Biophysikalische Chemie des Knorpels

"Biophysikalische Chemie
des Knorpels"
PD Dr. rer. nat. habil. Jürgen Schiller
Wintersemester 2005/2006
Biophysikalische Chemie des Knorpels
1
Wie kommt man zu den Folien zur Vorlesung?
www.uni-leipzig.de/~biophys
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Lehre
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VL PD Dr. Schiller
Biophysikalische Chemie des Knorpels
2
Institut: Medizinische Physik und Biophysik
Durchführender:
PD Dr. rer. nat. habil. Jürgen Schiller
Thema:
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Kurzbeschreibung:
Die Zerstörung des Gelenkknorpels ist ein wesentliches Merkmal rheumatischer Erkrankungen.
In der Vorlesung werden neben klinischen Aspekten (Entzündung, Pathogenese, Behandlung)
vor allem moderne Verfahren zur Charakterisierung des Knorpels sowie seiner zellulären
(Chondrozyten, Entzündungszellen) und extrazellulären Bestandteile (Collagen, Proteoglycane)
besprochen. Diese Methoden reichen von klassischen histologischen Verfahren bis hin zu
modernen bildgebenden Verfahren (z.B. MRT). Ein besonderer Schwerpunkt sind die
experimentellen Grundlagen der eingesetzten Verfahren sowie die mit den einzelnen Methoden
zugänglichen Informationen (chemische Zusammensetzung, Struktur, Knorpelabbau).
Langform:
s. beigefügtes Word-Dokument
Form:
Vorlesung, Semesterbegleitend, Zeit: Vorzugsweise Montag Nachmittag (individuelle Planung
möglich), Nach Wunsch zusätzliches Praktikum (Gerätedemonstration)
Termine:
Vorzugsweise Montag Nachmittag
Prüfungsmodalitäten:
Im Anschluß mündliches Testat oder Klausur. Termine werden individuell abgesprochen
(vorzugsweise EndeWintersemester bzw. Anfang Sommersemester).
Mindestteilnehmerzahl:
10 Studierende
Verfügbare Plätze/Maximalteilnehmerzahl:
30 Studierende
Empfohlen ab dem 2. Fachsemester
Biophysikalische Chemie des Knorpels
3
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Vorlesung - WS 2005/2006
PD Dr. rer. nat. habil. Jürgen Schiller
Universität Leipzig, Medizinische Fakultät
Institut für Medizinische Physik und Biophysik
Härtelstraße 16-18, D-04107 Leipzig
Tel.: +49-341-9715733 Fax: +49-341-9715709
e-mail: [email protected]
Privat: Täubchenweg 51, D-04317 Leipzig
Tel.: +49-341-6993108 Mobile: 0162-8215481
Ich möchte mit dieser Veranstaltung
keinesfalls in Konkurrenz zu Ärzten treten!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
4
Warum dieser Titel: "Biophysikalische Chemie des Knorpels"?
Das bin ich selbst (Chemiker) und außerdem
ist die Chemie wichtig für die Struktur
des Knorpels und seiner Bestandteile!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Ich denke, daß dieser
Bestandteil des Wortes
wohl klar ist: Wir sind die
Biophysik!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Sehr wesentliches
Forschungsgebiet
an unserem Institut!
5
Tensiometrie
Modellierungen
Zeta-Sizer
Konfokale
Mikroskopie
Monolayer
-Techniken
NMR
Medizin
DSC
Institut für Medizinische
Physik und Biophysik
FTIR
FluoreszenzKorrelationsspektroskopie
Raster-Kraftmikroskopie
MALDI-TOF
Massenspektrometrie
Membran- und
Zellbiophysik
Biophysikalische Chemie des Knorpels
ESR
Naturwissenschaften
Fluoreszenz
-Spektroskopie
MRT/NMR-Mikroskopie
Strukturaufklärung von Membranproteinen
Organbiophysik
& Gewebeersatz
6
Wir beschäftigen uns schon lange mit Knorpel
Graduiertenkolleg
"Molekular und Zellbiologie
des Bindegewebes"
SFB 294
"Moleküle in Wechselwirkung mit Grenzflächen"
Knorpelschwellung
Modellbildung
Beweglichkeiten
Gelenkflüssigkeiten
Knorpelabbau
NMR-Methodik
Institut für Medizinische
Physik & Biophysik
Interdisziplinäres Zentrum
für Klinische Forschung
an der Universität Leipzig
Therapie-Monitoring
Knorpelabbau
Festkörper-NMR
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Innovationskolleg INK 23
"Chemisches Signal
und biologische Anwort"
Signaltransduktion
Rolle der Neutrophilen
Lipid-Analytik (MS)
7
Die Motivation für Knorpelforschung ist "Rheuma"
Biophysikalische Chemie des Knorpels
8
Biophysikalische Chemie des Knorpels
(Vorlesung WS 2005/2006, 2-stündig)
1.
