Zur Klasse der Aminosäuren zählenorganische Verbindungen, die zumindest eine Aminogruppe (–NH2 bzw. substituiert –NR2) und eineCarboxygruppe (–COOH) alsfunktionelle Gruppen enthalten, also Strukturmerkmale derAmine und derCarbonsäuren aufweisen. Chemisch lassen sie sich nach der Stellung ihrer Aminogruppe zur Carboxygruppe unterscheiden – steht die Aminogruppe amCα-Atom unmittelbar benachbart zur endständigen Carboxygruppe, nennt man diesα-ständig und spricht vonα-Aminosäuren.
Ausgewählte α-Aminosäuren sind die natürlichen Bausteine von Proteinen. Sie werden miteinander zu Ketten verknüpft, indem die Carboxygruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten einePeptidbindung eingeht. Die auf diese Weise zu einemPolymer verketteten Aminosäuren unterscheiden sich in ihrenSeitenketten und bestimmen zusammen die Form, mit der dasPolypeptid im wässrigen Milieu dann zumnativen Proteinauffaltet. DieseBiosynthese von Proteinen findet in allenZellen an denRibosomen nach Vorgabe genetischer Information statt, die in Form vonmRNA vorliegt.
DieBasensequenz der mRNA codiert in Tripletts dieAminosäurensequenz, wobei jeweils einBasentriplett einCodon darstellt, das für eine bestimmteproteinogene Aminosäure steht. Die hiermit als Bausteine für die Bildung von Proteinen in einer bestimmten Reihenfolge angegebenen Aminosäuren formen die Proteine.[2] Beim Menschen sind es 21 verschiedene proteinogene Aminosäuren, neben den standardmäßig 20 (kanonischen) Aminosäuren auchSelenocystein. Nach derTranslation können die Seitenketten einiger im Protein eingebauter Aminosäuren nochmodifiziert werden.
Das Spektrum der Aminosäuren geht allerdings über diese rund zwanzigproteinogenen weit hinaus. So sind bisher über 400nichtproteinogene natürlich vorkommende Aminosäuren bekannt, die biologische Funktionen haben.[3] Die vergleichsweise seltenenD-Aminosäuren stellen hierbei eine spezielle Gruppe dar.[4] Die Vielfalt dersynthetisch erzeugten und die der theoretisch möglichen Aminosäuren ist noch erheblich größer.
Strukturformeln von 20 proteinogenen Aminosäuren und deren Abkürzungen als Dreibuchstabencode (rot) und Einbuchstabencode (grün)
Die erste Aminosäure wurde 1805 im Pariser Labor vonLouis-Nicolas Vauquelin und dessen SchülerPierre Jean Robiquet aus dem Saft vonSpargel (Asparagus officinalis) isoliert und danachAsparagin genannt.[6] Als letzte der üblichen proteinaufbauenden Aminosäuren wurde dasThreonin 1931 imFibrin entdeckt sowie 1935 seiner Struktur nach geklärt vonWilliam Rose. Rose hatte durch Experimente mit verschiedenen Futtermitteln herausgefunden, dass die bis dato entdeckten 19 Aminosäuren als Zusatz nicht ausreichten.[7] Er stellte auch dieEssentialität anderer Aminosäuren fest und ermittelte je die für ein optimales Wachstum mindestenserforderliche Tagesdosis.[8]
Friedrich Wöhler, dessenSynthesen in den 1820er Jahren das Gebiet derBiochemie eröffneten, entdeckte keine Aminosäure, doch waren drei seiner Schüler daran beteiligt, neben den erwähnten Gorup-Besánez und Schulze auchGeorg Städeler (1863Serin aus Rohseide). 18 der 20 entdeckten Aminosäuren wurden aus pflanzlichem oder tierischem Material isoliert, nur die beiden AminosäurenAlanin (1850Adolph Strecker) undProlin (Willstätter) durchorganische Synthese erhalten. Während die Analyse der stofflichen Zusammensetzung bis hin zurSummenformel mit den damaligen Methoden gut zu bewerkstelligen war, konnte dieStrukturformel vieler Aminosäuren oftmals nur durch Teilschritte der Synthese endgültig aufgeklärt werden, was manchmal erst Jahre später gelang. Die Struktur des Asparagins und die vonAsparaginsäure klärteHermann Kolbe erst 1862 auf, 57 Jahre nach der ersten Beschreibung.
