Aminosäuren

Allgemeines zu Aminosäuren

In der Biochemie und Biologie sind Aminosäuren auf einer Ebene angesiedelt mit Lipiden, Monosacchariden und Nukleotiden. Im Falle der Aminosäuren handelt es sich vor allem um deren strukturelle und funktionelle Varianz die den biochemischen Roboter: Zelle so effektiv gestalten. Die aus ihnen gebildeten Proteine sind maßgeblich für die Struktur der Zellen verantwortlich und katalysieren als Enzyme eine Vielzahl wichtiger chemischer Reaktionen aller Lebewesen. Es gäbe auch die Möglichkeit sämtliche Enzyme und Gerüstproteine durch Nukleotidgebilde zu ersetzen, wie sie zu Beginn des Lebens existierten. Ein Überbleibsel dieses Anfangs sind unsere Ribosomen, die zu einem Großteil aus RNA bestehen (mehr dazu in einem anderen Kapitel). Die Evolution selektierte jedoch Zellen mit höherer Effektivität, wie sie nur durch kompakterer (und somit sparsamere) und flexiblere Bauweise durch Aminosäuren möglich war. Aminosäuren sind jedoch nicht "nur" Bausteine für Proteine, sie dienen auch als Vorstufen verschiedener Metabolite, wie z. B. für Carnitin, Pyrimidine, Purine, Kreatine, usw. Sie besitzen auch physiologische Funktionen im Hormonhaushalt und im Neurostransmitterstoffwechsel.

Aminosäuren sind organische Säuren mit (mindestens) einer Aminogruppe und (mindestens) einer Carboxylgruppe. Wenn wir von Aminosäuren sprechen, meinen wir meist alpha-Aminosäuren. Das bedeutet, dass die Aminogruppe und die Carboxylgruppe am selben C-Atom hängen. Aminosäuren können aufgrund ihrer restlichen Struktur (=R in der Abbildung rechts) in verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Es ist durchaus üblich, dass Aminosäuren neben dem Kohlenstoffgrundgerüst, noch weitere funktionelle Gruppen besitzen. Diese Gruppen können z. B. folgende sein -COOH, -SH, -OH, -NH₂,etc. Je nach ihrer Struktur, und ihren funktionellen Gruppen haben Aminosäure einen unterschiedlichen Einfluss auf die räumliche Struktur und Funktion der aus ihnen gebildeten Proteine. Aminosäuren sind die grundlegenden Bausteine der Proteine und kommen daher in jedem (bekannten) Lebewesen vor. Es geht sogar soweit, dass von den Viren bis zu den Menschen im wesentlichen die selben 20 Aminosäuren verwendet werden. In unserer DNA sind, neben einer Reihe von Regulationsmechanismen, hauptsächlich die Aminosäuresequenzen unserer Proteine abgespeichert.

Detail am Rande:

Bei beta-Aminosäuren, befindet sich die Carbonsäure auf dem C-Atom Nr.1 und die Aminogruppe auf dem C-Atom Nr.2. Zur Erinnerung, das Kohlenstoffgrundgerüst kann von dem jeweils wichtigsten C-Atom aus durchnummeriert werden. Die Regeln für das wichtigste C-Atom sind sehr kompliziert, es sollte uns daher reichen, dass bei Aminosäuren das C-Atom an welchem die COOH (Carboxylgruppe) hängt, als C-Atom Nr.1 bezeichnet wird. Beta-Aminosäuren sind jedoch eher selten, diverse Exemplare kann man z. B. bei Antibiotika finden.

