Biochemie

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Biochemie

Pädagogische Hochschule Chemie

St. Gallen

Biochemie

"Die Perfektion und das Gleichgewicht der von Jahrmillionen

geschliffenen Natur sind ihre weiseste Lehre an den Menschen."

Prof. Dr. Peter Bützer

Altstätten, Dezember 2008

(César Manrique, spanischer Architekt und Künstler)


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Inhalt

1 Energie und Reaktionsabläufe .........................................................................................3

1.1 Energie .....................................................................................................................3

1.2 Reaktionsablauf........................................................................................................7

1.3 Mikro ist einfach ein kleines Makro?.........................................................................8

1.4 Biochemische Prozesse als System.......................................................................10

1.4.1 Der Regelkreis ................................................................................................10

1.4.2 Der Regler ......................................................................................................12

1.4.3 Regulation des Stoffwechsels.........................................................................14

1.4.4 Steuerung durch Enzyme ...............................................................................14

1.4.5 Endprodukthemmung .....................................................................................16

1.4.6 Die Regulation des Grundumsatzes ...............................................................19

1.4.7 Der biochemische Prozess der Blutzuckerregelung .......................................21

1.5 Metabolismus als Netzwerk....................................................................................25

1.5.1 Stabilität von Netzwerken ...............................................................................30

1.5.2 Folgerungen für Massnahmen........................................................................32

1.6 Stoffgruppen ...........................................................................................................34

1.7 Empfindungen als biochemische Wirkungen..........................................................36

2 Aminosäuren, Peptide, Proteine.....................................................................................38

2.1 Aminosäuren ..........................................................................................................38

2.1.1 Aufbau ............................................................................................................38

2.1.2 Pufferwirkung..................................................................................................38

2.1.3 Stereochemie der Aminosäuren (Chiralität)....................................................40

2.1.4 Besonderheiten einiger AMCS .......................................................................41

2.1.5 Stoffwechsel von Aminosäuren ......................................................................44

2.1.6 Reaktionen von AMCS ...................................................................................65

2.1.7 Polypeptide .....................................................................................................68

2.1.8 Ein Süssstoff aus Aminosäuren......................................................................69

2.1.9 Die chemischen Waffen der Natur..................................................................70

2.1.10 Antibiotika .......................................................................................................70

2.1.11 Unsere Abwehr von Mikroorganismen............................................................73

2.1.12 Peptide als Gifte .............................................................................................74

2.1.13 Peptide als Hormone ......................................................................................76

2.2 Proteine (MM > 10’000 g/mol) ................................................................................78

2.2.1 Strukturen bei Proteinen .................................................................................78

2.2.2 Strukturen in der Literatur als Vergleich..........................................................79

2.2.3 Primärstruktur .................................................................................................80

2.2.4 Sekundärstruktur ............................................................................................80

2.2.5 Tertiärstruktur .................................................................................................82

2.2.6 Quartärstruktur................................................................................................83

2.2.7 Beispiele .........................................................................................................85

2.3 Enzyme...................................................................................................................92

2.3.1 Entdeckung und Wesen der Enzyme .............................................................92

2.3.2 Eigenschaften der Enzyme.............................................................................94

2.3.3 Messung der Enzymaktivität...........................................................................97

2.3.4 Umkehrbarkeit der Enzymwirkung................................................................101

2.3.5 Klassifizierung der Enzyme ..........................................................................102

2.3.6 Funktionen der Enzyme................................................................................103

2.3.7 Ein Modell der Enzymwirkung ......................................................................106

2.3.8 Hemmung von Enzymen ..............................................................................108

3 Glossar: Biochemie ......................................................................................................115

4. Stichwortverzeichnis.....................................................................................................128

Titelbild: Stick and Ball Modell von Penicillin G mit den Elektronendichten als Hülle.

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1 Energie und Reaktionsabläufe

Biochemie ist eine von Hoppe-Seyler 1877 geprägte Bezeichnung für das

Grenzgebiet zwischen Chemie, Medizin und Biologie. Die Biochemie befasst sich mit

dem Aufbau der Verbindungen und den Reaktionen von Lebensprozessen.

1.1 Energie

Energie, die treibende Kraft aller Reaktionen.

Die für Arbeit verfügbare Energie einer chemischen Reaktion:

G = H - TS; Gibbsche Energie

G: Freie Reaktionsenthalpie, für Arbeit nutzbare Energie (J)

H: Reaktionsenthalpie (heat) (J)

T: Thermodynamische Temperatur (K)

S: Reaktionsentropie (J/K))

G = 0; „totes“, inaktives System (Eine Reaktion im Gleichgewicht kann keine Arbeit

leisten).

G = H - TS; zwei Extremfälle

mechanisches System: H ist wichtig, S ist unwichtig

Weltall: H ist unwichtig, S ist wichtig

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es eine extensive

Zustandsgrösse Entropie S gibt, die in einem abgeschlossenen System niemals

abnimmt.

Entropie (von griech.: entrepein = umkehren, Symbol S). Vom 2. Hauptsatz der

Thermodynamik abgeleitete Zustandsfunktion, die nach Clausius ein Mass für den

Ordnungszustand eines thermodynamischen Systems bzw. ein Mass für die

Nichtumkehrbarkeit (Irreversibilität) eines Vorganges in einem abgeschlossenen

System darstellt.

Die Entropie kann auf zwei Arten zunehmen 1 :

Durch Verteilen von Materie (z.B. beim Verdunsten)

Durch Verteilen von Energie (z.B. wenn Wärme frei wird)

Beispiele:

Wenn die Energie bei endothermen Reaktionen konzentriert wird, muss sich die

Materie stark verteilen (schmelzen von Eis, aufbrechen von Kristallgittern).

Wenn die Materie, z.B. beim Kristallisieren konzentriert wird, muss sich dafür die

Energie stark verteilen und die Reaktion muss exotherm sein.

1 Koch K., Chemische Thermodynamik, Zentralkurs Chemie, Romanshorn, 2006

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Lebende Strukturen (selbstorganisierende Systeme Chaostheorie) bauen

Ordnung auf (Gräser, Bäume, Tiere, Menschen), die Entropie nimmt dabei ab, dabei

kann H>0 (endotherm) oder H


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In unserem Beispiel der Mikrozustände wächst die Entropie durch ein immer

grösseres, verfügbares Volumen damit entsteht eine immer grössere Unordnung.

n

n!

Berechnung:

m

; Kombination von n Elementen zu je m, die sich nur

m!(

n m)!

durch die Auswahl unterscheiden, bei denen es aber nicht auf die Reihenfolge

ankommt.

Entropie S: S = k ln(W);

k ist die Gaskonstante pro Teilchen, also k = R/NA= 1,380658· 10 –23 J/K

W: Zahl der Möglichkeiten zu einer bestimmten Situation zu gelangen (Anzahl

Mikrozustände)

R: allg. Gaskonstante R=8,31451 J mol -1 K -1

NA: Avogadrokonstante NA = 6,022 x 10 23 mol -1

In einem isolierten System (kein Austausch von Energie und Materie) kann die

Ordnung gesamthaft niemals abnehmen. Das trifft nicht zu für ein geschlossenes

(Austausch von Energie) oder gar ein offenes System (Austausch von Energie und

Materie).

Leben = Aufbau von Ordnung! (für die Organismen: S < 0, Selbstorganisation)

Dafür braucht es Energie als G (Lösungen entmischen sich nie selbständig).

Die Entropie kann in Organismen zu- und abnehmen Strukturen, Energiegewinnung).

Beispiel 3 : Unsere Energiewährung ATP, Adenosin-5'-triphosphat

Syntese ADP + P ATP durch die

kleinen „Motoren“ ATP-Synthase

(ca. 1000 Umdrehungen pro

Sekunde!!! 4 )

C6H12O6(s) + 6 O2(g) 6 CO2(g) +

6 H2O(l); G° = -2870 kJ

ADP + Pi ATP; G° = + 30,5

kJ/mol

HO

O

P O

OH

O

P O

OH

O

P O

OH

5'

CH2

O

N

N

38 ADP + 38 Pi 38 ATP;

G° = 38 x 30,5 kJ/mol = +1160 kJ;

HO OH

C6H12O6(s) + 6 O2 + 38 ADP(s) +

38Pi(s) 6CO2(g) + 6 H2O(l) +

38 ATP(s);

Die Entropie nimmt gewaltig zu,

weil aus Festkörpern Flüssigkeit

und sogar Gas wird!

(s g, gewaltige Änderung,

S>>0 )

Abbildung 2: ATP

3

Dickerson R.E., Geis I., Chemie – eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie,

Weinheim, 1981, 309

4

Boyer Paul D., Walker John E., The Binding Change Mechanism (Nobelprize 1997),

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1997/illpres/boyer_walker.html, 2007-

04-25

Chemie, 6sm

NH2

N

N


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Total: G° = -2870 + 1160 = -1710 kJ

Vergleich mit der Alkoholgärung:

C6H12O6(s) 2 C2H5OH(l) + 2 CO2(g); (stark

vereinfachte Summengleichung)

Gesamte Reaktion: H° = -82 kJ; S° = + 458 J/K

(25°C) G° = H - TS

= - 82 –298x458/1000

= -82 – 136.5 = -218.5 kJ

Der grösste Teil der treibenden Freien Energie ist

bei der Alkoholgärung auf die Zunahme der

Entropie, und nicht auf die Wärmeproduktion

zurückzuführen!!

Statt 38, werden nur 2 ATP-Moleküle synthetisiert.

2 ADP + 2 Pi 2 ATP; G° = + 61 kJ

Abbildung 3: Hefezelle 10’000x

Bei den Hefezellen, einem Mikroorganismus, nimmt die Entropie ab, da sie mit der

Energie der Gärung aufgebaut werden.

Strategie:

Die Lebewesen versuchen ein Maximum an Energie für ihren eigenen Stoffwechsel

zu gewinnen.

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Reaktionsablauf

Energie

direkte

chemische

Umsetzung

bichemische

Umsetzungen

Reaktionsablauf

Zeit

Biochemische Reaktionen teilen einen

Reaktionsschritt in viele kleine Teilschritte

auf (physiologische Energiefreisetzungen)

Chemisch: A X

Biochemisch: A B C D E X

Energie

Abbau

Synthese

Reaktionsablauf

Zeit

Biochemische Reaktionen setzen pro

Reaktionsschritt nur kleine Energiemengen

um (kleine Leistungen pro Volumen, wegen

der empfindlichen Gewebe).

Abbildung 4: Vergleich einer direkten chemischen Umsetzung mit dem entsprechenden

biochemischen Prozess

Viele Teilreaktionen verlangen, dass

die richtigen Reaktionen einander folgen (Reaktionsabfolge),

die Prozesse spezifisch sind (Spezifität),

die Prozesse genügend rasch sind (Reaktionsgeschwindigkeit).

Strategie der Natur

- eine räumliche Strukturierung (Kompartimentierung, Kanalisierung) und

- sehr spezifische und hochwirksame Katalysatoren (Enzyme).

- Enzyme und Rezeptoren in Regelsystemen (Rückkopplungen).

Enzym

A

Enzym

B

Enzym

C

Enzym

D

Enzym

E

Abbildung 5: Erzwungene Reaktionsabfolge mit lokal hohen Konzentrationen

Die meisten Enzyme (Katalysatoren) sind membrangebunden oder in

Kompartimenten eingeschlossen. Die Folge davon ist:

Dadurch wird eine zwangsläufige Sequenz (Stoffwechsel) erreicht.

Die Konzentrationen der Edukte sind bei jedem Enzym lokal sehr hoch.

Die Gesamtreaktionen sind ausserordentlich spezifisch und sehr rasch.

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Die Temperaturen durch die schrittweise freiwerdende Energie relativ klein

sind.

Dass die kleinen Energieänderungen (ΔG) chemische Gleichgewichte

ermöglichen.

Diese Enzymketten für die Regelsysteme mit Endprodukthemmung

besonders gut geeignet sind.

Insgesamt wird erreicht, dass lokal keine sehr grossen Energien frei werden, die das

empfindliche Gewebe und die Enzyme zerstören könnten, und anderseits, dass die

Reaktionen auch bei relativ tiefen Temperaturen wegen der hohen Konzentrationen

trotzdem noch "vernünftige" Geschwindigkeit aufweisen.

Beispiel: Dies zeigt sich sehr gut bei der Atmung, wo ein Gleichgewicht zwischen

Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe vorliegt, welches ohne grossen

Energieaufwand verschoben werden kann (reversible Reaktion = umkehrbare

Reaktion).

Für Hämoglobin:

Hb + O2 HbO2 Hb + O2

Lunge Bluttransport Gewebe

Spannend ist bei dieser Reaktion, dass das Eisen (Fe 2+ ) in der Häm-Guppe nicht

irreversibel oxidiert wird!!

Diese feine Steuerung der Reaktionen setzt ein konstantes Milieu (Ionenkonzentrationen,

pH) voraus, welches im Meer recht gut verwirklicht ist. Bei der

Entwicklung der Lebewesen, dem Schritt auf das Land, ist diese konstante

Umgebung verloren gegangen.

Ozean Flussänderungen Süsswasser Land

Bei Landlebewesen mussten die inneren Organe diese Funktion übernommen

werden, ein konstantes Milieu zu gewährleisten (Niere z. B.).

1.2 Mikro ist einfach ein kleines Makro?

Sind Zellen einfach kleine Kompartimente mit gleichen Prozessen, wie Reaktionen im

Glaskolben? Ja und nein.

1) Ja, denn die chemischen Reaktionen von Molekül/Ion zu Molekül/Ion laufen

prinzipiell gleich ab.

2) Nein, denn die chemischen Reaktionen laufen sicher unterschiedlich rasch

und sind von der Umgebung viel stärker beeinflusst.

Begründung:

Der Schritt von der Makro- auf die Mikroebene verändert das Volumen zu

Oberflächenverhältnis ganz entscheidend.

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Beispiel Würfel:

Kantenlänge 10 cm = 100'000 μm 1 μm

Oberfläche 6•10 10 μm 2 6 μm 2

Volumen 10 15 μm 3 1 μm 3

Oberfläche/Volumen-Verhältnis 6•10 -5 6

Im Makrosystem „sieht“ ein Molekül

die Oberfläche ausserordentlich viel

seltener als im Mikrosystem. Anders

ausgedrückt, im Mikrosystem spielt

die Oberfläche des Kompartiments

eine bedeutend grössere Rolle, als

im Makrosystem. Das hat

verschiedene Folgen für kleine

Systeme, wie die Zelle.

1) Die Chemie der Oberflächenwand (Grenzflächenchemie) wird entscheidend

Die Reaktivität der Ecken und Kanten steigt enorm an.

2) Die Temperaturübertragung von der Reaktionslösung auf die Wand ist sehr

effizient.

3) Moleküle treffen sich alleine auf Grund der Diffusion sehr rasch (siehe: Die

Synapse, eine chemische Schaltstelle).

4) Die Kompartimentierung eines Gewebes in viele kleine Zellen führt hoher

Spezifität, zu hohen Konzentrationen, kurzen Distanzen und in der Zelle und

damit zu hohen Geschwindigkeiten Diffusion!

Somit muss man davon ausgehen, dass die sich Reaktionsgeschwindigkeiten von

Makro- und Mikrosystemen erheblich unterscheiden.

Viele kleine Mikrosysteme, also ein Zellverband, unterscheiden sich ganz

entscheidend von einem Reaktionssystem ohne Kompartimentierung in

Reaktionsgeschwindigkeit und dem energetischen Verhalten 5 .

Strategie der Natur

Die Lebewesen können die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Selektivität durch

Kompartimentierung und mit Mikrostrukturen gewaltig erhöhen.

Ein qualitativer Sprung von Gross zu Klein:

Klein ist oft nicht bloss eine Verkleinerung von Grossem. Die Kapillarkräfte sind nur

dort von Bedeutung, wo kleine Kanäle auftreten. Ein Stück Tuch mit naheliegenden

Fasern kann Flüssigkeiten und gelöste Stoffe entgegen der Schwerkraft aufsteigen

lassen – das können Strukturen mit grossen Zwischenräumen nicht.

5 O’Discoll C., Small is bountiful, Chemistry World, January 2004, p.26

Chemie, 6sm


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Biochemische Prozesse als System

Biochemische Prozesse zeichnen sich durch eine grosse Vernetzung der Prozesse

(Komplexität) aus.

Überall, wo es auf die genaue Einhaltung von Gleichgewichten (Homöostase) und

Reaktionsbedingungen ankommt, ist es erforderlich den Prozess zu verfolgen,

Abweichungen von einem geforderten Verhalten zu registrieren und in geeigneter Art

und Weise auf diese Abweichungen zu reagieren, so dass sich der geforderte

Zustand wieder einstellt. Zur Regelung müssen Signale gemessen werden, die das

Systemverhalten beschreiben bzw. die Informationen über die herrschenden

Zustände liefern (z.B. Konzentration, Wirkung, Temperatur, Druck, ...). Der Vergleich

des aktuellen mit dem angestrebten Zustand, sowie die notwendigen Eingriffe

können entweder von der Natur selbst, dem Menschen oder Geräten vorgenommen

werden. In allen Fällen spricht man von Regelung.

Regelung ist gekennzeichnet durch die drei Schritte: Messen - Vergleichen –

Stellen.

1.2.1 Der Regelkreis

Ein Regelkreis dient dazu, eine vorgegebene Grösse (Regelgrösse x, z.B. eine

bestimmte Konzentration, ein gewisses Potential etc.) auf einen gewünschten Wert

(Sollwert w) zu bringen und dort zu halten.

Störgrösse (z)

(Wirkstoff)

Stellsystem

Synthese

Stellgrösse

(y)

Steuergrösse

(u)

Abbildung 6: Prinzip eines Regelkreises

Regelstrecke

Wirkungsort

Regler

Soll-/Istvergleich

Regelgrösse (x)

(Konzentration)

Messwert

(m)

Messsystem

Sensor

Sollwert (w)

Um die gestellte Aufgabe zu erfüllen (x=w), muss der Wert der Regelgrösse (x) - die

Istgrösse (Istwert) - gemessen werden Messwert (m). Dies geschieht durch

einen Sensor (in der Technik: Messeinrichtung). Dieser wird mit einem Sollwert (w)

verglichen. Tritt zwischen Soll- und Istwert der Regelgrösse eine Differenz auf (xw,

Sollwertabweichung (e)), so muss dieser durch eine entsprechende Einflussnahme

auf die Anlage entgegengewirkt werden. Die Grösse, die zu diesem Zweck geändert

Chemie, 6sm


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werden muss, heisst Stellgrösse (y) und kann eine beliebige physikalische oder

chemische Grösse sein. Sie muss lediglich die Bedingung erfüllen, dass eine

Änderung der Stellgrösse eine Änderung der Regelgrösse (x) nach sich ziehen

muss. Der Regelkreis hat nun die Aufgabe die Abweichung zu verringern bzw. ganz

zu beseitigen (Homöostase: die Natur versucht das alte Gleichgewicht wieder zu

finden). Das entsprechende Glied im Regelkreis, wird als Stellsystem bezeichnet

(also der Ort, der die Synthese steuert, z.B. DNA, Proteinsynthese, Hormonsynthese

etc). Das Stellsystem besteht aus dem Stellantrieb und dem Stellglied.

Ein Regelvorgang wird entweder durch Änderung der Sollgrösse (z.B. Krankheit)

oder durch Auftreten einer Störung ausgelöst. Eine Störung kann z.B. eine

plötzliche Änderung der Konzentration, der Umgebungstemperatur oder eines

Volumenstromes sein. Die Grösse, welche die Störung verursacht, wird als

Störgrösse (z) bezeichnet. Jede Änderung der Störgrösse bewirkt eine Änderung

des Istwertes der Regelgrösse. Würde sich die Störgrösse nicht ändern und wäre

keine Änderung des Sollwertes erwünscht, so würde ein einmal in den Sollzustand

gebrachtes System in diesem Zustand verharren. Es wäre keine weitere Änderung

notwendig.

Ein Glied, das den Vergleich zwischen Ist- und Sollwert durchführt und letztendlich

den Wert für das Stellsystem (Steuergrösse u=u(t)) vorgibt, wird als Regler

bezeichnet.

Beispiel: Temperaturregulation des Körpers

Führungsgrösse: Körpertemperatur ca. 37°C (36.4 – 37.2 °C)

Fühler, Regler, Stellglied: Hypothalamus (Thermostat der Körpertemperatur)

Regelgrösse: Stoffwechsel

Störgrösse: Körperliche Aktivität, Bekleidung, Umgebungstemperatur,

Entzündungen

Schematische Darstellung

Ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Regelkreises, wie es oft in der

Regelungstechnik verwendet wird, ist in Abb. 2 dargestellt.

w

e

Regler

Abbildung 7: Schematische Darstellung eines Regelkreises

Chemie, 6sm

y

Regelstrecke

Wirkungsort

x

x

z


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Stellgrösse Regelgrösse

Abbildung 8: Prinzip eines Regelsystems

Rückkopplung

Führungsgrösse

Sollgrösse

Regelsysteme:

Alle chemischen und biochemischen Prozesse können mit Regelsystemen und

Regelkreisen beschrieben werden (positive/negative Rückkopplungen,

Gleichgewichte) Systemdynamik

1.2.2 Der Regler

Ein Regler verändert das zeitliche Verhalten der Sollwertabweichung e(t) in

geeigneter Weise derart, dass der Regelkreis insgesamt das geforderte Verhalten

zeigt. Der Regler beginnt an der Messstelle und endet am Stellsystem. Damit gehört

die Vergleichsstelle, welche die Differenz zwischen Ist- und Sollwert bildet (w-x),

sowie der Antrieb des Stellgliedes ebenfalls zum Regler.

Ein Regelkreis besteht aus den beiden Hauptteilen Regelstrecke und Regler.

Die Regelstrecke

Die Regelstrecke ist der Teil der Anlage, der vom Regler beeinflusst wird (z.B. die

Neurotransmitter-, Hormon- oder Proteinsynthese). Die Regelstrecke beginnt am

Stellort (die Stelle, an der das Stellglied in die Wirkungskette einwirkt) und endet am

Messort (die Stelle, an der die Regelgrösse gemessen wird). Das Stellglied (in der

Biochemie die Substanzproduktion) zählt zur Regelstrecke.

Regelstrecken werden nach ihrem Zeitverhalten beurteilt – wie rasch reagiert das

System. Um die Kenngrössen einer Regelstrecke zu bestimmen (Verstärkungsfaktor,

Zeitkonstanten), wird das betrachtete System mit einem definierten Eingangssignal

(y=y(t), z.B. einmalige Zufuhr einer Dosis) beaufschlagt und das Ausgangssignal als

Funktion der Zeit aufgenommen (Sprungantwort, zeitlicher Verlauf des Effekts).

Chemie, 6sm


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Simulation

Regler

k Steuergrösse

Istwert

Sollwert

Simulationsmodell

k=0.1, Istwert =0, Sollwert =2

Regler: k * (Sollwert- Istwert)

Abbildung 9: Simulation eines einfachen Reglers

Beispiele für Rückkopplungen

Exotherme Reaktion

Reaktions-

Geschwindigkeit

steigt

2

1.5

1

0.5

0

Istwert

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (Second)

Istwert : Current mmol

Zeitdiagramm: Abszisse: Zeit, Ordinate: Istwert

Der Istwert strebt einem Gleichgewicht zu negative Rückkopplung

Stabilisierung

Temperatur

wird höher

Positive Rückkopplung

Abszisse: Zeit

Ordinate: Temperatur

Positive Rückkopplungen treten bei

allen exothermen Reaktionen auf.

Diese Rückkopplung zeigt ein

exponentielles Verhalten (exponentieller

Anstieg).

Algen bilden

wenig DMS

wenig

Sonnenlicht

Zunahme der

Wolkenbildung

wenig Keime

für Wolkenbildung

Abbildung 10: Beispiele positiver und negativer Rückkopplung

Chemie, 6sm

DMS: CH3-S-CH3

Abnahme der

Wolkenbildung

viel

Sonnenlicht

viel Keime

für Wolkenbildung

Negative Rückkopplung

Algen bilden

viel DMS

Wolkenbildung durch DMS (Dimethylsulfid, von

Algen mit Sonnenlicht produziert) nach James

Lovelock.

Negative Rückkopplungen führen zu stabilen Systemen.

Diese Art der Rückkopplung strebt einem

Gleichgewichtszustand zu (siehe oben).


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1.2.3 Regulation des Stoffwechsels

-

E1 E2

E3 E4

A B C D E

Stoffwechselkette: A E1 B E2 C E3 D E4 E

Wichtig: Substrat und Enzym sind in einem dynamischen Gleichgewicht.

Aus dem Ausgangsstoff A wird über drei Zwischenprodukte B, C und D das

Endprodukt E synthetisiert. Man nennt das eine sogenannte Stoffwechselkette, die

hier von vier Enzymen E1, E2, E3 und E4 katalysiert wird. Da sich das Endprodukt E in

seiner Struktur erheblich vom Ausgangsstoff A unterscheidet, sind mehrere Enzyme

und mehrere Zwischenschritte für die Synthese von E notwendig sind. Wenn nun

genug Endprodukt E hergestellt ist, sollte die Zelle dessen Herstellung einstellen.

Erstens könnte eine zu hohe Konzentration des Endproduktes E für die Zelle

schädlich sein, zweitens verbraucht die Synthese Energie und Rohstoffe, die man an

anderer Stelle sinnvoller nutzen könnte. Wie lässt sich eine Stoffwechselkette

regeln? Ganz einfach könnte das letzte Enzym E4 gehemmt werden, dann würde

kein Endprodukt mehr gebildet. Der Nachteil dieses Verfahrens wäre, dass weiterhin

A abgebaut wird und die Zwischenprodukte B, C und D entstehen. Da D nicht mehr

weiterverarbeitet wird, käme es in kurzer Zeit zu einer Anhäufung von D mit

möglicherweise negativen Folgen für die Zelle. Zudem würde weiterhin der

Ausgangsstoff (A) und Energie verbraucht. Eine viel günstigere Stelle, an der die

Stoffwechselkette beeinflusst werden kann, ist das erste Enzym der Kette, E1. Wenn

E1 gehemmt wird, wird A nicht mehr umgesetzt, und sowohl die Zwischenprodukte B,

C, D wie das Endprodukt E werden nicht mehr gebildet. Es werden keine Edukte und

keine Energie mehr umgesetzt, und die Zwischenprodukte akkumulieren sich in der

Zelle nicht.

1.2.4 Steuerung durch Enzyme

Wie kann das erste Enzym gehemmt werden? So zum Beispiel: Die Hemmung soll

dann eintreten, wenn die Endproduktkonzentration E einen bestimmten Wert erreicht

hat. Warum wird aber E1 nicht auch durch eines der Zwischenprodukte B, C, oder D

gehemmt? Möglich wäre das schon, aber die Konzentration der Zwischenprodukte B,

C und D im Zellplasma ist sehr gering. Sobald das Enzym E1 wenig B synthetisiert

hat, wird das Zwischenprodukt vom nächsten Enzym E2 sofort zu C umgesetzt. Es

kommt somit nicht zu einer Akkumulation von B. Das gleiche trifft für das

Zwischenprodukt C zu. Sobald die Konzentration von C genügend gross ist, werden

die Moleküle C durch das Enzym E3 zu D umgebaut. Und weiter, wenn die

Konzentration von D einen bestimmten Wert erreicht hat, steigt sie auch nicht mehr

weiter an, denn jetzt wandelt das letzte Enzym der Stoffwechselkette D zum

Endprodukt E um. Erst das Endprodukt E wird nicht weiterverarbeitet (sonst wäre es

ja kein Endprodukt). E kann sich daher in der Zelle anhäufen. Also ist es sinnvoll,

dass das Schlüsselenzym E1 vom Endprodukt mit einer negativen Rückkopplung

gehemmt wird!

Chemie, 6sm


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Wie kann das Enzym E1 durch das Endprodukt E gehemmt werden? Wenn das

Endprodukt E ähnlich aufgebaut ist wie der Ausgangsstoff A, dann könnte eine

sogenannte kompetitive Hemmung stattfinden: Das Endprodukt E setzt sich in das

aktive Zentrum des Enzyms E1, kann aber nicht weiter verarbeitet werden. Je höher

die Endprodukt-Konzentration E, desto häufiger sind die E1-Moleküle blockiert, und

desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein Molekül A umgesetzt werden kann. Dieser

einleuchtende Mechanismus hat eine wichtige Voraussetzung: Der Hemmstoff E

muss dem eigentlichen Substrat A sehr ähnlich sein. Bei der Stoffwechselkette mit

den vier Enzymen dürfte dies allerdings sehr unwahrscheinlich zutreffen. Das

Substrat A wird ja viermal umgebaut, durch die Enzyme E1, E2, E3 und E4. Das

Endprodukt E wird dem Ausgangstoff A molekular sehr wenig ähnlich sein, sondern

dürfte eine wesentlich andere Struktur zeigen. Eine kompetitive Hemmung durch

einen substratähnlichen Stoff ist also als Mechanismus für die Endprodukthemmung

wenig wahrscheinlich, weil das Endprodukt E eine von Substrat A sehr verschiedene

Struktur hat.

Enzyme können in unterschiedlichen Konformationen vorkommen. Nur in einem der

möglichen Zustände passt das Substrat A in das aktive Zentrum und kann zum

Produkt umgesetzt werden. Der andere allosterische Zustand des Enzyms hat ein

verformtes aktives Zentrum, welches das Substrat nicht aufnehmen kann: dieser

Zustand ist somit inaktiv. Eine hohe Konzentration von Endprodukt E führt dazu, dass

das Enzym E1 lange in der inaktiven Konformation verweilt, eine kleine

Endproduktkonzentration führt zu einer kurzen inaktiven Zeit (Geschwindigkeit der

Gleichgewichtseinstellung). Wenn die Endproduktkonzentration niedrig ist, liegt das

Enzymmolekül hauptsächlich in der aktiven Konformation vor, damit kann viel

Endprodukt synthetisiert werden.

Neben dem aktiven Zentrum hat ein sogenanntes allosterisches Enzym ein zweites

reaktives Zentrum, das allosterische Zentrum. Dieses kann von einem Effektor

besetzt werden (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Bei der Endprodukthemmung übernimmt

ein Endproduktmolekül E die Rolle des Effektors, genauer, die Rolle eines Inhibitors

(Hemmstoffs).

Mit Substrat: A E1 B ;

Mit Inhibitor: E E1 B (E ist hier Inhibitor)

Wichtig: Inhibitor und Enzym sind ebenfalls in einem dynamischen Gleichgewicht.

Befindet sich ein Inhibitor (hier E) im allosterischen Zentrum, so liegt das Enzym in

der inaktiven Konformation vor– allosterische Hemmung. Erst wenn der Inhibitor E

das allosterische Zentrum wieder verlässt, kann das Enzym in die aktive

Konformation "zurückklappen" und wieder ein Substrat A umsetzen (allosterisches

Enzym).

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1.2.5 Endprodukthemmung

Modell:

-

E1 E2

E3 E4

A B C D E

Abbildung 11: Endprodukthemmung, Wirkungsdiagramm

Das Endprodukt E blockiert das Enzym E1. Je höher die Konzentration des

Endproduktes E ist, desto grösser ist auch der Anteil der inaktiven Enzymmoleküle

E2 bis E4, und desto niedriger wird die Produktion von E.

Wenn die Endproduktkonzentration wieder sinkt (z.B. weil das Endprodukt E von

einer anderen Stoffwechselkette umgesetzt wird), so erhöht sich der Anteil der

aktiven Enzymmoleküle, und es wird wieder Endprodukt E hergestellt. Das erneut so

lange, bis wieder eine hohe Konzentration erreicht ist.

Simulation einer Stoffwechselkette

Mit einer Simulation kann gezeigt werden, wie diese Regelung der Endprodukthemmung

als dynamischer Prozess abläuft.

rg01

k12 k21 k22

k23

S1 ES1 S2

ES2

rg12 rg22

rg23

kr

Ef1 Eg1 Ef2 Eg2

rge12

rge23

Abbildung 12: Endprodukthemmung, Simulationsdiagramm 6

6 Software: Programm Vensim ® PLE, Ventana Systems, Inc.

Chemie, 6sm

k32

k33

rg33

k34

S3

rg34


Peter Bützer Pädagogische Hochschule St.Gallen

0.002

0.0015

0.001

0.0005

0

Chemie, 6sm

S3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (Second)

S3 : Current mmol

Abbildung 13: Zeitdiagramm: Endprodukthemmung, Zeitdiagramm und Parameter

Charakteristisch für diese Enzymketten ist der verzögerte Start der Reaktion, der bei

der Gärung mit Hefe sehr gut beobachtet werden kann.

Bei dieser Simulation kann die bei der Gärung gemessene Verzögerung erst mit

minimal 7 „Enzymen“ erreicht werden (man vermutet bei der Gärung 12 Reaktionen).

Gleichungen

(01) Ef1= INTEG ( -rge12, 0.01)

Units: mmol [0,?]

Enzym frei

(02) Ef2= INTEG ( -rge23, 0.01)

Units: mmol [0,?]

Enzym frei

(03) Eg1= INTEG (rge12, 0)

Units: mmol [0,?]

Enzym gebunden (Enzym-Substrat-Komplex)

(04) Eg2= INTEG (rge23, 0)

Units: mmol [0,?]

Enzym gebunden (Enzym-Substrat-Komplex)

(05) ES1= INTEG (rg12-rg22, 0.01)

Units: mmol [0,?]

s2: Substratmenge; in einem vorgegebenen Volumen entspricht das

einer Konzentration; ES: Substrat gebunden im

Enzym-Substrat-Komplex

(06) ES2= INTEG (rg23-rg33, 0.01)

Units: mmol [0,?]

s3: Substratmenge; in einem vorgegebenen Volumen entspricht das

einer Konzentration; ES: Substrat gebunden im

Enzym-Substrat-Komplex

(07) FINAL TIME = 100

Units: Second

17


Peter Bützer Pädagogische Hochschule St.Gallen 18

The final time for the simulation.

(08) INITIAL TIME = 0

Units: Second

The initial time for the simulation.

(09) k12= 1

Units: 1/(Second*mmol) [0,1]

(10) k21= 0.1

Units: 1/Second [0,1]

(11) k22= 1

Units: 1/Second [0,1]

(12) k23= 1

Units: 1/(mmol*Second) [0,5]

(13) k32= 0.1

Units: 1/Second [0,1]

(14) k33= 0.1

Units: 1/Second [0,1]

(15) k34= 0.5

Units: 1/Second [0,?]

(16) kr= 100

Units: 1/(mmol*Second) [0,1000]

Rükkopplungskonstante

(17) rg01= 1

Units: mmol/Second [0,10]

rasche Zufuhr --> rgo1=1 --> das Gleichgewicht wird von unten

erreicht; langsame Zufuhr --> rg01=0.05 --> das Gleichgewicht

wird von unten erreicht

(18) rg12= k12*S1*Ef1-k21*ES1-kr*ES2*Ef1

Units: mmol/Second

Es ist eine Gleichgewichtsreaktion; Annahme: Jedes Molekül s3

blockiert ein Molekül s1; die wirksame Konzentration ist dann

nur noch (s1-s3)

(19) rg22= k22*ES1

Units: mmol/Second [0,?]

(20) rg23= k23*S2*Ef2-k32*ES2

Units: mmol/Second

Es ist eine Gleichgewichtsreaktion

(21) rg33= IF THEN ELSE( ES2>0.001 , k33*ES2 , 0)

Units: mmol/Second [0,1]

Die Elimination erfordert eine minimale Konzentration, unterhalb

dieser Konzentration findet keine Ausscheidung statt

(22) rg34= k34*S3

Units: mmol/Second [0,?]

(23) rge12= k12*Ef1*S1-(k21+k22)*Eg1

Units: mmol/Second [0,?]

(24) rge23= k23*S2*Ef2-(k32+k33)*Eg2

Units: mmol/Second [0,?]

(25) S1= INTEG ( rg01-rg12, 1)

Units: mmol

s1: Substratmenge; in einem vorgegebenen Volumen entspricht das

einer Konzentration

(26) S2= INTEG ( rg22-rg23, 0)

Units: mmol [0,?]

(27) S3= INTEG (rg33-rg34, 0)

Units: mmol [0,?]

(28) SAVEPER = TIME STEP

Units: Second [0,?]

The frequency with which output is stored.

(29) TIME STEP = 0.01

Units: Second [0,?]

The time step for the simulation.

Chemie, 6sm


Vergleich der Simulation mit Messdaten des zeitlichen Verlaufs der Ethanolmenge bei

Gärung mit Hefe

Hefezellen/0.004 Mikroliter

70

60

50

40

30

20

10

0

0 50 100 150

Zeit (s)

Abbildung 14: Vergleich von Messung 7 und Simulation

7

6

5

4

3

2

1

0

Ethanol mg/ml

Hefe

Ethanol

Die Regulierbarkeit des Stoffwechsels durch Enzyme spielt eine mindestens

ebenso wichtige Rolle wie ihre katalytische Aktivität.

