ペプチド結合：定義、存在、および生物学的意義

ペプチド結合とは、ペプチドやタンパク質中のアミノ酸残基を結びつける共有結合であるアミド結合のことである。 これらの結合は、ペプチド鎖の連続した分子骨格を形成し、アミノ酸の特定の配列を維持しつつ、鎖全体がさまざまな三次元構造をとれるようにしています。.

ペプチド結合は、その構造を構成する基本的な要素の一つである ペプチド. それらの化学的性質を理解することは、個々のアミノ酸が、どのようにして厳密に定められた配列と構造を持つより大きな分子を形成し得るのかを説明するのに役立つ。.

基本的な定義は比較的単純ですが、ペプチド結合の化学にはいくつかの重要な特徴があります。アミド基内の電子は、炭素－窒素結合が部分的に二重結合に似た性質を持つような配置になっています。 これにより、ペプチド結合を中心とした自由な回転は制限されますが、ペプチドやタンパク質全体が硬直した分子になるわけではありません。 骨格内の他の結合はより大きな回転の自由度を保っているため、ペプチド鎖は曲がり、折りたたまれることができる。.

ペプチド結合は、いくつかの異なる科学的観点から分析することができます。化学者は、その電子構造や幾何学的構造を研究しています。分子生物学者たちは、リボソームやその他の生物学的系によってペプチド結合がどのように形成されるかを分析しています。 構造生物学者は、これらの結合の幾何学的構造がタンパク質の構造にどのような影響を与えるかを調べます。一方、生化学者は、タンパク質の加工や分解の過程で、酵素がどのようにしてペプチド結合を選択的に切断するかを研究しています。.

こうした区別は、タンパク質が、特定のアミノ酸配列を維持しつつ、複雑な構造をとり、制御された生物学的プロセスを通じて生成され、その後、変換や分解を受ける仕組みを理解するのに役立つ。 電子構造、ペプチドの幾何学的構造、リボソーム触媒作用、タンパク質合成、および酵素による加水分解に関する研究は、これらのプロセスについて相互に補完し合う情報を提供している。[1] [2] [3]

ペプチド結合とは何ですか？

ペプチド結合の化学的定義

ペプチド結合とは アミド結合 あるアミノ酸のカルボキシル基に由来する基と、別のアミノ酸のアミノ基に由来する基との間。典型的なタンパク質の骨格では、カルボニル基の炭素原子と、次のアミノ酸残基の窒素原子が結合している。.

最もよく引用される一節は、次のような形をとっています：

–C(=O)–NH–

C=Oの部分は カルボニル基, 、一方、C–N結合は、具体的にはペプチド結合について言及する際、通常私たちが思い浮かべる結合である。これらの原子とその直近の周囲の原子は、合わせていわゆる ペプチド基 または アミド基.

この区別は重要である。なぜなら、ペプチド基の完全な構造式には、いくつかの異なる結合が含まれているからである。炭素－酸素結合は、2つのアミノ酸残基を結びつける結合ではない。この役割を果たすのは、炭素－窒素のアミド結合である。.

あるアミノ酸が別のアミノ酸と結合すると、一方の残基に結合しているカルボニル基の炭素原子が、次の残基に結合している窒素原子と共有結合で結びつきます。 このパターンが繰り返されることで、典型的なペプチド鎖の骨格が形成される。.

電子構造の研究では、とりわけ、窒素の自由電子対と隣接するカルボニル基との相互作用が分析されており、これにより、この結合が、通常の、自由に回転する炭素－窒素単結合とは異なる理由が説明される。 [1]

なぜペプチド結合は共有結合なのでしょうか？

ペプチド結合とは 共有結合, 、結合した原子は電子を共有するからです。.

これは、2つの独立した荷電アミノ酸間のイオン相互作用でもなければ、折りたたまれた鎖のさまざまな部分を互いに近づけて保持する水素結合でもない。.

この共有結合こそが、アミノ酸配列の化学的連続性を確保している。化学反応によってその結合様式が変化しない限り、各残基は同じ鎖の一部であり続ける。.

この区別は、タンパク質の折り畳みや展開について論じる際に特に重要となる。 ペプチド鎖は、その一次構造を維持しているペプチド結合を切断することなく、屈曲したり、コンフォメーションを変えたり、構造を安定化させている相互作用の一部を失ったり、さらには大幅に展開したりすることがあります。.

しかし、「共有結合性」は「破壊不可能」を意味するわけではない。.

酵素や適切な化学的条件により、ペプチド結合が切断されることがある。しかし、このような切断は 原子の結合様式を変える化学反応, 、単に分子の形状の変化にとどまらない。.

あるアスパラギン酸プロテアーゼの構造研究により、この酵素が、加水分解に不可欠な形で、ペプチド結合を含む基質と水分子を適切に配置する仕組みが明らかになった。[4]

二重結合の部分的性質と共鳴

C–Nペプチド結合は、構造式ではしばしば一本の線で表されますが、実際の電子配置はより複雑です。.

窒素原子の自由電子対は、隣接するカルボニル基の電子系に関与する可能性がある。電子の非局在化により、C–N結合は 二重結合の部分的な性質.

この現象は、しばしば共鳴構造によって説明される。.

共鳴構造とは、同じ分子における電子分布を表す別の方法である。これらを、互いに急速に変化し合う別個の分子形態として解釈してはならない。.

同様に、二重結合が部分的なものであるからといって、ペプチド結合が特定の割合の時間においては単なる単結合であり、残りの時間においては単なる二重結合であるということにはならない。.

実際の電子構造は、アミド基全体における電子の非局在化に起因する。.

