Biochemie Zusammenfassung PDF

Preview

Summary

BIOCHEMIEEINFÜHRUNGBiochemie = Lehre von den molekularen Grundlagen des Lebens Grundannahme: Leben beruht auf chemischen Reaktionen Ziel: Aufklärung der chemischen Substanzen und ihrer Umwandlungen im OrganismusBiomoleküle (biologische Makromoleküle): Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, NukleinsäurenEn...

Description

BIOCHEMIE EINFÜHRUNG Biochemie = Lehre von den molekularen Grundlagen des Lebens Grundannahme: Leben beruht auf chemischen Reaktionen Ziel: Aufklärung der chemischen Substanzen und ihrer Umwandlungen im Organismus Biomoleküle (biologische Makromoleküle): Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Energie Energie wird der Umwelt entzogen und genutzt • Energie aus Sonnenlicht → Produzenten (bauen energiereiche Verbindungen auf) • Energiereiche Verbindungen als Nährstoffe → Konsumenten (wandeln nur um/ab) • Rückführung in chemische Bestandteile → Destruenten (wandeln um/ab) • Energieumwandlung u.a. durch Elektronenfluss von Redoxreaktionen • Verrichtung mechanischer, chemischer, osmotischer etc. Arbeit

Reaktionstypen 1. Reduktions-Oxidations-Reaktionen (Hydrierungen – Dehydrierungen) 2. Gruppenübertragungs(Transfer-)-Reaktionen 3. Hydrolysen-Kondensationen 4. Spaltung und Knüpfung von C-C-Bindungen 5. Intramolekulare Umlagerung 6. Verrichtung von Arbeit, z.B. Bewegung 7. Erzeugung von Wärme oder Licht Merkmale biochemischer Reaktionen Metabolismus: Gesamtheit des Zellstoffwechsels Metabolite: Zwischenprodukte (Intermediate) des Zellstoffwechsels Biochemische Reaktionen sind über Energiekopplung miteinander verknüpft. Energiebenötigende endergone Reaktionen sind mit energieliefernden exergonen Reaktionen gekoppelt.

Katabolismus: Reaktionen, bei denen Substanzen zur Energiefreisetzung abgebaut werden. Anabolismus: Reaktionen, die unter Energieverbrauch dem Aufbau von Makromolekülen dienen Die biochemischen Reaktionen des Stoffwechsels unterliegen strenger Regulation. Biochemische Reaktionen werden durch spezifische Katalysatoren beschleunigt und damit unter physiologischen Bedingungen möglich gemacht. Diese Katalysatoren sind die Enzyme. Die in der Zelle ablaufenden Reaktionen folgen bestimmten Abfolgen (Stoffwechselwegen), die durch Enzyme bestimmt werden. Komplexität der Organisation •Kontrollierte chemische Umwandlung von Substraten Stoffwechsel: •Baustoffwechsel und Energiestoffwechsel •zyklische Umsetzungen •modularer Aufbau •Makromoleküle mit spezifischer Affinität für andere Moleküle Vorhandensein von "Bauplänen" zur Erzeugung zellulärer Strukturen Fähigkeit zur Selbstreplikation •Speicherung der genetischen Information in der DNA •Zufällige Mutationen ermöglichen die Evolution neuer Eigenschaften Hierarchischer Aufbau

WASSER •Primäres Lösungsmittel für die Stoffe in der Zelle. •Wasser ist als Reaktionspartner an vielen biochemischen Reaktionen beteiligt. •Wasser ist wichtig für die Proteinstruktur, weil es Hüllen um Proteine bildet. •Das Zytoplasma repräsentiert ein wässriges Milieu. •In der Photosynthese wird Wasser gespalten zu Sauerstoff und Wasserstoff. •In der Zellatmung werden Sauerstoff und Wasserstoff wieder zusammengefügt. •Wenn Wasser gefriert, steht es nicht mehr für chemische Reaktionen zur Verfügung. •Eis zerstört Biomembranen und die wichtige Kompartimentierung vieler biochemischer Reaktionen. •Wasser ist ein Dipol •Daher hohe Schmelz- und Siedetemperatur. •Daher Lösungsmittel für polare Substanzen: •Polare (hydrophile) Verbindungen bilden H-Brücken und sind gut löslich (z.B. Na+, Cl-, Zucker, Alkohole, Aldehyde, Ketone) •Unpolare (hydrophobe) Verbindungen sind nicht oder sehr schlecht löslich und gehen bevorzugt hydrophobe Wechselwirkungen miteinander ein.

