Biologie (Subject) / Grundlagen der Zellbiologie und Biochemie (Lesson)

Grundlagen d. Zellbiologie und Biochemie B.Sc. 1.Semester

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• Wie lautet die Nettoreaktion der Milchsäuregärung? Glukose + 2 (ADP+P) -> 2 Lactat + 2ATP + 2H2O
• Wie lautet die Nettoreaktionsgleichung des Citratzyklus? Acetyl-CoA + GDP + P + 3NAD+ + FAD++ 2H2O -> CoA-SH + GTP + 3(NADH+H+) + FADH2 + 2CO2
• Warum spricht man vom Citratzyklus bzw. Tricarbonsäurezyklus? Acetyl-CoA und Oxalacetat bilden Citrat, den Ausgangsstoff des TCC. Citrat ist eine Tricarbonsäure.
• Warum wird der TCC auch metabolische Drehscheibe genannt? Aufgrund seines amphibolen Charakters. Im TCC laufen anabole und katabole Prozesse zusammen.
• Was versteht man unter Katabolismus und Anabolismus? Beides sind Formen des Metabolismus. Katabolismus ist "abbauend" und Anabolismus "aufbauend". Der Katabolismus liefert, der Anabolismus verbraucht Energie.
• Wie lautet die "Wiederauffüllungsreaktion" im Citratzyklus? Was ist ihre Funktion? Katalysiert durch die Pyruvat-Carboxylase zur Auffüllung von TCC-Intermediaten für anabole Stoffwechselwege: Pyruvat + CO2 + ATP + H2O -> Oxalacetat + ADP+P + 2H+
• Wie lautet die Nettoreaktionsgleichung der Atmungskette bzw. oxidativen Phosphorylierung? Glukose + 10NAD+ + 2FAD + 4(ADP+P) + 2H2O -> 6 CO2 + 10 (NADH+H+) + 2FADH2 + 4ATP
• Wie groß ist die Gesamtausbeute des aeroben bzw. anaeroben Stoffwechsels? aerob: ca. 30ATP anaerob: 2 ATP
• Wie viele Komplexe beinhaltet die Atmungskette und wie heißen sie? Insgesamt 5: Komplex 1: NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase Komplex 2: Succinat: Ubichinon-Oxidoreduktase Komplex 3: Ubihydrochinon: Cytochrom-C-Oxidoreduktase Komplex 4: Cytochrom C: O2-Oxidoreduktase Komplex 5: ATP-Synthase
• Aus welchen zwei Arten kann ATP durch Oxidation von Glukose gebildet werden? Durch Substratkettenphosphorylierung, d.h. direkt durch eine Stoffwechselreaktion,die von der Phosphoglycerat-Kinase oder der Pyruvatkinase der Glykolysekatalysiert wird. Indirekt, indem NADH seine Elektronen in der oxidativen Phosphorylierung(Atmungskette) auf Sauerstoff überträgt. Bei dieser Elektronen-Übertragung wird einProtonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut, der die ATPSynthaseantreibt.
• Welche Reaktion der Glykolyse generiert Reduktionsäquivalente? Welches Molekül genau? Könnte dieses Enzym auch NADPH oder FADH2 herstellen? Katalyse durch die GAP-Hydrogenase: Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) -> 1,3-Bisphosphoglycerat NADPH könnte eventuell passen, die Strukturunterschiede zu NAD+ sind eher gering. Dehydrogenasen reduzieren jedoch meistens NAD+, während Reduktasen meistens NADP+ reduzieren. FAD+ unterscheidet sich strukturell zu stark von NAD+, sodass keine Katalyse möglich ist.
