Aminosäuren und Proteine

Aminosäuren und Proteine
Experimentalvortrag von Anke Schleipen
Gliederung des Vortrags
1. Aminosäuren
1.1 Struktur und Vorkommen
1.2 Löslichkeit
1.3 Reaktionen
2. Von der Aminosäure zum Protein
3. Proteine
3.1 Struktur
3.2 Eigenschaften
3.3 Reaktionen
4. Lehrplan
1. Aminosäuren
Definition Aminosäuren
-Carbonsäuren, die eine Aminogruppe enthalten
=> bifunktionell
O
H2N
R
OH
H
1. Aminosäuren
Häufigkeit und Vorkommen von Aminosäuren
Baustein für
• Peptide
• Proteine
• Phospholipide
Neurotransmitter
• Glutamat
• Asparat
• Glycin
Vorstufe für
• Biogene Amine
• Glucose
• Nukleotide
• Häm, Keratin
Transportmolekül
• NH2-Gruppen
1. Aminosäuren
Versuch 1:
Nachweis der Aminogruppe
mit der
Van-Slyke-Reaktion
1. Aminosäuren
Gesamtreaktion:
OH
OH
+ HNO2
H2N
HO
O
+ N2 + H2O
O
Bildung des Elektrophils:
NO2
H
HNO2
H
O
N
OH2
- H2O
N
O
N
O
1. Aminosäuren
Diazotierung:
R
NH2
+
N
R
O
~2 H
NH2
N
R
N
H2O
O
N
OH2
- H2O
R
N
N
Freisetzung von Stickstoff:
R
N
N
+ H2O
R
OH + N2 + H
R
N
N
1. Aminosäuren
Die 20 proteinogenen Aminosäuren
Hydrophobe Aminosäuren
O
H2N
OH
Saure Aminosäuren
O
Glycin (Gly,G)
H2N
OH
O
H2N
OH
O
Polare
Aminosäure
O
OH
Glutaminsäure (Glu,E)
H2N
Leucin (Leu,L)
OH
OH
Serin (Ser,S)
Aromatische Aminosäure
O
H2N
Basische Aminosäure
H2N
OH
O
O
H2N
OH
OH
SH
Cystein (Cys,C)
Phenylalanin (Phe,F)
NH2
Lysin (Lys,K)
1. Aminosäuren
Die proteinogenen Aminosäuren
- Unterteilung in Gruppen
- Benennung: Drei-Buchstaben-Code oder Ein-Buchstaben-Code
- 8 essentielle Aminosäuren
müssen mit der Nahrung aufgenommen werden
Merksatz:
Phenomenale Isolde trüpt metunter Leutnant Valentins
lysterne Thräume. (+ Arginin bei Kindern)
1. Aminosäuren
Nicht-proteinogene Aminosäuren
- Aminosäuren, die nicht in Proteine eingebaut werden
- Bsp.: 3,4-Dihydroxyphenylalanin
OH
NH3
OH
NH3
O
O
O
OH
O
Tyrosin
3,4-Dihydroxyphenylalanin
g-Aminobutyrat
NH3
O
O
O
Glutamat
O
- CO2
O
H3N
O
g-Aminobutyrat
1. Aminosäuren
Optische Aktivität von Aminosäuren
- bei C2: Chiralitäts- bzw. Asymmetriezentrum
→ Ausnahme:
Glycin
- optisch aktiv: Drehen von linear polarisiertem Licht
Betrag des Drehwerts steht in keinem Zusammenhang zur
L- und D-Nomenklatur!
1. Aminosäuren
D- und L-Aminosäuren
- Unterscheidung in D- und L-Formen
- Aminosäuren in Proteinen: L-Stereoisomere
→ D-Aminosäure-Oxidase in Leber
Hermann Emil Fischer
- Ausnahme: D-Aminosäuren Bakterien
→
in Bakterienzellwand
→
Peptid-Antibiotika
1. Aminosäuren
Aminosäuren: Zwitterionen
- Aminosäuren als amphotere Substanzen
- Ammonium-Ion: pKa = 10 - 11
- COOH-Gruppe: pKa = 2 - 5
- Aminosäuren: zwitterionische Ammoniumcarboxylate
O
H O
H2N
H
R
O
O
H3N
H
R
1. Aminosäuren
Zwitterionen bei unterschiedlichen pH-Werten
- Beispiel: Glycin
COOH
H3N
R
H
Monokation:
überwiegt bei
pH< 1
COO
+ OH
+H
H3N
R
H
COO
+ OH
+H
Zwitterion:
überwiegt bei
pH = 6
H2N
R
H
Monoanion:
überwiegt bei
pH > 13
1. Aminosäuren
Isoelektrischer Punkt (IEP)
- IEP: c(Anion) = c(Kation)
→
alle Ladungen neutralisiert
- Berechnung: Mittelwert der beiden pKa-Werte
pK1 + pK2
___________
pI =
2
- Ausnahme: bei Aminosäuren mit basischer oder saurer
Seitenkette
Versuch 2:
Löslichkeit von Tyrosin
1. Aminosäuren
HO
O
O
2,2
O
O
pKa = 9,1
pKa = 2,2
H3N
OH / H2O
O
H3N
OH / H2O
9,1
H
O
O
pKa = 10,1
H2N
OH / H2O
H
H2N
H
10,1
OH
Monokation
OH
ladungsneutralisiertes
Zwitterion
2,2 + 9,1
____________
= 5,65
pI =
2
OH
O
Monoanion
Dianion
1. Aminosäuren
Versuch 3:
Nachweis von Aminosäuren in
Aufbaupräparaten
1. Aminosäuren
O
O
O
R
O
+
N
O
H3N
O
O
O
O
Ruhemanns Purpur
O
O
O
O
Indan-1,2,3-trion
+ H2O
OH
- H2O
OH
O
1. Aminosäuren
O
O
COOH
+
O- + H2N
HO
OH
O
NH
R
R
H
H
O
O
Halbaminol
O
O
HO
OH
O
NH
R
H
- H2O
- CO2
O
H H
N
R
O
Keto-Enol-Tautomerie
O
H
R
N
