Peptidbindung und Sequenzschreibweise
Wie Aminosäuren über Amidbindungen zu gerichteten Ketten werden, wie man deren Sequenz liest und schreibt und wie viele Sequenzen möglich sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Peptidbindung ist eine Amidbindung zwischen der Carboxygruppe einer und der Aminogruppe der nächsten Aminosäure; sie entsteht durch Kondensation unter Wasserabspaltung.
- Durch Amidmesomerie hat die C-N-Bindung partiellen Doppelbindungscharakter; sechs Atome liegen planar in einer Ebene, drehbar sind nur die Bindungen an den α-C-Atomen.
- Sequenzen schreibt man vom N-Terminus (freie Aminogruppe, links) zum C-Terminus (freie Carboxygruppe, rechts); Gly-Phe-Ser und Ser-Phe-Gly sind verschiedene Peptide.
- Mit Wiederholung gibt es \(n^k\) Sequenzen, für Tripeptide \(n^3\); ohne Wiederholung \(n(n-1)(n-2)\), und drei verschiedene Aminosäuren je einmal ergeben \(3! = 6\).
- Lisinopril ist ein Derivat von (S)-Lys-(S)-Pro mit nur einer Peptidbindung; die 6-Aminopenicillansäure baut sich aus Cystein und Valin auf.
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Worum es geht
Peptide entstehen, wenn Aminosäuren über Amidbindungen zu Ketten verknüpft werden. Die Richtung dieser Kette legt fest, wie man ein Peptid schreibt, und erklärt, warum aus wenigen Bausteinen viele verschiedene Peptide entstehen. Auch Arzneistoffe wie Lisinopril oder die Penicilline lassen sich in Aminosäurebausteine zerlegen.
Peptidbindung
Eine Peptidbindung verknüpft die Carboxygruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten. Dabei wird Wasser abgespalten. Die Peptidbildung ist also eine Kondensation, ihre Umkehrung eine Hydrolyse. Chemisch ist die Peptidbindung ein sekundäres Carbonsäureamid.
\[\ce{H2N-CHR^1-COOH + H2N-CHR^2-COOH -> H2N-CHR^1-CO-NH-CHR^2-COOH + H2O}\]
Im Labor gelingt das nicht durch einfaches Mischen. Man muss die Carboxygruppe erst aktivieren, wie die Einheit zur Peptidsynthese zeigt.
Amidmesomerie und Planarität
Das freie Elektronenpaar des Stickstoffs ist mit der C=O-Doppelbindung konjugiert. In der zweiten Grenzformel trägt O eine negative und N eine positive Ladung, zwischen C und N steht eine Doppelbindung. Die reale Bindung liegt dazwischen. Die \(\ce{C-N}\)-Bindung hat deshalb partiellen Doppelbindungscharakter: Sie ist kürzer als eine gewöhnliche Einfachbindung und kaum drehbar.
Dadurch liegen sechs Atome in einer Ebene: das α-C der ersten Aminosäure, C und O der Carbonylgruppe, N mit seinem H und das α-C der zweiten Aminosäure. Die beiden α-C-Atome stehen meist trans zueinander. Frei drehbar sind nur die Bindungen an den α-C-Atomen. Man kann sich die Kette wie eine Folge starrer Plättchen vorstellen, die an den α-C-Atomen gelenkig verbunden sind. Diese Starrheit trägt zur definierten Raumstruktur von Peptiden und Proteinen bei (Proteinstruktur).
Peptidbindung oder Aminbindung?
In einer Strukturformel erkennst du eine Peptidbindung am Muster \(\ce{C(=O)-NH}\). Der Stickstoff hängt also direkt an einem Carbonyl-C. Ist ein N dagegen nur an sp³-Kohlenstoffe gebunden, liegt ein Amin vor. Entlang der Peptidkette wiederholt sich die Abfolge N, α-C, C=O. Das C=O einer Peptidbindung gehört zur Aminosäure auf der N-terminalen Seite, das NH zur folgenden. So verrät jede Peptidbindung die Richtung der Kette.
Sequenzschreibweise
Jede lineare Peptidkette hat zwei chemisch verschiedene Enden. Aus ihnen ergibt sich die Richtung der Kette.
Der N-Terminus ist das Kettenende mit der freien α-Aminogruppe. Der C-Terminus ist das Ende mit der freien α-Carboxygruppe.
