Biochemie - Metabolismus
Grundlagen der metabolischen Reaktionswege und Mechanismen.
Grundlagen der metabolischen Reaktionswege und Mechanismen.
Mittelfristige Energiespeicher
Können schnell ihre Phosphorygruppe auf ADP übertragen und ATP produzieren. Bsp. PEP, Creatinphosphat
Pyruvate
Salze und Ester der Brenztraubensäure
Langfristige Energiespeicher
Fette und Kohlenhydrate (Glycogen, Stärke) und in Notfällen auch Proteine.
Liste die in der Biochemie wichtigen Redoxpaare auf vom reduzierendsten (tiefstes Redoxpotential) zum oxidierendsten.
- 1/2 H2/H+
- NADH/NAD+
- FADH2/FAD+, FMNH2/FMN
- QH2/Q, Q=Ubichinon
- Cytochrom c++/c+++
- Cytochrom aa3++/aa3+++
- O-/O
Was geschieht am Ende der Elektronen-Transfer-Kette
Ganz am Ende steht das Redoxpaar O-/O, das heisst, dass O formal zu O- reduziert wird, welches mit 2 H+ aus der Oxidation zu Wasser reagiert.
Bei welcher Wellenlänge absorbiert Trp?
280 nm
Welche AS absorbieren bei 280nm?
Tyrosin und Tryptophan
Was ist ein Standard-Redoxpotential?
Das Elektronenübertragungspotential eines Redoxpaares unter Standardbedingungen (je 1M, pH 7 bei 25 °C) gegenüber der Standardelektrode H2/H+ (1M HCl, gesättigt für H2)
Wie funktionieren Serin-Proteasen?
Katalytische Triade: Asp-His-Ser. H-Brücken und Ladungskette führen zu einer partiellen Deprotonierung von Serin-OH --> Nukleophilie steigt --> Nucleophiler Angriff an Peptidbindung --> kovalente Bindung des Enzyms an N-Terminales Peptidfragment und dissoziation des C-Terminalen Peptidfragment. Aktivierung eines H2O für die Hydrolyse des Esters und Freisetzung des N-Terminalen Fragments.
Spezifität entsteht durch Bindungstasche für die Seitenkette der AS N-terminal der zu spaltenden Peptidbindung.
Nenne 3 Verdauungsenzyme, die zu den Serinproteasen gehören.
Trypsin (Lys, Arg) Chymotrypsin (Tyr, Trp, Phe) und Elastase (nach kleinen ungeladenen Seitenketten)
Wie verändern sich die scheinbaren vmax und Km bei Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors?
Vmax bleibt gleich und Km wird grösser
Beschreibe in Stichworten wie man ein Polypeptid (mit ca. 200 AS) bestimmt.
- Spaltung mit Serinprotease, z.B, Trypsin
- Chromatographische Trennung
- Edman-Abbau der aufgetrennten Peptide:
- Reaktion mit Phenylisothiocyanat
- Zyklisierung und Abspaltung mit wasserfreier HF
- Chromatographische Identifizierung der N-Terminalen AS und das verkürzte Peptid geht wieder in den Edman-Abbau
- Wiederholen mit zweiter Serinprotease, z.B. Chymotrypsin
- Überlappungsanalyse der Peptidsequenzen ergibt Gesamtsequenz
Was sind netto die Edukte und die Produkte des TCA-Zyklus?
Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P --> 2 CO2 + CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP
Was ist der Glyoxylatzyklus und was sind netto die Edukte und Produkte? Wozu dient dieser letztlich?
Der Glyoxylatzyklus ist ein Stoffwechselweg (Gluconeogenese), der die Synthese von C4-Kohlenhydraten (Succinat) aus zwei Molekülen Acetyl-CoA ermöglicht. Dieser ist nicht bei tierischen Zellen möglich.
2 Acetyl-CoA + NAD+ --> Succinat + 2 CoASH + NADH
Letztlich dient dieser Zyklus der Gluconeogenese aus Fettsäuren via Acetyl-CoA
Der Second messenger .... wird durch das Enzym .... aus ....gebildet und aktiviert .... indem es daran bindet.
Der Second messenger cAMP wird durch das Enzym Adenylatcyclase aus ATP gebildet und aktiviert Proteinkinase A indem es daran bindet.
Wie ist die Atmungskette mit der ATP-Synthese gekoppelt?
