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Aminosäuren und Proteine – 1
Anmerkung: es gibt kaum Quellenangaben, diese Materialien sind ausschließlich zur Nachbereitung meines Unterrichts vorgesehen, nicht für eine weitere Veröffentlichung.
Bei den Seiten mit dem Unterrichtsgang stehen links die Regieanweisungen (Symbole hoffentlich selbsterklärend) und rechts der Tafelanschrieb.
Aminosäuren und Proteine
1. Die Aminosäuren 21.1. Aufbau 21.2. Zwitterion 21.3. Optische Aktivität 21.4. Die 20 Aminosäuren 31.5. Einteilung der Aminosäuren 31.6. Der isoelektrische Punkt (IEP) 3AB: Die 20 Aminosäuren 41.7. pH-Abhängigkeit der Aminosäuren 51.8. Die Elektrophorese 5Folie: Elektrophorese (Prinzip) 6
2. Dipeptide und Polypeptide 72.1. Kondensationsreaktion 72.2. Die Peptid-Bindung 72.3. Einteilung 72.4. Peptidsynthese im Labor 8Folie: Peptidsynthese im Labor 9
3. Struktur der Proteine 103.1. Primärstruktur 103.2. Sekundärstruktur 103.3. Tertiärstruktur 113.4. Quartärstruktur 113.5. Denaturierung 113.6. Anhang: vgl. Literaturhinweis 11AB: Struktur der Proteine 12Folie: Insulin 13
Folie: Häm 13Folie: Tertiärstruktur – stabilisierende Bindungen 14
4. Nachweisreaktionen 154.1. Die Xanthoproteinreaktion 154.2. Die Biuretreaktion 154.3. Die Ninhydrinreaktion 15
5. Chromatographie 155.1. Chromatographie / Grundlagen 155.2. Chromatographie von Aminosäuren 15AB: Nachweisreaktionen auf Aminosäuren 16Folie: Ninhydrin/Biuret 17AB: Grundlagen: Chromatografie 18AB: Chromatografie-Versuche 19AB: Identifikation durch Chromatografie 20AB: Chromatografie-Versuche/Ergebnisse 2002 21AB: Chromatografie-Versuche/Ergebnisse 2005 22AB: Chromatografie-Versuche/Simulation 23
6. Bedeutung der Aminosäuren 246.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit 246.2. Komplex: Landwirtschaft 246.3. Komplex: Medizin 24AB: Die Bedeutung der Aminosäuren 25Folie: Proteinbedarf / Funktionen 26Folie: Mangelfolgen / essentielle Aminosäuren 27
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 2
– Aufbau von Aminosäuren– α-Aminosäuren, optische Aktivität
1. Die Aminosäuren
1.1. AufbauVersuch: Wasser + Mg Aminosäure-Lsg. + MgBeobachtung: schwache Gasentwicklung starke GasentwicklungErgebnis: Aminosäuren haben Säurecharakter
Versuch: Eine Aminosäure wird erhitztBeobachtung: Geruch nach Ammoniak (NH3), mit HCl bildet
sich ein weißer Rauch (NH4Cl), feuchtes pH-Papier zeigt eine Base an.
Ergebnis: Aminosäuren enthalten eine basische NH2-Gruppe
Aminosäuren haben (mind.) zwei funktionelle Gruppen:
Aminogruppe: –NH2
Carboxylgruppe: –COOH
alle in der Natur zum Aufbau von Eiweiß (Proteinen) vorkommenden und genetisch codierten Aminosäuren sind α-Aminosäuren:
1.2. ZwitterionEinige Eigenschaften der Aminosäuren lassen sich mit dieser Struktur nicht erklären:– hohe Schmelztemperatur (z.T. zersetzen sie sich)– gute Wasserlöslichkeit– allg. salzartiger Charakter (spröde, kristallin, „Ionengitter“)
Aminosäuren liegen in einer zwitterionigen Form vor.
1.3. Optische AktivitätAlle Aminosäuren (bis auf Glycin) haben ein asymetrisches α-C-Atom, sie sind also optisch aktiv:
In den natürlich vorkommenden Proteinen findet man von den beiden Spiegelbildisomeren einer Aminosäure nur die L-Form.
Modelle
V
B. Aminosäuren und Proteine
COOH
CH2N H
R
*
COO
CH3N H
R
*
V
Wdh.anderes α als bei den Kohlenhydraten
Beispiele
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 3
1.4. Die 20 Aminosäuren
1.5. Einteilung der AminosäurenDie Seitenkette hat Einfluss auf die chemischen Eigenschaften der Ami-nosäure. Neutrale Aminosäuren besitzen entweder polare (hydrophil) oder unpolare (hydrophob) Seitenketten. Saure Aminosäuren tragen eine zweite Carboxylgruppe, in der Seitenkette der basischen AS befin-det sich eine zweite Aminogruppe.
