Aufgabe I – Behandlung von Typ-2-Diabetes
Die Fälle von Typ-2-Diabetes (umgangssprachlich Zucker-Krankheit oder Alterszucker) nehmen in den Industrieländern seit Jahren deutlich zu. Auch deshalb wird in der pharmazeutischen Forschung intensiv an Wirkstoffen zur Behandlung von Diabetes geforscht.
Formuliere den unterstrichenen Bereich der Aminosäuresequenz als Strukturformelausschnitt (M 1).
Ordne die in Tabelle 1 dargestellten Informationen zu GLP-1 den Strukturebenen von Proteinen begründet zu (M 1).
Stelle mithilfe einer Skizze unter Verwendung einer Modellvorstellung zur Wirkungsweise von Enzymen eine Hypothese zur Ursache des unterschiedlichen Reaktionsverhaltens von DPP-4 gegenüber GLP-1, Semaglutid und Exendin-4 auf (M 1).
Beurteile, ob die Darstellung des räumlichen Baus in Tabelle 1 deine Hypothese stützt (M 1).
Erkläre mithilfe einer Reaktionsgleichung die Herstellung eines Dihydrogenphosphat/Hydrogenphosphat-Puffers durch Zugabe von Salzsäure zu einer Natriumhydrogenphosphat-Lösung (M 1).
Prüfe mithilfe einer Berechnung, ob bei der Zugabe des angegebenen Volumens an Salzsäure der gewünschte pH-Wert erreicht wird (M 1).
Ordne die Elektrophorese-Ansätze A–D begründet den verschiedenen pH-Werten zu (M 2).
Zeichne ausgehend von Abbildung 3 ein Diagramm, das die Hemmung von DPP-4 acht Stunden nach der Sitagliptin-Gabe in Abhängigkeit von der verabreichten Menge beschreibt (M 3).
Erläutere die in deinem Diagramm dargestellte Abhängigkeit und leite eine Empfehlung zur Gabe der Menge an Sitagliptin ab (M 3).
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monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Entstehung und Behandlung von Typ-2-Diabetes
Über 
der Diabetikerinnen und Diabetiker in Deutschland leiden an Typ-2-Diabetes. Bei diesem Krankheitsbild wird häufig zu wenig Peptid GLP-1 (Glucagon-like Peptide 1) freigesetzt. GLP-1 ist ein Peptid, das die Insulinfreisetzung anregt, wenn die Glucose-Konzentration im Blut nach einer Mahlzeit ansteigt. Insulin fördert die Aufnahme von Glucose aus dem Blut in bestimmte Zellen, was eine Senkung des Blutzuckerspiegels zur Folge hat.
Eine Behandlung von Typ-2-Diabetes durch die Gabe von GLP-1 ist praktisch nicht möglich, da die Stoffmengenkonzentration von GLP-1 durch das körpereigene Enzym Dipeptidylpeptidase 4 (DPP-4) alle zwei Minuten halbiert wird.
Aus diesem Grund werden zur Behandlung von Typ-2-Diabetes u. a. Medikamente eingesetzt, die wie GLP-1 Insulin freisetzen, aber durch DPP-4 nicht gespalten werden. Beispiele für solche Stoffe sind Semaglutid oder Exendin-4 (Tab. 1).
Tab. 1: Ausschnitte aus der Aminosäuresequenz und dem räumlichen Bau von GLP-1-Molekülen sowie von Molekülen ausgewählter Typ-2-Diabetes-Medikamente
|
Name |
Ausschnitt aus der Aminosäuresequenz (Einbuchstabencode) |
Modellhafte Darstellung des räumlichen Baus |
|---|---|---|
|
GLP-1 |
HAEGTFTSDVS… |
 
|
|
Semaglutid |
HXEGTFTSDVS… |
 
|
|
Exendin-4 |
HGEGTFTSDLS… |
 
|
Semaglutid wird vor dem Verkauf in einer Injektionslösung gelöst, deren pH-Wert mit 
dem des menschlichen Blutes entspricht. Zur Herstellung der Injektionslösung werden laut Vorschrift 
Salzsäure 
zu 
Liter Natriumhydrogenphosphat-Lösung 
gegeben.
