Biologie III: Biochemie und Physiologie - Cheatsheet

Aminosäuresequenz und Enzymstruktur (Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur)

Definition:

Aminosäuresequenz bestimmt Struktur und Funktion von Enzymen. Strukturebenen: Primär, Sekundär, Tertiär, Quartär.

Details:

• Primärstruktur: Lineare Sequenz von Aminosäuren in einem Polypeptid, durch Peptidbindungen verknüpft.
• Sekundärstruktur: Lokale Faltungsmuster, stabilisiert durch Wasserstoffbrücken; z.B. α-Helix und β-Faltblatt.
• Tertiärstruktur: Dreidimensionale Faltung eines Polypeptids, Stabilisierung durch verschiedene Wechselwirkungen (hydrophob, ionisch, Disulfidbrücken).
• Quartärstruktur: Mehrere Polypeptidketten (Untereinheiten) bilden ein funktionelles Enzym.

Katalytische Mechanismen und allosterische Stellen von Enzymen

Definition:

Katalytische Mechanismen: Wege, wie Enzyme chemische Reaktionen beschleunigen; Allosterische Stellen: Bindungsstellen außerhalb des aktiven Zentrums, beeinflussen Enzymaktivität.

Details:

• Katalytische Mechanismen: Säure-Basen-Katalyse, kovalente Katalyse, Metallionen-Katalyse
• Enzym-Arten: Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen
• Allosterische Regulation: Effektoren binden an allosterische Stellen (kann aktiviert oder inhibiert werden)
• Allosterische Effektor-Arten: Aktivatoren (ATP, NADH) und Inhibitoren (Regulationsstoffe, Medikamente)
• Sigmoidale Kinetik: Kennzeichnet allosterische Enzyme (S-förmige Kurve)
• Kooperativität: Wechselwirkung zwischen Untereinheiten bei allosterischen Enzymen

Energiestoffwechsel und ATP-Produktion

Definition:

Energiestoffwechsel umfasst alle biochemischen Prozesse zur Energiegewinnung und -nutzung in Zellen. ATP-Produktion erfolgt hauptsächlich durch Zellatmung und Photosynthese.

Details:

• ATP (\textit{Adenosintriphosphat}): Währung der zellulären Energie
• Glykolyse: Abbau von Glukose zu Pyruvat, Gewinnung von 2 ATP und 2 NADH
• Zitratzyklus (Krebs-Zyklus): Oxidation von Acetyl-CoA, Gewinnung von 2 ATP, 6 NADH und 2 FADH₂ pro Glukose
• Oxidative Phosphorylierung: NADH und FADH₂ liefern Elektronen für die ATP-Synthese, Gewinnung von etwa 34 ATP
• Substratkettenphosphorylierung vs. oxidative Phosphorylierung
• Gärung: ATP-Gewinnung ohne Sauerstoff durch Umwandlung von Pyruvat

Regulation der Stoffwechselprozesse (katabol und anabol)

Definition:

Regulation der Stoffwechselprozesse: Steuerung der katabolen (abbauenden) und anabolen (aufbauenden) Reaktionen im Körper zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels.

Details:

• Katabolismus: Abbau komplexer Moleküle, Energiegewinnung (z. B. Glykolyse, Citratzyklus)
• Anabolismus: Aufbau komplexer Moleküle, Energieverbrauch (z. B. Proteinsynthese, Glukoneogenese)
• Regulation durch Enzyme: Schlüsselenzyme bestimmen Geschwindigkeit und Richtung der Stoffwechselwege
• Allosterische Regulation: Enzymaktivität wird durch Bindung von Effektoren an nicht-aktiven Stellen beeinflusst
• Kovalente Modifikation: Phosphorylierung/Dephosphorylierung steuert Enzymaktivität
• Hormonelle Steuerung: Insulin und Glukagon regulieren Blutzuckerspiegel und Stoffwechselwege
• Energiestatus der Zelle: ATP/ADP-Verhältnis beeinflusst Stoffwechselreaktionen
• Beispiele: Fructose-2,6-bisphosphat in der Regulation der Glykolyse und Glukoneogenese, mTOR-Signalweg im Proteinstoffwechsel

Chromatographie und Elektrophorese zur Proteinreinigung

Definition:

Techniken zur Trennung und Reinigung von Proteinen basierend auf deren physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Details:

• Chromatographie: Trennung aufgrund Wechselwirkungen zwischen Proteinen und stationärer Phase. Varianten: Affinitäts-, Ionenaustausch-, Gelpermeations- und HPLC.
• Elektrophorese: Trennung durch Wanderung von Proteinen im elektrischen Feld. Beispiel: SDS-PAGE (Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese) für Proteinmassenbestimmung.
• Wichtige Parameter sind pH, Ionenstärke, Größe und Bindungsaffinität.
• Perfekte Kombination beider Methoden erhöht Reinheit und Ausbeute.

Michaelis-Menten-Kinetik und Lineweaver-Burk-Darstellung

Definition:

Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Kinetik enzymatischer Reaktionen, während Lineweaver-Burk-Darstellung eine Methode zur Ermittlung kinetischer Konstanten durch lineare Transformation der Michaelis-Menten-Gleichung ist.

Details:

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max} [S]}}{{K_{m} + [S]}} \]
• \( v \): Reaktionsgeschwindigkeit
• \( V_{max} \): maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• \( K_{m} \): Michaelis-Konstante
• Lineweaver-Burk-Gleichung: \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Erlaubt Bestimmung von \( K_{m} \) und \( V_{max} \) durch Linearisierung der Daten

Einflüsse von pH und Temperatur auf Enzymaktivität

Definition:

Einfluss von pH und Temperatur auf die Aktivität von Enzymen.

Details:

• Enzymaktivität abhängig von pH-Wert und Temperatur
• Optimumskurve beschreibt Aktivität in Abhängigkeit der Temperatur/pH-Wert
• Jedes Enzym hat spezifisches Temperaturoptimum \( optTemp \)
• Temperaturerhöhung führt erst zu beschleunigter Reaktionsrate bis Maximalwert \( optTemp \), danach Denaturierung
• Jedes Enzym hat spezifisches pH-Optimum \( optPH \)
• Abweichung vom pH-Optimum bewirkt Aktivitätsverlust durch Änderung der Ionenbindung
• Extrembedingungen führen zur Denaturierung

DNA-Struktur und -Replikation

Definition:

Doppelhelixstruktur von DNA mit komplementären Basenpaaren (A-T, C-G); semikonservative Replikation reproduziert DNA

Details:

• DNA besteht aus zwei antiparallelen Strängen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen verbunden sind
• Basenpaare: Adenin (A) - Thymin (T), Cytosin (C) - Guanin (G)
• Replikation beginnt an Origins of Replication
• Helicase entwindet DNA, und Primase synthetisiert RNA-Primer
• DNA-Polymerase synthetisiert neuen Strang in 5'-3'-Richtung
• Leitstrang kontinuierlich, Folgestrang diskontinuierlich (Okazaki-Fragmente)
• Ligase verbindet Okazaki-Fragmente