Pioneer In Peptide Chemistry At UC San Diego Dies At 75

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1 Pioneer In Peptide Chemistry At UC San Diego Dies At 75 Murray Goodman, a professor of chemistry and biochemistry, at the University of California, San Diego who helped found the field of peptide chemistry the synthesis and analysis of compounds that mimic important biological molecules died on June 1 in Munich, Germany, from pneumonia. He was 75. Goodman began his work in peptide chemistry when it was an emerging field. Born and raised in New York City, he received a bachelor of science from Brooklyn College in He earned his doctorate three years later from the University of California, Berkeley, working on the use of isotopes as tracers to understand the mechanisms of photosynthesis with Melvin Calvin, who won the 1961 Nobel Prize in Chemistry. Drawn by the possibilities of a new field, Goodman undertook postdoctoral research in peptide chemistry at the Massachusetts Institute of Technology and later at Cambridge University in England. In 1970, Goodman joined the UCSD faculty as a professor of chemistry. He remained there ever since, serving as chair of the Department of Chemistry for six years, and was recently honored with the establishment of an endowed professorship in his name, the Goodman Chair in Chemistry. Goodman s research involved the chemical synthesis of natural peptide mimics and the study of how the structure of these peptides contributes to their function. Peptides essentially small protein molecules play many important roles in the body; for example, the body has natural painkiller peptides, endogenous opioids. Goodman s work was on the cutting edge of peptide synthesis as well as the application of the latest molecular imaging techniques to determine peptide structure. Goodman s group of scientists collaborates with other researchers to test the biological effectiveness of the peptides they make. The group then uses this information to modify the peptides to enhance their effectiveness. The work has many practical applications including the development of anticancer drugs, pain medication, artificial sweeteners and artificial growth hormones.

2 Molekulare Bestandteile einer E. coli-zelle 3000 Proteine 15 % 3000 Nucleinsäuren 7 % 5 Polysaccharide 3 % 20 Lipide 2 % 500 Bausteinmoleküle 2 % 20 anorganische Ionen 1 % Wasser 70 % (Adapted from the handouts of Prof. AG Beck-Sickinger, Leipzig)

3 Zusammensetzung des menschlichen Körpers Proteine 17 % Nucleinsäuren 1 % Kohlenhydrate 1 % Fette 17 % Mineralsalze 4 % Wasser 60 %

4 In wässriger Lösung... Zwitterform

5 R S CH 3 O C N H CH 3 COO

6 H 3 N CH C CH 3 O OH H 3 N CH C CH 3 O + OH - + OH - O + H 3 O + + H 3 O + H 2 N CH C CH 3 O O

7 Titrationskurve von O H 3 N CH 2 C O Glycin, R=H

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9 Puffersysteme % B - Glycin pk 1 pi pk 2 ph

10 20 proteinogene Aminosäuren Essentielle Aminosäuren Nicht essentielle Aminosäuren

11 Aliphatische Aminosäuren: Raumerfüllung, hydrophob

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14 Tyr, Y

15 Neutrale, polare Seitenketten

16 Name Strukturformel Masse rel. Häufigkeit in Proteinen Ser, S Thr, T Asn, N Gln, Q

17 Geladene Seitenketten

18 Name Strukturformel Masse rel. Häufigkeit in Proteinen Lys, K Arg, R His, H Asp, D Glu, E

19 Schwefelhaltige Seitenketten

20 Cystein Cystein Oxidation Reduktion Cystin Disulfid

21 pk i = (pka 1 + pka 2 )/2 for neutral and acidic amino acids pk i = (pka 2 + pka 3 )/2 for basic amino acids

22 Dissoziationskurve des Histidins

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24 Aminosäurenabkömmlinge (Thyroidhormon)

25 nicht proteinogene Aminosäuren

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27 Aminosäurengemisch Dünnschichtchromatographie (2-dimensional) Detektion mit Ninhydrin- Sprühreagenz Ionenaustauschchromatographie Derivatisierung mit Ninhydrin- Sprühreagenz Derivatisierung RP-HPLC Detektion im UV, Fluoreszenz Absorption λ=570nm A Qualitativ, schnell, ohne Apparativen Aufwand A t [h] Quantitativ, Apparat unempfindlich, langsam t [min] Quantitativ, Apparat empfindlich, schnell

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29 Nach-Säulen Derivatisierung Vor-Säulen Derivatisierung

30 Reagenzien für die Detektion von Aminosäuren

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34 λex=390 nm λem=475 nm λex=335 nm λem=455 nm λex=310 nm λem=540 nm

35 λ=436 nm λ=360 nm (Sanger Reagenz)

36 Chromatogramm von Dansyl-Aminosäuren Absorption Zeit

37 Analytik von Aminosäuren Trennung von Aminosäuren (Aminosäurenanalyse) freie Aminosäuren durch Ionenchromatographie Derivatisierung, Detektion: Nach-Säulen-Derivatisierung derivatisierte Aminosäuren durch HPLC, GC Vor-Säulen-Derivatisierung Identifizierung Retentionszeit im Chromatogramm: UV, Fluoreszenz Masse Spektroskopie (UV, NMR, IR)

38 IR-Spektrum von Tryptophan

39 UV-Spektrum von Tyrosin und Tryptophan HCl NaOH HCl NaOH

40 Projektion nach Fischer: 1. Längste C-Kette 2. Höchste Oxidationsstufe oben 3. Horizontale Bindungen vor, vertikale hinter der Papierebene 4. L= funktionelle Gruppe levo=links, D=funktionelle Gruppe dextro=rechts

