Kapitel 11. Naturstoffe

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1 Kapitel 11 aturstoffe 1

2 aturstoffe Bisher schon bekannt: Fette, Lipide Weitere auptklassen von aturstoffen: Proteine, Peptide, Aminosäuren Kohlenhydrate ucleinsäuren diverse weitere Klassen: Terpene, Alkaloide etc. C C C C 3 Vitamin A (Retinol) C 3 2

3 Kohlenhydrate 3

4 Kohlenhydrate sind mengenmäßig am häufigsten in der belebten atur insbesondere Cellulose (50% der Trockenmasse der gesamten Biomasse) Zuckerrohr Köhler's Medizinal-Pflanzen (1887) Papier. Bildhauer bst Abubiju Weizen Burgkirsch Funktionen der Kohlenhydrate in rganismen: Energiequelle, z.b. Glucose strukturelle Komponente, z.b. Cellulose Erkennungskomponente, z.b. auf Zelloberflächen Ausgangsstoffe für Biosynthese, z.b. Vitamin C-Synthese 4

5 Struktur der Kohlenhydrate leiten sich von Monosacchariden (Einfachzucker) ab allg. Summenformel C n 2n n sind Polyhydroxy-Carbonylverbindungen Einteilung nach Zahl der Zuckerbausteine Kohlenhydrat- Anzahl der Beispiel Klasse Bausteine Monosaccharid 1 D-Glucose, D-Fructose Disaccharid 2 Saccharose (aushaltszucker) (Zweifachzucker) ligosaccharid 3-10 Blutgruppen-Determinanten Polysaccharid > 10 Cellulose, Stärke 5

6 Struktur der Kohlenhydrate: Monosaccharide Einteilung nach Zahl der Kohlenstoffatome in der längsten Kette 3 C-Atome: Triose 4 C- Atome: Tetrose 5 C-Atome: Pentose 6 C-Atome: exose Einteilung nach Art der Carbonylfunktion Polyhydroxyaldehyd: Aldose (Bsp.: Glycose, Mannose) Polyhydroxyketon: Ketose (Bsp.: Fructose) zusammengefasst: z.b. Monosaccharid mit 6 C-Atomen und einer Aldehydfunktion Aldohexose 6

7 Triosen: Beispiele für Monosaccharide 2 Triosen möglich: 1 Aldose (als D- und L-Form*) und 1 Ketose C 2 C 2 C 2 D C 2 kein stereogenes Zentrum D- Glycerinaldehyd eine Aldose (Aldotriose) Dihydroxyaceton eine Ketose (Ketotriose) * In der atur existiert fast nur die D-Form von chiralen Monosacchariden (Ausnahme: L-Fucose) 7

8 Beziehung zwischen Aldosen und Ketosen Umwandlung von Aldose und Ketose ineinander möglich Im rganismus enzymatisch, in basischer Lösung über eine Keto-Enol- Tautomerie C C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 Aldose Ketose Lobry-de Bruyn-van Ekenstein-Umlagerung (für alle Aldose-Ketose-Paare möglich) 8

9 Beispiele für Monosaccharide Tetrosen (4 C-Atome): 4 Aldotetrosen, 2 2 = 4 Stereoisomere C * * Enantiomere C 2 C C 2 C Enantiomere C 2 C C 2 L-Threose D-Threose D-Erythrose L-Erythrose Diastereomere 9

10 Tetrosen Ketotetrosen: 2 Ketotetrosen, mit je 1 stereogenen Zentrum Enantiomere C 2 * C 2 C 2 C 2 L-Erythrulose D-Erythrulose 10

11 Pentosen Aldopentosen (5 C-Atome): 2 3 = 8 Stereoisomere (4 Paare aus jeweils 2 Enantiomeren, die paarweise diastereomer zueinander sind Da in der atur fast nur die D-Formen, hier nur diese aufgezeichnet: C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 D-Ribose D-Arabinose D-Lyxose D-Xylose Wichtiges Derivat für DA: D-2-Desoxyribose C C 2 C 2 D-2-Desoxyribose 11 11

12 Pentosen Insgesamt 4 Ketopentosen, davon 2 D-Ketopentosen C 2 C 2 C 2 C 2 D-Ribulose D-Xylulose 12

13 exosen Wichtigste Gruppe der Monosaccharide Summenformel: C Es gibt 8 D-Aldohexosen und 4 D-Ketohexosen (plus die jeweiligen Enantiomere) icht alle exosen von großer Bedeutung, daher hier nur die wichtigsten D-Glucose: häufigstes Monosaccharid, Monomerbaustein der Polysaccharide Stärke, Cellulose und Glycogen Synthese ausgehend von C 2, Wasser und Licht (in grünen Pflanzen, einigen Bakterien) durch Photosynthese primärer Energielieferant im Stoffwechsel 13

