DNA - RNA - Heterocyclen ATP

35
Heterocyclen & Naturstoffe - DNA, RNA
Heterocyclen besitzen mindestens einen Ring, der außer Kohlenstoff ein weiteres Element
enthält. Zur Gruppe der Heterocyclen gehören die organischen Basen, die in der DNA und RNA
enthalten sind, viele Vitamine und ein großer Teil der Pharmazeutika.
Heterocyclen in der Medizin
Penicilline (hier: Ampicillin)
Antibiotika
Aminophenazon
Analgetikum & Antipyretikum
Alle Penicilline enthalten ein bicyclisches System aus
einem Thiazol-Ring und einem Lactam-Vierring. Diese
Baugruppe ist der aktive Molekülteil. Bei gram-positiven
Bakterien wird durch Einlagerung des Penicillins die
Zellmembran geschädigt, was zum Absterben des
Krankheitserregers führt. Durch Modifikation der
Substituenten können stabilere Antibiotika, solche mit
breiterem Wirkungsspektrum bzw. besser verträgliche
Präparate erzeugt werden.
Aminophenazon wurde 1896 bei Hoechst synthetisiert. Es
wirkt
analgetisch
(schmerzstillend),
antipyretisch
(fiebersenkend), antiphlogistisch (entzündungshemmend)
und spasmolytisch (krampflösend). Bei längerer
Anwendung kann jedoch eine Agranulozytose auftreten
(eine zytotoxische Allergie, die zur Zerstörung der
Leukozyten führt). Nachdem man in den Präparaten
außerdem Reste von Nitrosaminen fand, wurden
Aminophenazon-haltige Arzneimittel 1978 vom Markt
genommen.
1,4-Benzodiazepine sind die wichtigste Gruppe der
Tranquilizer (Psychopharmaka gegen Angst- und
Unruhezustände). Sie wirken allgemein beruhigend und
muskelrelaxierend (entspannend), sollen aber bei
richtiger
Dosierung
Konzentrationsfähigkeit
und
Denkvermögen nicht beeinflussen. Es besteht die Gefahr
einer Toleranzentwicklung und Abhängigkeit. Außerdem
wird die Wirkung von Alkohol, Schlafmitteln und
Analgetika teilweise erheblich gesteigert.
1,4-Benzodiazepine (hier: Bromacepam)
Harnsäure
Harnsäure – Harnsteine:
Im menschlichen Organismus werden die PurinBasen oxidativ zu Harnsäure abgebaut. Die
Harnsäure
muss
dann über die Nieren
ausgeschieden werden. Harnsäure ist jedoch nicht
besonders gut wasserlöslich. Wird zu viel
Harnsäure abgegeben, kann aus dem Urin
Harnsäure ausfallen - es entstehen Nieren- oder
Blasensteine. Ursache hierfür ist meist eine
Fehlernährung. Die wichtigste Vorbeugung ist
ausreichende Flüssigkeitszufuhr (mindestens 2 l
am Tag).
36
Heterocycloalkane
In organischen ringförmigen Molekülen können einzelne Kohlenstoffatome durch Sauerstoff,
Stickstoff oder Schwefel ersetzt sein. Man spricht dann von Heterocyclen .
Bei den Heterocycloalkanen liegt kein aromatisches System vor. Die Eigenschaften dieser
Verbindungen entsprechen im wesentlichen den Eigenschaften der entsprechenden aliphatischen
(offenkettigen) Verbindungen, also der Ether, Thioether bzw. Amine.
Pyrrolidin
Tetrahydrofuran (THF)
Tetrahydropyran
Heteroaromaten
Ausgehend von Benzol kann eine C-H-Gruppe durch ein Stickstoffatom, oder aber eine -CH=CHGruppe durch ein Sauerstoff-, ein Schwefel-Atom bzw. durch eine N-H-Baugruppe ersetzt werden,
wobei der aromatische Charakter des Ringsystems erhalten bleibt. Im zweiten Fall liegen dann
fünfgliedrige Ringe vor.
