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Biochemie 1. Prinzipien der Biochemie     

1. Was macht Biochemie interessant? Wissen um die chemische Basis zentraler Lebensprozesse Gemeinsame Grundlagen aller Organismen Einfluss auf die Medizin: Krankeitsmechanismen, Diagnostik, Medikamente Epidemiologie: Mangel, Gifte, Viren, French Paradoxon -Entwicklungsbiologie Junge Wissenschaft - viele noch unerforschte Gebiete

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2. Prinzipelle Egienschaften von Leben Hoher Grad der strukturellen Organisation (DNA repetitiv aufgebaut) Metabolismus, Input freier Energie Selbstepliaktion Evolution (Mutation und Selektion)

3. Fluss der Energie in Zellen: Energieressourcen  Verwendung Hitze  *Sonnenlicht *Synthese *Verbrennen von *genetischer Infotransfer Nahrung *Lichtproduktion *Mechanische Arbeit

durch Metabolismus Polymerisation Vereinfachung von zu DNA,RNA, Molekülstrukturen und Proteine

Energiequelle für Leben auf der Erde: Kernfusion in der Sonne  es entsteht Strahlung h ... Plank’sches Wirkungsquantum hv ... Strahlung Unsere Sonne ist eine Sonne 2. Generation.  

Phototrophe Organismen erzeugen durch Strahlung Kohlenhydrate und O2 Chemotrophe Organismen verbrennen die Produkte von phototrophen Organismen

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Wie wird in unseren Körper Energie gespeichert? ATP = Adenintriphosphat = Energiespeicherung im Körper ADP = Adenindiphosphat = nutzbare Energie Der ATP-ADP-Zyklus: er ist der fundamentale Mechanismus des Energieaustauschs in biologischen Systemen. Rot: Bewegung, aktiver Transport, Biosynthese, Signalverstärkung Blau: Verbrennung von Brennstoffen, Fotosynthese 4. Von der DNA zum Protein

Replikation: müssen DNA verdoppeln können Transkription: Abschrift wird erzeugt Translation: Abschrift muss in Protein übersetzt werden Semikonservative Replikation = Vervielfältigung des DNA-Strangs, indem man den komplementären Einzelstrang ergänzt Watson-Crick-Basenpaare: DNA-Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) RNA-Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U) Uracil unterscheidet sich von Thymin nur durch das Fehlen einer Methylgruppe. Grundgerüst von Adenin und Guanin ist das Purin. Grundgerüst von Cytosin, Thymin und Uracil ist das Pyrimidin. Adenin und Thymin besitzen 2 Wasserstoffbrücken. Guanin und Cytosin besitzen 3 Wasserstoffbrücken.

Adenin

Guanin

Cytosin

Thymin

Uracil

5. Wie wird die Information der DNA in Aktion umgesetzt? Prokaryoten: kein Zellkern, zirkuläre DNA, RNA-Polymerase macht Abschrift und 2

Proteinsynthese setzt sofort ein; Transkription und Translation im Zellplasma Eukaryoten: DNA im Zellkern, sie wird zunächst transkribiert (Primäres Transkript), welche prozessiert wird = mRNA. Somit können aus einem Gen mehrerer Proteine gebildet werden. Die prozessierte RNA wird außerhalb des Kerns transportiert. Die Ribosome beginnen mit der regulierten Synthese von Proteinen. Viren: besitzen RNA, die im Wirt zu DNA umgebaut wird  reverse Transkriptase ist bereits im Virus vorhanden Membran des Virus enthält Protein, damit Virus an Zelle andocken kann 6. Mengenelemente und Spurenelemente Mengenelemente sind Mineralstoffe, die meistens als Ionen (Salze) vorliegen. Wichtige Mengenelemente: H, C, N, O, S, Cl, P, Na, K, Ca, Cl = Bulk Elements Spurenelemente haben viele Oxidationsstufen, die von Enzymen genutzt werden um Komplexe zu bilden Wichtige Spurenelemente: Mg, Fe, Ni, Cu, Cr, Se, I = Trace Elements 7. Elektronenkonfiguration 1. Sp Hybridisierung: frei drehbare Bindungen (Bsp. Methan) 2. Sp2 Hybridisierung: keine Drehbarkeit, da C-C Doppelbindung in einer Ebene liegen 3. Delta Bindung: freie Drehbarkeit 4. Doppelbindung: keine freie Drehbarkeit 5. Chiral: gleiche Arbeitsweise, Bild und Spiegelbild, nicht gleiche Konstitution = vier verschiedene Substituenten Sind zwei versch. Moleküle, aber chemisch sehr ähnlich 6. Achiral: durch Drehen schauen sie gleich aus. 3 verschiedene Substituenten. 3

