Aminosäuren

Aminosäuren, Peptide, Proteine
AMINOSÄUREN
O
- Allgemeine Formel der Aminosäuren :
R
CH
NH2
C
OH
- 20 proteinogene Aminosäuren:
Produkte der hydrolytischen Spaltung der Proteine
- Einteilung nach der Struktur der R Gruppe:
unpolare
polare
basische saure
neutrale
- essentielle Aminosäuren:
werden im Organismus nicht aufgebaut, sie müssen mit Nahrungbzw. Futtermittel aufgenommen werden
2
R (unpolar)
H
Glycin
Gly
CH3
Alanin
Ala
Valin
Val
Leucin
Leu
CH3
CH
R
CH
NH2
Name
O
CH3
OH
CH3
C
CH
CH2
CH3
CH3CH2
CH
Isoleucin
Ile
Methionin
Met
CH3
CH3
S
CH2
CH2
3
R (unpolar)
Name
CH2
Phenylalanin
Phe
Tryptophan
Trp
Prolin
Pro
O
R
CH
NH2
C
N
H
OH
N
H
COOH
4
R (polare)
HO
CH2
HO
CH
Name
Serin
Ser
Threonin
Thr
Cystein
Cys
CH2
Asparagin
Asn
CH2 CH2
Glutamin
Gln
CH3
O
R
CH
NH2
HS
C
CH2
OH
O
H2N
C
O
H2N
C
5
R (polare)
Name
HOOC
CH2
Asparaginsäure Asp
HOOC
CH2 CH2
Glutaminsäure Glu
saure
HO
CH2
Tyrosin
Tyr
Lysin
Lys
Arginin
Arg
Histidin
His
O
R
CH
NH2
C
OH
H2N
CH2 CH2 CH2 CH2
H2N
C
basische
NH
HN
HN
CH2 CH2 CH2
CH2
N
6
Physikalische Eigenschaften
- kristalline Stoffe mit hohen Schmelzpunkten
- funktionelle Gruppen: -NH2, bzw. -COOH
- zwitterionische Struktur
Zwitterion: ein Molekül, das gleichzeitig ein Zentrum positiver
und ein Zentrum negativer Ladung enthält
R
CH
COOH
NH2
R
CH
NH3
saure Gruppe
basische Gruppe
COO
Base
Säure
7
- Salzbildung mit Säuren
R
CH
COO
HCl
+
R
CH
NH3
NH3
COOH
+ HO
2
Cl
- Salzbildung mit Basen
R
CH
NH3
COO
+ NaOH
R
CH
COO Na
+ H2O
NH2
8
- Isoelektrischer Punkt der Aminosäuren
H
R
CH
H
COO
NH2
alkalische Lösung
R
OH
CH
R
COO
CH
OH
NH3
COOH
NH3
isoelektrischer Punkt
saure Lösung
neutrales Zwitterion, keine Nettoladung
Elektrophorese:
Wanderung im elektrischen Feld
H3N
_
CH
COO
(CH2)4NH3
Lysin (9,7)
CH2
COO
NH3
Glycin (6,0)
H3N
CH
COO
CH2COO
+
9
Asparaginsäure(3,0)
Reaktionen der Amino-Gruppe
- N-Methylierung
R
CH
(CH3)2SO4
COOH
R
CH
H3C
NH2
N
COO
CH3
Betain
CH3
- Hydroxymethylierung
R
CH
CH2O
COOH
R
NH2
CH2
Titration mit NaOH:
Sörensen-Titration
OH
schwache saure Eigenschaften
- Acylierung
CH
COOH
N
H2C
OH
R
CH
O
COOH
+
R'
-HCl
C
R
Cl
NH2
CH
COOH
NH
C
R'
O
O
CH 2 O C Cl
R
CH
COOH
NH
C
O
H2/Pd
CH2
R
CH
COOH
NH2
O
CO2 +
geschützte Aminosäure
CH3
10
Entfernung der Schutzgruppe
- Oxidation
R
CH
COOH
R
NH2
- van Slyke-Reaktion
C
COOH + NH3
Desaminierung
O
R
CH
COOH
R
COOH + N2 + H2O
CH
NH2
OH
volumetrische
Bestimmung von N2,
bzw. der
Aminosäuren
Reaktionen der Carboxylgruppe
- Bildung von Metallkomplexen,
z.B. mit Cu2+-Ionen
R
CH
NH2
C
O
- Esterbildung
R
CH
NH2
COOH
O
Cu
R'OH/HX
H2N
CH
R
C
O
R
O
CH
NH2
COOR'
11
- Decarboxylierung
R
CH
COOH
-CO2
R CH2
Biogene Amine
z.B.
