Polipeptid

Polipeptid
n., többes szám: polipeptidek

Definíció: Peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavak polimerje. Image credit: CNX OpenStax

Polipeptid definíció Biológia

Mi a polipeptidek? A polipeptidet peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavak polimerjeként definiáljuk (1. ábra).

A nagyobb polipeptideket vagy az egynél több, együttesen előforduló polipeptideket fehérjéknek nevezzük. A fehérjék aminosavak polimerjei, amelyek gyakran kötődnek kis molekulákhoz (pl. ligandumok, koenzimek), más fehérjékhez vagy más makromolekulákhoz (DNS, RNS stb.) Ezért a fehérjék építőköveit aminosavaknak nevezik. A fehérjék létfontosságú szerepet játszanak a biológiában, az izmok, csontok, haj, köröm építőköveiként működnek, valamint enzimeket, antitesteket, izmokat, kötőszövetet és sok mást alkotnak. A peptidek aminosavak rövidebb (kettő vagy több) láncai, ami megkülönbözteti őket a polipeptidektől, amelyek sokkal hosszabbak.

Polipeptidszerkezet

Az élő szervezet által előállított polimert biopolimernek nevezzük. A biopolimereknek négy fő osztálya van: (1) poliszacharidok, (2) polipeptidek, (3) polinukleotidok és (4) zsírsavak. Mely polimerek állnak aminosavakból? A polipeptid peptidkötésekkel összekapcsolt aminosavak elágazás nélküli láncolata. A peptidkötés az egyik aminosav karboxilcsoportját a következő aminosav aminocsoportjához köti, amidot alkotva. Mik a peptidek? A rövid polipeptideket az őket alkotó monomer aminosavak száma alapján lehet elnevezni. Például a dipeptid olyan peptid, amely két aminosav alegységből áll, a tripeptid olyan peptid, amely három aminosav alegységből áll, a tetrapeptid pedig olyan peptid, amely négy aminosav alegységből áll.

Aminosav definíció Biológia

A polipeptideket alkotó aminosavak egy alkáli aminocsoportot (-NH2), egy savas karboxilcsoportot (-COOH) és egy R-csoportot (oldallánc) tartalmaznak. Az R-csoport változó összetételű, és minden aminosav esetében egyedi. Minden aminosavmolekula tartalmaz egy szénatomot (α-szén). A legtöbb esetben az α-szénhez kapcsolódik az amino- és a karboxilcsoport (2. ábra).

Peptidkötés meghatározása

A peptidkötés (aminosavkötés) az aminosavak közötti kötés. Ez alkotja a hosszú polipeptidlánc elsődleges szerkezetét. A fehérjéket egy vagy több polipeptid alkotja, amelyek egymással kölcsönhatásba lépve alakítják ki a végső, stabil, működő konformációt.

Az aminosavak lehetnek α-aminosavak β-aminosavak. Ha mind a karboxil-, mind az aminocsoport a központi szénhez kapcsolódik, akkor α-aminosavaknak nevezzük őket. A β-aminosavakban a karboxil- és az aminocsoportok különböző szénmolekulához kapcsolódnak. A 3. ábra egy α-aminosav és egy β-aminosav példáját mutatja.

Az eukarióták 21 aminosavat használnak a fehérjék előállításához (fehérjeszintézis). Mindegyik az oldalláncuk különbségei révén különbözik. Az ember és más gerinces állatok ezek közül 12-t tudnak előállítani, amelyeket nem esszenciális aminosavaknak nevezünk. A fennmaradó 9 aminosavat be kell venni, mivel azokat a szervezetben nem lehet előállítani, hanem más szervezetek állítják elő. Ezeket nevezzük esszenciális aminosavaknak.

A közelmúltig az aminosavak listája 20-ból állt. A szelenocisztein azonban 1986-ban 21. aminosavként bekerült a listába. A szelenocisztein néhány ritka fehérjében megtalálható a baktériumokban és az emberben. Még a közelmúltban javasolták, hogy a pirrolizint nevezzék el 22. aminosavnak. A pirrolizint azonban nem használják az emberi fehérjeszintézisben. Az 1. táblázat az esszenciális és nem esszenciális aminosavak listáját mutatja. A 4. ábra a 21 aminosav szerkezetét szemlélteti.

