Biochemie und Stoffwechsel • Biochemie • Stoffwechsel

Biochemie und Stoffwechsel
• Biochemie
– Aufklärung der Stoffwechselwege und -teilschritte
– Identifikation der Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukte
(Stoffwechselprodukte)
– Enzyme sind Proteine mit Katalysatorwirkung. Jeder
Stoffwechselschritte wird von einem Enzym katalysiert.
Ungefähr die Hälfte der Trockensubstanz einer Zelle sind
Proteine, davon 80-90% Enzyme.
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– Endprodukte des Energiestoffwechsels: Milchsäure, Ethanol,
Methan, Aceton, Butanol
– Primärmetabolite: Wichtige Funktion im Stoffwechsel;
werden während dem Wachstum gebildet. Z.B. Zucker,
Fettsäuren, Aminosäuren, Vitamine
– Sekundärmetabolite: Keine grundlegende Funktion im
Stoffwechsel; Bildung meistens erst nach Abschluss des
Wachstums. Z.B. Antibiotika, Toxine, Farbstoffe
• Stoffwechsel - Energiebereitstellung - Biomoleküle
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Biomoleküle
Energiebereitstellung und Aufbau von Biomolekülen
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Basen
Phosphat
Pentosezucker
Aminosäuren
Monosaccharide
Disacchaccharide
Oligosaccharide
Polysaccharide
• Lipide
• Nukleotide
• Proteine
•
•
•
Glycerin
Fettsäuren
Phosphat
Aus diesen Sustanzen
können von jeder Zelle die
meisten Biomoleküle
synthetisiert werden.
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•
•
•
• Kohlenhydrate
Die wichtigsten Biomoleküle
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• Energievorräte, Baustoffe (Polysaccharide)
• Markierung von Proteinen (Oligosaccharide in
Glykoproteinen)
• Energielieferanten, Ausgangssubstanzen für die
Herstellung anderer Stoffe (Monosaccharide,
Disaccharide)
Kohlenhydrate: Funktionen und Aufgaben
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z.B. Glucose: C6H12O6
Meist im Verhältnis (C1H2O1)
• Kohlenstoff
• Wasserstoff
• Sauerstoff
Kohlenhydrate bestehen aus
Kohlenhydrate: Aufbau
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Zuckerketten
• Monosaccharide: 1 Zuckermolekül
Glucose [Traubenzucker, Dextrose], Fructose
[Fruchtzucker], Galactose
• Disaccharide: 2 Zuckermoleküle
Saccharose [Rohrzucker], Lactose [Milchzucker]
• Oligosaccharide: 3-ca. 15 Zuckermoleküle
Streptomycin [ein Antibiotikum] -> Glykoproteine
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• Polysaccharide: lange Ketten von Zuckern
Stärken [Pektin, Amylose, Glykogen], Cellulose, Chitin
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Aufbau der Zucker: Ausgangspunkt Glycerinaldehyd
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Räumliche Struktur der Zucker
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Disaccharide
Monosaccharide
Die wichtigsten Zucker
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Cellulose
Stärken: Glykogen, Amylose,
Pektin
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Chitin ist ein Polymer aus NAcetylglucosamin
In der Natur - besonders im
Pflanzenreich - besonders
zahlreiche, verschiedene Polymere:
Polysaccharide
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Rest
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Säuregruppe
Baustoffe (z.B. Kollagen, Matrixproteine, Cytoskelett)
Katalysatoren (z.B. Enzyme)
Transporteure (z.B. Hämoglobin)
Motoren (z.B. Muskelproteine)
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• Botenstoffe (z.B. gewisse Hormone)
• Energiereserve für Notzeiten
•
•
•
•
Proteine: Funktionen und Aufgaben
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Proteine: Aufbau
Proteine bestehen aus Aminosäuren,
welche alle folgende gemeinsame
Grundstruktur haben:
H
COOH
C
R
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H 2N
Aminogruppe, basisch
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Die 20 Aminosäuren
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Chemische Bindungen
1
2
3
4
•
Länge
[nm]
14
13
Reine
Kohlenstoffseitenkette
polare AS
(nichtionisch)
Saure AS
Basische AS
Essentielle AS für den
Menschen
Valin
Leucin
Isoleucin
Phenylalanin
Tryptophan
Methionin
Threonin
Lysin
Bindungsstärke
[kJ/Mol]
0.15
Chemische Bindungen unterscheiden sich durch die Energie, die
gebraucht wird, um sie zu lösen.
