Modul 21-M-B9.1 Chemische Biologie - Theorie 15 LP

In einem Modul Chemische Biologie erwerben die Studierenden in thematisch gruppierten Spezialgebieten der Bioanorganischen und Bioorganischen Chemie ein Fundament an Methoden und Theoriewissen.
Sie lernen, sich in relativ kurzer Zeit in eine komplexe neue Materie einzuarbeiten.
Neben Vermittlung des Wissens wird die Diskussionsfähigkeit, das Erkennen und Herausarbeiten von Prinzipien sowie die Kompetenz, plausible Lösungen vorzuschlagen und in Diskussionen zu vertreten, erworben.

Dadurch werden die Studierenden an die Anforderungen der Masterarbeit herangeführt.

Das Modul dient dem Erwerb vertiefter Kenntnisse in Spezialgebieten der Chemischen Biologie. Dazu werden Vorlesungen mit Übungen/Seminar als Wahlpflichtveranstaltungen angeboten. Aus dem Angebot wählt die/der Studierende je nach Profil vier bis sechs halbsemestrige Veranstaltungen innerhalb eines Studienjahres.
Die darin erworbenen Kenntnisse bilden das Fundament an Methoden und Theoriewissen, das für wissenschaftliches Arbeiten und von zukünftigen Arbeitgebern bei Absolventinnen/ Absolventen mit Schwerpunkt Chemische Biologie vorausgesetzt wird. Alle Veranstaltungen dienen dabei nicht nur der Wissensvermittlung sondern auch der analytischen Durchdringung der Materie und sollen die Studierenden in die Möglichkeit versetzen, sich in relativ kurzer Zeit in eine komplexe neue Materie einzuarbeiten.
In den Vorlesungen werden die grundlegenden Konzepte und Methoden vorgestellt. Eine Vertiefung erfolgt anhand von Monographien und Primärliteratur, die gegebenenfalls in Gruppenarbeit erschlossen wird. Einige Veranstaltungen werden von einem Seminar begleitet werden, in dem ein Problem theoretisch vor dem Hintergrund der bekannten Literatur bearbeitet wird. Dies setzt ein erhebliches Maß an Vorbereitung und Selbststudium vor bzw. nach der jeweiligen Veranstaltung voraus, um eine Durchdringung der Thematik in der Tiefe zu gewährleisten.
Die Vorlesungsbausteine zur Bildung des Moduls:

Struktur-Funktions-Korrelationen in der Koordinationschemie
Inhalte:
Die Vorlesung baut auf der Vorlesung "Koordinationschemie" im Bachelor-Studiengang auf und informiert auf höherem Niveau über Synthese, Struktur, Reaktionen und Bindungsverhältnisse von Koordinationsverbindungen mit d- und f-Block-Elementen als Zentralatom und mit anorganischen sowie insbesondere organischen Systemen als Liganden. Die Voraussetzungen für interessante magnetische, optische und Redoxeigenschaften werden besprochen. Bezüge zur Anwendung in der molekularen Elektronik, dem molekularen Magnetismus, der homogenen Katalyse und der supramolekularen Chemie werden besonders herausgestellt.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Koordinationschemie" des Bachelor-Studiengangs haben.

Funktionsprinzipien von Metalloproteinen
Inhalte:
Die Vorlesung baut auf der Vorlesung "Bioanorganische Chemie" im Bachelor-Studiengang auf und präsentiert in einer vertiefenden Darstellung die Funktion von Metallen und Nichtmetallen in biochemischen Prozessen.
Schwerpunkte dieser Vorlesung liegen im Elektronentransfer in biologischen Systemen, Metalloenzymen mit Lewis-sauren aktiven Zentren, der Biometallorganischen Chemie und den Metallen in der Medizin. Wichtige spektroskopische Methoden zur Struktur- und Funktionsaufklärung werden besprochen. Die Bedeutung biomimetischer Modellverbindungen zum einen für die Aufklärung der geometrischen und elektronischen Strukturen aktiver Zentren in Metallproteinen und zum anderen für Erkenntnisse bezüglich des Katalysemechanismus in Enzymen wird herausgestellt. Erste Ergebnisse zu funktionellen Modellkomplexen, die die Enzymfunktionen an niedermolekularen Komplexverbindungen nachahmen, werden diskutiert.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Bioanorganische Chemie" des Bachelor-Studiengangs haben.

