- Eine Peptidbindung ist eine kovalente Amidbindung zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe der nächsten. Pro Bindung wird ein Wassermolekül abgespalten (18,02 g/mol).
- Durch Resonanz hat die C-N-Bindung partiellen Doppelbindungscharakter. Sie ist dadurch kürzer, kaum drehbar und hält sechs Atome in einer Ebene, meist in trans-Konfiguration.
- Die Spaltung erfolgt durch Hydrolyse. Ohne Katalysator ist sie extrem langsam: Halbwertszeiten von mehreren Hundert Jahren wurden in neutralem Wasser gemessen (Radzicka und Wolfenden, 1996).
- Proteasen und Peptidasen beschleunigen diese Hydrolyse um viele Größenordnungen. Genau deshalb werden oral aufgenommene Peptide im Magen-Darm-Trakt zu Aminosäuren und kurzen Fragmenten abgebaut.
- Peptide werden vom N-Terminus zum C-Terminus geschrieben. Im Labor läuft die Festphasensynthese nach Merrifield (1963) in umgekehrter Richtung, von C nach N.
- Modifikationen wie C-terminale Amidierung, Zyklisierung, N-Methylierung oder der Einbau von D-Aminosäuren erschweren den enzymatischen Angriff und verlängern die Halbwertszeit.
- Dieser Artikel dient ausschließlich Bildungszwecken. Er enthält keine Dosierungen und kein Anwendungsprotokoll. Forschungspeptide sind nicht für den menschlichen Gebrauch zugelassen.
Was ist eine Peptidbindung?
Eine Peptidbindung ist eine kovalente Amidbindung zwischen der Carboxylgruppe (-COOH) einer Aminosäure und der Aminogruppe (-NH₂) der folgenden Aminosäure. Sie entsteht unter Abspaltung eines Wassermoleküls und bildet das durchgehende Rückgrat jedes Peptids und jedes Proteins.
Chemisch betrachtet ist die Peptidbindung nichts Exotisches: Sie ist eine gewöhnliche Amidbindung, also die Verknüpfung eines Carbonylkohlenstoffs mit einem Stickstoff. Der Begriff Peptidbindung ist lediglich der biochemische Name für diese Amidbindung, wenn sie zwei Aminosäuren verbindet. Beide Bezeichnungen beschreiben dieselbe Atomanordnung, nämlich die Gruppe -CO-NH-.
Sobald zwei Aminosäuren verknüpft sind, spricht man nicht mehr von Aminosäuren im Molekül, sondern von Resten (Residuen). Ein Rest ist das, was von der Aminosäure nach dem Wasserverlust übrig bleibt. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn Sie Molekularmassen nachrechnen: Die Masse eines Peptids ist nicht die Summe der freien Aminosäuren, sondern diese Summe minus einem Wassermolekül pro Bindung.
Die Peptidbindung ist die stabilste Verknüpfung im Peptidmolekül. Wasserstoffbrücken, Salzbrücken oder hydrophobe Kontakte bestimmen, wie sich eine Kette faltet, aber sie halten die Kette nicht zusammen. Nur die kovalente Peptidbindung (und in manchen Peptiden zusätzlich eine Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinen) legt die Reihenfolge der Bausteine dauerhaft fest. Wenn Sie zuerst die Grundlagen nachlesen möchten, finden Sie diese in unserem Überblick Was ist ein Peptid?
Diese scheinbar einfache Bindung hat zwei Eigenschaften, die die gesamte Strukturbiologie prägen: Sie ist starr und flach, und sie ist in Wasser thermodynamisch angreifbar, kinetisch aber bemerkenswert träge. Beide Punkte werden in den folgenden Abschnitten einzeln behandelt.
Wie entsteht eine Peptidbindung?
Die Peptidbindung entsteht formal durch eine Kondensationsreaktion: Das Hydroxyl der Carboxylgruppe der ersten Aminosäure und ein Wasserstoff der Aminogruppe der zweiten Aminosäure verlassen das Molekül gemeinsam als Wasser (H₂O). Zurück bleibt eine direkte Bindung zwischen dem Carbonylkohlenstoff der ersten und dem Stickstoff der zweiten Aminosäure.
