aminosäuren und peptide - syntbio.net · k. m. arndt, 2007 amino-carbonsäuren • einfachste...
TRANSCRIPT
K. M. Arndt, 2007
Aminosäuren und Peptide
Dr. Katja ArndtInstitut für Biologie III
http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka
K. M. Arndt, 2007
Genetischer Code
Basentripletscodieren fürAminosäuren
K. M. Arndt, 2007
Aminosäuren
Aminosäuren (Aminocarbonsäuren) sind eine Klasse kleiner organischerMoleküle mit mindestens einer Carboxylgruppe (–COOH) und mindestens einer Aminogruppe (–NH2). = Aminocarbonsäuren
• 20 Aminosäuren über Basentriplets codiert, spezifische t-RNA vorhanden.
• Weitere Aminosäuren durch Modifikation erzeugt
Definition:
K. M. Arndt, 2007
Amino-Carbonsäuren
• einfachste Aminosäure, enthält nur Carboxyl- und Aminogruppe
• α-Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 2. Kohlenstoffatom, einschließlich Carboxyl- Kohlenstoffatom
• einfachster Vertreter: Glycin(proteinogen)
• meist synonym für proteinogeneAminosäuren (Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde
• β-Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 3. Kohlenstoffatom
• einfachster Vertreter: β- Alanin.
• γ- Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 4. Kohlenstoffatom
• einfachster Vertreter: γ-Aminobuttersäure (GABA)
K. M. Arndt, 2007
Die proteinogenen Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde. Sie sind neben den NukleinsäurenGrundbausteine des Lebens.
Aminosäuren = L-α-Aminosäuren = = proteinogene Aminosäuren = Standardaminosäuren
Einfachster Vertreter ist Glycin.
Aminosäuren = SYNONYM für eine Gruppe von α-Aminosäuren (hauptsächlich L-α-Aminosäuren): die proteinogenen Aminosäuren.
K. M. Arndt, 2007
Biologisch relevante Aminosäuren
Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihre Seitenkette, die auch Aminosäurerest oder kurz Rest (bzw. R ) genannt wird.
K. M. Arndt, 2007
Chiralität = Bild kann durch Drehung nicht mit dem Original zur Deckung gebracht werden kann.
• Beispiel: Hände, nur durch eine Spiegelung und nicht nur durch eine einfache Drehung auf sich selbst abgebildet werden.
• Ist der Rest R verschieden von den anderen Substituenten die sich am Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so ist dieses Kohlenstoffatom chiralund es existieren von der entsprechenden Aminosäure zwei Enantiomere.
Enantiomere (Stereoisomere)
Chiralität
• Enthält der Aminosäurerest weitere chirale Kohlenstoffatome, so erhöht sich die Zahl der möglichen Enantiomere der entsprechenden Aminosäure.
K. M. Arndt, 2007
Bis auf die Aminosäure Glycin existieren von jeder dieser Aminosäuren zwei Enantiomere. Dabei ist nur eines der beiden Enatiomere proteinogen und zwar die "linksdrehende" L-Aminosäure
Proteinogene (proteinaufbauende) Aminosäuren sind L-Aminosäuren
L- und D-Aminosäuren
Der Mensch selbst nutzt 20 proteinogene Aminosäuren:
•12 im menschlichen Organismus durch Mikoorganismen synthetisierte• 8 essentielle
"Rechtsdrehende" D-Aminosäuren kommen in Lebewesen vereinzelt vor. Sie werden dann aber unabhängig vom proteinogenen Stoffwechsel synthetisiert und bleiben daher nichtproteinogen. Sie werden z.B. in der bakteriellen Zellwandund kurzen bakteriellen Peptiden wie Valinomycin (siehe Carrier) eingebaut.
K. M. Arndt, 2007
Aminosäuren
kann sehr unterschiedlich sein:
hydrophob - hydrophilgroß - kleinsauer, basischgeladen - ungeladenpolar- apolar...
