Grundlagen Biochemie und Energiestoffwechsel - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Proteine sind komplexe Moleküle, die aus Aminosäuren bestehen und essenziell für viele biologische Funktionen sind. Sie werden durch Peptidbindungen verknüpft und besitzen verschiedene Strukturebenen. Die Primärstruktur beschreibt die lineare Sequenz der Aminosäuren. Die Sekundärstruktur umfasst lokale Faltungsmuster wie die α-Helix und das β-Faltblatt, welche durch Wasserstoffbrücken stabilisiert werden. Die Tertiärstruktur bezieht sich auf die gesamte dreidimensionale Faltung einer Polypeptidkette, wobei Disulfidbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen und ionische Bindungen zur Stabilisierung beitragen. Proteine können auch eine Quartärstruktur haben, die durch die Verbindung mehrerer Polypeptidketten entsteht. Diese Strukturen können durch Denaturierung gestört werden, was durch Faktoren wie Hitze, pH-Änderungen oder Chemikalien verursacht wird. Proteine erfüllen verschiedene Funktionen wie Katalyse durch Enzyme, Transport durch Hämoglobin, Struktur durch Kollagen und Signalübertragung durch Rezeptoren. Holoproteine enthalten Nicht-Protein-Gruppen wie Metall-Ionen oder organische Gruppen, die entscheidend für ihre Funktion sind.

a)

Teilaufgabe A: Erläutere den Unterschied zwischen Primär- und Sekundärstruktur von Proteinen. Nenne zwei Beispiele für Sekundärstrukturen und beschreibe, wie diese durch Wasserstoffbrücken stabilisiert werden.

Lösung:

• Primärstruktur: Die Primärstruktur eines Proteins ist die lineare Sequenz der Aminosäuren in der Polypeptidkette. Jede Aminosäure ist über Peptidbindungen mit der nächsten verbunden, wodurch eine spezifische Reihenfolge entsteht. Diese Abfolge bestimmt die grundlegende Identität und Funktion des Proteins.
• Sekundärstruktur: Die Sekundärstruktur eines Proteins bezieht sich auf lokale Faltungsmuster innerhalb der Polypeptidkette. Diese Strukturen entstehen durch Wasserstoffbrücken zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen der Peptidrückgrate und stabilisieren das Protein auf einer höheren Ebene als die Primärstruktur.
• Beispiel 1: α-Helix: Eine α-Helix ist eine spiralförmige Struktur, die durch Wasserstoffbrücken zwischen jeder \(n\)-ten und \((n+4)\)-ten Aminosäure stabilisiert wird. Diese Brücken verleihen der α-Helix ihre charakteristische, eng gewundene Form.
• Beispiel 2: β-Faltblatt: Ein β-Faltblatt besteht aus parallelen oder antiparallelen Strängen von Polypeptiden, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen der benachbarten Stränge stabilisiert werden. Diese Wasserstoffbrücken führen zu einer ziehharmonikaartigen Struktur.

b)

Teilaufgabe B: Angenommen, Du hast ein Protein, das eine bestimmte Funktion nur in seiner nativen Tertiärstruktur ausüben kann. Erkläre, was mit diesem Protein passiert, wenn es einer Denaturierung ausgesetzt wird. Welche Faktoren könnten diesen Zustand herbeiführen und warum?

Lösung:

• Denaturierung eines Proteins: Wenn ein Protein seiner nativen Tertiärstruktur beraubt wird, spricht man von Denaturierung. Dieser Prozess führt zum Verlust der dreidimensionalen Struktur des Proteins und somit auch zu seinem Funktionsverlust. Die Primärstruktur, also die lineare Sequenz der Aminosäuren, bleibt dabei intakt, jedoch werden die Sekundär-, Tertiär- und gegebenenfalls Quartärstrukturen zerstört.
• Faktoren, die Denaturierung verursachen können:
• Hitze: Hohe Temperaturen können die schwachen Bindungen (z.B. Wasserstoffbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen) innerhalb des Proteins brechen, was zur Entfaltung der Proteinkette führt.
• pH-Änderungen: Extreme pH-Werte (sehr sauer oder sehr alkalisch) können die ionischen Bindungen und Wasserstoffbrücken innerhalb des Proteins beeinträchtigen. Dies führt zu einer Veränderung der Ladungsverteilung und destabilisiert die Struktur.
• Chemikalien: Urea oder Guanidiniumchlorid sind Beispiele für chemische Denaturierungsmittel, die Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen zerstören können. Reduktionsmittel wie Dithiothreitol (DTT) oder β-Mercaptoethanol können Disulfidbrücken aufbrechen.
• Mechanische Einwirkungen: Starke Scherkräfte durch mechanische Einwirkung, wie bei starkem Rühren oder Ultraschall, können die Faltung des Proteins stören.
• Folgen der Denaturierung: Denaturierte Proteine verlieren in der Regel ihre biologische Aktivität und Funktion. Bei Rückführung in die ursprünglichen Bedingungen kann ein Protein eventuell renaturiert (wiederhergestellt) werden, jedoch ist dieser Prozess nicht immer vollständig oder möglich.

