ATP-Synthese

Biochemie für Lehramtsstudierende
Inhalt
1. Einführung
2. Die Zelle
3. Aminosäuren
4. Peptide, Proteine, Enzyme
5. Kohlenhydrate (Sacharide)
6. Nukleinsäuren
7. Lipide
Literatur
1. W. Müller-Esterl, Biochemie – Eine Einführung für Mediziner und
Naturwissenschaftler, 2. Aufl., Spektrum-Verlag 2010
2. J. M. Berg, J. L. Tymoczko, L. Stryer, Stryer Biochemie, 7. Aufl.,
Spektrum-Verlag 2014
3. M. Königshoff, T. Brandenburger, Kurzlehrbuch Biochemie, 3. Aufl.,
Thieme-Verlg 2012
4. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter,
Molekularbiologie der Zelle, 5. Aufl., Wiley-VCH 2011
5. D. J. Voet, J. G. Voet, C. W. Pratt, Lehrbuch der Biochemie, 2. Aufl.,
Wiley-VCH 2010
Vorlesung:
Beginn: 17.10.2017 (nicht am 31.10.17 und am 02.01.18)
Klausur:
27. Februar 2018
Nachklausur:
20.März 2018
Voraussetzung:
bestandene OC01
Vorlesung wird im WS 17/18 zum letzten Mal angeboten; Prüfungen
auch danach!
1.
Einführung
Biochemie ist die Chemie des Lebens. Sie untersucht, wie
Lebewesen auf molekularer Ebene funktionieren.
1.1
Themengebiete der Biochemie
- Biomoleküle (Synthese, Bereitstellung, Wechselwirkung)
- Stoffwechsel, Bioenergetik, Biokatalysatoren
- Informationsaustausch in und zwischen Organismen
1.2
Wesentliche Stoffgruppen (Biomoleküle)
Proteine, Kohlenhydrate (nebst Derivaten), Lipide,
Nukleinsäuren
2.
Die Zelle
2.1
Die tierische Zelle
Aufbau einer tierischen Zelle
1. Nucleolus; 2. Zellkern; 3. Ribosomen; 4. Vesikel; 5. Rauhes Endoplasmatisches Retikulum;
6. Golgi-Apparat; 7. Mikrotubuli; 8. Glattes Endoplasmatisches Retikulum; 9. Mitochondrien;
10. Lysosomen; 11. Cytoplasma (Cytosol); 12. Peroxysomen; 13. Zentriolen
2.
Die Zelle
2.1
Die tierische Zelle
Zellkern: enthält Großteil des Erbmaterials
in Form von DNA (Bauplan der Zelle)
Mitochondrien: Kraftwerke der Zelle,
Ort der Energiegewinnung
Zellmembran / Cytoplasmamembran:
Hydrophobe Barriere um die Zelle,
bestehend aus Lipiddoppelschicht und
Membranproteinen
Ribosomen:
Komplexe, die Proteinsynthese
der Zelle durchführen
2.
Die Zelle
2.2
Die pflanzliche Zelle
→ im Wesentlichen ähnlicher Bau wie tierische Zelle
→ augenfälligste Unterscheide: Zellwand, Zellsaftvakuole, Chloroplasten
Chrloroplasten:
Ort der Photosynthese
Vakuole:
Stoffspeicherung und
Zellstabilisierung
Zellwand:
Zellstabilisierung
2.
Die Zelle
2.3
Die Bakterienzelle
→ deutlich unterschiedlicher Zellaufbau im Vergleich zu Tieren / Pflanzen
→ augenfälligste Unterscheide: kein Zellkern, keine Organellen
→ nahezu alle zellulären Prozesse im Cytoplasma
3.
Aminosäuren
3.1
Konstitution der Aminosäuren
In (fast) allen Aminosäuren, die für die Biochemie wichtig sind, ist ein zentrales CAtom mit einer Aminogruppe –NH2, mit einer Carboxylgruppe –COOH, mit einem
Wasserstoffatom –H und mit einer Seitenkette –R verknüpft.
Zur Erinnerung: Die Konstitution einer Substanz beschreibt nur die Verknüpfungsverhältnisse zwischen
den Atomen, ohne auf die räumliche Struktur einzugehen.
NH2
R C COOH
Allgemeine Konstitutionsformel für Aminosäuren
H
-> α – Aminosäuren: Aminogruppe in α – Stellung zur Carboxylgruppe
Alle bekannten Aminosäuren unterscheiden sich in der Seitenkette R. R kann ein
Alkylrest sein, ein Arylrest oder ein Heterocyclus.
In der Natur kommen ca. 20 verschiedene Aminosäuren extrem häufig vor (nämlich
die Protein-bildenden), weitere 10 sind eher selten, spielen aber in gewissen
Bereichen der Biochemie eine große Rolle.
3.2
Konfiguration der Aminosäuren
Alle Aminosäuren können prinzipiell in zwei verschiedenen Konfigurationen vorkommen:
COOH
H2N H
=
C
COOH
R
H
C
NH2
H2N H
=
C
Fischer-Projektion
Keil-Strich-Formel
D-Aminosäure
=
C
R
COOH
CIP: R-Aminosäure
COOH
H NH2
H2N
COOH
R
R
C
H
R
Fischer-Projektion
L-Aminosäure
H NH2
=
C
R
COOH
Keil-Strich-Formel
CIP: S-Aminosäure
Zur Erinnerung: Die Konfiguration einer Substanz beschreibt die räumliche Anordnung der Atome im Molekül.
Eine Substanz ist chiral, wenn die Moleküle keine Spiegelebene und keine Inversionszentren besitzen.
Fischer - Projektion
- Methode zur eindeutigen 2-dimensionalen Darstellung chiraler Verbindungen
- Chiralität: Eigenschaft eines Objektes, keine Drehspiegelachse zu besitzen
- Beispiel: C – Atom mit vier verschiedenen Substituenten:
NH2
R C COOH
H
Stereozentrum (Chiralitätszentrum)
-Regeln der Fischer-Projektion:
- Kette von C-Atomen von oben nach unten zeichnen, dabei das am
stärksten oxidierte C-Atom nach oben
- Horizontale Linien zeigen aus der Projektionsebene
- Vertikale Linien laufen hinter die Projetionsebene, vom Betrachter weg
Fischer - Projektion
z.B. Glyzerinaldehyd:
L-Enantiomer: (L für laevus, links)
funtionelle Gruppe mit höherer Priorität (hier –OH) im untersten Stereozentrum
zeigt nach links
D-Enantiomer: (D für dexter, rechts)
funtionelle Gruppe mit höherer Priorität (hier –OH) im untersten Stereozentrum
zeigt nach rechts
Fischer - Projektion
z.B. Glyzerinaldehyd:
Vorsicht: aus den Bezeichnungen L und D kann NICHT auf die Eigenschaften
rechtsdrehend bzw. linksdrehend geschlossen werden!
Die Begriffe rechtsdrehend und linksdrehend beziehen sich auf die Änderung
der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht und wird mit (+) bzw. (-)
gekennzeichnet:
a) L-(-) –Glyzerinaldehyd und D-(+)-Glyzerinaldehyd
b) L-(+)-Weinsäure und D-(-) Weinsäure
D-(-)-Weinsäure
3.3
Übersicht über die wichtigsten Aminosäuren
Aminosäuren mit Alkylseitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
H
Glycin Gly
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
H
Alanin Ala
Valin Val
Leucin Leu
Isoleucin Ile
Aminosäuren mit Arylseitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
HO
Phenylalanin Phe
Tyrosin Tyr
D oder L?
Aminosäuren mit heterocyclischen Seitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
H N
COOH
H N
COOH
H N
OH
N
COOH
H2N
H
N
H
Histidin His
Prolin Pro
Hydroxyprolin
Tryptophan Trp
Aminosäuren mit OH in der Seitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
HO
Serin Ser
COOH
H2N
H
H
OH
Threonin Thr
Aminosäuren mit Schwefel in der Seitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
HS
COOH
H2N
H
S
S
H
Cystein Cys
COOH
H2N
H
SCH3
NH2
COOH
Cystin
Methionin Met
Aminosäuren mit Stickstoff in der Seitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
H
NH2
Lysin Lys
H
N
N
NH2
Arginin Arg
Aminosäuren mit Carboxylgruppen in der Seitenkette (in der Fischer-Projektion)
COOH
H2N
H
HOOC
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
COOH
H2N
H
H2NOC
HOOC
Asparaginsäure Asp Asparagin Asn
H2NOC
Glutaminsäure Glu Glutamin Gln
Essentielle Aminosäuren sind Aminosäuren, die der Mensch nicht selbst erzeugen
kann. Diese müssen unbedingt mit der Nahrung in ausreichender Menge
aufgenommen werden, um Mangelerscheinungen vorzubeugen.
Arg, His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val
Neben den ca. 20 sehr häufig vorkommenden Aminosäuren gibt es noch über 100
sehr viel seltener vorkommende Aminosäuren, die oft in verschiedensten Lebewesen ganz spezielle Aufgaben übernehmen.
3.4
Säure-Base-Eigenschaften von Aminosäuren
Das ideale Lösungsmittel lebender Organismen ist Wasser. Aminosäuren lösen sich
gut in Wasser, in dem sie als Zwitterionen vorliegen:
Die protonierte Aminogruppe kann hier als Säure (Protonendonator), die
Carboxalatgruppe als Base (Protonenakzeptor) dienen.
Die Ladungsverhältnisse in einem Aminosäuremolekül hängen vom
pH-Wert ab:
Kation
Zugabe Säure
Neutrales Molekül
Anion
Zugabe Base
Isoelektrischer Punkt:
= pH-Wert, bei dem gleich viele Säuregruppen negativ, wie Aminogruppen
positiv geladen sind
- jede Aminosäure hat einen charakteristischen isoelektrischen Punkt
Beispiel Glycin:
Abhängigkeit der Nettoladung vom pH-Wert
Isoelektrische Punkt
pI oder pHI :
znetto = 0
pI = ½(pK1+pK2)
Glycin: pI = 5,97; d.h. bei pH 5,97 wandert die Aminosäure Glycin nicht in
einem elektrischen Feld.
Säure-Base-Verhalten bei proteinogenen Aminosäuren:
Im Protein interessiert im Wesentlichen das Säure-Base-Verhalten des Restes R
Im Protein Peptidbindung
zur nächsten AS
Im Protein Peptidbindung
zur nächsten AS
„freier“ Rest R
z.B. Tetrapeptid Ala – Ser – Gly - Leu
R1
R3
R2
R4
Über pKS-Werte (oft kurz pK-Wert) kann der Säure-Base-Charakter der funktionellen
Gruppen von Aminosäuren charakterisiert werden.
Der pK-Wert ist der pH-Wert, bei dem eine titrierbare funktionelle Gruppe in gleichen
Teilen protoniert und deprotoniert vorkommt.
z.B. L-Glutaminsäure:
pKR 4,25
pK1 2,19
pK2 9,67
3.5
Nicht-proteinogene Aminosäuren
= Aminosäuren, die nicht im Zuge der Translation in Proteine eingebaut werden
- diese Aminosäuren besitzen keinen DNA-Code
a) Bildung durch posttranslationale Modifikation:
z.B. L-Cystin
-> wichtiger Bestandteil des Keratin (Faserproteine, aus denen Haare, Horn, Hufe...
gebildet werden
b) Nicht-proteinogene Aminosäuren mit Stoffwechselfunktion
z.B. das Schilddrüsenhormon L-Thyroxin
Bei den nicht-proteinogenen Aminisäuren kommen auch D-Aminosäuren vor,
z.B. β-Alanin (Abbauprodukt von Nukleinsäuren):
3.6
Biosynthese von Aminosäuren
Zur Biosynthese von Aminosäuren wird Sticksoff benötigt, der in der Luft zwar
reichlich vorhanden ist, aber:
•
Nur wenige Lebewesen, z.B. Knöllchenbakterien bei Erbsen, sind in der
Lage, N2 aus der Luft in NH3 umzuwandeln (108 t/a (!)).
NADH +H+ + ATP + H2O
N N
NH3
–NAD+ – ADP – P
Tiere und Pflanzen können Stickstoff nur in reduzierter oder oxidierter Form
verwerten, z.B. NH4+, NO3-, NO2-, organische N-Verbindungen.
Pflanzen können alle proteinogenen Aminosäuren selbst synthestisieren,
Tiere nur die nicht-essentiellen
•
Die zentrale Rolle bei der Biosynthese von Aminosäuren spielen Glutaminsäure Glu und Glutamin Gln.
