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Peptide, vielfältige Moleküle des Lebens

Peptide gibt es in allen Organismen, überall dort, wo es Zellen gibt. Das Spektrum ihrer physiologischen Funktionen ist beträchtlich. Biologisch aktive Peptide treten beispielsweise als Hormone, Neurotransmitter oder Wachstumsfaktoren auf, aber auch als Toxine und Antibiotika. Entsprechend interessant sind sie als Wirkstoffe, sie werden unter anderem zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Krebs eingesetzt. Trotz einiger Schwierigkeiten genießen Peptide seit einigen Jahren wieder vermehrte Aufmerksamkeit und es wird intensiv nach neuen natürlichen und synthetischen Peptiden gesucht.

Die Strukturformel eines Dipeptids (Beispiel: Ser-Ala) mit der N-terminalen Aminosäure L-Serin (links) und der blau markierten C-terminalen Aminosäure L-Alanin (rechts). © www.wikipedia.de / Jü

Peptide sind aus Aminosäuren aufgebaute Moleküle, die jedoch kleiner als Proteine sind. Ab 50 Aminosäuren (in manchen Quellen auch ab 100 Aminosäuren) spricht man von Proteinen. Die Aminosäuren sind durch relativ starre und nicht drehbare Peptidbindungen miteinander verbunden. Diese entstehen, wenn die Carboxylgruppe (-COOH) der einen Aminosäure mit der Aminogruppe (-NH2) der nächsten Aminosäure unter Abspaltung von Wasser verknüpft wird. Neben den Peptidbindungen kommen Disulfidbindungen innerhalb und zwischen Peptidketten, Ester- und Thioesterbindungen vor. Primär seien Peptide Aminosäuren-Ketten, sagt die Ulmer Chemikerin Tanja Weil. Es gibt aber auch verzweigte und ringförmige Peptide.

Peptide werden auf verschiedenen Wegen synthetisiert

Natürliche Peptide können aus proteinogenen und nicht-proteinogenen Aminosäuren bestehen. Um ihre ungeheure Vielfalt zu bändigen, sortiert man sie nach dem Ort ihrer Entstehung. Eukaryonten synthetisieren Peptide über den ribosomalen Weg aus den 20 proteinogenen Aminosäuren. Es entstehen Proteine, die anschließend in Peptide gespalten werden. Oft durchlaufen ribosomale Peptide wie ihre ‚großen Schwestern‘, die Proteine, posttranslationale Modifikationen (u.a. Phosphorylierung, Glykosylierung, Sulfatierung, Hydroxylierung, Disulfidbrücken).

Bakterien und Pilze haben auch die Möglichkeit, kurze Peptide schrittweise unter Mitwirkung verschiedener Enzyme aufzubauen. So können auch nicht-proteinogene L-Aminosäuren und D-Aminosäuren eingebaut werden. Diese Variationen erhöhen zum Beispiel die Stabilität. Diese Peptide sind damit besonders interessant für die pharmazeutische Industrie. Viele Leitstrukturen leiten sich von solchen bakteriellen Peptiden ab.

Zahlreiche Peptide aus Bakterien und Pilzen werden über einen modular organisierten Multi-Enzym-Komplex (NonRibosomal Peptide Synthetase, NRPS) gebildet. Mittlerweile (Stand 7/2013) sind fast 1.200 solcher Peptide (https://www.gesundheitsindustrie-bw.debioinfo.lifl.fr/norine) in 247 Organismen entdeckt.

Hohe Hürde Extraktion und Isolation

Mehr als 50.000 giftige Spinnenarten gibt es. Unser Bild zeigt eine Vogelspinne. Für Pharma-Forscher womöglich eine ergiebige Quelle für peptidische Wirkstoffkandidaten. © Babsnrw/pixelio.de

Bevor man Peptide chemisch oder rekombinant herstellt, müssen sie extrahiert und isoliert werden. Viel analytisches Geschick gehört dazu, mittels Massenspektrometrie, Flüssigchromatographie (HPLC), Tandemspektrometrie und Kernspinresonanz dem Molekül alle Geheimnisse zu entlocken, ehe man es nachsynthetisiert. Erst der Einsatz vieler Analyse-Techniken ergibt ein Gesamtbild. Damit endet längst nicht das, was die Chemikerin Tanja Weil mit einer Detektivarbeit vergleicht, weil beispielsweise das nachgebaute Peptid seine biologische Aktivität verloren hat. Sind die hohen Anfangshürden genommen, kann man versuchen, das Peptid nachzubauen.

Heute gilt das Interesse den langen Peptiden

Der Begriff „Peptid“ selbst geht auf den deutschen Chemiker und Nobelpreisträger (1902) Emil Fischer zurück, dem 1901 erstmals die Synthese eines Dipeptids gelang. Mit der Etablierung der Festphasen-Synthese erhielt die Peptidforschung (R. M. Merrifield erhielt dafür 1984 den Nobelpreis) einen Schub – der Zugang zu größeren Mengen und reineren Substanzen war geschafft. Später wurde die Festphasen-Synthese automatisiert, Peptid-Synthesizer wurden kommerzialisiert. Hinzu kam die Möglichkeit der rekombinanten Herstellung.

