Biochemie I

• DNA-Sequenzen, DNA-Mikroarray-, Protein-, und Protein-Protein-Interaktions-Daten werden in Computer-Datenbanken gespeichert, die Forschern aus aller Welt über das Internet zur Verfügung stehen

• die Datenbanken benützen eine spezielle Software, um eine DNA-Sequenz auf Signatursequenzen proteincodierender Gene zu durchsuchen (z.B. Start- und Stopsignale für Transkription/Translation)

• Software sucht auch Sequenzen die in ähnlicher Weise in anderen bekannten Genen vorhanden sind --> Tausende solcher “exprimierter Sequenzmarker“sind in den Computer-Datenbanken katalogisiert
--> auf diese Weise erhalten die Wissenschaftler eine Liste von Genkandidaten

Transkriptomics
- die Mikroarrays können auch beim Nachweisen von Unterschieden im Genom behilflich sein
(Damit kann man beispielsweise den Unterschieden in der Genausstattung von pathogenen und nicht-pathogenen Stämmen von Krankheitserregern auf die Spur kommen.)
Proteomics
- Unterschiede im Proteinmuster:
  --> vom selben Gewebe eines Tieres über eine gewisse Zeitdauer --> ermöglichen Rückschlusse auf das Ausmass oder Fortschreit von Krankheitsstadien
  -->  desselben Gewebes unterschiedlicher Tiere --> Hinweise für die notwendige Höchst- oder Mindestmenge von Medikamenten geben
  --> Unterschiedlicher Gewebe desselben Tieres --> die Charakterisierung von Stoffwechselwegen und beteiligter Schlüsselenzyme

1. Schritt:
- Proteine können durch 2-Dimensionale (2-D) Gelelektrophorese getrennt werden --> erfolgt in 2 Schritten:

• Horizontal:
  Das Proteingemisch wird auf eine Gelplatte mit einem pH-Gradienten in Längsrichtung durch ein elektrisches Feld aufgetrennt → Auftrennung nach elektrischer Ladung
• Vertikal:
Indem anionisches SDS (Natriumdodecylsulfat) an die Proteine angehängt wird, entstehen negativ geladene SDS-Proteinkomplexe die in einem nun senkrecht angelegten elektrischen Feld wandern → Auftrennung nach Proteinmasse

- Die einzelnen Proteine werden sichtbar gemacht (→ Proteinspots) durch nachträgliche Färbung

Massenspektrometrie
• Proteine können durch Massenspektrometrie (MS-Analyse: Protein Fingerprint) identifiziert werden.
  --> Die Proteinspots mit dem umliegenden Gel werden ausgestochen und durch sequenzspezifische Proteasen (z.B. Trypsin) zu Peptidketten verschiedener Masse gespalten und massenspektrometrich analysiert
  --> Die verschiedene Peaks entsprechen den Peptidketten
  --> Mit Hilfe von Datenbanken kann man durch Mustervergleiche die Proteine identifizieren

• versucht über einen interdisziplinären Ansatz mit Methoden und Konzepten aus der Molekularbiologie, den Systemwissenschaften und der Informatik zu einem verbesserten Verständnis der in einer Zelle ablaufenden Prozesse zu gelangen
• soll das Verhalten und die Wechselwirkungen aller Komponenten des Systems erfasst werden
• sie muss zunächst die Methoden bereitstellen, die für eine Beschreibung, Analyse und Gestaltung biologischer Funktionseinheiten geeignet sind
• Systembiologie soll langfristig in die Entwicklung eines in Forschung und Lehre einsetzbaren „Virtuellen biologischen Labors“ münden

- Vitamine sind kleinmolekulare, organische Verbindungen
- sie sind an vielen Reaktionen des Stoffwechsels beteiligt
- sie werden nicht bzw. nur in ungenügendem Ausmass vom Organismus selbst synthetisiert
  --> sie müssen deshalb mit der Nahrung aufgenommen werden

- Nahrung
- Enterale (über den Darm) Vitaminsynthese (Bakterielle Darmflora, Ausnahmen A, D, E, C)
- Eigensynthese

