Histidin
 Skelettformel von Histidin (zwitterionische Form)
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| Bezeichnungen | |||
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| IUPAC-Bezeichnung
Histidin
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| Andere Namen
2-Amino-3-(1H-imidazol-4-yl)propansäure
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| Bezeichner | |||
3D-Modell (JSmol)
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| ChEBI | |||
| ChEMBL | |||
| ChemSpider | |||
| Arzneimittelbank | |||
IUPHAR/BPS
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| KEGG | |||
PubChem CID
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| UNII | |||
InChI
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SMILES
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| Eigenschaften | |||
Chemische Formel
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C6H9N3O2 | ||
| Molekulare Masse | 155,157 g-mol-1 | ||
Löslichkeit in Wasser
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4,19 g/100 g bei 25 °C | ||
| Gefahren | |||
| NFPA 704 (Feuerdiamant) |  
1
1
0 | ||
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Infobox-Referenzen
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Histidin (Symbol His oder H) ist eine essenzielle α-Aminosäure, die in der Biosynthese von Proteinen verwendet wird. Sie enthält eine α-Aminogruppe (die unter biologischen Bedingungen in der protonierten Form -NH3+ vorliegt), eine Carbonsäuregruppe (die unter biologischen Bedingungen in der deprotonierten Form -COO- vorliegt) und eine Imidazol-Seitenkette (die teilweise protoniert ist), wodurch sie bei physiologischem pH-Wert als positiv geladene Aminosäure eingestuft wird. Ursprünglich galt sie nur für Säuglinge als essentiell, doch haben Langzeitstudien gezeigt, dass sie auch für Erwachsene essentiell ist. Sie wird durch die Codons CAU und CAC kodiert. ⓘ
Histidin wurde erstmals von dem deutschen Arzt Albrecht Kossel und Sven Gustaf Hedin im Jahr 1896 isoliert. Es ist auch ein Vorläufer von Histamin, einem wichtigen Entzündungsstoff bei Immunreaktionen. Das Acylradikal ist Histidyl. ⓘ
| Strukturformel ⓘ | |||||||||||||||||||
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| Struktur von L-Histidin, dem natürlich vorkommenden Enantiomer | |||||||||||||||||||
| Allgemeines | |||||||||||||||||||
| Name | Histidin | ||||||||||||||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | C6H9N3O2 | ||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung |
farblose Kristalle | ||||||||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||||||||||||||
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| Arzneistoffangaben | |||||||||||||||||||
| ATC-Code |
V06DE00 | ||||||||||||||||||
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| Molare Masse | 155,16 g·mol−1 | ||||||||||||||||||
| Aggregatzustand |
fest | ||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt |
287 °C (Zersetzung) | ||||||||||||||||||
| pKS-Wert |
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| Löslichkeit |
schlecht in Wasser (38,2 g·l−1 bei 20 °C) | ||||||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||
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| Toxikologische Daten |
5110 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral) | ||||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||||||||||||||||||
Histidin zählt gemeinsam mit den Aminosäuren Arginin und Lysin zu den basischen Aminosäuren, die man wegen ihrer sechs C-Atome auch als Hexonbasen bezeichnet. Basische Aminosäuren besitzen zusätzlich zur obligatorischen α-Aminogruppe eine weitere basische Gruppe. Im Histidin ist der Ring des heterocyclischen Amins Imidazol die basische Gruppe, der gleichzeitig auch die Aromatizität des Histidins bedingt. Damit zählt Histidin auch zu den aromatischen Aminosäuren, ebenso wie Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. ⓘ