Ausgewählte Aminocarbonsäurebausteine von GLP-1 sind in Tabelle 2 angegeben.
Tab. 2: Name, Einbuchstabencode und systematischer Name ausgewählter Aminocarbonsäuren
|
Name |
Einbuchstabencode |
systematischer Name |
|---|---|---|
|
Alanin |
A |
2-Aminopropansäure |
|
Glutaminsäure |
E |
2-Aminopentandisäure |
|
Glycin |
G |
2-Aminoethansäure |
Quellen:
Reedtz-Runge, S. (2015). Crystal structure of Glucagon-Like Peptide-1 in complex with the extra-cellular domain of the Glucagon-Like Peptide-1 Receptor. World Wide Protein Data Bank.
Reedtz-Runge, S. (2015). Crystal structure of Semaglutide peptide backbone in complex with the GLP-1 receptor extracellular domain. World Wide Protein Data Bank.
Runge, S. (2008). Crystal structure of the ligand-bound glucagon-like peptide-1 receptor extracellular domain. World Wide Protein Data Bank.
Material 2: Gewinnung von Exendin-4
Das in Diabetes-Medikamenten verwendete Exendin-4 wurde ursprünglich im Speichel der Gila-Krustenechse entdeckt. Das Peptid lässt sich durch Elektrophorese von anderen Speichelbestandteilen trennen. Zur Charakterisierung des Peptids werden Elektrophorese-Ansätze bei den pH-Werten 
und 
durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Ergebnisse von Elektrophorese-Experimenten mit Exendin-4 bei verschiedenen pH-Werten
Mithilfe einer Computersimulation lässt sich die durchschnittliche Ladung von Exendin-4-Molekülen in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung darstellen (Abb. 2).
Abbildung 2: durchschnittliche Ladung von Exendin-4-Molekülen in Abhängigkeit vom pH-Wert
Material 3: Behandlung von Typ-2-Diabetes durch Sitagliptin
Eine andere Behandlungsmöglichkeit für Typ-2-Diabetes besteht in der Gabe von Medikamenten, deren Wirkstoffe das GLP-1-spaltende Enzym DPP-4 hemmen. Ein solches Medikament ist Sitagliptin. In einer Versuchsreihe erfolgte eine Behandlung von Patienten mit unterschiedlichen Mengen Sitagliptin und anschließende Messung der Stärke der DPP-4-Hemmung (Abb. 3).
Abbildung 3: Hemmung von DPP-4 durch verschiedene Mengen an Sitagliptin in Abhängigkeit von der Zeit
Während der Therapie mit Sitagliptin zeigen sich bei einem von zehn bis hundert Behandelten mengenabhängig Nebenwirkungen in Form von Kopfschmerzen und zu niedrigen Blutzuckerwerten. Gelegentlich treten auch Schwindel und Verstopfung auf.
Quelle:
Krishna, R., Herman, G. & Wagner, J. (2008). Accelerating Drug Development Using Biomarkers: A Case Study with Sitagliptin, A Novel DPP4 Inhibitor for Type 2 Diabetes. The AAPS Journal, 10(2), 401–409.
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Zuordnung der Strukturebenen von Proteinen
-
Der Einbuchstabencode in Tab. 1 stellt die Primärstruktur des Proteinausschnitts von GLP-1 dar. Durch die Primärstruktur wird die Aminosäuresequenz angegeben.
-
Die modellhafte Darstellung des räumlichen Baus repräsentiert die Sekundärstruktur. Im Fall des Proteinausschnitts von GLP-1 wird eine
Helixstruktur gezeigt, die durch Wasserstoffbrücken im Peptidrückgrat stabilisiert wird.
