Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie. Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie. Zoologie.

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1 Organische Chemie und Biochemie (AW) Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Erika Staudacher TEIL 1 Proteine Struktur Methodik Beispiel Hämoglobin Enzyme Kinetik Einteilung Beispiel proteolytische Enzyme Co-Faktoren Vitamine 1 2 Organisatorisches: Veterinärmedizin 1. Geprüft wird der Vorlesungsstoff 2. Punkt in Ecke bedeutet: diese Folie dient zur Vertiefung und wird nicht geprüft. 3. JEDES Biochemie-Lehrbuch ist zur Unterstützung geeignet. Die Bücher sind alle sehr teuer, daher nicht kaufen sondern in der Bibliothek ausleihen! 4. Meine -adresse: erika.staudacher@boku.ac.at Zoologie Botanik Humanmedizin Anorganische Chemie BIOCHEMIE Physik Biologie Organische Chemie Analytische Chemie Physikalische Chemie wässrige Systeme bei physiologischem (eher neutralem) ph-wert 3 4 PROTEINE Proteine Kohlenhydrate Lipide Co-Faktoren weitere Biomoleküle Struktur der Biomoleküle - siehe organische Chemie Vorkommen in der Zelle / im Organismus Funktionen Biosynthese kontrollierter Abbau Biochemische Arbeitsmethodik Primärstruktur: Sekundärstruktur: Tertiärstruktur: Quartärstruktur: Aminosäuren verbunden durch Peptidbindung α-helix, β-faltblatt Bildung von Domänen und aktiven Zentren mehrere Untereinheiten zusammengefügt Posttranslationale Modifikationen = Modifikation von reaktiven Aminosäureseitenketten (z.b. - OH, - NH 2, - SH, - COOH) - Phosphorylierung - Glykosylierung - Methylierung - γ-carboxylierung - und viele mehr! 5 6 1

2 Primärstruktur Sekundärstruktur Abb: P.Messner + Ch. Schäffer, Zentrum f. Nanobiotechnologie S-Schichtprotein von Bakterium 7 8 Tertiärstruktur Quartärstruktur 9 10 Einteilung der Proteine Methodik * nach ihren Eigenschaften (= gleichzeitig Möglichkeiten zur Trennung) präparative - analytische Methoden - Molekulargewicht - Ladung - Löslichkeit - Hydrophobizität - Affinität (z.b. zu spezifischem Antikörper) - Homologien in der DNA-Sequenz Beispiel - Molekulargewichtsbestimmung: Zeit (Gel)Filtration Zentrifugation Elektrophorese Aminosäurenanalyse (HPLC) * nach ihrer Funktion - falls man sie kennt! (2D-Elektrophorese) Massenspektroskopie Kernresonanzspektroskopie

3 2D-Elektrophorese weitere Analyse der einzelnen Punkte Elektrophorese 13 Analyse der Struktur und Funktion der Gesamtheit der Proteine einer Zelle: "Proteomics" 14 Beispiel: Hämoglobin Jede Untereinheit enthält einen Porphyrinring, der ein Molekül Sauerstoff binden kann. Blutfarbstoff MW ~ Da (ohne Hämgruppe) 574 Aminosäuren Fe-hältige Porphyringruppen 4 Untereinheiten, die einander in der Konformation beeinflussen ALLOSTERIE Funktion: Transport von O 2 und CO Maximal können vier Sauerstoffmoleküle aufgenommen werden. Allosterie-Effekt: Affinität für das erste O 2 : eher gering, durch die Bindung Konformationsänderung für das 2. O 2 schon etwas mehr Affinität u.s.w. Funktion: Lunge: es herrscht hohe O 2 -Konzentration rasche Aufnahme von vier O 2 -Molekülen. Transport mit den roten Blutkörperchen im Blutstrom zum Zielort. Muskel: es herrscht geringe O 2 -Konzentration und hohe CO 2 - Konzentration Abgabe der O 2 -Moleküle, Aufnahme von CO 2 -Molekülen. Rücktransport zur Lunge. 17 Myoglobin und fetales Hämoglobin haben eine höhere Sauerstoff- Affinität als Hämoglobin Defekte: Sichelzellanämie: erblich, eine Aminosäure (Glu Val) ausgetauscht Verformung und "klebrigwerden" der desoxygenierten Form. Thalassämien: verschiedene Mutationen, die zu Reduktion oder Fehlen einer Kette führen. 18 3