.

.

.

.

Polipeptidképződés

Az R-csoport oldalláncainak variálása megváltoztatja az aminosavmolekula kémiai felépítését. A legtöbb aminosav oldalláncai nem polárisak (nincs pozitív és negatív pólusuk). Másoknak pozitív vagy negatív töltésű oldalláncai vannak. Némelyiknek poláris oldalláncai töltés nélküliek. Az oldalláncok kémiája befolyásolja, hogy az aminosavak hogyan kötődnek egymáshoz a végleges fehérjeszerkezet kialakításakor.

Ha az aminosavaknak töltött oldalláncai vannak, akkor ionos kötéseket tudnak kialakítani. Ha az oldalláncok hidrofóbok, akkor van der Waals kölcsönhatásokkal kapcsolódhatnak. A poláros aminosavak hidrogénkötésekkel kapcsolódhatnak. Ezért egy hosszú aminosavlánc oldalláncainak kölcsönhatásai és a láncban elfoglalt sorrendjük határozza meg, hogyan alakul ki a fehérjemolekula, azaz hol hajtódik össze. Az aminosavak közötti különböző kötésekkel és kölcsönhatásokkal kapcsolatos további információkat később tárgyaljuk ebben a fejezetben.

A fehérjéknek 4 szerkezeti szintje van: az elsődleges szerkezet, a másodlagos szerkezet, a harmadlagos szerkezet és a kvaterner szerkezet.

1. A fehérjéknek 4 szerkezeti szintje van. Elsődleges szerkezet

Mi a polipeptidszekvencia? Egyszerűen fogalmazva a polipeptidek aminosavakból álló láncok. A fehérje elsődleges szerkezete az aminosavak közötti peptidkötés kialakulásával kezdődik, amelynek eredményeként egy peptid jön létre.

Mi az a peptidkötés? A peptidkötés egy aminosav α-karboxilcsoportja és egy másik aminosav α-aminocsoportja között jön létre. Ez egy stabil kétdimenziós szerkezetet alkot a polipeptidláncból kinyúló oldalláncokkal. Ez lehetővé teszi, hogy az oldalláncok kölcsönhatásba lépjenek más molekulákkal. Ezt a kisebb egységek összekapcsolását egy hosszabb polimer létrehozása érdekében polimerizációnak nevezzük. Hogyan jönnek létre a peptidkötések? A két aminosav összekapcsolódásának reakciója kondenzációs reakció. Ennek oka, hogy 1 aminosav karboxilcsoportjából egy hidrogén- és oxigénmolekula, egy másik aminosav aminocsoportjából pedig egy hidrogénmolekula távozik. Ezáltal egy vízmolekula (H2O) keletkezik, innen a kondenzációs reakció kifejezés.

2. Szekunder szerkezet

A másodlagos szerkezet akkor alakul ki, amikor a polipeptid gerincének atomjai között hidrogénkötések keletkeznek (ebbe nem tartoznak bele az oldalláncok). A hidrogénkötéseken keresztül történő ismételt hajtogatásból eredő két gyakori mintázat az α-hélix és a β-pleated sheet.

Az α-hélix másodlagos szerkezetében a tekercs jobbkezes, és a hidrogénkötések minden negyedik aminosav között találhatók. α-keratin egy példa az α-hélixekből álló fehérjére. Ez a fehérje a hajban és a körmökben található.

A másik gyakori másodlagos szerkezet a β-hélix. Ez akkor jön létre, amikor két polipeptidlánc egymás mellett fekszik, és hidrogénkötések alakulnak ki közöttük. Kétféle β-pleated sheet létezik; ezek a párhuzamos β-pleated sheet és az antiparallel β-pleated sheet. A polipeptid végén vagy egy szabad karboxilcsoport, vagy egy szabad aminocsoport található.

A párhuzamos β-pleated sheetben a két polipeptidlánc azonos irányban fut, mindkét végén ugyanazzal a csoporttal. Az antiparallel β-pleated sheetben a polipeptidek különböző irányban futnak. A 6. ábra egy antiparallel β-pleated sheetet és egy α-hélixet szemléltet.

Egy kevésbé ismert másodlagos szerkezet a β-hélix. Ebben az esetben a polipeptidek egymással antiparallel futnak, de az első és az utolsó aminosav között hidrogénkötésekkel is hordó alakúra tekeredtek (7. ábra).

