H - Organische Chemie
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Chemie wichtiger Naturstoffklassen Aminosäuren 18.12.2014 1 Stereochemie der Aminosäuren α- und β-Aminosäuren/chirale und achirale Aminosäuren H NH2 H2N H CH3 H COOH COOH COOH COOH H NH2 CH3 H H H NH2 H Glycin (Gly) L-Alanin (Ala) b-Alanin D-Alanin D,L- Nomenklatur – R,S-Nomenklatur COOH 2 COOH 2 1 H2N H 4 CH3 3 S-Alanin 18.12.2014 4 H NH2 1 CH3 3 R-Alanin 2 Klassifikationsmöglichkeiten der Aminosäuren Sind die Aminosäuren polar? Sind die Seitenketten hydrophil? Sind die Seitenketten verzweigt? Sind Hydroxygruppen enthalten? Ist Schwefel enthalten? Handelt es sich um eine Monoaminomonocarbonsäure, Monoaminodicarbonsäure oder eine Diaminomonocarbonsäure? 18.12.2014 3 Proteinogene Aminosäuren Die Polaritätseinteilung ist von der jeweiligen Hydrophobizitätsskala abhängig. Es folgen Angaben nach dem Taschenlehrbuch Biochemie, Thieme, 2011. COO Alanin – Ala – A H3N Aminosäure mit aliphatischer Seitenkette apolar Arginin – Arg – R C CH3 H COO H3 N C H CH2 CH2 CH2 basische Aminosäure polar, unter physiologischen Bedingungen geladen NH C 18.12.2014 H2 N 4 NH2 COO Asparagin – Asn – N Aminosäure mit Amidgruppe, polar H3 N C H CH2 O C NH2 Aspartat, Asparaginsäure – Asp – D saure Aminosäure, polar, unter physiologischen Bedingungen geladen COO H3 N C H CH2 O C O Cystein – Cys – C COO Aminosäure mit S-haltiger Seitenkette, polar, durch Oxidation entsteht aus 2 Mol C Cystin 18.12.2014 H3 N C CH2 SH 5 H Glycin – Gly – G gilt als polar, gelegentlich auch amphiphil, kein stereogenes Zentrum COO H3N CH H COO Glutamat, Glutaminsäure – Glu – E H3N C saure Aminosäure, polar, unter physiologischen Bedingungen geladen CH2 CH2 COO Glutamin – Gln – Q Aminosäure mit Amidgruppe polar, unter physiologischen Bedingungen geladen H H3N C COO H CH2 CH2 C 18.12.2014 NH2 O 6 COO Histidin – His – H H3N C H CH2 basische Aminosäure, polar, enthält den Imidazol-Ring, der einer Imin-Enamin-Tautomerie unterliegt HN COO N Isoleucin – Ile – I Aminosäure mit aliphatischer, verzweigter Seitenkette, apolar H3N C H3C CH H CH2 COO Leucin – Leu – L Aminosäure mit aliphatischer Seitenkette, apolar 18.12.2014 CH3 H3N C CH2 H3C CH CH3 7 H COO Lysin – Lys – K H3N basische Aminosäure, polar, unter physiologischen Bedingungen geladen Aminosäure mit S-haltiger Seitenkette, apolar CH2 H3N C CH2 H CH2 CH2 NH3 CH2 COO S Phenylalanin – Phe – F H CH2 COO Methionin – Met – M C CH3 H3N C H CH2 Aminosäure mit aromatischer Seitenkette, apolar 18.12.2014 8 COO Prolin – Pro – P H2N H Aminosäure mit aliphatischer Seitenkette (Pyrrolidinring), polar COO Selenocystein – Sec – U H3N polar C H CH2 SeH Serin – Ser – S COO Aminosäure mit Seitenkette, polar O-haltiger H3 N C H 2C 18.12.2014 H OH 9 COO Threonin – Thr – T H3 N Aminosäure mit O-haltiger Seitenkette, polar C H HC OH CH3 Tryptophan – Trp – W Aminosäure mit aromatischer Seitenkette (Indolring), apolar COO H3N C H CH2 COO H3N Tyrosin – Tyr – Y N H C H CH2 Aminosäure mit aromatischer Seitenkette, apolar 10 18.12.2014 OH COO Valin – Val – V Aminosäure mit