Aufgabe 2)

Enzyme sind biochemische Katalysatoren, die durch verschiedene Mechanismen die Aktivierungsenergie \(\text{E}_a\) einer Reaktion senken und somit die Geschwindigkeit der Reaktion erhöhen. Zu diesen Mechanismen zählen das Schlüssel-Schloss-Prinzip und die induzierte Passform, die Spezifität des aktiven Zentrums, die Stabilisierung des Übergangszustands sowie spezielle katalytische Prozesse wie die Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse und Metallionen-Katalyse. Ein Beispiel für enzymatische Katalyse ist die katalytische Triade in Serinproteasen.

a)

Beschreibe das Schlüssel-Schloss-Prinzip und die induzierte Passform. Erkläre, wie diese Mechanismen zur enzymatischen Spezifität beitragen.

Lösung:

• Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Schlüssel-Schloss-Prinzip wird von Emil Fischer im Jahr 1894 vorgeschlagen und ist eines der ältesten Konzepte zur Erklärung der Enzym-Spezifität. Nach diesem Prinzip hat das aktive Zentrum eines Enzyms eine spezielle Form, die genau zu dem Substrat passt, ähnlich wie ein Schlüssel in ein Schloss. Dieses Modell geht davon aus, dass nur genau passende Substrate an das Enzym binden können. Dies erklärt, warum Enzyme oft hochspezifisch für ihre Substrate sind.
• Induzierte Passform: Die Theorie der induzierten Passform wurde von Daniel Koshland im Jahr 1958 vorgeschlagen. Nach diesem Modell ist das aktive Zentrum des Enzyms zunächst nicht vollständig komplementär zum Substrat. Stattdessen passt sich das Enzym an das Substrat an, wenn dieses sich nähert, durch eine Konformationsänderung des Enzyms. Diese Anpassung verbessert die Bindungsfähigkeit und erlaubt eine genauere Positionierung der Substrat-Moleküle im aktiven Zentrum. Dadurch wird die katalytische Effizienz des Enzyms erhöht.
• Beitrag zur enzymatischen Spezifität:
  • Schlüssel-Schloss-Prinzip: Durch die starre Passform zwischen Enzym und Substrat wird sichergestellt, dass nur die richtigen Substrate binden können, wodurch die Spezifität der Enzym-Reaktion gewährleistet wird.
  • Induzierte Passform: Durch die Anpassungsfähigkeit des Enzyms an das Substrat wird nicht nur die Bindung optimiert, sondern auch die Übergangszustände stabilisiert, was die Spezifität und Effizienz der Reaktion steigert und somit zur Reduktion der Aktivierungsenergie führt.

b)

Eine Serinprotease zeigt eine katalytische Aktivität durch die katalytische Triade. Benenne die Bestandteile dieser Triade und erkläre den Mechanismus, durch den die katalytische Triade die Hydrolyse von Proteinen erleichtert.

Lösung:

• Bestandteile der katalytischen Triade: Die katalytische Triade, die in Serinproteasen vorkommt, besteht aus drei Aminosäureresten:
  • Serin (Ser): Diese Aminosäure hat eine Hydroxylgruppe, die als Nukleophil im katalytischen Prozess agiert.
  • Histidin (His): Diese Aminosäure dient als Base und vermittelt Protonentransfer zwischen den Aminosäuren der Triade.
  • Asparaginsäure (Asp): Diese Aminosäure stabilisiert die positive Ladung, die auf dem Histidin-Rest während des Katalyseprozesses entsteht.
• Mechanismus der katalytischen Triade: Die katalytische Triade erleichtert die Hydrolyse von Proteinen durch die folgenden Schritte:
  • 1. Substratbindung: Das Protein-Substrat bindet an das aktive Zentrum der Serinprotease.
  • 2. Aktivierung des Serinrests: Der Histidin-Rest entzieht ein Proton (H\textsuperscript{+}) von der Hydroxylgruppe des Serinrests, wodurch ein nukleophiles Serin entsteht.
  • 3. Nukleophiler Angriff: Das nukleophile Serin greift die Carbonylgruppe der Peptidbindung im Substrat an, wodurch ein tetraedrischer Übergangszustand entsteht.
  • 4. Stabilisierung des Übergangszustands: Der Aspartat-Rest stabilisiert die Ladung auf dem Histidin-Rest, der die negative Ladung auf dem entstandenen tetraedrischen Zwischenprodukt unterstützt.
  • 5. Bildung eines kovalenten Acyl-Enzym-Komplexes: Das Serin-Enzym bildet ein kovalentes Intermediat mit dem Substrat.
  • 6. Spaltung und Freisetzung des ersten Teils des Peptids: Die Spaltung der Peptidbindung führt zur Freisetzung des ersten Peptidfragments und einem Acyl-Enzym-Zwischenprodukt.
  • 7. Eingreifen eines Wassermoleküls: Ein Wassermolekül greift das Acyl-Enzym-Zwischenprodukt an, wobei Histidin erneut als Base fungiert und die Deprotonierung des Wassers ermöglicht.
  • 8. Zweite Hydrolyse: Das aktivierte Wassermolekül hydrolysiert den Acyl-Enzym-Komplex, wodurch der zweite Teil des Peptids freigesetzt wird und das Enzym wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

c)

