17. Aminosäuren, Peptide Nach Terpenen und Kohlenhydraten nun

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260
17. Aminosäuren, Peptide
Nach Terpenen und Kohlenhydraten nun eine weitere große
Klasse an Naturstoffen
17.1 Übersicht
Analog zu Hydroxycarbonsäuren α-, β-, γAminocarbonsäuren möglich:
O
O
O
OH
H2N
H3C
OH
NH2
NH2
α-Amino-essigsäure
Glykokoll (Leimsüß)
Glycin
Schmp. 232 °C (Zers.)
β-Amino-propionsäure
β-Alanin
α-Amino-propionsäure
Alanin
Schmp. 200 °C (Zers.)
Schmp. 293 °C (Zers.)
O
O
H2N
OH
H2N
OH
γ-Amino-buttersäure
GABA (Neurotransmitter)
ε-Amino-capronsäure
Schmp. 203 °C (Zers.)
Schmp. 202 °C (Zers.)
O
O
OH
NH2
OH
OH
H2N
OH
Anthranilsäure
p-Amino-salicylsäure
(TBC-Mittel)
Schmp. 146 °C
Schmp. 147 °C (Zers.)
Grundvor / Fo18-1.CW3
261
Was ist auffällig? Anormal hoher Schmelzpunkt!
Grund:
H2N
R
COOH
H3N
R
COO
Zwitter-ion
Ad18-01.CW3
In Proteinen nur α-Aminosäuren:
COO
H3N
H
R
Ad18-01.CW3
chiral, L-Form
ca. 20 in Proteinen
Grundtypen:
- Neutrale AS: R = Alkyl
- Heterosubstituierte aliphatische AS
Besonders wichtig Cystein
- Aromatische AS R = CH2Ar
- Saure AS
- Basische AS
262
Neutrale Aminosäuren
H2N
CO 2H
H2N
CO 2H
CH3
Glycin
H2N
H2N
CO 2H
H3C
CH3
Valin *
Alanin
CO 2H
H2N
CH3
CO 2H
CH3
H3C
CH3
Leucin *
Isoleucin *
Substituierte aliphatische Aminosäuren
H2N
CO 2H
H2N
CO 2H
OH
H3C
OH
Threonin *
Serin
H2N
H2N
CO 2H
CO 2H
- 2H
S
SH
+ 2H
S
HO 2C
Cystein
H2N
CO 2H
S
CH3
NH2
Cystin
Methionin
Grundvor / Fo18-2.CW3
* essentielle Aminosäuren
263
Saure Aminosäuren
H2N
H2N
CO 2H
CO 2H
CO 2H
CO 2H
Asparaginsäure
Glutaminsäure
H2N
H2N
CO 2H
CO 2H
NH2
O
H2N
Asparagin
O
Glutamin
Basische Aminosäuren
H2N
CO 2H
H2N
CO 2H
NH2
NH2
Ornithin
H2N
Lysin
CO 2H
H2N
CO 2H
N
N
H
NH
HN
NH2
Arginin
*
Histidin
Fo18-3.CW3
264
Aromatische und heterocyclische Aminosäuren
H2N
CO 2H
H2N
CO 2H
H2N
CO 2H
I
OH
OH
I
Phenylalanin *
H2N
CO 2H
Tyrosin
H2N
CO 2H
N
H
N
H2N
CO 2H
I
I
OH
O
I
NH
N
H
Tryptophan *
Jodgorgosäure
I
Histidin
Thyroxin
CO 2H
Grundvor / Fo18-4a.CW3
Prolin
Ein weiterer wichtiger Begriff
- Essentielle AS: Nicht von Säugetier synthetisierbar,
Aufnahme aus pflanzlicher Nahrung notwendig
Val
Phe
Met
Lys
Leu
Trp
Thr
Ile
265
Nachweis, quantitative Bestimmung
- Ninhydrin
Ninhydrin-Reaktion
O
H2N
O
CO 2H
OH
R
OH
- 2 H2O
O
- CO2
N
N
CO 2H
O
O
R
R
O
O
O
H2O
H
NH2
- 2 H2O
O
H
N
− RCHO
O
O
R
O
O
H
O
-H
N
N
blauviolett
O
O
O
O
Grundvor / Fo18-4b.CW3
- Van Slyke
Gasvolumetrische Bestimmung
COOH
H2N
H
R
L
NaNO2
CH3COOH
H2O
COO N N
H
R
H2O
COOH
HO
H
+
N2
R
L!
