Wiązania peptydowe: definicja, występowanie i znaczenie biologiczne

Wiązanie peptydowe to kowalencyjne wiązanie amidowe łączące reszty aminokwasowe w peptydach i białkach. Wiązania te tworzą ciągły szkielet cząsteczkowy łańcuchów peptydowych, zachowując określoną kolejność aminokwasów, a jednocześnie umożliwiając całemu łańcuchowi przyjmowanie różnych struktur trójwymiarowych.

Wiązania peptydowe są jednym z podstawowych elementów budowy peptydów. Zrozumienie ich chemii pomaga wyjaśnić, w jaki sposób pojedyncze aminokwasy mogą tworzyć większe cząsteczki o ściśle określonej sekwencji i strukturze.

Choć podstawowa definicja jest stosunkowo prosta, chemia wiązania peptydowego ma kilka istotnych cech. Elektrony w obrębie grupy amidowej są rozmieszczone w taki sposób, że wiązanie węgiel–azot częściowo przypomina wiązanie podwójne. Ogranicza to możliwość swobodnego obrotu wokół wiązania peptydowego, ale nie powoduje, że cały peptyd lub białko staje się sztywną cząsteczką. Inne wiązania w szkielecie zachowują większą swobodę obrotu, dzięki czemu łańcuchy peptydowe mogą się zginać i fałdować.

Wiązania peptydowe można analizować z kilku różnych perspektyw naukowych. Chemicy badają ich strukturę elektronową i geometrię. Biolodzy molekularni analizują sposób ich tworzenia przez rybosomy i inne układy biologiczne. Biolodzy strukturalni sprawdzają, jak geometria tych wiązań wpływa na architekturę białek. Biochemicy badają natomiast, w jaki sposób enzymy selektywnie rozrywają wiązania peptydowe podczas przetwarzania i degradacji białek.

Rozróżnienia te pomagają zrozumieć, jak białka mogą jednocześnie zachowywać określoną sekwencję aminokwasów, przyjmować złożone struktury, powstawać w kontrolowanych procesach biologicznych, a następnie ulegać przetwarzaniu lub degradacji. Badania struktury elektronowej, geometrii peptydów, katalizy rybosomalnej, syntezy białek i hydrolizy enzymatycznej dostarczają uzupełniających się informacji na temat tych procesów. [1] [2] [3]

Czym jest wiązanie peptydowe?

Chemiczna definicja wiązania peptydowego

Wiązanie peptydowe jest wiązaniem amidowym pomiędzy grupą pochodzącą od grupy karboksylowej jednego aminokwasu a grupą pochodzącą od grupy aminowej drugiego aminokwasu. W typowym szkielecie białka połączone zostają atom węgla grupy karbonylowej oraz atom azotu kolejnej reszty aminokwasowej.

Najczęściej przedstawiany fragment ma postać:

–C(=O)–NH–

Fragment C=O jest grupą karbonylową, natomiast połączenie C–N jest wiązaniem, które zwykle mamy na myśli, mówiąc konkretnie o wiązaniu peptydowym. Razem atomy te oraz ich bezpośrednie otoczenie tworzą tak zwaną grupę peptydową lub grupę amidową.

Rozróżnienie to jest ważne, ponieważ pełny wzór strukturalny grupy peptydowej zawiera kilka różnych wiązań. Wiązanie węgiel–tlen nie jest połączeniem łączącym ze sobą dwie reszty aminokwasowe. Funkcję tę pełni amidowe wiązanie węgiel–azot.

Kiedy jeden aminokwas zostaje połączony z drugim, atom węgla grupy karbonylowej związany z jedną resztą zostaje kowalencyjnie połączony z atomem azotu związanym z następną resztą. Powtarzanie tego schematu prowadzi do powstania szkieletu typowego łańcucha peptydowego.

Badania struktury elektronowej analizują między innymi oddziaływanie wolnej pary elektronowej azotu z sąsiadującym układem karbonylowym, co pozwala wyjaśnić, dlaczego wiązanie to różni się od zwykłego, swobodnie obracającego się pojedynczego wiązania węgiel–azot. [1]

Dlaczego wiązanie peptydowe jest wiązaniem kowalencyjnym?