•Amphiphile (amphipathische) Verbindungen besitzen hydrophile und hydrophobe Eigenschaften und dispergieren in Wasser als Filme, Micellen oder Vesikel.

Der Dissoziationsgrad wässriger Lösungen wird durch den pH-Wert angegeben. Bsp: Magensaft (1,2 - 2,5); Harn (4,5 - 8,0); Milch (6,6); Blutplasma (7,4); Pancreassaft (7,8 – 8,0)

Wichtige chemische Bindungen

Funktionelle Gruppen in der Biochemie Aromatische Vbg. (wie Benzol) sind durch die `Delokalisierungen` ihrer Elektronen besonders stabil. Aromatische Verbindungen müssen nicht zyklisch sein.

üle können einander durch die g von WSB beeinflussen. Dabei n entgegengesetzte Partialladungen kt. Gruppen eine Rolle. Bei größeren ülen ist dies auch `intramolekular` ch

Nicht-kovalente Wechselwirkungen

Elemente der Lebewesen Lebewesen enthalten 23 chemische Elemente Kohlenstoff (C) ( > 50% des Trockengewichts der Zelle ) Wasserstoff (H) Sauerstoff (O) Stickstoff (N) Natrium (Na) Kalium (K) Calcium (Ca) Magnesium (Mg) Phosphor (P) Schwefel (S) Chlor (Cl)

Makroelemente

Die Makroelemente werden in "größeren Mengen" benötigt. Der Mensch braucht z.B. 300 mg (Mg) bis mehrere Gramm pro Tag (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff), die er mit der Nahrung aufnimmt. Vanadium (V) Chrom (Cr) Mangan (Mn) Eisen (Fe) Cobalt (Co) Nickel (Ni) Spurenelemente Kupfer (Cu) Zink (Zn) Selen (Se) Molybdän (Mo) Iod (I) Silizium (Si)

Mikroelemente/Spurenelemente

Spuren- (Mikro-)elemente werden in geringen Mengen benötigt. Der Mensch braucht nur wenige Milligramm (Fe, Cu, Zn) pro Tag oder sogar weniger.

Kohlenstoff - kann Einfach-, Doppel- o. Dreifachbindungen eingehen Konformation: Räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül Verschiedenen Konformere entstehen durch die freie Drehbarkeit der Bindung und können ohne Bindungsspaltung ineinander überführt werden.

Konfiguration: Räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül bei nicht frei drehbaren Bindungen und asymmetrischen C-Atomen Konfigurationsisomere (Stereoisomere) können nur durch Spaltung und Neuknüpfung von kovalenten Bindungen ineinander überführt werden. Cis-trans-Isomerie (geometrische Isomerie): Die Anordnung der Substituenten an einer nicht drehbaren Bindung unterscheidet sich, z.B. an einer Doppelbindung. Bsp.: Fumarsäure (trans) – Maleinsäure (cis)

Chiralität: 1 chirales Zentrum = 2 Isomere n chirale Zentren = 2n Isomere lat. links & rechts

L: laevus (Fischer-Projektion) D: dexter

BIOMOLEKÜLE Einteilung von Biomolekülen nach ihrer Funktion

nach ihrer chemischen Struktur

Enzyme, Metabolite, Vitamine, Hormone (first messenger), Sekundäre Botenstoffe (second messenger), Antibiotika, Neurotransmitter

