Polypeptid

Polypeptid
n., množné číslo: polypeptidy

Definice: Polymer aminokyselin spojených peptidovými vazbami. Obrázek: CNX OpenStax

Definice polypeptidu Biologie

Co jsou polypeptidy? Polypeptid je definován jako polymer aminokyselin spojených peptidovými vazbami (obrázek 1).

Větší polypeptidy nebo více polypeptidů, které se vyskytují společně, se označují jako proteiny. Proteiny jsou polymery aminokyselin, které se často vážou na malé molekuly (např. ligandy, koenzymy), na jiné proteiny nebo jiné makromolekuly (DNA, RNA atd.) Proto se stavební kameny proteinů nazývají aminokyseliny. Bílkoviny hrají v biologii zásadní roli, fungují jako stavební kameny svalů, kostí, vlasů, nehtů a také tvoří enzymy, protilátky, svaly, pojivové tkáně a mnoho dalšího. Peptidy jsou kratší řetězce aminokyselin (dvě nebo více), což je odlišuje od polypeptidů, které jsou mnohem delší.

Struktura polypeptidu

Polymer produkovaný živým organismem se nazývá biopolymer. Existují čtyři hlavní třídy biopolymerů: (1) polysacharidy, (2) polypeptidy, (3) polynukleotidy a (4) mastné kyseliny. Které polymery se skládají z aminokyselin? Polypeptid je nerozvětvený řetězec aminokyselin, které jsou navzájem spojeny peptidovými vazbami. Peptidová vazba spojuje karboxylovou skupinu jedné aminokyseliny s aminoskupinou další aminokyseliny za vzniku amidu. Co jsou peptidy? Krátké polypeptidy lze pojmenovat podle počtu monomerních aminokyselin, které je tvoří. Například dipeptid je peptid složený ze dvou podjednotek aminokyselin, tripeptid je peptid složený ze tří podjednotek aminokyselin a tetrapeptid je peptid složený ze čtyř podjednotek aminokyselin.

Definice aminokyselin Biologie

Aminokyseliny, které tvoří polypeptidy, obsahují alkalickou aminoskupinu (-NH2), kyselou karboxylovou skupinu (-COOH) a skupinu R (postranní řetězec). R skupina je variabilní ve svých složkách a je pro každou aminokyselinu jedinečná. Každá molekula aminokyseliny obsahuje atom uhlíku (α-uhlík). Ve většině případů jsou aminoskupiny a karboxylové skupiny připojeny k α-uhlíku (obrázek 2).

Definice peptidové vazby

Peptidová vazba (vazba aminokyselin) je vazba mezi aminokyselinami. Tvoří primární strukturu dlouhého polypeptidového řetězce. Bílkoviny se skládají z jednoho nebo několika polypeptidů, které se vzájemně propojily a vytvořily konečnou, stabilní a funkční konformaci.

Aminokyseliny mohou být buď α-aminokyseliny jsou β-aminokyseliny. Pokud je na centrální uhlík navázána jak karboxylová, tak aminoskupina, označují se jako α-aminokyseliny. U β-aminokyselin jsou karboxylová a aminoskupina připojeny k jiné molekule uhlíku. Na obrázku 3 je uveden příklad α-aminokyseliny a β-aminokyseliny.

Existuje 21 aminokyselin, které eukaryota používají k tvorbě bílkovin (syntéza bílkovin). Všechny se liší rozdíly ve svých postranních řetězcích. Člověk a ostatní obratlovci si mohou vytvořit 12 z nich, které se označují jako neesenciální aminokyseliny. Zbývajících 9 aminokyselin je třeba přijímat, protože nemohou být vytvořeny v těle, ale jsou vytvářeny jinými organismy. Ty se označují jako esenciální aminokyseliny.

Do nedávné doby byl seznam aminokyselin tvořen 20 aminokyselinami. V roce 1986 však byl jako 21. aminokyselina přidán selenocystein. Selenocystein se vyskytuje v některých vzácných bílkovinách u bakterií a lidí. Ještě nedávno bylo navrženo, aby byl pyrrolyzin jmenován 22. aminokyselinou. Pyrrolysin se však při syntéze lidských bílkovin nepoužívá. Tabulka 1 uvádí seznamy esenciálních a neesenciálních aminokyselin. Obrázek 4 znázorňuje strukturu 21 aminokyselin.

