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Aminosäuren und Proteine – 1

Anmerkung: es gibt kaum Quellenangaben, diese Materialien sind ausschließlich zur Nachbereitung meines Unterrichts vorgesehen, nicht für eine weitere Veröffentlichung.

Bei den Seiten mit dem Unterrichtsgang stehen links die Regieanweisungen (Symbole hoffentlich selbsterklärend) und rechts der Tafelanschrieb.

Aminosäuren und Proteine

1. Die Aminosäuren 21.1. Aufbau 21.2. Zwitterion 21.3. Optische Aktivität 21.4. Die 20 Aminosäuren 31.5. Einteilung der Aminosäuren 31.6. Der isoelektrische Punkt (IEP) 3AB: Die 20 Aminosäuren 41.7. pH-Abhängigkeit der Aminosäuren 51.8. Die Elektrophorese 5Folie: Elektrophorese (Prinzip) 6

2. Dipeptide und Polypeptide 72.1. Kondensationsreaktion 72.2. Die Peptid-Bindung 72.3. Einteilung 72.4. Peptidsynthese im Labor 8Folie: Peptidsynthese im Labor 9

3. Struktur der Proteine 103.1. Primärstruktur 103.2. Sekundärstruktur 103.3. Tertiärstruktur 113.4. Quartärstruktur 113.5. Denaturierung 113.6. Anhang: vgl. Literaturhinweis 11AB: Struktur der Proteine 12Folie: Insulin 13

Folie: Häm 13Folie: Tertiärstruktur – stabilisierende Bindungen 14

4. Nachweisreaktionen 154.1. Die Xanthoproteinreaktion 154.2. Die Biuretreaktion 154.3. Die Ninhydrinreaktion 15

5. Chromatographie 155.1. Chromatographie / Grundlagen 155.2. Chromatographie von Aminosäuren 15AB: Nachweisreaktionen auf Aminosäuren 16Folie: Ninhydrin/Biuret 17AB: Grundlagen: Chromatografie 18AB: Chromatografie-Versuche 19AB: Identifikation durch Chromatografie 20AB: Chromatografie-Versuche/Ergebnisse 2002 21AB: Chromatografie-Versuche/Ergebnisse 2005 22AB: Chromatografie-Versuche/Simulation 23

6. Bedeutung der Aminosäuren 246.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit 246.2. Komplex: Landwirtschaft 246.3. Komplex: Medizin 24AB: Die Bedeutung der Aminosäuren 25Folie: Proteinbedarf / Funktionen 26Folie: Mangelfolgen / essentielle Aminosäuren 27

Themen/Lernziele:


– Aufbau von Aminosäuren– α-Aminosäuren, optische Aktivität

1. Die Aminosäuren

1.1. AufbauVersuch: Wasser + Mg Aminosäure-Lsg. + MgBeobachtung: schwache Gasentwicklung starke GasentwicklungErgebnis: Aminosäuren haben Säurecharakter

Versuch: Eine Aminosäure wird erhitztBeobachtung: Geruch nach Ammoniak (NH3), mit HCl bildet

sich ein weißer Rauch (NH4Cl), feuchtes pH-Papier zeigt eine Base an.

Ergebnis: Aminosäuren enthalten eine basische NH2-Gruppe

Aminosäuren haben (mind.) zwei funktionelle Gruppen:

Aminogruppe: –NH2

Carboxylgruppe: –COOH

alle in der Natur zum Aufbau von Eiweiß (Proteinen) vorkommenden und genetisch codierten Aminosäuren sind α-Aminosäuren:

1.2. ZwitterionEinige Eigenschaften der Aminosäuren lassen sich mit dieser Struktur nicht erklären:– hohe Schmelztemperatur (z.T. zersetzen sie sich)– gute Wasserlöslichkeit– allg. salzartiger Charakter (spröde, kristallin, „Ionengitter“)

Aminosäuren liegen in einer zwitterionigen Form vor.

1.3. Optische AktivitätAlle Aminosäuren (bis auf Glycin) haben ein asymetrisches α-C-Atom, sie sind also optisch aktiv:

In den natürlich vorkommenden Proteinen findet man von den beiden Spiegelbildisomeren einer Aminosäure nur die L-Form.

Modelle

V

B. Aminosäuren und Proteine

COOH

CH2N H

R

*

COO

CH3N H

R

*

V

Wdh.anderes α als bei den Kohlenhydraten

Beispiele

Themen/Lernziele:


1.4. Die 20 Aminosäuren

1.5. Einteilung der AminosäurenDie Seitenkette hat Einfluss auf die chemischen Eigenschaften der Ami-nosäure. Neutrale Aminosäuren besitzen entweder polare (hydrophil) oder unpolare (hydrophob) Seitenketten. Saure Aminosäuren tragen eine zweite Carboxylgruppe, in der Seitenkette der basischen AS befin-det sich eine zweite Aminogruppe.

