Biochemie I

Eine Überversorgung mit Vitamin E ist nicht bekannt.

In der Nahrungsmittelindustrie wird Vit.E als Konservierungsmittel für Fette und Öle eingesetzt.

(= Koagulationsvitamin)
- Vitamin K₁ und Vitamin K₂ sind in organischen Lösungsmitteln löslich, jedoch nicht in Wasser
- Vitamin K₃ ist wasserlöslich
- Vitamin K₁ = wichtigster Vertreter der K-Vitamine --> ein gelbes Öl
- die anderen Verbindungen kennt man in Form von hellgelben Kristallen
- empfindlich gegenüber Licht und Alkalien (wird inaktiv); beständig gegen Luft und Wärme
 

- Versorgung des Körpers mit Vit.K erfolgt entweder über die Nahrung (Vit.K₁; als billigere Zusätze zu Futtermitteln auch Vit.K₃) oder
  --> Vit.K₁ kommt in Chloroplasten von Grünpflanzen und teilweise deren Früchte vor
- durch enternale Synthese (Vit.K₂)
  --> Vit.K₃ wird von Bakterien auch im Darm des Menschen produziert

- im Dünndarm, vorwiegend im Duodenum, findet die Resorption zusammen mit Lipiden statt
- Anwesenheit von Gallensäuren, Fettsäuren und Lecithin wirkt fördernd auf die Resorption

- nach der Resorption wird Vit.K in Chylomikronen eingelagert und über den Lymph- und Blutweg zur Leber transportiert
- Vit.K₃ wird in der Leber zu Vit.K₂ (Menachinon-4) aktiviert

Eine Speicherung von Vit.K kommt praktisch nicht vor.

- Vit.K ist für die Blutgerinnung nötig
- bei der Blutgerinnungskaskade wirken eine Vielzahl von Blutgerinnungsfaktoren
- diese Faktoren entstehen zum Teil aus Vorstufen; diese müssen aktiviert werden, damit die Blutgerinnung überhaupt ablaufen kann
- Vit.K greift in die Aktivierung der Vorstufen von Prothrombin sowie der Faktoren VII, IX und X ein.

- die inaktiven Vorstufen von Prothrombin (= Faktor II) sowie der Faktoren VII, IX und X entstehen in der Leber
- es handelt sich um Proteine, deren aminoterminalen Sequenzen reich an Glutaminsäure-Resten sind
- die Vit.K-abhängige Aktivierung der Vorstufen besteht in der gamma-Karboxylierung dieser Glutaminsäure-Resten
- dabei entstehen gamma-Karboxyglutaminsäure-Reste, welche Ca⁺⁺ komplexieren
- die Komplexierung von Ca⁺⁺ bewirkt die Aktivierung der Gerinnungsfaktoren (über 2 Mechanismen)

Die Komplexierung von Ca⁺⁺ bewirkt die Aktivierung der Gerinnungsfaktoren über 2 Mechanismen:

a) die Gerinnungsfaktoren nehmen eine aktive Konformation an, und...
b) ... die Gerinnungsfaktoren lagern sich unter Ausbildung von Protein-Ca⁺⁺-Phospholipid-Komplexen an die Zellmembranen der Endothelzellen und Thrombozyten an, sodass sie direkt am Ort der Gefässschädigung wirken können

- die Vit.K-abhängige gamma-Karboxylierung ist eine posttranslationelle Modifikation
- dabei wirkt Vit.K als Kofaktor einer Epoxidase/Karboxylase
- weitere Kofaktoren sind CO₂ und O₂

Kalzifizierung des Knochens
- analog zur Blutgerinnung wirkt Vit.K bei der Kalzifizierung und Dekalzifizierung des Knochens miz
- auch hier müssen Proteine gamma-karboxyliert werden, damit eine Interaktion mit Ca⁺⁺ möglich wird

Hämostase
- ein lebenswichtiger Prozess, der die bei Verletzungen der Blutgefässe entstehenden Blutungen zum Stillstand bringt
Blutstillung
(= zelluläre Hämostase)
- die Blutplättchen (Thrombozyten) verkleben die Wandzellen der betroffenen Blutgefässe und Gewebe ausserhalb des Gefässes und stellen so den ersten Wundverschluss her
Blutgerinnung
(= plasmatische Hämostase)
- die Blutgerinnung wird diesen noch losen Verschluss durch die Bildung von Fibrin-Fäden verstärken --> Vit.K!