Rechnerisch lässt sich das leicht nachvollziehen. Glycin hat eine molekulare Masse von 75,07 g/mol. Zwei Glycinmoleküle ergeben 150,14 g/mol, doch das Dipeptid Glycylglycin wiegt nur 132,12 g/mol. Die Differenz von 18,02 g/mol ist exakt das abgespaltene Wassermolekül. Bei einem Peptid aus 15 Resten sind es 14 Bindungen und damit 14 Wassermoleküle, die in der Summenrechnung fehlen.
In der Zelle läuft diese Reaktion nicht spontan ab. In wässriger Umgebung ist die direkte Kondensation zweier Aminosäuren energetisch ungünstig, weil Wasser im Überschuss vorliegt und das Gleichgewicht auf der Seite der freien Aminosäuren liegt. Die Natur löst das Problem durch Voraktivierung: Jede Aminosäure wird unter Verbrauch von ATP an ihre passende Transfer-RNA gebunden. Dieser Aminoacyl-tRNA-Ester ist energiereich, und erst dieses aktivierte Zwischenprodukt reagiert weiter.
Die eigentliche Verknüpfung findet im Peptidyltransferase-Zentrum des Ribosoms statt, einem Bereich, der aus ribosomaler RNA aufgebaut ist. Das Ribosom verlängert die Kette immer in derselben Richtung: Die neue Aminosäure wird an das C-terminale Ende angehängt, die Synthese läuft also vom N-Terminus zum C-Terminus. Ein Ribosom arbeitet dabei in der Größenordnung von einigen Resten pro Sekunde und mit sehr hoher Genauigkeit, weil die Basenpaarung zwischen Codon und Anticodon die Auswahl kontrolliert.
Im Labor gilt dasselbe chemische Prinzip, nur mit anderen Hilfsmitteln: Statt tRNA und Ribosom werden Kupplungsreagenzien eingesetzt, die die Carboxylgruppe in einen reaktiven Aktivester überführen. Wie das praktisch aussieht, beschreibt der Abschnitt zur Festphasensynthese weiter unten.
Warum ist die Peptidbindung planar und starr?
Die Peptidbindung verhält sich nicht wie eine normale Einfachbindung. Das freie Elektronenpaar des Stickstoffs ist über die benachbarte Carbonylgruppe delokalisiert. Man beschreibt das klassisch mit zwei Resonanzformen: In der einen liegt eine C=O-Doppelbindung und eine C-N-Einfachbindung vor, in der anderen eine C-O-Einfachbindung mit negativer Ladung am Sauerstoff und eine C=N-Doppelbindung mit positiver Ladung am Stickstoff. Die tatsächliche Elektronenverteilung liegt zwischen diesen Extremen.
Die messbare Folge: Die C-N-Bindung der Peptidgruppe ist mit etwa 1,33 Å deutlich kürzer als eine gewöhnliche C-N-Einfachbindung mit etwa 1,45 Å, und die C=O-Bindung ist etwas länger als in einem freien Keton. Dieser partielle Doppelbindungscharakter hat eine zweite Konsequenz, die für die Proteinstruktur entscheidend ist: Die Drehung um die C-N-Achse ist stark behindert. Literaturwerte für die Rotationsbarriere von Amidbindungen liegen in der Größenordnung von rund 80 kJ/mol, weit über dem, was bei Raumtemperatur frei überwunden wird.
Deshalb liegen sechs Atome praktisch in einer Ebene: das Cα der ersten Aminosäure, der Carbonylkohlenstoff, der Carbonylsauerstoff, der Stickstoff, dessen Wasserstoff und das Cα der zweiten Aminosäure. Beweglich bleiben nur die beiden Bindungen rechts und links davon, beschrieben durch die Torsionswinkel phi und psi. Genau diese Reduktion der Freiheitsgrade machte 1951 die Vorhersage der Alpha-Helix durch Pauling, Corey und Branson möglich: Sie setzten eine planare Amidgruppe voraus und leiteten daraus wasserstoffbrückenstabilisierte Helixgeometrien ab.
