Biochemie I für Studierende in den Bachelorstudiengängen Biologie und Molekulare Biotechnologie - B CUBE Dresden
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Biochemie I
für Studierende in den Bachelorstudiengängen
Biologie und Molekulare Biotechnologie
“Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants”
(Jaques Monod)
1
Themen Biochemie I (SoSe 2018)
Themen Datum Lehrbuch Seiten
1. Biologische, chemische und physikalische 12.4/19.4. 1-69
Grundlagen der Biochemie
2. Aminosäuren und Proteine 26.4./3.5. 75-89/96-102
3. Strukturen und Faltung von Proteinen 17.5./31.5. 115-151
4. Enzyme 7.6.*/14.6./21.6. 189-205/214-223/226-232
5. Kohlenhydrate 28.6. 243-268
6. Lipide und Biomembranen 5.7./12.7. 357-377, 385-399
7. Nukleinsäuren 19.7. 281-290, 297-306
* Ersatztermin wird noch bekannt gegeben
Strukturen und Eigenschaften biologischer
Makromoleküle und Membranen
Proteine (Struktur, Faltung, Katalyse)
2
Themen Biochemie II (WiSe 2018/19)
Prinzipien des Stoffwechsels (Metabolismus)
Stoffwechselwege der Kohlenhydrate, Lipide,
Aminosäuren und Nukleinsäuren
3
Lehrbuch
Lehninger - Principles of Biochemistry
Nelson & Cox, 6th edition, Freeman, 2013
ISBN-13: 978-1-4641-0962-1
4
Was müssen Sie tun?
Regelmäßige, aktive Teilnahme an der Vorlesung
- Stellen und Beantworten von Verständnisfragen
Regelmäßiges aktives Lesen des Lehrbuchs
- Abgleich mit den Volesungsunterlagen
- kritisches Hinterfragen des eigenen Verständnisses
Regelmäßige aktive Teilnahme am wöchentlichen
Tutorium: Anika Jürß, Anne Henka, und Elisabeth Steiner
5
Wie unterstütze ich Sie?
Alle Folien und Vorlesungsunterlagen zeitnah im Netz
http://www.bcube-dresden.de/research-groups/kroeger/teaching/
Gesprächszeiten direkt nach der VL oder nach Vereinbarung
Kontakt: nils.kroeger@tu-dresden.de
Fragestunde in Plenum 1-2 Wochen vor Klausur
6
1.
Biologische, chemische und physikalische
Grundlagen der Biochemie
7
1.1. Biologische Grundlagen
Es gibt nur 2 strukturelle Typen biologischer Zellen
prokaryontisch eukaryontisch
1 Genom (zyklisch) 1 Genom (linear)
+1-2 Genome (zyklisch)
keine Organellen Organellen
obligate Einzeller Einzeller (Protisten)
+ Vielzeller
Es gibt 3 evolutionäre Typen von Organismen:
Bakterien, Archeen und Eukaryonten
Endiosymbiontentheorie (ET): erklärt Entstehung von Mitochondrien und Plastiden
Befunde, welche die ET stützen: Mitochondrien und Plastide haben bakterielle
- Genome (zyklisch)
- Membranben (Cardiolipin)
- Ribosomen (70S)
Noch unklar: wie ist der erste Organelll-freie Ur-Eukaryont entstanden
8
Die Struktur prokaryontischer Zellen
9
Die Struktur eukaryontischer Zellen
10Funktionen zellulärer Kompartimente
Zellkern
DNA Synthese und Speicherung; RNA Synthese; Synthese der ribosomalen Untereinheiten
Mitochondrium
Synthese von ATP; Citrat-Zyklus, β-Oxidation der Fettsäuren; Synthese von Fe-S Enzymen
Endoplasmatisches Retikulum
Synthese von Transmembranproteinen und sekretorischen Proteinen; Lipidsynthese
Golgi Apparat
Bildung sekreorischer Vesikel; Glykosylierung von Proteinen
Lysosom (nur bei Tieren)
Hydrolyse von Proteinen, Nukleinsauren, Polysacchariden, und Lipiden
Vakuole (nur bei Pflanzen)
Speicher für Proteine, organische und anorganische Ionen, Pigmente;
Abbau von Biomakromolekülen (vgl. Lysosom)
Peroxisom
Oxidativer Abbau von langkettigen und verzweigten Lipiden, und anderen kleinen
organischen Molekülen
Chloroplast/Plastid (nur bei Pflanzen)
Synthese von Monosacchariden aus CO2 und H2O durch Photosynthese
111.2.
