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Biochemie

Grundlagen

Grundlagen

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Langue Deutsch
Catégorie Médecine
Niveau Université
Crée / Actualisé 17.07.2020 / 05.02.2023
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Étudier

Welche 2 Eigenschaften der Wasser-Moleküle machen es zum optimalen Lösungsmittel?

  • dipolare Struktur
  • Kapazität Wasserstoffbrücken auszubilden

 

Was ist der Unterschied zwischen nukleophilen und elektrophilen Atomen? 

Sind Wassermoleküle nukleo- oder elektrophil?

  • Nukleophil: Elektronen-reiche Moleküle, geben diese leicht ab
  • Elektrophil: Elektronen-arme Moleküle, nehmen diese leicht auf

=> Wasser-Moleküle mit ihren 2 freien Elektronenpaaren am Sauerstoff sind optimale Nukleophile

Wie nennt man die Reaktionen, bei denen mittels Wasser-Molekülen (nukleophil) die Amid-, Glykosid- oder Ester-Verbindungen von Bio-Polymeren gespalten werden?

Wodurch können diese Reaktionen beschleunigt werden?

Hydrolyse => ist Thermodynamisch günstig (=> Exergon: Das Reaktionsgleichgewicht liegt bei Raumtemperatur auf Seiten der Produkte) => kann ausserdem durch Enzyme katalysiert werden: Proteasen für die Peptidbindungen von Proteinen und Aminosäuren, Nukleasen für die Phosphodiester-Bindungen der DNA und RNA

Welches Molekül wird bei der Synthese von Bio-Monomeren zu Polymeren (Proteine, Glykogen, ...) stets frei? Wie nennt man diese Art von Reaktion?
Wie nennt man die Reaktion der frei werdenden Moleküle untereinander? 

Kondensation durch Abspaltung von H2O  => Wasser-Moleküte reagiert auch mit sich selbst durch Autoprotonation

Welche Produkte entstehen bei der Autoprototonation von Wasser-Molekülen?

Wie berechnet sich die Dissociations-Konstante von Wasser?

=> es entstehen H3O+ und OH-

=> aus der Konstanten des Ionenprodukts: Ke = {H3O+} {OH-} = 1.00 x 10-14 M2

Wie ist der pH definiert? Wo liegt der Wert für Wasser bei 25°C?

=> als Kehrwert des Logarithmus der Hydronium-Ionen-Konzentration: 
=> pH = - log{H3O+} 

Wie unterscheiden sich Säuren und Basen (im Bezug auf ihre Elektronen-Affinität)?

Was ist die Eigenschaft einer starken Säure/Base? Und was einer schwachen?
Nenne je ein Beispiel einer starken Säure und Base?
 

 

  • Säure: Protonen-Donator
  • Base: Protoren-Akzeptator

=> Starke Säuren (HCl oder H2SO4) und starke Basen  (NaOH, KOH) liegen in Lösung nur vollständig gelöst vor
=> Schwache Säuren und Basen sind auch in Lösung nicht vollständig gelöst

Wieso hat eine Veränderung des intrazellulären pHs einen Einfluss auf die biologische Struktur und Aktivität? 

=> intrazelluläre Proteine, Nukleinsäuren, Co-Enzyme und vorübergehende Stoffwechselprodukte weisen alle Crobxyl-, Amino- oder Esther-Gruppen auf => alles schwache Säuren oder Basen, deren Reaktivität sich mit dem pH-Wert verändert

Was versteht man unter einer Tampon-Lösung?

=> eine Lösung, die eine schwache Säure sowie ihre konjugierte Base enthält => gibt man eine kleine Menge einer starken Säure hinzu verändert sich das Gleichgewicht der Tampon-Reaktion, der pH aber kaum => Tampon-Effekt

Was ist eine essenzielle Aminosäure? Wie viele davon hat der Mensch?

=> Aminosäure (Protein-Monomer), das nicht im Körper synthetisiert werden kann und über die Nahrung aufgenommen werden muss => 8 beim Menschen 
NB: Insg. werden 20 menschliche Aminosäuren unterschieden (alle Alpha-L)

Welche beiden schwachen Säuregruppen enthält jede Aminosäure? In welcher Form liegen diese bei physiologischem pH vor?

