Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide

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Die nachfolgenden Folien sollen Ihnen helfen, die Inhalte der ersten beiden Wochen
der Hauptvorlesung Physiologische Chemie I nachzubereiten.
Diese Präsentation ersetzt keineswegs den Besuch der Vorlesung oder das Studium
der Lerninhalte mit einem Lehrbuch und ist ausschließlich für den Eigenbedarf gedacht.
Nobody is perfect, deshalb: Eventuelle Fehler in den Folien hätten sich unbeabsichtigt
eingeschlichen und bitte ich zu entschuldigen. Es gilt immer das in der Vorlesung
gesprochene Wort!
Mit Fragen, Anregungen, Lob und Tadel wenden Sie sich bitte einfach direkt an mich:
cbehl@uni-mainz.de
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Christian Behl
Direktor des Instituts für Pathobiochemie
November 2010
Vorlesung: Physiologische Chemie I
Wintersemester 2010/11
Vorlesung für Studierende der Medizin, Zahnmedizin und Biologie
Forschung?
Institut für Pathobiochemie
(Direktor: Univ.Univ.-Prof. Dr. Christian Behl)
Neurodegeneration
Molekulares Altern
Oxidativer Stress
Evolution
Life span
Biochemie und
Physiologie
alternder Zellen
Amyotrophe Lateralsklerose
Neuroprotektion
Superoxid Dismutase1
Aggregate
Tiermodelle
Antioxidantien
Hormone
CRH, Östrogene
Biochemie der Neurodegeneration und des Alterns
Physiologische Chemie I
Vorlesungsort:
Vorlesungszeit:
Beginn der Vorlesung:
Ende der Vorlesung:
Hörsaal 19
Mo-Frei, von 11 Uhr c.t. bis 12.00 Uhr
Montag, 25.10.2010
Freitag, 18.02.2011
Vorlesungsfreie Zeit:
01.11.2010 (Allerheiligen)
17.12.2010-08.01.2011 Weihnachtsferien
Wissen
Ziel
Biochemisches Wissen in der ärztlichen Praxis anwenden:
Verbesserte Diagnose und Therapie.
2.
Physiologische Chemie I
Systematische Einführung in die Biochemie des Menschen für Studierende der
Medizin, Zahnmedizin und Biologie und die begleitende Vorlesung zum
„Praktikum Biochemie/Molekularbiologie“ für Studierende der Medizin und
Zahnmedizin.
Allen Teilnehmern am Praktikum und Seminar 1 wird der regelmäßige
Besuch dieser Vorlesung dringend empfohlen!
Der gesamte Vorlesungsstoff wird Gegenstand der beiden
MC--Klausuren für das Seminar 1 und das Praktikum sein!
MC
Jeder, der den 1. Abschnitt der ärztlichen Prüfung
(„Physikum“) bestehen will, sollte die gesamte
Vorlesung hören!!!
Zur Vor- und Nachbereitung der Vorlesung und zur Vorbereitung auf den Lehrstoff
des Praktikums und der MC-Klausuren empfehlen wir das Lehrbuch von
Werner Müller-Esterl: Biochemie.
Eine Einführung für Mediziner und Naturwissenschaftler (1. Auflage, 2004)
www-Links im Buch über www.elsevier.de/muller-esterl
Für weitergehende Studien (z.B. Seminar 2 und 3 sowie Vorbereitung für die 1. Staatsprüfung),
insbesondere über pathobiochemische Aspekte, eignet sich das Lehrbuch von
Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie (7. Aufl., 2003; 8. Aufl., 2006)
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Patientenfälle und Beispiele
MEDIZIN IST HEUTE
MOLEKULARE MEDIZIN
BIOCHEMIE
MOLEKULARBIOLOGIE
Molekülstrukturen von besonderer Bedeutung
für Stoffwechsel, Erkrankung und Therapie
Fall
62-jähriger mit erhöhtem Blutglukosespiegel bei Diabetes Mellitus
In Ihrer Hausarztpraxis stellt sich ein 62-jähriger stark übergewichtiger Patient (168 cm,
100 kg) wegen folgender Symptome vor: Mundtrockenheit, übermäßiger Durst
(Polydipsie), vermehrtes Wasserlassen (Polyurie), seit längerer Zeit verminderte
Leistungsfähigkeit. Zudem litt der Patient zuletzt wiederholt unter Harnwegsinfekten.
Das von Ihnen abgenommene Blut ergibt einen stark erhöhten NüchternblutglukoseWert von 324 mg/dl (17,9 mmol/l); normal 3,9–5,5 mmol/l, entsprechend 70–99 mg/dl.
Das HbA1C ist mit 10,4% ebenfalls erhöht (Norm < 6%).
Sie teilen dem Patienten mit, dass er an Diabetes mellitus leidet.
Der Diabetes mellitus beruht auf einem absoluten Insulinmangel oder auf einer
mangelhaften Reaktion der Zielzellen auf das Insulinsignal.
Fallbuch Biochemie, Brandenburger, Bajorat, Thieme 2006
Fall
62-jähriger mit erhöhtem Blutglukosespiegel bei Diabetes Mellitus
In Ihrer Hausarztpraxis stellt sich ein 62-jähriger stark übergewichtiger Patient (168 cm,
100 kg) wegen folgender Symptome vor: Mundtrockenheit, übermäßiger Durst
(Polydipsie), vermehrtes Wasserlassen (Polyurie), seit längerer Zeit verminderte
Leistungsfähigkeit. Zudem litt der Patient zuletzt wiederholt unter Harnwegsinfekten.
Das von Ihnen abgenommene Blut ergibt einen stark erhöhten NüchternblutglukoseWert von 324 mg/dl (17,9 mmol/l); normal 3,9–5,5 mmol/l, entsprechend 70–99 mg/dl.
Das HbA1C ist mit 10,4% ebenfalls erhöht (Norm < 6%).
Sie teilen dem Patienten mit, dass er an Diabetes mellitus leidet.
Der Diabetes mellitus beruht auf einem absoluten Insulinmangel oder auf einer
mangelhaften Reaktion der Zielzellen auf das Insulinsignal.
Fallbuch Biochemie, Brandenburger, Bajorat, Thieme 2006
Fall
62-jähriger mit erhöhtem Blutglukosespiegel bei Diabetes Mellitus
In Ihrer Hausarztpraxis stellt sich ein 62-jähriger stark übergewichtiger Patient (168 cm,
100 kg) wegen folgender Symptome vor: Mundtrockenheit, übermäßiger Durst
(Polydipsie), vermehrtes Wasserlassen (Polyurie), seit längerer Zeit verminderte
Leistungsfähigkeit. Zudem litt der Patient zuletzt wiederholt unter Harnwegsinfekten.
Das von Ihnen abgenommene Blut ergibt einen stark merhöhten NüchternblutglukoseWert von 324 mg/dl (17,9 mmol/l); normal 3,9–5,5 mmol/l, entsprechend 70–99 mg/dl
Das HbA1C ist mit 10,4% ebenfalls erhöht (Norm < 6%).
Sie teilen dem Patienten mit, dass er an Diabetes mellitus leidet.
Der Diabetes mellitus beruht auf einem absoluten Insulinmangel oder auf einer
mangelhaften Reaktion der Zielzellen auf das Insulinsignal.
Glukose: Kohlenhydrat, Hexose, Energieträger der Ernährung, Biokreislauf der Kohlenhydrate.
HbA1C: entsteht durch nicht-enzymatische Glykosylierung. Das Ausmaß der Glykosylierung
wird durch die Blutglucosekonzentration bestimmt.
Insulin: Peptidhormon aus 51 Aminosäuren, bestehend aus einer A- und einer B-Kette.
Fallbuch Biochemie, Brandenburger, Bajorat, Thieme 2006
Wissen
Ziel
Biochemisches Wissen in der ärztlichen Praxis anwenden:
Verbesserte Diagnose und Therapie.
Fall
17-Jähriger mitt fehlerhaftem Hämoglobin bei Sichelzellenanämie
Sie arbeiten als Arzt bei einer internationalen Hilfsorganisation in Afrika. Heute wird
Ihnen ein 17-jähriger Patient mit starken Bauchschmerzen und Atemnot (Dyspnoe)
vorgestellt. Sie erfahren, dass der Patient diese Schmerzkrisen schon seit seiner frühen
Kindheit kennt. Häufig treten auch Knochenschmerzen in den Beinen auf. Bei der
körperlichen Untersuchung erscheinen Leber und Milz vergrößert (Hepatosplenomegalie).
Sie nehmen Blut ab und fertigen einen Blutausstrich an. Im Mikroskop erkennen Sie
sichelförmige Erythrozyten (sog. Sichelzellen). Außerdem ist der Hb-Wert mit 9 g/dl
(5,6 mmol/l) vermindert (Normwert, männlich 14-15 g/dl bzw. 8,7-11,2 mmol/l).
Der Patient leidet also an einer Form der Anämie, der sog. Sichelzellenanämie.
Bei der Sichelzellenanämie handelt es sich um eine Erkrankung, die auf einer fehlerhaften Synthese des Hämoglobins beruht.
Fallbuch Biochemie, Brandenburger, Bajorat, Thieme 2006
Erythrocyten
?
Struktur des Hb
2 -Ketten mit je 141 AS
2 -Ketten mit je 146 AS
Fall
17-Jähriger mit fehlerhaftem Hämoglobin bei Sichelzellenanämie
Hämoglobin (Hb)
Biochemie (Funktion)
Bindung von molekularem Sauerstoff an Hämoglobin.
Sauerstofftransport im Organismus.
Pathobiochemie
molekulare Erkrankung des Hämoglobins
menschliche Erbkrankheit: Patienten, homozygot für das Sichelzellenallel,
des Gens, das die -Untereinheit von Hämoglobin kodiert. Ein einziger
Aminosäureaustausch liegt vor (Val statt Glu an Pos. 6).
Die Folgen:
- funktionelle Änderungen, z.B. Abnahme des Hämoglobins
- veränderte Morphologie des Erythrozyten
- Blutarmut (Anämie)
Fall
17-Jähriger mit fehlerhaftem Hämoglobin bei Sichelzellenanämie
statt
Valin
Glutaminsäure
Struktur
Funktion
Einführung
Beispiel
Die Biochemie im Zeitalter der Genomik
Biochemie
Nach Sequenzierung/Kartierung des humanen Genoms (4/2003)
funktionelle Analyse der Genprodukte (kodierten Proteine);
Funktionelle Genomik (Functional Genomics) und
Proteomik (Proteomics).
Funktion
Aufklärung der Funktion bisher unbekannter sowie krankheitsassoziierter Proteine;
Analyse von Genexpressionsmustern, z.B. bestimmter Tumorarten,
sowie von genetischen Polymorphismen (SNPs; Single Nucleotide
Polymorphisms) bei Krankheiten.
Bedeutung für zukünftige Therapien humaner Erkrankungen
Heilung von bisher unheilbaren Erkrankungen (z.B. durch Gentherapie, gezielte Intervention);
ca. 4000 genetische Erkrankungen des Menschen geschätzt;
auf den einzelnen Patienten abgestimmte Therapie durch bessere Kenntnis
der molekularen/biochemischen Pathomechanismen.
Pathomechanismen.
SNPs als erfolgreiche Punktmutationen:
bedeutend z.B. für Medikamentenwirkung
Mit Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNP, engl. Single Nucleotide Polymorphism; „Snip“)
werden Variationen einzelner Basenpaare in einem DNA-Strang bezeichnet.
SNPs stellen ca. 90 % aller genetischen Varianten im menschlichen Genom dar; sie sind nicht
gleichverteilt, sondern nur ungleichmäßig stark an bestimmten Regionen. 2/3 aller SNPs
bestehen aus dem Austausch von Cytosin durch Thymin, da Cytosin im Wirbeltier-Genom häufig
methyliert wird. Durch spontan auftretende Desaminierung wird aus 5-Methylcytosin Thymin.
Medizin: Prävention, Diagnose, Therapie
im Zeitalter von…………….
Genom
Proteom
Transkriptom
Metabolom
Lipidom
Entschlüsselung der Genome: Grundlage für die
Biochemie und molekulare Medizin
33132 Gene
28827 Gene
20032 Gene
21752 Gene
Biochemie/
Molekularbiologie
Medizinische
Grundlagenforschung
Suche nach Konzepten
der Therapie und Prävention
von Erkrankungen
Beispiel
Influenza A/H5N1
A/H5
A/H
5N1
Erreger der so genannten Vogelgrippe
hoch pathogenes aviäres Influenzavirus (HPAIV), von Vögeln stammendes Grippevirus
behülltes Einzel(-)-Strang-RNA-Virus [ss(-)RNA] aus der Familie der Orthomyxoviren.
Diese zunächst in China aufgetretene Variante (der so genannte Asia-Typ)
gilt als besonders virulent und ist mehrfach auch auf den Menschen übergegangen.
In der zunächst minder pathogenen Form ist das Virus bereits seit 1959 bekannt.
Nachweis:: über mehrfache Polymerase
Nachweis
Polymerase--Kettenreaktion, PCR
PCR!!
Beispiel
Welt am Sonntag: 07.07.08
Der Körper wird sein eigenes Ersatzteillager
….Stammzellen, aus denen eines Tages patienteneigenes
Ersatzgewebe, möglicherweise sogar komplette Organe
für Schwerkranke gezüchtet werden.