Eigenschaften von Aminosäuren

Zwitterione

Durch die Aminogruppe, die ein $H^{+}$ Ion (auch Proton genannt) aufnehmen kann und die Säuregruppe, von der ein Proton abdissoziieren kann, sind sie sogenannte Zwitterione, die für jede dieser 2 reaktiven Gruppen eigene Dissoziationskonstanten haben ( $pK_{1}$ und $pK_{2}$ ). So können Aminosäuren überwiegend entweder (in sauren Lösung) als Katione oder (in alkalischer Lösung) als Anione vorliegen. Ist gleichzeitig das Proton der Carboxylgruppe abdissoziiert und ein zusätzliches Proton an der Aminogruppe angelagert, befindet sich das Molekül in der Zwitterionen-Form. Den pH-Wert bei dem die Aminosäure nach außen hin als ungeladen vorliegt (=gleich viele positive wie negative Ladungen) nennt man den "Isoelektrischen Punkt" bzw. pI (Kürzel: IEP). Der isolelektrische Punkt kann durch Titration oder durch isoelektrische Fokusierung bestimmt werden. Befindet sich eine Aminosäure in der Zwitterionenform kann es keinen elektrischen Strom leiten, bzw. wandert sie nicht im elektrischen Feld. Dieses Prinzip wird bei der isoelektrischen Fokusierung angewandt. Weiters besitzt die Aminosäure im IEP die geringste Wasserlöslichkeit, da die Anlagerung von Wasser an das Zwitterion ungünstig ist.

Berechnung des isoelektrischen Punktes aus den Dissoziationskonstanten:

$pI={\frac {pK_{1}+pK_{2}}{2}}$

Details am Rande:

Verbindungen die sowohl als Säure als auch als Base reagieren können werden als Ampholyte bezeichnet.
Bei Verbindungen aus mehreren Aminosäuren ergibt sich ein neuer isoelektrischer Punkt für die Verbindung.

Chiralität

Chiralität ist in der Regel nur bei Atomen mit 4 oder mehr Bindungsarmen möglich (Phosphor, Kohlenstoff, Stickstoff wenn er positiv geladen ist = gespannt, …). Aminosäuren sind, mit Ausnahme von Glyzin, aufgrund des 1.C-Atoms chirale Moleküle (es trägt eine -COOH-Gruppe, eine NH₂-Gruppe, ein H-Atom und einen Rest=R, also vier verschiedene Substituenden). Das ausschlaggebende Zentralatom wird als Stereozentrum bzw. auch als optisches Zentrum bezeichnet. Moleküle mit nur einem optischen Zentrum können können nur in zwei verschiedenen Formen vorliegen und verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, sie werden auch als enantiomer zueinander bezeichnet. Eine bessere Erklärung am Beispiel Glukose, deren rechtsdrehendes Enantiomer als D-Glukose und deren linksdrehendes Enantiomer als L-Glukose bezeichnet wird. Links- und rechtsdrehend bedeutet nun nicht, dass sich die jeweiligen Moleküle in einer Lösung nach links bzw. nach rechts drehen, sondern bezieht sich auf die Eigenschaft, die Schwingungsrichtung von polarisiertem Licht in eine bestimmte Drehrichtung zu beeinflussen. Die Bezeichnung D- oder L- wird nach bestimmten Regeln festgelegt (siehe unten). Enantiomere haben weitgehend die selben physikalischen und chemischen Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, …), aber unterscheiden sich in ihren biochemischen Eigenschaften. So bestehen fast alle Proteine und somit der gesamte Stoffwechselapparat aus L-Aminosäuren. D-Aminosäuren können von Zellen in der Regel gar nicht synthetisiert werden bzw. würden Proteine aus D-Aminosäuren nicht von unser Enzymen bearbeitet werden können.

