701-0255-00L Biochemie

Hans-Peter Kohler, Eawag

Werner Angst, ETHZ

Warum Biochemie für….

• Lebensmittelwissenschaftler

• Agronomen

• Umweltingenieure

• Umweltnaturwissenschaftler

Naphthalennicht cancerogen

Benzo[a]pyrenstark cancerogen

HO

OH

HO

OH

OxidaseO

3,4- Dichlor-nitrobenzen Herbizid

3,4,3’,4’-Azobenzen

N

NCl

ClCl

Cl

Abbau sehr langsam

Bildung im Boden

Abbau halogenierter Schadstoffe

Photo of waste HCH isomers being collectedinside a former Lindane production facility inBasque Country Region of Spain. (Source:IHOBE, Basque Country)

Photo: Huge piles of HCH-residuals inEastern Europe (ca. 200 000 tons)

J. Vijgen, The Legacy of lindane HCH isomer production, Report of the International HCH & Pesticide Association, 2006

HCH-Verunreinigungen:

Beteiligung von Enzymen: LinB

Mechanismus ähnlich wie derjenige von Proteasen

Vorgeschlagener katalytischer Mechanismus:

Kenntnisse folgender biochemischer Begriffe:

• Prokaryotisch/eukaryotisch, Kohlenstoffquelle,Elektronendonoren, Elektronenacceptoren

• Wachstums- und Enzymkinetik• Inhibition• Energetik des Zellwachstums (Metabolismus)• ATP, NADH, FADH2

Voraussetzungen für die Vorlesung«Process Engineering I»

Voraussetzungen• Biologische Grundkenntnisse

– Stoff der Biologievorlesung der ersten zweiSemester

• Grundkenntnisse der Allgemeinen undder Organischen Chemie

– Biochemie ist angewandte organische Chemie

– Enzymmechanismen unterliegen denselbenRegeln wie die Reaktionsmechanismen derorganischen Chemie

– Modellvorstellungen aus der Chemie erklären dieEigenschaften biologischer Moleküle

Empfohlenes Lehrbuch

Stryer: Biochemie, 6. Auflage, SpektrumAkademischer Verlag, 2007

Autoren: J. M. Berg, J. L. Tymoczko,L. Stryer

http://bcs.whfreeman.com/biochem6/

Stoffwechsel

Programm

• Einführung, Grundlagen, Zusammensetzung der Zelle,Repetition relevanter Reaktionen der organischen Chemie(Stryer, Kap. 1): 24. 09. 2012

• Struktur und Funktion der Proteine (Stryer, Kap. 2): 01.10. 2012

• Kohlenhydrate (Stryer, 11): 08. 10. 2012

• Lipide und biologische Membranen (Stryer, Kap. 12): 15.10. 2012, Lektion fällt aus Selbststudium

• Enzyme und Enzymkinetik (Stryer, Kap. 8): 22. 10. 2012

Programm

• Katalytische Strategien (Stryer, Kap. 9): 29. 10. 2012

• Der Stoffwechsel: Konzepte, Grundmuster undthermodynamische Grundlagen (Stryer, Kap. 15): 05. 11.2012

• Glykolyse und Gärungen (Stryer, Kap. 16): 12. 11. 2012

• Citratzyklus (Stryer, Kap. 17): 19. 11. 2012

• Repetition der relevanten Grundlagen der Redoxchemie,Oxidative Phosphorylierung (Stryer, Kap. 18): 26. 11.2012

• Fettsäuremetabolismus (Stryer, Kap. 22): 03. 12. 2012

Programm

• Lichtreaktion der Photosynthese (Stryer, Kap. 19): 10.12. 2012

• Besprechung von Übungen und prüfungsrelevantenAufgaben: 17. 12. 2012

Reaktionen des Stoffwechsels

Schwerpunkte

• Aufbau, Struktur und Funktion von Makro-molekülen und biologischen Strukturen

– Proteine

– Lipide

– Membranen

• Funktionsweise von Enzymen

– Enzymmechanismen

– Enzymkinetik

• Energetik

– Energiegewinnung bei Wachstum aufZucker, beim Abbau von Fettsäuren undbei der Photosynthese

