Erweitern Sie Ihr Wissen, Teil 1 – Aminosäuren

Die Bausteine ​​des Körpers

Die Aminosäuremoleküle sind die Bausteine ​​von Proteinen und für unseren Körper von entscheidender Bedeutung. Unser Körper besteht zu etwa 20 % aus Eiweiß. Proteine ​​werden in unserem Körper in Aminosäuren umgewandelt und spielen eine Schlüsselrolle bei nahezu allen biochemischen Prozessen im Körper, etwa im Zellstoffwechsel, als Energiestoffwechselprodukte, als essentielle Nährstoffe und als Botenstoffe in der Zellkommunikation. Von den fünfhundert identifizierten Aminosäuren kommen zweiundzwanzig in menschlichen Proteinen vor, die sogenannten fundamentalen Aminosäuren. Der Körper kann eine Reihe von Aminosäuren selbst synthetisieren, die nicht-essentiellen Aminosäuren. Die essentiellen Aminosäuren können nur über die Nahrung oder Nahrungsergänzung aufgenommen werden. In bestimmten Situationen können nicht-essentielle Aminosäuren dennoch essentiell sein.

Die ersten Moleküle auf der Erde

Aminosäuren erschienen als eines der ersten organischen Moleküle auf der Erde. Bevor wir uns mit den evolutionären Ursprüngen dieser Grundbausteine ​​des Lebens befassen, werfen wir zunächst einen Blick auf eine inhärente Eigenschaft von Aminosäuren, nämlich die Bevorzugung der sogenannten „Linkshändigkeit“ oder der biologischen Homochiralität von Aminosäuren.

Präferenz für eine Raumform: Homochiralität

Louis Pasteur entdeckte im 19. Jahrhundert, dass einige Moleküle in zwei räumlichen Formen existieren können: linksdrehend (oder linkshändig) und rechtsdrehend (rechtshändig). Das bedeutet, dass diese Moleküle sozusagen chiral sind, sie liegen in zwei spiegelbildlichen Isomeren vor, die mit den Buchstaben d (dextro = rechts) und l (laevo = links) bezeichnet werden. Nun würde man erwarten, dass es in der Natur gleich viele rechts- und linksdrehende Moleküle gibt. Dies ist jedoch nicht der Fall. In lebenden Organismen existieren viele organische Moleküle nur in einer von zwei Formen. Dieses Phänomen wird biologische Homochiralität genannt.

Gründe für biologische Homochiralität

In lebenden Organismen werden Aminosäuren daher durch ein spiegelbildliches Isomer repräsentiert, nämlich die (linksdrehenden) L-Aminosäuren (L-Enantiomere). Zucker hingegen sind rechtsdrehend (D-Zucker). Rechtsdrehende Aminosäuren und linksdrehende Zucker kommen nicht vor. Aminosäuren sind die Bausteine ​​von Proteinen. Proteine ​​liegen daher in Organismen alle in linksdrehender Form vor. DNA- und RNA-Moleküle bestehen aus D-Zuckern und haben daher eine rechtsdrehende D-Form. Homochiralität ist für die Funktion von DNA, RNA und Proteinen unerlässlich. Würden Proteine ​​aus einer Mischung links- und rechtsdrehender Aminosäuren bestehen, könnten sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen. Wie kam es zu dieser Bevorzugung nur einer der beiden Formen? Die Antworten darauf variieren.

Zirkular polarisiertes Licht zersetzt D-Enantiomere

Unsere Galaxie verfügt über ein Magnetfeld, das sich in einer Art Korkenzieherspirale durch den Weltraum bewegt. Die Spiralbewegung kann nach links oder rechts erfolgen. Interstellare Magnetfelder in der Galaxie können diese Richtung beeinflussen, indem sie Staubpartikel zwischen den Sternen aufladen. Licht, das sich durch diesen Staub bewegt, nimmt eine zirkulare Polarisation an. Dieses zirkular polarisierte Licht zersetzt die D-Enantiomere von Aminosäuren stärker als die L-Enantiomere. Dieser Effekt wird bei Aminosäuren beobachtet, die auf Kometen und Meteoren vorkommen. Dies erklärt, warum zumindest in der Galaxie L-Enantiomere bevorzugt werden.

