Einführung in die Biochemie (Modul B6, 14.10.2024) PDF

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S F U M E D Modul B6 Grundlagen des Lebens Biochemie Einführung Matthias Steiger 14.10.2024 11.10.24 1 S F U M E D https://www.feedbackr.io Code: HCDGI 11.10.24 2 S F U M E D 1. Einführung https://www.apotheken-umschau.de/multimedia/ 11.10.24 3 S F U M E D Aufbau 1. Einführung 2. Kohlenhydrate 3. Proteine, Peptide, Aminosäuren 4. Enzyme 5. Wichtige Stoffwechselwege (Glykolyse, Citratzyklus…) 6. Atmungskette (Endoxidation) 7. Lipide 8. DNA/RNA 9. Hormone 10. Ernährung und Verdauung 11. Stoffwechsel der Organe 11.10.24 4 S F U M E D Definition Biochemie untersucht und beschreibt die Chemie der Lebensvorgänge. Biochemistry, study of the chemical substances and processes that occur in plants, animals, and microorganisms and of the changes they undergo during development and life. It deals with the chemistry of life, and as such it draws on the techniques of analytical, organic, and physical chemistry, as well as those of physiologists concerned with the molecular basis of vital processes. All chemical changes within the organism—either the degradation of substances, generally to gain necessary energy, or the buildup of complex molecules necessary for life processes—are collectively termed metabolism. These chemical changes depend on the action of organic catalysts known as enzymes, and enzymes, in turn, depend for their existence on the genetic apparatus of the cell. It is not surprising, therefore, that biochemistry enters into the investigation of chemical changes in disease, drug action, and other aspects of medicine, as well as in nutrition, genetics, and agriculture. https://www.britannica.com/science/biochemistry 11.10.24 5 S F U M E D Matthias Steiger S F U M E D Aspergillus niger Industrieller Filamentöser Pilz Organismus Organische Säuren Proteine Relevanz Zitronensäure für Medizin S F U M E D Humaner Stoffwechsel https://www.vmh.life/ Recon3 (Reconstruction 3) 13543 Reaktionen 4138 Metabolite 11.10.24 8 3695 Gene (kodierend für Enzyme) S F U M E D Zellaufbau 11.10.24 9 S F U M E D Biochemie und andere Fächer Stoffwechsel Molekulare Genetik Protein- wissenschaften Biochemie Chemie Biologie 11.10.24 10 S F U M E D Biochemie und andere Fächer Funktion Genetik Biochemie Gen Protein Molekularbiologie 11.10.24 11 S F U M E D Ressourcen Kurzlehrbuch Biochemie M. Königshoff, T. Brandenburger Thieme, 2018 Zur Vertiefung: Stryer Biochemie J.M. Berg, J. L.Tymoczko, G.J. Gatto, L. Stryer Springer Spektrum, 2018 11.10.24 12 S F U M E D Biologische Vielfalt – biochemische Einheitlichkeit Evolution des Lebens Lebewesen haben gemeinsamen Vorfahren (LUCA -last universal common ancestor) Sehr unterschiedliche Organismen aber ähnliche biochemische Abb. 1.1Biologische Vielfalt und Übereinstimmung. Die Form eines wichtigen Moleküls bei der Prozesse Genregulation, des TATA-Box-bindenden Proteins, stimmt bei drei sehr unterschiedlichen Lebewesen überein, die in der Evolution durch Milliarden von Jahren voneinander getrennt sind. (Stryer Biochemie Links: Eye of Science/Science Source; Mitte: Holt Studios/Science Source; rechts: Time Life Pictures/Getty Images) 11.10.24 13 S F U M E D Evolution Stammbaum des Lebens. Ein möglicher Evolutionsverlauf von einem gemeinsamen Vorfahren vor etwa 3,5 Mrd. Jahren an der Basis des Baumes bis hin zu heute existierenden Lebewesen an dessen Spitze 11.10.24 14 S F U M E D Nobelpreis für Chemie 2018 11.10.24 15 S F U M E D Nobelpreis für Chemie 2020 11.10.24 16 S F U M E D Nobelpreis für Medizin 2021 11.10.24 17 S F U M E D Nobelpreise 2024 11.10.24 18 S F U M E D Modellorganismen Organismen, die spezifische Charakteristika und Vorzüge aufweisen, aufgrund derer sie für wissenschaftliche Fragestellungen von Interesse sind und einen (einfachen) experimentellen Zugang zur Untersuchung von bestimmten Einzelaspekten ermöglichen. In der Regel ist von Vorteil, wenn Modellorganismen (oft auch als Modellsysteme bezeichnet) sich gut im Labor ziehen und vermehren