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1 Inhaltsverzeichnis - Kapitel 1. Einleitung: Die Chemie des Lebens 2. Kohlenhydrate 3. Lipide und Membranen Aminosäuren und Proteine 6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren 8. Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel 9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung 10. Stoffwechsel III: β-xidation & Aminosäureabbau 11. Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie 1 Marine Biological Laboratories Woods Hole, MA 2

2 Biochemische Funktionen Informationsspeicher Enthält den Bauplan des rganismus und dient als Übersetzungsanleitung für die Synthese von Proteinen 3 Chemische Funktionalitäten 4

3 Chemische Funktionalitäten Das Grundgerüst bilden die sogenannten ukleinsäure-basen. Diese sind heterocyclische Verbindungen (mind. ein icht-c-atom!) 1 3 Purin 7 9 H 3 1 Pyrimidin 5 ukleinsäurebasen Purin-Basen: Pyrimidin-Basen: H 2 H 2 X Adenin (A) X Cytosin (C) H 2 H X Guanin (G) H H X CH 3 Uracil (U) (nur RA) Thymin (T) (nur DA) dx 6

4 Ribonucleotide und Desoxyribonukleotide Die heterocyclischen Basen werden -glykosidisch mit dem anomeren Zentrum einer Pentose (Ribose, Desoxyribose) verknüpft: ukleotid: Base + Zucker + Phosphat ukleosid: Base + Zucker 7 Struktur der ukleotide können zu RA (Ribonucleotide) oder DA (Desoxyribonucleotide) polymerisiert werden. Die Polymerisierung erfolgt über Phosphodiesterbrücken, wobei die 3 -H Gruppe mit der 5 -Position des nächsten ukleotids verbunden wird: Aufgrund der negativ geladenen Phosphatgruppen tragen eine mehrfach negative Ladung (Polyanion). 8

5 5 -end 3 -end 9 RA und DA Ribonukleotide kommen in der RA, Desoxyribonukleotide in der DA vor. Adenin, Cytosin und Guanin sind sowohl in der RA als auch DA vertreten. Uracil hingegen kommt nur in der RA vor und ist in der DA durch Thymin ersetzt. DA bildet eine zweisträngige Doppelhelix während RA meist als einzelsträngiges Polymer vorliegt. 10

6 Chargaffs Basenkomplementaritätsregel Erwin Chargaff erkannte in den 1940iger Jahren, dass DA immer eine gleiche Anzahl von Adenin und Thymin (A=T) und Guanin und Cytosin (G=C) enthält ( Chargaff-Regel, A + G = T + C) Die strukturelle Basis dieser Entdeckung blieb allerdings verborgen und wurde erst durch Franklin, Crick, Watson und Wilkins geklärt. Deren Entdeckungen, die zu den sog. Watson-Crick-Basenpaarungen führten, rationalisierten schließlich Chargarffs Regel! Erwin Chargaff ( ) 11 Die Struktur der DA Röntgenbeugungsexperimente von Franklin und Wilkins führten zu einem Modell der DA Struktur Rosalind Franklin ( ) 12

7 Drawing by Francis Crick (ca. 1953) 13 Die Doppelhelix Francis Crick ( ) James Watson (1928- Maurice Wilkins ( ) obelpreis für Medizin/Physiologie (1962) ature, 1953, 171: A structure for deoxyribose nucleic acid It has not escaped our notice that the specific pairity we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material 14

8 Spezifische Basenpaarungen Die ukleotide in gegenüberliegenden Strängen bilden spezifische Wasserstoffbrücken Dies wird als komplementäre Basenpaarung bezeichnet (Watson-Crick-Basenpaare) Das Modell rationalisiert die Chargaff-Regel! Aufgrund der Basenpaarungen kann jeder Strang als Anleitung für die Synthese eines neuen komplementären Stranges dienen (Kopiermechanismus für genetische Information) 15 Watson-Crick-Basenpaarungen 16

9 Einige Merkmale der Doppelhelix Die beiden Einzelstränge winden sich um eine gemeinsame Achse Die beiden Stränge verlaufen antiparallel Beide Stränge sind rechtsdrehend Es bestehen immer A-T und G-C Basenpaarungen Die WW, die die 2 Stränge zusammenhalten sind H-Brücken-Bindungen zwischen komplementären Basen (GC: 3, AT: 2), bzw hydrophobe π-ww Furchen: durch Verdrehung gibt es Stellen, wo Basen direkt an berfläche liegen große und kleine Furchen 17 Zusammenfassung der DA-Struktur Animation DA-Struktur: 18

