Seminar Biochemie / Molekularbiologie - Exam

Aufgabe 1)

Betrachte die Struktur und Funktion von Biomolekülen, die entscheidende biologische Prozesse in Lebewesen unterstützen und regulieren. Diese Makromoleküle umfassen Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren. Jedes dieser Biomoleküle hat einzigartige strukturelle Eigenschaften und spezifische Funktionen in biologischen Systemen.

• Kohlenhydrate: Dienen als Energiequelle und Strukturkomponenten, wie z.B. Zellulose in Pflanzenzellwänden.
• Proteine: Fungieren als Enzyme, Strukturproteine wie Kollagen oder Transportproteine wie Hämoglobin.
• Lipide: Dienen als Energiespeicher und sind Hauptbestandteile von Membranstrukturen, inkl. Phospholipiden.
• Nukleinsäuren: Speichern und übertragen genetische Informationen in Form von DNA und RNA.
• Die Struktur und Funktion dieser Biomoleküle werden durch deren Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen bestimmt.
• Verstehenswerte Konzepte umfassen Peptidbindungen, Basepaarung, Doppelhelix und Lipiddoppelschicht.
• Interaktionen zwischen Biomolekülen basieren auf Wasserstoffbrücken, hydrophoben Wechselwirkungen und ionischen Bindungen.

a)

Beschreibe die Struktur der Lipiddoppelschicht, die eine wesentliche Komponente biologischer Membranen darstellt. Erkläre, wie die hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften der Phospholipide die Bildung und Funktion der Membran beeinflussen. Veranschauliche deine Antwort durch eine schematische Zeichnung der Lipiddoppelschicht.

Lösung:

Struktur der Lipiddoppelschicht:

Die Lipiddoppelschicht ist ein grundlegender Bestandteil biologischer Membranen und besteht hauptsächlich aus Phospholipiden. Jedes Phospholipid-Molekül besteht aus einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und zwei hydrophoben (wasserabweisenden) Schwänzen. Diese besondere Struktur führt zu einer geordneten Anordnung in wässriger Umgebung:

• Die hydrophilen Köpfe der Phospholipide richten sich nach außen, in Richtung des wässrigen Mediums intra- und extrazellulär.
• Die hydrophoben Schwänze richten sich nach innen, weg vom Wasser, und interagieren miteinander, bildend die innere Schicht der Membran.

Aufgrund dieser angetriebenen Interaktionen formieren Phospholipide spontan eine Doppelschicht, wobei die hydrophilen Köpfe eine äußere Grenzfläche bilden und die hydrophoben Schwänze eine Barriere schaffen. Dies führt zu einer semipermeablen Membran, die selektiv den Austausch von Molekülen und Ionen ermöglicht.

Beeinflussung durch hydrophile und hydrophobe Eigenschaften:

• Hydrophile Köpfe: Diese erlauben der Membran, in wässrigen Umgebungen (z.B. innerhalb einer Zelle oder im extrazellulären Raum) stabil zu bleiben und interagieren auch mit polaren Molekülen wie Wasser und Ionen.
• Hydrophobe Schwänze: Diese verhindern das Eindringen von wasserlöslichen Substanzen in die Membran und ermöglichen die Bildung einer Barriere, die wesentlich für die Erhaltung des zellulären Milieus ist.

Die folgende schematische Zeichnung illustriert die Lipiddoppelschicht:

    Hydrophiler Kopf   Hydrophober Schwanz  Hydrophiler Kopf      -- -- | | -- -- | | -- --        Exoplasmatischer Raum ______________________________ |        |_       __|        __________|         |        |_     __|         ________|        |        |_  ___|       _______| |        |_  __|       __|     | |        |___ |  __|     /__|     | |        |___  |  __|    /__|    | |        | |  |  |       |___    | -- -- | | -- -- | | -- --          Zytoplasma

b)

Berechne die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen zwei DNA-Strängen mit der Sequenz 5'-ATCG-3' und 3'-TAGC-5' gebildet werden. Erkläre, wie diese Bindungen zur Stabilität der DNA-Doppelhelix beitragen.

Hinweis: Adenin (A) paart sich mit Thymin (T) durch zwei Wasserstoffbrücken, und Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C) durch drei Wasserstoffbrücken.

