Organische Chemie und Biochemie (AW) 770.101

Universität für Bodenkultur Wien
Department für Chemie
Organische Chemie und
Biochemie (AW)
770.101
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Erika Staudacher
29.04.2012
Biochemie für LW
I
Unit 1
I
Erika Staudacher
1
TEIL 1
Proteine
Struktur
Methodik
Beispiel Hämoglobin
Enzyme
Kinetik
Einteilung
Beispiel proteolytische Enzyme
Co-Faktoren
Vitamine
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Unit 1
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2
Organisatorisches:
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1. Geprüft wird der Vorlesungsstoff
2.
Punkt in Ecke bedeutet: diese Folie dient zur Vertiefung
und wird nicht geprüft.
3. JEDES Biochemie-Lehrbuch ist zur Unterstützung geeignet.
Die Bücher sind alle sehr teuer, daher nicht kaufen sondern
in der Bibliothek ausleihen !
4. Meine email-Adresse:
[email protected]
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3
Veterinärmedizin
Anorganische Chemie
Humanmedizin
Zoologie
Botanik
BIOCHEMIE
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Physik
Biologie
Analytische Chemie
Organische Chemie
Physikalische Chemie
wässrige Systeme bei physiologischem (eher neutralem) pH-Wert
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4
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Proteine
Struktur der Biomoleküle - siehe
organische Chemie
Kohlenhydrate
Vorkommen in der Zelle / im Organismus
Lipide
Funktionen
Co-Faktoren
Biosynthese
weitere Biomoleküle
kontrollierter Abbau
Biochemische Arbeitsmethodik
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PROTEINE
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Primärstruktur:
Sekundärstruktur:
Tertiärstruktur:
Quartärstruktur:
Aminosäuren verbunden durch Peptidbindung
α-Helix, β-Faltblatt
Bildung von Domänen und aktiven Zentren
mehrere Untereinheiten zusammengefügt
Posttranslationale Modifikationen = Modifikation von reaktiven
Aminosäureseitenketten (z.B. - OH, - NH2, - SH, - COOH)
- Phosphorylierung
- Glykosylierung
- Methylierung
- γ-Carboxylierung
- und viele mehr !
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6
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Abb: P.Messner + Ch. Schäffer, Zentrum f. Nanobiotechnologie
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S-Schichtprotein von Bakterium
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Primärstruktur
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Sekundärstruktur
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Tertiärstruktur
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Quartärstruktur
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Einteilung der Proteine
* nach ihren Eigenschaften
(= gleichzeitig Möglichkeiten zur Trennung)
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- Molekulargewicht
- Ladung
- Löslichkeit
- Hydrophobizität
- Affinität (z.B. zu spezifischem Antikörper)
- Homologien in der DNA-Sequenz
* nach ihrer Funktion - falls man sie kennt !
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Methodik
präparative - analytische Methoden
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(Gel)Filtration
Beispiel Molekulargewichtsbestimmung:
Zentrifugation
Elektrophorese
Zeit
Aminosäurenanalyse (HPLC)
(2D-Elektrophorese)
Massenspektroskopie
Kernresonanzspektroskopie
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Elektrophorese
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2D-Elektrophorese
weitere Analyse der einzelnen Punkte
Analyse der Struktur und Funktion der Gesamtheit der Proteine einer Zelle:
"Proteomics"
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Beispiel: Hämoglobin
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Blutfarbstoff
MW ~ 62 000 Da (ohne Hämgruppe)
574 Aminosäuren
Fe-hältige Porphyringruppen
4 Untereinheiten, die einander in der
Konformation beeinflussen
ALLOSTERIE
Funktion: Transport von O2 und CO2
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Jede Untereinheit enthält einen Porphyrinring, der
ein Molekül Sauerstoff binden kann.
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Maximal können vier Sauerstoffmoleküle
aufgenommen werden.
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Allosterie-Effekt:
Affinität für das erste O2: eher gering, durch die Bindung
Konformationsänderung
für das 2. O2 schon etwas mehr
Affinität u.s.w.
Funktion:
Lunge: es herrscht hohe O2-Konzentration
rasche Aufnahme
von vier O2-Molekülen.
Transport mit den roten Blutkörperchen im Blutstrom zum Zielort.
Muskel: es herrscht geringe O2-Konzentration und hohe CO2Konzentration
Abgabe der O2-Moleküle,
Aufnahme von CO2-Molekülen.
Rücktransport zur Lunge.
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Myoglobin und
fetales Hämoglobin
haben eine höhere SauerstoffAffinität als Hämoglobin
Defekte:
Sichelzellanämie: erblich, eine Aminosäure (Glu Val)
ausgetauscht
Verformung und "klebrigwerden"
der desoxygenierten Form.
