Die hierarchische Organisation biologischer Strukturen

Transkript

1 Das Lehrbuch

2 Die hierarchische Organisation biologischer Strukturen

3 Die drei Etappen der Evolution von Leben

4 Was ist Biochemie? Untersuchung des Lebens auf molekularer Ebene Leben, wie wir es kennen, ist an ein wässriges Milieu gebunden

5 Basen Die Moleküle Carbohydrate des Lebens Fettsäuren Aminosäuren

6 4. Aminosäuren 1. Aminosäuren von Proteinen A) Generelle Eigenschaften B) Peptidbindung C) Klassifizierung und Eigenschaften D) Säure-Base Eigenschaften E) Nomenklatur 2. Optische Aktivität A) Operationelle Klassifikation B) Die Fischer Projektion C) Das Cahn-Ingold-Prelog System D) Chiralität in der Biochemie 3. Nonstandard Aminosäuren A) Aminosäuren-Derivative in Proteinen B) Spezialisierte Rolle von Aminosäuren

7 Die frühe Biochemie hat sich hauptsächlich auf die Untersuchung von Proteinen konzentriert. Uniforme physikochemische Eigenschaften, können mit chemischen Methoden untersucht werden: # Lipiden, Polysacchariden, Nukleinsäuren

8 α-aminosäuren o AS sind die monomeren Bausteine von Proteinen o Generelle Struktur o 20 R o # Prolin

9 Klassen von AS o Nach Polarität der Seitenkette - Hydrophobe AS im Inneren von Proteinen - Hydrophile und geladene AS auf der Oberfläche o Nonpolar/hydrophob AS (9) o Ungeladen/hydrophil AS (6) o Geladene AS (5)

10 Nonpolar AS (9) o Klein aliphatischer R: Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin o Thiol Ether: Methionin o Zyklisch Sekundäre AS: Prolin o Gross: Phenylalanin (Phenyl Gruppe), Tryptophan (Indol Gruppe)

11

12 Amino acid with nonpolar side chains (2)

13 Ungeladen/Polare AS (6) o Hydroxyl Gruppe: Serin, Threonin, o Amid: Asparagin, Glutamin o Phenolisch: Tyrosin o Thiol: Cystein

14

15 Geladene AS (5) o Basisch: Arginin, Lysin, Histidin (pk ~6.0!) o Sauer: Asparagin Säure, Glutamin Säure

16

17 Jede der 20 AS hat spezielle und charakteristische physikochemische Eigenschaften, deren Kombination die grosse funktionelle Vielfalt an Proteinen ermöglicht.

18 Die Peptidbindung

19 o Polymerisierung von AS Dipeptiden (20 2 ), Tripeptiden (20 3 ) Oligopeptiden (3-10) Polypeptide (linear) o Protein: eine oder mehrere Polypetide AS, Mw ~4-440 kd (AS ~110D) o Proteine mit vielen verschiedenen Funktionen basieren auf Variationen der Reihenfolge (Sequenz) der 20 Standard AS

20 Disulfidbrücken o Inter- Intra-Ketten Vernetzung von Polypetiden über Cys-Cys

21 Säure-Base Eigenschaften von AS o Amphoterische Substanzen, Ampholyte o pk 1 Carboxyl Gruppe ~2.2 -> Carboxylat Form ph >3.5 o pk 2 Amino Gruppe ~9.4 -> Ammonium Form ph <8.0 o pk R (Tabelle) o Zwitterionisch, Dipolare Ionen o Wasserlöslich o Salz, Tm ~300 C

22 Säure-Base Eigenschaften von AS (2) o zb. Glycin Henderson-Hasselbach Gleichung: ph = pk + log ([A-]/[HA]) o Isoelektrischer Punkt: pi = 1/2 (pk i + pk j ) - Amino Gruppe acidifiziert Carboxylgruppe - Carboxylat Gruppe basifiziert die Amino Gruppe o AS sind nie ungeladen in Wasser

23 Proteine haben komplexe Titrationskurven o zb. Titrationskurve von Ribonuklease A in Abhängigkeit von unterschiedlichen Salzkonzentrationen o Ca. 30% der AS Seitenketten eines Proteins sind ionisierbar

24 Nomenklatur o Dreibuchstaben Code o Einbuchstaben Code o Glx = Gln oder Glu o Asx = Asn oder Asp o In Polypeptiden AS(-in)yl, N->C Alanyltyrosylaspartylglycin Ala-Tyr-Asp-Gly AYDG o Griechische Buchstaben für Carbon Positionen in AS

25 4.2. Optische Aktivität

26 o Optisch aktive Substanzen haben ein asymmetrisches Zentrum (Chirales Zentrum) und lassen sich mit ihrem Spiegelbild (Enantiomer) nicht zur Deckung bringen o zb. Enantiomere von Fluorochlorobromomethane

27 Klassifikation optisch aktiver Substanzen o mittels Polarimeter bestimmt - Dextrorotatory, rechtsdrehend - Levorotatory, linksdrehend o Quantitativ: spezifische Rotation - Aber keine absolute Konfiguration ableitbar!!!

28 Die Fischer Konvention Emil Fischer (1891), Versuch einer relativen Konfigurationsangabe in Bezug auf Glycerinaldehyd Def: Horizontale Linien über, vertikale Linien hinter der Projektionsebene

29 Alle AS von Proteinen haben eine L-Konfiguration

30 Die CORN Eselsbrücke To draw absolute configuration of amino acids Look down Cα from H Write CO-R-N in clockwise orientation

31 Moleküle mit mehr als einem chiralen Zentrum o o o Optische Isomere (Stereo Isomere) unterscheiden sich in der Konfiguration von zumindest einem chiralen Zentrum Molekül mit n chiralen Zentren 2 n Stereoisomere Diastereomere = allo Formen (unterschiedliche physikochem. Eigenschaften # Enantiomere) <- Diastereomere -> <- Enatiomere ->

32 Die 3 Stereoisomere von Cystin Meso Formen sind intern kompensiert und daher optisch inaktiv

33 Die Cahn-Ingold-Prelog Nomenklatur o Absolute Nomenklatur für chirale Zentren: R (rectus) S (sinistrus) o Gewichtungsregeln: 1. Atomzahl, 2. Substituent, W > X > Y > Z (SH>OH>NH2>COOH>CHO>CH2OH> ) o Look down H from Cα Alle L-AS sind (S) ausser Cys

34 Die Newman Projektion o Zur Darstellung von Molekülen mit mehreren chiralen Zentren

35 Prochirale Zentren o Zwei chemisch identische Substituenten an einem tetrahedralen Zentrum sind unterschiedlich o Bsp. Ethanol, H sind prochiral o Können über rotation nicht ineinander überführt werden

36 re- und si-ebene o Die beiden Seiten von planaren Zentren lassen sich ebenfalls unterscheiden o Wichtig bei enzymatischen Reaktionen, welche in der Regel enantioselektiv sind # chemische Reaktionen (racemisch)

37 Leben = Vorkommen von optisch aktive Verbindungen?

38 4.3. Nicht-Standard Aminosäuren o Post-translationelle Modifikation von AS, zb. Hydroxyprolin o D-AS in Peptid Antibiotika von Prokaryonten, zb. Valinomycin, Gramicidin o Spezialisierte Rolle gewisser AS, zb. als Neurotransmitter, GABA, Histamin Metabolische Intermediate, zb. SAM Toxine, zb. Azaserin

39 Post-translationelle Modifikation

40 Biologisch aktive Derivative von Aminosäuren