Peptydy a białka a aminokwasy: najważniejsze różnice

Aminokwasy są podstawowymi jednostkami molekularnymi, z których powstają peptydy i białka. Peptydy to łańcuchy reszt aminokwasowych połączonych przede wszystkim wiązaniami peptydowymi, natomiast białka składają się z jednego lub kilku łańcuchów polipeptydowych, których sekwencja, struktura, wzajemne oddziaływania, przetwarzanie biologiczne i kontekst funkcjonalny wpływają na ich tożsamość. Wszystkie te grupy są ze sobą chemicznie powiązane, ale pojęć tych nie można stosować zamiennie.

Różnica między wolnym aminokwasem a peptydem jest stosunkowo łatwa do określenia: połączenie aminokwasów za pomocą wiązań peptydowych prowadzi do powstania nowej cząsteczki o określonej sekwencji i sposobie połączenia atomów. Granica między peptydem a białkiem jest znacznie mniej jednoznaczna.

Długość łańcucha jest przydatnym kryterium orientacyjnym. W materiałach edukacyjnych lub niektórych systemach klasyfikacji można spotkać się na przykład z umowną granicą około 50 reszt aminokwasowych. Literatura naukowa nie stosuje jednak jednego uniwersalnego limitu. Łańcuch składający się z dziesięciu reszt został opisany jako minibiałko, uporządkowaną strukturalnie cząsteczkę złożoną z 29 reszt określono jako polipeptyd, a niektóre białka mogą występować w stanie w znacznym stopniu nieuporządkowanym zamiast przyjmować jedną trwałą, zwartą strukturę. [1] [2] [3]

Przykłady te pokazują ważną zasadę: długość sekwencji dostarcza istotnych informacji, ale sama nie wystarcza do jednoznacznego sklasyfikowania każdego łańcucha aminokwasowego.

Aby lepiej rozróżnić peptydy, polipeptydy i białka, warto uwzględnić kilka cech jednocześnie:

• liczbę reszt aminokwasowych;
• ich sekwencję;
• to, czy cząsteczka jest liniowa, cykliczna, rozgałęziona czy wielołańcuchowa;
• sposób połączeń kowalencyjnych;
• strukturę potwierdzoną eksperymentalnie;
• modyfikacje potranslacyjne lub chemiczne;
• sposób biologicznego przetwarzania cząsteczki;
• terminologię przyjętą dla konkretnej cząsteczki w literaturze naukowej.

W tym artykule wyjaśniamy, jak aminokwasy, peptydy, polipeptydy i białka są ze sobą powiązane, jak długość łańcucha wpływa na stosowaną terminologię, w jaki sposób wiązania peptydowe tworzą łańcuchy oraz dlaczego znajomość sekwencji, architektury molekularnej i właściwości potwierdzonych eksperymentalnie jest bardziej informacyjna niż sama nazwa kategorii.

Czym różnią się aminokwasy, peptydy i białka?

Aminokwasy są pojedynczymi jednostkami budulcowymi

Typowy alfa-aminokwas zawiera centralny atom węgla połączony z grupą aminową, grupą karboksylową, atomem wodoru oraz zmiennym łańcuchem bocznym.

To właśnie łańcuch boczny odróżnia jeden aminokwas od drugiego.

W warunkach występujących w wielu środowiskach biologicznych grupy aminowe i karboksylowe często występują w formach naładowanych. Popularny, obojętny wzór strukturalny wykorzystywany w podstawowej chemii jest więc przydatnym sposobem przedstawienia aminokwasu, ale nie musi reprezentować jego dominującego stanu jonowego w każdych warunkach biologicznych.

Łańcuchy boczne poszczególnych aminokwasów różnią się między innymi:

• wielkością;
• ładunkiem elektrycznym;
• polarnością;
• hydrofobowością;
• zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych;
• właściwościami przestrzennymi;
• reaktywnością chemiczną.

Na przykład glicyna ma jako łańcuch boczny pojedynczy atom wodoru, dlatego jest strukturalnie mniejsza od pozostałych standardowych aminokwasów. Cysteina zawiera natomiast łańcuch boczny z atomem siarki, który może uczestniczyć w tworzeniu mostków disiarczkowych.

Inne aminokwasy mogą zawierać łańcuchy boczne aromatyczne, kwasowe, zasadowe, polarne lub przede wszystkim niepolarne.

Różnice te pomagają zrozumieć, dlaczego zastąpienie jednego aminokwasu innym może zmienić właściwości peptydu lub białka. Szkielet cząsteczki może nadal być połączony za pomocą tego samego rodzaju wiązań peptydowych, ale zmieniają się właściwości chemiczne wynikające z obecności konkretnych łańcuchów bocznych.

Aminokwas może również występować i uczestniczyć w metabolizmie niezależnie od peptydu czy białka.

Wolne aminokwasy są odrębnymi cząsteczkami.

Po włączeniu do łańcucha peptydowego lub białkowego poszczególne jednostki określa się dokładniej jako reszty aminokwasowe.

W codziennym języku stwierdzenie, że białko jest „łańcuchem aminokwasów”, jest zrozumiałe. Z punktu widzenia chemii strukturalnej bardziej precyzyjne jest jednak określenie „łańcuch reszt aminokwasowych”, ponieważ włączenie aminokwasu do łańcucha zmienia jego kontekst chemiczny.

Peptydy zawierają aminokwasy połączone wiązaniami peptydowymi

W typowym szkielecie peptydowym atom węgla grupy karbonylowej pochodzącej od grupy karboksylowej jednej reszty zostaje połączony z atomem azotu związanym z następną resztą.

To kowalencyjne wiązanie amidowe nazywane jest wiązaniem peptydowym.

Połączenie dwóch reszt prowadzi do powstania dipeptydu.

Trzy reszty tworzą tripeptyd.

Cztery tworzą tetrapeptyd, a dalsze wydłużanie łańcucha prowadzi do powstawania coraz dłuższych peptydów i polipeptydów opartych na tym samym ogólnym typie szkieletu chemicznego.

Powstająca cząsteczka jest czymś więcej niż tylko zbiorem swoich składników.

Mieszanina zawierająca oddzielne cząsteczki glicyny i alaniny różni się chemicznie od dipeptydu glicyloalaniny.

Połączona cząsteczka ma:

• określoną sekwencję;
• zdefiniowane połączenia kowalencyjne;
• określone grupy końcowe;
• własną masę cząsteczkową;
• możliwe konformacje;
• właściwości chemiczne inne niż właściwości oddzielnych aminokwasów.

Odwrócenie kolejności prowadzi do powstania alanyloglicyny.

Glicyloalanina i alanyloglicyna zawierają te same rodzaje aminokwasów, ale mają inną sekwencję.

Ten prosty przykład pokazuje jedną z podstawowych zasad chemii peptydów:

skład aminokwasowy nie jest tym samym co sekwencja aminokwasowa.

Wiązania peptydowe mają również charakterystyczne właściwości strukturalne. Ich układ elektronowy ogranicza obrót wokół wiązania węgiel–azot w szkielecie, podczas gdy sąsiednie wiązania odpowiadają za znaczną część elastyczności konformacyjnej łańcucha.

