Biochemie I

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

Proteine in ihrer nativen Struktur haben in der Regel die niedrigste freie Energie G aller möglichen Zustände.

Griechisch «proteios» =
Lateinisch «primarius» = die erste Stelle einnehmend

Da die ersten biochemischen Untersuchungen von Proteinen an Hühnereiweiss durchgeführt wurden, bezeichnet man Proteine auch als Eiweisse.

* Ein Protein ist ein lineares Polymer aus 20 verschiedenen Aminosäuren (As) als Bausteine.
* Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen miteinander verknüpft. Diese Säureamidbindungen kommen zustande durch Verknüpfung der α-Carboxylgruppe einer As mit der α-Aminogruppe der nächsten As.

z.B. Tripeptid: 3 As als Bausteine, die sich in ihrer Seitenkette (R-Gruppe) unterscheiden.
* Alle aber besitzen die gleichen zwei funktionellen Gruppen, eine α-NH2-Gruppe und eine α-COOH-Gruppe.

* Je nach der Zahl der Aminosäurereste bezeichnet man das entstehende Molekül als Dipeptid, Tri-, Tetra-, Penta- oder Polypeptid.

Trotz einfachen linearen Bauprinzips gibt es infolge der 20 verschiedenen Bauelemente praktisch unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten.

Dipeptid    20² ---> 400 Möglichkeiten
Tripeptid   20³ ---> 8’000 Möglichkeiten
Protein mit 500 Aminosäuren-Resten    20⁵⁰⁰ ---> 10'650 Möglichkeiten

(Zum Vergleich: geschätzte Anzahl Atome im Universum 8x10⁷⁸)

* Die Peptidkette faltet sich zu einer definierten, für ein bestimmtes Protein spezifischen dreidimensionalen Struktur.
---> Infolge der definierten Raumstruktur können reine Proteine Kristalle bilden.
* Die Isolierung bestimmter Proteine aus Proteingemischen (z.B. Körperflüssigkeiten oder Gewebeextrakten) und die Untersuchung der Eigenschaften reiner Proteine sind wichtige Aufgaben für die biochemische Forschung.
* Anhand der Raumstrukturunterschiede von Prion-Proteinen kann man sehen, dass je nach Raumstruktur ein Protein «pathologisch» sein kann, während das andere eine «physiologische» Funktion hat.
* Es lassen sich bei den Proteinen zwei Strukturelemente unterscheiden (siehe andere Karte)

1. Kovalente Struktur der Peptidkette (Aminosäurensequenz = Primärstruktur):
* Genetisch bestimmte Reihenfolge der verschiedenen As längs der Peptidkette.

2. Faltung der Peptidkette im Raum (Kettenkonformation):
* Sie wird eindeutig bestimmt durch die Primärstruktur, ist damit indirekt genetisch bestimmt.
* Sie wird durch nicht-kovalente Bindungen stabilisiert (Ausnahme: Disulfid-bindungen).
* Die für ein bestimmtes Protein typische Faltungsform wird als dessen native Struktur bezeichnet.
  --> Die native Struktur bildet sich spontan nach der Biosynthese durch Selbstorganisation. In dieser Form sind die Proteine biologisch aktiv. Trotz intensivster Forschungsbemühungen weiss man bis heute nicht im Detail wie diese Selbstorganisation zu Stande kommt.

Die meisten Proteine haben eine sehr ähnliche elementare Zusammensetzung:
C      H     O    N     S
50 - 10 - 20 - 16 - 0-3      Massen-%

Der Stickstoffanteil von Proteinen ist ziemlich konstant und kann deshalb zur quantitativen Bestimmung von Proteinen benutzt werden.

A. Einfache Proteine enthalten nur Aminosäuren zum Beispiel: Trypsin, Myosin
B. Zusammengesetzte Proteine enhalten Aminosäuren und eine (oder mehrere) prosthetische Gruppe(n)

Zusammengesetzte Proteine enthalten eine Nichtproteinkomponente (Metallion oder niedermolekulare organische Verbindung), die als prosthetische Gruppe bezeichnet wird.
   --> Sie ist durch kovalente oder nichtkovalente Bindungen fest an das Protein gebunden.
   --> Zudem ist sie verantwortlich für die charakteristische Farbe einiger Proteine. (Proteine selbst sind farblos)
   --> Als Beispiel sei das Eisen im Blutfarbstoff Hämoglobin erwähnt (Eisen ist rot).

