Vorlesung Biochemie

Einführung in die
Biochemie, Aminosäuren
Prof. Dr. Albert Duschl
Themen der Vorlesung
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Einführung in die Biochemie; Aminosäuren
Peptide und Proteine
Enzyme
Proteinfunktionen
Kohlenhydrate
Lipide
Nukleotide und Nukleinsäuren
Proteinbiosynthese
Bioenergetik
Primärstoffwechsel
Antikörper
Molekulare Medizin
Allgemeine Informationen
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Die Vorlesung findet als Doppelstunde (90 min) an 12 Terminen statt.
Diese Präsentation ist als pdf-file über die Homepage meiner Arbeitsgruppe erhältlich:
www.uni-salzburg.at/tapir
Die Vorlesung wird von einer Multiple Choice Prüfung abgeschlossen. Dabei müssen
nur die Lösungsblätter abgegeben werden, so dass alte Klausuren frei erhältlich sind.
Bestehen der Prüfung ist Voraussetzung für die Teilnahme an den
Molekularbiologischen und Biochemischen Übungen.
Es gibt keine Anwesenheitspflicht, aber wenn Sie nicht kommen und nachher
durchfallen schieben Sie es bitte nicht auf die Vorlesung.
Die pdf-files reichen zur Prüfungsvorbereitung alleine nicht aus, ohne biochemisches
Lehrbuch werden Sie also nicht auskommen.
Weitere Fragen?
Zum Inhalt der Vorlesung: [email protected] oder lieber gleich nach der
Vorlesung
Zum Organisatorischen: [email protected] oder über PLUSonline
FAQ
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Wann ist die nächste Prüfung? In PLUSonline steht noch kein Termin.
Dann steht noch keiner fest. Wir können Räume nicht so lang im Voraus buchen.
Wann ist aber ungefähr Prüfung?
Normal sind zwei Termine direkt nach Ende der Vorlesungsserie, einer Ende des
Semesters oder Anfang der Semesterferien, und einer Ende der Semesterferien.
Ich habe noch nicht alle Voraussetzungen laut STEOP, kann ich Prüfung schreiben?
Das ist leider vom Studienrecht her nicht möglich.
Ich hätte gerne eine mündliche Prüfung. Machen Sie sowas?
In gut begründeten Ausnahmefällen, etwa bei körperlicher Behinderung. Sonst nicht.
Ich muss die Prüfung bestanden haben um die Übungen „Molekularbiologie und
Biochemie“ zu machen, richtig?
Richtig. Das stand übrigens schon auf der letzten Folie.
Ich habe gehört bei Ihnen und manchen anderen Leuten kann man nur arbeiten wenn
man Molekularbiologie studiert hat, aber nicht mit Biologie. Stimmt das?
Nein, die beiden Studien werden überall gleichwertig behandelt. Entscheidend ist nur
was Sie können. Der Zugang zu Modulen, Bachelor- und Masterarbeiten ist gleich.
Empfohlene Lehrbücher
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Umfangreichere Lehrbücher:
Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Stryer: Biochemie
Nelson/Cox: Lehninger Biochemie
Voet/Voet/Pratt: Lehrbuch der Biochemie
Horton et al.: Biochemie
Billigere Alternativen:
Löffler: Basiswissen Biochemie
Walker/McMahon: Biochemistry Demystified
Gar nicht schlecht: Biochemie für Dummies
Eher ein Nachschlagewerk, aber auch nicht teuer:
Koolman/Röhm: Taschenatlas der Biochemie
Die gleichen Bücher brauchen Sie für weitere
Veranstaltungen, z.B.
VO Biochemie des Stoffwechsels und
UE Molekularbiologie und Biochemie,
beide im 3. Semester
Grundlagen der Biochemie
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Biochemie untersucht die molekularen Grundlagen des Lebens. Eine Art Gegenpol
bildet die Morphologie, die die strukturellen Grundlagen des Lebens untersucht.
Die Disziplin ist als selbständiges Fach um 1900 entstanden als Synthese aus der
physiologischen Chemie und der Naturstoffchemie.
