Lernzettel Grundlagen der Biochemie (Zusammenfassung) PDF

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Lernzettel Grundlagen der Biochemie (Zusammenfassung)...

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Ler Lernze nze nzett tt ttel el Nat Nat04 04 Bi Bio oche chemie mie mie:: Einführung:   

Funktionieren des Lebens auf molekularer Ebene Enzymmechanismen Molekulare Erkennung von Rezeptoren und Antikörpern

Biologische Makromoleküle:  

Heteropolymere Charakteristische Strukturbildung, Selbstorganisation

Nukleinsäuren:   

Geringe strukturelle und funktionelle Vielfalt, Informationsspeicher und Überträger Regulation der Genexpression

Kohlenhydrate:   

Relativ geringe strukturelle und funktionelle Vielfalt Strukturbildung Speicher

Proteine: 

Extreme strukturelle und funktionelle Vielfalt

Lipide:    

Keine Polymere Strukturbildend Speicher Signaltransduktion

Metabolite:     

Chemische Vielfalt Grundbausteine Zwischenverbundung Sekundärmetabolite Zellzusammensetzung: o o o o o o o o o o o o

C  61,4% (Trockengewicht!) N  11% O  9,3% H  5,7% Ca  5% P  3,3% K  1,3% S  1% Cl  0,7% Na  0,7% Mg  0,3% Spurenelemente

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         

Biomoleküle sind aus „Bausteinen“ zusammengesetzt Organisch- chem. Bestandteile Anorganisch- chem. Bestandteile Hauptgruppenmetalle oft strukturell wichtig Nebengruppenmetalle funktionell wichtig Hydrophil/Hydrphob- wasserlösslich/membrangängig Ladung Reaktivität Energiegehalt Drehungen um Doppelbindungen kosten viel Energie

Chiralität:  

Eigenschaften bestimmter Systeme, dass ihr Spiegelbild durch Drehung nicht mit dem Orginal zur Deckung gebracht werden kann Unterschiedliche Wechselwirkungen mit linear, polarisiertem Licht

Achiralität: 

Moleküle, die kein Chiralitätszentrum besitzen  alle Verbindungen sind gemeint, deren Bild und Spiegelbild deckungsgleich sind

Enantiomere:    

Sereoisomere chemische Verbindungen Besitzen die gleiche Summenformel Atome in gleicher Weise verknüpft Räumliche Struktur exakt wie Bild und Spiegelbild  Spiegelbildisomerie

Konfigurationsisomerie:  

Können nicht wie bei Konformationsisomerie durch Drehung von Atombindungen zur Deckung gebracht werden  Chiralität Bsp.: Pfefferminze und Kümmel

Elektronegativität: 

Verbindungen zwischen Elementen stark unterschiedlicher Elektronegativitäten sind polar  daher hydrophil

Protein:     

Nur gefaltet aktiv Sequenz  Struktur  Funktion Überall im Organismus beteiligt An Ribosomen produziert, oft posttranslational modifiziert Aminosäuren chem. sehr heterogen

Zeichnung einer Aminosäure: 

In wässriger Lösung liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor  Aminogruppe ist protoniert

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und die Carboxylgruppe ist deprotoniert Aminosäuren:  Aliphatisch, klein, plar, geladen, aromatisch, hydrophob  Primärstruktur: o Peptid einer Sequenz von min. 100 AS  Sekundärstruktur: o Relative Anordnung von Einzelbausteinen von biologischen Polymeren wie Nukleinsäuren, Proteinen oder Polysacchariden o Freie Drehbarkeit um 2 Torsionswinkel pro AS in Peptidkette o Unterschiedliche Torsionswinkelkombinationen ergeben verschiedene Sekundärstrukturen o Sterische Hinderung bei bestimmten Torsionswinkeln o Durch Wasserstoffbrücken zwischen N-H und C=O ensstehen zwei Strukturen: αHelix und β- Faltblatt o α- Helix: stabförmige Struktur  PolypeptidHauptkette bildet den inneren Teil des Stabes, Seitenketten ragen nach außen, Stabilisierung durch intramolekulare H- Brücken o β- Faltblatt: plattenartige Struktur, in Proteinen meistens mehrere nebeneinander (parallel oder antiparallel) mit H- Brücken verknüpft  Tertiärstruktur: o Dreidimensionale Struktur von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen Polymeren o Übergeordneter räumlicher Aufbau, der oft aus verschiedenen Sekundärstrukturen besteht o Abfolge und Anordnung von Sekundärstrukturelementen = Tertiärstruktur o Gesamtanordnung von Polypeptidketten im Raum o Häufig auch Nicht- Polypeptidelemente  Prosthetische Gruppe  Prostheische Gruppe: o Übernahme von chemischer Funktionalität jenseits der Möglichkeiten von AS-Resten o Hydrophobe Seitenketten nach Innen gerichtet o Ausnahme= Membranproteine  Quartärstruktur: o Spezifische räumliche Anordnung der verschiedenen Polypeptidketten zueinander in Proteinen von mehreren Untereinheiten o Typisches Beispiel: Hämoglobin mit 4 Untereinheiten o Stabilisierung: über Wechselwirkung der Peptidkette, As- Reste, und Disulfidbrücken o Organisationsprinzip: Oligomerisierung o Superspiralisierte Helices  2 rechtgängige α-Helices bilden eine linksgängige Superhelix  3,5 AS pro Windung  Stabilisierung: Heptawiederholung über van- der Waals- Kräfte oder ionische Wechselwirkungen (auch Disulfidbrücken) Denaturierung: 

