Peptidiniai ryšiai: apibrėžimas, paplitimas ir biologinė reikšmė

Peptidinė jungtis – tai kovalentinė amidinė jungtis, jungianti aminorūgščių likučius peptiduose ir baltymuose. Šie ryšiai sudaro ištisinį peptidinių grandinių molekulinį karkasą, išlaikydami nustatytą aminorūgščių seką ir tuo pačiu leidžiant visai grandinei įgauti įvairias trimatės struktūras.

Peptidiniai ryšiai yra vienas iš pagrindinių struktūros elementų peptidų. Supratimas apie jų chemines savybes padeda paaiškinti, kaip atskiri aminorūgštys gali sudaryti didesnes molekules, turinčias griežtai apibrėžtą seką ir struktūrą.

Nors pagrindinis apibrėžimas yra palyginti paprastas, peptidinės jungties chemija turi keletą svarbių savybių. Elektronai amidinės grupės viduje išsidėstę taip, kad anglies ir azoto jungtis iš dalies primena dvigubą jungtį. Tai riboja laisvo sukimosi aplink peptidinę jungtį galimybę, tačiau nereiškia, kad visas peptidas ar baltymas tampa nelanksčia dalele. Kiti ryšiai pagrindinėje struktūroje išlaiko didesnį laisvumo laipsnį, todėl peptidinės grandinės gali lenktis ir susiraityti.

Peptidinius ryšius galima analizuoti iš kelių skirtingų mokslinių perspektyvų. Chemikai tiria jų elektroninę struktūrą ir geometriją. Molekuliniai biologai analizuoja, kaip juos formuoja ribosomos ir kiti biologiniai sistemai. Struktūriniai biologai tiria, kaip šių ryšių geometrija veikia baltymų struktūrą. Tuo tarpu biochemikai tiria, kaip fermentai selektyviai nutraukia peptidinius ryšius baltymų apdorojimo ir skilimo metu.

Šie skirtumai padeda suprasti, kaip baltymai gali tuo pačiu metu išlaikyti tam tikrą aminorūgščių seką, įgauti sudėtingas struktūras, susidaryti kontroliuojamuose biologiniuose procesuose, o vėliau būti perdirbami arba skaidomi. Elektroninės struktūros, peptidų geometrijos, ribosominės katalizės, baltymų sintezės ir fermentinės hidrolizės tyrimai suteikia vienas kitą papildančią informaciją apie šiuos procesus. [1] [2] [3]

Kas yra peptidinė jungtis?

Cheminis peptidinės jungties apibrėžimas

Peptidinė jungtis yra amidiniu ryšiu tarp grupės, kilusios iš vieno aminorūgšties karboksilinės grupės, ir grupės, kilusios iš kitos aminorūgšties amino grupės. Tipiniame baltymo skeletu sujungiami karbonilinės grupės anglies atomas ir kitos aminorūgšties liekanos azoto atomas.

Dažniausiai pateikiamas fragmentas atrodo taip:

–C(=O)–NH–

C=O fragmentas yra karbonyliniu grupe, o C–N jungtis yra ta jungtis, kurią paprastai turime omenyje, kai konkrečiai kalbame apie peptidinę jungtį. Kartu šie atomai ir jų artimiausia aplinka sudaro vadinamąją peptidinę grupę arba amido grupę.

Šis skirtumas yra svarbus, nes pilna peptidinės grupės struktūrinė formulė apima keletą skirtingų ryšių. Anglies–deguonies ryšys nėra jungtis, sujungianti dvi aminorūgščių liekanas. Šią funkciją atlieka anglies–azoto amidinis ryšys.

Kai viena aminorūgštis sujungiama su kita, karbonilo grupės anglies atomas, susijęs su viena liekana, kovalentiškai susiejamas su azoto atomu, susijusiu su kita liekana. Kartojant šį procesą, susidaro tipinės peptidinės grandinės skeletas.

Elektroninės struktūros tyrimai, be kita ko, analizuoja laisvos azoto elektronų poros sąveiką su gretimu karbonilo grupe, o tai leidžia paaiškinti, kodėl ši jungtis skiriasi nuo įprastos, laisvai besisukančios pavienės anglies–azoto jungties. [1]

Kodėl peptidinė jungtis yra kovalentinė jungtis?

Peptidinė jungtis yra kovalentinės, nes sujungti atomai dalijasi elektronais.

Tai nėra joninė sąveika tarp dviejų atskirų įkrautų aminorūgščių, nei vandenilio ryšys, išlaikantis skirtingas banguotos grandinės dalis viena šalia kitos.

Būtent kovalentinė jungtis užtikrina aminorūgščių sekos cheminį tęstinumą. Aminorūgštys lieka tos pačios grandinės dalimi, kol cheminė reakcija nepakeičia jų jungimosi būdo.

Šis skirtumas tampa ypač svarbus, kai kalbama apie baltymų susilankstymą ir išsiskleidimą. Peptidinė grandinė gali išlinkti, keisti konformaciją, prarasti dalį jos struktūrą stabilizuojančių sąveikų ir netgi smarkiai išsiskleisti, nesulaužant peptidinių ryšių, išlaikančių jos pirminę seką.

Tačiau „kovalentinis“ nereiškia „nesugriaunamas“.

Fermentai ir tinkamos cheminės sąlygos gali sukelti peptidinių ryšių skilimą. Tačiau toks skilimas yra cheminė reakcija, keičianti atomų jungimosi būdą, o ne tik molekulės formos pasikeitimu.

Vienos iš aspartilinių proteinazių struktūriniai tyrimai rodo, kaip fermentas gali tinkamai organizuoti substratą, kuriame yra peptidinė jungtis ir vandens molekulė, taip, kad tai būtų svarbu hidrolizei. [4]

Dvigubo ryšio dalinis pobūdis ir rezonansas

Peptidinė C–N jungtis formulėse dažnai vaizduojama kaip viena linija, tačiau tikrasis elektronų pasiskirstymas yra sudėtingesnis.

Laisvas azoto atomo elektronų pora gali dalyvauti gretimoje karbonilo grupės elektronų struktūroje. Dėl elektronų delokalizacijos C–N ryšys įgyja dvigubo ryšio dalinis pobūdis.

Šis reiškinys dažnai aiškinamas rezonansinių struktūrų pagalba.

Rezonansinės struktūros yra alternatyvūs būdai pavaizduoti elektronų pasiskirstymą toje pačioje molekulėje. Jų nereikėtų interpretuoti kaip atskirų molekulės formų, kurios greitai viena į kitą virsta.

Be to, tai, kad dviguba jungtis yra dalinė, nereiškia, kad peptidinė jungtis tam tikrą laiko dalį yra paprasta vienguba jungtis, o likusį laiką – paprasta dviguba jungtis.

Tikroji elektronų struktūra atsiranda dėl elektronų delokalizacijos visoje amidinėje grupėje.

Savo skaičiavimo tyrime Fedorovas analizavo rezonanso įtaką nustatant peptidinės jungties eilę. Konkretūs skaičiai priklauso nuo taikomo elektroninės struktūros analizės metodo. Tačiau bendram supratimui svarbiausia yra išvada, kad sąveika tarp azoto elektronų sistemos ir karbonilo grupės lemia dalį netipiškų C–N ryšio savybių. [1]

Kodėl sukimasis aplink peptidinį ryšį yra ribotas?

Dvigubo ryšio dalinis pobūdis turi svarbią struktūrinę pasekmę: sukimasis aplink C–N amidinį ryšį yra labiau ribotas nei sukimasis aplink įprastą anglies–azoto viengubą ryšį.

