Aminosäuren

framed|Der "Kopf" einer jeden Aminosäure mit ihren zwei gekennzeichneten Gruppen Aminosäuren sind organische Verbindungen mit einer Carboxylgruppe (–COOH, C-Terminus) und einer Aminogruppe (–NH₂, N-Terminus). Die verschiedenen Aminosäuren unterscheiden sich in einer Seitenkette, die auch Aminosäurerest oder kurz Rest genannt wird.

Aminosäuren sind in der Biochemie von großer Bedeutung, da sie die Bausteine von Peptiden und Proteinen (Eiweißen) sind. Im allgemeinen werden in der Literatur zwanzig so genannte proteinogene, d. h. in Proteinen vorkommende Aminosäuren erwähnt, allerdings sind in letzter Zeit zwei weitere (Selenocystein und Pyrrolysin) hinzugekommen (siehe unten: Aminosäuren in Proteinen). Bei diesen handelt es sich stets um α-Aminosäuren, da die Aminogruppe und die Carboxylgruppe mit demselben Kohlenstoffatom (C α) verbunden sind. Diese 22 Aminosäuren werden durch je drei Basen in der DNA kodiert. Darüber hinaus gibt es noch weitere Aminosäuren, die Bestandteile von Proteinen sind, jedoch nicht kodiert werden.

Von den nicht-proteinogenen, d. h. nicht in Proteinen vorkommenden Aminosäuren sind bislang über 150 bekannt, wie etwa das Thyroxin, ein Hormon der Schilddrüse, oder das in fast allen Arten von Cyanobakterien nachgewiesene Neurotoxin Beta-Methylamino-Alanin (BMAA).

Aminosäuren, die ein Organismus nicht selbst herstellen kann, heißen essentielle Aminosäuren und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Für Menschen sind Valin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin, Threonin und Lysin essentielle Aminosäuren. Semi-essentielle Aminosäuren müssen nur in bestimmten Situationen mit der Nahrung aufgenommen werden, z. B. während des Wachstums oder bei schweren Verletzungen. Die übrigen Aminosäuren werden entweder direkt synthetisiert oder aus anderen Aminosäuren durch Modifikation gewonnen. Für Kinder sind zusätzlich zu den generell essentiellen Aminosäuren auch Cystein und Tyrosin essentiell, da in diesem Lebensalter die Körperfunktion zu deren Herstellung noch nicht ausgereift ist.

Aminosäureketten werden in Abhängigkeit von ihrer Länge als Peptide oder Proteine bezeichnet. Bis zu einer Verkettung von etwa 50 Aminosäuren spricht man in der Regel von Peptiden. Die einzelnen Aminosäuren sind dabei innerhalb der Kette über die so genannte Peptidbindung (Säureamid) verknüpft. Ein automatisiertes Verfahren zur Synthese von Peptiden liefert die Merrifield-Synthese.

Inhaltsverzeichnis

1 Chiralität

2 Säure- und Basen-Verhalten

2.1 pKS-Werte

3 In Proteinen vorkommende Aminosäuren

4 Literatur

5 Quellen

6 Weblinks

Chiralität

Alle Aminosäuren, mit Ausnahme von Glycin, sind chiral gebaut. Sie besitzen ein asymmetrisches Kohlenstoffatom, das als chirales Zentrum wirkt. Daher gibt es stets zwei Enantiomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Bei chemischen Synthesen entstehen meist Racemate, bei biologischen Systemen aufgrund der Substratspezifität der beteiligten Enzyme dagegen die reinen Enantiomeren. Deshalb findet man bei Lebewesen unter den proteinogenen Aminosäuren ausschließlich nur ein Enantiomer, die L-Form. D-Aminosäuren kommen vereinzelt vor, werden dann aber unabhängig vom proteinogenen Stoffwechsel synthetisiert, z.B. in der bakteriellen Zellwand und kurzen bakteriellen Peptiden wie Valinomycin (siehe Carrier).

Für die Angabe der Chiralität bei Aminosäuren eignet sich besonders die Fischernomenklatur.

Säure- und Basen-Verhalten

Nach Brønsted ist eine Säure ein chemischer Stoff, der Protonen an Reaktionspartner abgeben kann (Protonendonator), eine Base hingegen ein Stoff, der vermittels eines freien Elektronenpaars Protonen aufnehmen kann (Protonenakzeptor). Man beachte, dass bei diesen Vorgängen ein Rollenwechsel stattfindet: Protonenabgabe macht aus einer Säure eine Base, Protonenaufnahme aus einer Base eine Säure.

In wässriger Lösung liegen freie Aminosäuren als Zwitterionen vor, d. h. die Aminogruppe ist protoniert und die Carboxylgruppe ist deprotoniert: H₃N⁺-CHR-COO^-. In Proteinen sind allerdings beide Gruppen an der Peptidbindung beteiligt und daher ungeladen.

