Übungsaufgaben zu Aminosäuren, Peptiden, Proteine und Enzymen

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1 Übungsaufgaben zu Aminosäuren, Peptiden, Proteine und Enzymen The world progresses, year by year, century by century, as the members of the younger generation find out what was wrong among the things that their elders said. So you must always be skeptical always think for yourself. (Linus Pauling ) Was wissen Sie über chemische Bindungen und Biomoleküle (z.b. Proteine)? Vieles, was Sie in der berstufe über chemische Bindungen gelernt haben, ist auf LI US PAULI G zurückzuführen. Begriffe und Konzepte wie die ybridisierung, die Elektronegativität und Mesomerie (Resonanz) sind auf ihn zurückzuführen. eben seinen bahnbrechenden Arbeiten zur atur der chemischen Bindungen war er auch ein herausragender Biochemiker. Aufgrund von Untersuchungen an Proteinkristallen, schlug Pauling eine helicäre Anordnung der Atome im roten Blutfarbstoff (ämoglobin) vor. Auf ihn geht die CREY-PAULI G-Regel zurück, nach der in den Sekundärstrukturen die Anzahl der Brücken maximiert ist. Er erhielt 1954 den Chemie- obelpreis für seine Forschungen über die atur der chemischen Bindung und ihre Anwendung bei der Aufklärung der Struktur komplexer Substanzen. Gegen Ende des 2. Weltkriegs begann sich Pauling für die Ächtung von Atomwaffen zu engagieren begann Pauling zusammen mit dem Biologen Barry Commoner einen Petitionsfeldzug gegen Atomwaffentests. Dieser hatte die Verteilung von radioaktivem Strontium-90 in den Milchzähnen von Kindern in ordamerika untersucht und war zu dem Schluss gekommen, dass die überirdischen Atomtests große Gesundheitsrisiken durch den radioaktiven Fallout mit sich bringen erhielt Linus Pauling den Linus Pauling ( ) Friedensnobelpreis. Er und MARIE CURIE sind die beiden einzigen Menschen, die einen obelpreis auf mehr als einem Gebiet erhalten haben, wobei Pauling der einzige ist, bei dem beide Preise ungeteilt waren. Aminosäuren 1.1. Glycin besitzt den isoelektrischen Punkt von IEP = 5,97. a) Geben Sie die Strukturformel von Glycin in der ungeladenen, neutralen Form an. b) Erklären Sie den Begriff IEP und geben Sie die entsprechende Zwitterionen-Form an Geben Sie die Strukturformel von Alanin (IEP = 6,1) an, in der es in der entsprechenden Lösung mit angegebenen pwert überwiegend vorliegt. Alanin: C-C(2)-C3 a) p = 2 b) p = 5 c) p = 6,1 d) p = Phenylalanin (C-C(2)-C2-C65, IEP = 5,5) löst sich immerhin mäßig gut in Wasser (ca. 17 g/l). Erklären Sie diese mäßige Löslichkeit. Welcher p-wert stellt sich ein? 1.4. Von der Aminosäure Lysin (2-Diaminohexansäure) existieren optische Isomere, von der Aminosäure Glycin dagegen nicht. Begründen Sie diesen Befund unter Mitverwendung von Projektionsformeln der genannten Aminosäuren Wie sind die hohen Schmelzpunkte der Aminosäuren zu erklären bzw. die Zersetzung unterhalb der Schmelztemperatur? 1.6. Um beispielsweise Alanin zu synthetisieren, kann man Propansäure mit Brom in Gegenwart von Phosphortribromid als Katalysator umsetzen, wobei am α-c-atom die Substitution erfolgt. Lässt man das gebildete α-brompropansäure einige Tage in konzentrierter Ammoniaklösung stehen, so bildet sich Alanin. Formulieren sie beide Reaktionsgleichungen. Proteine und Peptide 2.1. Wie viele Möglichkeiten der Verknüpfung (Konstitutionen) gibt es bei einem Tripeptid, das aus den Aminosäuren Gly, Ala und Val besteht? 2.2. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Tetrapeptids mit der Formel (-terminal) Ala-Glu-Ala-Gly (C-terminal) mithilfe der folgenden Strukturformeln: 3C 2 Alanine (Ala) 2 2 Glutamic Acid (Glu) Glycine (Gly) 2.3. Erklären Sie den Unterschied zwischen Sekundär- und Tertiärstruktur eines Proteins Welche Faktoren können zu einer irreversiblen Denaturierung des Proteins führen? 2.5. Folgende Skizze zeigt einen Ausschnitt aus einem größeren Molekül:

2 C 3 C C 3... C 3... C 3 S Begründen Sie, wo das -terminale und das C-terminale Ende liegt. Geben Sie die Kurzschreibweise des Molekülausschnitts (mit 3-Buchstaben-Codes) an Erklären Sie am Bsp. von Prionen den Begriff Autokatalyse Erklären Sie diese Begriffe in jeweils wenigen Sätzen a) Substratspezifität b) Wirkungsspezifität c) Temperatur- und p-ptimum Antworten unter