Die Sequenz schreibt man immer vom N-Terminus zum C-Terminus. Die N-terminale Aminosäure steht also links, die C-terminale rechts. Üblich ist der Dreibuchstaben-Code mit Bindestrichen, etwa Gly-Phe-Ser. Der Einbuchstaben-Code verkürzt das zu GFS. Einige Buchstaben weichen dabei vom Anfangsbuchstaben ab: F für Phe, Y für Tyr, W für Trp, K für Lys, R für Arg, D für Asp, E für Glu, N für Asn und Q für Gln.
Weil die Kette gerichtet ist, sind Gly-Phe-Ser und Ser-Phe-Gly verschiedene Verbindungen. Beide haben dieselbe Zusammensetzung. Im ersten trägt aber Glycin die freie Aminogruppe, im zweiten Serin. Solche Peptide nennt man Sequenzisomere.
Die Sequenzschreibweise ist ein Examensklassiker: Gelesen wird stets ab der freien Aminogruppe, links steht die N-terminale Aminosäure. Achte darauf, dass Formeln auch von rechts nach links gezeichnet sein können und dass vertauschte Reihenfolgen andere Peptide ergeben.
Sequenz aus der Strukturformel ablesen
Mit vier Schritten kommst du von jeder Strukturformel zur Sequenz.
- N-Terminus suchen: Das ist die freie \(\ce{NH2}\)- oder \(\ce{NH3+}\)-Gruppe an einem α-C. Die Zeichenrichtung spielt keine Rolle.
- Peptidbindungen markieren: Jede \(\ce{C(=O)-NH}\)-Gruppe gedanklich zwischen C und N trennen.
- Bausteine benennen: An jedem α-C die Seitenkette bestimmen. Glycin trägt nur H. Bei Prolin ist der Stickstoff Teil eines Fünfrings, die Peptidbindung zu ihm hat daher kein N-H.
- Notieren: Vom N-Terminus zum C-Terminus im Drei- oder Einbuchstaben-Code.
Die Seitenketten selbst findest du in den Einheiten zu aliphatischen, aromatischen und funktionellen Seitenketten. Im Beispiel unten ist das Tripeptid von rechts nach links gezeichnet. Die freie Aminogruppe steht rechts, also beginnt die Sequenz dort mit Glycin. Es folgen Phenylalanin mit Benzylrest und Serin mit \(\ce{CH2OH}\).
Soll man umgekehrt zu einer Sequenz die passende Formel wählen, prüft man dieselben Punkte. Trägt die erste Aminosäure die freie Aminogruppe? Folgen die Seitenketten in der richtigen Reihenfolge? Bei Keilstrichformeln achtet man zusätzlich auf die Konfiguration an den α-C-Atomen (Chiralität der Aminosäuren).
In Cyclopeptiden ist die Kette zum Ring geschlossen, freie Termini fehlen. Hier erkennt man die Aminosäuren allein an ihren Seitenketten. Dazu sucht man jedes α-C zwischen einem N und einem C=O und bestimmt seinen Rest.
Zahl möglicher Sequenzen
Weil jede Position der Kette eindeutig festgelegt ist, zählt die Reihenfolge. Kombinatorisch ist ein Peptid daher eine geordnete Auswahl. Die Zahl möglicher Sequenzen hängt davon ab, ob sich Bausteine wiederholen dürfen.
\[x = n^k \quad \text{(mit Wiederholung)} \qquad x = n \cdot (n-1) \cdot (n-2) \quad \text{(Tripeptid ohne Wiederholung)}\]
Dabei ist \(n\) die Zahl verfügbarer Aminosäuren und \(k\) die Zahl der Positionen in der Kette.
Mit Wiederholung hat jede der \(k\) Positionen \(n\) Möglichkeiten. Man multipliziert also \(k\)-mal mit \(n\), für Tripeptide ergibt das \(n^3\). Ohne Wiederholung fällt mit jeder besetzten Position ein Baustein weg: erst \(n\), dann \(n-1\), dann \(n-2\) Möglichkeiten. Wird jeder von \(n\) verschiedenen Bausteinen genau einmal verwendet, ist das eine Permutation mit \(n!\) Sequenzen.
| Bausteine | Bedingung | Rechnung | Sequenzen |
|---|---|---|---|
| Gly, Ala, Val | Tripeptid, Wiederholung erlaubt | \(3^3\) | 27 |
| Gly, Ala, Val | jede genau einmal | \(3!\) | 6 |
| 5 verschiedene | Tripeptid ohne Wiederholung | \(5 \cdot 4 \cdot 3\) | 60 |
| 4 verschiedene | Tetrapeptid, jede genau einmal | \(4!\) | 24 |
| 20 proteinogene | Dipeptid, Wiederholung erlaubt | \(20^2\) | 400 |
Die sechs Sequenzen aus Gly, Ala und Val lassen sich leicht ausschreiben: Gly-Ala-Val, Gly-Val-Ala, Ala-Gly-Val, Ala-Val-Gly, Val-Gly-Ala und Val-Ala-Gly. Bei erlaubter Wiederholung kommen Ketten wie Gly-Gly-Val oder Ala-Ala-Ala hinzu, bis 27 erreicht sind.
