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B978-3-437-41784-9.00007-5

10.1016/B978-3-437-41784-9.00007-5

978-3-437-41784-9

Struktur der proteinogenen Aminosäuren.

Aliphatische Aminosäuren (a), Aminosäuren mit Hydroxylgruppe (b), schwefelhaltige Aminosäuren (c) und Säureamide (d).

Strukturformel von Cystin.

Strukturformeln aromatischer Aminosäuren.

Strukturformeln heterozyklischer Aminosäuren.

Strukturformeln von Aspartat und Glutamat.

Basische Aminosäuren. a) Strukturformeln, b) Guanidinogruppe von Asparagin und Imidazolring von Histidin.

Strukturformel von Selenocystein.

Strukturformeln wichtiger nichtproteinogener Aminosäuren.

Dissoziationsgrad der funktionellen Gruppen einer neutralen Aminosäure in Abhängigkeit vom pH-Wert.

Bildung einer Peptidbindung.

Resonanzstrukturen einer Peptidbindung.

Die Komponenten jeder Aminosäurekette. Das Rückgrat ist schwarz, die Seitenketten sind grün dargestellt.

Struktur einer -Helix.

-Faltblatt: a) antiparallel, b) parallel.

Intestinaler Abbau und Absorption von Proteinen.

Mechanismus der Ubiquitinkonjugation.

Prinzip der Transaminierung.

Pyridoxalphosphat.

Mechanismus der Transaminierung.

Transaminierung durch die Aspartat-Aminotransferase.

Transaminierung durch die Alanin-Aminotransferase.

Oxidative Desaminierung von Glutamat.

Eliminierende Desaminierung von Serin.

Decarboxylierung von Aminosäuren.

Der Harnstoffzyklus. DH: Dehydrogenase, ASAT: Aspartat-Aminotransferase.

Die Verwertung des Kohlenstoffskeletts der proteinogenen Aminosäuren. Glucogene Aminosäuren sind rot, ketogene gelb unterlegt.

Der Abbau von Serin, Cystein, Alanin und Threonin zu Pyruvat.

Abbau von Glutamin, Prolin, Arginin und Histidin über Glutamat zu -Ketoglutarat.

Abbau von Methionin, Valin und Isoleucin zu Succinyl-CoA.

Phenylalanin- und Tyrosinabbau.

Tryptophanabbau.

Synthese und Abbau von S-Adenosylmethionin. DH: Dehydrogenase, TH4: Tetrahydrofolat.

Synthese von Glutamin aus Ammoniak und Glutamat.

Synthese von Serin.

Synthese von Glycin aus Serin.

Tyrosin als Ausgangssubstanz für Synthesen.

Essenzielle, nichtessenzielle, bedingt essenzielle und semiessenzielle proteinogene Aminosäuren

Tab. 7.1
Essenzielle Aminosäuren Nichtessenzielle Aminosäuren Bedingt essenzielle Aminosäuren Semiessenzielle Aminosäuren
Isoleucin
Leucin
Lysin
Methionin
Phenylalanin
Threonin
Tryptophan
Valin
Alanin
Asparagin
Aspartat
Glutamat
Glutamin
Glycin
Prolin
Serin
Arginin
Histidin
Cystein
Tyrosin

Biologisch wichtige Peptide

Tab. 7.2
Name Gruppe Funktion Kapitel
Thyreotropin Releasing Hormon (TRH) Hypothalamushormone Stimulation der TSH-Sekretion 13.1.5
Corticotropin Releasing Hormon (CRH) Hypothalamushormone Stimulation der ACTH-Sekretion 13.1.5
Antidiuretisches Hormon (ADH, Vasopressin) Hypothalamushormone Förderung der Wasserretention, Blutdruckregulation 13.5.3
Adrenocorticotropes Hormon (ACTH) Hypophysenhormone Stimulation der Glucocorticoidsekretion 13.1.5, 13.3.4
Insulin Pankreashormone Regulation des Glucosestoffwechsels 3.3.6, 3.4.4, 3.6.4, 13.3.1
Glucagon Pankreashormone Regulation des Glucosestoffwechsels 3.3.6, 3.4.4, 3.6.4, 13.3.2
Bradykinin, Kallidin Kinine (Gewebshormone) Gefäßerweiterung, Erhöhung der Kapillarpermeabilität, Förderung der Leukozytenmigration (Entzündungssymptome) 13.7.3
Glutathion Oxidationsschutz Schutz der Erythrozyten vor reaktiven Sauerstoffradikalen 15.1.6
Penicillin Antibiotika Hemmung der bakteriellen Zellwandsynthese 11.1.1
-Amanitin, Phalloidin Toxine (Gifte des Knollenblätterpilzes) Zerstörung des endoplasmatischen Retikulums 10.2.4

Wichtige Proteingruppen und ihre Funktionen

Tab. 7.3
Proteingruppe Funktion Beispiele Kapitel
Enzyme Katalyse von Stoffwechselprozessen Transferasen, Isomerasen, Phosphatasen, Hydrolasen 7.4.1 (Transferasen), 3.3.2 und 3.4.23.3.23.4.2 (Isomerasen und Phosphatasen), 17.2.1 (Hydrolasen)
Strukturproteine Stabilisierung von Gewebestrukturen Kollagen, Elastin, Keratin 11.11 (Kollagen, Elastin), 11.10.2 (Keratin)
kontraktile Proteine Mobilität Aktin und Myosin (Muskel) 20.1.1
Membranproteine Transport, Signaltransduktion, Zelladhäsionsmoleküle usw. Na-K-ATPase, Insulinrezeptor, Cadherine 11.2.4 (Na-K-ATPase und Cadherine), 13.3.1 (Insulinrezeptor)
Immunglobuline Bindung von Antigenen -Globuline 14.2.2
Transportproteine Transport diverser Substanzen im Blutplasma Transferrin, Albumin 15.5.1
Transkriptionsfaktoren Regulation der Genexpression TFIID, TFIIA 10.2.4
Histone Proteinkomponente des Chromatins H2A, H2B 10.2.1 und 11.3.110.2.111.3.1

Aminosäuren und ihre biogenen Amine

Tab. 7.4
Aminosäure Biogenes Amin Funktion des biogenen Amins
Aspartat -Alanin Bestandteil von Coenzym A
Glutamat -Aminobutyrat (GABA) Transmitter im ZNS
Serin Ethanolamin Phospholipidsynthese
3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) Dopamin Zwischenprodukt der Katecholaminsynthese, Transmitter im ZNS
5-Hydroxytryptophan Serotonin (Tryptamin) Transmitter im ZNS, Gewebshormon
Histidin Histamin Gewebshormon

Die proteinogenen Aminosäuren und ihre Abbauprodukte

Tab. 7.5
Aminosäuren Abbauprodukt Klassifikation als
Alanin, Cystein, Glycin, Serin, Threonin, Tryptophan* Pyruvat glucogen
Arginin, Glutamat, Glutamin, Histidin, Prolin -Ketoglutarat
Isoleucin*, Methionin, Threonin, Valin Succinyl-CoA
Aspartat, Phenylalanin*, Tyrosin* Fumarat
Asparagin, Aspartat Oxalacetat
Isoleucin*, Leucin, Tryptophan*, Lysin Acetyl-CoA ketogen
Leucin, Phenylalanin*, Tyrosin* Acetacetat

gemischt gluco-ketogen

Weitere angeborene Störungen des Aminosäureabbaus

Tab. 7.6
Erkrankung Ursache Folgen
Homocystinurie Mangel des Enzyms Cystathion-Synthetase (Methioninstoffwechsel, 7.5.1) Anhäufung von Methionin und Homocystin. Es kommt zu Muskelschwäche und psychischer Retardierung.
Albinismus Mangel des Enzyms Tyrosinase (oxidiert das Tyrosinabbauprodukt DOPA, Abb. 7.37, 7.6) Gestörte Melaninsynthese. Die Folge ist eine fehlende Pigmentierung der Haare, der Haut und der Iris.

Funktion von Tetrahydrofolatderivaten bei Biosynthesen

Tab. 7.7
Form des Tetrahydrofolats Funktion
N5-Methyl-Tetrahydrofolat Methylierung von Homocystein zu Methionin (unten)
N10-Formyl-Tetrahydrofolat Purinbiosynthese (10.1.2)
N5, N10-Methylen-Tetrahydrofolat Umwandlung von Glycin in Serin Thyminbiosynthese (10.1.2)

S-Adenosylmethionin als Methylgruppendonor bei Biosynthesen

Tab. 7.8
S-Adenosylmethionin + Guanidinoacetat Kreatin
Noradrenalin Adrenalin
Ethanolamin Cholin
Cytosin Methylcytosin (ein seltenes Nukleotid)

Stoffwechsel der Aminosäuren und Proteine

M. Folkerts

  • 7.1

    Aminosäuren152

    • 7.1.1

      Struktur und Einteilung der Aminosäuren152

    • 7.1.2

      Die proteinogenen Aminosäuren152

    • 7.1.3

      Die nichtproteinogenen Aminosäuren157

    • 7.1.4

      Ampholytcharakter der Aminosäuren157

  • 7.2

    Peptide und Proteine158

    • 7.2.1

      Die Peptidbindung158

    • 7.2.2

      Räumliche Struktur der Proteine159

    • 7.2.3

      Trennung und Sequenzanalyse von Proteinen163

    • 7.2.4

      Funktion der Peptide und Proteine im Organismus165

  • 7.3

    Proteinabbau166

    • 7.3.1

      Abbau von Nahrungsproteinen166

    • 7.3.2

      Intrazelluläre Proteolyse167

  • 7.4

    Aminosäureabbau168

    • 7.4.1

      Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung168

    • 7.4.2

      Transport des Ammoniaks zur Leber172

    • 7.4.3

      Der Harnstoffzyklus172

    • 7.4.4

      Abbau des Kohlenstoffskeletts der Aminosäuren175

    • 7.4.5

      Störungen des Aminosäureabbaus182

  • 7.5

    Aminosäuresynthese183

    • 7.5.1

      Übertragung von C1-Körpern183

    • 7.5.2

      Synthese der nichtessenziellen Aminosäuren184

  • 7.6

    Aminosäuren als Ausgangsstoffe für Synthesen186

IMPP-Hits

  • Proteinogene Aminosäuren: Strukturformeln, essenzielle und nichtessenzielle Aminosäuren, Bedeutung im Stoffwechsel

  • Wichtige nichtproteinogene Aminosäuren: Citrullin, Ornithin, Strukturformeln, Bedeutung im Stoffwechsel

  • Proteine: Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur, Funktion, Mechanismen des Aufbaus und Abbaus

  • Abbauwege der proteinogenen Aminosäuren, wichtige Zwischenprodukte, wichtige biogene Amine, endgültige Abbauprodukte

  • Entsorgung der Aminogruppe im Harnstoffzyklus

  • Ausgangsstoffe und Synthesewege der nichtessenziellen proteinogenen Aminosäuren

Aminosäuren

Struktur und Einteilung der Aminosäuren

Aminosäuren

Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine. Sie besitzen zwei funktionelle Gruppen:

  • eine Carboxylgruppe (COOH)

  • eine Aminogruppe (NH2)

Es sind über 100 Aminosäuren bekannt, von denen aber nur 20 zur Synthese von Proteinen verwendet werden. Diese 20 Aminosäuren bezeichnet man als proteinogene Aminosäuren. Die seltene Aminosäure Selenocystein wird manchmal als 21. proteinogene Aminosäure bezeichnet.

Die proteinogenen Aminosäuren

Struktur
Aminosäuren:proteinogene

Sämtliche proteinogenen Aminosäuren kommen in der Natur als -L-Aminosäuren vor. Sie weisen die in Abb. 7.1 dargestellte typische Struktur auf. Am -Kohlenstoffatom (das am höchsten oxidierte Kohlenstoffatom) sind die Aminogruppe, die Carboxylgruppe, ein Wasserstoffatom und ein individueller Rest gebunden, in dem sich die proteinogenen Aminosäuren unterscheiden. Damit bildet das -Kohlenstoffatom ein Chiralitätszentrum, da an diesem C-Atom vier unterschiedliche Substituenten gebunden sind. (Die einzige Ausnahme bildet Glycin, bei dem der Rest R nur ein Wasserstoffatom ist, weshalb es nur drei unterschiedliche Substituenten besitzt.) Folglich existieren D- und L-Isomere. Alle proteinogenen Aminosäuren liegen als -L-Aminosäuren vor.

