Biomaterialien. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

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1 Biomaterialien Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 1

2 Molekulare Basis des Lebens: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Dr. Thomas Hanke, IfWW/MBZ, AG Biomimetische Materialien und Biomaterialanalytik Professur Biomaterialien (Prof. Dr. H-P. Wiesmann) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 2

3 Biomaterial Werkstoff (Metalle, Polymere, Keramiken, Gläser, Komposite) im Kontakt mit einer biologischen Umgebung, mit lebenden Gewebe Das lebende Gewebe verändert den Werkstoff und produziert als Antwort selbst Material (z.b. die extrazelluläre Matrix, EZM) Das Biomaterial im lebenden Organismus ist eine Synthese aus dem ursprünglichen Werkstoff und der stofflichen Antwort des Organismus Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 3

4 Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Aminosäure Nukleotid Polypeptid Protein Nukleinsäure Kondensationsreaktionen Monosaccharid Polysaccharid (Kohlenhydrat) Phospholipid Lipid-Doppelschicht Selbstorganisation Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 4

5 Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Ungefähre stoffliche Zusammensetzung einer typischen Säugerzelle Prescher & Bertozzi NATURE CHEMICAL BIOLOGY (2005) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 5

6 Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Werkstoff/Biomaterial als Implantat im lebenden Organismus Nukleinsäuren Kohlenhydrate Lipide Proteine Anionen Metalle (Kationen) Peptide Informationelle Antwort des lebenden Organismus Stoffliche Antwort des lebenden Organismus Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 6

7 Molekulare Basis des Lebens Mengenelemente (> 50 mg/kg Körpermasse) Symbol Element OZ % vom menschlichen Körpergewicht O Sauerstoff 8 65,0 C Kohlenstoff 6 18,5 H Wasserstoff 1 9,5 N Stickstoff 7 3,5 Ca Calcium 20 1,5 P Phosphor 15 1,0 K Kalium 19 < 0,4 S Schwefel 16 < 0,3 Na Natrium 11 < 0,2 Cl Chlor 17 < 0,2 Mg Magnesium 12 < 0,1 Spurenelemente (< 50mg/kg Körpermasse): Bor, Cobalt, Chrom, Kupfer, Eisen, Jod, Mangan, Molybdän, Selen, Silicium, Zinn, Vanadium, Zink Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 7

8 Molekulare Basis des Lebens (hier) atomare bzw. Elementbasis des Lebens: Nur 30 der 92 existierenden stabilen chemischen Elemente kommen in lebenden Systemen vor Ca. 98 % der Elemente sind C H O P S N alle haben niedrigen Ordnungszahlen und Molmassen alle sind sehr reaktiv und bilden leicht kovalente Bindungen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 8

9 Molekulare Basis des Lebens (Sehr kurzer) Blick auf die Metalle in der belebten Natur Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 9

10 Metallionen Natrium-Kalium-Pumpen Natrium-Kalium-ATPase 3 Na + / 2 K + -ATPase Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 10

11 Metallionen Vitamin B12 Cytochrom c Chlorophyll Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 11

12 Metallionen Cu/Zn- Superoxid- Dismutase Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 12

13 Metallionen Knochenapatit * als Phosphat, ** als Carbonat Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 13

14 Molekulare Basis des Lebens Die molekulare Basis des Lebens wird quantitativ durch Nichtmetalle dominiert (CHOPSN + Cl 98%). Bei den metallischen Mengenelementen (< 2% im Körper) handelt es sich um Alkali- und Erdalkalimetalle (Ca, K, Na, Mg) Calcium ist neben seiner Rolle als Signalüberträger (Muskelkontraktion), d.h. diffusibles Ion, ein Strukturbildner Knochenaufbau, Calciumphosphat (Hydroxylapatit bzw. Knochenapatit) ist anorganischer Hauptbestandteil Natrium und Kalium werden hauptsächlich als diffusible Ionen wirksam, vorrangig zur Schaffung und Aufrechterhaltung von Membranpotentialen Die metallischen Spurenelemente dienen hauptsächlich als Cofaktoren in den aktiven Zentren von Enzymen, Hämoglobin etc. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 14

