Lehre im Studiengang Chemie

Dieses 5 CP Modul wird von Prof. Hoffmann und Prof. Sträter gelesen und ist für das 4. Fachsemester vorgesehen. Es besteht aus 2 SWS Vorlesung und einem Praktikum.

Ziele
Überblick und Verständnis moderner Trennmethoden und ihrer Anwendungen.

Inhalte
Grundlagen chromatographischer Trennmethoden, Gaschromatographie, Flüssigchromatographie, Elektrophorese, Massenspektrometrie, GC-MS, LC-MS, Trennung von Proteinen und Nukleinsäuren, Proteinfällung, Zentrifugation, Ultrafiltration, Dialyse. Struktur und Eigenschaften von Peptiden, Proteinen, DNA und RNA. Bioanalytische Grundlagen.

Dieses 5 CP Modul besteht aus Vorlesung und Seminar und es wird von Prof. Hoffmann und Prof. Sträter gelesen. Es wird in deutscher Sprache mit englischen Fachtexten gehalten. Es ist für das 6. Fachsemester vorgesehen.

Ziele
Vermittlung vertiefter Kenntnisse wichtiger bioanalytischer Forschungsmethoden, Anwendung der Methoden und Interpretation der Ergebnisse im Kontext typischer Fragestellungen.

Inhalte

Thema der Vorlesung sind grundlegende Methoden zur Charakterisierung von Peptiden und Proteinen und deren Strukturaufklärung. Im Einzelnen werden grundlegende bioanalytische Methoden (zwei-dimensionale Gelelektrophorese, MS), spektroskopische Methoden (Optische Rotationsdispersion, CD, IR, statische und dynamische Lichtstreuung, Röntgenkleinwinkelstreuung, Oberflächenplasmonresonanz, Fluoreszenzpolarisation und andere fluoreszenzbasierte Methoden) und weitere physikalische Methoden (QCM, Mikrokalorimetrie, Mikrothermophorese, Differentielle Scanning-Fluorimetrie) behandelt. Es werden Anwendungsbeispiele dieser Methoden in interaktiven Seminaren diskutiert, wobei der Fokus auf dem kombinierten Einsatz der besprochenen Methoden in der Charakterisierung hochaufgereinigter Peptide und Proteine (während und nach Trennverfahren), und in der molekularen Interaktion (Protein-Protein, Protein-Ligand, Enzymkatalyse, Wirkstoffentwicklung) liegt.

Dieses 5 CP Modul besteht aus einem Praktikum und es wird in den Arbeitskreisen von Prof. Hoffmann und Prof. Sträter durchgeführt. Es ist für die Zeit zwischen dem 5. und 6. Semester oder für das Ende des 6. Semesters vorgesehen. Es sollte zur Vorbereitung vor der Bachelorarbeit durchgeführt werden.

Ziele
Erlernen biochemischer und bioanalytischer Labormethoden in der Praxis.

Inhalte

Thema des Praktikums sind biochemische Grundlagen und Methoden in der Produktion und Analytik von Proteinen und DNA: Proteinanalytik (Proteinfällung, Zentrifugation, Ultrafiltration, Dialyse, Chromatographische Methoden, Konzentrationsbestimmung, Elektrophorese, Western Blot, Immunologische Methoden, Massenspektrometrie, UV-Spektroskopie, Posttranslationale Modifizierungen), Nukleinsäureanalytik (Fällung und Aufreinigung, UVSpektroskopie, Gelelektrophorese, Sequenzierung), Proteinproduktion für die Strukturanalytik (Molekularbiologie: Genklonierung, mikrobiologische Methoden, Isolierung und Amplifikation von DNA, PCR, Mutagenese, Zellanzucht; rekombinante Proteinexpression: in vitro Translation, Proteinfaltung) und Peptide in der biochemischen Forschung (Peptidsynthese, Peptidsequenzierung).

Diese 2 SWS Vorlesung wird gemeinsam von Prof. Oeckler und Prof. Sträter gehalten. Sie ist Teil der Moduls ACIII (Festkörper- und Organometallchemie), welches im 4. Fachsemester vorgesehen ist.

Ziele
Grundlagen der Symmetrie von Kristallen, der Röntgenbeugung und der Kristallstrukturanalyse.

Inhalte

Kristallsymmetrie und Röntgenbeugung: Punkt- und Raumgruppen, Grundzüge der Röntgenbeugung, Einkristall- und Pulverdiffraktometrie, Kristallstrukturanalyse. Die Vorlesung wird im SS2021 erstmals in dieser Form gehalten.

Dieses Modul besteht aus Vorlesung und Seminar und es wird gemeinsam von Prof. Ralf Hoffmann und Prof. Norbert Sträter gelesen. Es ist für das 5. Fachsemester vorgesehen.