1.6. Der isoelektrische Punkt (IEP)Versuch: Glycin wird in Wasser gelöst
H3N+-CH2-COO– + H2O H3N+-CH2-COO–(aq)
H2N-CH2-COO– + H3O+ H3N+-CH2-COOH + OH–
Beobachtung: Glycin löst sich in Wasser, es reagiert schwach sauer; der pH-Wert beträgt 6
Erklärung: Glycin ist ein Stoff, der sowohl als Base als auch als Säure reagieren kann (Ampholyt). Die NH3
+-Gruppe gibt aber eher ein Proton ab, als die COO–-Gruppe eines aufnimmt.
In wässriger Lösung liegen vor (bei pH-Wert 6):
bei Zugabe von etwas Salzsäure verschiebt sich das Gleichgewicht:
Bei einem ganz bestimmten pH-Wert ist die Anionen-Konzentra-tion = Kationen-Konzentration und gleichzeitig minimal, es liegen am meisten Zwitterionen vor. Dieser Punkt heißt isoelektrischer Punkt. Für Glycin pH bei 5,97.
IEP: pH-Wert, für den gilt cZwitter = max. cAnion = cKation.Der IEP ist charakteristisch für jede Aminosäure.
– Einteilung der Aminosäuren– Der Isoelektrische Punkt (IEP)
Glycin + Wasser(dabei den pH-Wert messen)
Ampholyt
Es läuft also eherdie Reaktion A ab
Zwitterion
KationAnion
wenigH2N-CH2-COO–
vielH3N+-CH2-COO–
(aq)
fast nichtsH3N+-CH2-COOH
AB
(pH-Wert < 6)Zwitterion
KationAnion
sehr wenigH2N-CH2-COO–
vielH3N+-CH2-COO–
(aq)
sehr wenigH3N+-CH2-COOH
i
V
Arbeits-Blatt
AB
Aminosäuren und Proteine – 4
AB: Die 20 Aminosäuren
Chemie Aminosäuren und Proteine
Lit.: Elemente Chemie II (Klett), S. 148 - Chemie heute SII (Schroedel), S. 451
Neutrale Aminosäuren mit unpolarem Rest
Neutrale Aminosäuren mit polarem Rest
BasischeAmino-säuren
Glycin (Gly, G)IEP = 6,0 L-Alanin (Ala, A)
IEP = 6,1L-Valin (Val, V)*IEP = 6,0 L-Prolin (Pro, P)
IEP = 6,3
L-Arginin (Arg, R)IEP = 10,8
L-Lysin(Lys, K)*IEP = 9,7
L-Glutaminsäure (Glu, E) IEP = 3,2
L-Methionin (Met, M)*IEP = 5,7
L-Histidin(His, H)IEP = 7,6
L-Asparaginsäure (Asp, D)IEP = 2,9
L-Threonin (Thr, T)*IEP = 5,6
L-Cystein (Cys, C)IEP = 5,0
L-Leucin (Leu, L)*IEP = 6,0 L-Isoleucin (Ile, I)*
IEP = 6,0 L-Phenylalanin (Phe, F)*IEP = 5,5
L-Serin (Ser, S)IEP = 5,7
L-Tyrosin (Tyr, Y)IEP = 5,6
L-Glutamin(Gln, Q)IEP = 5,7
L-Asparagin(Asn, N)IEP = 5,4 L-Tryptophan
(Trp, W)* IEP = 5,9
Saure Aminosäuren
Für den Menschen essentielle Aminosäuren* müssen mit der Nahrung aufgenommen werden!
COO
CH3N H
CH3
H3N
COO
C H
CH2
CH2
CH2
NH
CH2N NH
H3N
COO
HC
CH2
CONH2
H3N
COO
HC
CH2
COOH
H3N
COO
HC
C
H
SHH
H3N
COO
H
CH2
C
CH2
CONH2
H3N
COO
H
CH2
C
CH2
COOH
H3N
COO
HC
H
H3N
COO
H
N
NH
C
H3N
COO
HC
CHH3C CH2
CH3
H3N
COO
HC
CH2
CH3CH
H3C
H3N
COO
C H
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
H3N
COO
H
CH2
C
CH2
S CH3
H3N
COO
HC
CH2
COO
CH2
CH2
CH2
CHH2N
H3N
COO
HC
C
H
OHH
H3N
COO
HC
C
CH3
OHH
H3N
COO
C H
NH
CH2
H3N
COO
C H
CH2
OH
H3N
COO
HC
CHH3C CH3
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 5
1.7. pH-Abhängigkeit der AminosäurenWelche Teilchen liegen bei den Aminosäuren Glycin, Histidin und Asparaginsäure bei einem pH-Wert von 6 jeweils vor?