Histidin
Tryptophan
Tyrosin
Lysin
NH2
NH2
Histamin
Tryptamin
Tyramin
Cadaverin
Reaktionen in der Seitenkette
Ox
2 CH2
SH
CH
NH2
Cystein
COOH
Red
HOOC
CH
CH2 CH2
NH2 S
S
CH
COOH
NH2
Cystin
Disulfidbrücke (-S-S-)
12
- Konfiguration der Aminosäuren
α-Kohlenstoff-Atom: Chiralitätzentrum
- nach dem D/L-Kennzeichnungssystem
COOH
H2N
C
COOH
H
H
C
R
R
L-Aminosäure
NH2
D-Aminoäure
- Referenzverbindung (Bezugssystem)
L-Glycerinaldehyd:
die linksdrehende Form
von Glycerinaldehyd
CHO
HO
C
CHO
C
H
HO
CH2OH
H
CH2OH 13
Fischer Projektionsformeln
Grundlage der zweidimensionalen Darstellung der (dreidimensionalen) chiralen Moleküle
Projektion nach bestimmten Regeln
CHO
Substituenten in vertikaler Ebene (CHO, bzw. CH2OH),
die vom Betrachter ausgerichtet sind
C
H
HO
Sie finden sich hinter der Papierebene (punktierte Linien)
CH2OH
Substituenten in horisontaler Ebene (HO, bzw. H),
die zum Betrachter ausgerichtet sind
Sie finden sich vor der Papierebene (ausgezogene Striche oder keilartige Dreiecke)
CHO
CHO
CHO
Projektion
C
H
HO
CH2OH
HO
H
CH2OH
HO
C
H
CH2OH
Fischersche Projektionsformel
14
von L-Glycerinaldehyd
Im Cahn-Ingold-Prelog- (R/S) System:
In den natürlich vorkommenden Aminosäuren hat
das Chiralitätszentrum eine (S)-Konfiguration
Im allgemeinen: L
und
D
S
R
15
Peptide
Peptidbindung (E. Fischer)
- Bildung der Dipeptide
H2N
CH
+
C
R1
z.B.
H2N
OH
Aminosäure 1
R1 = H
Glycin
O
O
O
CH
R2
-H2O
C
H2N
OH
CH
R1
C
O
NH
CH
R2
C
OH
Dipeptid
Aminosäure 2
R2 = CH3
Alanin
Dipeptid: Glycyl-Alanin
Struktur der Peptide
H
O
O
C
H 2
C R
H
N
O C
N-terminale Aminosäure
H 1
C R
N
2
H
freie Aminogruppe
freie Carboxylgruppe
C-terminale Aminosäure
16
- Bildung
der Polypeptide
H
+ H
N
H
O
CH
OH + H
C
O
N
CH
R1
H
OH + H
C
N
R2
O
CH
C
OH +
R3
-nH2O
H
N
O
H
C
N
CH
CH
R1
O
H
C
N
R2
O
CH
C
R3
Polypeptid-Kette
H
O
N
C
C
R1
H
R2
H
C
N
C
H
O
H
O
N
C
C
R3
H
R4
H
C
N
C
H
O
17
- Peptidsynthese
H2N
CH2 COOH
z.B. Synthese von H-Gly-Ala-OH
1. Einführung der Schutzgruppe
in AS1
HN
2. Aktivierung der
Carboxylgruppe der AS1
COOH
CH3
Gly (AS1)
CH2 COOH
Ala (AS2)
O
Q
HN
H2N CH
Q = PhCH2O
C
CH2 CON3
Q
3. Schutz der Carboxylgruppe
der AS2
H2N CH
4. Knüpfung der Peptidbindung
Q
COOCH3
CH3
NH
CH2
CO
NH CH
COOCH3
CH3
5. Abspaltung der Schutzgruppen H2N
N-terminale
Aminosäure
CH2
CO
NH CH
CH3
COOH
C-terminale
18
Aminosäure
- Festphasen-Synthese (Merrifield-Synthese)
HO OC
Cl
CH
NHB oc
R
- Verankerung der wachsende Peptidkette
an einem Polystyrolträger
- Anknüpfung neuer Bausteine
O
O
C
CH
- Dosierung der Reagenzien
NHBoc - Auswaschen des Überschusses
R
Polystyrolträger
automatisierbare Operationen
Merrifield-Synthese: eine Methode von hoher Leistungsfähigkeit
z.B. Synthese des Ribonuclease Enzyms (Rindpancreas):
Peptidkette mit 124 Aminosäuren, 6 Wochen (1969)
19
Strukturanalyse der Peptide
1.) Welche Aminosäurereste bauen das Peptidmolekül auf?
