Vorlesungsschwerpunkte WS2016/17
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Vorlesung WS 2016 / 2017 – Gliederung und Schwerpunkte „Klassische Biochemie“ 1. Aminosäuren, Peptide, Proteine Funktionen, Einteilungsmöglichkeiten und Aufbau von Proteinen 1.1 Aminosäuren Allgemeine Struktur der Aminosäuren Aminosäuren sind chirale Moleküle Aminosäuren sind Ampholyte (pK-Werte, Zwitterionen, Titrationskurven, Puffereigenschaften) Proteinogene Aminosäuren Aminosäuren werden nach Eigenschaften der R-Gruppe unterteilt Aliphatische, hydrophobe, neutrale/polare, basische und saure Aminosäuren Phenylalanin, Methionin, Cystein, Histidin Selenocystein, die 21. proteinogene Aminosäure Nichtproteinogene Aminosäuren 1.2 Peptidbindung Eigenschaften der Peptidbindung: Die Peptidbindung ist starr und planar Peptidstruktur Nomenklatur Beispiele: Glutathion, Cyclosporin A 1.3 Proteine Hierarchie der Proteinstruktur Sekundärstrukturen (α-Helix, β-Faltblatt, Scheifen) Supersekundärstrukturen und Motive Domänen Tertiärstruktur Quartärstruktur Ligandenbindung Proteine sind dynamische Moleküle Ligandenbindung induziert Konformationsänderungen Fluktuationen der Proteinstruktur sind für die Funktion von Proteinen wichtig (Ligandenbindung) Proteinstrukturen: Beispiele Myoglobin: Ein globuläres Protein mit Häm als Prosthetische Gruppe Hämoglobin: Ein tetrameres allosterisches Protein; Hämoglobinopathien Denaturierung von Proteinen Proteinfaltung Thermodynamik der Proteinfaltung Kinetik der Proteinfaltung (Levinthal-Paradoxon) Faltungsenzyme (Prolyl-cis/trans-Isomerase, PDI) und Chaperone Medizinische Relevanz: Faltungsdefekte Fibrilläre Proteine: Kollagen etc. 2. Enzyme 2.1 Enzyme: Thermodynamik Biokatalysatoren, Reduktion der Aktivierungsenergie, keine Veränderung der Energiebilanz (des chem. Gleichgewichts) Enzyme koppeln endergone und exergone Prozesse Enzyme sind globuläre Proteine Das aktive Zentrum von Enzymen Das aktive Zentrum von Serinproteasen: Die katalytische Triade Enzyme sind beweglich: Konformationsänderungen (induced fit) Domänenbewegung bei der Katalyse Enzyme reagieren spezifisch (Substratspezifität, Stereospezifität, Reaktionsspezifität) Enzymmechanismen Kovalente Katalyse bei Serinproteasen 2.2 Enzymnamen und Enzymklassen (Einteilung in Hauptklassen) Isoenzyme, Multiple Formen von Enzymen, „moonlighting enzymes“ 2.3 Enzymkinetik und Regulation der Enzymaktivität Maßeinheiten der Enzymaktivität Temperatur und pH beeinflussen die Enzymaktivität Der katalytische Kreisprozess: Die Michelis-Menten-Gleichung Inhibitoren Irreversible Hemmung von Enzymen Reversible Hemmung von Enzymen Kompetitive Hemmung: Substrat-Analoga und transition-state Analoga Nichtkompetitive Hemmung Allosterische Enzyme (Monod-Modell, Koshland-Modell) Regulation durch reversible kovalente Modifikation Phosphorylierung / Dephosphorylierung: Proteinkinasen und Phosphoproteinphosphatasen Regulation von Enzymen durch limitierte Proteolyse, Komplexbildung und Kompartmentierung 3. Einführung in den Stoffwechsel Wozu Stoffwechsel? Zellen als thermodynamische offene Systeme Metabolismus: Die Gesamtheit chemischer