フェドロフは計算研究において、ペプチド結合の次数を決定する上で共鳴が果たす役割を分析した。具体的な数値は、用いた電子構造解析法によって異なる。 しかし、一般的な理解において最も重要なのは、窒素の電子配置とカルボニル基との間の相互作用が、C–N結合の特異的な性質の一部を担っているという結論である。[1]

なぜペプチド結合周りの回転は制限されるのでしょうか？

二重結合の部分的な性質は、構造上重要な結果をもたらす。すなわち、アミド結合（C–N）を中心とした回転は、一般的な炭素–窒素単結合を中心とした回転よりも制限される。.

しかし、だからといって、タンパク質が曲がったり折りたたまれたりしないというわけではない。.

ペプチド骨格には、回転が可能な他の結合も含まれている。したがって、タンパク質鎖は、比較的剛性の高いペプチド基が繰り返し連なり、それらが、より大きな構造的柔軟性を特徴とする他の骨格結合によって連結されたものである。.

こうした制約と回転の可能性が相まって、ペプチドやタンパク質が取り得る三次元構造には極めて多様なバリエーションが生まれている。.

「おおよその平坦性」は、構造が完全に平坦であることを意味するわけではない

電子の移動は、～を促進する おおよそ平坦なペプチド基の幾何構造 また、アミド結合C–Nを中心とした回転を制限する。.

しかし、実際の分子構造は、理想的な数学的平面からわずかにずれている可能性がある。.

Improtaらは、量子力学的な計算と、ペプチドおよびタンパク質の結晶構造解析を組み合わせた。その結果、骨格の局所的な幾何学的構造に依存する、わずかながらも系統的な偏差が認められた。[2]

したがって、ペプチド基は……であると言うのが正しい。 ほぼ平らな, 一方、あらゆるペプチドやタンパク質に含まれるすべてのペプチド結合が完全に平らであるとするのは、あまりにも単純化しすぎている。.

これは、有用な教育モデルと、実際の分子構造のより詳細な挙動との違いを示す良い例である。.

ペプチド結合はどこに見られるか？

ペプチドおよびタンパク質の骨格において

ペプチド結合は、一般的なペプチド鎖やタンパク質鎖において、隣接するアミノ酸残基の間に形成される。.

周囲の原子とともに、繰り返される 分子の骨格. アミノ酸の側鎖はこの主鎖から突き出ており、個々の残基にさらなる化学的性質を与えている。.

タンパク質は、1本のペプチド鎖から構成される場合もあれば、複数の鎖が結合してより大きな分子複合体を形成する場合もある。それぞれが独自の骨格構造を持っている。.

さまざまな鎖は、非共有結合的な相互作用や、追加の共有結合を通じて結合することがあります。このような結合は、自動的にペプチド結合に分類すべきではありません。.

ウシ膵トリプシン阻害剤（BPTI）の化学合成は、ペプチド骨格の形成と、それに付随するジスルフィド結合の形成との違いをよく示している。 研究者らはまず線状の物質を得て、その後、その酸化と特性評価を行った。したがって、この研究では、鎖の構築と、その後の構造的組織化とを区別している。[5]

ペプチド結合は一次構造の連続性を決定する

ペプチドやタンパク質におけるアミノ酸残基の配列は、その 一次構造.

ペプチド結合は、この配列を維持する基本的な共有結合の連続性を確保している。.

例えば、次のようなシーケンス：

アラニン–グリシン–セリン

以下と同じ3種類のアミノ酸を含んでいます：

セリン–グリシン–アラニン

しかし、これらは同じペプチド配列ではない。.

各残基がペプチド結合に対して占める位置はそれぞれ異なる。.

したがって、試料に含まれるアミノ酸のリストだけでは、ペプチドを同定するには不十分です。それらの配列や結合様式についても把握する必要があります。.

直鎖型および環状ペプチドにおいて

典型的な開鎖ペプチド鎖には2つの末端があり、これらは N末端 i C-エンド.

N末端はペプチド骨格の一方の端に対応し、C末端は他方の端に対応する。ペプチド配列は通常、N末端からC末端に向かって表記される。.

ヘッド・トゥ・テール型の環状ペプチド, 、すなわち、鎖の両端が結合して閉じられた構造であり、環を形成する追加の骨格結合を含んでいる。.

しかし、すべての環状ペプチドが同じように閉環するわけではない。側鎖が関与して環が形成される場合もあり、一部の分子には複数の種類の架橋が含まれている。.

定義 周期的な つまり、これは分子の構造的特徴を表しており、その結合の唯一の普遍的な方法を示しているわけではない。.

カラタB1は、酵素的加水分解による解析、配列解析、分子構造解析などを通じて、その環状骨格が確認されたペプチドの具体的な例である。 また、この分子にはジスルフィド結合も含まれている。これらの追加の硫黄－硫黄結合は、ペプチド骨格内の残基を結合しているアミド結合とは化学的に異なる。[6]

ペプチド結合とイソペプチド結合

典型的なタンパク質の骨格では、ペプチド結合が主アミン基とカルボキシル基由来の基を結びつけている。.

その形成に関与するアミド結合 アミノ酸のサイドチェーンの官能基, はしばしば次のように呼ばれる イソペプチド結合.

したがって、最も重要な原則は、どの原子が実際に結合したのかを特定することである。.

アミド結合が存在するという事実だけでは、それが典型的なペプチド骨格に存在することを自動的に意味するわけではない。同時に、ペプチドやタンパク質中のすべての架橋がアミド結合であるわけでもない。ジスルフィド結合やその他の共有結合による修飾は、異なる化学的性質を持つ。.

初心者にとって、最も有用な出発点は、骨格に見られる一般的なペプチド結合である。より特殊な結合については、その後、分子構造の異なるバリエーションとして考察することができる。.

