Peptīdu saites: definīcija, sastopamība un bioloģiskā nozīme

Peptīdu saite ir kovalenta amīda saite, kas savieno aminoskābju atlikumus peptīdos un olbaltumvielās. Šīs saites veido nepārtrauktu peptīdu ķēžu molekulāro karkasu, saglabājot noteiktu aminoskābju secību, vienlaikus ļaujot visai ķēdei pieņemt dažādas trīsdimensiju struktūras.

Peptīdu saites ir viens no pamatelementiem uzbūvē peptīdu. To ķīmijas izpratne palīdz izskaidrot, kā atsevišķi aminoskābes var veidot lielākas molekulas ar stingri noteiktu secību un struktūru.

Lai gan pamata definīcija ir salīdzinoši vienkārša, peptīdu saites ķīmijai ir vairākas būtiskas iezīmes. Elektroni amīda grupas ietvaros ir izvietoti tā, ka oglekļa un slāpekļa saite daļēji līdzinās dubultsaitei. Tas ierobežo brīvas rotācijas iespēju ap peptīdu saiti, taču nepadara visu peptīdu vai olbaltumvielu par rigidu molekulu. Citas saites karkasā saglabā lielāku rotācijas brīvību, pateicoties kam peptīdu ķēdes var locīties un veidot krokas.

Peptīdu saites var analizēt no vairākām dažādām zinātniskajām perspektīvām. Kimiķi pēta to elektronisko struktūru un ģeometriju. Molekulārbiologi analizē to veidošanās veidu ribosomās un citās bioloģiskajās sistēmās. Strukturbiologi pārbauda, ​​kā šo saišu ģeometrija ietekmē olbaltumvielu arhitektūru. Savukārt bioķīmiķi pēta, kā enzīmi selektīvi sarauj peptīdu saites olbaltumvielu apstrādes un noārdīšanas laikā.

Šie nošķīrumi palīdz saprast, kā olbaltumvielas var vienlaikus saglabāt noteiktu aminoskābju secību, iegūt sarežģītas struktūras, veidoties kontrolētos bioloģiskajos procesos un pēc tam tikt pakļautas apstrādei vai noārdīšanai. Elektroniskās struktūras, peptīdu ģeometrijas, ribosomālās katalīzes, olbaltumvielu sintēzes un enzīmu hidrolīzes pētījumi sniedz papildinošu informāciju par šiem procesiem. [1] [2] [3]

Peptīda saite ir kovalenta saite, kas veidojas starp vienas aminoskābes karboksilgrupu un citas aminoskābes aminogrupu.

Peptīda saites ķīmiskā definīcija

Peptīda saite ir amīda saiti starp grupu, kas cēlusies no vienas aminoskābes karboksilgrupas, un grupu, kas cēlusies no otras aminoskābes aminogrupas. Tipiskā olbaltumvielu karkasā savienojas karbonilgrupas oglekļa atoms un nākamās aminoskābes atlikuma slāpekļa atoms.

Visbiežāk attēlotais fragments ir šādā formā:

–C(=O)–NH–

C=O fragments ir karbonilgrupa, Savukārt C–N saite ir saite, ko mēs parasti domājam, runājot konkrēti par peptīdsaiti. Kopā šie atomai un to tiešā apkārtne veido tā saukto peptīdu grupu vai amīda grupa.

Šī atšķirība ir svarīga, jo peptīdgrupas pilnā strukturālā formula satur vairākas dažādas saites. Oglekļa un skābekļa saite nav savienojums, kas saista kopā divas aminoskābju atlikumus. Šo funkciju pilda amīda oglekļa un slāpekļa saite.

Kad viena aminoskābe tiek savienota ar citu, karbonilgrupas oglekļa atoms, kas saistīts ar vienu atlikumu, ar kovalentu saiti savienojas ar slāpekļa atomu, kas saistīts ar nākamo atlikumu. Šīs shēmas atkārtošanās nodrošina tipiskas peptīdu ķēdes karkasa veidošanos.

Elektronu struktūras pētījumos, cita starpā, tiek analizēta brīvā slāpekļa elektronu pāra mijiedarbība ar blakus esošo karbonila sistēmu, kas ļauj izskaidrot, kāpēc šī saite atšķiras no parastās, brīvi rotējošās oglekļa–slāpekļa vienkāršās saites. [1]

Kāpēc peptīdsaite ir kovalentā saite?

