Biochemie

Front 1

Biochemie

Back 1

Wissenschaft von Molekülen und chemischen Reaktionen des Lebens -> grundlegende Mechanismen in allen Lebewesen

Front 2

Elemente

Back 2

Über 90 auf der Erde -> nur 6 essentielle Hauptelemente (C,H,O,N,P,S) und 5 essentielle ionische Elemente und mehrere Spurenelemente

Front 3

Bioelemente

Back 3

Organische Verbindungen -> Alkohole, Aldehyde, Ketone, Carbonsäure, Thiol, Amine

Front 4

Funktionelle Gruppen

Back 4

Hydroxyl (-OH), Carboxylat (Salz, -COO), Acyl (-COR), Carbonyl (-CO), Thiol (-SH), Amino (-NH2/-NH3)

Front 5

Verbindungen

Back 5

Ester (-C(=O)O-), Ether (-CO-), Amid (-C(=O)N-), Phosphodiester (-OP(=O)OO-), Phosphoanhydrid (-P(=O)O-); Makromoleküle unterscheiden sich von ihren Eigenschaften von den Einzelmolekülen

Front 6

Proteine (allgemein)

Back 6

Aus Aminosäuren -> Peptidbindungen

Front 7

Aminosäuren (allgemein)

Back 7

Aus Aminogruppe + Carboxylgruppe + Rest (entscheidet über Namen)

Front 8

Kohlenhydrate (allgemein)

Back 8

Aus Monosaccharide, Aldehyde oder Acetone; unterschiedliche Darstellungen -> Polysaccharide werden gebildet -> Verknüpfungen wichtig für Eigenschaften; es gibt auch Derivate -> Desoxy- -> Austausch von Substituenten

Front 9

Nucleinsäuren (allgemein)

Back 9

Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin, Uracil; Ribose und Desoxyribose entscheidend -> Struktur; beeinflussen Eigenschaften der DNA

Front 10

Lipide und Membran (allgemein)

Back 10

Polarer Kopf, unpolarer Schwanz -> Struktur beeinflusst Membran

Front 11

Makromoleküle

Back 11

Haben organische Vorstufen; sind echte Moleküle -> zusammengehalten von kovalente Bindungen

Front 12

Wasser

Back 12

Ideales Milieu zur Entstehung von Leben; Leben ohne Wasser nicht möglich; in den meisten Zellen ist es das häufigste Molekül

Front 13

Wasser Struktur

Back 13

Wassermolekül ist nicht linear; O mit vier gleichartigen sp3-Hybridorbitalen; tetraedische Form -> Elektronen zweier Orbitale wechselwirken mit je einem H-Atom -> Winkel zwischen besetzten Orbitalen größer durch Abstoßungskräfte

Front 14

Wasser Polarität

Back 14

EN von O größer als EN von H -> ungleiche Ladungsverteilung; O-Atom trägt negative Partialladung, H-Atome tragen positive Partialladung -> Elektronen werden zum O-Atom gezogen; durch gewinkelte Anordnung entsteht konstanter Dipol -> H2O ist polar; bei Ammoniak (NH3-) ähnlich; polare Bindung + gewinkelte Anordnung -> für Dipol nötig

Front 15

Polarität linearer Bindungen

Back 15

Zum Beispiel CO2 (O=C=O); Polarität der beiden kolinearen Bindungen geben sich auf -> nicht polar

Front 16

Wasserstoffbrückenbindung

Back 16

Anziehung zwischen partiell positiv geladenem H-Atom eines Wassermoleküls und partiell negativ geladenem O-Atom; H-Atom muss kovalent an ein Atom mit ausreichend hover EN gebunden sein (zum Beispiel N, S, O), muss sehr dicht von anderem Atom mit hoher EN und mindestens einem freien Elektronenpaar entfernt sein; ein Wassermolekül kann bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden -> O-Atom dient mit zwei freien Elektronenpaaren dient als H-Akzeptor für zwei H-Atome -> jede OH-Gruppe fungiert als H-Donator; am stabilsten, wenn donator und Akzeptor annähernd auf einer Geraden liegen

Front 17

Dichteanomalie

Back 17

Wenn Temperatur unter 4*C fällt, dehnt sich das noch immer flüssige Wasser wieder aus -> wird durch spezielles System von vier Wasserstoffbrückenbindungen an jedem H2O-Molekül verursacht -> räumlich offenere Struktur desvKristallgitters; Eis hat daher geringere Dichte als Wasser

Front 18

Wasser als Lösungsmittel

Back 18

Polare und ionische Substanzen können mit den polaren Wassermolekülen wechselwirken -> können in Wasser gelöst werden -> hydrophil; O-Atome können sich an partiell positiv geladene Kationen, H-Atome N negativ geladene Anionen von Elektrolyten anlagern; Anionen und Kationen werden durch elektrostatische Kräfte zusammengehalten (zum Beispiel NaCl) -> Wassermoleküle schwächen Wechselwirkungen so stark, dass der Kristall sich auflöst -> alle gelösten Anionen und Kationen sind von Solvatationssphäre (bei Wasser Hydrathülle) umgeben; Wasserlöslichkeit wird durch Anzahl der polaren Gruppen an den Molekülen einer Verbindung beeinflusst -> auch abhängig vom Verhältnis von polaren Gruppen zu unpolare Gruppen in einem Molekül; zum Beispiel Glucose ist durch 5 Hydroxylgruppen und einem O-Atom gut löslich

Front 19

Hydrophober Effekt

Back 19

Wassermoleküle neigen dazu, mit anderen Wassermolekülen in Wechselwirkung zu treten anstelle von nichtpolaren Substanzen -> unpolare Teile werden „ausgeschlossen“, müssen untereinander assoziieren; unpolare Moleküle = hydrophhob -> Ausschluss von unpolaren Substanzen durch Wasser = hydrophober Effekt; entscheidend für Proteinfaltung und Selbstfaltung biologischer Membranen

Front 20

Amphipathische Substanzen

Back 20

Mit hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften; auch Detergenzien (hydrophobe Kette mit mindestens 12 C-Atomen und ionisches/polares Ende) -> lagern sich ab bestimmter Konzentration zu Mizellen zusammen -> kein normaler Lösungsvorgang -> Solubilisierung

Front 21

Autoprotolyse

Back 21

=Ionisierung; Wasser hat schwache Tendenz zur Ionisierung; reines Wasser aus H2O-Molekülen und niedriger Konzentration an Hydroniumionen (H3O+) und Hydridionen (OH-) -> letztere in gleicher Konzentration -> werden durch Nucleophils Angriff des O-Atoms eines Wassermoleküls auf ein H-Atom eines benachbarten Wassermoleküls gebildet; Hydroniumionen (H3O+) können ein Proton auf anderes Ion/Molekül übertragen -> Protonendonator = Säure; Hydroxidionen (H2O-) können durch Aufnahme eines Protons wieder in ein Wassermolekül umgewandelt werden -> Protonenakzeptor = Base; => Wasser kann als Säure und Base reagieren; kann quantitativ analysiert werden -> Gleichgewichtsreaktion -> Gleichgewicht stellt sich schnell ein -> Kgl = ([H+][OH])/H2O = Gleichgewichtskonstante -> Kw= 2[H+] = 1*10^-14 -> Kw ist Konstante; beim Lösen einer Säure in Wasser steigt die Protonenkonzentration, aber Konzentration der Hydroxidionen (OH-) sinkt gleichzeitig

Front 22

pH-Wert

Back 22

Negativ dekadischer Logarithmus der Protonenkonzentration; Maß für die Acidität

Front 23

Neutrale Lösungen

Back 23

pH-Wert = 7,0 -> in reinem Wasser ist [H+]=[OH-]=1*10^-7 M -> -log (10^-7)=7,0 -> reines Wasser ist neutral weil Konzentration der positiv geladenen Protonen und der negativ geladenen Hydroxidionen gleich sind

Front 24

pH-Skala

Back 24

pH-Wert ist umso kleiner je größer die Konzentration an H+-Ionen ist; pH-Wert ist umso größer, je geößer die Konzentration an OH- -Ionen ist

Front 25

Säuredissoziationskonstante

Back 25

Ks; Gleichgewichtskonstante der Dissoziation eines Protons von einer Säure in wässriger Lösung -> Werte nummerisch klein -> pKs-Wert -> dem pH-Wert analoge logarithmische Größe; Maß für die Säurestärke -> wie leicht das Proton abgegeben wird; Säure ist umso stärker, wenn -I-Effekt vorhanden ist, je stabiler (schwächer) die korrespondierende Base ist, wenn das elektronegativere Atom das dissoziierende H-Atom trägt (bei Atomen gleicher Größ), wenn wenn das größere Atom das H-Atom trägt, je niedriger die Standardreaktionsenthalpie ist, je instabiler das Säurenolwkül ist

Front 26

Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Back 26

pH=pKs+log([Protonenakzeptor]/[Protonendonator]); zum Bestimmen des endgültigen pH-Werts der Lösung einer schwachen Säure, nachdem sich das Dissozistionsgewicht eingestellt hat -> wenn Konzentration von schwacher Säure und konjugierter Base gebauchtere gleich ist, entspricht pH-Wert dem pKs-Wert der schwachen Säure

Front 27

Titrationskurve

Back 27

bei einwertigen Säuren; Henderson-Hasselbalch-Gleichung beschreibt einen Teil de Verlaufs von Säure-Base-Titrationskurven; x-Wert=pH-Wert, x-Werte = Konzentration der (starken) Base, Kurve=pH-Wert der Mischung der (schwachen) Säure mit der (starken) Base -> Wendepunkt = pH-Wert = pKs-Wert, Endpunkt = pH-Wert der Gesamtlösung; pH-Werte einer Lösung hängt direkt vom Verhältnis [A-]/[HA] ab; bei bekannten pKs-Wert können mithilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung die Konzentration der undissoziierten Säure und ihrer konjugierten Base berechnet werden, die zur Einstellung eines bestimmten pH-Werts notwendig sind -> Grundlage zur Herstellung von Pufferlösungen mit definierten pH-Wert

Front 28

Einwertige Säuren

Back 28

Besitzen genau ein acides (auf Basen übertragbares) Proton

Front 29

Titrationskurve einer dreiwertigen Säure

Back 29

Dissoziation des ersten Protons erfolgt leicht und praktisch vollständig -> niedriger pKs-Wert -> wegen der einfach/zweifach negativen Ladung werden das zweite und dritte Proton weniger leicht abgegeben -> höhere pKs-Werte

Front 30

Pufferlösungen

Back 30

Der pH-Wert einer Lösung bleibt bei Zugabe kleiner Mengen einer starken Säure oder Base annähernd konstant; Pufferkapazität - Ausmaß dieser Fähigkeit; effektivste Pufferung, wenn Konzentration der undissoziierten Säure und ihrer konjugierten Base gleich sind -> wenn pKs-Wert=pH-Wert

Front 31

Kohlenhydrate

Back 31

Moleküle auf C-Basis mit vielen Hydroxylgruppen; Monosaccharide sind kleinste Einheiten -> Formel (CH2O)n, n=3-9 -> bilden Monomere größerer Kohlenhydratmoleküle; Oligosaccharide sind Polymere mit 2-10 Monosaccharidresten; Polysaccharide mit >20 Monosaccharidresten; bei Oligo-/Polysacchariden ist Verknüpfung der Monomere über Wasserabspaltung -> =Glycane -> Homo-/Heteroglycane; Abbau liefert 50% der vom Organismus benötigten Energie; Glycogen ist wichtiger intrazellulärer Energiespeicher; können in Lipide umgewandelt werden; dienen der Biosynthese von nichtessentiellen Aminosäuren, Nucleotiden und Nucleinsäuren; Proteoglycane bilden größten Teil der extrazellulären Matrix; Glycoproteine wichtig in der Zell-Zell-Erkennung

Front 32

Monosaccharide

Back 32

Polyhydroxyaldehyde = Aldosen; Polyhydroxyketone = Ketosen; enthalten mindestens 3 C-Atome -> eins ist Carbonyl-C-Atom, andere tragen Hydroxylgruppen; Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen, Heptosen -> abhängig von Anzahl der C-Atome; wasserlösliche, weiße, kristalline Feststoffe

Front 33

Triosen

Back 33

Kleinste Monosaccharide; zentrales C-Atom von Glycerinaldehyd (Carbonylgruppe an C1) ist asymmetrisch substituiert -> chiral; Dihydroxyaceton (Ketose) ist achiral

Front 34

Zusammenhang von Nomenklatur und Lichtdrehung

Back 34

D-Konfiguration - letztes chorales C-Atom steht rechts -> bei natürlich vorkommenden Zuckern; kein vorhersagbarer Zusammenhang zwischen absoluter Konfiguration und tatsächlicher Richtung, in der die Substanz die Polarisationsebene des polarisierten Lichtes dreht