O
HOOC
NH3
COOH
α-Ketoglutarsäure
(aus Citratcyclus)
– H2O
H+ +H–
NH
HOOC
COOH
Glutamat-Dehydrogenase +NADPH
HOOC
COOH
– H2O
COOH
L-Glutaminsäure
NH4+ aus
Harnstoffzyklus
-> Entgiftung
NH3
NH2
HOOC
NH2
NH2
H2NOC
L-Glutaminsäure
Glutamin-Synthase +ATP
COOH
L-Glutamin
•
Pflanzen können alle Aminosäuren aus den entsprechenden Vorstufen und
NH3 aufbauen.
•
Alle nicht-essentiellen Aminosäuren baut der tierische Organismus mit Hilfe
von Glutaminsäure und Glutamin als NH3-Quelle entsprechend den
aus Glykolyse angegebenen mechanistischen Details auf.
aus Citrat-Cyclus
O
O
COOH
Brenztraubensäure
HOOC
OH
O
COOH
Oxalessigsäure
HOOC
COOH
Ketoglutarsäure
(Pyruvat)
(HO)2P(O)O
COOH
Glycerinsäure-3-Phosphat
(3-Phosphoglycerat)
aus Glykolyse
NH2
Valin
COOH
NH2
NH2
HOOC
COOH
HOOC
COOH
NH2
HO
COOH
Leucin
Alanin
Asparaginsäure
Lysin
Cystein
Methionin
Isoleucin
Threonin
CONH2
Asparagin
Phenylalanin
Tyrosin
Serin
Glutaminsäure
NH2
HOOC
Tryptophan
NH2
HOOC
Glutamin
CONH2
H2N
COOH
Glycin
Arginin
Prolin
Sehr gute Beschreibung: McMurry et al., „Organische Chemie der biologischen Stoffwechselwege“, Kap. 5.
3.7
Funktion von Aminosäuren
•
Bausteine für Proteine (aus AS aufgebaute Polymere)
•
Neurotransmitter (dienen der Reizleitung an Synapsen; z.B. Glutaminsäure)
•
Vorstufen für die Synthese von Nukleinbasen (Bausteine v. DNA und RNA)
•
Vorstufen für die Synthese von Polyaminen wie Spermidin
(dienen häufig der Stabilisierung von Nukleinsäuren)
•
Vorstufen für die Synthese von Glutathion
(dient als Redox-Puffer, Cystein-Speicher und zur Entgiftung)
•
Vorstufe für die Synthese von Kreatin (Energieversorgung v. Muskeln)
•
Vorstufe für die Synthese von Porphyrinen (z.B. Chlorophyll, Häm)
•
Vorstufe für die Synthese von Alkaloiden
•
Vorstufe für die Synthese von N-haltigen sekundären Naturstoffen
Spermidin
Glutathion
Kreatin
4.
Peptide, Proteine, Enzyme
4.1
Peptidbindung und Peptide
•
Zwei Aminosäuren können prinzipiell unter Wasserabspaltung miteinander
reagieren.
H
H
N
O
R
O
1
H
H
H
N
O
O
R
2
H
H
H
N
– H2O
R2
O
R
N
H
1
O
H
O
Amidbindung = Peptidbindung
•
Die neu geknüpfte Bindung nennt man Amidbindung oder (eher in der
Biochemie) Peptidbindung.
•
Die neu entstandene Verbindung aus zwei Aminosäuren nennt man
Dipeptid.
H
H
N
R2
O
R1
N
H
H
N
O
Tripeptid
O
O
R3
H
H
H
N
R2
O
R1
N
H
H
N
O
R4
O
R3
N
H
Tetrapeptid
O
O
H
Allgemein:
H
H
N
Ri
O
R1
N
H
H
N
O
O
H
i = 2, 3, …, n
Rn+2
O
n
N-Terminus
C-Terminus
•
n = 0,…,7 : Oligopeptide
•
n = 8,…,98 : Polypeptide
•
n > 98 : Proteine
•
Enzyme = Proteine, die als Katalysatoren für biochemische Reaktionen
wirken
Peptide: (von ‚peptos‘, verdaut)
- Organische Verbindung, bei der bis zu 100 Aminosäuren über
Peptidbindungen meist linear zu einer Kette verbunden sind
- In der Regel α-Peptidbindung wie in Proteinen: Verknüpfung von LAminosäuren über α-Amino- und α-Carboxylgruppe
- Ausnahmen: z.B. Peptide mit ω-Peptidbindung: Verknüpfung über
endständige Amino- bzw. Carboxalgruppen, z.B. mit
L-Lysin
oder
L-Glutaminsäure
Peptide: (von ‚peptos‘, verdaut)
ω-Peptidbindung
z.B. Gluthation:
α -Peptidbindung
= Pseudo-Tripeptid aus L-Glutaminsäure, L-Cystein und Glycin
(u.a. entgiftendes Antioxodans; Cystein-Reserve)
Peptid-Synthese
a)Ribosomale Synthese an Ribosomen (-> Proteinsynthese)
- auf der Basis eines genetischen Codes
werde L-Aminosäuren durch
α-Peptidbindungen verknüpft
Peptid-Synthese
b)
Nichtribosomale Synthese mittels Enzymen
- manche Peptide werden nicht mittels Ribosomen, sondern über
enzymatisch katalysierte Reaktionen synthetisiert
- auf diesem Weg können auch D-Aminosäuren eingebaut werden,
ω-Peptidbindungen geknüpft werden oder cyclische Peptide
synthetisiert werden
- z.B. Gluthationsynthese über die Enzyme Glutamatcysteinligase und
Glutationsynthase
Cyclische Peptide, Cyclopeptide
-ringförmige Peptide
-chemisch sind sie Lactame (cyclische Amide)
-oft stabiler gegen Hitze und enzymatischen Abbau als lineare Peptide
-z.B. Amanitine im Knollenblätterpilz:
4.2
Proteine – Synthese und Struktur
Allgemeines:
- Proteine (Eiweißstoffe) sind aus Aminosäuren aufgebaute biologische Makromoleküle
- die meisten Proteine (proteios – grundlegend) bestehen aus 100-300 L-Aminosäuren
- größtes Protein beim Mensch: Muskelprotein Connectin, über 30.000 AS
- die molekulare Größe von Proteinen wird meist in Kilodalton (kDa) angegeben:
Atomare Masseneinheit:
1 Da = 1 u = 1/12 der Masse eines 12C-Atoms
z.B. Connectin: 3600 kDa
pro Aminosäure rechnet man im Schnitt mit 110 Da
2.2.2.
Proteine – Synthese und Struktur
Proteinbiosynthese:
- wird später ausführlich dargestellt
- für alle Lebewesen der zentrale Prozess der Genexpression:
DNA
Transkription
im Zellkern
mRNA
Translation
Protein
im Cytoplasma
Modifikation
‚reifes‘ Protein
4.2
Proteine – Synthese und Struktur
Proteinbiosynthese:
- die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein wird durch den genetischen Code
der DNA festgelegt
- die Basenfolge der DNA wird in zwei Schritten in eine Folge von Aminosäuren
übersetzt
- je drei aufeinanderfolgende Basen kodieren eine Aminosäure:
4.2
Proteine – Synthese und Struktur
Proteinstruktur
•
Um die Struktur von Peptiden, Proteinen und Enzymen zu bestimmen, muss
man vier verschiedene Fragen beantworten:
a) in welcher Reihenfolge liegen die Aminosäuren im Protein vor?
Aminosäuresequenz = Primästruktur
b) welche Konformation (räumliche Anordnung drehbarer Bindungen) nimmt
die Aminosäurekette an (z.B. auf Grund von Wasserstoffbrückenbindungen
zwischen einzelnen Aminosäuren)
Konformation der Aminosäurekette = Sekundärstruktur
c) welche Faltung nimmt die Aminosäurekette an (z.B. auf Grund von
Disulfidbrücken zwischen Cystein-Molekülen innerhalb der Kette)?
Faltung der Aminosäurekette = Tertiärstruktur
d) Lagern sich mehrere Aminosäureketten zu einem größeren
Proteinkomplex zusammen?
Proteinkomplex aus mehreren Proteinen = Quartärstruktur
a) Primärstruktur von Proteinen
- als Primärstruktur von Proteinen bezeichnet man die Abfolge (Sequenz) der
einzelnen Aminosäuren in der Polypeptidkette
-> Aminosäuresequenz
- vereinbarungsgemäß schreibt man die Aminosäuresequenz beginnend mit
dem N-Terminus (freie α–Aminogruppe) und endend mit dem C-Terminus
(freie α–Carboxylgruppe), z.B.
C-Terminus
N-Terminus
Drei-Buchstaben-Code:
Val -
Ein-Buchstaben-Code:
V
Gly - Ser
G
S
- Ala
A
Aufklärung der Primärstruktur von Proteinen:
Die Aufklärung der Primärstruktur (Sequenzanalyse) wird in mehreren
Schritten durchgeführt.
i) Totalhydrolyse des Proteins in einzelne Aminosäuren und qualitative und
quantitative Analyse des erhaltenen Aminosäuregemisches.
Beispiel: Menschliches Insulin
HCl konz.
Insulin
120 °C / 6 h
Gly
Ile
Val
Glu
Gln
Cys
Ser
4
2
4
4
3
6
3
Leu
Tyr
Asn
Phe
His
Ala
Arg
Thr
Pro
Lys
6
4
3
3
2
1
1
3
1
1
Man kennt nun die qualitative und quantitative Zusammensetzung von
Insulin (51 Aminosäuren), kann aber noch nichts über die Reihenfolge der
Aminosäuren aussagen.
ii) Sequenzanalyse durch Edmann-Abbau (erfolgt immer vom N-Terminus)
(≠ Thiocyanat, R-S-C≡N)
R1
H
N
H2N
O
N C S
O
Phenylisothiocyanat
R
2
R1
S
N
H
pH 8
N
H
H
N
O
O
R2
Thioamid
N
Cyclisierung
S
H N
O
R
N C S
O
R2
1
HCl
...
H2N
S
pH 8
N
H N
O
R1
Analyse,
z.B. mittels
HPLC
(Flüssigchromat.)
Phenylthiohydantoin der Aminosäure 1
- Edmann-Abbau: Sequenzierung von 20-50 Aminosäuren
- bei längeren Ketten Fehler durch unerwünschte Proteolyse und
zu starker Hintergrund durch vorherige Abbauprodukte
- Lösung: Zerlegung der Proteine durch enzymatische Spaltung:
Enzym
Spaltung bei
Trypsin
Lys, Arg, C-Terminus
Chymotrypsin
Phe, Trp, Tyr, C-Terminus
Pepsin
Asp, Glu, Leu, Phe, Trp, Tyr, C-Terminus
Thermolysin
Leu, Ile, Val, N-Terminus
- jetzt können die Bruchstücke im Idealfall komplett sequenziert werde
- bei Verwendung mehrerer Spaltenzyme können Bruchstücke mit
überlappender Sequenz erhalten werden
-> Reihenfolge der Bruchstücke ist ermittelbar
- z.B. Spaltung von Insulin mit Chymotrypsin und Thermolysin:
Spaltung von Insulin mit Thermolysin ergibt folgende Bruchstücke:
Gly
Ile
Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser
Ile-Cys-Ser
Leu-Tyr-Gln
Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
Phe
Val-Asn-Glu-His
Leu-Cys-Gly-Ser-His
Leu
Val-Glu-Ala
Leu-Tyr
Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Cys-Thr
Spaltung von Insulin mit Chymotrypsin ergibt folgende Bruchstücke:
Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr
Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr
Cys-Asn
Phe
Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr
Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr
Thr-Pro-Lys-Thr
Der erste Schritt beim Edmann-Abbau von Insulin liefert 2 Thiohydantoine, nämlich das
von Glycin und das von Phenylalanin. Also besteht Insulin aus 2 miteinander verknüpften
Aminosäureketten.
Durch Überlagern der einzelnen Bruchstücke erhält man schließlich die Primärstruktur von
Insulin.
Primärstruktur von Insulin
Der erste Schritt beim Edmann-Abbau von Insulin liefert 2 Thiohydantoine, nämlich das
von Glycin und das von Phenylalanin. Also besteht Insulin aus 2 miteinander verknüpften
Aminosäureketten.
