Peptidne vezi: definicija, pojavljanje in biološki pomen

Peptidna vez je kovalentna amidna vez, ki povezuje aminokislinske ostatke v peptidih in beljakovinah. Te vezi tvorijo neprekinjeno molekulsko ogrodje peptidnih verig, ki ohranja določen vrstni red aminokislin, hkrati pa celotni verigi omogoča, da zavzame različne tridimenzionalne strukture.

Peptidne vezi so eden od temeljnih gradnikov peptidov. Razumevanje njihove kemije pomaga pojasniti, kako lahko posamezni aminokislini tvorijo večje molekule z natančno določeno zaporedjem in strukturo.

Čeprav je osnovna definicija razmeroma preprosta, ima kemija peptidne vezi več pomembnih lastnosti. Elektroni znotraj amidne skupine so razporejeni tako, da vezi ogljik–dušik delno spominja na dvojno vez. To omejuje možnost prostega sukanja okoli peptidne vezi, vendar ne povzroči, da bi celoten peptid ali protein postal toga molekula. Druge vezi v ogrodju ohranjajo večjo svobodo vrtenja, zaradi česar se lahko peptidne verige upogibajo in gubajo.

Peptidne vezi je mogoče preučevati z več različnih znanstvenih perspektiv. Kemiki preučujejo njihovo elektronsko strukturo in geometrijo. Molekularni biologi analizirajo način njihovega nastajanja v ribosomih in drugih bioloških sistemih. Strukturni biologi preverjajo, kako geometrija teh vezi vpliva na arhitekturo beljakovin. Biokemiki pa preučujejo, kako encimi selektivno prekinjajo peptidne vezi med obdelavo in razgradnjo beljakovin.

Te razlikacije pomagajo razumeti, kako lahko beljakovine hkrati ohranjajo določeno zaporedje aminokislin, zavzemajo zapletene strukture, nastajajo v nadzorovanih bioloških procesih ter se nato obdelujejo ali razgrajujejo. Preučevanje elektronske strukture, geometrije peptidov, ribosomske katalize, sinteze beljakovin in encimske hidrolize prispeva dopolnilne informacije o teh procesih. [1] [2] [3]

Peptidna vez je kovalentna kemijska vez, ki nastane med karboksilno skupino ene aminokisline in amino skupino druge aminokisline.

Kemijska definicija peptidne vezi

Peptidna vezi je amidsko vezjo med skupino, ki izhaja iz karboksilne skupine enega aminokisline, in skupino, ki izhaja iz aminokisline drugega aminokisline. V tipičnem skeletu beljakovine sta povezana ogljikov atom karbonilne skupine in dušikov atom naslednjega aminokislinskega ostanka.

Najpogosteje prikazan odlomek je v obliki:

–C(=O)–NH–

Fragment C=O je karbonilno skupino, medtem ko je vez C–N tista, ki jo običajno imamo v mislih, ko govorimo konkretno o peptidni vezi. Skupaj ti atomi in njihova neposredna okolica tvorijo tako imenovano peptidno skupino ali amidna skupina.

To razlikovanje je pomembno, ker celotna strukturna formula peptidne skupine vsebuje več različnih vezi. Vez ogljik–kisik ni povezava, ki bi povezovala dva aminokislinska ostanka. To funkcijo opravlja amidna vez ogljik–dušik.

Ko je ena aminokislina povezana z drugo, je ogljikov atom karboksilne skupine, vezan na en ostanek, kovalentno povezan z dušikovim atomom, vezanim na naslednji ostanek. Ponavljanje tega vzorca vodi do nastanka ogrodja tipične peptidne verige.

Raziskave elektronske strukture med drugim analizirajo interakcijo prostega elektronskega para dušika s sosednjim karbonilnim sistemom, kar pojasnjuje, zakaj se ta vez razlikuje od običajne, prosto vrteče se enojne vezi ogljik–dušik. [1]

Zakaj je peptidna vez kovalentna vez?

Peptidna vezi je kovalentne, ker povezani atomi delijo elektrone.

Ni ionska interakcija med dvema ločenima, nabitima aminokislinama ali vodikova vez, ki drži skupaj različne dele zvite verige.

Prav ta kovalentna vez zagotavlja kemično kontinuiteto aminokislastega zaporedja. Ostanki ostajajo del iste verige, dokler kemijska reakcija ne spremeni načina njihove povezave.

To razlikovanje postane še posebej pomembno pri razpravljanju o zvijanju in odviti beljakovin. Peptidna veriga se lahko upogiba, spreminja konformacijo, izgubi del interakcij, ki stabilizirajo njeno strukturo, in se celo znatno odvije, ne da bi bilo treba prekiniti peptidnih vezi, ki ohranjajo njeno primarno zaporedje.

