Zusammenfassung. Biochemie Vordiplom. (Stoffwechselseminar, Biochemie I, Biochemie I Praktikum)

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1 Zusammenfassung Biochemie Vordiplom (Stoffwechselseminar, Biochemie I, Biochemie I Praktikum) Gliederung Teil 1: Biomoleküle 1.1 Lipide 1.2 Biologische Membranen, deren Stoffwechsel sowie Funktionen deren Lipide 1.3 Kohlenhydrate 1.4 ukleinsäuren 1.5 Aminosäuren 1.6 Peptide und Proteine 1.7 Myoglobin und ämoglobin 1.8 Enzyme 1.9 Proteasen 1.10 Membranproteine 1.11 oenzyme, prosthetische Gruppen und ofaktoren Teil 2: Metabolismus 2.1 Metabolismus, ATP und Gruppenübertragungspotentiale 2.2 Glykolyse 2.3 Gluconeogenese 2.4 Gärung 2.5 Pentosephosphatweg 2.6 Glykogenmetabolismus (Schwerpunkt:Regukation) 2.7 itratzyklus 2.8 oxidative Phosphorylierung 2.9 Fettsäuremetabolismus 2.10 Ketonkörperbiosynthese 2.11 holesterinbiosynthese 2.12 Aminosäuredegradation 2.13 arnstoffzyklus 2.14 Vernetzung des Stoffwechsels 2.15 Der Muskel 2.16 Die Leber Teil 3: Praktikum 3.1 Diagonaltechnik 3.2 DA 3.3 Immunologische Grundlagen 3.4 ELISA 3.5 Immunologie 3.6 Glyoxisomen 3.7 Bromelain 3.8 Anionentransport 1

2 TEIL 1: BIMLEKÜLE ierarchische rganisation biologischer Strukturen Glucose und einige andere wenige Moleküle (z.b. Ammoniak) sind Grundsubstanzen des Lebens, mit ilfe derer man andere Substanzen (AS, ukleotidbasen, Monosaccharide, Fettsäuren, Glycerin, holin) im Stoffwechsel generieren kann; Diese Substanzen stellen Grundbaustein für höhere Strukturen (ukleotide, Phospholipide, Triacylglycerine) und Makromoleküle (Proteine, ukleinsäuren, Polysaccharide) dar; Proteine, ukleinsäuren, Polysaccharide und Phospholipide können sich zu größeren Strukturen zusammenlagern (Multienzymkomplexe, Ribosomen, hromosomen, membranen, Mikrotubuli), welche wiederum Zellorganellen bilden (Kerne, Mitochondrien, Peroxisomen, ER, Golgi, Lysosomen); Zellorganelle bauen Zellen auf, diese lagern sich zu Geweben zusammen; ein rgan besteht aus mehreren Geweben, während ein rganismus aus mehreren rganen besteht; Dimensionen: Teilungsrate einer Säugetierzelle: 12-24h Kalottenmodell zeigt Van-der-Waals Radius Proteinfunktionen Enzymkatalyse, Transport und Speicherung (Aufrechterhaltung eines Energiegradienten), koordinierte Bewegung (molekulare Motoren, Bewegung von Schleimpilzen in Richtung einer camp Quelle), Materialeigenschaft (Stabilität!), Immunabwehr, Erzeugung und Weiterleitung von ervenimpulsen (Signaltransduktion), Kontrolle von Zellwachstum und Differenzierung (koordinierter Zelltod) 2

3 AS unterscheiden sich in Größe, Form (Erkennung), Wasserstoff-Donor-Akzeptor Wirkung (Ladung) und chemischer Reaktivität voneinander; Van-der-Waals Kontaktradien: zwischen 1 und 2 Å ist die attraktive WW maximal; Zusammensetzung aus abstoßender WW, die mit zunehmender ähe r sehr stark zunimmt (proportional zu r -12 ) und anziehender WW, die mit zunehmender ähe r schwächer zunimmt (proportional zu r -6 ); Die Summe ergibt folgendes Potential Metalle und ihre biologische Funktion: Funktion a + K + Mg 2+ a 2+ Zn 2+ Fe, u, o, Mn Ladungstransport, Redox- Aufbau eines Katalysatoren Ladungsgradienten Stabilisierung von Strukturen, Informationsträger (second messenger, Signalweiterleitung, Kanalsteuerung) Lewis-Säure- Katalysatoren (polarisiert Wasser) Beweglichkeit hoch mittel keine Keine Liganden S, S, Komplexbildung schwach mittel Sehr stabil Sehr stabil Austausch Sehr schnell mittel keine keine Fluor ist Wachstumsfaktor bei Ratten und Bestandteil von Zähnen und Knochen; Silicium bildet Struktureinheit der Kieselalgen und ist essentiell bei ühnern; Vanadium ist essentiell für höhere Tiere; hrom ist essentiell für höhere Tiere; Mangan ist essentiell für die Aktivität einiger Enzyme; Eisen ist wichtiges Übergangselement; Kobalt ist essentiell für Vitamin B 12 ; Kupfer ist wesentlicher Bestandteil von Redoxenzymen; Selen ist essentiell für Gluthationperoxidase; Molybdän ist essentiell für die Aktivität einiger Enzyme; Zinn ist essentiell für Ratten; 3

4 Säuren und Basen katalysieren wichtige Reaktionen R R + Veresterung B B - R R R 1 R 1 + R 1 2 Aldoladdition 3 2 B - B Säure-Base-Definition: Brönstedt Säure = Protonen-Donor Brönstedt Base = Protonen-Akzeptor Lewis-Säure = Elektronenpaarakzeptor (Elektrophil) Lewis-Base = Elektronenpaardonor (ukleophil) Ionisierung von Wasser: [ ] [ ] + Dissoziationsgleichgewicht: =, [ ] 55, 5M [ ] 2 K W = 14 = 10 Ionenprodukt des Wassers: [ ] [ ] M Definition von p und pk Wert: Für schwache Säuren und Basen gilt: A + A [ ] p = log pk S = log K S [ ] [ ] + A Dissoziationsgleichgewicht: K S = [ A] [ A ] 1 [ A ] = (log) + + [ A] K [ ] [ A] S Pufferkapazität ist im Bereich des pk S Wertes am größten: A + - A =, pk S log = p endersen-asselbalch Gleichung (Basizität von - wird kompensiert, indem Puffersubstanz Proton abgibt) Puffer kann auch Acidität von + kompensieren, indem es das Proton aufnimmt! 4

5 Wenn der p Wert < pk S Wert der Gruppe liegt die Gruppe protoniert vor (je kleiner pks Wert desto acider die Verbindung) Wenn der p Wert > pk S Wert der Gruppe liegt die Gruppe deprotoniert vor; (je größer pks Wert desto basischer die Verbindung) Wenn der p Wert = pk S Wert der Gruppe gilt protonierter Anteil der Gruppe = deprotonierter Anteil der Gruppe (im GG) Ladung der Aminosäuren bei verschiedenen p-werten: Proteine als Ampholyte pks: 3, α R dominante Form p= α pks: 8,0 R dominante Form p= α R dominante Form p= α α α α p=1 p=3 p=6,6 p=11 ettoladung: +1 ettoladung: 0 ettoladung: -1 ettoladung: -2 Isoelektrischer Punkt ist der p Wert, bei dem ettoladung = 0 ist; IEP ist für jede AS spezifisch; 5

