Grundlagen der Biochemie und Molekularbiologie

Enzymatik und Hemmung

Schwermetallionen beeinflussen die dreidimensionale Struktur eines Enzyms dauerhaft. Sie blockieren Bindungsstellen im aktiven Zentrum oder verändern dessen Struktur, indem sie sich in dessen Nähe an das Enzym binden.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Das Substrat bindet sich in das aktive Zentrum (AZ) des Enzyms. Dort wird die Umsetzung zu den Produkten katalysiert, die sich anschließend wieder vom AZ lösen. Enzyme bestehen aus Aminosäuren; es gibt 20 Aminosäuren, die sich auf vielfältige Weise aneinanderlagern können.

Allosterische Hemmung

Bei der allosterischen Hemmung passt das Substrat in das aktive Zentrum des Enzyms und kann dort gebunden werden. Bindet sich jedoch ein Inhibitor an das allosterische Zentrum, so verändert dies die Raumstruktur des gesamten Enzyms und damit auch die des aktiven Zentrums.

Einfluss von pH-Wert und Temperatur

Durch leichte Veränderung des pH-Werts – sowohl Absenkung als auch Steigerung – wird die dreidimensionale Struktur des Enzyms und damit auch die des AZ verändert. Dadurch passen die Substrate schlechter in das aktive Zentrum und werden langsamer umgesetzt. Bei stärkerer Veränderung des Enzyms werden die Substrate nicht mehr gebunden.

Jedes Enzym hat einen Bereich, in dem seine Enzymaktivität optimal ist. Bei tieferen Temperaturen ist die Geschwindigkeit wie bei allen chemischen Reaktionen niedriger; bei höheren Temperaturen wird die dreidimensionale Struktur zerstört.

Proteinstrukturen

Wasserstoffbrückenbindungen (WSBB) zwischen den C=O- und NH-Gruppen der Peptidketten stabilisieren diese räumliche Anordnung.

Sekundärstrukturen

• Alpha-Helix: Peptidketten in Form einer rechtsgewundenen Schraube, entdeckt in Alpha-Keratinen, den fibrillären Proteinen in Haaren.
• Beta-Faltblatt: Peptidketten in Zickzack-Form gefaltet; je nach Richtung der Peptidketten wird von parallelen bzw. antiparallelen Faltblättern gesprochen.

Tertiär- und Quartärstruktur

Die Tertiärstruktur beschreibt die Ausbildung der stabilen Raumstruktur monomerer Proteine, die aus Kombinationen von Sekundärstrukturen sowie den dazwischen liegenden Schleifen besteht. Stabilisiert durch WSBB, Disulfidbrücken, Ionenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen.

Die Quartärstruktur beschreibt, wie mehrere identische Peptidketten mit eigener 1-, 2- oder 3-Struktur zu einer Funktionseinheit zusammenzutreten.

Denaturierung

Bei der Denaturierung verändert sich die Struktur von Proteinen. Das bedeutet, dass Bindungen im Biomolekül aufgespalten werden. Meistens können die Moleküle durch Denaturierung ihre Funktion nicht mehr ausüben.

Lipide und Stoffwechsel

Lipide: Fette und die Anzahl der Doppelbindungen.

• Triglyceride (TRY): Energiespeicher, hydrophob, 3 Esterbindungen, Isolierung.
• Phospholipide: Flexibilität, amphipathisch, 2 Esterbindungen.
• Cholesterin: Bestandteil gesunder Zellen, 1 Esterbindung.

Triglyceride werden bei Bedarf in Fettsäuren und Glycerin zerlegt und diese Bestandteile werden in den Blutkreislauf abgegeben, um den Energiebedarf zu decken.

Katabolismus und Anabolismus

• Katabolismus: Auflösung komplexer Moleküle zu einfachen Molekülen und die Hydrolyse von Polymeren zu Monomeren.
• Anabolismus: Synthese komplexer Moleküle aus einfachen Bausteinen und die Bildung von Makromolekülen durch Kondensationsreaktionen.

DNA-Replikation

Vor der Zellteilung muss die Erbinformation repliziert werden, damit die Tochterzellen die komplette Erbinformation erhalten. Das DNA-Spaltenzym trennt die Wasserstoffbrücken zwischen den gegenüberliegenden Basenpaaren, und es bilden sich wie beim Öffnen eines Reißverschlusses aus dem DNA-Doppelstrang zwei DNA-Einzelstränge (Reißverschlussprinzip).

1. Die Topoisomerase entspiralisiert die DNA.
2. Die Helikase trennt den Doppelstrang.
3. Die Primase setzt die Startpunkte (Primer).
4. Die Polymerase verbindet die Nukleotide mit der komplementären Base.

Enzyme der Replikation

• Topoisomerase: Entwindet die Doppelhelix der DNA.
• Helikase: Öffnet den Doppelstrang und durchtrennt die Wasserstoffbrückenbindungen.
• Primase: Lagert RNA-Primer an den Mutterstrang an.
• DNA-Polymerase: Synthetisiert die DNA-Stränge durch Verknüpfung der komplementären Basen.
• RNase H: Entfernt RNA-Primer.
• DNA-Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente am diskontinuierlichen Strang.

Hershey-Chase-Experiment

Die Versuche von Hershey und Chase (1952) klärten, ob Proteine oder Nukleinsäuren die Träger der Erbinformation sind. Proteine enthalten Schwefel, aber keinen Phosphor. Nukleinsäuren enthalten Phosphor, aber keinen Schwefel. Mit Hilfe radioaktiver Markierung konnte nachgewiesen werden, dass die Radioaktivität nur dann in Bakterienzellen eindringt, wenn der Phosphor markiert wurde. Damit wurde bewiesen, dass die DNA der physikalische Träger der Erbinformation ist.

Proteinbiosynthese

Translation

Initiation: Die kleine Untereinheit des Ribosoms lagert sich an die mRNA an und bewegt sich zum Start-Codon. Die Starter-tRNA bindet sich. Die große Untereinheit vervollständigt den Initiationskomplex.

Elongation: Die tRNA mit der passenden Aminosäure bindet an der A-Stelle. Enzyme katalysieren die Übertragung der Peptidkette auf die neue Aminosäure. Das Ribosom wandert weiter, die leere tRNA löst sich an der E-Stelle.

Termination: Ein Stop-Codon in der A-Stelle führt zur Bindung eines Release-Faktors. Das Peptid wird freigesetzt und der Komplex zerfällt.

Genregulation

Transkriptionsfaktoren: Spezifische Faktoren binden an die TATA-Box, weitere Proteine folgen, die RNA-Polymerase bindet, und die Genexpression beginnt.

Enhancer und Silencer: Diese liegen weit vom Promotor entfernt. Enhancer fördern die Genexpression durch Bindung von Aktivator-Proteinen, welche die DNA-Form verändern.

Methylierung: Methylgruppen binden am Cytosin im Promotor. Die RNA-Polymerase kann nicht binden, das Gen ist inaktiv.

Histon-Acetylierung: Acetylgruppen binden an Lysin der Histone. Lysin wird neutral, die DNA lockert sich, das Gen ist aktiv.

Operon-Modelle:

• lac-Operon: Lactose inaktiviert den Repressor, dieser löst sich vom Operon, die RNA-Polymerase kann die Gene ablesen.
• Tryptophan-Operon: Tryptophan aktiviert den Repressor, dieser bindet an das Operon, die RNA-Polymerase kann die Gene nicht mehr ablesen (keine Überproduktion).