Thalassämien: verschiedene Mutationen, die zu Reduktion
oder Fehlen einer Kette führen.
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normal
Sichelzellanämie
Heterozygot
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Wenn an einem Protein irgendetwas verändert ist:
Aminosäuresequenz oder
dreidimensionale Struktur des Proteins oder
posttranslationale Modifikationen
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- manchmal kein Effekt
- Stoffwechselerkrankungen
(Auf- und/oder Abbauwege gestört)
- Funktion reduziert (z.B. Sichelzellanämie, cystische Fibrose)
- Transport zum Zielort funktioniert nicht
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ENZYME
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Enzyme sind Proteine, die in biologischen Systemen als
Katalysatoren wirken. (Auch RNA-Moleküle können katalytische
Funktionen haben !)
E+S
ES
EP
E+P
E ... Enzym
S ... Substrat
P ... Produkt
Wirkt durch Stabilisierung von Übergangszuständen
weniger Energie nötig
sehr selektiv
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Energie
Energie ohne
Katalysator
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Energieersparnis
Energie mit
Katalysator
Ausgangszustand
Energiegewinn der
Gesamtreaktion
Endzustand
Reaktionsverlauf z.B.Zeit
Enzym bringt Substrat in die optimale Orientierung und bestimmt
dadurch die Bindungsstelle
Selektivität
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Enzyme – Einsatz in der Industrie
- Waschmittel
- Zellstoff- und Papierherstellung
- Leder- und Textilbearbeitung
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- Stärkeabbau zu Glukose und weiter zu Ascorbinsäure
- Süßkraft (Umwandlung von Zuckern)
- Herstellung von Milchprodukten
- Backwaren
- Fleisch
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Enzymkinetik "Akzeptor" : WOHIN übertragen wird
"Substrat" : WAS übertragen wird
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KM : Michaelis-Menten-Konstante
= Substratkonzentration bei der
halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit
Vmax = maximale Reaktionsgeschwindigkeit
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KM und vmax sind für definierte Bedingungen für jedes Enzym
charakteristisch (wie gut ist das Substrat, wie gut sind die
Bedingungen, ...).
Typ einer Inhibition kann erkannt werden:
Kompetitiver Inhibitor: bindet im aktiven Zentrum
KM wird größer, vmax bleibt gleich
Nicht-Kompetitiver Inhibitor: bindet irgendwo anders am Enzym
vmax wird kleiner, KM bleibt gleich
Regulation der Enzyme: siehe später bei Stoffwechselregulationen
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Kompetitiver
Inhibitor
Nicht kompetitiver
Inhibitor
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Vmax bleibt gleich
KM wird größer
Vmax wird kleiner
KM bleibt gleich
Vmax2
KM3
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Einteilung der Enzyme
Nach dem katalysierten Vorgang:
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Hauptklasse
Reaktion
1. Oxidoreduktasen
Redoxreaktion
2. Transferasen
Übertragung von Molekülen
3. Hydrolasen
Hydrolytische Spaltung
4. Lyasen
Nicht-hydrolytische Spaltung
5. Isomerasen
Umwandlung isomerer Verbindungen
6. Ligasen
Energieabhängige Knüpfung von
Bindungen
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Beispiel: Proteolytische Enzyme
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Proteolytische Enzyme = Proteasen : spalten Peptidbindungen
Funktion:
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- Verdauung im Magen und Darm
- Abbau von Proteinen in Lysosomen und Proteasomen
- Abspaltung von Signalpeptiden
- Aktivierung von Prohormonen und Proenzymen
- bei der Blutgerinnung (Thrombin)
- bei der Fibrinolyse (Plasminogen)
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Einteilung der Proteasen:
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Serinproteasen: Serin im aktiven Zentrum
z.B. Verdauungsenzyme der Säuger im Darm:
Chymotrypsin (spaltet auf Carboxyseite von Tyrosin,
Tryptophan, Phenylalanin oder Methionin)
Trypsin (spaltet spezifisch bei Lysin und Arginin)
Elastase (spaltet bei kleinen ungeladenen Aminosäuren)
Zinkproteasen: Zink im aktiven Zentrum
z.B. Carboxypeptidase A (Säugerverdauungsenzym)
(spaltet einzelne Aminosäure vom C-Terminus
eines Proteins ab)
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Thiolproteasen (Sulfhydril-, Cysteinproteasen)
Cystein-Rest im aktiven Zentrum
z.B. Papain aus Papaya
Kathepsin B (in Lysosomen tierischer Zellen zum
Proteinabbau)
Aspartatproteasen (saure oder Carboxypeptidasen)
Ein Wassermolekül flankiert von zwei Aspartaten
bildet das aktive Zentrum
z.B. Pepsin (Magensaft, pH-Optimum 2-3)
HIV-1-Protease: setzt HIV-Schlüsselproteine aus
Vorläuferprotein frei.