Am IEP liegen die Aminosäuren fast ausschließlich in der zwitteri-onischen Form vor. Bei niedrigeren pH-Werten (also einer höhe-ren H3O
+-Konzentrationen) werden die Zwitterionen protoniert und die AS liegt als Kation vor. Bei höheren pH-Werten (also höheren OH–-Konzentrationen) wird ein Proton abgegeben und die AS liegt überwiegend als Anion vor:Bsp: Glycin: H3N+-CH2-COO–
Histidin: H3N+-CH(-C3N2H4+)-COO–
(insgesamt ein Kation) Asparaginsäure: H3N+-CH(-CH2-COO–)-COO–
(insgesamt ein Anion)
1.8. Die Elektrophorese - ein modernes Verfahren um Aminosäurengemische zu trennenWas passiert, wenn wir an ein Gemisch der Aminosäuren Glycin, Histidin und Asparaginsäure bei pH 6 ein elektrisches Feld anle-gen?
Die positiv geladenen Teilchen (hier die Histidin-Kationen) wer-den zur Kathode wandern, die negativ geladenen Teilchen (in dem Gemisch die Asparaginsäure-Anionen) wandern zur Anode, die Glycin-Zwitterionen werden gar nicht wandern, weil sich die nega-tiven und die positiven Ladungen gegensseitig aufheben.
Unter Elektrophorese wird die Wanderung elektrisch geladener Moleküle im elektrischen Feld verstanden. Aminosäuren liegen bei pH-Werten oberhalb ihres isoelektrischen Punktes als Anionen vor und wandern zur Anode, bei pH-Werten unterhalb des isoe-lektrischen Punktes wandern sie als Kationen zur Kathode.
Die Elektrophorese stellt ein Verfahren dar Aminosäure-Gemi-sche zu trennen, es findet z.B. bei HIV-Tests Verwendung.
statistische Verteilung
– Die Elektrophorese – eine moderne Trennmethode
Lit.: Chemie heute SIIAuflage 1999: S.379Trennung und Identifizierung von Proteinen.
FolieGleichspannungsquelle
Glycin-Zwitterionenwandern nicht
Wanderung derHistidin-Kationen
Wanderung derAsparaginsäure-Anionen
Startpunkt desAminosäure-Gemisches feuchtes Filterpapier
Folie
?
AA
!
MAbittelesen
Aminosäuren und Proteine – 6
Elektrophorese (Prinzip)
Unter Elektrophorese wird die Wanderung elektrisch geladener Moleküle im elektrischen Feld verstanden. Positiv geladenen Teilchen (Kationen) werden zur Kathode wandern, die negativ geladenen Teilchen (Anionen) wandern zur Anode, ungeladene Teilchen werden gar nicht wandern. Auch Zwitterionen wandern nicht, weil sich die negativen und die positiven Ladungen gegensseitig aufheben.Die Elektrophorese ist eine Möglichkeit solche Stoffgemische zu trennen.
Gleichspannungsquelle
Glycin-Zwitterionenwandern nicht
Wanderung derHistidin-Kationen
Wanderung derAsparaginsäure-Anionen
Startpunkt desAminosäure-Gemisches feuchtes Filterpapier
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 7
– Peptidbindung, Peptidhydrolyse– Dipeptide und Tripeptide– Grenzformeln der Peptidbindung
Wie kommen wir von den Ami-nosäuren zu den Peptiden und den Proteinen?
Esterbindung, glycosidische Bindung, …
wieso lösen wir uns dann nicht auf?
Röntgenstrukturanalyse:Bindungslänge zwischen einer Doppel- und einer Einfachbindung!
Zeichnen: Val-Ser Cys-Asn-Thr Thr-Asn-Cys
Mesomer ie
Achtung:keine FISCHER-Projektion!
2. Dipeptide und Polypeptide
2.1. KondensationsreaktionKondensation von Alanin und Glycin:
vgl. aber
2.2. Die Peptid-BindungDie Peptidhydrolyse ist ein exothermer Vorgang, die Reaktion verläuft trotzdem extrem langsam:–> sehr hohe Aktivierungsenergie–> sehr stabile Bindung=> energiearm, partieller Doppelbindungscharakter, ebener Bau.
2.3. Einteilung- Aminosäuren- Dipeptide, Tripeptide, …- Oligopeptide (ca. 2–10 Aminosäuren)- Polypeptide (bis zu 100 Aminosäuren)- Proteine (Eiweiße) (über 100 Aminosäuren)
H
N
H
H
O
O H
HH H
H
CN C
H
H
H
O
O H
H
CN C
H
H
H
CN C
O
O HH
O
HC
HH H
H
CN C
H
H
H
H
CN C
O
O HH
O
C
HH H
Glycylalanin (GlyAla)
Alanylglycin (AlaGly)
fiktive Grenzformeln
CHH2N C
CH3
CH2N COOH
H
O
CHH2N C
CH3
CH2N COOH
H
O
Wdh.
Wdh.
?