Aufstellen einer Hypothese mithilfe einer Skizze
Die unterschiedliche Abbaubarkeit der Peptide lässt sich anhand der Substratspezifität von Enzymen erklären:
Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip kann GLP-1 aufgrund seiner passenden Struktur an das aktive Zentrum von DPP-4 binden. Es entsteht ein Enzym-Substrat-Komplex, in dem die enzymatische Spaltung von GLP-1 erfolgt. Die Reaktionsprodukte lösen sich anschließend vom Enzym.
Semaglutid und Exendin-4 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Struktur von GLP-1. Daher ist anzunehmen, dass sie nicht in gleicher Weise an das aktive Zentrum von DPP-4 binden bzw. dort nicht entsprechend umgesetzt werden können. Eine enzymatisch katalysierte Spaltung bleibt deshalb aus.
Beurteilung der Darstellung des räumlichen Baus anhand der Hypothese
Die räumlichen Modelle unterstützen diese Annahme. Im Vergleich zu GLP-1 besitzen Semaglutid und Exendin-4 zusätzliche beziehungsweise abweichende Strukturelemente, die ihre räumliche Gestalt beeinflussen. Diese Unterschiede können verhindern, dass die Peptide passend an DPP-4 binden und gespalten werden. Die Hypothese ist somit mit den dargestellten Strukturen vereinbar.
Erklärung der Herstellung des Puffers
Durch die Zugabe von Salzsäure zur Natriumhydrogenphosphat-Lösung wird ein Teil der Hydrogenphosphat-Ionen protoniert. Dabei entstehen Dihydrogenphosphat-Ionen:
Die Lösung enthält anschließend sowohl Dihydrogenphosphat-Ionen 
als auch Hydrogenphosphat-Ionen 
Zusammen bilden diese ein Puffersystem. Damit der pH-Wert beträgt, müssen beide Ionen in einem bestimmten Verhältnis vorhanden sein.
Berechnung des pH-Werts
Zunächst wird die Stoffmenge der hinzugefügten Salzsäure berechnet.
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\text{HCl})&=&c(\text{HCl})\cdot V(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&0{,}01\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}590\;\text{L} \\[5pt]
&=&5{,}9\cdot10^{-3}\;\text{mol}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/32d5d03ca65361559f025ef81958ede230eebbca7a76efb34483bbe0dd4c2ce2_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\text{HCl})&=&c(\text{HCl})\cdot V(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&0{,}01\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}590\;\text{L} \\[5pt]
&=&5{,}9\cdot10^{-3}\;\text{mol}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/32d5d03ca65361559f025ef81958ede230eebbca7a76efb34483bbe0dd4c2ce2_dark.svg)
Da aus jedem hinzugegeben Hydrogenchlorid-Molekül ein Dihydrogenphosphat-Ion entsteht, gilt:
Für die verbleibende Stoffmenge an Hydrogenphosphat-Ionen ergibt sich:
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\ce{HPO4^2-})&=&n_0(\ce{HPO4^2-})-n(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&c_0(\ce{HPO4^2-})\cdot V(\ce{HPO4^2-})-c(\text{HCl})\cdot V(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&0{,}015\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1\;\text{L}-0{,}01\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}590\;\text{L} \\[5pt]
&=&9{,}1\cdot10^{-3}\;\text{mol}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/3de885af9c50a1d19d94b1c49bcc992722da913ef7ee53e4dfbcac8483ac9401_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
