Inhaltsverzeichnis - Kapitel

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1 Inhaltsverzeichnis - Kapitel 1. Einleitung: Die hemie des Lebens 2. Kohlenhydrate 3. Lipide und Membranen 4. Nukleinsäuren 5. Aminosäuren und Proteine 6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren 8. Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel 9. Stoffwechsel II: itratcyclus & oxidative Phosphorylierung 10.Stoffwechsel III: β-xidation & Aminosäureabbau 11.Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie 1 2

2 Biochemische Funktionen Energielieferanten Triacylglyceride Fettsäuren Gerüst- und Strukturverbindungen Aufbau der Zellmembran Signalübertragung intra- und interzelluläre Botenstoffe 3 hemische Funktionalitäten Fette sind nicht über eine besondere chemische Struktur definiert, sondern über ihre physikochemischen Eigenschaften (= hydrophob/lipophil)! 4

3 Fettsäuren Generell sind die häufigsten Fettsäuren jene mit 16 und 18 -Atomen. Fettsäuren sind arbonsäuren (-): Fettsäuren können gesättigt (keine Doppelbindung) [ ALKANSÄUREN], oder ungesättigt (1 oder mehrere Doppelbindungen) [ ALKENSÄUREN] sein. Niedere FS: Mittlere FS: öhere FS: bis 7 -Atome 8 bis 12 -Atome mehr als 12 -Atome Einfachste Fettsäure: Buttersäure ( 3 7 ) 5 Gesättigte Fettsäuren Summenformel: n 2n+1 -Atome:DB Trivialname Summenformel Vorkommen 8:0 aprylsäure 7 15 Milchfett, Kokosfett 10:0 aprinsäure 9 19 Tier- und Pflanzenfette 12:0 Laurinsäure Milchfett, Pflanzenfette 14:0 Myristinsäure Milchfett, Fischöl, Tier- & Pflanzenfette 16:0 Palmitinsäure Tier- und Pflanzenfette 17:0 Margarinsäure Tier- und Pflanzenfette 18:0 Stearinsäure Tier- und Pflanzenfette 20:0 Arachinsäure in geringen Mengen in Pflanzensamen und Tierfetten 24:0 Lignocerinsäure einige Pflanzenfette, Bestandteil der Sphingomyeline 26:0 erotinsäure Bienenwachs, arnaubawachs 6

4 Ungesättigte Fettsäuren Mehr als die älfte der Fettsäuren sind einfach oder mehrfach ungesättigt. Die Doppelbindung(en) besitzen cis-konfiguration und sind grundsätzlich nicht konjugiert, sondern durch 2 -Gruppe getrennt (es gibt aber konjugierte FS). cis-konfiguration verursacht Knick von ca. 30 in der -Kette Schmelzpunkt verringert! Die erste Doppelbindung ist an der -9 Position ( 9 ) wird vom arboxyl-ende aus gezählt 7 Ungesättigte Fettsäuren Einige ungesättigte FS sind für den Körper essentiell: mega (ω) - Fettsäuren: wenn man von ω3, ω6 oder ω9-fettsäuren spricht, meint man damit die Position der ersten DB vom Methyl-Ende aus gesehen! 8

5 Ungesättigte Fettsäuren Einige einfach ungesättigte FS: -Atome:DB Trivialname Summenformel Stellung der DB Vorkommen 16:1 Palmitoleinsäure Milchfett, tier. Depotfett, Fischtran, Pflanzenfett 18:1 Ölsäure in allen Naturfetten 18:1 Elaidinsäure im Fett von Wiederkäuern 22:1 Erucasäure Rapsöl, Senföl Einige mehrfach ungesättigte FS: Zahl der - Atome:DB Trivialname Summenformel Stellung der DB Vorkommen 18:2 Linolsäure , 12 Pflanzenöle, insbesondere Distelöl, Sonnenblumenöl und Traubenkernöl 18:3 α-linolensäure , 12, 15 einige Pflanzenöle, v.a. Leinöl, Walnussöl, Rapsöl und Sojaöl 18:3 γ-linolensäure , 9, 12 in wenigen Pflanzenölen wie Borretschöl, Nachtkerzenöl, anföl 18:3 α-elaeostearinsäure , 11, 13 in wenigen Pflanzenölen 20:4 Arachidonsäure , 8, 11, 14 Tierfette, Fischtran 9 Fettsäuren: cis - trans 10