1.6. Der isoelektrische Punkt (IEP)Versuch: Glycin wird in Wasser gelöst

H3N+-CH2-COO– + H2O H3N+-CH2-COO–(aq)

H2N-CH2-COO– + H3O+ H3N+-CH2-COOH + OH–

Beobachtung: Glycin löst sich in Wasser, es reagiert schwach sauer; der pH-Wert beträgt 6

Erklärung: Glycin ist ein Stoff, der sowohl als Base als auch als Säure reagieren kann (Ampholyt). Die NH3

+-Gruppe gibt aber eher ein Proton ab, als die COO–-Gruppe eines aufnimmt.

In wässriger Lösung liegen vor (bei pH-Wert 6):

bei Zugabe von etwas Salzsäure verschiebt sich das Gleichgewicht:

Bei einem ganz bestimmten pH-Wert ist die Anionen-Konzentra-tion = Kationen-Konzentration und gleichzeitig minimal, es liegen am meisten Zwitterionen vor. Dieser Punkt heißt isoelektrischer Punkt. Für Glycin pH bei 5,97.

IEP: pH-Wert, für den gilt cZwitter = max. cAnion = cKation.Der IEP ist charakteristisch für jede Aminosäure.

– Einteilung der Aminosäuren– Der Isoelektrische Punkt (IEP)

Glycin + Wasser(dabei den pH-Wert messen)

Ampholyt

Es läuft also eherdie Reaktion A ab

Zwitterion

KationAnion

wenigH2N-CH2-COO–

vielH3N+-CH2-COO–

(aq)

fast nichtsH3N+-CH2-COOH

AB

(pH-Wert < 6)Zwitterion

KationAnion

sehr wenigH2N-CH2-COO–

vielH3N+-CH2-COO–

(aq)

sehr wenigH3N+-CH2-COOH

i

V

Arbeits-Blatt

AB


AB: Die 20 Aminosäuren

Chemie Aminosäuren und Proteine

Lit.: Elemente Chemie II (Klett), S. 148 - Chemie heute SII (Schroedel), S. 451

Neutrale Aminosäuren mit unpolarem Rest

Neutrale Aminosäuren mit polarem Rest

BasischeAmino-säuren

Glycin (Gly, G)IEP = 6,0 L-Alanin (Ala, A)

IEP = 6,1L-Valin (Val, V)*IEP = 6,0 L-Prolin (Pro, P)

IEP = 6,3

L-Arginin (Arg, R)IEP = 10,8

L-Lysin(Lys, K)*IEP = 9,7

L-Glutaminsäure (Glu, E) IEP = 3,2

L-Methionin (Met, M)*IEP = 5,7

L-Histidin(His, H)IEP = 7,6

L-Asparaginsäure (Asp, D)IEP = 2,9

L-Threonin (Thr, T)*IEP = 5,6

L-Cystein (Cys, C)IEP = 5,0

L-Leucin (Leu, L)*IEP = 6,0 L-Isoleucin (Ile, I)*

IEP = 6,0 L-Phenylalanin (Phe, F)*IEP = 5,5

L-Serin (Ser, S)IEP = 5,7

L-Tyrosin (Tyr, Y)IEP = 5,6

L-Glutamin(Gln, Q)IEP = 5,7

L-Asparagin(Asn, N)IEP = 5,4 L-Tryptophan

(Trp, W)* IEP = 5,9

Saure Aminosäuren

Für den Menschen essentielle Aminosäuren* müssen mit der Nahrung aufgenommen werden!

COO

CH3N H

CH3

H3N

COO

C H

CH2

CH2

CH2

NH

CH2N NH

H3N

COO

HC

CH2

CONH2

H3N

COO

HC

CH2

COOH

H3N

COO

HC

C

H

SHH

H3N

COO

H

CH2

C

CH2

CONH2

H3N

COO

H

CH2

C

CH2

COOH

H3N

COO

HC

H

H3N

COO

H

N

NH

C

H3N

COO

HC

CHH3C CH2

CH3

H3N

COO

HC

CH2

CH3CH

H3C

H3N

COO

C H

CH2

CH2

CH2

CH2

NH2

H3N

COO

H

CH2

C

CH2

S CH3

H3N

COO

HC

CH2

COO

CH2

CH2

CH2

CHH2N

H3N

COO

HC

C

H

OHH

H3N

COO

HC

C

CH3

OHH

H3N

COO

C H

NH

CH2

H3N

COO

C H

CH2

OH

H3N

COO

HC

CHH3C CH3

Themen/Lernziele:


1.7. pH-Abhängigkeit der AminosäurenWelche Teilchen liegen bei den Aminosäuren Glycin, Histidin und Asparaginsäure bei einem pH-Wert von 6 jeweils vor?