Wiązanie peptydowe jest kowalencyjne, ponieważ połączone atomy współdzielą elektrony.

Nie jest ono oddziaływaniem jonowym pomiędzy dwoma oddzielnymi, naładowanymi aminokwasami ani wiązaniem wodorowym utrzymującym w pobliżu różne części pofałdowanego łańcucha.

To właśnie kowalencyjne połączenie zapewnia chemiczną ciągłość sekwencji aminokwasowej. Reszty pozostają częścią tego samego łańcucha, dopóki reakcja chemiczna nie zmieni sposobu ich połączenia.

Rozróżnienie to staje się szczególnie istotne podczas omawiania fałdowania i rozwijania białek. Łańcuch peptydowy może się zginać, zmieniać konformację, tracić część oddziaływań stabilizujących jego strukturę, a nawet ulec znacznemu rozwinięciu bez konieczności rozerwania wiązań peptydowych utrzymujących jego sekwencję pierwotną.

Kowalencyjne nie oznacza jednak niezniszczalne.

Enzymy oraz odpowiednie warunki chemiczne mogą powodować rozszczepienie wiązań peptydowych. Takie rozszczepienie jest jednak reakcją chemiczną zmieniającą sposób połączenia atomów, a nie jedynie zmianą kształtu cząsteczki.

Badania strukturalne jednej z proteinaz aspartylowych pokazują, w jaki sposób enzym może odpowiednio organizować substrat zawierający wiązanie peptydowe oraz cząsteczkę wody w sposób istotny dla hydrolizy. [4]

Częściowy charakter wiązania podwójnego i rezonans

Wiązanie peptydowe C–N jest często przedstawiane na wzorach jako pojedyncza linia, jednak rzeczywisty rozkład elektronów jest bardziej złożony.

Wolna para elektronowa atomu azotu może uczestniczyć w sąsiadującym układzie elektronowym grupy karbonylowej. Delokalizacja elektronów sprawia, że połączenie C–N uzyskuje częściowy charakter wiązania podwójnego.

Zjawisko to często wyjaśnia się za pomocą struktur rezonansowych.

Struktury rezonansowe są alternatywnymi sposobami przedstawiania rozkładu elektronów w tej samej cząsteczce. Nie należy ich interpretować jako odrębnych form cząsteczki, które szybko zmieniają się jedna w drugą.

Podobnie częściowy charakter wiązania podwójnego nie oznacza, że wiązanie peptydowe przez określony procent czasu jest zwykłym wiązaniem pojedynczym, a przez pozostały czas zwykłym wiązaniem podwójnym.

Rzeczywista struktura elektronowa wynika z delokalizacji elektronów w obrębie całej grupy amidowej.

W badaniu obliczeniowym Fedorov analizował udział rezonansu w określaniu rzędu wiązania peptydowego. Szczegółowe wartości liczbowe zależą od zastosowanej metody analizy struktury elektronowej. Dla ogólnego zrozumienia najważniejszy jest jednak wniosek, że oddziaływanie pomiędzy układem elektronowym azotu i grupy karbonylowej odpowiada za część nietypowych właściwości wiązania C–N. [1]

Dlaczego obrót wokół wiązania peptydowego jest ograniczony?

Częściowy charakter wiązania podwójnego ma ważną konsekwencję strukturalną: obrót wokół amidowego wiązania C–N jest bardziej ograniczony niż obrót wokół typowego pojedynczego wiązania węgiel–azot.

Nie oznacza to jednak, że białka nie mogą się zginać ani fałdować.

Szkielet peptydowy zawiera również inne wiązania, wokół których możliwy jest obrót. Łańcuch białkowy składa się więc z powtarzających się, stosunkowo sztywnych grup peptydowych połączonych poprzez inne wiązania szkieletu charakteryzujące się większą elastycznością konformacyjną.

Połączenie tych ograniczeń i możliwości rotacji przyczynia się do ogromnej różnorodności struktur trójwymiarowych, jakie mogą przyjmować peptydy i białka.

Przybliżona płaskość nie oznacza idealnie płaskiej struktury

Delokalizacja elektronów sprzyja w przybliżeniu płaskiej geometrii grupy peptydowej i ogranicza rotację wokół amidowego wiązania C–N.