Eine umso größere Bedeutung hat daher der saure oder basische Charakter der Seitenketten. Die sauren Aminosäuren Asp und Glu sowie die basischen Lys und Arg sind bekannt. Beim pH-Wert der Zelle liegt die protonierte (saure) Form der Aminogruppe H₃N⁺ und die deprotonierte (basische) Form der Carboxylgruppe COO^- vor.

Die geladenen Seitenketten beeinflussen zum einen das Löslichkeitsverhalten, sie machen Abschnitte eines Proteins hydrophil, zum anderen spielen sie eine wichtige Rolle bei der Anbindung und Umsetzung des Substrats.

pK_S-Werte

Da der pK_S-Wert als jener pH-Wert zu sehen ist, bei dem die protonierte bzw. deprotonierte Form zu gleichen Teilen vorliegen, gilt:

für Asp (pK_S = 3,86) bei pH 7: die Seitenkette ist (nahezu) vollständig deprotoniert
für Lys (pK_S = 10,53) bei pH 7: die Seitenkette ist (nahezu) vollständig protoniert.

Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die pK_S-Werte der Aminosäureseitenketten nach Einbau in ein Protein dramatisch moduliert werden können (Tabelle). Sind diese Seitenketten gar Bestandteil eines aktiven Zentrums, so werden extreme Abweichungen möglich. Beispiele sind:

Chymotrypsin: enthält am aktiven Zentrum einen Ser-Rest, der (im Rahmen der "katalytischen Triade" aus Asp-102 - His-57 - Ser-195) als Nucleophil (scheinbarer pK_S-Wert von 7) reagieren kann;
Papain: ist am aktiven Zentrum ähnlich aufgebaut, enthält jedoch statt einem Ser- einen Cys-Rest mit analoger Funktion;
Ribonuklease: hat am aktiven Zentrum in der Tat einen "basischen" Lysin-Rest der (durch Einbau in einen positiv geladenen Käfig) ebenfalls als Nukleophil (pK_S ~ 7) agiert;
Lysozym: enthält in einem nichtpolaren Abschnitt seines aktiven Zentrums eine (protonierte) Aminosäure mit pK_S ~ 5.

Tabelle: pK_S-Werte von Aminosäure-Seitenketten (für die freie Aminosäuren und nach Einbau in ein Protein)

Aminosäure	frei	Proteinbestandteil
Asp	3,68	3,7-4,0
Glu	4,25	4,2-4,5
His	6,0	6,7-7,1
Cys	8,33	8,8-9,1
Tyr	10,07	9,7-10,1
Lys	10,53	9,3-9,5
Arg	12,48	-

In Proteinen vorkommende Aminosäuren

thumb|450px|Die natürlichen Aminosäuren

L-Alanin	(Ala)
L-Arginin	(Arg)	semi-essentiell
L-Asparagin	(Asn)
L-Asparaginsäure	(Asp)
L-Cystein	(Cys)
L-Glutamin	(Gln)
L-Glutaminsäure	(Glu)
Glycin	(Gly)
L-Histidin	(His)	semi-essentiell
L-Isoleucin	(Ile)	essentiell
L-Leucin	(Leu)	essentiell
L-Lysin	(Lys)	essentiell
L-Methionin	(Met)	essentiell
L-Phenylalanin	(Phe)	essentiell
L-Prolin	(Pro)
Pyrrolysin
L-Selenocystein	(Sec)
L-Serin	(Ser)
L-Threonin	(Thr)	essentiell
L-Tryptophan	(Trp)	essentiell
L-Tyrosin	(Tyr)
L-Valin	(Val)	essentiell

Hierbei wurde das Pyrrolysin zuletzt entdeckt: In einer Mikrobe, die im Verdauungstrakt von Kühen lebt, haben Wissenschaftler von der Ohio State University (USA) den 22. bislang bekannten im Erbgut kodierten Baustein des Lebens entdeckt.

Siehe auch: Phenylketonurie.