Betrachtet man die mathematische Beschreibung der Effekte eines Enzyms auf die Aktivierungsenergie einer Reaktion, so gilt:

• Ohne Enzym beträgt die Aktivierungsenergie \(\text{E}_a\) der Reaktion 75 kJ/mol
• Ein Enzym senkt diese Aktivierungsenergie um 40%
• Die Gas-Konstante \(\text{R} = 8,314 \text{J} / \text{mol} \cdot \text{K} \)
• \text{T} = 298 \text{K}

Berechne die neue Aktivierungsenergie und die Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten der Reaktion mit und ohne Enzym. Nutze die Arrhenius-Gleichung:

 \begin{align*} k &= A \cdot e^{-\text{E}_a/(R\cdot T)} \end{align*} 

Lösung:

• Berechnung der neuen Aktivierungsenergie:

Ohne Enzym beträgt die Aktivierungsenergie (\text{E}_a) der Reaktion 75 kJ/mol. Ein Enzym senkt diese Aktivierungsenergie um 40%. Daher beträgt die neue Aktivierungsenergie (\text{E}_{a,\text{neu}}):

 \begin{align*} \text{E}_a &= 75 \text{ kJ/mol} = 75.000 \text{ J/mol} \ \text{Reduktion} &= 40\% = 0,40 \ \text{E}_{a,\text{neu}} &= \text{E}_a - (\text{E}_a \times 0,40) \ &= 75.000 \text{ J/mol} - (75.000 \text{ J/mol} \times 0,40) \ &= 75.000 \text{ J/mol} - 30.000 \text{ J/mol} \ &= 45.000 \text{ J/mol} \end{align*} 

Berechnung des Verhältnisses der Geschwindigkeitskonstanten:

Die Arrhenius-Gleichung lautet:

 \begin{align*} k &= A \cdot e^{-\text{E}_a/(R \cdot T)} \end{align*} 

Das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten (\frac{k_{\text{enzym}}}{k_{\text{ohne}}}) ist dann:

 \begin{align*} \frac{k_{\text{enzym}}}{k_{\text{ohne}}} &= \frac{A \cdot e^{-\text{E}_{a,\text{neu}}/(R \cdot T)}}{A \cdot e^{-\text{E}_a/(R \cdot T)}} \ &= \frac{e^{-\text{E}_{a,\text{neu}}/(R \cdot T)}}{e^{-\text{E}_a/(R \cdot T)}} \ &= e^{-\frac{\text{E}_{a,\text{neu}}}{(R \cdot T)}} \cdot e^{\frac{\text{E}_a}{(R \cdot T)}} \ &= e^{-(\text{E}_{a,\text{neu}} - \text{E}_a) / (R \cdot T)} \end{align*} 

Werte einsetzen:

Gegeben sind:

 \begin{align*} \text{R} &= 8,314 \text{ J/(mol \cdot K)} \ \text{T} &= 298 \text{ K} \end{align*} 

Somit ergibt sich:

 \begin{align*} \frac{k_{\text{enzym}}}{k_{\text{ohne}}} &= e^{(75.000 \text{ J/mol} - 45.000 \text{ J/mol}) / (8,314 \text{ J/(mol \cdot K)} \cdot 298 \text{ K})} \ &= e^{30.000 \text{ J/mol} / (8,314 \text{ J/(mol \cdot K)} \cdot 298 \text{ K})} \ &= e^{30.000 / 2.477,372} \ &= e^{12,11} \end{align*} 

Ergebnis:

Das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten beträgt etwa:

 \begin{align*} \frac{k_{\text{enzym}}}{k_{\text{ohne}}} &= e^{12,11} \approx 182.044 \end{align*} 

Dies bedeutet, dass die Reaktion mit Enzym etwa 182.044-mal schneller abläuft als ohne Enzym.

Aufgabe 3)

Abbau von Glukose zu Pyruvat (Glykolyse)

Glykolyse: ein zentraler Stoffwechselweg, bei dem Glukose zu Pyruvat abgebaut wird, um Energie in Form von ATP und NADH zu gewinnen.

• Findet im Zytoplasma statt
• Nettoenergiegewinn: 2 ATP, 2 NADH
• Startmolekül: Glukose (C6H12O6)
• Endprodukte: 2 Pyruvat (C3H4O3), 4 ATP (2 netto), 2 NADH
• 10 enzymkatalysierte Schritte, unterteilt in zwei Phasen
• Schlüsselreaktionen:
• Hexokinase: Glukose + ATP → Glukose-6-phosphat
• Phosphofructokinase: Fruktose-6-phosphat + ATP → Fruktose-1,6-bisphosphat
• Pyruvatkinase: Phosphoenolpyruvat + ADP → Pyruvat + ATP
• Regulatorische Enzyme: Hexokinase, Phosphofructokinase, Pyruvatkinase
• Allosterische Regulation und Feedback-Hemmung

a)

Erkläre den gesamten Prozess der Glykolyse, und beschreiben die Rolle der drei regulatorischen Enzyme im Detail. Warum sind diese Enzyme besonders wichtig für die Regulation der Glykolyse?

