Chemie des Lebens:

Ringvorlesung WS 07 / 08:

Chemie des Lebens Teil 2

Wolfgang Dröge-Laser

Übersicht:

Chemie des Lebens:

16.11.07 I. Der chemische Rahmen des Lebens

chemische Elemente chemische Bindung

II. Wassers – das Lebenselexier

III. Kohlenstoff – ein wichtiges Element der belebten Welt

21.11.07 IV. Biologische Makromoleküle

Kohlenhydrate Proteine

Nukleinsäuren Lipide

23.11.07 V. Einführung in den Stoffwechsel

Energieumwandlung in der Zelle Enzyme

IV. Biologische Makromoleküle

Das Polymerprinzip:

HO H HO H

HO H

Monomer Oligomer

H

O

längeres Oligomer

H

O

HO H HO H

„Dehydratisierung“

„Kondensation“

„Hydrolyse“

(griech.: hydro:

Wasser; lysis:

auflösen)

Makromoleküle in der belebten Welt

¾ Riesenmoleküle > 100 000 Dalton

¾ Vielfalt der Makromoleküle durch Kombinatorik der Monomere (Vergleich: Buchstaben – Worte – Sätze)

40 – 50 häufige und wenige seltene Monomere Polymer (griech.: polys: viele; menis: Teil)

¾ Aufbau nach dem Polymerprinzip:

- Kohlenhydrate - Proteine

- Nucleinsäuren

nicht aber:

- Lipide

Viele Makromoleküle als essentielle Nährstoffe

Protein / Eiweiß Fett

Kohlenhydrate

1. Kohlenhydrate

Funktion der Kohlenhydrate:

„Betriebsstoffe“ und „Baustoffe“

Baustoffwechsel

Photosynthese

Energiestoffwechsel

Glucose

pflanzliche Zellwand:

Cellulose

Wie sind Kohlenhydrate chemisch aufgebaut?

Kohenhydrate enthalten Carbonylgruppen:

Carbonylgruppen entstehen durch Oxidation eines Alkohols Allgemeine Summenformel (CH

O)

Funktionelle Gruppe: Carbonyl-Gruppe C=O

¾ Alkohol (-OH) wird zur Carbonylverbindung (C=O) oxidiert

¾ Redoxreaktion:

wenn eine Verbdg.

oxidiert (Abgabe e

) wird, muss eine andere reduziert

(Aufnahme e

) werden

OH

O O

Allgemeine Summenformel (CH

O)

Funktionelle Gruppe: Carbonyl-Gruppe C=O

asymmetrisches C-Atom

* * =

dem Betrachter zugewandt!

*

…es entstehen

2 spiegelbildliche Isomere („Enantiomere“):

* *

A B

C D

A B C

D

Isomerie bei Kohenhydraten

Kohlenhydrate unterteilen sich in Aldosen und Ketosen

Ketose Aldose

(Traubenzucker) (Fruchtzucker)

*

*

*

*

*

*

*

D,L-Nomenklatur

Bezieht sich auf das letzte asymmetrische C-Atom D („dextro“): OH rechts L („levo“): OH links In der Natur ist die D-Form verbreitet!

Tutorium: Wie viele asymmetrische C-Atome gibt es für Glucose?

Wieviele Isomere gibt es?

Aldosen und Ketosen

Glycerin- aldehyd

C

C

C

Carbonyl- Gruppe

asymmetr.

C-Atom:

Glucose und Galactose unterscheiden sich in ihren Eigenschaften

Lineare und ringförmige Glucose stehen in wässriger Lösung im Gleichgewicht

Halbacetal

36% 64%

„Anomerie“:

bei Ringschluss entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom Lineare und ringförmige Glucose stehen in wässriger Lösung

im Gleichgewicht

Welche Kohlenhydrate sind biologisch relevant ?

Zucker im …..

Man unterteilt die Kohlenhydrate in:

Einfachzucker (Monosaccharide) z. B. Traubenzucker (Glucose)

Doppelzucker (Disaccharide) z. B. Rohrzucker (Saccharose)

Makromoleküle (Polysaccharide) z. B. Stärke

Das „Baukastenprinzip“:

HO H HO H

H

O

Glykoside sind Zuckeracetale

Disaccharide entstehen, wenn die OH-Gruppe Teil eines anderen Zuckers ist…..

