Aminosäuren - (Proteine) Eiweiß

64
Aminosäuren - (Proteine) Eiweiß
Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Die Aminosäuren und deren Verknüpfung bestimmen
die Eigenschaften derZellproteine, der Enzyme und vieler Hormone. Aminosäuren bilden die
Grundlage der belebten Welt.
http://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4ure
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm


Struktur der Aminosäuren
Aminosäuren sind organische Moleküle, die mindestens eine Carboxyl- und eine Amino-Gruppe
besitzen.
Von besonderem biochemischen Interesse sind die -Aminosäuren. Zu
diesem Typ gehören alle proteinogenen Aminosäuren.
Die -Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glycin, chiral, d.h. sie
besitzen (mindestens) ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Es gibt also
jeweils eine D- und L-Form (Enantiomere). Proteinogen sind nur die LAminosäuren.


Einteilung von Aminosäuren
Abhängig von der Art der Seitengruppe werden die Aminosäuren in verschiedene Gruppen
eingeteilt:
Sind in der Seitenkette keine weiteren
sauren bzw. basischen Gruppen enthalten,
handelt es sich um neutrale Aminosäuren.
Deren isoelektrischer Punkt liegt im
"neutralen" pH-Bereich zwischen pH 5,5 7,5.
Unpolare Seitenketten können z.B. aus
Kohlenwasserstoff-Ketten bestehen (Leucin)
oder Phenylreste besitzen (Phenylalanin).
Neutrale Aminosäuren können in der
Seitenkette auch andere funktionelle
Gruppen enthalten (nicht aber saure od.
basische Gruppen.
Hierzu gehören insbesondere HydroxylGruppen (z. B. Serin) und SäureamidGruppen (Asparagin, Glutamin). Diese
Aminosäuren werden als polare neutrale
Aminosäuren bezeichnet.
Leucin
Phenylalanin
Serin
Asparagin
65
In
den
Seitenketten
der
sauren
Aminosäuren (z. B. Asparaginsäure)
befindet sich eine zweite Carboxylgruppe. In
wässriger
Lösung
reagieren
diese
Aminosäuren deutlich sauer.
Bei basischen Aminosäuren enthält die
Seitenkette Aminogruppen, die leicht
protoniert werden können. Zu den
basischen Aminosäuren gehört z.B. Lysin.
Asparaginsäure
Lysin


Dissoziation von Aminosäuren
+ H+
- H+
Wird eine Aminosäure in Wasser gelöst, liegt sie hauptsächlich in der zwitterionischen Form (Z)
vor. Gibt man zu dieser Lösung Säure (H+), wird das Gleichgewicht "nach links", zur kationischen
Form verschoben. Bei Zugabe von Laugen werden die aus der Aminosäure freigesetzten Protonen
durch OH- -Ionen neutralisiert und das Gleichgewicht auf die Seite der Anionen ("nach rechts")
verschoben.
Bei einem bestimmten pH-Wert verhält sich die Aminosäure nach außen neutral. Diesen pH-Wert
nennt man isoelektrischen Punkt (pHIP). Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure weitgehend
als Zwitterion vor.
Auch für jedes Eiweiß-Molekül (Protein) gibt es genau einen pH-Wert, an dem es ungeladen
vorliegt. Jedes Protein hat einen isoelektrischen Punkt!
Titrationskurve von Glycin
66
Beim Titrationsgrad (+/-) 0,5 zeigt die Aminosäure maximale Pufferwirkung.
Das Gleichgewicht zwischen Kationen und Zwitterionen bzw. Zwitterionen und Anionen liegt
"in der Mitte", d.h. bei Titrationsgrad -0,5: [K] = [Z] und bei +0,5: [Z] = [A].
Der isoelektrische Punkt (pHIP) kann graphisch aus der Titrationskurve ermittelt werden. Verbindet
man die beiden pKS-Werte durch eine Gerade, erhält man den pH-Wert des isoelektrischen
Punktes.
Der isoelektrische Punkt ist das arithmetisches Mittel der pK S-Werte: pHIP = ½ · (pK S1 + pKS2)
Titrationskurve einer sauren Aminosäure
Die sauren Aminosäuren
(Glutaminsäure und
Asparaginsäure)
besitzen drei pKS-Werte:
Zwei im sauren Bereich
(von den COOHGruppen) und einen im
basischen Bereich (NH2 Gruppe).
Der isoelektrische Punkt
befindet sich im sauren
Bereich, d.h. zwischen
pKS1 und pKS2.
Titrationskurve einer basischen Aminosäure
Die basischen
Aminosäuren besitzen
zwei basische pKS Werte und einen sauren.
Lysin: 2,2 - 9,2 - 10,8;
Der isoelektrische Punkt
befindet sich zwischen
pKS2 und pKS3, also im
basischen pH-Bereich.
67


