Vorlesung Biochemie I

 

Inhaltverzeichnis

 

1.        Präbiotische Entstehung der Biomoleküle

1.1.    Die Ökosphäre

1.2.    Die Uratmosphäre vor Beginn der irdischen Biochemie

1.3.    Der Urey-Miller-Versuch 1953

1.4.    Die Versuche von Orgel: Bildung von Purinen in der Uratmosphäre

1.5.    Photoreaktionen unter starker UV-Bestrahlung

1.6.    Die doppelte chemische Evolution

 

2.        Die Zelle und ihre Bestandteile

2.1.   Klassifizierung lebender Organismen

2.2.   Zellstrukturen der Prokaryonten: Bakterien und Einzeller

2.3.   Eukaryonten: Aufbau der Zellen

2.4.   Vergleich Tier- und Pflanzenzelle

2.5.   Zellkontakte

 

3.        Biomoleküle 1: Aminosäuren, Peptide und Proteine

3.1.     20 (oder mehr) proteinogene Aminosäuren

3.1.1.       Einteilung: Unpolare, polare ungeladene, saure, basische AS

3.1.2.       Essentielle Aminosäuren: Thr, Val, Leu, Ile, Lys. Met, Phe, Trp

3.1.3.       Aminosäuretitrationen

3.1.4.       Funktionell wichtige AS, die nicht proteinogen sind: Ornithin, Citrullin, GABA

3.1.5.        Zur Konfiguration

3.1.6.        Dissoziationsgleichgewichte und Titrationskurven; Isoelektrische Punkte und Pufferbereiche; physiol. Bedeutung

3.2.      Zur Struktur von Peptiden und Proteinen

3.2.1.        Definitionen: Peptide und Proteine

3.2.2.        Klassifizierung und Nomenklatur

3.2.3.        Die Peptidbindung: Ein starres, polares Bauelement

3.2.4.        Konformationen von Polypeptidketten

3.2.5.        Ramachandran-Diagramme

3.2.6.        Primärstruktur

3.2.7.        Sekundärstruktur: a-Helices, b-Faltblätter, b-Schleifen

3.2.8.        Tertiärstrukturen: bab- und aa-Motive, b-Fässer, Sättel, „greek keys“ und b-Mäander

3.2.9.        Die 9 Faltklassen der Tertiärstrukturen

3.2.10.     a-Keratin und Stachelschweine

3.2.11.     Kollagen-Tripelhelix: Elektronenmikroskopie von Sehen

3.2.12.     Wechselwirkungen, die die Sekundär- und Teriärstruktur stabilisieren: Disulfidbrücke, hydrophobe WW, H-Brücken, ionische WW

3.2.13.     Quartärstruktur

3.2.14.     Konkrete Beispiele

3.2.15.     Zur Analytik von Peptiden: Aminosäureanalysator

3.2.16.     Sequenzierungen: Edman´s Reagenz, Enzymatische Spaltung, Chemische Spaltung mit Bromcyan, Methode der „überlappenden Peptide“, DNA-Analyse

3.2.17.     Biologische Funktionen der Proteine (Zusammenfassung und Beispiele)

 

4. Biokatalysatoren: Enzyme

4.1.   Substrat- Gruppen, Optische Spezifität

4.2.   Nomenklatzur und Einteilung von Enzymen

4.3.   Die 6 Typen von Enzymen

4.4.   Schlüssel-Schloß-Prinzip vs. Induced-fit-Modell

4.5.   Wie arbeiten Enzyme?

4.6.   Beeinflussung von Enzymaktivitäten: Substratkonzentration, Temepratur, pH    -Wert

4.7.   Cofaktoren: Coenzyme oder Prosthetische Gruppen           

4.8.   Protein-Ligand-Wechselwirkungen: H-Brücken, ionische WW, Metallkomplexierungen, hydrophobe WW, Kation-p-WW

4.9. Konkrete Beispiele

4.10. Die Michaelis-Menten-Gleichung

4.11. Inhibition von Enzymaktivitäten

4.12. Kompetive Hemmung

4.13. Nichtkompetitive Hemmung

 

5.        Biomoleküle 2: Chemie und Struktur von Kohlenhydraten

5.1.        Vorkommen in der Natur

5.2.         Aldosen, Ketosen, Polyole

5.3.        Stammbaum der Zucker

5.4.        Anomerie, Halbacetalbildung, Mutarotation

5.5.        Bedeutung der Kohlenhydrate

 