Die Regulierbarkeit bestimmt z.B., welcher von zwei alternativen Stoffwechselwegen in

einer gegebenen Situation eingeschlagen wird.

Die Reversibilität der Vorgänge garantiert, dass eine Anpassung zu jedem Zeitpunkt

möglich ist und sich die Zelle auf Änderungen im Substrat- und Produktangebot mit

kleinem Zeitverzug einstellen kann. Es ist leicht erkennbar, dass es sich hierbei um

äusserst wirtschaftliche und effizient arbeitende Mechanismen handelt.

1.2.6 Die Regulation des Grundumsatzes

Iod, aufgenommen als Iodid I - wird in unserem Körper in der Schilddrüse in das Molekül

Thyroxin eingebaut. Dieses Hormon ist ganz entscheidend für die Geschwindigkeit des

Stoffwechsels. Das TSH (Thyroid Stimulating Hormone) regelt über die Schilddrüsenhormon-Konzentration

den Einbau von Iod in Thyroxin (und auch T3). Die TSH-

Produktion in der Hypophyse sinkt bei steigender Schilddrüsenhormon-Konzentration

im Blut. Damit stellt sich mit Hilfe dieses negativen Rückkopplungsprozesses die

bedarfsgerechte Hormonproduktion ein 8 .

7

Krebs, Ch.J.: Ecology; The experimental analysis of distribution and abundance, New York 1972

(1.Auflage) und 1984 (3.Auflage), S.217

8

Lüllmann H., Mohr K., Ziegler A., Taschenatlas der Pharmakologie, Georg Thieme Verlag,

Stuttgart/New York, 1994, 238


Iodidaufnahme

Schilddrüse

Thyroxin

Rückkopplung

Konzentration

Grundumsatz

Abbildung 15: Schilddrüse, Unterfunktion: Kretinismus, Überfunktion: Basedowsche Krankheit

(siehe Stoffwechsel von Tyrosin); Regelkreis

Dieses Beispiel ist nur ein einfachster Regler in einem sehr grossen (komplizierten) und

sehr vernetzen (komplexen) biochemischen Stoffwechsel. Durch die Grösse und die

Vernetzung werden Gleichgewichte erreicht (Homöostase), welche bei vielen

Krankheiten gestört sind. Paracelsus 9 hat mehrere Arbeiten verfasst, in welchen er eine

dynamische und dynamistische Schau der Welt zeigte. Die Krankheit ist nach dieser

Ansicht nicht in der Materie, besteht nicht in zu viel oder zu wenig an Materie 10 : „Sie ist

mit den Kräften verknüpft, die nach einer vorgegebenen Anordnung zusammen den

menschlichen Organismus bilden, dessen Gleichgewicht in vielförmiger und

charakteristischer Weise gestört werden kann.“ Das angesprochene Gleichgewicht

(Homöostase) ist wohl der wichtigste Teil der Aussagen von Paracelsus, ein

dynamisches Gleichgewicht, das von vielen Faktoren beeinflusst und dauernd in

Veränderung ist.

Kälte

- negative Rückkopplung

+ positive Rückkopplung

Steigerung

des

Grundumsatzes

Blutstrom

Blutstrom

+

Hypothalamus

TRH

Hypophyse

TSH

+

+

+ + + +

Schilddrüse

Thyroxin

Zielzellen

Einfluss der Kälte auf den Stoffumsatz

des Körpers

Abbildung 16: Regulation des Grundumsatzes

-

-

Orte der Wirkstoffproduktion (Drüsen und

Wirkstoffe, Hormone)

9 Theophrastus Bombastus von Hohenheim-Arzt, Astrologe, Theologe, geb.10. November 1493 in

Einsiedeln (Schweiz) gest. 24. September 1541 in Salzburg

10 Braun L., Paracelsus, SV international/Schweizer Verlagshaus, Zürich, 1990, 126

Chemie, 6sm

20


1.2.7 Der biochemische Prozess der Blutzuckerregelung

Beispiel: Aufnahme von Kohlenhydraten aus der Nahrung.

STH

Somatotropin

Protein

Glucocorticoide

Leberglycogen

Insulin

Glucagon

Adrenalin

Kohlenhydrate

in der Nahrung

Blutzucker

Fett

Insulin

Adrenalin

Thyroxin, T4

T3

Muskelglycogen

Kohlendioxid

+

Wasser

Abbildung 17: Stark vereinfachtes Schema des KH-Stoffwechsels mit einigen in diesen Unterlagen

behandelten Substanzen.

Somatotropin, STH: somatotropes Hormon, Wachstumshormon (human growth

hormone, HGH) aus 191 AMCS ( Doping).

Glukokortikoide: Nebennierenrindenhormone, Steroidhormone, die den

Kohlehydratstoffwechsel steuern.

Glykogen: Reservekohlehydrat, lange Ketten aus Glukoseresten MG 1 Mio. bis

16 Mio. g/mol.

Adrenalin: Neurotransmitter und Hormon des KH- Stoffwechsels

Glukagon: Hormon, welches Glucose für die Insulinwirkung mobilisiert besteht

aus 29 AMCS, wird in den Langerhansschen Inseln des Pankreas

synthetisiert und durch Glucose freigesetzt.

Insulin: Polypeptidhormon aus 81 AMCS, beeinflusst den Stoffwechsel von

Leber, Fettgewebe und Muskulatur, wird in den Langerhansschen Inseln

des Pankreas produziert ( Doping).

Thyroxin: Für Wachstum, Entwicklung und Stoffwechsel unentbehrliches

Schilddrüsenhormon.

Ein noch viel stärker vereinfachtes Schema der Enzym-Regelung mit den Hormonen

Insulin und Glucagon ist im Folgenden dargestellt und diskutiert:

Chemie, 6sm

21


Fr eiset zun g

vo n In sulin

Pankreas

-Zellen

Leb er b aut Glyco gen

ab und set zt

Gluco se f r ei

Insulin Körperzellen nehmen Muskelzelle

mehr Glucose auf

Beta-Zellen

w erden

st im uliert

Leb er sp eich er t

Gluco se als

Glyco gen

-

Leber

Leber

hoch

Homöostase

Blutzucker-

Konzent r at ion

tief

Glucagon

-

Blut zucker sp iegel

sin kt

-Zellen

w er d en st im ulier t

Pankreas

-Zellen

Fr eiset zun g

vo n Glucago n

Abbildung 18: Die Gegenspieler im Kohlenhydratstoffwechsel: Insulin und Glucagon

Für die Regelung des Blutzuckergehaltes sind im Wesentlichen 2 Regelkreise

verantwortlich:

1) Regelkreis, der bei hoher Konzentration die Blutzuckerkonzentration verringert

(mit Insulin) negative Rückkopplung

2) Regelkreis, der die bei tiefer Konzentration die Blutzuckerkonzentration erhöht

(mit Glucagon) negative Rückkopplung

Beide Regler versuchen zusammen im Wechselspiel, die Blutzuckerkonzentration bei

einem optimalen Wert zu halten, und das auch bei unregelmässiger Zuckerzufuhr

(Nahrung) und variablem Zuckerverbrauch (Leistung).

Alleine das Weiterleiten des Insulinsignals ist noch viel komplexer und ist selbst dann

noch stark vereinfacht, nicht vollständig 11 :

11 nature insight, review article,

http://www.nature.com/nature/journal/v414/n6865/fig_tab/414799a_F2.html, 2004-03-03

Chemie, 6sm

22


Abbildung 19; Insulinwirkung bei der Zielzelle

Simulation der Blutzuckerregulation

Bei aller Komplexheit des Systems kann man versuchen, die wesentlichsten Prozesse

herauszugreifen, zu simulieren und mit der Realität zu vergleichen (Reduktion). Wenn

die Simulation im Aufbau den bekannten Kopplungen und Prozessen weitgehend

entspricht und prinzipiell ein ähnliches Verhalten zeigt, kann man davon ausgehen,

dass die Modellvorstellung nicht ganz falsch sein könnte. Damit kann man eine Theorie

untermauern.

Für die Regelung des Blutzuckergehaltes kennt man Messwerte und man hat

chemische und physiologische Erkenntnisse, wer was regelt. Diese Fakten sind im

Folgenden dargestellt:

Blutglucose (mg/l)

250

200

150

100

50

0 1 2 3 4 5

Zeit (Stunden)

Gesunder

Kranker

Verlauf der Blutglucosekonzentration

Man beachte das Überschiessen (Hyperglycämie) am

Anfang und das Unterschiessen (Hypoglycämie) beim

Gesunden.

Chemie, 6sm

Zuckeraufnahme

in die Zellen und

zur Verbrennung

Nahrung

Stress

23

Insulin

Blutzucker-

Konzentration

Glucagon

Synthese

100 mg/100 ml Blut

Je mehr Blutzucker

desto mehr

Insulin

Bewegung

Physiologische Regelung der

Blutglucosekonzentration

-

Glucogenabbau

und Freisetzung von

Glucose ins Blut

+

Glycogenabbau

Je mehr Blutzucker

desto weniger

Glucagon


Simulation mit Software Stella:

Zeit (Stunden)

Leberglycogen

Insulin Glucagon

Blutzuckerkonz

24

Insulinbildung Speicherung

Freisetzung Glucagonbildung

Diabetes

Insulinabbau

Simulation der Blutzuckerkonzentration Simulationsmodell

kverb

Verbrauch

Zufuhr

Resorption

kres

Glucagonabbau

Abbildung 20: Simulation des zeitlichen Verhaltens der Blutzuckerkonzentration bei einer raschen

Zugabe von Zucker

Folgerung:

Regelprozesse spielen in der Chemie, der Biochemie, der Biologie, der Technik und der

Wirtschaft eine überragende Rolle. Sie steuern nicht nur Zustände, sondern auch die

Dynamik mit welcher diese Zustände erreicht werden.

Regelung der Hormonproduktion durch die Hormonkonzentration im Blut als Simulation:

0.06

0.03

0

Sollwert

kp

externe

Zufuhr

Hormon

Produktion

0 4 8 12 16 20 24 28

Time (Minute)

Hormon Produktion : Current mmol/Minute

Ohne externe Zufuhr von Hormon wird ein

Gleichgewicht erreicht

Chemie, 6sm

ke

Hormon im

Blut Elimination

0.06

0.03

0

0 4 8 12 16 20 24 28

Time (Minute)

Hormon Produktion : Current mmol/Minute

Mit externer Zufuhr von Hormon, wird die

Produktion ganz rasch heruntergefahren!


1.3 Metabolismus als Netzwerk

Im Stoffwechsel sind zwangsläufig viele Vorgänge miteinander verknüpft. Man kann

deshalb die Stoffwechselvorgänge als Karte aufzeichnen, bei der die Prozesse die

Knoten und die Reaktionen die Verbindungen darstellen, als System von Reglern 12,13,14

(wie das Internet). Das Produkt P einer enzymatischen Reaktion wird dabei zum

Substrat S (Edukt) der nächsten Reaktion. Nun gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten

des Ablaufs von Reaktionen: Hintereinander (sequenziell) oder gleichzeitig (simultan,

parallel).

P - S P - S P - S

a b c d

a) Serieller Ablauf

Das Produkt des Enzyms a wird zum Substrat des

Enzyms b, das Produkt des Enzyms b wird zum

Substrat des Enzyms c etc.

a

P - S

P - S

P - S

b

c

d

25

b) Paralleler Ablauf

Das Produkt des Enzyms a wird zum Substrat der

Enzyme b, c und d.

Abbildung 21: Sequenzieller Metabolismus von Enzymen, b) simultaner Metabolismus

Jedes Enzym kann die Reaktionen reversibel durchführen und stellt in einem Netzwerk

des Stoffwechsels einen sogenannten Knoten dar.

Werden Netzwerke aufgebaut, dann sind sie entweder vorwiegend durch viele Knoten

mit wenig Verbindungen (seriell) oder wenig Knoten mit vielen Verbindungen (parallel,

Konvergenz) dominiert.

Viele „einzelne“ Verknüpfungen führen zu einem Random-Netzwerk, wobei die mittlere

Anzahl der Verbindungen die Dimension (scale) bestimmt.

Mit „zentralen“ Knoten mit vielen aus- und oder eingehenden Verbindungen hat die

mittlere Anzahl der Verbindungen keinen grossen Aussagewert, weshalb man hier von

einem Scale-free-Netzwerk spricht.

Die Knoten mit einer grossen Anzahl von Verbindungen sind Angelpunkte oder

Drehscheiben (hubs) im Netz (ca. 5% hubs halten ein Scale-free Netzwerk

zusammen!).

Die sequenziellen Verbindungen haben den Vorteil der grösseren Selektivität, die

simultanen Verbindungen den der grösseren Geschwindigkeit.

12 Cohen D., All the World’s a Net, New Scientist, 13 April, 2002, 24

13 Jeong H., Tobor B., Albert R., Ottavi Z.N., Barabási A.-L., The large-scale organization of metabolic

networks, Nature, Vol 407, 5 October, 2002, 651

14 editorial, Proteomics in a small world, nature structural biology, vol 9, Nr 3, march, 2002, 153

Chemie, 6sm


Random-Netzwerk (exponentiell)

a) Alle Knoten haben ungefähr dieselbe Anzahl

Verbindungen (links). Die mittlere Anzahl gibt den

Grad (scale) des Netzwerks an (Mitte der

Verteilungskurve).

Scale-free Netzwerk

26

b) Es macht keinen eigentlichen Sinn über den Grad

(scale) oder die durchschnittliche Anzahl der

Verbindungen zu Knoten zu sprechen.

Sogenannte Scale-free-Netzwerke haben viele

Knoten mit wenig und wenig Knoten mit einer grossen

Anzahl Verbindungen (hubs).

Abbildung 22: Prinzipielle Unterscheidung von Random- a) und Scale-free-Netzwerken b).

Diese beiden Netzwerktypen lassen sich mathematisch charakterisieren, wenn k die

Anzahl Verbindungen pro Knoten sind.

Anteil Knoten mit k Verbindungen(k)

Scale-free network

Random network

Anzahl Verbindungen (k)

Abbildung 23: Unterschied von Random- und Scale-free-Netzwerken in der grafischen Darstellung

(Random zeigt ein exponentielles Verhalten).

Für das Internet gilt:

Das rasche Wachstum bringt denen Vorteile, die früh ins Netz eingetreten sind.

Je länger ein Knoten existiert, desto grösser ist seine Anzahl Verknüpfungen.

Vorsprung ist hier sehr wichtig. (preferetial attachement positive

Rückkopplung)

In einer Umgebung mit Informationsüberfluss werden rasch zugängliche Knoten

besser gefunden. Das verbessert die Verknüpfungen mit wichtigen Knoten

nochmals.

Je grösser die Kapazität der hubs (Bandbreite, Zugänge, Vernetzung..) desto

rascher ist sein Wachstum.

Chemie, 6sm


Im übertragenen Sinne gelten diese Regeln auch für Terrornetze 15 , Geschäftsbeziehungen,

Infektionen etc.

Praktisch sehen Darstellungen für grosse Netze wie folgt aus:

Random-Netzwerk

Doppelt logarithmische Darstellung

Abszisse: Anzahl Verbindungen k pro Knoten

Ordinate: Anteil Knoten mit k Verbindungen

Scale-free-Netzwerk

Doppelt logarithmische Darstellung

Abszisse: Anzahl Verbindungen k pro Knoten

Ordinate: Anteil Knoten mit k Verbindungen

Abbildung 24: Grafischer Vergleich von grossen Netzwerken unterschiedlicher Struktur

Welches sind Beispiele von Knoten im Metabolismus:

Das Enzym ATP-ase, da ATP als „Energiewährung“ überall in der Zelle benötigt wird.

Die Adenylatcyclase, ein Enzym, das in der Zellmembran (Innenseite) die Umwandlung

von ATP in zyklisches AMP katalysiert; wird aktiviert durch Bindung von als »Erstbote«

(»first messenger«) fungierenden Hormonen an den spezifischen Rezeptor und wirkt

als deren Effektor = Reizvermittler (= »second messenger«) im Adenylatcyclase-

System. Angeregt werden viele biologische Effekte.

Folgerungen für medizinische Massnahmen:

Werden „zentrale“ Enzyme beeinflusst, dann sind die Wirkungen sehr gross. Für

Therapien sind sie jedoch völlig ungeeignet, da sie zu wenig spezifisch sind und die

Wirkungen sich zu breit zeigen.

Aber:

Impfungen sind in der heutigen Zeit der vielen Reisen und Kontakte ausserordentlich

wichtig, wenn Epidemien verhindert werden sollen (etwa 90%!) 16 , vor allem für

Personen, welche viele Kontakte haben (Lehr-, Pflege, Verkaufs-, Bedienungspersonen

etc.).

15 Nagaraj S., Global Guerrillas,

ttp://globalguerrillas.typepad.com/globalguerrillas/2004/05/scalefree_terro.html, 2004-09-25

16 Ahmes E., A. S. Hegazi A.S., A. S. Elgazzar A.S., AN EPIDEMIC MODEL ON SMALL-WORLD

NETWORKS AND RING VACCINATION, International Journal of Modern Physics C

[Computational Physics and Physical Computation], Vol. 13, No. 2 (2002) 189-198

Chemie, 6sm

27


Man kann sich auch ein metabolisches Netzwerk, aufbauend auf den Substanzen als

Knoten vorstellen. Ein Beispiel dazu die Prostaglandine, Substanzen mit den

vielfältigsten Wirkungen 17 , 18 :

HO

O

HO Prostacyclin

HO

6-Keto-PGF 1alpha

O

HO

OH

OH

O

COOH

PGD 2

COOH

OH

Hemmung durch:

Glucocorticoide

Prostacyclin-

Synthetase

Hemmung durch:

Antuphlogistika

Prostacyclin-

Synthetase

Reduktase

O

O

O

O

Isomerase

COOH

HO

HO

Membran-Phospholipide

Phospholipase A 2

COOH

COOH

PGG2 OOH

Cyclooxygenase

(PG-Hydroperoxidase-Aktivität)

OH

Arachidonsäure

Cyclooxygenase

(cycl. Lipoxygenase Aktivität)

OH

PGH 2

COOH

Isomerase

PGF 2alpha

Abbildung 25: Teile des Metabolismus der Prostaglandine

Anregung durch:

Bradikinin, Angiotensin II; ADH

COOH

Lipoxygenase

O

HO

Thromoxan-

Synthetase

Thromoxan-

Synthetase

HO

Reduktase

O

O

Leukotriene

C 3, D 3, E 3

OH

O

OH

PGE 2

S

H 2N

OH

OH

COOH

O

28

COOH

H

N COOH

COOH

Throboxan A 2

TXA 2

COOH

Throboxan B 2

TXB 2

Die Substanz PGH2 bildet einen Ausgangspunkt mit besonders vielen Verbindungen,

während die anderen Substanzen über wenige Wege weiterreagieren. Dieser kleine

Ausschnitt aus dem Stoffwechsel gibt einen Eindruck dafür, dass diese Prozesse mit

Scale-free-Netzwerken dargestellt werden müssen. Das gilt in sehr grossen Bereichen

des Metabolismus.

Beispiel: Der zentrale Stoffwechsel des Darmbakteriums Escherichia coli, ist ein gut

untersuchter Modellorganismus. Das Stoffwechselmodell umfasst 89 Komponenten und

110 Reaktionen und ermöglicht die Beschreibung von Nährstoffaufnahme, -umsetzung

und Zellwachstum. Die Analyse dieses Netzwerkes ergibt, dass es sich - je nach dem

verwerteten Nährstoff - in bis zu eine halbe Million Funktionseinheiten zerlegen lässt.

17 Prostaglandine, Roche-Lexikon Medizin Version 4.0, 1984/1987/1993/1999 Urban & Fischer Verlag,

CD-ROM - 4., neubearb. und erw. Aufl. - 1999

18 Prostaglandine, Römpp Lexikon Chemie – Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999

Chemie, 6sm


Die Glycolyse als Hub 19

Was ist nun das Besondere an diesen Netzwerken? Die Natur, aber auch die Technik

baut sehr oft Scale-free-Netzwerke auf, mit wenigen, aber hochvernetzten und einer

grossen Anzahl wenig vernetzter Knoten (Stoffwechsel der Bakterien, Telefone mit

Zentralen, Energieverteilung, Wasserversorgung etc.). Das trifft für unseren

Metabolismus wie das Internet zu. Im Durchschnitt kann man im Internet mit 19 „clicks“

von einer Seite auf eine beliebige andere Seite gelangen. Selbst wenn das Web um

1000% wachsen würde, wären bei dieser Netzstruktur maximal 21 „clicks“ notwendig 20 .

Neue Verbindungen, z.B. im Internet, werden bevorzugt zu Knoten gemacht, die

bekannt, berühmt und daher auch schon gut verknüpft sind. Das gilt auch für soziale

Strukturen. Auch dort haben bevorzugte Individuen mehr Kontakte, und die Reichen

werden reicher.

19

Nicholson Donald, IUBMB-Nicholson Metabolic Maps, Minimaps & Animaps http://www.iubmbnicholson.org/gif/01.html,

2007-01-29

20

Cohen D., All the World’s a Net, New Scientist, 13 April, 2002, 26

Chemie, 6sm

29


a) Ausschnitt aus der Karte des Metabolismus des

Menschen

b) Ausschnitt aus der Karte der

weltweiten Internet-

Verbindungen

Abbildung 26: Netzwerke des Metabolismus a) und des Internet b). Beide Netzwerke sind in

grossen Bereichen Scale-free.

Für viele biochemische Abläufe wurde der Scale-free-Charakter nachgewiesen. Welche

besonderen Eigenschaften haben diese Scale-free-Netzwerke, dass sie von der Natur

in der ganz langen Evolution bevorzugt vor Random-Netzwerken gebaut wurden?

Die Scale-free Netzwerke folgen somit den beiden zentralen Regeln 21 :

1. Neue Knoten kommen zum bestehenden Netzwerk hinzu.

2. Die neuen Knoten werden mit den alten so vernetzt, dass die Wahrscheinlichkeiten

für Verbindungen zu hochvernetzten Knoten (hubs) grösser sind als zu wenig

vernetzten Knoten.

1.3.1 Stabilität von Netzwerken

Scale-free Netzwerke haben inhärent die Eigenschaft, gegenüber zufälligen Störungen

weniger anfällig zu sein. Das lässt sich an einem einfachen Beispiel zeigen.

21 Barabási A.-L., Albert R., Jeong H., Mean-field theory for scale free random networks, Physica, A 272

Chemie, 6sm

(1999) 173-187

30


P - S P - S P - S

a b c d

d

Fällt aus a b c d Fällt aus a b c d

a - 0 0 0 a - 0 0 0

b 1 - 0 0 b 1 - 1 1

c 1 1 - 0 c 1 1 - 1

d 1 1 1 - d 1 1 1 -

Summe = 6 3 2 1 0 Summe = 9 3 2 2 2

Abbildung 27: Laufende Reaktionen nach einem zufälligen Ausfall eines Enzyms, wenn das

Produkt des Vorläuferenzyms Substrat beim Nachfolger ist (1: arbeitet, 0: fällt aus)

Wenn in den 4 Fällen alle Enzyme arbeiten, dann sind 12 Fälle möglich. Wenn bei

jedem Fall eine Störung bei je einem Enzym auftritt, dann laufen im seriellen 6, im

parallelen Fall immer noch 9 Reaktionen. Es zeigt sich, dass selbst bei einem so

einfachen Modell die parallele Verarbeitung gegen Fehler robuster ist.

Fällt ein Enzym durch Mutation (zufälliges Ereignis) oder anderweitige Störung aus,

kann auf diese Weise rasch ein neuer Weg gefunden werden – das System ist robust

gegen zufällige Veränderungen (Fehler) wie z.B. Mutationen. Mit 100'000 Knoten, total

1’000’000 Verbindungen, wovon 100 hubs mit beispielsweise je 1000 Verbindungen, ist

die Chance 1‰ einen dieser Angelpunkte zu treffen. Man könnte auch sagen, diese

Scale-free Netzwerke sind fehlertolerant. Die Zufallstörung eines Blitzeinschlags in eine

Leitung des Elektrizitätsnetzes führt, bei richtiger Auslegung 22 nur zum kurzen Ausfall

kleiner Teile. Selbst wenn ca. 5% der Knoten ausfallen, ist das Netz noch voll

funktionsfähig. Es ist aber auch sehr verletzlich. Wenn jedoch 5% der hochvernetzten

Knoten ausfallen, steigt die Anzahl der Schritte um das Netz zu durchqueren auf das

Doppelte. Das heisst, gegenüber intelligenten Angriffen sind die Scale-free-Netzwerke

wesentlich mehr gefährdet.

Bei einem Random-Netzwerk, mit durchschnittlich 10 Verbindungen pro Knoten fallen

mit 5% ca. 5000 Verbindungen aus, ein Mehrfaches im Vergleich zu Scale-free-

Netzwerken mit grossen hubs.

Die Hypothese, dass die Natur Scale-free Netzwerke aufbaut, weil sie robust sind, kann

so nicht bestätigt werden 23 . Auch anorganisch-chemische Systeme verschiedener

Planetenatmosphären zeigen dieses Verhalten. Tatsache ist, dass Schlüssel-

Substanzen im Metabolismus hubs darstellen, an denen auch viele neue Reaktionen

ankoppeln. In diesem Sinne konnte gezeigt werden, dass hochvernetzte Knoten

(Substanzen) auch evolutionsmässig alte Substanzen sind.

22 D. Hass, J. Schwarz, H. Zimmermann, Elektrizitätswirtschaft, Jg. 80,S. 923, Heft 25 (1981)

23 Wagner A., The large scale structure of metabolic networks: a glimpse at life's origin?,

http://eclectic.ss.uci.edu/~drwhite/Complexity/Complexity1www.pdf, 29.05.2002

Chemie, 6sm

a

P - S

P - S

P - S

b

c

31


Sehr viele unserer technischen Systeme sind, wie die natürlichen Systeme, über die

Jahre nach diesen Regeln gewachsen und somit Scale-free.

1.3.2 Folgerungen für Massnahmen

Das Gen p53 hat auf das Verhalten von

Tumorzellen einen grossen Einfluss.

Trotzdem ist es für die Krebstherapie sehr

kritisch das Gen p53 zu beeinflussen, da es

für den Bau vieler wichtiger Proteine

verantwortlich ist, p53 ist ein hub.

Andererseits müsste das Ziel von

Wirkstoffen z.B. beim Bakterium

Helicobacter pylori (Abbildung), das

Magengeschwüre verursacht, hubs bei den

Proteinen oder Genen sein.

Abbildung 28: Bakterium Helicobacter

pylori

Bei der Bekämpfung der Ausbreitung von Seuchen ist die „Behandlung“ der „hubs“ vital,

das zeigt das Verhalten der Netze. Ein historisches Beispiel ist die Übertragung von

Kindbettfieber in Spitälern durch das Personal (hubs).

Interessant ist, dass sich die Vernetzungen im Wissenschaftsbetrieb (auch bei

Publikationen gibt es Schlüsselarbeiten), im sozialen Bereich (Beziehungsnetze,

Soziogramme), bei der Gesetzgebung (wichtige Paragraphen), bei Wahlen

(Informationsknoten mit Einfluss) und in der Wirtschaft (Schlüsseltechnologien) sehr oft

mit einem Scale-free-Netzwerk beschreiben lassen. Es lohnt sich daher, die

Eigenschaften, die Strukturen und das Verhalten dieser Netze zu verstehen.

To stop AIDS, find hub, scientists say 24

Mike Martin

SOUTH BEND, Ind., July 23 (UPI) -- Getting the best AIDS treatments money can buy to nations without

money to buy them may be the only way to eradicate the global plague, according to new findings by

Notre Dame University researchers.

Until now, the best arguments for providing costly AIDS drugs to impoverished African and Asian nations

drowning in the illness were humanitarian.

Albert-Laszlo Barabasi and Zoltan Deszo have now provided what may be the first convincing scientific

evidence that slowing acquired immune deficiency syndrome in developing nations may actually halt its

global course. They said poorer nations represent highly concentrated "hubs" or disease centers with just

enough global connectedness to make eradicating the disease within their borders absolutely essential.

"The continued spreading of the HIV virus is remarkable because relatively effective therapies are

available that not only expand the lifetime of infected individuals, but also lower the transmission

probability," Barabasi said in a recent paper on the subject. "The problem is that these expensive

therapies are beyond reach in developing countries."

Building on previous work by Boston University researchers Luis Amaral, H.E. Stanley and coworkers

Barabasi and Deszo claim newly quantified patterns of human sexual contact create a "node-hub"

architecture more typical of a computer network than a populated community.

24 Martin M., To stop AIDS, find hub, scientists say, United Press International - Monday, 23 July 2001

Chemie, 6sm

32


These hubs and nodes, they said, are so concentrated and yet so connected that eradicating any

sexually transmitted disease requires concentrated efforts at the hubs. As in any computer network -- or a

chain of Christmas lights --interrupting the flow of information or electricity at a hub can cause flows to

cease network wide.

So too, Barabasi and Deszo claim, with AIDS. Slow or stop the disease at a hub, they said, and you

severely reduce its ability to spread anywhere else.

"We are indeed familiar with the results by Barabasi and co-workers and are certainly excited by all the

developments coming out," Luis Amaral told United Press International. "We believe that the new focus

on the possibility of characterizing the structure of networks could help the understanding of epidemics

both for human and animal diseases."

The discovery of this new pattern of epidemic transmission is a major step in a worldwide effort. Amaral

and Stanley revealed humans engage in "scale-free" patterns of intimacy: A very few individuals have the

largest number of sexual contacts.

Sociologists and epidemiologists previously had taken for granted the idea that human sexual activity

followed a standard bell-shaped curve: The largest clusters of people would have an average number of

sexual contacts with very few people engaging in either very few or very many sexual encounters at

either ends of the curve.

Instead, the Boston researchers found a curve that gradually curves upward and keeps rising. Most

surprising, a very few 10 percent of men have 48 percent of all sexual encounters, a pattern more like the

distribution of wealth where 1 percent of people control 95 percent of all assets.

Capitalizing on this discovery, Spanish scientists Yamir Moreno, Romualdo Pastor-Satorras and

Alessandro Vespignani showed that "scale-free" transmission patterns allow even the weakest infective

diseases to spread unchecked. The frightening upshot is that given the scale-free pattern of human

sexual contact, "short of a cure or vaccine available to all, the HIV virus will eventually reach the so far

uninfected segments of the population exposed to the disease," Barabasi explained in a recent paper on

the topic.

Now Barabasi imposes a network architecture on AIDS transmission patterns. "Epidemics spread without

a threshold on a scale-free network thanks to hubs and nodes with an unexpectedly large number of

links," Barabasi said. "Once infected, hubs offer an efficient conduit for disease spreading by reaching an

unusually high percentage of other nodes."

As a result, anything less than attacking the disease at its hub represents random treatments that cannot

contain the epidemic because, Barabasi said, they "leave the scale-free nature of the network unaltered."

Mit Netzwerksimulationen konnte man nachweisen, dass grosse Knoten im

Luftverkehrsnetz, wie London, New York oder Frankfurt, für eine rapide weltweite

Ausbreitung einer Epidemie verantwortlich sind - und das weitest gehend unabhängig

vom Ort des ersten Auftretens eines Krankheitserregers. Dabei ist die Kapazität des

Flughafens an einem Knotenpunkt viel weniger entscheidend als der Grad seiner

Vernetzung.

Strategie der Natur:

Sie Stoffwechselprozesse der Natur müssen sehr stabil sein, daher sind Scale-Free-

Netzwerke häufig anzutreffen.

Bewährte Strukturen sind in den Hubs immer wieder anzutreffen, wie z.B. die

Hämgruppe in Hämoglobin, Myoglobin, Cytochrom, Catalase etc..

Chemie, 6sm

33


1.4 Stoffgruppen

Leben hat als Voraussetzung:

Zeit (Leben = Dynamik, Leben = Reaktionen)

Materie (Proteine als „Maschinen“, Mineralstoffe etc,)

Energie (hauptsächlich Kohlehydrate und Fette und andere ATP)

Information (RNA, DNA, Hormone, evtl. Proteine)

„Was die Menschen erschreckt, ist die Tatsache, dass Genetik nichts anderes

ist als Chemie.“

Arthur Kornberg (1918 -) amerikanischer Biochemiker. Nobelpreisträger 1959 „für die

Entdeckung des Mechanismus in der biologischen Synthese der Ribonukleinsäure und der

Desoxyribonukleinsäure“.

Die Substanzen die Lebewesen aufbauen und für die Funktionen benötigen setzen sich

im Wesentlichen aus fünf Stoffgruppen zusammen:

1. Zwanzig verschiedene Aminosäuren, als Bausteine der Peptide und Proteine.

(H2N-CH-R-COOH) (Nährstoffe: Proteine).

2. Fünf verschiedene Purine und fünf verschiedene Pyrimidine,

die Bausteine der Nukleinsäuren, der Energiewährung und der

Energieüberträger. (RNA, DNA, NADH, ADP, ATP...). Pro Tag

kann die ATP-Produktion bis zur Hälfte des Körpergewichts

ausmachen!

N

N

N

N

N N

H

Pyrimidin Purin

Bausteine der Nukleinsäuren

Purin: Baustein von Guanin und Adenin, Pyrimidin: Baustein von Uracil, Thymin und

Cytosin.

3. Einfache Zucker als Energiestoffe und Strukturmaterialien (Nährstoffe:

Kohlehydrate mit der Summenformel {CH2O}).

H

HO

H

HO

HOC

CHO

2

3

4

5

a)

1

H 2

H

OH

OH

H

HO

HO

H 1

2

3

H

HO

CHO

CH2OH H

4

5

OH

H

b) c)

4

HO

HO

3

6

CH2OH

O

Abbildung 29: a) Zick-Zack-, b) Fischer- c) Sessel-Konformationsformel von Glucose

Chemie, 6sm

5

2

HO

1

OH

O

N

O

N

34

Coffein

N

N


4. Einfache Fettsäuren, Terpene und Steroide sowie Lipide, die im Körper

Zellmembranen, Reservestoffe und Hormone bilden (Nährstoffe: Fette).

Arachidonsäure

Isopren

5. Vitamine sowie viele Sekundär- und Nebenbestandteile. Mineralstoffe und

Spurenelemente als Ionen (Fe, Cu, Co, Se, Zn...)

Syntheseleistungen einer Zelle:

Für die oben erwähnten Stoffgruppen wird unterschiedlich viel Energie aufgewendet:

Einen Begriff von der Synthese-Leistung einer wachsenden Zelle mögen die folgenden

Angaben (Anzahl der pro Sekunde synthetisierten Moleküle, in Klammern % der

aufgewendeten Biosynthese-Energie) für das Bakterium Escherichia coli geben:

Proteine 1400 (88.0),

DNA 0.033 (2.5),

RNA 12.5 (3.1),

Polysaccharide 32.5 (2.7) ;

Lipide 12’500 (3.7) ;

Eine Bakterienzelle wendet also ca. 88% ihrer Energie alleine für die Protein-

Synthese auf!

Chemie, 6sm

O

OH

35


1.5 Empfindungen als biochemische Wirkungen

Die Empfindungen: Geruch, Geschmack, Gehör, Sehen, Tasten sind logarithmisch, das

besagt das Weber-Fechnersches Gesetz:

Effekt/Reiz

5

4

3

2

1

0

0 20 40 60 80 100

Stimulus/Reiz

Effekt/Reiz

5

4

3

2

1

0

1 10 100

Stimulus/Reiz

x-Achse: linear x-Achse: logarithmisch

Abbildung 30: Die logaritmische Empfindung

Abbildung 31: Die 4 Rezeptoren für verschiedene

Geschmacksrichtungen sind überall auf der Zunge verteilt –

hier nur die grössten Konzentrationen.

36

Diese Darstellung ist etwas

ungenau!

Die Zunge ist nicht in einzelne

Zonen für verschiedenen

Geschmack eingeteilt 25 . Eine

Geschmacksnervenzelle

reagiert bei mehreren

Geschmacksqualitäten.

Der 5. Geschmack Umami fehlt!

Man kennt 5 verschiedene Rezeptoren auf der Zunge:

süss sauer salzig bitter „Umami“

Aminosäuren

Zucker Essigsäure Kochsalz Chinin Glutamat (das

Salz), auch

andere AMCS

b

0.5 % 0.007 % 0.25 % 0.000’05 % c

1000

bestimmte

140

H3O

500 1 d

Moleküle

+ Na + bestimmte bestimmte e

Moleküle Moleküle

vergeht schnell

vergeht langsam f

binden Süssstoffe

an einen

membrangebundenen

Rezeptor

H + -Ionen

blockieren die K + -

Kanäle

wirkt über einen

Membranrezeptor,

IP3 und

Ca 2+

im Wesentlichen

ein „Geschmacksverstärker“.

a: Geschmack; b: Beispiel; c: Mittlere feststellbare Konzentration; d: Verhältnisse relativ zu bitter = 1; e:

Welche Stoffe; f: Besonderes, g: chemische Reaktion.

