Skriptum Teil 1 - Zusammenfassung des ersten Teils PDF

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Zusammenfassung des ersten Teils...

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Skriptum zur Vorlesung

Einführung in die Biochemie („Grundlagen der Biochemie I“)

Teil 1: Aminosäuren, Enzyme, Proteine

Univ-Prof. Dr. Rudolf Zechner Mag. Ingo Streith mit Illustrationen von Thomas Eichmann Version 2.9 vom 27. Dezember 2007

Biochemie I, Teil 1

Allgemeines Literaturempfehlungen Voet D. / Voet J.G. / Pratt C.W., Lehrbuch der Biochemie, Wiley-VCH Lehninger / Nelson / Cox, Biochemie, 3. Auflage, Springer-Lehrbuchverlag Jedes der Bücher deckt den gesamten Lehrstoff der Vorlesung ab und kostet ungefähr € 65.

Prüfung Prüfungstermine finden drei Mal pro Semester statt – aktuelle Ankündigungen sind auf http://imb.uni-graz.at/lehre.html und http://online.uni-graz.at zu finden.

Links Homepage zum Skriptum

http://imbm-lehre.uni-graz.at/Biochemie_1/index01.html (*)

Homepage Prof. Zechner

http://www.uni-graz.at/rudolf.zechner

Homepage Ingo Streith

http://www.uni-graz.at/ingo.streith

Homepage Uni Graz

http://www.uni-graz.at

Homepage IMB

http://imb.uni-graz.at

Homepage StRV Chemie

http://oeh.uni-graz.at/~chemie

(*) Username und Passwort werden in der Vorlesung bekanntgegeben.

Errata & Feedback Wir haben das Skriptum sorgfältig ausgearbeitet und einige Fehler bereits vor dem Erscheinen beseitigt. Leider kann es trotzdem vorkommen, dass sich Fehler eingeschlichen haben. Bei Unklarheiten sollte daher unbedingt ein Lehrbuch befragt werden. Wenn Ihr Fehler entdeckt habt, oder andere Ideen habt, wie man das Skriptum verbessern könnte, dann bitte ich um ein E-Mail an: [email protected] An dieser Stelle sei auch allen gedankt, die bereits Listen mit größeren oder kleineren Fehlern gemailt haben – danke!

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Biochemie I, Teil 1

Inhaltsverzeichnis 1.

2.

Einleitung .............................................................................................................5 1.1.

Die Definition von Leben ...............................................................................5

1.2.

Wichtige Elemente und Verbindungen ..........................................................5

1.3.

Zellen ............................................................................................................6

1.4.

Dissoziationsverhalten, pH-Wert, Pufferlösungen .........................................8

1.5.

Acidosen und Alkalosen..............................................................................10

Aminosäuren, Peptide und Proteine...................................................................12 2.1.

Aminosäuren ...............................................................................................12

2.2.

Die Einteilung der proteinogenen Aminosäuren ..........................................15

2.2.1.

Unpolare, aliphatische Aminosäuren ...................................................15

2.2.2.

Polare, ungeladene Aminosäuren........................................................16

2.2.3.

Negativ geladene Aminosäuren ...........................................................16

2.2.4.

Aromatische Aminosäuren ...................................................................17

2.2.5.

Aminosäuren mit positiv geladenen Seitenketten ................................17

2.3.

Reaktionen der Aminosäuren......................................................................17

2.3.1.

Biuret- Reaktion ...................................................................................17

2.3.2.

Ninhydrin- Reaktion .............................................................................18

2.3.3.

Andere Reaktionen ..............................................................................18

2.4.

Trennung von Aminosäuregemischen.........................................................18

2.5.

Die Peptidbindung und Eigenschaften von Peptiden ..................................19

2.5.1. 3.

Glutathion (Beispiel für ein Tripeptid)...................................................20

Proteine..............................................................................................................21 3.1.

Primärstruktur .............................................................................................21

3.2.

Sekundärstruktur.........................................................................................22

3.3.

Tertiär- und Quartärstruktur ........................................................................24

3.4.

Denaturierung von Proteinen ......................................................................25

3.5.

Trennung, Isolierung und Nachweis von Proteinen.....................................26

3.5.1.

Trennung aufgrund unterschiedlicher Löslichkeit von Proteinen..........26

3.5.2.

Aufreinigung durch Dialyse ..................................................................27

3.5.3.

Trennung aufgrund unterschiedlicher Molekülgrößen..........................27

3.5.4.

(Ultra-)Zentrifugation............................................................................28

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Biochemie I, Teil 1

3.5.5.

Trennmethoden unter Einbeziehung der Ladung der Proteine ............28

3.5.6.

Nachweismethoden für Proteine ..........................................................32

3.6.

3.6.1.

α-Keratin, ein Beispiel für ein Protein mit hohem α-Helix Anteil...........33

3.6.2.

