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Wie entstehen Tripeptidbindungen?

Wenn sich die funktionellen Amin- und Carbonsäuregruppen in Aminosäuren zu Amidbindungen verbinden, wird eine Kette von Aminosäureeinheiten gebildet, die als Peptid bezeichnet wird. Eine einfache Tetrapeptidstruktur ist im folgenden Diagramm dargestellt. Herkömmlicherweise wird die Aminosäurekomponente, die eine freie Amingruppe enthält, am linken Ende des N-Terminus der Peptidkette und die Aminosäure, die eine freie Carbonsäure enthält, am rechten Ende des C-Terminus gezeichnet.

Wie erwartet bilden die freien Amin- und Carbonsäurefunktionen an einer Peptidkette bei ihrem isoelektrischen pH eine zwitterionische Struktur. Durch Klicken auf die Schaltfläche "Peptid wachsen" wird eine Animation angezeigt, die den Aufbau dieses Peptids zeigt.

Die Schaltfläche "Struktur anzeigen" zeigt einige Bindungswinkel und -längen an, die für diese Verbindungen charakteristisch sind. Die Konformationsflexibilität von Peptidketten ist hauptsächlich auf Rotationen um die Bindungen beschränkt, die zu den Alpha-Kohlenstoffatomen führen.

Diese Einschränkung ist auf die starre Natur der Amidpeptidbindung zurückzuführen. Wie im folgenden Diagramm gezeigt, führt die Delokalisierung von Stickstoffelektronenpaaren in die Carbonylgruppe zu einem signifikanten Doppelbindungscharakter zwischen dem Carbonylkohlenstoff und dem Stickstoff.

Dies hält die Peptidbindungen relativ planar und resistent gegen Konformationsänderungen. Die farblich schattierten Rechtecke in der unteren Struktur definieren diese Bereiche und identifizieren die relativ einfachen Rotationen, die dort stattfinden können, wo die Ecken auf i treffen. Dieser Aspekt der Peptidstruktur ist ein wichtiger Faktor, der die Konformationen von Proteinen und großen Peptiden beeinflusst. Da sich der N-Terminus einer Peptidkette vom C-Terminus unterscheidet, kann ein kleines Peptid, das aus verschiedenen Aminosäuren besteht, mehrere konstitutionelle Isomere aufweisen.

Beispielsweise kann ein Dipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren hergestellt ist, zwei verschiedene Strukturen aufweisen. Daher können Asparaginsäure Asp und Phenylalanin Phe kombiniert werden, um Asp-Phe oder Phe-Asp herzustellen. Denken Sie daran, dass die Aminosäure links der N-Terminus ist. Der Methylester der ersten Dipeptidstruktur rechts ist der künstliche Süßstoff Aspartam, der fast 200-mal süßer als Saccharose ist.

Keine der Aminosäurekomponenten ist süß. Phe ist tatsächlich bitter, und Derivate des anderen Dipeptids Phe-Asp sind nicht süß. Ein Tripeptid, das aus drei verschiedenen Aminosäuren besteht, kann in 6 verschiedenen Konstitutionen hergestellt werden, und das oben gezeigte Tetrapeptid, das aus vier verschiedenen Aminosäuren besteht, würde 24 konstitutionelle Isomere aufweisen. Wenn alle zwanzig natürlichen Aminosäuren mögliche Bestandteile eines Peptids sind, sind die möglichen Kombinationen enorm.

Eine einfache statistische Wahrscheinlichkeit zeigt an, dass die Decapeptide, die aus allen möglichen Kombinationen dieser Aminosäuren bestehen, insgesamt 20 10 betragen würden! Natürliche Peptide unterschiedlicher Komplexität sind reichlich vorhanden. Der einfache und weit verbreitete erste Eintrag des Tripeptids Glutathion in der folgenden Tabelle ist interessant, da die Seitenkettencarboxylfunktion der N-terminalen Glutaminsäure für die Peptidbindung verwendet wird.

