Einführung in die Biotechnolgie (Tutorium)

• Chemische Industrie

• Futtermittelindustrie

• Medizinischer Bereich

• Lebensmittelindustrie

• Putz- und Körperpflegemittel

• Proteasen: Abbau von Proteinen

• Cellulasen: Abbau von Cellulose-Fasern (Anti-Pilling-Effekt)

• Lipasen: Abbau von Lipiden

• Amylasen: Stärkeabbau

Die Phenylketonurie ist eine mit gestörtem Stoffwechsel der Aminosäure Phenylalanineinhergehende Stoffwechselerkrankung.

Man unterscheidet zwei Formen der Phenylketonurie:

• "klassische" Phenylketonurie: Mangel an Phenylalanin-Hydroxylase und
• atypische Phenylketonurie: Mangel an Dihydropteridin-Reduktase

Mutation eines Gens aus dem Aminosäurestoffwechsel -> Anstau von Phe im Blut, neuronale Entwicklungssörungen

Im Urin aufgrund von Überlastung der Niere

Transplantation embryonaler oder adulter Stammzellen mit dem Ziel, ein geschädigtes Organ oder eine Krankheit zu heilen.

• Calcitonin aus Lachs gegen Osteoporose

• Silicateine aus Schwämmen für Zahnprothetik oder Frakturstabilisation

• Byssusfäden aus Muscheln für chirurgisches Nahtmaterial, Sehnen

• Conotoxine als Schmerzmittel aus Kegelschnecken

• Squalamin aus Dornhaien als Antimykotikum

• Chitin und Chitosan für Cremes, Nahtmaterial, Ballaststoff (Schalentiere)

• Mietenverfahren:

• Auskoffern

• Vorsortierung

• Homogenisierung

• Zusatz von fallspezifischen Stoffen − Nährstoffe, Mikroorganismen, Strukturmaterialien (Kompost, Mulch, Sand, Stroh, Blähton...)

• Aufschichtung zu 0,8 -2m hohen Mieten auf abgedichtetem Untergrund (Folien)

• Leistungssteigerung: Belüftung, Nährstoffzufuhr, Bewässerung, Bepflanzung, nachgeschaltete Abgasreinigung

→ ex situ-Verfahren

• Aminogruppe: basische Eigenschaften

• Carboxylgruppe: saure Eigenschaften

• Rest: variabel

• Maß für die Säurestärke bzw. die Tendenz des Restes, H+ -Ionen abzugeben

• Je kleiner der pKs, desto stärker die Säure (und desto leichter werden H+ - Ionen abgegeben)

• pH = pKs: genau die Hälfte der Aminosäuremoleküle liegt mit protoniertem Rest und die andere Hälfte mit nicht protoniertem Rest vor.

• pH < pKs: mehr Aminosäureseitenketten sind protoniert (z. B. Carboxylgruppen (COOH), Aminogruppen (NH3 + )) → Nettoladung ist positiver

• pH > pKs: mehr Aminosäureseitenketten sind deprotoniert (z. B. Carboxylgruppen (COO- ), Aminogruppen (NH2 )) → Nettoladung ist negativer

• Enantiomere: Stereoisomere chemischer Verbindungen, die sich in ihrer räumlichen Struktur wie Bild und Spiegelbild verhalten (nicht zur Deckung zu bringen)

• proteinogene Aminosäuren: L-Aminosäuren

• Amid-Bindung

• partieller Doppelbindungscharakter (Länge: 0,132 nm)

→ steif, planar

• Strukturbrecher → Ausbildung der 100°-Drehung nicht möglich

• Glycin: kein chirales α-C-Atom, klein und flexibel

• Prolin: Ringstruktur, bei Peptidbindung ohne freies H-Atom für Wasserstoffbrückenbindungen

• Klasse: Prinzipielle, „grobe“ Protein-Einteilung anhand der Zusammensetzung der Sekundär-Struktur; Beispiele solcher Klassen: alles α-Helices, alles β-Faltblätter, gemischte α/β

• Motiv: „Super-Sekundärstrukturen“ = kleine, spezifische Kombinationen von mehreren Sekundär-Struktur-Elementen, die in vielen verschiedenen Faltungen und somit Proteinen vorkommen; z. B. β-α-β Loop

• Faltung: = Architektur = Die komplette Form und räumliche Orientierung der sekundären Strukturen, wobei Bindungen und Verknüpfungen zwischen den Strukturen ausgeklammert werden; z. B. α/β barrel, TIM barrel

• Domäne: = eine kompakte, räumlich abgrenzbare funktionelle Untereinheit einer solchen Faltung/Architektur; z. B. Bindungs-, Spaltungs-stellen

• van-der-Waals-Wechselwirkungen

• hydrophobe Wechselwirkungen

• ionische/elektrostatische Wechselwirkungen

• Disulfidbrücken (kovalente Bindung)

• Primärstruktur: Kovalente Bindungen (Peptidbindung)

• Sekundärstruktur: Wasserstoffbrückenbindungen

• Tertiärstruktur/ Quartärstruktur: Wasserstoffbrückenbindungen, ionische Wechselwirkungen, hydrophobe Effekte, Disulfidbrücken

• Chirale Moleküle = Moleküle/Stereoisomere, deren Bild und Spiegelbild nicht identisch sind.