Die allzeit ungeliebte Chemie
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•
Das Periodensystem der Elemente/Elementverteilung
Bindungseigenschaften von Kohlenstoff und anderen wesentlichen Elementen
Von der Aminosäure zum Protein
Charakteristika der Wasserstoffbrückenbindung, -α-Helix, -β-Faltblatt
Vom Monosaccharid zum Polysaccharid (Aldosen, Ketosen, Glycosidische Bindung ⇒
Glycoside, Mutarotation, Optische Aktivität)
• Fette, Phospholipide, Fettsäuren, Signaltransduktion, Arachidonsäure als wichtiges
Ausgangsmaterial für die Synthese biochemisch-relevanter Moleküle
• Hydrophober Effekt, Bildung von Mizellen, Biomembranen
2.
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3.
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Aufbau und Relevanz des Knorpels und der extrazellulären Matrix
Was sind eigentlich "Bindegewebe" und Bindegewebserkrankungen?
Zusammensetzung unterschiedlicher Knorpeltypen
Collagen, Collagenaufbau und Collagentypen, Biosynthese
Proteoglycane: Struktur und Eigenschaften, Biosynthese der enthaltenen Polysaccharide
Wechselwirkung Collagen und Proteoglycane: Was hält den Knorpel zusammen?
Die Chondrozyten: Kleine Meister der Knorpel-Synthese
Physikalische und elektrochemische Eigenschaften des Knorpels
Strukturelle Eigenschaften der Grundmatrix
Ionenverteilung im Bindegewebe
Donan-Potential
Ionenkondensation (Gibt es überhaupt "Calzifizierung" im Knorpel?)
Osmotischer Druck
Wasserbindung und Schwellung
Wie wird der Knorpel zum Tortenguß (Gelatine)?
Biophysikalische Chemie des Knorpels
9
4.
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5.
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6.
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7.
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Gewinnung von Knorpel, Komponenten, Lagerung, Trennung
Welcher Knorpel für welchen Zweck?
Charakterisierung der einzelnen Knorpeltypen
Zusammensetzung (Collagen- und Kohlenhydratgehalt)
Wie bewahrt man Knorpel auf? Welche Zusatzstoffe? Wie verändern sich die einzelnen
Knorpelkomponenten bei längerer Lagerung?
Wie kann man Knorpel nach einzelnen Komponenten trennen?
Gewinnung und Isolierung von Collagen
Gewinnung und Isolierung von Proteoglycanen
Chondrozyten in Kultur
Methoden zur in vitro Knorpelcharakterisierung
Histologische Untersuchungen: Was färbt sich wie?
Wasserbindungsvermögen, Relaxation und Diffusion (MR-Verfahren)
Ionengehalte
NMR: Lösung, HRMAS und Entkopplung
Elektrophorese; Färbemethoden für Proteine und Kohlenhydrate
Enzymatischer Verdau
Massenspektrometrie
Wann ist eine Zelle tot?
Methoden zur in vivo Knorpelcharakterisierung
Röntgen/CT - Woher kommt eigentlich der Kontrast? Warum ist der Knorpel so schwierig
darzustellen?
Arthroskopie
Die besten Bilder ⇒ MRT: Magischer Winkel und Kompression
Was macht ein NMR-Kontrastmittel?
Vergleich und Potential der verschiedenen Techniken
Pathologischer Knorpel und Knorpelabbau
Tot caput, tot opiniones...
Was ist das Kriterium für pathologische Veränderungen?
Biophysikalische Chemie des Knorpels
10
Rheumatische Erkrankungen
•
•
•
•
8.
Osteoarthritis
Rheumatoide Arthritis
Die Analytik von Synovialflüssigkeiten
Die Beteiligung unterschiedlicher Zellen am Knorpelabbau
Was macht man bei "Rheuma"?
•
•
•
•
•
•
Behandlung der Osteoarthritis
Behandlung der Rheumatoiden Arthritis
Die "ARA"-Kriterien
Medikamentöse Behandlung
Therapiekonzepte, Anti-TNF-α-Behandlungen
Was kann jeder selbst machen?
9.
Zusammenfassung, Ausblick, Nachtrag...
Biophysikalische Chemie des Knorpels
11
Empfehlenswerte Literatur (???)
