Wasser und DNA: Eigenschaften

Eigenschaften von Wasser

• Stoffwechselvorgänge finden hauptsächlich in Wasser statt, wobei der menschliche Körper zu etwa 60 % aus Wasser besteht.
• Wasser verteilt sich auf den Intrazellularraum (2/3) und den Extrazellularraum (1/3), einschließlich Blutplasma, Gelenkflüssigkeit, Liquor cerebrospinalis und Drüsen.
• Wasser ist ein Dipolmolekül mit einem Bindungswinkel von 104° zwischen den Wasserstoffatomen, was es zu einem polaren Lösungsmittel macht.
• Die Dipoleigenschaft ermöglicht die Hydratisierung von Ionen und bildet Hydrathüllen um Makromoleküle, was deren Löslichkeit fördert.
• Wasser bildet aufgrund seiner polaren Eigenschaften Wasserstoffbrückenbindungen.

DNA-Doppelhelix

• Die DNA-Doppelhelix besteht aus antiparallel verlaufenden Ketten, die über Phosphatgruppen verbunden sind, wobei die Wasserstoffbrückenbindungen die Struktur stabilisieren.
• Gepaarte Guanin- und Cytosinbasen (G & C) bilden drei Wasserstoffbrückenbindungen, während Adenin und Thymin (A & T) zwei bilden, was G-C-reiche Bereiche stabiler macht.

α-Helixstruktur

• Die Stabilisierung der Proteinstruktur in einer α-Helix erfolgt durch Wechselwirkungen zwischen NH-Gruppen (Aminogruppen) und C=O-Gruppen (Carbonylgruppen), die vier Aminosäuren voneinander entfernt liegen.

Transport durch Zellmembranen

• Zellmembranen sind Lipiddoppelschichten und semipermeabel:
  • Hydrophobe Moleküle können gut durch die Membran diffundieren.
  • Kleine, ungeladene polare Moleküle diffundieren nur partiell.
  • Große, ungeladene polare Moleküle haben eingeschränkte Diffusion, die durch Membrankanäle erleichtert werden kann.
  • Ionen benötigen aktiven Transport, Wasser kann jedoch diffundieren.
  • Ionenkanäle erleichtern den Transport von Ionen wie H+, Na+, HCO3-, K+, Ca2+, Cl- und Mg2+.
  • Aquaporine transportieren Wasser effizient durch hydrophile Aminosäuren, wobei größere Moleküle und Ionen mit Hydrathüllen nicht passieren können.

Wasserresorption und hormonelle Regulation

• Vasopressin (ADH) reguliert die Wasserresorption:
  • Eine erhöhte Plasmaosmolalität durch Durst oder Schwitzen aktiviert Osmorezeptoren im Hypothalamus, was Durst auslöst.
  • Trinken senkt die Plasmaosmolalität wieder, wodurch der Zyklus aufrechterhalten bleibt.
  • Arginin-Vasopressin wird aus der Hypophyse freigesetzt, um die Wasserausscheidung zu reduzieren und die H2O-Rückresorption in den Nieren zu fördern.

Plasmaosmolalität

• Die Plasmaosmolalität steigt bei Wassermangel im Gehirn (Hypothalamus) durch eine Erhöhung der Ionenkonzentration.

Aufbau des Nephrons

• Im Hauptteil des Nephrons werden Glukose, Aminosäuren, Peptide, Elektrolyte, Bikarbonat und Wasser rückresorbiert.
• Stoffwechselprodukte wie Protonen und NH4+ werden ausgeschieden.
• Die Henle-Schleife resorbiert Wasser und Calcium über Parathormon.
• Aldosteron steuert die Kaliumausscheidung und Natriumrückresorption, während im Sammelrohr ADH die Wasserrückresorption beeinflusst.