Peptīda saite ir kovalents, jo savienotie atomi dalās ar elektroniem.

Tas nav jonu mijiedarbība starp divām atsevišķām, uzlādētām aminoskābēm, kā arī nav ūdeņraža saite, kas notur kopā dažādas izliektās ķēdes daļas.

Tieši kovalentā saite nodrošina aminoskābju secības ķīmisko nepārtrauktību. Atlikušās daļas paliek vienas un tās pašas ķēdes sastāvdaļas, kamēr ķīmiskā reakcija nemaina to savienojuma veidu.

Šī atšķirība kļūst īpaši nozīmīga, apspriežot proteīnu salocīšanos un iztaisnošanos. Peptīda ķēde var saliekties, mainīt konformāciju, zaudēt daļu no savas struktūras stabilizējošajām mijiedarbībām un pat ievērojami iztaisnoties, nepārraujot peptīda saites, kas uztur tās sākotnējo sekvenci.

Kovalentais tomēr nenozīmē neiznīcināms.

Enzīmi un atbilstoši ķīmiskie apstākļi var izraisīt peptīdsaišu sašķelšanos. Tomēr šāda sašķelšanās ir ķīmiska reakcija, kas maina atomu savienošanās veidu, nevis tikai molekulas formas izmaiņām.

Vienas no aspartilproteīnāžu strukturālās izpētes rezultāti liecina, kā šis ferments spēj atbilstoši organizēt substrātu, kas satur peptīda saiti un ūdens molekulu, tādā veidā, kas ir būtisks hidrolīzes procesam. [4]

Dubultās saites daļējais raksturs un rezonanse

Peptīda C–N saite formulās bieži tiek attēlota kā viena līnija, taču faktiskais elektronu sadalījums ir daudz sarežģītāks.

Slāpekļa atoma brīvais elektronu pāris var iesaistīties blakus esošajā karbonilgrupas elektronu sistēmā. Elektronu delokalizācija izraisa to, ka C–N saite iegūst daļējs dubultās saites raksturs.

Šo parādību bieži izskaidro, izmantojot rezonanses struktūras.

Rezonansstruktūras ir alternatīvi veidi, kā attēlot elektronu sadalījumu vienā un tajā pašā molekulā. Tās nedrīkst interpretēt kā atsevišķas molekulas formas, kas ātri pārveidojas viena par otru.

Līdzīgi, dubultsaiknes daļējais raksturs nenozīmē, ka peptīdsaite noteiktu laika procentuālo daļu ir parasta vienkāršā saite un atlikušo laiku – parasta dubultsaite.

Faktiskā elektronu struktūra izriet no elektronu delokalizācijas visas amīdu grupas robežās.

Skaitļošanas pētījumā Fedorovs analizēja rezonanses lomu peptīda saites kārtas noteikšanā. Konkrētie skaitliskie rādītāji ir atkarīgi no izmantotās elektronu struktūras analīzes metodes. Tomēr vispārīgai izpratnei vissvarīgākais ir secinājums, ka mijiedarbība starp slāpekļa elektronu sistēmu un karbonilgrupu ir atbildīga par daļu no C–N saites neparastajām īpašībām. [1]

Kāpēc rotācija ap peptīdsaiti ir ierobežota?

Dubultās saites daļējais raksturs rada svarīgu strukturālu sekas: rotācija ap amīda saiti C–N ir ierobežotāka nekā rotācija ap tipisku vienkāršo oglekļa–slāpekļa saiti.

Tas tomēr nenozīmē, ka olbaltumvielas nevar saliekties vai izveidot krokas.

Peptīda skelets satur arī citas saites, ap kurām ir iespējama rotācija. Tādējādi proteīna ķēde sastāv no atkārtojošām, salīdzinoši stingrām peptīdu grupām, kas savienotas ar citām skeleta saitēm, kurām piemīt lielāka konformācijas elastība.

Šo ierobežojumu un rotācijas iespēju apvienojums veicina milzīgo trīsdimensiju struktūru daudzveidību, ko var pieņemt peptīdi un olbaltumvielas.

