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Allgemeine Biochemie(1)Einführung-Biochemie= Lehre von den molekularen Grundlagen des Lebens -Grundannahme: Leben beruht auf chemischen Reaktionen -Ziel: Aufklärung der chemischen Substanzen und ihre Umwandlung im OrganismusWesentliche Entdeckungen der Biochemie 1857 Alkoholische Gärung -> Werk l...

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Allgemeine Biochemie (1)Einführung -Biochemie= Lehre von den molekularen Grundlagen des Lebens -Grundannahme: Leben beruht auf chemischen Reaktionen -Ziel: Aufklärung der chemischen Substanzen und ihre Umwandlung im Organismus

Wesentliche Entdeckungen der Biochemie 1857

Alkoholische Gärung -> Werk lebender Zellen (Louis Pasteur)

Ende 19. Jahrhundert

Strukturaufklärung der Zucker, Aminosäuren, Nucleinbasen (Emil Fischer)

1912

Entdeckung biologische Oxidation (Otto Warburg)

1920-1940

Erforschung Vitamine und Hormone

1929

Entdeckung Adenosintriphosphat (Karl Lohmann)

1930-1950

Aufklärung der Glykolyse und Gärung, des Harnstoffcyclus und Citratcyclus (Parnas, Embden, Meyerhof, Lohmann, Warburg, Krebs)

1953-1960

Erste Strukturanalysen von Proteinen (Aminosäuresequenzen; Röntgenstrukturanalyse) (Sanger, Kendrew, Perutz)

1953

Doppelhelixmodell der DNA (Watson, Crick)

1961-1965

Entschlüsselung des genetischen Codes (Nirenberg, Ochoa, Khorana)

1970

Entdeckung der Restriktions-Endonucleasen (Arber); Beginn der Gentechnologie

Bis 2000

Vollständige Sequenzierung RNA und DNA von einigen hunderten Viren, Bakterien, Bäckerhefen und Zellorganellen

2003

Aufklärung (99%) des Humangenoms

(besteht aus 3,1 10hoch9 Nucleotiden) (International Human Genome Project)

Biomoleküle -Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren

-Energie wird der Umwelt entzogen und genutzt -Energie aus Sonnenlicht -> Produzenten (bauen energiereiche Verbindungen auf) -Energiereiche Verbindungen als Nährstoffe -> Konsumenten (wandeln nun auf/ ab) -Rückführung in chemische Bestandteile -> Destruenten (wandeln um/ ab) -Energieumwandlung u.a. durch Elektronenfluss von Redoxreaktionen -Verrichtung mechanischer, chemischer, osmotischer etc. Arbeit

Besonderheiten der Chemie der Lebewesen -Enzyme, Substrate und Produkten -> Stoffwechsel

Reaktionstypen bei biochemischen Reaktionen

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Reduktions-Oxidations-Reaktionen (Hydrierungen – Dehydrierungen) Gruppenübertragungs (Transfer-)-Reaktionen Hydrolysen-Kondensation Spaltung und Knüpfung von C-C-Bindungen Intramolekulare Umlagerung Verrichtung von Arbeit, z.B. Bewegung Erzeugung von Wärme oder Licht

Allgemeine Merkmale biochemischer Reaktionen -Metabolismus: Gesamtheit des Stoffwechsels -Metabolite: Zwischenprodukte (Intermediate) des Zellstoffwechsels -biochemische Reaktionen über Energiekopplung miteinander verknüpf -endergone (energiebenötigende) und exergone (energieliefernde) Reaktionen gekoppelt -Katabolismus: Reaktionen, bei denen Substanzen zur Energiefreisetzung abgebaut werden -Anabolismus: Reaktionen, die unter Energieverbrauch dem Aufbau von Makromolekülen dienen

-werden durch spezifische Katalysatoren beschleunigt -> Enzyme -in der Zelle ablaufende Reaktionen folgen bestimmten Stoffwechselwegen (durch Enzymen bestimmt)