Beispiel: Stammzellen
=Körperzellen, die sich in verschiedene Zelltypen oder Gewebe
ausdifferenzieren können.
Hoffnung der medizinischen Forschung
Stammzellen als „Ersatzmaterial“ bei
Alzheimer Krankheit, Parkinson Krankheit
Alterserkrankungen (Krebs, „Anti-Aging“)
etc.
Stammzellen verharren in der Entwicklung auf halbem Wege vom Embryonalstadium zum Endpunkt.
Stammzellen sind deshalb noch wandlungsfähig;
die einen mehr (embryonale Stammzellen),
die anderen etwas weniger (adulte Stammzellen).
Beispiel
Thema: Forschung mit Stammzellen, Stammzellen in der Medizin
Nach dem Embryonenschutzgesetz ist es in Deutschland verboten, menschliche
Embryonen (also auch Blastozysten, die als Quelle für embryonale Stammzellen
dienen) für Forschungszwecke zu zerstören oder zu klonen.
Auch die Herstellung von Embryonen für Forschungszwecke ist untersagt.
Die Forschung an importierten embryonalen Stammzellen ist jedoch unter
Auflagen möglich und wurde durch das Stammzellgesetz vom Juli 2002 geregelt:
nur solche embryonale Stammzellen durften nach Deutschland importiert werden,
die vor dem 1. Januar 2002 gewonnen worden waren (Stichtagsregelung).
Am 11. April 2008 beschloss der Deutsche Bundestag einen neuen Stichtag,
so dass nun Stammzellen importiert werden dürfen, die vor dem 1. Mai 2007
gewonnen wurden (Verschiebung des Stichtages).
3.
Chemie – Basis des Lebens
Alles Leben gründet auf Chemie
Alle Lebewesen sind aus chemischen Verbindungen aufgebaut.
Einfache Moleküle (z.B. H2O) und komplexere biologische Makromoleküle
(z.B. Proteine) gehen durch vielfältige Reaktionen hervor aus einer
begrenzten Anzahl chemischer Elemente.
Lebewesen zeichnen sich durch eine enorme Komplexität aus:
Zehntausende verschiedene Molekülsorten bilden hoch organisiert eine
lebende Zelle.
Unbelebte Materie ist ziemlich einfach und aus wenigen Komponenten aufgebaut.
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens, Mengen- und Spurenelemente
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Chemie – Basis des Lebens
Begrenzte Anzahl chemischer Elemente – Periodensystem der Elemente:
Die vier Elemente H, C, N und O stellen zusammen 96% der Masse lebender Zellen.
Weitere 7 Elemente machen 3% aus.
Eine größere Zahl von Elementen (zumeist Metalle) treten nur in Spuren auf.
Anteil der Spurenelemente an Biomolekülen < 0,1% z.B. Eisen (Fe) und Jod (J).
Mineralstoffe!
Elemente mit den Ordnungszahlen 57-71 (Lanthanoide) und 89-103 (Actinoide) sind nicht aufgeführt;
über den Elementsymbolen ist die Ordnungszahl, darunter die relative Atommasse in Dalton angegeben
Chemie – Basis des Lebens
Spurenelement Eisen
4 Eisenkationen (Fe2+), zentraler Bestandteil des
Hämoglobins (Hb).
Unser Körper produziert ca. 200 Mrd. Erythrocyten
pro Tag vollgefüllt mit Hb.
Fe wird aus gealterten Zellen recycled, ein geringer
Anteil geht über Darm oder durch Blutungen verloren
(z.B. Menstruation), muss also ersetzt werden.
Bei chronischen Blutverlusten, Resorptionsstörungen
oder mangelnder Fe-Zufuhr durch die Nahrung kommt
es zur Anämie (Blutarmut).
Exkurs: Eisenmangel
Symptome und Folgeerkrankungen
Haut und Schleimhaut
z.B. Blässe, Brüchigkeit der Nägel, diffuser Haarausfall
Nervensystem
z.B. Kopfschmerzen, Konzentrationsstörungen, psychische Labilität,
Restless-Legs-Syndrom
Blut
z.B. Eisenmangelanämie
Eisen in Lebensmitteln
Lebensmittel
Eisen (mg/100g)
Thymian, getrocknet
Petersilie, getrocknet
Grüne Minze, getrocknet
Brennnessel, getrocknet
Schweineleber
Zuckerrübensirup
Kakaopulver
Kürbiskerne
Schweineniere
Hirse
Sojabohnen
Leinsamen
Kalbsleber
Pfifferlinge
Blutwurst
Sonneblumenkerne
Erbsen
Haferflocken
123,6
97,8
87,5
32,2
22,1
13,0
12,0
11,2
10,0
9,0
8,6
8,2
7,9
6,5
6,4
6,3
5,0
4,6
Spinat
4,1
Vollkornbrot
Schweinefleisch
Geflügel
3,3
3,0
2,6
Exkurs: Eisenmangel
Altes Hausmittel gegen Eisenmangel: "Eisenhaltiger" Apfel
Nägel bitte nicht mitessen :-)
Chemie – Basis des Lebens
Spurenelement Iod und Iodmangel
Iod (I) = zentraler Baustein der Schilddrüsenhormone
Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4).
Erwachsene bilden einen Iodmangelkropf, der das wenige
Iod komplett speichert.
Eine Prophylaxe ist mit iodiertem Speisesalz gut möglich.
Seither ist das Phänomen des endemischen Kretinismus
kaum noch zu beobachten.
Exkurs: Jodmangel
Iod wird fast ausschließlich zum Aufbau der Schilddrüsenhormone benötigt
Täglicher Bedarf
Erwachsener
Kinder bis zum 9 Jahr
Säuglinge
ca. 150 g
ca. 100-140 g
ca. 50-60 g
Geringer Jodmangel verursacht zunächst keine Symptome, Ausnahme
in der Schwangerschaft und in den ersten drei Lebensjahren.
Ein über Jahrzehnte vorliegender geringer Jodmangel
kann u.a. einen Kropf verursachen.
Ausgeprägter Jodmangel kann eine Unterproduktion
von Schilddrüsenhormon (T3/T4) verursachen
(Hypothyreose).
Chemie – Basis des Lebens
Von einem Element gibt es oft verschiedene
„Varianten“ (Isotope).
Chemie – Basis des Lebens
Isotope:
unterscheiden sich in der Massenzahl (= Summe von Protonen und
Neutronen) aber nicht in ihren chemischen Eigenschaften voneinander.
Einige Isotope sind Radioisotope (Radionuklide), die unter Emission von Strahlung
zerfallen. Andere Isotope stellen stabile Varianten eines Elements dar
(nichtradioaktive Isotope).
Die Masse eines Isotops wird durch einen Index angegeben, z.B. 14C (C-14)
Radioisotope/Radionuklide spielen eine große Rolle in der Medizin:
Diagnostik (z.B. RIA, PET) und Therapie (z.B. Strahlentherapie)
Biochemische Forschung
Anwendung Isotope: Diagnostik
Alzheimer Diagnose: -Amyloid-PET
Frontal-Lappen
Erstmalige Markierung der amyloiden
Ablagerungen im Gehirn von Patienten!
Helmuth et al., Science, 2002
Chemie – Basis des Lebens
Beispiel: Radioisotope in der biochemischen Forschung
Tracertechnik
Die Aufklärung vieler Stoffwechselwege und Transportprozesse und die Lokalisation
von Verbindungen in den Geweben gelang durch den Einsatz isotopenmarkierter Moleküle:
Das „Schicksal“ weniger radioaktiv markierter Moleküle kann in einem Überschuss
unmarkierter Moleküle verfolgt werden = Tracertechnik
Beispiel: Verfüttert man mit dem Kohlenstoffisotop 14C-markiertes Acetat an Ratten und
isoliert anschließend Cholesterin aus der Leber, findet sich das radioaktive Isotop dort
wieder.
So wurde z.B. gezeigt, dass alle C-Atome des Cholesterins aus dem StoffwechselIntermediat Acetyl-CoA stammen.
Aufklärung von Stoffwechselwegen:
Herkunft der C-Atome des Cholesterins. Inkubiert
man Cholesterin-synthetisierende Zellen mit Methylbzw. Carboxyl-markiertem radioaktiven Acetat,
finden sich im Cholesterinmolekül in regelmäßiger
Folge Methyl- und Carboxyl-C-Atome des Acetats
Chemie – Basis des Lebens
Zelluläre Makromoleküle
Kohlenhydrate/
Saccharide//
Saccharide
Zucker
Energielieferanten
Strukturaufgaben
„Löwenanteil“ unter den
organischen Molekülen:
Fettstoffe/Lipide:
Nährstoffe
Strukturträger
biologischer Membranen
Eiweiße/Proteine
= „Werkzeuge der Zelle“
Struktur und Funktion
Nucleinsäuren
DNA/RNA
Informationsträger der Zelle
Chemie – Basis des Lebens
Biologische Makromoleküle sind die Bausteine des Lebens
(4 unterschiedliche Stoffklassen)
Kohlenhydrate
Lipide
Proteine
Nucleinsäuren
= Produkte biologischer Aktivität
sowie
Ausgangsmaterial für biologische Ab- und Umbauprozesse
ermöglichen die komplexen biochemischen Vorgänge in Zellen
und Organismen
Biomoleküle sind Makromoleküle/Polymere und zeichnen sich durch
das Prinzip einer diskreten Kombinatorik aus
Chemie – Basis des Lebens
Kombinatorik: Sämtlich Makromoleküle bestehen aus einigen wenigen
EINFACHEN Verbindungen.
Proteine
-
Aminosäuren (20/21)
Nucleinsäuren
-
Nucleotide (2x4)
-
Monosaccharide (Glucose)
Desoxyribonucleinsäure
Ribonucleinsäure
Polysaccharide
Monomere
Untereinheiten
„Baustein-Prinzip“ ermöglicht Vielfalt
Anzahl der möglichen unterschiedlichen Sequenzen (S) abhängig davon, wie
viele verschiedenen Arten von Untereinheiten es gibt und wie lange die lineare
Sequenz ist.
Beispiel: für ein durchschnittlich langes Protein von ca. 400 Aminosäuren
S = 20400.
Ausnahme des Polymerkonzepts: Lipide
können auch ohne kovalente Bindungen größere Molekülverbände ausbilden!
Chemie – Basis des Lebens
Synthese und Abbau von Polymeren durch
Kondensation und Hydrolyse
Für die Biosynthese von polymere Makromolekülen
sind „aktivierte“ Bausteine nötig, bei denen
die Zelle Energie in Form von ATP aufwenden muss.
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
Der Kohlenstoffkreislauf
Kohlenstoffkreislauf: Glucose (C6H12O6) dient als ein vermittelnder Energieträger.
Glucose entsteht bei der pflanzlichen Photosynthese und wird in zellulären Atmungsprozessen verbraucht (Glycolyse), wobei sie biochemisch verwertbare Energie liefert.
Aufklärung von Stoffwechselwegen:
In diesem Beispiel wurde ein Blatt (links) im hellen Licht 3 min mit radioaktivem CO2 inkubiert, das in die Photosyntheseprodukte
eingebaut werden sollte. Das Blatt wurde danach durch Bügeln fixiert, getrocknet und über Nacht auf einem Röntgenfilm befestigt.
Nach Entwicklung des Films (rechts) zeigt sich, dass das Blatt nicht gleichmäßig markiert wurde. Erklärung: In der Nähe der Adern
weist das Blatt Schäden durch einen Photosyntheseinhibitor auf, radioaktives CO2 wurde nur in den Intercostalfeldern eingebaut.
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundsätzlicher Aufbau der Kohlenhydrate (KH)
Chemische Grundeinheiten der KH sind relativ kleine organische Ketone
und Aldehyde mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen, die C, H und O enthalten.
Derivate der KH können auch N, P oder S aufweisen.
Definition KH allgemein:
KH sind Aldehyde oder Ketone eines mehrwertigen Alkohols
mit der allgemeinen Formel Cn(H2O)n
zur Erinnerung:
sowohl Ketone als auch Aldehyde sind Stoffe, bei denen eine OH-Gruppe
oxidiert wurde
Bei Aldehyden: Oxidation einer primären OH-Gruppe
Bei Ketonen: Oxidation einer sekundären OH-Gruppe
Exkurs: Oxidation primärer und sekundärer OH-Gruppe
Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grobe Einteilung der KH nach Polymerisierungsgrad
1. Einfachzucker
2. Mehrfachzucker
Monosaccharide
Di-, Oligo- oder Polysaccharide
Beispiele:
Monosaccharide
Glucose (Trauben- oder Blutzucker)
Fructose (Fruchtzucker)
Disaccharide
Saccharose (Rohrzucker)
Lactose (Milchzucker)
Oligo-Polysaccharide
Heparin
Glykogen
(Stärke)
(Cellulose)
Heparin hemmt die Gerinnungskaskade an mehreren Stellen
Exkurs: Heparin
Heparin
ist ein im Blutplasma vorkommender Mehrfachzucker (Oligosaccharid)
wird u.a. im Zellplasma von basophilen Granulozyten und Gewebe-Mastzellen gebildet
Konzentration im Blut ca. 0.01 mg Heparin in 100 ml Blut
bildet zusammen mit dem Heparin-Kofaktor den Antithrombin III-Komplex, der gerinnungswirksame Stoffe, wie z.B. Thrombin hemmt
Heparin = körpereigener Gerinnungshemmer
Standard-Heparin zur Vorbeugung und Therapie von Thrombosen und Embolien
Einfachste Monosaccharide
(n=3)
Glycerinaldehyd
Dihydroxyaceton
C3H6O3
Glykolyse - Abbau der D-Glucose
C6-Körper
C3-Körper
Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton sind mit je 3 C-Atomen die einfachsten Monosaccharide;
ihre Derivate spielen eine wesentliche Rolle im Kohlenhydratstoffwechsel (Glykolyse!)
