Biomaterialien

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Biomaterialien
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
1
Molekulare Basis des Lebens:
Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren
Dr. Thomas Hanke, IfWW/MBZ, AG Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik
Professur Biomaterialien (Prof. Dr. H-P. Wiesmann)
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Biomaterial
Werkstoff (Metalle, Polymere, Keramiken, Gläser, Komposite) im
Kontakt mit einer biologischen Umgebung, mit lebenden Gewebe
Das lebende Gewebe verändert den Werkstoff und produziert als
Antwort selbst Material (z.B. die extrazelluläre Matrix, EZM)
Das Biomaterial im lebenden Organismus ist eine Synthese aus dem
ursprünglichen Werkstoff und der stofflichen Antwort des
Organismus
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Nukleotid
Monosaccharid
Phospholipid
Polypeptid  Protein
Nukleinsäure
Polysaccharid (Kohlenhydrat)
Lipid-Doppelschicht
Selbstorganisation
Aminosäure
Kondensationsreaktionen
Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren
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Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren
Ungefähre stoffliche Zusammensetzung einer typischen Säugerzelle
Prescher & Bertozzi NATURE CHEMICAL BIOLOGY (2005)
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Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren
Werkstoff/Biomaterial
als Implantat im
lebenden Organismus
Nukleinsäuren
Kohlenhydrate Lipide
Proteine
Metalle (Kationen)
Anionen
Peptide
Informationelle
Antwort des lebenden
Organismus
Stoffliche Antwort
des lebenden
Organismus
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Molekulare Basis des Lebens
Mengenelemente (> 50 mg/kg Körpermasse)
Symbol
Element
OZ
% vom menschlichen
Körpergewicht
O
Sauerstoff
8
≈ 65,0
C
Kohlenstoff
6
≈ 18,5
H
Wasserstoff
1
≈ 9,5
N
Stickstoff
7
≈ 3,5
Ca
Calcium
20
≈ 1,5
P
Phosphor
15
≈ 1,0
K
Kalium
19
< 0,4
S
Schwefel
16
< 0,3
Na
Natrium
11
< 0,2
Cl
Chlor
17
< 0,2
Mg
Magnesium
12
< 0,1
Spurenelemente (< 50mg/kg Körpermasse): Bor, Cobalt, Chrom,
Kupfer, Eisen, Jod, Mangan, Molybdän, Selen, Silicium, Zinn,
Vanadium, Zink
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Molekulare Basis des Lebens
… (hier) atomare bzw. Elementbasis des Lebens:
 Nur 30 der 92 existierenden stabilen chemischen Elemente
kommen in lebenden Systemen vor
 Ca. 98 % der Elemente sind C H O P S N
 alle haben niedrigen Ordnungszahlen und Molmassen
 alle sind sehr reaktiv und bilden leicht kovalente Bindungen
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8
Molekulare Basis des Lebens
(Sehr kurzer) Blick auf die
Metalle
in der belebten Natur
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9
Metallionen
Natrium-Kalium-Pumpen
Natrium-Kalium-ATPase
3 Na+/ 2 K+ - ATPase
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10
Metallionen
Vitamin B12
Cytochrom c
Chlorophyll
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11
Metallionen
Cu/ZnSuperoxidDismutase
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12
Metallionen
Knochenapatit
* als Phosphat, ** als Carbonat
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Molekulare Basis des Lebens
Die molekulare Basis des Lebens wird quantitativ durch
Nichtmetalle dominiert (CHOPSN + Cl ≈ 98%).
Bei den metallischen Mengenelementen (< 2% im Körper)
handelt es sich um Alkali- und Erdalkalimetalle (Ca, K, Na, Mg)
Calcium ist neben seiner Rolle als Signalüberträger
(Muskelkontraktion), d.h. diffusibles Ion, ein Strukturbildner 
Knochenaufbau, Calciumphosphat (Hydroxylapatit bzw.
Knochenapatit) ist anorganischer Hauptbestandteil
Natrium und Kalium werden hauptsächlich als diffusible Ionen
wirksam, vorrangig zur Schaffung und Aufrechterhaltung von
Membranpotentialen
Die metallischen Spurenelemente dienen hauptsächlich als
Cofaktoren in den aktiven Zentren von Enzymen, Hämoglobin etc.