Lerntipp

Bei der L-Form weist die Aminogruppe nach links, bei der D-Form nach rechts. (Lateinisch: laevus links, dexter rechts.)

Cave

Alle proteinogenen Aminosäuren liegen als -L-Aminosäuren vor.

Fast alle Zucker des Stoffwechsels sind in der D-Form.

Proteinogene Aminosäuren werden oft durch ein Kürzel aus drei Buchstaben (meist die ersten drei Buchstaben des Trivialnamens) oder ein (einziges) Buchstabensymbol abgekürzt. Diese Kurzschreibweisen sind in den Abbildungen 7.2 bis 7.7 in Klammern hinter dem Trivialnamen der Aminosäure angegeben.

Einteilung

Die proteinogenen Aminosäuren werden nach den chemischen Strukturen ihrer Reste in Gruppen eingeteilt.

Lerntipp

Um die Strukturformeln der essenziellen Aminosäuren zu lernen, empfiehlt es sich, gemäß diesen Gruppen vorzugehen. Kennt man das feste Grundgerüst der Aminosäuren am -C-Atom, dann genügt es, die unterschiedlichen Reste zu lernen, was deutlich einfacher ist. Die Kenntnis der Strukturformeln wird spätestens im ersten Staatsexamen erwartet.

Die ungeladenen proteinogenen Aminosäuren

Hierzu zählen

  • Die aliphatischen Aminosäuren Glycin, Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin (Abb. 7.2a): Sie enthalten keinerlei polare Gruppen und sind deshalb sehr reaktionsträge. Glycin nimmt unter den proteinogenen Aminosäuren eine Ausnahmestellung ein, da es am -C-Atom zwei Wasserstoffatome trägt und somit achiral ist. Valin, Leucin und Isoleucin werden auch als verzweigtkettige Aminosäuren bezeichnet, da sie an der Hauptkette zusätzliche Kohlenstoffatome tragen.

  • Aminosäuren mit Hydroxylgruppe (Abb. 7.2b): Serin und Threonin besitzen eine polare Hydroxylgruppe (-OH) und sind deshalb reaktiver als die aliphatischen Aminosäuren. Allerdings liegt die Hydroxylgruppe bei physiologischem pH-Wert (ca. 7,4) undissoziiert vor, weshalb Serin und Threonin zu den ungeladenen Aminosäuren gehören. Auch Tyrosin besitzt eine Hydroxylgruppe, wird aber aufgrund seines Rings meist zu den aromatischen Aminosäuren gezählt.

  • Die schwefelhaltigen Aminosäuren Methionin und Cystein (Abb. 7.2c): Methionin besitzt eine Thioethergruppe (-S-) und ist unpolar, Cystein ist durch seine Thiolgruppe (-SH) polar.

    Cystein kann mit einem weiteren Molekül Cystein über seine SH-Gruppe eine Disulfidbrücke ausbilden, sodass die Aminosäure Cystin (Abb. 7.3) entsteht. Dies ist für die Stabilisierung der Struktur von Proteinen von Bedeutung (7.2.2).

  • Die Amide Asparagin und Glutamin (Abb. 7.2d): Asparagin und Glutamin sind die Säureamide der geladenen proteinogenen Aminosäuren Aspartat und Glutamat, d. h., sie besitzen anstelle der Carboxylgruppe von Aspartat und Glutamat eine Carboxyamidgruppe. Deshalb werden sie zu den ungeladenen Aminosäuren gerechnet.

  • Die aromatische Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin (Abb. 7.4): Sie besitzen einen aromatischen Ring in ihrer Seitenkette. Phenylalanin ist unpolar und ähnelt in seiner Grundstruktur Alanin. Es trägt aber an der Methylengruppe (-CH2-) der Seitenkette noch zusätzlich einen Phenylring. Tyrosin besitzt zusätzlich am Phenylring eine Hydroxylgruppe, wodurch es polar wird. Tryptophan enthält zwar auch einen aromatischen Ring, dieser ist aber Teil des Indolrings, weshalb es zu den heterozyklischen Aminosäuren gezählt wird.

  • Die heterozyklischen Aminosäuren Prolin und Tryptophan (Abb. 7.5): Beide enthalten einen Heterozyklus, also eine Ringstruktur, die mehr als ein chemisches Element enthält (hier Kohlenstoff und Stickstoff). Prolin nimmt unter den proteinogenen Aminosäuren eine Sonderstellung ein. Es enthält einen Pyrrolidinring, der durch die Verbindung der Seitenkette sowohl mit dem -Kohlenstoffatom als auch mit dem Stickstoffatom der -Aminogruppe entsteht. (Früher bezeichnete man Prolin aufgrund dieser Ringbildung als Iminosäure. Das ist heute hinfällig, hält sich aber hartnäckig in Literatur und Köpfen.) Diese besondere Konformation wirkt sich auf die räumliche Struktur von Proteinen und Peptiden aus, die Prolin enthalten. Die Peptidkette knickt an dieser Stelle ab (7.2.1). Tryptophan enthält einen Indolring als Heterozyklus. Aus ihm werden der Transmitter Serotonin, das Schlaf-Hormon Melatonin und das Nikotinamid (enthalten in NAD+) gebildet.

Die geladenen proteinogenen Aminosäuren

Zwei saure und drei basische Aminosäuren bilden die Gruppe der geladenen proteinogenen Aminosäuren. Diese liegen bei physiologischem pH-Wert (ca. 7,4) dissoziiert vor. Die sauren Aminosäuren sind dann deprotoniert ( negativ geladen) und die basischen protoniert ( positiv geladen).

  • Die sauren Aminosäuren Asparaginsäure und Glutaminsäure (Abb. 7.6) werden, da sie bei physiologischem pH-Wert dissoziiert vorliegen, meist mit dem Namen ihres jeweiligen Ions (Aspartat bzw. Glutamat) bezeichnet. Man kann sich ihre Struktur leicht zusammen mit ihren korrespondierenden Amiden merken (oben).

  • Die basische Aminosäuren Arginin, Lysin und Histidin (Abb. 7.7a): Arginin besitzt am Ende seiner Seitenkette eine Guanidinogruppe (Abb. 7.7b) und Lysin eine primäre Aminogruppe. Diese Gruppen sind bei physiologischem pH-Wert positiv geladen. Histidin besitzt einen Imidazolring mit zwei Heteroatomen (N, Abb. 7.7b) und passt eigentlich auch in die Gruppe der heterozyklischen Aminosäuren. Da es bei einem pH-Wert um 7 bereits geladen vorliegen kann, zählt man es zu den basischen Aminosäuren.

Selenocystein

Aufgrund seines seltenen Vorkommens und seiner ungewöhnlichen Codierung wurde Selenocystein (Abb. 7.8) erst 1987 als 21. proteinogene Aminosäure identifiziert. Selenocystein ist bis heute nur in wenigen Proteinen gefunden worden, z. B. in der Glutathion-Peroxidase oder der Thyroxin-Deiodase. Obwohl Selenocystein eine proteinogene Aminosäure ist, wird es meist nicht in der Gruppe der 20 proteinogenen Aminosäuren aufgeführt, da es nicht als freie Aminosäure existiert. Selenocystein wird bereits an seine t-RNA gebunden aus Serin synthetisiert. Die codierende Basensequenz hierfür entspricht der des Stoppcodons UGA.

Cave

Selenocystein wird nicht aus Cystein, sondern durch Bindung eines Selenoidrests an Serin synthetisiert!

Wasserlöslichkeit

SelenocysteinDie chemischen Eigenschaften von Aminosäuren, die weitgehend durch die Seitenketten bestimmt werden, haben Auswirkungen auf das Verhalten des Proteins, in das sie eingebaut sind. Vor allem die Wasserlöslichkeit und Wechselwirkungen der Seitenketten mit wässrigen Lösungsmitteln spielen eine Rolle. Die proteinogenen Aminosäuren lassen sich unter diesem Aspekt in hydrophile (polare) und hydrophobe (apolare) Aminosäuren unterteilen.

  • Zu den polaren/hydrophilen Aminosäuren zählen vor allem Aminosäuren mit Seitenketten, in denen Stickstoff- oder Sauerstoffatome auftauchen und die deshalb Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Dies sind die geladenen Aminosäuren Aspartat, Glutamat, Arginin, Lysin und Histidin sowie die neutralen Aminosäuren Glutamin, Asparagin, Serin, Threonin, Tyrosin und Cystein.

  • Hydrophobe Wirkung haben die aliphatischen Seitenketten von Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin und Prolin sowie die aromatischen Ringe von Phenylalanin und Tryptophan sowie Methionin.

Chemische Modifikationen

Häufig werden proteinogene Aminosäuren nach dem Einbau in Proteine modifiziert. So finden sich z. B. im Kollagenmolekül mit Hydroxylysin und Hydroxyprolin Abkömmlinge der proteinogenen Aminosäuren Lysin und Prolin. Weitere Beispiele für Modifikationen sind die Phosphorylierung der Hydroxylgruppen von Serin oder Threonin, die Methylierung der -Aminogruppe von Lysin oder die Sulfatierung der Hydroxylgruppe von Tyrosin. Diese Prozesse werden posttranslationale Modifikationen genannt.

Eine klinisch besonders relevante Modifikation ist die Vitamin-K-abhängige Carboxylierung des -C-Atoms von Glutamat (9.3.3), da -Carboxyglutamat, das Produkt dieser Carboxylierung, Bestandteil von Gerinnungsfaktoren ist.

Klinik

Die Carboxylierung der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X und mit ihr die Blutgerinnung (9.3.3) wird durch sog. Vitamin-K-Antagonisten, z. B. Phenprocoumon (Marcumar) gehemmt.

Lerntipp

Häufig werden in Prüfungen und Examen die Vitamin-K-abhängigen Gerinnungsfaktoren abgefragt. Wenn man sich 1972, das Jahr der Olympischen Spiele in München, also neun (IX), zehn (X), zwei (II), sieben (VII) merkt, hat man die Antwort immer schnell parat!

Essenzielle und nichtessenzielle proteinogene Aminosäuren

Nicht alle proteinogenen Aminosäuren können im menschlichen Organismus synthetisiert werden. Neun sog. essenzielle proteinogene Aminosäuren (Tab. 7.1) müssen deshalb mit der Nahrung aufgenommen werden. Die übrigen proteinogenen Aminosäuren können im menschlichen Organismus synthetisiert werden (7.5). Sie werden als nichtessenziell bezeichnet.

Bedingt essenzielle Aminosäuren sind Aminosäuren, die unter bestimmten Umständen wie Alter, Wachstum oder Schwangerschaft essenziell sind, weil der Körper sie dann nicht in ausreichender Menge produzieren kann.

Semiessenzielle Aminosäuren werden vom Körper aus essenziellen Aminosäuren hergestellt.

Lerntipp

Merkspruch für die essenziellen Aminosäuren:

Phenomenale Isolde trypt methodisch Leutnant Valentins lysterne Thräume.

Die nichtproteinogenen Aminosäuren

Die über 100 in der Natur vorkommenden nichtproteinogenen Aminosäuren haben zwar keine Funktion als Proteinbausteine, sind im Stoffwechsel aber dennoch von Bedeutung. In fast allen Fällen werden die nichtproteinogenen Aminosäuren aus proteinogenen Aminosäuren synthetisiert. Die Funktionen einiger wichtiger nichtproteinogener Aminosäuren (Strukturformeln Abb. 7.9) sind im Folgenden aufgelistet:

  • Ornithin und Citrullin sind Zwischenprodukte der Harnstoffbiosynthese (7.4.3).

  • -Aminobuttersäure (GABA) fungiert im Gehirn als Neurotransmitter (22.4.5).

  • -Alanin ist Bestandteil von Coenzym A.

  • Homocystein ist Zwischenprodukt des Methioninstoffwechsels (7.4.4 und 7.5.2).

Ampholytcharakter der Aminosäuren

Aminosäuren:nichtproteinogene

Aminosäuren besitzen eine basische Aminogruppe und eine saure Carboxylgruppe, d. h., sie können Protonen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Substanzen, die so reagieren, werden als Ampholyte bezeichnet.

