Un péptido cíclico es una cadena unida consigo misma. El cambio suena cosmético y no lo es: cerrar el anillo altera la masa, la estabilidad, el comportamiento en columna, y lo que una medición de identidad puede y no puede resolver.
Tres formas de cerrar un anillo
- De cabeza a cola. El extremo amino se une al carboxilo, dejando un esqueleto continuo sin extremos libres.
- De cadena lateral a cadena lateral. Se unen dos cadenas laterales separadas por varias posiciones, casi siempre como un lactama entre una amina de una y un carboxilo de otra. El esqueleto conserva sus extremos; el lazo queda dentro de la molécula.
- Disulfuro. Dos cadenas laterales de cisteína se oxidan juntas. Esta es reversible, y eso importa más abajo.
Los péptidos cíclicos de este catálogo, como el PT-141, usan la vía del lactama de cadena lateral. Un lactama es un enlace amida corriente, del mismo tipo que une el esqueleto, construido en otro sitio.
La masa cambia, y en una cantidad conocida
Unir una amina a un carboxilo libera un agua, así que un péptido cerrado por lactama o de cabeza a cola pesa unos dieciocho daltons menos que el precursor lineal del que salió. Un disulfuro es distinto: retira dos hidrógenos, unos dos daltons.
Las dos diferencias son fáciles de medir, así que una comprobación de masa confirma que la ciclación ocurrió. Esa es la parte que una medición de masa resuelve limpiamente.
Lo que no resuelve
Si más de un par de cadenas laterales podía haber reaccionado, todos los productos posibles tienen la misma fórmula y la misma masa. Una sola medición de masa no dice dónde se cerró el anillo. Distinguir las alternativas exige fragmentar la molécula y leer los pedazos, que es lo que aporta la espectrometría de masas en tándem.
Por eso un certificado de péptido cíclico lleva más carga de la que aparenta cuando reporta una masa coincidente. El número responde una pregunta real, y no todas.
Qué compra la restricción
Una cadena lineal explora un número enorme de formas. Cerrarla elimina la mayoría, así que la molécula pasa el tiempo en un conjunto más estrecho de conformaciones. Ese es el objetivo de fabricarla: una forma restringida es una forma definida.
Quitar los extremos de cadena tiene un segundo efecto. Las enzimas que degradan péptidos royendo hacia dentro desde un extremo libre no tienen de dónde agarrar en un ciclo de cabeza a cola, así que los péptidos cíclicos suelen resistir mejor esa vía. La estrategia está bien documentada en el campo. (Referencia: White y Yudin, 2011)
La restricción fue además el movimiento de diseño que produjo los análogos potentes de melanocortina de finales de los ochenta, de donde varios compuestos de esta familia heredan su estructura. (Referencia: Al-Obeidi et al., 1989)
El tamaño fija la dificultad
No todos los anillos son igual de fáciles de cerrar. Los ciclos muy pequeños tensionan los ángulos de enlace, y los muy grandes dan a los dos extremos demasiado espacio para encontrarse, así que los extremos pasan el tiempo separados. Los tamaños intermedios cierran con más facilidad, y un químico que elige dónde poner un puente está eligiendo en parte un tamaño de anillo que coopere.
La posición del puente decide además cuánta cadena queda dentro del lazo. Un puente entre los residuos dos y siete restringe una porción distinta de la molécula que uno entre el uno y el ocho, aunque ambos produzcan un péptido cíclico por la misma química. (Referencia: White y Yudin, 2011)
Parcialmente cíclico es una categoría real
Una molécula puede llevar un anillo y conservar extremos libres, que es lo que produce un puente de cadena lateral. Las descripciones a veces llaman a esto cíclico sin matizar, y la diferencia importa: un ciclo de cabeza a cola no tiene extremo del que tirar para una enzima, mientras que un puente de cadena lateral deja los dos expuestos.
Leyendo una especificación, la pregunta útil no es si aparece la palabra cíclico sino qué átomos se unieron.