Lösung:

Erklärung des gesamten Prozesses der Glykolyse

Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselweg, bei dem Glukose in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird. Dieser Prozess findet im Zytoplasma der Zelle statt und besteht aus zehn enzymkatalysierten Reaktionen, die in zwei Phasen unterteilt sind: die Energieinvestmentphase und die Energiegewinnungsphase.

• Energieinvestmentphase: In den ersten fünf Schritten der Glykolyse wird Glukose modifiziert und gespalten. Dies erfordert den Einsatz von zwei Molekülen ATP:
  • Schritt 1: Hexokinase - Glukose wird durch das Enzym Hexokinase phosphoryliert und in Glukose-6-phosphat (G6P) umgewandelt.
  • Schritt 2: Glukose-6-phosphatisomerase - G6P wird in Fruktose-6-phosphat (F6P) umgewandelt.
  • Schritt 3: Phosphofructokinase - F6P wird durch das Enzym Phosphofructokinase unter Verbrauch von ATP in Fruktose-1,6-bisphosphat (F1,6BP) umgewandelt.
  • Schritt 4: Aldolase - F1,6BP wird in zwei Drei-Kohlenstoffverbindungen gespalten: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P).
  • Schritt 5: Triosephosphatisomerase - DHAP wird in G3P umgewandelt, so dass zwei Moleküle G3P entstehen.
• Energiegewinnungsphase: In den letzten fünf Schritten der Glykolyse werden die beiden Moleküle G3P weiter abgebaut, um Pyruvat zu erzeugen, was zu einem Nettogewinn an Energie führt:
  • Schritt 6: Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase - G3P wird oxidiert und phosphoryliert, um 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPG) zu erzeugen, wobei NADH gebildet wird.
  • Schritt 7: Phosphoglyceratkinase - 1,3BPG wird in 3-Phosphoglycerat (3PG) umgewandelt, wobei ATP erzeugt wird.
  • Schritt 8: Phosphoglyceratmutase - 3PG wird in 2-Phosphoglycerat (2PG) umgewandelt.
  • Schritt 9: Enolase - 2PG wird in Phosphoenolpyruvat (PEP) umgewandelt.
  • Schritt 10: Pyruvatkinase - PEP wird schließlich durch das Enzym Pyruvatkinase in Pyruvat umgewandelt, wobei ATP erzeugt wird.

Am Ende der Glykolyse sind die Nettoprodukte pro Glukosemolekül zwei Moleküle Pyruvat, zwei Moleküle ATP (vier insgesamt erzeugt, aber zwei werden verbraucht), und zwei Moleküle NADH.

Rolle der drei regulatorischen Enzyme

Die drei regulatorischen Enzyme der Glykolyse - Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase - spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation dieses Stoffwechselwegs:

• Hexokinase: Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt der Glykolyse, bei dem Glukose in Glukose-6-phosphat umgewandelt wird. Dies ist ein wichtiger Kontrollpunkt, da die Phosphorylierung von Glukose den Zucker in der Zelle „einfängt“ und ihn für den weiteren Stoffwechsel verfügbar macht. Hexokinase wird durch hohe Konzentrationen von Glukose-6-phosphat allosterisch gehemmt, was dafür sorgt, dass nicht unnötig viel Glukose in die Glykolyse eingespeist wird, wenn bereits genügend Zwischenprodukte vorhanden sind.
• Phosphofructokinase (PFK): Dies ist das wichtigste regulatorische Enzym der Glykolyse und katalysiert den dritten Schritt, bei dem Fruktose-6-phosphat in Fruktose-1,6-bisphosphat umgewandelt wird. PFK wird allosterisch durch ATP und Zitrat gehemmt und durch AMP aktiviert. Diese Regulation stellt sicher, dass die Glykolyse verlangsamt wird, wenn der Energiebestand der Zelle hoch ist (viel ATP vorhanden) und beschleunigt wird, wenn die Energieversorgung der Zelle niedrig ist (viel AMP vorhanden).
• Pyruvatkinase: Dieses Enzym katalysiert den letzten Schritt der Glykolyse, bei dem Phosphoenolpyruvat in Pyruvat umgewandelt wird. Pyruvatkinase wird durch ATP allosterisch gehemmt und durch Fruktose-1,6-bisphosphat (ein Zwischenprodukt der Glykolyse) allosterisch aktiviert. Diese Feedback-Hemmung und -Aktivierung sorgt dafür, dass das Enzym schneller arbeitet, wenn die Konzentration der Zwischenprodukte hoch ist, und langsamer, wenn genügend Energie (ATP) vorhanden ist.

