3D Viewer: Biomoleküle – Aminosäuren und Peptide

Aminosäuren und Peptide

Bau der Aminosäure-Moleküle

Aminocarbonsäuren sind Carbonsäuren, deren Moleküle zusätzlich eine Amino-Gruppe tragen. Wo diese Amino-Gruppe sitzt, sagt der griechische Buchstabe: Das C-Atom neben der Carboxy-Gruppe heißt α-C-Atom, das nächste β-C-Atom und so fort. Sitzt die Amino-Gruppe am α-C-Atom, so liegt eine α-Aminocarbonsäure vor – und nur solche bauen die Lebewesen zu Proteinen zusammen.

Das α-C-Atom trägt damit vier Gruppen: die Amino-Gruppe, die Carboxy-Gruppe, ein Wasserstoff-Atom und einen Rest R. Nur dieser Rest R unterscheidet die proteinogenen Aminosäuren voneinander: 20 Standard-Aminosäuren, dazu das Selenocystein als 21. (Eine 22., das Pyrrolysin, kommt nur in einigen Bakterien und Archaeen vor.)

Das α-C-Atom trägt vier verschiedene Gruppen – es ist ein Stereozentrum. In den Proteinen, die an den Ribosomen aufgebaut werden, kommen ausschließlich L-Aminosäuren vor. (D-Aminosäuren gibt es nur in Sonderfällen, etwa in bakteriellen Zellwänden.) Eine Ausnahme bildet das Glycin: Sein Rest R ist ein H-Atom – damit trägt das C-Atom zwei gleiche Substituenten und ist kein Stereozentrum mehr.

Das Zwitterion

Aminosäure-Moleküle tragen eine Base (Amino-Gruppe) und eine Säure (Carboxy-Gruppe) im selben Molekül. Deshalb gibt die Carboxy-Gruppe ihr Proton an die Amino-Gruppe ab: Es entsteht ein Zwitterion mit einer positiv geladenen Ammonium-Gruppe (–NH₃⁺) und einer negativ geladenen Carboxylat-Gruppe (–COO⁻).

Das Molekül trägt zwei Ladungen, ist aber nach außen elektrisch neutral.
Im festen Zustand und in neutraler wässriger Lösung liegen Aminosäuren praktisch vollständig als Zwitterionen vor.
Die Ionenstruktur erklärt die Eigenschaften: Aminosäuren sind kristalline Feststoffe mit hohen Schmelztemperaturen, sie sind in unpolaren Lösungsmitteln praktisch unlöslich.
Am isoelektrischen Punkt (dem pH-Wert, bei dem fast ausschließlich Zwitterionen vorliegen) ist die Löslichkeit in Wasser am geringsten: Die Zwitterionen ziehen einander mit ihren entgegengesetzten Ladungen stark an. Gibt man Säure oder Lauge zu, entstehen einfach geladene Kationen bzw. Anionen, die einander abstoßen – die Löslichkeit steigt wieder.
In saurer Lösung wird zusätzlich die Carboxylat-Gruppe protoniert (Kation), in alkalischer Lösung die Ammonium-Gruppe deprotoniert (Anion).

Der Viewer zeigt an den geladenen Gruppen ein Ladungszeichen. Die Reste R bleiben dabei ungeladen – auch wenn saure und basische Reste bei pH 7 tatsächlich ebenfalls geladen vorliegen.

Die Peptidbindung

Die Carboxy-Gruppe des einen Moleküls reagiert mit der Amino-Gruppe des anderen unter Abspaltung eines Wasser-Moleküls – eine Kondensationsreaktion. Die entstehende C–N-Bindung heißt Peptidbindung; sie ist eine Säureamid-Bindung.

Die Peptidbindung ist planar: Das C-Atom, das O-Atom, das N-Atom und dessen H-Atom liegen in einer Ebene. Ursache ist die Mesomerie zwischen C=O und C–N – die Bindung hat teilweise Doppelbindungscharakter und ist deshalb nicht frei drehbar.
Ein Peptid hat immer ein freies Ende mit Amino-Gruppe (N-Terminus) und eines mit Carboxy-Gruppe (C-Terminus). Die Reihenfolge der Bausteine (Aminosäuresequenz) wird vom N- zum C-Terminus angegeben.
Deshalb sind Glycylalanin und Alanylglycin verschiedene Stoffe: gleiche Bausteine, andere Reihenfolge.
Zwei Bausteine ergeben ein Dipeptid, wenige ein Oligopeptid, viele ein Polypeptid. Proteine sind Polypeptide (meist über 100 Bausteine).

