Metabolische

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Flashcards 66
Language Deutsch
Category Biology
Level University
Created / Updated 20.09.2014 / 18.06.2021
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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

  1. Eliminierung und Addition von Wasserstoff
  2. Phosphorylierung
  3. C1-Alkylierung
  4. C2-Alkylierung
  5. Oxidation
  6.  Transaminierung
  7. Carboxylierung

 

  1. NAD+/NADH; NADP+/NADPH
  2. ATP; GTP; UTP; CTP
  3. SAM ()
  4. Acetyl-CoA
  5. Flavine (Riboflavin=Vit. B2)
  6. Pyridoxalphosphat
  7. 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. 

Skizzieren Sie die Biotransformation von D-Glucose zu D-Gluconsäure durch Aspergillus niger! Geben Sie die Bruttoreaktionen und beteiligte Enzyme an! 

1. Oxidation der Glucose zum Gluconolacton durch die Glucoseoxidase

2. Selbstständige Hydrolyse des Lactons zur Gluconsäure

3.Das bei der Oxidation verbrauchte FAD wird durch O2 regeneriert. Das entstehende H2O2 wird von der Catalase zersetzt  

Bei der Produktion von drei Vitaminen werden fermentative Prozesse eingesetzt. Um welche Vitamine handelt es sich hierbei? 

Vitamin C  =  Ascorbinsäure

Vitamin B2  =  Riboflavin

Vitamin B12  =  Cyanocobalamin 

Welche beiden industriell wichtigen Polysaccharide werden fermentativ produziert? Wozu werden sie eingesetzt? Welche Mikroorganismen werden für die Herstellung verwendet? 

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Erläutern Sie die Biotransformation von Octansäure zu 2-Heptanon durch Penicillium roqueforti! 

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Was versteht man unter Bt-Mais? 

Bt Mais ist eine gentechnisch veränderte Maissorte, die das Gen für das Toxin des Bakteriums Bacillus thuringiensis (Bt-Toxin) trägt. Dieses Gen codiert für eine Toxinvorstufe, die erst im Maiszünsler toxisch wird und für andere Organismen unschädlich ist.  

Wie wird die internationale Einheit der katalytischen Aktivität eines Enzyms (1 I.U.) definiert? Was versteht man unter der Wechselzahl (turnover number)? 

  • 1 I.U. = 1 International Unit= 1 μmol Produkt (Substrat) pro 1 Minute
  • turnover number (Wechselzahl): Anzahl Substratmoleküle, die ein Enzym in einer bestimmten Zeit (meißt 1 sec) umsetzen kann (meißt 10-100). 

Was versteht man unter grüner, roter, weißer sowie grauer Biotechnologie? 

Grüne Biotechnologie---Landwirtschaft, Pflanzenbiotechnologie

Rote Biotechnologie---Medizin/Pharmazeutik

Blaue Biotechnologie---Produkte aus dem Meer

Weiße Biotechnologie---Industrieprozesse

Graue Biotechnologie---Abfallwirtschaft

Braune Biotechnologie---Technische/Umwelt-Biotechnologie

Gelbe Biotechnologie---Herstellung von Lebensmitteln und Grundstoffen

Welchen Enzymklassen werden die folgenden Enzyme zugeordnet? Geben Sie zur Begründung ihrer Wahl eine katalysierte Reaktion jedes dieser Enzyme an (Bruttogleichung)! 

  1. Lipoxygenase
  2. Aspartase
  3. Amidase
  4. Transaminase
  5. Alanin Racemase
  6. Acetyl-CoA Synthase

  1. Dioxigenase (Oxidoreduktasen)            - R1=R2 + O2 → HR1-R2-OOH 
  2. Lyase 
  3. - Hydrolase    Spaltet L-Amide in die Säure und Ammoniak (kin. Racematspaltung)

  4. Transferase---Reaktion: R-COOH + Pyridoxalphosphat → R-CONH2 (Amid) 

  5. - Isomerase---kann die D- und die L-Form von Alanin ineinander umwandeln

  6. -Ligase---Erzeugt Acetyl-CoA aus Acetat und CoenzymA unter ATP-Verbrauch---ATP + Acetate + CoA → AMP + PPi + Acetyl-CoA

Erläutern Sie den Mechanismus der katalytischen Triade der Schweineleber- Esterase (Serinprotease) an einem selbst gewählten Beispiel! 