6 Lipide Gliederung in versteifbare (enthalten Esterbindungen) und nicht versteifbare (ohne Esterbindungen) Lipide; Einteilung in Lipidklassen: 1.) Fettsäuren - Fettsäuren (aliphatische Monocarbonsäuren): bestehen aus unverzweigter Kohlenwasserstoffkette und einer arboxylgruppe (nicht versteifbar, amphiphil: hydrophober Schwanz, hydrophiler Kopf); meist geradzahlige Anzahl an Atomen (aus 2 Körper synthetisiert) - Löslichkeit in Wasser nimmt mit Kettenlänge und Sättigungsgrad ab - Kohlenstoffkette: gesättigt beweglicher, oder ungesättigt bzw. mehrfach ungesättigt; gesättigte FS sind bei Raumtemperatur fest; Z DB erniedrigen den Schmelzpunkt; polyungesättigte FS werden im Körper schnell oxidiert; - manche ungesättigte FS sind für Menschen essentiell: mega-n-fs; mega-3-fs hat DB an dritter Stelle von hinten gezählt; - Die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren sind meist Z konfiguriert (es resultiert ein 30 Knick in der Kette, wodurch die Van-der-Waals WW zu anderen Molekülen abgeschwächt werden und der Schmelzpunkt verringert ist); bei Schmelzpunkt findet Übergang von Wachs nach Flüssigkeit statt; 6

7 - selten sind konjugierte und E-Fettsäuren; E DB haben höheren Schmelzpunkt als Z DB; je kürzer die Kette, desto hydrophiler ist die FS und somit auch das Fett , ,12, Laurinsäure Myristinsäure Palmitinsäure Stearinsäure Palmitoleinsäure Ölsäure Linolsäure α-linolensäure T SMELZ steigt T SMELZ sinkt - Funktion von FS: Bausteine von Phospho- und Glykolipiden (=amphipathische Moleküle); Proteine können durch kovalente Bindung an FS modifiziert werden (Dirigierung an bestimmte Membranorte); Brennstoffmoleküle (werde oxidiert, um Energiebedarf zu decken); Derivate der FS dienen als ormone und intrazelluläre Botenstoffe 2.) Triacylglycerine dreifach-ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (versteifbar, apolar: absolut wasserunlöslich); auptenergiespeicherform; hydrophob, unlöslich in Wasser; kommen in Fetttröpfchen in den Adipocyten vor; dienen dem Langzeitspeicher 2 2 Glycerin + 3 R Fettsäure R 1 R 2 R 3 Triacylglycerin 3.) Triglyceride zweifach-ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin, wobei die dritte Position mit einer nicht- FS X verbunden ist; meist amphipatisch (X ist teilweise hydrophil) 7

8 2 2 X Triglycerid R 1 R 2 X= - Diacylglycerin (DAG) - P 3 Phosphatidsäure 3 P Phosphatidylcholin Galactolipid A.) Phosphoglyceride: bestehen aus zwei mit Glycerin veresterten Fettsäuren und einer Phosphorsäure, die mit einer weiterer Alkoholverbindung verestert ist (Phosphorsäurediester) (Versteifbar und amphiphil); auptbestandteil zellulärer Membranen; häufigstes Phosphoglycerid ist Phosphatidylcholin; gefolgt von Phosphatidylethanolamin (halb soviel in Membran enthalten); Das einfachste Phosphoglycerid ist Phosphatidsäure; 2 2 R 1 R 2 P X X= - Phosphoglycerid holin 3 + Ethanolamin Serin Inosit Glycerin - R 1 ist eine gesättigte 16 bis 18 FS; R 2 eine ungesättigte 18 bis 20 FS; - Verknüpfung erfolgt durch nukleophilen Angriff der ydroxylgruppe von X an die Phosphorgruppe im Phosphoglycerid - In der Regel sind Phospholipide neutral (Phosphatidyl-ethanolamin und -cholin), einfach negativ (Phosphatidyl-serin und glycerin, sowie Phosphatidsäure) oder zweifach negativ geladen (ardiolipin) - wenn Phosphatidylglycerol als Rest X fungiert spricht man von ardiolipin 8

9 2 R 1 R 2 ardiolipin 2 P P 2 - R 4 R 3 2 B.) Glykoglyceride bestehen aus zwei mit Glycerin veresterten Fettsäuren und einem Zuckerrest; In hloroplastenmembran dominieren Galactolipide; 2 2 X R 1 R 2 Triglycerid X= R (MGDG) Monogalactosyl-Diglycerid - S R R (DGDG) Digalactosyl-Diglycerid Sulfochinovosyl-Diglycerid 4.) Sphingolipide bestehen aus einer mit Sphingosin ( 18 Aminoalkohol) veresterten, ungesättigten Fettsäure ( eramide; Bildung eines Säureamids); Zusätzlich können als Rest X fungieren: A.) Phospho-holin oder seltener Phospho-ethanolamin ( Sphingomyelin), kommt in Plasmamembranen von Schwannschen Zellen (Myelinschicht) vor B.) Monosaccharide: Glucose oder Galactose ( Glucosylcerebrosid oder Galactosylcerebrosid = erebroside), Gal-erebroside in Plasmamembran von euronen und Glc-erebroside in Plasmamembran von nicht-neuronalen Zellen.) eutrale di-, tri- oder tetrasaccharide (Globoside; z.b. Lactosylceramide, wenn Disaccharid Lactose dranhängt) 9

10 D.) eine komplexe Zuckerstruktur, negativ geladen ( Ganglioside; entstehen aus erebrosiden) (versteifbar und amphiphil); Bestandteil von Membranen; Rückgrat ist Dihydroxylamin 3 R eramide R 1 18 Sphingosin R R P Spingomyelin A.) Ganglioside Bei den Gangliosiden ist eine ligosaccharidkette an das eramid gebunden, die mindestens einen sauren Zucker (=Salinsäure) enthält; Bestandteil von ervenzellen (störungen des Gangliosidabbaus enrste klinische Konsequenzen; führt bis zum Tod) 3 Salinsäure - euac -Acetyl-euraminidat 10

11 5.) Plasmalogene Plasmalogene sind Ether-verknüpfte Phospholipide im erzmuskel und im zentralen ervensystem (Gehirn); kommen in halophilen Bakterien vor; Etherbindung ist beständiger gegen ydrolyse als Esterbindung; Außerdem: Resistenz gegen Verdau durch Phospholipasen, die spezifisch Ester-verknüpfte Phospholipide verdauen; Plasmalogen ist das namensgebende Lipid dieser Klasse (das 1 trägt eine über Etherbindung verknüpfte 16 FS mit DB zwischen den ersten beiden Atomen; das 2 trägt ebenso eine 16 FS, ohne DB, verestert) Platelet-aktivierender Faktor (PFE) ist ein Etherlipid mit Signalfunktion bei Entzündungen; er wird durch Leukozyten (Basophile) freigesetzt und löst die Vasokonstriktion (Regulierung der rgandurchblutung durch Gefäßverengung, wodurch der Strömungswiderstand des arteriellen Systems und damit der Blutdruck erhöht wird) und Thrombozyten-Aggregation (Thrombocyten = platelets = Blutblättchen) aus; durch die Acetyl-gruppe wird dieses Lipid wasserlöslich; es enthält am 1 eine Ether-verknüpfte 16 FS ohne DB 2 2 R 2 P R 1 Plasmalogen R 1 PFE 3 3 P ) Isoprenoide (vor allem Steroide) Isopren ( 5 ) Grundgerüst; Polymerisierung und yclisierung möglich; Prenyle (Farnesyl, geranyl etc.), Gallensäuren und Steroide gehören in diese Klasse; Steroide bestehen aus einem Sterangerüst, einer verzweigten aliphatischen Seitenkette, mehreren Methylgruppen und Alkohol oder Säuregruppen; (nicht versteifbar, Ausnahme: holesterinester; amphiphil); Bestandteil von Membranen (holesterin), ormone (Steroidhormone), Emulgatoren (Gallensäuren) A B D Steran Sterol Steroid-Gerüst holesterin holesterin wird mittels Lipoproteine im Körper transportiert; 70% liegt dort in Form von holesterinester vor; 3 11