Front 35

Cyclisierung von Aldosen und Ketosen

Back 35

Viele Kohlenhydrate liegen in Lösungen und Zellen in Ringform vor; chemische Grundlage für Ringbildung - Aldehyd reagiert mit Alkohol zum Halbacetal (Keton mit Alkohol zu Halbketal); Carbonyl-C-Atom einer Aldose mit mindestens 5 C-Atomen/Ketose mit >6-C-Atomen kann mit Hydroxylgruppe desselben Moleküls intramolekular zu cyclischem Halbacetal/-ketal reagieren -> O-Atom der Hydroxylgruppe wird zu Ringatom des 5-/6-gliedrigen Rings -> a-/ß- Pyranosen/Furanosen entstehen; anomeres C-Atom/Zentrum - ursprüngliches Carbonyl-C-Atom, mit 2 O-Atomen kovalent gebunden -> asymmetrisch substituiert -> kann 2 verschiedene Konfigurationen annehmen -> a/ß -> liegen im Gleichgewicht vor -> können durch Mutarotationen ineinander übergehen

Front 36

Konformationen von Monosacchariden

Back 36

Monosaccharidringe können nicht wirklich planar sein -> cyclische Monosaccharide können verschiedene Konformationen haben -> verschiedene 3D-Strukturen mit derselben Konfiguration -> Haworth-Projektion, Sesselkonformation, Bootkonformation

Front 37

Reduzierende Wirkung von Monosacchariden

Back 37

Können leicht zu verschiedenen Produkten oxidiert werden -> enthalten als Halbacetale reaktive Carbonylgruppen => solche Kohlenhydrate werden reduzierende Zucker genannt

Front 38

Derivate der Monosaccharide

Back 38

Viele Derivate -> zum Beispiel Zuckerphosphate, Desoxyzucker, Aminozucker, Zuckeralkohole, Zuckersäuren -> oft mit allgemein anerkannten Abkürzungen

Front 39

Zuckerphosphate

Back 39

Bei Stoffwechselwegen werden Monosaccharide oft in Phosphatester umgewandelt; Triosephosphate, Ribose-5-Phosphat, Glucose-6-phosphat -> einfache Alkohol-Phosphatester; Glucose-1-phosphat -> Phosphat eines Halbacetals -> reaktiver als Alkoholphosphat

Front 40

Desoxyzucker

Back 40

Haben anstelle einer Hydroxylgruppe ein H-Atom; 2-Desoxy-D-Ribose ist wichtiger DNA-Baustein

Front 41

Aminozucker

Back 41

Haben anstelle einer Hydroxylgruppe eine Aminogruppe -> oft acetyliert

Front 42

Zuckeralkohole

Back 42

Carbonylgruppe des Stammsaccharids ist zu Alkohol reduziert; Glycerin und myo-Inositol sind bedeutende Komponenten von Lipiden

Front 43

Zuckersäuren

Back 43

Von Aldosen abgeleitete Carbonsäuren -> entstehen durch Oxidation von C1 (Aldehydgruppe) zu Aldonsäure oder durch Oxidation des C-Atoms mit höchster Nummer (primärer Alkohol) zu Alduronsäure

Front 44

Ascorbinsäure

Back 44

Zuckersäure; L-Ascorbinsäure ist Endiolaceton des D-Gluconat -> Esterbindung zwischen Hydroxy- und Carboxygruppe desselben Moleküls -> unter Kondensation entsteht Ring => intramolekulare, cyclische Ester von Hydroxycarbonsäuren

Front 45

Glycosidische Bindung

Back 45

Acetalische Verknüpfung -> anomeres C-Atom eines Zuckers ist mit Alkohol, Amin oder Thiol kondensiert; häufigste/wichtigste strukturelle Verbindung in allen Polymeren von Monosacchariden; O-Glycoside, N-Glycoside oder S-Glycoside entstehen

Front 46

Nucleoside (Glucoside)

Back 46

Neben Oligo- und Polysacchariden, häufigsten biologische Glykoside; Purin/Pyrimidin über sekundäre Aminogruppen mit ß-D-Ribofuranose/ß-D-Desoxyribofuranose-Einheiten verbunden

Front 47

Oligosaccharide

Back 47

Kohlenhydrate aus mehreren (gleichen/verschiedenen) Monosacchariden -> durch glycosidische Bindungen miteinander verknüpft; Anzahl der Monosaccharideinheiten ist nicht klar definiert -> meist aus <10 Monosaccharideinheiten

Front 48

Disaccharide

Back 48

Entsteht wenn anomeres C-Atom eines Monosaccharids mit Hydroxylgruppe eines anderen Monosaccharids zum Acetal reagiert -> Glycosid entsteht; systematische Nomenklatur berücksichtigt Monosaccharideinheiten und Art der Verknüpfung -> bestimmen beide die Eigenschaften; Cellobiose (Glucose-ß-(1->4)-Glucose; reduzierend), Lactose (Galactose-ß-(1->4)-Glucose; reduzierend), Maltose (Glucose-a-(1->4)-Glucose; reduzierend), Isomaltose (Glucose-a-(1->6)-Glucose; reduzierend), Saccharose (Glucose-a-(1->2)-ß-Fructose; nicht reduzierend), Trehalose (Glucose-a,a‘-(1->1)-Glucose, nicht reduzierend)

Front 49

Reduzierende Wirkung von Disacchariden

Back 49

Haben reduzierende Wirkung wenn Verknüpfung der zwei Monosaccharide über anomeres C-Atom mit nicht-anomerer alkoholischer Gruppe geschieht -> nicht-reduzierendes Ende am Acetal, anomeres Zentrum des zweiten Monosaccharids bleibt frei (reduzierendes Ende)

Front 50

Polysaccharide

Back 50

Kohlenhydrate aus vielen (>10) gleichen/verschiedenen Monosacchariden -> durch glycosidische Bindungen miteinander verbunden; Homoglycane - aus gleichen Monosacchariden; Heteroglycane - aus unterschiedlichen Monosaccharideinheiten (oft alternierend)

Front 51

Stärke und Glykogen

Back 51

Glucose wird in allen Spezies synthetisiert -> überschüssiges Glucose kann abgebaut werden zur Energiegewinnung oder in Form von Polysacchariden zwischengespeichert werden -> in Pflanzen und Pilzen in Form des Homoglycans Stärke, in Tieren in Form von Glykogen, in Bakterien in beiden Speicherformen

Front 52

Stärke

Back 52

Aus Amylose und Amylopektin; Amylose ist unverzweigtes Polymer aus ~100-1000 D-Glucoseresten; Amylopektin ist verzweigte Version der Amylose, aus 300-600 Glucoseresten

Front 53

Glycogen

Back 53

Verzweigtes Polymer aus Glucoseresten -> nicht gleiche Verknüpfungstypen, wie im Amylopektin -> aber Seitenketten deutlich kürzer und Verknüpfungspunkte häufiger; enthält <50.000 Glucosereste -> größer als Amylopektin

Front 54

Abbau von Stärke und Glycogen

Back 54

Rohe Stärkekörner widerstehen enzymatischer Hydrolyse; als Endoglycosidase spaltet a-Amylase glycosidische Bindung innerhalb der Polymerkette -> andere Hydrolase ß-Amylase wirkt als Exoglycosidase -> katalysiert Hydrolyse der vorletzten glycosidischen Bindung von Polysaccharidketten -> ermöglicht Abspaltung von Maltose; a- und ß-Amylase spalten nur a-(1->4)-D-glycosidische Bindungen -> nach Hydrolyse bleiben hochverzweigte Kernabschnitte (Grenzdextrine) zurück -> a-(1->6)-D-glycosidische Bindungen können durch Amylo-1,6-glycosidase (a-Dextrinase) aufgebrochen werden -> verzweigte Strukturen der Amylopektin- und Glycogenmoleküle besitzen je nur ein reduzierendes Ende und viele nicht reduzierende Enden -> an nicht reduzierenden Enden ist enzymatischer Abbau und enzymatische Verlängerung der Polymerkette

Front 55

Cellulose

Back 55

Dient als Strukturpolysaccharid; ist eines der Hauptkomponenten der starren Zellwand bei Pflanzenzellen; ist wie Amylose ein unverzweigtes Polymer aus Glucoseresten -> hier durch ß-(1->4)-D-glycosidische Bindungen verknüpft; Größe variiert ~300-15000 Glucoseresten; häufigstes Polysaccharid der Erde; ß-Verknüpfung führt zur starren, gestreckten Konformation -> Glucosereste je um 180* gegeneinander verdreht; Bindungen von Bündeln, Fibrillen und Fasern durch Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb und zwischen den Celluloseketten verbunden

Front 56

Chitin

Back 56

Strukturhomoglycan; Hauptbestandteil des Exoskeletts von Insekten, Krusten- und Krebstieren und Zellwänden vieler Pilze und Algien; aus linearen, unverzweigten Ketten von ß-(1->4)-glycosidisch verknüpften GlcNAx-Resten -> sind zueinander um 180* verdreht; Stabiöisierung durch Wasserstoffbrückenbindungen

Front 57

Glycokonjugate

Back 57

Aus Polysacchariden, die mit Proteinen/Peptiden/Lipiden verknüpft sind -> meistens sind Polysaccharide Heteroglycane

Front 58

Proteoglycane

Back 58

Komplexe aus Proteinen und Glycosaminoglucanen (Polysacchariden-Klasse); vor allem in extrazellulärer Matrix des Bindegewebes von Tieren; die sich wiederholenden Disaccharideinheiten der Glycosaminglycane bestehen aus einem Aminozucker und einer Alduronsäure; Heteroglycanketten sind meist über glycosidische Bindungen kovalent mit Hydroxylgruppen von Serinresten des Proteinmoleküls verknüpft

Front 59

Peptidoglycane

Back 59

In Zellwänden vieler Bakterien; Heteroglycan-Komponente ist mit kleinem Peptid assoziiert -> Peptid aus 4-5 Aminosäuren aufgebaut -> Heteroglycan-Komponente aus alternierenden Resten von GlcNAc und N-Acetylmuraminsäure (MurNAc), die über ß-(1->4)-glycosidische Bindungen verknüpft sind

Front 60

Glucoproteine

Back 60

Vielfältige Gruppe von Proteinen -> zum Beispiel Entyme, Hormone, Strukturproteine und Transportproteine; glycosierte Proteine; Länge der Kohlenhydratkette ~1-30 Reste; große strukturelle Vielfalt; Oligosaccharidketten meistens durch O-/N-glycosidische Bindungen mit den Proteinen assoziiert; mehr Protein als Zucker

Front 61

Lipide Funktion

Back 61

Sehr vielfältig; wichtig bei Ausbildung von Membranen; dienen als Speichermoleküle; bei Tieren wichtig zur thermischen Isolation und Polsterung; Wachse (in Zellwänden, Exoskeletten, Häute) bilden Oberflächenschutz; zum Teil spezialisierte Funktionen; manche wichtig zur Zell-Zell Erkennung

Front 62

Fettsäuren Struktur und Nomenklatur

Back 62

Aus Carboxylgruppe, an die sich eine lange CH-Kette anschließt; Nummerierung der C-Atome beginnt beim Carboxyl-C-Atom; Trivialnomenklatur - C-Atome neben Carboxyl-C-Atom wird mit a gekennzeichnet -> anschließend griechisches Alphabet; das am weitesten von Carboxylgruppe entfernte C-Atom heißt unabhängig von Länge der Kette w-C-Atom; Kurzschreibweise - beginnt mit zwei durch Doppelpunkt getrennte Zahlen => Anzahl C-Atome:Anzahl Doppelbindungen -> Bindedtrich -> ^n,m,… (kennzeichnet Position der Doppelbindungen; ungesättigte Fettsäuren können auch durch Abstand der letzten Doppelbindung zum Kettenende (zum w-C-Atom) beschrieben werden; Zahl der Fettsäuren meistens 12-20 -> fast immer gerade durch Fettsäuresynthese

Front 63

Wichtige Fettsäuren

Back 63

Buttersäure (4:0,Butansäure), Capronsäure (6:0, Hexansäure), 8:0 Caprylsäure (Octansäure), 10:0 Caprinosäure (Decansäure), 12:0 Laurinsäure (Dodecansäure), 14:0 Myristinsäure (Tetradecansäure), 16:0 Palmitinsäure (Hexadecansäure), 18:0 Stearinsäure (Octadecansäure), 20:0 Arachinsäure (Eicosan-/Icosansäure), 16:1-^9 Palmitoleinsäure ((9Z)-Hexadeca-9-ensäure) 18:1-^9 Ölsäure ((9Z)-Octadeca-9-ensäure), 18:2-^9,12 Linolsäure ((9Z,12Z)-Octadeca-9,12-diensäure), 18:3-^9,12,15 Alpha-Linolensäure ((9Z,12Z,15Z)-Octadeca-9,12,15-triensäure), 18:3-^6,9,12 Gamma-Linolensäure ((6Z,9Z,12Z)-Octadeca-6,9,12-triensäure), 20:4-^5,8,11,14 Arachidonsäure ((5Z,8Z,11Z,14Z)-Eicosa-5,8,11,14-tetraensäure)