Ad18-02.CW3
266
17.2 Synthese von Aminosäuren
- Aus Halogencarbonsäuren
Reaktion mit Ammoniak möglich, da NH2-Gruppe in AS relativ
schwach nukleophil (-I von COO-)
Br
H3C C COOH
H
+
NH 4 OH
H2O
RT
NH3
−
+ NH 4+ Br −
H3C C COO
H
Ala
56 %
Ad18-01.CW3
- Strecker-Synthese
Analog Cyanhydrin-Synthese
NH2
H
R C O + NH3 + HCN
R C CN
NH3
+
H / H2O
R C COO
H
H
α-Aminonitril
− H 2O
H
R C NH + HCN
Imin
Ad18-01.CW3
Beispiel:
CH2
O
C + NH3 + HCN
H
NH2
CH2 C CN
H
+
H 3O
NH3
CH2 C COO
Ad18-01.CW3
H
Phe
74 %
267
17.3. Peptide, Schutzgruppen
17.3.1 Übersicht
Grundprinzip des Lebens anhand
Prinzip der Peptidstruktur
Bildung eines Peptids (schematisch)
H
H
O
N
OH
R
H
R2
H
1
R2
O
N
H
H
3
O
R4
O
N
OH
N
R3
O
OH
N
H
H
N
R1
R4
OH
R
H
H
N
O
H
- 3 H2O
H
OH
N
O
O
H
Bildung eines Peptids (schematisch)
R1
H2N
CO OH
H
HN
H
R2
CO OH
H
HN
H
R1
H2N
CO OH
H
HN
H
R2
CONH
H
R3
R3
CONH
H
COOH
H
R4
COOH
CONH
H
R4
H
Grundvor / Fo18-1b.CW3
268
Beispiel Peptid: Süßstoff Aspartam
OOC
Ph
O
H3N
N
H
COOCH3
H H
Aspartam
Allgemein: Synthese von Peptiden erfordert Schutzgruppen,
Einfaches Beispiel:
Naive Amidbildung gibt Gemisch:
Ph
CH3
H2N
Ala Phe + Phe Phe +
CO OH
H
H2N
COOH
+ Phe Ala
Ala Ala
H
Ad18-03.CW3
17.3.2
Derivate von Aminosäuren, Schutzgruppen
Beispiel von Peptid oben, damit Synthesestrategie erkennbar.
- COOH Veresterung nach Fischer und Speier
COO H3N
H
R
CH3OH
HCl
unreaktiv
- NH2
Cbo-Derivate
Base
COOCH3
H2N
H
R
reaktiv
Abspaltung
mit NaOH
Ad18-02.CW3
269
O
Reagens:
CH2 OH +
Cl
O
Base
CH2 O C Cl
Cl
Chlorkohlensäurebenzylester
Einf.
HN
Schutzgr. 3
COO
COO
NaOH
H
H2N
R
1. − HCl
2. H
H
R
O
H2 / Pd
− CO2 −
CH2 O
N
H
CH2 H
Cbo oder Z
Ad18-03.CW3
17.3.3
COOH
Synthese von Peptiden
Durchführung der Synthese von Ala-Phe
CH3
• Aktivierung
Cbo N
COOH
SOCl2
H H
CH3 O
Cbo N
C
Cl
H H
Ph
H2N
• Kopplung
COOCH3
H
Ph
CH3
Cbo N
CONH
H H
H
• Entfernung Schutzgruppen
Pd / H2
R
und /oder
Weiterbau höhere Peptide
CboHN
COCl
H
COOCH3
Ph
CH3
H2N
CONH
H
COOCH3
H
NaOH
Ph
CH3
H3N
Ad18-03b.cw2
CONH
H
COOH
H
H
R
270
Hinweis Merrifield
R1
Σ
N
H
Cl CH2
COO
P
H
R1 O
Σ
N
H
C O CH2
P
H
Schutzgruppe
abspalten
R1 O
H2N
C O CH2
P
H
R2
O
H
X
Σ N
H
R2 O
Σ
N
H
H
C N
H
Kondensation
R1 O
C O CH2
P
H
Schutzgruppe
abspalten
Kondensation
Nat05-17.CW2
Σ = Schutzgruppe
P = Polystyrol-Harz
271
Proteine: Sequenz, Raumstruktur
- Primärstruktur
