03.02.2009 U. Albrecht Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt Fundamentals of Biochemistry Second Edition Chapter 4: Amino Acids Copyright © 2006 by John Wiley & Sons, Inc. Protein from greek proteios = primary U. Albrecht Proteins composed of amino acids 1 03.02.2009 Kapitel 4 1. Aminosäuren Struktur A. Allgemeine Eigenschaften B. Peptidbindungen C. Klassifikation und Charakteristika D. Säure-Base Eigenschaften E. Nomenklatur 2. Stereochemie 3. Aminosäuren Derivate A. Modifikation der Seitenketten von Proteinen B. Biologisch aktive Aminosäuren 1. Aminosäuren Struktur Lernziele: 1) Kennen der allgemeinen Struktur einer Aminosäure und der Strukutren der 20 verschieden Seitenketten 2) Verstehen wie Peptidbindungen Aminosäurereste zu einem Polypeptid verknüpfen. 3) Verstehen dass Aminosäuren ionisierbare Gruppen enthalten deren pK Werte variieren wenn die Aminosäure Teil eines Polypeptides ist. 2 03.02.2009 U. Albrecht All proteins are composed of 20 ‘standard’ amino acids. α-Amino Acids(AA) -> primary amino group next to α-carbon (exception proline) The 20 standard AA differ in the structure of the side chain (R-groups) The 20 standard amino acids U. Albrecht very often used 3 03.02.2009 U. Albrecht most often used U. Albrecht Helix breaker (see later) least used 4 03.02.2009 U. Albrecht U. Albrecht 5 03.02.2009 average Mass = 110 U. Albrecht b n a U. Albrecht 1. A. Allgemeine Eigenschaften Amino and Carboxylic groups readily ionized -> Amino pK2 = 9.4 Carboxyl pK1 = 2.2 At physiological pH (about 7.4) amino groups are protonated and the carboxylic acid groups are in their conjugate base (carboxylate) form -> Amino acids can act as both an acid and base. Amino acids are Zwitterions or Dipolar ions at physiological pH. 6 03.02.2009 U. Albrecht 1. B. Peptid Bindungen Aminosäuren polymerisieren und bilden Ketten. Kondensierungsreaktion (siehe unten) -> Peptid Bindung Die Variation in der Länge und Aminosäuresequenz von Polypeptiden steuert zur Diversität der Form und Funktion von Proteinen bei. amino terminus oder N-term Peptidbindung carboxyl terminus oder C-term = Dipeptid wenn aus mehreren Amino säuren -> Polypeptid Einzelne Aminosäure eines Polypeptides= Aminosäure Rest 1. C. Klassifikation und Charakteristika Klassifizierung gemäss der Polarität der Seitenketten. -> 3 Hauptklassen: U. Albrecht 1) apolare R-Reste 2) ungeladene polare R-Reste 3) geladene polare R-Reste 1) Apolare Aminosäuren R C N Alanin Isoleucin Phenylalanin 7 03.02.2009 U. Albrecht Alanin * U. Albrecht Isoleucin * 8 03.02.2009 U. Albrecht Phenylalanin * U. Albrecht Ungeladene polare Seitenketten haben hydroxyl, amid oder thiol Gruppen Serin Glutamine 9 03.02.2009 U. Albrecht Serin * U. Albrecht Glutamine * 10 03.02.2009 Thiolgruppe Geladene polare Seitenketten sind positiv oder negativ geladen U. Albrecht U. Albrecht Aspartate Lysine 11 03.02.2009 U. Albrecht Aspartate U. Albrecht Lysine 12 03.02.2009 U. Albrecht 1. D. Säure-Base Eigenschaften Titrationskurve für Glycine Isoelektrischer Punkt pI : pH bei welchem das Molekül keine netto Ladung hat. in wässeriger Lösung nur in sehr geringen Mengen vorhanden pKs genug weit auseinander sodass für beide die Hendeson-Hasselbach Gleichung gilt: [A-] pH = pK + log -------[HA] pI = 1/2 (pK1 + pK2) Die pK Werte der ionisierbaren Gruppen hängen von den Nebengruppen ab. z.B. CH3COOH pK = 4.76 aber bei Gly pK1 = 2.35 Grund: Die NH3+ Gruppe in Gly stabilisiert COO-> braucht mehr H+ um Gleichgewicht herzustellen. Amine pK = 10.7 aber bei Gly NH3+ = 9.78 U. Albrecht 1. E. Nomenklatur C-term N-term alanyl tyrosyl aspartyl glycine Ala-Tyr-Asp-Gly AYDG 13 03.02.2009 U. Albrecht gamma carboxyl group epsilon amino group 2. Stereochemie Lernziele: 1) Verstehen dass Aminosäuren und andere chemische Verbindungen chirale Moleküle sind deren Konfiguration in der Fischer-Projektion dargestellt werden kann. 2) Verstehen dass Aminosäuren in Proteinen stereochemisch die L Konfiguration haben. 