Den Gattungsnamen verdanken Aminosäuren zwei funktionellen Gruppen, ihre Einzelnamen mal einem hellen Aussehen (z. B.Arginin,Leucin), einem süßen Geschmack (z. B.Glycin) oder dem Material, in dem sie gefunden wurden (z. B.Asparagin,Cystein,Serin,Tyrosin), Merkmalen der chemischen Struktur (z. B.Prolin,Valin,Isoleucin) bzw. beidem (z. B.Glutamin,Glutaminsäure) und mal auch denEdukten ihrer Synthese (z. B.Alanin).[9]
Dass Proteine als Ketten aus Aminosäuren, verbunden durch Peptidbindungen, aufgebaut sind, schlugen zuerst 1902 auf der Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte in Karlsbad gleichzeitig und unabhängig voneinander sowohlEmil Fischer als auchFranz Hofmeister vor (Hofmeister-Fischer-Theorie).[10]
Aminosäuren bestehen aus mindestens zwei Kohlenstoffatomen. Die instabileCarbamidsäure besitzt lediglich ein Kohlenstoffatom und ist damit keine Aminosäure, sondern ein Kohlensäureamid. Aminosäuren lassen sich in Klassen einteilen je nach dem Kohlenstoffatom, an dem sich dieAminogruppe relativ zur Carboxygruppe befindet. Sind imMolekül mehrere Aminogruppen vertreten, so bestimmt das Kohlenstoffatom, dessen Aminogruppe dem Carboxy-Kohlenstoff am nächsten steht, um welche Klasse von Aminosäuren es sich handelt.
Allgemeine Struktur von Aminosäuren (R: Seitenkette)
α-Aminosäure
β-Aminosäure
γ-Aminosäure
α-Aminosäuren: Die Aminogruppe der α-Aminosäuren befindet sich am zweiten Kohlenstoffatom, einschließlich des Carboxy-Kohlenstoffatoms. Die Zählung beginnt immer mit dem Carboxy-Kohlenstoff. Die IUPAC-Bezeichnung lautet daher 2-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter der α-Aminosäuren ist die proteinogene AminosäureGlycin. Alle proteinogenen Aminosäuren sind α-Aminosäuren.
Mit dem Ausdruck Aminosäuren ist oft eine bestimmte Gruppe von α-Aminosäuren gemeint, die hauptsächlich ausL-α-Aminosäuren besteht: dieproteinogenen Aminosäuren. Diese sind die Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde und neben denNukleinsäurenGrundbausteine des Lebens.
β-Aminosäuren: Die Aminogruppe der β-Aminosäuren befindet sich am dritten Kohlenstoffatom (das Carboxy-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Bezeichnung lautet 3-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter istβ-Alanin.
γ-Aminosäuren: Die Aminogruppe der γ-Aminosäuren befindet sich am vierten Kohlenstoffatom (das Carboxy-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Bezeichnung lautet 4-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter istγ-Aminobuttersäure (GABA).
Die Bezeichnung weiterer Klassen der Aminosäuren ergibt sich nach dem gleichen Schema.
Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihreSeitenketteR. Ist die SeitenketteR verschieden von den anderenSubstituenten, die sich am Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so befindet sich hier einStereozentrum und es existieren von der entsprechenden Aminosäure zweiEnantiomere. Enthält die SeitenketteR selbst weitere Stereozentren, so ergeben sich auchDiastereomere und die Zahl möglicher Stereoisomerer nimmt entsprechend zur Anzahl der weiteren Stereozentren zu. Von Aminosäuren mitzwei verschieden substituierten Stereozentren gibt esvier Stereoisomere. Unter bestimmten Bedingungen können alle drei ionogenen Gruppen geladen werden (z. B. Histidin), dann bilden sie Doppelsalze.[12]
Aminoacyl-Gruppe, gebildet aus der AminosäureGlycin. R bedeutet hier einen Rest, an den die Aminoacyl-Gruppe gebunden ist; beispielsweise wird eine Transfer-RNA (tRNA) so beladen zurAminoacyl-tRNA.
Aminoacyl-Gruppe, gebildet aus der AminosäureL-Glutamin. R bedeutet hier einen Rest, an den die Aminoacyl-Gruppe gebunden ist; beispielsweise wird eine Transfer-RNA (tRNA) so beladen zurAminoacyl-tRNA.
Aminoacyl-Gruppe bezeichnet die einwertige Gruppe, die aus einer Aminosäure durch Entfernen der Hydroxygruppe (–OH) aus der Carboxygruppe (–COOH) entsteht, also das univalente Radikal. Aus einer α-Aminosäure wird so eine α-Aminoacyl-Gruppe gebildet; aus der Aminosäure Tyrosin beispielsweise entsteht so dieTyrosylgruppe als eine spezielle α-Aminoacyl-Gruppe.
Alsproteinogene Aminosäuren werden Aminosäuren bezeichnet, die in Lebewesen als Bausteine derProteine während derTranslation nach Vorgabe genetischer Information verwendet werden.[2] Bei der Biosynthese von Proteinen, die an denRibosomen einer Zelle stattfindet, werden im Zuge derProteinbiosynthese ausgewählte Aminosäuren durch Peptidbindungen in bestimmter Reihenfolge zur Polypeptidkette eines Proteins verknüpft. DieAminosäurensequenz des ribosomal gebildeten Peptids wird dabei vorgegeben durch die in derBasensequenz einerNukleinsäure enthaltene genetische Information, wobei nach demgenetischen Code eine Aminosäure durch einBasentriplett codiert wird.