Benzol
N
N
H
Pyridin
Pyrimidin
Pyrazin
Pyrrol
Imidazol
Pyrazol
In jedem Fall sind weiterhin 6 π-Elektronen vorhanden. Bei Pyrrol, Imidazol und Pyrazol ist das
freie Elektronenpaar am Stickstoff Teil des aromatischen Systems
Die freien Elektronenpaare an den Stickstoffatomen in Pyridin, Pyrimidin und Pyrazin sind nicht
Teil des aromatischen Systems, da im aromatischen Ring schon 6 -Elektronen enthalten sind..
37
Pyridinderivate
Zwei Vitamine und die daraus gebildeten Coenzyme
sind Derivate des Pyridins: Nicotinsäureamid und
Pyridoxol
besitzen
einen
Pyridinring.
Nicotinsäureamid ist, in Form der Coenzyme
NAD/NADH und NADP/NADPH, ein wichtiges
Redox-System. Pyridoxalphosphat ist bei den
meisten Prozessen im Aminosäurestoffwechsel
beteiligt.
Nicotinsäureamid
Pyridoxol
Die Redoxsysteme NAD+/NADH & NADP+/NADPH
In den Coenzymen NAD + und NADP+ ist ein Molekül Nicotinsäureamid über eine
Pyrophosphatbrücke mit einem Adenosinrest verknüpft (R). Die eigentliche Redox-Reaktion findet
nur am Pyridin-Ring statt. Aufgrund der quartären Ammonium-Gruppe ist das Ringsystem noch
elektronenärmer als das von Pyridin. Dies führt dazu, dass an das Coenzym Nucleophile angreifen
können. Formal kann ein Hydrid-Ion angelagert werden, wobei der Stickstoff und das paraständige Kohlenstoffatom reduziert und das aromatische System aufgehoben werden. In der Natur
treten keine freien Hydrid-Ionen auf, die Redox-Reaktion ist eingebunden in kompliziertere
Reaktionsmechanismen.
Transaminierung mit Pyridoxalphosphat
Bei dem Coenzym Pyridoxalphosphat finden die Reaktionen nicht direkt am Ring statt. Die
Aminosäure wird an die Aldehydgruppe (unter Ausbildung einer Schiffschen Base) gebunden. Nun
können verschiedene Reaktionen ablaufen. Hier wird der erste Schritt einer Transaminierung
gezeigt. (= oxidative Desaminierung).
38
Porphyrine
Die Häm-Gruppe besteht aus vier Pyrrol-Ringen,
die jeweils über eine CH2 -Gruppe verküpft sind.
Diese Baugruppe wird als Porphyrin-System
bezeichnet. Die Stickstoff-Atome wirken als
Komplex-Liganden, im Zentrum ist ein Eisen-Ion
eingelagert.
Außen am Molekül sind zusätzlich einige
Substituenten gebunden, die je nach Art des
Häms variieren können. Die abgebildete HämGruppe findet sich im Hämoglobin. Cytochrome
enthalten sehr ähnliche Häm-Systeme.
Den
Porphyrin-Systemen
ähnliche
Komplexbildner treten beispielsweise beim
Chlorophyll und beim Cobalamin auf.
Pyrrol
Eisen bildet oktaedrische Komplexe. Im Häm-Komplex
werden die vier äquatorialen Positionen durch das PorphyrinSystem besetzt. Die zwei axialen Positionen sind frei. Beim
Hämoglobin ist der Imidazol-Ring eines Histidins aus der
Proteinkette an das Eisen koordiniert, die letzte freie Position
wird durch ein Sauerstoff-Molekül besetzt werden.
Bei den Cytochromen, die als Redox-Systeme dienen,
werden beide axialen Koordinationsstellen am Eisen-Komplex
durch Seitenketten aus dem Protein besetzt.
Indol
Indol
Heterocyclische
Ringe
können
direkt
mit
carbocyclischen Ringsystemen verbunden sein. Es
liegen dann polycyclische Moleküle vor. Zu diesem
Typ gehört z. B. Indol.