Lösung:

Berechnung der Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen:

Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei komplementären Strängen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren zusammengehalten werden. Um die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen zu berechnen, betrachten wir die gegebenen Sequenzen:

• Erster Strang: 5'-ATCG-3'
• Zweiter Strang: 3'-TAGC-5'

Wir ordnen nun die komplementären Basenpaare und zählen die Wasserstoffbrückenbindungen:

• Adenin (A) paart sich mit Thymin (T) durch zwei Wasserstoffbrücken.
• Thymin (T) paart sich mit Adenin (A) durch zwei Wasserstoffbrücken.
• Cytosin (C) paart sich mit Guanin (G) durch drei Wasserstoffbrücken.
• Guanin (G) paart sich mit Cytosin (C) durch drei Wasserstoffbrücken.

Also:

• A (im ersten Strang) paart sich mit T (im zweiten Strang) -> 2 Wasserstoffbrücken
• T (im ersten Strang) paart sich mit A (im zweiten Strang) -> 2 Wasserstoffbrücken
• C (im ersten Strang) paart sich mit G (im zweiten Strang) -> 3 Wasserstoffbrücken
• G (im ersten Strang) paart sich mit C (im zweiten Strang) -> 3 Wasserstoffbrücken

Die Gesamtzahl der Wasserstoffbrückenbindungen beträgt:

2 + 2 + 3 + 3 = 10

Erklärung der Stabilität der DNA-Doppelhelix durch Wasserstoffbrückenbindungen:

Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren spielen eine zentrale Rolle bei der Stabilität der DNA-Doppelhelix. Sie gewährleisten:

• Stabilität: Die Wasserstoffbrückenbindungen helfen, die beiden DNA-Stränge zusammenzuhalten, wodurch die Doppelhelix stabiler und widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse wird.
• Spezifität der Basenpaarung: Die spezifische Bindung zwischen Adenin und Thymin sowie zwischen Guanin und Cytosin sorgt dafür, dass die Stränge komplementär sind und die genetische Information präzise repliziert wird.
• Flexibilität: Trotz der stabilisierenden Wirkung sind Wasserstoffbrückenbindungen relativ schwach im Vergleich zu kovalenten Bindungen, was der DNA-Doppelhelix eine gewisse Flexibilität verleiht und es ermöglicht, sich bei Bedarf zu entpacken (z.B. während der Replikation und Transkription).

Aufgabe 2)

Enzymkinetik und MechanismenDu hast die Reaktionsgeschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen und deren Mechanismen in der Vorlesung durchgenommen. In diesem Kontext kennst Du die Michaelis-Menten-Gleichung, die Lineweaver-Burk-Gleichung sowie verschiedene Inhibitionsformen. Außerdem hast Du von der allosterischen Regulation von Enzymen und den Modellen Schlüssel-Schloss-Prinzip und induzierte Passform gehört.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Lineweaver-Burk-Gleichung (Doppelreziproken-Darstellung): \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitionsformen: kompetitiv, nichtkompetitiv, unkompetitiv
• Allosterische Regulation von Enzymen: Effektoren binden an andere Stellen als das aktive Zentrum
• Schlüssel-Schloss-Prinzip vs. induzierte Passform

a)

Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit (v) einer enzymkatalysierten Reaktion, wenn die Substratkonzentration ([S]) 5 mM beträgt, der maximale Umsatz (V_max) bei 200 µmol/min liegt und der Michaelis-Menten-Konstante (K_m) 2 mM entspricht. Nutze dazu die Michaelis-Menten-Gleichung.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]

Lösung:

Enzymkinetik und MechanismenDu hast die Reaktionsgeschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen und deren Mechanismen in der Vorlesung durchgenommen. In diesem Kontext kennst Du die Michaelis-Menten-Gleichung, die Lineweaver-Burk-Gleichung sowie verschiedene Inhibitionsformen. Außerdem hast Du von der allosterischen Regulation von Enzymen und den Modellen Schlüssel-Schloss-Prinzip und induzierte Passform gehört.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Lineweaver-Burk-Gleichung (Doppelreziproken-Darstellung): \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitionsformen: kompetitiv, nichtkompetitiv, unkompetitiv
• Allosterische Regulation von Enzymen: Effektoren binden an andere Stellen als das aktive Zentrum
• Schlüssel-Schloss-Prinzip vs. induzierte Passform

Solve the following subexercise: Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit (v) einer enzymkatalysierten Reaktion, wenn die Substratkonzentration ([S]) 5 mM beträgt, der maximale Umsatz (V_max) bei 200 µmol/min liegt und der Michaelis-Menten-Konstante (K_m) 2 mM entspricht. Nutze dazu die Michaelis-Menten-Gleichung.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]

Um die Reaktionsgeschwindigkeit (v) zu berechnen, gehen wir wie folgt vor:

• Die Substratkonzentration \([S]\) beträgt 5 mM.
• Der maximale Umsatz \(V_{max}\) liegt bei 200 µmol/min.
• Die Michaelis-Menten-Konstante \(K_m\) beträgt 2 mM.

