Grundlagen der Biochemie PDF

Jens Kurreck [email protected] 1  Überblick ◼ Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Die Entstehung des Lebens ◼ Die Zelle ◼ Biomoleküle 2  Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Organ...

Jens Kurreck [email protected] 1  Überblick ◼ Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Die Entstehung des Lebens ◼ Die Zelle ◼ Biomoleküle 2  Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Organische Chemie befasst sich mit dem Studium der Struktur, Eigenschaften und Reaktionen von organischen Materialen. Dies sind alle Verbindungen, die Kohlenstoffatome enthalten, in all ihren möglichen Variationen. ◼ Verbindungen aus der organischen Chemie umfassen alle Kohlenwasserstoffe (Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff) und deren Verknüpfung mit anderen Elementen wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor, die wir in vielen organischen Verbindungen in der Natur finden. Methan, der einfachste Kohlenwasserstoff. 3  Organische Chemie ◼ Vor dem 19. Jh. glaubten Chemiker, dass alle Verbindungen aus lebenden Organismen mit einer Lebenskraft (lateinisch Vis vitalis) ausgestattet seien, die sie von anorganischen Verbindungen unterschied. ◼ 1828 hat Friedrich Wöhler aus anorganischem Ammoniumcyanat (NH4CNO) organischen Harnstoff hergestellt. Dies wird als Schlüsselexperiment angesehen, das die These von der Lebenskraft widerlegt. Friedrich Wöhler 4  Lange Ketten und zyklische Verbindungen ◼ Organische Verbindungen können langkettig oder zyklisch vorliegen. Wenn die zyklische Verbindung ein Heteroatom (ein anderes als Kohlenstoff) enthält, wird sie heterozyklische Verbindung genannt. Pentan ist eine Kette mit 5 Pyrimidin (ein Bestandteil Kohlenstoffatomen. von DNA) ist eine heterozyklische Verbindung. 5  Einfach- und Doppelbindungen ◼ Zwei benachbarte Kohlenstoffatome können durch eine Einfach-, eine Doppel- oder sogar Dreifach-Bindungen miteinander verbunden sein. Ethan, mit Einfachbindung. Ethen, mit Doppelbindung. ◼ Alternierende Doppelbindungen führen zu konjugierten Systemen. Diese absorbieren (UV) Licht. ◼ In zyklischen Molekülen führt Konjugation zu Aromatizität. Chlorophyll ist eine aromatische Verbindung, die in Pflanzen Licht absorbiert. 6  Funktionelle Gruppen ◼ Funktionelle Gruppen sind spezifische Gruppen innerhalb eines Moleküls, die von besonderer Bedeutung sind. Sie verleihen den Molekülen die charakteristischen reaktiven Eigenschaften. Hydroxy Carboxyl Carbonyl Primäres Amin Aldehyd 7  Nucleophile Substitution ◼ Die nucleophile Substitution ist eine fundamentale Reaktionsklasse, bei der ein elektronreiches Nucleophil selektiv an eine positive (oder teilweise positive) Ladung eines Atoms oder einer Gruppe von Atomen bindet und somit eine sog. Abgangsgruppe ersetzt 8  Überblick ◼ Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Die Entstehung des Lebens ◼ Die Zelle ◼ Biomoleküle 9 Zeitskala der Biochemischen Evolution Stryer 2.27 10  Das älteste Fossil ◼ Das älteste bekannte Fossil, das von Organismen stammt, die modernen Bakterien ähneln, ist ~3.5 Milliarde