Am IEP liegen die Aminosäuren fast ausschließlich in der zwitteri-onischen Form vor. Bei niedrigeren pH-Werten (also einer höhe-ren H3O

+-Konzentrationen) werden die Zwitterionen protoniert und die AS liegt als Kation vor. Bei höheren pH-Werten (also höheren OH–-Konzentrationen) wird ein Proton abgegeben und die AS liegt überwiegend als Anion vor:Bsp: Glycin: H3N+-CH2-COO–

Histidin: H3N+-CH(-C3N2H4+)-COO–

(insgesamt ein Kation) Asparaginsäure: H3N+-CH(-CH2-COO–)-COO–

(insgesamt ein Anion)

1.8. Die Elektrophorese - ein modernes Verfahren um Aminosäurengemische zu trennenWas passiert, wenn wir an ein Gemisch der Aminosäuren Glycin, Histidin und Asparaginsäure bei pH 6 ein elektrisches Feld anle-gen?

Die positiv geladenen Teilchen (hier die Histidin-Kationen) wer-den zur Kathode wandern, die negativ geladenen Teilchen (in dem Gemisch die Asparaginsäure-Anionen) wandern zur Anode, die Glycin-Zwitterionen werden gar nicht wandern, weil sich die nega-tiven und die positiven Ladungen gegensseitig aufheben.

Unter Elektrophorese wird die Wanderung elektrisch geladener Moleküle im elektrischen Feld verstanden. Aminosäuren liegen bei pH-Werten oberhalb ihres isoelektrischen Punktes als Anionen vor und wandern zur Anode, bei pH-Werten unterhalb des isoe-lektrischen Punktes wandern sie als Kationen zur Kathode.

Die Elektrophorese stellt ein Verfahren dar Aminosäure-Gemi-sche zu trennen, es findet z.B. bei HIV-Tests Verwendung.

statistische Verteilung

– Die Elektrophorese – eine moderne Trennmethode

Lit.: Chemie heute SIIAuflage 1999: S.379Trennung und Identifizierung von Proteinen.

FolieGleichspannungsquelle

Glycin-Zwitterionenwandern nicht

Wanderung derHistidin-Kationen

Wanderung derAsparaginsäure-Anionen

Startpunkt desAminosäure-Gemisches feuchtes Filterpapier

Folie

?

AA

!

MAbittelesen


Elektrophorese (Prinzip)

Unter Elektrophorese wird die Wanderung elektrisch geladener Moleküle im elektrischen Feld verstanden. Positiv geladenen Teilchen (Kationen) werden zur Kathode wandern, die negativ geladenen Teilchen (Anionen) wandern zur Anode, ungeladene Teilchen werden gar nicht wandern. Auch Zwitterionen wandern nicht, weil sich die negativen und die positiven Ladungen gegensseitig aufheben.Die Elektrophorese ist eine Möglichkeit solche Stoffgemische zu trennen.

Gleichspannungsquelle

Glycin-Zwitterionenwandern nicht

Wanderung derHistidin-Kationen

Wanderung derAsparaginsäure-Anionen

Startpunkt desAminosäure-Gemisches feuchtes Filterpapier

Themen/Lernziele:


– Peptidbindung, Peptidhydrolyse– Dipeptide und Tripeptide– Grenzformeln der Peptidbindung

Wie kommen wir von den Ami-nosäuren zu den Peptiden und den Proteinen?

Esterbindung, glycosidische Bindung, …

wieso lösen wir uns dann nicht auf?

Röntgenstrukturanalyse:Bindungslänge zwischen einer Doppel- und einer Einfachbindung!

Zeichnen: Val-Ser Cys-Asn-Thr Thr-Asn-Cys

Mesomer ie

Achtung:keine FISCHER-Projektion!

2. Dipeptide und Polypeptide

2.1. KondensationsreaktionKondensation von Alanin und Glycin:

vgl. aber

2.2. Die Peptid-BindungDie Peptidhydrolyse ist ein exothermer Vorgang, die Reaktion verläuft trotzdem extrem langsam:–> sehr hohe Aktivierungsenergie–> sehr stabile Bindung=> energiearm, partieller Doppelbindungscharakter, ebener Bau.

2.3. Einteilung- Aminosäuren- Dipeptide, Tripeptide, …- Oligopeptide (ca. 2–10 Aminosäuren)- Polypeptide (bis zu 100 Aminosäuren)- Proteine (Eiweiße) (über 100 Aminosäuren)

H

N

H

H

O

O H

HH H

H

CN C

H

H

H

O

O H

H

CN C

H

H

H

CN C

O

O HH

O

HC

HH H

H

CN C

H

H

H

H

CN C

O

O HH

O

C

HH H

Glycylalanin (GlyAla)

Alanylglycin (AlaGly)

fiktive Grenzformeln

CHH2N C

CH3

CH2N COOH

H

O

CHH2N C

CH3

CH2N COOH

H

O

Wdh.