Lubert Stryer
"Biochemie"
4. Auflage
Spektrum Verlag, 2003
ISBN: 3860253468
Ebert, G.
Teubner Verlag, 1996
ISBN: 3519035162
Arnold, Schiller, Huster
"Knorpelstruktur und Abbauprozesse"
Akademie-Verlag
ISBN: 3-7776-1355-X
A. Maroudas & K. Kuettner
"Methods in Cartilage Research"
Academic Press, San Diego, 1990
ISBN: 0-12-473280-1
M.A.R. Freeman
"Adult Articular Cartilage"
Pitman Medical, Tunbridge Wells, 1979
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Einige Quellen zur "Forschung"
Diese Quellen sind ganz sicher
nicht bierernst zu nehmen!
Dennoch sind sie ein Genuß
und geben viele interessante
Impressionen!
http://www.laborjournal.de/rubric/ljbuch/index.html
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Biophysikalische Chemie des Knorpels
Kapitel I - Die ungeliebte Chemie
Diese Veranstaltung dient
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um Kund zu tun, was ich für ganz wesentlich
an Grundkenntnissen halten würde
zur Begriffsklärung ("schneller" Überblick
über eine Unzahl von Fachbegriffen)
zur Vermeidung von Mißverständnissen
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Molekulare Organisation des "Lebens"
Die Chemie ist letztlich für die physikalischen bzw. biomedizinischen Eigenschaften verantwortlich!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Die große Leipziger Chemie-Vergangenheit...
Und so ging´s seinerzeit zu...
"Die Chymie jährlich mit großem Nutzen derer Studiosorum zu
demonstriren...", sowie "...öffentliches Laboriren und Demonstriren..."
stießen damals auf Widerstand an der Universität. So wandte sich der
Protest des Theologen Olearius zum Beispiel gegen die Unterbringung und
das Experimentieren des Chemikers SCHEIDER im Paulinum, da "... in
dergleichen Laboratoriis nicht nur Arsenicalia..., sondern auch Antemonialia
und Spiritus urinosi... so einen gräßlichen Gestanck verursachen..., ..zu
geschweigen, daß der Dampf an sich selbst wie ein Gifft ist und nebst der
anderen specificierten Dinge Rauch denen Gelehrten und allen studiosis,
die mit dem Kopf arbeiten sollen, fast unerträglich ist...".
Der Status des Professionis Chymiae Ordinariae war dem eines
Extraordinarius gleichzusetzen, denn deren öffentliche Vorlesungen ex
catedra wurden zum Beispiel "... nur in denen Hunds-Tagen, als zu welcher
Zeit die Ordinarii Professores Ferien haben..."; zugelassen; und sie hatten
weder Sitz noch Stimme in der Fakultät, obwohl der Sächsische Kurfürst
äußerte, daß "... das Studium Chymicum mit mehrerem Eyfer getrieben und
publicae dociret, auch dabey dasjenige, was zur Erkäntniß und
Beschaffenheit derer Ertzte, ...gehörig fleißig untersuchet...werde... , und
die Tätigkeit des Chemieprofessors "...nicht im bloßen Lesen, alß wovon die
studirende Jugend wenig Nutzen haben würde, sondern, nebst disputiren
in öffentlichem Laboriren und Demonstriren, zugleich bestehen soll..." .
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Die allezeit (ziemlich) ungeliebte Chemie
Das "Langperiodensystem" der Elemente:
Häufigkeit der Atomsorten in der Erdhülle
(Erdkruste+Lithosphäre+Atmosphäre+Hydrosphäre+Biosphäre)
Stellung
Atomsorte
Massenanteil [%]
1
Sauerstoff
49.4
2
Silicium
25.8
5
Calcium
3.39
6
Natrium
2.64
7
Kalium
2.40
9
Wasserstoff
0.88
11
0.19
12
Chlor
Phosphor
13
Kohlenstoff
0.087
15
Schwefel
0.048
16
Stickstoff
0.03
Biophysikalische Chemie des Knorpels
"COHN"
(Alle Materie)
0.09
"COHNPS"
(Nur belebte
Materie!)
17
Motivation: Kenntnisse über Aminosäuren sind wichtig
zum Verstehen des Aufbaus von Collagen
Kurzer Ausschnitt
einer Collagen-Fibrille
50 nm
Collagen-Molekül
300 x 1.5 nm
Collagen-Tripelhelix
1.5 nm
300
250
200
150
100
50
Pro (120)
Ala (103)
Hyp (99)
Glu (89)
Arg (50)
Asp (43)
Andere (163)
AS auf 1000 Reste
Lediglich VIER (von mehr
als 20) Aminosäuren machen zwei Drittel aller
Aminosäurereste im Collagen aus, nämlich
6 Glycin
6 Alanin
6 Prolin
6 Hydroxyprolin
Gly (333)
vgl. "Verdrillte Kabel" in Leitungen
⇒ Schlagwort "Bionik"!
