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Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 387

PSEChemie für

Mediziner und Medizinische

Biologen

WS 2007/2008

Hochschuldozent

Klaus Schaper

PSEStereochemieBeispiel eines Moleküles mit 8 chiralen Zentren

PSEFragen 18/Zeeck

PSEInhalt: Organische Chemie

10 Einführung und Überblick 11 Kohlenwasserstoffe12 Einfache funktionelle Gruppen13 Aldehyde und Ketone14 Chinone15 Carbonsäuren und Carbonsäurederivate16 Derivate anorganischer Säuren17 Stereochemie18 Aminosäuren und Peptide19 Kohlenhydrate20 Heterocyclen21 Spektroskopie

PSEAminosäuren und Peptide

Die Kohlenstoffatome der Buttersäure werden von 1 bis 4, oder von α bis γnummeriert.

Es gibt drei verschiedene Konstitutionsisomere.

Für zwei der drei Konstitutionsisomere gibt es Enantiomere.

proteinogene Aminosäuren, α-L-Aminosäuren

falsch

Aminosäuren können in der D- Form und in der L-Form auftreten.

Alle natürlichen proteinogenen Aminosäuren sind L!

In Bakterien kommen auch D-Aminosäuren in cyclischen Peptiden vor. Aber diese cyclischen Peptide werden nicht durch DNA codiert.

Die D-Form und die L-Form der Aminosäuren sind Enantiomere (siehe oben).

PSEAminosäuren und Peptide10 wichtige Aminosäuren

proteinogene Aminosäuren, α-L-Aminosäuren

Aminosäuren besitzen zwei funktionelle Gruppen,

die Aminogruppe und

die Carbonsäuregruppe.

Es handelt sich um eine Säure und um eine Base.

Es kommt zu einer Säure-Base Reaktion.

Die Aminogruppe bildet ein Ammoniumkation

Die Carbonsäure bildet ein Carboxylat.

Daher liegen Aminosäuren als inneres Salz vor.

Solche inneren Salze nennt man Zwitterion.

Im sauren wird die Carbonsäuregruppe protoniert und es entsteht ein Kation.

Im alkalischen wird die Ammoniumgruppe deprotoniert und es entsteht ein Anion.

Daher gibt es zwei pKS-Werte!

Es bildet sich also im sauren ein Salz.

Dieses Salz nennt man Hydrochlorid.

Im basischen bildet sich auch ein Salz.

Aminosäuren können Metallionen komplexieren.

Sie sind zweizähnige Chelatliganden.

Die Komplexe sind blau

und schlecht wasserlöslich

Der Komplex ist neutral

Die hydrophoben Reste stehen außen.

Bei der Säure-Base Titrationerkennt man zwei Pufferpunkte.

Am isoelektrischen Punkt liegt das Zwitterion im Gleichgewicht vor.

Der pH am isoelektrischen Punkt ist für verschiedene Amino-säuren verschieden.

Im basischen wird häufig der Glycinpuffer (pH um 9.8) verwendet.

Gleichgewichtspfeil

Papierelektrophorese.

Ein Papier wird mit Puffer bei gegebenen pH befeuchtet.

Eine Aminosäure (oder eine Aminosäuremischung werden als kleiner Fleck aufgebracht)

Eine Gleichspannung wird angelegt.

Geladene Moleküle wandern im elektrischen Feld.

Bei pHI ist eine Aminosäure ungeladen und wandert nicht.

Im sauren (pH = 2) ist die Aminosäure positiv geladen und wandert zur negativen Elektrode (Kathode).

Im basischen (pH = 11) ist die Aminosäure negativ geladen und wandert zur positiven Elektrode (Anode).

Bei pHI ist eine Aminosäure ungeladen und wandert nicht.

Im sauren (pH = 2) ist die Aminosäure positiv geladen und wandert zur negativen Elektrode (Kathode).

Im basischen (pH = 11) ist die Aminosäure negativ geladen und wandert zur positiven Elektrode (Anode).

Die Geschwindigkeit der Wanderung hängt ab von:

Der Größe der Aminosäure! Große Teilchen spüren mehr Widerstand!

Von der mittleren Ladung. Auch im sauren ist eine Aminosäure nicht zu 100 % der Zeit protoniert (Gleichgewichtsreaktion). Die Aminosäure wandert also nur einen Teil der Zeit. Die Lage des Gleichgewichts hängt vom pKS-Wert der Aminosäure ab.

Verschiedene Aminosäuren wandern verschieden schnell!

Trennung!

Wie erkenne ich, wie weit eine Aminosäure gewandert ist?

Eine Aminosäure ist farblos!

Ninhydrin-Farbreaktion!

Für einfache Aminosäuren lässt sich der pKI-Wert leicht berechnen.

Für saure Aminosäuren ist der pKI-Wert in den sauren Bereich verschoben (Glutaminsäure pKI-Wert = 3.2)

Für basische Aminosäuren ist der pKI-Wert in den basischen Bereich verschoben (Lysin pKI-Wert = 9.7)

Formaldehyd reagiert mit Aminosäuren unter doppelter Addition.

Dabei verliert die Aminogruppe einen Teil ihrer basischen Eigenschaften.

Der pHI-Wert verschiebt sich!

Dadurch wird es möglich, Aminosäuren mit Phenolphthalein als Indikator gegen Natronlauge zu titrieren.

