Metabolische
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Fichier Détails
| Cartes-fiches | 66 |
|---|---|
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Biologie |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 20.09.2014 / 18.06.2021 |
| Lien de web |
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| Intégrer |
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Proteasen werden aufgrund ihrer im aktiven Zentrum katalytisch wirkenden Aminosäure in drei Gruppen eingeteilt. Wie heißen die Gruppen? Welche Aminosäuren wirken jeweils katalytisch? Nennen je einen Vertreter (Protease) pro Gruppe!
- Serin-proteasen: Schweine Leber Esterase, Chymotrypsin, Trypsin
- Carboxy-proteasen: Pepsin (Asp), Chymosin (Asp)
- Thiol-proteasen (Cysteinproteasen): Papain, Caspasen
Entwickeln sie eine biokatalytische Methode zur Produktion von D-Glucose-6- phosphat aus DGlucose! Was wird benötigt? Wie kann das Verfahren kostengünstig gestaltet werden? Formulieren sie die Reaktionen!
Die Reaktion findet nach folgender Reaktionsgleichung statt und wird von der Hexokinase katalysiert:
Hierbei wird ATP als stöchiometisches Cosubstrat benötigt. Dieses kann aus dem kostengünstigeren PEP regeneriert werden unter Zuhilfenahme der Pyruvatkinase.
4-Hydroxypentanitril soll in (R)-Gamma-Pentalacton umgewandelt werden. Schlagen sie einen biokatalytischen Prozess vor! (Strukturformeln und Enzym(e))!
Das 4-Hydroxypentanitril wird zuerst nach folgendem Mechanismus zur 4-Hydroxypentansäure gemacht:
Diese reagiert dann selbsttändig weiter und cyclisiert sich zum Lacton.
Wie wird die Reaktion genannt mit deren Hilfe man aus cyclischen Ketonen Lactone synthetisieren kann? Zu welcher Enzymklasse und Untergruppe werden die Enzyme gerechnet die diese Reaktion katalysieren? Formulieren sie die Bildung des Pfirsicharomastoffes (S)-Delta-decalacton!
Die sog. Baeyer Villiger-Oxidation bildet aus monocyclischen Ketonen die dazugehörigen Lactone. Dies wird von der Baeyer-Villiger-Monooxygenase aus Pseudomonas putida katalysiert. Es dient O2 als Sauerstoffdonor und NADH2 reduziert das übrige O zu H2O.
Im Falle des Beispiels von (S)-Deltadecalacton, ist R = Pentyl
Definieren sie den Begriff „Prochiral“ Geben sie die exakte chemische Strukturformel von drei verschiedenen prochiralen Verbindungen an!
???
Geben sie zwei Verfahren zur präparativen Trennung von D- und L-Milchsäure an und erläutern sie jeweils das Trennprinzip!
Umsetzung des racemischen Gemischs mit einem enantiomerenreinen Substrat zu Diastereomeren Salzen (D-L und L-L). Diese können durch Kristallisation oder Chromatographie getrennt werden, da sich die Eigenschaften von Diastereomeren unterscheiden. Mittels chiraler Phasen Chromatographie können auch Enantiomerengemische / Racemate gespalten werden.
Erläutern sie den vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus (katalytische Triade) von Serinhydrolasen mit Strukturformeln am Beispiel der Hydrolyse von Hexylacetat. Die Angabe der reaktiven funktionellen Gruppen der Aminosäuren ist ausreichend.
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Erläutern sie beispielhaft die Produktion von enantiomerenreinen α-L –Aminosäuren mit Hilfe einer Hydrolase, Lyase und Dehydrogenase. Zeichnen sie die allgemeine Struktur der Ausgangsstoffe (R=Rest) und geben sie die Bezeichnungen der katalysierten Reaktionen an!
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Schlagen sie zwei unterschiedliche Verfahren zur Produktion von enantiomerenreinem Pantolacton vor, welches als synthetischer Vorläufer für die Pantothensäure dienen kann!