Tačiau tai nereiškia, kad baltymai negali išlinkti ar susiraukšlėti.

Peptidinis karkasas taip pat turi kitų ryšių, aplink kuriuos galima suktis. Taigi baltymų grandinė susideda iš pasikartojančių, palyginti nelanksčių peptidinių grupių, sujungtų kitais karkaso ryšiais, kuriems būdingas didesnis konformacinis lankstumas.

Šių apribojimų ir rotacijos galimybių derinys lemia didžiulę trimačių struktūrų įvairovę, kurią gali įgauti peptidai ir baltymai.

Apytikslis lygumas nereiškia, kad struktūra yra idealiai lygi

Elektronų delokacija skatina apytikriai plokščios peptidinės grupės geometrijos ir riboja sukimąsi aplink C–N amidinę jungtį.

Tačiau tikrosios molekulinės struktūros gali šiek tiek skirtis nuo idealios matematinės plokštumos.

Improta ir jo bendradarbiai sujungė kvantinės mechanikos skaičiavimus su peptidų ir baltymų kristalinių struktūrų analize. Rezultatai parodė nedidelius, sistemingus nuokrypius, priklausančius nuo lokalios skeleto geometrijos. [2]

Todėl teisinga teigti, kad peptidų grupės yra maždaug plokščios, o teiginys, kad kiekviena peptidinė jungtis kiekviename peptide ar baltyme yra idealiai plokščia, būtų pernelyg supaprastintas.

Tai geras pavyzdys, iliustruojantis skirtumą tarp naudingo švietimo modelio ir išsamesnio realių molekulių struktūrų elgesio.

Kur susidaro peptidiniai ryšiai?

Peptidų ir baltymų struktūroje

Peptidiniai ryšiai susidaro tarp gretimų aminorūgščių likučių tipiniuose peptidiniuose ir baltymų grandinėse.

Kartu su juos supančiais atomais jie sudaro pasikartojantį molekulės karkasas. Aminorūgščių šoninės grandinės išsikiša už šio skeleto ribų ir suteikia atskiriems likučiams papildomų cheminių savybių.

Baltymai gali susidėti iš vienos peptidinės grandinės arba iš kelių grandinių, sujungtų į didesnį molekulinį kompleksą. Kiekviena iš jų turi savitas skeleto jungtis.

Įvairios grandinės gali jungtis tarpusavyje per nekovalencines sąveikas arba papildomus kovalencinius ryšius. Tokių jungčių nereikėtų automatiškai priskirti prie peptidinių ryšių.

Cheminė galvijų kasos tripsino inhibitorių (BPTI) sintezė gerai iliustruoja skirtumą tarp peptidinio karkaso formavimo ir papildomų disulfidinių tiltelių susidarymo. Mokslininkai pirmiausia gavo linijinę medžiagą, o vėliau atliko jos oksidaciją ir charakterizavimą. Taigi tyrimas atskiria grandinės sandarą nuo vėlesnės struktūrinės organizacijos. [5]

Peptidiniai ryšiai lemia pirminės sekos tęstinumą

Aminorūgščių likučių seka peptide ar baltyme apibūdinama kaip jo pirmojo lygio struktūra.

Peptidiniai ryšiai užtikrina pagrindinį kovalentinį tęstinumą, išlaikantį šią seką.

Pavyzdžiui, seka:

Ala–Gly–Ser

jame yra tie patys trys amino rūgščių tipai kaip ir:

Ser–Gly–Ala

Tačiau tai nėra tos pačios peptidų sekos.

Atskirų likučių padėtis peptidinių ryšių atžvilgiu skiriasi.

Todėl vien tik mėginyje esančių aminorūgščių sąrašo nepakanka peptidui identifikuoti. Taip pat būtina žinoti jų seką ir jungimosi būdą.

Linijiniuose ir cikliniuose peptiduose

Tipinė atvira peptidinė grandinė turi du galus, vadinamus N-galas i C-galas.

N-galas atitinka vieną peptidinio karkaso galą, o C-galas – kitą. Peptidų sekos paprastai užrašomos nuo N-galo link C-galo.

Ciklinis „head-to-tail“ tipo peptidas, t. y. uždarytas sujungus grandinės galus, turi papildomą skeleto ryšį, sudarantį žiedą.

Tačiau ne visi cikliniai peptidai susidaro vienodai. Žiedas gali susidaryti ir dalyvaujant šoninei grandinei, o kai kurios molekulės turi daugiau nei vienos rūšies skersinius ryšius.

Apibrėžimas periodinis taigi apibūdina molekulės struktūros savybę, o ne vieną universalią jos jungimosi būdą.

Kalata B1 yra konkretus peptido pavyzdys, kurio ciklinis karkasas buvo patvirtintas, be kita ko, atliekant fermentinį skilimą, sekos analizę ir molekulinės struktūros tyrimą. Molekulė taip pat turi disulfidinius tiltelius. Šios papildomos siera–siera jungtys chemiškai skiriasi nuo amidinių jungčių, jungiančių likučius peptido skelete. [6]

Peptidiniai ryšiai ir izopeptidiniai ryšiai

Tipiniame baltymo karkase peptidiniai ryšiai jungia pagrindines aminogrupes ir grupes, kilusias iš karboksilinių grupių.

Amidinė jungtis, kurios susidaryme dalyvauja aminorūgšties šoninės grandinės funkcinė grupė, dažnai vadinama izopeptidinis ryšys.

Taigi svarbiausias principas yra nustatyti, kurie atomai iš tiesų buvo sujungti tarpusavyje.

Pats amidinio ryšio buvimas dar nereiškia, kad jis automatiškai yra tipiškame peptidiniame karkase. Tuo pačiu ne kiekvienas skersinis ryšys peptide ar baltyme yra amidinis ryšys — disulfidiniai tiltai ir kitos kovalentinės modifikacijos pasižymi kitokia chemine sudėtimi.

Pradedantiesiems naudingiausias atspirties taškas yra paprastos peptidinės jungtys, esančios molekulės skeletu. Vėliau specializuotesnes jungtis galima nagrinėti kaip skirtingus molekulinės struktūros variantus.

Kiek peptidinių ryšių yra grandinėje?

Viena atvira, nesusiskirstanti grandinė, kurią sudaro n aminorūgščių liekanų turi n − 1 peptidinius ryšius pagrindinėje grandinėje.

Tai reiškia, kad:

• dipeptidas turi 2 likučius ir 1 peptidinį ryšį;
• tripeptidas turi 3 likučius ir 2 peptidinius ryšius;
• tetrapeptidas turi 4 likučius ir 3 peptidinius ryšius;
• pentapeptidas turi 5 likučius ir 4 peptidinius ryšius;
• Atviras grandinė, susidedanti iš 10 likučių, turi 9 peptidinius ryšius.

Ši priklausomybė tiesiogiai kyla iš molekulės jungimosi būdo: kiekviena nauja grandis prailgina esamą grandinę, sukurdama vieną papildomą skeleto ryšį.

Jam atitinkantis ciklinė „head-to-tail“ tipo grandinė jo skeletą sudaro n peptidinių ryšių, nes papildomas ryšys uždaro žiedą.

Tačiau šie prielaidos yra svarbios. Šakojimai, netipiniai šoninių grandinių jungimai, kelių grandinių buvimas, izopeptidiniai ryšiai ar kiti nei amidiniai skeleto elementai reikalauja išsamesnės analizės.

