Polypeptidi

Polypeptidi
n., monikko: polypeptidit

Määritelmä: Peptidisidoksilla toisiinsa liittyneiden aminohappojen polymeeri. Image credit: CNX OpenStax

Polypeptidin määritelmä Biologia

Mitä ovat polypeptidit? Polypeptidi määritellään aminohappojen polymeeriksi, joka on yhdistetty toisiinsa peptidisidoksilla (kuva 1).

Kookkaampia polypeptidejä tai useampia yhdessä esiintyviä polypeptidejä kutsutaan proteiineiksi. Proteiinit ovat aminohappojen polymeerejä, jotka usein sitoutuvat pieniin molekyyleihin (esim. ligandeihin, koentsyymeihin), toisiin proteiineihin tai muihin makromolekyyleihin (DNA:han, RNA:han jne.) Siksi proteiinien rakennusaineita kutsutaan aminohapoiksi. Proteiineilla on tärkeä rooli biologiassa, sillä ne toimivat lihasten, luiden, hiusten ja kynsien rakennusaineina sekä muodostavat entsyymejä, vasta-aineita, lihaksia, sidekudosta ja paljon muuta. Peptidit ovat lyhyempiä aminohappoketjuja (kaksi tai useampia), mikä erottaa ne polypeptideistä, jotka ovat paljon pidempiä.

Polypeptidirakenne

Elävän organismin tuottamaa polymeeriä kutsutaan biopolymeeriksi. Biopolymeerien pääluokkia on neljä: (1) polysakkaridit, (2) polypeptidit, (3) polynukleotidit ja (4) rasvahapot. Mitkä polymeerit koostuvat aminohapoista? Polypeptidi on haarautumaton ketju aminohappoja, jotka on yhdistetty toisiinsa peptidisidoksilla. Peptidisidos yhdistää yhden aminohapon karboksyyliryhmän seuraavan aminohapon amiiniryhmään muodostaen amidin. Mitä peptidit ovat? Lyhyet polypeptidit voidaan nimetä niiden muodostavien monomeeristen aminohappojen lukumäärän perusteella. Esimerkiksi dipeptidi on peptidi, joka koostuu kahdesta aminohapon alayksiköstä, tripeptidi on peptidi, joka koostuu kolmesta aminohapon alayksiköstä, ja tetrapeptidi on peptidi, joka koostuu neljästä aminohapon alayksiköstä.

Aminohapon määritelmä Biologia

Aminohapot, joista polypeptidit koostuvat, sisältävät emäksisen aminoryhmän (-NH2), happaman karboksyyliryhmän (-COOH) ja R-ryhmän (sivuketju). R-ryhmä on osatekijöiltään vaihteleva ja jokaiselle aminohapolle ominainen. Jokainen aminohappomolekyyli sisältää yhden hiiliatomin (α-hiili). Useimmissa tapauksissa amino- ja karboksyyliryhmät ovat kiinnittyneet α-hiileen (kuva 2).

Peptidisidoksen määritelmä

Peptidisidos (aminohapposidos) on aminohappojen välinen sidos. Se muodostaa pitkän polypeptidiketjun primaarirakenteen. Proteiinit koostuvat yhdestä tai useammasta polypeptidistä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään muodostaen lopullisen, vakaan, toimivan konformaation.

Aminohapot voivat olla joko α-aminohappoja ovat β-aminohappoja. Kun sekä karboksyyli- että aminoryhmä on kiinnittynyt keskushiileen, niitä kutsutaan α-aminohapoiksi. β-aminohapoissa karboksyyli- ja aminoryhmä ovat kiinnittyneet eri hiilimolekyyliin. Kuvassa 3 on esimerkki α-aminohaposta ja β-aminohaposta.

Eukaryootit käyttävät 21 aminohappoa proteiinien tuottamiseen (proteiinisynteesi). Kaikki eroavat toisistaan sivuketjujensa eroilla. Ihminen ja muut selkärankaiset eläimet pystyvät valmistamaan näistä 12:ta, joita kutsutaan ei-välttämättömiksi aminohapoiksi. Loput 9 aminohappoa on nautittava, koska niitä ei voida valmistaa elimistössä, vaan niitä valmistavat muut organismit. Näitä kutsutaan välttämättömiksi aminohapoiksi.

Viime aikoihin asti aminohappojen luettelossa oli 20 aminohappoa. Selenokysteiini lisättiin kuitenkin 21. aminohapoksi vuonna 1986. Selenokysteiiniä esiintyy joissakin harvinaisissa proteiineissa bakteereissa ja ihmisissä. Vielä äskettäin ehdotettiin, että pyrrolysiini nimettäisiin 22. aminohapoksi. Pyrrolysiiniä ei kuitenkaan käytetä ihmisen proteiinisynteesissä. Taulukossa 1 on luettelo välttämättömistä ja ei-välttämättömistä aminohapoista. Kuvassa 4 on esitetty 21 aminohapon rakenne.