  • Carboxyl-Gruppe: -COOH
  • Amino-Gruppe: -NH2

=> liegen im physiologischen Milieu ionisiert vor: COOH ist die stärkere Säure => 
-COO- und –NH3+

Welcher Anteil der Aminosäure-Moleküle bestimmt über ihre Eigenschaften?

=> die Seitenketten (R): Hydrophob oder Aromatisch (Hydeophil), geladen oder nicht (neutral)

Was versteht man unter der Primär-Struktur eines Proteins? Durch welche Art von Bindungen werden ihre Bausteine zusammengehalten?

=> die Aminosäuren-Sequenz: Aminosäuren-Monomere, welche mittels Peptidbindungen (unter Abspaltung von H2O => Kondensation) aneinander gebunden sind => Polypeptide

 

Welche 4 Gruppen von Proteinen gibt es?

  • Gelöste
  • Membranäre
  • Globuläre (die meisten Enzyme)
  • Fibröse (die meisten Strukturproteine)

Was sind Lipo-, Glyco- und Metallo-Proteine?

  • Lipoprotein => Protein, welches kovalent mit einem Lipid verbunden ist
  • Glycoprotein => Protein, welches kovalent mit einem Glucid verbunden ist
  • Metalloprotein => Protein, welches metallische Ionen beinhalten (z.B. Myoglobin, Hämoglobin, Cytochrome)

Was sind die 4 Strukturniveaus von Proteinen?

  • Primärstruktur: Aminosäuren-Sequenz (via Peptidbindungen)
  • Sekundärstruktur: Geometrische Faltung kleiner Abschnitte in Helices oder Beta-Faltblätter (via Wasserstoff-Brücken)
  • Tertiärstruktur: Anordnung der Sekundärstrukturen in grössere funktionelle Einheiten („Wicklung“ => reife Polypeptide)
  • Quartärstruktur: Anordnung  mehrerer Polypeptide => Oligomer-Proteine mit speziellen Untereinheiten

Was sind Enzyme? Welche Hauptaufgabe übernehmen sie im Körper?

Enzyme sind biologische polymere (meist Proteine) => sie katalysieren verschiedene lebenswichtige chemische Reaktionen insb. im Bereich des Metabolismus (Abbau von Nahrung und Energiebereitstellung), sowie verschiedene Prozesse der Protein-, Membran-, Gewebs- und DNA-Synthese => erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit 


NB: Enzyme sind spazifisch für ein bestimmtes Substrat bzw. eine Substrat-Gruppe und werden bei der Reaktion weder verbraucht noch verändert

Nenne mind. 4 Enzymklassen und ihre Wirkungsweise

  • Oxydoreduktase: Oxidationen und Reduktionen
  • Transferase: Verschiebt funktionelle Gruppen (Glycosyl, Methyl, Phosphat)
  • Isomerase: Verändert die Geometrie der Molekül-Struktur
  • Ligase: Formt eine Bindung zwischen 2 Molekülen, wobei ATP Hydrolysiert wird
  • Deshdrogenase: Abspaltung von H+
  • Protease: Hydrolyse der Proteine
  • Kinase und Phosphatase: Binden und Lösen von Phosphatgruppen
  • Lipase: Fett-Abbau

Wofür sind prosthetische Gruppen, Co-Faktoren, Co-Enzyme und Metall-Ionen (alles keine Proteine!) notwendig?

=> unterstützen die Fixierung des Substrats oder der Katalyse  => z.B. Häm mit Fe2+ in Hämoglobin, ADP/ATP, NAD+/NAHD, ...)

Was versteht man uter einer exergonischen, was unter einer endergonischen Reaktion?

