Chemie für Biologen

Chemie für Biologen
Vorlesung im
WS 2004/05
V2, Mi 10-12, S04 T01 A02
Paul Rademacher
Institut für Organische Chemie
der Universität Duisburg-Essen
(Teil 13: 19.01.2005)
MILESS: Chemie für Biologen
236
D-Aldosen
CHO
H
OH
CH2OH
D-(+)-Glycerinaldehyd
CHO
H
OH
H
OH
CH2OH
D-Erythrose
H
H
H
1 CHO
2
OH
OH
OH
CH2OH
D-Ribose
H
H
H
H
CHO
CHO
OH HO
H
OH H
OH
OH H
OH
OH H
OH
CH2OH
CH2OH
D-Allose
D-Altrose
HO
H
H
CHO
HO
H
H
OH
CH2OH
D-Threose
1CHO
2
CHO
H
OH
HO
H
H
OH
CH2OH
D-Xylose
H
OH
OH
CH2OH
D-Arabinose
1CHO
2
1CHO
2
H
OH HO
H
3
HO
H HO
H
4
H
OH H
OH
H
OH H
OH
CH2OH
CH2OH
D-Glucose
D-Mannose
H
H
HO
H
CHO
HO
H
HO
H
H
OH
CH2OH
D-Lyxose
CHO
CHO
OH HO
H
OH
H
OH
H
HO
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
D-Gulose
D-Idose
1 CHO
2
H
OH HO
3
HO
H
HO
4
HO
H
HO
H
OH
H
CH2OH
CHO
H
H
H
OH
CH2OH
D-Galactose
D-Talose
Die natürlich vorkommenden Aldosen und Ketosen besitzen die D-Konfiguration.
237
Disaccharide: Maltose und Cellobiose
(+)-Maltose, Malzzucker
H
CH 2OHH
HO
HO
H
CH 2OHH
O
H OH
HH
CH 2OHH
H
O
α-glucosidische HO
Verknüpfung
+ H 2O
O
Maltas e
H (α-Sp altung)
H
H OH
H
H OH
H
O
2 HO
HO
OH
α-D-Glucopyranose
OH
(+)-Cellobiose
H 6´
4´ CH 2 OHH
5´
HO
HO
3´
O
2´
H OH
H
H
3
HO
1´ O 4
H
H HO
2
5
H
O
OH
CH
6
2
H
H
β-glucosidische
Verknüpfung
1
OH
+ H 2O
H6
4 CH 2OHH
2 HO
HO
Emulsin
(β-Spaltung)
5
3
2
O
1
OH
H OH
H
H
β-D-Glucopyranose
238
Disaccharide: Lactose und Saccharose
(+)-Lactose, Milchzucker
HO
CH 2OHH
H
HO
H
H HO
3
O
HO
O 4
H OH
HO 6
4 CH 2OHH
H
2
1
+ H 2O
OH
5
H
6CH 2OH O
3
O
HO
1 OH +
HO
2
H OH
O
5
3
1
2
OH
H OH
H
H
H
β-galaktosidisch
H
5
H
HO
H6
4 CH 2OHH
H
H
β-D-Galaktopyranose
H
β-D-Glucopyranose
(+)-Saccharose, Rohrzucker, "Zucker"
H 6´
4´ CH 2OHH
HO
HO
5´
3´
2´
H OH
H
O
Vollacetal
H
1´ H OH
3
4
O H
O
2
Vollketal
1 CH 2 OH
6´
CH 2OH
HO 3
HO 4´ 5´
O
3´
HO
2´
2
5
O
1´ O
CH 2OH
1
OH
OH 6
CH 2 OH
5
+ H 2O
HO
HO
5
3
Invertase
H
2
OH
O
1
H
+ HO H
OH
4
OH
O
2
H OH
H
H
3
α-D-Glucopyranose
[α]D = +66.5°
OH
4
H6
4 CH 2OHH
1 CH 2OH
5
6
CH 2OH
H
β-D-Fructofuranose
Endwert in Wasser: [α]D = −92°
6
CH 2OH
Invertzucker: Gemisch aus Glucose und Fructose
Honig: teilweise hydrolysierte Saccharose (=
Kunsthonig)
239
Cellulose, ein Polysaccharid
H
H
H
β-glucosidisch H
CH 2OHH
4 CH 2 OHH
3 H HO
1
O
O
2
HO
O
O
3
1 O
H
HO
O 4
2
HO
CH 2OH O
H OH
H OH
H
H
H
H
H
Die Glucose-Moleküle sind β-glucosidisch verknüpft. Cellulose wird
also aus der stabilsten Form der Glucose aufgebaut.