Strahlung und Schwerkraft zersetzen D-Enantiomere

Obwohl Schwerkraft, elektromagnetisches und magnetisches Feld achiral sind, ist die schwache Kernkraft (radioaktiver Zerfall) chiral. Beim Betazerfall bevorzugen die emittierten Elektronen eine Art Spin. Diese chiralen Elektronen bauen wiederum bevorzugt D-Aminosäuren und nicht L-Aminosäuren ab.

Kurz gesagt, eine klare Vorliebe für Linkshänder

Obwohl es noch viel zu erforschen gibt, ist es klar, dass in der Abiogenese (der Entstehung von Leben aus toter Materie) und in Prozessen, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde führen, die Ähnlichkeit oder Parität zwischen linkshändigen Aminosäuren und ihren Aminosäuren besteht rechtshändige Spiegelbilder, war verzerrt. Aminosäuren als Grundbausteine ​​des Lebens haben die Linkerform.

Beteiligt an fast jedem Lebensprozess

Als Bausteine ​​von Proteinen sind Aminosäuren an nahezu jedem Lebensprozess beteiligt. Darüber hinaus spielen sie als Vorstufe vieler Wirkmechanismen im Körper eine Schlüsselrolle. Aminosäuren spielen eine zentrale Rolle im Zellstoffwechsel. Bis heute haben Wissenschaftler mehr als fünfhundert Aminosäuren in der Natur entdeckt. An der Translation im Körper sind jedoch nur 22 Aminosäuren beteiligt; die Übersetzung von m-RNA in eine Kette von Aminosäuren oder der Aufbau von Proteinen.

Verstehen Sie die Entwicklung der Aminosäuresynthese

Obwohl immer mehr über die Evolution von Aminosäuren bekannt ist, bleiben viele Fragen zur Synthese von Aminosäuren unbeantwortet. In welcher Reihenfolge kamen beispielsweise Aminosäuren vor? Wie viele Aminosäuren werden bei der Proteinsynthese genau verwendet? Wie viele Aminosäuren gab es, als das Leben begann? Wurden ursprünglich mehr als 22 Aminosäuren in der Proteinsynthese verwendet, aber wurde dieser Wert in einem selektiven Prozess auf 22 reduziert? Oder waren es am Anfang tatsächlich weniger als zweiundzwanzig Aminosäuren und im Laufe der Zeit tauchten immer wieder neue Aminosäuren auf, die an der Proteinsynthese beteiligt waren? Und wie und mit welcher Geschwindigkeit entstanden die Stoffwechselwege für die Aminosäuresynthese?

Dies sind Fragen, mit denen sich die neue Generation von Wissenschaftlern – unter Verwendung unterschiedlicher Hypothesen und Methoden – auseinandersetzen kann.

Entstand es aus der Ursuppe oder durch enzymatische Reaktionen?

Im Jahr 1953 versuchten Wissenschaftler, die Bedingungen auf der ursprünglichen Erde nachzubilden. In einer Flasche kombinierten sie Ammoniak, Wasserstoff, Methan und Wasserdampf mit elektrischen Funken. Sie fanden heraus, dass neue Moleküle gebildet wurden und identifizierten diese Moleküle als elf Standardaminosäuren.

Basierend auf dieser Beobachtung wurde argumentiert, dass die ersten Organismen wahrscheinlich in einer ähnlichen Umgebung wie in ihren Kolben entstanden. Eine Umgebung, die reich an organischen Verbindungen oder der sogenannten „Ursuppe“ ist. In dieser Ursuppe hätten sich einzellige Organismen weiterentwickelt. Heutzutage entstehen Aminosäuren hauptsächlich durch biosynthetische enzymatische Reaktionen und nicht aus „elektrifizierter Ursuppe“.

Synthese über Stoffwechselwege

Eine Reihe biochemischer Reaktionen, bei denen Aminosäuren synthetisiert oder abgebaut werden, wird als Stoffwechselweg bezeichnet. Aminosäuren können auf verschiedene Weise synthetisiert werden, beispielsweise in einfachen Schritten aus Vorläufermolekülen. Aminosäuren können auch aus Zwischenschritten der Glykolyse oder des Zitronensäurezyklus synthetisiert werden. Essentielle Aminosäuren, die wir über die Nahrung aufnehmen müssen, erfordern mehr Syntheseschritte. Um die verschiedenen Aminosäuren aus ihren Vorläufern im zentralen Stoffwechsel herzustellen, sind zwischen einer und dreizehn biochemischen Reaktionen erforderlich.