Alle Mittel, welche die Bewegung der Moleküle einschränken, stumpfen den

Geschmack ab (Sirup, Fett, Gelatine etc.) verfeinern einer Sauce!

Beispiele: Rahm nimmt dem Kaffee oder Tee den bitteren Geschmack, ebenso Sauce

oder Eiweiss in Bouillon.

25

Smith D.V., Margolskee R.F., Das Geheimnis des Geschmacksinns, Spektrum der Wissenschaft, Juli

2001, 44

Chemie, 6sm

a

g


Folgerung:

Rezeptoren sind sehr spezifisch aber auch sehr unterschiedlich in der Empfindlichkeit.

Wir essen viel Süssstoffe: Die Empfindlichkeit ist klein, der Geschmack vergeht rasch.

N.B. Man kennt heute möglicherweise einen 6. Geschmack: „Hot“, heiss. Dieser hat

eigene, spezielle Rezeptoren (z.B. Capsaicin).

Capsaicin 26

[8-Methyl-trans-6-nonensäure-(4-hydroxy-3- methoxybenzylamid)] CAS 404-86-4

H 3CO

HO

N

H

O

C18H27NO3, MR 305,42. Es ist in Wasser kaum, in den meisten organischen Lösungsmitteln

gut löslich. Capsaicin verursacht den scharfen Geschmack der Paprika-Früchte,

Chillies und anderen Capsicum-Arten (noch in einer Verdünnung von 1:105), in denen

es zu 0,3–0,5% enthalten ist. Capsaicin ist ein starkes Reizmittel. Die Schärfe der

Capsicum-Früchte ist neben Capsaicin auf mindestens 9 weitere Capsaicinoide

zurückzuführen.

Verwendung: In alkoholischer Lösung für hyperämisierende Einreibungen gegen Frostbeulen,

Gliederreissen, Rheuma (ABC-Pflaster) und dergleichen. In geringen Dosen

steigert Capsaicin die Salzsäure-Sekretion (Ausscheidung) im Magen. Eine chronische

Überdosierung des Gewürzes bewirkt chronische Gastritis 27 , Nieren- und Leberschädigungen.

Auf der Schleimhaut verursacht Capsaicin schon in kleinen Mengen

Reizungen; bei längerer Einwirkung entstehen Geschwüre und Nekrosen

(abgestorbenes Gewebe).

Biosensor als Analogie zu Empfindungen

R e z e ptor

Abbildung 32: Prinzip eines Biosensors

Signal

CH 3

Transduktor Elektronik

Anwendung:

Kommerziell verfügbar sind zur Zeit insbesondere Enzym-Elektroden. Sie werden im

Gesundheitswesen eingesetzt, zur Kontrolle biotechnologischer Prozesse, in der

Lebensmittel-Industrie sowie im Umweltschutz. Mit Biosensoren analysiert werden z. B.

Glucose, Galactose, Lactose, Ethanol, Milchsäure oder Harnsäure.

26 Capsaicin, Römpp Lexikon Chemie – Version 1.2, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1996

27 Gastritis: Entzündung der Magenschleimhaut

Chemie, 6sm

CH 3

37


2 Aminosäuren, Peptide, Proteine

Jöns J. Berzelius prägte 1838 den vom griechischen Wort proteios ("erstrangig")

abgeleiteten Begriff "Protein", um die Wichtigkeit jener Stoffgruppe zu betonen.

2.1 Aminosäuren

2.1.1 Aufbau

Jede Aminosäure, die an der Zusammensetzung von Proteinen (Eiweiss) beteiligt ist,

besitzt wenigstens eine Amino- (-NH2) und eine Carboxylgruppe (-COOH) und beide

sind mit dem gleichen Kohlenstoffatom verknüpft (Aminocarbonsäure). Die allgemeine

Strukturformel ist daher folgende:

+

NH 2

R C COOH

H

NH 3

-

R C COO

Abbildung 33: Eine Aminosäure in der neutralen und der zwitterionigen Form

R steht dabei für unterschiedliche Gruppen Seitenkette, diese ist ein

Charakteristikum jeder Aminocarbonsäure (AMCS).

Die funktionellen Gruppen von allen AMCS sind:

Amin (schwach basisch) und

Säure (schwach sauer).

Aminosäuren sind in Wasser gelöst Zwitterionen, sie sind amphoter (können als Säure

oder Base fungieren).

2.1.2 Pufferwirkung

Puffer

Von Fernbach 1890 in bildlicher Übernahme der entsprechenden mechanischen

Vorrichtung an Eisenbahnwagen geprägte Bezeichnung für eigentlich als Puffer-Lösung

zu bezeichnende Lösung aus einer schwachen Säure (z. B. Essigsäure) mit einem

praktisch völlig dissoziierten Neutralsalz derselben Säure (z. B. Natriumacetat).

Wird etwas Base oder Säure zu einer Aminosäurelösung zugegeben, so ändert sich der

pH-Wert kaum (Pufferung).

Die AMCS funktionieren als Puffer (wandeln eine starke Säure in eine schwache Säure,

eine starke Base in eine schwache Base um) – sie sind wichtig für die Säure-Basen-

Regulation 28 .

28 Davenport H.W., Säure-Basen-Regulation, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1973

Chemie, 6sm

H

38


Die Wirkung der in Puffer-Lösung enthaltenen Puffer-Substanzen (hier AMCS) beruht

auf der Abfangreaktion von Wasserstoff- bzw. Hydroxid-Ionen unter Bildung schwacher

Säuren bzw. Basen auf Grund ihres Dissoziationsgleichgewichts.

Chemische Reaktionen eines Aminosäure-Puffers:

Zugabe von Säure: Aus der schwachen Base -NH2 wird die „schwache“

korrespondierende Säure –NH3 +

Zugabe von Base: Aus der schwachen Säure –COOH wird die „schwache“

korrespondierende Base –COO -

Beispiel:

(R-COO - + Na + )

Gelöstes Salz

der schwachen

Säure

+ HX R-COOH + (Na + + X - )

Zugabe der

starken Säure

Herleitung der Puffergleichung:

gelöste

schwache

Säure

gelöstes Salz

der starken

Säure

Allg. Gleichung für eine Säure: HA + H2O H3O + + A - ; HA: Säure, A - : konj. Base



[ H3O

] [ A ]

[ A ]

Säurekonstante: Ks [ H3O

] ; beidseitig –log

[ HA]

[ HA]

[ A ]

pH pKs log ;

[ HA]




; Henderson Hasselbalchsche Gleichung, Puffergleichung


Beispiel: Wirkung der Aminosäure Glycin

Sie haben eine Lösung mit 0,1 mol/l Glycin (pH 7, pKs =7). Zu dieser geben Sie 0,01

mol/l Salzsäure. Wie stark ändert sich der pH-Wert im Vergleich zu dest. Wasser?

[ A ] 0.

09

Glycinlösung: pH pKs log

7 log

6.

91

[ HA]



0,

11

Dest. Wasser: pH = -log[H3O+] = -log[HCl] = -log[0,01] = 2

Aminosäuren, Peptide (kleine Moleküle aus AMCS) und Proteine (grosse Moleküle aus

AMCS) sind in unserem Blut wichtige Puffer – sie halten den pH-Wert stabil.

L-Alanin Elektronendichte HOMO

hohe

Elektronendichte

beim Stickstoff

(freies EP)

Abbildung 34: Struktur und elektronische Eigenschaften des Moleküls L-Alanin

Chemie, 6sm

39

LUMO

kleine

Elektronendichte

beim zentralen

Kohlenstoff (+ Pol)


Viele Aminosäuren sind sowohl frei als auch in Verbindung durch spezielle

Farbreaktionen zu erkennen, und allen gemeinsam ist eine Farbreaktion mit einem

Reagenz, das man Ninhydrin nennt. Diese Reaktion wird auch zum Nachweis der

Aminosäuren von Fingerabdrücken verwendet 29 .

2.1.3 Stereochemie der Aminosäuren (Chiralität)

R

H2N C OH

H

H

H2N C OH

R

O

O

L-Aminosäure D-Aminosäure

Abbildung 35: Chiralität bei alpha-Aminosäuren 30,31

L-AMCS: H ist bei der Kette hinten D-AMCS: H ist bei der Kette vorne

L-Phenylalanin

-H: rechts hinten

-NH2: links hinten

schmeckt süss

Abbildung 36: Räumliche Darstellung der Chiralität

D-Phenylalanin

-H: links hinten

-NH2: rechts hinten

schmeckt bitter

Bei Asparagin ist R-Asparagin süss, S-Asparagin bitter. Die räumlichen Verhältnisse

sind so, dass das alpha C-Atom bei Asparagin genau umgekehrt ist, wie beim

Phenylalanin.

Die 20 proteinogenen Aminosäuren unterscheiden sich fast nur in ihrer Seitenkette R

(es gibt exotische Ausnahmen). Das zentrale C stellt ein chirales Zentrum dar (4

unterschiedliche Gruppen angehängt). Nur die einfachste -AMCS, das Glycin, mit R =

H, ist achiral. Die Aminosäuren Threonin und Isoleucin besitzen ein zweites chirales

Zentrum in der Seitenkette. Fast nur L-Aminosäuren werden in Proteine eingebaut (D-

AMCS sind sehr selten, wenn, dann oft in Ringen).

29

Sodhi G.S., Kaur J., Chemical Methods for Developing Latent Fingerprints, J.of Chem.Educ., Vol. 76,

No.4, April 1999, 488A

30

Brunner H., Rechts oder links. In der Natur und anderswo, VCH Weinheim, 1999

31

Wachtel S., Jendrusch A., Der Linksdrall in der Natur, Deutscher Taschenbuch Verlag GmbH & Co.

KG, München, 1993

Chemie, 6sm

40


2.1.4 Besonderheiten einiger AMCS

Man gruppiert die AMCS entsprechend den chemischen Eigenschaften der

Seitenketten (in Klammer Abkürzung mit 3 Buchstaben, Abkürzung mit 1 Buchstaben):

A. mit unpolaren Seitengruppen:

NH +

3 H3C NH +

3

H3C C

-

COO H3C CH C

-

COO

H

H

H 3C

CH 3

L-Alanin L-Valin L-Leucin

(Ala,A) (Val,V) (Leu,L)

H 3C

NH 3

-

H3C CH2C C COO

H H

+

NH 2

L-Isoleucin L-Prolin

(Ille,I)

(Pro,P)

NH 3

-

CH2 C COO

H

+

+

H

COO

-

CH

H

N

NH 3

-

CH2 C COO

H

NH 3

+

CH2 C COO

-

L-Tryptophan

(Trp,W)

-

H3C S CH2CH2 C COO

L-Phenylalanin L-Methionin

(Phe,F)

(Met,M)

Diese Aminosäuren sind lipophil, fettlöslich. Die Seitenketten dieser Aminosäuren

binden kein Wasser, sondern stossen dieses ab (sie sind hydrophob).

Besonderheiten zeigt:

Isoleucin mit 2 chiralen Zentren.

Tryptophan mit einem Stickstoff in der Seitenkette und

Methionin mit einem Schwefelether.

Chemie, 6sm

H

NH 3

H

+

+

41


A. mit polaren ungeladenen Seitengruppen:

NH 3

-

H C COO HO CH2 C COO

- -

HO

CH2 C COO

H 3C

H

+ + +

NH 3

H

Glycin L-Serin L-Tyrosin

(Gly,G) (Ser,S) (Tyr,Y)

H

-

C C COO

HO

NH 3 +

H

NH 3

H

H2N NH +

3

C CH2C -

COO

L-Threonin L-Cystein

L-Asparagin

(Thr,T)

(Cys,C)

(Asn,N)

H 2N

O

C CH 2

NH 3

-

HS CH2 C COO

H

NH 3 +

+

CH2 C

H

-

COO

L-Glutamin

(Gln,Q)

Cysteine können unter Abspaltung von 2 H eine Schwefelbrücke (-S-S-) bilden (mittlere

Bindungsenergie: 255 kJ/mol). Diese Brücke ist wichtig für die Stabilisierung vieler

Peptide und Proteine. Andererseits sind diese Schwefelverbindungen gegen Oxidation

sehr empfindlich. Die Schwefelatome, auch jene von Methionin, können mit vielen

Schwermetallen eine Verbindung eingehen, was die Toxizität der Schwermetalle z.T.

erklärt.

Abbildung 37: Elektronendichte- Verteilung von Tyrosin mit -NH3 + und -COO -

Chemie, 6sm

O

H

42


Saure A. (besitzen neg. geladene Seitengruppen):

-

O

NH +

3

-

O

NH +

3

C CH2C COO

-

C CH2CH2 C

-

COO

O

Basische A. (besitzen pos. geladene Seitengruppen):

NH 3

+

-

H3N CH2CH2 CH2 CH2 C COO

H 2N

H2N +

+

HN

C

N

H

H

L-Aspartat L-Glutamat

(L-Asparaginsäure;Asp,D)

(L-Glutaminsäure;Glu,E)

NH CH 2

CH 2

NH 3

C

H

+

-

COO

O

H

+

+

CH

-

2 CH2 C COO

H

L-Lysin (Lys,K)

L-Arginin (Arg,R)

L-Histidin (His,H; bei pH 6)

Diese Seitenketten sind besonders empfindlich auf pH-Änderungen, da sie dabei eine

Ladung aufbauen können (Ionen):

Saure Seitenketten sind im basischen negativ geladen (Anionen),

basische Seitenketten sind im sauren positiv geladen (Kationen).

Anwendung:

Das Salz von Acetylsalicylsäure und Lysin ist sehr gut wasserlöslich:

Erstens biltet die Aminosäure ein Zwitterion (geladen) und

Zweitens bildet die Acetlysalicylsäure mit dem Amin des Lysins ein zweites

Ionenpaar.

Chemie, 6sm

NH 3

H

43


2.1.5 Stoffwechsel von Aminosäuren

2.1.5.1 Von Cystein zu Taurin

Endprodukt des Abbaus von L-

Cystein (-CO2)

C2H7NO3S, MG: 125.14 g/mol

C: 19.19%; H: 5.64%; N:

HS

Oxidation

HO3S

11.19%; O: 38.35%; S: 25.62% H2N COOH

H2N

Farblose Säulen in Wasser mit

neutraler Reaktion

Cystein

Taurin

Gut löslich in Wasser 6.5% bei 12°C. Unlöslich in Alkohol , Ether.

Smp. 300°C (Zers.), Liegt als Zwitterion vor, pK1: 1,5; pK2: 8,74

Säure

Base

Taurin (Aminoethansulfonsäure) kommt vor allem als Konjugationspartner gepaarter

Gallensäuren, Glykochol- und Desoxycholsäure als Taurocholsäure vor.

Taurin wurde erstmals von Gmelin 1824 aus

Ochsengalle hergestellt; der Name Taurin ist

von griechisch tauros= Stier hergeleitet, da

beim Kochen von Ochsengalle mit Säure

Taurin aus der Taurocholsäure abgespalten

wird. Im Organismus (ausser in dem von

OH

H

Katzen!) entsteht es aus Cystein.

Taurin ist ein inhibitierender Neurotransmitter

(Klasse der Neuropeptide) und

stabilisiert Zellmembranen. Relativ hohe

HO

H

OH

Cholsäure

Konzentrationen von Taurin findet man im ZNS, in der Retina und im Herz. Taurin-

Defizite können bei Epilepsie, Mongolismus, Sehschwächen und Herzrhythmus-

störungen

eine Rolle spielen.

Es ist ein wichtiger Bestandteil für die Entwicklung bei Säugern. Kommt in Muttermilch

beim Menschen, aber nur in sehr geringen Mengen in der Kuhmilch vor. In einigen

Kindernahrungsmitteln

wird Taurin deshalb auf den Wert der Muttermilch angereichert.

In Fleisch kommt Taurin in der Lunge, in Ochsenfleisch, in Haifischblut, in Austern

etc.

vor. Mono-, Di- und Trimethyl-Taurin wurden bei Rotalgen und Riesenkieselschwämmen

nachgewiesen. Taurin ist ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von

Farbstoffen, Arzneipräparaten, Reinigungsmitteln

usw., es wird unter anderem gegen

Gallensteine und Schimmel angewendet.

Chemie, 6sm

- O3S

+ H3N

O

44

OH


2.1.5.2 Tyrosin im Stoffwechsel

Tyrosin: eine Aminosäure im Stoffwechsel

HO

HO

HO

HO

HO

HO

HO

COMT

HO

HO

O

O

OH

NH 2

OH

NH 2

OH

NH 2

OH

NH 2

NH

Tyrosin

Hydroxylierung

Decarboxylierung

L-Dopa

Decarboxylierung

Aromatische Aminosäure-Decarboxylase, AAD

Dopamin,

reguliert komplexe Bewegungsabläufe

kann Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden

Hydroxylierung, stereoselektiv

HO

Noradrenalin

stimuliert den Wachzustand,

die Stimmungslage,

den Blutdruck

Methylierung

Catecholamin-O-Methyltransferase, COMT

Adrenalin

steigert den Blutdruck und

die Herzfrequenz

Thyramin,

z.B in Käse

NH 2

Thyroxin, T4, T3

Melanin

Dopaminmangel: Parkinsonsche Krankheit (Symptome: leise Stimme, gebückte

Haltung, Traurigkeit, Abnahme des Mienenspiels, verlangsamte Denkabläufe,

Störungen des vegetativen Systems) Medikament: L-Dopa mit AAD- und COMT-

Hemmern, weil sonst nur ca. 1% des L-Dopa im Gehirn zu Dopamin wird!! Mit diesen

Enzym-Inhibitoren sind es 20-30% 32 .

32

Diederich F., Lerner Ch., Chemischer Baustein im Kampf gegen Parkinson, Bulletin ETH-Zürich, Nr.

282, Sept. 2001, 14ff

Chemie, 6sm

45


Dopamin Noradrenalin Adrenalin

(Die Halbwertszeit ist mit

10-30 Sekunden extrem

kurz.)

Abbildung 38: Stick and Ball-Modelle einiger Neurotransmitter

Die chemische Synthese von L-Dopa geschieht heute mit einer sogenannt

asymmetrischen katalytischen Hydrierung, die 1968 erstmals von William Knowles

durchgeführt wurde. Er erhielt dafür, zusammen mit Ryoji Noyori und Barry Sharpless

2001 den Nobelpreis für Chemie:

Abbildung 39: Asymmetrische katalytische Hydrierung zu L-Dopa, asymmetrischer Katalysator

DiPAMP

Chemie, 6sm

46


Me

HO

Rezeptor

HO

Komplexbindung

Mg, Ca van der Waals

OH

H- Brücke

NH+

Ionenbindung

Abbildung 40: Adrenalin chemisch gebunden am Rezeptor (verschiedene Bindungstypen)

Nicht nur die Form der Wirkstoffe ist entscheidend, die chemischen Bindungen an

den Rezeptor spielen bei der Wirkungsauslösung eine ebenso grosse Rolle.

Neurotransmission: L- Adrenalin ist ein Neurotransmitter des adrenergen

Nervensystems, wird in dessen Neuronen synthetisiert und von ihnen freigesetzt. Es

wirkt auf - und -Adrenozeptoren, wobei die -Affinität überwiegt.

Hormonwirkung: L-Adrenalin wird als Nebennierenhormon zusammen mit dem

chemisch und physiologisch nahe verwandten L-Noradrenalin im Nebennierenmark

gebildet und von dort ins Blut ausgeschüttet. Im Stoffwechsel der Leber und der Muskulatur

aktiviert L- Adrenalin die zur Bildung von Adenosin-3',5'-monophosphat notwendige

Adenylat-Cyclase, was durch eine Aktivierungskaskade (Phosphorylierungen

durch Protein-Kinasen) schliesslich zur Stimulierung der Phosphorylase und zu

erhöhtem Glykogen-Abbau führt. Der damit verbundene Anstieg des Blutzuckers

ermöglicht dessen Vergärung zu Milchsäure in den Muskeln. In Fettgewebe bewirkt L-

Adrenalin die Aktivierung von Lipasen und somit eine Steigerung des Fettabbaus. Da L-

Adrenalin ausserdem den oxidativen Stoffwechsel in den Zellen steigert, bewirkt es

insgesamt eine erhöhte Einsatzbereitschaft des Organismus, sei es zu Arbeit, Angriff

oder Flucht. Dementsprechend beobachtet man auch eine Steigerung der L- Adrenalin -

Ausschüttung in Stress-Situationen. In kleineren Dosen bewirkt z. B. auch Nicotin eine

Freisetzung von L- Adrenalin und L-Noradrenalin.

Der Abbau des in das Blut abgegebenen Adrenalins (wie auch des Noradrenalins)

erfolgt durch Catechol-O-Methyltransferase = COMT und Monoaminooxidase = MAO

(d.h. durch O-Methylierung bzw. Desaminierung zu Vanillinmandelsäure = 3-Methoxy-4hydroxymandelsäure).

Es wird aber auch in geringen Mengen unverändert durch die

Nieren ausgeschieden.

Chemie, 6sm

47


2.1.5.3 Nervenreizleitung

Am gleichen Nervenreizleitung-Prozess, an dem auch der Neurotransmitter

(Botenstoff, Nervenreizüberträger) Dopamin beteiligt ist, können auch andere

Substanzen reagieren (siehe Neurochemie 33 , 34 ).

Synaptosomen

präsynaptisch

Freisetzung

Rückresorption

Enzymat.

Abbau

Rezeptor

Reaktion

Elektr.

Bindung

Impuls Gleichgewicht

Nervenreiz

Enzym

Produktion

synaptischer

Spalt

postsynaptisch

Abbildung 41: Die Synapse mit den chemischen Prozessen (ein Regelsystem)

Das Simulationsdiagramm zu diesem Schema:

Reizstärke

Synaptosomen freisetzen Synapse binden

Rezeptoren

synthetisieren

ks

rückresorbieren

kr

kb

abbauen

ka

desorbieren

Die entsprechenden Gleichungen (mit Vensim PLE):

(01) abbauen= ka*Synapse (Abbaurate prop. Konzentration)

(02) binden= kb*Synapse (Bindungsrate prop. Konzentration)

(03) desorbieren= kd*Rezeptoren (Desorptionsrate prop. Konzentration)

(04) Effekt= IF THEN ELSE(Rezeptoren>=1,Rezeptoren ,0 ) (Proportionalitätskonstante hier

=1)

(05) FINAL TIME = 100

Units: millisec

The final time for the simulation.

(06) freisetzen=IF THEN ELSE(Synaptosomen


(07) INITIAL TIME = 0

Units: millisec

The initial time for the simulation.

(08) ka= 0.1

(09) kb= 0.1

(10) kd= 0.1

(11) Kdiss= kd/kb (Dissoziationskonstante entspr. ED(50))

(12) kr= 0.1

(13) ks= 0.1

(14) Reizstärke= 0.1

(15) Rezeptoren= INTEG (binden-desorbieren, 0)

(16) rückresorbieren= kr*Synapse (Rückresorptionsrate prop. Konzentration)

(17) SAVEPER = TIME STEP

The frequency with which output is stored.

(18) Synapse= INTEG (+freisetzen-binden+desorbieren-rückresorbieren-abbauen,0)

(19) Synaptosomen= INTEG (+rückresorbieren-freisetzen+synthetisieren,1)

(20) synthetisieren= ks

(21) TIME STEP = 1

The time step for the simulation.

Agonisten oder Antagonisten können:

gleich wirken, aber vielleicht stärker oder schwächer (Agonisten)

blockieren (Antagonisten)

die Freisetzung aus den Synapsenbläschen fördern oder blockieren

den Abbau blockieren (Inhibition der Enzyme im synaptischen Spalt)

den Abbau beschleunigen (Adaption, Sucht)

die Rückaufnahme (Reuptake) beschleunigen, unterdrücken

das Gleichgewicht stören (Adaption, Sucht)

Neurotransmitter

Ausschüttung

Nervenreiz

Rückresorption/Abbau

Abbildung 42: Ein einfacher Regler im Körper (schematisch)

Abbildung 43: Dopamin, mikroskopische Aufnahme 35

Neurotranmitterkonz.

synapt. Spalt

35 Dopamin: http://micro.magnet.fsu.edu/micro/gallery/neurotrans/neuro1.html, 27.02.01

Chemie, 6sm

49


Dopamin und Konkurrenten

HO

H2 N

OH Dopamin

H 3 C

OCH3

OCH3

H2 N

Dom

H3 C O

H3 C O

Abbildung 44: Die Neurotransmitter Dopamin und zwei Drogen im Vergleich

O CH 3

NH2

Mescalin

Mescalin: Psychodelicum, hochwirksames Halluzinogen, Wirkstoff des Peyotl Kaktus,

verwendet von Azteken und mexikanischen Indianern

DOM: hochwirksames Psychodelicum, 1967 an einem Hippie - Fest in San Francisco

aufgetaucht, Name STP (serenity (Heiterkeit, Gelassenheit), tranquility, peace).

Folgerung:

Die Drogen greifen im Zentralnervensystem dort an, wo auch die Neurotransmitter

wirksam sind.

Tabelle 1: Wirkungen von Agonisten und Antagonisten

Wirkung der Nerven

Wirkung der Substanz anregend dämpfend

Agonist + -

Antagonist - +

2.1.5.4 Die Synapse, eine chemische Schaltstelle

Eine Synapse ist wie eine Diode Leitet nur in einer Richtung.


Stärke eines Nervenreizes

Ein Nerv „feuert“ ca. 10-50 mal pro Sekunde (50 Hz), was bei einem sehr starken Reiz

auf bis zu 500 mal steigen kann (500 Hz). Die Stärke eines Nervenreizes ist somit nicht

von der Amplitude (Spannung) sondern von der Geschwindigkeit der Impulse abhängig

(digitales Verhalten).

Geschwindigkeit der Übertragung im synaptischen Spalt:

Synaptischer Spalt: 15 - 25 nm (1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm, 20 nm = 2010 -9 m)

Zum Vergleich: Die Bindungslängen C-C im aromatischen Ring sind ca. 0,14 nm

Chemie, 6sm

50


Zeit t für die Reizübertragung durch Diffusion 36 :

Diffusionszeit: t = l 2 /D;

l : Distanz (m);

D: Diffusionskonstante 10 -9 m 2 sec -1 (in Wasser)

Für 1 cm Wasser: t 10 -4 /10 -9 sec = 1666 Min = 27.8 Stunden !!

Für den Synaptischen Spalt (l = 20 nm = 2010 -9 m):

t = (210 -8 ) 2 /10 -9 = 410 -7 sec = 0.4 s !!

Folgerung:

Bei den ausserordentlich kleinen

Distanzen des synaptischen

Spalts ist die Diffusion als sehr

langsamer Prozess genügend

rasch.

Molekulare Ebene (1 nm = 10 -9

m):

t = (10 -9 ) 2 /10 -9 = 10 -9 sec = 1 ns !!

Nanobereich

In doppelt logarithmischer

Darstellung ergibt sich eine

Gerade, welche die

zusammenhände deutlich macht.

Diffusionszeit (s)

1.00E+06

1.00E+03

1.00E-03

1.00E-06

1.00E-09

51

1.00E-09 1.00E-06 1.00E-03

1.00E+00

1.00E+00

Länge (m)

Strategie der Natur (auch der Mikrotechnik)

Die Kanäle und Spalten sind auf zellulärer und vor allem auf molekularer Ebene so

klein, dass Diffusionsvorgänge und Mischungsvorgänge im Vergleich zum

Makroskopischen ausserordentlich rasch ablaufen.

Besonderheit der Nanotechnologie (und damit auch der chemischen Prozesse auf

zellulärer Ebene): Hier sind auch Prozesse sehr rasch, die makroskopisch langsam

sind.

An den Grenzflächen verhalten sich die Moleküle anders, als in den beiden

Phasen.

Die Geschwindigkeit der Nervenreizleitung über die Nervenbahnen ist mit ca. 100

Meter pro Sekunde oder 1/3 der Schallgeschwindigkeit 37 relativ langsam.

36 Herleitung mit den Fickschen Gesetzen

37 Rauland M., Chemie der Gefühle, S.Hirzel Verlag, Stuttgart/Leipzig, 2001, 60

Chemie, 6sm


Thyroid-Hormone 38

Im Jahre 1915 verkündete der Landarzt Heinrich

Hunziker 39 : „Der Kropf entsteht durch Iodmangel in der

Nahrung. Iod ist kein Gift. In kleinen Mengen regelmässig

verabreicht, lässt Iod die Kröpfe zurückbilden und verhindert

auch ihre Entstehung.“ Im selben Jahr gelang die erste

Reinherstellung von T4 von Kendall durch alkalische

Hydrolyse von tierischen Schilddrüsen (etwa 3000 kg

Schilddrüsen ergaben nur 33 g Reinthyroxin).

1922 führte

der Kanton Appenzell-Ausserrhoden als erster Schweizer

Kanton das Kochsalz mit Iodzusatz ein. Der Erfolg blieb

nicht aus. 1926/27 erfolgten Strukturermittlung und

Synthese durch Harington

und Barger.

Thyroid-Hormone sind eine Sammelbezeichnung für die

beiden in der Schilddrüse (Thyreoidea) aus Tyrosin

gebildeten Hormone:

3,3',5-Triiod-L-thyronin (T3, C15H12I3NO4, MR 651,01) und

Abbildung 45:

Schilddrüse

L-Thyroxin (3,3',5,5'-Tetraiod-L-thyronin, T4, C15H11I4NO4, MR 776,88). Die Schilddrüse

wiegt bei Neugeborenen etwa 2g, bei Schulkindern 10 bis 15 g und bei Erwachsenen

bis 25 g.

Bildung und Abbau: Der menschliche Organismus enthält ca. 10–30 mg Iod, und zwar

zu 99% in der Schilddrüse. Das mit der Nahrung aufgenommene Iodid (empfohlene

Zufuhr 0,15–0,20 mg/Tag 40,41 ) geht über Mono- und 3,5-Diiodtyrosin schliesslich in T3

und T4 über (siehe Schema). Die tägliche Sekretionsrate wird auf ca. 90 g T4 bzw.

10 g T3 geschätzt. Im Blut werden sie an Proteine gebunden transportiert. Die

normale Serumkonzentration beträgt ca. 10 nmol/l.

Die Schilddrüsenhormone beeinflussen z.B.:

Eiweissstoffwechsel,

Kohlenhydratstoffwechsel,

Fettstoffwechsel,

Energiestoffwechsel,

Muskelstoffwechsel,

Mineralhaushalt,

Temperaturregulation,

körperliche und geistige Entwicklung im Wachstumsalter,

körperliche und geistige Leistungsfähigkeit bei Erwachsenen,

Tätigkeit anderer Drüsen, z.B. auch der Keimdrüsen, die der Fortpflanzung dienen.

38

Thyroid-Hormone, Römpp Lexikon Chemie – Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag

1999

39

Kiechler N., Salzige Tatsachen in: Das Wissen- und Mutbuch über Wundermittel und Gifte, Verlag

AARE Solothurn, 1986, 88

40

Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr, Umschau/Braus, 2000, Schweizerische Vereinigung für

Ernährung (Hrsg.)

41

Baltes W., Lebensmittelchemie, 4. Auflage, Springer-Verlag Berlin, 1995,16

Chemie, 6sm

52


HO

Peroxidase+

Iodinase

Monoiodtyrosin

HO

HO

NH 2

OH

NH 2

O

O HO

OH

I I

I

NH 2

OH

O

Tyrosin

I I

HO

NH 2

OH

NH 2

OH

Abbildung 46:Biosynthese von T4 und T3 aus Tyrosin

T3 ist etwa fünf bis zehn mal

stärker wirksam anregend auf

den Stoffwechsel als T4 42 . Die

Thyroid-Hormone steigern den

Grundumsatz und wirken auf den

Stoffwechsel von

Kohlenhydraten, Lipiden und

Proteinen. Die

wachstumsfördernde Wirkung ist

eine wesentliche Voraussetzung

für eine ungestörte kindliche

Entwicklung. Die Regulation der

Schilddrüse-Aktivität erfolgt über

das Zentralnervensystem.

Die Hormonkonzentration von T3

und T4 im Blut wirkt hemmend

I

I

Diiodtyrosin Triiodthyronin, T3

O

O

HO

HO

I

I

I

O

O

Thyroxin, T4

auf die Freisetzung von TRH (Regelkreis negative Rückkopplung).

I

I

I

I

NH 2

NH 2

53

O

OH

O

OH

Abbildung 47:Thyroxin (T4), links erkennt man die

grossen unpolaren Iodatome, rechts den Sauerstoff der

Säuregruppe. Bei T3 fehlt das obere Iodatom.

Ihr Abbau erfolgt in Leber und Niere durch Desaminierung, Decarboxylierung oder

Konjugation, besonders aber durch Desiodierung, wobei ca. 20% des freiwerdenden

Iodids erneut zur Synthese von Iodaminosäuren zur Verfügung stehen

(Rückresorption).

Die biologische HWZ (chemischer Abbau, Metabolisierung + Ausscheidung) des T4

beträgt ca. 7 Tage, die des T3 etwa 1-1,5 Tage. Etwa 15% der Thyroid-Hormone

werden mit dem Stuhl (Lipophilie!!), nur sehr geringe Mengen mit dem Harn ausgeschieden.

42

Lüllmann H., Mohr K., Ziegler A., Taschenatlas der Pharmakologie, Georg Thieme Verlag,

Stuttgart/New York, 1994, 239

Chemie, 6sm


Urin-

Ausscheidung

Aufgenommenes

Iodid

G.I. Trakt

Iodid

Iodid

im Blut

Aktiver Transport

gehemmt durch: I-, SCN-,

ClO4gesteigert

durch: TSH, I-

Mangel

Enzymat. Oxidation

gehemmt durch:

Thioharnstoff,

Imidazol,

Aminobenzol-Deriv.

gesteigert durch: TSH

Abbildung 48: Iod und Iodid im Stoffwechsel 43

Periphere Wirkung

und Metabolismus

Iod + Tyrosin ->

MIT -> DIT

MIT + DIT -> T3

DIT + DIT -> T4

-> Leber ->

Faeces

Zirkulierendes

Protein-gebundenes

T3 und T4

Proteolyse

gehemmt durch:

Igesteigert

durch:

TSH

Enzymat. Kopplung

T3, T4 ->

Thyreoglobulin

43 Lemmer B., Wiethold G., Saller R., Hodgson M., Lehrbuch der Pharmakologie, Springer-Verlag,

Berlin/Heidelberg/New York, 1975, 360

Chemie, 6sm

54


Kropferzeugende Stoffe

In den Kohl- und Krautarten der Gattung Brassica sind kropferzeugenden (strumige)

Substanzen enthalten. Beispiele sind: Weisskraut, Rotkraut, Wirsig, Kohlrabi,

Sommerraps, Blumenkohl, und Speiserüben. Auch Senfarten, Rettich, Meerrettich

Gartenkresse, Zwiebel und Cassava kommen solche Substanzen vor 44 .

Hier sind es zwei molekulare Mechanismen, die zu Kropf (Struma) führen können:

Verminderung der Iodaufnahme (SCN - , ClO4 - )

Hemmung der Schilddrüsenfunktion (Thioharnstoff)

R

C

S

N O

C 6 H 11O 5

T h i o g l u c osidase/H2O S O

2 K

- C 6 H 1 2 O 6, - KHSO 3

R N C S R C N

I s o t h i o c yanat Nitril +

Schwefel

R

C

S

N

55

R S C N

T h i o c y a n at

Abbildung 49: Bildung kropferzeugender Substanzen aus Nahrungsmitteln ohne Zusatzstoffe

Das Thiocyanat (SCN - ) verdrängt, möglicherweise

wegen seinem sehr ähnlichen Ionenradius wie Iodid

(I - ) und seiner grossen Affinität zu den

Aufnahmestellen im Schilddrüsenepithel die

Iodionen. Wichtig: Beide Substanzen sind negativ

geladene Ionen!

Am meisten SCN - wird von Wirsigkohl gebildet (bis

zu 30 mg/100 g). Blumenkohl enthält bis zu 10

mg/100 g, Kohlrabi etwa 2 mg/ 100 g. Wenn die

Abbildung 50: Iodid- und

Thiocyanat- Anion

Nahrung lange Zeit und sehr einseitig aus Kohlgewächsen besteht, kann die Bildung

eines Kropfes begünstigt werden. Solche Verhältnisse waren in besonders iodarmen

Gebieten 45 , Zeiten der Armut, unter Kriegsverhältnissen und in Gefangenenlagern

gegeben. Obwohl diese Erkenntnisse für den Menschen sehr wichtig sind, wurden sie

erst 1928 bei Kaninchen beobachtet, bei denen die Fütterung mit reichlich Kohl zu einer

Schilddrüsenvergrösserung führte. Iodmangel, Kretinismus, zeigt sich in der extremen

Form nicht nur in der Bildung eines Kropfes, sondern auch in schweren geistigen

Schäden.