Durch Überlagern der einzelnen Bruchstücke erhält man schließlich die Primärstruktur von
Insulin:
b) Sekundärstruktur von Proteinen
- generell bezeichnet man als Sekundärstrukturen regelmäßige lokale
Strukturelemente
- die Sekundärstruktur von Proteinen ist durch die Primärstruktur vorgegeben
(-> theoretisch aus Aminosäuresequenz vorhersagbar)
- im Wesentlichen werden Sekundärstrukturen von Proteinen durch
Wasserstoffbrücken zwischen CO- und NH-Gruppen des Peptidrückgrates
gebildet, die die Konformation maßgeblich beeinflussen:
(anziehende Wechselwirkung zwischen dem kovalent gebundenen H der
NH-Gruppe und einem freien Elekronenpaar der CO-Gruppe)
Sekundäre Strukturelemente von Proteinen:
-
α-Helix (häufig, s.u.)
-
π-Helix (sehr selten, 4,4 Aminosäuren pro Windung)
-
310-Helix (3 Aminosäuren pro Drehung, Ring aus 10 Bindungen inkl. HBrücken, oft an Enden von α-Helices)
-
linksgängige α-Kette (Kollagene, <-> rechtsgängige α-Helix )
-
β-Faltblatt (häufig, s.u.)
-
β-Schleife (häufig, s.u.)
-
Random Coil (keine definierte Sekundärstruktur)
Jede Sekundärstruktur weist ihre typischen H-Brücken auf, z.B. diverse Helices:
i)
α-Helix
- häufige, sehr stabile Sekundärstruktur bei Proteinen
- rechtsgängig gedrehte Spirale
- im Schnitt 3,6 Aminosäuren pro Windung
- H-Brückenbindung zwischen CO-Sauerstoff der
n. und dem Amidproton der n+4. Aminosäure:
- sehr dehnbar
- typisch für Faserproteine (Haare, Muskelfasern)
- aber auch bei löslichen, globulären Proteinen
ii)
-Faltblatt
-Faltblätter bestehen aus parallelen bzw. antiparallelen Peptidketten
- diese sind über H-Brücken miteinander verknüpft
- die 3-dimensionale Struktur erinnert an ein gefaltetes Blatt:
2 antiparallele Peptidketten
im Faltblatt
-die Seitenketten sorgen für eine Zieharmonika-ähnlichen Aufbau der Peptidketten
-sehr starre, stabile Struktur
- z.B. bei Naturseide (Glanz durch Lichtreflexion an den mehrfachen Schichten)
iii)
-Schleifen
- β-Schleifen bestehen aus 4 Aminosäuren
- H-Brücke zwischen 1. und 4. Aminosäure der Schleife
- ermöglicht Richtungswechsel in Peptidketten
- häufig als Verbindung der parrallelen/antiparallelen Ketten in β-Faltblatt-Strukturen
Typ 2: meist R3 = H -> AS 3 = Glycin
Vorhersage und Bestimmung von Sekundärstrukturen (Proteine, Peptide)
- insbesondere α-Helices lassen sich recht gut vorhersagen
- aus Strukturanalysen ist bekannt, welche Aminosäuren eher in α-Helices
vorkommen und welche diese verhindern (sterische Gründe, hydrophobe oder
hydrophile Wechselwirkungen der Reste)
- Bestimmung von Sekundärstrukturen z.B. durch Röntgenstrukturanalyse
von kristallisierten Proteinen
c) Tertiärstruktur von Proteinen
- die Tertiärstruktur eines Proteins spiegelt den übergeordneten räumlichen Aufbau
in der Regel einer Peptidkette wider
- die Tertiärstruktur beschreibt die Abfolge von Elementen der Sekundärstruktur:
Tertiärstruktur von Insulin
- die räumliche Struktur ist für die Funktion von Proteinen wesentlich
- die Struktur wird v.a. durch hydrophobe / hydrophile Wechselwirkungen bestimmt
- stabilisiert wird die Tertiärstruktur zusätzlich durch Disulfidbrücken, Ionenbindungen
und H-Brückenbindungen
d) Quartärstruktur von Proteinen
- mehrere Polypeptidketten oder Proteine können sich zu Komplexen
zusammenlagern
- man spricht dann von der Quartärstruktur der Proteine:
- der Komplex setzt sich aus den Untereinheiten zusammen
- die Untereinheiten können durch hydrophobe Wechselwirkungen,
Ionenbindungen, H-Brücken, Disulfidbrücken, ... zusammengehalten werden
Struktur von Proteinen: Überblick
Primärstruktur
Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur
hier: links β-Faltblatt, recht α-Helix
Tertiärstruktur
räumlicher Aufbau eines Proteins /
einer Polypeptidkette
Quartärstruktur
mehrere Proteine / Polypeptidketten
bilden einen Komplex aus Untereinheiten
4.3
Einteilung von Proteinen
a) nach der äußeren Form:
i) Globuläre Proteine
- annähernd kugelförmige Tertiär- bzw. Quartärstruktur
- in der Regel gut löslich in Wasser oder Salzlösungen
(polare Gruppen nach innen gerichtet, unpolare
nach außen)
Albumin (globulär,
vermittelt Löslichkeit, z.B.
bei Fettsäuren)
- z.B. Transportproteinen, Albumin
ii) Fibrilläre Proteine
- fadenförmige oder faserige Struktur
- oft unlöslich
- meist mit Stütz- oder Gerüstfunktion
- z.B. Keratine (Haare, Nägel); Kollagen (Bindegewebe)
Kollagen (fibrillär, stabilisiert
Bindegewebe, zugfest wg. helicaler Struktur)
b) nach der Funktion:
i) Schutzfunktion
- Toxine, z.B. zur Lähmung von Beutetieren (Schlangengifte, Botox...)
- Antikörper zur Abwehr von Mikroorganismen und Fremdstoffen
ii) Struktur und Bewegung
- hier viele fibrilläre Proteine
- Kollagene stabilisieren Zellen bzw. Gewebe
- Myosine und Aktine unterstützen die Muskelfunktion
- Keratine ermöglicht Strukturen wie Haare, Nägel, Hufe, Federn,...
- Seidenfäden bei Spinnen und Insekten
iii) Metabolismus (Stoffwechsel), Transport, Signale
- Enzyme als Biokatalysatoren
- Ionenkanäle ermöglichen den Ionentransport durch Membranen
- Transportproteine zum Transport wichtiger Stoffe (Hämoglobin für O2,
Transferrin für Fe)
zu iii) Metabolismus (Stoffwechsel), Transport, Signale
- Membranrezeptoren, wichtig für Signalleitung (z.B. an Synapsen)
- Hormone, steuern Prozesse im Organismus über gewisse Entfernungen
- Blutgerinnungsfaktoren, verhindern größeren Blutverlust bei Verletzung
iv) Reservestoff
- Proteine dienen als Energielieferanten im Hungerzustand
Beispiele:
Botulinum-Toxin des Bakteriums Clostridium botulinum verhindert die Freisetzung von Neurotransmittern
an Synapsen von Nervenzellen
Beispiele:
Hämoglobin dient dem Sauerstofftransport
im Blut
Prosthetische Gruppe Häm
Insulin, Proteohormon der
Bauchspeicheldrüse (links als Monomer, rechts als Hexamer)
4.4
Enzyme
•
Enzyme sind Biokatalysatoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit von vielen
Reaktionen im Körper auf das 1015-fache im Vergleich zu nicht katalysierten
Reaktionen erhöhen.
- Problematik: im Organismus muss eine Vielzahl von chem. Reaktionen bei
bestimmter Temperatur (Mensch i.d.R. 37 °C) und bestimmten pH-Wert (Blut: 7,4)
ablaufen -> Notwendigkeit von Katalysatoren
Katalysator:
- Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer
chemischen Reaktion durch
Absenkung der Aktivierungsenergie erhöht,
selbst aber nach der Reaktion unverändert
bleibt.
- Enzyme sind in der Regel Proteine, sehr selten RNA
- Enzyme beschleunigen biochemische Reaktionen durch Herabsetzen der
Aktivierungsenergie
- dies geschieht durch Stabilisierung von Übergangszuständen durch nichtkovalente Wechselwirkungen
- biochemische Reaktionen laufen ohne Katalyse i.d.R. spontan (ΔG<0), aber
vernachlässigbar langsam ab
Nomenklatur von Enzymen
- Enzymnamen enden auf –ase (Ausnahmen: Enzymkomplexe)
- der Enzymname soll die katalysierte Reaktion beschreiben
- der Enzymname soll die Enzymklasse enthalten
z.B. Acetylcholinesterase
(katalysiert die Hydrolyse einer Esterbindung des Acetylcholins)
Acetylcholin
Klassifikation von Enzymen
i) Oxidoreduktasen
Redoxreaktionen
ii) Transferasen
Übertragung funktioneller Gruppen
iii) Hydrolasen
Bindungsspaltung mittels Wasser
iv) Lyasen
Spaltung oder Synthese komplexer
Verbindungen ohne ATP
v) Isomerasen
vi) Ligasen/Synthetasen
Umwandlung chemischer Isomere
Additionsreaktionen mit i.d.R. ATP
zu i) Oxidoreduktasen
- katalysierter Reaktionstyp:
A- + B → A + B-
(Redoxreaktionen)
- ‚Oxidasen‘; ‚Reduktasen‘, ‚Dehydrogenasen‘
- z.B. Alkohol-Metabolismus:
R – CH2OH
Alkohol-Dehydrogenase
R – CHO
NAD+
NADH + H+
Aldehyd-Dehydrogenase
H2O + NAD+
R – COOH
NADH + H+
- NAD+: Nicotinamidadenindinukleotid
- an vielen Redox-Reaktionen beteiligtes Coenzym
- überträgt formal Hydrid-Ionen
NAD+
zu ii) Transferasen
- katalysierter Reaktionstyp:
A-X + B → A + B-X
(Übertragung funktioneller Gruppen)
- Spezialfall Kinasen: übertragen Phosphatreste
(bedeutend u.a. für Energiestoffwechsel)
- z.B. Hexokinasen: phosphorylieren Zucker mit 6 C-Atomen
(z.B. Glucose im Zuge der Glykolyse)
zu iii) Hydrolasen
- katalysierter Reaktionstyp:
A-B + H2O ⇌ A-H + B-OH
(Bindungsspaltung mittels Wasser)
- spalten z.B. Ester, Ether, Peptide, Glycoside, Säureanhydride reversibel
- entsprechend gibt es Esterasen, Peptidasen, Nukleasen, Glycosidasen,....
- z.B. Aminopeptidasen:
(spalten einzelne Aminosäuren vom N-Terminus eines Proteins / Peptids ab)
Val – Gly – Ser - Ala
L-Valin + Gly – Ser - Ala
zu iv) Lyasen
- katalysierter Reaktionstyp:
A-B → A + B
(Nicht-hydrolytische Spaltung ohne ATP)
- Spaltung meist unter Bildung von Doppelbindungen oder Lösen einer Ringstruktur
- Synthasen sind Lyasen, die Kondensationsreaktionen katalysieren
(nicht mit Synthetasen verwechseln, die zu den Ligasen gehören!)
- z.B. Fructose-1,6-bisphosphataldolase (Aldolase, ALD):
(wichtiges Enzym der Glykolyse)
Dihydroxyacetonphosphat
Fructose-1,6-bisphosphat
Glycerinaldehyd-3-phosphat
zu v) Isomerasen
- Umwandlung chemischer Isomere ineinander
- Isomere: unterschiedliche Konfiguration oder Strukturformel bei gleicher
Summenformel
- z.B. Glucose-6-phosphat-Isomerase:
(wichtiges Enzym der Glykolyse)
⇌
Glucose-6-phosphat-Isomerase
Glucose-6-phosphat
Fructose-6-phosphat
zu vi) Ligasen/Synthetasen
- katalysierter Reaktionstyp:
oder
M1 + M2 + NTP → M1-M2 + NDP + P
M1 + M2 + NTP → M1-M2 + NMP + 2P
- NTP = Nukleosidtriphosphat (z.B. ATP) als Energielieferant
- kovalente Verknüpfung zweier Moleküle unter NTP-Verbrauch
- Synthetasen: Untergruppe, die stets ATP verbraucht
- besondere Bedeutung: DNA-Ligasen (verknüpfen DNA-Stränge)
- z.B. Aminoacyl-tRNA-Synthetase:
(bindet Aminosäuren an tRNA für die anschließende
Translation)
tRNA + Aminosäure + ATP
→ tRNA-Aminosäure + AMP + Pyrophosphat
Aufbau von Enzymen
- fast immer Proteine aus einer (Monomere) oder mehreren (Oligomere)
Untereinheiten (selten RNA-Enzyme = Ribozyme)
- Enzyme können sich zu Enzymkomplexen zusammenlagern
- die eigentliche Katalyse findet am aktiven Zentrum statt
a) Reine Protein-Enzyme
- bestehen ausschließlich aus Protein
b) Holoenzyme
- bestehen aus einem Proteinanteil (Apoenzym) und einem Cofaktor
(niedermolekular; kein Protein)
- Cofaktoren sind für die Enzymfunktion unerlässlich
- organische Cofaktoren nennt man Coenzyme
- Cofaktor kovalent an Enzym gebunden: prosthetische Gruppe (z.B. Häm)
- Cofaktor nicht kovalent an Enzym gebunden: Cosubstrat (z.B. ATP, NAD+)
Aufbau von Enzymen
Hämoglobin dient dem Sauerstofftransport
im Blut
Prosthetische Gruppe Häm,
kovalent an Hämoglobin gebunden
Cosubstrat NAD+/NADH
(Nicotinamidadenindinukleotid)
- nicht kovalent an Enzym gebunden
- häufig an Redox-Reaktionen mit
[H]-Übertragung beteiligt
Funktionsweise von Enzymen
- Enzyme fungieren als Biokatalysatoren
→ biochemische Reaktionen werden durch Herabsetzen der Aktivierungsenergie
beschleunigt
- die Edukte (Substrate) werden am aktiven Zentrum des Enzyms gebunden
- es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex
- nach Umwandlung des Substrates werden die Produkte freigesetzt
- das Enzym liegt nach der Reaktion wieder in der ursprünglichen Form vor
- Enzyme besitzen eine
hohe Substrat- und Reaktionsspezifität
Enzyme stabilisieren durch nicht-kovalente
Wechselwirkungen Übergangszustände und
senken dadurch die Aktivierungsenergie.
