03.02.2009

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Fundamentals of Biochemistry Second Edition

Chapter 4: Amino Acids

Copyright © 2006 by John Wiley & Sons, Inc.

Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt

U. Albrecht

Protein from greek proteios = primary Proteins composed of amino acids

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Kapitel 4

1.  Aminosäuren Struktur A. Allgemeine Eigenschaften B. Peptidbindungen C. Klassifikation und Charakteristika D. Säure-Base Eigenschaften E. Nomenklatur

2.  Stereochemie

3.  Aminosäuren Derivate A. Modifikation der Seitenketten von Proteinen B. Biologisch aktive Aminosäuren

Lernziele:

1) Kennen der allgemeinen Struktur einer Aminosäure und der Strukutren der 20 verschieden Seitenketten

2) Verstehen wie Peptidbindungen Aminosäurereste zu einem Polypeptid verknüpfen.

3) Verstehen dass Aminosäuren ionisierbare Gruppen enthalten deren pK Werte variieren wenn die Aminosäure Teil eines Polypeptides ist.

1. Aminosäuren Struktur

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All proteins are composed of 20 ‘standard’ amino acids.

α-Amino Acids(AA) -> primary amino group next to α-carbon (exception proline) The 20 standard AA differ in the structure of the side chain (R-groups)

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The 20 standard amino acids

very often used

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most often used

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Helix breaker (see later)

least used

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b

a

n

average Mass = 110 U. Albrecht

1. A. Allgemeine Eigenschaften

Amino and Carboxylic groups readily ionized -> Amino pK2 = 9.4 Carboxyl pK1 = 2.2

At physiological pH (about 7.4) amino groups are protonated and the carboxylic acid groups are in their conjugate base (carboxylate) form -> Amino acids can act as both an acid and base.

Amino acids are Zwitterions or Dipolar ions at physiological pH.

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1. B. Peptid Bindungen

Aminosäuren polymerisieren und bilden Ketten. Kondensierungsreaktion (siehe unten) -> Peptid Bindung

Peptidbindung

= Dipeptid wenn aus mehreren Amino säuren -> Polypeptid

Einzelne Aminosäure eines Polypeptides= Aminosäure Rest

amino terminus oder N-term

carboxyl terminus oder C-term

Die Variation in der Länge und Aminosäuresequenz von Poly- peptiden steuert zur Diversität der Form und Funktion von Proteinen bei.

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1. C. Klassifikation und Charakteristika Klassifizierung gemäss der Polarität der Seitenketten. -> 3 Hauptklassen: 1) apolare R-Reste 2) ungeladene polare R-Reste 3) geladene polare R-Reste

1) Apolare Aminosäuren

N

C

R

Alanin

Isoleucin

Phenylalanin

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Alanin

*

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Isoleucin

*

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Phenylalanin

*

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Ungeladene polare Seitenketten haben hydroxyl, amid oder thiol Gruppen

Serin Glutamine

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Serin

*

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Glutamine

*

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Thiolgruppe U. Albrecht

Geladene polare Seitenketten sind positiv oder negativ geladen

Aspartate

Lysine

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Aspartate

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Lysine

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1. D. Säure-Base Eigenschaften Titrationskurve für Glycine

Isoelektrischer Punkt pI :

pH bei welchem das Molekül keine netto Ladung hat.

in wässeriger Lösung nur in sehr geringen Mengen vorhanden

pKs genug weit auseinander sodass für beide die Hendeson-Hasselbach Gleichung gilt:

pH = pK + log -------- [A-] [HA]

pI = 1/2 (pK1 + pK2)

Die pK Werte der ionisierbaren Gruppen hängen von den Nebengruppen ab. z.B. CH3COOH pK = 4.76 aber bei Gly pK1 = 2.35 Grund: Die NH3+ Gruppe in Gly stabilisiert COO- -> braucht mehr H+ um Gleichgewicht herzustellen. Amine pK = 10.7 aber bei Gly NH3+ = 9.78

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1. E. Nomenklatur

alanyl tyrosyl aspartyl glycine

Ala-Tyr-Asp-Gly

AYDG

N-term C-term

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epsilon amino group gamma carboxyl group

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Lernziele:

1) Verstehen dass Aminosäuren und andere chemische Verbindungen chirale Moleküle sind deren Konfiguration in der Fischer-Projektion dargestellt werden kann.