- sind Vorstufen von Vitaminen (z.B. Provitamin A, Provitamin D3)
- sind die unwirksame Vorstufe aktiver Vitamine

- ist die minimale Menge eines Vitamins, welche die normale Funktion des Organismus garantiert
- die täglich empfohlene Vitaminzufuhr ist nur schwer ab zu schätzen

Beriberi-Krankheit --> Viatmin B1-Mangel
Skorbut --> Vitamin C-Mangelerkrankung
Knochenkrankheiten --> Vitamin D Mangel

zu viel und zu oft füttern --> Übergewicht und Diabetes

zu viel Leber füttern --> Vitamin A Hypervitaminose Toxizität (Symptome sind deformierte Knochen, Knochenwucherungen an Ellenbogen/Wirbelsäule & Osteoporose; kann auch zum Tod führen)

ein Mangel an Thamin (Vit B1) --> schwere neurologische Probleme, Krämpfe und Koma

- vollständiges Fehlen bestimmter Vitaminen; tritt nur unter experimentellen Bedingungen auf
- bei eingeschränkter Vitaminzufuhr
- bei übermässiger Zufuhr von Vitaminen

--> bei Tieren liegen meist Fütterungsfehler und falsche Zusammensetzung der Futtermittel vor

Wasserlösliche Vitamine:                             (nicht prüfungsrelevant!)
B1, B2, B6, C, Panthotensäure, Niacin, Biotin, Folacin

Fettlösliche Vitamine:
A, D, E, K    
--> nichtpolare Moleküle, die sehr gut in Lipiden löslich sind

(Merksatz EDEKA)

--> es handelt sich um 3 Oxidationsstufen derselben Grundstruktur, nämlich um Alkohol, Aldehyd & Säure

Retinol (MG:286,4) = Vitamin A1
Retinal (MG: 284,4) = Vitamin-A-Aldehyd
--> Retinol & Retinal können vollständig für einander substituieren, d.h. sie entsprechen der Begriffsdefinition
--> Retinol & Retinal können reversibel ineinander umgewandelt werden
--> Retinol & Retinal bewirken nicht beide dasselbe
Retinsäure (MG: 300,4) = Vitamin-A-Säure
--> entfaltet nicht alle Wirkungen des Retinols und dürfte deshalb streng genommen nicht als Vit.A bezeichnet w.
--> Retinal oxidiert irreversibel zu Retinsäure

(Retinsäure kann z.B. Sehvorgang nicht aufrecht erhalten, Tiere die nur damit versorgt werden, sind blind)

- Vit.A wird einerseits mit der Nahrung (tierischer Herkunft) aufgenommen, ...
- ...andererseits entsteht es im tierischen Organismus aus verschiedenen Vorstufen = Provitaminen A

β-Karotin: ein symmetrisch gebautes Molekül mit 2 terminalen β-Iononringen, welches in Pflanzen als Farbstoff vorkomment.

Durch eine symmetrische oxidatve Spaltung (senkrechte Unterbrechung in der Molekülmitte) entstehen 2 Moleküle Vitamin A (also Retinol).

Diese Umwandlung erfolgt physiologischerweise in der Darmwand durch das Enzym β-Karotin-15,15'-Dioxygenase.

- nebst dem β-Karotin, kann auch aus anderen Karotinen (z.B. α- oder γ-Karotin) Vitamin A entstehen,...
- ...da diese aber nicht symmetrisch gebaut sind, entsteht aus diesen Vorstufen nur je ein Molekül Vit.A (also Retinol)

(Es gibt aber auch Karotine ohne Provitamin-A-Eigenschaften, z.B. Lykopin, der rote Farbstoff der Tomate)