6.        Bioenergie und oxidative Phosphorylierung

6.1.          Gibbs-Helmholtz-Gleichung

6.2.          Adenosintriphosphat als Energieträger

 7.        Glycolyse

7.1.         Überblick

7.2.         Transport von Glucose in das Cytosol

7.3.         Phosphorylierung von Glucose

7.4.         Isomerisierung zu Fructose-6-phosphat

7.5.         Phosphorylierung von Fructose-5-phosphat

7.6.         Kontrollmechanismen: Hunger und Sattheit, Insulin

7.7.         Spaltung und Isomerisierung zu C3-Körpern

7.8.         Zum Mechanismus der Fructose-1,6-diphosphat-Spaltung

7.9.         Oxidation von Glycerin-3-phosphat

7.10.      Bildung von ATP aus 1,3-Biphosphoglycerat und ADP

7.11.      Bildung des Pyruvats

7.12.      Energiebilanz

7.13.      Zum Schicksal des Pyruvats

7.13.1.      Einbindung in den Citronensäurecyclus

7.13.2.       Umwandlung in Lactat bei Sauerstoffmangel

7.13.3.      Alkoholische Gärung

 

8.        Gluconeogenese

8.1.       Überblick

8.2.       Zur Aktivierung des CO₂: Carboxybiotin

8.3.       Malat als Transportform

8.4.       Dephosphorylierung der Fructose-1,6-bisphosphat

8.5.       Dephosphorylierung zu Glucose

 

9.        Citronensäurecyclus (Krebs-Cyclus)

9.1.      Überblick

9.2.      Zusammenhang Glycolyse/Citratcyclus/Elektronentransportkette/Oxidative Phosphorylierung

9.3.      Acetyl-CoA: Aufbau

9.4.      1. Schritt: Synthese des Acetyl-CoA aus Pyruvat

9.4.1.         Ein Blick auf den komplizierten Mechanismus

9.4.2.         Eine Thiamin-Mangel-Krankheit: Beri-Beri

9.4.3.         Wernicke-Korsakoff-Syndrom

9.4.4.         Zur Struktur des Vitamins B1: Thiaminpyrophosphat

9.4.5.         Liponamid

9.4.6.         FAD

9.4.7.         NAD⁺: Zur Stereospezifität des Hydridtransfers; Prochiralität

9.4.8.         Der Mechanismus: Decarboxylierung, Elektronenverwaltung und Regenerierung

9.5.     Synthese des Citrats

9.6.     Isomerisierung des Citrats

9.6.1.           Zur Struktur der Aconitase, ein Nicht-Häm-Eisen-Schwefel-Protein: Erkenntnisse des Jahres 2001

9.7.     Die Folgeschritte des Citratcyclus

9.8.     Stöchiometrie und Ausbeute des Citratcyclus

9.9.     Kontrolle des Citratcyclus

9.10.  Die afrik. Giftplanze Dichapetalum cymosum: Hemmung der Aconitase   

 

10.     Elektronentransportkette und oxidative Phosphorylierung

10.1.  Überblick und Zusammenhang mit dem Citratcyclus

10.2.  Was ist Atmung?

10.3.  Mitochondrien als Orte der Elektronentransportkette

10.4.  Innere Membran enthält 5 Enzym-Komplexe

10.5.  1. Schritt: Bildung von NADH

10.6.  2. Schritt: Übertragung von H+ und Elektronen von NADH auf NADH-Q-Reduktase (=Komplex I)

10.7.  3. Schritt: Übertragung von H+ und Elektronen aus Eisen-Schwefel-Cluster in der NADH-Q-Reduktase

10.8.  4. Schritt: Übertragung auf Ubichionon (=Coenzym Q)

10.9.  5. Schritt: Übertragung auf Cytochrome im Komplex II (=Cytochrom-Reduktase)

10.10.     Einschub: Porphin, Chorin, Corrin: Aromatizität

10.11.     Zur Struktur des reduzierten Cyctochroms c

10.12.  6. Schritt: Cyctochrom c-Oxidase (=Komplex IV) katalysiert Transport von Elektronen auf Sauerstoff