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Die Weltjahresproduktion von Aminosäuren beträgt mehr als 1 Mio Tonnen pro Jahr. Welche vier Verfahren werden grundsätzlich zur Produktion von Aminosäuren eingesetzt? Geben Sie fünf Beispiele an wozu Aminosäuren 

 - Geschmacksverstärker (Glutamat)

  • Futterzusatz (Lysin, Methionin, Tryptophan, Threonin)
  • Aspartam-produktion (Aspartat, Phenylalanin)
  • Süßstoff (Glycin)
  • Medizin/Kosmetik (Arginin,…)
  • Pflanzenschutzmittel 

Die Weltjahresproduktion von Aminosäuren beträgt mehr als 1 Mio Tonnen pro Jahr. Nennen Sie die drei industriell wichtigsten Aminosäuren und geben Sie kurz deren Herstellungsprozess an! 

AS--------------------------------Herstellungsprozess---------------------Produktion [t pro Jahr]------Verwendung

L-Glutamat---------------------Fermentation------------------------------>1 000 000---------------------Geschmacksverstärker

L-Lysin--------------------------Fermentation, Enzymreaktor----------200 000--------------------------Futterzusatz

D,L-Methionin----------------chemische Synthese---------------------200 000-------------------------Futterzusatz

Erläutern Sie die kinetische Razematspaltung von Hydroperoxiden mit Hilfe der Meerrettich Peroxidase! Welche Produkte können damit hergestellt werden? 

Produkte: Enantiomerenreine Alkohole

Nebenprodukte: Gujakolpolymer 

Beim Reichstein Gruessner Prozess zur Herstellung von Vitamin C wird ein Intermediat der

Reaktionskette durch mikrobielle Oxidation erhalten. Welcher Mikroorganismus wird eingesetzt? Geben Sie die Strukturformeln des Substrates und des Produktes der katalysierten Reaktion an! Welchen Vorteil hat die mikrobielle Oxidation gegenüber der chemischen Oxidation? 

- Die regioselektive Oxidation von D-Sorbitol zu L-Sorbose wird von Acetobacter Suboxidans geleistet. - Vorteile: regioselektive Oxidation von nur einer der endständigen OH-Funktionen (chemisch würden hier mehrere

Schutzgruppen benötigt) 

Erläutern Sie die Herstellung von Cyclodextrinen aus Stärke? Nennen Sie die beteiligten Enzyme und Intermediate! Wozu werden Cyclodextrine verwendet? 

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 

Erläutern Sie die Wirkungsweise des Aminosäuren-Analogon Phosphinotricin! Warum kann diese Verbindung zur Selektion transformierter Pflanzen eingesetzt werden? 

  • Phosphinotricin ist ein Strukturanalogon zu Glutaminsäure
  • Phosphinotricin hemmt die Glutaminsynthetase (normalerweise Feedbackinhibierung durch Glutamin) 
  • Dadurch reichert sich NH3 an , welchse toxisch ist

Transformierte Pflanzen bekommen das Gen für die Phosphinotricin acetyltransferase, welche die Aminogruppe von Phosphinotricin acetyliert und das Antibiotikum somit unschädlich macht

Welche Vorteile weisen biokatalytische Umsetzungen in organischen Lösungsmitteln aus? 

  • Ausbeute erhöht: keine Extraktion, keine Emulsion, niedrig-siedende Lösungsmittel
  • Unpolare Substrate werden besser umgesetzt wegen erhöhter Löslichkeit
  • Mikrobielle Kontamination ist vernachlässigbar (Industriemaßstab)
  • Nebenreaktionen wie Hydrolysen, Razemisierung, etc. sind unterdrückt
  • Enzyme können durch einfache Filtration abgetrennt werden
  • Erhöhte Stabilität der Enzyme (Denaturierung durch hydrolytische Prozesse erniedrigt)
  • Erhöhte Substrat-, Regio-, und Enantioselektivität da Enzyme in organischen Lösungsmitteln nicht mehr so flexibel sind
  • Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts einer Hydrolysereaktion zugunsten der Synthesereaktion 

Eine Lipase L setzt bevorzugt den R-konfigurierten Alkohol (A-OH) bei der enzymatischen Hydrolyse des razemischen Esters im wässrigen Medium frei. Welche Konfiguration weist der gebildete Ester auf wenn die Lipase L die Rückreaktion in einem organischen Medium aus dem racemischen Alkohol katalysiert. (Die Prioritäten der Substituenten am chiralen C-Atom ändern sich nicht während der Umsetzung). Begründen Sie ihre Wahl 

Der in der Rückreaktion entstehende Ester R-CO-O-A wird bevorzugt in der R-konfigurierten Form entstehen. Der R-Ester scheint besser in die aktive Tasche zu passen als der S-Ester somit wird auch dies der bevorzugte Weg auf der Rückreaktion sein. 

