Peptidové väzby: definícia, výskyt a biologický význam

Peptidová väzba je kovalentná amidová väzba spájajúca aminokyselinové zvyšky v peptidoch a bielkovinách. Tieto väzby vytvárajú súvislú molekulárnu kostru peptidových reťazcov, pričom zachovávajú špecifické poradie aminokyselín a zároveň umožňujú celému reťazcu zaujať rôzne trojrozmerné štruktúry.

Peptidové väzby sú jedným zo základných stavebných prvkov peptidov. Pochopenie ich chémie pomáha vysvetliť, akým spôsobom môžu jednotlivé aminokyseliny vytvárať väčšie molekuly s presne určenou sekvenciou a štruktúrou.

Hoci základná definícia je pomerne jednoduchá, chémia peptidovej väzby má niekoľko dôležitých vlastností. Elektróny v rámci amidovej skupiny sú rozmiestnené takým spôsobom, že väzba uhlík–dusík čiastočne pripomína dvojitú väzbu. To obmedzuje možnosť voľnej rotácie okolo peptidovej väzby, ale nespôsobuje to, že sa celý peptid alebo bielkovina stáva tuhou molekulou. Ostatné väzby v kostre zachovávajú väčšiu voľnosť rotácie, vďaka čomu sa peptidové reťazce môžu ohýbať a skladat.

Peptidové väzby možno analyzovať z niekoľkých rôznych vedeckých perspektív. Chemici skúmajú ich elektrónovú štruktúru a geometriu. Molekulárni biológovia analyzujú spôsob ich tvorby ribozómami a inými biologickými systémami. Štruktúrni biológovia overujú, ako geometria týchto väzieb ovplyvňuje architektúru bielkovín. Biochemici naopak skúmajú, akým spôsobom enzýmy selektívne štiepia peptidové väzby počas spracovania a degradácie bielkovín.

Tieto rozlíšenia pomáhajú pochopiť, ako môžu bielkoviny súčasne zachovávať určitú sekvenciu aminokyselín, zaujímať zložité štruktúry, vznikať v kontrolovaných biologických procesoch a následne podliehať spracovaniu alebo degradácii. Štúdie a štruktúry elektrónov, geometrie peptidov, ribozomálnej katalýzy, syntézy bielkovín a enzymatickej hydrolýzy poskytujú vzájomne sa doplňujúce informácie o týchto procesoch. [1] [2] [3]

Peptidová väzba je kovalentná chemická väzba, ktorá spája dve aminokyseliny v proteínoch a peptidoch. Vzniká kondenzačnou reakciou medzi karboxylovou skupinou jednej aminokyseliny a aminoskupinou druhej aminokyseliny, pričom sa uvoľňuje molekula vody.

Chemická definícia peptidovej väzby

Peptidová väzba je amidovou väzbou medzi skupinou pochádzajúcou z karboxylovej skupiny jednej aminokyseliny a skupinou pochádzajúcou z aminoskupiny druhej aminokyseliny. V typickej kostre proteínu sú spojené atóm uhlíka karbonylovej skupiny a atóm dusíka nasledujúceho zvyšku aminokyseliny.

Najčastejšie zobrazovaný fragment má podobu:

–C(=O)–NH–

Karbonylová skupina C=O karbonylovou skupinou, zatiaľ čo väzba C–N je tá väzba, ktorú zvyčajne máme na mysli, keď hovoríme konkrétne o peptidovej väzbe. Tieto atómy spolu so svojím bezprostredným okolím tvoria takzvanú peptidovú skupinu alebo amidovú skupinu.

Toto rozlíšenie je dôležité, pretože úplný štruktúrny vzorec peptidovej skupiny obsahuje niekoľko rôznych väzieb. Väzba uhlík–kyslík nie je spojením spájajúcim dve zvyšky aminokyselín navzájom. Túto funkciu plní amidová väzba uhlík–dusík.

Keď sa jedna aminokyselina spojí s druhou, atóm uhlíka karbonylovej skupiny viazaný na jeden rešt sa kovalentne spojí s atómom dusíka viazaným na ďalší rešt. Opakovaním tohto schématu vzniká kostra typického peptidového reťazca.

