5.3 Eiweiße
5.3.1 Definitionen
- Eiweiße sind makromolekulare Verbindungen (über 100 Bausteine), deren Moleküle durch Peptidbindung verknüpft sind. Sie erfüllen eine biologische Funktion und sind die eigentlichen „Träger des Lebens“.
- Proteine (einfache Eiweiße); sie bestehen nur aus Aminosäurebaugruppen.
- Proteide (zusammengesetzte Eiweiße); sie enthalten zusätzlich prosthetische Gruppen (Zucker, Nukleinsäuren, Phosphorsäure, Farbstoffe, Vitamine u.a.)
5.3.2 Spaltung der Eiweiße (Hydrolyse)
- durch Erhitzen mit Säuren oder Alkalien
- durch Enzyme
5.3.3 Nachweisreaktionen
Peptide werden mit Hilfe charakteristischer Farbreaktionen nachgewiesen.
5.3.3.1 Biuret - Reaktion (Biuret - Probe)
Versuch: Einige ml Eiklarlösung (oder Milch) werden mit derselben Menge verd. Natronlauge versetzt und leicht erwärmt; anschließend tropft man Kupfersulfatlsg. dazu.
Beobachtung: rot bis blauviolette Farbe
Alle Verbindungen, die 3 und mehr peptidartige Bindungen enthalten, färben sich mit Kupfersulfat in alkalischer Lösung. Die Probe ist nicht spezifisch für Eiweiß, da auch einige andere Substanzen (z.B. Biuret) eine positive Reaktion bewirken.
Bei dieser Proteinbestimmungsmethode gehen Verbindungen mit mindestens zwei Peptidbindungen in wässrig alkalischer Lösung einen farbigen Komplex mit vorhandenen zweiwertigen Kupferionen ein. Daraus resultiert ein Farbumschlag nach dunkelviolett.
5.3.3.2 Xanthoprotein - Reaktion
Versuch: Zu Eiklarlösung (oder Milch) wird konz. Salpetersäure (HNO₃) getropft.
Beobachtung: Gelbfärbung
Mit konz. Salpetersäure färben sich Eiweißstoffe gelb. Bei dieser Probe reagieren die im Peptid enthaltenen aromatischen Aminosäuren (Tyrosin, Tryptophan) unter Nitrierung zu Nitrofarbstoffen. Positive Probe auch bei menschlicher Haut.
5.2.4 Einteilung der Peptide
- Oligopeptide < 10 Aminosäurebausteine (Di-, Tri-, Tetrapeptide usw.)
- Polypeptide zwischen 10 und 100 Aminosäurebausteine
- Proteine > 100 -Aminosäuren + biologische Funktion
5.2.5 Aminosäursequenz (Reihenfolge der AS)
Die Peptidsynthese wird schwierig, wenn man eine bestimmte Reihenfolge der AS erhalten möchte.
Beispiel: Dipeptid aus zwei Aminosäuren
Glycin: H₂N-CH₂-COOH abgekürzt Gly
Alanin: abgekürzt Ala
Es können entstehen:
a) Ala - Ala
b) Ala - Gly
c) Gly - Gly
d) Gly - Ala
5.2.5.1 Benennung
Systematischer Name: AS mit Carboxylgruppe geht in Peptidbindung ein ⇨ ~yl
Glycylalanin Gly-Ala
Alanylglycin Ala-Gly
5.2.5.2 Ermittlung der Aminosäuresequenz
Zur Bestimmung welche Aminosäuren sind enthalten:
- Vollständige Zerlegung durch saure Hydrolyse
- Chromatische Trennung (AS-analysator) → Art und Anzahl der AS
Bestimmung der AS-Sequenz
Verfahren N-Terminale AS (Bsp.: Edman-Abbau)
a) Aminogruppe reagiert mit Phenylisothiocyanat
b) AS kann abgespalten werden
c) Chromatographie
Teilchen haften an der Oberfläche eines Feststoffes (⇨ große Oberfläche gewünscht: Aktivkohle, Papier, Aluminiumoxid)
Wirkende Kräfte: vdW-Kräfte, DDW, H-Brücken, Ionenbindungen (exotherm)
Stationäre Phase: Feststoff
Mobile Phase: Lösung
Einige gelösten Stoffe bleiben mehr an der Oberfläche haften und werden dadurch zurückgehalten (Retention).
Weniger stark adsorbierte Stoffe werden mit der Flüssigkeit schneller mitgeschleppt.
⇨ Wandern, adsorbieren und lösen wiederholen sich vielfach.
Verfahren C-Terminale AS: Mit Hilfe eines Enzyms (Carboxypeptidase)
⇨ Lange Peptidketten: enzymatische Fragmentierung
Enzyme (Proteasen), die nur an ganz bestimmten Stellen Protein spalten.
Beispiele für solche Enzyme:
Trypsin: Spaltung von Peptidbindung deren Carbonylbindungen von Lysin oder Arginin stammen.
Chymotrypsin: Spaltung Carbonylbindung von Phenylalanin, Typtophan, Tyrosin
Pepsin: ….
⇨ Proteine durch parallele Fragmentierung mit Hilfe unterschiedlichen Enzymen⇨ Bruchstücke überlappen sich teilweise ⇨ Ermittlung aller Sequenzen.
5.2 Peptide
5.2.1 Herstellung
Aus Aminosäuren (exakt: Aminosäurederivaten) lassen sich Ketten- und ringförmige Peptide herstellen (zuerst E. Fischer 1903).
Schematisch (zwei gleiche Aminosäuren, z.B. Glycin)
Dipeptid
Typische Kondensationsreaktion
5.2.2 Funktionelle Gruppe
Peptid-Gruppe (Säureamid-Gruppe)
(Buch: -CO-NH-)
analog der Ester-Gruppe
- keine freie Drehbarkeit der C-N-Bindung.
- C-N-Abstand ist kleiner als bei C-N-Bindung in Aminen (132 pm < 147 pm)
- alle Atome der Peptidgruppe liegen in einer Ebene
⇨ Mesomerie mit 2 mesomeren Grenzformeln
cis-trans-Isomerie
Peptide liegen immer als trans-Konfiguration vor;
Starrheit der Peptidmoleküle.
5.2.3 Glutathion (GSH, ein Tripeptid)
Aufgabe: Welche Aminosäuren erhält man durch Hydrolyse (erhitzen mit Säuren oder Alkalien) und anschließende chromatographische Trennung?
Lösung:
- Glutaminsäure
- Cystein
- Glycin
Vorkommen: in fast allen tierischen und pflanzlichen Zellen
Funktion: wirkt als Wasserstoffüberträger bei biochemischen Oxidations- und Reduktionsvorgängen
5.1.8 Weitere Aminosäuren
Vergleiche ausgegebenes Arbeitsblatt
Essenzielle (lebenswichtige) Aminosäuren
8 Aminosäuren können nicht im menschlichen Körper synthetisierst werden. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden.
5.1.9 Nachweisreaktionen
a) Schwefelnachweise
Pb²⁺ (aq) + 2 Ac⁻ (aq) + H₂S (g) → PbS (s) + 2 HAc
Bleiacetatlsg. Schwefelwasserstoff Bleisulfid Essigsäure
schwarz
b) Ninhydrinreaktion
Ninhydrin ist ein Reagens zum Nachweis von Ammoniak und primären Aminogruppen, insbesondere von Aminosäuren.
Zwei Moleküle Ninhydrin reagieren in alkalischen Milieu mit kurzen Oligopeptiden zu einem blauen Farbstoff, Ruhmanns Violett.