6 trans-fettsäuren Vorkommen von trans-fs: Natürlich: in Fleisch und Milchprodukten (durch anaerobe bakterielle Stoffwechselprozesse im Pansen von Wiederkäuern) 3-6% aller FS in Käse, Butter, Joghurt, Fleisch und Fisch sind trans-fs Produziert: industrielle ärtung von Pflanzenöl (pflanzliche Fette enthalten natürlicherweise keine trans-fs) Braten: Erhitzen ab 130 von Pflanzenölen mit viel mehrfach ungesättigten Fettsäuren Schädliche Wirkung auf den Menschen: trans-fettsäuren erhöhen LDL- und senken DL-holesterin (D Arteriosklerose, erzinfarkt...) eventuell auch Effekte durch Einlagerung in die Zellmembranen Empfehlung für Erwachsene: 2-3 g/d trans-fs Österreichische Verordnung vom Gesundheitsministerium 2009: Fette, Öle und LM mit Fettgehalt > 20%: Grenzwert 2% trans-fs LM mit Fettgehalt von < 20%: Grenzwert 4% trans-fs 11 Triacylglyceride (TG) Triester des Glycerins mit Fettsäuren: Triacylglyceride sind unpolar und wasserunlöslich Dienen als Energiespeicher Pflanzenöle (flüssig!) besitzen mehr ungesättigte Fettsäuren als tierische Fette (fest!) 12

7 Vorkommen & Gewinnung Kürbiskerne, ucurbita Raps, Brassica napus Saffran, arthamus tinctorius Baumwollsamen, Malvaceae BAUMWLLERNTE 13 Wachse WASE sind Ester von langkettigen Fettsäuren mit langkettigen Alkoholen. definiert über mechanisch-chemische Eigenschaften! Bilden eine wasserabweisende Schicht im Pelz und auf Gefieder Exoskelett ist ebenso von einer wasserabweisenden Wachsschicht überzogen Pflanzen überziehen Blätter &Früchte mit Wachsen, um Wasserverlust zu minimieren und Schädlinge abzuwehren Bienenwachs ( 26 Säure + 30 Alkohol) Jojoba (- BA, Simmondsia chinensis), wächst in semiariden Gebieten von Arizona, alifornian und Mexico. Jojobaöl enthält überwiegend ungesättigte Fettsäuren und Alkohole (flüssig!), aber keine TG! 14

8 Wachse sind mitverantwortlich für den Lotus-Effekt Lotuseffekt = geringe Benetzbarkeit einer berfläche wasserabweisende und selbstreinigende Eigenschaften von hydrophoben berflächen, wie z.b. der Lotuspflanze bewirkt durch die mikro- und nanoskopische Struktur der berfläche und der Wachsschicht: auf der äußersten Schicht der Epidermis (Kutikula) sind Wachse aufgelagert, die eine hydrophobe Doppelstruktur bilden Adhäsionskräfte vermindert, Wasser perlt ab! 1970iger Jahren (wieder-) entdeckt und erforscht 1990iger Jahre: erste biomimetitsch-technischen Produkte 15 (Glycero)Phospholipide Glycerophospholipide bestehen aus Glycerin-3-phosphat, wobei die Alkoholfunktion an Position 1 und 2 mit einer Fettsäure verestert ist: Glycerophospholipide sind amphiphile Substanzen mit hydrophoben Ketten (R) und polaren Kopfgruppen (P-X). Sie bilden eine auptkomponente von biologischen Membranen! 16

9 (Glycero)Phospholipide Phospholipide können verschiedene polare Kopfgruppen tragen: holin: Quartäre Ammoniumverbindung (Kation) Beispielsweise Lecithine ( = Phosphatidylcholin) tragen das positiv geladene holin als Kopfgruppe (eines der häufigsten Phospholipide!). Lecithin: - Zwitterion - Tensid/Emulgator 17 (Glycero)Phospholipide 18