Aptuvena līdzenība nenozīmē ideāli līdzenu struktūru

Elektronu delokalizācija veicina peptīda grupas plakanās ģeometrijas tuvinājumā un ierobežo rotāciju ap amīda C–N saiti.

Tomēr faktiskās molekulārās struktūras var nedaudz atšķirties no ideālās matemātiskās plaknes.

Improta un līdzstrādnieki apvienoja kvantmehāniskos aprēķinus ar peptīdu un olbaltumvielu kristālisko struktūru analīzi. Rezultāti uzrādīja nelielas, sistemātiskas novirzes, kas ir atkarīgas no skeleta lokālās ģeometrijas. [2]

Tāpēc ir pareizi apgalvot, ka peptīdu grupas ir aptuveni plakans, Tomēr apgalvojums, ka katra peptīdsaite katrā peptīdā vai olbaltumvielā ir ideāli plakana, būtu pārāk liels vienkāršojums.

Šis ir labs piemērs atšķirībai starp noderīgu izglītojošu modeli un detalizētāku reālo molekulāro struktūru uzvedību.

Kur veidojas peptīdsaites?

Peptīdu un olbaltumvielu karkasā

Peptīdu saites pastāv starp blakus esošajām aminoskābju atlikumiem tipiskās peptīdu un olbaltumvielu ķēdēs.

Kopā ar apkārtējiem atomiem tie veido atkārtojošos molekulas karkass. Aminoskābju sānķēdes izvirzās ārpus šīs mugurkaula struktūras un piešķir atsevišķajām atlikumu grupām papildu ķīmiskās īpašības.

Olbaltumviela var sastāviet no vienas peptīdu ķēdes vai no vairākām ķēdēm, kas savienotas lielākā molekulārā kompleksā. Katrai no tām ir savi mugurkaula savienojumi.

Dažādas ķēdes var savienoties, izmantojot nekovalentas mijiedarbības vai papildu kovalentas saites. Šādus savienojumus nevajadzētu automātiski pielīdzināt peptīdsaitēm.

Liellopu aizkuņģa dziedzera tripsīna inhibitora jeb BPTI ķīmiskā sintēze labi parāda atšķirību starp peptīdu mugurkaula veidošanos un papildu disulfīda tiltiņu rašanos. Pētnieki vispirms ieguva lineāru materiālu un pēc tam veica tā oksidēšanu un raksturošanu. Pētījums tādējādi nošķir ķēdes uzbūvi no vēlākās strukturālās organizācijas. [5]

Peptīdu saites nosaka primārās sekvences nepārtrauktību

aminoskābju secība primārā struktūra.

Peptīdu saites nodrošina pamata kovalento nepārtrauktību, kas uztur šo secību.

Piemēram, secība:

Ala–Gly–Ser

satur tos pašus trīs aminoskābju veidus kā:

Ser–Gly–Ala

Tomēr tās nav tās pašas peptīdu secības.

Atsevišķo atlikumu novietojums attiecībā pret peptīdsaitēm ir atšķirīgs.

Tāpēc pati aminoskābju klātbūtnes liste paraugā nav pietiekama peptīda identificēšanai. Ir nepieciešams zināt arī to secību un savienošanās veidu.

Lineārajos un cikliskajos peptīdos

Tipiskai atvērtai peptīdu ķēdei ir divi gali, ko dēvē par N-beigas i C-beigas.

N-gals atbilst vienam peptīda mugurkaula galam, bet C-gals — otram. Peptīdu secības pēc noklusējuma pieraksta virzienā no N-gala uz C-galu.

Galvas un astes tipa cikliskais peptīds, proti, slēgts, savienojot ķēdes galus, satur papildu pamatsaistījumu, kas veido gredzenu.

Tomēr ne visi cikliskie peptīdi aizveras vienādi. Gredzens var veidoties arī, piedaloties sānķēdei, un dažas molekulas satur vairāk nekā viena veida šķērssaiti.

Apzīmējums ciklisks tātad apraksta molekulas uzbūves īpašību, nevis vienu universālu tās savienošanās veidu.