その鎖には、ペプチド結合がいくつありますか？

以下を含む、単一の開いた、分岐のない鎖 アミノ酸残基は、その骨格において n − 1 個のペプチド結合を持つ.

つまり、これは次のことを意味します：

• ジペプチドは2つの残基と1つのペプチド結合を持つ；;
• トリペプチドは3つの残基と2つのペプチド結合を持つ；;
• テトラペプチドは4つの残基と3つのペプチド結合を持つ；;
• ペンタペプチドは5つの残基と4つのペプチド結合を持つ；;
• 10個の残基を含む開鎖ペプチドには、9つのペプチド結合がある。.

この関係は、分子の結合様式に直接起因するものである。つまり、残基が1つ加わるごとに、1つの骨格結合が追加されることで、既存の鎖が伸長する。.

それに対応する ヘッド・トゥ・テール型の循環チェーン 骨格には n 個のペプチド結合が含まれている。なぜなら、余分な結合が環を閉じるからである。.

しかし、これらの仮定は重要である。分岐、側鎖の非典型的な結合、複数の鎖の存在、イソペプチド結合、あるいはアミド結合以外の骨格要素については、より詳細な分析が必要である。.

したがって、残基の数だけでは、複雑なペプチドやタンパク質に存在するすべての共有結合を特定するには必ずしも十分ではない。.

ペプチド結合はどのようにしてアミノ酸をつなぐのか？

遊離アミノ酸からアミノ酸残基へ

遊離アミノ酸と、ペプチド中に存在するそれに対応する残基は互いに関連しているが、まったく同じ化学状態を表しているわけではない。.

アミノ酸がペプチドに取り込まれると、その官能基は鎖を構成する結合に関与する。.

例えば、グリシンとアラニンを特定の順序で結合させると、次のような化合物が生成される グリシルアラニン. 順序を逆転させると、次のようなものが生じる アラニルグリシン.

アミノ酸の種類は同じですが、その位置や化学的環境は異なります。.

これは、ペプチドの配列が、単なる構成成分のリストよりも多くの情報を含んでいる理由を示している。.

結合の形成は直接的に研究することができる。シュタッヘルハウスらは、非リボソーム性ペプチド合成システムの構成要素を分析し、提案された触媒部位にある残基を置換すると、研究対象の縮合反応が起こらなくなることを示した。 したがって、この実験は、特定のペプチド生成と、特定の分子機構の働きとを結びつけている。[7]

凝縮方程式は、反応収支のモデルである

基礎化学では、ペプチドの生成はしばしば次の反応式を用いて表される：

アミノ酸 + アミノ酸 → ジペプチド + 水

この式は、初期の遊離分子と結合した生成物との組成の違いを示している。.

これは、基質と生成物との間の化学的関係を理解するのに役立つ。.

しかし、これを生きた細胞内におけるタンパク質合成の完全なメカニズムとして解釈すべきではない。.

遊離アミノ酸は、水中で単に隣り合って並んでいるわけではなく、自発的に水分子を放出することもなければ、自動的に特定のタンパク質配列を形成することもない。.

生物学的合成には、活性化された基質、整然とした分子機構、配列を規定する情報、そしてエネルギーを必要とする準備過程が必要である。.

したがって、以下の区別を明確にすることが重要である。 総化学式 a 反応メカニズム.

この式は、反応開始時と終了時の組成を表しています。このメカニズムは、反応に至る実際の分子レベルの段階と中間生成物を説明しています。.

リボソームに関する実験は、単に既知の凝縮方程式を再現するだけでなく、まさにそのようなメカニズムの詳細を解明しようとしているのである。[3]

リボソームはどのようにペプチド結合を形成するのか？

翻訳の過程において、転移RNA、すなわち tRNA, 、リボソーム内でアミノ酸や成長中のペプチド鎖を輸送する。.

新たに供給されたアミノ酸のアミノ基は、tRNAに結合している既存の鎖の活性化末端と反応し、その結果、成長中のペプチドが新しいtRNAに結合した残基へと転移する。.

ペプチド鎖は通常、～側から伸長される C末端.

アミノ酸の活性化およびtRNAへの結合は、エネルギーを必要とするプロセスである。 したがって、リボソーム内の各ペプチド結合を、2つの遊離アミノ酸の間に直接形成されるもの、あるいはリボソームによる単なる「脱水反応」として説明することは、過度に単純化されすぎている。.

Weingerらは、tRNA基質の化学基を修飾したところ、基質の結合がそれに応じて減少することなく、ペプチド結合の形成が著しく抑制されることを確認した。この結果は、以下のことを裏付ける証拠となった。 基質補助型触媒反応, 、そこでは基質自体の化学的性質が反応の進行に関与している。[3]

したがって、この実験は、tRNAが単なる受動的な運搬体としての機能だけでなく、化学的役割も果たしていることを示唆している。.

ペプチド結合の形成には特定の方向性がある

タンパク質の合成は、一方向の過程である。.

成長中の鎖はC末端側から伸長されるため、配列は特定の向きで展開していく。.

これは、ペプチドやタンパク質の配列を記述する際の一般的な慣例に関連しており、 N末端からC末端まで.

しかし、配向は単なる表記上の慣例に過ぎないわけではない。配列を反転させると、通常は別の分子が生成される。これは、各残基が鎖内の他の要素に対して異なる位置を占めるようになるためである。.

同様の結合を形成するその他の方法

ペプチド結合は、リボソームの外でも形成されることがある。.

専門的 非リボソーム系酵素系 一部のペプチドは生体内で合成されるが、実験室でのペプチド合成では、活性化された成分と制御された結合反応が用いられる。.

これらの経路は、その構成、基質、反応条件、および触媒メカニズムにおいて異なる。.

