Einführung in die

Biochemie, Aminosäuren Prof. Dr. Albert Duschl

Themen der Vorlesung

Einführung in die Biochemie; Aminosäuren

Peptide und Proteine

Enzyme

Proteinfunktionen

Kohlenhydrate

Lipide

Nukleotide und Nukleinsäuren

Proteinbiosynthese

Bioenergetik

Primärstoffwechsel

Antikörper

Molekulare Medizin

Allgemeine Informationen

Die Vorlesung findet als Doppelstunde (90 min) an 12 Terminen statt.

Diese Präsentation ist als pdf-file über die Homepage meiner Arbeitsgruppe erhältlich:

www.uni-salzburg.at/tapir

Die Vorlesung wird von einer Multiple Choice Prüfung abgeschlossen. Dabei müssen

nur die Lösungsblätter abgegeben werden, so dass alte Klausuren frei erhältlich sind.

Bestehen der Prüfung ist Voraussetzung für die Teilnahme an den

Molekularbiologischen und Biochemischen Übungen.

Es gibt keine Anwesenheitspflicht, aber wenn Sie nicht kommen und nachher

durchfallen schieben Sie es bitte nicht auf die Vorlesung.

Die pdf-files reichen zur Prüfungsvorbereitung alleine nicht aus, ohne biochemisches

Lehrbuch werden Sie also nicht auskommen.

Weitere Fragen?

Zum Inhalt der Vorlesung: albert.duschl@sbg.ac.at oder lieber gleich nach der

Vorlesung

Zum Organisatorischen: ulrike.ruso-wagner@sbg.ac.at oder über PLUSonline

FAQ

Wann ist die nächste Prüfung? In PLUSonline steht noch kein Termin.

Dann steht noch keiner fest. Wir können Räume nicht so lang im Voraus buchen.

Wann ist aber ungefähr Prüfung?

Normal sind zwei Termine direkt nach Ende der Vorlesungsserie, einer Ende des

Semesters oder Anfang der Semesterferien, und einer Ende der Semesterferien.

Ich habe noch nicht alle Voraussetzungen laut STEOP, kann ich Prüfung schreiben?

Das ist leider vom Studienrecht her nicht möglich.

Ich hätte gerne eine mündliche Prüfung. Machen Sie sowas?

In gut begründeten Ausnahmefällen, etwa bei körperlicher Behinderung. Sonst nicht.

Ich muss die Prüfung bestanden haben um die Übungen „Molekularbiologie und

Biochemie“ zu machen, richtig?

Richtig. Das stand übrigens schon auf der letzten Folie.

Ich habe gehört bei Ihnen und manchen anderen Leuten kann man nur arbeiten wenn

man Molekularbiologie studiert hat, aber nicht mit Biologie. Stimmt das?

Nein, die beiden Studien werden überall gleichwertig behandelt. Entscheidend ist nur

was Sie können. Der Zugang zu Modulen, Bachelor- und Masterarbeiten ist gleich.

Empfohlene Lehrbücher

Umfangreichere Lehrbücher:

Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie

Stryer: Biochemie

Nelson/Cox: Lehninger Biochemie

Voet/Voet/Pratt: Lehrbuch der Biochemie

Horton et al.: Biochemie

Billigere Alternativen:

Löffler: Basiswissen Biochemie

Walker/McMahon: Biochemistry Demystified

Gar nicht schlecht: Biochemie für Dummies

Eher ein Nachschlagewerk, aber auch nicht teuer:

Koolman/Röhm: Taschenatlas der Biochemie

Die gleichen Bücher brauchen Sie für weitere

Veranstaltungen, z.B.

VO Biochemie des Stoffwechsels und

UE Molekularbiologie und Biochemie,

beide im 3. Semester

Grundlagen der Biochemie

Biochemie untersucht die molekularen Grundlagen des Lebens. Eine Art Gegenpol

bildet die Morphologie, die die strukturellen Grundlagen des Lebens untersucht.

Die Disziplin ist als selbständiges Fach um 1900 entstanden als Synthese aus der

physiologischen Chemie und der Naturstoffchemie.