H2O-Resorption im Sammelrohr

• Vasopressin bindert an Vasopressinrezeptoren, was die Adenylatzyklase aktiviert:
  • Adenylatzyklase produziert cAMP aus ATP, welches die Proteinkinase A aktiviert.
  • Proteinkinase A wandert in Zellkern und erhöht Aquaporin 2 Synthese.
• Es werden andere Proteinkinasen aktiviert, die den Endozytose-Zyklus des Aquaporins beeinflussen: Durch Phosphorylierung wird vermehrt Aquaporin 2 an die Membran gebracht.
• Das Wasser diffundiert vom Lumen über Aquaporin 3 und 4 interstitiell.

Osmose und osmotischer Druck

• Osmose gleicht Konzentrationsunterschiede von Teilchen, die semipermeable Membran nicht passieren können, durch Diffusion des Lösungsmittels aus, was zu einer Volumenzunahme führt und osmotischen Druck erzeugt.
• Osmolarität beschreibt die Teilchen pro Volumen, Osmolalität die Teilchen pro Masse.
• Fazit: Osmose beschreibt Wanderung von H2O. Die Osmolarität steigt in der Zelle.
• Osmotischer Druck wird durch die universelle Gaskonstante, Temperatur und Molarität beeinflusst.
• Das Eindringen von Wasser in die Zelle führt zum Schwellen: Zellen transportieren Ionen und Wasser aktiv in die Umgebung.

Wechselwirkungen in wässriger Lösung

• Ionische Wechselwirkungen finden zw vollständig oder teils geladenen Gruppen statt:
  • Die Anziehungskraft nimmt mit dem Abstand ab und ist in Lösung geringer.
  • Geladene Gruppen werden durch die Wechselwirkung mit Wasser abgeschirmt, was die Bindung schwächt.
  • Andere Ionen in der Lösung können die Bindung stören, aber passende Strukturen können die Bindung verstärken.

Hydrophobe Kräfte

• Wasser zwingt hydrophobe Gruppen zur Zusammenlagerung, um das Netzwerk der Wasserstoffbrückenbindungen aufrechtzuerhalten, was energetisch günstig ist. Hydrophobe Anziehungskräfte entstehen durch die Abstoßung aus dem Wasser.

Wasser als Elektrolyt

• Wasser dissoziiert in geringem Umfang in Ionen, was durch das Ionenprodukt des Wassers (Kw) beschrieben wird.
• Der Wert (Kw) gilt, solange die Lösungen verdünnt sind.

Säuren und Basen

• Säuren setzen in wässrigen Lösungen H+-Ionen frei und sind potenzielle Elektrolyte.
• Basen nehmen H+-Ionen auf und sind Elektrolyte, die in einer Lösung OH--Ionen abgeben.
• Nach Lowry und Brønsted sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren.

Säure-Base-Reaktionen

• pH-Wert ist ein Maß für die Wasserstoffionen-Konzentration (pH = -log[H+]).
  • Ein pH-Wert unter 7 ist sauer, 7 ist neutral und über 7 ist basisch.
  • Die Summe von pH und pOH ist immer 14.
• Säure-Base-Reaktionen beschreiben Protonenübergangsreaktionen, bei denen ein Stoff nur als Säure reagieren kann, wenn ein anderer als Base fungiert.

Der pKs-Wert

• Der pKs-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Säurekonstante Ks.
• Je negativer der pKs-Wert, desto stärker die Säure.

Mehrwertige Säuren und Basen

• Mehrwertige Säuren und Basen können mehr als ein Proton abgeben oder aufnehmen, wobei nicht alle gleichzeitig reagieren (Ks und pKs variieren in den einzelnen Stufen).

Pufferlösungen

• Pufferlösungen stabilisieren den pH-Wert auch bei Zugabe von Säuren oder Basen.
• Sie enthalten konjugierte Säure-Base-Paare.
• Die Herstellung erfolgt durch Mischen einer schwachen Säure mit ihrem korrespondierenden Salz oder einer schwachen Base mit ihrem korr. Salz.
• Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschreibt allgemein Pufferlösungen.
• Der optimale Pufferbereich ist abhängig von der Konzentration des Puffers und dem Verhältnis von pH-Wert und pKs-Wert.
• Der wichtigste Puffer im Körper ist der Kohlensäurepuffer, der über Atmung reguliert wird.
• Phosphatpuffer hilft überschüssige Säuren über die Niere auszuscheiden, Trispuffer dient zum immer Lösen von DNA.