Bioanorganische Spektroskopie
Inhalte:
Eine Vielzahl von Proteinen und Enzymen besitzen für ihre Funktionen essentielle Metallkofaktoren. Zur Bestimmung der geometrischen und elektronischen Strukturen von Metalloproteinen haben sich eine Vielzahl spektroskopischer Methoden etabliert, die sogar die Beobachtung des Katalysezyklus in situ erlauben. Hierbei bietet insbesondere der Paramagnetismus von Übergangsmetallionen eine lokale Sonde für das aktive Zentrum innerhalb der großen Proteinmatrix. Die Deutung der Ergebnisse paramagnetischer Methoden wie Magnetisierungsmessungen, Elektronenspinresonanz (ESR) oder magnetischer Zirkulardichroismus (MCD) basieren auf dem Spinhamilton-Operator Formalismus. Dieser wird in der Vorlesung behandelt, wobei keine theoretischen Vorkenntnisse vonnöten sind, und insbesondere auf die ESR Spektroskopie in Metalloproteinen angewandt.

Chemische Biologie
Inhalte:
Die Chemische Biologie ist eine relativ junge Wissenschaft im Grenzgebiet zwischen Synthesechemie, Biochemie und Biologie. Sie fokussiert stärker als ihre Schwesterdisziplinen auf die molekularen Aspekte von Lebensprozessen und versucht durch eine Zusammenarbeit mit der präparativen Synthesechemie eigenständig Fragestellungen in diesem Themenkomplex zu lösen.
Die Vorlesung beschäftigt sich mit den Themen: Peptide und Peptidkonjugate zum Studium biochemischer Prozesse (Phosphopeptide, Glycopeptide); Chemische Synthese und Modifizierung von Proteinen - Ligationsstrategien; Proteinsynthese mit modifizierter tRNA;
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Einführung in die Biochemie" bzw. "Biochemie I" des Bachelor-Studiengangs haben.

Naturstoffchemie
Inhalte:
Viele Naturstoffe sind Verbindungen, die Organismen zwar nicht unmittelbar zum Aufrechterhalten ihrer Lebensfunktion benötigen, diese dennoch bilden, da sie ihnen einen Überlebensvorteil bieten können.
Die Vorlesung beschäftigt sich vertiefend mit den Themen: Organische Chemie der Biosynthese B Mechanismen biochemischer Reaktionen (Terpene, Steroide, Prostaglandine); Biosynthese und Wirkmechanismus von Alkaloiden, Antibiotica (ß-Lactame, Glycopeptidantibiotica, En-Diine). In der Vorlesung werden somit verschiedene Klassen von Naturstoffen vorgestellt, andererseits wird exemplarisch an ausgewählten Beispielen die chemische Totalsynthese diskutiert, retro-synthetische Analysen werden durchgeführt.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Einführung in die Biochemie" bzw. "Biochemie I" des Bachelor-Studiengangs haben.

Medizinische Chemie
Inhalte:
Die Medizinische Chemie beschäftigt sich mit der Forschung und Entwicklung von Wirkstoffen, die für therapeutische Zwecke eingesetzt werden können. Wirkstoffe sind Substanzen, die einen bestimmten Effekt in einem biologischen System ausüben. Im Kontext der Medizinischen Chemie handelt es sich um Stoffe, die eine biochemische oder pharmakologische Wirkung zeigen und damit potentiell als Arzneimittel mit therapeutischem Effekt geeignet sind. Aufbauend auf dem Biochemie-Grundwissen über Enzymklassen und ihre Inhibitoren, Rezeptoren, Protein-Ligand-Wechselwirkung, Agonismus/Antagonismus, werden Konzepte der modernen Wirkstoffentwicklung (z.B. Proteasen, Kinasen, Ionenkanäle, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren) diskutiert. Herangehensweisen der modernen Arzneimittelforschung werden vorgestellt: Pharmakophor-Hypothese, Peptidmimetica, Molekülvergleiche, Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, Transport und Verteilung in biologischen Systemen. Neben kombinatorischen Syntheseverfahren wird auch das struktur- und computergestützte Design diskutiert. Der Weg von der chemischen Substanz zu einem neuen Arzneimittel wird exemplarisch beschrieben, in ausgewählten Beispielen wird die chemische Synthese diskutiert. Klassische Designmethoden werden mit neuen Techniken verglichen, um ein überschaubares Bild der multidisziplinären Arbeiten in der Arzneimittelforschung darzustellen.
Viele Absolventen in den Bereichen Chemie und Biochemie werden ihr späteres Berufsfeld in der Arzneimittelforschung finden. Aus diesem Grunde sind Grundkenntnisse über Medizinische Chemie und die dabei angewandten Methoden für die späteren Berufsaussichten essentiell.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Einführung in die Biochemie" bzw. "Biochemie I" des Bachelor-Studiengangs haben.

