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4.2: Lipide - Biologie

4.2: Lipide - Biologie



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Lipide sind eine vielfältige Gruppe hydrophober Verbindungen, die Moleküle wie Fette, Öle, Wachse, Phospholipide und Steroide umfassen. Die meisten Lipide sind im Kern Kohlenwasserstoffe, Moleküle, die viele unpolare Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen enthalten. Die Fülle an unpolaren funktionellen Gruppen verleiht Lipiden einen Grad an hydrophoben („wasserabweisenden“) Charakter und die meisten Lipide haben eine geringe Löslichkeit in Wasser. Abhängig von ihren physikalischen Eigenschaften (kodiert durch ihre chemische Struktur) können Lipide viele Funktionen in biologischen Systemen erfüllen, darunter Energiespeicherung, Isolierung, Barrierebildung, zelluläre Signalübertragung. Die Vielfalt der Lipidmoleküle und ihre biologischen Aktivitäten sind für die meisten neuen Biologiestudenten vielleicht überraschend groß. Beginnen wir damit, ein grundlegendes Verständnis dieser Klasse von Biomolekülen zu entwickeln.

Fette und Öle

Ein gemeinsames Fettmolekül oder Triglycerid. Diese Arten von Molekülen sind im Allgemeinen hydrophob und obwohl sie zahlreiche Funktionen haben, sind sie wahrscheinlich am besten für ihre Rolle in Körperfett und Pflanzenölen bekannt. Ein Triglyceridmolekül, das von zwei Arten molekularer Komponenten abgeleitet ist – einer polaren „Kopf“-Gruppe und einer unpolaren „Schwanz“-Gruppe. Die "Kopf"-Gruppe von a Triglycerid wird von einem einzelnen Glycerinmolekül abgeleitet. Glycerin, ein Kohlenhydrat, besteht aus drei Kohlenstoffen, fünf Wasserstoffatomen und drei funktionellen Hydroxylgruppen (-OH). Das unpolare Fettsäure Die "Schwanz"-Gruppe besteht aus drei Kohlenwasserstoffen (einer funktionellen Gruppe bestehend aus C-H-Bindungen), die auch eine polare funktionelle Carboxylgruppe aufweisen (daher der Begriff "Fettsäure" - die Carboxylgruppe ist bei den meisten biologisch relevanten pH-Werten sauer). Die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Fettsäure kann von 4–36 reichen; am häufigsten sind solche mit 12–18 Kohlenstoffatomen.

Abbildung 1. Triacylglycerin wird durch die Verbindung von drei Fettsäuren zu einem Glycerinrückgrat in einer Dehydratisierungsreaktion gebildet. Dabei werden drei Wassermoleküle freigesetzt. Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Hinweis: mögliche Diskussion

Die oben gezeigten Modelle der Triglyceride bilden die relativ Positionen der Atome im Molekül. Wenn Sie nach Bildern von Triglyceriden googeln, werden Sie einige Modelle finden, die die Phospholipid-Schwänze in anderen Positionen als den oben abgebildeten zeigen. Geben Sie mit Ihrer Intuition eine Meinung ab, welches Modell Ihrer Meinung nach die richtigere Darstellung des wirklichen Lebens ist. Wieso den?

Figur 2. Stearinsäure ist eine übliche gesättigte Fettsäure; Ölsäure und Linolensäure sind häufige ungesättigte Fettsäuren. Facciotti (eigene Arbeit)

Hinweis: mögliche Diskussion

Natürliche Fette wie Butter, Rapsöl usw. bestehen hauptsächlich aus Triglyceriden. Die physikalischen Eigenschaften dieser verschiedenen Fette variieren in Abhängigkeit von zwei Faktoren:

  1. Die Anzahl der Kohlenstoffe in den Kohlenwasserstoffketten;
  2. Die Anzahl der Entsättigungen oder Doppelbindungen in den Kohlenwasserstoffketten.

Der erste Faktor beeinflusst, wie diese Moleküle miteinander und mit Wasser interagieren, während der zweite Faktor ihre Form dramatisch beeinflusst. Die Einführung einer Doppelbindung verursacht einen "Knick" im ansonsten relativ "geraden" Kohlenwasserstoff, der in Abbildung 3 leicht übertrieben dargestellt ist.

Schlagen Sie basierend auf dem, was Sie aus dieser kurzen Beschreibung verstehen können, in Ihren eigenen Worten eine Begründung vor, um zu erklären, warum Butter bei Raumtemperatur fest ist, während Pflanzenöl flüssig ist.

Hier ist eine wichtige Information, die Ihnen bei der Frage helfen könnte: Butter hat einen höheren Anteil an längeren und gesättigten Kohlenwasserstoffen in ihren Triglyceriden als Pflanzenöl.