Nun setzen wir diese Werte in die Michaelis-Menten-Gleichung ein:

• \[ v = \frac{{200\ \text{µmol/min} \times 5\ \text{mM}}}{{2\ \text{mM} + 5\ \text{mM}}} \]
• \[ v = \frac{{1000\ \text{µmol/min}}}{{7\ \text{mM}}} \]
• \[ v \approx 142.86\ \text{µmol/min} \]

Also beträgt die Reaktionsgeschwindigkeit ca. 142.86 µmol/min.

b)

Zeichne das Lineweaver-Burk-Diagramm für die oben berechnete Reaktion und beschreibe, wie du V_max und K_m aus dieser Darstellung ermitteln kannst.

• Lineweaver-Burk-Gleichung: \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]

Lösung:

Enzymkinetik und MechanismenDu hast die Reaktionsgeschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen und deren Mechanismen in der Vorlesung durchgenommen. In diesem Kontext kennst Du die Michaelis-Menten-Gleichung, die Lineweaver-Burk-Gleichung sowie verschiedene Inhibitionsformen. Außerdem hast Du von der allosterischen Regulation von Enzymen und den Modellen Schlüssel-Schloss-Prinzip und induzierte Passform gehört.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Lineweaver-Burk-Gleichung (Doppelreziproken-Darstellung): \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitionsformen: kompetitiv, nichtkompetitiv, unkompetitiv
• Allosterische Regulation von Enzymen: Effektoren binden an andere Stellen als das aktive Zentrum
• Schlüssel-Schloss-Prinzip vs. induzierte Passform

Solve the following subexercise: Zeichne das Lineweaver-Burk-Diagramm für die oben berechnete Reaktion und beschreibe, wie du V_max und K_m aus dieser Darstellung ermitteln kannst.

• Lineweaver-Burk-Gleichung: \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]

Um das Lineweaver-Burk-Diagramm zu zeichnen, geht man wie folgt vor:

• Die Lineweaver-Burk-Gleichung wird verwendet: \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]

Setze die gegebenen Werte ein:

• \(V_{max} = 200\ \text{µmol/min}\)
• \(K_m = 2\ \text{mM}\)

Schritte zur Erstellung des Lineweaver-Burk-Plots:

• In einem typischen Lineweaver-Burk-Plot trägst Du \(\frac{1}{[S]}\) auf der x-Achse und \(\frac{1}{v}\) auf der y-Achse auf.
• Für verschiedene Werte von [S] berechnest Du \(v\) mithilfe von \[ v = \frac{200\ \text{µmol/min} \cdot [S]}{2 \ \text{mM} + [S]} \]. Dann berechnest Du \(\frac{1}{[S]}\) und \(\frac{1}{v}\).

Beispielwerte:

• Für \([S] = 1\ \text{mM}\): \(v = \frac{200 \ \text{µmol/min} \cdot 1}{2 + 1} = \frac{200}{3} \approx 66.67\ \text{µmol/min}\) -> \(\frac{1}{[S]} = 1\ \text{mM}^{-1}\), \(\frac{1}{v} \approx 0.015\ \text{min/µmol}\)
• Für \([S] = 5\ \text{mM}\): \(v = \frac{200 \ \text{µmol/min} \cdot 5}{2 + 5} = \frac{1000}{7} \approx 142.86\ \text{µmol/min}\) -> \(\frac{1}{[S]} = 0.2\ \text{mM}^{-1}\), \(\frac{1}{v} \approx 0.007\ \text{min/µmol}\)

Wie Du \({V_{max}}\) und \({K_m}\) ermittelst:

• \(V_{max}\): Der Schnittpunkt der Kurve mit der y-Achse liefert \( \frac{1}{V_{max}} \). Der Kehrwert dieses Schnittpunkts ist \(V_{max}\).
• \(K_m\): Der Wert des x-Achsenschnittpunkts (bei dem die Linie die x-Achse schneidet) entspricht \(-\frac{1}{K_m}\). Der Kehrwert dieses Schnittpunkts ist \(K_m\).