Zusammenfassend sind diese Enzyme besonders wichtig für die Regulation der Glykolyse, weil sie sicherstellen, dass dieser zentrale Stoffwechselweg effizient und bedarfsgerecht verläuft. Durch allosterische Regulation und Feedback-Hemmung passen sie die Geschwindigkeit der Glykolyse an die aktuellen Energiebedürfnisse der Zelle an.

b)

Berechne den Gesamtenergiegewinn (in Form von ATP) der Glykolyse aus einer einzelnen Glukosemoleküle. Berücksichtige dabei sowohl das produzierte ATP als auch das verbrauchte ATP.

Lösung:

Berechnung des Gesamtenergiegewinns der Glykolyse

Grundsätzlich betrachtet die Glykolyse zehn enzymatische Schritte, bei denen Glukose zu Pyruvat abgebaut wird. Diese Schritte lassen sich in zwei Phasen unterteilen: die Energieinvestmentphase und die Energiegewinnungsphase.

• Energieinvestmentphase: Hier werden 2 Moleküle ATP verbraucht:
• Im ersten Schritt der Glykolyse katalysiert Hexokinase die Reaktion, bei der Glukose in Glukose-6-phosphat umgewandelt wird. Dabei wird 1 Molekül ATP verbraucht.
• Im dritten Schritt katalysiert Phosphofructokinase die Umwandlung von Fruktose-6-phosphat in Fruktose-1,6-bisphosphat, wobei ein weiteres Molekül ATP verbraucht wird.
• Verbrauchtes ATP: 2 ATP
• Energiegewinnungsphase: Hier werden insgesamt 4 Moleküle ATP produziert:
• Im siebten Schritt der Glykolyse katalysiert die Phosphoglyceratkinase die Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglycerat in 3-Phosphoglycerat, wobei 2 Moleküle ATP (eines pro 3-Phosphoglycerat) entstehen.
• Im letzten Schritt katalysiert Pyruvatkinase die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat in Pyruvat, wobei 2 weitere Moleküle ATP (eines pro Pyruvat) entstehen.
• Produziertes ATP: 4 ATP

Zusammengefasst ergibt sich der gesamte Nettoenergiegewinn der Glykolyse wie folgt:

• ATP verbraucht: 2 ATP
• ATP produziert: 4 ATP

Nettoenergiegewinn = Produziertes ATP - Verbrauchtes ATP

Nettoenergiegewinn = 4 ATP - 2 ATP = 2 ATP

Daher beträgt der Gesamtenergiegewinn der Glykolyse aus einer einzelnen Glukosemoleküle 2 ATP.

c)

Erläutere die allosterische Regulation und die Feedback-Hemmung bei der Glykolyse. Wie beeinflussen ATP, ADP und AMP die Aktivität der Phosphofructokinase?

Lösung:

Allosterische Regulation und Feedback-Hemmung bei der Glykolyse

Die allosterische Regulation und Feedback-Hemmung spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Glykolyse. Diese Mechanismen ermöglichen es der Zelle, den Stoffwechselprozess entsprechend den aktuellen Energiebedürfnissen zu steuern.

• Allosterische Regulation: Dies ist ein Mechanismus, bei dem ein Molekül (Allosterischer Effektor) an eine spezifische Stelle des Enzyms bindet, die als allosterische Stelle bekannt ist und nicht das aktive Zentrum ist. Durch die Bindung ändern sich die Konformation und Funktion des Enzyms, was entweder die katalytische Aktivität erhöht oder senkt.
• Feedback-Hemmung: Dies ist eine Form der negativen Rückkopplung, bei der das Endprodukt eines Stoffwechselwegs die Aktivität eines Enzyms hemmt, das weiter oben im Stoffwechselweg liegt. Dadurch wird verhindert, dass zu viel von diesem Endprodukt gebildet wird, wenn bereits genügend vorhanden ist.

Regulation der Phosphofructokinase (PFK) durch ATP, ADP und AMP:

Die Phosphofructokinase (PFK) ist ein Schlüsselelement der Glykolyse und dient als wichtigster Kontrollpunkt dieses Stoffwechselwegs. PFK katalysiert die Umwandlung von Fruktose-6-phosphat (F6P) zu Fruktose-1,6-bisphosphat (F1,6BP), ein entscheidender Schritt in der Energieinvestmentphase der Glykolyse. Die Aktivität dieses Enzyms wird durch die zellulären Konzentrationen von ATP, ADP und AMP reguliert:

• ATP: ATP fungiert als allosterischer Inhibitor der PFK. Wenn die ATP-Konzentration in der Zelle hoch ist, binden ATP-Moleküle an die allosterische Stelle der PFK und reduzieren deren Aktivität. Dies signalisiert, dass genügend Energie vorhanden ist und die Glykolyse verlangsamt werden kann, um Energie zu sparen.
• ADP und AMP: Sowohl ADP als auch AMP wirken als allosterische Aktivatoren der PFK. Hohe Konzentrationen von ADP und AMP signalisieren einen niedrigen energetischen Zustand der Zelle. Wenn ADP und AMP an die allosterische Stelle der PFK binden, erhöhen sie deren Aktivität. Dies beschleunigt die Glykolyse und fördert die ATP-Produktion, um den Energiebedarf der Zelle zu decken.