Aminosäuren, Peptide, Proteine Kohlenhydrate Nukleotide, Nukleinsäuren Lipide

Funktionale Kategorien Enzyme: Katalysatoren biochemischer Reaktionen Metabolite: am Stoffwechsel beteiligte (niedermolekulare) Verbindungen Vitamine: Organische Moleküle, die für biologische Prozesse höherer Organismen essentiell sind und von ihnen nicht synthetisiert werden können. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Hormone: Signalstoffe, die in geringen Mengen in bestimmten Organen oder Geweben synthetisiert und (meist über das Blut) zu anderen Geweben transportiert werden, wo sie die Funktion ihrer Zielzellen regulieren. Sekundäre Botenstoffe (second messengers): Metabolite (Mediatoren), die als Antwort auf ein extrazelluläres Signal (z. B. ein Hormon) in der Zelle gebildet werden und dort eine entsprechende Reaktion auslösen. Antibiotika: Substanzen, die von Mikroorganismen produziert werden, die auf andere Mikroorganismen zerstörend oder wachstumsinhibierend wirken. Neurotransmitter: Substanzen, die von Nervenzellen freigesetzt werden und auf Nachbarzellen wirken

Bestandteile einer (E.coli) Zelle

Kohlenhydrate - auch Saccharide (C : H : O = 1 : 2 : 1) - Polyhydroxyaldehyde/ Polyhydroxyketone = chemisch korrektere Bezeichnungen Einteilung Kohlenhydrate nach Anzahl der Saccharideinheiten: Monosaccharide Disaccharide Oligosaccharide (kurze Ketten von Monosaccharideinheiten, meist in Glykokonjugaten mit ______________________Proteinen oder Lipiden) Polysaccharide (100 bis mehrere 1000 Monosaccharideinheiten, z.B. Stärke oder ________Cellulose Einteilung der Monosaccharide - nach ihren funktionellen Gruppen Aldosen Ketosen - nach Zahl der C-Atome Triosen (C3H6O3) [L-Glyzerinaldehyd; D-Glyzerinaldehyd; Dihydroxyaceton] Tetrosen (C4H8O4) Pentrosen (C5H10O5) Hexosen (C6H12O6)

Pentosen

Hexosen

- Zucker sind chiral und kommen daher in zwei spiegelbildlichen Formen vor (L-Form und D-_Form). In der Biologie kommen nur D-Zucker vor (mit ganz wenigen Ausnahmen). Empire Zucker: Monosaccharide, die eine entgegengesetzte Konfiguration der OH-Gruppe an jeweils nur einem C-Atom haben, z.B. D-Glucose und D-Mannose; D-Glucose und D-Galaktose - Zucker bilden intramolekulare Halbacetate oder Halbketale - Zucker werden v.a. als lineare Moleküle dargestellt, v.a. bilden sie aber ____ molekulare Ringstrukturen - Ringbildung von Aldosen & Ketosen beruht auf folgenden Reaktionen - Anomere Formen der Glucose: intramolekulare Ringbildung kann _in beiden Richtungen erfolgen = Ausbildung von α- und β-Ringen α- und β-Form = anomere Formen

Lineare Form & anomere Ringmoleküle = Erscheinungsformen desselben Moleküls _(unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten der Ausprägungen)