.

Tvorba polypeptidů

Změna postranních řetězců skupiny R mění chemismus molekuly aminokyseliny. Většina aminokyselin má postranní řetězce, které jsou nepolární (nemají kladný a záporný pól). Jiné mají kladně nebo záporně nabité postranní řetězce. Některé mají polární postranní řetězce, které nejsou nabité. Chemie postranních řetězců ovlivňuje způsob, jakým se aminokyseliny spojují při vytváření konečné struktury bílkovin.

Pokud mají aminokyseliny nabité postranní řetězce, mohou vytvářet iontové vazby. Pokud jsou postranní řetězce hydrofobní, mohou se spojovat pomocí van der Waalsových interakcí. Polární aminokyseliny se mohou spojovat vodíkovými vazbami. Interakce postranních řetězců dlouhého řetězce aminokyselin a jejich pořadí v řetězci tedy určují, jak je molekula bílkoviny tvořena, tj. kde se skládá dohromady. Další informace týkající se různých vazeb a interakcí mezi aminokyselinami budou probrány později v tomto oddíle.

Bílkoviny mají 4 úrovně struktury: primární strukturu, sekundární strukturu, terciární strukturu a kvartérní strukturu.

1. Struktura bílkovin. Primární struktura

Co je to polypeptidová sekvence? Zjednodušeně řečeno, polypeptidy jsou řetězce aminokyselin. Primární struktura bílkoviny začíná tvorbou peptidové vazby mezi aminokyselinami, jejímž výsledkem je vytvoření peptidu.

Co je peptidová vazba? Peptidové vazby existují mezi α-karboxylovou skupinou aminokyseliny a α-aminoskupinou jiné aminokyseliny. Vzniká tak stabilní dvourozměrná struktura s postranními řetězci vystupujícími z polypeptidového řetězce. To umožňuje interakci postranních řetězců s jinými molekulami. Tento akt spojování menších jednotek dohromady za účelem vytvoření delšího polymeru se nazývá polymerace. Jak vznikají peptidové vazby? Reakce spojení dvou aminokyselin je kondenzační reakce. Dochází totiž ke ztrátě molekuly vodíku a kyslíku z karboxylové skupiny 1 aminokyseliny a ke ztrátě molekuly vodíku z aminoskupiny druhé aminokyseliny. Vzniká tak molekula vody (H2O), odtud termín kondenzační reakce.

2. Sekundární struktura

Sekundární struktura vzniká při vzniku vodíkových vazeb mezi atomy v páteři polypeptidu (nezahrnuje postranní řetězce). Dvě běžné struktury vznikající opakovaným skládáním pomocí vodíkových vazeb jsou α-helix a β-skládaný list.

V sekundární struktuře α-helixu je spirála pravotočivá a vodíkové vazby se nacházejí mezi každou čtvrtou aminokyselinou. α-keratin je příkladem proteinu složeného z α-helixů. Tento protein se nachází ve vlasech a nehtech.

Druhou běžnou sekundární strukturou je β-vrstevnatý list. Vzniká, když dva polypeptidové řetězce leží vedle sebe a vznikají mezi nimi vodíkové vazby. Existují dva typy β-pleated sheetů; jsou to paralelní β-pleated sheet a antiparalelní β-pleated sheet. Na konci polypeptidu je buď volná karboxylová skupina, nebo volná aminoskupina.

V paralelním β-pleated listu probíhají oba polypeptidové řetězce ve stejném směru se stejnou skupinou na každém konci. V antiparalelním β-pleated listu probíhají polypeptidy v různých směrech. Obrázek 6 znázorňuje antiparalelní β-pleated sheet a α-helix.

Méně známou sekundární strukturou je β-barrel. V tomto případě polypeptidy probíhají antiparalelně vůči sobě, ale zároveň se stočily do soudkovitého tvaru s vodíkovými vazbami mezi první a poslední aminokyselinou (obrázek 7).