* Die relativen Molekülmassen (einheitslos!) der Proteine liegen im Bereich von 10⁴ – 10⁶
* Die Molekülmasse eines Proteins ist ein Mass für die Anzahl der As-Reste im Molekül:
  • Durchschnittliche Mr eines As-Restes = 120 Da (Dalton)
  • M_r des Proteins / 120 = Anzahl As-Reste
  • Viele Proteine, besonders solche mit höherer M_r, sind aus mehreren Polypeptidketten aufgebaut.
  --> Man unterscheidet demnach:
      • Monomere Proteine (1 Peptidkette), z.B.Cytochrom c
      • Oligomere Proteine (2, 4, 6, 8, ... Polypetidketten), z.B. Hämoglobin ein tetrameres Protein aus 4 Untereinheiten, die durch nichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten werden; trotzdem wird das ganze Hämoglobin als ein Molekül bezeichnet.

Die Kettenlänge von Proteinen liegt zwischen 100 – 500 As-Resten.

Ein Protein besitzt im Gegensatz zu einem Peptid eine bestimmte räumliche Anordnung der Peptidkette (Konformation). Für die Abgrenzung dieser zwei Begriffe spielt also die Mr (relative Molekülmasse) primär keine Rolle. Wohl ist aber die Tendenz zu eindeutiger Raumstruktur umso grösser je höher die Mr ist (Mr>104).

Proteine sind Makromoleküle und unterscheiden sich von kleinmolekularen Substanzen in ihrem Verhalten gegenüber Membranen.
Viele biologische und künstliche Membranen lassen H₂O und kleinmolekulare Stoffe durchtreten, da sie Poren von genügend grossem Durchmesser aufweisen (z.B. Dialyse durch Cellophanmembran). Dies gilt im Allgemeinen nicht für die grossen Proteine.

--> Proteohormone wie zum Beispiel das Insulin können nicht in die Zielzelle eindringen. Trotzdem muss es aber seine «Botschaft» in die Zelle einbringen können.

Die Proteine können nach ihrer Form und dadurch bestimmten Eigenschaften in zwei grosse Klassen eingeteilt werden:
1. Globuläre Proteine (Sphäroproteine)
Die Polypeptideketten sind zu kompakten Kugelformen zusammengefaltet. Sphäroproteine sind gut wasserlöslich und haben äusserst vielfältige Funktionen (z.B. Enzyme, Transportproteine des Blutes wie Hb).
2. Fibrilläre Proteine (Faserproteine)
Sie bilden langgestreckte Strukturen (meist aus Aggregaten vieler Polypeptidketten), sind in der Regel wasserunlöslich und haben ausschliesslich mechanische Funktionen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Proteine haben dazu geführt, dass Produkte, welche diese Proteine enthalten, praktische Verwendung in unserem täglichen Leben finden.
z.B. Haarkreatin   --> Produkt daraus: Wolle
z.B. Kollagen [organische Substanz des Knochens & im Bindegewebe der Haut]   --> Produkt: Gelatine, Tischlerleim, Leder
z.B. Seidenfibroin   --> Produkt: Seide

Die Vielfalt in Struktur und Funktion der Proteine wird primär bestimmt durch die Eigenschaften der verschiedenen in einem Protein enthaltenen As.

Enzyme
Speicherproteine
Transportproteine des Blutes
Schutzproteine des Blutes
Toxine (= Giftproteine)
Hormone
Proteine des Membrantransports
Proteine der Enzymregulation
Proteine des Proteinsynthese-Apparates
Proteine des genetischen Apparates
Kontraktile Proteine
Strukturproteine

Proteine werden aus 20 verschiedenen α-Aminosäuren synthetisiert.