Für die Peptidgruppe selbst bleiben zwei Anordnungen übrig, beschrieben durch den Torsionswinkel omega: trans (omega nahe 180 Grad, die beiden Cα-Atome zeigen in entgegengesetzte Richtungen) und cis (omega nahe 0 Grad). Trans ist energetisch klar bevorzugt, weil die Seitenketten weiter voneinander entfernt sind. Eine Ausnahme bildet Prolin, dessen Ringstruktur den Energieunterschied verkleinert: In Proteinstrukturen liegen rund 5 Prozent der Bindungen vor einem Prolin in cis-Konfiguration, während cis-Bindungen ohne Prolin selten sind. Jabs, Weiss und Hilgenfeld fanden in einem nicht redundanten Satz von 571 Proteinstrukturen insgesamt 43 solcher Nicht-Prolin-cis-Bindungen.
Planar heißt dabei nicht perfekt flach. Eine Analyse hochauflösender Strukturen von Berkholz und Kollegen zeigte, dass trans-Peptidgruppen um mehr als 25 Grad von der Planarität abweichen können und dass dieses Ausmaß selbst in Strukturen mit 1,2 Å Auflösung unterschätzt wird. Die Nichtplanarität ist also kein Messartefakt, sondern ein regulärer Bestandteil von Proteinstrukturen.
Wie sieht eine Peptidbindung im Schema aus?
Da eine Formelzeichnung hier nicht als Bild erscheint, hier eine Beschreibung in Worten, die Sie Atom für Atom nachvollziehen können. Lesen Sie von links nach rechts, so wie Peptidsequenzen konventionell geschrieben werden.
Links beginnt das Molekül mit einer freien Aminogruppe (H₂N-), dem N-Terminus. Diese sitzt am ersten Alpha-Kohlenstoff (Cα), der zusätzlich ein Wasserstoffatom und die Seitenkette R¹ trägt. Vom Cα geht es weiter zum Carbonylkohlenstoff, der doppelt gebunden einen Sauerstoff nach oben abspreizt (C=O). Von diesem Carbonylkohlenstoff führt die Peptidbindung nach rechts zum Stickstoff, der nach unten ein Wasserstoffatom trägt (N-H). Dieser Stickstoff gehört bereits zur zweiten Aminosäure. Er bindet an das zweite Cα mit Wasserstoff und Seitenkette R², und von dort geht es zur freien Carboxylgruppe (-COOH), dem C-Terminus.
Stellen Sie sich nun ein flaches Rechteck vor, das die sechs Atome Cα, C, O, N, H und Cα umschließt. Dieses Rechteck ist die starre Peptidebene. In der trans-Anordnung liegt das linke Cα unten links und das rechte Cα oben rechts, also diagonal gegenüber. Das Carbonylsauerstoff und das Amidwasserstoff zeigen in entgegengesetzte Richtungen aus der Kette heraus. Ein Peptidrückgrat besteht aus einer Kette solcher Rechtecke, die wie Dominosteine über die beweglichen Cα-Gelenke verbunden sind.
Diese Geometrie erklärt die Sekundärstruktur: Das N-H ist ein Wasserstoffbrücken-Donor, das C=O ein Akzeptor, und sie zeigen in gegenüberliegende Richtungen. Dadurch kann eine Kette entweder in sich selbst Brücken bilden (Alpha-Helix) oder mit einem Nachbarstrang (Beta-Faltblatt).
| Element im Schema | Rolle |
|---|---|
| H₂N- links | N-Terminus, Ansatzpunkt für Acetylierung oder Aminopeptidasen |
| C=O | Wasserstoffbrücken-Akzeptor, elektrophiles Zentrum der Hydrolyse |
| N-H | Wasserstoffbrücken-Donor, bei N-Methylierung blockiert |
| Cα mit R¹, R² | Chiralitätszentrum, trägt die Seitenketten, beweglich über phi und psi |
| -COOH rechts | C-Terminus, Ansatzpunkt für Amidierung oder Carboxypeptidasen |
Was bedeuten N-Terminus und C-Terminus?