In Salzburg wird die Biochemie am Fachbereich Molekulare Biologie vertreten.

"Biowissenschaften und Gesundheit"

Gemäldesammlung des Fachbereichs Molekulare Biologie

Universität Salzburg

So sieht ihr Professor aus

Das wichtigste Molekül: Wasser

Dipol

Hohe spezifische Wärme (Wärmekapazität)

Hohe Verdunstungswärme

Bildet Wasserstoffbrückenbindungen

Bildet Hydrathüllen

Gut wasserlösliche Substanzen: Hydrophil

Gemischte Löslichkeit: Amphiphil

Schlecht wasserlösliche Substanzen: Hydrophob

Dissoziiert in OH- (Hydroxyl-Ionen) und

H+ (Protonen)

Die Protonenkonzentration wird durch den

pH-Wert angegeben: Der pH-Wert ist der

negative dekadische Logarithmus der

H+-Konzentration.

Beispiel: [H+] = 10-7 mol/l → pH = 7

© Voet/Voet/Pratt: Lehrbuch der Biochemie

Mol? van-der-Waals-Radius?

1 Mol = 6.023 ∙ 1023 Moleküle

(Avogadro-Zahl, Loschmidt-Zahl)

1-molal = 1 Mol Substanz pro 1 l (kg) Lösungsmittel

1-molar = 1 Mol Substanz pro 1 l Lösung

1 Mol H2O = 18.016 g

Der van-der-Waals-Abstand ist die kürzest mögliche Entfernung zwischen zwei nicht

gebundenen Atomen. Die Distanz einer Bindung muss also geringer sein als die

Summe der beiden van-der-Waals-Radien.

Bei einer Wasserstoffbrückenbindung zwischen H und O zweier unterschiedlicher

Wassermoleküle ist der Abstand voneinander 180 pm, der van-der-Waals-Abstand

wäre 260 pm.

Van-der-Waals Bindungen sind nicht-kovalente Bindungen. In der Reihenfolge

abnehmender Stärke gehören dazu ionische Wechselwirkungen,

Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und London-

Dispersionskräfte.

Wasserstoffbrücken

Wasserstoffbrücken beruhen auf

elektrostatischer Interaktion zwischen

H und den stärker elektronegativen

Atomen O oder N (oder F, aber das ist

biologisch nicht relevant)

Bindungsenergien im Vergleich:

Wasserstoffbrücken 20 kJ /mol

Kovalent C-C 348 kJ/mol

Kovalent C-H 414 kJ/mol

Kovalent O-H 460 kJ/mol

Wasserstoffbrücken werden schnell

gebildet und wieder gelöst

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

Dissoziationskonstante Die Reaktion HA + H2O ↔ A- + H3O

+ wird beschrieben durch

v1 = k1 [HA] [H2O] (Geschwindigkeit der Hinreaktion) und

v2 = k2 [H3O+] [A-] (Geschwindigkeit der Rückreaktion)

Im Gleichgewicht ist v1 = v2, also ist k1 [HA] [H2O] = k2 [H3O+] [A-]

oder anders ausgedrückt

k1/k2 = [H3O+] [A-] / [HA] [H2O]

k1/k2 ergibt die Gleichgewichtskonstante K

Statt [H3O+] kann man [H+] schreiben und [H2O] ändert sich praktisch nicht, also gilt:

K' = [H+] [A-] / [HA] K' ist die Dissoziationskonstante einer Säure. Je höher K', desto stärker ist die Säure.

Dissoziationskonstante 2

Säuren mit K > 10-1 gelten als stark,

10-1 - 10-5 haben mittelstarke Säuren,

unter 10-5 sind Säuren schwach.

Biologisch wichtige Säuren sind meistens

mittel bis schwach, aber es gibt auch

Ausnahmen: Magensaft hat durch HCl

einen pH-Wert unter 2.

Dissoziationskonstanten für biologisch

wichtige Säure/Basen-Paare bei 25°C:

Statt K kann man bequemer pK angeben:

-log K = pK

Wasser ist eine Brönsted-Säure! © Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie

pH-Wert von Wasser H2O zerfällt spontan in H+ und OH-. Das Gleichgewicht der Reaktion H2O ↔ H+ + OH-

liegt aber stark auf der linken Seite, d.h. Wasser ist überwiegend doch einfach

Wasser. So schön ist Biochemie.

