Das Nötigste ausChemie und Biochemie

in 2-3 Stunden

Anorganische und allgemeine Chemie:-Bioelemente-Bindungsklassen-pH-Oxidation/Reduktion

Organische Chemie:-Funktionelle Gruppen-Einfache Verbindungen

Das Nötigste ausChemie und Biochemie

in 2-3 StundenBiochemie:

-Wichtige Stoffgruppen•Aminosäuren - Proteine•Kohlenhydrate•Purine und Pyrimidine („Basen“), Nukleotide - DNA, RNA•Lipide, Hydrophobizität

-Chiralität, Stereoisomere-Enzymkatalyse, Reversibilität

„Bioelemente”Nichtmetalle

•H Wasserstoff•C Kohlenstoff•N Stickstoff•O Sauerstoff•P Phosphor•S Schwefel•Cl Chlor*

Metalle•Na Natrium*•K Kalium•Mg Magnesium•Ca Calcium•Fe Eisen

*nicht für alle Organismenessentiell (lebensnotwendig)

Und einige „Spurenelemente“(Fluor, Iod, Selen, Zink, Kupfer, Mangan, Chrom, Kobalt,Molybdän, Nickel;Zinn, Rubidium, Blei, Vanadium, Lithium, Beryllium, Silizium;Bor, Aluminium, Arsen, Brom...)Nicht alle Organismen brauchen dieselben Spurenelemente

Chemische BindungsklassenKovalente Bindung Ein oder mehrere Elektronenpaare verbinden zwei Atome Sehr feste Bindung Die Elektronen können zwischen den Atomen ungleich verteilt sein: polare Bindung mit negativer und positiverSeite (Wasser ist sehr polar, O negativer, H´s positiver)

Ionenbindung Positive und negative Ladungen ziehen sich an (Kation +, Anion -), z.B. Na + und Cl - , -NH3

+ und -COO-

Feste Bindung Auch Teilladungen durch polare Bindungen ziehen sich an.

Chemische Bindungsklassen

Wasserstoffbrücken (H-Brücken) Polarisierte (+) Wasserstoffatome in einer kovalenten Bindung werden mit einem benachbarten negativ-polarisierten Rest (meist O, N, F) „geteilt“ Wasserstoffbrücken sind schwach (ca. 1/20. von kovalenten Bindungen), aber „die Masse machts“ Wasserstoffbrücken stabilisieren die Raumstruktur von Proteinen und den DNA-Doppelstrang Wasserstoffbrücken sind für besondere Eigenschaften des Wassers verantwortlich

WasserWasser bildet durch Wasserstoffbrücken großeAggregate, „Mikroeisberge“, und verhält sich daherwie ein viel größeres Molekül.

pH-Wert - Säuren und BasenHydrogen- und Hydroxid-Ion In Wasser ist immer ein kleiner Teil dissoziiert („zerfallen“) in Hydrogenium-Ionen (H+, eigentlich H3O+) und Hydroxid-Ionen (OH-). In reinem Wasser entstehen gleich viel von beidem, in Säuren findet man mehr H+, in Laugen (Basen) mehr OH-. Das Produkt der beiden Konzentrationen [H+] * [OH-] ist aber immer gleich (nämlich 10-14 Mol2/l2)!! Wie sauer eine Flüssigkeit ist, gibt man durch den negativen dekadischen Logarithmus der H+-Konzentration an, pH 7 ist neutral ([H+]=10-7, [OH-]=10-7), pH<7 sauer, pH>7 basisch. Wegen des Logarithmus bedeutet eine pH-Änderung um 1 eine Änderung der H+-Konzentration um das 10fache!!

pH-Wert - Puffer

In reinem Wasser ändert sich der pH durch Zugabe winzigerMengen von Säure oder Lauge sehr stark. Um das zu verhindernund den pH möglichst konstant zu halten, verwendet man„Puffersysteme“. Diese bestehen aus schwachen Säuren oderschwachen Basen mit ihren Salzen, z.B. Essigsäure + Acetat. Für die biochemischen Abläufe in einer Zelle und die Stabilitätvieler Zellbestandteile (z.B. Proteine) ist ein gleichbleibender pH(meist nahe dem Neutralen), unabhängig von der Umgebung derZelle, unbedingt wichtig. Daher ist das Zellinnere starkgepuffert.

