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Biochemie für Biologen (Fach) / Biochemie Fragen (Lektion)

Biochemie Fragen aus Ausarbeitung (B.Hamilton)

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  • Welchen Stoffklassen gehören die Moleküle aller Lebensformen an? - Kohlehydrate- Lipide- Proteine- Nucleinsäuren- spezialisierte organische Cofaktoren
  • Was sind Makromoleküle? Besonders große Moleküle, zusammengesetzt aus kleinenorganischen Molekülen.
  • Was sind Monomere? Reaktionsfähige Moleküle, die sich zu Polymeren zusammenschließen?
  • Was sind Polymere? Ein Polymer ist eine chemische Verbindung aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekülen), die wiederum aus gleichen oder gleichartigen Einheiten, den sogenannten Monomeren, bestehen. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend „aus vielen gleichen Teilen aufgebaut“. Kohlenhydrate, Lipide und Nucleinsäuren sind Polymere.
  • Was ist Kondensation? Eine dehydratisierende Kondensation liegt vor, wenn zwei Monomere unter Abspaltung eines Wassermoleküls kovalent verbunden werden. (kovalente Bindung = Elektronenpaarbindung)
  • Was ist Hydrolyse? Spaltung von Polymeren. Umkehrung der Kondensation durch eine Reaktion mit Wasser.
  • Woraus bestehen Kohlenhydrate? Wozu dienen sie? Aus Zucker-Monomeren und den aus ihnen gebildeten Polymeren. → Energiequelle (Glucose), Speicherstoffe (Glycogen, Stärke), Baumaterial (Cellulose, Chitin)
  • Welche Kohlenhydrate gibt es? Monosaccharide: einfachste KH, Einfachzucker, zB GlucoseDisaccharide: entstehen aus der Kondensation von 2 Zucker-Einheiten (zB Maltose aus 2 Monomeren Glucose)Polysaccharide: Vielfachzucker, entstehen durch Polykondensationvieler Monosaccharide
  • Woraus bestehen Proteine? Monomere sind 20 verschiedene Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft werden.
  • Was ist ein Polypeptid? Polymer mit zahlreichen Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren. Die Größe einzelnder Polypeptidketten variiert von wenigen Aminosäureresten Länge bis hin zu tausenden. Jedes Polypeptid besitzt eine ihm eigene lineare Aminosäurenfrequenz und der daraus abgeleiteten Struktur.
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  • Was sind Polynucleotide? Nucleinsäuren werden aufgrund ihrer Polymerstruktur so bezeichnet.Ein Polynucleotid besteht aus Monomeren (Nucleinsäuren).
  • Woraus sind Nucleinsäuren aufgebaut? - Nucleinbase (stickstoffhaltiges Molekül): A, G, C, T bzw. U- fünfgliedriger Zuckerrest (Ribose od. Desoxyribose)- Phosphorsäurerest
  • Was ist ein Nucleosid? Nucleinbase + Zuckerrest ohne Phosphatrest
  • Wie lautet der erste Hauptsatz der Thermodynamik? EnergieerhaltungssatzBei jeder chemischen oder physikalischen Veränderung bleibt dieGesamtmenge der Energie im Universum konstant.→ Energie geht nie verloren, sondern wird umgewandelt.
  • Wie lautet der zweite Hauptsatz der Thermodynamik? 1) Bei allen natürlichen Prozessen nimmt die Entropie im Universum zu, das Universum strebt immer einer größeren Unterordnung zu. 2) Im Laufe jeder Energieumwandlung oder Energieübertragung geht ein Teil der Energie als Wärme verloren und ist für den Prozess nicht mehr verfügbar.
  • Was ist Entropie? Das Maß der UnordnungIm Universum (oder jedem davon isolierten System) kann das Maß der Unordnung nur zunehmen. Die Systeme streben einem Zustand größerer Entropie zu.