Die Gleichgewichtskonstante K beträgt bei 25°C 1.8 x 10-16

Also: K = 1.8 x 10-16 = [H+] [OH-] / [H2O]

Sie erinnern sich daß 1 mol Wasser 18.016 g sind? Da 1 l Wasser ca. 1 kg Wasser

entspricht, enthält 1 l Wasser 55.5 mol Wasser. Reines H2O ist also 55.5-molar.

Daher: [H+] [OH-] = 1.8 x 10-16 ∙ 55.5 = 10-14

Von H+ und OH- müssen gleichviel Moleküle vorhanden sein, und das Produkt ihrer

Konzentrationen ist 10-14. Man kann also die Konzentration der beiden Moleküle

festlegen auf 10-7, da 10-7 x 10-7 = 10-14

Die Konzentration von H+ wird angegeben durch den pH-Wert (analog zu pK), der

definiert ist als - log [H+]. Der pH-Wert von Wasser ist bei den angegebenen

Bedingungen also 7.

Aminosäuren und Proteine

Protein – vom griechischen proteios, "von

herausragender Bedeutung"

Jöns J. Berzelius, 1838

Proteine bestehen aus Aminosäuren. Von den unbegrenzt

vielen möglichen Aminosäuren kommen 20 normalerweise

in Proteinen vor ("proteinogene Aminosäuren„)

Proteine können weitere assoziierte Komponenten haben.

Zum Beispiel

- Glycoproteine (mit kovalent gebundenen

Kohlenhydraten)

- Lipoproteine (mit kovalent gebundenen Lipiden)

- viele Enzyme (mit Coenzymen oder Ionen)

Proteine haben normalerweise

- eine bestimmte Aminosäuresequenz

- definierbare Struktur

- spezifische Expression in bestimmten Zellen oder

Geweben

© Nature, 413, 365 (2001)

Allgemeine Struktur von Aminosäuren

Prüfer: "Können Sie mir sagen was eine Aminosäure ist?"

Student: "Nein."

Aminosäuren sind Carbonsäuren die eine Aminogruppe

enthalten. Sie besitzen also immer die funktionellen

Gruppen -COOH und -NH2.

Aminosäuren sind meist ionisiert, liegen also mit NH3+,

COO-, oder beidem vor.

Die C-Atome werden nummeriert (incl.

COOH-Gruppe, oder mit griechischen

Buchstaben bezeichnet (ohne COOH).

Deutsch: Lysin

Englisch: Lysine

Eine Aminosäure kann mehrere Carboxyl-

oder Aminogruppen haben.

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

Chiralität

Eine Aminosäure mit 4 verschiedenen

Liganden am α-C-Atom hat ein chirales

Zentrum: Es sind zwei verschiedene

Stereoisomere möglich.

Chiralität ("Händigkeit") bedeutet

Spiegelsymmetrie: Zwei Objekte sind identisch

wie Bild und Spiegelbild, können aber nicht

miteinander zur Deckung gebracht werden.

Stellen Sie sich zwei Handschuhe vor.

Spiegelisomere dieses Typs bezeichnet man

als Enantiomere. Sie haben biologisch oft

ganz unterschiedliche Eigenschaften, z.B. bei

Thalidomid oder bei Carvon.

Alle Moleküle mit einem chiralem Zentrum

sind optisch aktiv, d.h. sie drehen die

Schwingungsebene von polarisiertem Licht.

© John Tenniel

© BioSite, www.biosite.dk

D- und L-Aminosäuren Aminosäuren werden nach Emil

Fischer als D-und L-Formen

unterschieden.

Die entsprechende zweidimensionale

Auftragung heisst Fischer-Projektion.

Die Aminosäuren in Proteinen sind

L-Stereoisomere.

© all figures Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

Jäger und Sammler

Mehrere Millionen Jahre lang lebten alle Menschen

als Mitglieder von Jäger/Sammler-Gesellschaften.

