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Hans A. Krebs führte Experimente mit ZUSAMMENFASSUNG Taubenbrustmuskelstücken durch, um BIOCHEMIE herauszufinden wie verschiedene organische Die Biochemie ist die „Chemie des Lebens“ Säuren die Pyruvatoxidation beeinfl...

Hans A. Krebs führte Experimente mit ZUSAMMENFASSUNG Taubenbrustmuskelstücken durch, um BIOCHEMIE herauszufinden wie verschiedene organische Die Biochemie ist die „Chemie des Lebens“ Säuren die Pyruvatoxidation beeinflussen. Krebs bestätigte die Beobachtung von unter Schlüsselthemen der Biologie / anderem Albert Szent-Györgyi, dass C4- Hierarchien Dicarbonsäuren aus tierischen Geweben den Sauerstoffverbrauch von Muskeln stimulieren. Organe & Organsysteme, Gewebe: Außerdem fand er, dass auch die Die Hierarchie des Lebens zeigt sich, wenn Pyruvatoxidation einen solchen Effekt man näher hinsieht. Organismen sind komplex hervorruft. Diese wird durch C6- aufgebaut. Dabei bilden Organe & Gewebe die Tricarbonsäuren Citrat stimuliert. größte Untereinheit. Das Blatt ist ein Beispiel eines Organes, das aus zwei oder mehreren Die Strukturaufklärung der Geweben besteht. Erbsubstanz Zellen: James Watson & Francis Crick entdeckten, wie Bauliche & funktionelle Grundeinheit. die genetischen Informationen in den DNA- Einzeller bestehen nur aus einer Zelle Molekülen verschlüsselt ist. Dies ermöglichte (Amöben, Bakterien). In Vielzelligen ein Verständnis für die Vorlage & Erzeugung Lebewesen arbeiten Zellen durch von Proteinen. Sie besteht aus: Arbeitsteilung & unterschiedlichen Spezialisierungen. Zwei Nukleotidketten, welche antiparallel verlaufen Organellen: Diese Ketten werden durch Dies sind die Bausteine einer Zelle. Diese Wasserstoffbrückenbindungen verarbeiten Makromoleküle zu Energie. zwischen den Basen zusammengehalten Molekül: Ist eine chemische Struktur, welche aus zwei Einheiten oder mehr Atomen besteht. Hierbei handelt es um den Faktor 1 Millionen vergrößert: sich um den letzten Maßstab der Hierarchie. Fenster der Größe von 100 x 100 nm; Chlorophyll: 1nm = 10-9 m 1 Ångström (Å) = 100 pm = 0.1 nm = Porphyrinring: Lichtabsorbierender Bereich 10-10 m = Radius vieler Atome und des Moleküls mit einem zentralen kovalenter Bindungslängen Magnesium-Ion im Zentrum. Der Unterschied zwischen Chlorophyll a &b ist Spezialfall – Biochemie die funktionelle Gruppe am Porphyrin. Sie basiert hauptsächlich auf Kohlenstoffverbindungen Die Aufklärung des Citrat-Zyklus Es handelt sich um chemische (1937) Reaktionen, die hauptsächlich in wässrigen Lösungen und in einem Der Krebs-zyklus, benannt nach Hans Adolf Krebs, ist der grundlegende engen Temperaturbereich stattfinden Stoffwechselvorgang in jedem Organismus. Sie ist außerordentlich komplex (sogar die einfachsten Zellen sind Hierbei wird eine Phosphatgruppe auf ein ADP komplizierter organisiert als andere übertragen → es entsteht ATP („Kraftstoff der bekannte chemische Systeme) Zelle“)  Sie wird von riesigen polymeren Makromoleküle bestehen aus tausenden Molekülen – Ketten aus kovalent verbundenen Atomen aneinandergereihten chemischen Die Biochemie erklärt parallele Reaktionen, Untereinheiten – dominiert und Abläufe, Prinzipien & Mechanismen. koordiniert. Baukastenprinzip Entstehung des Lebens Jede Zelle enthält tausende Vor etwa 14 Mrd. Jahren entsteht das Makromoleküle Universum. Durch den katastrophalen Makromoleküle variieren zwischen Ausbruch heißer, energiereicher & Zellen eines einzigen Organismus, subatomarer Teilchen entwickelten sich in innerhalb einer Spezies und noch viel wenigen Sekunden die einfachsten Elemente. stärker zwischen verschiedenen Über Milliarden Jahren entstanden die Spezies bekannten Elemente. Vor etwa 4 Mrd. Jahren entwickelte sich das Leben. Aus kleiner Kollektion Monomere → große Vielfalt an Polymere Die molekulare Logik des Lebens Jedes Polymer wächst durch Addition eines Alle Organismen gehorchen physikalischen & Monomeres. chemischen Gesetzen. Dehydratisierende Kondensation: Charakteristische Merkmale von Lebewesen: Liegt vor, wenn zwei Monomere unter Ein hohes Maß chemischer Abspaltung eines Wassermoleküls kovalent Komplexität und mikroskopischer miteinander verbunden werden Organisation Systeme zur Gewinnung, Umwandlung Spaltung durch Hydrolase: und Verwendung von Energie aus der Umkehrung der Kondensation → Umwelt Bindungsspaltung durch eine Reaktion mit Definierte Funktionen für alle Wasser Bestandteile eines Organismus und regulierte Wechselwirkung Polymere Makromoleküle sind die am meisten untereinander vorkommenden kohlenstoffhaltigen Moleküle in der Zelle. Sie sind wichtiges Baumaterial Mechanismen, um Änderungen der Umgebung wahrzunehmen und darauf Polymer → besteht ausgleichen oder zu reagieren ähnlichen Bausteinen, welche durch kovalente Die Eigenschaften zur exakten eigenen Bindung verknüpft sind. Einzelne Bausteine Replikation und zum eigenen sind Monomere. Zusammenbau Polymere: Die Eigenschaften, sich mit der Zeit Polysaccharide aus einzelnen durch allmähliche Evolution zu Monosacchariden wandeln Proteine aus 20 verschiedenen Fünf chemische Stoffklassen: Aminosäuren Kohlenhydrate Nukleinsäuren aus 8 verschiedenen Lipide Nukleotiden Proteine Nucleinsäuren Polymere (Polysaccharide) Cofaktoren Monosaccharide → Einfachzucker (z.B.: Glucose, Galactose, Mannose) Disaccharide→ Kondensat aus 2 Für DNA Für RNA Monosacchariden (z.B.: Maltose) dA desoxi- A Adenosinmon MP Adenosinmon M ophosphat Polysaccharide → Vielfachzucker ophosphat P Aufgaben der Polysaccharide: dC desoxi- C Cytidinmonop MP Cytidinmonop M hosphat Energiequelle hosphat P Speicherstoff dG desoxi- G Guanosinmon Baumaterial MP Guanosinmon M ophosphat ophosphat P Polymere (Proteine) dT desoxi- U Thymidinmon Bestehen aus Aminosäuren MP Thymidinmon M ophosphat Aminosäuren werden durch ophosphat P Peptidbindungen miteinander Jeder Nukleotid besteht aus: verknüpft o Nukleinbase (Adenin, Guanin, Polypeptid → zahlreiche Cytosin, Thymin/Uracil) Peptidbindungen o Ribose oder Desoxyribose Polypeptidketten→ wenige bis tausende Aminosäureresten o Phosphorsäurerest Jedes Peptid besitzt eine eigene Nukleosid → ohne Phosphatgruppe lineare Aminosäuresequenz Nukleotide oder dessen Bausteine sind Bestandteile vieler Co-Faktoren Aminosäure 3 1 ATP → besteht aus 3 energiereichen Buchstaben Buchstabe Phosphatresten Alanin Ala A Arginin Arg R Joule Asparagin Asn N einen Körper mit der Masse 0,102 Asparaginsäure Asp D Kilogramm – das entspricht etwa einer Cystein Cys C Tafel Schokolade – um einen Meter Glutamin Gln Q anzuheben (1 Newtonmeter) oder Glutaminsäure Glu E eine Sekunde lang die Leistung von Glycin Gly G einem Watt – das ist ungefähr die Histidin His H Leistung des menschlichen Herzens – Isoleucin Ile I zu erbringen (1 Wattsekunde) oder Leucin Leu L bei einer elektrischen Spannung von Lysin Lys K Methionin Met M einem Volt für die Dauer einer Phenylalanin Phe F Sekunde einen elektrischen Strom von Prolin Pro P einem Ampere fließen zu lassen (1 Serin Ser S Voltamperesekunde) oder Threonin Thr T ein Gramm Wasser, um ca. 0,239 Tryptophan Trp W Kelvin zu erwärmen oder Tyrosin Tyr Y einen Körper der Masse 2 Kilogramm Valin Val V aus der Ruhe auf eine Geschwindigkeit Strukturformel siehe. „Aminosäuren“ von 1 m/s zu beschleunigen. In Nährwertkennzeichnungen werden Polymere (Nukleinsäuren) Kilojoule (kJ) – bezogen auf 100 g, 100 Nukleinsäuren → auch Polynucleotide ml oder 1 Portion – für die Angabe des Bestehen aus Monomeren die 8 physiologischen Brennwerts verschiedene Nukleotide sind verwendet. Energie man die gleichen Umgebungsbedingungen schafft Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) Molare Reaktionsenthalpie→ Bei jeder chemischen oder physikalischen Reaktionsenthalpie auf die Stoffmenge der Veränderung bleibt die Gesamtmenge der zugrunde gelegten Reaktionsgleichung Energie im Universum konstant →Die Energie bezogen, Einheit: Mol eines geschlossenen Systems ist konstant Der globale Stoffkreislauf aus Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (Entropiesatz) bioenergetischer Sicht Bei allen natürlichen Prozessen nimmt die Energieumsatz: Bildung von Glucose aus Entropie im Universum zu, das Universum Kohlendioxid & Wasser = Verbrennung von strebt immer einer größeren Unordnung zu Glucose → Vorzeichen ändert sich Im Laufe jeder Energieumwandlung oder Fotosynthese wandelt elektromagnetische Energieübertragung geht ein Teil der Energie Energie in chemische Energie. als Wärme verloren Pflanzen nutzen Kohlenstoff aus dem System → Materie innerhalb eines definierten Kohlendioxid der Atmosphäre, Wasserstoff Bereichs im Raum und Sauerstoff aus Wasser, Stickstoff aus Ammoniak und Nitraten aus dem Boden und Umgebung → Materie im übrigen Universum andere Elemente, die in kleineren Mengen benötigt werden, aus anorganischen Salzen Energie kann nicht verbraucht, sondern nur aus dem Boden. umgewandelt werden. Sie nutzen die aus dem Sonnenlicht Thermodynamische Begriffe – gewonnene Energie, um chemische Bindungen Enthalpie (H) “Wärmeinhalt” zwischen diesen Atomen auszubilden. Diese kleinen Moleküle werden wiederum zu ΔHSystem = HEndzustand/Sys. – Makromolekülen umgewandelt - den HAnfangszustand/Sys. Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden, aus denen die Pflanzen bestehen. Die Enthalpie eines Zustands kann nicht Fotosynthese & Zellatmung sind gemessen werden, sondern nur die Differenz komplementäre Vorgänge zwischen zwei Zuständen. Fotosynthese → Sonnenenergie, um Zucker & Enthalpie: andere organische Moleküle des CO2 zu Maß für Energie eines generieren. Dies dient als Nahrung thermodynamischen Systems Durch Buchstaben H symbolisiert Dabei wird 02 in der Zellatmung verwendet, Ist eine thermodynamische um Nahrungsmoleküle zu oxidieren. CO2 wird Zustandsgröße in die Atmosphäre abgegeben bezeichnet abgegebene bzw. Der von den Pflanzen generierte Sauerstoff aufgenommene Wärmemenge wird von nahezu allen Organismen zur wir in kJ gemessen Verbrennung von organischen Materialen Die abgegebene bzw. aufgenommene benötigt. Und Pflanzen benötigen das Wärmemenge wir ΔH genannt ausgeatmete CO2. Die Nutzung des Die Energie von Stoffen ist von Temperatur & Kohlenstoffs bildet einen riesigen Kreislauf. Druck abhängig, daher können Auf die gleiche Weise bewegen sich Stickstoff- Energiebilanzen nur verglichen werden, wenn , Phosphor- und Schwefelatome durch den Das Maß für die Zufälligkeit oder Unordnung großen Kreislauf. eines Systems nennt man Entropie des Systems Autotrophie →Fähigkeit von Lebewesen ihre Baustoffe ausschließlich aus anorganischen Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Stoffen aufzubauen (erfordert Energie!). beschreibt die allgemeine Tendenz einen Zustand von größerer Unordnung Heterotrophie → Aufbauen von anzustreben. Zellbestandteilen in Lebewesen aus bereits vorhandenen organischen Verbindungen Die Systeme streben spontan einem Zustand (liefern Energie!). größerer Entropie zu. Thermodynamische Begriffe – Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist eine streng gültige Formulierung, der zweite Entropie (S) “Unordnung” Hauptsatz hingegen ist eine statistisch ΔSSystem = SEndzustand/Sys. – gerechtfertigte Behauptung. SAnfangszustand/Sys. Entropie unter dem Gesichtspunkt der Statistik Enthalpie → einzige Ursache, dass Reaktionen Der zweite Hauptsatz wurde unter dem spontan stattfinden. Gesichtspunkt der Wahrscheinlichkeit Es gibt Reaktionen, die von allein ablaufen & formuliert. endotherm sind, Außerdem gibt es Reaktionen Ein System hat zwei Möglichkeiten, mit seiner die nicht freiwillig Ablaufen, obwohl sie Umgebung Energie auszutauschen exotherm sind. In Form von Wärmeübertragung Beispiel: Ammoniumionen & Chlorionen In Form von Arbeit Salzkristalle → hohe Ordnungszahl, Ionen Nur wenn die Summe der beiden liegen streng geordnet vor, kommt Kristall mit Entropieänderungen positiv ist, erfolgt eine Wasser in Kontakt → lösen sich äußere Ionen spontane Zustandsänderung. ab & verteilen sich im Wasser → ungeordneter als zuvor Enthalpie (H) und Entropie (S) Reaktion an sich endotherm → da Gibbs’sche freie Energie (G) Gitterbildungsenergie überwunden werden muss, diese benötigte Energie zieht der Kristall ΔG = ΔHSystem – TΔSSystem aus dem Wasser → Wasser kühlt ab. Grad der Endergon → ΔG ist positiv Unordnung allerdings steigt → Vorgang läuft selbstständig ab Exergon → ΔG ist negativ 1850 führte R. Clausius neue Größe in der Spontan ablaufende Vorgänge haben ein Thermodynamik für den Zustand eines negatives ΔG. Systems ein → Entropie S das Maß für Bei positivem DG nennt man die Reaktion Unordnung endergonisch. In einem geschlossenen System Große Unordnung → Zahlenwert groß mit konstanter Temperatur und konstantem Druck, das sich nicht im Gleichgewicht Geordnetes System → Zahlenwert klein befindet, können nur exergonische Reaktionen spontan ablaufen. Ist Entropie als Maß der Unordnung Unordnung passiert von allein, um es zu ordnen wird Energie benötigt. eine Reaktion endergonisch, dann ist die Die Zelle ist KEIN isoliertes System. Sie nimmt umgekehrte Reaktion exergonisch und läuft Energie aus ihrer Umgebung in Form von allein ab. Nahrung auf, aus anorganischen Stoffen oder Photonen von der Sonne. Diese Energie wird Ordnung in biologischen Systemen dann für den Zellmetabolismus verwendet. Da Biologische Strukturen sind im hohen Maß die erzeugte Energie wird in Form von Wärme geordnet. Klar begrenzte, reich verzierte und an die Umgebung abgegeben. → Unordnung wunderschöne räumliche Muster können auf der Umgebung erhöht sich jedem Organisationsniveau in lebenden Organismen entdeckt werden. Dieser Vorgang Dynamisches Fließgleichgewicht führt zu einem Verlust der Entropie im Fließgleichgewicht → stationärer Zustand, bei System. Das bedeutet, dass Wärme an die dem Substanzen einströmen & Umgebung abgegeben werden muss, damit Reaktionsprodukte herausgeschleust werden der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Es muss sich um ein offenes System handeln, nicht verletzt wird. damit das funktionieren kann. Organismen sind thermodynamisch Gekoppelte Reaktionen OFFENE Systeme Es findet sowohl Stoff- als auch Energieaustausch mit der Umgebung sta7, die Entropie nimmt in Summe zu Für Gibbs freie Energie (= freie Reaktionsenthalpie) gilt: ΔG = ΔH – T · ΔS Organismen sind NIE im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung, es findet sowohl ΔG < 0 (negativ): exergone Reaktion, die Stoff als auch Energieaustausch statt, unter den gegebenen Bedingungen sie wandeln Energie und Materie aus (Konzentrationen) freiwillig abläuft. der Umgebung um. ΔG = 0: Gleichgewichtssituation, keine Dynamische Fließgleichgewichte Reaktion. stellen sich ein, die Systeme stellen sich nach außen hin als Gleichgewicht ΔG > 0 (positiv): endergone Reaktion, deren dar. Diese können aber nur durch Ablauf in der angegebenen Richtung Energieaufwand aufrechterhalten Energiezufuhr erfordern würde. werden. Biochemisches Beispiel: Biologische Reaktionen sind über Energiekopplung miteinander verbunden. Reaktionen die thermodynamisch nicht ablaufen In lebenden Systemen wird das „Einfangen“ können werden mit Reaktionen von Energie durch eine gekoppelte Reaktion verbunden (gekoppelt) die erreicht, in der eine energetisch günstige energetisch günstig ablaufen können. Reaktion dazu verwendet wird, eine energetisch ungünstige anzutreiben, bei der ein aktiviertes Trägermolekül oder ein anderes Da sich die Moleküle eines Lebewesens oder nützliches Molekül hergestellt wird eines Gegenstades in einem relativ stabilen Zustand befinden, nehmen Moleküle nicht Kopplungsmechanismen erfordern Enzyme spontan die energetisch günstigere Form an. und sind für alle Energietransaktionen der Zelle von fundamentaler Bedeutung. Aktivierungsenergie → „Stoß“ zum Beginn einer Reaktion Enzyme sind Biokatalysatoren Enzyme können Reaktionen um einen Faktor Innerhalb der Zelle wird die von 1014, dadurch ermöglichen sie Reaktionen, Aktivierungsenergie dank Enzymen die bei normaler Temperatur nicht schnell überwunden. Das Enzym bindet an ein oder genug ablaufen würden. zwei Substrate und sorgt dafür, dass die chemische Wechselwirkung zwischen ihnen Enzyme sind hochselektiv → Jedes Enzym erleichtert wird & somit die beschleunigt eine bestimmte Reaktion. Aktivierungsenergie verringert wird. Jedes Enzym besitzt eine einzigartige Gestalt, Katalysator → Substanz, welche die benötigte welche ein aktives Zentrum enthält, → eine Aktivierungsenergie verringert Tasche oder Furche im Enzym an der ein bestimmtes Substrat binden kann. Katalysatoren erhöhen dadurch die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen Da es sich bei Enzymen um Katalysatoren handelt, werden diese bei einer Reaktion nicht Katalysierte Reaktionen aus verbraucht und können wieder verwendet energetischer Sicht werden Beispiel: Die Hexokinasen weist eine hohe Affinität zu Glucose aus, der weit unterhalb der niedrigsten Blutglucosekonzentration liegt. Dadurch ist gewährleistet, dass Muskel, Hirn, etc. unabhängig von der Stoffwechsellage bei Bedarf Glucose aus dem Blut in die Glykolyse einschleusen können Die Glucokinase weist eine