Überführung von α-D-Flucose und β-D-Glucose = Mutarotation - intramolekulare Ringbildung kann mit verschiedenen Hydoxylgrupen erfolgen → es entstehen Ringschlüsse in Form von 6-Ringen (Pyranosen) oder 5-Ringen (Furanosen) → Pyranoseform (bevorzugt gebildet aus Aldohexosen wie Glucose) → Furanoseform (bevorzugt gebildet aus Ketohexosen wie Fructose) Zuckersäuren Zucker können oxidiert oder reduziert werden oder andere Modifikationen erfahren Zuckersäuren in denen die Aldehydfunktion zur Carbonsäure oxidiert ist = Kariesbildung Aldonsäuren: Oxidation am C1 Uronsäuren: Oxidation am C6 Oligomere Zucker Zuckermonomere können sich verbinden. Monosaccharide = Bausteine für Aufbau komplexerer Verbindungen (z.B. Disaccharide) Verknüpfung = glykosidische Bindungen: Saccharose α-1,2-glykosidisch verbundene Glukose & Fruktose Zellbiose β-1,4-glykosidisch verbundene Glukose & Fruktose Polymere Zucker Speicherpolymere: Glykogen, Stärke (ähneln einander chemisch) - Stärke ähnlich aufgebaut wie Glykogen, hat aber anderen Verzweigungsgrad _________(höherer Verzweigungsgrad des Glykogens, geringerer Abstand der α-1,6_________glykosidischen Bindungen beim Glykogen) - Glykogen & Stärke binden wegen ihrer polaren Bausteine große Mengen Wasser Wichtige Biologische Funktonen: Zellulose, Chitin, usw. - Zellulose: - bestehend aus unverzweigten, linearen Glucoseketten (können wegen ____________________ihrer vielen OH-Gruppen viele WSB bilden) - Hauptpolymer pflanzlicher Zellwände - Stabilität beruht auf makromolekularen Aufbau zu Fibrillen höherer ____________________Ordnung - Chitin: - ähnelt Zellulose strukturell - Monomere am C2-Atom Acetylaminomodifiziert = es ergeben sich stärkere _________________intramolekulare Wechselwirkungen der Fasern - Bakterienzellwände sind Netzwerk aus modifizierten Kohlenhydratbausteinen __________(quervernetzt) Glykolisierung: Glykolipide - Lipide oder Proteine können Zuckergruppen angehängt bekommen = Glykolisierung - es können einzelne oder mehrere oder komplexe, oligomere Zuckerstrukturen angehängt _werden N-Glykolisierung: Amino-Stickstoff von Asn O-Glykolisierung: Hydroxl-Sauerstoff von Ser oder Thr - Glykolisierungen von Membranproteinen der Plasmamembran weisen nach außen: stellen _Erkennungsmerkmale der Zelloberfläche dar (u.a. wichtig für Immunerkennung von Bakterien _oder für fremd/selbst-Erkennung im Organismus) Lipide - heterogene Stoffgruppe

- chemisch heterogene Gruppe von Substanzen, die in Wasser nicht (oder wenig) löslich _______sind und sich in ihrer Biosynthese vom Acetyl-CoA ableiten - Hydrophobizität von Lipiden: bedingt durch das Vorhandensein langkettiger aliphatischer C-Ketten - Funktion der Lipide: - Lichtabsorbierende Pigmente (Abkömmlinge des Vitamin A) - Schutzfilme (Wachse) - Energiespeicher (Triglyceride) - Membranbestandteile (Glycerophospholipide, Sphingolipide, Steroide) - Intrazelluläre Botenstoffe (Diacylglycerol, Inositolphosphate) - Hormone (Steroide, Prostaglandine) - Vitamine (A, D, E und K) - Elektronentransportkomponenten (Ubichinon) - Strukturelle Lipidklassen: Isoprenoide: Pigmente, Sterole Ester: Wachse (Fettsäuren + Alkohole), Sterolester (Fettsäuren + Sterole), Fette/Öle (Fettsäuren + ___Gycerin) Phospholipide: Glycerophospholipide, Phosphosphingolipide Glykolipide: Pflanzliche Galaktolipide, Glykosphingolipide Fettsäureamide: Sphingolipide Pigmente Blattpigmente: Xenthin, Lutein, Chlorophyll B, Chlorophyll A, Phaenophytin Carotinoide: Funktion beim aufbau der Lichtsammelkomplexe (LHCs) und bei der Photoprotektion Lycopen (roter Tomatenfarbstoff):- regelmäßiges Isoprenoid, aromatische Elektronensysteme - durch Modifikation (Einführung der Ringe und OH-oder _____________________________Epoxigruppen) entstehen weitere orange/gelb gefärbte _____________________________Pigmente (β-Carotin, Zeaxanthin) Chlorophylle Retinol (Vitamin A): - gebildet aus β-Carotin - Vorläufer von Retinal, dem Sehpigment der Augen ________________- Derivate auch als Hormone wirksam (z.B. in Hautpflegemitteln) ________________- findet sich in Fischleber, Eiern, Vollmilch und Butter α-Tocopherol (Vitamin E): - kommt in Eiern und pflanzlichen Ölen vor - wird in Zellmembran eingebaut ---- _________________ - wirkt als Antioxidans, z. B. für ungesättigte Fettsäuren in Speiseölen _____________________- gelbliche Farbe mancher Öle Phyllochinon (Vitamin K): - wird von Pflanzen und Bakterien gebildet - vor allem in Kohlsorten enthalten ___________________ - ist für die Blutgerinnung essentiell Vitamine essenziell (können vom Mensch nicht selbst erzeugt werden und müssen mit der Nahrung zugeführt werden) Sterole - charakteristisches ABCD Ringsystem (entsteht durch Zyklisierung des _zunächst linearen Vorläufers Squalen durch geeignete Enzyme) Wachse – chemisch einfach gebaute stark hydrophobe Moleküle – Barrieren gegen in Wasser gelöste Stoffe oder im Wasser vorhandene Bakterien Fettsäuren - Lipide erhalten hydrophoben Eigenschaften durch das Vorhandensein von Fettsäuren (viele _biologische Membranlipide oder Öle und Fette) - Fettsäuren beinhalten lange Kohlenstoffketten und eine Carboxylfunktion (z.B. Stearin _Strukturell ähneln sie Komponenten fossiler Öle, die aber keine funktionalen Gruppen - Kettenlänge und Grad der "Unsättigung" beschreiben die Struktur von Fettsäuren. - Einführung von Doppelbindungen ("Unsättigung"): Verlust der freien Drehbarkeit um di C=C-Bindung.