Rzeczywiste struktury molekularne mogą jednak nieznacznie odbiegać od idealnej płaszczyzny matematycznej.

Improta i współpracownicy połączyli obliczenia kwantowo-mechaniczne z analizą struktur krystalicznych peptydów i białek. Wyniki wykazały niewielkie, systematyczne odchylenia zależne od lokalnej geometrii szkieletu. [2]

Dlatego prawidłowe jest stwierdzenie, że grupy peptydowe są w przybliżeniu płaskie, natomiast stwierdzenie, że każde wiązanie peptydowe w każdym peptydzie lub białku jest idealnie płaskie, byłoby zbyt dużym uproszczeniem.

Jest to dobry przykład różnicy pomiędzy użytecznym modelem edukacyjnym a bardziej szczegółowym zachowaniem rzeczywistych struktur molekularnych.

Gdzie występują wiązania peptydowe?

W szkielecie peptydów i białek

Wiązania peptydowe występują pomiędzy sąsiadującymi resztami aminokwasowymi w typowych łańcuchach peptydowych i białkowych.

Wraz z otaczającymi je atomami tworzą powtarzający się szkielet cząsteczki. Łańcuchy boczne aminokwasów wystają poza ten szkielet i nadają poszczególnym resztom dodatkowe właściwości chemiczne.

Białko może składać się z jednego łańcucha peptydowego lub z kilku łańcuchów połączonych w większy kompleks molekularny. Każdy z nich ma własne połączenia szkieletowe.

Różne łańcuchy mogą łączyć się poprzez oddziaływania niekowalencyjne albo dodatkowe wiązania kowalencyjne. Takich połączeń nie należy automatycznie zaliczać do wiązań peptydowych.

Chemiczna synteza bydlęcego trzustkowego inhibitora trypsyny, czyli BPTI, dobrze pokazuje różnicę pomiędzy tworzeniem szkieletu peptydowego a powstawaniem dodatkowych mostków disiarczkowych. Badacze najpierw otrzymali materiał liniowy, a następnie przeprowadzili jego utlenianie i charakterystykę. Badanie oddziela więc budowę łańcucha od późniejszej organizacji strukturalnej. [5]

Wiązania peptydowe określają ciągłość sekwencji pierwotnej

Kolejność reszt aminokwasowych w peptydzie lub białku określana jest jako jego struktura pierwszorzędowa.

Wiązania peptydowe zapewniają podstawową ciągłość kowalencyjną utrzymującą tę sekwencję.

Przykładowo sekwencja:

Ala–Gly–Ser

zawiera te same trzy rodzaje aminokwasów co:

Ser–Gly–Ala

Nie są to jednak te same sekwencje peptydowe.

Położenie poszczególnych reszt względem wiązań peptydowych jest inne.

Dlatego sama lista aminokwasów obecnych w próbce nie wystarcza do identyfikacji peptydu. Konieczna jest również znajomość ich kolejności i sposobu połączenia.

W peptydach liniowych i cyklicznych

Typowy otwarty łańcuch peptydowy ma dwa końce, określane jako N-koniec i C-koniec.

N-koniec odpowiada jednemu końcowi szkieletu peptydowego, natomiast C-koniec — drugiemu. Sekwencje peptydowe standardowo zapisuje się od N-końca w kierunku C-końca.

Peptyd cykliczny typu head-to-tail, czyli zamknięty przez połączenie końców łańcucha, zawiera dodatkowe wiązanie szkieletowe tworzące pierścień.

Nie wszystkie peptydy cykliczne zamykają się jednak w taki sam sposób. Pierścień może powstawać również z udziałem łańcucha bocznego, a niektóre cząsteczki zawierają więcej niż jeden rodzaj wiązania poprzecznego.

Określenie cykliczny opisuje więc cechę architektury cząsteczki, a nie jeden uniwersalny sposób jej połączenia.

Kalata B1 jest konkretnym przykładem peptydu, którego cykliczny szkielet potwierdzono między innymi poprzez badania rozszczepiania enzymatycznego, analizę sekwencji i strukturę molekularną. Cząsteczka zawiera również mostki disiarczkowe. Te dodatkowe wiązania siarka–siarka różnią się chemicznie od wiązań amidowych łączących reszty w szkielecie peptydu. [6]

Wiązania peptydowe a wiązania izopeptydowe

W typowym szkielecie białka wiązania peptydowe łączą główne grupy aminowe i grupy pochodzące od grup karboksylowych.