Kollagen, ein tripelhelicales Protein .....................................................33

3.6.3.

Seidenfibroin, ein Beispiel für ß-Faltblattstruktur..................................34

3.7.

4.

Beispiele für Faser-Proteine........................................................................32

Globuläre Proteine ......................................................................................35

3.7.1.

Proteinfunktion: Sauerstofftransport im Blut, Hämoglobin (Hb)............35

3.7.2.

Struktur von Hämoglobin .....................................................................36

3.7.3.

Sauerstoffbindung................................................................................37

3.7.4.

Bohr- Effekt ..........................................................................................38

3.7.5.

CO2- Transport.....................................................................................39

3.7.6.

Einfluss von 2,3- Biphosphorylglycerat (BPG) .....................................40

3.7.7.

Hb-Struktur- Funktions- Beziehung......................................................40

3.7.8.

Anomale Hämoglobine.........................................................................41

Enzyme ..............................................................................................................42 4.1.

Allgemeine Eigenschaften von Enzymen ....................................................42

4.2.

Einteilung der Enzyme ................................................................................42

4.3.

Thermodynamische Grundlagen .................................................................43

4.4.

Beziehung der freien Standardenthalpie zur Gleichgewichtskonstante

chemischer Reaktionen .........................................................................................45 4.5.

Kinetik chemischer Reaktionen ...................................................................45

4.6.

Wirkungsweise, aktives Zentrum.................................................................47

4.7.

Katalysemechanismen ................................................................................47

4.8.

Enzymkinetik ...............................................................................................48

4.9.

Enzymhemmung .........................................................................................50

4.10.

Enzymregulation......................................................................................52

4.11.

Coenzyme (Cosubstrate) – Beispiele ......................................................52

4.11.1. NAD, NADP, gekoppelter optischer Test .............................................53 4.11.2. Adenosinmono-, -di- und -tri- phosphat (AMP, ADP, ATP) ..................54

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Biochemie I, Teil 1

1. Einleitung 1.1. Die Definition von Leben Die

Biochemie

beschäftigt

sich

mit

den

molekularen

Grundlagen

der

Lebensvorgänge. Jedes Lebewesen besitzt eine Zellstruktur, ist in der Lage, Stoffwechselprozesse durchzuführen (z.B. Wachstum) und besitzt die Gabe, sich fortzupflanzen. Ein weiteres Merkmal ist die Evolution. Es gibt zwei Arten von Evolution, die chemische (Erschaffung der Elemente bzw. Bildung von Molekülen – ca. vor 4.5 bis 3.5 Milliarden Jahren) und die biologische (Beginn vor ca. 4 Milliarden Jahren – Ausbildung von zellulären Lebensformen). Kein Lebewesen befindet sich im chemischen Gleichgewicht, da ständig Nahrung aufgenommen und weiterverarbeitet wird – man nennt das Fließgleichgewicht. Das chemische Gleichgewicht tritt erst mit dem Tod des jeweiligen Lebewesens ein. Die Stoffwechselreaktionen in Lebewesen laufen generell unter isothermen und isobaren Bedingungen ab (d.h. Temperatur und Druck können nicht wesentlich verändert werden). Aus diesem Grund sind oft spezielle Mechanismen nötig, um solche Reaktionen zu ermöglichen. Der gesamte Energiebedarf von Lebewesen wird direkt oder indirekt von der Sonne abgedeckt.

1.2. Wichtige Elemente und Verbindungen Die Häufigkeit der Bioelemente entspricht nicht der Häufigkeit der anorganischen Elemente auf der Erde. Die Hauptelemente der Biomoleküle sind Kohlenstoff (62%), Stickstoff (11%), Sauerstoff (9%) und Wasserstoff (6%). Die Kohlenstoffchemie als Basis der Stoffwechselvorgänge in Lebewesen ergibt sich aus der Stabilität des Kohlenstoffs und der ernormen Vielzahl möglicher Kohlenstoffverbindungen. Die meisten bioorganischen Verbindungen leiten sich von der in der Photosynthese gebildeten Glucose ab. Durch Umbau der Glucose können Aminosäuren,

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Biochemie I, Teil 1

Carbonsäuren, Nukleotide und Lipide entstehen, die dann oft Polymere in Form von Makromolekülen bilden können. Grundsätzlich bestehen alle Lebewesen aus den gleichen monomeren molekularen Untereinheiten wie Aminosäuren, Kohlenhydrate, Lipide und Nukleotiden. Erst die unterschiedlichen relativen Mengenverhältnisse und Zusammensetzungen ergeben die Vielfalt der Lebewesen. Damit sind biologische Systeme hierarchisch organisiert: Mikromoleküle Æ Makromoleküle Æ supramolekulare Assoziate Æ Zellen

Æ Gewebe Æ Organe Æ Organismen Mikromoleküle Makromoleküle Aminosäuren Proteine Aromatische Basen Nukleinsäuren Glucose Polysaccharide Tabelle 1: Mikro/Makro-Moleküle.