Zusammenfassend bewirken die Interaktionen zwischen ATP, ADP und AMP an der Phosphofructokinase eine fein abgestimmte Regulation der Glykolyse. Hohe ATP-Werte hemmen das Enzym und verlangsamen den Stoffwechselweg, während hohe ADP- und AMP-Werte das Enzym aktivieren und die Glykolyse beschleunigen. Durch diese Mechanismen kann die Zelle den Fluss der Glykolyse entsprechend den aktuellen Energiebedürfnissen flexibel steuern.

d)

Gib die chemischen Reaktionen für die folgenden Schritte der Glykolyse an und beschreibe deren Bedeutung:

• Hexokinase
• Phosphofructokinase
• Pyruvatkinase

Lösung:

Chemische Reaktionen und ihre Bedeutung bei der Glykolyse

Im Folgenden werden die chemischen Reaktionen für die Schritte, die von den Enzymen Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase katalysiert werden, sowie deren Bedeutung beschrieben:

• Hexokinase:

Reaktion:

 Glukose + ATP → Glukose-6-phosphat + ADP 

Bedeutung: Die Hexokinase katalysiert die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-phosphat (G6P). Dies ist der erste Schritt der Glykolyse und hat mehrere wichtige Funktionen:

• Es hilft, Glukose in der Zelle zu „fangen“, da phosphorylierte Zucker die Zellmembran nicht ohne weiteres passieren können.
• Die Phosphorylierung markiert die Glukose für den Stoffwechsel und verhindert, dass sie das Gleichgewicht mit der Konzentration außerhalb der Zelle erreicht.
• Es bereitet die Glukose für die nachfolgenden Schritte der Glykolyse vor.

Phosphofructokinase (PFK):

Reaktion:

 Fruktose-6-phosphat + ATP → Fruktose-1,6-bisphosphat + ADP 

Bedeutung: Die Phosphofructokinase katalysiert die Umwandlung von Fruktose-6-phosphat (F6P) zu Fruktose-1,6-bisphosphat (F1,6BP). Dies ist ein entscheidender und stark regulierter Schritt in der Glykolyse:

• PFK ist das wichtigste regulatorische Enzym der Glykolyse. Seine Aktivität wird durch zahlreiche Metaboliten, einschließlich ATP, ADP und AMP, fein abgestimmt (allosterische Regulation und Feedback-Hemmung).
• Die Umwandlung von F6P zu F1,6BP ist ein irreversibler Schritt und stellt sicher, dass sich die Zelle zur vollständigen Durchführung der Glykolyse verpflichtet.
• Diese Reaktion ist energieverbrauchend und benötigt ein weiteres Molekül ATP, was zeigt, dass dieser Schritt energetisch bedeutend ist.

Pyruvatkinase:

Reaktion:

 Phosphoenolpyruvat (PEP) + ADP → Pyruvat + ATP 

Bedeutung: Die Pyruvatkinase katalysiert den letzten Schritt der Glykolyse, bei dem Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat umgewandelt wird. Dies ist einer der Schritte, bei denen ATP erzeugt wird:

• Die Umwandlung von PEP zu Pyruvat ist ebenfalls irreversibel und stellt den abschließenden Schritt der Glykolyse dar.
• Die Reaktion liefert Energie in Form von ATP. Es werden zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül gebildet, womit der energetische Output dieser Etappe beträchtlich ist.
• In der Reaktion wird Pyruvat erzeugt, das entweder in den Citratzyklus eingeschleust oder in anderen Stoffwechselwegen wie der anaeroben Atmung weiter metabolisiert wird.
• Pyruvatkinase wird ebenfalls allosterisch reguliert, um die Glykolyse-Anpassung an die energetischen Bedürfnisse der Zelle zu unterstützen.

Aufgabe 4)

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus genannt, ist ein zentraler Stoffwechselweg in der mitochondrialen Matrix, welcher Acetyl-CoA zur Energiegewinnung in Form von ATP umwandelt und somit eine Verbindung zwischen der Glykolyse und der oxidativen Phosphorylierung darstellt. Der Zyklus beginnt mit der Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat und beinhaltet mehrere Schritte, die zur Produktion von NADH, FADH₂ und GTP/ATP führen. Die Hauptschritte des Zyklus umfassen die Bildung von Citrat, die Isomerisierung zu Isocitrat, oxidative Dekarboxylierungen zu α-Ketoglutarat und Succinyl-CoA, sowie die Umwandlung zu Succinat, Fumarat, Malat und zurück zu Oxalacetat. Zu den wichtigen Enzymen des Zyklus zählen Citrat-Synthase, Aconitase, Isocitrat-Dehydrogenase, der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex, Succinyl-CoA-Synthetase, Succinat-Dehydrogenase, Fumarase und Malat-Dehydrogenase.

a)

Beschreibe den vollständigen Ablauf des Citratzyklus beginnend mit der Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat. Welche Hauptprodukte entstehen in welchen spezifischen Schritten? Verwende strukturelle Formeln von Substraten und Produkten, wo dies sinnvoll ist.

