Vorlesung 47

Vorlesung 47. Aminosäuren, Peptide und Proteine
Bedeutung der Proteine in der Natur: Vollhardt, 3. Aufl., S. 1285/1286, 4. Aufl.,
S. 1371; Hart S. 608-609; Buddrus, S. 753.
Etwa 18% des menschlichen Körpers bestehen aus Proteinen (= Eiweißstoffe).
Struktur und Funktion der Proteine (L. Stryer, Biochemie)
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Enzymatische Katalyse
Transport und Speicherung kleiner Moleküle (Hämoglobin)
Hauptbestandteil der Muskelgewebe
Mechanische Stützfunktion (Haut und Knochen)
Erzeugung und Übertragung von Nervenimpulsen (Rezeptorproteine)
Kontrolle von Wachstum und Differenzierung
(kontrollierte Expression von genetischer Information)
Bausteine der Proteine sind die α-Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren). Von den 20
in Proteinen vorkommenden Aminosäuren (Vollhardt, 3. Aufl., S. 1287, 4. Aufl. S.
1373; Hart, S. 595-596; Buddrus, S. 727-730) sollten Sie in der Klausur je einen
Vertreter der verschiedenen Gruppen kennen.
Außer Glycin besitzen alle proteinogenen Aminosäuren an C-2 ein Stereozentrum. Sie
liegen in der L-Konfiguration vor. Isoleucin und Threonin enthalten zwei Stereozentren.
Von den vier möglichen Stereoisomeren dieser Aminosäuren wird in Proteinen nur
jeweils eines gefunden.
Titrationskurven von Aminosäuren
O
H3N CH2 C
OH
O
OH
H+
H3N CH2 C
H+
O
pKa1 = 2.35
O
OH
H2N CH2 C
O
pKa2 = 9.78
pH
14
12
10
8
6
4
2
0.5
1.0
mol
OH-
2.0
1.5
+
pro mol H3N CH2CO2H
Experimentalchemie, Prof. H. Mayr
Achtung Lückentext. Nur als Begleittext zur Vorlesung geeignet.
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Neutrale Aminosäuren, wie Glycin, besitzen zwei Pufferbereiche. Bei pH = pKa1 liegen
Kation und Zwitterion in gleichen Mengen vor, bei pH = pKa2 liegen Zwitterion und
Anion in gleichen Mengen vor. Am isoelektrischen Punkt bei
pH = ½ (pKa1 + pKa2)
liegt überwiegend das Zwitterion vor. Daneben liegen gleiche Mengen an positiv und
negativ geladenen Aminosäuremolekülen vor (Vollhardt, 3. Aufl., S. 1288/1289, 4.
Aufl., S. 1374-1376; Hart, S. 598; Buddrus, S. 737-738). Aus der zwitterionischen
Struktur der Aminosäuren folgt ihre kristalline Struktur mit den hohen Schmelzpunkten.
Haben die Aminosäuren zusätzliche saure oder basische Gruppierungen, können drei
Pufferbereiche auftreten, und der isoelektrische Punkt verschiebt sich in den sauren
bzw. basischen Bereich.
Übung B47-1
a)
b)
Erklären Sie, warum H3N+–CH2–CO2H eine um mehr als zwei pK-Einheiten stärkere Säure als
Essigsäure ist!
Vergleichen Sie pKa2 des Glycins mit dem pKa-Wert des Ethylammonium-Ions
(pKs = 10.8)!
Die unterschiedlichen isoelektrischen Punkte von Aminosäuren nutzt man für ihre
Trennung durch Elektrophorese.
Herstellung von Aminosäuren
Br
R CH CO2H + 2 NH3
+
Racemische Gemische erhält man durch Umsetzung von α-Halogencarbonsäuren mit
Ammoniak
oder durch die Strecker-Synthese (Variante der Cyanhydrin-Reaktion, vgl. Vorlesung
Aldehyde: Umsetzung von Aldehyden mit Blausäure und Ammoniak)
O
NH3
H
H2 O
R C
HCN
H+/H2O
Eine Möglichkeit zur Herstellung enantiomerenreiner Aminosäuren ist die katalytische
asymmetrische Hydrierung von Enamiden (Knowles, Chemie-Nobelpreis 2001, Details
dazu in Vollhardt S. 505 und Fortgeschrittenen-Vorlesungen).
Experimentalchemie, Prof. H. Mayr
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Peptidbindung (Vollhardt, 3. Aufl., S. 1297-1999, 4. Aufl., S. 1384-1387; Hart, S. 605607; Buddrus, S. 740-741)
Verknüpft man jeweils die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der
nächsten, entstehenden Oligomere oder Polymere. Werden 2-9 Aminosäuren in dieser
Weise verknüpft, spricht man von Oligopeptiden, bei 10-100 Aminosäuren von Polypeptiden und bei mehr als 100 Aminosäuren von Proteinen.
1
H2N
R
O
CH
C
1
H2N
OH H
2
H
R
O
N
CH
C
2
OH H
3
H
R
O
N
CH
C
3
R
O
H
R
O
H
R
O
CH
C
N
CH
C
N
CH
C
OH
OH
Tripeptid (liegt eigentlich als Zwitterion vor)
Die Säureamid-Bindung, die zwei Aminosäure-Bausteine miteinander verknüpft, nennt
man die Peptid-Bindung. Carbonsäureamide haben Sie als die stabilsten Carbonsäure-Derivate kennengelernt, weil das freie Elektronenpaar am Stickstoff mit der
Carbonylgruppe in Wechselwirkung tritt. Daraus resultiert ein partieller Doppelbindungscharakter der C–N-Bindung und die planare Anordnung der durch ein
Parallelogramm markierten Gruppierung, welche für die Struktur von Peptiden und
Proteinen von zentraler Bedeutung ist.
