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Struktur und Funktion von Enzymen

Definition:

Struktur und Funktion von Enzymen: Enzyme sind biologische Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken.

Details:

• Primärstruktur: Aminosäuresequenz
• Sekundärstruktur: α-Helices und β-Faltblätter, stabilisiert durch Wasserstoffbrücken
• Tertiärstruktur: Dreidimensionale Faltung, stabilisiert durch Disulfidbrücken, Ionenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen
• Quartärstruktur: Assemblierung mehrerer Polypeptidketten
• Aktives Zentrum: Region, in der die Substratbindung und Katalyse stattfindet
• Allosterische Stellen: Regionen, die die Enzymaktivität regulieren
• Mechanismus: Bindung an Substrat, Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes, Konformationsänderung, Reaktionsübergang, Produktfreisetzung
• Michaelis-Menten-Gleichung:

Michaelis-Menten-Kinetik

Definition:

Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration bei enzymkatalysierten Reaktionen.

Details:

• Grundgleichung: \[v_0 = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} \]
• \(v_0\): Anfangsgeschwindigkeit
• \(V_{max}\): Maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• \(K_m\): Michaelis-Konstante (Substratkonzentration bei \(v_0 = \frac{V_{max}}{2}\))
• Annahme: Enzym-Substrat-Komplexbildung in einem Gleichgewicht
• Gültig bei konstantem Enzymgehalt
• Lineweaver-Burk-Diagramm zur Linearisierung: \[ \frac{1}{v_0} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]

Oxidative Phosphorylierung

Definition:

ATP-Synthese durch Transfer von Elektronen auf Sauerstoff in Mitochondrien.

Details:

• Ort: Innere Mitochondrienmembran
• Elektronentransportkette: Komplex I-IV
• Protonengradient: Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt
• ATP-Synthase: Protonenfluss durch ATP-Synthase treibt ATP-Produktion
• Reaktionen: \[NADH + H^+ + 1/2 O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O\] \[ADP + P_i + 4H^+_{intermembran} \rightarrow ATP + H_2O + 4H^+_{matrix}\]

Mechanismen der DNA-Replikation

Definition:

Prozess der Verdopplung der DNA vor der Zellteilung zur Sicherung der genetischen Information in Tochterzellen.

Details:

• Initiation: Startpunkt an Origin of Replication, Helicase entwindet DNA-Doppelhelix
• Elongation: DNA-Polymerase synthetisiert neuen Strang in 5'→3' Richtung. Leitstrang kontinuierlich, Folgestrang diskontinuierlich (Okazaki-Fragmente)
• Termination: Abschließende Replikation und Trennung der neuen DNA-Moleküle
• Primase: synthetisiert RNA-Primer für Startpunkt der DNA-Synthese
• Ligase: Verbindet DNA-Stücke (insbesondere Okazaki-Fragmente)
• Topoisomerase: Verhindert Überdrillung der DNA durch Entwindung
• Replikationsgabel: Bereich der aktiven DNA-Synthese
• Proofreading: Korrekturmechanismen zur Sicherstellung der Genauigkeit durch DNA-Polymerase
• SSB-Proteine: Stabilisieren einzelsträngige DNA während Replikation

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Definition:

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine große Familie von Membranproteinen, die Signale von außen in die Zelle übertragen.

Details:

• 7-Transmembrandomänen
• Aktivierung durch Ligandenbindung auf der extrazellulären Seite
• Konformationsänderung löst Bindung und Aktivierung eines G-Proteins auf der intrazellulären Seite aus
• G-Protein zerfällt in α-, β-, und γ-Untereinheiten
• Aktive α-Untereinheit bindet an Zielproteine und moduliert deren Aktivität
• Beispiele: Rhodopsin, Adrenozeptoren

Regulation durch allosterische Effekte

Definition:

Regulation von Enzymaktivität durch Bindung eines Effektors an einer Stelle, die nicht das aktive Zentrum ist.

Details:

• Allosterische Effektoren: können aktivierend oder hemmend wirken
• Konzentrationen der Effektoren beeinflussen die Enzymaktivität
• Kinetisches Verhalten oft sigmoid
• Homotrope Effekte: Substrat selbst wirkt als Effektor
• Heterotrope Effekte: andere Moleküle wirken als Effektoren
• Allosterische Transitionen: Konformationsänderungen von Enzymen

Techniken zur Enzymanalyse

Definition:

Enzyme katalysieren biochemische Reaktionen. Die Analyse erfolgt durch Messung der Enzymaktivität, Kinetik und Struktur.

Details:

• Michaelis-Menten-Kinetik: Bestimmung von V_max und K_m
• Lineweaver-Burk-Diagramm: Linearisierung der Michaelis-Menten-Gleichung
• Spectrophotometrie: Messung der Enzymaktivität durch Absorptionsänderungen
• Elektrophorese: Auftrennung von Enzymen nach Ladung/Größe
• Chromatographie: Trennung und Analyse von Enzymen durch Säulen
• Kristallographie: Aufklärung der Enzymstruktur auf atomarer Ebene
• NMR-Spektroskopie: Strukturaufklärung in Lösung
• Massenspektrometrie: Analyse der Enzymzusammensetzung und Modifikationen

Regulation und Integration von Stoffwechselwegen

Definition:

Regulation und Integration von Stoffwechselwegen sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Homöostase und die effiziente Nutzung von Ressourcen in einer Zelle.

Details:

• Allosterische Regulation von Enzymen: Aktivatoren und Inhibitoren ändern die Enzymaktivität.
• Kovalente Modifikation: Phosphorylierung und Dephosphorylierung durch Kinasen und Phosphatasen.
• Hormonelle Regulation: Insulin und Glukagon regulieren Glukose- und Fettstoffwechsel.
• Genexpression: Anpassung der Enzymmenge durch Transkriptionskontrolle.
• Integration: Wechselwirkung der Wege, z.B. Glykolyse und Glukoneogenese.