14 exosen eben D-Glucose noch Mannose, Galactose und Fructose von Bedeutung D-Mannose und D-Galactose sind Epimere der D-Glucose D-Fructose D-Glucose D-Mannose D-Galactose C 2 C C C C 2 C 2 C 2 C 2 C2-Epimer C4-Epimer Epimer: Diastereomere, die sich nur in der Konfiguration an genau einem von mehreren stereogenen Zentren unterscheiden 14

15 Beziehung zwischen den exosen D-Fructose ist die Ketose zur D-Glucose durch basische Enolisierung aus dieser erzeugbar (Lobry-de Bruyn-van Ekenstein-Umlagerung, s. Glycerinaldehyd) D-Fructose ist die einzige natürlich vorkommende Ketohexose (in Früchten, onig) US Dept.of Agriculture Agricultural Research Service A. Krüger D-Mannose kann durch basische Epimerisierung aus D-Glucose entstehen (steht mit ihr im Gleichgewicht), da im Endiol das C2-Atom sp 2 - hybridisiert ist und bei der Reprotonierung das Wasser von vorn oder hinten angreifen kann 15

16 Redoxreaktionen der Monosaccharide Kohlenhydrate weisen die chemischen Eigenschaften von Alkoholen und Aldehyden bzw. Ketonen auf und ihre Gruppen reagieren entsprechend xidation an der Aldehydfunktion D-Glucose entfärbt Brom-Wasser + Glucose D-Glucose C D-Gluconsäure C + Br braun + Br farblos C 2 C 2 16

17 Redoxreaktionen der Monosaccharide Reagenzien zum achweis reduzierender Zucker und Fructose (bildet Glucose durch Gleichgewichtseinstellung!) Tollens Reagenz: Ag + als Silberdiammin-Komplex [Ag( 3 ) 2 ] + xidation des Zuckers und Reduktion von Ag + zu elementarem Silber Silberspiegel am Reaktionsgefäß Fehlingsche Lösung: Cu 2+ als tiefblauer Kupfer(II)-Tartrat-Komplex xidation des Zuckers und Reduktion von Cu 2+ zu Cu(I) ziegelrotes Cu 2 Cu (II) Cu (I) Pearson Studium

18 Redoxreaktionen der Monosaccharide xidation mit Salpetersäure auch primäre -Gruppe an C6 oxidiert Polyhydroxydicarbonsäure D-Glucose C D-Glucarsäure C Galactarsäure C 3 D-Galactose C 2 C C meso-form 18

19 Redoxreaktionen der Monosaccharide Reduktion von Monosacchariden an der Carbonylgruppe Bildung von Zuckeralkoholen aus Aldosen Sorbitol: in Pflaumen, Kirschen, Birnen etc. D-Glucose C D-Sorbitol C 2 Red. chemisch durch Reduktion mit ab 4 im rganismus durch Reduktion mit ADP Sorbitol im Körper wieder oxidierbar (zu Glucose oder Fructose) C 2 C 2 19

20 Redoxreaktionen der Monosaccharide Reduktion von Ketosen, z.b. Fructose es können zwei diastereomere (epimere) Zuckeralkohole gebildet werden! D-Sorbitol C 2 D-Fructose C 2 D-Mannitol C 2 * * Red. Red. C 2 C 2 C 2 20

21 Redoxreaktionen der Monosaccharide Reduktion von Alkoholgruppen zu C 2 /C 3 -Gruppen Bildung der Desoxy-Zucker z.b. Desoxy-Ribose (s. DA) C C 2 C 2 D-2-Desoxyribose L-Fucose in vivo aus Mannose gebildet einer der wenigen Zucker, der als L-Form vorkommt wichtige Funktion bei der Zell-Zell-Erkennung (siehe z.b. Blutgruppendeterminanten) C C 3 L-Fucose 21

22 Bildung cyclischer albacetale Aldehyd / Keton + Alkohol albacetal (s. Kap. Carbonylverbindungen) In Lösung liegen Kohlenhydrate mit 5 oder 6 C-Atomen daher als cyclische albacetale vor neues stereogenes Zentrum am anomeren C-Atom, das R oder S sein kann. die beiden Formen werden als a-form und b-form bezeichnet bzw. als Anomere Das C1-Atom heißt anomeres C-Atom cyclische albacetale der Pentosen und exosen mit Pyran bzw, Furan verwandt: Pyranosen und Furanosen 22

23 Bildung cyclischer albacetale D-Glucose C 2 C 2 C offenkettige Form 0.2 % C 2 a-d-glucose (Glucopyranose) 36 % C 2 b-d-glucose (Glucopyranose) 64 % a-d-glucose und b-d-glucose sind Diastereomere und Epimere 23

24 Exkurs: Formeldarstellung von Zuckern aworth-formel Floh-Regel : Fischer links aworth oben Sechsring so zeichnen, dass hinten rechts liegt C 2 (hinten links) zeigt bei allen D-Zuckern nach oben C 2 C 2 C 2 a-anomer b-anomer keine Angabe, ob a oder b C 2 C 2 C 2 D-Glucopyranose D-Mannopyranose D-Galactopyranose 24