Quantitative Bestimmung der Aminosäuren ist möglich!

Durch Decarboxylierung gelangt man von den Aminosäuren zu wichtigen Aminen.

Histamin:

Histamin wird durch Allergene freigesetzt.

Freies Histamin stimuliert den Histamin Rezeptor.

Blutdruckabfall

Erhöhung der Kapillarpermeabilität

Erhöhung der Herzfrequenz

Kontraktion der glatten Muskulatur in Bronchien und Darm

Juckreiz

Anaphylaktischer Schock

Einsatz von Antihistaminika (Verdrängung von Histamin vom Rezeptor)

Durch Decarboxylierung gelangt man von den Aminosäuren zu wichtigen Aminen.

Aminosäuren reagieren im Sauren mit Methanol.

Dabei entsteht das Hydrochlorid des Esters.

Aus dem Hydrochlorid lässt sich der freie Ester durch Zusatz von Natiumlaugefreisetzen.

Als Nebenprodukt entsteht Wasser und Kochsalz (Natriumchlorid).

Aminosäuren reagieren im Basischen mit Acetylchlorid.

Die Aminogruppe ist nukleophiler als die Carboxylat-Gruppe.

Dabei entsteht das Amid der Aminosäure als Carboxylat.

Aus dem Carboxylat lässt sich das Amid durch Zusatz von Salzsäure (wässrige HCl) freisetzen.

Als Nebenprodukt entsteht Wasser und Kochsalz.

PSEFragen 19.1/Zeeck

Wenn man die Aminogruppe der einen Aminosäure mit der Carbonsäure einer anderen Aminosäure zu einem Amid umsetzt, so erhält man ein Dipeptid.

An einem Ende der „Kette“ hat man wie in der freien Aminosäure eine Aminogruppe (Aminoende), am anderen Ende wie in der freien Aminosäure eine Carbonsäuregruppe (Carboxylende).

Die beiden Aminosäuren sind über eine Amidbindung (Peptidbindung) verknüpft.

Bei der Bildung der Amidbindung wird formal Wasser abgespalten.

Die Bildung des Dipeptides aus den beiden freien Aminosäuren unter Wasserabspaltung ist nicht möglich.

Verlängert man die Kette weiter, so gelangt man zu einem Tripeptid.

Ein Tripeptid hat zwei Amidbindungen.

Aus zwei verschiedenen Aminosäuren kann man zwei konstitutionsisomereDipeptide herstellen.

Bedenkt man, dass sich auch Dipeptide aus zwei gleichen Aminosäuren aufbauen lassen, so sind zwei weitere Produkte möglich H-Gly-Gly-OH und H-Ala-Ala-OH.

Bedenkt man, dass es 20 proteinogene Aminosäuren gibt, so gibt es 400 mögliche Dipeptide.

Hat man n Aminosäuren, so gibt es 20n Kombinationen.

Aus drei verschiedenen Aminosäuren kann man sechs konstitutionsisomereDipeptide herstellen.

Bedenkt man, dass es 20 proteinogene Aminosäuren gibt, so gibt es 8000 mögliche Tripeptide.

Man schreibt die Kette so, dass das N-Terminale Ende links steht!

Kleine Peptide mit bis zu 20 Aminosäuren nennt man Oligopeptide.

Größere Systeme bezeichnet man als Polypeptide bis zu einer relativen Masse von 10 000 (10 kDa)

Über 10 kDa spricht man von Proteinen.

Die Reihenfolge der Aminosäuren wird als ihre Sequenz bezeichnet.

Diese Sequenz ist die Primärstruktur des Peptides/Proteins.

Handelt es sich bei der Aminosäure um Glutaminsäure oder Asparaginsäure, so ist stets die α zur Aminogruppe stehenden Carbonsäuren am Aufbau der Kette beteiligt.

Handelt es sich bei der Aminosäure um Lysin, so ist stets die α zur Carboxylatgruppe stehenden Aminogruppe am Aufbau der Kette beteiligt.

Aspartam (Süßstoff) ist der Methylester eines Dipeptides. (H-Asp-Phe-OMe).

Es gibt einen erblichen Enzymdefekt, der dazu führt, dass Phenylalanin nicht in Tyrosin umgewandelt werden kann.

In diesen Fällen reichert sich Phenylbrenztaubensäure an – In diesem Fall soll auf die Aufnahme von Aspartam verzichtet werden.

Ein Dipeptid entstehet formal aus zwei Aminosäuren durch Abspaltung von Wasser.

Bei der Synthese gibt es aber eine Reihe von Problemen.

Mischt man zwei Aminosäuren A und B und bringt eine Carbonsäure mit einem Amin zur Reaktion, so können 4 Produkte entstehen: AA, AB, BA, BB. Zusätzlich gibt es im Dipeptid wieder Aminogruppen und Carboxygruppen, so dass das System unter Bildung von Tripeptiden, Tetrapeptiden weiter reagieren kann.

Ein Amin reagiert mit einer Carbonsäure zu einem Salz, nicht zu einem Amid.

Mischt man zwei Aminosäuren A und B und bringt eine Carbonsäure mit einem Amin zur Reaktion, so können 4 Produkte entstehen: AA, AB, BA, BB. Zusätzlich gibt es im Dipeptid wieder Aminogruppen und Carboxygruppen, so dass das System unter Bildung von Tripeptiden, Tetrapeptiden weiter reagieren kann.