Esterase-Mechanismus:
Mikrobielle Entracemisierung:
Oxidation zur Carbonylgruppe sowie stereo- /enantioselektive Reduktion zum OH. (NAD regeneriert sich selbst)
→ Pantolacton ist Ausgangsstoff für Pantothensäure = Vitamin B5
Erläutern sie die Struktur von ß-Cyclodextrin! Wofür wird es eingesetzt? Wie wird es hergestellt
- Cyclodextrine sind Cyklische Moleküle aus α-1,4-glycosidisch verknüpften Glucose-Molekülen.
α-Cyclodextin → 6 Glc-Einheiten β- Cyclodextin → 7 Glc-Einheiten γ- Cyclodextin → 8 Glc-Einheiten
- Herstellung: Aus dem Abbau von Stärke mit α-Amylase erhaltene Maltodextrine werden mit Hilfe der
Cyclomaltodextringlucano-transferase aus Bacillus macerans Cyclodextrine aus 6-12
Glucoseeinheiten erzeugt (Hauptprodukt: β-Cyclodextrin (7 Glc-Einheiten)
- Verwendung: Stabilisierung von Vitaminen und Aromastoffen, geschmackliche Neutralisierung von Bitterstoffen
Octyl-ß-D-glucosid wird häufig als Tensid verwendet. Schlagen sie zwei biotechnologische Herstellungsverfahren für dieses Tensid vor und beurteilen sie deren Vor- und Nachteile!
???
Methylketone sind wertbestimmende Aromastoffe des Blauschimmelkäses. Geben sie die exakten Strukturformeln von zwei wichtigen Methylketonen des Blauschimmelkäse-Aromas und deren direkte Vorläufermoleküle an. Aus welchem Zweig des Primärstoffwechsels entstammen diese Verbindungen?
Beispiele: 2- Hexanon
2- Nonanon
2- Undecanon
2- Tridecanon
→ Sie entstehen alle aus den direkten Vorläufermolekülen, die genau um eine Säuregruppe (CO2) länger sind:
Die Säuren als Vorläufermoleküle entstammen der β-Oxidation (sie werden aus dem Zyklus entfernt, indem die Thiohydrolase die Thioesterbindung zum Acetyl-CoA hydrolysiert).
Enzyme werden aufgrund der von ihnen katalysierten Reaktion in sechs Klassen unterteilt. Welcher Klasse gehören die Enzyme an die zurzeit am häufigsten in der weißen Biotechnologie verwendet werden? Geben sie vier verschiedene typische Reaktionen an, die von Enzymen dieser Klasse katalysiert werden! Warum ist diese Klasse für die weiße Biotechnologie so wichtig?
- Hydrolasen:
Lipasen: Triglyceride + H2O → Glycerin + 3FS
Esterasen: R1CO-O-R2 + H2O → R1-COOH + HO-R2
Proteasen: R1-NH-CO-R2 + H2O → R1-NH2 + HOOC-R2
Nitrilasen: R-C≡N + 2 H2O → R-COOH + NH3
- Vorteile:
Keine Cofaktoren
Vielzahl verfügbarer Enzyme
Günstig
Stabil
- Bedeutung:
Wichtigsten enzymkatalysierten Reaktionen sind hydrolytische Transformationen von Amid- und Esterbindungen (ca. 30 % aller Anwendungen)
Zu welcher Enzymklasse werden Proteine gerechnet, die die Bildung von Phosphatestern katalysieren? Für welche Zwecke werden diese Enzyme in biotechnologischen Prozessen eingesetzt? Geben sie zwei Beispiele mit den Bruttogleichungen der katalysierten Reaktionen an!
Kinasen (Transferasen): - regio- und enantioselektive Bildung von Phosphatestern
- Keine Mehrfachphosphorilierung
Hexokinase: D-Glucose + ATP → D-G6P + ADP
Glycerolkinase: Hydroxyaceton + ATP → DHAP + ADP
Citronensäure ist ein für die Lebensmittelindustrie wichtiger Naturstoff der biotechnologisch produziert wird. Zeichnen sie die Strukturformel von Citronensäure! Mit welchen transgenen Pilzstämmen wird die Säure hergestellt? Wie wird sie aus der Fermentationsbrühe isoliert?