Front 64

Fettsäure Struktur

Back 64

Krümmungen in ungesättigten Fettsäuren verhindern dichte Packung der Moleküle im Kristall und umfangreiche van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den C-Ketten -> ungesättigte cis-Fettsäuren (Molekül ist geknickt) haben niedrigeren Schmelzpunkt als gesättigte Fettsäuren

Front 65

Fettsäure Struktur

Back 65

Krümmungen in ungesättigten Fettsäuren verhindern dichte Packung der Moleküle im Kristall und umfangreiche van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen den C-Ketten -> ungesättigte cis-Fettsäuren (Molekül ist geknickt) haben niedrigeren Schmelzpunkt als gesättigte Fettsäuren -> steigt bei gesättigten Fettsäuren mit Kettenlänge -> sinkt mit Anzahl der Doppelbindungen; Trans-Fettsäuren treten natürlich kaum auf (Molekül ist gestreckt)

Front 66

Triaglycerine

Back 66

Gehören zu den Fettsäuren; neutrale Lipide; dienen als Fettsäurespeicher; C-Atome der Fettsäuren haben niedrigere Oxidationsstufe als Proteine/Kohlenhydrate -> ihre Oxidation liefert mehr Energie; Glycerin bildet Rückgrat -> ist mit drei Fettsäureresten verestert; verseifbare Lipide -> lassen sich durch Hydrolyse in Fettsäuren und Glycerin spalten (Umwandlung in Seifen); Wasserunlöslich -> zur Verdauung sind Gallensalze nötig; Verseifungsanzahl (VZ) ist chemische Kennzahl zur Charakterisierung von Fetten und Ölen -> zur Reinheitsprüfung und Qualitätskontrolle -> Maß für die in einem Gramm Fett vorkommenden gebundenen und freien Säuren; alle Lipide mit Esterbindung sind verseifbar

Front 67

Glycerophosphorlipide

Back 67

Gehören zu den Fettsäuren; umfassen Plasmalogene und Phosphatidate; häufigste Lipide in den meisten Membranen

Front 68

Phosphatidate

Back 68

Glycerin bildet Rückgrat -> mit zwei Fettsäureresten und einer derivatisierten Phosphatgruppe verestert; Derivate von L-Glycerin-3-Phosphat; derivatisierte Phosphatgruppe kann unterschiedlich verestert sein; Namen beziehen sich auf Substanzfamilien, nicht auf spezifische Verbindungen -> viele verschiedene Kombinationen von Fettsäure-Acylgruppen möglich; verschiedene Phospholipasen katalysieren selektiv Spaltung der Esterbindungen am C1/C2, Phosphosäurediesterbindung zum Glycerinrest / hydrophilen Gruppe

Front 69

Plasmalogene

Back 69

CO-Kette ist am C1 des Glycerinrückgrates über Vinylethergruppe mit dem Glycerinmolekül verknüpft; Etherlipide; >10% der Phospholipide der Muskeln und Gehirns

Front 70

Sphingolipide

Back 70

Nach Glycophospholipiden häufigste Lipide in pflanzlichen und tierischen Membranen -> in Säugetieren viel im zentralen Nervensystem; nicht in Bakterien; gehören zu Fettsäuren; verseifbare Lipide; Rückgrat aus langkettigen, zweiwertigen C18-Alkohol mit Aminogruppe am C2 und Trans-Doppelbindung zwischen C4 und C5 => Sphingosin

Front 71

Ceramide

Back 71

Bilden metabolische Vorstufen aller Sphingolipide; aus Sphingosin-Grundgerüst, dessen C2-Aminogruppe mit einer Fettsäure-Acylgruppe über Amidbindung verknüpft ist; von Ceramiden werden 3 Hauptgruppen von Sphingolipiden abgeleitet -> Sphingomyeline, Cerebroside, Ganglioside

Front 72

Sphingomyeline

Back 72

Leiten sich von Ceramide durch Verknüpfung der C1-Hydroxylgruppe mit Phosphocholinrrest ab; nur diese erhalten Phosphatgruppe -> zählen auch zu den Phospholipiden; in Plasmamembranen der meisten Säugetierzellen und Hauptkomponente der Myelinscheiden

Front 73

Cerebrosoide

Back 73

Enthalten einen Monosaccharidrest => Glycosphingolipide; Galactocerebrosoide (=Galactosylamide) besitzen einzelnen ß-D-Galactosylrest als polare Kopfgruppe; reichlich in Nervengewebe

Front 74

Ganglioside

Back 74

C1 der Ceramid-Komponente ist mit ß-Glycosidrest verbunden -> dieser ist mit ß-Galactosylrest verknüpft; enthalten einen N-Acetylneuraminsäurerest (NeuNAc/Sinalinsäure) -> NeuNAc verleiht Kopfgruppe bei physiologischen pH-Werten durch negative Ladung der Carboxylgruppe einen anionischen Charakter; auf der Oberfläche von Zellen -> vor allem im Nervensystem; hydrophobe CH-Ketten in Plasmamembran verankert, Oligosaccharidkette ragt auf extrazellulärer Seite aus der Membran heraus

Front 75

Wachse

Back 75

Unpolare Ester aus langkettigen Fettsäuren und langkettigen einwertigen Alkoholen; verseifbare Lipide; dienen als wasserfeste Schutzschichten auf Blättern, Früchten, Haut, Fell, Federn und Exoskelett; gehören zu den Fettsäuren

Front 76

Eicosanoide

Back 76

Oxidierte Derivate von mehrfach ungesättigten C20-Fettsäuren; hydrophobe hormonähnliche Substanzen -> wirken als Immunmodulatoren und Neutotransmitter, sind an entzündlichen Prozessen beteiligt; Dihomogammalinolensäure und Eicosapentaenure - „gute“ Eicosanoide; Archidonsäure - „böse“ Eicosanoide

Front 77

Laterale Diffusion - Lipide

Back 77

Lipidmembranen verhalten sich wie 2D Flüssigkeiten -> Lipidmoleküle können sich innerhalb einer Schicht bewegen (laterale Diffusion) -> durch Versuch der Fluoreszenzwiedererlangung nach Photobleichung kann Geschwindigkeit untersucht werden => sehr schnell

Front 78

Laterale Diffusion - Proteine

Back 78

Können auch wandern -> deutlich langsamer als Lipide; diffundieren unterschiedlich und manchmal fast gar nicht

Front 79

Laterale und Transversale Diffusion - (Flüssigmosaikmodell)

Back 79

Lateraldiffusion von Lipiden relativ schnell, Transversaldiffusion (Flip-Flop-Diffusion) von Lipiden sehr langsam; Membran wird als 2D Lösung gerichteter Lipide und globulärer Proteine dargestellt -> LDS dient als Lösungsmittel für integrale Membranproteine und als Permeabilitätsbarriere

Front 80

Membranfluidität

Back 80

Flüssigkeitsähnliche Eigenschaften abhängig von Flexibilität ihrer Fettsäureketten -> gesättigte Fettsäuren haben bei tiefen Temperaturen Gestreckte Konformation und bilden kristalline Struktur mit maximalen Van-der-Waals-KontKten zwischen den Ketten

Front 81

Isoprenoide

Back 81

Struktur kann vom C5-Alken Isopren abgeleitet werden; umfasst Terpene, Steroide und fettlösliche Vitamine; nicht verseifbare Lipide -> keine Esterbindung

Front 82

Terpene

Back 82

Name von Terpentin abgeleitet -> natürliches Gemisch aus Harz und ätherischen Ölen; enthalten alle Isopren; Gruppen nach Anzahl der Isopreneinheiten (Isopreneinheiten zählen als halbes Terpen) -> Hemiterpene, Monoterpene, Sequiterpentene, Diterpene, Sesterpene, Triterpene,…,Tetraterpene, Polyterpene (>8 Isopreneinheiten)

Front 83

Steroide

Back 83

Vor allem in Membranen von Eukaryonten und selten in Bakterien; enthalten vier kondensierte Ringe -> drei C6-Ringe (mit A,B,C gekennzeichnet) und einen C5-Ring (mit D gekennzeichnet) -> leitet sich vom Triterpen Squalen ab (aus 6 Isopreneinheiten) => biosynthetische Vorstufe der meisten Steroide; zum Beispiel Cholesterin

Front 84

Lipoproteine

Back 84

Verantwortlich für Transport von Cholesterin/estern und Triacylglycerinen im Blut -> transportieren Lipide von der Leber zu den Zellen und zurück; LDL (low density lipoprotein) - cholesterinreich, Transport von Leber zur Zelle; HDL (high density lipoprotein) - cholesterinarm, Transport von peripheren Gewebe zur Leber

Front 85

Fettlösliche Vitamine

Back 85

Zum Beispiel Vitamin E, Vitamin K1, Vitamin A und Provitamin (ß-carotin); wichtig als Co-Enzyme

Front 86

Biologische Membranen

Back 86

Mit Phospholipiden, Glycolipiden und Cholesterin; Membranbildung durch amphipatische Natur der Membranlipide -> polare Kopfgruppen in Kontakt mit Wasser, unpolare CH-Schwänze meiden Wasser und beeinflussen sich gegenseitig durch hydrophobe Kräfte -> Lipiddoppelschich; wässrige Kompartimente die von Membran umgeben sind = Liposomen/Lipidvesikel

Front 87

Liposomen

Back 87

Liposomen relativ einheitlicher Größe erhält man durch Ultraschallbehandlung; können mit anderen Membranen fusionieren und so Inhalt abgeben

Front 88

Planare Lipiddoppelschichten

Back 88

Werden für Membranuntersuchungen generiert; Moleküle können Membran unterschiedlich gut passieren -> Membran für Ionen und die meisten polaren Moleküle nur sehr gering permeabel -> Wasser ist Ausnahme -> kleine Moleküle werden von Hydrathüllen umgeben und müssten die erst abstreifen

Front 89

Plasmamembranen

Back 89

Viele verschiedene Proteine sind in die Lipiddoppelschicht eingebettet -> einige sind Glycoproteine (Oligosaccharid-Komponente nur an äußerer Oberfläche der Plasmamembran); äußere Seite mit anderen Molekülen verbunden als Innen; können von beiden Seiten durch Gefrierbruchtechnik untersucht werden

Front 90

Eicosanoide

Back 90

Oxidierte Derivate von mehrfach ungesättigten C20-Fettsäuren; hydrophobe hormonähnliche Substanzen -> wirken als Immunmodulatoren und Neutotransmitter, sind an entzündlichen Prozessen beteiligt; Dihomogammalinolensäure und Eicosapentaenure - „gute“ Eicosanoide; Archidonsäure - „böse“ Eicosanoide

Front 91

Laterale Diffusion - Lipide

Back 91

Lipidmembranen verhalten sich wie 2D Flüssigkeiten -> Lipidmoleküle können sich innerhalb einer Schicht bewegen (laterale Diffusion) -> durch Versuch der Fluoreszenzwiedererlangung nach Photobleichung kann Geschwindigkeit untersucht werden => sehr schnell

Front 92

Laterale Diffusion - Proteine

Back 92

Können auch wandern -> deutlich langsamer als Lipide; diffundieren unterschiedlich und manchmal fast gar nicht

Front 93

Laterale und Transversale Diffusion - (Flüssigmosaikmodell)

Back 93

Lateraldiffusion von Lipiden relativ schnell, Transversaldiffusion (Flip-Flop-Diffusion) von Lipiden sehr langsam; Membran wird als 2D Lösung gerichteter Lipide und globulärer Proteine dargestellt -> LDS dient als Lösungsmittel für integrale Membranproteine und als Permeabilitätsbarriere

Front 94

Membranfluidität

Back 94

Flüssigkeitsähnliche Eigenschaften abhängig von Flexibilität ihrer Fettsäureketten -> gesättigte Fettsäuren haben bei tiefen Temperaturen Gestreckte Konformation und bilden kristalline Struktur mit maximalen Van-der-Waals-KontKten zwischen den Ketten

Front 95

Isoprenoide

Back 95

Struktur kann vom C5-Alken Isopren abgeleitet werden; umfasst Terpene, Steroide und fettlösliche Vitamine; nicht verseifbare Lipide -> keine Esterbindung