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
4.
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundsätzlicher Aufbau der Kohlenhydrate (KH)
Chemische Grundeinheiten der KH sind relativ kleine organische Ketone
und Aldehyde mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen, die C, H und O enthalten.
Derivate der KH können auch N, P oder S aufweisen.
Definition KH allgemein:
KH sind Aldehyde oder Ketone eines mehrwertigen Alkohols
mit der allgemeinen Formel Cn(H2O)n
Monosaccharide sind die Grundbausteine der Kohlenhydrate
Allgemeine Summenformel der Monosaccharide: Cn(H20)n, mit n >/=3
Monosaccharide
n=3
n=4
n=5
n=6
n=7
usw.
Triosen
Tetrosen
Pentosen
Hexosen (z.B. Glucose)
Heptosen
Glykolyse - Abbau der D-Glucose
C6-Körper
C3-Körper
Glykolyse - Abbau der D-Glucose
Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonposphat sind isomere Triosephosphate:
Aldose-Ketose-Isomere.
Dihydroxyacetonphosphat ist die stabilere Form der beiden Isomere, kann nicht direkt in
die Glykolyse „einfädeln“. Dazu muss Triosephosphat-Isomerase das Molekül erst über
ein Endiol-Intermediat in Glycerinaldehyd-3-phosphat umwandeln. Dieses Triosephosphat
mündet dann in die Glykolyse ein.
Sinn und Zweck?
Ökonomie der Glykolyse: Ein gesonderter Abbauweg für Dihydroxyacetonphosphat wird
vermieden!
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Einfachste Monosaccharide
(n=3)
Glycerinaldehyd
Dihydroxyaceton
C3H6O3
Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton sind Konstitutionsisomere
Glycerinaldehyd zeigt Stereoisomerie
zur Erinnerung:
Isomere = Moleküle mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Raumstruktur
Zwei Hauptklassen der Isomere sind zu unterscheiden:
1. Konstitutionsisomere: unterscheiden sich in ihrer Konnektivität, d.h. der Abfolge
der Bindungen
2. Stereoisomere/Spiegelbildisomere: identische Konnektivität aber unterschiedliche
räumliche Anordnung ihrer Atome
Exkurs: Chiralität
Zur Erinnerung: Im Fall von Chiralität („Händigkeit“) gibt es Isomere eines Moleküls,
die durch Spiegelung („Spiegelbildisomerie“), aber nicht durch Drehung ineinander
überführt werden können; sehr wichtige Isomerieform auch bei den Aminosäuren!
Asymmetrische C-Atome in biologischen Molekülen sind eher die Regel als
die Ausnahme.
Daher spielt Chiralität in der Biochemie eine herausragende Rolle
(Stereospezifität physiologischer und pharmakologischer Reaktionen).
Exkurs: Chiralität
Also:
Chiralität ist die Eigenschaft von Objekten, eine Spiegelsymmetrie aufzuweisen. Solche
Objekte, hier symbolisiert durch Hände, können nicht durch Drehungen miteinander zur
Deckung gebracht werden.
Beispiele chiraler Moleküle sind etwa alle Aminosäuren, die vier unterschiedliche
Substituenten an ihrem zentralen Kohlenstoffatom besitzen. In Lebewesen kommt nur
eine der beiden möglichen Formen (die L-Form) vor.
Chiralität, Spiegelbildisomerie
Aminosäuren besitzen damit ein chirales Zentrum und können
in zwei verschiedenen enantiomeren Formen vorkommen:
D- und L-Form.
In der Natur und im Organismus:
Kohlenhydrate als D-Enantiomere
Aminosäuren als L-Enantiomere
Exkurs: Chiralität
WW zwischen Biomolekülen sind stereospezifisch!
Grüne Minze
Kümmel
WW zwischen Biomolekülen sind stereospezifisch!
Beispiel: Zwei Enantiomere des Carvons (z.B. Grüne Minze und Kümmel)
Monosaccharide sind die Grundbausteine der Kohlenhydrate
Allgemeine Summenformel der Monosaccharide: Cn(H20)n, mit n >/=3
Monosaccharide
n=3
n=4
n=5
n=6
n=7
usw.
Triosen
Tetrosen
Pentosen
Hexosen (z.B. Glucose)
Heptosen
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Unter den Monosacchariden dominieren
Pentosen (n=5) und Hexosen (n=6):
liegen bevorzugt als 5- oder 6-gliedrige Ringe vor.
Ringstrukturen der Monosaccharide:
…entstehen durch eine intramolekulare Reaktion
…liegen mit ihren linearen Formen im chemischen Gleichgewicht
Der Ringschluss beruht somit auf der Chemie der Carbonylgruppe, die mit
einer alkoholischen OH-Gruppe zu einem Halbacetal oder einem Halbketal
reagieren kann: intramolekulare nucleophile Addition!
Es entstehen thermodynamisch stabile 6- oder 5-Ringe (Pyranosen bzw. Furanosen)
Aber: Triosen und Tetrosen liegen praktisch nur als lineare Strukturen
vor (zu große Ringspannung bei Ringschluss).
Struktur wichtiger Hexosen (n=6)
Aldohexosen sind Monosaccharide mit pyranähnlichem Ringgerüst
Glucose = Aldohexose; zyklisiert fast ausschließlich zum Pyranosering (C1/C5)
Die glykosidische OH-Gruppe an C1 kann unterhalb ( -Form)
oder oberhalb ( -Form) der Ringebene (Haworth-Projektion) liegen.
- und -Form sind spezielle Konfigurationsisomere = Anomere!
C1 bildet ein anomeres Zentrum: In Lösung stehen - und -Anomere
über die lineare Form im Gleichgewicht miteinander.
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Bei der Zyklisierung von Aldohexosen entsteht de facto kein planares Ringsystem.
Die Pyranosen können entweder Wannen- oder Sesselkonformation einnehmen.
Die Substituenten stehen axial (a; senkrecht zur Ringebene) oder äquatorial
(e; quasi in der Ringebene).
Eine Derivatisierung der glykosidischen Hydroxylgruppe (an C1)
„friert“ eine der beiden anomeren Formen ein.
Beispiele:
Polymerisierte D-Glucose in Glykogen oder Stärke liegt einzig in der -Form vor.
Polymerisierte D-Glucose in Cellulose liegt einzig in der -Form vor.
Zusammenfassung: Intramolekulare Bildung des Halbacetals der D-Glucose
Mögliche Darstellungsweisen der beiden Anomere
a. Fischer-Projektion
b. Haworth-Projektion
c. als Konformationsformeln (hier: Sesselform mit axialen/rot und äquatorialen/grün Bindungen
Die wichtigsten Aldohexosen sind D-Glucose, D-Mannose und D-Galactose.
D-Glucose und D-Mannose unterscheiden sich lediglich durch ihre Konfiguration an C2
= Epimere
Auch D-Glucose und D-Galactose sind ein Epimerenpaar; hier durch die unterschiedliche
Konfiguration an C4
Epimere Strukturen: Ökonomieprinzip der Natur
Verwandte Verbindungen durchlaufen keine eigenen metabolischen Pfade, sondern
gelangen per Quereinstieg in einen etablierten Stoffwechselweg.
z.B. Metabolisierung von Glucose, Mannose und Galactose
Mannose ist das C-2-Epimer der Glucose und kommt in Glykoproteinen der Nahrung vor.
Nach Phosphorylierung durch Hexokinase wandelt Phosphomannose-Isomerase Mannose6-phosphat in Fructose-6-phosphat um, das („unterhalb von Glucose-6-phosphat“) in
den glykolytischen Weg einmündet.
Epimerenpaar: Glucose-Mannose
Mannose
Hexosen können als Aldehyd- und Ketoform vorkommen; die Ketogruppe ist zumeist
an C2 positioniert.
Die wichtigste Ketohexose ist die D-Fructose.
Auch hier anomere Formen ( - und -Form), wobei die -Form überwiegt.
Glykolyse - Abbau der D-Glucose
Aldohexose
Ketohexose
Reaktionen und Derivate der D-Glucose
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Anomerengleichgewicht
glykosidische Bindung (hier: Methylglukosid)
Reduktion
Oxidation an C1 (Lacton)
Oxidation an C6
Phosphorylierung zum Phosphorsäureester (Glucose-6-Phosphat!)
Aminozucker (hier: Glucosamin), anschließend N-Acetylierung
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
Disaccharide
Disaccharide sind über O-glykosidische Bindungen verknüpft
Monosaccharide bilden mit Alkoholen oder Aminen glykosidische Bindungen
Ausbildung einer O-glykosidischen Bindung
Durch Reaktion der halbacetalischen OH-Gruppe eines Zuckermoleküls mit der
OH-Gruppe eines anderen Moleküls (häufig Zuckermolekül) unter Wasserabspaltung
entsteht eine Glycosidbindung.
einfachster Fall: Glucose reagiert mit Methanol und Säure als Katalysator.
Beispiele: Disaccharide
Durch O-glycosidische Bindung zwischen 2 Monosacchariden entstehen Disaccharide:
Saccharose (Rohrzucker), -1, -2-glykosidische Bindung
Lactose (Milchzucker), -1, -4-glykosidische Bindung
Maltose (Malzzucker), -1, -4-D-Glucopyranosid-Dimer
Weitere Arten
der Disacchariddarstellung
Wichtige Disaccharide und das Trisaccharid Raffinose
Als Teil der Raffinosestruktur ist das Disaccharid Saccharose wieder zu finden!
Raffinose ist ein in Pflanzen vorkommendes Kohlenhydrat, ein Dreifachzucker
(Trisaccharid). Raffinose setzt sich aus Galactose, Glucose und Fructose zusammen.
Raffinose und die Raffinose-Familie (Derivate) ersetzt in manchen Pflanzen die Stärke
als Speicherkohlenhydrat.
Bei Erbsen und Bohnen können sie 5 bis 15% der Trockensubstanz ausmachen.
Im Dünndarm des Menschen wird sie nur in geringem Umfang gespalten und resorbiert.
Folge: Darmflora nimmt Raffinose auf und vergärt diese (Blähungen!!!).
Beispiele: Disaccharide
Durch O-glycosidische Bindung zwischen 2 Monosacchariden entstehen Disaccharide:
Saccharose (Rohrzucker), -1, -2-glykosidische Bindung
Lactose (Milchzucker), -1, -4-glykosidische Bindung
Maltose (Malzzucker), -1, -4-D-Glucopyranosid-Dimer
Lactose (Milchzucker), -1, -4-glykosidische Bindung
Kommt in der Natur nur in der Milch vor, je nach Spezies in Konzentrationen
bis zu 7%
Exkurs: Lactoseintoleranz
Lactose/Milchzucker wird von Säuglingen durch das im Darm vorkommende
Enzym Lactase in seine Monosaccharidbausteine Galactose und Glucose
zerlegt und so deren Aufnahme ins Blut ermöglicht.
Die Galactose wird enzymatisch in Glucose umgewandelt (epimerisiert).
Merke: Galactose und Glucose = Epimerenpaar
Unterschiedliche Konfiguration nur am C4-Atom!
Exkurs: Lactoseintoleranz
Lactase (LCT): Enzym aus der Familie der -Galactosidasen
Wird beim Menschen im Verdauungstrakt produziert.
Als integrales Membranprotein ist dieses Verdauungsenzym in
der Bürstensaummembran der säulenförmig angeordneten Hauptzellen
des Zottenepithels des Dünndarms lokalisiert.
Lactoseintoleranz
= Milchzuckerunverträglichkeit, Lactosemalabsorption, Lactasemangelsyndrom
Lactase wird von allen Säugetieren während der Stillzeit gebildet.
Lactase spaltet die Lactose in Galactose und Glucose.
Ungespaltener Milchzucker im Dickdarm wird von Darmbakterien aufgenommen
und vergoren.
Gärungsprodukte führen zu Blähungen und osmotischer Diarrhoe (Durchfall).
Lactoseintoleranz
Ursachen
Angeborener Lactasemangel (absolute Lactoseintoleranz):
aufgrund eines Gendefektes ist die Lactasebildung stark eingeschränkt, oder
es kann überhaupt kein Enzym gebildet werden.
Autosomal-rezessive Ergbang!
Erkrankungen des Verdauungssystems:
die lactaseproduzierenden Zellen können dadurch so geschädigt werden, dass
vorübergehend die Laktoseproduktion beeinträchtigt ist.
Physiologischer (natürlicher) Lactasemangel:
bei allen Säuglingen wird dieses Verdauungsenzym normalerweise ausreichend
produziert; nach der Entwöhnung verringert sich die erzeugte Lactasemenge
jedoch nach Weltregion unterschiedlich.
Mittel- und Südasien: Erwachsene vertragen kaum mehr Milchprodukte.
Europa, naher Osten: Verträglichkeit von Milchprodukten zumeist bis ins hoher Alter
Grund für das Fortbestehen der Enzymproduktion im Erwachsenenalter ist eine
autosomal-dominante vererbte Mutation des LCT-Allels auf dem Chromosom 2.