Chemische Grundlagen
141.2. Chemische Grundlagen
Die Hauptgruppen von Biomolekülen und Herkunft ihrer atomaren Bestandteile:
CO2 N2 O2 H2O
SO42-
Aminosäuren aromatische Basen Monosaccharide Fettsäuren und Glycerin
(C, H, O, N, S) (C, H, O, N) (C, H, O) (C, H, O)
PO43-
Nukleotide
Proteine Nukleinsäuren Polysaccharide Phospholipide Triacylglyceride
Lipide
15Funktionelle Gruppen von Biomolekülen (I)
(amino group) (ammonium group)
16Funktionelle Gruppen von Biomolekülen (II)
171.2.1. Wichtigste Typen Chemischer Reaktionen von Biomolekülen
Säure-Base Reaktionen:
_ _
I
I
_
H-A + B A + H B
I
Säure Base konjugierte konjugierte
Base Säure
Beispiele:
Reduktions-Oxidationsreaktionen (Redox):
_ _
_
H A + B A + H B
I
I
Reduktions- Oxidations- Oxidations- Reduktions-
mittel mittel mittel mittel
Beispiel:
18 Eliminierungs-Additionsreaktionen:
X Y
I
X Y + A B
II
I
I I
A B
Beispiele:
Substitutionsreaktionen:
A X + H Y A Y + H X
I
I
I
I
Beispiel:
191.2.2. Säure-Base Gleichgewicht und pH-Wert
Definition: pH = - lg[H3O+]
- In reinem H2O ist [H3O+] = [OH-] = 10-7 M (M = mol/l = moll-1)
- Säuren erhöhen [H3O+] → pH Wert der Lösung < 7
- Basen erniedrigen [H3O+] → pH Wert der Lösung > 7
Definition: starke Säuren dissoziieren vollständig in wäßriger Lösung
_ _
I
_
(z.B. HCl, HNO3): H-X + H2O X + H3O
_ _
_
verkürzte Schreibweise: HA X + H
→ pH = -lg[HX]
Definition: schwache Säuren dissoziieren unvollständig in wäßriger Lösung
(z.B. Essigsäure, H2PO4-, NH4+):
I _ _
_
H-A + H2O A + H3O
_ _
_
HA A + H
Die schwache Säure ist umso stärker je höher das Ausmaß ihrer Dissoziation
_
_
im Gleichgewicht ist, da dann eine höhere H Konzentration vorhanden ist.
20Wie kann man die Stärken von schwachen Säuren quantitativ miteinander
vergleichen?
Definition: Dissoziationskonstante schwacher Säuren
[H+][A-] [X] : Konzentration der Substanz X
Ks =
[HA] im Gleichgewicht (in M)
Nach mathematische Umformung (mit Definition: –lgKs = pKs) folgt:
[A-] Henderson-Hasselbalch Gleichung
-lg[H+] = pH = pKs + lg (“Puffergleichung”)
[HA]
Lösungen schwacher Säuren (und schwacher Basen) wirken als pH Puffer, d.h.
die Zugabe einer starken Säure oder Base führt nur zur geringen Änderung des
pH Wertes der Lösung.
Grund: Der pH Puffer wandelt die zugegebene starke Säure/Base in eine
schwache Säure/Base um.
21Wie funktionieren pH Puffer?
_ _
I
_
H-A H + A
I
+B + H-X
Zugabe starker Base Zugabe starker Säure
_ _ _
I
I
_
H-B + A H-A + X
dissoziiert nicht, da starke Base; dissoziiert nicht vollständig,
Verbrauch von HA zur Neutralisation der starken da schwache Säure
Base (Störung des HA H++A- Gleichgewichts) → nur geringfügige Erhöhung
führt zu verstärkter Reaktion H++A- → HA, aber der H+ Konzentration
neu gebildetes HA dissoziiert wieder teilweise
→ nur geringfügige Verringerung
der H+ Konzentration
22Beispiele:
(a) Änderung des pH Werts von reinem H2O (pH 7), nach der Zugabe von 10 mM
HCl (Endkonzentration; Volumenänderung ist vernachlässigbar):
pH = -lg[HCl] = -lg(10-2) = -(-2) = 2
→ der pH Wert verringert sich um 4 Einheiten (105 = 100 000-fach saurer!)
(b) Änderung des pH Werts einer Lösung mit 100 mM Phosphatpuffer pH 7.0
(60 mM Na2HPO4 + 40 mM NaH2PO4) nach Zugabe von 10 mM HCl (Endkonzen-
trationen; Volumenänderung ist vernachlässigbar):
- pH Wert des Phosphatpuffers:
[HPO42-] [0,06]
pH = pKs+ lg = 6,82 + lg = 6,996 7.0
[H2PO4-] [0,04]
- nach Zugabe der HCl fällt [HPO42-] auf 50 mM und [H2PO4-] steigt auf 50 mM an
[0,05]
der neue pH Wert beträgt somit pH = 6,82 + lg = 6,82
[0,05]
→ der pH Wert verringert sich um 0,18 Einheiten (nur 100,18 1,5-fach saurer!)