345
0.25
0.3
0.35
Kovalente Bindung (C–C)
12
4
0.4
Schwache Bindungen
Ionische Bindung
Wasserstoffbrückebindung
Van-der-Waal-Bindung
2.5
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Thermische Bewegung bei RT
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Bindungsarten in Proteinen
(und anderen Makromolekülen)
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Entstehung von Proteinen
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Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen
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Enzyme:
Biologische Katalysatoren
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Proteine
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Primärstruktur: Aminosäurensequenz („Backbone“)
Sekundärstruktur: Helixstruktur / Faltblatt
Tertiärstruktur: Faltung zu einem globulären Protein
Quartärstruktur: Verbund von mehreren
globulären Proteinen
(z.B. Hämoglobin)
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Zytoskelett: Knochen und Muskeln der tierischen Zellen
Keratinfasern in einer
tierischen Zelle
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Kollagen
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Muskelfasern
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Muskelkontraktion
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Energielieferanten
Baustoffe (Zellmembranen [s. vorne], Körperfett)
Lipide: Funktion und Aufgaben
•
•
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•
Phosphor mit Resten wie Cholin, Serin, etc.
Glycerin
Fettsäuren
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•
Lipide oder Fette bestehen aus den Grundbausteinen:
Lipide: Aufbau
•
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Lipide: Aufbau
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•
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Andere Funktionen:
Träger von chemischer Energie (ATP)
Bestandteile von Enzymen (Coenzym A)
Signalmoleküle (cAMP)
• Proteinsynthesemaschinen (RNS)
• Synthesevorlagen (RNS)
• Träger der Erbsubstanz (DNS, genetische
Bibliothek, Bauanleitung für Biomoleküle)
• In Nukleinsäuren:
Nukleotide: Funktion und Aufgaben
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Nukleotide: Aufbau
Aufbau der DNS
DNS- und RNS-Moleküle bestehen aus:
• Einem Pentosephosphatrückgrat
entweder Ribose (RNS) oder
Deoxyribose (DNS) [S-P-S-P-S-P]
•
Teile von Enzymen (CoenzymA)
Energieüberträger
Andere Funktionen der Nukleotide
•
Signalstoffe
TCC
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Glutamin
Prolin
Porphyrine
(Hämoglobin)
Glutamat
Pyrimidine
(Nukleinsäuren)
Harnstoffzyklus
Harnstoff
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Aspartat
2-Ketoglutarat
Asparagin
Lysin
Methionin
Threonin, Isoleucin
•
Purine
(Nukleinsäuren)
Citrat
Oxalacetat
Aspartat
Histidin
Phenylalanin, Tyrosin
Tryptophan
Acetyl-CoA
Äthanol
Arginin
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Fettsäuresynthese
Fettsäureoxidation
Lipide
Succinat
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• und den Basen Thymin (T, nur DNS),
Cytosin (C) oder Uracil (U, nur RNS)
Guanin (G) und Adenin (A)
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Pentosephosphatzyklus
Glykolyse
Leucin
Valin
Alanin
Lactat
Pyruvat
Shikimisäureweg
Stoffwechselschema
Serin
Glycin
Cystein
Kohlenhydrate
(Glykogen,
Glucose,
Fructose, etc.)
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Wärme
ATP
Zellarbeit
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Wärme
ADP
(Oxidation)
Energiestoffwechsel
Mensch, Tiere,
Pflanzen
Viele
Mikroorganismen:
• Kohlenhydrate
• Fett
• Proteine
• Sauerstoff
Mikroorganismen
können auch aus
anderen Quellen, z.B.
anorganischen
Substanzen, Energie
beziehen.
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Stufe 3: Komplette
Oxidation von AcetylCoA
zu H2O und CO2 und
grossen Mengen von ATP
und NADH
Stufe 2: Abbau der
einfachen Einheiten zu
AcetylCoA und
begrenzter Mengen von
ATP und NADH
Stufe 1: Abbau grosser
Makromoleküle zu
einfachen Einheiten
Katabolismus: Energiebereitstellung
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Kohlendioxid
und Wasser
➜ Kreatinphosphat
➜ NADH
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Glykolyse
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Mitochondrien: Citronensäurezyklus
(Citratzyklus, Tricarbonsäurezyklus)
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Atmungskette
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Bakterielle H+-Transportsysteme
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Elektronenableitung
Die Elektronen aus der Glykolyse werden
auf NADH2 und von dort auf das
Endprodukt der Glykolyse übertragen
und von der Zelle ausgeschieden
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Chloroplasten: Kohlenstofffixierung
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Photophosphorilierung
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