Die Lage des Chemischen Gleichgewichts wird
nicht verändert, es stellt sich lediglich schneller
ein.
Das aktive Zentrum
- die Substrat-Spezifität des aktiven Zentrums beruht auf dem
Schlüssel-Schloss-Prinzip:
- räumliche Struktur von katalytischem Zentrum und Substrat sowie oberflächlich
mögliche Wechselwirkungen führen zur Ausbildung eines Enzym-SubstratKomplexes
- Wechselwirkungen: elektrostatisch; Hydrophobe WW; H-Brücken;
auch vorübergehende kovalente Bindungen
•
Funktionsweise von Enzymen am Beispiel von Chymotrypsin (Peptidase)
nukleophiler Angriff
Chymotrypson
schneidet bevorzugt
an Carboxyl-Gruppen
aromatischer AS
stabilisierende H-Brücke
Histidin als Base
nukleophiler Angriff
Enzymkinetik
- zentrale Größe: Reaktionsgeschwindigkeit (umgesetzte Substratmenge / Zeit)
- Reaktionsgeschwindigkeit hängt ab von Temperatur, Salzkonzentrationen,
pH-Wert, Aktivatoren, Inhibitoren, Substrat-, Produkt- und Enzymkonzentration
- Enzymaktivität: Maß dafür, wieviel aktives Enzym in einer Probe vorhanden ist:
1 U (Unit) = 1 μmol / min
→ Menge an Enzym, die unter definierten Bedingungen in einer Minute
ein Mikromol Substrat umsetzt
Michaelis-Menten-Theorie
- liefert Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit bei Enzymreaktionen
und Substrat- und Enzymkonzentration
- Überlegung:
1) Reaktion verläuft über Enzym-Substrat-Komplex, der in
Enzym + Produkt oder in Enzym + Substrat zerfällt
2) mit Substratkonzentration steigt auch Reaktionsgeschwindigkeit
zur Michaelis-Menten-Theorie
- Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit anfangs linear, später
abgeflacht bis Steigerung der Substratkonzentration keinen Effekt mehr
hat:
hyperbolische Sättigungskurve
wichtige Kenngrößen für Enzyme:
Km: Michaelis-Konstante; Substratkonzentration, bei der ½ vmax erreicht wird
kcat: Wechselzahl,
Anzahl der Formelumsätze pro Zeiteinheit bei einem Katalysator [s-1]
zur Michaelis-Menten-Theorie
vereinfachte Reaktionsgleichung:
k1
E + S
k2
ES
E + P
k1‘
Bei der Michaelis-Menten-Theorie geht man von einem Fließgleichgewicht aus,
das dafür sorgt, dass die Konzentration an Enzym-Substrat-Komplex (ES)
konstant bleibt (die Enzymaktivität passt sich sehr schnell sich ändernden
Enzymkonzentrationen an).
Bei katalysierten Reaktionen erhält man eine Sättigung, d.h. die
Reaktionsgeschwindigkeit strebt einem Maximum (vmax) entgegen.
Es gilt:
mit kcat= vmax / ([E]+[ES])
Abweichungen von der Michaelis-Menten-Theorie
- einige Enzyme zeigen Abweichungen von der hyperbolischen Sättigungskurve
- mögliche Ursachen z.B.
a) Kooperativität
- die Bindung von Substrat fördert die Bindung weiteren Substrats,
bekannt vom Transportprotein Hämoglobin (Tetramer) und der Bindung
von O2:
sigmoide Sättigungskurve
Abweichungen von der Michaelis-Menten-Theorie
b) Alosterie
- Bindung von Effektoren an Bindestellen außerhalb des aktiven Zentrums
beeinflusst Aktivität
Änderung der räumlichen Struktur von Hämoglobin durch
Wechselwirkung mit Stoffwechselprodukten
-> Änderung der Affinität zu O2
Enzymhemmung
a) Kompetitive Hemmung:
Der Hemmstoff (Inhibitor) konkurriert mit dem Substrat um das aktive
Zentrum. Hohe Inhibitorkonzentrationen bewirken eine Blockierung des
Enzyms, weil das aktive Zentrum eher von Inhibitor-Molekülen besetzt wird
als von Substraten.
Enzym-SubstratKomplex
Enzym-InhibitorKomplex
•
Wichtig: Kompetitive Hemmungen sind reversibel!
•
b) Nicht-Kompetitive Hemmung: Der Nicht-Kompetitive Inhibitor bindet
außerhalb des Aktiven Zentrums an das Enzym und verformt es dadurch,
so dass das Substrat nicht mehr bis zum aktiven Zentrum vordringen kann.
Inhibitor
•
c) Unkompetitive Hemmung: Der unkompetitive Hemmer bindet an den
Enzym-Substrat-Komplex und verhindert dadurch, dass das Substrat
umgesetzt wird.
Inhibitor
Enzym-SubstratInhibitor-Komplex
•
Wichtig: Nicht-Kompetitive Hemmungen und Unkompetitive Hemmungen
sind ebenfalls reversibel!
d) Irreversible Hemmung: Bei der Irreversiblen Hemmung wird das aktive
Zentrum des Enzyms durch den Inhibitor chemisch irreversibel modifiziert,
so dass das Substrat nicht mehr im aktiven Zentrum gebunden werden
kann.
Inhibitor
•
Beispiel für eine irreversible Hemmung: Aspirin hemmt die ProstaglandinH2-Synthase (Cyclooxygenase 1) durch Acetylierung der OH-Gruppe eines
Serins. Dadurch kann das Substrat Arachidonsäure nicht mehr gebunden
werden, es wird kein Prostaglandin H2 mehr gebildet (auch keine anderen
Prostaglandine mehr und auch keine Thromboxane) und Schmerzen und
Entzündungen klingen ab.
5.
Kohlenhydrate (Saccharide)
•
Der Begriff „Kohlenhydrate“ leitet sich von der Summenformel vieler
Verbindungen dieser Gruppe ab, die sich als CnH2nOn = Cn(H2O)n formulieren
lässt. Formal ist also Kohlenstoff „hydratisiert“, es liegt aber kein freies
Wasser vor. Kohlenhydrate sind Polyalkohole, die neben –OH meist weitere
funktionelle Gruppen besitzen.
•
Das Wort Saccharide leitet sich vom griechischen sakcharon für Zucker ab.
•
Kohlenhydrate dienen als Nahrung für Pflanzen und Tiere. Der
Kohlenhydratstoffwechsel ist die wichtigste Energiequelle der Tiere und
Pflanzen. Kohlenhydrate spielen eine wichtige Rolle als Zellbausteine bei
Pflanzen (Zellwand) und bei Tieren (Zellmembran enthält Oligosaccharide)
und übernehmen als Glycoproteine und Glycolipide wichtige Aufgaben in der
Signalübermittlung zwischen Zellen.
•
Bei Kohlenhydraten trifft man ähnliche Verhältnisse wie bei Proteinen und
Aminosäuren an. Es gibt einzelne Bausteine, die man als Monosaccharide
bezeichnet. Durch Verknüpfung von bis zu 6 Monosacchariden kommt man
zu den Oligosacchariden. Bei mehr als 6 miteinander verknüpften
Monosachharidbausteinen spricht man von Polysacchariden. Wichtige
Vertreter der Polysaccharide sind Stärke, Glycogen und Cellulose.
5.1
Monosaccharide
•
Die Strukturen der Monosaccharide wurden von Emil Fischer aufgeklärt. Er
konnte zeigen, dass es sich dabei um Oxidationsprodukte mehrwertiger
Alkohole handelt, in denen eine OH-Gruppe zur Aldehydgruppe oder zur
Ketogruppe oxidiert wurde. Liegt eine Aldehydgruppe vor, dann spricht man
von Aldosen (Aldehydzuckern), bei Vorliegen einer Ketogruppe spricht man
von Ketosen oder Ketozuckern.
•
Die einfachste Aldose ist der Glycolaldehyd, der sich durch Oxidation von
Glycol erzeugen läßt.
HO
H
H
H
HO
Ox
OH
H
H
Glycol
•
O
Glycolaldehyd
Die einfachste Ketose ist das Dihydroxyaceton, das sich durch Oxidation von
Glycerin erzeugen läßt. Aus Glycerin lässt sich auch die nächst höhere
Aldose Glycerinaldehyd erzeugen.
H OH
HO
HH
O
H
Glycerinaldehyd
Ox
H OH
HO
OH
HH HH
Glycerin
Ox
O
HO
OH
HH HH
Dihydroxyaceton
•
Glycerinaldehyd ist chiral, d.h. Bild und Spiegelbild sind nicht
deckungsgleich. Von Glycerinaldehyd existieren zwei Enantiomere, DGlycerinaldehyd und L-Glycerinaldehyd.
CHO
H
OH
CH2OH
CHO
HO
H
CH2OH
D(+)-Glycerinaldehyd
L(-)-Glycerinaldehyd
Zur Erinnerung: waagerechte Bindungen zeigen aus der Projektionsebene
auf den Betrachter hin, senkrechte vom Betrachter weg
•
D bedeutet: OH-Gruppe am letzten asymmetrischen C-Atom der Kohlenstoffkette auf der rechten Seite der Fischer-Projektion.
•
L bedeutet: OH-Gruppe am letzten asymmetrischen C-Atom der Kohlenstoffkette auf der linken Seite der Fischer-Projektion.
•
(+) bedeutet: Die Substanz dreht die Ebene von linear polarisiertem Licht
nach rechts.
•
(-) bedeutet: Die Substanz dreht die Ebene von linear polarisiertem Licht
nach links.
