Hydroxyprolin

Strukturformel
(2S,4R)-4-Hydroxyprolin   (2R,4S)-4-Hydroxyprolin
(2S,4R)-4-Hydroxyprolin     (2R,4S)-4-Hydroxyprolin
(2S,4S)-4-Hydroxyprolin   (2R,4R)-4-Hydroxyprolin
(2S,4S)-4-Hydroxyprolin     (2R,4R)-4-Hydroxyprolin
Allgemeines
Name Hydroxyprolin
Andere Namen

4-Hydroxypyrrolidin-2-carbonsäure

Summenformel C5H9NO3
CAS-Nummer
PubChem 825
Kurzbeschreibung

farbloser Feststoff[1]

Eigenschaften
Molare Masse 131,13 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Schmelzpunkt
  • 274 °C [(2S,4R)-4-Hydroxyprolin] [1]
  • 238-241 °C [(2S,4S)-4-Hydroxyprolin][2]
Löslichkeit

gut in Wasser (500 g·l−1 bei 20 °C)[1]

Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [3]
keine Gefahrensymbole
R- und S-Sätze R: keine R-Sätze
S: keine S-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
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Hydroxyprolin (exakter L-4-Hydroxyprolin) ist eine α-Aminosäure, welche im Kollagen vorkommt. Die genaue chemische Bezeichnung der in der Natur vorkommenden Aminosäure lautet (2S,4R)-4-Hydroxypyrrolidin-2-carbonsäure. L-4-Hydroxyprolin entsteht durch Hydroxylierung in der 4-Stellung am Pyrrolidinring von L-Prolin, welches bereits in eine Polypeptidkette (Eiweiß) eines Kollagenmoleküls eingebaut ist, katalysiert durch das Enzym Prolylhydroxylase, unter Mitwirkung von Ascorbinsäure (Vitamin C). Hydroxyprolin hat im Kollagenmolekül die Funktion, den Zusammenhalt der Kollagen-Tripelhelix über einen gauche-Effekt zu stabilisieren. Die Theorie, dass von Hydroxyprolin ausgehende Wasserstoffbrücken die Tripelhelix stabilisieren, gilt als widerlegt. Von der 4-Hydroxypyrrolidin-2-carbonsäure gibt es insgesamt vier Stereoisomere, in unserer Umwelt spielt jedoch nur das (2S,4R)-Isomere als proteinogene Aminosäure eine Rolle. Enantiomer zur natürlichen (2S,4R)-Form ist die (2R,4S)-Form. Die (2S,4S)-Form und die (2R,4R)-Form sind Diastereomere der proteinogenen (2S,4R)-4-Hydroxypyrrolidin-2-carbonsäure [Synonym: (2S,4R)-4-Hydroxyprolin].

Wenn in der Literatur und in diesem Artikel von Hydroxyprolin – ohne weitere Zusätze – die Rede ist, ist jeweils das natürliche (2S,4R)-Hydroxyprolin [Synonym: L-4-Hydroxyprolin] gemeint.

Eigenschaften

Hydroxyprolin in Reinform liegt überwiegend als „inneres Salz“ bzw. Zwitterion vor, dessen Bildung dadurch zu erklären ist, dass das Proton der Carboxygruppe an das einsame Elektronenpaar des Stickstoffatoms der Aminogruppe wandert.

Zwitterionen von (2S,4R)-4-Hydroxyprolin(links) bzw. (2R,4S)-4-Hydroxyprolin (rechts)

Im elektrischen Feld wandert das Zwitterion nicht, da es als Ganzes ungeladen ist. Genaugenommen ist dies am isoelektrischen Punkt (einem bestimmten pH-Wert) der Fall, bei dem das Hydroxyprolin auch seine geringste Löslichkeit in Wasser hat. Die beiden anderen Stereoisomeren mit (2S,4S)- bzw. (2R,4R)-Konfiguration verhalten sich analog, bilden also auch Zwitterionen.

Physiologische Funktion

Hydroxyprolin wird nicht direkt genetisch codiert, sondern entsteht erst als posttranslationale Modifikation. In Kollagen eingebautes L-Prolin wird durch das Enzym Prolyl-4-Hydroxylase und unter Beteiligung von Vitamin C zu L-Hydroxyprolin hydroxyliert. Hydroxyprolin ist erforderlich für dessen mechanische Eigenschaften als Strukturprotein. Die Mangelerkrankung Skorbut resultiert in einer Bindegewebsschwäche mit einem verminderten oder fehlendem Anteil von Hydroxyprolin und Hydroxylysin im Kollagen.