Abkürzung		Voller Name	Seitenkettentyp	Molmasse in g/mol	Isoelektrischer Punkt	Bemerkungen
A	Ala	Alanin	hydrophob	89,09	6,11	"Grundtyp" der meisten Aminosäuren
C	Cys	Cystein	hydrophil	121,16	5,05	zwei Cysteine können eine Disulfidbindung ausbilden (um zum Beispiel ein Cystin zu bilden).
D	Asp	Asparaginsäure	sauer	133,10	2,85	-
E	Glu	Glutaminsäure	sauer	147,13	3,15	Reaktionsfolge alpha-Ketoglutarat $\rightarrow$ Glu $\rightarrow$ Gln ermöglich spontane Bindung des Zellgifts Ammoniak
F	Phe	Phenylalanin	hydrophob	165,19	5,49	durch Oxidation Reaktion zu Tyrosin
G	Gly	Glycin	hydrophil	75,07	6,06	durch zwei Wasserstoffatome am α-C-Atom ist Glycin nicht optisch aktiv.
H	His	Histidin	basisch	155,16	7,60	pK-Wert im Neutralbereich; ermöglicht Säure/Basen-Katalyse; häufig an enzymatischen Reaktionen beteiligt
I	Ile	Isoleucin	hydrophob	131,17	6,05	zusätzliches Chiralitätszentrum in der Seitenkette
K	Lys	Lysin	basisch	146,19	9,60	-
L	Leu	Leucin	hydrophob	131,17	6,01	-
M	Met	Methionin	hydrophob	149,21	5,74	Methylgruppentransfer der endständigen CH₃-Gruppe der Seitenkette durch Thioethergruppe auf andere Moleküle möglich
N	Asn	Asparagin	hydrophil	132,12	5,41	-
P	Pro	Prolin	hydrophob	115,13	6,30	cyclische Aminosäure mit disubstituierter Aminogruppe (früher oft fälschlicherweise als Iminosäure bezeichnet), kann Proteinstrukturen wie alpha-Helices oder beta-Faltblätter unterbrechen und spezielle eigene Motive initiieren. cis- oder trans Konformation in Proteinen. Biosynthese aus Glu über Glu-Semialdehyd, Ringschluss und Reduktion
Q	Gln	Glutamin	hydrophil	146,15	5,65	universeller NH₂-Donor im Stoffwechsel
R	Arg	Arginin	basisch	174,20	10,76	Metabolit im Harnstoffzyklus: Spaltung in Orn und Harnstoff. Kann energiereiches N-Phosphat bilden
S	Ser	Serin	hydrophil	105,09	5,68	im Protein phosporylierbar (Kinasesubstrat), besonders kleine polare Seitenkette, häufig im aktiven Zentrum von Proteasen
T	Thr	Threonin	hydrophil	119,12	5,60	zusätzliches Chiralitätszentrum in der Seitenkette, im Protein phosporylierbar (Kinasesubstrat)
U	Sec	Selenocystein	hydrophil	169,06	-	aktives Zentrum von Selenoenzymen (Glutathion-Peroxidase, Deiodase)
V	Val	Valin	hydrophob	117,15	6,00	-
W	Trp	Tryptophan	hydrophob	204,23	5,89	bestimmt (neben Phe und Tyr) das Absorptionsspektrum von Proteinen
Y	Tyr	Tyrosin	hydrophil	181,19	5,64	im Protein phosporylierbar (Substrat von Tyr-Kinasen)

Aminosäure	Positive Nettoladung	Negative Nettoladung	Aromatisch	Aliphatisch	van-der-Waals-Volumen	Hydrophobizitätsgrad
Alanin	-	-	-	X	67	1,8
Cystein	-	-	-	-	86	2,5
Asparaginsäure	-	X	-	-	91	-3,5
Glutaminsäure	-	X	-	-	109	-3,5
Phenylalanin	-	-	X	-	135	2,8
Glycin	-	-	-	X	48	-0,4
Histidin	(X)	-	-	-	118	-3,2
Lysin	X	-	-	-	135	-3,9
Isoleucin	-	-	-	X	124	4,5
Leucin	-	-	-	X	124	3,8
Methionin	-	-	-	-	124	1,9
Asparagin	-	-	-	-	96	-3,5
Prolin	-	-	-	-	90	-1,6
Glutamin	-	-	-	-	114	-3,5
Arginin	X	-	-	-	148	-4,5
Serin	-	-	-	-	73	-0,8
Threonin	-	-	-	-	93	-0,7
Valin	-	-	-	X	105	4,2
Tryptophan	-	-	X	-	163	-0,9
Tyrosin	-	-	X	-	141	-1,3

Anmerkung:
Der Ladungszustand der positiv oder negativ aufladbaren Aminosäuren hängt vom jeweiligem pH-Wert des umgebenden Milieus ab:

Ist der pH-Wert kleiner als der Isoelektrische Punkt, dann wird die negative Ladung der negativ aufladbaren Aminosäuren neutralisiert und die positive Ladung der positiv aufladbaren erscheint.
Ist der pH-Wert größer als der Isoelektrische Punkt, dann wird die positive Ladung der positiv aufladbaren Aminosäuren neutralisiert und die negative Ladung der negativ aufladbaren erscheint.

Literatur

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, 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), ISSN 0044-8249

Quellen

Spiegel - 24. Mai 2002
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

Weblinks

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