Weltweite Verteilung der Laktoseintoleranz
Lactoseintoleranz
Ursachen einer sekundären Laktoseintoleranz:
u.a. bakterielle oder virale Gastroenteritis
chronische Darmerkrankungen
partielle oder totale Gastroektomie
Chemotherapie/trahlentherapie
Mangelernährung
chronischer Alkoholmissbrauch
5.
Durch die Kondensation weiterer Monomere entstehen aus Disacchariden
größere Einheiten = Oligosacharide
Die Grenze zu Polysacchariden ist fließend.
Homoglykane: nur gleichartige Monosaccharide
Heteroglykane: unterschiedliche Monosaccharide
Die wesentlichen Polysaccharide sind:
a. Struktur
Struktur--Polysaccharide
Cellulose
primärer Strukturbestandteil der Pflanzenzellwände
lineares Polymer mit bis zu 15 000 (1-4)-glykosidisch
verknüpften D-Glucoseeinheiten
Chitin
Grundstrukturelement des Außenskeletts der Invertebraten
(Crustaceen, Insekten, Spinnen)
Kommt auch in den Zellwänden der meisten Pilze und vieler Algen vor
Homopolymer aus (1-4)-verknüpften N-Acetyl-D-Glucosamin-Einheiten
b. Speicher
Speicher--Polysaccharide
Stärke
Glykogen
Speicher-Polysaccharide
Pflanzliche Stärke
Hauptbestandteil unserer Nahrung
Gemisch aus 2 Glucosepolymeren ( -Amylose und Amylopektin)
besteht zu 20-30% aus Amylose ( -1,4-glykosidische Bindung); lineares Polymer,
schraubenförmig geknäulte Aggregation
Amylopektin ( -1,4-glykosidische Bindung) verzweigt sich alle 25 Einheiten -1,6-glykosidisch
Stärke wird in Form von cytosolischer Granula (Stärkekörnchen) in pflanzlichen Zellen
gespeichert
Partiell abgebaute Stärke: Maltodextrin
Maltodextrin
wasserlösliches KH-Gemisch, das durch Hydrolyse von Stärke (Poly- -Glucose)
hergestellt wird.
Es ist ein Gemisch aus Monomeren, Dimeren, Oligomeren und Polymeren der Glucose
(je nach Hydrolysegrad).
Maltodextrin
Energieträger für Ausdauersport
Verglichen mit kürzerkettigen KH oder Traubenzucker ernährungsphysiologisch
vorteilhaft:
Maltodextrin wird langsamer resorbiert. Dadurch kein zu starker plötzlicher
Blutzuckeranstieg.
Maltodextrin besitzt bei Zufuhr der gleichen Energie (Kalorienzahl) eine viel
niedrigere Osmolarität, bindet also weniger Wasser an sich.
Wichtig wg. Dehydratation im Sport.
Glykogengranula
in der Leber
Glykogengranula
in der Skelettmuskulatur
Die wesentlichen Polysaccharide sind:
a. Struktur
Struktur--Polysaccharide
Cellulose
Chitin
b. SpeicherSpeicher-Polysaccharide
Stärke
Glykogen
Speicher-Polysaccharide
Glykogen
Speicherform der Glucose bei Mensch und Tier
auch hier sind die Monomere -1,4-glykosidisch verknüpft und die Ketten
über -1,6-glykosidische Bindungen verzweigt; bei jeder ca. 10. Einheit
liegt eine Verzweigung vor; ähnelt also dem Amylopektin ist jedoch stärker verzweigt.
Glykogen wird als Glykogengranula gespeichert.
Abbau und Aufbau des Glykogen
Exkurs: Verdauung/Resorption der Kohlenhydrate
Glucose
Fructose
Exkurs: Verdauung/Resorption der Kohlenhydrate
Nahrungskohlenhydrate werden durch -Amylase sowie verschiedene
Disaccharidasen gespalten
v.a. Glykogen, Stärke durch -Amylase in Speichel- und Pankreasflüssigkeit
Saccharose (Glucose+Fructose) und Lactose (Galactose+Glucose):
Spaltung durch Amylo-1,6- -Glucosidase, Isomaltase, versch.
Maltasen, Lactase, Saccharase im Bürstensaum der Mukosazellen
Für die Resorption von Monosacchariden werden spezifische Transportsysteme benötigt
Transportsysteme
versch. Hexosen werden mit unterschiedl. Geschwind. resorbiert
Stereospezifität (z.B. nur D-Glucose nicht L-Glucose)
Natrium-abhängiger Glucosetransporter SGLT
GLUT1: erleichterte
Diffusion intrazell.
Glucose
Resorption von
Fructose: GLUT5
Fructose
Glucose
Nur Isoform SGLT1
im Intestinaltrakt
Enterozyten
SGLT1, -2, -3 auch
in den Epithelien der
renalen Tubulussysteme
Extrazellulärflüssigkeit
und Blutstrom
Exkurs: Verdauung der Kohlenhydrate
Epimere
Verdauung der Stärke
Verdauung der wichtigsten KH der Nahrung beginnt im Mund:
Speichel enthält Amylase, spaltet -(1-4) glykosidische Bindungen
weitere Verdauung im Magen, pankreatische Amylase
Es entstehen zunächst Di- und Oligosaccharidgemische (Maltose, Dextrine)
Resorption über das Darmepithel
KH
Zusammenfassung: Wichtige Polysaccharide
GFR = glomuläre Filtrationsrate
Stichwort: Kolloidosmotischer Druck!
Der kolloidosmotische Druck ist der osmotische Druck, der in einer kollodialen Lösung
(Dispersion) herrscht. Ausschlaggebend für den kolloidosmotischen Druck ist die Anzahl
der in der Lösung vorhandenen Makromoleküle.
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate liefern wertvolle Energie – und sie machen für sich allein in der Regel nicht dick.
Sie sollten etwa die Hälfte der täglichen Nahrung ausmachen.
Lebensmittel mit einem hohen Anteil an Kohlenhydraten sind z. B. Gemüse, Obst, Kartoffeln,
Reis, Nudeln, Vollkornbrot und auch Zucker.
Zur Gruppe der Kohlenhydrate gehören ferner die Ballaststoffe. Sie erzeugen schnell ein
Sättigungsgefühl und sind gut für die Verdauung.
Zusatzinformation zu den Polysacchariden: Murein und Dextrane
Die bakterielle Zellwand enthält u.a. ein Peptidoglycan (Murein),
dessen Synthese der Angriffspunkt vieler Antibiotika ist,
z.B. Penicillin.
Murein
Zahnplaques, die die Entstehung von Karies fördern, bestehen
aus Glucanen der Bakterienoberfläche, den Dextranen.
1969 !
Zahnplaques
Zusatzinformation zu den Polysacchariden: Extrazellulärmatrix,
Blutgruppen
In vielen Gewebsbestandteilen befinden sich lange Heteroglycane mit
besonderen Eigenschaften: Sie sind aus sich wiederholenden Dissacharideinheiten aufgebaut, in denen ein Monosaccharid ein Hexosamin und
das andere zumeist Glucuronsäure ist.
= Glycosaminoglycane
Die extrazelluläre Matrix enthält eine Vielfalt von Glycosaminoglycanen.
Membranproteine und sezernierte Proteine sind in der Regel glycosyliert;
die Proteine tragen somit kovalent gebundene Oligosaccharidreste, die
posttranslational im ER oder im Golgi-Apparat an die Polypeptidkette
angehängt werden.
= Glycoproteine
Beispiel: ABO-Blutgruppenantigene sind Polysaccharide
Exkurs: Blutgruppen
1901 entdeckte Karl Landsteiner (1930 Nobelpreis für Medizin) das erste
menschliche Blutgruppenystem und nannte es AB0-System.
Dies ist bis heute beim Blutaustausch das wichtigste Blutgruppensystem
geblieben.
Nach ausgiebigen Tests mit Blut der Mitglieder seines Labors definierte
er 4 Blutgruppen: A, B, AB und 0.
Die Blutgruppen sind Membranrezeptoren der Erythrozyten
Glykoproteine
Glykolipide
Sie kommen auch im Blutplasma und anderen Körperflüssigkeiten wie
Speichel, Magensaft, Tränenflüssigkeit aber auch in Schweiß, Urin, Galle,
Milch und Samenflüssigkeit vor.
BlutgruppenAntigene sind
Polysaccharide
Membranrezeptoren
der Erythorzyten
Im Blutplasma kommen Antikörper (Agglutinine, meist IgM oder IgG) vor, die 4
unterschiedliche Antigeneigenschaften haben können (sie ergeben eine andere
Blutgruppensubstanz). Dadurch wird in die 4 Blutgruppen A , B , 0 und AB unterschieden.
Plasma von Menschen mit der Blutgruppe A enthält Agglutinin Anti-B (Antikörper gegen die
Blutgruppensubstanz B). Plasma der Blutgruppe B enthält Agglutinin Anti-A. Das Plasma
der Blutgruppe 0 besitzt die Antikörper Agglutinin Anti-A und Anti-B. Dagegen sind im
Plasma der Blutgruppe AB keine Antikörper gegen die Blutgruppensubstanz von A und B
vorhanden.
Werden Erythrozyten (rote Blutkörperchen) einer bestimmten Blutgruppe mit Blutplasma
zusammengebracht, das Antikörper gegen die Blutgruppe hat, so kommt es zur
Blutverklumpung.
In Mitteleuropa ist die Blutgruppe A mit 42% am häufigsten, gefolgt
von Blutgruppe 0 mit 38%, Blutgruppe B mit 13% und Blutgruppe AB mit 7%.
Banane, frisch
Nährwert pro 100g
Energie
95,2 Kcal
Magnesium
36,0 mg
Wasser
73,8 g
Calcium
9,0 mg
Eiweiß
1,1 g
Phosphor
28,0 mg
Fett
0,2 g
Eisen
0,6 mg
Kohlenhydr. 21,4 g
Zink
0,2 mg
ung. FS
0,1 g
Vit. A
38,0 µg
Chol.
0,0 mg
Carotin
0,2 mg
Alkohol
0,0 g
Vit. E
0,3 mg
Harnsr.
25,0 mg
Folsäure
15,0 µg
tie. EW
0,0 g
Vit. B1
0,0 mg
BST
2,0 g
Vit. B2
0,1 mg
Natrium
1,0 mg
Vit. B6
0,4 mg
Kalium
393,0 mg
Vit. C
12,0 mg
„Asparagin(säure) im Spargel ist schuld daran, dass der Urin
nach einer Mahlzeit einen stechenden, markanten Geruch hat“
www.gesundheitswelten.com
Asparaginsäure regt Nieren-, Leber- und Gallentätigkeit an.
Positive Effekte des Spargel, allgemein:
Stärkung der Nerven durch B-Vitamine.
Anregung der Stoffwechselfunktionen.
Stärkung der Schleimhäute.
Stärkung der Immunkraft durch hohen Anteil Vit. C/E.
Stärkung der Leberfunktionen durch das Spurenelement Mangan.
Stärkung der Herz und Kreislauf durch Magnesium und Vit. E.
Verbesserter Abtransport von Stoffwechselschadstoffen/-Umweltgiften
Allerdings:
Verzicht bei hohen Harnsäurewerten/Gicht!
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens, Mengen- und Spurenelemente
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Aminosäuren als Bestandteile der Peptide und Proteine
AS=Monomere
Proteine (und Polypeptide) sind Polymere, die durch Kondensation von
Aminosäuren (AS) entstehen.
Jede AS ist über eine kovalente Bindung mit einem anderen Aminosäurerest verbunden.
Proteine lassen sich wieder in die Aminosäuren-Einheiten aufspalten (Hydrolyse).
Allgemeine Grundstruktur der Aminosäuren und Nomenklatur
Gemeinsames Strukturmerkmal aller proteinogenen AS ist ein zentrales
C-Atom (C ), um das sich 4 Substituenten gruppieren:
1.
2.
3.
4.
ein H-Atom
eine Aminogruppe (-NH2)
eine Carboxylgruppe (-COOH)
eine variable Seitenkette
AS sind somit -Amino
Amino--Carbonsäuren !
Allgemeine Grundstruktur der Aminosäuren und Nomenklatur
Beispiel: AS Lysin
Bei der AS Lysin besteht die variable Seitenkette der AS-Grundstruktur aus
-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2. Die C-Atome werden ausgehend von C -Atom
als C , C , C , C bezeichnet.
Die strukturell einfachste AS ist Glycin mit einem -H-Rest als „Seitenkette“;
damit sind beim Glycin 2 Substitutenten am C -Atom identisch.
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
In der Natur und im Organismus:
Aminosäuren als L-Enantiomere
Aminosäuren unterscheiden sich in ihren Seitenketten
Proteinogene AS werden auch als Standard-AS bezeichnet.
Verwendung des Dreibuchstabencodes:
z.B. Gly für Glycin oder Tyr für Tyrosin
Verwendung des Einbuchstabencodes:
z.B. G für Glycin oder Y für Tyrosin
Proteinogene AS haben alle eine gemeinsame Grundstruktur sowie
variable Seitenketten.
Die Seitenketten bestimmen:
Größe
Form
elektrische Polarität
Ladung
chemische Reaktivität
Einbau der AS mit verschiedenen Seitenketten ermöglicht erst
die große Proteindiversität.