Ačkoli jsou vodíkové vazby v aminokyselinách slabé, kombinace všech vodíkových vazeb dohromady dává struktuře stabilitu, což jí umožňuje udržet si svůj tvar.

3. Terciární struktura

Terciární struktura polypeptidu je definována jako trojrozměrná struktura. Protein se začíná dále skládat v důsledku interakcí postranních řetězců (skupin R) v primární sekvenci. Děje se tak prostřednictvím hydrofobních vazeb, vodíkových vazeb, iontových vazeb, disulfidových vazeb a Van der Waalsových interakcí.

• Hydrofobní vazby – boční řetězce, které jsou nepolární, a hydrofobní skupiny spolu. Zůstávají na vnitřní straně proteinu a na vnější straně ponechávají hydrofilní postranní řetězce, které jsou v kontaktu s vodou.
• Vodíkové vazby – vznikají mezi elektricky záporným atomem a atomem vodíku, který je již vázán na elektricky záporný atom. Jsou slabší než kovalentní a iontové vazby, ale silnější než Van der Waalsovy interakce.
• Iontové vazby – kladně nabitý ion tvoří vazbu se záporně nabitým iontem. Tyto vazby jsou silnější uvnitř bílkovin, kde je vyloučena voda, protože voda může tyto vazby disociovat.
• Van der Waalsovy interakce – jde o elektrické interakce mezi blízkými atomy nebo molekulami. Tyto interakce jsou slabé, avšak pokud je těchto interakcí v bílkovině více, mohou jí přidat na pevnosti.
• Disulfidická vazba – jedná se o typ kovalentní vazby a je také nejsilnější vazbou, která se v bílkovinách vyskytuje. Zahrnuje oxidaci 2 cysteinových zbytků, jejímž výsledkem je kovalentní vazba síra-síra. Téměř třetina syntetizovaných eukaryotických proteinů obsahuje disulfidové vazby. Tyto vazby zajišťují stabilitu bílkovin. Na obrázku 8 jsou znázorněny různé vazby, které se podílejí na terciární struktuře bílkoviny.

4. Kvartérní struktura

V kvartérní struktuře se řetězce polypeptidů začínají vzájemně ovlivňovat. Tyto proteinové podjednotky se k sobě vážou prostřednictvím vodíkových vazeb a van der Waalsových interakcí. Jejich uspořádání umožňuje specifickou funkčnost konečného proteinu. Změny v konformaci mohou být škodlivé pro jejich biologické působení. Hemoglobin je příkladem proteinu s kvartérní strukturou. Skládá se ze 4 podjednotek.

Je třeba poznamenat, že ne všechny proteiny mají kvartérní strukturu, mnoho proteinů má jako konečnou konformaci pouze terciární strukturu.

Jsou polypeptidy proteiny? V některých případech se slovo polypeptid používá zaměnitelně se slovem protein. Bílkovina se však může skládat z více než 1 polypeptidového řetězce, takže použití termínu polypeptid pro všechny bílkoviny není vždy správné.

Funkce polypeptidů s příklady

Polypeptidy a z nich vznikající bílkoviny se vyskytují v celém těle. Jaká je funkce polypeptidu? Úlohy polypeptidů jsou závislé na obsahu aminokyselin. Existuje více než 20 aminokyselin a průměrná délka polypeptidu je přibližně 300 aminokyselin. Tyto aminokyseliny mohou být uspořádány v libovolném pořadí. To umožňuje obrovské množství možných variant proteinů. Ne všechny tyto bílkoviny by však měly stabilní 3D konformaci. Proteiny, které se nacházejí v buňkách, jsou nejen stabilní ve své konformaci, ale také navzájem jedinečné.

Jaké jsou příklady polypeptidů? Mezi nejdůležitější příklady proteinů patří přenašeče, enzymy, hormony a strukturní podpora.

Přenašeče

Existují přenašeče proteinů a peptidů. Peptidové transportéry se nacházejí v rodině peptidových transportérů (PTR). Jejich funkcí je působit jako membránové proteiny v buňce a přijímat malé peptidy (di- nebo tri-peptidy). Existují 2 hlavní typy peptidových transportérů: PEPT1 a PEPT2. PEPT1 se nachází ve střevních buňkách a pomáhá vychytávat di- a tripeptidy. PEPT2 se naopak nachází převážně v ledvinových buňkách a napomáhá zpětnému vstřebávání di- a tripeptidů.