La naturaleza también lo hace
Los péptidos cíclicos no son solo un truco de laboratorio. Las plantas fabrican péptidos cíclicos de cabeza a cola con disulfuros internos que resisten de forma inusual al calor y a las enzimas, y esos productos naturales se estudian en parte como evidencia de cuánta estabilidad puede aportar la topología. (Referencia: Craik et al., 2001)
Fabricar uno es más difícil que fabricar una cadena
La secuencia lineal es síntesis en fase sólida corriente. El cierre es un paso extra con su propio rendimiento, y compite con una reacción no deseada: a concentración alta, las cadenas se unen entre sí en vez de cerrarse sobre sí mismas, produciendo dímeros y especies mayores.
Dos enfoques lo manejan. Cerrar el anillo con la cadena todavía unida a la resina mantiene las cadenas separadas físicamente, así que cada una tiene más probabilidad de encontrar su propio otro extremo. Cerrarlo en disolución consigue el mismo efecto trabajando diluido, lo que significa volúmenes grandes para poco producto. En cualquier caso, lo que no cicló sigue presente cuando empieza la purificación. (Referencia: White y Yudin, 2011)
En columna se comportan distinto
Una molécula restringida presenta una superficie distinta de la de la cadena abierta, así que el tiempo de retención en una columna de fase reversa no es predecible solo a partir de la secuencia. El precursor sin ciclar y el producto suelen separarse, lo que es útil, porque significa que la medición de pureza ve el fallo.
Cómo leer una especificación
Una especificación que dice cíclico debería decir cómo: de cabeza a cola, un puente de cadena lateral con nombre, o un disulfuro. Los tres dan masas y estabilidades distintas, y un disulfuro se puede reducir y reabrir mientras que un lactama no. Diga lo que diga, el material lo establece el certificado y un lote que puedes comprobar.
La conservación sigue la misma lógica que cualquier péptido seco, con un añadido: un compuesto cerrado por disulfuro debe mantenerse lejos de condiciones que lo reduzcan, porque el anillo dura lo que dure el enlace que lo sujeta. Nuestra guía de conservación cubre el caso general.
Preguntas frecuentes
¿Qué hace cíclico a un péptido?
Que la cadena se une consigo misma: extremo amino con carboxilo, una cadena lateral con otra, o dos cisteínas oxidadas en un disulfuro. Cada vía da una estructura distinta y un cambio de masa distinto.
¿Cuánto cambia la masa al ciclar?
Unir una amina a un carboxilo libera un agua, así que el producto es unos dieciocho daltons más ligero que el precursor lineal. Un disulfuro en cambio retira dos hidrógenos, unos dos daltons.
¿La espectrometría de masas confirma dónde cicló?
No con una sola medición. Si más de un par de cadenas laterales podía reaccionar, todos los productos tienen la misma fórmula y masa. Separarlos exige fragmentar la molécula, que es lo que hace la espectrometría en tándem.
¿Para qué fabricar un péptido cíclico?
Una cadena lineal explora muchas formas y una cerrada muchas menos, así que la restricción da una forma definida. Quitar los extremos libres además lo hace más resistente a enzimas que degradan desde un terminal.
¿Qué sale mal al ciclar un péptido?
A concentración alta las cadenas reaccionan entre sí en vez de cerrarse sobre sí mismas, produciendo dímeros y especies mayores. Cerrar en resina o trabajar diluido lo reduce, y lo que no cicló queda para que lo retire la purificación.
¿Un disulfuro es lo mismo que un puente lactámico?
No. Un disulfuro se puede reducir y reabrir, así que la restricción no aguanta en condiciones reductoras. Un lactama es un enlace amida como los del esqueleto y no se deshace así.
Referencias
- White, C.J., & Yudin, A.K. (2011). Contemporary strategies for peptide macrocyclization. Nature Chemistry, 3, 509-524.
- Al-Obeidi, F., Hadley, M.E., Pettitt, B.M., & Hruby, V.J. (1989). Design of a new class of superpotent cyclic alpha-melanotropins. Journal of the American Chemical Society, 111(9), 3413-3416.
- Craik, D.J., Daly, N.L., Mulvenna, J., Plan, M.R., & Trabi, M. (2001). Plant cyclotides: circular, knotted peptide toxins. Toxicon, 39(11), 1809-1813.
- Chan, W.C., & White, P.D. (1999). Fmoc Solid Phase Peptide Synthesis: A Practical Approach. Oxford University Press.