44 Lindner E., Toxikologie der Nahrungsmittel, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1979, 27

45 Miniger Max, La Chaux, Eine verschwundene Geissel der Menschheit: Der Kretinismus der Alpen, DIE

ALPEN (SAC), 4. Quartalsheft, 1983, S. S. 239 – 246. (Die Originalsprache des Beitrags ist

französisch: LES ALPES, 4 Trimestriel 1983, pages 239.)

Chemie, 6sm


Durch Zufuhr von Iodid kann Thiocyanat (SCN - ) kompensiert werden. Thioharnstoff

(und ähnliche Medikamente) verhindert die Oxidation von Iodid zu Iod und kann somit

mit einer höheren Iodidzufuhr nicht kompensiert werden.

H 2 N

H 2 N

C

HN

S C

H2N

SH

Thioharnstoff Isothioharnstoff

Nur Iod kann die Substitutionsreaktion am aromatischen Ring durchführen, da das Iodid

das Oktett schon erreicht hat und nicht mehr reaktiv ist (keine treibende Kraft!).

Im Jahre 1915 verkündete der Landarzt Heinrich Hunziker 46 : „Der Kropf entsteht durch

Iodmangel in der Nahrung. Iod ist kein Gift. In kleinen Mengen regelmässig verabreicht,

lässt Iod die Kröpfe zurückbilden und verhindert auch ihre Entstehung.“ 1922 führte der

Kanton Appenzell-Ausserrhoden als erster Schweizer Kanton das Kochsalz mit

Iodzusatz ein. Heute ist dieser Zusatz, da sehr sinnvoll, üblich.

Abbildung 51: Zusätze von Fluorid und Iodid zum Tafelsalz

Die zugesetzte Menge an Iodid beträgt 0.02%, d.h. 20 Mikrogramm pro Gramm Salz.

Somit muss man ca. 7.5 - 10 Gramm Salz einnehmen, um auf die erforderlichen 150 –

200 Mikrogramm Iodid zu kommen – also weit mehr, als der tägliche Kochsalzkonsum

von 2 – 3 Gramm bei mässiger körperlicher Arbeit.

46

Kiechler N., Salzige Tatsachen in: Das Wissen- und Mutbuch über Wundermittel und Gifte, Verlag

AARE Solothurn, 1986, 88

Chemie, 6sm

56


Die Chemie des Bräunens

Alle Reaktionen in unserem Körper sind sehr komplex, so auch das Bräunen der Haut.

Fehlen die entsprechenden Enzyme, dann hat das bei Menschen und Tieren

Albinismus zur Folge.

H

N

Schon der braune Farbstoff, das Melanin ist keine einheitliche Substanz

Indol

47 .

Chemisch handelt es sich bei den Melaninen um komplexe Aggregate

chinoider Substanzen der empirischen Formel (C8H3NO2)x, die sich vom

Indol ableiten 48 .

Abbildung 52: Vereinfachtes Schema der Chemie der Melanin-Bildung

3

NH2 HO

4

CH2 C COOH

H

L-Tyrosin (AMCS)

farblos


HO

HO

H 2N

Tyrosinase L-Dopa

farblos

Unter Einwirkung bestimmter Enzyme, wie der

Tyrosinase, welche sich in den Melanosomen

befindet, entstehen Melanine. Dabei spielen

Hydroxylierungen (von L-Tyrosin zu L-Dopa),

Oxidationen mit Phenol-Oxidasen (z. B. von L-Dopa

zu L-Dopachinon) und Cyclisierungen

(Ringbildungen) eine Rolle. Diese Reaktion ist

kinetisch kontrolliert, denn eine Rückreaktion ist

nicht möglich.

O

OH



Phenol-

Oxidasen

Das Braunwerden von Obst und die Bräunung

Die Phenol-Oxidasen, welche auch für die Bräunung

der Haut verantwortlich sind, sind ebenfalls

zuständig für die Bräunung der Schnittflächen bei

Kartoffeln, Obst und Pilzen, die Braun- und

Schwarzfärbung von abgefallenem Herbstlaub.

Polyphenol-Oxidasen werden durch Sonnen-, -

oder Röntgenstrahlung aktiviert, durch Kochen

zerstört und beispielsweise durch L-Ascorbinsäure

(Vitamin C), Schwefeldioxid, Blausäure und Kohlenmonoxid gehemmt.

O

O

HN

NH

O

Melanin

braun

O

57

Abbildung 53: Oben: Banane, der eine

dünne Haut abgeschält ist.

Unten: Die Bananenhaut über eine

Lichtsonde gestülpt (die Farbe ist

schon ganz braun)

Wenn Äpfel aufgeschnitten werden, laufen sie rasch braun an. Noch intensiver ist diese

Reaktion bei Bananenhaut. Die Banane wird mit ähnlichen chemischen Reaktionen

braun, wie unsere Haut im Sommer.

Somit können wir an einem einfachen Beispiel die Bräunung im Zeitraffer verfolgen.

(Das Experiment funktioniert auch mit einer dünnen Scheibe Apfel, ist jedoch

wesentlich weniger rasch und die Verfärbung ist weniger stark.)

47 Jakubke H.D., Jeschkeit H., Lexikon Biochemie, Verlag Chemie, Leipzig 1974, 354

48 Römpp Lexikon Chemie – Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999

Chemie, 6sm


Experiment

Ganz wenig Bananenhaut wird mit dem Messer weggeschnitten. In kurzer Zeit verfärbt

sich die Bananenhaut braun.

Die Innenseite muss von der weichen Schicht befreit werden, wenn man

Durchlichtmessungen machen will (sonst ist die Haut zu wenig lichtdurchlässig). Die

Geschwindigkeit der Braunfärbung kann mit einer Photodiode oder einem

Photowiderstand leicht gemessen werden.

Lichtintensität

0,14

0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0

y = 0,11e -0,0004x

R 2 = 0,91

0 1000 2000 3000 4000

Zeit (s)

Abbildung 54: Messung der Lichtdurchlässigkeit einer Bananenhaut (Braunwerden)

Interpretation:

Die Reaktion lässt sich mit Pseudo 1. Ordnung recht gut beschreiben

(Korrelationskoeffizient R>0,9).

Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante ist k = -0,0004 [s -1 ], die Halbwertszeit t½ =

ln(„)/k = 1730 [s]., d.h. in rund einer halben Stunde ist die Lichtdurchlässigkeit auf die

Hälfte gesunken.

Wenn man die Oberfläche der Banane unter einer Stereolupe genau betrachtet, dann

sieht man die Pigmentierung anhand von kleinen dunklen Punkten.

Wenn man die Bananenschale in das Tiefkühlfach legt, bis sie gefroren ist, und dann

eine Messung durchführt, dann sieht man dass die Bananenschale aus dem

Kühlschrank viel rascher nachdunkelt. (Erklärung: die Zellen werden durch die

Eiskristalle zerstört und somit tritt mehr Phenolase aus, welche das braune Pigment,

Melamin bildet.).

Unter Wasser findet die Bräunung nicht statt, da kein Sauerstoff vorhanden ist.

Was lässt sich weiter auch qualitativ untersuchen? Der Einfluss von Licht, Temperatur

und Sauerstoff, die Wirkung von Zitronensaft, SO2 etc.

Die chemischen Reaktionen sind heute recht gut verstanden. Sie lassen sich wie folgt

beschreiben:

Chemie, 6sm

58


n

O

O

HO

HO

HO

HO

O

HO

O

N

H

N

H

N

H

N

H

HO

NH

O

OH

HO OH

OH

H2N O

O

OH

H

OH

HO

HO

HO

O

O 2

H 2N

L-Tyrosin

N

H

O

N

H

L-Dopachrom

H

OH

H

OH

O

O

L-Leukodopachrom

Melanin

H

OH

O

O 2

HO

Tyrosinase

HO

O 2

Tyrosinase

O

O

CO2 HO

HO

5,6-Dihydroindol

O

O

H 2N

O 2

H 2N

L-Dopachinon

O 2

5,6-Indolchinon

Abbildung 55: Raper-Manson-Schema der Melaninsynthese (Raper 1928/Manson 1948)

N

H

N

H

H

OH

H

OH

O

O

L-Dopa

Abbildung 56: Elektronendichteverteilung von Sepiamelanin (Nicolaus 1968). Aussen: polare

Gruppen, innen unpolar.

Folgerung:

Eine Ausgangssubstanz, wie z.B. Tyrosin oder Tryptophan, kann zu den

verschiedensten wirksamen Stoffen führen.

Chemie, 6sm

59


Zusammenfassung

Chemie, 6sm

Dopaminhydroxylase

Phenylaminoethanol

N-Methyltransferase

Enzyme im Phenylalanin-Stoffwechsel

Phenylalanin-4-hydroxylase

Tyrosinhydroxylase Peroxidase

Iodinase

Dopadecarboxylase o-Diphenoloxidase

Dopamin

Nuerotransmitter

Noradrenalin

Neurotransmitter

Adrenalin

Neurotransmitter

Oxidasen

Phenylalanin

essentielle Aminosäure

Tyrosin

Dopa Thyroxin

T3, T4

Hormone

Dopachinon

Dopachrom

Melanin

Pigment

60


2.1.5.5 Stoffwechsel von Tryptophan

HO

HO

H

N

H

N

H

N

O

NH 2

Physiologische Effekte:

OH

O

NH 2

NH 2

OH

Tryptophan

Basische AMCS

Tryptophan-5hydroxylase

(Oxidation)

5-Hydroxy-tryptophan

Ein Medikament gegen

Depressionen

Decarboxylase

(- CO2)

Serotonin

Führt Schlaf herbei

Regelt den Appetit

Hat Einfluss auf das

Sexualverhalten

Regelt motorische

Aktivität

Beeinflusst

Schmerzwahrnehmung

Eine erhöhte Serotoninausscheidung kann bei der Akkupunkturbehandlung

nachgewiesen werden.

Bei Depressionen ist der Serotoningehalt im Gehirn deutlich vermindert; Prozac, ein

Antidepressivum (Manager Glückspille) vermindert die Serotoninrückresorption.

Schokolade enthält relativ viel Tryptophan Glücksgefühl??

Das Indigoblau, ein Produkt aus Tryptophan:

L-Tryptophan

Chemie, 6sm

H

N

NH 2

H

COOH

H

N

Indoxyl OH Indigo

H

N

O

O

N

H

61


2.1.5.6 Ernährung als Muntermacher? 49

Fettkonsum

Freie Fettsäuren verdrängen

Tryptophan aus dem

Blut-Albumin

Höhere Konzentration

an Tryptophan im Blut

Körperliche Betätigung

Alltag oder Sport

Kohlenhydrataufnahme

Gesteigerte

Insulinausscheidung

Verstärkte Aufnahme

konkurrierender AMCS

z.B. Tyrosin in die Muskulatur

Relative Anreicherung von

Tryptophan im Blut

Erhöhte Transportrate von Tryptophan

durch die Blut-Hirn-Schranke

Gesteigerte Serotoninbildung

"Glücksgefühl und Wohlbefinden"

Abbildung 57: Gesteigerte Serotoninausschüttung durch gewisse Speisen

Sonnenlicht

Beispielsweise kann die Schokolade die Serotoninbildung auf dem oben dargestellten

Weg stimulieren 50 .

49 Bruinsma K., Taren D.L., „Chocolate: Food or Drug?“, J. American Dietic Ass., 99/10, 1999, 1249-1256

50 Adler B., „Kann Schokolade glücklich machen?“, Ernährungsratgeber der CMA, 11, 1999

Chemie, 6sm

62


2.1.5.7 Melatonin ein Hormon aus Tryptophan Serotonin

HO

NH 2

Serotonin

H

N

Serotonin-

N'-Acetyltransferase

"Lichthemmung"

Abbildung 58: Chemische Bildung von Melatonin aus Tryptophan

HO

O

NH

H

N

Acetylserotonin- O

O-Methyltransferase

Melatonin ist ein acetyliertes (bei -NH2) und methyliertes (bei –OH) Serotonin

(C13H16N2O2, M:232,28) N-Acetyl-5-methoxytryptamin, es ist ein biogenes Amin.

Abbildung 59: Stick and Ball-Modell von Melatonin

O

H

N

H

N

Melatonin

Melatonin ist lipophil, alle Zellen, auch die Blut-Hirnschranke, sind für dieses Hormon

durchlässig.

Melatonin ist ein Hormon der Zirbeldrüse (Epiphyse, Corpus pineale), hergestellt aus

Serotonin durch die organspezifische Hydroxiindol-O-Methyltranferase. Es hat einen

wichtigen Einfluss auf den Pigmentstoffwechsel bei Tieren 51 . Bei diesen ist es auch der

Gegenspieler des Melanotropins. Ein Tagesrhythmus bei der Ausschüttung 52 und der

Ausscheidung war schon früh nachweisbar 53 . Durch die „Lichthemmung“ der Serotonin-

N-Acetyltransferase kann die Rhythmik moduliert werden (Anpassung) 54 . Melatonin hat

einen Einfluss auf die „biologische Uhr“ 55 , 56 . Es ist schlafinduzierend. Es wird deshalb

gegen Jet-Lag 57 , 58 , Stress und Schlaflosigkeit 59 [Dosis 2 - 20 mg] eingesetzt.

51 H.D. Jakubke, H. Jeschkeit, Lexikon Biochemie, Verlag Chemie GmbH, Weinheim (1976) 355

52 P. Karlson, Biochemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart (1974) 325

53 Roche, Lexikon Medizin, Verlag Urban & Schwarzenberg, München/Wien/Baltimore (1984) 1042

54 Jatzkewitz H, Neurochemie, Georg Theime Verlag, Stuttgart (1978) 185

55 R.J. Reiter, The melatonin rhythm: both a clock and a calendar, Experientia (1993), Aug 15, 49(8), 654

664

56 H.W. Korf, The pineal organ as a component of the biological clock, Ann. N.Y. Acad. Sci. (1994) May

31, 719, 13-42

57 Brown G.M., Day-night rhythm disturbance, pineal function and human disease, Horm. Res. (1992) 37

Suppl 3, 105 111

58 Redfern P. H., Can pharmological agents be used effectively in the alleviation of jet-lag, Drugs (1992)

Feb 43(2), 146-153

59 Sahelian R., (Los Angeles): Melatonin: Nature’s Sleeping Pill (Verlag unbekannt), (1995)

Chemie, 6sm

63


Melatonin hat antioxidative Eigenschaften in sehr vielen Zellen und verlangsamt das

Altern der Zellen 60 (wichtig für das Immunsystem, teilweiser Einfluss auf Krebsbildung

[Dosis 10 mg/Tag]).

Erst bei täglichen Dosen von 6000 mg während eines Monats traten Magenbeschwerden

und Müdigkeit auf.

LSD (Lysergsäure-diethylamid): eine halluzinogene Droge

LSD

N

O

N

H

N

H

OH

HN

Serotonin

Abbildung 60: Der Neurotransmitter Serotonin und LSD im Vergleich

LSD kann an die Stellen andocken, an denen auch Serotonin eine Bedeutung hat

(Serotoninantagonist). Es greift somit im Zentralnervensystem bei den Neurotransmitter

ein ED(50) ca. 1 g/kg, HWZ im Plasma ca. 3 Std.).

NH 2

Folgerung:

Die Droge LSD wirkt auf das Zentralnervensystem. Diese Aussage gilt für alle

psychoaktiven Drogen, auch für Ecstasy.

O

O HN

5.71 A

N

H

HO

6.69 A

Ecstasy Serotonin mit den

Rezeptorbindungsstellen

Abbildung 61: Die wichtigen Abstände für die Bindung am Rezeptor

NH 2

5.84 A

60 W. Pierpaoli, V.A. Lesnikow, The pineal aging clock, Evidence, models, mechanisms, interventions,

Ann. N.Y. Acad. Sci. (1994) May 31, 719, 461-473

Chemie, 6sm

64


2.1.6 Reaktionen von AMCS

Unter dem Gesichtspunkt der Proteinstruktur ist die wichtigste Eigenschaft der

Aminosäuren, dass sie miteinander reagieren können, indem die Carboxylgruppe der

einen Aminosäure sich durch Kondensation unter Wasserabspaltung mit der

Aminogruppe der nächsten verbindet und so weiter, bis sie eine lange, mehr oder

weniger aufgewickelte oder spiralige Kette von Aminosäuren bilden, die durch

sogenannte Peptidbindungen verknüpft sind.

2.1.6.1 Die Peptidbindung

Zwei Aminosäuren werden unter Abspaltung von Wasser zu einem Dipeptid verknüpft.

In gleicher Weise werden Ketten von mehreren hundert Aminosäuren gebildet

(Proteine).

H

N

H

R 1

O

Aminosäure 1

OH

+

H

N

H

R 2

O

Aminosäure 2

OH

N

R 1

Dipeptid

O

H

N

Amid

Aminosäure + Aminosäure Peptid + Wasser

Abbildung 62: Die Peptidbildung

Bei der Proteinsynthese wird jeweils die -Aminogruppe (-NH2, Angriff durch das freie

Elektronenpaar beim N) einer Aminosäure mit der -Carboxylgruppe (-C=O, Angriff auf

den positiven Dipol von C) der nächsten Aminosäure unter Abspaltung von Wasser

verknüpft. Die dabei entstehende Amidgruppe wird in diesem Spezialfall auch

Peptidgruppe genannt.

Räumlich ist das bei den chiralen AMCS wie folgt:

H 2N

R 1

H

C OH

O

H 2N

C OH

H R 2

O

H 2N

R 1

C

H

O

H

N

R 2

O

OH

C OH

H R 2

Dabei ist die Peptidbindung (C=O-NH) planar!! (Rot, dick: Backbone, Rückgrat)

Chemie, 6sm

Ra

O

N

H

P e p t i d -

b i n d u n g

R b

O

H

N

Rc

O

N

H

Rd

O

H

N

R e

O

O

+

65

H 2O

+ H 2O


Die Peptidbindung ist physikalisch stark, lässt sich chemisch aber von vielen Enzymen

spalten (Peptidasen).

Kurze Ketten von Aminosäuren nennt man Peptide oder Polypeptide, lange Ketten

(>100 Aminosäuren) Proteine (Eiweiss-Stoffe). Neben den wichtigsten 20 Aminosäuren

gibt es weitere, die durch posttranslationelle Modifikation im Protein aus diesen gebildet

werden. Andere Aminosäuren spielen als Stoffwechsel-Zwischenprodukte eine wichtige

Rolle, kommen aber in Proteinen sehr selten vor.

Frage: Warum kann man nicht einfach 10 AMCS in einem Kolben mit einem Reagens

für die Peptidbindung geben um die richtige Reihenfolge zu erhalten?

Torsionswinkel

Die Faltung der Peptidkette ist

definiert durch die Torsionswinkel um

die Bindungen der Hauptkette. Die

Peptidbindung ist planar, die

Torsionsfreiheit um diese Bindung

daher stark eingeschränkt. Dagegen

sind

die Phi und Psi-Torsionswinkel

sehr variabel.

Intermolekulare Bindungen

Die Peptidketten haben von ihrem Aufbau her die Möglichkeit an folgenden Bindungen

für Quervernetzungen teilzunehmen:

Elektronenpaarbindung, kovalente Bindung (Schwefelbrücken, -S-S-)

en Seitenketten (-NH3 , COO - +

Ionenbindung der geladen

)

Komplexbindung mit Metallen (freie Elektronenpaare)

Dipol-Dipol-Bindungen

Wasserstoffbrücken – Bindung (>N-H ....O=C


2.1.6.2 Merrifield-Synthese

Die automatisierte Herstellung von Proteinen kann mit der Merrifield-Technik vorgenommen

werden (Bruce Merrifield, Nobelpreis 1984). Die erste Aminosäure wird dabei

an einen Festkörper gebunden. Die Festkorper sind so gross, dass sie von einem Filter

zurückgehalten werden. Alle folgenden Schritte laufen sich dann nur noch mit Zudosieren,

Reagieren, Filtrieren und Waschen. Um die Reaktionen möglichst vollständig

ablaufen zu lassen, verwendet man sehr grosse Überschüsse an Reagentien.

O H

+

O O C A 1

- Boc

O O C A 1

- H 2 O + H OOC A 2 NH Boc

O O C A 1

O O C

A 1

HOOC A 1 NH Boc

NH Boc

NH2

NH CO A NH Boc

-Boc

NH CO A

-H2O

2

HOOC A 3 NH Boc

NH CO A 2

A 1

3

O O C NH CO A NH B o c

Abbildung 63: Prinzipschema der Merrifield-Synthese (Abspaltung der Boc-Schutzgruppe mit HCl,

Kupplung mit DCCI (Dicyclohexylcarbodiimid))

Die stereotype Aufeinanderfolge gleichartiger Reaktionen macht die Merrifield-Synthese

für die Automation geeignet. Mit kommerziell erhältlichen „Synthesizern“ lassen sich

ohne jegliche manuelle Eingriffe beliebige Aminosäuren in grosser Zahl

aneinanderreihen – für die Synthese der Ribonuclease (124 Aminosäure-Reste)

benötigten Gutte und Merrifield etwa drei Wochen (für 11 931 Einzeloperationen und

11 mg Ausbeute, ein Produkt, das allerdings stark verunreinigt war).

Routinemässig werden heute Peptide mit 50 AMCS in guter Ausbeute und Reinheit

synthetisiert. Die Attraktivität der automatisierten Merrifield-Synthese erklärt sich aus

einem drastisch gesunkenem Zeitaufwand im Vergleich zur manuellen Methode bei

gleichzeitig deutlich gestiegener Ausbeute.

Chemie, 6sm

3

+

NH 2

-Boc

etc.

67


Proteinnachweis

Die Peptidbindung findet sich in allen Proteinen. Alle Substanzen, die zwei oder mehr

Peptidbindungen enthalten, geben die sogenannte Biuretreaktion, die also als

allgemeiner Proteinnachweis benutzt werden kann.

Die Reaktion hat ihren Namen vom Biuret, einer einfachen Verbindung, in der zwei

Peptidbindungen vorkommen. Biuret wird gewonnen, indem man Harnstoff sehr

vorsichtig erhitzt, so dass Ammoniak entweicht und Biuret übrigbleibt.

O

O

NH2 C

NH2 NH2 C

NH2 NH 3 +

Abbildung 64: Biuretreaktion für den Eiweissnachweis

NH 2

O C

NH

O C

Biuret

In Gegenwart einer starken Base und Spuren von Kupferionen gibt Biuret mit Protein

eine blass-rosarote, rosa oder hellviolette Färbung, die von Substanz zu Substanz

etwas anders ausfällt, aber für Protein insgesamt charakteristisch ist. Die anderen

üblichen Farbteste für Proteine sind nicht allgemeingültige Nachweise, sondern hängen

von der Gegenwart bestimmter R-Gruppen in den Molekülen ab. Die meisten der 20

Aminosäuren kommen in allen Proteinen vor, aber es gibt auch Proteine, denen einige

bestimmte Aminosäuren fehlen. Gelatine ist ein Beispiel dafür.

Benennung

Kurze Ketten von Aminosäuren (AMCS) nennt man Peptide oder Polypeptide, lange

Ketten (>100 Aminosäuren) Proteine (Eiweiss-Stoffe).

2.1.7 Polypeptide

DNA Transkription


mRNA Translation


NH 2

Protein

Polypeptide werden an den Ribosomen produziert: m-RNA, t-RNA mit AMCS

Peptidkette (Primärstruktur, 2 dimensional)

1. Die m-RNA bindet sich an das Ribosom.

2. Eine Aminosäure beladene t-RNA bindet sich entsprechend dem Triplett an die

m-RNA (P-Bindungsstelle).

3. Eine Aminosäure beladene t-RNA bindet sich entsprechend dem Triplett an die

m-RNA (A-Bindungsstelle).

4. Eine Peptidbindung bildet sich.

5. Das Peptid wird weitergeschoben, die A-Bindungsstelle ist wieder frei.

Faltung (Sekundärstruktur, 3 dimensional)

Strategie

Festkörpergebundene Reaktionen sind sehr effektiv.

Wichtig: An den Ribosomen können direkt nur Ketten hergestellt werden.

Chemie, 6sm

68


2.1.8 Ein Süssstoff aus Aminosäuren

L-Asparagin- phenylalaninmethylester

HO

O

NH 2

O

O O

N

H

Abbildung 65: Der Süssstoff Aspartam

Herstellung:

Aspartam

1. Von Asparagin wird die Säure der Seitenkette und das Amin je durch eine

Schutzgruppe geschützt. Die Säuregruppe wird an die Aminogruppe vom

Pheylalanin-methylester unter Wasserabspaltung gekoppelt.

2. Die beiden Schutzgruppen werden entfernt.

3. Die Substanz wird gereinigt.

Tabelle 3: Süsse Aminosäuren und Peptide

Dipeptid (Methylester)

H 2N COOH Gly (glycos = süss)

HOOC

H 2N

H 2N COOH Phe

H

N

O

Asp O Gly

HOOC

O

H 2N

Asp

HOOC

H 2N

Asp

O

O

H

N

H

N

O

O

O

O

Val

Phe

Süssigkeit (bezogen auf Saccharose =1)

1.5

7

8

170 - 200 (Aspartam)

bitter !

Heutiger Zuckerkonsum pro Kopf und Jahr: USA ca. 60 kg, Schweiz: 45 kg. Folgen:

Übergewicht, Diabetes, Bluthochdruck, Herzinfarkt, Zahnkaries.

4 g Zucker entspr. 65 J

20 mg Aspartam entspr. 0.35 J entspr. 58 Fastentagen bei vollkommenem Ersatz

von allem Zucker während eines Jahres (45 kg).

Chemie, 6sm

69


2.1.9 Die chemischen Waffen der Natur

2.1.10 Antibiotika

Penicillin G, ein Tripeptid

Ein Pilz wehrt sich gegen Bakterien.

Aus drei Aminosäuren aufgebaut: L--Aminoadipinsäure, L-Valin, L-Cystein

H

H

H

HOOC

L

C (CH2 ) 3 COOH HOOC

L

C CH2 SH HOOC

L

C C

NH 2

L--Aminoadipinsäure

NH 2

NH2 CH3 L-Cystein L-Valin

H

H

HOOC

L

C (CH2 ) 3 CO NH

L

C CO NH

HOOC

HOOC

NH 2

H

L

C

CH 2

CH 3

ACV-Synthetase

-(L--Aminoadipyl)-Lcysteinyl-D-valin-Synthetase

pcb AB-Genprodukt

SH

-(L--Aminoadipyl)-L-cysteinyl-D-valin

NH 2

NH 2

C

D

H

(CH 2 ) 3

(CH 2 ) 3

CO

NH

O

Isopenicillin N

CO

NH

O

Penicillin N

CH(CH 3 ) 2

C COOH

D

H

Cyclase

Isopenicillin-N-Synthetase

pcb C-Genprodukt

H

N

S

CH 3

CH 3

COOH

Epimerase

H

N

S

CH 3

CH 3

COOH

Abbildung 66: Biosynthese von Penicillin N (besonders interessant ist die Bildung des gespannten 4-

Rings, des beta-Lactam-Rings).

Chemie, 6sm

70


Abbildung 67: Räumliche Struktur von Benzylpenicillin (Penicillin G)

Was ist das Besondere am Penicillin:

Es ist aus 3 AMCS aufgebaut.

Es hat sehr gespannte Ringe (4-Ring,

Lactamring).

Es wird von einem Pilz (Schimmelpilz,

Penicillium notatum) produziert.

Es wurde sehr spät gefunden (1928

Alexander Fleming).

Es wurde erst 1939 in der Medizin eingesetzt

(Howard Florey, Oxford arbeitete eine

industrielle Reinigung aus).

1941 erste Versuche an Patienten.

1945 erstmals am Kantonsspital St. Gallen

eingesetzt.

Bakterien wehren sich wiederum gegen Pilze

und bauen Enzyme, welche Penicillin abbauen

können, z.B. die Penicillinase (beta-Lactamase). Damit werden diese Bakterien

resistent.

Ein Penicillinderivat, das diesem enzymatischen

Angriff widerstehen kann ist Oxacillin.

Die Bakterien wehren sich gegenüber anderen

Bakterien mit chemischen Stoffen, welche an ganz

unterschiedlichen Orten im Stoffwechsel angreifen.

Chemie, 6sm

Abbildung 68:Bakterien vom Typus

Staphylococcus aureus unter dem

Elektronenmikroskop; sie können

Wundinfektionen auslösen. Ein

Antibiotikum hat das obere Bakterium

bersten lassen.

O

N

CH 3

C 6 H 5

CO

NH

O

H H

Abbildung 69: Oxacillin

N

S

COOH

71

CH 3

CH 3


Gramicidin S 61 (aus Bacillus brevis Kulturen)

Ein Bazillus wehrt sich gegen Bakterien.

Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro

Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro

AMCS- Sequenz

D-Phe: nicht normal, sonst fast immer L-Phe (häufig

in Ringen von Antibiotika)

Orn: Ornithin; NH2-(CH2)3-CH(NH2)-COOH

Abbildung 70: Gramicidin S, ein cyclisches Peptid als Antibiotikum

72

Räumliche Anordnung des Ringes.

30 gliedriger, symmetrischer Ring (Tennisball-

Muster- Form: siehe links).

Kann Komplexe bilden (mit freien Elektronenpaaren

von Amiden und -NH2).

Me(H2O)n + polydentater Ligand polydentater Ligand(Me) + n H2O

2 Teilchen (n+1) Teilchen

S > 0; Die Entropie nimmt zu.

G = H - TS;

TS ist negativ,

G ist negativ, falls H nicht zu gross ist.

Beispiel: Aquokomplex von Ca 2+ mit 6 Wasser

(Oktaeder) bindet sich mit dem polydentaten

Liganden (z.B. Gramicidin S): n = 6 d.h.

2 Teilchen ([Ca(H2O)6] 2+ + Ligand) 7 Teilchen

(Gebundenes Ca 2+ + 6 H2O)

Abbildung 71: Mikroskopische

Aufnahme von Gramicidin S

Diese Reaktionen laufen auch dann, wenn H praktisch Null ist, also keine

Wärmetönung vorhanden ist - wichtig für biochemische Reaktionen (Temperatur). Die

treibende Energie ist in diesem Falle die Entropieänderung S.

Diese Molekülketten sind so angeordnet, dass die hydrophoben (wasserabstossenden)

Aminosäuren nach innen gekehrt sind und die hydrophilen (mit Wasser

benetzbaren, wasserlöslichen) Aminosäuren nach aussen weisen. Dort können sie mit

anderen Komponenten, speziell mit anderen Proteinen, in Wechselwirkung treten.

Globuläre Proteine zum Beispiel können mit einem Vitamin-Derivat (einer Variante)

sogenannte Coenzyme bilden oder mit einem anderen Protein zusammen eine

Aufgabe in der Zelle übernehmen.

61 Davidson M.W., Gramicidin S.,

http://micro.magnet.fsu.edu/micro/gallery/pharm/antibiotic/antibiotic.html, 27.02.01

Chemie, 6sm


2.1.11 Unsere Abwehr von Mikroorganismen

Vor vielen Jahrhunderten wurden Eingeborene beobachtet, welche Froschhäute gegen

verschiedenste Krankheiten verwendeten. In den späten 80iger Jahren fand Michael

Zasloffs Gruppe das erste Breitbandantibiotikum auf der Haut des südafrikanischen

Klauenfrosches „Xenopus laevis“ 62 . Es stellte sich heraus, dass es sich um ein kleines

Peptid mit dem Namen Magainin handelte (nach dem Hebräischen Wort für Schutz).

Dieses Peptid aus 23 Aminosäuren hat eine -helicale Form und ist membranaktiv.

HGlyIleGlyLysPheLeuHisSerAlaGlyLysPhe GlyLysAlaPheValGlyGluIleMetLysSerOH Magainine sind antibakteriell und antifungiell wirksam, besonders aktiv gegen

Protozoen wie Amöben und Paramecien. So kleine Konzentrationen, wie 10 g/mL

Magainin lassen die Einzeller in Minuten anschwellen und platzen. Diese osmotische

Wirkung lässt vermuten, dass Magainine den Flüssigkeitstransport durch die

Zellmembran unterbrechen.

Peptid-Antibiotika wurden viel später auch auf

unserer Haut und im Schweiss gefunden.

Wichtige Gruppen sind die Defensine und die

Cathelicidine. Sie schützen uns vor

mikrobiellen Infektionen.

Defensine sind eine Gruppe weit verbreiteter

antimikrobieller und in höheren

Konzentrationen cytotoxische Peptide (MR

3000–4000; 29–35 Aminosäure-Reste), die

kationisch vorliegen und 3 Disulfid-Brücken

besitzen. Strukturell zerfallen sie in 3 Familien:

klassische Defensine, - Defensine und

Insekten-Defensine. Diese Antibiotika kommen

in Phagocyten, Darm, Luftröhre und Lunge von

Säugern sowie in Hämolymphe von Insekten vor. Ähnlich wie Peptid-Hormone oder -

Neurotransmitter werden Defensine als grössere Vorläufer (Präprodefensine, 94–100

Aminosäure-Reste) synthetisiert, proteolytisch aktiviert, in Granula gespeichert und

durch Exocytose ausgeschüttet.

62 Gross M., Peptides shielding our skin, Chemistry in Britain, March 2002, 23

Chemie, 6sm

22

10

Abbildung 72: Die Abwehr von Mikroben

auf unserer Haut

73


2.1.12 Peptide als Gifte

Pilze wehren sich nicht nur gegen Mikroorganismen.

Phallatoxine, Amatoxine (Gifte des weissen und grünen Knollenblätterpilzes)

Abbildung 74: Grüner Knollenblätterpilz

Giftigkeit: LD(50) weisse Maus: 2 - 25 mg/kg

90% der tödlichen Pilzvergiftungen sind auf diese

Toxine zurückzuführen. Erste Symptome sind:

Erbrechen, Nausa, Diarrhöe (Durchfall) treten

gewöhnlich erst 10 - 24 Stunden nach dem Pilzgenuss

auf. Die Wirkung beruht auf der Zerstörung des

Endoplasmatischen Retikulums der Leber.

Abbildung 73:

Endoplasmatisches Retikulum

CH2

H 3C C CO NH C CO NH C CH2 C CH2 R

H

R

H

NH

CO

H

5

N

CO

H 2C

C

NH

S

H

H

H 2C

CO

N

C

(S) CH

R

NH

OH

H

CO

NH

H 3

H

4

Phallotoxine

H

C R

Abbildung 75: Phallatoxine, cyclische Hexapeptide (6 AMCS) mit einer D-AMCS!!

Chemie, 6sm

CO

OH

R

1

2

74


Tabelle 4: Daten zu den 7 natürlich vorkommenden Phallotoxinen

Phallotoxine R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 Summenformel MR LD50 (Maus i. p.)

[mg/kg]

Phalloidin OH H CH3 CH3 OH C35H48N8O11S 788,87 2,0

Phalloin H H CH3 CH3 OH C35H48N8O10S 772,87 1,5

Prophalloin H H CH3 CH3 H C35H48N8O9S 756,87 >100

Phallisin OH OH CH3 CH3 OH C35H48N8O12S 804,87 2,5

Phallacin H H CH(CH3)2 COOH OH C37H50N8O12S 830,91 1,5

Phallacidin OH H CH(CH3)2 COOH OH C37H50N8O13S 846,91 1,5

Phallisacin OH OH CH(CH3)2 COOH OH C37H50N8O14S 862,91 4,5

Welche Besonderheiten zeigen die Moleküle, die am giftigsten sind?

Diese Peptide überwinden den Abbau im Magen und können die Magenwand

intakt durchdringen.

Die molekulare Anordnung des Ringes ist so, dass die hydrophilen Gruppen

innen, die lipophilen aussen sind. Damit ist die Passage der lipophilen

Darmwand besser möglich und ein Abbau stark behindert (keine Dipole für

chemische Angriffe.)

Eine weitere Klasse der Gifte des weissen und grünen Knollenblätterpilzes sind die

Amanitine.

Die Toxizität der auch peroral giftigen Amanitine ist sehr hoch; so genügen schon 1 mg

des - Amanitins bzw. 2,5 mg des - Amanitins, um eine Maus zu töten. Das Gift wird

weder durch Kochen oder Trocknen noch durch die Proteasen des Verdauungstraktes

zersetzt; seine Wirkung geht auf die allosterische Blockierung der m-RNA-Synthese

durch Komplexbildung mit der RNA-Polymerase im Zellkern zurück, wodurch die

gesamte Enzym-/Proteinsynthese in der Leber zum Erliegen kommt.

Die Resistenz gegenüber den Proteasen sowie die Aufnahme durch den

Verdauungstrakt ist eine grosse Besonderheit.

Der Knollenblätterpilz enthält auch das cyclische Decapeptid Antamanid mit

antitoxischen Wirkung gegenüber Phalloidin:

L Pro L Phe L Phe L Val L Pro

L Pro L

Phe

Phe

Charakteristisch an diesem Antamanid ist die grosse Lipophilie.