2) Verstehen dass Aminosäuren in Proteinen stereo- chemisch die L Konfiguration haben.

2. Stereochemie

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Alle Aminosäuren ausser Glycine sind optisch aktiv. Optisch aktive Moleküle sind asymmetrisch -> asymmetrische Zentren = chirale Zentren (griechisch cheir = Hand).

Polarimeter

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Chirale Zentren lassen Enantiomere entstehen. Lassen sich nur durch polarisiertes Licht und Reaktionspartnern welche auch chiral sind unterscheiden. Richtung der Ablenkung im Polarimeter und Händigkeit von Molekülen kein direktes Verhältnis. z.B. Leu dreht Licht um 10.4° nach links, währenddem Arg um 12.5° nach rechts dreht. Von der optischen Rotation ist es also nicht möglich auf die absolute Konfiguration zu schliessen.

Enatiomere von fluorochlorobromomethane

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Die Fischer Projektion beschreibt die Konfiguration asymmetrischer Zentren

horizontale nach oben

vertikale nach unten

dextrorotatorisch (Griech. dextro=rechts) levorotatorisch (griech. levo=links)

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gleiche relative Konfiguration

1

2

3

Alle Aminosäuren von Proteinen haben die L-Konfiguration (viele L-Aminosäuren sind aber dextrorotatorisch in polarisiertem Licht). Fischerprojektion nicht praktisch für Moleküle mit mehreren chiralen Zentren. n chirale Zentren gibt 2 verschiedene Stereoisomere. n

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Cahn-Ingold-Prelog or RS system (latin rectus=rechts, sinistrus=links)

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Das Leben basiert auf chiralen Molekülen Chemische Synthesen produzieren enantiomere nicht getrennt -> Razemische Gemische Biosynthetische Prozesse produzieren reine Stereoisomere also keine rezemischen Gemische. L-AS nur ein Beispiel. -> da nur L produziert wird sind alle biologischen Prozesse auf L-AS aufgebaut. Gleiche proteine mit D-AS haben keine Wirkung, da alle Interaktionen sterisch beeinflusst sind. Peptidasen in unserem Körper schneiden Peptide mit L-AS aber nicht bakterielle mit D-AS. Um D-AS zu machen haben Bakterien spezielle Enzyme. Viele Medikamente werden als razemische Gemissche Synthetisiert. Nur ein enatiomer wirksam, das andere unwirksam.

(anti-inflammatorisch)

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anderes Enatiomer verursacht schwere Geburtsschäden.

(mildes sedativ)

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3. Aminosäuren Derivate

Lernziele:

1) Verstehen dass die Seitenketten von Aminosäureresten in Proteinen kovalent modifiziert werden können.

2) Verstehen dass einige Aminosäuren und Aminosäuren- derivate als Hormone und regulatorische Moleküle wirken können.

3. A Seitenkettenmodifikationen von Proteinen

Seitenketten werden oft modifiziert nach der Synthese der Polypepditkette.

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Green fluorescen protein von der Qualle Aequorea victoria.

Wird als reporter gebraucht. Proteinsequenz davorkloniert -> fusionsprotein -> Menge von Protein durch Menge von Fluoreszenz sichtbar.

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Zyklisierung Ser-Gly -> System konjugierter Dppelbindungen.

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3. B Biologisch aktive Aminosäuren

Einzelne AS oder AS Derivate oder AS Vorstufen. Aufgaben: Stickstoff transport, Energielieferant, Botenstoffe

aus glutamin, ein Neurotransmitter aus Tyrosin, ein Neurotransmitter

aus Histidin, lokaler mediator allergischer Reaktionen

aus Tyrosin, iodhlatiges Schilddrüsenhormon welches den Stoffwechsel stimuliert.

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Glutathion inaktiviert oxidative Substanzen um Zerstörung zellulärer Strukturen zu verhindern.

oxidative Substanzen werden reduziert.

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