Eine N-terminale Glutaminsäure kann sich auch einem Lactamring nähern, wie im Fall des zweiten TRH-Eintritts. Die Abkürzung für diese transformierte Einheit ist pGlu oder pE, wobei p für "pyro" steht. Solche Ringverschlüsse treten häufig beim Erhitzen auf. Die größeren Peptide in der Tabelle zeigen auch die Bedeutung von Aminosäure-Abkürzungen, da sich eine vollständige Strukturformel für ein Nonapeptid oder größer als komplex und unhandlich erweisen würde. Die Formeln mit Abkürzungen für einzelne Buchstaben sind rot gefärbt. Die zehn in dieser Tabelle aufgeführten Peptide verwenden alle zwanzig gebräuchlichen Aminosäuren.

Beachten Sie, dass die C-terminale Einheit in einigen Fällen die Form eines Amids hat. E. Wenn zwei oder mehr Cysteine ​​in einer Peptidkette vorhanden sind, sind sie häufig durch Disulfidbindungen verbunden, z. Die verschiedenen Aminosäuren, aus denen ein Peptid oder Protein besteht, und die Reihenfolge, in der sie durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind, werden als Primärstruktur bezeichnet. Aus den oben gezeigten Beispielen sollte ersichtlich sein, dass es keine triviale Aufgabe ist, die Primärstruktur solcher Verbindungen zu bestimmen, selbst von Verbindungen mit bescheidener Größe.

Die vollständige Hydrolyse eines Proteins oder Peptids, gefolgt von einer Aminosäureanalyse, stellt seine Bruttozusammensetzung fest, liefert jedoch keine Informationen zur Bindungssequenz. Eine teilweise Hydrolyse erzeugt eine Mischung aus kürzeren Peptiden und einigen Aminosäuren. Wenn die Primärstrukturen dieser Fragmente bekannt sind, ist es manchmal möglich, einen Teil oder die gesamte ursprüngliche Struktur abzuleiten, indem überlappende Teile ausgenutzt werden.

Wenn beispielsweise ein Heptapeptid aus drei Glycinen, zwei Alaninen, einem Leucin und einem Valin zusammengesetzt wäre, könnten viele mögliche Primärstrukturen geschrieben werden. Wenn andererseits eine partielle Hydrolyse zwei bekannte Tripeptid- und zwei bekannte Dipeptidfragmente ergab, wie rechts gezeigt, identifiziert eine einfache Analyse der überlappenden Einheiten die ursprüngliche Primärstruktur.

Natürlich ist diese Art der Strukturbestimmung sehr ineffizient und unzuverlässig. Zunächst müssen wir die Strukturen aller überlappenden Fragmente kennen. Zweitens würden größere Peptide komplexe Gemische ergeben, die getrennt und sorgfältig untersucht werden müssten, um geeignete Stücke zum Überlappen zu finden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die moderne Massenspektrometrie diese Überlappungstechnik effektiv nutzt. Der Unterschied besteht darin, dass die Bindungsspaltung nicht durch Hydrolyse erreicht wird und Computer die zeitaufwändige Aufgabe übernehmen, eine Vielzahl von Fragmenten zu vergleichen.

Im Laufe der Jahre, in denen Chemiker diese wichtigen Naturstoffe untersucht haben, wurden viele Techniken verwendet, um ihre Primärstruktur oder Aminosäuresequenz zu untersuchen. In der Tat sind jetzt kommerzielle Instrumente verfügbar, die Peptide und Proteine ​​automatisch sequenzieren. Einige der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Techniken werden hier beschrieben. Die Identifizierung der N-terminalen und C-terminalen Aminosäureeinheiten einer Peptidkette liefert hilfreiche Informationen.

Die N-terminale Analyse wird durch den Edman-Abbau durchgeführt, der in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Eine freie Aminfunktion, üblicherweise im Gleichgewicht mit Zwitterionspezies, ist für die anfängliche Bindung an das Phenylisothiocyanatreagenz erforderlich. Die Produkte des Edman-Abbaus sind ein Thiohydantoin-Heterocyclus, der die N-terminale Aminosäure zusammen mit einer verkürzten Peptidkette enthält.