3 Lösungen ohne Gewähr Wenn Ihnen Fehler in den Musterlösungen auffallen, machen Sie mich bitte darauf aufmerksam Letztendlich profitieren auch andere Schüler davon. Aus didaktischen Gründen variiert die Ausführlichkeit der Aufgabenlösungen. So sind manche Lösungen ausführlicher als laut Aufgabenstellung erwartet, bei anderen Aufgaben sind jedoch nur Lösungshinweise gegeben, um den Leser zum eigenständigen Denken anzuregen. Statt ausführlichen Strukturformeln mit freien e -Paaren sind häufig nur albstrukturformeln wiedergegeben C C 1a) b) Der IEP ist der p-wert an dem die Aminosäure nach außen hin ungeladen auftritt. Innerhalb des Moleküls liegen die Moleküle allerdings als Zwitterionen vor. Der IEP ist auch der p-wert der sich einstellt, wenn man die Aminosäure in 2 löst. Zwitterionen-Form: C C - Zwitterionen-Form des Alanin: 3 C Im p-bereich der saurer als der IEP ist, wird die Carboxylatgruppe zur Carboxylgruppe protoniert: R-C + + R-C. Wegen der positiven Ladung im Rest R (Ammoniumgruppe) entsteht ein insgesamt positiv geladenes Molekül. Am p der dem IEP entspricht, liegt Alanin als Zwitterion vor. Im Bereich der alkalischer ist als der IEP, wird die Ammoniumgruppe + 3 deprotoniert: + 3 -R R + 2. Wegen der negativen Ladung im Rest R (Carboxylatgruppe) entsteht ein insgesamt negativ geladenes Molekül. a) p = 2 und b) p = 5 c) p = 6,1 d) p = 10 C C C - 2

4 1.3. bwohl die unpolaren Bereiche im Molekül überwiegen, löst sich Phenylalanin zumindest mäßig in 2 (Löslichkeit: ca. 17 g/l). Sowohl die Carboxylatgruppe (C ) als auch die Ammoniumgruppe (- + 3 ) können mit 2 -Brücken ausbilden. Für die gute Löslichkeit spricht auch der geladene Charakter dieser beiden Gruppen, an denen sich große ydrathüllen auszubilden können. Beim Lösen in 2 stellt sich p-wert des IEP ein, bei dem die AS hauptsächlich als Zwitterion vorliegt Auch im Reinstoff (Feststoff), liegen die Aminosäuren als Zwitterionen vor. Das verleiht den Feststoffen einen salzartigen Charakter. Die Moleküle werden im Feststoff über elektrostatische Wechselwirkungen (ionische Wechselwirkungen) zusammen gehalten und bauen wie bei allen Salzen ein dreidimensionale Ionenpackung auf. Die Moleküle ordnen sich im Kristall so an, dass + 3 -Gruppe und C -Gruppe jeweils nahe aneinander liegen. Wie alle Salze, so besitzen auch Aminosäuren hohe Schmelzpunkte. Der Siedepunkt der Verbindungen liegt so hoch, dass er beim Erhitzen nicht erreicht werden kann, da es vorher zur chemischen Zersetzung der organischen Moleküle kommt ier in albstrukturformeln: C 3 -C 2 -C + Br 2 C 3 -C(Br)-C + Br C 3 -C(Br)-C + 3 C 3 -C( 2 )-C + Br 2.1. Die Konstitution eines Moleküls bezeichnet die Art der Verknüpfung der Atome untereinander. Isomere wie Butan und 2- Methylpropan besitzen beispielsweise eine unterschiedliche Art der Verknüpfung, also unterschiedliche Konstitutionen. Ingesamt gibt es 6 verschiedene Konstitutionsisomere: Gly-Ala-Val, Gly-Val-Ala, Ala-Val-Gly, Ala-Gly-Val, Val-Gly-Ala, Val-Ala-Gly Dabei ist zu beachten, dass z.b. Gly-Ala-Val nicht das Gleiche wie Val-Ala-Gly ist. Man kann also nicht das Molekül einfach Drehen. 2 -R 1 -C()--R 2 -C()--R 3 -C und 2 -R 3 -C()--R 2 -C()--R 1 -C sind nicht das Gleiche. Genauso wenig wie das Wort chemie das gleiche ist wie eimehc 2.2. Am besten ist es, man zeichnet die Strukturformeln so, dass die Aminogruppe und die Carboxylgruppen innerhalb einer Zeile stehen, der Rest R steht nach unten ab. Anschließend kann man die Strukturformeln durch Kondensationsreaktionen zum gewünschten Tetrapeptid verknüpfen.

