Aminos äuren, Peptide, Proteine

2

- essentielle Aminosäuren: werden im Organismus nicht aufgebaut, sie müssen mit Nahrung-bzw. Futtermittel aufgenommen werden

- Einteilung nach der Struktur der R Gruppe:

unpolare polare

basische saure neutrale

- Allgemeine Formel der Aminosäuren : R CH

NH2

COH

OAMINOSÄUREN

- 20 proteinogene Aminosäuren:Produkte der hydrolytischen Spaltung der Proteine

3

CH3

CHCH3

CH3

CH CH2

CH3

CH3

H

CHCH3CH2

CH3

CH3 S CH2 CH2

Glycin Gly

Alanin Ala

Valin Val

Leucin Leu

Isoleucin Ile

Methionin Met

R (unpolar) Name

R CH

NH2

COH

O

4

R (unpolar) Name

CH2

NH

HN COOH

Phenylalanin Phe

Tryptophan Trp

Prolin Pro

R CH

NH2

COH

O

5

HO CH2

HO CH

CH3

HS CH2

C CH2

O

H2N

C CH2

O

H2N CH2

R (polare) Name

Serin Ser

Threonin Thr

Cystein Cys

Asparagin Asn

Glutamin Gln

R CH

NH2

COH

O

6

R (polare) Name

HOOC CH2

HOOC CH2 CH2

CH2HO

H2N CH2 CH2 CH2 CH2

NH CH2 CH2 CH2CHN

H2N

HN

N

CH2

Asparaginsäure Asp

Glutaminsäure Glu

Tyrosin Tyr

Lysin Lys

Arginin Arg

Histidin His

saure

basische

R CH

NH2

COH

O

7

Physikalische Eigenschaften

- kristalline Stoffe mit hohen Schmelzpunkten- funktionelle Gruppen: -NH2, bzw. -COOH

basische Gruppe

saure Gruppe

Säure

Base

R CH COOH

NH2

R CH

NH3

COO

- zwitterionische Struktur

Zwitterion: ein Molekül, das gleichzeitig ein Zentrum positiver und ein Zentrum negativer Ladung enthält

8

R CH

NH3

COO + HCl

NH3

COOHCHR + H2O

- Salzbildung mit Säuren

R CH

NH3

COO + NaOH

NH2

COO NaCHR + H2O

- Salzbildung mit Basen

Cl

9

_ +CH2

NH3

COOCH

(CH2)4NH3

COOH3N CH

CH2COO

COOH3N

Lysin (9,7) Glycin (6,0) Asparaginsäure(3,0)

Elektrophorese:Wanderung im elektrischen Feld

- Isoelektrischer Punkt der Aminosäuren

saure Lösungalkalische Lösung isoelektrischer Punktneutrales Zwitterion, keine Nettoladung

NH3

COOHCHRR CH

NH3

COO

NH2

COOCHROH OH

H H

10

Reaktionen der Amino-Gruppe

- N-Methylierung R CH

NH2

COOH(CH3)2SO4

R CH

N

COO

H3C CH3

CH3

Betain

- Hydroxymethylierung R CH

NH2

COOH R CH COOH

NH2C CH2

OH OH

CH2O

Titration mit NaOH:Sörensen-Titration

- Acylierung schwache saure Eigenschaften

R CH

NH2

COOH R CH COOH

NH C

O

R'

R' C

O

Cl

+-HCl

CH2O C

O

Cl

R CH COOH

NH C

O

O CH2

H2/PdR CH

NH2

COOHR CH

NH2

COOH

CO2 CH3+

geschützte AminosäureEntfernung der Schutzgruppe

11

- Oxidation R CH

NH2

COOH R C COOH

O

NH3+ Desaminierung

Reaktionen der Carboxylgruppe

- Bildung von Metallkomplexen,z.B. mit Cu 2+-Ionen R CH

C

NH2

OO

CH

CO O

RH2N

Cu

- EsterbildungR CH

NH2

COOH R CH

NH2

COOR'R'OH/HX

- van Slyke-Reaktion R CH

NH2

COOH R CH

OH

COOH + N2 + H2O

volumetrischeBestimmung von N 2,bzw. der Aminosäuren

12

Reaktionen in der Seitenkette

Cystein Cystin

HOOC CH CH2

S S

CH2 CH COOH

NH2NH2

Red

Ox2 CH2 CH

NH2

COOH

SH

Disulfidbrücke (-S-S-)