Chemie, 6sm

L

L

Ala

L

Pro

75


2.1.13 Peptide als Hormone

Cys-Tyr-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NH 2

Oxytocin

Cys-Tyr-Phe-Glu-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH 2

Vasopressin

Abbildung 76: Hormone Oxytocin und Vasopressin (die S-S-Brücke ist sehr oxidationsempfindlich)

Bildung im Hypothalamus, Speicherung im Hypophysenhinterlappen

Wirksame therapeutische Dosis 10 -9 mol

Beobachtbarer Effekt bei 8-Arg-Vasopressin 10 -12 mol (ca. 5 l Blut)

Abbau durch Aminopeptidasen vom Aminoende (H2N-) her (rascher Abbau).

S t i r n l a p p e n

B a l k e n

Th a l a m u s

Hy p o t h a l a m u s

Hy p o p h y s e

M i t t e l h i r n

B r ü c k e

v e r l ä n g e r t es Mark

Scheitellappen

Schläfenlappen

Ep i p h y s e

H i n t e r h a u p t sl

a p p e n

Kle i n h i r n

Abbildung 77: Gehirn mit Hypothalamus und Hypophyse, den für Oxytocin und Vasopressin

wichtigen Bereichen.

Hypophyse (Hirnanhangsdrüse). Kleines, 0,6 g schweres Hormon-bildendes Organ von

6 mm Durchmesser am Boden des Zwischenhirns.

Der Hypophysen-Hinterlappen, die Neuro-Hypophyse, besteht im Wesentlichen aus

den Endigungen von Nervenzellen, deren Zellkörper im Hypothalamus liegen. Von

diesen Endigungen werden 2 Hormone in das Blut abgegeben, das antidiuretische

Hormon (ADH, Vasopressin), dessen Zielorgan die Niere ist, und das Oxytocin, das auf

die Gebärmuttermuskulatur und die Brustdrüse wirkt.

Chemie, 6sm

76


Tabelle 5 : Wirkungen von Hypohysen-Hinterlappen Hormonen

Oxytocin

Vasopressin

Vasotoxin

(8-Arg-Oxytocin)

Oxypressin

(3-Phe-Oxytocin)

Uterus-

Kontrakt.

Milchejektion

Blutdruck

erhöhung

Antidiurese

(Na-

Ausscheidung,

H20-

Rückresorpt.)

Stellung

3

100 % 100% 1% 0.5% Ile

lipophil

H 2N CH C

3% 15% 100% 100% Phe

lipophil

CH

CH 2

CH 3

O

H 2N CH C

CH 2

CH 3

O

OH

OH

Stellung

8

Leu

lipophil

H 2N CH C

CH 2

O

CH CH 3

CH 3

Arg

hydrophil,

basisch

H 2N CH C

80% 80% 80% 80% Ile Arg

5% 15% 100% 600% Phe Leu

Folgerungen für die Rezeptoren:

Spricht auf sehr geringe Konzentrationen an.

Hat eine lipophile Tasche, die zwischen den beiden lipophilen AMCS in Stellung 3

unterscheiden kann (sterischer Effekt).

Bildet bei Vasopressin H- Brücken bei Stellung 8. Diese Stellung ist für die Spezifität

ausserordentlich wichtig (Dipol).

Chemie, 6sm

Abbildung 78: Oxytocin

CH 2

CH 2

CH 2

NH

C

NH 2

O

NH

77

OH

OH


2.2 Proteine (MM > 10’000 g/mol)

Proteine (Eiweisse, Eiweissstoffe, Eiweisskörper). Protein ist eine auf Berzelius

zurückgehende und seit Mulder (1838) gebräuchliche, von griechisch: proteuein = „der

Erste sein“ abgeleitete Sammelbezeichnung für natürlich vorkommende Copolymere,

die sich in der Regel aus 20 verschiedenen -Aminosäuren (im Folgenden: AS) als

Monomeren (Grundbausteine) zusammensetzen. Von den nahe verwandten

Polypeptiden werden sie aufgrund ihrer molekularen Grösse unterschieden, wenn auch

nicht immer streng abgegrenzt: Ab etwa 100 Monomer-Einheiten (AS-Resten) spricht

man meist von Proteinen. Es ergeben sich Molmassen von 10 000 bis mehrere

Millionen Gramm pro Mol.

2.2.1 Strukturen bei Proteinen

Amino-Terminus

R 1 O R 2 O R 3 O

H2N CH C NH CH C NH CH C

Carboxy-Terminus

R

n

O

NH CH C OH

AS-Rest 1 AS-Rest 2 AS-Rest 3 AS-Rest n

Abbildung 79; Primärstruktur: AMCS1-AMCS2-AMCS3-AMCS4- (Sequenz, bestimmt mit

Sequenzanalyse))

Abbildung 80: Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur

Proteine lassen sich kristallisieren. Das war sehr lange die Voraussetzung dafür, die

räumliche Struktur zu bestimmen. Diese wurde normalerweise mit Röntgenstrukturanalyse

bestimmt.

Chemie, 6sm

78


2.2.2 Strukturen in der Literatur als Vergleich

DASSICHERKENNE,WASDIEWELTIMINNERSTENZUSAMMENHÄLTSCHAUALLEWI

RKENSKRAFTUNDSAMENUNDTUNICHTMEHRINWORTENKRAMEN

Reihenfolge, Sequenz: Primärstruktur

DASS ICH ERKENNE, WAS DIE WELT IM INNERSTEN ZUSAMMENHÄLT SCHAU

ALLE WIRKENSKRAFT UND SAMEN UND TU NICHT MEHR IN WORTEN KRAMEN

Gliederung, Strukturierung: Sekundärstruktur

DASS ICH ERKENNE, WAS DIE WELT

IM INNERSTEN ZUSAMMENHÄLT

SCHAU ALLE WIRKENSKRAFT UND SAMEN

UND TU NICHT MEHR IN WORTEN KRAMEN

Anordnung, Form: Tertiärstruktur

Die Aussage dieser Passage im Zusammenhang von Faust I

Funktion, Aussage: Quartärstruktur

Abbildung 81: Röntgendiagramm eines Proteinkristalls (Myoglobin), J. D. KENDREW,

Cambridge. Durch Auswertung des Diagramms erhält man die Elektronendichtverteilung

im Molekül und muss diese mit einem Molekülmodell zur Deckung bringen.

Chemie, 6sm

79


2.2.3 Primärstruktur

Die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein (Aminosäuren-Sequenz,

Primärstruktur des Proteins) wird häufig mit Hilfe der 1-Buchstaben-Symbole für die

Aminosäuren dargestellt. Dabei beginnt man mit der Aminosäure, die die freie -

Aminogruppe enthält (Aminoterminus, N-term) und endet mit der Aminosäure, die die

freie -Carboxylgruppe enthält (Carboxyterminus, C-term). Dies entspricht auch der

Reihenfolge, in der die Aminosäuren am Ribosom in das Protein eingebaut werden. Die

Primärstruktur eines Proteins kann mit chemischen Methoden (Sequenzanalyse,

Edmann-Abbau) bestimmt werden. Technisch ist es jedoch vor allem bei sehr grossen

Proteinen einfacher, mit Hilfe einer Teilsequenz des Proteins das für das Protein

kodierende Gen zu isolieren und dessen DNA zu sequenzieren.

Das menschliche Deoxy-Hämoglobin-Molekül mit der PDB-Datenbank-Bezeichnung

"2HHD" besteht aus vier Ketten mit den Aminosäuren-Sequenzen.

Die folgende Reihenfolge von Aminosäuren im 1-Buchstaben-Code beschreibt die

Primärstruktur.

Tabelle 6: Primärstruktur des Proteins Hämoglobin (4 gleiche Einheiten:

Tetramer)

1 VLSPADKTNV KAAWGKVGAH AGEYGAEALE RMFLSFPTTK TYFPHFDLSH

51 GSAQVKGHGK KVADALTNAV AHVDDMPNAL SALSDLHAHK LRVDPVNFKL

101 LSHCLLVTLA AHLPAEFTPA VHASLDKFLA SVSTVLTSKY R

1 VHLTPEEKSA VTALWGKVNV DEVGGEALGR LLVVYPWTQR FFESFGDLST

51 PDAVMGNPKV KAHGKKVLGA FSDGLAHLDN LKGTFATLSE LHCDKLHVDP

101 ENFRLLGNVL VCVLAHHFGK EFTPPVQAAY QKVVAGVANA LAHKYH

1 VLSPADKTNV KAAWGKVGAH AGEYGAEALE RMFLSFPTTK TYFPHFDLSH

51 GSAQVKGHGK KVADALTNAV AHVDDMPNAL SALSDLHAHK LRVDPVNFKL

101 LSHCLLVTLA AHLPAEFTPA VHASLDKFLA SVSTVLTSKY R

1 VHLTPEEKSA VTALWGKVNV DEVGGEALGR LLVVYPWTQR FFESFGDLST

51 PDAVMGNPKV KAHGKKVLGA FSDGLAHLDN LKGTFATLSE LHCDKLHVDP

101 ENFRLLGNVL VCVLAHHFGK EFTPPVQAAY QKVVAGVANA LAHKYH

2.2.4 Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur bildet sich durch die räumliche Anordnung der Peptidketten im

Raum aus. Verantwortlich dafür sind:

Die Torsionswinkel, Spannungen und Drehungen in einer Kette.

Die Bindungen zwischen Kettenteilen (Ionenbindung, H-Brücken, Van der Waals,

Komplexbindung bei Metallen).

Die sterischen Verhältnisse (Raumerfüllung).

Die Sekundärstruktur lässt sich nur teilweise aus der Primärstruktur ableiten (z.B. -

Helix, -Faltblatt, keine Struktur: random coil).

Der bunt hervorgehobene Code bezeichnet die Sekundärstruktur der einzelnen

Proteinketten des Hämoglobins. H steht dabei für α-Helix, T für Turn.

Chemie, 6sm

80


Mehr als 2/3 der Aminosäuren von Hämoglobin haben eine α-helikale Konformation.

Tabelle 7: Sekundärstruktur von Hämoglobin

1 VLSPADKTNV KAAWGKVGAH AGEYGAEALE RMFLSFPTTK TYFPHFDLSH

HHHHHHH HHHHHHHTT HHHHHHHHHH HHHHH T

51 GSAQVKGHGK KVADALTNAV AHVDDMPNAL SALSDLHAHK LRVDPVNFKL

T HHHHHHHH HHHHHHHHHH HTTT HHHHT HHHHHHHHHT T HHHHHH

101 LSHCLLVTLA AHLPAEFTPA VHASLDKFLA SVSTVLTSKY R

HHHHHHHHHH HHTTTTTTHH HHHHHHHHHH HHHHHHHHT

1 VHLTPEEKSA VTALWGKVNV DEVGGEALGR LLVVYPWTQR FFESFGDLST

HHHHHH HHHHHTT H HHHHHHHHHH HHHHT TTT

51 PDAVMGNPKV KAHGKKVLGA FSDGLAHLDN LKGTFATLSE LHCDKLHVDP

HHHHHHTHHH HHHHHHHHHH HHHH TT HHHHHTHHHH HHHHTT T

101 ENFRLLGNVL VCVLAHHFGK EFTPPVQAAY QKVVAGVANA LAHKYH

HHHHHHHHHH HHHHHHHH HHHHHHH HHHHHHHHHH H TT

1 VLSPADKTNV KAAWGKVGAH AGEYGAEALE RMFLSFPTTK TYFPHFDLSH

HHHHHHH HHHHHHH HHHHHHHHHH HHHHH TTT T

51 GSAQVKGHGK KVADALTNAV AHVDDMPNAL SALSDLHAHK LRVDPVNFKL

T HHHHHHHH HHHHHHHHHH HTTT HHHHT HHHHHHHHHT T TTHHHH

101 LSHCLLVTLA AHLPAEFTPA VHASLDKFLA SVSTVLTSKY R

HHHHHHHHHH TTTTTTTTHH HHHHHHHHHH HHHHHHHTT

1 VHLTPEEKSA VTALWGKVNV DEVGGEALGR LLVVYPWTQR FFESFGDLST

HHHHHH HHHHHHHTTH HHHHHHHHHH HHHH T

51 PDAVMGNPKV KAHGKKVLGA FSDGLAHLDN LKGTFATLSE LHCDKLHVDP

HHHHHTTHHH HHHHHHHHHH HHHHHTTTT HHHHHTHHHH HHHHT T

101 ENFRLLGNVL VCVLAHHFGK EFTPPVQAAY QKVVAGVANA LAHKYH

HHHHHHHHHH HHHHHHH HHHHHHH HHHHHHHHHH HHTT

Chemie, 6sm

81


a ) b )

c )

W a s s e r s t o f f - B r ü cke n b i n d u n g

= C = H = N = O = S e i tenkette

Abbildung 82: Helixstruktur, oben rechts: paralleles unten: antiparalleles Faltblatt (β-sheet) (N-C-

Enden gleichgerichtet, N-C-Enden entgegengesetzt)

Abbildung 85: Eine α-Helix (rot) und β-Faltblätter (blau) mit

Turns (gelb und rot, dünn)

2.2.5 Tertiärstruktur

Weil die Proteine meist in Wasser vorliegen, ist die

Struktur ganz wesentlich durch diese polare Umgebung

bestimmt. Als Tertiärstruktur ordnen sich die Sekundärstrukturelemente

eines Proteins im Raum so an, dass

sich die hydrophoben ("wasserscheuen" = lipophilen,

„Fett liebenden“) Seitenketten der Aminosäuren Valin,

Leucin, Isoleucin, Methionin, Phenylalanin, Tyrosin und

Tryptophan möglichst im Innern der Proteins

zusammenlagern können (so wie sich Öl- und Fett-

Chemie, 6sm

Cys

S S

Cys

Abbildung 84: Schwefelbrücke

einer Peptidkette

+

-

Abbildung 84: Durch Ionen

stabilisierte Peptidkette

82


moleküle im Wasser sofort zu Tröpfchen zusammenlagern), während die hydrophilen

("wasserliebenden" = lipophoben, „fettscheuen“) Seitenketten der Aminosäuren

Glutamat, Aspartat, Arginin, Lysin, Histidin, Serin, Threonin, Asparagin und Glutamin

die Oberfläche des Proteins bilden. Glycin und Prolin sind aufgrund ihrer speziellen

strukturellen Eigenschaften häufig in Turns lokalisiert. Paare von Cystein-Seitenketten

können zu Disulfiden oxidieren und so entfernte Teilen der Peptidkette kovalent

verbinden. Disulfidbrücken durch Oxidation der Thiolgruppen zweier Cystein-

Einheiten zu Cystin:

(R-S-H + H-S-R R-S-S-R).

Entgegengesetzt geladene Ionen können Ketten ebenfalls zusammenhalten, ebenso

van der Waals Bindungen.

Die durch die Faltung bestimmte exakte räumliche Anordnung der Atome eines Proteins

bezeichnet man als die Tertiärstruktur des Proteins. Sie kann durch Kernresonanzspektroskopie

und durch Röntgenkristallographie experimentell bestimmt werden.

Sehr lange Proteine bilden dabei mehrere, unabhängig voneinander faltende Struktureinheiten

aus (Domänen), die über flexible, hydrophile Teile der Kette verknüpft sind.

Denaturierung bezeichnet den Verlust der biologischen Aktivität durch Zerstörung der

Sekundär- und Tertiärstruktur, z.B. durch Erhitzen.

2.2.6 Quartärstruktur

Viele Proteine bestehen aus mehreren Peptidketten. Die räumliche Anordnung der

einzelnen, gefalteten Peptidkette zum biologisch aktiven Komplex bezeichnet man als

die Quartärstruktur. Dabei können sowohl mehrere Kopien der gleichen Proteinkette

wie auch unterschiedliche Ketten im Komplex enthalten sein. Kleinere Nicht-Protein-

Moleküle können in den Komplex eingebunden und für dessen Aktivität wichtig sein.

(Cofaktoren, Coenzyme, prostetische Gruppen).

Abbildung 87: Eine Untereinheit von

Hämoglobin (das ganze Molekül besteht

aus 4 Untereinheiten). Die Proteinkette

ist als Band dargestellt.

Abbildung 86: Hämoglobin als Tetramer mit 4 Häm-

Gruppen

Was ist z.B. der Vorteil der Quartärstruktur beim Hämoglobin, bei welcher sich 4

Grundeinheiten zu einem Tetramer zusammenlagern? Dabei sind die 4 Einheiten

eigentlich alle gleich.

Chemie, 6sm

83


Setzt eine Einheit im Gewebe den Sauerstoff frei, dann geben auch die anderen 3

Einheiten den Sauerstoff ab. Das wird durch eine räumliche Änderung bemerkbar:

Beladen sind die Einheiten näher zusammen, entladen sind sie weiter auseinander.

Verantwortlich dafür ist die Änderung der Bindungen am zentralen Eisenion.

Wenn in der Lunge ein O2-aufgenommen ist, nehmen die anderen drei Einheiten die

Sauerstoffe leichter auf! Man kann hier von einem kooperativen Effekt sprechen.

Der Nobelpreisträger Perutz bezeichnete diesen kooperativen Effekt als „Matthäus-

Effekt“:

„Denn wer da hat, dem wird mehr gegeben werden, und er wird die Fülle haben; wer

aber nicht hat, dem wird auch, was er hat, genommen werden.“ (Matt. 25,29)

Abbildung 88: Mikroskopische Aufnahme von Hämoglobin 63

Die Oberflächenladung wird bei der Elektrophorese ausgenützt, um eine Trennung bei

einem bestimmten pH-Wert zu erreichen. Isoelektrische Fokussierung: Die Proteine

laufen bis zu dem Punkt in einem pH-Gradienten, bei welchem sie neutral sind. Sie

erklärt auch, warum Eiweisse bei bestimmten pH-Werten denaturieren.

Neuere NMR-Untersuchungen haben ergeben 64 : „Das Innere eines Proteins ist viel

'flüssiger' als ursprünglich angenommen. Alles ist ständig in Bewegung und verändert

sich sogar unglaublich schnell.“

63 Hämoglobin, http://micro.magnet.fsu.edu/micro/gallery/proteins/prot2.html, 27.02.01

64 University of Pennsylvania Medical Center, Nature 411: 501-504 (2001)

Chemie, 6sm

84


2.2.7 Beispiele

2.2.7.1 Insulin

Abbildung 89: Bauchspeicheldrüse (Pankreas) : ca. 15 cm lang, hinter dem Magen.

Langerhans’sche Inselzellen (Insulin von den -Zellen, in der Mitte, synthetisiert. Aussen - und -

Zellen)

Biochemischer Aufbau:

Aufbau geschieht als lange Kette bei den Ribosomen

als Prä-Proinsulin 107 AMCS).

Prä-Sequenz aus ca. 23 AMCS: eine

Signalpeptidsequenz (Leader-Sequenz), mit der

Information, dass die nachfolgende Sequenz

(Proinsulin) an der Membran des endoplasmatischen

Retikulums aufgebaut und in das Innere der Kanälchen

desselben transportiert werden soll.

Proinsulin: 84 AMCS

A-Kette: 21 AMCS (Bereich A8 bis A10 ist artspezifisch)

B-Kette: 30 AMCS

C-Peptid: 33 AMCS

S- Verbindungen: A6, A11; A7,B7; A20, B19

Insulin MG ca. 6000 g/mol

Signalpeptid

connecting peptide

C-Peptid

Aufbau an den Ribosomen als eine Kette, Primärstruktur.

Entfernung des Prä-Insulins (Signalpeptid).

Sekundärstruktur: Verformung und Stabilisierung durch S-S- Brücken (2 Cystein 1

Cystin).

Entfernung des C-Peptids durch Enzyme (Peptidasen): Proinsulin Insulin

Tabelle 8: Aminosäuresequenz und Struktur von Humaninsulin

Chemie, 6sm

85


A - K e t t e

G l y - I l e - V a l - G l u - G l n - C y s - C y s - T h r - S e r - I l e - C y s - S e r - L e u - T y r - G l n - L e u - G l u - A s n - T y r - C y s - A s n

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1

B - K e t t e

P h e - V a l - A s n - G l n - H i s - L e u - C y s - G l y - S e r - H i s - L e u - V a l - G l u - A l a - L e u - T y r - L e u - V a l - C y s - G l y - G l u

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1

T h r L y s P r o T h r T y r P h e P h e G l y A r g

3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2

1922 Isolierung aus Pankreas durch Banting und Best

1934 Kristallines Insulin D.A. Scott mit Zinkionen

1964 Totalsynthese des Schafinsulins durch Zahn und Mitarbeiter

Wirkung: Insulin lagert Glucose in Form von Glycogen ab. Die blutzuckersenkende

Wirkung wird wahrscheinlich durch Permeabilitätserhöhung der Zellmembranen für

Glucose erreicht: Förderung des Abbaus der Glucose nach deren Eintritt in die Zelle.

Die räumliche Struktur von Insulin enthält alle wichtigen Elemente:

Die alpha-Helix

Das beta-Faltblatt und

Den Turn

Die Stabilität wird vor allem durch die

oxidationsempfindlichen Schwefelbrücken (-S-S-

) erreicht.

Die beiden Amino- und Säure-Enden sind frei,

was einen leichten Abbau ermöglicht. Die

Halbwertszeit im Blut beträgt ca. 5 Minuten.

Insulin bewirkt die Einlagerung von Glucogen in

den Zellen, diese werden mit Zucker gefüllt. Das

wird von Bodybuildern und Athleten ausgenützt –

sie verwenden Insulin als Doping 65 -

wahrscheinlich eines der potenteren

Dopingmittel!!

65 Coghlan A., Race to the death, New Scientist, 11 August 2001, 4

Chemie, 6sm

Abbildung 90: Die räumliche Struktur

von Rinder-Insulin

86


3.3.7.2 Beispiele von grossen Proteinen

Enzyme Biochemische Katalysatoren, Regler

Bsp.: Catalase 1 Molekül spaltet pro Min. 5.10 6 H2O2

Strukturproteine Bausteine mit Stütz- und Schutzfunktionen (z.B. Collagen,

Keratin oder Elastin)

Kontraktile Elemente Mechanische Energie (Muskelzellen, Actin-,

Myosinfilamente))

Sauerstoffhaushalt Transport Hämoglobin

Speicherung Myoglobin

Übertragung (Oxidation) Cytochrom

Membranproteine der Zellwand (z.B. Rezeptoren, Transportproteine)

Plasmaeiweisse (Albumin)

Blutgerinnungsfaktoren

Antikörper

Die Häm-Gruppe tritt in der Natur in verschiedensten Formen auf.

Strategie der Natur

Erfolgreiche Strukturen treten an verschiedensten Orten und für unterschiedlichste

Aufgaben auf (Corrine in Häm, Vitamin B12, Chlorophyll, Bakterienchlorophylle...).

Innere Abwehr Immunoglobuline (Antikörper)

Toxine Abwehr von Fremdem

LD(50):Botulinustoxin: 0.000'000’03 mg/kg: 10 -6 g töten 10 7 Mäuse

LD(50):Tetanustoxin: 0.000’00001 mg/kg

LD(50):Diphterietoxin: 0.000’03 mg/kg

Umsatz der menschlichen Eiweissstoffe:

Proteine der Leber werden in 10–20 Tagen, diejenigen der

Proteine der Haut und Muskulatur in ca. 160 Tagen zur Hälfte erneuert.

Die Hälfte des menschlichen Bluteiweisses wird in 10 Tagen ab- und wieder

aufgebaut, und

täglich werden 9% der Plasma-Albumine (Proteine in Flüssigkeiten und Geweben)

umgesetzt (HWZ 70/9 = 7,8 Tage).

Abbildung 91: Botulinus Toxin (Botox)

Chemie, 6sm

87


3.3.7.3 Faserartige Proteine

Proteine gehören zu den wichtigen „Baustoffen“ der Lebewesen.

Die wichtigsten Faserproteine sind Collagen, Keratin, Fibrinogen und Muskelproteine;

sie werden im Folgenden kurz beschrieben.

Collagen

Abbildung 92: Collagen-Fasern

Collagen ist das weitaus häufigste Protein bei Wirbeltieren. Knochen, Haut, Sehnen und

Knorpel bestehen aus Collagenfasern. Das Molekül ist normalerweise aus drei sehr

langen Aminosäureketten zusammengesetzt, jede mit etwa 1000 Aminosäuren (Gly-

Pro-Hypro--), die zu einer Dreifach-Helix gezwirbelt sind (Hypro kann dabei H-Brücken

bilden). Dadurch entsteht die grosse Festigkeit von Haut und Sehnen. Denaturiert man

lange Collagenfasern durch Kochen, so entstehen kürzere Ketten; das Produkt ist

Gelatine.

Abbildung 93: Dreifach-Helix von Collagen

3.3.7.4 Keratin

Keratin bildet die äussere Schicht der menschlichen Haut, Haare und Nägel sowie der

Schuppen, Hufe und Federn von Tieren. Seine Struktur ist eine reguläre α-Helix.

Chemie, 6sm

88


Keratin ist in Wasser nicht löslich – eine wichtige Eigenschaft, um den Körper vor

äusseren Einflüssen zu schützen. Durch viele Schwefelbrücken (-S-S-) ist das Protein

sehr stabil und lässt sich auch durch proteolytische (proteinlösende) Enzyme nicht

lösen. Die Behandlung des Haares zur Erzeugung von Dauerwellen beruht auf dem

Prinzip, die Zahl der Schwefelbrücken durch ein Reduktionsmittel, zum Beispiel

Thioglycol, zu verringern. Sie werden wieder gebildet, sobald das Haar mit Sauerstoff in

Berührung kommt.

Abbildung 94: Haar einer Europäerin

Bei übermässiger Keratin-Bildung, z. B. in Hühneraugen, Schwielen und Warzen spricht

man von Hyperkeratose.

3.3.7.5 Fibrinogen

Fibrinogen ist ein Blutplasmaprotein, das für die Blutgerinnung zuständig ist. Durch die

katalytische Wirkung des Thrombin wird Fibrinogen in das schwer lösliche Protein Fibrin

überführt. Dieses bildet Blutpfropfen.

Muskelproteine

Ein Protein, das in erster Linie für die Muskelkontraktion zuständig ist, ist das Myosin.

Zusammen mit Aktin, einem weiteren Muskelprotein, bildet es den Aktomyosin-

Komplex. Durch Verkürzung der Filamente des Aktomyosin entsteht die Kontraktion des

Muskels.

Chemie, 6sm

89


Spinnfaden

Abbildung 95: Die Struktur eines Spinnfadens

Anwendung: Unterscheidung von Baumwolle und Wolle/Seide durch den „Brenntest“

3.3.7.6 Globuläre Proteine

Im Gegensatz zu Faserproteinen sind globuläre Proteine kugelförmig und löslich. Sie

spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel des Körpers. Beispiele für globuläre

Proteine sind: Albumin, Globulin, Casein, Hämoglobin, Enzyme und Peptidhormone.

Albumine und Globuline sind lösliche Proteine aus tierischen Zellen, Blutserum, Milch

und Eiern. Hämoglobin ist ein Protein, das für den Sauerstofftransport im Blut zuständig

ist. Die rote Farbe der Blutkörperchen stammt von diesem Protein.

Man kennt heute mehr als 100 verschiedene Varianten des menschlichen Hämoglobins.

Das Hämoglobin S ist Ursache der Sichelzellenanämie, einer Erbkrankheit

unter Schwarzafrikanern.

3.3.7.7 Protein-Hormone

Diese Proteine stammen aus Hormondrüsen und wirken nicht als Enzyme. Sie

stimulieren vielmehr bestimmte (enzymatische) Reaktionen in den Zielorganen. Auf

diese Weise haben sie Einfluss auf lebenswichtige Körperfunktionen, wie Grundumsatz,

Produktion der Verdauungsenzyme und Milchproduktion, um nur einige zu nennen. Ein

wichtiges Enzym ist z. B. Insulin oder TRH (Thyroid Releasing Hormone). Es stammt

aus der Bauchspeicheldrüse, wo es in den Langerhans-Inseln produziert wird, und

beeinflusst den Blutzuckerspiegel. Ein anderes Enzym, das Thyroglobulin aus der

Schilddrüse, kontrolliert den Grundumsatz. Calcitonin, ein weiteres Enzym der Schilddrüse,

senkt den Calciumspiegel im Blut.

3.3.7.8 Antikörper

Antikörper sind ein wichtiger Teil unserer „Verteidigung“.

Antikörper, auch Immunoglobuline genannt, sind Tausende

verschiedener Proteine im Blutserum. Sie reagieren mit

Antigenen (Erregern oder Fremdkörpern) im Blut. Ein

einzelnes Antigen ist in der Lage, die Produktion vieler

Antikörper zu stimulieren, die dann das Antigen von

verschiedenen Seiten her angreifen und unschädlich

machen.

Chemie, 6sm

90

Abbildung 96: Schematische

Struktur eines Antikörpers


Abbildung 97: Antigen-Antikörper-Reaktion: Immunkomplexbildung (AG: Antigen, AK: Antikörper)

a) Optimales AG-AK-Verhältnis (Komplexe unlöslich); b) AK-Überschuss (Komplexe meist

unlöslich); c) AG-Überschuss (Komplexe überwiegend löslich)

Chemie, 6sm

91


2.3 Enzyme

2.3.1 Entdeckung und Wesen der Enzyme 66

Unter den vielen Proteinen, die am Aufbau und der Funktion der lebenden Zelle beteiligt

sind, haben die biologischen Katalysatoren, die wir Enzyme (Fermente) nennen,

besondere Bedeutung. Ihre Zahl ist nicht klein. Man kennt heute wenige tausend

verschiedene Enzyme, und es gibt viele Gründe anzunehmen, dass im Laufe der Zeit

noch sehr viel mehr hinzukommen werden. Viele sind isoliert und genügend rein

dargestellt worden, um ihren Aufbau nachzuweisen.

Ausserordentlich ist, dass Andreas Libavius (1555-1616) bereits 1597 in seinem Buch

„Alchymia“ die enzymatische Katalyse als Fermentation verwendet 67 .

Die Bezeichnung Ferment ist seit dem 17. Jahrhundert in Gebrauch zur qualitativen

Beschreibung der Gärung von Stärkeprodukten, aber auch der Verdauung und der

Fäulnis.

Eines der ersten Enzyme, das entdeckt

wurde - obgleich seine wahre Natur damals

kaum erahnt werden konnte - war das

Pepsin, ein proteinabbauendes Enzym des

Magensaftes. Der grosse italienische

Physiologe Lazzaro Spallanzani fütterte

Falken mit Fleischstückchen, die in feinsten

Drahtgehäusen eingeschlossen waren. Als

die Vögel später wie gewohnt die

unverdauten Reste (das („Gewölle“)

erbrachen, fand man, dass die

Drahtbüchschen leer waren. Dies zeigte,

dass der Magensaft der Vögel etwas

enthalten musste, das Fleisch verdauen

konnte. Diese Experimente wurden schon

Abbildung 98: Ein Wanderfalke und

Fermente?

1783 ausgeführt. Dennoch dauerte es noch lange, bis Enzyme systematisch untersucht

wurden.

1833 begannen die chemischen Untersuchungen der Enzyme, als der französische

Chemiker Anselme Payen (1795 - 1871) Amylase (damals noch Diastase genannt) das

erste Enzym überhaupt entdeckte. Die Enzyme spielen eine zentrale Rolle im

Stoffwechsel aller lebenden Organismen. Der Grossteil der chemischen Reaktionen,

von der Energieumwandlung bis zur Übertragung der Erbinformation, wird von

Enzymen katalysiert und gesteuert.

1858 konnte der grosse Louis Pasteur beim Studium des Gärungsprozesses zeigen,

dass Zuckerlösungen vollkommen stabil sind, sofern sie steril und unter Luftabschluss

bleiben. Gelangt aber Luft an die Lösungen, so fallen Hefezellen aus der Luft hinein und

der Gärungsprozess setzt unmittelbar ein. Ebenso konnte nachgewiesen werden, dass

die Säuerung von Wein und Milch von der Tätigkeit anderer Mikroorganismen abhängt,

66

Grossteils nach: Baldwin E., Das Wesen der Biochemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1968, 39

67

Libavius Andreas, Die Alchemie des Andreas Libavius, Ein Lehrbuch aus dem Jahre 1597, Verlag

Chemie, Weinheim, 1964, S. 103

Chemie, 6sm

92


die Pasteur seinerzeit „Fermente“ nannte. Er glaubte, dass an der Fermentation, der

Säuerung und an verwandten Prozessen spezielle Mikroorganismen beteiligt und diese

Vorgänge mit ihrem Leben untrennbar verknüpft sind.

40 Jahre später, genauer 1897, bereiteten zwei deutsche Chemiker, die Brüder

Buchner, einen Saft, in dem sie lebende Hefezellen mit Sand und Kieselgur (einer

silikathaltigen Erde) zerrieben und das Produkt in einer hydraulischen Presse

auspressten. Der resultierende Hefesaft sollte medizinischen Zwecken dienen, aber er

wurde sehr schnell schlecht und das Problem der Konservierung musste gelöst werden.

Unter anderem versuchten es die beiden Buchner mit der Kochbuchchemie, indem sie

grosse Mengen Rohrzucker hinzufügten. Ohne es zu wissen, legten sie auf diese

Weise das Fundament für unsere gesamte heutige Kenntnis über die Enzyme, denn

obgleich ihr Hefesaft keine intakten Hefezellen mehr enthielt, brachte er den Zucker zur

lebhaften Gärung. Hier wurde zum ersten Mal ein „Ferment“ künstlich von den Zellen,

die es hervorgebracht hatten, getrennt.

Dieser Zucker fermentierenden Substanz wurde der Name „Enzym“ gegeben, was

wörtlich „in der Hefe“ heisst. Als man später fand, dass von anderen Zellen Saft mit

anderen katalysierenden Eigenschaften gewonnen werden konnte, wurde der Name

„Enzym“ als kollektive Bezeichnung unternommen und dem Hefeenzym der

differenzierende Name Zymase gegeben. Innerhalb weniger Jahre wurde die neu

entdeckte Zymase besonders von Harden und Young in England ausführlich

untersucht. Sie fanden beispielsweise, dass Zymase ihre Aktivität durch Kochen verliert

und dass sie aus mindestens zwei Komponenten besteht, einem Apoenzym und einem

sogenannten Coenzym, welches hitzestabil ist. Das kann mit einer Methode

nachgewiesen werden, die man Dialyse nennt. Wenn man Hefesaft in ein Kollodium-

oder Zellophansäckchen füllt, das in ein grosses Gefäss mit destilliertem Wasser

gehängt wird, kann das niedermolekulare Coenzym durch das Cellophan in die

Wasserumgebung hinaustreten. Die Proteinmoleküle des Apoenzyms sind zu gross, um

durch die Membranporen hindurch zu schlüpfen und werden deshalb zurückgehalten.

Das Enzym, das auf diese Weise von niedermolekularen Substanzen befreit wird, ist

inaktiv. Aber es gewinnt seine Aktivität zurück, wenn das Wasser aus dem grossen

Behälter konzentriert und zum Enzym gegeben wird. Auch kann man so die Aktivität

wieder herstellen, indem man etwas gekochten Hefesaft zu dem dialysierten Enzym

hinzufügt. Kochen zerstört des Enzym, lässt aber das niedermolekulare Coenzym, die

Cozymase, unverändert:

Apoenzym + Coenzym Holoenzym

Wir wissen heute, dass „Zymase“ kein einzelnes Enzym, sondern eine komplette

Mischung von etwa 15 Enzymen ist und dass „Cozymase“ mindestens vier Substanzen

in sich vereinigt. Die Vergärung von Glucose oder Rohrzucker in Alkohol und

Kohlendioxid ist in Wirklichkeit kein einfacher Ein-Schritt-Prozess, sondern eine lange

Kette schrittweiser chemischer Vorgänge, von denen keiner mit wahrnehmbarer

Geschwindigkeit abläuft, wenn nicht das passende Enzym vorhanden ist. Einige

brauchen Coenzyme, ohne deren Anwesenheit die Reaktion nicht ablaufen kann.

Carboyxpeptidase A benötigt beispielsweise Zn ++ als Cofaktor.

Urease: 2 CO(NH2)2 + H2O 2 NH3 + CO2

Urease katalysiert die Spaltung von Harnstoff in Ammoniak und CO2. Methylharnstoff

ergibt keine Reaktion. Die Urease besteht aus 3 Untereinheiten und benötigt als

Cofaktor Nickel. Urease kommt im Boden und bei Helicobacter vor.

Chemie, 6sm

93


Bereits die frühen Arbeiten von Harden und Young brachten viele prinzipielle und

charakteristische Eigenschaften der Enzyme zutage, die man folgendermassen

zusammenfassen kann: Enzyme sind komplexe organische Katalysatoren, die von

lebenden Zellen produziert werden. Sie sind jedoch fähig, unabhängig von den Zellen,

die sie hervorgebracht haben, zu funktionieren. Sie sind thermolabil, d.h. durch Hitze

zerstörbar. Auch sind sie hochspezifisch, d.h. ihre Wirkungsweise ist auf eine einzige

Reaktion oder auf eine kleine Gruppe ähnlicher chemischer Reaktionen beschränkt.

Ohne den passenden Cofaktor - Coenzym - sind viele Enzyme wirkungslos.