Výskumy elektrónovej štruktúry analyzujú okrem iného interakciu voľného elektrónového páru dusíka so susedným karbonylovým systémom, čo umožňuje vysvetliť, prečo sa táto väzba líši od bežnej, voľne rotujúcej jednoduché väzby uhlík–dusík. [1]

Prečo je peptidová väzba kovalentná väzba?

Peptidová väzba je kovalentné, pretože spojené atómy zdieľajú elektróny.

Nejde o iónovú interakciu medzi dvoma oddelenými nabitými aminokyselinami ani o vodíkovú väzbu, ktorá udržiava v blízkosti rôzne časti zvlneného reťazca.

Práve kovalentná väzba zabezpečuje chemickú kontinuitu aminokyselinového reťazca. Zvyšky zostávajú súčasťou toho istého reťazca, pokiaľ chemická reakcia nezmení spôsob ich spojenia.

Toto rozlíšenie sa stáva obzvlášť dôležitým pri diskusii o zbaľovaní a rozbaľovaní bielkovín. Peptidový reťazec sa môže ohýbať, meniť konformáciu, strácať časť interakcií stabilizujúcich jeho štruktúru, a dokonca sa výrazne rozvinúť bez toho, aby muselo dôjsť k prerušeniu peptidových väzieb udržujúcich jeho primárnu sekvenciu.

Kovalentný však neznamená nezničiteľný.

Enzýmy a vhodné chemické podmienky môžu spôsobiť štiepenie peptidových väzieb. Takéto štiepenie je však chemická reakcia, ktorá mení spôsob väzby atómov, a nielen zmenou tvaru molekuly.

Štruktúrne výskumy jednej z aspartylproteináz ukazujú, akým spôsobom môže enzým vhodne organizovať substrát obsahujúci peptidovú väzbu a molekulu vody spôsobom, ktorý je dôležitý pre hydrolýzu. [4]

Čiastočný charakter dvojitej väzby a rezonancia

Peptidová väzba C–N sa vo vzorcoch často znázorňuje ako jednoduchá čiara, avšak skutočné rozdelenie elektronov je zložitejšie.

Voľný elektronový pár atomu dusíka sa môže účastniť na susednom elektronovom systéme karbonylovej skupiny. Delokalizácia elektronov spôsobuje, že väzba C–N získava čiastočný charakter dvojitej väzby.

Tento jav sa často vysvetľuje pomocou rezonančných štruktúr.

Rezonančné štruktúry sú alternatívnymi spôsobmi znázornenia rozloženia elektrónov v tej istej molekule. Nemali by sa interpretovať ako odlišné formy molekuly, ktoré sa rýchlo menia jedna na druhú.

Podobne je to aj s čiastočným charakterom dvojitej väzby – to neznamená, že peptidová väzba je počas určitého percenta času obyčajnou jednoduchou väzbou a počas zvyšného času obyčajnou dvojitou väzbou.

Skutočná elektrónová štruktúra vyplýva z delokalizácie elektronov v rámci celej amidovej skupiny.

Vo výpočtovej štúdii Fedorov analyzoval podiel rezonancie na určovaní rádu peptidovej väzby. Konkrétne číselné hodnoty závisia od použitej metódy analýzy elektronovej štruktúry. Pre všeobecné pochopenie je však najdôležitejší záver, že interakcia medzi elektronovým systémom dusíka a karbonylovou skupinou je zodpovedná za časť neobvyklých vlastností väzby C–N. [1]

Prečo je rotácia okolo peptidovej väzby obmedzená?

Čiastočný charakter dvojitej väzby má dôležitý štrukturálny dôsledok: otáčanie okolo amidovej väzby C–N je obmedzenejšie než otáčanie okolo typickej jednoduché väzby uhlík–dusík.

To však neznamená, že sa bielkoviny nemôžu ohýbať ani zvinovať.

Peptidový skelet obsahuje aj iné väzby, okolo ktorých je možná rotácia. Bielkovinový reťazec sa teda skladá z opakujúcich sa, relatívne tuhých peptidových skupín spojených prostredníctvom iných väzieb skeletu, ktoré sa vyznačujú väčšou konformačnou pružnosťou.

