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B978-3-437-29695-6.50025-X

10.1016/B978-3-437-29695-6.50025-X

978-3-437-29695-6

Titrationskurve von Glycin-hydrochlorid mit NaOH (pHI = isoelektrischer Punkt)

Prinzip der Elektrophorese für Glycin.

Prinzip der Biosynthese einer Peptidbindung.

Schematisierte Darstellung einer antiparallelen β-Faltblattstruktur zweier Polypeptidketten

Ausschnitt einer Peptid-α-Helix.

  • A:

    Darstellung mit Kennzeichnung der stabilisierenden Wasserstoffbrückenbindungen (—).

  • B:

    Schema einer rechtsgängigen α-Helix (Ganghöhe: 0,54 nm)

Raumstruktur der Carboxypeptidase, wie sie sich aus der Röntgenstrukturanalyse des kristallisierten Enzyms ergibt. Rot: α-Helix-Bereiche; Blau: Faltblatt-Bereiche.

(aus Schartl M, Gessler M, von Eckardstein A: Biochemie und Molekularbiologie des Menschen. 1. A. München, Elsevier, 2009)

Bindekräfte, die die Raumstruktur (Tertiärstruktur) einer Polypeptidkette stabilisieren.

  • A:

    Wasserstoffbrücken

  • B:

    polare Gruppen, die hydratisiert werden können;

  • C:

    elektrostatische Anziehung;

  • D:

    hydrophobe Wechselwirkung;

  • E:

    Disulfidbrücken;

  • F:

    Chelatkomplex.

Aminosäuresequenz und schematische Struktur des Humaninsulins.

Tertiärstruktur von Insulin

(aus Schartl M, Gessler M, von Eckardstein A: Biochemie und Molekularbiologie des Menschen. 1. A. München, Elsevier, 2009).

Name, Abkürzung (Drei-Buchstaben- und Ein-Buchstaben-Code) und Formeln von zehn proteinogenen α-Aminosäuren.

Tab. 19/1
Name Glycin Alanin Phenylalanin Serin Cystein
Abkürzung Gly (G) Ala (A) Phe (F) Ser (S) Cys (C)
Formel
Name Asparaginsäure Glutaminsäure Glutamin Lysin Histidin
Abkürzung Asp (D) Glu (E) Gln (Q) Lys (K) His (H)
Formel

Die 21 proteinogenen Aminosäuren im Drei-Buchstaben-Code geordnet nach pH-Bereichen der isoelektrischen Punkte und nach Polarität.

Tab. 19/2
Aminosäure Bereich von pHI Polarität
Arg, Lys, His basisch polar
Ala, Ile, Leu, Met, Phe, Pro, Trp, Val neutral bis schwach sauer unpolar
Asn, Cys, Gln, Gly, Sec, Ser, Thr, Tyr neutral bis schwach sauer polar
Asp, Glu sauer polar

Aminosäuren und Peptide

Orientierung

Proteine (Eiweiße) sind der Hauptbestandteil der organischen Körpersubstanz, sie bestimmen die Körpergestalt und die Körperfunktionen und schaffen Beweglichkeit. Muskelproteine z. B. ermöglichen die aktive Bewegung, Hämoglobin sorgt für den Sauerstofftransport im Blut, Membranproteine regulieren den Stofftransport und dienen der Signalvermittlung. Aber auch Enzyme und Immungloboline sind Abbilder für die Tendenz zur Eigendynamik und Anpassung.

Erstaunlicherweise basiert die große Vielfalt der Proteine auf wenigen Bausteinen, den sog. proteinogenen Aminosäuren, die sich zu Aminosäureketten (Peptide) zusammenlagern und noch größere Molekülverbände (Proteine) bilden. Die Aminosäuren sind wie die Buchstaben eines Alphabets, sie dienen dazu, einem größeren „Text” Sinn zu geben, der sich z. B. in der Funktion des Proteins ausdrückt. Da man, ohne die Buchstaben zu kennen, keinen Text lesen kann, widmen wir uns zunächst den Aminosäuren mit ihren Strukturen, Eigenschaften und Reaktionen bis hin zu den Peptiden und bereiten den Übergang in die Welt der Proteine vor.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Worin gleichen und worin unterscheiden sich die Aminosäuren?

  • Wie verhalten sich saure und basische funktionelle Gruppen in einem Molekül?

  • Wie kommt man von den Aminosäuren zu den Peptiden?

  • Nach welchen Prinzipien ordnen sich Peptidketten im Raum?

  • Was sind biogene Amine und was ist Insulin?

Einfache Aminosäuren

Struktur

α-Aminocarbonsäuren sind in der Natur sehr häufig, sie sind gemeint, wenn allgemein von „Aminosäuren” die Rede ist. Sie enthalten die vier wichtigsten Elemente der organischen Welt (C, H, O, N), in einigen Fällen kommt noch Schwefel dazu. Ein gleich bleibender Molekülteil wird in den verschiedenen Aminosäuren durch einen unterschiedlichen Rest R ergänzt.
Wir werfen zunächst einen Blick auf die Buttersäure (Butansäure). Funktionelle Gruppe ist die Carboxylgruppe, die an einer Alkylkette aus drei C-Atomen hängt. Für die Kennzeichnung der C-Atome kann man die Kette – beginnend beim C-Atom der Carboxylgruppe – durchnummerieren oder man benennt die C-Atome der Alkylkette mit griechischen Buchstaben. Das α-Atom ist dann das der Carboxylgruppe unmittelbar benachbarte C-Atom.

Carboxylgruppe

Substituieren wir in der Buttersäure jeweils ein H-Atom an jedem C-Atom der Alkylkette durch eine Aminogruppe, dann ergeben sich die abgebildeten Aminocarbonsäuren. Alle drei Verbindungen haben dieselbe Summenformel, aber verschiedene Strukturformeln: Es handelt sich um Konstitutionsisomere ( Kap. 18.3.1).

Aminogruppe

α-Aminosäuren

Unter den denkbaren Aminocarbonsäuren sind die α-Aminocarbonsäuren am häufigsten. Verallgemeinert ergibt sich die Formel R–CH(NH2)–COOH, die weiter oben schon farblich markiert zu sehen war. Die natürlich vorkommenden Aminosäuren unterscheiden sich lediglich in dem Rest R, den Sie sich für einige Aminosäuren einprägen müssen (Tab. 19/1).
In Tabelle 19/1 sind nur zehn von insgesamt 21 bekannten proteinogenen Aminosäuren aufgeführt, die Ihnen als Bausteine der Proteine von Lebewesen begegnen werden. Wir beschränken uns auf diese, weil sie genügen, um alle grundlegenden chemischen Zusammenhänge zu verstehen. Hervorzuheben ist, dass die Aminosäuren Cystein (Cys) und Methionin (Met) schwefelhaltig sind. Interessanterweise kann sogar Selen an die Stelle von Schwefel treten. Das Selenocystein (Sec) wird heute als die 21. proteinogene Aminosäure gesehen.

proteinogene Aminosäuren

Alle anderen der über 200 in der Natur vorkommenden Aminosäuren werden als nicht proteinogen bezeichnet, dazu gehören vor allem d-Aminosäuren, die bei Bakterien häufig sind, oder solche, die keine α-Aminogruppe enthalten. Beispiele sind das β-Alanin als Baustein von Coenzym A ( Kap. 16.2.5) oder die oben genannte γ-Aminobuttersäure (Abk. GABA von engl. gamma-aminobutyric acid) als inhibitorischer Neurotransmitter. Ein Sonderfall ist das nicht proteinogene Ornithin, das dem Lysin ähnlich ist, aber nur im Harnstoffzyklus eine Rolle spielt ( Kap. 17.1).

Es gibt essenzielle Aminosäuren

Molekularer Stickstoff ist Hauptbestandteil der Erdatmosphäre. Bevor er vom Menschen genutzt werden kann, muss er von Mikroorganismen fixiert und von Pflanzen als Ammoniak aufgenommen bzw. in Aminosäuren eingebaut werden. Aus den Aminosäuren werden dann die Proteine gebildet und kommen so in die Nahrungskette von Tier und Mensch. Der Mensch ist von dieser Nahrungskette unmittelbar abhängig, denn er kann nur 10 von den 21 proteinogenen Aminosäuren im Stoffwechsel selbst aufbauen, die anderen 11 müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, sie sind essenziell. Diese essenziellen Aminosäuren werden aus dem Proteinanteil der Nahrung freigesetzt und dann für den Aufbau der körpereigenen Proteine genutzt.

essenzielle Aminosäuren

Bei der Ernährung ist auf eine ausgewogene Zusammensetzung der Nahrungsproteine zu achten. Wenn nur eine der essenziellen Aminosäuren fehlt oder in zu geringer Menge angeboten wird, steht die Gesundheit auf dem Spiel. Essenzielle Aminosäuren sind: Histidin (His), Isoleucin (Ile), Leucin (Leu), Lysin (Lys), Methionin (Met), Phenylalanin (Phe), Threonin (Thr), Tryptophan (Trp) und Valin (Val). Zusätzlich sind Arginin (Arg) und evtl. auch Tyrosin (Tyr) nur für den heranwachsenden Menschen essenziell.

