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Dr. Franziska Thomas ([email protected])
Georg-August-Universität Göttingen
SoSe 2018
Veranstaltungsnummer: 15 133 30200
Organische Experimentalchemie
Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie
(Lehramt)
Marburg, 29. Juni 2018
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Künstliche Synthese
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Peptidsynthese mit Kupplungsreagenzien:
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Künstliche Synthese
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Mechanismus der DCC-aktivierten Peptidsynthese:
Aktivester
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Biosynthese
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Proteinbiosynthese am Ribosom:
Anticodon
Codons
Quellen: a) http://biochemistrycourse.blogspot.de/2012/12/protein-synthesis.html; b) https://de.wikipedia.org/wiki/Proteinbiosynthese
a) b)
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Abbau
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
In der Natur: Im Labor: z.B. Totalhydrolyse
In der Natur werden Peptide und Proteine durch
Proteasen (Enzyme) abgebaut.
Wichtige Enzymklassen:
• Serinproteasen 1° Alkohol
• Cysteinproteasen Thiol
• Threoninproteasen 2° Alkohol
• Aspartatproteasen Carbonsäure
• Glutamatproteasen Carbonsäure
• Metalloproteasen Metalle (z.B. Zink)
• Asparagin-Peptid-Lyase Asparaginrest
• Analyse der einzelnen Aminosäuren erlaubt
Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Peptids.
• Daneben ist auch die Sequenzanalyse durch iterativen
Abbau einzelner Aminosäuren (Edmann-Abbau) oder
durch Massenspektrometrie möglich.
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Sekundärstruktur
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Sekundärstruktur:
a-Helix:
• rechtsgängige
Windung
• 3.6 AA pro
Windung
• Reste nach
außen gerichtet
• Struktur wird
durch H-Brücken
stabilisiert
b-Faltblatt:
• Ketten verlaufen
zickzack-förmig
und bilden
b-Stränge
• parallele oder
antiparallele
b-Stränge
• Struktur wird
durch H-Brücken
zwischen den
Strängen
stabilisiert
c Reste R (grün) zeigen
aus der Ebene heraus
N-Terminus C-Terminus
Primärstruktur:
https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_secondary_structure
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – weitere Strukturen
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Primärstruktur: Sekundärstruktur:
N-Terminus C-Terminus
Tertiärstruktur: Quartärstruktur:
Dreidimensionale Raumstruktur eines Proteins, das aus einer
einzelnen Peptidkette besteht.
Dreidimensionale
Raumstruktur eines
Proteins, das aus
mehreren
Peptidketten besteht.
Die Untereinheiten
werden durch Kräfte
zusammengehalten
wie:
• hydrophobe
Wechselwirkungen
• ionische
Wechselwirkungen
• H-Brückenhttps://en.wikipedia.org/wiki/Protein_tertiary_structure
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11. Biomoleküle: Peptide und Proteine – Wechselwirkungen
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Disulfidbrücken:a Hydrophobe Wechselwirkungen:b H-Brücken:c
Isoliertes Peptid Peptid in wässrigem Milieu
Salzbrücken:d
a) https://de.wikipedia.org/wiki/Disulfidbrücke;
b) https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Physical_Propertie
s_of_Matter/Atomic_and_Molecular_Properties/Intermolecular_Forces/Hydrophobic_Inter
actions
c) https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_tertiary_structure
d) https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_bridge_(protein_and_supramolecular)
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11. Biomoleküle: Monosaccharide
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Monosaccharide werden nach der Zahl der C-Atome folgendermaßen unterteilt:
Triosen (3 C-Atome) Tetrosen (4 C-Atome) Pentosen (5 C-Atome) Hexosen (6 C-Atome) etc.
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11. Biomoleküle: Monosaccharide – Epimere
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Epimere: Monosaccharide, die sich nur an einem stereogenen Zentrum in ihrer Konfiguration voneinander unterscheiden,
bezeichnet man als Epimere.
Beispiel Tetrosen Beispiel Hexosen
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11. Biomoleküle: Glucose als Energieträger
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Glykolyse: Bei diesem Prozess handelt es sich um den schrittweise Abbau von Monosacchariden (z.B. D-Glucose) in
Lebewesen zur Aufrechterhaltung des Energiestoffwechsels.
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11. Biomoleküle: Reduzierende Zucker
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der (Bio)Chemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren Moleküle in Lösung
eine freie Aldehydgruppe besitzen. Diese funktionelle Gruppe kann unter oxidativen Bedingungen zu einer Carbonsäure
oxidiert werden. Diese Eigenschaft kann als Nachweisreaktion genutzt werden.
Fehling Probe: Tollens-Probe:
https://de.wikipedia.org/wiki/Reduzierende_Zucker
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11. Biomoleküle: Uronsäuren
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Definition: Uronsäuren sind Carbonsäuren, die formal durch Oxidation der primären Hydroxygruppe von Monosacchariden
zur Carboxygruppe entstanden sind.
https://de.wikipedia.org/wiki/Uronsäuren
Merke: Uronsäuren spielen eine wichtige
physiologische Rolle. Metaboliten werden
durch Salzbildung mit Glucuronsäuren
ausreichend hydrophil, um sie über die Niere ausscheiden zu können.