  • Was beschreibt die Maßzahl Entropie (S)? Zahl der Mikrozustände, durch die der beobachtete Makrozustand des Systems realisiert werden kann.
  • Lebende Zellen erzeugen Ordnung, das scheint der Thermodynamik zu widersprechen. Wieso tut es das nicht? Organismen sind nie im Gleichgewicht mit ihrer Umgebung:kontinuierlicher Stoff- und Energieaustausch Dynamische Fließgleichgewichte stellen sich ein, scheinen wieGleichgewicht. Können nur durch Energieaufwand erhalten werden. Biologische Reaktionen sind verbunden über Energiekopplung.Thermodynamisch unmögliche Reaktionen werden mit Reaktionengekoppelt, die thermodynamisch günstig sind. Die Zelle ist kein isoliertes System. Im Verlauf der chemischen Reaktionen, die Ordnung erzeugen, wurde chem. Bindungsenergie in Wärme umgewandelt. Die Wärme steigert die Intensität der thermischen Bewegungen bei den dort vorhandenen Molekülen und erhöht somit die Unordnung in ihrer Umgebung.
  • Wie hängen Photosynthese und Zellatmung zusammen? Photosynthese und Zellatmung sind komplementäre Prozesse. Photosynthese nutzt Sonnenenergie um Zucker und andere organische Moleküle aus den C-Atomen von CO2 aus der Atmosphäre aufzubauen. Diese Moleküle nutzen andere Organismen als Nahrung. O2 wird in diesen Organismen in der Zellatmung verwendet um Nahrungsmoleküle zu oxidieren. Dabei werden C-Atome in Form von CO2 wieder an die Atmosphäre abgegeben. So gewinnen die Organismen die chemische Bindungsenergie, die sie zum Leben brauchen.
  • Was ist die Enthalpie ΔH? Der Energieumsatz (Enthalpie ΔH) bei der Bildung von Glucose aus  Kohlendioxid und Wasser ist genauso groß wie der Umsatz bei der Verbrennung von Glucose, nur das Vorzeichen ändert sich (+/-). Diese Reaktionen laufen nur dann spontan ab, wenn am Ende der Reaktion ein niedrigeres Energieniveau erreicht wird.
  • Was gibt die Reaktionsenthalpie ΔH an? Gibt an, ob ein Prozess exotherm ( ΔH = negativ, Reaktion setzt Wärme frei) oder endotherm ( ΔH = positiv, Reaktion nimmt Umgebungswärme auf) abläuft. Sagt jedoch nicht aus, ob der Prozess freiwillig abläuft oder nicht!
  • Was ist die Triebkraft einer Reaktion, wie wird sie angegeben? Die Triebkraft einer Reaktion wird von der Gibbs-Energie angegeben. Sie bezeichnet jede Energiemenge, die für Arbeit zur Verfügung steht und wird über die Gibbs-Helmholtz-Gleichung aus der Enthalpie ΔH und Entropie ΔS berechnet: ΔG = ΔH – T x ΔS ΔG ist positiv: Arbeit muss aufgewendet werden, am Ende der Reaktion befinden sich die Reaktionsteilnehmer in einem höheren Energieniveau. → endergon ΔG ist negativ: Arbeit kann geleistet werden, am Ende der Reaktion befinden sich die Reaktionsteilnehmer in einem niedrigeren Energieniveau. → exergonBei einem spontan reagierenden System ist ΔG immer negativ.
  • Was versteht man unter Fließgleichgewicht = Steady State? Stationärer Zustand, bei dem fortlaufend Substanzen in ein System einströmen und Reaktionsprodukte ausgeschleust werden. Immer offenes System, Transportvorgänge bestimmen die Gleichgewichtskonzentrationen in jeder Zelle.Nach Störungen besteht die Tendenz, zum Steady State zurück zukehren. Homöostase-Störungen zeigen sich in abweichenden Mengen.Beispiel:Nahrung wird in Glucose (Menge r1) umgewandelt, diese wiederumin Abfall (r2), Fettspeicher (r3) und andere Produkte (r4).Wenn r1 = r2+r3+r4, dann ist die Konzentration von Glucose im Blutkonstant.