Kovalentno pa še ne pomeni neuničljivo.

Enzimi in ustrezni kemijski pogoji lahko povzročijo cepitev peptidnih vezi. Vendar pa je takšna cepitev kemično reakcijo, ki spreminja način povezave atomov, a ne le s spremembo oblike molekule.

Strukturne raziskave ene od aspartatnih proteinaz pokazujeta, kako lahko encim ustrezno uredi substrat, ki vsebuje peptidno vez, in molekulo vode na način, ki je bistven za hidrolizo. [4]

Delna narava dvojne vezi in resonanca

Peptidna vez C–N je na strukturčas pogosto prikazana kot enojna črta, vendar je dejanska porazdelitev elektronov bolj zapletena.

Prosti elektronski par atomu dušika lahko sodeluje v sosednjem elektronskem sistemu karbonilne skupine. Zaradi delokalizacije elektronov dobi vez C–N delna narava dvojne vezi.

To se pojav pogosto pojasnjuje s pomočjo resonančnih struktur.

Resonančne strukture so alternativni načini predstavitve porazdelitve elektronov v isti molekuli. Ne smemo jih razumeti kot ločenih oblik molekule, ki se hitro pretdrujejo druga v drugo.

Prav tako delna narava dvojne vezi ne pomeni, da je peptidna vez določen odstotek časa navadna enojna vez, preostali čas pa navadna dvojna vez.

Dejanska elektronska struktura izhaja iz delokalizacije elektronov znotraj celotne amidne skupine.

V računalniški študiji je Fedorov analiziral vlogo resonance pri določanju reda peptidne vezi. Podrobne vrednosti so odvisne od uporabljene metode analize elektronske strukture. Za splošno razumevanje pa je najpomembnejši sklep, da je interakcija med elektronskim sistemom dušika in karbonilne skupine odgovorna za del nenavadnih lastnosti vezi C–N. [1]

Zakaj je vrtenje okoli peptidne vezi omejeno?

Delna narava dvojne vezi ima pomembno strukturno posledico: vrtenje okoli amidne vezi C–N je bolj omejeno kot vrtenje okoli tipične enojne vezi ogljik–dušik.

To pa še ne pomeni, da se beljakovine ne morejo prepogibati ali gubati.

Peptidno ogrodje vsebuje tudi druge vezi, okoli katerih je možen rotacijski zasuk. Beljakovinska veriga je tako sestavljena iz ponavljajočih se, relativno togih peptidnih skupin, povezanih prek drugih vezi ogrodja, za katere je značilna večja konformacijska fleksibilnost.

Kombinacija teh omejitev in možnosti rotacije prispeva k izjemni pestrosti tridimenzionalnih struktur, ki jih lahko zavzamejo peptidi in beljakovine.

Približna ploskonost ne pomeni popolnoma ploske strukture

delokalizaciji elektronov je naklonjena / Delokalizacija elektronov prispeva k v približno ravni geometriji peptidne skupine in omejuje rotacijo okoli amidne vezi C–N.

Vendar pa lahko dejanske molekularne strukture nekoliko odstopajo od idealne matematične ravnine.

Improta in sodelavci so združili kvantnomehanske izračune z analizo kristalnih struktur peptidov in proteinov. Rezultati so pokazali majhna, sistematična odstopanja, ki so odvisna od lokalne geometrije ogrodja. [2]

Zato je pravilna trditev, da so peptidne skupine približno ravno, vendar pa bi bila trditev, da je vsaka peptidna vez v vsakem peptidu ali beljakovini popolnoma ravna, prevelika poenostavitev.

To je dober primer razlike med uporabnim izobraževalnim modelom in bolj podrobnim vedenjem dejanskih molekularnih struktur.

Kje se nahajajo peptidne vezi?

V skeletu peptidov in beljakovin

Peptidne vezi se pojavljajo med sosednjimi aminokislinskimi ostanki v tipičnih peptidnih in beljakovinskih verigah.

Skupaj z okoliškimi atomi tvorijo ponavljajočo se molekularno ogrodje. Stranske verige aminokislin štrlijo iz tega skeleta in posameznim ostankom dajejo dodatne kemijske lastnosti.

Beljakovina je lahko sestavljena iz ene verige peptidov ali več verig, povezanih v večji molekulski kompleks. Vsaka od njih ima lastne skeletne povezave.

Različne verige se lahko povežejo prek nekovalentnih interakcij ali dodatnih kovalentnih vezi. Takih povezav ne smemo samodejno šteti za peptidne vezi.