• Sie sind durch Drehung nicht zur Deckung zu bringen.

• Beispiel: Linke und rechte Hand

• Molekül mit zwei oder mehreren funktionellen Gruppen, von denen eine positiv und eine andere negativ geladen ist. Oft ist das Molekül dann insgesamt neutral

• z. B. zwei funktionelle Gruppen mit entgegengesetzten Ladungen → Molekül ist insgesamt elektrisch neutral

• Bindungsverhältnisse in einem Molekül sind nicht durch eine einzige Strukturformel, sondern nur durch mehrere Grenzformeln darstellbar

• Keine dieser Grenzformel beschreibt die Bindungsverhältnisse bzw. Ionenverteilungen in ausreichender Weise → „die Wahrheit liegt dazwischen“

Primärstruktur: Lineare Sequenz der Polypeptidkette.

Sekundärstruktur: Lokale Struktur (Faltung) der linearen Polypeptidkette ohne Berücksichtigung der räumlichen Anordnung der Aminosäureseitenketten. α-Helices und β-Faltblätter.

Tertiärstruktur: Gesamte dreidimensionale Struktur (über Wechselwirkungen definiert) der monomeren Peptidkette.

Quartärstruktur: Anordnung getrennter Polypeptidketten (Untereinheiten eines Proteins) zu einem funktionellen Protein.

• A = Enzymklasse

• B = Unterklasse, definiert durch den Substrattyp oder die gespaltene Bindung

• C = Unterklasse, welche den Reaktionstyp weiter spezifiziert (Elektronenakzeptor oder Art der entfernten Gruppe)

• D = Seriennummer (fortlaufende Nummer nach der Zeit der Entdeckung).

→ Hier ein Beispiel zum besseren Verständnis:

➢ Aminopeptidase (3.4.11.4)

➢ A=3 → Hydrolase

➢ B=4 → Peptidase: Hydrolyse einer Peptidbindung wird katalysiert

➢ C=11 → Aminopeptidase (Hydrolyse am N-terminalen Ende)

➢ D=4 → Seriennummer des Enzyms

• Natürliche Proteine, in kleinen Mengen von lebenden Zellen produziert

• Sehr spezifische Biokatalysatoren

• Biokatalyse (Enzyme)

• Hormonelle Proteine (Insulin und Glucagon)

• Transport (Hämoglobin, O2)

• Stützfunktion (Kollagen, Keratin)

• Aktive Bewegung (Aktin, Myosin)

• Blutgerinnung

 • Abwehr (Antikörper)

• Speicherproteine (Ovalbumin, Protein im Hühnereiweiß)

die sauerstoff-abhängige Oxidation am C1-Kohlenstoffatom des Zuckers Glucose

Das Enzym setzt Glucose und Sauerstoff zu Gluconolacton und Wasserstoffperoxid um

1. Oxidoreduktasen: Katalyse von Redoxreaktionen (z.B. Dehydrogenasen)

2. Transferasen: Katalyse der Übertragung eines Atoms bzw. einer funktionellen Gruppe von einem Donor zu einem Akzeptor (z.B. AspartatAminotransferase)

3. Hydrolasen: Katalyse der reversiblen Hydrolyse einer Verbindung (z.B. Proteasen)

4. Lyasen: Katalyse einer nicht-hydrolytischen Spaltung eines Moleküls in zwei Produkte (z.B. Decarboxylasen)

5. Isomerasen: Katalyse von Isomerisierungs-Reaktionen (z.B. Racemasen)

6. Ligasen: Katalyse der Bildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Molekülen unter Energieverbrauch (z.B. ATP) → (z.B. DNA-Ligasen)

• CD-Spektroskopie

• Röntgenkristallographie

• Kernspinresonanzspektroskopie

• Elektronenmikroskopie

a) Dehydrogenasen Klasse der Oxidoreduktasen: Katalyse von Redoxreaktionen, hier Übertragung von Wasserstoff

b) Acyltransferasen Klasse der Transferasen: Übertragung von Stoffgruppen, hier von Acylgruppen (zB. Essigsäurerest)

c) Esterasen Klasse der Hydrolasen: Katalyse der reversiblen Hydrolyse einer Verbindung, hier einer Esterbindung

d) Decarboxylasen Klasse der Lyasen: Katalyse einer nichthydrolytischen Spaltung eines Moleküls, hier Abbau von Carbonsäuregruppen

e) Peroxidasen Klasse der Oxidoreduktasen: Katalyse von Redoxreaktionen, hier Reduktion von Peroxiden

f) Racemasen Klasse der Isomerasen: Katalyse von Isomerisierungsreaktionen, hier Umlagerung von Wasserstoff am einzigen chiralen C-Atom eines Moleküls

→ Xylose-Isomerase (EC 5.3.1.5.)

→ systematischer Name: D-xylose aldose-ketose isomerase

→ Produktion von HFCS (high fructose corn sirup – Glucose-FructoseGemisch zur Verstärkung der Süßkraft)

• Bei peritricher Begeißelung finden sich die Flagellen oder Geißeln zur Fortbewegung der Zelle über den ganzen Zellkörper verteilt.

• In der Vorlesung wurden außerdem folgende Typen vorgestellt:

- Monotrich Begeißelt - Polytrich - Bipolar mono- und polytrich