Aminosyrer og peptidbindinger: Hva skiller peptider fra proteiner?

Peptider og proteiner er bygget av de samme byggesteinene, men skiller seg i størrelse og kompleksitet. For å forstå hvorfor peptider er så interessante som forskningsverktøy – og hvorfor de er så vanskelige som legemidler – må man starte med kjemien: aminosyrene, bindingen som holder dem sammen, og hvordan rekkefølgen avgjør hva molekylet gjør.

Aminosyrer: byggesteinene

En aminosyre har et sentralt karbonatom (alfakarbonet) med fire bindinger: en aminogruppe (–NH₂), en karboksylgruppe (–COOH), et hydrogenatom og en sidekjede (R-gruppe). Det er sidekjeden som skiller de 20 standard aminosyrene fra hverandre. Den minste, glysin, har bare et hydrogenatom som sidekjede; den største, tryptofan, har en dobbel ringstruktur.

Alle standard aminosyrer unntatt glysin finnes i to speilvendte former, L og D. Proteinene i kroppen bygges nesten utelukkende av L-formen. D-aminosyrer finnes i naturen, blant annet i bakteriers cellevegg og som signalstoffer i hjernen, og de er et nyttig verktøy i peptidkjemi fordi kroppens enzymer gjenkjenner dem dårlig.

Ni aminosyrer regnes som essensielle for mennesker, det vil si at de må tilføres gjennom kosten. I tillegg finnes to sjeldne aminosyrer som også bygges inn i proteiner, selenocystein og pyrrolysin (den siste bare hos enkelte mikroorganismer), og en rekke ikke-standard aminosyrer som brukes i syntetiske peptider, for eksempel Aib (aminoisosmørsyre) i semaglutid.

Sidekjedene og hva de gjør

Kjemiske svakheter i enkelte sidekjeder, som oksidasjon av metionin og deamidering av asparagin, er en viktig grunn til at peptider må oppbevares riktig. Se oppbevaring av peptider.

Peptidbindingen

Når to aminosyrer kobles, reagerer karboksylgruppen til den ene med aminogruppen til den andre, og det avspaltes et vannmolekyl (kondensasjon). Resultatet er en amidbinding som kalles peptidbinding. Fordi elektronene deles mellom karbonyl-oksygenet og nitrogenet, får bindingen delvis dobbeltbindingskarakter. Den er derfor plan og kan ikke rotere fritt, og den foretrekker nesten alltid trans-formen. Unntaket er bindinger foran prolin, der cis-formen forekommer oftere.

Siden selve peptidbindingen er låst, kommer kjedens fleksibilitet fra rotasjon rundt de to nabobindingene til alfakarbonet (vinklene phi og psi). G.N. Ramachandran viste i 1963 at bare visse kombinasjoner av disse vinklene er mulige uten at atomene kolliderer – og nettopp disse kombinasjonene gir de vanlige strukturene alfaheliks og betaflak, som Linus Pauling og kollegaer hadde beskrevet i 1951.

En kjede har alltid en N-terminal (fri aminogruppe) i den ene enden og en C-terminal (fri karboksylgruppe) i den andre. Sekvensen skrives alltid fra N- til C-terminalen. Mange naturlige peptidhormoner har en amidert C-terminal (–CONH₂ i stedet for –COOH), og flere har modifisert N-terminal. Slike detaljer kan være avgjørende for både aktivitet og stabilitet.

Peptidbindingen er stabil i vann ved nøytral pH og romtemperatur, men brytes lett av enzymer (proteaser og peptidaser). Det er dette som gjør peptider sårbare i mage-tarm og blod.

Peptid eller protein?

Grensen er en konvensjon. Insulin (51 aminosyrer fordelt på to kjeder) omtales vanligvis som peptidhormon. Amerikanske legemiddelmyndigheter (FDA) definerer derimot siden 2020 kjeder på mer enn 40 aminosyrer som proteiner i regulatorisk forstand, slik at insulin der reguleres som biologisk legemiddel.

Fra sekvens til struktur

Proteinstruktur beskrives gjerne i fire nivåer. Primærstrukturen er selve sekvensen. Sekundærstrukturen er lokale mønstre som alfaheliks og betaflak, holdt sammen av hydrogenbindinger mellom ryggradsatomene. Tertiærstrukturen er den samlede tredimensjonale foldingen av én kjede, og kvartærstrukturen er hvordan flere kjeder setter seg sammen.

Christian Anfinsens forsøk med enzymet ribonuklease (Nobelprisen i kjemi 1972) viste at all informasjon som trengs for å folde et protein, ligger i sekvensen. Korte peptider har sjelden en stabil tertiærstruktur i løsning. Mange er fleksible og inntar sin aktive form først når de binder til reseptoren. Det er en av grunnene til at korte peptider kan være svært selektive, men samtidig ustabile.

Noen peptider får en mer stiv form gjennom syklisering eller disulfidbroer. Oxytocin og vasopressin har en ring dannet av en disulfidbro mellom to cysteiner, og flere legemidler (for eksempel oktreotid) er bygget på samme prinsipp.