Wir haben oben gesehen:

Eine Aminosäure kann man zu einem Amid umsetzen. Dies tut man mit einer der beiden Aminosäuren (Die Aminogruppe ist dann blockiert, geschützt). Bei diesem Amid handelt es sich um ein spezielles Amid, dass sich leicht spalten lässt (Eine Gruppe, die man einführt und später wieder abspalten kann, nennt man Schutzgruppe – man führt sie ein, um eine funktionelle Gruppe – hier die Aminogruppe - vor einer möglichen Reaktion zu schützen.).

Mischt man zwei Aminosäuren A und B und bringt eine Carbonsäure mit einem Amin zur Reaktion, so können 4 Produkte entstehen: AA, AB, BA, BB. Zusätzlich gibt es im Dipeptid wieder Aminogruppen und Carboxagruppen, so dass das System unter Bildung von Tripeptiden, Tetrapeptiden weiter reagieren kann.

Wir haben oben gesehen:

Eine Aminosäure kann man zu einem Ester umsetzen. Dies tut man mit der anderen Aminosäure. Ein Ester lässt sich leichter spalten als ein Amid(Schutzgruppe für die Carboxygruppe).

Ein Amin reagiert mit einer Carbonsäure zu einem Salz, nicht zu einem Amid.

Man benötigt ein spezielles Reagenz, um das Amid der einen Aminosäure (diese Aminosäure hat noch eine Carbonsäuregruppe) mit dem Ester der anderen Aminosäure (diese Aminosäure hat noch eine Aminogruppe) Amidgekoppelt.

Dieses Reagenz heißt Dicyclohexylcarbodiimid (Sheehan, Hess, Journal of the American Chemical Society 1955).

Anschließend spaltet man die beiden Schutzgruppen ab!

Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) bindet ein Molekül Wasser.

DCC aktiviert die Carbonsäure, die dann mit dem Amin reagiert und Dicyclohexylharnstoff abspaltet.

Formal wird also ein Molekül Wasser aufgenommen.

G. P. Hess

Cornell University

Ithaca, NY

J. C. Sheehan

Boston, Ma

Es bietet Vorteile, die Synthese an der festen Phase (an einer festen Oberfläche) durchzuführen.

Das wachsende Peptid hängt an den Kügelchen der festen Phase und Reagentien, andere Reaktionsprodukte können durch waschen entfernt werden.

Ein solches Verfahren hat Merrifield entwickelt. Er erhielt dafür den Nobelpreis.

Robert Bruce Merrifield

Auch in der Biosynthese von Peptiden müssen Amidbindungen geknüpft werden.

Woher weiß der Körper, welche Aminosäure eingebaut werden muss?

DNA -> mRNA -> tRNA -> Protein

DNA ist der Speicher der genetische Information

mRNA (messenger) ist eine Kopie der DANN

tRNA (transfer) leist den genetischen Code (immer drei Basen) und überträgt eine Aminosäure.

Totalhydrolyse:

Das Protein wird in 6 M Salzsäure gekocht

Dabei wird das Protein in die Aminosäuren gespalten.

Die Aminosäuren werden getrennt.

Die Aminosäuren werden mit Ninhydrin versetzt.

An der Färbung lässt sich die Menge an Aminosäure erkennen.

Man kann die Hydrolyse auch im basichen durchführen. Dabei kann es zur Racemisierung und zur Zersetzung der Aminosäuren kommen.

Man kann die Hydrolyse auch enzymatisch durchführen.

Eine Partialhydrolyse erlaubt die Sequenzanalyse. Dazu wird MALDI oder ESI (siehe Spektroskopie) oder der Edmann-Abbau verwendet.

Zwischen zwei Amidbindungen (Peptidbindungen) können sich Wasserstoffbrücken bilden.

Diese sind wichtig für die räumliche Struktur der Peptide/Proteine.

In der Amidgruppe gibt es Mesomerie.

Dadurch hat die C-N-Bindung einen partiellen Doppelbindungscharakter.

Daher ist es sinnvoll, hier von cis- und trans-Anordnung zu sprechen.

PSEDie Amidbindung

aus: Die Moleküle des Lebens (Spektrum der Wissenschaft, Verständliche Forschung)

Die Amidbindung ist starr und planar

Sechs Atome liegen in einer Ebene.

Um die anderen beiden Bindungen der Proteinkette kann rotiert werden.

Die Wasserstoffbrücken können zwei parallel laufende Ketten verbinden. Eine solche Struktur nennt man β-Faltblatt Struktur.

PSEproteinogene Aminosäuren

aus Molecular Cell Biology, H. Lodish at al.

PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix

PSESekundärstrukturβ-Faltblatt

Die Anordnung der Aminosäuren kann auch schraubenförmig sein.

Eine solche Anordnung nennt man α-Helix.

PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix

PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix, Wheel

E13E14

F15K16

PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix, Wheel

Die Strukturelemente α-Helix und β-Faltblatt nennt man die Sekundärstruktur eines Proteins.

PSEproteinogene Aminosäuren

In diesem Protein gibt es verschiedene Strukturelemente:

α-Helix

β-Faltblatt

und Bereiche die keines der beiden Strukturmotive besitzen.

Die gesamte Anordnung im Raum ist die tertiär Struktur.

Besteht ein Enzym aus mehreren Untereinheiten, so wird die gesamte Anordnung als Quatärstruktur bezeichnet.