L-Prolin (proteinogene Aminosäure)
D-Prolin (nichtproteinogene Aminosäure)
Die proteinogenen Aminosäuren sind stets α-Aminosäuren. Bis auf die kleinste,Glycin, sind siechiral und treten mit besonderer räumlicher Anordnung auf.[13] Eine Besonderheit weist die AminosäureProlin auf, deren Aminogruppe einsekundäres Amin besitzt und die sich daher nicht so flexibel in eine Proteinfaltung einfügt wie andere proteinogene Aminosäuren – Prolin gilt beispielsweise als Helixbrecher beiα-helikalen Strukturen in Proteinen. Aufgrund der sekundären Aminogruppe wird Prolin auch alssekundäre Aminosäure – öfters fälschlicherweise bzw. veraltet auch alsIminosäure – bezeichnet.
Von den spiegelbildlich verschiedenenEnantiomeren sind jeweils nur dieL-Aminosäuren proteinogen (zurD / L-Nomenklatur sieheFischer-Projektion; in Fällen wieHydroxyprolin gibt es weitereStereoisomere). Die molekularen Komponenten des zum Aufbau der Proteine notwendigen zellulären Apparats – neben Ribosomen nochtRNAs und diese mit Aminosäuren beladendeAminoacyl-tRNA-Synthetasen – sind selber auch chiral und erkennen allein dieL-Variante.[14]
Für 20 derproteinogenen Aminosäuren finden sichCodons in der (am häufigsten gebrauchten) Standardversion des genetischen Codes. Diese werden daher alsStandardaminosäuren oder auchkanonische Aminosäuren bezeichnet.
InAminosäuresequenzen werden die Aminosäuren meist mit einem Namenskürzel imDreibuchstabencode angegeben oder imEinbuchstabencode durch ein Symbol dargestellt.[16]
Der Einbuchstabencode wurde von IUPAC-IUB auf Grundlage der folgenden Regeln gewählt:[17]
Wo keine Mehrdeutigkeit besteht, wurden die Anfangsbuchstaben verwendet: C Cystein, H Histidin, I Isoleucin, M Methionin, S Serin, V Valin,[17]
Wenn eine willkürliche Zuordnung erforderlich ist, haben die strukturell einfacheren Aminosäuren Vorrang: A Alanin, G Glycin, L Leucin, P Prolin, T Threonin,[17]
FPHenylalanin und R Arginin aRginine wurden phonetisch suggestiv zugeordnet,[17]
W Tryptophan wurde zugeordnet, da der Doppelring optisch an den sperrigen Buchstaben W erinnert,[17]
K Lysin und Y Tyrosin wurden aufgrund der alphabetischen Nähe zu ihren Initialen L und T zugeordnet (dabei ist zu beachten, dass U wegen der Ähnlichkeit mit V vermieden wurde, während X für unbestimmte oder atypische Aminosäuren reserviert wurde); für Tyrosin wurde zudem die Merkhilfe tYrosine vorgeschlagen,[18]
D Aspartat wurde willkürlich zugeordnet, wobei als Merkhilfe asparDic acid vorgeschlagen wurde;[19] E Glutamat wurde in alphabetischer Reihenfolge zugeordnet, da es lediglich um eineMethylen –CH2– Gruppe größer ist,[18]
N Asparagin wurde willkürlich zugeordnet, wobei als Merkhilfe asparagiNe vorgeschlagen wurde;[19] Q Glutamin wurde in alphabetischer Reihenfolge zugeordnet von den noch verfügbaren Buchstaben (zu beachten ist, dass O aufgrund der Ähnlichkeit zu D vermieden wurde), mit der vorgeschlagenen MerkhilfeQlutamine.[19]
Neben den oben angegebenen Codes werden zusätzliche Zeichen als Platzhalter benutzt, wenn aus derProteinsequenzierung oderRöntgenstrukturanalyse nicht auf die genaue Aminosäure geschlossen werden kann.
Zu den natürlich vorkommenden Aminosäuren gehören außer den kanonischen die übrigen alsnichtkanonische Aminosäuren bezeichneten Aminosäuren, wozu proteinogene und nicht-proteinogene zählen. Hierbei lassen sich mehrere Gruppen unterscheiden:
L-SelenocysteinL-Pyrrolysin
Zur ersten Gruppe gehören jeneproteinogenen Aminosäuren, die durch eineRecodierung des genetischen Materials in Proteine eingebaut werden. Die 21. und die 22. proteinogene Aminosäure gehören hierzu:Selenocystein (beiEukaryoten und manchenBakterien undArchaeen) undPyrrolysin (bei manchen Bakterien und Archaeen). Für beide Aminosäuren wurden spezifischetRNAs – tRNASec bzw. tRNAPyl – gefunden, die während der Translation einen Einbau am Ribosom möglich machen. DerenAnticodon paart, abhängig von Strukturelementen im Kontext der mRNA (sieheSecis), mit demCodonUGA bzw.UAG; im Standardcode stellen diese einStopcodon dar. Doch nicht alle Organismen verwenden die nichtkanonischen proteinogenen Aminosäuren dieser Gruppe.