25 Exkurs: Formeldarstellung von Zuckern aworth-formeln geben nicht die korrekte dreidimensionale Struktur des Zuckers an Dazu muss man die Sesselkonformation verwenden C 2 a-d-glucose (Glucopyranose) 36 % alle funktionellen Gruppen stehen äquatorial, außer am anomeren C-Atom axial etwas ungünstiger C 2 b-d-glucose (Glucopyranose) 64 % alle funktionellen Gruppen stehen äquatorial günstig! 25

26 Bildung von Pyranosen und Furanosen Bei Pentosen und exosen prinzipiell Bildung eines Fünf- oder Sechsrings möglich Furanose: Fünfringform Pyranose: Sechsringform Glucose bildet stets ein Sechsring-albacetal (Pyranose)! Bei anderen Zuckern beide Formen beobachtet z.b. D-Ribose a-d-ribopyranose b-d-ribopyranose 2 C 2 C C 2 a-d-ribofuranose b-d-ribofuranose 26

27 Aminozucker -Gruppen gegen 2 -Gruppen ausgetauscht 2 b-d-glucosamin -Acetyl-b-D-Glucosamin 27

28 Aminozucker Wichtiger Baustein der Blutgruppenerkennung Pearson Studium 2008 Frage: Wie sind die Zuckerbausteine verknüpft? 28

29 Glycosid-Bildung Wiederholung: im Sauren können albacetale mit Alkoholen zu Vollacetalen reagieren Also: Monosaccharide in der cyclischen albacetalform können mit Alkoholen umgesetzt werden R R Diese Vollacetale nennt man -Glycoside Mögliche Alkohole: Methanol etc., aber auch alkoholische -Gruppen eines weiteren Monosaccharids geeignet R - 2 Glycoside im Basischen und eutralen stabil R -Glycosid zeigen also nicht mehr die Reaktionen eines reduzierenden Zuckers (nicht nachweisbar mit Tollens Reagenz oder Fehlingscher Lösung), wenn im Produkt nur Vollacetale vorhanden 29

30 Glycosidbildung alkoholische -Gruppen anomere -Gruppe + Me/ glycosidische Bindung C C C 3 xocarbeniumion In komplexen Zuckern sind die Monosaccharide glycosidisch verknüpft. Bei Verknüpfung mit dem Amino-Ende eines Proteins (albaminal- Bildung) entstehen Glycoproteine. 30

31 Bildung von Disacchariden Umsetzung des albacetals eines Monosaccharids mit einer -Gruppe eines weiteren Monosaccharids Glycosyl-Donor Glycosyl-Akzeptor Disaccharid Zucker - 2 Zucker 2 Möglichkeiten: Typ 1: Reaktion mit einer normalen alkoholischen -Gruppe weiterhin reduzierende Eigenschaften, da die albacetalgruppe im Glycosyl-Akzeptor noch vorhanden ist Typ2: Reaktion mit der anomeren -Gruppe keine reduzierenden Eigenschaften (wie Methylglycosid), da nur noch Vollacetale vorhanden 31

32 Glycosidbildung Kennzeichnung der Verknüpfungsart durch Angabe der ummer des C-Atoms, an welchem die -Gruppe sitzt Beispiel: Umsetzung der anomeren -Gruppe (Position 1) eines a-glucosemoleküls mit der -Gruppe an C4 eines weiteren a-glucosemoleküls (Position 4 ) 1,4 -glycosidische Bindung Produkt: Maltose 1 4' 32

33 Beispiele für Disaccharide Saccharose (aushaltszucker) Lactose (Milchzucker) 1 D-Galactose 4' D-Glucose 1 2' 2 C C 2 Disaccharide können hydrolysiert werden Freisetzen der einzelnen Bestandteile, z.b. Invertzucker (Mischung von Glucose u. Fructose aus Saccharose) D-Glucose D-Fructose 33

34 Polysaccharide Wenn Verknüpfung der Monosaccharide über alkoholische -Gruppen albacetal am Glykosylakzeptor erhalten weitere Verknüpfung möglich Disaccharid Trisaccharid Tetrasaccharid Polysaccharid omoglycane: Polysaccharide, die nur aus einer Art Monosaccharid bestehen, z.b: Cellulose, Stärke, Glycogen alle aus D-Glucose-Einheiten aufgebaut Unterschiede: rt der Verknüpfung (1,4 und 1,6 ) und Art der Verknüpfung (a- oder b-glykosidisch) 34

35 Polysaccharide Stärke besteht aus a-d-glucose-molekülen, die ausschließlich a-glykosidisch verknüpft sind Amylose (wasserlösliche Stärke): alle Einheiten 1,4 -verknüpft lineare Stränge von Glucoseeinheiten (wickeln sich helical auf) achweis durch Iod-Stärke-Reaktion Iod-Stärke-achweis Amylopektin (wasserunlösliche Stärke): alle Einheiten ist eine weitere, 1,6 -verknüpfte Einheit vorhanden, so dass jeweils eine Verzweigung entsteht bis zu 1 Million Glucosebausteine! Amylopektin 35

