Aminosäuren
Aminosäuren, genauer Aminocarbonsäuren, sind eine Klasse kleiner organischer Verbindungen mit mindestens einer Carboxylgruppe (?COOH) und mindestens einer Aminogruppe (?NH2).Der Begriff Aminosäure (veraltet Amidosäure) wird häufig vereinfachend als Synonym für die proteinogenen Aminosäuren verwendet, die die Bausteine der Proteine sind. Von den proteinogenen Aminosäuren sind bisher 23 bekannt. Das Spektrum der Klasse der Aminosäuren geht aber weit über diese hinaus. So sind bisher 250 nicht-proteinogene Aminosäuren bekannt, die biologische Funktionen haben (Stand: Februar 2006). Die Anzahl der synthetisch erzeugten und die der theoretisch möglichen Aminosäuren ist noch erheblich größer.
Chemisch sind Aminosäuren primäre Amine der Carbonsäuren, daher ihre Bezeichnung. Die Stellung der Aminogruppe relativ zur Carboxylgruppe teilt die Klasse der Aminosäuren in Gruppen auf.
Allgemeiner Aufbau der Aminosäuren
Carbaminsäure ist die einfachste Aminosäure. Sie enthält nur die Carboxyl- und die Aminogruppe. Alle weiteren Aminosäuren haben weitere Kohlenstoffatome am Carboxyl-Kohlenstoff. Dabei entscheidet das Kohlenstoffatom, an dem sich die Aminogruppe befindet, um was für eine Klasse von Aminosäuren es sich handelt. Sind im Molekül mehrere Aminogruppen vertreten, so bestimmt dasjenige Kohlenstoff, dessen Aminogruppe dem Carboxyl-Kohlenstoff am nächsten ist, um was für eine Klasse von Aminosäuren es sich handelt.
*?-Aminosäuren: Die Aminogruppe der ?-Aminosäuren befindet sich am zweiten Kohlenstoffatom, einschließlich des Carboxyl-Kohlenstoffatoms. Die Zählung beginnt immer mit dem Carboxyl-Kohlenstoff. Die IUPAC-Nomeklatur lautet 2-Aminocarbonsäuren, da sich die Aminogruppe am zweiten Kohlenstoff befindet. Der einfachste Vertreter der ?-Aminosäuren ist die proteinogene Aminosäure Glycin.
Der Begriff Aminosäuren wird meist synonym für eine Gruppe von ?-Aminosäuren verwendet, die hauptsächlich aus L-?-Aminosäuren besteht: die proteinogenen Aminosäuren. Die proteinogenen Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde. Die proteinogenen Aminosäuren sind also neben den Nukleinsäuren Grundbausteine des Lebens.
*?-Aminosäuren: Die Aminogruppe der ?-Aminosäuren befindet sich am dritten Kohlenstoffatom (das Carboxyl-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Nomenklatur lautet 3-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter ist ?-Alanin.
*?-Aminosäuren: Die Aminogruppe der ?-Aminosäuren befindet sich am vierten Kohlenstoffatom (das Carboxyl-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Nomenklatur lautet 4-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter ist ?-Aminobuttersäure (GABA).
Die Bezeichnung weiterer Klassen der Aminosäuren ergibt sich nach dem gleichen Schema.
Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihre Seitenkette, die auch Aminosäurerest oder kurz Rest (bzw. R) genannt wird. Ist der Rest R verschieden von den anderen Substituenten die sich am Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so ist dieses Kohlenstoffatom chiral und es existieren von der entsprechenden Aminosäure zwei Enantiomere. Enthält der Aminosäurerest weitere chirale Kohlenstoffatome, so ergeben sich auch Diastereomere und die Zahl möglicher Enantiomere nimmt zu bei der entsprechenden Aminosäure.
Säure- und Base-Verhalten
s vom pH-Wert]]
In wässriger Lösung liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor, d. h. die Aminogruppe ist protoniert und die Carboxylgruppe ist deprotoniert. Verallgemeinert lässt sich dies folgendermaßen darstellen:
:H3N+-CHR-COO?
Dabei wirkt die Aminogruppe als Base, da sie ein Proton aufnimmt (Protonenakzeptor). Die Carboxylgruppe wirkt als Säure, da sie ein Proton abgibt (Protonendonator).