Wiązanie amidowe, w którego tworzeniu uczestniczy grupa funkcyjna łańcucha bocznego aminokwasu, jest często określane jako wiązanie izopeptydowe.

Najważniejszą zasadą jest więc ustalenie, które atomy rzeczywiście zostały ze sobą połączone.

Sama obecność wiązania amidowego nie oznacza automatycznie, że znajduje się ono w typowym szkielecie peptydowym. Jednocześnie nie każde wiązanie poprzeczne w peptydzie lub białku jest wiązaniem amidowym — mostki disiarczkowe i inne modyfikacje kowalencyjne mają odmienną chemię.

Dla początkujących najbardziej użytecznym punktem wyjścia są zwykłe wiązania peptydowe występujące w szkielecie. Bardziej wyspecjalizowane połączenia można następnie rozpatrywać jako odmienne warianty organizacji molekularnej.

Ile wiązań peptydowych znajduje się w łańcuchu?

Pojedynczy otwarty, nierozgałęziony łańcuch zawierający n reszt aminokwasowych ma n − 1 wiązań peptydowych w szkielecie.

Oznacza to, że:

• dipeptyd ma 2 reszty i 1 wiązanie peptydowe;
• tripeptyd ma 3 reszty i 2 wiązania peptydowe;
• tetrapeptyd ma 4 reszty i 3 wiązania peptydowe;
• pentapeptyd ma 5 reszt i 4 wiązania peptydowe;
• otwarty łańcuch zawierający 10 reszt ma 9 wiązań peptydowych.

Zależność ta wynika bezpośrednio ze sposobu połączenia cząsteczki: każda kolejna reszta wydłuża istniejący łańcuch poprzez jedno dodatkowe wiązanie szkieletowe.

Odpowiadający mu cykliczny łańcuch typu head-to-tail zawiera n wiązań peptydowych w szkielecie, ponieważ dodatkowe wiązanie zamyka pierścień.

Założenia te są jednak istotne. Rozgałęzienia, nietypowe połączenia łańcuchów bocznych, obecność kilku łańcuchów, wiązania izopeptydowe lub inne niż amidowe elementy szkieletu wymagają bardziej szczegółowej analizy.

Sama liczba reszt nie zawsze wystarcza więc do określenia wszystkich wiązań kowalencyjnych obecnych w złożonym peptydzie lub białku.

Jak wiązania peptydowe łączą aminokwasy?

Od wolnych aminokwasów do reszt aminokwasowych

Wolny aminokwas i odpowiadająca mu reszta znajdująca się w peptydzie są ze sobą powiązane, ale nie opisują dokładnie tego samego stanu chemicznego.

Kiedy aminokwas zostaje włączony do peptydu, jego grupy funkcyjne uczestniczą w połączeniach tworzących łańcuch.

Przykładowo połączenie glicyny i alaniny w jednej kolejności prowadzi do powstania glicyloalaniny. Odwrócenie kolejności prowadzi do powstania alanyloglicyny.

Rodzaje aminokwasów są takie same, ale ich położenie i środowisko chemiczne różnią się.

Pokazuje to, dlaczego sekwencja peptydu zawiera więcej informacji niż zwykła lista jego składników.

Tworzenie wiązań można badać bezpośrednio. Stachelhaus i współpracownicy analizowali elementy nierybosomalnego systemu syntezy peptydów i wykazali, że zmiana reszty znajdującej się w proponowanym miejscu katalitycznym uniemożliwiała badaną reakcję kondensacji. Eksperyment łączy więc powstawanie określonego produktu peptydowego z działaniem konkretnej maszynerii molekularnej. [7]

Równanie kondensacji jest modelem bilansu reakcji

W podstawowej chemii powstawanie peptydu często przedstawia się za pomocą równania:

aminokwas + aminokwas → dipeptyd + woda

Równanie pokazuje różnicę w składzie pomiędzy wolnymi cząsteczkami wyjściowymi a połączonym produktem.