Chelat-Komplexe von Aminosäuren
Stabile Komplexe werden mit vielen zweiwertigen Metall-Ionen gebildet, besonders leicht bilden
sich Kupfer-Komplexe: Biuret-Reaktion
http://www.seilnacht.com/Lexikon/biuret.html
Der linke Kolben enthält eine 0,1molare Kupfersulfat-Lösung, in dieser
2+
liegt der hellblaue [Cu(H2 O)4 ] Komplex vor. Der gleichkonzentrierten
Lösung im rechten Kolben wurde die
Aminosäure Glycin zugegeben, es
bildet sich der tiefblaue AminosäureKomplex [Cu(Gly) 2].


Aminosäure-Nachweis mit Ninhydrin
EXPERIMENT
-Aminosäuren reagieren mit Ninhydrin unter Bildung eines Farbstoffes, der blauviolett - rotbraun
gefärbt ist. Die Aminosäure wird dabei unter Decarboxylierung zu einem um ein C-Atom kleineren
Aldehyd oxidiert.
Ninhydrin-Test: Diese Farbreaktionen werden häufig zur
Sichtbarmachung der Aminosäuren nach chromatographischen
oder elektrophoretischen Trennungen verwendet. Die NinhydrinReaktion kann jedoch auch zur Sichtbarmachung von
Fingerabdrücken dienen. Der Hautschweiß enthält kleine Mengen
freier Aminosäuren und Proteine. Diese können, z.B. auf Papier,
mit diesem Reagenz fixiert werden. Die Abbildung zeigt mittels
Ninhydrin angefärbte Fingerabdrücke auf einem Scheck.
http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0009.html
Fingerabdrücke auf einem
Scheck
http://www.scienceforum.de/download/krimi.pdf#search=%22ninhydrin%20fingerabdr%C3%BCcke%22
68
Proteinogene Aminosäuren
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/protas.html
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/education/medprak/praktikum/heft-neu/medprak-heft-09.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4uren
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteine/aminosaeuren.vlu.html
Zu den proteinogenen Aminosäuren gehören die 20 Aminosäuren, die im genetischen Code
angelegt sind.
Die Aminosäuren werden nach den Eigenschaften der Seitenketten in unterschiedliche Gruppen
eingeteilt, wobei Glycin für sich steht. Der Indol-Rest des Tryptophans steht zwischen unpolaren
und polaren Gruppen.
Glycin
Gly
Aminosäuren mit hydrophobenSeitenketten
Alanin
Ala
Valin*
Val
Leucin*
Leu
Phenylalanin*
Phe
Isoleucin*
Ile
Prolin
Pro
Methionin*
Met
Tryptophan*
Trp
69
Aminosäuren mit polaren Seitenketten
Serin
Ser
Threonin*
Thr
Cystein
Cys
Tyrosin
Tyr
saure Aminosäuren
Asparaginsäure
Asp
Asparagin
Asn
Glutaminsäure
Glu
basische Aminosäuren
Histidin*
His
Lysin*
Lys
Arginin
Arg
Glutamin
Gln
70
Essentielle Aminosäuren
Aminosäuren können über den Prozess der Transaminierung aus Ketosäuren hergestellt werden.
Voraussetzung dafür ist, dass die entsprechende -Ketosäure vom Organismus synthetisiert
werden kann. Dies ist nur bei 11 der 20 proteinogenen Aminosäuren der Fall. Tyrosin kann durch
Modifikation der Seitenkette (Hydroxylierung des Phenylrestes) aus Phenylalanin hergestellt
werden. Aminosäuren, die dem Organismus in der Nahrung zugeführt werden müssen, nennt man
essentielle Aminosäuren.
Zu den 9 essentiellen Aminosäuren gehören:

