Quelle: comedix.de

Die Freunde von Asterix-Comics wissen aus Band XII („Asterix bei den Olympischen Spielen“), daß die als sehr sportlich geltenden Spartaner sich bevorzugt von Olivenkernen und fettem Fleisch ernähren …

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Quelle: jackedgorilla.com

… viele zeitgenössische Kraftsportler hingegen versuchen, sich Muskelmasse mit Hilfe sogenannter Protein-Drinks zuzulegen.

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… viele zeitgenössische Kraftsportler hingegen versuchen, sich Muskelmasse mit Hilfe sogenannter Protein-Drinks zuzulegen.

Wie sieht der molekulare Aufbau eines Proteins aus?

Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einer beliebigen Proteinkette.

Als eines der Strukturmerkmale fallen uns die Carbonsäureamid-Bindungen auf, in denen ein C-Atom über eine Doppelbindung mit einem O-Atom und einer Einfachbindung mit einem N-Atom verknüpft ist.

Des Weiteren fällt uns auf, daß die mit einem Sternchen markierten C-Atome, die gewissermaßen als Brücke zwischen den Carbonsäureamid-Gruppen fungieren, in unserer Abbildung allesamt Stereozentren darstellen.

Diese spezielle Eigenschaft gilt für fast alle Bausteine von Proteinen.Diese Bausteine werden Aminosäuren genannt.

Es gibt eine einzige Ausnahme, nämlich die einfachste Aminosäure namens Glycin (= 2-Aminoessigsäure).Glycin besitzt kein Stereozentrum, da das C-Atom Nr. 2 (zwischen dem C-Atom Nr. 1 und dem N-Atom) mit zwei H-Atomen verbunden ist und somit keine vier verschiedenen Bindungspartner hat.

* * *

Unter Einwirkung von Wasser (in der Regel säure- oder basenkatalysiert) lassen sich die Carbonsäureamid-Bindungen spalten.

Wir sprechen in einem solchen Fall von einer Hydrolyse.

Spaltung der C-N-Bindung nach dem nucleophilen Angriff eines Wassermoleküls

Findet die Hydrolyse am Ende einer Proteinkette statt, so wird die endständige Aminosäure freigesetzt.

An dem nunmehr neuen Ende der Kette kann sich eine weitere Hydrolyse anschließen.

Spaltung der C-N-Bindung nach dem nucleophilen Angriff eines Wassermoleküls

H NH2

O

Bevor wir uns mit den Bausteinen der Proteine näher befassen, rekapitulieren wir anhand der jeweils einfachsten Vertreter den allgemeinen Unterschied zwischen Carbonsäureamiden und Aminosäuren (dies wird in Prüfungen gelegentlich verwechselt).

Die obige Abbildung zeigt das einfachste Carbonsäureamid, das Amid der Ameisensäure, das auch als Formamidbezeichnet wird (lat. formica = Ameise).

Formamid ist unter Normalbedingungen flüssig und ein wichtiger Ausgangsstoff für großindustrielle Synthesen.

Ameisensäureamid (= Formamid)

H NH2

O

Die Abbildung rechts gibt die Struktur der einfachsten Aminosäure wieder.

Sie hat den Namen Glycin (offiziell: 2-Aminoethansäure; die Ziffer „2“ kann in diesem Fall sogar weggelassen werden, da die NH2-Gruppe zwingend am C-Atom Nr. 2 positioniert werden muß.Wenn die NH2-Gruppe am C-1 wäre, dann hätten wir ja keine Carbonsäuregruppe mehr vorliegen, sondern eine Carbonsäureamidgruppe wie im Fall des Formamids).

Ameisensäureamid (= Formamid) 2-Aminoethansäure (= Glycin)

H NH2

O

Man beachte:

Während das einfachste Säureamid ein C-Atom trägt (es ist ja ein sogenanntes funktionelles Derivat der Methansäure = Ameisensäure), muß die einfachste Aminosäure zwei C-Atome aufweisen – das C-Atom Nr. 1 als Bestandteil der COOH-Gruppe und das C-Atom Nr. 2 als das C-Atom, welches die NH2-Gruppe trägt.

Ameisensäureamid (= Formamid) 2-Aminoethansäure (= Glycin)

H NH2

O

Auf den folgenden Folien befassen wir uns mit einer der übrigen Aminosäuren, die als Bestandteile der Proteine fungieren und die allesamt eine Eigenschaft besitzen, die das Glycin nicht haben kann:

Sie haben am C-Atom Nr. 2 ein sogenanntes Stereozentrum.

