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Vorlesung
(für Chemiker vor dem Vordiplom, 4. Semester, neuer Studiengang)^ BIOCHEMIE I (NATURSTOFFE)
Erstmals gehalten im Sommersemester 2005^ Thomas Ziegler
Wintersemester : Di 14:15-15:00 Uhr N3 (Übungen/Seminar) Klausur OC1: Do 8:15siehe Aushang-9:45 N3 (Vorlesung)
INHALT
**1. Allgemeines – Organische Chemie / Biochemie
- Wichtige Stoffklassen der Biochemie 2.1. Aminosäuren / Peptide 2.2. 2.2.1. ProteineEnzyme 2.2.2. Coenzyme 2.3. Nucleinsäuren 2.4. Porphyrine 2.5. 2.6. COFette und Lipide 2 und Zitronensäurecyclus 2.6.1 Auf- und Abbau 2.6.2. Phospholipide, Glycolipide, Membranen 2.6.3. Isoprenoidlipide, Steroide, Carotinoide 2.7. 2.7.1. ZuckerMonosaccharide 2.7.2. Oligo- und Polysaccharide 2.8. Hormone, Mineralien, Vitamine
- Biochemische Reaktionstypen 3.1. 3.2. Biologische OxidationProteinstoffwechsel und Proteinbiosynthese 3.3. Photosynthese Anmerkung zur Vergabe von Kreditpunkten:** Die Vorlesung Biochemie und AN2a die OC1-Modulabschlußprüfung (Klausur). Die Termine der OC1 BC1 (2 SWS) bildet zusammen mit den Vorlesungen OC1a, OC1-Klausur werden durchb, OC1c Aushang bekanntgegeben. Die Note im Modul OC1 wird wie folgt gebildet: Note OC1 = [(Note Klausur x 21) + (Note Praktikum x 7)] / 28
1. Allgemeines
Weiterführende Literatur: P. Karlson, D. Doenecke, J. Koolman; Kurzes Lehrbuch der Biochemie; Georg Thieme Verlag 1994 A. L. Lehninger; Biochemie; VCH 1985 (2. Auflage) B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J. D. Watson; Molekularbiologie de Zelle; VCH 1986 (1. Auflage) r
Die Biochemie ist Teil der Organischen Chemie, da sie sich ebenso mit der Chemie von Kohlenstoffverbindungen befasst. Die Biochemie ist jedoch auch Teil der Biologie (Lehre vom Leben), da sie die chemischen Vorgänge lebender erforscht. Die Biochemie wird in 2 Teilgebiete unterteilt: Organismen
Deskriptive Biochemie : beschreibt die chemische Natur der Zellbestandteile (Naturstoffe) Dynamische Biochemie : beschreibt die Stoffwechelvorgänge und die „Dynamik“ einer Zelle und der Organismen. Darstellungen, die aus der Literatur entnommen sind stammen aus P. Karlson, D.; Kurzes Lehrbuch der Biochemie; Georg Thieme Verlag 1977 und sind mit „PK“ gekennzeichnet.
2. Wichtige Stoffklassen der Biochemie
Wichtige Stoffgruppen in der Biochemie sind:
- Proteine (Aminosäuren, Peptide)
- Lipide (Fette, Terpene)
- Nucleinsäuren (DNA, RNA)
- Saccharide (Kohlenhydrate)
- Mineralien, Vitamine, Heterocyclen Wichtige Organich-Chemische Strukturen in der Biochemie sind:
- Funktionelle Gruppen
- Cyclische Verbindungen Wichtige Reaktionen in der Biochemie sind:
- Kondensationsreaktionen
- Redoxreaktionen
- Substitutionen/Eliminierungen
- C-C-Bindungsbildung
- Stereoselektive Reaktionen
Einige wichtige Carbonsäuren:
H COOH COOH COOH COOH COOH COOH
Monocarbonsäuren (Salze) Ameisensr. (Formiate) Essigsr. (Acetate) Propionsr. (Propionate) Buttersr. (Butyrate) Valeriansr. (Valeriate) Isovaleriansr. (Isovaleriate)
Dicarbonsäuren (Salze) HOOC COOH HOOC COOH HOOC COOH HOOC COOH COOH HOOC HOOC COOH
Oxalsr. (Oxalate) Malonsr. (Malonate) Bernsteinsr. (Succinate) Maleinsr. (Maleinate) Fumarsr. (Fumarate) Glutarsr. (Glutarate)
Hydroxy- Ketocarbonsäuren (Salze)
COOH
OH
COOH
OH HO
COOH
OH HOOC
HOOC COOH OH
OH
Milchsr. (Lactate)
Glycerinsr. (Glycerinate) Äpfelsr. (Malate)
Weinsr. (Tartrate)
COOH
O Brenztraubensr. (Pyruvate)
HOOC COOH
OH COOH
Citronensr. (Citrate)