 die verzweigtkettigen (Valin, Leucin, Isoleucin, Threonin) und die

 aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, Tryptophan

 Außerdem sind die Aminosäuren Methionin und Lysin essentiell, für Kleinkinder zusätzlich
Histidin
Diese Aminosäuren sind für Menschen essentiell. Es gibt einige ang eborene
Stoffwechselstörungen, bei denen Enzyme, die zur Synthese bestimmter Aminosäuren benötigt
werden, ausfallen. Bekanntestes Beispiel ist die Phenylketonurie. Bei dieser Krankheit kann
Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden, Tyrosin ist daher für diese Menschen eine
zusätzliche essentielle Aminosäure.
Phenylketonurie (PKU) - "Föllingsche Erkrankung"
Tyrosin kann im menschlichen Organismus durch Hydroxylierung aus Phenylalanin synthetisiert
werden. Die Reaktion wird durch das Enzym Phenylalanin-Monooxygenase (PhenylalaninHydroxylase) katalysiert.
Bei der Phenylketonurie fällt die Phenylalanin-Hydroxylase vollständig aus oder ist in ihrer
Funktion stark beeinträchtigt. Es handelt sich hierbei um eine rezessiv vererbte
Stoffwechselstörung (Häufigkeit: 1 : 10.000). Die Aminosäure Tyrosin kann nicht mehr aus
Phenylalanin synthetisiert werden. Tyrosin ist aber zur Synthese von Adrenalin, den
Schilddrüsenhormonen und Melanin unumgänglich.
Bei PKU tritt statt dessen die Phenylalanin-Transaminase in Aktion, wobei Phenylpyruvat
(Phenylbrenztraubensäure) entsteht, das teilweise mit dem Harn ausgeschieden wird.
Phenylpyruvat ist jedoch neurotoxisch, es stört insbesondere das sich bei Kleinkindern erst
entwickelnde ZNS (vermutlich den Aufbau des Myelins). Daher muss die Phenylketonurie
baldmöglichst nach der Geburt (am 4. bis 6. Lebenstag) nachgewiesen werden um, rechtzeitig
eine entsprechende Diät - phenylalaninarm und tyrosinreich - geben zu können.
71
Peptid-Bindung
Bei der Proteinbiosynthese werden (an den
Ribosomen, unter Beteiligung von m-RNS und tRNS)
proteinogene
Aminosäuren
durch
Kondensationsreaktion zwischen Carboxyl- und
Aminogruppe verknüpft.
Unter Wasserabspaltung entsteht die PeptidBindung.
Kurzkettige Peptide (z.B. Glutathion) können
auch an speziellen Enzymen gebildet werden,
wobei keine RNS benötigt wird.
Sekundärstrukturen
Die bei der Proteinbiosynthese gebildete Peptid-Kette bildet je nach Aminosäuresequenz
Sekundärstrukturen, z.B. -Helix oder -Faltblatt, aus. Die Sekundärstrukturen werden durch
Wasserstoffbrücken stabilisiert.

 -Helix
Bei einer -Helix weisen die Peptid-Bindungen in die gleiche Richtung. Zwischen zwei
Amidbindungen liegt der Tetraeder-Winkel von 109,5°.
Da um die Amidbindung keine Drehung möglich ist, wird die Kette ab der dritten Bindung in eine
helicale Struktur gezwungen. Diese wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.
Diese Brücken werden zwischen dem Carbonyl-Sauerstoff-Atom einer Bindung und der H–NGruppe der viertnächsten Bindung (sie sind benachbart) ausgebildet.
Glucagon:
Glucagon ist ein Peptid, das aus 29 Aminosäuren besteht. Diese sind in einer -Helix angeordnet.
Glucagon wird im Pankreas synthetisiert und steigert den Glycogen-Abbau und die
Gluconeogenese und somit den Glucose-Spiegel. Es ist der Gegenspieler des Insulin.
Bei diesem sehr kleinen Peptid ist die Struktur einer -Helix sehr gut sichtbar.
72
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-medizinerneu/aminosaeuren/sek_a2.html
Nach 4 Aminosäuren ist die erste Windung geschlossen. Allerdings überlappen bereits die erste
und vierte Aminosäure. Als Höhe einer Windung ergeben sich rechnerisch 3,6 Aminosäuren.
-Faltblatt:
Bei der Ausbildung eines -Faltblattes weisen benachbarte Peptidbindungen in die entgegen
gesetzte Richtung. Ab der dritten Bindung wird die typische Anordnung deutlich.
73
Stabilisiert wird das -Faltblatt erst, wenn sich eine zweite Peptidkette anlagert. Zwischen den
beiden Kettenabschnitten bilden sich Wasserstoffbrücken aus. Ein -Faltblatt kann, im Gegensatz
zur -Helix, nicht aus nur einem Strang bestehen.
Die Ketten können aus der gleichen Peptid-Kette stammen (dies ist der Normalfall), es können sich
aber auch mehrere Peptide zu einem Faltblatt zusammenlagern.
Die benachbarten Ketten in einem Faltblatt können die gleiche Ausrichtung aufweisen, oder aber
entgegengesetzt laufen: Es gibt parallele und antiparallele Faltblätter.
In beiden Fällen werden Wasserstoffbrücken zwischen den gegenüberstehenden Peptidbindungen
ausgebildet.
74
Peptide & Proteine
Als Peptide bezeichnet man Ketten aus bis zu etwa 100 Aminosäuren, sind die Ketten länger,
nennt man die Moleküle Proteine.
Zahl der
Aminosäuren
Beispiel
2
Dipeptid
3
Tripeptid
11-100
Polypeptid
> 100
Protein
Aspartam
(Süßstoff: H-Asp-Phe-O-CH 3)
Glutathion
(Redox-System in den Erythrozyten, Tripeptid aus Glu, Cys, Gly)
Insulin
(Hormon der Bauchspeicheldrüse, 51 Aminosäuren)
Lysozym
(Hydrolase im Hühnereiweiß, 129 Aminosäuren)