PSEUreaseEnzyme

James Batcheller Sumner

Cornell University, Ithaca NY

Nobelpreis 1946

Besteht ein Enzym aus mehreren Untereinheiten, so wird die gesamte Anordnung als Quatärstruktur bezeichnet.

Die räumliche Struktur von Proteinen wird stabilisiert durch

A Wasserstoffbrücken

B polare Gruppen, die hydratsiert werden (an der Oberfläche)

C Elektrostatische Anziehung

D Hydrophobe Wechselwirkung

E Disulfidbrücken

F Chelatkomplexe

Ein positiv geladenes Lysin zieht eine negativ geladene Glutaminsäure oder Asparaginsäure an.

Hydrophobe Reste meiden den Kontakt mit Wasser.

Um den Kontakt mit Wasser zu entgehen, suchen sie gleichartige Moleküle, an die sie sich anlagern können.

Enzyme sind Hydratisiert und das ist wichtig für ihre Struktur und damit ihre Funktion.

Werden sie dehydratisiert, verlieren sie ihre Struktur und damit ihre Funktion.

Man kann Enzyme dehydratisieren durch Zugabe von

Ethanol

Aceton

SDS (Sodium dodecyl sulfate)

Die anionischen Gruppen stören die ionischen Wechselwirkungen im Protein

Die Alkylketten stören die hydrophoben Wechselwirkungen im Protein

Nach Zugabe von SDS bleiben nur die kovalenten Bindungen im Protein erhalten.

In einem SDS Gel kann man die Molmasse eines Proteins durch Elektrophorese bestimmen.

Durch das SDS bekommt jedes Molekül eine hohe negative Ladung.

Die Eigenladung des Proteins spielt keine Rolle.

Das Ladungs/Massenverhältnis ist für alle Proteine ähnlich.

Kleine Proteine wandern im elektrischen Feld langsamer.

Cystein kann Disulfidbrücken bilden.

Durch geeignete Reduktionsmittel kann man Disulfidbrücken brechen.

Ausschnitt aus dem Humaninsulin.

Es gibt Disulfidbrücken in der Kette

Es gibt Disulfidbrücken zwischen den Ketten

PSEKohlenhydrateEinleitung

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff.

Zucker sind Kohlenhydrate.

Sie gehorchen der allgemeinen Formel CnH2nOn oder Cn(H2O)n mit n = 3, 4, 5 oder 6. Sie bestehen also aus n Atomen Kohlenstoff und n Molekülen Wasser daher Kohlen(stoff)hydrat.

Bei den Kohlenhydraten unterscheidet man die Fälle:

n = 3: Triose.

n = 4: Tetrose.

n = 5: Pentose.

n = 6: Hexose.

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff.

Zucker sind Kohlenhydrate.

Sie gehorchen der allgemeinen Formel CnH2nOn oder Cn(H2O)n mit n = 3, 4, 5 oder 6. Sie bestehen also aus n Atomen Kohlenstoff und n Molekülen Wasser daher Kohlen(stoff)hydrat.

Sie werden in der Natur in der Photosynthese gebildet.

Die Pflanze nimmt mit Hilfe von Chlorophyll Sonnenlicht auf.

Diese Energie wird benutzt um aus Kohlendioxid und Wasser ein Kohlenhydrat und Sauerstoff zu produzieren. Dieser Prozess ist endergonisch – die Energie kommt aus dem Sonnenlicht.

Pflanzen nutzen also Solarenergie.

Umgekehrt können Kohlenhydrate mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser reagieren.

Als Umkehrung der endergonischen Photosynthese ist dieser Prozess exergonisch.

Dieser Prozess läuft im Körper in einer gekoppelten Reaktion ab und liefert die Energie für die Prozesse im Körper.

Kohlenhydrate gehorchen der allgemeinen Formel CnH2nOn oder Cn(H2O)n.

Ähnlich wie Aminosäuren können sie sich zu Dimeren, Trimeren usw. zusammenlagern.

Hier spricht man von Monosacchariden, Disacchariden, Trisacchariden, …, Oligosacchariden und Polysacchariden.

Cellulose ist das häufigste biologische Material (auf der Erde).

PSEKohlenhydrateTriosen

Kohlenhydrate besitzen n-1 alkoholische Gruppen und eine Carbonylgruppe.

Je nach der Natur der Carbonylgruppe bezeichnet man sie als Aldosen und Ketose.

Eine Verbindung die eine Triose und eine Aldose ist, wird als Aldotriosebezeichnet.

Ein Bindestrich im Wort Aldo-triose ist überflüssig, erleichtert dem ungeübten aber das lesen.

Ketosen besitzen die Ketogruppe immer in 2-Position.

Dies ist bei Triosen und Tetrosen die einzig mögliche Position an der eine Ketogruppe stehen kann, in Pentosen und Hexosen wären theoretisch auch andere Positionen denkbar.

Aldosen und Ketosen können über die Enilform ineinander umgewandelt werden.

Dihydroxyaceton hat kein Sterozentrum.

Glycerinaldehyd hat ein Stereozentrum und es gibt eine D-Form und eine L-Form.

PSEKohlenhydrateTetrosen

Aldotetrosen haben zwei Stereozentren (Allgemein haben Aldosen n-2 Stereozentren).

Daher gibt es vier Stereoisomere 2n.

