Special Aspects in Bio-Organic Chemistry - Cheatsheet

Struktur und Funktion von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und Kohlenhydraten

Definition:

Struktur und Funktion von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden und Kohlenhydraten - präzise Erklärungen von Eigenschaften und Rollen in biologischen Systemen.

Details:

• Proteine: Struktur in Primär, Sekundär, Tertiär, Quartär; Funktion als Enzyme, Transporter, Signalmoleküle.
• Nukleinsäuren: DNA und RNA; Funktion in Erbinformation und Proteinbiosynthese.
• Lipide: Strukturelle Lipide (z.B. Zellmembranen), Speicherlipide (z.B. Fette); Funktion in Energiespeicherung, Membranstruktur, Signalfunktion.
• Kohlenhydrate: Mono-, Di- und Polysaccharide; Funktion in Energieversorgung (z.B. Glukose), Strukturbildung (z.B. Zellulose), Erkennungsprozessen.

Reaktionsmechanismen bio-organischer Reaktionen

Definition:

Reaktionsmechanismen beschreiben den Schritt-für-Schritt-Prozess, durch den chemische Reaktionen in bio-organischen Systemen ablaufen.

Details:

• Katalyse: Enzyme als Biokatalysatoren; verringern die Aktivierungsenergie (\text{E}_a).
• Substitution: Austausch einer Atomgruppe durch eine andere; z.B. \text{S}_\text{N}1 und \text{S}_\text{N}2-Mechanismen.
• Eliminierung: Entfernen von Atomen oder Gruppen; typischerweise zur Bildung von Doppelbindungen.
• Addition: Anlagerung von Atomen oder Gruppen an Doppel- oder Dreifachbindungen.
• Redoxreaktionen: Elektronenübertragung; Oxidation und Reduktion.
• Hydrolyse: Spaltung von Molekülen durch Wasser; z.B. Ester- und Amidbindungsspaltung.

Enzymkinetik und Mechanismen

Definition:

Studium der Reaktionsgeschwindigkeiten von Enzym-katalysierten Reaktionen und deren Mechanismen.

Details:

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[v = \frac{{V_{\text{max}}[S]}}{{K_m + [S]}}\]
• Lineweaver-Burk-Diagramm: \[\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{\text{max}}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{\text{max}}}\]
• Wichtige Begriffe: V_{\text{max}} (maximale Reaktionsgeschwindigkeit), K_m (Michaelis-Konstante).
• Inhibitionstypen: kompetitiv, nicht-kompetitiv, unkompetitiv.
• Mechanismus: Schritt-für-Schritt-Prozess der Bindung von Substraten und der Bildung von Produkten.

Säure-Base-Gleichgewichte in biologischen Systemen

Definition:

Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen in biologischen Systemen; wichtig für pH-Wert-Regulation.

Details:

• Henderson-Hasselbalch-Gleichung: \[ pH = pK_a + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right) \]
• Pufferlösungen: Mischung aus schwacher Säure und konjugierter Base oder umgekehrt
• Wichtige Puffer in biologischen Systemen: Bikarbonat-Puffer-System, Phosphat-Puffer-System, Protein-Puffer
• Physiologischer pH-Bereich: etwa 7,35 - 7,45
• Azidose und Alkalose: pH-Wert unterhalb bzw. oberhalb des physiologischen Bereichs
• Enzymaktivität stark pH-abhängig

Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zur Strukturaufklärung

Definition:

Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ist eine Methode zur Bestimmung der Struktur von Molekülen durch Untersuchung der Wechselwirkungen von Atomkernen in einem starken Magnetfeld.

Details:

• Verwendet starke Magnetfelder und Radiofrequenzen zur Analyse von Atomkernen.
• Wichtige Parameter: chemische Verschiebung (\u03B4), Kopplungskonstanten (J), Relaxationszeiten (T1 und T2).
• Nützlich für die Bestimmung der dreidimensionalen Struktur und der Dynamik von Molekülen.
• Erforderlich: Lösungsmittel mit Deuterium (\textsuperscript{2}H) anstelle von Protium (\textsuperscript{1}H).
• Häufige NMR-Kerne: \textsuperscript{1}H, \textsuperscript{13}C, \textsuperscript{15}N, \textsuperscript{31}P.
• Spektrendatenanalyse entscheidend für die Strukturaufklärung.
• Mehrdimensionale NMR für komplexe Molekülstrukturen (2D-, 3D-NMR).

Biosynthese natürlicher Produkte und ihrer Derivate

Definition:

Biosynthese natürlicher Produkte: biochemischer Prozess zur Herstellung organischer Verbindungen in lebenden Organismen.

Details:

• Primärmetaboliten: essenziell für Wachstum/Entwicklung (z.B. Aminosäuren, Nukleotide)
• Sekundärmetaboliten: nicht essenziell, ökologisch bedeutsam (z.B. Antibiotika, Pigmente)
• Enzyme: katalytische Proteine, die spezifische biochemische Reaktionen steuern
• Biosynthetische Wege: z.B. Polyketidsynthese, Shikimatweg
• Derivate: modifizierte natürliche Produkte, oft optimierte Funktion oder Eigenschaft

Katalyse und Reaktionsgestaltung in biologischen Systemen

Definition:

Katalyse in biologischen Systemen bezieht sich auf die Beschleunigung biochemischer Reaktionen durch Enzyme. Reaktionsgestaltung umfasst die spezifische Kontrolle und Regulierung dieser Reaktionen.

Details:

• Enzyme fungieren als biologische Katalysatoren
• Enzymatische Reaktionen folgen häufig der Michaelis-Menten-Kinetik: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Reaktionsspezifität durch Substrataffinität und aktives Zentrum
• Regulation durch Allosterie und kovalente Modifikationen
• Feedback-Hemmung (negative Rückkopplung)
• Umweltfaktoren (pH-Wert, Temperatur) beeinflussen Enzymaktivität

Synthese und Modifikation von Biomolekülen

Definition:

Synthese und Modifikation von Biomolekülen betrifft die chemische Herstellung und Veränderung von biologisch relevanten Molekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden.

Details:

• Verwendete Techniken umfassen Festphasensynthese, Enzymkatalyse, und chemische Modifikation.
• Ziele: Funktionalisierung, Stabilisierung, Markierung oder Veränderung der biologischen Aktivität.
• Zentrale Reaktionen: Amidbindungen, Phosphodiesterbindungen, Glycosidbindungen.
• Instrumente: HPLC, Massenspektrometrie, NMR.
• Beispiel: Synthese von Peptiden mittels Fmoc-Schutzgruppenchemie.
• Modifikationsstrategien: PEGylierung, Biotinylierung, Fluoreszenzmarkierung.