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Aminosäuren - (Proteine) Eiweiß

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut. Die Aminosäuren und deren Verknüpfung bestimmendie Eigenschaften derZellproteine, der Enzyme und vieler Hormone. Aminosäuren bilden dieGrundlage der belebten Welt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4urehttp://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm

Struktur der Aminosäuren

Aminosäuren sind organische Moleküle, die mindestens eine Carboxyl- und eine Amino-Gruppebesitzen.

Von besonderem biochemischen Interesse sind die -Aminosäuren. Zudiesem Typ gehören alle proteinogenen Aminosäuren.Die -Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glycin, chiral, d.h. siebesitzen (mindestens) ein asymmetrisches Kohlenstoffatom. Es gibt alsojeweils eine D- und L-Form (Enantiomere). Proteinogen sind nur die L-Aminosäuren.

Einteilung von Aminosäuren

Abhängig von der Art der Seitengruppe werden die Aminosäuren in verschiedene Gruppeneingeteilt:

Sind in der Seitenkette keine weiterensauren bzw. basischen Gruppen enthalten,handelt es sich um neutrale Aminosäuren.Deren isoelektrischer Punkt liegt im"neutralen" pH-Bereich zwischen pH 5,5 -7,5.

Unpolare Seitenketten können z.B. ausKohlenwasserstoff-Ketten bestehen (Leucin)oder Phenylreste besitzen (Phenylalanin). Leucin

Phenylalanin

Neutrale Aminosäuren können in derSeitenkette auch andere funktionelleGruppen enthalten (nicht aber saure od.basische Gruppen.Hierzu gehören insbesondere Hydroxyl-Gruppen (z. B. Serin) und Säureamid-Gruppen (Asparagin, Glutamin). DieseAminosäuren werden als polare neutraleAminosäuren bezeichnet.

Serin

Asparagin

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In den Seitenketten der saurenAminosäuren (z. B. Asparaginsäure)befindet sich eine zweite Carboxylgruppe. Inwässriger Lösung reagieren dieseAminosäuren deutlich sauer.

Bei basischen Aminosäuren enthält dieSeitenkette Aminogruppen, die leichtprotoniert werden können. Zu denbasischen Aminosäuren gehört z.B. Lysin.

Asparaginsäure

Lysin

Dissoziation von Aminosäuren

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 kationischenForm verschoben. Bei Zugabe von Laugen werden die aus der Aminosäure freigesetzten Protonendurch 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-Wertnennt man isoelektrischen Punkt (pHIP). Am isoelektrischen Punkt liegt die Aminosäure weitgehendals Zwitterion vor.Auch für jedes Eiweiß-Molekül (Protein) gibt es genau einen pH-Wert, an dem es ungeladenvorliegt. Jedes Protein hat einen isoelektrischen Punkt!

Titrationskurve von Glycin

+ H+ - H+

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Beim Titrationsgrad (+/-) 0,5 zeigt die Aminosäure maximale Pufferwirkung.Das Gleichgewicht zwischen Kationen und Zwitterionen bzw. Zwitterionen und Anionen liegt"in der Mitte", d.h. bei Titrationsgrad -0,5: [K] = [Z] und bei +0,5: [Z] = [A].

Der isoelektrische Punkt (pHIP) kann graphisch aus der Titrationskurve ermittelt werden. Verbindetman die beiden pKS-Werte durch eine Gerade, erhält man den pH-Wert des isoelektrischenPunktes.Der isoelektrische Punkt ist das arithmetisches Mittel der pKS-Werte: pHIP = ½ · (pKS1 + pKS2)

Titrationskurve einer sauren Aminosäure

Die sauren Aminosäuren(Glutaminsäure undAsparaginsäure)besitzen drei pKS-Werte:Zwei im sauren Bereich(von den COOH-Gruppen) und einen imbasischen Bereich (NH2-Gruppe).

Der isoelektrische Punktbefindet sich im saurenBereich, d.h. zwischenpKS1 und pKS2.

Titrationskurve einer basischen Aminosäure

Die basischenAminosäuren besitzenzwei basische pKS-Werte und einen sauren.Lysin: 2,2 - 9,2 - 10,8;

Der isoelektrische Punktbefindet sich zwischenpKS2 und pKS3, also imbasischen pH-Bereich.