Kalata B1 ir konkrēts peptīda piemērs, kura cikliskais karkass tika apstiprināts, cita starpā, izmantojot fermentatīvās šķelšanas pētījumus, secības analīzi un molekulāro struktūru. Molekula satur arī disulfīda tiltiņus. Šīs papildu sēra-sēra saites ķīmiski atšķiras no amīda saitēm, kas savieno atlikumus peptīda karkasā. [6]

Peptīdsaites un izopeptīdsaites

Tipiskā olbaltumvielas karkasā peptīdsaites savieno galvenās amīngrupas un grupas, kas atvasinātas no karboksilgrupām.

Amīda saite, kuras veidošanā piedalās aminoskābes sānķēdes funkcionālā grupa, bieži tiek dēvēts par izopeptīds saite.

Tāpēc vissvarīgākais noteikums ir noskaidrot, kuras atomi patiesībā ir savienoti cits ar citu.

Pati amīdsaites klātbūtne automātiski nenozīmē, ka tā atrodas tipiskā peptīda karkasā. Tajā pašā laikā ne katra šķērss saite peptīdā vai olbaltumvielā ir amīdsaite — disulfīda tiltiņiem un citām kovalenta modifikācijām ir atšķirīga ķīmija.

Iesācējiem visnoderīgākais sākumpunkts ir parastās peptīdsaites, kas atrodas mugurkaulā. Specializētākus savienojumus pēc tam var uzskatīt par molekulārās organizācijas variantiem.

Cik peptīdo saišu atrodas ķēdē?

Vienkārša, atvērta, nezariota ķēde, kas satur n aminoskābju atlikumiem ir n − 1 peptīdsaite to pamatskatienā.

Tas nozīmē, ka:

• dipeptīdam ir 2 atlikumi un 1 peptīdsaite;
• tripeptīdam ir 3 atlikumi un 2 peptīdsaites;
• tetrapeptīdam ir 4 atlikumi un 3 peptīdsaites;
• Pentapeptīdam ir 5 atlikumi un 4 peptīdsaites;
• Atvērtai ķēdei, kas satur 10 atlikumus, ir 9 peptīdsaites.

Šī saistība izriet tieši dinamiski no molekulas savienošanas veida: katrs nākamais atlikums pagarina esošo ķēdi par vienu papildu mugurkaula saiti.

Atbilstošais viņam cikliska galva-aste tipa ķēde satur n peptīdu saites karkasā, jo papildu saite noslēdz gredzenu.

Tomēr šie pieņēmumi ir būtiski. Atzarojumi, netipiski sānu ķēžu savienojumi, vairāku ķēžu klātbūtne, izopeptīdsaites vai citi elementi, kas nav amīdu karkasa elementi, prasa detalizētāku analīzi.

Pati atlikumu skaits ne vienmēr ir pietiekams, lai noteiktu visas kovalētās saites, kas pastāv saliktā peptīdā vai olbaltumvielā.

Kā peptīdsaites savieno aminoskābes?

No brīvajām aminoskābēm līdz aminoskābju atlikumiem

Brīva aminoskābe un tai atbilstošais atlikums, kas atrodas peptīdā, ir savstarpēji saistīti, bet tie precīzi neapraksta to pašu ķīmisko stāvokli.

Kad aminoskābe tiek iekļauta peptīdā, tās funkcionālās grupas piedalās saitēs, kas veido ķēdi.

Piemēram, glicīna un alanīna savienojums noteiktā secībā rada glicilalanīni. Secības maiņa rada alanilglicīns.

Aminoskābju veidi ir vienādi, bet to novietojums un ķīmiskā vide atšķiras.

Tas parāda, kāpēc peptīda secība satur vairāk informācijas nekā vienkāršs tā sastāvdaļu saraksts.

Saišu veidošanos var pētīt tieši. Stahelhauss (Stachelhaus) un līdzstrādnieki analizēja neribosomālās peptīdu sintēzes sistēmas elementus un parādīja, ka atlikuma maiņa, kas atrodas ierosinātajā katalītiskajā vietā, padarīja neiespējamu pētīto kondensācijas reakciju. Eksperiments tātad saista noteikta peptīda produkta veidošanos ar konkrētas molekulārās aparatūras darbību. [7]

Kondensācijas vienādojums ir reakcijas bilances modelis

Pamatskolas ķīmijā peptīda veidošanos bieži attēlo ar vienādojumu:

aminoskābe + aminoskābe → dipeptīds + ūdens

Vienādojums parāda sastāva atšķirību starp brīvajām izejvielu molekulām un savienoto produktu.