41 L D D L Diastereomere

42 L D H 3 C L H H D CH3 CH 2 CH 3 Isoleucine CH 2 CH 3 Isoleucine Diastereomere H D CH3 H 3 C L H CH 2 CH 3 Isoleucine CH 2 CH 3 Isoleucine

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44 CIP-Nomenklatur: Cahn-Ingold-Prelog

45 CIP-Nomenklatur: Cahn-Ingold-Prelog 1. Identifizierung von 4 Substitutenten am chiralen C 2. Zuordnung der Priorität Substituent direkt am Chiralitätszentrum: höchste Ordnungszahl=höchste Priorität I>Br>Cl>F>O>N>C>D>H>freies Elektronenpaar 3. Bei identischen Substituenten höchste Ordnungszahl, höchste Anzahl=höchste Priorität Dreifachbindung zählt dreifach, Doppelbindung doppelt OH>NH 2 >C 2 H 5 >CH 3 >H COOH>CHO>CH 2 OH>CH 3 4.Rangniedrigster Substituent liegt hinter der Papierebene 5. Sinkt die Priorität im Uhrzeigersinn, dann R-Konfiguration, Sinkt die Priorität gegen den Uhrzeigersinn, dann S-Konfiguration

46 Fischer Keilstrich CIP

47 Fischer Keilstrich CIP HSCH 2 CH 2 SH

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49 Vor-Säulen Derivatisierung Chirale Säule

50 Enantiomerentrennung von Pentafluorpropionyl-isopropylestern an chiraler Phase durch Gaschromatographie

51 Synthese von Aminosäuren 1908: Identifizierung des wesentlichen Bestandteiles des Seetangextraktes (Suppenbestandteil): L-Glutaminsäure (Glu; E) Mononatrium-L-glutamat: Gewürzmittel 1998: Jährlicher Umsatz an proteinogenen Aminosäuren: > 1 Milliarde US $: > t Glu > t Lys > t Met Nahrungsmittel, Futtermittel, Pharmazeutika, Kosmetika, synthetische Polymere, Detergenzien, Tierernährung (Met, Lys), Infusionslösungen für parenterale Ernährung

52 Synthese von Aminosäuren Chemische Synthese Biotechnologische Synthese Isolation aus dem Proteinhydrolysat Racemat Enantiomer

53 Synthese von Aminosäuren Isolation aus dem Proteinhydrolysat Protein wird hydrolysiert, Bausteine zerlegt: 6 N HCl, 110 C, h Biotechnologische Synthese Mirkroorganismen (z.b. Corynebacterium glutamicum) Mutanten Trennung sehr schwierig (Ionenaustauschchrmoatographie) Gln und Asn nicht erhältlich Trp zerstört, Ser, Thr teilweise sehr teuer Fermentation unter bestimmten Bedingungen Überproduktion von bestimmten Aminosäuren

54 Synthese von Aminosäuren Chemische Synthese Enantioselektive Synthese Racemische Synthese Racemat-Trennung Enzymatische Synthese

55 acides H,C ist δ Malonsäure Synthese N-Acetamido-malonester Verseifung H, -CO 2 Acylase Racemat-Trennung L-Aminosäure

56 Enantioselektive Synthese L L 15 : 85 L =

57 Racemat-Trennung DL-Alanin N-Benzoyl-DL-Alanin + optisch aktives Amin, z. B. Brucin Brucin-Salz von N-Benzoyl-D-Alanin unlöslich Brucin-Salz von N-Benzoyl-L-Alanin löslich

58 Strecker Synthese R H O + NH 3 R H NH 2 OH - H 2 O R HCN NH H Schiff Base R H NH 2 HCl R CN H NH 2 COOH Nebenreaktion: Bis-alkykierung R H NC H N R H CN Variante der Strecker Synthese ist die Bucherer-Bergs Synthese: R H O KCN, (NH 4 ) 2 CO 3 O NH HN R O Hydantoine Hydantoinase H R COOH NHCONH 2 H R COOH NH 2 D-Aminosäure Racemisierung ph 8-10 O HN NH R O D-Phenylglycin und D-4-Hydroxyphenylglycin sind industrielle Produkte, welche nach diesem Verfahren hergestellt werden

59 Gabriel Synthese O N-Br O + X Cl COOH O O N R COOH N 2 H 4 H 2 N R COOH N-Brom-Phthalimid O NH NH O Synthese von DL-Asp Synthese von DL-Glu COOH COOH Maleinsäure COOH + NH 3 H 2 N COOH H CHO CO H ROH 1. NH 3 /HCN COOR CO/H 2 COOH COOR 2. Hydrolyse H 2 N COOH Synthese von DL-Met SCH 3 CHO + CH 3 SH CHO SCH 3 1. NH 3 /HCN 2. Hydrolyse H 2 N COOH

60 Curtius Synthese CN 1. NaOEt CN N 2 H 4 CN HNO 2 CN * COOH 2. RCH 2 X R COOH R CONHNH 2 R CON 3 EtOH - N 2 R CN NHCOOEt HCl R COOH NH 3 + * R CN C O N N N - N 2 R CN CN EtOH N R NHCOOEt C O