Polypeptid

Polypeptid
n., plural: polypeptider

Definition: En polymer av aminosyror som är sammanfogade genom peptidbindningar. Image credit: CNX OpenStax

Polypeptid Definition Biologi

Vad är polypeptider? En polypeptid definieras som en polymer av aminosyror som är sammanfogade med peptidbindningar (figur 1).

Större polypeptider eller fler än en polypeptid som förekommer tillsammans kallas proteiner. Proteiner är polymerer av aminosyror som ofta binder till små molekyler (t.ex. ligander, coenzymer), till andra proteiner eller andra makromolekyler (DNA, RNA etc.) Därför kallas proteinernas byggstenar för aminosyror. Proteiner har en viktig roll i biologin och fungerar som byggstenar i muskler, ben, hår och naglar samt bildar enzymer, antikroppar, muskler, bindväv och mycket annat. Peptider är kortare kedjor av aminosyror (två eller fler), vilket skiljer dem från polypeptider som är mycket längre.

Polypeptidstruktur

En polymer som produceras av en levande organism kallas en biopolymer. Det finns fyra huvudklasser av biopolymerer: (1) polysackarider, (2) polypeptider, (3) polynukleotider och (4) fettsyror. Vilka polymerer består av aminosyror? En polypeptid är en ogrenad kedja av aminosyror som är sammanlänkade med peptidbindningar. Peptidbindningen binder samman karboxylgruppen i en aminosyra med amingruppen i nästa aminosyra för att bilda en amid. Vad är peptider? Korta polypeptider kan benämnas utifrån antalet monomera aminosyror som ingår i dem. En dipeptid är till exempel en peptid som består av två aminosyraunderenheter, en tripeptid är en peptid som består av tre aminosyraunderenheter och en tetrapeptid är en peptid som består av fyra aminosyraunderenheter.

Aminosyra Definition Biologi

De aminosyror som utgör polypeptider innehåller en alkalisk aminogrupp (-NH2), en sur karboxylgrupp (-COOH) och en R-grupp (sidokedja). R-gruppen är variabel i sina beståndsdelar och är unik för varje aminosyra. Varje aminosyramolekyl innehåller en kolatom (α-kol). I de flesta fall är amino- och karboxylgrupperna knutna till α-kolämnet (figur 2).

Definition av peptidbindning

En peptidbindning (aminosyrabindning) är en bindning mellan aminosyror. Detta bildar den primära strukturen i en lång polypeptidkedja. Proteiner består av en eller flera polypeptider som har samverkat med varandra för att bilda den slutliga, stabila, fungerande konformationen.

Aminosyror kan antingen vara α-aminosyror är β-aminosyror. När både karboxyl- och aminogruppen är knutna till det centrala kolet kallas de α-aminosyror. I β-aminosyror är karboxyl- och aminogruppen knutna till en annan kolmolekyl. Figur 3 visar ett exempel på en α-aminosyra och en β-aminosyra.

Det finns 21 aminosyror som används av eukaryoter för att generera proteiner (proteinsyntes). Alla varierar genom skillnader i deras sidokedjor. Människor och andra ryggradsdjur kan tillverka 12 av dessa, som kallas icke-essentiella aminosyror. De återstående 9 aminosyrorna måste intas eftersom de inte kan tillverkas i kroppen utan tillverkas av andra organismer. Dessa kallas essentiella aminosyror.

Till nyligen bestod listan över aminosyror av 20 aminosyror. Selenocystein lades dock till som den 21:a aminosyran 1986. Selenocystein finns i vissa sällsynta proteiner hos bakterier och människor. Ännu mer nyligen föreslogs det att pyrrolysin skulle benämnas som den 22:a aminosyran. Pyrrolysin används dock inte i människans proteinsyntes. Tabell 1 visar förteckningarna över essentiella och icke-essentiella aminosyror. Figur 4 illustrerar strukturen för 21 aminosyror.

.

Polypeptidbildning

Variationen av R-gruppens sidokedjor ändrar aminosyramolekylens kemi. De flesta aminosyror har sidokedjor som är opolära (har inte positiva och negativa poler). Andra har positivt eller negativt laddade sidokedjor. Vissa har polära sidokedjor som är oladdade. Sidokedjans kemi påverkar hur aminosyrorna binder ihop när de bildar den slutliga proteinstrukturen.

Om aminosyrorna har laddade sidokedjor kan de bilda joniska bindningar. Om sidokedjorna är hydrofoba kan de förenas med van der Waals-interaktioner. Polära aminosyror kan förenas med vätebindningar. Därför bestämmer sidokedjeinteraktioner i en lång kedja av aminosyror och deras ordning i kedjan hur proteinmolekylen bildas, dvs. var den viks ihop. Mer information om de olika bindningarna och interaktionerna mellan aminosyrorna kommer att diskuteras senare i det här avsnittet.

Proteiner har fyra strukturnivåer: den primära strukturen, den sekundära strukturen, den tertiära strukturen och den kvartära strukturen.