Heute beschäftigt sich die Peptidchemie mit der Herstellung besonders langer Peptide. Denn Peptid-Synthesizer kommen verfahrensbedingt nur bis zu einer Länge von bis zu 30 Aminosäuren in Frage, erklärt Tanja Weil. Die Synthese längerer Peptide gelinge mittlerweile mit Hilfe sogenannter Ligationen, indem man mehrere kurze Peptide zu langen Strukturen verknüpft.

Peptide waren für den Chemiker schon immer attraktiv, weil sie ihm multifunktionale Bausteine an die Hand geben. Ihre zwei reaktiven Gruppen (Carboxy-, Amino-) können zur Polymerisation genutzt werden. Hinzu kommen Seitenketten (mit Ausnahme von Glycin), die wiederum auch funktionelle Gruppen tragen können. Über eine „ausgefeilte Schutzgruppenchemie“ (Tanja Weil) lassen sich Makromoleküle herstellen, die sehr präzise (Sequenz, Länge) definiert sind.

Einen ganz besonderen Weg der Peptidsynthese geht das Unternehmen PEPperPRINT aus Heidelberg, das Peptidarrays herstellt, indem es Peptide mittels Laserdrucker auf Chips druckt.

Peptide als Wirkstoffe

Peptide als Wirkstoffe genießen seit einigen Jahren wieder vermehrte Aufmerksamkeit. Tatsächlich haben Marktbeobachter Hunderte von peptidbasierten Wirkstoffkandidaten in klinischer Entwicklung und noch wesentlich mehr in vorgerückten Phasen der Präklinik in den Pipelines von Pharma und Biotech ausgemacht. Da alle Organismen antimikrobielle Peptide bilden, sucht man intensiv in unterschiedlichen, oft exotischen Organismen - wie Kröten, Spinnen und Schlangen, aber auch Pflanzen und Pilzen - nach neuen Wirkstoffen. Inzwischen hat man auch von Bakterien wie E. coli produzierte Peptide mit antibiotischer Wirkung entdeckt, sogenannte Mikrozine (vgl. Zschüttig et al.).

Das neu gegründete Ulmer Zentrum für Peptidpharmazeutika (UPEP) hingegen stellt die Peptide des Menschen in den Fokus. Die dortigen Forscher suchen im humanen Peptidom nach bioaktiven und immunmodulatorischen Substanzen. Unter anderem wurden von Forschern des UPEP bereits Peptide gefunden, die die Infektiosität von HIV beeinflussen.

Prominentes Beispiel für den Einsatz von Peptiden zu therapeutischen Zwecken ist der gerade in Phase III befindliche peptidbasierte Impfstoff gegen Nierenkrebs des Tübinger Biotech-Unternehmens immatics biotechnologies. Aber auch in der Medizintechnik kommen Peptide zum Einsatz. So werden Implantate entwickelt, die mit antimikrobiellen Peptiden beschichtet sind oder auf denen Peptide aufgebracht sind, die die Biokompatibilität des Implantates erhöhen.

Auch außerhalb der Medizin gibt es interessante Verwendungsmöglichkeiten für Peptide. Am Institut für Technische Biochemie an der Universität Stuttgart wird an Verbundmaterialien aus Peptiden und anorganischen Komponenten geforscht. Solche Schichtenaufbauten sind zum Beispiel interessant für die Konstruktion elektronischer Bauelemente.

Literatur:

Königshoff M, Brandenburger T. Kurzlehrbuch Biochemie. Stuttgart/New York: Thieme 2012 (3., überarbeitete Aufl.)

Caboche S, Leclère V, Pupin M, Kucherov G, Jacques P: Diversity of monomers in nonribosomal peptides: towards the prediction of origin and biological activity. J Bacteriol 2010;192(19), 5143-50, doi: 10.1128/JB.00315-10

Venoms for Health, EU-Projekt des  7. FRP (2011-2015): https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.venomics.eu

Zschüttig A, Zimmermann K., Blom J, Goesmann A, Pöhlmann Ch, Gunzer F: Identification and Characterization of Microcin S, a New Antibacterial Peptide Produced by Probiotic Escherichia coli G3/10,  March 30, 2012, DOI: 10.1371/journal.pone.003335 (PLoS ONE), https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0033351

Emil Fischer - Biographical: https://www.gesundheitsindustrie-bw.dewww.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1902/fischer-bio.html

The Antimicrobial Peptide Database: https://www.gesundheitsindustrie-bw.deaps.unmc.edu/AP/main.php

Probleme beim Drug-Design

Obwohl Peptide bereits seit vielen Jahren als Wirkstoffe dienen, stellt die Verabreichung noch immer ein Problem dar. Peptide werden im Magen-Darm-Trakt schnell abgebaut, so dass sie subkutan oder intravenös verabreicht werden müssen. Weiterhin werden sie schnell über Nieren und Leber ausgeschieden. An der Entwicklung neuer Verpackungsformen, aber auch an modifizierten Peptidstrukturen, die die Moleküle zum Beispiel stabiler machen, wird deshalb intensiv geforscht. Da Peptide einerseits synthetisch relativ gut hergestellt werden können, andererseits vielfältige Prozesse im Körper entscheidend beeinflussen, sind sie für die Pharmaindustrie aber trotz der genannten Probleme sehr interessant.