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Beispiel: Einsatz von Enzymen
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- Waschmittel
- Zellstoff- und Papierherstellung
- Leder- und Textilbehandlung
- Stärkeabbau (Produktion von Glukose und Ascorbinsäure)
- Süßkraft (Umwandlung von Zucker)
- Milchprodukte
- Gärprodukte
- Backwaren
- Fleisch
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Prionprotein
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PrPC
PrPSc
Konformationsisomere
PrPC: wasserlöslich, leicht abbaubar
PRPSc: nicht wasserlöslich, schwer abbaubar,
unempfindlich gegen Hitze, Strahlung, UV-Licht, viele Desinfektionsmittel
Erscheinungsform: spongiforme Encephalopathie
!! Übertragung über Artgrenzen !!
- Scrapie (Schafe)
- BSE (Rinder) – seit 1985, Höhepunkt:1992 mit 37000 Fällen in GB
- Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) (Menschen)
- Kuru (Menschen) Papua-Neuguinea (Aufnahme: Essen und Schleimhäute)
- Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom
- Fatal familial insomnia (Schlaflosigkeit, Körpertemperatur, Hormonhaushalt)
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COFAKTOREN (Coenzyme)
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= Moleküle, die aktivierte Gruppen im Stoffwechsel übertragen
("Carrier").
Carrier
ATP
NADH und NADPH
FADH2 und FMNH2
Coenzym A
Liponsäureamid
Thiaminpyrophosphat
Biotin
Tetrahydrofolsäure
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übertragene Gruppe
Phosphorylgruppen
Elektronen
Elektronen
Acetylgruppen
Acylgruppen
Aldehydgruppen
CO2
C1-Einheiten
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VITAMINE – wasserlöslich I
meist Bestandteile von Coenzymen
Thiamin (Vitamin B1)
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In Thiaminpyrophosphat (Coenzym für Decarboxylasen und Transferasen)
Vorkommen: Weizen (daher Problem in Ostasien – polierter Reis)
Mangel: Kopfschmerzen, Schlafstörungen, Beriberi (neurologisch und kardiovaskulär,
Störungen der Herztätigkeit)
Riboflavin (Vitamin B2)
In Flavinadenindinucleotid (FAD) und Flavinmononucleotid (FMN); in der Atmungskette,
Bestandteil von Oxidoreduktasen
Vorkommen: Leber, Niere, Hering
Mangel: Sehschwäche, Wachstumsstörungen
Nicotinsäure (Niacin)
In Nicotinamidadenindinucleotid (NAD),
Vorkommen: Pilze, Hefe, Leber
Mangel: Störungen des zentralen Nervensystems, Pellagra (Dermatitis, Diarrhoe)
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VITAMINE – wasserlöslich II
Pyridoxin, Pyridoxal (Vitamin B6)
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Als Pyridoxylphosphat-Coenzym;
Vorkommen: Salat, Paprika, Hefe, Leber;
Mangel: Störungen des Proteinaufbaus
Pantothensäure
Bestandteil von Coenzym A;
Biotin (Vitamin H)
An Carboxylasen gebunden;
Vorkommen: Niere, Eigelb, Banane
Folsäure
Als Tetrahydrofolat, C1-Gruppentransfer
Vorkommen: Leber, Hefe
Mangel: verschiedene Anämien
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VITAMINE – wasserlöslich III
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Cobalamin (Vitamin B12)
Bestandteil von Transferasen, Ligasen und Mutasen;
Vorkommen: Kalbsleber, Kalbsniere, Eigelb; in anaeroben Mikroorganismen!
Mangel: Wachstums- und Konzentrationsschwäche
Ascorbinsäure (Vitamin C)
Cofaktor bei Hydroxylierungsreaktionen (Prolin im Kollagen)
Vorkommen: Zitrusfrüchte, Kartoffel, Hagebutten
Mangel: Schwächung des Immunsystems, Skorbut
29.04.2012
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FETTLÖSLICHE VITAMINE:
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Retinol (Vitamin A)
Bestandteil der Sehpigmente
Wachstumsfaktor für Jungtiere
Calciferol (Vitamin D)
Calzium- und Phosphatstoffwechsel, Knochenbildung,
α-Tocopherol (Vitamin E)
Schutz ungesättigter Membranlipide vor Oxidation
Vitamin K
Blutgerinnung
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