Bár az aminosavakban lévő hidrogénkötések gyengék, az összes hidrogénkötés együttes kombinációja adja a szerkezet stabilitását, ami lehetővé teszi, hogy megtartsa alakját.

3. Tercier szerkezet

A polipeptid tercier szerkezetét a 3 dimenziós szerkezetként határozzuk meg. A fehérje az elsődleges szekvencia oldallánc (R-csoport) kölcsönhatásaiból eredő további hajtogatást kezdi meg. Ez hidrofób kötéseken, hidrogénkötéseken, ionos kötéseken, diszulfidkötéseken és Van der Waals kölcsönhatásokon keresztül történik.

• Hidrofób kötések – nem poláris oldalláncok és a hidrofób csoportok együtt. Ezek a fehérje belsejében maradnak, kívül hidrofil oldalláncokat hagyva, amelyek vízzel érintkeznek.
• Hidrogénkötések – egy elektromosan negatív atom és egy már elektromosan negatív atomhoz kötött hidrogénatom között jönnek létre. Gyengébbek, mint a kovalens kötések és az ionos kötések, de erősebbek, mint a Van der Waals kölcsönhatások.
• Ionos kötések – egy pozitív töltésű ion kötést létesít egy negatív töltésű ionnal. Ezek a kötések erősebbek a fehérje belsejében, ahol a víz ki van zárva, mivel a víz képes disszociálni ezeket a kötéseket.
• Van der Waals kölcsönhatások – ez a közeli atomok vagy molekulák közötti elektromos kölcsönhatásokra utal. Ezek a kölcsönhatások gyengék, azonban ha egy fehérjében sok ilyen kölcsönhatás van, az növelheti a fehérje szilárdságát.
• Disulfidkötés – ez a kovalens kötés egy típusa, és szintén a legerősebb kötés, amely a fehérjékben található. Magában foglalja 2 ciszteinmaradék oxidációját, ami egy kén-kén kovalens kötést eredményez. Az eukarióta szintetizált fehérjék közel egyharmada tartalmaz diszulfidkötést. Ezek a kötések biztosítják a fehérje stabilitását. A 8. ábra a fehérje tercier szerkezetében részt vevő különböző kötéseket mutatja.

4. Kvaterner szerkezet

A kvaterner szerkezetben a polipeptidek láncai kezdenek kölcsönhatásba lépni egymással. Ezek a fehérje alegységek hidrogénkötések és van der Waals kölcsönhatások révén kapcsolódnak egymáshoz. Elrendeződésük lehetővé teszi a végső fehérje sajátos funkcionalitását. A konformációban bekövetkező változások károsan befolyásolhatják biológiai hatásaikat. A hemoglobin példa a kvaterner szerkezetű fehérjékre. Ez 4 alegységből áll.

Megjegyzendő, hogy nem minden fehérje rendelkezik kvaterner szerkezettel, sok fehérje csak tercier szerkezettel rendelkezik végső konformációként.

A polipeptidek fehérjék? Egyes esetekben a polipeptid szót felcserélhetően használják a fehérje szóval. Egy fehérje azonban 1-nél több polipeptidláncból is állhat, így a polipeptid kifejezés használata minden fehérjére nem mindig helyes.

Polipeptidfunkciók példákkal

Polipeptidek és az ezekből keletkező fehérjék az egész szervezetben megtalálhatóak. Mi a polipeptidek funkciója? A polipeptidek szerepe az aminosavtartalomtól függ. Több mint 20 aminosav létezik, és egy polipeptid átlagos hossza körülbelül 300 aminosav. Ezek az aminosavak tetszőleges sorrendben elrendeződhetnek. Ez lehetővé teszi a fehérjék lehetséges variációinak hatalmas számát. Azonban nem mindegyik fehérje rendelkezne stabil 3D-s konformációval. A sejtekben található fehérjék nemcsak stabil konformációjúak, hanem egyediek is.

Milyen példák vannak a polipeptidekre? A fehérjék legfontosabb példái a transzporterek, az enzimek, a hormonok és a szerkezeti támaszok.

