L-Alanin (Ph. Eur., USP) reinst, Pharmaqualität

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Alanin (Symbol Ala oder A) oder α-Alanin ist eine α-Aminosäure, die bei der Biosynthese von Proteinen verwendet wird. Es enthält eine Amingruppe und eine Carbonsäuregruppe, die beide an das zentrale Kohlenstoffatom gebunden sind, das auch eine Methylgruppen-Seitenkette trägt. Folglich lautet ihr systematischer IUPAC-Name 2-Aminopropansäure, und sie wird als unpolare, aliphatische α-Aminosäure klassifiziert. Unter biologischen Bedingungen liegt es in seiner zwitterionischen Form mit protonierter Amingruppe (als −NH3+) und deprotonierter Carboxylgruppe (als −CO2−) vor. Es ist für den Menschen nicht essentiell, da es metabolisch synthetisiert werden kann und nicht in der Nahrung vorhanden sein muss. Es wird von allen Codons codiert, die mit GC beginnen (GCU, GCC, GCA und GCG).

Das L-Isomer von Alanin (linkshändig) ist dasjenige, das in Proteine ​​eingebaut wird. L-Alanin ist nach Leucin die zweithäufigste Vorkommensrate und macht 7,8 % der Primärstruktur in einer Probe von 1.150 Proteinen aus. Die rechtshändige Form, D-Alanin, kommt in Polypeptiden in einigen bakteriellen Zellwänden: 131  und in einigen Peptidantibiotika vor und kommt in den Geweben vieler Krustentiere und Weichtiere als Osmolyt vor.

Geschichte und Etymologie

Alanin wurde erstmals 1850 synthetisiert, als Adolph Strecker Acetaldehyd und Ammoniak mit Blausäure kombinierte. Die Aminosäure wurde auf Deutsch Alanin genannt, in Anlehnung an Aldehyd, mit dem Infix -an- zur leichteren Aussprache, wobei die deutsche Endung -in, die in chemischen Verbindungen verwendet wird, analog zum englischen -ine ist.

Struktur
Alanin ist eine aliphatische Aminosäure, da die mit dem α-Kohlenstoffatom verbundene Seitenkette eine Methylgruppe (-CH3) ist; Alanin ist nach Glycin die einfachste α-Aminosäure. Die Methylseitenkette von Alanin ist nicht reaktiv und daher kaum direkt an der Proteinfunktion beteiligt. Alanin ist eine nicht essentielle Aminosäure, was bedeutet, dass sie vom menschlichen Körper hergestellt werden kann und nicht über die Nahrung aufgenommen werden muss. Alanin kommt in einer Vielzahl von Lebensmitteln vor, ist aber besonders konzentriert in Fleisch enthalten.
Quellen
Biosynthese

Alanin kann aus Pyruvat und verzweigtkettigen Aminosäuren wie Valin, Leucin und Isoleucin synthetisiert werden.

Alanin wird durch reduktive Aminierung von Pyruvat hergestellt, ein zweistufiger Prozess. Im ersten Schritt werden α-Ketoglutarat, Ammoniak und NADH durch Glutamat-Dehydrogenase zu Glutamat, NAD+ und Wasser umgewandelt. Im zweiten Schritt wird die Aminogruppe des neu gebildeten Glutamats durch ein Aminotransferase-Enzym auf Pyruvat übertragen, wodurch das α-Ketoglutarat regeneriert und das Pyruvat in Alanin umgewandelt wird. Das Nettoergebnis ist, dass Pyruvat und Ammoniak in Alanin umgewandelt werden, wobei ein Reduktionsäquivalent verbraucht wird. Da Transaminierungsreaktionen leicht reversibel sind und Pyruvat in allen Zellen vorhanden ist, kann Alanin leicht gebildet werden und ist daher eng mit Stoffwechselwegen wie Glykolyse, Glukoneogenese und dem Zitronensäurezyklus verbunden.

chemische Synthese
L-Alanin wird industriell durch Decarboxylierung von L-Aspartat durch die Wirkung von Aspartat-4-Decarboxylase hergestellt. Fermentationswege zu L-Alanin werden durch Alaninracemase kompliziert.

Racemisches Alanin kann durch Kondensation von Acetaldehyd mit Ammoniumchlorid in Gegenwart von Natriumcyanid durch die Strecker-Reaktion oder durch Ammonolyse von 2-Brompropansäure hergestellt werden.

Degradierung
Alanin wird durch oxidative Desaminierung abgebaut, die Umkehrreaktion der oben beschriebenen reduktiven Aminierungsreaktion, die durch dieselben Enzyme katalysiert wird. Die Richtung des Prozesses wird weitgehend durch die relative Konzentration der Substrate und Produkte der beteiligten Reaktionen gesteuert.