Merke

Aminosäuren sind Ampholyte.

Aminosäuren:Ampholytcharakter

Als pKs-Wert wird der pH-Wert bezeichnet, bei dem genau die Hälfte der Moleküle an einer funktionellen Gruppe dissoziiert und die andere Hälfte undissoziiert vorliegt. Der pKs-Wert der -Carboxylgruppe liegt etwa bei 2, der pKs-Wert der -Aminogruppe bei ca. 910. Bei einem pH-Wert um 2 läge folglich bei der Hälfte der Aminosäuren die -Carboxylgruppe dissoziiert, d. h. als COO vor.

Die Abb. 7.10 zeigt den Dissoziationsgrad der funktionellen Gruppen einer neutralen Aminosäure in Abhängigkeit vom pH-Wert.

  • In saurer Lösung (hohe H+-Konzentration) behalten sowohl die Aminogruppe (-NH3+) als auch die Carboxylgruppe (-COOH) das Proton. Eine neutrale Aminosäure besitzt dann die Nettoladung +1.

  • Je mehr der pH-Wert einer Lösung ansteigt (sich also dem pKs-Wert der Aminogruppe nähert), desto mehr steigt auch der Dissoziationsgrad der Carboxylgruppe, bis sie schließlich vollständig dissoziiert (deprotoniert) vorliegt. Im pH-Bereich von etwa 58 (also auch bei physiologischem pH-Wert von ca. 7,4) liegt eine neutrale proteinogene Aminosäure deshalb als Zwitterion vor, d. h., die Aminogruppe ist protoniert (-NH3+) und die Carboxylgruppe dissoziiert (-COO). Insgesamt besitzt die neutrale Aminosäure dann die Nettoladung 0. Den pH-Wert, bei dem die Aminosäure nach außen ungeladen vorliegt, bezeichnet man als isoelektrischen Punkt (IP).

  • In basischer Lösung (niedrige H+-Konzentration), d. h. in der Nähe des pKs-Werts der Aminogruppe, gibt auch diese ein Proton ab. Beide Gruppen liegen deprotoniert vor. Eine neutrale Aminosäure besitzt dann die Nettoladung 1.

Die isoelektrischen Punkte der Aminosäuren lassen sich aus den Mittelwerten ihrer pKs-Werte berechnen. Bei Aminosäuren, die drei ionisierbare Gruppen besitzen, wird der Mittelwert aus den pKs-Werten der gleich ionisierenden Gruppen (protonierend/deprotonierend) berechnet. Der andere pKs-Wert kann ignoriert werden.

Beispiel: Lysin: pKs1 (COO) 2,2; pKs2 (NH3+) 9,0; pKs3 (NH3+) 10,4. pKs2 und pKs3 protonieren beide, also berechnen wir aus ihnen den Mittelwert: 9,0 + 10,4 19,4; 19,4/2 9,7. Der isoelektrische Punkt von Lysin liegt also bei einem pH-Wert von 9,7.

Merke

Bei physiologischem pH-Wert besitzen basische Aminosäuren die Nettoladung +1 und saure Aminosäuren die Nettoladung 1.

Cave

Jede Aminosäure hat nur einen isoelektrischen Punkt! Er berechnet sich aus dem Mittelwert der pKs-Werte der gleich ionisierenden funktionellen Gruppen (und nicht aus dem Mittelwert aller pKs-Werte!).

Peptide und Proteine

ProteinePeptidePeptide und Proteine bestehen aus unverzweigt miteinander verknüpften proteinogenen Aminosäuren. Die Verknüpfung der Aminosäuren erfolgt durch sog. Peptidbindungen (unten).
Als Peptide bezeichnet man Ketten mit einer Länge von bis zu 100 Aminosäuren. Man unterscheidet zwischen Oligopeptiden (< 10 Aminosäuren, z. B. Dipeptid [zwei miteinander verknüpfte Aminosäuren], Tripeptid [drei miteinander verknüpfte Aminosäuren], etc.) und Polypeptiden (10–100 Aminosäuren).
Als Proteine werden Aminosäureketten bezeichnet, die länger als 100 Aminosäuren sind. Ein Protein kann auch aus mehreren Aminosäureketten bestehen.

Die Peptidbindung

Definition und Eigenschaften

Als Peptid- oder Säureamidbindung bezeichnet man die Verknüpfung der -Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der -Aminogruppe einer zweiten Aminosäure unter Abspaltung von Wasser (Abb. 7.11).

Cave

Bei Glutathion (Gln-Cys-Gly) ist die Amidbindung zwischen Glutaminsäure und Cystein über die -Carboxylgruppe der Glutaminsäure ausgebildet und nicht über die -Carboxylgruppe. Glutathion ist daher kein echtes Tripeptid, sondern ein sog. Pseudotripeptid.

Das Gleichgewicht der Reaktion liegt aufgrund des hohen Wassergehalts in Organismen auf der Seite der freien Aminosäuren, d. h., diese gehen nicht spontan Peptidbindungen ein. Deshalb wird für die Bildung einer Peptidbindung Energie benötigt. Eine einmal gebildete Peptidbindung ist allerdings sehr stabil und kann ohne die Einwirkung von lysierenden Enzymen jahrelang bestehen.

Peptide:Peptidbindung

Merke

Aminosäuren werden unter Energieverbrauch und Wasserabspaltung durch Peptidbindungen miteinander verknüpft.

Konformation und Mesomerie

Da die Stickstoff- und Kohlenstoffatome einer Peptidkette scheinbar über Einfachbindungen verknüpft sind, könnte man auch annehmen, dass diese Bindungen frei drehbar sind. Tatsächlich ist die Peptidbindung jedoch planar, da sechs Atome – das -C-Atom und die Carbonylgruppe der ersten Aminosäure und die NH-Gruppe und das -C-Atom der zweiten Aminosäure – in derselben Ebene liegen. Ursache für die Planarität sind Elektronenverschiebungen zwischen dem Sauerstoffatom der Carbonylgruppe und dem Stickstoffatom, die der Peptidbindung einen partiellen Doppelbindungscharakter verleihen und die Drehbarkeit der Bindung einschränken. Die Abb. 7.12 zeigt die beiden Resonanzstrukturen einer Peptidbindung. Die tatsächliche Konformation der Peptidbindung liegt zwischen diesen beiden Resonanzstrukturen und ist energieärmer und folglich stabiler. Dieses Phänomen wird auch als Mesomerie bezeichnet.

Die -C-Atome der ersten und der zweiten an der Peptidbindung beteiligten Aminosäuren sind in Bezug auf die Peptidbindung in trans-Konfiguration, also auf entgegengesetzten Seiten der Peptidbindung, angeordnet (Abb. 7.11). Die Bevorzugung der trans-Konfiguration erklärt sich aus der im Vergleich zur cis-Konfiguration geringeren sterischen Hinderung der Gruppen.

Cave

Eine Ausnahme bildet Prolin, dessen Stickstoffatom sowohl an das -C-Atom als auch an ein C-Atom der Seitenkette gebunden ist (Abb. 7.5). Dadurch wird bei Peptidbindungen mit Prolin die cis-Konfiguration bevorzugt. Hierdurch kann Prolin einen Wechsel in der Sekundärstruktur von Proteinen (7.2.2) hervorrufen.

Räumliche Struktur der Proteine

Allen Peptiden und Proteinen ist die Atomsequenz -N-C-C-N-C-C- gemeinsam, die das Rückgrat oder die Hauptkette eines jeden Peptids oder Proteins bildet (Abb. 7.13). Die Seitenketten der eingebauten Aminosäuren bilden den variablen Anteil und bestimmen die individuellen Eigenschaften eines Peptids oder Proteins.

Bei der Darstellung der Strukturformel einer Aminosäurekette steht der Aminoterminus (die N-terminale Aminosäure) – der Kettenanfang – links, der Carboxylterminus (die C-terminale Aminosäure) – das Kettenende – rechts. Deshalb handelt es sich z. B. bei den Aminosäuresequenzen Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu und Leu-Phe-Gly-Gly-Tyr um zwei unterschiedliche Peptide.

Die Carbonyl- und NH-Gruppen des Rückgrats der Aminosäurekette können untereinander und mit funktionellen Gruppen der Seitenketten in Wechselwirkung treten und Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, die die räumliche Konformation des Peptids bzw. Proteins beeinflussen.

Lerntipp

Um sich die Leserichtung der Proteine vom Aminoterminus zum Carboxyterminus zu merken, denke man einfach an den NC (N-Terminus zu C-Terminus). Den kennt doch jeder Mediziner!

Primärstruktur
Proteine:Räumliche Struktur

Als Primärstruktur eines Proteins bezeichnet man seine auf der DNA kodierte Aminosäuresequenz. Sie bestimmt aufgrund der verschiedenen Eigenschaften der Seitenketten die räumliche Struktur des Proteins.

Merke

Die genetisch festgelegte Aminosäuresequenz eines Proteins bezeichnet man als Primärstruktur.

Sekundärstruktur
Proteine:Primärstruktur

Infolge der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carbonyl- und NH-Gruppen des Rückgrats einer oder mehrerer Aminosäurekette(n) ergeben sich verschiedene regelmäßige periodische Strukturen. Diese durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen entstehende Struktur nennt man Sekundärstruktur eines Proteins. Die wichtigsten Sekundärstrukturen sind -Helix und -Faltblatt, daneben kommen -Kehre (-Turn) und -Schleife (-loop) vor. In den meisten Fällen liegt ein Protein nicht durchgehend in derselben Sekundärstruktur vor. Vielmehr weisen verschiedene Bereiche des Proteins verschiedene Sekundärstrukturen auf, sodass in einem Protein -Helix-Anteile, -Faltblätter und Kehren auftauchen können.

Merke

Die regelmäßigen Strukturen, zu denen sich Aminosäureketten unter Ausbildung von Wasserstoffbrücken anordnen, nennt man Sekundärstruktur.

Die Aufklärung der Sekundärstruktur gelang Linus Pauling und Robert Corey, die im Jahre 1951 das theoretische Modell von -Helix und -Faltblatt vorlegten. Die Helix erhielt den Zusatz , da sie von Pauling und Corey vor dem Faltblatt entdeckt wurde. Die theoretischen Überlegungen wurden sechs Jahre später durch Röntgenstrukturanalysen von Myoglobin bestätigt.

-Helix
Proteine:Sekundärstruktur

Als -Helix bezeichnet man eine schraubenförmige Windung einer Aminosäurekette, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen CO- und NH-Gruppen des Kettenrückgrats entsteht und durch sie stabilisiert wird. Die CO-Gruppe jeder Aminosäure bildet eine Wasserstoffbrückenbindung mit der NH-Gruppe der vierten (in der -Helix liest man von oben nach unten) in der Sequenz auf sie folgenden Aminosäure aus (Abb. 7.14). Somit sind mit Ausnahme der funktionellen Gruppen der Aminosäuren am C-Terminus alle -CO- und -NH-Gruppen der Aminosäurekette an der Bildung von Wasserstoffbrücken beteiligt. Das Rückgrat einer Aminosäurekette liegt nahezu parallel zur Helixachse, die Seitenketten weisen nach außen. Die -Helix enthält pro Windung 3,6 Aminosäurereste. Die Ganghöhe der Helix, die sich als Produkt der Anzahl der Aminosäurereste und der Verschiebung von 0,15 nm pro Rest errechnet, beträgt 0,54 nm.

Merke

Theoretisch sind sowohl rechts- als auch linksgängige Helices (von oben gesehen) möglich. Tatsächlich sind aber alle in Proteinen auftauchenden Helices rechtsgängig, da diese Form energetisch günstiger ist.

Die -Helix ist nur eine mögliche Sekundärstruktur. Folglich variiert der Anteil, zu dem Proteine in -Helix-Form vorliegen, zwischen 0 und 100 %. Während einzelne Helices meist relativ kurz sind (bis ca. 4,5 nm lang), lagern sich z. B. im Myosin, Fibrin oder Keratin, dem Strukturprotein der Haare, mehrere -Helices zu längeren spiralisierten Helices zusammen (Länge bis ca. 100 nm).

