Beschreibung
Helikale Sekundärstrukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Faltung von Proteinen, der Ausbildung von Tertiärstrukturen und ihrer daraus resultierenden Funktion bei der Erkennung von Protein-Bindungsstellen. ß‑Peptid stellen eine besondere Klasse von Foldameren dar, die in Lösung gut definierte Strukturen bilden. Sie besitzen die Fähigkeit mit nur sechs Aminosäuren stabile helikale Sekundärstrukturen auszubilden und sind gegenüber enzymatischem Abbau und hohen thermischen Einflüssen beständig, was ihren Wert für viele biologische Funktionen verdeutlicht. Die 14-Helix ist eine der bekanntesten ß‑Peptid-Sekundärstrukturen, wobei eine Windung aus exakt drei Aminosäuren besteht, deren Seitenketten dieselbe Orientierung besitzen. Durch Funktionalisierung dieser Seitenketten mit Nukleobasen oder Janus-Molekülen können daher gezielt definierte sekundäre Strukturen gebildet werden, die durch Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden. Diese Eigenschaften bilden die Grundlage für die mögliche Verwendung von ß‑Peptiden als Proteinmimetika.
In dieser Arbeit wurde die Selbstanordnung mit Nukleobasen oder Janus-Molekülen funktionalisierter ?ß‑Peptid-Helices untersucht. Nukleobasen-modifizierte Nucleo-ß-Aminosäuren wurden an zwei Seiten derselben Helix eingebracht, da es sich als geeignetes System für die Bildung höherer molekularer Strukturen durch Selbstanordnung erwiesen hat. Die Nukleobasen fungieren hierbei als Erkennungseinheiten für den Aufbau von ß‑Peptid-Helices, da sie die dazu notwendigen Wasserstoffbrückenbindungen liefern. Die beiden übrigen Flanken der 14-Helix wurden zum einen mit 2‑Aminocyclohexancarbonsäure (ACHC) zur Induktion der notwendigen Stabilität sowie mit ß‑Homolysin ergänzt, um die Löslichkeit in wässrigen Medien zu gewährleisten. Zum Nachweis einer vorliegenden 14-helicalen Konformation wurde CD-Spektroskopie verwendet. Mittels temperaturabhängigen UV- und CD-spektroskopischen Untersuchungen konnten Stabilitäten der nukleobasen-funktionalisierten ß‑Peptid-Helices untersucht werden.
Zu Beginn der Arbeit wurden ß‑Peptide synthetisiert, welche die Nukleobasen, Guanin und Cytosin, enthielten, um ihre Fähigkeit zur Bildung selbsterkennender Strukturen zu untersuchen. Guanin und Cytosin sind bereits dafür bekannt, stabile Aggregate auszubilden. Dazu wurden zwei andere Oligomere synthetisiert, deren Sequenzen einander komplementär sind. Durch temperaturabhängige CD- und UV-Spektroskopie konnte die Bildung der stabilen 14-helicalen Struktur nachgewiesen werden. Eine äquimolare Mischung beider Oligomere zeigt die Ausbildung selbstangeordneter Strukturen. Der Nachweis der Formation nicht-kovalenter Komplexe konnte durch ESI-FTICR-Massenspektrometrie erhalten werden.
Selbstkomplementäre Nukleobasen funktionalisierte ß‑Peptidhelices wurden ebenfalls synthetisiert von denen keine höheren Aggregate außer Dimere nachgewiesen werden konnte. Der Grund hierfür könnte sein, dass höhere Aggregatstrukturen unter den verwendeten Messbedingungen nicht in die Gasphase übergangen sind. Die Funktionalisierung der Sequenz mit Guanin und Cytosin erwies sich als besonders geeignet, da sich dadurch eine hoch stabile 14-helikale Anordnung ausbildete, die auch bei Erhitzen auf 80 °C erhalten blieb. Die Fähigkeit der Stapelung von Nukleobasen ist für die Ausbildung einer stabilen 14-Helix wichtig, was durch den Austausch von ß‑Aminosäuren gegen Nukleobasen in der Helix belegt werden konnte. Für alle Oligomere, wurde erwartet, dass sie entweder Hexamere oder Bandstrukturen ausbilden.
Die Assoziation von Nukleobasen funktionalisierten ß‑Peptiden über ihre zwei Seiten kann durch den alternierenden Einbau von Janus-geformten ß‑Aminosäuren, die zwei Seiten für Wasserstoffbrückenbindungen zur Verfügung stellen, erreicht werden. Die Janus- geformten ß‑Aminosäuren 2,4,6‑Trihydroxypyrimidin-ß-aminobutansäure (38) und 2,4,6‑Triaminpyrimidin-ß-Aminobutansäure (39) wurden unter der Verwendung von ß Homoserinderivaten synthetisiert. Das ß Homoserinderivat wurde zunächst zum Alkohol reduziert und dann über eine Appel-Reaktion in das entsprechende Bromid überführt. Nukleophile Substitution mit Malononitril mit anschließender Zyklisierung und Benzylester Hydrolyse ergab Boc-ß-CYA-OH (38) und Boc-ß-TAP-OH (39), wurde durch eine SN2-artige Reaktion von Cyanursäure mit dem entsprechenden Bromid und nachfolgender basischer Hydrolyse erhalten.
Figure 7.1: Janus-geformte ß‑aminosäuren Boc-ß-CYA-OH (38) und Boc-ß-TAP-OH (39).
Um die Wasserstoffbrücken induzierte Selbstorganisation von ß‑Peptiden zu überprüfen, wurden die Janus-geformte ß‑Aminosäuren an jeder dritten Position vom ß Peptidrückgrat mittels Festphasensynthese eingebaut. Dieser Aufbau führt dazu, dass die ß‑Aminosäuren auf derselben Seite der Helix sind, wo sie Erkennungseinheiten auf zwei Seiten liefern. Kurze ß Peptide, die die Cyanursäure-Derivat enthalten, liefern stabile Duplexstrukturen, welche mittels UV-Spektroskopie nachgewiesen werden konnten. Die Synthesen von verschiedenen Oligomeren mit komplementären Sequenzen sollte vorgenommen und diese mittels UV‑, CD- und FTICR-ESI-Experimente solten vorgenommen werden, um das Aggregationsmuster besser deuten zu können.