Aminosäuren
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Proteine = "Eiweiße": Genauer hingeschaut
8 Proteine = Eiweißstoffe Y Bau- (Elastin, Collagen) und
Wirkstoffe (Enzyme) in tierischen/pflanzlichen Zellen
8 Proteine Y Ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie das Eiklar des Hühnereies Y Name!
8 Makromoleküle aus Aminosäuren Y Carboxylgruppe
(1. AS) + Aminogruppe (2. AS) Y Peptidbindung + H2O
8 Die vier Atome der Peptidbindung liegen in einer Ebene
8 Kondensieren 2 bis 9 AS Y Oligopeptide
8 10 bis 100 AS Y Polypeptide
8 Proteine Y Mehr als 100 AS
8 Extreme Relevanz für den Organismus (protos, gr. =
ursprünglich, zuerst), z.B. auch als Puffer!
⇒ Eine Ebene!
Pflanzen können Proteine aus anorganischen Verbindungen (CO2,
NH3) herstellen Y Speicherung in den Samen (Sojabohnen 56 %;
Getreidekörner 10 %).
Mensch und Tier müssen Proteine durch pflanzliche oder tierische
Nahrung aufnehmen und sie in körpereigene Bau- oder Wirkstoffe
umwandeln (essentielle Aminosäuren).
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Aminosäuren, die im genetischen Code
programmiert sind
a) Aliphatische Aminosäuren
NH 2
H
H
NH 2
COOH
H 3C
NH 2
H 3C
COOH
COOH
CH 3
Alanin
Ala (A)
Glycin
Gly (G)
CH 3
Valin
Val (V)
NH 2
NH 2
H 3C
E
COOH
H 3C
COOH
CH 3
E
Leucin
Leu (L)
E
Isoleucin
Ile (I)
b) Aromatische Aminosäuren
HO
NH 2
NH 2
COOH
Phenylalanin
Phe (F)
E
HN
NH 2
COOH
Tyrosin
Tyr (Y)
COOH
Tryptophan
Trp
E
Diese AS zeigen sehr gute UV-Absorptionen und können deshalb photometrisch leicht nachgewiesen werden. Außerdem emittieren sie auch Licht,
wenn Sie mit einer bestimmten Wellenlänge angeregt werden (Fluoreszenz).
Beides ist wichtig zum quantitativen AS-Nachweis!
E
Essentielle Aminosäure
Alle AS (bis auf Glycin) sind optisch AKTIV (chiral)!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
20
Fortsetzung: Aminosäuren des
genetischen Codes
c) Aliphatische Aminosäuren mit funktionellen Gruppen
NH 2
HO
NH 2
H 3C
COOH
COOH
NH 2
S
E
Methionin
Met (M)
HOOC
E
O
COOH
(-SH: Sulfhydryl-S- : Thioether-)
NH 2
H 2N
COOH
Asparaginsäure
Asp (D)
auch: Aspartinsäure
NH 2
COOH
Cystein
Cys (C)
NH 2
COOH
HOOC
HS
OH
E
Threonin
Thr (T)
Serin
Ser (S)
H 3C
NH 2
Asparagin
Asn (N)
NH 2
COOH
H 2N
NH 2
COOH
H 2N
COOH
E
O
Glutaminsäure
Glu (E)
Glutamin
Gln (Q)
NH 2
H
N
H 2N
Lysin
Lys (K)
COOH
NH
Arginin
Arg (R)
d) Heterocyclische Aminosäuren
N
H N
NH 2
COOH
N
COOH
H
Histidin
His (H)
Prolin
Pro (P)
Prolin ist also - streng-genommen - eine Iminosäure!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
21
Die Aminosäuren sind extrem vielseitig in
ihren Eigenschaften
>
Chemische Struktur
> pH-Abhängigkeit der Ladung (isoelektrischer
Punkt, IEP) ⇒ Wichtig bei "SDS-PAGE"!
> Hydrophobizität ⇒ Wichtig für Strukturbildung
bei Proteinen!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
22
Strukturhierarchie Aminosäuren Y Peptide Y Proteine
Die "richtige" Faltung eines
Proteins ist sehr wichtig!
