Peptīdu saite: kā aminoskābes veido olbaltumvielas

Ķīmiski tā ir kondensācijas reakcija: no vienas molekulas tiek atņemta hidroksilgrupa, no otras ūdeņraža atoms, un kopā tie veido ūdeni. Paliek savienojums, kurā oglekļa atoms ir saistīts ar slāpekļa atomu, tāpat kā amīdos.

Šūnā šī reakcija nenotiek nejauši. Tā notiek ribosomā, kur aminoskābes tiek piegādātas ar pārneses ribonukleīnskābēm un novietotas precīzi viena pret otru. Reakciju katalizē ribosomas lielās apakšvienības ribonukleīnskābe, nevis olbaltumviela, un tas ir viens no spēcīgākajiem argumentiem par labu uzskatam, ka ribonukleīnskābes dzīvības attīstībā bijušas agrāk par olbaltumvielām.

Ķēde aug vienā virzienā: jaunā aminoskābe tiek pievienota karboksilgalam. Tāpēc olbaltumvielu secību vienmēr pieraksta no aminogala uz karboksilgalu, un šī vienošanās nav patvaļīga, bet atspoguļo reālo sintēzes gaitu.

1. Aminoskābes tiek nogādātas ribosomā pārneses ribonukleīnskābes galā.
2. Ribosoma tās novieto blakus pareizā stāvoklī.
3. Vienas aminoskābes aminogrupa uzbrūk otras karboksilgrupai.
4. Atdalās ūdens molekula un rodas peptīdu saite.
5. Ribosoma pārvietojas tālāk, un process atkārtojas.

Uz papīra peptīdu saite izskatās kā vienkārša vienkāršā saite starp oglekli un slāpekli, ap kuru varētu brīvi griezties. Patiesībā slāpekļa atoma elektronu pāris daļēji pārvietojas uz blakus esošo oglekļa un skābekļa grupu, un saite iegūst daļēju dubultsaites raksturu.

Sekas ir tūlītējas: griešanās ap šo saiti ir stipri apgrūtināta, un seši ar to saistītie atomi atrodas vienā plaknē. Griešanās paliek iespējama tikai abās pusēs esošajās saitēs ar centrālo oglekļa atomu, un tieši šie divi griešanās leņķi nosaka olbaltumvielas formu.

Gandrīz vienmēr divi blakus esošie centrālie oglekļa atomi novietojas saites pretējās pusēs, tas ir, trans stāvoklī, jo tā tie viens otram netraucē. Izņēmums ir prolīns, kura īpatnējā gredzenveida uzbūve padara abus stāvokļus enerģētiski tuvākus; tieši tāpēc prolīns bieži atrodas tur, kur ķēdei jāveido straujš pagrieziens.

Kad saišu virkne ir izveidota, ķēde nav bezveidīga. Mugurkaula skābekļa atomi veido ūdeņraža saites ar slāpekļa grupu ūdeņradi citā ķēdes vietā, un no šī regulārā raksta rodas divas pamatformas: spirāle un loksne.

Spirālē ūdeņraža saites veidojas starp tuvu esošām ķēdes daļām un ķēde savērpjas; loksnē tās veidojas starp ķēdes posmiem, kas guļ blakus, un rodas plakana, viļņota virsma. Abas ir tikai mugurkaula īpašību sekas, tāpēc tās sastopamas visdažādākajās olbaltumvielās.

Tālākā locīšanās jau ir atkarīga no sānu grupām: ūdeni atgrūdošās nokļūst molekulas iekšienē, ūdenī šķīstošās uz virsmas, un starp cisteīniem var izveidoties disulfīdu tiltiņi. Peptīdu saite tādējādi nosaka karkasu, bet ne gala formu.

Bieža kļūda ir saukt par peptīdu saiti jebkuru savienojumu olbaltumvielā. Disulfīda tiltiņš starp diviem cisteīniem ir pavisam cita saite, kas neiesaistās mugurkaulā, bet gan savieno attālus ķēdes punktus un nostiprina jau salocītu formu.

Ūdeņraža saites, kas veido spirāles un loksnes, ir daudz vājākas un pārtrūkst, molekulai sasilstot vai mainoties skābumam. Tieši tāpēc olbaltumviela var zaudēt darbību, nesadaloties gabalos: karsējot olu, peptīdu saites paliek neskartas, bet forma ir neatgriezeniski izmainīta.

Pastāv arī netipiskas amīdu saites, kas veidojas nevis starp galvenajām grupām, bet ar sānu ķēžu piedalīšanos. Tādas sastopamas, piemēram, glutationā un olbaltumvielu šķērssaistīšanā, un tās parastās gremošanas fermenti šķeļ slikti.

Peptīdu saites sadalīšana ir kondensācijas pretējs process: pievienojot ūdens molekulu, saite pāršķeļas un rodas divi brīvi gali. Šo reakciju sauc par hidrolīzi.

