biochemie - Department für Chemie

Universität für Bodenkultur Wien
Department für Chemie
Organische Chemie und
Biochemie (AW)
770.101
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Erika Staudacher
Biochemie für LW
29.04.2012
I
Unit 1
I
Erika Staudacher
1
TEIL 1
Proteine
Struktur
Methodik
Beispiel Hämoglobin
Enzyme
Kinetik
Einteilung
Beispiel proteolytische Enzyme
Co-Faktoren
Vitamine
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Unit 1
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2
Organisatorisches:
Veterinärmedizin
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1. Geprüft wird der Vorlesungsstoff
2.
Zoologie
Punkt in Ecke bedeutet: diese Folie dient zur Vertiefung
und wird nicht geprüft.
Botanik
3. JEDES Biochemie-Lehrbuch ist zur Unterstützung geeignet.
Die Bücher sind alle sehr teuer, daher nicht kaufen sondern
in der Bibliothek ausleihen !
4. Meine email-Adresse:
[email protected]
29.04.2012
Biochemie für LW
Anorganische Chemie
Humanmedizin
BIOCHEMIE
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Physik
Biologie
Analytische Chemie
Organische Chemie
Physikalische Chemie
wässrige Systeme bei physiologischem (eher neutralem) pH-Wert
I
Unit 1
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Erika Staudacher
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Unit 1
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Erika Staudacher
PROTEINE
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Proteine
Struktur der Biomoleküle - siehe
organische Chemie
Kohlenhydrate
Vorkommen in der Zelle / im Organismus
Lipide
Funktionen
Co-Faktoren
kontrollierter Abbau
Biochemische Arbeitsmethodik
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Primärstruktur:
Sekundärstruktur:
Tertiärstruktur:
Quartärstruktur:
Aminosäuren verbunden durch Peptidbindung
α-Helix, β-Faltblatt
Bildung von Domänen und aktiven Zentren
mehrere Untereinheiten zusammengefügt
Posttranslationale Modifikationen = Modifikation von reaktiven
Aminosäureseitenketten (z.B. - OH, - NH2, - SH, - COOH)
- Phosphorylierung
- Glykosylierung
- Methylierung
- γ-Carboxylierung
- und viele mehr !
Biosynthese
weitere Biomoleküle
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Primärstruktur
Abb: P.Messner + Ch. Schäffer, Zentrum f. Nanobiotechnologie
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Sekundärstruktur
S-Schichtprotein von Bakterium
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Tertiärstruktur
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Quartärstruktur
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Einteilung der Proteine
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präparative - analytische Methoden
Zentrifugation
Elektrophorese
Zeit
Aminosäurenanalyse (HPLC)
* nach ihrer Funktion - falls man sie kennt !
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(Gel)Filtration
Beispiel Molekulargewichtsbestimmung:
- Molekulargewicht
- Ladung
- Löslichkeit
- Hydrophobizität
- Affinität (z.B. zu spezifischem Antikörper)
- Homologien in der DNA-Sequenz
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Methodik
* nach ihren Eigenschaften
(= gleichzeitig Möglichkeiten zur Trennung)
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(2D-Elektrophorese)
Massenspektroskopie
Kernresonanzspektroskopie
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2
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2D-Elektrophorese
weitere Analyse der einzelnen Punkte
Analyse der Struktur und Funktion der Gesamtheit der Proteine einer Zelle:
Elektrophorese
"Proteomics"
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Beispiel: Hämoglobin
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Jede Untereinheit enthält einen Porphyrinring, der
ein Molekül Sauerstoff binden kann.
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Blutfarbstoff
MW ~ 62 000 Da (ohne Hämgruppe)
574 Aminosäuren
Fe-hältige Porphyringruppen
4 Untereinheiten, die einander in der
Konformation beeinflussen
ALLOSTERIE
Funktion: Transport von O2 und CO2
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Maximal können vier Sauerstoffmoleküle
aufgenommen werden.
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Allosterie-Effekt:
Affinität für das erste O2: eher gering, durch die Bindung
Konformationsänderung
für das 2. O2 schon etwas mehr
Affinität u.s.w.
Myoglobin und
fetales Hämoglobin
haben eine höhere SauerstoffAffinität als Hämoglobin
Funktion:
Lunge: es herrscht hohe O2-Konzentration
rasche Aufnahme
von vier O2-Molekülen.
Transport mit den roten Blutkörperchen im Blutstrom zum Zielort.
Muskel: es herrscht geringe O2-Konzentration und hohe CO2Konzentration
Abgabe der O2-Moleküle,
Aufnahme von CO2-Molekülen.
Rücktransport zur Lunge.