Trnasgener Pilzstamm: - Aspergillus Niger mit 3 gentechnischen Modifikationen
- Siehe Frage 35
Rückgewinnung: - durch Kristallisation
Nennen Sie die sechs international anerkannten Enzymklassen und geben Sie jeweils ein
Beispielenzymsowie die katalysierte Bruttoreaktion an (Enzyme: Substrate – Produkte)
Oxidasen... Glucose Oxidase... Glucose → Gluconsäure
Transferasen... Hexokinase... Glucose → G6P
Hydrolasen... Schweine-Leber-Esterase... R1-CO-O-R2 +H2O → R1-COOH + HO-R2
Lyasen ...Phenylalanin-Ammoniak Lyase... Zimtsäure + NH3 → L-Phenylalanin
Isomerasen...Glc 6 Phosphat-Isomerase ...Glc6P → Fructose 6 Phosphat
Ligasen... Acetyl CoA-Synthease... ATP + Acetate + CoA → AMP + PPi + Acetyl-CoA
Was versteht man unter der Chemoselektivität, Regioselektivität und Enantioselektivität eines Enzyms?
- Chemoselektivität: greift nur eine funktionelle Gruppe an, Esterhydrolyse-/-Acetalspaltung
- Regio- / Diastereoselektivität: erkennen gleiche funktionelleGruppen an verschiedenen Stellen im Molekül,
setzt nur eine um
- Enantioselektivität: prochirale Verbindungen werden zu optisch aktiven Produkten umgesetzt,
oder die Enantiomeren einer racemischen Mischung reagieren
unterschiedlich schnell (kinetische Racematspaltung)
Welche Faktoren limitieren die Verwendung von Enzymen als Biokatalysatoren?
- Enzyme werden in der Natur nur in einer Enantiomerenform gebildet (nur S-AS)
- Variationen der Reaktionsbedingungen limitiert (Temp., pH, …)
- Höchste Aktivität in Wasser
- Enzyme benötigen ihre natürlichen Cofaktoren bzw. Cosubstrate (teilweise sehr teuer)
- Enzyme zeigen Inhibierungsphenomäne
- Enzyme lösen Allergien aus
- Enzyme werden in der Natur nur in einer Enantiomerenform gebildet (nur S-AS)
- Variationen der Reaktionsbedingungen limitiert (Temp., pH, …)
- Höchste Aktivität in Wasser
- Enzyme benötigen ihre natürlichen Cofaktoren bzw. Cosubstrate (teilweise sehr teuer)
- Enzyme zeigen Inhibierungsphenomäne
- Enzyme lösen Allergien aus
Ergänzen Sie die folgende Tabelle! Geben Sie die jeweiligen Coenzyme an, die bei den entsprechenden enzymkatalysierten Reaktionen benötigt werden!
Reaktionstyp
- Eliminierung und Addition von Wasserstoff
- Phosphorylierung
- C1-Alkylierung
- C2-Alkylierung
- Oxidation
- Transaminierung
- Carboxylierung
- NAD+/NADH; NADP+/NADPH
- ATP; GTP; UTP; CTP
- SAM ()
- Acetyl-CoA
- Flavine (Riboflavin=Vit. B2)
- Pyridoxalphosphat
- Metall-porphyrin-Komplex
Asparaginsäure wird mit Hilfe einer Lyase biotechnologisch produziert! Wie heißt das verwendete
Enzym und das Substrat? In welcher Form wird das Enzym eingesetzt? Asparaginsäure dient selbst als
Ausgangstoff für die industrielle Produktion eines Lebensmittelzusatzstoffes. Um welchen Zusatzstoff
handelt es sich?
Enzym: L-Aspartase wird in Methylierter Form eingesetzt Substrat: Fumarsäure
LM-Zusatzstoff: Aspartam (L-Asp-L-Phe-OMe)
Bei vielen enzymkatalysierten Umsetzungen entsteht während der Reaktion ein Acyl-EnzymIntermediat (Enzym-CO-R1). Durch den Angriff verschiedener nukleophiler Substanzen (H2O, R-OH, R-NH2, H2O2) bilden sich hieraus verschiedene Produkte. Zeichnen Sie Strukturen der freigesetzten Verbindungen und benennen Sie die entstandene funktionelle Gruppe!