Elektronen von NADH und FADH2 werden in einer Kette von Redoxreaktionen (NADH --> NADH-Q-Oxidoreduktase* --> Ubichinon --> Cytochrom-c-Oxidoreduktase* --> Cytochrom c --> Cyt-c-Oxidase*) (FADH2 --> Succinat-Dehydrogenase --> Ubichinon --> Cytochrom-c-Oxidoreduktase* --> Cytochrom c --> Cyt-c-Oxidase*) auf Sauerstoff übertragen. Die Energie wird durch Protonenpumpen* in einem H+-Gradient über inneren Mito-Membran gespeichert. Rückfluss der Protonen durch die ATP-Synthase (F0) treibt ATP-Synthese an, indem eine Rotation und Konformationsänderung in der ATP-Synthase induziert wird: Umwandlung in chemische Energie
Wieviele ATP Äquivalente kann im anaeroben Muskel aus Glukose gewonnen werden?
Glucose -...
Wieviele ATP Äquivalente werden in der aeroben Leber gebraucht, um aus den Abbauprodukten der anearoben Glykolyse vom Muskel wieder Glukose zu regenieren.
Das Abbauprodukt aus der anaeroben Glykolyse ist Lactat.
Wo findet Gluconeogenese hauptsächlich statt, was ist der Nutzen der Gluconeogenese und was sind die Ausgangsprodukte?
Findet hauptsächlich in der Leber statt und in geringem Umfang auch in der Niere. Die Gluconeogenese dient dazu den Blutglucosespielgel so hoch zu halten, dass Gehirn und Muskel genügend Glucose entnehmen können.
Ausgangsprodukte:
- Lactat über Blutbahn aus anaerober Glykolyse
- Pyruvat aus Abbau von AS (Gly, Ala, Ser, Cys)
- Glycerin in Glycerinaldehyd-3-P umgewandelt
- Tricarbonsäurezyklus-Intermediate aus dem Abbau anderer AS
Kann eine Zelle aus Glykogen (aus 1000 Glucoseeinheiten) mehr, weniger oder gleich viel ATP synthetisieren wie aus 1000 Glucose-Molekülen?
Aus Glykogen kann pro Glucose-Einheit 1 ATP mehr gebildet werden als bei freier Glucose, da bei Glycogen eine Phosphorylyse stattfindet, wodurch direkt Glu-1-P gebildet wird, für welches aus freier Glucose 1 ATP aufgewendet werden muss.
Def. Cofaktor
Kleines Molekül, welches für die katalytische Aktivität gewisser Enzyme zuständig ist. Die chemische Reaktion dieser Enzyme wäre nicht ohne den Cofaktor möglich.
Apoenzym, Holoenzym
Enzym ohne Cofaktor = Apoenzym
Enzym + Cofaktor = Holoenzym
Nenne zwei Enzyme mit kovalent gebundenem Cofaktor.
Pyruvatdehydrogenase mit Liponsäureamid
Pyruvatcarboxylase mit Biotin
Nenne zwei Enzyme mit nicht-kovalent gebundenem Cofaktor.
Pyruvatdehydrogenase mit ThiaminPP
Cytochromoxidase mit Haem
Was sind netto die Edukte und Produkte der anaeroben Glykolyse?
Säugerzelle: Glucose + 2 ADP + 2 Pi --> 2 Lactat + 2 ATP
Hefezelle: Glucose + 2 ADP + 2 Pi --> 2 Ethanol+ 2 CO2 + 2 ATP
Was versteht man unter anaplerotischer Reaktion? Nenne ein Beispiel.
Wiederauffüllende Reaktionen. Eine Reaktion, die zu einer Neusynthese oder dem Auffüllen von Stoffwechselkomponenten führt. Bsp. ist die Synthese von Oxaloacetat aus den Vorläufern Malat, Pyruvat oder PEP. Bsp. PEP-Carboxykinase
PEP + CO2 + GDP ⇔ Oxaloacetat + GTP
Wieviele ATP-Äquivalente gewinnt man bei der Verwertung von Myristoyl-CoA (aus 14 C-Atomen) unter aeroben und anaeroben Bedingungen?
Aerob: FS durchläuft 6 Zyklen der B-Oxidation --> 6 NADH + 6 FADH2 + 7 Acetyl-CoA
Acetyl-CoA wird im TCA-Zyklus weiter abgebaut zu 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP.
Mittels Atmungskette und ATP-Synthase entstehen 2.5 ATP pro NADH und 1.5 ATP pro FADH2.
Total: 6 * (1.5+2.5) = 24 (Aus b-Oxidation)
7 * (7.5 + 1.5 + 1) = 70 (aus TCA-Zyklus)
--> 94 ATP
Anaerob: NADH und FADH2 können nicht regeneriert werden und es findet kein FS-Abbau statt --> 0 ATP
Glykogen
Die Speicherform von Glukose in tierischen Zellen. a-1,4 verknüpfte poly-Glucose mit a-1,6 Verzweigungen.
