Peptidsynthese

Peptidsynthese Übung

• Definiere die Begriffe rund um Peptide.

  Tipps

  Dieses Molekül ist ein Oligopeptid.

  Lösung

  Ein Peptid ist eine organische Verbindung, die sich aus Aminosäuren zusammensetzt, die über eine Amidbindung miteinander verknüpft sind. Diese Verknüpfung erfolgt über eine Carboxyl-Gruppe einer Aminosäure und einer Amino-Gruppe in einer anderen Aminosäure. Daraus lässt sich erkennen, dass Aminosäuren eine Klasse an organischen Verbindungen beschreibt, die mindestens eine Carboxyl- und eine Amino-Funktion im selben Molekül tragen.

  Die Primärstruktur eines Peptids ist die unterste Strukturebene, d.h. die Anordnung der Aminosäuren im Peptid, diese Anordnung wird auch als Aminosäuresequenz bezeichnet.

  Die Sekundärstruktur bezeichnet die Zusammensetzung des Peptids aus besonders häufig auftretenden Motiven für die räumliche Anordnung der Aminosäuren, wie z.B. der $\alpha$-Helix- oder dem $\beta$-Faltblattstruktur. Die räumliche Anordnung der Polypepitkette wird durch die Tertiärstruktur beschrieben.

  Der Zusammenhalt einer Peptidkette wird übrigens nicht nur durch die Amidbindung hergestellt, sondern es erfolgen ebenfalls intramolekulare Verknüpfungen wie Disulfidbrücken.

• Benenne die folgenden Aminosäuren.

  Tipps

  Glycin ist die einzige Aminosäure, die keine Stereochemie aufweist.

  Cystein ist eine der wenigen Aminosäuren, die neben Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff ein weiteres Element enthält.

  Lösung

  Aminosäuren sind eine Gruppe organischer Substanzen, die sowohl eine Carboxyl-Gruppe als auch eine Amino-Gruppe am selben Kohlenstoffatomzentrum tragen. Außer bei Glycin (R = H) haben alle Aminosäuren Stereoisomere. Ihre Unterteilung erfolgt in essentielle und nicht essentielle Aminosäuren (nicht für den Körper notwendige AS). Man unterscheidet die 20 natürlichen Aminosäuren nach sauren (Glu, Asp), basischen (Lys), polaren (Val, Ala, Phe, Leu) und unpolaren (Cys, Ser) Seitengruppen.

• Erkläre die chemische und biochemische Synthese von Peptiden.

  Tipps

  Nebenstehendes Bild zeigt den Aufbau eines allgemeinen Dipeptids.

  Schutzgruppen sind Substituenten, die verhindern, dass eine bestimmte Funktionaltítät in einem Molekül an der Reaktion teilnimmt.

  Lösung

  Um das Tripeptid im Labor zu synthetisieren, ist ein großer Aufwand notwendig. Zuerst muss die Carboxylgruppe vom Alanin geschützt werden. Dies erfolgt durch eine Veresterung mit z.B. Ethanol. Damit das Glycin in großen Ausbeuten umgesetzt werden kann, muss die Aminofunktionalität geschützt werden. Eine häufige Schutzgruppe ist das Phthalimid (ausgehend von Phthalsäureanhydrid). Jetzt können die beiden geschützten Substanzen zusammen gegeben werden.

  Danach muss die Aminofunktionalität von Glycin entschützt werden (Säure), um mit Leucin umgesetzt zu werden. Darüber hinaus muss beim Leucin ebenfalls die Aminogruppe geschützt werden. Eine andere häufig verwendete Gruppe ist die tert-Butoxycarbonyl (Boc)-Schutzgruppe.

  Im Anschluss kann das entschützte Dipeptid mit dem geschützten Leucin umgesetzt werden. Nach saurem Aufarbeiten liegt das vollständig entschützte Tripeptid OH-Ala-Gly-Leu-H vor. Anhand dieses sehr kleinen Peptids wird wahrscheinlich sehr deutlich, wie aufwendig das Verfahren ist. Deswegen werden viele Peptide über Enzymreaktionen oder die Merrifield-Festphasensynthese aufgebaut.

• Entwickle den Buchstaben-Code für nachfolgende Peptide.

