Transcript Biochemie_Teil_9 - Antiinfectives Intelligence

Biologisch wichtige organische
Verbindungen III
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Lipide
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Lipide
• Lipide sind eine große und heterogene Gruppe von
Substanzen, die sich in organischen Lösungsmitteln
wie Methanol, Aceton, Chloroform oder Benzol gut
lösen.
• Dagegen sind sie in Wasser nicht oder nur schlecht
löslich.
• Die geringe Wasserlöslichkeit geht auf einen Mangel
an polarisierenden Atomen wie O, N, S, oder P.
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Einteilung der Lipide
• Hydrolisierbare Lipide (Ester):
• Fette: Triacylglycerole (1 Glycerol + 3 Acylreste)
• Wachse: 1 Fettalkohol + 1 Acylrest
• Sterolester: 1 Sterol + 1 Acylrest
• Phospholipide (enthalten einen Phosphatrest)
• Glycolipide (enthalten ein Kohlenhydrat)
• Sphingolipide (enthalten als Alkohol Sphingosin)
• Nicht-hydrolisierbare Lipide
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Einteilung der Lipide
• Glycerolipide enthalten den dreiwertigen Alkohol
Glycerol.
• Sphingolipide enthalten den Aminoalkohol Sphingosin.
• Am Glycerol und Sphingosin können nicht nur
Fettsäure-Reste hängen:
- Phosphat-Gruppen – Phospholipide
- Kohlenhydrate – Glycolipide
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Fette (Triacylglycerole)
• Fette sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerol (Glycerin) mit
drei Fettsäuren
• Wenn eine einzelne Fettsäure verestert ist, spricht man von
einem Monoacylglycerol.
• Durch Veresterung mit weiteren Fettsäuren kommt man über
Diacyl- zum Triacylglycerol (Triglycerid).
• Triacylglycerol tragen keine Ladung (Neutralfette).
• Die drei Acylreste eines Fettmoleküls können sich in ihrer
Kettenlänge und der Zahl der Doppelbindungen unterscheiden.
• Nahrungsfette enthalten besonders häufig Palmitin-, Stearin-, Ölund Linolsäure.
• Fette sind wichtige Energieträger und werden intrazellulär in
Form von Fetttröpfchen gespeichert.
• Zum Transport sind Fette an Protein gebunden, im Blut z. B. im
Inneren von Lipoproteinen.
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Fettsäuren
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Fette
Glycerol (Trivialname Glycerin),
Propantriol, Propan-1,2,3-triol
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Fette
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Phospholipide
• Phospholipide sind Hauptbestandteil biologischer
Membranen.
• Ihr gemeinsames Merkmal ist ein Phosphat-Rest, der
mit der Hydroxy-Gruppe an C-3 eines Diacylglycerols
oder Acyl-Sphingosins verestert ist.
• Zu den Phospholipiden zählen die
Glycerophospholipide und Sphingophospholipide
• Wegen der Phosphat-Gruppe tragen die
Phospholipide bei neutralem pH mindestens eine
negative Ladung.
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Phosphoglyerolipide
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Phosphoglyerolipide
• Phosphatidylcholin (Lecithin) ist das häufigste
Phospholipid in Membranen
• Cardiolipin kommt nur in Membranen von
Mitochondrien vor.
• Bestimmte Plasmalogene spielen eine Rolle als
Plättchenaktivierender Faktor (PAF) eine Rolle.
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Sphingolipide
• Grundbaustein ist Sphingosin.
• Es ist eine ungesättigte, zweifach hydoxylierte
Kohlenstoffverbindung mit langen aliphtischem Rest.
• Die C-18-Verbindung wird aus Serin und Palmityl-CoA aufgebaut.
• Ceramid ist der Vorläufer aller Sphingolipide.
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Phosphosphingolipide
• Sphingomyelin ist das mengenmäßig wichtigste
Phosphosphingolipid.
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Glycosphingolipide
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Glycosphingolipide
• Glykolipide auf der Zellmembran bilden eine hydrophile Schicht,
die als Glycokalix bezeichnet wird.
