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Das Praktikum Biochemie


Das Biochemie-Praktikum für Mediziner an der Universität Köln versucht, den Studenten mit einem breiten Spektrum biochemischer Methoden mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad vertraut zu machen. Eine Beschreibung der theoretischen Grundlagen ergänzt die ausführlich beschriebenen Versuche. Das Praktikum besteht aus 8 Versuchen, dienstags oder freitags. Die StudentInnen werden in acht Großgruppen mit jeweils maximal 24 Personen eingeteilt, diese wiederum jeweils in 12 Zweiergruppen. Neben den experimentellen Versuchen werden Referatseminare abgehalten, in denen jede Praktikumsgruppe (zwei Personen) über eines der vorher ausgegebenen Themen der Biochemie 20 Minuten lang vortragen.

Voraussetzungen zur Teilnahme:
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- 4. Fachsemester (5. Fachsemester für Zahnmediziner)
- Die Vorlage von Chemieschein oder Vorphysikumszeugnis
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StudentInnen nach bestandener Chemieklausur, aber noch ohne erfolgreiche Teilnahme am Chemie-Praktikum, können in Ausnahmefällen zum Praktikum Biochemie zugelassen werden. PD. Dr. Wagener, Telefon 478-6990, regelt die Aufnahme.
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Die Teilnahme an den Versuchen und Referaten ist obligatorisch. Jeweils ein Fehltag ist erlaubt. Hat der Studierende seinen Fehltag bereits verbraucht und fehlt wegen Krankheit oder Unfall an einem weiteren Versuchstag, muss der Versuch nachgeholt werden. Organisatorisches (z.B. Krankmeldung) besprechen Sie mit Frau Merkl im Praktikumssaal, Telefon 478-6994.

Einleitung - Hinweise zur Unfallverhüttung
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Obwohl die StudentInnen bereits das Chemiepraktikum im ersten Semester absolviert haben, seien hier darauf hingewiesen, dass die Laborarbeit eine nicht ungefährliche Arbeit ist. Daher ist das sorgfältige Lesen der Einleitung und die Beachtung der Hinweise zur Unfallverhütung essenziell!

Richtlinien für das Praktikum Biochemie
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Wie in den ZEHN Geboten dargestellt, müssen die StudentInnen nach Beendigung der praktischen Teile die Protokolle am gleichen Tag in den Räumlichkeiten der MTI fertigstellen. Ein Musterprotokoll verdeutlicht die durchzuführenden Aufgaben.

Die Versuche sind:
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Versuch 1: Aminosäuren und Proteine I (korrigierte Fassung vom 02.11.2017)
Versuch 2: Aminosäuren und Proteine II
Versuch 3: Enzymologie
Versuch 4: Lipide
Versuch 5: Immunologie
Versuch 6: Blut
Versuch 7: Nukleinsäuren I
Versuch 8: Nukleinsäuren II (korrigierte Fassung vom 13.11.2017)


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Der Praktikumssaal und der Computer-Raum des Praktikums Biochemie für Mediziner