aliphatischer, verzweigter Seitenkette, apolar H3 N C HC H CH3 CH3 Nichtproteinogene Aminosäuren im Stoffwechsel γ-Aminobuttersäure (Neurotransmitter) β-Alanin (Bestandteil von Coenzym A) Ornithin und Citrullin (Metabolite des Harnstoffzyklus) Homoserin (Zwischenprodukt der Argininsynthese und des C1-Stoffwechsels) D-α-Aminosäuren spielen im menschlichen Organismus keine aktive physiologische Rolle, sind jedoch im Murein (Peptidoglycane) der Bakterienwände enthalten und werden so in Körperzellen des Menschen aufgenommen 18.12.2014 11 Asparagin Asparagin wurde als erste AS 1806 aus Spargelsaft isoliert. Das Aroma von frischem Spargel wird bestimmt durch 1,2-Dithiolan-4carbonsäure (Asparagussäure): S Der typische Geruch nach dem Genuss von Spargel geht auf die folgende Verbindung zurück: S COOH 18.12.2014 12 Ungewöhnliche Aminosäuren Es wurden 3 toxische Amino-säuren nachgewiesen: γ-Guanidinobuttersäure, 2-AminoHex-5-insäure und 2-Amino-4hydroxy-hex-5-insäure H2N NH2 C N HO O O O OH OH Chinesischer Todespilz Trogia venenata Quelle: http://idwonline.de/de/news461317 18.12.2014 OH NH2 NH2 2010 und 2011 keine Todesfälle mehr, weil vor dem Pilz gewarnt wurde 13 Was haben Aminosäuren mit Methan zu tun? Natürliche Quellen von Methan: abiotisch aus Vulkanen und Waldbränden biotisch aus Algen, Tieren (besonders Kühen), Pflanzen, Pilzen und Reisfeldern Vorstufe für den biotischen schwefelhaltige Aminosäuren sein. 18.12.2014 Weg könnten 14 Methan aus Methionin Sylvia Feil, Chemie in unserer Zeit 2014, 48, 326-330. 18.12.2014 15 Aminosäuren als Chelatoren Anionen von α-Aminosäuren bilden mit Cu2+ Chelatkomplexe Haftatome: das N-Atom der Aminogruppe, ein O-Atom der Carboxylatgruppe O H2N O R CH C Cu2+ C CH R NH2 18.12.2014 Komplex ist schlecht in Wasser löslich: hydrophile Gruppen zeigen in das Innere des Komplexes O O Aminosäuren werden im Komplex räumlich fixiert (bedeutsam auch bei Enzymen) 16 Aminosäuren als Ampholyte Aminosäure als Brönsted-Säure H R C COO H + NaOH NH3 R C COO + Na + H2O NH2 Aminosäure als Brönsted-Base H H R C COO NH3 18.12.2014 + HCl R C COOH + Cl NH3 17 Isoelektrischer Punkt pH-Wert der Lösung entscheidet, ob AS als Kation, Anion oder Zwitterion vorliegt AS ist elektrisch neutral, wenn die positiven und negativen Ladungen ausgeglichen sind pH-Wert, bei dem die Elektroneutralität auftritt = ISOELEKTRISCHER PUNKT Berechnung: 18.12.2014 pH iso pK s1 pK S2 2 18 pKs-Werte der Aminosäuren Aminosäure pKs-Werte Alanin 2,35 α-COOH Leucin 2,33 α-COOH Methionin 2,28 α-COOH Lysin Asparaginsäure 9,87 6,11 α-NH3+ 9,74 6,035 α-NH3+ 9,21 5,745 α-NH3+ 2,18 8,95 10,53 α-COOH α-NH3+ ε-NH3+ 2,10 3,86 α-COOH 18.12.2014 pHiso-Werte 9,82 9,74 2,98 γ-COOH α-NH3+ 19 Berechnung von pHiso Saure Aminosäuren: Es werden die pKs-Werte der zwei am stärksten sauren Gruppen benutzt. Basische Aminosäuren: Es werden die pKs-Werte der zwei am stärksten basischen Gruppen benutzt. 