1M. Kresken Biologisch wichtige organische Verbindungen III

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Biologisch wichtige organische Verbindungen III

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Lipide

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Lipide

• Lipide sind eine große und heterogene Gruppe von Substanzen, die sich in organischen Lösungsmitteln wie Methanol, Aceton, Chloroform oder Benzol gut lösen.

• Dagegen sind sie in Wasser nicht oder nur schlecht löslich.

• Die geringe Wasserlöslichkeit geht auf einen Mangel an polarisierenden Atomen wie O, N, S, oder P.

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Einteilung der Lipide

• Hydrolisierbare Lipide (Ester):• Fette: Triacylglycerole (1 Glycerol + 3 Acylreste)• Wachse: 1 Fettalkohol + 1 Acylrest• Sterolester: 1 Sterol + 1 Acylrest• Phospholipide (enthalten einen Phosphatrest)• Glycolipide (enthalten ein Kohlenhydrat)• Sphingolipide (enthalten als Alkohol Sphingosin)

• Nicht-hydrolisierbare Lipide

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Einteilung der Lipide

• Glycerolipide enthalten den dreiwertigen Alkohol Glycerol.

• Sphingolipide enthalten den Aminoalkohol Sphingosin.• Am Glycerol und Sphingosin können nicht nur

Fettsäure-Reste hängen:- Phosphat-Gruppen – Phospholipide- Kohlenhydrate – Glycolipide

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Fette (Triacylglycerole)• Fette sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerol (Glycerin) mit

drei Fettsäuren• Wenn eine einzelne Fettsäure verestert ist, spricht man von

einem Monoacylglycerol.• Durch Veresterung mit weiteren Fettsäuren kommt man über

Diacyl- zum Triacylglycerol (Triglycerid).• Triacylglycerol tragen keine Ladung (Neutralfette).• Die drei Acylreste eines Fettmoleküls können sich in ihrer

Kettenlänge und der Zahl der Doppelbindungen unterscheiden.• Nahrungsfette enthalten besonders häufig Palmitin-, Stearin-, Öl-

und Linolsäure.• Fette sind wichtige Energieträger und werden intrazellulär in

Form von Fetttröpfchen gespeichert.• Zum Transport sind Fette an Protein gebunden, im Blut z. B. im

Inneren von Lipoproteinen.

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Fettsäuren

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Fette

Glycerol (Trivialname Glycerin),Propantriol, Propan-1,2,3-triol

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Fette

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Phospholipide• Phospholipide sind Hauptbestandteil biologischer

Membranen.• Ihr gemeinsames Merkmal ist ein Phosphat-Rest, der

mit der Hydroxy-Gruppe an C-3 eines Diacylglycerols oder Acyl-Sphingosins verestert ist.

• Zu den Phospholipiden zählen die Glycerophospholipide und Sphingophospholipide

• Wegen der Phosphat-Gruppe tragen die Phospholipide bei neutralem pH mindestens eine negative Ladung.

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Phosphoglyerolipide

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Phosphoglyerolipide

• Phosphatidylcholin (Lecithin) ist das häufigste Phospholipid in Membranen

• Cardiolipin kommt nur in Membranen von Mitochondrien vor.

• Bestimmte Plasmalogene spielen eine Rolle als Plättchenaktivierender Faktor (PAF) eine Rolle.

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Sphingolipide• Grundbaustein ist Sphingosin.• Es ist eine ungesättigte, zweifach hydoxylierte

Kohlenstoffverbindung mit langen aliphtischem Rest.• Die C-18-Verbindung wird aus Serin und Palmityl-CoA aufgebaut.• Ceramid ist der Vorläufer aller Sphingolipide.

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Phosphosphingolipide• Sphingomyelin ist das mengenmäßig wichtigste

Phosphosphingolipid.

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Glycosphingolipide

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Glycosphingolipide

• Glykolipide auf der Zellmembran bilden eine hydrophile Schicht, die als Glycokalix bezeichnet wird.