Oxidation und Reduktion

Oxidation bedeutet nicht nur die Reaktion mit Sauerstoff.Allgemein gibt ein Stoff, der oxidiert wird, Elektronen ab.Elektronenaufnahme ist eine Reduktion. Die beiden Vorgängelaufen immer kombiniert ab, man spricht von Redox-Reaktion.

Oxidation und ReduktionIm Zellstoffwechsel ist ein Partner der Redoxreaktion meist einCoenzym (kleines Hilfsmolekül eines Enzyms), übertragenwerden die Elektronen meist zusammen mit H+, was effektivzum Transfer von Wasserstoff-Atomen oder (bei 2 Elektronen)„H-“ führt:NAD+ + CH3CH2OH NADH + CH3CHO + H+

Ethanol wird zu Acetaldehyd oxidiert (Coenzym NAD).

Übrigens: Bei einer Reaktionsgleichung müssen auf beidenSeiten nicht nur gleich viele Atome jeder Sorte stehen, auchdie Gesamtladung muss auf beiden Seiten gleich sein!

Und: Der Doppelpfeil deutet an, dass die Reaktion reversibelist, also in beide Richtungen verläuft. Das gilt prinzipiell füralle chemischen Reaktionen, ist aber in der Biochemiebesonders bedeutsam.

Biochemisch wichtigefunktionelle Gruppen

Biomoleküle - KohlenhydrateKohlenhydrate (Zucker) enthalten viele Alkoholgruppen undeine Aldehyd- oder Ketongruppe. Mit dem hydratisierten Aldehyd-oder Keto-Rest können sie sich von einer gestreckten Form in einengeschlossenen Ring umwandeln. So liegen die meisten Zucker in derZelle vor.

Beim Ringschluss gibt es zweiMöglichkeiten, es entstehen 2„Isomere“, die α- und die β-Form.Von den beiden OH-Gruppen deshydratisierten Aldehyds hat einsreagiert, eins ist noch frei. Manspricht von einem Halbacetal oderSemiacetal. Reagieren beide OH,entsteht ein Acetal.

KohlenhydrateDie einzelnen Kohlenhydrate (Monosaccharide) können sich zuzweien (Disaccharide), mehreren (Oligosaccharide) oder sehrvielen (Polysaccharide) verknüpfen. Bei den Verknüpfungenreagiert je eine der Alkoholgruppen eines Saccharids mit der freienOH-Gruppe des Semiacetals des anderen Saccharids (es entsteht alsoein Acetal). Da verschiedene Alkoholgruppen zur Auswahl stehen,können vielfältige Verknüpfungen gebildet werden, diePolysaccharide können lange Ketten sein, aber auch wie Bäumeverzweigt.Wichtige Polysacharide sind Stärke und Zellulose. Bei beiden sindGlucosemoleküle über den gleichen Alkoholrest (C4) verknüpft. Dereinzige Unterschied ist die Ringform der Glucose: α bei Stärke, β beiZellulose. Das führt zu sehr verschiedenen Eigenschaften (so istStärke für uns gut verdaulich, Zellulose überhaupt nicht).

Kohlenhydrate

Wichtige Kohlenhydrate

Biomoleküle - AminosäurenAminosäuren besitzen (mindestens) eine Amino- (-NH2) und eineCarbonsäuregruppe (-COOH, Carboxygruppe). Durch Amidbildung(hier Peptidbindung genannt) zwischen diesen Resten werden dieAminosäuren zu langen Ketten verknüpft, den Proteinen (kurzeKetten heißen Peptide). Proteine sind als Enzyme die Maschinen derZelle, andere Proteine bilden das Gerüst der Zelle.

Ausschnitt aus einem Protein:zwei Aminosäuren, verknüpft durch eine Peptidbindung.

Ein Peptid bildet sich aus mindestens zweiAminosäuren

Aminosäuren

In den Proteinen findet man meist 20 unterschiedliche Aminosäuren,die „proteinogenen“ Aminosäuren. Es sind alles „α-Aminosäuren“,d.h., die Aminogruppe sitzt am C-Atom direkt neben der Carboxy-Gruppe. Nach ihren chemischen Eigenschaften kann man sieunterteilen in- hydrophile Aminosäuren

- saure Aminosäuren- basische Aminosäuren- neutrale Aminosäuren

- hydrophobe Aminosäuren- aliphatische Aminosäuren- aromatische Aminosäuren

AminosäurenFür die proteinogenen Aminosäuren gibt es zwei üblicheAbkürzungssysteme, den Drei- und den Ein-Buchstaben-Code

NameA Ala AlaninC Cys CysteinD Asp Asparaginsäure (Aspartat)E Glu Glutaminsäure (Glutamat)F Phe PhenylalaninG Gly GlycinH His HistidinI Ile IsoleucinK Lys LysinL Leu Leucin

Im Laufe des Studiums sollten Sie beide Systeme lernen.