最終生成物にアミド結合が含まれているという理由だけで、これらを同一のプロセスとして扱うべきではない。.

非リボソーム的な結合形成に関する研究や、BPTIの化学合成は、こうした異なる製造方法の例である。[7] [5]

また、合成方法そのものは、その分子がペプチドであるかタンパク質であるかを決定づけるものではない。 化学合成により、その配列やその他の重要な構造的特徴が正しく決定されていれば、天然に存在するペプチドやタンパク質に相当する物質が得られることがある。.

タンパク質におけるペプチド結合とその他の結合

骨格結合と折り畳みを引き起こす相互作用

ペプチド結合は、連結されたアミノ酸配列を保持している。.

一方、その他の相互作用は、この配列が3次元空間内でどのように配置されているか、あるいは個々のペプチド鎖が互いにどのように相互作用しているかを解明するのに役立つ。.

水素結合は、対応する水素供与体と水素受容体の間で形成される。ペプチド骨格内では、カルボニル基の酸素原子が水素受容体として機能し、多くのアミド基のN–Hが水素供与体となり得る。.

アミド窒素は、その自由電子対がアミド基の電子配置に関与しているため、通常、水素結合の受容体とは見なされない。.

また、プロリンを含むペプチド基についても特に注意が必要である。なぜなら、その骨格中の窒素には、通常のN–H結合が存在しないからである。.

したがって、ペプチド結合を含むグループは水素結合の形成に関与し得るが、 ペプチド結合と水素結合は、異なる種類の結合である.

そのうちの1つは、アミノ酸残基を共有結合で結びつけます。もう1つは、分子内または分子間の相互作用に関与しています。.

短い波状ペプチドCLN025に関する研究では、水素結合やその他の分子内相互作用などによって安定化された構造が解析された。これは、新しい骨格配列を形成することなく、折り畳みが起こり得ることを示している。 [8]

ジスルフィド結合は、硫黄を含む側鎖を結びつける

ジスルフィド結合は、硫黄と硫黄との間の共有結合であり、主にシステインの側鎖間で形成される。.

これらは、同じペプチド鎖の離れた部分同士、あるいは異なるペプチド鎖同士を結合させることができる。.

これらはペプチド結合ではなく、すべてのタンパク質に存在するわけではない。.

ジスルフィド結合の形成または切断は、ペプチド骨格を切断することなく、分子の立体構造を大幅に変化させることがある。.

BPTIの合成に関する研究では、天然の配列およびジスルフィド結合の形成能を変化させる目的で設計されたアナログが調製された。天然の配列を持つ物質は、分析的および機能的な手法を用いて天然のBPTIと比較された。 この論文の要旨では、アナログに関するすべての構造的帰結が裏付けられていたわけではないため、提案された相違点を完全に確立された結果として提示すべきではない。[5]

イオン相互作用と疎水性相互作用

電荷を帯びたグループは互いに引き合ったり反発したりし、分子の空間的な構造に影響を与える。.

一方、非極性領域は水環境と相互作用し、その構造の内部、結合体、あるいは凝集体の中に隠れることを助長する可能性がある。この現象は、しばしば以下の文脈で論じられている。 撥水効果.

これらの相互作用はタンパク質のフォールディングにとって極めて重要である可能性があるが、疎水性相互作用はアミノ酸間の新たな共有結合ではない。.

したがって、タンパク質を安定化させるすべての力を「ペプチド結合」と総称するのは誤りである。.

また、個々の相互作用の種類によって、温度、溶媒、酸性度、イオン条件、その他の環境変化に対する反応が異なる場合もあります。どの種類の結合や相互作用に変化が生じているかを特定することで、実験結果をより正確に理解することができます。.

変性とは加水分解とは異なる

変性 タンパク質の典型的な構造を変化させる。.

分子の折り畳みや結合に影響を与える可能性がある一方で、ペプチド結合の大部分またはすべてを無傷のまま残す。.

加水分解 一方、水との反応において、不安定な結合を切断することで、化学結合を変化させる。.

特定の条件下では、これら2つのプロセスが同じ試料内で同時に起こることもありますが、それらは同義語ではありません。.

したがって、タンパク質が展開されたからといって、それが自動的により短いペプチドや遊離アミノ酸に変化するわけではない。.

この区別は、構造研究においても明らかになっている。 熱的に展開したコラーゲンに関する実験では、プロリンに結合するペプチド結合において、さまざまなシス型およびトランス型の構造が同定されている。骨格の構造変化は、その化学的切断とは異なる現象である。[9]

ペプチド結合の形成、性質、および加水分解

安定性は、分析対象となる反応の種類によって異なる

ペプチド結合は、生体内の鎖を維持するのに十分な強固さを持ちながら、生物はそれらを選択的に形成・切断することができる。.

そこには矛盾はない。.

反応速度は、とりわけ以下の要因に左右される。 活性化の障壁と触媒の存在, 、一方、その反応が熱力学的に有利であるかどうかは、別の問題である。.

その反応は化学的には可能であっても、適切な触媒がなければ極めて遅く進行する。.

一方、酵素は、より有利な反応経路を提供することで、特定の反応を大幅に促進することができる。.

酵素は、ペプチド結合をまったく別の種類の結合に変えるわけではありません。化学反応が進行する経路を変えるのです。.

また、水中に存在するすべてのペプチド結合、ペプチド、あるいはタンパク質に対して、単一の普遍的な半減期を割り当てることも不適切である。.

配列、局所構造、結合のアクセス可能性、隣接する化学基、温度、pH、溶液の組成、および触媒の存在は、観察される挙動に影響を与える可能性がある。.

加水分解によって何が変化するのか？

加水分解では、水を利用してアミド結合を化学的に切断する反応が行われ、その結果、カルボキシル基やアミン基に由来する新しい末端が形成される。.