• Sie schützt die Zellen vor Verdauung und Aufnahme unerwünschter lipophiler Substanzen.

• Die Vielfalt der Glykolipide auf der Plasmamembran dient auch der Zellerkennung und ist verantwortlich für die Ausbildung verschiedener Blutgruppen.

• Glykolipide auf der Zelloberfläche werden auch von Viren und bakteriellen Toxinen (z. B. Choleratoxin) als spezifische Bindungsstellen genutzt, um in die Zellen einzudringen.

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Acetyl-CoA als Grundbaustein der Lipide

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Isoprenoide

I = Isopren-Einheiten

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Steroide

• Der Steroid-Grundkörper besteht aus vier gesättigten Ringen.• Manche Steroide tragen am Ende noch eine Seitenkette wie beim

Cholestan, dem Grundkörper der Sterole.

(Cholesterin)

Cholesterol (Cholesterin)• Cholesterol kommt in allen tierischen Geweben vor, besonders

im Nervengewebe. Viel Cholesterol enthalten Butter, Eigelb, Fleisch, Leber und Gehirn.

• Es ist wesentlicher Teil der zellulären Membranen, in denen es die Fluidität regelt.

• Cholesterol ist Bestandteil der Galle. In der Leber werden aus Cholesterol die Gallensäuren gebildet.

Steroidhormone• Steroidhormone sind lipophile Signalstoffe, die u. a. den Stoffwechsel,

das Wachstum und die Reproduktion steuern.• Der Mensch besitzt 6 Familien von Steroidhormonen: Aldosteron

(Mineralocorticoid), Calcitriol (Calciferol, Vitamin-D-Hormon), Cortisol (Glucocorticoid), Estradiol (ein Estrogen), Progesteron (ein Gestagen bzw. Gelbkörperkormon) und Testosteron (ein Adrogen).

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FettlöslicheVitamine

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Kohlenhydrate

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Kohlenhydrate

• Kohlenhydrate sind natürlich vorkommende Polyalkohole mit einer Carbonylgruppe (Aldehyde, Ketone), die zusätzlich mehrere Hydoxy-Gruppen tragen.

• Ursprünglich C n ( H 2 O ) n C : H 2 O = 1 : 1

• Man unterscheidet einfache Zucker (Monosaccharide) und deren Polymere Oligosaccharide und Polysaccharide

• Man unterscheidet weiterhin Pentosen (5 C-Atome im Kohlen-stoffgrundgerüst) und Hexosen (6 C-Atome im Kohlenstoff-grundgerüst)

• Oligosaccharide bestehen aus 2-10 Monosaccharidmolekülen• Polysaccharide bestehen aus >10 bis mehrere tausend

Monosaccharidmolekülen

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Glucose• D-Glucose, das wichtigste Monosaccharid, ist

ein aliphatischer Aldehyd mit 6 C-Atomen, von denen 5 eine Hydrxy-Gruppe tragen.

• Da die C-Atome 2-5 chirale Zentren tragen, gibt es außer D-Glucose noch 15 weitere isomere Aldohexosen.

• In der Natur sind allerdigs nur wenige von Bedeutung.

• Die offenkettige Form der Glucose findet man in wässriger Lösung nur bei 1% der Moleküle.

• Die Ursache dafür ist eine intramolekulare Reaktion, bei der sich die Hydroxy-Gruppe an C-4 oder C-5 an die Aldehydgruppe addiert.

• Dabei entsteht ein zyklisches Halbacetal.

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Glucose• Bei Aldohexosen reagiert

bevorzugt die OH-Gruppe an C-5.- Es bildet sich ein 6-gliedriger

Pyran-Ring.- Zucker, die diesen Ring

enthalten, nennt man Pyranosen.

• Regiert dagegen die OH-Gruppe an C-4, entsteht ein 5-gliedriger Furan-Ring (Furanose).

• Zur Darstellung von Monosacchariden benutzt man meist die sogenannte Haworth-Darstellung.