.

Polypeptidin muodostuminen

R-ryhmän sivuketjujen vaihtelu muuttaa aminohappomolekyylin kemiaa. Useimpien aminohappojen sivuketjut ovat poolittomia (niillä ei ole positiivista ja negatiivista napaa). Toisilla taas on positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita sivuketjuja. Joillakin on poolisia sivuketjuja, jotka ovat varauksettomia. Sivuketjun kemia vaikuttaa siihen, miten aminohapot sitoutuvat toisiinsa, kun ne muodostavat lopullisen proteiinirakenteen.

Jos aminohapoilla on varautuneet sivuketjut, ne voivat muodostaa ionisidoksia. Jos sivuketjut ovat hydrofobisia, ne voivat liittyä van der Waalsin vuorovaikutuksilla. Pooliset aminohapot voivat liittyä vetysidoksilla. Pitkän aminohappoketjun sivuketjujen vuorovaikutukset ja niiden järjestys ketjussa määräävät siis sen, miten proteiinimolekyyli muodostuu, eli missä se taittuu yhteen. Lisätietoa aminohappojen välisistä erilaisista sidoksista ja vuorovaikutuksista käsitellään myöhemmin tässä jaksossa.

Proteiineilla on neljä rakennetasoa: primaarirakenne, sekundaarirakenne, tertiäärirakenne ja kvaternäärirakenne.

1. Proteiinien rakenne on erilainen. Ensisijainen rakenne

Mikä on polypeptidisekvenssi? Yksinkertaistettuna polypeptidit ovat aminohappojen ketjuja. Proteiinin primaarirakenne alkaa aminohappojen välisestä peptidisidoksen muodostumisesta, jonka tuloksena syntyy peptidi.

Mikä on peptidisidos? Peptidisidoksia esiintyy aminohapon α-karboksyyliryhmän ja toisen aminohapon α-aminoryhmän välillä. Tämä muodostaa vakaan kaksiulotteisen rakenteen, jonka sivuketjut ulottuvat polypeptidiketjusta ulospäin. Näin sivuketjut voivat olla vuorovaikutuksessa muiden molekyylien kanssa. Tätä pienempien yksiköiden liittämistä yhteen pidemmän polymeerin luomiseksi kutsutaan polymerisaatioksi. Miten peptidisidokset muodostuvat? Kahden aminohapon liittymisreaktio on kondensaatioreaktio. Tämä johtuu siitä, että yhden aminohapon karboksyyliryhmästä häviää vety- ja happimolekyyli ja toisen aminohapon aminoryhmästä häviää vetymolekyyli. Tällöin syntyy vesimolekyyli (H2O), mistä johtuu termi kondensaatioreaktio.

2. Peptidipidien muodostuminen. Sekundäärirakenne

Sekundäärirakenne muodostuu, kun polypeptidin selkärangan atomien välille syntyy vetysidoksia (tähän eivät kuulu sivuketjut). Kaksi yleistä mallia, jotka syntyvät toistuvasta taittumisesta vetysidosten avulla, ovat α-kierre ja β-pleated sheet.

α-kierteen sekundäärirakenteessa kierre on oikeakätinen, ja vetysidoksia on joka neljännen aminohapon välissä. α-keratiini on esimerkki α-kierteistä koostuvasta proteiinista. Tätä proteiinia esiintyy hiuksissa ja kynsissä.

B-viiru on toinen yleinen sekundäärirakenne. Se syntyy, kun kaksi polypeptidiketjua on vierekkäin ja niiden välille muodostuu vetysidoksia. On olemassa kahta erilaista β-pleated sheetiä; nämä ovat yhdensuuntainen β-pleated sheet ja antiparalleelinen β-pleated sheet. Polypeptidin päässä on joko vapaa karboksyyliryhmä tai vapaa aminoryhmä.

Rinnakkaisessa β-pleated sheetissä kaksi polypeptidiketjua kulkee samansuuntaisesti ja molemmissa päissä on sama ryhmä. Antiparalleelisessa β-pleated sheetissä polypeptidiketjut kulkevat eri suuntiin. Kuvassa 6 on havainnollistettu anti-paralleeli β-pleated sheet ja α-kierre.

Myös harvemmin tunnettu sekundaarirakenne on β-viiru. Tällöin polypeptidit kulkevat antiparalleelisesti toisiinsa nähden, mutta ovat myös kietoutuneet tynnyrin muotoon, jossa ensimmäisen ja viimeisen aminohapon välillä on vetysidoksia (kuva 7).