- Decarboxylierung

R CH2 NH2R CH

NH2

COOH-CO2

Biogene Aminez.B.Histidin HistaminTryptophan TryptaminTyrosin TyraminLysin Cadaverin

13

- Konfiguration der Aminosäuren

α-Kohlenstoff-Atom: Chiralitätzentrum

L-Aminosäure D-Aminoäure

C C

COOH COOH

NH2H2N H H

R R

- nach dem D/L-Kennzeichnungssystem

L-Glycerinaldehyd:die linksdrehende Form von Glycerinaldehyd

- Referenzverbindung (Bezugssystem)

CHO

CH2OH

HO HC

CHO

HO

CH2OH

C

H

14

Fischer ProjektionsformelnGrundlage der zweidimensionalen Darstellung der (dreidimensionalen) chiralen Moleküle

CHO

HO

CH2OH

C

H

Projektion nach bestimmten Regeln

Substituenten in horisontaler Ebene (HO, bzw. H),die zum Betrachter ausgerichtet sindSie finden sich vor der Papierebene (ausgezogene Striche oder keilartige Dreiecke)

Substituenten in vertikaler Ebene (CHO, bzw. CH2OH),die vom Betrachter ausgerichtet sindSie finden sich hinter der Papierebene (punktierte Linien)

CHO

HO

CH2OH

C

H

ProjektionCHO

CH2OH

HO HCHHO

CH2OH

CHO

Fischersche Projektionsformel von L-Glycerinaldehyd

15

Im Cahn-Ingold-Prelog- (R/S) System:

In den natürlich vorkommenden Aminosäuren hat das Chiralitätszentrum eine (S)-Konfiguration

Im allgemeinen: L Sund D R

16

Peptidbindung (E. Fischer)

Peptide

CH

R1

COH

OH2N +

-H2OO

OHC

R2

CHH2N H2N CH

R1

NH CH

R2

COH

O

C

O

- Bildung der Dipeptide

Aminosäure 1 Aminosäure 2 Dipeptid

z.B. R1 = H R2 = CH3 Dipeptid: Glycyl-AlaninGlycin Alanin

freie AminogruppeN-terminale Aminosäure

freie CarboxylgruppeC-terminale Aminosäure

Struktur der Peptide

H2N CH CR1

ONH CH COOH

R2

17

N CH C

R1

H

H OH

O

N CH C

R2

H

H

OH

O

N CH C

R3

H

H

OH

O

+ ++ +

N CH C

R1

H O OH

R2

CCHN

OH

R3

CCHN

-nH2O

- Bildung der Polypeptide

Polypeptid-Kette

NC

CN

CC

NC

CN

CC

O

O

O

O

H

H

H

HR R

R R

H

H

H

H

1

2

3

4

18

- PeptidsyntheseH2N CH2 COOH H2N CH COOH

CH3

1. Einführung der Schutzgruppe in AS1

HN CH2 COOH

Q Q = PhCH2O C

O

HN CH2 CON3

Q

2. Aktivierung der Carboxylgruppe der AS1

H2N CH COOCH3

CH3

3. Schutz der Carboxylgruppeder AS2

NH CH COOCH3

CH3

COCH2NHQ4. Knüpfung der Peptidbindung

NH CH COOH

CH3

COCH2H2N5. Abspaltung der Schutzgruppen

N-terminaleAminosäure

C-terminaleAminosäure

z.B. Synthese von H-Gly-Ala-OH Gly (AS1) Ala (AS2)

19

- Festphasen-Synthese (Merrifield-Synthese)

