologica.
La sua creazione stabilisce la continuità della sequenza.
La sua struttura elettronica influenza la geometria del scheletro.
Le molecole presenti all'interno di esso partecipano alle interazioni molecolari.
La sua separazione selettiva consente agli organismi biologici di trattare e eliminare le proteine e i peptidi.
Queste funzioni combinano la chimica molecolare con la biologia. Le prove provengono, tra l’altro, da calcoli sulla struttura elettronica, misurazioni strutturali, studi enzimatici, sintesi chimica e esperimenti con sistemi biologici completi. Ogni di queste metodologie mostra un diverso elemento del meccanismo e non dovrebbe essere utilizzata per trarre conclusioni che vanno oltre il processo effettivamente studiato. [2] [3] [10]
Domande frequenti
1. L'associazione peptidica è covalente?
Sì. Il legame peptidico è un legame amidico covalente tra gruppi derivanti dagli aminoacidi. L’atomo di carbonio e l’atomo di azoto condividono gli elettroni, garantendo così la continuità chimica del catene peptidiche. Le analisi strutturali elettroniche studiano come questo scambio di elettroni influenzi la vicina gruppo carbossilica e come contribuisca alle caratteristiche del legame peptidico. Tuttavia, il termine „covalente” non implica che il legame non possa essere scisso. In condizioni chimiche appropriate o con l’intervento di enzimi, esso può subire una idrolisi. L’importante è distinguere che il legame peptidico lega chimicamente le rimanenze in una singola molecola, non solo provoca attrazione tra le molecole separate o fra i frammenti della stessa molecola. [1]
2. Perché il legame peptidico è parzialmente legato a doppio legame?
Il carattere parziale del legame doppio deriva dall’interazione della coppia elettronica libera dell’azoto con il sistema elettronico adiacente del gruppo carbossilico. Grazie a questo fenomeno, la densità elettronica viene delocalizzata all’interno del gruppo amidico. Le analisi computazionali hanno analizzato la percentuale di questo fenomeno nel legame peptidico. Le strutture di risonanza utilizzate per spiegare questo fenomeno sono modi alternativi per rappresentare la stessa struttura elettronica, piuttosto che componenti indipendenti che si modificano reciprocamente. Anche i valori numerici che descrivono il legame possono dipendere dalla metodologia analitica utilizzata. La più importante conseguenza strutturale è la limitazione del moto intorno al legame C–N rispetto al tipico legame singolo che si muove liberamente. [1]
3. Quali atomi formano un legame peptidico?
Nel tipico peptide, il legame peptidico lega l’atomo di carbonio della catena al gruppo carbossilico dell’altra catena. L’atomo di azoto rimane parte del gruppo carbossilico e non costituisce un legame diretto tra le due catene aminoacidiche. Le analisi elettrochimiche e strutturali analizzano questi atomi come parte di un gruppo amidico collegato, distinguendone simultaneamente i singoli legami. Durante l’identificazione del tipico legame peptidico nel modello strutturale, un punto di partenza utile è quindi trovare il legame C–N che si trova direttamente vicino al gruppo carbossilico. [2]
4. Dove nel proteina si trova la legatura peptidica?
Le leghe peptidiche si trovano nello scheletro di ogni catena proteica e legano le rimanenze amminoacidiche adiacenti. Si differenziano dalle leghe trasversali tra le catene laterali e dagli effetti tra i singoli filamenti. La sintesi chimica dei BPTI mostra questa distinzione separando la struttura dello scheletro dal successivo sviluppo dei ponti disiarici. La struttura tridimensionale completa del proteina può includere diversi tipi di interazioni covalenti e non covalenti, pertanto l'identificazione delle leghe peptidiche richiede la sequenza del filamento amminoacidico, anziché contare tutte le linee o i collegamenti rappresentati sul modello molecolare. [5]
5. È ogni legame amidico un legame peptidico?