Die Titration der Aminosäuren sieht grundlegend folgendermaßen aus:
:H3N+-CHR-COOH ? H3N+-CHR-COO? ? H2N-CHR-COO?
Ist der Aminosäurerest R ebenfalls titrierbar, so muss er in der Gleichung mit berücksichtigt werden.
Die Nettoladung der Aminosäure hängt also vom pH-Wert ab, wobei die Nettoladung bei einem bestimmten pH-Wert gleich null wird. Der entsprechende pH-Wert wird als isoelektrischer Punkt bzw. als pI der Aminosäure bezeichnet.
Proteinogene Aminosäuren
Als proteinogene Aminosäuren werden alle Aminocarbonsäuren bezeichnet, die die Bausteine der Proteine von Lebewesen sind. Dabei handelt es sich bei den proteinogenen Aminosäuren stets um ?-Aminocarbonsäuren. Bis auf die Aminosäure Glycin ist für alle proteinogenen Aminosäuren das ?-Kohlenstoffatom chiral (siehe auch asymmetrisches Kohlenstoffatom): Es existieren von jeder dieser Aminosäuren zwei Enantiomere. Dabei ist nur eines der beiden Enatiomere proteinogen und zwar die L-Aminosäure: der zum Aufbau der Proteine notwendige Apparat ? das Ribosom, die tRNA, die Aminoacyl-tRNA Synthetase (diese belädt die tRNA mit Aminosäuren) und andere ? sind selbst auch chiral und können nur die L-Variante erkennen.
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_Zellwand und kurzen bakteriellen Peptiden wie Valinomycin (siehe Carrier) eingebaut.
20 der proteinogenen Aminosäuren werden durch Codons des genetischen Materials kodiert. Sie werden daher als kanonische Aminosäuren oder auch als Standardaminosäuren bezeichnet.
Das Verhalten der Seitenkette R hängt von ihrer Konstitution ab, d. h., ob die Seitenkette selbst wieder als Protonenakzeptor oder -donator wirken kann. Dazu werden die proteinogenen Aminosäuren in basische und saure Aminosäuren eingeteilt.
Zu den basischen Aminosäuren gehören:
Lysin
Arginin
Histidin
Zu den sauren Aminosäuren gehören:
Asparaginsäure (Aspartat)
Glutaminsäure (Glutamat)
Weitere Aminosäuren mit ionisierbaren Resten:
Cystein
Tyrosin
Die Reste R der hier genannten Aminosäuren werden auch als titrierbare Reste bezeichnet.
Die Reste R der anderen proteinogenen Aminosäuren sind unter physiologischen Bedingungen nicht ionisierbar und wirken daher weder als Base noch als Säure. Der Seitenrest von Cystein wirkt zwar auch als schwache Säure, Cystein wird aber nicht zu den sauren Aminosäuren dazu gezählt, da sie unter physiologischen Bedingungen als Base (d. h. protoniert) vorliegt. Das gleiche gilt für Tyrosin.
Der pK-Wert ist der pH-Wert, bei der die titrierbaren Gruppen zu gleichen Teilen protoniert und deprotoniert vorliegen. D. h., die titrierbare Gruppe liegt zu gleichen Teilen in ihrer basischen, wie in ihrer sauren Form vor (siehe auch: Henderson-Hasselbalch-Gleichung).
Es ist meist üblich statt vom pKS vom pK zu sprechen, d. h. vom pK der Säure. In diesem Sinne müsste allerdings vom pK des Lysins als pKB, d.h. vom pK der Base gesprochen werden. Aus Gründen der Vereinfachung wird diese Notation aber allgemein weggelassen, da sie sich auch aus dem Sinnzusammenhang selbst ergibt (d. h. ob die Gruppe als Base oder Säure wirkt).
Der pK ist keine Konstante, sondern hängt von der Temperatur, der Ionenstärke und der unmittelbaren Umgebung der titrierbaren Gruppe ab und kann daher stark schwanken.