Kombinácia týchto obmedzení a možností rotácie prispieva k obrovskej rozmanitosti trojrozmerných štruktúr, aké môžu peptidy a bielkoviny nadobudnúť.

Približná rovinnosť neznamená ideálne rovinnú štruktúru

Delokalizácia elektronov podporuje približne rovinná geometria peptidovej skupiny a obmedzuje rotáciu okolo amidovej väzby C–N.

Skutočné molekulárne štruktúry sa však môžu mierne líšiť od ideálnej matematickej roviny.

Improta a spolupracovníci skombinovali kvantovo-mechanické výpočty s analýzou kryštálových štruktúr peptidov a bielokovín. Výsledky ukázali malé, systematické odchýlky závislé od lokálnej geometrie kostry. [2]

Preto je správne tvrdenie, že peptidové skupiny sú približne ploché, tvrdenie, že každá peptidová väzba v každom peptide alebo proteine je ideálne plochá, by však bolo príliš veľkým zjednodušením.

Toto je dobrý príklad rozdielu medzi užitočným vzdelávacím modelom a podrobnejším správaním skutočných molekulárnych štruktúr.

Kde sa vyskytujú peptidové väzby?

V kostre peptidov a bielkovín

Peptidové väzby sa nachádzajú medzi susednými aminokyselinovými zvyškami v typických peptidových a bielkovinových reťazcoch.

Spolu s okolitými atómami vytvárajú opakujúci sa molekulová kostra. Bočné reťazce aminokyselín vyčnievajú z tejto kostry a dodávajú jednotlivým zvyškom dodatočné chemické vlastnosti.

Bielkovina sa môže skladať z jedného peptidového reťazca alebo z viacerých reťazcov spojených do väčšieho molekulárneho komplexu. Každý z nich má svoje vlastné väzby kostry.

Rôzne reťazce sa môžu spájať prostredníctvom nekovalentných interakcií alebo dodatočných kovalentných väzieb. takéto spojenia by sa nemali automaticky považovať za peptidové väzby.

Chemická syntéza bovinného pankreatického inhibítora trypsínu, teda BPTI, dobre ukazuje rozdiel medzi tvorbou peptidovej kostry a vznikom dodatočných disulfidových mostíkov. Vedci najprv získali lineárny materiál a následne vykonali jeho oxidáciu a charakterizáciu. Štúdia teda oddelí výstavbu reťazca od neskoršej štrukturálnej organizácie. [5]

Peptidové väzby určujú kontinuitu primárnej sekvencie

Poradie aminokyselinových zvyškov v peptide alebo proteine sa označuje ako jeho primárna štruktúra.

Peptidové väzby zabezpečujú základnú kovalentnú kontinuitu, ktorá udržiava túto sekvenciu.

Napríklad sekvencia:

Ala–Gly–Ser

obsahuje tie isté tri druhy aminokyselín ako:

Ser–Gly–Ala

Nie sú to však tie isté peptidové sekvencie.

Poloha jednotlivých zvyškov vzhľadom na peptidové väzby je iná.

Preto samotný zoznam aminokwasy prítomných v vzorke nestačí na identifikáciu peptidu. Nevyhnutná je aj znalosť ich poradia a spôsobu prepojenia.

V lineárnych a cyklických peptidoch

Typický otvorený peptidový reťazec má dva konce, označované ako N-koniec i C-koniec.

N-koniec zodpovedá jednej strane peptidovej kostry, zatiaľ čo C-koniec druhej. Peptidové sekvencie sa štandardne zapisujú od N-koniec v smere C-konca.

Cyklický peptid typu head-to-tail, teda uzavretý spojením koncov reťazca, obsahuje dodatočnú väzbu kostry tvoriacu kruh.

Nie všetky cyklické peptidy sa však uzatvárajú rovnakým spôsobom. Prsteň môže vznikať aj za účasti postranného reťazca a niektoré molekuly obsahujú viac ako jeden typ priečneho väzenia.

Definícia cyklický pretože opisuje vlastnosť štruktúry molekuly, a nie jeden univerzálny spôsob jej spojenia.