10.13.  Inhibitoren des Elektronentransports: Amytal, Rotenon, Antimycin A, Cyanid, Kohlenmonoxid und Azid

10.14.  Energiebilanz

10.15.  Der Protonengradient

10.16.  ADP/ATP-Translokase

10.17.  Bongkreksäure: Ein Gift aus Pseudomonas cocoveneas

10.18.   Atractylosid: Inhibitor der ADP/ATP-Translokase

10.19.  Zur Giftwirkung von 2,4-Dinitrophenol: Ein Entkoppler

10.20.  Biologischer Zweck der Entkopplung: Wärmegewinnung (Winterschlaf, kälteangepasste Säugetiere, Säuglinge)

10.21.  Arum maculatum (Aronstab): Ein heizbarer Blütenstab

10.22.  Superoxid-Radikale und ihr Abfangmechanismus: Mech. Der Superoxid-Dismutase

 

11.     Fettsäuremetabolismus

11.1.   Zur Bedeutung der Lipide im Organismus

11.2.   Nomenklatur von Fetten und Fettsäuren

11.3.   Andere Alkoholkomponenten außer Gylcerin: Cholesterin und Glycerylphosphorylcholin

11.4.   Natürlich vorkommende tierische Fettsäuren

11.5.   Biologische Funktion von Fetten

11.6.    Was passiert mit Fetten aus der Nahrung

11.7.    Gallensäuren: Glycokolsäure und Taurocholsäure

11.9.    Spaltung der Triacylglycerine

11.8.    Was passiert mit dem Glycerin?

11.9.    Was passiert mit den Fettsäuren? Das Experiment von Knoop 1904.

11.10.   Aktivierung der Fettsäuren

11.11.   Transport durch Carnitin

11.12.   beta-Oxidation der Fettsäuren

11.13.   Beispiel: Abbau des Palmitats

11.14.   Energiebilanz

11.15.   Komplizierter: Oxidation der ungesättigten Fettsäuren

11.16.   Ketonkörper und Diabetes mellitus

11.17.   Fettsäurebiosynthese

11.17.1.    Bildung von Malonyl-CoA

11.17.2.    Biotin als prothetische Gruppe

11.17.3.    Acetyl-ACP

11.17.4.    Beispiel: Synthese von Butyryl-ACP

11.18.   Eiconasoidhormone

11.18.1.     Prostacyclin

11.18.2.     Leukotriene: Mech. ihrer Bildung

11.18.3.     Thromboxane: Mech. ihrer Bildung

11.18.4.        Prostaglandine: Biosynthese, Nomenklatur und biol. Bedeutung.

11.18.4.1.         Das aktive Zentrum der Prostaglandin H2-Synthase

11.18.4.2.          Analgetika

11.18.4.3.          Aromatasehemmer

11.19.         Cholesterin

11.19.1.          Biol. Funktion

11.19.2.          Plasma-Lipoproteine LDL, HDL, HLDL: Zusammensetzung

11.19.3.          Cholesterin-Biosynthese ausg. Vom aktivem Isopren

 

12.                            Membranen: Struktur und Dynamik

12.1.         Gemeinsame Eigenschaften aller Membranen

12.2.         Hauptgruppen vom Membranlipiden

12.2.1.      Phospholipide

12.2.1.1.    Beispiele der wichtigsten Phosphoglyceride: Phosphatidylserin, Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylchloin, Phosphatidylisositol, Cardiolipin

12.2.1.2.    Vergleich Sphingomyelin und Phosphatidylcholin

12.2.2.        Glycolipide: Cerebrosid

12.2.3.        Cholesterin

12.2.4.        Die Phospholipiddoppelschichtmembran

12.2.4.1.    Permeabilitätskoefiizienten

12.2.4.2.    kanalbildende Transportantibiotika / Carrier-Transportantibiotika

12.2.4.3.    Valinomycin, ein ionophores Biopolymer

12.2.4.4.    Gramicidin A: Ein Kanalbildner

12.2.4.4.1.           Leitfähigkeit einer Lipiddoppelschichtmembran + Gramicidin A

12.2.4.4.2.           Ein Gramicidin A-Kanal: Dimeres Gramicidin

12.2.5.        Membranproteine

12.2.6.        Membranfluidität und ihre Beeinflußung

12.2.7.        Glycoproteine

12.2.8.        Glycophorin A aus der Erythrocyctenmembran

12.2.9.        Weiterleitung von Nervensignalen: Der Acetylcholinrezeptor

12.2.9.1.   Neuronen

12.2.9.2.   Depolarisationen synaptischer Membranen

12.2.9.3.   Zitteraal und Marmorzitterrochen

 