NameM Met MethioninN Asn AsparaginP Pro ProlinQ Gln GlutaminR Arg ArgininS Ser SerinT Thr ThreoninV Val ValinW Trp TryptophanY Tyr Tyrosin

Die Strukturen der 20 Aminosäuren

ProteineProteine sind prinzipiell lange lineare Kettenvon Aminosäuren, die über Peptidbindungenverknüpft sind. Diese Ketten falten sich aberbei und nach ihrer Entstehung zu komplexendreidimensionalen Gebilden. Nur in korrektgefalteter Form können Proteine ihreAufgaben (Enzym, Rezeptor, Gerüstelement,Motor etc.) erfüllen. Wird die Struktur einesProteins z.B. durch Hitze oder Säure zerstört(das Protein wird „denaturiert“), wird dasProtein meist unlöslich, es „fällt aus“ (Kochenvon Milch oder Eiern, Sauerwerden vonMilch). Die Peptidkette ist nach einer solchenBehandlung meist noch intakt.

Das Proteasom, (Protein-)Müllschlucker aus vielen Untereinheiten

Raumstruktur desRibosoms, aus

vielen Proteinenund RNA-

Untereinheitenzusammengesetzt

Enzyme und die Chemie der Zelle

Prinzipiell beschleunigen Katalysatoren (z.B. Enzyme) lediglichReaktionen, die auch ohne sie ablaufen würden - oft aber von nichtnachweisbar zu sehr schnell. Sie können aber keine Gleichgewichteeiner Reaktion verschieben, also „unmögliche“ Reaktionen möglichmachen.

Enzyme und die Chemie der ZelleEnzyme, Proteine mit katalytischen Eigenschaften, sind die Maschinender Zelle. Sie können chemische Reaktionen im „wässrigen Medium“und bei mäßigen Temperaturen (meist 20°-37°C) und neutralem pHdurchführen, die im Labor oft nur bei großer Hitze, in konzentriertenSäuren oder in organischen Lösungsmitteln ablaufen. Außerdem sindEnzymreaktionen hochspezifisch, anders als beim Chemiker entstehenpraktisch keine „Nebenprodukte“ (Abfall), die „Ausbeute“ der Reaktionist 100% (davon können Chemiker nur träumen). Außerdem sindEnzyme „stereoselektiv“.

Die Natur ist chiralMoleküle, deren Spiegelbild nicht mit ihnen zur Deckung zu bringen ist,heißen „chiral“ (von griechisch „Hand“, unsere Hände sind auch chiral).Enzyme können meist nur mit einem Molekül eines chiralen Paarsarbeiten, sie sind „stereoselektiv“.Bei chiralen Molekülen werden die beiden Formen oft durch einvorgestelltes D- und L- unterschieden. Die natürlichen Kohlenhydratesind fast alle D-Formen (D-Glucose), alle Aminosäuren in Proteinengehören zur L-Reihe (L-Glutaminsäure), außer dem nicht-chiralenGlycin.

Wachstumstemperaturen verschiedener Bakterien

ProteinstabilitätDie Wachstumstemperatur hängt von der Stabilität der Proteine desOrganismus gegen Hitzedenaturierung ab.

NukleinsäurenDie Nukleinsäuren (DNA und RNA) sind die Informationsträger derZelle. In ihnen sind die Bauvorschriften der Polypeptidkettengespeichert, aus denen die Proteine bestehen. Außerdem enthaltendie Nukleinsäuren Steuerelemente, über die geregelt wird, welchesProtein wann gebildet werden soll.DNA ist die Hauptbibliothek der Zelle, sie liegt in riesigenMolekülen vor und wird von Zellgeneration zu Zellgenerationweitergegeben. RNA bildet die kurzlebigen Arbeitskopien, vondenen die Proteine direkt abgelesen werden.

Purine und PyrimidineDNA und RNA sind Ketten von Nukleotiden. Diese bestehen auseinem Phosphorsäurerest, einer Pentose (5-C Zucker, Ribose inRNA, Desoxyribose in DNA) und einer Nukleotidbase (Purin oderPyrimidin). Die Einheit aus Base und Zucker heißt Nukleosid.