Kalata B1 je konkrétnym príkladom peptidu, ktorého cyklická kostra sa potvrdila okrem iného štúdiami enzymatického štiepenia, analýzou sekvencie a molekulárnou štruktúrou. Molekula obsahuje aj disulfidové mostíky. Tieto dodatočné väzby síra-síra sa chemicky líšia od amidových väzieb spájajúcich zvyšky v kostre peptidu. [6]

Peptidové väzby vs. izopeptidové väzby

V typovej bielkovinovej kostre spájajú peptidové väzby hlavné aminové skupiny a skupiny pochádzajúce z karboxylových skupín.

Amidová väzba, na ktorej vzniku sa zúčastňuje funkčná skupina postranného reťazca aminokyseliny, sa často označuje ako izopeptidová väzba.

Najdôležitejším pravidlom je preto určiť, ktoré atomy sa navzájom skutočne spojili.

Samotná prítomnosť amidovej väzby automaticky neznamená, že sa nachádza v typickej peptidovej kostre. Zároveň nie každá príčna väzba v peptide alebo proteíne je amidovou väzbou – disulfidové mostíky a iné kovalentné modifikácie majú odlišnú chémiu.

Pre začiatočníkov je najužitočnejším východiskovým bodom bežné peptidové väzby nachádzajúce sa v kostre. Špecializovanejšie väzby možno potom považovať za odlišné varianty molekulárnej organizácie.

Koľko peptidových väzieb sa nachádza v reťazci?

Jednoduchý otvorený, nerozvetvený reťazec obsahujúci n zvyškov aminokyselín má n − 1 peptidových väzieb v kostre.

To znamená, že:

• dipeptid má 2 zvyšky a 1 peptidovú väzbu;
• tripeptid má 3 zvyšky a 2 peptidové väzby;
• tetrapeptid má 4 zvyšky a 3 peptidové väzby;
• pentapeptid má 5 zvyškov a 4 peptidové väzby;
• otvorený reťazec obsahujúci 10 zvyškov má 9 peptidových väzieb.

Táto závislosť priamo vyplýva zo spôsobu spojenia molekúl: každá ďalšia zložka predlžuje existujúci reťazec o jednu dodatočnú kostrú väzbu.

Zodpovedajúci mu cyklický reťazec typu „head-to-tail“ obsahuje n peptidových väzieb v kostre, pretože dodatočná väzba uzatvára kruh.

Tieto predpoklady sú však dôležité. Vetvenie, netypické spojenia bočných reťazcov, prítomnosť viacerých reťazcov, izopeptidové väzby alebo iné ako amidové prvky kostry si vyžadujú podrobnejšiu analýzu.

Samotný počet zvyškov teda nie vždy stačí na určenie všetkých kovalentných väzieb prítomných v zložitom peptide alebo bielkovine.

Ako peptidové väzby spájajú aminokyseliny?

Od voľných aminokyselín k aminokyselinovým zvyškom

Voľná aminokyselina a jej zodpovedajúci zvyšok nachádzajúci sa v peptide sú navzájom prepojené, ale neopisujú presne ten istý chemický stav.

Keď sa aminokyselina začlení do peptidu, jej funkčné skupiny sa podieľajú na väzbách tvoriacich reťazec.

Napríklad spojenie glycínu a alanínu v jednom poradí vedie k vzniku glycylalaníny. Zmena poradia vedie k vzniku alanylglycín.

Druhy aminokyselín sú rovnaké, ale líšia sa ich poloha a chemické prostredie.

Ukazuje to, prečo sekvencia peptidu obsahuje viac informácií než len obyčajný zoznam jeho zložiek.

Vytváranie väzieb je možné skúmať priamo. Stachelhaus a jeho spolupracovníci analyzovali zložky nerybosomálneho systému syntézy peptidov a preukázali, že zmena zvyšku nachádzajúceho sa v navrhovanom katalytickom mieste znemožnila skúmanú kondenzačnú reakciu. Experiment teda spája vznik konkrétneho peptidového produktu s činnosťou konkrétneho molekulárneho mechanizmu. [7]

Rovnica kondenzácie je modelom reakčnej bilancie

V základnej chémii sa tvorba peptidu často znázorňuje pomocou rovnice:

aminokyselina + aminokyselina → dipeptid + voda

Rovnica ukazuje rozdiel v zložení medzi voľnými východiskovými molekulami a spojeným produktom.