KS

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Ein Antibiotikum ist ein Stoffwechselprodukt von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze), das in geringen Konzentrationen andere Mikroorganismen in ihrem Wachstum hemmt.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Escherichia coli (Abk.: E. coli) ist ein Colibakterium, das im menschlichen Darm vorkommt. Varianten dieses Colibakteriums (E. coli K12), denen bestimmte, für das Überleben in freier Wildbahn notwendige Eigenschaften des Wildtypbakteriums fehlen, werden in der Gentechnik häufig als so genannter Empfängerorganismus für die Klonierung von rekombinanten DNA-Stücken eingesetzt.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Hormon ist eine biochemisch aktive Substanz, die als Botenstoff von ihrem Entstehungsort zu ihrem Zielort transportiert wird (häufig über das Blut) und dort eine Reaktion in der Zelle auslöst. Insulin wird z.B. in der Bauchspeicheldrüse produziert, gelangt über das Blut zum Muskel und sorgt dort für eine Senkung des Blutzuckerspiegels.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Ein Monomer ist die kleinste Moleküleinheit (Baustein) eines Oligomers bzw. Polymers.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Die Rekombination ist der Vorgang, bei dem DNA neu kombiniert wird. Als natürlicher Prozess findet Rekombination bei der geschlechtlichen Vermehrung während der Meiose statt. Bei der In-vitro-Rekombination werden mit Hilfe molekulargenetischer Methoden DNA-Abschnitte unterschiedlicher Herkunft miteinander verknüpft.
  • Das Ribosom ist Protein-Nukleinsäurekomplex zur Proteinbiosynthese unter Verwendung von mRNA als Vorlage.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • HIV ist die Abkürzung für Humaner Immundefizienz Virus, dem Auslöser von AIDS. Dabei handelt es sich um einen Retrovirus, dessen genetisches Material aus RNA besteht.
  • Ein Peptid ist eine organisch-chemische Verbindung, die aus mehreren Aminosäuren (AS) besteht, die miteinander zu einer Kette verbunden wurden. Die Aminosäuren sind über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Als Peptide bezeichnet man relativ kurze Aminosäurenketten (20 - 100 Aminosäuren), dagegen bezeichnet man längere Aminosäurenketten (>100) als Proteine.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Neurotransmitter sind biochemische Botenstoffe, die an der Synapse, der Kontaktstelle zwischen Nervenzelle und Zielzelle, ausgeschüttet werden und so für die Signalweiterleitung sorgen. Die Ausschüttung der Transmittermoleküle wird durch ankommende elektrische Impulse (Aktionspotenziale) in der Nervenzelle veranlasst. Die Neurotransmitter binden nach der Ausschüttung an spezifische Rezeptoren in der Membran der nachgeschalteten Zielzelle und lösen dadurch wiederum ein Aktionspotenzial aus.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Magnetresonanztomografie (MRT) oder auch Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Die MRT beruht auf der Nutzung magnetischer Felder und erlaubt die Erzeugung sehr genauer Schnittbilder des menschlichen Körpers.
  • Glykosilierung ist das Anbringen von Zuckerstrukturen an Proteinen, bspw. zur Erhöhung der Stabilität eines Proteins.
  • Wachstumsfaktoren sind Proteine, die die Vermehrung und die Differenzierung von spezifischen Zelltypen und Geweben eines Organismus anregen.
  • Als Autoimmunerkrankungen werden Krankheiten bezeichnet, bei denen das eigene Immunsystem gegen körpereigenen Zellen vorgeht. Diese Erkrankungen beruhen auf einer gestörten Fremd- bzw. Selbst-Erkennung des Immunsystems.
  • HPLC ist die Abkürzung für High Pressure Liquid Chromatography, übersetzt bedeutet dies: Hochdruck-Flüssigkeitschromatografie. HPLC ist ein hochanalytisches Auftrennverfahren für Gemische.
  • Die Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Messung des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses eines Teilchens. Bei biologischen Fragestellungen werden meist Proteine massenspektrometisch untersucht.
  • Biokompatibilität heißt wörtlich übersetzt: in Einklang mit Lebensvorgängen. Sie bezeichnet die wechselseitige Verträglichkeit zwischen einem technischen und einem biologischen System. Biokompatibel sind Werkstoffe, die keinen negativen Einfluss auf Lebewesen in ihrer Umgebung haben. Die Biokompatibilität ist auch ein Maß für die biologische Abbaubarkeit von verunreinigenden Stoffen in Abwässern.
  • Bioaktive Substanzen sind Stoffe in Lebensmitteln, die meist eine gesundheitsfördernde biologische Wirkung auf den menschlichen Körper haben, aber keine Nährstoffe bzw. Energie liefern. Sie haben häufig entzündungshemmende, antioxidative, immunmodulierende oder antikanzerogene Wirkung.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/peptide-vielfaeltige-molekuele-des-lebens/