Peptidová vazba

Peptidová vazba je chemická vazba, která vzniká mezi dvěma molekulami, když karboxylová skupina jedné molekuly reaguje s aminoskupinou druhé molekuly a uvolňuje molekulu vody (H2O). Jedná se o dehydratační syntézní reakci
(známá také jako kondenzační reakce) a obvykle k ní dochází
mezi aminokyselinami. Vzniklá vazba CO-NH se nazývá peptidová vazba a výsledná molekula je amid. Čtyřatomová funkční skupina -C(=O)NH- se nazývá amidová skupina nebo (v kontextu proteinů) peptidová skupina. Polypeptidy a bílkoviny jsou řetězce aminokyselin držené pohromadě peptidovými vazbami, stejně jako páteř PNA.

Obrázek 1: Dehydratační syntéza (kondenzační reakce) za vzniku amidu

Obrázek 2: Rezonanční formy typické peptidové skupiny. Nenabitá, jednovazbová forma (typicky ~ 60 %) je zobrazena vlevo, zatímco nabitá, dvouvazbová forma (typicky ~ 40 %) je vpravo.

Obrázek 3: Darování H-vazby peptidové skupině X-Pro upřednostňuje jednovazbovou rezonanční formu (vlevo) před dvouvazbovou formou (vpravo).

Obrázek 4: Elektronegativní substituent v blízkosti amidového dusíku upřednostňuje jednovaznou rezonanční formu (vlevo) před dvojnou vazbou (vpravo).

Peptidovou vazbu lze přerušit amidovou hydrolýzou (přidáním vody). Peptidové vazby v bílkovinách jsou metastabilní, což znamená, že se v přítomnosti vody samovolně rozpadnou, přičemž se uvolní asi 10 kJ/mol volné energie, ale tento proces je velmi pomalý. V živých organismech tento proces usnadňují enzymy. Živé organismy využívají enzymy také k tvorbě peptidových vazeb; tento proces vyžaduje volnou energii. Vlnová délka absorbance peptidové vazby je 190-230 nm.

Rezonanční formy peptidové skupiny

Amidová skupina má dvě rezonanční formy, které jí propůjčují několik důležitých vlastností. Zaprvé stabilizuje skupinu zhruba o 20 kcal/mol, takže je méně reaktivní než mnoho podobných skupin (např. estery). Rezonance naznačuje, že amidová skupina má charakter částečné dvojné vazby, která se za typických podmínek odhaduje na 40 %. Peptidová skupina je nenabitá při všech běžných hodnotách pH, ale její rezonanční forma s dvojnou vazbou jí dává neobvykle velký dipólový moment, zhruba 3,5 Debyeho (0,7 elektron-angstromu). Tyto dipólové momenty se mohou v určitých sekundárních strukturách (jako je α-helix) seřadit a vytvořit velký čistý dipól.

Doporučujeme:  Naučená bezmocnost

Charakter částečné dvojné vazby lze posílit nebo oslabit modifikacemi, které upřednostňují jednu rezonanční formu před druhou. Například forma s dvojnou vazbou je kvůli svému náboji znevýhodněna v hydrofobním prostředí. Naopak donování vodíkové vazby k amidovému kyslíku nebo přijetí vodíkové vazby z amidového dusíku by mělo zvýhodnit dvojnou vazbu, protože vodíková vazba by měla být silnější k nabité formě než k nenabité, jednovazné formě. Naproti tomu darování vodíkové vazby amidovému dusíku v peptidové vazbě X-Pro by mělo zvýhodnit jednovaznou formu; darováním této vazby dvojnovazné formě by dusík získal pět kvazikovalentních vazeb! (Viz obrázek 3.) Podobně silně elektronegativní substituent (např. fluor) v blízkosti amidového dusíku zvýhodňuje jednovaznou formu, protože soutěží s amidovým kyslíkem o „krádež“ elektronu z amidového dusíku (viz obrázek 4.).

Cis/trans izomery peptidové skupiny

Díky částečné dvojné vazbě je amidová skupina planární a vyskytuje se buď v cis, nebo trans izomerech. V rozloženém stavu proteinů mohou peptidové skupiny volně izomerizovat a přijímat oba izomery; ve složeném stavu se však v každé poloze přijímá pouze jeden izomer (až na vzácné výjimky). Ve většině peptidových vazeb je v drtivé většině preferována trans forma (poměr trans:cis v populaci je zhruba 1000:1). U peptidových skupin X-Pro však bývá poměr zhruba 3:1, pravděpodobně proto, že symetrie mezi atomy a prolinu způsobuje, že cis a trans izomery mají téměř stejnou energii (viz obrázek níže).

Izomerizace peptidové vazby X-Pro. Cis a trans izomery jsou zcela vlevo a zcela vpravo, oddělené přechodovými stavy.

Difedrální úhel spojený s peptidovou skupinou (definovaný čtyřmi atomy) se označuje ; pro cis izomer a pro trans izomer. Amidové skupiny mohou izomerizovat kolem vazby C-N mezi cis a trans formou, i když pomalu (20 sekund při pokojové teplotě). Přechodné stavy vyžadují přerušení částečné dvojné vazby, takže aktivační energie je zhruba 20 kcal/mol (viz obrázek níže). Aktivační energii však lze snížit (a izomerizaci katalyzovat) změnami, které zvýhodňují jednovaznou formu, jako je umístění peptidové skupiny do hydrofobního prostředí nebo darování vodíkové vazby k atomu dusíku peptidové skupiny X-Pro. Oba tyto mechanismy snižování aktivační energie byly pozorovány u peptidyl prolyl isomeras (PPIas), což jsou přirozeně se vyskytující enzymy katalyzující cis-trans isomerizaci peptidových vazeb X-P.

Doporučujeme:  Normalizace zkoušek

Konformační skládání proteinů je obvykle mnohem rychlejší (obvykle 10-100 ms) než cis-trans izomerizace (10-100 s). Nenativní izomer některých peptidových skupin může konformační skládání významně narušit a buď ho zpomalit, nebo mu dokonce zabránit, dokud není dosaženo nativního izomeru. Ne všechny peptidové skupiny však mají na skládání stejný vliv; nenativní izomery jiných peptidových skupin nemusí skládání ovlivnit vůbec.

Díky své rezonanční stabilizaci je peptidová vazba za fyziologických podmínek relativně málo reaktivní, dokonce méně než podobné sloučeniny, jako jsou estery. Nicméně peptidové vazby mohou podléhat chemickým reakcím, obvykle prostřednictvím útoku elektronegativního atomu na karbonylový uhlík, čímž se přeruší dvojná vazba karbonylu a vytvoří se tetraedrický meziprodukt. To je cesta, kterou se postupuje při proteolýze a obecněji při reakcích výměny N-O acylů, jako jsou reakce inteinů. Pokud je funkční skupinou atakující peptidovou vazbu thiol, hydroxyl nebo amin, může se výsledná molekula nazývat cyklol nebo, konkrétněji, thiacyklol, oxacyklol nebo azacyklol.