H
H R
O
N
C
C
C
N
C
R H
H
O
H R
O
H
C
C
N
C
N
C
R H
H
O
Das Studium der räumlichen Anordnung dieser Aminosäureketten ist ein aktuelles
Forschungsgebiet in der Biochemie, und der Themenkreis, der unter den Begriffen
Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen zusammengefasst ist, wird in
den Vorlesungen der Biochemie behandelt.
Diese Vorlesung beschränkt sich auf Fragen der Primärstruktur, d.h. die Sequenz der
Aminosäuren in der Peptidkette.
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Sanger-Abbau zur Bestimmung der N-terminalen Aminosäure (Vollhardt, 3. Aufl., S.
1307-1308, 4. Aufl., S. 1396-1397; Hart, S. 611-612): Nucleophile aromatische
Substituion.
NO2
O2N
F
+
H2N
R
O
R'
CH
C N
CH
H
-HF
NO2
O2N
N
R
O
CH
C
H
R'
N
CH
H
6 M HCl/H2O
NO2
O2N
N
R
CH
CO2H
+
Aminosäure-Gemisch
H
Da die terminale Aminosäure durch die 2,4-Dinitrophenylgruppe markiert ist, lässt sich
ihre Identität bestimmen.
Vorteilhafter zur Sequenzbestimmung ist der Edman-Abbau, bei dem jeweils eine
Aminosäure vom N-terminalen Kettenende abgespalten wird, ohne den Rest des
Moleküls zu zerstören. Auf diese Weise kann man die Sequenz von Polypeptiden mit
bis zu 20 Aminosäuren bestimmen. Bei längeren Peptiden treten hohe Fehlerraten
auf.
Längere Peptide werden deshalb enzymatisch gespalten, beispielsweise mit Trypsin,
das Peptide an den Carboxyl-Enden der basischen Aminosäuren Lysin und Arginin
spaltet. Man kann danach mit einem zweiten Enzym anderer Selektivität spalten,
erhält unterschiedliche Spaltstücke und muss nach übereinstimmenden Sequenzen in
verschiedene Bruchstücken suchen, die in Form eines Puzzles zusammengesetzt
werden.
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Peptid-Synthesen
Um gezielt die Aminogruppe einer Aminosäure mit der Carboxylgruppe einer anderen
zu verknüpfen, muss die Gruppe, die intakt bleiben soll, geschützt werden.
Dies sei am Beispiel der Synthese des Glycylalanins illustriert.
O H CH3
H2N CH2 C N CH CO2H
alanin
Glycyl
(Gly-Ala)
1) Schutz der Aminogruppe in Glycin durch den tert. Butoxycarbonyl-Rest (tBOC)
O
O
(CH3)3CO C O C
OC(CH3)3 + H3N CH2 CO2
Di-tert-butyldicarbonat
O H
NEt3
-CO2, -(CH3)3COH
(CH3)3CO C N
Glycin
CH2 CO2H
BOC-geschütztes Glycin
2) Schutz der Carboxylgruppe des Alanins durch Veresterung
CH3
CH3
+
H3N CH CO2
[H3O ]
CH3OH
+
O
H2N CH C
OCH3
Alaninmethylester
Alanin
3) Kupplung mit DCC (Dicyclohexylcarbodiimid)
O H
CH3
O
(CH3)3CO C N CH2 C
O
H2N CH C
+
OH
OCH3
N C N
+
DCC
O H
O H CH3
O
O
(CH3)3CO C N CH2 C N CH C
+
OCH3
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N
C
N
H
H
N,N'-Dicyclohexylharnstoff
282
Bei dieser Reaktion reagiert im ersten Schritt die Carbonsäure mit dem Carbodiimid.
Dabei wird die HO-Gruppe der Carbonsäure in eine bessere Abgangsgruppe umgewandelt, sodass sie durch die Aminogruppe substituiert werden kann.
Unter schwach sauren Bedingungen kann anschließend die tBOC-Schutzgruppe
abgespalten werden, sodass im Dipeptid eine freie Aminogruppe vorliegt, die mit der
freien Carboxylgruppe einer weiteren N-BOC-geschützten Aminosäure verknüpft
werden kann.
Das Verfahren wurde von Merrifield auf die Festphase übertragen, sodass mit Hilfe
von Syntheserobotern beliebige Peptidsequenzen hergestellt werden können
(Vollhardt, 3. Aufl., S. 1313-1314, 4. Aufl., S. 1402-1403; Hart, S. 620-622; Buddrus,
S. 745-752)
Übung B47-2. Glycin ist die einfachste proteinogene Aminosäure. Geben Sie die Formeln der bei pH 6
und bei pH 11 in wässriger Lösung jeweils bevorzugt vorliegende Form an.
Übung B47-3. Welche Reaktion erfolgt beim Behandeln von Glycin mit Natriumnitrit in saurer wässriger
Lösung?
Lösung zu Übung B47-1:
a)
b)
H R
C CH2 N H
H N C C
H R
H
O
O
O
O
H
pKa = 9.78
-I-Effekt
H
CH3CH2 N H
H
pKa = 10.8
Die Carboxylatgruppe hat nur geringen Einfluss auf
die Acidität des Ammonium-Ions.
Die Ammonium-Gruppe
stabilisiert durch ihren induktiv
elektronenziehenden Effekt das
bei der Deprotonierung entstehende
Carboxylat-Ion.
Lösung zu B47-2.
CO2
-
+
CH2NH3
-
pH 6
CO2
neutral
CH2NH2
pH 11
basisch
Lösung zu B47-3.
HO2CCH2NH3+ + NaNO2 + HCl → HO2CCH2N2+ + NaCl + 2H2O → HO2CCH2OH + N2 +NaCl + H2O
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