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Aldosen

Aldopentosen

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Aldosen

Aldohexosen

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Ketosen

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Desoxyaldosen

Reaktionen der Monosaccharide

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Disaccharide

Wichtige Polysaccharide

* *

*Stärke kann aus wasserlöslicher Amylose und wasserunlöslichem Amylopectin bestehen.

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Glykogen

Cellulose

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Hyaluronsäure

• Hyaluronsäure ist ein einfach gebautes Glycosaminoglycan.• Die Disaccharideinheit besteht aus N-Acetylglucosamin und Glucuronsäure, die

abwechselnd 1-4 und 1-3 verknüpft sind.• Die Moleküle, die einige tausend Monosaccharid-Reste enthalten können, sind helixartig

gewunden.• Die nach außen gerichteten Carboxylat-Gruppen der Glucurosäure-Reste sind in der Lage,

Ca2+-Ionen zu binden.• Hyaluronsäure kann kann Wasser bis zum 10.000-fachen des Eigenvolumens fixieren.• Diese Funktion hat Hyaluronsäure z. B. im Glaskörper des Auges, der ca. 1%

Hyaluronsäure und 98% Wasser enthält.

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Nucleinsäuren

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Nucleinsäuren

• Die Nucleinsäuren spielen eine zentrale Rolle bei der Speicherung und Expression der genetischen Information.

• Man unterscheidet:- Desoxyribonucleinsäure (DNS, engl. DNA)- Ribonucleinsäure (RNS, engl. RNA)

• Nucleinsäuren sind aus Nucleotidbausteinen aufgebaut, die wiederum aus einer Base, einem Zucker und einem Phosphat-Rest bestehen.

• DNA und RNA unterscheiden sich in der Art des Zuckers und einer der Basen.

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Nucleinsäure-Basen

• Die Nucleinsäure-Basen sind aromatische Heterozyklen.• Man unterscheidet:

- Purin-Basen: Adenin, Guanin- Pyrimidin-Basen: Cytosin, Thymin (nur DNA),

Uracil (nur RNA)• In der DNA höherer Organismen tritt in kleinen Mengen auch

5-Methyl-Cytosin auf.• Eine große Zahl weiterer abgewandelter Basen findet man in der

tRNA und in anderen RNA-Arten.

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Nucleinsäure-Basen

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Nucleoside / Nucleotide

• Verknüpft man eine Nucleinsäure-Base mit Ribose oder2-Desoxyribose, erhält man ein Nucleosid bzw. Desoxy-Nucleosid.

• So entsteht z. B. aus Adenin und Ribose Adenosin (A).• Die entsprechenden Derivate der anderen Basen heißen

Cytidin (C), Guanosin (G), Thymidin (T), Uridin (U).• In der Zelle ist die 5‘-OH-Gruppe der Zuckerkomponente der

Nucleoside mit Phosphorsäure verestert.• Beispiel: Aus 2‘-Desoxythymidin (dT) entsteht so das

Mononucleotid 2‘-Desoxythymidin-5‘-monophosphat (dTMP), ein DNA-Baustein.

• Über Säureanhydrid-Bindungen mit weiteren Phosphat-Resten erhält man Nucleosid-di- und triphosphate, z. B. ADP und ATP.

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Nucleoside / Nucleotide

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Oligonucleotide / Polynucleotide

• Reagiert der Phosphat-Rest eines Nucleotids mit der 3‘-OH-Gruppe eines zweiten, entsteht ein Dinucleotid mit Phosphorsäurediester-Struktur.

• Dinucleotide tragen am 5‘-Ende einen freien Phosphat-Rest und am 3‘-Ende eine freie OH-Gruppe.

• Durch Knüpfung weiterer Monosaccharide über Phosphorsäurediester-Bindungen erhält man zunächst Oligo- und dann Polynucleotide.

• Zucker und Base sind durch eine N-glycosidische Bindung zwischen C-1 des Zuckers und N-9 des Purin-Rings bzw. N-1 des Pyrimidin-Rings verknüpft.

