Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis - Kapitel
1. Einleitung: Die Chemie des Lebens
2. Kohlenhydrate
3. Lipide und Membranen
4.  Nukleinsäuren
5. Aminosäuren und Proteine
6. Enzyme und Katalyse 7. Vitamine & Kofaktoren
8.  Stoffwechsel I: Kohlenhydratstoffwechsel
9. Stoffwechsel II: Citratcyclus & oxidative Phosphorylierung
10.Stoffwechsel III: β-Oxidation & Aminosäureabbau
11.Stoffwechselphysiologie & Ernährungsbiochemie
1
Marine Biological Laboratories
Woods Hole, MA
2
Biochemische Funktionen
Nukleinsäuren
•  Informationsspeicher
Enthält den Bauplan des Organismus
und dient als Übersetzungsanleitung für die
Synthese von Proteinen
3
Nukleinsäuren
Chemische Funktionalitäten
4
Chemische Funktionalitäten
Nukleinsäuren
Das Grundgerüst bilden die sogenannten Nukleinsäure-Basen.
Diese sind heterocyclische Verbindungen (mind. ein Nicht-C-Atom!)
N
N
N
7
1
3
9
3
1
N
N
Purin
N
H
Pyrimidin
5
Nukleinsäurebasen
Nukleinsäuren
Purin-Basen:
Pyrimidin-Basen:
NH2
N
NH2
N
N
Adenin (A)
N
Cytosin (C)
N
O
X
N
O
X
Uracil (U)
(nur RNA)
HN
O
N
O
N
HN
X
Guanin (G)
H2N
N
O
N
CH3
X
HN
O
Thymin (T)
(nur DNA)
N
dX
6
Ribonucleotide und Desoxyribonukleotide
Nukleinsäuren
Die heterocyclischen Basen werden
N-glykosidisch mit dem anomeren
Zentrum einer Pentose (Ribose,
Desoxyribose) verknüpft:
Nukleotid:
Base + Zucker + Phosphat
Nukleosid:
Base + Zucker
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Struktur der Nukleinsäuren
Nukleinsäuren
Nukleotide können zu RNA (Ribonucleotide) oder
DNA (Desoxyribonucleotide) polymerisiert werden.
Die Polymerisierung erfolgt über
Phosphodiesterbrücken, wobei
die 3’-OH Gruppe mit der
5’-Position
des
nächsten
Nukleotids verbunden wird:
Aufgrund der negativ geladenen
Phosphatgruppen tragen Nukleinsäuren eine mehrfach negative
Ladung (Polyanion).
8
5’-end
3’-end
9
RNA und DNA
Nukleinsäuren
•  Ribonukleotide kommen in der RNA, Desoxyribonukleotide in der DNA vor.
•  Adenin, Cytosin und Guanin sind sowohl in der RNA als auch DNA vertreten.
•  Uracil hingegen kommt nur in der RNA vor und ist in der DNA durch Thymin
ersetzt.
•  DNA bildet eine zweisträngige Doppelhelix während RNA meist als einzelsträngiges Polymer vorliegt.
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Chargaffs Basenkomplementaritätsregel
Nukleinsäuren
•  Erwin Chargaff erkannte in den 1940iger Jahren, dass DNA immer
eine gleiche Anzahl von Adenin und Thymin (A=T) und Guanin und
Cytosin (G=C) enthält („Chargaff-Regel“, A + G = T + C)
•  Die strukturelle Basis dieser Entdeckung blieb allerdings verborgen und
wurde erst durch Franklin, Crick, Watson und Wilkins geklärt. Deren
Entdeckungen, die zu den sog. „Watson-Crick-Basenpaarungen“ führten,
rationalisierten schließlich Chargarffs Regel!
Erwin Chargaff
(1905-2002)
11
Die Struktur der DNA
Nukleinsäuren
Röntgenbeugungsexperimente von
Franklin und Wilkins führten zu einem
Modell der DNA Struktur
Rosalind Franklin (1920-1958)
12
Drawing by Francis Crick
Nukleinsäuren
(ca. 1953)
13
Die Doppelhelix
Nukleinsäuren
Francis Crick
(1916-2004)
James Watson
(1928-
Maurice Wilkins
(1916-2004)
Nobelpreis für Medizin/Physiologie (1962)
Nature, 1953, 171:737-738
A structure for deoxyribose nucleic acid
„It has not escaped our notice that the specific pairity we
have postulated immediately suggests a possible copying
mechanism for the genetic material“
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Spezifische Basenpaarungen
Nukleinsäuren
•  Die Nukleotide in gegenüberliegenden
Strängen bilden spezifische Wasserstoffbrücken
•  Dies wird als komplementäre Basenpaarung
bezeichnet (Watson-Crick-Basenpaare)
•  Das Modell rationalisiert die Chargaff-Regel!