Sammler bringen mehr Kalorien nach Hause.

Aber Jäger versorgen die Gesellschaft mit

essentiellen Aminosäuren, für die Fleisch die beste

Quelle ist.

Absolut essentiell sind in Erwachsenen Lysin,

Methionin, Threonin, Isoleucin, Valin, Leucin,

Phenylalanin, Tryptophan und Histidin.

Bedingt essentiell sind Tyrosin (Synthese aus

Phenylalanin) und Cystein (Synthese aus Methionin)

wenn viel davon benötigt wird.

Arginin ist vor allem in Kindern essentiell. Wir

produzieren zwar Arginin, der größte Teil davon wird

aber bei der Bildung von Harnstoff gespalten (zur

Aminosäuresynthese siehe Vorlesung 10).

© TIME-LIFE: Die ersten Menschen

Die 20 proteinogenen Aminosäuren

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

Spezifische Eigenschaften

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

Was sollten Sie wissen?

Versuchen Sie sich doch mal an einigen Übungsfragen zu Aminosäuren:

Welche drei Aminosäuren sind aromatisch?

Was ist die kleinste proteinogene Aminosäure und was die größte?

Was haben Arginin, Histidin und Lysin gemeinsam?

Welche Aminosäuren enthalten Schwefel?

Was unterscheidet Prolin von den andern 19 proteinogenen Aminosäuren?

Welche Aminosäuren können phosphoryliert werden?

Welche sind sauer?

Was ist die häufigste Aminosäure in Proteinen? Und die seltenste?

ABCDEFGHI – welche Aminosäuren sind das (und welcher Buchstabe davon

bezeichnet keine Standard-Aminosäure)?

Was ist der Unterschied zwischen Glutamin, Glutamat und Glutaminsäure?

Zeichnen Sie die Strukturformel von Alanin!

Zeichnen Sie die Strukturformel von Tyrosin!

Seltene Aminosäuren

In Proteinen kommen außer den 20

normalen Aminosäuren auch noch

weitere Aminosäuren vor. Bis auf zwei

entstehen sie alle durch

posttranslationale Modifikation.

Nicht-Standard Aminosäuren werden

nach der Translation (Synthese eines

Proteins auf Grundlage einer mRNA-

Sequenz) durch spezifische Enzyme

modifiziert.

Die Modifikation der Aminosäuren ist

für die Funktion der Proteine

erforderlich

(Bsp.: 4-Hydroxyprolin in Kollagen).

© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry

© Stryer: Biochemistry

21. und 22. Aminosäure

Normal werden Nicht-Standard

Aminosäuren über posttranslationale

Modifikation eingefügt. Die einzigen

bekannten Ausnahmen sind

Selenocystein (Sec, U) und Pyrrolysin

(Pyl, O), deren Verwendung schon auf

DNA-Ebene festgelegt wird.

In diesen Fällen wird ein Stopcodon

durch die Nukleinsäuresequenz in der

Umgebung umdefiniert, so dass

während der Translation eine spezielle

tRNA bindet und dadurch eine seltene

Aminosäure eingefügt wird. (Siehe

Vorlesung 8.) Beide Aminosäuren sind

sehr selten.

© Nature

Nicht-proteinogene Aminosäuren

Viele Aminosäuren

kommen im

Stoffwechsel vor,

ohne daß sie in

Proteine eingebaut

werden.

© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie

Aminosäuren in Wasser

Wir werden noch viel über Aminosäuren hören, aber

vergessen Sie das Wasser nicht. Auch bei den

Aminosäuren ist das Lösungsverhalten in Wasser

ganz entscheidend. Der menschliche Körper besteht

zu etwa 70% aus Wasser. Wenn Sie 70 Kilo wiegen

sind also ca. 49 Kilo davon Wasser.

Ein Verlust von 10% der Körpermasse an Wasser

ruft schwere Dehydration hervor, ein Verlust von

20% verläuft tödlich.

Wie vor der Erfindung von Einweg-Plastik-

Getränkeflaschen Menschen überleben konnten,

bleibt ungeklärt.

David Hockney: A bigger splash