Jahre alt. 11 Präbiotische Erde ◼ 1953 simulierten Stanley Miller and Harold Urey die präbiotische Erde. ◼ Eine Mischung aus Wasser, Methan, Wasserstoff und Ammoniak wurde elektrischer Entladung ausgesetzt. ◼ Die resultierende Lösung enthielt organische Verbindungen mit biochemischer Bedeutung, z.B. Aminosäuren Stryer 2.1 and 2.2 12  Hydrothermale Quellen ◼ Neben der Miller/Urey-These, dass die ersten Biomoleküle in einer Gasatmosphäre entstanden sind, die verschiedene Moleküle enthielt, gibt es alternative Erklärungen. ◼ Ein alternatives Modell nimmt an, dass die ersten Biomoleküle in hydrothermalen Quellen in der Tiefsee generiert wurden. ◼ Eine weitere Annahme besteht darin, dass das Leben gar nicht auf der Erde entstanden ist, sondern im Weltall und dann mit Meteoriten auf die Erde gelangt ist. Dies wird als Panspermie-Hypothese bezeichnet. 13 RNA Welt Hypothese Die RNA Welt Hypothese schlägt vor, dass es vor unserer Welt, die auf Desoxynucleinsäuren (DNA) und Proteinen basiert, eine Welt mit Leben gegeben hat, das auf Ribonucleinsäuren (RNA) basierte. RNA, die sowohl Informationen speichern (wie DNA) als auch enzymatische Funktionen erfüllen kann, könnte die Basis für zelluläres oder prä- zelluläres Leben gewesen sein. 14  RNA Welt Hypothese ◼ Die Miller/Urey Experimente aus den 1950ern zeigten, dass Biomoleküle auf der (primordialen) Ur-Erde generiert wurden. ◼ Erst 2009 wurde gezeigt, dass RNA Nucleotide (C und U) aus anderen chemischen Verbindungen geformt werden können, die unter den Ur- Bedingungen existierten. Ricardo, Szostak, Scientific American 9/2009. 15  RNA Welt Hypothese ◼ Der nächste Schritt war die Polymerisation der RNA Monomere. Lehm-Mineralien verstärken diesen Prozess, indem sie die reaktiven Moleküle in unmittelbare Nähe zueinander bringen. ◼ Dann mußten die Polymere replizieren. Durch künstliche in vitro Selektion konnten Forscher Ribozyme generieren, die kurze RNA Moleküle replizieren und ligieren (verbinden). Ricardo, Szostak, Scientific American 9/2009. 16  Ribozyme ◼ Ribozyme sind Ribonucleinsäuren mit enzymatischer (katalytischer) Aktivität. ◼ Das Hammerhead-Ribozym ist ein prominenter Vertreter dieser Klasse von Biomolekülen. Stryer 2.5 17  RNA Welt Hypothese ◼ Die neu geformte RNA könnte in wassergefüllte Hohlräume eingeschlossen worden sein, nachdem sich Fettsäuren spontan zu Membranen zusammengeschlossen haben. ◼ Die Gruppe um Szostak demonstrierte, dass aktivierte Nucleotide Membranen überwinden können. ◼ Diese Protozellen wachsen bis sie sich in zwei Tochterzellen teilen. Ricardo, Szostak, Scientific American 9/2009. 18  RNA Welt Hypothese ◼ RNA repliziert in den Zellen. Evolution startet mit dem Auftreten von Mutationen. Ribozyme mit anderen Eigenschaften entstehen und der Stoffwechsel beginnt. 19 Ricardo, Szostak, Scientific American 9/2009.  