Figur 3. Die gerade gesättigte Fettsäure im Vergleich zur "gebogenen"/"geknickten" ungesättigten Fettsäure. Facciotti (eigene Arbeit)

Sterole

Steroide sind Lipide mit einer kondensierten Ringstruktur. Obwohl sie den anderen hier diskutierten Lipiden nicht ähneln, werden sie als Lipide bezeichnet, da sie ebenfalls größtenteils aus Kohlenstoffen und Wasserstoffen bestehen, hydrophob und in Wasser unlöslich sind. Alle Steroide haben vier verbundene Kohlenstoffringe. Viele Steroide haben auch die funktionelle -OH-Gruppe, die sie in die Alkoholklassifizierung von Sterolen einordnet. Mehrere Steroide, wie Cholesterin, haben einen kurzen Schwanz. Cholesterin ist das häufigste Steroid. Es wird hauptsächlich in der Leber synthetisiert und ist die Vorstufe vieler Steroidhormone wie Testosteron. Es ist auch die Vorstufe von Vitamin D und von Gallensalzen, die bei der Emulgierung von Fetten und deren anschließende Aufnahme durch die Zellen. Obwohl von Cholesterin oft negativ gesprochen wird, ist es für das reibungslose Funktionieren vieler tierischer Zellen notwendig, insbesondere in seiner Rolle als Bestandteil der Plasmamembran, von der bekannt ist, dass sie Membranstruktur, Organisation und Fluidität moduliert.

Figur 4. Cholesterin ist ein modifiziertes Lipidmolekül, das von tierischen Zellen synthetisiert wird und ein wichtiges Strukturelement in Zellmembranen ist. Cortisol ist ein Hormon (Signalmolekül), das häufig als Reaktion auf Stress ausgeschüttet wird. Facciotti (eigene Arbeit)

Hinweis: mögliche Diskussion

Welche Teile des Moleküls im obigen Cortisol-Molekül würden Sie als funktionelle Gruppen klassifizieren? Gibt es Uneinigkeit darüber, was als Funktionsgruppe aufgenommen werden soll und was nicht?

Phospholipide

Phospholipide sind Hauptbestandteile der Zellmembran, der äußersten Zellschicht. Wie Fette bestehen sie aus Fettsäureketten, die an Glycerinmoleküle gebunden sind. Im Gegensatz zu den Triacylglycerolen haben Phospholipide zwei Fettsäureschwänze und eine an den Zucker gebundene Phosphatgruppe. Phospholipide sind daher amphipathisch Moleküle, dh sie haben einen hydrophoben Teil und einen hydrophilen Teil. Die beiden vom Glycerin ausgehenden Fettsäureketten sind hydrophob und können nicht mit Wasser wechselwirken, während die phosphathaltige Kopfgruppe hydrophil ist und mit Wasser wechselwirkt. Können Sie unten die funktionellen Gruppen des Phospholipids identifizieren, die jedem Teil des Phospholipids seine Eigenschaften verleihen?

Notiz

Beachten Sie in Abbildung 5, dass die Phosphatgruppe eine R-Gruppe hat, die mit einem der Sauerstoffatome verbunden ist. R ist eine Variable, die üblicherweise in diesen Diagrammtypen verwendet wird, um anzuzeigen, dass ein anderes Atom oder Molekül an dieser Position gebunden ist. Dieser Teil des Moleküls kann in verschiedenen Phospholipiden unterschiedlich sein – und verleiht dem gesamten Molekül eine andere Chemie. Im Moment sind Sie jedoch dafür verantwortlich, dass Sie diese Art von Molekülen (egal was die R-Gruppe ist) an den gemeinsamen Kernelementen erkennen können – dem Glycerinrückgrat, der Phosphatgruppe und den beiden Kohlenwasserstoffschwänzen.

Abbildung 5. Ein Phospholipid ist ein Molekül mit zwei Fettsäuren und einer modifizierten Phosphatgruppe, die an ein Glycerinrückgrat gebunden ist. Das Phosphat kann durch Zugabe geladener oder polarer chemischer Gruppen modifiziert werden. Mehrere chemische R-Gruppen können das Phosphat modifizieren. Cholin, Serin und Ethanolamin werden hier gezeigt. Diese binden über ihre Hydroxylgruppen an die Phosphatgruppe an der mit R bezeichneten Position.
Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

In Gegenwart von Wasser ordnen sich einige Phospholipide spontan zu einer Mizelle an (Abbildung 6). Die Lipide werden so angeordnet, dass sich ihre polaren Gruppen an der Außenseite der Mizelle befinden und die unpolaren Schwänze an der Innenseite. Unter anderen Bedingungen kann sich auch eine Lipiddoppelschicht bilden. Diese nur wenige Nanometer dicke Struktur besteht aus zwei gegenüberliegenden Schichten von Phospholipiden, sodass alle hydrophoben Schwänze im Zentrum der Doppelschicht von Angesicht zu Angesicht ausgerichtet und von den hydrophilen Kopfgruppen umgeben sind. Als Grundstruktur der meisten Zellmembranen bildet sich eine Phospholipid-Doppelschicht, die für die Dynamik der Plasmamembran verantwortlich ist.

Abbildung 6. In Gegenwart von Wasser ordnen sich einige Phospholipide spontan zu einer Mizelle an. Quelle: Erstellt von Erin Easlon (eigene Arbeit)

Hinweis: mögliche Diskussion

Wie oben erwähnt, würde sich ein Teil des Phospholipids spontan zu Mizellen bilden, wenn Sie einige reine Phospholipide nehmen und in Wasser tropfen lassen. Das klingt nach einem Prozess, der durch eine Energy Story beschrieben werden könnte.