Oder anders ausgedrückt: Es gibt zwei Paare von Enantiomeren.

Jedes Enantiomerenpaar hat einen eigenen Namen (oder: Zwei Diastereomere haben verschieden Namen).

Die beiden Enantiomere werden durch die Buchstaben D- und L-gekennzeichnet.

Die D-Form ist die, bei der die unterste Hydroxygruppe rechts steht (in der korrekten Fischer-Projektion).

PSEKohlenhydratePentosen

Aldopentosen haben drei Stereozentren (Allgemein haben Aldosen n-2 Stereozentren).

Daher gibt es acht Stereoisomere 2n.

Die bekannteste ist die D-Ribose (siehe RNA), von der sich die 2-Desoxy-D-ribose (siehe DNA) ableitet.

Ketopentosen haben nur zwei Stereozentren (Allgemein haben Ketosen n-3 Stereozentren)

PSEKohlenhydratePentosen

Die Ribulose spielt eine Schlüsselrolle in der Photosynthese.

Sie addiert enzymatisch CO2 und es entsteht ein C6 Baustein.

Der C6-Baustein zerfällt in zwei C3-Bausteine.

Aus diesen C3-Bausteinen wird in der Photosynthese wieder Ribulose-1,5-diphosphat gebildet.

PSEKohlenhydrateHexosen

Hexosen sind die „wichtigsten“ Monosaccharide.

Es gibt 24 = 16 Aldohexosen und 23 = 8 Ketohexosen.

Die bekannteste Aldohexose ist D-Glucose (Dextrose, Traubenzuckker). (Korrekt schreibt man das D oder L als Kapitälchen).

Merkregel für Glucose: ta-tü-ta-ta!

Monosaccharide, die sich nur an einem Stereozentrum unterscheiden, nennt man Epimere (D-Glucose und D-Mannose)

PSEKohlenhydrate

Glucose-6-phosphat und Fructose-6-phosphat können durch eine Isomeraseineinander überführt werden.

Eine vereinfachte Fischerprojektion wird hier verwendet.

Diese Isomerisierung ist der erste Schritt des Abbaus der Glucose.

Glucose ist der universelle Energielieferant im Körper.

PSEKohlenhydrateZuckersäuren

Durch Oxidation erhält man ausgehen von Kohlenhydraten die Zuckersäuren.

Diese gehorchen nicht mehr der allgemeinen Formel Cn(H2O)n.

Man unterscheidet Onsäuren und Uronsäuren.

Gucose lässt sich leicht zur Gluconsäure oxidieren.

PSEKohlenhydrateZuckersäuren

Analog erhält man durch Reduktion von Kohlenhydraten die Zuckeralkohole.

Diese gehorchen nicht mehr der allgemeinen Formel Cn(H2O)n.

Man bezeichnet sie mit der Endung itol.

Bei den Zuckeralkoholen gibt es weniger Stereoisomere.

D-Glucitol = D-Sorbit ist ein Süßungsmittel.

Mannitol ist eine Mesoform (Es gibt weder D noch L)

PSEKohlenhydrate

Glucose hat eine Aldehydgruppe und eine (mehrere) Alkoholgruppe.

Glucose kann ein cyclisches intramolekulares Halbacetal bilden.

Bevorzugt bildet sich dabei ein Sechsring.

Diese Form wird als pyranoide Form (siehe Pyran) bezeichnet.

PSEKohlenhydrateBei diesem Ringschluss bildet sich ein neues Stereozentrum am anomerenKohlenstoffatom.

Es bilden sich zwei Anomere, die durch die Buchstaben α- und β-gekennzeichnet werden.

In der α-Form steht die anomere Hydroxygruppe auf der anderen Seite des Ringes verglichen mit der primären alkoholischen Funktion (CH2OH).

Die beiden Formen stehen im Gleichgewicht.

PSEKohlenhydrate

Die benutze Darstellung ist die Haworth-Projektion.

PSEKohlenhydrate

Die benutze Darstellung ist die Haworth-Projektion.

Floh: Fischer-Links Oben Harworth

PSEKohlenhydrate

Bei der Ribose existiert neben der pyranoiden Form auch eine furanoide eine .

OOPyran Furan

PSEKohlenhydrate

Im Gleichgerwicht liegen beide Pyranoiden Formen vor.

Die Schlangenlinie deutet an, dass die Struktur für die α- und die β-Form steht.

PSEKohlenhydrate

Auch von der D-Fructose gibt es 4 verschiedene cyclische Isomere.

PSEKohlenhydrate

Bislang haben wir für die Sechsringe die Haworth-Projektionen benutzt.

Tatsächlich liegen aber diese Halbacetale wie erwartet als Sessel vor.

In der β-Form stehen alle Reste äquatorial (äquatoriale Reste sind günstiger).

In der α-Form steht die anomere Hydroxygruppe axial. Für die anomereHydroxygruppe ist die axiale Position häufig günstiger.

Dies nennt man den anomeren Effekt (wird hier nicht weiter begründet).

PSEKohlenhydrate

Es gibt zwei Sesselformen. Diese unterscheiden sich darin, dass das Kohlenstoffatom in der 4-Position einmal oben, einmal unten steht (die Schreibweise aus der Haworth-Projektion wird beibehalten).

Vergleich von Haworth- und Sessel-Projektion

PSEKohlenhydrate

L-Ascorbinsäure (Vitamin C) leitet sich von den Kohlenhydraten ab.