4 Wenn an einem Protein irgendetwas verändert ist: Sichelzellanämie normal Aminosäuresequenz oder dreidimensionale Struktur des Proteins oder posttranslationale Modifikationen Heterozygot - manchmal kein Effekt - Stoffwechselerkrankungen (Auf- und/oder Abbauwege gestört) - Funktion reduziert (z.b. Sichelzellanämie, cystische Fibrose) - Transport zum Zielort funktioniert nicht ENZYME Energie Enzyme sind Proteine, die in biologischen Systemen als Katalysatoren wirken. (Auch RNA-Moleküle können katalytische Funktionen haben!) E + S ES EP E + P Wirkt durch Stabilisierung von Übergangszuständen weniger Energie nötig sehr selektiv E... Enzym S... Substrat P... Produkt 21 Endzustand Ausgangszustand Energie ohne Katalysator Energie mit Katalysator Energiegewinn der Gesamtreaktion Energieersparnis Reaktionsverlauf z.b.zeit Enzym bringt Substrat in die optimale Orientierung und bestimmt dadurch die Bindungsstelle Selektivität 22 Enzyme Einsatz in der Industrie Enzymkinetik "Akzeptor" : WOHIN übertragen wird "Substrat" : WAS übertragen wird - Waschmittel - Zellstoff- und Papierherstellung - Leder- und Textilbearbeitung - Stärkeabbau zu Glukose und weiter zu Ascorbinsäure - Süßkraft (Umwandlung von Zuckern) - Herstellung von Milchprodukten - Backwaren - Fleisch K M : Michaelis-Menten-Konstante = Substratkonzentration bei der halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit V max = maximale Reaktionsgeschwindigkeit

5 K M und v max sind für definierte Bedingungen für jedes Enzym charakteristisch (wie gut ist das Substrat, wie gut sind die Bedingungen,...). Nicht kompetitiver Inhibitor V max wird kleiner K M bleibt gleich Kompetitiver Inhibitor V max bleibt gleich K M wird größer Typ einer Inhibition kann erkannt werden: Kompetitiver Inhibitor: bindet im aktiven Zentrum K M wird größer, v max bleibt gleich Nicht-Kompetitiver Inhibitor: bindet irgendwo anders am Enzym v max wird kleiner, K M bleibt gleich V max2 Regulation der Enzyme: siehe später bei Stoffwechselregulationen K M Einteilung der Enzyme Nach dem katalysierten Vorgang: Hauptklasse Reaktion 1. Oxidoreduktasen Redoxreaktion Beispiel: Proteolytische Enzyme Proteolytische Enzyme = Proteasen : spalten Peptidbindungen 2. Transferasen Übertragung von Molekülen 3. Hydrolasen Hydrolytische Spaltung 4. Lyasen Nicht-hydrolytische Spaltung 5. Isomerasen Umwandlung isomerer Verbindungen 6. Ligasen Energieabhängige Knüpfung von Bindungen Funktion: - Verdauung im Magen und Darm - Abbau von Proteinen in Lysosomen und Proteasomen - Abspaltung von Signalpeptiden - Aktivierung von Prohormonen und Proenzymen - bei der Blutgerinnung (Thrombin) - bei der Fibrinolyse (Plasminogen) Einteilung der Proteasen: Serinproteasen: Serin im aktiven Zentrum z.b. Verdauungsenzyme der Säuger im Darm: Chymotrypsin (spaltet auf Carboxyseite von Tyrosin, Tryptophan, Phenylalanin oder Methionin) Trypsin (spaltet spezifisch bei Lysin und Arginin) Elastase (spaltet bei kleinen ungeladenen Aminosäuren) Zinkproteasen: Zink im aktiven Zentrum z.b. Carboxypeptidase A (Säugerverdauungsenzym) (spaltet einzelne Aminosäure vom C-Terminus eines Proteins ab) Thiolproteasen (Sulfhydril-, Cysteinproteasen) Cystein-Rest im aktiven Zentrum z.b. Papain aus Papaya Kathepsin B (in Lysosomen tierischer Zellen zum Proteinabbau) Aspartatproteasen (saure oder Carboxypeptidasen) Ein Wassermolekül flankiert von zwei Aspartaten bildet das aktive Zentrum z.b. Pepsin (Magensaft, ph-optimum 2-3) HIV-1-Protease: setzt HIV-Schlüsselproteine aus Vorläuferprotein frei

