Aminosäuren

Grundlagen und Aufbau

Aminosäuren (AS), genauer Aminocarbonsäuren, sind organische Verbindungen mit mindestens einer Aminogruppe (–NH₂ beziehungsweise substituiert –NR₂) und einer Carboxygruppe (–COOH). Sie kommen in allen bekannten Lebewesen vor. Ihre wichtigste Bedeutung liegt darin, dass sie die Bausteine von Proteinen sind; bei deren Zerlegung durch Proteolyse werden sie frei. Die Angabe „aa“ bedeutet amino acids, zum Beispiel „28 aa“ für ein Molekül aus 28 Aminosäuren.

Aminosäuren werden danach eingeteilt, an welchem Kohlenstoffatom relativ zur Carboxygruppe die Aminogruppe sitzt. Bei α-Aminosäuren liegt sie am unmittelbar benachbarten α-Kohlenstoffatom; die IUPAC-Bezeichnung lautet 2-Aminocarbonsäuren. Alle proteinogenen Aminosäuren sind α-Aminosäuren. Bei β- und γ-Aminosäuren sitzt die Aminogruppe am dritten beziehungsweise vierten Kohlenstoffatom; sie heißen IUPAC-gerecht 3- beziehungsweise 4-Aminocarbonsäuren. Einfachste Beispiele sind Glycin bei den α-Aminosäuren, β-Alanin bei den β-Aminosäuren und γ-Aminobuttersäure (GABA) bei den γ-Aminosäuren.

Die Seitenkette R unterscheidet Aminosäuren innerhalb einer Klasse. Ist das Kohlenstoffatom mit der Aminogruppe unterschiedlich substituiert, ist es ein Stereozentrum: Es gibt dann spiegelbildliche Enantiomere. Glycin ist achiral, weil R hier ein H-Atom ist. Aus einer Aminosäure entsteht durch Entfernen der Hydroxygruppe –OH aus ihrer Carboxygruppe eine einwertige Aminoacyl-Gruppe, etwa die Tyrosylgruppe aus Tyrosin. An tRNA gebunden entsteht eine Aminoacyl-tRNA.

Proteine und genetischer Code

Proteinogene Aminosäuren werden während der Translation nach genetischer Vorgabe als Bausteine in Proteine eingebaut. An Ribosomen verknüpfen Peptidbindungen die Carboxygruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten zu einer Polypeptidkette. Die Basensequenz der mRNA legt ihre Aminosäurensequenz fest: Ein Basentriplett ist ein Codon für eine bestimmte Aminosäure. Seitenketten bestimmen mit, wie sich das Polypeptid im wässrigen Milieu zum nativen, funktionsfähigen Protein auffaltet. Ketten unter zirka 100 Aminosäuren heißen meist Peptide, größere ribosomal gebildete Ketten Makropeptide oder Proteine.

Die 20 kanonischen oder Standardaminosäuren besitzen Codons im Standardcode. In Sequenzen werden sie mit Drei- oder Einbuchstabencodes bezeichnet, beispielsweise Glycin Gly/G, Alanin Ala/A, Cystein Cys/C und Tryptophan Trp/W. Platzhalter sind B für Asparagin oder Asparaginsäure, Z für Glutamin oder Glutaminsäure, J für Leucin oder Isoleucin und X für eine unbekannte Aminosäure.

Bis auf Glycin sind proteinogene Aminosäuren chiral; für den ribosomalen Proteinaufbau werden nur L-Aminosäuren erkannt. 18 der 20 proteinogenen Aminosäuren haben am α-Kohlenstoff die (S)-Konfiguration. Cystein hat wegen der Priorität seiner Thiolgruppe die (R)-Konfiguration. Isoleucin und Threonin besitzen zusätzlich je ein Stereozentrum in R. Prolin enthält ein sekundäres Amin und kann sich weniger flexibel in die Proteinfaltung einfügen; bei α-helikalen Proteinstrukturen gilt es als Helixbrecher.

Neben den 20 kanonischen Aminosäuren können Selenocystein und Pyrrolysin durch Recodierung eingebaut werden. Spezifische tRNAs ermöglichen dabei, dass die sonst als Stopcodons wirkenden Codons UGA beziehungsweise UAG gelesen werden. Der Mensch verwendet zusätzlich zu den 20 kanonischen Aminosäuren Selenocystein. In Bakterien wird die erste Aminosäure einer Peptidkette häufig zu N-Formylmethionin (fMet) formyliert; auch Mitochondrien und Chloroplasten nutzen fMet initial.