5 C 3 C 3 Alanine (Ala) Glutamic Acid (Glu) Alanine (Ala) Glycine (Gly) C 3 C 3 Man beachte folgende Strukturmekmale: Es treten 3 Peptidgruppen (Peptidbindungen, -C-- ) auf. Es existiert ein carboxyterminales (C-terminales) und ein aminoterminales (-terminales) Ende 2.3. Zuerst mal das Gemeinsame: Sekundärstrukturen sind räumliche Strukturen, genau wie Tertiärstrukturen. Der Unterschied liegt darin, dass der räumliche Bau der Sekundärstruktur ausschließlich durch -Brückenbindung zwischen den Peptidbindungen zustande kommt. Tertiärstrukturen basieren andererseits auf bindende Wechselwirkungen zwischen den Aminosäureresten. Sekundärstrukturen sind zumindest über kleinere Molekülteile hinweg regelmäßige räumliche Anordnungen, Tertiärstrukturen häufig stark unregelmäßig/knäuelartig. Die Tertiärstruktur ist die über die Sekundärstruktur hinausgehende räumliche Struktur. In der Abb. rechts sehen Sie als Beispiels die Tertiärstrukturen das gesunde Prion PrP C und rechts daneben das krankmachende Prion PrP Sc. Die grüne gebänderte Struktur stellen Molekülbereiche mit α-elix als Sekundärstruktur dar, die Pfeile Molekülbereiche die gegenläufige Faltblattstruktur repräsentieren. Das krankmachende Prion PrP Sc besitzt einen wesentlich höheren Anteil an β-faltblatt. Eine der Konsequenzen ist, dass dieses Protein schwerer wasserlöslich ist. Es scheidet sich auf den ervenzellen ab, die deshalb absterben. Das Absterben vieler ervenzellen erklärt den letalen Verlauf der Creutzfeld-Jacob-Krankheit (beim Mensch), von BSE (beim Rind) und von Scrapie (beim Schaf) Die wichtigsten Faktoren sind: Temperatur: Durch starker Erhitzen werden die Bindungen der AS-Reste untereinander aufgebrochen, s dass die Tertiärstruktur zerstört wird. Es bilden sich andere, neue Bindungen und damit eine neue Tertiärstruktur heraus. Welche das Genau ist hängt auf vom Zufall ab, jede Molekül des Proteins besitzt eine andere neue Struktur, so dass bezüglich der Tertiärstruktur in der Probe Chaos herrscht.

6 starke Änderung des p-wertes: So können durch Protonierung von Carboxylat- und oder Amingruppen in den Resten, Wechselwirkungen aufgehoben und andere neu gebildet werden. Meist wird die Wasserlöslichkeit des Proteins herabgesetzt und das Protein flockt aus einer Lösung als weiße Trübung aus. Schwermetalllösungen: Sie zerstören insbesondere die Disulfidbindungen und damit die Tertiärstruktur als ganzes C- Met Glu Gly Leu Ala Tyr 2 Das Amino-terminale Ende ist also (entgegen der Konvention) rechts Von einer Autokatalyse spricht man, wenn eine Verbindung ihre eigene Entstehung katalysiert. Beispiel: PrP C + PrP Sc PrP Sc + PrP Sc Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser katalytischen (enzymatischen) Reaktion, steigt exponentiell an. Je mehr Endprodukt (PrP Sc ) schon vorliegt, desto schneller bildet sich weiteres Endprodukt a) Die Substratspezifität bezeichnet die Fähigkeit von Enzymen nur bestimmte Substrate umzusetzen. So kann bspw. das Enzym Trypsin, nur Proteine spalten. Die Substratspezifität ist bei Trypsin aber noch genauer festgelegt. Es spaltet nur Peptidbindungen hinter den Aminosäuren Lysin und Arginin (vgl. S. 287, elemente 2 ). Viele Enzyme haben eine sehr stark ausgeprägte Substratspezifität und können nur eine Sorte Molekül umsetzen. So spaltet das Enzym Katalase ausschließlich 2 2. Grundlage der Substratspezifität ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das Substrat passt wie ein Schlüssel in das aktive Zentrum des Enzyms, dessen proteinäre Tertiärstruktur also das Schloss darstellt. b) Wirkungsspezifität meint, dass Enzyme eine gezielte Wirkung auf ein Substrat ausüben. So spaltet z.b. Trypsin immer hydrolytisch Peptidbindungen auf. Das Enzym Katalase katalysiert beispielsweise immer die die Umwandlung von 2 2 in 2 und 2 (und nicht etwa in 2 und 2 ). Eine Wirkungsspezifität ist charakteristisch für Enzyme. Anorganische Katalysatoren sind weder substrat- noch wirkungsspezifisch. Sehr viele organische Reaktionen die wir kennen gelernt haben wurden z.b. durch + katalysiert. Auch werden sehr viele chemische Reaktion an Edelmetalloberflächen beschleunigt. So entzündet sich 2 spontan an Platinoberflächen. Dazu muss 2 zuerst (unspezifisch) am Platin adsorbieren/binden. Auch viele andere Stoffe sind in der Lage an Pt zu binden. c) Diese ptima erklären sich auch durch die Tertiärstruktur/Konformation der Enzymmoleküle, die in Abhängigkeit dieser Faktoren variiert kann. Die Konsequenz: Durch leichte Konformationsänderungen des Enzyms kann das Bindungsbestreben zum Substrat und die Umsetzungsgeschwindigkeit des Substrats variiert werden. (Konformation = Räumlicher Bau eines Proteins)