14 03.02.2009 U. Albrecht Polarimeter Alle Aminosäuren ausser Glycine sind optisch aktiv. Optisch aktive Moleküle sind asymmetrisch -> asymmetrische Zentren = chirale Zentren (griechisch cheir = Hand). U. Albrecht Chirale Zentren lassen Enantiomere entstehen. Lassen sich nur durch polarisiertes Licht und Reaktionspartnern welche auch chiral sind unterscheiden. Richtung der Ablenkung im Polarimeter und Händigkeit von Molekülen kein direktes Verhältnis. z.B. Leu dreht Licht um 10.4° nach links, währenddem Arg um 12.5° nach rechts dreht. Von der optischen Rotation ist es also nicht möglich auf die absolute Konfiguration zu schliessen. Enatiomere von fluorochlorobromomethane 15 03.02.2009 U. Albrecht Die Fischer Projektion beschreibt die Konfiguration asymmetrischer Zentren vertikale nach unten horizontale nach oben levorotatorisch (griech. levo=links) dextrorotatorisch (Griech. dextro=rechts) U. Albrecht gleiche relative Konfiguration 2 1 3 Alle Aminosäuren von Proteinen haben die L-Konfiguration (viele L-Aminosäuren sind aber dextrorotatorisch in polarisiertem Licht). Fischerprojektion nicht praktisch für Moleküle mit mehreren chiralen Zentren. n n chirale Zentren gibt 2 verschiedene Stereoisomere. 16 03.02.2009 U. Albrecht Cahn-Ingold-Prelog or RS system (latin rectus=rechts, sinistrus=links) Das Leben basiert auf chiralen Molekülen U. Albrecht Chemische Synthesen produzieren enantiomere nicht getrennt -> Razemische Gemische Biosynthetische Prozesse produzieren reine Stereoisomere also keine rezemischen Gemische. L-AS nur ein Beispiel. -> da nur L produziert wird sind alle biologischen Prozesse auf L-AS aufgebaut. Gleiche proteine mit D-AS haben keine Wirkung, da alle Interaktionen sterisch beeinflusst sind. Peptidasen in unserem Körper schneiden Peptide mit L-AS aber nicht bakterielle mit D-AS. Um D-AS zu machen haben Bakterien spezielle Enzyme. Viele Medikamente werden als razemische Gemissche Synthetisiert. Nur ein enatiomer wirksam, das andere unwirksam. (anti-inflammatorisch) 17 03.02.2009 U. Albrecht anderes Enatiomer verursacht schwere Geburtsschäden. (mildes sedativ) U. Albrecht 18 03.02.2009 3. Aminosäuren Derivate Lernziele: 1) Verstehen dass die Seitenketten von Aminosäureresten in Proteinen kovalent modifiziert werden können. 2) Verstehen dass einige Aminosäuren und Aminosäurenderivate als Hormone und regulatorische Moleküle wirken können. U. Albrecht 3. A Seitenkettenmodifikationen von Proteinen Seitenketten werden oft modifiziert nach der Synthese der Polypepditkette. 19 03.02.2009 U. Albrecht Green fluorescen protein von der Qualle Aequorea victoria. Wird als reporter gebraucht. Proteinsequenz davorkloniert -> fusionsprotein -> Menge von Protein durch Menge von Fluoreszenz sichtbar. U. Albrecht Zyklisierung Ser-Gly -> System konjugierter Dppelbindungen. 20 03.02.2009 U. Albrecht 3. B Biologisch aktive Aminosäuren Einzelne AS oder AS Derivate oder AS Vorstufen. Aufgaben: Stickstoff transport, Energielieferant, Botenstoffe aus glutamin, ein Neurotransmitter aus Histidin, lokaler mediator allergischer Reaktionen aus Tyrosin, ein Neurotransmitter aus Tyrosin, iodhlatiges Schilddrüsenhormon welches den Stoffwechsel stimuliert. U. Albrecht Glutathion inaktiviert oxidative Substanzen um Zerstörung zellulärer Strukturen zu verhindern. oxidative Substanzen werden reduziert. 21