12 7.) andere Lipidklassen, Vergleich der Lipide Phospholipide = Phosphoglyceride + Phosphosphingolipide + Plasmalogen Glykolipide = Glykoglyceride + Glykosphingolipide Sphingolipide und Glycerphospholipide sind strukturell sehr ähnlich: Biologische Membranen, deren Stoffwechsel, sowie Funktionen deren Lipide flächenförmige Struktur (5-6 nm Dicke eine Phospholipiddoppelschicht; Membrandicke: 6-10 nm); Barriere für polare Moleküle; ichtkovalente Zusammenlagerung von Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten; asymmetrische, flüssige Struktur, ermöglicht elektrische Polarisierung und Kompartimentierung!! Komponenten der biologischen Membran: Membranlipide: Phospholipide (glycerophospholipide und Sphingomyelin), Glykolipide (Ganglioside), holesterol Membranproteine: integrale Proteine innerhalb der Membran und periphere Proteine an der Peripherie; Transmembranproteine durchspannen die gesamte Membran mit einer oder mehreren hydrophoben AS-Sequenzen oder sind über hydrophobe Anker mit der Membran verbunden; 12

13 Innerhalb der Zelle ist das ytoskellet mit der Membran verbunden; außerhalb der Zelle ist die Glykokalix befestigt; Die Glykokalix besteht aus ligosachariden, die kovalent an die Membranproteine und Lipide gebunden sind; sind sie an Membranproteine gebunden, heißt der Membranbaustein Glykoprotein; sind sie an Membranlipide gebunden, heißt er Glykolipid; Spektrin ist ein Makromolekül und wesentlicher Bestnadteil des Zytoskeletts der Erythrozyten, kommt aber auch in anderen Zellen vor; es stabilisiert zusammen mit anderen Proteinen wie z.b. Aktin die Innenseite der Zellmembran und somit die gesamte Zelle; Abbildung: Innenseite der Erythrozyten-Membran mit Spektringerüst 1.) Struktur und Dynamik der biologischen Membran Detergentien sind kegelförmig und bilden Micellen (große Micellen können im zentrum auch Wasser beinhalten); Phospholipide sind zylindrisch und bilden Membrandoppelschichten und Vesikel; Detergenz Phospholipid Liposome sind kleine, kugelförmige Vesikel aus konzentrisch angeordneten Lipiddoppelschichten (Bilayer), welche sowohl hydrophile Stoffe in der wässrigen 13

14 Innenphase als auch lipophile Stoffe innerhalb der Bilayer transportierten können; als auptkomponente tritt meist Phosphatidylcholin (Lecithin) auf; sie entstehen automatisch durch Selbstassoziation von Amphiphilen im wässrigen milieu; Liposomen werden durch ihre Lamellarität und Größe unterschieden: A.) kleine unilamelare Vesikel (SUV; 20 bis 100 nm Durchmesser) B.) multilamelare Vesikel (MLV).) große unilamelaren Vesikel (LUV) D.) multivesikuläre Vesikel (MVV) MLV, LUV, MVV haben einen Durchmesser von mehreren hundert nm bis mehreren Mikrometern; Phasenumwandlungen: - Kristalline Membranstruktur bei geringer Temperatur, da nicht genug thermische Energie vorhanden, um die energetisch günstigen trans Konformation zu verlassen - Fluide Membranstruktur bei Überschreitung des Schmelzpunktes der Membran, da vereinzelnd trans Konformationen zu gauche Konformationen umgewandelt werden; Faktoren der Phasenumwandlung: Saturierung und Länge der Fettsäure, sowie ydrophilie der Kopfgruppe sind entscheidend für den Schmelzpunkt der Lipiddoppelschicht; PE hat einen höheren Schmelzpunkt als P bei selber Kettenlänge und Saturierung; 14

15 holesterol ist Mediator der Fluidität: holesterol verringert die Bewegungsfreiheit von 1 bis 9 der Fettsäuren innerhalb der Membran und erhöht die Bewegungsfreiheit der terminalen Methylengruppen; Unterhalb der Schmelztemperatur der Membran nimmt daher die Fluidität zu, während sie oberhalb der Schmelztemperatur abnimmt (holesterol beeinflusst das Schmelzverhalten allosterisch); hne holesterin wäre die Membran entweder kristallin oder fluid-ungeordnet; mit holesterol ist sie fluid-geordnet; Wenn die Transition-Temperatur unterschritten wird, die Membran also im parakristallinen Zustand vorliegt, ist ihre Permeabilität erhöht, die Selektivität für den Stofftransport jedoch vermindert. Außerdem steigt die Aktivierungsenergie für membrangebundene Enzyme. Es gibt zwei Arten der Lipid-Diffusion: laterale Diffusion mit Geschwindigkeit von 2 μm/s; ein flip flop (transversale Diffusion) findet sehr selten statt (unkatalysiert: einmal in Stunden bis Tage / Flippase-katalysiert: Sekunden); Untersuchung der lateralen Diffusion: Laser-Bleaching of fluorescent marker fluorescence recovery after photo-bleching (FRAP) 15

16 2.) Permeabilität der Membran Geringe Permeabilität für Ionen und polare Moleküle; permeabel für apoalare Substanzen; 3.) Membranzusammensetzung und Assymetrie der Membran Die Zusammensetzung der Membran ist vom zell- und rganelltyp abhängig 16

17 Die Asymmetrie zwischen innerer und äußerer Lage der Doppelschicht bewirkt, dass die cytosolische Seite negativ geladen und die exoplasmatische Seite positiv geladen ist; 4.) Ankerlipide und lipid rafts - Viele intra- und extrazelluläre Proteine werden posttranslational durch lipophile Gruppen (Anker Gruppen) modifiziert; in erster Linie vermitteln lipohile Anker die Bindung des Proteins an Membranen und spezifische Membrankompartimente; verändern aber auch physikochemische Eigenschaften des Proteins (nehmen so Einfluss auf Signaltransduktion) - Überblick: Der Glucosyl-Phosphatidyl-Inositol-Anker (GPI-Anker) befestigt Proteine, wie die alkalische Phosphatase an der extrazellulären Membran; Als Membrananker fungieren auch holesterol, sowie verschiedene Fettsäuren; bekannte Fettsäureanker sind die Acylgruppen Myristoyl und Palmitoyl und die Prenylgruppen Geranylgeranyl und Farnesyl. 17

18 GPI Anker: vermitteln Verankerung von Proteinen auf Zelloberfläche; dazu gehören Rezeptoren, Adhesionsproteine, Enzyme und Zelloberflächenmarker; hängt am terminus; holesterol dient als Lipidanker für Proteine der edgehog-familie; diese sind an Zelloberflächen lokalisiert und wirken als morphogenetische Faktoren bei Embryonalentwicklung; Prenylierte Proteine sind involviert in Signaltransduktion (G-Proteine), in der rganisation des ytoskeletts, den vesikulären Transport und die Ausbildung der Kernstruktur; Prenylierung erfolgt über die Ausbildung eines Thioethers zwischen ys nahe des terminus und den Isoprenoiden Farnesyl ( 15 ) oder Geranylgeranyl ( 20 ) (mittels Farnseyltransferase bzw. Geranylgeranyl-Transferase I und II) Acylierte Proteine; die Acylierung erfolgt durch die Fettsäuren Myristat und Palmitat; Die Myristoylgruppe wird an einem -terminalen Glycin über eine stabile Säureamidbindung angehängt (-Myristoyl-Transferase); Protein kann nicht mehr abgespalten werden (irreversible Verknüpfung) Die Palmitoylgruppe wird in der ähe von Transmembrandomänen über eine Thioesterbindung mit einem ys verbunden (S-Palmitoylierung) oder über ein Säureamid mit einer AS gekoppelt (-Palmitoylierung); Palmitoyl-Thioesterase kann jederzeit das Protein abspalten (reversible Verknüpfung) - Lipophil modifizierte Proteine werden nicht zufällig in einer Membran verteilt, sondern zum Teil in bestimmten Membranregionen (Micordomänen), den lipid rafts oder aveolae verankert; - lipid rafts sind reich an Sphingolipiden, holesterol, P und langen, gesättigten FS, die sehr eng gepackt sind; daher werden diese Membranbereiche als geordnet und die übrigen als ungeordnet bezeichnet; diese Anordung macht sie resistent gegen Detergentien (Isolation mittels Detergenz Triton X-100 möglich); - aveolae entstehen durch Polymerisation von aveoline (Proteinklasse; spielt bei Signaltransduktionen Apoptose, Zellwachstum, Membrantransport u.a. wichtige 18

