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Zusammenfassung Biochemie
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Sehr gute und ausführliche Zusammenfassung der Biochemie, KIT, 5. Semester, Allgemeine Biologie Bachelor Klausur 1,0
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Biochemie ZusammenfassungKap.1 – Einführung in die Biochemie
Zeitlicher Verlauf der biochemischen Evolution
Wann ist Leben entstanden + Wie hat es sich entwickelt und wie
finden wir das heraus?
• Leben auf der Erde vor ca. 3,5 Mrd Jahren begonnen
• bei Menschen Fossilien -> Neanderthalerknochen ca.
40.000 -100.000 Jahre alt -> aus diesen kann man sogar
noch DNA gewinnen + sequenzieren -> Vergleich möglich
auf DNA Ebene mit H. sapiens (vor ca. 50.000 Jahren aus Afrika nach Europa eingewandert)
• Dinosaurier auch Fossilien
• Kalksteine + Muscheln über 400.000 Jahre alt
• Vor Bildung der Sauerstoffatmosphäre lebensfeindlicher Ort für uns
• Blaualgen ca. 2,2 Mrd Jahre alt -> haben Sonnenlicht eingefangen + O2 als Abfallstoff produziert -> gab
kein O2 in Atmosphäre -> gebildeter O2 reagierte sofort ab mit Eisen und rieselte dann auf Boden des
Ozeans -> bis nach ca 300 Millionen Jahren, das ganze Eisen mit O2 abreagiert war -> dann konnte sich O2
in Atmosphäre anreichern
• Bildung der Sauerstoffatmosphäre weiß man so genau, wegen Erden in Afrika + Australien (rote Erde -> rot
kommt von Fe bzw. FeO) -> hier ist Meeresboden an Oberfläche gekommen + hat Kontinente gebildet ->
ist durch Verschiebung der Kontinentalplatten nach oben gekommen -> sehr genau datierbar -> vor ca. 1,5-
2 Mrd Jahren O2 !!
• Da es vorher O2 nicht gab, findet man Archaeabak, die früher Erde dominiert haben, nur noch an spez.
Orten -> extreme Umgebungen -> Jella Stone Nationalpark, heiße Quellen -> Archaea deshalb lange
übersehen worden
Lebewesen auf der Erde
Alle Lebewesen auf der Erde sind sich auf Ebene der Biochemie sehr ähnlich
• Aus verschiedenen Domänen des Lebens: Archaea, Bakterien, Pflanzen, Mensch -> bauen sehr ähnliche
Proteine
o TATA-Box-bindende Protein stimmt bei 3 sehr unterschiedl. Lebewesen (Archaea, Arabidopsis, H.
sapiens) überein, obwohl diese in Evolution durch Mrd. von Jahren voneinander getrennt sind
▪ 3D-Struktur sehr ähnlich -> besitzen alle gleiche Rundung im Zentrum -> hier passt die
DNA rein -> wichtig -> Form bestimmt die Funktion
▪ Verwenden die gleichen Moleküle: AS, genetischer Code, 4 Basen, Glucose, Glycerin ->
alles dieselben Moleküle, die alle Lebewesen auf dieser Welt verwenden (ca.150 Stück)
• Alle Lebewesen auf der Erde verwenden dieselben kleinen Moleküle (=Metabolite) zum Wachsen
-> Glucose + Glycerin
Wieso verwenden alle Lebewesen dieselben
Welche sonstigen Moleküle verwenden alle Lebewesen auf der Erde? Moleküle?
