Biologie für Mediziner

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1 Biologie für Mediziner - Zellbiologie 1 - Prof. Dr. Reiner Peters Institut für Medizinische Physik und Biophysik/ CeNTech Robert-Koch-Strasse 31 Tel , Dr. Martin Kahms Institut für Medizinische Physik und Biophysik/ CeNTech Gievenbecker Weg 11 Tel

2 Molekulare Bausteine der Zelle 1. Lipide Aufbau von Membranen, Energiespeicherung 2. Proteine Struktur, Katalyse (Enzyme), Bewegung, Regulation 3. Nukleinsäuren Speicherung und Umsetzung der genetischen Information 4. Kohlenhydrate Energielieferant, Bausteine von Nukleinsäuren und Glycoproteinen

3 Molekulare Bestandteile von E.coli

4 Zelluläre Makromoleküle

5 Wasserstoffbrückenbindung δ- δ+ unterschiedliche Elektronegativitäten führen zu Partialladungen an Sauerstoff-/Wasserstoffatomen

6 Solvatisierung von Ionen Kationen Anionen

7 Hydrophob/ hydrophil Hydrophile Stoffe sind meist Salze (Ionenverbindungen) oder polare Substanzen, die sich in Wasser lösen. Hydrophobe Stoffe sind unpolare Stoffe (oft mit langen Alkylketten oder aromatischen Ringen), die nicht elektrostatisch mit Wasser interagieren können (Zerstörung des H-Brücken Netzwerkes) Drastische Konsequenz für die Organisation von Lipiden und Makromolekülen in wässrigem Millieu

8 Lipide in wässriger Lösung Lipide - hydrophiler Kopf - hydrophober Schwanz

9 Fettsäuren gesättigt Myristinsäure Palmitinsäure Stearinsäure C14 C16 C18 ungesättigt Ölsäure Linolsäure Linolensäure C16-9 C C

10 Triacylglyceride Glycerin als Kopf verestert mit Fettsäuren als Schwanz

11 Triacylglyceride als Energiespeicher Adipocyten (Fettzellen) Energiespeicher und Wärmeisolierung Inneres fast vollständig von Lipid Vakuole eingenommen EM-Aufnahme von Adipocyten

12 Phospholipide Cholin Phosphat Glycerin Fettsäuren Bestandteil der Zellmembran alternativ zu Cholin: Ethanolamin, Serin, Glycerin, Inisitol

13 Sphingolipide Cholin Sphingosin Fettsäure Bestandteil der Zellmembran

14 Cholesterol - Bestandteil der Zellmembran - Vorstufe von Steroidhormonen

15 Proteine Funktionen von Proteinen Strukturbildung Chemische Katalyse Transport Bewegung Regulation Speicherung Abwehr Beispiele Kollagen/ Keratin Enzyme Hämoglobin Myosin Hormone Ferritin Antikörper

16 Aminosäuren Allgemeine Strukturformel einer Aminosäure zwitterionische Form bei physiologischem ph

17 20 natürliche Aminosäuren

18 Eigenschaften von Aminosäuren hydrophob z.b. Valin aromatisch z.b Phenylalanin polar z.b. Serin sauer z.b. Glutaminsäure basisch z.b. Lysin

19 Enantiomere Moleküle verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, sind aber nicht zur Deckung zu bringen

20 Optische Aktivität: Polarimeter Enantiomere sind mit chemischen und physikalischen Methoden oft nicht voneinender zu unterscheiden nur bei Verwendung von linear polarisertem Licht oder bei der Reaktion mit anderen chiralen Molekülen

21 Aminosäuren und Chiralität In Proteinen: L-Aminosäuren

22 Peptidbindung Ausbildung einer Amidbindung zwischen Aminosäuren

23 Peptidbindung Protein aus 100 AS 20 verschiedene Aminosäuren unterschiedliche Polypeptidketten möglich

24 Von der Sequenz zur Funktion

25 Faltung von Proteinen

26 Strukturhierarchie Primärstruktur lineare Abfolge der Aminosäuren

27 Strukturhierarchie Sekundärstruktur rechtsgängige α- Helix zweisträngiges Antiparalleles β-faltblatt Anordnung benachbarter Aminosäuren Lokale Gerüstkonformation

28 Strukturhierarchie Tertiärstruktur 3D Anordnung, räumliche Plazierung der Sekundärstrukturelemente Wal-Myoglobin

29 Strukturhierarchie Quartärstruktur Struktur des Hämoglobin mit 4 Untereinheiten Räumliche Anordnung unterschiedlicher Polypeptid-Ketten bzw. Protein-Untereinheiten

30 Strukturhierarchie

31 Röntgenstrukturanalyse Proteinkristall Röntgenstrahlen werden gebeugt Beugungsmuster Elektronendichtekarte Struktur

32 3D-Struktur von Proteinen Membran Seitenansicht Draufsicht Struktur eines Kaliumkanals violett: Kaliumionen

33 4 Basen der DNA Purine Pyrimidine Adenin (A) Cytosin (C) Guanin (A) Thymin (T)

34 Strukturformel eines Nukleotids

35 Aufbau Nukleinsäuren Rückgrat einer DNA-Kette Verknüpfung von 3 -OH und 5 -OH über Phosphodiesterbrücke ein DNA-Strang besitzt Polarität (5 bzw. 3 Ende)

36 DNA-Doppelhelix

37 Komplementäre Basen Ausbildung von Wasserstoffbrücken

38 Bauprinzipien DNA Doppelhelix aus zwei um gemeinsame Achse gewundenen Polynukleotidsträngen Rückgrat: Zucker + Phosphatketten im Innern: Basen Stränge sind komplementär (Basenpaarung, A=T, C=G) Richtung der Stränge: antiparallel Zusammenhalt zwischen Strängen: Wasserstoffbrückenbindung

39 Unterschied DNA/ RNA RNA DNA fehlende OH-Gruppe in Deoxyribose macht DNA inert gegen hydrolytische Spaltung

40 Unterschied DNA/ RNA RNA DNA Uracil (U) Thymin (T) Thymin (komplementäre Base zu Adenin) in RNA durch Uracil ersetzt

41 Funktion DNA/ RNA DNA RNA Träger der Erbinformation Struktur: Doppelhelix Weg vom Gen zum Protein über Messenger RNA und Transfer-RNAs Strukturelle und funktionelle Aufgaben in Ribosomen (Proteinsynthese) Assoziation mit Proteinen zu Ribonucleoproteinen vielfältige Struktur

42 Kohlenhydrate Bausteine von Nukleinsäuren und Glycoproteinen Energielieferant im Stoffwechsel Hexose (6 C) Ribose (5 C)

43 Chiralität von Kohlenhydraten asymmetrische Kohlenstoffatome (4 unterschiedliche Substituenten) unterschiedliche Konfiguration möglich vgl. Aminosäuren

44 Monosaccharide in Lösung liegt die offenkettige Form nur in Spuren vor

45 Disaccharide

46 Struktur von Glycogen Speicherform von Kohlenhydraten in Menschen und Tieren Verzweigtes Polysaccharid aus Glucoseeinheiten vornehmlich in Muskel- und Leberzellen

47 Glycosylierung von Proteinen Vielzahl von Proteinen wird im ER und Golgi-Apparat mit Zuckerresten ausgestattet oft Membranproteine oder sezernierte Protein

48 Stoffwechsel

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