Biologisch wichtige organische Verbindungen II

1. Biologisch wichtige organische Verbindungen II

2. Proteine

3. Peptide, Proteine • Die Carboxylgruppe einer Aminosäure kann mit einer Aminogruppe einer Aminosäure unter Wasserabspaltung reagieren (Kondensation). • Die Aminosäuren sind durch Carbonsäureamid-Bindungen zwischen -Carboxy- und -Amino-Gruppe verknüpft. • Die Bindung wird als Peptidbindung bezeichnet, in der alle Atome in einer Ebene liegen, d.h. es entstehen Kettenmoleküle.

4. Peptide, Proteine

5. Peptide, Proteine • Angiotensin II • Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe • DRVYIHPF

6. Peptide, Proteine

7. Struktur der Peptide / Proteine • Proteine sind Moleküle, deren Molekulargewicht 10.000 bis mehrere Millionen u beträgt. • Da sie sehr spezifische Aufgaben (z.B. als Enzyme) haben, liegen Proteine nicht einfach als Ketten vor.

8. -Ala-Gln-Val-Lys-Gly-His-Gly- Lys-Lys-Val-Ala-Asp-Ala-Leu- Thr-Asn-Ala-Val-Ala-His-Val- Aminsäurereste 53-74 der -Untereinheit des Hämoglobins Struktur der Proteine • Primärstruktur: • Hierunter versteht man die Aminosäuresequenz

9. Struktur der Proteine • Sekundärstruktur: • Sind durch Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) stabilisierte Bereiche der Peptidkette mit definierter Konformation. • Die Teilsequenz ist zu einer α-Helix gefaltet. • Die Peptidkette ist hier schraubenförmig gewunden. • α-Helices werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den NH- und CO-Gruppen von Resten, die in der Sequenz jeweils um 4 Positionen voneinander entfernt sind, stabilisiert.

10. Struktur der Proteine • Sekundärstruktur:

11. Struktur der Proteine • Sekundärstruktur:

12. Struktur der Proteine • Tertiärstruktur: • Als Tertiärstruktur bezeichnet man die aus Sekundärstruktur-Elementen und ungeordneten Bereichen aufgebaute, dreidimensionale Konformation eines Proteins.

13. Struktur der Proteine • 4. Quartärstruktur: • Viele Proteine lagern sich aufgrund nichtkovalenter Wechselwirkungen zu symmetrischen Komplexen (Oligomeren) zusammen. Die Komponenten oligomerer Proteine (meist 2-12) bezeichnet man als Untereinheiten oder Monomere. • Im Hämoglobin bilden zwei - (braun) und zwei -Untereinheiten (grün) ein Tetramer.

14. Proteine • Man unterscheidet: • Strukturproteine • Lösliche Proteine

15. Strukturproteine • Faserförmige (fibrilläre) Proteine • Verleihen extrazellulären Strukturen mechanische Festigkeit • Sind am Aufbau des Cytoskeletts* beteiligt *Das Cytoskelett dient u.a. dazu, die Form der Zellen aufrecht zu erhalten.

16. Strukturproteine • -Keratin • Haare (Wolle), Federn, Nägel, Klauen bestehen überwiegend aus Keratin. • Liegt überwiegend -helical gewunden vor • Jeweils zwei Ketten bilden eine linksgängige Superhelix. • Die superhelicalen Keratin-Dimere treten wiederum zu Tetrameren zusammen, die weiter zu Protofilamenten mit einem Durchmesser von 3nm aggregieren. • Acht Protofilamente bilden ein Intermediärfilament mit einem Durchmesser von 10 nm.

17. Strukturproteine • Collagen • In Säugetieren ist Collagen das quantitativ wichtigste Protein.. • Collagen kommt in zahlreichen Formen, vor allem im Bindegewebe vor. • Ein Drittel der Aminosäuren entfällt auf Glycin (Gly) und je 10% auf Prolin (Pro), Hydroxyprolin (Hyp) und Hydroxylysin (Hyl). • In der Sequenz der Collagene wiederholt sich ständig das Triplett Gly-x-y, wobei die Positionen x und y häufig von Pro und Hyp eingenommen werden. • Liegt weitgehend als Tripelhelix vor.