Das üblicheStartcodonAUG codiert für die AminosäureMethionin.Bakterien verfügen neben der tRNAMet über eine besondere tRNAfMet, die ebenfalls mit Methionin beladen wird und alsInitiator-tRNA dient. Die an tRNAifMet gebundene Aminosäure aber wird in Bakterien amN-Terminusformyliert zuN-Formylmethionin (fMet), noch bevor sie bei derInitiation am Ribosom zur ersten Aminosäure einer Peptidkette werden kann. Dieses Aminosäurederivat Formylmethionin wird daher gelegentlich auch als (23.) proteinogene Aminosäure gezählt. AuchMitochondrien undChloroplasten nutzen fMet initial. Dagegen wird es imCytosoleukaryotischer Zellen und inArchaeen nicht bei der Translation verwendet.[21]
Als dritte Gruppe lassen sich die strenggenommennicht proteinogenen Aminosäuren fassen, die der Organismus nicht von den kanonischen Aminosäuren unterscheiden kann und die er so anstelle dieser in Proteine unspezifisch einbaut. Dazu gehörtSelenomethionin, das anstelle desMethionins eingebaut werden kann, oder dasCanavanin, das der Organismus nicht vomArginin unterscheiden kann oder auch dieAzetidin-2-carbonsäure, die als giftigesProlin-Analogon wirkt. Viele der Aminosäuren dieser Gruppe sind toxisch, da sie oft zu einerFehlfaltung des Proteins führen, wodurch die Form und somit die Funktionsfähigkeit des Proteins beeinträchtigt werden kann. So ist Azetidin-2-carbonsäure ein toxischer Bestandteil desMaiglöckchens, wobei sich das Maiglöckchen selber mit einer hochspezifischen Prolyl-tRNA-Synthetase vor dem unkontrollierten Einbau dieser Aminosäure in ihre Proteine schützt.
Der Mensch nutzt neben den 20 kanonischen auchSelenocystein als proteinogene Aminosäure. Von den 20 kanonischen Aminosäuren werden 12 vom menschlichen Organismus beziehungsweise durch im menschlichen Verdauungstrakt lebende Mikroorganismen synthetisiert. Die restlichen 8 Aminosäuren sind für den Menschen essentiell, das heißt, er muss sie über die Nahrung aufnehmen.
Der Einbau künstlicher, nahezu beliebig gebauter Aminosäuren im Zuge einesProteindesigns ist unter anderem über die Ersetzung des Liganden in der entsprechendenAminoacyl-tRNA-Synthetase möglich.[22] DieseVerfahren sind teilweise so weit fortgeschritten, dass damit gezielt bestimmte Proteine eineMarkierung erhalten können, die beispielsweise das Protein nach Behandlung mit spezifischen Reagenzien zur Fluoreszenz anregen (Beispiel: Einbau von Norbornen-Aminosäure via Pyrrolysyl-tRNA-Synthetase/Codon CUA). Damit ist eine genaue Lokalisierung des Proteins auch ohne Produktion und Reaktion mitAntikörpern möglich.[23]
Die natürlich vorkommenden 20 proteinogenen Standard-Aminosäuren, gruppiert nach physikalisch-chemischen Eigenschaften
L-Aminosäuren sind in derBiochemie von großer Bedeutung, da sie die Bausteine vonPeptiden undProteinen (Eiweißen) sind. Bisher sind über zwanzig sogenannteproteinogene Aminosäuren bekannt. Dies sind zunächst jene 20L-α-Aminosäuren, die als Standard-Aminosäuren durchCodons von je dreiNukleinbasen in derDNA nach dem Standard-Codecodiert werden. Zu diesenkanonisch genannten Aminosäuren sind inzwischen zwei weitere hinzugekommen,Selenocystein undPyrrolysin. Beide nicht-kanonischen sind ebenfalls α-Aminosäuren, bezogen auf die endständigeCarboxygruppe ist dieAminogruppe am unmittelbar benachbarten Kohlenstoffatom gebunden (Cα). Darüber hinaus gibt es noch weitere Aminosäuren, die als Bestandteil von Proteinen oder Peptiden auftreten, jedoch nicht codiert werden.
Aminosäureketten mit einer Kettenlänge unter zirka 100 Aminosäuren werden meist als Peptide bezeichnet, bei den größerenribosomal gebildeten spricht man von Makropeptiden oder Proteinen. Die einzelnen Aminosäuren sind dabei innerhalb der Kette je überPeptidbindungen (Säureamid) verknüpft. Ein automatisiertes Verfahren zur Synthese von Peptiden liefert dieMerrifield-Synthese.