Vaikka aminohappojen vetysidokset ovat heikkoja, kaikkien vetysidosten yhdistelmä yhdessä antaa rakenteelle stabiilisuuden, jonka ansiosta se pystyy säilyttämään muotonsa.

3. Tertiäärirakenne

Polypeptidin tertiäärirakenteeksi määritellään kolmiulotteinen rakenne. Proteiini alkaa edelleen taittua johtuen sivuketjujen (R-ryhmien) vuorovaikutuksista primaarisekvenssissä. Tämä tapahtuu hydrofobisten sidosten, vetysidosten, ionisidosten, disulfidisidosten ja Van der Waalsin vuorovaikutusten kautta.

• Hydrofobiset sidokset – poolittomat sivuketjut ja hydrofobiset ryhmät yhdessä. Ne jäävät proteiinin sisäpuolelle jättäen hydrofiiliset sivuketjut ulkopuolelle, jotka ovat kosketuksissa veden kanssa.
• Vetysidokset – syntyvät sähköisesti negatiivisen atomin ja vetyatomin välillä, joka on jo sitoutunut sähköisesti negatiiviseen atomiin. Ne ovat heikompia kuin kovalenttiset sidokset ja ionisidokset mutta vahvempia kuin Van der Waalsin vuorovaikutukset.
• Ionisidokset – positiivisesti varautunut ioni muodostaa sidoksen negatiivisesti varautuneen ionin kanssa. Nämä sidokset ovat vahvempia proteiinin sisäpuolella, jossa vesi on poissuljettu, koska vesi voi dissosioida nämä sidokset.
• Van der Waalsin vuorovaikutukset – tämä viittaa läheisten atomien tai molekyylien välisiin sähköisiin vuorovaikutuksiin. Nämä vuorovaikutukset ovat heikkoja, mutta jos proteiinissa on useita tällaisia vuorovaikutuksia, se voi lisätä sen lujuutta.
• Disulfidisidos – tämä on eräänlainen kovalenttinen sidos, ja se on myös vahvin proteiineissa esiintyvä sidos. Siihen liittyy kahden kysteiinijäännöksen hapettuminen, jolloin syntyy rikki-rikki-kovalenttinen sidos. Lähes kolmannes eukaryoottien syntetisoimista proteiineista sisältää disulfidisidoksia. Nämä sidokset antavat proteiinille vakautta. Kuvassa 8 on esitetty proteiinin tertiäärirakenteeseen osallistuvat eri sidokset.

4. Kvaternäärirakenne

Kvaternäärirakenteessa polypeptidiketjut alkavat vuorovaikuttaa keskenään. Nämä proteiinien alayksiköt sitoutuvat toisiinsa vetysidosten ja van der Waalsin vuorovaikutusten avulla. Niiden järjestely mahdollistaa lopullisen proteiinin tietyn toiminnallisuuden. Konformaatiomuutokset voivat vaikuttaa haitallisesti niiden biologiseen toimintaan. Hemoglobiini on esimerkki proteiinista, jolla on kvaternäärinen rakenne. Se koostuu neljästä alayksiköstä.

On syytä huomata, että kaikilla proteiineilla ei ole kvaternäärirakennetta, vaan monilla proteiineilla on lopullisena konformaationa vain tertiäärirakenne.

Onko polypeptidit proteiineja? Joissakin tapauksissa sanaa polypeptidi käytetään vaihdellen sanan proteiini kanssa. Proteiini voi kuitenkin koostua useammasta kuin yhdestä polypeptidiketjusta, joten termin polypeptidi käyttäminen kaikista proteiineista ei aina ole oikein.

Polypeptidien toiminnot esimerkkeineen

Polypeptidejä ja niistä syntyviä proteiineja on kaikkialla elimistössä. Mikä on polypeptidin tehtävä? Polypeptidien tehtävät riippuvat aminohappopitoisuudesta. Aminohappoja on yli 20, ja polypeptidin keskimääräinen pituus on noin 300 aminohappoa. Nämä aminohapot voidaan järjestää mihin tahansa järjestykseen. Tämä mahdollistaa valtavan määrän mahdollisia proteiinivariaatioita. Kaikilla näillä proteiineilla ei kuitenkaan olisi vakaata 3D-konformaatiota. Soluissa esiintyvät proteiinit eivät ole ainoastaan stabiileja konformaatioltaan, vaan myös ainutlaatuisia keskenään.

Mitä ovat esimerkkejä polypeptideistä? Tärkeimpiä esimerkkejä proteiineista ovat siirtäjät, entsyymit, hormonit ja rakennetuet.