No. I legami amidici si trovano in molte diverse molecole organiche, mentre il termine „legame peptidico” si riferisce a specifici legami derivanti dagli amminoacidi nei peptidi e nelle proteine. Il legame peptidico tipico nel scheletro è uno dei tipi di legame amidico. Pertanto, i legami amidici che utilizzano il catenaccio laterale dell’amminoacido non devono essere automaticamente considerati legami scheletrici comuni. Gli studi sulla geometria dei peptidi si concentrano sulla particolare classe di legami amidici del scheletro e non trattano tutti i possibili ammidi come chimicamente e strutturalmente identici. Il nome appropriato dipende dalle classi di gruppi coinvolti e dalla loro posizione nella molecola. [2]
6. Quanti legami peptidici sono presenti nella tripeptida?
Un tipico tripeptido aperto e non segmentato contiene due legami peptidici, Questo perché tre restrizioni richiedono due collegamenti per formare un singolo anello aperto continuo. Questo deriva dalla relazione generale n − 1 per un anello aperto tipico che contiene n restrizioni. Questo è un calcolo derivato dalla struttura della molecola e non un risultato sperimentale o informazioni sulla sua funzione biologica. La risposta sarà diversa se l’aggiunta di legami strutturali chiuda la molecola in un anello. I legami laterali e gli altri legami covalenti devono invece essere conteggiati separatamente. Prima di applicare la regola generale, è quindi necessario definire l’architettura della molecola analizzata.
7. Gli peptidi ciclici hanno un legame peptidico aggiuntivo?
Il peptide ciclico di tipo head-to-tail ha un numero di legami strutturali in più rispetto al suo equivalente a catena aperta, poiché il legame amidico aggiuntivo unisce entrambi gli estremi e chiude il anello. Altri peptidi ciclici possono tuttavia formare un anello con la partecipazione dei cateni laterali, pertanto questa regola non si applica automaticamente a ogni particella definita come ciclica. Le ricerche sulla calotta B1 hanno confermato un caso specifico di struttura ciclica che include inoltre ponti disiarici. Pertanto, la chiusura dell’anello e la formazione di legami tra i cateni laterali devono essere descritti separatamente durante il calcolo dei legami e la presentazione dell’architettura molecolare. [6]
8. Le leghe peptidiche sono sempre perfettamente piane?
No. I gruppi peptidici sono approssimativamente piatti, ma sono possibili deviazioni misurabili dalla geometria ideale. Uno studio che ha combinato calcoli quantistici con l’analisi dei dati strutturali dei peptidi e delle proteine ha mostrato lievi distorsioni legate all’organizzazione locale della catena ramificata. Queste osservazioni completano il modello semplificato del libro di testo, ma non lo rendono inutile. La planarità rimane una preferenza strutturale importante risultante dalla struttura elettronica del gruppo amido, tuttavia un’analisi strutturale precisa dovrebbe tenere conto delle differenze locali caratteristiche di un particolare molecola. [2]
9. Può il proteina allungarsi se il giro intorno al legame peptidico è limitato?
Sì. Lo scheletro proteico contiene altri legami attorno ai quali possono verificarsi variazioni degli angoli torsionali. Il moto limitato attorno al legame amidico C–N quindi non immobilizza l’intero anello. Le analisi strutturali distinguono gli angoli di rotazione attorno alle vicine strutture proteiche da quelli legati al singolo legame peptidico. I limiti sterici, le interazioni chimiche locali e il tipo delle restanti molecole influiscono inoltre su quali strutture siano energeticamente e fisicamente disponibili. Le proteine non sono quindi né semplici filamenti né catene composte da elementi che si muovono liberamente. La loro struttura deriva dalla combinazione di gradi di libertà limitati e relativamente flessibili dello scheletro. [2]
10. Cos'è un legame peptidico cis e trans?
Le definizioni cis e trans descrivono diversi arrangiamenti spaziali delle molecole presenti su entrambe le parti dell’unione peptidica. Nei tipici scheletri proteici domina l’arrangiamento trans. Le unioni peptidiche associate alla prolina presentano una particolare attenzione poiché nell’ambito di queste le configurazioni cis sono più frequenti rispetto a molte altre combinazioni di residui. In studi NMR termodinamici del colagene sviluppato, sono state rilevate entrambe le configurazioni. Tuttavia, questi risultati riguardano un particolare proteina in condizioni sperimentali specifiche e non devono essere interpretati come valori percentuali universali per tutti i peptidi e le proteine. Le definizioni cis e trans descrivono l’architettura dell’unione peptidica e non i diversi tipi di legami chimici. [9]