Halbacetal Acetal

Disaccharide: Saccharose

Fructose (Ketose)

Glucose (Aldose)

(engl. Sucrose) 2 1

in Pflanzen:

wichtige Transportform für Kohlenhydrate

Hexosen:

1,2-glykosidische Bindung

nicht-reduzierender Zucker:

keine Ringöffnung möglich, da die OH-Gruppen die glykosidische Bindung eingehen!

2 3

4 5

6

1

4 3 5

6

Was sind Polysaccharide ?

Stärke und Glykogen sind Speicherstoffe der Pflanzen und Tiere

Stärke:

¾ Speicherpolysaccharid der Pflanzen

¾ Energiespeicher der Getreidesamen

Glykogen:

¾ Speicherpolysaccharid der Tiere (Leber!)

¾ verzweigter als Amylopektin

Stärke besteht aus Amylose und Amylopektin 1 4

1,4-glykosidische Bindung vom α-Glucose (α-1,4-Verknüpfung)

unverzeigt, bildet Spiralen

Stärke besteht aus Amylose und Amylopektin 1 4

1,4-glykosidische Bindung von α-Glucose (α-1,4-Verknüpfung)

unverzweigt, bildet Spiralen

1,6- Verzweigung keine Spiralen

andere Eigenschaften ! 1

6

Nachweis von Stärke

Polysaccharide: Cellulose

1 4

1,4-glykosidische Bindung von β-Glucose: (β-1,4 Verknüpfung)

lineare Ketten, keine Helix!

Cellulose- ein Strukturpolysaccharid

¾ 2000 – 8000 Monomere

¾ reißfeste, lineare Fasern

¾ parakristallin, schwer abbaubar (Mensch kann Cellulose nicht

verdauen: „Ballaststoffe“

¾ Mikroorganismen im Pansen der Kuh können Cellulose

abbauen

2. Protein

Proteine (griech. proteios: „erstrangig“)

¾

¾ Proteine sind Polymere aus Aminosäuren („Polypeptide“)

H

N COOH

¾ Proteine werden i. A. aus 20 Aminosäuren aufgebaut; weitere kommen in Organismen vor, werden aber nicht in Proteine eingebaut

Welche Aufgaben erfüllen Proteine in Lebewesen ?

Proteintyp Funktion Beispiel

Strukturproteine Formgebung, Halt Keratine in Haaren und Federn Virale Hüllproteine

Speicherproteine Speicherung von Samenspeicherproteine Aminosäuren

Transportproteine Transport von Stoffen Hämoglobin

Ionen-Transporter Hormonelle Koordination der Insulin

Proteine Aktivität eines Organismus

Rezeptoren Reaktion einer Zelle Membranständige Rezeptoren auf chemische Reize von Nervenzellen

Kontraktile Bewegung Aktin, Myosin

Proteine Muskeln, Flagellen

Abwehr Schutz vor Krankheiten Antikörper

Enzyme selektive Beschleunigung Verdauungsenzyme einer chemischen Reaktion

Proteine haben vielfältige Aufgaben

Wie sind Proteine aufgebaut ?

Die monomeren Bausteine der Proteine: die Aminosäuren

Allgemeine Struktur:

Carboxyl-Gruppe Amino-Gruppe

α-C-Atom (meist asymmetrisch)

Zwitterion:

Das Bauprinzip der Proteine

H

N COOH

N-terminales Ende C-terminales Ende

„Peptidbindung“

¾ Seitenketten

Kondensation

¾ Rückgrat

Primärstruktur:

lineare Aminosäurekette

Die 4 Ebenen der Proteinstruktur:

Primärstruktur der Proteine

…lineare Abfolge von Aminosäuren bestimmt die Eigenschaften des Proteins

¾ Die Seitenketten der

Aminosäuren bestimmen die Eigenschaften

des Proteins

¾ Rückgrat

Hydrophob, nicht polar:

Die Aminosäure-Bausteine unterscheiden sich in ihren Eigenschaften:

Dreibuchstaben- Code

Einbuchstaben- Code

aliphatische Seiten-

kette

Polar, jedoch ungeladen:

Hydroxy-Gruppe

Proteine sind aus 20 Aminosäuren (Monomere) aufgebaut

geladen,

deshalb sehr hydrophil

Proteine sind aus 20 Aminosäuren (Monomere) aufgebaut

basisch

sauer

Die “Proteinbiosynthese” findet an den Ribosomen statt

Genexpression im Überblick:

Transkription:

DNA RNA

Modifikation der RNA

Reife messenger RNA (mRNA)

Export aus dem Kern Translation

an den Ribosomen:

„Proteinbiosynthese“

Protein-Sequenzierung:

Frederick Sanger Nobelpreis 1958

Die Primärstruktur des

Insulin

…V-H-L-T-P-E-E… …V-H-L-T-P-V-E…

Sichelzellenanämie: Veränderung der Primärstruktur kann zur Veränderung der Proteinfunktion führen

Hämoglobin (146AA)

Hämoglobin Protein

Folge:

Konformationsänderung der Proteine:

sichelförmige rote Blutkörperchen, die

Blutgefäße verstopfen können Mutation im

Hämoglobin

Sekundärstruktur: Proteindomänen formen geordnete, sich wiederholende Strukturen die durch Wasserstoffbrücken stabilisiert werden

Die 4 Ebenen der Proteinstruktur:

Wasserstoffbrücken stabilisieren die Sekundärstruktur der Proteine

α-Helix

¾„Stäbchen“

¾ Wasserstoffbrücken des Rückgrats

¾ zwischen jeder 4. Aminosäure

β-Faltblatt

¾ „Platten“

¾ Wasserstoffbrücken

zwischen zwei oder mehreren Kettenabschnitten

δ- δ+

antiparallel

parallel

Linus Pauling Nobelpreis 1963

Tertiärstruktur: unregelmäßige Strukturen

die durch verschiedenartige Wechselwirkungen der Seitenketten stabilisiert werden.

Die 4 Ebenen der Proteinstruktur:

¾

hydrophobe Seitenketten sammeln sich im Inneren, der wässrigen Phase abgewandten Regionen

(van-der-Waals- Wechselwirkungen)

Die räumliche Tertiärstruktur wird stabilisiert durch:

CH₃ CH₃ CH

CH₃ CH₃

¾ Wasserstoffbrücken CH

¾kovalente

Disulfidbrücken

CH₂

S S

CH₂ CH₂ NH₃⁺

-

CH₂ CH₂

¾ Ionische Wechselwirkung zwischen positiv und negativ geladenen Seitenketten

Quartärstruktur: mehre Polypeptide assoziieren zu einem funktionsfähigen Komplex

Die 4 Ebenen der Proteinstruktur:

Die Proteinfunktion ist von der räumlichen Konformation abhängig

Quartärstruktur:

Mehrere Protein-Untereinheiten lagern sich zu einem funktionellen Komplex zusammen

Einzelne Aminosäure-Austausche können die räumliche Konformation und die

Protein-Funktion verändern

H

H H

Reduktion H

„reversible“

Konformationsänderung Oxidation

Denaturierung Renaturierung

Funktion: aktiv inaktiv

Die Proteinfunktion ist von der räumlichen Konformation abhängig

¾ Chaperone (auch als Chaperonine bezeichnet) sind Proteine, die andere Proteine bei der Faltung unterstützen

3. Nucleinsäuren –

Speicher und Überträger der Erbinformationen

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? @ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\]

^_ `abcdefghijklmnopqrstuvwxyz{|}~

Welche Rolle spielen Nucleinsäuren in

biologischen Systemen ?

Nucleinsäuren speichern und übertragen Erbinformation

Genexpression im Überblick:

Transkription:

DNA RNA

Modifikation der RNA

Reife messenger RNA (mRNA)

Export aus dem Kern Translation

an den Ribosomen:

„Proteinbiosynthese“

Wie sind Nucleinsäuren aufgebaut ?