Der Untersuchung der Enzym-Kinetik (Sørensen, Michaelis, ca. 1910) folgte 1926 die

Kristallisation des ersten Enzym (Urease) durch Sumner und der Nachweis der Protein-

Natur. Das erste Enzym, dessen Aminosäure-Sequenz vollständig entschlüsselt werden

konnte, war Ribonuclease (Moore und Stein, 1963). Lysozym war das erste, dessen

Tertiärstruktur aufgeklärt wurde (1966). Im Jahre 1969 synthetisierte Merrifield mit der

nach ihm benannten Technik in 11931 Schritten die gesamte Sequenz der

Ribonuclease. Durch die Fortschritte in der Synth. der Desoxyribonucleinsäuren sowie

ihrer gentechnologischen Vermehrung (Klonierung) und Expression in Organismen, ist

es heute praktisch möglich geworden, "massgeschneiderte" Enzym mit veränderten

Eigenschaften wie Substratspezifitäten, Säure- und Wärmetoleranzen etc. in beliebigen

Mengen herzustellen.

2.3.2 Eigenschaften der Enzyme

Die Enzyme sind die „Produktionsmaschinen“

der Zellen.

Alle Enzyme sind globuläre Proteine.

Sie verbinden sich daher schnell mit

anderen Substanzen, den

sogenannten Substraten, um die

verschiedensten chemischen

Reaktionen im Körper zu katalysieren

Substrat

Enzym

Enzym-Substrat-

Komplex

Abbildung 99: Enzymatische Reaktion

(Biokatalysatoren). Im Wesentlichen kontrollieren die Enzyme den Stoffwechsel.

Produkte

Enzyme sind zusammen mit den Coenzymen echte Katalysatoren – sie verringern die

Aktivierungsenergie und lassen Prozesse rascher ablaufen. Den Stoff, den Enzyme

umsetzen nennt man Substrat S.

Chemie, 6sm

94


E

S+B+

E

E

S +B

E mit Enzym

a

P

E ohne Enzym

a

Abbildung 100: Die Aktivierungsenergie einer Enzymreaktion, im Vergleich mit einer

unkatalysierten Reaktion

E

Im Vergleich mit dem Umfang der chemischen Veränderungen, die in ihrer Gegenwart

ablaufen können, ist die Menge, in der sie gebraucht werden, sehr klein. Man findet

Enzyme überall in der Zelle, und im transzellulären Raum, z.B. in den

Verdauungsorganen. Man schätzt, dass eine Leberzelle nur ca. 50 Millionen

Enzymmoleküle enthält. Das findet seine Erklärung darin, dass sie wie andere

Katalysatoren an der Reaktion, die sie katalysieren, teilnehmen, aber am Ende des

Prozesses regeneriert werden und so lange wieder benutzt werden können.

Wie andere Katalysatoren können Enzyme „vergiftet“ werde, so dass sie einen Teil oder

die gesamte katalytische Kraft verlieren. Man spricht dann von Hemmung oder

Inaktivierung.

Physikalische Faktoren die eine solche Wirkung auf die Enzyme ausüben, sind z.B:

hohe Temperaturen, extreme pH-Werte, ultraviolettes Licht, gewaltsame mechanische

Beanspruchung und vieles andere. Hemmung oder Inaktivierung werden auch häufig

von Chemikalien hervorgerufen, die mit den -SH, oder -NH2 oder -COOH Gruppen

reagieren, was die Annahme zulässt, dass Gruppen wie diese eine lebenswichtige

Rolle in der enzymatischen Katalyse spielen. Es gibt viele Beweise, dass das wirklich

so der Fall ist. Bekannte starke Inhibitoren sind die Salze von Schwermetallen

(reagieren oft mit den S-Gruppen!) und Säuren, wie Phosphorwolframsäure,

Perchlorsäure und Trichloressigsäure. Die letztgenannten Ionen sind natürlich negativ

geladen und verbinden sich mit Enzymen in sauren Lösungen, in denen die

Enzymproteine positiv geladen sind. Sie bilden unlösliche, salzähnliche Komplexe, die

als Katalysatoren unwirksam sind. Dagegen üben Schwermetallionen ihren Einfluss in

Lösungen aus, die im Vergleich zu dem isoelektrischen pH des Enzymproteins

alkalischer sind. Diese sind dann negativ geladen und es werden weder unlösliche,

katalytisch unwirksame, salzähnliche Stoffe gebildet. Andererseits stellt z.B. die

Cytochromoxidase der Atmungskette schon bei Anwesenheit von geringen Blausäure-

Mengen ihre Aktivität ein.

Viele Reagenzien, die Enzyme inaktivieren, lassen entweder Eiweiss gerinnen oder

rufen in ihm feine chemische Veränderungen hervor, die man schlechthin

„Denaturierung“ nennt; ein weiterer Hinweis, dass Enzyme wirklich Proteine sind. Man

Chemie, 6sm

P+

E

P

Zeit

95


kann behaupten, dass fast alle Enzyme Proteine, seltener Glycoproteine sind

(Verbindung mit Zucker und Proteinen).

Die haben Enzyme ein sehr hohes Molekulargewicht und deshalb ist ihre molare

Konzentration in Zellen und Geweben immer sehr klein. Ein einfaches Beispiel ist die

Urease 68 , ein Enzyms, das die Hydrolyse des Harnstoffs katalysiert.

O

H 2 N C NH 2

H 2 O

(Urease)

O

H 2 N C OH

Carbamidsäure

+

NH 3

Abbildung 101: Vereinfachtes Reaktionsschema der Urease

Harnstoff hat ein Molekulargewicht von 60, während das der Urease ungefähr 544 000

Gramm pro Mol ist. Wollen wir eine 1%ige Lösung beider Stoffe herstellen, wäre die

molare Konzentration des Harnstoffes nicht weniger als 9000mal so gross wie die des

Enzyms. Urease beschleunigt die Harnstoff-Hydrolyse auf mehr als das 10 14 fache (!!)

der unkatalysierten Reaktion. So spaltet 1 g Urease bei 20 °C innerhalb 1 Minute etwa

60 g Harnstoff, also 544'000 Spaltungen pro Minute und Enzym.

Viele Enzyme treten in Zellen und Geweben in Konzentrationen auf, die man fast

unendlich klein nennen möchte, und dennoch hängt das Leben der Zelle von ihrer

katalytischen Aktivität ab.

Eine der beachtenswertesten Eigenschaften der Enzyme und eine, die sie von anderen

bekannteren Katalysatoren wie z.B. dem Platinmohr oder anderen feinverteilten

Metallen unterscheidet, ist ihre ausgeprägte Spezifität. Wie allgemein bekannt,

katalysiert Platinmohr eine ziemlich grosse Zahl chemisch verschiedener Prozesse;

dagegen sind sehr viele Enzyme absolut spezifisch. Damit meinen wir, dass ein Enzym

dieser Art nur eine einzige Reaktion katalysieren kann. In wenigen Fällen kann ein

bestimmtes Enzym eine Reihe ähnlicher Reaktionen katalysieren. In diesem Fall spricht

man von Gruppenspezialität. Der Fall so genannt niedriger Spezifität ist verhältnismässig

selten. Einer der wenigen bekannt gewordenen Fälle wurde bei bestimmten

Ester spaltenden Enzymen entdeckt. Sie spalten Esterbindungen unabhängig von der

Natur der Säure oder des Alkohols, aus denen sie gebildet sind. Zusammenfassend

kann gesagt werden: Enzyme haben nebst der Katalyse vier wichtige Eigenschaften sie

sind 69 :

1. substratspezifisch (eduktspezifisch, selektiv; reagieren nur mit wenigen

Edukten),

2. produktspezifisch (immer dasselbe Produkt, führen immer dieselbe

Reaktion durch).

3. reaktionsspezifisch (wirkungsspezifisch, benötigen vorgegebene

Reaktionsbedingungen)

4. enantiospezifisch (stereospezifisch räumliche Anordnung).

68 Urease (EC 3.5.1.5); Die Urease besteht aus 3 Untereinheiten und benötigt als Cofaktor Nickel.

69 Ball Ph., Chemie der Zukunft – Magie oder Design?, VCH, Weinheim, 1996, 82

Chemie, 6sm

CO 2

+

2

NH 3

96


Bei Enzymen ist nicht nur das aktive Zentrum, die Bindungsstelle, sondern das ganze

Protein beteiligt. Neben der Form („Schlüssel-Schloss-Prinzip“) spielt die Chemie

(Dipole, freie Elektronenpaare, Komplexbindungen, H-Brücken, van der Waals-

Bindungen) eine ebenso grosse Rolle – insbesondere beim Andocken und der

Reaktion!!!

Die Enzymwirkung wird heute mit 2 Modellen beschrieben, die sich auf den ersten Blick

nicht sehr stark unterscheiden, aber in der molekularen Dynamik von unterschiedlichen

Annahmen ausgehen:

+

+

Enzym + Substrat Enzym - Substrat - Komplex

Abbildung 102: Oben: "Schlüssel-Schloss"-Modell; Unten: „Induced Fit“-Modell 70

Der wesentliche Unterschied der beiden Modelle besteht darin, dass beim Induced-Fit

Modell von Koshland mit statischen Molekülmodellen keine korrekte Vorhersage der

möglichen Substrate möglich ist. Das ist damit begründet, dass das Substrat nach

diesem Modell das Enzym-Protein selbst verformt, bis es gebunden und dann umgewandelt

werden kann.

Wie beim Händeschütteln genügt es nicht, dass die Moleküle in der komplementären

Gestalt rechter oder linker Hände vorliegen. Denn auch Hände greifen nur dann

vollständig ineinander, wenn sie sich umschliessen. Die Formen zweier Dipeptide

passen sich zum Beispiel bei ihrem molekularen Händedruck dynamisch aneinander

an. Dabei induzieren die Moleküle wechselseitig eine Änderung ihrer Konformation.

2.3.3 Messung der Enzymaktivität

Wenn ein Enzym zusammen mit seinem Substrat 71 unter konstanten Bedingungen in

bezug auf Temperatur und pH inkubiert wird, kann der Umfang der ablaufenden

chemischen Veränderung durch geeignete analytische Methoden gemessen werden.

Angenommen, das Substrat sei ein nicht reduzierender Zucker, Rohrzucker, und das

Enzym sei Hefesaccharase, ein hydrolysierendes Enzym, das Ergebnis der Hydrolyse

sind Glucose und Fructose.

Beide haben reduzierende Eigenschaften; den Ablauf der Reaktion kann man dadurch

bestimmen, dass man den Umsatz misst, indem man aus der Reaktionsmischung in

bestimmten Zeitabständen Proben entnimmt oder kontinuierlich misst. Zeichnet man

den Umsatz gegen die Zeit auf, erhält man eine Verlaufskurve der Reaktion. In den

meisten Fällen hat die Kurve eine Form wie in der folgenden Abbildung.

70 Enzyme, Römpp Lexikon Chemie – Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999

71 Die Substanz, auf welche die katalytische Wirkung ausgeübt wird.

Chemie, 6sm

97


Gespaltene Proteine (titrierte

NH 2-Gruppen)

4.5

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0 20 40 60 80 100

Zeit (Min.)

Abbildung 103: Reaktionsablauf mit einem Enzym: Die Verdauung von Casein durch Trypsin.

Die Reaktion beginnt, sobald das Enzym zum Substrat hinzugefügt wird. Zunächst ist

die Kurve praktisch linear, aber bald fällt die Umsatzrate ab. Man hätte eigentlich

erwarten dürfen, dass das Ergebnis so lange konstant bleibt, bis das Substrat

verbraucht ist; die Erfahrung lehrt es anders. Mit fortschreitender Reaktion verändert

sich die Reaktionsmischung. Das Substrat wird verbraucht, Die Reaktionsprodukte

treten auf und beginnen sich anzuhäufen, und wenn die Reaktion reversibel ist,

tendieren sie dazu, der Vorwärtsreaktion entgegenzuwirken. In einigen Reaktionen

entstehen sogar pH-Verschiebungen. Alle diese Veränderungen beeinflussen die

Enzymaktivität.

Wenn wir die Auswirkungen von Einflüssen wie Temperatur und pH auf die

Enzymaktivität untersuchen wollen, müssen wir entweder darauf achten, dass die

Veränderungen in der Reaktionsmischung in jedem Experiment gleich bleiben, oder

versuchen, diese Veränderungen minimal zu halten. Eine Methode ist die Messung der

Zeit, die das Enzym braucht, um einen bestimmten Grad von chemischer Veränderung

zu katalysieren. Die gemessene Zeit gibt dann das reziproke Mass der Enzymaktivität;

reziprok, weil ein Enzym, das halb so aktiv ist, doppelt so lange braucht, um denselben

Betrag einer chemischen Veränderung herbeizuführen.

Diese Methode sehr breit anwendbar, vorausgesetzt, dass das Enzym unter den

experimentellen Bedingungen stabil bleibt. Aber diese Voraussetzung wird nicht immer

erfüllt, und eine andere Methode wird im Allgemeinen vorgezogen. Da die

Veränderungen in der angesetzten Mischung schon sehr bald nach dem

Reaktionsbeginn stattfinden, müssen wir sie in Betracht ziehen, was für gewöhnlich

schwierig ist, oder wir müssen unsere Untersuchung sehr bald nach dem Beginn der

Reaktion durchführen. Wenn dieses Intervall klein genug ist, werden die

Veränderungen in der Reaktionsmischung klein genug sein, um sie vernachlässigen zu

können. Man braucht nicht darauf hinzuweisen, dass die Substratmenge, die in einem

kurzen Zeitraum abgebaut worden ist, nur sehr klein sein wird. Aber heutzutage stehen

viele ausgezeichnete mikroanalytische Methoden zur Verfügung, so dass genaue

Messungen der initialen Reaktionsgeschwindigkeit in den meisten Fällen durchgeführt

werden können. Die Messung der Anfangsgeschwindigkeit einer enzymgesteuerten

Reaktion gibt ein zuverlässiges Mass der Enzymaktivität unter festgelegten

experimentellen Bedingungen.

Chemie, 6sm

98


2.3.3.1 Einfluss des pH

Der Einfluss des pH-Wertes auf die Enzymaktivität ist ausgeprägt, und die grosse

Mehrzahl der Enzyme funktioniert nur in einem sehr engen pH-Bereich.

COOH

NH3

+

H H+

COOH

NH3

+

saurer pH pH = pI

+

+ _

+

+

+ _

_

+

_ _ +

+

+ +

+

_

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

Nettoladung

_ _

COO

COO

NH3

+

OH-

_

COO

NH3

+

isoelektr.

Punkt pl

alkal. pH

5 10 pH

Abbildung 104: Veränderung der Oberfläche durch pH-Änderungen

NH2

_

COO

NH2

Die Abbildung zeigt einige typische Aktivitätskurven. Unter bestimmten

Voraussetzungen entsteht ein deutliches Wirkungsmaximum beim sogenannten

optimalen pH-Wert. Zu beiden Seiten dieses Optimalwertes fällt die Aktivität mit der

Veränderung des pH schnell ab. Der optimale pH-Wert ist keine feste und

unveränderliche Eigenschaft, sondern kann sich z.B. mit dem Ausmass der Ionisierung,

dem verwendeten Puffer und der Wirkungsdauer des Enzyms ändern.

Isoelektrischer Punkt (IEP) = pH-Wert, bei dem die Nettoladung einer Aminosäure

oder eines Proteins Null ist. Dieser ist dadurch charakterisiert, dass die Summe der

tatsächlichen Ladungen der Partikel (Nettoladung) null ist. Z. B. sind bei Aminosäuren

und andere Zwitterionen beide Grössen identisch, da sie hier durch Fremdionen nicht

beeinflusst werden. Bei makromolekularen Ampholyten fallen IEP und

Ladungsnullpunkt nicht mehr ohne weiteres zusammen. So wird z. B. die für Eiweisse

charakteristische Lage des IEP von der Anzahl der sauren und basischen Gruppen und

deren Lage im Molekül (Oberfläche) beeinflusst. Man bestimmt den IEP von Eiweissen

meist elektrophoretisch aufgrund des Minimums der Wandergeschwindigkeit im

elektrischen Feld, seltener durch Messung des mit dem isoelektrischen Zustand

verbundenen Flockungsmaximums oder des Minimums von Löslichkeit.

Chemie, 6sm

99


Relative Enzymaktivität

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

1 3 5 7 9 11

pH-Wert

Pepsin

Speichelamylase

Arginase

Abbildung 105: Wirkung des pH auf die Enzymaktivität. Im sauren Bereich: Pepsin; Neutral:

Speichelamylase; Basisch: Arginase.

Amylase eine Verdauungsenzym im Speichel und Darm katalysiert nur die Spaltung

von Stärke in Glucose und nicht Cellulose, obwohl beide aus Ketten von Glucose

bestehen. Der Unterschied ist die Bindung der Glucosemoleküle. Die Amylase besteht

aus 1 Polypeptidkette und enthält Ca ++ als Cofaktor.

2.3.3.2 Einfluss der Temperatur

Die Temperatur hat auf die Enzyme ebenfalls einen deutlichen Effekt. Als allgemeine

Regel gilt, dass chemische Reaktionen umso schneller ablaufen, je höher die

Temperatur ist (RGT-Regel). Die enzymgesteuerten Reaktionen bilden keine

Ausnahme. Enzyme werden durch zu hohe Temperatur jedoch zerstört

(Denaturierung). Folglich gibt es eine optimale Temperatur, d.h. eine Temperatur, mit

der grössten Reaktionsgeschwindigkeit, bei einer gegebenen Enzymmenge und unter

gegebenen experimentellen Bedingungen.

Enzymaktivität

10

8

6

4

2

0

0 20 40 60 80

Temperatur °C

Abbildung 106: Einfluss der Temperatur auf die Enzymaktivität der Catalase (Temperaturoptimum)

Chemie, 6sm

100


2.3.4 Umkehrbarkeit der Enzymwirkung

Thermisch sind alle Reaktionen reversibel und eine katalytische Reaktion. Ein

Katalysator, der eine Reaktion in einer Richtung beschleunigt, sollte sie - wiederum

theoretisch - auch in der andern Richtung beschleunigen, so dass alle enzymatisch

katalysierten Reaktionen in ein Gleichgewicht kommen müssten. Diese Reversibilität

der Enzymwirkung ist tatsächlich in vielen Fällen nachgewiesen worden.

Untenstehende Abb. zeigt die Versuchsergebnisse der Wirkung von fettspaltenden

Enzymen (Ricinussöllipase) bei der Hydrolyse und Synthese des entsprechenden

Fettes: Die endgültige Gleichgewichtsmischung ist dieselbe, ob man nun vom Ester

oder von seinen einzelnen Komponenten ausgeht.

freie Fettsäure

100

80

60

40

20

0

0 10 20 30

Zeit (Stunden)

Hydrolyse

Synthese

Abbildung 107: Reversibilität der Wirkung von Rizinuslipase auf Triolein (Ester mit drei

Oleinsäuren). (Man beachte die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung).

In vielen Fällen ist das Gleichgewicht aber so weit zur einen oder anderen Seite

verschoben, so dass die Reaktion praktisch nur in einer Richtung abläuft. Ein

ausgezeichnetes Beispiel dafür ist die Wasserstoffperoxidspaltung, die durch das

eisenhaltige Enzym Catalase 72 katalysiert wird.

(Catalase: Wasserstoffperoxid:

Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase, EC 1.11.1.6).

Catalase ist ein Enzym, das in pflanzlichen und

tierischen Geweben allgemein verbreitet ist.

2 H2O2 2 H2O + O2 ; H= - 193 kJ

Bei aeroben (Sauerstoff-verbrauchenden)

Stoffwechselprozessen entsteht unter der

Einwirkung von Oxidasen in besonderen

Zellorganellen (Peroxisomen) Wasserstoffperoxid,

das von der gleichzeitig anwesenden Catalase

sofort zersetzt wird. Zu den Peroxidasen gehörig,

72

Catalase (EC 1.11.1.6) MR 245 000; Catalase ist eines der „s

spezifischen Aktivität von 0,08 kat (5 · 10 6 Abbildung 108: Catalase mit dem

aktiven Zentrum der Häm-Gruppe im

chnellsten“ Zentrum (1/4 Enzyme Einheit, mit Catalase einer ist ein

UmsetzungenTetramer) pro Minute) pro Mikromol.

Chemie, 6sm

101


kann Catalase auch von anderen Donoren, z.B. Ethanol, Wasserstoff auf

Wasserstoffperoxid übertragen.

MG. 245000 mit 4 Häm-Mol. in Form von Ferriprotoporphyrin mit Eisen(III)

Catalase ist eines der „schnellsten“ Enzyme

Hemmstoffe sind z.B. Schwefelwasserstoff, Blausäure, Fluoride, Azide und

Hydroxylamin

Tabelle 9: Katalyse von Wasserstoffperoxid

Molekül Molmasse

g/mol

Fe 3+

aq

Geschwindigkeit

ml/s

pro Gramm

Geschwindigkeit

ml/s

pro Mol

relative

Geschwindigkeit

pro Molekül

102

Aktivierungsenergie

kJ

(abgeschätzt)

164 0.000’01 6.1E-8 1.0 163

Häm 364 0.01 2.7E-5 450 127

Catalase 250’000 100’000 4.0E-1 6’600’000 50

Strategie der Natur:

Der Aufbau von sehr grossen Molekülen ist für die Natur sehr ökonomisch, sie spart

damit viel Material und damit auch viel Energie !!

Enzyme sind spezifisch. Beispiel: Urease

2 CO(NH2)2 + H2O 2 NH3 + CO2

Urease katalysiert die Spaltung von Harnstoff in Ammoniak und CO2. Methylharnstoff

ergibt keine Reaktion.

(Die Urease besteht aus 3 oder 6 Untereinheiten und benötigt als Cofaktor Nickel)

Enzyme sind sehr spezifisch und wirksam.

2.3.5 Klassifizierung der Enzyme

Die Klassifizierung der Enzyme ist keine leichte Sache, besonders deshalb nicht, weil

sie eine solche enorme Vielzahl und Vielfalt chemischer Reaktionen katalysieren – man

kennt heute ca, 7000 Enzyme 73 . Um die Sache noch komplizierter zu machen, gab es

lange keine eindeutige Methode, um diese Katalysatoren zu benennen. Früher war es

üblich, die Silbe -ase an den Substratnamen anzuhängen, d.h. an die Substanz, auf die

das Enzym seine Aktivität ausübt; aber das war nicht zufriedenstellend. Im Idealfall

sollte der Name, den man einem Enzym gibt, einiges aussagen, nämlich:

1. Die Art des Substrates,

2. die Art der chemischen Veränderung, die an dem Substrat vorgenommen wird,

3. die Herkunft des Enzyms.

So könnte man z.B. von „Muskellactatdehydrogenase“, sprechen. Das würde ein

Enzym bezeichnen, das a) am Lactat angreift, b) die Entfernung von Wasserstoff

katalysiert, und c) im Muskel vorkommt.

Die heute vorgeschlagene Klassifizierung sieht kurz dargestellt folgendermassen aus:

73 Ball Ph., Chemie der Zukunft – Magie oder Design?, VCH, Weinheim, 1996, 83

Chemie, 6sm


Tabelle 10: Enzymklassen nach der IUB-Einteilung (Klassierung nach Wirkung)

EC-Nr. Klasse katalysierter Reaktionstyp

1 Oxidoreductasen Wasserstoff-, Elektronenübertragung

Diese Klasse schliesst verschiedene Gruppen oxydierender und

reduzierender Enzyme ein.

2 Transferasen Gruppenübertragung

Hexokinase transferiert ein Phosphatrest von ATP auf Glucose.

3 Hydrolasen Hydrolytische Spaltung

Enzyme, die die Spaltung ihrer Substrate mit Hilfe eines zweiten

Reaktionsteilnehmers, für gewöhnlich Wasser, Katalysieren, so

dass die katalysierte Reaktion eine Hydrolyse ist.

Bsp.: Urease, Amylase

4 Lyasen Eliminierung

Enzyme, die den Hydrolasen ähneln, aber keinen zweiten

Reaktionsteilnehmer für die Spaltung benötigen. Citratsynthetase

stellt Citronensäure her.

Bsp.: Catalase

5 Isomerasen Isomerisierung

Sie katalysieren die intramolekulare Umlagerung in den

Substratmolekülen. Phosphoglucoisomerase wandelt Glucose-6-

6 Ligasen

(Synthetasen)

Beispiel: Eine Amylase

2.3.6 Funktionen der Enzyme

Phosphat in Fructose-6-Phosphat um.

Kondensationen unter Verbrauch von Adenosin-5’-triphosphat

(ATP)

Diese Enzyme katalysieren die Synthese vieler biologischer

Substanzen. DNA-Ligase repariert DNA.

Der erste chemische Prozess, dem die aufgenommenen Nahrungsmittel im Tier

unterliegen, ist die Verdauung. An diesem Vorgang sind eine ziemlich grosse Zahl von

Hydrolasen beteiligt, jede spezifisch für die Hydrolyse eines ganz bestimmten

Substrates. Alle Verdauungsenzyme sind Hydrolasen, d.h. sie katalysieren

hydrolytische Prozesse. Es gibt z.B. Amylasen (aus dem lateinischen Amylum =

Stärke), die den hydrolytische Abbau der Stärke zu Glucose katalysieren, und Lyasen,

die in der gleichen Form auf Fette einwirken. Eiweissspaltende Enzyme nennt man

Peptidasen. Das Gesamtergebnis dieser Verdauung ist die Auflösung der komplexen

Moleküle, aus denen die Nahrungsmittel zusammengesetzt sind, in ihre einfacheren

Komponenten, ähnlich Monosaccharin, Fettsäuren und Aminosäuren. Diese können

vom Darm resorbiert werden und treten in die Blutbahn über.

Chemie, 6sm

103


Mit Hilfe des Blutes werden diese einfacheren Stoffe

an die einzelnen Körperorgane verteilt und gelangen

in ein riesiges und ausserordentlich verwickeltes

Labyrinth enzymatisch gesteuerter chemischer

Vorgänge, denen man den kollektiven Namen

Intermediärstoffwechsel gegeben hat. Einige dieser

Reaktionen sind ihrer Art nach Synthesen, andere

Abbaureaktionen, die einfachere Substanzen bilden

und deren Endprodukte schliesslich in der

Hauptsache Wasser, Kohlendioxyd und bei

Säugetieren Harnstoff sind. Der Metabolismus als

Ganzes kann daher unterteilt werden in

1. Anabolismus , d.h. alle Reaktionen, die zu

Synthesen führen, z.B. Körperprotein aus

Aminosäuren, und

2. Katabolismus, also Abbaureaktionen wie z.B.

Zucker in CO2 und Wasser.

Abbildung 109: Pepsin (Schwein),

Proteinkette

Es ist zwar leicht, Zucker oder Butter zu Kohlendioxid

und Wasser abzubauen, indem man sie einfach ins Feuer wirft. Aber bei dieser

Methode wird viel Energie verschwendet, da die freigesetzte Energie bei dieser Form

der Verbrennung nur ein wenig zu der Hitze beiträgt, die das Feuer selbst entwickelt.

Auf jeden Fall geht das Meiste in den Schornstein. Beim lebenden Organismus liegen

die Dinge ganz anders. Der Organismus lebt von Energie, die er aus dem Katabolismus

der Nahrungsmittel gewinnt, und die, und die katabolen Prozesse, durch die er Energie

gewinnt, sind umwegreiche Schritt-für-Schritt-Operationen, ganz unähnlich denen, die

im Feuer passieren. Bei jeder einzelnen Zwischenstation wird ein Enzym,

gegebenenfalls auch ein Coenzym, gebraucht. Keiner dieser Vorgänge ist völlig

selbstständig, sondern alle sind mit anderen Zweigen des Stoffwechsels gekoppelt, so

dass im Endergebnis der ganze Stoffwechsel des Organismus eine sehr komplexe

Angelegenheit voller Querverbindungen darstellt. Dieses Netz so vollständig wie

möglich zu entwirren und zu verstehen, ist das Hauptziel der Biochemie.

Ohne Enzyme würde unsere zelluläre Biochemie nicht ablaufen, d.h. Leben gäbe es

nicht! Fehlen Enzyme, so kann das krankhafte Folgen haben. Die häufigste

enzymatisch bedingte Erbkrankheit der Welt ist Favismus (ca. 400 Millionen Kranke),

ein Fehlen der Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD); Folge: Anämien.

Eiweissverdauung

Die Eiweissverdauung ist eine grosse Meisterleistung, weil die Enzyme selbst Eiweisse,

Proteine, sind, und auch die Zellwände des Verdauungssystems viele Proteine

enthalten.

Die wesentlichen an der Verdauung beteiligten Sekrete sind der Speichel aus den

Speicheldrüsen; Der Magensaft, der von Zellen abgesondert wird, die den Magen

auskleiden, und der eine ganze Menge freier Salzsäure enthält; der Pankreassaft und

der Gallensaft aus dem Pankreas bzw. der Leber und der Darmsaft aus der

Schleimhaut, die den Dünndarm auskleidet.

Die erste Hydrolase, die das mit der Nahrung aufgenommene Eiweiss angreift, ist das

Pepsin, ein proteolytisches Enzym im Magensaft. Sein ungewöhnlich saures pH-

Chemie, 6sm

104


Optimum liegt bei 1.54 und wird durch die Salzsäure im Magensaft erzielt. Pepsin ist

ein gutes Beispiel für ein Phänomen, das wir bisher noch nicht erwähnt haben. So wie

es sezerniert wird, greift es Eiweiss nicht an, weil der aktiv Teil des Enzyms durch eine

andere Substanz sozusagen maskiert ist. Diese „Maske“ wird durch die freie Salzsäure

des Magensaftes entfernt und damit das Enzym aktiviert. Wenn erst etwas freies

Pepsin da ist, demaskiert und aktiviert es selbst seine Vorstufe (Pepsinogen), so dass

die Aktivierung, wenn sie erst einmal angelaufen ist, zum autokatalytischen Prozess

wird.

Amino-Terminus

R 1 O R 2 O R 3 O

H2N CH C NH CH C NH CH C

Carboxy-Terminus

R

n

O

NH CH C OH

AS-Rest 1 AS-Rest 2 AS-Rest 3 AS-Rest n

Abbildung 110: Peptidkette mit Amino-Ende, Peptidbindungen und Carboxyl-Ende

Pepsin gehört zu den Endopepitdasen, d.h. es greift die Proteinkette an bestimmten

Punkten an, die nicht an den Enden der Peptidkette liegen. Bezüglich der Aminosäure-

Reste besteht bei Pepsin A keine ausgeprägte Spezifität; jedoch werden die Bindungen

Phe-Phe, Phe-Tyr, Phe-Leu, Tyr-Leu und Leu-Val bevorzugt gespalten. Anschaulich

dargestellt können 500 g Pepsin in wenigen Minuten etwa 20 t Fleisch verdauen oder

rund 4 Mio. Liter Milch zum Gerinnen bringen 74 .

Wenn der teilweise angedeutete Speisebrei in den Zwölffingerdarm fortbewegt wird,

kommt er mit Pankreassaft und Galle in Berührung, die genug freies Alkali enthalten,

um die Säure aus dem Magen zu neutralisieren.

Der Pankreassaft enthält eine weitere

Enzymvorstufe, das Trypsinogen, das durch eine

weitere Form der „Demaskierung“, abspalten

eines Hexapeptids, zum freien Trypsin 75 , einer

anderen Endopeptidase, aktiviert wird 76 . Dieses

Enzym setzt die vom Pepsin begonnene Arbeit

fort, es unterscheidet sich aber vom Pepsin

durch seine Spezialität und spaltet Peptid-Ketten

spezifisch Carboxy-seitig der basischen

Aminosäure-Reste L-Lysin und L-Arginin, wobei

noch kürzere Fragmente der Aminosäurekette

entstehen.

Chymotrypsin

Phe

Lys

105

Trypsin

Abbildung 111: Spezifische Spaltung von

Trypsin und Chymotrypsin

Die abbauende Wirkung von Enzymen wird heute grosstechnisch bei Waschmitteln

eingesetzt.

74 Pepsin: Römpp Lexikon Chemie – Version 2.0, Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag 1999

75 Klassierung: EC 3.4.21.4, Trypsin (MR ca. 23 300, 223 Aminosäure-Reste) ist in Wasser, nicht aber in

Alkohol löslich, besitzt ein Wirkungsoptimum bei pH 7–9

76 Die im Pankreas produzierte Vorstufe Trypsinogen wird durch Aktivierung mittels Calcium-Ionen und

der Enteropeptidase (Enterokinase) gebildet oder entsteht durch autokatalytische Wirkung des

Trypsins selbst.

Chemie, 6sm


Tabelle 11: Enzyme in Waschmitteln 77

Enzymklasse Abbau von Beisiele für Anwendungen

Proteasen Eiweiss Entfernen in Waschmitteln Eiweiss-Flecken (z.B. Gras, Ei,

Blut..)

Lipasen Fett Entfernen in Waschmitteln Fettflecken

Cellulasen Cellulose Verhindern in Waschmitteln die Bildung kleiner Fusseln auf

der Kleidung (Bio-Polishing).

Ersetzen bei der Jeans-Produktion das Stone-Washing mit

Bimssteinen.

Amylasen Stärke Entfernen in Waschmitteln Spaghetti-, Sossen- und

Breiflecken.

Ersetzen Enzyme aus Malz bei der Herstellung von

Spirituosen.

Ergänzen im Mehl beim Brotbacken -Amylasen für die

Gärung.

Entfernen Schutzschicht beim Verarbeiten von Baumwolle

(Entschlichten),

Pektinasen Pektin Steigern bei der Saft- und Weinproduktion den Ertrag.

Catalasen Wasserstoffperoxid

2.3.7 Ein Modell der Enzymwirkung

Ersetzen das Abkochen von Rohbaumwolle.

Enzym + Substrat -k1 k2-

Gleichgewicht

Enzym-

Substrat

Komplex

Zerstören überschüssiges Wasserstoffperoxid nach der

Bleiche von Textilien oder der Entkeimung von

Kontaktlinsen oder Milch.

k3 Geschwindigkeit

v

Kopplung

[E] [S] [ES] v

Konzentration

des Enzyms

mol/l

Konzentration

des Substrates

mol/l

Konzentration

Enzym-

Substrat-

Komplex

Proportionalitäts-

Konstante

Messbare

Reaktionsgeschwindigkeit

77 Riisgaard S., Wenn es der Wäsche zu bunt wird, Research, Das Bayer-Forschungsmagazin, Ausgabe

Chemie, 6sm

12, 2000, 99

106


107

Annahmen für das Modell:

k2

E S 1

Dissoziationskonstante: K M ; Reziprokwert der chemischen

k1

ES K

Gleichgewichtskonstanten;

E S

1. Gleichgewicht : K M ;

ES 2. Geschwindigkeit : v = [ES] k3 ; Geschwindigkeit v proportional der mit

Substraten belegten Enzymen.

3. Maximale Geschwindigkeit : vmax = [Et] k3 ; alle Enzyme belegt, d.h. vmax

maximale Geschwindigkeit.

4. Massenbilanz : [Et] = [ES] + [E]; [Et] Konzentration aller Enzyme in der Lösung.

Gesucht ein Modell, welches nur die messbaren Grössen [S], KM, v und vmax enthält.

vmax ist dabei die maximale Geschwindigkeit, die vom Enzym als Umsatz erreicht

werden kann.

Mathematische Herleitung:

[E]= [Et] - [ES] ; aus 4)

E

vmax

v

; 2) und 3) eingesetzt

k3

k3

vmax

v

S k3

k3

K


M


; aus 1)

v

k3

vmax

SvS vmax

v

K M

S v

v

v K v S v S


v

M max

KSvS M

max

[ S]

v vmax

[ S]

K M

Man beachte, dass KM einen Quotienten von Geschwindigkeiten enthält. KM=0.001

kann also zustande kommen als KM=1/1000 oder KM= 0.001/0.000001. Das sind völlig

andere Geschwindigkeiten der Gleichgewichtseinstellung.

Mathematische Formulierung der Michaelis-Menten Gleichung:

Geschwindigkeit v [moll -1 s -1 ]:

[ S]

v vmax

;

[ S]

K

[S]: Substratkonzentration [mol/l]

KM : Dissoziationskonstante (mg/kg) entspricht der Konzentration [S] für die

halbmaximale Geschwindigkeit (Michaelis-Menten-Konstante).