In Salzburg wird die Biochemie am Fachbereich Molekulare Biologie vertreten.
So sieht ihr Professor aus
"Biowissenschaften und Gesundheit"
Gemäldesammlung des Fachbereichs Molekulare Biologie
Universität Salzburg
Das wichtigste Molekül: Wasser
Dipol
Hohe spezifische Wärme (Wärmekapazität)
Hohe Verdunstungswärme
Bildet Wasserstoffbrückenbindungen
Bildet Hydrathüllen
Gut wasserlösliche Substanzen: Hydrophil
Gemischte Löslichkeit: Amphiphil
Schlecht wasserlösliche Substanzen: Hydrophob
Dissoziiert in OH- (Hydroxyl-Ionen) und
H+ (Protonen)
Die Protonenkonzentration wird durch den
pH-Wert angegeben: Der pH-Wert ist der
negative dekadische Logarithmus der
H+-Konzentration.
Beispiel: [H+] = 10-7 mol/l → pH = 7
© Voet/Voet/Pratt: Lehrbuch der Biochemie
Mol? van-der-Waals-Radius?
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1 Mol = 6.023 ∙ 1023 Moleküle
(Avogadro-Zahl, Loschmidt-Zahl)
1-molal = 1 Mol Substanz pro 1 l (kg) Lösungsmittel
1-molar = 1 Mol Substanz pro 1 l Lösung
1 Mol H2O = 18.016 g
Der van-der-Waals-Abstand ist die kürzest mögliche Entfernung zwischen zwei nicht
gebundenen Atomen. Die Distanz einer Bindung muss also geringer sein als die
Summe der beiden van-der-Waals-Radien.
Bei einer Wasserstoffbrückenbindung zwischen H und O zweier unterschiedlicher
Wassermoleküle ist der Abstand voneinander 180 pm, der van-der-Waals-Abstand
wäre 260 pm.
Van-der-Waals Bindungen sind nicht-kovalente Bindungen. In der Reihenfolge
abnehmender Stärke gehören dazu ionische Wechselwirkungen,
Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und LondonDispersionskräfte.
Wasserstoffbrücken
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Wasserstoffbrücken beruhen auf
elektrostatischer Interaktion zwischen
H und den stärker elektronegativen
Atomen O oder N (oder F, aber das ist
biologisch nicht relevant)
Bindungsenergien im Vergleich:
Wasserstoffbrücken
20 kJ /mol
Kovalent C-C
Kovalent C-H
Kovalent O-H
348 kJ/mol
414 kJ/mol
460 kJ/mol
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
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Wasserstoffbrücken werden schnell
gebildet und wieder gelöst
Dissoziationskonstante
Die Reaktion HA + H2O ↔ A- + H3O+ wird beschrieben durch
v1 = k1 [HA] [H2O] (Geschwindigkeit der Hinreaktion) und
v2 = k2 [H3O+] [A-] (Geschwindigkeit der Rückreaktion)
Im Gleichgewicht ist v1 = v2, also ist k1 [HA] [H2O] = k2 [H3O+] [A-]
oder anders ausgedrückt
k1/k2 = [H3O+] [A-] / [HA] [H2O]
k1/k2 ergibt die Gleichgewichtskonstante K
Statt [H3O+] kann man [H+] schreiben und [H2O] ändert sich praktisch nicht, also gilt:
K' = [H+] [A-] / [HA]
K' ist die Dissoziationskonstante einer Säure.
Je höher K', desto stärker ist die Säure.
Dissoziationskonstante 2
Säuren mit K > 10-1 gelten als stark,
10-1 - 10-5 haben mittelstarke Säuren,
unter 10-5 sind Säuren schwach.
Biologisch wichtige Säuren sind meistens
mittel bis schwach, aber es gibt auch
Ausnahmen: Magensaft hat durch HCl
einen pH-Wert unter 2.
Dissoziationskonstanten für biologisch
wichtige Säure/Basen-Paare bei 25°C:
Statt K kann man bequemer pK angeben:
-log K = pK
Wasser ist eine Brönsted-Säure!