36 Polysaccharide Glycogen: Glucosespeicher in Mensch und Tier (Muskeln, Leber) Struktur wie Amylopektin, aber mehr Verzweigungseinheiten (etwa alle 10 Glucoseeinheiten) ~ Glucosebausteine Verzweigung sorgt für schnelle Verfügbarkeit (je stärker verzweigt, desto mehr Enden, so dass Enzym mehr Angriffspunkte hat) 36

37 Cellulose: Polysaccharide ausschließlich b-glycosidisch verknüpfte b-d- Glucoseeinheiten Cellulose deutlich stabiler als Stärke und Glycogen, da im Molekül -Brücken möglich intramolekulare -Brücken kann vom Menschen nicht verstoffwechselt werden Wiederkäuer leben in Symbiose mit Magen-Bakterien, die Cellulose zu Glucose abbauen können 37

38 Proteine 38

39 Seidenkimono (Furisode) Proteine ämoglobin Ichiro Wada Viktorazul91 Erythrozyt Muskel Richard Wheeler Fibroin, Seidenprotein Weitere Beispiele: Enzyme Actin-Filament Strukturproteine molekulare Maschinen im rganismus 39 Thomas Splettstoesser

40 Proteine, Peptide, Aminosäuren Bausteine der Proteine: (proteinogene) Aminosäuren R C C 2 a-c-atom (chiral, außer bei R = ) Carboxylat R C C Seitenkette 3 Ammoniumgruppe 20 proteinogene Aminosäuren (+ Selenocystein) 3 Gruppen Aminosäuren mit unpolaren Seitenketten Aminosäuren mit polaren, ungeladenen Seitenketten Aminosäuren mit polaren Seitenketten, die unter physiologischen Bedingungen geladen sind 40

41 Aminosäuren mit unpolaren, aliphatischen Seitenketten 2 C C Glycin (Gly; G) 2 C C C 3 Alanin (Ala; A) 2 C C C 2 C C 3 2 C C C C 3 C 3 C 3 Leucin (Leu; L) Valin (Val; V) 2 C C C C 3 2 C C C 2 C C 2 C 2 C 3 S Isoleucin (Ile; I) C 3 Methionin (Met; M) Prolin (Pro; P) 41

42 Aminosäuren mit unpolaren aromatischen Seitenketten 2 C C 2 C C 2 C C 2 C C C 2 C 2 C 2 C 2 Phenylalanin (Phe; F) Tryptophan (Trp, W) Tyrosin (Tyr, Y) istidin (is, ) schwach basisch 42

43 Aminosäuren mit polaren, ungeladenen Seitenketten 2 C C 2 C C 2 C C C 2 C C 2 C 3 S Serin (Ser; S) Threonin (Thr; T) Cystein (Cys; C) 2 C C 2 C C C 2 C 2 Asparagin (Asn; ) C 2 C 2 C 2 Glutamin (Gln; Q) 43

44 Aminosäuren mit polaren, geladenen Seitenketten 2 C C 2 C C 2 C C 2 C C C 2 C Asparaginsäure (Asp; D) sauer C 2 C 2 C C 2 C 2 C 2 C 2 Glutaminsäure 2 (Glu; E) Lysin (Lys; K) basisch C 2 C 2 C 2 C 2 Arginin (Arg; R) 44

45 Konfiguration der Aminosäuren Alle Aminosäuren außer Glycin sind chiral, da am a-c-atom vier verschiedene Substituenten vorliegen Glycin ist achiral, da am a-c-atom zwei -Atome in Proteinen kommen nur L-Aminosäuren vor D-Aminosäuren sind selten (nur in einigen Bakterien) werden mit kleinen Buchstaben gekennzeichnet in allen L-Aminosäuren ist das stereogene Zentrum S-konfiguriert, außer bei Cystein (dort R, wegen höherer Priorität des Schwefels) C Threonin ist eine Aminosäure, die noch ein Stereozentrum in der Seitenkette besitzt. In Proteinen kommt nur das 2S,3R-Stereoisomer vor Isoleucin besitzt ebenfalls ein weiteres Stereozentrum in der Seitenkette. In Proteinen kommt nur das 2S,3S-Stereoisomer vor. R L-Aminosäure 45

46 Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren In jeder Aminosäure eine saure Gruppe (C) und eine basische Gruppe ( 2 ) vorhanden Also: Aminosäuren sind Ampholyte Die pk s1 (C)-Werte liegen bei ~2 Die pk S2 ( 2 )-Werte liegen bei ~9 Bei Aminosäuren mit sauren/basischen Gruppen kommt ein weiterer pk S3 -Wert hinzu R 3 + pk S1 - + R R p < 2 p = 7 p > 10 Zwitterion pk S2-46

