Peptid

Ein Peptid ist ein kleines Protein. Es ist eine organische Verbindung, die aus einer Verknüpfung mehrerer Aminosäuren entstanden ist^[1]. Dabei sind die einzelnen Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge (Sequenz) zu einer Kette chemisch über Peptidbindungen untereinander verbunden.

Peptide unterscheiden sich von Proteinen allein durch ihre molaren Massen, d. h. Anzahl der verknüpften Aminosäuren. Die Definition, ab wann Peptide in Proteine übergehen, ist unscharf; ab ungefähr 100 verknüpften Aminosäuren wird das Molekül als Protein bezeichnet.

In der Natur werden Peptide vorwiegend durch die Proteinbiosynthese aus α-Aminosäuren in der natürlichen L-Form gebildet. Peptide erfüllen eine große Anzahl an physiologischen Funktionen. Die Wirkungsweise ist heutzutage in den meisten Fällen gut erforscht. Peptide können als Hormon wirken, andere zeigen eine entzündungshemmende oder entzündungsfördernde Wirkung, darüber hinaus gibt es eine antibiotische und eine antivirale Wirkung.

Einige in der Nahrung häufig auftretende Proteine wie Gluten, Kasein oder auch in Ei oder Spinat vorhandene Eiweiße (=deutsche Bezeichnung für «Proteine») können durch die Verdauungsprozesse zu sogenannten opioiden Peptiden umgesetzt werden. Diese Peptide wirken in ähnlicher Weise wie Morphin auf den Körper. Personen, die nicht in der Lage sind, diese Peptide weiter zu verstoffwechseln, können Anzeichen körperlicher und geistiger Krankheit entwickeln.

Der Begriff Peptid wurde erstmals 1902 von Emil Fischer auf der 74. Jahresversammlung Deutscher Naturforscher und Ärzte in Karlsbad geprägt.^[2] Peptid ergibt sich aus Pepton (peptos, griech. verdaut), den Proteinabbauprodukten des Pepsines, und der Endung von Polysaccharid, wegen der Analogie zu ihrem Aufbau aus Monomeren.

Struktur

Mesomere Grenzstrukturen einer einfachen Peptidbindung aus einem Alanin (hier N-Term) und einem Glycin (hier C-Term) und die entsprechende cis,trans-Konfiguratíon

Ein Tetrapeptid (wie zum Beispiel Val-Gly-Ser-Ala) mit
grün markierter N-terminaler α-Aminosäure (im Beispiel: L-Valin) und blau markierter C-terminaler α-Aminosäure (im Beispiel: L-Alanin)

Bei der Kondensation von Aminosäuren reagiert die Carboxygruppe der einen Aminosäure formal unter Wasseraustritt mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure zur Säureamidgruppierung -CO-NH-, die neu geknüpfte Amidbindung zwischen dem Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe und dem Stickstoffatom wird eine Peptidbindung. Die freie Aminogruppe an einem Ende des Peptids nennt man N-Terminus, die freie Carboxygruppe am anderen Ende wird C-Terminus genannt.

Die Peptidbindung ist nicht frei drehbar, da es zwei Resonanzstrukturen gibt. Dies spielt eine wichtige Rolle bei der Struktur von Proteinen.

Einteilung

Generell bezeichnet man die Anzahl der Aminosäuren, aus denen ein Peptidmolekül besteht, auch als Kettenlänge. Anhand der Kettenlänge differenziert man in

• Oligopeptide – bestehend aus bis zu 10 Aminosäuren^[3]

• Dipeptide – aus 2 Aminosäuren
• Tripeptide – aus 3 Aminosäuren

und

• Polypeptide – bestehend aus mehr als 10 Aminosäuren

• Makropeptide – aus mehr als 100 Aminosäuren,

wobei die eingerückten Peptidgruppen nur eine feinere Einteilung der Oligo- und Polypeptiden darstellt. Die Abgrenzung zwischen Oligo- und Polypeptiden einerseits und zwischen Polypeptiden und Proteinen andererseits ist dabei nicht scharf; die angegebenen Grenzen der Kettenlängen sind vielmehr grobe Richtwerte.

Oligopeptide

Als Oligopeptide werden chemische Verbindungen bezeichnet, die aus bis zu zehn Aminosäuren bestehen, die untereinander über Peptidbindungen verknüpft sind.

Gebildet wird ein Oligopeptid indem unter Wasserabspaltung die Aminogruppe einer ersten Aminosäure mit der Carboxygruppe einer zweiten Aminosäure reagiert. Daraufhin reagiert die freie Aminogruppe des entstandenen Dipeptids mit der Carboxygruppe einer weiteren Aminosäure. Nach diesem Muster werden die übrigen Aminosäuren angeknüpft, so dass eine kurze Kette von Aminosäuren entsteht, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind.

Oligopeptide spielen z. B. als Bestandteile von Enzymen bei Entgiftungs-, Transport- und Stoffwechselprozessen eine Rolle.