Das Leitsymptom ist eine erhöhte Blutungsneigung.

- eine spontane Hypovitaminose K infolge ungenügender Zufuhr mit der Nahrung ist wegen der ausgiebigen enteralen Synthese bei adulten Lebewesen selten

- gefährdet sind allenfalls:
  --> Neugeborene und frisch geworfene Jungtiere mit erhöhtem Vit.K-Bedarf infolge noch unreifer Leberfunktion (Symptom: Nasenbluten); deswegen erhalten Säuglinge nach der Geburt prophylaktisch Vit.K
  --> alle Arten von Geflügel (haben einen besonders hohen Vit.K-Bedarf)

- Gallengangsverschlüssen (ungenügende Emulgierung des Vit.K im Darm infolge Fehlens der Gallensäure)
- Leberschäden (verminderte Synthese und Aktivierung der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X)
- allgemeinem Malabsorptionssyndrom
- längerer, peroraler Behandlung mit antibakteriellen Chemotherapeutika (Sulfonamide, Antibiotika)
  --> diese zerstören die Darmflora und unterdrücken so die enterale Vit.synthese

- akute Fälle von Vit.K-Mangel entstehen bei Überdosierung von Vit.K-Anatgonisten
- dabei handelt es sich um Strukturanaloge des Vit.K, welche in den Stoffwechsel des Vit.K eingreifen
- sie wirken als Antikoagulantien --> d.h. sie verzögern die Blutgerinnung
- Hauptangriffspunkt ist die Epoxidreduktase, daneben wird auch die Vit.K-Reduktase gehemmt

- wichtige Klasse der Vit.K-Antagonisten
- wurden zur Behandlung thromboembolische Erkrankungen des Menschen (Herzinfarkt, Thrombosen, Embolien) entwickelt
- in der Tiermedizin werden sie mit wechselndem Erfolg zur Behandlung der Strahlbeinlahmheit des Pferdes eingesetzt

- Cumarine und andere Vit.K-Antagonisten werden auch in Ködern als Rattengift verwendet
- Tiere sterben durch Verbluten
- Hunde & Katzen nehmen die wohlschmeckenden Köder gerne auf, besonders wenn aufgebrochene Packungen im Stall herumstehen
- Cumarinvergiftungen bei Hunden sind deshalb relativ häufig
  --> äussern sich durch aktute innere Blutungen
  --> sofortige Therapie nötig! --> Vit.K-Verabreichung, intramuskulär, in schweren Fällen zusätzlich Blutransfusionen
  --> kein Vit.K₃ verwenden --> wirkt zu langsam, Aktivierung in der Leber beansprucht 2-3 Tage

Eine Vit.K-Hypervitaminose ist nicht bekannt.

In Bezug auf die Veterinärmedizin ist die Biochemie und Molekularbiologie ausserordentlich wichtig für das Verständnis vieler normaler und krankhafter Vorgänge im tierischen Organismus. Sie sind überdies die Grundlage für die klinische  Chemie, welche in der modernen naturwissenschaftlichen Tiermedizin eine wichtige Rolle bei der Diagnosestellung spielt.

Wahrnehmbar mit: (max. Auflösungsvermögen)    Beispiel: (Zahlen geben grösste Dimension an)
Blossem Auge*                                                         Gewisse Eukaryontische Zellen (10-500μm)
Lichtmikroskop (0.2μm)                                            Rotes Blutkörperchen 7μm, Bakterien 0,5
                                                                                  – 3μm, Mitochondrien 0,5 – 2μm
Elektronenmikroskop                                                Viren 20 – 300 nm, Ribosomen 20 – 25 nm,
                                                                                  Hämoglobin 6,4 nm, Wasser 0,4 nm

[*1 Bogenminute; das heisst: 0.1 mm bei 1/3 m Entfernung (= 33 cm)]

Von den insgesamt etwa 100 Elementen der Erdkruste treten mindestens 23 als essentielle Bestandteile der lebenden Materie auf:

1. Hauptelemente: (95 Massen-%) C, H, O, N, P, S
2. Ionische Elemente Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-
3. Spurenelemente Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, I, F, Se, Cr, Sn, V

