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Vorlesung 1: Allgemeine Chemie und Zellbiologie Biochemie Dr. Sofia Weiler [email protected] Pathologisches Institut Heidelberg Biorender.com  Quellen...

Vorlesung 1: Allgemeine Chemie und Zellbiologie Biochemie Dr. Sofia Weiler [email protected] Pathologisches Institut Heidelberg Biorender.com  Quellen Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie – Heinrich et al.; 10. Auflage Springer Verlag https://www.ub.uni-heidelberg.de/cgi-bin/edok?dok=https%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.1007%2F978-3-662-60266-9&katkey=68980194 Molekularbiologie der Zelle – Alberts et al.; 6. Auflage Wiley-VCH https://www.ub.uni-heidelberg.de/cgi-bin/edok?dok=http%3A%2F%2Febookcentral.proquest.com%2Flib%2Fub- heidelberg%2Fdetail.action%3FdocID%3D4856334&katkey=68318821 Purves Biologie – Sadava et al.; 10. Auflage Springer Verlag https://www.ub.uni-heidelberg.de/cgi-bin/edok?dok=https%3A%2F%2Fdoi.org%2F10.1007%2F978-3-662-58172-8&katkey=68405255 Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 2  Struktur Allgemeine Chemie Grundbausteine von Zellen Allgemeine Zellbiologie Von der DNA zum Protein Proteinfunktionen Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 3  Allgemeine Chemie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 4  Die chemischen Bestandteile des menschlichen Körpers Können Sie alle markierten Elemente benennen? Kennen Sie Funktionen/Vorkommen von einigen Elementen? Ordnen Sie die Elemente zu: grün rot blau 99% aller Atome 0,9% aller Atome Ordnungszahl = Anzahl Protonen (≙ Anzahl Elektronen) Spurenelemente Atomgewicht = Anzahl Protonen + Anzahl Neutronen Bildquelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 5  Wasserstoff von der Anzahl an Atomen am häufigsten Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 6 Quelle: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie  Vom Atom zum Molekül Atome sind untereinander über kovalente Bindungen verknüpft → bilden Molekül © 2024 NailKnowledge https://nailknowledge.org/glossary/covalent-bond Bildquelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 7  Wasser und seine speziellen Eigenschaften Wasser ist das häufigste Molekül des Körpers Ohne Wasser kein Leben Quelle: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie Wasser ist ein Dipol → besondere Eigenschaften: hohe Schmelz- und Siedetemperatur aufgrund von Wasserstoffbrücken Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 8  Das Prinzip der Elektronegativität Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle 9  Wasserstoffbrücken Wasserstoffbrücken können auch mit anderen Molekülen ausgebildet werden → elektronegative Atome wie Sauerstoff und Stickstoff in anderen Molekülen können mit Wasserstoff interagieren → nicht-kovalente Bindung! Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 10  Nicht-kovalente Bindungen Nicht-kovalente Bindungen entscheiden, ob sich z.B. etwas in Wasser lösen kann → Ausbildung von Wasserstoffbrücken Hydrophile Moleküle: „Wasser-liebend“ → leicht wasserlöslich (die meisten zellulären Moleküle): polar (DNA, RNA, Zucker, Proteine) Hydrophobe Moleküle: „Wasser-abweisend“ → schlecht wasserlöslich: unpolar (z.B. Kohlenwasserstoffe) Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 11  Nicht-kovalente Bindungen Weitere nicht-kovalente Bindungen: Ionenbindungen: elektrostatische Anziehungen z.B. in Salzen (Na+Cl-) Van-der-Waals-Kräfte: Anziehungskräfte zwischen Molekülen, deren Atome kurzlebige Dipole bilden können → unsymmetrische Ladungsverteilung (wichtig z.B. bei Kohlenwasserstoffketten/Alkanen) Hydrophobe Kräfte © Ulrich Helmich 2023; https://www.u-helmich.de/che/EF/atom/atombau08.html Quelle: https://de.m.wikibooks.org/wiki/Datei:Van-der-Waals-Alkanketten.png Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 12 Quelle: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie  Nicht-kovalente Bindungen beeinflussen Funktion und Struktur von Makromolekülen im wässrigen Milieu der Zelle! Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 13  Zusammenfassung chemische Bindungen Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 14  Kohlenwasserstoffe Alle organischen Stoffe enthalten Kohlenstoff! → Definition organischer Stoffe: Molekül mit Kohlenstoff, meist in Kombination mit Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle 15  Funktionelle Gruppen: Kohlenstoff-Verbindungen Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 16 Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle  Funktionelle Gruppen - Phosphate Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 17  Säuren und Basen Moleküle, die beim Lösen im Wasser Protonen (H+) abgeben = Säuren Moleküle, die beim Lösen im Wasser Protonen aufnehmen = Basen Welche Säuren und Laugen kennen Sie? Ordnen Sie folgende Flüssigkeiten in sauer/basisch ein: Magensaft, Zitronensaft, Backpulver, Urin, Kaffee, Cola, Bauchspeicheldrüsensaft, Bier Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 18  Reaktionsmechanismen I Substitutionsreaktionen (Austausch von Atomen/Atomgruppen zwischen Reaktionspartnern) Kondensationsreaktionen (unter Abspaltung von Wasser, z.B. Veresterung von Carbonsäuren mit Alkoholen) → Umkehrreaktion: Hydrolyse (Spaltung eines Moleküls durch Wassereinbau) Quelle: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/reaktionen-organischer-stoffe-ueberblick# Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 19  Reaktionsmechanismen II Additionsreaktionen (kleines Molekül wird an zweifach- oder dreifach-Bindung angelagert) → Umkehrreaktion: Eliminierung (Dehydrierung und Dehydratisierung; Abspaltung eines Moleküls und Entstehung einer ungesättigten Bindung) Spezialfall: Redoxreaktionen (z.B. „Verbrennungsreaktionen“, Reaktionen mit Sauerstoff; Elektronenübertragungsreaktionen) Oxidation = Abgabe Elektronen Reduktion = Aufnahme Elektronen Quelle: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/reaktionen-organischer-stoffe-ueberblick# Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 20  Lernziele – Sie sollten: Allgemeine Chemie: – Grundzüge der Molekülchemie: Bindungstypen (kovalent, nicht-kovalent, Wasserstoffbrücken, hydrophobe WW, Van-der-Waals-Kräfte) erklären können – Wichtige funktionelle Gruppen erkennen und benennen können – Unterschied Säure/Basen definieren – Unterschiede der Reaktionsmechanismen grob erklären und erkennen können Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 21  Allgemeine Chemie - Grundbausteine von Zellen - Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 22  Grundbausteine einer Zelle Makromoleküle sind Hauptbestandteile von Zellen → entstehen aus der Verknüpfung einzelner Bausteine durch Polymerisierung = Kohlenhydrate Monomere Polymere = Eiweiße = DNA/RNA Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 23  Grundbausteine einer Zelle = Kohlenhydrate Monomere Polymere = Eiweiße = DNA/RNA Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 24  Chemie der Zucker - Monosaccharide Kohlenhydrate: Kohlenwasserstoffe mit mehreren Hydroxylgruppen und einer Keto-/Aldehydgruppe Glukose = Traubenzucker: wichtigster Energielieferant des Körpers Fruktose = Fruchtzucker Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 25  Halbacetalbildung (Ringbildung) Die Reaktion zwischen einer Carbonylgruppe und einer Hydroxylgruppe führt zu einer Halbacetalbildung Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 26  Isomere der Glukose Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 27  Di- und Polysaccharide (Acetalbildung) Reaktionsmechanismus? Acetal Glykogen = Speicherform der Glukose in Muskeln- und Leberzellen Quelle: Alberts et al. Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Molekularbiologie der Zelle 28  Zellulose vs. Stärke vs. Glykogen Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 29  Grundbausteine einer Zelle = Kohlenhydrate Monomere Polymere = Eiweiße = DNA/RNA Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 30  Chemie der Fette – Fettsäuren (FS) Definition Butter vs. Öl: welches enthält gesättigte/ungesättigte Fettsäuren? Warum? Welche nicht-kovalenten Bindungen sind dafür verantwortlich? Quelle: Alberts et al. Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Molekularbiologie der Zelle 31  Essentielle FS: Körper kann keine Doppelbindungen in FS einführen, die weiter als 9 C-Atome von Carboxylgruppe entfernt sind Omega-6-FS Omega-3-FS semi-essentiell Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 32 Quelle: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie  Fette und Öle – Speicherform der Fettsäuren Reaktion zwischen Alkoholgruppe des Glycerins und Carboxylgruppe der FS: Welcher Reaktionsmechanismus? Wie lautet der spezifische Name des Produkts? Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 33  Phospholipide – Grundbaustein von Membranen ähnlich Triacylglycerin → eine FS durch Phosphat ersetzt Phospholipide sind amphipathisch, d.h. sie besitzen einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 34  Grundbausteine einer Zelle = Kohlenhydrate Monomere Polymere = Eiweiße = DNA/RNA Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 35  Chemie der Proteine - Aminosäuren (AS) Aminosäuren = Monomere der Proteine Aufbau: Zentrales Kohlenstoffatom Aminogruppe (Amino-) und Carboxylgruppe (-säure) Spezifische Seitenkette Seitenkette der AS verleihen individuelle Eigenschaften Können in Familien eingeteilt werden: – Sauer – Basisch – Ungeladen polar – Unpolar AS werden abgekürzt: z.B. Alanin = Ala = A Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 36  Essentielle AS Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Threonin Tryptophan Valin Quelle: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 37  Proteine – Polymere aus Aminosäuren Proteinmolekül = lange Kette aus verschiedenen AS, die über Peptidbindungen untereinander verknüpft sind → Polypeptide Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 38  Konformation von Proteinen AS-Sequenz bestimmt Form eines Proteins Nichtkovalente Bindungen zwischen AS-Seitenketten und Polypeptidgerüst schränken freie Drehbarkeit ein → sorgen für Stabilität Protein faltet sich in eine einzige stabile Form → abhängig von der Verteilung der polaren und unpolaren AS Unpolare AS im Inneren des Proteins → polare AS auf Oberfläche (H-Brücken zu Wasser) Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 39  Grundbausteine einer Zelle = Kohlenhydrate Monomere Polymere = Eiweiße = DNA/RNA Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 40  Chemie der Nukleinsäuren - Nukleotide Phosphat über Esterbindung an Zucker geknüpft Zucker: Pentose – Desoxyribose (DNA = Desoxyribonukleinsäure) – Ribose (RNA = Ribonukleinsäure) N-glykosidische Bindung zwischen Base und Zucker Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 41  Stickstoffhaltige Basen Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 42  Nukleotide Nomenklatur Phosphoanhydridbindung Beispiele: – ATP = Adenosintriphosphat – ADP = Adenosindiphosphat – AMP = Adenosinmonophosphat Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 43  DNA/RNA – Polymere aus Nukleotiden Nukleotide über Phosphodiesterbindung zu Polymer verknüpft DNA: doppelsträngige, antiparallele Helix: – 5‘-Ende: Phosphat-Ende – 3‘-Ende: Hydroxylgruppe der Desoxyribose Basenpaarung: AT zwei H-Brücken, GC drei H- Brücken RNA: Einzelstrang Negativ geladenes Zuckerphosphatgerüst Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Sadava et al. Biologie 44  Übungen Functional Groups (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e/life_activity_03_01.html Forms of Glucose (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e/life_activity_03_03.html Features of Amino Acids (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e/life_activity_03_02.html Nucleic Acid Building Blocks (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e/life_activity_04_01.html DNA Structure (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e/life_activity_04_02.html Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 