• DNA Moleküle, aus den 4 Basen (A,C,G,T) • Ca. 150 Moleküle, die alle Lebewesen
• Proteine, aus den 20 AS nutzen
• Denselben genetischen Code um DNA in Proteine zu übersetzen • Leben verfolgt Prinzip: ganz wenige
• Set an Metaboliten (Glukose, Pyruvat) Bausteine, die immer wieder verwendet,
• Alle Lebewesen aus Zellen aufgebaut neu kombiniert + ineinander umgebaut
• Verwenden alle die gleichen biochem. Stoffwechselwege, um werden können
Energie oder chemische Moleküle zu gewinnen oder umzuwandeln ➔ Aldi Prinzip: wenige Bausteine
Alle Lebewesen auf Erde haben denselben Vorfahren verwenden + kombinieren um
• 3 Domänen: Bacteria, Eukarya, Archaea -> 1 gemeinsamer Vorläufer Komplexes zu bauen
• Archaeabak Blaualge oder Bak geschluckt -> Endosymbiontentheorie • Problem bei zu viel -> lässt sich schlecht
-> bei Eukaryoten: Mitochondrium (α-Proteobak) -> bei Pflanzen: alles wiederverwerten -> zu vielfältig
Chloroplast (Cyanobak) • Leben auf dieser Welt ist nur einmal
• Daher sind Archaea uns ähnlicher als Bakterien entstanden, wir sind alle miteinander
verwandt
,Struktur der DNA
• Eine der wichtigsten gemeinsamen Moleküle -> DNA Moleküle aus den 4
Basen
• In DNA über Gene festgelegt welche Proteine wir codieren -> 4
Buchstabencode: A,C,G,T -> dreidimensional angeordnet in best. Struktur
• Jede Einheit der Polymerstruktur besteht aus einen Zuckermolekül
(Desoxyribose=C5-Zucker), einem Phosphat + einer variablen Base, die aus dem Zucker-Phosphat-Rückgrat
herausragt
• In der Bindung steckt viel Energie, müsste eig. relativ leicht kaputt gehen -> aber ist sehr stabil
• In jeder Zelle alle Erbinformationen vorhanden -> möglich durch den guten Zsmbau der Basen -> DNA
4 Basen
• Strukturformeln der 4 DNA Basen, die in allen Lebewesen, die Erbinformation codieren
• Alle 4 Basen sind π-Elektronensysteme -> konj. Doppelbd, die in einer flachen Molekülstruktur vorliegen
-> muss flach sein, weil e- nicht um Ecke laufen wollen, würde mit Energieverlust einhergehen
• Basen sind eig hydrophob, aber gibt kleine hydrophile Gruppen: Aminogruppe oder Sauerstoffatom, die
miteinander Wasserstoffbrücken bilden können
Doppelhelixstruktur der DNA
• Zucker-Phosphat-Rückgrate der beiden Ketten rot + blau, Basen grün
violett, orange + gelb
• Beide Stränge liegen antiparallel + verlaufen in Bezug auf Achse der
Doppelhelix jeweils in entgegengesetzer Richtung (siehe Pfeile)
• Spezifische Basenpaarung: A+T, G+C
• Vererbung war ungeklärt, aber durch Struktur + spez. Basenpaarung
wurde klar, dass dsDNA zu ssDNA aufgetrennt wird bei Vererbung
➔ Form zeigt Funktion
• Nobelpreis für Aufklärung der Doppelhelixstruktur der DNA Watson + Crick 1953 -> 3. Person: Rosalin
Franklin hat gesamten Daten erarbeitet, auf denen Modell von Watson + Crick basiert -> hätte auch
Nobelpreis bekommen, aber davor verstorben
DNA-Replikation
• Wenn die 2 Stränge eines DNA-Moleküls voneinander getrennt werden, kann jeder Strang als Matrize für
Erzeugung eines Partnerstranges dienen -> neu synthetisierte Stränge -> aus 1 Doppelstrang werden 2
Watson-Crick-Basenpaare
• A paart mit T (2 Wasserstoffbrücken)
• G paart mit C (3 Wasserstoffbrücken)
• so entsteht genau passender
Gegenstrang, da spez. Basenpaarung
-> Base bildet nur mit komplementärem
Basenpartner Wasserstoffbrücke -> spez.