Regeln zur Beschreibung von chiralen Molekülen:

Für die Bezeichnung der Chiralität gibt es zwei verbreitete Methoden:

D (rechts) und L (links) nach den Regeln der Fischer-Projektion. Am Beispiel einer Aminosäure erklärt: Die Strukturformel der AS wird so aufgeschrieben, dass das Kohlenstoffatom Nr. 1 oben steht und das restliche Kohlenstoffgerüst linear nach unten verläuft. Funktionelle Gruppen, Kohlenstoffreste und Wasserstoffatome werden nach links bzw. nach rechts der Grundachse ausgerichtet. Liegt nun im optischen Zentrum (vier verschiedene Substituenden) die markante Gruppe links oder rechts wird es entsprechend mit dem Kürzel D bzw. L bezeichnet.
R (rectus: lat. rechts) und S (sinister: lat. links) nach den CIP-Regeln oder auch Cahn Ingold Prelog Konvektion genannt. Hierbei werden nach gewissen Regeln die Substituenden des jeweiligen Zentralatomes durchnummeriert. Je nachdem in welche Richtung das Zentralatom gedreht werden muss, um von der niedrigsten Nummer bis zur höchsten zu gelangen, wird die Bezeichnung R oder S verteilt.

Details am Rande:

D-Aminosäuren werden lediglich von einigen Bakterien im Sekundärmetabolismus gebildet und dienen dort als Abwehrstoffe.

Gemische aus linksdrehenden und rechtsdrehenden Molekülen werden als racemische Gemsiche oder auch als Racemat bezeichnet.

Hat ein Moleküle mehr als ein optisches Zentrum sind mehr als zwei Varianten möglich. Bei diesen gibt es nicht nur Bild und Spiegelbild, sondern es sind auch Zwischenformen, sogenannte Diasteromere möglich. Diasteromere unterscheiden sich auch meist in den physikalischen und chemischen Eigenschaften voneinander(z. B: Glukose und Galaktose sind Diasteromere zueinander).

Unterteilung der Aminosäuren

proteinogene Aminosäuren

Aminosäuren (kurz: AS) unterscheiden sich durch den organischen Rest (R im Bild oben), der an der Grundstruktur des Moleküls angebunden ist. Es gibt theoretisch unendlich viele verschiedene AS. Es werden allerdings lediglich 23 verschiedene AS für den Aufbau von Proteinen verwendet. Diese nennt man "Proteinogene Aminosäuren".

Nicht proteinogene Aminosäuren

… sind in einer großen Anzahl natürlich vorkommend. Sie haben meist toxische Wirkungen auf den Menschen, da sie antagonistisch zu den "Standard-Aminosäuren" sind. Sie sind vorallem im Sekundämetabolismus einiger Bakterien und auch in Pflanzensamen zu finden. Nicht proteinogene Aminosäuren sind bei weitem zahltreicher als proteinogene. Momentan (Stand Februar 2006) sind 250 nicht proteinogene Aminosäuren bekannt

Essentielle Aminosäuren

Der menschliche Organismus ist nicht in der Lage, alle notwendigen AS selbst zu synthetisieren. Er ist deshalb auf die Zufuhr dieser Moleküle durch die Nahrung angewiesen. Die AS, die der menschliche Körper nicht selbst synthetisieren kann, nennt man "Essentielle Aminosäuren". Manche Aminosäuren können nur im gesunden Zustand bzw. erst ab einer gewissen "Reife" der Zelle gebildet werden. Histidin und Arginin sind für den gesunden erwachsenen Menschen nicht essentiell, für Heranwachsende und für Menschen während der Genesung müssen diese Aminosäuren jedoch zugeführt werden.

8 Essentielle AS: Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin

proteinogene Aminosäuren in der Übersicht

Alanin

Alanin kann im menschlichen Körper aus Pyruvat synthetisiert werden bzw. kann es so umgekehrt in den Abbaustoffwechsel (=Katabolismus)eingeschleust werden. Der Abbau von Alanin zu Pyruvat geschieht durch oxidative Desaminierung und wird durch das Enzym Alanin-Dehydrogenase katalysiert.