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11. Biomoleküle: Zuckeralkohole
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Definition: Alditole (auch Zuckeralkohole oder Aldite) sind nichtcyclische Polyole, die sich strukturell als Reduktionsprodukte
von Kohlenhydraten (Zuckern) ableiten.
https://de.wikipedia.org/wiki/Alditole
Eigenschaften: Zuckeralkohole ähneln
im Geschmack der Saccharose. Daher
werden einige Vertreter industriell als
Zuckeraustauschstoffe in diätetischen
Lebensmitteln verwendet.
Gründe:
• keine Erhöhung des
Blutzuckerspiegels
• kein Insulin für den Abbau nötig
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11. Biomoleküle: Halbacetale und die Haworth-Projektion
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
In der Haworth-Projektion (auch Haworth-Formel) werden die Ringatome des Halbacetals in eine Ebene gelegt und das
O-Atom liegt rechts oben (ca. 1 Uhr). Merke: Was bei Fischer links ist, ist oben bei Haworth! (Floh-Regel)
Merke: Stereoisomere
Halbacetale, die sich in
der Konfiguration am
Acetal-C-Atom
unterscheiden, nennt man Anomere
Merke: Die Umwandlung der Anomere ineinander nennt man Mutarotation
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11. Biomoleküle: Pyranosen und Furanosen
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Einige Zucker (z.B. Fructose) bilden Halbacetale unter Aufbau eines 5-gliedrigen (Furanosen) oder 6-gliedrigen Ringes
(Pyranosen) aus. In beiden Formen (Pyranose- und Furanose-Form) entstehen Anomere.
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11. Biomoleküle: Pyranosen und die Sesselkonformation
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Um Informationen zur Konformation von Pyranosen zu erhalten, muss von der Haworth-Projektion in die Sessel-Schreibweise
gewechselt werden. Hierzu kann für die graphische Darstellung vom Cyclohexanring ausgegangen werden.
Merke: Obschon die anomere OH Gruppe bei L-Pyranosen in der 1C4-Konformation
nach unten zeigt, wird die Konfiguration des anomeren C-Atoms als b bezeichnet.
i.d.R. werden D-Pyranosen in der 4C1-Konformation und L-Pyranosen in der 1C4-Konformation gezeichnet
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11. Biomoleküle: Glykoside
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Definition: Glykoside sind organisch chemische Verbindungen der allgemeinen Struktur R–O–Z. In derartigen Strukturen ist
ein Alkohol (R–OH) über eine sogenannte glycosidische Bindung mit einem Zucker (Z) verbunden. Glycoside sind somit
Vollacetale von Zuckern.
Merke: Vollacetale der Glucuronsäuren werden
Glucuronide genannt. Sie spielen bspw. bei der renalen Ausscheidung von Arzneistoffen eine Rolle
Merke: Statt eines O-Atoms können
auch andere Atomsorten an das
anomere C-Atom gebunden sein
• N-Atom N-Glykoside
• C-Atom C-Glykoside
• S-Atom Thioglykosid
• Se-Atom Selenoglykosid
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11. Biomoleküle: Disaccharide
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Allgemein: Die Kondensation eines Monosaccharids mit einem weiteren Monosaccharid führt zu einem Disaccharid. In
Abhängigkeit davon, über welche OH-Gruppen (eines anomer oder beide anomer) eine glykosidische Bindung aufgebaut wird,
werden zwei Typen von Disacchariden unterschieden.
Repräsentative Vertreter: Maltose, Cellobiose, Lactose, Isomaltose
Repräsentative Vertreter: Saccharose, Trehalose
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11. Biomoleküle: Disaccharide – Spezifische Beispiele
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Allgemein: Die Kondensation eines Monosaccharids mit einem weiteren Monosaccharid führt zu einem Disaccharid. In
Abhängigkeit davon, über welche OH-Gruppen (eines anomer oder beide anomer) eine glykosidische Bindung aufgebaut wird,
werden zwei Typen von Disacchariden unterschieden.
Lactose (Typ I, reduzierend) Trehalose (Typ II, nicht reduzierend)
β-D-Galactopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose
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11. Biomoleküle: Polysaccharide
11. Organische Moleküle in lebenden Systemen (Biomoleküle)
Allgemein: Polysaccharide sind Kohlenhydrate, in denen eine große Anzahl (≥ 11) Monosaccharide über eine glycosidische
Bindung verbunden sind.
Amylose
• Stärkebestandteil (20-30%)
• a(1 →4)-glykosidische Bindungen
dominant (geringe Verzweigung)
• linear helikale Struktur (ca. 6
Monomere pro Windung)
Cellulose
• Bestandteil von Zellwänden (ca.
50%)
• hauptsächlich b(1 → 4)-glykosidische
Bindungen
• bestehend aus mehreren 100 bis
>10.000 Monomeren
Amylopektin
• Stärkebestandteil (70-80%)
• hauptsächlich a(1 → 4)-glykosidische
Bindungen
• alle 14-30 Monomere erfolgt eine a(1 6)-
glykosidische Bindung
