Biochemie (Subject) / Biochemie II und biochemische Analytik (Lesson)

VL SoSe 14 Uni Hamburg Dozenten: Hahn/Bredehorst und Ziegelmüller

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• Beschreiben Sie grob die Proteolyse Ein Peptid und Wasser reagieren zu einer Carboxyl- und Aminokomponente
• Nennen Sie die sechs Hauptenzymklassen und den jeweiligen Reaktionstyp! Klasse - Reaktionstyp 1: Oxidoreduktasen - Oxidation-Reduktion 2: Transferasen - Gruppenübertragungen 3: Hydrolasen - Hydrolysereaktion (Übertragung funktioneller Gruppen auf Wasser) 4: Lyasen - Hinzufügen oder Entfernen von Gruppen zur Bildung von Doppelbindungen 5: Isomerasen - Isomerisierung (intramolekulare Gruppenübertragung) 6: Ligasen - Ligation zweier Substrate auf Kosten der ATP-Hydrolyse
• Warum ist ATP eine energiereichere Verbindungen als ADP?! ATP weist drei (statt zwei bei ADP) Phosphorylgruppen auf. Aufgrund der Abstoßung der negativen Ladungen an den Phosphorylgruppen sind die Produkte der Hydrolyse von ATP (ADP und Orthophosphat) energieärmer. Außerdem ist die Mesomeriestabilität von Orthophosphat gegenüber der Phosphorylgruppen in ADP und ATP höher.
• Beschreiben Sie die zwei Schritte der ATP-Hydrolyse! Glutamat wird durch ATP phosphoryliert. Dadurch entsteht ADP und ein Enzym-gebundenes Glutamylphosphat. Dieser Enzym-Substratkomplex reagiert mit Ammoniak zu Glutamin, ein Orthophosphatmolekül und dem Enzym.
• Was versteht man unter katabolischen und anabolischen Prozessen?! - beide Prozesse gehören zu metabolischen Prozessen - katabolische Prozesse: Stoffwechselprozess komplexer Moleküle (Proteine, Nucleinsäuren usw.) in einfache Moleküle (Kohlendioxid, Wasser, usw) mit damit verbundener Energiegewinnung. - anabolische Prozesse: Verbrauch von Energie zur Herstellung komplexer Moleküle
• Geben Sie einen kurzen Überblick über die vier Stufen des Katabolismus! Stufe I: Hydrolyse der Nährstoffe in ihre Grundeinheiten. Also Fette zu Fettsäuren, Kohlenhydrate zu Glucose und andere Zucker und Proteine zu Aminosäuren. Stufe II: Überführen der Grundeinheiten in Acetyl-CoA. Stufe III: Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2 (Citrat-Zylkus) Stufe IV: Übertragung der Elektronen von den in Stufe II und III reduzierten Elektronenübertragern auf Sauerstoff zur ATP-Gewinnung
• Beschreiben Sie die einzelnen Schritte der ersten Stufe der Glykolyse! 1. Phosphorylierung: alpha-D-Glukose reagiert mit ATP mittels Hexokinase und Mg2+ zu alpha-D-Glukose-6-phosphat und ADP 2. Isomerisierung: Glukose-6-phosphat reagiert mittels Glukosephosphatisomerase zu Fructose-6-phosphat. 3. erneute Phosphorylierung: Fruktose-6-phosphat reagiert mit ATP mittels Phosphofructokinase und Mg2+ zu Fructose-1,6-biphosphat 4. Spaltung: Fructose-1,6-bisphosphat reagiert mittels Aldolase zu Dihydroxyacetonphosphat (Keton) und D-Glycerinaldehyd-2-Phosphat.
