BIOCHEMIE

Beziehen ihre Energie aus Licht

Verknüpft mit Auotrophe und Heterotrophe

beziehen ihre Energie aus CO2

Bsp: Cyanobakterien und Pflanzen

Kohlenstoff stammt aus organischen Verbindungen

Bsp: Purpur- und Grüne Bakterien

beziehen ihre Energie aus Oxidation chemischer Verbindungen

Verknüpft mit Lithotrophe und Organotrophe

beziehen ihre Energie aus anorganischen Brennstoffen

Bsp: Schwefelbakterien und Wasserstoffbakterien

beziehen ihre Energie aus organischen Brennstoffe

Bsp: alle nichtphototrophen Eukaryoten und meisten Bakterien

etwa 5-100 μm

Gleiche Summenformel und Atomsequenz

Andere räumliche Struktur

räumliche Anordnung von Atomen eines Moleküls

Fähigkeit, Arbeit zu Verrichten

Einheit: Joule (J)

Freie (Gibbssche) Energie oder auch Freie Enthalpie

kurz: G

Symbol steht für die Veränderung der freien Gibbssche Energie

Reaktion, die nur unter Energiezufur ablaufen kann

Reaktion, die spontan ablaufen

Die Kopplung von exergonen mit endergonen Reaktionen über ein gemeinsames Zwischenprodukt ist beim Energieaustausch in lebenden Systemen von entscheidender Bedeutung

4,6 Mrd Jahre

4 Mrd Jahre

2 Mrd Jahren

300 Mio Jahre

475 Mio Jahren

3-3,5 Mrd Jahren

3,5 Mrd Jahren

Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment

Systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung

eine evolutionäre Methode zur Erzeugung hochaffiner Nucleinsäure-Liganden

Das Verfahren wird genutzt, um Aptamere mit extrem hoher Bindungsaffinität an unterschiedliche Targets zu entwickeln.

Auch kleine Moleküle wie ATP, Adenosin und Proteine, wie beispielsweise Signalmoleküle, sind Targets für Aptamere.

Unter einem Aptamer versteht man ein kurzes einzelsträngiges DNA- oder RNA-Oligonukleotid mit einer Länge von 25 – 70 Basen.

Die Besonderheit dieses Oligonukleotides ist, dass es mittels seiner 3D-Struktur ein spezifisches Molekül binden kann

Die katalytisch aktive RNA, die sich in spezifische dreidimensionale Formen faltet, kann wie ein auf Proteinen basierendes Enzym Reaktionen katalysieren.

Zudem können die Ribozyme wie ein Antikörper hochspezifisch kleine Moleküle oder Proteine molekular binden.

Die Selektion neuer Enzyme auf RNA- und DNA-Basis, den sogenannten Ribozymen.

Ein Molekül, das reversibel gebunden wird, bezeichnet man als Ligand

Herstellung dieser Aptamere also, hochspezifischen Rezeptoren auf DNA- oder RNA-Basis, die an medizinisch relevante Targets binden können

Waschen= Selektion und Separation von nicht gebundenen Oligonucleotiden

Elution= Abkoppeln

Amplifikation= PCR —>Resultat: Aptamere mit besserer Bindungfähigkeit

Mutation= Modifizierte Amplifikation durch PCR mit höherer Fehlerrate mit dem Ziel zufällig noch bessere Aptamere mit ihrer Bindungsfähigkeit herzustellen

Lipide bilden Aggregate (Grenzflächenverhalten) aus, sodass Mizellen entstehen.

Der hydrophobe Teil der Lipide umschließen den Schmutz und die hydrophilen Teile bilden eine Barriere, sodass die gebildete Mizelle den Schmutz einfängt und abgetragen wird.

Bei der Fischer-Projektion wird die längste Kohlenstoff-Kette senkrecht angeordnet, wobei das höchstoxidierte C-Atom oben steht.

Die Kette wird nun so gedreht, dass vom betrachteten chiralen C-Atom aus die Atome der Kette hinter die Zeichenebene weisen.

Die seitlichen Substituenten zeigen nach vorn.

Nun wird das Molekül "flachgedrückt".

Steht der Substituent rechts, bezeichnet man die Konfiguration mit D, steht er links mit L.