-Faltblatt
Proteine:<03B1>-Helix

In einem -Faltblatt sind zwei oder mehr Peptidketten durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft. Im Unterschied zur -Helix liegen die Peptidketten nicht schraubenförmig, sondern nahezu gestreckt vor. Dies zeigt auch der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Aminosäuren: Während dieser bei der -Helix nur 0,15 nm beträgt, sind es beim -Faltblatt 0,35 nm. Die Seitenketten befinden sich abwechselnd ober- und unterhalb der Faltblattebene.

Je nach Verlaufsrichtung der zu einem Faltblatt verbundenen Aminosäureketten unterscheidet man zwischen

  • antiparallelen -Faltblättern (Abb. 7.15a), bei denen die Aminosäureketten in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Bei einem antiparallelen -Faltblatt ist jeweils die NH-Gruppe einer Aminosäure mit der CO-Gruppe und die CO-Gruppe mit der NH-Gruppe der gegenüberliegenden Aminosäure über eine Wasserstoffbrückenbindung verbunden.

  • parallelen -Faltblättern (Abb. 7.15b), bei denen die Aminosäureketten in derselben Richtung verlaufen. Hier bilden sich die Wasserstoffbrücken zwischen nicht korrespondierenden (also sich nicht direkt gegenüberliegenden) Aminosäureresten aus. So kann die NH-Gruppe der dritten Aminosäure von Kette A mit der CO-Gruppe der zweiten Aminosäure von Kette B und die CO-Gruppe der dritten Aminosäure von Kette A mit der NH-Gruppe der vierten Aminosäure von Kette B verbunden sein.

Merke

Da -Faltblätter meist aus mehr als zwei Peptidketten bestehen, existieren neben rein parallelen bzw. antiparallelen Faltblättern auch gemischte -Faltblätter.

-Kehre und -Schleife
Proteine:<03B2>-Faltblatt

Die globuläre Gestalt vieler Proteine kommt durch häufige Abknickungen und Richtungsänderungen der Polypeptidkette zustande. Eine solche Richtungsänderung wird auch als -Kehre bezeichnet. Sie wird durch die Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung gebildet und stabilisiert. -Schleifen sind komplexere Möglichkeiten, die Änderung der Peptidkettenrichtung zu stabilisieren. Sie zeigen keine regelmäßigen periodischen Strukturen.

Tertiärstruktur
Proteine:<03B2>-Kehre Proteine:<03A9>-Schleife

Als Tertiärstruktur bezeichnet man die stabile räumliche Anordnung der verschiedenen Sekundärstrukturen, also die Gesamtanordnung der -Helix-, -Faltblatt- und Schleifenanteile eines Proteins. Die Tertiärstruktur weist häufig eine charakteristische Verteilung der Aminosäuren auf: Bereiche mit hydrophoben Aminosäuren befinden sich größtenteils im Inneren eines Proteins, die Außenbereiche bestehen hauptsächlich aus hydrophilen Aminosäuren, enthalten jedoch auch vereinzelte hydrophobe Aminosäuren. Auch folgende Wechselwirkungen zwischen Seitenketten sind, da sie die Polarität von Aminosäuren bestimmen, für die Bildung und Stabilisierung der Tertiärstruktur von Bedeutung:

  • Wasserstoffbrückenbindungen zwischen CO- und NH-Gruppen der Seitenketten

  • hydrophobe Wechselwirkungen: Durch das Bestreben hydrophober Aminosäuren, dem Wasser zu entfliehen, liegen diese Reste nach Verdrängung von Wasser meist zusammengelagert im Inneren eines Proteins. Dieser Zustand ist energieärmer und somit thermodynamisch stabiler.

  • Van-der-Waals-Kräfte, die zwischen den eng gelagerten hydrophoben Kohlenwasserstoffseiten entsprechender Aminosäuren (z. B. Isoleucin, Leucin, Valin) entstehen

  • Disulfidbrücken zwischen den Sulfhydrylgruppen (-SH) zweier Cysteinmoleküle

  • Ionenbindungen über Glutamat oder Aspartat

    Durch die Wirkung der stabilisierenden Kräfte falten sich viele Proteine in mehrere abgrenzbare Bereiche, die allerdings z. B. durch Schleifen miteinander verbunden sind. Diese kompakten Bereiche mit eigener Tertiärstruktur heißen Domänen und können z. B. in Enzymproteinen unterschiedliche definierte Funktionen übernehmen.

Merke

Die stabile räumliche Anordnung der verschiedenen Sekundärstrukturen eines Proteins heißt Tertiärstruktur.

Quartärstruktur
Proteine:Tertiärstruktur

Einige Proteine bestehen nicht nur aus einer, sondern aus mehreren Aminosäureketten (sog. Untereinheiten). Solche Proteine weisen eine weitere Organisationsebene auf, die als Quartärstruktur bezeichnet wird: Hierunter versteht man die Anordnung der Untereinheiten im Raum und ihre Wechselwirkungen untereinander.

Proteine mit z. B. zwei Untereinheiten nennt man dimere, Proteine mit vier Untereinheiten tetramere Proteine. In der Natur tauchen aber auch Proteine mit Hunderten oder Tausenden von Untereinheiten auf. Ein Beispiel für ein tetrameres Protein (Tetramer) ist das Hämoglobin. Das adulte Hämoglobin (HbA) besteht z. B. aus zwei identischen - und zwei identischen -Untereinheiten, ist also ein 22-Tetramer. Durch geringe Lageveränderungen der Untereinheiten können Eigenschaften und Funktionen solcher Proteine reguliert werden. Dies spielt z. B. bei Hämoglobin hinsichtlich der Funktion als Sauerstofftransporter oder bei Enzymproteinen bei der Veränderung der Aktivität eine Rolle.

Merke

Die räumliche Anordnung der Untereinheiten eines Proteins heißt Quartärstruktur.

Lerntipp

Im schriftlichen Examen wird gern gefragt, welche Bindungen für welche Strukturebene verantwortlich sind. Nochmal in Kürze:

  • Primärstruktur: Peptidbindungen

  • Sekundärstruktur: Wasserstoffbrückenbindungen

  • Tertiärstruktur und Quartärstruktur: Wasserstoffbrückenbindungen und alle anderen (Hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte, Disulfidbrücken und Ionenbindungen).

Trennung und Sequenzanalyse von Proteinen

Auftrennung und Reinigung
Proteine:Quartärstruktur
  • Proteine:TrennungProteine:SequenzanalyseFreisetzung der Proteine aus der Zelle: Durch Zerstörung der Zellmembran erhält man ein Homogenisat, welches durch mehrmalige Zentrifugation getrennt wird. Auf diese Weise erhält man mehrere Fraktionen verschiedener Dichte, das Verfahren heißt differenzielle Zentrifugation. Anschließend bestimmt man – z. B. mittels Radioimmuno- oder Enzyme-linked immunosorbent Assay – die Konzentration des gesuchten Proteins in den einzelnen Fraktionen und wählt die Fraktion mit der höchsten Konzentration für die weitere Reinigung aus.

  • Auftrennung des Proteingemisches: Das durch differenzielle Zentrifugation gewonnene Proteingemisch enthält immer noch eine große Anzahl verschiedener Proteine. Die Verfahren zur weiteren Auftrennung, von denen zumeist mehrere nacheinander angewendet werden, machen sich die unterschiedliche Größe, Löslichkeit, Ladung und spezifische Bindungsaffinität von Proteinen zunutze:

    • Aussalzen: Hierbei wird die Löslichkeit der Proteine eines Proteingemisches durch die Zugabe von Salz herabgesetzt. Da unterschiedliche Proteine bei unterschiedlich hohen Salzkonzentrationen ausfallen, lassen sie sich auf diese Weise trennen.

    • Gelfiltrationschromatografie (auch Hohlraumdiffusions- oder Molekularsieb-Chromatografie): Hier erfolgt die Trennung nach der Molekülgröße. Das Proteingemisch wird in eine Säule gegeben, die ein Gel aus porösen Dextran-, Agarose- oder Polyacrylamidkügelchen – ein sog. Molekularsieb – enthält. Kleine Moleküle diffundieren in die Kügelchen und lagern sich auch zwischen ihnen an. Große Moleküle lagern sich nur zwischen den Kügelchen an. Sie passieren die Säule deshalb am schnellsten, die anderen Moleküle folgen entsprechend ihrer Größe.

    • Ionenaustauschchromatografie: Bei dieser Methode erfolgt die Trennung von Proteinen nach ihrer Nettoladung.

    • Affinitätschromatografie: Hier wird die spezifische Bindungsaffinität von Proteinen zu bestimmten Molekülen (z. B. Glucose) ausgenutzt. Das entsprechende Molekül wird kovalent an eine Säulenmatrix gebunden. Gibt man das Proteingemisch auf die Säule, bindet das gesuchte Protein an die Matrix, die übrigen Bestandteile des Gemisches werden mit einem Puffer abgewaschen. Anschließend kann man das gesuchte Protein durch die Zugabe des Moleküls, an das das Protein bindet, von der Säule ablösen (im Falle eines glucosebindenden Proteins also durch Zugabe von Glucoselösung).

    • Hochdruckflüssigkeitschromatografie (High performance liquid chromatography, HPLC): Die HPLC bietet eine höhere Auflösung als die bisher genannten chromatografischen Verfahren. Die Säulenmatrix besteht aus Kieselgelpartikeln und ist somit vergleichsweise feiner strukturiert. Dies bietet diverse weitere Interaktionsmöglichkeiten zwischen der Matrix und Proteinen (z. B. hydrophobe Wechselwirkungen bei Verwendung hydrophober Gelpartikel) und erhöht das Auflösungsvermögen. Um trotz der feiner strukturierten Matrix einen ausreichenden Durchfluss des Gemisches zu erreichen, wird dieses unter Druckaufwendung durch die Säule gepresst.

Bestimmung von Molekulargewicht oder Konzentration
  • Biuret-Proteine:Molekulargewicht,KonzentrationReaktion: Durch die Biuret-Reaktion lassen sich Peptidbindungen nachweisen. Diese reagieren in alkalischer Lösung mit Cu2+-Ionen zu einem blauen Farbkomplex. Die Farbintensität des Komplexes ist proportional zur Konzentration des Proteins.

  • Gelelektrophorese: Das Prinzip der Elektrophorese ist die Wanderung geladener Moleküle in einem elektrischen Feld, z. B. wandern negativ geladene Moleküle zur Anode. Als Trägermaterial werden Gele (oder selten auch Papier) verwendet, da sich durch die Wirkung von Gelen als Molekularsieb (oben) die Auftrennung zusätzlich verbessern lässt. Vor der Elektrophorese wird das Proteingemisch mit Natriumdodecylsulfat (englisch: sodium dodecyl sulfate, SDS) versetzt. Dieses hebt die Wechselwirkungen der Aminosäureseitenketten auf und führt so zur Entfaltung des Proteins. Zusätzlich kann zur Spaltung von Disulfidbindungen Mercaptoethanol zugesetzt werden. Der denaturierte Protein-SDS-Komplex besitzt eine negative Ladung, die der Masse des Proteins proportional ist. Entsprechend lässt sich aus der elektrophoretischen Beweglichkeit des Proteins die Molekülmasse ablesen. Dieses Verfahren heißt SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE). Nach dem Ablauf der Elektrophorese werden die Proteine mit Farbstoffen wie Coomassie-Blau oder durch eine Silberfärbung sichtbar gemacht.

  • Ultrazentrifugation: Im Gegensatz zur SDS-Gelelektrophorese bleiben die komplexen nativen Strukturen der Proteine erhalten. Auskunft über die Bewegung von Teilchen unter Einwirkung von Zentrifugalkräften gibt der Sedimentationskoeffizient. Im Zentrifugationsröhrchen wird ein Dichtegradient erzeugt, auf den eine kleine Menge der Proteinlösung aufgebracht wird. Im Verlauf der Zentrifugation werden die Proteine nach ihren Sedimentationskoeffizienten aufgetrennt. Anhand des Sedimentationskoeffizienten lassen sich Angaben zum Molekulargewicht machen.

Analyse der Aminosäuresequenz
  • Analyse Proteine:Aminosäuresequenzder Aminosäurezusammensetzung: Das Protein wird durch Säurezusatz hydrolysiert. Anschließend werden die Aminosäuren durch Ionenaustauschchromatografie getrennt und ihre Konzentration mit Hilfe der Ninhydrin-Reaktion ermittelt.