Badania eksperymentalne i obliczeniowe pokazują, że grupa peptydowa jest w przybliżeniu płaska, choć możliwe są niewielkie odchylenia od idealnej planarności. [4]

Białka zawierają jeden lub więcej łańcuchów polipeptydowych

Białko jest zazwyczaj rozumiane jako biologiczna makrocząsteczka zbudowana z jednego lub kilku łańcuchów polipeptydowych.

Łańcuchy te mogą tworzyć:

• zwarte struktury globularne;
• struktury wydłużone;
• struktury związane z błonami;
• regiony elastyczne;
• regiony wewnętrznie nieuporządkowane;
• kompleksy złożone z kilku łańcuchów;
• kombinacje różnych elementów strukturalnych.

Niektóre białka zawierają również przyłączone węglowodany, lipidy, jony metali, grupy prostetyczne, modyfikacje kowalencyjne lub inne związane z nimi składniki.

Określenie danej cząsteczki mianem białka zwykle przekazuje więc więcej informacji niż samo stwierdzenie obecności wiązań peptydowych.

Termin ten umieszcza cząsteczkę w szerszym kontekście strukturalnym i biologicznym.

Nie oznacza to jednak, że każda cząsteczka określana jako białko musi mieć:

• określoną minimalną długość;
• jedną trwale sztywną strukturę;
• tylko jeden łańcuch polipeptydowy;
• aktywność enzymatyczną;
• jeden określony rodzaj funkcji biologicznej.

Dobrym przykładem jest białko KISS1.

Badacze wykorzystali między innymi magnetyczny rezonans jądrowy i małokątowe rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, aby scharakteryzować KISS1 jako białko wewnętrznie nieuporządkowane i nieco bardziej rozciągnięte niż typowy statystyczny kłębek polimerowy. Jego klasyfikacja jako białka nie zależy więc od obecności jednej zwartej i trwałej struktury. [3]

Aminokwasy, peptydy i białka – porównanie

Tabela przedstawia konwencjonalne różnice i nie ustanawia jednej formalnej granicy obowiązującej wszystkie cząsteczki.

Przykłady krótkich uporządkowanych cząsteczek oraz białek wewnętrznie nieuporządkowanych pokazują, gdzie uproszczone definicje wymagają dodatkowego wyjaśnienia. [1] [2] [3]

Jaki polimer powstaje z aminokwasów?

Gdy wiele reszt aminokwasowych zostaje połączonych powtarzającym się szkieletem zawierającym wiązania peptydowe, powstaje polipeptyd.

Białko może zawierać jeden łańcuch polipeptydowy lub kilka łańcuchów połączonych w większą strukturę.

Pojęcia te podkreślają więc nieco inne cechy:

polipeptyd odnosi się przede wszystkim do chemicznej budowy łańcucha;

białko zwykle opisuje kompletną cząsteczkę biologiczną lub kompleks molekularny.

Rozróżnienie to jest przydatne podczas czytania publikacji naukowych.

W jednej pracy autorzy mogą opisywać syntezę polipeptydu przed określeniem jego struktury przestrzennej lub aktywności biologicznej. W innej mogą analizować białko złożone z kilku łańcuchów polipeptydowych.

W żadnym z tych przypadków nie oznacza to zmiany podstawowej chemii aminokwasów.

W badaniu porównującym ekspresję bakteryjną z syntezą peptydów na fazie stałej analizowano 20–40-resztowe „polipeptydy i minibiałka”. Zastosowana terminologia pokazuje, że określenia te mogą się częściowo pokrywać w zależności od długości, właściwości strukturalnych i kontekstu naukowego. [5]

Długość łańcucha a klasyfikacja

Co oznaczają dipeptyd, tripeptyd, oligopeptyd i polipeptyd?

Dipeptyd zawiera dwie reszty aminokwasowe.

Tripeptyd zawiera trzy.

Analogicznie tetrapeptyd i pentapeptyd zawierają odpowiednio cztery i pięć reszt.

Nazwy te pozwalają dokładnie określić liczbę reszt, jeśli odnoszą się do całego analizowanego łańcucha.

Oligopeptyd zazwyczaj oznacza stosunkowo krótki łańcuch.

Polipeptyd podkreśla obecność wielu reszt aminokwasowych w jednym łańcuchu i często, choć nie zawsze, jest stosowany w odniesieniu do dłuższych sekwencji.

Granice liczbowe pomiędzy określeniami takimi jak oligopeptyd, peptyd i polipeptyd różnią się w zależności od dyscypliny i publikacji.

Dlatego rzeczywista sekwencja lub podana przez autorów liczba reszt jest bardziej wiarygodna niż zakładanie, że wszyscy badacze stosują tę samą konwencję.

W typowym nierozgałęzionym, liniowym łańcuchu zawierającym n reszt występuje:

n − 1 wiązań peptydowych w szkielecie.

Tripeptyd zawiera więc trzy reszty, ale dwa wiązania peptydowe.

Otwarty łańcuch złożony z dziesięciu reszt ma dziewięć takich wiązań.

Zależność ta dotyczy pojedynczego otwartego łańcucha.

Peptyd cykliczny zamknięty poprzez połączenie N- i C-końca ma dodatkowe wiązanie zamykające szkielet, dlatego przy n resztach zawiera n wiązań peptydowych w szkielecie.

Połączenia występujące pomiędzy łańcuchami bocznymi należy analizować oddzielnie.

Czy 50 aminokwasów stanowi granicę między peptydem a białkiem?

Długość około 50 reszt aminokwasowych bywa wykorzystywana jako praktyczna konwencja edukacyjna pozwalająca odróżniać peptydy od białek.

Nie jest to jednak uniwersalne prawo chemiczne.

Przejście od 50 do 51 reszt nie powoduje żadnej nagłej przemiany chemicznej, która automatycznie zmieniałaby peptyd w białko.

Poszczególne dziedziny nauki stosują te pojęcia w nieco inny sposób, a niektóre cząsteczki zachowują historycznie przyjęte nazwy, które nie odpowiadają prostemu limitowi liczbowemu.

Dobrym przykładem jest CLN025.

CLN025 zawiera zaledwie dziesięć reszt, a mimo to badacze określili go jako minibiałko i analizowali jego strukturę beta-hairpin za pomocą spektroskopii i dynamiki molekularnej. Niewielka długość nie uniemożliwiła mu przyjęcia uporządkowanej konformacji w badanych warunkach. [1]

Nie oznacza to, że każdy peptyd złożony z dziesięciu reszt należy nazywać białkiem.

Pokazuje natomiast, dlaczego zbyt kategoryczne stwierdzenia, takie jak:

„Każde białko zawiera więcej niż 50 aminokwasów”

lub

„Każdy łańcuch krótszy niż 50 aminokwasów jest nieuporządkowanym peptydem”

są zbyt dużym uproszczeniem.