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Defekte:
Sichelzellanämie: erblich, eine Aminosäure (Glu Val)
ausgetauscht
Verformung und "klebrigwerden"
der desoxygenierten Form.
Thalassämien: verschiedene Mutationen, die zu Reduktion
oder Fehlen einer Kette führen.
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3
Wenn an einem Protein irgendetwas verändert ist:
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Aminosäuresequenz oder
dreidimensionale Struktur des Proteins oder
posttranslationale Modifikationen
normal
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Sichelzellanämie
- manchmal kein Effekt
- Stoffwechselerkrankungen
(Auf- und/oder Abbauwege gestört)
- Funktion reduziert (z.B. Sichelzellanämie, cystische Fibrose)
- Transport zum Zielort funktioniert nicht
Heterozygot
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ENZYME
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Energie
Energie ohne
Katalysator
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Enzyme sind Proteine, die in biologischen Systemen als
Katalysatoren wirken. (Auch RNA-Moleküle können katalytische
Funktionen haben !)
E+S
ES
EP
E+P
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Energieersparnis
Energie mit
Katalysator
Ausgangszustand
E ... Enzym
S ... Substrat
P ... Produkt
Energiegewinn der
Gesamtreaktion
Endzustand
Wirkt durch Stabilisierung von Übergangszuständen
weniger Energie nötig
sehr selektiv
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Reaktionsverlauf z.B.Zeit
Enzym bringt Substrat in die optimale Orientierung und bestimmt
dadurch die Bindungsstelle
Selektivität
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Enzyme – Einsatz in der Industrie
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Enzymkinetik "Akzeptor" : WOHIN übertragen wird
"Substrat" : WAS übertragen wird
- Waschmittel
- Zellstoff- und Papierherstellung
- Leder- und Textilbearbeitung
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- Stärkeabbau zu Glukose und weiter zu Ascorbinsäure
KM : Michaelis-Menten-Konstante
= Substratkonzentration bei der
halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit
- Süßkraft (Umwandlung von Zuckern)
- Herstellung von Milchprodukten
- Backwaren
- Fleisch
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Vmax = maximale Reaktionsgeschwindigkeit
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KM und vmax sind für definierte Bedingungen für jedes Enzym
charakteristisch (wie gut ist das Substrat, wie gut sind die
Bedingungen, ...).
Kompetitiver
Inhibitor
Nicht kompetitiver
Inhibitor
Typ einer Inhibition kann erkannt werden:
Kompetitiver Inhibitor: bindet im aktiven Zentrum
KM wird größer, vmax bleibt gleich
Nicht-Kompetitiver Inhibitor: bindet irgendwo anders am Enzym
vmax wird kleiner, KM bleibt gleich
Vmax2
KM3
Regulation der Enzyme: siehe später bei Stoffwechselregulationen
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Einteilung der Enzyme
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Hauptklasse
Reaktion
1. Oxidoreduktasen
Redoxreaktion
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Übertragung von Molekülen
3. Hydrolasen
Hydrolytische Spaltung
Funktion:
4. Lyasen
Nicht-hydrolytische Spaltung
5. Isomerasen
Umwandlung isomerer Verbindungen
6. Ligasen
Energieabhängige Knüpfung von
Bindungen
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Proteolytische Enzyme = Proteasen : spalten Peptidbindungen
2. Transferasen
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Beispiel: Proteolytische Enzyme
Nach dem katalysierten Vorgang:
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Vmax bleibt gleich
KM wird größer
Vmax wird kleiner
KM bleibt gleich
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- Verdauung im Magen und Darm
- Abbau von Proteinen in Lysosomen und Proteasomen
- Abspaltung von Signalpeptiden
- Aktivierung von Prohormonen und Proenzymen
- bei der Blutgerinnung (Thrombin)
- bei der Fibrinolyse (Plasminogen)
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Einteilung der Proteasen:
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Serinproteasen: Serin im aktiven Zentrum
z.B. Verdauungsenzyme der Säuger im Darm:
Chymotrypsin (spaltet auf Carboxyseite von Tyrosin,
Tryptophan, Phenylalanin oder Methionin)
Trypsin (spaltet spezifisch bei Lysin und Arginin)
Elastase (spaltet bei kleinen ungeladenen Aminosäuren)
Aspartatproteasen (saure oder Carboxypeptidasen)
Ein Wassermolekül flankiert von zwei Aspartaten
bildet das aktive Zentrum
z.B. Pepsin (Magensaft, pH-Optimum 2-3)
HIV-1-Protease: setzt HIV-Schlüsselproteine aus
Vorläuferprotein frei.