Aminfunktionen an einer Seitenkette wie in Lysin können mit dem Isothiocyanat-Reagenz reagieren, ergeben jedoch keine Thiohydantoin-Produkte. Durch wiederholtes Klicken auf die Schaltfläche "Nächstes Diagramm" wird der Mechanismus dieser wichtigen Analysemethode angezeigt. Ein Hauptvorteil des Edman-Verfahrens besteht darin, dass die verbleibende Peptidkette durch die Reaktion nicht weiter abgebaut wird.

Dies bedeutet, dass die N-terminale Analyse mehrmals wiederholt werden kann, wodurch die Sequenz der ersten drei bis fünf Aminosäuren in der Kette bereitgestellt wird. Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass Peptide, die größer als 30 bis 40 Einheiten sind, keine zuverlässigen Ergebnisse liefern. Chemische Analyse Eine komplementäre C-terminale Analyse von Peptidketten kann chemisch oder enzymatisch durchgeführt werden.

Die chemische Analyse ist etwas komplexer als das Edman-Verfahren. Erstens müssen Carboxylgruppen und Hydroxylgruppen der Seitenkette als Amide oder Ester geschützt werden. Als nächstes wird die C-terminale Carboxylgruppe als Anhydrid aktiviert und mit Thiocyanat umgesetzt.

Das resultierende Acylthiocyanat cyclisiert sofort zu einem Hydantoinring, und dieser kann auf verschiedene Arten von der Peptidkette abgespalten werden, die hier nicht beschrieben werden. Abhängig von der Art dieser endgültigen Spaltung kann das Verfahren modifiziert werden, um ein C-terminales Acylthiocyanatpeptidprodukt zu ergeben, das sich automatisch zu einem Thiohydantoin umlagert, das die vorletzte C-terminale Einheit enthält.

Daher können sich wiederholende Analysen ähnlich wie beim Edman-Verfahren durchgeführt werden. Enzymatische Analyse Die enzymatische C-terminale Aminosäurespaltung durch eines von mehreren Carboxypeptidaseenzymen ist eine schnelle und bequeme Analysemethode. Da das verkürzte Peptidprodukt auch einer enzymatischen Spaltung unterliegt, muss darauf geachtet werden, die Reaktionsbedingungen so zu steuern, dass die Produkte aufeinanderfolgender Spaltungen ordnungsgemäß überwacht werden.

Das folgende Beispiel veranschaulicht diese Funktion. Ein Peptid mit einer C-terminalen Sequenz: Durch Klicken auf das Diagramm werden die Ergebnisse dieses Experiments angezeigt. Das Leucin wird zuerst gespalten, das Serin zweitens und das Glycin drittens, wie durch die sequentielle Analyse gezeigt wird.

Natürlich werden im Laufe der Zeit auch die vierte und fünfte Einheit veröffentlicht, aber diese Produkte werden nicht gezeigt. Mechanismen für die enzymatischen Reaktionen sind nicht so einfach zu formulieren. Andere enzymatische Spaltungen wurden entwickelt, aber die beiden hier aufgeführten dienen zur Veranschaulichung ihrer Anwendung.

Um zu sehen, wie diese Verfahren kombiniert werden können, um die Primärstruktur eines Peptids aufzuklären, betrachten Sie das aus Schweinen isolierte Melanozyten-stimulierende Hormon. Diese Octadecapeptid-18-Aminosäure-Einheiten haben die Zusammensetzung: Das folgende Diagramm, das mit den Ergebnissen der Analyse der terminalen Einheiten beginnt, zeigt die logischen Schritte, die zur Lösung des Strukturproblems verwendet werden könnten.