Glykogen wird vor allem in der Muskulatur und in der Leber gespeichert.
Was ist das Nährstoffreservoir an Kohlenhydraten bei Pflanzen?
Stärke. Diese kommt in zwei Formen vor: Amylose (unverzeigt in a-1,4-Bindungen) und Amylopektin (unverzweigte a-1,4-Glucosekette mit a-1,6-Verzweigungen)
Amylase. Funktion und Auftreten?
Hydrolyse (Abbau) von Glycogen, Amylose und Amylopektin.
Von der Speicheldrüse und Pankreas abgegeben.
Glykogenabbau/Glycogenmobilisation
Phosphorylase katalysiert Phosphorolyse der a-1,4-Bindungen mit anorg. P (statt Wasser) und setzt G-1-P frei, welches über G-6-P in die Glycolyse gehen kann (Man spart 1 ATP).
Die a-1,6 Seitenäste werden durch ein Debranching Enzyme gespalten bis der Seitenast nur noch aus einer Glucose besteht.
Diese einzele a-1.6 verbundene Glucose wird über Glucosidase mittels Hydrolyse gespalten.
Wozu dient der Pentosephosphatweg?
1. Produktion von 2 NADPH aus Oxidation von Glucose-6-P zu Ribose-5-P und CO2
2. Synthese von Pentosen für Nukleotide.
Wo sind die verschiedenen Strukturen auf dem Ramachandran-Plot lokalisiert?
bild
Def. phi und psi-Winkel
phi beschreibt den Torsionswinkel um die Ca-N-Bindung
psi beschreibt den Torsionswinkel um die Ca-C-Bindung
Molekulare WW
Wechselwirkung Reichweite (Angstrom) Energie (kJ/mol)
kovalente WW, 1-2, 100-800
H-Brücken, 2.8-3, 5-20
van der Waals, 3-5, 1-3
Coulomb, 2-4, 10-40
Struktureigenschaften von rechtsgängiger a-Helix
- Intramolekulare H-Brücken zwischen (CO)i und (NH)i+4.
- Seitenketten nach aussen, die die Helix oft intrahelical stabilisieren
- 3.6 AS pro Helixwindung
- Dipolmoment vom C zum N-Terminus (posiv beim N)
Prolin und a-Helix
Wegen der Zyklischen Struktur führen Proline zu Krümmungen der Helix
Arten von Faltblattstrukturen
Antiparallel und parallel.
Domäne
Ab 100-150 AS bilden Proteine oft mehrere Domänen, d.h. unabhängig faltende Abschnitte
Coiled Coils
Polypeptidketten mit wiederholender 6 AS-Sequenz (a-b-c-d-e-f), wo a und d hydrophob sind bilden a-Helixes mit hydrophoben Stellen. Zwei solcher Helix können sich bei den hydrophoben Stellen anlagern --> coiled-coil
-
- 1 / 60
-
Cartes-fiches
Def. Cofaktor
Kleines Molekül, welches für die katalytische Aktivität gewisser Enzyme zuständig ist. Die chemische Reaktion dieser Enzyme wäre nicht ohne den Cofaktor möglich.
Apoenzym, Holoenzym
Enzym ohne Cofaktor = Apoenzym
Enzym + Cofaktor = Holoenzym
Nenne zwei Enzyme mit kovalent gebundenem Cofaktor.
Pyruvatdehydrogenase mit Liponsäureamid
Pyruvatcarboxylase mit Biotin
Nenne zwei Enzyme mit nicht-kovalent gebundenem Cofaktor.
Pyruvatdehydrogenase mit ThiaminPP
Cytochromoxidase mit Haem
Was sind netto die Edukte und Produkte der anaeroben Glykolyse?
Säugerzelle: Glucose + 2 ADP + 2 Pi --> 2 Lactat + 2 ATP
Hefezelle: Glucose + 2 ADP + 2 Pi --> 2 Ethanol+ 2 CO2 + 2 ATP
Was versteht man unter anaplerotischer Reaktion? Nenne ein Beispiel.
Wiederauffüllende Reaktionen. Eine Reaktion, die zu einer Neusynthese oder dem Auffüllen von Stoffwechselkomponenten führt. Bsp. ist die Synthese von Oxaloacetat aus den Vorläufern Malat, Pyruvat oder PEP. Bsp. PEP-Carboxykinase
PEP + CO2 + GDP ⇔ Oxaloacetat + GTP
Wieviele ATP-Äquivalente gewinnt man bei der Verwertung von Myristoyl-CoA (aus 14 C-Atomen) unter aeroben und anaeroben Bedingungen?