Jeder Name der 20 proteinogenen AS kann im Drei- oder Einbuchstabencode
abgekürzt werden:
Glycin
Alanin
Valin
Leucin
Isoleucin
Methionin
Phenylalanin
Tyrosin
Tryptophan
Serin
Prolin
Threonin
Cystein
Asparagin
Glutamin
Lysin
Histidin
Arginin
Aspartat
Glutamat
Gly
Ala
Val
Leu
Ile
Met
Phe
Tyr
Trp
Ser
Pro
Thr
Cys
Asn
Gln
Lys
His
Arg
Asp
Glu
G
A
V
L
I
M
F
Y
W
S
P
T
C
N
Q
K
H
R
D
E
Beispiel für Verwendung des Dreibuchstabencodes:
Primärstruktur des Humaninsulins
6.
MQRSPLEKAS
LASKKNPKLI
IYLGIGLCLL
VSLLSNNLNK
GRMMMKYRDQ
YVRYFNSSAF
WYDSLGAINK
TSNGDDSLFF
KIKHSGRISF
LGEGGITLSG
ILVTSKMEHL
ILTETLHRFS
MNGIEEDSDE
QNIHRKTTAS
PAVTTWNTYL
NSYAVIITST
MSTLNTLKAG
PVIVAFIMLR
ALNLHTANWF
STLQWAVNSS
DDIWPSGGQM
LNTEGEIQID
EVGLRSVIEQ
YQIIRRTLKQ
ISPSDRVKLF
VVSKLFFSWT
NALRRCFFWR
FIVRTLLLHP
FDEGLALAHF
RAGKISERLV
FFSGFFVVFL
IQDFLQKQEY
SNFSLLGTPV
CSQFSWIMPG
GQRARISLAR
KKADKILILH
LEGDAPVSWT
PLERRLSLVP
TRKVSLAPQA
RYITVHKSLI
SSYYVFYIYV
GILNRFSKDI
AYFLQTSQQL
LYLSTLRWFQ
IDVDSLMRSV
TVKDLTAKYT
GVSWDSITLQ
FPGKLDFVLV
AFADCTVILC
PHRNSSKCKS
RPILRKGYRQ
FMFYGIFLYL
AIFGLHHIGM
VWIAPLQVAL
ITSEMIENIQ
SVLPYALIKG
KTLEYNLTTT
LKDINFKIER
TIKENIIFGV
AVYKDADLYL
EGSSYFYGTF
ETKKQSFKQT
DSEQGEAILP
NLTELDIYSR
FVLIWCLVIF
GVADTLLAMG
AILDDLLPLT
KQLESEGRSP
MRIEMIFVIF
SRVFKFIDMP
EGGNAILENI
QWRKAFGVIP
DGGCVLSHGH
EHRIEAMLEC
KPQIAALKEE
RLELSDIYQI
GEVTKAVQPL
QMRIAMFSLI
LMGLIWELLQ
SVKAYCWEEA
IILRKIFTTI
EVVMENVTAF
GQLLAVAGST
SYDEYRYRSV
LDSPFGYLDV
SELQNLQPDF
GEFGEKRKNS
RISVISTGPT
RLSQETGLEI
LAEVAASLVV
FFRGLPLVHT
IFDFIQLLLI
IFTHLVTSLK
FIAVTFISIL
TEGKPTKSTK
SFSISPGQRV
QKVFIFSGTF
KQLMCLARSV
QQFLVIEENK
TEEEVQDTRL
PSVDSADNLS
LLGRIIASYD
YKKTLKLSSR
ASAFCGLGFL
MEKMIENLRQ
SFCIVLRMAV
WEEGFGELFE
GAGKTSLLMM
IKACQLEEDI
LTEKEIFESC
SSKLMGCDSF
ILNPINSIRK
LQARRRQSVL
SEEINEEDLK
LWLLGNTPLQ
LITVSKILHH
VIGAIAVVAV
GLWTLRAFGR
TTGEGEGRVG
PYKNGQLSKV
GLLGRTGSGK
RKNLDPYEQW
LSKAKILLLD
VRQYDSIQKL
EKLEREWDRE
PDNKEERSIA
VLDKISIGQL
IVLALFQAGL
TELKLTRKAA
TRQFPWAVQT
KAKQNNNNRK
IMGELEPSEG
SKFAEKDNIV
VCKLMANKTR
DQFSAERRNS
FSIVQKTPLQ
NLMTHSVNQG
ECFFDDMESI
DKGNSTHSRN
KMLHSVLQAP
LQPYIFVATV
QPYFETLFHK
IILTLAMNIM
MIIENSHVKK
STLLSAFLRL
SDQEIWKVAD
EPSAHLDPVT
LNERSLFRQA
cystic fibrosis transmembrane conductance regulator
Gemeinsames Strukturmerkmal aller proteinogenen AS ist ein zentrales
C-Atom (C ), um das sich 4 Substituenten gruppieren:
1.
2.
3.
4.
ein H-Atom
eine Aminogruppe (-NH2)
eine Carboxylgruppe (-COOH)
eine variable Seitenkette
AS sind somit -Amino
Amino--Carbonsäuren !
Einteilung der proteinogenen AS
Anhand der Polarität (oder Unpolarität) der AS-Seitenketten
werden die proteinogenen AS in 3 große Gruppen unterteilt:
1. Aminosäuren mit unpolaren Seitenketten
Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin
Methionin, Prolin, Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan
2. Aminosäuren mit polaren Seitenketten
Serin, Threonin, Cystein, Asparagin, Glutamin
3. Aminosäuren mit geladenen Seitenketten
Asparaginsäure (Aspartat), Glutaminsäure (Glutamat),
Lysin, Arginin, Histidin
1. AS mit unpolaren Seitenketten
6 AS tragen aliphatische Seitenketten als AS-Reste (hellorange markiert):
Methionin trägt eine unpolare Thioethergruppe (-S-CH3).
Prolin hat als einzige AS eine sekundäre -NH2-Gruppe, an der sich die Seitenkette
zu einem Pyrrolidin-Heterozyklus schließt; Folge ist die Einschränkung der
Konformationsfreiheit mit Auswirkungen auf die Proteinfaltung (Prolinknick!).
3 AS haben aromatische Seitenketten als AS-Reste (orange markiert):
aromatische -Systeme dieser AS absorbieren UV-Licht (bei 280 nm); wichtig für
Proteinnachweis!
Extinktionsspektrum (bzw. Absorptionsspektrum) der aromatischen Aminosäuren
Die Lichtextinktion (-absorption) der wässrigen
Lösungen von
Phenylalanin (Phe, F)
Tyrosin (Tyr, Y)
Tryptophan (Trp, W)
wird in Abhängigkeit von der Wellenlänge
des eingestrahlten Lichts untersucht.
2. AS mit polaren Seitenketten
AS mit polaren, hydrophilen Seitenketten (Bildung von H-Brücken zum Wasser).
Serin, Threonin: OH-Gruppen sind chemisch reaktiv; wichtig bei Enzymkatalyse
und Regulation der Enzmyaktivität.
Asparagin, Glutamin: leiten sich vom Glutamat und Aspartat ab.
Cystein: 2 Cysteine können unter Oxidation der Thiolgruppen (-SH) eine kovalente
Disulfidbrücke ausbilden; Disulfidbrücken sind wichtig für Proteinstrukturen,
z.B. Insulin!
Disulfidbrücken:
Primärstruktur des Humaninsulins
3. AS mit geladenen Seitenketten
Carboxylgruppe
Carboxylgruppe
Aminogruppe
Guanidinogruppe
Imidazolgruppe
AS mit geladenen Seitenketten: sind die hydrophilsten AS
a. saure AS: -COOH-Gruppe der Asparaginsäure und Glutaminsäure sind im
physiol. pH-Bereich deprotoniert und negativ geladen; Aspartat und Glutamat!
b. basische AS: im physiol. pH zumeist -NH2-Gruppe protoniert, positiv geladen.
Die protonierte Guanidinogruppe des Arginin wird durch Resonanz stabilisiert!
Der pK-Wert der Histidinseitenkette liegt nahe am Neutralpunkt; Histidin an vielen
katalytischen Reaktionen als Protonendonator bzw. -akzeptor beteiligt.
Exkurs: Glutaminsäure/Glutamat
Geschmacksverstärker: Lebensmitteln werden Glutaminsäure (E 620)
oder deren Salze wie Mononatriumglutamat, Monokaliumglutamat,
Calciumdiglutamat, Monoammoniumglutamat, Magnesiumdiglutamat
zugesetzt = Geschmacksrichtung Umami und gelten bei
Überempfindlichkeit als Auslöser des Chinarestaurant-Syndroms, einer
kurzzeitigen Glutamatintoxikation. Glutamat wird in Lebensmittelzusatzangaben normalerweise als „Geschmacksverstärker“ deklariert.
Viele wohlschmeckende Lebensmittel (wie reife Tomaten und Käse) enthalten
hohe Gehalte an freiem Glutamat. Aus diesem Grund werden sie schon seit
Jahrhunderten in der Küche als 'natürliche' Geschmacksverstärker geschätzt.
In der asiatischen Küche werden Fischsaucen und Algenextrakte als
Glutamatspender verwendet.
Glutamat findet auch als Mastmittel Einsatz. Es soll das physiol.Sättigungsgefühl unterdrücken, so dass Versuchstiere (Mensch?) weiter essen, obwohl
der Körper eigentlich genug hat. Einige Ernährungsexperten führen darauf
die Übergewichtsprobleme unter Kindern in den USA zurück.
Exkurs: Glutaminsäure/Glutamat
Mineralokortikoide
Removal of the adrenal glands without
replacement of mineralocorticoids leads
rapidly to death due to massive loss of sodium
from the body. Adrenalectomized animals
show a clear preference for salty water over
pure water, and if provided with salt water,
can actually survive.
Geschmackssinns
Einige Grenzwerte:
Substanz
Grenzkonz.
Salzig
NaCl
0.01 M
Sauer
HCl
0.0009 M
Süß
Sacchar.
0.01 M
Bitter
Chinin
0.000008 M
Umami Glutamat
(fleischig und herzhaft;
wohlschmeckend)
0.0007 M
PTH
If the parathyroid glands are removed, animals
loose calcium and cannot maintain blood
calcium levels appropriately due to deficiency
in parathyroid hormone. Following
parathyroidectomy, animals choose drinking
water that contains calcium chloride over pure
water or water containing equivalent
concentrations of sodium chloride.
Insulin
Injection of excessive doses of insulin results
in hypoglycemia (low blood sugar). Following
such treatment, animals will preferentially
pick out and consume the sweetest among a
group of foods.
Pflanzen und Mikroorganismen: Synthese aller proteinogenen Aminosäuren!
Säugetier/Mensch: Aufnahme von 9 essentiellen Aminosäuren
mit der Nahrung, Synthese von 11 nicht-essentiellen Aminosäuren
essentiell (Nahrung)
nicht-essentiell (Synthese)
Histidin
Isoleucin
Leucin
Lysin
Methionin
Phenylalanin
Threonin
Tryptophan
Valin
Alanin
Arginin
Asparagin
Asparaginsäure
Cystein
Glutamin
Glutaminsäure
Glycin
Prolin
Serin
(Tyrosin)
Selenocystein = 21. proteinogene AS:
seltene proteinogene AS; entsteht durch posttranslationale Modifikation
der Aminosäure Serin
9 Essentielle Aminosäuren
Tierisches Proteine ist bezüglich seiner Zusammensetzung an essentiellen AS
als hochwertig einzustufen (Ausnahme: Tryptophan-freie Gelatine), Planzenprotein
ist als minderwertiger zu betrachten:
Säugetierfleisch > Fisch > Geflügel > Pflanzen
Viele Proteine werden an den Aminosäuren kovalent modifiziert
Modifikationen können zu unterschiedlichen Zeitpunkten während oder
nach der Biosynthese in das Protein eingefügt werden
1. Translationale Modifikationen
Bestimmte AS werden zu Beginn der Translation, nach Bindung an
die Transfer-RNA modifiziert (modifizierte Aminosäuren).
Hierzu gehört die AS N-Formylmethionin, die bei der Translation
prokaryontischer Proteine am N-Terminus eingebaut wird.
Eine weitere AS-Variante ist das Selenocystein, das auch als
21. proteinogene AS
angesehen werden kann.
2. Posttranslationale Modifikationen
tRNA wird
„selenyliert“:
Serin wird in
Bindung von Serin
Selenocystein
an spezielle tRNA
umgesetzt (tRNASec)
Selen:
essentielles Spurenelement
Isopentenylierung
tRNASec paart mit UGA,
Translationsstop wird durchbrochen,
Sec wird ins Protein eingebaut
Selenocystein = „21. AS“
Selenocystein, Sec
Identifizierte Selenoproteine beim Menschen
Geschätzte Anzahl der Selenoproteine beim Säuger 30-50:
viele davon sind Enzyme, die Redox-Reaktionen vermitteln;
hochreaktives Selenocystein im aktiven Zentrum
Identifizierte und gut charakterisierte (Selen als Selenocystein) Enzyme sind:
Glutathionperoxidasen (GPx)
cytosolische GPx
gastrointestinale GPx
Plasma-GPx
Phospholipid-GPx
Thioredoxinreduktasen (3; TrxR)
Deiodasen (3; D)
Störungen in der Funktion der Selenoproteine
führen zu Mangelsyndromen wie
Selenophosphatsynthetase-2
Keshan- und Kashin-Beck-Krankheit
Selenoprotein P (Plasma)
Selenoprotein W
Rolle bei Tumorentstehung, Artherosklerose
Statin-Nebenwirkungen (Rhabdomyolyse)
Selen:
essentielles
Spurenelement
Selenmetabolismus
Viele Proteine werden an den Aminosäuren kovalent modifiziert
Modifikationen können zu unterschiedlichen Zeitpunkten während oder
nach der Biosynthese in das Protein eingefügt werden
1. Translationale Modifikationen
Bestimmte AS werden zu Beginn der Translation, nach Bindung an
die Transfer-RNA modifiziert (modifizierte Aminosäuren).