AA
i
H
O H
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 8
2.4. Peptidsynthese im LaborProblem 1: unkontrollierte Reaktionen der AminosäurenProblem 2: Peptidbildung verläuft nicht freiwillig
Lösung 1: Schutzgruppen an alle funktionellen Gruppen, die nicht reagieren sollen.
Lösung 2: Aktivierung der Gruppen, die reagieren sollen.
Zwei Möglichkeiten: - Flüssigphasensynthese - Festphasensynthese
– Proteinsynthese im Labor– Schutzgruppen; Flüssigphasen- u. Festphasensynthese
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Aminosäuren und Proteine – 9
Peptidsynthese im Labor
Prinzip: Schutzgruppen an alle funktionellen Gruppen, die nicht reagieren sollen, Aktivierung der Gruppen, die reagieren sollen.
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Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 10
– Struktur der Proteine– Zwischenmolekulare Kräfte
3. Struktur der Proteine
3.1. PrimärstrukturGibt die Folge der einzelnen Aminosäurebausteine an (Gly-Ala-Cys-Leu-Ala-Val-Glu-…). Man kennt heute die Aminosäuresequenz von vielen wichtigen Proteinen.Strukturaufklärung erfolgt über einen stufenweisen Abbau der Peptidkette (z.B. enzymatisch).Zur Hydrolyse muss man längere Zeit z.B. mit Salzsäure erhitzen um die stabilen Peptidbindungen zu spalten (z.B. mit verd. Salzsäu-re 1h bei 120°C).
3.2. SekundärstrukturStrukturen von Proteinen, die durch Wasserstoffbrückenbindun-gen bedingt und stabilisiert werden.
α-Helix
Jeder A.S.-Strang für sich, H-Brücken innerhalb des Stran-ges. Auch lange Seitenketten möglich. Elastisch, dehnbar.Bsp.: Wolle, Haare
β-Faltblatt
Viele Stränge parallel, jew. 2 liegen „antiparallel“ nebeneinander, H-Brücken zwischen den Strängen. Meist gleichartige A.S. mit kurzen Seitenketten. Fest, reißfest, biegbar.Bsp.: Seide.
PeptidbindungWdh.
Modelle
Kopie
EDMAN-Abbau (vom N-terminalen Ende)„Sequenator“
bei größeren Peptiden bzw. Proteinen überlappende Spaltung mit Enzymen (Trypsin, Pepsin)
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 11
3.3. TertiärstrukturDie Teilchengestalt eines Proteinmoleküls, resultiert aus der räumlichen Anordnung der α-Helices oder der Faltblattstruktur. Die Tertiärstruktur wird durch verschiedene Bindungs-arten stabilisiert: zwischen unpolaren Gruppen liegen VAN DER WAALS–Bindungen vor, zwischen polaren Gruppen werden Wasserstoffbrücken ausgebildet und zwischen den Seitenketten der sauren und basischen A.S. treten Ionenbindungen auf. Von Besonderer Bedeutung für die Tertiärstruk-tur sind die Disulfidbrücken (–S–S–). Sie entstehen aus den SH-Gruppen zweier Cystein-Reste in einer Redoxreaktion.Bsp.: Kollagenfaser aus 3 α-Helices (Triple-Helix) oder Myoglobin.
3.4. Quartärstruktursind in einem Protein mehrere Polypep-tidketten in einer bestimmten räumlichen Struktur angeordnet, so spricht man von QuartärstrukturBsp.: Hämoglobin
3.5. Denaturierung (Veränderung von Eiweiß durch Zerstörung der Ordnung)- Hitze (Tertiärstruktur)- Schwermetalle (Tertiärstruktur)- Strahlung (Sekundärstruktur)- Säuren/Laugen (Primärstruktur)- Verdauungsprozesse (enzymatisch, Magensäure) (Die Aminosäuren bleiben erhalten, Enzyme werden zerstört)
3.6. Anhang: vgl. LiteraturhinweisSchroedel: Chemie heute SII - S. 378 (Der Friseur als Proteinche-miker)
– Struktur der Proteine (Fortsetzung)– Denaturierung
Der Friseur als ProteinchemikerChemie heute SII - S. 378
verschiedene Bindungstypen
Tertiärstruktur von Insulin(Insulin besteht aus zwei Ketten: 30 + 21 = 51 Aminosäuren)Strukturaufklärung durch SANGER 1954
Wdh.