In Form von Nahrung aufgenommene Proteine werden bei derVerdauung inL-Aminosäuren zerlegt. In derLeber[24] werden sie weiter verwertet. Entweder werden sie zur Proteinbiosynthese verwendet oder abgebaut (siehe auch:Aminosäureindex). Die wichtigsten Mechanismen des Aminosäurenabbaus sind:
Aminosäuren, die einOrganismus benötigt, jedoch nicht selbst herstellen kann, heißenessentielle Aminosäuren und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Alle diese essentiellen Aminosäuren sindL-α-Aminosäuren. Für Menschen sindValin,Methionin,Leucin,Isoleucin,Phenylalanin,Tryptophan,Threonin undLysin essentielle Aminosäuren.Seit 1985 wird von der WHO auch die Aminosäure Histidin als essenzielle Aminosäure eingestuft. Es gibt somit neun essenzielle Aminosäuren.[25]Bedingt essentielle odersemi-essentielle Aminosäuren müssen nur in bestimmten Situationen mit der Nahrung aufgenommen werden, zum Beispiel während des Wachstums oder nach schweren Verletzungen. Die übrigen Aminosäuren werden entweder direkt synthetisiert oder aus anderen Aminosäuren durch Modifikation gewonnen. So kannCystein aus der essentiellen Aminosäure Methionin synthetisiert werden. Solange das Vermögen, aus Phenylalanin die AminosäureTyrosin herzustellen, noch nicht ausgereift ist, zählt auch diese neben den anderen zu den essentiellen Aminosäuren im Kindesalter. Aus ähnlichem Grund muss auch bei einerPhenylketonurie Tyrosin zugeführt werden. Daneben gibt es andere Erkrankungen, die denAminosäurestoffwechsel beeinträchtigen und die Aufnahme einer eigentlichnicht-essentiellen Aminosäure unter Umständen erfordern.
Pflanzen und Mikroorganismen können alle für sie notwendigen Aminosäuren selbst synthetisieren. Daher gibt es für sie keineessentiellen Aminosäuren.[13]
Mengendiagramm-Darstellung von Eigenschaften der Seitenketten proteinogener Standard-Aminosäuren[26]
Die proteinogenen Aminosäuren lassen sich nach ihren Resten in Gruppen aufteilen (sieheTabellenübersicht der Eigenschaften). Dabei kann eine Aminosäure in verschiedenen Gruppen gleichzeitig auftauchen. In einemMengendiagramm lassen sich die Überlappungen der Gruppen grafisch darstellen.
Die Eigenschaften der Seitenkette von Cystein betreffend haben die Autoren unterschiedliche Ansichten: Löffler[27] hält sie für polar, während Alberts[28] sie für unpolar hält. Richtigerweise handelt es sich bei Schwefel um einHeteroatom, folglich gilt: Die Seitenkette von Cystein hat schwach polare Eigenschaften.
Aufgrund der basischen Aminogruppe und der sauren Carbonsäuregruppe sind Aminosäuren zugleichBasen undSäuren. Als Feststoffe und in neutralen wässrigen Lösungen liegen Aminosäuren alsZwitterionen vor, das heißt, die Aminogruppe ist protoniert und die Carboxygruppe ist deprotoniert.Verallgemeinert lässt sich das Zwitterion so darstellen:
Aminosäure als Zwitterion
Als Zwitterion kann die protonierte Aminogruppe als Säure (Protonendonator) und die Carboxylatgruppe kann als Base (Protonenakzeptor) reagieren. In sauren Lösungen liegen Aminosäuren alsKationen und in basischen Lösungen alsAnionen vor:
Struktur von Aminosäuren bei unterschiedlichen pH-Werten
Die Ladung eines Aminosäuremoleküls hängt vompH-Wert der Lösung ab. Bei einem Zwitterion mit einer sauren und einer basischen Gruppe ist bei neutralem pH-Wert die Gesamtladung des Moleküls null. Daneben besitzen die Seitenketten der Aminosäuren teilweise saure oder basische geladene Gruppen. Der pH-Wert mit einer Nettoladung von Null ist derisoelektrische Punkt (pHI, pI) einer Aminosäure. Am isoelektrischen Punkt ist die Wasserlöslichkeit einer Aminosäure am geringsten.[29]
pKS-Werte einiger Aminosäure-Seitenketten (als freie Aminosäurenreste und im Protein)
Für das Säure-Base-Verhalten proteinogener Aminosäuren ist vor allem das Verhalten ihrer Seitenkette (fortan mitR bezeichnet) interessant. In Proteinen sind die NH2- und COOH-Gruppen bei physiologischem pH-Wert (um pH 7) wegen derPeptidbindung nicht protonierbar und damit auch nichttitrierbar. Ausnahmen sind derAmino- und derCarboxy-Terminus des Proteins. Daher ist für das Säure-Base-Verhalten von Proteinen und Peptiden der SeitenkettenrestR maßgeblich.