n(\ce{HPO4^2-})&=&n_0(\ce{HPO4^2-})-n(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&c_0(\ce{HPO4^2-})\cdot V(\ce{HPO4^2-})-c(\text{HCl})\cdot V(\text{HCl}) \\[5pt]
&=&0{,}015\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1\;\text{L}-0{,}01\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}590\;\text{L} \\[5pt]
&=&9{,}1\cdot10^{-3}\;\text{mol}
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/3de885af9c50a1d19d94b1c49bcc992722da913ef7ee53e4dfbcac8483ac9401_dark.svg)
Mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung folgt:
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{pH}&=&\text{p}K_\text{S}+\lg\left(\dfrac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4^-}]}\right) \\[5pt]
&=&\text{p}K_\text{S}+\lg\left(\dfrac{n(\ce{HPO4^2-})}{n(\ce{H2PO4^-})}\right) \\[5pt]
&=&7{,}21+\lg\left(\dfrac{9{,}1\cdot10^{-3}\;\text{mol}}{5{,}9\cdot10^{-3}\;\text{mol}}\right) \\[5pt]
&\approx&7{,}40
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/6252beb62b5e12de783b5818350f0224980e108a425c185d453174f300c9eb75_light.svg)
![Formula: \begin{array}{rlll}
\text{pH}&=&\text{p}K_\text{S}+\lg\left(\dfrac{[\ce{HPO4^2-}]}{[\ce{H2PO4^-}]}\right) \\[5pt]
&=&\text{p}K_\text{S}+\lg\left(\dfrac{n(\ce{HPO4^2-})}{n(\ce{H2PO4^-})}\right) \\[5pt]
&=&7{,}21+\lg\left(\dfrac{9{,}1\cdot10^{-3}\;\text{mol}}{5{,}9\cdot10^{-3}\;\text{mol}}\right) \\[5pt]
&\approx&7{,}40
\end{array}](https://www.schullv.de/resources/formulas/6252beb62b5e12de783b5818350f0224980e108a425c185d453174f300c9eb75_dark.svg)
Der pH-Wert der hergestellten Lösung entspricht somit dem gewünschten pH-Wert von 
Der isoelektrische Punkt 
bzw. 
von Exendin-4 liegt ungefähr bei 
Unterhalb davon liegt Exendin-4 überwiegend positiv geladen vor, oberhalb davon überwiegend negativ geladen. Somit lassen sich die Elektrophorese-Ansätze zuordnen:
|
Ansatz |
pH-Wert |
Begründung |
|---|---|---|
|
A |
|
Exendin-4 wandert zum Minuspol und muss deshalb positiv geladen sein |
|
B |
|
Das Peptid wandert zum Minuspol und muss deshalb positiv geladen sein |
|
C |
|
Exendin-4 wandert zum Pluspol und muss deshalb negativ geladen sein |
|
D |
|
Es findet keine Elektrophorese statt, weshalb die durchschnittliche Nettoladung von Exendin-4 neutral sein muss. Dies ist der Fall, wenn der pH-Wert dem IEP entspricht |
Mögliches Diagramm:
Erläuterung der Abhängigkeit und Ableiten einer Empfehlung zur Gabe der Menge
Bei niedrigen Sitagliptin-Mengen ist die Hemmung von DPP-4 zunächst gering. Mit steigender Wirkstoffmenge nimmt der hemmende Effekt deutlich zu. Ab einer Menge von ungefähr 
flacht die Dosis-Hemmungs-Kurve zunehmend ab, sodass eine weitere Dosiserhöhung nur noch einen vergleichsweise kleinen Effekt bewirkt.
Eine mögliche Erklärung ist, dass Sitagliptin an das aktive Zentrum von DPP-4 bindet, ohne umgesetzt zu werden. Somit wird die Bindung und Umsetzung von GLP-1 durch DPP-4 verhindert. Mit zunehmender Inhibitormenge steigt die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Enzym-Inhibitor-Komplexes. Sobald der überwiegende Teil der Enzyme gehemmt ist, lässt sich die Wirkung durch eine weitere Erhöhung der Wirkstoffmenge kaum noch steigern.
Auf Grundlage der Versuchsdaten erscheint eine Menge von etwa Sitagliptin zweckmäßig, da bereits eine Hemmung von ungefähr erreicht wird. Höhere Mengen liefern nur einen geringen zusätzlichen Nutzen, können aber das Risiko dosisabhängiger Nebenwirkungen erhöhen.