Zerstörung der 3D- Struktut durch: o Thermische Energie

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o o

Chaotrope Verbindungen  Substanzen, die die geordneten Wasserstoffbrücken im Wasser stören, eilweise Aufbruch) Reduzierung Chemikalien

AMINOSÄUREN:   

Alle chiral aus Glycin Proteine sind aus α-L- Aminosäuren aufgebaut Hydrophile, ungeladene Aminosäuren: o Tyrosin o Threonin o Glutamin o Glycin o Serin o Cystein o Asparagin  polar/ neutral



Hydrophile, geladene Aminosäuren: o Basisch: Lysin, Arginin, Histidin o Sauer: Glutaminsäure, Asparaginsäure



Hydrophobe Aminosäuren: o Alanin o Valin o Methionin o Leucin o Isoleucin o Prolin o Tryptophan o Phenylalanin  unpolar



Säure/ Base- Verhalten von Aminosäuren: o Aminogruppe wirkt als Base  Protonenakzeptor o Carboxylgruppe wirkt als Säure  Protonendonator



Verbundung von Aminosäuren durch Peptidbindungen: o Aminogruppe einer AS kann mit Caroxylgruppe einer anderen AS unter Wasserspaltung reagieren

o o o o o o

Es entsteht C-N- Bindung  Peptidbindung Stabilisierung durch Wasserstoffbrücken zwischen N-H und C=O Weniger als 100 Verknüpfungen = Peptid Mehr als 100 Verknüpfungen = Protein Partieller Doppelbindungcharakter der Peptidbindungen  planar Trans- Stellung an C-N-Bindung = geringe Abstoßung von Restgruppe  Ausnahme Prolin

Proteinmodifikation:  Modifikation der Proteinfunktion durch chemische Veränderungen einzelner AS- Reste  Chem. Umlagerung von Seitenketten und Peptidbindungen  Green Flourescent Protein (Biomarker) Seltene proteinogene AS:  

Selenocystein Pyrrolysin (in Enzymen des Methanstoffwechsels in Archeen)

Lebensdauer von Proteinen:  

N-terminle AS haben bestimmte Halbwertszeit (Bsp: Hefen) Ubiquitin: Markierung von Proteinen zum Abbau, Verknüpfung über Isopeptidbindungen

26S- Proteasom: 

In Eukaryoten zum Abbau von Ubiquitin- markierter Proteine

PROTEINE und PROTEINFUNKTION: Proteineigenschaft Spezifische Ligandenbildung Komplexierung von Metallionen Ladung Größe Hydrophobizität

Trennmethode Affinitätschromatographie (AC) Immobilisierte MetallchelatAffinitätschromatographie (IMAC) Ionenaustauschchromatographie (IEX) Ausschluss, Gelfiltration (GF) Hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC)

IEX:   

Kationaustauschhromatographie Anionenaustauschchromatographie Durchführung: o Bindung der Probe an den Austauscher in Puffer A mit niedriger Ionenstärke (10- 20 mM) o Auswaschen ungebundener Proteine mit Salzgradient (0- 1M) oder durch Änderung des pH- Wertes

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HIC: 

Durchführung: o Bindung der Probe an die hydrophobe Phase in Puffer A mit hochkonzentriertem Salz (0,5- 2M) o Auswaschen ungebundener Proteine mit hochkonzentriertem Puffer A o Elution stärker gebundener Proteine mit fallendem Salzgradienten ( 2- 0M) o Ggf. Zugabe von organischer Lösungsmittel oder Detergenzien

Größenausschlusschromatographie: 