DNA-Protein Welt ◼ In unserer derzeitigen Welt wird das Leben von DNA und Proteinen dominiert. Die DNA speichert genetische Information und Proteine sind die Hauptvermittler in zellulären Prozessen. ◼ In den letzten Jahren ist die RNA aufgrund ihrer “neuen” Relevanz zu einem neuen Forschungsschwerpunkt geworden. DNA Protein (Hämoglobin) 20  Das zentrale Dogma der Molekularbiologie ◼ Von DNA zu RNA zu Protein: das zentrale Dogma der Molekularbiologie sagt, DNA regelt ihre eigene Replikation und die Transkription zu RNA, RNA regelt dieTranslation zu Proteinen. ◼ Das Dogma muss erweitert werden, einige Viren generieren ihre DNA aus RNA (reverse Transkription), andere Viren replizieren ihre RNA zu neuer RNA. Allerdings sind Proteine immer Empfänger/ Endprodukt genetischer Information, d. h. es ist nicht möglich, aus Proteine die sie kodierenden Informationsträger (RNA, DNA) zu generieren. 21  Überblick ◼ Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Die Entstehung des Lebens ◼ Die Zelle ◼ Biomoleküle 22  Die Zelle ◼ Allgemeine Merkmale der Zelle: ◼ Nucleus = Zellkern (Eukaryoten) oder Nucleoid (Bakterien) enthalten das genetische Material – DNA und assoziierte Proteine. ◼ Plasmamembran ◼ Cytoplasma Lehninger 2-1 23  Eukaryoten und Prokaryoten ◼ Eukaryoten haben einen von einer Membran umhüllten Zellkern, der die DNA enthält. ◼ Prokaryoten haben dieses Organell nicht. 24  Der phylogenetische Baum Stryer 1-8 ◼ Die drei Domänen des Lebens: Eukarya (früher Eukaryoten), Bacteria (früher Eubakterien), Archaea (früher Archebakterien) ◼ Analyse der ribosomalen RNA zeigte, dass die Archaea (Gruppe der Prokaryoten) den gleichen Verwandtschaftsgrad zu Bakterien (andere Gruppe der Prokaryoten) haben wie beide Gruppen 25 zusammen zu Eukarya.  Archaea ◼ Archaea werden unterteilt: ◼ Methanogene - streng Anaerobe , die Methan produzieren ◼ Halobakterien – leben nur in hochkonzentrierten Salzlösungen ◼ Thermoazidophile – bewohnen saure, heiße Quellen ◼ Trotz Ähnlichkeiten zu Bakterien besitzen Archaeen Gene und einige Stoffwechselwege, die denen in Eukaryoten sehr ähnlich sind. 26  Prokaryoten ◼ Typische Merkmale von Prokaryoten: ◼ Zellwand: gram-positive und gram-negative Bakterien ◼ Nucleoid: das Chromosom (DNA) ist zusammengeballt zu einem Nucleoid. ◼ Das Cytoplasma enthält RNA, Enzyme und Ribosomen. ◼ Flagellen für die Beweglichkeit. ◼ Pili bewirken Andocken an andere Zellen und fungieren als Kanäle für DNA während der Konjugation. 27 Lehninger 2-5  Prokaryoten ◼ Die Größe von Prokaryoten liegt zwischen 1 bis 10 µm. ◼ Es gibt drei Formen: ◼ Kugelförmig (Kokken) ◼ stäbchenförmig (Bazillen) ◼ helical gewunden (Spirillen) ◼ Prokaryoten sind umhüllt von einer Zellmembran, die aus einer Lipiddoppelschicht besteht; zusätzlich liegt bei den meisten eine Polysaccharidschicht auf der Zellmembran. Es gibt keine weiteren intrazellulären Membranen. 28  E. Coli Zellen Voet 1-13 ◼ 1.000.000 fache Vergrößerung: die Zelle ist umhüllt von der Zellmembran und Zellwand. Das Zytoplasma ist hauptsächlich von Ribosomen ausgefüllt. Links sieht man ein dichtes Knäuel aus DNA komplexiert mit Proteinen. ◼ Eine einfache Bakterienzelle enthält Millionen Moleküle, die 3000 – 6000 verschiedene chemische Substanzen ausmachen. 