Je to užitočné na pochopenie chemického vzťahu medzi substrátmi a produktom.

Nemalo by sa to však interpretovať ako kompletný mechanizmus syntézy bielkovín vo vnútri živej bunky.

Voľné aminokyseliny sa vo vode jednoducho neusporiadajú vedľa seba, spontánne neuvoľňujú molekuly vody a samovoľne nevytvárajú určitú sekvenciu bielkoviny.

Biologická syntéza si vyžaduje aktivované substráty, usporiadaný molekulárny mechanizmus, informácie určujúce sekvenciu a prípravné procesy, ktoré si vyžadujú energiu.

Je teda dôležité rozlišovať medzi súhrnnou chemickou rovnicou a reakčný mechanizmus.

Rovnica opisuje počiatočné a konečné zloženie. Mechanizmus vysvetľuje skutočné molekulárne etapy a medziprodukty vedúce k reakcii.

Experimenty týkajúce sa ribozómov skúmajú práve takéto mechanistické detaily a nespokojujú sa len s reprodukciou známej rovnice kondenzácie. [3]

Ako ribozóm vytvára peptidové väzby?

Počas translácie sa transferové RNA, teda tRNA, prenášajú aminokyseliny a rastúci peptidový reťazec v rámci ribozómu.

Aminová skupina novo dodanej aminokyseliny reaguje s aktivovaným koncom existujúceho reťazca spojeným s tRNA, čo vedie k prenosu rastúceho peptidu na zvyšok spojený s novou tRNA.

Peptidový reťazec sa zvyčajne predlžuje zo strany C-koniec.

Aktivácia aminokyselín a ich naväzovanie na tRNA sú procesy závislé od energie. Preto by bolo prílišným zjednodušením opisovať každú rybosomálnu peptidovú väzbu ako vznikajúcu priamo medzi dvoma voľnými aminokyselinami alebo ako jednoduché „odstránenie vody” rybosómom.

Weinger a spolupracovníci modifikovali chemickú skupinu v substráte tRNA a pozorovali výrazné obmedzenie tvorby peptidových väzieb bez zodpovedajúceho zníženia väzby substrátu. Tento výsledok poskytol dôkazy o katalýza podporovaná substrátom, pri ktorej sa na priebehu reakcie podieľajú chemické vlastnosti samotných substrátov. [3]

Experiment teda poukazuje na mechanistickú úlohu chémie tRNA, a nie len na jej funkciu ako pasívneho nosiča.

Vytváranie peptidových väzieb má určitý smer

Syntéza bielkovín je jednosmerný proces.

Keďže sa rastúci reťazec predlžuje zo strany C-konca, sekvencia sa rozvíja v určitej orientácii.

Súvisí to s bežnou konvenciou zápisu sekvencií peptidov a bielkovín od Od konca do konca.

Smer však nie je len konvenciou zápisu. Obrátenie sekvencie zvyčajne vedie k vzniku inej molekuly, pretože každý zvyšok potom zaujíma inú pozíciu voči ostatným prvkom reťazca.

Iné spôsoby vytvárania podobného druhu väzieb

Peptidové väzby môžu vznikať aj mimo ribozómu.

Špecializované neriabozomové enzymatické systémy syntetizujú niektoré peptidy, zatiaľ čo laboratórna syntéza peptidov využíva aktivované zložky a kontrolované reakcie spájania.

Tieto dráhy sa líšia organizáciou, substrátmi, reakčnými podmienkami a katalytickými mechanizmami.

Nemali by sa považovať za identické procesy len preto, že konečné produkty obsahujú amidové väzby.

Výskum nerybosomálnej tvorby väzieb a chemická syntéza BPTI predstavujú príklady takýchto odlišných spôsobov výroby. [7] [5]

Sam spôsob výroby tiež neurčuje, či je daná molekula peptidom alebo bielkovinou. Chemická syntéza môže viesť k získaniu materiálu zodpovedajúcemu prirodzene sa vyskytujúcemu peptidu alebo bielkovine, za predpokladu správneho stanovenia jeho sekvencie a iných dôležitých štrukturálnych vlastností.