Reaktionen in der Zelle Katabolismus und Anabolismus Kopplung anaboler und kataboler Prozesse: Carrier Energiereiche Bindungen ATP ist eine universelle Quelle freier Energie im Stoffwechsel NADH: Elektronencarrier im Zellstoffwechsel Stufen des katabolen Stoffwechsels Stoffwechselwege und Reaktionszyklen, Irreversibilität von Stoffwechselwegen 4. Atmungskette und oxidative Phosphorylierung Wie gewinnen Zellen ATP? Oxidative Phosphorylierung ist eine „kontrollierte Knallgasreaktion“: Lokalisation von Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung in der inneren Mitochondrienmembran Prinzip der Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung Redoxcarrier (NADH, FADH2, Coenzym Q, Cytochrome) Die Komponenten der Atmungskette (4 Enzymkomplexe und 2 lösliche Faktoren) Protonentranslokation in der Atmungskette ATP-Synthese. ATP-Synthase (Komplex V): Struktur und Mechanismus Wieviel ATP wird durch Atmungskette und ATP-Synthase gebildet? (P/O-Quotient) Energiekopplung: Entkopplung, Entkoppler Kontrollierte Zellatmung: Elektronen werden nur dann auf O2 übertragen, wenn ADP zu ATP phosphoryliert wird. Hemmstoffe der oxidativen Phosphorylierung, Entkoppler (2,4-DNP, UCP) Transportsysteme in der inneren Mitochondrienmembran ATP/ADP-Antiporter, H+/Pi-Symporter NADH-Shuttle (Glycerophosphat-Shuttle und Malat/Aspartat-Shuttle) Pathobiochemische Aspekte 5. Extramitochondrialer Sauerstoffverbrauch Oxidasen und Oxygenasen Reaktive Sauerstoffmetabolite (ROS), oxidativer Stress und Antioxidantien (scavenger) Citratzyklus: Übersicht, 3 Phasen enzymatischer Schutz vor ROS Antioxidantien (Radikalfänger) 6. Citratcyclus Coenzym A: Ein Carrier für Acylgruppen 6.1 Citratzyklus: Übersicht, 3 Phasen Reaktionen und Enzyme Citratzyklus: Stöchiometrie 6.2 Regulation des Citratzyklus Amphibole Natur des Krebs-Zyklus Durch anaplerotische Reaktionen werden die Zwischenprodukte des Citratzyclus aufgefüllt (Pyruvatcarboxylase, ...) 7. Kohlenhydratstoffwechsel 7.1 Glykolyse Aufnahme von Glucose in die Zelle Cotransport von Glucose und Na+: Indirekt aktiver Transport Glucosetransporter (GLUT): Carrier Phasen der Glycolyse Glucose ==> 2* Pyruvat: 10 enzymkatalysierte Reaktionen Glykolyse: Bilanz Metabolismus des Pyruvats: Regeneration von NAD+ Lactatbildung durch die Lactatdehydrogenase Ethanolbildung in Hefen, Alkoholdehydrogenase Bildung von Acetyl-CoA durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDH) Reaktionen: Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat, eine quas-irreversible Reaktion Enzyme und Coenzyme, Regulation 7.2 Gluconeogenese 7.3 Regulation von Glykolyse und Gluconeogenese Regulation der Glykolyse, Pasteur-Effekt, Warburg-Effekt Regulation der PFK, Fructose-2,6-bisphosphat Regulation der Pyruvatkinase durch Phosphorylierung und allosterische Effektoren Regulation der Gluconeogenese (Pyruvatcarboxylase und PEP-CK) „Futile cycles“: Reziproke Regulation funktionell antagonistischer Enzyme 7.3 Pentosephosphatweg NADPH: Redoxcarrier für reduktive Biosynthesen Abschnitte des Pentosephosphatweges Oxidativer Abschnitt: Reaktionen, NADPH-Bildung Reversibler Abschnitt: Synthese