Gehen Sie zurück zur Rubrik Energiegeschichte und versuchen Sie, eine Energiegeschichte für diesen Prozess zu erstellen – ich gehe davon aus, dass die Schritte zur Beschreibung von Energie an dieser Stelle schwierig sein könnten (wir werden später darauf zurückkommen), aber Sie sollten in der Lage sein Mache zumindest die ersten drei Schritte. Sie können auch die Arbeit des anderen konstruktiv kritisieren, um eine optimierte Geschichte zu erstellen.

Die Phospholipidmembran wird in einem späteren Modul ausführlich besprochen. Es wird wichtig sein, sich an die chemischen Eigenschaften zu erinnern, die mit den funktionellen Gruppen im Phospholipid verbunden sind, um die Funktion der Zellmembran zu verstehen.


Lipid

Unsere Redakteure prüfen, was Sie eingereicht haben, und entscheiden, ob der Artikel überarbeitet werden soll.

Lipid, jede aus einer vielfältigen Gruppe organischer Verbindungen, einschließlich Fette, Öle, Hormone und bestimmte Komponenten von Membranen, die zusammengruppiert werden, weil sie nicht nennenswert mit Wasser interagieren. Eine Art von Lipid, die Triglyceride, wird als Fett in Fettzellen sequestriert, die als Energiespeicher für Organismen dienen und auch als Wärmedämmung dienen. Einige Lipide wie Steroidhormone dienen als chemische Botenstoffe zwischen Zellen, Geweben und Organen, andere kommunizieren Signale zwischen biochemischen Systemen innerhalb einer einzelnen Zelle. Die Membranen von Zellen und Organellen (Strukturen innerhalb von Zellen) sind mikroskopisch dünne Strukturen, die aus zwei Schichten von Phospholipidmolekülen gebildet werden. Membranen haben die Funktion, einzelne Zellen von ihrer Umgebung zu trennen und das Zellinnere in Strukturen zu unterteilen, die spezielle Funktionen erfüllen. Diese kompartimentierende Funktion ist so wichtig, dass Membranen und die Lipide, die sie bilden, für den Ursprung des Lebens selbst wesentlich gewesen sein müssen.

Was ist ein Lipid?

Ein Lipid ist eine von verschiedenen organischen Verbindungen, die in Wasser unlöslich sind. Sie umfassen Fette, Wachse, Öle, Hormone und bestimmte Bestandteile von Membranen und fungieren als Energiespeichermoleküle und chemische Botenstoffe. Zusammen mit Proteinen und Kohlenhydraten sind Lipide einer der wichtigsten Strukturbestandteile lebender Zellen.

Warum sind Lipide wichtig?

Lipide sind eine vielfältige Gruppe von Verbindungen und erfüllen viele verschiedene Funktionen. Auf zellulärer Ebene sind Phospholipide und Cholesterin einige der Hauptbestandteile der Membranen, die eine Zelle von ihrer Umgebung trennen. Lipid-abgeleitete Hormone, bekannt als Steroidhormone, sind wichtige chemische Botenstoffe und umfassen Testosteron und Östrogene. Auf der Ebene des Organismus dienen in Fettzellen gespeicherte Triglyceride als Energiespeicher und auch als Wärmedämmung.

Was sind Lipid-Rafts?

Lipid-Rafts sind mögliche Bereiche der Zellmembran, die hohe Konzentrationen an Cholesterin und Glykosphingolipiden enthalten. Die Existenz von Lipid-Rafts wurde nicht schlüssig nachgewiesen, obwohl viele Forscher vermuten, dass solche Rafts tatsächlich existieren und eine Rolle bei der Membranfluidität, der Zell-zu-Zell-Kommunikation und der Infektion durch Viren spielen könnten.

Wasser ist das biologische Milieu – die Substanz, die das Leben ermöglicht – und fast alle molekularen Bestandteile lebender Zellen, seien es Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen, sind in Wasser löslich. Moleküle wie Proteine, Nukleinsäuren und Kohlenhydrate haben eine Affinität zu Wasser und werden als hydrophil („wasserliebend“) bezeichnet. Lipide hingegen sind hydrophob („wasserangst“). Einige Lipide sind amphipathisch – ein Teil ihrer Struktur ist hydrophil und ein anderer Teil, normalerweise ein größerer Abschnitt, ist hydrophob. Amphipathische Lipide weisen in Wasser ein einzigartiges Verhalten auf: Sie bilden spontan geordnete molekulare Aggregate, wobei ihre hydrophilen Enden nach außen in Kontakt mit dem Wasser und ihre hydrophoben Teile nach innen vom Wasser abgeschirmt sind. Diese Eigenschaft ist der Schlüssel zu ihrer Rolle als grundlegende Bestandteile von Zell- und Organellenmembranen.

Obwohl biologische Lipide keine großen makromolekularen Polymere sind (z. B. Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide), werden viele durch die chemische Verknüpfung mehrerer kleiner Moleküle gebildet. Viele dieser molekularen Bausteine ​​sind in ihrer Struktur ähnlich oder homolog. Die Homologien erlauben es, Lipide in einige wenige Hauptgruppen einzuteilen: Fettsäuren, Fettsäurederivate, Cholesterin und seine Derivate und Lipoproteine. Dieser Artikel behandelt die wichtigsten Gruppen und erklärt, wie diese Moleküle als Energiespeichermoleküle, chemische Botenstoffe und strukturelle Bestandteile von Zellen funktionieren.


