c) Schritte der Biosynthese der Fettsäuren α) Bildung eines

c) Schritte der Biosynthese der Fettsäuren
α) Bildung eines Thioesters
O
O
Enzym
+
+
HS-CoA
OH
H2O
S-CoA
Coenzym A
Essigsäure
Acetyl-Coenzym A
Ein Thioester;
reaktiver als
ein Ester !!!
NH2
Coenzym A
N
N
O
HS
O
N
H
N
N
O
O
N
H
O
P
-
OH
O
O
P
O
-
O
O
O
O
-
2-Aminoethanthiol
Pantothensäure
O
OH
P
O-
Adenosindiphosphat-Teil
β) Carboxylierung
Acetyl-CoA
Carboxylase
O
+
O
O
CO2
HO
S-CoA
S-CoA
ein Elektrophil
Acetyl-Coenzym A
Malonyl-CoA
γ) Transfer von Alkanoyl-Gruppen
O
O
+
HS-Protein
+
HS-CoA
S-Protein
S-CoA
Acyl-Carrier-Protein
Acetyl-Coenzym A
O
O
O
+
HO
O
HS-Protein
S-CoA
HO
S-Protein
Acyl-Carrier-Protein
Malonyl-CoA
+
HS-CoA
δ) Kupplung
O
O
HO
S-Protein
H
O
O
O
O
+
HO
S-Protein
O
O
HS-Protein
S-Protein
H
O
vergleiche
Malonester-Synthese
S-Protein
vergleiche
Claisen-Kondensation
O
S-Protein
HO
O
S-Protein
O
ε) Reduktion
O
enzymatische
Reduktion
O
S-Protein
OH
O
"+ H2"
S-Protein
Eliminierung
vergleiche
Aldolkondensation
O
+
H2O
S-Protein
enzymatische
Reduktion
"+ H2"
O
S-Protein
Wiederholung der Kupplung und Reduktion mit diesem
Thioester mit C4-Kette => C6-Kette .... usw.
=> Die Kohlenstoffkette wird schrittweise um je einen C2-Baustein verlängert
=> Enzyme bewirken, daß alle Reaktionsschritte unter physiologischen Bedingungen
stattfinden können
d) Synthese des Isopentenyl-Pyrophosphats (der Baustein zur Synthese der Terpene)
Ähnlich wie die Fettsäuren wird das Isopentenyl-pyrophosphat synthetisiert:
CO2H
O
Enzym
3
OH
OH
CO2H
Enzym
- CO2
OH
CO2H
Enzym
- H 2O
enzymatische
Reduktion
CO2H
OH
enzymatische
Phosphorylierung
OO
P
O
OO
P
O
O-
Polymerisation auf der Basis von Polykondensationsreaktionen: Polyester
O
O
+
HO
OH
H3CO
OCH3
ein Dicarbonsäurediester
ein Diol
säurekatalysierte
Umesterung
H+
∆ zum Entfernen des Methanols
HO
O
O
O
OCH3
n
Polyester
als lineares, unverzweigtes Polymer
zum Beispiel:
H3CO2C
+
HO
CO2CH3
OH
Ethylenglycol
Terephtalsäuredimethylester
H+
∆
O
O
O
O
HO
n
Carbonsäurederivate
1. Übersicht
O
Carbonsäure-Derivat
R
X
O
R
O
R
Cl
O
O
O
X
R
R
R
OR
SR
O
O
R
OH
NH2
R
Carbonsäurechlorid
Carbonsäureanhydrid
Carbonsäurethioester
Carbonsäureester
Reaktivität STEIGT
Carbonsäure Carbonsäureamid
2. Synthese der Carbonsäurechloride
O
O
+
R
O
Cl
OH
Carbonsäure
O
R
S
Cl
O
+
HCl
S
Cl
Thionylchlorid
ein gemischtes Anhydrid
isolierbare Zwischenstufe
O
H
R
O
Cl
O
+
nucleophile
Addition
O
R
O
S
tetraedrische
Zwischenstufe
H
Cl-
Cl
O
S
Cl
Eliminierung
O
O
+
R
Cl
+
S
HCl
O
Da SO2 und HCl Gase sind, bleibt im Reaktionsgefäß bei Einhaltung
der Stöchiometrie nur reines Säurechlorid zurück !! Kann dirket
weiter verwendet werden.
O
R
O-
NuR
Cl
das Säurechlorid
ist elektrophiler
als eine Carbonsäure
O
Cl
Nu
Cl- ist die bessere
Austrittsgruppe
R
+
Nu
Cl-
3. Synthese von Carbonsäureamiden: Chemie der Aminosäuren
α-Aminocarbonsäuren
O
R
R=H
*
Glycin
achiral
OH
NH2
R=H
O
alle anderen proteinogene Aminosäuren sind chiral
(3 DNA-Basen codieren eine Aminosäure)
OH
H2N
H
R
L-Reihe
alle Aminosäuren gehören der L-Reihe an !
O-
O
Betain-Form; ein Zwitterion (Kation und Anion in einem)
+
H3N
H
R
bei einem bestimmten pH-Wert liegen alle Teilchen so vor
(isoelektrischer Punkt; wandern nicht im elektrischen Feld)
Die Peptidbindung
Aminosäuren bauen über eine Amidbindung Peptide auf:
O-
O
R'
R
R'
+
N
R
N
H
H
Grenzstruktur mit partiellem
Doppelbindungscharakter;
wichtiger als bei Carbonsäuren,
weil Stickstoff weniger elektronegativ
als Sauerstoff ist und daher die
positive Partialladung besser toleriert.
