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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 388
PSEStereochemieBeispiel eines Moleküles mit 8 chiralen Zentren
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 389
PSEFragen 18/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 390
PSEFragen 18/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 391
PSEFragen 18/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 392
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 393
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 394
PSEAminosäuren und Peptide
proteinogene Aminosäuren, α-L-Aminosäuren
falsch
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 395
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 396
PSEAminosäuren und Peptide
Die D-Form und die L-Form der Aminosäuren sind Enantiomere (siehe oben).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 397
PSEAminosäuren und Peptide10 wichtige Aminosäuren
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 398
PSEAminosäuren und Peptide
proteinogene Aminosäuren, α-L-Aminosäuren
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 399
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 400
PSEAminosäuren und Peptide
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!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 401
PSEAminosäuren und Peptide
Es bildet sich also im sauren ein Salz.
Dieses Salz nennt man Hydrochlorid.
Im basischen bildet sich auch ein Salz.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 402
PSEAminosäuren und Peptide
Aminosäuren können Metallionen komplexieren.
Sie sind zweizähnige Chelatliganden.
Die Komplexe sind blau
und schlecht wasserlöslich
Der Komplex ist neutral
Die hydrophoben Reste stehen außen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 403
PSEAminosäuren und Peptide
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 404
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 405
PSEAminosäuren und Peptide
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 406
PSEAminosäuren und Peptide
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!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 407
PSEAminosäuren und Peptide
Wie erkenne ich, wie weit eine Aminosäure gewandert ist?
Eine Aminosäure ist farblos!
Ninhydrin-Farbreaktion!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 408
PSEAminosäuren und Peptide
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 409
PSEAminosäuren und Peptide
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!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 410
PSEAminosäuren und Peptide
Durch Decarboxylierung gelangt man von den Aminosäuren zu wichtigen Aminen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 411
PSEAminosäuren und Peptide
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 412
PSEAminosäuren und Peptide
Durch Decarboxylierung gelangt man von den Aminosäuren zu wichtigen Aminen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 413
PSEAminosäuren und Peptide
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 414
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 415
PSEFragen 19.1/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 416
PSEFragen 19.1/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 417
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 418
PSEAminosäuren und Peptide
Verlängert man die Kette weiter, so gelangt man zu einem Tripeptid.
Ein Tripeptid hat zwei Amidbindungen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 419
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 420
PSEAminosäuren und Peptide
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!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 421
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 422
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 423
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 424
PSEAminosäuren und Peptide
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.
df
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 425
PSEAminosäuren und Peptide
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.
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.).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 426
PSEAminosäuren und Peptide
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 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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 427
PSEAminosäuren und Peptide
Bei der Synthese gibt es aber eine Reihe von Problemen.
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 428
PSEAminosäuren und Peptide
Anschließend spaltet man die beiden Schutzgruppen ab!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 429
PSEAminosäuren und Peptide
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
MIT
Boston, Ma
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 430
PSEAminosäuren und Peptide
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 431
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 432
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 433
PSEAminosäuren und Peptide
Zwischen zwei Amidbindungen (Peptidbindungen) können sich Wasserstoffbrücken bilden.
Diese sind wichtig für die räumliche Struktur der Peptide/Proteine.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 434
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 435
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 436
PSEAminosäuren und Peptide
Die Wasserstoffbrücken können zwei parallel laufende Ketten verbinden. Eine solche Struktur nennt man β-Faltblatt Struktur.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 437
PSEproteinogene Aminosäuren
aus Molecular Cell Biology, H. Lodish at al.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 438
PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix
aus: Die Moleküle des Lebens (Spektrum der Wissenschaft, Verständliche Forschung)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 439
PSESekundärstrukturβ-Faltblatt
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 440
PSEAminosäuren und Peptide
Die Anordnung der Aminosäuren kann auch schraubenförmig sein.