Stickstoff und Ammoniak

Wie aus dem Wort Amin in der Aminosäure hervorgeht, ist Stickstoff das wichtigste Atom in der Aminosäurezusammensetzung. Die ultimative Stickstoffquelle für die Aminosäurebiosynthese ist molekularer Stickstoff (N2), ein nahezu inertes Gas. Alle Organismen können aus Ammoniak (NH3) Aminosäuren herstellen. Beim Menschen gelangt Ammoniak über die Nahrung, die Aminosäuren enthält, in den Körper. Die Enzyme Glutamatdehydrogenase und Glutaminsynthetase wandeln Ammoniak dann wieder in Glutamat bzw. Glutamin um. Amino- und Amidgruppen dieser beiden Verbindungen können dann auf andere Brücken von Kohlenstoffatomen übertragen werden, um durch die organischen Reaktionen Transaminierung und Transamidierung Aminosäuren herzustellen.

Glutamin als universeller Spender

Alle Aminosäuren, mit Ausnahme von Prolin, bestehen aus mindestens einer Aminogruppe (NH2) und einer Carboxylgruppe (COOH). Glutamin ist ein universeller Spender von Aminogruppen für die Bildung vieler anderer Aminosäuren und Biosyntheseprodukte. Glutamin ist außerdem ein wichtiger Metabolit für die Ammoniakspeicherung.

Wichtige biochemische Funktionen

Wissenschaftler erkennen mittlerweile 22 Aminosäuren als Bausteine ​​von Proteinen. Darüber hinaus haben Aminosäuren weitere wichtige biochemische Funktionen. Sie sind beispielsweise auch Energiestoffwechselprodukte und essentielle Nährstoffe. Aminosäuren können auch als chemische Botenstoffe in der Zellkommunikation fungieren.

Wesentlich, halbwesentlich und unwesentlich

Die Einteilung in essentiell, semi-essentiell und nicht-essentiell bedeutet nicht, dass eine Gruppe im Körper wichtiger ist als die andere. Alle Aminosäuren müssen im Körper in ausreichender Menge vorhanden sein, entweder über die Nahrung oder durch die eigene Synthese. Faktoren wie Alter, Stress, Belastung, Ernährung, Gesundheit beeinflussen die Menge der verfügbaren und benötigten und/oder synthetisierten Aminosäuren.

Die acht essentiellen Aminosäuren sind: Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Arginin und Histidin sind semi-essentiell oder unter bestimmten Umständen essentiell. Die zehn nicht essentiellen Aminosäuren sind: Alanin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutamin, Glutaminsäure, Glycin, Prolin, Serin und Tyrosin. Im Jahr 2015 wurden die letzten beiden Aminosäuren entdeckt: Selenocystein und Pyrrolysin.

Von Aminosäuren bis zu Peptidverbindungen

Aminosäuren werden miteinander verbunden, weil die Carboxylgruppe einer Aminosäure eine Bindung mit der Aminogruppe einer anderen Aminosäure eingeht, wodurch H2O (Wasser) abgespalten wird. Dies ist eine Peptidverbindung. Auf diese Weise können verschiedene Arten von Proteinen erzeugt werden, beispielsweise Dipeptide (2 Aminosäuren), Tripeptide (3 Aminosäuren), Oligopeptide (weniger als 10 Aminosäuren) und Proteine ​​(eine Kette von mehr als 50 Aminosäuren).

Di-, Tri-, Oligopeptide und Proteine

Carnosin ist beispielsweise ein Dipeptid, das aus den beiden Aminosäuren β-Alanin und Histidin besteht. Glutathion ist ein Beispiel für ein Tripeptid und besteht aus einer Verbindung der Aminosäuren Cystein, L-Glutaminsäure und Glycin. Proteine ​​oder Proteine ​​bestehen aus polymeren Ketten von Aminosäuren. Sie haben im Körper vielfältige Funktionen: als Bausteine ​​für Zellstrukturen und das Zytoskelett, als Enzyme, die biochemische (Umwandlungs-)Reaktionen im Körper katalysieren, und als Antikörper, etwa als Immunglobuline, in unserem Immunsystem.