  1. Aminosäuren und Proteine I (korrigierte Fassung vom 02.11.2017) <-- Bitte hier klicken, um das Skript herunterzuladen.
    Protokollvorschlag
    Die chemischen Eigenschaften von gelösten Aminosäuren erlauben es, Änderungen der Protonen-konzentration in der Lösung abzufangen. Proteine, deren AS-Zusammensetzung unterschiedlich sind, können so voneinander getrennt werden. Proteolytische Enzyme können Proteine an definierten Stellen spalten. Diese Eigenschaft wird im Körper zur Steuerung von Stoffwechsel genutzt. Der letzte Teilversuch beschäftigt sich mit den dreidimensionalen Strukturen von Proteinen. Einblicke in die Struktur von Proteinen tragen essenziell zum Verständnis molekularer Vorgänge bei. Viele vererbbare Krankheiten werden durch einzelne Punktmutationen in einem Gen hervorgerufen, die im Protein zum Austausch einer Aminosäure führen. Warum diese mutierte Aminosäure einen Phänotyp hervorrufen kann, kann oftmals nur anhand der dreidimensionalen Struktur verstanden werden. So sitzt z.B. die eingetauschte Aminosäure Valin im Sichelzellhämoglobin auf der Oberfläche des Proteins und passt in eine hydrophobe Tasche eines zweiten Hämoglobins. Dies führt zu einer Polymerisation des Hämoglobins und der charakteristischen Sichelzellform der Erythrozyten. Für die Darstellung der dreidimensionalen Strukturen der Proteine wird das Programm RasMol genutzt. Von der RasMol Home Page kann man das Programm kopieren.
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  2. Aminosäuren und Proteine II
    Gelelektrophorese und Western Blot sind Standardmethoden eines biochemischen Labors. Die Gelelektrophorese trennt eine Mischung von Proteinen nach den Molekularmassen und Western Blot weist mit immunologischen Methoden nach, um welche Proteine es sich handelt. dummy
    Eine Computer gestutzte Methode der Strukturdarstellung von Proteinen, das Programm RasMol, ist in den Computern im Praktikumsraum 2 Physiologie implementiert. 3D-Strukturen von kleineren Proteinen können mit Hilfe von RasMol beobachtet werden. Die 3D-Struktur eines Proteins ist wichtig für seine Funktion. Verliert ein Proteinmolekül seine Struktur, dann wird zunächst mit Hilfe von Chaperonen versucht, die Struktur zu korrigieren. Gelingt dies nicht, dann wird das Proteinmolekül mit Hilfe des Proteasom/Ubiquitin System bzw. Autophagie abgebaut. dummy
    Wenn Sie sich für 3D-Darstellung von Proteinen interessieren, dann schauen Sie sich bei Protopedia um. Zitat: "What Can Proteopedia Do For Me? Scientists and Students: a reference resource for understanding protein 3D structure-function relationships."
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  3. Enzymologie
    Bei reversiblen chemischen Reaktionen stellt sich ein Gleichgewicht ein. Im Gleichgewichtszustand ist die Geschwindigkeit der Hin- gleich der der Rückreaktion. Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit und beschleunigen damit die Gleichgewichtseinstellung; sie beeinflussen aber nicht die Lage des Gleichgewichts. Enzyme sind Proteine, die als Katalysatoren fungieren. Die International Union of Biochemistry hat 1961 und 1964 Regeln für die Nomenklatur der Enzyme aufgestellt. Die Enzyme werden in sechs Hauptklassen eingeteilt, die jeweils gleiche chemische Reaktionstypen katalysieren. In diesem Versuch lernen die Studenten die Kinetik der Enzyme kennen. Zu Beginn eines jeden Versuchs ist eine sorgfältige Planung vonnöten. Ein weiterer Teilversuch beschäftigt sich mit dem wichtigen Enzym Acetylcholinesterase, dessen Vergiftung mit Phosphorverbindungen (chemischer Kampfmittel), und evtl. dessen Entgiftung. Zu erwähnen noch, dass das Substrat dieses Enzym ein wichtiger Bestandteil des Ligandgesteuerten Zellmembrankanals ist.
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    Im Institut für Biochemie Köln wurde die Enzymdatenbank Brenda entwickelt. Nun in TU Braunschweig beheimatet, können Sie mit Hilfe von Brenda die Daten fast aller Enzyme mit der vollständigen Beschreibung nachschlagen.
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  4. Lipide - Biochemie der Lipide
    Dieser Versuch beschäftigt sich mit den Lipiden: der Energiespeicher, der Membranbaustein, der Ausgangsstoff für viele Hormone und Hormon ähnliche Wirkstoffe. Die Trennmethoden der Lipide, nur in wenigen Aspekten im Praktikum durchgeführt, stellen die Grundlagen für empfindliche Nachweismethode dar: in der Inneren Medizin, in Labormedizin, in Gerichtsmedizin, in der Sportmedizin - auch als Dopingfahnder - sowie im Handel bei der Qualitätskontrolle. Zusätzlich zu der Gaschromatographie mit Verbrennungsdetektor im Praktikum kann ein Massenspetrometer zur Identifizierung der austretenden Substanzen am Ausgang der Säule angeschlossen werden.
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  5. Immunologie - Antigen-Antikörper-Erkennung
    Antikörper sind Proteine, die vom Immunsystem des Körpers produziert werden, um eine hochspezifische extrazelluläre Abwehr gegen Infektionen aufzubauen. Im Labor sind Antikörper unentbehrliche Werkzeuge geworden. Viele Methoden nutzen ihre Bindungseigenschaften zur qualitativen und quantitativen Analyse von Antigenen. Einer der Versuche, Krebs zu heilen, besteht in der Immunstimmulierung mittels Interleukin und anderer Substanzen. Im Praktikum werden Sie an Hand dreier Beispielen einen ersten Einblick in die immunologischen Arbeitsmethoden bekommen.