19 Rollen) aus lipid rafts und formen Einstülpungen in der Zelloberfläche (sind ebenso resistent gegen Detergentien); - In geordneten Membrandomänen sind vor allem extrazelluläre Proteine mit GPI Ankern und intrazelluläre Proteine mit Myristoylierung und Palmitoylierung oder zweifacher Palmitoylierung angereichert; Proteine, die große, verzweigte Prenylgruppen tragen sind eher gering; in lipid rafts reichern sich spezielle Transmembranproteine an; 5.) Funktion von Glycerophospholipiden in der Membran Lipidabbau: Der Abbau der Lipide erfolgt in Lysosomen durch spezifische Phospholipasen: Typ A: Entfernung einer Fettsäure Typ : ydrolyse der Phosphodiesterbindung zur Kopfgruppe (Entstehung von DAG) Typ D: ydrolyse der Phosphodiesterbindung zur Kopfgruppe (aus P: Phosphatidylcholin entsteht PA: Phosphatidsäure) A.) Phosphatidyl-Inosit und Phospholipase Phosphatidyl-Inosit kann innerhalb der Plasmamembran durch ATP Verbrauch zweimalig phosphoryliert werden (mehrere Enzyme beteiligt), wodurch Phosphatidyl-Inositol-4,5- bisphosphat entsteht (bei p=7 ist es 4fach negativ geladen); Durch ydrolyse mittels 19

20 ormon-sensitiver Phospholipase (ydrolase) innerhalb der Plasmamemrban entsteht ein Diacylglycerin (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP 3 ); Phopspholipase wird durch das G-Protein G q/11 und Rezeptor-Tyrosin-Kinasen kontrolliert; DAG und IP 3 sind die sekundären Botenstoffe (second messenger) des G q/11 -IP 3 Signalweges (neben dem G-Protein gekoppelten Adenylatcyclase Weg einer der häufigsten Signalwege, die ein extrazelluläres in ein intrazelluläres Signal übersetzen); DAG aktiviert Protein Kinase ; IP 3 bewirkt die Fresetzung von intrazellulärem a 2+, das ebenso die Protein Kinase und weitere Enzyme aktiviert; Die protein Kinase kontrolliert weitere Enzyme durch reversible Phosphorylierung; 2 R1 Phosphatidyl-Inositol-4,5-bisphosphat P P 3 2- R1 R 2 2 R 2 2 Diacylglycerin (DAG) + P P P 3 2- P 3 2- Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP 3 ) B.) Archidonsäure und Phospholipase A 2 Die Phospholipase A 2 kann Archidonsäure (20:4) aus Phospholipiden freisetzen; Archidonsäure ist die wichtigste Quelle für Eikosanoide (hormonähnliche Substanzen, dienen als Immunmodulatoren und eurotransmitter); Eikosanoide lassen sich in vier Substanzklassen unterteilen: Prostaglandine, Prostacycin, Thromboxane und Leukotriene; Prostaglandine sind Gewebshormone (wirken nur im Gewebe, wo sie ausgeschüttet werden; Grund: sehr instabil, nicht speicherbar, keine Zeit Arachidonsäure-Derivate durchs Blut zu transportieren); Sie werden mittels yclooxygenase aus der Archidonsäure gebildet; man unterteilt nach xidationskgrad in verschiedene Gruppen, die jeweils andere Wirkungen auf verschiedene Rezeptoren haben; 20

21 6.) Ganglioside an der Zelloberfläche dienen der Erkennung - Sphingolipide spielen eine wichtige Rolle in der Zell-Zell Erkennung und Wechselwirkung, in der zellulären Differentierung und in der Zellwachstumskontrolle; sie treten als Blutgruppenantigene und als Tumor-assoziierte Antigene auf; sie sind Rezeptoren für Glykoproteinhormone der irnanhangdrüße und Rezeptoren bakterieller Proteingifte (holera Toxin GM1); - Die Biosynthese der Glycosphingolipide findet im ER und im Golgi statt; - Genetische Defekte im Abbau der Glykosphingolipide führen zu schwerwiegenden Erkrankungen, da es zu abnormen Anreicherungen von Gangliosiden innerhalb der Zellmembran kommt; Gangliosid G M1 Abbau-Defekt bei Tay-Sachs Krankheit; Symptome: motorische Retardierung, Demenz, Spastik, Krämpfe, Erblindung, kurze Extremitäten 21

22 7.) Transport durch Membranen A.) Die drei aupttypen von Transportproteinen Pumpen = ATPasen (1 bis 10 3 Ionen/s) nutzen die Energie, die bei der ydrolyse von ATP frei wird, um bestimmte Ionen oder kleine Moleküle gegen den elektrochemischen Gradienten zu transportieren (primärer aktiver Transport); Pumpen sind für die Aufrechterhaltung der a 2+ und a + Konzentration innerhalb nahezu aller tierischen Zellen verantwortlich; Außerdem dienen sie der Erzeugung eines niedrigen p Wertes in den tierischen Lysosomen, den pflanzlichen Vakuolen und im Magenlumen; Kanäle (10 7 bis 10 8 Ionen/s) erleichtern den Transport bestimmter Ionen oder von Wasser entlang ihres elektrochemischen Gradienten (passiver Transport); Kanalproteine kleiden einen Kanal in der Membran aus, durch den mehrere Wassermoleküle oder Ionen gleichzeitig transportiert werden können; alle Plasmamembranen tierischer Zellen enthalten stets geöffnete K + Kanäle, wodurch ein konstantes elektrisches Potential an der Plasmamembran erzeugt wird; viele weitere Kanäle sind in der Regel geschlossen und öffnen sich nur auf bestimmte Signale hin; Kanäle interagieren nur schwach mit ihrem Substrat, sind dennoch hochspezifisch; Die Spezifität basiert auf der Ladung und der ydrathülle des zu transportierenden Ions; der Transport durch Kanäle ist erheblich schneller als der Transport durch arrier; 22

