Nichtproteinogene Aminosäuren

Nichtproteinogene Aminosäuren sind Aminosäuren, die nicht in Proteinen während der Translation eingebaut werden. Sie wirken im Aminosäuren-Stoffwechsel und der Proteinbiosynthese daher oftmals als Aminosäureantagonisten. Von den Aminocarbonsäuren sind die Aminoheterooxosäuren zu unterscheiden. Weitere Unterscheidungskriterien sind die Ständigkeit (Isomerie) der Amino- relativ zur Säuregruppe sowie ggf. die Konfiguration dieser funktionellen Gruppen, insbesondere in α-Aminosäuren.

Eigenschaften

Akee-Pflanze mit Frucht. Der unreife Samenmantel enthält die nichtproteinogene Aminosäure Hypoglycin.

Strukturformel von Hypoglycin – eine nichtproteinogene Aminosäure.

Es sind bisher über 400 nichtproteinogene Aminosäuren bekannt, die in Organismen vorkommen. Diese natürlich gebildeten nichtproteinogenen Aminosäuren erfüllen verschiedene Funktionen. Manche entstehen als posttranslationale Modifikation in Proteinen (z. B. Phosphotyrosin, Hydroxyprolin, Formylmethionin, Cystin, Lanthionin, Djenkolsäure, 2,6-Diaminopimelinsäure). Andere sind Metaboliten im Stoffwechsel (z. B. Ornithin, Citrullin, Argininosuccinat, Sarcosin, Homoserin, Homocystein, L-DOPA, 5-Hydroxytryptophan). Weitere dienen als Hormone (L-Thyroxin) und Neurotransmitter (z. B. GABA, D-Serin) oder auch als Toxine (β-Methylamino-Alanin, Ibotensäure, L-Azetidin-2-carbonsäure, Quisqualat, Canavanin).

Über 250 unterschiedliche nichtproteinogene Aminosäuren wurden als Bausteine der Oligopeptide oder kurzen Polypeptide gefunden, die durch nichtribosomale Peptidsynthetasen verschiedener Arten von Archaeen, Bakterien, Pilzen und Nacktkiemern aufgebaut werden.

Künstlich erzeugte Aminosäuren sind z. B. die Inhibitoren Isoserin, 2-Amino-5-phosphonovaleriansäure und der Synthesegrundstoff für β-Lactam-Antibiotika D-Phenylglycin. Im Miller-Urey-Experiment wurden unter anderem die Aminosäuren Norvalin und Norleucin künstlich erzeugt.

Struktur

Im Gegensatz zu den proteinogenen Aminosäuren sind nicht alle nichtproteinogenen Aminosäuren L-α-Aminosäuren, z. B. die Gruppe der D-Aminosäuren oder die nicht-α-Aminosäuren wie β-Alanin, GABA, δ-Aminolävulinsäure oder 4-Aminobenzoesäure. Weitere nichtproteinogene Aminosäuren besitzen ein verändertes Peptid-Rückgrat wie 3-Aminoisobuttersäure oder Dehydroalanin. Es existieren ebenso nichtproteinogene Aminosäuren mit zwei Chiralitätszentren wie z. B. Cystathionin, Lanthionin, Djenkolsäure oder 2,6-Diaminopimelinsäure. Schwefel-enthaltende nichtproteinogene Aminosäuren sind z. B. Homocystein, Ethionin und Felinin. Selen-enthaltende nichtproteinogene Aminosäuren sind Methylselenocystein, Selenoethionin und Selenomethionin. Manche Arten wie Aspergillus fumigatus, Aspergillus terreus und Penicillium chrysogenum sind in Abwesenheit von Schwefel in der Lage, Tellurocystein und Telluromethionin zu produzieren und in Proteine einzubauen, während diese Aminosäuren für die meisten Arten nichtproteinogen sind.

