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K. M. Arndt, 2007 Aminosäuren und Peptide Dr. Katja Arndt Institut für Biologie III http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka

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K. M. Arndt, 2007

Aminosäuren und Peptide

Dr. Katja ArndtInstitut für Biologie III

http://www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka

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Genetischer Code

Basentripletscodieren fürAminosäuren

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Aminosäuren

Aminosäuren (Aminocarbonsäuren) sind eine Klasse kleiner organischerMoleküle mit mindestens einer Carboxylgruppe (–COOH) und mindestens einer Aminogruppe (–NH2). = Aminocarbonsäuren

• 20 Aminosäuren über Basentriplets codiert, spezifische t-RNA vorhanden.

• Weitere Aminosäuren durch Modifikation erzeugt

Definition:

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Amino-Carbonsäuren

• einfachste Aminosäure, enthält nur Carboxyl- und Aminogruppe

• α-Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 2. Kohlenstoffatom, einschließlich Carboxyl- Kohlenstoffatom

• einfachster Vertreter: Glycin(proteinogen)

• meist synonym für proteinogeneAminosäuren (Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde

• β-Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 3. Kohlenstoffatom

• einfachster Vertreter: β- Alanin.

• γ- Aminosäuren: Aminogruppebefindet sich am 4. Kohlenstoffatom

• einfachster Vertreter: γ-Aminobuttersäure (GABA)

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Die proteinogenen Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde. Sie sind neben den NukleinsäurenGrundbausteine des Lebens.

Aminosäuren = L-α-Aminosäuren = = proteinogene Aminosäuren = Standardaminosäuren

Einfachster Vertreter ist Glycin.

Aminosäuren = SYNONYM für eine Gruppe von α-Aminosäuren (hauptsächlich L-α-Aminosäuren): die proteinogenen Aminosäuren.

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Biologisch relevante Aminosäuren

Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihre Seitenkette, die auch Aminosäurerest oder kurz Rest (bzw. R ) genannt wird.

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Chiralität = Bild kann durch Drehung nicht mit dem Original zur Deckung gebracht werden kann.

• Beispiel: Hände, nur durch eine Spiegelung und nicht nur durch eine einfache Drehung auf sich selbst abgebildet werden.

• Ist der Rest R verschieden von den anderen Substituenten die sich am Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so ist dieses Kohlenstoffatom chiralund es existieren von der entsprechenden Aminosäure zwei Enantiomere.

Enantiomere (Stereoisomere)

Chiralität

• Enthält der Aminosäurerest weitere chirale Kohlenstoffatome, so erhöht sich die Zahl der möglichen Enantiomere der entsprechenden Aminosäure.

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Bis auf die Aminosäure Glycin existieren von jeder dieser Aminosäuren zwei Enantiomere. Dabei ist nur eines der beiden Enatiomere proteinogen und zwar die "linksdrehende" L-Aminosäure

Proteinogene (proteinaufbauende) Aminosäuren sind L-Aminosäuren

L- und D-Aminosäuren

Der Mensch selbst nutzt 20 proteinogene Aminosäuren:

•12 im menschlichen Organismus durch Mikoorganismen synthetisierte• 8 essentielle

"Rechtsdrehende" D-Aminosäuren kommen in Lebewesen vereinzelt vor. Sie werden dann aber unabhängig vom proteinogenen Stoffwechsel synthetisiert und bleiben daher nichtproteinogen. Sie werden z.B. in der bakteriellen Zellwandund kurzen bakteriellen Peptiden wie Valinomycin (siehe Carrier) eingebaut.

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Aminosäuren

kann sehr unterschiedlich sein:

hydrophob - hydrophilgroß - kleinsauer, basischgeladen - ungeladenpolar- apolar...