lassen, eine kurze Generationszeit haben, das Herbeiführen von Mutationen oder die Integration von neuen Genen (Gen) relativ problemlos erlauben und Veränderungen des Erbguts direkt ausprägen. Auswahl an Modellorganismen Wirbeltiere: Hausmaus (Mus musculus), Wirbellose Tiere: Drosophila melanogaster ; Hefe u. Pilze: Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans Bakterien: Escherichia coli 11.10.24 19 S F U M E D Modellorganismen Q: https://https://www.yeastgenome.org Caenorhabditis elegans (üblicherweise Die Hefe Saccharomyces cerevisiae, ein als C. elegans bezeichnet) ist ein einzelliger Organismus, der offensichtlich in lediglich ein Millimeter langer Wurm, noch geringerem Umfang mit dem Menschen der sich in Aussehen und Lebensweise verwandt ist, erlangt in der Krebsforschung nicht stärker vom Menschen herausragende Bedeutung. Der Zellzyklus (eine unterscheiden könnte, dennoch ähneln Reihe von Prozessen, die Zellwachstum und sich auf der molekularen Ebene Zellteilung bedingen) ist für lebende fundamentale Lebensprozesse. Z.B. Organismen so fundamental, dass er in allen An C. elegans erforschte man die Eukaryoten (natürlich auch in Hefe) erhalten Wirkung von Beta-Amyloiden, das sind blieb. Peptidmoleküle, welche sich im Gehirn Q: https://www.scienceinschool.org/ von Alzheimer Patienten ansammeln. 11.10.24 20 S F U M E D Historische Entwicklung der Biochemie Q: Stryer, 8. Auflage 11.10.24 21 S F U M E D Historische Entwicklung der Biochemie 1780 Antoine Lavoisier – Atmung braucht Sauerstoff Anfang Vitalismus: Organische Moleküle können nur von Lebewesen 1800 synthetisiert werden 1828 Synthese von Harnstoff durch Friedrich Wöhler 1850 Entdeckung von Kohlehydraten, Lipiden, Nukleinsäuren -1890 (Begriff: „Biochemie“ ab 1870) 1893 Eduard Buchner Alkoholische Gärung in zellfreien Extrakten 1950 Chargaff´sche Regeln A + G = T + C etc. 1953 Watson/Crick - Räumliches Modell der DNA Doppelhelix 1959 Entstehung von Aminosäuren in den Versuchen von Stanley Miller und Harold C. Urey 11.10.24 22 S F U M E D Historische Entwicklung der Biochemie 1960 Genetischer Code 1970 Zentrales Dogma der Molekularbiologie Informationsfluss: DNA -> RNA-> Proteine 1980 Katalytische Aktivität von RNA (Ribozyme) 1990 Krebsforschung, Ursachen von Krebs 2000 Genomzeitalter (2001 Humangenom) 2010 Genomeditierung (2012 CRISPR) und Gentherapie 11.10.24 23 S F U M E D Genom das Erbgut eines Lebewesen https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/gdv/ 11.10.24 24 S F U M E D Genomgrößen 11.10.24 25 S F U M E D Relevanz für Medizin Hämoglobin Sichelzellenanämie Erythrozyten und Hämoglobingehalt stark reduziert Kopfschmerzen und Atemnot anormal viele Infektionen Im Hämoglobin ist an Position 6 die Aminosäure Glutamat gegen Valin ausgetauscht. Verantwortlich dafür ist eine Punktmutation auf Chromosom 11. 11.10.24 26 S F U M E D CRISPR/Cas9 CRISPR: clustered interspaced palindromic repeats ein bakterielles Immunsystem wichtiges gentechnisches Werkzeug 11.10.24 27 S F U M E D 11.10.24 28 S F U M E D 11.10.24 29 S F U M E D Wirkungsweise von Aspirin Irreversible Hemmung des Enzyms Cyclooxygenase durch Acetylsalicylsäure. Synthese der Eikosanide unterbrochen (v.a. Prostaglandine und Thromboxane) Gerinnungshemmung, Schmerzbekämpfung, Entzündungshemmung 11.10.24 30 S F U M E D SARS-CoV-2 SARS-CoV-2 Sequenzähnlichkeit: 80% zu SARS-CoV 96% zu BatCoV RaTG13 30.000 Basenpaare kodierend für 10 Proteine 11.10.24 31 S F U M E D 11.10.24 Yang, J., Petitjean, S.J.L., Koehler, M. et al. Molecular interaction and inhibition of SARS-CoV-2 binding to the ACE2 receptor. Nat 32 Commun 11, 4541 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18319-6 S F U M E D Woraus bestehen wir? Q: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie 11.10.24 33 S F U M E D Woraus bestehen wir? Zusammensetzung Mensch [Massen %] Ernährungspyramide Salze, Kohlenhydrate 1% Sonstige 5% Proteine 14% Lipide Wasser 20% 60% Q: https://www.ages.at/ 11.10.24 34 S F U M E D https://www.feedbackr.io Code: HCDGI 11.10.24 35 S F U M E D 11.10.24 36