• so kann aus ssStrang wieder dsStrang
synthetisiert werden
,Bildung einer Doppelhelix
• Mischt man 2 DNA-Stränge mit passenden, komplementären Sequenzen
-> lagern sie sich spontan zsm + bilden Doppelhelix
• Alles Gleichgewichtsreaktion -> nie 100% -> aber dsDNA Bildung deutlich
bevorzugt
Kovalente Bindungen
• Molekül mit mehreren Resonanzstrukturen mit ähnlichem Energiegehalt ist stabiler als Molekül ohne diese
• Kovalente Bindungen -> 350 kJ/mol -> braucht viel Energie um diese zu knacken -> sehr starke Bindungen
• Mehrere Atome teilen sich 1 oder 2 e-
• Doppelbd hat doppelt so viel -> ca. 700 kJ/mol
• Konj. Doppelbd liegen dazwischen -> 475 kJ/mol -> immer Doppelbd, Einfachbd abwechselnd +
Resonanzstrukturen -> Moleküle müssen deshalb flach sein, sonst würde bei Elektronenumlagerung
Energie verloren gehen
Nicht Kovalente Wechselwirkungen -> 4 Stück
Kraft 1: Elektrostatische Wechselwirkungen
• Coulomb Gesetz
• 2 Ionen mit entgegen gesetzter Ladung 0,3 nm von
einander weg, WW in H2O Energie = -5,8 kJ/mol
-> dieselbe WW in Hexan E= -231 kJ/mol ; C-C Bd. -356 kJ/mol E=Energie
• Anziehung + Abstoßung hängt von Abstand + Umgebung ab -> also q1 + q2 =Ladungen
Dieelektrizitätskonstante -> in Wasser ist Kraft 40 mal kleiner als in r=Abstand der Atome voneinander
Hexan K=Proportionalitätskonst.
• In Membran elektrostatische WW viel stärker als im Cytosol (viel H2O) D=Dieelektrizitätskonst. -> von Wasser= 80,
Kraft 2: Wasserstoffbrücken von unpol. Umgebung= 2
• Wasserstoffbrücken soz. elektrostatische WW
• In einer Wasserstoffbrücke teilen sich 2 elektronegative Atome (z.B.
N,O) ein H-Atom
• Wasserstoffbrücke besitzt Energie von -40 bis -20 kJ/mol
• Funktioniert nur bei Geraden -> e- wollen nicht um Ecke gehen
• N elektronegativer zieht die gemeinsam genutzten e- etwas weiter zu
sich und von H weg -> N partiell negativ, H partiell positiv -> anderes Atom, dass eher negativ
geladen ist (O) guter Bdpartner für den partiell pos. H -> Wasserstoffbrücke
• N-H oder O-H Gruppe können mit O- oder N-Atom Wasserstoffbrücke bilden
• Wasserstoffbrücke soz. gleich wie elektrostat. WW -> jedoch schwächer weil es sich hier nur
um Teilladungen handelt, die Anziehung oder Abstoßung bewirkt
Kraft 3: Van-der-Waals-WW -> Energiegehalt der van-der-Waals-WW wenn sich Atome nähern
• Für maximale Anziehung braucht man einen optimalen/idealen Abstand
• Bei der van-der-Waals-Kontaktdistanz sind Energieverhältnisse am günstigsten
• Bei stärkerer Annäherung steigt Energie wegen der Abstoßung der e- schnell an
• Van-der-Waals WW Energie = -2 bis -4 kJ/mol je Atompaar (bei opt. Abstand)
• Im π-Elektronensystem -> planar -> fluktuieren e- -> entstehen kurze Ladungen,
die für Anziehung zwischen 2 Atomen reichen -> sind zwar nur -2 bis -4 kJ/mol
Energie in WW -> aber schaut man sich Basen in DNA an -> viele Basen, die über
Wasserstoffbrücken verbunden sind + übereinander gestapelt sind -> so
gestapelt, dass hier optimale Kontaktdistanz vorliegt -> Viele Basenpaare mit
viel Atomen übereinandergestapelt -> viele Van-der-Waals-WW möglich -> hat
am Ende eine Menge, die zum Teil mehr ist als Wasserstoffbrücke von einzelnen Bd
, Kraft 4: Hydrophobe WW
• Wasser = polares Molekül -> Dipol: O will 8 Valenze-, H will 2 (Oktett) -> O elektroneg.