R

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Hydrophobe Aminosäuren

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Cystein: Disulfidbrücken

Die Aminosäure Cystein besitzt eine Thiolgruppe –SH, die sehr leicht mit einer zweiten Thiolgruppe zu einem Disulfid, dem Cystin reagieren kann:

CH2

HH

HN

HOOCC

S S

CC

O O H

NH

HH

CH2

+ 2 H+ + 2 e-

CH2

HH

HN

HOOCC

SHCH2

HH

HN

HOOCC

S H

+

Disulfidbrücke

Cystin

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Polare Aminoäsuren

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Geladene Aminosäuren

Basisch / positiv geladen

Sauer / negativ geladen

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Gruppierung der Aminosäuren nach Eigenschaften

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Essenzielle Aminosäuren für den Menschen

Merksatz für essentielle Aminosäuren (L-F-W-M-I-K-V-T)Leider fehlen wichtige Moleküle im Körper vieler Tiere.

Leucin (L)Phenylalanin (F)Tryptophan (W)Methionin (M)Isoleucin (I)Lysin (K)Valin (V)Threonin (T)

(Bei Kindern: Arginin (R))

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- Aminosäuren, die nicht in Proteine eingebaut werden

- Bsp.: 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) (Neurotransmitter)

γ-Aminobutyrat (inhibitorischer Neurotransmitter)

1. Aminosäuren

H3NO

ONH3

O

O

O

O

- CO2

Glutamat γ-Aminobutyrat

OH

OHO

O

NH3OH

O

O

NH3

Tyrosin 3,4-Dihydroxyphenylalanin

Nicht-proteinogene Aminosäuren

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Zwitterion kann als Säure oder als Base reagierenAminosäuren sind Ampholyte und besitzen Puffereigenschaften

In saurer Lösung nimmt COO−-Gruppe ein Proton auf das Zwitterion reagiert zum Kation.

In alkalischer Lösung gibt die NH3+-gruppe ein Proton ab das Zwitterion wird zum Anion.

Es handelt sich dabei um Protolysegleichgewichte, der Lage vom pH-Wert abhängt

Säure-Base Eigenschaften

HH2N

R

O OH

HH3N

R

O O

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1. Aminosäuren

H3N R

COOH

HH3N

COO

H

R H2N

COO

H

R

Monokation:überwiegt beipH< 1

Zwitterion:überwiegt beipH = 6

Monoanion:überwiegt bei pH > 13

+ OH + OH

+ H + H

Glycin bei verschiedenen pH-Werten

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Titrationskurve von Histidin

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Säure-Base Gleichgewicht

Säure Base

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- IEP: c(Anion) = c(Kation)

→ alle Ladungen neutralisiert

- Berechnung: Mittelwert der beiden pKa-Werte

- Ausnahme: bei Aminosäuren mit basischer oder saurer

Seitenkette

pI = ___________pK1 + pK2

2

1. Aminosäuren

Isoelektrischer Punkt

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Proteinogene Aminosäuren Übersicht

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Nachträgliche Veränderungen der Aminosäuren(Posttranslationale Modifikationen)

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C CO

O H

H

HN

H

HC C

O

O H

H

CH3

NH

H+

Peptidbindung

Carboxylgruppe der einen Aminosäure reagiert mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung. Es handelt sich dabei wie bei einer Veresterung um eineKondensationsreaktion.

Glycylalanin

AlaninGlycin

C CH

HN

H

H

ON

CH3

H

HO

OCC

H+ O

H

H

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Aminosäure Kette

Syntheserichtung des Proteins im Ribosom

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Translation

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Peptidbindung

Röntgenstrukturuntersuchungen:• C-N-Abstand in der Peptidgruppe ist mit 132 pm kleiner als der in

einer C-N-Bindung in Aminen (147 pm). • Alle an der Peptidbindung beteiligten Atome liegen in einer Ebene.• Keine freie Drehbarkeit um die C-N-Achse.