10 Die DA-Doppelhelix trägt die genetische Information Der DA-Duplex kann zur Produktion einer identischen Kopie benutzt werden (Replikation)! Vor einer Zellteilung wird die Doppelhelix dazu aufgewickelt und jeweils ein komplementärer Strang erzeugt, d.h. beide Stränge dienen als Vorlage für die Synthese eines Tochterstranges Anschließend wird eine Kopie an die Tochterzelle weitergegeben und eine verbleibt in der Elternzelle 19 eusynthese eines Tochterstranges 20

11 Replikation im Detail Folgestrang Leitstrang Durchgehende Synthese: nur von 5`nach 3 Topoisomerase: Helicase: Primase: Polymerase: Ligase: entspiralisiert die Doppelhelix löst die Basenpaarungen bildet die Primer, die als Ansatzstelle für die Polymerase dienen Synthese des Tochterstrangs aus ukleotiden Verknüpfung kurzer DA-Stücke (kazaki-fragmente) 21 Der Zellkern 22

12 Der menschliche Chromosomensatz In den 1990er Jahren wurde das Human Genome Project. Ziel: alle menschlichen Gene (ca ) identifizieren und öffentlich zugänglich machen, um damit die Voraussetzungen für neue diagnostischer Methoden und Therapien zu schaffen. Mensch besitzt 46 Chromosomen, davon 2 Geschlechtschromosomen (X, Y): je zwei homologe Chromosomen (Chromosomenpaare) + XX oder XY diploider Chromosomensatz 1 Chromosom trägt durchschnittlich an die 1000 Gene (140 Mbp). Metaphase der Kernteilung (Mitose) 23 Psychiatrische Genetik Familien-, Zwillings- und Adoptionsuntersuchungen haben gezeigt, dass es eine genetische Disposition zu schizophrenen und affektiven Erkrankungen geben muss. Durch genomweite Kopplungsuntersuchungen konnten chromosomale Regionen identifiziert werden, in denen Dispositionsgene vermutet werden. Kopplung: gemeinsame Vererbung eines genetischen Markers mit einem Krankheitsphänotyp innerhalb einer Familie. Assoziationsansatz: es wird untersucht, ob eine bestimmte Genausprägung einer Variante häufiger bei Patienten als bei Gesunden vorkommt. Vererbbarkeitsschätzungen Schizophrene Störung: Bipolar affektive Störung: Unipolare depressive Störung: 82-84% 80-90% 33-42% Schizophrene Kopplungs- und Assoziationsbefunde bei schizophrenen und affektiven Störungen: Rote Balken: Blaue Balken: Grüne Balken: schizophrene Störungen bipolare Störungen unipolare Störungen Quelle: Genetik schizophrener und affektiver Störungen, BIspektrum 13: (2007) 24

13 Grösse des Genoms ist artspezifisch Art Anzahl Basenpaare (kb) Virus Polyoma, SV λ Bakeriophage 48.5 T2, T4, T6 Bacteriophage 166 Geflügelpest 280 Bacterien Mycoplasma genitalium 580* Escherichia coli 4,600 Methanococcus jannaschii 1,660 Borrelia burgdorferi 910 Eukaryonten (haploider Satz!) Hefe (16 chromosomes) 12,600 Drosophila (4 chromosomes) 165,000 Arabidopsis thaliana (5 chromosomes) 125,000 Mensch (23 chromosomes) - 2,900,000 *kleinstes Genom einer freilebenden Art (ca. 470 Proteine) 25 Die zwei Funktionen der DA 1. Die DA dient als Informationsarchiv dessen gesamte Information an die nächste Generation weitergegeben wird (Replikation) 2. Die zweite Funktion besteht darin, einen Bauplan für die Biosynthese von Proteinen zu liefern: Dazu wird zunächst eine RA-Kopie eines bestimmten DA-Abschnitts hergestellt (Transkription) Anschliessend wird diese sogenannte messenger-ra (mra)-sequenz in eine Aminosäuresequenz umgeschrieben (Translation) 26