47 Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren In Lösung liegen Aminosäuren bei jedem p-wert als geladenes Teilchen vor (im Sauren als Kation, im Basischen als Anion) Unter physiologischen Bedingungen (p ~ 7) als Zwitterion eutrale Formelschreibweise gibt also Realität nicht wieder, da sie die physikalischen Eigenschaften nicht korrekt beschreibt (Konfiguration etc. aber richtig) Aminosäuren sind wasserlöslich und haben hohe Schmelzpunkte Wenn die Seitenkette weitere saure oder basische Gruppen trägt, können diese ebenfalls in Säure-Base-Reaktionen eintreten (unter physiologischen Bedingungen sind diese Gruppen i.d.r. ionisch (C - bzw. 3+ ), außer bei istidin) 47

48 Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren Säure-Base-Titration von Glycin: 48

49 Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren Säure-Base-Titration von Glutaminsäure und Lysin: 49

50 50 Säure-Base-Eigenschaften der Aminosäuren Der isoelektrische Punkt IEP IEP = pi = p I = ½ (pk S1 + pk S2 ) für jede Aminosäure ist der IEP eine charakteristische Stoffkonstante z.b. IEP von Alanin: 6.11 (pk S1 = 2.35, pk S2 = 9.87) IEP von Phenylalanin: 5.48 (pk S1 = 1.83, pk S2 = 9.13) Bei Aminosäuren mit sauren oder basischen Gruppen die beiden ähnlichsten pk S -Werte einsetzen z.b. IEP von Lysin: 9.59 (pk S1 = 2.20, pk S2 = 8.9, pk S3 =10.28) IEP von Glutaminsäure: 3.24 (pk S1 = 2.16, pk S2 = 4.32, pk S3 =9.96)

51 Trennung von Aminosäuren durch Elektrophorese Ausnutzen der unterschiedlichen isoelektrischen Punkte Je nach Ladungszustand wandern die Aminosäuren bei Anlegen einer Gleichspannung schneller oder langsamer zu den entsprechenden Polen (positiv geladene Aminosäuren zum negativen Pol usw.) 51

52 Der inhydrin-test achweis von Aminosäuren inhydrin 2 C C - R C C - R violettes Produkt z.b. zum achweis von Fingerabdrücken Pearson Studium

53 Peptide Verknüpfung der C-Gruppe einer Aminosäure mit der 2 -Gruppen einer anderen Aminosäure Dipeptid Anbindung einer weiteren Aminosäure Tripeptid usw. Bis 20 Aminosäuren ligopeptid > 20 verknüpfte Aminosäuren Polypeptid Molmassen > 10 kda keine Seltenheit, dann spricht man von einem Protein (= Eiweiß) Dalton ist die atomare Masse-Einheit (Masse C- Atom 12 Da, Masse Aktin ~42 kda) Die Verknüpfung geschieht durch eine Amid-Gruppe, die man auch Peptidbindung nennt 53

54 Peptide Kondensation der Aminosäuren zum Peptid AS1 AS2 AS R R' R" -Terminus 2 R R' R" C-Terminus Peptidbindung 54

55 Peptide Verknüpfung immer gleich, d.h. man kann einfach die Aminosäuresequenz angeben, die Struktur ist damit bereits eindeutig definiert. Aminosäuresequenz = Primärstruktur einer Peptids z.b. Ala-Gly-Phe: Tripeptid aus Alanin, Glycin, Phenylalanin definitionsgemäß vom -Terminus (hier Ala) zum C-Terminus (hier Phe) von links nach rechts aufgeschrieben ummerierung beginnt ebenfalls am -Terminus, hier also AS1: Ala, AS2: Gly, AS3: Phe (AS: Aminosäure) Je nach Reihenfolge der Verknüpfung entstehen Konstitutions-Isomere, z.b. 2 Möglichkeiten, zwei AS zu verknüpfen, wenn jede nur 1x vorkommen darf, z.b. wie GlyPhe oder PheGly 55

56 Peptide Allgemein: Zahl Z der möglichen Konstitutions-Isomere für ein Peptid aus n verschiedenen AS, die jeweils nur einmal vorkommen dürfen: Z = n! mit n = Zahl der verknüpften verschiedenen Aminosäuren und n! = n (n-1) (n-2) 1 Bei einem Peptid mit n Positionen und m verschiedenen AS, die beliebig oft vorkommen dürfen, steigt die Zahl der möglichen Isomere rapide an: Z = m n Wenn saure oder basische Seitenketten im Peptid vorhanden, dann hat auch Peptid einen isoelektrischen Punkt und kann per Elektrophorese getrennt werden 56

57 Struktur von Peptiden Ist die Struktur flexibel oder starr? Gerüst besteht formal nur aus Einfachbindungen, aber Peptide sind recht starr: Ursache: Resonanzstabilisierung der Amidgruppe (Peptidbindung) Wirkung: Amidgruppe ist planar, keine freie Drehbarkeit um die C--Bindung, reaktionsträge Amidgruppe und Amid- nicht mehr basisch R partieller Doppelbindungscharakter R 57

