Peptidbindung und Primärstruktur

Peptidbindung und Primärstruktur in der Chemie

In der Biologie hast du sicher schon von Eiweißen gehört. Eiweiße werden auch als Proteine bezeichnet und setzen sich aus Aminosäuren zusammen. Diese sind über eine ganz bestimmte Art von Bindung miteinander verknüpft – die Peptidbindung. Im Folgenden wollen wir uns mit der Peptidbindung und der so entstehenden Primärstruktur von Polypeptidketten auseinandersetzen.

Eine einzelne Aminosäure hat in der Neutralform die allgemeine Struktur $\ce{NH2-R-COOH}$. Ein Aminosäuremolekül hat also zwei funktionelle Gruppen: eine Aminogruppe $\left( \ce{-NH2} \right)$ und eine Carboxygruppe $\left( \ce{-COOH} \right)$. Aufgrund der besonderen Ladungsverteilung im Molekül liegen Aminosäuren allerdings oft als sogenanntes Zwitterion vor. Der Wasserstoff der Carboxygruppe wandert zur Aminogruppe und es bildet sich die Struktur $\ce{NH3^{+}-R-COO^{-}}$.

Diese wichtige Eigenschaft erklärt, warum Aminosäuren lange Ketten bilden können. Sie spielt auch ganz allgemein bei der Veresterung und Acylierung von Aminosäuren eine große Rolle.
Wie Aminosäuren zu Peptiden verknüpft werden, sehen wir uns im Folgenden an.

Definition von Peptidbindung und Primärstruktur

Eine Peptidbindung ist eine Carbonsäureamid-Bindung. Es wird also eine Carbonsäure (die Aminosäure) über ein Stickstoffatom verknüpft. Dabei reagiert die Carboxygruppe $\left( \ce{-COOH} \right)$ einer Aminosäure mit der Aminogruppe $\left( \ce{-NH2} \right)$ einer weiteren Aminosäure.
Werden auf diese Weise zwei Aminosäuren durch eine Peptidbindung verknüpft, ergibt sich ein Dipeptid. Bei einer Kette aus einer geringen Anzahl von Aminosäuren (bis zu $10$) spricht man von einem Oligopeptid. Für längere Ketten lautet die Bezeichnung Polypeptid. Natürlich vorkommende Polypeptidketten enthalten meist $50$ bis $2\,000$ Aminosäuren und werden als Proteine bezeichnet. Wichtig ist dabei auch die Abfolge der einzelnen Aminosäuren in der Molekülkette. Sie wird Sequenz genannt. Die Sequenz definiert die Primärstruktur eines Proteins.

In der Natur sind über $400$ verschiedene Aminosäuren bekannt. Die Proteine im menschlichen Körper werden aus $21$ verschiedenen Aminosäuren gebildet. Da kannst du dir vorstellen, dass es sehr viele Möglichkeiten gibt, diese Aminosäuren in Ketten anzuordnen. Demnach gibt es auch sehr viele verschiedene Proteine bzw. Primärstrukturen. Derzeit wird die Anzahl der verschiedenen Proteine allein im menschlichen Körper auf $80\,000$ bis $400\,000$ geschätzt.

Entstehung der Peptidbindung

Schauen wir uns die Entstehung der Peptidbindung an einem konkreten Beispiel an: Die Verknüpfung zweier Glycinmoleküle $\left( \text{Gly} \right)$. Durch die Definition der Peptidbindung wissen wir, dass die Carboxygruppe von einem Glycinmolekül mit der Aminogruppe des anderen Glycinmoleküls reagiert. Dabei wird aus der Carboxygruppe eine Hydroxygruppe $\left( \ce{-OH} \right)$ entfernt und aus der Aminogruppe ein Wasserstoffatom $\left( \ce{H} \right)$. In Summe wird also bei dieser Reaktion ein Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$ abgespalten bzw. freigesetzt. Die Reaktion ist daher auch eine Kondensationsreaktion.

Die beiden Molekülfragmente der Glycinmoleküle verbinden sich zu Glycyl-Glycin $\left( \text{Gly–Gly} \right)$ unter Bildung einer Amidbindung (Carbonsäureamid-Bindung). Das neu entstandene Molekül gehört daher in die Gruppe der Säureamide (bzw. Carbonsäureamide). Im Fall der Aminosäuren bezeichnet man die Amidbindung als Peptidbindung. Sie verbindet das Amino-Ende einer Aminosäure mit dem Carboxy-Ende einer weiteren Aminosäure.
Im Umkehrschluss bedeutet das, dass es auch nach dem Zusammenschluss immer ein Carboxy- und ein Aminoende gibt (an den jeweils anderen Enden der verbundenen Moleküle).
Die Umkehrreaktion der Kondensationsreaktion ist die Hydrolyse. Diese sehen wir uns im Folgenden genauer an.

Spaltung der Peptidbindung

Da eine Peptidbindung (oder Amidbindungen im Allgemeinen) durch eine Kondensationsreaktion entsteht, liegt es nahe, dass die Spaltung durch deren Umkehrreaktion – also eine Hydrolyse – erfolgt. Hier kommt es zur Reaktion mit einem Wassermolekül $\left( \ce{H2O} \right)$, wodurch es zur Spaltung der Peptidbindung kommt. Die Hydrolysereaktion lässt sich folgendermaßen beschleunigen (katalysieren):

• durch Temperaturerhöhung
• durch Säure- oder Basenkatalyse
• durch Enzyme, genauer gesagt die Enzymklasse der Peptidasen (auch Proteasen oder Proteinasen genannt.

