Biochemie I

• Durch Anlagerung von Iod an die Doppelbindungen lässt sich der Gehalt an ungesättigten Bindungen eines Fettes feststellen (Iodzahl).

• Mehrfach ungesättigte Fettsäuren können durch Luftsauerstoff oxidiert werden (Autoxidation).
Dabei entstehen Produkte, welche zu einem harzähnlichen Material polymerisieren können.
Leinöl, die Basis von Ölfarben, «trocknet» auf diese Weise zu Harz.

Gesättigte FS: keine Doppelbindung!
Laurinsäure C_12:0
Myristinsäure C_14:0
Palmitinsäure C_16:0
Stearinsäure C_18:0
Einfach ungesättigte FS: eine DB!
Ölsäure C_18:1
Erucasäure C_22:1
Mehrfach ungesättigte FS: mehr als eine DB!
Linolsäure C_18:2
Linolensäure C_18:3

Schmelzpunkt umso tiefer, je mehr Doppelbindungen die Fettsäure besitzt.

(Triglyceride/Triacylglyceride)

• sind Ester von Glycerin (einem dreiwertigen Alkohol) mit drei Fettsäuremolekülen
• machen mit 90% den Hauptanteil der Nahrungslipide aus
• bilden das Reservefett + werden v.a. im Fettgewebe in speziellen Zellen gespeichert
• als Bausteine des Reservefetts sind lange ungesättigte Fettsäuren am günstigsten
  --> auf diese Weise lassen sich viele Kalorien bei minimaler osmotischer Wirkung speichern
• lassen sich hydrolytisch durch alkalischeHydrolyse (Verseifung - saponification) spalten
  --> Triglycerid + NaOH → Glycerin + 3 Seifen (Eine Seife ist das Alkalisalz einer Fettsäure)
• Seife = Alkalisalz einer Fettsäure
• die in geringer Menge vorkommenden Mono- und Diacylglycerine (mit Fettsäuren verestert) kommen als Zwischenprodukte des Fettstoffwechsels vor

* Die meisten der im tierischen Fettgewebe vorkommenden Neutralfette sind gemischte Triglyceride
* d.h. die drei Hydroxygruppen des Glycerins sind mit Fettsäuren verschiedener Kettenlängen + verschiedener Sättigungsgrade verestert
* In Neutralfetten kommen mehr ungesättigte als gesättigte Fettsäuren vor.

* zu den Phospholipiden zählend
* Glycerinphosphatide sind ein Bestandteil von Membranen + von Lipoproteinen im Blutplasma
* die vier bekanntesten Glycerinphosphatide enthalten als zusätzliche Alkoholkomponente:
   Inosit, Serin, Ethanolamin, Cholin
* die am häufigsten vorkommenden Glycerinphosphatide:
  --> Phosphatidylethanolamin (Kephalin)
  --> Phosphatidylcholin (Lecithin)
* daneben kommen Phosphatidylserin + Phosphatidylinosit vor   --> analog aufgebaut

Weil Glycerinphosphatide neben der langen Kohlenwasserstoffkette bei pH 7 eine negative Ladung am Phosphorsäurerest tragen + i.d.R. eine weitere geladene oder zumindest polare Gruppe aufweisen
--> werden sie - im Gegensatz zu den Neutralfetten - als polare Lipide bezeichnet

Ihr amphiphiler Charakter ist sehr wichtig für den Aufbau und die Struktur der biologischen Membranen.

* gehören ebenfalls zu den polaren Lipiden
* es sind Phospholipide, welche Sphingosin (einen langkettigen ungesättigten Aminoalkohol) statt Glycerin enthalten
* häufigste Vertreter:
  Sphingomyelin --> ebenfalls ein wichtiger Membranbestandteil v.a. in Nervenzellen

Glykolipide enthalten einen oder mehrere Zuckerreste, aber keinen Phosphatrest.

• Zuckerkomponenten: Glucose, Galactose, N-Acetylglucosamin, N-Acetylgalactosamin, N-Acetylneuraminsäure
• Über glycosidische Bindung verknüpft
• Beispiele: Ganglioside, Cerebroside

(Glykolipide)

Cerebroside sind aus Sphingosin, einem Zuckerrest (zum Beispiel Galactose) + einem Fettsäurerest aufgebaut.
Sie kommen besonders häufig in den Myelinscheiden um die Axone vor.

(Glykolipide)

Enthalten mehrere Zuckerreste.
Kommen in Membranen, besonders in denen von Nervenzellen, vor.
Die Zuckerkomponenten sind gewöhnlich: Glucose, Galactose, N-Acetylglucosamin, N-Acetylgalactosamin oder N-Acetylneuraminsäure.

Als Ester bezeichnet man das Ergebnis der Kondensationsreaktion zwischen einer organischen oder anorganischen Säure und der Hydroxylgruppe eines Alkohols.