Komplexität der Organisation -kontrollierte chemische Umwandlung von Substraten -Stoffwechsel -Baustoffwechsel und Energiestoffwechsel -zyklische Umsetzung -modularer Aufbau -Makromoleküle mit spezifischer Affinität für andere Moleküle -Vorhandensein von „Bauplänen“ zur Erzeugung zellulärer Strukturen -Fähigkeit zur Selbstreplikation -Speicherung der genetischen Information in DANN -zufällige Mutationen ermöglichen Evolution neuer Eigenschafen

Hierarchischer Aufbau des Organismus

Organismus -> Organ -> Gewebe -> Zelle -> Organell -> Supramolekularer Komplex -> Makromolekül -> „Baustein“, Metabolit

Wasser -primäres Lösungsmittel für die Stoffe in Zelle -als Reaktionspartner an vielen biochemischen Reaktionen beteiligt -wichtig für die Proteinstruktur (Bildung von Hüllen um Proteine) -Zytoplasma = wässriges Milieu -in Photosynthese wird Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff gespalten -in Zellatmung werden Sauerstoff und Wasserstoff wieder zusammengefügt -wenn Wasser gefriert steht es nicht mehr für chemische Reaktionen zur Verfügung -Eis zerstört Biomembranen und Kompartimentierung vieler biochemischer Reaktionen

-Wasser ist Dipol (im Molekül Verschiebung des negativ bindenden Elektronenpaars zu Bindungspartner des Moleküls) -> hohe Schmelz- und Siedetemperatur -> 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 Eigenschafen und dispergieren in Wasser als Filme, Micellen oder Vesikel

Einige Grundbegriffe zur „Lösung“ -meisten gelösten Substanzen in lebenden Zellen als wässrige Lösung -Lösung= Vorhandensein einer Substanz in Lösungsmittel -wichtige Größen: Stoffmenge N (Einheit Mol), Molmasse, Volumen der Lösung in L -Konzentration der Lösung: gelöste Stoffmenge pro L (Einheit Molarität – M) -> 1M = 1mol des Stoffes in 1 L Lösungsmittel Dissoziation des Wassers

-Dissoziationsgleichgewicht kann verschoben werden (pH-Wert) -z.B. Zugabe HCl -> mehr Protonen -> sauer -Zugabe von NaOH -> mehr Hydroxylionen -> basisch

Funktionelle Gruppen in der Biochemie

Wichtige chemische Bindungen -Esterbindung: Carbonsäure + Alkohol = Ester + Wasser -Anhydridbindung: Carbonsäure + Carbonsäure = Carbonsäure-Anhydrid -Benzol (C6H6) ist einfachster aromatischer Kohlenwasserstoff im Benzolring angeordnet

Nicht-kovalente Wechselwirkungen -Wasserstoffbrücken kommen häufig in biologischen Systemen vor (Wasserstoffakzeptor und -donator) -zwischen neutralen Gruppen oder zwischen Peptidbindungen -Ionische Wechselwirkungen wie Anziehung und Abstoßung -Hydrophobe Wechselwirkungen

-Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen 2 beliebigen Atomen in enger Nachbarschaf

-In H2O 1. Wasserstoffbrücken 2. hydrophobe Wechselwirkungen 3. Ionische Wechselwirkungen 4. Van-der-Waals-Wechselwirkungen

Lebewesen enthalten 23 chemische Elemente -Makroelemente und Spuren-(Mikro-)Elemente -ME werden in „größeren Mengen“ benötigt, die mit der Nahrung aufgenommen werden -z.B. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Mg, Na, K, Ca -SE werden in geringeren Mengen benötigt -z.B. Zn, Cu, Fe, I

Die Bedeutung des Kohlenstoffs -kann Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen eingehen

-Konformation: räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül -verschiedene Konformere entstehen durch die freie Drehbarkeit der Bindung -können ohne Bindungsspaltung ineinander überführt werden -z.B. Cyclohexan

