Peptidcharakterisierung. Peptidsynthese und Modifikationen

Schlüsselwörter: Peptid; Peptidhydrolyse; Peptidbindungen; Peptidmodifikationen; Peptidsynthese; …

Schlüsselwörter: Peptid; Peptidhydrolyse; Peptidbindungen; Peptidmodifikationen; Peptidsynthese; Peptidbindung; Peptidhormone; Peptidanaloga; Ausfällen; Amidierung; Acetylierung

Peptide

Peptide sind chemische Verbindungen, die ähnlich wie Proteine aus Aminosäuren aufgebaut sind. Sie entstehen durch die Verbindung von zwei oder mehr Aminosäuren über eine Peptidbindung infolge eines Kondensationsprozesses, bei dem neben dem Peptid auch ein Wassermolekül entsteht. (Abb. 1) Sie sind Gegenstand breiten Interesses und erfüllen wichtige biologische Funktionen. Viele Hormone und Neurotransmitter sind tatsächlich Peptide. Im Fall endogener Peptide wirken sie antimikrobiell und fungieren als Abwehrsystem des Körpers. Natürlich vorkommende Peptide und ihre synthetischen Analoga gelten aufgrund ihrer hohen Aktivität, geringen Toxizität und fehlenden Wechselwirkungen mit Medikamenten als attraktive Verbindungen von therapeutischer Bedeutung. In der medizinischen Praxis finden nur wenige Peptide Anwendung aufgrund biologischer Instabilität und schneller Degradation, jedoch ermöglicht die Peptidsynthese die Gewinnung stabiler Formen. Gleiches gilt beispielsweise für die Synthese von Peptiden aus natürlichen Quellen. Peptide liegen in unverzweigter Form vor und besitzen nur zwei spezifische Enden. Eines davon wird Aminoterminus genannt, an dem eine Aminosäure mit einer freien α-Aminogruppe vorhanden ist. Das andere wird Carboxylterminus oder C-Terminus genannt, an dem eine Aminosäure mit einer freien α-Carboxylgruppe vorhanden ist.

Peptidnomenklatur

Die Peptidnomenklatur beginnt mit dem Namen der N-terminalen Aminosäurerest, gefolgt von den Namen der aufeinanderfolgenden Aminosäurereste, und endet mit dem Namen der C-terminalen Aminosäure. Die Abfolge der Aminosäuren wird mit drei- oder einbuchstabigen Symbolen aufgezeichnet.

Peptidbindung

Kohlenstoff bindet als Ergebnis der Reaktion der α-Carboxylgruppe mit dem Stickstoff der α-Aminogruppe über eine Einfachbindung – die Peptidbindung. Es wird angenommen, dass diese Bindung in Form von zwei Strukturen vorliegt, die in einem bestimmten gegenseitigen Gleichgewicht stehen. Die C-N-Bindung wechselt zwischen C=N und umgekehrt. Eine Rotation um die C=N-Achse ist nicht möglich, was bedeutet, dass die Peptidbindung starr genug ist, um die Eigenschaften einer Doppelbindung zu besitzen. Im Fall einer Peptidbindung, die die Iminogruppe von Prolin oder Hydroxyprolin mit der Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure verbindet, bildet sich eine andere, deutlich unterschiedliche Struktur. In diesem Fall ist der Stickstoff in die Struktur des Pyrrolidinrings eingebaut; es gibt keinen Wasserstoffsubstituenten, was bedeutet, dass keine Rotation bezüglich der Bindungen möglich ist, die unter Anwesenheit von Stickstoff gebildet werden. Aminosäuren, die an der Bildung einer Peptidbindung beteiligt sind, verlieren Fragmente ihrer Moleküle – speziell das -OH der Carboxylgruppe und das -H der Aminogruppe. Deshalb werden Aminosäuren, die in Peptiden und Proteinen vorkommen, als Aminosäurereste bezeichnet. Die entstehenden Peptidbindungen sind stabil und ihr Abbau kann nur unter Einwirkung starker Basen und Säuren bei gleichzeitig hohen Temperaturen erfolgen.