• strukturell verwandt mit den Neutralfetten
• sind Ester von langkettigen Fettsäuren mit langkettigen einwertigen Alkoholen
• Bei Raumtemperatur härter und poröser als Öle

Beispiel: Cetylpalmitat

• bei Wirbeltieren werden Wachse von den Hautdrüsen (cutaneous gland) als Schutzschicht ausgeschieden um die
Haut geschmeidig, gleitfähig und wasserabstossend zu halten
• auch Haare, Wolle, Felle + Federn sind von wachsartigen Sekreten überzogen
• besonders die Lebewesen der Meere bilden + verwenden Wachse in grossen Mengen
• auch die Blätter und Früchte vieler Pflanzen sind mit einer schützenden Wachsschicht überzogen
• Bienen schliesslich, bauen mit Wachs ihre Waben

• Phosphorhaltige Lipide
• Glycerinphosphatide oder Phosphoglyceride
• sind ein Bestandteil von Membranen und von Lipidproteinen im Blutplasma
• sind amphiphile Substanzen
• sie weisen unpolare (lipophile/hydrophobe) lange Kohlenwasserstoffketten + polare (hydrophile) Phosphatgruppen + eine Alkoholkomponente auf

Lipide, die nicht verseifbar sind, also keine Ester oder Amide darstellen, sind die Steroide, Terpene und Eikosanoide.

(Nichtverseifbare Lipide)

• Quantitativ am wichtigsten ist das Cholesterin (cholesterol)
--> ein Bestandteil biologischer Membranen
--> Wenig amphipathisch, fast gänzlich innerhalb der Membran
--> die Ausgangssubstanz für die Synthese von Gallensäuren, Steroidhormonen (Progesteron, Östrogen, Testosteron, Androsteron, Nebennierendenhormone) und Vitamin D

(Nichtverseifbare Lipide)

Die natürlich vorkommenden (Steroide und) Terpene sind Polymere mit Isopren als Grundbaustein (C₅-Verbindung).

Beispiele:
• Carotinoide: β-Carotin besteht aus 8 Isopreneinheiten; enthält zahlreiche konjugierte Doppelbindungen;
  kommt besonders reichlich in Karotten (gelben Rüben) vor, welchen es die typische Farbe gibt
  β-Carotin ist eine Vorläufersubstanz von Vitamin A --> = Provitamin A
• Tocopherole: Vitamin E
• Phyllochinone: Vitamin K

(Nichtverseifbare Lipide)

• Stoffwechselprodukte mehrfach ungesättigter Fettsäuren, die 20 Kohlenstoffatome enthalten (gr. eikosi = 20)
• Hydrophobe, hormonähnliche Substanzen
• Wirken als Immunmodulatoren und Neurotransmitter
• Werden in vielen Geweben gebildet
• Ihre Wirkung ist lokal und zelltypspezifisch
• Sind an Prozessen wie Blutgerinnung, Fieber, Allergie, Entzündung beteiligt

(Eikosanoide)

* wurden im Prostatasekret (daher der Name) gefunden --> dort in hoher Konzentration vorkommend
* werden auch in vielen anderen Geweben gebildet
* sehr vielfältige Wirkungen:
  --> lokal + von Zelltyp zu Zelltyp verschieden
* von grossem klinischen Interesse:
  --> werden zu.B. infolge ihrer aktivierenden Wirkung auf glatte Muskulatur des Uterus in Geburtshilfe zur Geburtseinleitung verwendet
* Abkömmlinge von ungesättigten Fettsäuren (Arachidonsäure + anderen mehrfach ungesättigten Fettsäuren)
  --> entstehen aus diesen durch oxidative Ringbildung
* Thromboxane in den Blutplättchen + anderen Zellen sind Derivate der Prostaglandine

(Eikosanoide)

• An Entzündungsprozessen beteiligt
• Erhöht die Gefässpermeabilität + erweitert die Gefässe
• Gegenspieler zu Thromboxan
• Hemmt Thrombozytenaggregation

(Eikosanoide)

• Hauptsächlich in Thrombozyten
• Aktiviert die Thrombozytenaggregation (--> gehemmt durch Aspirin)
• Thromboxane in den Blutplättchen sind Derivate der Prostaglandine

(Eikosanoide)

• Wurden in Leukozyten entdeckt
• Drei Doppelbindungen
• An allergischen Reaktionen + Entzündungen beteiligt

Verseifbar sind (eine Seife ist das Alkalisalz einer Fettsäure):
Neutralfette-Glycerinphosphatide – Sphingosinphosphatide – Cerebroside - Ganglioside
- Fettsäure
- Alkohol
- Phosphat
- Zucker
Nicht verseifbar sind:
- Isopren-Derivate
  --> Steroide
  --> Terpene
- Fettsäure-Derivate
  --> Prostaglandine
  --> Thromboxane
 

* Membranen bilden die äussere Begrenzung von Zellen und Zellorganellen
(z.B. Zellkern, Mitochondrien, Schlauchsystem des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparates, Lysosomen usw.)