•  Aufgrund der Basenpaarungen kann jeder
Strang als Anleitung für die Synthese eines
neuen komplementären Stranges dienen
(Kopiermechanismus für genetische
Information)
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Watson-Crick-Basenpaarungen
Nukleinsäuren
16
Einige Merkmale der Doppelhelix
Nukleinsäuren
•  Die beiden Einzelstränge winden sich um eine gemeinsame Achse
•  Die beiden Stränge verlaufen antiparallel
•  Beide Stränge sind rechtsdrehend
•  Es bestehen immer A-T und G-C Basenpaarungen
•  Die WW, die die 2 Stränge zusammenhalten sind H-Brücken-Bindungen
zwischen komplementären Basen (GC: 3, AT: 2), bzw hydrophobe π-WW
•  Furchen: durch Verdrehung gibt es Stellen, wo Basen direkt an Oberfläche
liegen  große und kleine Furchen
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Zusammenfassung der DNA-Struktur
Nukleinsäuren
Animation DNA-Struktur:
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/DNA_structure.html
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Die DNA-Doppelhelix trägt die genetische Information
Nukleinsäuren
•  Der DNA-Duplex kann zur Produktion einer
identischen Kopie benutzt werden (Replikation)!
•  Vor einer Zellteilung wird die Doppelhelix dazu
aufgewickelt und jeweils ein komplementärer Strang
erzeugt, d.h. beide Stränge dienen als Vorlage für
die Synthese eines Tochterstranges
•  Anschließend wird eine Kopie an die Tochterzelle
weitergegeben und eine verbleibt in der Elternzelle
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Neusynthese eines Tochterstranges
Nukleinsäuren
20
Replikation im Detail
Nukleinsäuren
Folgestrang
Leitstrang
Durchgehende Synthese: nur von 5`nach 3
Topoisomerase:
Helicase:
Primase:
Polymerase:
Ligase:
entspiralisiert die Doppelhelix
löst die Basenpaarungen
bildet die Primer, die als Ansatzstelle für die Polymerase dienen
Synthese des Tochterstrangs aus Nukleotiden
Verknüpfung kurzer DNA-Stücke (Okazaki-Fragmente)
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Der Zellkern
Nukleinsäuren
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Der menschliche Chromosomensatz
Nukleinsäuren
In den 1990er Jahren wurde das „Human Genome Project“. Ziel: alle menschlichen Gene
(ca. 20.000–25.000) identifizieren und öffentlich zugänglich machen, um damit die
Voraussetzungen für neue diagnostischer Methoden und Therapien zu schaffen.
Mensch besitzt 46 Chromosomen, davon 2 Geschlechtschromosomen (X, Y):
je zwei homologe Chromosomen (Chromosomenpaare) + XX oder XY  diploider Chromosomensatz
1 Chromosom trägt durchschnittlich an die 1000 Gene (140 Mbp).
 Metaphase der Kernteilung (Mitose)
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Psychiatrische Genetik
Nukleinsäuren
Familien-, Zwillings- und Adoptionsuntersuchungen haben gezeigt, dass es eine genetische
Disposition zu schizophrenen und affektiven Erkrankungen geben muss. Durch genomweite
Kopplungsuntersuchungen konnten chromosomale Regionen identifiziert werden, in denen
Dispositionsgene vermutet werden.
Kopplung: gemeinsame Vererbung eines genetischen Markers
mit einem Krankheitsphänotyp innerhalb einer Familie.
Assoziationsansatz: es wird untersucht, ob eine bestimmte
Genausprägung einer Variante häufiger bei Patienten als bei
Gesunden vorkommt.
Vererbbarkeitsschätzungen
Schizophrene Störung:
Bipolar affektive Störung:
Unipolare depressive Störung:
82-84%
80-90%
33-42%
Schizophrene Kopplungs- und Assoziationsbefunde bei
schizophrenen und affektiven Störungen:
Rote Balken:
Blaue Balken:
Grüne Balken:
schizophrene Störungen
bipolare Störungen
unipolare Störungen
Quelle: Genetik schizophrener und affektiver Störungen, BIOspektrum 13:128-133 (2007) 24
Grösse des Genoms ist artspezifisch
Nukleinsäuren
Art
Anzahl Basenpaare (kb)
Virus
Polyoma, SV40 λ Bakeriophage T2, T4, T6 Bacteriophage
Geflügelpest
5.1
48.5
166
280
Bacterien
Mycoplasma genitalium
Escherichia coli Methanococcus jannaschii
Borrelia burgdorferi
580*
4,600
1,660
910
Eukaryonten (haploider Satz!)
Hefe (16 chromosomes)
Drosophila (4 chromosomes)
Arabidopsis thaliana (5 chromosomes) Mensch (23 chromosomes) - *kleinstes Genom
einer freilebenden Art
(ca. 470 Proteine)
12,600
165,000
125,000
2,900,000
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Die zwei Funktionen der DNA
Nukleinsäuren
1. Die DNA dient als Informationsarchiv dessen gesamte Information
an die nächste Generation weitergegeben wird (Replikation)
2. Die zweite Funktion besteht darin,
einen Bauplan für die Biosynthese
von Proteinen zu liefern:
•  Dazu wird zunächst eine RNA-Kopie
eines bestimmten DNA-Abschnitts
hergestellt (Transkription)
•  Anschliessend wird diese sogenannte
messenger-RNA (mRNA)-Sequenz in
eine Aminosäuresequenz umgeschrieben
(Translation)
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Der genetische Code
Nukleinsäuren
Um 20 Aminosäuren spezifizieren zu können muss ein
Code (Codons = Basen-Triplett) verwendet werden.