  • exergonische Reaktion: Chemische Reaktion, bei der Energie frei wird (exotherm) => das Reaktionsgleichgewicht liegt spontan auf Seite der Produkte (thermodynamisch günstig)
    => Katabolismus => z.B. Proteinspaltung durch Hydrolyse
  • energonische Raktiion: Chemische Reaktion, die Energie aus der Umwelt konsumiert (endotherm) => das Raktionsgleichgewicht liegt spontan auf Seite der Edukte (thermodynamisch ungünstig) => Anabolismus => z.B. Proteinsynthese durch Kondensation (benötigt ATP)

Welche beiden Arten von Prozessen werden unter dem Begriff "Metabolissmus" (oder auch Stoffechsel) zusammengefasst?
Wodurch konnen diese beiden Abläufe überbrückt sein?

Die Kombination aus anabolen und katabolen Prozessen => können duch Synthese energiereicher Zwischenprodukte bei den exothermen/katabolen Prozessen (häufig ATP) überbrückt werden

Dank welches Prozesses können zahlreiche energetisch ungünstige metabolische Reaktionen dennoch ablaufen?

Nenne einige Beispiele.

=> dank der Spaltung von Energiereichen Posphodiesterbindungen von ATP-Molekülen
=> ATP ⇌ ADP + Pi + Energie

z.B.: 
- Aufrechterhalten des Ruhepotentials von Nerven-, Muskel- und Herz-Zellen dank Na+/K+-Pumpen (ATPase)
- Synthese von Acetylcholin (Neurotransmitter)
- Muskelkontraktion
- etc.

Was ist Kreatin-Phosphat? Wo im Körper kommt es cor und wozu dient es?

=> ist ein Posphagen, welches als Reservoir für energiereiche Phosphatgruppen in der Skelettmuskulatur, im Herz und Gehirn agiert => wird ATP schnell verbraucht, kann eine gewisse Menge ADP durch die Phosphatgruppen am Kratin vor Ort wider zu ATP "aufgeladen" 

Welche 3 Prozesse sind am Energie-Speicher in Form von ATP betiligt?

  • Glykolyse (im Cytosol):
    1 Glukose => 2 Pyruvat
    => es werden 2 ATPs direkt gebildet 
  • Zitratzyklus (in der Mitochondrienmatrix):
    Pyrovat - CO2 => Acetyl-CoA + Ocalacetat -CoA => Citrat - CO2 => Ocalacetat 
    => 1 ATP / Pyruvat => 2 ATPs
  • Oxydative Phosphorylierung (an der inneren Mitochondrienmembran):
    => Reduktionsäquivalente (Elektronen-Taxis) => NADH+H+ + FADH2 => Redox-Kette => Protonen werden in den intermembranären Raum gepumpt => ATP-Synthese durch Protonenrückstorm durch den F0-Kompex

Was versteht man unter dem Redoxpotential? 

Eine Oxidation entspricht einem Elektronenverlust (braucht nicht unbedingt molekulares O2), während eine Reduktion einem Elektronengewinn entspricht => bei Oxydoreduktionen ist der frei werdenene Energieunterschied proportionell zur Tendenz der Edukte Elektronen freizugeben oder aufzunehmen => diese Tendenz entspricht dem Redox-Potential

Wie viel ATP können in der Respirationskette aus einem NADH+H+ und wie viel aus einem FADH2 gewonnen werden?
 

Wie viele der Respirationsäquivalente werden bei der Glycolyse, wie viele im Citratzyklus produziert?

Wie viele ATPs etstehen folglich aus 1 Glukose-Molekül?

=> 1 NADH+H+ => 2.5 ATP
=> 1 FADH2 => 1.5 ATP

Glykolyse: 2 NADH+H+ (+ direkt 2 ATP)

Citratzyklus: 8 NADH+H+ & 2 FADH2 (+ direkt 2 ATP)

=> 10 NADH+H+ x 2.5 = 25 ATP
=> 2 FADH2 x 1.5 = 3 ATP
+ 4 (direkt produzierte) ATP = 32 ATP

Wie lautet die allgemeine Gleichung für den Abbau eines Glukose-Moleküls bei der Zellatmung?

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 32 ATP

Durch welche beide Hormone wird die Glykämie (Blutzucker) regulierert? Wo werden diese produziert?