geringere Affinität Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung auf. Dies ist für ihre Rolle im Blutzucker- reversibel. Sensorsystem des Pankreas von entscheidender Bedeutung. Energetische Grundlagen der Katalysatoren Die Aktivierungsenergie einer enzymatischen Reaktion ohne & mit Katalysator Reaktion wird im Vergleich zur unkatalysierten Reaktion durch Stabilisierung des Übergangszustandes gesenkt. ΔG bleibt unverändert Die meisten chemischen Reaktionen würden ohne Enzyme in Lebewesen zu langsam ablaufen. Freie Reaktionsenthalpie muss negativ sein. Durch Wechselwirkungen mit dem Übergangszustandes eines Substrats stabilisiert es dieses, so dass weniger Energie benötigt wird. Enzyme in einem Organismus einem lebenden Organismus sind … bestimmen: Wasserstoffatome. Welche Reaktionen laufen ab? Proteine, Aminosäuren: Wann laufen Reaktionen ab? Enthalten C, H, O, N, S Wo laufen Reaktionen ab? Wie schnell laufen Reaktionen ab? Kohlenhydrate Enthalten C, H, O … haben keinen Einfluss auf: Das Vorzeichen der freien Energie (ΔG Lipide = – oder +). Enthalten C, H, N, O, P Die Änderung der freien Energie ΔG Nukleinsäuren (Gibbs Energie). Enthalten C, H, O, N, P Die Lage des Gleichgewichts der Reaktion Enzyme beschleunigen die Einstellung des Gleichgewichts, verschieben es jedoch nicht nach irgendeiner Seite. Massenzahl → Summe Protonen + Summe Neutronen Ordnungszahl → Summe Protonen = Summe Elektronen Atome bestehen aus: Biologische Informationen Zentrales Dogma der Molekularbiologie→ Neutronen (neutral) unidirektionaler Informationsfluss der Elektronen (-) Information von der Nucleinsäure zum Protonen (+) Protein. Atomkern → Protonen + Neutronen In den DNA-Molekülen wird die genetische Kontinuität biochemisch bewahrt. Elektronen → Umgeben den Kern, „Elektronenwolke“ Aufgrund ihrer Struktur → DNA kann nahezu perfekt repariert & repliziert Neutronen & Protonen haben eine sehr werden ähnliche Masse → Einheit Dalton (SI-Einheit → atomare Masseneinheit), Wert festgelegt Veränderung der Erbinformation ermöglicht Evolution auf 1/12 der Masse eines 12C Atoms. In linearer DNA-Sequenz ist 1Da = 1,660*10-27(→ 1g= dreidimensionale Proteinstruktur 6,022*1023Da) gespeichert Massenzahl eines Atoms →gleich seiner Chemische Grundlagen Masse (fast die gesamte Masse eines Atoms 94 natürlich Vorkommende Elemente. befindet sich im Kern) Lebende Organismen bestehen aus Isotope→ Protonen gleich, Neutronen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) unterschiedlich & Sauerstoff (O). mehr als 60% der Atome in Elektronenverteilung & chemische Chemische Bindungen Eigenschaften Bohr’sches Atommodell→ Elektronenschalen als konzentrische Ringe Perioden→ waagrechte „Reihen“, von links nach rechts sind die Schalen teilweise oder ganz befüllt, dazu kommende Elektronen besetzen das Orbital mit der niedrigsten Energie Orbital → dreidimensionaler Raum innerhalb dessen sich ein Elektron mit einer Wenig Elektronegativitätsdifferenz → Wahrscheinlichkeit von 90% befindet. kovalente Bindung (sie teilen sich ein Elektronenkonfiguration → Die Elektronen Elektronenpaar), diese Bindung ist gerichtet werden nach dem Pauli-Prinzip auf die (hat eine + & eine – Seite) (polare kovalente Orbitale verteilt. Bindung) Pauli-Prinzip→ besagt, dass in einem Atom Freie Elektronenpaare→ Valenzelektronen keine zwei Elektronen alle vier Quantenzahlen die nicht zur Bindung verwendet werden übereinstimmen, sie müssen sich zumindest Große Elektronegativitätsdifferenz → im Spin (- ½ oder + ½) unterscheiden. In einem Ionische Bindung (ein Atom nimmt ein einzigen Atomorbital können maximal zwei Elektron auf, das andere gibt ein Elektron ab), Elektronen mit unterschiedlichem Spin Platz es entstehen Ionen (geladene Atome) nehmen. Kation→ Ionen mit positiver Ladung (geben Valenzelektronen Elektron ab) Das chemische Verhalten eines Atoms hängt Anionen→ Ionen mit negativer Ladung von der Valenzschale ab. Dort befinden sich (nehmen Elektronen auf) die Valenzelektronen. Elektronen mit hoher Elektronegativität bilden Oktettregel→ Idealzustand, eher Anionen aus. Edelgaskonfiguration, Valenzschale ist voll besetzt, Atome ab der zweiten Periode → Kovalente Bindung max. 8 Valenzelektronen Wasserstoffmolekül → zwei Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, Wasserstoffatome werden durch kovalente gehen Atome Bindungen ein. Bindung zu einem Wasserstoffmolekül Die wichtigsten Elemente für Lebewesen Molekül → Teilchen mit mindestens 2 Atomen besitzen eine unvollständige Valenzhülle. Der Abstand zwischen zwei Daher können sie an chemischen Reaktionen Wasserstoffmolekülen beträgt genau teilnehmen. 0,074nm. Wäre es weniger, würden sich die Atomkerne abstoßen, wäre es mehr, könnten sich die Atome die Elektronen nicht so effektiv teilen Darstellung von Kovalenten Je höher der Unterschied in der Elektronegativität der gebundenen Bindungen Elemente, desto polarer die Bindung Elektronenpaar→ geteilte Valenzelektronen Der elektronegativere Partner zieht das Molekülstrukturen werden oftmals als Elektron stärker zu sich. Valenzstrichformel (Lewis-Formel) dargestellt. Jeder Bindungsstrich, zwischen zwei Atomen, Atome mit hoher Elektronenanziehungskraft stellt ein Elektronenpaar dar. Alle anderen bezeichnet man auch als elektronegativ, Elektronen werden als Punkt oder Strich zu solche mit geringer Elektronenanziehungskraft dem Atom hinzugeschrieben. als elektropositiv. Das Wassermolekül Diese Bindung ist sehr polar. Sauerstoff besitzt die negative partial Ladung (Elektronegativer), Wasserstoff besitzt eine positive partial Ladung Die Anzahl der kovalenten Bindungen ergibt sich oftmals aus den fehlenden Eigenschaften von Wasser Valenzelektronen. (8-n) Lösungsmittel, in dem die meisten biochemischen Reaktionen stattfinden. Dabei Zwei Atome können mehr als ein sind die Eigenschaften zur Makromolekül gemeinsames Elektronenpaar besitzen. → Bildung von wesentlicher Bedeutung. Man Mehrfachbindungen unterscheidet die zwei Eigenschaften in: Einfachbindungen → gemeinsame Nutzung Wasser ist ein polares Molekül. Da es eines Valenzelektronenpaares nicht gerade sondern geknickt Doppelbindung → gemeinsame Nutzung angeordnet ist, besitzt es eine zweier Valenzelektronenpaare asymmetrische Ladungsverteilung. Das Wasserstoffmolekül ist also ein Das Periodensystem, die elektrisch polares Gebilde Elektronegativität Wasser ist kohäsiv. Moleküle treten Innerhalb einer Gruppe: untereinander durch Wasserstoffbrücken in Atomgröße nimmt von oben nach Wechselwirkung. Gut in Eis zu unten zu, da bei jedem beobachten. Periodenwechsel eine weitere Schale hinzukommt Wasserstoffbrücken Wenn die positive Region eines Innerhalb einer Periode: Wassermoleküls in die Nähe einer negativen Nimmt die Atomgröße von links nach Region eines zweiten Wasserstoffes kommt, rechts ab, die die Kernladung & kann es zur Bildung einer schwachen Bindung Valenzelektronen zunimmt kommen. → Wasserstoffbrückenbindung. Dank dieser Wasserstoffbrücken ist Wasser Elektronegativität: bei Raumtemperatur flüssig, hat einen hohen Wird durch Kernladung und Radius Siedepunkt & eine hohe bestimmt Oberflächenspannung. All diese Anhaltspunkt für Polarität & Eigenschaften, lassen sich durch den Dipol Ionenbindungscharakter Charakter von Wasser erklären. Wasserstoffbrücken bilden sich nicht nur Der hydrophobe Effekt zwischen Wasserstoffen, sondern generell zwischen elektropositiven Wasserstoff & elektronegativen Partner. Der Abstand zwischen Wasserstoff & Sauerstoff ist hier geringer als die Summe der van der Waals- Radien, weil sich die beiden Atome partiell Elektronen teilen. Unpolare & ungeladene Teilchen befinden sich Ionische Wechselwirkung zwischen in einer wässrigen Lösung → Wasser in der Ionen & Wasser direkten Umgebung dieser Teilchen/Moleküle 70% des Zellgewichtes ist Wasser. Die meisten besitzt mehr Struktur, & die translatorische & intrazellulären Reaktion verlaufen in Wasser. rotatorische Beweglichkeit der benachbarten Man geht davon aus, dass Leben auf der Erde Wassermoleküle wird reduziert. Die im Meer entstanden ist. Zusammenlagerung von unpolaren Gruppen in Wasser führt zu einer Freisetzung von Moleküle in wässriger Lösung interagieren mit Wassermolekülen, die zuerst mit der Wassermolekülen über die Bildung von unpolaren Oberfläche interagieren. Die Wasserstoffbrücken und über ionische Freisetzung von Wassermolekülen in die Wechselwirkungen. Alle diese Lösung begünstigt die Zusammenlagerung der Wechselwirkungen machen Wasser zu einem unpolaren Gruppen. vielseitigen Lösungsmittel, das viele Arten von chemischen