Ein Desoxyribonukleotid

Bausteine der Nukleoside

Struktur verschiedener „Basen“

Purine und Pyrimidine

Das Informationsprinzip derNukleinsäuren liegt in derspezifischen Paarung von Purin undPyrimidin: Adenin paart mit Thymin(in DNA) oder Uracil (in RNA),Guanin mit Cytosin. Die Paarungerfolgt über Wasserstoffbrücken.

Purine und Pyrimidine

*Achtung: Guanidin ist etwas ganz anderes (die AminosäureArginin enthält eine Guanidylgruppe)#(Fast) nur in DNA

Base Nucleosid Nucleotid

Adenin Adenosin Adenosinmonophosphat

Cytosin Cytidin Cytidinmonophosphat

Guanin* Guanosin* Guanosinmonophosphat

Thymin Thymidin Desoxythymidinmono-phosphat#

Uracil Uridin Uridinmonophosphat

Die Doppelhelix

In der DNA sind zwei gegenläufigeStränge zu einer Helix(Wendeltreppenstruktur)aufgewickelt. Bei der Verdopplungder DNA (zur Weitervererbung)trennen sich die Stränge, und neueStränge werden gebildet, die durchdie Basenpaarung genau denabgelösten Strängen entsprechen.

Die Grund-struktur der

doppel-strängigen

DNA

Molekulargewichte undInformationseinheiten

In der Biochemie gibt man die Größe eines Moleküls, wie allgemein inder Chemie üblich, in „Dalton“ an, ein Dalton entspricht demAtomgewicht des leichtesten Elements, dem Wasserstoff.

Bei den Nukleinsäuren ist es dagegen gebräuchlicher, die Anzahl derNukleotide als der Grundeinheit der Information (sozusagen das Byte derZelle) anzugeben. Da bei der DNA die Nukleotide im Doppelstranggepaart sind, spricht man hier von „Basenpaaren“ (Bp) bzw. kBp, MBp(kilo, Mega, also 1.000 bzw. 1.000.000 Basenpaaren). (RNA: Basen,Kilobasen).

ATPNucleinsäuren erfüllen noch andere Aufgaben neben derInformationsspeicherung. Adenosintriphosphat (ATP) ist diezentrale Energiewährung der Zelle. Die Energie steckt in denbeiden Säureanhydridbindungen (~) zwischen den Phosphorsäure-resten.Durch eine Phosphatabspaltung entsteht aus ATP ADP (...diphosphat),fehlen 2 Phosphate, gibt es AMP (...monophosphat)

ATP

NAD+

NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) ist ein wichtiges Coenzymbei Redox-Reaktionen. Die reduzierteForm ist das NADH. Im NADP+

(reduziert NADPH) ist ein Ribose-OHmit einem Phosphosäurerest verestert(phosphoryliert).

Lipide

Anders als Kohlenhydrate,Proteine und Nukleinsäurensind Lipide (Fette) nicht übereine ähnlicheZusammensetzung definiert,sondern über ihrewasserabstoßende Eigenschaft(Hydrophobizität).Die wichtigsten Lipide sind diePhospholipide, die Fettsäuren,Glycerin und Phosphorsäureenthalten.

Fettsäuren und Neutrallipide

Phospholipide und Glycolipide

Steroide

Ergosterol ist ein Vertreter der Lipidklasse der Steroide, die beiEukaryonten wichtige Membranlipide sind und Membranenkompakter machen. Zur Biosynthese von Steroiden aus dem linearenSqualen ist molekularer Sauerstoff (O2) notwendig.

Ergosterol

HopanoideBakterien synthetisieren stattdessen aus Squalen die strukturell sehrähnlichen Hopanoide, zu deren Bildung kein Sauerstoff nötig ist. Dasweist darauf hin, das diese Biosynthese der Zeit entstammt, als es aufder Erde noch keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre gab.

LipideIn Membranen bilden Phospholipide Doppelschichten, bei denendie hydrophoben Fettsäureschwänze ins Innere ragen (abgeschirmtvom Wasser), während die Phosphate zum angrenzenden Wasserorientiert sind. Auf diese Weise sind die meisten natürlichenMembranen aufgebaut, man spricht von der „Einheitsmembran“.

Der Aufbau der Biomembran