- In der Natur kommt Vit.A nur in Nahrungsmitteln tierischer Herkunft vor, in pflanzlichen Nahrungsmitteln fehlt es vollständig
- Dafür sind Pflanzen reich an Karotinen.
- Herbivoren: decken ihren gesamten Vit.A-Bedarf aus Karotinen, die sie in der Darmwand mit Hilfe eines Enzymsystems (β-Karotin-15,15'-Dioxygenase) oxidativ zu Retinal spalten --> danach wird das Retinal zu Retinol reduziert
- Omnivoren: beziehen ihr Vit.A teilweise aus Karotinen (gleiches Enzymsystem), teilweise direkt aus Retinol tierischen Ursprungs
- Katzen: besitzen keine β-Karotin-15,15'-Dioxygenase --> können deswegen Karotine nicht in Vit.A umwandeln
  --> sind auf die direkte Zufuhr von Retinol angewiesen

- Die Aktivität der β-Karotin-15,15'-Dioxygenase wird durch negative Rückkopplung des entstandenen Retinals gesteuert (Produkthemmung).
--> dadurch wird bei übermässiger Zufuhr von Karotinen eine Vit.A-Überversorgung vermieden

- Die Vitaminaktivität von β-Karotinen schwankt tierartlich etwa um den Faktor 6-7, da die Umwandlungsraten unterschiedlich sind.
  --> höchste Umwandlungsrate hat die Ratte: 50% des mit der Nahrung zugeführtenn β-Karotins wird in Vit.A umgewandelt
  --> niedrigste Umwandlungsrate hat der Affe: 7% des β-Karotins wird in Vit.A überführt

In der Darmwand wird Retinol zu Retinylpalmitat verestert, in Chylomikronen verpackt und mit der Lymphe zur Leber transportiert.

- Die Leber stellt das Speicherorgan für Retinol dar.
- Die Speicherform ist Retinylpalmitat.
- Es wird in den perisinusoidalen Fettspeicherzellen (Ito-Zellen) gelagert.

- Der Weitertransport vom Speicher zu den Zielzellen verläuft auf dem Blutweg.
  --> zu diesem Zweck wird Retinylpalmitat wieder in Retinol zurückverwandelt
- Immer noch in der Leber erfolgt die Verbindung mit einem speziellen Protein, dem Retinol-Bindungs-Protein (RBP)
  --> es entsteht Holo-RBP
- Nach dem Übertritt ins Blut kommt ein weiterer Bestandteil dazu --> das sogn. Transthyretin (hat ausserdem die Fkt. eines Transportproteins für Schilddrüsenhormone)
- Der entstehende Holo-RBP-Transthyretin-Komplex ist die Transportform des Retinols im Blut.

- An den Zielzellen wird Retinol aus dem (Holo-RBP-Transthyretin-)Komplex abgespalten und aufgenommen.
- Retinol wirkt zu einem geringen Teil direkt auf den Zellkern, der grössere Tei durchläuft die Oxidationsstufen über Retinal zur Retinsäure und wirkt in dieser From auf den Zellkern.

(rep.: die enzymatische Oxidation von Retinol zu Retinal ist reversibel; nicht so diejenige von Retinal zu Retinsäure)

Vitamin A hat im Organismus verschiedene Aufgaben:
- Hormon
- Morphogen
- Radikalfänger
- Chromophor als Sehvorgang

- sind chemische Botenstoffe
- werden direkt ins Blut abgegeben, das sie an ihren Wirkungsort transportiert
- ändern ganz spezifisch die Aktivität ihrer Zielzellen

- Retinsäure (evtl.auch Retinol) wirkt als Differenzierungshormon
- Wirkungsmechanismus ist analog zu den Steroidhormonen und Schilddrüsenhormonen; d.h. es wirkt im Zellkern und ermöglicht dort die Transkription Vit.A-abhängiger Gene
  --> Retinsäure bindet sich im Zellkern an einen Rezeptor
  --> Rezeptor findet auf der DNA spezielle Erkennungssequenzen (Retinoic Acid Response Elements = RARE), welche Teile von Promotoren Vit.A-abhängiger Gene sind
  --> durch Anlagerung des Retinsäure-Rezeptor-Komplexes an das RARE wird das Gen aktiviert, d.h. zur Transkription freigegeben
  --> mRNA diffundiert aus Zellkern und wird an den Ribosomen in ein Protein übersetzt, das für die Differenzierung spezieller Gewebe nötig ist