Hierzu gehört die AS N-Formylmethionin, die bei der Translation
prokaryontischer Proteine am N-Terminus eingebaut wird.
Eine weitere AS-Variante ist das Selenocystein, das auch als
21. proteinogene AS angesehen werden kann.
2. Posttranslationale Modifikationen
..............................
Posttranslationale Modifikationen
Häufigste Varianten
1. Die AS-Sequenz wird durch Proteolyse oder Modifikationen von
AS-Seitenketten verändert
Beispiele: Kollagen enthält 3- und 4-Hydroxyprolin
2. Durch Verknüpfung mit Lipiden können Proteine in Membranen
verankert werden
Beispiele: Anheftung von Palmitoyl- oder Myristoylgruppen an die
N-Termini; komplexe Lipide (GPI; Lipidanker)
3. Acetylierungen, Phosphorylierungen und Glycosylierungen erfolgen
an bestimmten AS
Beispiele: Acetylierungen (v.a. Arginin, Lysin, Glycin, Alanin, Serin,
Threonin); Phosphorylierungen (v.a. Serin, Threonin, Tyrosin);
Glycosylierungen (z.B. Hb1Ac bei Diabetes) im ER und Golgi zur
Sekretion oder Membrane Anchoring.
Acetylierung (-CO-CH3) von Proteinen nicht nur am N-Terminus sondern
auch im Inneren von Proteinen.
Wichtiges Beispiel: Histon-Acetylierungen
Die reversible Acetylierung (CH3-CO) von Lysinresten am C-terminalen
Ende der Histone wird durch Histon-Acetyltransferasen bzw. HistonDeacetylasen katalysiert.
Essentielle Bedeutung für die Kontrolle der Genexpression
Ebenen der DNA-Verpackung
Nackte DNA-Doppelhelix
Wicklung der DNA um
Histonoktamere; Polysomen
Fiberbildung;
Faltung von Nucleosomen
Faltung der Fiber zu
Chromatinschleifen
Dichte Organisation der
Schleifen
Faltung zu Metaphasenchromosomen
Wichtiges Beispiel: Histon-Acetylierungen
(a) Nucleosomenkern besteht aus einem Histonoktamer, um das 146 bp
der DNA gewickelt sind.
(b) Nucleosomen bestehen aus einem Nucleosomenkern und einem Anteil
an der Linker-DNA. Histon H1 bindet sowohl an die Linker-DNA als auch
an den Nucleosomenkern.
Histon-Acetylierungen
Histon-Acetyltransferasen (Histon-Acetylasen):
Übertragung einer Acetylgruppe von Coenzym A (CoA) auf Lysinreste
von Histonen.
Jede Acetylierung führt zur Neutralisierung einer positiven Ladung (Arginin,
Lysin) des Histons:
Histons: dadurch Veränderung (Aufhebung) der elektrostatischen/
ionischen WW zwischen DNA und Histon
Histon..
Nucleosomen in transkriptionell aktiven Chromatinbereichen sind häufig
hyperacetyliert. Hoher Acetylierungsgrad erniedrigt die Aggregationstendenz.
Auflösung der kompakter Chromatinstrukturen.
Ausbildung lockerer, für Transkriptionsfaktoren besser
zugänglicher Formen.
Histondeacetylasen (HDAC)
führen zur Unterdrückung
der Transkription
Histonacetyltransferasen
(HAT) vermitteln
die Expression
Durch posttranslationale Modifikationen (Methylierung, Acetylierung etc.)
der Seitenketten von Histonproteinen wird die Aktivierung bzw. Stilllegung
von bestimmten Genabschnitten reguliert: Kontrollmechanismus = Epigenetik
Bedeutendste Histon-Modifikation = Acetylierung
Wichtiges Beispiel: Histon-Acetylierungen
N-Terminus
globuläre
Domäne
C-Terminus
Struktur der 4 Kernhistone
Basische Aminosäuren:
Arginin (R)
Lysin (K)
Histon-Acetylasen und -Deacetylasen
Histon-Acetyltransferasen sind häufig mit Cofaktoren der Transkription
assoziiert oder sogar integraler Bestandteil dieser Faktoren.
Histon-Deacteylasen sind häufig mit Co-Repressoren verbunden.
Also:
Histon-Acetylasen/Deacetylasen sind an der Transkriptionskontrolle
beteiligt.
Diese Funktion wird über eine Veränderung der Chromatinstruktur
ausgeübt.
Medizinische Relevanz: Mutationen in einer der Histon-Acetyltransferasen (p300) führen zu kolorekteralen und gastrointenstinalen
Carcinomen
Exkurs: Sirtuine und kalorische Restriktion
Sir2
Sir2 = Deacetylase, entfernt Acetylreste von Histonen
Sir2 interagiert mit Acetyl-Lysin Histon 4 und einer Form von NAD.
Erhöhte Spiegel an Sir2 verlängern das Leben eines Organismus (z.B. C.elegans).
Aktivierung von Sir2 ist vom Energiezustand der Zellen abhängig.
Sirtuine als wichtige Vermittler der durch Kalorinebeschränkung verursachten Langlebigkeit.
Verschiedene Substanzen (z.B. Resveratrol) können Sir2 aktivieren.
7.
Nichtproteinogene Aminosäuren
leiten sich häufig von Standard-AS ab sind physiologisch wichtige Substanzen
-Alanin = Baustein von Coenzym A
entsteht durch Abspaltung der -COOH-Gruppe/Decarboxylierung von Aspartat
-Aminobuttersäure (GABA) = inhibitorischer Neurotransmitter
entsteht durch Abspaltung der -COOH-Gruppe/Decarboxylierung von Glutamat
Homoserin = Zwischenstufe bei der Argininsynthese
Citrullin = Intermediat im Harnstoffzyklus
Einige nichtproteinogene AS besitzen D-Konfiguration; D-Alanin und D-Glutamat
= Bausteine der bakteriellen Zellwand (keine D-AS beim Menschen!!!)
Proteinogene Aminosäuren
Nichtproteinogene Aminosäuren
Essentielle Aminosäuren
Nur Mikroorganismen können alle proteinogenen
Aminosäuren selbst herstellen !
Künstlich hergestellte Aminosäuren
medizinisch wichtig da für therapeutische Zwecke eingesetzt,
z.B. Infusionslösungen bei parenteraler Ernährung
synthetische Herstellung möglich aber sehr aufwendige Trennung
notwendig da D- und L-Isomere synthetisiert werden
zumeist biotechnische Herstellung stereochemisch reiner Stoffe
weitere Verwendung, z.B. als Nahrungsmittelzusatz (Sportdrinks!)
Aminosäuren als Säuren und Basen
Aminosäuren wirken als Säuren und Basen
AS können gleichzeitig als Säuren (Protonen-Abgabe; -COOH) und als Basen
(Protonen-Aufnahme; -NH2) wirken: AS = Ampholyte
AS als Ampholyte: Die Säure steht mit ihrer konjugierten Base (-COO-)
bzw. die Base mit ihrer konjugierten Säure (-NH3+ im Gleichgewicht.)
Säure-Base-Titration von Aminosäuren
1. pH niedrig: AS als Base
-COOH
-NH3+
2. pH steigend: AS als Zwitterion
-COO-NH3+
3. pH hoch: AS als Säure
-COO-NH2
Alle AS mit einer einzigen Aminogruppe, einer einzigen Carboxylgruppe und einer nicht ionisierbaren Seitenkette haben
Titrationskurven wie das Glycin/Alanin.
AS mit einer ionisierbaren (dissoziierbaren) Seitenkette haben komplexere
Titrationskurven mit 3 Phasen, die den jeweils 3 möglichen Dissoziationsschritten entsprechen.
Sie haben deshalb auch 3 pk-Werte!
Zur Erinnerung:
MWG
K = Dissoziationskonstante einer Säure (Säurekonstante).
Je stärker eine Säure dissoziiert ist, desto höher sind die Konzentrationen im Zähler
und desto kleiner ist die Konzentration der verbleibenden undissoziierten Säure im
Nenner der Gleichung.
K
K
K
>
=
<
10-1
10-1 - 10-5
10-5
= starke Säuren
= mittelstarke Säuren
= schwache Säuren
Andere Darstellung von K als negativ dekadischer Logarithmus (pKs):
pKs
=
-log K
Viele Eigenschaften von Aminosäuren sind pH-abhängig
Die Protonierung funktioneller Gruppen von AS ist von Bedeutung
für chemische Reaktionen, die AS eingehen können,
für die Bindung von Metallen,
für die Trennung von AS-Gemischen durch Chromatographie an
Ionenaustauscherharzen,
für die Löslichkeit, die am geringsten am IEP ist (keine Nettoladung !).
Peptidbindung
Aminosäuren sind die monomeren Bestandteile einer Polypeptidkette
Verknüpfung von AS zu einem Polymer: Die Peptidbindungen bilden das „Rückgrat“
eines Polypeptids, von dem die Seitenketten (R1, R2 etc.) abstehen.
Bildung einer Peptidbindung zur Verknüpfung zweier AS = Kondensation
Kondensation
= Reaktion zweier Moleküle unter Freisetzung von Wasser.
Aufbau von Makromolekülen.
Beispiel: Peptidbindung
Umkehrreaktion: Hydrolyse
Abbau von Makromolekülen durch hydrolytische Reaktionen, bei denen
H2O als angreifendes nucleophiles Agens eine monomere Untereinheit oder ein
kleineres Fragment des Polymers verdrängt (Hydrolasen: wichtig für Verdauung).
Nucleophil
Peptidbindung
= Säureamidbindung
eine -COOH-Gruppe der AS1 bindet an -NH2-Gruppe der AS2 unter H2O-Abspaltung
= Kondensation
Das entstandene Di-Peptid hat Amino- und Carboxy-Terminus, an den eine dritte AS
angefügt werden kann.
Wichtig: Die Biosynthese von Proteinen schreitet immer vom Aminoterminus zum
Carboxyterminus fort, sodass der entstehende Polypeptidstrang eine Direktionalität hat.
AS-Sequenz eines Proteins (= Primärstruktur) wird auch immer in der Orientierung
-N---C- angegeben!
Peptidbindung
MESOMERE GRENZZUSTÄNDE der Peptidbindung
Stabilität und Flexibilität
Die gezeigten Strukturen stellen mesomere Grenzzustände
dar, der wahre Zustand befindet sich zwischen diesen Formeln.
Wegen der auftretenden partiellen „Doppelbindung“ zwischen
C- und N-Atom der Peptidbindung ist eine freie Drehbarkeit um
die Bindungsachse dieser beiden Atome nicht möglich.
Die Peptidbindung ist sehr stabil
Bildung einer Peptibindung = endergoner (energieaufwendiger) Prozess
2 Glycin
Glycylglycin + H2O
Freie Enthalpie G0 = + 27.6 kJ/mol
Biosynthese der Peptidbindung: Verbrauch von ATP und GTP
Rückreaktion (Hydrolyse) verläuft extrem langsam
Halbwertszeit der Peptidbindung unter physiolog. Bedingungen = ca. 7 Jahre
Allerdings: bei niedrigen pH-Werten wird die Peptidbindung protoniert und
damit die Hydrolyse eingeleitet (z.B. bei Nahrungsverdauung).
In der chemischen Analytik behandelt man Polypeptide für 24 Stunden bei
105 oC mit 6 M HCl. Die meisten Aminosäuren überstehen diese Behandlung
und können quantifiziert werden.
Peptidbindung und räumliche Struktur der Peptidkette
Die Atome der Peptidbindung -(CO)-(NH)- liegen in einer Ebene
und können aus dieser nicht heraus gedreht werden.
Der PARTIELLE DOPPELBINDUNGSCHARAKTER
der Peptidbindung.
Peptidsynthese am Ribosom
Peptidbindung
Peptidyl-tRNA
Aminoacyl-tRNA
Mechanismus der Peptidverknüpfung am Ribosom:
Der nucleophile Angriff der freien
Aminogruppe der Aminoacyl-tRNA in
der A-Bindungsstelle auf die Esterbindung
der Peptidyl-tRNA in der P-Bindungsstelle führt zur Bildung
der Peptidbindung.
Peptidsynthese am Ribosom
Einige funktionell wichtige Peptide:
1. Glutathion
= Tripeptid aus Glycin, Cystein und Glutamat
hier: Peptidbindung zwischen Glutamat und Cystein nicht über die - sondern
über die -COOH-Gruppe des Glutamats (Ausnahme !).
Glutathion
Für die Funktion des Glutathion wichtig ist die Thiolgruppe des Cystein,
die mit einer Thiolgruppe aus einem zweiten Glutathionmolekül eine
DISULFIDBRÜCKE ausbilden kann. = OXIDIERTER ZUSTAND
(G-S-S-G).