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Molekulare Basis des Lebens
Kohlenstoff
Kohlenwasserstoffe
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15
Kohlenstoff
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Molekulare Basis des Lebens
Warum Kohlenstoff ?
Kohlenstoff…
 formt leicht vier kovalente* Bindungen
 er wirkt den meisten Substituenten gegenüber als Elektronendonator (Reduktionsmittel)
 die C-C Bindungen in Kohlenstoffketten sind als Einfach-, Doppeloder Dreifachbindungen sehr vielgestaltig und beeinflussen so die
Eigenschaften des Moleküls erheblich
 seine Stereochemie hat großen Einfluß auf die biologische
Aktivität von Molekülen (z.B. L, D-Aminosäuren)
 Kann planare und nicht-planare Strukturen alternierend ausbilden
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Kovalente Bindung
Von einer kovalenten Bindung wird gesprochen, wenn die Bindungselektronen
von beiden Atomen geteilt werden. Die Bindung ist gerichtet.
Sind die Elektronegativitäten der beteiligten Atome sehr unterschiedlich,
spricht man polarer kovalenter Bindung
Einfachbindungen: zwischen 150 und 500 kJ/mol (etwa 1,5–5 eV)
Doppelbindungen (z.B. Kohlenstoff, Stickstof, Sauerstoff):zwischen 500 und 800 kJ/mol (5–8 eV)
Dreifachbindungen (z.B. Kohlenstoff, Stickstoff): 941,7 kJ/mol (9,8 eV) für N-N-Dreifachbindung
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Kohlenstoff und kovalente Bindung
Einfachbindung C-C, Sigmabindung, frei drehbar
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19
Kohlenstoff und kovalente Bindung
Doppelbindung C=C, Sigma- plus Pi-Bindung, nur eingeschränkt drehbar
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Kohlenstoff und kovalente Bindung
Elaidinsäure
Oleinsäure
Doppelbindung C=C, Sigma- plus Pi-Bindung, nur eingeschränkt drehbar
cis-trans-Isomerie bei ungesättiten Fettsäuren
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Molekulare Basis des Lebens
Kohlenstoff und funktionelle Gruppen
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Kohlenstoff und funktionelle Gruppen
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23
Kohlenstoff und funktionelle Gruppen
polarkovalente CN-Bindung
Ionenpaar
polarkovalente CO-Bindung
Ionenpaar
N-H- bzw. O-H-Bindung zwischen Ionenpaar und polar kovalent
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Ionenbeziehung, Ionenpaar
Von einer Ionenbindung oder Ionenbeziehung wird dann gesprochen wenn
sich die Elektronegativitäten beider Atome so stark unterscheiden, dass
sich das Bindungselektron im wesentlichen bei einem der Partner aufhält.
Die Bindungskräfte sind hier elektrostatischer Natur und ungerichtet
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25
Ionenbeziehung, Ionenpaar
787 kJ/mol (8,2 eV) NaCl
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Wasserstoffbrückenbindung
Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine Bindung zwischen einem
elektronegativen Atom und einem Wasserstoffatom, das seinerseits an ein
weiteres negatives Atom gebunden ist.
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27
Hydrophobe Wechselwirkung
Apolare, hydrophobe Moleküle
bzw. Atomgruppen lagern sich
aneinander, um den Kontakt
mit dem umgebenden
wäßrigen Milieu zu minimieren.