Eigenschaften der Imidazol-Seitenkette
Die konjugierte Säure (protonierte Form) der Imidazol-Seitenkette von Histidin hat einen pKa-Wert von etwa 6,0. Unterhalb eines pH-Werts von 6 ist der Imidazolring also größtenteils protoniert (wie durch die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschrieben). Der resultierende Imidazoliumring trägt zwei NH-Bindungen und ist positiv geladen. Die positive Ladung ist gleichmäßig auf beide Stickstoffatome verteilt und kann mit zwei gleichwertigen Resonanzstrukturen dargestellt werden. Manchmal wird für diese protonierte Form anstelle des üblichen His das Symbol Hip verwendet. Oberhalb von pH 6 geht eines der beiden Protonen verloren. Das verbleibende Proton des Imidazolrings kann sich an einem der beiden Stickstoffatome befinden, was zu den so genannten N1-H- oder N3-H-Tautomeren führt. Das in der obigen Abbildung gezeigte N3-H-Tautomere ist am Stickstoff Nr. 3 protoniert, der weiter vom Aminosäuregerüst entfernt ist, das die Amino- und Carboxylgruppen trägt, während das N1-H-Tautomere am Stickstoff protoniert ist, der näher am Gerüst liegt. Diese neutralen Tautomere werden manchmal mit den Symbolen Hid und Hie bezeichnet, je nachdem, welcher Stickstoff protoniert ist (Nδ bzw. Nε). Der Imidazol-/Imidazoliumring von Histidin ist bei allen pH-Werten aromatisch. ⓘ
Die Säure-Base-Eigenschaften der Imidazol-Seitenkette sind für den katalytischen Mechanismus vieler Enzyme von Bedeutung. In katalytischen Triaden abstrahiert der basische Stickstoff von Histidin ein Proton von Serin, Threonin oder Cystein, um es als Nukleophil zu aktivieren. In einem Histidin-Protonen-Shuttle wird Histidin verwendet, um Protonen schnell zu transportieren. Es kann dies tun, indem es ein Proton mit seinem basischen Stickstoff abstrahiert, um ein positiv geladenes Zwischenprodukt zu bilden, und dann ein anderes Molekül, einen Puffer, verwendet, um das Proton von seinem sauren Stickstoff zu extrahieren. In Kohlensäureanhydrasen wird ein Histidin-Protonen-Shuttle eingesetzt, um Protonen schnell von einem zinkgebundenen Wassermolekül wegzuschleusen und die aktive Form des Enzyms schnell zu regenerieren. In den Helices E und F des Hämoglobins beeinflusst Histidin die Bindung von Dioxygen sowie von Kohlenmonoxid. Diese Wechselwirkung erhöht die Affinität von Fe(II) für O2, destabilisiert aber die Bindung von CO, das in Hämoglobin nur 200-mal stärker gebunden wird als in freiem Häm, nämlich 20.000-mal stärker. ⓘ
Der Tautomerismus und die Säure-Basen-Eigenschaften der Imidazol-Seitenkette wurden durch 15N-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Die beiden chemischen Verschiebungen von 15N sind ähnlich (etwa 200 ppm, bezogen auf Salpetersäure auf der Sigma-Skala, auf der eine größere Abschirmung einer größeren chemischen Verschiebung entspricht). Die NMR-Spektralmessungen zeigen, dass die chemische Verschiebung von N1-H geringfügig abnimmt, während die chemische Verschiebung von N3-H erheblich abnimmt (etwa 190 gegenüber 145 ppm). Diese Veränderung deutet darauf hin, dass das N1-H-Tautomer bevorzugt wird, möglicherweise aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen mit dem benachbarten Ammonium. Die Abschirmung an N3 ist aufgrund des paramagnetischen Effekts zweiter Ordnung, der eine durch die Symmetrie erlaubte Wechselwirkung zwischen dem einsamen Stickstoffpaar und den angeregten π*-Zuständen des aromatischen Rings beinhaltet, erheblich reduziert. Bei pH > 9 liegen die chemischen Verschiebungen von N1 und N3 bei etwa 185 und 170 ppm. ⓘ
Ligand
Histidin bildet mit vielen Metallionen Komplexe. Die Imidazol-Seitenkette des Histidin-Restes dient häufig als Ligand in Metalloproteinen. Ein Beispiel ist die axiale Base, die in Myoglobin und Hämoglobin an Fe gebunden ist. Polyhistidin-Tags (mit sechs oder mehr aufeinanderfolgenden H-Resten) werden zur Proteinreinigung verwendet, indem sie mit mikromolarer Affinität an Nickel- oder Kobaltsäulen gebunden werden. Natürliche Polyhistidin-Peptide, die im Gift der Viper Atheris squamigera vorkommen, binden nachweislich Zn(2+), Ni(2+) und Cu(2+) und beeinflussen die Funktion von Giftmetalloproteasen. ⓘ