Peptidbausteine in Wirkstoffen
Viele Arzneistoffe leiten sich von Aminosäuren ab. Um sie zu zerlegen, unterscheidet man wie oben Peptidbindungen von Aminbindungen. Wirkung und Synthese gehören in die Pharmazeutische Chemie.
Der ACE-Hemmer Lisinopril ist ein Derivat des Dipeptids (S)-Lys-(S)-Pro. Lysin und Prolin sind über die einzige Peptidbindung des Moleküls verknüpft. Am α-Stickstoff des Lysins hängt zusätzlich ein homo-Phenylalanin-Teil mit Carboxygruppe. Er ist über ein sekundäres Amin gebunden.
Lisinopril ist kein Tripeptid. Zwischen homo-Phenylalanin-Teil und Lysin fehlt die Carbonylgruppe, ein Dipeptid hPhe-Lys liegt daher nicht vor.
Auch Captopril enthält Prolin. Sein Acylrest ist aber 3-Mercapto-2-methylpropansäure und damit keine proteinogene Aminosäure.
Das Grundgerüst der Penicilline, die 6-Aminopenicillansäure (6-APA), stammt aus Cystein und Valin. Ihr β-Lactam-Thiazolidin-Bicyclus lässt sich an Kohlenstoffgerüst und Heteroatomen in beide zerlegen. Cystein liefert den Schwefel, die 6-Aminogruppe und das Lactam-Carbonyl. Valin liefert den Ring-Stickstoff, die Carboxygruppe und das C-Atom mit den zwei Methylgruppen, das am Schwefel sitzt. Weitere Aminosäuren sind am Grundgerüst nicht beteiligt.
Quiz
Aussage 1
Ist ein Tripeptid von rechts nach links gezeichnet, beginnt die Sequenz trotzdem mit der Aminosäure, die die freie Aminogruppe trägt.
Die Sequenz läuft immer vom N-Terminus zum C-Terminus, unabhängig von der Zeichenrichtung.
Aussage 2
Das Grundgerüst der Penicilline lässt sich auf Cystein und Valin zurückführen.
In der 6-Aminopenicillansäure stammen Schwefel, 6-Aminogruppe und Lactam-Carbonyl aus Cystein, Ring-N, Carboxygruppe und Dimethyl-C aus Valin.
Aussage 3
Ala-Gly und Gly-Ala bezeichnen dieselbe Verbindung, weil beide aus Alanin und Glycin bestehen.
Peptide sind gerichtet. In Ala-Gly trägt Alanin die freie Aminogruppe, in Gly-Ala Glycin; es sind zwei verschiedene Sequenzisomere.
Aussage 4
Aus fünf verschiedenen Aminosäuren, von denen jede höchstens einmal vorkommen darf, lassen sich 125 Tripeptide bilden.
125 entspricht \(5^3\) mit Wiederholung. Ohne Wiederholung gilt \(5 \cdot 4 \cdot 3 = 60\).
Aussage 5
Lisinopril ist ein Tripeptid aus homo-Phenylalanin, Lysin und Prolin mit zwei Peptidbindungen.
Lisinopril ist ein Derivat des Dipeptids (S)-Lys-(S)-Pro. Der homo-Phenylalanin-Teil hängt über ein sekundäres Amin am Lysin, es gibt nur eine Peptidbindung.
Aussage 6
Bei der Bildung eines Dipeptids aus zwei Aminosäuren wird ein Molekül Wasser frei.
Die Peptidbildung ist eine Kondensation; Carboxy- und Aminogruppe verknüpfen sich unter Abspaltung von \(\ce{H2O}\).
Aussage 7
Die C-N-Bindung einer Peptidbindung ist wegen der Amidmesomerie kaum drehbar.
Das N-Elektronenpaar ist mit der Carbonylgruppe konjugiert, die C-N-Bindung erhält partiellen Doppelbindungscharakter.
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