Das Verhalten der SeitenketteR hängt von ihrer Konstitution ab, das heißt, ob die Seitenkette selbst wieder alsProtonenakzeptor oder alsProtonendonator wirken kann. Die proteinogenen Aminosäuren werden nach den funktionellen Gruppen eingeteilt in solche mit unpolarer oder polarer Aminosäureseitenkette und weiter unterteilt in nachPolarität sortierte Untergruppen:aliphatische,aromatische,amidierte,Schwefel-enthaltende,hydroxylierte,basische undsaure Aminosäuren.
Die Seitenketten von Tyrosin und Cystein sind zwar im Vergleich zu den anderen unpolaren Seitenketten relativ sauer, neigen aber erst bei unphysiologisch hohen pH-Werten zum Deprotonieren. Prolin ist eine sekundäre Aminosäure, da derN-Terminus mit der Seitenkette einen fünfatomigen Ring schließt. Innerhalb eines Proteins bindet der Carboxy-Terminus einer vorhergehenden Aminosäure an den Stickstoff des Prolins, welcher aufgrund der bereits erwähnten Peptidbindung nicht protonierbar ist. Histidin, Tyrosin und Methionin kommen jeweils in zwei Untergruppen vor.
Der pK-Wert ist derpH-Wert, bei dem die titrierbaren Gruppen zu gleichen Teilen protoniert und deprotoniert vorliegen; die titrierbare Gruppe liegt dann zu gleichen Teilen in ihrer basischen wie in ihrer sauren Form vor (siehe auch:Henderson-Hasselbalch-Gleichung).
Es ist meist üblich, anstatt vom pKS vom pK zu sprechen, so vompK der Säure. In diesem Sinne müsste allerdings vom pK des Lysins als pKB, vompK der Base gesprochen werden. Aus Gründen der Vereinfachung wird diese Notation aber allgemein weggelassen, da sich auch aus dem Sinnzusammenhang ergibt, ob die Gruppe als Base oder Säure wirkt.
Der pK ist keine Konstante, sondern hängt von der Temperatur, derAktivität, derIonenstärke 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 titrierbare Gruppe in ihrer basischen (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 = 03,86) bei pH 7: Die Seitenkette ist nahezu vollständig deprotoniert.
Für Lys (pK = 10,53) bei pH 7: Die Seitenkette ist nahezu vollständig protoniert.
Die Seitenkettenbasischer Aminosäuren sind in ihrer protonierten (sauren) Form einfach positiv geladen und in ihrer deprotonierten (basischen) Form ungeladen. Die Seitenketten dersauren Aminosäuren (einschließlich Cystein und Tyrosin) sind in ihrer protonierten (sauren) Form ungeladen und in ihrer deprotonierten (basischen) Form einfach negativ geladen. Da das Verhalten der Seitenkette ein ganz anderes ist, wenn sie geladen bzw. ungeladen ist, spielt der pH-Wert für die Eigenschaften der Seitenkette eine so wichtige Rolle.
Die titrierbaren Seitenketten beeinflussen zum Beispiel dasLöslichkeitsverhalten der entsprechenden Aminosäure. In polaren Lösungsmitteln gilt: Geladene Seitenketten machen die Aminosäure löslicher, ungeladene Seitenketten machen die Aminosäure unlöslicher.
InProteinen kann das dazu führen, dass bestimmte Abschnittehydrophiler oderhydrophober werden, wodurch die Faltung und damit auch die Aktivität vonEnzymen vom pH-Wert abhängt. Durch stark saure oder basische Lösungen können Proteine daherdenaturiert werden.
18 der 20 proteinogenen Aminosäuren haben gemäß derCahn-Ingold-Prelog-Konvention am α-Kohlenstoff-Atom die (S)-Konfiguration, lediglichCystein besitzt die (R)-Konfiguration, da hier der Kohlenstoff mit derThiolgruppe eine höhere Priorität als die Carbonsäuregruppe hat.Glycin istachiral, daher kann keine absolute Konfiguration bestimmt werden.
Zusätzlich zum Stereozentrum am α-C-Atom besitzenIsoleucin undThreonin in ihrem RestR je ein weiteresstereogenes Zentrum. Proteinogenes Isoleucin [R = –C*H(CH3)CH2CH3] ist dort (S)-konfiguriert, Threonin [R = –C*H(OH)CH3] (R)-konfiguriert.
Es sind bislang über 400nichtproteinogene (d. h. nicht während derTranslation in Proteine eingebaute) Aminosäuren, die in Organismen vorkommen, bekannt.[3] Dazu gehört etwa dasL-Thyroxin, ein Hormon derSchilddrüse,L-DOPA,L-Ornithin oder das in fast allen Arten vonCyanobakterien nachgewieseneNeurotoxin β-Methylaminoalanin (BMAA).
Die meisten nichtproteinogenen Aminosäuren leiten sich von den proteinogenen ab, dieL-α-Aminosäuren sind. Dennoch können dabei auch β-Aminosäuren (β-Alanin) oder γ-Aminosäuren (GABA) entstehen.