58 Struktur der Proteine Planarität der Amidgruppe und eingeschränkte Drehbarkeit beeinflussen die Struktur einer langen Kette von Aminosäuren, also einem Peptid/Protein ganz erheblich Die Konformation (dreidimensionale Struktur) des Proteins hängt also von der Art und Abfolge der einzelnen Aminosäuren ab 4 ierarchie-ebenen der Protein-Struktur: Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur 58

59 Struktur der Proteine Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren in der linearen Kette, Aminosäuresequenz, genetisch codiert in der DA Sekundärstruktur: strukturell definierte, stabile Konformationen von Teilen des Peptidgerüstes, die bei der Faltung der AS-Kette entstehen Tertiärstruktur: dreidimensionale Struktur des gesamten Proteins, ergibt sich aus Anordnung der Sekundärstrukturelemente zueinander Quartärstruktur: Zusammenlagerung von Proteineinheiten zu einem größeren Protein 59

60 Sekundärstruktur von Proteinen Wesentliche Faktoren für die räumliche Struktur Planarität der einzelnen Amidgruppe Einschränkung der Konformations- Möglichkeiten Ausbildung von -Brücken zwischen Amidgruppen stabilisiert bestimmte Faltungen entlang des AS-Strangs C C C C C C trans cis C C otwendigkeit, die Seitenketten benachbarter AS möglichst weit voneinander zu entfernen, um sterische Wechselwirkungen und Abstoßung gleichnamiger Ladungen zu minimieren Amidgruppe i.d.r. trans-konfiguriert C -Brücke C C C 60

61 Sekundärstruktur von Proteinen Peptidkette besteht also aus einer Aufreihung von planaren, starren und trans-konfigurierten Amidbindungen, deren Ebenen jeweils 109 gegeneinander verdreht sind ( Knick in der Kette am a-c) 2 Möglichkeiten: immer in die gleiche Richtung verdreht immer abwechselnd nach links und rechts verdreht Pearson Studium Strukturelemente resultieren, die zusätzlich durch -Brücken zwischen weiter entfernten Amidgruppen entlang der gefalteten Kette stabilisiert werden: a-elix und b-faltblatt 61

62 Sekundärstruktur von Proteinen Die a- elix: Die Ebenen der Amidgruppen sind immer in die gleiche Richtung verdreht. Pearson Studium 2008 Bei L-Aminosäuren entsteht eine rechtsgängige elix, mit einer Ganghöhe von 3.6 Aminosäuren (~0.54 nm) 62

63 Sekundärstruktur von Proteinen Die a- elix: Achtung: im Inneren ist in der Realität kein Platz, da die Gerüstatome diesen vollständig ausfüllen! Pearson Studium

64 Sekundärstruktur von Proteinen Das b-faltblatt: Die Ebenen der Amidgruppen sind immer abwechselnd in die entgegengesetzte Richtung verdreht nahezu flache, gefaltete, zickzack-artige Struktur (wie ein plissiertes Blatt Papier) Pearson Studium Brücken zwischen benachbarten Strängen 64

65 Sekundärstruktur von Proteinen Das b-faltblatt, 2 Möglichkeiten: paralleles b-faltblatt Richtung der benachbarten Peptidketten identisch antiparalleles b-faltblatt Richtung der benachbarten Peptidketten gegensätzlich Pearson Studium

66 Sekundärstruktur von Proteinen Wann a-elix, wann b-faltblatt? 1. Abhängigkeit von Aminosäuren in der Sequenz z.b. Glu, Ala, Leu, Phe, Trp favorisieren a-elix Pro, Gly verhindern a-elix ( elixbrecher ) Val, Ile, Met favorisieren b-faltblatt Glu, Lys, Ser, Pro verhindern b-faltblatt 2. Abhängigkeit von der Tertiärstruktur definiert weitere Umgebung des Strukturelementes 66

67 Sekundärstruktur von Proteinen Beispiele für Proteine mit ausschließlichem Vorkommen von a-elices und b-faltblättern (fibrilläre Proteine) Wollprotein a-keratin und Faserproteine in Muskelfasern: fast nur a-elices lineare Fasern dadurch hohe Belastbarkeit auf Zug (elastisch, dehnbar) Georg Mittenecker Seidenprotein (b-keratin aus Insekten und Spinnen) fast nur b-faltblätter da bereits gestreckt Proteine nicht mehr weiter dehnbar Ichiro Wada 67

68 Tertiärstruktur von Proteinen Übergeordneter räumlicher Aufbau des gesamten Proteins Enthält die Abfolge der Sekundärstrukturelemente (elix, Faltblatt) und die relative Anordnung zueinander Durch Wechselwirkungen zwischen benachbarten Teilen wird die dreidimensionale Struktur erzeugt Art der Wechselwirkungen: a) Wasserstoff- Brückenbindungen (-Brücken) b) Disulfidbrücken c) hydrophobe Wechselwirkungen 68