•
Je nach Zahl der C-Atome unterscheidet man bei Monosacchariden:
•
Diosen (2 C)
•
Triosen (3 C)
•
Tetrosen (4 C)
•
Pentosen (5 C)
•
Hexosen (6 C)
Glucose (Traubenzucker)
= Hexose (Kohlenstoffgerüst mit 6 C-Atomen)
Ta
= Aldose
Tü
- in der Natur nur D-Glucose
Ta
Ta
- in wässriger Lösung (so auch in der Zelle):
Gleichgewicht zwischen offenkettiger Aldehydform
D-Glucose
L-Glucose
und ringförmiger Pyranoseform (0,25: 99,75)
Aldehydform (0,25 %)
Pyranoseform (99,75 %)
= cycl. Halbacetal
Halbacetal: Alkoxy- bzw. Aryloxygruppe
und OH-Gruppe am selben C-Atom
Bedeutung (D-Glucose):
- von fast allen Lebewesen als Energie- und Kohlenstofflieferant verwertbar
- Synthese :
- Pflanzen: Photosynthese aus Wasser und Kohlendioxid:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
- Tiere: Gluconeogenese, nur im Hungerzustand; Synthese von D-Glucose
aus kleinen organischen Verbindungen
(Ähnlichkeit mit Gykolyse, nur in anderer Richtung)
- Speicherung:
- Pflanzen: in Form von Polysacchariden wie Stärke oder Cellulose
- Tiere: v.a. in Form von Glykogen
- Abbau von Glucose v.a. über Glykolyse und Citratcyclus
- Energiegewinnung über oxidative Phosphorylierung / Atmungskette
Nachweis von reduzierenden Zuckern: Fehling-Probe
- dient u.a. dem Nachweis reduzierender Zucker, z.B. solchen mit freier
Aldehyd-Gruppe
- geeignet für den Nachweis von Aldosen wie Glucose, aber auch einigen
Ketosen wie Fructose (z.B. Unterscheidung von echtem Honig mit Glucose und
Fructose von Kunsthonig mit Saccharose)
- Fehling I: Kupfer(II)-Sulfat-Lösung
- Fehling II: Kalium-Natrium-Tratrat-Tetrahydrat-Lösung
blauer Cu-Tartrat-Komplex
mit reduzierendem Zucker zu rotem Cu2O
Fructose (Fruchtzucker)
= Hexose
= Ketose
- in der Natur nur D-Fructose
- isomer zu D-Glucose
- in wässriger Lösung (so auch in der Zelle):
überwiegend in Ringform, v.a. als
β-D-Fructopyranose (ca. 76 %)
D-Fructose
β-D-Fructofuranose (ca. 20 %)
L-Fructose
Ribose
= Pentose
= Aldose
- in der Natur überwiegend D-Ribose
- wichtiger Bestandteil von RNA (Erbmaterial)
- wichtiger Bestandteil des Energieträgers ATP
- in wässriger Lösung überwiegend in Pyranose-Form:
β-D-Ribopyranose (58 %)
α-D-Ribofuranose (6 %)
α-D-Ribopyranose (22 %)
β-D-Ribofuranose (14 %)
Ribose als Bestandteil von RNA und ATP
Adenosintriphosphat (ATP)
Ribonukleinsäure (RNA)
- mit Ribose in Furanose-Form
Desoxyribose
= Pentose
= Aldose
- in der Natur überwiegend D-Desoxyribose
- im Vergleich zu Ribose: OH-Gruppe am 2. C-Atom substituiert durch H-Atom
- wichtiger Bestandteil von DNA (Erbmaterial)
- in wässriger Lösung überwiegend in Pyranose-Form:
Desoxyribonukleinsäure (DNA)
- mit Desoxyribose in Furanose-Form
5.2
Oligosaccharide
•
Durch Aneinanderhängen von einzelnen Monosacchariden gelangt man zu
den Oligosacchariden (Disaccharide, Trisaccharide usw.).
Glykosidische Bindung:
- entsteht zwischen der in Form eines Halbacetals vorliegenden OH-Gruppe
eines Saccharids und der OH-Gruppe (O-glykosidische Bindung) oder
NH2-Gruppe (N-glykosidische Bindung) eines anderen Moleküls
- Oligosaccharid: das ‚andere‘ Molekül ist wieder ein Saccharid
- je nach Konfiguration: α- bzw. β-glykosidische Bindung
(hier nicht näher erläutert)
- je nach Lage der beteiligten funktionellen Gruppen an den C-Atomen:
z.B. 1,4-glykosidische Bindung (am 1. C-Atom des Zuckers und am 4. C-Atoms
des ‚anderen‘ Moleküls)
5.2
Oligosaccharide
zur glykosidischen Bindung:
- unter recht geringem Energieaufwand durch Kondensation, dennoch sehr stabil
- Lösen der Bindung durch Hydrolyse
Halbacetal
z.B. Saccharose:
- O-glykosidische Bindung
- 1,2-glykosidische Bindung zwischen
D-Glucose (Halbacetal) und D-Fructose
-das Produkt ist ein (Voll-) Acetal
(besitzt C-Atom mit 2 O-R-Gruppen)
ATP: Beispiel für eine N-glykosidische Bindung (hier zwischen Ribose und Adenin)
•
Wichtige Disaccharide: Saccharose (Rohrzucker), Lactose (Milchzucker),
Maltose (Malzzucker)
HO
HO
HO
HO
HO
O
OH
OH
O
H
OH
-D-Glucose
H
O
O
O
HO
OH
H
OH
HO
OH
OH
O
HO
OH
-D-Fructose
-D-Galactose
-D-Glucose
Saccharose (,-1,2-Verknüpfung)
Lactose (-1,4-Verknüpfung)
(Zuckerrüben, Zuckerrohr,…
(in Milch von Säugetieren)
HO
HO
HO
O
OH
HO
O
HO
O
OH
OH
-D-Glucose
-D-Glucose
Maltose (-1,4-Verknüpfung)
(Abbauprodukt der Stärke; z.B. in Gerstekeimen (-> Bierherstellung!)
5.3
Polysaccharide
•
Wichtige Polysaccharide: Stärke, Glycogen, Chitin und Cellulose
HO
O
O
α-1,4-glykosidische Bindungen
HO
OH
HO
O
O
HO
OH
O
Stärke
- besteht aus DGlucose -Einheiten
- idR 20-30 % Amylose,
70-80 % Amylopektin
OH
O
HO
löslich
O
HO
HO
O
OH
O
HO
O
HO
Amylose
100-1400
Glucoseeinheiten,
unverzweigt
O
HO
OH
HO
O
O
HO
HO
O
OH
O
HO
OH
O
O
O
HO
α-1,4-glykosidische Bindungen
und α-1,6-glykosidische Bindungen
- Stärke dient im Wesentlichen als Reservestoff bei Pflanzen
(Glucose- und damit Energie- und Kohlenstoffspeicher)
OH
O
Amylopektin
1200-6000
Glucoseeinheiten,
verzweigt
unlöslich
Glycogen
- wie Amylopektin aufgebaut, nur sehr viel häufiger verzweigt
(zwischen 600 bis 60 000 Glucoseeinheiten)
- Reservestoff bei Tieren, entsprechend der Stärke (‚Tierische Stärke‘)
- v.a. in Muskeln
α-1,6-glykosidische Bindungen
Glycogen aus D-Glucose-Bausteinen
α-1,4-glykosidische Bindungen
Cellulose und Chitin als strukturbildende Polysascharide
Cellulose (unverzweigt, 1000-5000 Glucoseeinheiten):
- Hauptbestandteil von Zellwänden bei Pflanzen
- β-1,4-glykosidische Bindung
Baumwolle aus fast reiner
Cellulose
Chitin (unverzweigt, aus N-Acetylglucosamin-Einheiten)
- Zellwandbestandteil bei
Pilzen
- Exoskelett-Bestandteil
bei Insekten, Spinnen...
- β-1,4-glykosidische Bindung
Deckflügel beim Maikäfer
enthalten Chitin
5.4 Zuckerstoffwechsel
1)
Glykolyse
- Der zentrale Abbauprozess aller Kohlenhydrate bei Tieren, Pflanzen und Pilzen
- bedeutender Vorgang im Energiestoffwechsel
- aus 1 Molekül D-Glucose werden 2 Moleküle Pyruvat gebildet
- dabei werden je 2 Moleküle ATP und NADH gebildet
Startpunkt der Glykolyse: D-Glucose
-> andere Zucker bzw. Polysaccharide müssen zunächst in Glucose umgewandelt
werden
z.B. Stärke-Abbau:
Amylose
Amylopektin
-Amylase
kleinere Bruchstücke
Glycosidase
Glucose
zur Glykolyse
- Vorteile
- Energiegewinnung auch ohne Sauerstoff (begrenzt)
- sehr schnelle Bereitstellung von Energie in Form von ATP
- Glykolyse bereitet oxidative Energiegewinnung in der Atmungskette vor
- Glykolyse liefert Ausgangsstoffe für viele Biosynthesen
- Ort: im Cytoplasma aller Zelltypen;
bei Pflanzen auch in Plastiden
1x C6
Übersicht:
Gesamtbilanz
Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+
→ 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Pyruvat
2x C3
zur Glykolyse
Schritt 1: Glucose → Glucose-6-phosphat
Hexokinase /
Glucokinase
ATP
ADP
Zweck:
- Glucose-6-phosphat verbleibt eher in Zelle
- Glucose-Konz. in Zelle wird verringert
-> weitere Glucose strömt nach
Schritt 2: Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphat
Glucose-6-phosphatIsomerase
zur Glykolyse
Schritt 3: Fructose-6-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat
Phosphofructokinase
ATP
ADP
Zweck:
- die Glykolyse wird an dieser Stelle unumkehrbar
- der Schritt ermöglicht die Spaltung in 2
phosphorylierte Triosen
zur Glykolyse
Schritt 4: Spaltung von Fructose-1,6-phosphat
in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat
Triosephosphatisomerase
Aldolase
DHAP
→ Übergang von der Hexose zur Triose GAP
GAP
zur Glykolyse
Schritt 5: Glycerinaldehyd-3-phosphat → 1,3-Bisphosphoglycerat
GAPdehydrogenase
GAP
NAD+
+ Pi
NADH
+ H+
1,3-bPG
→ Bildung von NADH
- NADH kann zur weiteren Energiegewinnung genutzt werden (Atmungskette)
- NADH kann für Reduktionsreaktionen genutzt werden
- Phosphorylierung der Carboxygruppe
zur Glykolyse
Schritt 6: 1,3-Bisphosphoglycerat → 3-Phosphoglycerat
Phosphoglyceratkinase
ADP
ATP
1,3-bPG
3-PG
→ Bildung von ATP
- die bei der vorherigen Oxidation freigewordene
Energie wird in Form von ATP gespeichert
→ Substratkettenphosphorylierung
= Gewinnung des Energieträgers ATP (oder GTP) außerhalb der Atmungskette
durch oxidativen Abbau von organischen Verbindungen
zur Glykolyse
Feedbackregulation
Phosphoglyceratkinase
ADP
1,3-bPG
ATP
3-PG
Zelle hat genügend Energie in Form von ATP
→ Glykolyse wird an dieser Stelle gehemmt
zur Glykolyse
Schritte 7-9:
Phosphoglyceratmutase
3-Phosphoglycerat
2-Phosphoglycerat
Enolase
- H2O
3. irreversibler Schritt
der Glykolyse
Pyruvatkinase
ATP
ADP
Pyruvat
= Anion der Brenztraubensäure
2-Phosphoenolpyruvat
→ hohes Gruppenübertragungspotential wird zu weiterer
Substratkettenphosphorylierung genutzt
Einschub: ATP als Energieträger
ATP = Adenosintriphosphat
→ bedeutende Energiequelle für biochemische Prozesse
hydrolytische Spaltung zu ADP
liefert 32,3 kJ / mol
hydrolytische Spaltung zu AMP
liefert weitere 32,3 kJ / mol
2) Oxidative Decarboxylierung
-
zur weiteren Metabolisierung im Citratzyklus wird Pyruvat bzw.
Brenztraubensäure umgewandelt zu Acetyl-CoA:
Pyruvat-Dehydrogenase-Kopmplex
+ CoA-SH
+ CO2
NAD+
NADH + H+
Brenztraubensäure
Acetyl-CoA
Ort: Matrix der Mitochondrien (dort auch Citratzyklus)
Glykolyse im Cytoplasma
3) Citratzyklus
- zentrales Abbauprodukt Acetyl-CoA
als Ausgangspunkt
- Abbau von Acetyl-CoA zu CO2 und H2O
- Zweck:
- Energiegewinnung (GTP,
NADH, FADH)
- Gewinnung von Ausgangsstoffen für
Biosynthesen
- Ort: Matrix der Mitochondrien
Nettobilanz:
CH3CO-S-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O
→ 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA-SH
zum Citratzyklus
Guanosintriphosphat (GTP)
- biochemischer Energiespeicher, ähnlich dem ATP
FAD
FADH2
Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)
speichert ähnlich dem NAD+
Wasserstoff für Atmungskette
zum Citratzyklus
Enzyme:
1
8
1) Citrat-Synthase
2
2) Aconitase
3) Isocitrat-Dehydrogenase
7
3
4) α-Ketoglutarat
Dehydrogenase-Komplex
5) Succinyl-CoA-Synthetase
6) Succinat-Dehydrogenase
7) Fumarase
8) Malat-Dehydrogenase
6
5
4
zum Citratzyklus als Stoffwechsel-Drehscheibe
Aminosäure-Biosynthese
Glykolyse,
Fettsäureoxidation...