18. Lösliche Proteine • Globuläre Proteine • Sind kugelförmig (globulär) • Besitzen in ihrer aktiven Form eine definierte Raumstruktur (native Konformation) • Zerstört man diese (durch Denaturierung), verschwindet die biologische Wirkung, meist fällt das Protein auch in unlöslicher Form aus. • Die native Konformation wird stabilisiert durch • Wasserstoffbrücken (nicht nur zwischen Sekundärstrukturen, sondern auch zwischen Seitenketten weiter entfernter Reste. • Disulfidbrücken • Komplexbildung mit Metallionen

19. Lösliche Proteine • Globuläre Proteine II • Besonders wichtig für die Proteinstabilität ist der hydrophobe Effekt • In der nativen Form sind die meisten hydrophoben Aminosäurereste im Inneren der Struktur angeordnet, während die Mehrzahl der polaren Aminosäuren in Kontakt mit dem umgebenden Wasser auf der Oberfläche liegt. • Zur Denaturierung kommt es bei extremen pH-Werten, hohen Temperaturen, oder Einwirkung von organischen Lösungen, Detergenzien u.a. Substanzen, z.B. Harnstoff. • Rückkehr zur nativen Form möglich (Bsp. Ribunuclease)

20. Proteinmodifizierung (posttranslational)

21. Proteinmodifizierung (posttranslational) • Findet meist im Endoplasmatschen Retikulum statt • Man schätzt, dass im tierischen Organismus 80% aller Proteine N-terminal acyliert werden, wobei lösliche Proteine meist acetyliert sind. • Glykolisiert werden vor allem extrazelluläre Proteine (z.B. Plasmaproteine [außer Albumin]). • Bei Plasmaproteinen dient die Glykolisierung der Erkennung durch Rezeptoren in der Leber, bei Mucinen (Schleimstoffen) erhöht sie die Wasserbindungsfähigkeit. • Die Phosphorylierung (und Dephosphorylierung) spielt bei der Regulation von Stoffwechsel, Zellproliferation und Zelldifferenzierung eine Rolle. • Die Acetylierung der -Aminogruppe des Lysins ist ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle der Genaktivität. • Auch viele Coenzyme und Cofaktoren sind kovalent mit Lysin verbunden.

22. Funktionen der Proteine • Strukturproteine sind für Form und Stabilität von Zellen verantwortlich. • Transportproteine • Hämoglobin der Erythrozyten (Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen Lunge und den Geweben) • Albumine im Blutplasma transportieren körpereigene und körperfremde Substanzen. • Ionenkanäle und andere integrale Membranproteine vermitteln den Transport von Ionen und Metaboliten durch Membranen. • Abwehrproteine (Immunglobuline, Antikörper) unterstützen die spezifische Immunabwehr.

23. Funktionen der Proteine • Regulatorische Proteine wirken als Signalstoffe (Hormone) oder Rezeptoren. • Katalytische Proteine (Enzyme) • > 2.000 bekannte Vertreter • Massen von 10-15 kDa bis > 500 kDa • Motorproteine - das Zusammenspiel von Actin und Myosin ist für die Muskelkontraktion verantwortlich. • Speicherproteine – 6 kg Muskelprotein können in Hungerphasen als Nährstoffreserve zur Verfügung gestellt werden.

24. Strukturbildung Katalyse Bewegung Regulation Transport Abwehr 10 nm Transsprip- tionsfaktor Funktionen der Proteine DNA Alkohol-Dehydrogenase Histone Glutamin-Synthetase Somatropin-Rezeptor Ionenkanal Somatropin Präalbumin Insulin Collagen- Trippelhelix Immunglobulin F-Actin Hamoglobin Myosin

25. Zusammengesetzte Proteine • Mit Zucker - Glycoproteine • Mit Lipiden - Lipoproteine • Häm - Hämoglobin

26. Glykoproteine • Proteine an der Oberfläche der Plasmamembran sind meist, cytoplasmatische Proteine selten glycosyliert. • Können mehr als 70% Kohlenhydrat enthalten

27. Lipoproteine • Lipoproteine sind Aggregate aus Lipiden und Proteinen (sog. Apoproteine).

28. Hämoglobin • Erythrozyten enthalten den Farbstoff Hämoglobin, der Sauerstoff und Kohlendioxid reversibel bindet. • Annähernd kugelförmiges Molekül • Besteht aus vier gefalteten Polypeptidketten (2 α-Ketten mit je 141 AS und 2 β-Ketten mit je 146 AS), von denen jede ein nahezu ebenes Häm-Molekül gebunden hat.