それらの正確なイオン形態は、周囲の溶液の状態によって異なる。.

骨格内の結合が1つ切断されたからといって、必ずしも遊離アミノ酸が生成されるわけではない。.

長い開鎖状のペプチド鎖内のペプチド結合が切断された場合、直接生成される生成物は通常、 2つの短いペプチド断片.

これらの断片を徐々に短くし、最終的に個々のアミノ酸を遊離させるためには、さらなる加水分解反応が必要である。.

ペニシロペプシンの構造研究では、アスパラギン酸プロテアーゼが加水分解の過程で水分子や基質グループをどのように配置するかが分析された。提案された反応モデルは、結晶構造解析とモデリングに基づくものである。 このモデルは、ある酵素メカニズムに関する情報を提供しているが、すべてのプロテアーゼが同一の触媒メカニズムを利用していることを証明するものではない。[4]

加水分解は選択的である場合がある

プロテアーゼとペプチダーゼは、認識する結合や分子環境の点で異なる。.

酵素の中には、鎖の内部にある結合を切断するものもあれば、鎖の両端から残基を取り除くものもあります。.

配列、局所構造、アクセス性、および周囲の化学基は、潜在的に切断されやすい部位が実際に切断されるかどうかに影響を与える可能性がある。.

デビッドソンとハットンは、インスリンを分泌する顆粒に関連する酵素を研究した。精製された試料は、プロインスリン由来の基質から塩基性残基を除去し、実施された試験において、成熟インスリンのさらなる分解を引き起こさなかった。 [10]

これは、次のように示している 選択的生物処理, 、単にすべてのペプチド結合を無作為に切断するわけではない。.

選択的切断は、大きな前駆体分子が特定の部位で処理され、無作為な分解ではなく、特定の成熟産物が生成されるという点で、生物学的に重要な意味を持つ。.

条件は重要である：2つの実験例

ケンリーとワーンは、温度上昇やさまざまなpH値など、意図的に設定されたストレス条件下において、組換えヒトインターロイキン11を研究した。.

酸性環境下において、Asp–Proの特定の部位での切断が確認された。この結果は、配列や条件に依存する分解を示しているが、一般的な生物学的条件下におけるすべてのタンパク質の挙動を説明する普遍的な法則として解釈すべきではない。 [11]

別の研究では、中性pHの希釈溶液中における放射性ヨウ素標識腸管血管活性ペプチドの断片化が観察された。 これと類似した、より短い断片は、同じ実験条件下では測定可能な分解を示さず、溶液への添加物が結果に影響を与えた。[12]

これら2つの研究は、ペプチド結合の安定性について、どのような観点から論じるべきかを示している。 特定の分子、配列、環境、および実験条件, 、特定のpHや温度がすべてのペプチドにおいて同じ挙動を引き起こすという前提を立てるのではなく。.

なぜペプチド結合は生物学的に重要なのでしょうか？

ペプチド結合は、ペプチド鎖またはタンパク質鎖を構成するアミノ酸残基の配列を維持する。.

それらの幾何学的構造は、鎖の空間的な配置の可能性を制限する一方、ペプチド骨格に含まれるカルボニル基や窒素含有基は、分子間相互作用に関与している。.

ペプチド結合の制御された形成により、ペプチドやタンパク質の合成が可能となる。.

一方、これらの結合の制御された切断は、前駆体の代謝、消化、タンパク質の代謝回転、調節経路、および分子の最終的な分解に関与している。.

したがって、この同じ基本的な化学結合が、生物の組織化のいくつかのレベルに関与している。.

その生成によって、シーケンスの連続性が確立される。.

その電子構造は、骨格の幾何学的構造に影響を与える。.

そこに含まれる化学基は、分子間の相互作用に関与している。.

その選択的な分解により、生物学的システムはタンパク質やペプチドを代謝・除去することができる。.

これらの機能は、分子化学と生物学を結びつけるものである。その証拠は、電子構造の計算、構造測定、酵素研究、化学合成、および完全な生物系を用いた実験などから得られている。 これらの各手法は、メカニズムの異なる側面を明らかにするものであり、実際に研究対象となっているプロセスを超えた結論を導き出すために利用されるべきではない。[2] [3] [10]

よくある質問

1. ペプチド結合は共有結合ですか？

はい。ペプチド結合とは、アミノ酸に由来する基間の共有結合であるアミド結合のことです。炭素原子と窒素原子が電子を共有しており、これがペプチド鎖の化学的連続性を確保しています。 電子構造の研究では、この電子の共有に隣接するカルボニル基がどのように影響し、それがアミド結合の特有の性質にどのように寄与しているかを分析しています。ただし、「共有結合」という表現は、その結合が切断できないことを意味するものではありません。 適切な化学的条件下、あるいは酵素の作用下では、この結合は加水分解される可能性があります。 最も重要な点は、ペプチド結合が化学的に残基を1つの分子に結合させるものであり、単に別々の分子間や同一分子内の断片間の引力を生じさせるだけのものではない、という区別である。[1]

2. なぜペプチド結合は部分的な二重結合の性質を持つのか？

二重結合の部分的な性質は、窒素の自由電子対が、隣接するカルボニル基の電子配置と相互作用することに起因する。これにより、アミド基の範囲内で電子密度が非局在化される。 計算研究では、ペプチド結合列におけるこの現象の寄与が分析された。 これを説明するために用いられる共鳴構造は、同じ電子構造を表す別の表現方法であり、互いに変化し合う別個の分子ではない。 また、結合の次数を表す数値も、用いられる解析手法によって異なる場合がある。構造上の最も重要な帰結は、典型的な自由に回転する単結合と比較して、C–N結合周囲の回転が制限されることである。[1]