Peptidové väzby a iné väzby v bielkovinách

Kostrové väzby verzus interakcie zodpovedné za zvinovanie

Peptidové väzby spájajú a držia pokope sekvenciu aminokyselín.

Iné interakcie naopak pomáhajú určiť spôsob, akým sa táto sekvencia priestorovo usporadúva do troch dimenzií alebo ako jednotlivé peptidové reťazce medzi sebou interagujú.

Vodíkové väzby vznikajú medzi príslušnými donormi a akceptormi vodíka. V rámci peptidovej kostry môžu atómy kyslíka karbonylových skupín slúžiť ako akceptory a mnohé amidové skupiny N–H môžu byť donormi.

Amidový dusík sa zvyčajne nepovažuje za akceptor vodíkovej väzby, pretože jeho voľný the elektronový pár sa podieľa na elektronovom systéme amidovej skupiny.

Osobitnú pozornosť si vyžadujú aj peptidové skupiny obsahujúce prolín, pretože dusík v kosthre vtedy nemá typický vodík N–H.

Skupina obsahujúca peptidovú väzbu sa teda môže podieľať na tvorbe vodíkových väzieb, ale peptidová väzba a vodíková väzba sú rôzne druhy spojení.

Jedno z nich kovalentne spája aminokyselinové zvyšky. Druhé sa účastní interakcií vnútri molekuly alebo medzi molekulami.

Výskum krátkeho, zvlneného peptidu CLN025 analyzoval štruktúru stabilizovanú okrem iného vodíkovými väzbami a inými vnútromolekulárnymi interakciami. To ukazuje, že skladanie môže prebiehať bez vytvorenia novej kostrovej sekvencie. [8]

Disulfidové mostíky spájajú postranné reťazce obsahujúce síru

Disulfidové mostíky sú kovalentné väzby síra-síra, ktoré najčastejšie vznikajú medzi postrannými reťazcami cysteínu.

Môžu spájať vzdialené fragmenty toho istého peptidového reťazca alebo rôzne reťazce.

Nie sú peptidovými väzbami a nevyskytujú sa vo všetkých proteínoch.

Vznik alebo rozpad disulfidového mostíka môže výrazne zmeniť priestorovú organizáciu molekuly bez toho, aby bolo nutné prerušiť jej peptidovú kostru.

V štúdii týkajúcej sa syntézy BPTI sa pripravila prirodzená sekvencia a analógy navrhnuté s cieľom zmeniť možnosť tvorby disulfidových mostíkov. Materiál s prirodzenou sekvenciou sa porovnával s prirodzeným BPTI pomocou analytických a funkčných metód. Abstrakt publikácie nepotvrdzoval všetky štrukturálne dôsledky týkajúce sa analógov, preto by sa navrhované rozdiely nemali prezentovať ako plne ustálené výsledky. [5]

Iónové a hydrofóbne interakcie

Nabité skupiny sa môžu priťahovať alebo odpudzovať, čím ovplyvňujú priestorovú organizáciu molekuly.

Nepolárne regióny naproti tomu interagujú s vodným prostredím spôsobom, ktorý môže podporovať ich ukrývanie vo vnútri štruktúry, asociáciu alebo agregáciu. Tento jav sa často diskutuje v kontexte hydrofóbneho efektu.

Tieto interakcie môžu mať obrovský význam pre skladanie bielkovín, avšak hydrofóbna interakcia nie je novou kovalentnou väzbou medzi aminokyselinami.

Preto je nesprávne označovať všetky sily stabilizujúce bielkovinu názvom peptidové väzby.

Jednotlivé typy interakcií taktiež môžu reagovať odlišne na teplotu, rozpúšťadlo, kyslosť, iónové podmienky a iné zmeny prostredia. Určenie, ktorý typ väzby alebo interakcie sa mení, umožňuje presnejšie pochopiť výsledok experimentu.

Denaturácia nie je to isté ako hydrolýza

Denaturácia zmenia typovú štruktúrnu organizáciu bielkoviny.

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]

Často kladené otázky

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.

Zhrnutie

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.

Zrieknutie sa zodpovednosti

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.

Odkazy

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