Aminosäureoxidation
Fettsäure-Biosynthese
Cholesterin-Biosynthese
Gluconeogenese
(D-Glucose)
Asparaginsäure, Phenylalanin,
Tyrosin
Aminosäureoxidation
Valin, Isoleucin, Methionin
Oxidation ungerader Fettsäuren
Porphyrin-Biosynthese
(z.B. für Häm in Hämoglobin)
Zwischenbilanz des Glucose-Abbaus
•
Glykolyse und Citratzyklus verlaufen anaerob, d.h. sie brauchen
(verbrauchen) keinen Sauerstoff. (↔ aeorb: unter Sauerstof-Verbrauch)
•
Von der Energiebilanz entsteht bis dahin relativ wenig Energie
(2 ATP + 2 GTP pro Molekül Glucose).
•
Zusätzlich entsteht aber viel Wasserstoff in Form von NADH und FADH2.
•
(10 NADH und 2 FADH2 pro Molekül Glucose)
•
Der Wasserstoff kann nun weitere Energie liefern, wenn er mit Sauerstoff zu
Wasser reagiert („verbrannt“ wird). Dies ist letztlich eine „Knallgasreaktion“
ohne Explosion.
•
Dies passiert in der Atmungskette, die in den Mitochondrien („Kraftwerke der
Zelle“) abläuft.
4)
Atmungskette (Oxidative Phosphorylierung)
Atmungskette bezeichnet
a) einen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung
b) die Gesamtheit der an diesem Stoffwechselweg beteiligten Enzymkomplexe
•
Die Netto-Reaktion der Atmungskette ist die Reduktion von molekularem
Sauerstoff O2 zu Wasser bzw. die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser.
4 H +O2
2 H2O
•
Der Wasserstoff (z.B. in Form von NADH) stammt aus vorangehenden
Stoffwechselprozessen wie Glykolyse, Ox. Decarboxylierung, Citratzyklus.
•
Der Sauerstoff stammt aus der Atmung
•
Die bei dieser Reaktion freiwerdende Energie wird in Form von ATP
gespeichert.
zur Atmungskette
Lokalisierung: innere Membran der Mitochondrien
- Beispiel für eine Elektronentransportkette
- Beispiel für Chemiosmose
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
- die Atmungskette besteht aus einer Reihe hintereinandergeschalteter
Redoxmoleküle mit Schritt für Schritt fallendem Energieniveau
- Elektronen werden von Wasserstoff (in Form von NADH oder FADH2)
auf Sauerstoff übertragen
- beteiligte Komponenten:
- Enzymkomplexe I – IV, sowie Ubichinon und Cytochrom c als
Elektronenüberträger
Prinzip:
- durch die Anordnung der beteiligten
Komponenten werden Protonen in
den Intermembranraum der
Mitochondrien transportiert
- der resultierende H+-Gradient
wird zur ATP-Synthese genutzt
→ Chemiosmose
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
Intermembranraum
Ubichinon
Matrix
Komplex I: NADH-Dehydrogenase
Ubihydrochinon
- reduziert mittels NADH Ubichinon zu Ubihydrochinon
- Nettobilanz: 3-4 H+ werden pro NADH in den Intermembranraum gepumpt
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
Intermembranraum
Matrix
Komplex II: Succinat-Dehydrogenase
- oxidiert Succinat zu Fumarat im Rahmen des Citrat-Zyklus
- FAD als Elektronnen- bzw. [H]-Überträger
- hier werden keine Protonen in den Intermembranraum gepumpt
- Kopplung von Citrat-Zyklus und Atmungskette
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
Cytochrom c
Komplex III: Cytochrom-c-Reduktase
- Rückoxidation von Ubihydrochinon zu Ubichinon
- Reduktion von Cytochrom c
- Transport von 4 H+ in Intermembranraum
Cytochrom c
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
Cytochrom c
(104 Aminosäuren)
prosthetische Gruppe Häm c
(Porphyrin-Ringsystem)
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
CN -
Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase
- Rückoxidation von Cytochrom c
- Übertragung der Elektronen auf O2, Reduktion zu H2O
- die benötigten Protonen stammen aus Matrix
- pro O2-Molekül werde 4 H+ in den Intermembranraum transportiert
- Komplex IV ist der wesentliche O2-Verbraucher fast aller Lebewesen
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
„Komplex V“: ATP-Synthase
Die Atmungskette als Elektronentransportkette
„Komplex V“: ATP-Synthase
Intermembranraum
- Hauptaufgabe: Katalyse der ATP-Synthese
ADP + Pi → ATP
ΔH = ca. 30 kJ / mol
→ oxidative Phosphorylierung
- Energiequelle: der im Zuge der Atmungskette
aufgebaute Protonengradient zwischen Matrix und
Intermembranraum
- Matrix: niedrige H+-Konzentration (rel. hoher pH-Wert)
- Intermembranraum: hohe H+-Konzentration
→ Chemiosmose
(Kopplung von Transportvorgängen an Biomembranen
mit Stoffwechselprozessen)
Matrix
5)
Bilanz der aeroben Atmung
- Gesamtreaktion:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
1) Glykolyse
Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O
2) Oxidative Decarboxylierung
2 Pyruvat + 2 NAD+ + 2 CoA → 2 Acetyl-CoA + 2 CO2 + 2 NADH + 2 H+
3) Citratzyklus
2 Acetyl-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi + 4 H2O
→ 4 CO2 + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 2 GTP + 2 CoA
4) Endoxidation in der Atmungskette
10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 28 ADP + 28 Pi + 6 O2
→ 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 28 ATP
5)
Bilanz der aeroben Atmung
Energiebilanz:
Schritt
Coenzym- ATPAusbeute Ausbeute
Glykolyse
ATPQuelle
2 ATP
3-5 ATP
Substratkettenphosphorylier.
Oxidative Phosphorylierung
Oxidative
2 NADH
Decarboxylier.
5 ATP
Oxidative Phosphorylierung
Citrat-Zyklus
2 ATP
15 ATP
3 ATP
Substratkettenphosphorylier.
Oxidative Phosphorylierung
Oxidative Phosphorylierung
2 NADH
6 NADH
2 FADH2
Gesamt
30-32 ATP pro Molekül Glucose
Hier ist einberechnet, dass an diversen Stellen Energie (ATP) für Transportvorgänge
verbraucht wird.
5.5 Photosynthese
= natürliche Erzeugung energiereicher Stoffe aus energieärmeren Stoffen
mithilfe von Lichtenergie
- Vorkommen: Pflanzen, Algen, einige Bakterien
- Bedeutung:
- einer der wichtigsten biochemischen Prozesse
- O2-Quelle für aerob atmende Lebewesen (oxygene Photosynthese)
- ermöglicht Erschließung von CO2 als C-Quelle,
damit Verbrauch von CO2 (Klima!)
- Gesamtgleichung der oxygenen Photosynthese:
h
6 CO2 +6 H2O
C6H12O6 +6 O2
Chloroplasten als Ort der
Photosynthese
1) Drei Schritte der Photosynthese
I) Lichtreaktion
a) Absorbtion von Licht mit Hilfe von Farbstoffen
b) Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie durch Elektronenübertragung
II) Dunkelreaktion
Verwendung der chemischen Energie zur Synthese energiereicher organischer
Verbindungen
- Reduktion von CO2 unter Verwendung geeigneter Reduktionsmittel, bei
Pflanzen i.d.R. H2O
2) Lichtabsorbtion
- die für die Photosynthese benötigte Energie in Form von Licht wird durch
Farbstoffe (Chromophore) absorbiert
- bei Pflanzen sind das vor allem Chlorophylle
- Chromophore bilden mit umgebenden Proteinen Komplexe, die Pigmente
- trifft Licht geeigneter Wellenlänge auf Pigmente, so gehen die Chromophore
in einen angeregten Zustand über
- je nach chemischer Struktur des Chromophors weisen Pigmente unterschiedliche
Absorbtionsspektren auf
- Chlorophyll a und b bei Pflanzen absorbieren v.a. im blauen und roten Bereich,
weniger im grünen Bereich
→ grünes Erscheinungsbild der Pflanzen
zu 2) Lichtabsorbtion
Absorbtionsspektrum für Chlorophyll a und b
Grünlücke, verantwortlich für
grünes Erscheinungsbild der
Pflanzen
Engelmann‘scher Bakterienversuch:
Sauerstoff-liebende Bakterien sammeln
sich an Algenfäden bevorzugt in Bereichen
an, wo mit blauem bzw. rotem Licht
bestrahlt wird, weniger dagegen im grünen
Bereich.
zu 2) Lichtabsorbtion
- durch Licht angeregtes Chlorophyll kann angeregte Elektronen auf einen
Elektronenakzeptor übertragen
- damit startet einen Elektronentransportkette
- beim Elektronentransport werden Protonen über eine Membran transloziert
- die Lichtenergie wird somit in elektrisches bzw. osmotisches Potential umgesetzt
(Chemieosmose)
Lichtsammelkomplex: (eine Art ‚Antenne‘)
- Ansammlung von Farbpigmenten, v.a. Chlorophylle
- dient der Vergrößerung der Absorbtionsfläche
- Ergänzung des Absorbtionsspektrums durch
Carotine und Xanthophylle
- Weiterleitung der Lichtenergie an ein gemeinsames
Reaktionszentrum (Chlorophyll a)
zu 2) Lichtabsorbtion
Chlorophyll mit
derivatisiertem
Porphyrinring und
Mg2+ als Zentralion
Die Grünlücke des Chlorophylls
kann z.B. durch Carotine teilweise
geschlossen werden
β-Carotin,
ein Tetraterpen mit
konjugierten
Doppelbindungen
3) Elektronenübertragung
- im 2. Teil der Photosynthese wird durch Elektronenübertragung die Energie
des absorbierten Lichts in chemische Energie (ATP) umgewandelt
- zudem wird NADPH als Reduktionsmittel gewonnen (notwendig v.a. für die
Reduktion von CO2 zu Kohlehydraten in der Dunkelreaktion)
- bei der oxygenen (sauerstoffbildenden) Photosynthese von Pflanzen wird als
Elektronenquelle H2O verwendet, das zu O2 oxidiert wird
zu 3) Elektronenübertragung
Lokalisierung:
Chloroplasten in Pflanzenzellen
Elektronentransportkette in der
Thylakoidmembran
zu 3) Elektronenübertragung
Z-Schema der Lichtreaktion:
Photosystem I
Photosystem II
Redoxpotential [V]
NADP+ als Endpunkt der
Elektronentransportkette
Elektronenquelle
H2O
ATP-Synthese über H+-Gradient
(Chemiosmose,
Photophosphorylierung)
O2 als Produkt der H2O-Oxidation
zu 3) Elektronenübertragung
Z-Schema der Lichtreaktion:
primärer e--Akzeptor Phäophytin
Photosystem II
Redoxpotential [V]
Cytochrom b6f-Komplex
Plastochinon QA
Plastochinon QB
Ein Mn-haltiger
wasserspaltender
Komplex regeneriert
das
Reaktionszentrum II
Plastocyanin (Cu-haltig)
Chemiosmose
Licht der Wellenlänge 680 nm regt Chlorophyll a-Elektronen im Reaktionszentrum an
zu 3) Elektronenübertragung
Z-Schema der Lichtreaktion:
Photosystem I
Redoxpotential [V]
primärer e--Akzeptor A0, wohl Chlorophyll-Variante
Phyllochinon
Fe-S-Cluster
Ferredoxin
FerredoxinNAPD-Reduktase
Plastocyanin
regeneriert das
Reaktionszentrum I
Licht der Wellenlänge 700 nm regt Chlorophyll a-Elektronen im Reaktionszentrum an
zu 3) Elektronenübertragung
Bilanz der Lichtreaktion:
- pro Elektron werden beim linearen Elektronentransport drei Protonen über die
Thylakoid-Membranen der Chloroplasten transportiert
- der resultierende Protonengradient wird zur ATP-Synthese durch einen ATPSynthase-Komplex genutzt (Chemiosmose, Photophoshporylierung)
- ca. 12 Protonen liefern dabei 3 ATP und 6 NADPH/H+
Gesamtgleichung der Lichtreaktion:
6 H2O + 6 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → 3 O2 + 6 NADPH/H+ + 3 ATP
zu 3) Elektronenübertragung
ATP-Synthese
ATP-Synthase
+ Pi
ADP
ATP
NADP+
Nicotinamidadenindinukleotidphosphat
= phosphoryliertes Derivat des Coenzyms NAD
NADPH wird im Unterschied zu NADH im
Wesentlichen als Reduktionsmittel bei
Biosynthesen (z.B. Dunkelreaktion) verwendet
4) Dunkelreaktion / Calvin-Zyklus
- die in der Lichtreaktion gewonnene chemische Energie (ATP) und die
gewonnenen Reduktionsäquivalente (NADPH) werden in der Dunkelreaktion zur
Kohlenhydratsynthese verwendet
- die Dunkelreaktion ist nicht direkt von Licht abhängig, indirekt aber sehr wohl
(findet daher ebenfalls bei Licht statt)
- die Kohlenhydratsynthese erfolgt bei der oxygenen Photosynthese i.d.R.
durch CO2-Fixierung über den Calvin-Zyklus
- Ort: Stroma der Chloroplasten
zu 4) Dunkelreaktion / Calvin-Zyklus
1. CO2-Fixierung
2. Reduktion des
Fixierungsprodukts
3. Regeneration des
Fixierungsprodukts
Gesamtgleichung des Calvin-Zyklus:
3 CO2 + 6 NADPH + 5 H2O + 3 ATP + 6 H+
→ Glycerinaldehydphosphat + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi
6.