R
K. M. Arndt, 2007
Hydrophobe Aminosäuren
Cα
K. M. Arndt, 2007
Cystein: Disulfidbrücken
Die Aminosäure Cystein besitzt eine Thiolgruppe –SH, die sehr leicht mit einer zweiten Thiolgruppe zu einem Disulfid, dem Cystin reagieren kann:
CH2
HH
HN
HOOCC
S S
CC
O O H
NH
HH
CH2
+ 2 H+ + 2 e-
CH2
HH
HN
HOOCC
SHCH2
HH
HN
HOOCC
S H
+
Disulfidbrücke
Cystin
K. M. Arndt, 2007
Polare Aminoäsuren
K. M. Arndt, 2007
Geladene Aminosäuren
Basisch / positiv geladen
Sauer / negativ geladen
K. M. Arndt, 2007
Gruppierung der Aminosäuren nach Eigenschaften
K. M. Arndt, 2007
Essenzielle Aminosäuren für den Menschen
Merksatz für essentielle Aminosäuren (L-F-W-M-I-K-V-T)Leider fehlen wichtige Moleküle im Körper vieler Tiere.
Leucin (L)Phenylalanin (F)Tryptophan (W)Methionin (M)Isoleucin (I)Lysin (K)Valin (V)Threonin (T)
(Bei Kindern: Arginin (R))
K. M. Arndt, 2007
- Aminosäuren, die nicht in Proteine eingebaut werden
- Bsp.: 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) (Neurotransmitter)
γ-Aminobutyrat (inhibitorischer Neurotransmitter)
1. Aminosäuren
H3NO
ONH3
O
O
O
O
- CO2
Glutamat γ-Aminobutyrat
OH
OHO
O
NH3OH
O
O
NH3
Tyrosin 3,4-Dihydroxyphenylalanin
Nicht-proteinogene Aminosäuren
K. M. Arndt, 2007
Zwitterion kann als Säure oder als Base reagierenAminosäuren sind Ampholyte und besitzen Puffereigenschaften
In saurer Lösung nimmt COO−-Gruppe ein Proton auf das Zwitterion reagiert zum Kation.
In alkalischer Lösung gibt die NH3+-gruppe ein Proton ab das Zwitterion wird zum Anion.
Es handelt sich dabei um Protolysegleichgewichte, der Lage vom pH-Wert abhängt
Säure-Base Eigenschaften
HH2N
R
O OH
HH3N
R
O O
K. M. Arndt, 2007
1. Aminosäuren
H3N R
COOH
HH3N
COO
H
R H2N
COO
H
R
Monokation:überwiegt beipH< 1
Zwitterion:überwiegt beipH = 6
Monoanion:überwiegt bei pH > 13
+ OH + OH
+ H + H
Glycin bei verschiedenen pH-Werten
K. M. Arndt, 2007
Titrationskurve von Histidin
K. M. Arndt, 2007
Säure-Base Gleichgewicht
Säure Base
K. M. Arndt, 2007
- IEP: c(Anion) = c(Kation)
→ alle Ladungen neutralisiert
- Berechnung: Mittelwert der beiden pKa-Werte
- Ausnahme: bei Aminosäuren mit basischer oder saurer
Seitenkette
pI = ___________pK1 + pK2
2
1. Aminosäuren
Isoelektrischer Punkt
K. M. Arndt, 2007
Proteinogene Aminosäuren Übersicht
K. M. Arndt, 2007
Nachträgliche Veränderungen der Aminosäuren(Posttranslationale Modifikationen)
K. M. Arndt, 2007
C CO
O H
H
HN
H
HC C
O
O H
H
CH3
NH
H+
Peptidbindung
Carboxylgruppe der einen Aminosäure reagiert mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung. Es handelt sich dabei wie bei einer Veresterung um eineKondensationsreaktion.
Glycylalanin
AlaninGlycin
C CH
HN
H
H
ON
CH3
H
HO
OCC
H+ O
H
H
K. M. Arndt, 2007
Aminosäure Kette
Syntheserichtung des Proteins im Ribosom
K. M. Arndt, 2007
Translation
K. M. Arndt, 2007
Peptidbindung
Röntgenstrukturuntersuchungen:• C-N-Abstand in der Peptidgruppe ist mit 132 pm kleiner als der in
einer C-N-Bindung in Aminen (147 pm). • Alle an der Peptidbindung beteiligten Atome liegen in einer Ebene.• Keine freie Drehbarkeit um die C-N-Achse.