15 Molekulare Basis des Lebens Kohlenstoff Kohlenwasserstoffe Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 15

16 Kohlenstoff Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 16

17 Molekulare Basis des Lebens Warum Kohlenstoff? Kohlenstoff formt leicht vier kovalente* Bindungen er wirkt den meisten Substituenten gegenüber als Elektronendonator (Reduktionsmittel) die C-C Bindungen in Kohlenstoffketten sind als Einfach-, Doppeloder Dreifachbindungen sehr vielgestaltig und beeinflussen so die Eigenschaften des Moleküls erheblich seine Stereochemie hat großen Einfluß auf die biologische Aktivität von Molekülen (z.b. L, D-Aminosäuren) Kann planare und nicht-planare Strukturen alternierend ausbilden Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 17

18 Kovalente Bindung Von einer kovalenten Bindung wird gesprochen, wenn die Bindungselektronen von beiden Atomen geteilt werden. Die Bindung ist gerichtet. Sind die Elektronegativitäten der beteiligten Atome sehr unterschiedlich, spricht man polarer kovalenter Bindung Einfachbindungen: zwischen 150 und 500 kj/mol (etwa 1,5 5 ev) Doppelbindungen (z.b. Kohlenstoff, Stickstof, Sauerstoff):zwischen 500 und 800 kj/mol (5 8 ev) Dreifachbindungen (z.b. Kohlenstoff, Stickstoff): 941,7 kj/mol (9,8 ev) für N-N-Dreifachbindung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 18

19 Kohlenstoff und kovalente Bindung Einfachbindung C-C, Sigmabindung, frei drehbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 19

20 Kohlenstoff und kovalente Bindung Doppelbindung C=C, Sigma- plus Pi-Bindung, nur eingeschränkt drehbar Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 20

21 Kohlenstoff und kovalente Bindung Elaidinsäure Oleinsäure Doppelbindung C=C, Sigma- plus Pi-Bindung, nur eingeschränkt drehbar cis-trans-isomerie bei ungesättiten Fettsäuren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 21

22 Molekulare Basis des Lebens Kohlenstoff und funktionelle Gruppen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 22

23 Kohlenstoff und funktionelle Gruppen Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 23

24 Kohlenstoff und funktionelle Gruppen polarkovalente C- N-Bindung polarkovalente C- O-Bindung Ionenpaar Ionenpaar N-H- bzw. O-H-Bindung zwischen Ionenpaar und polar kovalent Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 24

25 Ionenbeziehung, Ionenpaar Von einer Ionenbindung oder Ionenbeziehung wird dann gesprochen wenn sich die Elektronegativitäten beider Atome so stark unterscheiden, dass sich das Bindungselektron im wesentlichen bei einem der Partner aufhält. Die Bindungskräfte sind hier elektrostatischer Natur und ungerichtet Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 25

26 Ionenbeziehung, Ionenpaar 787 kj/mol (8,2 ev) NaCl Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 26

27 Wasserstoffbrückenbindung Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine Bindung zwischen einem elektronegativen Atom und einem Wasserstoffatom, das seinerseits an ein weiteres negatives Atom gebunden ist. Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 27

28 Hydrophobe Wechselwirkung Apolare, hydrophobe Moleküle bzw. Atomgruppen lagern sich aneinander, um den Kontakt mit dem umgebenden wäßrigen Milieu zu minimieren. Die umgebenden Wassermoleküle bilden untereinander verstärkt Wasserstoffbrückenbindungen aus Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 28

29 Van-der Waals-Wechselwirkung Schwache nicht-kovalenten Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen Van-der-Waals-Bindung Wechselwirkung zwischen zwei Dipolen (Keesom) Wechselwirkung zwischen einem Dipol und einem polarisierbaren Molekül (Debye) Dispersionwechselwirkung zwischen zwei polarisierbaren Molekülen(London) = eigentliche van-der-waals- Kraft Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 29