Thermodynamik

• Thermodynamik beschreibt die Gesetzmäßigkeiten zur Erhaltung und Transformation von Energie.
• Dazu gehören:
  • Umwandlung potentieller in kinetische Energie, chemische Reaktionen, elektrische Energie und Licht.

Hauptsätze der Thermodynamik

• Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, sondern nur umgewandelt.
• Thermische Energie kann nicht vollständig in andere Energiearten umgewandelt werden.

Metabolismus und Energie

• Lebende Organismen benötigen konstante Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung ihrer Strukturen.
• Der Energieaustausch eines Organismus mit seiner Umgebung wird durch die Hauptsätze der Thermodynamik beschrieben. Lebewesen sind thermodynamische Systeme, die sich nicht im Gleichgewicht befinden.
• Durch Katabolismus wird Energie aus der aufgenommenen Nahrung freigesetzt, während Anabolismus Moleküle aufbaut und Energie benötigt.

Photosynthese und Atmung

• Lichtenergie wird genutzt, um Zucker aufzubauen. Bei der Zellatmung wird die im Zucker gespeicherte Energie freigesetzt und für ATP-Synthese sowie chemische/mechanische Arbeit verwendet. Im Gegensatz dazu erzeugt die Verbrennung von Zucker im Feuer nur Wärme.

Reaktionsenthalpie und Entropie

• Die Enthalpie (H) misst den Wärmeinhalt eines Systems.
• Exotherme Reaktionen setzen Wärme frei (H < 0), endotherme benötigen Wärme (H > 0).
• Die Entropie (S) misst die Unordnung eines Systems und erreicht ihr Maximum im thermodynamischen Gleichgewicht.

Freie Enthalpie

• Enthalpie und Entropie ergeben die freie Enthalpie (Gibbs-Energie, G), die angibt, ob ein biochemischer Prozess spontan abläuft.
• Eine negative freie Enthalpie (G < 0) bedeutet eine freiwillige, exergone Reaktion, während eine positive freie Enthalpie (G > 0) eine Energiezufuhr erfordert (endergon).
• Beim Gleichgewicht: G = 0. Lebende Organismen befinden sich nie im thermodyn. Gleichgewicht (nur Fließgleichgewichte).

Freie Enthalpie und Gleichgewichtskonstante

• Freie Enthalpie (∆G) = - R * T * ln K

Aktivierungsenergie

• Enzyme katalysieren Reaktionen, indem sie Substrate in räumliche Nähe bringen, Ladungen verändern und Übergangszustände stabilisieren, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird.

Oxidation von Zucker

• Stufenweise Oxidation von Zucker in Zellen erfordert geringe Aktivierungsenergien, die durch Enzyme bei Körpertemperatur überwunden werden; es entstehen aktivierte Überträgermoleküle.
• Die unmittelbare Verbrennung von Zucker erfordert eine große Aktivierungsenergie.

Kopplung von Katabolismus und Anabolismus

• Katabole Wege liefern Energie in Form von ATP und NADPH sowie Bausteine. Anabole Prozesse nutzen diese Energie, um Moleküle aufzubauen.

Energieeffizienz

• Da Wärme durch den Prozess verloren geht, ist die aufgenommene Energie immer größer als die verwertbare.

Energietransformation und energetische Kopplung

• Thermodynamisch ungünstige Prozesse werden durch Kopplung mit exergonen Reaktionen ermöglicht:
  • Chemische Kopplung: Einbeziehung energiereicher chemischer Verbindungen.
  • Chemiosmotische Kopplung: Erzeugung eines Membranpotentials durch exergone Reaktionen.
  • Chemische Kopplung durch Enzyme in Reaktionsketten.