8. Stoffe im Körper:  Phosphat ist Nucleinsäure und Lipide Nucleinsäure = einige Zuckermoleküle Lipide= müssen apolar  Glukose (meist ringförmig)  Wasser: (sp3-hybridisiert) - 2 Hybridorbitale  reie Elektronen - große Raumausbreitung  Winkel = 104,5° - Dipol - Wasserstoffbrückenbindung ist wesentlich länger als die kovalente Bindung  hoher Siedepunkt (100°C) - hohe Viskosität: bewirkt unterschiedliche Löslichkeit in Substanzen Wasser + polare Verbindung = Löslichkeit (Glucose, Glycine, Glycerol gut löslich -> wegen OH

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Gruppe)

Wasser + unpolare Verbindung=keine Löslichkeit (Wachs – Fett mit langkettigen Alkohol)

Wasser + Amphipatic = geringe Löslichkeit (Phenylalanine, Phosphatidylcholine)

1. Wasserstoff-Brücken-Bindung: - Zwischen 2 neutralen Gruppen - Zwischen 2 Peptiden Gerichtete Bindung, schwächer mit Winkel 2. Ionische Bindung: - Anziehung - Abstoßung Außerhalb des Wassers sehr starke WW 3. Hydrophobe Wechselwirkung: Niedrige Entropie = Hohe Energie 4. Van der Waals Wechselwirkung: Schwache Wechselwirkung von zwei Atomen, die nahe beieinander sind 2 Atome werden nah zusammengebracht (keiner Abstand)  auf einmal Verbindung viel stärker 9. Säure-Basen-Reaktion Henderson-Hasselbalch-Gleichung: Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen dem pHWert und der Lage des Gleichgewichts einer Säure- Base-Reaktion zwischen einer mittelstarken Säure und ihrer korrespondierenden mittelstarken Base in verdünnten (≤ 1 mol/l), wässrigen Lösungen.

NH4= Säure, Protonenspender/donator NH3= Base, Protonenakzeptor 4

2. Aminosäuren, Peptide und Proteine 1. Grundgerüst der Aminosäuren (=AS) Das Grundgerüst der Aminosäuren besteht aus einer Carboxylund einer Amino-Gruppe, einem Wasserstoffatom und einem Rest, der für jede Aminosäure charakteristisch ist. Alle diese Atome gruppieren sich um ein zentrales Kohlenstoffatom (das α-C-Atom) Das α-C-Atom einer Aminosäure besitzt vier verschiedene Substituenten. Man bezeichnet solche C- Atome als asymmetrisch, das ganze Molekül ist dann chiral. Dies bedeutet, dass es von Aminosäuren je zwei Strukturen gibt, die wie Bild und Spiegelbild sind und die sich nicht ineinander überführen lassen. Bis auf die einfachste Aminosäure Glycin (die als Rest nur ein H hat), haben alle mindestens ein asymmetrisches C-Atom. Damit gibt es von jeder Aminosäure zwei Varianten, die D-Form, bei der die Aminogruppe rechts (dexter) steht und die L-Form, bei der sie links (laevus) steht. Von Glycin gibt es weder D- noch L-Form, denn Glycin ist die einzige achirale Aminosäure. Hoher Protonendruck(pH=0) bei 0 pH Wert wird erhöht  blau wird mehr, rot weniger, in einem Punkt sind sie 1:1, genau beim Pk- Wert der Carboxygruppe grün = deprotonierte Spezies in blauen Zustand, haben wir positiv und negative Ionen = Zwitterionische Form Alle H+ im Molekül Zwitterionen Keine H+ im Molekül 2. Ionisierungsgrad in Abhängigkeitvom pH-Wert und R-S-System Der Ionisierungsgrad einer Aminosäure variiert durch eine Änderung des pH-Wertes. In der Nähe des physiologischen pH-Wertes dominiert die Zwitterionenform. Aminosäuren liegen in Lösung bei neutralem pH-Wert vorwiegend als dipolare Ionen (oder Zwitterionen) vor. Im dipolaren Zustand ist die Aminogruppe protoniert (-NH3+) und die Carboxylgruppe dissoziert (–COO--). Fischer Projektion: L und D unterscheiden sich bei manchen Molekülen unter linear-polarisiertem Licht in der Drehung (z.B. bei Glycerinaldehyd) R-S- System: C senkrecht in einer Reihe  Linksdrehend: funktionelle Gruppe auf der linken Seite (nach Priorität geordnet) Geringste Prioriät schaut dabei nach hinten. Nach Links drehen L, nach Rechts drehen D. Glycerinaldehyd  Zucker, dreht das Licht bei Durchdringung D Alanine: dreht das Licht nach Rechts, funktionelle Gruppe steht rechts; In Uhrzeigersinn(R), gegen Uhrzeigersinn (S) Prioritätsreihe: -OCH2 > -OH >-NH2 > -COOH > -CHO > -CH2OH > -CH3 > -H 3. Einteilung der Aminosäuren 5