Dokładniejszym podejściem jest traktowanie liczby reszt jako jednej z kilku cech opisujących cząsteczkę.

Krótki peptyd może być również określany jako polipeptyd

Innym dobrym przykładem jest kalata B1.

W pierwotnym badaniu strukturalnym tę 29-resztową cząsteczkę roślinną opisano jako polipeptyd, potwierdzono jej cykliczny szkielet oraz zbadano strukturę trójwymiarową. [2]

Łączy ona więc:

• stosunkowo krótką sekwencję;
• cykliczną architekturę szkieletu;
• dodatkowe ograniczenia kowalencyjne;
• uporządkowaną strukturę przestrzenną.

Termin polipeptyd nie musi zatem oznaczać bardzo dużej cząsteczki.

W zależności od kontekstu może po prostu podkreślać, że analizowana cząsteczka jest łańcuchem reszt aminokwasowych.

Dlatego podczas interpretacji literatury naukowej warto sprawdzić rzeczywistą sekwencję, liczbę reszt, architekturę molekularną i wyniki eksperymentalne, zamiast przypisywać dodatkowe znaczenie wyłącznie zastosowanej nazwie.

Liczba reszt i masa cząsteczkowa to dwie różne miary

Liczba reszt określa, ile jednostek aminokwasowych znajduje się w cząsteczce.

Masa cząsteczkowa opisuje natomiast masę całej cząsteczki na poziomie molekularnym.

Wartości te są ze sobą powiązane, ale nie są równoważne.

Poszczególne reszty aminokwasowe mają różne masy. Dwa łańcuchy zawierające tę samą liczbę reszt mogą więc mieć różną masę cząsteczkową, jeśli różnią się sekwencją.

Modyfikacje chemiczne również mogą wpływać na masę.

Przyłączenie węglowodanu, lipidu, grupy fosforanowej, modyfikacji końcowej lub innego składnika może zwiększyć masę cząsteczki bez zwiększenia liczby aminokwasów w jej szkielecie.

Białko może ponadto składać się z kilku łańcuchów.

Łączna liczba reszt w całym białku może więc różnić się od długości każdego pojedynczego łańcucha.

Precyzyjny opis naukowy powinien określać, czy podawana wartość dotyczy:

• długości jednego łańcucha;
• całkowitej liczby reszt w kompleksie;
• masy cząsteczkowej pojedynczego łańcucha;
• masy całego kompleksu molekularnego.

Żaden z tych parametrów sam w sobie nie określa aktywności biologicznej ani jakości dowodów dotyczących deklarowanego działania cząsteczki.

Należy liczyć rzeczywistą formę molekularną, której dotyczy analiza

Prekursora i jego produktów przetwarzania nie należy automatycznie traktować jako tej samej sekwencji molekularnej.

Przykładowo proinsulina jest przetwarzana poprzez formy pośrednie do insuliny i peptydu C.

Przegląd analityczny dotyczący produktów konwersji proinsuliny pokazuje, dlaczego rozróżnianie tych form ma znaczenie podczas interpretowania wyników pomiarów. [6]

Badania enzymu obecnego w ziarnistościach wydzielających insulinę wykazały ponadto selektywne usuwanie zasadowych reszt z substratów pochodzących z proinsuliny bez dalszej degradacji dojrzałej insuliny w zastosowanym teście. [7]

Był to eksperyment dotyczący przetwarzania biochemicznego, a nie dowód na to, że wszystkie peptydy podlegają takiemu samemu schematowi rozszczepiania.

Jeśli publikacja podaje długość, masę, stężenie lub aktywność peptydu, warto więc ustalić, czy badana wartość dotyczy:

• prekursora;
• formy pośredniej;
• dojrzałego peptydu;
• fragmentu powstałego w wyniku rozszczepienia;
• jednego łańcucha cząsteczki wielołańcuchowej;
• kompletnego kompleksu molekularnego.

Bez takiego rozróżnienia dwa poprawne naukowo opisy mogą pozornie sobie przeczyć, choć w rzeczywistości odnoszą się do różnych form tej samej lub powiązanej cząsteczki.

Struktura, fałdowanie i funkcja biologiczna

Struktura pierwszorzędowa: wszystko zaczyna się od sekwencji

Struktura pierwszorzędowa oznacza sekwencję aminokwasową, a w bardziej kompletnym opisie chemicznym również istotne połączenia kowalencyjne.

Rodzaj i kolejność reszt określają, jakie łańcuchy boczne są dostępne i w których miejscach szkieletu się znajdują.

Sekwencji nie można więc utożsamiać ze składem.

Dwa łańcuchy mogą zawierać dokładnie te same rodzaje i liczby aminokwasów, a jednocześnie mieć je ułożone w innej kolejności.

Zmiana kolejności może wpływać między innymi na:

• rozmieszczenie ładunku;
• rozmieszczenie regionów hydrofobowych;
• lokalną elastyczność;
• możliwe układy wiązań wodorowych;
• tendencję do tworzenia określonych struktur drugorzędowych;
• rozpoznawanie przez inne cząsteczki;
• aktywność biologiczną.

Pełna sekwencja zawiera więc znacznie więcej informacji niż zwykła lista aminokwasów obecnych w cząsteczce.

Zmiany sekwencji mogą również wpływać na relację pomiędzy wiązaniem cząsteczki a odpowiedzią biologiczną.

W badaniu roślinnego peptydu sygnałowego systeminy wykazano, że różne regiony sekwencji w odmienny sposób uczestniczyły w wiązaniu receptora i jego aktywacji. Pełna cząsteczka i jej krótsze fragmenty nie były funkcjonalnie równoważne. [8]

Struktura drugorzędowa, trzeciorzędowa i czwartorzędowa

Struktura drugorzędowa opisuje powtarzające się lokalne ułożenia szkieletu, takie jak alfa-helisy i beta-kartki.

Ich powstawaniu sprzyjają między innymi uporządkowane układy wiązań wodorowych w szkielecie.

Nie powstają one jednak poprzez zastąpienie wiązań peptydowych odpowiedzialnych za strukturę pierwszorzędową.

Struktura trzeciorzędowa opisuje szerszą, trójwymiarową organizację pojedynczego łańcucha polipeptydowego.

Struktura czwartorzędowa odnosi się do sposobu organizacji kilku łańcuchów polipeptydowych w większym kompleksie molekularnym.

Białko zbudowane z jednego łańcucha nie musi więc posiadać struktury czwartorzędowej.

Podobnie krótki peptyd nie musi wykazywać wszystkich poziomów organizacji strukturalnej, aby posiadać określone właściwości biologiczne.

Do organizacji struktury molekularnej mogą przyczyniać się między innymi:

• wiązania wodorowe;
• oddziaływania elektrostatyczne;
• oddziaływania van der Waalsa;
• efekt hydrofobowy;
• oddziaływania aromatyczne;
• koordynacja jonów metali w niektórych cząsteczkach;
• kowalencyjne połączenia poprzeczne, takie jak mostki disiarczkowe.

Mostki disiarczkowe, jeśli występują, łączą atomy siarki pochodzące z reszt cysteiny.

