Peptid

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Ein Peptid ist eine organische Verbindung, die Peptidbindungen[1] zwischen Aminosäuren enthält.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Peptide, bei denen einzelne Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge (Sequenz) linear zu einer Kette verbunden sind, können als ein kleines Protein betrachtet werden.[2] Peptide mit zirkulär gebundenen Aminosäuren werden Cyclopeptide genannt. Peptide unterscheiden sich daneben vor allem durch ihre molaren Massen. Die Abgrenzung zu Proteinen nach Anzahl der verknüpften Aminosäuren ist fließend; bei einer Kette von mehr als ungefähr 100 verknüpften Aminosäuren, die sich zu einer bestimmten Form auffaltet, wird das Molekül gemeinhin als Protein bezeichnet. Peptide mit Glykosylierungen werden als Glykopeptide bezeichnet bzw. als Glykoproteine, Peptide mit Lipiden als Lipopeptide bzw. als Lipoproteine.

Organismen können Peptide durch Translation ausschließlich aus α-Aminosäuren der L-Form bilden, denn für diesen Prozess stehen allein die genetisch codierten Aminosäuren zur Verfügung, die an eine tRNA gebunden werden. Vereinzelt finden sich bei Lebewesen verschiedener Reiche auch D-Aminosäuren in Peptiden, diese sind jedoch Produkte spezieller Stoffwechselwege einer nichtribosomalen Peptidsynthese und nicht der Proteinbiosynthese.[3] Peptide erfüllen eine große Anzahl physiologischer Funktionen und können beispielsweise als Hormone wirken, andere zeigen entzündungshemmende oder entzündungsfördernde Wirkungen; es gibt auch antimikrobielle Peptide mit antibiotischen oder antiviralen Wirkungen. In einigen Fällen ist ihre Wirkungsweise gut erforscht.

Die Bezeichnung Peptid wurde erstmals 1902 von Emil Fischer verwendet[4] für die Ausgangsstoffe der Proteinabbauprodukte durch Pepsin im Pepton (zu griech. πεπτικός peptikos ‚verdauungsfähig‘ bzw. πεπτός peptos ‚gekocht‘), begriffen als aus Monomeren aufgebaut, analog einem Polysaccharid.

Struktur[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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
unter ca. 10
[5]
Polypeptid
über ca. 10
Makropeptid
über ca. 100
Cyclopeptid 2 und mehr ringförmig (ohne N- und C-Terminus)
Protein
über ca. 50
gefaltet

Oligopeptide[Bearbeiten | Quelltext 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 können weitere Aminosäuren angeknüpft werden, sodass eine kurze Kette von Aminosäuren entsteht, die über Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Werden auch die beiden Kettenenden miteinander verknüpft, entsteht ein zyklisches Peptid (siehe unten).

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

Polypeptide[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Makropeptide sind hochmolekulare Peptide. Sind diese durch Wasserstoff- oder Disulfidbrücken verbunden, spricht man oft von Proteinen. Doch werden manche Aminosäurenketten mit über 100 Aminosäuren nur 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 | Quelltext 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.[6]

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

Genau genommen entstehen Peptide durch die Verknüpfung α-ständiger Amino- und Carboxygruppen von α-Aminosäuren, die dann über α-Peptidbindungen verknüpft sind.[7]

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.[8]

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

In der Natur kommen auch Mischformen vor, so enthält das Tripeptid Glutathion (γ-L-Glutamyl-L-cysteinglycin)[9] 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 | Quelltext bearbeiten]

Ribosomale Peptidsynthese[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Proteinbiosynthese

In den Zellen von Lebewesen werden an den Ribosomen einzelne Polypeptidketten aufgebaut, die anschließend zum Protein auffalten. Diese ribomosomale Peptidsynthese wird auch Proteinbiosynthese genannt.

Nichtribosomale Peptidsynthese[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Daneben gibt es bei manchen Organismen auch eine nichtribosomale Peptidsynthese auf rein enzymatischem Weg mittels Nichtribosomaler Peptidsynthetasen (NRPS). Durch NRPS können auch D-Aminosäuren eingebaut werden oder Cyclopeptide entstehen als nichtribosomales Peptid (NRP). Solche NRPS kommen nicht nur in verschiedenen Mikroorganismen der drei Domänen von Bakterien, Archaeen und Eukaryoten vor, sondern beispielsweise auch bei mehrzelligen Organismen vieler Pilze und bei einigen Weichtieren.[10]

Technisch-chemische Peptidsynthese[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die technisch-chemische Synthesemethode[11] 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:[12]

\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:[13]

  • Phosphonium-Reagenzien (z. B. BOP, PyBOP)
  • Uronium-Reagenzien (z. B. HBTU, HATU, TBTU)
  • 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.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Im kleinstmöglichen Peptid, einem Dipeptid aus zwei Aminosäuren, liegt nur eine Peptidbindung vor.
  2. Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 1-505, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
  3. 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.
  4. E. Fischer: Über die Hydrolyse der Proteinstoffe. In: Chemikerzeitung. Band 26, 1902, S. 939–940.
  5. Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 2894, ISBN 3-440-04513-7.
  6. Biologisch aktive Peptide. Script der Universität Leipzig, S. 16. (PDF; 3,2 MB).
  7. Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, S. 99, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
  8. Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, S. 99, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
  9. Otto-Albrecht Neumüller (Herausgeber): Römpps Chemie Lexikon, Frank’sche Verlagshandlung, Stuttgart, 1983, 8. Auflage, S. 1511, ISBN 3-440-04513-7.
  10. Hao Wang, David Fewer, Liisa Holm, Leo Rouhiainen, Kaarina Sivonena: Atlas of nonribosomal peptide and polyketide biosynthetic pathways reveals common occurrence of nonmodular enzymes. In: Proc Natl Acad Sci USA. Band 111, Nr. 25, Juni 2014, S. 9259–9264. PMC: 4078802 (freier Volltext).
  11. Hans-Dieter Jakubke, Hans Jeschkeit: Aminosäuren, Peptide, Proteine, Verlag Chemie, Weinheim, 107–261, 1982, ISBN 3-527-25892-2.
  12. K. P. C. Vollhardt, N. E. Schore: Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, S. 1399–1402, 2005.
  13. S.Y. Han, Y.A. Kim: Tetrahedron, 60, 2004, S. 2447–2467.