Die Verknüpfung und Spaltung von Peptidbindungen durch Enzyme spielt eine große Rolle in den Zellen aller Lebewesen. Aus der DNA, genauer gesagt aus den Genen eines Lebewesens, werden die Aminosäuresequenzen ausgelesen, nach deren Bauplan die Enzyme dann Proteine zusammensetzen (und auch wieder auftrennen) können.

Eigenschaften der Peptidbindung

Betrachtet man eine Peptidbindung genauer, so stellt man fest, dass es sich um eine konjugierte Doppelbindung, also ein $\pi$-Elektronensystem handelt: Die $\pi$-Elektronen der Doppelbindung der Carbonylgruppe $\left( \ce{-C=O}\right)$ und des freien, nicht bindenden Elektronenpaars am Stickstoffatom $\left( \overline{\ce{N}}\right)$ nehmen im Molekül keine feste Position ein, sie sind delokalisiert. Daher lassen sich für die Peptidbindung zwei mesomere Grenzstrukturen formulieren:

Daraus ergeben sich zwei wichtige Eigenschaften der Peptidbindung:

• Die Bindung ist relativ stabil, da es mehrere (energetisch gleichwertige) stabile Zustände gibt.
• Die Bindungsgeometrie ist planar, da die $\ce{C-N}$-Verknüpfung aufgrund der $\pi$-Elektronen nicht frei drehbar ist.

Diese Betrachtungen spielen auch im Hinblick auf die Isomerie eine Rolle, die wir uns jetzt noch ansehen.

Isomerie der Peptide

Den Begriff der Isomerie hast du sicherlich schon einmal in Zusammenhang mit organischen Molekülen gehört. Isomere Verbindungen weisen zwar die gleiche Summenformel und Molekülmasse auf, unterscheiden sich aber in ihrer Molekülstruktur. Auch unter Oligo- und Polypeptiden kommt ein spezieller Fall der Isomerie vor: die Konstitutionsisomerie.
Was kannst du dir darunter vorstellen?
Betrachten wir beispielhaft ein Dipeptid, also eine Verbindung aus zwei Aminosäuren: Glycin $\left( \text{Gly} \right)$ und Alanin $\left( \text{Ala} \right)$. Wenn Glycin und Alanin ein Dipeptid bilden, so können zwei verschiedene, isomere Verbindungen entstehen:

Zum einen kann die Carboxygruppe des Glycins mit der Aminogruppe des Alanins reagieren. Es entsteht, chemisch gesprochen, Glycyl-Alanin $\left( \text{Gly–Ala} \right)$. Dabei wird ein Wassermolekül freigesetzt:

$\begin{array}{lclc} \text{Glycin} & & \text{Alanin} & \\[4pt] \ce{NH2-CH2-\color{red}{COOH}} & + & \ce{CH3-(CH-\color{red}{NH2})-COOH} & \longrightarrow \\[8pt] \text{Glycyl-Alanin} & & \text{Wasser} & \\[4pt] \ce{NH2-CH2-\color{red}{CO-NH}-(CH-CH3)-COOH} & + & \ce{H2O} & \end{array}$

Der Glycinrest bildet das Aminoende, der Alaninrest das Carboxyende.

Zum anderen ist auch der umgekehrte Fall möglich. Dabei reagiert die Carboxygruppe des Alanins mit der Aminogruppe des Glycins. Es entsteht, chemisch gesprochen, Alanyl-Glycin $\left( \text{Ala–Gly} \right)$. Auch bei dieser Reaktion kommt es zur Freisetzung eines Wassermoleküls:

$\begin{array}{lclc} \text{Alanin} & & \text{Glycin} & \\[4pt] \ce{CH3-(CH-NH2)-\color{red}{COOH}} & + & \ce{\color{red}{NH2}-CH2-COOH} & \longrightarrow \\[8pt] \text{Alanyl-Glycin} & & \text{Wasser} & \\[4pt] \ce{NH2-(CH3-CH)-\color{red}{CO-NH}-CH2-COOH} & + & \ce{H2O} & \end{array}$

Hier bildet dann der Alaninrest das Aminoende und der Glycinrest das Carboxyende. Glycyl-Alanin und Alanyl-Glycin stellen also zwei Konstitutionsisomere dar: Sie haben die gleiche chemische Zusammensetzung, aber unterschiedliche Molekülstrukturen.
Zur Unterscheidung spricht man in der Biologie bei Polypeptidketten von einem N‑Terminus (Aminosäure mit Aminoende) und einem C‑Terminus (Aminosäure mit Carboxyende). Das ist insofern wichtig, da Polypeptidketten in biologischen Systemen immer am C‑Terminus verlängert werden.

Je mehr Aminosäuren eine Peptidkette enthält, desto mehr Konstitutionsisomere sind möglich. Die Zahl der Konstitutionsisomere kann mit $\ce{n!}$ berechnet werden, wobei $\ce{n}$ der Anzahl der unterschiedlichen Aminosäuren der jeweiligen Kette entspricht. Diese Zahl, die Fakultät von $\ce{n}$, kann sehr schnell sehr groß werden!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Peptidbindung