10 (Sphingo)Phospholipide SPINGLIPIDE sind Derivate des -18 Aminoalkohols Sphingosin: 2 N 3 Sphingosin trans ( 2 ) 12 3 Sphingolipide sind auptbestandteile von Membranen. 2 Kopfgruppe Vom eramid leiten sich drei Gruppen von Sphingolipiden ab: 1. Sphingomyeline (Griech.: myelos, Mark; Nervenzellen) 2. erebroside (Lat.: cerebrum, Gehirn) 3. Ganglioside (Lat.: ganglion, Knoten) FS N ( 2 ) 16 3 trans ( 2 ) 12 3 eramid Sphingomyeline äufigste Kopfgruppe ist das Phosphoethanolamin und Phosphocholin. bwohl diese Sphingophospholipide chemisch verschieden von den Glycerophospholipiden sind, besitzen sie eine ähnliche Struktur und Ladungsverteilung: N 3 3 N 3 Kopfgruppe: ( 2) 2 ( 2 ) 2 P P 2 2 Phosphatidylcholin N Sphingomyelin 3 ( 2) 7 ( 2) 16 (2)14 ( 2) 1 2 ( 2 )

11 2. erebroside erebroside tragen ein Monosaccharid als Kopfgruppe (auch also Glycosphingolipid bezeichnet). GALATEREBRSIDE und GLUEREBRSIDE treten am häufigsten auf. Die erebroside besitzen keine negativ geladene Phosphatgruppe und sind daher polare aber ungeladene Moleküle. 2 Struktur von Glucocerebrosid (Glukose ist β-glykosidisch mit dem eramid verknüpft) N (2)16 3 (2) Sphingomyelin und erebroside in der Myelinschicht Myelin ist eine spezialisierte Membran, die sich um Nervenfasern bildet (siehe Bild). Die Myelinschicht bildet Schichten um das sogenannte Axon. Sphingomyeline und erebroside sind die auptbestandteile der Myelinmembranen (Anteil von Galaktocerebroside an den Lipiden im Gehirn ca. 16%!) Myelinierte Nervenfaser (Querschnitt) 22

12 Bildung von Myelin: Schwann-Zellen Die Schwann-Zelle ist eine spezielle Form einer Gliazelle und befinden sich nur im peripheren Nervensystem. Sie bildet eine üll- und Stützzelle, indem sich die Schwann sche Zelle vielfach um ein Axon wickelt (Myelinscheide). Zwischen benachbarten Schwann-Zellen entlang eines Axons kommt es zu Unterbrechungen der Myelinscheide (RanvierSchnürringe). ier erfolgt die saltatorische Erregungsleitung. Theodor Schwann ( ) 23 Myelinschicht und Krankheiten Multiple sclerose (MS) ist durch einen Verlust der Myelinschicht charakterisiert. Durch den Verlust der Isolierung werden Nervenimpulse nicht mehr übertragen und es kommt zu schweren Lähmungserscheinungen (Prototyp einer Demyelinierungs Krankheit). Myelinschicht intakt: rasche (saltatorische) Erregungsleitung Myelinschicht beschädigt: langsame Erregungsleitung Mycobacterium leprae, Verursacher der Lepra, führt ebenfalls zur Demyelinisierung der Nervenzellen. ML = Mycobacterium leprae Ax = Axon My = Myelinschicht S = Schwann-Zelle 24

13 3. Ganglioside Ganglioside sind komplexe ligosaccharidstrukturen, speziell in der Grauen Substanz des irns, mit eramid als Grundgerüst (eramid: Sphingosin durch Amidbindung an langkettige Fettsäure gebunden). G M1 G M2 D-Galactose N G M3 3 N 3 N-acetyl-D- galactosamin D-Galactose D-Glucose eramid N ( 2) 12 (2)16 2 N-acetylneuroaminsäure Ganglioside und die holera Gangliosid G M1 im Darmlumen dient als Rezeptor für bakterielle Toxine, wie dem holeratoxin (ein bakterielles Exotoxin von Vibrio cholerae). Das holerabakterium wird über verdorbenes Wasser und Nahrungsmittel verbreitet. Die holerabakterien kolonisieren die Schleimhäute im Darm. Durch Ausschüttung des Exotoxins wird ein enormer Wasser- und Elektrolytverlust bewirkt (Diarrhöe). holera führt rasch zum Tod! Der Tod kann bereits 2-3 h nach dem Auftreten der ersten Symptome auftreten, typischerweise aber nach 18 Stunden bis einige Tage. V. cholera ( Kommabacillus ) verursacht die holera asiatica. 26