Ziele

Vermittlung vertiefter Kenntnisse wichtiger bioanalytischer Forschungsmethoden

Inhalt

Thema der Vorlesung sind biochemische Grundlagen und Methoden in der Produktion und Analytik von Proteinen und DNA. Im Einzelnen werden folgende Methoden behandelt, die für das biochemische Arbeiten essentiell sind:

• Proteinanalytik (Proteinfällung, Zentrifugation, Ultrafiltration, Dialyse, Chromatographische Methoden, Konzentrationsbestimmung, Elektrophorese, Western Blot, Immunologische Methoden, Massenspektrometrie, UVSpektroskopie, Posttranslationale Modifizierungen)
• Nukleinsäureanalytik (Fällung und Aufreinigung, UV-Spektroskopie, Gelelektrophorese, Sequenzierung),
• Molekularbiologie (Genklonierung, mikrobiologische Methoden, Isolierung und Amplifikation von DNA, PCR, Mutagenese, Zellanzucht)
• rekombinante Proteinexpression (bakterielle Expression und Zellkultur, in vitro Translation, Proteinfaltung)
• Peptide in der biochemischen Forschung (Peptidsynthese, Peptidsequenzierung)

 

Hauptziel unserer Arbeiten ist das Verständnis der Struktur und Funktion von Proteinen auf molekularer Ebene. Die Themen der Bachelorarbeiten sind methodisch überwiegend molekularbiologischer und biochemischer Natur. Die Arbeiten dienen entweder der Präparation von Protein für die Kristallisation und Strukturanalyse oder für Funktionsstudien mittels Mutagenese.

Bitte schreiben Sie uns eine E-Mail und wir klären die Verfügbarkeit eines Themas und Betreuers.

Organisation und Zeitpunkt

Für ein Bachelorthema mit molekularbiologischen und biochemischen Arbeitsmethoden sollte das Modul ”Bioanalytische Chemie“ besucht worden sein. Die Bachelorarbeit kann dann nach Ende des 5. Semesters oder während und nach dem 6. Semester durchgeführt werden. Weiterhin empfiehlt sich eine Kombination des Praktikums ”Bioanalytische Chemie“ mit der Bachelorarbeit, so dass ausreichend Zeit für eine Einarbeitung in die überwiegend neuen Arbeitsmethoden besteht und ein interessantes Thema im Rahmen der Bachelorarbeit erfolgreich bewältigt werden kann.

Themen und Methoden

Wir orientieren die Bachelorarbeiten recht nahe an die aktuellen Forschungsarbeiten und ein Doktorand oder Postdoc betreut intensiv die Arbeit. Daher ist es schwierig, weit im voraus die Themen im Detail zu formulieren.

Generell werden in den vergebenen Arbeiten unabhängig vom Projekt methodisch folgende Techniken erlernt und angewendet:

• Gentechnische Arbeiten zur Erstellung von Expressionsvektoren (Konstruktdesign, Klonierungstechniken, Primerdesign, PCR, DNA-Analytik, DNA-Präparation, mikrobiologische Techniken)
• Mutationsanalyse (Erstellung von Mutanten über Quik-Change-Mutagenese)
• Genexpression und Optimierung der Expressionsbedingungen (Zellkulturtechniken E. coli, HEK293, Insektenzellen, Proteinanalytik, SDS-PAGE, Western Blotting)
• Chromatographische Aufreinigung von Proteinen (in der Regel mittels Affinitätschromatographie (His-Tag, Strep-Tag, oder Tags für Antikörper-Säulen) und Größenausschlußchromatographie)
• Biophysikalische Methoden zur Charakterisierung von Proteinen (Dynamische Lichtstreuung/Aggregation, Schmelzpunkttemperatur/Stabilität, CD-Spektrum, UV/Vis-Spektrum)
• Proteinkristallisation
• Enzymatische Assays (meist Ecto-Nucleotidasen, Detektion von Phosphat über Malachitgrün-Assay, ITC-Assay)
• Bindeassays (Protein-Protein, Protein-Ligand: Mikrothermophorese, ITC, Fluoreszenzpolarisation)
• Röntgenstrukturanalyse (in Bachelorarbeiten meist nur bei schon gut etablierten Projekten mit starker Unterstützung durch den Betreuer möglich)

Das 5 CP Modul besteht aus einer 2 SWS Vorlesung und einem Computerpraktikum im Umfang von 3 Tagen. Die Vorlesung ist für das erste oder dritte Fachsemester vorgesehen. Die Vorlesung findet teilweise elektronisch und teilweise in Präsenz statt. Die Vorlesung wird in englischer Sprache gehalten. Das Praktikum findet in der Regel direkt nach Ende der Vorlesungszeit statt.

Ziel
Erlernen der Grundlagen und Methoden der Proteinkristallographie und Anwendung in der Praxis.