Tryptophan
Eine Indol-Baugruppe findet sich in der Aminosäure
Tryptophan
und
den
daraus
abgeleiteten
Verbindungen. Tryptophan ist eine essentielle
Aminosäure,
kann
also
vom
menschlichen
Organismus nicht synthetisiert werden. Es wird nicht
nur zum Aufbau der Proteine benötigt, sondern ist
auch Ausgangssubstanz zur Synthese verschiedener
Hormone und Neurotransmitter, unter anderem von
Tryptamin, Serotonin und Melatonin.
39
Pyrimidin- & Purin-Basen
Pyrimidin und Purin bilden die Grundkörper der organischen
Basen, die in den Nucleinsäuren (DNA und RNA) vorkommen.
An die heteroaromatischen Ringe sind jeweils Hydroxyl- und/oder
Aminogruppen gebunden. Dabei können Tautomere auftreten:
Keto-Enol-Tautomerie an der OH-Gruppe.
Pyrimidin
Purin
Vom Pyrimidin leiten sich die Basen Cytosin, Thymin und Uracil ab, wobei Thymin nur in der
DNA, Uracil nur in der RNA vorkommt. Alle drei Basen können in jeweils zwei verschiedenen
tautomeren Formen vorkommen. Die Hydroxylgruppe gibt ein Proton an ein Stickstoffatom im Ring
ab. Die Doppelbindung wird umgelagert, es resultiert eine Carbonyl-Gruppe.
Cytosin
Thymin
Uracil
Adenin und Guanin besitzen ein Purin-System. Beim Adenin ist nur eine Aminogruppe gebunden,
es gibt keine Tautomere. Beim Guanin ist je eine Amino- und Hydroxylgruppe an den Sechsring
des Purins gebunden. Hier tritt ein Tautomer auf (OH-Gruppe).
Adenin
Guanin
Die Keto-Formen sind jeweils das stabilere Tautomer; die Basen liegen also überwiegend in der
Keto-Form vor. Auch die Ausbildung der Wasserstoffbrücken in den Nucleinsäuren ist nur bei
dieser Form möglich.
40
Nucleinsäuren
Die Nucleinsäuren bestehen aus den organischen Basen, einer Pentose und Phosphorsäure.
Dabei kommen zwei verschiedene Pentosen vor: D-Ribose und 2-Desoxy-D-ribose. Abhängig
vom verwendeten Zucker bezeichnet man die Nucleinsäuren als Desoxyribonucleinsäure (DNS,
bzw. Desoxyribonucleic acid = DNA) oder als Ribonucleinsäure (RNS, bzw. Ribonucleic acid
= RNA). Die DNA findet sich im Zellkern als Träger der Erbinformation, RNA bildet verschiedene
Formen, die bei der Transkription und Translation bei der Eiweiß-Synthese zum Einsatz kommen.
Die Basen Adenin, Guanin und Cytosin kommen in allen Nucleinsäuren vor, Thymin nur in der
DNA, Uracil nur in der RNA.
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
Ribonucleinsäure (RNA)
Phosphorsäure
2-Desoxy-D-ribose
Thymin
D-Ribose
Adenin
Guanin
Cytosin
Uracil
Nukleosid - Nukleotid
Einheiten aus einer Base, einem Zucker (Ribose
oder Desoxyribose) und einem Phosphatrest
bezeichnet man als Nucleotid,
Base + Zucker (ohne Phosphatrest) als
Nucleosid.
Ein
Nucleosid
erhält
den
Stammnamen der Base mit der Endung "-osin"
bei den Purin-Basen (also Adenosin, Guanosin)
bzw. der Endung "-idin" bei den Pyrimidin-Basen
(Cytidin, Thymidin, Uridin).
Bei einem Nucleotid wird noch die Bezeichnung
"-monophosphat" angehängt; abgekürzt AMP,
GMP usw..