Wdh.

?

AA

i

H

O H

Themen/Lernziele:


2.4. Peptidsynthese im LaborProblem 1: unkontrollierte Reaktionen der AminosäurenProblem 2: Peptidbildung verläuft nicht freiwillig

Lösung 1: Schutzgruppen an alle funktionellen Gruppen, die nicht reagieren sollen.

Lösung 2: Aktivierung der Gruppen, die reagieren sollen.

Zwei Möglichkeiten: - Flüssigphasensynthese - Festphasensynthese

– Proteinsynthese im Labor– Schutzgruppen; Flüssigphasen- u. Festphasensynthese

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Peptidsynthese im Labor

Prinzip: Schutzgruppen an alle funktionellen Gruppen, die nicht reagieren sollen, Aktivierung der Gruppen, die reagieren sollen.

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Themen/Lernziele:


– Struktur der Proteine– Zwischenmolekulare Kräfte

3. Struktur der Proteine

3.1. PrimärstrukturGibt die Folge der einzelnen Aminosäurebausteine an (Gly-Ala-Cys-Leu-Ala-Val-Glu-…). Man kennt heute die Aminosäuresequenz von vielen wichtigen Proteinen.Strukturaufklärung erfolgt über einen stufenweisen Abbau der Peptidkette (z.B. enzymatisch).Zur Hydrolyse muss man längere Zeit z.B. mit Salzsäure erhitzen um die stabilen Peptidbindungen zu spalten (z.B. mit verd. Salzsäu-re 1h bei 120°C).

3.2. SekundärstrukturStrukturen von Proteinen, die durch Wasserstoffbrückenbindun-gen bedingt und stabilisiert werden.

α-Helix

Jeder A.S.-Strang für sich, H-Brücken innerhalb des Stran-ges. Auch lange Seitenketten möglich. Elastisch, dehnbar.Bsp.: Wolle, Haare

β-Faltblatt

Viele Stränge parallel, jew. 2 liegen „antiparallel“ nebeneinander, H-Brücken zwischen den Strängen. Meist gleichartige A.S. mit kurzen Seitenketten. Fest, reißfest, biegbar.Bsp.: Seide.

PeptidbindungWdh.

Modelle

Kopie

EDMAN-Abbau (vom N-terminalen Ende)„Sequenator“

bei größeren Peptiden bzw. Proteinen überlappende Spaltung mit Enzymen (Trypsin, Pepsin)

Themen/Lernziele:


3.3. TertiärstrukturDie Teilchengestalt eines Proteinmoleküls, resultiert aus der räumlichen Anordnung der α-Helices oder der Faltblattstruktur. Die Tertiärstruktur wird durch verschiedene Bindungs-arten stabilisiert: zwischen unpolaren Gruppen liegen VAN DER WAALS–Bindungen vor, zwischen polaren Gruppen werden Wasserstoffbrücken ausgebildet und zwischen den Seitenketten der sauren und basischen A.S. treten Ionenbindungen auf. Von Besonderer Bedeutung für die Tertiärstruk-tur sind die Disulfidbrücken (–S–S–). Sie entstehen aus den SH-Gruppen zweier Cystein-Reste in einer Redoxreaktion.Bsp.: Kollagenfaser aus 3 α-Helices (Triple-Helix) oder Myoglobin.

3.4. Quartärstruktursind in einem Protein mehrere Polypep-tidketten in einer bestimmten räumlichen Struktur angeordnet, so spricht man von QuartärstrukturBsp.: Hämoglobin

3.5. Denaturierung (Veränderung von Eiweiß durch Zerstörung der Ordnung)- Hitze (Tertiärstruktur)- Schwermetalle (Tertiärstruktur)- Strahlung (Sekundärstruktur)- Säuren/Laugen (Primärstruktur)- Verdauungsprozesse (enzymatisch, Magensäure) (Die Aminosäuren bleiben erhalten, Enzyme werden zerstört)

3.6. Anhang: vgl. LiteraturhinweisSchroedel: Chemie heute SII - S. 378 (Der Friseur als Proteinche-miker)

– Struktur der Proteine (Fortsetzung)– Denaturierung

Der Friseur als ProteinchemikerChemie heute SII - S. 378

verschiedene Bindungstypen

Tertiärstruktur von Insulin(Insulin besteht aus zwei Ketten: 30 + 21 = 51 Aminosäuren)Strukturaufklärung durch SANGER 1954

Wdh.