Chiralität

Mit Ausnahme des Glycins (R = H) sind die in der Tabelle 19/1 aufgeführten Aminosäuren chiral, d. h., das tetraedrische α-C-Atom trägt vier verschiedene Substituenten. Es existieren Enantiomere, deren Konfiguration durch die Buchstaben d oder l gekennzeichnet wird ( Kap. 18.1.4). Für die Enantiomere ergeben sich folgende Stereoformeln und jeweils daneben die Fischer-Projektion (R sind z. B. die Reste der Aminosäuren aus Tabelle 19/1).
Das α-C-Atom ist so gedreht, dass die C-Atom-Kette vertikal und das am höchsten oxidierte C-Atom (Carboxylgruppe) oben steht. So lässt sich aus der Stereoformel die zugehörige Fischer-Projektion ableiten ( Kap. 18.1.4). Der Schnittpunkt von waagerechter und senkrechter Bindungslinie symbolisiert das α-C-Atom. Die natürlich vorkommenden proteinogenen Aminosäuren haben die l-Konfiguration, was der S-Konfiguration in der R,S-Nomenklatur entspricht ( Kap. 18.1.4) mit Ausnahme des Cysteins, das R-konfiguriert ist, weil sich durch die höhere Ordnungszahl des Schwefels (16S) die Priorität der Substituenten am Chiralitätszentrum ändert.

Fischer-Projektion

Wenn wir uns im Verlauf dieses Kapitels mit den Eigenschaften und Reaktionen der Aminosäuren beschäftigen, verzichten wir auf Schreibweisen, die die Stereochemie der Moleküle berücksichtigen.

Zwitterion

Aminosäuren enthalten im selben Molekül eine funktionelle Gruppe mit sauren (rot) und eine mit basischen (blau) Eigenschaften, sie sind amphoter. Aus der ungeladenen Form gibt die Carboxylgruppe in wässriger Lösung ein Proton ab, das sich an das freie Elektronenpaar der Aminogruppe anlagern kann. Aus der Carboxylgruppe (Säure) wird jetzt die konjugierte Base (Carboxylat-Ion, blau), entsprechend aus der Aminogruppe (Base) die konjugierte Säure (Ammonium-Ion, rot). Die ungeladene Form steht mit dem Zwitterion, das man auch als „inneres Salz” (Ammoniumcarboxylat) ansehen kann, im Gleichgewicht. In diesem überwiegt allerdings das Zwitterion, das wie die ungeladene Form ein Ampholyt ist.

Zwitterion

Ampholyt

An dieser Protonenverschiebung ist das Wasser als Lösungsmittel beteiligt, d. h., das aus der Carboxylgruppe stammende Proton bindet nicht direkt an die Aminogruppe desselben Aminosäuremoleküls. Die Wassermoleküle nehmen Protonen auf und geben sie an anderer Stelle weiter. Es pendelt sich eine bestimmte H3O-Konzentration ein, d. h., die wässrige Aminosäurelösung hat einen bestimmten pH-Wert, der von der Acidität bzw. Basizität der funktionellen Gruppe abhängt. Nach außen hin sind die Ladungen ausgeglichen.
Das Zwitterion einer Aminosäure bleibt auch dann existent, wenn das Wasser verdampft wird. In festem Zustand werden elektrostatische Kräfte zwischen den Molekülen wirksam (wie bei Salzen), was verständlich macht, dass Aminosäuren bei Raumtemperatur fest sind und einen hohen Schmelzpunkt haben. Weil polare Gruppen im Molekül überwiegen, sind Aminosäuren in der Regel wasserlöslich, vor allem, wenn der Rest auch polar (hydrophil) ist, z. B. bei Glu, Asp oder Ser. Bei unpolaren (hydrophoben) Resten, wie z. B. bei Phe oder Leu, ist die Wasserlöslichkeit geringer. Es ergibt durchaus Sinn, die Aminosäuren nach ihrer Polarität zu klassifizieren ( Tab. 19/2).

hydrophil

hydrophob

Molekülform in Abhängigkeit vom pH-Wert

Für die einzelnen funktionellen Gruppen einer Aminosäure existieren aufgrund der Wechselwirkung mit dem Wasser verschiedene Dissoziationsgleichgewichte.
Für jede der funktionellen Gruppen ergibt sich mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes der Ks-Wert und daraus der pKs-Wert (pKs = − 10log Ks). Die funktionellen Gruppen werden nach abnehmender Acidität durchnummeriert. pKs1 beträgt für neutrale α-Aminosäuren 2 – 3 und pKs2 etwa 10. Es fällt auf, dass die Carboxylgruppe acider ist als in einer normalen Monocarbonsäure (Essigsäure pKs = 4,76). Die Ursache dafür ist bei der positiv geladenen, α-ständigen Ammoniumgruppe zu suchen, die die Abspaltung eines positiv geladenen Teilchens (hier Proton) aus dem Molekül erleichtert. Die NH3-Gruppe wirkt damit auf den pKs-Wert einer Carboxylgruppe wie ein elektronegativer Substituent (z. B. –Cl) in gleicher Position ( Kap. 16.1.2).
Salzbildung.
Geht man von der wässrigen Lösung des Zwitterions aus und gibt eine starke Säure (z. B. HCl) dazu, dann wird das Carboxylat-Ion protoniert. Am Ende liegt das Aminosäure-Molekül als Kation vor, dessen positive Ladung durch das Cl-Ion ausgeglichen wird. Entstanden ist ein Salz der Aminosäure, in unserem Fall das Hydrochlorid.

Hydrochlorid

Gibt man umgekehrt zur wässrigen Aminosäurelösung eine Base (z. B. NaOH), so geben die NH3-Gruppen des Zwitterions Protonen an die OH-Ionen ab. Aus dem Zwitterion wird ein Anion, dessen negative Ladung ein Na-Ion ausgleicht. Entstanden ist das Natriumsalz der Aminosäure.

Chelatkomplexe

Chelatkomplex

Die Anionen einer α-Aminosäure bilden mit Cu2-Ionen blaue, gut kristallisierende Chelatkomplexe ( Kap. 10.3). Als Liganden treten das N-Atom der NH2-Gruppe und ein Sauerstoffatom der Carboxylatgruppe auf. Unter Einbeziehung des Metallions entsteht ein Fünfring. Da Cu2 die Koordinationszahl 4 hat, treten zwei Aminosäure-Moleküle an das Zentral-Ion. Sofern der Rest R keine weiteren geladenen Gruppen enthält, ist der gesamte Chelatkomplex neutral und löst sich deshalb nur noch schwer in Wasser. Ein überraschender Effekt, da die einzelnen Bestandteile des Chelatkomplexes (Cu2 und das Aminosäure-Anion) gut in Wasser löslich sind. Verständlich wird dies, weil die hydrophilen Gruppen der Liganden-Moleküle in das Innere des Chelatkomplexes weisen und dort das Cu2-Ion einhüllen.
Stabilisierung von Raumstrukturen.
In einem Chelatkomplex werden Aminosäuren in bestimmter Weise räumlich fixiert, entsprechend auch die Reste R am α-C-Atom. Auf diese Weise können Metallionen die Struktur komplizierter Moleküle beeinflussen, an deren Aufbau Aminosäuren beteiligt sind. Neben Cu2 kommen in der Zelle z. B. Zn2, Mn2 oder Fe2 vor, deren Bedeutung für biochemische Vorgänge verständlich wird ( Kap. 2.5 und 10.6).

Titrationskurve und Puffereigenschaften

Wir haben gesehen, dass es vom pH-Wert einer Lösung abhängt, welche Molekülform einer Aminosäure überwiegt. Kation, Zwitterion oder Anion stehen miteinander im Gleichgewicht, d. h., die Formen existieren in unterschiedlicher Konzentration auch nebeneinander. Der ungeladenen Form kommt die geringste Bedeutung zu, obwohl Aminosäuren häufig so geschrieben werden. Solange es nur um die Struktur geht (Konstitution und Konfiguration), spielt das keine Rolle. Will man jedoch die Eigenschaften der Aminosäuren verstehen, darf man bei dieser Formel nicht stehen bleiben, sie ist dann sogar falsch.