Die Disulfidbrücke kann mit Hilfe von NADPH + H+ wieder zu Glutathion
reduziert werden. = REDUZIERTER ZUSTAND (GSH).
Funktion: Rolle bei Redoxprozessen/Antioxidans
Penicillium
notatum
2. Penicillin
= wichtiges Peptidantibiotikum, wird vom Schimmelpilz Penicillium notatum aus den AS
Valin und Cystein synthetisiert.
Entdeckung der Wirkung zufällig 1928 von A. Fleming.
Formal kann man sich Penicillin als ringförmiges Dipeptid (Valin und Cystein) vorstellen.
Cystein
Valin
Sequenzhierarchien - Nomenklatur
Aminosäure
Di-Peptid, Tri-Peptid, Tetra-Peptid usw.
Oligopeptid, Polymer aus wenige AS
z.B. gefäßerweiterndes Hormon Bradykinin mit 9 AS-Resten
oder Glucagon mit 29 AS-Resten
Polypeptid, Protein
Polymer mit 50 und mehr AS-Resten
Strukturebenen der Proteine, Proteinfaltung………………..!
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Lipide = „Bausteine“ von (hydrophoben) Biomolekülen
Lipos, griechisch für Fett, Talg, Öl
Lipide bilden keine polymeren, kovalent verknüpften Makromoleküle/
Polymere
Fette beinhalten lange Ketten oder Ringstrukturen, die nur aus C- und
H-Atomen aufgebaut sind; diese sind unpolar
O-Atome findet man vergleichsweise selten in Lipiden
Heterogene Gruppe mit vielfachen Funktionen (einfache und zusammengesetzte Lipide):
Bestandteile biologischer Membranen (z.B. Phospholipide, Cholesterol)
Energiespeicher/Reservedepots (z.B. Triacylglycerin, TAG)
Botenstoffe der zellulären Kommunikation (z.B. Diacylglycerin, DAG)
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
schlechte Löslichkeit in Wasser (Hydrophobie)
gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln
z.B. Ether, Chloroform (Lipophilie)
einige Lipide sind völlig hydrophob, kommen daher in wässrigem Milieu
nur als Fetttropfen oder in speziellen Kompartimenten vor, z.B. in Fettzellen
oder im Kern von Lipoproteinen
z.B. Triglyceride, Cholesterinester
häufig sind Lipide amphiphil: bestehen aus einem polaren, hydrophilen
(z.B. Phosphatgruppe) und einem unpolaren, hydrophoben Anteil
Zusammenlagerung zu größeren Verbänden (Membranen, Micellen) möglich
in Abgrenzung zum wässrigen Außenmedium (Amphiphilie)
Gerade die O-Atome im Zusammenspiel mit den H-Atomen verleihen den
Lipidstrukturen ihre Polarität und (partielle) Hydrophilie
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Lipide
Lipide mit Fettsäuren
Fettsäuren
Triacylglycerole (Triglyceride)
Wachse
Phosphatide (Phospholipide)
Glykolipide
Isoprenoide
Steroide
Terpene
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Fettsäuren = Bestandteile von Speicher-/Membranlipiden
hydrophobe KW-Kette
hydrophile Carboxyl-Kopfgruppe
natürlich vorkommende, unverzweigte Fettsäuren haben
typischerweise eine gerade Zahl an C-Atomen:
C16, C18 etc., z.B. Stearinsäure C18
Fettsäuren = Carbonsäuren mit einem langen aliphatischen
Schwanz
Gesättigte Fettsäuren tragen keine Doppelbindung
Ungesättigte Fettsäuren besitzen eine oder mehrere
Doppelbindungen (einfach/mehrfach ungesättigt);
nicht konjugierte Doppelbindungen
zumeist cis-Konfiguration, d.h. „Knick“ in der KW-Kette
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Ausgewählte Fettsäuren
Trivialname
chem. Name
Formel Vorkommen
n-Buttersäure
Laurinsäure
Butansäure
Dodecansäure
C4H8O2
C12H24O2
Palmitinsäure
Hexadecansäure
C16H32O2
Stearinsäure
Octadecansäure
C18H36O2
Gesättigte Fettsäuren
in Spuren in vielen Fetten (z.B. Butter)
Hauptbestandteil von Pflanzenfetten,
in tierischen Depotfetten, in Milchfett,
in Fischtranen
in natürlichen Fetten pflanzlichen und
tierischen Ursprungs
Hauptbestandteil vieler tierischer Fette,
aber auch in Pflanzenfett (Kokosfett)
Einfach ungesättigte Fettsäuren
Nervonsäure
15-Tetracosensäure
C24H46O2
Cerebroside
Mehrfach ungesättigte Fettsäuren
Linolsäure
9, 12-Octadecadiensäure ( -6)
C18H32O2
in Pflanzenölen, reichlich in Leinöl,
in Depotfett der Tiere
Arachidonsäure
5,8,11,14-Eicosatetraensäure ( -6)
C20H32O2
in Phosphatiden tierischer Fette
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Struktur ausgewählter Fettsäuren
Omega-Fettsäuren
als „Antioxidantien“ und zur Nahrungsergänzung
8.
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Struktur ausgewählter Fettsäuren
Essentielle Fettsäuren
Alle essentiellen Fettsäuren sind mehrfach ungesättigte
Fettsäuren. Der Körper kann einige von diesen mehrfach
ungesättigten Fettsäuren mit Doppelbindungen an bestimmten
Positionen nicht bilden.
Essentielle Fettsäuren sind:
Linolsäure (Omega-6-Fettsäure)
alpha-Linolensäure (Omega-3-Fettsäure)
Linolsäure und Linolensäure sind die Ausgangsprodukte für
weitere essentielle Fettsäuren wie z.B. die Arachidonsäure die
vom Körper aus Linolsäure aufgebaut wird.
Arachidonsäure
Arachidonsäure ist in veresterter (physiologisch inaktiver) Form als
Lipidbestandteil vor allem in den Zellmembranen lokalisiert und kann
durch die regulierte Aktivität des Enzyms Phospholipase A2 freigesetzt
werden.
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Lipide
Lipide mit Fettsäuren
Fettsäuren
Triacylglycerole (Triglyceride)
Wachse
Phosphatide (Phospholipide)
Glykolipide
Isoprenoide
Steroide
Terpene
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Glycerinrest
Esterbindung
Acylreste
Durch Veresterung dreier Fettsäuremoleküle (Acylreste) mit dem dreiwert. Alkohol
Glycerin (3 OH-Gruppen) entstehen Fette oder Triacylglycerine.
In Adipocyten (Fettzellen) bilden Triacylglycerine kugelförm. Tröpfchen (bis 1 m).
Adipocyten / Fettzellen in Kultur
MIKROSKOPIE
3T3-L1 Adipocyten-Differenzierung
Differenzierungstadium: 8. Tag nach
der Induktion des Differenzierungsprozesses
Vergrößerung: 1000x; Filter: grün
3T3-L1 Adipocyten-Differenzierung
Differenzierungstadium: 8. Tag nach
der Induktion des Differenzierungsprozesses
Vergrößerung: 400x Filter: -
C: Mag. Marisa Tschernatsch,
Inst. f. Molekulare Biowissenschaften, Universität Graz
C: Mag. Marisa Tschernatsch,
Inst. f. Molekulare Biowissenschaften, Universität Graz
MAKROSKOPIE
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Viele Triacylglycerine tragen 3 identische Acylreste
(z.B. Palmitinsäure).
Es gibt aber auch „gemischte“ Typen mit 2 oder 3
unterschiedlichen Acylresten.
Die Fettsäuren (Carbonsäuren) der Fette haben zumeist
eine Länge zwischen 14 und 24 C-Atomen;
beim Menschen dominieren die gesättigten Fettsäuren
Palmitinsäure C16
Stearinsäure C18
Palmitinsäure C16
Pflanzliche Fette sind stark ungesättigt, bei RT oft flüssig
= Öle.
Hauptwege des Energiestoffwechsels bei Säugern
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Lipide
Lipide mit Fettsäuren
Fettsäuren
Triacylglycerole (Triglyceride)
Wachse
Phosphatide (Phospholipide)
Glykolipide
Isoprenoide
Steroide (Cholesterin)
Terpene
Bestandteile biologischer Membranen
Aufbau von Zellmembranen
Flüssigmosaikmodell von Membranen:
Lipide
Proteine
Kohlenhydrate
Zelluläre Membranen bestehen aus
1. Proteinen
2. amphiphilen Lipiden
3. kovalent gebundene Kohlenhydrate (geringer Anteil)
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Phospho-Lipide und Glyko-Lipide sind Komponenten
von Biomembranen
Biomembranen, z.B. Plasmamembran der Zelle, sind aus
amphiphilen Lipidmolekülen aufgebaut. Diese lassen sich in
3 Klassen einteilen:
1. Phospholipide
2. Glykolipide
3. Cholesterin
Phospholipide
a. Glycero-Phospholipide (=Phosphoglyceride)
b. Sphingophospholipide (=Sphingomyeline)
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Struktur eines Phosphoglycerins
Glycerinrest
2 langkettige Fettsäure-Reste über Esterbindung mit Glycerin verknüpft
FS-Reste
unverzweigt
14-24 C-Atome
gesättigt oder ungesättigt, bis zu 6 Doppelbindungen in cis-Konfiguration häufig
Palmitinsäure (C16), Ölsäure (C18)
amphiphile
Struktur
Aminoalkohol oder Polyalkohol, an dritte OHGruppe des Glycerin über Phosphodiesterbindung verknüpft
Aminoalkohol: Cholin, Serin, Etanolamin
Polyalkohol: Inositol
Aminoalkohol:
Serin, Etanolamin
Chemische Struktur der Phosphoglyceride:
Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Phospho-Lipide und Glyko-Lipide sind Komponenten
von Biomembranen
Biomembranen, z.B. Plasmamembran der Zelle, sind aus
amphiphilen Lipidmolekülen aufgebaut. Diese lassen sich in
3 Klassen einteilen:
1. Phospholipide
2. Glykolipide
3. Cholesterin
Phospholipide
a. Glycero-Phospholipide (=Phosphoglyceride)
b.Sphingophospholipide (=Sphingomyeline)
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Phospholipide
a. Glycero-Phospholipide (=Phosphoglyceride)
b.Sphingophospholipide (=Sphingomyeline)
Sphingomyeline tragen statt Glycerin ein C18-Sphingosinmolekül
Trotz struktureller Unterschiede weisen Sphingomyeline und
Phosphoglyceride eine verblüffende Ähnlichkeit in ihren
physikalisch-chemischen Eigenschaften auf
Chemische Struktur eines Sphingomyelins: an das Sphingosingerüst
sind eine Phosphocholingruppe sowie ein Fettsäurerest via Säureamidbzw. Phospho-diesterbindung gebunden.
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Phospho-Lipide und Glyko-Lipide sind Komponenten
von Biomembranen
Biomembranen, z.B. Plasmamembran der Zelle, sind aus
amphiphilen Lipidenmolekülen aufgebaut. Diese lassen sich in
3 Klassen einteilen:
1. Phospholipide
2. Glykolipide
3. Cholesterin
Sphingoglykolipide (=Glykolipide)
Grundkörper ist das Ceramid, trägt ähnlich wie das Sphingosin
ein Sphingosingerüst aber keine Phosphocholingruppe.
Ceramid wird glykosyliert, d.h. ein KH/Zucker-Rest wird angehängt.
Dadurch entstehen Glykolipide mit einem oder mehreren Zuckerresten.
Gal; Galactosidase
GalNAc; N-Acetylgalactosamin
Glc; Glucose
NANA; Sialinsäure
Sphingoglykolipide
Chemische Struktur der Glykolipide: Ceramid als Grundstruktur
Von Ceramid leiten sich einfach bzw. mehrfach glykosylierte Sphingoglykolipide vom Typ
der Cerebroside und Ganglioside ab.
Cerebroside: die einfachsten Derivate, kommen häufig in Nervenzellmembranen vor; ungeladen/neutral
Ganglioside: sind durch einen oder mehrere Sialinsäurereste negativ geladen; ebenfalls häufig im Nervensystem. Vorstufen wichtiger intrazellulärer Signalmoleküle!
Einteilung, Funktion und Eigenschaften der Lipide
Phospho-Lipide und Glyko-Lipide sind Komponenten
von Biomembranen
Biomembranen, z.B. Plasmamembran der Zelle, sind aus
amphiphilen Lipidenmolekülen aufgebaut. Diese lassen sich in
3 Klassen einteilen:
1. Phospholipide
2. Glykolipide
3. Cholesterin
Cholesterin
Steran-Grundgerüst, Cholesterin ist ein Steroidmolekül, gehört also
zur Obergruppe der Isoprenoide!
Damit besitzt Cholesterin eine völlig andere Struktur wie etwa
die Phospho- oder Glykolipide, hat aber mit ihnen die Amphiphilie
(Cholester-ol) gemeinsam.