Stoffwechsel
Biosynthese
L-Histidin ist eine essenzielle Aminosäure, die im Menschen nicht de novo synthetisiert wird. Der Mensch und andere Tiere müssen Histidin oder histidinhaltige Proteine aufnehmen. Die Biosynthese von Histidin wurde in Prokaryoten wie E. coli umfassend untersucht. Die Histidin-Synthese in E. coli umfasst acht Genprodukte (His1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8) und erfolgt in zehn Schritten. Dies ist möglich, weil ein einziges Genprodukt die Fähigkeit hat, mehr als eine Reaktion zu katalysieren. Zum Beispiel katalysiert His4, wie in dem Pfad gezeigt, 4 verschiedene Schritte in dem Pfad. ⓘ
Histidin wird aus Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP) synthetisiert, das aus Ribose-5-Phosphat durch Ribose-Phosphat-Diphosphokinase im Pentosephosphatweg hergestellt wird. Die erste Reaktion der Histidin-Biosynthese ist die Kondensation von PRPP und Adenosintriphosphat (ATP) durch das Enzym ATP-Phosphoribosyltransferase. Die ATP-Phosphoribosyltransferase ist in der Abbildung durch His1 gekennzeichnet. Das Genprodukt His4 hydrolysiert dann das Produkt der Kondensation, Phosphoribosyl-ATP, zu Phosphoribosyl-AMP (PRAMP), was ein irreversibler Schritt ist. His4 katalysiert dann die Bildung von Phosphoribosylformimino-AICAR-Phosphat, das anschließend durch das Genprodukt His6 in Phosphoribulosylformimino-AICAR-P umgewandelt wird. His7 spaltet Phosphoribulosylformimino-AICAR-P zu d-Erythro-Imidazol-Glycerinphosphat ab. Danach bildet His3 Imidazol-Acetol-Phosphat und setzt dabei Wasser frei. His5 bildet dann L-Histidinol-Phosphat, das anschließend von His2 zu Histidinol hydrolysiert wird. His4 katalysiert die Oxidation von L-Histidinol zur Bildung von L-Histidinal, einem Aminoaldehyd. Im letzten Schritt wird l-Histidinal in l-Histidin umgewandelt. ⓘ
Genau wie Tiere und Mikroorganismen benötigen Pflanzen Histidin für ihr Wachstum und ihre Entwicklung. Mikroorganismen und Pflanzen sind sich darin ähnlich, dass sie Histidin synthetisieren können. Beide synthetisieren Histidin aus dem biochemischen Zwischenprodukt Phosphoribosylpyrophosphat. Im Allgemeinen ist die Histidin-Biosynthese in Pflanzen und Mikroorganismen sehr ähnlich. ⓘ
Regulierung der Biosynthese
Dieser Stoffwechselweg benötigt Energie, um ablaufen zu können. Daher aktiviert das Vorhandensein von ATP das erste Enzym des Weges, die ATP-Phosphoribosyltransferase (in der Abbildung rechts als His1 dargestellt). Die ATP-Phosphoribosyltransferase ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym, das durch Rückkopplungshemmung reguliert wird, d. h. es wird in Gegenwart des Produkts Histidin gehemmt. ⓘ
Abbau
Histidin ist eine der Aminosäuren, die in Zwischenprodukte des Tricarbonsäurezyklus (TCA) umgewandelt werden können (auch bekannt als Zitronensäurezyklus). Histidin nimmt zusammen mit anderen Aminosäuren wie Prolin und Arginin an der Desaminierung teil, einem Prozess, bei dem seine Aminogruppe entfernt wird. In Prokaryonten wird Histidin zunächst durch Histidase in Urocanat umgewandelt. Anschließend wandelt die Urocanase Urocanat in 4-Imidazolon-5-propionat um. Imidazolonpropionase katalysiert die Reaktion zur Bildung von Formiminoglutamat (FIGLU) aus 4-Imidazolon-5-propionat. Die Formiminogruppe wird auf Tetrahydrofolat übertragen, und die verbleibenden fünf Kohlenstoffe bilden Glutamat. Insgesamt führen diese Reaktionen zur Bildung von Glutamat und Ammoniak. Glutamat kann dann durch Glutamatdehydrogenase deaminiert oder zu α-Ketoglutarat transaminiert werden. ⓘ
Umwandlung in andere biologisch aktive Amine
- Die Aminosäure Histidin ist eine Vorstufe von Histamin, einem im Körper produzierten Amin, das für Entzündungen notwendig ist.