KM, die Michaelis-Konstante, setzt sich aus mehreren Geschwindigkeitskonstanten

zusammen und stellt anschaulich diejenige Substrat-Konzentration dar, bei der die

Hälfte der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit (vmax/2)erreicht wird. Michaelis-

Konstanten KM haben Grössenordnungen von 10 –2 –10 –5 Mol pro Liter, wobei ein

kleiner Wert eine grosse Affinität zwischen Enzym und Substrat bedeutet

Chemie, 6sm

M


108

(Dissoziationskonstante). Die Michaelis-Menten-Gleichung als Beziehung zwischen

Reaktionsgeschwindigkeit und Substrat-Konzentration stellt grafisch eine Hyperbel dar,

die für grosse [S] asymptotisch dem Grenzwert vmax zustrebt, und ist der mathematische

Ausdruck einer Sättigungskinetik, da Vmax genau dann erreicht wird, wenn das Enzym

mit Substrat gesättigt ist, d. h. alles Enzym als Enzym-Substrat-Komplex vorliegt. Im

Bereich der Sättigung ist die Menge der von einem Enzym umgesetzten Stoffe

proportional der Enzym-Menge und der Wirkungsdauer. Die Michaelis-Menten-

Beziehung gilt nur für einfache Systeme; bei Vorliegen von allosterischer Regulation,

gegenseitiger Beeinflussung von Enzym-Untereinheiten (Kooperativität) sowie bei

vielen Mehrsubstrat-Reaktionen sind kompliziertere Modelle zu verwenden.

Wird die Michaelis-Menten-Gleichung so umgeformt, dass ein linearer Graph erhalten

wird, so spricht man vom Lineweaver-Burk-Plot 78 :

1 1 KM

1

;

v vmax

vmax

[ S]

1/v: Abszisse

1/[S]: Ordinate

Für 1/[S] = 0, d.h. x = 0 ist 1/v = 1/vmax Bestimmung der

Maximalgeschwindigkeit.

Für 1/v = 0, d.h. y = 0 ist x = -1/KM Bestimmung von KM

2.3.8 Hemmung von Enzymen

Man versteht darunter jede Stoffwechselstörung, die durch den direkten Eingriff einer

Substanz in metabolische Prozesse ausgelöst wird. Ein typisches Beispiel ist die

Hemmung der Cytochromoxidase durch Cyanidionen.

Ein Hemmstoff kann auf unterschiedliche Weise wirken 79 :

1. Er verhindert die Substrataufnahme in die Zelle durch Änderung der

Membranpermeabilität oder Hemmung von Transportprozessen.

2. Er greift in den oxidativen Substrat-Stoffwechsel ein.

3. Er unterdrückt die Bildung energiereicher Phosphate.

4. Er hemmt die Biosynthese essenzieller Protoplasma-Bestandteile.

5. Er unterbindet den notwendigen Umsatz an energiereichen Substanzen.

6. Er greift in Energie verbrauchende Reaktionen ein.

7. Er hemmt direkt funktionelle Zellsysteme.

Eine durch einen Wirkstoff hervorgerufene Hemmung kann reversibel oder irreversibel

sein. Grundsätzlich unterscheidet man:

1. Kompetitive (konkurrierende) Hemmung und

2. Nichtkompetitive Hemmung.

78

Christensen H.N., Palmer G.A., Lehrprogramm Enzymkinetik, Verlag Chemie, Weinheim, 1974, 41

79

Korolkovas A., Grundlagen der molekularen Pharmakologie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Frankfurt

am Main, 1974, 307

Chemie, 6sm


Bei der kompetitiven Hemmung konkurrenzieren sich Wirkstoff und Substrat um

dieselbe Bindungsstelle am Enzym. Beide werden als Gleichgewichtsreaktion reversibel

angelagert. Dabei sind die relativen Substrat- und Wirkstoffkonzentrationen von

grundlegender Bedeutung, da sie das Ausmass der Hemmung bestimmen. Liegt das

Substrat im Überschuss vor, so wird es den Wirkstoff vom Rezeptor verdrängen und die

Bindungsstelle selbst besetzen. Diese Reaktion verändert das Bindungsgleichgewicht,

nicht aber das vm.

Bei der nichtkompetitiven Hemmung binden sich Substrat und Wirkstoff an

verschiedenen Bindungsstellen. Der Wirkstoff geht also nicht an das aktive Zentrum

sondern z.B. an eine allosterische 80 Bindungsstelle (eine Bindungsstelle an einem

anderen Ort als dem aktiven Zentrum). Eine solche Hemmung ist normalerweise

reversibel. Sie ist durch die Substratkonzentration normalerweise nicht beeinflusst, da

das Substrat an der allosterischen Bindungsstelle nicht bindet. Die allosterische

Bindung verändert das vm der Reaktion.

Beispiel:

v

2

1,8

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0 10 20 30

[S]

Abbildung 112: Enzymwirkung mit Hemmung

1/v

2,5

2

1,5

1

0,5

0

-0,5 0 0,5 1

-0,5

1/[S]

v kompetitiv

v ohne Hemmung

v nicht kompetitiv

kompetitiv

Ohne Hemmung

nicht kompetitiv

80 Allosterie: Dadurch, dass ein Enzym-Molekül an einer von der Bindungsstelle des Substrats räumlich

entfernten Stelle eine Kopplung mit einem Effektor eingeht, wird über Bewegungen des Enzyms

die räumliche Anordnung (Konformation) im aktiven Zentrum reversibel so abgewandelt, dass

sich die Substrat-Bindung oder -Umsatzgeschwindigkeit ändert.

Chemie, 6sm

109


Abbildung 113: Lineweaver-Burk-Plot von einem Enzym mit kompetitiver und nichtkompetitiver

Hemmung

Kompetitive Hemmung durch das Produkt selbst, das Produkt ist Inhibitor

(Bsp. Hefe wird durch ihr Produkt Ethanol gehemmt)

kb

Bildung

kg

Wirksame

Enzymmenge

Gärung

ki

Ethanol

Inhibition

Abbildung 114: Flussdiagramm der Inhibition durch das Produkt

Gleichungen:

(01) Bildung= kb*Wirksame Enzymmenge

Units: mmol/Minute

(02) Ethanol= INTEG (Gärung, 0)

Units: mmol [0,?]

(03) FINAL TIME = 120

Units: Minute

The final time for the simulation.

(04) Gärung= kg*Wirksame Enzymmenge

Units: mmol/Minute

(05) Inhibition= ki*Wirksame Enzymmenge*Ethanol

Units: mmol/Minute [0,?]

(06) INITIAL TIME = 0

Units: Minute

The initial time for the simulation.

(07) kb= 0.1

Units: 1/Minute [0,1]

(08) kg= 0.005

Units: 1/Minute [0,0.01]

(09) ki= 0.06

Units: 1/Minute/mmol [0,?]

(10) SAVEPER = TIME STEP

Units: Minute [0,?]

The frequency with which output is stored.

(11) TIME STEP = 1

Units: Minute [0,?]

The time step for the simulation.

(12) Wirksame Enzymmenge= INTEG (+Bildung-Inhibition, 10)

Units: mmol [0,?]

Abbildung 115: Gleichungen der Inhibition durch das Produkt

Chemie, 6sm

110


Chemie, 6sm

40 mmol

4 mmol

20 mmol

2 mmol

0 mmol

0 mmol

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120

Time (Minute)

Wirksame Enzymmenge : Current mmol

Ethanol : Current mmol

Abbildung 116: Untere Kurve (rot): Wirksame Enzymkonzentration, Obere Kurve (blau):

Substratkonzentration=Inhibitorkonzentration.

Die „Selbstvergiftung“ führt zu einer stabilen End-Konzentrationen, wie sie z.B. bei der

Vergärung von Traubenmost zu Wein gefunden wird.

Ein Enzym stellt sich vor

mit einer Alpha-Helix hin,

Von J.C. Meyer- Bertenrath

die sich im Raum noch mehrmals

knickte

Enzym zu sein ist heut’ modern,

so dass ich selbstverständlich gern

bis ich das Licht der Welt erblickte.

erlaube Ihnen hier zu lesen,

Hier muss ich nun zur Klärung sagen,

was wichtig scheint an meinem Wesen. dass es kein Protein kann wagen,

Um die Strukturen darzulegen,

sich arrogant Enzym zu nennen

bin ich am Anfang so verwegen

wenn nicht Substrate landen können.

das Rad der Zeit zurückzudrehen

Als Teil der Tertiärstruktur

und mich als Urahn zu verstehen wird zum aktiven Zentrum nur

die schmale, engbegrenzte Bucht,

Als einst zu Lande und im Meer

die Welt war noch von Leben leer,

die das Spezialsubstrat sich sucht.

entstand in Wolken voller Blitze Dadurch vermag ich ohne Müh’

also aus feuchter Luft und Hitze- die Aktivierungsenergie

die erste Säurekollektion vom hohen Ross herabzuheben -

mit einer NH2 - Funktion: den Reaktionsstart freizugeben:

Es hatte jedes Molekül

Nur im Enzym-Substrat-Komplex

Aminorest und Carboxyl.

die Reaktion läuft wie verhext!

Was sonst in Wochen nicht will gehen

Dies traf sich deshalb so vorzüglich,

weil beide Gruppen höchstvergnüglich

ist jetzt sekundenschnell geschehen.

begannen bald das Reagieren

Hierüber sagt die Wechselzahl,

um zum Peptid zu kondensieren.

wieviel Substrat von Fall zu Fall

Die Kette wuchs zum Protein

pro Molekül, Enzym und Zeit

111


vom Umsatzschicksal wird ereilt.

Danach wird das Produkt sofort

entfernt von seinem Bildungsort.

Es tritt mit allergrösster Schnelle

ein frisches Teil an seine Stelle.

So wird in jeweils zarter Bindung

-dies ist ein Kernpunkt der Erfindung-

sehr viel Substrat rasch umgesetzt

und keinesfalls Enzym versetzt,

von dem deshalb schon Mini-Mengen

die Reaktion zum Ablauf drängen.

Die Wirkung also, das ist typisch,

vollzieht sich einfach katalytisch!

In diesem Umstand liegt begründet,

Chemie, 6sm

weshalb man mich so einfach findet.

Hat man erst einmal hergestellt,

was mir besonders gut gefällt

-zum Beispiel Wärme und pH -

und ist Substrat genügend da,

entfalte ich Aktivität,

die man zu messen gut versteht

112

Natürlich war es nicht ganz leicht

(und manchem Forscher hat’s gereicht

zu Doktorgrad und and’ren Ehren)

das Wissen ständig zu vermehren.

Heut ist die Enzymologie

heraus aus grauer Theorie,

verehrt doch jede Diagnose

der Forschung eine rote Rose!


Tabelle 12: Einige wichtige Aminocarbonsäuren (AMCS)

Name

Alanin Ala

Arginin Arg

Asparagin Asn

Cystein Cys

Cystin Cy-S-S-Cy

Glutamin Gln

Abkürzung Formel Maximal-Gehalt in %

H 2N

HOOC

NH

H 2N COOH

H 2N

N

H

CH 2

H 2N CH C

O

O

H2N COOH

HS

H 2N COOH

S

NH 2

H 2N CH C

Glycin Gly H 2N COOH

Histidin His

Hydroxyprolin

Hypro

Leucin Leu

Lysin Lys

Methionin Met

Phenylalanin

Chemie, 6sm

Phe

NH 2

C

CH 2

CH 2

S

OH

H 2N COOH

O

O

H 2N CH C

H 2N

HS

N

HO

N

H

CH 2

NH

O

OH

OH

COOH

H 2N COOH

H 2N COOH

H 2N COOH

H 2N COOH

Seidenfibroin 29.7

Spargel 20.0

Keratin,

Haare, Wolle

Federn

Keratin

(Menschenhaar)

Speichersubstanz

Haare, Wolle

Seidenfibroin

Gelatine

Hämoglobin

Gelatine

Collagen

Serumalbumin (Rind)

Mais

Pepsinogen

Getreide

Casein

Ovalbumin

Lactoglobulin

Serumalbumin

Globulin

Ovalbumin

113

14.4

11.9

8.2

18.0

43.6

25.7

13.6

12.8

12.8

19

20.0

4.1

5.2

3.2

7.8

4.6

7.7


Prolin Pro

Serin Ser

Threonin Thr

Tryptophan

Tyrosin Tyr

Valin Val

Chemie, 6sm

N

H

HO

COOH

H 2N COOH

H 2N CH C

HO

CH

CH 3

N

O

OH

OH

H 2N COOH

H 2N COOH

H 2N COOH

Casein

Gelatine

Salmin

Seidenfibroin

Trypsinogen

Pepsin

Glycoproteine

Lysozym

Lactalbumin

Seidenfibroin

Papain

Elastin

Rindersehne

Rinderaorta

114

10.6

16.3

6.9

16.2

16.7

12.2

10.6

7.0

12.0

14.7

17.4

17.6


3 Glossar: Biochemie

abiotische Faktoren

Faktoren der unbelebten Umwelt, die auf Organismen einwirken wie Licht

Wasser, Temperatur, Klima, CO2-Gehalt, pH, UV-Licht usw.

Acetylcholinesterase

Enzym an den Synapsen der Neuronen, was die Acetylcholin (Transmitter) -

wirkung beendet

Die physische oder psychische vorübergehende oder dauernde Anpassung

eines Organismus, Organs, Gewebes oder einer Zelle an veränderte

Bedingungen. Bsp.: a) Abnahme der Empfindungsintensität bei fortdauernder

Adaptation

Reizeinwirkung von gleichbleibender Stärke. Anzutreffen auf der Ebene der

Sinnesrezeptoren (periphere Adaptation) oder auf nachgeschalteten Ebenen

des Sinneskanals (zentrale Adaptation, auch Habituation). b) Anpassung der

Sauerstofftransportkapazität des Blutes an den Aufenthalt in grossen Höhen

durch Vermehrung der Erythrozyten.

Reaktion unter Beteiligung von Sauerstoff;

aerob

Lebensweise eines Organismus, der auf Sauerstoff angewiesen ist wie Tiere,

Pflanzen, Pilze

Aerosol Luft mit Schwebeteilchen aus feinverteilten Flüssigkeiten

Zustandsform; der feste, flüssige oder gasförmige Zustand, den ein Stoff bei

Aggregatzustand

unterschiedlichem Druck und unterschiedlicher Temperatur annimmt, z.B. Eis,

Wasser, Dampf. Ein vierter Aggregatzustand ist das Plasma

Aktivator Effektor, welcher das Enzym in der aktiven Konformation fixiert.

aktive Stelle

Ort im Enzym, in einer Vertiefung der Globulärstruktur liegend, an der der

katalytische Vorgang geschieht

aktiver Transport Transport von Teilchen unter Energieaufwand der Zelle

Aktivierungsenergie Die Energie, die zur Reaktion eines Stoffes notwendig ist

basische, stickstoffhaltige organische Verbindungen, die in Pflanzen

vorkommen und auf Menschen oder Tiere eine ausgeprägte Wirkung ausüben.

Die Alkaloide sind eine breite Stoffklasse. Gemeinsam ist jedoch allen, dass

sie heterozyklische Kohlenstoffringe als Grundbausteine enthalten. Bekannte

Alkaloide-Klassen sind folgende:

Pyridin-Alkaloide, z.B. Nikotin, Piperin (Schwarzer Pfeffer)

Alkaloide

Tropan-Alkaloide, z.B Scopolamin und Atropin

(Nachtschattengewächse), Kokain

Phenatren-Alkaloide, z.B. Morphin, Codein, Heroin

Mutterkorn-Alkaloide, substituierte Amide der Lysergsäure, z.B. LSD

und LSA

allosterisch

Weitere bekannte Alkaloide sind das Coffein, Chinin (wird zur Malaria-

Bekämpfung eingesetzt) und Strychnin

an einem anderen Ort; Hemmung eines Enzyms an einer anderen Stelle als

der aktiven

Ein substratähnlicher Stoff setzt sich in das allosterische Zentrum des Enzyms

Allosterische Hemmung

und verhindert damit, dass das aktive Zentrum „arbeiten“ kann. Nach kurzer

Zeit ist das Enzym aber wieder frei und kann weiterarbeiten

(Gleichgewichtsreaktion).

Allosterisches Enzym Enzym mit einem aktiven und einem allosterischen Zentrum.

Aminogruppe

-NH2-Gruppe; eine der funktionellen Gruppen einer Aminosäure, mit der die

Peptidbindung gemacht wird; basische Eigenschaft, polar

Aminosäuren

Carbonsäuren mit einer Aminogruppe (>N-, -NH oder –NH2); biologisch wichtig

sind ca. 20 Aminosäuren

Amylase Stärke- spaltendes(/synthetisierendes) Enzym im Speichel, und Dünndarm

anaerob

Reaktion unter Ausschluss von Sauerstoff;

Lebensweise eines Organismus, der nicht auf Sauerstoff angewiesen ist

Antiport

Transportprotein, das 2 Teilchen in verschiedene Richtungen durch die

Membran transportiert

Arginase Enzym der Leber, das im Harnstoffzyklus aus Arginin Harnstoff abspaltet

aromatisch organischer Stoff, z.B. wenn er einen Phenylring (-Benzolring) besitzt.

ATP Adenosintriphosphat, Energiespeicherstoff aller Zellen

Chemie, 6sm

115


Auflösungsvermögen

Das Auflösungsvermögen misst die minimale Trennung zweier Objekte, die

man gerade noch getrennt erkennen kann; beim Auge 0,2 mm

Lebensweise von Pflanzen und einigen Bakterien, die mit Hilfe einer

autotroph

Energiequelle anorganische Stoffe in organische Stoffe umwandeln und davon

leben

Bergmannsche Regel

Gleichwarme Tiere haben in kälteren Gebieten eine grössere

Durchschnittsgrösse

Biokatalysatoren Enzyme; katalysieren in biologischer Umgebung Reaktionen

biologische Stufe

Mittlere Stufe einer Kläranlage, die mit Hilfe von Bakterien und O2 organische

Stoffe abbaut

biologisches Gleichgewicht

natürlicher Zustand eines Ökosystems, hervorgerufen durch die gegenseitige

Abhängigkeit der darin lebenden Organismen

Biome Klima/Vegetationszonen der Erde

Biosphäre der Bereich der Erdkruste, in dem es Organismen gibt (+- 8 km)

biotische Faktoren

Faktoren der belebten Umwelt, die Organismen beeinflussen z. B. Konkurrenz,

Symbiose, Parasitismus, Verbreitung

Bodenozon

das durch Blitze und vor allem Verbrennungsprozesse der menschlichen

Zivilisation im Sommer entstehende Ozon in Bodennähe.

Braunsche Teilchenbewegung Bewegung von Teilchen aufgrund der Umgebungswärme

BSE (=bovine spongiform gehirnzersetzende Krankheit bei Rindern, verursacht durch infektiöse Proteine

encephalopathy)

(= Prionen)

Calcitonin Hormon, das den Ca ++ -Haushalt regelt

Capsid Hülle der Viren, besteht meist aus Protein, kann mehrschichtig sein

Carboanhydrase

Zn 2+ -haltiges Enzym im Blut, das die Spaltung von H2CO3 in CO2 und Wasser

katalysiert

Carbonsäure Säure mit der Gruppe –COOH. Sind meist weing starke Säuren

Carboxylgruppe (- COO) -Gruppe, funktionelle Gruppe der Carbonsäuren

Carboxypeptidase A

Verdauungsenzym im Dünndarm das eine Peptidkette vom Carboxylende her

spaltet.

Carotinoide gelborange Blattfarbstoffe, auch in anderen pflanzlichen Geweben enthalten

Cellulose, Hemicellulosen, Bestandteile von pflanzlichen Zellwänden, Cellulose besteht aus Ketten von

Pektin

Glucose, Hemicellulosen und Pektine haben eine davon modifizierte Struktur.

CFC = Chlorine-Fluorine-Carbons = englische Bezeichnung von FCKW

chemische Stufe letzte Stufe einer Kläranlage zur Beseitigung von anorganischen Salzen

Durch chemische Reize ausgelöste gerichtete Bewegung von Zellen auf die

Chemotaxis

Reizquelle hin oder das Fortbewegen von der Reizquelle weg (positive oder

negative Chemotaxis) Regelung.

Chlorophyll Grüner Blattfarbstoff in den Chloroplasten, wird durch Licht angeregt

Chromatinfäden lange Fäden aus DNA im Zellkern; enthalten die Erbinformation

Chymotrypsin Verdauungsenzym im Dünndarm, spaltet Polypeptidketten

Citratsynthetase Enzym der Zellatmung; stellt Citronensäure her

Citronensäure

H 2C

HO C COOH

Tricarbonsäure:

CKW Chlorierte Kohlenwasserstoffe

spezieller Stoff, der sich um eine Membrangrube anlagert, in der Stoffe

Clathrin

transportiert werden.

Colchizin Gift der Herbstzeitlosen; hemmt Spindelfaserapparat

Nachbildung eines realen Systems mit seinen dynamischen Prozessen in

einem mathematischen Modell mit Hilfe des Computers. Es können dabei

Computersimulation

Erkenntnisse zu den Wirkungsnetzen und dessen Wechselwirkungen im

System gewonnen werden, die mit Experimenten an der Wirklichkeit überprüft

werden müssen (Systemdynamik).

Steroid-Hormone der Nebennieren-Rinde (NNR, lateinisch: cortex glandulae

Corticosteroide

suprarenalis), die dort unter dem Einfluss des Hormons Corticotropin aus dem

(Corticoide)

Hypophysen-Vorderlappen gebildet werden.

Chemie, 6sm

H 2C

COOH

COOH

116


gehirnzersetzende Krankheit beim Menschen, verursacht durch infektiöse

Creutzfeld-Jacob Krankheit

Proteine (= Prionen)

sehr alte, autotrophe aquatische Bakteriengruppe, leben oft in Kolonien;

Cyanobakterien

grösste Bakteriengruppe

Enzym in den Mitochondrien mit der prosthetischen Gruppe Häm, das e

Cytochrom B562

-

überträgt.

Von cyto... u. griech.: chroma = Farbe abgeleitete Bezeichnung für eine

Gruppe von lebenswichtigen und weitverbreiteten Hämproteinen (ähnlich

Cytochrome

Hämoglobin, Myoglobin), die als Redoxkatalysatoren für das Funktionieren der

Atmungskette, der Photosynthese, aber auch für den Stoffwechsel vieler

Bakterien notwendig sind.

Cytoplasma "Suppe" innerhalb der Membran, in dem sich die Organelle befinden.

Denaturierung Zerstörung der räumlichen Struktur der Proteine durch Hitze, Säure und Base

Derivate Abkömmlinge einer bestimmten Verbindung oder einer Stoffgruppe

Alle Organismen ( meist Mikroorganismen), die in einem Biotop oder

Destruenten

Ökosystem organisches Material in anorganisches abbauen, was Nahrung für

die Produzenten bedeutet.

Detergenzien waschaktive Substanzen

entsteht aus Vitamin D3 durch UV in der Haut, Umwandlung in der Leber und

D-Hormon

Niere; steigert die Blut-Ca 2+ -Konzentration

Bewegung von Teilchen entlang eines Konzentrationsgradienten in Medien nur

Diffusion

durch die thermische Bewegung

Diisopropylfluorophosphat

irreversibler Hemmstoff der Acetylcholinesterase

(DFP)

Dipeptid Verbindung aus 2 Aminosäuren über Peptidbindung

Dissimilation Stoffabbau zum Energiegewinn in Zellen

Aufhebung einer Verbindung. a) Reversibler Zerfall einer chemischen

Verbindung in Moleküle, Atome oder Ionen. b) Unterschiedlich stark

ausgeprägte Empfindungsstörung verschiedener Sinnesqualitäten. c)

Dissoziation

Unterschiedlich stark ausgeprägte Normabweichung der Liquorbestandteile bei

krankhaften Veränderungen des ZNS. d) Nicht beidseits koordinierte

Augenabweichung im Sinne einer Bewegungsstörung bei krankhaften

Prozessen des ZNS.

Kovalente Bindung zwischen 2 Cysteinresten in Proteinen. Dabei verbinden

Disulfidbrücke

sich unter H2-Abspaltung die beiden -SH-Gruppen und bilden eine -S-S-

Brücke.

Makromolekül im Zellkern, in den Mitochondrien, Chloroplasten und in

DNA

Bakterienzellen in dem die Erbinformation gespeichert ist.

= DU; Masseinheit für den Ozongehalt der Stratosphäre; entspricht 2.69 x 10

Dobson-Einheit

16

dynamisches Gleichgewicht

Effektor

Efficiency

elektromagnetisches Spektrum

Elementarpartikel

Emulgatoren

Emulsionen

Chemie, 6sm

Ozonmoleküle/cm 2

117

Gleichgewichtssituation bei dem zwei entgegengesetzte Vorgänge permanent

ablaufen und dieselbe Geschwindigkeit zeigen, z. B. Hin-und Rückreaktion

(dchin/dt = dcrück/dt) (engl. steady state)

kleines Molekül, welches sich in das allosterische Zentrum setzen kann.

Wirkungsgrad: Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung wird

normalerweise bei voller Belastung und nominalen Eingangsbedingungen

gemessen. Bei Mehrfachausgängen kann der Wirkungsgrad von der Aufteilung

der Ausgangsleistung auf die verschiedenen Ausgänge abhängen.

Gesamtheit der elektromagnetischen Wellen: dazu gehören Gamma-

Strahlung, Röntgenstrahlen, UV-Strahlung, Licht, Wärme, Radiowellen, Radar,

Fernsehwellen

ATP-Synthase-haltige Struktur auf den Cristae der inneren

Mitochondrienmembran, dient der ATP-Produktion

Grenzflächenaktive Stoffe, die eine feine Verteilung zweier nicht miteinander

mischbarer Flüssigkeiten stabilisieren

Systeme aus zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, bei denen die

eine Flüssigkeit in Form kleinster Tröpfchen in der anderen Flüssigkeit verteilt

ist (Beispiel: Öl/Wasser, Milch)


Eigenschaft von Vorgängen und Reaktionen, Energie verbrauchend, läuft nicht

endergonisch

freiwillig ab; G >0

Endoplasmatisches Retikulum Zellorganell, das ein System abgeplatteter Röhren und Säcke bildet; dient als

(ER)

Transportsystem

Endozytose Aufnahme von Partikeln in die Zelle

Form der Inhibition, bei der das Endprodukt einer Synthesekette ein Enzym in

Endprodukthemmung

der Kette hemmt. Im Stoffwechsel gibt es viele solche Enzymketten. Auf diese

Weise regelt sich der Stoffwechsel selbst.

Thermodynamischer Ausdruck als Mass für die Unordnung eines Systems.

Jedem Übergang von einem Anfangs- in einen Folgezustand ist eine

Entropie

bestimmte Entropieänderung zugeordnet. Bsp.: Ist in einem System Wärme

ungleich verteilt, kennzeichnet die Entropie die Tendenz zum

Temperaturausgleich im System.

Enzyme sind funktionelle Proteine, die durch ihre dreidimensionale Struktur

chemische Prozesse katalysieren Biokatalysatoren, und Prozesse steuern. Die

Modellvorstellung ist, dass Enzyme ihre Substrate in eine neue Raumstruktur

zwingen oder Reaktanden so nahe zusammenführen, dass die Reaktion

leichter ablaufen kann. Grundsätzlich ist die Reaktion für Assoziation und

Enzym

Dissoziation gleich beschleunigt. Meist wird jedoch ein Produkt abgezogen, so

dass sich Reaktionsgleichgewichte verschieben (Le Chatelier). Enzyme

bestehen in der Regel aus einem Protein-Anteil und einer weiteren Gruppe

(Ionen, organische Moleküle), dem Coenzym. Es sind Proteine mit

katalytischen Fähigkeiten in Zellen und transzellulärem Raum (Blut,

Verdauungstrakt) oder in der Umwelt

Geschwindigkeit, mit der ein Enzym eine Menge Substrat katalysiert

Enzymaktivität

(Reaktionsgeschwindigkeit bezogen auf die Enzymkonzentration).

Enzym-Substrat-Komplex Kurzzeitiger Komplex von Enzym und Substrat im Moment der Katalyse

Escherichia Coli Darmbakterium der Säugetiere, lebt in Symbiose

Essigsäure CH3-COOH, die Salze heissen Acetate

Zelle der Tiere, Pflanzen und Pilze mit den Zellorganellen Kern, Mitochondrien,

Eukaryontische Zelle

Golgi-Apparat, Chloroplasten, ER, Lysosomen, Ribosomen usw,

Eutrophierung Anreicherung eines Gewässers mit Nährstoffen ( z. B. Phosphat, Nitrat, Sulfat)

Energie freisetzend unter Standardbedingungen, freiwillig ablaufend;

exergonisch

Eigenschaft von Vorgängen und Reaktionen; G = - (negativ)

Exozytose Ausschleusung von Partikeln aus der Zelle

Sekundärstruktur, die dadurch entsteht, dass Primärstrukturen sich parallel

Faltblatt

oder antiparallel aneinander lagern

Ferredoxin Enzym in den Chloroplasten, überträgt e -

Fischtoxizität Giftiger Effekt auf Fische

Kriterium für die Entflammbarkeit brennbarer Flüssigkeiten. Der Flammpunkt

ist die niedrigste Temperatur, bei der sich in einer Prüfapparatur unter

Flammpunkt

normierten Bedingungen über dem Flüssigkeitsspiegel ein entzündbares

Dampf-/Luft-Gemisch bildet, das durch Fremdzündung entflammbar ist.

freie Enthalpie Die Energie einer freiwillig ablaufenden Reaktion, die frei werden kann; (G)

Der Fühler oder Sensor, in biologischen Systemen oft auch Rezeptor genannt,

ist eine Mess- bzw. Registriervorrichtung, die den augenblicklichen Wert

Fühler

(Istwert) der zu regelnden Grösse misst. Der Fühler meldet das, was er fühlen

kann, nicht das, was er im Sinne des Regelsystems fühlen soll.

Glycerinaldehydphosphatdehydrogenase, Enzym der Glycolyse (Energie

GAPD

gewinnender Stoffwechsel), Quartärstruktur, 4 Untereinheiten, Oxidoreduktase;

Kofaktor NAD

gekoppelter Transport Transport von 2 verschiedenen Teilchen gemeinsam durch die Membran

glattes ER Endoplasmatisches Retikulum ohne Ribosomen

K= Γ[Produkte]/ Γ [Edukte]; errechnet sich aus dem Massenwirkungsgesetz,

Gleichgewichtskonstante Die Grösse von K macht eine Aussage über die Gleichgewichtslage und damit

auch über die Konzentrationen

Chemie, 6sm

118


Chemische Reaktion bestehend aus Hin- und Rückreaktion; beide laufen

gleichzeitig ab. Beim Erreichen der Gleichgewichtskonzentration sind beide

Gleichgewichtsreaktionen

Geschwindigkeiten gleich gross – aber beide Reaktionen sind permanent am

Laufen dynamisch.

Globulärstruktur Wollknäuelstruktur = Tertiärstruktur; räumliche Faltung der Polypeptidkette

Glucose

Einfachzucker:

OH

OH

OH

O

OH

Glutamat

Na

Hier das Natriumsalz der Glutaminsäure:

O

H OH

Glykogen

Formel: (C6H10O5)n, Molmasse bis 16 Millionen g/mol. Glykogen ist ein α -D-

1,4-Glucan mit Verzweigungen über α-1,6-Bindungen, also ein Polysaccharid,

das nur aus D-Glucose-Einheiten aufgebaut ist, die aber (im Gegensatz etwa

zu Cellulose) α -glykosidisch miteinander verbunden sind.

Halbwertszeit

Zeit, in der die Hälfte der anfänglich vorhandenen Teilchen umgesetzt worden

sind. Für Exponentialfunktionen gilt: HWZ = ln(2)/k

Halogenalkane

Verbindungen von Alkanen wie Methan oder Ethan mit Halogenen wie Fluor,

Chlor und Brom; CCl4 = Tetrachlormethan

Halone Halogenalkane, die Brom enthalten (zB. CCl3Br in Feuerlöschern)

Häm

Roter Farbstoff, Bestandteil vieler Proteine wie Hämoglobin oder Cytochrome;

enthält Fe oder Cu.

Hämoglobin

O2/CO2-transportierendes globuläres Protein in den roten Blutkörperchen; roter

Blutfarbstoff

Harnsäure

O

1

HN

O

6

2 N

H

H

7 N

8

4

N 9

H

OH

O

-O

O

N

O -

N

H

N

N

H

NH 2 O

O

2 H + +

H-Brücken

Nebenvalenzbindungen zwischen polaren Gruppen über ein H-Atom; z.B. über

2 -OH- Gruppen (Wasserstoffbrücken)

Helix Sekundärstruktur, die Primärstruktur schraubt sich auf

= teilparasitisch lebender Organismus, z. B. Mistel bezieht organische und

Hemiparasit

anorganische Nahrung von der Wirtspflanze, kann aber auch Photosynthese

machen

Lebensweise von Tieren und Pilzen und vielen Bakterien, nehmen organische

heterotroph

Nahrung auf, die von anderen Organismen produziert worden sind und leben

davon

Körperfunktionen werden durch Regulation innerhalb sehr enger Grenzen

Homöostase

konstant gehalten und etwaige Veränderungen sofort wieder ausgeglichen.

Bsp. Werden von aussen Stoffe zugeführt, die der Körper selbst herstellen

kann, dann vermindert er die Produktion oder stellt sie ganz ein.

Hydrolyse

Spaltung einer über Kondensation entstandenen Bindung unter Aufnahme von

H2O

„wasserliebend“ meist auch zu mindest teilweise wasserlöslich. Die Ursache ist

hydrophil

die Polarität, welche dazu führt, dass Wassermoleküle mit Wasserstoffbrücken

gebunden werden können.

hydrophob wasserabstossend (daher meist fettlöslich = lipophil)

hypertonisch überkonzentrierte Lösung im Vergleich zu einer benachbarten

hypotonisch unterkonzentrierte Lösung im Vergleich zu einer benachbarten

Infrarot Wärmestrahlung; Wellenlängenbereich oberhalb 800 nm des elektromagnet.

Spektrums

Inhibitor Effektor, welcher ein Enzym oder einen Rezeptor inaktiviert.

Insulin Hormon der Bauchspeicheldrüse, blutzuckersenkend

Ionische Wechselwirkungen Anziehung zwischen zwei geladenen Atomgruppen z. B. COO - und NH3 +

irreversibel nicht umkehrbar

Chemie, 6sm

119


Isoleucin

H 2N CH C

CH

CH 2

CH3 Aminosäure mit 2 chiralen Zentren

Zustand gleicher oder konstanter Konzentrationen gelöster Teilchen bzw.

Ausgleich des osmotischen Druckes von Lösungen in getrennten

Isotonie

Kompartimenten. Bei Isotonie findet keine Nettoverschiebung von Flüssigkeit

von einem Kompartiment zum anderen statt. Lösungen mit einer Osmolarität

von ca. 300 mosmol/l sind isoton mit der Körperflüssigkeit.

isotonisch gleichkonzentrierte Lösung im Vergleich zu einer benachbarten

Atome, die zerfallen und dabei radioaktive Strahlung aussenden z. B.

Isotope

14 C, 15 N

usw.

Katalase Enzym der Leber, das H2O2 spaltet, Catalase

Eigenschaften, die Lebendiges vom Toten unterscheiden: Stoffwechsel,

Kennzeichen des Lebens

Reizbarkeit, Fortpflanzung, Vererbung, Beweglichkeit, Differenzierung, Tod

Kernporen Poren in der Kernmembran

organische Hilfsstoffe der Enzyme wie NAD, FAD; oft aus Vitaminen

Koenzyme

entstanden; Coenzyme

Monosaccharide Glucose, Fructose usw. Oligosaccharide Maltose, Lactose

Kohlenhydrate

usw. Polysaccharide Stärke, Cellulose usw.

Umwandlung von C-Verbindungen in der Natur ineinander hauptsächlich CO2

Kohlenstoffkreislauf

organische Stoffe CO2

Organische Verbindungen, nur bestehend aus den Elementen Kohlenstoff und

Kohlenwasserstoffe

Wasserstoff

a) Funktionelle Abgrenzung von Reaktionsräumen in Zellen (meist als Teil

einer Organelle), die Enzyme und Reaktionspartner für einen bestimmten

biochemischen Prozess enthalten oder Substanzspeicher sind. b)

Kompartimentierung

Stoffabhängige Unterteilung des Körpers in Volumenbereiche

(Kompartimente), in denen Substanzen sich homogen verteilen und gleichen

pharmakokinetischen Bedingungen unterliegen.

Ein substratähnlicher Stoff setzt sich in das aktive Zentrum des

Enzyms/Rezeptors, kann aber nicht umgesetzt werden. Dadurch wird das

Kompetitive Hemmung Enzym/Rezeptor für eine gewisse Zeit blockiert, und die Enzym-

/Rezeptoraktivität sinkt. Nach kurzer Zeit ist das Enzym/Rezeptor aber wieder

frei und kann weiterarbeiten (Gleichgewichtsreaktion).