Transzporterek

Vannak fehérjetranszporterek és peptid transzporterek. A peptid transzporterek a peptid transzporter családban (PTR) találhatók. Feladatuk, hogy membránfehérjéként a sejtben kis peptidek (di- vagy tripeptidek) felvételére szolgálnak. A peptid transzportereknek 2 fő típusa van, a PEPT1 és a PEPT2. A PEPT1 a bélsejtekben található, és a di- és tripeptidek felvételét segíti. A PEPT2 viszont nagyrészt a vesesejtekben található, és a di- és tripeptidek reabszorpcióját segíti.

Enzimek

A polipeptidek alkotják az enzimeket is. Az enzimek biokémiai reakciókat indítanak el (katalizálnak) vagy gyorsítanak fel. Olyan biomolekulák, amelyek segítik a molekulák szintézisét, valamint lebontását. Minden élő szervezet használ enzimeket, és ezek létfontosságúak a túlélésünkhöz. Úgy tartják, hogy az enzimek mintegy 4000 különböző biokémiai reakciót katalizálnak az életben. Minden enzim neve az -áz végződéssel kezdődik. Az enzimeknek 6 funkcionális csoportja van: oxidoreduktázok, transzferázok, hidrolázok, liázok, izomerázok és ligázok. A laktáz például egy hidroláz, amely a laktóz (tejcukor) hidrolízisét (bontási reakciója vízzel) okozza galaktóz és glükóz monomerekre (10. ábra). A laktáz megtalálható az emberekben és az állatokban, és feladata a tej emésztésének elősegítése. Egyes mikroorganizmusokban is megtalálható.

Hormonok

A hormonok lehetnek szteroid- vagy peptidalapúak. A polipeptid- és fehérjehormonok méretükben különböznek, egyesek csak néhány aminosavból állnak, míg mások nagy fehérjék. A sejtekben a durva endoplazmatikus retikulumban (RER) keletkeznek, majd a Golgi-apparátusba kerülnek. Ezután vezikulákba kerülnek, amíg a sejten kívüli szekrécióhoz szükség van rájuk/stimulálják őket.

A fehérjehormonra példa az inzulin. Hossza 51 aminosavmaradék, és 2 polipeptidláncból áll, amelyeket A és B láncnak nevezünk. A hasnyálmirigy béta-sejtjei szintetizálják ezt a hormont. Az inzulin segít a szervezetnek a vércukorszint szabályozásában azáltal, hogy eltávolítja a felesleges glükózt a vérből, és lehetővé teszi, hogy azt későbbi felhasználásra elraktározza (11. ábra).

Strukturális támogatás

Végezetül a strukturális fehérjék alakot és támaszt nyújtanak az élő szervezeteknek. Például támasztékot nyújthatnak a sejtfalban. Megtalálhatók a kötőszövetben, az izomban, a csontban és a porcban is. Az aktin egy példa a sejtekben található szerkezeti fehérjére. Ez a legnagyobb mennyiségben előforduló fehérje az eukarióta sejtekben. Az izomsejtekben segítik az izomösszehúzódást. Emellett a sejtek citoszkeletonját is alkotják, segítve a sejtek alakjának megtartását. Emellett az aktin részt vesz a sejtosztódásban, a sejtek jelátvitelében és a szervsejtek mozgásában.

• Bock, A. et al. (1991). Selenocisztein: A 21. aminosav. Molekuláris biológia. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). A fehérjék alakja és szerkezete. A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás. 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. Nemzeti Humán Genomkutató Intézet. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N. J., McGehee. M. R. (2019). Protein Synthesis. Molekuláris biológia, Academic Cell, harmadik kiadás. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• A sejtbiológia alapjai. (2014). A fehérjék funkcióit háromdimenziós szerkezetük határozza meg. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biokémia, esszenciális aminosavak. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminosavak. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (második kiadás), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Hány aminosav van a szervezetben – esszenciális és nem esszenciális. Science Trends. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminosavak, peptidek és fehérjék. A szerves kémia alapjai. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Mikrobiális enzimek előállítása, tisztítása és alkalmazása. A mikrobiális enzimek biotechnológiája. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Fehérjék szerkezete és működése. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Disulfidkötés képződése. Biológiailag aktív peptidek kézikönyve (második kiadás). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biokémia, másodlagos fehérjeszerkezet. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Az aminosav transzporterek szerepe a fehérje anyagcserében. 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