zieht e- aus Bindung zu sich -> partiell negativ und H partiell positiv
• Wasser ist kohäsiv (H2O-Moleküle kleben aneinander) -> deshalb bei RT nicht
gasförmig sondern flüssig -> Moleküle lagern sich zsm + halten sich fest -> viele
Wasserstoffbrücken -> machen sie gerne -> Energie pro H-Brücke (-20 bis -40 kJ/mol)
• In Wasser gelöste Moleküle interagieren mit H2O-Molekülen über Wasserstoffbrücken + über ionische
WW -> daher hat Wasser so hohe Dielektrizitätskonstante
Struktur von Eis
• Zsmlagerung sieht man auch bei Eis -> zwischen den H20-Molekülen bilden sich viele Wasserstoffbrücken
-> hochgradig geordnete + offene Struktur entsteht
• Wasserstoffbrücken stabilisieren Wasser bei RT (flüssig) und Eis bei 0°C (fest)
Was passiert wenn hydrophobe Moleküle in Wasser kommen? Hydrophobe Effekt
• Hydrophobe Moleküle lagern sich aneinander, um die Oberfläche, die mit Wasser in Kontakt kommt
möglichst klein zu halten
• Zsmlagerung von unpolaren Gruppen in Wasser führt zu einer
Freisetzung von H2O-Molekülen, die zuerst mit der unpolaren
Oberfläche interagierten, in umgebendes Wasser -> durch
Verdrängung der H20-Moleküle aus dem Bereich zwischen den
hydrophoben Grenzflächen -> Freisetzung von H2O-Molekülen in
Lösung begünstigst Zsmlagerung von unpolaren Gruppen
• Hydrophobe WW viel Kraft: durch Zsmlagerung von hydrophoben
Mol. Freisetzung von H2O-Mol. -> mehr Wassermoleküle in Lösung -> mehr Wasserstoffbrücken -> also
indirekte Wasserstoffbrückenbildung durch hydrophobe WW
Welche Kräfte regulieren das Zsmspiel der Moleküle des Lebens? Klausurfrage: Was sind die 4 Kräfte, die die nicht
Übersicht der 4 nicht-kovalenten WW kovalenten WW vermitteln?
Kraft 1: Elektrostatische WW -> fast soviel Energie wie in kov. WW aber
abhängig von Umgebung Elektrostatische WW, Wasserstoffbrücken, Van-
der-Waals-WW, hydrophobe WW
Kraft 2: Wasserstoffbrücken -> im Prinzip gleich wie elektrostat. WW,
aber Bindungspartner nicht gleichberechtigt -> Teilladung -> daher
schwächer
Kraft 3: Van-der-Waals WW -> Fluktuationen -> Anziehung bei opt. Kontaktdistanz
Kraft 4: Hydrophober Effekt -> indirekt Wasserstoffbrücken -> treibende Kraft Zsmlagerung der hydrophoben
Moleküle um Kontaktfläche zu Wasser zu minimieren
Wie wirken diese Kräfte zsm beim Ausbilden der DNA-Doppelhelix?
Elektrostatische WW in der DNA
• Jede Einheit in Doppelhelix enthält Phosphatgruppe -> negative Ladung -> ungünstige WW von
Phosphatgruppe mit anderen Phosphatgruppen -> abstoßende WW wirken Bildung einer Doppelhelix
entgegen -> liegen so weit entfernt wie möglich voneinander, um abstoßende WW zu minimieren
• Phosphorylgruppen stabilisieren DNA + schützen sie mit neg. Ladung -> kein Angriffspunkt für nucleophilen
Angriff -> ebenfalls geschützt durch fehlende OH-Gruppe bei Desoxyribose
• Magnesiumionen schwächen Abstoßung ab + auch die hohe Dielektrizitätskonstante von Wasser
• Elektrostatische WW tragen nicht zur Bildung einer Doppelhelix bei
Wasserstoffbrücken
• Vermitteln die Spezifität der Bindung in der Doppelhelix -> A-T, G-C
• Nur wenn die Einzelstränge genau zueinander passen entstehen gleich
viele Wasserstoffbrücken, wie wenn Basen der einzelsträngigen DNA
an Wassermoleküle bindet -> kein Vorteil für Bildung dsDNA + keine
treibende Kraft (da max. gleich viele H-Brücken ausgebildet werden
können) -> neutral
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