Front 96

Terpene

Back 96

Name von Terpentin abgeleitet -> natürliches Gemisch aus Harz und ätherischen Ölen; enthalten alle Isopren; Gruppen nach Anzahl der Isopreneinheiten (Isopreneinheiten zählen als halbes Terpen) -> Hemiterpene, Monoterpene, Sequiterpentene, Diterpene, Sesterpene, Triterpene,…,Tetraterpene, Polyterpene (>8 Isopreneinheiten)

Front 97

Steroide

Back 97

Vor allem in Membranen von Eukaryonten und selten in Bakterien; enthalten vier kondensierte Ringe -> drei C6-Ringe (mit A,B,C gekennzeichnet) und einen C5-Ring (mit D gekennzeichnet) -> leitet sich vom Triterpen Squalen ab (aus 6 Isopreneinheiten) => biosynthetische Vorstufe der meisten Steroide; zum Beispiel Cholesterin

Front 98

Lipoproteine

Back 98

Verantwortlich für Transport von Cholesterin/estern und Triacylglycerinen im Blut -> transportieren Lipide von der Leber zu den Zellen und zurück; LDL (low density lipoprotein) - cholesterinreich, Transport von Leber zur Zelle; HDL (high density lipoprotein) - cholesterinarm, Transport von peripheren Gewebe zur Leber

Front 99

Fettlösliche Vitamine

Back 99

Zum Beispiel Vitamin E, Vitamin K1, Vitamin A und Provitamin (ß-carotin); wichtig als Co-Enzyme

Front 100

Biologische Membranen

Back 100

Mit Phospholipiden, Glycolipiden und Cholesterin; Membranbildung durch amphipatische Natur der Membranlipide -> polare Kopfgruppen in Kontakt mit Wasser, unpolare CH-Schwänze meiden Wasser und beeinflussen sich gegenseitig durch hydrophobe Kräfte -> Lipiddoppelschich; wässrige Kompartimente die von Membran umgeben sind = Liposomen/Lipidvesikel

Front 101

Liposomen

Back 101

Liposomen relativ einheitlicher Größe erhält man durch Ultraschallbehandlung; können mit anderen Membranen fusionieren und so Inhalt abgeben

Front 102

Planare Lipiddoppelschichten

Back 102

Werden für Membranuntersuchungen generiert; Moleküle können Membran unterschiedlich gut passieren -> Membran für Ionen und die meisten polaren Moleküle nur sehr gering permeabel -> Wasser ist Ausnahme -> kleine Moleküle werden von Hydrathüllen umgeben und müssten die erst abstreifen

Front 103

Plasmamembranen

Back 103

Viele verschiedene Proteine sind in die Lipiddoppelschicht eingebettet -> einige sind Glycoproteine (Oligosaccharid-Komponente nur an äußerer Oberfläche der Plasmamembran); äußere Seite mit anderen Molekülen verbunden als Innen; können von beiden Seiten durch Gefrierbruchtechnik untersucht werden

Front 104

Nomenklatur von Enzymen

Back 104

Endung -ase wird an Namen des Substrates/Begriff, der katalytische Reaktion beschreibt, angehängt; oft historisch bedingte Namen, oft Benennung nach dazugehörigen Genen, nach charakteristischen Eigenschaften; nach NBMB hat jedes Enzym eine eindeutige EC-Nummer und oft einer der 6 Hauptklassen zugeordnet

Front 105

Enzymklassen

Back 105

Enzyme werden nach ihrer Funktion im Stoffwechsel/nach den Reaktionen, die sie katalysieren, in 6 Hauptklassen eingeteilt - Hydrolasen > Oxido-Reduktasen >= Transferasen > Lyasen > Isomerasen > Ligasen

Front 106

Oxido -Reduktasen

Back 106

Katalysieren Oxidations- und Reduktionsvorgänge (H-/Elektronenübertragung) -> dazugehörige Reaktion ist die Redoxreaktion; zum Beispiel Dehydrogenasen (mit NAD+/NADPH+ als Elektronenakzeptoren), Oxidasen (mit O2 als Elektronenakzeptor)

Front 107

Transferasen

Back 107

Übertragen eine Gruppe von Substrat 1 auf Substrat 2 -> katalysieren Gruppenübertragungsreaktionen

Front 108

Hydrolasen

Back 108

Spalten Bindungen hydrolytisch -> katalysieren Hydrolyse-Reaktionen (Bindungsspaltung durch Addition von Wasser); Esterasen, Glycosidasen, Peptidase, Protease

Front 109

Lyase

Back 109

Lagern Gruppen an Doppelbindungen an oder entfernen Gruppen aus ihren Substraten unter Bildung von Doppelbindungen (nichthydrolytische Spaltung) -> katalysieren Addition funktioneller Gruppen an Doppelbindung oder ihre Abspaltung zur Ausbildung von Doppelbindungen

Front 110

Isomerasen

Back 110

Katalysieren strukturelle Änderungen innerhalb eines Moleküls, die den Bruch und Neubildung von kovalenten Bindungen erfordern (echte Isomerisierungsreaktion -> nicht nur Konformationsänderung) -> Reaktion zur Umordnung von Atomen -> Bildung von Isomerasen

Front 111

Ligasen

Back 111

Katalysieren Bildung von Bindungen unter gleichzeitiger Spaltung von ATP -> katalysieren Ligation (Bildung kovalente mr Bindungen); =Synthetasen

Front 112

Isoenzyme

Back 112

Enzyme, die in gleichen Spezies (nicht unbedingt in gleichen Individuen) die gleiche Reaktion katalysieren, sich jedoch genetisch bedingt in ihrer Aminosäuresequenz (Primärstruktur) unterscheiden; mögliche Typen - Enzyme mit separaten Genen, genetische Varianten (multiple Allele), Oligomere Enzyme aus verschiedenen genetischen Varianten von Untereinheiten

Front 113

Katalytische Funktion der Enzyme

Back 113

Enzyme beschleunigen Reaktionen um das Millionenfache oder mehr -> dieses Leben ist ohne Enzyme nicht denkbar; Enzyme verändern nicht die Lage des Gleichgewichts

Front 114

Katalyse und Aktivierungsenergie

Back 114

Chemische Reaktionen können durch Erhöhung der Temperatur und/oder durch geeignete Katalysatoren beschleunigt werden -> Theorie der Übergangszustands; Aktivierungsenergie bestimmt Geschwindigkeit einer Reaktion -> bei Umwandlung von Substrat S zu Produkt P muss ein aktivierter, angeregter Übergangszustand X# erreicht werden -> X# hat höhere Enthalpie als Ausgangszustand => Differenz in der freien Enthalpie = Gibb‘sche freie Aktivierungsenergie (^G#) => Enzyme beschleunigen Reaktion indem sie ^G# verringern -> gleicher Betrag für Enzym-katalysierte Hin-/Rückreaktion => Hin-Rückreaktion werden um den gleichen Faktor beschleunigt; Lage des Gleichgewichts = Differenz der freien Enthalpie von Substrat und Produkt; Aktivierungsenergie wird durch das jeweilige Enzym bestimmt -> nicht durch Substrat/Reaktionstyp; die reaktionbeschleunigende Wirkung von Enzymen wird als dessen katalytische Aktivität bezeichnet

Front 115

Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes

Back 115

Katalytische Aktivität der Enzyme beruht größtenteils auf der Zusammenführung der Substrate in günstiger räumlicher Ausrichtung zu Enzym-Substrat-(ES)Komplexen -> begünstigen so Bildung des Übergangszustands -> Substrate binden an spezifische Region (aktives/katalytisches Zentrum) -> diese können von weit voneinander entfernten Aminosäureresten gebildet werden => daher verlieren falsch gefaltete Proteine ihre Funktion

Front 116

Eigenschaften aktiver Zentren

Back 116

3D Spalt, von Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet; relativ kleiner Teil des Gesamtenzyms; schaffen besondere Mikroumgebungen; Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym gebunden; Bindungsspezifität abhängig von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum; Enzyme aus >100 Aminosäuren aufgebaut -> die zusätzlichen Aminosäuren dienen als Gerüst zur Bildung des 3D aktiven Zentrum und/oder als regulatorische Zentren, Zentren zur Wechselwirkung mit anderen Proteinen oder Kanäle, über welche die Substrate zu den aktiven Zentren gelangen; aktives Zentrum hat die Form eines Hohlraumes/Spalt, an den das Substrat bindet -> die Bereiche sind für Wasser gewöhnlich unzugänglich (außer Wasser ist Reaktionspartner) -> unpolare Umgebung begünstigt Substratbindung/Katalyse -> kann aber auch polare Reste enthalten => nehmen spezielle Eigenschaften an; nichtkovalente Wechselwirkungen in ES-Komplexen viel schwächer als kovalente Bindungen -> entstehen durch elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen

Front 117

Eigenschaften aktiver Zentren

Back 117

3D Spalt, von Gruppen aus verschiedenen Abschnitten der Aminosäuresequenz gebildet; relativ kleiner Teil des Gesamtenzyms; schaffen besondere Mikroumgebungen; Substrate werden durch viele schwache Kräfte an das Enzym gebunden; Bindungsspezifität abhängig von der definierten Anordnung der Atome im aktiven Zentrum; Enzyme aus >100 Aminosäuren aufgebaut -> die zusätzlichen Aminosäuren dienen als Gerüst zur Bildung des 3D aktiven Zentrum und/oder als regulatorische Zentren, Zentren zur Wechselwirkung mit anderen Proteinen oder Kanäle, über welche die Substrate zu den aktiven Zentren gelangen; aktives Zentrum hat die Form eines Hohlraumes/Spalt, an den das Substrat bindet -> die Bereiche sind für Wasser gewöhnlich unzugänglich (außer Wasser ist Reaktionspartner) -> unpolare Umgebung begünstigt Substratbindung/Katalyse -> kann aber auch polare Reste enthalten => nehmen spezielle Eigenschaften an; nichtkovalente Wechselwirkungen in ES-Komplexen viel schwächer als kovalente Bindungen -> entstehen durch elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van- der-Waals-Kräfte => gerichteter Charakter der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Enzym und Substrat bewirkt oft hohe Spezifität

Front 118

Bindungsspezifität aktiver Zentren

Back 118

Schwache Wechselwirkungen mit Kräften geringer Reichweite benötigen engen Kontakt -> Substrat muss passende Gestalt besitzen, um in das aktive Zentrum zu passen => Analogie von Schloß und Schlüssel -> neue Untersuchungen ergaben, dass Enzyme flexibel sind und ihr aktives Zentrum sich durch Substratbindung deutlich verändern kann -> häufig haben aktive Zentren erst nach der Bindung des Substrats eine dazu komplementäre Form => Prozess der dynamischen Erkennung = induced fit

Front 119

Bindungsenergie zwischen Enzym und Substrat

Back 119

Energie, die zur Herabsetzung der Aktivierungsenergie benötigt wird, wird durch Enzym-Substrat-Wechselwirkung freigesetzt; bei Ausbildung von vielen schwachen Wechselwirkungen erhält man freie Energie => Bindungsenergie; nur das richtige Substrat kann alle Wechselwirkungen mit dem Enzym eingehen und so Bindungsenergie maximieren => Substratspezigität; gesamtes Spektrum der Wechselwirkungen wird nur gebildet, wenn das Substrat in den Übergangszustand überführt wird, stabilste Wechselwirkung (Maximale Bindngsenergie) besteht zwischen Enzym und Übergangszustand => der am wenigsten stabile Zwischenzustand -> zerfällt schnell unter erneuter Bildung des Substrats/Bildung des Produkts => welches davon ist abhängig von der Energiedifferenz zwischen Substrat und Produkt (^G der Reaktion)

Front 120

Enzymkinetik

Back 120

Liefert indirekt Informationen über Spezifität und katalytische Mechanismen von Enzymen; mit kinetischen Experimenten kann festgestellt werden, ob die Aktivität von Enzymen einer Regulation unterliegt; Untersuchungen der Geschwindigkeiten bei enzymkatalysierten Reaktionen -> auf welche Weise die Reaktionsgeschwindigkeit zeitlich von Konzentration des Enzyms/Substrats, Temperatur, pH-Wert, Konzentration von Inhibitoren/Aktivatoren abhängen

Front 121

Reaktionsgeschwindigkeit nicht enzymatischer Reaktionen

Back 121

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der in einer bestimmten Zeit gebildeten Menge eines Produkts (ausgedrückt als dessen Konzentrationsänderung pro Zeit (^[P]/^t)) und den Reaktionbedingungen => Geschwindigkeitsgesetz für irreversible, nicht-enzymatische Reaktion = ^[P]/^t=v=k[s], k=Geschwindigkeitskonstante der Reaktion -> direkte Abhängigkeit von der Konzentration des Substrats; mit fortschreitender Reaktion steigt die Konzentration des Produkts und Konzentration des Substrats sinkt; v=Reaktionsgeschwindigkeit zu gegebenem Zeitpunkt = Steigung ^[P]/^t zu dem Zeitpunkt; => Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit fortschreitender Reaktionszeit (=sinkende [S]) -> nähert sich asymptotisch dem Wert 0; Geschwindigkeitskonstante k kann durch Zusammenhang zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit berechnet werden -> am besten ist die Substratkonzentration am Anfang der Reaktion dafür geeignet