Kopie
Kollagen = Strukturprotein(Haut, Knorpel, Bindegewebe)
N N
N NFe2+
CH3
CH
CH2
CH3
CH2
CH2
COOH
H2CH2C
HOOC
H3C
H3C
CHH2C
R1
R2
Häm: R1 = Globin (Protein-A.S.-Kette) R2 = Sauerstoff (O2)
Porphyrin-Gerüst
NH
CH C
CH2
O
NH
CHC
CH2
ONH
CHC
CH2
O
CO–O
HN CH C
CH2
O
CH2
CH2
CH2
NH H
H
HN CH C
CH2
O
CNO
H
H
NH
CHC
CH2
O
CH2
CN O
H
H
NH
CH C
CH2
O
S
NH
CHC
CH2
O
S
Disulfidbrücken
IonenbindungenWasserstoffbrücken-bindungen
VAN-DER-WAALS-Kräfte
Aminosäuren und Proteine – 12
α-Helix β-Faltblatt
Quartär-struktur
AB: Struktur der Proteine
Chemie Aminosäuren und Proteine
Bindungen, die die Tertiärstruktur stabilisieren
Aminosäuren und Proteine – 13
Insulin
N N
N NFe2+
CH3
CH
CH2
CH3
CH2
CH2
COOH
H2CH2C
HOOC
H3C
H3C
CHH2C
R1
R2
Häm
R1 = Globin (Protein, A.S.-Kette)R2 = Sauerstoff (O2)
Porphyrinring
Aminosäuren und Proteine – 14
Tertiärstruktur – stabilisierende Bindungen
VAN-DER-WAALS-KräfteWasserstoffbrücken-
bindungenIonenbindungen
Disulfid-bindungen
NH
CH C
CH2
O
NH
CHC
CH2
ONH
CHC
CH2
O
CO–O
HN CH C
CH2
O
CH2
CH2
CH2
NH H
H
HN CH C
CH2
O
CNO
H
H
NH
CHC
CH2
O
CH2
CN O
H
H
NH
CH C
CH2
O
S
NH
CHC
CH2
O
S
Ionenbindungen
Disulfid-bindungen
Wasserstoffbrücken-bindungen
VAN-DER-WAALS-Kräfte
NH
CH C
CH2
O
NH
CHC
CH2
ONH
CHC
CH2
O
CO–O
HN CH C
CH2
O
CH2
CH2
CH2
NH H
H
HN CH C
CH2
O
CNO
H
H
NH
CHC
CH2
O
CH2
CN O
H
H
HN CH C
CH2
O
S
HNCHC
CH2
O
S
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 15
– Nachweisreaktionen auf Aminosäuren bzw. Polypeptide– Xanthoprotein, Biuret, Ninhydrin– Chromatographie
Ein frisch gekochtes Ei wird mit HNO3(konz.) bemalt.Gelbe Finger beim Arbeiten mit HNO3(konz.)
nach der Biuretgruppe:H2N-CO-NH-CO-NH2
ERLENMEYERregel
Beyer / Walter:Lehrbuch d. Organischen ChemieS. 626 u. S. 840f.
nicht zu stark verdünnt !
vgl.: SE-Reaktion am Aromaten
Chromatographie (Verteilungs- u. Adsorptionschr.)Chromatographie von FolienstiftfarbstoffenChromatographie von A.S. u. A.S.-Gemischen
4. Nachweisreaktionen auf Aminosäuren u. Polypeptide
4.1. Die Xanthoproteinreaktion (Gelbfärbung von Eiweiß)Versuch: Eiweiß wird mit HNO3 betupftBeobachtung: Es tritt eine Gelbfärbung aufErgebnis: Die aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr, Phe) werden
am Benzolkern nitriert.
Die Xanthoprotheinreaktion ist ein Nachweis auf aromatische Aminosäuren
4.2. Die BiuretreaktionBeim Versetzen einer alkalischen Aminosäure-Lösung mit einigen Tropfen verdünnter CuSO4-Lsg. tritt eine blauviolette Fär-bung auf. Es bildet sich ein Kupferkomplex.
4.3. Die NinhydrinreaktionBeim Erhitzen von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen mit einer verdünnten wässrigen Ninhydrinlö-sung tritt eine Blauviolettfärbung auf.
5. Chromatographie
5.1. Chromatographie / Grundlagen
5.2. Chromatographie von Aminosäuren
V
Arbeits-Blatt
AB
MAbittelesen
H3N CH CH2
COO
HNO3+
H3N CH CH2
COO
H2ONO2 +
Phenylalanin (Phe)
Salpetersäure
Nitrophenylalanin (gelb)
C O
CH
O
R NH2
Cu2+
CO
CH
O
RH2N
CC
C OH
OH
O
ONinhydrin
Aminosäuren und Proteine – 16
AB: Nachweisreaktionen auf Aminosäuren
Chemie Aminosäuren und Proteine
4. Nachweisreaktionen auf Aminosäuren bzw. Polypeptide4.1. Die Xanthoproteinreaktion (Gelbfärbung von Eiweiß):Versuch: Ein Stückchen Eiweiß wird in einem Reagenzglas mit konz. Salpetersäure betröpfelt und erwärmt.
Beobachtung:
Ergebnis: Die aromatischen Aminosäuren (Trp, Tyr, Phe) werden am Benzolkern nitriert.
Die Xanthoproteinreaktion ist ein Nachweis auf aromatische Aminosäuren.