Inhalte
Mittels der Methode der Röntgenkristallographie können die Raumstrukturen von organischen Molekülen, anorganischen Festkörpern sowie von biologischen Makromolekülen zu atomarer Auflösung bestimmt werden. In der Vorlesung werden die für Naturwissenschaftler relevanten Grundlagen dieser Methoden praxisnah vermittelt. Der Schwerpunkt liegt auf der Biokristallographie. Es werden u.a. die folgenden Themen behandelt: Kristallisation, Kristalle, Symmetrie und Raumgruppen, Röntgenquellen und Detektoren, Datensammlung, Beugung von Röntgenstrahlen und Neutronen, Phasenproblem, Phasierung und Phasenverfeinerung, Strukturlösung von niedermolekularen Verbindungen mittels Pattersonfunktion und direkte Methoden, Strukturlösung von Biomolekülen mittels molekularem Ersatz, Schweratomersatz und anomaler Dispersion, Modellbau und
Strukturvisualisierung, Strukturverfeinerung, Validierung und Interpretation, Vergleich zur Strukturbestimmung mittels NMR oder CryoEM.

Materialien

Die Lehrmaterialien werden über einen passwortgeschützten Weblink zum Download bereit gestellt. Die Informationen dazu werden in der ersten Vorlesung oder per Email mitgeteilt.

Aktuelles und Ergebnisse

Die Ergebnisse der Klausur und aktuelle Informationen werden durch Aushang auf der passwortgeschützten Webseite mitgeteilt. Nach Abgabe des Protokolls für das Praktikum wird die Note in AlmaWeb eingetragen.

Das 5 CP Modul besteht aus einer einem Computerpraktikum im Umfang von 16 Tagen. Durch die Wahl dieses Moduls kann das Praktikum im Modul ”Proteinkristallographie“ somit von 3 Tagen auf 3 Wochen erweitert werden und es entspricht dann dem 10 CP Modul der Proteinkristallographie für Biochemiker. Das Praktikum hat auch seminaristische Anteile, in denen die Übungen erläutert werden. Das Praktikum findet direkt im Anschluss an das Praktikum des Moduls ”Proteinkristallographie“ statt (welches wiederum in der Regel direkt nach Ende der Vorlesungszeit stattfindet).

Ziel
Die Studierenden kennen Methoden zur Lösung der Raumstruktur von Proteinen und DNA mittels Röntgenkristallographie. Sie können die Themenstellungen unter verschiedenen Zielsetzungen analysieren, bearbeiten, selbstständig darstellen und beurteilen.

Inhalte
Es werden die Grundlagen zur Bestimmung von Raumstrukturen von Biomolekülen mittels Kristallographie vermittelt. Jeder Teilnehmer bekommt einen
Laptop mit der installierten Software gestellt und arbeitet nach Einweisung selbstständig anhand einer detaillierten und teilweise interaktiven Anleitung auf einer Webseite die folgenden Aufgaben ab (von den Beugungsbildern zur Proteinstruktur).

• Datenreduktion (Indizierung, Integrierung ,Raumgruppenbestimmung)
• Strukturbestimmung von Insulin mit der SAD-Methode (Datenreduktion, Phasierung, interaktiver Modellbau des gesamten Insulins anhand der Elektronendichte, Verfeinerung der Atomkoordinaten, Modellvalidierung, Erstellung von Abbildungen mit Pymol)
• Strukturanalyse von Protein-Ligand-Komplexen

Materalien

Die Lehrmaterialien werden über einen passwortgeschützten Weblink zum Download bereit gestellt. Die Informationen dazu werden in der ersten Vorlesung oder per Email mitgeteilt.

Aktuelles und Ergebnisse

Aktuelle Informationen werden durch Aushang auf der passwortgeschützten Webseite mitgeteilt. Nach Abgabe des Protokolls für das Praktikum wird die Note in AlmaWeb eingetragen.

Das 5 CP Modul besteht aus zwei Vorlesungsteilen im Umfang von je 2 SWS. Der Teil ”Anorganische Biochemie“ (oder ”Bioanorganische Chemie“) wird von Prof. Hey-Hawkins gelesen und der Teil ”Strukturelle Biochemie“ von Prof. Sträter. Beide Vorlesungsteile werden ab SS2021 in deutscher Sprache gehalten.

Ziel
Die Studierenden kennen den Aufbau und die Funktionsweise von Proteinen und Enzymen, sowie die Rolle von Metallionen in biologischen Systemen.