Eine solche Anordnung nennt man α-Helix.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 441
PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix
aus Molecular Cell Biology, H. Lodish at al.
aus: Die Moleküle des Lebens (Spektrum der Wissenschaft, Verständliche Forschung)
01
23
4
12
3
4
5
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 442
PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix, Wheel
L1
K2
K3
L4
R5
E6
E7
A8
L9
K10
L11
L12
E13E14
F15K16
K17
L18
L19
E20
E21
H22
L23
K24
W25
L26
E27
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 443
PSESekundärstruktur von Proteinenα-Helix, Wheel
Die Strukturelemente α-Helix und β-Faltblatt nennt man die Sekundärstruktur eines Proteins.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 444
PSEproteinogene Aminosäuren
aus Molecular Cell Biology, H. Lodish at al.
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 445
PSEUreaseEnzyme
James Batcheller Sumner
Cornell University, Ithaca NY
Nobelpreis 1946
Besteht ein Enzym aus mehreren Untereinheiten, so wird die gesamte Anordnung als Quatärstruktur bezeichnet.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 446
PSEAminosäuren und Peptide
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 447
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 448
PSEAminosäuren und Peptide
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
Salze
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 449
PSEAminosäuren und Peptide
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 450
PSEAminosäuren und Peptide
Cystein kann Disulfidbrücken bilden.
Durch geeignete Reduktionsmittel kann man Disulfidbrücken brechen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 451
PSEAminosäuren und Peptide
Ausschnitt aus dem Humaninsulin.
Es gibt Disulfidbrücken in der Kette
Es gibt Disulfidbrücken zwischen den Ketten
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 452
PSEFragen 19.2/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 453
PSEFragen 19.2/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 454
PSEAminosäuren und Peptide
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 455
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 456
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 457
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.
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 458
PSEKohlenhydrateEinleitung
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 459
PSEKohlenhydrateEinleitung
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 460
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 461
PSEKohlenhydrateTriosen
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 462
PSEKohlenhydrateTriosen
Dihydroxyaceton hat kein Sterozentrum.
Glycerinaldehyd hat ein Stereozentrum und es gibt eine D-Form und eine L-Form.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 463
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 464
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 465
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 466
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 467
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 468
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 469
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 470
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 471
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 472
PSEKohlenhydrate
Die benutze Darstellung ist die Haworth-Projektion.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 473
PSEKohlenhydrate
Die benutze Darstellung ist die Haworth-Projektion.
Floh: Fischer-Links Oben Harworth
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 474
PSEKohlenhydrate
Bei der Ribose existiert neben der pyranoiden Form auch eine furanoide eine .
OOPyran Furan
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 475
PSEKohlenhydrate
Im Gleichgerwicht liegen beide Pyranoiden Formen vor.
Die Schlangenlinie deutet an, dass die Struktur für die α- und die β-Form steht.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 476
PSEKohlenhydrate
Auch von der D-Fructose gibt es 4 verschiedene cyclische Isomere.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 477
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 478
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 479
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 480
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!
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 481
PSEKohlenhydrate
D-Neuraminsäure (neun Kohlenstoffatome) ist ein weiteres Beispiel für die mögliche Strukturvielfalt.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 482
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 483
PSEKohlenhydrate
Bei dieser Verbindung handelt es sich um ein Glycosid.
