Das Lehrbuch - Université de Fribourg · Die „frühe“ Biochemie hat sich hauptsächlich auf die Untersuchung von Proteinen konzentriert. –Uniforme physikochemische Eigenschaften,

DasLehrbuch

DiehierarchischeOrganisationbiologischerStrukturen

Die dreiEtappen derEvolutionvon Leben

Was ist Biochemie ?

Untersuchung des „Lebens“ aufmolekularer Ebene

Leben, wie wir es kennen, ist an einwässriges Milieu gebunden

Die Moleküledes Lebens

Aminosäuren

Fettsäuren

Carbohydrate

Basen

4. Aminosäuren1. Aminosäuren von Proteinen

A) Generelle EigenschaftenB) PeptidbindungC) Klassifizierung und EigenschaftenD) Säure-Base EigenschaftenE) Nomenklatur

2. Optische AktivitätA) Operationelle KlassifikationB) Die Fischer ProjektionC) Das Cahn-Ingold-Prelog SystemD) Chiralität in der Biochemie

3. “Nonstandard” AminosäurenA) Aminosäuren-Derivative in ProteinenB) Spezialisierte Rolle von Aminosäuren

Die „frühe“ Biochemie hat sichhauptsächlich auf die Untersuchungvon Proteinen konzentriert.

– Uniforme physikochemischeEigenschaften, können mit chemischenMethoden untersucht werden:

– # Lipiden, Polysacchariden,Nukleinsäuren

α-Aminosäuren

o AS sind die monomeren Bausteinevon Proteinen

o Generelle Strukturo 20 Ro # Prolin

Klassen von ASo Nach Polarität der Seitenkette

- Hydrophobe AS im Inneren von Proteinen- Hydrophile und geladene AS auf der Oberfläche

o Nonpolar/hydrophob AS (9)o Ungeladen/hydrophil AS (6)o Geladene AS (5)

Nonpolar AS (9)

o Klein aliphatischer R: Glycin, Alanin,Valin, Leucin, Isoleucin

o Thiol Ether: Methionino Zyklisch Sekundäre AS: Prolino Gross: Phenylalanin (Phenyl Gruppe),

Tryptophan (Indol Gruppe)

Amino acid withnonpolar sidechains (2)

Ungeladen/Polare AS (6)

o Hydroxyl Gruppe: Serin, Threonin,o Amid: Asparagin, Glutamino Phenolisch: Tyrosino Thiol: Cystein

o Basisch: Arginin, Lysin, Histidin (pK ~6.0 !)o Sauer: Asparagin Säure, Glutamin Säure

Geladene AS (5)

Jede der 20 AS hat spezielle undcharakteristische physikochemischeEigenschaften, deren Kombinationdie grosse funktionelle Vielfalt anProteinen ermöglicht.

Die Peptidbindung

o Polymerisierung von AS– Dipeptiden (202), Tripeptiden (203)– Oligopeptiden (3-10)– Polypeptide (linear)

o Protein: eine oder mehrere Polypetide– 40-4000AS, Mw ~4-440 kD (AS ~110D)

o Proteine mit vielen verschiedenenFunktionen basieren auf Variationen derReihenfolge (Sequenz) der 20 StandardAS

Disulfidbrücken

o Inter- Intra-Ketten Vernetzung vonPolypetiden über Cys-Cys

Säure-Base Eigenschaften von AS

o Amphoterische Substanzen, Ampholyteo pK1 Carboxyl Gruppe ~2.2 -> Carboxylat Form pH >3.5o pK2 Amino Gruppe ~9.4 -> Ammonium Form pH <8.0o pKR (Tabelle)o Zwitterionisch, Dipolare Ioneno Wasserlöslicho Salz, Tm ~300°C

