Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis - Kapitel
1. Einleitung: Die Chemie des Lebens
2. Kohlenhydrate
3. Lipide und Membranen
4.  Nukleinsäuren
5. Aminosäuren und Proteine
6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren
8.  Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel
9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung
10.Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau
11.Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie
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Biochemische Funktionen
Kohlenhydrate
•  Energielieferanten
Glucose
Glykogen (Tiere)
Stärke (Pflanzen)
•  Gerüst- und Strukturverbindungen
Cellulose (Pflanzen)
Chitin (Exoskelett)
Glycokalyx (Zelloberflächen)
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Chemische Funktionalitäten
Kohlenhydrate
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Kohlenhydrate/Saccharide
Kohlenhydrate
•  Saccharide (Griechisch: sakcharon = Zucker) sind die häufigsten Biomoleküle!
•  bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff:
allgemeine Formel: (C • H2O)n mit n ≥ 3
•  Die unverknüpften Zuckermoleküle werden als Monosaccharide bezeichnet
•  Monosaccharide können miteinander zu Di- und Polysacchariden verküpft werden
(linear und verzweigte Polymere!)
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Monosaccharide besitzen komplexe Stereochemie
Kohlenhydrate
CHO
Aldohexosen besitzen 4 chirale Kohlenstoffzentren
(C-Atom mit verschiedenen Substituenten)
H
OH
HO
Daraus ergeben sich 24 (=16)
Stereoisomere für eine Aldohexose!
verschiedene
H
H
OH
H
OH
CH2 OH
Stereozentrum (chirales Zentrum)
Das letzte chirale C-Atom
wird zur Bezeichnung der
sogenannten D- und LKonfiguration herangezogen!
CHO
H
HO
OH
H
CHO
H
HO
H
OH
H
H
OH
HO
CH2 OH
D-Form
OH
H
OH
H
CH2 OH
L-Form
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Die Familie der Aldosen
Kohlenhydrate
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Die Familie der Ketosen
Kohlenhydrate
Ketohexosen besitzen lediglich 3
chirale Zentren und daher gibt
es nur 23 = 8 Stereoisomere,
jeweils vier in der D- und L-Reihe.
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Hemiacetale und Hemiketale
Kohlenhydrate
Hydroxylgruppen reagieren mit Carbonylgruppen von Aldehyden und Ketonen
unter Ausbildung von Hemiacetalen bzw. Hemiketalen:
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Pyranosen und Furanosen
Kohlenhydrate
Findet diese Reaktion innerhalb eines Moleküles statt („intramolekular“)
entstehen cyclische Hemiacetale bzw. Hemiketale:
6-Ring
Aldohexose
5-Ring
Ketohexose
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Darstellungsvarianten
Kohlenhydrate
stereochemisch
Haworth-Projektion
Stab-Kugel-Molekülmodell
Kalotten-Modell
Sessel-Projektion
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Darstellungsvarianten
Kohlenhydrate
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Das anomere Zentrum
Kohlenhydrate
Befindet sich die Hydroxylgruppe des anomeren Zentrums auf der
entgegengesetzten Seite zu Seitengruppe am C-5, spricht man von
α-(alpha)-Konfiguration. Befindet sie sich auf der gleichen Seite
spricht man von β-(beta)-Konfiguration (es ist ein neues chirales
Zentrum entstanden!)
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Das anomere Zentrum
Kohlenhydrate
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Verknüpfung von Monosacchariden
Kohlenhydrate
Das anomere Zentrum kann mit einer weiteren Hydroxylgruppe reagieren und
eine sogenannte glykosidische Bindung ausbilden:
Durch diese Reaktion entsteht entweder ein:
•  Acetal (ausgehend von einem Hemiacetal)
oder
•  Ketal (ausgehend von einem Hemiketal).
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Die glykosidische Bindung
Kohlenhydrate
Die Einführung einer glykosidischen Bindung zwischen der Hydroxylgruppe des
anomeren Zentrums eines Zuckers mit einer anderen alkoholischen Gruppe (anderer
Zucker oder andere Verbindung mit reaktiver OH-Gruppe) wird als Glykosylierung
bezeichnet.
Sie wird mit geringem Energieaufwand unter Wasserabspaltung durch eine
Kondensationsreaktion gebildet:
NATUR: enzymatisch über aktivierten Zucker
LABOR: Säurekatalyse mit Überschuss an Alkohol
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Vom Mono- zum Disaccharid: Dimerisierung
Kohlenhydrate
Die glycosidische Bindung
ist in Gegenwart starker
Säuren hydrolytisch
spaltbar.
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Häufige Disaccharide: Milchzucker (Lactose)
Kohlenhydrate
Bis zu 7% in der Milch enthalten!
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Laktosetoleranz
Kohlenhydrate
Normalerweise wird das Enzym für den Abbau von Lactose (Enzym: Lactase) nur
während der Stillzeit im Menschen hergestellt und danach nicht mehr exprimiert.
Durch Punktmutationen, die sich vermutlich vor ca. 10000 Jahren ereigneten
(Milchwirtschaft?!), wird das Gen nun nicht mehr abgeschaltet und die Lactase wird
permanent exprimiert.
Menschen, bei denen diese Mutation nicht auftritt, können später die Lactose nicht mehr
zerlegen.
In vielen Ländern kommt diese Mutation generell kaum vor. Dort sinkt die
Lactaseaktivität natürlicherweise nach der Stillzeit auf ein Minimum.