Reihenfolge der Aminosäuren (gentisch bestimmt)
H CH3 H
N
H3N
O
N
H
O
N-Terminus
H CH2SH
COO
H
C-Terminus
H Ala Phe Cys OH
Org18-05.CW3
Hormon aus der Hypophyse:
5
Ser
10
Tyr Ser Met Glu His Phe Arg Trp Gly
25
Lys Pro Val
20
Ala Asp Pro Tyr
Val
Lys
Gly Glu Asp Glu Ser
15
Val
Pro Arg Arg Lys
Lys Gly
Ala Glu Ala Phe Pro Leu Glu Phe
30
35
39
humanes Adrenocorticotropin
Org18-05.CW3
- Sekundärstruktur
Konformation der Proteinkette; wichtigste Typen:
α-Helix , Faltblatt
R
O
C
R
O
N
H
O
N C
N
H
H
O
R
R
R
R
O
C
C
R
N
N
H
HO R
O
C
N C
R
O
R H
O
C N
N
H
C
R
H
O
H
R
R
H
OR
N
H
O
OR
H
H
N
O
O
H
H
N
H
N
H
H
R
H
N
H
N
O
H
R
H
H
H
R
H
R
H
N
R H
N
H
N
O
H
N
H
O
R
Org18-05.CW3
Falt.CW2
272
- Tertiärstruktur
Konformation der gesamten Proteinkette; Beispiel Myoglobin
- Quartärstruktur
Zusammenlagerung mehrerer Ketten zu übergeordneter
Struktur
273
20
Leu Asp Asn Try Arg
Gly
Gly
Try Ser
His
Arg
Leu
Gly
Asn
Tyr
120
Lys
Ala Gln Val Asp
Thr
Try
Met
Ala
Gly
S
Lys
Cys
Arg
Ala
6
S S
Arg
OH
C
O
Leu
Cys
129
Ala
Lys
Phe
Glu
Arg
Ser
Try
Asn
Arg
110
Ala
Phe
Gly
H
N
H
Ala
Asn
127
Cys
Glu
S
Arg
Gly
Leu
30
Cys
Ileu
Ala
10
Val
Val
Phe
Lys Val
Asn
Try
Thr 40
1
Ala
100
Ser
Asp Gly
Asp Gly
Thr
Arg
Asn
Lys
Arg
Asn
Lys
Ala
Cys
Asn
S S Cys
Val
80
Gly
76
Thr
Gly
Asn
Asp
Asp
Cys
S
S
Try
Cys 64
Ser
Ala
Gly
Try
Ileu
Leu
Try
Arg
Ser Leu Leu
50
Ser
Arg
Pro
Ileu
Asp
Thr
Ileu
Thr
Thr
Gly
70
Pro
Asn
Ala
Asp
Ser
Ser
Leu
Ser
90
Ala
Asn
Val
Ileu
94
Gln
Asn
Met
Ser Asn Ileu
Gln
60
Lysozym
Org18_06.cw2
Beispiel für die Variationsmöglichkeiten beim Aufbau von
Polypeptiden:
Ein Polypeptid, aufgebaut aus 50 Aminosäureeinheiten, die
19 verschiedene Aminosäuren umfassen:
1 Art
4 Arten
10 Arten
4 Arten
10 x
4x
2x
1x
1048 Sequenzmöglichkeite
Zum Vergleich: Der Durchmesser unsere Milchstraßensystems
beträgt 300.000 Lichtjahre, in mm: 3·1024.
274
H
N
R
O
Penicilline (Fleming)
S
N
O
β-Lactam
=> gespannt, reaktiv
CO2H => reaktion mit dem Protein, das für den Aufbau
H
der Bakterienzellwand verantwortlich ist
strukturell verwandt:
O
H
N
HO
NH2
O
S
N
O
O
Cephalosporin C
CO 2H
O
Resistenzentwicklung durch das Enzym Penicillase; dieses öf fnet den β-Lactamring
hydrolytisch und verhindert somit die Desaktivierung des für den Zellwandauf bau
verantwortlichen Proteins
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