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Chelat-Komplexe von Aminosäuren

Stabile Komplexe werden mit vielen zweiwertigen Metall-Ionen gebildet, besonders leicht bildensich Kupfer-Komplexe: Biuret-Reaktion

http://www.seilnacht.com/Lexikon/biuret.html

Der linke Kolben enthält eine 0,1-molare Kupfersulfat-Lösung, in dieserliegt der hellblaue [Cu(H2O)4]2+-Komplex vor. Der gleichkonzentriertenLösung im rechten Kolben wurde dieAminosäure Glycin zugegeben, esbildet sich der tiefblaue Aminosäure-Komplex [Cu(Gly)2].

Aminosäure-Nachweis mit NinhydrinEXPERIMENT

-Aminosäuren reagieren mit Ninhydrin unter Bildung eines Farbstoffes, der blauviolett - rotbraungefärbt ist. Die Aminosäure wird dabei unter Decarboxylierung zu einem um ein C-Atom kleinerenAldehyd oxidiert.

Ninhydrin-Test: Diese Farbreaktionen werden häufig zurSichtbarmachung der Aminosäuren nach chromatographischenoder elektrophoretischen Trennungen verwendet. Die Ninhydrin-Reaktion kann jedoch auch zur Sichtbarmachung vonFingerabdrücken dienen. Der Hautschweiß enthält kleine Mengenfreier Aminosäuren und Proteine. Diese können, z.B. auf Papier,mit diesem Reagenz fixiert werden. Die Abbildung zeigt mittelsNinhydrin angefärbte Fingerabdrücke auf einem Scheck.

http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0009.htmlFingerabdrücke auf einem

Scheck

http://www.science-forum.de/download/krimi.pdf#search=%22ninhydrin%20fingerabdr%C3%BCcke%22

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Proteinogene Aminosäuren

http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/prot-as.htmlhttp://www2.chemie.uni-erlangen.de/education/medprak/praktikum/heft-neu/medprak-heft-09.htmlhttp://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4urenhttp://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteine/aminosaeuren.vlu.html

Zu den proteinogenen Aminosäuren gehören die 20 Aminosäuren, die im genetischen Codeangelegt sind.Die Aminosäuren werden nach den Eigenschaften der Seitenketten in unterschiedliche Gruppeneingeteilt, wobei Glycin für sich steht. Der Indol-Rest des Tryptophans steht zwischen unpolarenund polaren Gruppen.

GlycinGly

Aminosäuren mit hydrophobenSeitenketten

AlaninAla Valin*

ValLeucin*Leu

Isoleucin*Ile

Phenylalanin*Phe

ProlinPro

Methionin*Met

Tryptophan*Trp

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Aminosäuren mit polaren Seitenketten

SerinSer

Threonin*Thr

CysteinCys

TyrosinTyr

saure Aminosäuren

AsparaginsäureAsp Asparagin

AsnGlutaminsäure

Glu GlutaminGln

basische Aminosäuren

Lysin*Lys Arginin

Arg

Histidin*His

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Essentielle Aminosäuren

Aminosäuren können über den Prozess der Transaminierung aus Ketosäuren hergestellt werden.Voraussetzung dafür ist, dass die entsprechende -Ketosäure vom Organismus synthetisiertwerden kann. Dies ist nur bei 11 der 20 proteinogenen Aminosäuren der Fall. Tyrosin kann durchModifikation der Seitenkette (Hydroxylierung des Phenylrestes) aus Phenylalanin hergestelltwerden. Aminosäuren, die dem Organismus in der Nahrung zugeführt werden müssen, nennt manessentielle Aminosäuren.Zu den 9 essentiellen Aminosäuren gehören: die verzweigtkettigen (Valin, Leucin, Isoleucin, Threonin) und die aromatischen Aminosäuren (Phenylalanin, TryptophanAußerdem sind die Aminosäuren Methionin und Lysin essentiell, für Kleinkinder zusätzlich

Histidin

Diese Aminosäuren sind für Menschen essentiell. Es gibt einige angeboreneStoffwechselstörungen, bei denen Enzyme, die zur Synthese bestimmter Aminosäuren benötigtwerden, ausfallen. Bekanntestes Beispiel ist die Phenylketonurie. Bei dieser Krankheit kannPhenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden, Tyrosin ist daher für diese Menschen einezusätzliche essentielle Aminosäure.