Abgebildet ist der D-Glycerinaldehyd, er gehört zur D-Reihe der Aldosen

Unter einer Konformationsänderung versteht man die Fähigkeit von Proteinen, ihre räumliche Struktur (Konformation) zu verändern. Dabei können Proteine ihre Funktionen modifizieren oder eine völlig neue Funktion ausüben

Durch Drehung kann das Molekül nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden

Also: Ist das Molekül (hypotetisch) gespiegelt (fotografiert es) und dreht es, dann ist es nicht gleich

Durch Drehung kann das Molekül mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden.

Also: Ist das Molekül (hypotetisch) gespiegelt (fotografiert es) und dreht es, dann ist es gleich dem Spiegelbild

dient zur eindeutigen Beschreibung der räumlichen Anordnung der unterschiedlichen Substituenten an Atomen oder an Doppelbindungen

1. Chiralitätszentrum finden (C-Atom mit 4 verschiedenen Resten)

2. Atom mit größter Ordnungszahl=höhere Priorität (falls gleiche Ordnungszahl existiert schauen was danach noch dran hängt)

3. Nummerieren von 1-4

4. entweder zählt man im oder gegen den Uhrzeigersinn R=Rechts und S=Links

Anhand ihrer Seitenketten

Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Threonin, Tryptophan, Phenylalanin, (Histidin)

Glycin, Alanin, Valin, Isoleucin, Leucin, Tryptophan, Phenylalanin, Prolin, Methionin.

Asparat und Glutamat

Lysin, Arginin und Histidin

Serin, Threonin, Tyrosin, Asparagin, Glytamin, Cystein

Tyrosin, Tryptophan und Phenylalanin

Als Carboxyl-Terminus, kurz C-Terminus, wird jenes Ende eines Proteins oder Polypeptids bezeichnet, welches eine Aminosäure mit einer freien Carboxylgruppe (COOH) besitz

Der N-Terminus bzw. die N-terminale Region eines Proteins oder Peptids ist der Teil des Moleküls, der die freie, nicht an einer Peptidbindung beteiligte Aminogruppe (-NH2) enthält. Das dem N-Terminus entgegengesetzte Molekülende eines Peptids nennt man analog C-Terminus.

Unter der Primärstruktur eines Proteins versteht man die Reihenfolge der Aminosäuren, die sogenannte Aminosäure-Sequenz.

Unter der Sekundärstruktur eines Proteins versteht man eine übergeordnete Struktur, die sich einstellt, wenn nicht benachbarte Aminosäuren der Primärstruktur miteinander schwache chemische Bindungen ausbilden, z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Anziehungskräfte etc..

(Man unterscheidet in einem Protein zwei verschiedene Arten von Sekundärstrukturen, nämlich alpha-Helix-Bereiche beta-Faltblatt-Bereiche)

Man unterscheidet in einem Protein zwei verschiedene Arten von Sekundärstrukturen, nämlich:

alpha-Helix-Bereiche

beta-Faltblatt-Bereiche

(beta-Schleifen)

Unter der Tertiärstruktur eines Proteins versteht man die tatsächliche räumliche Struktur des Proteins, wie sie unter natürlichen Bedingungen vorliegt.

durch die Aminosäuresequenz

• Faserproteine

• Globuläre Proteine

Topocollagen bestehend aus Triple-Helix

Triple-Helix bestehend aus Aminosäurenketten

Hitze

pH-Wert

organische Lösungsmittel

Unterstützen die Faltung zahlreicher Proteine.

Chaperone sind Proteine, die mit teilweise gefalteten Infobox oder falsch gefalteten Polypeptidketten interagieren und so die richtigen Faltungswege ermöglichen.

Oder

Chaperone schaffen eine Mikroumgebung, in der die richtige Faltung ungehindert stattfinden kann.

Eine bekannte Klasse von Chaperonen sind die Hitzeschockproteine (z.B. HSP70)

Gravierende Erkrankungen möglich bsp. Amyloidosen oder spongiformen Enzephalopathien

(Amyloidose ist ein Überbegriff für eine ganze Gruppe von Erkrankungen. Allen gemeinsam ist, dass sich unnormal gefaltete Eiweisse zusammenballen, im Gewebe ablagern und sogenannte Amyloide bilden. Der Körper schafft es nicht, diese Mengen an Proteinen zu beseitigen.)