Fettlösliche Vitamine

Fettlösliche Vitamine werden im Fettgewebe und in der Leber gespeichert. Sie werden aus dem Körper langsamer ausgeschieden als wasserlösliche Vitamine. Zu den fettlöslichen Vitaminen gehören die Vitamine A, D, E und K. Vitamin A ist wichtig für das Sehvermögen sowie die Gesundheit von Haut, Zähnen und Knochen. Vitamin D hilft bei der Aufnahme anderer Nährstoffe wie Kalzium und Eisen. Vitamin E wirkt als Antioxidans und unterstützt auch die Immunfunktion. Vitamin K hilft bei der Blutgerinnung und beim Erhalt starker Knochen.


Wachse

Abbildung 7. Wachsartige Beläge auf einigen Blättern bestehen aus Lipiden. (Kredit: Roger Griffith)

Wachs bedeckt die Federn einiger Wasservögel und die Blattoberflächen einiger Pflanzen. Aufgrund der hydrophoben Natur von Wachsen verhindern sie, dass Wasser an der Oberfläche haftet (Abbildung 7). Wachse bestehen aus langen Fettsäureketten, die zu langkettigen Alkoholen verestert sind.


4.2: Lipide - Biologie

Lipide sind eine der vier Hauptgruppen organischer Moleküle, die anderen drei sind Proteine, Nukleinsäuren (DNA) und Kohlenhydrate (Zucker). Lipide bestehen aus den gleichen Elementen wie Kohlenhydrate: Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Lipide neigen jedoch dazu, viel mehr Wasserstoffatome als Sauerstoffatome zu enthalten.

Lipide umfassen Fette, Steroide, Phospholipide und Wachse. Ein Hauptmerkmal von Lipiden ist, dass sie sich nicht in Wasser lösen.

Lipide spielen in lebenden Organismen eine wichtige Rolle. Zu ihren Hauptfunktionen gehören Energiespeicherung, Hormone und Zellmembranen.

  • Gesättigte Fette – Gesättigte Fette sind bei Raumtemperatur Feststoffe. Diese Fette stammen in der Regel aus Lebensmitteln wie rotem Fleisch, Käse und Butter. Gesättigte Fette werden manchmal als "schlechte" Fette bezeichnet, weil sie dafür bekannt sind, einen höheren Cholesterinspiegel zu verursachen, Arterien zu verstopfen und sogar das Risiko für einige Krebsarten zu erhöhen.
  • Ungesättigte Fette – Ungesättigte Fette sind Flüssigkeiten bei Raumtemperatur. Diese Fette stammen in der Regel aus Lebensmitteln wie Nüssen, Gemüse und Fisch. Ungesättigte Fette gelten als viel besser für Sie als gesättigte Fette und werden manchmal als "gute" Fette bezeichnet.

Wachse ähneln in ihrer chemischen Zusammensetzung Fetten, haben jedoch nur eine lange Fettsäurekette. Wachse sind bei Raumtemperatur weich und plastisch. Sie werden von Tieren und Pflanzen produziert und dienen typischerweise dem Schutz. Pflanzen verwenden Wachse, um Wasserverlust zu verhindern. Menschen haben Wachs in unseren Ohren, um unser Trommelfell zu schützen.

Steroide sind eine weitere wichtige Gruppe von Lipiden. Steroide umfassen Cholesterin, Chlorophyll und Hormone. Unser Körper verwendet Cholesterin, um die Hormone Testosteron (männliche Hormone) und Östrogen (weibliche Hormone) herzustellen. Chlorophyll wird von Pflanzen verwendet, um Licht für die Photosynthese zu absorbieren.

Sind Steroide schlecht für Sie?

Nicht alle Steroide sind schlecht. Unser Körper braucht Steroide wie Cholesterin und Cortisol, um zu überleben, daher sind einige Steroide gut für uns. Es gibt auch viele Steroide, die Ärzte verwenden, um kranken Menschen zu helfen.

Allerdings kann die Art von Steroiden, von denen Sie im Sport hören, Anabolika, sehr schlecht für Sie sein. Sie können alle Arten von Schäden an Ihrem Körper verursachen, einschließlich Schlaganfälle, Nierenversagen, Blutgerinnsel und Leberschäden.

Phospholipide bilden die vierte Hauptgruppe der Lipide. Sie sind in ihrer chemischen Zusammensetzung den Fetten sehr ähnlich. Phospholipide sind einer der Hauptstrukturbestandteile aller Zellmembranen.


