Aminosäuren und Peptide

Aminosäuren und Peptide
Dr. Katja Arndt
Institut für Biologie III
http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka
K. M. Arndt, 2007
Genetischer Code
Basentriplets
codieren für
Aminosäuren
K. M. Arndt, 2007
Aminosäuren
Definition:
Aminosäuren (Aminocarbonsäuren) sind eine Klasse kleiner organischer
Moleküle mit mindestens einer Carboxylgruppe (–COOH) und
mindestens einer Aminogruppe (–NH2).
= Aminocarbonsäuren
•
20 Aminosäuren über Basentriplets codiert, spezifische t-RNA
vorhanden.
•
Weitere Aminosäuren durch Modifikation erzeugt
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Amino-Carbonsäuren
•
einfachste Aminosäure, enthält nur
Carboxyl- und Aminogruppe
•
α-Aminosäuren: Aminogruppe
befindet sich am 2.
Kohlenstoffatom, einschließlich
Carboxyl- Kohlenstoffatom
einfachster Vertreter: Glycin
(proteinogen)
meist synonym für proteinogene
Aminosäuren (Bausteine sämtlicher
Proteine allen Lebens auf der Erde
•
•
•
•
•
•
β-Aminosäuren: Aminogruppe
befindet sich am 3. Kohlenstoffatom
einfachster Vertreter: β- Alanin.
γ- Aminosäuren: Aminogruppe
befindet sich am 4. Kohlenstoffatom
einfachster Vertreter: γAminobuttersäure (GABA)
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Aminosäuren = SYNONYM für eine Gruppe von α-Aminosäuren
(hauptsächlich L-α-Aminosäuren):
die proteinogenen Aminosäuren.
Die proteinogenen Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher
Proteine allen Lebens auf der Erde. Sie sind neben den Nukleinsäuren
Grundbausteine des Lebens.
Aminosäuren = L-α-Aminosäuren =
= proteinogene Aminosäuren = Standardaminosäuren
Einfachster Vertreter ist Glycin.
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Biologisch relevante Aminosäuren
Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihre Seitenkette,
die auch Aminosäurerest oder kurz Rest (bzw. R ) genannt wird.
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Chiralität
Chiralität = Bild kann durch Drehung nicht mit dem Original zur Deckung gebracht
werden kann.
• Beispiel: Hände, nur durch eine Spiegelung und nicht nur durch eine einfache
Drehung auf sich selbst abgebildet werden.
• Ist der Rest R verschieden von den anderen Substituenten die sich am
Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so ist dieses Kohlenstoffatom chiral
und es existieren von der entsprechenden Aminosäure zwei Enantiomere.
ÎEnantiomere (Stereoisomere)
•
Enthält der Aminosäurerest weitere chirale Kohlenstoffatome, so erhöht sich die
Zahl der möglichen Enantiomere der entsprechenden Aminosäure.
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L- und D-Aminosäuren
Bis auf die Aminosäure Glycin existieren von jeder dieser Aminosäuren zwei
Enantiomere. Dabei ist nur eines der beiden Enatiomere proteinogen und
zwar die "linksdrehende" L-Aminosäure
Proteinogene (proteinaufbauende) Aminosäuren sind
L-Aminosäuren
Der Mensch selbst nutzt 20 proteinogene Aminosäuren:
•12 im menschlichen Organismus durch Mikoorganismen synthetisierte
• 8 essentielle
"Rechtsdrehende" D-Aminosäuren kommen in Lebewesen vereinzelt vor.
Sie werden dann aber unabhängig vom proteinogenen Stoffwechsel synthetisiert
und bleiben daher nichtproteinogen. Sie werden z.B. in der bakteriellen Zellwand
und kurzen bakteriellen Peptiden wie Valinomycin (siehe Carrier) eingebaut.
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Aminosäuren
R kann sehr unterschiedlich sein:
hydrophob - hydrophil
groß - klein
sauer, basisch
geladen - ungeladen
polar- apolar
...
