Bio-Organic and Bio-Inorganic Chemistry - Lab - Cheatsheet

Mechanismus der Enzymkatalyse

Definition:

Erklärung der Art und Weise, wie Enzyme biochemische Reaktionen beschleunigen.

Details:

• Enzyme beschleunigen Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie (\( E_a \)) senken.
• Substratbindung an das aktive Zentrum des Enzyms (Schlüssel-Schloss-Prinzip oder induzierte Passform).
• Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes (\( E+S \leftrightarrow ES \)).
• Übergangszustandsstabilisierung: Enzyme stabilisieren den Übergangszustand, was die Reaktionsrate erhöht.
• Katalytischer Prozess: ES-Komplex führt zur Bildung von Produkt(en) und Freisetzung (\( ES \rightarrow E+P \)).
• Kinetik: Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit (\( v = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} \)).

Bindung und Koordination von Metallen in Proteinen

Definition:

Metallbindungen und ihre Koordination in Proteinen beeinflussen deren Struktur und Funktion. Metallionen sind oft essentielle Kofaktoren.

Details:

• Koordinationsgeometrie: tetraedrisch, oktaedrisch, quadratisch planar
• Beteiligte Liganden: Cystein, Histidin, Aspartat, Glutamat
• Wichtige Metallionen: Fe, Cu, Zn, Mn, Mg
• Schlüsselreaktionen: Elektronentransfer, Substratbindung, Stabilisierung von Struktur
• Beispiele: Hämoglobin (Fe), Superoxiddismutase (Cu/Zn), Carboanhydrase (Zn)
• Bindungsstellen: Seitenketten von Aminosäuren, Peptidrückgrat

Künstliche Photosynthese und Solarenergie

Definition:

Definiert als der Prozess, bei dem Sonnenenergie genutzt wird, um chemische Energie zu erzeugen, wie dies in natürlichen Photosyntheseprozessen geschieht.

Details:

• Ziel: Wasserstoffproduktion aus Wasser durch Sonnenenergie.
• Katalysatoren: Nutzung von Übergangsmetallkomplexen.
• Gesamtgleichung der Wasserspaltung:
• Herausforderungen: Stabile und effiziente Katalysatoren.
• Forschungsschwerpunkte: Materialwissenschaften, photophysikalische Prozesse.

Strategien der bioorganischen Chemie

Definition:

Strategien der bioorganischen Chemie beinhalten die Anwendung organisch-chemischer Methoden zur Untersuchung biologisch relevanter Prozesse und Systeme.

Details:

• Einsatz synthetischer Methoden zur Nachbildung von Biomolekülen.
• Untersuchen molekularer Mechanismen mittels chemischer Modifikationen.
• Entwicklung von Inhibitoren und Probes zur Enzymaktivität.
• Verwendung von chemischen Werkzeugen zur Steuerung biologischer Systeme.
• Anwendung in der Medikamentenentwicklung und Diagnostik.
• Beispiele für Reaktionen: Klick-Chemie, Biokonjugationen.
• Verständnis von Protein-Ligand-Interaktionen.

Rolle von Metalloproteinen in biologischen Prozessen

Definition:

Metalloproteine sind Proteine mit Metallionen als Kofaktoren, die in vielen biologischen Prozessen essenziell sind. Bindung des Metallions kann Struktur und Funktion des Proteins verändern.

Details:

• Metallionen: typischerweise Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo
• Katalyse: Enzymatische Reaktionen durch Metalle unterstützt, z.B. in Cytochromen (Fe) für Elektronentransfer
• Struktur: Stabilisierung der Proteinstruktur, z.B. in Zinkfingern (Zn) für DNA-Bindung
• Transport und Lagerung: O2-Transport in Hämoglobin (Fe) und Speicherung in Ferritin (Fe)
• Redoxprozesse: Metalle beeinflussen Redoxpotentiale, z.B. in Superoxiddismutase (Cu/Zn)
• Elektronentransport: Metalle wie Fe und Cu in der Atmungskette

Experimentelle Nachahmung von Photosyntheseprozessen

Definition:

Künstliche Nachahmung der natürlichen Photosynthese, um {H_2} und {O_2} aus Wasser zu erzeugen.

Details:

• Ziel: Effiziente Spaltung von {H_2O} in {H_2} und {O_2}
• Verwendung von Katalysatoren wie Komplexen von Übergangsmetallen (z.B. Mangan oder Iridium)
• Nachbildung der Photooxidation im Photosystem II
• Anwendung von künstlichen Lichtsammlersystemen und Elektronentransferkaskaden
• Beispielreaktion: \[ 2 H_2O + Lichtenergie \rightarrow 2 H_2 + O_2 \]

Enzymhemmung und -Aktivierung

Definition:

Enzymhemmung: Reduktion der Enzymaktivität durch Inhibitoren. Enzymaktivierung: Erhöhung der Enzymaktivität durch Aktivatoren.

Details:

• Enzymhemmung:
  • Kompetitive Hemmung: Inhibitor konkurriert mit Substrat um das aktive Zentrum.
  • Unkompetitive Hemmung: Inhibitor bindet nur an den Enzym-Substrat-Komplex.
  • Nichtkompetitive Hemmung: Inhibitor bindet unabhängig vom Substrat an das Enzym.
  • Formeln:
  • Michaelis-Menten-Gleichung für kompetitive Hemmung:
• \[ v = \frac{V_{max} [S]}{K_m (1 + \frac{[I]}{K_i}) + [S]} \]
• Enzymaktivierung:
  • Regulatorische Moleküle binden an allosterische Stellen.

Synthese komplexer Naturstoffe

Definition:

Synthese komplexer Naturstoffe beschäftigt sich mit der Herstellung von natürlichen Molekülen, die oft komplexe Strukturen und spezifische biologische Funktionen haben.

Details:

• Schlüsselkonzepte: Stereochemie, Regioselektivität, Atomökonomie
• Strategien: Totalsynthese, Semisynthese
• Methoden: Klassische organische Synthese, Enzymatische Synthese
• Wichtige Reaktionen: Aldolreaktion, Diels-Alder-Reaktion, Friedel-Crafts Alkylierung
• Beispiele: Taxol, Erythromycin