Taigi vien likučių skaičiaus ne visada pakanka, kad būtų galima nustatyti visus kovalentinius ryšius, esančius sudėtingame peptide ar baltyme.

Kaip peptidiniai ryšiai jungia aminorūgštis?

Nuo laisvųjų aminorūgščių iki aminorūgščių likučių

Laisvasis aminorūgštis ir jam atitinkanti peptido dalis yra tarpusavyje susijusios, tačiau jos neapibūdina visiškai tos pačios cheminės būklės.

Kai aminorūgštis įtraukiama į peptidą, jos funkcinės grupės dalyvauja grandinę sudarančiose jungtyse.

Pavyzdžiui, glicino ir alanino jungimas tam tikra seka lemia glicilalanino. Pakeitus tvarką, susidaro alanilglicinai.

Amino rūgščių rūšys yra tos pačios, tačiau skiriasi jų padėtis ir cheminė aplinka.

Tai parodo, kodėl peptido seka suteikia daugiau informacijos nei paprastas jo sudedamųjų dalių sąrašas.

Ryšių susidarymą galima tirti tiesiogiai. Stachelhausas ir jo bendradarbiai analizavo neribosominės peptidų sintezės sistemos elementus ir įrodė, kad pakeitus likutį, esantį siūlomoje katalizinėje vietoje, tiriamoji kondensacijos reakcija tapo neįmanoma. Taigi eksperimentas susieja konkretaus peptidinio produkto susidarymą su konkrečios molekulinės mašinos veikimu. [7]

Kondensacijos lygtis yra reakcijų balanso modelis

Pagrindinėje chemijoje peptido susidarymas dažnai vaizduojamas šia lygtimi:

aminorūgštis + aminorūgštis → dipeptidas + vanduo

Ši lygtis parodo sudėties skirtumą tarp pradinių laisvųjų molekulių ir susidariusio produkto.

Tai padeda suprasti cheminį ryšį tarp substratų ir produkto.

Tačiau jo nereikėtų laikyti išsamiu baltymų sintezės mechanizmu gyvoje ląstelėje.

Laisvosios aminorūgštys vandenyje nesusidėlioja tiesiog viena šalia kitos, savaime neišskiria vandens molekulių ir pačios nesudaro tam tikros baltymo sekos.

Biologinei sintezei reikalingi aktyvuoti substratai, tvarkingai veikianti molekulinė mašina, seką apibrėžianti informacija ir energijos reikalaujantys paruošiamieji procesai.

Todėl svarbu atskirti bendroji cheminė lygtis a reakcijos mechanizmas.

Ši lygtis apibūdina pradinę ir galutinę sudėtį. Mechanizmas paaiškina faktinius molekulinius etapus ir tarpinius produktus, vedančius prie reakcijos.

Eksperimentai su ribosomais tiria būtent tokias mechanistines detales, o ne tik atkuria žinomą kondensacijos lygtį. [3]

Kaip ribosoma sudaro peptidinius ryšius?

Transliacijos metu RNR pernašos molekulės, t. y. tRNA, perneša aminorūgštis ir besiformuojančią peptidų grandinę ribosomoje.

Naujai pristatytos aminorūgšties amino grupė reaguoja su aktyvuotu esamos grandinės galu, susietu su tRNA, o tai lemia augančio peptido perkėlimą į likutį, susietą su naujuoju tRNA.

Peptidinė grandinė paprastai pailginama iš C-galas.

Aminorūgščių aktyvacija ir jų prisijungimas prie tRNA yra nuo energijos priklausomi procesai. Todėl bet kokio ribosominio peptidinio ryšio apibūdinimas kaip susidarančio tiesiogiai tarp dviejų laisvų aminorūgščių arba kaip paprasto „vandens pašalinimo” ribosomoje būtų pernelyg didelis supaprastinimas.

Weinger ir bendradarbiai modifikavo cheminę grupę tRNA substrate ir pastebėjo, kad peptidinių ryšių susidarymas žymiai sumažėjo, tačiau substrato prisijungimas atitinkamai nesumažėjo. Šis rezultatas pateikė įrodymų, kad substrato katalizuojamą reakciją, kurioje pačių substratų cheminės savybės daro įtaką reakcijos eigai. [3]

Taigi eksperimentas rodo mechanistinį tRNA chemijos vaidmenį, o ne vien tik jo funkciją kaip pasyvaus nešiklio.

Peptidinių ryšių susidarymas vyksta tam tikra kryptimi

Baltymų sintezė yra kryptingas procesas.

Kadangi auganti grandinė pailginama iš C-galo pusės, seka susidaro tam tikra kryptimi.

Tai susiję su visuotinai pripažinta peptidų ir baltymų sekų užrašymo tvarka, pradedant nuo N-galas – C-galas.

Tačiau kryptis nėra vien tik užrašymo konvencija. Sekos apgręžimas paprastai lemia kitos molekulės susidarymą, nes tada kiekviena grupė užima kitą padėtį kitų grandinės elementų atžvilgiu.

Kiti būdai sukurti panašaus tipo ryšius

Peptidiniai ryšiai gali susidaryti ir už ribosomos ribų.

Specializuotos neribosominiai fermentų kompleksai sintetizuoja tam tikrus peptidus, o laboratorinėje peptidų sintezėje naudojami aktyvuoti komponentai ir kontroliuojamos jungimosi reakcijos.

Šie procesai skiriasi savo struktūra, substratais, reakcijos sąlygomis ir kataliziniais mechanizmais.

Nereikėtų laikyti jų identiškais procesais vien dėl to, kad galutiniai produktai turi amidinius ryšius.

Tyrimai, susiję su neribosominiais ryšiais, ir BPTI cheminė sintezė yra tokių skirtingų gamybos būdų pavyzdžiai. [7] [5]

Pats gamybos būdas taip pat nenustato, ar tam tikra molekulė yra peptidas, ar baltymas. Cheminė sintezė gali leisti gauti medžiagą, atitinkančią natūraliai pasitaikantį peptidą ar baltymą, su sąlyga, kad teisingai nustatoma jos seka ir kitos svarbios struktūrinės savybės.

Peptidiniai ryšiai ir kiti ryšiai baltymuose

Skeleto jungtys ir už raukšlėjimąsi atsakingos jėgos

Peptidiniai ryšiai išlaiko sujungtą aminorūgščių seką.

Kita vertus, kiti sąveikų tipai padeda nustatyti, kaip ši seka išsidėsto trimatėje erdvėje arba kaip atskiri peptidų grandinės sąveikauja tarpusavyje.

Vandeniliniai ryšiai susidaro tarp atitinkamų vandenilio donorų ir akceptorių. Peptidinio karkaso viduje karbonilo grupių deguonies atomai gali veikti kaip akceptoriai, o daugelis amidinių N–H grupių gali būti donorais.

Amido azotas paprastai nelaikomas vandenilinio ryšio akceptoriumi, nes jo laisvoji elektronų pora dalyvauja amido grupės elektroninėje struktūroje.

Ypatingą dėmesį taip pat reikia skirti peptidų grupėms, kurių sudėtyje yra prolino, nes tuomet azotas pagrindinėje grandinėje neturi būdingo vandenilio atomų N–H.

Taigi grupė, turinti peptidinę jungtį, gali dalyvauti vandenilinių jungčių susidaryme, tačiau peptidinė jungtis ir vandenilinė jungtis yra skirtingi jungčių tipai.

Vienas iš jų kovalentiškai jungia aminorūgščių likučius. Kitas dalyvauja sąveikose molekulės viduje arba tarp molekulių.