Jede unverzweigte Peptidkette hat zwei chemisch unterschiedliche Enden. Am N-Terminus (auch Amino-Terminus) sitzt eine freie Aminogruppe, am C-Terminus (Carboxy-Terminus) eine freie Carboxylgruppe. Alle übrigen Amino- und Carboxylgruppen des Rückgrats sind in Peptidbindungen gebunden und damit chemisch nicht mehr frei.
Die Konvention ist eindeutig: Sequenzen werden immer vom N-Terminus nach links beginnend zum C-Terminus geschrieben, und die Reste werden in dieser Richtung durchnummeriert. Steht also eine Abfolge wie Gly-Glu-Pro, dann ist Glycin der erste Rest am N-Terminus. Dieselbe Reihenfolge rückwärts wäre ein völlig anderes Molekül mit anderen Eigenschaften.
Beide Termini sind bei physiologischem pH-Wert geladen: die Aminogruppe meist protoniert und positiv, die Carboxylgruppe deprotoniert und negativ. Zusammen mit den geladenen Seitenketten bestimmt das den isoelektrischen Punkt, die Löslichkeit und das Verhalten in der Chromatographie. Für die Analytik ist das praktisch relevant, weil Reinigung und Qualitätskontrolle synthetischer Peptide auf diesen Ladungseigenschaften beruhen.
Pharmakologisch sind die Termini die verwundbarsten Stellen der Kette. Aminopeptidasen greifen vom N-Terminus her an, Carboxypeptidasen vom C-Terminus. Deshalb zielen viele Stabilisierungsstrategien genau auf die Enden ab, etwa durch Acetylierung am N-Terminus oder Amidierung am C-Terminus. Wie stark solche Eingriffe die Verweildauer im Organismus verändern können, erläutert unser Leitfaden zur Halbwertszeit von Peptiden.
Nicht jedes natürliche Peptid hat überhaupt zwei freie Enden. Zyklische Peptide sind kopf-zu-schwanz verknüpft und besitzen keinen freien Terminus, was sie gegenüber Exopeptidasen deutlich widerstandsfähiger macht.
Peptid, Polypeptid oder Protein: wo liegt der Unterschied?
Chemisch ist der Unterschied null: Alle drei sind Ketten aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind. Die Begriffe unterscheiden sich nur durch Kettenlänge und Konvention, und diese Konvention ist weicher, als Lehrbuchtabellen vermuten lassen.
Gängige Einteilung: Oligopeptide umfassen etwa 2 bis 20 Reste, Polypeptide gehen darüber hinaus, und ab rund 50 Resten spricht man üblicherweise von einem Protein. Die Grenze bei 50 ist eine Vereinbarung, kein Naturgesetz. Insulin mit 51 Resten in zwei Ketten wird je nach Kontext als Protein oder als Peptidhormon bezeichnet, und beide Bezeichnungen sind vertretbar.
- Dipeptid, Tripeptid: 2 beziehungsweise 3 Reste, 1 beziehungsweise 2 Peptidbindungen.
- Oligopeptid: etwa 2 bis 20 Reste, meist ohne stabile dreidimensionale Faltung in Lösung.
- Polypeptid: längere Kette, kann Sekundärstruktur ausbilden.
- Protein: ab etwa 50 Resten, in der Regel mit definierter Tertiärstruktur und oft mit Cofaktoren oder mehreren Untereinheiten.