3. ペプチド結合を形成するのはどの原子か？

典型的なペプチド骨格では、ペプチド結合が、ある残基のカルボニル基の炭素原子と、次の残基の窒素原子とを結びつけています。 酸素原子はカルボニル基の一部であり、2つのアミノ酸残基間の直接的な結合を形成するものではない。電子構造解析や構造解析では、これらの原子を関連するアミド基の一部として扱いつつ、それぞれの結合を区別している。 したがって、構造式において典型的なペプチド結合を特定する際、カルボニル基に直接隣接するC–N結合を見つけることが有用な出発点となります。[2]

4. タンパク質の中で、ペプチド結合はどこにあるのか？

ペプチド結合は、あらゆるタンパク質鎖の主鎖に存在し、隣接するアミノ酸残基を結びつけています。これらは、側鎖間の架橋結合や、個別の鎖間の相互作用とは異なります。 BPTIの化学合成では、骨格の構築と、その後のジスルフィド結合の形成を分離することで、この区別が示されている。タンパク質の完全な3次元構造には、多くの種類の共有結合および非共有結合が含まれる可能性があるため、 したがって、ペプチド結合を特定するには、分子モデル上に示されたすべての線や結合を数えるのではなく、アミノ酸の骨格を追跡する必要がある。[5]

5. すべてのアミド結合はペプチド結合であるか？

いいえ。アミド結合はさまざまな有機化合物に見られますが、「ペプチド結合」という用語は、ペプチドやタンパク質中のアミノ酸に由来する特定の結合を指します。 骨格中の典型的なペプチド結合は、アミド結合の一種です。したがって、アミノ酸の側鎖を利用したアミド結合は、必ずしも通常の骨格結合に分類されるわけではありません。 ペプチドの幾何学に関する研究は、骨格の定義されたアミド基に焦点を当てており、すべての可能なアミドを化学的・構造的に同一であるとみなすものではない。適切な名称は、関与する基および分子内でのその位置によって決まる。[2]

6. トリペプチドにはペプチド結合がいくつありますか？

典型的な、分岐のない開放型トリペプチドには、以下のものが含まれる 2つのペプチド結合, 、というのも、3つの残基が1つの連続した開鎖を形成するには2つの結合が必要だからである。 これは、n個の残基を含む典型的な開鎖について、n − 1という一般的な関係式に起因する。これは分子の構造に基づく計算であり、実験結果やその生物学的機能に関する情報ではない。 もし追加の骨格結合によって分子が環状構造となれば、答えは異なることになる。一方、側鎖の結合やその他の共有結合は、別途計算する必要がある。 したがって、一般的な規則を適用する前に、解析対象の分子の構造を特定する必要があります。.

7. 環状ペプチドには、追加のペプチド結合があるのでしょうか？

ヘッド・トゥ・テール型の環状ペプチドは、対応する直鎖型よりも骨格結合が1つ多い。これは、追加のアミド結合が両端を結び、環を形成しているためである。 しかし、他の環状ペプチドは側鎖を介して環を形成する場合もあるため、この原則は「環状」と定義されるすべての分子に自動的に当てはまるわけではない。 Kalata B1の研究により、さらにジスルフィド橋を含む環状骨格の具体的な事例が確認された。 したがって、骨格の環状化と側鎖間の結合形成は、結合数を数えたり分子構造を表したりする際には、別々に記述する必要がある。[6]

8. ペプチド結合は常に完全に平坦なのでしょうか？

いいえ。ペプチド基は概ね平坦ですが、理想的な幾何学的形状から測定可能な程度の逸脱が生じる可能性があります。 量子力学計算とペプチドおよびタンパク質の構造データ解析を組み合わせた研究により、骨格の局所的な配置に関連するわずかな歪みが明らかになった。 これらの観察結果は、教科書的な単純化されたモデルを補完するものではあるが、そのモデルを無用にするものではない。 平面性は、アミド基の電子構造に起因する重要な構造的傾向であり続けていますが、正確な構造解析においては、特定の分子に特有の局所的な差異を考慮に入れる必要があります。[2]

9. ペプチド結合を中心とした回転が制限されているにもかかわらず、タンパク質は曲がることができるのでしょうか？

はい。タンパク質の骨格には、ねじれ角の変化が生じ得る他の結合が含まれています。 したがって、アミド結合（C–N）を中心とした限定的な回転によって、鎖全体が固定されるわけではありません。構造解析では、隣接する骨格結合を中心とした回転角と、ペプチド結合そのものに起因する回転角とを区別しています。 立体障害、局所的な化学的相互作用、および隣接する残基の種類は、どの配置がエネルギー的および物理的に実現可能であるかにさらに影響を及ぼす。 したがって、タンパク質は、堅い棒でもなければ、完全に自由に回転する要素から成る鎖でもない。その構造は、骨格の制限された自由度と比較的柔軟な自由度の組み合わせによって成り立っている。[2]

10. シス結合とトランス結合とは何ですか？

「シス」および「トランス」という用語は、ペプチド結合の両側に位置する基の異なる立体配置を表す。一般的なタンパク質骨格では、トランス配置が優勢である。 特にプロリンに関連するペプチド結合には注意を払う必要がある。なぜなら、これらの結合では、他の多くの残基の組み合わせに比べてシス配置がより頻繁に観察されるからである。熱的に展開されたコラーゲンのNMR研究では、両方の配置が検出された。 しかし、これらの結果は特定の実験条件下における特定のタンパク質に関するものであり、すべてのペプチドやタンパク質に適用できる普遍的な割合として解釈すべきではない。「シス」および「トランス」という用語は、ペプチド結合の幾何学的配置を表すものであり、化学結合の種類そのものを指すものではない。[9]