Zu den nichtproteinogenen Aminosäuren zählen auch alleD-Enantiomere der proteinogenenL-Aminosäuren.D-Serin wird im Hirn durch dieSerin-Racemase ausL-Serin (seinem Enantiomer) erzeugt. Es dient sowohl alsNeurotransmitter als auch alsGliotransmitter durch die Aktivierung desNMDA-Rezeptors, was zusammen mit Glutamat die Öffnung des Kanals erlaubt. Zum Öffnen des Ionenkanals muss Glutamat und entweder Glycin oderD-Serin binden.D-Serin ist an der Glycin-Bindungsstelle desGlutamatrezeptors vom NMDA-Typ ein stärkererAgonist als Glycin selbst, war aber zum Zeitpunkt der Erstbeschreibung der Glycin-Bindungsstelle noch unbekannt.D-Serin ist nachD-Aspartat die zweiteD-Aminosäure, die in Menschen gefunden wurde.[32]
Die synthetische Aminosäure (all-S)-endo-cis-2-Azabicyclo-[3.3.0]-octan-3-carbonsäure, ein Strukturelement desArzneistoffsRamipril.
Zu den synthetischen Aminosäuren gehört die2-Amino-5-phosphonovaleriansäure (APV), ein Antagonist desNMDA-Rezeptors und das ökonomisch wichtigeD-Phenylglycin [Synonym: (R)-Phenylglycin], das in der Seitenkette vieler semisynthetischer β-Lactamantibiotica als Teilstruktur enthalten ist. (S)- und (R)-tert-Leucin [Synonym: (S)- und (R)-β-Methylvalin] sind synthetische Strukturisomere der proteinogenen Aminosäure (S)-Leucin und werden als Edukt in stereoselektiven Synthesen eingesetzt.
Es gibt auch Aminosulfonsäuren [Beispiel: 2-Aminoethansulfonsäure (Synonym:Taurin)], α-Aminophosphonsäuren und α-Aminophosphinsäuren.[33] Das sind auch α-Aminosäuren, jedochkeine α-Aminocarbonsäuren. Statt einer Carboxygruppe (–COOH) ist eine Sulfonsäure-, Phosphonsäure- bzw. Phosphinsäuregruppe in diesen α-Aminosäuren enthalten.
Ein quantitativerphotometrischer Nachweis von Aminosäuren kann unter anderem perKaiser-Test[34] mitNinhydrin oder mit demFolin-Reagenz erfolgen, wodurch primäre Amine nachgewiesen werden. Für sekundäre Amine werden derIsatin-Test oder derChloranil-Test verwendet.[35] Ebenso können Trennung und Nachweis von Aminosäuren perKapillarelektrophorese oder perHPLC erfolgen,[36] teilweise alsFlüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Während die meisten Aminosäuren kein UV-Licht mit Wellenlängen über 220 nm absorbieren, sind die Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin, Histidin und Tryptophanaromatisch und absorbieren UV-Licht mit einem Maximum zwischen 260 nm und 280 nm.[37] Die Aminosäurezusammensetzung eines Proteins kann durchHydrolyse des Proteins untersucht werden.[37] Die langsam eintretendeRacemisierung der Aminosäuren in den ursprünglich ausschließlich ausL-Aminosäuren aufgebauten Proteinen wird bei derAminosäuredatierung untersucht.[38][39]
Aminosäuren werden entweder ausNaturstoffen durch Auftrennung eineshydrolysiertenProteins oder auf synthetischem Wege gewonnen. Ursprünglich[40] diente die Entwicklung einer Synthese für die diversen Aminosäuren hauptsächlich der Strukturaufklärung. Inzwischen sind diese Strukturfragen gelöst und mit den verschiedenen Synthesen, soweit sie noch aktuell sind, werden gezielt die gewünschten Aminosäuren dargestellt. Bei den Synthesen entstehen zunächstracemische Gemische, die getrennt werden können. Eine Methode hierfür ist eine selektive enzymatische Hydrolyse, die zurRacematspaltung eingesetzt wird.
Adolph Strecker (um 1869)
Nachfolgend ein Überblick über diverse Synthesen, die von Chemikern bereits ab Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt wurden. Einige dieser älteren Synthesen sind wegen geringer Ausbeuten oder sonstiger Probleme nur von historischem Interesse. Allerdings wurden diese alten Verfahren teilweise weiterentwickelt und einige sind auch noch heute zur Darstellung von Aminosäuren aktuell. Weitergehende Einzelheiten zu diesen Synthesen einschließlich der Gleichungen für die Synthesen sind unter denLinks zu denSynthesen und den angegebenenAminosäuren angeführt.
Eine Synthese für die Darstellung vonGlycin über die α-Fettsäuren, die durch Reaktion von Brom- oderChlorfettsäuren mit Ammoniak hergestellt werden, wurde vonWilliam H. Perkin sen. und Baldwin F. Duppa bereits 1859[40] entwickelt.