Kemična sinteza govejega trebušnega inhibitorja tripsina oziroma BPTI dobro prikazuje razliko med tvorjenjem peptidnega ogrodja in nastajanjem dodatnih disulfidnih mostičkov. Raziskovalci so najprej pridobili linearni material, nato pa izvedli njegovo oksidacijo in karakterizacijo. Študija tako ločuje zgradbo verige od kasnejše strukturne organizacije. [5]

Peptidne vezi določajo zaporedje primarne strukture

Zaporedje aminokislinskih ostankov v peptidu ali beljakovini se imenuje njegova primarna struktura.

Peptidne vezi zagotavljajo osnovno kovalentno neprekinjenost, ki ohranja to zaporedje.

Na primer sekvenca:

Ala–Gly–Ser

vsebuje iste tri vrste aminokislin kot:

Ser–Gly–Ala

Vendar to niso iste zaporedja peptidov.

Položaj posameznih ostankov glede na peptidne vezi je drugačen.

Zato samo seznam prisotnih aminokislin v vzorcu ne zadostuje za identifikacijo peptida. Poznati je treba tudi njihovo zaporedje in način povezave.

V linearnih in cikličnih peptidih

Tipična odprta peptidna veriga ima dva konca, opredeljena kot N-konec i C-konec.

N-konec ustreza enemu koncu peptidne hrbtenice, C-konec pa drugemu. Zaporedja peptidov se standardno zapisujejo od N-konca proti C-koncu.

Ciklični peptid tipa glava-rep, se pravi cikel, zaprt s povezavo koncev verige, vsebuje dodatno ogrodno vez, ki tvori obroč.

Vendar se vsi ciklični peptidi ne zaključijo na enak način. Obroč lahko nastane tudi z vključitvijo stranske verige, nekatere molekule pa vsebujejo več kot eno vrsto prečne vezi.

Opredelitev cikličen zato opisuje značilnost arhitekture molekule in ne enega samega univerzalnega načina njene povezave.

Kalata B1 je konkreten primer peptida, katerega celični skelet je bil potrjen med drugim z raziskavami encimskega razcepa, analizo zaporedja in molekularno strukturo. Molekula vsebuje tudi disulfidne mostičke. Te dodatne vezi žveplo-žveplo se kemično razlikujejo od amidnih vezi, ki povezujejo ostanke v peptidnem skeletu. [6]

Peptidne vezi proti izopeptidnim vezem

V tipičnem beljakovinskem skeletu peptidne vezi povezujejo glavne amino skupine in skupine, ki izvirajo iz karboksilnih skupin.

Amidna vez, pri nastanku katere sodeluje funkcionalna skupina stranske verige aminokisline, pogosto opisano kot izopeptidna vez.

Najpomembnejše pravilo je torej ugotoviti, kateri atomi so se dejansko med seboj povezali.

Sama prisotnost amidne vezi še ne pomeni samodejno, da je ta v tipičnem peptidnem skeletu. Hkrati vsaka prečna vez v peptidu ali beljakovini ni amidna vez – disulfidni mostički in druge kovalentne modifikacije imajo drugačno kemijo.

Za začetnike je najuporabnejše izhodišče navadne peptidne vezi, ki so prisotne v hrbtenici. Bolj specializirane povezave lahko nato obravnavamo kot različne variante molekularne organizacije.

Koliko peptidnih vezi je v verigi?

Enojna odprta, nerazvejana veriga, ki vsebuje n aminokislinskih ostankov ima n − 1 peptidnih vezi v skeletu.

To pomeni, da:

• Dipeptid ima 2 ostanka in 1 peptidno vez;
• tripeptid ima 3 ostanke in 2 peptidni vezi;
• tetrapeptid ima 4 ostanke in 3 peptidne vezi;
• pentapeptid ima 5 ostankov in 4 peptidne vezi;
• odprta veriga, ki vsebuje 10 ostatkov, ima 9 peptidnih vezi.

Ta odvisnost izhaja neposredno iz načina povezovanja molekule: vsak naslednji ostanek podaljša obstoječo verigo z eno dodatno skeletno vezjo.

Ustrezni ciklična veriga tipa "glava-k-repu" v hrbtenici vsebuje n peptidnih vezi, ker dodatna vez zapira obroč.

Vendar pa so te predpostavke pomembne. Razvejitve, nenavadne povezave stranskih verig, prisotnost več verig, izopeptidne vezi ali drugi elementi ogrodja, ki niso amidni, zahtevajo podrobnejšo analizo.

Samo število ostankov ni vedno dovolj za določitev vseh kovalentnih vezi, prisotnih v sestavljenem peptidu ali beljakovini.