Są chemicznie inne niż wiązania peptydowe tworzące szkielet łańcucha.

Badania syntetycznego bydlęcego trzustkowego inhibitora trypsyny (BPTI) dobrze pokazują różnicę pomiędzy zbudowaniem łańcucha a uzyskaniem jego prawidłowo pofałdowanej i aktywnej formy.

Badacze chemicznie zsyntetyzowali liniową sekwencję, a następnie przeprowadzili proces utleniania i fałdowania, uzyskując materiał odpowiadający naturalnemu białku w opisanych analizach strukturalnych i funkcjonalnych. [9]

Czy peptydy mogą mieć stabilną strukturę trójwymiarową?

Tak.

Krótki łańcuch nie musi automatycznie oznaczać cząsteczki pozbawionej uporządkowanej struktury.

CLN025 tworzył strukturę beta-hairpin w badanych środowiskach, natomiast cykliczna kalata B1 wykazywała uporządkowaną architekturę pomimo obecności zaledwie 29 reszt. [1] [2]

Są to jednak obserwacje dotyczące konkretnych cząsteczek.

Nie oznaczają, że każdy krótki peptyd tworzy równie stabilną strukturę.

To, czy konkretny peptyd przyjmuje uporządkowaną konformację, zależy między innymi od:

• sekwencji;
• oddziaływań pomiędzy resztami;
• ograniczeń wynikających z cykliczności;
• mostków disiarczkowych;
• rozpuszczalnika;
• temperatury;
• stężenia;
• obecności partnerów wiążących;
• modyfikacji chemicznych.

Szczególnie istotne może być środowisko.

W badaniu syntetycznego neuropeptydu Y, zawierającego 36 reszt, analizowano konformację w mieszaninie rozpuszczalników zawierającej głównie trifluoroetanol. Zaobserwowano region helikalny w pobliżu C-końca, podczas gdy część N-końcowa nie wykazywała porównywalnie regularnej struktury. [10]

Obserwacji dokonanej w takim środowisku nie należy przedstawiać jako dowodu, że peptyd przyjmuje dokładnie tę samą strukturę we wszystkich warunkach biologicznych.

Dlatego podczas interpretacji badań strukturalnych należy zwracać uwagę na warunki eksperymentalne.

Stwierdzenie:

„Peptyd tworzył helisę w badanych warunkach”

jest naukowo bardziej precyzyjne niż:

„Peptyd zawsze ma strukturę helikalną”.

Czy wszystkie białka mają jedną stałą strukturę?

Nie.

Wiele białek zawiera stabilnie pofałdowane domeny, ale inne posiadają rozległe regiony wewnętrznie nieuporządkowane, a niektóre mogą być w dużym stopniu nieuporządkowane.

Takie cząsteczki występują jako dynamiczne zespoły różnych konformacji, zamiast pozostawać przez cały czas w jednej sztywnej strukturze trójwymiarowej.

Badania KISS1 stanowią bezpośredni przykład takiej sytuacji.

Wyniki uzyskane za pomocą kilku metod eksperymentalnych potwierdzały jego wewnętrznie nieuporządkowany charakter. [3]

Pokazuje to ograniczenie uproszczonego modelu edukacyjnego, w którym każde białko przedstawiane jest jako zwarta i nieruchoma cząsteczka.

Nie oznacza to jednak, że białko wewnętrznie nieuporządkowane nie może wykazywać organizacji, swoistości oddziaływań czy znaczenia biologicznego.

Wewnętrzne nieuporządkowanie należy również odróżnić od denaturacji.

Może ono stanowić naturalną właściwość danej sekwencji w określonych warunkach.

Denaturacja oznacza natomiast zaburzenie istniejącej organizacji strukturalnej cząsteczki.

Żadne z tych zjawisk samo w sobie nie oznacza hydrolizy wiązań peptydowych ani rozpadu cząsteczki do wolnych aminokwasów.

Funkcja zależy od konkretnej cząsteczki

Aminokwasy, peptydy i białka uczestniczą w wielu nakładających się procesach biologicznych, ale przynależność do jednej z tych kategorii nie oznacza wspólnego działania.

Peptyd sygnałowy, wewnątrzkomórkowy tripeptyd, enzym i białko strukturalne mogą być zbudowane z reszt aminokwasowych, a jednocześnie pełnić zupełnie odmienne funkcje.

Przykładowo w badaniu fizjologicznym z udziałem ludzi analizowano GLP-1(7–36) jako inkretynę i mierzono odpowiedzi podczas infuzji u siedmiu ochotników. [11]

Badanie dotyczyło określonej cząsteczki sygnałowej i konkretnego protokołu eksperymentalnego.

Nie pozwala ono wnioskować, że inne peptydy wywołują takie same efekty dotyczące wydzielania insuliny.

Innym przykładem jest glutation.

Jest to tripeptyd uczestniczący w biologii komórkowych procesów redoks. W jednym z badań wykorzystano znakowaną izotopowo wodę do oszacowania syntezy glutationu u królików, pokazując, że nawet bardzo mały peptyd może być badany jako regulowana metabolicznie cząsteczka. [12]

Było to badanie dotyczące biosyntezy, a nie badanie suplementacji u ludzi.

Z naukowego punktu widzenia właściwe pytanie brzmi więc:

Co robi ta konkretna cząsteczka lub sekwencja, w jakich warunkach i na podstawie jakich dowodów?

Określenia „peptyd” i „białko” pomagają opisać tożsamość molekularną.

Nie określają uniwersalnej funkcji biologicznej.

Rozerwanie łańcucha może zmienić jego tożsamość i aktywność

Hydroliza prowadzi do rozszczepienia wiązań peptydowych.

Pojedyncze rozszczepienie może prowadzić do powstania krótszych łańcuchów peptydowych, natomiast odpowiednio rozległa hydroliza może ostatecznie uwolnić pojedyncze aminokwasy.

Jedno przecięcie długiego łańcucha zazwyczaj nie powoduje natychmiastowego uwolnienia wszystkich jego reszt.

Biologiczne przetwarzanie cząsteczek może wykorzystywać selektywne rozszczepianie między innymi do:

• aktywowania prekursorów;
• usuwania sekwencji sygnałowych;
• oddzielania regionów funkcjonalnych;
• tworzenia dojrzałych peptydów;
• kończenia aktywności;
• powstawania cząsteczek o odmiennych funkcjach biologicznych.

Badanie systeminy pokazuje, dlaczego nie należy zakładać, że fragment automatycznie zachowuje aktywność cząsteczki macierzystej.

Region N-końcowy uczestniczył w wiązaniu receptora, natomiast region C-końcowy był potrzebny do jego aktywacji. Badane fragmenty nie zachowywały się po prostu jak krótsze wersje pełnej cząsteczki sygnałowej. [8]

Trawienie jest kolejnym procesem, w którym zmienia się tożsamość molekularna.

W badaniu z udziałem ludzi wykryto we krwi określone peptydy pochodzące z kolagenu po spożyciu hydrolizatów żelatyny. [13]

Potwierdza to obecność konkretnych fragmentów w warunkach tego badania.

