Fachmodul Biochemie II - Cheatsheet

Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen

Definition:

Strukturen beschreiben die Anordnung und Faltung von Proteinen auf verschiedenen Ebenen.

Details:

• Primärstruktur: lineare Sequenz der Aminosäuren im Polypeptid, bestimmt durch genetischen Code.
• Sekundärstruktur: lokale Faltungen des Polypeptid-Rückgrats, hauptsächlich α-Helix und β-Faltblatt. Stabilisiert durch Wasserstoffbrückenbindungen.
• Tertiärstruktur: dreidimensionale Anordnung einer einzelnen Polypeptidkette, stabilisiert durch verschiedenartige Wechselwirkungen (hydrophobe Effekte, Disulfidbrücken, Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken).
• Quartärstruktur: Anordnung und Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehr Polypeptidketten (Untereinheiten). Nicht alle Proteine haben eine Quartärstruktur.

Katalytische Mechanismen von Enzymen

Definition:

Enzymatische Prozesse erleichtern, indem Übergangszustände stabilisiert werden.

Details:

• Schlüsselmechanismen: Säure-Base-Katalyse, kovalente Katalyse, Metallionen-Katalyse, Orientierung und proximale Effekte.
• Säure-Base-Katalyse: Protonendifferenzierung ermöglicht Substratumwandlung.
• Kovalente Katalyse: Temporäre kovalente Bindung zwischen Enzym und Substrat.
• Metallionen-Katalyse: Metallionen stabilisieren negative Ladungen oder polarisieren Wasser.
• Induced-Fit-Modell: Enzymkonformation ändert sich bei Substratbindung.
• Katalytische Triade: Serin, Histidin, Aspartat in Hydrolasen (z.B. Chymotrypsin).
• \textbf{Michaelis-Menten-Kinetik}: \[ E + S \overset{k_{1}}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} ES \overset{k_{2}}{\rightarrow} E + P \ V = \frac{{V_{max} [S]}}{{K_{m} + [S]}} \]
• Aktivierungsenergie \[ \Delta G^{\ddag} \]

Enzymkinetik und Michaelis-Menten-Theorie

Definition:

Beschreibung der Beziehung zwischen Enzymkonzentration, Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit basierend auf der Michaelis-Menten-Gleichung.

Details:

• Michaelis-Menten-Gleichung: \( v = \frac{{V_{max} [S]}}{{K_m + [S]}} \)
• \( v \): Reaktionsgeschwindigkeit
• \( V_{max} \): Maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• \( [S] \): Substratkonzentration
• \( K_m \): Michaelis-Konstante, Maß für die Affinität eines Enzyms zu seinem Substrat
• Annäherung: bei hohen \( [S] \) nähert sich \( v \) dem \( V_{max} \)
• Bedeutung von \( K_m \): niedriger \( K_m \) bedeutet hohe Affinität zwischen Enzym und Substrat
• Annahme: Enzym-Substrat-Komplexbildung ist im Gleichgewicht
• Linearisiertes Michaelis-Menten: Lineweaver-Burk-Diagramm \( \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max} [S]} + \frac{1}{V_{max}} \)

Glykolyse, Zitronensäurezyklus und oxidative Phosphorylierung

Definition:

Metabolische Prozesse zur Energiegewinnung in der Zelle. Glykolyse: Abbau von Glukose zu Pyruvat im Cytosol. Zitronensäurezyklus: Weiterer Abbau von Acetyl-CoA im Mitochondrium. Oxidative Phosphorylierung: ATP-Synthese durch Elektronentransportkette.