Mit Substraten konkurrierender Hemmstoff von Enzymen/Rezeptoren, der eine

kompetitiver Inhibitor

ähnliche Struktur wie das Substrat besitzt und deshalb vom Enzym/Rezeptor

damit verwechselt wird

Eine Eigenschaft von Systemen oder Realitätsbereichen. Sie charakterisiert

die Wechselwirkungen von Teilsystemen oder Systemelementen und

beschreibt die Vielfalt von unterscheidbaren Zuständen des Systems. Sie kann

Komplexität

quantifiziert werden mit Hilfe des Begriffs der Varietät. Je grösser die

Komplexität desto höher ist Unbestimmtheit von Ereignissen. Komplexe

Systeme sind unüberschaubar, vernetzt, undurchsichtig,

wahrscheinlichkeitsabhängig und meist instabil.

erdähnliches Produkt bei der Kompostierung, entsteht durch Abbau von totem

Kompost

pflanzlichen und tierischen Material

Abbau von totem pflanzlichen und tierischen Material durch Mikroorganismen,

Kompostierung

Insekten und Wirbellose in ein erdähnliches Produkt

Verbindung zweier Stoffe unter Wasserabspaltung z. B. zwei Aminosäuren

Kondensation

bilden ein Amid und dabei wird Wasser abgespalten. Oder die Esterbildung:

Säure + Alkohol Ester + Wasser

unterschiedliche räumliche Zustände eines Moleküls. Räumliche Struktur der

Konformation

Moleküle, also auch der Proteine und Peptide

haben unterschiedliche Oberflächen. Konformation: Räumliche Struktur der

Konformere Moleküle

Proteine und Peptide.

Konsumenten ernähren sich von fremdem organischen Material (heterotroph)

Chemie, 6sm

O

CH 3

OH

120


Konvergenz, Hub

Konzentrationsgefälle

Kraftwerke der Zelle

Lactose

121

Verbindungspunkt in einem Netzwerk

Prinzip einer Verschaltung, das die Bündelung des Datenflusses von mehreren

vorgeschalteten Elementen auf ein nachgeschaltetes Element beschreibt.

unterschiedliche Konzentrationsbereiche in Lösungen oder Räumen, diese

führen zu Osmose und elektrischen Spannungen (Nernstsches Gesetz)

Mitochondrien als Produzent von ATP, die Stoffwechselenergie aller

Lebensvorgänge

CH2OH HO

O

OH

Regelungsprinzipien, nach denen ein System betrieben wird. Zum Beispiel: ab

Leistungsregelung

welcher Konzentration eines Hormons, Neurotransmitters oder eines Produkts

einer Stoffwechselkette Energie bereitgestellt oder verbraucht wird.

Lignin Grundbestandteil des Holzes

Lipase Fettspaltendes Enzym im Dünndarm

“Fette”, Sammelbezeichnung für strukturell sehr unterschiedliche, in allen

Zellen vorkommende Stoffe mit übereinstimmenden Lösungs-Eigenschaften:

Lipide

Sie sind im allgemeinen in Wasser unlöslich, mit Wasser schlecht benetzbar,

also lipophil

fettlöslich (=schlecht wasserlöslich, schlecht mit Wasser benetzbar oder

wasserunlöslich). Die Ursache der Lipophilie ist die geringe Polarität der

lipophil

entsprechenden Moleküle oder Oberflächen. Die Bindungen erfolgen über van

der Waals Kräfte.

Modell zur Räuber-Beute-Populationsentwicklung nach dem Biophysiker Lotka

Lotka-Volterra-Modell

und dem Mathematiker Volterra 1913 Strategien

Lysosomen Kleine Zellorganelle mit Verdauungsfunktion

Makromoleküle Riesenmoleküle

Makropinosom Vesikel, das durch Aufnahme flüssiger Stoffe in die Zelle entsteht

Nachdem gewisse Neurotransmitter den synaptischen Spalt passiert haben,

werden sie von der postsynaptischen Zelle resorbiert und durch die

mitochondriale Mono-Amino-Oxidase (MAO) "deaktiviert". MAO-Hemmer

verhindern diesen Mechanismus, so dass es zu einem Überschuss an

Neurotransmittern kommt. Dieser Überschuss äussert sich in einer erhöhten

neuronalen Aktivität. Da bestimmte Neurotransmitter, wie z.B. Dopamin und

MAO-Hemmer

Serotonin, massgeblich an der Informationsverarbeitung in Belohnungszentren

des Gehirns verantwortlich sind, führt die Einnahme von MAO-Hemmern zu

Antriebssteigerung, guter Laune oder gar euphorischen Glücksgefühlen.

Warnung: Es ist sehr gefährlich, MAO-Hemmer mit Drogen zu kombinieren.

Aufgrund kumulativer Effekte kann es zu lebensbedrohlichen Zuständen

kommen.

mechanische Stufe 1. Stufe einer Kläranlage zur Entfernung des groben Unrats

mesophile Bakterien Bakterien, die mittlere Temperaturen (25-40° C ) zum Wachstum benötigen

Methylbromid Halogenalkan, CH3Br, ; Pestizid z.B. in Erdbeerplantagen

Km, abgeleitet aus dem Massenwirkungsgesetz, angewandt auf eine

Michaelis-Menten-Konstante enzymatische Katalyse; gibt die Menge des Substrats an, die für die halbe

Maximalaktivität des Enzyms notwendig ist.

Mikrovilli Bürstensaum, feine Ausstülpungen der Zellmembran bei z. B. Darmzellen

COOH HOOC

Milchsäure

OH

HO C H

CH 3

O

CH 2 OH

OH

H

O

OH

H, OH

C OH

L(+)-Milchsäure D(-)-Milchsäure

rechtsdrehend linksdrehend

Mistel parasitisch auf Laubbäumen lebende grüne Pflanze

Mitochondrien

meist bohnenförmige, grosse Zellorganelle, die ATP herstellen, eigene DNA

und Ribosomen besitzen

Chemie, 6sm

CH 3


Mitochondrienmatrix Flüssigkeit in den Mitochondrien

Vereinfachtes Abbild einer realen Situation. Es muss durch hinreichende

Modell

Ähnlichkeit mit diesem gekennzeichnet sein und wird für Simulationen

verwendet.

Diese erfolgt durch die vereinfachende Nachbildung der Struktur eines

Modellbildung

Systems (Original) durch ein analoges System (Modell). Dafür werden

bestimmte Eigenschaften des Originals ausgewählt und im Modell abgebildet.

messenger RNA; Abschrift eines Gens, besteht aus Ribonukleinsäure;

mRNA

wandern zu den Ribosomen und dienen dort als Bauplan zur Herstellung von

Eiweissen.

Mutation sprunghafte Erbänderung, ausgelöst z. B. durch Strahlung oder Chemikalien

Na + /K + -Pumpe Antiport-Protein, das Na + aus der Zelle und K + in die Zelle transportiert

Nahrungskette In einer Biozönose ernähren sich die Organismen voneinander

Ein Neuronales Netzwerk ist ein Geflecht aus Neuronen, wie es auch im

menschlichen Gehirn vorkommt. Aufgrund der stark parallelen Verarbeitung

unterscheidet es sich grundlegend von seriell arbeitenden Computern. Der

grösste Unterschied ist jedoch, dass es nicht nach Regeln und Algorithmen

arbeitet, sondern lediglich multidimensionale Eingabevektoren nach den

jeweils herrschenden synaptischen Übergangsgewichten verarbeitet und sonst

keinerlei "Kenntnis" von irgendwelchen vordefinierten Zusammenhängen hat.

Diese synaptischen Verbindungen werden durch einen Lernvorgang

eingestellt, wobei das Netzwerk anhand von problemspezifischen Daten

solange trainiert wird, bis Verarbeitungsgenauigkeit das gewünschte Mass

erreicht hat.

Neuronale Netzwerke

122

Schon einfache Netzwerke mit einigen hundert Neuronen erreichen bei

"menschlichen Aufgabenstellungen" wie Gesichtserkennung und Sprache die

gleichen Resultate wie hochkomplexe Computerprogramme, die Millionen

Zeilen an Code enthalten - durch einfaches Lernen! Charakteristisch ist auch

die Fähigkeit, selbst unvollständige oder fehlerhafte Eingabevektoren noch mit

hoher Wahrscheinlichkeit richtig zu "interpretieren".

Man unterscheidet zwischen zwei Arten von Netzwerken: Feed-Forward-

Netzwerke: Ein Eingebevektor wird nach den vorherrschenden synaptisches

Übergangsgewichten verarbeitet, wobei die Übertragung nur in einer Richtung

(aufsteigend) stattfindet. FF-Netzwerke haben keine Kontextbezug. Rekurrente

Netzwerke: Neben aufsteigenden sind auch absteigende Synapsen

vorhanden. Es können Informationen zwischen verschiedenen

Neuronenebenen ausgetauscht werden, wodurch ein Rückbezug auf vorherige

Verarbeitungsschritte möglich wird. Rekurrente Netzwerke weisen somit einen

Kontextbezug auf.

Neurotransmitter Sorgen für die chemische Übertragung von Nervensignalen, indem sie über

den synaptischen Spalt diffundieren.

Es gibt grundsätzlich zwei Arten von N., erregende und hemmende:

Erregende N.: z.B. Adrenalin, Dopamin, Serotonin

Hemmende N.: z.B. Glycin und Gamma-Aminobuttersäure (GABA)

Nitrat NO3 - ; Salz der Salpetersäure HNO3

nitrifizierende Bakterien Destruenten, die organisches, N-haltiges Material in Nitrat umwandeln

Nitrobacter wichtiges nitrifizierendes Bakterium, konvertiert Nitrit zu Nitrat

Nitrogenase Enzym der N-fixierenden Bakterien

Nitrosomonas wichtiges nitrifizierendes Bakterium, konvertiert Ammoniak zu Nitrit

besteht aus Makromolekülen; es gibt 2 Formen: DNA und RNA; dient zur

Nukleinsäure

Speicherung von Erbinformation oder Aufbau von Ribosomen oder zum

Transport von Aminosäuren.

Nukleolus Kernkörperchen, Bildungsort der Ribosomen

oberer Cortex Äussere Schutzschicht bei Flechten, besteht aus Pilzzellen

System das mit seiner Umgebung Stoff-und Energieaustausch hat, z. B.

offenes System

Lebewesen, oder Erde

Oligopeptid kurze Ketten von Aminosäuren, die durch Peptidbindung verbunden sind

Osmose Diffusion von Wasser durch Membranen entlang eines

Chemie, 6sm


osmotischer Druck

Konzentrationsgradienten

Druckdifferenz zwischen zwei durch eine semipermeable Membran

voneinander getrennten Kompartimenten. Er wird verursacht durch die

unterschiedlichen Konzentrationen an gelösten Substanzen. Dabei ist die

Membran für das Lösungsmittel, nicht aber für gelöste Substanzen

durchlässig. Einheit des Drucks: Pascal (Pa)= Newton (N)/m 2 . Er entsteht z.B.

durch Wassereinstrom in eine Zelle und wirkt z. B. gegen die Zellwand

Oxytocin Hormon der Hypophyse, ruft bei der Geburt die Wehen hervor; Nonapeptid

Parasitismus

Lebensweise eines Organismus unter einseitiger Ausnutzung eines anderen,

z.B. Bandwurm

PCA Polycyclische Aromaten

Pepsin Verdauungsenzym im Magen, Protease

Peptid Verbindung von mindestens 2 Aminosäuren über die Peptidbindung. Ein

Peptid enthält weniger als 100 Aminosäuren Protein

Peptidbindung Bindung über die Carboxylgruppe und Aminogruppe bei Peptiden

Perm

Zeitalter des Erdaltertums (290 - 250 Millionen Jahre), Baumfarne, Amphibien

Reptilien

Peroxisomen

Kleine Zellorganellen, vesikelartig die Hydrolasen (Catalase) enthalten; dienen

der Verdauung in Zellen; z. B. Leberzellen

Gesetz des Minimums von Liebig, der im Minimum befindliche Faktor bestimmt

Pessimum-Gesetz

das Ganze. Wird dieser Faktor bei Pflanzen z.B. als Dünger gegeben, dann

kann das Wachstum entscheidend gesteigert werden.

Pestizid Insektenvertilgungsmittel

Phagen Viren, die Bakterienzellen befallen

Phagosom

ein membranumhülltes Vesikel, das sich durch Phagozytose bildet, indem die

Zellmembran eine Partikel umschlossen hat.

Phagozytose

Vorgang zur Bildung eines Phagosoms; Aufnahme fester Partikel in die Zelle;

siehe Phagosom

pH-Optimum optimaler pH, bei dem ein Enzym katalysiert

Phosphate Salze der Phosphorsäure (PO4 3- )

Photosynthese

Stoffwechsel bei grünen Pflanzen, bei dem mit Licht aus CO2 und H2O Glucose

und O2 aufgebaut wird.

pH-Wert

pH = -log [H3O + ]; gibt die Menge an H3O + -Ionen in einer Lösung an (0-14); 0-

7-14 = basisch

Physiologie Wissenschaft von den natürlichen Lebensvorgängen der Organismen.

Pigmente = Farbstoffe wie z. B. Chlorophyll oder Häm

Pinozytose Aufnahme von flüssigen Stoffen in die Zelle

Plasmodesmen

Verbindungsstellen zwischen pflanzlichen Zellen , von Cytoplasma und ER

durchzogen zum Stoffaustausch

Plasmolyse

Ablösen des Cytoplasmas durch eine hypertonische Lösung ausserhalb der

Zelle

Polypeptid Aminosäurekette mit vielen Aminosäuren

Polysomen

an mRNA aufgereihte Ribosomen, die parallel an der Herstellung eines

Polypeptids arbeiten

Porin

Röhrenförmiges Protein, das in der Zellmembran von Bakterien einen Kanal

bildet

primäre Zellwand Zellwand von jungen Pflanzenzellen; besteht aus Cellulose

primärer aktiver Transport

das Membranprotein benötigt selbst ATP um seine Konformation zu ändern

und den Stoff zu transportieren.

Primärstruktur

grundsätzliche Struktur einer Peptidkette, die sich aus der Sequenz ergibt;

Zick-Zack-Kette

Gehirnproteine (= PrP) der Schafe, Rinder (u.a. Tieren) und des Menschen die

Prionen

in eine infektiöse Konformation übergehen können und Scrapie, BSE und

Creutzfeld-Jacob Krankheit in Form einer Gehirnzersetzung hervorrufen

können.

Produzenten

Pflanzen und Bakterien, die autotroph leben, also aus anorganischem Material

organisches herstellen

prosthetische Gruppe fest an Enzyme gebundener Nichtproteinanteil; z.B. Häm

Chemie, 6sm

123


Proteid Protein mit Nichtproteinanteil (z.B. Häm)

Protein Polypeptidkette mit über 100 Aminosäuren

Protisten einzellige Lebewesen

Protoplasma alles innerhalb der Zellmembran: Cytoplasma und Organelle

Quartärstruktur

räumliche Struktur von Proteinen, die aus mehreren Tertiärstrukturen

bestehen, z. B. Hämoglobin besteht aus 4 Ketten

Radikale

energiereiche Atome oder Moleküle mit ungepaarten Elektronen, Symbol: R . ,

diese Atome oder Moleküle sind chemisch sehr reaktiv

rauhes ER ER mit Ribosomen besetzt

Reaktionsgeschwindigkeit

Stoffumsatz pro Zeit, Konzentrationsänderung pro Zeit, Geschwindigkeit, mit

der ein chemischer oder biochemischer Prozess oder eine Reaktion abläuft

Regelgrösse (Regelstrecke,

Istwert)

Regelung

Regelzeit

Regler

Regulation

Regulator (Regelkreis),

Regulation

Renaturierung

124

Zustand oder Vorgang, der konstant gehalten werden soll. Der Istwert stimmt

nur selten mit dem Sollwert (Führungsgrösse) überein, in den meisten Fällen

schwankt er um ihn. Die Frequenz der Schwingung hängt von der

Reaktionsgeschwindigkeit des Systems ab (Zeitverhalten), die Amplitude

(Bandbreite) von der Leistungskapazität des Regelsystems.

Vorgang, bei dem die Regelgrösse (Istwert), trotz Einwirkung von Störungen

(Störgrösse), fortlaufend erfasst, mit der Führungsgrösse (Sollwert),

verglichen, und abhängig von der Abweichung im Sinne einer Angleichung an

die Führungsgrösse gesteuert wird.

Zeitdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal (resp. Konzentration).

Sie bestimmt das Zeitverhalten.

Im Regler werden Istwert und Sollwert miteinander verglichen und

abgeglichen. Geht der Istwert geht mit negativem Vorzeichen in den Abgleich

ein, spricht man von negativer Rückkopplung. Eine positive Rückkopplung, wie

sie z.B. bei einer Wachstumsfunktion zum tragen kommt, führt entweder zu

Selbstverstärkereffekten oder zu einem Systemzusammenbruch.

Steuerung von Abläufen in beliebigen Systemen. Die Regulation über

Regelkreise dient biochemisch der Erhaltung der Homöostase oder der

Anpassung und Koordination unterschiedlicher Abläufe. Bsp.: Der Blutdruck

wird durch Regulation innerhalb bestimmter Grenzen an die jeweilige

Belastungssituation des Organismus angepasst.

Teil eines Systems, welcher das Ausgangssignal (Nervenreiz, Konzentration..)

regelt. Sein Zeitverhalten ist für die Stabilität des Systems von entscheidender

Bedeutung.

Regenerierung der räumlichen Struktur einer Proteins nach milder

Denaturierung

reversibel umkehrbar

Reversibilität Umkehrbarkeit, das Gegenteil ist Irreversibilität

Membranproteine, die spezifisch auf chemische Stoffe oder physikalische

Rezeptoren

Reize reagieren (binden); dadurch werden intrazellulär Reaktionen ausgelöst

Strukturen an der Aussenseite von Membranen, zur Erkennung von Signalen

Rezeptoren

oder Botenstoffen (Neurotransmitter); meist Proteine

rezeptorgesteuerte Endocytose Rezeptoren an der Zellmembran ermöglichen die Aufnahme von Partikeln

Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel: Erhöht man die Temperatur um

RGT-Regel

10° C, verdoppelt bis verdreifacht sich die Reaktionsgeschwindigkeit (diese

Regel hat viele Ausnahmen) Q10-Regel

Ribonuklease Enzym was Ribonukleinsäure, RNA, spaltet

Kleine Zellorganelle, die Proteine herstellen, sind aus Nucleoproteinen

Ribosomen

aufgebaut

Methode zur Strukturaufklärung von Stoffen; dabei werden von Stoffen

Röntgenstrukturanalyse Kristalle gezüchtet und diese geröntgt; die Ablenkung der Röntgenstrahlung

wird gemessen und daraus die dreidimensionalen Atomkoordinaten berechnet.

oder auch Feedback, kennzeichnet eine gegenseitige Beeinflussung zwischen

Elementen eines Systems. Man unterscheidet positive und negative

Rückkopplung

Rückkopplung. Chemisch: Rückwirken eines Reaktionsprodukts auf den

laufenden Prozess.

Diese wirkt im System stabilisierend. Notwendige Bedingung dafür ist die

Rückkopplung, negative

Vorzeichenumkehr im Regler (negative feedback): Ein Element, das einen

Chemie, 6sm


Anstieg der Eingangsgrösse mit einem Absinken der Ausgangsgrösse (Istwert)

beantwortet oder umgekehrt (feedback inhibition).

Diese wirkt verstärkend und führt zu einem Ungleichgewicht im System.

Notwendige Bedingung dafür ist die fehlende Vorzeichenumkehr im Regler

Rückkopplung, positive (positive feedback): Ein Element beantwortet einen Anstieg der

Eingangsgrösse mit einem Anstieg der Ausgangsgrösse (Istwert) oder

umgekehrt. Sie führt zu dysfunktionaler Instabilität.

Modell zum Ablauf einer enzymatischen Katalyse; Substrate passen wie ein

Schloss-Schlüssel-Modell Schlüssel in das Schloss: Enzym (hier fehlen die sehr wichtigen

chemischen Bindungen!!) Das bessere Modell ist das induced fit-Modell.

Schwefelbakterien autotrophe Bakterien, die H2S zu Sulfat oxidieren

gehirnzersetzende Krankheit bei Schafen, verursacht durch infektiöse Proteine

Scrapie

(= Prionen)

es wird ATP dazu benötigt, einen Gradienten zu schaffen. Entlang des

sekundärer aktiver Transport

Gradienten kann dann das Transportprotein Moleküle transportieren.

Sekundärstruktur Räumliche Organisation einer Peptidkette in Form einer Helix oder als Faltblatt

Mechanismus der Evolution, bei dem durch die gerade vorherrschenden

Selektion

Umweltbedingungen bestimmte Genotypen (= Individuen mit bestimmtem

Erbgut) bevorzugt sind, diese überleben besser als andere

semipermeabel halbdurchlässig

Die Empfindlichkeit eines Systems gegenüber spezifischen Veränderungen,

Sensitivität, Empfindlichkeit

z.B. Temperatur, Wirkstoffe, Licht etc.

kurze Aminosäuresequenz am Ende jeder Polypeptidkette; dient zur

Signalpeptid

Ansteuerung des Wirkungsorts in der Zelle

Durchspielen verschiedener Entwicklungsmöglichkeiten am Computer.

Simulation hat zum Ziel, das Verhalten eines Systems mit Hilfe eines Modells,

Simulation

z. B. ein Wirkungsnetz zu untersuchen, um Wissen für optimale Strukturen und

Prozesse zu entwickeln.

Sollwert (Zielwert) Einstellungswert des Reglers durch die Führungsgrösse

verschiedene Bindungen in einer räumlich gefalteten Polypeptidkette zwischen

bestimmten Aminosäureresten, Disulfidbrücken, H-Brücken, ionische und

stabilisierende Bindungen

hydrophobe Wechselwirkungen, bei grossen lipophilen Bereichen auch van der

Waalssche Bindungen

steady state Gleichgewichtszustand.

Stellglied Regelelement, das den Wert der Regelgrösse ändert; z. B. Hormondrüse

Stellgrösse Grösse der Beeinflussung der Regelgrösse durch das Stellglied

Vorgang in einem System, bei dem sich eine oder mehrere Grössen als

Steuerung

Eingangsgrössen, andere Grössen als Ausgangsgrössen systematisch

beeinflussen.

Kreislauf der N-Verbindungen in der Natur N2 und Nitrat

Stickstoffkreislauf

Aminosäuren/Proteine Ammoniak Nitrit Nitrat

Auf ein System wirken Störgrössen ein, die ausgeregelt werden müssen. Die

Störgrösse

Störungen müssen korrigierbar sein. Übersteigen sie die Regelkapazität eines

Systems, kommt es zu einer Regelkatastrophe, das System bricht zusammen.

Im Verlauf der Evolution der Lebewesen haben sich zwei prinzipielle Strategien

entwickelt: die r- und K-Strategie (= r- und K-Selektion). Die r-Strategie ist

(ohne Berücksichtigung von K) durch eine hohe Vermehrungsrate

gekennzeichnet. Sie tritt vor allem bei Arten in Erscheinung, die darauf

spezialisiert sind, neue Lebensräume mit variablen Bedingungen zu besiedeln,

oder bei solchen, deren Populationsgrössen starken Schwankungen

unterworfen sind. Die K-Strategie hingegen beschreibt eine geregelte,

dichteabhängige Vermehrung (unter Berücksichtigung der Kapazitätsgrenze

Strategie

des Lebensraums K). Sie kommt bei Arten in stabilen Lebensräumen vor, in

denen eine hohe Vermehrungsrate ohne Vorteil wäre, und gilt als evolutionär

progressiver als die r-Strategie. In der Natur findet man meist alle denkbaren

Übergänge zwischen beiden Extremen. Man kann daher sagen, dass sich eine

Art vornehmlich der einen Strategie bedient, obwohl Anteile der anderen nicht

zu übersehen sind. Manchmal bedingen äussere Umstände, z.B.

unvorhergesehene Änderungen der Lebensbedingungen, einen Wechsel von

einer Strategie zur anderen. dN / dt = rN(K - N) / K, N: Population, K: Kapazität.

Chemie, 6sm

125


Stratosphäre Schicht der Atmosphäre von ca. 10 - 40 km die die Ozonschicht enthält.

Stroma Flüssigkeit in Chloroplasten

Substrat Ausgangsstoff, Edukt einer Enzymreaktion

Substratspezifität Enzyme erkennen ihr Substrat

Sulfonamide

Antibiotika einer bestimmten chemischen Klasse (>N-C6H4-SO2-), (Stoffe die

Bakterien abtöten)

Symbiose

enges Zusammenleben zweier Organismen zum gegenseitigen Nutzen z. B.

Alge und Pilz in Flechten oder Mensch und E. Coli

Symport

Transportprotein, das 2 Teilchen in eine Richtung durch die Membran

transportiert

Der Ort an dem die Informationsübertragung zwischen zwei Nervenzellen

(Neuronen) stattfindet. Die elektrische Botschaft der Neuronen wird mittels der

Neurotransmitter in eine chemische umgewandelt, damit sie den synaptischen

Spalt passieren kann. Das Neuron, an dem ein Aktionspotential entsteht wird

prä-synaptische Nervenzelle genannt, während das Neuron, dass die

Synapse

chemische Botschaft erhält und wieder in eine elektrische umwandelt postsynaptische

Nervenzelle heisst. Eine Gehirnzelle kann zwischen 1000 und

10’000 Synapsen ausbilden. Bei geschätzten 100 Milliarden Gehirnzellen

wären das maximal 500 Billionen Synapsen, wenn jede Gehirnzelle 10’000

Synapsen ausbilden würde (keine Mehrfachzählungen). Man nimmt an, dass

ein durchschnittliches Gehirn ca. 100 Billionen Synapsen besitzt. Das erklärt

die einzigartigen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns

Synergie

Das einander positiv beeinflussende Zusammenwirken verschiedener

Prozesse.

fasst Funktionselemente (Funktionseinheiten, Funktionsglieder) sowie deren

Wechselwirkungen untereinander als Ganzes zusammen. Die funktionellen

Beziehungen der Systemelemente bedingen die besonderen Eigenschaften

System

und Leistungen eines Systems: die Systemeigenschaften. Wichtig ist die

Unterscheidung von Systemelementen auf gleicher Hierarchieebene von

solchen auf unter- bzw. übergeordneten Ebenen. Systeme auf untergeordneter

Ebene sind Teilsysteme eines höherrangigen Systems.

Durchschnittliche relative Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit in Funktion

Temperaturkoeffizient, Q10 der Änderung der Reaktionstemperatur um 10°C (oder 10 K) bei sonst

konstanten Bedingungen.

Tertiärstruktur = Globulärstruktur, Wollknäuelstruktur der Proteine

Tetraeder 4-flächiger geometrischer Körper

Tetrapeptid Peptid aus 4 Aminosäuren

hitzeliebend; Lebensweise einiger Bakterien (Archäa) bei Temperaturen um

thermophil

den Siedepunkt von H2O; interessant ist hier die Stabilität der aufbauenden

Verbindungen

thermophile Bakterien

wärmeliebende Bakterien, vor allem Archäbakterien, die bei Temperaturen

oberhalb 40 und bis 100° C existieren.

Thylakoide Membranausstülpungen der inneren Chloroplastenmembran

Thymindimere

Verbindung zweier nebeneinander liegender Thyminbasen in der DNA durch

UV-Licht (Mutation)

TOMS

= Total Ozone Mapping Spectrometer, Gerät das in verschiedene Satelliten

eingebaut ist und die Ozonkonzentration misst.

Tonoplast

abgrenzende Membran zwischen Cytoplasma und Vakuole in einer

Pflanzenzelle

Transferrin Fe-Transportprotein im Blut

Transpiration

Aufwärtstransport von Flüssigkeit in den Leitgeweben der Pflanzen (Spross),

der durch die den Wassergradienten Boden- Luft entsteht

Tripeptid Peptid aus 3 Aminosäuren

Trypsin Verdauungsenzym im Dünndarm, Protease

Tubulin Protein aus dem die Mikrotubuli bestehen

Tunnelprotein Membranprotein das Stoffe hindurchlässt

Turgeszenz Füllungszustand einer Zelle (Vakuole)

Uniport Carrierprotein, dass nur in eine Richtung transportiert

Urease Harnstoffspaltendes( synthetisierendes) Enzym bildet Ammoniak (NH3) und

Chemie, 6sm

126


Kohlendioxid (CO2)

UV-A Wellenlängenbereich der UV-Strahlung von 400-320 nm, ungefährlich

Wellenlängenbereich der UV-Strahlung von 320-240 nm, gefährlich, ruft in

UV-B

grösseren Dosen Sonnenbrand und Hautkrebs hervor, wird von Ozon

absorbiert

Wellenlängenbereich der UV-Strahlung von 240-100 nm, gefährlich, wird von

UV-C

der Atmosphäre vollständig absorbiert

Das vegetative Nervensystem, auch autonomes Nervensystem genannt,

steuert die Aufrechterhaltung des körperlichen Milieus und wird in zwei meist

Vegetatives Nervensystem antagonistisch arbeitende funktionelle Einheiten aufgeteilt, den Sympathikus

und den Parasympathikus, wobei eine genaue Abgrenzung nicht immer

möglich ist.

Partikel, kleiner als Zellen, aus Protein und Nukleinsäure bestehend, die Zellen

Viren

infizieren und töten

italienischer Mathematiker, stellte zusammen mit Lotka ein mathematisches

Volterra

Modell der Populationsdynamik auf, das Gleichgewichte, periodische Prozesse

oder chaotische Abläufe beschreiben kann (rückgekoppelte Prozesse)

Verlauf des Wachstums von Bakterien in einer Petrischale mit anfänglich

Wachstumskurve von Bakterien

optimaler Nährstoffversorgung (logistisches Wachstum)

Organismen, die ihre Körpertemperatur nicht Konstanthalten können und von

wechselwarme Lebewesen

der Umgebung abhängig sind; alle Wirbellose, Fische Amphibien und Reptilien

Wirbellose Alle Tiere ohne Skelett, z. B. Würmer, Weichtiere, Insekten Spinnen, usw.

Enzyme haben auf ihr Substat eine bestimmte chemische Wirkung, ebenso die

Wirkungsspezifität

Wirkstoffe an den Rezeptoren, es läuft nur eine vorbestimmte Reaktion ab

Wollknäuelstruktur Tertiärstruktur = Globulärstruktur; random coil

Bakterien, die in Symbiose mit Leguminosen leben und den Luftstickstoff als

Wurzelknöllchenbakterien

Nahrungsquelle nutzen können

Xanthophylle gelbe Blattfarbstoffe in Chloroplasten

Leitgewebe in Pflanzen (Spross), das Wasser und Salze nach oben

Xylem

transportiert

Faktor für die Beschreibung der Zeit in Übertragungssystemen. Ein

Eingangssignal führt zeitlich verzögert zu einem Ausgangssignal.

Zeitverhalten

Übertragungssysteme können daher - sofern sie selbst komplex strukturiert

sind - über ein „Gedächtnis“ verfügen, in dem Eingangssignale additiv oder

multiplikativ verrechnet werden.

Stoffwechselweg in allen aeroben Organismen, bei dem zum ATP-Gewinn

Zellatmung

Glucose mit Hilfe von O2 abgebaut wird.

Zellkern grösstes Zellorganell eukaryontischer Zellen; enthält Erbinformation

Äussere Abgrenzung des Protoplasmas; besteht aus Lipoid (60%) und Protein

Zellmembran

(40%). Man beschreibt die Zellmembranen sehr gerne mit dem Fluid-Mosaic-

Model.

Zielzellen Zellen, die für ein Hormon den passenden Rezeptor enthalten.

Chemie, 6sm

127


4. Stichwortverzeichnis

-Faltblatt 80

-Helix 80

absoluter Nullpunkt 4

Agonist 49

Aktin 89

aktives Zentrum 97

Aktivierungskaskade 47

Aktomyosin 89

Alkoholgärung 6

allosterische Bindungsstelle 109

Amidgruppe 65

Aminocarbonsäure 38

Aminoethansulfonsäure 44

Amylase 100

Anabolismus 104

Antagonist 49

Antibiotika 70

Antikörper 90

antitoxische Wirkung 75

Atmung 8

ATP 5

autokatalytischer Prozess 105

Biokatalysatoren 94

biologische HWZ 53

biologische Uhr 63

Biosensor 37

Biuret 68

Bräunen der Haut 57

Capsaicin 37

Casein 98

Catalase 101

Chiralität 40

Coenzym 93

Cofaktor 93

Collagen 88

Cytochromoxidase 95

Dauerwellen 89

Denaturierung 83, 100

Diffusion 51

Diode 50

Dissoziationskonstante 107

Disulfidbrücke 83

DNA 34

DOM 50

Dreifach-Helix 88

Droge 50

dynamisches Gleichgewicht 20

Einfluss des pH-Wertes 99

Eiweiss 66, 78

Eiweissverdauung 104

Endopepitdasen 105

Endprodukthemmung 15

Energie 3

Energiewährung 5

Entropie 3, 5

Enzym 92

Enzymaktivität 97, 98

Enzyme 87

Chemie, 6sm

Enzym-Kinetik 94

Enzymklassen 103

Enzym-Substrat-Komplex 108

Enzymwirkung 106

Faltung 68

Faserproteine 88

Favismus 104

Ferment 92

Fette 34

Fettsäuren 35

Fibrinogen 88, 89

Freie Reaktionsenthalpie 3

G6PD 104

Gelatine 88

Gibbsche Energie 3

Gleichgewicht 20

globuläre Proteine 90

Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase 104

Gramicidin S 72

grüner Knollenblätterpilz 74

Hämoglobin 8, 80

Hefe 92, 110

Hemmung 108

Homöostase 20

Hormon 76

Hormonwirkung 47

hub 25

Hydrolasen 103

hydrophil 83

hydrophob 82

Hyperkeratose 89

IEP 99

Induced Fit“-Modell 97

Inhibitor 15, 95, 110

Insulin 85

Internet 29

Iodmangel 55

Irreversibilität 3

Isoelektrischer Punkt 99

Kanalisierung 7

Katabolismus 104

Katalysator 94

Keratin 88

Knoten 25

Kohlehydrate 34

Kohlenhydrate 21

Kohlgewächse 55

Kompartimentierung 7

kompetitive Hemmung 109

kooperativer Effekt 84

Kretinismus 55

Kropf 52

Kropferzeugende Stoffe 55

L- Adrenalin 47

L-Dopa 46

Lineweaver-Burk-Plot 108

logaritmische Empfindung 36

LSD 64

128


Makrosystem 9

maximale Geschwindigkeit 107

Melanin-Bildung 57

Melatonin 63

Merrifield-Synthese 67

Mescalin 50

Michaelis-Konstante 107

Michaelis-Menten Gleichung 107

Mikrosystem 9

Mikrozustände 5

molekulare Dynamik 97

Monomer 78

Myosin 89

negative Rückkopplung 53

Nervenreizleitung 48

Netzwerk 25

Neurotransmission 47

Neurotransmitter 44

nichtkompetitive Hemmung 109

Nicotin 47

Nukleinsäuren 34

Oxytocin 76

Parkinsonsche Krankheit 45

Penicillin 70

Pepsin 104

Pepsinogen 105

Peptid 66

Peptidasen 103

Peptidbindung 65, 66

Peptide 34

Phenol-Oxidasen 57

Photosynthese 4

Pigmentstoffwechsel 63

Polypeptide 68

Prä-Proinsulin 85

Primärstruktur 68, 78, 80

Proinsulin 85

Protein 66, 78

Proteine 34, 38

Protein-Hormone 90

Puffer 38

Puffergleichung 39

Quartärstruktur 78, 83

Random-Netzwerk 25

Reaktionen von Lebensprozessen 3

Reaktionsabfolge 7

Reaktionsenthalpie 3

Reaktionsentropie 3

Regelkreis 10, 12

Regelung 10

Regelungstechnik 11

Regler 11, 49

Regulierbarkeit 19

Reizübertragung 51

Reversibilität der Enzymwirkung 101

Rezeptoren 36

Chemie, 6sm

Ribosomen 68

Rizinuslipase 101

Rückkopplungen 13

Scale-free-Netzwerk 25

Schilddrüse 19, 52

Schilddrüsenhormone 52

Schlüssel-Schloss"-Modell 97

Schokolade 61

Seitenkette 38

Seitenketten 41

Sekundärstruktur 68, 78, 80

Selbstorganisation 5

selbstorganisierende Systeme 4

Sepiamelanin 59

Sequenz 80

Serotonin 61

Simulation 13, 16, 23

Spinnfaden 90

Stabilität 30

Stellsystem 11

Stoffwechselkette 14

Störgrösse 11

STP 50

Strukturproteine 87

Substrat 97

Süssstoff 69

Synapse 48

Synapsenbläschen 49

T3 52

T4 52

Taurin 44

Teilreaktionen 7

Teilschritte 7

Tertiärstruktur 78, 82, 83

Thermodynamik 3

Thyroid Stimulating Hormone 19

Thyroid-Hormone 52

Thyroxin 19

Torsionswinkel 66

Trypsin 98, 105

Trypsinogen 105

Tryptophan 61

Turn 86

Tyrosin 20, 42, 45

Urease 93, 96, 102

Vasopressin 76

Verdauungsenzyme 103

Vernetzung 10

Vernetzung der Prozesse 10

Waschmittel 105

Wasserstoffperoxydspaltung 101

Weber-Fechnersches Gesetz 36

Wirkungsmaximum 99

Zwitterionen 38

Zymase 93

129

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