Nie oznacza jednak, że:

• każdy peptyd pochodzący z żywności jest wchłaniany w niezmienionej formie;
• każdy fragment peptydowy przeżywa proces trawienia;
• wszystkie hydrolizaty białkowe zachowują się identycznie;
• samo wykrycie fragmentu peptydowego potwierdza określoną korzyść zdrowotną.

Dlaczego granica między peptydem a białkiem nie jest jednoznaczna?

Różne terminy odpowiadają na różne pytania

Określenia peptyd, polipeptyd i białko częściowo się pokrywają, ponieważ często podkreślają inne właściwości cząsteczki.

Peptyd najczęściej sugeruje stosunkowo krótki łańcuch.

Polipeptyd podkreśla chemiczną naturę łańcucha aminokwasowego.

Białko zwykle odnosi się do określonej biologicznej cząsteczki, kompleksu molekularnego albo jednostki o ustalonym kontekście strukturalnym i funkcjonalnym.

Ponieważ pojęcia te odpowiadają na nieco inne pytania opisowe, ich znaczenia mogą się częściowo nakładać.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie różnice znikają.

Wolny aminokwas pozostaje chemicznie inną cząsteczką niż połączony łańcuch.

Dipeptyd złożony z dwóch reszt jest znacznie mniejszy i strukturalnie prostszy od dużego kompleksu białkowego złożonego z wielu łańcuchów.

Niepewność pojawia się przede wszystkim wtedy, gdy próbuje się ustanowić jedną uniwersalną granicę liczbową oddzielającą wszystkie peptydy od wszystkich białek.

Przykłady naukowe pokazujące ograniczenia prostych reguł

Przykłady te pochodzą z badań strukturalnych, syntetycznych i biochemicznych, a nie z publikacji ustanawiającej jeden oficjalny próg klasyfikacyjny.

Ich znaczenie polega przede wszystkim na pokazaniu ograniczeń zbyt uproszczonych definicji. [1] [2] [3] [7] [9]

Naturalne czy syntetyczne pochodzenie nie rozstrzyga klasyfikacji

Peptyd nie jest definiowany przez to, że został wytworzony w laboratorium.

Podobnie białko nie jest definiowane przez to, że zostało wyizolowane z żywego organizmu.

Komórki naturalnie syntetyzują peptydy i białka, natomiast naukowcy mogą otrzymywać wiele łańcuchów aminokwasowych poprzez:

• syntezę chemiczną;
• ekspresję rekombinowaną;
• syntezę bezkomórkową;
• inne kontrolowane systemy produkcji.

Badanie porównujące ekspresję bakteryjną z syntezą na fazie stałej dla sekwencji zawierających 20–40 reszt pokazało, że wybór metody produkcji zależy między innymi od konkretnej sekwencji i wymagań badawczych. [5]

Cząsteczka nie przechodzi do innej kategorii chemicznej tylko dlatego, że zmieniono sposób jej produkcji.

Podobnie badania syntetycznego BPTI pokazują, że synteza chemiczna może prowadzić do otrzymania cząsteczki klasyfikowanej jako białko. [9]

Samo określenie syntetyczny nie potwierdza pełnej równoważności molekularnej, ale syntetyczne pochodzenie również nie wyklucza klasyfikacji jako białko.

Jak dokładnie opisywać cząsteczkę?

Przydatny opis naukowy powinien podawać nazwę cząsteczki, a w odpowiednich przypadkach również:

• sekwencję aminokwasową;
• liczbę reszt;
• masę cząsteczkową;
• informację, czy struktura jest liniowa czy cykliczna;
• liczbę łańcuchów;
• istotne kowalencyjne połączenia poprzeczne;
• modyfikacje chemiczne lub potranslacyjne;
• właściwości strukturalne potwierdzone eksperymentalnie;
• potwierdzoną funkcję biologiczną.

Przykładowo określenie:

„dziesięcioresztowy peptyd badany jako minibiałko o strukturze beta-hairpin”

przekazuje znacznie więcej informacji niż spór o to, czy cząsteczka musi należeć wyłącznie do kategorii peptydów albo białek.

Podobnie określenie:

„białko wewnętrznie nieuporządkowane”

jest naukowo poprawnym opisem, a nie sprzecznością. [1] [3]

Rozróżnienie to ma szczególne znaczenie podczas interpretowania twierdzeń dotyczących działania biologicznego.

Dowodów dotyczących jednego peptydu nie można automatycznie przenosić na inny tylko dlatego, że obie cząsteczki są krótkimi łańcuchami reszt aminokwasowych.

Klasyfikacja mówi nam, z jakiego rodzaju cząsteczką mamy do czynienia. Do ustalenia, co konkretnie robi dana cząsteczka, potrzebne są natomiast badania dotyczące właśnie tej sekwencji i tej formy molekularnej.

Najczęściej zadawane pytania

1. Czy wszystkie peptydy są białkami?

Nie. Peptydy i białka mają wspólną podstawę chemiczną w postaci łańcuchów aminokwasowych, ale nie każdy peptyd jest klasyfikowany jako białko. Krótkie łańcuchy zazwyczaj określa się jako peptydy, natomiast termin „białko” uwzględnia również kontekst biologiczny, strukturalny i historyczny. CLN025 pokazuje, dlaczego ścisła granica jest trudna do ustalenia: badacze opisali tę dziesięcioresztową sekwencję jako minibiałko o uporządkowanej strukturze beta-hairpin. Nie oznacza to jednak, że każdy krótki peptyd jest białkiem. Pokazuje jedynie, że pojęcia częściowo się pokrywają i żadna pojedyncza liczba reszt nie rozwiązuje wszystkich przypadków klasyfikacyjnych. [1]

2. Czy peptydy są tym samym co aminokwasy?

Nie. Aminokwasy są pojedynczymi jednostkami molekularnymi, natomiast peptydy zawierają reszty aminokwasowe połączone wiązaniami peptydowymi. Połączenie aminokwasów prowadzi do powstania cząsteczki mającej własną sekwencję, końce łańcucha, połączenia kowalencyjne i właściwości chemiczne. Nie jest to więc jedynie mieszanina pierwotnych aminokwasów. Badania systeminy pokazują znaczenie określonej sekwencji: różne części połączonego peptydu odmiennie uczestniczyły w wiązaniu i aktywacji receptora. Wyniki dotyczą konkretnego układu roślinnego, ale dobrze ilustrują ogólną zasadę, że tożsamość peptydu zależy od jego połączonej struktury molekularnej. [8]

3. Jaki polimer powstaje z aminokwasów?

Łańcuch powstały poprzez połączenie reszt aminokwasowych wiązaniami peptydowymi określa się jako polipeptyd. Jeden lub więcej łańcuchów polipeptydowych może tworzyć białko, choć samo określenie polipeptyd nie wskazuje konkretnej struktury przestrzennej ani funkcji biologicznej. W literaturze termin ten stosowano również wobec stosunkowo krótkich sekwencji zawierających 20–40 reszt. Najbardziej precyzyjna ogólna odpowiedź brzmi więc „polipeptyd”, natomiast termin „białko” stosuje się, gdy odpowiada on szerszej tożsamości biologicznej danej cząsteczki lub kompleksu. [5]

