Aminosäuren Strukturen und Vorkommen Bausteine der Proteine = Aminosäuren Biochemisches Praktikum für Lehramtsstudierende Leitung: Prof. Dr. J. Jauch Datum: 4. Oktober 2010 Referent: Andreas Dreher

Gliederung Strukturen Vorkommen Konstitution der Aminosäuren Konfiguration der Aminosäuren Einteilung der Aminosäuren Aminosäuren als Ampholyte Vorkommen

Konstitution der Aminosäuren Zentrales C-Atom mit Aminogruppe (-NH2), Carboxylgruppe (-COOH), Wasserstoffatom (-H) und Seitenkette (-R) verknüpft Unterscheidung durch unterschiedliche Seitenketten Die Konstitution einer Substanz beschreibt nur die Verknüpfungsverhältnisse zwischen den Atomen, ohne die räumliche Struktur zu beschreiben …Seitenkette z.B. einfacher Alkylrest (Ethyl-), ein funktionalisierter Alkylrest, ein Arylrest (Phenyl-) oder ein Heterocyclus Die meisten AS tragen die Aminogruppe in alpha-Stellung, d.h. an dem zur Carboxylgruppe benachbarten Kohlenstoff-Atom. Konstitutionsformel

Konfiguration der Aminosäuren Zwei verschiedene Konfigurationen Fischer Projektion Räumliche Darstellung Die Konfiguration einer Substanz beschreibt die räumliche Anordnung der Atome im Molekül.

Fischer Projektion D/L Nomenklatur Dexter (rechts) , Laevus (links) waagerechte Linien zeigen auf den Betrachter zu, senkrechte Linien von ihm weg das am höchsten oxidierte Ende einer vertikal gezeichneten Kohlenstoffkette wird nach oben gezeichnet steht Substituent am untersten asymmetrischen C-Atom auf der rechten Seite  D-Konfiguration steht er auf der linken Seite  L-Konfiguration Dexter (rechts) , Laevus (links) Fast alle natürlichen (proteinogenen) Aminosäuren sind L-Aminosäuren, d.h. in der Fischer Projektion steht die Aminogruppe links der Hauptkette D-Aminosäure L-Aminosäure

Räumliche Darstellung R/S Nomenklatur (Cahn-Ingold-Prelog-System) direkt an das asymmetrische C-Atom gebundene Atome (a) werden nach fallender Ordnungszahl angeordnet bei Gleichwertigkeit von zwei oder mehr Atomen betrachtet man die weiter entfernt stehenden Atome (b) eventuell Betrachtung der Atome (c) oder (d) Uhrzeigersinn: R-Konfiguration Gegenuhrzeigersinn: S-Konfiguration Muss man, um vom ranghöchsten über den mittleren zum rangniedrigsten dieser drei Substituenten zu gelangen, im Uhrzeigersinn gehen, dann liegt R-Konfiguration vor (von lateinisch rectus = recht, richtig). Muss man gegen den Uhrzeigersinn gehen, so liegt S-Konfiguration vor (von lateinisch sinister = links, der Linke) Fast alle AS besitzen S-Konfiguration, einzige Ausnahme ist Cystein (da S höhere Priorität als O hat)

Einteilung der Aminosäuren Neutrale Aminosäuren Saure Aminosäuren Basische Aminosäuren

Neutrale Aminosäuren Zunächst: Dreibuchstaben-Code als vereinfachte Schreibweise für Aminosäure und Peptide Einbuchstaben-Code zur Beschreibung der Aminosäuresequenz bei größeren Proteinen Außer Glycin sind alle 20 proteinogenen Aminosäuren chiral, weil das alpha-C-Atom ein Asymmetriezentrum ist. Bei Glycin besitzt die Seitenkette R lediglich ein Wasserstoffatom. Mit 2 Wasserstoffatomen am zentralen alpha-C-Atom bildet Glycin die achirale Ausnahme unter den AS Ala, Val, u. Leu unterscheiden sich durch die Anzahl an C-Atomen in ihren Seitenketten, dabei sind Leu u. Ile Konstitutionsisomere, d.h. sie unterscheiden sich nur in der Sequenz der Atome (hier: Skelettisomere)  unpolare aliphatische Seitenketten Aminogruppe Carboxylgruppe

Neutrale Aminosäuren Quintett Cys,Ser,Thr,Asn,Gln hat polare, hydrophile Seitenketten, ihre funktionelle Gruppen bilden H-Brücken zum umgebenden Wasser Cystein polar wegen Thiolgruppe, zwei Cysteine können unter Oxidation ihrer Thiole eine Disulfidbrücke ausbilden Ser. u. Thr. tragen je eine Hydroxylgruppe, wobei die Länge der Seitenkette unterschiedlich ist. Die Hydroxylgruppen sind chemisch reaktiv und spielen eine wichtige Rolle bei der Enzymkatalyse und der Aktivierungsregulation. Asn. u. Gln leiten sich von Asparagin/Glutaminsäure ab und besitzen unterschiedlich lange Seitenketten mit je einer ungeladenen Carboxamidgruppe Phe. Tyr, u. Trp haben große sperrige aromatische Seitenketten. Wegen der Hydroxylgruppe (Tyr) und dem Stickstoffatom (Trp) sind die beiden deutlich weniger hydrophob als Phe. Met. u. Pro. besitzen unpolare aliphatische Seitenketten, Met eine unpolare Thioethergruppe, Pro besitzt als einzige AS eine sekundäre alpha-Aminogruppe (NH), an der sich die Seitenkette zu einem Pyrrolidin-Heterozyklus schließt. Dies schränkt die Konformationsfreiheit ein.