über die dreidimensionale Struktur

Ein Molekül, das reversibel gebunden wird, bezeichnet man als Ligand

Proteine sind flexibel und unterliegen Konformationsänderungen

Insbesondere die Bindung eines Liganden führt zur Konformationsänderung, um so eine festere Bindung zu ermöglichen (induced fit)

Das Protein erhält seine Struktur durch seine dreidimensionale Struktur

Unter einer Konformationsänderung versteht man die Fähigkeit von Proteinen, ihre räumliche Struktur (Konformation) zu verändern. Dabei können Proteine ihre Funktionen modifizieren oder eine völlig neue Funktion ausüben

Proteine sind flexibel und unterliegen Konformationsänderungen

Insbesondere die Bindung eines Liganden führt zur Konformationsänderung, um so eine festere Bindung zu ermöglichen (induced fit)

pH Wert, bei dem ein Molekül nach außen hin ungeladen ist

abkürzungen: pI, pHi

Kommt bei Zwitterionen vor (Wasser, Proteine oder Aminosäuren)

• aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin, Phenylalanin)

Isomere sind zwei oder mehrere Verbindungen, die die gleiche Summenformel und molekulare Masse besitzen, jedoch eine unterschiedeliche räumliche Anordnung oder Verknüpfung der Atome.

Stoffe, deren Teilchen aus der gleichen Art und Anzahl von Atomen bestehen, können durchaus verschiedene Eigenschaften aufweisen. Bei gleicher Summenformel kann nämlich die Anordnung der Atome, die Struktur der sogenannten Isomere verschieden sein.

Man unterscheidet zwischen mehreren Formen der Isomerie, die nicht nur Auswirkungen auf physikalische Eigenschaften, sondern auch auf das chemische Reaktionsverhalten hat.

Als Enantiomere bezeichnet man zu den Stereoisomeren gehörige Moleküle, die sich wie Spiegelbilder zueinander verhalten und nicht durch Drehen von Bindungen ineinander überführt werden können.

Im Gegensatz zu den Enantiomeren haben Diastereomere unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften. Durch diese unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften lassen sich Diastereomere voneinander trennen.

Diastereomere sind Stereoisomere, die nicht als Bild und Spiegelbild auftreten. In Deckung kann es ebenso nicht gebracht werden.

• der Aufbau gleich.

• die Struktur gleich.

• das Material beziehungsweise sind die Atome gleich.

• besitzen den gleichen Aufbau.

• haben die gleiche Struktur.

• bestehen aus der gleichen Substanz.

• haben eine unterschiedliche Konfiguration.

Als Stereozentrum bezeichnet einen Punkt in einem Molekül mit einem Satz an Substituenten in einer solchen räumlichen Anordnung, dass sie mit der spiegelbildlichen Anordnung nicht in Deckung gebracht werden kann.

Enzyme sind Proteine, die eine chemische Reaktion katalysieren können. Enzyme spielen eine tragende Rolle im Stoffwechsel aller lebenden Organismen; der überwiegende Teil biochemischer Reaktionen, von der Verdauung bis hin zum Kopieren der Erbinformation (DNA-Polymerase), wird von Enzymen katalysiert und gesteuert.

Als Biokatalysatoren beschleunigen Enzyme chemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, die überwunden werden muss, damit es zu einer Stoffumsetzung kommt.

Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung reversibel, d. h. die Produkte können wieder in die Ausgangsstoffe umgewandelt werden. Die Ausgangsstoffe (Edukte) einer Enzymreaktion, die Substrate, werden im so genannten aktiven Zentrum des Enzyms gebunden, es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex.

Das Enzym ermöglicht nun die Umwandlung der Substrate in die Reaktionsprodukte, die anschließend aus dem Komplex freigesetzt werden. Wie alle Katalysatoren liegt das Enzym nach der Reaktion wieder in der Ausgangsform vor. Enzyme zeichnen sich durch hohe Substrat-

und Reaktionsspezifität aus, unter zahlreichen Stoffen wählen sie nur die passenden Substrate aus und katalysieren genau eine von vielen denkbaren Reaktionen.