23 Transportproteine (10 2 bis 10 4 Moleküle/s) transportieren Ionen und kleinere Moleküle; man differenziert Uniporter (transportieren ein Molekül entlang des elektrochemsciehn Gradienten: passiver Transport) und otransporter (katalysieren die Bewegung eines Moleküls gegen seinen Konzentrationsgradienten, indem sie gleichzeitig ein oder mehrere Ionen entlang eines elektrochemischen Gradienten transportieren: meist also sekundär aktiver Transport; Antiporter transportieren Molekül und Ion in unterschiedliche Richtung; Symporter in dieselbe) Transporter binden immer nur ein oder wenige Substratmoleküle; nach der Bindung des Substrats erfolgt eine Konformationsveränderung, so dass ausschließlich die gebundenen Moleküle die Membran passieren können; arrier ist die allgemeine Bezeichnung für ein Transportmolekül, das mit dem zu transportierenden Stoff wechselwirkt (u.a. Transportproteine) B.) Die erleichterte Diffusion durch arrier Erleichterte Diffusion, arrier-diffusion: Diffusionsgeschwindigkeit der Substanz durch die Membran ist höher, als sie spontan durch ein Loch vergleichbarer Größe innerhalb der Membran wäre; achweis mittels zwei wichtiger Kriterien: System muss absättigbar sein (Diffusionsgeschwindigkeit darf sich ab einer bestimmten Konzentration mit zunehmender Konzentration nicht mehr erhöhen) und es sollten Inhibitoren existieren, die selektiv den Transport einer bestimmten Molekülsorte hemmen, während andere Transportfunktionen derselben Membran in takt bleiben (siehe Versuch: Anionentransport) Die erleichterte Diffusion wird durch Trägermoleküle (arrier = Permeasen), die die Membran durchspannen und spezifische Bindestellen für ihr Substrat aufweisen, ermöglicht; häufig sind solche arrier für den Kombinationstransport eingerichtet (Durchtritt durch Membran erfolgt erst dann, wenn alle Substrate gebunden haben); entweder folgt Bindung auf der gleichen Seite (Symport) oder auf unterschiedlichen Seiten der Membran (Antiport durch Wechsel-arrier); ATP-ADP Shuttle ist ein Wechselcarrier;.) Der gruppen-transfer Gruppen-Transfer: hier findet der Transport nur unter gleichzeitiger chemischer Modifizierung (z.b. Phosphorylierung oder Acylierung) des Substrats statt; solche Transporteinrichtungen sind sehr komplex gebaut; Beispiel ist der Transport von Glucose durch die Muskelmembran (gleichzeitige Umsetzung zu Glc-6-p durch ATP ydrolyse mittels exokinase); das modifizierte Agens kann auch wieder nach dem Transport abgespalten werden (z.b. beim Transport von einigen AS unter gleichzeitiger Spaltung von Glutathion; An der Innenseite der Membran werden die AS wieder frei gesetzt) D.) ATPasen Man unterscheidet vier Klassen von ATPasen: P, V und F ATPasen können nur Ionen transportieren, während ATPasen der AB-Transportfamilie auch kleine Moleküle pumpen können; zur P-Klasse gehören z.b. a 2+ ATPasen und die a + /K + ATPase; ATPasen der F und V Klassen transportieren ausschließlich Protonen; 23

24 Die atrium Kalium ATPase: Die alcium-atpase: E.) arrier als Antibiotika - Der arrier Valinomycin (Abbildung): es handelt sich um ein Makrolid-Antibiotika mit zyklischer Stuktur bestehend aus der dreifach repetetiven Einheit L-Lac-L-Val-D- iv-d-val; Es wirkt als Ionophor, das selektiv Kalium Ionen transportiert, wobei Kalium in einer käfigartigen Struktur komplexiert und so durch die Zellmembran transportiert wird; durch den Transportvorgang bricht das Membranpotential zusammen, weshalb die Zelle abstirbt; - Der arrier Monensin: In Zellen blockiert dieses Antibiotikum die Sekretion von Glykoproteinen und fungiert als a + / Protonen Antiporter; - Der arrier Gramicidin A: es handelt sich um ein Peptid-Antibiotika, dass sich in die Zellmembran einlagert; zwei Moleküle Gramicidin bilden einen Ionenkanal zwischen ytoplasma und Zelläußerem; dieser Kanal ist spezifisch für monovalente Kationen wie Kalium; der unregulierte Ionenfluss entlang des jeweiligen Konzentrationsgradienten führt zum Zelltod; 24

25 F.) Transportproteine: Uniporter - Die Plasmamembran der meisten Zellen enthällt mehrere Uniporter; sie transportortieren beispielsweise K, AS, ukleoside und weitere kleine Moleküle durch die Zellmembran entlang ihres Gradienten (in die Zelle oder aus der Zelle); der Transport entlang eines Konzentrationsgradienten wird als erleichterte Diffusion bezeichnet, da der ΔG Wert immer denselben negativen Wert hat ob mit oder ohne Transporter; die Aktivierungsenergie für den Transport durch die Membran ohne Transporter wäre nur zur hoch; - Unterschiede zwischen Uniport und passiver Diffusion: die Geschwindigkeit der erleichterten Diffusion ist sehr viel höher als die der passiven durch die hydrophobe Membran; der Uniport ist spezifisch; Die Geschwindigkeit der erleichterten Diffusion folgt einer Michaelis Menten Kinetik, während die Geschwindigkeit der passiven Diffusion linear (sehr geringe Steigung) mit dem Konzentrationsgradienten zunimmt; G.) Die GLUT Transporter sind Uniporter - Alle GLUTs ermöglichen die erleichterte Diffusion (ohne Energieverbrauch aufgrund des chemischen Gradienten für Glucose); folgende GLUTs gehören zu Typ1; - GLUT1 sorgt in fast allen Säugerzellen für eine kontinuierliche Glucose Aufnahme; insulinunabhängig; hohe Affinität zu Glucose - GLUT2 in Leberzellen = epatozyten, β-zellen des Pankreas, Darm, iere; insulinunabhängiger Transporter; geringe Glucose-Affinität (hoher K m Wert schleust bei hohem Blutzuckerspiegel mehr Glucose ein; aktiviert dadurch Insulinsynthese in den β-zellen und hemmt den Glykogenabbau in der Leber) - GLUT3 in ervenzellen des Gehirns; insulinunabhängig; geringerer K M als GLUT1 (gewährleistet Glucoseaufnahme bei niedrigem Blutzuckerspiegel, da höhere Affinität) - GLUT4 in Fetzellen und Muskelzellen; insulinabhängig; hohe Affinität zu Glucose; Speicherung intrazellulär in Vesikeln (wird vermehrt in die Membran eingeschleust, wenn Insulin im Blut vorhanden Signalkaskade).) Transportproteine: Symporter und Antiporter Wie auch Pumpen koppeln Antiporter und Symporter eine energetisch ungünstige (Transport eines Moleküls gegen seines Gradienten) an eine energetisch günstige (Transport eines Ions entlang seines Gradienten) Reaktion; der otransport von a + (in die Zelle) ist häufig, da er sowohl vom a + -Konzentrationsgradienten, als auch durch das elektrische Membranpotential angetrieben wird; dieser Transport kann mit z.b. dem Transport von Glucose gegen seinen Gradienten gekoppelt werden; Antiporter und Symporter sind sekündär aktive Transporter, da 25