Polypeptide

Ein Polypeptid ist ein Peptid, das aus mindestens zehn Aminosäuren besteht. Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen verbunden. Polypeptide können sowohl natürlichen als auch synthetischen Ursprungs sein. Polypeptide mit über 100 Aminosäuren werden in der Regel als Proteine bezeichnet; allerdings sind für ein Protein weitere Voraussetzungen notwendig, so etwa eine definierte Proteinfaltung.

In der Natur werden Polypeptide durch die Mechanismen der Proteinbiosynthese aufgrund der Bauvorschrift, die in der DNA bzw RNA codiert ist, gebildet.

Sind hochmolekulare Makropeptide durch Wasserstoff- oder Disulfidbrücken verbunden, nennt man diese Proteine. Je nach geschichtlicher Einordnung werden auch einige Aminosäurenketten mit über 100 Aminosäuren als Peptide bezeichnet.

Cyclische Dipeptide (2,5-Diketopiperazine) aus Glycin und L-Alanin (links) sowie Cyclodi-L-prolyl (rechts) gebildet aus zwei L-Prolin-Molekülen. Die cis-Peptidbindungen sind blau markiert.

Cyclopeptide

Zyklische Peptide enthalten zwei, drei oder mehr Aminosäuren, die Ringe bilden; daher besitzen Cyclopeptide keine C-terminale und keine N-terminale Aminosäure mehr. Alle zyklischen Peptide sind somit zugleich Lactame. In den ringförmigen Peptiden liegen cis-Peptidbindungen vor, während in den meisten nativen (kettenförmige) Proteinen trans-Peptidbindungen dominieren. 2,5-Diketopiperazine sind die einfachsten zyklischen Dipeptide. Einige Antibiotika sind Cyclopeptide, z.B. Ciclosporin.^[4]

Peptidsynthese

Ribosomale Peptidsynthese

In der belebten Natur (Biologie) erfolgt die Synthese einzelner Polypeptidketten durch Ribosomen.

Nichtribosomale Peptidsynthese (NRPS)

Außerdem gibt es auch eine nichtribosomale Peptidsynthese (NRPS), auf rein enzymatischem Weg (mittels Peptidsynthetasen). Mittels NRPS können auch D-Aminosäuren eingebaut werden oder Cyclopeptide entstehen. NRPS ist bei Mikroorganismen (Bakterien und Pilze) verbreitet, kommt aber wahrscheinlich in allen Organismen vor (für Drosophila ^[5], für Mäuse ^[6])

Technisch-chemische Peptidsynthese

Die technisch-chemische Synthesemethode^[1] der Wahl für ein Peptid bestimmter Sequenz unterscheidet sich je nach dessen Länge:

• Kurze Peptide werden schrittweise aus der Verknüpfung von Aminosäuren aufgebaut
• Längere Peptide werden aus der Verknüpfung kürzerer Peptide aufgebaut

Wird versucht ein bestimmtes Dipeptid (z. B. Gly-Val) aus zwei verschiedenen Aminosäuren (Gly + Val) durch thermische Dehydratisierung herzustellen, entstehen eine Reihe von unerwünschten Produkten in beachtlicher Menge^[7]:

$ \mathrm {\ Gly+Val\rightarrow Gly{-}Gly\ +\ Gly{-}Val\ +\ Val{-}Gly\ +\ Val{-}Val\ +\ Gly{-}Val{-}Val\ +} $ $ \mathrm {\ Val{-}Val{-}Gly\ +\dots } $

Um die Selektivität zu erhöhen, werden die Carboxy- und Aminogruppen, die nicht verknüpft werden sollen, mit einer Schutzgruppe versehen (z. B. Ester, Boc).

Verschiedene Kopplungsreagenzien werden verwendet, welche die ungeschützte Carboxygruppe der einen Aminosäure aktivieren und so die Verknüpfung mit der Aminofunktion der zweiten Aminosäure bei milden Bedingungen ermöglichen. Es gibt verschiedene Klassen solcher Kopplungsreagenzien ^[8]:

• Phosphonium-Reagenzien (z. B. BOP)
• Uronium-Reagenzien (z. B. HBTU, HATU)
• Immonium-Reagenzien
• Carbodiimid-Reagenzien (z. B. DCC)
• Imidazolium-Reagenzien
• Organophosphorige Reagenzien
• Saure halogenierende Reagenzien
• Chloroformate und andere

Nachdem so die Peptidbindung geknüpft wurde wird eine der beiden Schutzgruppen selektiv entfernt. Dann kann mit einer weiteren entsprechend geschützten Aminosäure erneut gekuppelt werden, usw. Am Ende werden alle Schutzgruppen entfernt und man isoliert das gewünschte Peptid.

Alternativ werden heute meist Festphasensynthesen angewendet. Zudem können auch Enzyme zur Peptidsynthese eingesetzt werden.

Literatur

S. Donadio, P. Monciardini, M. Sosio: Polyketide synthases and nonribosomal peptide synthetases: the emerging view from bacterial genomics. In: Natural product reports Band 24, Nummer 5, Oktober 2007, S. 1073–1109. doi:10.1039/b514050c. PMID 17898898.

Einzelnachweise

Siehe auch

• Pepzym
• Proteinbiosynthese

Weblinks

• Peptide Guide