• Welche zentralen Verbindungen erscheinen nicht in der Nettoreaktionsgleichung d. TCCs? alle C4-,C5- und C6-Intermediate, z.B. Oxalacetat
• Woher kommt das Acetyl-CoA des TCCs und wie werden die Reaktionsprodukte weiter verarbeitet? Das Acetyl-CoA stammt aus dem Abbau von Glukose und Fettsäuren und wird in der oxidativen Decarboxylierung mit CoA verknüpft.  Die Produkte (NADH + FADH2) werden schrittweise in der Atmungskette oxidiert.
• Welche strukturellen Eigenschaften besitzen ATP, NAD+, CoA und FAD? Welche evolutionären Vorteile könnten die Gründe sein? Sie gehen alle aus dem Grundmolekül AMP hervor. Ein universeller Energieträger ist "energiefreundlicher" für die Biosynthese, da nicht dauernd neusynthetisiert werden muss.
• Die Aktivität des TCCs wird hauptsächlich "metabolisch" über das NAD+/NADH-Verhältnis der Zelle reguliert. Welche anderen Möglichkeiten haben Sie bereits kennen gelernt, wie die zelluläre Aktivität eines Enzyms den Bedürfnissen angepasst werden kann? Welche Vorteile bietet die hier gewählte "metabolische Regulation"? Regulation der Transkription (Expressionsstärke des Gens), posttranslationaleEnzymmodifikationen (z.B. Phosphorylierung),ev. bekannt Regulation der Proteinstabilität/-halbwertszeit (Abbau durch Proteasomen) Sehr schnelle Regulation; sehr direkte Anpassung der Enzymaktivität an den Bedarf anReduktionsäquivalenten; reversible Regulation, d.h. kurzzeitige Aktivierung, dieschnell wieder aufgehoben werden kann, wenn der Bedarf gedeckt ist.
• Warum wurde höchstwahrscheinlich ein relativ kompliziertes Molekül wie ATP als natürliche Energiewährung in den meisten Zellen ausgewählt? Z.B. statt Pyrophosphat? Standardbildungsenthalpie für ATP: -30,5 (kJ/mol) Standardbildungsenthalpie für PP: -19,3 (kJ/mol) Über die Kompliziertheit des ATPs wird auch eine höhere Spezifität für z.B. Enzyme oder für die Regulation der Zelle gewährleistet. Außerdem sind 1/3 Energieunterschied nicht unbedingt relevant.
• Beschreiben Sie kurz den Mechanismus der Fettsäure Beta-Oxidation Bei der Fettsäure -Oxidation wird das dritte C-Atom (das sog. C-Atom) vomCarboxylende (gebunden an Coenzym A) durch drei Teilreaktionen oxidiert, undin der vierten Reaktion wird die davor gelegenen C2-Einheit als Acetyl-CoAabgespalten; dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis die letzte C2-Einheit(Acetyl-CoA) erreicht ist Zusatz: Weiterverwendung der Reaktionsprodukte: Acetyl-CoA wird weiterdurch den Citratzyklus zu CO2 abgebaut; die Reduktionsäquivalente NADH undFADH2 gehen in die Atmungskette
• Wie entstehen neue Gene? Innerhalb eines Organismus: 1.       Intragene Mutation2.       Genverdopplung3.       Sequenzvermischung Zwischen zwei Organismen: 4.       Horizontaler Gentransfer→   Zwischen Prokaryoten: Aufnahme von DNA aus Nachbarzellen (z.B. Resitenzgene, Toxingene)→   Durch Bakteriophagen (Bakterien-Viren)→   Von Prokaryoten auf Eukaryoten, durch das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens  
• Wie entwickeln sich Genome in der Evolution? Beim Speichern und Kopieren der genetischen Information können Veränderungen entstehen (Mutationen). Durch natürliche Auslese (Selektion) werden nur günstige Veränderungen weitergegeben (Evolution).
• Warum werden Membranen benötigt? Die Zellmembran besteht aus Lipiden und Proteinen. Die Lipiddoppelschicht fungiert als Abgrenzung, die Proteine ermöglichen Stoffaustausch sowie die Umwandlung von Energie.
