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

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Nukleinsäuren

Chemische Funktionalitäten

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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

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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

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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)

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Die Struktur der DNA Nukleinsäuren

Röntgenbeugungsexperimente von Franklin und Wilkins führten zu einem Modell der DNA Struktur

Rosalind Franklin (1920-1958)

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Drawing by Francis Crick Nukleinsäuren

(ca. 1953)

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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“ 14

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

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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

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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 25

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) 28

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

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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 34

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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