Cellulose ist der mengenmäßig wichtigste Naturstoff.
240
Stärke, ein Polysaccharid
Amylose (20% der Stärke)
H6
4 CH 2 OHH
HO
HO
α-glucosidisch
1 HH
3
2
4 CH 2 OHH
H OH
O
H
O
1 HH
HO
4 CH 2OHH
H OH
O
H
O
1 H
n HO
H OH
H
OH
H
linkshändige Helix-Struktur
CH 2OHH
O
O
H
HO
H
H OH
Amylopektin (80% der Stärke)
CH 2OHH
O
H
O
O
HH
HO
CH 2OHH
Glykogen: "Reservekohlenhydrat"
H OH
O
H
O
des tierischen Organismus besitzt
H
HO
eine ähnliche Struktur
H OH
H
O
241
5
O
Nucleinsäuren, Nucleoside und Nucleotide
Träger der genetischen Information (Proteinbiosynthese → Enzyme), kommen in
den Zellkernen ("Kernsäuren") aller Organismen vor, aber auch im Zellplasma
und in den Ribosomen, wurden 1869 von R. Miescher aus Eiterzellen isoliert.
Die wichtigsten sind DNA und RNA, größte bekannte Makromoleküle
DNA: Molmasse 500.000 bis einige Milliarden g/mol; Mensch: ca. 3×109
Nucleotid-Paare; Lungenfisch: 6.9×1013 (69 Billionen) g/mol, Länge 34.7 m (!),
größtes isolierbares Molekül
Nucleinsäuren sind Polynucleotide
Hydrolyse liefert
Zucker (Pentosen): D-Ribose (RNA)
2-Desoxy-D-ribose (DNA)
N-Heterocyclen (Nucleobasen, "Basen"):
Purine:
Adenin, Guanin
Pyrimidine: Cytosin, Thymin (DNA), Uracil (RNA)
Phosphorsäure
Formal:
Zucker + Base → Nucleosid + H2O
242
Nucleosid + H3PO4 → Nucleotid + H2O
Zucker und Basen der Nucleinsäuren
1
CH=O
H
OH
H
OH
H
OH
CH 2OH
D-Ribose
C5H10O5
1
CH=O
2 CH 2
H
OH
H
OH
CH 2OH
2-Desoxy-D-ribose
C5H10O4
HOCH2 O
OH
H
H 1
H
H
2
OH OH
β-D-Ribofuranose
in RNA
Pyrimidin-Derivate
N
N O
H
Cytosin (C)
DNA
RNA
Purin-Derivate
O
NH 2
HOCH2 O
OH
H
H 1
H
H
2
OH H
2-Desoxy-β-D-ribofuranose
in DNA
H3C
NH
N
H
O
Thymin (T)
nur DNA
O
NH 2
O
NH
N O
H
Uracil (U)
nur RNA
N
N
H
N
N
Adenin (A)
DNA
RNA
N
N
H
NH
N
NH 2
Guanin (G)
DNA
RNA
Adenin: Spontane Bildung aus Cyanwasserstoff in der "Ursuppe": 5 × HCN → C5H5N
243
5
Nucleoside der Desoxyribonucleinsäure (DNA)
Bildung eines HOCH2 O OH
N-Glykosids:
H
H
+ HNR 2
H
H
OH
Adenin
N
N
N
H
Guanin
NH2
N
HOCH2 O
NR 2
H
H
+ H 2O
H
H
OH H
Thymin
O
O
N
N
H3C
NH
N
NH
Cytosin
NH2
NH2
N
O
N
5'
HO
CH2
N
O
O
1'
3'
2'
OH
244
Nucleoside der Ribonucleinsäure (RNA)
Bildung eines HOCH2 O OH
N-Glykosids:
H
H
+ HNR 2
H
OH
Adenin
NH2
N
N
N
N
HOCH2 O
NR 2
H
H + H 2O
H
H
OH OH
H
OH
Guanin
O
N
N
Cytosin
NH2
NH
N
Uracil
O
N
NH2
HO
NH
5'
CH2
N
N
O
O
O
1'
2'
3'
OH
OH
245
Nucleotide der Desoxyribonucleinsäure (DNA)
NH 2
N
O
HOPOCH2 O
OH
O
N
O
HOPOCH2 O
OH
N
OH
N
N
NH 2
N
OH
2-Desoxyadenylsäure
2-Desoxyguanidylsäure
O
NH 2
O
HOPOCH2 O
OH
H
N
N
H3 C
N
N
O
OH
2-Desoxycytidylsäure
O
HOPOCH2 O
OH
N
N
H
O
OH
2-Desoxythymidylsäure
246
Ausschnitt aus einer DNA-Kette
-
O P O
T
O
H2C
Base
O
H
H
H
-
G
H
O
A
C
H
O P O
O
H2 C
Base
O
H
H
H
T
C
G
H
O
-
A
H
O P O
O
H2C
Base
O
H
H
H
H
O
H
Basenpaarung: Zwei komplementäre
Stränge werden durch
Wasserstoffbrückenbindungen zusammen
247
gehalten. ⇒ Doppelhelix
Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den
komplementären Basenpaaren der DNA
A G C T A C G A T C
T C G A T G C T A G
N
N
Zucker
H
N
H O
N
H N
N
O
CH 3
N
Zucker
T
A
Adenin-Thymin
N
N
Zucker
O
H
H N
N
H N
N
N
H
H O
G
C
Guanin-Cytosin
N
Zucker
Bei der Zellteilung wird zu jedem Einzelstrang
der komplementäre neu synthetisiert, so dass
jede Tochterzelle wieder die gleiche
Doppelhelix wie die Mutterzelle besitzt.