Alanine World-Hypothese
Alanin ist eine der zwanzig kanonischen α-Aminosäuren, die als Bausteine ​​(Monomere) für die Ribosomen-vermittelte Biosynthese von Proteinen verwendet werden. Es wird angenommen, dass Alanin eine der frühesten Aminosäuren ist, die in das Standardrepertoire des genetischen Codes aufgenommen werden. Auf der Grundlage dieser Tatsache wurde die "Alanine World"-Hypothese aufgestellt. Diese Hypothese erklärt die evolutionäre Auswahl von Aminosäuren im Repertoire des genetischen Codes aus chemischer Sicht. In diesem Modell ist die Auswahl von Monomeren (d. h. Aminosäuren) für die ribosomale Proteinsynthese eher auf diejenigen Alaninderivate beschränkt, die zum Aufbau von α-Helix- oder β-Faltblatt-Sekundärstrukturelementen geeignet sind. Dominierende Sekundärstrukturen im Leben, wie wir es kennen, sind α-Helices und β-Faltblätter, und die meisten kanonischen Aminosäuren können als chemische Derivate von Alanin angesehen werden. Daher können die meisten kanonischen Aminosäuren in Proteinen durch Punktmutationen mit Ala ausgetauscht werden, während die Sekundärstruktur intakt bleibt. Die Tatsache, dass Ala die Sekundärstrukturpräferenzen der Mehrzahl der codierten Aminosäuren nachahmt, wird praktisch in der Alanin-Scanning-Mutagenese ausgenutzt. Darüber hinaus verwendet die klassische Röntgenkristallographie häufig das Polyalanin-Backbone-Modell, um dreidimensionale Strukturen von Proteinen mithilfe von Molecular Replacement zu bestimmen - einer modellbasierten Phasenmethode.

Physiologische Funktion
Glukose-Alanin-Zyklus

Bei Säugetieren spielt Alanin eine Schlüsselrolle im Glucose-Alanin-Zyklus zwischen Gewebe und Leber. In Muskel- und anderen Geweben, die Aminosäuren als Brennstoff abbauen, werden Aminogruppen in Form von Glutamat durch Transaminierung gesammelt. Glutamat kann dann seine Aminogruppe durch die Wirkung von Alanin-Aminotransferase auf Pyruvat übertragen, ein Produkt der Muskel-Glykolyse, wodurch Alanin und α-Ketoglutarat gebildet werden. Das Alanin gelangt in den Blutkreislauf und wird zur Leber transportiert. Die Alanin-Aminotransferase-Reaktion findet umgekehrt in der Leber statt, wo das regenerierte Pyruvat in der Glukoneogenese verwendet wird, wobei Glukose gebildet wird, die durch das Kreislaufsystem zu den Muskeln zurückkehrt. Glutamat gelangt in die Leber in die Mitochondrien und wird durch Glutamatdehydrogenase in α-Ketoglutarat und Ammonium zerlegt, das wiederum am Harnstoffzyklus teilnimmt, um Harnstoff zu bilden, der über die Nieren ausgeschieden wird.

Der Glukose-Alanin-Zyklus ermöglicht es, Pyruvat und Glutamat aus dem Muskel zu entfernen und sicher zur Leber zu transportieren. Dort wird Pyruvat verwendet, um Glukose zu regenerieren, wonach die Glukose zum Muskel zurückkehrt, um für Energie verstoffwechselt zu werden: Dadurch wird die energetische Belastung der Gluconeogenese auf die Leber statt auf den Muskel verlagert, und das gesamte verfügbare ATP im Muskel kann dem Muskel gewidmet werden Kontraktion. Es ist ein katabolischer Weg und beruht auf dem Proteinabbau im Muskelgewebe. Ob und in welchem ​​Umfang es bei Nicht-Säugern vorkommt, ist unklar.
Verbindung zu Diabetes

Veränderungen im Alaninzyklus, die die Spiegel der Alaninaminotransferase (ALT) im Serum erhöhen, sind mit der Entwicklung von Typ-II-Diabetes verbunden.

Chemische Eigenschaften
Alanin ist nützlich bei Funktionsverlustexperimenten in Bezug auf Phosphorylierung. Bei einigen Techniken wird eine Bibliothek von Genen erstellt, von denen jedes eine Punktmutation an einer anderen Position im interessierenden Bereich aufweist, manchmal sogar an jeder Position im gesamten Gen: Dies wird als "Scanning-Mutagenese" bezeichnet. Die einfachste und als erste angewandte Methode ist das sogenannte Alanin-Scanning, bei dem jede Position der Reihe nach zu Alanin mutiert wird.

Die Hydrierung von Alanin ergibt den Aminoalkohol Alaninol, der ein nützlicher chiraler Baustein ist.
freie Radikale

Die Desaminierung eines Alaninmoleküls erzeugt das freie Radikal CH3C•HCO2−. Desaminierung kann in festem oder wässrigem Alanin durch Strahlung induziert werden, die eine homolytische Spaltung der Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung bewirkt.

Diese Eigenschaft von Alanin wird bei dosimetrischen Messungen in der Strahlentherapie genutzt. Wenn normales Alanin bestrahlt wird, bewirkt die Strahlung, dass bestimmte Alaninmoleküle zu freien Radikalen werden, und da diese Radikale stabil sind, kann der Gehalt an freien Radikalen später durch paramagnetische Elektronenresonanz gemessen werden, um herauszufinden, wie viel Strahlung das Alanin ausgesetzt war. Dies wird als biologisch relevantes Maß für die Strahlenschäden angesehen, die lebendes Gewebe unter der gleichen Strahlenexposition erleiden würde. Strahlentherapie-Behandlungspläne können im Testmodus an Alanin-Pellets abgegeben werden, die dann gemessen werden können, um zu überprüfen, ob das beabsichtigte Muster der Strahlendosis vom Behandlungssystem korrekt abgegeben wird.