Phenylketonurie (PKU) - "Föllingsche Erkrankung"

Tyrosin kann im menschlichen Organismus durch Hydroxylierung aus Phenylalanin synthetisiertwerden. Die Reaktion wird durch das Enzym Phenylalanin-Monooxygenase (Phenylalanin-Hydroxylase) katalysiert.

Bei der Phenylketonurie fällt die Phenylalanin-Hydroxylase vollständig aus oder ist in ihrerFunktion stark beeinträchtigt. Es handelt sich hierbei um eine rezessiv vererbteStoffwechselstörung (Häufigkeit: 1 : 10.000). Die Aminosäure Tyrosin kann nicht mehr ausPhenylalanin synthetisiert werden. Tyrosin ist aber zur Synthese von Adrenalin, denSchilddrüsenhormonen und Melanin unumgänglich.Bei PKU tritt statt dessen die Phenylalanin-Transaminase in Aktion, wobei Phenylpyruvat(Phenylbrenztraubensäure) entsteht, das teilweise mit dem Harn ausgeschieden wird.Phenylpyruvat ist jedoch neurotoxisch, es stört insbesondere das sich bei Kleinkindern erstentwickelnde ZNS (vermutlich den Aufbau des Myelins). Daher muss die Phenylketonuriebaldmöglichst nach der Geburt (am 4. bis 6. Lebenstag) nachgewiesen werden um, rechtzeitigeine entsprechende Diät - phenylalaninarm und tyrosinreich - geben zu können.

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Peptid-Bindung

Bei der Proteinbiosynthese werden (an denRibosomen, unter Beteiligung von m-RNS und t-RNS) proteinogene Aminosäuren durchKondensationsreaktion zwischen Carboxyl- undAminogruppe verknüpft.Unter Wasserabspaltung entsteht die Peptid-Bindung.Kurzkettige Peptide (z.B. Glutathion) könnenauch an speziellen Enzymen gebildet werden,wobei keine RNS benötigt wird.

Sekundärstrukturen

Die bei der Proteinbiosynthese gebildete Peptid-Kette bildet je nach AminosäuresequenzSekundärstrukturen, z.B. -Helix oder -Faltblatt, aus. Die Sekundärstrukturen werden durchWasserstoffbrücken stabilisiert.

-Helix

Bei einer -Helix weisen die Peptid-Bindungen in die gleiche Richtung. Zwischen zweiAmidbindungen liegt der Tetraeder-Winkel von 109,5°.

Da um die Amidbindung keine Drehung möglich ist, wird die Kette ab der dritten Bindung in einehelicale 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.

Glucagon:

Glucagon ist ein Peptid, das aus 29 Aminosäuren besteht. Diese sind in einer -Helix angeordnet.Glucagon wird im Pankreas synthetisiert und steigert den Glycogen-Abbau und dieGluconeogenese und somit den Glucose-Spiegel. Es ist der Gegenspieler des Insulin.Bei diesem sehr kleinen Peptid ist die Struktur einer -Helix sehr gut sichtbar.

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http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/sek_a2.html

Nach 4 Aminosäuren ist die erste Windung geschlossen. Allerdings überlappen bereits die ersteund vierte Aminosäure. Als Höhe einer Windung ergeben sich rechnerisch 3,6 Aminosäuren.

-Faltblatt:

Bei der Ausbildung eines -Faltblattes weisen benachbarte Peptidbindungen in die entgegengesetzte Richtung. Ab der dritten Bindung wird die typische Anordnung deutlich.

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Stabilisiert wird das -Faltblatt erst, wenn sich eine zweite Peptidkette anlagert. Zwischen denbeiden Kettenabschnitten bilden sich Wasserstoffbrücken aus. Ein -Faltblatt kann, im Gegensatzzur -Helix, nicht aus nur einem Strang bestehen.

Die Ketten können aus der gleichen Peptid-Kette stammen (dies ist der Normalfall), es können sichaber auch mehrere Peptide zu einem Faltblatt zusammenlagern.