Enzyme sind z.B. nur dann
aktiv, wenn ihre Struktur
richtig ist (⇒ Denaturierung)
Biophysikalische Chemie des Knorpels
23
Noch mal: Die Hierarchie von Aminosäuren
- Primärstruktur:
Abfolge der Aminosäuren und Position eventueller Disulfidbrücken ("Cysteinbrücken"), "Glycosylierungsstellen".
- Sekundärstruktur:
8 α-Helix
Kleine Aminosäuren ⇒ Helix bevorzugt!
8 β-Faltblatt
8 Collagenhelix
}
- Tertiärstruktur:
Wechselwirkung weit entfernter Aminosäuren
- Quartärstruktur:
Zusammenlagerung unterschiedlicher Anteile zu einem
"Gesamtprotein" (z.B. Lipoproteine, Glycoproteine)
Biophysikalische Chemie des Knorpels
24
Nicht-kovalente Wechselwirkungen sind
entscheidend für die Struktur von Lipoproteinen
Blut
Abtrennen
der Zellen
Blutplasma
VLDL
+
LDL
+
HDL
Biophysikalische Chemie des Knorpels
25
Etwas Nomenklatur
6
6
6
6
6
Internationale Abkürzungen der AS Y Dreibuchstabencode Y
Aber: Auch Einbuchstabencode wird verwendet!
Gesondert angegeben werden Disulfidbrücken und die zweiten
Aminogruppen von basischen Aminosäuren bzw. von
Säureamiden.
Man ordnet die Kette so an, dass man stets mit der Aminosäure
beginnt, die die freie Aminogruppe besitzt (N-Terminus).
Alle weiteren Aminosäuren werden nach rechts hinzugefügt.
Der Name des Peptids wird gebildet, indem die Aminosäure,
deren Carboxylgruppe in Reaktion tritt, die Endung -yl erhält.
Das Ocytocin (okys, gr. = schnell; tokos, gr. = Geburt) ist ein Hormon des Hypophysenhinterlappens und bewirkt die Kontraktion der Gebärmuttermuskulatur.
Aus 51 Aminosäuremolekülen besteht das in den Langerhans-Inseln der
Bauch-speicheldrüse gebildete Hormon Insulin, das den Blutzuckergehalt
senkt.
Biophysikalische Chemie des Knorpels
26
Wasserstoffbrücken aber auch hydrophobe
Wechselwirkungen spielen eine gewaltige
Rolle bei der Strukturbildung
Es ist oft ein gewaltiger Unterschied, ob in Wasser oder in anderen
Lösungsmitteln gearbeitet wird (vgl. Protisch (H2O), Nicht-Protisch
(DMSO)).
Biophysikalische Chemie des Knorpels
27
Zucker werden in der Regel nur als Energieträger gewürdigt!
sie sind aber weitaus mehr!!!
Zucker ⇒ Kohlenhydrate ⇒ Cx(H2O)x ⇒ C6(H2O)6 ⇒ C6H12O6 (z.B. Glucose)
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Warum sind Zucker auch wichtig?
Kohlenhydrate sind wichtig als "Strukturbildner" (z.B. Alginate
in Algen oder "Mucopolysaccharide" im Bindegewebe)
1 µm
ProteoglycanAggregat
Core-Protein
Link-Proteine
HA-Molekül
(GAG)
Keratansulfat
(GAG)
Condroitinsulfat
(GAG)
Die Proteoglycane des Knorpels bestehen zum überwiegenden
Teil aus Aminozuckern!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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Systematik der Aldosen
(nur D-Reihe gezeigt)
Diese Position bestimmt ob ein
Zucker D- (dexter, rechts) oder
L-Form (laevus, links) darstellt.
O
H
OH
CH 2OH
D-Glycerinaldehyd
H
O
H
OH
HO
OH
OH
CH 2OH
CH 2OH
Erythrose
H
Threose
H
O
OH
O
O
H
H
O
HO
O
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
H
O
H
OH H O
O
H
HO
HO
Xylose
Arabinose
Ribose
H
O
O
H
OH HO
O
H
Lyxose
O
H
OH H O
O
OH H O
OH H O
OH
OH
OH
OH HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
Altrose
Glucose
OH
H
OH
Allose
HO
O
Mannose
OH HO
HO
HO
HO
HO
Gulose
Idose
Galactose
Talose
"ALLE ALTEN GÄNSE MÖCHTEN GERN
IM GARTEN TANZEN"
Biophysikalische Chemie des Knorpels
30
Systematik der Ketosen
(nur D-Reihe gezeigt)
CH 2OH
O
CH 2OH
Dihydroxyaceton (achiral)
CH 2OH
O
OH
CH 2OH
Erythrulose
CH 2OH
CH 2OH
O
O
HO
OH
OH
OH
CH 2OH
CH 2OH
Ribulose
Xylulose
OH
O
O
O
O
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
OH
HO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
OH
OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
CH 2OH
Allulose
Fructose
Sorbose
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Tagalose
31
Verschiedene Zuckerformeln
am Beispiel der D-Idose
H
O
H
HO
O
HO
OH
OH
OH
Umsetzung
HO
OH
OH
CH 2OH
H
OHCH 2
HO
OH
OH
O
OH
CH 2OH
D-Idose
D-Idose
FISCHER-Proj.