-Konfiguration: räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül bei nicht frei drehbaren Bindungen und asymmetrischen C-Atomen -Konfigurationsisomere (Stereoisomere) nur durch Spaltung/ Neuknüpfung von kovalenten Bindungen ineinander überführbar

-Cis-trans-Isomerie (geometrische Isomerie): Anordnung der Substituenten an einer nicht drehbaren Bindung unterscheidet sich (z.B. an einer Doppelbindung)

Stereoisomerie

a)Geometrische Isomerie = cis-/trans- Isomerie (bei Doppelbindung) b)Optische Isomerie ( bei asymmetrischen C-Atomen)

Chiralität -1 chirales Zentrum -> 2 Isomere (gleiche Bedingungen, unterschiedliche Eigenschafen) -n chirale Zentren -> 2hoch n Isomere -räumliche Anordnung von Atomen im Molekül bei der Ebenenspieglung nie zu Selbstabbildung führt -haben Asymmetriezentrum

Biomoleküle Einteilung -nach ihrer Funktion, z.B.: -Enzyme, Metabolite, Vitamine, Hormone (first messanger), sekundäre Botenstoffe (second messanger) -Antibiotika -Neurotransmitter -nach ihrer chemischen Struktur, z.B.: -Aminosäuren, Peptide, Proteine -Kohlenhydrate -Nukleotide, Nucleinsäuren -Lipide

Wichtige funktionale Kategorien -Enzyme: Katalysatoren biochemischer Reaktionen -Metabolite: am Stoffwechsel beteiligte (niedermolekulare) Verbindungen -Vitamine: organische Moleküle, die für biologische Prozesse höhere Organismen essentiell sind und von ihnen nicht synthetisiert werden können (werden mit Nahrung aufgenommen) -Hormone: Signalstoffe, die in geringen Mengen in bestimmten Organen/ Geweben synthetisiert und (meist übers Blut) zu anderen Geweben transportiert werden, wo sie die Funktion ihrer Zielzellen regulieren -Sekundäre Botenstoffe: 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 (wirken auf andere MO zerstörend oder wachstumsinhibierend) -Neurotransmitter: Substanzen, die von Nervenzellen freigesetzt werden und auf Nachbarzellen wirken

Kohlenhydrate -Zucker ist ein traditionell wichtiger Naturstoff (Zuckerrübe -> Raffinerie)

Übersicht -linearen Zucker -zyklische Zucker (Monosaccharide), können kondensieren -polymere Verbindungen -Einteilung und Gliederung in Klassen und Familien: Familie der Zucker z.B. Aldosen

Zucker-Regel: -bestehen aus 3 Arten von Atomen (C, H, O) -spezifisches Verhältnis C:H:O = 1:2:1 -einfachste theoretische Zucker ist Formaldehyd/ Methanal (erfüllt Regel) -zählt nicht zu den Zuckern; zu reaktiv und existiert nur sehr kurz in lebenden Zellen -einfachster formaler Zucker ist Glycolaldehyd (C=2; H=4; O=2 erfüllt Regel) -zählt nicht zu Zuckern, zu reaktiv und sehr kurz existierend -Formosereaktion: Reaktion, die in der Ursuppe zu den ersten Zuckern führte -Name: Trivial: Glycolaldehyd Systematisch: 2 Hydroxy-ethanal Zucker: Aldodiose Aldo – von Aldehyd di – von 2 Kohlenstoff ose – kennzeichnet den Zucker (erfüllt die Regel)

-weitere Kondensation mit weiterem Formaldehyd -> erste Triose (Glycerinaldehyd) -erfüllt Regel; mit echtem Zuckerkern

-durch Umlagerung entstehen Ketosen -Stereochemie: bei Triosen L- und D-Glycerinaldehyd -chemisch identisch aber Enzyme erkennen Unterschied -durch weitere Kondensierungen entstehen Pentosen -wichtige: Ribose und Desoxyribose als Bausteine der DNA/RNA, Ribulose, Xylose -Hexosen: Glucose, Mannose, Galaktose, Fructose