Jest ono przydatne do zrozumienia chemicznej relacji między substratami a produktem.

Nie należy go jednak interpretować jako kompletnego mechanizmu syntezy białka wewnątrz żywej komórki.

Wolne aminokwasy nie ustawiają się po prostu obok siebie w wodzie, nie uwalniają spontanicznie cząsteczek wody i nie tworzą samoczynnie określonej sekwencji białka.

Synteza biologiczna wymaga aktywowanych substratów, uporządkowanej maszynerii molekularnej, informacji określającej sekwencję oraz procesów przygotowawczych wymagających energii.

Istotne jest więc rozróżnienie pomiędzy sumarycznym równaniem chemicznym a mechanizmem reakcji.

Równanie opisuje skład początkowy i końcowy. Mechanizm wyjaśnia rzeczywiste etapy molekularne i produkty pośrednie prowadzące do reakcji.

Eksperymenty dotyczące rybosomów badają właśnie takie szczegóły mechanistyczne, a nie jedynie odtwarzają znane równanie kondensacji. [3]

Jak rybosom tworzy wiązania peptydowe?

Podczas translacji transferowe RNA, czyli tRNA, przenoszą aminokwasy oraz rosnący łańcuch peptydowy w obrębie rybosomu.

Grupa aminowa nowo dostarczonego aminokwasu reaguje z aktywowanym końcem istniejącego łańcucha połączonym z tRNA, co prowadzi do przeniesienia rosnącego peptydu na resztę związaną z nowym tRNA.

Łańcuch peptydowy jest zwykle wydłużany od strony C-końca.

Aktywacja aminokwasów i ich przyłączanie do tRNA są procesami zależnymi od energii. Dlatego opis każdego rybosomalnego wiązania peptydowego jako powstającego bezpośrednio pomiędzy dwoma wolnymi aminokwasami albo jako prostego „usuwania wody” przez rybosom byłby zbyt dużym uproszczeniem.

Weinger i współpracownicy zmodyfikowali grupę chemiczną w substracie tRNA i zaobserwowali znaczne ograniczenie powstawania wiązań peptydowych bez odpowiadającego mu zmniejszenia wiązania substratu. Wynik ten dostarczył dowodów na katalizę wspomaganą przez substrat, w której właściwości chemiczne samych substratów uczestniczą w przebiegu reakcji. [3]

Eksperyment wskazuje więc na mechanistyczną rolę chemii tRNA, a nie wyłącznie na jego funkcję jako biernego nośnika.

Tworzenie wiązań peptydowych ma określony kierunek

Synteza białek jest procesem kierunkowym.

Ponieważ rosnący łańcuch jest wydłużany od strony C-końca, sekwencja rozwija się w określonej orientacji.

Jest to związane z powszechną konwencją zapisywania sekwencji peptydów i białek od N-końca do C-końca.

Kierunek nie jest jednak wyłącznie konwencją zapisu. Odwrócenie sekwencji zwykle prowadzi do powstania innej cząsteczki, ponieważ każda reszta zajmuje wtedy inną pozycję względem pozostałych elementów łańcucha.

Inne sposoby tworzenia podobnego rodzaju wiązań

Wiązania peptydowe mogą powstawać również poza rybosomem.

Wyspecjalizowane nierybosomalne układy enzymatyczne syntetyzują niektóre peptydy, natomiast laboratoryjna synteza peptydów wykorzystuje aktywowane składniki i kontrolowane reakcje sprzęgania.

Drogi te różnią się organizacją, substratami, warunkami reakcji i mechanizmami katalitycznymi.

Nie należy traktować ich jako identycznych procesów tylko dlatego, że produkty końcowe zawierają wiązania amidowe.

Badania nierybosomalnego tworzenia wiązań oraz chemiczna synteza BPTI stanowią przykłady takich odmiennych sposobów produkcji. [7] [5]

Sposób wytworzenia sam w sobie nie określa również, czy dana cząsteczka jest peptydem czy białkiem. Synteza chemiczna może prowadzić do otrzymania materiału odpowiadającego naturalnie występującemu peptydowi lub białku, pod warunkiem prawidłowego ustalenia jego sekwencji i innych istotnych cech strukturalnych.