Durch Klicken auf die Schaltfläche "Nächste Stufe" werden die Ergebnisse und Schlussfolgerungen aus jedem Schritt angezeigt. Kommentare zu jeder Stufe werden unter dem Diagramm dargestellt. Es war bekannt, dass sich eines der beiden Lysine neben dem C-Terminus befand.

Das andere muss Teil des kleineren Peptids aus der Bromcyanreaktion sein. Es werden vier Fragmente erhalten, und die endgültige Struktur könnte allein durch diese gelöst worden sein. Die selektive Endgruppenanalyse der beiden Pentapeptide dient jedoch dazu, das Tyrosin und ein zweites Prolin neben dem am weitesten links liegenden Glycin zu lokalisieren und die Einheiten auf jeder Seite des Methionins zu identifizieren.

Die eine verbleibende Aminosäure, ein Prolin, wird dann an der letzten freien Stelle in der gelben Box platziert. Wenn die Carboxylfunktion am C-Terminus eines Peptids eine Peptidbindung mit der N-terminalen Amingruppe bildet, wird ein cyclisches Peptid gebildet. Carboxyat- und Aminfunktionen an Seitenketten können sich auch zu Ringen verbinden. Cyclische Peptide kommen am häufigsten in Mikroorganismen vor und enthalten häufig einige D-Aminosäuren sowie ungewöhnliche Aminosäuren wie Ornithin Orn. Das von einem Bacillus brevis-Stamm produzierte Decapeptid-Antibiotikum Gramacidin S ist ein Beispiel für diese interessante Klasse von Naturstoffen.

Die Struktur von Gramicidin S ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die atypischen Aminosäuren sind gefärbt. Bei Verwendung einer Kurzschreibweise für zyklische Strukturen wird die obere Linie durch die übliche Konvention N-Gruppe auf der linken Seite geschrieben, aber vertikale und untere Linien müssen angepasst werden, um der Bindung zu entsprechen.

Pfeile auf diesen Bindungen zeigen in die CO-N-Richtung jeder Peptidbindung. Klicken Sie hier, um ein Modell eines anderen cyclischen Peptids mit potenziell nützlichen medizinischen Eigenschaften anzuzeigen.

Die Verbindungen, die wir Proteine ​​nennen, weisen ein breites Spektrum physikalischer und biologischer Eigenschaften auf. Zwei allgemeine Kategorien einfacher Proteine ​​werden allgemein erkannt. Die verschiedenen Eigenschaften von Peptiden und Proteinen hängen nicht nur von ihrer Aminosäurekomponente und ihrer Bindungssequenz in Peptidketten ab, sondern auch von der Art und Weise, wie die Peptidketten im Raum gestreckt, gewickelt und gefaltet werden.

Aufgrund ihrer Größe scheinen die Orientierungsmöglichkeiten für diese Makromoleküle nahezu unbegrenzt zu sein. Glücklicherweise schränken verschiedene Faktoren die strukturellen Optionen ein, und es ist möglich, einige gemeinsame strukturelle Themen oder Sekundärstrukturen zu identifizieren, die wiederholt in verschiedenen Molekülen auftreten. Die meisten Proteine ​​und großen Peptide nehmen keine vollständig einheitlichen Konformationen an, und vollständige Beschreibungen ihrer bevorzugten dreidimensionalen Anordnungen werden als Tertiärstrukturen definiert.

Fünf Faktoren, die das Konformationsgleichgewicht von Peptidketten beeinflussen, sind: Helixwicklung Das im folgenden Diagramm gezeigte relativ einfache Undecapeptid kann eine gezeichnete Zick-Zack-Konformation annehmen. Dieses Molekül nimmt jedoch lieber eine gewundene helikale Konformation an, die durch Klicken auf eine der drei Schaltflächen rechts angezeigt wird.

Der mittlere Knopf zeigt ein Stabmodell dieser Helix, wobei die Rückgratkette als dicke schwarze Linie und die Wasserstoffbrücken als gestrichelte kastanienbraune Linien gezeichnet sind. Untersuche die Zeichnung, die mit der mittleren Taste aktiviert wurde.

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