  • Sequenzanalyse: Die Aminosäuresequenz von Peptiden kann mit einer nach seinem Entwickler benannten Methode, dem Edman-Abbau, ermittelt werden. Prinzip dieser Methode ist die Markierung und die anschließende Abspaltung des N-terminalen Aminosäurerests. Mit der Edman-Methode lässt sich die Sequenz von Peptiden mit einer Länge von etwa 50 Aminosäuren bestimmen. Zur Analyse der Sequenz längerer Proteine müssen diese in einzelne Peptide gespalten werden.

  • Alternative Analyseverfahren: Gentechnologische Ansätze stellen eine effizientere Alternative dar, denn nach der Analyse von Teilsequenzen eines Proteins lässt sich die entsprechende cDNA aus einer Datenbank ermitteln. Dennoch kann die Gentechnik die Forschung an isolierten Proteinen nicht ersetzen, da viele Proteine posttranslational modifiziert werden und die aus der DNA ermittelte Aminosäurefolge die Sequenz des unveränderten Proteins darstellt. Gentechnologische Verfahren sind in Kapitel 10.4.1 und 10.5.1Kapitel 10.4.1Kapitel 10.5.1 ausführlich erläutert.

Funktion der Peptide und Proteine im Organismus

Funktion von Peptiden

Die meisten der im menschlichen Organismus vorkommenden Peptide sind biologisch aktiv (Tab. 7.2). Sie übernehmen wichtige Funktionen als

  • Hormone

  • Transmitter

  • Antibiotika

  • Toxine

  • Oxidationsschutz

Für biologisch aktive Peptide gibt es drei Entstehungsmechanismen:

  • 1.

    Viele Peptide des menschlichen Organismus werden durch spezifische Proteolyse aus größeren Protein- oder Peptidvorstufen gebildet.

  • 2.

    Kleine Oligopeptide werden direkt an spezifischen Multienzymkomplexen synthetisiert. Bei diesem Syntheseweg werden die Aminosäuren zuvor mit ATP aktiviert.

  • 3.

    Einige Peptide werden am Ribosom auf Grundlage der mRNA translatiert.

Funktion von Proteinen
Peptide:Funktion

In Tabelle 7.3 sind verschiedene wichtige Proteingruppen und ihre Funktion aufgeführt.

Proteinabbau

Proteine:FunktionDie Enzyme, Proteinabbaudie die Spaltung von Proteinen katalysieren, heißen Proteasen. Man unterscheidet zwischen Endoproteasen, die Peptidbindungen in einer Proteinkette spalten, und Exoproteasen, die Aminosäuren am Aminoterminus oder am Carboxylterminus abspalten. Proteasen kommen sowohl intra- als auch extrazellulär vor.

Cave

Die Bezeichnung Endo- bzw. Exoprotease bezieht sich nicht auf den Wirkort in oder außerhalb der Zelle, sondern auf die Stelle, an der das Enzym eine Peptidbindung im Protein spaltet! Es gibt also sowohl intra- als auch extrazelluläre Endo- und Exoproteasen.

Die Proteasen übernehmen nicht nur Aufgaben beim Abbau von Proteinen, sondern sind auch bei der Aktivierung von Proteinen durch limitierte Proteolyse von Bedeutung.

Abbau von Nahrungsproteinen

Mit der Nahrung aufgenommene Proteine sind für den Organismus eine notwendige Aminosäurequelle. Ihr Abbau erfolgt im Intestinaltrakt. Das saure Milieu des Magens führt zur Denaturierung der Proteine, wodurch sie für Proteasen leichter zugänglich werden. Die unspezifische Protease Pepsin, die bei einem pH-Wert um 2 mit maximaler Aktivität arbeitet, beginnt bereits im Magen mit der proteolytischen Spaltung. Im Dünndarm wirken weitere Enzyme, die mit dem Pankreassaft sezerniert werden (z. B. Trypsin, Chymotrypsin, 17.2.1 und 17.2.317.2.117.2.3), auf die Proteine ein. Die Pankreasenzyme werden als inaktive Proenzyme sezerniert und durch limitierte Proteolyse in ihre aktive Form umgewandelt. Mit der Membran von Dünndarmzellen assoziierte Aminopeptidasen tragen ebenfalls zum Proteinabbau bei. Bei diesen proteolytischen Prozessen entstehen je nach Protein freie Aminosäuren oder Oligopeptide aus zwei oder drei Aminosäuren, die über Transporter in die Dünndarmzellen aufgenommen und über das Blut in die Peripherie transportiert werden (Abb. 7.16). Einzelheiten zum Abbau der Nahrungsproteine 17.2.3.

Intrazelluläre Proteolyse

Proteinabbau:Nahrungsproteinen

In jeder Zelle des menschlichen Organismus werden ständig Proteine abgebaut (und neu synthetisiert). Dies geschieht im Rahmen des normalen Proteinumsatzes, des Abbaus von falsch synthetisierten oder defekten Proteinen oder im Rahmen eines Gewebeabbaus.

  • Defekte Proteine, die in der Zelle synthetisiert wurden, werden in Proteasekomplexen, den sog. Proteasomen (26S-Proteasomen) abgebaut. Zuvor werden sie durch den Marker Ubiquitin markiert.

  • Aus dem Extrazellularraum aufgenommene Proteine oder defekte Zellorganellen werden in Lysosomen – Zellorganellen, die Hydrolasen enthalten – abgebaut.

Proteinabbau in Proteasomen
Proteinabbau:Intrazellulär

Ubiquitin ist ein kleines Protein, das in allen eukaryontischen Zellen vorkommt. Es bindet an defekte Proteine, um sie für den Abbau zu markieren (Ubiquitinierung). Dieser Vorgang benötigt die Aktivität von drei Enzymen (Abb. 7.17):

  • Ein Ubiquitin aktivierendes Enzym (E1) aktiviert Ubiquitin mit ATP, sodass unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) AMP-Ubiquitin entsteht.

  • Dieses wird unter Freisetzung von AMP über eine Thioesterbindung an einen Cysteinylrest von E1 gebunden.

  • Ubiquitin wird dann auf das Ubiquitin konjugierende Enzym (E2) übertragen. Die Ubiquitin-Protein-Ligase (E3) überträgt Ubiquitin auf die -Aminogruppe eines Lysylrests des Zielproteins.

  • An den Lysylrest des Ubiquitinmoleküls werden weitere Ubiquitinmoleküle geheftet. Je mehr Ubiquitinmoleküle gebunden sind, desto effektiver ist das Abbausignal.

Der Abbau ubiquitinierter Proteine erfolgt in den (26S-)Proteasomen. Dies sind aus mehreren Untereinheiten bestehende, ATP-abhängige Proteasekomplexe, die in fast allen eukaryontischen Zellen vorkommen. Sie bestehen aus:

  • einem 20S-Proteasom: Dieses besitzt eine multikatalytische Protease, die Peptidbindungen ohne besondere Präferenzen spaltet (unspezifisch).

  • einer 19S-Untereinheit: Diese wirkt regulatorisch und enthält zusätzlich eine Peptidase, die die Abspaltung der Ubiquitinmoleküle katalysiert, da diese nicht abgebaut, sondern in der Zelle wiederverwertet werden.

Lysosomaler Proteinabbau
Proteinabbau:Proteasomen

Lysosomen sind Zellorganellen, die den Abbau intrazellulären Materials – z. B. defekter Organellen (wie Mitochondrien), aber auch endozytotisch aufgenommener Partikel oder Proteine – bewerkstelligen. Sie enthalten eine große Zahl an Hydrolasen (Kathepsine, Kollagenasen, Elastase, Peptidase, Phospholipase), die die Spaltung von Proteinen, Kohlenhydraten oder Nukleinsäuren katalysieren (Abbauvorgang 11.5.3).

Aminosäureabbau

Proteinabbau:LysosomalDie im Rahmen Aminosäureabbaudes Proteinabbaus gewonnenen Aminosäuren gelangen nach der Absorption aus dem Darmlumen über die Pfortader zur Leber, die im Aminosäurestoffwechsel eine zentrale Position einnimmt. Nach Bedarf und Stoffwechsellage werden die Aminosäuren dort entweder für die Proteinsynthese verwendet oder abgebaut. Der erste Schritt des Aminosäureabbaus ist die Abspaltung der -Aminogruppe in Form von Ammoniak (7.4.1). Ammoniak wird zur Leber transportiert (7.4.2) und im Harnstoffzyklus eliminiert (7.4.3). Das verbleibende Kohlenstoffskelett der Aminosäuren wird zu Zwischenprodukten des Lipidstoffwechsels, des Kohlenhydratstoffwechsels oder des Citratzyklus abgebaut (7.4.4) und dient somit der Energiegewinnung.

Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung

Merke

Beim Abbau der Aminosäuren sind drei Reaktionsprinzipien – Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung – von entscheidender Bedeutung.

Transaminierung

Die -Aminogruppe einer Aminosäure wird auf eine -Ketosäure übertragen (Abb. 7.18). Dabei wird die -Ketosäure in ihre -Aminosäure und die -Aminosäure in ihre -Ketosäure umgewandelt. Transaminierungsreaktionen dienen im Organismus der Synthese von nichtessenziellen Aminosäuren aus -Ketosäuren und sind außerdem für den Aminosäureabbau von Bedeutung. Aminogruppenübertragungen werden von sog. Aminotransferasen (Transaminasen) katalysiert. Diese Enzyme enthalten Pyridoxalphosphat (PALP) als prosthetische Gruppe. Pyridoxalphosphat (Abb. 7.19) entsteht aus Pyridoxin (Vitamin B6, 9.2.3) und ist als Coenzym auch an weiteren Reaktionen des Aminosäurestoffwechsels beteiligt (z. B. eliminierende Desaminierung oder Decarboxylierung, unten).

Die Aminosäure (z. B. Alanin) wird über ihre Aminogruppe an die Aldehydgruppe des PALP geknüpft, sodass als Zwischenprodukt eine Schiff-Base (Aldimin) entsteht (Abb. 7.20). Aldimin lagert sich über ein chinoides Zwischenprodukt zu einem Ketimin, der tautomeren Form des Aldimins, um. Ketimin wird anschließend hydrolytisch in eine -Ketosäure (im Beispielfall Pyruvat) und Pyridoxaminphosphat (PAMP) gespalten. Anschließend wird als zweiter Teil der Reaktion die Aminogruppe von PAMP in umgekehrter Reaktionsfolge auf die andere -Ketosäure (-Ketoglutarat) übertragen, sodass wieder Pyridoxalphosphat und eine Aminosäure (Glutamat) entstehen.

Merke

Aminotransferasen katalysieren die Übertragung der -Aminogruppen vieler Aminosäuren auf -Ketoglutarat (im Physikum auch 2-Ketoglutarsäure genannt), das dadurch in Glutamat überführt wird.

Die wichtigsten Aminotransferasen sind

  • die Aspartat-Aminotransferase (ASAT), die die Übertragung der -Aminogruppe von Aspartat auf -Ketoglutarat katalysiert (Abb. 7.21). Dabei wird Aspartat in Oxalacetat und -Ketoglutarat in Glutamat umgewandelt. Deshalb heißt die Aspartat-Aminotransferase im klinischen Sprachgebrauch Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT).

  • die Alanin-Aminotransferase (ALAT), die die Übertragung der -Aminogruppe von Alanin auf -Ketoglutarat katalysiert (Abb. 7.22). Dabei wird Alanin in Pyruvat und -Ketoglutarat in Glutamat umgewandelt. Deshalb heißt die Alanin-Aminotransferase im klinischen Sprachgebrauch Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT).

Beide genannten Transaminierungsreaktionen sind voll reversibel und können demnach der Synthese von Aminosäuren aus -Ketosäuren dienen (7.5).

Klinik

Die Transaminasen ASAT (GOT) und ALAT (GPT) sind auch im klinischen Alltag von großer Wichtigkeit. Bei Zellmembranfunktionsstörungen (GPT) und Untergang (GOT) von Leberzellen (z. B. bei Fettleber, Cholestase, Alkoholmissbrauch oder Hepatitis) kommt es zu erhöhten Konzentrationen im Blut, sodass sich anhand des Serumspiegels das Ausmaß eines Leberschadens abschätzen lässt.