Tyrimuose, kuriuose buvo nagrinėjamas trumpas, susiraukšlėjęs peptidas CLN025, buvo analizuota struktūra, kurią stabilizuoja, be kita ko, vandeniliniai ryšiai ir kitos molekulės vidinės sąveikos. Tai rodo, kad susiraukšlėjimas gali vykti nesusidarant naujai pagrindinei sekai. [8]

Disulfidiniai tiltai jungia sierą turinčias šonines grandines

Disulfidiniai tiltai yra kovalentiniai sieros–sieros ryšiai, kurie dažniausiai susidaro tarp cisteino šoninių grandinių.

Jie gali jungti to paties peptidinio grandinės nutolusius fragmentus arba skirtingas grandines.

Tai nėra peptidiniai ryšiai ir jie nėra būdingi visiems baltymams.

Disulfido ryšio susidarymas arba nutrūkimis gali iš esmės pakeisti molekulės erdvinę struktūrą, nesukeliant jos peptidinio karkaso suskaidymo.

Tyrime, susijusiame su BPTI sinteze, buvo paruošta natūrali seka ir analogai, sukurti siekiant pakeisti disulfidinių tiltelių susidarymo galimybes. Medžiaga su natūralia seka buvo lyginama su natūraliu BPTI taikant analitinius ir funkcinius metodus. Publikacijos santraukoje nebuvo patvirtintos visos su analogais susijusios struktūrinės pasekmės, todėl siūlomų skirtumų neturėtų būti pateikiami kaip visiškai nustatyti rezultatai. [5]

Joniniai ir hidrofobiniai sąveikavimai

Įkrautos grupės gali traukti viena kitą arba stumti viena kitą, taip darant įtaką molekulės erdvinei struktūrai.

Tuo tarpu nepoliariniai regionai sąveikauja su vandens aplinka taip, kad tai gali sudaryti palankias sąlygas jiems pasislėpti struktūros viduje, susidaryti asociacijas ar agregatus. Šis reiškinys dažnai aptariamas kontekste hidrofobinio efekto.

Šios sąveikos gali turėti didžiulę reikšmę baltymų susiraukšlėjimui, tačiau hidrofobinė sąveika nėra nauja kovalentinė jungtis tarp aminorūgščių.

Todėl neteisinga visas baltymą stabilizuojančias jėgas vadinti peptidiniais ryšiais.

Atskiri sąveikos tipai taip pat gali skirtingai reaguoti į temperatūrą, tirpiklį, rūgštingumą, jonines sąlygas ir kitus aplinkos pokyčius. Nustatant, kuris ryšio ar sąveikos tipas keičiasi, galima tiksliau suprasti eksperimento rezultatą.

Denatūracija nėra tas pats, kas hidrolizė

Denatūracija pakeičia tipišką baltymo struktūrinę organizaciją.

Tai gali sutrikdyti molekulių susiraukšlėjimą ar sąveiką, tačiau tuo pačiu metu paliekant nepaliestus daugumą arba visus peptidinius ryšius.

Hidrolizė tačiau keičia cheminius ryšius, skaidydamas nestabilų ryšį reakcijoje su vandeniu.

Tam tikromis sąlygomis abu procesai gali vykti tame pačiame mėginyje, tačiau jie nėra sinonimai.

Taigi baltymo išsiskleidimas nereiškia, kad jis automatiškai virsta trumpesniais peptidais ar laisvosiomis aminorūgštimis.

Šis skirtumas matomas ir struktūriniuose tyrimuose. Eksperimentuose su termiškai denatūruotu kolagenu buvo identifikuotos įvairios cis ir trans konfigūracijos peptidinių ryšių, susijusių su prolinu. Skeleto konfigūracijos pasikeitimas yra kitoks reiškinys nei jo cheminis skilimas. [9]

Peptidinių ryšių susidarymas, savybės ir hidrolizė

Stabilumas priklauso nuo tiriamos reakcijos tipo

Peptidiniai ryšiai yra pakankamai tvirti, kad išlaikytų biologines grandines, o kartu organizmai gali juos selektyviai kurti ir skaidyti.

Čia nėra jokio prieštaravimo.

Reakcijos greitis priklauso, be kita ko, nuo aktyvacijos barjerai ir katalizatorių buvimas, o tai, ar tam tikra reakcija yra termodinamiškai naudinga, yra atskiras klausimas.

Šis procesas gali būti chemiškai įmanomas, tačiau be tinkamos katalizės jis vyks nepaprastai lėtai.

Kita vertus, fermentas gali žymiai pagreitinti tam tikrą reakciją, užtikrindamas palankesnį reakcijos kelią.

Fermentas nepaverčia peptidinės jungties į visiškai kitokio tipo jungtį. Jis pakeičia cheminės reakcijos eigą.

Taip pat būtų neteisinga visiems vandenyje esantiems peptidiniams ryšiams, peptidams ar baltymams priskirti vieną universalią stabilumo trukmę.

Seką, vietinę struktūrą, ryšio prieinamumą, gretimas chemines grupes, temperatūrą, pH, tirpalo sudėtį ir katalizatorių buvimą gali įtakoti stebimas elgesys.

Ką keičia hidrolizė?

Hidrolizės metu vanduo naudojamas cheminėje reakcijoje, kurios metu suskaidoma amidinė jungtis, o tai lemia naujų galūnių, kilusių iš karboksilinių ir amininių grupių, susidarymą.

Jų tiksli joninė forma priklauso nuo aplinkinio tirpalo sąlygų.

Vienos jungties skilimas baltymo grandinėje automatiškai nesukelia laisvųjų aminorūgščių susidarymo.

Jei ilgesnėje atviroje grandinėje nutrūksta vidinė peptidinė jungtis, tiesioginiai produktai paprastai bus du trumpesni peptidų fragmentai.

Reikia tolesnių skilimo reakcijų, kad šie fragmentai būtų palaipsniui sutrumpinami ir galiausiai išlaisvintos atskiros aminorūgštys.

Penicilopepsino struktūriniai tyrimai analizavo, kaip aspartilinė proteazė hidrolizės proceso metu gali organizuoti vandenį ir substrato grupes. Siūlomas reakcijos modelis pagrįstas kristalografiniais stebėjimais ir modeliavimu. Jis pateikia informaciją apie vieną fermentinį mechanizmą, tačiau neįrodo, kad kiekviena proteazė naudoja identišką katalizės būdą. [4]

Hidrolizė gali būti selektyvi

Proteazės ir peptidazės skiriasi pagal atpažįstamus ryšius ir molekulinę aplinką.

Kai kurie fermentai skaido grandinės viduje esančius ryšius, o kiti pašalina likučius iš jos galų.

Sekvencija, vietinė struktūra, prieinamumas ir aplinkinės cheminės grupės gali turėti įtakos tam, ar potencialiai pažeidžiama vieta iš tiesų bus suskaidyta.

Davidsonas ir Huttonas tyrė fermentą, susijusį su insulino išskiriančiais granuliatais. Išgrynintas preparatas pašalindavo šarminius likučius iš proinsulino kilmės substratų, o atliktame bandyme nesukeldavo tolesnio subrendusio insulino skilimo. [10]

Tai rodo, kad selektyvus biologinis apdorojimas, o ne atsitiktinis visų peptidinių ryšių nutraukimas.

Selektyvus skilimas turi didelę biologinę reikšmę, nes didesnės pirmtakų molekulės gali būti apdorojamos tam tikrose vietose, o tai lemia konkrečių subrendusių produktų susidarymą, o ne atsitiktinį skilimą.