14 holeraepidemien holera ist auf dem indischen Subkontinent endemisch (erstmals beschrieben von ippokrates um 300 v. hr.) Die erste Pandemie (Ausbruch aus dem endemischen Gebiet) erfolgte 1817, und erreichte Europa im Jahr Bis zum 20. Jahrhundert gab es insgesamt 6 weltweite Epidemien. In einer der schwersten Epidemien im Jahr 1892 wurden alleine in amburg ca Menschen durch die holera getötet (13% der Bevölkerung!) Antoine Wiertz ( ) The Premature Burial, 1854 Übertragung durch Wasser wurde 1849 durch John Snow, einem Londoner Arzt, nachgewiesen. Später konnte RBERT K zeigen, dass die holera durch ein Bakterium verursacht wird (1883). Auguste Raffet ( ) Barbarism & holera enter Europe, Steroide / Sterole Sterole (oder Sterine) gehören zur Gruppe der Steroide und leiten sich von folgender Verbindung ab: Das häufigste Sterol ist holesterin: ydroxylgruppe verleiht dem holesterin einen amphiphilen harakter! 28

15 holesterin holesterin: polycyclischer Alkohol grundsätzlich wasserunlöslich im Blut in Form von Lipoproteinen transportiert Vorstufe von Gallensäuren, Steroidhormonen, und Vitamin D 90% vom Körper selbst hergestellt Biosythese: aus Acetyl-oA über Mevalonat, Isopentenyldiphosphat, Squalen, Lanosterin etc... Schlüsselenzym der Biosynthese: MG-oA-Reduktase 29 Steroidhormone holesterol dient der Biosynthese von sogenannten Steroidhormonen: Die Vorstufe der Steroid-ormone ist Pregnenolon: wird aus holesterol durch ydroxylierung an 20 und 22 mit anschließender Abspaltung der Seitenkette gebildet! 22 - holesterin 20 - Pregnenolon 30

16 Steroidhormone 31 Eicosanoide Eicosanoide (v. griech.: ähnlich zwanzig): leiten sich von mehrfach ungesättigten Fettsäuren mit 20 -Atomen ab hydrophobe, hormonähnliche Substanzen, wirken als Immunmodulatoren und Neurotransmitter an entzündlichen Prozessen im Körper beteiligt Drei Serien von Eicosanoiden: aus Dihomogammalinolensäure (DGLA): "gute" Eicosanoide; gegen Entzündung, Schmerzleitung etc. aus Arachidonsäure (AA): "böse" Eicosanoide; verursachen Entzündung, Schmerzleitung etc. aus Eicosapentaensäure (EPA): ebenfalls "gute" Eicosanoide Vier Substanzgruppen: Prostaglandine Prostacycline Thromboxane Leukotriene 32

17 Eicosanoide Eigenschaften: wirken lokal! aktiv in sehr geringen Konzentrationen extrem kurze Wirkungsdauer Schmerz, Fieber, Blutdruck, Blutgerinnung wichtige Angriffspunkte für Medikamente 33 Fettlösliche Vitamine Fettlösliche Vitamine: nichtpolare Moleküle, sehr gut in Lipiden löslich Resorption über Mizellenbildung ähnlich wie holesterin in hylomikronen eingebaut Vitamin D wird ebenfalls aus einem holesterolderivat synthetisiert: Vitamin D