Desaminierung
Aminosäureabbau:Transaminierung

Als Desaminierung bezeichnet man die Abspaltung der Aminogruppe einer Aminosäure. Man unterscheidet zwischen eliminierender Desaminierung (direkter Abspaltung) und oxidativer Desaminierung (Abspaltung nach Oxidation zur Iminosäure).

Nach der Desaminierung werden die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren im Organismus weiterverwertet. Die Aminogruppen dagegen werden in Harnstoff umgewandelt und in dieser Form über die Nieren ausgeschieden.

Oxidative Desaminierung von Glutamat
Aminosäureabbau:Desaminierung

Da bei vielen Transaminierungsreaktionen Glutamat entsteht (oben), hat die oxidative Desaminierung von Glutamat im Aminosäurestoffwechsel sehr große Bedeutung. Die Reaktion wird von der Glutamat-Dehydrogenase katalysiert. Dieses Enzym ist in den Mitochondrien lokalisiert und benötigt NAD+ als Cofaktor.

Glutamat wird zunächst mit NAD+ oder NADP+ als Oxidationsmittel zu einer Iminosäure oxidiert. Diese wird anschließend hydrolytisch gespalten, wobei -Ketoglutarat und Ammoniak entstehen (Abb. 7.27). Die reversible Reaktion wird durch Entfernung von Ammoniak angetrieben (so kann sich kein Gleichgewicht einstellen). GTP und ATP hemmen die Glutamat-Dehydrogenase, GDP und ADP aktivieren sie allosterisch.

Merke

Glutamat stellt bei Transaminierungsreaktionen den Aminogruppen-Sammelpool dar. Aus diesem Pool wird die Aminogruppe durch die Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion entfernt und dem Harnstoffzyklus und somit der Ausscheidung zugeführt.

Lerntipp

Eine prüfungsrelevante Besonderheit der Glutamat-Dehydrogenase ist, dass sie als Cofaktor sowohl NAD+ als auch NADP+ verwenden kann.

Eliminierende Desaminierung

Bei dieser Reaktion wird als erster Schritt Wasser abgespalten. Deshalb ist eine -Hydroxylgruppe Voraussetzung für die eliminierende Desaminierung. Sie findet folglich nur bei Serin und Threonin statt. Durch die Wasserabspaltung entsteht ein instabiles Zwischenprodukt, das mit Wasser zur entsprechenden -Ketosäure und zu Ammoniak reagiert. Die Reaktion wird von der Serin- bzw. Threonin-Dehydratase katalysiert. Aus Serin entsteht Pyruvat (Abb. 7.24), aus Threonin -Ketobutyrat.

Decarboxylierung

Als Decarboxylierung bezeichnet man die Abspaltung der Carboxylgruppe einer Aminosäure. Diese von spezifischen L-Aminosäure-Decarboxylasen katalysierte Reaktion (Abb. 7.25) ist pyridoxalphosphatabhängig. Reaktionsprodukt sind biogene Amine, die im Stoffwechsel eine wichtige Funktion haben (Tab. 7.4).

Abbau biogener Amine
Aminosäureabbau:Decarboxylierung

Der Abbau und somit die Inaktivierung der biogenen Amine wird von Aminooxidasen – je nach Anzahl der Aminogruppen entweder von Mono- oder Diaminooxidasen – katalysiert. Der Abbau verläuft analog zur oxidativen Desaminierung (oben).

Klinik

Hemmstoffe der Monoaminooxidasen MAOA und MAOB (sog. MAO-Hemmer) blockieren den Abbau von Dopamin, Serotonin, Adrenalin und Noradrenalin und erhöhen folglich deren Konzentrationen. Sie wirken stark antriebssteigernd und werden in der Therapie vor allem therapierefraktärer Depressionen eingesetzt.

Transport des Ammoniaks zur Leber

Stickstoff, der beim Aminosäureabbau im Muskel und in anderen peripheren Geweben freigesetzt wird, kann aufgrund seiner Toxizität nicht in Form von Ammoniak über die Blutbahn zur Leber transportiert werden. Als Transporter dienen deshalb die Aminosäuren Alanin und Glutamin.

Von dem Aminogruppen-Sammelpool Glutamat überträgt die Alanin-Aminotransferase die -Aminogruppe auf Pyruvat, wobei Alanin und -Ketoglutarat entstehen (Abb. 7.22). Alanin wird ins Blut abgegeben und zur Leber transportiert. In den Leberzellen katalysiert die Alanin-Aminotransferase die Rückreaktion, bei der Pyruvat entsteht. Dieses wird bei Bedarf oxidativ abgebaut oder der Gluconeogenese zugeführt. Das Kohlenstoffgerüst gelangt also in Form von Glucose wieder in die peripheren Gewebe. Die Aminogruppe fließt nach der oxidativen Desaminierung von Glutamat in den Harnstoffzyklus ein. Dieser Transportkreislauf heißt Alaninzyklus (3.4.5).

Freies Ammoniak (NH3) liegt bei physiologischem pH-Wert überwiegend als Ammoniumion (NH4+) vor. NH4+ wird ATP-abhängig durch die Glutamin-Synthetase in Glutamat fixiert (7.5.2). Das entstandene Glutamin wird nach dem Transport zur Leber durch die Glutaminase wieder in Glutamat und NH4+ gespalten.

Merke

Der beim Aminosäureabbau in den peripheren Geweben anfallende Stickstoff wird durch die Transporter Alanin und Glutamin zur Leber transportiert.

Der Harnstoffzyklus

Ammoniak:Transport

Im Harnstoffzyklus wird der beim Abbau von Aminosäuren in Form von Ammoniak anfallende Stickstoff – sofern er nicht für die Biosynthese von Aminosäuren oder stickstoffhaltigen Molekülen (Purine, Pyrimidine, Porphyrine) benötigt wird – in fünf Reaktionsschritten in Harnstoff umgewandelt. Die ersten beiden Reaktionen finden in der mitochondrialen Matrix, die weiteren im Zytosol der Leberzellen statt. Harnstoff wird anschließend über die Nieren ausgeschieden.

Die Stickstoffeliminierung in Form von Harnstoff bietet für den Organismus einige Vorteile:

  • Im Unterschied zu Ammoniak ist Harnstoff für den Körper nicht toxisch.

  • Harnstoff ist ungeladen und kann somit leichter durch biologische Membranen diffundieren und ausgeschieden werden.

Merke

Die Umwandlung von Ammoniak in Harnstoff findet in der Leber statt. Die Enzyme des Harnstoffzyklus sind im Zytosol und in der mitochondrialen Matrix lokalisiert.

Die Reaktionen des Harnstoffzyklus
Harnstoffzyklus

  • Aus HCO3 (Hydrogencarbonat) und NH4+ (Ammoniumion) wird Carbamoylphosphat gebildet (Abb. 7.26). Diese von der Carbamoylphosphat-Synthetase I katalysierte und in der mitochondrialen Matrix lokalisierte Reaktion verläuft über die Zwischenprodukte Carboxyphosphat und Carbaminsäure und verbraucht zwei Moleküle ATP: Hydrogencarbonat wird unter Spaltung eines Moleküls ATP zu Carboxyphosphat phosphoryliert, das mit Ammoniak unter Phosphatabspaltung zu Carbaminsäure reagiert. Die Carbaminsäure wird unter Verbrauch eines zweiten ATP-Moleküls zu Carbamoylphosphat phosphoryliert. Essenzieller Cofaktor dieser irreversiblen Reaktion ist N-Acetylglutamat, das als allosterischer Aktivator wirkt (unten).

Cave

Die Carbamoylphosphat-Synthetase I des Harnstoffzyklus darf nicht mit der zytoplasmatischen Carbamoylphosphat-Synthetase II verwechselt werden, die die Bildung von Carbamoylphosphat für die Pyrimidinbiosynthese (10.1.2) katalysiert.

  • Carbamoylphosphat reagiert unter Abspaltung seiner Phosphatgruppe mit der nichtproteinogenen Aminosäure Ornithin zu Citrullin. Diese Reaktion wird von der Ornithin-Transcarbamoylase katalysiert, die ebenfalls in der mitochondrialen Matrix lokalisiert ist.

  • Citrullin wird aus der mitochondrialen Matrix ins Zytosol transportiert, wo es mit Aspartat zu Argininosuccinat kondensiert. Bei dieser von der Argininosuccinat-Synthetase katalysierten Reaktion wird ein Molekül Wasser abgespalten, das aber für die Hydrolyse von ATP gleich wieder verbraucht wird. Im Verlauf der Reaktion werden zwei energiereiche Bindungen gespalten: ATP wird in AMP und Pyrophosphat gespalten, welches anschließend zu zwei Phosphatresten hydrolysiert wird.

Merke

Harnstoff besitzt zwei Aminogruppen: eine von freiem NH4+ und eine von Aspartat.

  • In der nächsten Reaktion wird Argininosuccinat im Zytosol durch die Argininosuccinat-Lyase (Argininosuccinase) in Arginin und Fumarat gespalten. Fumarat wird über mehrere Zwischenschritte wieder in Aspartat umgewandelt (unten).

  • Arginin wird im Zytosol durch die Arginase I hydrolytisch in Ornithin und Harnstoff gespalten. Ornithin wird in die mitochondriale Matrix zurücktransportiert, Harnstoff gelangt in die Blutbahn und wird über die Nieren ausgeschieden.

Cave

Die Arginase I des Harnstoffzyklus darf nicht mit der Arginase II in den Mitochondrien fast aller extrahepatischen Gewebe verwechselt werden, die die Ornithinsynthese katalysiert. Harnstoff entsteht ausschließlich in der Leber, denn nur hier sind alle Enzyme des Harnstoffzyklus vorhanden.

Energiebilanz
Harnstoffzyklus:Reaktionen

Zur Synthese eines Harnstoffmoleküls werden vier energiereiche Bindungen gespalten (3 ATP und 1 Pyrophosphat), wird also das Äquivalent von vier Molekülen ATP verbraucht.

Rückgewinnung von Aspartat aus Fumarat
Harnstoffzyklus:Energiebilanz

Fumarat wird durch zytosolische Isoformen der Fumarase und Malat-Dehydrogenase in Oxalacetat umgewandelt. Dieses wird mit einer -Aminosäure zu Aspartat transaminiert (Abb. 7.26). Alternativ kann Oxalacetat in die Gluconeogenese oder – nach dem Transport ins Mitochondrium – in den Citratzyklus eingebracht werden. Es stellt folglich die Verbindung zwischen Harnstoffzyklus und Gluconeogenese (3.4) oder Citratzyklus (5.2) dar.

Regulation
Harnstoffzyklus:Rückgewinnung

Regulationspunkt des Harnstoffzyklus ist die Carbamoylphosphat-Synthetase. Sie wird durch den allosterischen Aktivator N-Acetylglutamat reguliert. In Abwesenheit von N-Acetylglutamat ist die Carbamoylphosphat-Synthetase inaktiv. Bei Aminosäurebelastung steigt aufgrund des vermehrten Aminosäureabbaus die Glutamatkonzentration (7.4.1), was die Bildung von N-Acetylglutamat durch die N-Acetylglutamat-Synthase (Abb. 7.26) und die Aktivierung der Harnstoffsynthese zur Folge hat. So wird die Harnstoffsynthese an die Konzentration freier Aminosäuren im Plasma angepasst.

Merke

Die Carbamoylphosphat-Synthetase ist nur in Anwesenheit von N-Acetylglutamat aktiv.

Klinik

Störungen des Harnstoffzyklus: Eine Blockierung der Harnstoffsynthese hat einen lebensbedrohenden Anstieg der NH4+-Konzentration im Blut (Hyperammonämie) zur Folge. Da NH4+ für die Zellen des ZNS toxisch ist, kann es in Abhängigkeit von der Plasmakonzentration zu Hirnödem und neurologischen Symptomen kommen.