Für die 20 Standardaminosäuren ergeben sich drei große Gruppen (Seitenketten betrachtet): a. Unpolare Aminosäuren: Seitengruppen sind lipophil, können sich in einem Protein zusammenlagern  innerhalb des Proteins wasserfreier Raum geschaffen  dort laufen Reaktionen ab Unpolare, aliphatische Seitenketten Glycin: es gibt kein Spiegelbild, die kleinste AMS, sehr wichtige AMS Alanin: H durch Methylgruppe ersetzt Valin*: 2H sind durch 2CH3 ersetzt, kommt in Innenteil der Proteine vor Leucin*: Isomer, leitet sich von Valin ab, Methylgruppe hat sich verschoben Methionin*: hat Heteroatom Schwefel, trotz Schwefel ist es apolar Isoleucin*: Leucin mit einer verschobenen CH3-Gruppe

Unpolare, aromatische Seitenketten: Phenylalanin*: von Alanine abgeleitet, apolar Tyrosin: Parastellung, Phenylalanin+ -OH-Gruppe Tryptophan*: H von Alanine, aufwendige Synthese, größte AS

b. Polare, aber ungeladene Aminosäuren 6

polare Seitenkette (OH- oder Amid-Gruppe) unter physiologischen Bedingungen praktisch nicht ionisierbar (=ungeladen, also neutral) Serin: Hydroxygruppe, sehr wichtig in Proteine (Katalyse) Threonin*: Methylgruppe mehr C-Atome mit 4. Substituent -> hyrachische Zentren Cystein: SH-Gruppe  oxidationsanfällig (2 Cysteine durch zwei Sulfid zu Cystein vereint) Prolin: Seitenketten binden am Stickstoff zurück-> Iminosäure; Proline: Stickstoff kovalent an 5 Ring gebunden, eingeschränkte Beweglichkeit, bildet Knick, strukturell wichtig Asparagin: polar, keine Säure-Base Eigenschaften, H2N-Gruppe Glutamin: polar, keine Säure-Base Eigenschaften, Homologe Verbindung zu Asparagine

c. Polare, geladene Aminosäuren zwei saure (geben Proton gern ab) und drei basische(nehmen Proton gern auf) Aminosäuren

Basisch: Lysin* Arginin: extrem basisch pK= 12,5, 3CH2 Gruppen Histidin: ideal für Katalyse

Sauer: (Diese 2 sind für den gesamten Metabolismus wichtig) Aspartat: bindet H2O, Carboxygruppe Glutamat: bindet H2O

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4. Essentielle Aminosäuren Essenzielle AS mit * gekennzeichnet