Funktionell ist der wichtigere Unterschied nicht die Länge, sondern die Faltung. Kurze Peptide sind in wässriger Lösung meist flexibel und nehmen erst beim Binden an ihren Rezeptor eine definierte Form an. Proteine besitzen dagegen eine stabile Tertiärstruktur mit einem hydrophoben Kern. Das erklärt, warum Peptide häufig als Signalmoleküle wirken und Proteine als Enzyme, Transporter oder Strukturelemente. Wie Peptide auf molekularer Ebene Signale auslösen, beschreibt der Artikel Wie wirken Peptide?
Die Zahl der Peptidbindungen folgt direkt aus der Länge: Eine lineare Kette aus n Resten enthält n minus 1 Peptidbindungen. Ein Peptid aus 15 Resten hat also 14 Bindungen, und jede einzelne davon ist ein potenzieller Angriffspunkt für eine Protease.
Wie wird eine Peptidbindung gespalten?
Die Umkehrung der Bildung ist die Hydrolyse: Ein Wassermolekül wird addiert, die C-N-Bindung bricht, und es entstehen wieder eine freie Carboxylgruppe und eine freie Aminogruppe. Thermodynamisch ist diese Reaktion in wässriger Umgebung begünstigt. Jedes Peptid in Wasser befindet sich chemisch gesehen auf dem Weg zu seinen Aminosäuren.
Kinetisch ist diese Reaktion jedoch außerordentlich langsam, und genau das macht Leben auf Proteinbasis überhaupt möglich. Radzicka und Wolfenden bestimmten 1996 Halbwertszeiten für die unkatalysierte Hydrolyse in neutralem Wasser bei 25 Grad Celsius: rund 350 Jahre für das Dipeptid Glycylglycin, etwa 500 Jahre für die C-terminale Bindung von Acetylglycylglycin und etwa 600 Jahre für die interne Peptidbindung von Acetylglycylglycin-N-Methylamid. Die Ursache der Trägheit ist dieselbe Resonanz, die die Bindung planar macht: Der Carbonylkohlenstoff ist weniger elektrophil, und der Stickstoff ist ein schlechter Abgang.
Beschleunigen lässt sich die Hydrolyse auf zwei Wegen. Chemisch durch starke Säuren oder Basen bei hoher Temperatur, was klassisch in der Aminosäureanalytik genutzt wird (typischerweise mehrere Stunden in konzentrierter Salzsäure bei rund 110 Grad Celsius). Biologisch durch Proteasen und Peptidasen, die die Reaktion um viele Größenordnungen beschleunigen und damit aus Jahrhunderten Millisekunden machen.
Proteasen werden nach ihrem katalytischen Mechanismus eingeteilt. Serinproteasen wie Trypsin und Chymotrypsin nutzen ein nukleophiles Serin, Cysteinproteasen ein Cystein, Aspartatproteasen wie Pepsin zwei Carboxylgruppen und ein aktiviertes Wassermolekül, Metalloproteasen ein Zinkion. Hinzu kommt die Unterscheidung nach Angriffsort: Endopeptidasen schneiden innerhalb der Kette, Exopeptidasen nur an den Enden.
Die Spaltung ist nicht zufällig, sondern sequenzabhängig. Trypsin schneidet bevorzugt nach Lysin und Arginin, Chymotrypsin nach aromatischen Resten, und die Dipeptidylpeptidase-4 entfernt Dipeptide vom N-Terminus, wenn an zweiter Position Prolin oder Alanin steht. Diese Spezifität ist der Grund, weshalb zwei Peptide gleicher Länge völlig unterschiedlich schnell abgebaut werden können und weshalb man die Stabilität eines Peptids aus seiner Sequenz zumindest teilweise abschätzen kann.
Warum werden oral eingenommene Peptide verdaut?
Der Verdauungstrakt ist ein Apparat, dessen biologische Aufgabe genau darin besteht, Peptidbindungen zu spalten. Ein geschlucktes Peptid durchläuft deshalb dieselbe Maschinerie wie das Eiweiß einer Mahlzeit, und zwar in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen.