Nukleinsäuren
1)
Nukleotide
- Nukleotide sind die Grundbausteine der Nukleinsäuren (DNA, RNA),
Energiespeicher (ATP, GTP), Signalmoleküle (cAMP)
- sie bestehen aus einem Phosphat-, einem Zucker- und einem
Basenbestandteil
Nukleobase + Zucker
= Nukleosid
- als Zuckerbestandteil kommen Ribose und Desoxyribose vor
- die wichtigsten Nukleobasen sind Adenin, Cytosin, Guanin,
Thymin und Uracil
6.
Nukleinsäuren
zu 1)
Nukleotide
Nukleinbasen:
a) Purinbasen
Guanin
Adenin
Purin
b) Pyrimidinbasen
Cytosin
Thymin
Uracil
Pyrimidin
6.
Nukleinsäuren
zu 1)
Nukleotide
Nukleoside:
Bausteine aus Nukleobase + Zucker (Ribose oder Desoxyribose)
Adenin + Ribose:
Adenosin (A)
Cytosin + Ribose:
Cytidin (C)
Guanin + Ribose:
Guanosin (G)
Uracil + Ribose:
Uridin (U)
Adenin + Desoxyribose
Desoxyadenosin (dA)
Cytosin + Desoxyribose
Desoxycytidin (dC)
Guanin + Desoxyribose
Desoxyguanosin (dG)
Thymin + Desoxyribose
Desoxythymidin (dT)
6.
Nukleinsäuren
zu 1)
Nukleotide
Nukleotide als Bausteine der Nukleinsäuren
a) RNA: Ribose als Zuckerbaustein; Basen A, C, G, U
AMP
CMP
GMP
UMP
b) DNA: Desoxyribose als Zuckerbaustein; Basen A, C, G, T
dAMP
dCMP
dGMP
dTMP
6.
Nukleinsäuren
2)
Desoxyribonukleinsäure
(DNA)
- Polymer aus den vier Nukleotiden
dAMP, dCMP, dGMP und dTMP
- Vorkommen: in allen Lebewesen
- Eukaryoten: v.a. im Zellkern,
aber auch in den Mitochondrien
(bei Pflanzen auch in Chloroplasten)
- enthält die Erbinformation in Form
der Nukleotid-Abfolge (Basenabfolge)
- Gen: Abschnitt einer DNA, der die
Information für die Herstellung
einer RNA enthält
6.
Nukleinsäuren
zu 2)
Desoxyribonukleinsäure
Struktur:
- doppelsträngiges Molekül
- Rückgrat jeweils aus
Phosphat + Desoxyribose
- in wässriger Lösung Phosphat
deprotoniert
→ negative Gesamtladung
- die 4 Nukleobasen sind über
glykosidische Bindungen an
Desoxyribose gebunden
(DNA)
6.
Nukleinsäuren
zu 2)
Desoxyribonukleinsäure
zur Struktur:
- es treten 2 Basenpaare auf:
Adenin – Thymin (A-T)
(über 2 H-Brückenbindungen)
Cytosin – Guanin (C-G)
(über 3 H-Brückenbindungen)
- jeder der beiden DNA-Stränge
verfügt über ein 3‘- Ende mit
einer OH-Gruppe und ein
5‘-Ende mit einer Phosphat-Gruppe
(DNA)
6.
Nukleinsäuren
zu 2)
Desoxyribonukleinsäure
(DNA)
zur Struktur:
5‘
3‘
6.
Nukleinsäuren
zu 2)
Desoxyribonukleinsäure
(DNA)
zur Struktur:
- die Wasserstoffbrückenbindungen
erzeugen eine Doppelhelix-Sruktur
Rückgrat:
Zucker + Phosphat
Basenpaare
6.
Nukleinsäuren
zu 2)
Desoxyribonukleinsäure
(DNA)
Chromosomen
- Die DNA des Zellkerns ist in Makromolekülkomplexen aus DNA und
Proteinen organisiert, den Chromosomen
- Der Mensch besitzt in einer normalen Körperzelle 2x 23 Chromosomen
- 2 der 46 Chromosomen sind Geschlechtschromosomen
(Frau: XX; Mann: XY)
Chromosomen
aus weiblicher Zelle; mit FluoreszenzFarbstoffen markiert (Metaphase; vor
Zellteilung)
Metaphasenchromosom
zum Vergleich: ohne ‚Verpacken‘
wäre Chromosom mehrere cm lang
6.
Nukleinsäuren
3)Ribonukleinsäure
(RNA)
- Polymer aus den vier Nukleotiden
AMP, CMP, GMP und UMP
- Hauptfunktion:
- maßgebliche Beteiligung an der
Umsetzung genetischer Informationen
in Proteine
- wichtige RNA-Typen:
-z.B.
a)mRNA (messenger RNA)
b)rRNA (ribosomale RNA)
c)tRNA (Transfer-RNA)
6.
Nukleinsäuren
zu 3)
Ribonukleinsäure
(RNA)
Struktur:
- i.d.R. einzelsträngiges Molekül
- Rückgrat jeweils aus
Phosphat + Ribose
- RNA deutlich instabiler als DNA (hydrolysierbare
OH-Gruppe der Ribose)
- RNA neigt stark zur Ausbildung dreidimensionaler
Strukturen (z.B. t RNA)
- statt Thymin wird die Base Uracil verwendet
(wohl wegen der weniger aufwendigen Synthese)
6.
Nukleinsäuren
zu 3)
Ribonukleinsäure
(RNA)
mRNA:
- messenger RNA / Boten-RNA
- codierende RNA; enthält Information über Aminosäuresequenz eines Proteins
- mRNA wird im Zuge der Transkription im Zellkern synthetisiert
- DNA-Abschnitte (Gene) enthalten die Information zum Aufbau der mRNA
mRNA-Transkription
im Zellkern
6.
Nukleinsäuren
zu 3)
Ribonukleinsäure
(RNA)
rRNA:
- ribosomale RNA
- nicht-codierende RNA; ist Bestandteil der Ribosomen
- Ribosomen: makromolekulare Komplexe aus Proteinen und rRNA,
an denen Proteine synthetisiert werden
Ribosom
typische Schleifenbildung
bei rRNA
Proteinsynthese an Ribosomen
6.
Nukleinsäuren
zu 3)
Ribonukleinsäure
(RNA)
tRNA:
- Transfer-RNA
- nicht-codierende RNA; ist an Proteinsynthese beteiligt
Bindestelle für
Aminosäure
- überträgt Aminosäuren auf wachsende Peptidkette
doppelsträngige
Abschnitte
3-dimensionale Darstellung
einer tRNA
tRNA erkennt den Code
der mRNA
Sekundärstruktur
einer tRNA
2.4.
Nukleinsäuren
4)
DNA-Replikation
= Vervielfältigung des Erbmaterials DNA in der Zelle nach dem
semikonservativen Prinzip
- semikonservativ bedeutet, dass ein DNA-Strang von einem
bestehenden DNA-Doppelstrang erhalten bleibt und daran ein
neuer Strang synthetisiert wird
- die DNA-Replikation ist stark an die Zellteilung gekoppelt, da diese
eine vorherige Verdoppelung des Erbmaterials voraussetzt
- bei der Replikation wird die DNA i.d.R. nicht verändert
Die DNA-Replikatiom
geht der Zellteilung voraus
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
DNA-Replikation
1. Helicase bricht an bestimmter
Stelle DNA-Doppelstrang auf
2. DNA-Polymerase lagert sich an die beiden
entstandenen DNA-Einzelstrang an
Topoisomerase vermindert
Verdrillungen
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
DNA-Replikation
3. DNA-Synthese
b) Leitstrang:
durchgehende Synthese
nach einmaligem Start
a) Elternstränge
d) Replikationsgabel
e) RNA-Primer zum Start
der DNA-Synthese
f) Okazaki- Fragmente als Produkte
der DNA-Synthese am Folgestrang
c) Folgestrang:
Synthese erfolgt hier
Stück für Stück, da
DNA-Synthese nur von
5‘ nach 3‘ möglich
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
= Neubildung von Proteinen in Zellen nach Vorlage der aufgearbeiteten
Kopie (mRNA) eines bestimmten Gen-Abschnitts (DNA)
- die Proteinbiosynthese ist DER zentrale Prozess der Genexpression
1. wesentlicher Teilprozess:
Transkription
- Umschreiben eines DNA-Codes
in einen mRNA-Code
- Ort: Zellkern
2. wesentlicher Teilprozess:
Translation
- Übersetzen des mRNA-Codes
in eine Aminosäuresequenz
- Ort: Cytoplasma
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
4.1 Transkription
= Synthese von RNA anhand einer DNA-Vorlage
- bei der Proteinbiosynthese wird hier eine mRNA synthetisiert
- bei der Transkription wird der Basen-Code der DNA in einen
entsprechenden Basen-Code der RNA umgeschrieben, wobei statt
der Base Thymin (T) die Base Uracil (U) verwendet wird
- aus A auf DNA-Ebene wird U auf RNA-Ebene, entsprechend wird aus
T ein A, aus C ein G und aus G ein C:
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.1 Transkription
1. Initiation:
- der RNA-Polymerase-Proteinkomplex
erkennt eine bestimmte Region auf
der DNA, den Promotor
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.1 Transkription
2. Elongation
- die DNA wird auf 10-20 Basen durch
die RNA-Polymerase entspiralisiert
- am antisense-Strang der DNA
(= codogener Strang) lagern sich durch
Basenpaarung komplementäre
Ribonukleotide (Nukleosidtriphosphate)
an
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.1 Transkription
zu 2. Elongation
- unter Eliminierung von Pyrophosphat wird eine
Esterbindung zwischen der Ribose am 3‘-Ende
der neuen RNA und der verbleibenden
Phosphatgruppe des Ribonukleotids gebildet
- die DNA wird am codogenen Strang von 3‘ nach 5‘ abgelesen
- die Synthese der RNA erfolgt von 5‘ nach 3‘
+PPi
+
Ribose am 3‘-Ende
der neuen RNA
UTP
Pyrophosphat
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.1 Transkription
3. Termination
- am sogenannten Terminator wird die RNA-Synthese beendet
Übung: Übersetze die folgenden DNA-Sequenzen in mRNA-Sequenzen:
antisense 3‘ AACGGTAAACGAT 5‘
sense
5‘ TTGCCATTTGCTA 3‘
Lösung:
5‘ UUGCCAUUUGCUA 3‘
3‘ CCATGGAAAT 5‘
5‘ GGTACCTTTA 3‘
????????
-> die Lösung ist am sense-Strang ablesbar (T durch U ersetzen!), daher der Name
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
4.2 Posttranskriptionale Modifikation der mRNA
- bei Eukaryoten wird die synthetisierte Vorläufer-mRNA (prä-mRNA)
in der Regel nach der Transkription modifiziert:
a) Spleißen
- die prä-mRNA besteht aus Exons und Introns; die Introns werden
durch das Spleißen entfernt:
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.2 Posttranskriptionale Modifikation der mRNA
b) Capping
- die mRNA erhält vor ihrem Transport in das Cytoplasma
eine „Schutzkappe“ am 5‘-Ende
- diese Kappe schützt die RNA vor enzymatischem Abbau und
unterstützt den Transport aus dem Kern sowie die Translation
häufige Cap-Struktur: ein Nukleotid mit einem methylierten
Guanin wird ‚rückwärts‘ (5‘-5‘) an das mRNA-Ende angehängt
6.
