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Tutorial MenueProteinaufbauLerneinheit 2 von 3

Peptide und Proteine: Strukturen, Eigenschaften und Funktionen

Cyclische Peptide

In der Natur existieren zahlreiche cyclische Peptide, die sich vor allem durch das Vorkommen ungewöhnlicher Aminosäuren im Peptid auszeichnen. Chemisch wird bei den cyclischen Peptiden unterschieden in

  • homodetische Peptide, bei denen die Aminosäuren über Amid-Bindungen verknüpft sind
  • heterodetische Peptide, bei denen auch Ester-Bindungen, Disulfid-Brücken o.a. Bindungen im Ring vorkommen

Die meisten der natürlich vorkommenden cyclischen Peptide gehören zu einer der folgenden Gruppen:

  1. Antibiotika
  2. Toxine
  3. Neuropeptide wie das Oxytocin oder [Lys8]-Vasopressin
  4. Eisen-Chelatoren wie Ferrichrome oder Albomycine

1. Antibiotika

Cyclische Peptid-Antibiotika werden von einer Vielzahl von Bakterien produziert, so z.B. von Bacillus- und Streptomyces-Arten, von Actinomyceten oder dem Proteobacterium Serratia marcescens. Viele dieser Antibiotika sind toxisch und wirken sowohl gegen Mikroorganismen als auch gegen Tumorzellen im eukaryontischen Organismus. Einige Beispiele sind:

  • Monamycine: Monamycine(A-I) werden von Streptomyces-Arten synthetisiert und bilden eine große Gruppe von cyclischen Depsipeptiden mit fünf Aminosäuren und einer Hydroxysäure im Ring. Sie enthalten auch seltene Aminosäuren wie z.B. D-Ile, trans-4-Methylprolin oder 3R-Piperazinsäure.
  • Bacitracine wurden 1945 von Johnson et al. entdeckt und in die Komponenten A-F getrennt. Die Hauptkomponente war das Bacitracin A, ein Heptapeptidring aus 25 Mitgliedern, der bei pH 7 oder im leicht Alkalischen in das erheblich weniger aktive Bacitracin F übergeht.
  • Gramicidin S wurde erstmalig 1944 von Gause und Brazhnikova aus dem Kulturüberstand von Bacillus brevis isoliert. Gramicidin S wird selbst nicht an Ribosomen, sondern einem cytoplasmatischen Multienzym-Komplex synthetisiert und wirkt auf einen weitern Bereich biologischer und synthetischer Membranen. Je nach Konzentration reicht die Wirkung von einem Absenken der Membranfluidität und Aktivierung/Inhibierung membranständiger Enzyme über geänderte Ionenpermeabilität bis hin zu einer völligen Zerstörung der Membran.
  • Tyrocidine (A-E) sind cyclische Dekapeptide wie das Gramicidin S und haben mit diesem ein Pentapeptid-Fragment gemeinsam
  • Valinomycin wurde 1955 von Brockmann und Schmidt-Kastner zum ersten Mal aus Streptomyceten isoliert. Dieses cyclische Dodecadepsipeptid ist eines der wichtigsten ionophoren Antibiotika. Schon ein einer Konzentration von < 10-8 M induziert es eine selektive K-Permeabilität in biologischen und künstlichen Membranen. Valinomycin tötet die Zielzelle nicht ab, sondern wirkt bakteriostatisch.

Im Gegensatz zu den Proteinen werden diese cyclischen Peptide non-ribosomal mittels Multienzymkomplexen synthetisiert, wie Valinomycin, Tyrocidin, Gramicidin oder Bacitracin. Dies trifft jedoch nicht immer zu. So werden so genannte Lantibiotika ribosomal als Präpolypeptid synthetisiert. Danach werden durch post-translationale Modifizierung von Ser-, Thr- und Cys-Resten Lanthionin und Methyl-lanthionin gebildet.

2. Toxine

Cyclische Peptide, die für höherere Pflanzen und Tiere tödlich sind, werden vor allem von Pilzen wie Aspergillus oder Penicillium synthetisiert. In diese Gruppe gehört z.B. das Aspochalasin, ein potentes Inzektizid gegen die Larven des Seidenspinners.

Der Pilz Alternaria mali produziert eine Reihe toxischer Tetradepsipeptide, die nekrotische, braune Stellen auf den Blättern von Apfelbäumen verursachen (die AM-Toxine I-III).

Eher bekannt sind die Toxine des Knollenblätterpilzes (Amanita phalloides), die in Phallotoxine und Amatoxine (Amanitine) unterschieden werden. Phallotoxine (Phalloidin, Phalloin u.a.) beeinträchtigen Leberzellen, indem sie die Aggregation von Actin-ähnlichen Proteinen zu filamentösen Strukturen verursachen (sie induzieren auch die Polymerisation von G-Actin zu F-Actin im Skelettmuskel). α-Amanitin bindet an die DNA-abhängige RNA-Polymerase in Eukaryonten und wird daher häufig in der biomedizinischen Forschung zur Hemmung der mRNA-Synthese verwendet.

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