• Sie schützt die Zellen vor Verdauung und Aufnahme
unerwünschter lipophiler Substanzen.
• Die Vielfalt der Glykolipide auf der Plasmamembran dient auch
der Zellerkennung und ist verantwortlich für die Ausbildung
verschiedener Blutgruppen.
• Glykolipide auf der Zelloberfläche werden auch von Viren und
bakteriellen Toxinen (z. B. Choleratoxin) als spezifische
Bindungsstellen genutzt, um in die Zellen einzudringen.
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Acetyl-CoA als Grundbaustein der Lipide
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Isoprenoide
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I = Isopren-Einheiten
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Steroide
• Der Steroid-Grundkörper besteht aus vier gesättigten Ringen.
• Manche Steroide tragen am Ende noch eine Seitenkette wie beim
Cholestan, dem Grundkörper der Sterole.
(Cholesterin)
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Cholesterol (Cholesterin)
• Cholesterol kommt in allen tierischen Geweben vor, besonders im
Nervengewebe. Viel Cholesterol enthalten Butter, Eigelb, Fleisch,
Leber und Gehirn.
• Es ist wesentlicher Teil der zellulären Membranen, in denen es
die Fluidität regelt.
• Cholesterol ist Bestandteil der Galle. In der Leber werden aus
Cholesterol die Gallensäuren gebildet.
Steroidhormone
• Steroidhormone sind lipophile Signalstoffe, die u. a. den Stoffwechsel,
das Wachstum und die Reproduktion steuern.
• Der Mensch besitzt 6 Familien von Steroidhormonen: Aldosteron
(Mineralocorticoid), Calcitriol (Calciferol, Vitamin-D-Hormon), Cortisol
(Glucocorticoid), Estradiol (ein Estrogen), Progesteron (ein Gestagen
bzw. Gelbkörperkormon) und Testosteron (ein Adrogen).
Fettlösliche
Vitamine
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Kohlenhydrate
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Kohlenhydrate
• Kohlenhydrate sind natürlich vorkommende Polyalkohole mit
einer Carbonylgruppe (Aldehyde, Ketone), die zusätzlich mehrere
Hydoxy-Gruppen tragen.
• Ursprünglich C n ( H 2 O ) n
C : H2O = 1:1
• Man unterscheidet einfache Zucker (Monosaccharide) und deren
Polymere Oligosaccharide und Polysaccharide
• Man unterscheidet weiterhin Pentosen (5 C-Atome im Kohlenstoffgrundgerüst) und Hexosen (6 C-Atome im Kohlenstoffgrundgerüst)
• Oligosaccharide bestehen aus 2-10 Monosaccharidmolekülen
• Polysaccharide bestehen aus >10 bis mehrere tausend
Monosaccharidmolekülen
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Glucose
• D-Glucose, das wichtigste Monosaccharid, ist
ein aliphatischer Aldehyd mit 6 C-Atomen, von
denen 5 eine Hydrxy-Gruppe tragen.
• Da die C-Atome 2-5 chirale Zentren tragen,
gibt es außer D-Glucose noch 15 weitere
isomere Aldohexosen.
• In der Natur sind allerdigs nur wenige von
Bedeutung.
• Die offenkettige Form der Glucose findet man
in wässriger Lösung nur bei 1% der Moleküle.
• Die Ursache dafür ist eine intramolekulare
Reaktion, bei der sich die Hydroxy-Gruppe an
C-4 oder C-5 an die Aldehydgruppe addiert.
• Dabei entsteht ein zyklisches Halbacetal.
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Glucose
• Bei Aldohexosen reagiert
bevorzugt die OH-Gruppe an C-5.
- Es bildet sich ein 6-gliedriger
Pyran-Ring.
- Zucker, die diesen Ring
enthalten, nennt man
Pyranosen.
• Regiert dagegen die OH-Gruppe
an C-4, entsteht ein 5-gliedriger
Furan-Ring (Furanose).
• Zur Darstellung von
Monosacchariden benutzt man
meist die sogenannte HaworthDarstellung.