26 der Gradient von atrium durch eine a-k-atpase (3 atrium aus der Zelle, 2 Kalium in die Zelle) aufrecht erhalten werden muss, wodurch ATP verbraucht wird; I.) atrium-glucose-symport im Dünndarmepithel Die Dünndarmepithelzellen und die ierentubuliepithelzellen müssen Glucose gegen eines steilen Konzentrationsgradienten aufnehmen; dieser Transport wird durch den Zwei- atrium-ein-glucose-symporter katalyisert; dadurch werden 2 atrium-ionen zusammen mit einem Glucose Molekül in die Zelle aufgenommen; nach der gleichzeitigen Besetzung aller atrium und Glucosebindestellen auf der extrazellulären berfläche des Transporters wird eine Konformationsveränderung ausgelöst, durch die sich eine Pore in der Membran bildet; hierdurch können die drei Teilchen auf entsprechende Bindestellen auf der cytosolischen Seite des Proteins gelangen, von denen sie ins ytosol übergehen; nach dem Transport erlangt das Protein seine ursprüngliche Konformation zurück; Alle inneren und äußeren Körperoberflächen sind mit einer Schicht aus Epithelzellen, dem Epithel, ausgekleidet; Epithelzellen des Magens transportieren Protonen ins Lumen, wodurch ein niedriger p=1 erreicht wird, während Epithelzellen des Dünndarms Verdauungsprodukte wie Glucose und AS ins Blut transportieren; Das Darmepithel ist stark polarisiert, weil sich die zwei Seiten dieser Zellen sowohl in Struktur als auch in Funktion stark unterscheiden; das Blut enthält viel atrium und wenig Kalium, mittels a + K + ATPase in der basolateralen Membran werden 2 Kalium-Ionen vom Blut in die Epithelzelle und 3 atrium Ionen von den Epithelzellen ins Blut transportiert, wodurch die Epithelzellen negativ aufgeladen werden und ein Mangel an atrium aufweisen; Sowohl der a-konzentrationsgradient, als auch das Membranpotential, werden dazu genutzt den Glucosetransport mittels Zwei-atrium-Ein-Glucose- Symporter innerhalb der Mikrovilli der apikalen Membran vom Darmlumen in die Epithelzellen zu transportieren; die Glucose verlässt die Zelle über GLUT2 (erleichterte Diffusion) innerhalb der basolateralen Membran; für den Transport der AS gilt das gleiche Prinzip! J.) Anionentransport im Erythrozyten bere Abbildung: im Muskel Untere Abbildung: in der Lunge Die Umgebung ist elektroneutral! 26

27 Kohlenhydrate 1.) Monosaccharide - Kohlenhydrate sind Ketone oder Aldehyde mit mehreren ydroxylgruppen: n ( 2 ) n - Die einfachsten Kohlenhydrate sind Triosen: Dihydroxaceton (Ketose) und D oder L Glycerinaldehyd (enantiomere Aldosen). - D (Rechts) oder L (links) beschreibt die absolute konfiguration an dem hiralitätszentrum (assymetrisches Atom), das am weitesten von der Aldehydgruppe entfernt ist. - Ketosen haben ein hiralitätszentrum weniger als Aldosen - Epimere unterscheiden sich nur in der Konfiguration an einem Atom - Keto-Enol Tautomerie ermöglicht die Isomerisierung zwischen Ketose und Aldose - D- Struktufromeln merken: eine Aldose mit n Atomen hat n-2 hiralitätszentren. Eine Ketose mit n Atomen hat n-3 hiralitätszentren. Für L Konfiguration einfach spiegeln! o Für das erste hiralitätszentrum (Alodse: 2 Atom, Ketose: 3 Atom) schreibt man die ydroxylgruppe abwechselnd rechts links. o Für das zweite hiralitätszentrum (3 bzw. 4) schreibt man die hydroxylgruppe abwechselnd 2 mal rechts, 2 mal links o Für das dritte hiralitätszentrum schreibt man die ydroxylgruppe abwechselnd 4 mal rechts, 4 mal links o 8 mal rechts, 8 mal links etc. D-Aldosen: D-Glycerinaldehyd D-Erythrose D-Threose D-Ribose D-Arabinose D-Xylose D-Lyxose Triose Tetrosen Pentosen D-Allose D-Altrose D-Glucose D-Mannose D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose Alle Alten Glucken Möchten Gerne Im Garten Tanzen exosen 27

28 D-Ketosen: Dihydroxyaceton D-Erythrulose D-Ribulose D-Xylulose Triose Tetrose Pentosen D-Psicose D-Fructose D-Sorbose D-Tagatose exosen - Pentosen und exosen zyklisieren in Lösung unter Bildung eines albacetals bzw. albketals. Aldohexosen zyklisieren zu Pyranosen (sechsgliedriger Ring). Ketohexosen zyklisieren zu Furanosen (fünfgliedriger Ring) oder Pyranosen. Pyranoseform wird bevorzugt, da weniger Ringspannung. - Geradkettige Form: Fischerprojektion / Ringform: aworth Projektion - Durch Bildung des zyklischen albacetals entsteht zusätzliches hiralitätszentrum: das Atom der ehemaligen arbonylgruppe. Es wird als anomeres Atom beschrieben. In Ringschreibweise unterscheidet man daher nochmals die diastereomeren α und β Formen (= Anomere Formen) voneinander. Bei der α Form befindet sich die ydroxylgruppe am anomeren Atom unterhalb der Ringebene; bei der β Form oberhalb - Mutarotation: α und β Anomere können ineinander übergehen. ach bestimmter Zeit herrscht Gleichgewicht: 1/3 α, 2/3 β und 1% Kettenform 28

29 2 α-d-fructo-pyranose D-Fructose 2 β-d-fructo-pyranose α-d-fructo-furanose Endiol 2 β-d-fructo-furanose 2 2 α-d-gluco-pyranose D-Glucose β-d-gluco-pyranose Furan Pyran - Monosaccharide bilden mit Alkoholen und Aminen Addukte (=Glykoside). Die entsprechenden Bindungen heißen - und -glykosidisch - Addukte, bei denen das anomere -Atom an der Bindung beteiligt ist, können nicht mehr in die Kettenform übergehen und reagieren daher nicht mehr mit xidationsmitteln. Polysaccharide weisen in diesem Falle ein nicht reduzierendes Ende auf. - Wenn das anomere Atom nicht beteiligt ist, liegt ein reduzierendes Ende vor. Reduzierende Zucker werden durch xidationsmittel oxidiert (yrbonylgruppe wird nach Freilegung zur arboxylgruppe). 29

30 2.) Disaccharide - α Bindung liegt unterhalb der Ringebene, β Bindung oberhalb β-d-fructo-furanose α-d-gluco-pyranose α-d-gluco-pyranose D-Gluco-Pyranose Saccharose α-1,2--glykosidische Bindung 2 2 Maltose α-1,4--glykosidische Bindung β-d-gluco-pyranose D-Gluco-Pyranose β-d-galacto-pyranose D-Gluco-Pyranose ellobiose β-1,4--glykosidische Bindung Laktose β-1,4--glykosidische Bindung - Saccharose (Rohrzucker): α-d-glucopyranosyl-1,2-β-d-fructofuranose (Spaltung durch Saccharase) o at nicht reduzierende Gruppe (Trehalose Typ) - Maltose (Malzzucker): α-d-glucopyranosyl-1,4-α-dglucopyranose (Spaltung durch Maltase) o at reduzierende Gruppe (Maltose Typ) - Lactose (Milchzucker): β-d-galactopyanosyl-1,4-α-d-glucopyranose (Spaltung durch Lactase, bzw. β Galactosidase in Bakterien) o at reduzierende Gruppe (Maltose Typ) - ellobiose 30

31 3.) Polysaccharide - Glykogen (Speicherform der Glucose tierischer Zellen): verzweigtes omopolymer, das durch α-1,4 glyk. Bindungen (Kette) und α-1,6 glyk. Bindungen (Zweige) verknüpft ist. Zweige alle 10 Monomere - Stärke (Speicherform der Glucose pflanzlicher Zellen): Amylose (unverzweigter Teil aus α-1,4 glyk verknüpften Glucoseeinheiten) und Amylopektin (verzweigter Teil wie Glykogen, Zweige alle 30 Monomere). Stärke wird durch die α Amylase abgebaut - ellulose (Zellwand von Pflanzen) ist ein unverzweigtes, langkettiges Polymer mit β- 1,4 glyk Bindungen. Parallele Ketten bilden Fibrillen, die untereinander -Brücken bilden. Säuger haben keine ellulasen - Stärke und Glykogen liegen als elixform vor; α glykosidische Bindungen erzeugen offene helikale Polymere. β glykosidisce Bindungen erzeugen gerade Stränge ukleinsäuren - ukleinsäuremonomere bestehen aus einem Kohlenhydrat, einem Phosphat und einer Base Basen: Pyridin Indol Pyrimidin Purin Uracil Thymin ytosin Adenin Guanin - P - Monohydrogenphosphat Desoxy-β -D-Ribo-Furanose 31