Kako peptidne vezi povezujejo aminokisline?

Od prosteh aminokislin do aminokislinskih ostankov

Prosta aminokislina in njej ustrezni ostanek v peptidu sta med seboj povezana, vendar ne opisujeta povsem istega kemijskega stanja.

Ko je aminokislina vključena v peptid, njene funkcionalne skupine sodelujejo v povezavah, ki tvorijo verigo.

Na primer, vezava glicina in alanina v določenem vrstnem redu vodi do nastanka gliciloalanin. Obrnitev vrst ঠিক vodi do nastanka alanilglicin.

Vrste aminokislin so enake, vendar se njihova lega in kemično okolje razlikujeta.

To pokazuje, zakaj zaporedje peptida vsebuje več informacij kot le preprost seznam njegovih sestavin.

Nastajanje vezi je mogoče preučevati neposredno. Stachelhaus in sodelavci so analizirali elemente nerybosomskega sistema za sintezo peptidov in pokazali, da je sprememba ostanka v predlaganem katalitskem mestu preprečila preučevano reakcijo kondenzacije. Eksperiment tako povezuje nastanek določenega peptidnega produkta z delovanjem specifične molekularne mehanizacije. [7]

Enačba kondenzacije je model reakcijske bilance

V osnovni kemiji se nastanek peptida pogosto prikaže z enačbo:

aminokislina + aminokislina → dipeptid + voda

Enačba prikazuje razliko v sestavi med prostimi izhodiščnimi molekulami in združenim produktom.

To je koristno za razumevanje kemijskega razmerja med reaktanti in produktom.

Vendar ga ni treba tolmačiti kot popolnega mehanizma sinteze beljakovin znotraj žive celice.

Proste aminok2isline se v vodi ne postavijo preprosto druga ob drugo, ne sproščajo spontanepo molekul vode in ne tvorijo samodejno določene beljakovinske zaporedja.

Biološka sinteza zahteva aktivirane substrate, urejeno molekularno mehanizacijo, informacije, ki določajo zaporedje, in pripravljalne procese, ki zahtevajo energijo.

Zato je pomembno razlikovati med skupno kemijsko enačbo a reakcijski mehanizem.

Enačba opisuje začetno in končno sestavo. Mehanizem pojasnjuje dejanske molekularne stopnje in vmesne produkte, ki vodijo do reakcije.

Eksperimenti z ribosomi preučujejo prav takšne mehanske podrobnosti in ne le ponavljajo znane enačbe kondenzacije. [3]

Kako ribosom tvori peptidne vezi?

Med translacijo prenašalna RNA oziroma tRNA, in prenašajo aminokisline ter rastočo verigo peptidov znotraj ribosoma.

Aminočasovna skupina novo dostavljene aminokisline reagira z aktiviranim koncem obstoječe verige, povezane s tRNK, kar vodi do prenosa rastočega peptida na ostanek, povezan z novo tRNK.

Peptidna veriga se običajno podaljšuje od strani C-konec.

Aktivacija aminokislin in njihovo pritrjanje na tRNA sta procesa, ki sta odvisna od energije. Zato bi bil opis katere koli ribosomske peptide vezi, ki nastane neposredno med dvema prostima aminokislinama ali kot preprosto „odstranjevanje vode” s strani ribosoma, prevelika poenostavitev.

Weinger in sodelavci so modificirali kemijsko skupino v substratu tRNA in opazili znatno zmanjšanje nastajanja peptidnih vezi brez ustreznega zmanjšanja vezave substrata. Ta rezultat je zagotovil dokaze za kataliza, ki jo podpira substrat, pri čemer kemijske lastnosti samih reaktantov sodelujejo v poteku reakcije. [3]

Eksperiment tako nakazuje na mehansko vlogo kemije tRNA in ne zgolj na njeno funkcijo pasivnega prenašalca.

Nastajanje peptidnih vezi ima določeno smer

Sinteza beljakovin je usmerjen proces.

Ker se rastoča veriga podaljšuje s C-konec, se zaporedje razvija v določeni usmerjenosti.

To je povezano s splošno konvencijo zapisovanja zaporedij peptidov in beljakovin od Od N-konca do C-konca.

Vendar smer ni zgolj zapisna konvencija. Obrat zaporedja običajno vodi do nastanka druge molekule, saj je vsak ostanek takrat v drugačnem položaju glede na preostale elemente verige.

Drugi načini ustvarjanja podobnih vrst vezi

Peptidne vezi lahko nastajajo tudi zunaj ribosoma.

Specializirane neencimski encimski sistemi sintetizirajo nekatere peptide, medtem ko laboratorijska sinteza peptidov uporablja aktivirane komponente in nadzorovane reakcije sklapljanja.