Intramolekulare Halbacetate oder Halbketale -Aldehyd + Alkohol = Halbacetal -Keton + Alkohol = Halbketal -Aldehyd wird in ein Halbacetal überführt und dadurch inaktiver -Entstehung eines Monosacharids für den Transport innerhalb der Zelle (5er und 6er Ringe besonders Stabil) -Felingprobe nur mit Aldehyden -dasselbe gilt für die Halbketale -Pyranoseform (6-Ring), bevorzugt gebildet aus Aldohexosen wir Glucose -Furanoseform (5-Ring), bevorzugt gebildet aus Ketohexosen wie Fructose

Anomere Formen der Glucose -anomere Formen = alpha-/ beta-Form

Glykosidische Bindung -alkoholische Funktionen können kondensieren -> unter Wasserabspaltung Bilden einer Sauerstoffbrücke -O-Glykosidische Bindung -Schutz für die Halbacetal- bzw. Halbketalbindung -stabilere Form für den Transport zwischen Zellen -prinzipiell immer zwischen der OH-Funktion des C1 und weiterer OH-Funktion -Oligomere Zucker: Zuckermonomere können sich Verbinden (z.B. Saccharose, Zellobiose)

-Polymere Zucker: z.B. Speicherpolymere Glykogen und Stärke (Alpha1,4-glykosidische B.) -Stärke ähnlich wie Glykogen, aber anderer Verzweigungsgrad

-G und S binden wegen ihrer polaren Bausteine große Mengen Wasser -Glykogen ist Zuckerspeicher in Leber (freisetzten bei hoher Belastung) -> Monosaccharide -in Stärke alphahelikale Strukturen begünstigt; langsame Zuckerfreisetzung -> Langzeitspeicher (Nachweis mit Kaliumiodidjodat -> Jodmoleküle lagern sich in Helix) -Zellulose hat beta1, 4-glykosidische B. -> baut Fibrillen und Mirkofibrillen für Zellwand -Chitin auch beta1,4g. B., müssen mit Zucker haushalten (Pilze, Insekten) -Bakterienzellwände sind ein Netzwerk aus modifizierten Kohlenhydratbausteinen

Zusammenfassung -modularer Aufbau der Zucker (einfache Verbindungen) -Reaktionspfad ist definiert

1. 2. 3. 4.

Offene Kette – reaktive Form Monosaccharid – Transport in der Zelle Oligosaccharid – Transport im Organismus Polysaccharide – Speicher und Struktur

Zuckersäuren -von Glucose abgeleitet -> z.B. Glucuronat (Oxidationsprodukte des Zuckers verursachen Karies)

Glykosylierungen: Glykolipide -Mannose (wenn Glycerole mit einem Zucker umgesetzt werden) -Zuckerreste auch an Proteine angefügt (z.B. N- oder O-Glycosylierung) -Außenseite der Zellmembran stark glycosyliert (Zellerkennung, Informationstransport)

Lipide -traditionell wichtiger Naturstoff

-Speiseöle, Bestandteil der Membranen (Kompartimentierung) -chemisch heterogene Gruppe von Substanzen, die in Wasser nicht/ wenig löslich sind -leiten sich in ihrer Biosynthese vom Acetyl-CoA ableiten -Hydrophobizität durch Vorhandensein langkettiger aliphatischer C-Ketten bedingt

Funktionen 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, K) -Elektronentransportkette (Ubichinon)

Strukturelle Lipidklassen -Isoprenoide: Pigmente, Sterole -Ester: -Wachse (Fettsäuren+Alkohole) -Sterolester (Fettsäuren+Sterole) -Fette/ Öle (Fettsäuren+Glycerin) -Phosphorlipide, Glykolipide, Fettsäureamide