29. Enzyme • Enzyme sind Biokatalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen. • Es gibt auch Biokatalysatoren, die keine Enzyme sind (Ribozyme, katalytisch aktive RNA) • Jede Zelle verfügt über eine eigene genetisch festgelegte Enzymausstattung, über die koordinierte Reaktionsfolgen entstehen (Stoffwechselwege). • Enzyme sind auch an Regulationsmechanismen beteiligt, die auf diese Weise den Stoffwechsel an veränderte Bedingungen anpassen.

30. Spezifität der Enzyme • Die Wirkung der meisten Enzyme ist hochspezifisch. • Dies bezieht sich auf den Typ der katalysierten Reaktion (Wirkungsspezifität) wie auch auf die Art der Verbindungen, die sie katalysieren (Substratspezifität). • Außerdem sind die meisten Enzyme in der Lage zwischen Stereoisomeren zu unterscheiden (Stereospezifität).

31. * *Km, Michaelis-Konstante Spezifität der Enzymkatalyse

32. Klassifizierung der Enzyme • Sechs Hauptklassen, Unterklassen • EC-Nummer • Lactatreductase (1.1.1.27) • Klasse 1: Oxidreduktasen • 1.1. CH – OH-Gruppe als Elektronendonator • 1.1.1. NAD(P)+ als Akzeptor

33. Klassifizierung der Enzyme • Der Name eines Enzyms setzt sich aus drei Teilen zusammen: • Name des umgesetzten Substrats • Art der katalysierten Reaktion • Silbe -ase als Endung • Lactat-Dehydrogenase

34. Klassifizierung der Enzyme • Oxidreduktasen (Klasse 1) katalysieren Redox-Reaktionen; Übertragung von Elektronen • Transferasen (Klasse 2) übertragen Gruppen, z.B. Amino-Gruppen, Phosphat-Reste • Enzyme der Klassen 1 und 2 benötigen stets Coenzyme • Hydrolasen (Klasse 3) übertragen Gruppen; Akzeptor ist kein Coenzym, sondern ein Wassermolekül • Lyasen (Klasse 4) (je nach bevorzugter Reaktionsrichtung auch als „Synthasen“ bezeichnet) katalysieren die Spaltung oder Bildung chemischer Bindungen. Dabei können Doppelbindungen entstehen oder verschwinden. • Isomerasen (Klasse 5) verschieben Gruppen innerhalb eines Moleküls; keine Änderung der Summenformel • Ligasen (Klasse 6, „Synthetasen“) katalysieren Verknüpfungsreaktionen; sind energetisch an die Spaltung von Nucleosidtriphosphaten (meist ATP) gekoppelt

35. Enzym-katalysierte Reaktion

36. Coenzyme, Cofaktoren • Enzyme, die Gruppenübertragungsreaktionen katalysieren, benötigen in der Regel Coenzyme • Da Coenzyme selbst nicht katalytisch aktiv sind, ist der weniger gebräuchliche Begriff „Cosubstrate“ zutreffender. • Lösliche Coenzyme werden während der Reaktion wie Substrate gebunden, chemisch verändert und wieder frei gesetzt. • Als prosthetische Gruppen bezeichnet man dagegen Coenzyme, die fest an ein Enzym gebunden sind und dieses während der Reaktion nicht verlassen. • Viele Coenzyme sind aromatische Verbindungen, die von tierischen Zellen nicht von Grund auf synthetisiert werden. Ihre Vorstufen müssen daher als Vitamine mit der Nahrung zugeführt werden. • Auch Metall-Ionen können als Cofaktoren von Enzymen dienen. Manche stabilisieren die native Konformation des akiven Zentrums, andere beteiligen sich an Redox-Reaktionen (Spurenelemente).

37. Coenzyme (Auswahl) • Redox-Coenzyme • NAD(P)+/NADH(P) (übertragen Hydrid-Ionen – 2e- und 1 H+) • Flavine (2e- / 2 H+), Ubichinon – Coenzym Q (2e- / 2 H+), Ascorbinsäure – Vitamin C (2e- / 2 H+), Liponamid (2e- / 2 H+), Häm (1e-) • Gruppen-übertragende Coenzyme • Nucleosidphoshate - Übertragung von Phosphatresten (Phosphorilierung) • Coenzym A (enthält Pantothenat) – Übertragung von Acylresten • Tetrahydrofolat – Übertragung von C1-Gruppen

38. NAD(P)+ Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid) Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat) L, lösliches Coenzym

39. Nucleosidphosphate / Coenzym A

40. (Wasserlösliche) Vitamine

41. (Wasserlösliche) Vitamine II