Verbindungen leicht lösen kann, Einige unpolare Moleküle, können sich nicht vor allem jedoch polare und geladene an Wasserstoffbrücken oder ionischen Moleküle, die sich an diesen Wechselwirkungen beteiligen. Wechselwirkungen beteiligen können. Wassermoleküle bilden bei Kontakt mit diesen unpolaren Molekülen „Käfige“ um dieses Auflösung Kochsalz in Wasser→ eine Molekül herum, sodass die Wassermoleküle Hydrathülle umgibt jedes gelöste Ion eine höhere Ordnung annehmen als in freier Lösungsmittel→ vielseitiges Lösungsmittel, Lösung. Wenn zwei der unpolaren Moleküle dank der Wasserstoffbrückenbindungen zusammenkommen, werden Wassermoleküle aus den Käfigen frei & die es resultiert ein Ionische Verbindung in Wasser → eine Entropiegewinn des Systems. Hydrathülle umgibt jedes gelöste Ion Das Ergebnis ist, dass unpolare Moleküle ein Wechselwirkung zwischen polaren verstärktes Bestreben zeigen sich Molekülen & Wasser zusammenzulagern. Dieses Bestreben Auch große Moleküle, wie Proteine (z.B.: bezeichnet man als hydrophoben Effekt. Lysozym) können wasserlöslich sein. Wasser kann als Säure/Base Hydrophil→ Stoffe mit Affinität für Wasser reagieren Hydrophob→ Substanzen lösen sich nicht im Dies nennt man auch→ Dissoziation von Wasser Wasser Kolloid→ stabile Suspension von großen, nicht Bei der Wechselwirkung von gelösten Molekülen in einer wässrigen Wassermolekülen untereinander kann ein Zellflüssigkeit Wassermolekül auf ein anderes überspringen Wasserstoffatom verlässt sein Elektron → Proton=Wasserstoffatom H+  Wassermolekül, welches als Proton explizit eingezeichnet. Alle anderen werden aufgenommen wir → Hydronium als Heteroatome bezeichnet. (H3O+), auch Hydroxonium-Ion oder In Valenzstrichformel werden die Atome durch Oxonium-Ion ihr Elementsymbol dargestellt. In Wassermolekül welches Proton Skelettformel werden Kohlenstoff- & abgespalten hat → Hydroxidion (OH-), Wasserstoffatome impliziert. Es wird nur das auch Hydroxy-Ion Kohlenstoffgerüst gezeichnet. Die Dissoziation von Wasser ist reversibel. Da Kohlenstoffatome je 4 Bindungen eingehen Konzentration von H+ & OH- in wässrigen kann, wird bei nicht anschreiben eines Lösungen haben den gleichen Betrag (10-7 Heteroatoms stets davon ausgegangen, dass molar) dort ein Wasserstoff Atom sitzt. So würde es Die pH-Wertskala: entspricht dem negativen bei Propan (C3H8) am ersten C-Atom drei H- dekadischen Logarithmus der H+ Ionen Atome, am zweiten C-Atom zwei H-Atome & Konzentration, dh. Wasser hat einen pH-Wert am dritten C-Atom drei H-Atome geben. Die von 7. allgemeine Formel zur Berechnung der Wasserstoffatome lautet: CnH(2n+2) Funktionelle Gruppen Kohlenwasserstoffe bestehen nur aus einer Die Wasserstoffatome von funktionellen Verbindung aus Kohlenstoff & Wasserstoff. Gruppen werden explizit dargestellt. Funktionelle Gruppen verändern die chemischen & physikalischen Eigenschaften der Ausgangsverbindung. Funktionelle Gruppen: Atomgruppen, welche die Stoffeigenschaften & das Reaktionsverhalten einer Verbindung verändern. Stoffklassen: chemische Verbindungen mit gesättigte Kohlenwasserstoffe (ohne der gleichen funktionellen Gruppe Mehrfachbindungen) sind wenig reaktiv. Sie gehen Redoxreaktionen & Heteroatome: beteiligte Atome in einer Substitutionsreaktionen ein, wobei funktionellen Gruppe Wasserstoffatome gegen andere Atome und Nomenklatur: die Zählung einer Atomgruppen ausgetauscht werden können. Kohlenstoffkette, beginnt immer am C-Atom, Aus wissenschaftlichen Gründen ist es wichtig welches der funktionellen Gruppe am zwischen Reaktionen, die im intakten, nächsten ist oder selbst zur funktionellen lebenden Organismus ablaufen & Reaktionen, Gruppe gehört. Das Kohlenstoff-Atom an der die unabhängig von lebendem Organismus eine der prioritären funktionellen Gruppen unter Laborbedingungen stattfinden zu hängt ist Nummer 1 unterscheiden. Formelschreibweise Hydroxyl-, Carbonyl-, Skelett: beschreibt das Kohlenstoffskelett, Carboxylgruppe bestehend aus Hauptkette, Seitenketten Hydroxylgruppe (Stoffklasse: Alkohol, Endung - und/oder Ringe ol) Wasserstoffe sind am häufigsten an Hier ist ein Wasserstoff an ein Sauerstoffatom Kohlenstoffatome gebunden & werden nicht gebunden. Der Sauerstoff ist mit der Kohlenstoffkette verknüpft. Eigenschaften: sind polar, können Methan kann explosionsartig mit Sauerstoff Wasserstoffbrückenbindungen mit oder Luft reagieren. Aus dieser Reaktion eines Wassermolekülen ausbilden, um bestimmte Methanmoleküls mit zwei Sauerstoffmoleküle Zucker aufzulösen. entstehen zwei Wasser- & ein Kohlenstoffdioxidmolekül. Bei der Carbonylgruppe (Stoffklasse: Keton- das Methanoxidation wird viel Energie frei. Carbonylkohlenstoffatom mit 2- Atomen verbunden, Endung: -on, Aldehyd- das Amino-, Sulfhydryl-, Phosphat-, Carbonylkohlenstoffatom mit einem H- & Methylgruppe einem C-Atom verbunden, Endung -al) Besteht aus Kohlenstoffen mit zwei Amingruppe (Stoffklasse: Amine) Einfachbindungen & einem durch eine Besteht aus einem Stickstoffatom & zwei Doppelbindung verbundenen Sauerstoffatom Einfach gebunden Wasserstoffatomen Eigenschaften: können Konstitutionsismere Beispiel: Aminosäure mit unterschiedlichen Eigenschaften, Diese Eigenschaften: Base, kann H+-Ionen beiden Gruppen finden sich in Zuckern aufnehmen, katalytische Reste in Enzymen Carboxylgruppe (Stoffklasse Carbonsäure) Sulfhydrylgruppe (Stoffklasse: Thiole) Wenn am Kohlenstoffatom ein doppelt Besteht aus Schwefelatom mit einem gebundenes Sauerstoff & gleichzeitig eine gebundenen Wasserstoff, ähneln der Hydroxylgruppe trägt Hydroxylgruppe Eigenschaften: saure Eigenschaften, da die Beispiel: Aminosäure Cystein kovalente Bindung zwischen Sauerstoff- & Wasserstoff stark polar Eigenschaften: können untereinander kovalente Bindungen eingehen, dies hilft bei Methan C1H4 Hexan C6H14 Stabilisierung der Raumstruktur von Ethan C2H6 Heptan C7H16 Proteinen. (Solche Verbindungen sind für Propan C3H8 Octan C8H18 gelockte Haare zuständig (Kreatin), durch Butan C4H10 Nonan C9H20 aufbrechen dieser Verbindungen & neu Pentan C5H12 Decan C10H22 Bildung der Brücken können locken dauerhaft erstellt werden (Dauerwelle)) Phosphatgruppe (Stoffklasse: organische Phosphate) Besteht aus einem Phosphoratom an dem vier Sauerstoffatome binden. Eines diese Sauerstoffatome bindet zum Rest des Moleküls, zwei der Sauerstoffatome liegen deprotoniert vor → tragen eine negative Ladung Wenn Kohlenstoff oxidiert wird, nimmt die Beispiele: Glycerinphosphat, Phospholipide Elektronendichte immer weiter ab. In die Eigenschaften: bringt negative elektrische entgegengesetzte Richtung wird der Ladung, (-2 wenn die Phosphatgruppe Kohlenstoff reduziert. endständig ist, -1 wenn sie in der Mitte der Oxidation → Abgabe von Elektronen Kette liegt), kann unter Energiefreisetzung mit Wasser reagieren Reduktionen → Aufnahme von Elektronen Methylgruppe (Stoffklasse: methylierte zwischenmolekulare Kräfte, deswegen hohe Verbindungen) Flüchtigkeit de Ester der kurzkettigen Besteht aus einem Kohlenstoffatom mit drei Alkansäuren & Alkohole. gebunden Wasserstoffatomen, diese Gruppe kann an Kohlenstoffen & anderen Atomen Beispiel: Ester & Thioester gebunden sein Fette & Öle sind wichtige Nahrungsbestandteile. Monoglyceride werden Beispiel: 5-Methyl-Cytidin (in DNA) in der Lebensmittelherstellung verwendet. Eigenschaften: Die Addition einer Acylgruppe ist die Allgemeine Bezeichnung, Methylgruppe an DNA-Moleküle beeinflusst welche durch RCO-Gruppe wobei R die Genexpression, die Anordnung der unterschiedlich lang sein kann, beschrieben Methylgruppe gibt Sexualhormonen deren werden kann. Form & Funktion Bei der Bildung des Acetyl-Coenzym A handelt es sich um eine Kondensationsreaktion, bei Kondensationsreaktion der von Essigsäure & Coenzym A Wasser Ist eine chemische Reaktion, bei der zwei abgespalten wird. Acetyl-CoA ist somit ein Moleküle unter Abspaltung eines kleinen „aktiver“ Essigsäurerest. Diese Acetylgruppe Moleküls miteinander verbindet, diese kann leicht auf ein anderes Molekül Reaktion ist oft reversibel. übertragen werden. Aminosäuren → kondensieren zu einem Peptid Phosphorsäureester Werden formal durch die Reaktion der Säure Alkohol & Carbonsäure → kondensieren zu mit einem Alkohol unter Abspaltung von einem Ester Wasser entstehen. Zwei Alkohole→ kondensieren zu einem Phosphatreste spielen eine wichtige Rolle. Ether, sie kommen in geradkettiger & Nucleinsäuren sind Ester der Phosphorsäure cyclischer Form vor mit der Alkoholfunktion von Zucker → Ribose oder Desoxyribose Ester + Thioester Ester bildet eine Stoffgruppe, welche aus einer Diese sind