69 Tertiärstruktur von Proteinen ydrophobe Wechselwirkungen: Bereiche mit vielen hydrophoben Aminosäuren ordnen sich im Inneren des Proteins an (von der polaren wässrigen Umgebung weggerichtet), z.b. Phe, Trp, Val, Ile Polarere Aminosäuren befinden sich eher an der Proteinoberfläche, z.b. Ser, Thr, Lys, Glu, Asp, Arg Allg.: Bereiche mit ähnlicher ydrophilie mögen sich, lipophile Bereiche meiden polare/wässrige Umgebungen 69

70 Disulfidbrücken Tertiärstruktur von Proteinen kovalente S-S-Bindungen, die durch xidation zwischen zwei Cystein-Resten gebildet werden kann zwischen Aminosäuren auftreten, die in der Primärstruktur sehr weit voneinander entfernt sind z.b. für die Struktur der aarproteine wichtig S S x. - 2 e bei der Dauerwelle werden zunächst alle vorhandenen Disulfidbrücken gebrochen und dann neue gebildet, die nach der Umformung möglich sind S S Disulfidbrücke 70

71 Tertiärstruktur von Proteinen Violett: Bereiche mit a-elices, Grün: Bereiche mit b-faltblättern Die Pfeile geben die Richtung der Faltblätter an Pearson Studium

72 Tertiärstruktur von Proteinen Pearson Studium

73 Quartärstruktur eines Proteins äufig lagern sich mehrere Proteine zusammen: funktioneller Komplex z.b. ämoglobin aus 2x2 Globin-Einheiten Pearson Studium 2008 Quartärstruktur ist die Anordnung dieser Untereinheiten zu einem größeren Protein 73

74 Zusammenfassung der Proteinstrukturen Pearson Studium

75 Enzyme eben den strukturgebenden Proteinen wichtige Klasse der Proteine Enzyme katalysieren im rganismus chemische Reaktionen, so dass diese bei 37 C und p ~ 7 ablaufen. Verringern Aktivierungsbarriere durch das Eröffnen neuer Reaktionswege, verändern aber nicht die Lage des Gleichgewichtes! Enzyme benötigen oft sog. Cofaktoren (Coenzyme), wobei diese bei der Reaktion verbraucht werden, z.b. ATP Katalytische Wirkung durch das aktive Zentrum (Bereich des Enzyms, wo die Reaktion abläuft Bei Bindung an das aktive Zentrum bildet sich ein Enzym-Substrat- Komplex Je nach Enzym können nur ganz bestimmte Substrate gebunden werden (hohe Spezifität) oder ganze Verbindungsklassen (geringe Spezifität) Schlüssel-Schloss-Prinzip (Emil Fischer) 75

76 Klassen von Enzymen Enzym-amen enden auf -ase xireduktasen katalysieren Redoxreaktionen, z.b. Alkoholdehydrogenase Transferasen katalysieren Übertragung von funktionellen Gruppen, z. B. Transaminasen ydrolasen katalysieren ydrolysen, z.b. Acetylcholinesterase Lyasen katalysieren Reaktionen mit Doppelbindungen, z.b. Aldolase Isomerasen katalysieren Isomerisierungen, z.b. Retinal-Isomerase Ligasen katalysieren Bindungsknüpfungen (C-C, C-, C-S, C-), z.b. Acyl- Coenzym A-Ligase 76

77 ucleinsäuren 77

78 ucleinsäuren Sind die informationstragenden Moleküle im rganismus 2 Arten von ucleinsäuren: DA: Desoxyribonucleinsäure Enthält die Erbinformation eines Lebewesens Gesamtheit der DA als Genom bezeichnet Einzelne Abschnitte der DA codieren Informationen zur Biosynthese von Proteinen oder RA-Molekülen. Diese Teile der DA nennt man Gene RA: Ribonucleinsäure übermitteln die in der DA gespeicherte Information und helfen bei der Synthese der Proteine 78

79 ucleinsäuren Informationsfluss von der DA über die RA zu den Proteinen (zentrales Dogma der Molekularbiologie) Transkription: Umschreibung der Erbinformation von der DA auf die RA Translation: Übersetzung der in der RA gespeicherten Information in die Aminosäuresequenz Replikation: Verdopplung der in der DA gespeicherten Information vor einer Zellteilung 79

80 Aufbau der ucleinsäuren Lineares Polymer aus Zuckerbausteinen, die über Phosphor-Diester- Bindungen zwischen der -Gruppe an C3 des einen Zuckers und der -Gruppe an C5 des anderen Zuckers verknüpft sind An jedem Zuckerbaustein ist am anomeren C-Atom β--glycosidisch ein aromatischer eterocyclus ( Base ) gebunden, der sich von Pyrimidin oder Purin ableitet Unterschied zwischen RA und DA: DA: 2-Desoxy-D-ribose als Zucker und Thymin als 4. Base RA: D-Ribose als Zucker und Uracil als 4. Base 80