Enzymy

Polypeptidy tvoří také enzymy. Enzymy iniciují (katalyzují) nebo urychlují biochemické reakce. Jsou to biomolekuly, které pomáhají při syntéze i rozkladu molekul. Všechny živé organismy používají enzymy a jsou životně důležité pro naše přežití. Předpokládá se, že enzymy katalyzují asi 4000 různých biochemických reakcí v životě. Všechny enzymy jsou pojmenovány koncovkou -ase. Existuje 6 funkčních skupin enzymů: oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, izomerázy a ligázy. Například laktáza je hydroláza, která způsobuje hydrolýzu (rozkladnou reakci s vodou) laktózy (mléčného cukru) na monomery galaktózy a glukózy (obr. 10). Laktáza se vyskytuje u lidí i zvířat a její funkcí je napomáhat trávení mléka. Vyskytuje se také v některých mikroorganismech.

Hormony

Hormony mohou být buď steroidní, nebo peptidové. Polypeptidové a proteinové hormony se liší svou velikostí, přičemž některé se skládají pouze z několika aminokyselin, zatímco jiné jsou velké bílkoviny. Vznikají v buňkách v drsném endoplazmatickém retikulu (RER) a poté se přesouvají do Golgiho aparátu. Poté jsou umístěny do vezikul, dokud nejsou potřeba/stimulovány k vylučování mimo buňku.

Insulin je příkladem bílkovinného hormonu. Má 51 aminokyselinových zbytků a skládá se ze 2 polypeptidových řetězců známých jako řetězec A a řetězec B. Tento hormon syntetizují beta buňky ve slinivce břišní. Inzulín pomáhá tělu regulovat hladinu cukru v krvi tím, že odstraňuje přebytečnou glukózu z krve a umožňuje její uložení pro pozdější použití (obrázek 11).

Strukturní podpora

Nakonec strukturní bílkoviny poskytují tvar a podporu živým organismům. Mohou například poskytovat oporu buněčné stěně. Nacházejí se také v pojivové tkáni, svalech, kostech a chrupavkách. Příkladem strukturního proteinu, který se nachází v buňkách, je aktin. Je to nejhojněji zastoupený protein, který se nachází v eukaryotických buňkách. Ve svalových buňkách pomáhají podporovat svalovou kontrakci. Tvoří také cytoskelet buněk, který jim pomáhá udržovat jejich tvar. Kromě toho se aktin podílí na dělení buněk, buněčné signalizaci a pohybu organel.

• Bock, A. a kol (1991). Selenocystein: The 21st Amino Acid: The 21st Amino Acid (21. aminokyselina). Molekulární biologie. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J a další (2002). Tvar a struktura bílkovin. Molekulární biologie buňky. Čtvrté vydání. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26830/#:~:text=Since%20each%20of%20the%2020,chains%20n%20amino%20acids%20long.
• Candotti, F. Peptide. Národní ústav pro výzkum lidského genomu. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). Syntéza proteinů. Molekulární biologie, Academic Cell, třetí vydání. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Základy buněčné biologie. (2014). Funkce proteinů jsou určeny jejich trojrozměrnou strukturou. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biochemie, Základní aminokyseliny. Statistika a perličky. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminokyseliny. Brennerova encyklopedie genetiky (druhé vydání), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Kolik aminokyselin je v těle – esenciální a neesenciální. Vědecké trendy. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminokyseliny, peptidy a bílkoviny. Principy organické chemie. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Produkce, purifikace a aplikace mikrobiálních enzymů. Biotechnologie mikrobiálních enzymů. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Struktura a funkce proteinů. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Tvorba disulfidových vazeb. Handbook of Biologically Active Peptides (druhé vydání). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biochemie, Sekundární struktura proteinů. Statické perly. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Úloha přenašečů aminokyselin v metabolismu bílkovin. The Molecular Nutrition of Amino Acids and Proteins, Academic Press. 5 (49-64). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802167-5.00005-0