beteiligt am Aufbau biologischer Reaktion von Säure & Alkohol unter Moleküle. Ein weiterer wichtiger Vorgang ist Abspaltung von Wasser entsteht. Man die Phosphorylierung → Übertragung von unterscheidet zwischen Estern von Phosphor auf Proteine. Kovalent an Proteine organischen & anorganischen Säuren. gebundene Phosphate dienen als Schalter im Metabolismus von Organismen. Carboxyl- & Hydroxylgruppen→ bilden strukturelle Voraussetzungen für die Reaktion (Säure-) Anhydride Zwischen den Molekülresten der Carbonsäure Derivate sauerstoffhaltiger Säuren und des Alkoholes bildet sich die Estergruppe. Organische Carbonsäuren → Nomenklatur: Name der Säure, gefolgt vom Carbonsäureanhydride Alkylrest des Alkoholes und Endsilbe -ester Zwei Phosphorsäuren → Phosphorsäureanhydrit Eigenschaften: Struktur bestimmt die Carbonsäure mit Phosphorsäure → Eigenschaft, schwach polar, Alkylgruppen im Gemischtes Anhydrid Estermolekül sind unpolar, Ester lösen sich schlecht in Wasser, sie können untereinander Kantharidin → Terpenoid, kommen in keine Wasserstoffbrücken bilden, zwischen verschiedenen Käferarten vor, ihm wird eine den Molekülen wirken nur schwache Wirkung als Aphrodisiakum nachgesagt, stellt jedoch ein starkes Reizgift dar. ATP→ Speicher für Energie, um eine Vielzahl Gruppen von denen jede auf eine spezifische von chemischen Reaktionen in der Zelle zu Eigenschaft & Reaktion aufweist. betreiben. Der chemische „Charakter“ einer Verbindung 1,3-Bisphosphoglycerat → wird durch ihre funktionellen Gruppen und Stoffwechselintermediat sowohl in der deren dreidimensionale Anordnung bestimmt. Glykolyse bei der Zellatmung als auch im Calvin-Zyklus bei der Photosynthese vor. Zucker-Kohlenhydrate-Saccharide Bausteine Name Beispiele Monosaccharide Glucose Honig Fructose Obst Galaktose Milch Disaccharide Saccharose Haushaltszucker Maltose Malzbier Lactose Milch Oligosaccharide Maltotriose Toast, Zwieback (bis 10 Dextrine Sportnahrung Bausteine) a. Falsch: Das vorgestellte Wort Thio- weist Polysaccharide Stärke Getreide, Brot auf das Atom Schwefel hin: diese Formel zeigt (mehr als 10 bis Glykogen Reis, Kartoffel kein Schwefel-Atom 100.000) Allgemeine Formel: (CH2O)n b.+e. Richtig 2 Phosphorsäurereste verbinden sich zu einem Phosphorsäure-Anhydrid Kohlenhydrate → häufigste Biomoleküle c. Falsch: bei einem gemischten Säureanhydrid Durch die Photosynthese werden alljährlich müsste es sich um zwei unterschiedliche über 100 Mrd. Tonnen CO2 und H2O zu Säuren handeln Cellulose und anderen pflanzlichen Produkten umgesetzt. Kohlenhydrate wie Zucker und d. Falsch: Carbonsäuren hätten keine Stärke zählen in weiten Teilen der Welt zu den Phosphor-Atome im Molekül Grundnahrungsmitteln. Molekulare Komponenten lebender Kohlenhydrate bestehen aus Zucker- Organismen Monomeren und den daraus resultierenden Kovalent verknüpfte Kohlenstoffatome Polymeren. können lineare & verzweigte Ketten, sowie Zyklische Strukturen bilden. Kein anderes Funktionelle Gruppen in Element kann Moleküle mit so Kohlenhydraten unterschiedlicher Größe, Form und Kohlenhydrate sind Polyalkohole mit einer Zusammensetzung hervorbringen. zusätzlichen Carbonylgruppe→ Aldehyde oder Ketone mit vielen Hydroxylgruppen Die meisten Moleküle sind Derivate der Kohlenwasserstoffe → Wasserstoffatome Funktionen: können durch funktionelle Gruppen ersetzt werden → Molekül erhält seine spezifische Sie dienen als Energiespeicher, chemische Eigenschaft →es entstehen daraus Brennstoffe und Metaboliten. verschiedene Familien organischer Die Kohlenhydrate Ribose und Verbindungen. Desoxyribose sind Teile des Grundgerüstes von RNA und DNA. Viele Biomoleküle erfüllen mehrere Aufgaben, Polysaccharide sind Strukturelemente enthalten zwei oder mehrere funktionelle in den Zellwänden von Bakterien und Pflanzen  Kohlenhydrate sind mit vielen Enantiomere der Kohlenhydrate Proteinen und Lipiden verbunden, Asymmetrische Kohlenstoffatome→ damit spielen sie eine Schlüsselrolle Kohlenstoffatom, bei dem alle 4 bei der Zell-Zell-Kommunikation und Valenzelektronen gepaart sind & die in 2 bei der Vermittlung von zueinander spiegelgleiche Konfigurationen Wechselwirkungen zwischen Zellen besitzen und anderen Elementen der zellulären Umgebung. D,L-Nomenklatur→ Ausgangspunkt ist der Glyzerinaldehyd, und alle jene Stereoisomere, Zucker – Kohlenhydrate (CH2O)n deren Konfiguration dem D-GAD entspricht, (n=3, 5 oder 6) werden mit D- bezeichnet, all jene, deren Aldose→ Kohlenhydrat der Aldehydgruppe Konfiguration dem LGAD entspricht, werden mit L-bezeichnet. → Fischer-Projektion Ketose→ enthalten eine Ketogruppe Fischer-Projektion → vertikale Bindungen Glucose→ C6H12O6, definiert das Molekül nicht schauen hinter die Papierebene, die vollständig, durch kovalente Bindungen kann horizontale nach vorne. Nimmt die Priorität das Molekül auf verschiedene Weisen der drei Gruppen im Uhrzeigersinn ab liegt das miteinander verknüpfen. Molekül in der D/R- (dexter/rectus) Konfiguration vor; wenn sie gegen den Glucose kann durch anderer Anordnung der Uhrzeigersinn abnimmt in der L/S- OH-Gruppe in einen anderen Zucker (laevus/sinister) links =L-Konfiguration. umgewandelt werden. Außerdem kann jeder Zucker in L-Form oder D-Form auftreten. Isomere Kohlenhydrate gehören zur D-Reihe, → wenn Konstitutionsisomere oder Strukturisomere: die absolute Konfiguration des Gleiche Summenformel, aber andere asymmetrischen Kohlenstoffatoms, das am Strukturformel → oftmals verschiedene weitesten von der Carbonylgruppe (Aldehyd- Substanzen mit unterschiedlichen chemischen oder Ketogruppe) entfernt ist & physikalischen Eigenschaften Zur D-Reihe gehören praktisch alle natürlich Stereoisomere: gleiche Struktur- & vorkommenden Kohlenhydrate. Summenformel, aber andere räumliche Anordnung der Atome sp3-Hybridisierung des Kohlenstoffs Konformationsisomerie: es muss keine Kohlenstoff → 4 Valenzelektronen, kann kovalente Bindung gebrochen werden, sind entweder 4 Elektronen auf- oder abgeben. → Stereoisomere, welche durch Drehung von daher häufigste Oxidationszahlen +4 & -4 Einfachverbindungen ineinander überführt Die sp – Hybridisierung: Dabei entstehen aus werden kann, → daher auch Rotamere. dem s - Orbital und den 3 p - Orbitalen 4 sp – Raumtemperatur reich dafür meist aus. Hybridorbitale mit jeweils einem Elektron. Enantiomere: Konfigurationsisomere, die sich Diese 4 sp-Hybridorbitale sind vollkommen wie Bild & Spiegelbild verhalten, aber keine ident → Tetraederkonfiguration entsteht Symmetrieebene innerhalb des Moleküls durch das besitzen, sie unterscheiden sich in allen Bestreben der Stereozentren → Beispiele: Zucker & größtmöglichen Aminosäuren Entfernung der Elektronen. Diastereomere: alle Konfigurationsisomere, die keine Enantiomere sind Der einfachste Zucker: Isomere Allgemeine Reaktion der Zyklisierung stellt eine Halbacetalbildung dar → Reaktion von Formen Alkohol & Aldehyd Strukturisomere: haben unterschiedliche Strukturen & unterscheiden sich praktisch in Carbonyl Gruppe des Zuckers reagiert mit C-5 allen Eigenschaften Sauerstoff unter Ausbildung eines Halbacetals. Enantiomer: Spiegelbilder der Moleküle, Der Sauerstoff wird zu C5-OH durch eine idente Struktur als Spiegelbild, gleiche kovalente Bindung chemische & physikalische Eigenschaften→ Spiegelbildisomere. Zucker – Bildung von Anomeren Zucker mit 5 oder mehr C-Atomen Es gibt theoretisch immer ein - & ein + Enantiomer, in der Natur aber oftmals nur Im Festkörper→ Vollständige zyklische eines davon → Chiralität (Händigkeit), Halbacetalform Beispiele: Hände, Füße, Schuhe Lösung → fast vollständige zyklische Für Aminosäuren & Zucker ist es die D-/L- Halbacetalform Nomenklatur nach Fischer. Zyklisierung→ führt zu neuen Asymmetriezentrum an C-1, die Isomere werden als α- & β-Anomere bezeichnet. Pyranoseringe nehmen Sesselkonfiguration & Furanoseringe nehmen „envelop“- Konfiguration ein. In wässrigen Lösungen kann der Ring geschlossen oder offen vorliegen → dadurch 1. Es gibt eine gerade Anzahl von C- entsteht ein Gleichgewicht zwischen Atomen, daher keine Asymmetrie Pyranose-, Furanoseform & offenkettiger möglich Aldehydform, Lauge oder Säure beschleunigt 2. Ungerade Zahl an C-Atomen, daher diesen Vorgang. Bei Ringschluss entsteht möglich entweder die α- oder die β-Form, hier liegt das Gleichgewicht bei α-Form (36,4%) & β-Form Zucker – Zyklisierung (63,6%) Glucose gehört zu den Hexosen (6 C-Atome) Als Aldose → Aldehydgruppe am ersten C- Die β-Form ist die stabilere Variante, daher Atom. Ringbildung durch intramolekulare tritt sie häufiger auf. Aber auch die α-Form Halbacetal-Bindung→ erstes & fünftes C-Atom liegt relativ häufig vor, daher kann man davon werden durch einen Sauerstoff verbunden ausgehen, dass mehrere Faktoren bei der Zyklisierung mitspielen. Die relative Stabilität der α-Konfiguration wird als anomerer Effekt bezeichnet. Zucker-Bildung von Anomeren Pyranoseringe→ C-1 Aldehydgruppe in der offenen Kettenform reagiert mit der C-5 Hydroxylgruppe unter Ausbildung eines Zuckermoleküle mit 5 C-Atome → sechsgliedrigen Rings überwiegend zyklisch, C-1 bindet mit der Furanoseringe→ C-2 Ketogruppe in der Aldehydgruppe kovalent mit dem Sauerstoff offenen Kettenform reagiert meist mit der C-5 der Hydroxylgruppe von C-5 Hydroxylgruppe zu einem Fünfgliedrigen Ring Lactose→ Galactose & Glucose, β-1,4-Bindung → Pentosen wie Ribose & Desoxyribose Die Zahlen bei der Bindung geben an, welche Bei Fructose kann sich der Halbacetalring C-Atome bei der Bindung beteiligt sind. α- & β Zwischen Sauerstoff der Hydroxylgruppe & C-2 gibt die Konfiguration an. Atom bilden. Zucker – Polysaccharide Aldose→ Asymmetrisches Zentrum bei C-1 Glucose ist ein wichtiger Bestandteil von Ketose→ Asymmetrisches Zentrum bei C-2 Lebenden Organismen, da diese in Energie umgewandelt wird. Als Speicherquelle Bei α- Anomeren liegt die Hydroxylgruppe werden Polysaccharide aus Glucose gegenüber der CH2OH-Gruppe verwendet. Bei β-Anomeren liegt die Hydroxylgruppe auf Tier→ Glykogen der Gleichen Seite wie die CH2OH-Gruppe. Pflanze → Stärke Kohlenhydrate sind über glykosidische Bindungen an Alkohole oder Amine gebunden Pflanzen lagern Stärke in Form von Granula in den Plastiden der Zelle ein. Bei Tieren ist das Bildung von Polysacchariden – Glykogen das Pendant dazu. Bei diesen Baukastenprinzip Polymeren sind die meisten Glucose Einheiten Polysaccharide haben viel glykosidische über α-1,4-Bindugnen verbunden. Glykogen Bindungen können verzweigt oder besitzt zusätzlich an allen 8-12 Resten einen unverzweigte Ketten ausbilden. → Bei einem zusätzlichen Verzeigungspunkt mit einer α- Monosaccharid kann sowohl am C-4 oder am 1,6-Bindung. Stärke besitzt dies C-6 eine glykosidische Bindung entstehen Verzweigungspunkte nur alle 24-30 Reste, daher ist Glykogen einfacher Wasserlöslich als Die Bindung entsteht an den OH-Gruppen Stärke. zweier Zucker durch Kondensation, bei der ein Wassermolekül abgespalten wird. Alle Die Glucose wird in Form von Glykogen durch Kondensation entstandene Bindungen gespeichert, da die Zuckerkonzentration im sind durch Hydrolyse reversibel. Körper zu hoch wäre, wodurch die Aufnahme energetisch sehr ungünstig wäre, & die Die Zahl der möglichen Zuckerpolymere ist Osmolarität des Einströmen von Wasser in die außerordentlich groß, Da jedes Zelle erzwingen würde. Monosaccharid mehrere Hydroxylgruppen besitzt. Zucker – Strukturpolysaccharide Beispiel: Cellulose→ dient als mechanisches Zucker – Disaccharide – Hilfsmaterial, Cellulose besteht aus glycosidische Bindung Glucoseeinheiten mit β-1,4-Bindung. In Di- & Polysacchariden sind Kohlenhydrate Aufgrund dieser Bindung entstehen lange durch 0-glykosidische Bindungen miteinander gerade Ketten → Fibrillen mit hoher verknüpft. Zugfestigkeit. Cellulose kommt in den Zellwänden von Pflanzenzellen vor (etwa Disaccharid→ besteht aus zwei 10.000 bis 15.000 Glucose Einheiten) Durch Monosacchariden die gestreckte Struktur können einige der Maltose→ zwei Glucosemoleküle, α-1,4- Hydroxylgruppen Bindung Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Einzelnen Cellulosemolekülen bilden. Saccharose→ Glucose & Fructose, α-1,2- Bindung Mikrofibrillen→ parallel angeordnete Cellulosemoleküle Enzyme die Stärke spalten können, scheitern Fettsäuren tragen eine Carboxylgruppe, bei der Cellulose an den β-Bindungen der welche unter physiologischen Bedingungen Cellulosemoleküle. deprotoniert also neg. geladen vorliegt, Mensch kann Cellulose nicht verdauen→ wird Freie Fettsäuren werden im Blut mit dem als Ballaststoffe ausgeschieden Protein Serumalbumin transportiert Zuckerderivate Gesättigt→ es liegen nur Einzelbindungen vor Hier wird eine OH-Gruppe durch eine andere also ein CH3 am Ende sonst nur CH2 , also max. ersetzt. → N-Acetylmuraminsäure & N- Anzahl an Wasserstoffen Acetylglucosamin sind wichtige Bestandteile ungesättigt → haben eine oder mehrere der Bakterienzellwand. Doppelbindungen Phosphorylierte Glucose verändert den Zucker amphipathisch → sowohl lipophil als auch von polar zu einem geladenen Molekül –l kann hydrophil dann Membran schlechter passieren. Natürlich vorkommende Fettsäuren Chitin→ Zuckerderivat N-Acetyl-β-D- Sie können sich in der Länge der Kette und an glucosamin, ist ein lineares Polymer, findet der Anzahl & Stellung der Doppelbindungen man in der Zellwand von Pilzen & im unterscheiden. Exoskelett von Insekten Andere Polysaccharide tendieren bei Feuchtigkeit glitschig zu werden → Schleim & Knorpel Zucker können auch Bestandteile von Lipiden bzw. Proteinen sein. Lipide – Fettsäuren Kurze Kettenlängen & große Anzahl an Sind allgemein wasserunlöslich→ können Doppelbindungen→ bessere Fluidität durch keine Wasserstoffbrückenbindungen mit den herabsetzen des Schmelzpunktes Wassermolekülen erstellen, werden nicht als Trivialnamen: Polymere ausgebildet, sind hydrophob, weil sie aus aliphatischen Kohlenwasserstoffketten Palmitinsäure→ gesättigte C16-Säure bestehen, welche an hydrophile Kopfgruppen Ölsäure→ ungesättigte C18-Säure mit gebunden sind Doppelbindung zw. C9 & C10in cis- Wichtigste Lipidgruppen → Fette, Konfiguration Phospholipide & Steroide Systematische Nomenklatur: Aliphatische Kohlenwasserstoffe→ bestehen 1. Zahl der C-Atome nur aus Kohlenstoff & Wasserstoff, Aromate 2. Zahl der Doppelbindungen zählen hier nicht dazu 3. Gefolgt in Klammer Δ & als Hochzahl Fettsäuren: Mono-Carbonsäuren mit die Nummer des niedrigsten C-Atoms, unterschiedlich langen das an der Doppelbindung beteiligt ist Kohlenwasserstoffketten, bis zu 36 C-Atome Die Zählung beginnt an der Carboxylgruppe - lang, können gesättigt & ungesättigt COOH auftreten, liegt bei Einfachbindungen Tetraedrisch vor Ungesättigte Fettsäuren In den meisten natürlichen Fettsäuren binden verschiedene Fettsäuren an ein Cis-Trans-Isomerie Glycerinmolekül. Die Fette sind unpolar, die Doppelbindungen haben eine bestimmte polaren Teile sind miteinander verestert Struktur & eine gewisse Starrheit → können (Alkohol & Säure) & werden dadurch unpolar. sich daher nicht frei um die Achse drehen Fette dienen als Energiespeicher, als Cis→ die C-Atome vor & nach der Wärmeisolatoren & schützt die inneren Doppelbindung liegen auf derselben Seite Organe. Trans→ Die C-Atome vor & nach der Vorteile des Fettspeichers: Doppelbindung liegen auf der gegenüberliegenden Seite Liefert mehr Energie /g Trockengewicht im Vergleich zu KH- Fettsäuren kommen in cis-Konfiguration vor. Speicher KH sind mit einer Hydrathülle Fettsäuren im Verband umgeben 2g H2O für 1g Kohlenhydrate Die unpolaren Teile treten in Wechselwirkung mit den benachbarten Molekülen → Tri-„acyl“glycin→ Als Acyl bezeichnet man die hydrophober Effekt, Van-der-Waals- funktionelle Gruppe mit der allgemeinen Wechselwirkungen → werden dadurch dicht Struktur R-(C=O). Drei dieser Acyl-Gruppen gepackt, Packung nicht so dicht, wenn sind mit dem Glycerin als Ester verbunden ungesättigte Fettsäuren dabei sind, weil diese Verseifung→ umgekehrte Reaktion der denn Knick bilden & die dichte Packung stören Veresterung, mithilfe von NaOH → es entsteht Die Dichte Packung der Fettsäuren beeinflusst Na-Salze der Fettsäuren & Glycerin. die physikalischen Eigenschaften der Membran. Lipide – Fette – Triacylglycerin Ihr Aggregatzustand hängt von der Harte Margarine → gesättigte Fettsäuren Temperatur, von der Kettenlänge & der Zahl der Doppelbindungen ab. Fette sind meist Weiche Margarine → ungesättigte Fettsäuren Gemische verschiedener Triacylglyceride. Van-der-Waals-Wechselwirkungen Viele Nahrungsmittel enthalten Fette, wenn Schwache interatomare Anziehungskräfte → 2 diese als Öle vorliegen → hoher Anteil an ungeladene Atome kommen sich sehr nahe, Doppelbindungen , wenn sie als Fettsubstanz beeinflussen ihre Elektronenhüllen vorliegen→ Anteil der gesättigten Fettsäure gegenseitig, vorrübergehende Entwicklung hoch eines Dipols, jedes Atom hat einen typischen Gesättigte Fette→ bei Raumtemperatur fest van-der-Waals-Radius Ungesättigte Fettsäuren → bei Veresterung – Bildung von Zimmertemperatur flüssig oder zähflüssig Neutralfetten Eine Ernährung mit zu vielen gesättigten Fette bestehen aus zwei Typen von kleineren Fettsäuren begünstigt die Entstehung von Molekülen → Glycerin & Fettsäuren chronischen kardiovaskulären Krankheiten wie Glycerin→ dreiwertiger Alkohol, dessen drei Arteriosklerose C-Atome jeweils eine OH-Gruppe tragen. Hydrierung→ Umsetzung von ungesättigten in Alle drei PH-Gruppen eines Glycerins, sind mit gesättigte Fette Mithilfe von Wasserstoff je einem Fettsäure Molekül durch Kondensationsreaktion verestert Lipide – Phospholipide, Dabei können drei Typen von Lipidaggregaten entstehen: Grundstrukturen Phospholipid→ besitzt hydrophile Kopfgruppe Lipiddoppelschichten & zwei hydrophobe Fortsätze Micellen Liposomen Ein Phospholipidmolekül trägt nur zwei mit dem Glycerylrest veresterte Acylreste, dritte Hydroxylgruppe ist mit einem Orthophosphatmolekül verestert. Biologische Membranen→ blattartige Kohlenwasserstoffanteil des Acylrestes → Strukturen, 6-10nm dick & bestehen aus Lipid hydrophob, Phosphorsäuregruppe & deren & Protein Molekülen. Hydrophobe Kopfgruppe → hydrophil Wechselwirkungen sind die treibende Kraft bei der Membranbildung. Phospholipide können sich in den beiden Lipiddoppelschichten sind kooperative Acylresten & in zusätzlich an die Strukturen, welche durch schwache Phosphatsäurerest geknüpfte Gruppe Bindungen zusammengehalten werden. Sie unterscheiden sind für Ionen & die meisten Moleküle kaum durchlässig, können jedoch als flüssige Phospholipide („Head-groups“) Strukturen angesehen werden & so als Die Bestandteile können Ethanolamin, Cholin, Lösungsmittel für Membranproteine dienen. Serin, Inosit & andere Moleküle sein. Die Variationsbreite, wird nicht nur durch die Wechselwirkungen mit Wasser – Kopfgruppe bestimmt, auch die Fettsäuren amphipathische Lipide können ganz unterschiedlich sein & manchmal Micellen→ kugelförmig, treten dann auf, bilden sich keine Säureester, sondern Äther- wenn Querschnitt der Kopfgruppe größer als Verbindungen aus. der der hydrophoben Seitenketten Biologische Membranen Lipiddoppelschicht→ zwei einfache Lipidlagen Membranlipide bilden in wässrigen Medien zu einer 2-D Schicht zusammengefügt, bilden spontan biomolekulare Schichten. → Sie sich, wenn Querschnitt der Kopfgruppe & der lagern sich in Clustern zusammen, in denen der hydrophoben Schwänze ähnlich→ die hydrophoben Anteile miteinander Lipiddoppelschicht ist aufgrund der „offenen“ interagieren & die hydrophilen Anteile mit Ränder, welche in Berührung mit Wasser dem umgebenden Wasser in Wechselwirkung kommen instabil treten. Vesikelbildung Spontaner Übergang von Lipiddoppelschicht zu einem geschlossenen Vesikel → Liposom Vesikel mit innen & außen wässrigen Kompartimenten. Entsteht durch das Auffalten der zusammen und erlangen die Lipiddoppelschicht zu einer Hohlkugel, um Eigenschaft der Vererbung. „offene“ Ränder in Lipiddoppelschichten zu 5. Schließlich entstanden die ersten vermeiden. → Maximum an Stabilität. Lebewesen, die Prokaryoten. So ähnlich müssen sich auch die ersten Zellen Einteilung der Lipide, Membranlipide gebildet habe. → Daraus bestehen biologische Hauptgruppen: Membranen Phospholipide Die chemische Evolution des Lebens Glykolipide Alexander I. Oparin beschrieb 1936 in seinem Cholesterin Werk „Origin of Life on Earth“ wie er sich die Entstehung des Lebens vorstellt. Dies wurde Phosphoglyceride bestehen aus → aufgegriffen & erweitert, sodass man sich die Glycerinskelett, zwei Fettsäuren & Entstehung des Lebens in fünf Schritten Phosphorylierten Alkohol, Die wichtigsten vorstellt: Phosphoglyceride sind: Ausgangstoffe dafür waren: Wasserstoff (H2), Phosphatidylcholin Wasser (H2O), Methan (CH4) & Ammoniak Phosphatidylserin (NH3) Phoyphatidylethanolamin 1. Reaktion zu → Aminosäuren, Sphingomyelin, andere Art von Pyrimidinen, Purinen, Zuckern & Phospholipiden, enthält statt Glycerin, Fettsäuren. Hier handelt es sich um Sphingosin die abiotische Synthese und Variationsmöglichkeiten der Phospholipide: Akkumulation kleiner organsicher Moleküle wie Aminosäuren, Die Fettsäuren können unterschiedlich Nukleoside und Fette. sein (Länge, Doppelbindungen) 2. Durch Polymerisation – und manchmal sind es keine Säure-ester Polykondensationsreaktionen sondern Ether-verbindungen entstanden aus diesen Biopolymere unterschiedliche Substituenten am wie Nukleinsäuren, Polysaccharide Phosphat bilden unterschiedliche und Proteine. Kopfgruppen 3. Die Moleküle lagerten sich zu manchmal ist Glycerin durch ein abgeschlossenen Reaktionsräumen anderes Molekül (Sphingosin) ersetzt zusammen. Diese Reaktionsräume Sphingosin→ langkettiger Aminoalkohol der können nur durch den seinerseits mit einer polaren Kopfgruppe Zusammenschluss von reagieren kann Lipidmolekülen, die spontan Lipiddoppelschichten bilden, Alle Membranlipide sind amphipathische entstehen. Man spricht von Moleküle. Probionten, den Vorläufern der Zellen, die bereits Stoffwechsel und Lipide Cholesterin Erregbarkeit aufwiesen, aber noch Cholesterin ist ein Lipid mit einem keine Vererbung zeigten... Steroidgerüst. Es ist ein Steroid, das aus 4 4. Diese Aufgabe wurde von der verbundenen Kohlenwasserstoffringen entstehenden RNA - vermutlich besteht,→ Dieser Kern ist nahezu eben & starr katalytische RNA übernommen. Die Elemente der Stufen 1-3 kommen  Kurz, ungesättigt→fluid Einfluss von Cholesterin Cholesterin hat eine andere Struktur als Phospholipide & unterbricht somit die Wechselwirkung zwischen den Fettsäuren. Lipid Rafts→ Cholesterin Komplexe binden an An einem Ende, Schwanz aus spezifische Phospholipide → Resultat: Kohlenwasserstoffatomen, am anderen Ende Regulation der Membranfluidität, wobei eine Hydroxylgruppe. Membranen weniger flüssig werden, sich aber gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von In Membranen → Cholesterin parallel zu den Phasenübergängen vermindert Fettsäureketten der Phospholipide, die Hydroxylgruppe tritt mit den benachbarten Unterhalb der Übergangstemperatur → hydrophilen Bereichen in Wechselwirkung. verhindert Einbau von Sterol, erhöht die Flexibilität In tierischen Geweben ist Cholesterin das wichtigste Sterol. In 30 Syntheseschritten baut Oberhalb der Übergangstemperatur→ die Zelle Cholesterin aus einfachsten verhindert starre Ringsysteme & verringert die Grundbausteinen Fluidität Cholesterin kommt nicht in Prokaryoten & Sterole verringern tendenziell sowohl eine Pilzen vor. In Säugetierzellen macht es extreme Rigidität als auch eine extreme ungefähr 25% der Membranlipide in Fluidität einer Membran bestimmten Nervenzellen aus. Besonders viel Allgemein kann man sagen, dass die Cholesterin findet man in der Haut, im Gehirn, Membranfluidität von der Fettsäure- in den Nebennieren, in den Eierstöcken in der Zusammensetzung & vom Cholesteringehalt Milz & im Blut. ab Fluidität von Membranen Biologische Membran – Aufbau Lipide in der Doppelschicht sind ständig in Das Flüssig-Mosaik-Modell wurde von Bewegung, u.a. weil sich die C-C Bindungen Seymour Jonathan Singer & Garth Nicolson drehen können. Das Ausmaß der 1972 entworfen. Es beschreibt die Anordnung Beweglichkeit hängt von der & Organisation biologischer Membranen Zusammensetzung der Lipide ab & ist charakteristisch für Membranen Nach diesem Model ist die Doppellipidschicht eine zweidimensionale Lösung, Lipide & Niedrige Temperatur→ Lipide unbeweglich, Membranproteine können lateral ungehindert daher nahezu kristalline Anordnung diffundieren. Lipide können zusätzlich auch Höhere Temperatur→ kristalline Anordnung eine transversale Diffusion , den Flipflop, wird flüssig ausführen Die Grenze wird durch die Modell mittlerweile weitgehend überholt → Übergangstemperatur dargestellt, was für Membranproteine liegen hoch konzentriert jede Membran ein charakteristischer Wert ist. vor & beeinflussen sich dadurch, außerdem sind die meisten Transmembranproteine sehr Die „Schmelztemperatur“ hängt von der Länge viel größer als die typische Dicke einer der Lipide ab Doppellipidschicht. Biomembranen besitzen eine lokale Ordnung. Lang, gesättigt→ starr/rigid Lipid Rafts→ funktionale Ordnungsstruktur Membranproteine können sich auch durch die Es gibt 20 Standart-Aminosäuren, 5 davon Lipiddoppelschicht erstrecken. Periphere besitzen Seitenketten, welche in Lösungen Membranproteine sich durch elektrostatische Ionen bilden & deshalb Ladungen tragen. Wechselwirkungen & Wasserstoffbrücken an Unabhängig von den spezifischen die Membranoberfläche gebunden. Aminosäuren, die das Polypeptid enthält, besitzt es auch immer eine Amino (NH2)- Membranen – Transport & Gruppe & eine Carboxyl (COOH)-Gruppe. Transporttypen Aminosäuren – Formel & Struktur Das Cα-Atom hat 4 verschiedene Substituenten (Ausnahme ist Glycin). Natürliche Proteine kommen nur