14 Der genetische Code Um 20 Aminosäuren spezifizieren zu können muss ein Code (Codons = Basen-Triplett) verwendet werden. Jedes Codon steht für nur eine Aminosäure (siehe Abbildung: Gen- oder Code-Sonne). Jedoch gibt es für manche Aminosäuren mehr als ein Codon ( degenerierter Code ): > Diese Codons werden als Synonyme bezeichnet. AUG und GUG sind sogenannte Startcodons. UAG, UAA und UGA sind sogenannte Stopcodons. 27 Der erste Schritt: Transkription Für die Herstellung eines Proteins wird zunächst ein Bereich der DA abgelesen und in einen komplementären mra-einzelstrang kopiert Dieser kodierende Bereich auf der DA wird als Gen bezeichnet messenger-ra (mra) 28

15 Die Struktur der transfer-ra (tra) Die tra bildet eine Klettblattstruktur mit intramolekularen stem-loop (Haarnadel) Strukturen: tra P Adenine H H H H H C H C H 3 R Mit dem Anti-Codon dockt die tra an das komplementäre mra Codon an 29 Die tra bindet an die mra 30

16 Der zweite Schritt: Translation Animation Proteinbiosynthese: 31 Der rt der Proteinbiosynthese: das RIBSM Das Ribosom stellt eine Bindestelle für mra und tra zur Verfügung (enthält zusätzlich ribosomale-ra, rra) Das Ribosom ist an der Ausbildung der Peptidbindung beteiligt (Kap. 5) 32

17 Jedes Gen codiert ein Protein Jedes Gen wird zur Herstellung eines bestimmten Proteins benutzt Durch die Expression bestimmter Gene kann ein rganismus auf Anforderungen reagieren Dadurch verändert sich der Proteininventar einer Zelle ( Proteom ) bei konstantem Genom! 33 Antibiotika hemmen die Proteinbiosynthese Chloramphenicol Bindet an 50S rra und hemmt die Bildung der Peptidbindung Erythromycin Bindet an die 50S rra und verhindert die Bewegung entlang der mra Streptomycin Verändert die Struktur der 30S rra und verursacht inkorrekte Translation der mra Tetracyclin Stört die die Wechselwirkung zwischen dem Anticodon und dem Codon 34

18 Antibiotika und ihre Wirkorte Antibiotikum Quelle Aktivität Wirkungsweise Penicillin Penicillium Gram + Zellwandbiosynthese chrysogenum Cephalosporin Cephalosporium Breitspektrum Zellwandbiosynthese acremonium Amphotericin Streptomyces Pilze Zellmembran nodosus Penicillium Erythromycin Streptomyces Gram + Proteinbiosynthese erythreus eomycin Streptomyces Breitspektrum Proteinbiosynthese fradiae Streptomycin Streptomyces Gram - Proteinbiosynthese griseus Tetracyclin Streptomyces Breitspektrum Proteinbiosynthese rimosus Streptomyces griseus Vancomycin Streptomyces Gram + Proteinbiosynthese orientalis Gentamycin Micromonospora Breitspektrum Proteinbiosynthese purpurea Rifamycin Streptomyces Tuberkulose Proteinbiosynthese mediterranei 35 Ricin - inaktiviert das Ribosom Ricin ist eines der giftigsten Pflanzentoxine (etwa die Menge eines Salzkorns ist tödlich!) Ricin spaltet an einer wichtigen Position eine Purinbase in der rra des Ribosoms ab (Depurinierung). Dies stoppt die Proteinbiosynthese! Rizinuspflanze (Ricinus communalis) 36

19 Ricin ist eine biologische Waffe 1978 wurde der bulgarische Dissident, Georgi Markov, in London durch einen mit Ricin präparierten Schirm ermordet! ach dem 1. Golfkrieg fanden Inspektoren der USCM auf dem irakischen Territorium grosse Mengen an Ricin Wegen seiner Zugänglichkeit und hohen Toxizität wurde Ricin im Jahr 2001 in die Chemical Weapons Convention (CWC) und Biological and Toxin Weapons Convention (BTWC) aufgenommen 37

Antwort: 2.Uracil. Antwort: 2. durch Wasserstoffverbindungen. Adenin, Cystein und Guanin kommen alle in der RNA und DNA vor.

Antwort: 2.Uracil. Antwort: 2. durch Wasserstoffverbindungen. Adenin, Cystein und Guanin kommen alle in der RNA und DNA vor. Antwort: 2.Uracil Adenin, Cystein und Guanin kommen alle in der RNA und DNA vor. Thymin kommt nur in der DNA vor; Uracil nimmt seinen Platz in den RNA- Molekülen ein. Antwort: 2. durch Wasserstoffverbindungen

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