- Das Enzym Histidin-Ammoniak-Lyase wandelt Histidin in Ammoniak und Urocaninsäure um. Ein Mangel an diesem Enzym liegt bei der seltenen Stoffwechselstörung Histidinämie vor und führt zu Urocaninsäureurie als Hauptdiagnosebefund.
- Histidin kann durch bestimmte Methyltransferase-Enzyme in 3-Methylhistidin umgewandelt werden, das als Biomarker für Skelettmuskelschäden dient.
- Histidin ist auch eine Vorstufe für die Biosynthese von Carnosin, einem in der Skelettmuskulatur vorkommenden Dipeptid.
- In Actinomycetota und filamentösen Pilzen, wie Neurospora crassa, kann Histidin in das Antioxidans Ergothionein umgewandelt werden. ⓘ
Anforderungen
Das Food and Nutrition Board (FNB) des U.S. Institute of Medicine hat im Jahr 2002 empfohlene Tagesdosen (Recommended Dietary Allowances - RDA) für essentielle Aminosäuren festgelegt. Für Histidin, für Erwachsene ab 19 Jahren, 14 mg/kg Körpergewicht/Tag. ⓘ
Isomere
Histidin besitzt ein Stereozentrum, somit existieren zwei chirale Enantiomere. Die L-Form [Synonym: (S)-Histidin] kommt in der Natur als Proteinbestandteil vor. ⓘ
In diesem Artikel betreffen die Angaben zur Physiologie allein L-Histidin. Wenn in diesem Text und in der wissenschaftlichen Literatur ohne jeden Zusatz Histidin erwähnt wird, ist stets L-Histidin gemeint. Racemisches DL-Histidin [Synonym: (RS)-Histidin] und enantiomerenreines D-Histidin [Synonym: (R)-Histidin] sind synthetisch zugänglich und besitzen nur geringe praktische Bedeutung. ⓘ
Die Racemisierung von L-Aminosäuren kann zur Aminosäuredatierung – einer Altersbestimmung für fossiles Knochenmaterial – herangezogen werden. ⓘ
| Isomere von Histidin ⓘ | ||
| Name | L-Histidin | D-Histidin |
| Andere Namen | (S)-Histidin | (R)-Histidin |
| Strukturformel | |
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| CAS-Nummer | 71-00-1 | 351-50-8 |
| 4998-57-6 (Racemat) | ||
| EG-Nummer | 200-745-3 | 206-513-8 |
| 225-660-9 (Racemat) | ||
| ECHA-Infocard | 100.000.678 | 100.005.922 |
| 100.023.328 (Racemat) | ||
| PubChem | 6274 | 71083 |
| 773 (Racemat) | ||
| DrugBank | DB00117 | − |
| − (Racemat) | ||
| FL-Nummer | 17.008 | - |
| Wikidata | Q485277 | Q27077043 |
| Q27103201 (Racemat) | ||
Eigenschaften
Der Imidazolring von Histidin unterliegt einer Tautomerie, genauer einer Imin-Enamin-Tautomerie. ⓘ
Diese Umlagerung ist reversibel und beide Tautomere stehen im Gleichgewicht. Hierbei kann das an eines der Stickstoffatome des Rings gebundene Wasserstoffatom zum anderen Stickstoffatom wechseln. Zugleich verschiebt sich die Doppelbindung zwischen beiden Stickstoffatomen im Ring. ⓘ
Ein isoelektrischer Punkt von 7,59 macht Histidin zu einer im physiologischen Milieu neutralen Aminosäure; ihr Van-der-Waals-Volumen beträgt 118, der Hydrophobizitätsgrad −3,2. Histidin bildet mit einer geeigneten Diazo-Komponente einen orangen Azofarbstoff und lässt sich auf diese Weise mit der Pauly-Reaktion qualitativ nachweisen. ⓘ
Vorkommen