18.12.2014 20 Nettoladungen beim Alanin in Abhängigkeit vom pH-Wert COO pH = 6,11 Zwitterion H3N C H CH3 pH = 1 Kation (+1) COOH H3N C H CH3 pH = 11 Anion (-1) H2N COO C H CH3 18.12.2014 21 Nettoladungen bei Asparaginsäure in Abhängigkeit vom pH-Wert COO pH = 2,98 Zwitterion pH = 1 Kation (+1) 18.12.2014 H3N C COO H pH = 7 Anion (-1) H3N CH2 CH2 COOH COO COOH H3N C C pH = 11 H Anion (-2) H COO H2N C CH2 CH2 COOH COO22 H Elektrophorese Ausnutzung der Teilchenwanderung im elektrischen Feld Partikel mit einer positiven Ladung wandern zur Kathode Partikel mit einer negativen Ladung wandern zur Anode ungeladene Teilchen wandern nicht Auftrennung von Aminosäuregemischen in Abhängigkeit vom pH-Wert 18.12.2014 23 Decarboxylierung Abspaltung von CO2, Carboxylgruppe führt die zum Verlust der Decarboxylierung verläuft enzymkatalysiert: N N H CH2 C N NH2 H Histidin 18.12.2014 COOH - CO2 H CH2 C H N NH2 H Histamin Freisetzung erfolgt z.B. durch Immunglobulin-vermittelte Überempfindlichkeitsreaktionen, die durch Allergene ausgelöst werden 24 Decarboxylierung H H HS CH2 C COOH HS - CO2 CH2 C NH2 NH2 Cysteamin Cystein H H HO CH2 C COOH - CO2 HO CH2 C Serin Ethanolamin H H H2C CH2 C COOH NH2 18.12.2014 H NH2 NH2 HOOC H Glutaminsäure - CO2 HOOC H2C CH2 C H NH2 25 γ-Aminobuttersäure GABA Desaminierung erste quantitative Aminosäuren Bestimmungsmöglichkeit von Erinnerung: Reaktion primärer Amine mit Natriumnitrit RNH2 + O N OH R N N OH + H2O N2 18.12.2014 + ROH 26 Van-Slyke-Reaktion Nitrosierung von Aminen quantitative Bestimmung von Aminosäuren nach van Slyke H3C CH COOH + N NH2 Alanin 18.12.2014 O H3C CH H N COOH N O -H H3C CH COOH + N2 OH H Milchsäure 27 Peptidbindung Für die Biosynthese wird Energie benötigt, die Spaltung verläuft thermodynamisch freiwillig! O H2N O C OH R1 + H2N -H2O H O C N C C OH OH R1 R2 partieller Doppelbindungscharakter von C-N keine Protonenaufnahme an N 18.12.2014 H2N O O O C R2 N H C N H 28 Besonderheiten der Peptidbindung Wegen des partiellen Doppelbindungscharakters der CN-Bindung wird hier von E/Z- bzw. cis/trans-Isomerie gesprochen: O O R H2N H2N C C OH C N C C C N R C R R H Z-Isomer 18.12.2014 H O C O OH E-Isomer 29 Besonderheiten der Peptidbindung Bei der Festlegung der Konfiguration wird häufig Bezug auf die organischen Reste R genommen. energetisch günstig/energiearm energetisch ungünstig/energiereich O O H2N R C C R OH C N H H2N C H C N R C C O R O C OH trans 18.12.2014 cis 30 Peptide, Proteine In Abhängigkeit von der Anzahl der verknüpften Aminosäuren unterscheidet man Dipeptide 2 Aminosäuren Aspartam – Süßstoff Oligopeptide 3-9 Aminosäuren Glutathion (3 AS) – Redoxsystem in Erythrocyten Cholecystokinin (8 AS) – Mediator des Dünndarms Polypetide 10-100 Aminosäuren Insulin (51 AS) Proteine mehr als 100 Aminosäuren Lysozym (129 AS) – hydrolytisches Enzym, spaltete Proteoglykane, die in den Zellwänden von Prokaryonten vorkommen, antibakterielle Wirkung des Hühnerweiweißes beruht auf Lysozym, 18.12.2014 31 Aspartam O CH2 HO O N H O NH2 OCH3 L-Phenylalanin L-Asparaginsäure -CH3OH O O C H2 C NH HO HN C H2 O 2,5-Dioxopiperazin intramolekulare Bildung eines Carbonsäureamids Ausgangsprodukte • entsteht formal aus L-Asparagin, LPhenylalanin und Methanol • Süßkraft ist 200 x größer als bei Zucker • L-Aspartyl-D-phenylalaninmethylester ist bitter • bei pH=4,2 relativ stabil, zerfällt beim Kochen oder bei langer Lagerung • darf nicht von Personen mit Phenolketonurie benutzt werden • die gesundheitliche Bewertung ist umstritten (Piperazin?) 