29  Eukaryotic liver cell Virus/Phage E. coli ca. 2 µm ◼ Die meisten Viren haben einen Durchmesser von 15 - 500 nm; Prokaryoten liegen bei 1-10 µm; eukaryotische Zellen bei 10 – 100 µm. ◼ Eukaryotische Zellen haben ein 1.000 - 1.000.000fach größeres Volumen als Prokaryoten. 30  Eukaryotische Zellen tierische Zelle Pflanzenzelle Lehninger 2-7 31  Endosymbiontentheorie Lehninger 2-6 ◼ Die Endosymbiontentheorie versucht, die Entstehung eukaryotischer Zellen zu erklären. ◼ Gemäß der Theorie sind Chloroplasten und Mitochondrien aus bestimmten Bakterientypen entstanden. Durch Endophagozytose haben sich eukaryotische Zellen entwickelt. 32 ◼ Die ersten Eukaryoten: Einzeller Protisten. ◼ Vielzellige Eukaryoten könne unterteilt werden in: Pflanzen, Pilze und Tiere. 33 Voet 1-11 Prokaryotische und Eukaryotische Zellen 34 Lehninger Tab 2-1 Der Zellkern (Nucleus) Lehninger 2-11 35  Der Zellkern (Nucleus) ◼ Elektroninmikroskopisches ◼ EM-Bild Zellkerns. (EM)-Bild von der Oberfläche Dunkler Bereich: eines Zellkerns. Die Poren Nukleolus; Pfeile zeigen der Kernmembran sind die Poren der erkennbar. Lehninger 2-11 Kernmembran. 36  Mitochondrium Stryer 18.3 ◼ Das Mitochondrium ist der Ort der eukaryotischen Zellatmung (oxidative metabolism). ◼ „Kraftwerk der Zelle“ 37  Mitochondriale DNA (mtDNA) ◼ Mitochondrien besitzen ein zirkuläres Genom. ◼ Die humane mtDNA besitzt ~16.500 Nucleotide, kodieren für 37 Gene (13 protein-kodierende Gene für Untereinheiten der Elektronentransportkette, rRNA and tRNA). ◼ Mitochondrien werden nur von der Mutter vererbt. 38  Chloroplasten Stryer 19.3 ◼ Chloroplasten sind die Orte der Photosynthese bei Eukaryoten. ◼ Die Photosysteme sind in der Thylakoidmembran verorted. 39 ◼ Chloroplasten besitzen ebenfalls ihr eigenes Genom!  Wichtige Modell-Organismen E. coli S. cerevisiae C. elegans (3 Nobelpreise) Arabidopsis thaliana D. melanogaster Zebra fish Mouse 40  Eukaryotische Genome ◼ Viele eukaryotische Genome wurden bereits sequenziert. ◼ Eukaryotische Genome sind größer als prokaryotische Genome (E. coli: 4,600,000 bp). 41  Genom-Größen ◼ Zunächst wurde vermutet, dass das humane Genom aus 100.000 Genen besteht. Sequenzierung ergab, dass es nur rund 20.000 Protein-kodierende Gene enthält (bei rund 3 Mrd. Basenpaaren). ◼ Zum Vergleich ◼ Caenorhabditis elegans hat 20.500 Gene (100 Mio bp) ◼ Arabidopsis thailiana hat 28.000 Gene (120 Mio bp) ◼ Die Komplexität des Lebens korreliert nicht mit der Anzahl an Genen, sondern eher mit der Anzahl an Proteinen, die daraus generiert werden, z.B. durch alternatives Spleißen. ◼ Menschen haben 100.000, 500.000 oder sogar 1 Mio. Proteine (je nach Quelle). 42 Ast, G., Spektrum der Wissenschaft 11/2005, 48.  Nicht-kodierende Sequenzen des Genoms Szymanski et al., in: Barciszewski/Erdmann, Noncoding RNAs, 2003, 1. ~20.000 Unterschiede zwischen den Arten hängen nicht nur von den Unterschieden in den proteinkodierenden Abschnitten ab. 99% der humanen protein-kodierenden Gene haben orthologe Gene in Maus. Der Anteil nicht-protein-kodierender Sequenzen steigt in komplexeren Organismen drastisch an. Bis vor kurzem bewertete man diese Sequenzabschnitte als genetischen Müll (junk DNA). Jetzt weiß man, dass der größte Teil in RNA umgeschrieben wird, die