Merrifield-Synthese: eine Methode von hoher Leistungsfähigkeitz.B. Synthese des Ribonuclease Enzyms (Rindpancreas):

Peptidkette mit 124 Aminosäuren, 6 Wochen (1969)

Cl

HOOC CH

R

NHBoc

C CH

R

NHBoc

O

O

Polystyrolträger

- Verankerung der wachsende Peptidkettean einem Polystyrolträger

- Anknüpfung neuer Bausteine

- Dosierung der Reagenzien- Auswaschen des Überschusses

automatisierbare Operationen

20

Strukturanalyse der Peptide

1.) Welche Aminosäurereste bauen das Peptidmolekül auf?

2.) Wie viele von ihnen sind im Molekül vorhanden?

3.) Die Reihenfolge (Sequenz), in der sie aufeinanderfolgen?

TrennungIdentifizierung,

+quantitativeBestimmungin automatisiertenGeräten

(Aminosäure-Analysatoren)

Polypeptide

vollständigeHydrolyse

Aminosäuren

Frage 1.) und 2.): Bausteinanalyse

an Ionenaustauschern

21

- Identifizierung des N-endständigen Restes

Frage 3.): Sequenzanalyse

CH

R1

NH C

O

CH NH2

R2

FNO2

NO2 CH

R1

NH C

O

CH NH

R2

NO2

NO2

Hydr. Aminosauren + HOOC CH NH

R2

NO2

NO2

DNP-Aminosaure

hydrolytische Spaltung hier

- DNP-Methode (Sanger-Methode)

DNP = Dinitrophenyl-Derivat

22

- Phenylthiohydantoin- Methode (Edman-Abbau)

+CCH

NH C

N

R O

S

NH2

Peptid(n-1 Aminosäure)N-terminale Aminosäure Phenylthiohydantoin

Die verbleibende Peptidkette kann erneut dieser Reihenfolge unterworfenwerden, so daß Teilsequenzen einer Peptidkette ermittelt werden können!!

CH NH2HNOC

R

NCS

NCS

PhenylisothiocyanatN C S

23

- Identifizierung des C-endständigen Restes

COOH

O

C NH CH

R

C2H5OH

R

CHNHC

O

CH2OH

R

CHNHC

O

COOC2H5

LiAlH4

HydrolyseCH2OHH2N CH

Rβ-Aminoalkohol

Peptidkette (n AS)

+n - 1 Aminosäuren

24

- Spaltung durch Anwendung substratspezifischer Enzyme

*z.B. Protease, Trypsin, Chymotrypsin

selective Spaltungder Peptidkette

GesamtpeptidketteEnzym*

verschiedene Oligopeptide

Bausteinanalyse, Endgruppenbestimmung, usw.

25

Einige natürlich vorkommende Peptide

Oligopeptide: 2-9 Aminosäuren (AS)Polypeptide: 10-50 ASProteine: > 50 AS

- Glutathion (GSH) Glu – Cys – Gly - Überträger bei Redoxprozessen in Tripeptid lebenden Org.

- wirkt antioxidant (GSH GSSG)- Oxytocin

- Hormon des Hypophysen-Hinterlappens- bewirkt Uteruskontraktion

2NHGlyLeuPro

GlnAsnCysS

IleTyrCysS 1 3

6

9

Nonapeptid

- Vasopressin - Hormon des Hypophysen-Hinterlappens- erhöht den Blutdruck

2NHGlyArgPro

GlnAsnCysS

PheTyrCysS 1 3

6

9

Nonapeptid

26

- Gramicidin-S - erzeugt durch Bacterium brevis- Cyclopeptid mit D-Aminosäuren- Antibiotikum

- Corticotropin (ACTH) - 39 Aminosäuren- Hormon des Vorderlappens der Hypophyse- kontrolliert die Hormon-Biosynthese in der

Nebennierenrinde

- Anthrax-Polypeptid - erzeugt durch Bacterium anthracis- monotones Polypeptid aus D-Glutaminsäuren- γ-Knüpfung- M ~ 250000

27

- Insulin

- Isolierung: Banting und Best (1921)