Essentielle und weitere Aminosäuren

Essentielle Aminosäuren benötigt ein Organismus, kann sie aber nicht selbst herstellen; sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Für Menschen sind Valin, Methionin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Threonin und Lysin essentiell. Seit 1985 stuft die WHO auch Histidin als essentiell ein, also insgesamt neun Aminosäuren. Bedingt essentielle oder semi-essentielle Aminosäuren müssen nur in besonderen Situationen aufgenommen werden, etwa während des Wachstums oder nach schweren Verletzungen. Cystein kann aus Methionin entstehen. Tyrosin ist im Kindesalter essentiell, solange die Bildung aus Phenylalanin noch nicht ausgereift ist, sowie bei Phenylketonurie. Pflanzen und Mikroorganismen können alle für sie notwendigen Aminosäuren selbst bilden.

Über die proteinogenen Aminosäuren hinaus sind mehr als 400 natürlich vorkommende nichtproteinogene Aminosäuren bekannt. Dazu zählen beispielsweise Thyroxin als Schilddrüsenhormon, Ornithin und Citrullin als Zwischenprodukte des Harnstoffzyklus, β-Alanin als Baustein von Coenzym A und GABA als inhibitorischer Neurotransmitter. L-DOPA ist eine Vorstufe für Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin und Melanine. D-Aminosäuren werden nicht ribosomal in Proteine eingebaut, kommen aber etwa als D-Alanin und D-Glutamat in bakteriellen Zellwänden vor. D-Serin wird im Gehirn aus L-Serin gebildet und wirkt am NMDA-Rezeptor als Neurotransmitter und Gliotransmitter.

Nach dem Einbau können Aminosäurereste posttranslational verändert werden, zum Beispiel Prolin zu Hydroxyprolin, Serin zu O-Phosphoserin, Tyrosin zu O-Phosphotyrosin und Glutamat zu γ-Carboxyglutamat. Bei der Glykosylierung werden Kohlenhydratreste übertragen; dadurch entstehen Glykoproteine. Manche Analoga können unspezifisch anstelle einer kanonischen Aminosäure eingebaut werden, etwa Selenomethionin statt Methionin oder Canavanin statt Arginin. Dies kann Fehlfaltungen und damit Funktionsverluste von Proteinen verursachen.

Säure-Base-Verhalten und Seitenketten

Aminosäuren sind zugleich Säuren und Basen: Die Carboxygruppe kann Protonen abgeben, die Aminogruppe Protonen aufnehmen. Als Feststoffe und in neutralen wässrigen Lösungen liegen sie überwiegend als Zwitterionen vor, mit protonierter Aminogruppe und deprotonierter Carboxygruppe. In sauren Lösungen überwiegen Kationen, in basischen Lösungen Anionen. Der isoelektrische Punkt pI ist der pH-Wert, bei dem die Nettoladung null ist; dort ist die Wasserlöslichkeit am geringsten.

Für Proteine ist besonders die Seitenkette R wichtig, weil die durch Peptidbindungen verknüpften inneren Amino- und Carboxygruppen bei physiologischem pH um 7 nicht titrierbar sind. Nur Amino- und Carboxy-Terminus bilden Ausnahmen. Seitenketten werden unter anderem als aliphatisch, aromatisch, amidiert, schwefelhaltig, hydroxyliert, basisch oder sauer eingeordnet. Basische Seitenketten besitzen Lysin, Arginin und Histidin; saure Asparaginsäure und Glutaminsäure. Cystein ist schwach polar, obwohl seine Einordnung als polar oder unpolar unterschiedlich beurteilt wird.

Der pK-Wert ist der pH-Wert, bei dem eine titrierbare Gruppe je zur Hälfte protoniert und deprotoniert vorliegt. Liegt der pH über dem pK, überwiegt die deprotonierte Form, liegt er darunter, die protonierte Form. Beispielsweise ist die Asp-Seitenkette bei pH 7 bei pK = 3,86 nahezu vollständig deprotoniert, die Lys-Seitenkette bei pH 7 bei pK = 10,53 nahezu vollständig protoniert. Geladene Seitenketten erhöhen in polaren Lösungsmitteln die Löslichkeit. Änderungen des pH-Werts können Bereiche eines Proteins hydrophiler oder hydrophober machen, seine Faltung und Enzymaktivität beeinflussen und bei stark sauren oder basischen Bedingungen zur Denaturierung führen.