 

Inhalte

• Strukturelle Biochemie:
  Methoden zur Bestimmung von Proteinstrukturen, Strukturchemie von Proteinen und DNA/RNA, Visualisierung von Proteinstrukturen, charakteristische Faltungstypen und Oligomerstrukturen, Methoden zur Bestimmung von Raumstrukturen, Protein-Datenbank, Struktur und Funktion ausgewählter Systeme im Bereich der Enzyme, Membranproteine, Motorproteine, Signaltransduktion, Fiberproteine, etc., Flexibilität von Proteinen und Konformationsänderungen, Proteinfaltung, strukturbasierte Wirkstoffentwicklung
• Bioanorganische Chemie:
  Vorkommen und Verfügbarkeit der Elemente, Typische Bioliganden, biochemische Rolle der Metalle, Physikalische Methoden, Sauerstoffkreislauf, Eisen: Aufnahme, Transport und Speicherung, Eisenproteine, Kupferproteine, Cobalamine, ”Frühe” Übergangsmetalle: Mo, Sauerstoff-übertragende Mo-Enzyme, Stickstoff-Fixierung, Nickel - Urease / Hydrogenasen, ZinkStrukturchemie von Proteinen

Materialien

Die Materialien zur strukturellen Biochemie werden über einen passwortgeschützten Weblink zum Download bereit gestellt. Die Informationen dazu werden in der ersten Vorlesung oder per Email mitgeteilt.

Aktuelles und Ergebnisse

Die Ergebnisse der Klausur und aktuelle Informationen werden durch Aushang auf der passwortgeschützten Webseite mitgeteilt.

Hauptziel unserer Arbeiten ist das Verständnis der Struktur und Funktion von Proteinen auf molekularer Ebene. Die Themen der Masterarbeiten sind methodisch überwiegend molekularbiologischer und biochemischer Natur.

Bitte schreiben Sie uns eine E-Mail und wir klären die Verfügbarkeit eines Themas und Betreuers.

Für ein Masterarbeit mit molekularbiologischen und biochemischen Arbeitsmethoden sollten methodisch passende Wahlpflichtmodule besucht worden sein.

Themen und Methoden

Wir orientieren die Masterarbeiten recht nahe an den aktuellen Forschungsarbeiten und ein Doktorand/in oder Postdoc betreut intensiv die Arbeit. Daher ist es schwierig, weit im voraus Themen im Detail zu formulieren.

Informationen zu unseren thematischen Forschungsprojekten finden Sie hier. Im folgenden sind einige typische methodische Aufgabenstellungen aufgeführt, die sich in ähnlicher Form für verschiedene thematische Projekte realisieren lassen.

• Expression und Charakterisierung eines Proteins
  Essentielle Voraussetzung für die Untersuchung von Proteinen ist zunächst die Entwicklung eines effektiven Protokolls zur Präparation des Proteins in ausreichenden Mengen. Ein Projekt mit dieser Zielrichtung kann folgende Arbeitsmethoden enthalten: Konstruktdesign, Klonierung, Expressionstest und Optimierung, präparative Expression, Aufreinigung (meist Affinitätschromatographie und Größenausschlußchromatographie), bioanalytische Charakterisierung (Monodispersivität: Dynamische Lichtstreuung, Stabilität: Dynamische Scanning-Fluorimetrie, Aktivität: Enzymassay oder Bindeassay oder biologischer Assay. Wenn das Protein in gewünschter Qualität aufgereinigt wurde, schließen sich geplanten Studien an, zum Beispiel die Kristallisation für eine Röntgenstrukturanalyse, Enzymassays und andere funktionelle Untersuchungen. Als Expressionssysteme kommen in unserem Labor vor allem die bakterielle Expression in E. coli sowie die Expression in HEK293-Zellen in Betracht.
• Generierung von Varianten und funktionelle Studien
  Ein weiteres häufiges Szenario ist, dass für ein Protein bereits eine Aufreinigung im Labor etabliert wurde, nun aber Varianten erstellt und charakterisiert werden sollen. Die Motivation dazu kann ganz unterschiedlich sein:
  • Die Qualität des experimierten Proteins ist nicht ausreichend (Fehlfaltung, Aggregation, Ausbeute)
  • Das Protein kristallisiert und es sollen Varianten designed und experimiert werden für neue Screens
  • Auf der Basis einer Raumstruktur wurden Hypothesen für die Funktionsweise erstellt und diese Hypothesen sollen nun durch Mutationen
    getestet werden
• Umfassende funktionelle Studien eines Proteins
  Ein weiterer typischer Typ von Themen betrifft umfassendere funktionelle Charakterisierungen eines Proteins, zum Beispiel enzymatische Charakterisierung eines Enzyms oder Ligandenbindestudien eines Rezeptors
• Kristallographische Untersuchungen
  Bei einem gut etablierten Projekt können auch kristallographische Untersuchungen Thema einer Masterarbeit sein. Zum Beispiel die Präparation und Kristallisation eines Enzyms nach einer etablierten Prozedur und anschließende Bindestudien von verschiedenen Substraten.