1.3. Zellen Zellen sind die Struktur- und Funktionseinheiten aller Lebewesen; während Mikroorganismen nur aus wenigen Zellen bestehen, besteht der menschliche Körper z.B. aus mehr als 1014 Zellen. Obwohl sich die Zellen in Größe, Funktion und Form oft stark unterscheiden, besitzen sie einige gemeinsame Strukturmerkmale. -

Plasmamembran: Umhüllung der Zelle, die den Zellinhalt von der Umgebung trennt.

-

Cytoplasma: Zellinhalt, der sich aus dem Cytosol (wässriger Inhalt) und anderen Partikeln bzw. Zellorganellen zusammensetzt.

-

Zellkern (Nucleoid): Trägt die genetische Information (Genom) in Form von DNA- Molekülen.

-

Ribosomen: Komplexe aus RNA und Proteinen, die zur Proteinsynthese (Translation) dienen.

-

Mitochondrien: Hauptenergielieferanten der tierischen Zellen; die Energie wird durch Oxidation frei und wird zur Bildung von ATP genutzt. Jedes Mitochondrium enthält eigene DNA, RNA und Ribosomen.

-

Chloroplasten: Pflanzliches Gegenstück zu den Mitochondrien, Energie wird unter Nutzung von Sonnenenergie gewonnen. Seite 6

Biochemie I, Teil 1 Prokaryoten-Zelle Eukaryoten-Zelle Größe < 10 µm > 10 µm Zellkern Keiner vorhanden Zell-Organellen Keine vorhanden Vermehrung Zweiteilung Mitose mit Spindel Zytoskelett Keines vorhanden Tabelle 2 : Prokaryoten- und Eukaryoten-Zellen.

Wasser Der Hauptbestandteil aller Lebewesen ist Wasser, der menschliche Körper besteht z.B. zu ca. 70-85% aus Wasser, wobei der relative Wassergehalt von Gewebe zu Gewebe sehr stark schwanken kann (z.B. im Zahnschmelz < 0.2% und im Glaskörper des Auges ca. 99%). Warum gerade Wasser derart wichtig für den Organismus ist, liegt auf der Hand: Wasser ist flüssig über einen hohen Temperaturbereich und hat eine hohe Wärmekapazität, was bedeutet, dass auch höhere Energiezufuhren nur geringe Temperaturschwankungen zur Folge haben. Wasser besitzt durch seine polare Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante: 80) die Fähigkeit, Hydrathüllen um Ionen auszubilden – so können Ionen gelöst werden. Hydrophobe Wechselwirkungen sind dafür verantwortlich, dass sich hydrophobe Moleküle in Wasser nebeneinander anordnen. Diese Wechselwirkungen sind keine Bindung im herkömmlichen Sinn, die Anziehung kommt durch die Abstoßung zu Wasser zustande. Wasser

kann

sehr

effektiv

Wasserstoffbrückenbindungen

ausbilden

(Bindungsenergie 21-42 kJ/mol) und besitzt die sogenannten „kolligativen“ Eigenschaften:

osmotischer

Druck,

Gefrierpunktserniedrigung

und

Siedepunktserhöhung Diffusion bedeutet, dass eine Lösung (Lösungsmittel und gelöster Stoff) durch eine Membran durchtreten kann. Bei der Osmose kann nur das Lösungsmittel durch die Membran diffundieren – dabei strömt es immer von der Seite mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen (z.B. Salze, Zucker, Proteine) zur Seite mit höherer

Konzentration,

um

das

Konzentrationsgefälle

auszugleichen.

Die

Membranen der meisten Zellen sind für Wasser durchlässig, für Biomoleküle hingegen undurchlässig. Aufgrund der Osmose kommt es zu einem Aus- bzw. Einströmen von Wasser, wenn die Zelle von hoher respektive niedriger Salzkonzentration umgeben ist, was zu einer Änderung des Zellvolumens führt. Seite 7

Biochemie I, Teil 1

1.4. Dissoziationsverhalten, pH-Wert, Pufferlösungen Säuren und Basen sind nach Brönstedt Substanzen, die in wässriger Lösung Protonen abgeben (Säuren) bzw. aufnehmen (Basen) können. Eine typische Reaktionsgleichung für die Dissoziation einer Säure wäre z.B.: HX + H 2 O ⇔ H 3O + + X −

