Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 12.07.16


Von der molekularen Erkennung zum Design neuer Wirkstoffe

Vortrag von Markus Tröger im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 15


Gliederung:


Einstieg: Jeder dritte Deutsche trägt das Bakterium schon auf seiner Haut. Ein gesunder Körper hält den potentiellen Angreifer mühelos in Schach. Doch sobald Krankheiten das Immunsystem schwächen, schlägt der Feind erbarmungslos zu und kann lebensbedrohlich werden. Lange Zeit schien es, als habe der Mensch ein Wundermittel dagegen gefunden: Antibiotika. Vor allem Glycopeptid-Antibiotika, wie das Antibiotikum Vancomycin galten lange als letzte Waffe gegen die tödlichen Keime. Doch selbst diese letzte Verteidigungslinie wird von Keimen überwunden. Es kommt vermehrt zur Ansteckung mit Antibiotika resistenten Keimen, sog. Superbakterien. Von 400.000 Menschen, die sich jedes Jahr mit Krankenhauskeimen infizieren, sterben nach offiziellen Zahlen bis zu 15.000.


1 Molekulare Erkennung von Peptiden

Die molekulare Erkennung bestimmter Peptidstrukturen spielt sowohl beim Auftreten von Antibiotikaresistenzen als auch bei einer Vielzahl biochemischer Prozesse eine wichtige Rolle (Peptide als Enzyme, Hormone oder Ansatzpunkte für Regulationsprozesse). Viele biologische, lebenswichtige Prozesse wie beispielsweise die Immunabwehr oder die Stoffwechselregulation basieren auf selektiven Wechselwirkungen von Hormonen/exogenen Wirkstoffen mit ihren jeweiligen körpereigenen Rezeptorsystemen.


Abb. 1: Molekulare Erkennung von Peptidstrukturen bei biochemischen Prozessen [1]

Ein Ziel ist daher, maßgeschneiderte, künstliche Rezeptoren, welche die Wirkungsweise von bioaktiven Substanzen beeinflussen, zu entwickeln, um schlussendlich zelluläre Prozesse zu beeinflussen und steuern zu können. Dies könnte zu neuartigen medizinischen Therapieansätzen führen.


2 Molekulare Erkennung als Schlüssel zur Selektivität

Für die Realisierung solcher künstlichen Rezeptoren ist ein genaues Verständnis der Prinzipien der molekularen Erkennung unabdingbar: Wie erkennen sich zwei Moleküle auf molekularer Ebene und treten selektiv miteinander in Wechselwirkung? Um zu gewährleisten, dass chemische Reaktionen im Körper gezielt und nur an spezifischen Substraten ablaufen, sind biochemische Vorgänge meist Zweistufen-Prozesse:

  1. das Substrat wird in einer Bindungstasche gebunden; hierbei verläuft die molekulare Erkennung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip 
  2. am gebundenen Substrat erfolgt die eigentliche chemische Umsetzung


Abb. 2: Schlüssel-Schloss-Prinzip anhand von zwei unterschiedlichen Substraten

Nur wenn das Substrat zur Bindungstasche, wie ein Schlüssel zum Schloss, passt, wird es ausreichend stark gebunden und anschließend umgesetzt. Dafür benötigt man maßgeschneiderte Bindungstaschen für das jeweilige, biologisch relevante Substrat, also den passenden "Handschuh" für das vorliegende Substrat. Die erfolgreiche Komplexierung durch die gezielte Entwicklung einer Bindungstasche, eines chemischen Rezeptors für ein Peptid, ist mit zwei Schwierigkeiten behaftet.

Die erste Schwierigkeit ist die hohe konformative Flexibilität von Peptiden: Die Vorhersage der Konformation des Peptids in Lösung wird ab einer Verknüpfung von 2-3 Aminosäuren schwierig. Entweder wird ein Knäuel gebildet oder es liegt als langgestreckter Faden vor. Die äußere Form ist jedoch ein entscheidender Faktor für die Passgenauigkeit der Bindungstasche (Schlüssel-Schloss-Prinzip).