2.) Wie viele von ihnen sind im Molekül vorhanden?
3.) Die Reihenfolge (Sequenz), in der sie aufeinanderfolgen?
Frage 1.) und 2.): Bausteinanalyse
vollständige
Hydrolyse
Polypeptide
Identifizierung,
+
Trennung
Aminosäuren
quantitative
an Ionenaustauschern Bestimmung
in automatisierten
Geräten
(AminosäureAnalysatoren)
20
Frage 3.): Sequenzanalyse
- Identifizierung des N-endständigen Restes
- DNP-Methode (Sanger-Methode)
hydrolytische
Spaltung hier
F
NO2
NO2
O
O
CH
NH
R1
C
CH
NH2
NO2
CH
NH
C
R1
R2
CH
NH
NO2
R2
NO2
Hydr.
Aminosauren +
HOOC
CH
NH
NO2
R2
DNP-Aminosaure
DNP = Dinitrophenyl-Derivat
21
- Phenylthiohydantoin-Methode (Edman-Abbau)
S C N
Phenylisothiocyanat
N C S
R
S C N
HNOC CH NH2
R
O
CH
NH2
C
+
N
NH
C
S
N-terminale Aminosäure
Peptid
(n-1 Aminosäure) Phenylthiohydantoin
Die verbleibende Peptidkette kann erneut dieser Reihenfolge unterworfen
werden, so daß Teilsequenzen einer Peptidkette ermittelt werden können!!
22
- Identifizierung des C-endständigen Restes
O
O
C
NH
Peptidkette
(n AS)
CH
COOH
C2H5OH
C
NH
COOC2H5
CH
R
R
LiAlH4
O
n-1
+
Aminosäuren
Hydrolyse
H2N CH
CH2OH
R
C
NH
CH
CH2OH
R
β-Aminoalkohol
23
- Spaltung durch Anwendung substratspezifischer Enzyme
Enzym*
Gesamtpeptidkette
verschiedene Oligopeptide
selective Spaltung
der Peptidkette
*z.B. Protease, Trypsin, Chymotrypsin
Bausteinanalyse,
Endgruppenbestimmung,
usw.
24
Einige natürlich vorkommende Peptide
Oligopeptide:
Polypeptide:
Proteine:
2-9
Aminosäuren (AS)
10-50 AS
> 50 AS
- Glutathion (GSH) Glu – Cys – Gly
Tripeptid
- Oxytocin
S
1
3
Cys Tyr
Ile
6
Nonapeptid S
Cys
Asn Gln
- Überträger bei Redoxprozessen in
lebenden Org.