Aerob: FS durchläuft 6 Zyklen der B-Oxidation --> 6 NADH + 6 FADH2 + 7 Acetyl-CoA
Acetyl-CoA wird im TCA-Zyklus weiter abgebaut zu 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP.
Mittels Atmungskette und ATP-Synthase entstehen 2.5 ATP pro NADH und 1.5 ATP pro FADH2.
Total: 6 * (1.5+2.5) = 24 (Aus b-Oxidation)
7 * (7.5 + 1.5 + 1) = 70 (aus TCA-Zyklus)
--> 94 ATP
Anaerob: NADH und FADH2 können nicht regeneriert werden und es findet kein FS-Abbau statt --> 0 ATP
Glykogen
Die Speicherform von Glukose in tierischen Zellen. a-1,4 verknüpfte poly-Glucose mit a-1,6 Verzweigungen.
Glykogen wird vor allem in der Muskulatur und in der Leber gespeichert.
Was ist das Nährstoffreservoir an Kohlenhydraten bei Pflanzen?
Stärke. Diese kommt in zwei Formen vor: Amylose (unverzeigt in a-1,4-Bindungen) und Amylopektin (unverzweigte a-1,4-Glucosekette mit a-1,6-Verzweigungen)
Amylase. Funktion und Auftreten?
Hydrolyse (Abbau) von Glycogen, Amylose und Amylopektin.
Von der Speicheldrüse und Pankreas abgegeben.
Glykogenabbau/Glycogenmobilisation
Phosphorylase katalysiert Phosphorolyse der a-1,4-Bindungen mit anorg. P (statt Wasser) und setzt G-1-P frei, welches über G-6-P in die Glycolyse gehen kann (Man spart 1 ATP).
Die a-1,6 Seitenäste werden durch ein Debranching Enzyme gespalten bis der Seitenast nur noch aus einer Glucose besteht.
Diese einzele a-1.6 verbundene Glucose wird über Glucosidase mittels Hydrolyse gespalten.
Wozu dient der Pentosephosphatweg?
1. Produktion von 2 NADPH aus Oxidation von Glucose-6-P zu Ribose-5-P und CO2
2. Synthese von Pentosen für Nukleotide.
Wo sind die verschiedenen Strukturen auf dem Ramachandran-Plot lokalisiert?
bild
Def. phi und psi-Winkel
phi beschreibt den Torsionswinkel um die Ca-N-Bindung
psi beschreibt den Torsionswinkel um die Ca-C-Bindung
Molekulare WW
Wechselwirkung Reichweite (Angstrom) Energie (kJ/mol)
kovalente WW, 1-2, 100-800
H-Brücken, 2.8-3, 5-20
van der Waals, 3-5, 1-3
Coulomb, 2-4, 10-40
Struktureigenschaften von rechtsgängiger a-Helix
- Intramolekulare H-Brücken zwischen (CO)i und (NH)i+4.
- Seitenketten nach aussen, die die Helix oft intrahelical stabilisieren
- 3.6 AS pro Helixwindung
- Dipolmoment vom C zum N-Terminus (posiv beim N)
Prolin und a-Helix
Wegen der Zyklischen Struktur führen Proline zu Krümmungen der Helix
Arten von Faltblattstrukturen
Antiparallel und parallel.
Domäne
Ab 100-150 AS bilden Proteine oft mehrere Domänen, d.h. unabhängig faltende Abschnitte
Coiled Coils
Polypeptidketten mit wiederholender 6 AS-Sequenz (a-b-c-d-e-f), wo a und d hydrophob sind bilden a-Helixes mit hydrophoben Stellen. Zwei solcher Helix können sich bei den hydrophoben Stellen anlagern --> coiled-coil
Myoglobin
Muskelprotein, welches für den intramuskulären Sauerstofftransport zuständig ist. Es übernimmt den Sauerstoff aus dem Blut von Hämoglobin.
Hämoglobin
Hämoglobin ist der eisenhaltige Proteinkomplex, der in den roten Blutkörperchen der Wirbeltiere Sauerstoff bindet. Er besteht aus vier Globinen als Untereinheiten --> Tetramer
sigmoidale Kurve beim Hämoglobin und Effizienz
Dank der sigmoidalen Kurve ist ein effizienter Sauerstofftransport möglich. Bei hohen Drücken (in den Alveolen) ist die Affinität sehr hoch (viel O2 gespeichert) und bei niedrigen Drücken (kapillaren beim Muskel) fällt die Affinität stark und O2 wird freigegeben.