30 Monosaccharide Aldosen = Polyhydroxyaldehyde Ketosen = Polyhydroxyketone Oxy-cyclo-Tautomerie: Pyranosen = sechsgliedrige Furanosen = fünfgliedrige Halbacetale Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 30

31 Monosaccharide Alpha- und beta-glukose Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 31

32 Disaccharide Saccharose = Rohrzucker Laktose = Milchzucker Alpha- oder beta-glycosidische Bindung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 32

33 Polysaccharide 1-4 glycosidische Verknüpfung von alpha-glukose - Amylose: Spiralförmiges alpha-d-1 4-Glukan, unverzweigt - Amylopektin: verzweigtes Glukan Stärke 1-4 glykosidische Verknüpfung von beta-glukose: beta-d-1 4 Glucan, H-Brücken-stabilisierte sheets, kristalline und parakritalline Bereiche Cellulose Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 33

34 Aminosäuren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 34

35 Proteine Primärstruktur Kette von Aminosäuren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 35

36 Proteine Primärstruktur Kette von Aminosäuren Ramachandran-Diagramm Ψ Φ Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 36

37 Proteine, Strukturhierarchie beta-faltblatt Loop alpha-helix Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 37

38 Proteine, Faltung hydrophobe Wechselwirkung Wasserstoffbrücke Polypeptidkette (Primärstruktur) Disulfidbrücke Ionenbeziehung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 38

39 Proteine, Quartärstruktur fibrillär globulär Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 39

40 Membrangebundene Proteine Extrazellulärer Raum Integrale (Trans-)Membranproteine Periphere Membranproteine Cytosol membranständig Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 40

41 Proteine, Hydrathülle Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 41

42 Nucleinsäuren Basen (Purin, Pyrimidin) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 42

43 Nucleinsäuren DNA: T RNA: U Bevorzugte Basenpaarung (Watson-Crick- Regel) Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 43

44 Nucleinsäuren Quelle: Bevorzugte Basenpaarung und Backbone Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 44

45 Nucleinsäuren Source: Saenger,W., Principles of Nucleic Acid Structure, Springer Verlag New York 1984 Backbone Torsionswinkel Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 45

46 Nucleinsäuren Quelle: Basenpaarung und Doppelhelix Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 46

47 Nucleinsäuren Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 47

48 Phospholipide Einfluß von gesättigten bzw. ungesättigten Fettsäureresten: Selbstorganisation durch hydrophobe Wechselwirkung Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 48

49 Fettsäuren und Phospholipide Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 49

50 Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren Aminosäure Nukleotid Polypeptid Protein Nukleinsäure Kondensationsreaktionen Monosaccharid Polysaccharid (Kohlenhydrat) Phospholipid Lipid-Doppelschicht Selbstorganisation Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 50

51 Literatur Erich Wintermantel und Sik-Woo Ha (Edts.): Medizintechnik Life Science Engineering, 5. Auflage 2009 Buddy D. Ratner, Allan S. Hoffman, Frederick J. Schoen, Jack E. Lemons (Edts.): Biomaterials Science. An Introduction to Materials in Medicine, Academic Press, 3. Auflage 2012 Joon Park and R. S. Lakes: Biomaterials - An Introduction, Springer. 3. Auflage 2007 Paul Ducheyne (Editor-in-Chief): Comprehensive Biomaterials Elsevier, 1. Auflage 2011 Volume 1: Metallic, Ceramic and Polymeric Biomaterials Volume 2: Biologically Inspired and Biomolecular Materials Volume 3: Methods of Analysis Volume 4: Biocompatibility, Surface Engineering, and Delivery of Drugs, Genes and Other Molecules Volume 5: Tissue and Organ Engineering Volume 6: Biomaterials and Clinical Use Wintersemester 2012/13 Vorlesung Biomaterialien Folie Nr. 51