Alle Substituenten an der C=N-Doppelbindung
befinden sich in einer Ebene
=> eine planare Teilstruktur
als experimentell beobachtbares Resultat
dieser elektronischen Struktur registriert
man eine stark verlangsamte Rotation um
die C=N-Doppelbindung
O-
O
H
R
N
R'
+
R
N
R'
H
Die Peptidkette
R1
H
R3
O
H
N
O
N
N
N
H
R2
O
H
N
O
R4
H
Die Proteinstruktur ist insgesamt sehr komplex und hängt unter anderem
von den Diederwinkeln an den beiden Bindungen (C-N und C-C), um die
gedreht werden kann, ab. Die günstigsten und daher bevorzugten Kombinationen
beider Winkel kann man aus dem sogenannten Ramachandran-Plot ablesen.
- Primärstruktur (Sequenz, Abfolge der Aminosäuren im Peptidstrang)
- Sekundärstruktur (räumliche Anordnung des Strangs)
. α-Helix
. β-Faltblatt
. Turn
.........
- Tertiärstruktur (relative räumliche Anordnung der Sekundärstruktur)
- Quartärstruktur (relative Anordnung mehrerer Peptide zueinender)
kann strukturbildend oder funktional sein
O
H2N
N
CO2CH3
H
CO2H
Asparaginsäure
Phenylalaninmethylester
ASPARTAM, ein Süßstoff, der etwa 200 Mal so süß wie Rohrzucker ist !!
Peptidsynthese
- biochemisch (DNA für das zu Synthetisierende Peptid wird in den Zellkern
eingeschleust .....)
- auf chemischen Weg im Reagenzglas
Die Ausbeute einer Reaktion ist immer < 1 (d.h. kleiner 100%)
Bei einer n-stufigen Synthese ist die Gesamtausbeute (<1)n
Die Merrifield-Synthese (1984 Nobel-Preis)
Mechanisierung der Schritte im “Synthesizer”
O
n
n
H
H
H+ Cl-
+
+
H Cl
-
elektrophile aromatische
Substitution durch den
durch Säure aktivierten
Formaldehyd
Teilstruktur
des Polystyrols
OH
Aktivierung der
benzylischen OH-Gruppe und
anschließende Substitution durch
das Chlorid-Anion
n
n
+
+
H2O
Cl-
+
Cl
OH2
nur ein Gewisser Teil der Phenylreste des Polystyrols wird auf diese Weise
mit CH2Cl-Gruppen versehen ("Belegung"). Das Polystyrol besteht mikroskopisch
betrachtet aus kleinen Kügelchen.
Schritte:
a) Anknüpfen an Polystyrol
n
O
das nucleophilere Stichstoffatom der
Aminosäure würde mit dem
benzylischen Chlorid reagieren
+
O-
H2N
=> die Aminogruppe muß über
eine Schutzgruppe desaktiviert werden
(man will eine Anknüpfung über die
Carboxylat-Gruppe, weil damit zum
Schluß die Abspaltung am besten
funktioniert)
Cl
Beispiele für solche Schutzgruppen für die Aminogruppe:
O
O
O
Cl
O
Cl
Chlorameisensäure-tert-butylester
Chlorameisensäurebenzylester
O
O
O
Cl
+
O-
H2N
O
OO
N
H
O
jetzt ist das freie Elektronenpaar des Amins
durch die Beteiligung an der Amid-Mesomerie
desaktiviert, nucleophilste Stelle des Moleküls
ist die Carboxylatgruppe
n
- Cl-
n
Cl
O
O
O
N
H
Schutzgruppe
O
1. Aminosäure
fester Träger
b) “Entschützen”
n
O
O
O
N
H
O
n
H2 / Palladium-Katalysator
O
O
H
HO
N
H
O
eine Carbaminsäure (Kohlensäure-ähnliches Derivat;
CO2 wird leicht abgespalten)
Toluol
- CO2
n
H
O
N
H
O
damit wird das nucleophile Aminoende
der jetzt festphasen-gebundenen Aminosäure
wieder freigesetzt
c) Kupplung mit der zweiten Aminosäure
n
O
+
H2N
O
-
H
O
N
H
O
Erneut zwei Schwierigkeiten:
a) das Carboxylat-Ende der zweiten Aminosäure muß aktiviert werden, sonst reagiert es mit
dem Amino-Ende der ersten, ihrerseits über die Carboxylat-Gruppe an die feste Phase
gebundenen Aminosäure nicht
b) außerdem muß wie zuvor bei der ersten Aminosäure zunächst die reaktive Aminogruppe der
zweiten Aminosäure durch schützen desaktiviert werden. Es soll nur die Aminogruppe der
bereits festphasen-gebundenen Aminosäure als Nucleophil reagieren können.
O
O
N
NH
OH
Dicylcohexylcarbodiimid
(DCC)
C
+
O
N
dieses Mal aus rein didaktischen
Gründen die zweite Schutzgruppe
verwendet
O
O
N
NH
O
aktivierte
Carbonsäure
O
C
N
H
n
+
H
O
N
H
O
n
H
N
H
O
+
O
N
O
O
NH
N
O
H
O
Dicyclohexylharnstoff
(Nebenprodukt)
Entschützen mit
HBr / HOAc
oder
F3CCO2H / H2O
H
+O
NH
O
n
H
die Carbaminsäure
decarboxyliert wieder
O
NH
+
O
O
O
H2N
Eliminierung
oder
nucleophile Addition von Wasser
N
H
O
d) Wiederholung von b) “Entschützen” und c) Kupplung mit der nächsten
Aminosäure
e) Die fertige Peptidkette vom Polymer abspalten
n
O
O
H2N
N
n
H
O
die Esterbindung am Anknüpfungspunkt an der
festen Phase ist reaktiver als die Amidbindungen im
Peptidstrang und kann daher selektiv gespalten werden.
So wird das fertige Peptid von dem Polystyrol-Kügelchen
getrennt.