Tas ir noderīgi, lai izprastu ķīmisko saistību starp izejvielām un produktu.

Tomēr to nevajadzētu interpretēt kā pilnīgu olbaltumvielu sintēzes mehānismu dzīvā šūnā.

Brīvās aminoskābes ūdenī vienkārši nostājas blakus, spontāni neatbrīvo ūdens molekūlas un pašas no sevis neveido noteiktu olbaltumvielas sekvenci.

Bioloģiskajai sintēzei ir nepieciešami aktivēti substrāti, sakārtota molekulārā aparatūra, secību nosakoša informācija un enerģiju prasoši sagatavošanās procesi.

Tāpēc ir svarīgi nošķirt kopējā ķīmiskajā vienādojumā a reakcijas mehānismam.

Vienādojums apraksta sākotnējo un galīgo sastāvu. Mehānisms izskaidro faktiskos molekulāros posmus un starpproduktus, kas ved uz reakciju.

Eksperimenti ar ribosomām pēta tieši šādas mehāniskas detaļas, nevis vienkārši atveido zināmo kondensācijas vienādojumu. [3]

Kā ribosoma veido peptīdsaites?

Transkripcijas laikā transporta RNS, jeb tRNK, pārnes aminoskābes un augošo peptīda ķēdi ribosomas ietvaros.

Jaunpiegādātā aminoskābes aminogrupa reaģē ar tRNA saistīto esošās ķēdes aktivēto galu, kā rezultātā augošais peptīds tiek pārnests uz aminoskābes atlikumu, kas saistīts ar jauno tRNA.

Peptīdu ķēde parasti tiek pagarināta no C gala.

Aminoskābju aktivācija un to piesaistīšana pie tRNA ir enerģijas atkarīgi procesi. Tāpēc jebkura ribosomālā peptīdsaites apraksts, kas norāda, ka tā veidojas tieši starp divām brīvām aminoskābēm vai ka tā ir vienkārša „ūdens atdalīšana”, ko veic ribosoma, būtu pārāk liels vienkāršojums.

Veingers un viņa līdzstrādnieki modificēja ķīmisko grupu tRNA substrātā un novēroja ievērojamu peptīdu saišu veidošanās samazināšanos bez tam atbilstošas substrāta saistīšanās samazināšanās. Šis rezultāts sniedza pierādījumus tam substrāta veicināta katalīze, kurās pašu substrātu ḳīmiskās īpašības piedalās reakcijas norisē. [3]

Eksperiments tātad norāda uz tRNS ķīmijas mehanistisko lomu, nevis tikai uz tās kā pasīva nesēja funkciju.

Peptīdissaišu veidošanai ir noteikts virziens

Olbaltumvielu sintēze ir virziena process.

Tā kā augošā ķēde tiek pagarināta no C-gala, secība attīstās noteiktā orientācijā.

Tas ir saistīts ar vispārējo konvenciju pierakstīt peptīdu un olbaltumvielu secības no No N-gala līdz C-galam.

Tomēr virziens nav tikai pieraksta konvencija. Secības inversija parasti noved pie citas molekulas izveides, jo katrs atlikums tad ieņem citu pozīciju attiecībā pret pārējiem ķēdes elementiem.

Citi veidi līdzīga veida savienojumu veidošanai

Peptīdu saites var veidoties arī ārpus ribosomas.

Specializētie neribosomālās enzīmu sistēmas sintetizē dažus peptīdus, savukārt laboratoriskajā peptīdu sintēzē izmanto aktivētas sastāvdaļas un kontrolētas sajūgšanas reakcijas.

Šie ceļi atšķiras ar organizāciju, substrātiem, reakcijas apstākļiem un katalītiskajiem mehānismiem.

Tos nevajadzētu uzskatīt par identiskiem procesiem tikai tāpēc, ka gala produkti satur amīdu saites.

Pētījumi par niirbosomālo saišu veidošanu un BPTI ķīmisko sintēzi ir šādu atšķirīgu ražošanas veidu piemēri. [7] [5]

Arī ražošanas metode pati par sevi nenosaka, vai konkrētā molekula ir peptīds vai olbaltumviela. Ķīmiskā sintēze var nodrošināt materiālu, kas atbilst dabīgi sastopamajam peptīdam vai olbaltumvielai, ja ir pareizi noteikta tā secība un citas būtiskas strukturālās pazīmes.

