Peptid

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Ein Peptid ist eine organische Verbindung, die Peptidbindungen zwischen Aminosäuren enthält und als ein kleines Protein betrachtet werden kann.[1] Dabei sind die einzelnen Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge (Sequenz) meist linear zu einer Kette verbunden. Zirkulär angeordnete Peptide werden Cyclopeptide genannt.

Peptide unterscheiden sich von Proteinen vor allem durch ihre molaren Massen, das heißt durch die Anzahl der verknüpften Aminosäuren. Die Abgrenzung ist fließend; bei mehr als ungefähr 100 verknüpften Aminosäuren wird das Molekül als Protein bezeichnet.

Organismen können Peptide durch die Transkription ausschließlich aus α-Aminosäuren der L-Form bilden, denn für diesen Prozess stehen nur die genetisch codierten Aminosäuren, auch bei allen bekannten Ausnahmen vom genetischen Code, zur Verfügung. Bei Vertretern aller Reiche finden sich vereinzelt auch D-Aminosäuren in Peptiden, diese sind Produkte spezieller Stoffwechselwege und nicht der Proteinbiosynthese.[2] Peptide erfüllen eine große Anzahl physiologischer Funktionen. Ihre Wirkungsweise ist in vielen Fällen gut erforscht. Peptide können als Hormone wirken, andere zeigen entzündungshemmende oder entzündungsfördernde Wirkungen, es gibt antibiotische und antivirale Wirkungen.

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.[3] Peptid ergibt sich aus Pepton (griech. peptos = ‚verdaut‘), den Proteinabbauprodukten des Pepsins, und der Endung von Polysaccharid, wegen der Analogie zu ihrem Aufbau aus Monomeren.

Struktur[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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

Bezeichnung Anzahl
Aminosäuren
Bemerkungen
Dipeptid
2
Tripeptid
3
Tetrapeptid
4
Pentapeptid
5
Oligopeptid
2 – ca. 10
[4]
Polypeptid
ca. 10 – ca. 100
Protein
> 50
Makropeptid
> ca. 100
Cyclopeptid 2 – mehrere hundert ohne N-Terminus, ohne C-Terminus

Oligopeptide[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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.

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[Bearbeiten]

Hauptartikel: 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.[5]

Peptide mit α-Peptidbindungen und ω-Peptidbindungen sowie Isopeptide[Bearbeiten]

Genau genommen entstehen Peptide durch die Verknüpfung α-ständiger Amino- und Carboxygruppen von α-Aminosäuren, die dann über α-Peptidbindungen verknüpft sind.[1]

Glutathion (γ-L-Glutamyl-L-cysteinglycin) ist ein Tripeptid mit einer γ-Peptidbindung (= Beispiel für eine ω-Peptidbindung) und einer α-Peptidbindung.

Es gibt jedoch auch α-Aminosäuren, die neben der α-Aminogruppe eine zweite Aminogruppe enthalten, z. B. L-Lysin. Ebenso gibt es α-Aminosäuren, die neben der α-Carboxygruppe eine zweite Carboxygruppe enthalten, z. B. L-Asparaginsäure und L-Glutaminsäure. Wenn nun die Verknüpfung der Aminosäuren nicht ausschließlich durch die α-ständigen Amino- und Carboxygruppen erfolgt, sondern unter Beteiligung einer end- oder seitenständigen Diaminocarbonsäuren (wie L-Lysin) und Aminodicarbonsäuren (wie L-Asparaginsäure und L-Glutaminsäure) so entstehen Peptide mit einer ω-Peptidbindung.[1]

Nε-γ-L-Glutamy-L-lysin enthält eine Isopeptidbindung.

In der Natur kommen auch Mischformen vor, so enthält das Tripeptid Glutathion (γ-L-Glutamyl-L-cysteinglycin)[6] je eine α-Peptidbindung und eine ω-Peptidbindung. Die Peptidbindung zwischen der seitenständigen ε-Aminogruppe von L-Lysin und der seitenständigen Carboxygruppe von Asparaginsäure oder Glutaminsäure wird auch Isopeptidbindung genannt.

Peptidsynthese[Bearbeiten]

Ribosomale Peptidsynthese[Bearbeiten]

Hauptartikel: Proteinbiosynthese

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

Nichtribosomale Peptidsynthese (NRPS)[Bearbeiten]

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[7], für Mäuse[8])

Technisch-chemische Peptidsynthese[Bearbeiten]

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[9]:

\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, Fmoc).

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 [10]:

  • Phosphonium-Reagenzien (z. B. BOP, PyBOP)
  • Uronium-Reagenzien (z. B. HBTU, HATU)
  • Immonium-Reagenzien
  • Carbodiimid-Reagenzien (z. B. DCC, EDC)
  • Imidazolium-Reagenzien (z. B. CDI)
  • 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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

  1. a b c d Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 1-505, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
  2. G. Kreil: D-amino acids in animal peptides. In: Annual review of biochemistry. 66, Nr. 1, 1997, S. 337-345. Abgerufen am 14. März 2013.
  3. E. Fischer: Über die Hydrolyse der Proteinstoffe.' In: Chemikerzeitung. Band 26, 1902, S. 939–940.
  4. Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 2894, ISBN 3-440-04513-7.
  5. Biologisch aktive Peptide. Script der Universität Leipzig, S. 16. (PDF; 3,2 MB).
  6. Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 1511, ISBN 3-440-04513-7.
  7. A. Richardt, T. Kemme, S. Wagner, D. Schwarzer, M. A. Marahiel, B. T. Hovemann: Ebony, a novel nonribosomal peptide synthetase for beta-alanine conjugation with biogenic amines in Drosophila. In: The Journal of biological chemistry. Band 278, Nummer 42, Oktober 2003, S. 41160–41166, ISSN 0021-9258. doi:10.1074/jbc.M304303200. PMID 12900414.
  8. T. Kasahara, T. Kato: Nutritional biochemistry: A new redox-cofactor vitamin for mammals. In: Nature. Band 422, Nummer 6934, April 2003, S. 832, ISSN 0028-0836. doi:10.1038/422832a. PMID 12712191.
  9. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore: Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, S. 1399–1402, 2005.
  10. S.Y. Han, Y.A. Kim: Tetrahedron, 60, 2004, S. 2447–2467.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]