– Thermodynamik

– Redox-Reaktionen

• Regulation

– wird nur ganz am Rande behandelt

Molekulare Logik der Natur

• Alle Lebewesen bilden Makromoleküle ausdenselben monomeren Untereinheiten

• Die Struktur der Makromoleküle bestimmtihre biologische Funktion

• Jede Spezies besitzt einecharakteristische Garnitur an Makro-molekülen

Zusammensetzung vonOrganismen

• Organismen bestehen aus etwa 70%Wasser

• Das Trockengewicht besteht zu 99% ausden Elementen C, O, H, N, P und S

• Den Rest bilden die Spurenelemente,welche sich von Organismus zuOrganismus unterscheiden

Die chemischen Elemente desLebens

Grundbausteine

20 L-Aminosäuren 5 Aromatische Basen D-Glucose und D-Ribose, weitere

Zucker Palmitat, Glycerol, Cholin und

ähnliche Verbindungen

Hierarchie derbiologischenStrukturen

Zusammensetzung einerdurchschnittlichen E. coli Zelle

Chemische Bindungen in der Biochemie

• Kovalente Bindungen z.B. C-C, 0.154 nm,356 kJmol-1

• Vier Typen nichtkovalenter Bindungen• Elektrostatische Wechselwirkungen• Wasserstoffbrücken• Van-der-Waals-Wechselwirkungen• Hydrophobe Wechselwirkungen

Elektrostatische Wechselwirkungen

E =kq1q2

Dr

Die elektrostatische WW zwischen zwei Atomen mitentgegengesetzten einfachen Ladungen, die in Wasser(D=80) 0.3 nm voneinander entfernt sind, haben einenEnergiegehalt von 5.9 kJmol-1

Wasserstoffbrücken

Energiegehalt:4 - 13 kJmol-1

Wasserstoffbrücken - Abstände

Van-der-Waals-Wechselwirkung

Energiegehalt:2-4 kJmol-1

Kalottenmodelle zeigen van-der-WaalsRadien

Wasser: polar - kohäsiv

+

–

Wassermoleküle treten untereinander in hohemMasse durch Wasserstoffbrücken inWechselwirkung. Sehr deutlich wird dies in Eis.

Struktur von Eis

Auswirkung von Wasser auf dieschwachen Wechselwirkungen

Hydrophobe Wechselwirkung

ChemischeReaktionen

G

RK RK

G

E

P

P

EDrG° < 0 DrG° > 0

exergonisch endergonisch

H

RK RK

H

E

P

P

EDrH° < 0 DrH° > 0

exotherm endotherm

Grundlagen aus dem 1. / 2. Semester

•Orbitale, Bindungstypen

•Hybridisierung und Geometrie

•Kenntnisse der wichtigsten Reaktions-Typen

•Kenntnisse der wichtigsten funktionellen Gruppen

Funktionelle Gruppen

Anordnungen von Atomen, die sich durch eincharakteristisches chemisches Verhalten auszeichnen.

StrukturName der

funktionellen GruppeName der

Stoffklasse

C

N

C

O

CH

O

C

O

OH

C

O

O

C

O

S

C

O

N

C

O

OP

O

O

O

IminogruppeImin

(Schiffsche Base)

Formylgruppe(Carbonylgruppe)

Aldehyd

Carbonylgruppe Keton

Carboxylgruppe Carbonsäure

Alkoxycarbonylgruppe Carbonsäureester

Alkylthiocarbonylgruppe Thioester

CarbamoylgruppeAmid

(Carbonsäureamid)

Acylphosphatgruppe Acylphosphat

C C Doppelbindung

aromatischer Ring

OH

Alken, (Olefin)

Aren

Hydroxylgruppe Alkohol

OEthergruppe Ether

SHMercaptogruppe Thiol, (Mercaptan)

SThioethergruppe Thioether, (Sulfid)

SS Disulfidgruppe Disulfid

OP

O

OO

Phosphatgruppe Monophosphat

OP

O

OO

PO

O

O

Diphosphatgruppe(Pyrophosphatgruppe)

Diphosphat(Pyrophosphat)

StrukturName der

funktionellen GruppeName der

Stoffklasse

NH2

Aminogruppe Amin

Einfache Klassierungorganischer Reaktionen

• Substitutionen (S)– Nucleophile Substitutionen

• SN1

• SN2

– Elektrophile Substitutionen

• Additionen (A)– an C=C Doppelbindungen

– an Carbonylgruppen

• Eliminationen (E)