Lösung:

Der vollständige Ablauf des Citratzyklus:Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus oder TCA-Zyklus (Tricarbonsäurezyklus) genannt, umfasst mehrere wichtige Schritte, die zur Produktion von Energie in Form von ATP sowie von NADH und FADH₂ führen. Jeder Schritt wird von spezifischen Enzymen katalysiert. Der Zyklus spielt eine entscheidende Rolle im zentralen Stoffwechsel von Zellen. Hier folgt eine detaillierte Beschreibung des Ablaufs:

• 1. Schritt: Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat zu Citrat
  • Enzym: Citrat-Synthase
  • Reaktion: Acetyl-CoA \((CH_3CO-S-CoA)\) reagiert mit Oxalacetat \((C_4H_4O_5)\) zur Bildung von Citrat \((C_6H_8O_7)\).
  • Produkt: Citrat
• 2. Schritt: Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat
  • Enzym: Aconitase
  • Reaktion: Citrat \((C_6H_8O_7)\) wird über ein cis-Aconitat-Intermediat zu Isocitrat \((C_6H_8O_7)\) isomerisiert.
  • Produkt: Isocitrat
• 3. Schritt: Oxidative Dekarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat
  • Enzym: Isocitrat-Dehydrogenase
  • Reaktion: Isocitrat \((C_6H_8O_7)\) wird zu α-Ketoglutarat \((C_5H_6O_5)\) oxidiert, wobei CO₂ freigesetzt wird und NADH erzeugt wird.
  • Produkte: α-Ketoglutarat, NADH, CO₂
• 4. Schritt: Oxidative Dekarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA
  • Enzym: α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex
  • Reaktion: α-Ketoglutarat \((C_5H_6O_5)\) wird zu Succinyl-CoA \((C_4H_5O-S-CoA)\) oxidiert, wobei CO₂ freigesetzt wird und NADH erzeugt wird.
  • Produkte: Succinyl-CoA, NADH, CO₂
• 5. Schritt: Umwandlung von Succinyl-CoA zu Succinat
  • Enzym: Succinyl-CoA-Synthetase
  • Reaktion: Succinyl-CoA \((C_4H_5O-S-CoA)\) wird zu Succinat \((C_4H_6O_4)\) umgewandelt, wobei GTP/ATP entsteht.
  • Produkte: Succinat, GTP/ATP
• 6. Schritt: Oxidation von Succinat zu Fumarat
  • Enzym: Succinat-Dehydrogenase
  • Reaktion: Succinat \((C_4H_6O_4)\) wird zu Fumarat \((C_4H_4O_4)\) oxidiert, wobei FADH₂ erzeugt wird.
  • Produkt: Fumarat, FADH₂
• 7. Schritt: Hydratation von Fumarat zu Malat
  • Enzym: Fumarase
  • Reaktion: Fumarat \((C_4H_4O_4)\) wird zu Malat \((C_4H_6O_5)\) hydriert.
  • Produkt: Malat
• 8. Schritt: Oxidation von Malat zu Oxalacetat
  • Enzym: Malat-Dehydrogenase
  • Reaktion: Malat \((C_4H_6O_5)\) wird zu Oxalacetat \((C_4H_4O_5)\) oxidiert, wobei NADH erzeugt wird.
  • Produkte: Oxalacetat, NADH

Zusammenfassung der Hauptprodukte des Citratzyklus:

• 3 NADH-Moleküle (in den Schritten 3, 4, und 8)
• 1 FADH₂-Molekül (im Schritt 6)
• 1 GTP/ATP-Molekül (im Schritt 5)
• 2 CO₂-Moleküle (in den Schritten 3 und 4)

b)

Berechne die Gesamtmenge an ATP, die theoretisch aus einem vollständigen Umlauf des Citratzyklus gewonnen werden kann, einschließlich der Erträge aus der oxidativen Phosphorylierung. Gehe von folgenden Annahmen aus:

• 3 Moleküle ATP pro NADH
• 2 Moleküle ATP pro FADH₂
• 1 Molekül GTP entspricht 1 Molekül ATP

Zeige alle Berechnungen und Erklärungen Schritt für Schritt auf.

Lösung:

Theoretische ATP-Ausbeute des Citratzyklus:Wir berechnen die Gesamtmenge an ATP, die theoretisch aus einem vollständigen Umlauf des Citratzyklus gewonnen werden kann, indem wir die Erträge aus dem Zyklus selbst und aus der oxidativen Phosphorylierung addieren. Die Annahmen sind:

• 3 Moleküle ATP pro NADH
• 2 Moleküle ATP pro FADH₂
• 1 Molekül GTP entspricht 1 Molekül ATP

Hier sind die Schritt-für-Schritt-Berechnungen:

1. Erzeugung von NADH:
   • Im Citratzyklus werden 3 NADH-Moleküle produziert:
   • Bei der Umwandlung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat
   • Bei der Umwandlung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA
   • Bei der Umwandlung von Malat zu Oxalacetat
   • NADH zu ATP: 3 NADH × 3 ATP/NADH = 9 ATP
2. Erzeugung von FADH₂:
   • Im Citratzyklus wird 1 FADH₂-Molekül bei der Umwandlung von Succinat zu Fumarat produziert.
   • FADH₂ zu ATP: 1 FADH₂ × 2 ATP/FADH₂ = 2 ATP
3. Erzeugung von GTP:
   • Im Citratzyklus wird 1 GTP-Molekül bei der Umwandlung von Succinyl-CoA zu Succinat produziert.
   • GTP zu ATP: 1 GTP = 1 ATP

Gesamtausbeute:

• ATP aus NADH: 9 ATP
• ATP aus FADH₂: 2 ATP
• ATP aus GTP: 1 ATP
• Gesamt: 9 + 2 + 1 = 12 ATP

Die theoretische ATP-Gesamtausbeute aus einem vollständigen Umlauf des Citratzyklus beträgt also 12 ATP.

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Erkläre die Rolle der Isocitrat-Dehydrogenase und des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes im Citratzyklus. Warum sind diese Reaktionen besonders wichtig für die Regulation des gesamten Stoffwechselweges? Diskutiere auch mögliche Mechanismen, durch die diese Enzyme reguliert werden können.

Lösung:

Die Rolle der Isocitrat-Dehydrogenase und des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes im Citratzyklus:Der Citratzyklus ist ein komplexer und essenzieller Stoffwechselweg, der viele Enzymreaktionen umfasst. Zwei der wichtigsten Enzyme in diesem Zyklus sind die Isocitrat-Dehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex. Ihre Rolle und Regulation sind entscheidend für die Integrität und Effizienz des Citratzyklus.

• Isocitrat-Dehydrogenase:
  • Die Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert die oxidative Dekarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat.
  • Während dieser Reaktion wird ein Molekül NAD⁺ zu NADH und H⁺ reduziert und CO₂ freigesetzt.
  • Reaktionsgleichung: \[ \text{Isocitrat} + NAD^+ \rightarrow \text{α-Ketoglutarat} + CO_2 + NADH + H^+ \]
  • Diese Reaktion ist ein entscheidender Schritt im Citratzyklus, da sie die erste von zwei aufeinanderfolgenden Dekarboxylierungen darstellt.
  • Die Umwandlung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat schließt ein Zwischenprodukt, Oxalosuccinat, mit ein.
• α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex:
  • Der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert die oxidative Dekarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA.
  • Dieser Komplex ähnelt in seiner Struktur und Funktion dem Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex.
  • Während dieser Reaktion wird NAD⁺ zu NADH reduziert und CO₂ freigesetzt. Ein Coenzym A wird an den Kohlenstoffrest gebunden, um Succinyl-CoA zu bilden.
  • Reaktionsgleichung: \[ \text{α-Ketoglutarat} + CoA + NAD^+ \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + CO_2 + NADH + H^+ \]
  • Diese Reaktion ist ein weiterer kritischer Punkt im Citratzyklus, da sie zur Produktion von energiereichen Verbindungen führt.

Warum sind diese Reaktionen so wichtig für die Regulation des gesamten Stoffwechselweges?Beide Enzyme katalysieren Reaktionen, in denen NADH und CO₂ produziert werden. Diese Schritte sind stark exergonisch (energieabgebend) und tragen wesentlich zur energetischen Ausbeute des Citratzyklus bei. Darüber hinaus sind beide Reaktionen Schnittstellen für die Regulation des Zyklus, um sicherzustellen, dass metabolische Bedürfnisse der Zelle erfüllt werden.

• Allosterische Regulation der Isocitrat-Dehydrogenase:
  • ADP aktiviert die Isocitrat-Dehydrogenase, indem es das Enzym in eine konformationell aktive Form umwandelt.
  • ATP und NADH hemmen die Isocitrat-Dehydrogenase, was darauf hinweist, dass Energie und Reduktionsäquivalente in ausreichender Menge vorhanden sind.
  • In einigen Organismen wird die Isocitrat-Dehydrogenase durch reversible Phosphorylierung reguliert. Phosphorylierte Form ist inaktiv, während die dephosphorylierte Form aktiv ist.
• Regulation des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes:
  • Produkte des Citratzyklus, insbesondere NADH und Succinyl-CoA, wirken als Inhibitoren für den Komplex.
  • Ein hoher NADH/NAD⁺-Quotient im Mitochondrium signalisiert, dass genügend Energie vorhanden ist, und hemmt somit den Komplex.
  • Substratverfügbarkeit: Die Konzentration von α-Ketoglutarat als Substrat des Komplexes beeinflusst direkt seine Aktivität.

Zusammenfassung:Die Isocitrat-Dehydrogenase und der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex sind nicht nur zentrale Enzyme im Citratzyklus, sondern auch essentielle Kontrollpunkte des gesamten Zellstoffwechsels. Die Regulation dieser Enzyme erfolgt durch allosterische Modulation und durch Substrat- und Produktkonzentrationen. Daher können sie den Fluss durch den Citratzyklus und die Energieproduktion an die zellulären Bedürfnisse anpassen und eine effiziente Energienutzung sicherstellen.