wichtige regulatorische Funktion hat. 43  Überblick ◼ Organische Chemie in 10 Minuten ◼ Die Entstehung des Lebens ◼ Die Zelle ◼ Biomoleküle 44  Elemente in tierischen Zellen ◼ Spezielle Elemente brauchen wir täglich in größeren Mengen (bulk elements), andere sind in Spuren notwendig (trace elements). Lehninger 3-1 45  Komposition des humanen Körpers Voet, Tab. 1-3 ◼ Lebendes Gewebe besteht aus relativ wenigen Elementen: C, H, O, N, P und S machen 92% des Trockengewichts von lebendigem Material aus. 46  Wichtige Biomoleküle ◼ Aminosäuren formen Proteine. ◼ DNA und RNA wird aus Nucleinsäuren gemacht. ◼ Lipide ◼ Kohlenhydrate 47 Molekulare Komponenten einer E. coli Zelle Alberts 2-29 Lehninger Tab 3-5 48 Vergleich Bakterien und Säugetiere Alberts Tab. 2-4 49  Biomoleküle: 1. Aminosäuren ◼ 20 (+2) Aminosäuren formen die Proteine Lehninger 3-24 50  Biomoleküle 2: Nucleinsäuren ◼ Nukleinsäuren bestehen aus einer von fünf verschiedenen Basen, einer Ribose bzw. Desoxyribose und einem Phosphat. Lehninger 3-24 51 Biomoleküle 3: Lipide ◼ Bestandteile von Lipidmembranen. Lehninger 3-24 52  Biomoleküle 4: Kohlenhydrate ◼ a-D-Glukose, eines der wichtigsten Kohlenhydrate. Lehninger 3-24 53 Sammlung von biochemischen Strukturen Nucleotide  Aminosäuren Cystein Prolin (Cys, C) (Pro, P) Kohlenhydrate: Glucose 57  Lipide Fettsäuren und Cholesterol Cholesterol (Cholesterin) Fettsäure (Fatty Acid) 58  Polymere ◼ Die wichtigsten Makromoleküle habe einen modularen Aufbau: ◼ Proteine sind Polymere von Aminosäuren. ◼ Nucleinsäuren sind Polymere von Nukleotiden. ◼ Polysaccharide sind Polymere von Zuckern 59 (Monosacchariden).  Biomoleküle ◼ Jedes Monomer ist die Grundlage für verschiedene Arten an Biomolekülen. 60 Lehninger 3-25  Ebenen der molekularen Organisation (Pflanzenzelle) Lehninger 3-26 61  Energie ◼ Fast alle Organismen der Erde erhalten ihre Energie direkt oder indirekt aus dem Sonnenlicht. ◼ Photosynthetisch aktive Organismen synthetisieren Kohlenhydrate. ◼ Diese Substanzen warden von Tieren aufgenommen und oxidiert, um Energie für zelluläre Prozesse zu bekommen. Lehninger 1-8 62  Stoffwechsel ◼ Alle lebenden Organismen führen biochemische Reaktionen aus, um am Leben zu bleiben. Diese Ausstattung an biochemischen Reaktionen nennt man Stoffwechsel. ◼ Stoffwechsel wird in zwei Kategorien unterteilt: ◼ Katabolismus verbraucht organisches Material und macht aus komplexen Molekülen einfache, um Energie für aufbauende Prozesse zu gewinnen. ◼ Anabolismus benötigt Energie um komplexe Moleküle wie Proteine und Nukleinsäuren aufzubauen. ◼ Stoffwechsel wird detailliert in Biochemie II besprochen. 63  Zusammenfassung ◼ 3 Domänen des Lebens: Archae, Bacteria, Eukarya ◼ Prokaryoten / Eukaryoten: keine membranumhüllten Organellen in Prokaryoten, eukaryotische Zellen besitzen Organellen wie: Mitochondrien, Chloroplasten, Zellkern, ER, Golgi Apparat, Lysosomen. ◼ Die 4 Hauptklassen der Biomoleküle sind: Proteine, Nucleinsäuren, Lipide und Kohlenhydrate. ◼ Katabolismus - Abbau von Biomolekülen zur Energiegewinnung; Anabolismus – Aufbau von Biomolekülen unter Energieverbrauch. 64