Kation

Zwitterion

Anion

Beispiel: Wir wollen jetzt 10 mL einer 0,1 m Lösung von Glycin-hydrochlorid mit 0,1 m NaOH titrieren. Die Änderung des pH-Wertes bei Zugabe der Base wird mit einem pH-Meter gemessen und als Titrationskurve (Abb. 19/1) aufgezeichnet.
Die zweistufige Kurve ist für eine zweiprotonige Säure typisch. Den Äquivalenzpunkt für die 1. Stufe (Kation → Zwitterion) erreicht man nach Zugabe von 10 mL (ein Äquivalent) der Lauge, den für die 2. Stufe (Zwitterion → Anion) nach 20 mL. Der pH-Wert am Wendepunkt (A) des ersten Kurvenastes (nach Zugabe von 5 mL) entspricht pKs1 = 2,4, der Wendepunkt (B) im zweiten Kurvenast führt zu pKs2 = 9,8.
Außer den pKs-Werten und dem pH-Wert am Äquivalenzpunkt der beiden Stufen lässt sich aus der Titrationskurve ablesen, dass es für Glycin und seine Salze zwei Pufferbereiche gibt, die ihr pH-Optimum entsprechend den pKs-Werten bei 2,4 (Punkt A) und 9,8 (Punkt B) haben. Glycin-Puffer im alkalischen Bereich werden häufig verwendet; man geht von einer Glycinlösung mit vorgegebener Konzentration (z. B. 0,2 m) aus und stellt mit NaOH den gewünschten pH-Wert ein. Aus der Puffergleichung ergibt sich, dass beim pH-Optimum (pH = 9,8) folgende Puffersubstanzen in gleicher Konzentration nebeneinander vorliegen.

pH-Optimum

Glycin-Puffer

Isoelektrischer Punkt

Welchen Anteil die verschieden geladenen Molekülformen einer Aminosäure in einer wässrigen Lösung haben, hängt vom pH-Wert ab. Wir führen folgendes Experiment aus: Ein Filterpapierstreifen wird mit einer Pufferlösung angefeuchtet, die einen bestimmten pH-Wert hat. In der Mitte des Papiers markiert man einen Startpunkt, trägt dort einen Tropfen Aminosäurelösung (z. B. Glycin) auf und legt an die Enden des Streifens über geeignete Kontakte eine Gleichspannung. Diese Versuchsanordnung nennt man „Elektrophorese” (Abb. 19/2). Nach einiger Zeit entfernt man die Elektroden, trocknet den Papierstreifen und besprüht ihn mit einer Ninhydrinlösung (Reagenz auf Aminosäuren). Kurzes Erwärmen macht die Aminosäure als violetten Fleck sichtbar.

Elektrophorese

Folgendes lässt sich bei der Elektrophorese beobachten (Abb. 19/2): Bei pH = 2 wandert die Aminosäure zur Kathode (–), denn die Kationen überwiegen. Bei pH = 11 liegen vor allem Anionen vor, die in der Pufferlösung zur Anode (+) wandern. Bei einem bestimmten pH-Wert entfernt sich die Aminosäure nicht vom Startfleck. In dem Fall herrscht ein isoelektrischer Zustand, d. h., die Zahl der negativen Ladungen kompensiert gerade die der positiven. Die Aminosäure liegt überwiegend als Zwitterion vor, das nach außen elektrisch neutral ist. Es kommt keine Bewegung zu einer der Elektroden zustande. Am isoelektrischen Punkt hat jede Aminosäure die geringste Wasserlöslichkeit.

isoelektrischer Punkt

Der pH-Wert, bei dem der isoelektrische Zustand erreicht wird, heißt isoelektrischer Punkt (pHI; auch IEP, pI oder iP). Er ist eine für jede Aminosäure charakteristische Konstante, die von den pKs-Werten der funktionellen Gruppen abhängt. Auch Peptide und Proteine besitzen einen isoelektrischen Punkt.

Für das Glycin lässt sich der dem isoelektrischen Punkt entsprechende pH-Wert aus dem arithmetischen Mittel der beiden pKs-Werte berechnen.
Enthält eine Aminosäure noch weitere saure oder basische Gruppen im Rest R, so werden zur Berechnung des isoelektrischen Punktes aus den pKs-Werten im ersten Fall nur die pKs-Werte der sauren und im zweiten Fall die der basischen Gruppen berücksichtigt.
Bei der Glutaminsäure verschiebt sich der isoelektrische Punkt in den sauren Bereich (pHI = 3,2), man zählt diese Verbindung – ebenso wie die Asparaginsäure – zu den „sauren” Aminosäuren. Beim Lysin erfolgt die Verschiebung in den alkalischen Bereich (pHI = 9,7), man spricht von einer „basischen” Aminosäure ( Tab. 19/2). Demgegenüber werden Aminosäuren mit einem isoelektrischen Punkt zwischen pHI = 5 – 6,5 als „neutral” bezeichnet (z. B. Glycin, Alanin, Phenylalanin und Glutamin). Beim Histidin liegt der isoelektrische Punkt im schwach basischen (pHI = 7,6), d. h. im physiologischen pH-Bereich. Das Stickstoffatom im Ring, das keinen Wasserstoffatom trägt, ist schwach basisch (pKs = 6,0), d. h., im Bereich pH = 4 – 8 kann dieses N-Atom protoniert oder deprotoniert werden, was bei vielen Enzymreaktionen genutzt wird.

saure/basische/neutrale Aminosäure

Aminosäuren werden anhand ihrer pHI-Werte als sauer, neutral oder basisch klassifiziert. Anhand ihrer Reste R unterscheidet man ferner unpolare (hydrophobe) und polare (hydrophile) Aminosäuren ( Tab. 19/2).

Aus der analytischen Trickkiste.
Sie erhalten die Aufgabe, den Gehalt einer Glycinlösung durch Titration mit 0,1 m Natronlauge zu bestimmen. Als Indikator steht Phenolphthalein zur Verfügung ( Kap. 8.6, 8.9). Ein Blick auf die Titrationskurve des Glycins ( Abb. 19/1) zeigt Ihnen, dass der Äquivalenzpunkt bei etwa pH = 12 liegt. Der Farbumschlag des Phenolphthaleins (farblos nach rot) erfolgt aber schon bei pH = 8 – 10, d. h., so können Sie den Äquivalenzpunkt der Titration also nicht bestimmen.
Nun kommt der Trick (Bestimmung nach Sörensen): Sie titrieren die Glycinlösung in Gegenwart von Phenolphthalein bis zum Farbumschlag und notieren sich die mL 0,1 m NaOH, die sie bis dahin verbraucht haben. Die nunmehr schwach alkalische Lösung versetzen Sie mit einem Überschuss an Formaldehyd, der natürlich keine Ameisensäure enthalten darf (vorher prüfen). Formaldehyd addiert sich zweifach an die freie Aminogruppe des Glycins.
Durch die beiden Hydroxymethylengruppen am N-Atom wird dieses schwächer basisch, d. h., der pKs2-Wert verschiebt sich von 9,8 auf ca. 6,8. Die noch nicht vollständig titrierten Protonen des Glycins verschieben den pH-Wert der Lösung von pH = 8 vor der Formaldehyd-Zugabe auf etwa pH = 5 nach der Zugabe. So kann mit 0,1 m NaOH bis zum erneuten Farbumschlag titriert werden, der jetzt ziemlich genau am Äquivalenzpunkt erfolgt. Die bis dahin verbrauchten mL 0,1 m NaOH werden mit dem ersten Wert zum Gesamtverbrauch addiert. Daraus lässt sich der Gehalt der Glycinlösung berechnen.

Decarboxylierung zu biogenen Aminen

Von den Aminosäuren leiten sich einige wichtige Amine ab, die man als biogene Amine bezeichnet. Formal ist bei ihnen die Carboxylgruppe (–COOH) durch ein H-Atom ersetzt. Biogene Amine entstehen enzymkatalysiert. Zur Aktivierung wird mit Pyridoxalphosphat ein Imin gebildet ( Kap. 14.6). In Gegenwart entsprechender Enzyme kommt es dann nicht zur Transaminierung, sondern zur Decarboxylierung. Im nachfolgenden Formelbild finden Sie einige Beispiele für diese Reaktion.

Die Abspaltung von CO2, die zum Verlust einer Carboxylgruppe führt, bezeichnet man als Decarboxylierung.