45  Lernziele – Sie sollten: Grundbausteine von Zellen: – Zucker: Unterschied Aldosen/Ketosen erklären können; Ringbildung/Halbacetalbildung und Bildung von Di- /Polysacchariden (Acetalbildung) grob erklären können; Eigenschaften von Glykogen wiedergeben können (Speicherform, Verzweigung) – Fette: Aufbau von Fettsäuren und deren Speicherform erklären können; Amphipathie der Phospholipide erklären und weshalb dies wichtig ist für die Membranbildung – Aminosäuren: Aufbau von AS beschreiben können; die Relevanz der Seitenketten erklären können (verschiedene Gruppen (sauer, basisch etc.), die Proteinfaltung und Funktion beeinflussen); Peptidbindung erklären können – Nukleinsäuren: Bestandteile eines Nukleotids erkennen und benennen können; Eigenschaften und Struktur der DNA beschreiben können (antiparallel, Doppelhelix, Basenpaarung) Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 46  Zellbiologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 47  Was ist eine Zelle? = kleinste lebende Einheit aller Organismen strukturell abgrenzbares, eigenständiges und selbsterhaltendes System: – Vermehrung durch Zellteilung – Stoff- und Energiewechsel – Reaktion auf Reize – Möglichkeit der Bewegung alle heutigen Zellen stammen von derselben Urzelle ab Evolution als Grundlage für Vielfalt: – Mutation (Zufällige Variation) – Neumischung – Selektion (Natürliche Auslese) – → Entwicklung von neuen Lebensformen Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 48  Allgemeine Merkmale von Lebewesen Alle Zellen speichern Erbinformation im gleichen linearen chemischen Code: DNA! Desoxyribonukleinsäure: doppelsträngiges Polymer aus vier Bausteinen → DNA-Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Thymin (T) Vergleichbar mit 1/0 Codierung bei Computerdateien Komplementäre Bindung der DNA-Basen: A-T, G-C → Grundlage für matrizen-gesteuerte Replikation Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 49  Allgemeine Merkmale von Lebewesen Zellen transkribieren Teile der DNA in Zwischenform: RNA! – Ribonukleinsäure: einzelsträngiges Polymer aus vier Bausteinen → RNA-Basen: A, C, G, Uracil (U) anstelle von Thymin Zellen übersetzen RNA-Sequenz in Aminosäure-Sequenz (Translation) → Protein – Basentriplett codiert für eine Aminosäure = Codon Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 50  Allgemeine Merkmale von Lebewesen Proteine führen die Funktionen in Zellen aus Jedes Protein wird von einem spezifischen Gen codiert: „Abschnitt der DNA-Sequenz, der einem einzelnen Protein oder einer Reihe alternativer Proteinvarianten entspricht oder einem einzelnen katalytischen, regulatorischen oder strukturellen RNA-Molekül“ → Gene liefern die Anweisungen für die Gestalt, die Funktion und das komplexe Verhalten von Zellen Genom = gesamte in der DNA-Sequenz gespeicherte genetische Information Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 51  Aufbau und Struktur von Zellen Zellaufbau und Organellen | Open Science https://www.openscience.or.at/de/quizze/zellaufbau-und-organellen/ Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 52  Aufbau einer tierischen Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 53  Zellorganellen I Zellkern = Informationsspeicher der Zelle: Umgeben von Kernhülle Enthält DNA in Form von Chromosomen Ort der Transkription und Replikation Eukaryoten: Zelle enthält Zellkern → Tiere, Pflanzen, Pilze Prokaryoten: DNA frei im Zytoplasma → Bakterien Zytoplasma = Zytosol + Zellorganellen + Zytoskelett: wässriges Gel aus großen und kleinen Molekülen → größtes Kompartiment Im Zytosol finden erste Schritte des Auf- oder Abbaus von Nährstoffmolekülen statt Plasmamembran: Lipiddoppelschicht Stoffaustausch über Pumpen und Kanäle oder Vesikeltransport Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 54  Zellorganellen II Zytoskelett: Aktinfasern (dünnste Filamente): für Bewegung und Kontraktion notwendig Mikrotubuli (dickste Filamente): bilden Spindelapparat während Zellteilung Intermediärfilamente: wichtig für Zug- und Druckfestigkeit Mitochondrien = Kraftwerke: Erzeugen chemische Energie: nutzen Energie aus Oxidation von Nahrungsmolekülen (z.B. Zucker) → produzieren Adenosintriphosphat (ATP) ATP = grundlegende chemische Kraftstoff, der Zellaktivität antreibt Verbrauchen Sauerstoff und setzen CO2 frei → Zellatmung Lysosomen: intrazelluläre Verdauung findet dort statt Abbau von Makromolekülen durch Hydrolasen Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 55  Zellorganellen III Endoplasmatisches Reticulum (ER): Anlaufstelle für Proteine, die für andere Organellen oder Export bestimmt sind → einmal im ER, kehren Proteine nicht mehr ins Cytosol zurück; werden nur in Vesikeln transportiert Lipidstoffwechsel z.B. Cholesterinsynthese Golgi-Apparat: nimmt im ER synthetisierte Moleküle auf → führt häufig chemische Modifikationen durch reicht diese weiter innerhalb der Zelle oder nach außen Peroxisomen: Wasserstoffperoxid wird erzeugt und abgebaut Fettsäure-Abbau Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 56  Spezialisierte Zellen in Organismen Zellen variieren stark in Aussehen und Funktion Unterschiedliche Bedürfnisse und Aktivität Vielzelliger Organismus: Arbeitsteilung – Einige Zellen Produzenten (Hormone…) – Andere sind Motoren (z.B. Muskelzellen) – Spermien und Eizellen verantwortlich für Weitergabe der genetischen Anweisungen → Spezialisierung von Zellen und somit Angewiesenheit auf weitere Zellen Zellen exprimieren unterschiedliche Gene, je nach dem welche Signale sie empfangen, um dann die Herstellung von Proteinen an- oder abzuschalten Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 57  Zellbiologie - Von der DNA zum Protein - Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 58  Übersicht mRNA = messenger RNA → „Boten“-RNA Bringt Gen-Info zu Ribosom, das die Botschaft entschlüsselt Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 59  Transkription Transcription (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e_animation/life_animation_14_01.html Wie heißt das Protein, das die Transkription ausführt? Wie heißt die Stelle auf der DNA, die den Startpunkt für die Transkription markiert? An welches Ende werden neue Nukleotide geknüpft? In welche drei Schritte kann die Transkription unterteilt werden? Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 60  RNA Prozessierung I - Spleißen Exons = codierende Bereiche eines Gens Introns = nicht-codierende Bereiche eines Gens Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 61  RNA Prozessierung II – Modifikation der Enden Spleißen und End-Modifikationen kennzeichnen die mRNA als fertig und bereit zur Translation Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 62  Die Entschlüsselung des Codes Genetischer Code: Regeln, nach denen Nukleotidsequenz in Aminosäuresequenz umgewandelt wird Nukleotidsequenz wird in Dreiergruppen gelesen → bei vier Nucleotiden gibt 62 Möglichkeiten aber nur 20 AS → Code ist redundant Gruppe von drei aufeinanderfolgenden Nucleotiden → Codon Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 63  tRNAs stellen die Verbindung zwischen mRNA und AS her tRNA = transfer RNA tRNA-Moleküle verbinden Aminosäuren mit den Codons der mRNA Redundanz des Codes → mehrere tRNAs für eine AS oder tRNAs können mit mehr als einem Codon paaren beides existiert → einige tRNAs so konstruiert, dass nur an den ersten beiden Positionen genaue Basenpaarung erforderlich ist → Mismatch (Wobble) an dritter Position kann toleriert werden Quelle: Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 64  Das Ribosom katalysiert die Peptidbindung Ribosom: Komplex aus 50 verschiedenen Proteinen und ribosomalen RNAs (rRNA) kleine Untereinheit: bringt tRNA auf Codons der mRNA große Untereinheit: katalysiert Peptidbindung Translation: Untereinheiten werden an der mRNA am 5´-Ende zusammengebaut, um Synthese zu beginnen Ribosom bewegt sich auf mRNA entlang und übersetzt Nukleotidsequenz des Codons in AS-Sequenz unter Verwendung der tRNAs als Adapter Ende der Proteinsynthese: Untereinheiten trennen sich wieder Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 65  Translation Translation (bfwpub.com) https://digitalfirst.bfwpub.com/life_11e_animation/life_animation_14_04.html Wie heißt die Aminosäure, mit der alle Proteine anfangen? Wie heißen die drei tRNA-Bindestellen im Ribosom? Was passiert an den jeweiligen tRNA-Bindestellen? Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 66  Zellbiologie - Proteinfunktionen - Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 67  Übersicht Proteinfunktionen Enzyme: katalysieren chemische Reaktionen Strukturproteine: z.B. Zytoskelett Transportproteine: z.B. Hämoglobin (transportiert Sauerstoff im Blut) Motorproteine: z.B. Myosin für Muskelkontraktion Speicherproteine: z.B. Ferritin speichert Eisen in der Leber Rezeptorproteine und Signalproteine: Signalwege in der Zelle Genregulatorproteine: binden an DNA Alle Proteine binden andere Proteine oder Moleküle z.B. Metallionen (Fe2+, Mg2+) oder Vitamine oft essenzielle Bestandteile von Proteinen Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 68  Enzyme Enzyme: Aktives Zentrum → binden Liganden über nichtkovalente WW → AS in Bindungsstelle für chemische Eigenschaften entscheidend Bindungen zwischen Enzym und Substrat hoch-spezifisch (Schlüssel-Schloss-Prinzip) Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie Quelle: https://easy-schule.de/was-sind-enzyme/ 69  Beispiele für Enzyme Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 70  Funktionsweise von Enzymen am Beispiel von Lysozym Enzym im Speichel, in Tränen und anderen Sekreten → wirkt antibiotisch Zerschneidet Polysaccharide der bakteriellen Zellwand → aufgrund von osmotischem Druck zerplatzen Bakterien Was passiert mit dem Zuckermolekül im Enzym? Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 71  Allgemeine Funktionsweise von Enzymen Enzyme beschleunigen Reaktionen durch selektive Stabilisierung von Übergangszuständen: Substrat durchläuft verschiedene Übergangszustände (veränderte Geometrie, Elektronenverteilung) Enzyme haben höhere Affinität zu Übergangszustand des Substrats → senken dadurch die benötigte Aktivierungsenergie für die Reaktion Passgenaue Form zwischen Enzym und Substrat extrem wichtig → Austausch von z.B. Glutaminsäure durch Asparaginsäure im aktiven Zentrum reduziert Enzymaktivität um 1000 Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 72  Regulation von Enzymen/Proteinen Zelle reguliert die Aktivität von Enzymen, um unnötige Anhäufungen von Produkten zu vermeiden Verschiedene Mechanismen: Allosterie: regulatorisches Molekül bindet an regulatorische Untereinheit im Enzym (im Gegensatz zu Substrat, das an aktives Zentrum bindet) → führt zu Konformationsveränderung im Enzym, wodurch es z.B. Substrat schlechter binden kann Kompetitive Inhibitoren: konkurrieren um aktives Zentrum Feedback-Hemmung/Aktivierung durch eigenes Produkt oder andere Stoffwechselprodukte Kovalente Modifikationen wie z.B. Phosphorylierung → negativ geladener Phosphatrest bewirkt Konformationsänderung; Acetylierungen, Methylierungen etc. Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 73  Lernziele – Sie sollten: Zellbiologie: – Organellen und wichtigste Funktionen benennen können – Den Informationsfluss von DNA zu RNA zu Protein erläutern und die groben Abläufe beschreiben können sowie die beteiligten Komponenten benennen und deren Funktion erklären (RNA-Polymerase, mRNA Prozessierungsschritte, tRNAs, Ribosomen, APE-Stellen) – Begriffe wie Gen, Genom, Codon definieren können – Die allgemeine Funktionsweise von Enzymen erklären können (Schlüssel-Schloss-Prinzip, Stabilisierung Übergangszustand) – Die verschiedenen Regulationsmechanismen von Enzymen/Proteinen beschreiben können Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 74  Salzsäure (HCl) Definition pH-Wert: negativ dekadischer Logarithmus der H+ Konzentration Natronlauge (NaOH) Quelle: Sadava et al. Biologie Vorlesung 1 - Chemie, Zellbiologie 75