  • Welche gekoppelten Reaktionen gibt es? Eine gekoppelte Reaktion koppelt eine endergone mit einer exergonen Reaktion.Eine Reaktion läuft umso freiwilliger ab, je mehr dabei die Unordnung ( ΔS) zunimmt und je mehr Wärmeenergie (Enthalpie ΔH) dabei frei wird. Mit zunehmender Temperatur T (Kelvin) steigt der Einfluss der Entropieänderung ΔS.ΔG < 0: exergone Reaktion, die unter den gegebenen Bedingungen(Konzentrationen) freiwillig abläuft.ΔG = 0: gleichgewichtssituation, keine ReaktionΔG > 0: endergone Reaktion, deren Ablauf in der angegebenRichtung Energiezufuhr erfordert.Bsp: Mühlrad:Wasserlauf ist exergon (Wasser fließt bergab)Bewegung des Mühlrads in endergon (benötigt Schub durch Wasser)
  • Wozu dienen gekoppelte Reaktionen in lebenden Systemen? In lebenden Systemen wird eine energetisch günstige Reaktion dazuverwendet, eine energetisch ungünstige anzutreiben.Kopplungsmechanismen erfordern Enzyme und sind für alleEnergietransaktionen der Zelle von grundlegender Bedeutung.Enzyme koppeln energetisch günstige Reaktionen an energetischungünstige Reaktionen.Beispiel:Reaktion 1: Glucose + Phosphat → Glucose-6-Phosphat. ( ΔG>0)Reaktion 2: ATP → ADP + Phosphat. ΔG<0Reaktion 3: Glucose + ATP → Glucose-6-Phosphat + ADPΔG3 = ΔG1 + ΔG2Reaktion kann nur ablaufen, wenn ΔG3<0
  • Welchen Vorteile hat die Katalyse durch Enzyme? Enzyme sind die effektivsten Reaktionsbeschleuniger, die man kennt(Beschleunigungsfaktor bis zu 1014). Enzyme ermöglichen Reaktionen, die bei normalen Temperaturen sonst nicht mit ausreichender Geschwindigkeit ablaufen würden.
  • Was kennzeichnet die Katalyse durch Enzyme? Enzyme sind hochselektiv. Ein Enzym beschleunigt normalerweisenur eine bestimmte Reaktion. So leiten Enzyme jedes der vielenversch. Moleküle entlang eines spezifischen Reaktionswegs.Dadurch entstehen Verbindungen, die die Zelle tatsächlich benötigt.Enzyme verändern sich durch die Reaktionen nicht und können soimmer wieder ihre Funktion ausüben.Beispiel:Hexokinase weist hohe Affinität zu Glucose aus, die weit unterhalbder niedrigsten Glucosekonzentration liegt. So ist sichergestellt, dassMuskeln, Hirn etc. unabhängig von der Stoffwechsellage bei BedarfGlucose aus dem Blut in die Glycolyse einschleusen können.Glucokinase hat niedrige Affinität zu Glucose, das ist wichtig für ihreRolle im Blutzucker-Sensorsystem des Pankreas.
  • Was machen Enzyme in biochemischen Reaktionen? Als Biokatalysatoren beschleunigen Enzyme die biochemischeReaktion, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, die für eineStoffumsetzung überwunden werden muss.Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung reversibel (Produktekönnen wieder in Ausgangsstoffe umgewandeln werden).
  • Wie sieht die energetische Grundlage der Katalyse aus? Energiediagramm einer enzymatischen Reaktion:Die Aktivierungsenergie (freie Aktivierungsenthalpie) wird im Vergleich zur unkatalysierten Reaktion durch Stabilsierung des Übergangszustandes gesenkt. Die freie Reaktionsenthalpie bleibtdabei unverändert.Das Enzym stabilsiert den Übergangszustand durch Wechselwirkungen mit diesem, sodass weniger Energie benötigt wird, um das Substrat in den Übergangszustand zu bringen.