Aufbrechen der Peptidbindung

Das Brechen der Peptidbindung erfolgt infolge einer Peptidhydrolysereaktion, die auf der Spaltung der gebildeten Peptidbindungen und der Wiederherstellung einzelner Aminosäuren beruht. Wasser nimmt an dieser Reaktion teil, wobei seine Moleküle in Hydroxylgruppen (-OH) und Wasserstoffatome (H) zerfallen, die sich dann mit den freigesetzten Bindungen der Substanz verbinden.

Klassifikation von Peptiden

Die Klassifikation von Peptiden erfolgt basierend auf der Anzahl der Aminosäuren, aus denen sie aufgebaut sind. In der allgemeinen Peptidklassifikation unterscheiden wir:

• Dipeptide – Produkte, die aus der Reaktion von zwei Aminosäuren entstehen, wobei die freie Aminogruppe einer Aminosäure und die freie Carboxylgruppe der zweiten Aminosäure erhalten bleiben;

• Oligopeptide – Peptide, die aus mehreren bis über einem Dutzend Aminosäuren bestehen;

• Polypeptide – längere Peptide, die mehrere Dutzend Aminosäurereste enthalten;

• Proteine – werden akzeptiert, wenn ein Molekül aus mehr als hundert Aminosäureresten besteht.

Spektrum der Peptidaktivität

Peptide zeigen ein breites Spektrum biologischer Aktivität und werden bei der Behandlung bakterieller Infektionen, viraler Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Erkrankungen des Skelettsystems, Erkrankungen des Nervensystems, Diabetes und Osteoporose eingesetzt.

Vorteile von Peptiden

• Hohe Aktivität und Selektivität
• Breites Spektrum molekularer Zielstrukturen
• Potentiell geringere Toxizität im Vergleich zu niedermolekularen Verbindungen
• Geringe Gewebeakkumulation
• Hohe chemische und biologische Vielfalt
• Auf Genebene nachweisbar
• Einfache Synthese von Analoga

Peptidsynthese

Je nach dem Peptid, das wir erhalten möchten, benötigen wir eine geeignete Synthesemethode. In einer kurzen Erklärung versuchen wir, die Peptidsynthese in Bezug auf ihre Größe darzustellen. Um ein Dipeptid zu erhalten, muss ein Reagenz verwendet werden, das die Carboxylgruppe der arylierenden Aminosäure aktiviert, oder die acylierende Aminosäure muss in ein Anhydrid umgewandelt werden. Ein aufwändigerer und schwierigerer Prozess ist die Synthese größerer Peptide, die aus einem Dipeptid gewonnen werden, indem die Schutzgruppe der N-terminalen Aminosäure entfernt und diese mit der nächsten N-geschützten Aminosäure acyliert wird. Dieser Prozess ist besonders zeitintensiv, da die genannten Schritte wiederholt werden, bis ein Peptid mit der geplanten Sequenz vorliegt. Bei der Herstellung großer Peptide ist die Merrifield-Methode die leistungsfähigste und einfachste Vorgehensweise. Diese Methode wird an einer festen Phase durchgeführt. Die C-terminale Aminosäure wird an ein Polymer gebunden und dann werden sukzessive Aminosäuren angefügt, bis die gewünschte Kettenlänge erreicht ist.