* sind nicht für alle Stoffe in gleichem Masse durchlässig (je nach Eigenschaft der Membranen)
  --> damit sorgen sie für Kompartimentierung des Stoffwechsels + erlauben zusätzliche Steuermöglichkeiten

Membranen sind auch Träger von Erkennungsstrukturen. Diese spielen eine Rolle:
• bei der Organentwicklung z.B. für eine korrekte Knüpfung von Zellkontakten im Nervensystem
• bei der Infektabwehr z.B. besitzen Lymphozyten an der Oberfläche Antigenrezeptoren, mit welchen sie Fremdstrukturen erkennen können 
(Bsp.: CD4 Rezeptor auf Lymphozyten --> dient als Eingangstor für das AIDS-Virus)
• bei der hormonellen Kommunikation zwischen Zellen z.B. sind die Rezeptoren für Peptidhormone wie Insulin, Glukagon, Follikel stimmulierendes Hormon (FSH), Luteinisierungshormon (LH), auf der Zelloberfläche lokalisiert

• Phospholipid Doppelschicht (phospholipid bilayer)
• Selektive Durchlässigkeit (selective permeability) --> sehr wichtige Eigenschaft
• Kompartmentierung (compartmentalization) --> Raumabgrenzung von äusserem Milieu
• Flüssiges Mosaik Modell (fluid mosaic model)
• Laterale Beweglichkeit (lateral diffusion)

• Lipide --> ~ 50%
• Proteine --> ~ 50%
  - Glycoproteine
  - Membranrezeptoren
  - Transportproteine und Transmembrankanäle
• Kohlenhydrate --> ~ 1.10%

Obwohl diese Proportionen von Spezies zu Spezies variieren und auch innerhalb einer bestimmten Spezies von der Art der Membran abhängig sind, bleibt die Zusammensetzung einer bestimmten Membran, z.B. der  Erythrozytenmembran einer bestimmten Spezies, immer konstant.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten für den Transmembrantransport:

• Freie Diffusion
• Trägervermittelte Diffusion
• Aktiver Transport --> hier wird Energie verbraucht

Während die Lipide für die Barrierenfunktion verantwortlich sind (hydrophobe Barriere im wässerigen Milieu der lebenden Materie),
vermitteln die Proteine die spezifischen Membranfunktionen (zum Beispiel spezifischer Transport bestimmter Stoffe, transmembranäre Signalübermittlung, vektorielle chemische Prozesse).

--> Membranen verschiedener Funktion haben demnach eine unterschiedliche Proteinzusammensetzung. <--

Kohlenhydrate sind nur auf der Aussenseite der Plasmamembran vorhanden.
Sie sind in Form von Glykolipiden oder Glykoproteinen (Kohlenhydratanteil ist N-glykosidisch an Asn oder  O-glykosidisch an Ser oder Thr gebunden) vorhanden.

1. Geschlossene Strukturen, dünne Schicht
2. Lipide                 --> sind verantwortlich für die Barrierefunktion
3. Proteine             --> vermitteln die spezifischen Membranfunktionen
4. Kohlenhydrate:
  --> Proteine
  --> Lipide
5. Lipide:
  --> Hydrophob
  --> Hydrophil
6. Nicht-kovalentes Gebilde
7. Asymmetrie wegen Proteinen
8. Fliessende Struktur (dynamisch)
9. Zweidimensionale Struktur

* Grundstruktur der Membranen bildet eine bilaminäre Lipidschicht --> darin Proteine eingelagert
* Lipide bilden eine geordnete Flüssigkeitsschicht (flüssiger Kristall) --> darin Proteine eingetaucht = Modell des flüssigen Mosaiks:
--> in Lipidschicht herumschwimmenden Proteine vergleichbar mit Eisbergen im Meer --> zum grössten Teil untergetaucht + ragen nur wenig über die Lipidoberfläche heraus
--> Proteine sind in lateraler Richtung mehr oder weniger frei verschieblich <----> ihre vertikale Beweglichkeit  (Eintauchtiefe) sehr begrenzt
--> von oben betrachtet bilden Proteine eine Art Mosaik

Na   1
K   2
Cl   80
Glucose   20’000
Tryptophan   100’000
Harnstoff/Glycerin   2 x10⁶
Indole   200 x 10⁶
H2O   2 x 10⁹

• polare Lipide (Phospholipide und Glykolipide) mengenmässig im Vordergrund stehend
• Aufbau:
  - polar (wasserlöslicher) Kopf
  - unpolarer (fettlöslicher) Schwanz
   -->  hydrophobe Wechselwirkung
• es gibt wenige unpolare, amphiphile Lipide (z.B. Cholesterin)
• prozentuale Anteil verschiedener Lipide schwankt von Membrantyp zu Membrantyp + von Zellart zu Zellart