Merke! Säurestärke von Säuren wird durch den pKS-Wert ausgedrückt R-COOH + H 2 O → R-COO-^ + H 3 O+ KS = [R- [COOR-COOH]-] [H^3 O +] pKS = - lgKS typische pKS-Werte: Salzsäure - 7,0 (starke Säure) Salpetersäure - 1, Phosphorsäure +2, Ameisensäure Essigsäure +3,8+4, Kohlensäure +6, Blausäure +9, Wasser +15, Ammoniak +23,0 (schwache Säure)
Einige wichtige Reaktionen Kondensation Veresterung / Verseifung: (^) R OH + R' COOH R' COOR Amidbildung / Spaltung: R NH 2 + R'^ COOH^ R'^ CONHR Veretherung / Etherspaltung: (^) R OH + R' X R' OR Acetalbildung / Spaltung: 2 R OH + R''R' O R''R' OROR
Eliminierungen / Addition (^) R X R' R R'
Redox-Reaktion Hydrierung / Dehydrierung: (^) R R'^ + H (^2) R R'
R (^) O + H^2 R OH Reduktion / Oxidation: O O + 2e- O^ O C-C-Knüpfung Aldolkondensation: (^) R'' R^ O
O R''
OH R' (^) R
O
Claisenkondensation: (^) R'' R^ O
O R''
O OEt (^) R
O OEt+ OEt
Knoevenagelkondensation: (^) R'' O^ ROOC^ R' O R'' ROOC
O
Carboxylierung: (^) R O HO
O OEt (^) R
O CO 2 + OEt
Beachte! Informieren Sie sich über diese Reaktionen in Lehrbüchern der OC
2.1. Aminosäuren / Peptide
In der Natur, insbesondere in Peptiden und Proteinen, finden sich fast ausschließlich -Aminosäuren. Es gibt jedoch auch entsprechende -, -, -, etc. Aminosäuren.
COOH
COOH
NH H^2 N^ COOH
2 -Alanin (chiral) -Alanin (achiral)
Chemische Eigenschaften von Aminosäuren: Aminosäuren sind meist kristalline Feststoffe und liegen als Zwitterionen vor. Da Aminosäuren eine saure Carboxylatgruppe und eine basische Aminfunktion tragen, können sie pH-abhängig in drei Formen vorliegen. Den pH-Wert, bei dem eine Aminosäure in der (nach außen ungeladenen) zwitterionischen Form vorliegt wird Isoelektrischer Punkt (IP) genannt. Der IP ist für jede Aminosäure charakeristisch.
R COOH NH 3
-H+
+H+
R COO
NH 3
-H+
+H+
R COO
NH 2
im Sauren "neutral"pH = IP^ im Basischen
pKS-Werte und IPs einiger Aminosäuren:
die -Carboxylgruppe von Aminosäuren ist ungewöhnlich sauer. Weitere Carboxalgruppen (- oder -) sind weniger sauer je weiter entfernt sie von C sind. allgemein: -Carboxylgruppe: pKS = 1,7 – 2,6 (saurer als Ameisensäure!) -Aminofunktion: pKS = 8,9 – 1 0,6 (als Ammoniumion) andere Grp.: -Carboxylgruppe (Asp): pKS = 3,86 (ungefähr wie Ameisensäure) -Carboxylgruppe (Glu): pKS = 4,24 (ungefähr wie Essigsäure) Thiolgruppe – SH (Cys): pKS = 8, Hydroxylgrp. – OH (Tyr): pKS = 10, -Ammonium (Lys): pKS = 8, Guanidinogruppe (Arg): pKS = 12, Imidazolgruppe (His): pKS = 6,01 (als Imidazolium) Isoelektrischer Punkt IP: IP = ½ (pKS1 + pKS2) z.B. Glycin (Gly): 6. Phenylalanin (Phe): 5, Asparaginsäure (Asp): 2,
Histidin (His): 7, Einteilung der Aminosäuren: Da fast alle Aminosäuren chiral sind (Ausnahme: Glycin) werden AS der L Reihe zugeordnet. In der Natur kommen fast ausschließlich nur die L-Formen vor.- bzw. D- Von allen möglichen Aminosäuren sind 20 besonders häufig. Sie werden als proteinogene (Protein-bildende) Aminosäuren bezeichnet. Aminosäuren können in „essentielle AS“ und „nicht Essentielle AS sind solche, die der menschliche Organismus nicht produzieren kann-essentielle AS“ unterteilt werden. und die deshalb mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Essentielle Aminosäuren: L-Valin, L-Leucin, L-Isoleucin, L-Phenylalanin, L-Threonin, L-Methionin, L-Tryptophan, L-Lysin AS warden “besser” nach ihren chemischen Eigenschaften unterteilt: a) AS mit unpolarem Rest:
b) AS mit polarem, nicht ionisierbarem Rest:
Trennung von Aminosäuren über eine Ionentauschersäule „PK“:
Beachte! Informieren Sie sich aus Lehrbüchern über Amide und Peptide Allgemeine Methoden zur Synthese von Amiden
R COOH +^ R' NH 2 R HNO R'