→ Konsequenzen für die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen ________den Molekülen hoher Schmelzpunkt = starke intermolekulare Kräfte Struktur & Nomenklatur - Fettsäuren werden durch Kettenlänge:Zahl der Doppelbindungen benannt _(z.B. 18:0 für Stearinsäure) _ _Doppelbindungen vorhanden: deren Position muss beschrieben werden Die meisten biologisch relevanten Fettsäuren enthalten Doppelbindungen _nur in cis-Konfiguration Beschreibung der Position von Doppelbindungen: Delta-Nomenklatur (blau), Omega-Nomenklatur _(rot)

- Omega-3; Omega-&: Sehr langkettige und mehrfach ungesättigte Fettsäuren - cis-/trans-Isomere von Fettsäuren: positiven Aspekte ungesättigter Fettsäuren kommen nur _bei cis konfigurierten Fettsäuren zum Tragen Glycerolipide - Fettsäuren kommen nicht frei vor, sondern sind in Lipiden gebunden - Gebundene Fettsäuren: als "Acyl-Gruppen" oder "Acylreste" bezeichnet - ("Acylierung": Übertragung eines Fettsäurerestes auf ein anderes Molekül) - Glykolipide: Hauptklasse Fettsäure-haltiger Lipide, in denen die Fettsäuren ("R") mit den OH-_Gruppen von Glycerin verestert sind - Triacylglycerin (TAG): Fette, die sich in der Natur der veresterten Fettsäuren unterscheiden, _z.B. Butter (fest) oder Pflanzenöl (flüssig) - durch schrittweise Acylierung von Glycerin entsteht zunächst Monoacylglycerin (MAG), dann -_Diacylglycerin (DAG) und schließlich Triacylglycerin (TAG) - neben Fetten/Ölen gibt es viele Glycerolipide, in denen statt einer dritten Fettsäure polare _Strukturen verestert sind (z.B. Phosphocholin) → amphiphile Eigenschaften mit einem _hydrophilen "Kopf" und hydrophoben Fettsäure"schwanz" - amphiphile Lipide: bilden in wässriger Umgebung Filme & Membranen = membranbildende _Lipide - Glycerophospholipide: Phosphathaltige Kopfgruppen - Glyceroglykolipide: ohne Phosphat in Kopfgruppe - Sphingolipide: amphiphile Lipide basieren nicht auf Glycerin-Grundgerüst, sondern auf _Sphingosin; Fettsäure ist nicht verestert, sondern über Amid-Bindung gebunden Diffusion membranbildender Lipide im Bilayer - In wässriger Lösung können sich amphiphile Lipide zu Membranen zusammenlagern - Membranen = dynamische Strukturen, in denen eine begrenzte Diffusion innerhalb der _Membranfläche erfolgen kann - Grad dieser Diffusion: "Fluidität" der Membran - Membran wird v.a. durch hydrophobe Wechselwirkungen der Fettsäuren zusammengehalten - Wechselwirkungen hängen u.a. von Kettenlänge und Unsättigungsgrad der Membranlipide ab → wird Temperatur erhöht, kann es zum Verlust der Integrität der Membran kommen - Lipide diffundieren innerhalb einer Membran v.a. lateral innerhalb ihrer jeweiligen "Leaflets" - Übertritt von Lipiden von einem Leaflet zum andern wird als "FlipFlop" bezeichnet und ist energetisch besonders ungünstig. FlipFlops erfolgen nur unter besonderen Bedingungen.