Es entsteht jeweils Enzym-OH und H2O: R1COOH (Carbonsäure);
R-OH: R-O-CO-R1 (Ester);
R-NH2: R-NH-CO-R1 (Amid/Peptid);
H2O2: R1-CO-OOH (Peroxosäure)
Erklären Sie den Begriff “kinetische Razematspaltung” anhand eines selbst gewählten Beispiels!
Ein Enantiomer eines Racemats wird von einem Enzym deutlich schneller umgesetzt als das andere. Durch die kinetische Bevorzugung des einen, bleibt das andere Enantiomer unverändert zurück. Nun kann das enantiomerenreine Produkt abgetrennt werden.
Beispiel: Amidase spaltet bei einem racemischen Gemisch von L-AS-Amid und D-AS-Amid nur die natürlich vorkommende L-Form.
Zeichnen Sie die Strukturformel der Aminosäure, die mit einer Weltjahresproduktion von > 1 Mio t die industriell bedeutendste ist! Mit welchem Verfahren wird sie hergestellt? Wozu wird sie verwendet?
Glutamat wird in großen Mengen als Geschmacksverstärker benötigt.
Produktion: durch Corynebakterium Glutamicum-Mutante:
Gesteigerte Aktivität der PEP-Carboxylase (reduziertes Feedback durch Glutamat), GlutamatDH, Isocitrat-Lyase und Malat-Synthetase
Welche vier Substrate können in enzymatischen Reaktionen für die Regeneration von ATP aus ADP eingesetzt werden? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichung an und benennen Sie die beteiligten Enzyme!
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Enzyme können die Hydrolyse von Nitrilen zu Carbonsäuren katalysieren. Zeigen Sie die beiden möglichen Biotransformationswege auf und benennen Sie die beteiligten Enzyme!
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Welche drei enzymatisch katalysierte Reaktionen können für die Regeneration von NAD(P)H bei Biotransformationen eingesetzt werden? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichungen an und nennen Sie die beteiligten Enzyme!
Formiat DH:
Alkohol DH:
Glucose DH bzw. Glucose-6-phosphat DH:
Welche Substanzen werden von Lipoxygenasen umgesetzt? Wie heißen die gebildeten Produkte und wo spielt diese Reaktion eine wichtige Rolle? Geben Sie die Bruttoreaktionsgleichung an!
Lipoxygenasen gehören zur Gruppe der Dioxygenasen. Sie katalysieren die Addition von O2 an eine DB von ungesättigten Fettsäuren. Hierbei wird die DB umgelagert. Dabei entsteht aus einem nichtkonjugierten 1,4-Pentadien-System ein konjugiertes 2,4-Dien. Reaktion: R-H + O2 → ROOH
Bedeutung: Der erste Schritt bei der Herstellung von Lactonen (delta-Lacone als Fruchtaromen). Das Hydroperoxid kann z.B. mit NaBH4 reduziert werden zum Alkohol dann kann eine Cyclisierung zum delta-Lacton folgen oder eine mehrfache Betaoxidation
Erläutern Sie den industriell eingesetzten enzymatisch katalysierten Prozess zur Herstellung von Aspartam!
Der Peptidsüßstoff Aspartam (L-Asp-L-Phe-OMe) hat die 200-fache Süßkraft von Saccharose. Bei der Reaktion findet eine kinetische Racematspaltung des D,L-Phe-OMe Racemats statt (Bevorzugung von L-Phe-OMe)
Was versteht man unter „Cross-linked enzyme crystals (CLECs)“? Wie werden Sie hergestellt? Welche Vorteile haben sie?
CLECs sind Aggregate aus kovalent verbundenen Enzymen. Das Quervernetzen (oder crosslinking) geschieht durch ein bifunktionales Reagenz (sog. Crosslinker). Enzyme sind schwierig wieder zu gewinnen und haben oft eine geringe Toleranz bezüglich Substrat- bzw. Produktkonzentration (Produktinhibition). Die Immobilisierung und kontinuierliche Produkternte bringt hier Abhilfe.
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