Symptome:
•  ungespaltener Milchzucker gelangt in Dickdarm,
•  von Darmbakterien aufgenommen und vergoren
•  Gärungsprodukte: Lactat (Milchsäure), Methan (CH4) und Wasserstoff (H2)
•  Gase führen zu Blähungen
•  Milchsäure ist osmotisch aktiv (osmotische Diarrhoe)
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Laktosetoleranz
Kohlenhydrate
In Asien und Afrika betrifft die Laktoseintoleranz den größten Teil der erwachsenen
Bevölkerung (> 90 %), in Westeuropa, Australien und Nordamerika sind es 0–15 %
(hellhäutige Menschen).
Prozentualer Anteil von Laktoseunverträglichkeit
Quelle: Zeit-Grafik/Verein für Laktoseintoleranz
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Häufigstes Disaccharid: Saccharose
Kohlenhydrate
Saccharose:
ensteht duch Ausbildung einer glykosidischen Bindung zwischen
den anomeren Zentren einer Hexoglucopyranose (Glucose)
und einer Hexoketofuranose (Fructose)
Transportform für Zucker in Pflanzen!
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Verknüpfungsvarianten
Kohlenhydrate
Gentiobiose (Amgdalose; Bittermandel)
Trehalose
Cellubiose (Poly:Cellulose)
Maltose (Poly: Amylose)
Isomaltose (Poly: Bestandteil von Amylopectin)
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Cellulose
Kohlenhydrate
β-1,4-glykosidisch verknüpft
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Glykogen & Stärke
Kohlenhydrate
alpha-1,4-glykosidisch verknüpft
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Bildung von Stärke
Kohlenhydrate
Stärke wird von Pflanzen in den sogenannten
Chloroplasten gebildet und gespeichert.
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Aminozucker
Kohlenhydrate
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Chitin - ein polymerer Aminozucker
Kohlenhydrate
Bestandteil des Exoskeletts von Insekten, Spinnen, Krebse etc.
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Zucker sind am Aufbau der bakteriellen Zellwand beteiligt
Kohlenhydrate
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Zellwandbiosynthese
Kohlenhydrate
Die bakterielle Zellwandbiosynthese ist ein bevorzugtes Ziel
für die Entwicklung von Antibiotika!
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Glycosaminoglykane
Kohlenhydrate
•  Unverzweigte Polysaccharide im extrazellulären Raum
•  Besitzen negativ geladene Carboxyl- und Sulfatgruppen
Vorkommen:
•  Bindegewebe
•  Gefäßwände
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Heparin
Kohlenhydrate
•  Ist kein Bestandteil des Bindegewebes
•  Vielmehr verhindert es die Blutgerinnung („Antikoagulant“) und
wird bei Verwundung in die Blutbahn ausgeschüttet, um die Bildung von
Blutgerinsel zu vermeiden
•  Daher wird Heparin in Notfällen und bei chirurgischen Eingriffen
verwendet H
O
H
H
O
OOC
OSO3
HO
H
α
H
D-iduronate-2-sulfate
H OSO3
O
HO
H
O
H
H
NH
α
H
O3 SO O
n
N-Sulfo-D-glucosamine-6-sulfate
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Proteoglykane
Kohlenhydrate
Glycosaminoglykane der extrazellulären Matrix aggregieren kovalent und nichtkovalent mit Proteinen und bilden sog. Proteoglykane:
Durch die Bürstenstruktur
und den polyanionischen
Charakter können Proteoglykane
extrem
viel
Wasser aufnehmen.
Kollagen bildet zusammen
mit Proteoglykanen den
Knorpel in Gelenken.
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Proteoglykane bei der Verwundungsreaktion
Kohlenhydrate
•  Bei Verwundung des Rückenmarkes werden als Reaktion
Proteoglykane gebildet, die eine Regeneration der beschädigten
Nervenbahnen (Axone) verhindern können
•  Durch Behandlung mit Enzymen, die Proteoglykane auflösen
können, wurden bereits Erfolge bei der Regeneration von
Verletzungen im Bereich des Rückmarkes erzielt:
Chondroitinase
Bradbury et al., Nature, 416,
636-640 (2002)
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Glykosylierung von anderen Biomolekülen
Kohlenhydrate
Die Verknüpfung mit Zuckerresten dient der Erkennung von bestimmten
Oberflächenstrukturen, z. B. auf der Außenseite von Membranen:
•  Diese Außenseite ist mit den
verschiedensten Oligosacchariden
überzogen.
•  Diese bilden sogenannte Glycokonjugate mit Proteinen und
Lipiden (siehe Kap. 3 und 5).
Diese als Glycokalyx bezeichnete
Schicht ist bis zu 1400 Å (= 140 nm
„dick“.
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Zuckeroberflächen sind immunologische Marker
Kohlenhydrate
Die AB0 Blutgruppenantigene sind Oligosaccharidkomponenten von
Glykolipiden auf Zelloberflächen (nicht nur rote Blutkörperchen).
Individuen mit Blutgruppe A besitzen A-Antigen auf der Zelloberfläche und
besitzen B-Antikörper (und vice versa).
Typ AB besitzen beide Antigene aber keine Antikörper gegen A und B.
Typ 0 haben keine der beiden Antigene aber beide A und B Antikörper.
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Die Entdeckung der Blutgruppen
Kohlenhydrate
KARL LANDSTEINER entdeckte 1901 die Blutgruppen
und machte damit erfolgreiche Bluttransfusionen möglich!
Derzeit werden ca. 30 verschieden Blutgruppen
Unterschieden (A-B-0; Rhesusfaktor, etc.)
Karl Landsteiner (1868-1943)
Nobelpreis für Medizin/Physiologie 1930
„For his discovery of human blood groups“
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