Halbacetalformen
6
CH 2OH
OH
O
OH
CH 2OH
OH
H
OH
5
OH
4
1
2
3
OH
CH 2OH
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
α-D-Idopyranose
β-D-Idopyranose
O
offene Form
H
O
OH
Haworth-Formeln
H
HOCH 2
OH
OH
OH
D-Idofuranose
Konformationen
OH
CH 2OH
CH 2OH
O
OH
OH
OH
O
HO
HO
OH
OH
C1-Konformation
Biophysikalische Chemie des Knorpels
1C-Konformation
32
Die natürlich vorkommenden Kohlenhydrate sind "optisch aktiv"
Ähnlich wie die Aminosäuren (in der Natur kommt nur die LForm vor) sind auch Kohlenhydrate optisch aktiv, d.h.
8 Sie besitzen mindestens ein Kohlenstoffatom, das 4
verschiedene Substituenten trägt (*)
8 Verhalten sich wie Bild und Spiegelbild
8 Drehen die Ebene des polarisierten Lichtes entweder nach
Links (Laevus, L) oder Rechts (Dexter, D), was z.B. zur
Konzentrationsbestimmung von Zucker im Harn verwendet
werden kann (Polarimeter ⇒ Physik-Praktikum!)
8 Machen den Chemie/Biochemie-(Medizin)-Studenten viel
Verdruß beim genauen Verständnis
Biophysikalische Chemie des Knorpels
33
Beispiele für Glycoside und
glycosidisch verknüpfte Zucker
Polymere Zucker im Alltag:
OH
H 2C
HO
HO
- Tütensuppen
H2
O
O
C
OH
HO
HO
O
CN
O
- Schlankheitsmittel
H
OH
Amygdalin
(Bittermandel)
NH 2
N
HO
O
N
N
N
Adenosin
OH
OH OH
O
HO
OH
HO
O
HO
OH
O
H
OH
Saccharose
OH
H
OH
HO
OH
HO
O
OH
O
HO
O
HO
OH
O
OH
OH
Maltose
HO
OH
O
Cellobiose
OH
HO
O
HO
Biophysikalische Chemie des Knorpels
OH
34
Chitosan als Schlankheitsmittel?
Krabbenschalen
und anderes
Rohmaterial
Positiv-geladenes
Polysaccharid
- Calcium-Entfernung
- Protein-Entfernung
- Entfärbung
CH2OH
CH2OH
O H
H
OH H
H
Säure
O H
H
O
N-H
OH H
H
CH2OH
NaOH
O
OH H
N-H
C=O
C=O
CH3
CH3
CH2OH
O H
H
H
O H
H
O
NH2
OH H
H
NH2
O
n
n
Chitin
Chitosan
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Sensationelle Entdeckung:
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Meerestiere werden niemals dick!
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ändern. Ein Beispiel: vorher 80 kg, nach 1 Monat 73 kg. Ars Medica, Helsinki 1997
Was passiert nun im Körper?
Auf Dauer!
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ENDE DER ANZEIGE
Biophysikalische Chemie des Knorpels
35
Auf diese Kohlenhydrate kommt es nun im
Knorpel tatsächlich an
CH2OH
CH2OH
O H
H
HO
OH
Glucose
HO
OH
H
O H
H
OH H
OH
H
O H
H
OH H
COONa
NH2
OH H
HO
OH
H
Glucosamin
OH
Glucuronsäure
CH2OH
HO
CH2OH
O H
H
OH H
HO
OH
H
N-H
NaOOC HO
H
O
H
OH
OH H
H
H
H
N-H
C=O
C=O
CH3
CH3
N-Acetylglucosamin
H
N-Acetylneuraminsäure
?