11. ペプチド結合が形成される際、必ず水が直接放出されるのでしょうか？

いいえ。水の放出を表すよく知られた式は、遊離官能基間の凝縮反応の総体的な関係を記述していますが、ペプチド結合が形成される実際のメカニズムのすべてを表しているわけではありません。 リボソーム合成では、tRNAに結合した活性化基質が利用されており、実験的研究からは、触媒作用に基質の化学的性質が関与していることが示唆されている。したがって、反応の直接的な経過は、単に2つの遊離アミノ酸から水を除去するだけの単純なプロセスよりも複雑である。 反応の総体的な収支と実際の生物学的メカニズムを区別することで、教育上有用な式が、タンパク質合成に関する誤った記述へと変質するのを防ぐことができる。[3]

12. アミノ酸を水に混ぜると、タンパク質が生成されるのでしょうか？

いいえ。遊離アミノ酸の混合物は、自動的に特定のタンパク質配列を形成するわけではありません。ペプチドの制御された生成には、適切な化学反応が必要であり、細胞内には、アミノ酸の順序を制御し、結合を形成できる整然とした合成機構も必要です。 非リボソームによるペプチドの組み立てに関する実験では、特定の触媒要素に障害が生じると、対象となるペプチド産物の生成が阻害されることが示されています。 この結果は特定の生合成系に関するものであるが、より広範な原理を示している。すなわち、分子の構成要素が存在するだけでは不十分である。定義された配列の形成には、分子間の結合を制御された形で形成することが必要である。[7]

13. ペプチド結合は水素結合と同じものですか？

いいえ。ペプチド結合は分子骨格における共有結合であるのに対し、水素結合は、対応する水素供与体と水素受容体との間の相互作用です。 ペプチド骨格にある化学基は、新たなペプチド結合を形成することなく、水素結合の形成に関与することがあります。折りたたまれたデカペプチドCLN025に関する研究では、その構造の安定化に関与する水素結合やその他の相互作用が分析されました。 この区別により、鎖の基本的な共有結合配列を定義する結合と、すでに連結された鎖が3次元空間内で秩序を成すのを助ける相互作用とが区別される。[8]

14. ジスルフィド結合はペプチド結合の一種ですか？

いいえ。ジスルフィド結合は、通常、システインの側鎖間に形成される硫黄-硫黄間の共有結合です。一方、ペプチド結合は、ペプチド骨格中のアミノ酸由来の基を結びつけるアミド結合です。 BPTIの合成に関する研究では、骨格の構築とジスルフィド結合の形成は別個のプロセスとして扱われていました。どちらの結合も分子構造にとって重要な役割を果たす可能性がありますが、結合する原子は異なり、関与する化学反応も異なります。 したがって、ジスルフィド結合の切断は必ずしもペプチド骨格を断ち切る必要はありませんが、ペプチド結合の切断は、鎖の配列の連続性を直接変化させます。[5]

15. タンパク質の変性は、ペプチド結合の切断を引き起こすのか？

必ずしもそうとは限りません。変性とは、タンパク質の典型的な折りたたまれた構造や集合体構造が乱れることを指し、定義上、ペプチド結合の切断を必要としません。 適用される条件によっては、化学的分解が変性と同時に起こることもありますが、両プロセスを自動的に同一視すべきではありません。熱的に展開されたコラーゲンの研究においても、そのペプチド結合のさまざまな構造が引き続き分析されています。 したがって、伸展した鎖と加水分解を受けた鎖は、異なる分子状態である。前者は主に三次元構造に関するものであり、後者は共有結合の変化に関するものである。[9]

16. 加水分解によって、すぐに遊離アミノ酸が生成されるのでしょうか？

必ずしもそうとは限りません。長い開鎖ペプチドの内部ペプチド結合が1つ加水分解されると、通常は2つの短いペプチド断片が生成されます。 これらの断片の長さを徐々に短縮し、最終的に個々のアミノ酸を遊離させるためには、さらなる切断反応が必要となる。 実験的研究では、ペプチド結合の切断後に生成される特定の断片が同定されており、その例としては、インターロイキン11や血管作動性腸管ペプチドの分解に関する研究などが挙げられる。 生成物の種類は、切断された部位および加水分解の進行度によって異なります。したがって、「加水分解された」という表現は、ペプチドやタンパク質が完全に遊離アミノ酸に変換されたことを自動的に意味するわけではありません。[11] [12]

17. すべてのペプチド結合は、同じ速度で分解するのでしょうか？

いいえ。観察される加水分解速度は、ペプチドの配列、局所的な分子構造、結合のアクセス性、隣接する化学基、溶液の組成、温度、pH、およびタンパク質分解酵素などの触媒の存在によって左右されます。 インターロイキン11および腸管由来の血管作動性ペプチドに関する研究では、条件依存的な選択的な分解が示されており、すべての結合が同様の挙動を示すわけではないことが明らかになった。これらの実験は、他のペプチドに対する普遍的な半減期を規定するものではない。 科学的に妥当な結論としては、ペプチド結合の安定性は、結合の名称のみに基づいて予測するのではなく、具体的な分子、環境、および反応を参照して評価すべきである。[11] [12]

18. ペプチド結合とイソペプチド結合の違いは何ですか？

ペプチド骨格における典型的な結合は、通常、ある残基のカルボキシル基に由来する主基と、次の残基のアミン基とを結合させるものである。 イソペプチド結合もアミド結合の一種であるが、その形成には、典型的な骨格構造の外側にある少なくとも1つの官能基、例えばアミノ酸の側鎖にある対応する基が関与している。 したがって、これら2種類の結合はどちらも類似したアミド化学に基づいているが、分子構造上では異なる位置を占めている。この区別は重要である。なぜなら、アミド結合そのものを検出しただけでは、それが通常のペプチド骨格に属すると断定するには不十分だからである。.