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Aldosen
Aldopentosen
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Aldosen
Aldohexosen
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Ketosen
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Desoxyaldosen
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Reaktionen der Monosaccharide
Disaccharide
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Wichtige Polysaccharide
*
*
*Stärke kann aus wasserlöslicher Amylose und wasserunlöslichem Amylopectin bestehen.
Glykogen
Cellulose
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Hyaluronsäure
• Hyaluronsäure ist ein einfach gebautes Glycosaminoglycan.
• Die Disaccharideinheit besteht aus N-Acetylglucosamin und Glucuronsäure, die
abwechselnd 1-4 und 1-3 verknüpft sind.
• Die Moleküle, die einige tausend Monosaccharid-Reste enthalten können, sind helixartig
gewunden.
• Die nach außen gerichteten Carboxylat-Gruppen der Glucurosäure-Reste sind in der
Lage, Ca2+-Ionen zu binden.
• Hyaluronsäure kann kann Wasser bis zum 10.000-fachen des Eigenvolumens fixieren.
• Diese Funktion hat Hyaluronsäure z. B. im Glaskörper des Auges, der ca. 1%
Hyaluronsäure und 98% Wasser enthält.
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Nucleinsäuren
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Nucleinsäuren
• Die Nucleinsäuren spielen eine zentrale Rolle bei der
Speicherung und Expression der genetischen Information.
• Man unterscheidet:
- Desoxyribonucleinsäure (DNS, engl. DNA)
- Ribonucleinsäure (RNS, engl. RNA)
• Nucleinsäuren sind aus Nucleotidbausteinen aufgebaut, die
wiederum aus einer Base, einem Zucker und einem PhosphatRest bestehen.
• DNA und RNA unterscheiden sich in der Art des Zuckers und
einer der Basen.
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Nucleinsäure-Basen
• Die Nucleinsäure-Basen sind aromatische Heterozyklen.
• Man unterscheidet:
- Purin-Basen: Adenin, Guanin
- Pyrimidin-Basen: Cytosin, Thymin (nur DNA),
Uracil (nur RNA)
• In der DNA höherer Organismen tritt in kleinen Mengen auch
5-Methyl-Cytosin auf.
• Eine große Zahl weiterer abgewandelter Basen findet man in der
tRNA und in anderen RNA-Arten.
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Nucleinsäure-Basen
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Nucleoside / Nucleotide
• Verknüpft man eine Nucleinsäure-Base mit Ribose oder
2-Desoxyribose, erhält man ein Nucleosid bzw. DesoxyNucleosid.
• So entsteht z. B. aus Adenin und Ribose Adenosin (A).
• Die entsprechenden Derivate der anderen Basen heißen
Cytidin (C), Guanosin (G), Thymidin (T), Uridin (U).
• In der Zelle ist die 5‘-OH-Gruppe der Zuckerkomponente der
Nucleoside mit Phosphorsäure verestert.
• Beispiel: Aus 2‘-Desoxythymidin (dT) entsteht so das
Mononucleotid 2‘-Desoxythymidin-5‘-monophosphat
(dTMP), ein DNA-Baustein.
• Über Säureanhydrid-Bindungen mit weiteren Phosphat-Resten
erhält man Nucleosid-di- und triphosphate, z. B. ADP und ATP.
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Nucleoside / Nucleotide
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Oligonucleotide / Polynucleotide
• Reagiert der Phosphat-Rest eines Nucleotids mit der 3‘-OH-Gruppe
eines zweiten, entsteht ein Dinucleotid mit PhosphorsäurediesterStruktur.
• Dinucleotide tragen am 5‘-Ende einen freien Phosphat-Rest und am
3‘-Ende eine freie OH-Gruppe.
• Durch Knüpfung weiterer Monosaccharide über
Phosphorsäurediester-Bindungen erhält man zunächst Oligo- und
dann Polynucleotide.
• Zucker und Base sind durch eine N-glycosidische Bindung zwischen
C-1 des Zuckers und N-9 des Purin-Rings bzw. N-1 des PyrimidinRings verknüpft.