Organellen      z.B. Kern, Mitochondrien
Supramolekulare Einheiten (Partikelgewicht (10⁶ - 10⁹))     z.B. Multienzymkomplexe, Kontraktile Systeme,
                                                                                                     Membranen, Viren
Makromoleküle (MG 10³ - 10⁶)     z.B. Nucleinsäuren, Proteine, Polysaccharide, Lipide
Bausteine (MG 100 - 350)     z.B. Mononucleotide, Aminosäure, Einfache Zucker, Fettsäuren/Glycerin
Bausteinvorstufen (MG 50 - 250)     z.B. Ribose, Oxalacetat, Pyruvat, Acetat
Anorganische Vorstufen (MG 18 - 44)     z.B. CO₂, H₂O, NH₃

Mit zunehmender Molekülmasse nimmt die Komplexität der Biomoleküle zu. Ihre zunehmende Vielfalt ist ersichtlich aus der molekularen Zusammensetzung lebender Organismen.

Der Hauptteil der Masse einer Zelle entfällt auf Wasser.
Andere Bestandteile (%Anteil in Zelle von oben nach unten abnehmend):
Anorganische Ionen
Zucker + Vorläufer
Aminosäuren + Vorläufer
Nucleotide + Vorläufer
Lipide
Andere niedermolekulare Verbindungen
Makromoleküle (Proteine, Nucleinsäuren, Polysaccharide)

1. Wasser (H2O) ist ein unbedingt notwendiger Bestandteil jeder lebenden Substanz auf unserer Erde.
2. Wasser (H2O) ist das universelle biologische Lösungsmittel, in welchem sich alle biochemischen Vorgänge abspielen.
3. Es ist Reaktionspartner bei vielen biochemischen Reaktionen (z.B. hydrolytischen Spaltungen).
4. Es ist wesentlich mitverantwortlich für die Ausbildung der biologischen Strukturen und Formen (hydrophober Effekt).

* H₂O hat hohe Kohärenz (starke intermolekulare Wechselwirkungen durch H-Bindungen), die sich in hohem Schmelz- und Siedepunkt manifestiert:
--> H₂O ist trotz ähnlichem Bau wie gasförmiges H₂S bei physiologischen Temperatur- und Druckverhältnissen flüssig
* H₂O hat eine hohe Dielektrizitätskonstante (Mass für die Schwächung eines elektrischen Feldes
durch einen Dipol):
--> polare Wassermoleküle setzen elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Ionen herab --> begünstigen damit Trennung von Ladungen  z.B. die Dissoziation von Salzen in Ionen
* Die genannten Eigenschaften lassen sich durch den Bau des H₂O-Moleküls erklären:
--> H₂O-Molekül zwar elektrisch neutral, aber durch ungleichmässige Verteilung der Bindungselektronen decken sich positive + negative Ladungsschwerpunkte nicht

Die kohäsive Natur des Wassers, deren Ursache ein dynamisches Netzwerk von Wassserstoffbrücken ist, führt zu dessen ungewöhnlichen Eigenschaften, wie z.B. die hohe Oberflächenspannung und den hohen Schmelz- und Siedepunkt.

Durch den Dipolcharakter des H₂O-Moleküls werden elektrostatische Wechselwirkungen wirksam, die als  H-Bindungen bezeichnet werden. Es bestehen drei Möglichkeiten zur Ausbildung von H-Bindungen:
• Zwischen H₂O-Molekülen
• Zwischen einem H₂O-Molekül und einer polaren Verbindung
• Zwischen zwei polaren Verbindungen

Die grosse Tendenz von H₂O-Molekülen, H-Bindungen zu bilden, macht H2O zu einem ausgezeichneten Lösungsmittel in biologischen Systemen.

(schlecht in H2O löslich)
Diese Verbindungen besitzen keine geladenen oder polaren Gruppen; sie sind apolar und können keine H-Bindungen eingehen. Sie sind daher wasserunlöslich.

(gut in H2O löslich)
Ionische, bzw. ionisierbare Verbindungen (Salze, Säuren, Basen):
Geladene Moleküle oder geladene Gruppen haben grosse Tendenz, sich mit Wasserdipolen, d.h. mit einem Hydratmantel, zu umgeben. (Zudem wird die Ionisierung, sofern dabei eine Ladungstrennung stattfindet, durch die hohe Dielektrizitätskonstante des Wassers begünstigt.)

Beispiele: Aminosäuren, Proteine, Nucleotide.