Front 122

Reaktionsgeschwindigkeit enzymatischer Reaktionen

Back 122

Reaktion verläuft in zwei aufeinanderfolgenden Schritten -> Bildung des [ES]-Komplexes + eigentliche chemische Reaktion mit anschließender Dissoziation des Produkts vom Enzym (E+S <-> ES <-> E+P); Konzentration eines Substrats im Vergleich zur Enzymkonzentration sehr groß -> genügend Substratmoleküle zur Bindung eines Substratmoleküls an jedes Enzymmolekül unter Bildung eines Enzym-Substrat-Komplexes vorhanden => Sättigung des Enzyms mit dem Substrat -> in diesem Fall wird Reaktionsgeschwindigkeit von der Enzymkonzentration (nicht von der Substratkonzentration) beeinflusst; Anfangsgeschwindigkeiten wie bei einfachen chemischen Reaktionen -> Produktkonzentration steigt mit fortschreitender Reaktion -> Anfangsgeschwindigkeiten der Reaktion (v0) entsprechen der Steigungen der jeweiligen Kurven zum Zeitpunkt 0 -> Anfangsgeschwindigkeit verdoppelt sich, wenn die Anfangskonzentration des Enzyms in einer ansonsten unveränderten Reaktionsmischung verdoppelt wird; E+S <-> ES <-> E+P => Anfangsphase, wenn praktisch noch kein Produkt vorhanden ist -> wird Substratkonzentration hoch genug, um Enzym vollständig in ES-Form umzuwandeln, wird zweiter Reaktionsschritt geschwindigkeitsbestimmend -> Geschwindigkeit der Gesamtreaktion wird unempfindlich gegenüber weiterer Erhöhung der Substratkonzentration -> Reaktionsgeschwindigkeit nähert sich Maximum

Front 123

Annahme eines Fließgleichgewichts (steady state)

Back 123

Solange Substratkonzentration sehr viel größer als Enzymkonzentration bleibt Konzentration des ES-Komplexes konstant -> Geschwindigkeit der Bildung von ES = Geschwindigkeit seines Verbrauchs => ES bleibt im Fließgleichgewicht und [ES] kann als konstant angenommen werden; Enzym liegt meist in gesättigter Form vor, wegen [S]>>[E] => ES wird genauso schnell nachgebildet wie es ins Produkt und freies Enzym zerfällt

Front 124

Michaelis-Menten-Gleichung

Back 124

Fließgleichgewicht wird angenommen; es gilt E+S ES -k2> E+P, k=Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten => k1[E][S]=k_1[ES]+k2[ES], ([E][S])/[ES]=(k_1+k2)/k1 => Quotient der Geschwindigkeitskonstanten = Michaelis-Menten-Konstante KM=(k_1+k2)/k1 => Michaelis-Menten Gleichung = v=(vmax[S]/(KM+[S]) => beschreibt die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion als Funktion der Substratkonzentration

Front 125

Bedeutung der Michaelis-Konstanten

Back 125

KM ist die Substratkonzentration, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal ist -> Substratkonzentration, bei der die Hälfte der aktiven Zentren besetzt ist => KM liefert Maß für die Substratkonzentration, die für eine nennenswerte Katalyse erforderlich ist; wenn k2 (für Produktbildung) << k_1,k1 (häufig), dann kann k2 vernachlässigt werden -> KM=k_1/k1=Gleichgewixhtskonstante

Front 126

Bedeutung der Michaelis-Konstanten

Back 126

KM ist die Substratkonzentration, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal ist -> Substratkonzentration, bei der die Hälfte der aktiven Zentren besetzt ist => KM liefert Maß für die Substratkonzentration, die für eine nennenswerte Katalyse erforderlich ist; wenn k2 (für Produktbildung) << k_1,k1 (häufig), dann kann k2 vernachlässigt werden -> KM=k_1/k1=Gleichgewichtskonstante der Dissoziation des ES-Komplexes zurück zum freien Enzym und Substrat => KM ist ein Maß für die Affinität des Enzyms für ein Substrat-> je kleiner KM, desto fester wird Substrat gebunden und desto größer ist der Anteil des ES-Komplexes im Gleichgewicht der Dissoziation

Front 127

Katalytische Konstante kkat

Back 127

Aus der Maximalgeschwindigkeit Vmax ergibt sich die Wechselzahl eines Enzyms => Anzahl von Substratmolekülen, die bei vollständiger Sättigung des Enzyms mit Substrat-pro Zeiteinheit in das Produkt umgewandelt werden = katalytische Konstante kkat=Vmax/[E]total -> Größenordnung 10s^-1 - 10^7s^-1; Wechselzahl charakterisiert (zusammen mit MM-Konstante) die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Enzymmoleküls

Front 128

Messung von KM und Vmax

Back 128

Michaelis-Menten-Gleichung kann umgeformt werden zu einer Geradengleichung -> KM/Vmax können leichter bestimmt werden als auf v0/[S]-Diagramm => häufigste Umformung = reziproke Form der MM-Gleichung = Lineweaver-Birk-Gleichung -> x-Achse=1/[S], y-Achse=1/v0 -> x=0=-1/KM, y=0=1/Vmax => nicht genaueste Methode, aber leicht verständlich und liefern Wiedererkennbarkeiten, charakteristische Muster bei der Untersuchung der Enzymhemmung

Front 129

Kinetik von Multisubstrat-Reaktionen

Back 129

Können nach verschiedenen kinetischen Schemata (=kinetische Mechanismen) ablaufen -> werden vollständig aus kinetischen Experimenten abgeleitet; sequenzielle Reaktionen und Ping-Pong-Reaktionen

Front 130

Sequentielle Reaktionen

Back 130

Alle Substrate müssen zunächst an das Enzym gebunden sein, bevor das Produkt gebildet und freigesetzt werden kann; geordneter Mechanismus (verschiedene Substratmoleküle binden in festgelegter Reihenfolge ans Enzym und Produkte werden in bestimmter Reihenfolge freigesetzt) oder zufälliger Mechanismus

Front 131

Ping-Pong-Mechanismus

Back 131

Zunächst wird das erste Substrat gebunden und zum ersten Produkt umgesetzt (dissoziiert vom Enzym) -> Enzym wird verändert, weil eine Gruppe des ersten Substrats an das Enzym gebunden und zum zweiten Produkt umgesetzt -> dabei wird das Enzym in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt

Front 132

Einfluss der Temperatur auf Enzyme

Back 132

Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (RGT-Regel) gilt auch für Enzyme -> 10*C Temperaturerhöhung verdoppelt Reaktionsgeschwindigkeit; bei erhöhter Temperatur verschiebt sich die Boltsmannsche Verteilung -> größerer Anteil der ES-Komplexe besitzt freie Energie, die gleich groß/größer als die Aktivierungsenergie ist; kaum Reaktionen bei 0*C -> Maximum bei 37*C -> 37*C verändert oft Tertiärstruktur -> Optimum 30*C - 45*C

Front 133

Einfluss des pH-Werts auf Enzyme

Back 133

Abhängigkeit vom pH-Wert spiegelt eine Veränderung des Ionisierungszustands einer/mehrerer Aminosäureketten wider, die an der Katalyse beteiligt sind -> vorausgesetzt es erfolgt Denaturierung des Enzyms; Einfluss des pH-Werts auf die Reaktionsgeschwindigkeit kann einen Hinweis auf ionisierbare Aminosäurereste im aktiven Zentrum geben; Aminosäurereste können in drei verschiedenen ionischen Zuständen auftauchen -> gegebenenfalls führt nur eine Tautonerie zum aktiven Enzym => Enzymaktivität abhängig von Ionisierungszustand der Aminosäurereste im aktiven Zentrum

Front 134

Hemmung von Enzymen

Back 134

Inhibitor (I) bindet ans Enzym -> setzt enzymatische Aktivität herab -> kann reversibel/irreversibel sein; die Meisten sind reversibel -> Inhibitoren binden über gleiche Typen nichtkovalenter Wechselwirkungen wie Substrate/Produkte; Dissoziationskonstante Ki=([E][I])/[EI]

Front 135

Reversible Hemmung von Enzymen

Back 135

Kompetitive, unkompetetive und nichtkompetetive Hemmung -> Typen können experimentell durch ihre Effekte auf das kinetische Verhalten von Enzymen unterschieden werden

Front 136

Kompetetive Hemmung von Enzymen

Back 136

I bindet nur an E; Anstieg von KM, Vmax unverändert; Inhibitor bindet nur an freies Enzym, das noch kein Substrat gebunden hat; klassische kompetetive Hemmung (S und I schließen sich bei Bindung ans Enzym gegenseitig aus -> binden an dieselbe Stelle) und nichtklassische kompetetive Hemmung (Bindung von S im aktiven Zentrum verhindert Bindung von I an anderer Stelle und umgekehrt); nimmt Konzentration an I zu, ist höhere Konzentration von S nötig, um bestimmte Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen -> Hemmung kann durch ausreichend hohe Substratkonzentration überwunden werden

Front 137

Unkompetetive Hemmung

Back 137

I bindet nur an ES; Vmax und KM sinken -> Vmax/KM bleibt unverändert; I bindet an ES -> ESI-Komplex bildet kein Produkt; S und I konkurrieren nicht um die Bindung ans Enzym; zu jedem Zeitpunkt liegt kleine Menge des ESI-Komplexes vor -> Vmax sinkt; durch Bildung des ESI-Komplexes wird Menge an ES-Komplexen verringert -> KM sinkt; -> zur Erhaltung des Gleichgewichts zwischen E und ES bindet mehr S an E; niedrigere Konzentration von S benötigt, um Hälfte der maximalen ES-Konzentrationen entstehen zu lassen; Kellerwerte von Vmax/KM steigen

Front 138

Nichtkompetetive Hemmung von Enzymen

Back 138

I bindet an E oder ES; Vmax sinkt, KM bleibt unverändert; I bindet an E oder ES -> EI-/ESI-Komplexe werden gebildet => Enzym wird inaktiviert wenn I bindet; EI-Komplex kann S binden -> kann kein Produkt bilden; Titration von E und ES mit I -> Verringerung der Anzahl der enzymatisch aktiven Enzymmoleküle -> kann nicht durch Erhöhung der Substratkonzentration überwunden werden

Front 139

Irreversible Hemmung von Enzymen

Back 139

I bildet stabile kovalente Bindung zum Enzym -> verursacht dauerhafte Abnahme der Population der aktiven Enzymmoleküle; erfolgt typischerweise durch Alkylierung/Acylierung der Seitenkette einer Aminosäure im aktiven Zentrum; werden zur Identifizierung von Aminosäuren im aktiven Zentrum genutzt

Front 140

Mechanismen der Enzymregulation

Back 140

Regulierung der katalytischen Aktivität -> durch Änderung der vorhandenen Menge eines Enzyms (kann wiederum durch Regulation der Geschwindigkeit seiner Synthese und seines Abbaus kontrolliert werden) oder durch reversible Modulation der Aktivität von regulierten Enzymen (ermöglicht schnelle Kontrolle)

Front 141

Regulation der Menge eines Enzyms

Back 141

Unterschiedliche Mechanismen - Enzyminduktion (regulierte Steigerung der Biosynthese eines Enzyms), Enzymrepression (regulierte Verminderung der Biosynthese eines Enzymproteins) oder Änderung der Halbwertszeit von Enzymen (regulierter Abbau von Enzymproteinen durch Proteolyse -> lässt sich durch Bestimmung der Halbwertszeit von Enzymproteinen ermitteln) -> nur langfristige Adaption des Stoffwechsels

Front 142

Regulation der enzymatischen Aktivität

Back 142

Erfolgt im Bereich von Sekunden oder weniger in allen Organismen; Aktivität von regulierten Enzymen wird so verändert, dass die Geschwindigkeit der enzymatisch katalysierten Reaktion beeinflusst wird; regulierte Enzyme kontrollieren häufig Schlüsselschritte in Stoffwechselwegen und damit den gesamten Stoffwechselweg => Schlüsselenzyme/regulatorische Enzyme/Regulatorenzyme (wenn man sich auf die Kontrolle des Stoffwechselwegs konzentriert); regulstorische Enzyme wirken regulierend ohne selbst reguliert zu werden; Unterteilung in drei Gruppen bezüglich der Art ihrer Modulation - nichtkovalent allosterisch modulierte Enzyme, kovalente Modifizierung regulierte Enzyme, limitierte Proteolyse aktivierte Enzyme