1. Primärstruktur

Vad är en polypeptidsekvens? Enkelt uttryckt är polypeptider kedjor av aminosyror. Ett proteins primära struktur börjar med att peptidbindningar bildas mellan aminosyror vilket resulterar i att en peptid skapas.

Vad är en peptidbindning? Peptidbindningar finns mellan α-karboxylgruppen i en aminosyra och α-aminogruppen i en annan aminosyra. Detta bildar en stabil tvådimensionell struktur med sidokedjor som sträcker sig ut från polypeptidkedjan. Detta gör det möjligt för sidokedjorna att interagera med andra molekyler. Denna handling att sammanfoga mindre enheter för att skapa en längre polymer är känd som polymerisering. Hur bildas peptidbindningar? Reaktionen när två aminosyror förenas är en kondensationsreaktion. Detta beror på att en väte- och syremolekyl förloras från karboxylgruppen i en aminosyra och en vätemolekyl förloras från aminogruppen i en annan aminosyra. Detta ger upphov till en vattenmolekyl (H2O), därav termen kondensationsreaktion.

2. Sekundärstruktur

Sekundärstrukturen bildas när vätebindningar uppstår mellan atomer i polypeptidens ryggrad (detta inkluderar inte sidokedjorna). Två vanliga mönster som uppstår genom upprepad veckning via vätebindningar är α-helixen och det β-veckade bladet.

I α-helixens sekundärstruktur är spolen högerhänt och vätebindningarna finns mellan var fjärde aminosyra. α-keratin är ett exempel på ett protein som består av α-helixer. Detta protein finns i hår och naglar.

Det β-veckade bladet är den andra vanliga sekundärstrukturen. Den uppstår när två polypeptidkedjor ligger bredvid varandra och vätebindningar bildas mellan dem. Det finns två typer av β-veckade blad; dessa är det parallella β-veckade bladet och det antiparallella β-veckade bladet. I slutet av en polypeptid finns det antingen en fri karboxylgrupp eller en fri aminogrupp.

I ett parallellt β-plisserat ark löper de två polypeptidkedjorna i samma riktning med samma grupp i varje ände. I ett antiparallellt β-plisserat ark löper polypeptidkedjorna i olika riktningar. Figur 6 illustrerar ett antiparallellt β-plisserat ark och en α-helix.

En mindre känd sekundärstruktur är β-helixen. I detta fall löper polypeptiderna antiparallellt till varandra men har också rullat ihop sig till en tunnform med vätebindningar mellan den första och sista aminosyran (figur 7).

Och även om vätebindningarna i aminosyrorna är svaga ger kombinationen av alla vätebindningar tillsammans strukturen stabilitet som gör att den kan behålla sin form.

3. Tertiärstruktur

Polypeptidens tertiärstruktur definieras som den 3-dimensionella strukturen. Proteinet börjar ytterligare veckning till följd av sidokedjans (R-gruppens) interaktioner i den primära sekvensen. Detta sker via hydrofoba bindningar, vätebindningar, jonbindningar, disulfidbindningar och Van der Waals-interaktioner.

• Hydrofoba bindningar – sidokedjor som är opolära och de hydrofoba grupperna tillsammans. De stannar på insidan av proteinet och lämnar hydrofila sidokedjor på utsidan som är i kontakt med vatten.
• Vätgasbindningar – uppstår mellan en elektriskt negativ atom och en väteatom som redan är bunden till en elektriskt negativ atom. De är svagare än kovalenta bindningar och joniska bindningar men starkare än Van der Waals-interaktioner.
• Joniska bindningar – en positivt laddad jon bildar en bindning med en negativt laddad jon. Dessa bindningar är starkare på insidan av ett protein där vatten är uteslutet eftersom vatten kan dissociera dessa bindningar.
• Van der Waals-interaktioner – detta avser elektriska interaktioner mellan närliggande atomer eller molekyler. Dessa interaktioner är svaga, men om det finns ett antal av dessa interaktioner i ett protein kan det öka dess styrka.
• Disulfidbindning – detta är en typ av kovalent bindning och är också den starkaste bindningen som finns i proteiner. Den innebär att två cysteinrester oxideras vilket resulterar i en svavel-svavel kovalent bindning. Nästan en tredjedel av eukaryotiska syntetiserade proteiner innehåller disulfidbindningar. Dessa bindningar ger proteinet stabilitet. Figur 8 visar de olika bindningar som ingår i ett proteins tertiärstruktur.

4. Kvartärstruktur

I den kvartära strukturen börjar polypeptidkedjor interagera med varandra. Dessa proteinunderenheter binds samman via vätebindningar och van der Waals-interaktioner. Deras arrangemang möjliggör den specifika funktionaliteten hos det slutliga proteinet. Förändringar i konformationen kan vara skadliga för deras biologiska verkan. Hemoglobin är ett exempel på ett protein med en kvartär struktur. Det består av 4 underenheter.