Angewandte Spektroskopie III: NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie
Inhalte und Ziele:
Diese Vorlesung behandelt in möglichst breiter Weise die modernen analytischen Methoden. Dabei stehen einerseits spezielle Verfahren der Kernresonanz-Spektroskopie und der Massenspektrometrie im Vordergrund, andererseits stellen aber auch leistungsfähige Trennverfahren wie Gaschromatographie, Hochdruckflüssigkeitschromatographie, Elektrophorese u.a. Schwerpunkte dar. Hierauf aufbauend werden die heute gängigen Kopplungen von chromatographischen mit spektroskopischen Methoden besprochen sowie Potential und Anwendungen solcher Hybrid-Verfahren vorgestellt.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Angewandte Spektroskopie I" und "Angewandte Spektroskopie II" des Bachelor-Studiengangs haben.

Biocatalytic processes in organic chemistry
Inhalte und Ziele:
Der Einsatz von Enzymen als Katalysatoren in der organischen Chemie ermöglicht vielfach Syntheseverfahren, die von hoher Effizienz, Stereoselektivität und Nachhaltigkeit gekennzeichnet sind. Entsprechend besitzen Biotransformationen auch für die chemische und pharmazeutische Industrie einen hohen Stellenwert und finden insbesondere bei der Herstellung von Arzneistoffen im technischen Maßstab bereits oftmals Anwendung. In der Vorlesung werden zunächst die einzelnen Enzymklassen im Hinblick auf deren Nutzung als Biokatalysatoren in der organischen Synthese vorgestellt. Auch eingegangen wird hierbei auf Aspekte der Enzymkinetik sowie des mechanistischen Verlaufs der jeweiligen Biotransformationen. Ein besonderer Fokus bei der Auswahl der Enzymklassen liegt auf dem Einsatz von Hydrolasen, Lyasen und Oxidoreduktasen in der organischen Synthese. Die vorgestellten Synthesebeispiele beinhalten zudem Produktionsverfahren im industriellen Maßstab. Darüber hinaus wird auf die (retrosynthetische) Einbindung von Biotransformationen in Mehrstufensynthesen zur Herstellung von insbesondere chiralen Synthesebausteinen eingegangen. Der zweite Teil der Vorlesung fokussiert sich auf die Biokatalysator- und Bioprozessentwicklung und beginnt mit Kriterien für effiziente und industriell anwendbare Biotransformationen. Anschließend erfolgt zum Themengebiet der Biokatalysatorentwicklung die Besprechung von Immobilisierungsmethoden, dem Einsatz von maßgeschneiderten rekombinanten Ganzzellkatalysatoren und Möglichkeiten der Enzymoptimierung, beispielsweise mittels gerichteter Evolution und rationalem Proteineingineering. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf Aspekten der Bioprozessentwicklung. Hierbei wird auf Strategien zur Optimierung Enzym-katalytischer Reaktionen durch unter anderem dem "Engineering" des Reaktionsmediums als auch verfahrenstechnische Konzepte, einschließlich der Auswahl bestimmter Reaktortypen, eingegangen. In diesem Zusammenhang werden auch Beispiele aus der industriellen Biokatalyse vorgestellt. Im dritten Teil der Vorlesung werden aktuelle Herausforderungen der Biokatalyse sowie entsprechende interdisziplinäre Lösungsansätze aufgezeigt.
Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Einführung in die Biochemie" bzw. "Biochemie I" des Bachelor-Studiengangs haben.

Heterocyclenchemie (Vorlesung)
Inhalte:
Heterozyklen zählen zu der größten Klasse organischer Verbindungen. Heterozyklische Strukturelemente tauchen in zahlreichen Natur-, Wirk- und Farbstoffen und auch vielen anderen industriell bedeutsamen Verbindungen auf. Die Veranstaltung führt in die Eigenschaften, Synthesen und Reaktionen von Heteroaromaten und Heterozyklen ein. Dabei erfolgt auch eine Vertiefung der Themen "Aromatizität" und "Aromaten". Kenntnisse über Heterozyklen und Heteroaromaten sind eine Voraussetzung für zahlreiche weitere Spezialisierungen in der Chemie und der molekularen Biologie.

Stereoselektive Katalyse (Vorlesung/Übung, 1/2-semestrig)
Inhalte:
Katalytische Prozesse spielen eine zentrale Rolle in der industriellen Chemie, aber auch in der Biotechnologie. In der Vorlesung werden vorwiegend Prozesse vorgestellt, die unter homogener Katalyse ablaufen. Das Spektrum der Reaktionen reicht dabei von metallkatalysierten Umsetzungen bis hin zu Biotransformationen. Katalyseprozesse sind hinsichtlich ihrer Effizienz und Ökonomie sicherlich für alle chemischen Reaktionen wünschenswert. An einer Reihe von Beispielen wird Potential aber auch Limitationen von Katalyseprozessen bei der stereoselektiven Synthese aufgezeigt.

Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die Kenntnisse entsprechend der Vorlesung "Stereoselektive Synthesen" des Bachelor-Studiengangs haben.

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