Ist der pH höher als der pK einer titrierbaren Gruppe, so liegt die tirierbare Gruppe in ihrer basichen (deprotonierten) Form vor. Ist der pH niedriger als der pK der titrierbaren Gruppe, so liegt die titrierbare Gruppe in ihrer sauren (protonierten) Form vor:
* für Asp (pK = 3,86) bei pH 7: die Seitenkette ist nahezu vollständig deprotoniert
* für Lys (pK = 10,53) bei pH 7: die Seitenkette ist nahezu vollständig protoniert
Die Seitenketten basischer Aminosäuren sind in ihrer protonierten (sauren) Form einfach positiv geladen und in ihrer deprotonierten (basichen) Form ungeladen. Die Seitenketten der sauren Aminosäuren (einschließlich Cystein und Tyrosin) sind in ihrer protonierten (sauren) Form ungeladen und in ihrer deprotonierten (basischen) Form einfach negativ geladen. Deswegen spielt der pH-Wert für die Eigenschaften der Seitenkette eine so wichtige Rolle, da das Verhalten der Seitenkette ein ganz anderes ist, wenn sie geladen bzw. ungeladen ist.
Die titrierbaren Seitenketten beeinflussen zum Beispiel das Löslichkeitsverhalten der entsprechenden Aminosäure. In polaren Lösungsmitteln gilt: geladenene Seitenketten machen die Aminosäure löslicher, ungeladene Seitenketten machen die Aminosäure unlöslicher.
In Proteinen kann das dazu führen, das bestimmte Abschnitte hydrophiler oder hydrophober werden, wodurch die Faltung und damit die Aktivität von Enzymen vom pH-Wert abhängt. Mit stark sauren und basischen Lösungen können Proteine deswegen auch denaturiert werden.
Tabellenübersicht der Eigenschaften
Nicht-Proteinogene Aminosäuren
Von den nicht-proteinogenen, d. h. nicht in Proteinen vorkommenden, Aminosäuren sind bislang über 250 bekannt, die in Organismen vorkommen. Dazu gehört etwa das Hormon der Schilddrüse
/'>-
| Neurotransmitter
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| L-Ornithin /'>| Stoffwechselzwischenprodukt im Harnstoffzyklus
/'>-
| L-DOPA /'>| Stoffwechselzwischenprodukt bei der Synthese von Serotoninsynthese
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| Neurotoxin in Cyanobakterien
/'>-
| Valinomycin
/'>-
| D-Glutamat /'>| Bestandteil in bakteriellen 2,6-Diaminopimelinsäure /'>| Bestandteil in bakteriellen Peptid-Bindungen.
Quellen
* Bing Hao, Weimin Gong, Tsuneo K. Ferguson, Carey M. James, Joseph A. Krzycki, and Michael K. Chan. A New UAG-Encoded Residue in the structure of a Methanogen Methyltransferase. Science 2002, May 24th; 296: 1462-1466
Literatur
* Harold Hart: Organische Chemie: Ein kurzes Lehrbuch, VCH, 1989, ISBN 3-527-264809
* Lubert Stryer: Biochemie, 4. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 1995, ISBN 3-86025-346-8
* Roland Glaser: Biophysik, 4. Auflage, Gustav Fischer Verlag, 1996, ISBN 3-334-60967-7 (Fischer), ISBN 3-8252-8116-7 (UTB)
* Felicitas Reglin: Bausteine des Lebens. Aminosäuren in der orthomolekularen Medizin. Ralf Reglin Verlag, 2004, ISBN 3-930620-43-X
* Uwe Gröber: Orthomolekulare Medizin. Wissenschaftliche Verlagsanstalt mbH Stuttgart, 2002, ISBN 3-8047-1927-9
* Ulrich Strunz: power eiweiß drinks.Heyne, 2003, ISBN 3-453-87309-2
* S. J. Freeland, L. D. Hurst: Der raffinierte Code des Lebens, Spektrum der Wissenschaft, S. 86 - 93, Juli 2004.
* Lei Wang, Peter G. Schultz: Die Erweiterung des genetischen Codes. Angewandte Chemie 117(1), S. 34 - 68 (2005),
Weblinks
• Aminosäuren
• Amino Acids, FU Berlin
• Die Namen der 20 proteinogenen Aminosäuren lernen (mit 3D-Struktur)
• Tagesbedarf an essentiellen Aminosäuren für unterschiedliche Personengruppen
nov:Amino-aside
su:Asam amino
