Legami peptidici: definizione, presenza e importanza biologica

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.

La denaturazione non è la stessa cosa dell'idrolisi

Denaturazione cambia la tipica organizzazione strutturale della proteina.

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]

Domande frequenti

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.

Sintesi

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.

Disclaimer

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.

Riferimenti

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