11. Durante la formazione di un legame peptidico, l’acqua viene sempre rilasciata direttamente?
No. L’equazione nota che descrive la liberazione dell’acqua descrive la relazione complessiva di condensazione tra le singole funzioni funzionali, ma non descrive ogni meccanismo reale di formazione di legami peptidici. La sintesi ribosomiale utilizza substrati attivati legati a tRNA e le ricerche sperimentali indicano la partecipazione della chimica del substrato alla catalisi. Quindi, il corso della reazione è più complesso di un semplice processo di rimozione dell’acqua da due amminoacidi liberamente disciolti. La distinzione tra il bilancio complessivo della reazione e il meccanismo biologico reale impedisce di trasformare un utile equazione didattica in una descrizione errata della sintesi proteica. [3]
12. Il mescolarsi degli amminoacidi con l'acqua porta alla formazione di proteine?
No. La miscela di amminoacidi liberi non forma automaticamente una sequenza proteica definita. La formazione controllata dei peptidi richiede una chimica adeguata e, nelle cellule, anche una macchina di sintesi organizzata in grado di controllare l’ordine degli amminoacidi e la formazione dei legami. Gli esperimenti relativi alla sintesi non ribosomale dei peptidi hanno dimostrato che un disturbo di un elemento catalitico specifico può impedire la formazione del prodotto peptidico studiato. I risultati riguardano un particolare sistema di biosintesi, ma mostrano una regola più generale: la semplice presenza di molecole strutturali non è sufficiente. La formazione di una sequenza definita richiede una sintesi controllata dei legami molecolari. [7]
13. L’interazione peptidica è la stessa dell’interazione idrofila?
No. Il legame peptidico è un legame covalente nel reticolo molecolare della molecola, mentre il legame idrofilico è un’interazione tra il donatore e l’attaccante dell’idrogeno. Le molecole chimiche presenti nel reticolo peptidico possono partecipare alla formazione di legami idrofilici senza creare ulteriori legami peptidici. Le analisi del dekapeptido ondulato CLN025 hanno esaminato i legami idrofilici e gli altri effetti che contribuiscono alla stabilizzazione della sua struttura. Questa distinzione separa i legami che definiscono la sequenza fondamentale della catena peptidica dagli effetti che aiutano il reticolo già legato a strutturarsi nello spazio tridimensionale. [8]
14. Il ponte disiarcico è un tipo di legame peptidico?
No. Il disaccaride è un legame covalente tra carbonio e carbonio, solitamente formato tra i filamenti laterali della cisteina. Il legame peptidico invece è un legame amidico che collega le molecole derivanti dagli aminoacidi nel nucleo peptidico. Le ricerche sulla sintesi dei BPTI hanno trattato la struttura del reticolo e la formazione dei disaccaridi come processi separati. Entrambi i tipi di legami possono essere importanti per la struttura della molecola, ma collegano altri atomi e partecipano ad altre reazioni chimiche. Il rompimento del disaccaride non deve quindi tagliare il reticolo peptidico, mentre la disintegrazione del legame peptidico modifica direttamente la continuità della sequenza del catenone. [5]
15. La denaturazione del proteina provoca la rottura dei legami peptidici?
Non è necessario. La denaturazione significa un alteramento della struttura tipica del proteina strutturata o a forma di anello e, per definizione, non richiede la disintegrazione dei legami peptidici. A seconda delle condizioni applicate, la degradazione chimica può avvenire simultaneamente con la denaturazione, ma i due processi non devono essere automaticamente considerati equivalenti. Negli studi sui colagene termodegradati sono stati ancora analizzati diversi tipi di strutture dei suoi legami peptidici. Il filamento sviluppato e quello sottoposto a idrolisi sono quindi stati considerati come stati molecolari diversi: il primo riguarda principalmente l'organizzazione tridimensionale, mentre il secondo riguarda le modifiche dei legami covalenti. [9]