• Beschreiben Sie die einzelnen Schritte der zweiten Stufe der Glykolyse! evtl: Umwandlung von Dihydroxyaceton in D-Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) mittels Triosephosphat-Isomerase. 1 Phosphorylierung und Oxidation: Reaktion von GAP mit P und NAD zu 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG), NADH und H+ mittels Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase. 2: 1,3-BPG und ADP reagieren zu 3-Phosphoglycerat (3-PG) mittels Phosphoglycerat-Kinase und Mg2+ 3: 3-PG wird von Phosphoglycerat-Mutase zu 2-PG umgewandelt, welches danach mittels Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) und Wasser reagiert. 4: PEP reagiert mit H+, ADP und P zu Pyruvat mittels Pyruvat-Kinase, Mg2+ und K+
• Erläutern Sie 3 Wege zum Pyruvatabbau! 1: aerobe Bedingungen - Pyruvatkohlenstoffatom wird über den Citratzyklus zu CO2 oxidiert und die Elektronen werden übertragen, um Wasser in der oxidativen Phosphorylierung zu bilden. NAD+ reagiert dabei zu NADH 2: Anaerobe Bedinungen (zB Muskel) - Milchsäuregärung: Pyruvat wird reversibel in Lactat umgewandelt. NADH -> NAD+ 3: alkoholische Gärung in Hefe: Pyruvat wird zu CO2 und Ethanol umgesetzt. NADH -> NAD+
• Durch welche Reaktion wird Acetyl-CoA gebildet? Durch die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat: Pyruvat + CoA + NAD+ reagieren zu Acetyl-CoA + CO2 + NADH
• Beschreiben Sie die Reaktion von Acetyl-CoA und Wasser! 1. Schritt: Hydrolyse = Acetyl-CoA und Wasser reagieren zu CoASH und Essigsäure. 2. Schritt: Ionisation = Essigsäure wird deprotoniert zu einem Acetat-Ion (welches resonanzstabilisiert ist) Insg: Acetyl-CoA und Wasser reagieren zu Acetat, CoASH und einem Proton
• Was ist das Prinzip der negativen Rückkopplung? Wird ein Metabolit (Endprodukt) über mehrere Zwischenschritte mit verschiedenen Enzymen gebildet, beschreibt die negative Rückkopplung die Hemmung des ersten Enzyms in der Kette durch das Endprodukt. Dadurch werden nutzlose Intermediate nicht gebildet.
• Wodurch erfolgt die Kontrolle der Phosphofructokinase und warum ist diese Kontrolle sinnvoll? Die Aktivität der PFK wird über den pH-Wert der Zelle gesteuert. Sinkt dieser unter 7 nimmt die Aktivität rasch ab und die Pyruvat und Lactat-Produktion wird gehemmt. Eine Überproduktion würde zu einer weiteren Absenkung des pH-Wertes führen.
• Nennen Sie die zwei Schritte der alkoholischen Gärung! 1. Decarboxylierung von Pyruvat unter Bidung von Acetaldehyd und CO2 - Enzym: Pyruvat-Decarboxylase 2. Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol durch NADH - Enzym: Alkohol-Dehydrogenase
• Nennen Sie alle Stationen des Citratzyklus! 1. Acetyl-CoA (C2) + Oxalacetat (C4) 2. Citrat (C6) 3. Isocitrat (C6) 4. alpha-Ketoglutarat (C5) 5. Succinyl-CoA (C4) 6. Succinat (C4) 7. Fumarat (C4) 8. Malat (C4) 0. Ocalacetat (C4)
• Beschreiben Sie die Reaktionen des Citratzyklus! Fassen Sie dabei die Rückbildung zum Ausgangsprodukt in einen Schritt zusammen! 1. Verknüpfung von Oxalacetat und Acetyl-CoA: Acetyl-CoA + Oxalacetat + H2O reagieren mittels Citrat-Synthase zu Citrat + CoA-SH + H+ 2. Reaktion der Aconitase: Citrat reagiert unter Wasserabspaltung zu cis-Aconitat und unter Aufnahme von Wasser zu Isocitrat 3. Reaktionen der Isocitrat-Dehydrogenase: Isocitrat + NAD+ reagiert zu NADH + H+ + Oxalsuccinat (enzymgebundenes Intermediat); Oxalsuccinat + H+ reagiert zu alpha-Ketoglutarat + CO2 4. Gesamtreaktion des alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenasekomplexes: alpha-Ketoglutarat + CoA-SH + NAD+ reagieren zu Succinyl-CoA + NADH + CO2 5. Reaktion der Succinyl-CoA-Synthetase: Succinyl-CoA + GDP + P reagieren zu Succinat + GTP + CoA-SH 6. Schrittweise Umwandlung von Succinat in Oxalacetat: Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat (FAD zu FADH2) - Fumarase mit Wasser zu L-Malat - Malat-Dehydrogenase zu Oxalacetat (NAD+ zu NADH + H+)