Beispiel Glykolyse

• Glykolyse katalysiert (Glukose→Pyruvat): erster Schritt ist Phosphorylierung der Glukose durch Hexokinase.

Funktionelle chemische Gruppen in Biomolekülen

• Funktionelle Gruppen bestimmen die Eigenschaften von Biomolekülen:
  • Häufige Gruppen sind Hydroxyl- (OH) und Carboxylgruppen (COOH) für Alkohole und Carbonsäuren.
  • Sauerstoffhaltige Gruppen erhöhen die Wasserlöslichkeit.

Chemische Gruppen

• Amine bilden Bindungen mit Stickstoff.
• Amide entstehen durch die Bindung einer Carboxylgruppe mit einer Aminogruppe unter Wasserabspaltung.
• Alkohole reagieren mit Carboxylgruppen zu Estern unter Wasserabspaltung.

Zitratzyklus

• Im Zitratzyklus wird das Produkt der Glykolyse (Pyruvat) nach Umwandlung vollständig zu CO2 oxidiert, wobei Zwischenprodukte wie Citrat, Fumarat, Malat und Oxalacetat entstehen.

Nukleotide

• Aufgaben: Synthese von Nukleotiden, Polysacchariden und Proteinen wird durch Hdyrolyse von ATP angetrieben.

Bausteine der Zelle

• Die vier Hauptfamilien kleiner organischer Moleküle sind Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Nukleotide.
• Jedes Makromolekül ist ein Polymer aus kleinen Molekülen, die durch kovalente Bindung gebildet werden.

Zusammensetzung von Bakterien

• Bakterien bestehen zu 70% aus Wasser und 30% aus Chemikalien.
• Grob geschätzt bestehen Bakterien aus 2% Polysaccharide, 15% Proteine, 6% RNA, 1% DNA, 2% Phospholipide und 4% Ionen und kleinen Molekülen.

Zuckerarten

• Allgemeine Formel: (CH2O)n
• Unterschiedliche Zucker in räumlichen Anordnung oder Verknüpfung ihrer Atome.

Isomere

• Unterschiedliche Isomere sind Stereoisomerie und Enantiomere.

Ringbildung

• In wässriger Lösung, bilden Aldehyd und Alkohol zyklische Halbacetal:
  • Chiralität wird durch die Anordnung der OH-Gruppe am C5 bestimmt.
  • Nukleophiler Angriff der Hydroxylgruppe

Glykogen

• Glykogen ist verzweigtes Polymer aus Glukose-Einheiten. Die Bindungen werden zwischen C1 und C4 (α1,6-glycosidic bond bei Verzweigungen) geknüpft.

Nukleobasen

• Verknüpfung der Base mit einer Pentose: -Ribose oder Desoxyribose sind Nukleoside

Polynukleotide

• Polynukleotide entstehen durch Verknüpfung des Phosphats am C5 mit der OH-Gruppe am C3 des benachbarten Nukleotids.

DNA vs RNA

• Doppelstränge verlaufen anti parallel.
• Anstelle von Thymin wird Uracil eingebaut.
• RNA hat 2' OH Gruppe noch, DNA fast keine freien OH-Gruppe mehr außer am Ende
• Bei DNA liegen Basen innen und Phosphat-Zuckerkette außen

Aminosäuren

• Aminosäuren (α-C-Atom) sind mit Aminogruppe, Carboxylgruppe, Seitenkette und Wasserstoff verbunden, 20 proteinogene L-Aminosäuren und nach außen neutral.

Aminosäure IUPAC

• Verschiedene Aminosäuren in der Seitenkette: Säure, Basische, Ungeladen/ polar, Nicht polar

Isoelektrischer Punkt

• Am IP liegen Aminosäuren als Zwitterion vor.

Essentielle Aminosäuren

• Der menschliche Organismus kann 12 Aminosäuren selbst synthetisieren. 9 sind essentiell.