16. La digestione idrolitica porta immediatamente alla formazione di amminoacidi liberi?
Non sempre. L’idrolisi di un legame peptidico interno in un lungo catenaccio aperto porta solitamente alla formazione di due frammenti peptidici più brevi. Sono necessarie ulteriori reazioni di scissione per ridurre gradualmente la lunghezza di questi frammenti e infine liberare singole amminoacidi. In studi sperimentali sono stati identificati specifici frammenti formati durante l’idrolisi dei legami peptidici, tra cui durante i test di degradazione dell’interleuchina 11 e del peptide vasoprotettivo intestinale. Il tipo di prodotti dipende dai siti che sono stati scissi e dal grado di avanzamento dell’idrolisi. Pertanto, il termine „idrolizzato” non implica automaticamente che il peptide o il proteina sia stato completamente trasformato in amminoacidi liberi. [11] [12]
17. Tutti i legami peptidici si degradano alla stessa velocità?
No. La velocità di scissione osservata dipende dalla sequenza del peptide, dalla struttura molecolare locale, dall’accessibilità dei legami, dai gruppi chimici circostanti, dalla composizione del solvente, dalla temperatura, dal pH e dalla presenza di catalizzatori come le enzimi proteolitici. Gli studi sull’interleuchina 11 e sul peptide vasoattivo intestinale hanno evidenziato una degradazione selettiva e dipendente dalle condizioni, ma non un comportamento uniforme di tutti i legami. Questi studi non determinano un tempo di conservazione universale per altri peptidi. La conclusione scientificamente fondata è che la stabilità del legame peptidico deve essere valutata in relazione alla particella specifica, all’ambiente e alla reazione, e non prevedere esclusivamente in base alla denominazione del legame. [11] [12]
18. In che modo il legame peptidico si differenzia dal legame izopeptidico?
Il legame peptidico tipico nel cheratopoietina solitamente combina il gruppo principale derivante dalla catena carbossilica con il gruppo amminico della successiva. Il legame izopeptidico è anche un legame amidico, ma nella sua formazione è coinvolta almeno una delle funzioni presenti al di fuori del tipico schema del cheratopoietina, ad esempio una particolare funzione presente nel catenone laterale dell’aminoacido. I due tipi di legami si basano quindi sulla chimica amminica familiare, ma occupano posizioni diverse nell’architettura molecolare. La distinzione è importante poiché la semplice rilevazione del legame amidico non è sufficiente a stabilire che si tratti di un legame tipico del cheratopoietina.
19. Perché i legami peptidici sono importanti per la struttura delle proteine?
Le legami peptidici mantengono una sequenza reattiva delle restanti amminoacidi in un ordine ben definito, ma allo stesso tempo impongono restrizioni geometriche sullo scheletro della molecola. La loro struttura parziale di legame doppio limita il movimento attorno al legame amidico C–N e favorisce una geometria approssimativamente piana della molecola peptidica. Allo stesso tempo, le gru carboniliche e N–H dello scheletro possono partecipare alle strutture di legame idrofile importanti per le strutture di ordine superiore. I legami peptidici quindi non solo collegano le amminoacidi — le loro proprietà elettroniche e geometriche aiutano a determinare le possibilità strutturali dell’intero catenaccio. [1] [2]
20. Le proteine possono rompere le leghe peptidiche?
Sì. Le proteasi e le peptidasi possono catalizzare la digestione degli amminoacidi, ma non devono necessariamente tagliare tutti gli amminoacidi senza distinzione. I singoli enzimi riconoscono specifiche sequenze, strutture strutturali o posizioni nel reticolo peptidico. Le ricerche strutturali sulla penicillopepsina hanno analizzato il modo in cui l’aspartato proteasi organizza il substrato e l’acqua durante la digestione, mentre Davidson e Hutton hanno dimostrato che il substrato legato alla proinsulina viene trattato in modo selettivo. Questi esempi mostrano come gli organismi possano manipolare in modo controllato la separazione di determinati legami peptidici durante la digestione e la degradazione delle molecole. [4] [10]
Restrizioni nell'interpretazione dei risultati dei test sui legami peptidici
Durante il passaggio dalla chimica di base dei legami peptidici ai risultati relativi ai peptidi e alle proteine reali, è necessario tenere conto di alcune limitazioni.