4.2. Die Biuretreaktion:Versuch: Gib zu einigen mL einer leicht alkalischen Eiweißlösung (zur Not: Aminosäurelösung) einige Tropfen verdünnte CuSO4-Lösung
Beobachtung:
4.3. Die Ninhydrinreaktion:Versuch: Eine Aminosäurelösung wird mit einigen Tropfen Ninhydrinlösung versetzt und erwärmt. Testet ver-schiedene Aminosäuren.
Beobachtung:
H3N CH CH2
COO
HNO3+
H3N CH CH2
COO
H2ONO2 +
CC
C OH
OH
O
O Ninhydrin
Phenylalanin (Phe)
Salpetersäure
Nitrophenylalanin (gelb)
C CH
O
N
R C
OHC R
N
Cu2+
CHC
O
N
RC
O
CH
R
N
Es tritt eine Gelbfärbung auf.
Beim Erhitzen von Aminosäuren, Peptiden oder Proteinen mit einer verdünnten wäss-rigen Ninhydrinlösung tritt eine Blauviolett-färbung auf.
Beim Versetzen einer alkalischen Amino-säurelösung (besser: Peptidlösung) mit einigen Tropfen verdünnter CuSO4-Lösung tritt eine rotviolette Färbung auf. Es bildet sich ein Kupferkomplex.
Aminosäuren und Proteine – 17
Ninhydrin / Biuret
Aminosäuren und Proteine – 18
5. Chromatographie (von griech. chroma: Farbe u. graphëin: schreiben)5.1. Grundlagen: Chromatographie — Ein Verfahren zur Trennung von StoffenBei der Papier- und Dünnschichtchromatographie wird eine stationäre Phase (Papier, Dünnschichtplatte von ei-ner mobilen Phase (Fließmittel) durchwandert. Dabei werden die einzelnen Komponenten eines Stoffgemisches, das auf der stationären Phase aufgebracht ist, verschieden schnell transportiert und damit getrennt. Ursache dafür sind unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen der stationären Phase und den Gemisch-Bestandteilen sowie unterschiedliche Löslichkeit im Fließmittel. Je besser die Löslichkeit des Stoffes im Fließmittel ist, des-to leichter wird er von diesem mitgeführt. Gleichzeitig mit dem Lösen des Stoffes im Fließmittel tritt dieser in Wechselwirkung mit der stationären Phase. Er wird mehr oder weniger stark, aber immer reversibel, adsorbiert (Adsorptionschromatographie).Adsorption ist aber nicht der einzige Rückhalteeffekt. Häufig befindet sich auf der Oberfläche der stationären Phase ein Flüssigkeitsfilm (z. B. Wasser). Daher konkurriert die Löslichkeit des wandernden Stoffes in diesem Flüssigkeitsfilm mit der Löslichkeit im Fließmittel und sorgt durch die unterschiedliche Verteilung in den beiden Lösungsmitteln für einen weiteren Trenneffekt (Verteilungschromatographie).
Beispiel: Stoffe, die in Hexan gut löslich sind und in Wasser schlecht, werden schnell weitertransportiert, dagegen werden Stoffe, die in Hexan wenig löslich sind, in Wasser jedoch gut, langsam weitertransportiert. Dadurch lassen sich solche Stoffe trennen.
Führt man eine Chromatographie unter immer genau denselben Bedingungen (sta-tionäre Phase [z. B. Aluminiumoxid-Dünn-schichtplatte], mobile Phase [Fließmittel, z. B. Butanol:Eisessig:Wasser = 4:1:1], Tempe-ratur) durch, so ist das Verhältnis der Entfer-nung des Substanzflecks von der Startlinie zu der Entfernung der Fließmittelfront von der Startlinie spezifisch für einen bestimmten Stoff, für jeden einzelnen also immer gleich. Diesen Wert nennt man retention factor (Rückhalte-Faktor):
Rf =Entfernung Substanzfleck–Startlinie
Entfernung Fließmittelfront–Startlinie
AB: Grundlagen: Chromatografie
Chemie Aminosäuren und Proteine
Herstellung eines Chromatogramms. Prinzip:
z. B. Hexan
z. B. Wasser
schü
tteln
schü
tteln
schü
tteln
schü
tteln
schü
tteln
schü
tteln
Aminosäuren und Proteine – 19
AB: Chromatografie-Versuche
Chemie Aminosäuren und Proteine
5.2. Chromatographische Trennung eines Aminosäure-Gemisches:
Vorbereitungen:
Von den Aminosäuren Alanin, Glycin, Leucin, Prolin und Valin werden in kleinen Schnappdeckelgläsern Lösun-
gen hergestellt (kleine Spatelspitze auf ca. 5 mL Wasser).
Das Fließmittelgemisch wird vorbereitet (für alle zusammen ca. 120 mL). Als Fließmittel hat sich hier eine Mi-
schung aus Butanol, Eisessig und Wasser (4:1:1) als günstig erwiesen.