OH
1. Aminosäuren
O
O
H
R
O
NH2 +
N
R
OH
H
OH
Aminoketon
Aldehyd
O
O
O
NH2 + O
O
+
N
O
O
OH
O
O
O
O
O
N
N
O
O
O
O
Ruhemanns Purpur
2. Von der Aminosäure zum Protein
Peptidbindung
- verknüpfen Aminosäuren untereinander zu Peptiden
- Peptidbindung entsteht durch Kondensationsreaktion
R
R
H2N
COOH
+ H2N
COOH
H
H
- H2O
R
O
H2N
OH
R
N
H
O
2. Von der Aminosäure zum Protein
Besonderheiten der Peptidbindung
- bei Raumtemperatur ziemlich starr
- NH-Wasserstoffatom trans zu Carbonylsauerstoff
Länge
C-N
C=N
147 pm
Peptidbindung 132 pm
O
H
N
R
R
N
H
O
H
N
O
R
R
N
H
O
3. Proteine
Bedeutung und Vorkommen von Proteine
Bedeutung:
- griech. Wort proteuo (ich nehme den ersten Platz ein)
Vorkommen:
- Muskeln:
19 %
(Actin, Myoglobin, Myosin)
- Blut:
21 %
(Hämoglobin)
- Knochen:
30 %
(Keratine)
- Haare:
90 – 100 %
(Keratine)
- Eiklar:
12 – 13 %
(Ovalbumin, Conalbumin)
- Kuhmilch:
3%
(Albumine, Casein)
3. Proteine
Bedeutung der Proteine für den Organismus
- Strukturbildung und –erhaltung
- Transport
- Steuerung und Abwehr
- Katalyse
- Bewegung
- Speicherung
3. Proteine
Primärstruktur
- Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb der
Polypeptidkette
- Darstellung der Aminosäurensequenz, aber nicht des
räumlichen Aufbaus
OH
O
O
H2N
H
N
H
H
N
O
CH3
N
H
O
OH
O
SH
Tetrapeptid Gly-Glu-Cys-Ala
3. Proteine
Sekundärstruktur
- räumliche Anordnung der Aminosäuren eines Proteins
- Unterscheidung in: - a-Helix-Struktur
- b-Faltblatt-Struktur
- Ursache: - Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den
Peptidbindungen des Polypeptids
- Unterscheidung zwischen inter- und intramolekularen
Wasserstoffbrückenbindungen
3. Proteine
a - Helix
- durch intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen
- meist rechtsgängig
- 3,6 Aminosäuren pro Windung
- fast lineare Wasserstoffbrücken
→4
Positionen voneinander entfernt
- Bsp.: Keratin
3. Proteine
b - Faltblatt
- durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen
- parallele Struktur
- antiparallele Struktur
→ a-C-Atome an höchsten und tiefsten Punkten der Struktur
→Seitenketten ragen abwechselnd senkrecht nach oben oder
unten
3. Proteine
Tertiärstruktur
- spezifischen räumliche Anordnung der helicalen bzw.
zickzackgefalteten Peptidketten
- Ursache: Bindungen/ Wechselwirkungen zwischen den
Seitenketten
3. Proteine
Quartärstruktur
- mehrere tertiär strukturierte Polypeptidketten lagern sich
zusammen
- Bsp. Hämoglobin
Demo 1:
Schleimlösende Wirkung von ACC
3. Proteine
O
H2
C S
S
H2
C
+
OH
HS
HN CO
2
CH3
N-Acetylcystein
H2
C SH
H2
HS C
O
O
+
H3C
Peptidstrang
HO
CO NH
S
S
OH
NH CO CH3
3. Proteine
Versuch 4:
Xanthoprotein
3 HNO3
R
R
R
+ NO2
H
NO2+ + 2 NO3- + H3O+
- H+
+
O2N H
NO2
3. Proteine
Versuch 5:
Biuret-Reaktion
R
O
R
2
N
H
R
N
O
O
H
N
O
+ [Cu(H2O)6]2+ + 2 OH
R
HN
H2O
Cu
O
R
NH
R
+ 8 H2O
O
O
H2O
O
N
R
3. Proteine
Demo 2:
Blutfleck
3. Proteine
Isolierung und Reinigung von Proteinen
- Dialyse
- Gelfiltration
3. Proteine
SDS-Gelelektrophorese
- Prinzip: Auftrennung nach Masse
- Durchführung:
1. Denaturierung der Proteine und negativ laden
2. Elektrophorese
3. Anfärben der Proteine
4. Auswertung anhand von
Massentabellen
3. Proteine
Demo 3:
Proteinfingerabdruck
3. Proteine
Proteinfingerabdruck diverser Fleischsorten
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Pute
Huhn
Lamm
Marker
Rind
Schwein
Dammhirsch
Salami
Salami
1
2
3 4
5 6 7 8
9
3. Proteine
Versuch 6:
Tyndall-Effekt
4. Schulrelevanz
Schulrelevanz
-
GK 11 G.2 / LK 11 G.2
- Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch
wichtige Kohlenstoffverbindungen
• Aminosäuren, Peptide, Polypeptide
- Struktur und Eigenschaften
- Peptidbindung
- Strukturen von Eiweißen
- Vorkommen und Bedeutung
- Nachweisreaktionen
ENDE