32 ukleosid 2 5'-ukleotid ukleosid-5'-mono-phosphat - P damp 2-Desoxy-Adenosin hne Phosphat: Adenosin bzw. Desoxyadenosin Guanosin ytidin Uridin Thymidin 2-Desoxy-Adenosin-Monophosphat Mit Phosphat: Adenylat bzw. Desoxyadenylat Guanylat ytidylat Thymidylat 2 - P - P - P - 2 ATP Adenosin-Triphosphat β-1,9--glykosidische Bindung Phosphorsäure-Ester-Bindung Phosphorsäure-Anhydrid-Bindung DA und RA: - ukleotide sind Monomere der DA bzw. RA; sie sind verbunden über Phosphodiesterbrücken - Die DA besteht aus komplementär gepaarten Basen und einem Rückgrat aus Desoxyribose und Phosphatgruppen; Zwei gepaarte Stränge bilden eine Doppelhelix, die im Zentrum durch -Brücken zwischen den gepaarten Basen zusammengehalten werden; - Thymin und Adenin paaren über 2 Brücken; ytosin und Guanin paaren über 3 Brücken - Die eukaryotische DA liegt als hromosomen im Zellkern und von istonen (basische Proteine) umwunden vor; Die prokaryotische ringförmige DA liegt dagegen frei in der Zelle vor, wobei diese zusätzlich noch einen DA-Plasmidring auf dem z.b. Antibiotikaresistenzen liegen aufweisen; 32

33 - P - P - P - - DA weist 2-Desoxyribose auf, RA hat Ribose als Zucker (kann also sowohl 3 5 Verbindung, als auch 2 5 Verbindung eingehen) - Man schreibt Basensequenzen von 5 (Phosphatgruppe) zum 3 Ende (unverknüpfte Gruppe) - Uracil ersetzt in der RA die Base Thymin - egative Ladung der Phosphatgruppen macht die ukleinsäuren resistent gegenüber ydrolyse durch nukleophile Reagenzien (Stabilität höher). Das Fehlen der 2 Gruppe erhöht die Resistenz gegenüber ydrolyse weiter (DA in atur bevorzugt gegenüber RA) - Das Abbauprodukt des ukleinsäurestoffwechsels ist die arnsäure. Sie wird wie arnstoff über die ieren ausgeschieden arnsäure Aminosäuren pks: 3,1 + 3 pks: 8,0 - α R - α Aminosäuren sind optisch aktiv, da α Atom chiral - L Aminosäuren (R Konfiguration ) sind proteinogen (D Aminosäuren sind Enantiomere und weisen S Konfiguration auf) - Aminosäuren in Lösung: Zwitterionen (Aminogruppe protoniert, arboxylgruppe dissoziiert) - Jede Aminosäure hat einen spezifischen isoelektrischen Punkt p I (derjenige p Wert, bei dem ein Ampholyt (können als Base und als Säure reagieren) im elektrischen Feld weder zur Anode noch zur Katode wandert). Aminosäuren sind Puffer (da sie Protonen aufnehmen und abgeben können). P I berechnet sich aus dem arithmetischen Mittel aller pks Werte. - Wenn der pks Wert der funktionellen Gruppe kleiner (größer) ist als der p Wert des umgebenden Mediums ist die Seitenkette deprotoniert (protoniert) 33

34 - Der p Wert berechnet sich mittels endersen asselbachgleichung (es wird der pi Wert eingesetzt) Proteinogene Aminosäuren (die 20 kanonischen AS): G Gly Glycin A Ala Alanin V Val Valin L Leu Leucin I Ile Isoleucin * 3 3 aliphatisch, unpolar Isoleucin hat am β Atom ein hiralitätszentrum - Glycin ist die einzig nicht optisch aktive Aminosäure, da das α Atom nicht chiral ist. - Je größer die aliphatische Gruppe, desto stärker der ydrophobe Effekt (die Seitenketten im Protein lagern sich mehr zusammen, wodurch 3D Struktur stabilisiert wird) D Asp Asparaginsäure E Glu Glutaminsäure pks: 4,0 saure pks: 4,3 K Lys Lysin R Arg Arginin pks: 10,8 pks: 12,5 basische Guanidinium - Lysin: epsilon-aminogruppe - Arginin: Guanidiniumgruppe (positive Ladung am delokalisiert) - Arginin ist Metabolit im arnstoffzyklus; wird zu rnithin und arnstoff gespalten ys ystein M Met Methionin S S pks: 8,3 3 schwefelhaltig R R S R R kovalente Dimerisierung S S ystin S R R - 2 R R reduziert oxidiert - Methionin: Thioether (Methylgruppenübertragung möglich) - ystein: Thiol (Disulfidbrückenbildung zum ystin möglich, was Struktur des Proteins stabilisiert) 34

35 S Ser Serin T Thr Threonin Asn Asparagin Q Gln Glutamin * neutral, polar Asparagin und Glutamin: arboxamid (keine Aminogruppe, da nicht protonierbar) - Glutamin ist universeller 2 Donor im Stoffwechsel - Serin (und Threonin) kann im Protein phosphoryliert werden und befindet sich häufig im aktiven Zentrum von Proteasen. - Threonin weist am β Atom ein hiralitätszentrum auf. P Pro Prolin - zyklische - es handelt sich um eine Iminosäure mit Pyrrolidinring - die proteinstruktur wird durch prolin maßgeblich beeinflusst, da es in seiner Konformation stark eingeschränkt ist (α elices und β Faltblätter werden unterbrochen, um eigene Motive zu initiieren) F Phe Phenylalanin Y Tyr Tyrosin W Trp Tryptophan is istidin Indol pks: 10,1 aromatische pks: 6,0 Imidazol - Tryptophan: Indolring - istidin: Imidazolring - is befindet sich oft im aktiven Zentrum, wo der Ring je nach Bedarf Protonen binden oder abgeben kann: Säure-Base katalyse ( hat geringe Affinität zu + ) - Tyr und Trp absorbieren besonders gut ultraviolettes Licht (bei 280nm), wodurch Proteinkonzentrationen bei bekannter Anzahl dieser Aminosäuren abgeschätzt werden kann - Tyrosin kann im Protein phosphoryliert werden Selenocystein und Pyrrolysin sind ebenso proteinogen 35