Det är värt att notera att inte alla proteiner har en kvartär struktur, många proteiner har endast en tertiär struktur som slutlig konformation.

Är polypeptider proteiner? I vissa fall används ordet polypeptid utbytbart mot ordet protein. Ett protein kan dock bestå av mer än en polypeptidkedja, så att använda termen polypeptid för alla proteiner är inte alltid korrekt.

Polypeptidfunktioner med exempel

Polypeptider och deras resulterande proteiner finns i hela kroppen. Vilken funktion har en polypeptid? Polypeptidernas funktioner är beroende av aminosyrainnehållet. Det finns över 20 aminosyror och den genomsnittliga längden på en polypeptid är cirka 300 aminosyror. Dessa aminosyror kan ordnas i vilken ordning som helst. Detta möjliggör ett enormt antal möjliga proteinvarianter. Alla dessa proteiner skulle dock inte ha en stabil 3D-konformation. De proteiner som finns i cellerna är inte bara stabila i sin konformation utan också unika för varandra.

Vad är exempel på polypeptider? De viktigaste exemplen på proteiner är transportörer, enzymer, hormoner och strukturstöd.

Transportörer

Det finns proteintransportörer och peptidtransportörer. Peptidtransportörer finns i peptidtransportörfamiljen (PTR). Deras funktion är att fungera som membranproteiner i en cell för att ta upp små peptider (di- eller tripeptider). Det finns två huvudtyper av peptidtransportörer, PEPT1 och PEPT2. PEPT1 finns i tarmceller och underlättar upptaget av di- och tripeptider. PEPT2 å andra sidan finns till stor del i njurcellerna och underlättar reabsorptionen av di- och tripeptider.

Enzymer

Polypeptider utgör också enzymer. Enzymer initierar (katalyserar) eller påskyndar biokemiska reaktioner. De är biomolekyler som hjälper till med såväl syntesen som nedbrytningen av molekyler. Alla levande organismer använder enzymer och de är avgörande för vår överlevnad. Man tror att enzymer katalyserar omkring 4 000 olika biokemiska reaktioner i livet. Alla enzymer benämns med ändelsen -ase. Det finns sex funktionella grupper av enzymer: oxidoreduktas, transferas, hydrolaser, lyas, isomeras och ligas. Laktas är till exempel ett hydrolas som orsakar hydrolys (nedbrytningsreaktion med vatten) av laktos (mjölksocker) till galaktos- och glukosmonomerer (figur 10). Laktas finns hos människor och djur och har till uppgift att underlätta matsmältningen av mjölk. Det finns också i vissa mikroorganismer.

Hormoner

Hormoner kan antingen vara steroidbaserade eller peptidbaserade. Polypeptid- och proteinhormoner varierar i storlek där vissa består av endast några få aminosyror medan andra är stora proteiner. De tillverkas i cellerna i det grova endoplasmatiska retikulumet (RER) och flyttas sedan till Golgiapparaten. De placeras sedan i vesiklar tills de behövs/stimuleras för utsöndring utanför cellen.

Insulin är ett exempel på ett proteinhormon. Det är 51 aminosyrarester långt och består av 2 polypeptidkedjor som kallas kedja A och kedja B. Betacellerna i bukspottkörteln syntetiserar detta hormon. Insulin hjälper kroppen att reglera blodsockernivån genom att avlägsna överskottsglukos från blodet och låta det lagras för senare användning (figur 11).

Strukturellt stöd

Slutligt ger strukturella proteiner form och stöd åt levande organismer. De kan till exempel ge stöd i en cellvägg. De finns också i bindväv, muskler, ben och brosk. Actin är ett exempel på ett strukturellt protein som finns i celler. Det är det vanligaste proteinet som finns i eukaryota celler. I muskelceller hjälper de till att stödja muskelkontraktion. De bildar också cellernas cytoskelett och hjälper dem att behålla sin form. Dessutom är aktin involverat i celldelning, cellsignalering och organellrörelse.

• Bock, A. et al. (1991). Selenocystein: Den 21:a aminosyran. Molekylärbiologi. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Proteins form och struktur. Cellens molekylärbiologi. Fjärde upplagan. 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). Proteinsyntes. Molekylärbiologi, Academic Cell, tredje upplagan. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Essentials of Cell Biology. (2014). Proteins funktioner bestäms av deras tredimensionella strukturer. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biokemi, essentiella aminosyror. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminosyror. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (andra upplagan), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Hur många aminosyror finns det i kroppen – essentiella och icke-essentiella. Science Trends. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminosyror, peptider och proteiner. Principer för organisk kemi. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Produktion, rening och tillämpning av mikrobiella enzymer. 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). Proteinstruktur och funktion. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Disulfidbindningsbildning. Handbook of Biologically Active Peptides (Second Edition). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biokemi, sekundär proteinstruktur. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Aminosyretransportörernas roll i proteinmetabolismen. 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