N-Acetylgalactosamin6-sulfat
"Chondroitinschwefelsäure" (Chondroitinsulfat) besteht aus
N-Acetylgalactosamin, das in 4- oder 6- Position mit Schwefelsäure verestert ist!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
36
Chondrozyten, Knorpel und Perichondrium ⇒ FETTE
Perichondriale Fibroblasten
Perichondrium
Zellen
Chondroblast
Zellmembran
Knorpel
Phospholipide
Chondrozyt
Knorpelkapsel
Schema der Übergangszone zwischen Perichondrium und hyalinen Knorpel. Bei der
Umwandlung der Perichondriumzellen in Chondrozyten runden sich die Zellen ab und ihre
Oberfläche wird unregelmäßig. Die Knorpelgrundsubstanz enthält zahlreiche feine
Collagenfibrillen; frei bleibt jedoch die Umgebung der Chondrozyten, wo die Grundsubstanz
vor allem aus Glycosaminoglycanen besteht. Diese Region wird als "Knorpelhof" bezeichnet.
Biophysikalische Chemie des Knorpels
37
Einfache Fette und Wachse
Natürliche Fettsäuren:
Gesättigte Säuren:
CH3-(CH 2) n-COOH
gerades n; 2 < n < 20 (22)
haben durchwegs Trivialnamen
Typisch: Stearinsäure CH3(CH 2)16COOH
Ungesättigte Fettsäuren:
COOH
15
12
5
8
9
COOH
Arachidonsäure
11
14
Ölsäure
COOH
Linolsäure
COOH
Linolensäure
Bei der ω-Nomenklatur
wird von der Methylgruppe aus gezählt!
ω-3-Fettsäuren!
Fette sind Ester des Glycerins mit Fettsäuren:
Fett:
CH 2-O2CR 1
CH-O 2CR 2
CH 2-O2CR 3
Wachse sind Ester von Fettsäuren mit langkettigen Alkoholen oder Cholesterin
R C
O-R´
O
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Allgemeine Definition von "Fetten":
Mit organischen Lösungsmitteln (z.B.
CHCl3) aus Gewebe extrahierbar!
38
Phospholipide
O
O
R
O
O
O
R´
O-X
P
O
OH
Lecithine
+
X = -CH2-CH 2-NH 3
Colaminkephaline
O
OH OH
+
X = -CH2-CH 2-N(CH 3) 3
+
X = -CH2-CHNH 3-COOSerinkephaline
X=
Phosphatitylinositole
OH
OH
Sphingolipide
OH
OH
NH 2
Sphingosin
OH
H
X = H: Ceramide
X = Zucker: Sphingoglycolipid
N
O
X
O
R
X = Phosphocholin: Sphingomyeline
Biophysikalische Chemie des Knorpels
39
Welche Lipide/Phospholipide gibt es?
a) Lipide
CH3
CH3
O
CH3
CH3
C
O
O
CH2
R
C
O
O
CH2
R
C
O
CH
R
C
O
O
CH
CH2 O H
R
C
O
CH2
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
H3C
O
HO
R
O
R
C
O
Cholesterol
Diacylglycerol
(DAG)
Cholesterylester
Triacylglycerol
(TAG)
b) Neutrale Phospholipide
O
R
R
O
C
O
O
C
O
CH2
R
R
CH
O
C
O
O
C
O
CH2
H3C-(CH2)12-CH=CH
CH
C
CH2 O P O CH2 CH2
O
O
N(CH3)3
N(CH3)3
O
OH NH
O
R
NH3
Sphingomyelin (SM)
O
Phosphatidylcholin (PC)
CH2
CH
O
CH2 O P O CH2 CH2
CH
O P O CH2 CH2
Phosphatidylethanolamin (PE)
c) Saure Phospholipide
O
O
R
C
O
O
CH2
R
C
O
O
CH2
R
C
O
CH
R
C
O
CH
O
H
CH2 O P O CH2
C
O
COO
O
H
CH2 O P O CH2
C
O
NH3
Phosphatidylserin (PS)
CH2OH
CH2
O
C
R
CH
OH OH O
O P O CH2
O
OH
O
C
R
O
O
HO
OH
OH
Phosphatidylglycerol (PG)
Phosphatidylinositol (PI)
O
O
C
O
O
CH2
R
C
O
CH
O
C
R
CH
OH O
O P O CH2
O
O
OH
O P O
O
O
O P O
O
O
C
R
O
O P O
O
O
CH2 O P O
O
O
R
CH2
Phosphatidylinositoltrisphosphate
(PIP3)
Phosphatidsäure (PA)
LIPID SECOND MESSENGER!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
40
Wichtige physiologisch-relevante Fettsäuren
(Der Gehalt an Doppelbindungen bestimmt den Schmelzpunkt)
a) Gesättigte Fettsäuren (SAFA)
COOH
COOH
CH3
Palmitinsäure
C16H32O2
MG=256
mp: 63-64°C bp: 215°C
CH3
Stearinsäure
C18H36O2
MG=284
mp: 69.4°C bp: 383°C
b) Ein- und zweifach ungesättigte Fettsäuren
COOH
COOH
CH3
Ölsäure
C18H34O2
MG=282
mp: 4°C bp: 286°C
CH3
Linolsäure
C18H32O2
MG=280
mp: -12°C bp: 230°C
c) Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFA)
COOH
COOH
CH3
CH3
Linolensäure
C18H30O2
MG=278
bp: 232°C
Biophysikalische Chemie des Knorpels
Arachidonsäure
C20H32O2
MG=304
mp: -49.5°C
41
Arachidonsäurekaskade
5
8
COOH
Arachidonsäure
11
14
Oxygenierungen und Folgereaktionen
COX-Inhibitor!