36 Aminosäure-Modifikationen AS können u.a. lipidiert und acetyliert werden etwa 100 post-translationale AS Modifikationen sind bekannt; nur 24 AS werden ribosomal ins protein eingebaut; ypovitaminose = Vitaminmangel 1.) Skorbut = Ascorbat-ypovitaminose Ascorbat = Vitamin Vitamin ist wichtiger ofaktor bei der Modifizierung der Aminosäuren Prolin und Lysin zu ydroxyprolin und ydroxylysin (ydroxylierung); bei fehlender ydroxylierung werden nur schadhafte Kollagenmoleküle (Bestandteil von aut und Bindegewebe) gebildet, die ihrer Funktion als Strukturprotein nicht nachkommen können; Synthese von ydroxyprolin: Prolin + α-ketoglutarat + 2 ydroxylprolin + Succinat + 2 ; Prolyl-ydroxylase (Fe III Fe II ; ofaktor: Ascorbat) Durch Skorbut ausgelöste Depression kommt durch Mangel an Adrenalin und oradrenalin zustande (Synthese mittels Dopamin-β-ydroxylase ist Vitamin abhängig) 2.) Vitamin K-ypovitaminose Vitamin K dient der Synthese von Prothrombin und anderen Gerinnungsfaktoren; bei Vitamin K Mangel wird abnormales Prothrombin gebildet, das keine a 2+ Ionen binden kann, da γ- arboxyglutamat fehlt (es kommt zu starken Blutungen); normalerweise würde eine Vitamin-K abhängige arboxylierung aus dem schwachen a 2+ Gelator Glutamat den starken a 2+ Gelator arboxyglutamat synthetisieren; ( 2 ) 2 Stabilisierung und Verknotung der Kollagenfibrillen Kommt nur in Actin und Myosin vor ydroxy-lysin Erhöht Löslichkeit und stabilisiert Kollagenfibrillen 3 3-Methyl-istidin Prothrombin, alcium- Komplexierung; 2 ydroxy-prolin - - arboxy-glutamat 36

37 + 3-2 P 3 2- Tyrosyl-phosphat Aminosäurederivate: Serinphosphat, Threoninphosphat, Tyrosylsulfat Signaltransduktion (Phosphatasen und Kinasen), Regulation von Proteinen, reversible Schalter, Regulation von zellulären Prozessen; Enzymkaskadeneffekt; RME; GEE; L - Tyrosin DPA Dopamin oradrenalin Adrenalin Peptide und Proteine 1.) Peptide - Kondensationsreaktion pks: 2, R -2 2 pks: 10,5 R R R -terminus Peptid -terminus G P F - α arboxylgruppe reagiert mit α Aminogruppe einer anderen Aminosäure unter Wasserabspaltung zu einer Peptidbindung. - Polypeptide bestehen aus auptkette, Rückgrat (arbonyl und Gruppen) und den einzelnen Seitenketten. Wasserstoffbrücken innerhalb des Rückgrats führen zur Sekundärstruktur. Bindungen zwischen Rückgrat und Seitenketten sowie innerhalb der Seitenketten führen zur Tertiärstruktur. 37

38 Peptidbindungen sind immer trans-konfiguriert Aspartam (Süßstoff) D F Methylester + 3 Glutathion (Antioxidanzmittel) - S E γ-arboxylgruppe von Glutaminsäure bildet mit Aminogruppe des ystein Isopeptidbindung G - Große Polypeptide ab ca. 100 AS sind Proteine und weisen bis zu 2000 Aminosäuren auf. 2.) Primärstruktur: genetisch codierte Aminosäuresequenz 38

39 - Die Länge der Bindung zwischen und innerhalb der Peptidbindung liegt zwischen der Länge einer - und einer = Bindung; der partielle Doppelbindungscharakter lässt sich durch den Mesomerie Effekt erklären; - Durch die Mesomerie innerhalb der Peptidbindung wird die Peptid-Einheit planar; lediglich die Bindungen zwischen und α sowie zwischen und α sind drehbar; - Deshalb ist bei der Strukturaufklärung eines Protein-backbones die Position von α mit seinem Diederwinkelpaar φ und Ψ das einzige was man benötigt; o φ = entlang der α Bindung schauen; der Winkel wird definiert durch am und am α ; o Ψ = entlang der α Bindung schauen; der Winkel wird definiert durch am α und am ; - Es sind nicht viele Diederwinkelpaare sterisch erlaubt; jedes Diederwinkelpaar hat eine bestimmte (auf Statistik und Entropie beruhende) Zustandswahrscheinlichkeit, die im Ramachandran-plot visualisiert wird; jedes Diederwinkelpaar begünstigt darüber hinaus eine bestimmte Sekundärstruktur (wenn eine Reihe von aufeinander folgenden α Atome etwa das gleiche Diederwinkelpaar aufweisen); dadurch lassen sich die äufigkeit bestimmter Sekundärstrukturen innerhalb eines Moleküls abschätzen; - bei kleinem Rest am α sind mehr Winkelpositionen möglich, als bei einem großen Rest (Glycin kann am meisten Diederwinkelpaare einnehmen); grüne Inseln stellen den Bereich dar, der erlaubt ist; blaue Inseln sind die wahrscheinlichsten Bereiche; - Im rechten Bild symbolisiert ein punkt ein Diederwinkelpaar; Punkte die nahe beieinander liegen, haben fast dieselbe Winkelwahrscheinlichkeit und bilden daher 39

40 meist ein gemeinsames Sekundärstrukturelement (deren Positionen im linken Bild durch die orangene Punkte angedeutet werden) - Beispiel: wenn φ = Ψ = 180 gilt, liegt die Polypeptidkette gerade gestreckt vor; dies ist entropisch aufgrund des hydrophoben Effekts sehr ungünstig und ist somit nicht erlaubt (es käme zur Bildung eines Zufallsknäuels; unten rechts im Plot); wenn φ = Ψ = 0 gilt, dann stoßen die Reste der planaren Peptidbindungen direkt aneinander, was sterisch absolut ungünstig ist (in der Mitte des Plots) - Prolin schränkt die Struktur eines Proteins erheblich ein, da es φ = -65 vorgibt; - Da sich zwischen den einzelnen Sekundärstrukturelementen loops und turns befinden, welche die Tertiärstruktur definieren, gibt es auch einzelne Punkte außerhalb des erlaubten Bereichs; - Folgende Sekundärstrukturen findet man im Ramachandran-plot: o Paralleles Faltblatt und antiparalleles Faltblatt befinden sich im blauen Bereich oben links; das antiparallele etwas über dem parallelen; o Links-drehende α elix befindet sich im grünen Bereich rechts o Rechts-drehende α elix (wesentlich häufiger) befindet sich unten links im blauen bereich o Die Pi und die 3 10 elix befinden sich direkt unter- und oberhalb der α elix 3.) Sekundärstruktur Sekundärstruktur meint die räumliche Anordnung des Rückgrats, aufgrund der Dieder- Winkel. Der Zusammenhalt der Sekundärstrukturen erfolgt lediglich aufgrund der -brücken- Bindungen und der delokalisierten Pi Elektrktronensysteme in der Peptidbindung; Man unterscheidet bestimmte Motive, die häufigsten sind: A.) α elix indem zwischen jeder vierten Peptidbindung eine intramolekulare Wasserstoffbrücke (jede Peptidbindungen geht 2 -Brücken ein) ausgebildet wird (= Gruppe der Peptidbindung i mit - Gruppe der Peptidbindung i+4), entsteht eine starre elix (Seitenketten ragen nach außen heraus) mit 3,6 AS pro 360 Windung (100 Drehung und 0,15 nm Verschiebung zwischen jeder AS); daraus ergibt sich eine Ganghöhe von 3,6 AS * 0,15nm = 0,54 nm; die AS i liegt exakt unterhalb der AS i+18 (18*0,15 = 2,7nm und 2,7/0,54 = 5 Ganghöhen darüber); äherungsweise kann man sagen, dass bereits AS i unterhalb von AS i+7 liegt (7*0,15=1,05 1nm und 1,05 /0,54 = 1,94 2 Ganghöhen darüber); man spricht in diesem Fall von einer eptade, die 1nm hoch ist und 2 Windungen hat; die Membrandomänen von Membranproteinen sind meist α-elices: 21AS entsprechen 3 eptaden, die benötigt werden um eine 3 nm dicke Membran zu durchspannen; Prolin bricht die elixstruktur! So genannte helical wheels (eptadenmuster) eignen sich zur Aufsichts-Darstellung einer elix; die 7 AS werden um 100 versetzt in einen Kreis gemalt; so lässt sich erkennen, ob 40

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