• Kondensationen– Claisen-Kondensation

– Aldol-Kondensation

Pfeile

Elektronenpfeil= Fluss von 2 Elektronen

Pfeile

Elektronenpfeil= Fluss von 2 Elektronen

Elektronenpfeil= Fluss von 1 Elektron

Nucleophile Substitutionen

• Allgemeiner Prototyp

Abgangsgruppe

Nucleophil

Die SN1-Reaktion

• Dissoziativ

• Bildung von Carbeniumionen

• Läuft um so schneller, je stabiler dasCarbeniumion

Postulat von Hammond (S. 17-10)

• Bildung von racemischen Produkten (fallsnur 1 Chiralitätszentrum vorhanden)

Die SN2-Reaktion

• Assoziativ

• 5-bindiges C-Atom im Übergangszustand

• Läuft um so schneller, je mehrWasserstoff-Atome am a-C-Atom sitzen(je geringer die sterische Hinderung)

Regel von Markownikow

Das Proton addiert an jenes C-Atom,das am meisten H-Atome trägt

Additionen an C=CDoppelbindungen

Eliminationen

Abspaltung eines kleinen Moleküls HYaus einem grösseren Molekül

HY: H2O, CH3OH, EtOH*, HCl, HBr, NH3…

* EtOH ist eine Abkürzung für CH3CH2OH

• E1-Reaktionen

• E2-Reaktionen

-Eliminationen

Bildung vonDoppelbindungen

+

H Y

R1

R2

R4

R3

R2R1C CR3R4 H Y

E1-Reaktionen

• Kinetisches Gesetz 1. Ordnung

• Zuerst Abspaltung der Abgangsgruppe Y(Dissoziative Reaktion)

• Bildung eines Carbeniumions

• Abspaltung eines Protons und Bildungeiner C=C-Doppelbindung

E2-Reaktionen

• Kinetisches Gesetz 2. Ordnung

• Angriff einer Base und Abspaltung einesProtons

• ca. gleichzeitiges Abspalten derAbgangsgruppe Y unter Bildung einerDoppelbindung

• Stereochemie: meist antiplanar*

* Konformation: S. 16-15 ff.)

antiplanar

Stereochemischer Verlauf

H

X

R3

R2

R1

R4

R2

R1

R3

R4

+ X

BH

X

R3

R2

R1

R4

B

B

H

E2 - Reaktionen

Cl

ClCl

HH

ClCl

HH

HCl

HH

ClCl

HH

ClH

ClCl

ClH

HH

ClCl

HCl

HCl

HH

ClCl

H

HCH -Isomer HCH -Isomer HCH -Isomer

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

H

Cl

Cl

H

Cl

H

HCH -Isomer HCH -Isomer HCH -Isomer

Carbonyl- undCarboxylgruppen

Nucleophile Additionen an C=O- Doppelbindungen

sp2

Bildung eines Addukts

sp3

Reaktivität

a-C

Protonen am a-C-Atom zu Carbonylgruppensind etwas sauer (pKa 20-25)

Basen

Die Aldol-Kondensation

2. Schritt: Abspaltung von Wasser

H3CC

CH

O

CH3C

OH

CH3

H+ OEt H3C

CCH

O

CH3C

OH

CH3

H3CC

C

O

CH3C CH3

H

ein EnonAldol

Reaktionsmechanismus (S. 17-45)

H3CC

CH2

O

+

HH3C

CCH2

O

H3CC

CH2

O

pKa 20 Nucleophil (reagiert meistens am C-Atom)

OEt

H3CC

CH2

O

H3C CH3

O

H3CC

CH2

O

CH3C

O

CH3

H3CC

CH2

O

CH3C

OH

CH3

ein -Hydroxy-Keton= ein Aldol

Carboxylgruppen

„Nucleophile Substitutionen“ an Carboxylgruppen.Verlauf: immer in zwei Schritten (Addition+Elimination).

A E

CC

OR

O

R'

R'' H

2RO

ROH

O

R'

R'' H

O

OR

R' R''

H2C OEt

O

Essigsäure-ethylester(Et=ethyl)

H

pKa 25

EtO Na+

EtOH(=Ethanol) alsLösungsmittel

H2C OEt

O

H2C OEt

O

Enolat-Ion

H3C OEt

O

OEt

O

O

CH3

OEtH3C

O

OEt

O

Acet-essigsäure-ethylester

Die Claisen-Esterkondensation