Sąlygos turi reikšmę: du eksperimentiniai pavyzdžiai

Kenley ir Warne tyrė rekombinuotą žmogaus interleukiną 11 sąmoningai sukurtomis stresinėmis sąlygomis, įskaitant padidintą temperatūrą ir įvairias pH vertes.

Rūgščioje aplinkoje jie nustatė skilimą tam tikroje Asp–Pro vietoje. Rezultatai rodo, kad skilimas priklauso nuo sekos ir sąlygų, tačiau jų neturėtų būti traktuojami kaip visuotinis dėsnis, apibūdinantis visų baltymų elgseną tipinėse biologinėse sąlygose. [11]

Kito tyrimo metu buvo stebimas radioaktyvaus jodo turinčio vazoktyvaus žarnyno peptido skilimas praskiestame tirpale, kurio pH buvo neutralus. Giminingi, trumpesni fragmentai tose pačiose eksperimentinėse sąlygose neparodė išmatuojamo skilimo, o tirpalo priedai turėjo įtakos rezultatui. [12]

Abu tyrimai rodo, kodėl peptidinių ryšių stabilumą reikia nagrinėti atsižvelgiant į konkrečios molekulės, sekos, aplinkos ir eksperimentinių sąlygų, o ne manyti, kad tam tikras pH ar temperatūra lems vienodą kiekvieno peptido elgesį.

Kodėl peptidiniai ryšiai yra svarbūs biologiniu požiūriu?

Peptidiniai ryšiai išlaiko aminorūgščių likučių seką, kuri apibrėžia peptidinę arba baltymų grandinę.

Jų geometrija riboja galimas grandinės erdvinės konfigūracijas, o peptidiniame karkase esančios karbonilo ir azoto turinčios grupės dalyvauja molekulinėse sąveikose.

Kontroliuojamas peptidinių ryšių susidarymas leidžia sintezuoti peptidus ir baltymus.

Tuo tarpu kontroliuojamas šių ryšių skilimas dalyvauja pirmtakų apdorojime, virškinime, baltymų apykaitoje, reguliavimo procesuose ir galutiniame molekulių skilime.

Taigi tas pats pagrindinis cheminės jungties tipas dalyvauja keliuose biologinės organizacijos lygmenyse.

Jo atsiradimas užtikrina sekos tęstinumą.

Jo elektroninė struktūra daro įtaką skeletui geometrijai.

Jame esančios cheminės grupės dalyvauja molekulinėse sąveikose.

Jo selektyvus skilimas leidžia biologinėms sistemoms perdirbti ir pašalinti baltymus bei peptidus.

Šios funkcijos sujungia molekulinę chemiją su biologija. Įrodymai gaunami, be kita ko, iš elektroninės struktūros skaičiavimų, struktūrinių matavimų, fermentinių tyrimų, cheminės sintezės ir eksperimentų, kuriuose naudojamos visos biologinės sistemos. Kiekvienas iš šių metodų atskleidžia skirtingą mechanizmo elementą ir neturėtų būti naudojamas darant išvadas, peržengiančias faktiškai tiriamo proceso ribas. [2] [3] [10]

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Ar peptidinė jungtis yra kovalentinė?

Taip. Peptidinė jungtis yra kovalentinė amidinė jungtis tarp grupių, kilusių iš aminorūgščių. Anglies ir azoto atomai dalijasi elektronais, o tai užtikrina peptidinės grandinės cheminį tęstinumą. Elektroninės struktūros tyrimai analizuoja, kaip šiam elektronų dalijimuisi įtakos turi greta esanti karbonilo grupė ir kaip ji prisideda prie būdingų amidinės jungties savybių. Tačiau terminas „kovalentinė” nereiškia, kad jungties negalima nutraukti. Tinkamomis cheminėmis sąlygomis arba veikiant fermentams ji gali hidrolizuotis. Svarbiausia atskirti, kad peptidinė jungtis chemiškai sujungia likučius į vieną molekulę, o ne tik sukelia trauką tarp atskirų molekulių ar tos pačios molekulės fragmentų. [1]

2. Kodėl peptidinė jungtis turi dalinio dvigubo ryšio pobūdį?

Dvigubo ryšio dalinis pobūdis kyla dėl laisvos azoto elektronų poros sąveikos su gretima karbonilo grupės elektronų konfigūracija. Dėl to elektronų tankis delokalizuojasi amidinės grupės ribose. Skaičiavimo tyrimais buvo analizuojamas šio reiškinio indėlis peptidinės jungties grandinėje. Rezonansinės struktūros, naudojamos šiam reiškiniui paaiškinti, yra alternatyvūs to paties elektronų struktūros atvaizdavimo būdai, o ne atskiri molekulės, viena virstančios į kitą. Be to, skaičiai, apibūdinantys ryšio eilę, gali priklausyti nuo taikomo analitinio metodo. Svarbiausia struktūrinė pasekmė – apribotas sukimasis aplink C–N jungtį, palyginti su tipine, laisvai besisukančia paprastąja jungtimi. [1]

3. Kurie atomai sudaro peptidinę jungtį?

Tipiniame peptidiniame karkase peptidinė jungtis sujungia vienos aminorūgšties karbonilo grupės anglies atomą su kitos aminorūgšties azoto atomu. Deguonies atomas lieka karbonilo grupės dalimi ir nesudaro tiesioginio ryšio tarp dviejų aminorūgščių likučių. Elektroniniai ir struktūriniai tyrimai šiuos atomus analizuoja kaip susijusios amidinės grupės elementus, tuo pačiu atskirdami jų atskirus ryšius. Todėl, identifikuojant tipišką peptidinę jungtį struktūrinėje formulėje, naudinga pradžia yra rasti C–N jungtį, tiesiogiai besiribojančią su karbonilo grupe. [2]

4. Kur baltyme yra peptidinė jungtis?

Peptidiniai ryšiai yra kiekvienos baltymų grandinės skeletu ir jungia gretimus aminorūgščių likučius. Jie skiriasi nuo skersinių ryšių tarp šoninių grandinių ir sąveikų tarp atskirų grandinių. Cheminė BPTI sintezė parodo šį skirtumą, atskirdama pagrindinės struktūros formavimąsi nuo vėlesnio disulfidinių tiltelių susidarymo. Pilna trimatė baltymo struktūra gali apimti daugybę kovalentinių ir nekovalentinių sąveikų rūšių, todėl norint identifikuoti peptidinius ryšius reikia sekti aminorūgščių skeletą, o ne skaičiuoti visas linijas ar jungtis, pavaizduotas molekulės modelyje. [5]

5. Ar kiekvienas amidinis ryšys yra peptidinis ryšys?

Ne. Amidiniai ryšiai pasitaiko daugelyje įvairių organinių junginių, o terminas „peptidinis ryšys” reiškia konkrečius ryšius, susidarančius iš aminorūgščių peptiduose ir baltymuose. Tipinė peptidinė jungtis pagrindiniame karkase yra viena iš amidinių jungčių rūšių. Todėl amidinė jungtis, kurioje dalyvauja aminorūgšties šoninė grandinė, neturėtų būti automatiškai priskiriama įprastoms pagrindinio karkaso jungtims. Peptidų geometrijos tyrimai sutelkiami į apibrėžtą skeleto amidinę grupę, o ne traktuoja visus galimus amidus kaip chemiškai ir struktūriškai identiškus. Tinkamas pavadinimas priklauso nuo dalyvaujančių grupių ir jų padėties molekulėje. [2]

6. Kiek peptidinių ryšių yra tripeptide?

Tipinis atviras, nesusiskirstęs tripeptidas susideda iš du peptidiniai ryšiai, nes trims likučiams reikia dviejų jungčių, kad susidarytų viena ištisinė atvira grandinė. Tai išplaukia iš bendrosios n − 1 priklausomybės, taikomos tipinei atvirai grandinei, susidedančiai iš n likučių. Tai yra skaičiavimas, pagrįstas molekulės struktūra, o ne eksperimentinis rezultatas ar informacija apie jos biologinę funkciją. Atsakymas bus kitoks, jei papildoma skeleto jungtis uždarys molekulę į žiedą. Šoninių grandinių jungtis ir kitos kovalentinės jungtys turi būti skaičiuojamos atskirai. Todėl prieš taikant bendrą taisyklę reikia nustatyti tiriamojo molekulės struktūrą.