Die benachbarten Ketten in einem Faltblatt können die gleiche Ausrichtung aufweisen, oder aberentgegengesetzt laufen: Es gibt parallele und antiparallele Faltblätter.In beiden Fällen werden Wasserstoffbrücken zwischen den gegenüberstehenden Peptidbindungenausgebildet.

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Peptide & Proteine

Als Peptide bezeichnet man Ketten aus bis zu etwa 100 Aminosäuren, sind die Ketten länger,nennt man die Moleküle Proteine.

Zahl derAminosäuren Beispiel

2 Dipeptid Aspartam(Süßstoff: H-Asp-Phe-O-CH3)

3 Tripeptid Glutathion(Redox-System in den Erythrozyten, Tripeptid aus Glu, Cys, Gly)

11-100 Polypeptid Insulin(Hormon der Bauchspeicheldrüse, 51 Aminosäuren)

> 100 Protein Lysozym(Hydrolase im Hühnereiweiß, 129 Aminosäuren)

Die Aminosäuresequenz, also die Abfolge der einzelnen Aminosäuren, wie sie genetischcodiert 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.

Hämoglobin

Hämoglobin besteht aus vierUntereinheiten, je 2 - und -Kettenmit 141 bzw. 146 Aminosäuren.Es stellt also eine Quartärstruktur dar.Jede Untereinheit bildet acht -Helices aus, Faltblattstrukturenkommen nicht vor. In jederUntereinheit ist eine Häm-Gruppe (einEisen(II)-Porphyrin-System) alsprosthetische Gruppe gebunden.

http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/haemoglobin.html

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Biogene Amine

Decarboxylierung

Als Decarboxylierung bezeichnet man eine chemische Reaktion, bei der aus einem MolekülKohlenstoffdioxid CO2 abgespalten wird.Durch Enzyme (Decarboxylasen) kann eine Decarboxylierung besonders leicht bei Carbonsäuren(bevorzugt: β-Ketosäuren und Aminosäuren) erfolgen.

C C C COOH

O

Decarboxylase

O

CCC

-Ketobuttersäure wird zu Aceton decarboxyliert.

Bei der enzymatischen Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen primäre Amine. DieseSubstanzen besitzen oft wichtige physiologischen Funktionen. Man nennt diese Stoffklasse"biogene Amine".

Glutaminsäure

-Aminobuttersäure (GABA), eine nichtproteinogeneAminosäure, wirkt als Neurotransmitter im ZNS. Sie wirdunter anderem zur Behandlung von Epilepsien eingesetzt

Vgl. -Hydroxybuttersäure (GHB)http://www.pille-palle.net/Pille-Palle/ghb.phphttp://www.gifte.de/Drogen/designer-drogen.htm

Tyrosin

Tyramin wirkt als indirektes Sympathikomimetikum, d.h.es besitzt adrenerge (Adrenalin-artig erregende) Wirkung.Es setzt als Gewebshormon aus den Nervenenden desSympathikus Noradrenalin frei und wirkt damitblutdrucksteigernd und gefäßkontrahierend.

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DOPA

Dopamin gehört zu den Catecholaminen. Es dient alsNeurotransmitter und ist Vorstufe von Noradrenalin undAdrenalin

Tryptophan

Tryptamin stimuliert die Kontraktion der glattenMuskulatur.

Serotonin (= 5-Hydroxytryptamin) tritt als Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem auf.Als Gewebshormon stimuliert es die Kontraktion der glatten Muskulatur und wirkt damit blutdrucksteigerndund gefäßkontrahierend.Durch Acetylierung der primären Aminogruppe und Methylierung der 5-OH-Gruppe kann aus Serotonin dasEpiphysen-(Zirbeldrüsen)-Hormon Melatonin synthetisiert werden. Durch Melatonin wird die "innerebiologische Uhr", und damit z.B. der Schlaf-Wach-Rhythmus, gesteuert. Durch Hemmung der Serotonin-Synthese lässt sich Schlaflosigkeit erzeugen.

http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/aminosaeuren/bam01.htmlhttp://www.experimentalchemie.de/02-e-02.htmhttp://www.acibas.net/melatonin/index.shtml