Wiązania peptydowe a inne wiązania w białkach

Wiązania szkieletowe a oddziaływania odpowiedzialne za fałdowanie

Wiązania peptydowe utrzymują połączoną sekwencję aminokwasów.

Inne oddziaływania pomagają natomiast określić sposób, w jaki sekwencja ta układa się w przestrzeni trójwymiarowej lub jak poszczególne łańcuchy peptydowe oddziałują ze sobą.

Wiązania wodorowe powstają pomiędzy odpowiednimi donorami i akceptorami wodoru. W obrębie szkieletu peptydowego atomy tlenu grup karbonylowych mogą pełnić funkcję akceptorów, a wiele grup amidowych N–H może być donorami.

Azot amidowy zwykle nie jest traktowany jako akceptor wiązania wodorowego, ponieważ jego wolna para elektronowa uczestniczy w układzie elektronowym grupy amidowej.

Szczególnej uwagi wymagają również grupy peptydowe zawierające prolinę, ponieważ azot w szkielecie nie posiada wtedy typowego wodoru N–H.

Grupa zawierająca wiązanie peptydowe może więc uczestniczyć w tworzeniu wiązań wodorowych, ale wiązanie peptydowe i wiązanie wodorowe są różnymi rodzajami połączeń.

Jedno z nich kowalencyjnie łączy reszty aminokwasowe. Drugie uczestniczy w oddziaływaniach wewnątrz cząsteczki lub pomiędzy cząsteczkami.

Badania krótkiego, pofałdowanego peptydu CLN025 analizowały strukturę stabilizowaną między innymi przez wiązania wodorowe i inne oddziaływania wewnątrzcząsteczkowe. Pokazuje to, że fałdowanie może zachodzić bez tworzenia nowej sekwencji szkieletowej. [8]

Mostki disiarczkowe łączą łańcuchy boczne zawierające siarkę

Mostki disiarczkowe są kowalencyjnymi połączeniami siarka–siarka, które najczęściej powstają pomiędzy łańcuchami bocznymi cysteiny.

Mogą łączyć odległe fragmenty tego samego łańcucha peptydowego lub różne łańcuchy.

Nie są wiązaniami peptydowymi i nie występują we wszystkich białkach.

Powstanie lub rozerwanie mostka disiarczkowego może istotnie zmienić organizację przestrzenną cząsteczki bez konieczności przecinania jej szkieletu peptydowego.

W badaniu dotyczącym syntezy BPTI przygotowano sekwencję naturalną oraz analogi zaprojektowane w celu zmiany możliwości tworzenia mostków disiarczkowych. Materiał o sekwencji naturalnej porównywano z naturalnym BPTI za pomocą metod analitycznych i funkcjonalnych. Abstrakt publikacji nie potwierdzał wszystkich konsekwencji strukturalnych dotyczących analogów, dlatego proponowanych różnic nie należy przedstawiać jako w pełni ustalonych wyników. [5]

Oddziaływania jonowe i hydrofobowe

Naładowane grupy mogą się przyciągać lub odpychać, wpływając na przestrzenną organizację cząsteczki.

Regiony niepolarne oddziałują natomiast ze środowiskiem wodnym w sposób, który może sprzyjać ich ukrywaniu we wnętrzu struktury, asocjacji lub agregacji. Zjawisko to jest często omawiane w kontekście efektu hydrofobowego.

Oddziaływania te mogą mieć ogromne znaczenie dla fałdowania białek, jednak oddziaływanie hydrofobowe nie jest nowym wiązaniem kowalencyjnym pomiędzy aminokwasami.

Dlatego nieprawidłowe jest określanie wszystkich sił stabilizujących białko mianem wiązań peptydowych.

Poszczególne rodzaje oddziaływań mogą również różnie reagować na temperaturę, rozpuszczalnik, kwasowość, warunki jonowe i inne zmiany środowiska. Ustalenie, który rodzaj wiązania lub oddziaływania ulega zmianie, pozwala dokładniej zrozumieć wynik eksperymentu.

Denaturacja nie jest tym samym co hydroliza

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]

Najczęściej zadawane pytania

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.

Podsumowanie

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.

Zastrzeżenie

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.

References

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