Abbau, Nachweis und Herstellung

Nahrungsproteine werden bei der Verdauung zu L-Aminosäuren zerlegt und in der Leber zur Proteinbiosynthese verwendet oder abgebaut. Wichtige Abbauvorgänge sind Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung. Nach ihren Abbauwegen unterscheidet man ketogene Aminosäuren, die dem Citrat-Zyklus zugeführt werden, glucogene Aminosäuren für die Gluconeogenese sowie gemischt keto- und glucogene Aminosäuren. Aminosäuren sind außerdem Vorstufen biologisch aktiver Stoffe: Tryptophan für Serotonin, Tyrosin und Phenylalanin für Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin, Glycin für Häm und Arginin für Stickstoffmonoxid. Aspartat, Glycin und Glutamin sind Ausgangsstoffe der Nukleotidbiosynthese.

Zum quantitativen Nachweis dienen unter anderem der Kaiser-Test mit Ninhydrin oder das Folin-Reagenz für primäre Amine sowie Isatin- oder Chloranil-Test für sekundäre Amine. Aminosäuren lassen sich auch durch Kapillarelektrophorese, HPLC oder Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie trennen und nachweisen. Phenylalanin, Tyrosin, Histidin und Tryptophan absorbieren wegen ihrer aromatischen Struktur UV-Licht mit einem Maximum zwischen 260 nm und 280 nm. Die Zusammensetzung eines Proteins wird nach seiner Hydrolyse untersucht.

Gewonnen werden Aminosäuren durch Auftrennung hydrolysierter Proteine oder durch Synthese. Industrielle Verfahren sind Extraktion mit anschließender Ionenaustauschchromatographie, chemische Synthese, enzymatische Verfahren und Fermentation. Chemische Synthesen liefern zunächst meist Racemate, also Gemische von Enantiomeren, die getrennt werden müssen. Enzyme können enantiomerenreine L- oder D-Aminosäuren erzeugen. Die Fermentation mit Mikroorganismen ist heute besonders wichtig: Aus 2 Gramm Glucose kann 1 Gramm L-Glutaminsäure gewonnen werden. Weltweit werden jährlich 6 Millionen Tonnen Glutaminsäure und Lysin produziert.

Ernährung, Technik und Medizin

Für die menschliche Ernährung sind besonders essentielle Aminosäuren grundlegend. Bei ausgewogener Ernährung wird ihr Bedarf gewöhnlich durch tierische Proteine oder passende Kombinationen pflanzlicher Proteine, etwa Getreide und Hülsenfrüchte, gedeckt. Pflanzliche Proteine haben meist eine geringere biologische Wertigkeit. Futtermittel werden deshalb häufig mit Methionin, Lysin oder den verzweigtkettigen Aminosäuren Leucin, Isoleucin und Valin ergänzt. Aminosäuren werden auch als Nahrungsergänzungsmittel verkauft.

Als Lebensmittelzusätze dienen Aminosäuren und ihre Derivate unter anderem als Geschmacksverstärker und Süßstoffe: Natriumglutamat aktiviert einen Glutamatrezeptor der Zunge, Aspartam enthält eine Aminosäure. Aminosäuren sind zudem Vorstufen von Aromastoffen der Maillard-Reaktion beim trockenen Garen.

In Zellbiologie und Mikrobiologie sind sie Bestandteile von Zellkulturmedien. In der Biochemie helfen Aminosäurederivate bei Strukturaufklärung und Molekülmarkierung. Weitere Anwendungen sind Salzbildner, Puffer, Infusionslösungen zur parenteralen Ernährung und Stabilisatoren bei bestimmten Lebererkrankungen. L-Dopa wird bei Krankheiten mit Neurotransmittermangel verwendet. Cystein sowie Acetylcystein und Carbocystein werden bei infektiösen Bronchialerkrankungen mit erhöhtem Bronchialsekret eingesetzt; L-Cystein dient außerdem als Reduktionsmittel bei Dauerwellen. Aminosäuren werden auch Hautpflegemitteln und Shampoos zugesetzt.