Wie stark eine Säure oder Base ist, hängt von der jeweiligen Dissoziationskonstante (KS) ab, bei mehrprotonigen (mehrbasischen) Säuren existiert für jedes Proton ein eigener KS-Wert. Starke Säuren haben einen KS-Wert, der größer als 10-1 ist, schwache Säuren liegen darunter. Unter einem KS-Wert von 10-7 spricht man von einer Base. Der KS-Wert wird häufig in den pKS-Wert (pKS = -log KS) umgerechnet, da pKS-Werte handlicher sind und leichter verglichen werden können. Der Ks Wert errechnet sich aus der Dissoziationsgleichung: K s =

[ H 3O + ] ⋅ [ X − ] [HX ] ⋅ [H 2 O ]

Nachdem die molare Konzentration des Wassers mit 55 mol/l konstant ist, wird dieser Wert direkt in die Säurekonstante einberechnet, und es ergibt sich: Ks =

[ H 3O + ] ⋅ [ X − ] [ HX ]

Die Dissoziationskonstante Ks des Wassers errechnet sich wie folgt:

Ks =

[ H + ] ⋅ [OH − ] =1,8 ⋅10 −16 [H2 O]

K W = [H + ] ⋅ [OH − ] = 10 −14

Der Wert KW wird auch als das Ionenprodukt des Wassers bezeichnet. Die [H+]Konzentration beträgt 10-7 mol/l und entspricht daher dem pH = 7 (pH = -log[H+]). Die pH-Werte in Zellen, Geweben und Körperflüssigkeiten variieren stark.

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Biochemie I, Teil 1 Flüssigkeit pH-Wert (ca.) Magensaft 1.8 Urin 5.5 – 7.0 Speichel 6.5 – 7.5 Mitochondrien 6.6 Muskelzellen 7.0 Blut 7.4 Pankreassekret 8.0 Tabelle 3: pH-Werte von Körperflüssigkeiten.

Puffersysteme bilden sich, wenn eine schwache Säure (bzw. schwache Base) und ihre konjugierte Base (bzw. konjugierte Säure) vermischt werden. Im Organismus werden hauptsächlich schwache Säuren und deren Salze als Puffersysteme genutzt. Puffersysteme können pH-Werte konstant halten, da Puffer bei Säure- bzw. Basenzugabe in einem bestimmten Bereich ihren pH-Wert nur sehr geringfügig ändern. Die Henderson-Hasselbalch Gleichung verknüpft pH-Wert, pK-Wert und das Konzentrationsverhältnis der Säure und Base miteinander.

pH = pK + log

Aus

der

Henderson-Hasselbalch

[ konj. Base] [ Säure]

Gleichung

lassen

sich

einige

wichtige

Schlussfolgerungen ziehen: 1. Der pH-Wert eines Puffersystems wird nicht so sehr von der Konzentration der Säure oder der konjugierten Base beeinflusst, als viel mehr von deren Mengenverhältnis. 2. Wenn 2 Größen bekannt sind, kann die 3. Größe leicht errechnet werden. 3. Sind die Konzentrationen der Säure und konjugierten Base gleich groß, ergibt sich pH = pK, d.h. wenn die Säure zur Hälfte dissoziiert ist, kann der pK direkt aus dem pH-Wert bestimmt werden. Der optimale Pufferbereich eines Säure-konjugierten Basengemisches liegt bei jenem pH, der dem pK-Wert der Säure entspricht (pH = pK±1). Die Pufferkapazität gibt die quantitative Leistungsfähigkeit eines Puffersystems an (mmol Protonen, die bei Zugabe zum Puffersystem eine pH-Wert Änderung von 1 ergeben). Sie hängt primär von der Konzentration der beteiligten Partner ab. Seite 9

Biochemie I, Teil 1

Die wichtigsten Puffersysteme: Im Extrazellulärraum ist das Kohlendioxid/Bicarbonat-Puffersystem der wichtigste Puffer zur Konstanthaltung des pH-Wertes. Bei diesen offenen Puffersystemen ist ein Partner ein Gas. Die Blutkonzentrationen von [HCO3-] und [CO2] betragen 24 mM und 1.2 mM, respektive, wobei CO2 mit Kohlensäure über die Gleichung CO2 + H2O Æ H2CO3 verknüpft ist. Somit stellt CO2 eigentlich das Anhydrid der Kohlensäure dar. Das System CO2 / HCO3- Systems besitzt einen pK-Wert von 6.1 – im Extrazellulärraum liegt ein Verhältnis von 1:20 zugunsten der Base vor. Das sieht auf den ersten Blick zwar ungünstig aus, bei genauerer Betrachtung erkennt man aber die Vorteile: 1. Im Stoffwechsel entstehen primär Säuren, die abgepuffert werden müssen. 2. Das offene System kann durch unterschiedliche Atemfrequenz beeinflusst werden. Wie das genau funktioniert, wird im nächsten Kapitel betrachtet. Obwohl der CO2 / HCO3- Puffer das wichtigste Puffersystem im Blut darstellt (75% der Gesamtpufferkapazität), gibt es noch weitere Systeme,...