Im Magen sorgt der niedrige pH-Wert zunächst für Denaturierung, also für das Entfalten der Struktur, wodurch Bindungen zugänglich werden. Gleichzeitig arbeitet Pepsin, eine Aspartatprotease, die im sauren Milieu ihr Optimum hat. Im Dünndarm folgen die pankreatischen Enzyme Trypsin, Chymotrypsin, Elastase und Carboxypeptidasen. An der Bürstensaummembran der Enterozyten sitzen weitere Peptidasen, die kurze Fragmente bis zu einzelnen Aminosäuren und Di- oder Tripeptiden abbauen. Was dennoch die Zellschicht passiert, muss zusätzlich die Leber durchlaufen, bevor es den systemischen Kreislauf erreicht.
Zur enzymatischen Barriere kommt eine physikalische. Peptide sind im Vergleich zu klassischen Wirkstoffmolekülen groß, stark polar und tragen mehrere Ladungen. Sie durchqueren Lipidmembranen daher kaum passiv, und die engen Zellkontakte des Darmepithels begrenzen den Weg zwischen den Zellen. Hamman und Kollegen beschrieben in ihrer Übersicht beide Hürden, die präsystemische enzymatische Abbaubarriere und die geringe Permeabilität der Darmschleimhaut, als die zentralen Gründe dafür, dass die meisten Peptidwirkstoffe parenteral verabreicht werden.
Das Resultat ist eine orale Bioverfügbarkeit, die in Übersichtsarbeiten für unmodifizierte Peptide meist mit unter einem Prozent und zudem mit hoher Variabilität angegeben wird. Für ein Molekül, das in sehr kleinen Mengen wirkt, ist ein solcher Verlust problematisch, weil nicht nur die Menge sinkt, sondern auch die Vorhersagbarkeit. Eine ausführliche Darstellung der Mechanismen und der Formulierungsansätze finden Sie unter orale Bioverfügbarkeit von Peptiden.
Pharmazeutisch gibt es Gegenstrategien: magensaftresistente Überzüge, Enzyminhibitoren, Permeationsverstärker, hydrophobe Ionenpaarung oder mukoadhäsive Polymere. Einzelne oral verfügbare Peptidarzneimittel sind auf diesem Weg tatsächlich zugelassen worden, allerdings mit erheblichem Formulierungsaufwand und engen Einnahmevorgaben. Dass ein Peptid in Kapselform vorliegt, bedeutet daher nicht automatisch, dass es den Kreislauf in relevantem Umfang erreicht.
Hinweis: Diese Darstellung ist ausschließlich wissenschaftlicher Natur und stellt keine Empfehlung zur Einnahme irgendeines Peptids dar.
Wie werden Peptidbindungen im Labor hergestellt?
Die Grundidee der chemischen Peptidsynthese ist Kontrolle: Von den vielen reaktiven Gruppen einer Aminosäure darf jeweils nur eine reagieren. Alle übrigen Amino-, Carboxyl- und Seitenkettenfunktionen werden mit Schutzgruppen blockiert, und die Carboxylgruppe des anzuhängenden Bausteins wird mit einem Kupplungsreagenz aktiviert, damit sie den nukleophilen Angriff der freien Aminogruppe überhaupt zulässt.
Den entscheidenden methodischen Sprung veröffentlichte Robert Bruce Merrifield 1963 im Journal of the American Chemical Society unter dem Titel "Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide". Seine Idee: Die wachsende Kette wird mit ihrem C-Terminus kovalent an ein unlösliches Harzkügelchen gebunden. Überschüssige Reagenzien und Nebenprodukte lassen sich dann einfach abfiltrieren und auswaschen, statt nach jedem Schritt aufwendig gereinigt werden zu müssen. Für diese Festphasensynthese erhielt Merrifield 1984 den Nobelpreis für Chemie.