Durchführung: o Auftragen einer konzentrierten Proteinprobe o Isokratische Elution o Geringe Flussrate für bessere Trennung o Biopolymer- basierte Gele (Dextrane)

Aufreinigung von Proteinen mittels IMAC: 

Durchführung: o Bindung des Proteins unter hoher Salzkonzentration an Matrix (0,5 M) o Waschschritt zur Entfernung ungebundener bzw. schwach gebundener Proteine o Elution durch Imidazolzugabe oder Absenkung des pH-Wertes (pH < 6)

Nuk Nuklein lein leinsäu säu säuren ren ren:: Aufgabe: Zucker zeichnen: In RNA:

in DNA:

Desoxyribose

Nukleobasen: (Zeichnen) Purine: Purin:

Adenin:

Guanin:

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Pyrimidine: Pyrimidin:

Cytosin:

Uracil (RNA):

Thymin (DNA):

DN DNA: A: Struktur:      

2 antiparallele Polynukleotidstränge zu einer rechtgängigen Helix verwunden Nukleobasen senkrecht zur Helixachse 10 Nukleobasen pro Windung Basenpaarung Guanin+ Cytosin über 3 H-Brücken Adenin + Thymin über 2 H- Brücken

B-DNA:    

Physiologisch häufigste Form der DNA Vollständig hydratisiert Nucleobasen senkrecht zur Helixachse Organisationsprinzip: o Hydrophobe Nucleobasen innen o Polare Zucker und geladene Phosphate außen o Stabilisierung über schwache Van der Waals Wechselwirkungen 2- 4 kJ mol-1) und starke Wasserstoffbrücken (4- 12 kJ mol-1)

A- und Z-DNA:     

Nachgewiesen über Röntgenstrukturanalysen Häufig bei RNA-DNA- Hybriden Nucleobasen um 19° geneigt Z- Form linksgängig! Große und Kleine Furche  Große Furche aufgrund ihrer Größe mehr Möglichkeiten zur Interaktion 7

mit Proteinen:

  

In jede Furche ragen spezielle funktionelle Gruppen hinein  dienen allen Molekülen (auch Proteinen) zur molekularen Erkennung durch H-Brücken Große Furche = hohe Sequenzspezifität  viele funktionelle Gruppen der Basen Kleine Furche weniger Spezifität  Sequenzen können nicht wirkungsvoll unterschieden werden

Semikonservative Replikation: 

Ablauf: o Verlängerung der Kette erfolgt in 5´ 3´-Richtung o DNA- Polymerasen können Fehler in der DNA korrigieren o Irreversibel durch Pyrophosphatase

 

rRNA: 23S, 16S, 5S tRNA : o 75 Nukleotide, mindestens eine tRNA pro Aminosäure mRNA: o ca. 1200 Nukleotide o snRNA  Spleißosom o siRNA  antiviral o miRNA  Genregulation

RNA:



RNA- Synthese: 



Voraussetzungen: o Matrize und Polymerasen o Aktivierte Ribonucleotide o Zweiwertige Metallionen (in vivo: Mg2+, in vitro auch Mn2+) RNA- Viren: o RNA anstelle von DNA als genetisches Material o Bsp: Tabmosaikvirus  Replikation der ssRNA durch RNA-abhängige Polymerasen

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o

Bsp: Retroviren (HIV-1)  Umwandlung ssRNA in dsRNA durch reverse Transkriptase

Genexpression: Transkription:

Genexpression: Translation:       

rRNA im Ribosom mRNA als Matrize tRNA als Träger der Aminosäuren Codons von je 3 Nucleotiden codieren für eine Aminosäure Startcodon legt Leseraster für Proteinbiosynthese fest Start: AUG Stopp: UAA, UAG, UGA

Genetischer Code:  

4 verschiedene Nucleotide, 3 Nucleotide pro Codon  43 = 64 Codons Universell

Nukleinsäuren:

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Polymerasekettenreaktion (PCR):

DNA- Sequenzierung: 

Kettenabbruchmethode

Kohl Kohlenh enh enhyd yd ydrat rat rate e: 





Monosaccharide: o Pentosen wie D- Ribose und D- Disoxyribose o Hexosen: α-D- Glucose, α- D- Fructose, α-D- Galactose, α-D- Mannose o Aldosen und Ketosen Disaccharide: o Saccharose, Lactose, Maltose o Zuckermonomere sind über O-glykosidischeBindungen miteinander verknüpft Polysaccharide: o Stärke, Glykogen o Unterschiedliche O-glykosidischeBindungen resultieren in unterschiedlichen dreidimensionalen Strukturen o Energiespeicherfunktion o Chitin:  Hauptbestandteil der Zellwand bei Pilzen, Gliedertieren und Weichtieren  Nach Cellulose zweithäufigstes Biopolymer auf der Erde