- wirkt antioxidant (GSH
GSSG)
- Hormon des Hypophysen-Hinterlappens
- bewirkt Uteruskontraktion
9
Pro
- Vasopressin
S
Nonapeptid S
Leu Gly
1
3
Cys Tyr
Phe
6
Cys
NH 2
- Hormon des Hypophysen-Hinterlappens
- erhöht den Blutdruck
Asn Gln
9
Pro
Arg Gly
NH 2
25
- Gramicidin-S
- erzeugt durch Bacterium brevis
- Cyclopeptid mit D-Aminosäuren
- Antibiotikum
- Corticotropin (ACTH) - 39 Aminosäuren
- Hormon des Vorderlappens der Hypophyse
- kontrolliert die Hormon-Biosynthese in der
Nebennierenrinde
- Anthrax-Polypeptid
- erzeugt durch Bacterium anthracis
- monotones Polypeptid aus D-Glutaminsäuren
- γ-Knüpfung
- M ~ 250000
26
- Insulin
- Isolierung: Banting und Best (1921)
- Strukturaufklärung: Sanger, 1953-55
51 Aminosäuren, in 2 Polypeptidketten
S
S
Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys
1
7
6
S
Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
15
Thr-Ser-Ile
8
9
20
S
10
S
S
19
Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly
Glu
Thr-Lys-Pro-Thr-Tyr-Phe-Phe-Gly-Arg
30
- Hormon der Bauchspeicheldrüse (in den Langerhansschen Inseln)
- kontrolliert die Konzentration der Glucose im Blut, wirkt blutzuckersenkend
- med. Verwendung: bei Behandlung der Zuckerkrankheit (Diabetes)
27
Struktur der Peptide und Proteine
mehrere Stufen der strukturellen Organisation
Primärstruktur: Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur:
- Regelmäßigkeiten in der Konformation der Polypeptidkette;
- räumliche Anordnung der Peptidketten, die durch
Wasserstoffbrückebindungen zwischen C=O und H-N Gruppen fixiert
werden: α-Helix und Faltblattstruktur
Tertiärstruktur: Fixierung der Molekülteile über die Sekundärstruktur hinaus,
meist durch Disulfidbrücken
SH
+
HS
[O]
S
S
+ H2O
Quartärstruktur: Aggregate einiger Proteinmoleküle
28
Sekundärstruktur
- α-Helix (Pauling und Corey, 1951)
Die Peptidkette ist schraubenartig um einen Zylinder gewickelt
intramolekulare Wasserstoffbrückebindungen
Identitätsperiode
(Ganghöhe):
540 pm
eine Helixwindung = 3.6 Aminosäuren
29
- Faltblatt-Struktur (β-Konformation)
Die Peptidketten sind vollständig gestreckt, und bilden eine ebene Zickzackkette
O
H
C
N
N
H
C
R1
H
R2
H
C
C
N
O
H
O
H
C
N
C
R3
H
R4
C
C
H
O
Identitätsperiode: 720 pm
Kette 1
H-Brücken
Kette 2
Die Ketten liegen Seite an Seite und formen ein gefaltetes Blatt.
30
Tertiärstruktur
C-Endgruppe ungeordnetes
Segment
α-Helix
ungeordnetes
Segment
α-Helix
Faltblatt
N-Endgruppe
α-Helix
ungeordnetes
Segment
31
Klassifizierung der Proteine
- nach den Bestandteilen
einfache Proteine
aufgebaut nur aus Aminosäuren
konjugierte Proteine
Eiweißanteil + nichtproteinogene Gruppe
z. B. Hämoglobin, Casein, Glykoproteine,
Lipoproteine
- nach der Gestalt der Proteinmoleküle
fibrilläre Proteine (Faserproteine)
globuläre Proteine (Sphäroproteine)
- Keratin (Haare, Wolle, Nägel)
- Kollagen (Sehnen, Knorpel, Gelatin)
- Fibroin (Seide)
- Myosin (Muskeln)
- Albumine (Serum-, Ovalalbumin, Lactalbumin)
- Globuline (Serumglobuline des Blutplasmas)
- Enzyme
- Prolamine, Gluteline (in Getreidekörner)
32
Nachweis der Proteine
- Ausflockung aus Eiweißlösungen mit:
- Schwermetallionen (Cu2+, Pb2+)
- Mineralsäuren (z.B. HNO3)
- Trichloressigsäure, 5-Sulfosalicylsäure
- Ammoniumsulfat- Lösung
- Natriumsulfat-Lösung
irreversible Koagulation
reversible
Koagulation
- Farbreaktionen
- Xanthoprotein-Reaktion: konz. HNO3, gelbe Färbung (Tyrosin, Tryptophan)
- Millon-Reaktion:
Hg(NO3)2 in konz. HNO3, roter Niederschlag (Tyrosin)
- Biuretreaktion:
CuSO4, NaOH, blauviolette Färbung
33
- Ninhydrin-Reaktion: blauviolette Färbung
O
O
O
Na
OH
+
OH
O
R
CH
NH2
COOH
Base
N
O
O
+ CO2 + RCHO
34