Biologisch aktive Peptide

Peptidhormone und Proteinhormone sind in unserer Umgebung weit verbreitet. Früher waren sie meist als relativ instabile Formen bekannt. Unter dem Einfluss der Synthese kann die Peptidtherapie zunehmend sicher als langlebig und wirksam gewählt werden, je nach den Bedürfnissen des Körpers. Genau deshalb lohnt es sich, sich geschickt und sicher mit hormoneller Stimulation zu beschäftigen. Unter Berücksichtigung einiger biologisch aktiver Peptide können wir zum Beispiel Glutathion nennen, das als Tripeptid mit einer spezifischen Struktur aus Glutamat, Cystein und Glycin besteht. Glutamat kommt als N-terminale Aminosäure vor. Die Verbindung von Glutamat mit Cystein ist jedoch untypisch für Peptide und Proteine, da hier nicht die α-Carboxylgruppe von Glutamat, sondern die γ-Carboxylgruppe beteiligt ist. Glutathion liegt daher in einer reduzierten und einer oxidierten Form vor und heißt γ-Glutamylcysteinylglycin. In der reduzierten Form besitzt es eine freie Sulfhydrylgruppe, während in der oxidierten Form ein Wasserstoffpaar von den -SH-Gruppen abgespalten wird. Die Schwefelatome bleiben wasserstofffrei, was zur Bildung einer Disulfidbrücke führt. Die Fähigkeit von Glutathion, in einen oxidierten oder reduzierten Zustand überzugehen, ist wichtig für Oxidations-Reduktions-Prozesse.

Weitere Beispiele sind Oxytocin und Vasopressin, die als Nonapeptide von hypothalamischen Neuronen produziert und von der hinteren Hirnanhangsdrüse freigesetzt werden und sich nur in zwei Aminosäuren unterscheiden. Cystein kommt an zwei Positionen vor, was zur Bildung einer Disulfidbrücke führt. Oxytocin wirkt als Hormon, das die Kontraktionsaktivität der Gebärmutter stimuliert. Vasopressin hingegen fördert die Wasserresorption in den Nierentubuli. Vasopressin spielt auch eine wichtige Rolle bei der Regulation der Sekretion des adrenocorticotropen Hormons (ACTH) in Stresssituationen.

Peptidhormone

Adrenocorticotropes Hormon (ACTH)

Das adrenocorticotrope Hormon, ein Peptid aus 39 Aminosäuren, wird durch den Abbau eines viel größeren Vorläufermoleküls – Proopiomelanocortin (POMC) – gebildet. Proopiomelanocortin dient auch als Quelle für andere aktive Peptide. Innerhalb der Struktur von ACTH selbst sind zwei Peptide enthalten. Dazu gehören das α-melanotrope Hormon (α-MSH), das strukturell mit den ersten 13 Aminosäuren von ACTH identisch ist, und das corticotropinähnliche Peptid des intermediären Lappens – Fragment 18-39 von ACTH. Die Grundfunktion von ACTH besteht darin, die Nebennierenrinde so zu stimulieren, dass sie Steroidhormone ausschütten kann. Das adrenocorticotrope Hormon ist verantwortlich für die Regulierung der Aktivität auf der Ebene der Zona fasciculata und Zona reticularis. Die ersten 18 Aminosäuren sind für die biologische Aktivität von ACTH verantwortlich. Die Regulation von ACTH erfolgt durch das corticotropinfreisetzende Hormon (CRH), ein Hormon, das im Hypothalamus vorkommt und Corticotropin über Cortisol durch negatives Feedback freisetzt. Das bedeutet, dass ein Cortisolmangel CRH und ACTH stimuliert, während ein Überschuss die Sekretion hemmt. Durch die Freisetzung von Cortisol werden viele wichtige lebenswichtige Funktionen reguliert, darunter die Mobilisierung des Körpers bei Stress, die Erhöhung des Blutdrucks und entzündungshemmende Fähigkeiten. ACTH wird pulsatil im circadianen Rhythmus ausgeschüttet, was bedeutet, dass seine höchste Konzentration in den Morgenstunden beobachtet wird, wenn dies am wünschenswertesten ist, und im Tagesverlauf abnimmt. Eine Erhöhung der ACTH-Sekretion wird bei Krankheitszuständen wie Nebennierenrindeninsuffizienz, Cushing-Syndrom oder Nelson-Syndrom beobachtet.

