Stoffwechsel - Energiebereitstellung - Biomoleküle

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1 Biochemie und Stoffwechsel Biochemie Aufklärung der Stoffwechselwege und -teilschritte Identifikation der Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukte (Stoffwechselprodukte) Enzyme sind Proteine mit Katalysatorwirkung. Jeder Stoffwechselschritte wird von einem Enzym katalysiert. Ungefähr die Hälfte der Trockensubstanz einer Zelle sind Proteine, davon 80-90% Enzyme. Stoffwechsel - Energiebereitstellung - Biomoleküle Endprodukte des Energiestoffwechsels: Milchsäure, Ethanol, Methan, Aceton, Butanol Primärmetabolite: Wichtige Funktion im Stoffwechsel; werden während dem Wachstum gebildet. Z.B. Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, Vitamine Sekundärmetabolite: Keine grundlegende Funktion im Stoffwechsel; Bildung meistens erst nach Abschluss des Wachstums. Z.B. Antibiotika, Toxine, Farbstoffe ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 1

2 Energiebereitstellung und Aufbau von Biomolekülen Biomoleküle ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 2

3 Die wichtigsten Biomoleküle Kohlenhydrate Monosaccharide Disacchaccharide Oligosaccharide Polysaccharide Proteine Aminosäuren Nukleotide Basen Phosphat Pentosezucker Lipide Glycerin Fettsäuren Phosphat Aus diesen Sustanzen können von jeder Zelle die meisten Biomoleküle synthetisiert werden ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 3

4 Kohlenhydrate: Funktionen und Aufgaben Energielieferanten, Ausgangssubstanzen für die Herstellung anderer Stoffe (Monosaccharide, Disaccharide) Markierung von Proteinen (Oligosaccharide in Glykoproteinen) Energievorräte, Baustoffe (Polysaccharide) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 4

5 Kohlenhydrate: Aufbau Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff Wasserstoff Sauerstoff Meist im Verhältnis (C 1 H 2 O 1 ) z.b. Glucose: C 6 H 12 O ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 5

6 Zuckerketten Monosaccharide: 1 Zuckermolekül Glucose [Traubenzucker, Dextrose], Fructose [Fruchtzucker], Galactose Disaccharide: 2 Zuckermoleküle Saccharose [Rohrzucker], Lactose [Milchzucker] Oligosaccharide: 3-ca. 15 Zuckermoleküle Streptomycin [ein Antibiotikum] -> Glykoproteine Polysaccharide: lange Ketten von Zuckern Stärken [Pektin, Amylose, Glykogen], Cellulose, Chitin ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 6

7 Aufbau der Zucker: Ausgangspunkt Glycerinaldehyd ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 7

8 Räumliche Struktur der Zucker ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 8

9 Die wichtigsten Zucker Monosaccharide Disaccharide ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 9

10 Polysaccharide In der Natur - besonders im Pflanzenreich - besonders zahlreiche, verschiedene Polymere: Stärken: Glykogen, Amylose, Pektin Cellulose Chitin ist ein Polymer aus N- Acetylglucosamin ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 10

11 Proteine: Funktionen und Aufgaben Baustoffe (z.b. Kollagen, Matrixproteine, Cytoskelett) Katalysatoren (z.b. Enzyme) Transporteure (z.b. Hämoglobin) Motoren (z.b. Muskelproteine) Botenstoffe (z.b. gewisse Hormone) Energiereserve für Notzeiten ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 11

12 Proteine: Aufbau Proteine bestehen aus Aminosäuren, welche alle folgende gemeinsame Grundstruktur haben: Aminogruppe, basisch COOH Säuregruppe H N 2 C H R Rest ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 12

13 Die 20 Aminosäuren 1 Reine Kohlenstoffseitenkette 2 polare AS (nichtionisch) 3 Saure AS 4 Basische AS Essentielle AS für den Menschen Valin Leucin Isoleucin Phenylalanin Tryptophan Methionin Threonin Lysin ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 13

14 Chemische Bindungen Chemische Bindungen unterscheiden sich durch die Energie, die gebraucht wird, um sie zu lösen. Bindungsstärke Länge [kj/mol] [nm] Kovalente Bindung (C C) Schwache Bindungen Ionische Bindung Wasserstoffbrückebindung Van-der-Waal-Bindung Thermische Bewegung bei RT ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 14