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
pH-Wert von Wasser
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H2O zerfällt spontan in H+ und OH-. Das Gleichgewicht der Reaktion H2O ↔ H+ + OHliegt aber stark auf der linken Seite, d.h. Wasser ist überwiegend doch einfach
Wasser. So schön ist Biochemie.
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Die Gleichgewichtskonstante K beträgt bei 25°C 1.8 x 10-16
Also: K = 1.8 x 10-16 = [H+] [OH-] / [H2O]
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Sie erinnern sich daß 1 mol Wasser 18.016 g sind? Da 1 l Wasser ca. 1 kg Wasser
entspricht, enthält 1 l Wasser 55.5 mol Wasser. Reines H2O ist also 55.5-molar.
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Daher: [H+] [OH-] = 1.8 x 10-16 ∙ 55.5 = 10-14
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Von H+ und OH- müssen gleichviel Moleküle vorhanden sein, und das Produkt ihrer
Konzentrationen ist 10-14. Man kann also die Konzentration der beiden Moleküle
festlegen auf 10-7, da 10-7 x 10-7 = 10-14
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Die Konzentration von H+ wird angegeben durch den pH-Wert (analog zu pK), der
definiert ist als - log [H+]. Der pH-Wert von Wasser ist bei den angegebenen
Bedingungen also 7.
Aminosäuren und Proteine
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Protein – vom griechischen proteios, "von
herausragender Bedeutung"
Jöns J. Berzelius, 1838
Proteine bestehen aus Aminosäuren. Von den unbegrenzt
vielen möglichen Aminosäuren kommen 20 normalerweise
in Proteinen vor ("proteinogene Aminosäuren„)
Proteine können weitere assoziierte Komponenten haben.
Zum Beispiel
- Glycoproteine (mit kovalent gebundenen
Kohlenhydraten)
- Lipoproteine (mit kovalent gebundenen Lipiden)
- viele Enzyme (mit Coenzymen oder Ionen)
Proteine haben normalerweise
- eine bestimmte Aminosäuresequenz
- definierbare Struktur
- spezifische Expression in bestimmten Zellen oder
Geweben
© Nature, 413, 365 (2001)
Allgemeine Struktur von Aminosäuren
Prüfer: "Können Sie mir sagen was eine Aminosäure ist?"
Student: "Nein."
Aminosäuren sind Carbonsäuren die eine Aminogruppe
enthalten. Sie besitzen also immer die funktionellen
Gruppen -COOH und -NH2.
Aminosäuren sind meist ionisiert, liegen also mit NH3+,
COO-, oder beidem vor.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Die C-Atome werden nummeriert (incl.
COOH-Gruppe, oder mit griechischen
Buchstaben bezeichnet (ohne COOH).
Deutsch: Lysin
Englisch: Lysine
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Eine Aminosäure kann mehrere Carboxyloder Aminogruppen haben.
Chiralität
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Eine Aminosäure mit 4 verschiedenen
Liganden am α-C-Atom hat ein chirales
Zentrum: Es sind zwei verschiedene
Stereoisomere möglich.
Chiralität ("Händigkeit") bedeutet
Spiegelsymmetrie: Zwei Objekte sind identisch
wie Bild und Spiegelbild, können aber nicht
miteinander zur Deckung gebracht werden.
Stellen Sie sich zwei Handschuhe vor.
Spiegelisomere dieses Typs bezeichnet man
als Enantiomere. Sie haben biologisch oft
ganz unterschiedliche Eigenschaften, z.B. bei
Thalidomid oder bei Carvon.
Alle Moleküle mit einem chiralem Zentrum
sind optisch aktiv, d.h. sie drehen die
Schwingungsebene von polarisiertem Licht.
© John Tenniel
© BioSite, www.biosite.dk
D- und L-Aminosäuren
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Aminosäuren werden nach Emil
Fischer als D-und L-Formen
unterschieden.
Die entsprechende zweidimensionale
Auftragung heisst Fischer-Projektion.
Die Aminosäuren in Proteinen sind
L-Stereoisomere.
© all figures Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Jäger und Sammler
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Mehrere Millionen Jahre lang lebten alle Menschen
als Mitglieder von Jäger/Sammler-Gesellschaften.