von Ribose-5-phosphat Regulation: Die beiden Abschnitte können unabhängig voneinander kontrolliert werden! Klinische Bedeutung: G6PDH-Defekt; Wernicke-Korsakoff-Syndrom 7.4 Glykogenstoffwechsel Glycogen-Struktur, Vorkommen, Funktion Synthese aus Glucose-6-phosphat Glykogenolyse Regulation des Glykogenstoffwechsels Glykogenosen 7.5 Stoffwechsel von Fructose, Galaktose, Mannose und Aminozuckern 8. Lipidstoffwechsel Übersicht Energiegewinnung aus Triglyceriden Lipasen 8.1 Fettsäureabbau zu Acetyl-CoA Aktivierung der Fettsäuren, Mitochondriale ß-Oxidation von Acyl-CoA Oxidation ungeradzahliger und ungesättigter Fettsäuren Peroxisomale Fettsäure-Oxidation 8.2 Ketonkörper Synthese der Ketonkörper in Leber-Mitochondrien Extrahepatische Nutzung von Ketonkörpern 8.3 Synthese von Fettsäuren Acetyl-CoA-Carboxylase: Synthese von Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA Die Fettsäuresynthase, ein multifunktionelles Enzym Woher stammen die Substrate (Acetyl-Coa, NADPH) der Fettsäuresynthese? Regulation der Fettsäuresynthese Elongation von Fettsäuren und Bildung ungesättigter Fettsäuren 8.4 Triglyceride und Phosphoglyceride Bildung der Phosphatidsäure (Diacylglycerol-3-P) Bildung von Triglyceriden aus Phosphatidsäure Bildung von Phosphoglyceriden aus Phosphatidsäure Abbau von Phospholipiden durch Phospholipasen 8.5 Etherlipide und Plasmalogene 8.6 Sphingolipide enthalten Sphingosin statt Glycerol Synthese von Sphingolipiden Abbau der Ganglioside durch lysosomale Enzyme Sphingolipidosen 8.7 Cholesterinstoffwechsel Synthese von Cholesterol aus Acetyl-CoA Die Synthese von Cholesterol aus Acetyl-CoA ist streng reguliert 9. Aminosäurestoffwechsel intrazellulärer Proteinabbau Peptidasen Lysosomaler Proteinabbau: Cathepsine Das cytosolische Proteasom 9.1 Stoffwechsel der alpha-Aminogruppe Aminotransferasen (Pyridoxalphosphat ist die prosthetische Gruppe Aminotransferasen) Glutamatdehydrogenase: Reversible oxidative Desaminierung von Glutamat Aminosäureoxidasen: Oxidative Desaminierung von Aminosäuren 9.2 Harnstoffsynthese (Harnstoffzyklus): Reaktionen, Bilanz, Regulation, Defekte 9.3 Der Glutamin/Glutamat-Zyklus Glutaminsynthetase und Glutaminase 9.4 Aminosäuredecarboxylasen, biogene Amine 9.5 ausgewählter Aminosäure-SW Stoffwechsel von Phenylalanin (Phe) und Tyrosin (Tyr): Reaktionen, Enzyme, Enzymdefekte (PKU) Stoffwechsel von Serin und Glycin (Folsäure, Tetrahydrofolat; C1-Körper) Methioninstoffwechsel; Stoffwechsel von S-Adenosylmethionin und Homocystein Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren (Ile, Val, Leu): Ahornsirupkrankheit „Molekularbiologie“ 1. Bausteine der Nucleinsäuren 1.1 Aufbau der Nukleinsäuren Basen, Zucker, Nukleoside, Nukleotide, Biosynthese von Nukleotiden Vorkommen und Funktion von Nukleotiden und Nukleotidderivaten 1.2 Synthese von Purinen und Pyrimidinen und Regulation 1.3 Abbau von Purinnukleotiden, Salvage Pathway 1.4 Synthese von Desoxyribonukleotiden und Regulation 1.5 Nukleotide und deren klinische Relevanz: Hyperuricämie, Gicht, Enzymdefekte, Lesch-Nyhan-Syndrom; Adeosindesaminase-Defekt modifizierte Nukleotide (natürliche, synthetische) Anwendung