Front 143

Allosterische Enzyme

Back 143

Enzymatische Eigenschaften werden durch Veränderung der 3D Struktur variiert; besitzen zweite (oder mehrere) Liganden-Bindungsstelle (regulatorisches/allosterisches Zentrum) -> stimmt nicht mit katalytischem aktiven Zentrum überein; strukturelle Änderungen werden durch spezifische Wechselwirkungen mit kleinen Molekülen (=allosterische Effektoren) hervorgerufen -> Konformationsänderung des regulierten Enzyms wirkt sich auch aufs aktive Zentrum aus -> beeinflusst katalytische Aktivität inhibierend oder aktivierend; Produkthemmung - Endprodukt der Biodynthesekette hemmt die erste Biosynthese einleitende Reaktion -> Zwischenprodukte häufen sich nicht unnötig an/ keine Verschwendung an Material und Energie; Aktivitäten allosterischer Enzyme werden durch Zwischen-/Endorodukte des Stoffwechsels verändert (Aktivatoren/Inhibitoren); Steuktur der allosterischen Effektoren in der Regel nicht ähnlich mit der Struktur der Substrate/Produkte des Enzyms; allosterische Effektoren binden nichtkovalent an die Enzyme -> werden durch das Enzym nicht chemisch umgesetzt; meisten regulierte Proteine sind Multiuntereinheiten-Protein -> nicht alle Multiuntereinheiten-Proteine unterliegen Regulation; allosterische reguliertes Enzym besitzt oft mindestens ein S, für das die v0/[S]-Kurve sigmoidale und keine hyperbolische Gestalt zeigt; weisen keine typische MM-Kinetik auf, wegen kooperativen Bindungen des Substrats; sigmoidale Gestalt ergibt sich aus Übergang zwischen zwei strukturell verschiedenartigen Zuständen des Enzyms -> binden Substrat unterschiedlich stark; Abwesenheit des Substrats -> Enzym im T-Zustand -> ungünstige

Front 144

Allosterische Enzyme

Back 144

Enzymatische Eigenschaften werden durch Veränderung der 3D Struktur variiert; besitzen zweite (oder mehrere) Liganden-Bindungsstelle (regulatorisches/allosterisches Zentrum) -> stimmt nicht mit katalytischem aktiven Zentrum überein; strukturelle Änderungen werden durch spezifische Wechselwirkungen mit kleinen Molekülen (=allosterische Effektoren) hervorgerufen -> Konformationsänderung des regulierten Enzyms wirkt sich auch aufs aktive Zentrum aus -> beeinflusst katalytische Aktivität inhibierend oder aktivierend; Produkthemmung - Endprodukt der Biodynthesekette hemmt die erste Biosynthese einleitende Reaktion -> Zwischenprodukte häufen sich nicht unnötig an/ keine Verschwendung an Material und Energie; Aktivitäten allosterischer Enzyme werden durch Zwischen-/Endorodukte des Stoffwechsels verändert (Aktivatoren/Inhibitoren); Steuktur der allosterischen Effektoren in der Regel nicht ähnlich mit der Struktur der Substrate/Produkte des Enzyms; allosterische Effektoren binden nichtkovalent an die Enzyme -> werden durch das Enzym nicht chemisch umgesetzt; meisten regulierte Proteine sind Multiuntereinheiten-Protein -> nicht alle Multiuntereinheiten-Proteine unterliegen Regulation; allosterische reguliertes Enzym besitzt oft mindestens ein S, für das die v0/[S]-Kurve sigmoidale und keine hyperbolische Gestalt zeigt; weisen keine typische MM-Kinetik auf, wegen kooperativen Bindungen des Substrats; sigmoidale Gestalt ergibt sich aus Übergang zwischen zwei strukturell verschiedenartigen Zuständen des Enzyms -> binden Substrat unterschiedlich stark; Abwesenheit des Substrats -> Enzym im T-Zustand -> ungünstige Konformation zur Bindung des Substrats (kann nur schwach binden) -> sehr kleine Reaktionsgeschwindigkeit -> S bindet an Untereinheit -> induziert Konformationsänderung in R-Zustand -> Affinität der Substrat-Bindungsstellen höher und größere katalytische Aktivität; Zugabe eines Aktivators bewirkt Absenkung der effektiven Michaelis-Menten-Konstante (KMeff) -> Erhöhung der Aktivität; Zugabe eines Inhibitors bewirkt Erhöhung von KMeff -> geringere Aktivität

Front 145

Kovalente Modifizierung von Enzymen

Back 145

Zusätzlich zur allosterischen Wechselwirkung; in Eukaryonten ist Phosphorylier- und Dephosphorylierung von Hydroxyl-Gruppen von S, T oder Y-Resten die häufigste derartige Modifikation -> solche enzymatischen Modifikations-Demodifikationsprozesse verändern die Aktivität der modifizierten Proteine; Anknüpfung/Abspaltung von kovalent gebundenen Gruppen an die Polypeptidkette; in der Regel langsamer als allosterische Regulation; reversibel; erfordert oft zusätzliche Enzyme zur Katalyse der Modifikationsreaktion

Front 146

Limitierte Proteolyse bei Enzymen

Back 146

Spaltung von Proteinen; Proteine werden in ihrer gefalteten Form erst nach Spaltung einer/weniger Peptidbindungen aktiviert => inaktive Vorstufe = Zymogen/Proenzym; keine Energiequelle für Spaltung notwendig -> durch Phosphorylierung können auch Proteine außerhalb der Zelle aktiviert werden; im Normalfall nur zur Aktivierung der Enzyme -> Deaktivierung kann nicht durch Umkehr der Proteolyse erfolgen; Bsp. Zellen sezernieren Enzym Enteropeptidase im Duodenum -> hydrolysiert einzelne Lysin-Isoleucin-Peptidbindung im Trypsinogen -> Trypsin entsteht -> aktiviert weiteres Trypsinogen und andere Proenzyme => gemeinsamer Aktivator aller Zymogene des Pankreas, um gemeinsame Einwirkung mehrerer proteolytischer Enzyme durch gleichartige Einschaltung zu ermöglichen

Front 147

Mechanismen der Enzymkatalyse

Back 147

Enzyme verringern, wie andere Katalysatoren, auch die Freie Enthalpie des Übergangszustands (^G#); Spezifität der Substratbindung und Anordnung der katalytischen Gruppen macht Enzyme zu effektiven Katalysatoren ; können genauso dargestellt werden wie andere Reaktionen auch -> es gelten dieselben Regeln; nutzen meistens diese Mechanismen - Säure-Base-Katalyse, Kovalente Katalyse, Metallionenkatslyse, Nachbargruppen-/Orientierungseffekte

Front 148

Säure-Base-Katalyse

Back 148

Bei allgemeiner Säurekstalyse erniedrigt partieller Protonentransfer von einer Säure die Freie Enthalpie des Übergangszustands einer Reaktion -> sonst sehr langsam durch hohe Enthalpie; Reaktion kann durch allgemeine Basekatalyse stimuliert werden, wenn sich ihre Geschwindigkeit durch teilweise Deprotonierung erhöht; einige Reaktionen können beiden Prozessen unterliegen -> konzentrierte Säure-Base-katalysierte Reaktionsn; Seitenketten der Aminosäuren ASP, Glu, His, Cys, Tyr und Lys haben pK-Werte im/nahe des physiologischen pH-Bereichs -> können als Säure- und/oder Basenkstalysatoreb fungieren; verbreiteter enzymatischer Mechanismus wegen Fähigkeit der Enzyme, mehrere katalytische Gruppen um ihre Substrate anzuordnen; katalytische Aktivität dieser Enzyme ist pH-abhängig -> pH-Wert beeinflusst Protonierungszustand der Seitenketten im aktiven Zentrum

Front 149

Kovalente Katalyse

Back 149

Reaktionsgeschwindigkeit wird durch vorübergehende Bildung einer kovalenten Katalysator-Substrat-Bindung erhöht -> kovalente Bindung entsteht meist durch Reaktion einer nucleophilen Gruppe am Katslysator mit einer elektrophilen Gruppe des Substrats => wird oft als nucleophile Katalyse bezeichnet; kann theoretisch in drei Schritte aufgeteilt werden - 1. Nucleophile Reaktion zwischen Katalysator und S, führt zur Bildung einer kovalenten Bindung -> 2. Entfernung der Elektronen aus dem Reaktionszentrum durch den nun elektrophilen Katslysator -> 3. Eliminierung des Katslysators, Umkehrreaktion des ersten Schrittes; je stabiler die kovalente Bindung, desto schwieriger ihr Zerfall im letzten Schritt -> guter kovalenter Katalysator muss daher hohe Nucleophilie und Fähigkeit, gute Anfangsgruppe zu bilden vereinen => Umkehrung des bindungsbildenden Schritts muss leicht möglich sein -> leicht polarisierenden Gruppen (zum Beispiel Imidazol-/Thiol-Gruppen) nötig (-> mit beweglichen Elektronen)

Front 150

Metallionenkatalyse

Back 150

Viele Enzyme erfordern Anwesenheit von Metallionen für katalytische Aktivität -> zum Beispiel Metalloenzyme (enthalten fest gebundene Metallionen als Cofaktoren -> meistens Übergangsmetalle, wie Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+,CO2+ => Mg2+ und Zn2+ können entweder strukturelle oder katalytische Funktion haben); Metallionen hauptsächlich auf drei Arten an katalytischem Prozessen beteiligt - 1. Bindung an Substrate, um diese in für Reaktion geeignete Konformationen zu bringen, 2. reversible Änderung des Oxidationszustands der Metallionen vermitteln Redox-Reaktionen, 3. elektrostatische Stabilisierung/Abschirmung negativer Ladungen; Ladung eines Metallions macht seine koordinativ gebundenen Wassermoleküle accuser als freies H2O -> können als nucleophild OH- -Ionen agieren, auch bei saurem pH

Front 151

Nachbargruppen-/Orientierungseffekte

Back 151

Nachbargruppen und Orientierung haben größten Einffluss auf die Effizienz eines Enzyms -> Reaktanten müssen in richtiger räumlicher Anordnung zueinander stehen damit Reaktion ablaufen kann; Enzyme bringen S mit ihren katalytischen Gruppen in Kontakt und eventuell mehrere S untereinander bei Multisubstratreaktionen -> steigert Reaktionsgeschwindigkeit höchstens um Faktor 5; Enzyme binden Substrate in für Reaktionrichtigen Ausrichtung -> steigert Reaktionsgeschwindigkeit um Faktor >100; Enzyme schränken Translations-/Rotationsbewegungen ihrer S und kstalytischer Gruppen ein -> reagierende Gruppen bewegen sich im Übergangszustand kaum gegeneinander -> steigert Reaktionsgeschwindigkeit um Faktor 10^7

Front 152

Differentielle Zentrifugation

Back 152

Tennung der Proteine von anderen Zellbestandteilen; Zellen werden in Homogenisator aufgebrochen -> gewonnenes Homogenisat wird Schritt für Schritt bei zunehmender Geschwindigkeit zentrifugiert -> dichteres Material bildet schon bei geringen Geschwindigkeiten Pellet, weniger dichtes Material braucht höhere Zentrifugalkraft => bleibt im Überstand -> isolierte Rationen können weitere Reinigungsschritte durchlaufen

Front 153

Dialyse

Back 153

Trennung der Proteine von Salzen; durch Dialyse durch semipermeable Membran können Proteine von kleinen Molekülen (zum Beispiel Salz) getrennt werden; unterscheidet nicht zwischen den einzelnen Proteinen; durch Diffusion erfolgenden Stoffaustausch über semipermeable Membran => Osmose

Front 154

Genutzte Proteineigenschaften zum Reinigen/Trenne der Proteine

Back 154

Größe, Löslichkeit, Ladung, spezifische Bindungseigenschaften

Front 155

Proteinfällung zur Auftrennung einzelner Proteine/gruppen

Back 155

Löslichkeit der Proteine wird durch Salz-/Lösumgsmittelkonzentration herabgesetzt -> Konzentration bei der Proteine ausfällt ist unterschiedlich -> praktisch für funktionierte Fällung => Effekt beruht vor allem auf Konkurrenz von Proteinen und Salz-Ionen um solvatisierende Wasser-Moleküle -> bei hoher Ionenkonzentration zu wenig Wasser-Moleküle für Proteine -> Wechselwirkungen zwischen Proteinen werden stärker als Interaktion mit Lösungdmittel -> Proteine aggregieren und fallen aus

Front 156

Gelfiltrationschromatographie (Größenausschlusdchromatographie) zur Trennung einzelner Proteine