Bereitet die Dünnschichtchromatographie-Platten (Cellulose) mit einem weichen Bleistift vor: einen Strich in
ca. 1,5 cm Abstand vom unteren Rand (Achtung: die weiße Beschichtung der Platte darf nicht verletzt werden),
7 Markierungen für die Startpunkte. Einen weiteren Strich ca. 0,5 cm vom oberen Rand. Namen drauf.
Die Trennkammern werden etwa 0,5 cm hoch mit dem Fließmittelgemisch gefüllt, mit einer Glasplatte verschlos-
sen und vorsichtig geschüttelt, damit sich der Innenraum mit Lösungsmitteldämpfen sättigen kann.
Versuch:
Auf die Startlinie werden die Lösungen von 5 Aminosäuren (Alanin, Glycin, Leucin, Prolin, Valin) und 2 Aminosäu-
re-Gemische aufgetragen. Dazu taucht man eine Glaskapillare in die Lösung (sie saugt sich hoch) und setzt diese
kurz auf der Dünnschichtplatte auf. Der aufgetragene
Punkt soll möglichst klein und scharf begrenzt sein.
Nach dem Trocknen kommt die Platte in die Trenn-
kammer. Man nimmt die Platte aus der Trennkammer,
wenn die Fließmittelfront noch ca. 0,5 cm vom obe-
ren Rand entfernt ist.
Damit die Platte nach der Beendigung der Chroma-
tographie schneller trocknet, kann sie mit einem Fön
getrocknet werden.
Da Aminosäuren farblos sind, müssen sie noch
sichtbar gemacht werden. Dafür bietet sich die Nin-
hydrin-Reaktion an. Die trockenen Platten werden
mit Ninhydrin-Spray eingesprüht und danach zum
„Entwickeln“ in den Trockenschrank gebracht.
Die Aminosäure-Gemische werden durch Vergleich
mit den einzelnen Aminosäuren identifiziert.
Eine weitere Möglichkeit, Stoffgemische zu identifizieren, besteht im Vergleich der experimentell bestimmten
Rf-Werte (retention factor) mit den tabellierten Werten.
ValProLeuGlyAlaAminosäure-Gemische
Namen der Praktikumsgruppe
Aminosäuren und Proteine – 20
AB: Identifikation durch Chromatografie
Chemie Aminosäuren und Proteine
Chromatographie von Alanin, Glycin, Leucin und Valin sowie zweier Aminosäuren-gemische.Fließmittel: n-Butanol, Essigsäure, Wasser (4:1:1).Mit Ninhydrin sichtbar gemacht.
Fließmittelfront
Startlinie
Das Chromatogramm entstand im Chemie-LK 12 im November 2000
Leucin
Valin
Alanin
Glycin
Aminosäuren und Proteine – 21
AB: Chromatografie-Versuche / Ergebnisse 2002
Chemie Aminosäuren und Proteine
Diese Chromatogramme entstanden im Chemie-BF 12 im Oktober 2002
Cellulose
SiO2
Al2O3Cellulose
SiO2SiO2
Aminosäuren und Proteine – 22
AB: Chromatografie-Versuche / Ergebnisse 2005
Chemie Aminosäuren und Proteine
Diese Chromatogramme entstanden im Chemie-PF 12 im November 2005
Chromatografiert wurden Alanin, Glycin, Leucin und Valin.Folgende Aminosäuren-Gemische sollten analysiert werden:A = Alanin + GlycinB = Alanin + Glycin + LeucinC = GlycinD = Alanin + Leucin + ValinE = Alanin + Glycin + Valin
SiO2 SiO2
SiO2
Al2O3SiO2
SiO2 SiO2 SiO2
Ala
Aminosäuren14. 11. 2005
Chemie-Profilfach 2005/07
Gly
Leu
Val
"Y"
"X"
Aminosäuren und Proteine – 23
AB: Chromatografie-Versuche / Simulation
Chemie Aminosäuren und ProteineV
erte
ilung
Chromatographie- Simulation -
Stoff B
Stoff A
Abstand
Lit.: Vergleiche die Excel-Datei: Chromatografie.xls
Themen/Lernziele:
Aminosäuren und Proteine – 24
– Bedeutung der Aminosäuren– Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit — Landwirtschaft — Medizin
Proteinbedarf in Abhängigkeit vom Lebensalter
Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren
Gesundheitliche Folgen unzureichender Aminosäureversorgung
Bedarf an essentiellen Aminosäuren
Folie
Folie
Folie
Folie
6. Bedeutung der Aminosäuren
6.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit• für alle Lebensvorgänge ist Stickstoff unentbehrlich• für das Stickstoff-GG sind die Aminosäuren verantwortlich (hö-
here Lebewesen können keinen Stickstoff aus der Luft nutzen)• Im Stoffwechsel herrscht ein dynamisches GG zwischen Auf- u.