D.h., daß das C-Atom Nr. 2 mit vier verschiedenen Liganden (Atomen bzw. funktionellen Gruppen) verbunden ist:

1) der COOH-Gruppe2) der NH2-Gruppe3) einem H-Atom und4) einem Alkylrest, der charakteristisch für jede Aminosäure ist.

Ameisensäureamid (= Formamid) 2-Aminoethansäure (= Glycin)

Die Aminosäure L-Valin wird nicht vom menschlichen Körper synthetisiert und muß daher mit der Nahrung aufgenommen werden.

Sie gehört daher zu den sogenannten essentiellen Aminosäuren.

Sie wurde erstmals von Hermann Emil Fischer aus Casein (dem Hauptbestandteil des Milcheiweißes) isoliert.

Aminosäuren

OH

O

H2N H

Für die Konstruktion der Konstitutionsformel des L-Valin gehen wir wiederum vom Kohlenwasserstoff n-Butan aus.

n-Butan

Zunächst wird die C 4-Kette um eine Methylgruppe an einem der beiden mittleren C-Atome ergänzt.

Gemäß der Zählweise ist dieses C-Atom das C-2 in der Struktur des 2-Methylbutans.

2-Methylbutan

12

34

Im folgenden Schritt wandeln wir das endständige C-Atom, welches von der Abzweigung weiter entfernt ist, in eine Carbonsäuregruppe –COOH um.

Dieses C-Atom ist das nunmehr das C-1, da die C-Kette wegen der Priorität der –COOH-Gruppe nun von rechts nach links numeriert wird.

Das ursprüngliche C-2 des 2-Methylbutans (siehe letzte Folie) wird durch diese Umkehrung der Zählrichtung zum C-3 der 3-Methylbutansäure.

3-Methylbutansäure

43

21

OH

O

NH2

Um von dieser Carbonsäure zu einer sogenannten α-Aminosäure zu gelangen, ersetzen wir eines der beiden H-Atome am C-2 durch eine Aminogruppe ( –NH2-Gruppe).

Der Buchstabe „ α“ bedeutet, daß die Aminogruppe am C-2 sitzt („β“ wäre eine Aminogruppe am C-3).

In der Abbildung ragt die Aminogruppe dem Betrachter aus der Papierebene heraus entgegen.Dies wird durch den durchgezogenen Keil symbolisiert.

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure

OH

O

H2N H

Das in der abgekürzten Schreibweise nicht mit eingezeichnete H-Atom am C-2 ragt hinter die Ebene.

Die Zuordnung des Stereozentrums am C-2 zur S- bzw. R-Konfiguration ist aus diesem Grund relativ einfach.

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure

OH

O

H2N H

Der Substituent niedrigster Priorität (= derjenigen mit den wenigsten Protonen im Kern = derjenige mit der niedrigsten Ordnungszahl im Periodensystem; in diesem Fall wie üblich das H-Atom) ragt nach hinten.

Dies ist die Voraussetzung dafür, daß die räumliche Abfolge der Substituenten Nr. 1 (höchste Priorität; hier: N mit der OZ 7), Nr. 2 (hier: C der COOH-Gruppe) und Nr. 3 (hier: C des C3H7-Alkylrests) dem Uhrzeigersinn zugeordnet und in der Abfolge 123 gegen der Uhrzeigersinn (wie in diesem Fall) mit dem Buchstaben S belegt werden kann (bzw. im Fall der dazu spiegelbildisomeren Verbindung gemäß der Abfolge 123 im Uhrzeigersinn mit dem Buchstaben R).

Die obige Abbildung zeigt demnach das S-Isomere der 2-Amino-3-methylbutansäure.

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure

OH

O

H2N H

Der übliche Name für die 2-Amino-3-methylbutansäure ist Valin.

Warum wird zur Wiedergabe der dreidimensionalen Verhältnisse am Stereozentrum im Namen der Verbindung das (S)-Valin, einer anderen Nomenklatur folgend, üblicherweise als L-Valin bezeichnet?

Ist ein (S)-Isomeres in jedem Fall identisch mit dem L-Isomeren??

Und ist das am Stereozentrum spiegelbildlich aufgebaute (R)-Isomere automatisch identisch mit dem D-Isomeren?? (Wenn ja, dann könnte man ja auf einen Satz an Deskriptoren [(R/S) oder D/L] verzichten!?)

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure = (S)-Valin = L-Valin

OH

O

H2N H

Achtung: Das ist nicht der Fall !!