Allosterie am Beispiel von Hämoglobin
Hämoglobin hat vier Untereinheiten. O-Bindung an einer Untereinheit führt zu einer Veränderung der Konformation der anderen Untereinheiten (kooperative Bindungsstellen), wodurch deren Sauerstoffaffinität steigt --> sigmoidale Sättigungskurve.
zwei Modelle der Allosterie
- Sequentielles Modell: zu Beginn sind alle Untereinheiten in der T-Form (bindet kein O2) und am ende in der R-Form (bindet O2). Das Gleichgewicht verändert sich im Laufe zu gunsten der R-Form
- Konzertiertes Modell: es besteht immer ein Gleichgewicht zwischen der T- und der R-Form. Je mehr O2 bindet, desto stärker ist das GG auf der 4R Seite.
Feinregulierung des O2 an Hämoglobin
- Bohr-Effekt: In der Nähe von Gewebe mit aktivem Metabolismus (z.B. Muskel) ist der pH-tief (wegen ATP-Hydrolyse), was den T-Zustand stabilisiert und dadurch die o2-Abgabe unterstützt.
- BGP (2,3-Bisphosphoglycerat): BGP bindet mit HG und stab. T-Form. Fötales Hämoglobin bindet dies nicht, wodurch der O2-Übertragung vom mütterlichen zum fötalen Blut besser wird.
- Allosterie
Möglichkeiten zur Proteindenaturierung
- pH > 12 oder pH < 2
- Hitze
- Chaotrope Substanzen --> stabilisieren entfalteten Zustand
Kräfte für die Proteinstabilisierung
- Destabilisierung durch Entropie, da 1. gefalteter und sehr viele ungefaltete Zustände
- Stabilisierung bei Kettenbildung, hydrophobes Innere (VdWWW) sowie H-Brücken und Salzbrücken
- Stabilisierung durch hydrophoben Effekt: geordnete Wasserstrukur um jede hydrophobe Seitenkette
- Destabilisierung, da weniger WW von Kette mit Lömi im gefalteten Zustand
Wie faltet sich ein Protein in der Biosynthese?
Molekulare Chaperones verhindern die Aggregation durch die Bindung an exponierte hydrophobe Bereiche.
Heat-Shock-Proteine
Werden vermehrt exprimiert bei Hitze. Diese verhindern die Denaturierung der Proteine.
Enzyme und deren Eigenschaften
Katalysieren Reaktionen (vorwärts wie auch rückwärts). Thermodynamisches GG wird nicht verändert, sondern nur die Ea runter gesetzt.
- hohe Beschleunigung
- sehr spezifisch
- regulierbar
Def. Proteolyse
Hydrolyse von Peptidbindungen durch Proteasen
Elastase?
Eine Protease, die Peptidbindungen nach kleinen ungeladenen Seitenketten hydrolysiert (z.B. Alanin, Glycin oder Serin)
Def. Michaeliskonstante und Michaelis-Menten-Gleichung
Ein Enzym ist umso effizienter...
Wichtige Kenngrösse für die Enzym-Substrat-WW. Es hat die Einheit einer Konzentration.
\(V_0 = k_{23} {[S]_0*[E]_0 \over [S]_0 +K_M}\)
[S] << Km --> Reaktion ist nullter Ordnung und daher unabhängig von der Substratkonzentration
[S] >> Km --> Reaktion ist erster ordnung und die Geschwindigkeit direkt abhängig von der Substratkonz.
\(K_M = {k_{-1}+k_2 \over k_1}\)
Enzym ist umso effizienter je kleiner Km und je grösser k23 (katalytische Konstante)
Kompetitive Hemmung
Wenn sich z.B. Produkt ahäuft, welches vorhandene Enzymmoleküle blockiert und eine Konkurrenz für das Substrat darstellt. Antibiotika sind z.B. Hemmstoffe, welche das Enzym blockieren und selbst nicht reagieren.
Nicht-kompetitive WW
Bindung eines Moleküls an einer regulatorischen Stelle des Enzyms, wodurch dessen Konformation verändert wird (entweder inhibitorisch oder aktivierend)
Wie verfolgt man die Reaktionskinetik in der Biochemie oft?
Mittels UV-VIS von NAD+/NADH.
kurzfristige Energiespender
ATP untergeht stark exergone Reaktionen
Funktion von ATPasen
Hydrolysieren ATP zu ADP und P. Die freiwerdende chem. Energie wird oft in eine andere Energie umgewandelt, z.B. Muskelkontraktion oder Transport von Molekülen.
Kinasen
Übertragen eine Phosphorylgruppe von ATP auf einen organischen Aktzeptor.