Saure Aminosäuren AS mit geladenen Seitenketten sind am hydrophilsten. Die Carboxylgruppe in den Seitenketten der sauren AS Asp und Glu sind im physiologischen pH Bereich deprotoniert und daher negativ geladen. Aminogruppe Carboxylgruppe

Basische Aminosäuren Die Seitenketten basischer AS sind bei physiologischem pH meist positiv geladen. Lysin trägt eine Aminogruppe, Arginin eine Guanidinogruppe und Histidin eine Imidazolgruppe in der Seitenkette Die funktionelle Gruppen von Lysin und Arginin sind stark basisch und daher bei neutralem pH immer protoniert. Diese 20 AS werden zur Proteinbiosynthese benötigt. Carboxylgruppe Basische Funktion

Aminosäuren als Ampholyte Beispiel Glycin Punkt der vollständigen intramolekularen Neutralisation = isoelektrischer Punkt Berechnung: Aufgrund ihrer Struktur besitzen Aminosäuren sowohl basische als auch saure Eigenschaften. Es ist daher eine intramolekulare Neutralisation möglich, die zu einem Zwitterion (Betain) führt. Bei neutralem pH (Neutralpunkt=I.P.) liegen AS als dipolare Ionen oder Zwitterionen vor. In diesem Zustand ist die Aminogruppe protoniert, die Carboxylgruppe deprotoniert. (AS liegt in Wasser als Zwitterion vor!) Bsp: Glycin I.P. (gleich viele Säuregruppen sind negativ geladen wie Aminogruppen positiv) Im el. Feld bei der Elektrophorese findet am isoelelektrischen Punkt keine Ionenwanderung mehr statt und die Löslichkeit der AS erreicht ein Minimum. I.E. kann man berechnen (pKs1= Wert der Carboxylgruppe, pKs2= Wert der Aminogruppe) Bei pH von 6,1 liegt Glycin als Zwitterion vor, welches von einem elektrischen Feld nicht beeinflusst wird. Bei Veränderung des pH Wertes einer Lösung wandert die AS je nach Ladung zur Kathode oder Anode wenn man eine Gleichspannung an zwei in ihre Lösung eintauchende Elektroden anlegt.

Vorkommen in der Natur kommen 20 Aminosäuren extrem häufig vor (proteinogene Aminosäuren) 8 essentielle Aminosäuren: Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val, (Arg, His)  Verzehr von Fleisch, Fisch, Eier Weitere 100 kommen selten vor, übernehmen aber in verschiedenen Lebewesen spezielle Aufgaben …pAS (in Proteinen vorkommende AS) AS sind die kleinsten chemischen Bestandteile von Proteinen (Eiweiße), quasi die Bausteine der Proteine; Zwei AS können prinzipiell unter Wasserabspaltung miteinander reagieren. Die neu entstandene Verbindung aus zwei AS nennt man Dipeptid; Oligopeptide bestehen aus weniger als 10 AS, Polypeptide aus bis zu 100 AS und Proteine bestehen aus mehr als 100 AS. 12 der proteinogenen AS können vom Menschen selbst aufgebaut werden… Diese müssen ausreichend mit der Nahrung aufgenommen werden, um Mangelerscheinungen vorzubeugen Arginin und Histidin sind für Heranwachsende essentiell oder während der Genesung (semiessentielle AS).

Vorkommen: Beispiele Valin: Rüben, grüne Blattsalate, Zucchini, Tomaten Leucin/Isoleucin: Oliven, Avocados, Papayas, Nüsse Phenylalanin: Karotten, rote Beete, Tomaten, Spinat Threonin: grüne Blattgemüse, Papayas, Karotten Tryptophan: Rüben, Rettich, Fenchel, Bananen Methionin: Kohlarten, Meerrettich, Knoblauch, Äpfel Lysin: Sojasprossen, grüne Gemüse, Sellerie Arginin: grüne Gemüse, Lauch, Rettich, Kartoffeln Histidin: Rüben, Rettich, Sellerie, Gurken, Zwiebel

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

Literatur Berg/Stryer/Tymoczko: Stryer Biochemie. 6. Auflage. München 2007. Werner Müller-Esterl: Biochemie. Eine Einführung für Mediziner und Naturwissenschaftler. Heidelberg 2009. Vorlesung Biochemie für Lehramtsstudierende und Studierende der Bioinformatik, Prof. Dr. J. Jauch, Universität des Saarlandes 2009. Latscha/Klein/Kazmaier: Organische Chemie. 6., vollständig überarbeitete Auflage. Berlin 2008.