  • Insulin senkt den Blutzuckerspiegel (bei Hyperglykämie) indem es die Speicherung von Glukose in der Leber (als Glykogen) steigert und deren freisetzung hemmt
  • Glukagon erhöht den Blutzucker (bei Hypoglykämie) indem freisetzung von Glukose aus der Leber (als Glykogen) steigert und speicherung hemmt

=> werden von den Lagerhansinseln des Pankreas produziert und bei Bedarf ausgeschüttet

Was geschieht mit dem aus Glukose durch die Glykolyse entsanden Pyruvat...

  • ... in aerober Umgebung
  • ... in anaerober Umbebung

=> in aerober Umgebung: 
Pyruvat => Acetyl-CoA => Zitratzyklus => oxydative Phosphorylierung

... in anaerober Umbebung:
Pyruvat => Laktat (Milchsäuregärung)

Welche Substrate können zu Acettyl-CoA metabolisiert werden und damit zur Energiesynthese via Zitratzyklus und oxydativer Phosphorylierung genutzt werden? Welche Stoffwechselprozesse müssen sie vorgängig durchlaufen?
Welche anderen Verwendungszwecke haben diese Substrate?

  • Glukose => Glykolyse => Pyruvat => Acetyl-CoA
    • Glykogenese (Glykogen-Syntehse)
    • Ribosen für die Nucleotid-Synthese
    • Triosephosphate => Glycerol
    • Aminosäure-Synthese
  • Fettsäuren und Glycerol => Beta-Oxydation => Acetyl-CoA
    • Triacylglycerol
    • Cholesterol- und Steroidsynthese
    • Ketonkörper in der Leber
  • Aminosäuren => Desaminierung => Acetyl-CoA
    • Aminosäuren-Synthese durch Transaminierung (nicht-essenzeille) 
    • Neoglukogenense
    • Fettsäuren-Synthese

=> ausser in Zitratzyklus wird Acetyl-CoA auch für die Fettsäuren- und Cholesterol-Syntese verwendet

Bestimme für folgende Prozesse, ob sie in den Mitochondrien, im Zytoplasma oder an der Membran des endoplasmatischen Retikulums ablaufen:

  • Glykolyse
  • Glykogenese
  • Glycogenolyse
  • Zitratzyklus
  • Atmungskette und oxydative Phosphorylierung
  • Protein-Synthese
  • Lipogenese (Fettsäuren-Synthese)
  • Triglyzerol-Synthese
  • Betaoxydation der Fettsäuren
  • Pentosephosphatweg

  • Glykolyse => Z.P.
  • Glykogenese => Z.P.
  • Glycogenolyse => Z.P.
  • Zitratzyklus => M.
  • Atmungskette und oxydative Phosphorylierung => M.
  • Protein-Synthese => E.R.
  • Lipogenese (Fettsäuren-Synthese) => Z.P.
  • Triglyzerol-Synthese => E.R.
  • Betaoxydation der Fettsäuren => M.
  • Pentosephosphatweg => Z.P.

Wodurch können die Stoffwechselprozesse (der unterschiedlichen Substrate) reguliert werden? (4)

  • die Verfügbarkeit des Substrats
  • die Elimierung der Stoffwechsel-Endprodukte
  • die Verfügbarkeit der Kofaktoren
  • Hormone => veränder die Aktivität oder Synthesegeschwindigkeit bestimmter Enzyme

Wie viele CO2, GTP, NADH+H+ und FADH2 Moleküle werden pro Acetyl-CoA, welches in den Zitratzyklus eintritt produziert?

Was sind NADH+H+ und FADH2 und wie viel ATP kann in der Atmungskette aus ihnen gewonnen werden (pro Molekül)?

Wie viel ATP wird demzufolge bei einem Durchlaf des Ziitatzykluses (pro Acetyl-CoA) gewonnen?

  • 2 CO2
  • 3 NADH+H+ 
  • 1 FADH2 
  • 1 GTP => 1 ATP

=> NADH+H+ und FADH2 Reduktionsäquivaltente (=> "Elektronentaxis") aus denen in der Atmungskette ATP gewonnen wird:

  • 1 NADH => 2.5 ATP
  • 1 FADH2 => 1.5 ATP

=> pro Acetyl-CoA entsteht im Zitratzyklus somit 10 ATPs (1 + 3*2.5 + 1.5)

Der Zitratzyklus ist "amphibol", was bedeutet das?