Kopie

Kollagen = Strukturprotein(Haut, Knorpel, Bindegewebe)

N N

N NFe2+

CH3

CH

CH2

CH3

CH2

CH2

COOH

H2CH2C

HOOC

H3C

H3C

CHH2C

R1

R2

Häm: R1 = Globin (Protein-A.S.-Kette) R2 = Sauerstoff (O2)

Porphyrin-Gerüst

NH

CH C

CH2

O

NH

CHC

CH2

ONH

CHC

CH2

O

CO–O

HN CH C

CH2

O

CH2

CH2

CH2

NH H

H

HN CH C

CH2

O

CNO

H

H

NH

CHC

CH2

O

CH2

CN O

H

H

NH

CH C

CH2

O

S

NH

CHC

CH2

O

S

Disulfidbrücken

IonenbindungenWasserstoffbrücken-bindungen

VAN-DER-WAALS-Kräfte


α-Helix β-Faltblatt

Quartär-struktur

AB: Struktur der Proteine


Bindungen, die die Tertiärstruktur stabilisieren


Insulin

N N

N NFe2+

CH3

CH

CH2

CH3

CH2

CH2

COOH

H2CH2C

HOOC

H3C

H3C

CHH2C

R1

R2

Häm

R1 = Globin (Protein, A.S.-Kette)R2 = Sauerstoff (O2)

Porphyrinring


Tertiärstruktur – stabilisierende Bindungen

VAN-DER-WAALS-KräfteWasserstoffbrücken-

bindungenIonenbindungen

Disulfid-bindungen

NH

CH C

CH2

O

NH

CHC

CH2

ONH

CHC

CH2

O

CO–O

HN CH C

CH2

O

CH2

CH2

CH2

NH H

H

HN CH C

CH2

O

CNO

H

H

NH

CHC

CH2

O

CH2

CN O

H

H

NH

CH C

CH2

O

S

NH

CHC

CH2

O

S

Ionenbindungen

Disulfid-bindungen

Wasserstoffbrücken-bindungen

VAN-DER-WAALS-Kräfte

NH

CH C

CH2

O

NH

CHC

CH2

ONH

CHC

CH2

O

CO–O

HN CH C

CH2

O

CH2

CH2

CH2

NH H

H

HN CH C

CH2

O

CNO

H

H

NH

CHC

CH2

O

CH2

CN O

H

H

HN CH C

CH2

O

S

HNCHC

CH2

O

S

Themen/Lernziele:


– Nachweisreaktionen auf Aminosäuren bzw. Polypeptide– Xanthoprotein, Biuret, Ninhydrin– Chromatographie

Ein frisch gekochtes Ei wird mit HNO3(konz.) bemalt.Gelbe Finger beim Arbeiten mit HNO3(konz.)

nach der Biuretgruppe:H2N-CO-NH-CO-NH2

ERLENMEYERregel

Beyer / Walter:Lehrbuch d. Organischen ChemieS. 626 u. S. 840f.

nicht zu stark verdünnt !

vgl.: SE-Reaktion am Aromaten

Chromatographie (Verteilungs- u. Adsorptionschr.)Chromatographie von FolienstiftfarbstoffenChromatographie von A.S. u. A.S.-Gemischen

4. Nachweisreaktionen auf Aminosäuren u. Polypeptide

4.1. Die Xanthoproteinreaktion (Gelbfärbung von Eiweiß)Versuch: Eiweiß wird mit HNO3 betupftBeobachtung: Es tritt eine Gelbfärbung aufErgebnis: Die aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr, Phe) werden

am Benzolkern nitriert.

Die Xanthoprotheinreaktion ist ein Nachweis auf aromatische Aminosäuren

4.2. Die BiuretreaktionBeim Versetzen einer alkalischen Aminosäure-Lösung mit einigen Tropfen verdünnter CuSO4-Lsg. tritt eine blauviolette Fär-bung auf. Es bildet sich ein Kupferkomplex.

4.3. Die NinhydrinreaktionBeim Erhitzen von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen mit einer verdünnten wässrigen Ninhydrinlö-sung tritt eine Blauviolettfärbung auf.

5. Chromatographie

5.1. Chromatographie / Grundlagen

5.2. Chromatographie von Aminosäuren

V

Arbeits-Blatt

AB

MAbittelesen

H3N CH CH2

COO

HNO3+

H3N CH CH2

COO

H2ONO2 +

Phenylalanin (Phe)

Salpetersäure

Nitrophenylalanin (gelb)

C O

CH

O

R NH2

Cu2+

CO

CH

O

RH2N

CC

C OH

OH

O

ONinhydrin


AB: Nachweisreaktionen auf Aminosäuren


4. Nachweisreaktionen auf Aminosäuren bzw. Polypeptide4.1. Die Xanthoproteinreaktion (Gelbfärbung von Eiweiß):Versuch: Ein Stückchen Eiweiß wird in einem Reagenzglas mit konz. Salpetersäure betröpfelt und erwärmt.