Sekvens og funksjon: små endringer, store effekter

Endrer man én aminosyre i en sekvens, kan funksjonen endres dramatisk. Oxytocin og vasopressin skiller seg bare i to av ni posisjoner, men har helt ulike hovedfunksjoner. Det er dette legemiddelkjemikere utnytter når de lager analoger: ved å bytte aminosyrer, legge til fettsyrekjeder eller bruke D-aminosyrer kan de gjøre peptider stabile og langtidsvirkende.

Semaglutid er et godt eksempel. Det har Aib i stedet for alanin i posisjon 8 (GLP-1-nummerering), slik at enzymet DPP-4 ikke kan kutte kjeden, og en fettsyre-sidekjede festet til et lysin som binder til albumin i blodet. Resultatet er en halveringstid på omtrent en uke, mot et par minutter for naturlig GLP-1. Se halveringstid og biotilgjengelighet.

Det motsatte gjelder også: en tilsynelatende liten urenhet, for eksempel en kjede der én aminosyre mangler, kan ha annen eller ingen aktivitet. Derfor er dokumentert identitet og renhet viktig i forskning.

Hvorfor er peptider vanskelige som legemidler?

• Enzymatisk nedbrytning: proteaser i mage-tarm, blod og vev bryter peptidbindingene.
• Dårlig opptak: de er ofte for store og polare til å passere cellemembraner og tarmvegg, så tabletter fungerer sjelden uten spesialformulering.
• Rask utskillelse: små peptider filtreres raskt ut av nyrene.
• Kjemisk ustabilitet: oksidasjon, deamidering og aggregering kan skje under lagring, særlig i løsning.
• Immunreaksjoner: kroppen kan danne antistoffer mot fremmede eller modifiserte sekvenser.

Samtidig har peptider fordeler: de binder svært spesifikt, og nedbrytningsproduktene er vanlige aminosyrer. Dette er grunnen til at feltet har vokst kraftig de siste tiårene, se historien om peptidlegemidler.

Hvordan lages peptider i dag?

Syntetiske peptider lages vanligvis ved fastfasesyntese: den første aminosyren festes til en harpiks, og kjeden bygges trinnvis med beskyttede aminosyrer. Til slutt kuttes peptidet løs og beskyttelsesgruppene fjernes, ofte med trifluoreddiksyre (TFA). Råproduktet inneholder alltid noe urenheter, som kjeder der en aminosyre mangler (delesjonssekvenser) eller er avkortet. Det renses derfor med preparativ HPLC og kontrolleres med analytisk HPLC og massespektrometri. Lengre peptider og proteiner produseres oftere rekombinant i bakterier, gjær eller celler.

Hvordan resultatet dokumenteres, forklares i HPLC og analysesertifikat.

Hva betyr dette for forskere?

Kjemien har direkte praktiske konsekvenser. For det første bør identiteten til et forskningspeptid alltid oppgis som sekvens og molekylvekt, ikke bare som navn, slik at resultater kan sammenlignes mellom laboratorier. For det andre avgjør sidekjedene hvilke nedbrytningsveier som er mest aktuelle: peptider med metionin eller cystein er utsatt for oksidasjon, og peptider med asparagin eller glutamin kan deamideres. For det tredje betyr peptidbindingens sårbarhet for enzymer at administrasjonsvei og formulering ofte er like viktige som selve sekvensen når man tolker en studie. Et peptid som virker etter injeksjon i en dyremodell, sier lite om hva som skjer dersom det tas gjennom munnen.

Vanlige misforståelser

• «Kollagenpeptider og injiserbare peptider er det samme.» Kollagenpeptider i kosttilskudd er en blanding av fragmenter fra nedbrutt kollagen som fordøyes som mat. Forskningspeptider er definerte sekvenser. Se kollagenpeptider og hud.
• «Et peptid er en mild versjon av et protein.» Størrelse sier ingenting om styrke; oxytocin og GLP-1-analoger virker i svært lave konsentrasjoner.
• «Samme navn betyr samme molekyl.» Salter, motioner og små sekvensvarianter kan skjule seg bak samme handelsnavn. Sekvens og molekylvekt er den sikre identifikasjonen.

Ofte stilte spørsmål

Kilder og videre lesning

1. Pauling L, Corey RB, Branson HR. The structure of proteins: two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proc Natl Acad Sci USA 1951;37:205–211.
2. Ramachandran GN, Ramakrishnan C, Sasisekharan V. Stereochemistry of polypeptide chain configurations. J Mol Biol 1963;7:95–99.
3. Anfinsen CB. Principles that govern the folding of protein chains. Science 1973;181:223–230.
4. Lau J. et al. Discovery of the once-weekly glucagon-like peptide-1 (GLP-1) analogue semaglutide. J Med Chem 2015;58:7370–7380.
5. Wang L. et al. Therapeutic peptides: current applications and future directions. Signal Transduct Target Ther 2022;7:48.

Relaterte guider