Die umgebenden Wassermoleküle
bilden untereinander verstärkt
Wasserstoffbrückenbindungen
aus
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Van-der Waals-Wechselwirkung
Schwache nicht-kovalenten
Wechselwirkungen zwischen
Atomen oder Molekülen
Van-der-Waals-Bindung
• Wechselwirkung zwischen zwei
Dipolen (Keesom)
• Wechselwirkung zwischen
einem Dipol und einem
polarisierbaren Molekül
(Debye)
• Dispersionwechselwirkung
zwischen zwei polarisierbaren
Molekülen(London) =
„eigentliche“ van-der-WaalsKraft
http://www.lehrer-online.de/van-der-waals-gecko.php
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29
Monosaccharide
Aldosen = Polyhydroxyaldehyde
Ketosen = Polyhydroxyketone
Oxy-cyclo-Tautomerie:
Pyranosen = sechsgliedrige…
Furanosen = fünfgliedrige…
…Halbacetale
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30
Monosaccharide
Alpha- und beta-Glukose
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31
Disaccharide
Saccharose = Rohrzucker
Laktose = Milchzucker
Alpha- oder beta-glycosidische Bindung
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Polysaccharide
Stärke
1-4 glycosidische Verknüpfung von alpha-Glukose
- Amylose: Spiralförmiges alpha-D-14-Glukan, unverzweigt
- Amylopektin: verzweigtes Glukan
Cellulose
1-4 glykosidische Verknüpfung von beta-Glukose: beta-D-14
Glucan, H-Brücken-stabilisierte sheets, kristalline und parakritalline Bereiche
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33
Aminosäuren
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34
Proteine Primärstruktur
Kette von Aminosäuren
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35
Proteine Primärstruktur
Kette von Aminosäuren
Ramachandran-Diagramm
Ψ
Φ
http://de.wikipedia.org/wiki/Ramachandran-Plot
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36
Proteine, Strukturhierarchie
beta-Faltblatt
Loop
alpha-Helix
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37
Proteine, Faltung
hydrophobe Wechselwirkung
Wasserstoffbrücke
Polypeptidkette (Primärstruktur)
Disulfidbrücke
Ionenbeziehung
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38
Proteine, Quartärstruktur
fibrillär
globulär
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39
Membrangebundene Proteine
Extrazellulärer Raum
Integrale (Trans-)Membranproteine
Periphere Membranproteine
Cytosol
membranständig
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40
Proteine, Hydrathülle
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41
Nucleinsäuren
Basen (Purin, Pyrimidin)
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42
Nucleinsäuren
DNA: T
RNA: U
Bevorzugte
Basenpaarung
(Watson-CrickRegel)
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43
Quelle:http://www.smartdraw.com/examples/science-biochem/dna_base_pairing.htm
Nucleinsäuren
Bevorzugte Basenpaarung und Backbone
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44
Source: Saenger,W., Principles of Nucleic Acid Structure, Springer Verlag New York 1984
Nucleinsäuren
Backbone Torsionswinkel
Wintersemester 2012/13
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45
Quelle: http://www.ncc.gmu.edu/dna/base.htm
Nucleinsäuren
Basenpaarung und Doppelhelix
Wintersemester 2012/13
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46
Nucleinsäuren
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Phospholipide
Einfluß von gesättigten bzw.
ungesättigten Fettsäureresten:
Selbstorganisation durch hydrophobe
Wechselwirkung
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Fettsäuren und Phospholipide
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Nukleotid
Monosaccharid
Phospholipid
Polypeptid  Protein
Nukleinsäure
Polysaccharid (Kohlenhydrat)
Lipid-Doppelschicht
Selbstorganisation
Aminosäure
Kondensationsreaktionen
Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
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Literatur
Erich Wintermantel und Sik-Woo Ha (Edts.): Medizintechnik – Life Science
Engineering, 5. Auflage 2009
Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen, Jack E. Lemons
(Edts.): Biomaterials Science. An Introduction to Materials in Medicine,
Academic Press, 3. Auflage 2012
Joon Park and R. S. Lakes: Biomaterials - An Introduction, Springer. 3.
Auflage 2007
Paul Ducheyne (Editor-in-Chief): Comprehensive Biomaterials
Elsevier, 1. Auflage 2011
Volume 1: Metallic, Ceramic and Polymeric Biomaterials
Volume 2: Biologically Inspired and Biomolecular Materials
Volume 3: Methods of Analysis
Volume 4: Biocompatibility, Surface Engineering, and Delivery of Drugs, Genes and
Other Molecules
Volume 5: Tissue and Organ Engineering
Volume 6: Biomaterials and Clinical Use
Wintersemester 2012/13
Vorlesung Biomaterialien Folie Nr.
51
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