- Strukturaufklärung: Sanger, 1953-55

Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly

Glu

S

S S

SS

Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn

Thr-Ser-Ile

Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys

S

Thr-Lys-Pro-Thr-Tyr-Phe-Phe-Gly-Arg

1 6 7

8 9 10

15 20

19

30

- Hormon der Bauchspeicheldrüse (in den Langerhansschen Inseln)- kontrolliert die Konzentration der Glucose im Blut, wirkt blutzuckersenkend- med. Verwendung: bei Behandlung der Zuckerkrankheit (Diabetes)

51 Aminosäuren, in 2 Polypeptidketten

28

Sekundärstruktur:

- Regelmäßigkeiten in der Konformation der Polypeptid kette;

- räumliche Anordnung der Peptidketten, die durch Wasserstoffbrückebindungen zwischen C=O und H-N Gr uppen fixiert werden: αααα-Helix und Faltblattstruktur

Tertiärstruktur: Fixierung der Molekülteile über die Sekundärstruktu r hinaus,meist durch Disulfidbrücken

SH HS+[O]

S S + H2O

Quartärstruktur: Aggregate einiger Proteinmoleküle

Struktur der Peptide und Proteine

Primärstruktur: Aminosäuresequenz

mehrere Stufen der strukturellen Organisation

29

- αααα-Helix (Pauling und Corey, 1951)

Die Peptidkette ist schraubenartig um einen Zylinder gewickelt

Identitätsperiode(Ganghöhe): 540 pm

eine Helixwindung = 3.6 Aminosäuren

Sekundärstruktur

intramolekulare Wasserstoff-brückebindungen

30

- Faltblatt-Struktur (β-Konformation)

Die Peptidketten sind vollständig gestreckt, und bilden eine ebene Zickzackkette

NC

CN

CC

NC

CN

CC

O

O

O

OH

H

H

H

R1 H

R2 H

HR3

HR4

Identitätsperiode: 720 pm

Die Ketten liegen Seite an Seite und formen ein gefaltetes Blatt.

H-Brücken

Kette 1

Kette 2

31

α-Helix

α-Helix

α-Helix

Faltblatt

C-Endgruppe

N-Endgruppe

ungeordnetes Segment

ungeordnetes Segment

ungeordnetes Segment

Tertiärstruktur

32

Klassifizierung der Proteine

- nach den Bestandteilen

einfache Proteineaufgebaut nur aus Aminosäuren

konjugierte ProteineEiweißanteil + nichtproteinogene Gruppez. B. Hämoglobin, Casein, Glykoproteine,

Lipoproteine

- nach der Gestalt der Proteinmoleküle

fibrilläre Proteine (Faserproteine)- Keratin (Haare, Wolle, Nägel)- Kollagen (Sehnen, Knorpel, Gelatin)- Fibroin (Seide)- Myosin (Muskeln)

globuläre Proteine (Sphäroproteine)- Albumine (Serum-, Ovalalbumin, Lactalbumin)- Globuline (Serumglobuline des Blutplasmas)- Enzyme- Prolamine, Gluteline (in Getreidekörner)

33

- Ausflockung aus Eiweißlösungen mit:

- Schwermetallionen (Cu2+, Pb2+)- Mineralsäuren (z.B. HNO 3) irreversible Koagulation- Trichloressigsäure, 5-Sulfosalicylsäure

- Ammoniumsulfat- Lösung reversible- Natriumsulfat-Lösung Koagulation

- Farbreaktionen

- Xanthoprotein-Reaktion: konz. HNO3, gelbe Färbung (Tyrosin, Tryptophan)

- Millon-Reaktion: Hg(NO3)2 in konz. HNO3, roter Niederschlag (Tyrosin)

- Biuretreaktion: CuSO4, NaOH, blauviolette Färbung

Nachweis der Proteine

34

- Ninhydrin-Reaktion: blauviolette Färbung

+ RCHOCO2+

Na

Base

O

O

N

O

O

R CH

NH2

COOH+

O

O

OH

OH