Pathophysiologie

Bei der Osteodystrophia deformans, einer chronischen Überaktivität der Osteoklasten, wird durch Knochenabbau vermehrt Hydroxyprolin freigesetzt. Das Hydroxyprolin kann im Urin zur Diagnostik bestimmt werden.[4]

Herstellung und Gewinnung

Die saure Hydrolyse von Kollagen ergibt nach der Neutralisation ein Proteinhydrolysat proteinogener α-Aminosäuren. Daraus läßt sich nach der 'Extraktionsmethode' (konkret mit der Hilfe von Ionenaustauschern) L-Hydroxyprolin gewinnen. Bis heute wird L-Hydroxyprolin nach dieser Trennmethode kommerziell gewonnen.[5]

Chemie und Verwendung

(2S,4R)-N-Acetyl-4-hydroxyprolin (INN: Oxaceprol) wird als Arzneistoff gegen degenerative Gelenkerkrankungen verwendet. Für die vielstufige Synthese eines ACE-Hemmers wird (2S,4R)-4-Hydroxyprolin als Ausgangsstoff eingesetzt. (2S,4R)-4-Hydroxyprolin decarboxyliert thermisch durch Erhitzen in Tetraethylenglykoldimethylether in Gegenwart katalytischer Mengen Cyclohexen-3-on unter Bildung des cyclischen chiralen Aminoalkohols (R)-3-Hydroxypyrrolidin.[6]

Strukturisomere

Strukturisomere der vier 4-Hydroxyproline sind die vier 3-Hydroxyproline. Letztere sind durchgängig Exoten und besitzen nur geringe Bedeutung. Es gibt vier stereoisomere 3-Hydroxyproline: Die (2S,3R)-Form, die (2R,3S)-Form, die (2S,3S)-Form und die (2R,3R)-Form.

Stereoisomere des 3-Hydroxyprolins: (2S,3R)-Form (oben links), (2R,3S)-Form (oben rechts), (2S,3S)-Form (unten links) und (2R,3R)-Form (unten rechts)

Bestimmung des Hydroxyprolingehaltes

Die quantitative Analyse von Hydroxyprolin wird zur Bestimmung des Bindegewebsanteils in Fleischwaren herangezogen. Die Qualität von Fleischwaren ist aufschlussreich, da Hydroxyprolin nur in Kollagen und damit maßgeblich in Bindegewebe (Sehnen-, Knochen-, Knorpel- und Hautteilen) vorkommt; ein hoher Gehalt an Hydroxyprolin gilt daher als Indiz für eine erhöhte Verwendung minderwertiger Rohstoffe. Nach Messung des Gesamtstickstoffs nach Kjeldahl kann der BEFFE-Wert berechnet werden.

Die Probe wird mit Salzsäure aufgeschlossen und hydrolysiert, wobei insbesondere Polypeptide in die einzelnen Aminosäuren zerlegt werden. Das Fett wird abgetrennt und die Aminosäure mit Chloramin T oxidiert. Das Oxidationsprodukt bildet mit p-Dimethylaminobenzaldehyd ein rotgefärbtes Kondensationsprodukt. Dieses wird photometrisch bei 558 nm quantitativ nachgewiesen.[7]

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 Datenblatt Hydroxyprolin bei Carl Roth, abgerufen am 14. Dezember 2010.
  2. The Merck Index. An Encyclopaedia of Chemicals, Drugs and Biologicals. 14. Auflage, 2006, S. 839, ISBN 978-0-911910-00-1.
  3. Gefahrstoffliste (BGIA).
  4. Morbus Paget im DocCheck-Flexikon, abgerufen am 15. September 2012.
  5. Izumi, Y. et al. (1978): Herstellung und Verwendung von Aminosäuren. In: Angewandte Chemie 90(3) (1978) 187–194; doi:10.1002/ange.19780900307.
  6. Wallbaum, S. et al. (1994): Decarboxylation of α-Amino Acids containing two and three Stereogenic Centers: A Simple One-Step Procedure to Prepare Two Opticall Active β-Amino Alcohols and a Bicyclic Pyrrolidine Derivative. In: Synthetic Communications 24(10); 1381–1387; doi:10.1080/00397919408011741.
  7.  Reinhard Mattisek, Gabriele Steiner, Markus Fischer: Lebensmittelanalytik. 4. Auflage. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-92205-6, doi:10.1007/978-3-540-92205-6.

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