=> umfasst sowohl katabole (Oxidation von Acetyl-CoA) als auch anabole (Substrat-Produktion für verschiedene Synthesen) Prozesse

Wann kommt es zur Fettsäure-Syntese? Wo findet diese statt? Aus welchem Zwischenprodukt des Zitratzyklus?

=> ist in den Mitochondrien genügend/überschüssiges Zitrat (aus Acetyl-CoA) vorhanden, wird dieses ins Zytoplasma exportiert, wo daraus Fettsäuren synthetisiert werden

Wie wirken sich die NAD+- und ADP-Konzentrationen auf die Aktivität des Zitratzykluses aus?

Was für einen Einfluss hat Ca2+?

=> je mehr ATP verbraucht wir => geringere ATP und NADH++H+-Konzentration => höhere ADP und NAD+-Konzentration => je aktiver ist der Zitratzyklus

=> gewisse Enzyme des Zitratzykluses werden durch Ca2+ (=> bei Muskelarbeit erhöht) aktiviert => je grösser die Muskel-Aktivität => je mehr Ca2+ wird produziert =>  je aktiver ist der Zitratzyklus

Welche Schritte der Glykolyse sind irreversibel?

Wovon ist die Aktivität der Glykolyse hauptsächlich abhängig?

  • 1. Etappe, in der Hexokinase den Umbau von Glukose zu Glukose-6-Phosphat katalysiert (ATP-abhängig)
  • 3. Etappe, in der Phosphofruktokinase den Umbau von Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-bisphosphat katalysiert (ATP-abhängig)
  • die letzte Reaktion bei der Phosphoenolpyruvat (PEP) durch die Pyruvat-Kinase zu Pyruvat oxidiert wird (=> ein Pi wird auf ADP übertragen => ATP)

=> die ATP-Konzentration beeinflusst die Glykolyse: Bei normaler intrazellulärer ATP-Konzentration wird die Glykolyse (via Phosphofruktokinase) gehemmt, häuft sich jedoch ADP, wird die Glykolyse aktiviert

Wie kann die Glykolyse-Aktivität und damit die ATP-Produktion aufch bei anaeroben Bedingungen aufrecht erhalten werden?

Milchsäuregärung:

  • NADH+H+ wird zu NAD+ reoxidiert
  • Pyruvat wird zu Laktat reduziert
  • 2 ADP + 2Pi => 2 ATP
    (=> bei aeroben bedingungen wären es 32 ATP pro Glukosemolekül!)

Was macht die Pyruvat-Deshydrogenase? Wo agiert sie?

Wodurch wird sie reguliert?

=> Pyruvat, welches im Zytosol durch die Glykolyse produziert wurede wird in die Mitochondrien treansportiert
=> mittels der Pyruvat-Deshydrogenase wird dort ein CO2 vom Pyruvat abgespalten und das Coenzym-A (CoA) angelagert => die Kohlenstoffe des Pyruvats werden oxidiert und NAD+ zu NADH+H+ reduziert => es entsteht Acetyl-CoA

=> Pyruvat-Deshydrogenase wird durch Acetyl-CoA und NADH gehemmt

Wo findet Glykogenese statt? Welche Art von Bindung entsteht dabei?

Wie werden diese wider aufgebrochen? Wie heisst der entsprechene Prozess?

= Glykogen-Synthese (in Leber- und Muskelzellen)

  1. Glukose wird zu Glukose-6-Phosphat phosphoryliert (durch Hexokonase im Muskel, durch Glukokinase in der Leber) und zur Glukose-1-Phosphat umgebaut
  2. Durch weitere Umbauvorgänge werden die Moleküle duch Glykosidbindungen (1 => 4) aneinander gereiht (duch Glykogen-Synthase katalysiert) => es entstehen lange, verzweigte  Glykogenketten

=> Glykogenolyse: Durch die Glykogen-Phosphorylase werden die Glykosidbindungen (1 => 4) wieder aufgebrochen => es entsteht Glukose-1-Phosphat, welches  via die Glykolyse zur Energiebereitstellung genutzt werden kann

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