81 3 5 -Richtung Aufbau der ucleinsäuren DA RA 4' 3' 5' P - P 2' Base 1' 2'-Desoxy-D-Ribose - Base Phosphordiester 4' 3' 5' P D-Ribose 2' - P Base 1' - Base 81

82 Basen für ucleinsäuren 4 heterocyclische Stickstoffbasen in DA und RA Leiten sich von Pyrimidin und Purin ab in RA exisitieren: Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G) Pyrimidinbasen: Cytosin (C) und Uracil (U) in DA existieren: Purinbasen: Adenin (A) und Guanin (G) Purin Pyrimidin Pyrimidinbasen: Cytosin (C) und Thymin (T, 5-Methyluracil) 82

83 Basen für ucleinsäuren Struktur der uclein-basen Purin Pyrimidin 2 2 Adenin (A) 2 Guanin (G) Cytosin (C) Uracil (U) Thymin (T) (5-Methyluracil) Anbindung an Zucker über Position 9 Anbindung an Zucker über Position 1 83

84 ucleoside ucleoside sind die Bausteine der RA bzw. DA 2 Glycosylierung Adenin D-Ribose Adenosin 2 ucleinbase + Zucker ucleosid 84

85 ucleoside der RA Adenosin 2 Guanosin 2 Cytidin 2 Uridin 85

86 ucleoside der DA 2 -Desoxyadenosin 2 2 -Desoxyguanosin 2 2 -Desoxycytidin 2 2 -Desoxythymidin 86

87 ucleotide Entstehen durch Phosphorylierung der ucleoside Sind Bausteine der DA/RA, haben aber auch andere Funktionen (Energieüberträger, Cofaktoren, Botenstoffe) Der Phosphorsäurerest kann auch mit weiteren Phosphateinheiten Anhydride bilden (Diphosphate, Triphosphate) Benennung: Buchstabe der Base + Anzahl der Phosphatgruppen (M, D, T für mono, di, oder tri-phosphat) + P für Phosphat bei Desoxyzuckern wird ein kleines d vorangestellt Also: ATP = Adenosintriphosphat dcmp = Desoxycytidinmonophosphat 87

88 ucleotide -Funktion an 5 -Position wird phosphoryliert (mit einem Phosphorsäurerest verestert) 2 2 Adenosin ucleosid Phosphorylierung - P - Adenosin-5'-monophophat (AMP) Adenosin-5 -monophosphat ucleotid (AMP) ucleotid 88

89 Beispiele für ucleotide AD: (Dinucleotid) icotinsäureamid-adenin- Dinucleotid - P - P - P - 2 redoxaktiver Teil - P 2 ATP: (Mono-ucleotid) 2 P - 89

90 Struktur der ucleinsäuren RA und DA haben einen analogen Aufbau: lange Stränge von ucleosiden, die an 3 - und 5 - über Phosphordiester-Brücken miteinander verknüpft sind. ur Zuckerbaustein ist anders (Ribose vs. Desoxyribose) DA liegt als rechtsgängige Doppelhelix vor, in der 2 Einzelstränge antiparallel angeordnet sind. DA ist chemisch sehr stabil Strukturaufklärung durch Rosalind Franklin Die Doppelhelix entsteht durch Paarung der Basen über -Brücken RA liegt meist als Einzelstrang vor, der sich in eine 3D-Struktur faltet. RA ist eher instabil und hydrolysiert leicht. 90

91 Struktur der DA-Doppelhelix Basenpaarung immer zwischen einer Purinbase und einer Pyrimidinbase entscheidend ist die Zahl der möglichen Wasserstoff- Brückenbindungen in der DA sind das: A mit T (2 -Brücken) C mit G (3 -Brücken) in der RA sind das: A mit U C mit G Pearson Studium

92 Basenpaarung in der DA T A C G Pearson Studium 2008 Watson-Crick-Basenpaarung 92

93 mehrere Millionen Basenpaare Struktur der DA Doppelhelix entsteht nur, wenn Basen im zweiten Strang zu denen im ersten passen Komplementärstrang DA ist ein Polyanion, die Phosphatreste zeigen nach außen abwechselnd große und kleine Furchen in der Struktur Pearson Studium

94 Struktur der RA in der Regel sehr viel kürzerer Einzelstrang, selten mehr als zehntausend Basen auch noch kürzere Beispiele: Transfer-RA (tra) aus ucleotiden, die in einer Kleeblattform angeordnet sind 94

95 Proteinbiosynthese jede Aminosäure durch eine Abfolge von 3 Basen codiert (Codon), pro Aminosäure gibt es mehrere Codons Übersetzung der Basenfolge in eine Aminosäuresequenz (Translation) Translation erfolgt aber nicht direkt aus DA, da diese den Zellkern nicht verlässt Intermediär wird von DA ein Strang messenger-ra (mra) abgeschrieben (Transkription) mra wandert aus Zellkern heraus zum Ribosom im Ribosom erfolgt die Proteinsynthese an der mra tra transportiert die entsprechenden Aminosäuren heran und interagiert mit mra 95

96 Proteinbiosynthese Pearson Studium