4. Czym różni się aminokwas od reszty aminokwasowej?

Aminokwas jest pojedynczą cząsteczką stanowiącą jednostkę budulcową, natomiast reszta aminokwasowa to odpowiadająca jej jednostka po włączeniu do łańcucha peptydowego lub białkowego. Różnica wynika z udziału tej jednostki w połączeniach szkieletu oraz jej określonej pozycji w sekwencji. W badaniach strukturalnych peptydów często mówi się o pozycjach poszczególnych reszt, ponieważ wpływają one na lokalną geometrię i oddziaływania molekularne. W języku potocznym określenie „aminokwasy w białku” jest zrozumiałe, ale termin „reszta aminokwasowa” jest dokładniejszy chemicznie w odniesieniu do gotowego łańcucha. [4]

5. Czy polipeptyd zawsze jest białkiem?

Nie. Polipeptyd opisuje przede wszystkim łańcuch aminokwasowy i nie musi automatycznie oznaczać, że cząsteczka jest klasyfikowana jako białko. Termin ten pojawia się w badaniach stosunkowo krótkich cząsteczek, takich jak 29-resztowa kalata B1, a także w pracach dotyczących sekwencji zawierających 20–40 reszt. Sposób użycia pojęcia zależy od dziedziny, dlatego samo słowo „polipeptyd” nie określa stałej długości, potwierdzonego pofałdowania ani funkcji biologicznej. Najlepiej traktować je jako opis chemicznej natury łańcucha, a pozostałe cechy określać na podstawie badań konkretnej cząsteczki. [2] [5]

6. Ile aminokwasów musi zawierać białko?

Nie istnieje jedna minimalna liczba reszt, która sprawdzałaby się we wszystkich przypadkach. Konwencje oparte na długości są przydatne w edukacji i klasyfikacji, ale istnieją uznane wyjątki. CLN025 zawiera na przykład dziesięć reszt, a mimo to badano go jako uporządkowane minibiałko o strukturze beta-hairpin. Nie oznacza to, że praktyczne rozróżnienie pomiędzy krótkimi peptydami a większymi białkami jest bezwartościowe. Pokazuje jedynie, że najlepiej podawać rzeczywistą liczbę reszt zamiast przedstawiać jeden próg jako uniwersalną zasadę nazewnictwa. [1]

7. Czy granica 50 aminokwasów jest ścisłą zasadą naukową?

Nie. Granica około 50 reszt jest praktyczną konwencją stosowaną w niektórych kontekstach, a nie uniwersalnym prawem chemicznym. Chemia wiązań peptydowych nie zmienia się nagle w chwili przejścia od 50 do 51 reszt. Badania opisujące krótkie łańcuchy jako minibiałka lub polipeptydy pokazują, że terminologia może zależeć również od struktury, kontekstu biologicznego i tradycji badawczej. Różne dziedziny mogą stosować odmienne definicje operacyjne, dlatego próg liczbowy powinien być przedstawiany jako konwencja, a nie bezwzględna zasada. [1] [5]

8. Czy krótki peptyd może tworzyć stabilną strukturę?

Tak. Niektóre krótkie peptydy mogą przyjmować uporządkowane struktury w odpowiednich warunkach. CLN025 badano jako dziesięcioresztową strukturę beta-hairpin, natomiast cykliczna kalata B1 wykazywała uporządkowaną architekturę pomimo obecności tylko 29 reszt. Wyniki te pokazują możliwości konkretnych sekwencji, a nie wszystkich krótkich peptydów. Fałdowanie zależy między innymi od sekwencji, ograniczeń molekularnych, rozpuszczalnika, temperatury, stężenia i modyfikacji. Stabilność strukturalną należy więc oceniać w odniesieniu do konkretnej cząsteczki i środowiska eksperymentalnego. [1] [2]

9. Czy wszystkie białka mają stały trójwymiarowy kształt?

Nie. Niektóre białka lub ich regiony są wewnętrznie nieuporządkowane i występują jako dynamiczne zespoły różnych konformacji zamiast jednej trwałej, zwartej struktury. Badania KISS1 potwierdziły właśnie taki stan. Nie oznacza to, że wszystkie białka są nieuporządkowane ani że nieuporządkowanie jest równoznaczne z uszkodzeniem. Struktura białek obejmuje spektrum od stabilnych domen pofałdowanych po elastyczne regiony i dynamiczne zespoły konformacyjne. Właściwy opis zależy od konkretnej cząsteczki i warunków eksperymentalnych. [3]

10. Czy dwa peptydy o tej samej długości mogą działać inaczej?

Tak. Taka sama liczba reszt nie oznacza takiej samej sekwencji, struktury, chemii ani aktywności biologicznej. Rodzaj łańcuchów bocznych i kolejność aminokwasów wpływają na oddziaływania molekularne. Badania systeminy wykazały, że różne fragmenty sekwencji odmiennie uczestniczyły w wiązaniu i aktywacji receptora. Nie jest to porównanie wszystkich możliwych peptydów o tej samej długości, ale pokazuje, dlaczego sama liczba reszt nie pozwala przewidywać funkcji. Porównując dwa peptydy, należy analizować ich sekwencję, strukturę oraz bezpośrednie dane eksperymentalne. [8]

11. Czy cięższa cząsteczka zawsze zawiera więcej aminokwasów?

Nie. Masa cząsteczkowa zależy od liczby i rodzaju reszt aminokwasowych oraz od obecności dodatkowych grup chemicznych. Dwa peptydy zawierające tę samą liczbę reszt mogą mieć różną masę, ponieważ poszczególne aminokwasy różnią się masą. Modyfikacje chemiczne mogą dodatkowo zwiększać masę bez zwiększania liczby reszt w szkielecie. Liczba reszt i masa cząsteczkowa opisują więc różne właściwości i żadna z nich sama nie wyznacza uniwersalnej granicy pomiędzy peptydem a białkiem.