Der Körper ist auf die 20 Aminosäuren absolut angewiesen. Wenn auch nur eine einzige

Aminosäuren-Sorte fehlt, können die meisten Proteine nicht mehr hergestellt werden.Das ist auf mittlere Sicht nicht mit demLeben zu vereinen. Viele Aminosäuren kann sich der Körper aus Zwischenprodukten desStoffwechsels selbst herstellen. Bei acht Aminosäuren ist er jedoch darauf angewiesen, dass sie (oder ihreVorstufen) ihm mit der Nahrung zugeführt werden, da er diese nicht selbst herstellen kann. Die Herstellung der essenziellen Aminosäuren übernehmen Pflanzen und Mikroorganismen für uns. Essenzielle Aminosäuren sind Valin, Leucin und Isoleucin, denn unser Körper kann keine verzweigtkettigen Aminosäuren synthetisieren, sowie Phenylalanin, Tryptophan, Lysin, Methionin und Threonin.

5. Der isoelektrische Punkt (IP) Isoelektrische Punkte = Punkte, wo die Ladungen ausgeglichen sind, also liegen gl. Viele saure wie basische Moleküle vor

Alle Aminosäuren besitzen einen isoelektrischen Punkt (IP, iso=gleich). Der IP ist der pHWert, bei dem sich die intramolekularen Ladungen einer Aminosäure ausgleichen, also genauso viele positive Ladungen (Amino-Gruppen) wie negative Ladungen (CarboxylGruppen) vorhandensind. Die Aminosäure erscheint daher bei diesem pH-Wert nach außen hin neutral, obwohl sie mit mindestens zwei intramolekularen Ladungen als Zwitterion vorliegt. Legt man an die Lösung ein elektrisches Feld an, so wandert die Aminosäure in diesem Zustand nirgendwo hin. Ist der pH-Wert der Lösung höher (viele OH- Ionen) als der des IP, gibt eine Aminosäure ein Proton ab, wird negativ geladen (Anion) und wandert zur Anode (Pluspol). Ist der pH-Wert niedriger (viele H+ Ionen) als der des IP, nimmt die Aminosäure ein Proton auf, wird positiv geladen (Kation) und wandert zur Kathode (Minuspol). Bestimmung des isoelektrischen Punktes: Arithmetisches Mittel bilden! Je nachdem, wie viele ionisierbare Gruppen in der Aminosäure vorhanden sind, kann der IP auf unterschiedliche Art und Weise aus den pKS-Werten errechnet werden:

Sind zwei ionisierbare Gruppen in der Aminosäure: IP ist Mittel zw. den beiden pKS-Werten Dies gilt für alle neutralen Aminosäuren (Glycin, Serin, Alanin...)

Sind drei ionisierbare Gruppen vorhanden (also drei pK-Werte): arithmetische Mittel der beiden näher beieinander liegenden pK-Werte genommen. Dies gilt für saure Aminosäuren (Aspartat, Glutamat) und für basische Aminosäuren (Lysin, Arginin, Histidin). 6. Die Peptidbindung Die Peptidbindung entsteht, wenn die Amino-Gruppe einer Aminosäure mit der Carboxyl-Gruppe einer anderen Aminosäure reagiert. Dabei wird Wasser abgespalten. Weil dabei die OH-Gruppe einer Carboxyl-Gruppe durch eine NH2-Gruppe ersetzt wird, spricht man von einem Säureamid und bezeichnet die Peptidbindung daher auch als Säureamidbindung. Jede Peptidbindung ist eine Säureamidbindung, aber nicht jede Säureamidbindung ist eine Peptidbindung.

Mesomerie der Peptidbindung Sauerstoff stark elektronegativ, zieht Elektronen von C und N an, wodurch das Kohlenstoffatom seine Vierbindigkeit einzubüßen riskiert. Dieses entzieht nun wiederumdem benachbarten Stickstoffatom das freie Elektronenpaar. Dadurch entsteht zwischen dem CO- und dem NH-Anteil der Peptidbindung zeitweise eine Doppelbindung. Es entsteht eine sogenannte Mesomerie. Dabei gibt es um die Doppelbindung keine freie Drehbarkeit mehr und alles liegt auf einer Ebene. Aminosäuren haben extrem eingeschränkte Beweglichkeit zueinander, Blättchen zeigen Ebene in welcher sie sich befinden, kann nicht ändern, da durch Doppelbindung nicht drehbar. Aminosäuren können sich zueinander nur in ganz bestimmten Winkeln ausrichten.