    In diesem Versuch wird das Westernblot des Versuchs 3 untersucht. Die ELISA (enzyme linked immunosorbent assay), ein enzymgekoppelter Immunnachweis ist eine moderne Methode zur Bestimmung der Detektion der Antikörper und damit der daran gebundenen Antigene im Labor. Ergänzt wird der Versuch durch den Test zur Schwangerschaftsfrüherkennung. HCG, humanes Choriongonadotropin, ist ein Glykoproteinhormon, das bereits kurz nach der Befruchtung von der Eizelle sezerniert wird. HCG regt den Gelbkörper (corpus luteum) dazu an, sich nicht zurückzubilden, sondern weiterhin Progesteron zu produzieren, so dass keine Menstruation stattfindet. Bei normalem Schwangerschaftsverlauf kann HCG im Serum bereits 7 Tage nach der Befruchtung nachgewiesen werden. HCG ist daher ein hervorragender Indikator zur Früherkennung einer Schwangerschaft, es kann auch im Urin nachgewiesen werden.
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  6. Hämoglobin - Sauerstofftransport, Dialyse
    Hämoglobin dient der Lehre in vielfältigster Weise: es hat eine faszinierende Proteinstruktur, es dient als ein wichtiger Transporter, die Kooperativität seiner Untereinheiten als Enzymmodell, die Farbe als Indikator einer Geltitration bzw. deren Änderung abhängig von den gebundenen Stoffe, die Vergiftung der Funktion und deren Entgiftung bzw. Variation der Affinität zu den Substraten bei einer Vielzahl von Mutanten, die Quantität der physiologischer Menge und Nutzung spektroskopischer Methode zur Funktionsuntersuchung. In diesem Versuch werden einige der genannten Aspekte genutzt: die Gelfiltration, die Spektroskopie und ie quantitative Bestimmung des Hämoglobins. Der Dialyse-Versuch hat insofern mit Hämoglobin zu tun, weil der reife Erythrozyt praktisch ein Dialyseschlauch mit Sonderfunktionen darstellt. Die Stoffwechselaktivität wird wegen des Kernverlustes auf ein Minimum reduziert. Die Biomembran des Erythrozyts fungiert in vieler Hinsicht wir eine semipermeable Membran, die eines Dialyseschlauches nicht unähnlich ist.
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  7. Nukleinsäuren - Biochemie der Nukleinsäuren, Bausteine des Erbgutes.
    Im ersten Teil werden Sie den Abbau der Purinbasen zu Harnsäure und die pH-Abhängigkeit der Löslichkeit von Harnsäure untersuchen. Erhöhte Harnsäure-Werte im Plasma führen zu Gicht und Nierensteinen.
    Im zweiten Teil werden Sie die Restriktionskarte eines Plasmids erstellen, das benutzt werden kann um humanes Insulin rekombinant in Bakterien zu exprimieren und Sie werden lernen wie man den Laktosetoleranz-Status eines Patienten mit Hilfe eines Restriktionsverdaus eines PCR Fragments des Promotors des Laktasegens ermitteln kann.
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  8. Molekulare Medizin (korrigierte Fassung vom 13.11.2017) - Mutanten, Erbkrankheiten
    (HTML-Datei zur Durchführung im Computerraum)
    Achtung: für dir Durchführung des Praktikums braucht man den HTML-Teil
    In diesem Versuch werden Sie lernen, wie Sie DNA aus Bakterien isolieren können. Aus einer DNA Probe, die in der Kinderklinik aus einem Abstrich von Zellen aus der Mundschleimhaut gewonnen wurde, werden Sie mit Hilfe der PCR untersuchen, ob bei dem Patienten eine Mutation im CFTR Gen vorliegt, die zur Cystischen Fibrose führt. Das CFTR Gen kodiert für einen Chloridionenkanal und Sie werden durch Sequenzvergleiche am Computer weitere Mutationen kennenlernen, die zu der Erkrankung führen.
Über quantitatives Arbeiten
Im mehreren Versuchen werden die Studenten in die quantitative Analyse eingeführt. Voraussetzungen, die für ein quantitatives Messverfahren erfüllt werden müssen, werden geklärt. Eine Doppelbestimmung ist das Mindestkriterium für eine quantitative Messung. Kriterien, die für das Messergebnis von Bedeutung sind, werden diskutiert. Wann kann man auf die Doppelbestimmung verzichten?

Maßanalyse
Die Titration ist eine genaue Methode (Fehlergrenze weniger als 1%) für eine quantitative Messung von Konzentrationen. Im Versuch 1 wird die Methode genutzt, um die Konzentration von Wasserstoffionen in Lösungen zu bestimmen. Aus dem Verlauf der Titrationskurve lässt sich die Art der titrierten Substanzen bestimmen, in diesem Versuch die Art der titrierten Aminosäuren.

Die Photometrie
wird in der Klinik häufig zur Messung biochemischer Parameter von Patiente angewandt. In die Grundlage der Photometrie wird im Versuch 3 eingeführt. Unterschiedliche Messvarianten werden durchgeführt: Auswertung mittels Eichkurve bzw. Dreisatz und kombinierter optischer Test. Im Hämoglobinversuch wird eine standardisierte Messung durchgeführt. Welches Verfahren beinhaltet ein überbestimmtes Gleichungssystem? Bei welchem Verfahren muss eine Doppelbestimmung durchgeführt werden?

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13 November 2017

Zentrum für Biochemie, Joseph-Stelzmann-Straße 52, D50931 Köln
Kritik und Anregungen: Gudrun Konertz
Telefon: +49-221-478-32743
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