Der Zyklus der Festphasenpeptidsynthese (SPPS) besteht aus wenigen, immer gleichen Schritten: Entschützen der N-terminalen Aminogruppe, Waschen, Kupplung der nächsten aktivierten Aminosäure, Waschen, Kontrolle, und wieder von vorn. Historisch wurde mit der Boc-Schutzgruppenstrategie gearbeitet, heute dominiert die mildere Fmoc-Chemie. Am Ende wird das fertige Peptid vom Harz abgespalten, die Seitenkettenschutzgruppen werden entfernt, und das Rohprodukt wird chromatographisch gereinigt und massenspektrometrisch bestätigt.
Bemerkenswert ist die Richtung: Das Ribosom baut von N nach C auf, die klassische Festphasensynthese dagegen von C nach N, weil der C-Terminus am Harz verankert ist. Das ist kein chemischer Widerspruch, sondern eine Konsequenz der Synthesestrategie.
Grenzen hat das Verfahren ebenfalls. Jeder Zyklus hat eine Ausbeute unter 100 Prozent, und diese Verluste multiplizieren sich: Bei 99 Prozent pro Schritt bleiben nach 50 Kupplungen noch gut 60 Prozent. Hinzu kommen Nebenreaktionen wie Racemisierung am Cα, Aggregation schwieriger Sequenzen am Harz und unvollständige Kupplungen, die Deletionsprodukte erzeugen. Praktisch gilt die reine SPPS daher für Ketten bis etwa 50 Reste als gut beherrschbar. Längere Moleküle entstehen durch Fragmentkopplung, native chemische Ligation oder rekombinante Expression in Zellen. Wang und Kollegen geben in ihrer Übersicht zu therapeutischen Peptiden einen Überblick über diese chemischen und biologischen Produktionswege.
Warum werden Forschungspeptide chemisch modifiziert?
Ein unmodifiziertes Peptid aus natürlichen L-Aminosäuren ist für Peptidasen ein idealer Substratkandidat. Entsprechend kurz ist seine Verweildauer im Blut, häufig im Bereich von Minuten. Li Di beschreibt in ihrer Übersicht zu den ADME-Eigenschaften von Peptiden die drei zentralen Angriffspunkte: Permeabilität verbessern, Proteolyse verringern und renale Ausscheidung verlangsamen. Alle gängigen Modifikationen lassen sich diesen Zielen zuordnen.
C-terminale Amidierung: Die freie Carboxylgruppe wird durch eine Amidgruppe (-CONH₂) ersetzt. Das entfernt eine negative Ladung und erschwert den Angriff von Carboxypeptidasen. Diese Modifikation ist keine Erfindung der Chemie: Viele körpereigene Peptidhormone und Neuropeptide tragen natürlicherweise ein C-terminales Amid, das für ihre Aktivität erforderlich ist. Nach der Übersicht von Merkler und Kollegen ist die Peptidylglycin-Alpha-amidierende Monooxygenase (PAM) das einzige bekannte Enzym, das diese Amidierung im Organismus katalysiert.
Zyklisierung: Kopf-zu-Schwanz-Verknüpfung, Lactambrücken zwischen Seitenketten oder Disulfidbrücken schließen die Kette zu einem Ring. Damit fallen die freien Termini als Angriffspunkte für Exopeptidasen weg, und die Konformation wird vorstrukturiert, was die Bindungsaffinität erhöhen kann.
D-Aminosäuren und N-Methylierung: Proteasen sind stereospezifisch und auf L-Aminosäuren ausgelegt. Der Einbau einzelner D-Reste an den Schnittstellen macht die Bindung für das Enzym schlecht erkennbar. Die N-Methylierung ersetzt das Amidwasserstoff durch eine Methylgruppe, was sowohl die Erkennung durch Proteasen stört als auch die Lipophilie erhöht, allerdings auf Kosten einer möglichen Wasserstoffbrücke.
