Peptidbindung
Die Peptidbindung ist die kovalente Verknüpfung zweier aufeinanderfolgender Aminosäuren innerhalb eines Peptids oder Proteins. Chemisch handelt es sich um eine Amidbindung, die durch Reaktion zwischen der Carboxylgruppe (-COOH) am C-Terminus einer Aminosäure und dem primären Amin (-NH2) am N-Terminus der nächsten entsteht. Diese Kondensation setzt ein Wassermolekül (H2O) frei und erzeugt eine starre C-N-Bindung: Es ist die Polykondensationsreaktion, die die gesamte Vielfalt der Peptide und Proteine hervorbringt.
Die Peptidbindung weist drei wesentliche strukturelle Merkmale auf. Erstens ihre Planarität: Die sechs beteiligten Atome (Calpha-C(=O)-N-Calpha beider Reste) liegen in einer Ebene, bedingt durch die Resonanz, die der C-N-Bindung partiellen Doppelbindungscharakter verleiht. Diese Planarität erzwingt starke sterische Einschränkungen der Peptidkonformation und beschränkt die Rotation auf die Bindungen phi (Calpha-N) und psi (Calpha-C). Das Ramachandran-Diagramm bildet diese erlaubten Winkel ab und erklärt, warum Peptide bevorzugt Sekundärstrukturen wie Alpha-Helix, Beta-Faltblatt oder Schleifen annehmen.
Zweitens liegt die Peptidbindung fast ausschließlich in trans-Konfiguration vor (Winkel omega ungefähr 180 ), außer bei Prolinresten, bei denen cis-Konfigurationen eine Häufigkeit von 5-10% erreichen. Diese trans-Präferenz minimiert sterische Zusammenstöße zwischen den Seitenketten. Drittens ist die Bindung chemisch sehr stabil: Ihre Spaltung erfordert entweder eine stark saure Hydrolyse (6M HCl, 110 C, 24h) oder spezialisierte Enzyme, die Proteasen (Trypsin, Chymotrypsin, Pepsin, zelluläre Peptidasen).
Bei der Festphasen-Peptidsynthese (SPPS, Merrifield-Methode) wird die Peptidbindung durch chemische Aktivierung der Carboxylgruppe mittels Kupplungsreagenzien wie HBTU, HATU oder DIC/HOBt gebildet, gefolgt vom nukleophilen Angriff des freien Amins. Jede Kupplung muss eine Ausbeute von über 99.5% erreichen, um ein Peptid mit einer HPLC-Reinheit von >95% ohne exponentielle Anhäufung von Verunreinigungen zu erhalten. Schutzgruppen (Fmoc am Amin, tert-Butyl oder Trityl an den Seitenketten) verhindern Nebenreaktionen während der Kettenverlängerung.
Die enzymatische Spaltung von Peptidbindungen ist der Schlüssel zur Proteolyse: Trypsin spaltet spezifisch nach Lysin oder Arginin, Chymotrypsin nach aromatischen Resten (Phe, Trp, Tyr), während Aminopeptidasen und Carboxypeptidasen die Enden kürzen. Dieses Wissen ermöglicht es, die In-vivo-Halbwertszeit von Peptiden vorherzusagen und Modifikationen zu entwerfen (Zyklisierung, D-Aminosäuren, Aib, PEGylierung), die das Rückgrat versteifen und der Proteolyse widerstehen.