Beide Systeme an Deskriptoren für Stereozentren [(R/S) oder D/L] beruhen auf völlig unterschiedlichen Definitionen! Sie sind daher keinesfalls austauschbar!

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure = (S)-Valin = L-Valin

OH

O

H2N H

Die (R/S)-Nomenklatur, von den Chemikern Cahn, Ingold und Prelog entwickelt (daher auch CIP-Nomenklatur genannt), beruht ausschließlich auf Ordnungszahlen der Elemente, also der Anzahl an Protonen in deren Kernen.

Sie ist vor allem dann von Vorteil, wenn das betreffende Molekül nur ein einziges Stereozentrum hat (wie bei der Aminosäure Valin, deren natürlich vorkommendes Isomeres das L-Enantiomere ist; dies gilt übrigens für alle Aminosäuren mit einem Stereozentrum).

Hat ein Molekül nämlich mehrere Stereozentren, dann muß jedes dieser C-Atome separat für sich gemäß der (R/S)-Nomenklatur bestimmt und das Ergebnis im Namen angegeben werden.

(S)-2-Amino-3-methylbutansäure = (S)-Valin = L-Valin

Die offenkettige Form des natürlich vorkommenden Isomeren des Traubenzuckers zum Beispiel mußgemäß der (R/S)-Nomenklatur als (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal bezeichnet werden.

Da ist die Bezeichnung als D-Glucose doch einfacher …

O

OH

HOHO

OH

23

4 5

6

O1

D-Glucose H

H

Die D/L-Nomenklatur bezieht sich nicht auf die Ordnungszahl der Elemente, sondern einzig und allein auf die Ausrichtung (nach links oder nach rechts) der funktionellen Gruppe (OH-Gruppe oder NH2-Gruppe) am Stereozentrumdes Moleküls in der Fischer-Projektion – bzw., im Fall mehrerer Stereozentren im Molekül, an dem Stereozentrum, welches in der Fischer-Projektion am weitesten unten steht.

Hermann Emil Fischer

Quelle: wikipedia

Die D/L-Nomenklatur ist vor allem dann von Vorteil, wenn, wie im Fall der Kohlenhydrate, mehrere Stereozentren vorliegen und man die Zuordnung der natürlich vorkommenden Isomere auf ein einziges der Stereozentren beschränken kann, nämlich auf das in der Fischer-Projektion am weitesten unten stehende Stereozentrum.

Das Ergebnis ist die D-Reihe der meisten natürlich vorkommenden Zucker (D-Glucose, D-Galactose, D-Fructose, D-Ribose, …).

Aber auch in den Fällen von Naturstoffen, in denen in der Regel nur ein Stereozentrum an einem bestimmten C-Atom vorliegt, wird die D/L-Nomenklatur gerne angewandt, wenn alle natürlich vorkommenden Enantiomere die gleiche räumliche Anordnung an jenem Stereozentrum aufweisen.

Die meisten -Aminosäuren haben ein solches Stereozentrum am C-2 mit gleicher räumlicher Ausrichtung der NH2-Gruppe (Ausnahme: die Aminosäure Glycin – siehe links – besitzt kein Stereozentrum).

Daher ist es von Vorteil, diese natürlich vorkommenden -Aminosäuren der L-Reihe zuzuordnen.

Der Bezug auf die R/S-Nomenklatur birgt bei den Aminosäuren nämlich ein Problem:Das C-Atom Nr. 3 der Aminosäure L-Cystein (siehe links) hat ein Schwefel-Atom als Bindungspartner.

Schwefel hat die Ordnungszahl 16 und somit höhere Priorität als Sauerstoff (Ordnungszahl 8).

Das C-3 des L-Cysteins hat demzufolge gemäß der R/S-Nomenklatur eine höhere Priorität als das C-1 mit seiner COOH-Gruppe!

Das natürlich vorkommende L-Cystein entspricht gemäß der R/S-Nomen-klatur also nicht wie beiden den übrigen Aminosäuren dem (S)-, sondern dem (R)-Enantiomeren!