Zinkproteasen: Zink im aktiven Zentrum
z.B. Carboxypeptidase A (Säugerverdauungsenzym)
(spaltet einzelne Aminosäure vom C-Terminus
eines Proteins ab)
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Thiolproteasen (Sulfhydril-, Cysteinproteasen)
Cystein-Rest im aktiven Zentrum
z.B. Papain aus Papaya
Kathepsin B (in Lysosomen tierischer Zellen zum
Proteinabbau)
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Prionprotein
Beispiel: Einsatz von Enzymen
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- Waschmittel
- Zellstoff- und Papierherstellung
- Leder- und Textilbehandlung
PrPC
PrPSc
Konformationsisomere
PrPC: wasserlöslich, leicht abbaubar
PRPSc: nicht wasserlöslich, schwer abbaubar,
unempfindlich gegen Hitze, Strahlung, UV-Licht, viele Desinfektionsmittel
Erscheinungsform: spongiforme Encephalopathie
!! Übertragung über Artgrenzen !!
- Scrapie (Schafe)
- BSE (Rinder) – seit 1985, Höhepunkt:1992 mit 37000 Fällen in GB
- Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) (Menschen)
- Kuru (Menschen) Papua-Neuguinea (Aufnahme: Essen und Schleimhäute)
- Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom
- Fatal familial insomnia (Schlaflosigkeit, Körpertemperatur, Hormonhaushalt)
- Stärkeabbau (Produktion von Glukose und Ascorbinsäure)
- Süßkraft (Umwandlung von Zucker)
- Milchprodukte
- Gärprodukte
- Backwaren
- Fleisch
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= Moleküle, die aktivierte Gruppen im Stoffwechsel übertragen
("Carrier").
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übertragene Gruppe
Phosphorylgruppen
Elektronen
Elektronen
Acetylgruppen
Acylgruppen
Aldehydgruppen
CO2
C1-Einheiten
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meist Bestandteile von Coenzymen
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29.04.2012
VITAMINE – wasserlöslich I
COFAKTOREN (Coenzyme)
Carrier
ATP
NADH und NADPH
FADH2 und FMNH2
Coenzym A
Liponsäureamid
Thiaminpyrophosphat
Biotin
Tetrahydrofolsäure
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Thiamin (Vitamin B1)
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In Thiaminpyrophosphat (Coenzym für Decarboxylasen und Transferasen)
Vorkommen: Weizen (daher Problem in Ostasien – polierter Reis)
Mangel: Kopfschmerzen, Schlafstörungen, Beriberi (neurologisch und kardiovaskulär,
Störungen der Herztätigkeit)
Riboflavin (Vitamin B2)
In Flavinadenindinucleotid (FAD) und Flavinmononucleotid (FMN); in der Atmungskette,
Bestandteil von Oxidoreduktasen
Vorkommen: Leber, Niere, Hering
Mangel: Sehschwäche, Wachstumsstörungen
Nicotinsäure (Niacin)
In Nicotinamidadenindinucleotid (NAD),
Vorkommen: Pilze, Hefe, Leber
Mangel: Störungen des zentralen Nervensystems, Pellagra (Dermatitis, Diarrhoe)
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VITAMINE – wasserlöslich II
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VITAMINE – wasserlöslich III
Pyridoxin, Pyridoxal (Vitamin B6)
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Als Pyridoxylphosphat-Coenzym;
Vorkommen: Salat, Paprika, Hefe, Leber;
Mangel: Störungen des Proteinaufbaus
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Cobalamin (Vitamin B12)
Bestandteil von Transferasen, Ligasen und Mutasen;
Vorkommen: Kalbsleber, Kalbsniere, Eigelb; in anaeroben Mikroorganismen!
Mangel: Wachstums- und Konzentrationsschwäche
Pantothensäure
Bestandteil von Coenzym A;
Ascorbinsäure (Vitamin C)
Biotin (Vitamin H)
Cofaktor bei Hydroxylierungsreaktionen (Prolin im Kollagen)
Vorkommen: Zitrusfrüchte, Kartoffel, Hagebutten
Mangel: Schwächung des Immunsystems, Skorbut
An Carboxylasen gebunden;
Vorkommen: Niere, Eigelb, Banane
Folsäure
Als Tetrahydrofolat, C1-Gruppentransfer
Vorkommen: Leber, Hefe
Mangel: verschiedene Anämien
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Biochemie für LW
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FETTLÖSLICHE VITAMINE:
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Retinol (Vitamin A)
Bestandteil der Sehpigmente
Wachstumsfaktor für Jungtiere
Calciferol (Vitamin D)
Calzium- und Phosphatstoffwechsel, Knochenbildung,
α-Tocopherol (Vitamin E)
Schutz ungesättigter Membranlipide vor Oxidation
Vitamin K
Blutgerinnung
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