Deutung:Doppelbindung in Peptidbindung „pendelt“ zwischen C=O und C=N. Bindungszustand kann durch mesomere Grenzformeln wiedergegeben werden:
C NC
CO
HC N
C H
CO- +
Folge: Starrheit der Peptidstruktur, hohe Bindungsstabilität.
K. M. Arndt, 2007
Peptidbindung
K. M. Arndt, 2007
Erlaubte Konformationen in der Peptidkette
so nicht ->
K. M. Arndt, 2007
Ramachandran-Diagramm
Helices in Proteinen sind rechtsgängig
K. M. Arndt, 2007
! Das sind grobe Abgrenzungen, da keine genaue Abgrenzung gemacht werden kann.
Generell bezeichnet man die Anzahl der Aminosäuren, aus denen ein Peptidmolekül besteht, auch als Kettenlänge. Nach der Anzahl der Amino-Bausteine unterscheidet man:
Dipeptide (2)Tripeptide (3)Oligopeptide (2-9)Polypeptide (10-100)
Proteine (Makropeptide) (>100)
Peptide
DipeptideDie zu den Oligopeptiden gehörenden Dipeptide entstehen als Zwischenprodukte bei der enzymatischen gesteuerten Verdauung von Proteinen (Polypeptiden). Sie werden von Dipeptidasen in Aminosäuren zerlegt.
OligopeptideOligopeptide spielen z.B. als Bestandteile von Enzymen bei Entgiftungs-, Transport- und Stoffwechselprozessen eine Rolle
K. M. Arndt, 2007
Was sind Peptide?
• Organische, chemische Verbindung, die aus einer Verknüpfung mehrerer Aminosäuren hervorgeht
• einzelnen Aminosäuren (ca. 50 bis 100) in definierter Reihenfolge (Sequenz) ,zu meist unverzweigten Ketten verbunden
• Aminosäuren im Peptid sind über Amidbindung miteinander verknüpft
• wegen großer Bedeutung der Peptide in der Biochemie & organischen Chemie heißt Bindungsform häufig auch „Peptidbindung“
• Peptide unterscheiden sich von Proteinen allein durch Größe
• Trennung zwischen Peptiden & Proteinen mehr oder weniger willkürlich
K. M. Arndt, 2007
Bedeutung von Peptiden
• in der Natur werden Peptide in der Regel durch Proteinbiosynthese gebildet
• Information über Sequenz/ Abfolge der Aminosäuren in DNA codiert
• Peptide erfüllen große Anzahl an Funktionen, Wirkungsweise aber nicht immer verstanden
• Beispiele für Peptide: – wirken als Hormone– zeigen entzündungshemmende oder -fördernde Wirkung– antibiotische und antivirale Peptide– opioide Peptide
• Bsp.: Erythropoetin ist Peptidhormon, das Bildung & Reifung roter Blutkörperchen im Knochenmark anregt (seit vielen Jahren gentechnisch hergestellt & tritt immer wieder bei Dopingfällen im Sport auf)
K. M. Arndt, 2007
HOOC
NH2
H
O
OCOOHN
NH
S
S
HN
N COOHO
O
H
NH2
HOOC
Biologisch wichtige Peptide
Glutathion:Tripeptid Glu-Cys-GlyThiolgruppe –SH im Cystein ist leicht oxidierbar ⇒ Disulfid-brücke zu zweitem Glutathion-Molekül unter Abspaltung von Wasserstoff =Dehydrierung.Wirkt als Redoxsystem in Blut und Muskeln.
Glutaminsäure Cystein Glycin Glutathion-Disulfid
Dehydrierung
HOOC
NH2
H
O
OCOOHN
NH
HS
K. M. Arndt, 2007
Cys TyrSSCysPro
AsnLeu Gly NH2
Glu
Ile
Biologisch wichtige Peptide
Cys TyrSSCysPro
AsnArg
Glu
Phe
NH2Gly
Ocytocin:
Ringförmiges Peptidhormon mit intramolekularer Disulfidbrücke, löst Kontraktionen in Gebärmutter- und Brustdrüsenmuskulatur aus.
Vasopressin:
Peptidhormon, Rückresorption von Wasser in den Nieren, Blutdrucksteigerung.
Unterscheidet sich nur in zwei Aminosäuren von Ocytocin.