Anordnung amphipathischer Lipide in wässriger Umgebung - Membranen können flach/planar oder auch gekrümmt sein - Verschiedene Lipide können Membrankrümmung beeinflussen Lipide und Membrankrümmung - zylindrische Lipide bilden v.a. planare Membranen – konische oder invers-konische Lipide können in _verschiedener Weise Membrabkrümmungen hervorrufen Lipidverteilung in Membranen - Lipide in Membranen nicht gleichmäßig verteilt; können „Phasen“ bilden Fluid-Mosaik-Modell biologischer Membranen

Nukleotide und Nukleinsäuren - wichtige Makromoleküle - Desoxyribonukleinsäure (DNA) - Ribonukleinsäure (RNA) – folgen klarem und regelmäßigem Bauplan - Grundstruktur: Pyrimidine & Purine

- jede Nukleinsäure kann 4 versch. Stickstoffbasen enthalten (DNA: CAGT; RNA CAGU) - T & U unterscheiden sich durch eine Methylgruppe in T, die in U fehlt - Nukleinsäuren enthalten als Zuckerbestandteile Ribose (in RNA) bzw. Desoxyribose (in DNA) - „Desoxy“ weil am C2-Atom keine OH-Gruppe, sondern nur weiterer Wasserstoff sitzt - Zucker & Stickstoffbasen sind verbunden = Nukleoside - Ribonukleoside: Guanosin, Adenosin, Cytidin, Uridin - Desoxyribonukleoside: Desoxyguanosin, Desoxyadenosin, Desoxycytidin, Thymidin

- Anhängen von Phosphatgruppen am C5 des Zuckerbestandteils von Nukleosiden ergibt Nukleotide

- Nukleotide können bis zu drei Phosphatgruppen angehängt bekommen, so dass Nukleosidmonophosphate, _Nukleosidbisphosphate und Nukleosidtrisphophate entstehen - Die Bindungen zwischen β-(grün) und γ-(rot) Phosphaten, sowie zwischen den und α-(blau) und β(grün) Phosphaten sind _Phosphoanhydridbindungen (keine Ester) und sehr energiereich - Nukleotide gelten daher als "aktivierte" Moleküle und haben weitreichende biologische Bedeutung

Polynukleotidkette: DNA – o. RNA Einzelstrang - Nukleotide: Bausteine für Nukleinsäuren, in denen sie kettenartig verknüpft sind - beim Aufbau der Polymere werden β- und γ-Phosphate entfernt →es entsteht das regelmäßige Gerüst -_aus Nukleosidmono-phosphaten ("Zucker-Phosphat-Rückgrat"). - Durch die Anordnung der Nukleotide in der Kette ergibt sich eine "Richtung" des Moleküls = Enden _werden nach den jeweils freiliegenden C5 oder C3-Atomen der Zucker als 5' oder 3' Enden _bezeichnet DNA-Doppelstrang - Stickstoffbasen gehen spezifische Paarungen ein - zwei „komplementäre“ Einzelstränge lagern sich zu einem Doppelstrang zusammen - Doppelstränge werden durch Wasserstoffbrücken zwischen passenden Stickstoffbasen zweier _Einzelstränge zusammengehalten - nur Einzelstränge, die von der Abfolge her "passen", können Doppelstrang bilden - ein Strang ist antiparallel zum anderen - Zusammenlagern zu Doppelsträngen in DNA beruht auf der spezifischen "Paarung" zwischen den -_Stickstoffbasen T und A bzw. zwischen C und G → einzig mögliche "Paarungen" - Stabilisierung erfolgt durch 2 WSB bei T und A, durch 3 WSB zwischen G und C Basenzusammensetzung: A = T; G = C A+ G= T+ C - sterische Verhältnisse der Doppelstränge bedingen helikale Gesamtstruktur des Moleküls - in Helix: große & kleine Gruben (grooves) – Helix der DNA kann verdrillt sein → Superhelices - biol. Fkt. Nukle...