• Welche Zwischenprodukte des Citrat-Zyklus dienen als Vorstufe für welche anabole Stoffwechselwege? Citrat für Fettsäuren alpha-Ketoglutarat für Aminosäuren und Nucleotide Succinat für Porphyrine Malat für Glucose via Glucogenese Oxalacetat für Aminosäuren und Nucleotide
• Welche Produkte entstehen durch den Citratzyklus? 3 NADH + FADH2 + 2 CO2 + GTP (oder ATP)
• Welche Stoffwechselwege von Glucose-6-Phosphat sind außer der Bildung durch Glucose und der Glykolyse (Reaktion zu Pyruvat) noch möglich? Glykogenweg: Bildung von G6P durch Glycogen und Glycogensynthese durch G6P Pentosephosphatweg: Reaktion von G6P zu Ribose-5-Phosphat
• Beschreiben Sie die gegenläufigen Stoffwechselwege der Synthese und des Abbaus von Glycogen! Synthese: G6P wird durch Phosphoglucomutase zu G1P umgelagert. Danach reagiert dieses mittels UDP-Glucose-Pyrophosphorylase mit UTP zu UDP-Glucose und PPi (welches durch Pyrophosphatase in 2 Pi zerfällt). Durch die Glykogen-Synthase wird UDP-Glucose zu UDP und zu Glykogen (ein Verzweigungsenzym kettet die einzelnen Glucoseeinheiten aneinander) Abbau: Glykogen wird durch ein Entzweigungsenzym entzweigt und durch Glykogen-Phosphorylase zu G1P phosphoryliert.
• Erläutern Sie die Unterschiede zwischen Glykolyse und Gluconeogenese! generell ist die Gluconeogenese die Rückreaktion der Glykolyse. Da jedoch drei Schritte der Glykolyse quasi irreversibel sind, müssen hier andere Enzyme wirken oder Reaktionsschritte erfolgen. 1. Reaktion von Pyruvat zu Phosphoenolpyruvat: Bei der Glyconeogenese wird Zwischenprodukt Oxalacetat gebildet: Pyruvat reagiert mit ATP und CO2 mittels Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat, ADP und Pi. Das Oxalacetat reagiert dann mit GTP zu Phosphoenolpyruvat, CO2 und GDP. (Glykolyse: Phosphoenolpyruvat reagiert mit ADP zu Pyruvat und ATP) 2. Reaktion von Fructose-1,6-Bisphosphat zu Fructose-6-phosphat: FBP reagiert mir Wasser mittels Fructose-Bisphosphatase zu F6P und Pi. (Glykolyse: F6P reagiert mit ATP zu FBP und ADP) 3. Reaktion von Glukose-6-Phosphat zu Glukose: Reaktion von G6P mit Wasser mittels Glukose-6-phosphatase zu Glucose und Pi. (Glykolyse: Glukose reagiert mit ATP mittels Hexokinase zu G6P und ADP)
• Erläutern Sie die gegenseitige Regulation von Glycolyse und Gluconeogenese über Fructose-2,6-bisphosphat! Zentrales Element: Bifunktionales Enzym mit A) Phosphofructokinase-  und B) Fructose-2,6-bisphosphatase-Domäne. Fructose-2,6-bisphosphat aktiviert Phospofructokinase und somit auch die Glykolyse. Es hemmt zudem Fructose-2,6-bisphosphatase und somit auch die Gluconeogenese. Ob A) oder B) aktiviert wird hängt vom cAMP-Spiegel ab: hoher Blutzucker = niedriger cAMP-Wert (über Insulin): A) wird aktiviert. niedriger Blutzucker = hoher cAMP-Wert (über Glucagon): B) wird aktiviert
• Nennen Sie alle Stationen der Atmungskette! Komplex I: NADH-Dehydrogenase Komplex II: Succinat-Dehydrogenase Komplex III: Cytochrom-c-Reduktase Komplex IV: Cytochrom -c-Oxidase Komplex V: ATP-Synthase
• Aus welchen Schritten besteht die Photosynthese grob und welchem Zweck dienen die einzelnen Schritte?! Photosynthese besteht aus zwei Schritten: 1: Lichtreaktion: Bei der Lichtreaktion wird Sonnenenergie genutzt, um ATP herzustellen. 2: Dunkelreaktion: Die Dunkelreaktion verbraucht ATP zur Herstellung von Glyceraldehyd-3-Phosphat. Aus diesem Kohlenhydrat können dann in der Pflanze weitere andere Kohlenhydrate und Verbindungen synthetisiert werden.