Back 156

Mischung aus mehreren Proteinen wird auf Säule aus porösen Kügelchen aufgetragen -> Große Proteine verlassen Säule früher als Kleine (-> kleine können im Innenraum der Kügelchen eindringen)

Front 157

Ionenaustauschchromatographie zur Trennung einzelner Proteine

Back 157

Werden durch ihre Nettoladung voneinander getrennt -> Protein mit positiver Nettoladung bei pH7 wird an Säule mit Carboxylatgruppen binden, negativ geladenes Protein nicht; Ladung ergibt sich aus Summe der Ladungen der Aminosäuren; an Säule gebundenes Protein kann eluiert (ausgewaschen) werden -> Konzentrationen an NaCl (oder anderes Salz) wird im Elutionspuffer erhöht -> Na-Ionen konkurrieren mit positiv geladenen Gruppen des Proteins um Bindungsstellen der Säule -> Proteine mit geringerer positiven Ladungsdichte verlassen Säule zuerst, dann folgen die mit höherer Ladungsdichte

Front 158

Affinitätschromatographie zur Trennung einzelner Proteine

Back 158

Nutzt hohe Affinität ausgewählter Proteine zu bestimmten chemischen Gruppen; wirkt sehr selektiv

Front 159

Gelelektrophorese zur Trennung einzelner Proteine

Back 159

Molekül mit Nettoladung wandert im elektrischen Feld -> Wanderungsgeschwindigkeit (v) eines Proteins abhängig von elektrischer Feldstärke E, Nettoladung des Proteins (z) und Reibungskoeffizient (f) => v=Ez/f -> Reibungskoeffizient f von Maße und Gehalt des wandernden Moleküls und Viskosität (n) des Mediums abhängig; Vorbereitung - Proteine werden unter Zusatz von SDS gelöst (Zerstörung nichtkovalenter Wechselwirkungen) und mit Mercapoethanol reduziert (Aufbrechen der Disulfidbrücken) -> durch gebundenes SDS erworbene negative Ladung ist größer als die des nativen Proteins, so kann Eigenladung der Proteine vernachlässigt werden; meistens in Polyacrylamidgelen unter Verwendung von SDS (SDS-Polyacrylamid Gel Elektrophorese -> SDS-PAGE) -> werden durch Polymerisation von Acrylamid und Methylenbisacrylamid hergestellt -> Verhältnis bestimmt Porengröße; durch Filterwirkung des porösen Polyacrylamidgels werden Proteine nach Größe aufgetrennt -> kleinste Proteine wandern am langsamsten; Proteine können im Gel mit verschiedenen Methoden angefärbt und sichtbar gemacht werden; kann zur Reinheitsbedtimmung einzelner Proteine/Trennung hochkomplexer Proteingemische genutzt werden

Front 160

Isoelektrische Fokussierung (IEF) zur Trennung einzelner Proteine

Back 160

Trennung aufgrund des relativen Gehaltes an sauren und basischen Aminosäuren; Elektrophorese in Gel ohne SDS-Zusatz -> Betrachtung der pH-Werte -> Nettoladung des Proteins ist 0 -> kann sich nicht weiterbewegen

Front 161

2D Gelelektrophorese zur Trennung einzelner Proteine

Back 161

Kombination aus IEF und SDS-PAGE -> besonders hoch auflösende Trennung hochkomplexer Proteingemische; 1. IEF wird durchgeführt -> 2. Gelstreifen wird horizontal aufs SDS-Gel gelegt -> Proteine werden im vertikalen Trennungsschnitt getrennt -> 3. Proteine werden im Gel angefärbt => 2D Proteinmuster entsteht

Front 162

Edman Sequenzierung zur Identifikation der Proteine

Back 162

Methode mit der sich N-Terminale Aminosäuren markieren und vom Peptid abspalten lassen, ohne andere Peptidbindungen zu zerstören -> Edman-Abbau => vom N-Terminus werden Aminosäuren der Reihe nach entfernt; Phenylisothiocyamat reagiert mit ungeladener, endständiger Aminosäure des Peptids zu Phenylthiocarbamylderivat -> wird unter schwach sauren Bedingungen abgespalten -> intaktes, um eine Aminosäure verkürztes Peptid bleibt zurück -> zyklische Phenylthiohydrantoin-Aminosäure (PTH-Aminosäure) chromatographisch identifiziert -> verkürztes Peptid kann erneut Edman-Abbau durchlaufen -> erhält weitere PTH-Aminosäure -> durch Wiederholung kann man Aminosäuresequenz von ~50 Resten eines Proteins bestimmen

Front 163

Peptide-Mass-Fingerprint (PMF) zur Identifizierung der Proteine

Back 163

Ausschneiden des interessanten Proteinspots -> unbekanntes Protein -> enzymatische/chemische Spaltung -> Peptide-Mix mit Spezifischem Peptidmuster; Enzymatische Spaltung von Proteinen mit sehr spezifischen Enzymen (Proteasen) -> Trypsin am häufigsten -> schneidet spezifisch C-Terminal zu Arg und Lys; kennt man Aminosäuresequenzen der vorhergesagten Proteine, kann man vorhersagen, welche Peptide durch Spaltung mit spezifisch schneidenden Protease zu erwarten sind -> Peptidgröße lässt sich auch vorhersagen; -> Massenspektrometrie (MS-Scan) -> Bestimmung des Molekulargewichts der Peptide -> Datenbanksuche (Vergleich der Peptidmassen -> Proteinidentifizierung; genomische Sequenz muss bekannt sein, Proteine müssen getrennt vorliegen

Front 164

Methoden zur Bestimm der Raumstruktur von Proteinen

Back 164

Unter idealen Bedingungen können sich gereinigte Proteine zusammenlagern und Kristalle bilden -> katalytische Aktivität/Fähigkeit Liganden zu binden bleibt häufig erhalten -> können für Strukturuntersuchungen genutzt werden; zum Beispiel durch Röntgenkristallographie -> aus Position und Intensität der Signale kann die 3D-Struktur eines Proteinmoleküls berechnet werden

Front 165

Kalottenmodell zur Darstellung der räumlichen Proteinstruktur

Back 165

Stellt jedes Atom als massive Kugel dar -> offenbaren die dichte Packung von gefalteten Polypeptidketten; werden zur Illustration der Gesamtgestalt oder der von Wassermolekülen des Mediums erreichbaren Oberfläche des Proteins eingesetzt; -> man kann erkennen, dass das Innere eines gefalteten Proteins selbst für kleine Moleküle wie Wasser weitgehend unzugänglich ist

Front 166

Bändermodell zur Darstellung der räumlichen Oroteinstruktur

Back 166

Sekundärstrukturen der Polypeptidkette leicht erkennbar -> Seitenketten vernachlässigt; bieten Einblicke in das Innere der Proteinstruktur, heben Sekundärstrukturelemente wie a-Helices und ß-Faltblätter klar hervor

Front 167

Kombinationen aus Kalottenmodell und Bändermodell

Back 167

Detaillierteste Modelle; -> zeigen zusätzlich die Strukturen von Aminosäureseitenketten, kovalente Bindungen und schwache Wechselwirkungen zwischen den Atomen; besonders für Verständnis der Bindungen von Substraten oder Inhibitoren in den aktiven Zentren von Enzymen von Bedeutung

Front 168

Primärstruktur von Proteinen

Back 168

Proteine sind aus Aminosäuren aufgebaut, die über eine Peptidbindung miteinander verbunden sind -> Peptidbindungen sind Ergebnis einer Kondensationsreaktion zwischen der a-Carboxylgruppe der einen und der a-Aminogruppe der anderen Aminosäure; aus der Anordnung der Aminosäuren nacheinander in der Polypeptidkette, entsprechend der genetischen Information, ergibt sich die Primärstruktur

Front 169

Peptidbindung

Back 169

Kürzer als normale C-N-Einfachbindung, länger als C=N-Doppelbindung, Bindung des Carbonyl-C und dem Carbonyl-O ist länger als normale C=O-Doppelbindung -> wegen möglichen Resonanzstrukturen der Peptidbindung -> C-N-Peptidbindung oder C-O-Bindung kann als Doppelbindung vorliegen -> tatsächliche Struktur wird am besten durch Hybrid aus beiden Resonanzstrukturen beschrieben, bei dem die pi-Elektronen

Front 170

Peptidbindung

Back 170

Kürzer als normale C-N-Einfachbindung, länger als C=N-Doppelbindung, Bindung des Carbonyl-C und dem Carbonyl-O ist länger als normale C=O-Doppelbindung -> wegen möglichen Resonanzstrukturen der Peptidbindung -> C-N-Peptidbindung oder C-O-Bindung kann als Doppelbindung vorliegen -> tatsächliche Struktur wird am besten durch Hybrid aus beiden Resonanzstrukturen beschrieben, bei dem die pi-Elektronen über das Carbonyl-O-Atom, Carbonyl-C-Atom und das Amid-N-Atom delokalisiert sind; wegen der Doppelbindung ist die freie Rotation um die Peptidbindung eingeschränkt -> Peptidgruppe einer Polypeptidkette liegt in einer Ebene; wegen der Doppelbindung der Peptidbindung kann die Peptidgruppe nur in zwei verschiedenen Konformationen auftreten -> cis-/trans-Konformation -> fast alle Peptidgruppen in Proteinen in Trans-Konformation = beide a-C-Atome zweier benachbarter Aminosäurereste befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Peptidbindung, liegen weiter auseinander; bei selten vorkommenden cis-Peptidgruppen ist meist das N-Atom eines Prolinrestes beteiligt -> in diesem Fall wenig stärkere Abstoßung als Trans-Konformationen; cis-/trans-Konformationen entstehen während der Proteinbiosynthese -> können nicht durch einfache Rotation um die Peptidbindung ineinander umgewandelt werden; Rotation um die N-Ca- und C-Ca-Bindungen der sich wiederholenden N-Ca-C-Einheiten des Proteinrüxkgrates sind möglich -> teilweise durch steirische Wechselwirkungen zwischen Atomen des Rückgrates und der Seitenketten benachbarter Aminosäurereste behindert -> bei einer bestimmten Reihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette sind aufgrund der sterischen Wechselwirkungen nur bestimmte Konformationen möglich -> Konformation der Polypeptidkette von der Primärstruktur abhängig; Torsionswinkel um die N-Ca-Bindung = phi, Torsionswinkel um C-Ca-Bindung = psi

Front 171

Peptidgruppe

Back 171

Besteht aus der N-H und C=O-Gruppe, die an der Bildung der Peptidbindung beteiligt sind, und den zwei a-C-Atomen auf den beiden Seiten der Peptidbindung

Front 172

Prolyl-Peptidyl-cis/trans-Isomerasen

Back 172

Spezifische Enzyme, die die wechselseitige Umwandlung der cis/trans-Konformation von Peptidgruppen an Prolinresten katalysieren können -> destabilisieren die Struktur des Resonanzhybrids der Peptidbindung vorübergehend

Front 173

Sekundärstruktur der Proteine

Back 173

Besteht aus Abschnitten der Polypeptidkette mit regelmäßig wiederholten Konformationen, wie zum Beispiel a-Helices und ß-Faltblätter

Front 174

Ramachandran-Diagramm

Back 174

Zur Bestimmung der Werte von phi und psi, die in einem Peptid sterisch erlaubt sind; durchgehende Linien = umschließen Bereiche der Torsionswinkel, die gemäß der Analyse der Molekülmodelle möglich sind; gestrichelte Linie = äußere Grenzen der erlaubten Torsionswinkel für kleinere Aminosäuren (zum Beispiel Reste); große dunkle Punkte = theoretisch ideale Torsionswinkel in den Konformationen und Sekundärstrukturen; kleinere dunkle Punkte = Typ-II-Turn, gelten für 2./3. Rest des Turns: beobachtetes Modell - stimmt nicht komplett überein -> größter Unterschied bei (phi,psi)=(-90o,0o) -> sterische Kollisionen durch leichte Verdrehung der Peptidgruppen aus der idealen planaren Strukturen heraus vermieden => Peptidgruppe muss nicht exakt planar sein, kleine Abweichungen möglich

Front 175

a-Helix

Back 175

Besitzt sowohl stabilisierende Wasserstoffbrückenbindungen als auch nach den Ramachandran-Diagramm erlaubte Tosionswinkel; äquivalente Positionen nach jeder vollen Umdrehung alle 0,54nm entlang der Achse; Anstieg der Helix Pro Aminosäure = 0,15nm; ideale a-Helix = 3,6 Aminosäurereste pro voller Umdrehung; rechtsgängige Helix = Rückgrat folgt uhrzeigersinn; Wasserstoffbrückenbindungen so angeordnet, dass Peptid-C=O-Gruppe des n-ten Restes auf Peptid-N-H-Gruppe des (n+4)-ten Restes zeigt -> starke Wasserstoffbrückenbindungen (verlaufen fast alle parallel zur Längsachse) mit fast optimalen H:::O-Abstand von 0,28nm; Seitenketten ragen nach Außen und unten -> entgegen Helixrichtung -> sterische Behinderungen mit Polypeptidgerüst/untereinander werden vermieden; Innere der Helix ist dicht gepackt -> Atome stehen in Van-der-Waals-Kontakt; alle Carbolylgruppen zeigen mit O-Atomen in Richting des C-Terminus