 Die Aminosäuresequenz, also die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, wie sie genetisch
codiert ist, nennt man Primärstruktur des Proteins.

 Als Sekundärstrukturen kommen -Helix und -Faltblatt vor.

 Als Tertiärstruktur bezeichnet man die Lage der gesamten Proteinkette im Raum.

 Lagern sich mehrere Proteine zu einer großen Einheit zusammen, bilden sie eine
Quartärstruktur.
Hämoglobin
Hämoglobin
besteht
aus
vier
Untereinheiten, je 2 - und -Ketten
mit 141 bzw. 146 Aminosäuren.
Es stellt also eine Quartärstruktur dar.
Jede Untereinheit bildet acht Helices
aus,
Faltblattstrukturen
kommen
nicht
vor.
In
jeder
Untereinheit ist eine Häm-Gruppe (ein
Eisen(II)-Porphyrin-System)
als
prosthetische Gruppe gebunden.
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-medizinerneu/aminosaeuren/haemoglobin.html
75
Biogene Amine
Decarboxylierung
Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem Molekül
Kohlenstoffdioxid CO 2 abgespalten wird.
Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht bei Carbonsäuren
(bevorzugt: β-Ketosäuren und Aminosäuren) erfolgen.
O
O
C
C
C
COOH
Decarboxylase
C
C
C
-Ketobuttersäure wird zu Aceton decarboxyliert.
Bei der enzymatischen Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen primäre Amine. Diese
Substanzen besitzen oft wichtige physiologischen Funktionen. Man nennt diese Stoffklasse
"biogene Amine".
Glutaminsäure


-Aminobuttersäure (GABA), eine nichtproteinogene
Aminosäure, wirkt als Neurotransmitter im ZNS. Sie wird
unter anderem zur Behandlung von Epilepsien eingesetzt
Vgl. 
-Hydroxybuttersäure (GHB)
http://www.pille-palle.net/Pille-Palle/ghb.php
http://www.gifte.de/Drogen/designer-drogen.htm
Tyrosin
Tyramin wirkt als indirektes Sympathikomimetikum, d.h.
es besitzt adrenerge (Adrenalin-artig erregende) Wirkung.
Es setzt als Gewebshormon aus den Nervenenden des
Sympathikus Noradrenalin frei und wirkt damit
blutdrucksteigernd und gefäßkontrahierend.
76
DOPA
Dopamin gehört zu den Catecholaminen. Es dient als
Neurotransmitter und ist Vorstufe von Noradrenalin und
Adrenalin
Tryptophan
Tryptamin stimuliert
Muskulatur.
die
Kontraktion
der
glatten
Serotonin (= 5-Hydroxytryptamin) tritt als Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem auf.
Als Gewebshormon stimuliert es die Kontraktion der glatten Muskulatur und wirkt damit blutdrucksteigernd
und gefäßkontrahierend.
Durch Acetylierung der primären Aminogruppe und Methylierung der 5-OH-Gruppe kann aus Serotonin das
Epiphysen-(Zirbeldrüsen)-Hormon Melatonin synthetisiert werden. Durch Melatonin wird die "innere
biologische Uhr", und damit z.B. der Schlaf-Wach-Rhythmus, gesteuert. Durch Hemmung der SerotoninSynthese lässt sich Schlaflosigkeit erzeugen.
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/bam01.html
http://www.experimentalchemie.de/02-e-02.htm
http://www.acibas.net/melatonin/index.shtml