Sammler bringen mehr Kalorien nach Hause.
Aber Jäger versorgen die Gesellschaft mit
essentiellen Aminosäuren, für die Fleisch die beste
Quelle ist.
Absolut essentiell sind in Erwachsenen Lysin,
Methionin, Threonin, Isoleucin, Valin, Leucin,
Phenylalanin, Tryptophan und Histidin.
Bedingt essentiell sind Tyrosin (Synthese aus
Phenylalanin) und Cystein (Synthese aus Methionin)
wenn viel davon benötigt wird.
Arginin ist vor allem in Kindern essentiell. Wir
produzieren zwar Arginin, der größte Teil davon wird
aber bei der Bildung von Harnstoff gespalten (zur
Aminosäuresynthese siehe Vorlesung 10).
© TIME-LIFE: Die ersten Menschen
Die 20 proteinogenen Aminosäuren
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Spezifische Eigenschaften
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Was sollten Sie wissen?
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Versuchen Sie sich doch mal an einigen Übungsfragen zu Aminosäuren:
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Welche drei Aminosäuren sind aromatisch?
Was ist die kleinste proteinogene Aminosäure und was die größte?
Was haben Arginin, Histidin und Lysin gemeinsam?
Welche Aminosäuren enthalten Schwefel?
Was unterscheidet Prolin von den andern 19 proteinogenen Aminosäuren?
Welche Aminosäuren können phosphoryliert werden?
Welche sind sauer?
Was ist die häufigste Aminosäure in Proteinen? Und die seltenste?
ABCDEFGHI – welche Aminosäuren sind das (und welcher Buchstabe davon
bezeichnet keine Standard-Aminosäure)?
Was ist der Unterschied zwischen Glutamin, Glutamat und Glutaminsäure?
Zeichnen Sie die Strukturformel von Alanin!
Zeichnen Sie die Strukturformel von Tyrosin!
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Seltene Aminosäuren
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In Proteinen kommen außer den 20
normalen Aminosäuren auch noch
weitere Aminosäuren vor. Bis auf zwei
entstehen sie alle durch
posttranslationale Modifikation.
Nicht-Standard Aminosäuren werden
nach der Translation (Synthese eines
Proteins auf Grundlage einer mRNASequenz) durch spezifische Enzyme
modifiziert.
Die Modifikation der Aminosäuren ist
für die Funktion der Proteine
erforderlich
(Bsp.: 4-Hydroxyprolin in Kollagen).
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
© Stryer: Biochemistry
21. und 22. Aminosäure
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Normal werden Nicht-Standard
Aminosäuren über posttranslationale
Modifikation eingefügt. Die einzigen
bekannten Ausnahmen sind
Selenocystein (Sec, U) und Pyrrolysin
(Pyl, O), deren Verwendung schon auf
DNA-Ebene festgelegt wird.
In diesen Fällen wird ein Stopcodon
durch die Nukleinsäuresequenz in der
Umgebung umdefiniert, so dass
während der Translation eine spezielle
tRNA bindet und dadurch eine seltene
Aminosäure eingefügt wird. (Siehe
Vorlesung 8.) Beide Aminosäuren sind
sehr selten.
© Nature
Nicht-proteinogene Aminosäuren
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Viele Aminosäuren
kommen im
Stoffwechsel vor,
ohne daß sie in
Proteine eingebaut
werden.
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Aminosäuren in Wasser
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Wir werden noch viel über Aminosäuren hören, aber
vergessen Sie das Wasser nicht. Auch bei den
Aminosäuren ist das Lösungsverhalten in Wasser
ganz entscheidend. Der menschliche Körper besteht
zu etwa 70% aus Wasser. Wenn Sie 70 Kilo wiegen
sind also ca. 49 Kilo davon Wasser.
Ein Verlust von 10% der Körpermasse an Wasser
ruft schwere Dehydration hervor, ein Verlust von
20% verläuft tödlich.
Wie vor der Erfindung von Einweg-PlastikGetränkeflaschen Menschen überleben konnten,
bleibt ungeklärt.
David Hockney: A bigger splash