Glykosylierte Proteine:

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Glycoproteine o Hoher Proteinanteil o Unterschiedlichste Funktionen  Proteoglykane o Hoher Kohlenhydratanteil (Glykosaminoglykane), bis zu 95% Masse o Strukturbestandteile und Gleitmittel  Mucine(Mucoproteine) o Hoher Kohlenhydratanteil (v.a. N-Acetylgalactosamin), bis zu 80% Masse o Gleitmittel und Bestandteil von Schleim Unterschiedliches Glykosylierungsmusterauf Oberfläche der roten Blutkörperchen bei verschiedenen Blutgruppen 

Lipi Lipide de u und nd Me Mem mbra branen nen nen:: Lipide    

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Grundbausteine der Membranen Doppellipidschicht enthalten Fettsäuren (Bsp.: α-Linolensäure) Funktionen: o Brennstoffmoleküle (C-Quelle) o Energiespeicher o Signalmoleküle o Botenstoffe Membranaufbau: o Phospholipide o Glykolipide o Cholesterin Phospholipide: o Phosphoglyceride:  Bsp.: Phosphatdylcholin, Phosphatdylserin o Sphingomyeline:

Glykolipide: o bei tierischen Zellen: bestehend aus Sphingosin+ Fettsäure + Zucker o Zuckerreste immer extrazellulär o Cerebroside: nur ein Zuckerrest o Ganglioside: verzweigte Ketten mit bis zu 7 Kohlenhydrateinheiten Cholesterine: o In tierischen Zellen o Nicht bei Prokaryoten o Cholesterinderivate bei anderen Eukaryoten (z.B. Pflanzen)

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Membranlipide bei Archaeen:   

Verzweigte Alkylketten (stabiler gegen Oxidation) Etherbindungen (stabiler gegen Hydrolyse) Umgekehrte Stereochemie (gegenüber Phospholipiden)

Membranbildung:  

Membranlipide sind amphipathischeMoleküle Lipiddoppelschicht o Spontane Bildung im wässrigen Medium durch Selbstaggregation o Van-der-Waals Anziehungskräfte zwischen den Fettsäureketten o Elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken zwischen den Kopfgruppen o Zwischen 6 und 10 nm dick o Bestrebt sich auszubreiten o Selbstreparierend o Neigen zum Zusammenschluss mit sich selbst o Permeationsbarrieren für polare Stoffe

Zellmembranen:   

enthalten Membranproteine Vermitteln viele spezifische Funktionen der Membranen (z.B. Stoff-und Informationstransport) Proteingehalt sehr unterschiedlich (funktionsabhängig)

Membranproteine:  



Unterschiedliche Anordnung von Proteinen in der Membran Integrale Membranproteine: o Membranproteine durchziehen die Membran meist mit α-Helices o Beispiel: Bakteriorhodopsin  Aminosäuren der membrandurchquerenden α-Helices meist unpolar  Aminosäuren wechselwirken untereinander und mit unpolaren Fettsäureketten o Kanalproteine können aus β-Strängen gebildet werden o Beispiel: bakterielles Porin  Antiparallele β-Stränge bilden fassartige Struktur  Unpolare Aminosäuren auf der äußeren Oberfläche, hydrophile, wassergefüllte Innenseite können über hydrophobe α-Helices auch teilweise in die Membran eingebettet sein

Flüssigmosaikmodell von Membranen:  

Lipide, Proteine und andere Membrankomponenten können durch die Membran diffundieren Laterale Diffusion (schnell) 12

Diffusionskoeffizient von Lipiden: 1 µm² s-1 (= durchschnittlich ca. 2 µm pro Sekunde) o Bei Proteinen mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit Transversale Diffusion (sehr langsam) o Für Phospholipide nur einmal in mehreren Stunden o Bei Proteinen praktisch nicht existent o



Membranfluidität: 

Membranfluiditäthängt von Fettsäurezusammensetzung und Cholesteringehalt ab

Lipid rafts:  

Lipidflöße Verringerung der Membranfluidität; Ausbildung geordneterer Bereiche innerhalb Membran

Asymmetrie von Membranen:  

Alle Membranproteine besitzen feste Orientierung in Membran o Keine tranversale Diffusion Auch Lipide asymmetrisch angeordnet o Unterschiedliche Lipidmoleküle in äußerer und innerer Lage der Lipiddoppelschicht bevorzugt

Enz Enzym ym yme: e:       