18 Fettlösliche Vitamine Vitamine Funktion Mangel Speicherung Lebensmittel Vitamin A Wachstum der Zellen gegen bakterielle Infektionen Leistungsfähigkeit des Auges Nachtblindheit Wachstumshemmungen Infektionsfähigkeit bis zu einem Jahr Karotten rangen Vitamin D a- und P-Stoffwechsel Resorption von Mg Rachitis steoporose in kleinen Mengen in der Leber gespeichert Eigelb Thunfisch Vitamin E Antioxidans trockene aut in Leber und Fettgewebe gespeichert Nüsse livenöl Vitamin K an der Blutgerinnung beteiligt kann auftreten: - bei Diarrhöe - Antibiotika-Therapie nicht gespeichert, muss jeden Tag zugeführt werden Brokkoli Schweinefleisch Blutungsneigung 35 MEMBRANEN Lipide in MEMBRANEN: 36

19 Struktur der Phospholipide Die Länge der hydrophoben Fettsäureschwänze variiert ( Atome), mind. einer der Schwanzteile ist ungesättigt und enthält eine oder mehrere cis-doppelbindungen. Diese veranlassen ein Abknicken des Moleküls. D.h. Länge & Sättigungsgrad der Schwanzteile tragen wesentlich zur Fluidität der Membran bei! 37 Bildung von Micellen Der hydrophobe Teil eines amphiphilen Moleküls vermeidet den Kontakt mit dem wässrigen Medium. Gleichzeitig bleibt der Kontakt der polaren Kopfgruppe mit dem wässrigen Medium erhalten. Dadurch kommt es zur Bildung von Micellen (b) Zu viele Phospholipide führen zu energetisch ungünstigem ohlraum (Wasser) Solche großen Micellen werden ellipsoid, um ohlraum zu vermeiden, aber auch hier bilden sich wassergefüllte Spalten. 38

20 Bildung von Doppelschichten Amphiphile Moleküle mit nur einer hydrophoben Kette bilden Micellen Amphiphile Moleküle mit zwei hydrophoben Ketten bilden eine Doppelschicht (bilayer) Micelle Doppelschicht 39 Bildung von Doppelschichten 40

21 Doppelschichten bilden Membranen 41 Biologische Membranen Am Aufbau biologischer Membranen sind neben den Phospholipiden noch andere Moleküle beteiligt, wie z.b. Proteine, holesterin, Sphingomyeline und Kohlenhydrate: Membran als Flüssig-Mosaik -Modell 42

22 Proteine in Membranen integrale Membranproteine TRANSMEMBRANproteine periphere/assoziierte Membranproteine MEMBRANSTÄNDIGE Proteine Single-pass Multi-pass Multi-pass (α-helikal) (α-helikal) (β-faltblatt) 43 holesterin in Membranen Die holesterinmoleküle orientieren sich im Bilayer mit ihren -Gruppen in die unmittelbare Nachbarschaft zu den polaren Kopfgruppen der Phospholipide. Die starre, plattenförmige Steroidstruktur interagiert und stabilisiert dadurch jene Abschnitte der -Ketten, die am nächsten zu den polaren Kopfgruppen liegen. 44

23 Phospholipide und Sphingomyeline 45 Phospholipide und Sphingomyeline: Asymmetrie Phospholipide und Sphingomyeline sind ungleich = asymmetrisch über die beiden Seiten der Membran verteilt: Löffler, Petrides, einrich - Biochemie & Pathobiochemie, 8. Afl. Wozu / warum diese Asymmetrie? Signaltransduktion Bildungsort der Phospholipide Ladung (vermehrt neg. Ladung auf Außenseite) Bindung zu z.b. Proteinen Beispiel Apoptose: PS wandert an Außenseite, um von Makrophagen erkannt zu werden 46

24 Kohlenhydrate in der Membran: Glycocalyx Die Glycokalyx befindet sich auf der Außenseite der Membran. 47 Mitochondrien besitzen zwei Membranen 48

25 Der Zellkern ist von einer Membran umschlossen Die Kernhülle oder Kernmembran ist die Doppelmembran des Zellkerns einer eukaryotischen Zelle. Auf der Außenseite befinden sich Ribosomen, wobei die äußere Membran an einigen Stellen in das endoplasmatische Retikulum (ER) übergeht. In der Kernmembran sind Kernporen, die für den kontrollierten Austausch großer Moleküle < Da verantwortlich sind (Ribosomen gelangen nicht ins Kerninnere). 49