Josef Pöchl entdeckte 1883 dieAzlactonsynthese zur Darstellung von Aminosäuren. Deren genauer Ablauf wurde aber erst 1893 vonEmil Erlenmeyer jun. aufgeklärt. Diese Methode wird deshalb auchErlenmeyer-Synthese genannt. Mit diesem Verfahren wurden 1911[42]Histidin sowiePhenylalanin undTyrosin hergestellt.
Durch Reduktion von einerα-Oximinosäure wurde erstmals 1887[43]Asparaginsäure synthetisiert. Nach der gleichen Methode wurde 1906 vonLouis BouveaultIsoleucin aus demOxim desMethyläthyl-brenztraubensäureesters dargestellt.
Nach der vonSiegmund Gabriel entwickeltenGabriel-Synthese,[40] wurde 1889 Glycinhydrochlorid über Phthalimidkalium als Ausgangschemikalie synthetisiert. Obwohl diese Synthese für die Darstellung vonGlycin überholt ist, eignet sie sich wegen ihrer hohen Ausbeuten für die Gewinnung anderer Aminosäuren.
Chemische Synthese: Es gibt eine Vielzahl von Synthesemethoden. Beispiele sind dieStrecker-Synthese vonD,L-Valin, die Degussa-Synthese vonD,L-Cystein und die Synthese vonD,L-Methionin ausMethylmercaptan,Acrolein undBlausäure. Da die hergestellten Aminosäuren dabei alsRacemat erhalten werden, müssen anschließend noch Verfahren zurEnantiomerentrennung erfolgen, wenn reineL- oderD-Aminosäuren benötigt werden.
Fermentationsverfahren: Bei derFermentation werden die Aminosäuren mit Hilfe geeigneterMikroorganismen hergestellt. Der Syntheseprozess läuft dabei über sehr komplexe Zwischenschritte innerhalb der Zellen ab. Ein Beispiel ist die Herstellung vonL-Glutaminsäure ausGlucose. Hierbei kann man aus 2 Gramm Glucose 1 Gramm Glutaminsäure gewinnen. Die meisten Aminosäuren werden heute durch Fermentation hergestellt.[47][48] Jährlich werden so weltweit 6 Millionen Tonnen an Glutaminsäure und Lysin produziert, teilweise aus hydrolysierterStärke oderMelasse unter Verwendung der BakterienEscherichia coli oderCorynebacterium glutamicum.[49]
Aminosäuren haben für dieErnährung des Menschen eine fundamentale Bedeutung, insbesondere solche, die als essentielle Aminosäuren nicht selbst erzeugt werden können. In der Regel wird im Zuge einer ausgewogenen Ernährung der Bedarf an essentiellen Aminosäuren durch tierische oder eine geeignete Kombination verschiedener pflanzlicherProteine (etwa aus Getreide und Hülsenfrüchten)[50] vollkommen gedeckt. Pflanzliche Proteine haben meist hinsichtlich ihrer Aminosäurenzusammensetzung eine geringerebiologische Wertigkeit.Futtermittel in der Nutztierhaltung werden daher oft angereichert durch Zusatz bestimmter Aminosäuren, beispielsweiseMethionin undLysin sowieverzweigtkettige Aminosäuren (Leucin,Isoleucin undValin),[51] wodurch der Nährwert erhöht wird. Verschiedene Aminosäuren werden alsNahrungsergänzungsmittel verkauft.
Aminosäuren können nach ihren Abbauwegen inketogene,glucogene und gemischt keto- und glucogene Aminosäuren eingeteilt werden. Ketogene Aminosäuren werden beim Abbau demCitrat-Zyklus zugeführt, glucogene Aminosäuren derGluconeogenese. Weiterhin werden im Stoffwechsel aus Aminosäuren verschiedene Abbauprodukte mit biologischer Aktivität (z. B.Neurotransmitter) gebildet. Tryptophan ist der Vorläufer vonSerotonin.[53] Tyrosin und sein Vorläufer Phenylalanin sind Vorläufer derCatecholamineDopamin,Epinephrin (synonym Adrenalin) undNorepinephrin (synonym Noradrenalin). Phenylalanin ist der Vorläufer vonPhenethylamin in Menschen. In Pflanzen ist Phenylalanin der Vorläufer derPhenylpropanoide. Glycin ist der Ausgangsstoff derPorphyrinsynthese (Häm).[54] Aus Arginin wird dersekundäre BotenstoffStickstoffmonoxid gebildet.[55] Ornithin undS-Adenosylmethionin sind Vorläufer derPolyamine.[56] Aspartat, Glycin und Glutamin sind Ausgangsstoffe der Biosynthese von Nukleotiden.[57]
Bei verschiedenen Infektionen des Menschen mitPathogenen wurde eine Konkurrenz mit demWirt um die Aminosäuren Asparagin, Arginin und Tryptophan beschrieben.[58]
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