3 Einfluss des Lösemittels auf die Komplexierung 

Die zweite Schwierigkeit entsteht aufgrund dem noch unzureichendem Verständnis der nichtkovalenten Wechselwirkungen, welche für molekulare Erkennungsprozesse von entscheidender Bedeutung sind. Insbesondere die Wasserstoffbrücken sind aufgrund ihrer Richtungs- und Abstandsspezifität sehr wichtig, werden aber mit zunehmender Polarität des Lösemittels schwächer Daher werden neben den Wasserstoffbrücken ebenso Salzbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen dazugezählt. An dieser Stelle weist die chemische Struktur von Peptiden zusätzliche Vorteile auf. Aufgrund von Amidbindungen sowie polaren und unpolaren Seitenkette können eine Vielzahl an nichtkovalenten Wechselwirkungen ausgebildet werden. Insgesamt lässt sich somit auch in Wasser eine ausreichend starke und stabile Komplexierung erreichen.


4 Antibiotikaresistenz  

Die molekulare Erkennung von Peptidstrukturen spielt ebenso eine wichtige Rolle bei Antibiotikaresistenzen, wie zum Beispiel beim Vancomycin, einem Glycopeptid-Antibiotika. Dieses blockiert in seiner Wirksamkeit selektiv die terminale Peptidsequenz D-Ala-D-Ala eines bakteriellen Glycopeptids und verhindert somit, dass das Bakterium weiter wächst.

Bakterienzellwände werden durch die Verknüpfung zweier Peptidketten der Sequenz Ala-Glu-Lys-D-Ala-D-Ala stabilisiert. Die Quervernetzung erfolgt durch die freie Aminogruppe einer an der Lysin-Seitenkette gebundenen Pentaglycineinheit, welche nukleophil die endständige Amidbindung zwischen den beiden D-Alaninen angreift. Anschließend wird die letzte Aminosäure abgespalten und die beiden Peptidketten werden über die Lysin-Seitenkette miteinander vernetzt. Das Vancomycin greift in diesen Prozess ein, indem es die bakterielle Peptidsequenz umhüllt und somit die Transamidierung an der endständigen Amidbindung verhindert. Es wird folglich keine ausreichende Stabilisierung erreicht und das Bakterium kann nicht weiter wachsen.


Abb. 3: Transamidierung in Bakterienzellwänden und Wirkungsweise von Vancomycin [1]

Die selektive Blockierung wird dadurch erreicht, da das Peptid insbesondere im vorderen Teil perfekt komplementär in eine Art Hohlraum des Vancomycin passt ("induced fit"). Dort wird eine starke Komplexierung durch die Ausbildung von fünf Wasserstoffbrücken erreicht. Vor allem die drei Wasserstoffbrücken zur Carboxylatgruppe tragen zur starken Bindung bei, da diese ionischen Charakter haben (zusätzliche elektrostatische Wechselwirkungen). Ebenso verstärkt die unpolare "Mikroumgebung" durch die zahlreichen aromatischen Reste des Vancomycin die Stärke der Wasserstoffbrücken. Insgesamt handelt es sich somit bei der Komplexbildung zwischen Vancomycin und der Dipeptidsequenz D-Ala-D-Ala um ein Paradebeispiel für einen selektiven molekularen Erkennungsprozess.


Abb. 4: Wasserstoffbrücken zwischen Dipeptidsequenz und Vancomycin.

In letzter Zeit sind jedoch auch bei dieser Wirkstoffklasse der Glycopeptid-Antibiotika Resistenzen aufgetreten. Diese beruhen auf einer Veränderung auf molekularer Ebene: In den Bakterien wird die Sequenz D-Ala-D-Ala durch D-Ala-D-Lac ersetzt und für die Transamidierung verwendet. Die Ersetzung einer Aminogruppe durch ein Sauerstoffatom hat dann für den molekularen Erkennungsprozess weitreichende Auswirkungen. Es wird eine attraktive Wasserstoffbrücke durch eine abstoßende Dipol-Wechselwirkung ersetzt, was wiederum die Bindungsaffinität und somit die Komplexierung stark reduziert. Das Depsipeptid wird im Vergleich zum Dipeptid um den Faktor 1000 schlechter gebunden und somit das Bakterienwachstum nicht mehr ausreichend blockiert.