HO
COOH
COOH
HO
O
Prostacyclin PGI2
OH
Prostaglandin PGF2a
Bei Entzündungen kein
Schweinefleisch (viel AA)!
HO
OH
OH
COOH
O
COOH
HO
O
O
OH
OH
Thromboxan A2
Thromboxan B2
OH
COOH
C5H 11
S
CH 2
CO-NH-CH 2-COOH
NH 2
Leukotriene
(LTD4)
Prostaglandine: Schmerzempfinden, Blutdruck, Steuerungsfaktoren in der
Reproduktionsbiochemie, Thrombosehemmung
Thromboxane: Plättchenaggregation
Leukotriene: Beteiligung an Entzündungsprozessen, Allergieerscheinungen
Acetylsalicylsäure hemmt das Enzym Cyclooxygenase,
das die Oxygenierung der Arachidonsäure katalysiert!
Biophysikalische Chemie des Knorpels
42
Strukturen einer Biomembran
- Lipide mit eingelagerten Proteinen -
Etablierte Modellmembran: Ei-PC in H2O
!
!
!
Biomembranen sind selbstorganisierte, supramolekulare Komplexe,
deren Matrix aus einer zwei-(bi)-molekularen Schicht von (Phospho)Lipiden (Durchmesser ~ 5 nm) gebildet wird.
Eingelagerte und adsorbierte Proteine ermöglichen den verschiedenen Membran-Typen ihre charakteristischen Funktionen in vollem
Umfang auszuführen.
Die Lipidzusammensetzung (welche Phospholipide?) und der Gehalt
an Doppelbindungen bestimmen z.B. die Härte der Membran.
Biophysikalische Chemie des Knorpels
43
Der "Hydrophobe" Effekt
Oder: Was geschieht mit einem Lipid in Wasser?
Enthalpie ⇔ Entropie
Biophysikalische Chemie des Knorpels
44
Kontrollfragen zum Abschnitt 1 der Vorlesung
"Biophysikalische Chemie des Knorpels"
0 Welche wichtigen Klassen von strukturell-relevanten Biomolekülen kennen Sie?
0 In welche Untergruppen teilt man die Aminosäuren ein?
0 Charakterisieren Sie die glycosidische Bindung und die
Peptidbindung!
0 Welche Aminosäuren (warum?) finden sich besonders häufig in
Collagen?
0 Was sind essentielle Aminosäuren? Nennen Sie Beispiele!
0 Welche Iminosäuren kennen Sie?
0 Was ist der isoelektrische Punkt (IEP)?
0 Welche Verbindungen mit Pufferwirkung im Blut kennen Sie?
0 Was bedeuten Primär-, Secundär, Tertiär,- und Quartärstruktur?
0 Was sind hydrophobe Wechselwirkungen?
0 Warum machen Phe-, Tyr- und vor allem Trp-Reste den Nachweis
eines Proteins so einfach?
0 Was versteht man unter Aldosen, was unter Ketosen?
0 Was ist optische Aktivität?
0 Wodurch unterscheiden sich Glucose, Galactose, Glucuronsäure
und N-Acetylglucosamin?
0 Wie ist die Löslichkeit von Lipiden im Vergleich zu Proteinen und
Kohlenhydraten in H2O bzw. CHCl3?
0 Was sind amphiphile Moleküle?
0 Was sind Liposomen?
0 Warum wird einem Patienten empfohlen bei entzündlichen
Gelenkserkrankungen auf Schweinefleisch zu verzichten?
0 Welche Funktion hat die Zellmembran?
Biophysikalische Chemie des Knorpels
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