Beobachtung:

Ergebnis: Die aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr, Phe) werden am Benzolkern nitriert.

Die Xanthoproteinreaktion ist ein Nachweis auf aromatische Aminosäuren.

4.2. Die Biuretreaktion:Versuch: Gib zu einigen mL einer leicht alkalischen Eiweißlösung (zur Not: Aminosäurelösung) einige Tropfen verdünnte CuSO4-Lösung

Beobachtung:

4.3. Die Ninhydrinreaktion:Versuch: Eine Aminosäurelösung wird mit einigen Tropfen Ninhydrinlösung versetzt und erwärmt. Testet ver-schiedene Aminosäuren.

Beobachtung:

H3N CH CH2

COO

HNO3+

H3N CH CH2

COO

H2ONO2 +

CC

C OH

OH

O

O Ninhydrin

Phenylalanin (Phe)

Salpetersäure

Nitrophenylalanin (gelb)

C CH

O

N

R C

OHC R

N

Cu2+

CHC

O

N

RC

O

CH

R

N

Es tritt eine Gelbfärbung auf.

Beim Erhitzen von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen mit einer verdünnten wäss-rigen Ninhydrinlösung tritt eine Blauviolett-färbung auf.

Beim Versetzen einer alkalischen Amino-säurelösung (besser: Peptidlösung) mit einigen Tropfen verdünnter CuSO4-Lösung tritt eine rotviolette Färbung auf. Es bildet sich ein Kupferkomplex.


Ninhydrin / Biuret


5. Chromatographie (von griech. chroma: Farbe u. graphëin: schreiben)5.1. Grundlagen: Chromatographie — Ein Verfahren zur Trennung von StoffenBei der Papier- und Dünnschichtchromatographie wird eine stationäre Phase (Papier, Dünnschichtplatte von ei-ner mobilen Phase (Fließmittel) durchwandert. Dabei werden die einzelnen Komponenten eines Stoffgemisches, das auf der stationären Phase aufgebracht ist, verschieden schnell transportiert und damit getrennt. Ursache dafür sind unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen der stationären Phase und den Gemisch-Bestandteilen sowie unterschiedliche Löslichkeit im Fließmittel. Je besser die Löslichkeit des Stoffes im Fließmittel ist, des-to leichter wird er von diesem mitgeführt. Gleichzeitig mit dem Lösen des Stoffes im Fließmittel tritt dieser in Wechselwirkung mit der stationären Phase. Er wird mehr oder weniger stark, aber immer reversibel, adsorbiert (Adsorptionschromatographie).Adsorption ist aber nicht der einzige Rückhalteeffekt. Häufig befindet sich auf der Oberfläche der stationären Phase ein Flüssigkeitsfilm (z. B. Wasser). Daher konkurriert die Löslichkeit des wandernden Stoffes in diesem Flüssigkeitsfilm mit der Löslichkeit im Fließmittel und sorgt durch die unterschiedliche Verteilung in den beiden Lösungsmitteln für einen weiteren Trenneffekt (Verteilungschromatographie).

Beispiel: Stoffe, die in Hexan gut löslich sind und in Wasser schlecht, werden schnell weitertransportiert, dagegen werden Stoffe, die in Hexan wenig löslich sind, in Wasser jedoch gut, langsam weitertransportiert. Dadurch lassen sich solche Stoffe trennen.

Führt man eine Chromatographie unter immer genau denselben Bedingungen (sta-tionäre Phase [z. B. Aluminiumoxid-Dünn-schichtplatte], mobile Phase [Fließmittel, z. B. Butanol:Eisessig:Wasser = 4:1:1], Tempe-ratur) durch, so ist das Verhältnis der Entfer-nung des Substanzflecks von der Startlinie zu der Entfernung der Fließmittelfront von der Startlinie spezifisch für einen bestimmten Stoff, für jeden einzelnen also immer gleich. Diesen Wert nennt man retention factor (Rückhalte-Faktor):

Rf =Entfernung Substanzfleck–Startlinie

Entfernung Fließmittelfront–Startlinie

AB: Grundlagen: Chromatografie


Herstellung eines Chromatogramms. Prinzip:

z. B. Hexan

z. B. Wasser

schü

tteln

schü

tteln

schü

tteln

schü

tteln

schü

tteln

schü

tteln


AB: Chromatografie-Versuche


5.2. Chromatographische Trennung eines Aminosäure-Gemisches:

Vorbereitungen:

Von den Aminosäuren Alanin, Glycin, Leucin, Prolin und Valin werden in kleinen Schnappdeckelgläsern Lösun-

gen hergestellt (kleine Spatelspitze auf ca. 5 mL Wasser).

