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Teilprojekt D03

D03: Untersuchungen zum Einfluss von Fluoralkyl-Substituenten auf die Ausbildung intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen in Peptiden

  • Prof. Dr. Beate Koksch
  • Prof. Dr. Hans-Ulrich Reißig
  • Dr. Constantin Czekelius

Überblick (.pdf)


Wasserstoffbrückenbindungen spielen eine zentrale Rolle bei intra- und intermolekularen Wechselwirkungen in molekularen Erkennungsprozessen, Kristallpackung und der Faltung von Peptiden. In Proteinen sind sie von fundamentaler Bedeutung für die Ausbildung der Sekundärstrukturelemente, wie b-Faltblätter, a-Helices und b-turns. Die Fähigkeit von Fluoralkylsubstituenten als Akzeptoren für Wasserstoffbrücken zu fungieren ist noch immer ein kontrovers diskutiertes Thema. Kui et al. konnten kürzlich die Ausbildung einer intramolekularen C-HF-C-Brücke in Lösung mittels NMR nachweisen [1]. Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe zum Einfluss von Fluoralkyl-substituierten Aminosäuren auf die Proteasestabilität von Peptiden unter Anwendung von empirischen Kraftfeldrechnungen haben gezeigt, dass eine Trifluormethylgruppe eine den katalytischen Mechanismus begünstigende Orientierung im aktiven Zentrum von a-Chymotrypsin einnehmen kann, wodurch vermutlich eine substratvermittelte Katalyse möglich wird [2]. Diese Ergebnisse führen zu der Annahme, dass fluoralkylierte Peptide aufgrund der hohen Elektronendichte der Fluorsubstituenten in der Lage sind, mit Proteinen neben Dipol-Dipol-Wechselwirkungen auch Wasserstoffbrücken-Bindungen einzugehen.

 

Verschiedene Modelle zur Untersuchung von Mechanismen der Peptid-/Proteinfaltung wurden in der Literatur beschrieben. Dazu gehören die template assembled synthetic proteins (TASP’s), die ausschließlich auf Peptidstrukturen basieren [3]. Oligoharnstoff-Derivate eignen sich ebenfalls als molecular scaffolds zur Anknüpfung von Peptidsträngen in definiertem Abstand zueinander, so dass deren Wechselwirkungen anhand von X-ray, NMR- und IR-Methoden untersucht werden konnten [4]. Letztere Systeme wurden auch in unserer Arbeitsgruppe zum Studium der molekularen Wechselwirkungen von fluorierten Aminosäuren etabliert, haben sich jedoch wegen ihres komplizierten synthetischen Zugangs und ihrer schlechten Löslichkeit als ungeeignet erwiesen [5]. In unserer Arbeitsgruppe wurde basierend auf dem a-helikalen coiled coil Faltungsmotiv ein Peptidmodell entwickelt, das erstmalig eine systematische Untersuchung der Eigenschaften erlaubt, die fluorierte Aminosäuren in einer nativen Protein-Umgebung ausbilden [6]. Wir konnten zeigen, dass im Fall hydrophober Proteindomänen die elektronischen Eigenschaften des Fluors den sterischen Anspruch überkompensieren. Hydrophobe Wechselwirkungen werden umso stärker beeinträchtigt, je größer die Anzahl polarisierter H-Atome ist. Im Rahmen des Graduiertenkollegs wollen wir ein Peptidmodell etablieren, mit dem wir untersuchen können, in wieweit Fluorsubstituenten den durch sie modifizierten Peptiden die Fähigkeit verleihen, direkt mit Proteinen Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen und dadurch entweder stabile Protein-Peptid-Intermediate zu bilden bzw. katalytische Prozesse zu beeinflussen. Die Grundlage bildet das a-helikale coiled coil [7]. Dieses wird per design so konstruiert, dass eine heteromere Aggregation zwischen zwei monomeren Peptidsträngen zum coiled coil-Dimer erfolgt. Jeweils eine proteinogene Aminosäure eines der Peptide (B) wird durch eine fluorierte Aminosäure ausgetauscht. Das damit in Wechselwirkung tretende zweite Peptid (A) trägt an verschiedenen Positionen, die für eine direkte Wechselwirkung mit der fluorierten Aminosäure in Frage kommen, eine Seitenkette mit H-Brücken-Donor-Funktion, wie z.B. Serin. Die Substitutionen in beiden Peptiden erfolgt innerhalb der hydrophoben Wechselwirkungsdomäne, so dass sich die Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung vorteilhaft auf die Stabilität der Aggregate auswirken sollte.  Die resultierenden Analoga werden per CD-Spektroskopie hinsichtlich ihrer Struktur und deren Stabilität charakterisiert. Der Einfluss der fluorierten Seitenkette auf die Spezifität der Faltung wird mittels FRET unersucht. Der Nachweis der Ausbildung von polaren Wechselwirkungen zwischen der fluorierten Seitenkette und dem H-Brücken-Donor innerhalb der hydrophoben Domäne wird mittels Festkörper-NMR nachgewiesen. Dieses Modellsystem ermöglicht die Untersuchung der Tendenzen zur Ausbildung von polaren Wechselwirkungen bzw. Wasserstoffbrückenbindungen in Abhängigkeit vom Fluorierungsgrad und der Position der Fluorierung innerhalb der Aminosäure-Seitenkette in ihrer natürlichen Umgebung. In diese Untersuchungen sollen auch neuartige Aminosäuren eingeschlossen werden, die durch Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Reißig und Czekelius zugänglich werden.


[1]       S. C. F. Kui, N. Zhu, M. C. W. Chan, Angew. Chem. 2003, 115, 1666-1670.

[2]       R. Smits, B. Koksch, Curr. Topics Med. Chem. 2006, 6, 1483-1498.

[3]       G. Tuchscherer, B. Dömer, U. Sila, B. Kabmer, M. Mutter, Tetrahedron 1993, 49, 3559-3575.

[4]       J. S. Nowick, S. Mahrus, E. M. Smith, J. W. Ziller, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 1066-1072.

[5]       M. Salwiczek, B. Koksch, Unveröffentlichte Ergebnisse

[6]       C. Jäckel, M. Salwiczek, B. Koksch, Angew. Chem. 2006, 118, 4305-4309.

[7]       J. M. Mason; K. M. Arndt, ChemBioChem 2004, 5, 170-176.

Humboldt Universität zu Berlin
DFG