Störungen des Harnstoffzyklus können angeboren (genetisch bedingter Enzymdefekt) oder erworben (Leberinsuffizienz, z. B. aufgrund einer Leberzirrhose) sein:

  • Genetisch bedingte Enzymdefekte manifestieren sich direkt nach der Geburt durch Trink- und Muskelschwäche (Floppy infant) sowie Erbrechen, im Extremfall durch Krämpfe und Koma oder später durch psychomotorische Retardierung mit Spastik. Während die Therapie früher generell in einer proteinarmen Diät bestand, richtet sich die gegenwärtige Vorgehensweise nach dem betroffenen Enzym:

    • Im Falle eines Argininosuccinat-Lyase-Mangels kommt es aufgrund des blockierten Stoffwechselschritts zu einem Arginin- und Ornithinmangel. Der Ornithinmangel ist die Ursache dafür, dass Carbamoylphosphat nicht weiterverarbeitet werden kann und dadurch die Ammoniakfixierung zum Erliegen kommt. Die Therapie besteht daher in der Verabreichung von Arginin bei gleichzeitiger proteinarmer Diät. Arginin wird in Ornithin und Harnstoff gespalten. Harnstoff wird ausgeschieden und Ornithin reagiert mit Carbamoylphosphat über mehrere Schritte wieder zu Argininosuccinat. Dieses staut sich zwar vor dem Block an, ist jedoch im Unterschied zu Ammoniak nicht neurotoxisch und kann mit dem Urin ausgeschieden werden. Durch diese Therapie ist trotz des Enzymdefekts die Entfernung von Ammoniak aus dem Organismus gewährleistet.

    • Bei einem Defekt oder Mangel der Enzyme Carbamoylphosphat-Synthetase, Ornithin-Transcarbamoylase oder Argininosuccinat-Synthetase kann die verminderte Ammoniakeliminierung nicht durch Zugabe von Arginin kompensiert werden. Da die Synthese in frühen Schritten blockiert wird, kommt es in jedem Fall zum Anstau von Ammoniak. Therapeutisch kann man der Hyperammonämie hier begegnen, indem man die Aminosäuren, die hauptsächlich zur Ammoniakbildung beitragen, direkt aus dem Körper eliminiert. Die Therapie besteht daher in der Gabe von Benzoat, das mit Glycin zu Hippurat reagiert, und von Phenylacetat, das mit Glutamin zu Phenylacetylglutamin reagiert. Auf diese Weise werden die Aminosäuren Glycin und Glutamin, die in beträchtlichem Ausmaß für die Bildung von Ammoniak verantwortlich sind, in Reaktionsprodukte überführt, die über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden werden können.

  • Leberinsuffizienz: Häufigste Ursache ist die Leberzirrhose, z. B. als Folge von Alkoholabusus oder chronischer Hepatitis. Sie führt zu Einschränkungen der Leberfunktion, z. B. zu einer verminderten Aktivität der Enzyme des Harnstoffzyklus, und zur Bildung portalvenöser Anastomosen zwischen der V. porta und der V. cava, sodass stickstoffreiches Blut an der Leber vorbeigeleitet wird. Eine weitere Abnahme der Leberfunktion, z. B. durch eine zusätzliche Infektion, kann zu einer hepatischen Enzephalopathie führen. Diese äußert sich – in Abhängigkeit von der NH4+-Konzentration im Blut – als Konzentrationsstörung, grobschlägiges Zittern der Hände (Flapping tremor), Sprach- oder Sehstörungen oder Lethargie bis hin zu Koma und Tod.

Abbau des Kohlenstoffskeletts der Aminosäuren

Schicksal des Kohlenstoffskeletts
Harnstoffzyklus:Regulation

Nach der Übertragung oder Abspaltung der -Aminogruppe wird das verbleibende Kohlenstoffskelett der Aminosäuren abgebaut. Beim Abbau der 20 proteinogenen Aminosäuren entstehen nur sieben verschiedene Stoffwechselzwischenprodukte, die als Substrate der Gluconeogenese oder der Ketonkörpersynthese dienen oder im Citratzyklus oxidiert werden. Daher unterteilt man die proteinogenen Aminosäuren nach ihren Abbauprodukten in glucogene, ketogene und gemischt gluco-ketogene Aminosäuren (Abb. 7.27 und Tab. 7.5):

  • Aminosäuren, die zu Pyruvat, -Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat oder Oxalacetat abgebaut werden, bezeichnet man als glucogen, da aus ihren Abbauprodukten Glucose gebildet werden kann.

  • Aminosäuren, die zu Acetyl-CoA und Acetacetat abgebaut werden, heißen ketogene Aminosäuren, da ihre Abbauprodukte als Substrate für die Ketonkörpersynthese dienen.

  • Die Aminosäuren Isoleucin, Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan sind sowohl glucogen als auch ketogen (gemischt gluco-ketogen), da ihr Abbau neben Acetyl-CoA und Acetacetat auch glucogene Zwischenprodukte liefert.

Lerntipp

Die Einteilung der Aminosäuren nach ihrem Abbauweg ist ein beliebtes Prüfungsthema. Meist genügt es aber, für das Examen zu wissen, welcher Abbauklasse die Aminosäure angehört. Folgende Merkregel hilft:

  • Ketogene Aminosäuren: beginnen mit einem L (Lysin und Leucin).

  • Gemischt gluco-ketogene Aminosäuren: alle mit aromatischem Ring (Phenylalainin, Tyrosin, Tryptophan) sowie Isoleucin.

  • Glucogene Aminosäuren: alle verbleibenden.

Merke

Das Kohlenstoffskelett der 20 proteinogenen Aminosäuren wird zu Zwischenprodukten der Gluconeogenese, des Citratzyklus oder der Ketonkörpersynthese abgebaut.

Abbauwege
Aminosäuren:Kohlenstoffskelett, AbbauIm Folgenden wird der Abbau des Kohlenstoffskeletts der proteinogenen Aminosäuren – unterteilt nach Abbauprodukten – erläutert.
Abbau zu Pyruvat

Die Aminosäuren Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin werden in Pyruvat überführt (Abb. 7.28):

  • Der Abbau von Alanin zu Pyruvat erfolgt in einem Schritt durch die Alanin-Aminotransferase.

  • Serin und Threonin werden durch die Serin- bzw. Threonin-Dehydratase direkt desaminiert und über die Zwischenprodukte Aminoacrylat bzw. Aminoaceton in Pyruvat umgewandelt.

  • Glycin wird durch die Addition einer Hydroxymethylgruppe von Tetrahydrofolsäure zunächst in Serin (7.5.1) und anschließend in Pyruvat überführt.

  • Cystein wird in einem der Serin-Dehydratase-Reaktion ähnlichen Vorgang in Pyruvat umgewandelt.

Abbau zu -Ketoglutarat

Die C5-Aminosäuren Glutamin, Arginin, Prolin und Histidin werden in Glutamat umgewandelt (Abb. 7.29), das anschließend von der Glutamat-Dehydrogenase (7.4.1) durch oxidative Desaminierung in -Ketoglutarat und NH4+ umgewandelt wird:

  • Glutamin wird durch die Glutaminase hydrolytisch in Glutamat und NH4+ gespalten.

  • Arginin wird unter Abspaltung von Harnstoff in Ornithin überführt, das über Glutamat--Semialdehyd zu Glutamat oxidiert wird.

  • Prolin wird ebenfalls über Glutamat--Semialdehyd in Glutamat umgewandelt.

  • Histidin wird in drei Schritten unter Desaminierung und Spaltung der Amidbindung des Rings in N-Formiminoglutamat umgewandelt. Durch den Transfer der Formiminogruppe auf den Cofaktor Tetrahydrofolsäure entsteht Glutamat.

Merke

Der Abbau von Histidin benötigt Tetrahydrofolsäure.

Abbau zu Succinyl-CoA

Die Aminosäuren Methionin, Valin und Isoleucin werden über Propionyl-CoA und Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA abgebaut (Abb. 7.30). Die Umwandlung von Propionyl-CoA in Succinyl-CoA ist auch Teil des Abbaus von Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl von C-Atomen (4.3.2). Beim Abbau von Methionin entsteht als Zwischenprodukt S-Adenosylmethionin, das im Stoffwechsel eine wichtige Rolle als Methylgruppendonor spielt (7.5.1).

Abbau zu Fumarat

Aspartat wird im Harnstoffzyklus in Fumarat umgewandelt (7.4.3).

Phenylalanin wird nach der Umwandlung in Tyrosin zu Acetacetat und Fumarat abgebaut (Abb. 7.31):

  • Der erste Schritt ist die irreversible Hydroxylierung von Phenylalanin zu Tyrosin, die von der Phenylalanin-Hydroxylase katalysiert wird. Reduktionsmittel ist Tetrahydrobiopterin, das zu Dihydrobiopterin oxidiert wird. Dihydrobiopterin wird durch die Dihydrobiopterin-Reduktase mit NADPH+H+ als Reduktionsmittel wieder zu Tetrahydrobiopterin reduziert.

  • Tyrosin wird durch die Tyrosin-Transaminase transaminiert, sodass p-Hydroxyphenylpyruvat entsteht, das in einer komplexen von der p-Hydroxyphenylpyruvat-Hydroxylase

  • katalysierten Reaktion in Homogentisat umgewandelt wird (Abb. 7.31). Die Homogentisat-Oxidase, katalysiert die Spaltung des Homogentisats durch O2, wodurch 4-Maleylacetacetat entsteht, das durch eine Isomerase in Fumarylacetacetat, die trans-Form, überführt wird. Die Fumarylacetacetase katalysiert die anschließende Spaltung in Fumarat und Acetacetat.

Abbau zu Oxalacetat

Die C4-Aminosäuren Aspartat und Asparagin werden in Oxalacetat umgewandelt:

  • Aspartat wird von der Aspartat-Aminotransferase direkt in Oxalacetat überführt und

  • Asparagin wird durch die Asparaginase in Aspartat und NH4+ gespalten.

Die Umwandlung von Aspartat in Fumarat im Rahmen des Harnstoffzyklus stellt eine weitere Abbaumöglichkeit dar (7.4.3).

Abbau zu Acetyl-CoA, Acetacetat und Propionyl-CoA

Leucin und Isoleucin werden in Fettsäureoxidation-ähnlichen Reaktionsfolgen abgebaut:

  • Leucin wird durch Transaminierung in -Ketoisocapronat umgewandelt. Aus diesem entsteht in mehreren Schritten 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-(HMG-)CoA, das in Acetyl-CoA und Acetacetat gespalten wird.

  • Isoleucin wird nach der Umwandlung in seine entsprechende -Ketosäure zu Acetyl-CoA und Propionyl-CoA abgebaut. Propionyl-CoA wird anschließend in Succinyl-CoA umgewandelt (Abb. 7.30).

Lysin wird in einer äußerst komplexen Reaktionsfolge ebenfalls zu Acetyl-CoA abgebaut.

Tryptophan wird in mehreren komplexen Reaktionsschritten zu Acetyl-CoA abgebaut (Abb. 7.32):

  • Zuerst wird der Pyrrolring durch eine Dioxygenase gespalten.

  • Das entstandene Formylkynurenin wird von einer Monooxygenase zu 3-Hydroxykynurenin hydroxyliert.

  • Nach der Abspaltung von Alanin entsteht 3-Hydroxyanthranilsäure.

  • Diese wird von einer Dioxygenase gespalten und in mehreren Schritten in Acetyl-CoA umgewandelt.

Merke

Eine Alternative ist der Tryptophanabbau über Chinolin- und Nikotinsäure zu Nikotinamid (Vitamin-B-Komplex). Da für die Bildung kleiner Mengen Nikotinamid sehr viel Tryptophan mit der Nahrung zugeführt werden muss, kann unter normalen Ernährungsbedingungen ein Nikotinamidmangel nicht durch verstärkten Tryptophanabbau kompensiert werden.

Störungen des Aminosäureabbaus

Ein großer Teil der Störungen des Aminosäurestoffwechsels ist durch Defekte von Enzymen des Aminosäureabbaus bedingt. Im Folgenden sind die bekanntesten dieser Defekte bzw. die daraus resultierenden Erkrankungen vorgestellt; die Therapie besteht meist in einer Diät.

Phenylketonurie

Die autosomal-rezessiv vererbte Phenylketonurie ist die wohl bekannteste und mit einer Erkrankung auf ca. 20.000 Neugeborene auch die häufigste genetische Störung des Aminosäurestoffwechsels. Sie geht auf einen Mangel bzw. das vollständige Fehlen des Enzyms Phenylalanin-Hydroxylase – oder seltener des Cofaktors Tetrahydrobiopterin – zurück. Da die von der Phenylalanin-Hydroxylase katalysierte Umwandlung in Tyrosin – der Hauptstoffwechselweg des Phenylalanins – blockiert ist, akkumuliert Phenylalanin in allen Körperflüssigkeiten. Tyrosin wird für die Patienten somit zu einer essenziellen Aminosäure. Phenylalanin wird alternativ zu Phenylpyruvat – das der Störung ihren Namen gab – abgebaut und mit dem Urin ausgeschieden.