Erhitzen oderKondensationsmittel
R OX + R' NH 2 R O HN R'
evtl. Hilfsbase X = Hal, OR'' R + R ONH 2
N H 2 O^ Erhitzen
Allgemeine Methoden zur Synthese von Aminosäuren Beachte! Informieren Sie sich aus Lehrbüchern über folgende Synthesen:
- Strecker-Synthese
- Hydantoin-Synthese
- Azlacton-Synthese
- Erlenmeyer-Synthese
- Hell-Vollhardt-Zellinski-Reaktion / Substitution mit Aminen und Amiden
- Aminosäuren durch reduktive Aminierung von Ketosäuren
- Hydrierung von Dehydroaminosäuren
Allgemeine Methoden zur Synthese von Peptiden Problem: 2 unterschiedliche Aminosäuren ergeben 2 unterschiedliche Dipeptide
H 2 N COOH
H 2 N COOH
Gly
Ala
H 2 N (^) N H H 2 N (^) NH
O
O
COOH
COOH
Gly-Ala
Ala-Gly
Peptidbindung: Peptide sind Amide aus zwei Aminosäuren: Struktur der Amidbindung:
- Die C-N Bindung in Amiden besitzt Doppelbindungscharakter (ca. 40%)
- Rotation um die C-N Bindung ist gehindert (2 Konformere möglich)
- Das trans-Konformere ist thermodynamisch stabiler
- NH ist nicht protonierbar
N
H
O
1,32 1,
O
N
H
OH
N
O
N
H
O
N H
trans cis
Die Peptidgruppe ist fast eben gebaut. In Peptiden stehen die Substituenten der Aminosäuren ober- bzw. unterhalb dieser Ebene
N
H
O
OH
O
H 2 N
R'
R
H
H
Einige natürlich vorkommende Peptide
HOOC
HN NH COOH
NH 2
O (^) SH
O
Glu Cys Gly
Glutathion (biol. Redoxsystem)
H 2 N HN COOH O N
HN
-Ala (^) His
Carnosin (Neurotransmitter)
S S Cys Asp
Gln
Ile
Cys Tyr
Pro Leu Gly NH 2
HOOC
Ocytocin (Hypophysenhormon)
2.2. PROTEINE
Die Bezeichnung Protein kommt aus dem Griechischen: (proteuo) = „ich nehme den ersten Platz ein“
Beispiel: Kollagenfasern „PK“
Strukturen von Proteinen:
- Primärstruktur: Aminosäuresequenz
- Sekundärstruktur: räumliche Anordnung der Kette (Flatblatt, Helix) nur peptidisches Rückgrat, nicht räuml. Anordnung der AS Seitenketten
- Tertiärstruktur: Gestalt des Proteins (räuml. Anordnung aller Atome)
- Quartärstruktur: Aggregate aus mehreren Proteinen (Dimere, Trimere, etc.)
Beispiel für Protein mit Quartärstruktur aus 4 Proteinketten (Untereinheiten): Hämoglobulin „PK“
2.6 Fette und Lipide
Stoffklassen A. nicht hydrolysierbar
- Langkettige Alkane, Carotinoide, Vitamine
- Terpene, Steroide
- Fettalkohole >C
- Fettsäuren >C
Common Fatty Acids
Chemical Names and Descriptions of some Common Fatty Acids Common Name Carbon Atoms^ Double Bonds Scientific Name Sources Butyric acid 4 0 butanoic acid butterfat Caproic Acid 6 0 hexanoic acid butterfat Caprylic Acid 8 0 octanoic acid coconut oil Capric Acid 10 0 decanoic acid coconut oil Lauric Acid 12 0 dodecanoic acid coconut oil Myristic Acid 14 0 tetradecanoic acid palm kernel oil Palmitic Acid 16 0 hexadecanoic acid palm oil Palmitoleic Acid 16 1 9 - hexadecenoic acid animal fats Stearic Acid 18 0 octadecanoic acid animal fats Oleic Acid 18 1 9 - octadecenoic acid olive oil Vaccenic Acid 18 1 11 - octadecenoic acid butterfat Linoleic Acid 18 2 9,12-octadecadienoic acid safflower oil Alpha (ALA)-Linolenic Acid 18 3 9,12,15-octadecatrienoic acid flaxseed (linseed) oil Gamma-Linolenic Acid (GLA) 18 3 6,9,12-octadecatrienoic acid^ borage oil Arachidic Acid 20 0 eicosanoic acid peanut oil, fish oil Gadoleic Acid 20 1 9 - eicosenoic acid fish oil Arachidonic Acid (AA) 20 4 5,8,11,14-eicosatetraenoic acid liver fats EPA 20 5 5,8,11,14,17-eicosapentaenoic acid fish oil Behenic acid 22 0 docosanoic acid rapeseed oil Erucic acid 22 1 13 - docosenoic acid rapeseed oil DHA 22 6 4,7,10,13,16,19 acid - docosahexaenoic fish oil Lignoceric acid 24 0 tetracosanoic acid small amounts in most fats
B. hydrolysierbar