Jedes Codon steht für nur eine Aminosäure
(siehe Abbildung: Gen- oder Code-Sonne).
Jedoch gibt es für manche Aminosäuren mehr als ein
Codon („degenerierter Code“):
> Diese Codons werden als Synonyme bezeichnet.
AUG und GUG sind sogenannte Startcodons.
UAG, UAA und UGA sind sogenannte Stopcodons.
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Der erste Schritt: Transkription
Nukleinsäuren
•  Für die Herstellung eines Proteins wird zunächst ein Bereich der DNA
abgelesen und in einen komplementären mRNA-Einzelstrang kopiert
•  Dieser kodierende Bereich auf der DNA wird als Gen bezeichnet
messenger-RNA (mRNA)
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Die Struktur der transfer-RNA (tRNA)
Nukleinsäuren
Die tRNA bildet eine Klettblattstruktur mit
intramolekularen „stem-loop“ (Haarnadel) Strukturen:
O
tRNA
O
P
O
Adenine
O
O
H
H
H
H
O
H
OH
C
O
C
R
NH3
Mit dem Anti-Codon dockt die tRNA an
das komplementäre mRNA Codon an
29
Die tRNA bindet an die mRNA
Nukleinsäuren
30
Der zweite Schritt: Translation
Nukleinsäuren
Animation Proteinbiosynthese:
http://student.ccbcmd.edu/immt/PLP/prosynthesis/prosynwithoutsound.html
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Der Ort der Proteinbiosynthese: das RIBOSOM
Nukleinsäuren
Das Ribosom stellt eine Bindestelle für mRNA und tRNA zur Verfügung (enthält
zusätzlich ribosomale-RNA, rRNA)
Das Ribosom ist an der Ausbildung der Peptidbindung beteiligt (Kap. 5)
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Jedes Gen codiert ein Protein
Nukleinsäuren
•  Jedes Gen wird zur Herstellung eines bestimmten Proteins benutzt
•  Durch die Expression
bestimmter Gene kann ein
Organismus auf
Anforderungen reagieren
•  Dadurch verändert sich der
Proteininventar einer Zelle
(„Proteom“) bei konstantem
Genom!
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Antibiotika hemmen die Proteinbiosynthese
Nukleinsäuren
Erythromycin
Chloramphenicol
Bindet an 50S rRNA und hemmt die Bildung der
Peptidbindung
Bindet an die 50S rRNA und verhindert die
Bewegung entlang der mRNA
Streptomycin
Tetracyclin
Verändert die Struktur der 30S rRNA und
verursacht inkorrekte Translation der mRNA
Stört die die Wechselwirkung zwischen dem
Anticodon und dem Codon
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Antibiotika und ihre Wirkorte
Nukleinsäuren
Antibiotikum
Quelle
Aktivität
Wirkungsweise
Penicillin
Penicillium
chrysogenum
Gram +
Zellwandbiosynthese
Cephalosporin
Cephalosporium
acremonium
Breitspektrum
Zellwandbiosynthese
Amphotericin
Streptomyces
nodosus
Pilze
Zellmembran
Erythromycin
Streptomyces
erythreus
Gram +
Proteinbiosynthese
Neomycin
Streptomyces
fradiae
Breitspektrum
Proteinbiosynthese
Streptomycin
Streptomyces
griseus
Gram -
Proteinbiosynthese
Tetracyclin
Streptomyces
rimosus
Breitspektrum
Proteinbiosynthese
Vancomycin
Streptomyces
orientalis
Gram +
Proteinbiosynthese
Gentamycin
Micromonospora
purpurea
Breitspektrum
Proteinbiosynthese
Rifamycin
Streptomyces
mediterranei
Tuberkulose
Proteinbiosynthese
Penicillium
Streptomyces griseus
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Ricin - inaktiviert das Ribosom
Nukleinsäuren
•  Ricin ist eines der giftigsten Pflanzentoxine (etwa die Menge eines
Salzkorns ist tödlich!)
•  Ricin spaltet an einer wichtigen Position eine Purinbase in der rRNA des
Ribosoms ab (Depurinierung). Dies stoppt die Proteinbiosynthese!
Rizinuspflanze
(Ricinus communalis)
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Ricin ist eine „biologische Waffe“
Nukleinsäuren
•  1978 wurde der bulgarische Dissident, Georgi Markov, in London durch
einen mit Ricin präparierten Schirm ermordet!
•  Nach dem 1. Golfkrieg fanden Inspektoren der UNSCOM auf dem
irakischen Territorium grosse Mengen an Ricin
•  Wegen seiner Zugänglichkeit und hohen Toxizität wurde Ricin im Jahr
2001 in die Chemical Weapons Convention (CWC) und Biological and
Toxin Weapons Convention (BTWC) aufgenommen
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