Ein Polypeptid ist eine Verbindung, die aus zwei oder mehr Aminosäuren besteht, die durch Peptidbindungen (Amidbindungen) verbunden sind. Polypeptide spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der funktionellen Aktivitäten verschiedener Systeme, Organe, Gewebe und Zellen im Körper und werden häufig in der Funktionsanalyse, Antikörperforschung und Arzneimittelentwicklung eingesetzt. Die Modifizierung von Polypeptiden zur Veränderung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften ist eine gängige Technik in der Polypeptidforschung. Polypeptidmodifikationen sind vielfältig und können basierend auf der Modifikationsstelle in N-terminale Modifikationen, C-terminale Modifikationen, Seitenkettenmodifikationen, Aminosäuremodifikationen und Rückgratmodifikationen eingeteilt werden (Abbildung 1). Als wichtiges Mittel zur Veränderung der Hauptkettenstruktur oder der Seitenkettengruppen von Peptiden kann die Polypeptidmodifikation die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Peptidverbindungen effektiv verändern, die Wasserlöslichkeit erhöhen, ihre Bioverteilung verändern, die Wirkungszeit in vivo verlängern, toxische Nebenwirkungen reduzieren und die Immunogenität beseitigen. Heute stellen wir einige der wichtigsten Polypeptidmodifikationen und ihre Eigenschaften vor.
1. Zyklisierung
In der Natur sind viele biologisch aktive Polypeptide zyklische Polypeptide; Daher finden zyklische Peptide zahlreiche Anwendungen in der modernen Biomedizin. Zyklische Peptide weisen im Vergleich zu linearen Peptiden eine bessere Steifigkeit auf und sind äußerst resistent gegenüber dem Verdauungssystem, sodass sie im Verdauungstrakt überleben können und eine stärkere Affinität zu Zielrezeptoren aufweisen. Zyklische Peptide werden typischerweise durch Cyclisierung gebildet, die in Seiten-Ketten-zu-Seiten--, terminale -zu-Seiten-- und terminale -zu-terminale (Kopf-zu-Schwanz verknüpfte) Cyclisierungsmethoden eingeteilt werden kann.
(1) Seiten-ketten-zu-Seite-cyclisierung
Die Disulfidbrücke zwischen Cysteinresten ist eine der gebräuchlichsten Methoden zur Bildung von Peptidringen, und diese Methode gehört zur Seiten-Ketten-zu-Seite--Zyklisierung. Diese Zyklisierung wird eingeleitet, indem ein Paar Cysteinreste entschützt und anschließend oxidiert wird, um eine Disulfidbindung zu bilden. Eine polyzyklische Synthese kann durch selektives Entfernen der Thiol-Schutzgruppe erreicht werden. Die Cyclisierung kann entweder im Lösungsmittel nach der Dissoziation oder am Harz vor der Dissoziation durchgeführt werden. Da Peptide auf Harz nicht leicht zyklisierbare Konformationen bilden, ist die Zyklisierung auf dem Harz möglicherweise weniger effizient als die Zyklisierung im Lösungsmittel. Die zweite Art der Seiten-ketten-seiten--Kettencyclisierung beinhaltet die Bildung einer Amidstruktur zwischen Asparaginsäure- oder Glutaminsäureresten und der basischen Aminosäure. Dies erfordert, dass die Schutzgruppe an der Seitenkette sowohl am Harz als auch nach der Dissoziation selektiv entfernt werden muss. Die dritte Art der Seiten-ketten-seiten--Kettencyclisierung beinhaltet die Bildung eines Biphenylethers aus Tyrosin oder p-Hydroxyphenylglycin; Die Herstellung dieser Verbindungen erfordert jedoch besondere Reaktionsbedingungen und wird daher bei der Synthese herkömmlicher Peptide nicht häufig verwendet.
(2) Terminal-zu-Seitenkette
Die terminale --zu---Seitenkettencyclisierung beinhaltet typischerweise die Bildung einer Amidbindung zwischen dem C--Terminus und der Aminogruppe der Lysin- oder Ornithin-Seitenkette oder zwischen dem N--Terminus und der Asparagin- oder Glutaminsäure-Seitenkette. Einige Peptidcyclisierungen werden auch durch die Bildung einer Etherbindung zwischen dem terminalen C--Terminus und der Serin- oder Threonin-Seitenkette gebildet.
(3) Die Kopf---zu---Schwanz- (oder terminale -terminale) Cyclisierung erfolgt durch Amidierung der N-terminalen Aminogruppe und der C-terminalen Carboxylgruppe des Peptids. Kettenartige Peptide können in einem Lösungsmittel cyclisiert oder über Seitenkettencyclisierung an einem Harz immobilisiert werden. Die Cyclisierung in Lösungsmitteln sollte mit niedrigen Peptidkonzentrationen durchgeführt werden, um eine Oligomerisierung zu vermeiden. Die Ausbeute der Kopf---zu---Schwanzkettensynthese zyklischer Peptide hängt von der Sequenz des Kettenpeptids ab. Daher sollte vor der Herstellung zyklischer Peptide im großen Maßstab zunächst eine Bibliothek potenzieller Kettenleitpeptide erstellt und anschließend zyklisiert werden, um die Sequenz zu finden, die die besten Ergebnisse liefert.
2. Glykosylierung
Unsere häufigsten Glykopeptide wie Vancomycin und Teicoplanin sind wichtige Antibiotika zur Behandlung arzneimittelresistenter bakterieller Infektionen. Andere Glykopeptide werden häufig zur Stimulierung des Immunsystems eingesetzt. Da viele mikrobielle Antigene außerdem glykosyliert sind, ist die Untersuchung von Glykopeptiden für die Verbesserung der therapeutischen Wirksamkeit von Infektionen von Bedeutung. Andererseits haben Studien herausgefunden, dass Proteine auf den Zellmembranen von Tumorzellen eine abnormale Glykosylierung aufweisen, weshalb Glykopeptide eine wichtige Rolle in der Krebs- und Tumorimmunabwehrforschung spielen. Bei der Herstellung von Glykopeptiden wird im Allgemeinen die Fmoc/t-Bu-Methode verwendet. Glykosylierte Reste wie Threonin und Serin werden häufig über einen durch Pentafluorphenolester aktivierten Fmoc-Schutz in Peptide eingeführt.
3. Phosphorylierung
In menschlichen Zellen sind mehr als 30 % der Proteine phosphoryliert. Phosphorylierung, insbesondere reversible Phosphorylierung, spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung vieler zellulärer Prozesse, wie z. B. Signaltransduktion, Genexpression, Zellzyklus- und Zytoskelettregulation sowie Apoptose.
Phosphorylierung kann an einer Vielzahl von Aminosäureresten beobachtet werden, die häufigsten Phosphorylierungsziele sind jedoch Serin-, Threonin- und Tyrosinreste. Phosphotyrosin-, Phosphothreonin- und Phosphoserinderivate können während der Synthese in Peptide eingeführt oder nach der -Synthese gebildet werden. Eine selektive Phosphorylierung kann mithilfe von Serin-, Threonin- und Tyrosinresten unter selektiver Entfernung von Schutzgruppen erreicht werden. Einige Phosphorylierungsmittel können durch nachträgliche Modifikation auch Phosphatgruppen in Peptide einführen. Kürzlich gab es Fälle von ortsspezifischer Phosphorylierung von Lysin mithilfe der chemoselektiven Staudinger-{7}Phosphitreaktion.