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Hydrophobe Aminosäuren
Cα
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Cystein: Disulfidbrücken
Die Aminosäure Cystein besitzt eine Thiolgruppe –SH, die sehr leicht
mit einer zweiten Thiolgruppe zu einem Disulfid, dem Cystin reagieren
kann:
O
H
O H
C
N C H
H
O
CH2
S H
H
+
O H
C
O
H
CH2
C
O
H
N C H
N C H
H
O H
H
CH2
S
H S
H
O H
C
+
N C H + 2H + 2e
CH2
S
Disulfidbrücke
Cystin
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Polare Aminoäsuren
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Geladene Aminosäuren
Basisch / positiv geladen
Sauer / negativ geladen
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Gruppierung der Aminosäuren nach Eigenschaften
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Essenzielle Aminosäuren für den Menschen
Leucin (L)
Phenylalanin (F)
Tryptophan (W)
Methionin (M)
Isoleucin (I)
Lysin (K)
Valin (V)
Threonin (T)
(Bei Kindern: Arginin (R))
Merksatz für essentielle Aminosäuren (L-F-W-M-I-K-V-T)
Leider fehlen wichtige Moleküle im Körper vieler Tiere.
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Nicht-proteinogene Aminosäuren
1. Aminosäuren
- Aminosäuren, die nicht in Proteine eingebaut werden
- Bsp.: 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) (Neurotransmitter)
OH
NH3
OH
NH3
O
O
O
OH
O
Tyrosin
3,4-Dihydroxyphenylalanin
γ-Aminobutyrat (inhibitorischer Neurotransmitter)
NH3
O
O
O
Glutamat
O
- CO2
O
H3N
O
γ-Aminobutyrat
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Säure-Base Eigenschaften
Zwitterion kann als Säure oder als Base reagieren
Î Aminosäuren sind Ampholyte und besitzen Puffereigenschaften
In saurer Lösung nimmt COO−-Gruppe ein Proton auf
Îdas Zwitterion reagiert zum Kation.
In alkalischer Lösung gibt die NH3+-gruppe ein Proton ab
Î das Zwitterion wird zum Anion.
O
H O
H2N
H
R
O
O
H3N
H
R
ÎEs handelt sich dabei um Protolysegleichgewichte,
der Lage vom pH-Wert abhängt
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Glycin bei verschiedenen pH-Werten
COOH
H3N
R
H
Monokation:
überwiegt bei
pH< 1
+ OH
+H
COO
H3N
R
H
+ OH
+H
Zwitterion:
überwiegt bei
pH = 6
1. Aminosäuren
COO
H2N
R
H
Monoanion:
überwiegt bei
pH > 13
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Titrationskurve von Histidin
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Säure-Base Gleichgewicht
Säure
Base
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Isoelektrischer Punkt
1. Aminosäuren
- 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
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Proteinogene Aminosäuren Übersicht
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Nachträgliche Veränderungen der Aminosäuren
(Posttranslationale Modifikationen)
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Peptidbindung
Carboxylgruppe der einen Aminosäure reagiert mit der Aminogruppe der
anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung.
Es handelt sich dabei wie bei einer Veresterung um eine
Kondensationsreaktion.
H
H
N C C
H
O
+
O H
H
H
H
N C C
CH3 O H
H
Glycin
H
H
Alanin
H O H H
N C C
H
O
N C C
O
CH3 O H
H
+ O
H
Glycylalanin
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Aminosäure Kette
Syntheserichtung des Proteins im Ribosom
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Translation
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Peptidbindung
Röntgenstrukturuntersuchungen:
• C-N-Abstand in der Peptidgruppe ist mit 132 pm kleiner als der in
einer C-N-Bindung in Aminen (147 pm).
• Alle an der Peptidbindung beteiligten Atome liegen in einer Ebene.
• Keine freie Drehbarkeit um die C-N-Achse.
Deutung:
Doppelbindung in Peptidbindung „pendelt“ zwischen C=O und C=N.