Histamin – ein Mediator bei Allergien

Histamin entsteht bei der Decarboxylierung von Histidin. Es kommt beim Menschen in allen Geweben vor und wird in Mastzellen (Haut, Lunge, Darm u. a.) oder basophilen Granulozyten (Blut, Knochenmark) gespeichert. Die Freisetzung erfolgt u. a. durch eine Immunglobulin(Ig)-E-vermittelte Überempfindlichkeitsreaktion, die durch bestimmte Substanzen (Allergene) ausgelöst werden kann. Freies Histamin stimuliert Histamin-Rezeptoren, die Stoffwechselreaktionen auslösen, an deren Ende verschiedene Wirkungen eintreten. Histamin ist also weder ein Allergen, noch ist es für die Allergiesymptome direkt verantwortlich; es ist in diesem Geschehen ein Vermittler (Mediator). Zu den auftretenden Wirkungen gehören z. B. Blutdruckabfall, Erhöhung der Kapillarpermeabilität und Herzfrequenz, Kontraktion der glatten Muskulatur in Bronchien und Darm, Juckreiz. Die Reaktionen des Körpers können sehr heftig sein, wenn eine besondere Sensibilisierung für bestimmte Allergene (z. B. Penicillin, Bienengift, Pollen, Erdbeeren) besteht, es kann dann im Extremfall zum anaphylaktischen Schock kommen. Für die Behandlung der allergischen Reaktionen verwendet man Antihistaminika. Dies sind Arzneistoffe, die Histamin kompetitiv von seinen Rezeptoren verdrängen.

Veresterung und Acylierung

Jede Aminosäure hat zwei Gesichter, das der sauren Carboxylgruppe und das der basischen Aminogruppe. Will man an einem solchen System chemische Reaktionen durchführen, muss man sich entscheiden, welches der Gesichter verändert werden soll. Zum einen muss man sich in der Carbonsäure-Chemie auskennen ( Kap. 16), zum anderen sich an der Chemie der primären Amine orientieren ( Kap. 13.4). Dies soll an zwei einfachen Beispielen verdeutlicht werden.
Esterbildung.
Im Glycin z. B. lässt sich die Carboxylgruppe mit Methanol in Gegenwart von HCl verestern. Wir wollen die einzelnen Schritte dieser Reaktion ansehen: Glycin liegt als Zwitterion (a) vor. In Methanol/HCl bildet sich zunächst das Kation des Glycins (b), dessen freie Carboxylgruppe dann ganz normal verestert wird. Der gebildete Glycin-methylester kann aus der Lösung als Hydrochlorid (c) isoliert werden. Durch Zugabe einer äquivalenten Menge Base (z. B. NaOH) lässt sich der Ester statt als Hydrochlorid auch als freie Base (d) gewinnen. Glycin-methylester hat die Eigenschaften eines primären aliphatischen Amins.
N-Acylierung.
Soll die Aminogruppe des Glycins zur Reaktion gebracht werden, muss sie als freie NH2-Gruppe vorliegen, was durch Zugabe der äquivalenten Menge Base zum Zwitterion (a) erreicht wird. Das Anion (e) reagiert nun an der NH2-Gruppe z. B. mit einem Säurechlorid zum Säureamid, das je nach pH-Wert als Salz (f) oder als freie Säure (g) isoliert wird. N-Acyl-glycin verhält sich wie eine aliphatische Carbonsäure.
Der Umgang mit Aminosäuren wird häufig deshalb als schwierig empfunden, weil nicht nur die Reagenzien, sondern auch der pH-Wert der Lösung eine Rolle spielen. Er entscheidet, ob eine Reaktion an einer der beiden funktionellen Gruppen stattfindet und in welcher Form das Reaktionsprodukt (Salz oder neutrales Molekül) isoliert wird. Sobald Ihnen dieser Zusammenhang an einfachen Molekülen einleuchtet, brauchen Sie vor größeren Molekülen nicht mehr zurückzuschrecken.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Beispiele, Gleichungen oder Formeln angeben können:

α-Aminosäuren – proteinogene Aminosäuren – essenzielle Aminosäuren – hydrophobe und hydrophile Reste – d,l-Nomenklatur – Zwitterion – Hydrochlorid – Chelatkomplex – Glycin-Puffer – isoelektrischer Punkt – Elektrophorese – saure/basische/neutrale Aminosäuren – polare/unpolare Aminosäuren – Decarboxylierung – biogene Amine.

Aufgaben

  • 1.

    Formulieren Sie das l-Cystein, l-Glutaminsäure und d-Alanin in der Fischer-Projektion.

  • 2.

    Gibt es vom Glycin Enantiomere? Begründen Sie die Antwort.

  • 3.

    Formulieren Sie das Zwitterion des Phenylalanins und des Lysins.

  • 4.

    Wie liegt Lysin in 1 m Salzsäure vor?

  • 5.

    Welche der Carboxylgruppen der Glutaminsäure ist acider? Warum?

  • 6.

    Gehört Glutamin (Gln) zu den sauren, neutralen oder basischen Aminosäuren?

  • 7.

    Welche der Aminosäuren in Tabelle 19/1 ist hydrophob?

  • 8.

    Für Histidin gilt pHI = 7,6. Warum verschiebt sich der Wert im Vergleich zu Alanin (pHI = 6,0) ins Basische?

  • 9.

    Bei welchem pH-Wert würden Sie Alanin und Glutaminsäure in der Papierelektrophorese trennen?

  • 10.

    Ist es denkbar, dass eine Aminosäure zwei isoelektrische Punkte besitzt?

  • 11.

    Nennen Sie vier Übergangsmetalle, deren Ionen biochemisch wichtige Chelatkomplexe bilden!

  • 12.

    Cysteamin ist Bestandteil von Coenzym A (Formel Kap. 16.2.5). Woher stammt es? Wie ist es im Coenzym A eingebunden? Welche Bedeutung hat es im Coenzym A?

  • 13.

    Die abgebildete Aminosäure trägt den Trivialnamen Penicillamin, weil sie bei der sauren Hydrolyse des Penicillins ( Kap. 16.2.6) entsteht. Wie viele Chiralitätszentren enthält das Molekül? Ist die d- oder l-Form abgebildet?

  • 14.

    d-Penicillamin wird zur Behandlung von Kupferspeicherkrankheiten und bei Schwermetallvergiftungen eingesetzt. Mit Cu2 bildet sich ein stabiler Chelatkomplex, wie sieht er aus (Ligandenatome: N und S). Die Nebenwirkungen sind beim l-Penicillamin um ein Vielfaches höher. Welchen Grund könnte dies haben?

  • 15.

    Pyrrolysin (Pyl, P) ist jüngst als 22. proteinogene Aminosäure bei Archaebakterien entdeckt worden. Markieren Sie in der Formel das enthaltene Lysin. Welcher Typ Derivat liegt hier vor?

Peptide

Peptidbindung und Primärstruktur (Sequenz)

Biochemisch bedeutsam ist, dass sich Aminosäuren zu langen Ketten verknüpfen lassen. Betrachten wir zunächst wieder das Glycin. Reagiert die Carboxylgruppe des ersten Moleküls mit der Aminogruppe eines zweiten, so wird formal Wasser abgespalten und es entsteht ein Säureamid. Die Säureamidbindung, die die CO-Gruppe der linken Molekülhälfte mit der NH-Gruppe der rechten Molekülhälfte verknüpft, heißt in diesem Fall Peptidbindung. Der charakteristische Molekülteil ist violett markiert.

Peptidbindung

Aus zwei Aminosäuren entsteht ein Dipeptid, in unserem Beispiel Glycyl-glycin. Bei den Peptiden verzichtet man aus Übersichtsgründen häufig auf die Strukturformel und verwendet stattdessen die üblichen Abkürzungen der Aminosäuren ( Tab. 19/1). Jede Peptidkette hat ein Aminoende (N-Terminus) und ein Carboxylende (C-Terminus), die in der abgekürzten Schreibweise durch H bzw. OH gekennzeichnet sind. Die Konvention ist, dass in der Kette links das Aminoende steht und rechts das Carboxylende.

N-Terminus

C-Terminus

Das Tripeptid aus Glycin-Bausteinen enthält zwei Peptidbindungen. Kleine Peptide (bis zu 20 Aminosäuren) bezeichnet man als Oligopeptide, größere als Polypeptide. Ist die Molmasse größer als 10 kDa ( Kap. 3.4.2), spricht man von Proteinen. Polypeptide und Proteine gehören zu den Biopolymeren. Die „zwei Gesichter” der Aminosäuren findet man bei den Peptiden und Proteinen in gleicher Weise, d. h., jede Verbindung hat ihren eigenen, charakteristischen isoelektrischen Punkt. Nur der Abstand zwischen Aminogruppe und Carboxylgruppe hat sich verändert. Die Peptidbindung selbst ist neutral, der Stickstoff hat seine basischen Eigenschaften verloren, er wird deshalb grün markiert ( Kap. 16.2.6).