(O, N)
Verbindungen mit solchen Atomen haben ähnliche Dipoleigenschaften wie H₂O; man nennt sie deshalb polare Verbindungen. Auch sie gehen H-Bindungen mit H₂O ein.

(griechisch:«amphi» = beid-)
Diese Verbindungen haben sowohl polare (hydrophile) Gruppen als auch apolare (hydrophobe, lipophile) Gruppen und zeigen im Allgemeinen nur geringe echte Wasserlöslichkeit.

Beispiele:
Deprotonierte Fettsäure: CH₃-(CH₂)₁₆-COO^- Na⁺
CH₃-(CH₂)₁₆-COO^-  = Kohlenwasserstoffkette = hydrophobe Komponente
Na-stearat (= Kernseife)  = Carboxylatgruppe = hydrophile Komponente

Es ist eine Erfahrungstatsache, dass Seife in Wasser eine trübe «Lösung» bildet, die keine echte Lösung (das heisst: Einzelmoleküle von H2O umgeben), sondern eine Suspension von Mizellen ist:

Dabei lassen sich Stearat-Anionen zu supramolekularen Aggregaten zusammen lagern, die man als Mizellen bezeichnet (Durchmesser < 20 nm).

• Die negativ geladenen Carboxylatgruppen treten in Kontakt mit H2O-Dipolen.
• Die hydrophoben (lipophilen) Kohlenwasserstoffketten vermeiden den Kontakt mit Wasser und lagern sich aneinander.

* Die ausgebildete Form ist ein Kompromiss zwischen der Wasserlöslichkeit der ionisierten Carboxylgruppen und der Unlöslichkeit der apolaren Kohlenwasserstoffketten.
* Das Zusammenspiel zwischen den Löslichkeitseigenschaften der amphiphilen Verbindung und den  Lösungsmittel-eigenschaften des Wassers führt zu einer definierten Orientierung der Moleküle und damit zur Ausbildung einer, wenn auch sehr einfachen, supramolekularen Struktur.
* Die mizelläre Struktur wird im Wesentlichen durch hydrophobe Effekte stabilisiert.

Als hydrophobe Effekte werden die durch das Wasser bedingte Assoziationseffekte apolarer Gruppen oder Moleküle bezeichnet. Sie sind nicht Kräfte oder Bindungen im eigentlichen Sinn (hydrophobe Bindungen).

Um apolare Gruppen oder Moleküle befinden sich die Wassermoleküle in einem Zustand höherer Ordnung als im Grossteil des Wassers, da die Möglichkeiten, H-Bindungen auszubilden, weniger zahlreich sind.
Lagern sich die apolaren Moleküle zu einem grösseren Aggregat zusammen und verringern so ihre Kontaktfläche zu Wasser, so wird durch die vermehrte Freiheitsgrade der Wassermoleküle die Entropie der Lösung vergrössert; das heisst, es wird ein thermodynamisch günstigerer Zustand niedrigerer Ordnung erreicht.
Daher kann es ohne Wasser keine hydrophoben Effekte geben!

Zusammen mit den H-Bindungen sind die hydrophoben Effekte verantwortlich für die Stabilisierung aller grösseren biologischen Strukturen im wässrigen Milieu der Zelle (z.B. Proteine, Ribosomen und Membranen).
Diese Stabilisierung durch relativ leicht lösbare nichtkovalente Wechselwirkungen verschafft den biologischen Makromolekülen eine gewisse Flexibilität (H-Bindung - eine nicht-kovalente Bindung - hat ungefähr 1/10 der Bindungsenergie einer kovalenten Bindung).

Für viele biologische Makromoleküle, zum Beispiel Proteine, ist die Möglichkeit, ihre Konformation zu verändern, eine Grundlage ihrer Wirkungsweise.

Die Konformationsänderung von Proteinen hat wichtige funktionelle Konsequenzen, zum Beispiel für die Enzymfunktion bei «Induced Fit» und bei der Regulierbarkeit von Proteinen und Enzymen.

Die freie Enthalpie, oder auch Gibbs-Helmholtz Enthalpie, ist ein Maß für die Triebkraft eines Prozesses und wird mit dem Buchstaben G abgekürzt. Sie wird durch die Reaktionsenthalpie und – entropie bestimmt und nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung berechnet.

ΔG = ΔH – ΔS*T