Peptīdu saites un citas saites olbaltumvielās

Skeleta saites un locīšanās atbildīgās mijiedarbības

Peptīdu saites notur kopā aminoskābju secību.

Savukārt citas mijiedarbības palīdzē noteikt veidu, kā šī secība iekārtojas trīsdimensiju telpā vai kā atsevišķas peptīžu ķēdes mijiedarbojas cita ar citu.

Ūdeņraža saites veidojas starp atbilstošiem ūdeņraža donoriem un akceptoriem. Peptīda karkasa robežās karbonilgrupu skābekļa atomi var darboties kā akceptori, un daudzas N–H amīdgrupas var būt donori.

Amīda azots parasti netiek uzskatīts par ūdeņraža saites akceptoru, jo tā brīvais elektronu pāris piedalās amīda grupas elektronu sistēmā.

Īpašu uzmanību prasa arī peptīdu grupas, kas satur prolīnu, jo slāpeklim to pamatskaldnē tad nav tipiskā N–H ūdeņraža.

Tāpēc grupa, kas satur peptīdsaiti, var piedalīties ūdeņraža saišu veidošanā, bet peptīda saite un ūdeņraža saite ir dažāda veida savienojumi.

Viens no tiem kovalenti saista aminoskābju atlikumus. Otrs piedalās mijiedarbībā molekulas iekšienē vai starp molekulām.

Īsā, krokainā peptīda CLN025 pētījumos tika analizēta struktūra, ko cita starpā stabilizē ūdeņraža saites un citas iekšējās mijiedarbības. Tas parāda, ka locīšanās var notikt bez jaunas skeleta secības veidošanās. [8]

Disulfīda saites savieno sānķēdes, kas satur sēru

Disulfīda saites ir kovalenti sēra-sēra savienojumi, kas visbiežāk veidojas starp cisteīna sānķēdēm.

Tās var savienot attālus tās pašas peptīdu ķēdes fragmentus vai dažādas ķēdes.

Tie nav peptīdsaites un nav sastopami visos olbaltumvielās.

Disulfīda saites izveidošanās vai pārtrūkšana var būtiski mainīt olbaltumvielas telpisko organizāciju, nepieciešamību pēc tās peptīdu karkasa pārgriešanas.

Pētījumā par BPTI sintēzi tika sagatavota dabiskā secība un analogi, kas izstrādāti, lai mainītu disulfīda tiltiņu veidošanās iespējas. Materiāls ar dabisko secību tika salīdzināts ar dabisko BPTI, izmantojot analītiskās un funkcionālās metodes. Publikācijas kopsavilkums neapstiprināja visas strukturālās sekas attiecībā uz analogiem, tāpēc ierosinātās atšķirības nebūtu jāpasniedz kā pilnībā noteikti rezultāti. [5]

Jonu un hidrofobās mijiedarbības

Lādētas grupas var piesaistīt vai atgrūst viena otru, ietekmējot molekulas telpisko organizāciju.

Savukārt nepolārie reģioni mijiedarbojas ar ūdens vidi tādā veidā, kas var veicināt to noslēgšanos struktūras iekšienē, asociāciju vai agregāciju. Šī parādība bieži tiek apspriesta kontekstā hidrofobā efekta.

Šīm mijiedarbībām var būt milzīga nozīme olbaltumvielu locīšanā, tomēr hidrofobā mijiedarbība nav jauna kovalenta saite starp aminoskābēm.

Tāpēc nav pareizi visas olbaltumvielas stabilizējošos spēkus dēvēt par peptīdsaitēm.

Atsevišķi mijiedarbības veidi var arī dažādi reaģēt uz temperatūru, šķīdinātāju, skābumu, jonu apstākļiem un citām vides izmaiņām. Noteikšana, kurš saites vai mijiedarbības veids mainās, ļauj precīzāk izprast eksperimenta rezultātu.

Denaturācija nav tas pats, kas hidrolīze

Denaturācija maina tipisko olbaltumvielas strukturālo organizāciju.

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]

Biežāk uzdotie jautājumi

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.

Kopsavilkums

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.

Atruna

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.

Atsauces

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. Biological Chemistry žurnāls, 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