• Beschreiben Sie die Lichtreaktionen der Photosynthese! 1. PSII: In Photosystem 2 wird P680 durch Licht angeregt und das Elektron wird über diverse Elektronentransporter (Chl a, Pheo a, Qa, Qb) abtransportiert. Das fehlende Elektron wird durch die Oxidation von Wasser (2 H2O reagiert zu O2, 4 H+ und 4 e-) ersetzt. Die entstandenen Protonen befinden sich im Thylakoid. 2. Cytochrom b6f: Cytochrom b6f nutzt das aus PSII gewonnene Elektron, um 8 Protonen aus dem Stroma in das Lumen des Thylakoids zu transportieren. Das Elektron wird danach über PC in das PSI transportiert. 3. PSI: Durch Licht wird P700 angeregt. Dieses wird über Elektronentransporter abtransportiert, um der Fd-NADP+-Reduktase zur Herstellung von NADPH (aus H+ und NADP+) zu dienen. 4. Durch PS2 und Cytochrom b6f wurde ein Protonengradient vom Thylakoidlumen zum Stroma des Chloroplast aufgebaut. Diesen nutzt die ATP-Synthase zur Phosphorylierung von ADP zu ATP aus. Insgesamt wurde also Wasser, NADP+, ADP und P verbraucht, um Sauerstoff, NADPH und ATP herzustellen.
• Beschreiben Sie die einzelnen Schritte der Dunkelreaktion der Photosynthese (Calvin-Zyklus)! Stufe 1 - Carboxylierung: 3 Ribulose-1,5-bisphosphat reagieren mit 3 CO2 mittels Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase-oxygenase (RiBisCo) zu 6 3-Phosphoglycerat. Stufe 2 - Reduktion: 6 3-Phosphoglycerat werden zu 6 Glyceraldehyd-3-phosphat (GAP) reduziert. Dabei werden 6 ATP zu 6 ADP und 6 P sowie 6 NADPH + 6H+ zu NADP+. Stufe 3 - Regenerierung: 1 GAP wird als Produkt abgeführt. Die restlichen 5 reagieren zu 3 Robulose-1,5-bisphosphat. Dabei wird 3 ATP verbraucht.
• Beschreiben Sie die zweite Stufe des Calvin-Zyklus! In der zweiten Stufe wird 3-Phosphoglycerat zu Glyceraldehyd-3-Phosphat reduziert. zunächst wird 3-PG von ATP mittels 3-Phosphoglyceratkinase phosphoryliert und es entsteht 1,3-bisphosphoglycerat und ADP. Danach reagiert 1,3-BPG zu GAP (NADPH + H+ reagiert zu NADP+ und es wird Pi abgespalten - Glyceraldehyd-3-phosphat-dehydrogenase) GAP reagier dann entweder im Stroma weiter zu Fructose-1,6-bisphosphat, Fructose-6-Phosphat und zu dann zu Stärke, oder es wird in Dihydroxyacetonphosphat umgewandelt und kann dann aus dem Cytoplast ins Cytosol transportiert werden. Hier reagiert es entweder über Fructose-... weiter zu Saccharose oder es wird wieder in GAP umgewandelt und durchläuft die Glykolyse
• Erläutern Sie die erste Stufe des Calvin-Zyklus! Reaktion von RubisCO: 1.: Sauerstoff am C2 v. Ribulose-1,5-bisphosphat (RBP) wird protoniert und C3 deprotoniert unter Ausbildung einer Doppelbindung zw. C2 u. C3. Außerdem wird CO2 von Mg2+ koordiniert. 2.: CO2 bindet an das C2 v. RBP - Doppelbindung zw. 2 und 3 wird zur Einfachbindung. Außerdem greift Wasser das C3 Atom nucleophil an und eine Hydroxygruppe bindet. 3.: 3-Phosphoglycerat wird abgespalten (Teil ab C3). (vorheriges) C2 wird protoniert und es entsteht ein weiteres 3-PG-Molekül.