Chemische und synthetische Biologieansätze zum Verständnis zellulärer Funktionen - Teil C

Marcus J. C. Long, . Yimon Aye , in Methoden der Enzymologie , 2020

2.2 Quasi-endogene, verlängerte Exposition: Simulation der endogenen RES-Biosynthese

Die jüngste Innovation des Marnett-Labors basiert auf der Fütterung von Zellen mit Linolsäure (LA), einem Vorläufer von aus Lipiden abgeleiteten Elektrophilen (Beavers et al., 2017). LA wurde mit einem terminalen Alkin modifiziert, dann wurden die Zellen mit LA(Alkin) in mikromolaren Konzentrationen für 24 h stimuliert, gefolgt von dem Saccharolipid-Glykan, Kdo2-Lipid A, für weitere 24 h (Abb. 1 C). Ein paralleles Experiment mit nicht-alkinfunktionalisiertem LA in Kombination mit SILAC-basierter Proteomikanalyse ermöglicht eine quantitative Zielidentifikation. 3300 Proteine ​​wurden unter Verwendung dieses Ansatzes aus 3816 Gesamtproteinen als HNE-sensitiv identifiziert. Die Datenausgaben ähneln denen, die durch Direct-Capture-Methoden erhalten wurden (die unter der Prämisse laufen, dass HNEylierte Proteine ​​typischerweise ein reaktives Aldehyd nach Michael-Adduktion enthalten), über das vom Wang-Labor berichtet wurde (Chen et al., 2018). Beide Methoden zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Datensätzen, die über drei Durchläufe erhalten wurden. Eine Schlussfolgerung aus diesen Daten war, dass mitochondriale Proteine ​​unter diesen Bedingungen am reaktivsten waren. Wie stark diese Organellenspezifität auf die lokalisierte Stresserzeugung oder die implizite Wahrnehmungsfähigkeit zurückzuführen ist, ist jedoch unbekannt.


Proteine

Während Nukleinsäuren die genetische Information der Zelle tragen, besteht die Hauptaufgabe von Proteinen darin, die von dieser Information geleiteten Aufgaben auszuführen. Proteine ​​sind die vielfältigsten aller Makromoleküle, und jede Zelle enthält mehrere tausend verschiedene Proteine, die unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Zu den Aufgaben von Proteinen gehören die Funktion als struktureller Bestandteil von Zellen und Geweben, der Transport und die Speicherung kleiner Moleküle (z. B. der Transport von Sauerstoff durch Hämoglobin), die Übertragung von Informationen zwischen Zellen (z. B. Proteinhormone) und die Bereitstellung einer Abwehr gegen Infektion (z. B. Antikörper). Die grundlegendste Eigenschaft von Proteinen ist jedoch ihre Fähigkeit, als Enzyme zu agieren, die, wie im folgenden Abschnitt diskutiert, fast alle chemischen Reaktionen in biologischen Systemen katalysieren. Somit steuern Proteine ​​praktisch alle Aktivitäten der Zelle. Die zentrale Bedeutung von Proteinen in der biologischen Chemie zeigt ihr Name, der vom griechischen Wort abgeleitet ist Proteine, was “o des ersten Ranges bedeutet.”

Proteine ​​sind Polymere aus 20 verschiedenen Aminosäuren. Jede Aminosäure besteht aus einem Kohlenstoffatom (genannt α-Kohlenstoff), das an eine Carboxylgruppe (COO - ), eine Aminogruppe (NH3 + ), ein Wasserstoffatom und eine charakteristische Seitenkette (Abbildung 2.13). Die spezifischen chemischen Eigenschaften der verschiedenen Aminosäureseitenketten bestimmen die Rolle jeder Aminosäure in der Proteinstruktur und -funktion.

Abbildung 2.13

Struktur von Aminosäuren. Jede Aminosäure besteht aus einem zentralen Kohlenstoffatom (dem α-Kohlenstoff), das an ein Wasserstoffatom gebunden ist, einer Carboxylgruppe, einer Aminogruppe und einer spezifischen Seitenkette (bezeichnet mit R). Bei physiologischem pH-Wert sind sowohl das Carboxyl als auch das Amino (mehr.)

Die Aminosäuren können nach den Eigenschaften ihrer Seitenketten in vier große Kategorien eingeteilt werden (Abbildung 2.14). Zehn Aminosäuren haben unpolare Seitenketten, die nicht mit Wasser interagieren. Glycin ist die einfachste Aminosäure, deren Seitenkette nur aus einem Wasserstoffatom besteht. Alanin, Valin, Leucin und Isoleucin haben Kohlenwasserstoffseitenketten, die aus bis zu vier Kohlenstoffatomen bestehen. Die Seitenketten dieser Aminosäuren sind hydrophob und befinden sich daher tendenziell im Inneren von Proteinen, wo sie nicht mit Wasser in Kontakt kommen. Prolin hat ebenfalls eine Kohlenwasserstoff-Seitenkette, ist jedoch insofern einzigartig, als seine Seitenkette sowohl an den Stickstoff der Aminogruppe als auch an den α-Kohlenstoff gebunden ist und eine cyclische Struktur bildet. Die Seitenketten von zwei Aminosäuren, Cystein und Methionin, enthalten Schwefelatome. Methionin ist ziemlich hydrophob, Cystein jedoch aufgrund seiner Sulfhydryl (SH)-Gruppe weniger. Wie später diskutiert, spielt die Sulfhydrylgruppe von Cystein eine wichtige Rolle in der Proteinstruktur, da sich zwischen den Seitenketten verschiedener Cysteinreste Disulfidbrücken bilden können. Schließlich haben zwei unpolare Aminosäuren, Phenylalanin und Tryptophan, Seitenketten mit sehr hydrophoben aromatischen Ringen.