Abb. 5: Antibiotikaresistenz.


5 Synthetisches Vancomycin

Durch die Synthese maßgeschneiderter Rezeptoren könnte in die molekularen Wirkmechanismen des Vancomycin und die Bakterienresistenzen auf molekularer Ebene eingegriffen werden. Eine Möglichkeit besteht in synthetischem Vancomycin aus kombinatorischer Rezeptorbibliotheken. Hierbei können mittels kombinatorischer Chemie in kurzer Zeit eine Vielzahl potenzieller Kandidaten synthetisiert und ihre Eigenschaften untersucht werden. So hat Ellman hochpotente Rezeptoren für die Dipeptidsequenz D-Ala-D-Ala, aber auch für das Depsipeptid D-Ala-D-Lac identifiziert.

Hierbei wurde anstatt des hydrophoben, aromatischen hinteren Teils des Vancomycin ein linearer Tripeptidbaustein angeknüpft. Anschließend wurde im Rahmen einer kombinatorischen Festphasensynthese aus 34 verschiedenen Aminosäuren eine Bibliothek mit ca. 39.000 unterschiedlichen Rezeptoren (unterschiedliche Sequenz im Tripeptidteil) aufgebaut.


Abb. 6: Wasserstoffbrücken zwischen Depsipeptid und synthetischem "Vancomycin".


Abb. 7: Verhinderung abstoßender Wechselwirkungen bei synthetischem "Vancomycin".

Um die Rezeptoren identifizieren zu können, die das Dipeptid binden, wurde an das Dipeptid zusätzlich eine sogenannte Fluoreszenzsonde, also ein chemischer Marker, der sich durch ein charakteristisches Leuchten im UV-Licht zu erkennen gibt, angehängt. So lässt sich mit einem einzigen Experiment die gesamte Rezeptorbibliothek auf ihre Bindungseigenschaften hin testen und geeignete Rezeptoren herausfiltern. Mit dieser Methode wurden Rezeptoren gefunden, die ähnlich stark wie das natürliche Vancomycin das Dipeptid binden. Das Depsipeptid wird vom synthetischen "Vancomycin" dagegen um den Faktor 1000 besser gebunden. Somit könnten durch weitere Variationen der Rezeptorstruktur bessere Antibiotika für resistente Bakterienstämme entwickelt werden.


Abschluss: Aufbauend auf den Erkenntnissen über molekulare Erkennungsprozesse bestimmter Peptidstrukturen wurden erste chemische Rezeptorsysteme entwickelt. Mit deren Hilfe kann eine selektive Komplexierung des jeweiligen Substrats tatsächlich erreicht werden. Das Ziel dabei ist, medizinisch relevante Prozesse von "außen" chemisch steuerbar zu machen. Die Entwicklung eines eventuell neuen Medikaments steht jedoch noch an ihrem Anfang.


6 Literatur:

  1. Schmuck, C.: Peptiden auf den Leib geschneidert: Von der molekularen Erkennung zum Design neuer Wirkstoffe, Chemie in unserer Zeit, 35, 356-366, 2001.

  2. Nelson, D. L.: Lehninger Biochemie, Springer, Berlin, 2001.

  3. Hädener, A.: Grundlagen der organischen Chemie, Birkhäuser, Basel, 2006.

  4. Frobel, K., Krämer, T.: Kombinatorische Synthese, Chemie unserer Zeit, 30, 270-285, 1996.

  5. http://www.spektrum.de/alias/dachzeile/antibiotikaresistenz/823921 11.7.2016

  6. http://www.welt.de/print-welt/article566967/Der-Sieg-der-Bakterien.html 11.7.2016

  7. http://www.zeit.de/wissen/gesundheit/2015-01/keime-im-krankenhaus-uniklinik-kiel 11.7.2016


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 12.07.16