  Tipps

  Der Buchstaben-Code des Dipeptids setzt sich immer aus den zwei 3-Buchstaben-Codes für die Aminosäuren und deren jeweiligen noch vorhandenen funktionellen Gruppe zusammen.

  Um herauszufinden, welche Aminosäuren das Dipeptid bilden, spalte die Amidbindung mit Wasser.

  Reagiert die Carboxylgruppe von Asparagin mit der Aminogruppe vom Arginin, so lautet der Code: H-Asp-Arg-OH.

  Lösung

  Zur Bildung eines Peptids erfolgt die Verknüpfung von mindestens zwei Aminosäuren über eine Kondensationsreaktion. Bei dieser Reaktion kommt es zur Ausbildung der Amid-Bindung, an der eine Carboxylgruppe von Aminosäure A und eine Aminogruppe von Aminosäure B* beteiligt ist. Deswegen haben beide Aminosäuren A und B noch eine freie Funktionalität. Bei A betrifft dies die Aminofunktion und bei B die Carboxylfunktion.

  Im Buchstaben-Code erhält die Aminofunktion die Vorsilbe H und die Carboxylfunktion die Vorsilbe OH. Diese Benennung hat die Ursache, dass bei erneuter Verknüpfung Wasser abgespalten wird. Durch den Buchstaben-Code ist es damit möglich, die genaue Verknüpfung in einem Peptid anzugeben. Dies wird auch als Primärstruktur oder Aminosäurensequenz bezeichnet.

  Die Sequenzen haben folgende Konfiguration:

  • OH-Ala-Gly-OH: R
  • OH-Ala-Val-H: 3R, 6S
  • H-Leu-Gly-OH: R.

• Bestimme die Bedingungen für eine gezielte Peptidsynthese.

  Tipps

  Die Bildung der Amidbindung ist eine Kondensationsreaktion.

  Eine Carboxylgruppe ist sehr viel reaktionsträger als andere Carbonylverbindungen in der selben Oxidationsstufe $(+III)$, wie z.B. das Nitril oder das Säurechlorid.

  Lösung

  Eine Aminosäure trägt prinzipiell immer zwei funktionelle, reaktive Gruppen: Die Carboxyl- und die Amino-Gruppe. Bei der Umsetzung von 2 verschiedenen Aminosäuren bestehen damit insgesamt zwei Möglichkeiten zur Kombination, z.B. eine Reaktion der Amino-Gruppe von Glycin mit der Carboxylgruppe von Alanin führt zum Dipeptid der Form: HO-Gly-Ala-H. Im Gegensatz dazu führt eine Kombination der Carboxylgruppe vom Glycin mit der Aminogruppe vom Alanin zum: H-Gly-Ala-OH Dipeptid. Um eine geplante Synthese durchzuführen, muss eine Gruppe in der Aminosäure blockiert werden, dies erfolgt durch Schutzgruppen, darüber hinaus muss die „reaktionsträge“ Carboxylgruppe durch Hilfsreagenzien aktiviert werden. Da die Amidbildung eine Kondensationsreaktion ist, wird die Reaktion durch wasserentziehende Mittel wie das DCC gefördert. Hohe Temperaturen zum Abscheiden von Wasser sind zu vermeiden, da sonst die Eduktmoleküle ebenfalls sieden oder zersetzt werden.

• Bestimme die Schutzgruppen für einige funktionelle Gruppen.

  Tipps

  Die Diels-Alder Reaktion ist eine reversible Reaktion zwischen Dien und Dienophil.

  Nach Corey und Seebach dienen Diole zum Schutz von Carbonylverbindungen.

  Lösung

  Es gibt sehr viele verschiedene Schutzgruppen, die unter unterschiedlichen Bedingungen entfernt werden können. Unter anderem werden Schutzgruppen häufig zum Schutz von Carboxyl-, Amino- oder Alkengruppen eingesetzt.

  • Amine: Schutzgruppe: Boc, Phthalimid, Entfernung der Schutzgruppe: sauer
  • Alken: Schutzgruppe: Dien (DA-Rkt), Entfernung der Schutzgruppe: Temperaturerhöhung
  • Aldehyd: Schutzgruppe: Diol , Entfernung der Schutzgruppe: sauer
  • Carbonsäure: Schutzgruppe: Alkohol, Entfernung der Schutzgruppe: basisch