als L-Isomer vor. Merksatz: Aminosäuren kommen in L-Form & Saccharide in D-Form vor. Aminosäuren – Konfiguration – Glycin Alle Standart-Aminosäuren sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Ein C-Atom, an welchem die Carboxylgruppe & eine Aminogruppe gebunden ist, sowie ein Membranen sind hoch selektiv Wasserstoff- Atom & eine Seitenkette (hier Permeabilitätsbeschränkt. In eukaryotischen unterscheiden sich die Aminosäuren). Die Zellen bilden diese Membranen auch Seitenketten machen die spezifischen Organellen. Eigenschaften aus. Doppelmembran→ Mitochondrien, Zellkern, Die α-C-Atome sind chiral (außer Glycin), es Chloroplasten gibt also eine D- & eine L-Form, aber Einfache Membran→ Er, Liposom, „Proteinogen“ sind nur L-Aminosäuren. Lysosomen, Glyoxysomen, Peroxisomen Aminosäuren – 1 (R= unpolar, nicht Spezifische Proteine vermitteln besondere reaktiv) Membranfunktionen wie Transport, (für die Strukturformel → siehe Aminosäuren) Kommunikation & Energieübertragung, diese Proteine regulieren Ionen- & Molekül Diese Gruppierung enthält 9 Aminosäuren. Zusammensetzung in Kompartimenten, Gly, besitzt kein asymmetrisches C-Atom & manche Substanzen können durch die hat daher keine D- oder L-Form, Ala, Val, Ile, Membran hindurch, während andere einen Met → unpolar & hydrophob mit speziellen Transport benötigen→ aliphatischen Seitenketten Kanalproteine, Transportproteine Phe & Trp→ aromatische Seitenkette & sich Aminosäuren & Proteine recht hydrophob Proteine sind Polymere aus Aminosäuren. Sie werden zu langen Ketten zusammengehängt & Pro→ ohne funktionelle Gruppe, aber mit durch ihre einzigartige Faltung erhalten sie cyklischer Struktur ihre charakteristischen Eigenschaften. Aromatische Kohlenwasserstoffe→ cyklische Peptidbindung→ Kovalente Bindung zwischen Moleküle, über den Ring verteilte konjugierte den Aminosäuren Doppelbindungen Aliphatische Kohlenwasserstoffe→ organisch Aminosäure in mehrere Gruppen gleichzeitig chemische Verbindungen, welche aus passen. Kohlenstoff & Wasserstoff bestehen Aminosäuren – 2 (R=polar, ungeladen) (für die Strukturformel → siehe Aminosäuren) Diese tragen eine funktionelle Gruppe sind aber nicht geladen, Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn & Gln → polare Bei Cystein gibt es unterschiedliche Aminosäuren Meinungen: Löffler sagt polar, Albert sagt unpolar, da es sich bei Schwefel um ein Tyr → aromatische Aminosäure Heteroatom handelt ist die Seitenkette von Aminosäuren – 3 (R= positiv oder Cystein schwach polar negativ geladen) Säuren- & Basen- Verhalten: Hierfür ist das (für die Strukturformel → siehe Aminosäuren) Verhalten der Seitenketten zuständig. In Proteinen sind die NH2- & COOH-Gruppen bei Sie sind stark hydrophil, weil die geladenen einem pH von 7 wegen ihrer Peptidbindungen Seitenketten zur Löslichkeit in Wasser nicht protonierbar. Das Verhalten der beitragen Seitenketten hängt davon ab, ob sie als Lys, Arg, His → positiv geladen, basische Protonakzeptoren oder Protonendonatoren Seitenkette fungieren. Asp, Glu → negative geladen, saure Tyrosin & Cystein haben saure Seitenketten, Seitenkette neigen aber erst bei sehr hohem pH-Wert zur Deprotonierung. Prolin ist eine sekundäre Aminosäure, da der N-Terminus mit der Seitenkette einen fünfatomigen Ring schließt. Histidin, Tyrosin & Methionin kommen jeweils in zwei Untergruppen vor. Aminosäuren sind Zwitterionen Aminosäuren liegen im Wasser als 20 Aminosäuren – auf einen Blick Zwitterionen vor, da ihre funktionellen Essenzielle Aminosäuren → Valin, Isoleucin, Gruppen -NH2 & -COOH zu -COO- & NH3+ Methionin, Phenylalanin, Tryptophan, dissoziieren & somit eine ganz bestimmte Threonin, Lysin Form einnehmen. Semi-essenzielle Aminosäuren→ Arginin, Zwitterion als Säure: gibt Protonen ab, Histidin Bindungslänge zwischen Kohlenstoff & Carboxylation gleich. Das Carboxylation ist 20 Aminosäuren – Eigenschaften eine mesomeriestabilisiert (Grenzstruktur) die Chemische-physikalische Eigenschaften: π-Elektronen sind delokalisiert Können nach den Resten ihrer Gruppen eingeteilt werden, dabei kann eine Zwitterion als Base: nimmt Protonen auf, eine Aminogruppe besitzt ein N-Atom, welches wegen der hohen Elektronegativität & wegen Wenn die Seitenkette eine funktionelle des freien Elektronenpaares leicht ein H+ vom Gruppe trägt, welche als Säure oder Base Wasser aufnehmen kann. wirken kann, so verändert sich dieses Gleichgewicht. Wenn Nettoladung gleich, also Am IEP (isoelektrischer Punkt) sind die Aminosäure-Molekül genauso viel positive Aminosäuren nach außen elektrisch oder negative Ladung, so spricht man vom ungeladen, da sich die positiven & negativen isoelektrischen Punkt (pl). Der bezeichnet den Ladungen aufheben. pH-Wert, bei welchem die Aminosäure keine Aminosäure – Zwitterion Nettoladung mehr hat. Bei neutralem pH liegen sie vorwiegend als Für den isoelektrischen Punkt einer Zwitterionen vor, der Dissoziationsgrad ändert Aminosäure spielen alle möglichen sich mit dem pH-Wert. In sauren Lösungen ist Säuren/Basen- Kombinationen eine Rolle. die Aminosäure protoniert & die Aminosäuren haben einen pl von 3,0 & 9,7. Carboxylgruppe nicht dissoziiert. pH-Wert erhöht→ Carboxylgruppe gibt Protonen ab, Sieben der 20 Aminosäuren verfügen über dieser Dipolzustand besteht bis zu einem pH- leicht ionisierbare Seitenketten. Diese sind in Wert von 9 der Lage Protonen aufzunehmen, um Reaktionen zu ermöglichen oder Bei hoher H+-Konzentration liegen wesentlich Ionenbindungen einzugehen. (Lys, Arg, His, mehr positiv als negativ geladene Asp, Glu, Asn & Gln) Aminosäuren vor. Ist die H+-Konzentration niedrig ist es umgekehrt. Aminosäuren – pH-Abhängigkeit des Das heißt: Ladezustandes Histidin ist die einzige Aminosäure, bei der die niedriger pH-Wert→ vorwiegend positive Dissoziation der Seitenkette so beschaffen ist, Aminosäuren, Spuren von Zwitterionen & dass sie bei einem neutralen pH als schwach keine negativ geladenen Aminosäuren Base agieren kann, als Protonenakzeptor. Bei hoher pH-Wert→ genau umgekehrt allen anderen Seitenketten liegt dieses Gleichgewicht weit daneben→ sie können KS→ Säurekonstante, gibt Aufschluss in unter diesen Umständen keine Funktion als welchem Maß ein Stoff in einer Säure bzw. Base wahrnehmen. Gleichgewichtsreaktion mit Wasser unter Protolyse reagiert Viele Enzyme katalysieren Reaktionen durch einen Histidin-Rest im aktiven Zentrum, weil Aminosäuren – pH-Abhängigkeit des dieser die oben genannten Eigenschaften besitzt. Ladungszustands Saures Milieu → Carbonsäuren (ungeladen) & Polarität von Verbindungen Aminogruppen (positiv geladen) protoniert Moleküle, welche polare Bindungen enthalten Alkalisches Milieu → Aminogruppen & Wasserstoffbrückenbindungen eingehen (ungeladen) & Carbonsäuren (negativ geladen) können lösen sich gut im Wasser. deprotoniert Wasserstoffbrückenbindungen→ können immer entstehen, wenn ein positiv geladenes H-Atom aus einem Molekül mit einer polaren kovalenten Bindung in die Nähe eines negativ geladenen Atoms, meist ein Sauerstoff- oder Stickstoffatom kommt. Ionen lösen sich ebenfalls gut im Wasser→ Kette ragen, spezifisch für jedes Protein, die hydrophil (z.B.: Zucker, DNA, RNA) Aminosäuren-Seitenketten heraus. Nicht-polare Moleküle sind ungeladen, bilden Kondensation von 2 Aminosäuren wenige Wasserstoffbrückenbindungen und Peptidbindung: sind Wasserunlöslich → hydrophob (z.B.: Carbonsäuregruppe & Aminogruppe reagieren Kohlenwasserstoff) unter Wasserabspaltung & Bildung eines Unpolare Zellbestandteile: hier sind H-Atome Säureamides kovalent durch eine größtenteils unpolare Eine der beiden Aminosäuren behält die freie Bindungen mit den C-Atomen verknüpft. Da NH2-Gruppe → amino-terminal die H-Atome in einer C-H Bindung vorliegen → keine effektive Wasserstoffbrückenbindungen freie Carbonsäure → carboxy-terminal Bildung, daher Kohlenwasserstoff hydrophob Dipeptid hat nun Zwitterion-Eigenschaften der → dient zur Membranbildung bei ursprünglich einzelnen Aminosäuren aber die Aminosäuren & Proteine am Säureamid beteiligten NH2 bzw. COOH- Proteine vermitteln Prozesse & haben ein Gruppen besitzen diese Eigenschaften nicht. unendliche Zahl von Funktionen. Sie sind die In einem längeren Peptid sind die häufigsten Makromoleküle, kommen in den Eigenschaften viel stärker von den unterschiedlichsten Formen vor & in einer verschiedenen Seitenketten bestimmt. → einigen Zelle können tausende verschieden hydrophobizität, Löslichkeit oder pl. vorkommen. Aus denselben 20 Aminosäuren können sich die unterschiedliche Organismen Polypeptidrückgrad tendiert zu so vielfältige Produkte wie