Das Fließmittelgemisch wird vorbereitet (für alle zusammen ca. 120 mL). Als Fließmittel hat sich hier eine Mi-

schung aus Butanol, Eisessig und Wasser (4:1:1) als günstig erwiesen.

Bereitet die Dünnschichtchromatographie-Platten (Cellulose) mit einem weichen Bleistift vor: einen Strich in

ca. 1,5 cm Abstand vom unteren Rand (Achtung: die weiße Beschichtung der Platte darf nicht verletzt werden),

7 Markierungen für die Startpunkte. Einen weiteren Strich ca. 0,5 cm vom oberen Rand. Namen drauf.

Die Trennkammern werden etwa 0,5 cm hoch mit dem Fließmittelgemisch gefüllt, mit einer Glasplatte verschlos-

sen und vorsichtig geschüttelt, damit sich der Innenraum mit Lösungsmitteldämpfen sättigen kann.

Versuch:

Auf die Startlinie werden die Lösungen von 5 Aminosäuren (Alanin, Glycin, Leucin, Prolin, Valin) und 2 Aminosäu-

re-Gemische aufgetragen. Dazu taucht man eine Glaskapillare in die Lösung (sie saugt sich hoch) und setzt diese

kurz auf der Dünnschichtplatte auf. Der aufgetragene

Punkt soll möglichst klein und scharf begrenzt sein.

Nach dem Trocknen kommt die Platte in die Trenn-

kammer. Man nimmt die Platte aus der Trennkammer,

wenn die Fließmittelfront noch ca. 0,5 cm vom obe-

ren Rand entfernt ist.

Damit die Platte nach der Beendigung der Chroma-

tographie schneller trocknet, kann sie mit einem Fön

getrocknet werden.

Da Aminosäuren farblos sind, müssen sie noch

sichtbar gemacht werden. Dafür bietet sich die Nin-

hydrin-Reaktion an. Die trockenen Platten werden

mit Ninhydrin-Spray eingesprüht und danach zum

„Entwickeln“ in den Trockenschrank gebracht.

Die Aminosäure-Gemische werden durch Vergleich

mit den einzelnen Aminosäuren identifiziert.

Eine weitere Möglichkeit, Stoffgemische zu identifizieren, besteht im Vergleich der experimentell bestimmten

Rf-Werte (retention factor) mit den tabellierten Werten.

ValProLeuGlyAlaAminosäure-Gemische

Namen der Praktikumsgruppe


AB: Identifikation durch Chromatografie


Chromatographie von Alanin, Glycin, Leucin und Valin sowie zweier Aminosäuren-gemische.Fließmittel: n-Butanol, Essigsäure, Wasser (4:1:1).Mit Ninhydrin sichtbar gemacht.

Fließmittelfront

Startlinie

Das Chromatogramm entstand im Chemie-LK 12 im November 2000

Leucin

Valin

Alanin

Glycin


AB: Chromatografie-Versuche / Ergebnisse 2002


Diese Chromatogramme entstanden im Chemie-BF 12 im Oktober 2002

Cellulose

SiO2

Al2O3Cellulose

SiO2SiO2


AB: Chromatografie-Versuche / Ergebnisse 2005


Diese Chromatogramme entstanden im Chemie-PF 12 im November 2005

Chromatografiert wurden Alanin, Glycin, Leucin und Valin.Folgende Aminosäuren-Gemische sollten analysiert werden:A = Alanin + GlycinB = Alanin + Glycin + LeucinC = GlycinD = Alanin + Leucin + ValinE = Alanin + Glycin + Valin

SiO2 SiO2

SiO2

Al2O3SiO2

SiO2 SiO2 SiO2

Ala

Aminosäuren14. 11. 2005

Chemie-Profilfach 2005/07

Gly

Leu

Val

"Y"

"X"


AB: Chromatografie-Versuche / Simulation

Chemie Aminosäuren und ProteineV

erte

ilung

Chromatographie- Simulation -

Stoff B

Stoff A

Abstand

Lit.: Vergleiche die Excel-Datei: Chromatografie.xls

Themen/Lernziele:


– Bedeutung der Aminosäuren– Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit — Landwirtschaft — Medizin

Proteinbedarf in Abhängigkeit vom Lebensalter

Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren

Gesundheitliche Folgen unzureichender Aminosäureversorgung

Bedarf an essentiellen Aminosäuren

Folie

Folie

Folie

Folie

6. Bedeutung der Aminosäuren

6.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit• für alle Lebensvorgänge ist Stickstoff unentbehrlich• für das Stickstoff-GG sind die Aminosäuren verantwortlich (hö-

here Lebewesen können keinen Stickstoff aus der Luft nutzen)• Im Stoffwechsel herrscht ein dynamisches GG zwischen Auf- u.