Front 176

ß-Strukturen

Back 176

ß-Stränge und ß-Faltblätter

Front 177

ß-Stränge

Back 177

Weitgehend gestreckte Abschnitte einer Polypeptidkette; jeder Aminosäurerest ist für 0,32-0,34nm der Gesamtlänge verantwortlich; Seitenketten liegen abwechselnd Ober-/unterhalb der Strangebene; mehrere ß-Stränge längs nebeneinander angeordnet bilden ß-Faltblatt

Front 178

ß-Faltblatt

Back 178

Typisches ß-Faltblatt enthält 2-15 einzelne ß-Stränge -> jeder weist circa 6 Aminosäuren auf -> stabilisiert durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den die Peptidbindung bildenden NH und C=O-Gruppen; in Zick-Zack-Form gefaltet -> Parallele Faltblätter (eingehende Teile des Proteins sind parallel, Wasserstoffbrückenbindungen sind äquidistant, aber zueinander geneigt -> schräg; N-Terninus immer auf selber Seite) und antiparallele Faltblätter (eingehende Teile des Proteins sind antiparallel, Wasserstoffbrückenbindungen stehen senkrecht zu ß-Strängen -> Abstand zwischen Wasserstoffbrückenbindungen ist abwechselnd größer/kleiner; N-Terminus immer abwechselnd); für Verbindungen aufeinander folgender Polypeptidsträngen kann bei antiparallelen Strängen eine kurze Schöeife ausreichen -> bei parallelen Strängen, ausgedehntere „Überkreuzverbrückung“ nötig

Front 179

Loops und Turns (Sekundärstruktur)

Back 179

Liegen stets an der Oberfläche eines Proteins -> häufig an Interaktionen zwischen Proteinen und anderen Molekülen beteiligt; ß-Turn/-Kehre und Omega-Loops/-Schleifen

Front 180

ß-Turn/ß-Kehre

Back 180

Allgemeines Strukturprinzip, das Richtungswechsel bewirkt; oft C=O-Gruppe eines Restes; innerhalb des Polypeptids über eine Wasserstoffbrückenbindung mit der NH-Gruppe des Restes I+3 verknüpft -> stabilisiert abrupte Richtungsänderungen; Typ-I-Turn und Typ-II-ß-Turn

Front 181

Omega-Loops/Omega-Schleifen

Back 181

Ausgefeiltere Strukturen für Wechsel der Kettenrichtung; keine regelmäßigen periodischen Strukturen -> sind jedoch wohl definiert; enthalten oft hydrophile Reste; Loops mit <5 Resten mit abrupter Richtungsänderung = Turn

Front 182

Tertiärstruktur

Back 182

Gesamte Raumstruktur eines monomeren Proteins; resultiert aus der Faltung der Polypeptidkette (enthält bereits a-Helices und ß-Stränge) zu einer dicht gepackten 3D Struktur; Aminosäuren, die in der Primärstruktur weit voneinander entfernt liegen, können durch Faltung in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft liegen; Stabilisierung hauptsächlich durch nichtkovalente, meist hydrophobe, Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäurereste (hydrophober Effekt); Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen (zwischen positiv und negativ geladenen Seitenketten der Aminosäuren) und Disulfidbindungen (kovalente Bindungen zwischen den Schwefelresten der Cysteinylreste) auch möglich; Struktur kann oft in getrennte Bereiche unterteilt werden = Domänen -> übernehmen häufig definierte Funktion (verdrilltes paralleled Faltblatt, ß-Barrel, a/ß-Barrel, ß-Helix) -> zum Beispiel Binden eines kleinen Moleküls, Katalyse einer einzelnen Reaktion -> Schnittstellen zwischen zwei separaten Domänen - oft Spalten/Taschen, die von der Oberfläche des Proteins zugänglich sind = Bindungsstellen oder aktive Zentren von Enzymen; Einzigartige Gestalten der Proteine ermöglichen dynamische/selektive Bindung anderer Moleküle -> hoch spezifische Bindung von Reaktanten (Substraten) an Substratbindung Stellen/aktive Zentren von Enzymen -> binden oft so passgenau, dass dadurch einige der noch verbliebenen wenigen H-Moleküle aus den aktiven Zentren vertrieben werden

Front 183

Supersekundärstruktur (=Motive)

Back 183

Zwischenebene zwischen Sekundär- und Tertiärstruktur ; Überstrukturen, die im gefalteten Protein durch Loops/Turns verbundene a-Helices und ß-Stränge gebildet werden; oft mit einer bestimmten Reaktion verknüpft

Front 184

Quartärstruktur

Back 184

Mehrere identische/nicht-identische Proteinketten (Untereinheiten) mit jeweils eigener Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur treten zu einer Funktionseinheit zusammen -> hierfür sind Strukturbereiche verantwortlich, die nichtkovalent die Assoziation zum vollständigen Protein ermöglichen; Oligomere (aus mehreren Untereinheiten) in der Regel stabiler -> Quartärstruktur verlängert Lebensdauer eines Proteins in vivo; aktive Zentren oligomerer Enzyme werden durch Aminosäurereste benachbarter Polypeptidketten gebildet; 3D-Struktur oligomerer Proteine verändert sich, wenn dieses an einen Liganden bindet -> Schlüsselrolle bei der Regulation der biologischen Aktivität; gleiche Untereinheiten können von verschiedenen Proteinen verwendet werden

Front 185

Denaturierung

Back 185

Native Konformation eines Proteins wird durch erhöhte Temperatur/denaturierende Agenzien zerstört -> meistens Funktionsverlust; Erhöhung der Temperatur = Erhöhung der Energie -> Bruch von Wasserstoffbrückenbindungen; chaotrophe Agenzien -> ermöglichen Solvatisierung von unpolaren Gruppen im Inneren des Proteins -> hydrophobe Wechselwirkungen werden zerstört; Detergenzien gehen hydrophobe Wechselwirkungen mit dem Protein ein -> ersetzt hydrophobe Wechselwirkungen in der nativen Konformation; Reduktionsmittel zerstören Disulfidbrücken

Front 186

Renaturierung

Back 186

Die für die native 3D-Konformation erforderliche Information ist bereits in der Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette enthalten -> Tertiärstruktur ist durch seine Primärstruktur bereits festgelegt

Front 187

Proteinfaltung

Back 187

Prozess läuft spontan ab, Ergebnis wird weitgehend von der Primärstruktur der Polypeptidkette bestimmt -> 3D-Struktur kann man von Aminosäuresequenz ableiten -> Faltungswege noch nicht bekannt

Front 188

Chaperone

Back 188

Gruppe spezieller, allgemein vorkommender Proteine; unterstützen korrekte Faltung in die native Konformation in der Zelle -> binden in verschiedenen Stadien; verhindern unspezifische Aggregation, ermöglichen korrekte Faltung; binden auch an noch nicht zusammengesetzte Untereinheiten -> verhindern, dass diese sich verfrüht in ungeordneter Weise zusammenlagern und aggregieren

Front 189

Membranproteine

Back 189

Spezielle membrangebundene Proteine in zellulären und interzellulären Membranen; drei Klassen (integrale, periphere Membranproteine und lipidverankerte Proteine) -> je nach Art der Assoziation mit der Membran

Front 190

Integrale Membranproteine

Back 190

Durchsprangen die Membran teilweise/vollständig -> verfügen hierzu über a-helicale Bereiche mit vorwiegend hydrophoben Aminosäuren (=Transmembrandomäne); zum Beispiel Bakteriorhodopsin; die meisten Aminosäuren der membrandurchquerenden a-Helices sind unpolare -> nur wenige sind geladen -> Transmembranhelices können daher anhand von Aminosäuresequenzen exakt vorausgesagt werden -> Untersuchung, on postuliertest Helixsegment eher in CH-Umgebung oder Wasser stabil ist -> Änderung der Freien Enthalpie, wenn ein helikales Segment vom Inneren einer Membran überführt wird, gibt Auskunft darüber; es gibt auch welche mit ß-Barrelstruktur -> aus ß-Strängen aufgebaut -> enthalten im Wesentlichen keine a-Helices -> Proteinmotiv, das besonders in Proteinen mit Porenfunktion vorkommt -> jeder Strang ist in antiparalleler Anordnung über Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Strang verbunden -> einzelnes ß-Faltblatt entsteht -> windet sich zu einem Zylinder, der eine Pore/Kanal in der Membran bildet -> äußere Oberfläche der Pore/Porins ist aufgrund der Aminosäuren unpolar -> kann mit CH-Kern der Membran in Wechselwirkung treten -> Inneres des Kanals vollständig hydrophil und mit Wasser gefüllt -> diese Anordnung wird durch abwechselnde Anordnung von hydrophoben/-philen Aminosäuren in jedem ß-Strang erreicht

Front 191

Periphere Membranproteine

Back 191

Sind an die Membran angelagert -> nur auf einer Seite; über Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen mit integralen Membranproteinen oder den polarenKopfgruppen der Membranlipide assoziiert

Front 192

Lipidverankerte Membranproteine

Back 192

Sind durch kovalente Bindung zu einem „Lipidanker“ in die Membran eingelagert

Front 193

Membrantransport

Back 193

Lipiddoppelschicht ist impermeable für die meisten Biomoleküle (besonders Ionen), niedermolekulare Verbindungen (Glukose), Aminosäuren und größere Moleküle (Proteine) -> gut permeable für Gase (O2,CO2) und kleinere polare Moleküle (Ethanol, Harnstoff); Transportprozesse nötig, um Zellen ausreichend mit allen notwendigen Substanzen zu versorgen und Stoffwechselprodukte zu entsorgen

Front 194

Diffusion

Back 194

Richtung wird durch Konzentration der jeweiligen Substanz innerhalb/außerhalb der Zelle bestimmt -> freie Diffusion immer in Richtung eines Konzentrationsausgleichs -> Geschwindigkeit hängt von Konzentration auf beiden Seiten ab -> spontaner Prozess, mit Anstieg der Entropie und negativer Änderung der Enthalpie verbunden => nur bei Molekülen/Gasen für die die Membran permeable ist

Front 195

Gibb‘schen Freien Enthalpie

Back 195

Spontanität einer Reaktion abhängig von der Änderung der Gibb‘schen Freien Enthalpie (^G) -> ^G=^H-T^S, ^H= Enthalpieänderung (Änderung des Wärmeinhalts des Systems), ^S=Entropieänderung (Maß für Änderung der Ordnung des Systems), T=Temperatur in K; wenn ^G<0 (exergonische Reaktion) -> Reaktion findet spontan statt, Energie kann freigesetzt werden; wenn ^G>0 (endergonische Reaktion) -> Zufuhr von Energie aus der Umgebung erforderlich für die Resktion -> läuft nicht spontan ab; wenn ^G=0 -> Gleichgewicht -> Hin-/Rückreaktion identisch, Konzentration der Reaktanten/Produkte ändert sich nicht; sagt nichts über ihre Geschwindigkeit aus -> entscheidende Größe für die Geschwindigkeit ist die Aktivierungsenergie; ^G der Gesamtreaktion lässt sich durch Addieren der freien Bildungsenthalpien (^Gf) der Produkte und Substrahieren der ^Gf der Reaktanten berechnen -> ^Gf entspricht der Änderung der freien Enthalpie bei Bildung der Verbindung aus ihren Elementen -> Werte müssen sich auf die Elemente unter denselben Bedingungen und gleichen Konzentrationen von Reaktanten/Produkten beziehen -> Standardbedingungen (Druxk=1bar, T=25*C/298,15K, Konzentration=1M, pH=7.0); tatsächliche absolute freie Enthalpie einer Substanz A von ihrer Konzentration und Temperatur abhängig -> GA=GAo‘+RTIn[A], GAo‘=Standardbedingungen, R=allgemeine Gaskonstante, [A]=Konzentration von A, Einheit Jmol^-1 -> Reaktionen meist nicht unter Standardbedingungen -> stark abweichende Temperaturen/Konzentrationen -> bei Reaktion A+B -> C+D => ^GReaktion=^Go‘Reaktion+RTIn([C][D])/([A][B]), ^Go‘Resktion=Gibb‘schen Freien Standardreaktionsenthalpie