Abbildung 2.14

Die Aminosäuren. Die dreibuchstabigen und einbuchstabigen Abkürzungen für jede Aminosäure sind angegeben. Die Aminosäuren werden nach den Eigenschaften ihrer Seitenketten in vier Kategorien eingeteilt: unpolar, polar, basisch und sauer.

Fünf Aminosäuren haben ungeladene, aber polare Seitenketten. Dazu gehören Serin, Threonin und Tyrosin, die Hydroxylgruppen an ihren Seitenketten aufweisen, sowie Asparagin und Glutamin, die ein polares Amid (O=C—NH2) Gruppen. Da die polaren Seitenketten dieser Aminosäuren mit Wasser Wasserstoffbrückenbindungen bilden können, sind diese Aminosäuren hydrophil und neigen dazu, sich an der Außenseite von Proteinen zu befinden.

Die Aminosäuren Lysin, Arginin und Histidin haben Seitenketten mit geladenen basischen Gruppen. Lysin und Arginin sind sehr basische Aminosäuren und ihre Seitenketten sind in der Zelle positiv geladen. Folglich sind sie sehr hydrophil und befinden sich in Kontakt mit Wasser auf der Oberfläche von Proteinen. Histidin kann bei physiologischem pH-Wert entweder ungeladen oder positiv geladen sein, so dass es häufig eine aktive Rolle bei enzymatischen Reaktionen spielt, bei denen Wasserstoffionen ausgetauscht werden, wie am Beispiel der enzymatischen Katalyse im folgenden Abschnitt erläutert wird.

Schließlich haben zwei Aminosäuren, Asparaginsäure und Glutaminsäure, saure Seitenketten, die in Carboxylgruppen enden. Diese Aminosäuren sind innerhalb der Zelle negativ geladen und werden daher häufig als Aspartat und Glutamat bezeichnet. Diese sauren Aminosäuren sind wie die basischen Aminosäuren sehr hydrophil und befinden sich meist auf der Oberfläche von Proteinen.

Aminosäuren sind durch Peptidbindungen zwischen der α Aminogruppe einer Aminosäure und der α Carboxylgruppe einer zweiten Aminosäure verbunden (Abbildung 2.15). Polypeptide sind lineare Ketten von Aminosäuren, die normalerweise Hunderte oder Tausende von Aminosäuren lang sind. Jede Polypeptidkette hat zwei unterschiedliche Enden, eines endet in einer α-Aminogruppe (dem Amino- oder N-Terminus) und das andere in einer α-Carboxylgruppe (dem Carboxy- oder C-Terminus). Polypeptide werden vom Amino- zum Carboxyterminus synthetisiert, und die Aminosäuresequenz in einem Polypeptid wird (nach Konvention) in der gleichen Reihenfolge geschrieben.

Abbildung 2.15

Bildung einer Peptidbindung. Die Carboxylgruppe einer Aminosäure ist mit der Aminogruppe einer zweiten verknüpft.

Das definierende Merkmal von Proteinen ist, dass sie Polypeptide mit spezifischen Aminosäuresequenzen sind. 1953 war Frederick Sanger der erste, der die komplette Aminosäuresequenz eines Proteins, des Hormons Insulin, bestimmt hat. Es wurde festgestellt, dass Insulin aus zwei Polypeptidketten besteht, die durch Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten verbunden sind (Abbildung 2.16). Am wichtigsten ist, dass Sangers Experiment gezeigt hat, dass jedes Protein aus einer bestimmten Aminosäuresequenz besteht. Proteine ​​werden derzeit mit automatisierten Verfahren sequenziert, mittlerweile sind die vollständigen Aminosäuresequenzen von über 100.000 Proteinen bekannt. Jede besteht aus einer einzigartigen Sequenz von Aminosäuren, die durch die Reihenfolge der Nukleotide in einem Gen bestimmt wird (siehe Kapitel 3).

Abbildung 2.16

Aminosäuresequenz von Insulin. Insulin besteht aus zwei Polypeptidketten, eine aus 21 und die andere aus 30 Aminosäuren (hier durch ihre Ein-Buchstaben-Codes gekennzeichnet). Die Seitenketten von drei Paaren von Cysteinresten sind durch Disulfidbrücken verbunden, zwei von (mehr.)

Die Aminosäuresequenz eines Proteins ist nur das erste Element seiner Struktur. Anstatt verlängerte Aminosäureketten zu sein, nehmen Proteine ​​verschiedene dreidimensionale Konformationen an, die für ihre Funktion entscheidend sind. Diese dreidimensionalen Konformationen von Proteinen sind das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen ihren konstituierenden Aminosäuren, so dass die Formen von Proteinen durch ihre Aminosäuresequenzen bestimmt werden. Dies wurde erstmals durch Experimente von Christian Anfinsen demonstriert, in denen er die dreidimensionalen Strukturen von Proteinen durch Behandlungen wie Erhitzen aufbrach, die nichtkovalente Bindungen brechen – ein Prozess, der Denaturierung genannt wird (Abbildung 2.17). Nach einer Inkubation unter milderen Bedingungen kehrten solche denaturierten Proteine ​​oft spontan in ihre nativen Konformationen zurück, was darauf hinweist, dass diese Konformationen direkt durch die Aminosäuresequenz bestimmt wurden.