Oligopeptid

Polypeptid

Protein

Sequenz.
Aus zwei verschiedenen Aminosäuren (z. B. Glycin und Alanin im Gemisch) können formal neben den Dipeptiden Gly · Gly und Ala · Ala zwei weitere, gemischte Dipeptide entstehen, bei denen einmal Alanin und einmal Glycin das Carboxylende bildet.
Gehen wir von drei verschiedenen Aminosäuren aus (z. B. Glycin, Alanin und Phenylalanin), so sind sechs Tripeptide (3! = 1 · 2 · 3) möglich, sofern jede Aminosäure einmal im Molekül vertreten ist.
Isomere Tripeptide:H · Gly · Ala · Phe · OHH · Phe · Ala · Gly · OH
H · Gly · Phe · Ala · OHH · Ala · Phe · Gly · OH
H · Phe · Gly · Ala · OHH · Ala · Gly · Phe · OH
Diese Tripeptide besitzen dieselbe Summenformel, unterscheiden sich jedoch, trotz der gleichen Bausteine, in ihrem Bindungsmuster. Es handelt sich um Konstitutionsisomere ( Kap. 18.3.1). Wenn man vom Aminoende zum Carboxylende der Tripeptide fortschreitet, erkennt man die unterschiedliche Reihenfolge der Aminosäuren. Man sagt, dass sich die Tripeptide in ihrer Sequenz unterscheiden.

Sequenz

Die Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette wird als Primärstruktur bezeichnet.

Primärstruktur

Enthält ein Peptid Glutaminsäure oder Lysin als Bausteine, so sind in den Proteinen in der Regel nur die α-ständig benachbarten funktionellen Gruppen an den Peptidbindungen zu anderen Aminosäuren beteiligt. Die freien Carboxyl- bzw. Aminogruppen der Seitenketten beeinflussen die Säure/Base-Eigenschaften des Peptids und damit die Lage des isoelektrischen Punktes. Entsprechend gibt es saure, neutrale oder basische Peptide bzw. Proteine.

Glutathion

Glutathion.
Eine strukturelle Ausnahme findet man beim Peptid Glutathion (GSH). Es besteht aus den Aminosäuren Glutaminsäure, Cystein und Glycin. Die Glutaminsäure hängt jedoch nicht mit der α-Carboxyl-Gruppe an der Aminogruppe des Cysteins, sondern mit der γ-Carboxyl-Gruppe (H · γGlu · Cys · Gly · OH). Glutathion kommt in fast allen Zellen vor und steht im Gleichgewicht mit seiner am Schwefel oxidierten Form (2 GSH → GS-SG + 2 H). Es sorgt für die Aufrechterhaltung eines definierten Redoxpotenzials in den Zellen und kann reaktive Sauerstoffspezies (ROS, z. B. H2O2, Peroxide) abfangen.

Nicht nur Zucker schmeckt süß

Zum Süßen von Speisen und Getränken verwendet man normalerweise Zucker (Saccharose, Rohrzucker). Vor einigen Jahren hat man entdeckt, dass auch der Methylester des Dipeptids aus Asparaginsäure und Phenylalanin (H–Asp–Phe–OCH3) süß schmeckt, wobei die Süßkraft 200-mal größer ist als die von Saccharose. Das sog. Aspartam ist mit seiner Raumstruktur wie Zucker an die Rezeptoren der Geschmacksnerven der Zunge optimal angepasst. Nimmt man z. B. den Ethylester, geht die Süßkraft ganz verloren, verändert man die Konfiguration der Chiralitätszentren, schmeckt die Verbindung plötzlich bitter.
Ob dieser Süßstoff bei längerer Anwendung unbedenklich ist, wird kontrovers beurteilt. Bei Patienten, die durch einen erblichen Enzymdefekt Phenylalanin nicht in Tyrosin umwandeln können und stattdessen Phenylbrenztraubensäure anreichern (Phenylketonurie, PKU), ist die Verwendung von Aspartam auf gar keinen Fall angezeigt, da hier eine strenge phenylalaninarme Diät vorgeschrieben ist.

Aufbau von Peptidketten

In der Natur haben Peptide spezifische Funktionen, die sie nur erfüllen können, wenn die Kette eine bestimmte Sequenz besitzt. Aus den Buchstaben (21 Aminosäuren) werden kurze Worte (Oligopeptide) oder lange (Polypeptide) bzw. sehr lange Texte (Proteine). Nur wenn die Buchstaben an der richtigen Stelle stehen, ergibt das Ganze einen Sinn. Der Aufbau von Peptiden in der Zelle (in vivo) wie im Reagenzglas (in vitro) darf also nicht dem Zufall überlassen bleiben. Es ist erforderlich, jede einzelne Aminosäure für eine gezielte Umsetzung vorzubereiten und die Verknüpfung nach einem festen Bauplan vorzunehmen.
Chemische Synthese.
Im einfachsten Fall, bei der chemischen Synthese eines Dipeptids, derivatisiert (schützt) man die erste Aminosäure an der Aminogruppe (a), die zweite an der Carboxylgruppe (b), damit sich diese Gruppen nicht an der Reaktion beteiligen. Zwischen den freien Gruppen wird die Peptidbindung geknüpft (a + b → c).

Peptidsynthese

Spaltet man vom Dipeptid nur die Schutzgruppe S2 ab (c → d), so kann d an der Carboxylgruppe verlängert werden, indem die im Bauplan nächstfolgende Aminosäure mit freier Aminogruppe und geschützter Carboxylgruppe (e) zur Reaktion gebracht wird (d + e → f). Der Schritt der Kettenverlängerung kann beliebig oft wiederholt werden. Die Schutzgruppen S1 und S2 sind in der Regel Acyl- (S1) und Estergruppen (S2), auf deren Chemie wir hier nicht näher eingehen.

Schutzgruppen

Hervorzuheben ist, dass die Peptidbindung niemals direkt durch Wasserabspaltung zwischen einer Carboxylgruppe und einer Aminogruppe entsteht. Diese Gruppen reagieren in einer Säure-Base-Reaktion miteinander, Anion und Kation stehen sich gegenüber und haben keine Möglichkeit, die Peptidbindung auszubilden. Um diese Limitierung zu umgehen, verwendet man geeignete Kondensationsmittel, die zwischenzeitlich die Carboxylgruppe für den nucleophilen Angriff einer Aminogruppe aktivieren und im Endeffekt Wasser binden. Dicyclohexylcarbodiimid ist ein derartiges Reagenz, es ermöglicht die Ausbildung einer Peptidbindung und wird dabei zum energieärmeren Dicyclohexylharnstoff.

Dicyclohexyl-carbodiimid

Durch chemische Synthese, die sich heute an festen Trägern durchführen und automatisieren lässt (Merrifield-Festphasen-Peptidsynthese), können nur kleinere und mittlere Peptide sequenzrein aufgebaut werden. Immerhin ist man bis zum Insulin (zwei Ketten mit 21 bzw. 30 Aminosäuren) und zur Ribonuclease (124 Aminosäuren) vorgestoßen.
Biologische Synthese.
Die Biosynthese der Oligo- und Polypeptide folgt ganz konsequent dem geschilderten schrittweisen Aufbau. Die wachsende Peptidkette wird immer am Carboxylende mit der nächsten Aminosäure verbunden, indem die neue Aminosäure mit der freien Aminogruppe die aktivierte C=O-Gruppe am Ende der Kette nucleophil angreift. Mechanistisch gesehen erfolgt eine nucleophile Acylsubstitution ( Kap. 16.2.4). In der Zelle findet diese Reaktion an den Ribosomen unter Kontrolle der mRNA (Messenger-Ribonucleinsäure) statt. Die Aktivierung der Carboxylgruppe erfolgt durch eine Esterbindung an der sog. tRNA (Transfer-Ribonucleinsäure). Jede Aminosäure hat ihre eigene tRNA. Die „Buchstaben” werden entsprechend dem Code der mRNA aufgerufen. Die Ribosomen dienen als Werkbank, sie sind der Ort der Proteinbiosynthese. Die beteiligten Trägermoleküle und Enzyme bringen die entscheidenden Gruppen räumlich so nahe, dass der Angriff der Aminogruppe auf das Ester-CO möglich wird (Abb. 19/3). Mehr dazu erfahren Sie in der Biochemie.