Insulin und C-Peptid

Insulin und C-Peptid werden im Pankreas kontinuierlich vom menschlichen Körper ausgeschüttet. Während der Insulinproduktion wird im Prozess seiner Biosynthese C-Peptid gebildet. Pankreaszellen produzieren in der ersten Phase Präproinsulin, das durch Abspaltung von Aminosäuren weiter modifiziert wird, was zur Bildung von Proinsulin führt, das aus zwei Ketten A und B besteht, die durch C-Peptid verbunden sind. Anschließend wird Proinsulin vom C-Peptid getrennt, wodurch die endgültige Form entsteht. Wenn Glukose im Körper auftaucht, erhält die Bauchspeicheldrüse ein Signal, Granulate freizusetzen, die gespeicherte Insulin- und C-Peptid-Moleküle enthalten. C-Peptid verbleibt in der Leber deutlich länger als Insulin, da es dort nicht abgebaut wird. Sein Abbau erfolgt hauptsächlich in den Nieren. Sowohl bei Insulin als auch bei C-Peptid führen erhöhte oder zu niedrige Konzentrationen zur Entwicklung von Typ-I- oder Typ-II-Diabetes sowie des Cushing-Syndroms. Bei C-Peptid können Konzentrationsschwankungen auch auf chronische Niereninsuffizienz oder das Vorhandensein von Metastasen oder lokalem Tumorrezidiv hinweisen, weshalb die Aufrechterhaltung der richtigen Konzentrationsnormen so wichtig ist.

Motilin

Motilin ist ein Hormon, das mit der glatten Muskulatur von Magen und Darm verbunden ist und von Fasern des Nervus vagus gesteuert wird. Es wird in endokrinen Zellen synthetisiert. Als Peptidhormon, das aus 22 Aminosäuren in einer spezifischen Sequenz besteht, wird es von Zellen des Dünndarms produziert. Es wird von endokrinen M (Mo)-Zellen des Verdauungssystems gebildet und ist an der Regulation der gastrointestinalen Motilität beteiligt. Motilin ist ein wichtiges Hormon, das an der Bildung der Phase III des wandernden motorischen Komplexes (MMC) beteiligt ist, in der Magen und Dünndarm die Aufgabe haben, den Magen von unnötigen Nahrungsresten und abgeschilferten Epithelzellen durch Stimulation peristaltischer Bewegungen zu entleeren. Das Hormon beeinflusst zusätzlich die Entleerung der Gallenblase während der interdigestiven Periode bei der höchsten Motilin-Konzentration.

Glucagon

Glucagon ist eines der Hormone, die an der Regulierung der Glukosekonzentration beteiligt sind; dieses Peptid wird von endokrinen Zellen der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet. Es ist ein Polypeptid, das aus 29 Aminosäuren besteht und aus einem Vorläufer mit einer Struktur von 180 Aminosäuren gebildet wird. Veränderungen der Glukosekonzentration ermöglichen die Ausschüttung von Glucagon. Die Produktion des Hormons Glucagon erfolgt in den Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse, in denen Glucagon und das glicentin-verwandte pankreatische Polypeptid (GRPP) aus Proglucagon gebildet werden. Die Hauptaufgabe von Glucagon besteht darin, während eines Abfalls zwischen den Mahlzeiten oder bei körperlicher Anstrengung die richtige Glukosekonzentration im Serum aufrechtzuerhalten. Seine Reserven werden in solchen Situationen aus der Leber freigesetzt, um den Körper entsprechend zu schützen. Zusätzlich kann es an der Regulation während der Nahrungsaufnahme beteiligt sein, was bedeutet, dass das Sättigungsgefühl früher auftreten kann. Glucagon kann potenziell die Freisetzung von Ghrelin hemmen und auch die Darmperistaltik hemmen.