Abbildung 2.17

Proteindenaturierung und Rückfaltung. Ribonuklease (RNase) ist ein Protein aus 124 Aminosäuren (durch Zahlen gekennzeichnet). Das Protein ist normalerweise in seine native Konformation gefaltet, die vier Disulfidbrücken enthält (angezeigt als gepaarte Kreise, die (mehr.)

Die dreidimensionale Struktur von Proteinen wird am häufigsten durch Röntgenkristallographie analysiert, ein hochauflösendes Verfahren, mit dem die Anordnung einzelner Atome innerhalb eines Moleküls bestimmt werden kann. Ein Röntgenstrahl wird auf Kristalle des zu analysierenden Proteins gerichtet, und das Muster der Röntgenstrahlen, die durch den Proteinkristall gehen, wird auf einem Röntgenfilm nachgewiesen. Beim Auftreffen der Röntgenstrahlen auf den Kristall werden sie in charakteristischen Mustern gestreut, die durch die Anordnung der Atome im Molekül bestimmt werden. Aus dem Muster gestreuter Röntgenstrahlen (dem Beugungsmuster) kann daher auf die Struktur des Moleküls geschlossen werden.

1958 konnte John Kendrew als erster die dreidimensionale Struktur eines Proteins bestimmen, Myoglobin, ein relativ einfaches Protein mit 153 Aminosäuren (Abbildung 2.18). Seitdem wurden die dreidimensionalen Strukturen von mehreren Tausend Proteinen analysiert. Die meisten, wie Myoglobin, sind kugelförmige Proteine ​​mit zu kompakten Strukturen gefalteten Polypeptidketten, obwohl einige (wie die Strukturproteine ​​des Bindegewebes) lange faserige Moleküle sind. Die Analyse der dreidimensionalen Strukturen dieser Proteine ​​hat mehrere Grundprinzipien ergeben, die die Proteinfaltung steuern, obwohl die Proteinstruktur so komplex ist, dass eine Vorhersage der dreidimensionalen Struktur eines Proteins direkt aus seiner Aminosäuresequenz unmöglich ist.

Abbildung 2.18

Dreidimensionale Struktur von Myoglobin. Myoglobin ist ein Protein aus 153 Aminosäuren, das am Sauerstofftransport beteiligt ist. Die Polypeptidkette ist um eine Hämgruppe gefaltet, die als Sauerstoffbindungsstelle dient.

Die Proteinstruktur wird allgemein mit vier Ebenen beschrieben. Die Primärstruktur eines Proteins ist die Sequenz von Aminosäuren in seiner Polypeptidkette. Die Sekundärstruktur ist die regelmäßige Anordnung von Aminosäuren innerhalb lokalisierter Regionen des Polypeptids. Zwei Arten von Sekundärstrukturen, die erstmals 1951 von Linus Pauling und Robert Corey vorgeschlagen wurden, sind besonders verbreitet: die α-Helix und das β-Faltblatt. Diese beiden Sekundärstrukturen werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den CO- und NH-Gruppen der Peptidbindungen zusammengehalten. Eine α-Helix entsteht, wenn sich eine Region einer Polypeptidkette um sich selbst windet, wobei die CO-Gruppe einer Peptidbindung eine Wasserstoffbrücke mit der NH-Gruppe einer Peptidbindung bildet, die sich vier Reste stromabwärts in der linearen Polypeptidkette befindet (Abbildung 2.19 .). ). Im Gegensatz dazu entsteht ein β-Faltblatt, wenn zwei Teile einer Polypeptidkette Seite an Seite mit Wasserstoffbrücken dazwischen liegen. Solche β-Faltblätter können zwischen mehreren Polypeptidsträngen gebildet werden, die entweder parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sein können.

Abbildung 2.19

Sekundärstruktur von Proteinen. Die häufigsten Arten von Sekundärstrukturen sind die α-Helix und das β-Blatt. In einer α-Helix bilden sich Wasserstoffbrücken zwischen CO- und NH-Gruppen von Peptidbindungen, die durch vier Aminosäurereste getrennt sind. (mehr. )

Tertiärstruktur ist die Faltung der Polypeptidkette durch Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten von Aminosäuren, die in verschiedenen Regionen der Primärsequenz liegen (Abbildung 2.20). In den meisten Proteinen falten sich Kombinationen von α-Helices und β-Faltblättern, die durch Schleifenregionen der Polypeptidkette verbunden sind, zu kompakten globulären Strukturen, den sogenannten Domänen, die die Grundeinheiten der Tertiärstruktur darstellen. Kleine Proteine ​​wie Ribonuklease oder Myoglobin enthalten nur eine einzige Domäne größere Proteine ​​können mehrere verschiedene Domänen enthalten, die häufig mit unterschiedlichen Funktionen verbunden sind.

Abbildung 2.20

Tertiärstruktur der Ribonuklease. Regionen von α-Helix- und β-Faltblatt-Sekundärstrukturen, verbunden durch Loop-Regionen, werden in die native Konformation des Proteins gefaltet. In dieser schematischen Darstellung der Polypeptidkette als (mehr.)

