8. Aminosäuren - (Proteine) Eiweiß

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1 8. Aminosäuren - (Proteine) Eiweiß Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Aminosäuren bilden die Grundlage der belebten Welt. 8.1 Struktur der Aminosäuren Aminosäuren sind organische Moleküle, die mindestens eine Carboxyl- und eine Amino-Gruppe besitzen. Von besonderem biochemischen Interesse sind die -Aminosäuren. Zu diesem Typ gehören alle proteinogenen Aminosäuren. Die -Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glycin, chiral, d.h. sie besitzen (mindestens) ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Es gibt also jeweils eine D- und L-Form (Enantiomere). Proteinogen sind nur die L-Aminosäuren. 49

2 Wird eine Aminosäure in Wasser gelöst, liegt sie hauptsächlich in der zwitterionischen Form (Z) vor. Gibt man zu dieser Lösung Säure (H + ), wird das Gleichgewicht "nach links", zur kationischen Form verschoben. Bei Zugabe von Laugen werden die aus der Aminosäure freigesetzten Protonen durch OH - -Ionen neutralisiert und das Gleichgewicht auf die Seite der Anionen ("nach rechts") verschoben. Bei einem bestimmten ph-wert verhält sich die Aminosäure nach außen neutral. Diesen ph-wert nennt man isoelektrischen Punkt (ph IP ). Jede Aminosäure und jedes Protein hat einen isoelektrischen Punkt! Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure weitgehend als Zwitterion vor. Titrationskurve von Glycin Beim Titrationsgrad (+/-) 0,5 zeigt die Aminosäure maximale Pufferwirkung. 50

3 8.2 Einteilung von Aminosäuren ausgewählte Beispiele) Aminosäuren mit unpolarem Rest Glycin Gly Alanin Ala Valin* Val Aminosäuren mit polarem Rest Serin Ser Threonin* Thr Schwefelhältige Aminosäuren Cystein Cys Aromatische Aminosäuren Phenylalanin* Phe Tyrosin Tyr Tryptophan* Trp 51

4 Basische Aminosäuren Saure Aminosäuren Asparaginsäure Asp Glutaminsäure Glu Lysin* Lys Nachweis von Aminosäuren Komplex-Verbindungen werden mit vielen Metall-Ionen gebildet, besonders leicht bilden sich Kupfer- Komplexe: Biuret-Reaktion Der linke Kolben enthält eine Kupfersulfat-Lösung (hellblau). Im rechten Kolben wurde die Aminosäure Glycin zugegeben, es bildet sich der tiefblaue Aminosäure-Komplex [Cu(Gly) 2 ]. Aminosäure-Nachweis mit Ninhydrin -Aminosäuren reagieren mit Ninhydrin unter Bildung eines Farbstoffes, der blauviolett - rotbraun gefärbt ist. Die Aminosäure wird dabei unter Decarboxylierung zu einem um ein C-Atom kleineren Aldehyd oxidiert. Ninhydrin-Test: Diese Farbreaktionen werden häufig zur Sichtbarmachung der Aminosäuren nach chromatographischen oder elektrophoretischen Trennungen verwendet. Die Ninhydrin-Reaktion kann jedoch auch zur Sichtbarmachung von Fingerabdrücken dienen. Der Hautschweiß enthält kleine Mengen freier Aminosäuren und Proteine. 52

5 Essentielle Aminosäuren Aminosäuren können in der Leber durch Transaminierung aus - Ketosäuren hergestellt werden. Dies ist nur bei 11 der 20 proteinogenen Aminosäuren der Fall. Aminosäuren, die dem Organismus in der Nahrung zugeführt werden müssen, nennt man essentielle Aminosäuren. Zu den essentiellen Aminosäuren gehören u. a.: - verzweigtkettige Aminosäuren (Valin...) - aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, Tryptophan) Es gibt einige angeborene Stoffwechselstörungen, bei denen Enzyme, die zur Synthese bestimmter Aminosäuren benötigt werden, ausfallen. Bekanntestes Beispiel ist die Phenylketonurie. Bei dieser Krankheit kann Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden. Phenylketonurie (PKU) - "Föllingsche Erkrankung" Tyrosin wird im menschlichen Organismus durch Hydroxylierung aus Phenylalanin synthetisiert. Die Reaktion wird durch das Enzym Phenylalanin-Monooxygenase (Phenylalanin-Hydroxylase) katalysiert. Bei der Phenylketonurie fällt die Phenylalanin-Hydroxylase mehr oder weniger (vollständig) aus. Es handelt sich hierbei um eine autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung (Häufigkeit: 1 : ). Die Aminosäure Tyrosin kann nicht mehr synthetisiert werden. Tyrosin ist aber zur Synthese von Adrenalin, den Schilddrüsenhormonen und Melanin unumgänglich. Bei PKU wird dagegen Phenylalanin zu Phenylpyruvat (Phenylbrenztraubensäure) umgewandelt (oxidative Desaminierung. Phenylpyruvat ist jedoch neurotoxisch, es stört insbesondere das sich bei Kleinkindern erst entwickelnde ZNS (vermutlich den Aufbau des Myelins). Daher muss die Phenylketonurie baldmöglichst nach der Geburt (am 4. bis 6. Lebenstag) nachgewiesen werden um, rechtzeitig eine entsprechende Diät - phenylalaninarm und tyrosinreich - geben zu können. 53