Siirtäjät

On olemassa proteiinien siirtäjiä ja peptidien siirtäjiä. Peptidikuljettajat kuuluvat peptidikuljettajien perheeseen (PTR). Niiden tehtävänä on toimia solun kalvoproteiineina, jotka ottavat vastaan pieniä peptidejä (di- tai tripeptidejä). Peptidikuljettajia on kahta päätyyppiä, PEPT1 ja PEPT2. PEPT1:tä esiintyy suolistosoluissa, ja se edistää di- ja tripeptidien ottoa. PEPT2 taas löytyy suurelta osin munuaissoluista ja auttaa di- ja tripeptidien takaisinimeytymisessä.

Entsyymit

Polypeptidit muodostavat myös entsyymejä. Entsyymit käynnistävät (katalysoivat) tai nopeuttavat biokemiallisia reaktioita. Ne ovat biomolekyylejä, jotka auttavat sekä molekyylien synteesissä että hajoamisessa. Kaikki elävät organismit käyttävät entsyymejä, ja ne ovat elintärkeitä eloonjäämisellemme. Uskotaan, että entsyymit katalysoivat noin 4000 erilaista biokemiallista reaktiota elämässä. Kaikkien entsyymien nimessä on pääte -aasi. Entsyymejä on kuusi toiminnallista ryhmää: oksidoreduktaasit, transferaasit, hydrolaasit, lyaasit, isomeraasit ja ligaasit. Esimerkiksi laktaasi on hydrolaasi, joka aiheuttaa laktoosin (maitosokerin) hydrolyysin (hajoamisreaktio veden kanssa) galaktoosi- ja glukoosimonomeereiksi (kuva 10). Laktaasia esiintyy ihmisissä ja eläimissä, ja sen tehtävänä on auttaa maidon sulatusta. Sitä esiintyy myös joissakin mikro-organismeissa.

Hormonit

Hormonit voivat olla joko steroidipohjaisia tai peptidipohjaisia. Polypeptidi- ja proteiinihormonit vaihtelevat kooltaan siten, että jotkut koostuvat vain muutamasta aminohaposta, kun taas toiset ovat suuria proteiineja. Ne valmistetaan soluissa karkeassa endoplasmisessa retikulumissa (RER) ja siirtyvät sitten Golgin laitteeseen. Sen jälkeen ne sijoitetaan vesikkeleihin, kunnes niitä tarvitaan/stimuloidaan erittymään solun ulkopuolelle.

Insuliini on esimerkki proteiinihormonista. Sen pituus on 51 aminohappojäännöstä ja se koostuu kahdesta polypeptidiketjusta, joita kutsutaan ketjuiksi A ja B. Haiman beetasolut syntetisoivat tätä hormonia. Insuliini auttaa elimistöä säätelemään verensokeritasoa poistamalla ylimääräisen glukoosin verestä ja antamalla sen varastoitua myöhempää käyttöä varten (kuva 11).

Rakenteellinen tuki

Loppujen lopuksi rakenneproteiinit antavat eläville organismeille muodon ja tuen. Ne voivat esimerkiksi antaa tukea soluseinälle. Niitä on myös sidekudoksessa, lihaksissa, luussa ja rustossa. Aktiini on esimerkki soluissa esiintyvästä rakenneproteiinista. Se on runsain eukaryoottisoluissa esiintyvä proteiini. Lihassoluissa ne auttavat tukemaan lihaksen supistumista. Ne muodostavat myös solujen sytoskelettiä auttaen niitä pitämään muotonsa. Lisäksi aktiini osallistuu solujen jakautumiseen, solujen signalointiin ja organellien liikkumiseen.

• Bock, A. et al. (1991). Selenokysteiini: The 21st Amino Acid. Molekyylibiologia. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Proteiinien muoto ja rakenne. Molecular Biology of the Cell. Neljäs painos. 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. National Human Genome Research Institute. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). Proteiinisynteesi. Molekyylibiologia, Academic Cell, kolmas painos. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Solubiologian perusteet. (2014). Proteiinien toiminnot määräytyvät niiden kolmiulotteisten rakenteiden mukaan. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biokemia, olennaiset aminohapot. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminohapot. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (toinen painos), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Kuinka monta aminohappoa kehossa on – välttämättömät ja ei-välttämättömät. Science Trends. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminohapot, peptidit ja proteiinit. Orgaanisen kemian perusteet. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Mikrobientsyymien tuotanto, puhdistus ja käyttö. Biotechnology of Microbial Enzymes. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Proteiinien rakenne ja toiminta. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Disulfidisidosten muodostuminen. Biologisesti aktiivisten peptidien käsikirja (toinen painos). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biokemia, proteiinien sekundaarirakenne. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Aminohappokuljettajien rooli proteiinien aineenvaihdunnassa. 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