  • Was ist ein Katalysator? Moleküle eines Lebewesens befinden sich in einem relativ stabilenZustand und brauchen einen energetischen „Stoß“, um sich in einenZustand niedrigerer Energie zu verwandeln.In lebenden Zellen (bei den dort herrschenden Temperaturen) wird dieser „Stoß“ von Enzymen unterstützt. Jedes Enzym bindet an ein oder zwei Moleküle (Substrate) und hält sie so, dass die Aktivierungsenergie, die nötig ist, um eine spezifische chemische Wechselwirkung zwischen ihnen zu erreichen, verringert wird.
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  • Was bestimmen Enzyme in einem Organismus? - Welche Reaktionen ablaufen- Wenn diese ablaufen- Wo diese ablaufen- Wie schnell diese ablaufen
  • Worauf haben Enzyme bei Reaktionen keinen Einfluss? - Auf das Vorzeichen der freien Energie ΔG- Auf die Änderung der freien Energie ΔG (freie Enthalpie)- Auf die Lage des Gleichgewichts der Reaktion
  • Woraus bestehen Atome? Aus Elementarteilchen (subatomare Teilchen):- Neutronen (ohne elektrische Ladung)- Protonen (positive Ladung)- Elektronen (negative Ladung)Neutronen und Protonen bilden Atomkern und besitzen ähnlicheMassen (Einheit: Dalton).Elektronen umgeben den Atomkern wie eine Wolke.
  • Was bezeichnet die Ordnungs- oder Kernladungszahl eines Elemnts? Die Zahl der Protonen in seinem Kern
  • Was ist die Atommasse oder Massenzahl? Summe der Protonen und der Neutronen im Atomkern.Die Massenzahl eines Atoms ist praktisch gleich seiner Masse.
  • Wodurch wird das chemische Verhalten eines Atoms bestimmt? Von der Verteilung der Elektronen in seinen Elektronenschalen.Das Periodensystem der Elemente zeigt die Anordnung der Elektronen für jedes Element. In der Valenzschale (äußerste Elektronenschale) befinden sich die Valenzelektronen. Das chemische Verhalten eines Elements hängt in erster Linie von der Zahl der Elektronen in der Valenzschale ab.
  • Was ist ein Orbital? Ein dreidimensionaler Raum, innerhalb dessen sich ein Elektron miteiner Wahrscheinlichkeit von 90% aufhält.Jede Elektronenschale eines Atoms hat ein definiertes Energieniveaumit einer festen Anzahl von Orbitalen.
  • Wieviele natürliche Elemente gibt es? 92, aber nur aus 4 davon werden lebende Organismen gebildet (C, H,N, O).
  • Was ist eine kovalente Bindung? Die Atombindung (kovalente Bindung) ist eine Form der chemischenBindung und für den festen Zusammenhalt von Atomen in molekularaufgebauten chemischen Verbindungen verantwortlich.Atombindungen bilden sich besonders zwischen den Atomen vonNichtmetallen aus.Kovalente Bindung = gemeinschaftliche Nutzung eines Valenzelektronenpaars durch 2 Atome.De gemeinsam genutzten Elektronen gelten als Teil beiderValenzschalen.Bsp Wasserstoff:Bei einer kovalenten Bindung zwischen zwei H-Atomen teilen diesesich ihr jeweils einzelnes Elektron und können so die erste Schalefüllen.Die kovalente Bindung zwischen den Atomen hat eine genaufestgelegte Länge.Einfachbindung: gemeinsame Nutzung eines ValenzelektronenpaarsDoppelbindung: gemeinsame Nutzung von zweiValenzelektronenpaaren

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