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13.htm
41
DNA-Ausschnitt
Ketten aus mehreren Nucleotiden
werden als Oligo- bzw. Polynucleotide
bezeichnet. Dabei werden Ketten aus
Zucker-Molekülen und Phosphatresten
gebildet, die Basen sind an die
Zuckermoleküle gebunden und weisen
von der Kette weg.
http://www2.chemie.unierlangen.de/projects/vsc/chemiemedizinerneu/heterocyclen/nucleinsaeuren3.html
Ribonucleinsäure (RNA)
Ribonucleinsäure (RNS, RNA) enthält als Bausteine Ribose, Phosphorsäure und die Basen
Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil. RNA kommt überwiegend als Einzelstrang vor. Die Kette kann
sich jedoch so zusammenfalten, dass einzelne komplementäre Abschnitte Wasserstoffbrücken
zwischen den Basen ausbilden.
In der Zelle existieren verschiedene RNA-Typen mit unterschiedlichen Aufgaben:
 mRNA (Messenger-RNA)
Die mRNA wird im Zellkern bei der Transkription als Kopie der DNA gebildet und ins
Cytoplasma transportiert.
rRNA (Ribosomale RNA)
Die rRNA ist wesentlicher Bestandteil der Ribosomen. Die Ribosomen sind verantwortlich
für die Translation, also die Synthese der Proteine nach Vorlage der mRNA.
tRNA (Transfer-RNA)
42
Bei der tRNA handelt es sich um relativ kleine Polynucleotide. Sie werden bei der Translation
benötigt. An das Ende der tRNA wird eine Aminosäure gebunden, der Kopf enthält das
entsprechende Anti-Codon. Es gibt daher für jede Aminosäure mindestens eine eigene tRNA. Im
Ribosom wird die tRNA an die mRNA angelagert und dann die neue Aminosäure mit der bereits
gebildeten Kette verbunden
Ausschnitt aus einer tRNA
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
http://www.merian.fr.bw.schule.de/beck/skripten/13/bs13-1b.htm
http://www.egbeck.de/skripten/13/bs13-1b.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleins%C3%A4ure
http://www.chemgapedia.de/vsengine/topics/de/vlu/Chemie/Biochemie/index.html
Desoxyribonucleinsäure
(DNA,
DNA)
kommt im Zellkern vor. Dort ist sie Träger der
Erbinformation und liegt stets als Doppelstrang
vor. Die DNA nimmt dabei eine helicale Struktur
an, die DNA-Doppelhelix. Beide Stränge
bestehen (analog zur RNA) aus Ketten von
Phosphatresten und Zuckermolekülen - bei der
DNA ist dies die 2-Desoxy-D-ribose - und daran
gebunden die organischen Basen Adenin,
Thymin, Guanin und Cytosin.
Zusammengehalten werden die Stränge durch
Wasserstoffbrücken zwischen den Basen: Zwei
Wasserstoffbrücken zwischen Adenin und
Thymin, drei Brücken zwischen Guanin und
Cytosin. Nur diese Paarungen sind möglich.
Aus geometrischen Gründen sind auch keine
Paarungen aus zwei Purin- oder zwei PyrimidinBasen möglich.
Da zwischen Guanin und Cytosin mehr
Wasserstoffbrücken
ausgebildet
werden
können, sind GC-reiche DNA-Sequenzen
stabiler als AT-reiche.
Ausschnitt aus einer DNA
43
http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/heterocyclen/dna1.html
Desoxyribonucleinsäure (DNA)
Die DNA im Zellkern kommt stets als Doppelstrang
aus zwei komplementären Einheiten vor. Die linke
Abbildung zeigt eine schematische Darstellung. Der
codogene Strang trägt die genetische Information,
der andere, komplementäre Strang, dient als Schutz
und Kontrollinstrument. Es stehen sich jeweils Adenin
und Thymin bzw. Guanin und Cytosin gegenüber;
dem Codogen A-T-G entsprächen somit die Basen TA-C auf dem Gegenstrang.