Sie wird von Mikroorganismen produziert und in der Krebstherapie eingesetzt.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 484
PSEKohlenhydrate
Neben O-Glycosiden gibt es auch N-Glycoside.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 485
PSEKohlenhydrate
Bei der DNA und der RNA handelt es sich um N-Glycoside.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 486
PSED-AldosenO
OHH
H
CH2OHD(+)-Glycerinaldehyd
O
OHH
CH2OH
H
H
OH
D(-)-Erythrose
O
HH
CH2OH
HO
H
OH
D(-)-Threose ET
O
OHH
OHCH2OH
H
H
H
OH
D(-)-Ribose
O
HH
OHCH2OH
HO
H
H
OH
D(-)-Arabinose
O
OHHO
OHCH2OH
H
H
H
H
D(+)-Xylose
O
HHO
OHCH2OH
HO
H
H
H
D(-)-Lyxose
O
HH
OHOH
CH2OH
HO
H
H
H
OH
D(+)-Altrose
O
OHH
OHOH
CH2OH
H
H
H
H
OH
D(+)-Allose
O
OHHO
OHOH
CH2OH
H
H
H
H
H
D(+)-Glucose
O
HHO
OHOH
CH2OH
HO
H
H
H
H
D(+)-Mannose
O
OHH
HOH
CH2OH
H
HO
H
H
OH
D(-)-Gulose
O
HH
HOH
CH2OH
HO
HO
H
H
OH
D(-)-Idose
O
OHHO
HOH
CH2OH
H
HO
H
H
H
D(+)-Galactose
O
HHO
HOH
CH2OH
HO
HO
H
H
H
D(+)-TaloseAlle alten Gänse möchten gern im Garten tanzen
RAXL
Triose
Tetrosen
Pentosen
Hexosen
D
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 487
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
D
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 488
PSEFragen 20.2/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 489
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 490
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 491
PSEKohlenhydrate
Verschiedene Schreibweisen für die β-D-Glucopyranose.
Ein Disaccharid (2 * Glucose).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 492
PSEKohlenhydrate
Verschiedene Schreibweisen für die β-D-Glucopyranose.
Ein Disaccharid (2 * Glucose).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 493
PSEKohlenhydrate
Ein weiteres Disaccharid (2 * Glucose).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 494
PSEKohlenhydrate
Weitere Disaccharide.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 495
PSEFragen 20.3/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 496
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 497
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 498
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 499
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 500
PSEKohlenhydrate
Hyaluronsäure ist ein biologischer Stoßdämpfer und eine Gleitsubstanz. Eine der beiden Baueinheiten ist eine Uronsäure.
Heparin ist ein Antikoagulanz.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 501
PSEFragen 20.4/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 502
PSEKohlenhydrateGlycolipide und Glycoproteine
Wichtige Kohlenhydrate in Glycolipiden und Glycoproteinen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 503
PSEKohlenhydrate
Beispiele für Glycolipide aus dem Nervengewebe und dem Gehirn.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 504
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 505
PSEKohlenhydrate
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 506
PSEKohlenhydrate
Durch die Hydroxygruppe bekommen Alkohole und Phenole chemische und physikalische Eigenschaften, die sich von denen der Alkane und Aromaten unterscheiden.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 507
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 508
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 509
PSEHeterocyclenTetrapyrrol
Uroporphyrinogen-III ist der Biosynthesevorläufer von Häm (roter Blutfarbstoff), Chlorophyll (grüner Pflanzenfarbstoff, siehe oben), den Cytochrom-Farbstoffen und von Vitamin B12.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 510
PSEHeterocyclenTetrapyrrol
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).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 511
PSEHeterocyclenTetrapyrrol
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 512
PSEHeterocyclenTetrapyrrol
Im Chlorophyll (Photosynthese) ist ein Mg2+ als Zentralatom enthalten.
Es sammelt das Licht und leitet es an das Photosynthese-Zentrum weiter.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 513
PSEHeterocyclenTetrapyrrol
In Vitamin B12 ist der Ring kleiner und das Zentralatom ist Co3+.
Ein Mangel ist assoziert mit perniziöser Anämie (Blutarmut).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 514
PSEHeterocyclen
Wichtige Hetreocyclen.
Nicotin ist ein Alkaloid.
Prolin und Histidin sind Aminosäuren.
Thiamazol unterdrückt die Hormonbildung der Schilddrüse.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 515
PSEHeterocyclen
Thiazol ist Bestandteil des Thiamins (Vitamin B1).
Thiamin ist wichtig im Stoffwechsel.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 516
PSEHeterocyclen
Sechsgliedrige Heterocyclen.
Pyridin ist Bestandteil des Nicotins und von NAD.
Die Pyrimidin-Einheit finden wir in Cytosin, Thymin und Uracil.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 517
PSEHeterocyclen
Mehrkernige Heterocyclen.
Indol
Indol ist Bestandteil von Tryptophan (Aminosäure), Strychnin, LSD
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 518
PSEHeterocyclen
Mehrkernige Heterocyclen.