248
DNA-Modell nach Watson und Crick
Nobelpreis 1962 für Medizin oder Physiologie.
249
Genetischer Code
Erste Base
.
U
C
A
G
Zweite Base
U
Phe
Phe
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
Leu
Ile
Ile
Ile
Met (Start)
Val
Val
Val
Val
C
Ser
Ser
Ser
Ser
Pro
Pro
Pro
Pro
Thr
Thr
Thr
Thr
Ala
Ala
Ala
Ala
A
Tyr
Tyr
"Stop"
"Stop"
His
His
Gln
Gln
Asn
Asn
Lys
Lys
Asp
Asp
Glu
Glu
G
Cys
Cys
"Stop"
Trp
Arg
Arg
Arg
Arg
Ser
Ser
Arg
Arg
Gly
Gly
Gly
Gly
Dritte Base
.
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
Triplett-Codons
für die 20
wichtigsten
proteinogenen
L-Aminosäuren
UGA kann auch
die seltene
Aminosäure
L-Selenocystein
codieren.
UAG kann auch
die seltene
Aminosäure
L-Pyrrolysin
codieren
Jeweils drei Nucleotide (Tripletts) codieren eine Aminosäure,
z. B. AUG ⇒ Met = Methionin. (Der Code ist entartet.)
250
Proteinbiosynthese
Quelle: N.A. Campbell,
Biologie, Spektrum
Akademischer Verlag,
Heidelberg, 1997.
251
Polymerase-Kettenreaktion: Gentest
Kary B. Mullis (1984), Nobelpreis für Chemie 1993
Genkopierverfahren (1983)
Durch die Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase
Chain Reaction, PCR), lassen sich aus geringsten
Ausgangsmengen an DNA mit Hilfe des Enzyms
Polymerase größere Mengen entwickeln, die dann
genaueren Analysen zugänglich gemacht werden
können. Amplifizierung einzelner DNA-Segmente.
Wichtige Anwendungen der PCR sind:
• Diagnose von genetisch bedingten Beschwerden und Krankheiten
• Voraussage, wie gut ein Patient auf ein Medikament ansprechen wird
• Diagnose viraler Krankheiten
• Genetischer Fingerabdruck für die Forensik
• Vaterschaftstest und andere Verwandtschaftsnachweise
Gerichtsmedizin: Am Tatort sichergestelltes organisches Material – Blut,
Speichel, Haare oder Sperma – genügt, um den Täter mit dem berühmten
genetischen Fingerabdruck zu überführen.
252
DNA-Test im Labor ("Vaterschaftstest")
Zunächst wird von jeder Person eine geringe Menge an DNA benötigt, die aus
Körperzellen (z.B. Zellen der Mundschleimhaut) isoliert wird.
Anschließend werden die zu untersuchenden nicht-codierenden DNA-Abschnitte
mittels der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt. Diese Abschnitte
enthalten sogenannte Repetitivsequenzen, die als "Mikrosatelliten" in Form von
vielfach wiederholten ca. 2-30 Basen langen Wiederholungseinheiten aufgebaut sind,
z. B. ...AACT GATA GATA GATA GATA GATA GATA GATA GCCT....
Verschiedene "Allele" eines solchen Merkmalsystems, die auf Längenunterschieden
beruhen, können anschließend durch eine elektrophoretische Auftrennung der DNAFragmente sichtbar gemacht werden.
253