Das Cystin entsteht durch eine reversible Oxidation aus zwei Cysteinresten. Die Dreibuchstabenabkürzungen in Klammern werden gebraucht, um die As-Sequenz zu notieren.

Glycin als Grundstruktur der Aminosäuren
Alle α-As können formal als Derivate des Glycins aufgefasst werden, indem ein H-Atom am α-C-Atom substituiert wird durch einen spezifischen Rest (Seitenkette), wobei das α-C-Atom zum chiralen Zentrum wird. In Proteinen kommen nur L-As vor. (Alle L-As mit Ausnahme von L-Cystein können der S-Reihe im R/S-System zugeordnet werden.)

• As mit Alkylgruppe, das heisst, reine Kohlenwasserstoffseitenkette:
Gly (als einzige proteinogene AS nicht chiral!), Ala, Val, Leu, Ile
Mit zunehmender Kettenlänge nimmt der hydrophobe, apolare Charakter zu.
• As mit aromatischen Gruppen:
Phe --> Phenylgruppe
Tyr --> Hydroxyphenylgruppe
Trp --> Indolgruppe
Die aromatischen As sind verantwortlich für die UV-Absorption von Proteinen im Spektralbereich von 250-280 nm.
• As mit sekundärer Aminogruppe:
Pro --> Durch den Ringschluss zwischen Seitenkette und α-Aminogruppe wird die freie Drehbarkeit der N-C-Bindung eingeschränkt, was wichtige Konsequenzen bei der Faltung eines Proteins hat. Pro ist daher ein sogenannter «Helixbrecher».
• As mit S-haltiger Gruppe:
Met --> Thioäther
Cys --> Thioalkohol
       --> Zwei Cysteinreste können durch Oxidation eine Disulfidbindung eingehen, welche zwei Polypeptidketten oder verschiedene Abschnitte in einer Polypeptidkette verbindet.

• Alkoholische Hydroxylgruppen:
Ser, Thr
Die Alkoholgruppen beider As können mit Phosphorsäure verestert werden und so im Eiweissverband  Phosphoproteine bilden. Auch ist die glykosidische Bindung dieser Alkoholgruppen mit Zucker eine der möglichen  Zucker-Eiweiss-Bindungen in den Glykoproteinen.
• Amide:
Asn --> Amidgruppe
Gln --> Amidgruppe
Das eng benachbarte O-Atom beeinflusst durch seine Elektronegativität das freie Elektronenpaar am N-Atom, welches dadurch nicht mehr wie bei den Aminen zur Protonenbindung zur Verfügung steht. Die Amidgruppen von Asn und Gln sind somit wohl polar, aber nicht mehr basisch.
• As mit schwefelhaltiger Gruppe:
Cys --> wasserlöslich

Saure, negativ geladene Seitenketten (2)
• Carboxylat in Seitenkette:
Asp, Glu --> Carbonsäuren
Basische, positiv geladene Seitenketten (3)
• Stickstoffbasen:
His --> Imidazolgruppe
Lys --> Aminogruppe
Arg --> Guanidinogruppe
Alle drei As enthalten 6 C-Atome und werden darum als Hexonbasen bezeichnet.

Ausser den 20 "Standard-As" gibt es noch wenige weitere besondere As, die nicht von DNA codiert werden, sondern im fertiggestellten Protein durch chemische Modifikation der Standard-As entstehen (posttranslationelle Modifikation). Sie sind nur in bestimmten Proteinen zu finden.

Zwei As können (formal) unter Wasserabspaltung zu einem Dipeptide kondensieren.
Aminogruppe zu schwach nukleophil um direkt mit der Carboxygruppe ein Amid zu liefern!
endergon --> die Reak/on ist thermodynamisch ungünstig
Bei der Translation wird diese Peptidkondensierungs-Reaktion von den Ribosomen katalysiert.

Mit dem Begriff Peptid bezeichnet man ein Molekül, das aus AS aufgebaut ist, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Systematisch unterteilt man Peptide nach der Anzahl der AS, aus denen sie aufgebaut sind.