23Säure-Base Gleichgewichte (I)
24Säure-Base Gleichgewichte (II)
25Säure-Base Gleichgewichte (III)
+
261.3.
Physikalische Grundlagen
271.3.1. Thermodynamik
Lehre vom Energieumsatz bei Prozessen
Es können nur solche Prozesse freiwillig ablaufen, bei denen die freie Enthalpe G
(engl. Gibbs free energy) abnimmt: GEnde – GAnfang = DG < 0
Für Prozessen, die bei konstantem Druck und konstanter Temperatur stattfinden
(z. B. chemische Reaktionen) gilt: DG = DH - TDS
DH: Änderung der Enthalpie
= Wärmeaustausch zwischen Reaktionsansatz und Umgebung
DH < 0, wenn Reaktionsansatz Wärme an die Umgebung abgibt
DS: Änderung der Entropie
= Änderung des Ordnungsgrades im Reaktionsansatz
DS > 0, wenn Ordnungsgrad im Reaktionssansatz abnimmt
T: absolute Temperatur in Kelvin (absoluter Nullpunkt: 0 K = -273,15 °C)
Prozesse mit DG = 0 sind im thermodynamischen Gleichgewicht, d.h. es existiert
keine thermodynamische Triebkraft für den Ablauf des Prozesses
28Thermodynamik
291.3.1. Thermodynamik
Bei chemischen Reaktionen gibt die Gleichgewichtskostante K an in welchem
Verhältnis Edukte und Produkte vorliegen nachdem die Reaktion zum Stillstand
gekommen ist (d.h. nachdem thermodynamisches Gleichgewicht erreicht wurde)
aA + bB yY + zZ
[Y]y [Z]z [A] : Konzentration der Substanz A (in M)
K= im Gleichgewicht
[A]a [B]b
a, b, y, z: stöchiometrische Koeffizienten
Die Gleichgewichtskostante einer chemischen Reaktion ist umso größer, je größer
die thermodynamische Triebkraft für die Reaktion ist. Es gilt:
DG = DG°’ + RTlnK
DG°’: freie Enthalpie der Reaktion unter Standardbedingungen, d.h. alle
Reaktanden liegen am Beginn der Reaktion in einer Konzentration von 1 M vor,
(Ausnahme: [H+] = 10-7 M) und die Reaktion findet bei 298,15 K und 1 bar statt;
R: Gaskonstante 8,314 JK-1mol-1
30 Im Gleichgewicht gilt: DG = 0 = DG°’ + RTlnK → DG°’ = - RTlnK
-DG°’
→ K = e RT
Der mathematische Zusammenghang zwischen DG°’ und K ermöglicht
quantitative Vorhersagen über die Ausbeuten chemischer Reaktionen:
A B bei 310,15 K (37 oC)
DGo‘ (kJ/mol) Verhältnis [B] : [A]
-30 113 202
-20 2 340
-10 48
-5 7
0 1
+5 0,14
+10 0,02
+20 0,0004
+30 0,000009
311.3.2. Nicht-kovalente Bindungen
sind 5-100-fach schwächer als kovalente Bindungen:
32 Molekulare Dipole (Partialladungen) entstehen durch Ungleichverteilung der
Bindungselektronen innerhalb der Moleküls aufgrund unterschiedlicher
Elektronegativitäten der an der Bindung beteiligten Atome.
HWechselwirkung von
permanentem Dipol
mit
permanentem Dipol
permantetem Dipol
mit
induziertem Dipol
induziertem Dipol
mit
induziertem Dipol
(London Dispersions-
wechselwirkungen) 34 Wasserstoffbrückenbindung: besonders starke Dipol-Dipol Wechselwirkung
zwischen funktionellen Gruppen, die H-Atome enthalten
1,20 Å 1,52 Å
H O
1,77 Å 2,72 Å
0,96 Å
Van-der-Waals Radius:
Abstand gemessen vom Zentrum eines Atoms,
bis zu dem sich dieses Atom einem anderen
Atom nähern kann, ohne dass sich die
Elektronenorbitale durchdringen
→ Wasserstoffbrückenbindung sind partiell kovalent, da sich die Elektronenorbitale
von H und O (bzw. N oder S) teilweise durchdringen
35Wassersoffbrückenbindung (I)
Eiswasser flüssiges Wasser
36Wassersoffbrückenbindung (II)
zwischen Wasser und anderen Molekülen
alkoholische
Aldehyde/Ketone
OH Gruppen
Ammonium-
Gruppen
Carboxylate
37Hydrophobe Interaktion/
Hydrophober Effekt
Durch die Aggregation der Öltropfchen wird
Die Wasserstruktur an der
Gesamtzahl der Wassermoleküle an der
Oberfläche des Öltropfen ist
Öltröpfchenenoberfläche reduziert
geordnet
Zunahme der Entropie (DS > 0)
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