Vitamin C Mangel führt zur Skorbut. Viitamin C wirkt gegen Skorbut (A Skorbut).

Tagesbedarf 100 mg.

Pflanzen wandeln D-Glucose in L-Ascorbinsäure um.

Ascorbinsäure ist ein Radikalfänger.

PSEKohlenhydrate

Ausgehend von den Monosacchariden gelangt man durch Reduktion auch zu den 6-Desoxy-Verbindungen.

Ausgehend von den Monosacchariden gelangt man durch Substitution auch zu den Aminoderivaten.

Es ergibt sich eine riesige Vielfalt von Strukturen!

PSEKohlenhydrate

D-Neuraminsäure (neun Kohlenstoffatome) ist ein weiteres Beispiel für die mögliche Strukturvielfalt.

PSEKohlenhydrateGlycoside

Setzt man ein Halbacetal mit einem Alkohol zu einem Acetal um, so nennt man das Produkt ein Glycosid.

Die neue Bindung wird als Glycosidische Bindung bezeichnet.

Der Alkohol wird als Aglycon bezeichnet.

α- und β-Glycosid stehen nicht mehr im Gleichgewicht.

PSEKohlenhydrate

Bei dieser Verbindung handelt es sich um ein Glycosid.

Sie wird von Mikroorganismen produziert und in der Krebstherapie eingesetzt.

PSEKohlenhydrate

Neben O-Glycosiden gibt es auch N-Glycoside.

PSEKohlenhydrate

Bei der DNA und der RNA handelt es sich um N-Glycoside.

PSED-AldosenO

CH2OHD(+)-Glycerinaldehyd

D(-)-Erythrose

D(-)-Threose ET

OHCH2OH

D(-)-Ribose

OHCH2OH

D(-)-Arabinose

OHCH2OH

D(+)-Xylose

OHCH2OH

D(-)-Lyxose

D(+)-Altrose

D(+)-Allose

D(+)-Glucose

D(+)-Mannose

D(-)-Gulose

D(-)-Idose

D(+)-Galactose

D(+)-TaloseAlle alten Gänse möchten gern im Garten tanzen

Triose

Tetrosen

Pentosen

Hexosen

PSED-KetosenCH2OH

CH2OHO

Dihydroxyaceton

CH2OHOOHH

CH2OHD(-)-Erythrulose

CH2OHOOHHOHH

CH2OHD(-)-Ribulose

CH2OHOHHOOHH

CH2OHD(-)-Xylulose

CH2OHOOHHOHHOHH

CH2OHD(+)-Psicose

CH2OHOHHOOHHOHH

CH2OHD(-)-Fructose

CH2OHOOHHHHOOHH

CH2OHD(+)-Sorbose

CH2OHOHHOHHOOHH

CH2OHD(+)-Tagatose

Triose

Tetrose

Pentosen

Hexosen

PSEKohlenhydrate

Zwei Monosaccharide lassen sich zu einem Disaccharidverknüpfen.

Dabei muß man beachten, das es im Monosacharid zwei verschiedene Hydroxygruppengibt: Alkoholisch und Halbacetalisch.

Es gibt zwei Arten der Verknüpfung:

Alkohol plus Halbacetal

Halbacetal plus Halbacetal

PSEKohlenhydrate

Es gibt zwei Arten der Verknüpfung:

Alkohol plus Halbacetal (Typ I)

Halbacetal plus Halbacetal (Typ II)

Im ersten Fall ist noch eine Halbacetal-Gruppe vorhanden. Diese steht mit der offenen Form (Aldehyd) im Gleichgewicht und reagiert wie in typischer Aldehyd. Er reduziert Ag+ und wird dabei selbst oxidiert. Er wirkt reduzierend.

Im zweiten Fall liegt kein Halbacetal mehr vor. Die Verbindung verhällt sich nicht wie ein Acetal. Sie wirkt nicht reduzierend.

Beispiele:

Typ I: Maltose, Cellubiose, Lactose

Typ II: Saccharose, Trehalose

PSEKohlenhydrate

Verschiedene Schreibweisen für die β-D-Glucopyranose.

Ein Disaccharid (2 * Glucose).

PSEKohlenhydrate

Verschiedene Schreibweisen für die β-D-Glucopyranose.

Ein Disaccharid (2 * Glucose).

PSEKohlenhydrate

Ein weiteres Disaccharid (2 * Glucose).

PSEKohlenhydrate

Weitere Disaccharide.

PSEKohlenhydrate

Cellulose ist ein Polymer der Glucose mit β(1→4)glycosidischer Verknüpfung.

Pro Jahr werden 1012 Tonnen von den Pflanzen produziert (Vergleich 5*107

Tonnen PE in 2001).

PSEKohlenhydrate

Stärke besteht aus Amylose und Amylopektin

Amylose ist ein Polymer der Glucose mit α(1→4)glycosidischer Verknüpfung.

Amylopektin ist zusätzlich verzweigt und hat zusätzlich eine α(1→6)glycosidischer Verknüpfung.

PSEKohlenhydrate

A: Amylose bildet eine Helix. In diese Helix kann sich I2 einlagern. Dabei entsteht eine tiefblaue Farbe, die zum Nachweiß von Iod und Amylose dient.

B: Glykogen

PSEKohlenhydrate

Glycogen ist der Amylose sehr ähnlich, es gibt aber mehr Verzweigungen.