7. Architektur der Proteinstruktur 1. Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren. Unter der Primärstruktur eines Proteins versteht man seine Aminosäuresequenz. Die Primärstruktur alleine reicht jedoch nicht für die Erhaltung der Proteinfunktion aus. Hierfür ist die native Struktur erforderlich, die durch die Sekundär-, Tertiär- und

Quartärstruktur bestimmt wird. Proteinstrukturen werden nur experimentell ermittelt. 2. Sekundärstruktur: Sie bezieht sich auf die räumliche Anordnung von Aminosäureresten, die in der linearen Sequenz nahe beieinander liegen. Einige dieser Motive sind regelmäßiger Natur und führen A B zum Auftreten periodischer Strukturen wie der α-Helix und dem β-Faltblatt. α-Helix (Sekundärstruktur): A) α-Kohlenstoffatome und die Seitenketten (grün) in einem helikalen Band wieder gegeben. B) Kugel-Stab-Model: verdeutlicht die Wasserstoffbrücken (gestrichelte Linien) zwischen NHund CO-Gruppen. C) Blick vom Ende der Helix: veranschaulicht das gewundene Rückgrat als das Innere der Helix und die nach außen gerichteten Seitenketen (grün). D) Kalotten-modell (Blickwinkel vom Ende der Helix): zeigt die dichte Packung im Inneren der Helix. Unter α-Helix versteht man die schraubenförmig gewundene Anordnung einer Polypeptidkette. Dabei gehen die CO- und die NH-Gruppen miteinander Wasserstoffbrückenbindungen ein. Die Seitenketten werden dabei nach außen geklappt. Ausnahme: Die Aminosäure Prolin  Mit ihrem festen fünfgliedrigen Ring sprengt sie diese Helix. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen zw. den Aminosäuren ist die α-Helix sehr stabil. β-Faltblatt: 2 Aminosäurenketten, die beide in die gleiche Richtung gehen und nahe aneinander liegen. Schwarzer Balken=H-Brücken  sie stabilisieren das Faltblatt Seitenketten stehen immer nach oben und unten weg  max. voneinander entfernt β-Stranges/-Schleife: Wenn sich das Faltblatt aus einer langen Kette bildet, muss irgendwo eine Schleife auftauchen, wo sie umkehrt.

3. Tertiärstruktur: gefaltete Struktur einer Polypeptidkette. Sie beschreibt die räumliche Beziehung von Aminosäureresten, die innerhalb der linearen Sequenz weit voneinander entfernt liegen, sowie das Muster der Disulfidbrücken 4. Quartärstruktur: Sie beschreibt die räumliche Anordnung der Untereinheiten (jede einzelne Polypeptidkette) und die Art ihrer Wechselwirkung