6 Beispiel: Einsatz von Enzymen Prionprotein - Waschmittel - Zellstoff- und Papierherstellung - Leder- und Textilbehandlung - Stärkeabbau (Produktion von Glukose und Ascorbinsäure) - Süßkraft (Umwandlung von Zucker) - Milchprodukte - Gärprodukte - Backwaren - Fleisch 31 PrP C PrP Sc Konformationsisomere PrP C : wasserlöslich, leicht abbaubar PRP Sc : nicht wasserlöslich, schwer abbaubar, unempfindlich gegen Hitze, Strahlung, UV-Licht, viele Desinfektionsmittel Erscheinungsform: spongiforme Encephalopathie!! Übertragung über Artgrenzen!! - Scrapie (Schafe) - BSE (Rinder) seit 1985, Höhepunkt:1992 mit Fällen in GB - Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK) (Menschen) - Kuru (Menschen) Papua-Neuguinea (Aufnahme: Essen und Schleimhäute) - Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom - Fatal familial insomnia (Schlaflosigkeit, Körpertemperatur, Hormonhaushalt) 32 COFAKTOREN (Coenzyme) VITAMINE wasserlöslich I meist Bestandteile von Coenzymen = Moleküle, die aktivierte Gruppen im Stoffwechsel übertragen ("Carrier"). Carrier übertragene Gruppe ATP Phosphorylgruppen NADH und NADPH Elektronen FADH 2 und FMNH 2 Elektronen Coenzym A Acetylgruppen Liponsäureamid Acylgruppen Thiaminpyrophosphat Aldehydgruppen Biotin CO 2 Tetrahydrofolsäure C 1 -Einheiten 33 Thiamin (Vitamin B1) In Thiaminpyrophosphat (Coenzym für Decarboxylasen und Transferasen) Vorkommen: Weizen (daher Problem in Ostasien polierter Reis) Mangel: Kopfschmerzen, Schlafstörungen, Beriberi (neurologisch und kardiovaskulär, Störungen der Herztätigkeit) Riboflavin (Vitamin B2) In Flavinadenindinucleotid (FAD) und Flavinmononucleotid (FMN); in der Atmungskette, Bestandteil von Oxidoreduktasen Vorkommen: Leber, Niere, Hering Mangel: Sehschwäche, Wachstumsstörungen Nicotinsäure (Niacin) In Nicotinamidadenindinucleotid (NAD), Vorkommen: Pilze, Hefe, Leber Mangel: Störungen des zentralen Nervensystems, Pellagra (Dermatitis, Diarrhoe) 34 VITAMINE wasserlöslich II VITAMINE wasserlöslich III Pyridoxin, Pyridoxal (Vitamin B6) Als Pyridoxylphosphat-Coenzym; Vorkommen: Salat, Paprika, Hefe, Leber; Mangel: Störungen des Proteinaufbaus Pantothensäure Bestandteil von Coenzym A; Biotin (Vitamin H) An Carboxylasen gebunden; Vorkommen: Niere, Eigelb, Banane Cobalamin (Vitamin B12) Bestandteil von Transferasen, Ligasen und Mutasen; Vorkommen: Kalbsleber, Kalbsniere, Eigelb; in anaeroben Mikroorganismen! Mangel: Wachstums- und Konzentrationsschwäche Ascorbinsäure (Vitamin C) Cofaktor bei Hydroxylierungsreaktionen (Prolin im Kollagen) Vorkommen: Zitrusfrüchte, Kartoffel, Hagebutten Mangel: Schwächung des Immunsystems, Skorbut Folsäure Als Tetrahydrofolat, C1-Gruppentransfer Vorkommen: Leber, Hefe Mangel: verschiedene Anämien

7 FETTLÖSLICHE VITAMINE: Retinol (Vitamin A) Calciferol (Vitamin D) α-tocopherol (Vitamin E) Vitamin K Bestandteil der Sehpigmente Wachstumsfaktor für Jungtiere Calzium- und Phosphatstoffwechsel, Knochenbildung, Schutz ungesättigter Membranlipide vor Oxidation Blutgerinnung 37 7