Glycogen wird in der Leber und im Muskel gespeichert und ist ein Glukosereservoir. Für die schennle Freisetzung ist die hohe Verzweigung wichtig.

PSEKohlenhydrate

Hyaluronsäure ist ein biologischer Stoßdämpfer und eine Gleitsubstanz. Eine der beiden Baueinheiten ist eine Uronsäure.

Heparin ist ein Antikoagulanz.

PSEKohlenhydrateGlycolipide und Glycoproteine

Wichtige Kohlenhydrate in Glycolipiden und Glycoproteinen.

PSEKohlenhydrate

Beispiele für Glycolipide aus dem Nervengewebe und dem Gehirn.

PSEKohlenhydrate

Viele Membranproteine sind glycosidiert (O-glycosidisch an Serin oder N-Glycosidisch an Glutamin oder Asparagin).

Die Kohlenhydrate ragen aus der Membran heraus und stabilisieren die Anordnung

PSEKohlenhydrate

Durch die Hydroxygruppe bekommen Alkohole und Phenole chemische und physikalische Eigenschaften, die sich von denen der Alkane und Aromaten unterscheiden.

PSEHeterocyclen

Wir haben bereits cyclische Verbindungen kennengelernt.

Wir haben bereits Heteroatome kennengelernt.

Die Kombination ergibt Heterocyclen.

Wir haben auch schon Beispiele gesehen:

Halbacetale bei den Kohlenhydraten

Pyridin

Einige weitere Beispiele sind unten angegeben.

PSEHeterocyclenTetrapyrrol

Uroporphyrinogen-III ist der Biosynthesevorläufer von Häm (roter Blutfarbstoff), Chlorophyll (grüner Pflanzenfarbstoff, siehe oben), den Cytochrom-Farbstoffen und von Vitamin B12.

Im Häm wird Fe2+ durch eine Häm Einheit komplexiert. Als fünfter Ligand dient Histidin aus dem entsprechenden Protein. Der Eisen, Häm, Protein-Komplex ist dad Hämoglobin. An der sechsten Koordinationsstelle kann das Eisen Sauerstoff (oder auch CO) binden (Sauerstofftransportfähigkeit des Blutes).

Im Cytochrom C ist Häm über Cystein direkt an das Protein gebunden (Addition an Doppelbindung). Im Cytochrom C kann kein Sauerstoff gebunden werden.

Es ist aber möglich von Fe2+ nach Fe3+ und zurück zu wechseln. Dies ist wichtig für Redoxprozesse.

Im Chlorophyll (Photosynthese) ist ein Mg2+ als Zentralatom enthalten.

Es sammelt das Licht und leitet es an das Photosynthese-Zentrum weiter.

In Vitamin B12 ist der Ring kleiner und das Zentralatom ist Co3+.

Ein Mangel ist assoziert mit perniziöser Anämie (Blutarmut).

PSEHeterocyclen

Wichtige Hetreocyclen.

Nicotin ist ein Alkaloid.

Prolin und Histidin sind Aminosäuren.

Thiamazol unterdrückt die Hormonbildung der Schilddrüse.

PSEHeterocyclen

Thiazol ist Bestandteil des Thiamins (Vitamin B1).

Thiamin ist wichtig im Stoffwechsel.

PSEHeterocyclen

Sechsgliedrige Heterocyclen.

Pyridin ist Bestandteil des Nicotins und von NAD.

Die Pyrimidin-Einheit finden wir in Cytosin, Thymin und Uracil.

PSEHeterocyclen

Mehrkernige Heterocyclen.

Indol ist Bestandteil von Tryptophan (Aminosäure), Strychnin, LSD

PSEHeterocyclen

Mehrkernige Heterocyclen.

Purin ist Bestandteil von Adenin, Guanin, Coffein

PSEHeterocyclenNucleinsäuren

DNA, RNA

PSEHeterocyclen

Die Basenpaarung erlaubt die Vervielfältigung der Erbinformation.

PSEHeterocyclen

Räumliche Anordnung.

PSEHeterocyclen

Fluorurazil verhindert den Einbau von Thymidin in die DNA und kann statt Uracil in die RNA eingebaut werden => absterben der Zellen

Chemotherapie gegen Krebs (auch gesunde Zellen werden geschädigt).

Azidothymidin (AZT) verhindert in Retroviren das Erzeugen von DNA aus RNA (Retroviren: HIV (Human Immunodefizienz Virus) und HTLV (Human T-celllymphotrophes Virus))

PSEHeterocyclen

Aciclovir wirkt auf Herpesviren.

Norfloxacin (Antibiotikum-Gyrasehemmer).

PSEHeterocyclen

Riboflavin (Vitamin B2).

Riboflavin ist ein Redoxsystem welches in der Atmungskette wichtig ist.

PSEHeterocyclen

Folsäure ist eine Vorstufe Tetrahydrofolsäure.

Diese ist ein Coenzym, das im Stoffwechsel an der Übertragung von C1-Bausteinen beteiligt ist (Acetyl-CoA überträgt C2-Bausteine)

PSEFragen 21/Zeeck

PSESpektroskopie

In der Spektroskopie nutzt man die Absorption (Aufnahme) und Emmision(Abgabe) von elektromagnetischer Strahlung.

Je nach Art der Spektroskopie wird Licht verschiedener Wellenlänge absorbiert oder emmitiert.