Peptidanaloga

Peptidanaloga sind definierte chemische Verbindungen, bei denen ein Atom im Vergleich zur Mutterverbindung durch ein anderes ersetzt wird, während die allgemeine Struktur des Peptids unverändert bleibt. Peptidanaloga umfassen Helixstruktur-Analoga sowie β-Turn- und β-Faltblatt-Analoga. Bei der ersten Art sind Helices eines der Schlüsselelemente bioaktiver Peptide. Die Stabilisierung kurzer Oligomerfragmente in einer helicalen Konformation führt zu erhöhter Aktivität. Bei β-Turn- und β-Faltblatt-Analoga werden D-Aminosäurereste oder β-, γ-, δ-Aminosäurereste eingefügt. Peptidanaloga ermöglichen es, neue Peptidverbindungen zu erhalten, die stabiler sind, in einem breiteren symptomatischen Spektrum Anwendung finden und innovative Lösungen für Probleme im Zusammenhang mit der Wirkung bestehender Vor-Analogformen bieten.

Ausfällung von Peptiden durch Salzen

Der Ausfällungsprozess durch Salzen beinhaltet die Veränderung der Proteinladungen. Die Proteinladungen werden durch die Anionen und Kationen des Salzes neutralisiert. Proteinmoleküle ziehen sich nicht gegenseitig an und bilden keine Aggregate, und das Protein selbst wird infolge des Verlusts seiner Hydrathülle ausgefällt. Der Ausfällungsprozess durch Salzen ist reversibel. Im umgekehrten Prozess wird das Salz durch Dialyse entfernt oder seine Konzentration durch Zugabe von Wasser reduziert. Basierend auf unseren früheren Artikeln kann mit Sicherheit gesagt werden, dass das Ausfällen durch Salzen, das zur Bildung einer stabilen Form des BPC-157-Peptids führte, eine innovative Methode zur Sicherstellung der Peptidstabilität und folglich zur Erweiterung der biologischen Wirkung von Peptiden ist.

Acetylierung von Peptiden

Die Acetylierung umfasst die Anlagerung von Acetylradikalen an Substrate, die Verbindungen mit NH2-, OH- oder SH-Gruppen sind, unter Beteiligung des Enzyms N-Acetyltransferase. Die Quelle des Acetylradikals ist Acetyl-CoA. Die Hauptfunktion der N-Acetyltransferasen besteht darin, die Verbindung der Acetylgruppe mit der Aminogruppe aromatischer Amine und Hydrazine (N-Acetylierungsreaktion) zu erleichtern, also die Entgiftung potenziell toxischer exogener Verbindungen.

Amidierung von Peptiden

Wenn Peptidbindungen gespalten werden und folglich eine Fragmentierung der Polypeptidkette auftritt, bilden sich Carbonylgruppen. Die Oxidation eines Proteinmoleküls durch ein Hydroxylradikal beginnt mit der Abspaltung eines Wasserstoffatoms am α-Kohlenstoff einer Aminosäure. Das entstehende Alkylradikal reagiert mit Sauerstoff und bildet ein Alkylperoxylradikal, das in ein Alkylhydroperoxid übergeht. Das daraus gebildete Alkoxylradikal kann sich in eine hydroxylierten α-Kohlenstoff-Aminosäurerest umwandeln oder zur Fragmentierung der Polypeptidkette führen. Das Vorhandensein eines Alkoxylradikals begünstigt die Fragmentierung der Polypeptidkette. Die Spaltung der Peptidbindung kann über α-Amidierungs- oder Diamidierungswege erfolgen. Das während der α-Amidfragmentierung gebildete N-terminale Peptid besitzt eine Amidgruppe an seinem C-Terminus, während das zweite Peptid eine N-α-Ketoacyl-Derivat am N-Terminus enthält. Die Fragmentierung über den Diamidweg ist durch die Bildung eines N-terminalen Peptids mit einer Diamidstruktur und eines Peptids, das vom C-Terminus des Proteinmoleküls stammt und eine Isocyanatstruktur am N-Terminus aufweist, gekennzeichnet.

Literaturverzeichnis

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2. Jakubke H. D., Jeschkeit H. Aminosäuren, Peptide, Proteine. 1982; Państwowe Wydawnictwo Naukowe

3. Kołodziejczak A. Aminosäuren und Peptide. 2006