Abbau von Peptidketten

Der Abbau von Polypeptiden zu den einzelnen Aminosäuren geschieht durch Hydrolyse und gelingt unter Mitwirkung von Enzymen (Proteasen, Peptidasen) oder chemisch in Gegenwart starker Säuren ( Kap. 16.2.6). Pro Peptidbindung wird ein Molekül Wasser verbraucht. Der Abbau spielt im Stoffwechsel eine große Rolle, weil körperfremdes Protein aus der Nahrung bis zu den Aminosäuren (Buchstaben) abgebaut wird, um daraus dann die körpereigenen Proteine aufzubauen. In der Chemie geht es darum, durch den gezielten Abbau die Primärstruktur (Sequenz) eines Peptids aufzuklären.
Die chemische Totalhydrolyse eines Peptids führt man in 6 m Salzsäure aus und erhitzt 24 Stunden auf 105 °C im geschlossenen Rohr. Im Hydrolysat lässt sich bestimmen, welche Aminosäuren in welcher Menge enthalten sind, was mit Hilfe eines Aminosäure-Analysators weitgehend automatisch gelingt. Die Aminosäuren können z. B. durch Ionenaustauschchromatographie getrennt, im Eluat mit Ninhydrin angefärbt und durch Vergleich der Intensität der Färbung quantitativ erfasst werden. Solche Analysen erfordern nicht mehr als 25 nmol (25 · 10–9 mol) des Peptids.

Totalhydrolyse

Für die Sequenzanalyse wird in Umkehr der Synthese ein stufenweiser Abbau von einem Ende der Kette (meistens dem Aminoende) her durchgeführt. Dafür sind spezielle Reagenzien und Verfahren entwickelt worden, z. B. der Edmann-Abbau oder die Massenspektrometrie nach den Methoden MALDI oder ESI mit MS-MS-Fragmentierungen ( Kap. 22.5). Bei längeren Ketten müssen sog. Partialhydrolysen vorgeschaltet werden oder man greift auf peptidspaltende Enzyme (z. B. Endo- oder Exopeptidasen) zurück, die eine Peptidkette nur vor oder nach bestimmten Aminosäuren hydrolysieren (Beispiele: Trypsin oder Chymotrypsin). Später sind die Daten der Bruchstücke wie bei einem Puzzle zur Gesamtkette zusammenzufügen. Für die Sequenzanalyse stehen heute Automaten zur Verfügung, auch gibt es ergänzend noch genetische Methoden.

Sequenzanalyse

Sekundärstruktur von Peptiden

Große Moleküle mit vielen Einfachbindungen sind in ihrer Raumstruktur flexibel, da sie verschiedene Konformationen einnehmen können. Auf den ersten Blick könnte dies auch für Peptide gelten. Ihre genaue Untersuchung mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse hat jedoch ergeben, dass Peptidketten sich lokal ordnen und stabile Raumstrukturen ausbilden, die man als Sekundärstruktur bezeichnet. Die Stabilisierung der Sekundärstruktur erfolgt durch Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen dem Carbonyl-O-Atom einer und der NH-Gruppe einer anderen Amidgruppe ausgebildet werden. Die NH-Gruppe ist der Donator, die CO-Gruppe der Akzeptor.

Sekundärstruktur

Die lokale räumliche Anordnung einer Peptidkette bezeichnet man als Sekundärstruktur, die durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird.

Um die Sekundärstruktur besser verstehen zu können, werfen wir zunächst einen Blick auf die Eigenschaften und die räumliche Anordnung der Atome einer Peptidgruppe. Säureamide sind unter Einbeziehung des freien Elektronenpaars vom Stickstoffatom mesomeriestabilisiert ( Kap. 16.2.6). Die mesomeren Grenzformeln zeigen, dass die C–N-Bindung partiellen Doppelbindungscharakter besitzt.
Die Mesomerie hat drei Konsequenzen:
  • 1.

    Das Amid-N-Atom zeigt nur geringe Tendenz, ein Proton anzulagern, im Vergleich zu Aminen ist seine Basizität gering. Amide sind in wässriger Lösung neutral.

  • 2.

    Durch den partiellen Doppelbindungscharakter der C–N-Bindung ist die Rotation um diese Bindung eingeschränkt (ähnlich einer C=C-Doppelbindung, Kap. 11.5.2). Für das Peptid lässt sich eine cis- oder trans-Konfiguration formulieren, von denen Letztere normalerweise vorkommt ( Abb. 19/4).

  • 3.

    Alle Atome, die an das Amid-C-Atom und an das Amid-N-Atom gebunden sind, liegen in einer Ebene. Dies bedeutet, dass in einer Peptidkette jeweils immer vier benachbarte Atome der Kette (α-C, CO, N, α-C) koplanar sind. Die Ebenen verschiedener Peptidgruppen bilden an ihrer Nahtstelle, am tetraedrischen α-Atom, einen Winkel zueinander aus.

β-Faltblattstruktur

β-Faltblattstruktur.
Aufgrund der vorgenannten Daten kann sich eine Peptidkette in einer Zickzack-Konformation als sog. β-Strang orientieren. Benachbarte Ketten werden über Wasserstoffbrückenbindungen verknüpft. Die Natur realisiert diese Art Molekülverband mit intermolekularen H-Brücken beim β-Keratin und Seiden-Fibroin. Die maximal gestreckten Peptidketten sind aus sterischen Gründen jedoch nicht koplanar, sondern bilden eine β-Faltblattstruktur aus, d. h., die Ebenen der Peptidgruppen sind gegeneinander gewinkelt (Abb. 19/4). Die Reste R am α-C-Atom stehen senkrecht zur Laufrichtung der Ketten. Proteinfasern, denen eine β-Faltblattstruktur zugrunde liegt, wie z. B. der Spinnenseide, sind besonders reißfest und damit ein interessanter Werkstoff, wenn es gelingt, der Natur den Bildeprozess der Faserbildung abzulauschen.

α-Helix

α-Helix.
Ebenfalls große Bedeutung besitzt die Sekundärstruktur, die als α-Helix bezeichnet wird. Die Peptidkette windet sich zu einer rechtsgängigen Spirale auf, die durch intramolekulare Wasserstoffbrücken stabilisiert wird. Dabei stehen sich die CO-Gruppe in einer Windung und die NH-Gruppe der vierten darauf folgenden Aminosäure in der nächsten Windung gegenüber. Das Gerüst der α-Helix bilden die C- und die N-Atome der fortlaufenden Kette (Abb. 19/5).
Die räumlichen Abmessungen der α-Helix werden durch die gegeneinander gewinkelten Ebenen der Peptidgruppen bestimmt und sind unabhängig von der Sequenz weitgehend konstant (3,6 Aminosäuren pro Windung). Die oft sperrigen Reste R am α-C-Atom der Peptidkette zeigen nach außen und stehen wie Stacheln senkrecht zur Helixachse (Abb. 19/5).
Wichtig zu wissen ist, dass in einer längeren Peptidkette aus z. B. 100 Aminosäuren bestimmte Bereiche als α-Helix und andere Bereiche als Faltblatt nebeneinander vorliegen können und zur gesamten Raumstruktur eines Enzyms beitragen. Als Beispiel ist die Carboxypeptidase gezeigt (Abb. 19/6), die als exo-Peptidase Peptidbindungen vom Carboxylende her spaltet.

Zur Raumstruktur von Peptiden und Proteinen

Raumgestalt der Proteine

Tertiärstruktur

Tertiärstruktur.
Enzyme, auch Biokatalysatoren genannt, sind hochmolekulare Proteine, die sich aus einer oder aus mehreren Polypeptidketten aufbauen. Die Art der Aminosäuren und ihre Sequenz bestimmen die räumliche Struktur eines Enzyms. Ein Buchstabenfehler beim Aufbau der Peptidkette kann somit schwerwiegende Folgen haben, weil die Aktivität eines Enzyms von einer bestimmten räumlichen Anordnung der funktionellen Gruppen abhängt. Die Raumgestalt, zu der eine lange Peptidkette z. B. mit 250 Aminosäuren führt, bezeichnet man als Tertiärstruktur. Sie wird dadurch stabil, dass Teile der Peptidkette als α-Helix oder β-Faltblattstruktur vorliegen und die hydrophilen und hydrophoben Seitenketten am Peptidgerüst untereinander und mit der Umgebung Kontakt haben (Abb. 19/6).

Die dreidimensionale Struktur der gesamten Peptidkette bezeichnet man als Tertiärstruktur.

Quartärstruktur

Quartärstruktur.
Besteht ein Enzym aus mehreren Peptid-Untereinheiten, die gleich oder verschieden sein können, kommt man zur Quartärstruktur. Die Untereinheiten ordnen sich durch nicht-kovalente Kräfte in definierter Weise und entfalten erst als Gesamtstruktur enzymatische Aktivität. Ein Beispiel ist das Hämoglobin, das sich aus vier Untereinheiten aufbaut.

Das molekulare Gerüst eines Enzyms, das aus mehreren Peptid-Untereinheiten besteht, bezeichnet man als Quartärstruktur.