in der Tumor- und Infektionstherapie 2. Struktur der DNA 2.1 Grundlagen der Basenpaarung Modelle (Watson/Crick, Wobble, Hoogsteen) Triple-Helix 2.2 Struktur von doppelsträngigen DNA-Molekülen Helixformen (A, B, Z), biologische Bedeutung dieser Formen molekulare Eigenschaften (Struktur, Stabilität) von doppelsträngigen DNA-Molekülen DNA-Denaturierung 2.3 DNA-Verpackung Topoisomerasen, Enzymarten, Funktion, Bedeutung Histone, Eigenschaften, Bedeutung Regulation der DNA-Verpackung (Modifikation von Histonen und DNA) Nukleosom, Aufbau 3. Genom- und Genstruktur 3.1 Globale Genomorganisation Genomgrößen Eigenschaften des prokaryotischen Genoms Eigenschaften des eukaryotischen Genoms Eigenschaften des mitochondrialen Genoms 3.2 Struktur von Chromosomen Chromatin, Zentromer, Telomere 3.3 Genstruktur Definition und Aufbau eines Gens Besonderheiten bakterieller vs. eukaryotischer Gene polycistronische Gene 3.4 weitere Aspekte der Gen- und Genomstruktur Intron, Exon, Splicing, Exon-Scipping, Trans-Splicing Genduplikation (Mechanismen, Bedeutung) Pseudogene repetitive Sequenzen, Alu-Repeats, LINE, SINE (diagnostische Bedeutung) mobile DNA (Transposons, Retrotransposons) 3.5 Das menschliche Genom Aufbau, Organisation, Besonderheiten Methoden der Genomanalyse und Sequenzierung DNA-Fingerprint-Analyse 4. Struktur der RNA 4.1 allg. Aufbau von RNA-Molekülen Nukleotide, modifizierte Nukleotide Arten der RNA Struktur von RNA-Molekülen 4.2 Eigenschaften und Struktur von tRNA tRNA-Struktur tRNA-Synthese (CCAse, posttranskripionelle Modifikationen, mitochondriale tRNA) 4.3 Eigenschaften und Struktur von mRNA mRNA-Prozessierung (Capping, poly-A, Splicing) 4.4 Eigenschaften, Struktur und Bedeutung von ribosomaler und nukleärer RNA 5. Replikation der DNA 5.1 Zellzyklus und Replikationsinitiation 5.2 Proteine und Komponenten der Replikation Helikase, Topoisomerasen, Primase, DNA-Polymerase, Ligase Primer, SSBP 5.3 Prozess der Replikation DNA-Synthese Okazaki-Fragmente Inhibitoren der DNA-Synthese Fehlerrate und Proofreading Funktion der Telomerase und Bedeutung bei Alterung und Tumoren 6. Transkription 6.1 Prozess der Transkription Transkriptionsinitiation Promotoraufbau, Transkriptionsfaktoren RNA-Polymerase Transkriptionstermination 6.2 Posttranskriptionelle Veränderungen der mRNA Capping (Mechanismus, Funktion) Polyadenylierung (Mechanismus, Funktion) Splicing (Intron, Exon, Exon-Skipping, alternatives Splicing, Trans-Splicing) RNA-Editing 6.3 Vergleich Transkription vs. Replikation 7. Biosynthese der Proteine, posttranslationale Modifikationen und Proteintargeting 7.1 Prozess der Translation Aminoacylierung der tRNA (Spezifität, tRNA-Editing) Translationsinitiation (ShineDalgarno- und Kozak-Sequenzen, Formyl-Methionin) Ribosomenstruktur, Translationsfaktoren Peptidyltransferase (Reaktion, Hemmstoffe) Translationstermination 7.2 Posttranslationale Modifikationen zelluläre Kompartimentierung (spez. Funktionen von ER, Golgi, Lysosomen) Proteinglycosylierung (Beispiel AB0-System) weitere Modifikationen (Phosphorylierung, Sulfatierung, Palmitylierung, Amidierung) Proteinfaltung (Chaperone, Hsp70, Disulfidbindung, limit. Proteolyse,) 7.3 Protein-Sorting (Protein-Targeting) Grundlagen des Protein-Sorting (Signalsequenzen, SNAREs, wesentliche TargetingPathways) Transport in den Kern (Funktionen der Kernpore) Transport in Mitochondrien (TIM- und TOM-Komplexe) Sekretorischer Weg (Exozytose) Translokation von Membranproteinen (transmembranäre Domänen) 7.4 Endozytose, Internalisierung, Proteinabbau „coated“-Vesikel (Clathrin, COP I, COP II) Rezeptorinternalisierung Funktion von Lysosomen (Enzymausstattung, Recycling) 8. Grundlagen genetischer Erkrankungen 8.1 häufige Formen von genetischen Erkrankungen somatische Mutationen vs. Keimbahnmutationen Chromosomale, monogene und multifaktorielle genetische Erkrankungen Definitionen (Homo- und Heterozygotie, Allel, Locus, Haplotyp, Stammbaum) dominante vs. rezessive Merkmalsausprägung Besonderheiten X-chromosomaler Erkrankungen (X-Chr. Inaktivierung, „schiefe“ XChr. Inaktivierung, dominante X-Chr. Erkrankungen) 8.2 Mitochondriale Erkrankungen Besonderheiten, Erbgang, Beispiel 8.3 Mosaizismus Besonderheiten, Erbgang, Beispiel 8.4 Imprinting-Phänomene Besonderheiten, Erbgang, Beispiel 8.5 Triple-Repeat Syndrome Besonderheiten, Erbgang, Beispiel 9. Mutationen, Rekombinationen und DNS-Reparatur 9.1 Spontane Mutationen Allg. Prinzipien (Häufigkeiten, Ursachen) Basen-Tautomerie Chemische Veränderungen (Desaminierung, Hydrolyse, Dimerbildung) 9.2 Rekombination Homologe vs. nicht-homologe Rekombinantion biologische Bedeutung (Meiose, Evolution) „Holliday-Junction“-Modell 9.3 Chemische Mutagenese Bromuracil, Aminopurin, Ethylmethansulfonat, Benzopyrene, Aflatoxine 9.4 Reparaturmechanismen Basenpaar-Exzision, Photolyase 10. Polymerasekettenreaktion, Sequenzierung, Gentechnische Methoden, Gendiagnostik PCR (Prinzip, Komponenten, Bedeutung) Klonierung von PCR-Produkten (Aufbau eines Vektor, Ligase, Restriktionsenzyme, Transformation) DNA-Sequenzierung nach Sanger (Prinzip, Komponenten, Bedeutung), moderne Hochdurchsatz-Sequenzierungen (Pyro-Sequencing, Illumina Sequencing) Gendiagnostische Methoden (Zytogenetik, Fingerprint, SSCP, Restriktionsanalysen, Sequenzierung, Wave-Analyse (Denaturing high performance liquid chromatography, DHPLC)) 11. Gentherapie erblicher und erworbener Erkrankungen 11.1 11.2 11.3 11.4 Begriffsbestimmung „Gentherapie“ Molekulare Konzepte der Gentherapie (Antisense, Ribozym, RNA-Interferenz, Zellsuizid-, Replacement- und K.O.-Ansätze) Vektoren für die Gentherapie (viral, liposomal, Elektroporation, Injektion, Rezeptorvermittelt, Gene gun) derzeitige Indikationen von gentherapeutischen Ansätzen 12. Transgene Methoden 12.1 12.2 12.3 Methoden der Transgenese (retrovirale Vektoren, Mikroinjektion, Embryonale Stammzelle) Gen-Knock-out-Techniken Klonierung von Organismen durch Kerntransfer 13. Viren, Phagen, Oncogene, Prionen 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Einteilung der Viren nach molekularbiologischen Gesichtspunkten Aufbau und Funktion von ausgewählten Viren (HIV, Adenovirus) Phagen (Aufbau und Funktion) Onkogene Wirkung von Viren (Retroviren, HHV8) Prionenerkrankungen (Mechanismus, CJD)