Bindungszustand kann durch mesomere Grenzformeln wiedergegeben
werden:
H
C
C N
O
C
C
H
C N
+ C
-O
Folge: Starrheit der Peptidstruktur, hohe Bindungsstabilität.
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Peptidbindung
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Erlaubte Konformationen in der Peptidkette
so nicht ->
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Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
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Peptide
Generell bezeichnet man die Anzahl der Aminosäuren, aus denen ein
Peptidmolekül besteht, auch als Kettenlänge.
Nach der Anzahl der Amino-Bausteine unterscheidet man:
Dipeptide (2)
Tripeptide (3)
Oligopeptide (2-9)
Polypeptide (10-100)
Proteine (Makropeptide) (>100)
! Das sind grobe Abgrenzungen, da keine genaue Abgrenzung gemacht werden kann.
Dipeptide
Die zu den Oligopeptiden gehörenden Dipeptide entstehen als
Zwischenprodukte bei der enzymatischen gesteuerten Verdauung von
Proteinen (Polypeptiden).
Sie werden von Dipeptidasen in Aminosäuren zerlegt.
Oligopeptide
Oligopeptide spielen z.B. als Bestandteile von Enzymen bei Entgiftungs-,
Transport- und Stoffwechselprozessen eine Rolle
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Was sind Peptide?
•
Organische, chemische Verbindung, die aus einer Verknüpfung
mehrerer Aminosäuren hervorgeht
•
einzelnen Aminosäuren (ca. 50 bis 100) in definierter Reihenfolge
(Sequenz) ,zu meist unverzweigten Ketten verbunden
•
Aminosäuren im Peptid sind über Amidbindung miteinander
verknüpft
•
wegen großer Bedeutung der Peptide in der Biochemie &
organischen Chemie heißt Bindungsform häufig auch
„Peptidbindung“
•
Peptide unterscheiden sich von Proteinen allein durch Größe
•
Trennung zwischen Peptiden & Proteinen mehr oder weniger
willkürlich
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Bedeutung von Peptiden
•
in der Natur werden Peptide in der Regel durch Proteinbiosynthese
gebildet
•
Information über Sequenz/ Abfolge der Aminosäuren in DNA codiert
•
Peptide erfüllen große Anzahl an Funktionen, Wirkungsweise aber
nicht immer verstanden
•
Beispiele für Peptide:
– wirken als Hormone
– zeigen entzündungshemmende oder -fördernde Wirkung
– antibiotische und antivirale Peptide
– opioide Peptide
•
Bsp.: Erythropoetin ist Peptidhormon, das Bildung & Reifung roter
Blutkörperchen im Knochenmark anregt (seit vielen Jahren
gentechnisch hergestellt & tritt immer wieder bei Dopingfällen im
Sport auf)
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Biologisch wichtige Peptide
NH2
H
N
HOOC
NH2
O
O
N
COOH
Cystein
O
N
HOOC
N
O
H
HS
Glutaminsäure
H
Glycin
H
S
Dehydrierung
S
O
HOOC
GlutathionDisulfid
H
N
N
NH2
COOH
H
COOH
O
Glutathion:
Tripeptid Glu-Cys-Gly
Thiolgruppe –SH im Cystein ist leicht oxidierbar ⇒ Disulfid-brücke zu
zweitem Glutathion-Molekül unter Abspaltung von Wasserstoff =
Dehydrierung.
Wirkt als Redoxsystem in Blut und Muskeln.
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Biologisch wichtige Peptide
Cys
Tyr
S
Ile
S
Glu
Cys
Asn
Pro
Leu Gly
NH2
Ocytocin:
Ringförmiges Peptidhormon mit intramolekularer Disulfidbrücke,
löst Kontraktionen in Gebärmutter- und Brustdrüsenmuskulatur
aus.
Cys
Vasopressin:
Tyr
S
Phe
S
Glu
Cys
Asn
Pro
Arg
Gly
Peptidhormon, Rückresorption von Wasser in
den Nieren, Blutdrucksteigerung.
NH2
Unterscheidet sich nur in zwei Aminosäuren
von Ocytocin.
K. M. Arndt, 2007