C

D

miteinander. Sie besteht aus mehreren Untereinheiten die in Strukturproteinen gestreckt sind. 1. BSP von Strukturproteinen: Haare Eine superspiralisierte α-Helix. A) Kalottenmodell. B) Bänderdarstellung. Die beiden Helixen sind untereinander gewunden und bilden so eine Superhelix. Solche Strukturen kommen in zahlreichen Proteinen vor, beispielsweise im Keratin von Haaren, Finger- und Fußnägeln. Quartärstruktur besteht aus Protofilamenten, und diese aus Protofibrillen. Zwischen den Protofilamenten liegen Disulfidbrücken  bei Dauerwelle, werden mithilfe von Chemie diese Brücken aufgebrochen und durch Lockenwickler und wieder einer Lösung die neue Struktur fixiert. 2. BSP von Strukturproteinen: Kollagen (Protein des Stützgewebes) Kollagen machen 25% des Körpers aus und enthalten viel Glycin und Prolin. Das Prolin kann keine alpha-Helix bilden, aber eine neue Sekundärstruktur, das Kollagen-Tripelhelix:  Wichtig für Bindegewebe und das Stützgewebe  Kopfstruktur = Bildung der Querstreifung  Ausbildung einer stabilen Tripelhelix benötigt Prolin  Prolin hydroxyliert und lagert sich in einer Quartärstruktur an  Warum ist das Vitamin C für Kollagen so wichtig? Wenn in Kollagen Hydroxy-Polin enthalten ist, wird es stabiler (höherer Schmelzpunkt) Bei fehlendem Vitamin C kann Skorbut entstehen, Krankheit an der man sterben kann. Die AS-Abfolge von Kollagen ist besonders: jede 3. AS ist ein Glycin (das braucht es zur Bildung der Kollagen-Tripelhelix) 8. Sauerstofftransport im Körper Jede zweite Bindung ist eine Doppelbind = Molekül ist sehr flach Myoglobin(=einem α-helikales Protein) bindet und fixiert Hämogobin. Das Hämogobin besteht aus Protoprohyrin, einer organischen Verbindungen mit 4 verbundenen Pyrrolringen und einem zentralen Eisenring (Fe). Das Eisenion ist im Myoglobin mit der Seitenkette eines Histidinrestes verknüpft. Eines der Sauerstoffatome in O2 bindet an einer freien Koordinationsstelle am Eisen. Da partiell Elektronen vom Eisen auf Sauerstoff übertragen werden, verlagert sich das Eisenion nach Bindung von Sauerstoff in die Ebene des Porphyrinringes. Stabilisierung von gebundenem Sauerstoff: Histidinrest ist mit Sauerstoffmolekül über eine Wasserstoffbrücke (grüne Linie) gebunden, was zur Stabilisierung beträgt. Wie wird Sauerstoff gebunden? Was ist de allosterische Effekt? Die 4 Untereinheiten des Hämoglobin könne 1 O2 binden.

 wenn 1 O2 gebunden, verändert sich die (vom Zentrum aus) Molekülstruktur (inkl. restl. 3) so, dass leichter O2 aufgenommen werden kann! Wenn 1 O2 abgegeben, können restliche schwerer abgeben  Erste Bindung des O2 ist schwer, das nächste O2 bindet um Faktor 500 leichter.  Einflussfakoren: pH-Wert, O2 CO2, 2,3-BPG, Temperatur Allgemein: Durch Bindung des Regulators am Zentrum (Hämoglobin) kommt es zur Konformationsänderung des Proteins Wenn das erste O2 gebunden ist, verhindert Distaleshistidin dass CO gebunden wird. Die spOrbitale ordnen sich diametral an, um möglichst weiten Abstand zu haben. CO kann sich nur schräg hineinbinden  keine optimale Bindung mit Fe  dies ist nicht ideale Überlappung, dadurch sinkt die Affinität  außerdem haben wir mehr Sauerstoff als CO im Blut Bild: Sauerstoffsättigungskurve = Sigmoide Kurve: Allosterische Effekte: Umwandlung der Raumstruktur eines Proteins durch Veränderung und unter Beeinflussung des aktiven Bindungszentrums Myoglobin hat eine sehr hohe Affinität. Reaktion auf körperliche Anstrengung: Sauerstoffpartialdruck von ruhenden und arbeitenden Muskel. Durch allostherischer Effekt gibt Muskel bei Druckzunahme am meisten Sauerstoff. Der Rückgang der Sauerstoffkonzentration von 40 Torr in Gewebe im Ruhezustand auf 20 Torr in Gewebe bei körperlicher Anstrengung entspricht dem steilsten Abschnitt der Sauerstoffbindungskurve. Wie hier zu sehen, kann Hämoglobin die Gewebe bei Anstrengung äußerst effektiv mit Sauerstoff versorgen. Die Sauerstoffbindungseigenschaften von Hämoglobin werden erheblich durch den pH-Wert und die Anwesenheit von Kohlendioxid beeinflusst. Dieses Phänomen bezeichnet man als Bohr-Effekt. Bei zunehmender Konzentration an Wasserstoffione...