32 Zur Benennung der Proteine freie Aminogruppe: freie Carboxylgruppe: N-terminales Ende (links) C-terminales Ende (rechts) Bis auf die C-terminale AS erhalten alle die Endung –yl. Glycyl-Alanin Glycyl-Glycin Alanyl-Alanin Alanyl-Glycin 18.12.2014 33 Strukturen Primärstruktur: ist kein eigentliches Strukturelement, beschreibt die Sequenz der Aminosäuren Sequenzanalyse: kann auf chemischem Wege durch schrittweise Abspaltung und Identifizierung der AS vom N-Terminus her erfolgen (ERDMANAbbau mit Phenylisothiocyanat, chromatografische Identifizierung der AS) Lange Polypeptide müssen proteolytisch in Fragmente gespalten werden. Analyse heute auch massenspektrometrisch möglich. 18.12.2014 34 Erdman-Abbau 18.12.2014 35 Sekundärstrukturen • entsteht durch begrenzte Möglichkeit der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen • dadurch Zwang zur helikalen Konformation oder zum Faltblatt 18.12.2014 36 α-Helix • stabilste in den Proteinen vorkommende helikale Struktur • Kohlenstoffketten an den α-C-Atomen ragen nach außen • pro 360°-Windung 3,6 Aminosäuren • bei jeder Drehung werden 0,54 nm zurückgelegt • Abstand zwischen den AS 0,15 nm • Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken [zwischen N-Atom einer Peptidbindung und dem O-Atom der vierten darauf folgenden AS (H-Brücke fast parallel zu r Achse der Helix)] • Helixbrecher – Prolin 18.12.2014 • α-Helix bei α-Keratinen grundlegend 37 β-Faltblatt grundlegend für fibrilläre Proteine der Seide, diese sind auch mehr oder weniger verdrillt und können ein Fass formen 18.12.2014 38 Tertiärstrukturen definierte Anordnung der Sekundärstrukturen im Raum Ursache: kovalente und nicht kovalente Wechselwirkungen Disulfidbrücken Wasserstoffbrückenbindungen ionische Wechselwirkungen hydrophobe Wechselwirkungen 18.12.2014 39 Myoglobin • einkettiges Protein aus 153 AS, kann Sauerstoff reversibel binden • enthält 8 Helices • unter physiologischen Bedingungen – Monomer • aktives Zentrum des Myoglobins ist ein Häm • im Gegensatz zu Hämoglobin wird der Sauerstoff unabhängig von dessen Konzentration der Umgebung gebunden • Kommt in Herz- und Skelettmuskelzellen von Säugetieren vor, hohe Konzentration (bis etwa 100 µmol/l) bedingt die rote Farbe des Muskelgewebes • Sauerstoffaufnahme kann gut absorptionsspektroskopisch verfolgt werden, die charaktersitische Bande des Häm verschiebt sich bei Sauerstoffaufnahme deutlich von 418 zu 434 nm. 18.12.2014 40 Quartärstrukturen Zusammenlagerung Untereinheiten mehrerer dreidimensionaler Proteine (oft mit regulatorischer Funktion)besteht mehr als einer Polypeptidkette, man spricht oligomeren Proteinen, die einzelnen Ketten Untereinheiten, die gleich oder unterschiedlich können 18.12.2014 aus von sind sein 41 Hämoglobin ist ein Tetramer aus je 2 Polypeptidketten mit etwas abweichender Sequenz 18.12.2014 42