• Die Bindung ist stets -konfiguriert.• Zur Wiedergabe der Basensequenz von Polynucleotiden schreibt

man die Abkürzungen der Nucleosid-Bausteine in 5‘ 3‘-Richtung.

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Oligonucleotide / Polynucleotide

RNA (Ausschnitt)

Oligonucleotid vom Diester-Typ

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Ribonucleinsäuren (RNAs)

• RNAs bestehen aus einem Polyribosenucleotid-Molekül („Strang“).• Alle RNAs werden im Zellkern durch Transkription von DNA-

Sequenzen gebildet.• Ribosomale RNAs (rRNAs) werden mit Ribosomen-Untereinheiten

zusammengebaut.• Messenger-RNAs (mRNAs) übertragen die genetische Information

vom Zellkern ins Cytoplasma.• Small nuclear RNAs (snRNAs) sind am Spleißen der mRNA-

Vorstufen beteiligt.• Transfer-RNAs fungieren in der Translation als Bindeglieder

zwischen den Nucleinsäuren und den Proteinen.

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Ribonucleinsäuren (RNAs)

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Transfer-RNA (tRNAPhe) aus Hefe• Die Basensequenz und der

Aufbau der für Phenylalanin spezifischen tRNA ist typisch für alle tRNAs.

• Das Molekül enthält einen hohen Anteil an ungewöhn-lichen und abgewandelten Bausteinen wie Pseudouridin (,Y), Dihyydrouridin (D), Thymidin (T) und viele methylierte Nucleotide (*).

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Desoxyribonucleinsäuren (DNAs)• DNAs sind wie RNAs polymere Moleküle aus Nucleotid-Bausteinen.• DNA enthält als Zucker Desoxyribose und die Base Thymin

(5-Methyluracil) statt Ribose und Uracil in RNA.• DNA besteht aus zwei Polydesoxyribose-Molekülen („Strängen“).• Jede Base in einem Strang ist mit einer komplementären Base im anderen

Strang durch Wasserstoff-Brücken verknüpft.• Dabei ist Adenin komlementär zu Thymin und Guanin komplementär zu

Cytosin.• Die beiden Stränge haben unterschiedliche Richtungen und sind außerdem

in Form einer Doppelhelix umeinender gewunden.• Der zentrale Bereich der DNA-Doppelhelix mit den aromatischen Basen ist

unpolar, die Oberfläche des Rückrats mit den Zucker- und Phosphat-Resten ausgesprochen polar.

• Zwischen den Windungen findet man zwei Einsenkungen, die sog. „kleine Furche“ und „große Furche“.

• DNA kommt normalerweise als „B-DNA“ vor.

Basenpaarung in DNA

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Struktur von B-DNA

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Desoxyribonucleinsäuren (DNAs)

• Die DNA dient in allen lebenden Zellen als Speicher für die genetische Information.

• Bestimmte Abschnitte werden bei Bedarf in RNAs umgeschrieben, die entweder selbst strukturelle oder katalytische Aufgaben wahrnehmen oder als Vorlage zur Synthese von Proteinen dienen.

• Im letzteren Fall codiert die DNA die für die Primärstruktur von Proteinen.

• Die dabei verwendete Sprache hat „4 Buchstaben“ (A,G,C,T). Daraus lassen sich 64 Wörter („Codons“) aus je drei Buchstaben bilden, die für eine der 20 proteinogenen Aminosäuren stehen oder das Ende des Textes signalisieren.

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Struktur von B-DNA

• Die beiden Stränge sind funktionell nicht äquivalent.

• Der Matrizen-Strang („codogene“ Strang) ist derjenige, der während der Transkription kopiert wird.

• Der Sinnstrang hat, abgesehen vom Austausch von T gegen U, die gleiche Sequenz wie die mRNA.

• Man ist überein gekommen, Gensequenzen anzugeben, indem man die Sequenz des Sinnstrangs in Richtung5‘ 3‘ liest.