Säure-Base Eigenschaften von AS (2)

o zB. GlycinHenderson-Hasselbach Gleichung:pH = pK + log ([A-]/[HA])

o Isoelektrischer Punkt:pI = 1/2 (pKi + pKj)- Amino Gruppe acidifiziert Carboxylgruppe- Carboxylat Gruppe basifiziert die AminoGruppe

o AS sind nie ungeladen in Wasser

Proteine haben komplexeTitrationskurven

o zB. Titrationskurvevon Ribonuklease A inAbhängigkeit vonunterschiedlichenSalzkonzentrationen

o Ca. 30% der ASSeitenketten einesProteins sindionisierbar

Nomenklatur

o Dreibuchstaben Codeo Einbuchstaben Codeo Glx = Gln oder Gluo Asx = Asn oder Aspo In Polypeptiden AS(-in)yl, N->C

– Alanyltyrosylaspartylglycin– Ala-Tyr-Asp-Gly– AYDG

o Griechische Buchstabenfür Carbon Positionen in AS

4.2. Optische Aktivität

o Optisch aktive Substanzen haben einasymmetrisches Zentrum (Chirales Zentrum)und lassen sich mit ihrem Spiegelbild(Enantiomer) nicht zur Deckung bringen

o zB. Enantiomere von Fluorochlorobromomethane

Klassifikation optisch aktiverSubstanzen

o mittels Polarimeter bestimmt- Dextrorotatory, rechtsdrehend- Levorotatory, linksdrehend

o Quantitativ: spezifische Rotation

- Aber keine absolute Konfiguration ableitbar !!!

Die Fischer Konvention

Emil Fischer (1891),Versuch einer relativenKonfigurationsangabe inBezug auf Glycerinaldehyd

Def: Horizontale Linien über,vertikale Linien hinter derProjektionsebene

Alle AS von Proteinen haben eineL-Konfiguration

Die “CORN” EselsbrückeTo draw absolute configuration of amino acidsLook down Cα from HWrite CO-R-N in clockwise orientation

Moleküle mit mehr als einemchiralen Zentrum

o Optische Isomere (Stereo Isomere)unterscheiden sich in derKonfiguration von zumindest einemchiralen Zentrum

o Molekül mit n chiralen Zentren 2n

Stereoisomereo Diastereomere = allo Formen

(unterschiedliche physikochem.Eigenschaften # Enantiomere)

<- Enatiomere ->

<- D

iast

ereo

mer

e ->

Die 3 Stereoisomere vonCystin

• Meso Formen sind intern kompensiertund daher optisch inaktiv

Die Cahn-Ingold-PrelogNomenklatur

o Absolute Nomenklatur für chirale Zentren: R (rectus) S (sinistrus)

o Gewichtungsregeln: 1. Atomzahl, 2. Substituent,W > X > Y > Z (SH>OH>NH2>COOH>CHO>CH2OH>…)

Alle L-AS sind (S)ausser Cyso Look down H from Cα

Die Newman Projektion

o Zur Darstellung von Molekülen mitmehreren chiralen Zentren

Prochirale Zentreno Zwei chemisch identische Substituenten an einem

tetrahedralen Zentrum sind unterschiedlicho Bsp. Ethanol, H sind prochiralo Können über rotation nicht ineinander überführt

werden

re- und si-Ebeneo Die beiden Seiten von planaren Zentren

lassen sich ebenfalls unterscheideno Wichtig bei enzymatischen Reaktionen,

welche in der Regel enantioselektiv sind #chemische Reaktionen (racemisch)

„Leben =Vorkommen von optischaktive Verbindungen ?“

4.3. “Nicht-Standard” Aminosäuren

o Post-translationelle Modifikation von AS, zB. Hydroxyprolin

o D-AS in Peptid Antibiotika von Prokaryonten, zB. Valinomycin, Gramicidin

o Spezialisierte Rolle gewisser AS,• zB. als Neurotransmitter, GABA, Histamin• Metabolische Intermediate, zB. SAM• Toxine, zB. Azaserin

Post-translationelle Modifikation

Biologisch aktive Derivative von Aminosäuren