Je nach Art der Spektroskopie werden verschiedene Prozesse im Molekül untersucht.

PSESpektroskopie

In der UV-Spektroskopie (oder UV/vis-Spektroskopie) werden Elektronen von einem Orbital in ein anderes angehoben (Ultraviolett, visible).

A,E: AbsorptionI : Intensität des Lichtes ohne AbsorptionI: Intensität des Lichtes nach Absorption: molarer Extinktionskoeffizient (Substanz und Wellenlängenabhängig)

c: Konzentratio

IA E c dI

= = = • •

nd: Schichtdicke

PSESpektroskopie

Aufbau.

PSESpektroskopie

Beispiele:

PSESpektroskopie

Verbindungen mit einer Absorption zwischen 400 und 780 nm sind farbig.

Komplementärfarben: entfernt man aus weißem Licht blau, so ist das übrigbleibende Licht gelb.

blaues Licht 380 – 460 nm

gelb, oranges Licht 540 – 640 nm

PSESpektroskopie

Mit Hilfe der UV-Spektroskopie kann man das Verhältnis zwischen NAD+ und NADH bestimmen.

PSESpektroskopie

Der Spiegel an GOT (Glutamat-Oxalacetat-Transaminase) im Blut deutet auf Hepatitis hin.

Bei den gekoppelten Reaktionen 1 und 2 wird NADH verbraucht. Dieser kann gemessen werden und gibt so einen Hinweis.

PSESpektroskopie

Mit Infrarot-Strahlung lassen sich Schwingungen im Molekül anregen.

PSESpektroskopie

Beispiel.

E: Energieh: Plancksche Wirkunsquantum

: Frequenzc: Lichtgeschwindigkeit: Wellenlänge: Wellenzahl

E h cch

ν λ ν

= • = •

= • •

PSESpektroskopie

Typische Absorptionswellenlängen .

PSESpektroskopie

Bei der NMR-Spektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance) werden Radiowellen benutzt um den Kernspin anzuregen.

Dieses Experiment ist nur im Magnetfeld möglich.

Der Kernspin ist das Gegenstück zum Elektronenspin (siehe Spinquantenzahl).

Die Absorptionsfrequenz (Kernresonanz) für verschiedene Protonen ist nahezu gleich, geringe Unterschiede beruhen auf Unterschieden in der Elektronenhülle.

Diese Unterschiede werden in ppm (parts per million) angegeben und als Chemische Verschiebung bezeichnet.

Es ergibt sich eine unterschiedliche chemische Verschiebung für Kerne der gleichen Art in unterschiedlicher chemischer Umgebung.

PSESpektroskopie

Es gibt drei verschiedene Kerne und drei verschiedene Signale im 1H-NMR.

PSESpektroskopie

Die Intensität im NMR (siehe Stufenhöhe) gibt an ob das Signal 1, 2, 3, oder mehr Protonen beschreibt.

PSESpektroskopie

Als zusätzliche Information gibt es die Kopplung.

Signal b ist in vier Linien aufgespalten (Quartett), weil es drei Nachbarn hat.

Signal a ist in drei Linien aufgespalten (Triplett), weil es zwei Nachbarn hat.

Allgemein gibt es bei N Nachbarn N+1 Linien

PSESpektroskopie

Im 13C-NMR gibt es keine Information zu Intensität und Kopplung.

PSESpektroskopie

Es gibt eine Vielzahl von NMR-Methoden.

Die NMR-Spektroskopie ist die wichtigste spektroskopische Methode.

PSESpektroskopie

Bei einem Kernspintomogramm ((N)MR-Tomogramm) wird die Kernresonanz von Protonen in Wasser räumlich aufgezeichnet.

PSESpektroskopie

Bei Massenspektren erzeugt man Ionen der Moleküle in der Gasphase und bestimmt die Masse der Ionen und etwaiger Bruchstücke.

PSESpektroskopie

Die Bruchstücke entstehen durch Fragnmentierung (verschiedene Moleküle mit gleicher Molekülmasse fragmentieren verschieden)

Durch hochauflösende Massenspektroskopie kann man die Summenformel eines Moleküles bestimmen.

Das Isotopenmuster liefert weitere Informationen.OH

Exact Mass: 114,07Molecular Weight: 114,14

Exact Mass: 114,12Molecular Weight: 114,19

PSESpektroskopie

Es gibt verschiedene Methoden die Moleküle in die Gasphase zu bringen und sie zu ionisieren.

CI: Chemische Ionisierung

FAB: Fast Atom Bombardment

MALDI: Matrix assisted Laser Desorption Ionisation

ESI: Electron Spray Ionisation

PSESpektroskopie

Bei der Röntgenstrukturanalyse werden Röntgenstrahlen an Kristallen gebeugt.

Dabei entsteht ein Muster.

Aus diesem Muster lassen sich die Positionen der Atome im Kristall berechnen.

Man benötigt hinreichend große und stabile Kristalle.

PSESpektroskopie

Röntgenstrahlen „gibt“ es nur in Deutschland.

Röntgen selber hat die von ihm entdeckten Strahlen X-Strahlen genannt und so werden sie bis heute international bezeichnet (x-ray).

Wilhelm Conrad Röntgen

* 1845 Lennep (heute Remscheid)

Nobelpreis 1901

† 1901 in MünchenAufnahme von Röntgen

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