6 Bei der Proteinbiosynthese werden Aminosäuren durch Kondensationsreaktion zwischen Carboxylund Aminogruppe verknüpft. Unter Wasserabspaltung entsteht die Peptid-Bindung. Namensgebung: Man beginnt an dem Ende mit der freien Aminosäure und hängt dann die Bezeichnung für die einzelnen Reste einfach aneinander Tripeptid z.b.: Glutathion: Glu-Cys-Gly Es ist in fast allen Zellen in hoher Konzentration enthalten und gehört zu den wichtigsten als Antioxidans wirkenden Stoffen im Körper. HO O NH 2 O H N O OH Dipeptid Aspartam: Asp-Phe künstlicher Süßstoff Sekundärstrukturen Die bei der Proteinbiosynthese gebildete Peptid-Kette bildet je nach Aminosäuresequenz Sekundärstrukturen, z.b. -Helix oder -Faltblatt, aus. Die Sekundärstrukturen werden durch Wasserstoffbrücken stabilisiert. 54

7 -Helix Bei einer -Helix weisen die Peptid-Bindungen in die gleiche Richtung. Zwischen zwei Amidbindungen liegt der Tetraeder-Winkel von 109,5. Da um die Amidbindung keine Drehung möglich ist, wird die Kette ab der dritten Bindung in eine helicale Struktur gezwungen. Diese wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert. Diese Brücken werden zwischen dem Carbonyl-Sauerstoff-Atom einer Bindung und der H N-Gruppe der viertnächsten Bindung (sie sind benachbart) ausgebildet. Nach 4 Aminosäuren ist die erste Windung geschlossen. -Faltblatt: Bei der Ausbildung eines -Faltblattes weisen benachbarte Peptidbindungen in die entgegen gesetzte Richtung. Ab der dritten Bindung wird die typische Anordnung deutlich. Stabilisiert wird das -Faltblatt erst, wenn sich eine zweite Peptidkette anlagert. Zwischen den beiden Kettenabschnitten bilden sich Wasserstoffbrücken aus. 55

8 Die benachbarten Ketten in einem Faltblatt können die gleiche Ausrichtung aufweisen, oder aber entgegengesetzt laufen: Es gibt parallele und antiparallele Faltblätter. Peptide & Proteine Als Peptide bezeichnet man Ketten aus bis zu etwa 100 Aminosäuren, sind die Ketten länger, nennt man die Moleküle Proteine. Zahl der Aminosäuren 2 Dipeptid 3 Tripeptid Polypeptid Beispiel Aspartam (Süßstoff: H-Asp-Phe-O-CH 3 ) Glutathion (Redox-System in den Erythrozyten, Tripeptid aus Glu, Cys, Gly) Insulin (Hormon der Bauchspeicheldrüse, 51 Aminosäuren) > 100 Protein Die Aminosäuresequenz, also die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, wie sie genetisch codiert ist, nennt man Primärstruktur des Proteins. Als Sekundärstrukturen kommen -Helix und -Faltblatt vor. Als Tertiärstruktur bezeichnet man die Lage der gesamten Proteinkette im Raum. Lagern sich mehrere Proteine zu einer großen Einheit zusammen, bilden sie eine Quartärstruktur. 56

9 Biogene Amine - Decarboxylierung Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem Molekül Kohlenstoffdioxid CO 2 abgespalten wird. Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht bei Aminosäuren erfolgen. Bei der Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen primäre Amine. Diese Substanzen besitzen oft wichtige physiologischen Funktionen. Man nennt diese Stoffklasse "biogene Amine". Glutaminsäure -Aminobuttersäure (GABA), eine nichtproteinogene Aminosäure, wirkt als Neurotransmitter im ZNS. Sie wird unter anderem zur Behandlung von Epilepsien eingesetzt. - Vgl. -Hydroxybuttersäure (GHB) Tyrosin Tyramin besitzt Adrenalin-artige Wirkung und wirkt damit blutdrucksteigernd und gefäßkontrahierend. DOPA Dihydroxyphenylalanin H 2 N C H CH 2 OH OH Dopamin gehört zu den Catecholaminen und ist Vorstufe von Noradrenalin und Adrenalin. Dopamin ist das wichtigste Medikament gegen Parkinson-Krankheit. 57

10 Transaminierung Bei der Transaminierung wird die Aminogruppe auf eine - Ketosäure übertragen, wobei aus der Aminosäure eine -Ketosäure (Abbau von Aminosäuren im Körper) und aus der -Ketosäure eine Aminosäure (Aufbau von Aminosäuren) wird. Auf diese Weise kann der Organismus nicht essentielle Aminosäuren selbst herstellen oder abbauen. Die Transaminierung erfolgt in der Leber. Alanin Pyruvat H 2 N C CH 3 H GPT oder ALAT (ALT) Glutamat-Pyruvat-Transaminase Alanin-Aminotransferase C CH 3 O Aspartat Oxalacetat H 2 N H C H C H GOT oder ASAT (AST) Glutamat-Oxalacetat-Transaminase Aspartat-Aminotransferase H C O C H Glutamat H 2 N C H -GT CH 2 Glutamyl-Transferase CH 2 -Ketoglutarat C O CH 2 CH 2 58