Pati no sevis ūdenī tā notiek ārkārtīgi lēni; spontānas sadalīšanās laiks mērāms gadsimtos. Tieši šī noturība ir iemesls, kāpēc olbaltumvielas vispār var pastāvēt ūdenī pilnā šūnā, un vienlaikus iemesls, kāpēc bez fermentiem barības sagremošana nebūtu iespējama.

Fermenti, ko sauc par peptidāzēm jeb proteāzēm, šo procesu paātrina neiedomājami daudz. Katram no tiem ir savas prasības: pepsīns kuņģī strādā skābā vidē, tripsīns un himotripsīns tievajā zarnā sārmainā vidē, un katrs šķeļ ķēdi pēc noteiktām aminoskābēm.

• Pepsīns: kuņģī, skābā vidē, sāk olbaltumvielu sadalīšanu.
• Tripsīns un himotripsīns: tievajā zarnā, no aizkuņģa dziedzera.
• Zarnu bārkstiņu peptidāzes: sašķeļ īsos peptīdus līdz aminoskābēm.
• Šūnas iekšējās proteāzes: noārda vairs nevajadzīgās olbaltumvielas.

Daudzas zāles darbojas tieši uz peptīdu saišu šķelšanu vai tās kavēšanu. Angiotenzīnu pārveidojošā fermenta inhibitori, ko plaši lieto paaugstināta asinsspiediena ārstēšanā, kavē fermentu, kas šķeļ peptīdu saiti un tādējādi rada asinsvadus sašaurinošu peptīdu.

Vīrusu ārstēšanā izmanto proteāžu inhibitorus, kas neļauj vīrusam sagriezt savu garo olbaltumvielu funkcionējošās daļās. Botulīna toksīns savukārt pats ir ferments, kas pārgriež noteiktas nervu gala olbaltumvielas, un tāpēc tas aptur raidītājvielas izdalīšanos.

Arī celiakijas mehānismā svarīga ir peptīdu saišu noturība. Kviešu olbaltumvielā ir posmi ar daudz prolīna, kurus zarnu fermenti sadala slikti, tāpēc tie saglabājas kā samērā gari peptīdi un jutīgiem cilvēkiem izraisa imūnu atbildi. Ar šo slimību nodarbojas gastroenterologs, un pašam noteikt diagnozi vai sākt diētu pirms izmeklējumiem nav pareizi, jo tas izmeklējumu rezultātus izkropļo.

Aminoskābju secību mūsdienās galvenokārt nosaka ar masas spektrometriju: olbaltumvielu ar fermentu sagriež zināmās vietās, iegūtos gabalus sadala pēc masas un no to masām atjauno secību. Vēsturiski šim nolūkam izmantoja ķīmisku metodi, kas pa vienai atšķēla aminoskābes no ķēdes aminogala.

Olbaltumvielu izmēru novērtē ar elektroforēzi gēlā, bet telpisko uzbūvi nosaka ar rentgenstaru difrakciju, kodolmagnētisko rezonansi vai krioelektronu mikroskopiju. Infrasarkanajā spektrā peptīdu saitei ir savas raksturīgās joslas, pēc kurām var spriest par spirāļu un lokšņu īpatsvaru.

Klīniskajā laboratorijā šīs metodes izmanto netieši: masas spektrometriju lieto jaundzimušo skrīningā, mikroorganismu ātrā noteikšanā un vielmaiņas slimību diagnostikā.

Peptīdu saite ir labs piemērs tam, ka ķīmijā stabilitāte un noturība nav viens un tas pats. Termodinamiski saitei ūdenī būtu izdevīgāk sadalīties, jo ūdens ir visapkārt; tā saglabājas nevis tāpēc, ka sadalīšanās nav izdevīga, bet tāpēc, ka tā notiek ļoti lēni. Dzīvā šūna tādējādi pastāv nevis līdzsvarā, bet kontrolētā gausumā, un fermenti ir tie, kas nosaka, kas un kad tiks sadalīts.

Otrs praktisks secinājums attiecas uz uztura bagātinātājiem. Peptīdi, kas uzņemti caur muti, gremošanas traktā tiek sašķelti tāpat kā jebkura cita olbaltumviela; līdz audiem tie nenonāk neskarti. Tieši tāpēc insulīnu un daudzas citas peptīdu zāles nevar vienkārši ieņemt tabletē, un tāpēc apgalvojumi par uzņemtu kolagēna peptīdu tiešu nokļūšanu ādā vai locītavās ir jāvērtē kritiski.

Trešā nianse ir sintēzes ātruma un precizitātes samērs. Šūna peptīdu saites veido ātri, taču ar rūpīgu pārbaudi katrā solī, jo kļūda secībā var padarīt olbaltumvielu nederīgu vai pat kaitīgu. Bojātās ķēdes tiek atpazītas un mērķtiecīgi nodotas noārdīšanai, tāpēc olbaltumvielu dzīve sastāv no divām vienlīdz svarīgām daļām: precīzas izveides un plānotas likvidēšanas.