15 Bindungsarten in Proteinen (und anderen Makromolekülen) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 15

16 Entstehung von Proteinen ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 16

17 Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 17

18 Enzyme: Biologische Katalysatoren ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 18

19 Proteine Primärstruktur: Aminosäurensequenz ( Backbone ) Sekundärstruktur: Helixstruktur / Faltblatt Tertiärstruktur: Faltung zu einem globulären Protein Quartärstruktur: Verbund von mehreren globulären Proteinen (z.b. Hämoglobin) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 19

20 Zytoskelett: Knochen und Muskeln der tierischen Zellen Keratinfasern in einer tierischen Zelle ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 20

21 Kollagen ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 21

22 Muskelfasern ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 22

23 Muskelkontraktion ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 23

24 Lipide: Funktion und Aufgaben Energielieferanten Baustoffe (Zellmembranen [s. vorne], Körperfett) Lipide: Aufbau Lipide oder Fette bestehen aus den Grundbausteinen: Fettsäuren Glycerin Phosphor mit Resten wie Cholin, Serin, etc ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 24

25 Lipide: Aufbau ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 25

26 Nukleotide: Funktion und Aufgaben In Nukleinsäuren: Träger der Erbsubstanz (DNS, genetische Bibliothek, Bauanleitung für Biomoleküle) Synthesevorlagen (RNS) Proteinsynthesemaschinen (RNS) Andere Funktionen: Träger von chemischer Energie (ATP) Bestandteile von Enzymen (Coenzym A) Signalmoleküle (camp) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 26

27 Nukleotide: Aufbau Aufbau der DNS Andere Funktionen der Nukleotide Energieüberträger Teile von Enzymen (CoenzymA) DNS- und RNS-Moleküle bestehen aus: Signalstoffe Einem Pentosephosphatrückgrat entweder Ribose (RNS) oder Deoxyribose (DNS) [S-P-S-P-S-P] und den Basen Thymin (T, nur DNS), Cytosin (C) oder Uracil (U, nur RNS) Guanin (G) und Adenin (A) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 27

28 Stoffwechselschema Kohlenhydrate (Glykogen, Glucose, Fructose, etc.) Serin Glycin Cystein Glykolyse Leucin Valin Pyruvat Alanin Lactat Purine (Nukleinsäuren) Histidin Phenylalanin, Tryptophan Acetyl-CoA Äthanol Fettsäuresynthese Fettsäureoxidation Lipide Tyrosin Aspartat Oxalacetat Citrat Arginin Succinat 2-Ketoglutarat Glutamat Aspartat Lysin Methionin Threonin, Isoleucin Asparagin Harnstoff Porphyrine (Hämoglobin) Glutamin Prolin Pyrimidine (Nukleinsäuren) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 28 TCC Pentosephosphatzyklus Shikimisäureweg Harnstoffzyklus

29 Energiestoffwechsel Wärme Mensch, Tiere, Pflanzen Viele Mikroorganismen: Kohlenhydrate Fett Proteine Sauerstoff (Oxidation) Kohlendioxid und Wasser Mikroorganismen können auch aus anderen Quellen, z.b. anorganischen Substanzen, Energie beziehen. ADP ATP Kreatinphosphat NADH Zellarbeit Wärme ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 29

30 Katabolismus: Energiebereitstellung Stufe 1: Abbau grosser Makromoleküle zu einfachen Einheiten Stufe 2: Abbau der einfachen Einheiten zu AcetylCoA und begrenzter Mengen von ATP und NADH Stufe 3: Komplette Oxidation von AcetylCoA zu H2O und CO2 und grossen Mengen von ATP und NADH ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 30

31 Glykolyse ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 31

32 Mitochondrien: Citronensäurezyklus (Citratzyklus, Tricarbonsäurezyklus) ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 32

33 Atmungskette ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 33

34 Bakterielle H + -Transportsysteme ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 34

35 Elektronenableitung Die Elektronen aus der Glykolyse werden auf NADH2 und von dort auf das Endprodukt der Glykolyse übertragen und von der Zelle ausgeschieden ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 35

36 Chloroplasten: Kohlenstofffixierung ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 36

37 Photophosphorilierung ETH Zürich / D-MAVT / Einführung in die Biotechnologie / Felix Gmünder 37

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