Nichtproteinogene Aminosäuren

Nichtproteinogene Aminosäuren sind Aminosäuren, die nicht in Proteinen während der Translation eingebaut werden.^[1] Sie wirken im Aminosäuren-Stoffwechsel und der Proteinbiosynthese daher oftmals als Aminosäureantagonisten.^[2] 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 etwa 900 Aminosäuren bekannt (einschließlich der 22 proteinogenen Aminosäuren), die in Organismen vorkommen.^[3] Daneben existieren noch über 118 künstlich erzeugte Aminosäuren, die in Proteinen eingebaut wurden.^[3] Die 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).^[4]

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.^[5]

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,^[6] 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,^[7] durch Proteinligation,^[8] durch eine Peptidsynthese oder durch genetische Reprogrammierung in Proteine eingebaut werden.^[9][10] Mit Peptiden, die nichtproteinogene Aminosäuren enthalten, können die Substratspezifitäten von Peptidasen untersucht und Proteaseinhibitoren entwickelt werden.^[11] β-Peptide sind aus β-Aminosäuren aufgebaut.