Die chemische Synthese von Peptiden und Proteinen

Vortrag von Tanja Ohanjan im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 2004

Gliederung:

1.Einführung

Peptide und Proteine sind die Grundbausteine lebender Zellen und gleichzeitig als Botenstoffe an zellulären und interzellulären Prozessen beteiligt. Sie treten dabei z.B. als Peptidhormone, Biokatalysatoren oder Rezeptoren auf. Ihrer chemischen Natur nach sind Peptide und Proteine Oligomere oder Polymere von Aminosäuren, die in definierter Folge über Amidbindungen (Peptidbindungen) miteinander verknüpft sind. Die Unterscheidung zwischen Peptiden und Proteinen wird in der Regel durch die Kettenlänge bestimmt, wobei in der Literatur kein eindeutiges Kriterium dafür genannt wird. Altmann und Mutter (1993) empfehlen, lange Aminosäureketten, die sich zu einer genau definierten Tertiärstruktur falten, als Proteine zu bezeichnen. 

Die chemische Synthese von Proteinen spielt u.a. in der Pharmaindustrie eine große Rolle, so werden z.B. Hormonpräparate häufig chemisch hergestellt. Aber auch die Entwicklung neuartiger Medikamente erfolgt auf dieser Grundlage. An dieser Stelle soll auf die chemische Synthese von Fuzeon (Enfuvirtid, T20), einem AIDS-Medikament näher eingegangen werden. Fuzeon ist ein Peptid, bestehend aus 36 Aminosäuren. Es bindet an die Oberflächenproteine des HI-Virus und verhindert so dessen Bindung an T-Lymphozyten. Dadurch kann die Virusmenge im Blut infizierter Personen niedrig gehalten werden (Bruckdorfer, 2004).

Abb. 1: Aminosäuresequenz des Fusionshemmers Fuzeon

Thr-Ser-Leu-Ile-His-Ser-Leu-Ile-Glu-Glu-Ser-Gln-Asn-Gln-Gln-Glu-Lys-Asn-Glu-Gln-Glu-Leu-Leu-Glu- Leu-Asp-Lys-Trp-Als-Ser-Leu-Leu-Trp-Asn-Trp-Phe-NH2

2.Bildung von Peptidbindungen

Aminosäuren besitzen zwei reaktive Gruppen: eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe . Die Peptidbildung erfolgt durch die Reaktion der C-Gruppe einer Aminosäure mit der N-Gruppe der nächsten Aminosäure (Abb. 2). Bei der chemischen Synthese wird an die Aminogruppe des entstandenen Dipeptids die nächste Aminosäure gebunden usw. 

Abb. 2: Bildung der Peptidbindung am Beispiel der Aminosäuren Threonin und Serin. Mit dieser Reaktion beginnt die Synthese des Medikaments Fuzeon.

3. Verwendung von Schutzgruppen

Betrachtet man das entstandene Dipeptid in Abb.2, stellt man fest, dass bei Zugabe einer weiteren Aminosäure deren Bindung am C- und am N-Terminus möglich ist. Dies wäre jedoch nicht sinnvoll, da ein Peptid mit bestimmter Sequenz (Abb. 1) erhalten werden soll. Um unerwünschte Reaktionen zu vermeiden, werden an die Enden der Peptidkette deshalb reaktionsträge Schutzgruppen (SG) angefügt. Diese Schutzgruppen dürfen jedoch die Synthese des Peptids nicht beeinträchtigen und müssen später abspaltbar sein. Es existieren verschiedene Schutzgruppen (Altmann,1993). An dieser Stelle sollen nur Allyloxycarbonyl (Aloc) und 9-Fluorylmethyloxycarbonyl (Fmoc) gezeigt werden, welche in der Praxis häufig verwendet werden (Abb.3).

Abb. 3: Die Schutzgruppe Aloc wird am C-Terminus des Peptids eingesetzt, Fmoc dagegen am N-Terminus der nächsten zugegebenen Aminosäure, so dass nur die freien reaktiven Gruppen reagieren können und in diesem Fall ein Tripeptid entsteht, welches die ersten drei Aminosäuren des Fuzeon beinhaltet.

4. Schritte der Peptidsynthese

In der  Technik sind folgende Arbeitsschritte notwendig, um die Peptidkette um nur eine Aminosäure zu verlängern.

Dabei geht bei jedem Arbeitsschritt ein Teil des Produktes verloren. Mit dieser Methode der Synthese in Lösung, ist ein Erfolg von von ca. 90% pro Syntheseschritt erreichbar. D.h. für Fuzeon, also nach 36 Syntheseschritten, wäre die Gesamtausbeute nur ca. 7%. Was die Produktion des Medikaments in größerem Maßstab unrentabel macht. Seit etwa Mitte der achtziger Jahre setzte sich deshalb eine neue Produktionsmethode durch, mit der die Ausbeute pro Syntheseschritt auf ca. 98% erhöht werden konnte.

5. Merryfield-Synthese am festen Träger

Dabei wird das Peptid über eine so genannte Ankergruppe kovalent mit einem festen, filtrierbaren, polymeren Träger verbunden. Das erfolgt über die Carboxylgruppe der ersten Aminosäure. Der Aufbau des Peptids erfolgt sukzessive wie in Lösung, allerdings wird die Isolierung des Peptids nach jedem Syntheseschritt stark effektiviert, da es immer am Säulenmaterial gebunden bleibt. Das komplette Peptid wird durch einen zusätzlichen Abspaltungsschritt vom Trägermaterial gelöst. 

Abb. 4: Schematische Darstellung der Peptidsynthese am festen Träger

Durch diese Art der Synthese beträgt die Ausbeute von Fuzeon ca. 35%, konnte also verfünffacht werden.

6. Zusammenfassung

Die chemische Peptidsynthese erfolgt sequenzspezifisch durch schrittweise Kondensation der Aminosäuren unter Bildung von Peptidbindungen. Zur Vermeidung unerwünschter Nebenreaktionen werden C- und N-terminale Schutzgruppen verwendet.  

Die Synthese in Lösung ist für kurze Peptide geeignet und wird industriell eingesetzt, z.B. zur Herstellung des Süßstoffes Aspartam (Dipeptid). Zur Herstellung geringer Mengen längerer Peptide z.B. für Forschungszwecke wird diese Methode ebenfalls angewendet. 

Bei der von Merryfield entwickelten Synthese am festen Träger  (Festphasensynthese) ist das zu synthetisierende Peptid C-terminal kovalent an filtrierbares Trägermaterial gebunden, das erlaubt eine effektive Synthese auch längerer Peptide (z.B. Insulin, 51mer) und großer Mengen zu kommerziellen Zwecken.

7.Literatur:

[1] Altmann, Mutter, (1993), ChiuZ, Vol. 6, 274- 287.

[2] Bruckdorfer, Marder, Albericio, (2004), Curr. Pharm. Biotechnology, Vol.5, 29-43. 

[3] www.vcell.de/gesundheitspark/hiv-animation.html, 12.07.2004.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10