• Die Bindung ist stets -konfiguriert.
• Zur Wiedergabe der Basensequenz von Polynucleotiden schreibt
man die Abkürzungen der Nucleosid-Bausteine in 5‘  3‘-Richtung.
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Oligonucleotide / Polynucleotide
Oligonucleotid vom Diester-Typ
RNA (Ausschnitt)
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Ribonucleinsäuren (RNAs)
• RNAs bestehen aus einem Polyribosenucleotid-Molekül („Strang“).
• Alle RNAs werden im Zellkern durch Transkription von DNASequenzen gebildet.
• Ribosomale RNAs (rRNAs) werden mit Ribosomen-Untereinheiten
zusammengebaut.
• Messenger-RNAs (mRNAs) übertragen die genetische Information
vom Zellkern ins Cytoplasma.
• Small nuclear RNAs (snRNAs) sind am Spleißen der mRNAVorstufen beteiligt.
• Transfer-RNAs fungieren in der Translation als Bindeglieder
zwischen den Nucleinsäuren und den Proteinen.
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Ribonucleinsäuren (RNAs)
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Transfer-RNA (tRNAPhe) aus Hefe
• Die Basensequenz und der
Aufbau der für Phenylalanin
spezifischen tRNA ist typisch
für alle tRNAs.
• Das Molekül enthält einen
hohen Anteil an ungewöhnlichen und abgewandelten
Bausteinen wie Pseudouridin
(,Y), Dihyydrouridin (D),
Thymidin (T) und viele
methylierte Nucleotide (*).
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Desoxyribonucleinsäuren (DNAs)
• DNAs sind wie RNAs polymere Moleküle aus Nucleotid-Bausteinen.
• DNA enthält als Zucker Desoxyribose und die Base Thymin
(5-Methyluracil) statt Ribose und Uracil in RNA.
• DNA besteht aus zwei Polydesoxyribose-Molekülen („Strängen“).
• Jede Base in einem Strang ist mit einer komplementären Base im anderen
Strang durch Wasserstoff-Brücken verknüpft.
• Dabei ist Adenin komlementär zu Thymin und Guanin komplementär zu
Cytosin.
• Die beiden Stränge haben unterschiedliche Richtungen und sind außerdem
in Form einer Doppelhelix umeinender gewunden.
• Der zentrale Bereich der DNA-Doppelhelix mit den aromatischen Basen ist
unpolar, die Oberfläche des Rückrats mit den Zucker- und Phosphat-Resten
ausgesprochen polar.
• Zwischen den Windungen findet man zwei Einsenkungen, die sog. „kleine
Furche“ und „große Furche“.
• DNA kommt normalerweise als „B-DNA“ vor.
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Basenpaarung in DNA
Struktur von B-DNA
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Desoxyribonucleinsäuren (DNAs)
• Die DNA dient in allen lebenden Zellen als Speicher für die
genetische Information.
• Bestimmte Abschnitte werden bei Bedarf in RNAs umgeschrieben,
die entweder selbst strukturelle oder katalytische Aufgaben
wahrnehmen oder als Vorlage zur Synthese von Proteinen dienen.
• Im letzteren Fall codiert die DNA die für die Primärstruktur von
Proteinen.
• Die dabei verwendete Sprache hat „4 Buchstaben“ (A,G,C,T).
Daraus lassen sich 64 Wörter („Codons“) aus je drei Buchstaben
bilden, die für eine der 20 proteinogenen Aminosäuren stehen oder
das Ende des Textes signalisieren.
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Struktur von B-DNA
• Die beiden Stränge sind
funktionell nicht äquivalent.
• Der Matrizen-Strang
(„codogene“ Strang) ist
derjenige, der während der
Transkription kopiert wird.
• Der Sinnstrang hat, abgesehen
vom Austausch von T gegen U,
die gleiche Sequenz wie die
mRNA.
• Man ist überein gekommen,
Gensequenzen anzugeben,
indem man die Sequenz des
Sinnstrangs in Richtung
5‘  3‘ liest.
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