Höhere Reaktionsgeschwindigkeit

Mildere Reaktionsbedingungen

Größere Reaktionsspezifität

Rregulationsmöglichkeiten

Oxidations-Reduktionsreaktionen

Übertragung von funktionellen Gruppen

Hydrolysereaktionen

(Die Hydrolyse ist formal gesehen die Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser. Formal wird bei der Reaktion ein Wasserstoffatom an das eine „Spaltstück“ abgegeben und die als Rest verbleibende Hydroxygruppe wird an das andere Spaltstück gebunden)

Eleminierung von Gruppen

(unter ausbildung von Doppelbindungen)

Isomerisierung

(In der Chemie wird die Umwandlung eines Moleküls, also eine Änderung der Atomfolge, in ein anderes Isomer als Isomerisierung bezeichnet. In einigen Molekülen und unter bestimmten Bedingungen findet eine Isomerisierung spontan statt.)

mit ATP-Hydrolyse gekoppelte Knüpfung von Bindungen

Er beschreibt ein Molekül, das drei unterschiedliche funktionelle Gruppen bzw. Substituenten trägt und achiral ist. Das entsprechende Adjektiv lautet prochiral.

Die hohe Substraspezifität wird durch nicht kovalente Kräfte hervorgerufen, sondern beruht auf zwischenmolekularen Wechselwirkungen. (Wasserstoffbrückchenbindungen)

Cofaktoren, die permanent und (oft) durch kovalente Bindungen mit dem Enzym assoziiert sind

Ein katalytisch aktiver Enzym-Cofaktor-Komplex

Ein katalytisch inaktiver Enzym ohne den Cofaktor des Holoenzyms

… kleine Moleküle als Cofaktoren

Ribonuklease aus dem Pankreas katalysiert die Hydrolyse von RNA.

2‘-3‘-cyclische Nukleotide treten dabei als Intermediate auf.

pH-Abhängigkeit der Geschwindigkeit deutet auf die Beteiligung von ionisierbaren Resten im Enzym hin

pH-Abhängigkeit der Geschwindigkeit deutet auf die Beteiligung von ionisierbaren Resten im Enzym hin

Bei der kovalenten Katalyse wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch die vorübergehende Bildung einer kovalenten Katalysator-Substrat- Bindung erhöht.

Normalerweise entsteht diese kovalente Bindung durch die Reaktion einer nucleophilen Gruppe am Katalysator an einer elektrophilenGruppe des Substrats (siehe nachfolgende Folie).

Man nennt diese Art der Reaktion eine Nucleophile Katalyse

Bei der kovalenten Katalyse wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch die vorübergehende Bildung einer kovalenten Katalysator-Substrat- Bindung erhöht.

Beinahe ein Drittel aller bekannten Enzyme erfordern die Anwesenheit von Metallionen für eine katalytische Aktivität.

Zu dieser Enzymgruppe gehören die Metalloenzyme, die fest gebundene Metallionen als Cofaktoren haben.

Metallionen häufig Übergangselemente wie Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co2+

Die hohe Effizienz verschiedener Enzyme beruht auf Nachbargruppen- und Orientierungseffekte.

Die Reaktionspartner müssen in der richtigen räumlichen Anordnung zueinander stehen, damit eine Reaktion stattfinden kann.

Die durch Enzyme bewirkten Geschwindigkeitssteigerungen sind oft größer als es sich mit den bisher besprochenen Katalysemechanismen vernünftig erklären lässt.

Entscheidend für enzymatische Reaktionen:

Ein Enzym kann den Übergangszustand der katalysierten Reaktion mit höherer Affinität binden als die Substrate oder Produkte.

Zusammen mit den bisher besprochenen Katalysemechanismen erklärt gerade die bevorzugte Bindung des Übergangszustands die Reaktionsgeschwindigkeiten enzymatisch katalysierter Reaktionen.

Affinität

Das Katal (kat):

1 Katal ist diejenige Enzymmenge, die ein Mol Substrat pro Sekunde umsetzt.

SI-Einheit Unit (U):

entspricht derjenigen Enzymmenge, welche die Umsetzung von einem Mikromol Substrat pro Minute unter genau festgelegten Versuchsbedingungen katalysiert

Die Messung der enzymatischen Aktivität muss unter genau festgelegten Bedingungen erfolgen.

Temperatur, pH-Wert, Puffersystem Konzentration von Substrat und Cofaktoren Messtechnik

Ursprünliche Definition der Standardtemperatur: 25 °C Später wurden 30 °C vorgeschlagen

Änderung der Fluoreszenz

Trübung

Lumineszenz

Lichtabsorptionen im sichtbaren (VIS) Oder UV-Bereich

Abhängigkeit der Lichtabsorption von der Konzentration der absorbierenden Substanz

Säure-Base-Mechanismus

Kovalente Katalyse

Metallionen Katalyse

Nachbargruppen- und Orientierungseffekte

Stabilisierung des Übergangszustandes