L-Cystein = (R)-Cystein

HS

NH2

H

O OH

1

2

3

O OH

NH2

Glycin (= Aminoessigsäure)

(kein Stereozentrum = nicht chiral= optisch nicht aktiv)

OH

O

H2N H

Zur Zuordnung des (S)-Valin gemäß der D/L-Nomenklatur müssen wir dessen Fischer-Projektion konstruieren, wobei wir uns an das Procedere bei den Kohlenhydraten erinnern:

Der Betrachter blickt so auf das Stereozentrum, daß die Kette der C-Atome senkrecht verläuft (wobei das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe, in diesem Fall das C-Atom der COOH-Gruppe, am oberen Ende der Kette steht) und die beiden dem Stereozentrum direkt benachbarten C-Atome (hier: C-1 und C-3) in der Ebene vom Betrachter aus nach hinten zeigen.

Zurück zum (S)-Valin:

OH

O

H2N H

Dieser Blick auf das Stereozentrum liefert uns im Fall der Aminosäure (S)-Valin das folgende Ergebnis in der Keilstrich-Schreibweise (siehe rechts).

OH

O

H2N H

CO2H

H2N H

daraus abgeleitete Fischer-Projektion

Die Fischer-Projektion orientiert sich zwar an dieser Wiedergabe der Stereochemie.

Sie verzichtet aber auf jene Keilstriche und verwendet die normalen Striche für die Atombindungen.

Wiedergabe mit Keilstrichen

OH

O

H2N H

CO2H

H2N H

L-Valin

Die funktionelle Gruppe in horizontaler Ausrichtung ist im Fall der Aminosäuren die NH2-Gruppe.

In diesem Fall ist die NH2-Gruppe in der Fischer-Projektion nach links ausgerichtet (siehe Rechteck).

Somit liegt hier die natürlich vorkommende L-Aminosäure vor (lateinisch: laevus = links).

CO2H

H2N H

Liegen die funktionellen Gruppen in den Aminosäuren in der Realität tatsächlich so vor wie in der Abbildung für das L-Valin wiedergegeben ?

N H

OO H

H

H

H als Proton (H+ ) abspaltbar

freies Elektronenpaar am N-Atom;kann ein Proton (H+ ) aufnehmen

–CO2H: saure Gruppe

–NH2: basische Gruppe

Betrachten wir zur Klärung dieser Frage die Eigenschaften der beiden funktionellen Gruppen, nämlich der –COOH-Gruppe und der – NH2-Gruppe.

Die erstere ist sauer, tendiert also zur Abgabe eines Protons.

Die zweitere ist dank des freien Elektronenpaars basisch, d.h. sie neigt zur Aufnahme eines Protons.

N H

OO

H

H

H

L-Valin in der sog.Zwitterionenstruktur

In der Realität liegen die Aminosäuren also in ionischer Form vor.

Dies erklärt ihre relativ hohen Schmelzpunkte (Ionenkräfte sind relativ stark!)

Ein Molekül mit positiven und negativen Ladungen nennt man ein Zwitterion.

Methansäureamid(= Ameisensäureamid

= Formamid)

Wir betrachten abschließend nochmals die Parallele zwischen Carbonsäureamiden wie dem eingangs vorgestellten Formamid (siehe Abbildung) und den Strukturen von Proteinen.

Amidbindung

In Carbonsäureamiden ist die C=O-Gruppe direkt verknüpft mit dem N-Atom einer NH2-Gruppe (oder NHR-Gruppe oder NR2-Gruppe; R = CH3, C2H5, etc.).

Amidbindungzwischen einem L-Valin- und einem Glycin-Baustein

Wir finden, wie eingangs bereits gesehen, diese Gruppierung auch in den Proteinen an der Verknüpfungsstelle zweier Aminosäure-Bausteine.

Betrachten wir als simples Beispiel die Verknüpfung von nur zwei Aminosäuren.

Wir sprechen in einem solchen Fall von einem Dipeptid.

Die obige Abbildung zeigt die Amidbindung in einem Dipeptid aus den Aminosäuren L-Valin und Glycin, wobei sich das L-Valin am sog. N-terminalen Ende des Dipeptids befindet und Glycin am C-terminalen Ende (Abkürzung: Val-Gly).

Amidbindungzwischen einem Glycin- und einem L-Valin-Baustein

Diese Abbildung zeigt ein dazu isomeres Dipeptid, an dessen N-terminalem Ende das Glycin sitzt und das L-Valinam C-terminalen Ende (= Gly-Val).

Wir beachten: Glycin besitzt kein Stereozentrum. Daher existiert auch kein Spiegelbild-Isomeres zum Glycin, so daß eine Differenzierung zwischen L- und D-Isomer in diesem Fall entfällt und auch kein Keilstrich zur Wiedergabe der räumlichen Ausrichtung irgendwelcher Atome, funktioneller Gruppen oder sonstiger Reste notwendig ist.