Kürzel	Ala, A	essentiell	nein
Summenformel	C₃H₇NO₂	Molare Masse	89,1 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	6,11

Arginin

Arginin ist ein Zwischenprodukt vom Harnstoffzyklus. Arginin ist nahezu in jedem Eiweiß vorhanden. Aufgrund der Stickstoffgruppen am Ende der Seitenkette wirkt Arginin basisch. Diese Endgruppe ist bei neutralem pH-Wert immer positiv geladen. Dadruch, das Arginin im Körper relativ leicht synthetisiert werden kann, ist es an einer Reihe biochemischer Funktionen in der Zelle beteiligt (Hormonstoffwechsel, Regulierung des Blutzucker- und Blutfettspiegels, Regulation des Blutflusses …). Der Bedarf an Arginin kann jedoch nicht immer vom Körper selbst gedeckt werden, daher muss bei falscher Ernährung, bei bestimmten Krankheiten und bei Kindern im Wachstum diese Aminosäure zugeführt werden.

Details am Rande

Die Bezeichnung Arginin kommt von argentum (lat. Silber), da die Aminosäure zu Beginn in Form eines Silbersalzes isoliert wurde.

Kürzel	Arg, R	essentiell	für Kinder
Summenformel	C₆H₁₄N₄O₂	Molare Masse	174,20 g/mol
Seitenkette	basisch	isoelektrischer Punkt	10,76

Asparagin

Asparagin kann aus Asparaginsäure synthetisiert werden. Asparagin unterscheidet sich von der Asparaginsäure durch ihre endständige Amidgruppe und liegt daher bei physiologischem pH-Wert ungeladen vor.

Kürzel	Asn, N	essentiell	nein
Summenformel	C₄H₈N₂O₃	Molare Masse	132,12 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	5,41

Asparaginsäure

Asparaginsäure kann aus Oxalacetat (aus dem Zitronensäurezyklus) durch Transaminierung synthetisiert werden. Asparaginsäure kommt auch im Harnstoffzyklus vor und liegt bei physiologischem pH-Wert als Salz vor.

Details am Rande

Die Bezeichnung Asparaginsäure kommt von Asparagus (lat. Spargel), entweder wurde diese Aminosäure im Spargel als erstes entdeckt, oder die Bezeichnung rührt daher, da Spargel besonders viel Asparaginsäure enthält.

Kürzel	Asp, D	essentiell	nein
Summenformel	C₄H₇NO₄	Molare Masse	133,10 g/mol
Seitenkette	sauer	isoelektrischer Punkt	2,85

Cystein

Cystein ist schwefelhaltige Aminosäure und ist mit einem anderen Cystein zur Bildung von Disulfidbrücken fähig. Diese Verbindung aus zwei Cystein wird Cystin genannt. Cystein an sich ist nicht essentiell, da sie aus Methonin und Serin gebildet werden kann. Methionin ist für die Übertragung der SH-Gruppe nötig. Bei Mangel an der essentiellen Aminosäure Methionin ist diese Synthese nicht möglich. Cystein hat einen großen Einfluss auf die Struktur von Proteinen und ist in vielen Enzymen am Katalysemechanismus beteiligt.

Kürzel	Cys, C	essentiell	nein
Summenformel	C₃H₇NO₂S	Molare Masse	121,16 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	5,05

Glutamin

Glutamin ist eine der am häufigsten vorkommenden Aminosäuren und gilt im Stoffwechsel als universeller NH₂-Donor. Glutamin kann aus der Glutaminsäure durch das Enzym Glutamin-Synthetase hergestellt werden.

Kürzel	Gln, Q	essentiell	nein
Summenformel	C₅H₁₀N₂O₃	Molare Masse	146,15 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	5,65

Glutaminsäure

Kürzel	Glu, E	essentiell	nein
Summenformel	C₅H₉NO₄	Molare Masse	147,13 g/mol
Seitenkette	sauer	isoelektrischer Punkt	3,22

Glyzin

Glyzin ist die einzige Aminosäure ohne optischen Zentrum, es existiert somit kein D- oder L-Glyzin.