7. Ar cikliniai peptidai turi papildomą peptidinę jungtį?

„Head-to-tail“ tipo ciklinis peptidas turi viena pagrindinę jungtį daugiau nei atitinkama atvira grandinė, nes papildoma amido jungtis sujungia abu galus ir uždaro žiedą. Tačiau kiti cikliniai peptidai gali sudaryti žiedą, įtraukdami šonines grandines, todėl ši taisyklė automatiškai netaikoma kiekvienai dalelei, apibūdinamai kaip ciklinė. Kalato B1 tyrimai patvirtino konkretų ciklinio skeleto, kuriame yra papildomų disulfidinių tiltelių, atvejį. Todėl skeleto uždarymą į žiedą ir jungčių tarp šoninių grandinių susidarymą reikia aprašyti atskirai, skaičiuojant ryšius ir pateikiant molekulinę struktūrą. [6]

8. Ar peptidiniai ryšiai visada yra idealiai plokšti?

Ne. Peptidų grupės yra beveik plokščios, tačiau galimi išmatuojami nukrypimai nuo idealios geometrijos. Tyrimas, kuriame buvo suderinti kvantinės mechanikos skaičiavimai su peptidų ir baltymų struktūrinių duomenų analize, parodė nedidelius iškraipymus, susijusius su lokaliu skeleto išdėstymu. Šie stebėjimai papildo supaprastintą vadovėlinį modelį, tačiau jo nepadaro nenaudingu. Plokštumumas išlieka svarbiu struktūriniu bruožu, kylančiu iš amidinės grupės elektroninės sandaros, tačiau tiksli struktūrinė analizė turėtų atsižvelgti į konkrečiai dalelei būdingus vietinius skirtumus. [2]

9. Ar baltymas gali išlinkti, jei sukimasis aplink peptidinį ryšį yra ribotas?

Taip. Baltymo skeletas turi ir kitų ryšių, aplink kuriuos gali vykti sukimosi kampų pokyčiai. Taigi ribotas sukimasis aplink C–N amidinę jungtį neparalyžiuoja visos grandinės. Struktūrinės analizės atskiria sukimosi kampus aplink gretimas skeleto jungtis nuo kampo, susijusio su pačia peptidine jungtimi. Steriniai apribojimai, vietinės cheminės sąveikos ir gretimų likučių tipas papildomai lemia, kokios konfigūracijos yra energetiškai ir fiziškai pasiekiamos. Taigi baltymai nėra nei standūs strypai, nei grandinės, sudarytos iš visiškai laisvai besisukančių elementų. Jų struktūra atsiranda dėl ribotų ir santykinai lanksčių skeleto laisvės laipsnių derinio. [2]

10. Kas yra cis ir trans peptidiniai ryšiai?

Terminai „cis“ ir „trans“ apibūdina skirtingą grupių, esančių abiejose peptidinės jungties pusėse, erdvinę konfigūraciją. Tipiniuose baltymų skeletuose vyrauja „trans“ konfigūracija. Ypatingą dėmesį reikia skirti su prolinu susijusiems peptidiniams ryšiams, nes jų atveju „cis“ konfigūracija pasitaiko dažniau nei daugelio kitų likučių derinių atveju. Atliekant terminio išsiskleidimo kolageno NMR tyrimus, buvo aptiktos abi konfigūracijos. Tačiau šie rezultatai susiję su konkrečiu baltymu tam tikromis eksperimentinėmis sąlygomis ir neturėtų būti traktuojami kaip visuotiniai procentiniai dydžiai, taikomi visiems peptidams ir baltymams. Terminai „cis“ ir „trans“ apibūdina peptidinės jungties geometriją, o ne skirtingus cheminių jungčių tipus. [9]

11. Ar susidarant peptidiniam ryšiui visada tiesiogiai išsiskiria vanduo?

Ne. Žinoma lygtis, apibūdinanti vandens išsiskyrimą, apibūdina bendrą kondensacijos ryšį tarp laisvų funkcinių grupių, tačiau neapibūdina kiekvieno tikrojo peptidinių ryšių susidarymo mechanizmo. Ribosominė sintezė naudoja su tRNA susietus aktyvuotus substratus, o eksperimentiniai tyrimai rodo, kad katalizėje dalyvauja substrato chemija. Taigi tiesioginis reakcijos eiga yra sudėtingesnė nei paprastas vandens pašalinimas iš dviejų laisvai ištirpusių aminorūgščių. Skirtumas tarp bendro reakcijos balanso ir tikrojo biologinio mechanizmo neleidžia naudingos mokomosios lygties paversti neteisingu baltymų sintezės aprašymu. [3]

12. Ar sumaišius aminorūgštis su vandeniu susidaro baltymai?

Ne. Laisvųjų aminorūgščių mišinys savaime nesudaro konkrečios baltymų sekos. Kontroliuojamam peptidų susidarymui reikalinga atitinkama chemija, o ląstelėse – taip pat tvarkingai veikiantis sintezės mechanizmas, gebantis kontroliuoti aminorūgščių seką ir ryšių susidarymą. Eksperimentai, susiję su nerybosominiais peptidų susidarymo procesais, parodė, kad sutrikdžius konkretų katalizinį elementą galima užkirsti kelią tiriamojo peptidinio produkto susidarymui. Rezultatai susiję su konkrečiu biosintezės mechanizmu, tačiau atskleidžia platesnį principą: vien molekulių sudedamųjų dalių buvimo nepakanka. Apibrėžtos sekos susidarymui reikalingas kontroliuojamas molekulių ryšių formavimas. [7]

13. Ar peptidinė jungtis yra tas pats, kas vandenilinė jungtis?

Ne. Peptidinė jungtis yra kovalentinė jungtis molekulės skeletu, o vandenilinė jungtis – sąveika tarp atitinkamo vandenilio donoro ir akceptoriaus. Peptidiniame karkase esančios cheminės grupės gali dalyvauti formuojant vandenilinius ryšius nesukurdamos papildomų peptidinių ryšių. Atliekant susiraukšlėjusio dekapeptido CLN025 tyrimus, buvo analizuojami vandeniliniai ryšiai ir kitos sąveikos, prisidedančios prie jo struktūros stabilizavimo. Šis skirtumas atskiria ryšius, apibrėžiančius pagrindinę kovalentinę grandinės seką, nuo sąveikų, padedančių jau sujungtai grandinei susiorganizuoti trimatėje erdvėje. [8]