Stabilisierung von Protein-Raumstrukturen
Wir gehen an dieser Stelle der Frage nach, welche Bindekräfte außer den schon genannten Wasserstoffbrückenbindungen bei der Ausbildung der Raumstruktur eines Enzyms oder von Proteinen mit anderer Funktion eine Rolle spielen (Abb. 19/7), und bereiten damit Strukturfragen der Biochemie vor.
Hydratisierung und Denaturierung.
Enzyme lösen sich in Wasser. Solche Lösungen haben wegen der Größe der gelösten Moleküle (Molmasse bis 106 Da) andere Eigenschaften als z. B. eine Kochsalzlösung. Wasser hydratisiert eine Peptid-α-Helix dort, wo hydrophile Gruppen in den Seitenketten vorkommen. Dies gilt auch für die CO- und NH-Gruppen der Peptidkette, die nicht durch Wasserstoffbrückenbindungen untereinander belegt sind.
Wie wichtig die Hydrathülle zur Aufrechterhaltung einer Enzymstruktur ist, erkennt man daran, dass Wasserentzug rasch zum Verlust der biologischen Aktivität führt. Beim Erhitzen, durch Gefriertrocknung oder durch Zugabe von organischen Lösungsmitteln, die Wasser aufnehmen (z. B. Ethanol oder Aceton), flockt ein Protein aus (Denaturierung). Ein ähnlicher Effekt kann oft durch Zugabe größerer Mengen eines Salzes (z. B. wasserfreies Ammoniumsulfat) erreicht werden. Hier konkurrieren die Ionen des Salzes mit dem Protein um die Wassermoleküle. Das „ausgesalzte” Protein geht jedoch beim Verdünnen mit Wasser häufig wieder in Lösung, d. h., der Vorgang ist reversibel und deshalb zur schonenden Abtrennung von Proteinen geeignet.

Denaturierung

Die Enzyme sind ans Wasser optimal angepasst und entfalten ihre Aktivität im Wechselspiel mit diesem. Enzyme sind keine starren Gebilde, sondern zeigen eine fluktuierende Bewegung, die ohne die Hydrathülle nicht denkbar wäre. Gedanklich ist es ein Fehler, nur die Peptidstruktur zu betrachten, wie sie z.B. in einem Kristall erstarrt vorliegt. Andererseits sind wir weit davon entfernt, die Dynamik der Enzyme in Detail zu verstehen.
SDS-Gele.
Das Anion-Detergens Natriumdodecylsulfat (engl. sodium dodecyl sulfate, SDS) lagert sich an Proteine an. Im Überschuss zugesetzt, bringen SDS-Moleküle viele negativ geladene Gruppen ein, die mit polaren Gruppen des Proteins in Kontakt treten. Außerdem hüllt SDS mit seinen Kohlenwasserstoffketten durch hydrophobe Wechselwirkungen entsprechende Molekülteile des Proteins ein. Durch beide Effekte werden nahezu alle nicht kovalenten Wechselwirkungen aufgehoben.
Dies ist der Grund, warum man an einem SDS-Polyacrylamidgel (kurz SDS-Gel) die Molmasse von Proteinen in der Elektrophorese (Abk. PAGE = Polyacrylamid-Gelelektrophorese) bestimmen kann. Das an ein Protein gebundene SDS verleiht dem Molekül eine große negative Nettoladung, die Eigenladung des Proteins spielt keine Rolle mehr. Da die verschieden großen Proteine durch das SDS ein vergleichbares Massen-Ladungs-Verhältnis aufweisen, kommt es im elektrischen Feld zur Trennung nach Molmassen. Kleine Proteine wandern im SDS-Gel rascher zur Anode als große.

Elektrophorese

Elektrostatische Anziehung.
Die sauren und basischen Gruppen der Aminosäure-Seitenketten in Proteinen (z. B. –COOH der Glutaminsäure, –NH2 des Lysins) unterliegen bezüglich der Säure/Base-Eigenschaften in wässriger Lösung den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie einfache Aminosäuren. Dies bedeutet, dass diese Gruppen überwiegend als Anion (–COO) und Kation (–NH3) vorliegen und das Protein – je nach pH-Wert – eine mehr negative oder mehr positive Ladung besitzt und einen isoelektrischen Punkt hat, der von Protein zu Protein verschieden ist. Die Elektrophorese findet somit auch bei der Charakterisierung und Trennung von Proteinen Verwendung, weil es saure, neutrale oder basische Proteine gibt.
In einem größeren Molekül kommt es zwischen gegensinnig geladenen Gruppen zu einer elektrostatischen Anziehung, während Reste mit gleichem Vorzeichen der Ladung sich abstoßen. Diese Kräfte hängen vom pH-Wert des Milieus ab, d. h., pH-Änderungen beeinflussen die Proteinstruktur. Für jedes Enzym gibt es einen pH-Wert, bei dem es ein Optimum an katalytischer Aktivität erreicht.
Hydrophobe Wechselwirkung.
Die Seitenketten am α-C-Atom der Aminosäure-Bausteine einer Peptidkette tragen nicht nur hydrophile Gruppen, sondern auch reine Kohlenwasserstoffreste mit hydrophoben Eigenschaften ( Tab. 19/1 und Tab. 19.2). Solche Reste meiden den Kontakt mit dem Wasser, treten lieber mit ihresgleichen in Wechselwirkung ( Kap. 16.1.3 und 17.2). Als Folge faltet sich eine Peptidkette so, dass sich die hydrophoben Reste untereinander nahe kommen und das Wasser in ihrer Umgebung verdrängen. Dabei wird zwischen diesen Resten außer schwachen Van-der-Waals-Kräften keine eigentliche Bindung wirksam. Im Grunde ist es das Wasser, das die Gruppen zusammendrängt und eine Klammer um sie legt. Die Hydratationssphäre des Moleküls weist dadurch eine geringere Ordnung auf. Dies entspricht einer Zunahme der Entropie eines Systems (ΔS positiv), was thermodynamisch günstig ist, weil ΔG negativ wird ( Kap. 6.4.4).
Disulfidbrücken.
Thioalkohole lassen sich zu Disulfiden oxidieren ( Kap. 13.3.2). Dies gelingt auch bei der Aminosäure Cystein, die zum Disulfid Cystin wird. Durch ein Reduktionsmittel wird aus Cystin wieder Cystein.
Cysteinreste in Peptidketten können bei geeigneter Anordnung ebenso reagieren und durch eine kovalente S–S-Bindung Molekülteile verbrücken ( Abb. 19/7). Verglichen mit der elektrostatischen bzw. hydrophoben Wechselwirkung ist die kovalente Bindung der Disulfidbrücke sehr stabil. Meist sind in einem größeren Protein mehrere Disulfidbrücken vorhanden, zuweilen auch zwischen verschiedenen Peptidketten. Ein Beispiel dafür ist das Insulin. Durch milde Reduktionsmittel wie Mercaptoethanol oder Dithiothreitol (DTT) kann man Disulfidbrücken in Proteinen reduktiv spalten.

Disulfidbrücke

Der Friseur modelliert Proteine

Haare bestehen u. a. aus α-Keratin-Fasern. α-Keratine sind helicale Strukturproteine mit einem hohen Cystein-Anteil in den Peptidketten. Diese Ketten werden durch Disulfidbrücken quervernetzt und so in ihrer Faserstruktur stabilisiert. Um eine Frisur mit Dauerwellen oder Locken zu gestalten, greift der Friseur zur Chemie. Mit einem Reduktionsmittel werden die Disulfidbrücken der Faser gespalten, dann gestaltet der „Haarkünstler” die Frisur und sorgt am Ende mit einem Oxidationsmittel für die Rückbildung der Disulfidbrücken in der neuen Anordnung der Fasern. Diese Anordnung ist jetzt stabil und kann durch Waschen und Trocknen nicht wieder aufgelöst werden, sie verliert sich jedoch mit der Zeit, weil das normale Haar nachwächst.
Chelatkomplexe.
Mit ihren polaren Gruppen in den Seitenketten (z. B. von Serin, Asparaginsäure, Lysin) können Proteine auch Chelatkomplexe mit Metallionen ausbilden, in denen diese Gruppen, und damit das ganze Molekül, in einer bestimmten räumlichen Struktur fixiert sind ( Kap. 10.6 und 19.1.5). Nicht immer sind alle Ligandenplätze des Zentralions mit Gruppen der Aminosäure-Seitenketten besetzt, sondern auch mit kleineren Hilfsmolekülen oder Wasser. In manchen Enzymen ist ein Metallion (z. B. Zn2, Cu2) für die katalytische Funktion unentbehrlich, um die „aktive” Konformation zu stabilisieren oder um im aktiven Zentrum die gewünschte Reaktion zu katalysieren.