L-Histidin kommt in jungem Pflanzengewebe (gr. ἱστός: Gewebe) vor, daher leitet sich auch der Name ab. L-Histidin erfüllt eine wichtige Aufgabe als Blutpuffer im Hämoglobin (siehe auch Funktionen). ⓘ
L-Histidin ist in proteinreichen Nahrungsmitteln enthalten. Die folgenden Beispiele geben einen Überblick über Histidingehalte und beziehen sich jeweils auf 100 g des Lebensmittels, zusätzlich ist der prozentuale Anteil von Histidin am Gesamtprotein angegeben:
| Lebensmittel | Protein | Histidin | Anteil ⓘ |
|---|---|---|---|
| Rindfleisch, roh | 21,26 g | 678 mg | 3,2 % |
| Hähnchenbrustfilet, roh | 21,23 g | 791 mg | 3,7 % |
| Lachs, roh | 20,42 g | 549 mg | 2,7 % |
| Hühnerei | 12,57 g | 309 mg | 2,4 % |
| Kuhmilch, 3,7 % Fett | 3,28 g | 89 mg | 2,7 % |
| Walnüsse | 15,23 g | 391 mg | 2,6 % |
| Weizenkeime, getrocknet | 23,15 g | 643 mg | 2,8 % |
| Weizen-Vollkornmehl | 13,70 g | 317 mg | 2,3 % |
| Mais-Vollkornmehl | 6,93 g | 211 mg | 3,0 % |
| Reis, ungeschält | 7,94 g | 202 mg | 2,5 % |
| Sojabohnen, getrocknet | 36,49 g | 1097 mg | 3,0 % |
| Erbsen, getrocknet | 24,55 g | 597 mg | 2,4 % |
Alle diese Nahrungsmittel enthalten praktisch ausschließlich chemisch gebundenes L-Histidin als Proteinbestandteil, jedoch kein freies L-Histidin. ⓘ
Es ist auch Bestandteil mancher Medikamente und Vitaminpräparate. ⓘ
Abbau
Für den Abbau inklusive Strukturformeln siehe Abschnitt Weblinks ⓘ
L-Histidin kann zum biogenen Amin Histamin decarboxyliert werden. ⓘ
Die Desaminierung (durch das Enzym Histidase) führt zu Urocaninsäure, der weitere Abbau nach Hydratation durch Urocanase zu Imidazol-4-on-5-propionsäure. Imidazolonpropionase katalysiert dessen Umsetzung zu Formiminoglutamat (FIGLU), aus dem unter Einwirkung des bifunktionalen Enzyms Formiminotransferase-Cyclodesaminase dann L-Glutamat entsteht, eine andere Aminosäure. ⓘ
Funktionen
Der isoelektrische Punkt von Histidin befindet sich im Neutralbereich. Daher ist es die einzige proteinogene Aminosäure, die unter physiologischen Bedingungen sowohl Protonendonator als auch Protonenakzeptor sein kann. Ein Beispiel hierfür ist seine Rolle in der „katalytischen Triade“ (Asp-His-Ser) von Serinproteasen. Im Proteinanteil des sauerstofftransportierenden Blutfarbstoffs Hämoglobin wie des sauerstoffspeichernden Muskelfarbstoffs Myoglobin sind das „distale“ und das „proximale“ Histidin der Peptidkette von besonderer Bedeutung für den Bindungsplatz des Eisens der prosthetischen Häm-Gruppe. Histidin tritt auch als Ligand von Metallionenkomplexen der Elektronentransportketten auf in den Mitochondrien (oxidative Phosphorylierung) und in den Chloroplasten (Photosynthese). ⓘ
In wässriger Lösung protolysiert Histidin entsprechend dem pH-Wert sowie seiner pKS-Werte (siehe Abbildung). ⓘ
Verwendung
Bestandteil von Infusionslösungen zur parenteralen Ernährung, peroral bei Gelenkrheumatismus und gegen renale Anämie. ⓘ
Im Chemieunterricht kann Histidin als Ersatzstoff für giftige Amine gemäß RiSU zur Herstellung von Azofarbstoffen verwendet werden. ⓘ