Chemische Struktur des Cholesterins:
Cholesterin ist ein Derivat des Cyclopentanoperhydrophenanthren;
Sterangerüst, 4 Ringe
Zentrale Bedeutung des Cholesterin
D-Hormone
Cholesterin als Membranbaustein
Synthese und Struktur von Steroidhormonen: Übersicht
Gestagene
Progesteron
17 -Hydroxyprogesteron
Androgene
Androstendion
Testosteron
Dihydrotestosteron
Estrogene
Estron
Estradiol
Lipoproteinklassen
Lipide im Blutserum
Richtwerte für Blutfette
Gesamt-Cholesterin
LDL-Cholesterin
HDL-Cholesterin
Triglyceride
in mg/dl (mmol/l)
günstig
grenzwertig
ungünstig
<200 (5.2)
<135 (3,5)
> 45 (1,1)
<200 (2,3)
200-250 (5,2-6.5)
135-175 (3,5-4,5)
35- 45 (0,9-1,1)
200-400 (2,3-4,6)
>250 (6,5)
>175 (4,5)
< 35 (0,9)
>400 (4,6)
Lebensmittel-Tabelle
Lebensmittel
100 g
Fett
g
Vollmilch 3.5%
3,5
Fettarme Milch 1,5%
1,5
Creme fraiche 40%
40
Buttermilch
0,5
Mascarpone
47,5
Camembert 70% i.Tr.
40
Mozzarella
19,8
Hühnerei (1 Stück, 58 g) 6,2
Butter
82,5
Diät-Margarine
80
Huhn, Brathuhn
9,6
Truthahn-Schnitzel
1,0
Kalbsschnitzel
1,8
Rind-Filet
4,0
Schweineschnitzel, mager 1,9
Hirn (Rind, Schwein etc.) ca. 9
Cholesterin
mg
13
6
117
2
138
112
46
314
230
0
75
45
71
50
50
ca. 2000
Corn-Flakes
0,8
0
sowie andere Getreideprodukte auch 0 Cholesterin
Arteriosklerotischer Cholesterin-Plaque
9.
Welche Fette nehmen wir zu uns?
Phosphatidylethanolamin
Triacylglycerin (TAG)
Cholesterin
Sitosterol
Nahrungsfette:
Vitamin D2
(Calciferol)
Triacylglycerine (TAG) ca. 90%
Phospholipide
Cholesterin, Cholesterinester
Cholesterinester
Fettsäuren, fettlösliche Vitamine
A, D, E, K („EDEKA“)
Palmitinsäure
Linolsäure
-Tocopherol (Vitamin E)
Nahrungsfette: Löslichkeits
Löslichkeits-- und Transportproblem
„Öl in Wasser“
Löslichkeits- und Transportproblem:
LöslichkeitsFett
Wasser
Nahrungsfette
intestinales Lumen
Fett
Membran/Mukosa
Wasser
Blutstrom
Klinik: Arteriosklerose, Plaques, Herzinfarkt
Endoskopie
Arteriosklerotischer
Cholesterin-Plaque
Ursachen?
Herzinfarkt
Arteriosklerose: eröffnete Aorta
(Sektionspräparat von innen).
Arteriosklerose
Strukturvergleich Cholesterol und Phytosterole
Cholesterin
Sitosterol
Campesterol
Zusammenfassung: Grundstruktur einiger wichtiger Lipde
Einführung, Grundstruktur der Biomoleküle (Univ.-Prof. Dr. C. Behl)
25.10.-05.11.2010
Einführung: Bedeutung der Physiologischen Chemie
Chemie – Basis des Lebens, Mengen- und Spurenelemente
Grundstrukturen der Kohlenhydrate
Grundstrukturen der Aminosäuren
Grundstrukturen der Lipide
Grundstrukturen der Coenzyme
Grundstruktur der Coenzyme
Enzyme = Biokatalysatoren
setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab
gehen chemisch unverändert aus der Reaktion hervor
……………………werden später in der Vorlesung behandelt!
Bei vielen enzymatisch katalysierten Reaktionen tritt neben dem Enzym
ein zumeist niedermolekularer Stoff hinzu, der häufig zusammen mit
dem Substrat chemisch vom Enzym verändert wird
= Coenzyme (bzw. Cosubstrate)
„Zusatzstoff“ enzymatischer Reaktionen ohne den die Reaktion nicht möglich ist
Coenzyme sind niedermolekulare Moleküle aber häufig relativ kompliziert
aufgebaute organische Verbindungen
Grundstruktur der Coenzyme
Funktion der Coenzyme
Im Stoffwechsel werden durch Coenzyme
Energie verbrauchende (endergone) mit Energie
produzierenden (exergonen) Reaktionen gekoppelt
und
Gruppen von Atomen übertragen.
Grundstruktur der Coenzyme
Der Mensch kann bestimmte Coenzyme nicht synthetisieren (essentiell)
= Vitamine
viele Coenzyme werden in der Zelle aus Vitaminen aufgebaut.
Vitamine = Stoffe, die lebensnotwendig sind und nicht eigenständig von
der menschlichen Zelle synthetisiert werden können (Zufuhr durch Nahrung)
Einige Coenzyme enthalten außer dem organischen noch einen anorganischen
Molekülanteil, zumeist Metallionen!
Diese Metallionen müssen ebenfalls mit der Nahrung aufgenommen werden
(= essentielle Spurenelemente).
Begriff „Cofaktoren“
für Coenzyme und Metall-Ionen als wichtige funktionelle Bestandteile von
Proteinen bzw. Enzymen
Grundstruktur der Coenzyme
Prosthetische Gruppen sind fest mit dem Proteinanteil verbunden.
Lösliche Coenzyme können zwischen verschiedenen
Enzymmolekülen diffundieren.
Viele Coenzyme sind als niedermolekulare chemische Gruppe integraler
Bestandteil eines Proteins:
reiner Proteinanteil = Apoprotein (bei Enzym, Apoenzym)
Prosthetische Gruppe = die nicht aus AS bestehenden, kovalent oder über
schwache WW fest gebundenen Komponenten, die essentiell für die Proteinfunktion sind
z.B. Metallkationen, kleinere und größere organische Moleküle!
Lösliche Coenzyme = niedermolekulare Verbindungen, die im Gegensatz zu
prosthetischen Gruppen reversibel an Enzyme binden
Grundstruktur der Coenzyme
Vitamine, Coenzyme und ihre biochemische Funktion
(Pro-)Vitamin
Coenzym
übertragene
Enzym, Reaktion
chemische Gruppe (Beispiele)
Nicotinsäure (Niacin)
NAD+/NADH;
NADP+/NADPH
Hydrid-Ionen (H-)
Dehydrogenasen
Riboflavin (Vitamin B2)
FMN/FMNH2;
FAD/FADH2
Elektronen
ThioredoxinReduktase
Pyridoxin, Pyridoxal,
Pyridoxamin ((Viatmin B6)
Pyridoxalphosphat
Aminogruppen
Aminotransferasen,
Glycogen-Phosphorylase
Thiamin (Vitamin B1)
Thiaminpyrophosphat
Aldehyde
oxidative Decarboxylierung
von -Ketonsäuren
Pantothensäure
Coenzym A
Acylgruppen
Citratzyklus, -Oxidation
Vitamin B12
5‘-Desoxyadenosylcobalamin
H-Atome,
Alkylgruppen
(Coenzym B12) RibonucleotidReduktase
Biotin
Biocytin
CO2
Pyruvat-Carboxylase
Folat
Tetrahydrofolat
C1-Gruppen
Dihydrofolat-Reduktase
Grundstruktur der Coenzyme
Funktion der Coenzyme
Übertragung von Reduktionsäquivalenten
durch Coenzyme
Beispiel: NAD+ und NADP+
Die Coenzyme NAD+ und NADP+ übertragen ein Hydrid-Ion bei
Redoxreaktionen
Nicotinamidadenindinucleotid-Coenzym NAD+ und der davon abgeleitete
Phosphatester NADP+ sind an vielen stereospezifischen Hydrierungen
und Dehydrierungen sowie Redoxreaktionen des Stoffwechsels beteiligt.
Beide Coenzyme (NAD+/NADP+) sind gut wasserlöslich und damit für
die Kopplung verschiedener Redoxreaktionen bestens geeignet:
NAD+/NADP+ katalysieren Zwei-Elektronen-Redoxreaktionen
Grundstruktur der Coenzyme
NAD+
NADP+
NADH/H+
NADPH/H+
Struktur des NAD+ und des NADP+ in reduzierter und oxidierter Form:
Formal wird also ein Hydrid-Ion (H-) in Form eines Protons (H+) und zweier Elektronen (2e-) auf
den Nicotinamidrest der Coenzyme übertragen.
Ein weiteres Proton wird aus dem Substrat freigesetzt. Die korrekte Schreibweise für die reduzierten
Coenzyme ist daher NADH/H+ und NADPH/H+.
Grundstruktur der Coenzyme
NAD+ liegt in vivo vorwiegend in der oxidierten Form vor.
NAD+ wird in katabolen Reaktionen (z.B. Glycolyse) reduziert
und überträgt seine Reduktionsäquivalente auf die Atmungskette.
NADPH/H+ findet sich vor allem in der reduzierten Form und
ist überwiegend an anabolen Reaktionen (z.B. Fettsäuresynthese)
beteiligt.
Katabole Wege
Grundstruktur der Coenzyme
Beispiel:
NAD+ als Cosubstrat in der Glykolyse
katabol
NAD+ und NADH/H+
Reduktion des NAD+
Oxidation des NADH/H+
und Regeneration des NAD+
NADH/H+ und NAD+
Grundstruktur der Coenzyme
Die besonders im UV-Bereich auftretenden redoxabhängigen Änderungen
der Absorption der Nicotinamidadenindinucleotid-Coenzyme werden in
vielen NAD+ - oder NADP+ -gekoppelten enzymatischen Tests für sensitive
und spezifische Enzymaktivitätsbestimmungen sowie Substratmessungen
eingesetzt.
Bei vielen biologischen Oxidationsprozessen verliert ein Molekül
2 Elektronen und 2 Wasserstoff-Ionen (= netto 2 Wasserstoffatome).
= Dehydrierung (Enzyme: Dehydrogenasen)
NAD+
0
-2
Oxidations-Reduktions-Reaktion: Oxidation von Lactat zu Pyruvat
Intrazellulär: Übertragung der Elektronen auf den Cofaktor Nicotinamid-AdeninDinucleotid, NAD+ (vollständig reversible Reaktion, Reduktion von Pyruvat zu Lactat);
NAD+ = Elektronenakzeptor
Anwendungsbeispiele (siehe Praktikum !)
Aufnahme eines NAD+ / NADH + H+ Absorbtionsspektrums
Absorptionsspektren von NAD+ (bzw. NADP+) und ihrer jeweiligen
reduzierten Formen NADH + H+ (NADPH + H+).
Zur Konzentrationsbestimmung der reduzierten Formen bietet sich die
Wellenlänge = 340 nm an.
Anwendung: z.B. bei der klinischen Glucosediagnostik
Beispiel: Fettsäuresynthese
anabol
NADPH/H+ und NADP+
NADPH/H+ und NADP+
Grundstruktur der Coenzyme
Funktion der Coenzyme
Übertragung von Reduktionsäquivalenten durch Coenzyme
Beispiel: FMN und FAD
FMN und FAD sind Wasserstoff übertragende Coenzyme von
Dehydrogenasen, Oxidasen und Reduktasen
Die redoxreaktive Gruppe der Coenzyme Flavinmononucleotid (FMN)
und Flavinadenindinucleotid (FAD) ist das Riboflavin.
Beide Flavin-Coenzyme sind meist als prosthetische Gruppen fest an Enzyme
gebunden.
Sie können 2 Elektronen und 2 Protonen übernehmen.
FADH2/FMNH2 = reduzierte Formen der Coenzyme
Grundstruktur der Coenzyme
FAD
FADH2
Struktur von Flavinadenindinucleotid:
oxidierte Form, FAD und reduzierte Form, FADH2.
FMN besteht nur aus dem Isoalloxazin, Ribitol und einem Phosphatrest.
Bei der Reduktion übernehmen 2 N-Atome des Isoalloxazinrings je 1 Elektron und 1 Proton,
insgesamt als 1 Molekül H2.
Grundstruktur der Coenzyme
Funktion der Coenzyme
Gruppen übertragende Coenzyme (Bsp. ATP)
Nucleotide dienen der energetischen Kopplung und sind
Coenzyme mit Gruppenübertragungsfunktionen
Struktur des wichtigsten energiereichen Nucleotids ATP:
ATP wirkt als Überträger von Stoffwechselenergie oder durch seine Gruppenübertragungsfunktion.
Die Hydrolyse von ATP zu ADP und Pi oder zu AMP und PPi setzt eine hohe Freie Enthalpie frei.
Diese wird im Sinne einer energetischen Kopplung zur Katalyse energieaufwendiger Reaktionen
verwendet (z.B. Biosynthese energiereicher Verbindungen oder Muskelarbeit)
Facts zum ATP
ATP ist der wichtigste Energieüberträger im menschlichen Körper.
Die im ATP gespeicherte Energie stammt zum größten Teil aus
der Energiegewinnung in den Mitochondrien.
Ein ruhender Mensch produziert und verbraucht pro Tag ca. 40 kg ATP,
bei normaler Betätigung sind es im Schnitt ca. 70 kg. Bei intensiver Arbeit
kann der Umsatz auf bis zu 0,5 kg ATP pro min ansteigen.
Allerdings verfügt der Organismus nur über einen knappen Vorrat von
3-4 g an freien Adeninnucleotiden. Somit muss jedes ATP-Molekül
täglich mehrere zehntausendmal zu ADP und Pi gespalten und wieder
neu gebildet werden.
Ende
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