Details:

• Glykolyse: Glukose zu 2 Pyruvat, Gewinnung von 2 ATP und 2 NADH
• Zitronensäurezyklus: Oxidation von Acetyl-CoA, Bildung von 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP/ATP pro Zyklus
• Oxidative Phosphorylierung: Elektronentransportketten in der inneren Mitochondrienmembran, Endproduktion von ATP durch ATP-Synthase
• Summengleichung Glykolyse: \[ C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 2 CH_3COCOOH + 2 NADH + 2 H^+ + 2 ATP + 2 H_2O \]
• Summengleichung Zitronensäurezyklus: \[ Acetyl-CoA + 3 NAD^+ + FAD + GDP + P_i + 2 H_2O \rightarrow 2 CO_2 + CoA + 3 NADH + 3 H^+ + FADH_2 + GTP \ (\text{kann in } ATP \text{ umgewandelt werden}) \]
• Summengleichung oxidative Phosphorylierung: \[ 10 NADH + 2 FADH_2 + 6 O_2 + 34 ADP + 34 P_i \rightarrow 10 NAD^+ + 2 FAD + 6 H_2O + 34 ATP \]

DNA-Replikation, Transkription und Translation

Definition:

Prozesse zur Vervielfältigung der DNA und zur Synthese von RNA und Proteinen.

Details:

• DNA-Replikation: Verdopplung der DNA vor der Zellteilung
• Enzyme: Helicase, DNA-Polymerase, Primase, Ligase
• Leitstrang und Folgestrang
• Okazaki-Fragmente
• Transkription: Synthese von RNA anhand DNA-Vorlage
• Enzym: RNA-Polymerase
• Promoter, Terminator
• Translation: Synthese von Proteinen anhand mRNA
• Ribosomen, tRNA
• Startcodon, Stoppcodon
• Peptidbindung

Rezeptor-Tyrosinkinasen und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Definition:

Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) sind Enzyme, die bei der Übertragung von Signalen durch Zellmembranen eine Rolle spielen. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine große Familie von Rezeptoren, die durch Interaktion mit G-Proteinen Signale weiterleiten.

Details:

• RTKs: Aktiviert durch Ligandenbindung, führen zur Phosphorylierung von Tyrosinresten
• RTK Signalweg: Ligandbindung, Dimerisierung, Autophosphorylierung, Signaltransduktion
• GPCRs: Sieben Transmembrandomänen, aktivieren G-Proteine durch GTP/GDP-Austausch
• GPCR Signalweg: Ligandbindung, Konformationsänderung, Aktivierung des G-Proteins, Auslösung von Signalwegen z.B. cAMP
• Beispiele für RTKs: Insulinrezeptor, EGFR
• Beispiele für GPCRs: Beta-Adrenozeptoren, Rhodopsin

Chromatografische Techniken zur Auftrennung und Reinigung von Biomolekülen

Definition:

Techniken zur Trennung und Reinigung von Biomolekülen basierend auf physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Größe, Ladung, Affinität etc.

Details:

• Größenausschlusschromatographie (GPC): Trennung nach Molekülgröße
• Ionenaustauschchromatographie: Trennung basierend auf Ladungsunterschieden
• Affinitätschromatographie: Bindungsspezifität genutzt, z.B. Antigen-Antikörper
• Hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC): Trennung nach hydrophoben Eigenschaften
• Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC): Hohe Trennleistung, oft zur Analyse und Aufreinigung

Bioinformatik und Datenanalyse in der Biochemie

Definition:

Verwendung von Methoden der Informatik und Statistik zur Analyse biologischer Daten, insbesondere in der Biochemie für Proteinstrukturen, Genomik, und Metabolomik

Details:

• Sequenzalignierung: Needleman-Wunsch \textit{(global)}, Smith-Waterman \textit{(lokal)}
• Strukturvorhersage: Homologie-Modellierung, Faltungsvorhersage über Algorithmen wie AlphaFold
• Genom-Analyse: NGS-Daten, SNP-Analyse, Genexpression durch RNA-Seq
• Metabolomik: Erkennung und Analyse von Metaboliten, Massenspektrometrie-Daten
• Werkzeuge: BLAST, ClustalW, Cytoscape, R, Python (Biopython, Pandas)
• Statistische Techniken: PCA, Clustering, p-Wert Berechnungen