• Erläutern Sie die zweite Stufe des Calvin-Zyklus! insg.: 3-Phosphoglycerat reagiert zu Glyceraldehyd-3-Phosphat. 1.: 3-PG wird von ATP mittels 3-Phosphoglycerat-kinase zu 1,3-bisphosphoglycerat phosphoryliert. 2.: Dieses reagiert unter Abspaltung einer Phosphatgruppe zu GAP. Dabei wird NADH + H+ zu NAD+ (3.: Das GAP kann nun direkt Fructose-1,6-bisphosphat und dann zu Fructose-6-phosphat zur Bildung von Stärke reagieren (im Stroma) oder über die Zwischenstufe Dihydroxyacetonphosphat ins Cytosol transpotiert werden und da den Fructose-Weg zu Saccharose reagieren, oder den Glykolyseweg einschlagen.)
• Fassen Sie die 4 Phasen des Lipidsoffwechsels zusammen! 1. Hydrolyse von Triacylglycerinen zu Glycerin und Fettsäuren. 2. Aktivierung der Fettsäuren: Fettsäure reagiert zu Acyl-CoA. 3. Transport des Acyl-CoA in die Matrix der Mitochondrien über die innere mitochondriale Membran. 4. beta-Oxidation des Acyl-CoA in einzelne Acetyl-CoA-Moleküle.
• Welche Vorgänge laufen während der ersten Phase des Lipidstoffwechsels ab? 1. Fettsäurereste werden durch (Phospho-)Lipasen und Wasser vom Glycerin getrennt (Verseifung = Wasser + Ester zu Säure und Alkohol) 2. Glycerin reagiert zunächst zu L-Glycerin-3-Phosphat und dann zu Dihydroxyacetonphosphat.
• Wie läuft die 2. Phase des Lipidstoffwechsels ab?! insg.: Fettsäure wird in Acyl-CoA umgewandelt 1.: Fettsäure greift alpha-Phosphatrest von ATP nucleophil an und die restlichen zwei Phosphatreste werden abgespalten. Diese reagieren mit Wasser mittels Pyrophosphatase zu zwei einzelne Phosphate. Als Produkt entsteht Acyladenylat (Fettsäure-AMP). 2.: C des Acyladenylats wird von HS-CoA angegriffen  und reagiert so zu Acyl-CoA und AMP.
• Erläutern Sie die dritte Phase des Lipidstoffwechsels! Carnitin-Zyklus: 1. Acyl-CoA reagiert mit Carnitin zu Acylcarnitin und HS-CoA. (Enzym: Acylcarnitin-Transerase I). Diese Reaktion findet im Intermembranraum (IMR) statt. 2. Acylcarnitin wird von der Acylcarnitin-Translokase vom IMR in die mitochondriale Matrix transportiert. 3. Die Acylcanitin-Transmerase II wandelt Acylcarnitin und CoA-SH in Carnitin und Acyl-CoA um. Das Acyl-CoA durchläuft dann die beta-Oxidation. 4. Carnitin wird von der Acylcarnitin-Translokase in den IMR transportiert.
• Erläutern Sie die vierte Phase des Lipidstoffwechsels (beta-Oxidation)! Acyl-CoA - (Oxidation, Hydratisierung, Oxidation, Thiolyse) -> Acetyl-CoA und Acyl-CoA (zweifach verkürzt) 1. Oxidation von Acyl-CoA zu trans-Delta²-Enoyl-CoA (weist nun eine Doppelbindung zwischen alpha und beta-C auf) durch Acyl-CoA-Dehydrogenase und Reduktion von FAD zu FADH2. 2. Hydratisierung von trans-... unter Rückbildung der DB in eine Einfachbindung. Das beta-C weist nun eine Hydroxygruppe auf. Produkt: 3-Hydroxyacyl-CoA Enzym: Hydratase. 3. Oxidation des 3-Hydroxyacyl-CoA zu 3-Ketoacyl-CoA am C3 (CHOH zu CO) mittels Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase und unter Reduktion von NAD+ zu NADH + H+. 4. Thiolyse von 3-Ketoacyl-CoA mit CoA-SH zu Acetyl-CoA und einem zweifach verkürzten Acyl-CoA. Das verkürzte Acyl-CoA durchläuft diesen Vorgang so oft bis es vollständig in Acetyl-CoA umgesetzt wurde.

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