Abbau v. Proteinen• Vorraussetzung für Wachstum ist eine positive Stickstoffbilanz

Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren• Synthese körpereigener Proteine a) Strukturproteine (Muskel, Bindegewebe) b) Funktionsproteine (Enzyme, Hormone)• Aufbau von Kohlenhydraten und Lipiden• Synthese von Heterocyclen (Purinen, Pyrimidinen), Nucleinsäu-

rebasen, Porphyrine (Grundgerüst des roten Blutfarbstoffes)• Synthese von funktionalen Aminosäurederivaten (z.B. Dopamin,

Noradrenalin, Serotonin, Thyroxin, γ-Aminobuttersäure, Ace-tylcholin, Folsäure, Biotin, Pantothensäure)

• Spezielle Funktionen (Ausschleusung des im Stoffwechsel gebil-deten Harnstoffes über Arginin und Methionin, Arginin: Stimula-tion des Immunsystems

Mangelfolgen• negative Stickstofbilanz bedeutet Stagnation, eingeschränkte En-

zymfunktionen, Verlust von Körpermasse, Krankheit und führt über einen längeren Zeitraum schließlich zum Tode

Ernährung• 8 essentielle Aminosäuren, die der menschl. Körper nicht selbst

synthetisieren kann. Säuglinge auch: Cystein (o.Cystin) u. Tyro-sin. Semiessentiell: Arginin u. Histidin.

• ca. 500-600 Mio. Menschen hungern bzw. sind unterernährt• Proteinzufuhr in den Industrieländern: 100g/Tag u. Person

in Asien u. Afrika: <60g/Tag u. Person• Problem der Überbevölkerung• Verbesserung der Aminosäureversorgung ist notwendig• Zugabe einzelner Aminosäuren zu der Nahrung• Ausblick: „genetic engineering“ Programmierung der A.S.-Zu-

sammensetzung in den Genen von Tieren u. Pflanzen!• Geschmacks-, Aroma- u. Süßstoffe (Aspartam®) MAILLARD-Reaktion

6.2. Komplex: Landwirtschaft• Tierhaltung: Mischfutterproduktion 400 Mio. t A.S.• Limitierende A.S.• Analytik des Futters (A.S.-Bestimmung)• A.S.-Bedarf für die einzelnen Aufzuchtperioden• Pflanzenschutz

6.3. Komplex: Medizin• klinische Ernährung• Therapeutika: z.B. gegen Bluthochdruck• Antibiotika• Hormone


6. Bedeutung der Aminosäuren6.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit• für alle Lebensvorgänge ist Stickstoff unentbehrlich• für das Stickstoff-Gleichgewicht sind die Aminosäuren

verantwortlich (höhere Lebewesen können keinen Stick-stoff aus der Luft nutzen)

• Im Stoffwechsel herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Auf- u. Abbau von Proteinen

• Vorraussetzung für Wachstum ist eine positive Stickstoff-bilanz

Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren (Abbildung)

Mangelfolgen• negative Stickstofbilanz bedeutet Stagnation, einge-

schränkte Enzymfunktionen, Verlust von Körpermas-se, Krankheit und führt über einen längeren Zeitraum schließlich zum Tode

Ernährung• 8 essentielle Aminosäuren, die der menschliche Körper

nicht selbst synthetisieren kann. Säuglinge auch: Cystein (oder Cystin) und Tyrosin. Semiessentiell: Arginin und Histidin.

• ca. 500-600 Mio. Menschen hungern bzw. sind unterernährt

• Proteinzufuhr in den Industrieländern: 100g/Tag und Person <––> in Asien und Afrika: <60g/Tag und Person

• Problem der Überbevölkerung• Verbesserung der Aminosäureversorgung ist notwendig• Zugabe einzelner Aminosäuren zu der Nahrung• Ausblick: „genetic engineering“ Programmierung der

Aminosäuren-Zusammensetzung in den Genen von Tie-ren und Pflanzen!

• Geschmacks-, Aroma- und Süßstoffe (Aspartam®) MAIL-LARD-Reaktion

6.2. Komplex: Landwirtschaft• Tierhaltung: Mischfutterproduktion 400 Mio. t Aminosäuren• Limitierende Aminosäuren• Analytik des Futters (Aminosäuren-Bestimmung)• Aminosäuren-Bedarf für die einzelnen Aufzuchtperioden• Pflanzenschutz

6.3. Komplex: Medizin• klinische Ernährung• Therapeutika: z.B. gegen Bluthochdruck• Antibiotika• Hormone

AB: Die Bedeutung der Aminosäuren



Proteinbedarf / Funktionen


Mangelfolgen / essentielle Aminosäuren

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