Purin
Purin ist Bestandteil von Adenin, Guanin, Coffein
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 519
PSEHeterocyclenNucleinsäuren
DNA, RNA
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 520
PSEHeterocyclen
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 521
PSEHeterocyclen
Die Basenpaarung erlaubt die Vervielfältigung der Erbinformation.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 522
PSEHeterocyclen
Räumliche Anordnung.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 523
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))
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 524
PSEHeterocyclen
Aciclovir wirkt auf Herpesviren.
Norfloxacin (Antibiotikum-Gyrasehemmer).
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 525
PSEHeterocyclen
Riboflavin (Vitamin B2).
Riboflavin ist ein Redoxsystem welches in der Atmungskette wichtig ist.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 526
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)
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 527
PSEFragen 21/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 528
PSEFragen 21/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 529
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 530
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 531
PSESpektroskopie
In der UV-Spektroskopie (oder UV/vis-Spektroskopie) werden Elektronen von einem Orbital in ein anderes angehoben (Ultraviolett, visible).
010
0
log
A,E: AbsorptionI : Intensität des Lichtes ohne AbsorptionI: Intensität des Lichtes nach Absorption: molarer Extinktionskoeffizient (Substanz und Wellenlängenabhängig)
c: Konzentratio
IA E c dI
ε
ε
= = = • •
nd: Schichtdicke
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 532
PSESpektroskopie
Aufbau.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 533
PSESpektroskopie
Beispiele:
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 534
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 535
PSESpektroskopie
Mit Hilfe der UV-Spektroskopie kann man das Verhältnis zwischen NAD+ und NADH bestimmen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 536
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 537
PSESpektroskopie
Mit Infrarot-Strahlung lassen sich Schwingungen im Molekül anregen.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 538
PSESpektroskopie
Beispiel.
mit
E: Energieh: Plancksche Wirkunsquantum
: Frequenzc: Lichtgeschwindigkeit: Wellenlänge: Wellenzahl
E h cch
h c
ν λ ν
λν
ν
λν
= • = •
=
= • •
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 539
PSESpektroskopie
Typische Absorptionswellenlängen .
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 540
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 541
PSESpektroskopie
Es gibt drei verschiedene Kerne und drei verschiedene Signale im 1H-NMR.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 542
PSESpektroskopie
Die Intensität im NMR (siehe Stufenhöhe) gibt an ob das Signal 1, 2, 3, oder mehr Protonen beschreibt.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 543
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 544
PSESpektroskopie
Im 13C-NMR gibt es keine Information zu Intensität und Kopplung.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 545
PSESpektroskopie
Es gibt eine Vielzahl von NMR-Methoden.
Die NMR-Spektroskopie ist die wichtigste spektroskopische Methode.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 546
PSESpektroskopie
Bei einem Kernspintomogramm ((N)MR-Tomogramm) wird die Kernresonanz von Protonen in Wasser räumlich aufgezeichnet.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 547
PSESpektroskopie
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 548
PSESpektroskopie
Bei Massenspektren erzeugt man Ionen der Moleküle in der Gasphase und bestimmt die Masse der Ionen und etwaiger Bruchstücke.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 549
PSESpektroskopie
Bei Massenspektren erzeugt man Ionen der Moleküle in der Gasphase und bestimmt die Masse der Ionen und etwaiger Bruchstücke.
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
OH
Exact Mass: 114,07Molecular Weight: 114,14
NH2
NH2
Exact Mass: 114,12Molecular Weight: 114,19
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 550
PSESpektroskopie
Bei Massenspektren erzeugt man Ionen der Moleküle in der Gasphase und bestimmt die Masse der Ionen und etwaiger Bruchstücke.
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 551
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.
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 552
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
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 553
PSEFragen 12.6/Zeeck
Chemie für Mediziner und Medizinische Biologen an der Universität Duisburg-Essen: Organische Chemie © Klaus Schaper Seite 554
PSEFragen 12.6/Zeeck
Top Related