Abbau v. Proteinen• Vorraussetzung für Wachstum ist eine positive Stickstoffbilanz
Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren• Synthese körpereigener Proteine a) Strukturproteine (Muskel, Bindegewebe) b) Funktionsproteine (Enzyme, Hormone)• Aufbau von Kohlenhydraten und Lipiden• Synthese von Heterocyclen (Purinen, Pyrimidinen), Nucleinsäu-
rebasen, Porphyrine (Grundgerüst des roten Blutfarbstoffes)• Synthese von funktionalen Aminosäurederivaten (z.B. Dopamin,
Noradrenalin, Serotonin, Thyroxin, γ-Aminobuttersäure, Ace-tylcholin, Folsäure, Biotin, Pantothensäure)
• Spezielle Funktionen (Ausschleusung des im Stoffwechsel gebil-deten Harnstoffes über Arginin und Methionin, Arginin: Stimula-tion des Immunsystems
Mangelfolgen• negative Stickstofbilanz bedeutet Stagnation, eingeschränkte En-
zymfunktionen, Verlust von Körpermasse, Krankheit und führt über einen längeren Zeitraum schließlich zum Tode
Ernährung• 8 essentielle Aminosäuren, die der menschl. Körper nicht selbst
synthetisieren kann. Säuglinge auch: Cystein (o.Cystin) u. Tyro-sin. Semiessentiell: Arginin u. Histidin.
• ca. 500-600 Mio. Menschen hungern bzw. sind unterernährt• Proteinzufuhr in den Industrieländern: 100g/Tag u. Person
in Asien u. Afrika: <60g/Tag u. Person• Problem der Überbevölkerung• Verbesserung der Aminosäureversorgung ist notwendig• Zugabe einzelner Aminosäuren zu der Nahrung• Ausblick: „genetic engineering“ Programmierung der A.S.-Zu-
sammensetzung in den Genen von Tieren u. Pflanzen!• Geschmacks-, Aroma- u. Süßstoffe (Aspartam®) MAILLARD-Reaktion
6.2. Komplex: Landwirtschaft• Tierhaltung: Mischfutterproduktion 400 Mio. t A.S.• Limitierende A.S.• Analytik des Futters (A.S.-Bestimmung)• A.S.-Bedarf für die einzelnen Aufzuchtperioden• Pflanzenschutz
6.3. Komplex: Medizin• klinische Ernährung• Therapeutika: z.B. gegen Bluthochdruck• Antibiotika• Hormone
Aminosäuren und Proteine – 25
6. Bedeutung der Aminosäuren6.1. Komplex: Ernährung/Stoffwechsel/Gesundheit• für alle Lebensvorgänge ist Stickstoff unentbehrlich• für das Stickstoff-Gleichgewicht sind die Aminosäuren
verantwortlich (höhere Lebewesen können keinen Stick-stoff aus der Luft nutzen)
• Im Stoffwechsel herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Auf- u. Abbau von Proteinen
• Vorraussetzung für Wachstum ist eine positive Stickstoff-bilanz
Die wichtigsten Funktionen der Aminosäuren (Abbildung)
Mangelfolgen• negative Stickstofbilanz bedeutet Stagnation, einge-
schränkte Enzymfunktionen, Verlust von Körpermas-se, Krankheit und führt über einen längeren Zeitraum schließlich zum Tode
Ernährung• 8 essentielle Aminosäuren, die der menschliche Körper
nicht selbst synthetisieren kann. Säuglinge auch: Cystein (oder Cystin) und Tyrosin. Semiessentiell: Arginin und Histidin.
• ca. 500-600 Mio. Menschen hungern bzw. sind unterernährt
• Proteinzufuhr in den Industrieländern: 100g/Tag und Person <––> in Asien und Afrika: <60g/Tag und Person
• Problem der Überbevölkerung• Verbesserung der Aminosäureversorgung ist notwendig• Zugabe einzelner Aminosäuren zu der Nahrung• Ausblick: „genetic engineering“ Programmierung der
Aminosäuren-Zusammensetzung in den Genen von Tie-ren und Pflanzen!
• Geschmacks-, Aroma- und Süßstoffe (Aspartam®) MAIL-LARD-Reaktion
6.2. Komplex: Landwirtschaft• Tierhaltung: Mischfutterproduktion 400 Mio. t Aminosäuren• Limitierende Aminosäuren• Analytik des Futters (Aminosäuren-Bestimmung)• Aminosäuren-Bedarf für die einzelnen Aufzuchtperioden• Pflanzenschutz
6.3. Komplex: Medizin• klinische Ernährung• Therapeutika: z.B. gegen Bluthochdruck• Antibiotika• Hormone
AB: Die Bedeutung der Aminosäuren
Chemie Aminosäuren und Proteine
Aminosäuren und Proteine – 26
Proteinbedarf / Funktionen
Aminosäuren und Proteine – 27
Mangelfolgen / essentielle Aminosäuren
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