12. Czy każde białko składa się tylko z jednego łańcucha?

Nie. Białka mogą zawierać jeden lub kilka powiązanych ze sobą łańcuchów polipeptydowych. Długość pojedynczego łańcucha i skład kompletnego białka są więc odrębnymi informacjami. Dobrym przykładem biologicznego przetwarzania jest insulina: jej dojrzała postać zawiera dwa łańcuchy połączone mostkami disiarczkowymi, powstające w wyniku przetwarzania proinsuliny i usunięcia peptydu C. Badania produktów konwersji rozróżniają te formy zamiast traktować prekursor i dojrzały hormon jako identyczne cząsteczki. Podając liczbę reszt, należy więc określić, czy dotyczy ona jednego łańcucha, wszystkich łańcuchów, prekursora czy dojrzałej postaci. [6] [7]

13. Czy peptydy i białka pełnią takie same funkcje?

Mogą uczestniczyć w podobnych obszarach biologii, ale poszczególne cząsteczki pełnią różne funkcje. W badaniach GLP-1 analizowano określony peptyd pod kątem aktywności inkretynowej u ludzi, natomiast badania glutationu dotyczyły syntezy tripeptydu uczestniczącego w biologii komórkowych procesów redoks. Nie oznacza to, że wszystkie peptydy wykazują którekolwiek z tych działań, podobnie jak wszystkie białka nie mają jednej wspólnej funkcji. Naukowo uzasadnione porównanie powinno dotyczyć konkretnych cząsteczek, ich sekwencji i eksperymentalnie potwierdzonych właściwości. [11] [12]

14. Czy fragment peptydu zachowuje funkcję cząsteczki macierzystej?

Niekoniecznie. Rozszczepienie może usunąć region odpowiedzialny za wiązanie, region potrzebny do aktywacji, odsłonić nowy fragment lub doprowadzić do powstania produktu o zupełnie innej funkcji biologicznej. W badaniu systeminy fragmenty nie odtwarzały po prostu pełnego połączenia właściwości związanych z wiązaniem i aktywacją receptora obserwowanych dla całej cząsteczki. Wynik zależy od konkretnej sekwencji i nie można go automatycznie przenosić na wszystkie produkty rozszczepienia. Fragment należy traktować jako odrębną formę molekularną wymagającą własnych danych dotyczących struktury i aktywności. [8]

15. Czy denaturacja zmienia białko w aminokwasy?

Nie. Denaturacja zaburza wyższe poziomy organizacji strukturalnej białka, ale z definicji nie wymaga rozerwania jego szkieletu peptydowego. Powstanie krótszych peptydów lub wolnych aminokwasów wymaga hydrolizy wiązań peptydowych, czyli innego procesu chemicznego. Samo nieuporządkowanie strukturalne również nie musi oznaczać degradacji, czego przykładem jest nienaruszone, wewnętrznie nieuporządkowane białko KISS1. W bardzo agresywnych warunkach denaturacja i degradacja chemiczna mogą zachodzić jednocześnie, ale nadal są to odrębne procesy: utrata pofałdowania nie jest tym samym co rozerwanie kowalencyjnego łańcucha. [3]

16. Czy syntetyczna cząsteczka nadal może być białkiem?

Tak. Synteza chemiczna nie wyklucza klasyfikacji cząsteczki jako białka. Badacze chemicznie zsyntetyzowali bydlęcy trzustkowy inhibitor trypsyny, a po odpowiednim utlenieniu i fałdowaniu uzyskali materiał odpowiadający naturalnemu białku w opisanych porównaniach analitycznych i funkcjonalnych, w tym pod względem aktywności hamującej. Wynik zależał od prawidłowego zbudowania sekwencji, fałdowania i charakterystyki i nie oznacza, że każdy syntetyczny polipeptyd automatycznie przyjmuje właściwą strukturę. O klasyfikacji decyduje tożsamość molekularna i kontekst, natomiast sposób produkcji jest odrębną cechą. [9]

17. Czy białka spożywcze, hydrolizaty białkowe i wolne aminokwasy są tym samym?

Nie. Białka spożywcze są większymi połączonymi cząsteczkami, hydrolizaty białkowe zawierają mieszaniny produktów rozszczepienia, natomiast wolne aminokwasy są pojedynczymi jednostkami molekularnymi. Ich skład i formy molekularne są więc różne. W badaniu z udziałem ludzi wykryto we krwi określone peptydy pochodzące z kolagenu po spożyciu hydrolizatów żelatyny, pokazując, że w procesie trawienia i wchłaniania mogą występować możliwe do zidentyfikowania fragmenty peptydowe. Badanie nie potwierdziło jednak uniwersalnego wchłaniania wszystkich peptydów w niezmienionej formie ani równoważnego działania wszystkich produktów białkowych. [13]

18. Czym różni się peptyd od polipeptydu?

Oba terminy opisują łańcuchy reszt aminokwasowych połączonych wiązaniami peptydowymi. Określenie „peptyd” jest często stosowane wobec stosunkowo krótkich łańcuchów, natomiast „polipeptyd” podkreśla rozbudowany łańcuch aminokwasowy i bywa używane wobec dłuższych sekwencji. Nie istnieje jednak uniwersalny punkt liczbowy, po którego przekroczeniu jeden termin musi zostać zastąpiony drugim. Badania opisujące 29-resztową kalatę B1 jako polipeptyd oraz prace dotyczące 20–40-resztowych polipeptydów pokazują nakładanie się tej terminologii. Rzeczywista liczba reszt i architektura molekularna są więc bardziej informacyjne niż założenie sztywnej granicy. [2] [5]

19. Czy te same aminokwasy mogą tworzyć różne peptydy?

Tak. Ten sam zestaw rodzajów aminokwasów może prowadzić do powstania różnych peptydów, jeśli zmieni się ich kolejność. Przykładowo glicyloalanina i alanyloglicyna zawierają glicynę oraz alaninę, ale odwrócenie ich kolejności prowadzi do powstania innej sekwencji molekularnej. W dłuższych peptydach zmiana sekwencji może wpływać na rozmieszczenie ładunku, regionów hydrofobowych, powierzchni wiążących i tendencji strukturalnych. Dlatego tożsamość peptydu zależy nie tylko od tego, jakie aminokwasy zawiera, ale również od ich kolejności i sposobu połączenia.

20. Dlaczego sekwencja jest ważniejsza niż samo określenie „peptyd”?

Termin „peptyd” opisuje szeroką kategorię chemiczną, a nie jeden rodzaj aktywności biologicznej. Dwa peptydy mogą całkowicie różnić się sekwencją, długością, strukturą, lokalizacją, sposobem przetwarzania i celami molekularnymi. Badania systeminy pokazują eksperymentalnie, że nawet różne regiony jednej cząsteczki mogą odgrywać odmienne role w wiązaniu i aktywacji receptora. [8] Z tego powodu wyników dotyczących jednego peptydu nie można przenosić na inny tylko dlatego, że obie cząsteczki należą do tej samej kategorii. Do ustalenia funkcji biologicznej potrzebne są dane dotyczące konkretnej sekwencji i konkretnej cząsteczki.

Ograniczenia klasyfikacji peptydów i białek

Podczas stosowania określeń aminokwas, peptyd, polipeptyd i białko należy pamiętać o kilku ograniczeniach.

Po pierwsze, nie istnieje uniwersalna liczbowa granica między peptydem a białkiem. Próg taki jak 50 reszt może być przydatną konwencją, ale literatura naukowa zawiera wyraźne wyjątki. [1] [2] [5]

Po drugie, struktura również nie tworzy prostej granicy. Niektóre krótkie peptydy przyjmują uporządkowane struktury, podczas gdy niektóre uznane białka pozostają w znacznym stopniu wewnętrznie nieuporządkowane. [1] [2] [3]

Po trzecie, masa cząsteczkowa i liczba reszt są powiązanymi, ale odrębnymi parametrami. Modyfikacje, różne rodzaje reszt oraz obecność kilku łańcuchów mogą zmieniać masę bez prostego przełożenia na długość pojedynczego łańcucha.