Eine kritische Determinante der Tertiärstruktur ist die Lokalisation hydrophober Aminosäuren im Inneren des Proteins und von hydrophilen Aminosäuren an der Oberfläche, wo sie mit Wasser interagieren. Das Innere gefalteter Proteine ​​besteht daher hauptsächlich aus hydrophoben Aminosäuren, die in α-Helices und β-Faltblättern angeordnet sind diese Sekundärstrukturen finden sich in den hydrophoben Kernen von Proteinen, da Wasserstoffbrücken den polaren Charakter der CO- und NH-Gruppen des Polypeptids neutralisieren Rückgrat. Die Schleifenbereiche, die die Elemente der Sekundärstruktur verbinden, befinden sich auf der Oberfläche gefalteter Proteine, wo die polaren Komponenten der Peptidbindungen mit Wasser oder mit den polaren Seitenketten hydrophiler Aminosäuren Wasserstoffbrückenbindungen eingehen. Wechselwirkungen zwischen polaren Aminosäureseitenketten (Wasserstoffbrücken und Ionenbindungen) auf der Proteinoberfläche sind ebenfalls wichtige Determinanten der Tertiärstruktur. Darüber hinaus stabilisieren die kovalenten Disulfidbindungen zwischen den Sulfhydrylgruppen von Cysteinresten die gefalteten Strukturen vieler Zelloberflächen- oder sekretierter Proteine.

Die vierte Ebene der Proteinstruktur, die Quartärstruktur, besteht aus den Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Polypeptidketten in Proteinen, die aus mehr als einem Polypeptid bestehen. Hämoglobin zum Beispiel besteht aus vier Polypeptidketten, die durch die gleichen Arten von Wechselwirkungen zusammengehalten werden, die die Tertiärstruktur aufrechterhalten (Abbildung 2.21).

Abbildung 2.21

Quartäre Struktur des Hämoglobins. Hämoglobin besteht aus vier Polypeptidketten, von denen jede an eine Hämgruppe gebunden ist. Die beiden α-Ketten und die beiden β-Ketten sind identisch.

Die unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der 20 verschiedenen Aminosäuren führen somit zu erheblichen Variationen in den dreidimensionalen Konformationen gefalteter Proteine. Folglich stellen Proteine ​​eine äußerst komplexe und vielfältige Gruppe von Makromolekülen dar, die für ihre vielfältigen Aufgaben in der Zellbiologie geeignet sind.

Schlüsselexperiment: Die Faltung von Polypeptidketten.

Nach Absprache mit dem Verlag ist dieses Buch über die Suchfunktion zugänglich, jedoch nicht durchsuchbar.


Abstrakt

Die Ablagerung von Speicherfett in Form von Triacylglycerin (TAG) ist eine evolutionär konservierte Strategie, um Schwankungen in der Energieverfügbarkeit und metabolischem Stress zu bewältigen. Organische TAG-Speicherung in spezialisierten Fettgeweben bietet Tieren eine metabolische Reserve, die das Überleben während der Entwicklung und des Hungers aufrechterhält. Andererseits ist eine übermäßige Akkumulation von adipösem TAG, definiert als Adipositas, mit einer zunehmenden Prävalenz von menschlichen Stoffwechselerkrankungen verbunden. In den letzten zehn Jahren ist die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, das traditionell in der Genetik und Entwicklungsbiologie verwendet wird, hat sich als vielseitiges Modellsystem zur Untersuchung des TAG-Stoffwechsels und der Ätiologie von Lipid-assoziierten Stoffwechselerkrankungen etabliert. Ähnlich wie beim Menschen, Drosophila Die TAG-Homöostase beruht auf dem Zusammenspiel von auf die Lipidaufnahme, -synthese und -verarbeitung spezialisierten Organsystemen, die durch ein endokrines Netzwerk von Hormonen und Botenstoffen integriert sind. Enzymatic formation of TAG from sugar or dietary lipid, its storage in lipid droplets, and its mobilization by lipolysis occur via mechanisms largely conserved between Drosophila and humans. Notably, dysfunctional Drosophila TAG homeostasis occurs in the context of aging, overnutrition, or defective gene function, and entails tissue-specific and organismal pathologies that resemble human disease. In this review, we summarize the physiology and biochemistry of TAG in Drosophila and outline the potential of this organism as a model system to understand the genetic and dietary basis of TAG storage and TAG-related metabolic disorders.


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5. Schlussfolgerung

The field of lipidomics has made rapid progress on many fronts over the past two decades although it has still to achieve the same level of advancement and knowledge as genomics and proteomics. The diversity of lipid chemical structures presents a challenge both from the experimental and informatics standpoints. The need for a robust, scalable bioinformatics infrastructure is high at a number of different levels: (a) establishment of a globally accepted classification system, creation of databases of lipid structures, lipid-related genes and proteins, (c) efficient analysis of experimental data, (d) efficient management of metadata and protocols, (e) integration of experimental data and existing knowledge into metabolic and signaling pathways, (f) development of informatics software for efficient searching, display and analysis of lipidomic data. The study of mammalian lipdomes has been complemented in recent years by comprehensive lipidomic analyses of yeast, mycobacteria, archaebacteria and plants, each with its own set of challenges and insights which will need to be addressed by collaborative efforts between biology, chemistry and bioinformatics.


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