• Warum ein RNA-Intermediat (Zwischenprodukt)? Schutz der DNA im Kern vor dem Cytoplasma Amplifikation (selektive Vervielfältigung eines bestimmten DNA-Abschnitts) Regulationsmöglichkeiten: z.B. RNA - Stabilität
• Warum ist das Lysosom das sauerstes Kompartiment der tierischen Zelle? Ansäuerung über H+-ATPase vom gleichen Typus wie in der Vakuole.
• Was können Proteine? ·         führen nahezu alle Zellfunktionen aus ·         können miteinander und anderen biologischen Makromolekülen interagieren ·         besitzen eine Vielfalt an funktionellen Gruppen und Strukturen
• Wie werden aus Aminosäuren Proteine? Proteinbiosynthese, Transkription:  Ausbildung einer Peptidbindung (Amidbindung)
• Wie kommt es zur Absorption (bei einem Photometer)? Licht wird in Lösungen von farbigen Substanzen absorbiert. Je mehr Moleküle in der Lösung sind, desto höher ist die Absorption. Diese ist auch von der Art des gelösten Moleküls abhängig.
• Wo kommen die Mikrotubuli vor? allgemein als Zytoskelett (Struktur und Bewegung der Zelle) im Spindelapparat bei der Zellteilung (Trennung der Chromosomen) unter der Plasmamembran von Pflanzenzellen (u.a. für die Bewegung der Cellulosesynthase) in Pflanzen zur Ausbildung der Zellplatte (für den Vesikeltransport)
• Was bedeutet „Stoffwechsel“? =Metabolismus komplex verwobenes Netz aus chemischen Reaktionen (>1000 Reaktionen alleine in E. coli) aufgeteilt in Katabolismusund Anabolismus
• Wann und wo laufen anabole und katabole Prozesse ab, parallel? anabole Prozesse:           Aufbau von Speichermolekülen und zellulären Baustoffen (Biosynthese) z.B.:                                    Stärke- und Glykogensynthese. katabole Prozesse: Abbau von Nahrungs-und Speichermolekülen z.B.: Glykolyse. Um chemische Ressourcen effizient und flexibel zu nutzen werden in intermediären Stoffwechselvorgängen anabole und katabole Prozesse miteinander verknüpft.
• Wie kann eine endergone Reaktion in der Natur ermöglicht werden? Eine thermodynamisch ungünstige Reaktion kann von einer thermodynamisch günstigen angetrieben werden. In den meisten Fällen ist die Hydrolyse von ATP diese energetisch günstige Reaktion
• Wo genau steckt die Energie im ATP-Molekül? Die hohe Hydrolyseenergie steckt in den (äußeren) beiden Phosphorsäureanhydridbindungen.
• Wann und wo geschieht die Isomerisierungvon Glucose-6-P (Aldose) in Fructose-6-P (Ketose)? Im 2. Schritt der Glykolyse im Cytosol unter dem Enzym Glucosephosphat-Isomerase.
• Welche(s) Enzym(e) würden Sie in der Glykolyse regulieren? Warum? Ganze Stoffwechselwege werden meist über Enzyme reguliert, die irreversible Reaktionen katalysieren. In der Regel wird ein einziges Enzym reguliert. Im Falle der Glykolyse ist die Phosphofructokinase(PFK) das regulierte Enzyme (=„Schlüsselenzym“).
• Welchen Vorteil bietet die Regulation der PFK vgl. mit der Hexokinase? 3 irreversible Schritte in der Glykolyse einer von denen muss reguliert werden hexokinase 1 pfk 3. hexokinase unspezifisch, pfk spezifisch – nur glykolyse wird reguliert
• Welche Reaktion katalysiert die Hexokinase? Im 1. Schritt der Glykolyse phosphoryliert Hexokinase Glucose unter Verwendung von ATP zu Glucose-6-phosphat. Eine der wenigen Glykolyse-Reaktionen, die praktisch irreversibel sind.