19. なぜペプチド結合はタンパク質の構造にとって重要なのでしょうか？

ペプチド結合は、アミノ酸残基の規則的な共有結合配列を維持すると同時に、分子の骨格に幾何学的制約を課す。 その部分的な二重結合の性質は、アミド結合（C–N）を中心とした回転を制限し、ペプチド基がほぼ平面状の立体構造をとることを助長する。 同時に、骨格中のカルボニル基やN–H基は、高次構造にとって重要な水素結合のパターンに関与することができる。 したがって、ペプチド結合は単にアミノ酸を連結するだけでなく、その電子的および幾何学的特性が、鎖全体の構造的可能性を決定づける一因となっている。[1] [2]

20. 酵素はペプチド結合を切断することができるか？

その通りです。プロテアーゼやペプチダーゼはペプチド結合の加水分解を触媒することができますが、必ずしもすべての結合を無差別に切断するわけではありません。個々の酵素は、特定の配列、構造的環境、あるいはペプチド鎖上の位置を認識します。 ペニシロペプシンの構造研究では、加水分解の際にアスパラギン酸プロテアーゼが基質と水をどのように配置するかが解析された一方、DavidsonとHuttonは、プロインスリンに関連する基質の選択的処理を実証した。 これらの例は、分子の処理や分解の過程において、生物学的システムが特定のペプチド結合を制御された方法で切断できることを示している。[4] [10]

ペプチド結合に関する研究の解釈における限界

ペプチド結合の基礎的な化学から、実際のペプチドやタンパク質に関する結論へと展開する際には、いくつかの制限事項を念頭に置いておく必要がある。.

まず第一に、教科書で紹介されている理想化されたペプチド基は 典型的な構造レイアウトのモデル. 実際の分子構造は、理想的な平面性や幾何学的形状から測定可能な逸脱を示すことがある。[2]

第二に、ペプチド結合の安定性 文脈による. 高温、異常なpH、極めて低い濃度、あるいは特定の触媒の存在下で行われた実験の結果は、全く異なる条件下での分子の挙動を予測するために、安易に用いるべきではない。[11] [12]

第三に、酵素によって触媒メカニズムは異なる。あるアスパラギン酸プロテアーゼによる加水分解を示す証拠があるからといって、すべてのプロテアーゼがペプチド結合をまったく同じ方法で切断するとは限らない。[4]

第四に、ペプチド結合はさまざまなメカニズムによって形成される可能性がある。リボソーム翻訳、非リボソーム生合成、および実験室での化学合成は、それぞれ異なる基質や分子機構を用いるにもかかわらず、アミド結合の形成につながる。 [3] [7]

第五に、タンパク質の構造変化を、必ずしもペプチド結合の切断と解釈すべきではない。 変性、コンフォメーションの変化、シス-トランス転移、水素結合の破壊、ジスルフィド結合の還元、およびペプチド結合の加水分解は、それぞれ異なる分子レベルでの事象を表している。.

これらの区別は重要である。なぜなら、この用語は ペプチド結合 特定の種類の共有結合について説明しています。ペプチドやタンパク質に実際に何が起きているのかを理解するには、どの化学結合や分子間相互作用に変化が生じたのかを特定する必要があります。.

概要

ペプチド結合は、アミノ酸残基をペプチド鎖やタンパク質鎖に結合させる共有結合であるアミド結合である。これらは、しばしば骨格の反復配列における単なるC–N結合として表現されるが –C(=O)–NH–, 、それらの化学的性質は、単に自由に回転する単結合の化学的性質よりも複雑である。.

アミド基内の電子の再配向により、C–N結合は部分的な二重結合の性質を帯び、その回転が制限され、ペプチド基のほぼ平面的な立体構造が促進される。 同時に、隣接する骨格結合を中心に回転できるため、ペプチド鎖は極めて多様な三次元構造をとることができる。[1] [2]

ペプチド結合は、一般的なペプチドやタンパク質の骨格に見られますが、水素結合、 ジスルフィド結合、イオン性相互作用、疎水性効果、およびイソペプチド結合のような特殊な側鎖間の結合とは区別する必要がある。.

これらは、さまざまな過程の結果として生じることがあります。 リボソームは、tRNAに結合した活性化された基質を利用して翻訳中にペプチド結合を形成しますが、非リボソーム系では特殊な酵素系が利用され、実験室での合成は制御された化学結合反応に基づいています。 [3] [7]

それらの分解も同様に重要です。加水分解によりペプチド鎖はより短い断片に分解され、プロテアーゼやペプチダーゼによって、生物はこの過程を選択的に行うことができます。 プロテアーゼ、プロインスリンの代謝、インターロイキン11および腸管血管活性ペプチドの分解に関する研究は、この分解が分子環境や実験条件に依存することを示している。 [4] [10] [11] [12]

したがって、最も重要な原則は単純です：

ペプチド結合はアミノ酸鎖の共有結合による連続性を確保する一方で、その電子構造、制御された形成、および選択的な切断は、基礎化学とペプチド・タンパク質の生物学とを結びつけている。.

免責事項

本記事は、あくまで教育および学術・情報提供を目的としたものです。ペプチド結合の化学的性質、その分子構造、形成、加水分解について解説し、公表された研究結果に基づく事例を紹介しています。 本記事は、医療アドバイス、治療に関する指針、実験手順、製品の推奨、あるいはいかなるペプチドやタンパク質の使用に関する助言を構成するものではありません。 計算実験、構造解析、生化学的解析、動物実験、およびその他の実験の結果は、個々の研究の条件や制限の範囲内で解釈されるべきです。.

参考文献

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