Die DNA bildet eine Doppelhelix aus. In
der vorherrschenden B-Form bildet sie
dabei eine rechtsgängige Helix mit einem
Durchmesser von 2,0 nm. Die Höhe einer
Windung beträgt 3,4 nm und umfaßt 10
Basenpaare.
Im Zellkern ist die DNA um basische
Proteine, die Histone, gewickelt. Diese
Einheiten, die Nucleosome, bilden
wiederum verschiedene Überstrukturen,
wobei das Chromatin entsteht. Vor der
Zellteilung wird die DNA weiter verdichtet,
so daß schließlich die im Mikroskop
sichtbaren Chromosomen vorliegen.
Die Länge der DNA kann stark variieren. Sie wird meist in "Kilobasen" (kb), also dem Vielfachen
von 1000 Basenpaaren, angegeben. Das Bakterium Escherichia coli besitzt ein ringförmiges
Chromosom mit 3.800 kb. Beim Menschen umfaßt die gesamte DNA (aller Chromosomen) etwa
7,8·106 kb (also fast acht Milliarden Basenpaare). In gestreckter Form wäre die DNA einer
menschlichen Zelle über zwei Meter lang. Das kleinste bekannte Genom stammt vom Affenvirus
SV 40 und enthält 5.230 Basenpaare (5,23 kb).
44
Transkription & Translation
Zur Proteinbiosynthese muß zunächst eine Kopie der entsprechenden Gen-Abschnitte auf der
DNA im Zellkern erstellt werden. Diese Kopie wird bei der Transkription von RNA-Polymerasen
produziert. Die prä-mRNA wird noch im Zellkern verschiedenen Modifikationen unterworfen
("Reifung" der RNA) und dann als mRNA ins Cytoplasma ausgeschleust.
Im Cytoplasma erfolgt die eigentliche Proteinsynthese. Diese läuft an freien Ribosomen ab, oder
an Ribosomen, die an das endoplasmatische Reticulum gebunden sind. Als Vorlage dient die
mRNA. Die Aminosäuren werden an die jeweilige tRNA gebunden, die das der Aminosäure
entsprechende Anti-Codon trägt. Am Ribosom wird die tRNA an die mRNA angelagert und die
Aminosäure unter Spaltung von ATP an die Peptidkette gebunden. Danach wird die Bindung
zwischen tRNA und Aminosäure wieder gelöst und die tRNA freigesetzt. Durch diesen Prozeß, die
Translation, werden auch lange Peptide und Proteine schrittweise aufgebaut.
Adenosin-triphosphat (ATP)
Pyrimidin- und Purin-Basen kommen nicht nur in den Nucleinsäuren, sondern auch als
Bestandteile von Coenzymen vor. Besonders häufig findet man Adenin, beispielsweise in Form
von ATP, NADH, FAD, Coenzym A und anderen.
ATP
(Adenosin-triphosphat)
ist
die
universelle "Energie-Währung" in allen
3–
Lebewesen. ATP wird aus ADP und PO4
bei den meisten energieliefernden Prozessen
gewonnen. Bei aerober Lebensweise stammt
die Hauptmenge aus der Atmungskette,
unter anaeroben Bedingungen überwiegend
aus der Glycolyse. Bei der Glycolyse werden
durch Oxidation eines Mols Glucose zu
Pyruvat bzw. Lactat zwei Mol ATP
gewonnen. Durch Einbeziehung von CitratZyklus und Atmungskette kommen weitere
34-36 Mol ATP je Mol Glucose dazu.
Bei der Spaltung von ATP in ADP + P
werden 30,5 kJ/mol frei. Diese Energie kann
z.B. zum Aufbau biochemischer Moleküle
oder zur Muskel-Arbeit genutzt werden.
ATP wird im Organismus ständig auf- und
abgebaut. Insgesamt setzt der Mensch an
einem Tag eine ATP-Menge um, die in etwa
seinem Körpergewicht entspricht.
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12d.htm?bs12-22.htm