Beispiele

Einige nichtproteinogene Aminosäuren

Aminosäure	Funktion	Struktur	Strukturformel
Taurin
L-Thyroxin (T4)	Hormon der Schilddrüse	L-α-Aminosäure
2,6-Diaminopimelinsäure (DAP)	Bestandteil in bakteriellen Zellwänden	α-Aminosäure mit 2 Stereozentren
Azetidin-2-carbonsäure	Toxin der Maiglöckchen	L-α-Aminosäure, sekundäres Amin in einem Ring
Sarkosin	Stoffwechselzwischenprodukt im Aminosäurestoffwechsel	N-Methyl-α-aminosäure
Homoserin	Abbauprodukt von Methionin	L-α-Aminosäure
Lanthionin	in Strukturproteinen	α-Aminosäure mit 2 Stereozentren
Djenkolsäure	Fraßgift von Archidendron jiringa (Jengkol), einer Hülsenfrucht	α-Aminosäure mit 2 Stereozentren
Cystathionin	Intermediat der Biosynthese von Cystein	α-Aminosäure mit 2 Stereozentren
L-Homocystein	Abbauprodukt von Methionin	L-α-Aminosäure
Ethionin	Methionin-Antagonist	L-α-Aminosäure
5-Aminolävulinsäure (5-ALA)	Vorstufe des Häms	δ-Aminosäure
p-Aminobenzoesäure (PABA)	bakterielle Folsäuresynthese	aromatisches Rückgrat
Dehydroalanin (DHA)	Abbauprodukt von Cystein	Doppelbindung am α-C-Atom
γ-Aminobuttersäure (GABA)	inhibitorischer Neurotransmitter	γ-Aminosäure
3-Aminoisobuttersäure	ist in den Fettstoffwechsel involviert	β-Aminosäure
L-Ornithin	Stoffwechselzwischenprodukt im Harnstoffzyklus	L-α-Aminosäure
L-Citrullin	Stoffwechselzwischenprodukt im Harnstoffzyklus	L-α-Aminosäure
Argininosuccinat	Stoffwechselzwischenprodukt im Harnstoffzyklus	L-α-Aminosäure
L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA)	Stoffwechselzwischenprodukt bei der Synthese von Katecholaminen	L-α-Aminosäure
L-5-Hydroxytryptophan (5-HTP)	Stoffwechselzwischenprodukt bei der Serotoninsynthese	L-α-Aminosäure
β-Alanin	Baustein von Coenzym A	β-Aminosäure
β-N-Methylamino-Alanin	Neurotoxin in Cyanobakterien	L-α-Aminosäure
Ibotensäure	Pilzgift	L-α-Aminosäure
D-Valin	Bestandteil des Antibiotikums Valinomycin	D-Aminosäure
D-Alanin	Bestandteil in bakteriellen Zellwänden	D-Aminosäure
D-Glutaminsäure	Bestandteil in bakteriellen Zellwänden	D-Aminosäure
Hypoglycin	Toxin der Akee-Pflanze	L-α-Aminosäure
L-4-Hydroxyprolin	Stabilisiert die Struktur des Kollagens	L-α-Aminosäure, sekundäres Amin in einem Ring
Pipecolinsäure	Abbauprodukt von Lysin	L-α-Aminosäure, sekundäres Amin in einem Ring
Glufosinat	Herbizid, enthält Phosphinsäure-Gruppe	L-α-Aminosäure

Anwendungen

Nichtproteinogene Aminosäuren können mit nichtribosomalen Peptidsynthetasen, durch Proteinligation, durch eine Peptidsynthese oder durch genetische Reprogrammierung in Proteine eingebaut werden. Mit Peptiden, die nichtproteinogene Aminosäuren enthalten, können die Substratspezifitäten von Peptidasen untersucht und Proteaseinhibitoren entwickelt werden. β-Peptide sind aus β-Aminosäuren aufgebaut.

Einzelnachweise

1. Jan Koolman, Klaus Heinrich Roehm: Color Atlas of Biochemistry. 3. Ausgabe, Thieme 2012. ISBN 978-3-13-169693-9.
2. Gerhard Habermehl, Peter E. Hammann: Naturstoffchemie: Eine Einführung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-08929-3 (Google Books). 
3. Peter Nuhn: Naturstoffchemie, S. Hirzel Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1990, ISBN 3-7776-0473-9. S. 70.
4. K. Dasuri, P. J. Ebenezer, R. M. Uranga, E. Gavilán, L. Zhang, S. O. Fernandez-Kim, A. J. Bruce-Keller, J. N. Keller: Amino acid analog toxicity in primary rat neuronal and astrocyte cultures: implications for protein misfolding and TDP-43 regulation. In: Journal of neuroscience research. Band 89, Nummer 9, September 2011, S. 1471–1477, doi:10.1002/jnr.22677, PMID 21608013, PMC 3175609 (freier Volltext).
5. siehe Einträge Monomere in der Datenbank NORINE.
6. S. E. Ramadan, A. A. Razak, A. M. Ragab, M. el-Meleigy: Incorporation of tellurium into amino acids and proteins in a tellurium-tolerant fungi. In: Biological trace element research. Band 20, Nummer 3, Juni 1989, S. 225–232, doi:10.1007/BF02917437, PMID 2484755.
7. G. H. Hur, C. R. Vickery, M. D. Burkart: Explorations of catalytic domains in non-ribosomal peptide synthetase enzymology. In: Natural product reports. Band 29, Nummer 10, Oktober 2012, S. 1074–1098, doi:10.1039/c2np20025b, PMID 22802156.
8. U. Arnold: Incorporation of non-natural modules into proteins: structural features beyond the genetic code. In: Biotechnology letters. Band 31, Nummer 8, August 2009, S. 1129–1139, doi:10.1007/s10529-009-0002-9, PMID 19404746.
9. A. Ohta, Y. Yamagishi, H. Suga: Synthesis of biopolymers using genetic code reprogramming. In: Current opinion in chemical biology. Band 12, Nummer 2, April 2008, S. 159–167, doi:10.1016/j.cbpa.2007.12.009, PMID 18249198.
10. Y. Lu, S. Freeland: On the evolution of the standard amino-acid alphabet. In: Genome biology. Band 7, Nummer 1, 2006, S. 102, doi:10.1186/gb-2006-7-1-102, PMID 16515719, PMC 1431706 (freier Volltext).
11. P. Kasperkiewicz, A. D. Gajda, M. Drąg: Current and prospective applications of non-proteinogenic amino acids in profiling of proteases substrate specificity. In: Biological chemistry. Band 393, Nummer 9, September 2012, S. 843–851, doi:10.1515/hsz-2012-0167, PMID 22944686.