Pigmente -Blätter enthalten verschiedene Pigmente (Chlorophyll, Lutein, Xanthin) -können der Gruppe der Isoprenoide zugeordnet werden: Isopren -Carotinoide haben Funktionen beim Aufbau der Lichtsammelkomplexe (LHCs) und bei der Photoprotektion (z.B. Lycopen als roter Farbstoff der Tomate) -langes Bindungssystem -> einfangen von Elektronen und festhalten; späteres Übertrage -Chlorophylle sind komplexe Pigmente mit Isoprenoidanteil (Pyrrolringe ist Isopreneinheit ->erweitert um Stickstoffe, die Magnesium fixieren -> katalysiert Reaktion in den Fotosystemen -> übertragen Elektronen auf Magnesium)

-Retinol (Vitamin A) wird aus beta-Carotin gebildet -Vorläufer von Retinal, dem Sehpigment der Augen -Derivate auch als Hormone wirksam (z.B. Hautpflegemittel) -findet sich in Fischleber, Eiern, Vollmilch, Butter -Tocopherol (Vitamin E) -kommt in Eiern und pflanzlichen Ölen vor -wird in die Zellmembran eingebaut -wirkt als Antioxidant, z.B. für ungesättigte Fettsäuren in Speiseölen (gelbliche Farbe mancher Öle

-Phyllochinon (Vitamin K) -wird von Pflanzen und Bakterien gebildet -vorallem in Kohlsorten enthalten -essentiell für Blutgerinnung -Ringstrukturen mit doppelter Ketofunktion -> hilfreich bei Elekrtronenübertragungsrekationen

Sterole -vom Squalen abgeleitet -

-„Gonan Ringsystem“ -z.B. Cholesterol (tierisch) -> davon abgeleitet ist das Pregnan, Androstan, Oestran (männliche und weibliche Hormone) -dreidimensionale Struktur spielt große Rolle -> Wirkung der Pille etc.

Wachse – Ester langkettiger Alkohole und langkettiger Fettsäuren -im Verglich zu Isoprenen mit den Doppelbindungen und Verzweigungen sehr einfache Moleküle -aliphatische Ketten mit endständigem z.B. Alkohol oder Carbonsäure -können Verestert werden -> Entstehen von sehr langen und sehr wasserabweisenden Molekülen

-z.B. Walfett (Energiespeicher) -> früher of Jagt wegen Fett -auch andere Funktionen: Verdunstungsschutz bei Xerophyten durch wachsartigen Überzug der Epidermis (aber Spaltöffnung ausgespart)

Fossile Brennstoffe: Kohlenwasserstoffe -Ähnlichkeit des fossilen Oktadecan und Stearinsäure (natürlich vorkommend) -> unterscheiden sich nur in Carbonsäurefunktion -große Bedeutung, da Energieträger z.B. in Krafwerken, Automobilen -> anderer Teil in Verbindungen (Plastik, Nylon,…) überführt -Großteil der Industrie basiert auf diesen Ölen/ Kohlenwasserstoffen

Fettsäuren und ihre Eigenschafen -aliphatische Kette als Grundlage -Laurylsäure (+44°C Schmelztemperatur) -Stearinsäure (längere Kohlenstoffkette und mehr Van-der-Waals-Kräfe -> +70°C) -Ölsäure (eine Doppelbindung, Durchbrechen der Van-der-Waals-Wechselwirkung -> +16°C) -Linolsäure (zweite Doppelbindung -> Verstärkung -> -5°C) -Arachidonsäure (vier Doppelbindungen -> -50°C) =>Überführung der einfachen Aliphate zu ungesättigten Kohlenwasserstoffverbindungen führt zum Absenken der Schmelzpunkte

Struktur und Nomenklatur der Fettsäuren -in der Regel zähen der Kohlenstoffe im Gerüst (9-mal C -> Octadecansäure/ Ölsäure) -zum Charakterisieren der Doppelbindung: -delta-Nomenklatur (Nummerierung der Position der Doppelbindung -> Anfang bildet Carbonsäure-Ende) => delta-9-Octadecansäure -omega-Nomenklatur (Anfang zählen bei aliphatischen unveränderten Ende) => omega-9-Fettsäure; berücksichtigt nicht genau Fettsäure