14. Ar disulfido tiltas yra peptidinės jungties rūšis?

Ne. Disulfido tiltas yra kovalentinis sieros–sieros ryšys, paprastai susidarantis tarp cisteino šoninių grandinių. Tuo tarpu peptidinė jungtis yra amidinis ryšys, jungiantis iš aminorūgščių kilusias grupes peptido skelete. BPTI sintezės tyrimai laikė pagrindinės grandinės formavimąsi ir disulfidinių tiltelių susidarymą atskirais procesais. Abiejų tipų ryšiai gali turėti didelę reikšmę molekulės struktūrai, tačiau jie jungia skirtingus atomus ir dalyvauja skirtingose cheminėse reakcijose. Taigi, disulfido tilto nutrūkimas nebūtinai perkerpa peptidų skeletą, o peptidinės jungties skilimas tiesiogiai pakeičia grandinės sekos tęstinumą. [5]

15. Ar baltymų denatūracija sukelia peptidinių ryšių nutrūkimą?

Tai nėra būtina. Denatūracija reiškia tipiškos baltymo raukšlėtos arba kompleksinės struktūros sutrikimą ir, pagal apibrėžimą, nereikalauja peptidinių ryšių skilimo. Priklausomai nuo taikomų sąlygų, cheminis skilimas gali vykti kartu su denatūracija, tačiau šių dviejų procesų nereikėtų automatiškai tapatinti. Atlikus termiškai išskleistos kolageno tyrimą, vis dar buvo analizuojamos įvairios jo peptidinių ryšių konfigūracijos. Taigi išsiskleidusi grandinė ir hidrolizės paveikta grandinė yra skirtingos molekulinės būsenos: pirmoji susijusi visų pirma su trimatės struktūros organizavimu, o antroji – su kovalentinių ryšių pokyčiais. [9]

16. Ar hidrolizė iš karto sukelia laisvųjų aminorūgščių susidarymą?

Ne visada. Vienos vidinės peptidinės jungties hidrolizė ilgesnėje atviroje grandinėje paprastai lemia dviejų trumpesnių peptidinių fragmentų susidarymą. Reikia tolesnių skilimo reakcijų, kad šių fragmentų ilgis palaipsniui mažėtų ir galiausiai būtų išlaisvinti atskiri aminorūgštys. Eksperimentiniuose tyrimuose buvo identifikuoti konkretūs fragmentai, susidarantys po peptidinių ryšių skilimo, be kita ko, atliekant interleukino 11 ir vazoktyvaus žarnyno peptido skilimo tyrimus. Produktų rūšis priklauso nuo vietų, kuriose įvyko skilimas, ir hidrolizės pažengimo laipsnio. Taigi terminas „hidrolizuotas” nereiškia automatiškai, kad peptidas ar baltymas buvo visiškai paverstas laisvomis aminorūgštimis. [11] [12]

17. Ar visi peptidiniai ryšiai skilsta vienodu greičiu?

Ne. Stebimas skilimo greitis priklauso nuo peptido sekos, vietinės molekulinės struktūros, ryšio prieinamumo, gretimų cheminių grupių, tirpalo sudėties, temperatūros, pH ir katalizatorių, pvz., proteolitinių fermentų, buvimo. Interleukino-11 ir vazoktyvaus žarnyno peptido tyrimai parodė selektyvų, nuo sąlygų priklausantį skilimą, o ne vienodą visų ryšių elgesį. Šie eksperimentai nenustato universalaus pusinės eliminacijos laiko kitiems peptidams. Moksliškai pagrįsta išvada yra tokia, kad peptidinio ryšio stabilumas turi būti vertinamas atsižvelgiant į konkrečią molekulę, aplinką ir reakciją, o ne numatomas vien tik remiantis ryšio pavadinimu. [11] [12]

18. Kuo skiriasi peptidinė jungtis nuo izopeptidinės jungties?

Tipinis peptidinis ryšys pagrindinėje grandinėje paprastai jungia pagrindinę grupę, kilusią iš vieno likučio karboksilinės grupės, su kito likučio pagrindine amininė grupe. Izopeptidinė jungtis taip pat yra amidinė jungtis, tačiau jos susidaryme dalyvauja bent viena funkcinė grupė, esanti už tipinės grandinės struktūros ribų, pavyzdžiui, atitinkama grupė aminorūgšties šoninėje grandinėje. Taigi abu jungčių tipai grindžiami panašia amidine chemija, tačiau užima skirtingas vietas molekulinėje struktūroje. Šis skirtumas yra svarbus, nes vien amidinės jungties aptikimas nėra pakankamas, kad būtų galima teigti, jog ji priklauso įprastam peptidiniam skeletui.

19. Kodėl peptidiniai ryšiai yra svarbūs baltymų struktūrai?

Peptidiniai ryšiai išlaiko tvarkingą aminorūgščių likučių kovalentinę seką ir kartu nustato geometrinius apribojimus molekulės skeletui. Dėl šių jungčių dalinio dvigubo ryšio pobūdžio ribojamas sukimasis aplink C–N amidinę jungtį ir skatinama beveik plokščia peptidinės grupės geometrija. Tuo pačiu metu karbonilo ir N–H grupės molekulės skeletėje gali dalyvauti vandenilinių ryšių modeliuose, kurie yra svarbūs aukštesnės eilės struktūroms. Taigi peptidiniai ryšiai ne tik jungia aminorūgštis – jų elektroninės ir geometrinės savybės padeda nustatyti visos grandinės struktūrines galimybes. [1] [2]

20. Ar fermentai gali skaidyti peptidinius ryšius?

Taip. Proteazės ir peptidazės gali katalizuoti peptidinių ryšių hidrolizę, tačiau jos nebūtinai turi be išimčių skaidyti visus ryšius. Atskiri fermentai atpažįsta tam tikras sekas, struktūrines aplinkas arba pozicijas peptidiniuose grandinėse. Penicilopepsino struktūriniai tyrimai leido išanalizuoti, kaip aspartilinė proteinazė hidrolizės metu organizuoja substratą ir vandenį, o Davidsonas ir Huttonas įrodė selektyvų su proinsulinu susijusių substratų apdorojimą. Šie pavyzdžiai rodo, kaip biologinės sistemos gali kontroliuojamai skaidyti tam tikrus peptidinius ryšius apdorodamos ir skaidydamos molekules. [4] [10]

Peptidinių ryšių tyrimų interpretavimo apribojimai

Pereinant nuo pagrindinių peptidinių ryšių chemijos žinių prie išvadų apie tikrus peptidus ir baltymus, reikia nepamiršti kelių apribojimų.

Pirma, vadovėliuose pateikiama idealizuota peptidų grupė yra tipinio struktūrinio modelio pavyzdžiu. Tikrosios molekulinės struktūros gali turėti išmatuojamų nukrypimų nuo idealios plokštumos ir geometrijos. [2]

Antra, peptidinio ryšio stabilumas priklauso nuo konteksto. Eksperimentų, atliktų esant padidintai temperatūrai, neįprastam pH, labai mažai koncentracijai arba esant tam tikriems katalizatoriams, rezultatų nereikėtų automatiškai taikyti prognozuojant molekulės elgseną visiškai kitokiomis sąlygomis. [11] [12]

Trečia, skirtingi fermentai naudoja skirtingus katalizinio veikimo mechanizmus. Įrodymai, apibūdinantys hidrolizę, kurią vykdo viena aspartilinė proteazė, nereiškia, kad visos proteazės skaido peptidinius ryšius lygiai tokiu pačiu būdu. [4]

Ketvirta, peptidinės jungtys gali susidaryti įvairiais mechanizmais. Ribosominė transliacija, neribosominė biosintezė ir laboratorinė cheminė sintezė gali lemti amidinių jungčių susidarymą, nors jose naudojami skirtingi substratai ir molekuliniai mechanizmai. [3] [7]

Penkta, baltymų struktūros pokyčių nereikėtų automatiškai aiškinti kaip peptidinių ryšių skilimo. Denatūracija, konformaciniai pokyčiai, cis–trans perėjimai, vandenilinių ryšių sutrikimai, disulfidinių tiltelių redukcija ir peptidinių ryšių hidrolizė apibūdina įvairius molekulinius reiškinius.