Warum die Peptidbindung planar ist – und wo das freie Elektronenpaar bleibt

Zeichnet man die Peptidbindung als gewöhnliche Valenzstrichformel, so trägt das Stickstoff-Atom drei Bindungen und ein freies Elektronenpaar – also vier Elektronenpaare. Nach dem Elektronenpaar-Abstoßungsmodell müsste es dann trigonal-pyramidal gebaut sein, mit dem freien Elektronenpaar an der Pyramidenspitze, und die C–N-Bindung müsste frei drehbar sein.

Gemessen wird etwas anderes: Die Gruppe O=C–N–H ist eben, die C–N-Bindung ist mit rund 132 pm kürzer als eine normale C–N-Einfachbindung (etwa 147 pm), und sie ist nicht frei drehbar.

Erklären lässt sich das nur mit der Mesomerie. Es gibt zwei Grenzformeln:

eine mit C=O-Doppelbindung und freiem Elektronenpaar am Stickstoff-Atom,
eine mit C=N-Doppelbindung, negativer Ladung am Sauerstoff-Atom und positiver Ladung am Stickstoff-Atom.

Der wirkliche Bau liegt zwischen beiden: Die C–N-Bindung hat teilweise Doppelbindungscharakter. Damit das möglich ist, muss das freie Elektronenpaar des Stickstoff-Atoms in ein p-Orbital senkrecht zur Ebene rücken – nur dort kann es mit der π-Bindung der Carbonyl-Gruppe überlappen. Das Stickstoff-Atom wird dadurch eben (sp²), und die Elektronen sind über die drei Atome O–C–N delokalisiert.

Was das für den Viewer bedeutet: An der Peptidbindung wird das freie Elektronenpaar deshalb senkrecht zur Peptidebene dargestellt – es sitzt nicht mehr an einer Pyramidenspitze, sondern gehört zum delokalisierten System. Am Stickstoff-Atom einer freien Amino-Gruppe (ohne benachbarte Carbonyl-Gruppe) gibt es keine Mesomerie: Dort ist das Stickstoff-Atom pyramidal, und das freie Elektronenpaar zeigt an der Spitze von den drei Bindungen weg. Der Viewer zeigt beide Fälle unterschiedlich – und man sieht den Unterschied unmittelbar, wenn man ein Aminosäure-Molekül mit einem Peptid vergleicht.

Die Mesomerie ist damit die Ursache für zwei Dinge, ohne die es keine Proteinstruktur gäbe: die starre, ebene Peptidbindung und die Partialladungen an O und N, die die Wasserstoffbrücken der Sekundärstruktur überhaupt erst möglich machen.

Vom Peptid zum Protein: die Strukturebenen

Primärstruktur: die Reihenfolge der Aminosäure-Bausteine.
Sekundärstruktur: regelmäßige räumliche Muster des Rückgrats, zusammengehalten durch Wasserstoffbrücken zwischen den Peptidbindungen (C=O ··· H–N). Die wichtigsten sind die α-Helix und das β-Faltblatt.
Tertiärstruktur: die vollständige räumliche Faltung einer Kette – hier wirken vor allem die Reste R mit.
Quartärstruktur: das Zusammenlagern mehrerer Ketten (z. B. beim Hämoglobin).

In der α-Helix windet sich die Kette schraubenförmig; jede C=O-Gruppe bildet eine Wasserstoffbrücke zur N–H-Gruppe des vierten folgenden Bausteins (Rest i → Rest i+4). Auf eine Windung kommen 3,6 Bausteine; die Helix ist rechtsgängig. Die Reste R zeigen nach außen. Im β-Faltblatt liegen gestreckte Kettenstücke nebeneinander; die Wasserstoffbrücken verlaufen zwischen den Strängen. Im Viewer bildet eine einzige Kette das Faltblatt: Sie läuft gestreckt, macht eine enge Kehre (β-Schleife), läuft in die Gegenrichtung zurück, kehrt erneut um und bildet so drei antiparallele Stränge. Die Reste R zeigen abwechselnd nach oben und unten.

Darstellung: Aminosäure-Moleküle kraftfeldoptimiert (L-Konfiguration rechnerisch geprüft). Peptide werden aus einem idealen, planaren Rückgrat (Peptidbindung trans) und den übertragenen Resten R aufgebaut. α-Helix (φ = −57°, ψ = −47°) und β-Faltblatt (φ = −139°, ψ = 135°) mit berechneten Wasserstoffbrücken (H···O rund 200 pm).