Nukleinsäuren
zu 4)
Proteinbiosynthese
zu 4.2 Posttranskriptionale Modifikation der mRNA
c) Polyadenylierung
- die mRNA erhält vor ihrem Transport in das Cytoplasma
eine Poly(A)-Kette am 3‘-Ende (bis zu 250 Nukleotide)
- auch diese schützt die RNA vor Abbau und unterstützt den
Kernexport
d) RNA-Editing
- durch RNA-Editing können einzelne RNA-Basen nach der
Transkription modifiziert werden
- dadurch besteht die Möglichkeit, aus einem Gen mehrere
Proteine zu erhalten
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
4.3 Translation
= Übersetzung der Basensequenz einer mRNA in die Aminosäuresequenz eines Proteins
- die Translation geschieht an den Ribosomen im Cytosol
- je drei aufeinander folgende Basen der mRNA (Basentriplett) bilden
ein Codon, das den Code für eine bestimmte Aminosäure darstellt
- zu jedem Codon existiert eine tRNA mit einem entsprechenden
Anticodon, die die passende Aminosäure binden kann
- am Ribosom wird die tRNA mit der nächsten passenden Aminosäure
an die wachsende Peptidkette herangeführt
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.3 Translation
Ribosomen:
makromolekulare
Komplexe aus
Proteinen und rRNA,
die in Cytosol,
Mitochondrien und
Chloroplasten
vorkommen.
Sie bestehen aus einer
großen und einer
kleinen Untereinheit.
An ihnen werden
Proteine gemäß dem
durch mRNA
vermittelten genetischen
Code synthetisiert
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.3 Translation
Initialphase:
Erreicht eine mRNA ein Ribosom,
so läuft die kleine Untereinheit
solange an der mRNA entlang, bis
sie ein Startcodon (AUG) findet.
Die dazu passende Methionin-tRNA
mit dem Anticodon UAC heftet sich
an das Codon; es bildet sich der
Initiationskomplex.
6.
Nukleinsäuren
Elongationsphase:
4)
Proteinbiosynthese
Nach Abschluss der Initiationsphase
zu 4.3 Translation
lagert sich auch die große Untereinheit
an. Die Methionin-tRNA befindet sich
zunächst an der P-Bindestelle. Die
nächste tRNA lagert sich nun an der ABindestelle an. Das Enzym
Peptidyltransferase verknüpft die
beiden Aminosäuren an der ABindestelle zu einem Dipeptid.
Das Ribosom wandert um ein Triplett
weiter. Die leere tRNA steht jetzt an der
E: Ausgang (Exit)
P: Bindungsort (Peptidyl-)
A: Erkennungsort (Aminoacyl-)
E-Bindestelle, die tRNA mit dem
Dipeptid an der P-Bindestelle, die
nächste tRNA kann an die ABindestelle.
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.3 Translation
Termination:
Bei Erreichen eines Stoppcodons, das
für keine Aminosäurecodiert, wird die
Translation beendet.
Terminationsfaktoren release factors,
RF) binden an das Stoppcodon und
unterstützen die Termination.
Stoppcodons:
UAG
UAA
UGA
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.3 Translation
Codon-Sonne, liefert zu einem Codon die passende Aminosäure bzw.
das Stopp-Signal (zu lesen von innen nach außen)
z.B.
UAC → Phenylalanin
AUG → Start / Methionin
UAG → Stopp
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.3 Translation
- die mRNA muss beim
Übersetzen von 5‘ nach 3‘
und im richtigen Leseraster
(also nicht um ein oder 2 Basen
versetzt) abgelesen werden
Übung: Übersetze die folgenden mRNA-Sequenzen in Aminosäuresequenzen:
(Startcodon unterstrichen)
5‘ AUGUUUGGUAAGUAA 3‘
5‘ CCAUGAAAGGGGGAGGC 3‘
Lösung:
Met – Phe – Gly – Lys (stop)
?????
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
4.4 Protein-Modifikation
- viele Proteine werden während (cotranslational) oder nach
(posttranslational) der Translation modifiziert
- mögliche Modifikationen:
- Abspaltung von Teilen der Polypeptidkette
(z.B. Abspaltung einer N-terminalen Signalsequenz)
- Hydroxylierung, Decarboxylierung oder Oxidation
einzelner Aminosäuren
- Glykosylierungen (Anbau von Zuckerbausteinen)
- Chaperon-unterstützte Formgebung
6.
Nukleinsäuren
4)
Proteinbiosynthese
zu 4.4 Protein-Modifikation
Beispiel: Abspaltung von Signalsequenzen
- Proteine, deren Bestimmungsort außerhalb der Zelle oder in
Zellkompartimenten wie Endoplasmatischem Retikulum oder Zellkern
liegt, besitzen häufig N-terminale Signalsequenzen (gleichsam einer
Postleitzahl), die während oder nach der Translation abgespalten werden:
6.
Nukleinsäuren
5)
Genmutation
= dauerhafte Veränderung des Erbgutes (i.d.R. DNA) in einem Gen, die
an die Tochterzellen weitergegeben wird
Beispiele:
a) Substitution: eine DNA-Base wird durch eine andere ersetzt
b) Deletion: Verlust einer DNA-Base
c) Insertion: Einfügen einer DNA-Base
6.
Nukleinsäuren
zu 5)
Genmutation
a) Substitution – Ersatz einer
DNA-Base durch eine andere
Leserichtung
Mutation
3‘-ACGTCGGGCACG-5‘
5‘-TGCAGCCCGTGC-3‘
DNA
3‘-AGGTCGGGCACG-5‘
5‘-TCCAGCCCGTGC-3‘
Transkription
mRNA
5‘-UCCAGCCCGUGC-3‘
Protein
Ser-Ser-Pro-Cys
5‘-UGCAGCCCGUGC-3‘
Translation
Cys-Ser-Pro-Cys
6.
Nukleinsäuren
zu 5)
Genmutation
zu a) Substitution – Ersatz einer DNA-Base durch eine andere
-> eine Basenpaarsubstitution kann zum
Austausch von Aminosäuren im
Protein führen
-> Ersatz durch ähnliche Aminosäure
i.d.R weniger folgenreich als
Ersatz durch ganz andersartige AS
Wildtyp
Cys-Ser-Pro-Cys
Mutante
Ser-Ser-Pro-Cys
6.
Nukleinsäuren
zu 5)
Genmutation
b) + c) Deletion bzw. Insertion – Entfernen bzw. Einfügen einzelner
Basenpaare
-> hier kommt es i.d.R. zur Verschiebung des gesamten Leserasters
Leserichtung
Insertion
3‘-ACGTCGGGCACG-5‘
5‘-TGCAGCCCGTGC-3‘
DNA
3‘-AACGTCGGGCACG-5‘
5‘-TTGCAGCCCGTGC-3‘
Transkription
mRNA
5‘-UUCCAGCCCGUGC-3‘
Protein
Phe-Gln-Pro-Val
5‘-UGCAGCCCGUGC-3‘
Translation
Cys-Ser-Pro-Cys
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
Lipide = Naturstoffe, die v.a. aufgrund langer Kohlenwasserstoffreste keine
oder eine geringe Wasserlöslichkeit aufweise.
Sie sind aufgrund geringer Polarität hydrophob (lipophil)
Einteilung der Lipide:
1.Fettsäuren
2.Fette und Öle (Triacylglycerine)
3.Phospholipide
4.Sphingolipide
5.Lipopolysaccharide
6.Isoprenoide
7.Wachse
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
1.Fettsäuren
= meist unverzweigte Monocarbonsäuren mit endständiger Carboxy-Gruppe
- Bestandteil der Fette und Öle
- gesättigte Fettsäuren: keine Doppelbindungen
- ungesättigte Fettsäuren: enthalten Doppelbindungen
Stearinsäure, gesättigt
Octadecansäure)
Ölsäure, ungesättigt
(cis-Octadecensäure)
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
2.
Fette und Öle (Triacylglycerine)
= Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin mit drei, meist verschiedenen
Fettsäuren
- Fette: bei Raumtemperatur fest
- (fette) Öle: bei Raumtemperatur flüssig
Allgemeine Struktur von
Fetten und Ölen;
blau: 3-fach acyliertes Glycerin
Veresterung zwischen Glycerin und Stearinsäure unter
Wasserabspaltung (Umkehrreaktion: Verseifung)
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
3. Phospholipide
= phosphorhaltige, amphiphile Lipide
- amphiphil: sowohl hydrophil als auch lipophil (natürliche Tenside)
- wichtigster Bestandteil von Biomembranen
a) Phosphoglyceride
b) Sphingomyeline
z.B. Cholinrest
Amidbindung zwischen
Sphingosin und Fettsäure
Aufbau der Phosphoglyceride: Veresterung von Glycerin
mit zwei Fettsäuren und einem Phosphorsäurederivat
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
zu 3. Phospholipide
- amphiphile Lipide ermöglichen den Aufbau von Lipiddoppelschichten:
hydrophile
PhosphatKöpfchen
hydrophobe
FettsäureSchwänze
-> Bauprinzip von Biomembranen zur Trennung zellulärer Kompartimente:
nahezu undurchlässig für Wasser, Ionen und wasserlösl. Moleküle,
dabei aber sehr stabil
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
4. Sphingolipide
= von Sphingosin abgeleitete, amphiphile Lipide
- wie Phospholipide wichtiger Bestandteil von Biomembranen
- Vertreter: z.B. Sphingomyeline, die auch zu Phospholipiden gehören
Aufbau der Sphingolipide: amidische Verknüpfung zwischen dem Aminoalkohol
Sphingosin und einer Acylgruppe, z.B. einer Fettsäure
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
5. Lipopolysaccharide
= Verbindungen aus fettähnlichen Bestandteilen
und Zuckerbestandteilen, z.B. in Bakterienmembranen
Lipopolysaccharid
6.Isoprenoide
= von Isopren abgeleitete Naturstoffe
- z.B. Steroide wie Cholesterin; Terpene in Harz von
Nadelbäumen
Isopren
Cholesterin
(stabilisiert u.a. Biomembranen)
7.
Lipide
7.1
Chemie der Lipide
7. Wachse
= Einfach-Ester von Fettsäuren mit langen, gesättigten Alkylresten
im Fettsäure- und im Alkoholteil
- meist knetbar bei Raumtemperatur, fest bis brüchig hart
Bienenwachsbestandteil
Palmitinsäuremyricylester
Waben aus Bienenwachs
7.
Lipide
7.2
Funktion der Lipide
a)Brennstoff im Energiestoffwechsel (β-Oxidation von Fettsäuren)
b)Energiespeicher (Fette, Öle)
c)Membranbausteine (v.a. Phospholipide)
d)Signalmoleküle
e)Hormone (z.B. Steroide wie Testosteron oder Cortisol)
f)fettlösliche Vitamine A, D, E, K
g)Cofaktoren von Enzymen
h)Pigmente (z.B. Carotinoide = Isoprenoide)
7.
Lipide
7.2
Funktion der Lipide
zu a) Lipide als Brennstoff: β-Oxidation von Fettsäuren
Beispiel: β-Oxidation ungesättigter Fettsäuren mit gerader C-Atom-Zahl
Vorbereitung: Aktivierung der Fettsäure
+ ATP + CoA-SH
+ AMP + PPi
Fettsäure-CoA-Ligase
- danach: Transport in die Mitochondrien-Matrix
- Aktivierung ist irreversibel: aktivierte Fettsäuren werden abgebaut
7.
Lipide
7.2
Funktion der Lipide
Beispiel: β-Oxidation ungesättigter Fettsäuren mit gerader C-Atom-Zahl
Schritt1: FAD-abhängige Oxidation
→ Knüpfen einer trans-Doppelbindung zwischen 2. und 3. C-Atom
→ Gewinnung von FADH2 für die Atmungskette
7.
Lipide
7.2
Funktion der Lipide
Beispiel: β-Oxidation ungesättigter Fettsäuren mit gerader C-Atom-Zahl
Schritt 2: Hydratisierung
→ Addition von H2O an die neue Doppelbindung
Schritt 3: NAD+-abhängige Oxidation (die eigentliche β-Oxidation)
→ Oxidation am β-C-Atom; Gewinnung von NADH für die Atmungskette
7.
Lipide
7.2
Funktion der Lipide
Beispiel: β-Oxidation ungesättigter Fettsäuren mit gerader C-Atom-Zahl
Schritt 4: Thiolyse
weiter in Schritt 1,
bis 2 Acetyl-CoA übrig
z.B. Citratzyklus
- pro Runde: ca. 1,5 – 2,5 ATP aus FADH2 und NADH
- zusätzlich ca. 10 ATP aus Acetyl-CoA-Abbau über Citrat-Zyklus
- z.B. Palmitinsäure (C16H32O2): ca. 106 ATP bei vollständigem Abbau