Insulin

Insulin wird in den Inselzellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) produziert und dort in Vesikeln gespeichert. Es ist ein endokrines Peptidhormon, das sich aus zwei Peptidketten zusammensetzt, der A-Kette mit 21 Aminosäuren und der B-Kette mit 30 Aminosäuren (Molmasse 5 700 Da). Die Sequenz der beiden Ketten ergibt sich aus Abbildung 19/8 und die Tertiärstruktur aus Abbildung 19/9. Aminoende (Position 1) und Carboxylende (Position 21 bzw. 30) werden nicht mehr durch H bzw. OH markiert. Die Peptidketten sind miteinander über zwei Disulfidbrücken vernetzt. Eine dritte Disulfidbindung sorgt für eine Schleife innerhalb der A-Kette. Der Raumstruktur (Abb. 19/9) ist zu entnehmen, dass die Peptidketten auch helicale Bereiche aufweisen. In Gegenwart von Zn2-Ionen bildet Insulin leicht Dimere, die sich zu Hexameren als Depotform zusammenlagern.
Das hier vorgestellte Humaninsulin wird heute zur Behandlung von Diabetes eingesetzt. Für seine Herstellung gibt es zwei Wege:
  • 1.

    Im Schweineinsulin, das in Position 30 der B-Kette Alanin enthält, wird diese Aminosäure chemisch-enzymatisch gegen Threonin ausgetauscht.

  • 2.

    Die Biosynthese-Gene für das Humaninsulin werden in das Genom eines Bakterienstammes integriert. Das Bakterium ist dann in der Lage, mit seinem Stoffwechsel Peptidvorstufen zu bilden, die sich in Humaninsulin umwandeln lassen.

Da der Prozentsatz an Diabetikern in der Bevölkerung der Industrieländer kontinuierlich ansteigt, ist der Bedarf an Humaninsulin weltweit steigend, d. h., die gentechnischen Methoden zur Insulingewinnung werden ständig weiterentwickelt.
Insulin-Analoga.
Aus der gentechnischen Forschung sind Insulin-Analoga hervorgegangen, die nach s. c. Applikation rascher wirken als Humaninsulin. Dieser Effekt wird erreicht, wenn man z. B. Prolin (Pro) und Lysin (Lys) in Position 28 und 29 der B-Kette vertauscht (Insulin lispro) oder in Position 28 Prolin gegen Asparaginsäure (Asp) austauscht (Insulin aspart). Den umgekehrten Effekt einer langsamen, kontinuierlichen Freisetzung von der Injektionsstelle aus erreicht man z. B. mit dem Insulin-Analogon glargin. Hier sind unter Anwendung gentechnischer Methoden am Carboxylende der A-Kette Asparagin (Asn) gegen Glycin (Gly) ausgetauscht und am Carboxylende der B-Kette zweimal die stark basische Aminosäure Arginin angehängt worden (Verlängerung der B-Kette). Dadurch verändert sich der isoelektrische Punkt des Insulins und es vermindert sich die Löslichkeit im subcutanen Gewebe bei pH = 7,4. Die Beispiele zeigen, dass kleine Änderungen in der Aminosäuresequenz eines Peptids dessen ursprüngliche Eigenschaften deutlich beeinflussen.

Ein Peptid reguliert den Zuckerstoffwechsel

Die Glucose-Konzentration im Blut (Blutzuckerspiegel) sollte beim gesunden Menschen < 100 mg/dL sein. Die Erhöhung, die nach einer Mahlzeit eintritt, wird durch die Freisetzung von Insulin aus dem Pankreas gesenkt. Dies gelingt durch den Eingriff in den Stoffwechsel an verschiedenen Stellen. Insulin ist z. B. der Schlüssel für die Aufnahme von Glucose in die Zellen der meisten Gewebe, es fördert u. a. die Glykogenbildung in der Leber und hemmt sowohl die Gluconeogenese als auch die Lipolyse. Die Wirkung von Insulin erfolgt über Rezeptoren an den Zielzellen.
Das Syndrom Diabetes mellitus (= süßer Harnfluss, Zuckerkrankheit) basiert auf unterschiedlichen genetischen Voraussetzungen, die Hyperglykämie als Folge einer reduzierten Insulinsekretion und/oder einer gestörten Insulinwirkung haben. Sowohl ein zu hoher als auch ein zu niedriger Blutzuckerspiegel können zur Bewusstlosigkeit führen.
Typ-1-Diabetes tritt meist im jugendlichen Alter auf und basiert häufig auf einer immunologisch vermittelten Zerstörung der β-Zellen im Pankreas. Bei manchen Patienten manifestiert sich der Typ-1-Diabetes erst im Erwachsenenalter. Der Insulinmangel muss lebenslänglich durch Insulininjektionen (s. c.) ausgeglichen werden.
Typ-2-Diabetes tritt meist jenseits des 50. Lebensjahres auf und basiert auf einer Insulinresistenz (relativer Insulinmangel) und im Verlauf zunehmend auf Insulinsekretionsstörungen. Therapeutisch kann anfangs durch Ernährung, Bewegung und orale Antidiabetika geholfen werden. Im Verlauf dieser Krankheit ist oft ein Wechsel zu einer intensivierten Therapie mit Insulinen notwendig. Immer mehr Kinder und Jugendliche haben Übergewicht, dadurch nimmt leider der Anteil der Diabetiker unter 50 J. stetig zu.
Der Tagesbedarf an Insulin beträgt 0,3 – 0,5 IE pro kg Körpergewicht. Je nach Reinheit entspricht 1 mg Insulin 25 – 30 IE.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Beispiele, Gleichungen oder Formeln angeben können:

Primärstruktur – Sequenz – Peptidbindung – Oligopeptide – Polypeptide – Proteine – N-Terminus, C-Terminus – Biopolymere – Peptidsynthese – Totalhydrolyse – Sequenzanalyse – Sekundärstruktur – Tertiärstruktur – Quartärstruktur – Enzym – Disulfidbrücke – Denaturierung – SDS – hydrophobe Wechselwirkung.

Aufgaben

  • 1.

    Welche Dipeptide können entstehen, wenn zwei verschiedene Aminosäuren in einer Reaktionslösung einem Kondensationsmittel ausgesetzt sind? Geben Sie die vollständige Strukturformel an (Reste am α-C-Atom mit R1 und R2 unterscheiden).

  • 2.

    Geben Sie für das Tripeptid H · Glu · Cys · Gly · OH die Strukturformel an! Markieren Sie das Amino- und Carboxylende! Vergleichen Sie dieses Tripeptid mit Glutathion, wo liegt der Unterschied?

  • 3.

    Hat vorstehende Verbindung einen isoelektrischen Punkt?

  • 4.

    Wie viele Konstitutionsisomere gibt es vom Tetrapeptid H · Ala · Gly · Cys · Ser · OH? Formulieren Sie eines davon.

  • 5.

    Warum benötigt man bei der chemischen Synthese von Peptidketten Schutzgruppen?

  • 6.

    Warum reagieren Carboxylgruppe und Aminogruppe nicht direkt zum Säureamid?

  • 7.

    Wie viele Moleküle Wasser verbraucht ein Hexapeptid bei der Totalhydrolyse? Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Hydrolyse von Glu-Cys-Ala-Ala-Ser-Gly-Phe.

  • 8.

    Wie werden die Aminosäuren eines Totalhydrolysates im Aminosäure-Analysator getrennt?

  • 9.

    Was versteht man unter Sequenzanalyse?

  • 10.

    Bei der Hydrolyse eines Tripeptids entstehen äquimolare Mengen Alanin, Glycin und Lysin. Welche Sequenz hat das Tripeptid?

  • 11.

    Wie wird bei Peptiden die Sekundärstuktur stabilisiert?

  • 12.

    Wie groß ist die Bindungsenergie (kJ/mol) einer Wasserstoffbrückenbindung ungefähr?

  • 13.

    Bezüglich der Peptidbindung existieren cis/trans-Isomere. Geben Sie für das Glycyl-glycin beide Formen an!

  • 14.

    Die Tertiärstruktur eines Polypeptids wird durch kovalente und nicht-kovalente Wechselwirkungen stabilisiert. Nennen Sie je ein Beispiel!

  • 15.

    Wozu dient das SDS-Gel in der Proteinanalytik? Was versteht man unter PAGE?

  • 16.

    Haben Proteine einen isoelektrischen Punkt? Begründen Sie die Antwort!

  • 17.

    Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Zahl der Aminosäuren, die ein Enzym aufbauen, und seiner katalytischen Aktivität?

  • 18.

    Nennen Sie drei Methoden zur Denaturierung von Proteinen. Welche davon ist reversibel?

  • 19.

    Wie würden Sie beim Insulin die A-Kette von der B-Kette trennen?

  • 20.

    Kann man Insulin oral verabreichen? Begründen Sie die Antwort!

Bedeutung für den Menschen

Aminosäuren und Peptide

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