Kalalysatoren des Lebens Beschleunigen chemische Reaktionen  Herabsetzen von Aktivierungsenergie Gehen unverändert aus der Reaktion hervor Können Kosubstrate und/oder Koenzyme verwenden Aktives Zentrum  Ort der Reaktion Beeinflussen nie die Lage des Gleichgewichts

Wichtige Kofaktoren in der Enzymkatalyse:   

Oxidation/ Reduktion von NAD(P)H und Riboflavin ATP- Synthese Pyridoxalphosphat

Funktionsweise:   

Ausbildung eines Enzym-Substrat-Komplexes → Stabilisierung des Übergangszustandes der Reaktion Schlüssel- Schloss- Prinzip Induced-fit Modell: o Proteine sind dynamische Makromoleküle o Form des aktiven Zentrums kann sich an Substrat anpassen, um Wechselwirkungen auszubilden o Aktives Zentrum besitzt komplementäre Struktur zum Substrat erst nach Substratbindung

Enzyminhibition: 

Reversible Inhibition o Kompetitiv o Nicht-kompetitiv



Irreversible Inhibition: o Suizid- Substrate, kovalent o Gruppenspezifische Reagentien, kovalent

o o

Unkompetitiv Gemischt

Enzymmechnismen: Katalytische Prinzipien bei Enzymen 

   

Bildung des Enzym-Substrat Komplexes o Freiwerdende Bindungsenergie durch viele schwache Wechselwirkungen o Stabilisierung des Übergangszustandes Säure-Base Katalyse Kovalente Katalyse Metallionen Katalyse Katalyse durch Annäherung

Katalysemechanismen von Enzymen: 1. Protease Chymotrypsin  Kovalente Katalyse, Säure-Base-Katalyse, Katalyse durch Annäherung  Proteasen: Hydrolyse von Peptidbindungen zum Proteinabbau  GlobuläresProtein aus 3 Polypeptidketten  Inaktives Vorläufermolekül: Chymotrypsinogen  Aktivierung durch proteolytische Spaltung  Mechanismus: 1. Bildung des Acyl- Enzymkomplexes 2. Hydrolyse des Acyl-Enzymkomplexes  Kinetik: o Bildung kovalenter AcylEnzym-Komplex erfolgt viel schneller als Hydrolyse des Komplexes  Spezifität: o Spaltung Peptidbindung C-terminal von aromatischen oder großen hydrophoben Aminosäuren 2. Carboanhydrase  Metallionenkatalyse, Säure-Base-Katalyse, Katalyse durch Annäherung  Reversible Umwandlung von Kohlendioxid in Hydrogencarbonat  Biologische Funktionen:  Hydratisierung/Dehydratisierungvon CO2/HCO3-im Blut während Atmung  Erzeugung der wässrigen Flüssigkeit des Auges (Kammerwasser)  Rückresorption von HCO3-in der Niere  Mechanismus: 1. Aktivierung eines Wassermoleküls durch Zink  Kinetik: o Max. Reaktionsgeschwindigkeit von bis zu 106s-1für Hydratisierung von CO2 o Nur erreicht bei effizientem Abtransport der freiwerdenden Protonen ⇒Protonenshuttle zur schnellen Übertragung von Protonen auf Pufferkomponenten 3. Restriktionsenzym EcoRV (Restriktionsendonucleasen) 14

Metallionenkatalyse, Säure-Base-Katalyse, Katalyse durch Annäherung Hydrolyse von Phosphodiesterbindungen Hochspezifische Enzyme  Spezifität für Erkennungssequenz  Spezifität für wirtsfremde DNA  Mechanismus: o NukleophilerAngriff entsprechend SN2-Mechanismus o Umkehr (Inversion) der Stereochemie am Phosphoratom  Spezifität: o Erkennungssequenz  Meist Palindrome (umgekehrte Wiederholungen, invertedrepeats)  analoge Symmetrie  Verformung der spezifischen Erkennungssequenz im aktiven Zentrum o Unterscheidung wirtseigener und wirtsfremder DNA  Methylierungwirtseigener DNA innerhalb Erkennungssequenz durch Methylasen  Für jede Restriktionsendonucleaseexistiert eigene Methylase 4. Myosin  Säure-Base-Katalyse, Katalyse durch Annäherung  Hydrolyse von ATP o Nutzung der dabei freiwerdenden Energie zur Bewegung von Molekülen innerhalb von Zellen (mechanische Arbeit)  Vorkommen: bei allen Eukaryoten  Langgestreckte Moleküle mit globulären ATPase-Domänen  ATP-Hydrolyse führt zu Konformationsänderungen, die Bewegung ermöglichen   

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