Po czwarte, należy rozróżniać formy prekursorowe i dojrzałe. Biologiczne przetwarzanie może zmieniać długość łańcucha, sposób połączeń i tożsamość molekularną, czego przykładem jest przetwarzanie proinsuliny. [6] [7]

Po piąte, metoda produkcji nie określa klasyfikacji. Cząsteczki wytwarzane naturalnie i syntetyzowane chemicznie mogą mieć tę samą podstawową tożsamość molekularną, jeśli potwierdzono ich sekwencję, strukturę i inne istotne właściwości. [5] [9]

Po szóste, przynależność do kategorii nie pozwala przewidzieć działania biologicznego. Peptydy nie mają jednego wspólnego efektu fizjologicznego tylko dlatego, że są peptydami, podobnie jak wszystkie białka nie pełnią jednej funkcji. [8] [11] [12]

Wreszcie obserwacje strukturalne należy interpretować w warunkach, w których zostały uzyskane. Peptyd przyjmujący określoną konformację w jednym rozpuszczalniku lub środowisku eksperymentalnym może zachowywać się inaczej w innych warunkach. [10]

Ograniczenia te nie oznaczają, że terminologia jest bezużyteczna. Pokazują natomiast, dlaczego najlepiej stosować ją razem z dokładniejszym opisem właściwości molekularnych.

Podsumowanie

Aminokwasy, peptydy, polipeptydy i białka należą do tej samej szerokiej hierarchii chemicznej, ale opisują różne poziomy organizacji molekularnej.

Aminokwasy są pojedynczymi jednostkami budulcowymi.

Gdy reszty aminokwasowe zostają kowalencyjnie połączone wiązaniami peptydowymi, powstają peptydy i łańcuchy polipeptydowe.

Białka składają się z jednego lub kilku takich łańcuchów rozpatrywanych w szerszym kontekście strukturalnym i biologicznym.

Przejście od aminokwasu do peptydu jest chemicznie wyraźne, ponieważ utworzenie wiązania peptydowego prowadzi do powstania nowej, połączonej cząsteczki.

Granica pomiędzy peptydem a białkiem jest znacznie mniej jednoznaczna.

Długość łańcucha dostarcza użytecznych informacji opisowych, ale nie istnieje jeden uniwersalny próg liczby reszt, który prawidłowo klasyfikowałby każdą cząsteczkę. Badania dziesięcioresztowego minibiałka CLN025, 29-resztowej cyklicznej kalaty B1 oraz wewnętrznie nieuporządkowanego białka KISS1 pokazują, dlaczego proste reguły wymagają dodatkowego kontekstu. [1] [2] [3]

Struktura również nie wyznacza uniwersalnej granicy. Krótkie peptydy mogą przyjmować uporządkowane konformacje, natomiast niektóre białka mogą zawierać znaczny stopień nieuporządkowania.

Podobnie masa cząsteczkowa, naturalne lub syntetyczne pochodzenie oraz funkcja biologiczna nie wystarczają samodzielnie do określenia, czy każdy łańcuch aminokwasowy należy nazwać peptydem czy białkiem.

Dlatego w komunikacji naukowej najbardziej informacyjne jest dokładne opisanie konkretnej cząsteczki:

jej sekwencji, liczby reszt, architektury, modyfikacji, eksperymentalnie obserwowanej struktury, stanu przetworzenia oraz potwierdzonych właściwości biologicznych.

Najważniejszą różnicę można podsumować następująco:

aminokwasy są jednostkami budulcowymi; wiązania peptydowe łączą te jednostki w peptydy i łańcuchy polipeptydowe; białka są natomiast biologicznymi cząsteczkami zbudowanymi z jednego lub kilku takich łańcuchów. Granica między peptydem a białkiem wynika jednak z konwencji naukowej i kontekstu molekularnego, a nie z jednej uniwersalnej liczby aminokwasów.

Zastrzeżenie

Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Wyjaśnia terminologię, budowę molekularną, klasyfikację peptydów i białek, biologiczne przetwarzanie cząsteczek oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie stanowi porady medycznej, żywieniowej, wskazówki dotyczącej leczenia, rekomendacji produktu ani porady dotyczącej stosowania peptydów, białek, produktów aminokwasowych, suplementów lub powiązanych substancji. Wyniki badań strukturalnych, biochemicznych, badań na zwierzętach i badań z udziałem ludzi należy interpretować w kontekście metod, warunków i ograniczeń poszczególnych prac.

References

1. 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
2. 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
3. Ibanez de Opakua, A., Merino, N., Villate, M., Cordeiro, T. N., Ormaza, G., Sanchez-Carbayo, M., Diercks, T., Bernado, P., & Blanco, F. J. (2017). The metastasis suppressor KISS1 is an intrinsically disordered protein slightly more extended than a random coil. PLOS ONE, 12(2), Article e0172507. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0172507
4. 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
5. Straner, P., Taricska, N., Szabo, M., Toth, G. K., & Perczel, A. (2016). Bacterial expression and/or solid phase peptide synthesis of 20-40 amino acid long polypeptides and miniproteins, the case study of Class B GPCR ligands. Current Protein & Peptide Science, 17(2), 147–155. https://doi.org/10.2174/1389203716666151102105215
6. Linde, S., Welinder, B. S., & Nielsen, J. H. (1993). Analysis of proinsulin and its conversion products by reversed-phase high-performance liquid chromatography. Journal of Chromatography, 614(2), 185–204. https://doi.org/10.1016/0378-4347(93)80309-r
7. 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
8. Meindl, T., Boller, T., & Felix, G. (1998). The plant wound hormone systemin binds with the N-terminal part to its receptor but needs the C-terminal part to activate it. The Plant Cell, 10(9), 1561–1570. https://doi.org/10.1105/tpc.10.9.1561
9. 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
10. Mierke, D. F., Durr, H., Kessler, H., & Jung, G. (1992). Neuropeptide Y. Optimized solid-phase synthesis and conformational analysis in trifluoroethanol. European Journal of Biochemistry, 206(1), 39–48. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1992.tb16899.x
11. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: A physiological incretin in man. The Lancet, 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
12. Cabral, C. B., Bullock, K. H., Bischoff, D. J., Tompkins, R. G., Yu, Y. M., & Kelleher, J. K. (2008). Estimating glutathione synthesis with deuterated water: A model for peptide biosynthesis. Analytical Biochemistry, 379(1), 40–44. https://doi.org/10.1016/j.ab.2008.04.042
13. Iwai, K., Hasegawa, T., Taguchi, Y., Morimatsu, F., Sato, K., Nakamura, Y., Higashi, A., Kido, Y., Nakabo, Y., & Ohtsuki, K. (2005). Identification of food-derived collagen peptides in human blood after oral ingestion of gelatin hydrolysates. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 53(16), 6531–6536. https://doi.org/10.1021/jf050206p