Deutung:Doppelbindung in Peptidbindung „pendelt“ zwischen C=O und C=N. Bindungszustand kann durch mesomere Grenzformeln wiedergegeben werden:

C NC

CO

HC N

C H

CO- +

Folge: Starrheit der Peptidstruktur, hohe Bindungsstabilität.

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Peptidbindung

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Erlaubte Konformationen in der Peptidkette

so nicht ->

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Ramachandran-Diagramm

Helices in Proteinen sind rechtsgängig

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! Das sind grobe Abgrenzungen, da keine genaue Abgrenzung gemacht werden kann.

Generell bezeichnet man die Anzahl der Aminosäuren, aus denen ein Peptidmolekül besteht, auch als Kettenlänge. Nach der Anzahl der Amino-Bausteine unterscheidet man:

Dipeptide (2)Tripeptide (3)Oligopeptide (2-9)Polypeptide (10-100)

Proteine (Makropeptide) (>100)

Peptide

DipeptideDie zu den Oligopeptiden gehörenden Dipeptide entstehen als Zwischenprodukte bei der enzymatischen gesteuerten Verdauung von Proteinen (Polypeptiden). Sie werden von Dipeptidasen in Aminosäuren zerlegt.

OligopeptideOligopeptide spielen z.B. als Bestandteile von Enzymen bei Entgiftungs-, Transport- und Stoffwechselprozessen eine Rolle

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Was sind Peptide?

• Organische, chemische Verbindung, die aus einer Verknüpfung mehrerer Aminosäuren hervorgeht

• einzelnen Aminosäuren (ca. 50 bis 100) in definierter Reihenfolge (Sequenz) ,zu meist unverzweigten Ketten verbunden

• Aminosäuren im Peptid sind über Amidbindung miteinander verknüpft

• wegen großer Bedeutung der Peptide in der Biochemie & organischen Chemie heißt Bindungsform häufig auch „Peptidbindung“

• Peptide unterscheiden sich von Proteinen allein durch Größe

• Trennung zwischen Peptiden & Proteinen mehr oder weniger willkürlich

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Bedeutung von Peptiden

• in der Natur werden Peptide in der Regel durch Proteinbiosynthese gebildet

• Information über Sequenz/ Abfolge der Aminosäuren in DNA codiert

• Peptide erfüllen große Anzahl an Funktionen, Wirkungsweise aber nicht immer verstanden

• Beispiele für Peptide: – wirken als Hormone– zeigen entzündungshemmende oder -fördernde Wirkung– antibiotische und antivirale Peptide– opioide Peptide

• Bsp.: Erythropoetin ist Peptidhormon, das Bildung & Reifung roter Blutkörperchen im Knochenmark anregt (seit vielen Jahren gentechnisch hergestellt & tritt immer wieder bei Dopingfällen im Sport auf)

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HOOC

NH2

H

O

OCOOHN

NH

S

S

HN

N COOHO

O

H

NH2

HOOC

Biologisch wichtige Peptide

Glutathion:Tripeptid Glu-Cys-GlyThiolgruppe –SH im Cystein ist leicht oxidierbar ⇒ Disulfid-brücke zu zweitem Glutathion-Molekül unter Abspaltung von Wasserstoff =Dehydrierung.Wirkt als Redoxsystem in Blut und Muskeln.

Glutaminsäure Cystein Glycin Glutathion-Disulfid

Dehydrierung

HOOC

NH2

H

O

OCOOHN

NH

HS

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Cys TyrSSCysPro

AsnLeu Gly NH2

Glu

Ile

Biologisch wichtige Peptide

Cys TyrSSCysPro

AsnArg

Glu

Phe

NH2Gly

Ocytocin:

Ringförmiges Peptidhormon mit intramolekularer Disulfidbrücke, löst Kontraktionen in Gebärmutter- und Brustdrüsenmuskulatur aus.

Vasopressin:

Peptidhormon, Rückresorption von Wasser in den Nieren, Blutdrucksteigerung.

Unterscheidet sich nur in zwei Aminosäuren von Ocytocin.