• Was versteht man unter Substratkettenphosphorylierung? Glykolyseschritt, bei dem ATP generiert wird.
• Beschreiben Sie, wo in der Zelle Glykolyse, Pyr-Oxidation, Citratzyklus und Oxidative Phosphorylierung ablaufen. Glykolyse im Cytosol Pyruvat-Oxidation in der Matrix von Mitochondrien Citrazyklus: in der Mitochondrienmatrix Oxidative Phosphorylierung: an der inneren Mitochondrienmembran
• Nennen Sie zwei Beispiele für stark exergone Reaktionen. Oxidation von Isocitrat (C6) zu CO2 und α-Ketoglutarat (C5) durch Isocitrat-Dehydrogenase unter Synthese von NADH (Citratzyklus). Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phosphat durch Hexokinase unter Verwendung von ATP (Glykolyse). ATP-Synthese allgemein und ihre Einzelschritte.
• Was geschieht im Citratzyklus mit den beiden Kohlenstoffatomen des Acetyl-CoAs? Vollständige Oxidation zu 2 CO2.
• Nennen Sie eine wichtige Di- und eine Tricarbonsäure des Citratzyklus. di oxalacetat -> zyklus tri citrat -> namensgebender stoff
• Was sind Cytochrome? Elektronentransportierende Proteine, die dem Hämoglobin ähneln, weil sie wie Hämoglobin Häm als prosthetische Gruppe enthalten.
• Welche Fakten sprechen dafür, dass sich phagocytierte Bakterien in Mitochondrien entwickelt haben? Entwicklung eines Mechanismus zum Transport kernkodierter Proteine zurück in Mitochondrien: 1.       Gentransfer 2.       Proteintransfer
• Wo sind die meisten mitochondrialen Proteine codiert? Zellkern
• Wenn die ATP-Synthese unterbunden ist (z.B. gehemmt), werden (fast) keine Elektronen transportiert. Warum ist dies wichtig? Die freie Energie der Redoxreaktionen wird genutzt und gespeichert, dabei wird chemiosmotisches Potential gebildet.
• An welchen Orten in der Zelle befinden sich Proteine? Subzelluläre Lokalisation von Proteinen: ÜBERALL
• Wie gelangen die Proteine an diese Orte? Proteine werden über spezifische Zielsteuerungssignale an ihren korrekten Zielort dirigiert.
• An welchen Orten findet in der Zelle die Transkription statt? im Zellkern für Kern-DNA in den Mitochondrien für mitochondriale DNA in Plastiden für plastidäre DNA
• Wie werden Kern-kodierte Proteine nach ihrer Translation an cytosolischen Ribosomen spezifisch zu Mitochondrien dirigiert (d.h. gelangen nicht in Chloroplasten, Golgi oder Zellkern)? Einige Signale ähneln sich und sind nicht leicht zu unterscheiden. Zur Weiterleitung innerhalb eines Organells in spezifische Sub-Kompartimente werden sogenannte zweiteilige (bipartite) Signale verwendet.
• Wie werden sie über die Organellenmembranen in die Matrix transportiert? Die Zielsteuerungssignalsequenz dockt am Rezeptorprotein der Proteinimportpore TOM40 (äußere Mitochondrienmembran) an und gelangt anschließend durch die Proteinimportpore TIM23 (innere Mitochondrienmembran) in die Matrix wo zuletzt die Zielsteuerungssignalsequenz abgeschnitten wird.
• Warum wird Energie in Fetten gelagert? Zwei Gründe: 1. Hoher Energiegehalt von Fetten 2. Fette werden wasserfrei gelagert
• Warum heißt der Fettsäureabbau „β-Oxidation“? Die Fettsäureketten werden in zyklischen Reaktionssequenzen jeweils um C2-Einheiten verkürzt durch Oxidation des C3-Atoms (Cβ).

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