Proteine

• Proteine sind aus einzelnen Aminosäuren aufgebaut und mit der benachbarten Aminosäure durch eine Peptidbindung verknüpft

Funktion von Proteinen

• Sind Enzyme, Strukturproteine, Transport, Motor, Speicher, Signal, Genregulation.

Struktur von Proteinen

• Proteinsequenz ist durch spezifische Reihenfolgen der Aminosäure determiniert. Sie bilden komplexe Sekundär und Tertiärstrukturen
• kleinste stabil gefaltete Struktur im Protein, wird anhand definierter Eigenschaften und Umgebungssequenz unterscheiden

Konfirmation von Proteinen

• Nicht-kovalente Bindungen sind essentiell am Aufrechterhalten stabiler Protein-Konformationen beteiligt, damit Proteine die niedrigste freie Energie haben.

Faltung von Proteinen

• Proteine falten sich gemäß der Primär-Aminosäuresequenz und bilden dabei unterschiedliche Strukturen und Domänen aus.

Ligand-Proteinbindung

• Eine Proteinfaltung kreiert Spalte oder Höhle, die als Bindungsstelle für Linganden fungiert.

Sekundärstruktur und Tertiärstruktur

• Sekundärstruktur ist eine Alpha Helix.
• Die Tertiärstrukturen sind 3 dimensionale Anordnung einerPolypeptidkette.

Isoelektrischer Punkt und Ladungen von Proteinen

• Bei Blut pH (7.4) sind Proteine negativ geladen. Am IP besitzt das Protein keine Ladung mehr
• Warum gibt es im Blut mehr Kationen, als Anionen?
• Weil die Anionenlücke durch die negative Ladung der Proteine bei pH 7.4 ausgeglichen wird.

Konformation - Antikörper

• Antikörper und Glykoproteine schützen den Körper:
  • Antikörper werden von B-Zellen abgesondert.
  • Glykoproteine finden sich in der äußeren Zellmembran.

Regulation der Proteinfunktion

• Regulation der Proteinfunktion erfolgt über Kinase (Phosphorylierung) und Phosphatasen (Dephosphorylierung).

Protein Extraktion aus Zellen

• Zellen können mittels Detergens aufgebrochen werden.
• Weitere Trennung kann über Verfahren wie Ionenaustauschchromatographie oder Gelausschluss geschehen.

Protein Isolation durch Zentrifugation

• Wiederholte Zentrifugation bei zunehmender Geschwindigkeit fraktioniert Zell.
• Homogenate in ihre Komponenten.
• Dialyse dient Verringerung hoher Salzkonzentrationen.
• Niedrigste Geschwindigkeit: 1000g für 10 min. Sehr hoch: 150000g für 3 Stunden.

Funktion Ammoniumsulfaft

• Ammoniumsulfaft wird zur Aufreinigung von aktiven Proteinen verwendet.

Methode SDS POLYAKRYLAMID-GEL ELEKTROPHORESE

• Negative SDS-Protein Komplexe migrieren durch das poröse Gel. Kleine Komplexe wandern schneller als Große. Die Methode erlaubt die molekulare Größe von Proteinen festzulegen.
• Funktion COOMASIE FÄRBUNG: um Proteine zu detektieren.

IMMUNOBLOTTING (Western Blotting)

• SDS-PAGE getrennten Proteine können auf Membranen geblotted werden und mittels Antikörper nachgewiesen werden.

Carrier Moleküle in Zellen

• Carrier Moleküle dienen als Coenzyyme/Cosubstrate von enzymatischen Reaktionen.

NADH und NADPH Funktion

• übertragen 2 Elektronen für Dehydrogenasen/ Oxidoreduktasen.

Verhältnis Carrier Moleküle

• Ratio in den Zellen: NAD+/NADH: hoch //NADP+/ NADPH

wichtige Schritte der Biosynthese

• wichtige Schritte der Neurotransmittern, wie Adrenalin oder Acetylcholin.