13.     Aminosäureabbau und Harnstoffcyclus

13.1.        Der AS-Pool des Menschen

13.2.        Proteinspaltung im Darm

13.3.        Das Schicksal der Stickstoffs

13.4.        Ein Blick auf die Aminotransferasen: Vitamin B6/PLP und PMP

13.5.        Mechanismus der Transaminierungsreaktion

13.6.        Serin und Threonin können direkt desaminiert werden

13.7.        Der Harnstoffcyclus

13.8.        Die Stöchiometrie des Harnstoffcyclus

13.9.        Andere Organismen: Vögel und Fische, Lungenfische

13.10.         Abbau der C3-Familie

13.11.         Abbau der C4-Familie

13.12.         Abbau der C5-Familie

13.13.         Beispiel: Histidin zu Glutamat

13.14.         Perniziöse Anämie

13.15.         Succinyl-CoA aus Met, Val und Ile

13.16.         Mechanismus der Katalyse des Vitamin B12

13.17.         Abbau von Phe und Tyr

13.18.         Phenylketonurie (Fölling´sche Krankheit)

 

14.     DNA und RNA: Träger der Erbinformation

14.1.1.        Watson und Crick

14.1.2.        Nucleobasen

14.1.3.        Zur Polarität der DNA

14.1.4.        Basenpaare

14.1.5.        p-Wechselwirkungen und H-Brücken: Horizontale und vertikale WW

14.1.6.        Rechtsgängige Helix

14.1.7.        Zur Größe von DNA-Genomen

14.2.        Replikation

14.2.1.    Kettenverlängerungen

14.2.2.        DNA-Polymerasen

14.2.3.        Struktur der B-DNA: große und kleine Furchen

14.2.4.        Propellerverdrehung

14.2.5.        Struktur der A- und Z-Helix / Rechts- und linksgängige Helices

14.2.6.        Zirkuläre DNA

14.2.7.        Das Verdrillungsproblem: negtaive und positive Superspiralen

14.2.8.        Topoisomerase I

14.2.9.        Der Trick  der DNA-Gyrasen

14.2.10.   Gyrasehemmer

14.2.11.   Okazaki-Stücke

14.2.12.   DNA-Polymerase III

14.2.13.   Vergl. Semikonservative Replikation porkaryotischer /eukaryotischer DNA

14.2.14.   DNA-Helicase

14.2.15.   Die Organisation eukaryotischer DNA: Histone; Chromosomen

14.2.16.   Uracil vs. Thymin: Eine nähere Betrachtung; DNA-Schädigung und Reparatur

14.2.17.   Mechansimus der Thyminbiosynthese

14.2.18.   Thymidylatsynthase und ihre Hemmer: Cancerostatika

14.2.19.   Dihydrofolatreduktase: Die Antibiotika Trimetoprim; Sulfonamide

 

14.3. Transcription

14.3.1.        Struktur der RNA

14.3.2.        t-RNA

14.3.4.        r-RNA

14.3.5.        m-RNA

14.3.6.        Promotorregionen, Terminationsregionen, Initiation, Elongation

14.3.7.        Introns und Exons

14.3.8.        DNA Palindrome

14.3.9.        Rifampicin: Ein Antibiotikum

 

14.4.        Translation: Von der m-RNA zum Protein

14.4.1.        Der genetische Code und seine Charakteristika

14.4.2.        Freisetzungsfaktoren UAA, UGA und UAG

14.4.3.        Startsignale: N-Formylmethionin

14.4.4.        Streptomycin

14.4.5.        Tetracycline

14.4.6.        Chloramphenicol

14.4.7.        Puromycin

14.4.8.        Clindamycin

14.4.9.        Erythromycin

14.4.10.     Das Diphtherietoxin

14.4.11.     Polyribosomen

 

14.5.        DNA, RNA und die Evolution: RNA-Welt

14.6.        Viren: „Bewegliche Gene“

14.7.        Retroviren

14.8.        Rational Drug Design: Retroviren, AIDS, AZT und DDI