Für die biotechnologischen Produktion von Citronensäure aus D-Glucose wird ein Hochleistungsstamm von Aspergillus niger eingesetzt. Der Hochleistungsstamm weist u. a. veränderte Aktivität von drei Biosynthese-Enzyme gegenüber dem Wildtyp auf. Um welche Enzymaktivitäten handelt es sich? Warum wurden die Aktivitäten verändert?

Pyruvat Carboxylase, Malat Dehydrogenase, Citrat Synthase -> Erhöhung der Aktivitätenum mehr Vorläufer (Oxaloacetat durch Pyruvat-Carboxylase) herzustellen, dann verstärkte Herstellung von Citrat (aus Oxalacetat durch Citrat Synthase) und verstärkte Herstellung von Malat (aus Oxalacetat durch Malat Dehydrogenase) weil Malat in Malat/Citrat-Antiporter Citrat aus Mitochondrium in Cytplasma transportiert wird. 

Proteasen, Esterasen, Lipasen sind die industriell am häufigsten verwendeten Biokatalysatoren. Nennen Sie vier Gründe warum sich diese Enzymgruppen besonders gut eignen

  • Vielzahl verfügbarer Enzyme
  • günstig
  • stabil
  • auch für umgekehrte Reaktion (Ester- bzw. Amidsynthese) einsetzbar →in organischen Lösungsmitteln mit geringer Wasseraktivität 

Nennen und erläutern Sie fünf biotechnologische Anwendungen der Schweineleber Esterase 

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Sowohl Lipasen als auch Esterasen hydrolysieren Carbonsäure-Ester. Die molekularen Mechanismen der enzymatischen Reaktion unterscheiden sich aber. Erläutern Sie die Unterschiede 

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Welche chemische Reaktion katalysieren Kinasen? Nennen Sie drei Kinasen und deren Einsatzgebiete in der Biokatalyse! 

Kinasen katalysieren die regio- und enantioselektive Bildung von Phosphatestern unter Verbrauch von ATP als Cosubstrat. 

Weitere Beispiele: Hexokinase (Glc → Glc6P) , Glycerolkinase (Glycerinaldehyd → GA3P)

Wodurch unterscheidet sich der Reaktionsmechanismus der Mono- und Dioxygenasen? Geben Sie jeweils eine Bruttogleichung der katalysierten Reaktionen an und nennen Sie jeweils zwei ihnen bekannte Mono- und Dioxygenasen! 

Monooxygenasen:              - Substrat + Donor-H2 + O2 → Substrat-O + Donor + H2O

  • Beispiel:              Methan-Monooxygenase, Epoxidase, Steroid-Monooxygenase, Monoterpen-

Monoxygenase, Baeyer-Villiger-Monooxygenase, Polyphenol-Oxidase

Dioxygenasen:                - Substrat + O2 → Substrat-O2

  • Beispiel: Lipoxygenase, alpha-Oxidase (=alpha-Dioxygenase) 

Erläutern Sie den Prozess der biotechnologischen Produktion von Phenylalanin aus trans-Zimtsäure! Welches Enzym wird verwendet? Phenylalanin dient selbst als Ausgangstoff für die industrielle Produktion eines Lebensmittelzusatzstoffes. Um welchen Zusatzstoff handelt es sich? 

Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL):

LM-Zusatzstoff: Aspartam (L-Asp-L-Phe-OMe) → Süßstoff 

Für die Produktion welcher Vitamine sind biotechnologische Verfahren Alternativen zur chemischen Synthese? Warum wird Acetobacter suboxydans bei der Herstellung des mengenmäßig wichtigsten Vitamins eingesetzt? 

  • Vitamin C  = Ascorbinsäure
  • Vitamin B2  = Riboflavin
  • Vitamin B12  = Cyanocobalamin 

→ Acetobacter suboxydans katalysiert die regioselektive Oxidation von D-Sorbitol zu L-Sorbose beim Reichstein

Gruessner Prozess zur Herstellung von Vitamin C. 

→ Nachteile einer chemischen Oxidation im Vergleich: - mögliche Mehrfachoxidation

  • toxische Metallkatalysatoren (Nebenreaktionen)
  • Keine Spezifität (Regio-und Enantioselektivität)
  • Sauerstoff wird nicht effizient eingebaut