Te poti se razlikujejo po organizaciji, substratih, reakcijskih pogojih in katalitskih mehanizmih.

Ne smemo jih obravnavati kot enakih procesov samo zato, ker končni izdelki vsebujejo amidne vezi.

Raziskave neribosomskega tvorjenja vezi in kemijska sinteza BPTI predstavljata primera takih različnih načinov proizvodnje. [7] [5]

Tudi način izdelave sam po sebi ne določa, ali je določena molekula peptid ali beljakovina. Kemična sinteza lahko privede do nastanka materiala, ki ustreza naravno prisotnemu peptidu ali beljakovini, pod pogojem, da sta njeno zaporedje in druge pomembne strukturne lastnosti pravilno določeni.

Peptidne vezi v primerjavi z drugimi vezmi v beljakovinah

Skefetne vezi in interakcije, odgovorne za zvijanje

Peptidne vezi držijo povezano zaporedje aminokislin.

Drugi vplivi pa pomagajo določiti, kako se ta zaporedje razporedi v tridimenzionalnem prostoru ali kako posamezne verige peptidov medsebojno delujejo.

Vodikove vezi nastajajo med ustreznimi donorji in akceptorji vodika. Znotraj peptidne hrbtenice lahko atomi kisika karbonilnih skupin delujejo kot akceptorji, številne amidne skupine N–H pa so lahko donorji.

Amidni dušik običajno ne velja za akceptor vodikove vezi, ker je njegov prosti elektronski par vključen v elektronski sistem amidne skupine.

Posebne pozornosti so deležne tudi peptidne skupine, ki vsebujejo prolin, ker dušik v ogrodju takrat nima tipičnega vodika N–H.

Skupina, ki vsebuje peptidno vez, lahko torej sodeluje pri nastajanju vodikovih vezi, vendar peptidna vez in vodikova vez sta različni vrsti vezi.

Eno od njiju kovalentno povezuje aminokislinske ostatke. Drugo sodeluje v interakcijah znotraj molekule ali med molekulami.

Raziskave kratkega, zgubanega peptida CLN025 so analizirale strukturo, ki jo med drugim stabilizirajo vodikove vezi in druge mednarodne interakcije. To kaže, da lahko do gubanja pride brez nastanka novega skeletnega zaporedja. [8]

Disulfidni mostički povezujejo stranske verige, ki vsebujejo žveplo

Disulfidne vezi so kovalentne vezi med žveplom in žveplom, ki najpogosteje nastanejo med stranskimi verigami cisteina.

Lahko povezujejo oddaljene odseke iste peptidne verige ali različne verige.

Niso peptidne vezi in se ne nahajajo v vseh beljakovinah.

Nastanek ali pretrganje disulfidne vezi lahko bistveno spremeni prostorsko organizacijo molekule, ne da bi bilo treba prerezati njeno peptidno ogrodje.

V raziskavi o sintezi BPTI so pripravili naravno zaporedje in analoge, načrtovane za spremembo zmožnosti nastajanja disulfidnih vezi. Material z naravnim zaporedjem so primerjali z naravnim BPTI z uporabo analitskih in funkcionalnih metod. Izvleček publikacije ni potrdil vseh strukturnih posledic za analoge, zato predlaganih razlik ne smemo predstavljati kot v celoti ugotovljenih rezultatov. [5]

Ionske in hidrofobne interakcije

Naboite skupine se lahko privlačijo ali odbijajo, kar vpliva na prostorsko organizacijo molekule.

Nepolarna območja pa delujejo z vodnim okoljem na način, ki lahko spodbuja njihovo skrivanje znotraj strukture, asociacijo ali agregacijo. Ta pojav se pogosto obravnava v kontekstu hidrofobnega učinka.

Te interakcije so lahko izjemnega pomena za gubanje beljakovin, vendar hidrofobna interakcija ni nova kovalentna vez med aminokislinami.

Zato je nepravilno vse sile, ki stabilizirajo beljakovine, označevati kot peptidne vezi.

Posamezne vrste medsebojnih vplivov se lahko tudi različno odzivajo na temperaturo, topilo, kislost, ionske pogoje in druge okoljske spremembe. Ugotovitev, katera vrsta vezi ali medsebojnega vpliva se spremeni, omogoča natančnejše razumevanje rezultata poskusa.

Denaturacija ni isto kot hidroliza

Denaturacja zmienia typową organizację strukturalną białka.

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]

Pogosto zastavljena vprašanja

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.

Povzetek

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.

Zavrnitev odgovornosti

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.

Reference

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