- Morphogen: eine kleinmolekulare Signalsubstanz, die während der Embryonalentwicklung von spezialisierten Stuerzellen sezerniert wird und durch einen lokalen Konzentrationsgradienten im umliegenden Gewebe die Ausbildung morphologischer Strukturen einleitet
- Morphogenesis: biologischer Prozess, in dem ein Organismus seine From entwickelt

- Es gibt Anhaltspunkte, dass Retinsäure ein solches Morphogen sein könnte

- der Wirkungsmechanismus von Retinsäure als Morphogen ist wahrscheinlich analog zu ihrer Wirkung als Hormon, aber mit zusätzlichen Stufen
  --> Retinsäure bindet sich an einen kernständigen Rezeptor, der ein RARE besetzt und dadurch die Transkription eines Retinsäure-abhängigen Genss aktiviert
  --> entsprechende mRNA wird an den Ribosomen an ein Protein (= Transkriptionsfaktor) übersetzt
  --> Transk.faktor-Protein bindet an spezielle Promotorsequenzen, wodurch nachgeschaltete Gene transkribiert werden, die für Differenzierungsproteine kodieren
  --> Differenzierungsproteine bewirken die Ausbildung bestimmter Körperstrukturen

- Radikale = Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron; meist sehr reaktionsfreudig
- alle Oxidationsstufen des Vit.A wirken als Radikalfänger
- funktionieren deshalb als wichtige Schutzfaktoren des gesamten Ektoderm (Haut, Cornea, Schleimhäute)
- sie wirken v.a. in lipophilen Strukturen (Membranen, Fettgewebe)
  --> genau wie Vit.E   --> im Gegensatz entfaltet Askorbinsäure = Vit.C seine grösste Wirkung im Wasser

- Retinal wirkt als Chromophor beim Sehvorgang
- Rhodopsin oder Sehpurpur besteht aus 2 Komponenten:
  --> ein Protein = Opsin
  --> ein Chromophor = 11-cis-Retinal

- beim Einstrahlen von Licht wird 11-cis-Retinal in das all-trans-Retinal isomerisiert
  --> dadurch erfährt das Opsin eine Konformationsänderung    (= Cellular Response)
  --> KÄ überträgt sich sich auf ein G-Protein
  --> führt nach Durchlaufen einer Signalkaskase zur elektrischen Erregung der Stäbchenmembran
  --> die Fortpflanzung dieser Erregung ins Gehirn bewirkt die Lichtempfindung

- bei der Konformationsänderung des Opsins löst sich das all-trans-Retinal vom Protein ab
- in der Dunkelphase wird es wieder zu 11-cis-Retinal umgewandelt und erneut mit Opsin zum funktionellen Sehpurpur komplexiert

Die Stäbchen sind hauptsächlich für das Sehen in der Dämmerung und bei Nacht wichtig, da sie schon bei geringer Lichtintensität arbeiten.

- die weltweit wichtigste Ursache des Vit.A-Mangels ist eine allgemeine Unterernärung

- Mangel an Vit.A äussert sich bei Mensch und Tier ähnlich
- Symptome sind direkt von der physiologischen Wirkung ab zu leiten:
  --> Nachtblindheit (Hermeralopie): frühestes Symptom; Rezeptoren der Retina funktionieren nicht mehr richtig, besonders bei geringem Lichteinfall
  --> Irreversible Erblingung: Cornea erfährt eine Dedifferenzierung uns es entstehen Geschwüre (Xerophthalmie)
  --> Verhornung der (Schleim-)Haut (Hyperkeratose): Epithelien verhornen, da Vit.A als Differenzierungshormon fehlt (damit steigt z.B. im Respirationstrakt, die Infektionsanfälligkeit und es kommt vermehrt zu Lungenentzündungen)
  --> Fertilitätsstörungen & embryonale Missbildungen: treten vermehrt auf