Ein Nucleinsäurestrang ist ein Polymer aus Nucleotiden

HO H

Polymer

Monomer:

Nucleotid

DNA RNA

Watson Crick Nobelpreis 1962

Die DNA-Doppelhelix

Franklin

DNA: Desoxyribonucleinsäure Die Nukleotid-Bausteine:

Desoxyribose (Pentose)

Phosphat- gruppe

Ester

N-haltige

Base: Adenin N-haltige

Base: Guanin

Purin

Pyrimidin

Cytosin

Thymin

Desoxyribose

(Pentose)

RNA: Ribonucleinsäure Die Nukleotid-Bausteine:

Ribose (Pentose)

Phosphat- gruppe

Ester

Pyrimidin

Uracil

„Nucleosid “

„Nucleotid“

Ein Nucleinsäurestrang ist ein Polymer aus Nucleotiden

Monomer:

Nucleotid

Phospho-

diesterbindung

Zucker- Phosphat- Rückgrat

Base

5` Phosphat-Ende

3` OH-Ende

Die Basenpaarung wird durch Wasserstoffbrücken vermittelt

Zucker- Phosphat- Rückgrat:

kovalente Bindungen

Wasserstoff- brücken

A T G C

Replikation

Basenpaarung:

DNA- und Proteinsequenzen geben Aufschluss über die Evolution

Identität: 98,8 % !

4. Lipide

Allgemeines:

¾ Sammelbegriff für hydrophobe Naturstoffe

¾ sehr vielfältig in Struktur und Funktion

¾ Makromoleküle aber nicht nach dem Polymerprinzip gebaut

¾ deutlich geringere Molekülmassen als die meisten anderen Makromoleküle

¾ wichtigste Lipidfamilien: 1. Fette

2. Phospholipide

3. Steroide

Lipide: 1. Fette

¾ wichtiger Energiespeicher:

Energiegehalt von 1 g Fett entspricht dem von 2 g Stärke

¾ Tiere müssen ihre Energiereserven bewegen Energiespeicher: Fett

Pflanzen nutzen bevorzugt: Stärke

¾ Lipidspeicher bei Pflanzen: z. B. Raps-Samen

¾ Fettgewebe: Polster, Isolation

Wie sind Fette chemisch aufgebaut ?

Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

Dehydratisierungs-

reaktion Ester-Bindung

Alkohol

org. Säure Ester

Glycerin

Fettsäure Fettsäure Fettsäure

Fette oder Triacylglycerine

Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

Dehydratisierungs-

reaktion Ester-Bindung

Alkohol

org. Säure Ester

Glcycerin:

3 Hydroxy-Gruppen (dreiwertiger Alkohol)

Fettsäure

aliphatische CH-Kette (unpolar)

Carboxyl- gruppe

Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

Glcycerin:

3 Hydroxy-Gruppen (dreiwertiger Alkohol)

Fettsäure

aliphatische CH-Kette (unpolar)

Carboxyl- gruppe gesättigte Fettsäuren:

ungesättigte Fettsäuren (enthalten Doppelbindungen!):

Doppelbindungen

Welchen Einfluss hat die Zusammensetzung

der Fette auf die chemischen Eigenschaften ?

Mehrfachbindungen beeinflussen die Eigenschaften der Fettsäuren

Doppelbindungen:

„Knick“ in der Kohlenwasserstoffkette

„gesättigte“ Fette:

meist tierischer Herkunft

„ungesättigte“ Fette:

aus Pflanzen oder Fischen

Härtung: synthetische Addition von Wasserstoff an ungesättigte Fettsäuren Öle, bei RT flüssig

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

hydrophober

Bereich

Membran

Wasser Wasser

Lipide: 2. Phospholipide

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

Glycerin Cholin

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

hydrophober Bereich

Membran

Phospholipiddoppelschicht

Die Phospholipidzusammensetzung bestimmt die Membraneigenschaften

Lipide: 3. Steroide

Kohlenstoffgrundgerüst aus 4 Ringen

Cholesterin:

¾ Bestandteil tierischer Membranen

¾ Vorläufer für Hormonsynthesen (z. B. Sexualhormone)