Šie skirtumai yra svarbūs, nes terminas peptidinė jungtis apibūdina konkretų kovalentinės jungties tipą. Norint suprasti, kas iš tiesų vyksta su peptidu ar baltymu, reikia nustatyti, kuri cheminė jungtis ar molekulinė sąveika pasikeitė.

Santrauka

Peptidiniai ryšiai yra kovalentiniai amidiniai ryšiai, jungiantys aminorūgščių likučius į peptidines ir baltymų grandines. Nors jie dažnai vaizduojami tiesiog kaip C–N ryšiai pasikartojančiame skeleto fragmente –C(=O)–NH–, jų cheminė struktūra yra sudėtingesnė nei paprastos, laisvai besisukančios viengubos jungties.

Elektronų delokalizacija amidinės grupės viduje suteikia C–N jungčiai dalinio dvigubo ryšio pobūdį, ribodama jos sukimąsi ir skatindama beveik plokščią peptidinės grupės geometriją. Tuo pačiu metu galimybė suktis aplink gretimus skeleto ryšius leidžia peptidų grandinėms įgauti labai įvairias trimatės struktūras. [1] [2]

Peptidiniai ryšiai pasitaiko tipinių peptidų ir baltymų struktūroje, tačiau juos reikia atskirti nuo vandenilinių ryšių, disulfidinių tiltelių, joninių sąveikų, hidrofobinio efekto ir specializuotų šoninių grandinių jungčių, pavyzdžiui, izopeptidinių ryšių.

Jie gali susidaryti dėl įvairių procesų. Ribosomos formuoja peptidinius ryšius transliacijos metu, naudodamos aktyvuotus substratus, susijusius su tRNA, neribosominiai kompleksai naudoja specializuotą fermentinį mechanizmą, o laboratorinė sintezė grindžiama kontroliuojamomis cheminio sujungimo reakcijomis. [3] [7]

Ne mažiau svarbus yra jų skilimas. Hidrolizė gali suskaidyti peptidinę grandinę į trumpesnius fragmentus, o proteazės ir peptidazės leidžia organizmams selektyviai vykdyti šį procesą. Proteinazių, proinsulino apdorojimo, interleukino 11 ir vazoktyvaus žarnyno peptido skilimo tyrimai rodo, kad skilimas priklauso nuo molekulinio konteksto ir eksperimentinių sąlygų. [4] [10] [11] [12]

Taigi svarbiausias principas yra paprastas:

Peptidinės jungtys užtikrina kovalentinį aminorūgščių grandinių tęstinumą, o jų elektroninė struktūra, kontroliuojamas susidarymas ir selektyvus skilimas sujungia pagrindinę chemiją su peptidų ir baltymų biologija.

Atsakomybės apribojimas

Šis straipsnis yra skirtas tik švietimo ir mokslinio informavimo tikslams. Jame aiškinama peptidinių ryšių chemija, jų molekulinė struktūra, susidarymas, hidrolizė bei pateikiami pavyzdžiai iš paskelbtų tyrimų. Tai nėra medicininė konsultacija, gydymo nurodymai, laboratorinės instrukcijos, produkto rekomendacijos ar patarimai dėl bet kokio peptido ar baltymo naudojimo. Skaičiavimų, struktūrinių, biocheminių tyrimų, tyrimų su gyvūnais ir kitų eksperimentų rezultatai turėtų būti interpretuojami atsižvelgiant į konkrečių tyrimų sąlygas ir apribojimus.

Nuorodos

1. Fedorov, D. G. (2024). Peptidinė jungtis: rezonansas padidina jungties tvarką ir apsunkina fragmentaciją. „ChemPhysChem“, 25(14), straipsnis e202400170. https://doi.org/10.1002/cphc.202400170
2. Improta, R., Vitagliano, L., ir Esposito, L. (2011). Peptidinių ryšių deformacijos, atsirandančios dėl plokštumybės: naujos įžvalgos, gautos remiantis kvantinės mechanikos skaičiavimais ir peptidų bei baltymų kristalinėmis struktūromis. PLOS ONE, 6(9), straipsnis e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
3. Weinger, J. S., Parnell, K. M., Dorner, S., Green, R. ir Strobel, S. A. (2004). Ribosomos atliekama peptidinių ryšių susidarymo katalizė, kurią palengvina substratas. „Nature Structural & Molecular Biology“, 11(11), 1101–1106. https://doi.org/10.1038/nsmb841
4. James, M. N., ir Sielecki, A. R. (1985). Aspartinės proteinazės penicilopepsino katalizuojamos peptidinių ryšių hidrolizės stereocheminė analizė. Biochemija, 24(14), 3701–3713. https://doi.org/10.1021/bi00335a045
5. Ferrer, M., Woodward, C. ir Barany, G. (1992). Galvijų kasos tripsino inhibitorių (BPTI) ir dviejų jo analogų sintezė kietosios fazės metodu. Cheminis metodas, skirtas disulfidinių tiltelių vaidmeniui baltymų susilankstymo ir stabilumo procesuose įvertinti. „International Journal of Peptide and Protein Research“, 40(3–4), 194–207. „PubMed“ įrašas
6. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). Gimdos susitraukimą skatinančio polipeptido „Kalata B1“ pirminės ir trimatės struktūros išaiškinimas. Biochemija, 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
7. Stachelhaus, T., Mootz, H. D., Bergendahl, V., ir Marahiel, M. A. (1998). Peptidinių ryšių susidarymas neribosominėje peptidų biosintezėje. Kondensacijos domeno katalizinis vaidmuo. „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. ir Lovas, S. (2010). Beta-šakutės formą sudarančio minibaltymo CLN025 spektroskopinės savybės įvairiuose tirpikliuose. „Biopolymers“, 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
9. Sarkar, S. K., Young, P. E., Sullivan, C. E. ir Torchia, D. A. (1984). Cis ir trans X-Pro peptidinių ryšių nustatymas baltymuose naudojant 13C NMR: taikymas kolagenui. Jungtinių Amerikos Valstijų Nacionalinės mokslų akademijos leidinys, 81(15), 4800–4803. https://doi.org/10.1073/pnas.81.15.4800
10. Davidson, H. W., ir Hutton, J. C. (1987). Insulino sekrecijos granulių karboksipeptidazė H. Jos gryninimas ir dalyvavimo proinsulino apdorojime įrodymas. „Biochemical Journal“, 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
11. Kenley, R. A., ir Warne, N. W. (1994). Rūgšties katalizuojama rekombinantinio žmogaus interleukino 11 peptidinių ryšių hidrolizė. „Pharmaceutical Research“, 11(1), 72–76. https://doi.org/10.1023/a:1018945727640
12. Mody, R., Tramontano, A. ir Paul, S. (1994). Vazoaktyviojo žarnyno peptido savaiminė hidrolizė neutraliame vandeniniame tirpale. „International Journal of Peptide and Protein Research“, 44(5), 441–447. https://doi.org/10.1111/j.1399-3011.1994.tb00180.x