Vergrößerung und Depotbildung: PEGylierung, Fettsäureanbindung oder Fusion an albuminbindende Einheiten erhöhen die effektive Molekülgröße und verlangsamen die glomeruläre Filtration. Diese Strategien verlängern die Halbwertszeit teils erheblich, verändern aber auch Verteilung und Immunogenität und müssen daher für jedes Molekül einzeln bewertet werden.
| Modifikation | Ziel | Haupteffekt |
|---|---|---|
| C-terminale Amidierung | Carboxypeptidasen | Ladung entfernt, Terminus geschützt |
| Zyklisierung | Exopeptidasen | Keine freien Enden, Konformation fixiert |
| D-Aminosäuren | Endopeptidasen | Stereochemische Nichterkennung |
| N-Methylierung | Proteasen, Membranen | Erkennung gestört, Lipophilie erhöht |
| PEGylierung, Lipidierung | Nierenfiltration | Größere effektive Masse, längere Verweildauer |
Begriffe wie Fmoc, Exopeptidase oder Halbwertszeit finden Sie kompakt erklärt im Peptid-Glossar.
Medizinischer Hinweis: Dieser Artikel dient ausschließlich Bildungszwecken und ersetzt keine medizinische Beratung. Die beschriebenen Modifikationen sind chemische Konzepte, keine Anwendungsempfehlungen. Viele der im Handel als Forschungspeptide angebotenen Substanzen sind nicht für die Anwendung am Menschen zugelassen, und ihr rechtlicher Status unterscheidet sich je nach Land. Ergebnisse aus Zell- oder Tiermodellen lassen sich nicht ohne Weiteres auf den Menschen übertragen. Wenden Sie sich bei gesundheitlichen Fragen an eine medizinische Fachperson.
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Häufige Fragen zur Peptidbindung
Ist eine Peptidbindung dasselbe wie eine Amidbindung?
Warum geht bei der Bildung einer Peptidbindung Wasser verloren?
Warum ist die Peptidbindung nicht frei drehbar?
Wie stabil ist eine Peptidbindung in Wasser?
Welche Enzyme spalten Peptidbindungen?
Warum wirken oral eingenommene Peptide meist nicht wie injizierte?
Was ist der Unterschied zwischen N-Terminus und C-Terminus?
Ab wie vielen Aminosäuren spricht man von einem Protein?
Quellen
- Pauling L, Corey RB, Branson HR (1951). The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 37(4):205-211.
- Berkholz DS, Driggers CM, Shapovalov MV, Dunbrack RL Jr, Karplus PA (2012). Nonplanar peptide bonds in proteins are common and conserved but not biased toward active sites. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 109(2):449-453.
- Jabs A, Weiss MS, Hilgenfeld R (1999). Non-proline cis peptide bonds in proteins. Journal of Molecular Biology, 286(1):291-304 (PMID 9931267).
- Radzicka A, Wolfenden R (1996). Rates of uncatalyzed peptide bond hydrolysis in neutral solution and the transition state affinities of proteases. Journal of the American Chemical Society, 118:6105-6109.
- Merrifield RB (1963). Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide. Journal of the American Chemical Society, 85(14):2149-2154.
- Hamman JH, Enslin GM, Kotzé AF (2005). Oral delivery of peptide drugs: barriers and developments. BioDrugs, 19(3):165-177 (PMID 15984901).
- Di L (2015). Strategic Approaches to Optimizing Peptide ADME Properties. The AAPS Journal, 17(1):134-143 (PMID 25366889).
- Wang L, Wang N, Zhang W, Cheng X, Yan Z, Shao G, Wang X, Wang R, Fu C (2022). Therapeutic peptides: current applications and future directions. Signal Transduction and Targeted Therapy, 7:48 (PMID 35165272).
- Merkler DJ, Hawley AJ, Eipper BA, Mains RE (2022). Peptidylglycine α-amidating monooxygenase as a therapeutic target or biomarker for human diseases. British Journal of Pharmacology (PMID 35124797).
- Nelson DL, Cox MM (2021). Lehninger Principles of Biochemistry, 8. Auflage, Kapitel zu Aminosäuren, Peptiden und Proteinen. Macmillan Learning (Lehrbuch).