Omega-3 und Omega-6

-viele ungesättigte Fettsäuren werden in Marinealgen/ Mikroalgen gebildet oder kommen in Fischöl vor -Name bedeutet dass es eine Doppelbindung an 3. Bzw. 6.Stelle gibt -> nicht besonders aussagekräfig -Bedeutung der Doppelbindungen: Aufreten von Isomeren z.B. 2 Verbindungen mit gleichem Bau, nur unterschiedliche Stellung der DB => cis-/ trans-Isomere -cis: Abknicken, trans: lineares Molekül

Fettsäure-Synthese -abhängig vom Acetyl-CoA -wird mit Malonyl-CoA kondensiert über ACP (Acetyl-Carrier-Protein) -> aufeinander kondensiert -> entfernen des Sauerstoffs über Redoxreaktionen -> verlängertes Molekül um eine C2 Einheit -beliebig of modular wiederholbar -Fettsäure wird nach der Veresterung als Acylrest betitelt -Fettsäuren liegen in der Regel nicht frei im Körper vor (sondern werden an Glycerin gebunden) -> z.B. Triacylglycerol (Fette, Öle) -Glycerin hat drei alkoholische Funktionen -an jede kann ein Acylrest kondensieren (Mono-, Di- oder Triacylglycerol) -Triglyceride (TAG) sind z.B. Butter oder Speiseöle (Unterschiede durch Doppelbindung in den Aliphaten: cis-DB und trans-DP) -TAG am Glycerin drei Acylreste oder durch beliebige andere Säuren wie bei Phosphatidylcholin

Glycerophospholipide -unterscheiden sich im Rest des Diacylglycerin -z.B. Phosphatidsäure mit Phosphor als Rest oder Aminosäuren oder Zuckern -Gemeinsamkeit: an die aliphatischen Reste wird immer eine Ladung gebracht -Cardiolipin -> ATP-Produktion im Herzen

Glyceroglykolipide

-Struktur: statt Phosphor direktes binden einer Zuckereinheit (z.B. Galactose) -> hauptsächlich in Chloroplasten -bei hoher Sonneneinstrahlung Generieren von großen Mengen ATP -> hoher Phosphatverbrauch -> günstig das Phosphat den Biomembranen zu entziehen -> Membran selbst lieber mit Zuckern bestücken -Mangel an Phosphat führt zu solchen Lipidstrukturen

Struktur von Sphingolipiden -Ersetzten des Glycerins durch eine vom Serin abgeleitete Struktur

-Strukturen sind anders als normale Fettsäuren -viel stabiler als normale Glykolipide -> Bindung entspricht nicht Esterbindung; ist kovalent verknüogte Einheit -tragen zur Fluidität von Biomembranen bei -können aktiv an der Signaktransduktion (Kommunikation Zelle und Außenwelt) -z.B. Ceramid, Cerebrosid, Sphingomyelin, Gangliosid -of in Nervenzellen zu finden

=>die Komposition an Fetten ist in verschiedenen Geweben (Tieren und Pflanzen) unterschiedlich -z.B. Triaclyglycerolanteil hoch in Sojabohnen

Diffusion membranbildender Lipide im Bilayer -vorallem amphiphile Fette in der Bilayer -Zusammenlagerung der fettliebenden Bereiche der Moleküle -polare Kopfgruppe präsentieren sich Wasser -immer als Doppelschicht -> bildet Biomembran und Reaktionsräume

-keine festen Strukturen -> Diffusion entlang eines bilayers normal und möglich -FlipFlop (Austausch der Monolayer) energetisch ungünstig und selten -Zusammenlagern in wässriger Umgebung in verschiedenen Gebilden

Lipide und Membrankrümmung -...