Biotinfunktion

• Biotin überträgt Carboxy-Gruppen auf Pyruvat und generiert Oxalazetat für Zitratzyklus.

Acetyl Coenzym A

• Finales Verwertung von Nahrungsmolekülen, ist ein Derivat der Pantothensäure.

Zitratzyklus- Einzelschritte

• die energie aus den Molekülen gewonnen, so dass die Zelle sie für die lebensnotwendigen energiefordernden Prozesse nutzen kann.

Fettsäuren

• Sind langweilige Carbonsäuren, die Hydrophobe Seitenketten tragen.

Essentielle Fettsäuren

• müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Sie dienen zur Synthese von Leukotrienen & bestimmen Signalmolekülen

Fette

• Konsistenz ist abhängig von ihrem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren.
• Durch Fehlen der Doppelbindungen in den Seitenketten erlaubt dichtes Aneinanderpacken (Butter und Schmalz bei RT fest). Gesättigte Fette zb Tristerat in Fleisch und Milchprodukten

###Phospholipide

• machen 50% der Masse von Zellmembranen

/ Sphingolipide

• bestehen auch aus hydrophoben & hydrophilen Teil mit 2 langen Kohlenwasserstoffketten.

Lipide - Glykolipide

• Glykolipide vorwiegend in der äußeren Schicht der Zellmembran

MEMBRANSTRUKTUR

• Membran verhält sich wie eine zweidimensionale Flüssigkeit

Zellmembran

• Zellmembran trägt zahlreiche Proteine, (Rezeptoren).

Lipide

• Lipide sind in Zellmembranen nicht gleichmäßig verteilt

CHOLESSTERIN Funktion

• Erhöht Stabilität und trägt gemeinsam mit Proteinen dazu bei, Signalstoffe durch die Zellmembran zu transportieren.

Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL

• besitzen unterschiedliche Dichten aufgrund verschiedener Zusammensetzungen mit Triacylglycerinen, Cholesteirn

FETTSPEICHEURNG UND MOBILISIEURNG

• Lipasen sind Esterasen, die die Bindung von Hydroxylgruppen des Gycerins an die Carboxylgruppen der Fettstäuren spalten.

Funktion GLYCERINWEG

• GLYCERINWeg erfolgt Re-Synthese von Triacylglycerin.

Fette im Blut

• Die im Plasma transportierten Triacylglycerine aus Chylomikronen und VLDL werden durch die Lipoproteinlipase (LPL) gespalten.

LDL Funktion

• transportieren Cholesterin zur Leber und extrahepatischen Gewegeben.

Acetyl-CoA

• Endprodukt der Beta- Oxidation

FETTSÄRE ABBAU Funktion

:Beta Oxidation

FETTSÄURE ABBAU in PEROXISOMEN:

Substrate der peroxisomalen B-Oxidation sind hauptsächlich:

• Fetsäuren mit Kettenlängen über 22 C-Atomen
• Verzweigtkettige Fettsäuren

Funktion der FettSynthese

Synthese gesättigter Fettsäuren im Zytosol und wird durch multifunktionelle Fettsäuresynthase (FS-Synthase) katalysiert.

Pathobiochemie des Lipidstoffwechsels

Angeborene Defekte des peroxisomalen Fettsäureabbaus verursachen neurologische Veränderungen

Funktion Defekt der Acyl-CoA-Dehydrogenase

• autosmoal-rezessiv vererbte Mutation

AMINOSÄURE STOFWECHSEL

Harnstoffzyklus entsorgt Stickstoff über die Niere.

Funktion Transaminierung

• Verschiebung der aminogruppe der AS auf eine Ketonsäure.

Funktion Funktion von Pyridoxalphosphat

• Transaminasen enthalten die prosthetische Gruppe РALP Funktioneller Aminosäure Stoffwechsel
• Transport AminostickstoffAlanin dient zudem in der Leber .
• Funktionen HARNSTOFFZYKLUS
• Leber wandelt NH4+ in Carbamylphosphat um