Innanzitutto, il gruppo peptidico idealizzato presentato nei manuali è un modello di tipico sistema strutturale. Le strutture molecolari reali possono mostrare deviazioni misurabili dalla planarietà e dalla geometria ideali. [2]
In secondo luogo, la stabilità del legame peptidico Dipende dal contesto. I risultati degli esperimenti condotti a temperature elevate, con pH anomalo, concentrazioni molto basse o in presenza di determinati catalizzatori non devono essere automaticamente utilizzati per prevedere il comportamento della molecola in condizioni completamente diverse. [11] [12]
In terzo luogo, diversi enzimi utilizzano meccanismi catalitici diversi. Le prove che descrivono l’idrolisi eseguita da una proteasi aspartica non significano che tutte le proteasi scindano i legami peptidici nello stesso modo. [4]
Quarto, le leghe peptidiche possono essere formate attraverso diversi meccanismi. La traslazione ribosomale, la biosintesi non ribosomale e la sintesi chimica in laboratorio possono portare alla formazione di legami amidici, anche se utilizzano substrati e macchinari molecolari diversi. [3] [7]
Quindi, la modifica della struttura proteica non deve essere automaticamente interpretata come una disintegrazione delle interazioni peptidiche. La denaturazione, le modificazioni conformazionali, i transiti cis-trans, i disturbi delle interazioni idriche, la ridistribuzione dei ponti disiarici e l'idrolisi delle interazioni peptidiche descrivono diversi eventi molecolari.
Questi differenziali sono importanti perché il termine legame peptidico descrive un particolare tipo di legame covalente. Per comprendere cosa realmente accade con un peptide o un proteina, è necessario stabilire quali legami chimici o interazioni molecolari sono stati modificati.
Sintesi
Le legami peptidici sono legami amidici covalenti che collegano le rimanenti amminoacidi in catene peptidiche e proteiche. Sebbene spesso siano presentati semplicemente come legami C–N nel frammento ripetitivo del reticolo –C(=O)–NH–, La loro chimica è più complessa rispetto alla chimica del legame singolo libero e flessibile.
La localizzazione degli elettroni all'interno del gruppo amidico conferisce al legame C–N una struttura parziale di legame doppio, limitando la sua rotazione e favorendo una geometria approssimativamente piana del gruppo peptidico. Allo stesso tempo, la possibilità di rotazione attorno alle vicine strutture ramificate permette ai filamenti peptidici di assumere strutture tridimensionali molto diverse. [1] [2]
Le leghe peptiche si trovano nel scaffold dei peptidi e delle proteine tipici, ma devono essere distinte dalle leghe idriche, dai ponti disiarcici, dagli effetti ionici, dall’effetto idrofobico e dalle leghe specializzate dei filamenti laterali, come le leghe izopeptidiche.
Possono formarsi in seguito a diversi processi. Le ribosomi formano legami peptidici durante la traslazione utilizzando substrati attivati associati all’arricchimento di tRNA, gli apparati non ribosomiali utilizzano una macchina enzimatica specializzata, mentre la sintesi in laboratorio si basa su reazioni chimiche di legame controllate. [3] [7]
Non meno importante è la loro disgregazione. L’idrolisi può dividere il catetere peptidico in frammenti più brevi, e le proteasi e le peptidasi consentono agli organismi di effettuare questo processo in modo selettivo. Le ricerche sulle proteasi, sul trattamento della proinsulina, sulla degradazione dell’interleuchina 11 e del peptide intestinale vasoattivo dimostrano che la disgregazione dipende dal contesto molecolare e dalle condizioni sperimentali. [4] [10] [11] [12]
La regola più importante è quindi semplice:
Le legami peptidici garantiscono la continuità covalente dei filamenti aminoacidici, mentre la loro struttura elettronica, la loro formazione controllata e la loro scissione selettiva combinano la chimica fondamentale con la biologia dei peptidi e delle proteine.
Disclaimer
L'articolo ha esclusivamente carattere educativo e informativo. Esplica la chimica dei legami peptidici, la loro struttura molecolare, la formazione, l'idrolisi e gli esempi tratti da studi pubblicati. Non costituisce una consulenza medica, una indicazione per il trattamento, una istruzione per il laboratorio, una raccomandazione per un prodotto o una consulenza sull'uso di qualsiasi peptidico o proteina. I risultati dei test computazionali, strutturali, biochimici, degli studi sugli animali e di altri esperimenti devono essere interpretati nel limite delle condizioni e dei limiti dei singoli studi.
Riferimenti
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