Kürzel	Gly, G	essentiell	nein
Summenformel	C₂H₅NO₂	Molare Masse	75,07 g/mol
Seitenkette	H* = hydrophil	isoelektrischer Punkt	6,06

H*....Wasserstoff

Histidin

Kürzel	His, H	essentiell	für Kinder
Summenformel	C₆H₉N₃O₂	Molare Masse	155,16 g/mol
Seitenkette	basisch	isoelektrischer Punkt	7,6

Isoleucin

Kürzel	Ile, I	essentiell	ja
Summenformel	C₆H₁₃NO₂	Molare Masse	131,17 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	5,94

Leucin

Kürzel	Leu, L	essentiell	ja
Summenformel	C₆H₁₃NO₂	Molare Masse	131,17 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	6,01

Lysin

Kürzel	Lys, K	essentiell	ja
Summenformel	C₆H₁₄N₂O₂	Molare Masse	146,19 g/mol
Seitenkette	basisch	isoelektrischer Punkt	9,74

Methionin

Kürzel	Met, M	essentiell	ja
Summenformel	C₅H₁₁NO₂S	Molare Masse	149,21 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	5,74

Phenylalanin

Kürzel	Phe, F	essentiell	ja
Summenformel	C₉H₁₁NO₂	Molare Masse	165,19 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	5,49

Prolin

Kürzel	Pro, P	essentiell	nein
Summenformel	C₅H₉NO₂	Molare Masse	115,13 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	6,3

Selenocystein

Selenocystein ähnelt in seiner Struktur den Aminosäuren Serin und Cystein. Es ist in einigen Enzymen im reaktiven Zentrum zu finden und dient dort des öfteren als Gegenstück zu Cystein (S-Se-Bindung, anstatt der S-S Disulfidbrücke bei Cystin). Wird Selenocystein durch Cystein ersetzt kommt es oft zu einem drastischen Rückgang der Aktivität bzw. verlieren sie fast gänzlich ihre katalytischen Aktivität [2]. Im Vergleich zu Cystein ist Selenocystein redoxaktiver. Selenocystein ist nicht in der Standardcodierung der DNA enthalten, es kann jedoch durch einen Vorgang namens Recodierung dennoch in bestimmten Fällen in die Aminosäuresequenz eingebaut werden. Hierbei wird das Stopcodon UGA auf der mRNA unter Verwendung zusätzlicher Faktoren für den Einbau dieser Aminosäure verwendet (mehr dazu in einem anderen Kapitel unter Recodierung) [1]. Selen wirkt bereits in geringen Konzentrationen giftig, daher ist dieser Syntheseweg stark kontrolliert. Selenylcytein t-RNA wird z. B. nur dann gebildet wenn es auch im Zuge der Proteinsynthese verwendet wird.

Kürzel	Sec, U	essentiell	nein
Summenformel	C₃H₇NO₂Se	Molare Masse	168,0 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	???

Serin

Kürzel	Ser, S	essentiell	nein
Summenformel	C₃H₇NO₃	Molare Masse	105,09 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	5,68

Threonin

Kürzel	Thr, T	essentiell	ja
Summenformel	C₄H₉NO₃	Molare Masse	119,12 g/mol
Seitenkette	hydrophil	isoelektrischer Punkt	5,60

Tryptophan

Kürzel	Trp, W	essentiell	ja
Summenformel	C₁₁H₁₂N₂O₂	Molare Masse	204,23 g/mol
Seitenkette	hydrophob, aromatisch	isoelektrischer Punkt	5,89

Tyrosin

Kürzel	Tyr, Y	essentiell	nein
Summenformel	C₉H₁₁NO₃	Molare Masse	181,19 g/mol
Seitenkette	hydrophob, aromatisch	isoelektrischer Punkt	5,64

Valin

Kürzel	Val, V	essentiell	ja
Summenformel	C₅H₁₁NO₂	Molare Masse	117,15 g/mol
Seitenkette	hydrophob	isoelektrischer Punkt	6,0