Bleibt die Phenylketonurie unbehandelt, so kommt es zu schwerer geistiger Behinderung oder zur irreversiblen geistigen Retardierung.

Da durch eine phenylalaninarme Diät von Geburt an das Auftreten von Symptomen verhindert werden kann, ist eine rechtzeitige Diagnose von größter Bedeutung. Diagnosekriterium ist der Phenylalaninspiegel im Blut. Er wird bei jedem Neugeborenen am 2.–6. Lebenstag bestimmt (Neugeborenen-Screening nach Guthrie).

Lerntipp

Die Phenylketonurie wird als Prototyp der Stoffwechselkrankheiten ständig geprüft. Gut lernen!

Alkaptonurie (Schwarzharn)
Phenylketonurie

Eine weitere Störung des Phenylalaninstoffwechsels ist die Alkaptonurie. Ihre Ursache liegt im Fehlen des Enzyms Homogentisat-Oxidase. Bei dieser vergleichsweise harmlosen Störung kommt es zur Ablagerung von polymerisiertem Homogentisat, die sich in einer ockerfarbigen Pigmentierung des betroffenen Gewebes (z. B. der Skleren) äußert. Im fortgeschrittenen Alter sind degenerative Knochenveränderungen möglich. Daneben wird das Phenylalaninabbauprodukt Homogentisat vermehrt mit dem Urin ausgeschieden. Dieser nimmt durch den Kontakt mit Luft rasch eine dunkle Färbung an, da Homogentisat oxidiert wird.

Ahornsirupkrankheit (Verzweigketten-Ketoacidurie)
Alkaptonurie

Weniger harmlos verläuft die Ahornsirupkrankheit, eine Störung im Abbau der verzweigtkettigen Aminosäuren. Durch das Fehlen der Verzweigtketten-Dehydrogenase ist die oxidative Decarboxylierung der von Leucin, Valin und Isoleucin abgeleiteten -Ketosäuren blockiert. Die abgeleiteten -Ketosäuren sowie Leucin, Valin und Isoleucin akkumulieren in Blut und Urin, der dadurch einen ahornsirupähnlichen Geruch annimmt. Erfolgt nicht von Kindesalter an eine Therapie in Form einer leucin-, isoleucin- und valinarmen Diät, führt die Störung zu einer körperlichen und geistigen Retardierung.

Weitere Defekte des Aminosäureabbaus (Tab. 7.6)

Aminosäuresynthese

AhornsirupkrankheitDer Mensch besitzt die Aminosäuresyntheseenzymatische Ausstattung zur Synthese folgender Aminosäuren (nichtessenzielle Aminosäuren): Alanin, Asparagin, Aspartat, Glutamat, Glutamin, Glycin, Prolin und Serin. Ggf. können auch die bedingt essenziellen Aminosäuren Arginin und Histidin synthetisiert werden. Cystein und Tyrosin sind semiessenziell, d. h., sie können im menschlichen Organismus aus essenziellen Aminosäuren gebildet werden (Tab. 7.1, 7.1.2).
Bei der Synthese dieser Aminosäuren spielt die Übertragung von C1-Körpern eine große Rolle. Sie wird deshalb als Erstes erläutert.

Übertragung von C1-Körpern

Der C1-Körper-Überträger Tetrahydrofolat
Die aktive Form des Vitamins Folsäure, Tetrahydrofolat (9.2.2), überträgt Methyl- (-CH3), Methylen- (-CH2-), Formyl- (-CHO), Formimino- (-CHNH) und Methenylgruppen (-CH) und ist im menschlichen Organismus ein wichtiger Kohlenstoffdonor (Tab. 7.7). Die verschiedenen C1-Körper übertragenden Formen des Tetrahydrofolats können durch Oxidation und Reduktion ineinander umgewandelt werden. Ein Großteil der C1-Körper stammt aus der Umwandlung von Serin in Glycin (7.5.2).
Der C1-Körper-Überträger S-Adenosylmethionin
Funktion
S-Adenosylmethionin (SAM) ist der wichtigste Methylgruppendonor im Stoffwechsel (Tab. 7.8). Tetrahydrofolat kann zwar auch eine Methylgruppe binden, sein Methylgruppenübertragungspotenzial liegt jedoch erheblich unter dem von SAM.
Synthese und Abbau
SAM entsteht durch die Reaktion von Methionin und ATP unter Abspaltung der Triphosphatgruppe in Form von Phosphat und Pyrophosphat (Abb. 7.33). Pyrophosphat wird anschließend in zwei Pi gespalten, sodass insgesamt drei energiereiche Bindungen (also das Äquivalent von drei ATP) gespalten werden, um eine energiereiche Bindung herzustellen.
Dies erleichtert die Übertragung der Methylgruppe und damit auch den Abbau von SAM (Abb. 7.33):
  • Er wird durch Übertragung der Methylgruppe auf einen Methylgruppenakzeptor eingeleitet, wodurch S-Adenosylhomocystein entsteht.

  • Dieses wird durch hydrolytische Abspaltung des Adenosylrests in Homocystein umgewandelt, das mit Serin zu Cystathion reagiert.

  • Cystathion wird in Cystein und -Ketobutyrat gespalten.

  • Aus -Ketobutyrat entsteht mittels oxidativer Decarboxylierung durch die -Ketosäure-Dehydrogenase Propionyl-CoA, das in Succinyl-CoA umgewandelt wird.

  • Homocystein kann außer in Cystein auch in Methionin umgewandelt werden. Diese Regeneration von Methionin benötigt Cobalamin (Vitamin B12) als Cofaktor und wird von der Methionin-Synthase (Homocystein-Methyltransferase) katalysiert. Die Methylgruppe stammt von N5-Methyl-Tetrahydrofolat.

Synthese der nichtessenziellen Aminosäuren

Die Synthesewege der nichtessenziellen Aminosäuren decken sich zum Teil mit den umgekehrten Abbauwegen (7.4). So werden das Kohlenstoffskelett der meisten Aminosäuren aus Zwischenprodukten der Glykolyse oder des Citratzyklus gebildet und die -Aminogruppe durch Transaminierung von Glutamat geliefert.
Synthese von Glutamat und Glutamin
  • Glutamat entsteht durch die Umkehr der oxidativen Desaminierung von Glutamat (Abb. 7.23, 7.4.1). Nun wird freies Ammoniak an -Ketoglutarat gebunden. Auch diese Umkehrreaktion wird von der Glutamat-Dehydrogenase katalysiert.

  • Glutamin wird in einer von der Glutamin-Synthetase katalysierten Reaktion aus Glutamat gebildet (Abb. 7.34). Zunächst wird unter Verbrauch eines ATP-Moleküls die Seitenkette von Glutamat phosphoryliert, sodass ein Acylphosphat als Zwischenprodukt entsteht. Dieses reagiert dann unter Abspaltung des Phosphatrests mit Ammoniak zu Glutamin.

Synthese von Aspartat und Asparagin
  • Aspartat wird in der Aspartat-Aminotransferase-Reaktion aus Oxalacetat gebildet (Abb. 7.21, 7.4.1).

  • Asparagin wird durch die Übertragung der Seitenketten-Aminogruppe des Glutamins auf Aspartat erzeugt. Die Reaktion wird von der Asparagin-Synthetase katalysiert. Die Seitenkette wird unter Freisetzung von Ammoniak hydrolysiert und Ammoniak direkt auf das an das Enzym gebundene Aspartat übertragen.

Merke

Die Aminogruppe der Seitenkette von Asparagin stammt von Glutamin.

Synthese von Arginin und Prolin
Vorstufe dieser Aminosäuren ist Glutamat. Der Syntheseweg ist die Umkehrreaktion des Abbauwegs von Arginin und Prolin (Abb. 7.29, 7.4.4), wird jedoch von anderen Enzymen katalysiert:
  • Glutamat wird unter Verbrauch eines ATP an seiner -Carboxylgruppe phosphoryliert und das entstandene Acylphosphat im Anschluss mit NADPH+H+ als Reduktionsmittel unter Abspaltung des Phosphatrests zu Glutamat--Semialdehyd reduziert.

  • Glutamat--Semialdehyd kann in zwei Schritten in Prolin umgewandelt werden.

  • Durch Transaminierung mit Glutamat entsteht aus Glutamat--Semialdehyd Ornithin, das im Rahmen des Harnstoffzyklus in Arginin überführt wird.

Synthese von Serin, Glycin und Alanin
  • Die Synthese von Serin (Abb. 7.35) geht von 3-Phosphoglycerat, einem Glykolyse-Zwischenprodukt, aus. Der erste Schritt ist die Oxidation von 3-Phosphoglycerat – mit NAD+ als Oxidationsmittel – zu 3-Phosphohydroxypyruvat. Eine Transaminase überträgt anschließend eine Aminogruppe von Glutamat auf 3-Phosphohydroxypyruvat, wodurch 3-Phosphoserin entsteht, das durch die hydrolytische Abspaltung des Phosphatrests in Serin überführt wird.

  • Glycin entsteht durch Demethylierung von Serin (Abb. 7.36). Die Methylengruppe der Serin-Seitenkette wird auf Tetrahydrofolat übertragen, sodass Glycin und Methylen-Tetrahydrofolat entstehen. Enzym dieser Reaktion ist die pyridoxalphosphatabhängige Serin-Hydroxymethyltransferase.

  • Alanin entsteht durch Transaminierung von Glutamat (Abb. 7.22, 7.4.1).

Synthese von Cystein
Bei der Synthese von Cystein reagieren Homocystein und Serin unter Wasserabspaltung zu Cystathion (Abb. 7.33). Diese Reaktion wird von der Cystathion-Synthetase (Cystathion--Synthase) katalysiert. Anschließend spaltet die Cystathionase Cystathion hydrolytisch in Cystein und -Ketobutyrat. Beide Enzyme sind pyridoxalphosphatabhängig. Das Schwefelatom des Cysteins stammt von Homocystein, das Kohlenstoffgerüst von Serin.

Aminosäuren als Ausgangsstoffe für Synthesen

Aminosäuren dienen nicht nur Aminosäuren:Ausgangsstoffe, Synthesenals Bausteine der Synthese von Peptiden und Proteinen. Sie sind Ausgangsstoffe für biogene Amine (7.4.1) und für weitere Synthesen:
  • Die Purin- und Pyrimidinbasen der DNA (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, Biosynthese 10.1.2) enthalten Aminosäurekomponenten.

  • Tyrosin ist Ausgangsstoff der Synthese der Schilddrüsenhormone Thyronin (T3) und Thyroxin (T4), der Katecholamine Noradrenalin und Adrenalin – die Methylgruppe von Adrenalin stammt von SAM – und des Hautpigmentes Melanin (Abb. 7.37).

  • Tryptophan dient als Vorstufe von Serotonin (5-Hydroxytryptophan, 7.4.1) und des Nikotinamidrings von NAD+ (9.2.2).

  • Aus Glycin und Succinyl-CoA wird der Porphyrinring von Häm synthetisiert (15.1.5). Daneben ist Glycin Bestandteil des Tripeptids Glutathion, das die Erythrozyten vor der Oxidation durch Sauerstoffradikale schützt (15.1.6).

  • Arginin und Glycin sind Vorstufen bei der Kreatininsynthese (16.1.5).

  • Aus Arginin wird durch eine membranständige Stickstoffmonoxid-Synthase Stickstoffmonoxid (NO) gebildet. Dieses fungiert bei der lokalen Durchblutungsregulation als Transmitter und

  • ü

    bt eine relaxierende Wirkung auf die glatte Gefäßmuskulatur aus. Außerdem entsteht in dieser Reaktion Citrullin.

  • Serin liefert Molekülkomponenten für die Synthese von Phospholipiden und Sphingolipiden.

  • Glutamin dient bei der Synthese von Aminozuckern (z. B. Glucosamin-6-phosphat) als Aminogruppendonor.

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