Durch sorgfältige Erstellung des Lineweaver-Burk-Diagramms und das Ablesen der Schnittpunkte kannst Du somit die Werte von \(V_{max}\) und \(K_m\) ermitteln.

c)

Erläutere den Effekt einer kompetitiven Hemmung auf die Michaelis-Menten- und die Lineweaver-Burk-Darstellung. Gehe dabei auch auf die Änderungen von K_m und V_max ein.

Lösung:

Enzymkinetik und MechanismenDu hast die Reaktionsgeschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen und deren Mechanismen in der Vorlesung durchgenommen. In diesem Kontext kennst Du die Michaelis-Menten-Gleichung, die Lineweaver-Burk-Gleichung sowie verschiedene Inhibitionsformen. Außerdem hast Du von der allosterischen Regulation von Enzymen und den Modellen Schlüssel-Schloss-Prinzip und induzierte Passform gehört.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Lineweaver-Burk-Gleichung (Doppelreziproken-Darstellung): \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitionsformen: kompetitiv, nichtkompetitiv, unkompetitiv
• Allosterische Regulation von Enzymen: Effektoren binden an andere Stellen als das aktive Zentrum
• Schlüssel-Schloss-Prinzip vs. induzierte Passform

Solve the following subexercise: Erläutere den Effekt einer kompetitiven Hemmung auf die Michaelis-Menten- und die Lineweaver-Burk-Darstellung. Gehe dabei auch auf die Änderungen von K_m und V_max ein.Kompetitive Hemmung:Bei einer kompetitiven Hemmung konkurriert der Inhibitor mit dem Substrat um die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms. Dies hat spezifische Effekte auf die Michaelis-Menten-Gleichung und die Lineweaver-Burk-Darstellung.Effekte auf die Michaelis-Menten-Gleichung:In der Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors wird die Michaelis-Menten-Konstante (\(K_m\)) scheinbar erhöht, während die maximale Umsatzgeschwindigkeit (\(V_{max}\)) unverändert bleibt. Die modifizierte Michaelis-Menten-Gleichung bei kompetitiver Hemmung lautet:

• \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m \left(1 + \frac{[I]}{K_i}\right) + [S]}} \]

Hierbei steht \([I]\) für die Inhibitorkonzentration und \(K_i\) für die Dissoziationskonstante des Inhibitors.Effekte auf die Lineweaver-Burk-Darstellung:Die Lineweaver-Burk-Gleichung wird durch einen kompetitiven Inhibitor wie folgt modifiziert:

• \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m(1 + \frac{[I]}{K_i})}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]

Im Lineweaver-Burk-Diagramm sieht man diese Änderungen wie folgt:

• \(K_m\) steigt an, d.h. die Steigung der Kurve (\(\frac{K_m}{V_{max}}\)) nimmt zu.
• \(V_{max}\) bleibt unverändert, sodass der Schnittpunkt auf der y-Achse (\(\frac{1}{V_{max}}\)) gleich bleibt.
• Der Cutoff-Punkt auf der x-Achse verschiebt sich nach rechts, da der Betrag von \(-\frac{1}{K_m}\) abnimmt.

Zusammengefasst:

• Bei kompetitiver Hemmung bleibt \(V_{max}\) unverändert, während sich \(K_m\) in Anwesenheit des Inhibitors erhöht.
• In der Lineweaver-Burk-Darstellung erkennt man dies an der steileren Steigung der Geraden und der unveränderten y-Achsenabschnitt.
• Der Schnittpunkt auf der x-Achse verschiebt sich aufgrund des erhöhten \(K_m\) nach rechts.

Durch diese grafische Darstellung in einem Lineweaver-Burk-Diagramm lassen sich die Effekte einer kompetitiven Hemmung gut nachvollziehen.

d)

Diskutiere das Schlüssel-Schloss-Prinzip und die induzierte Passform in Bezug auf die allosterische Regulation von Enzymen. Verwende exemplarische Diagramme, um den Einfluss allosterischer Effektoren zu veranschaulichen.

Lösung:

Enzymkinetik und MechanismenDu hast die Reaktionsgeschwindigkeiten von enzymkatalysierten Reaktionen und deren Mechanismen in der Vorlesung durchgenommen. In diesem Kontext kennst Du die Michaelis-Menten-Gleichung, die Lineweaver-Burk-Gleichung sowie verschiedene Inhibitionsformen. Außerdem hast Du von der allosterischen Regulation von Enzymen und den Modellen Schlüssel-Schloss-Prinzip und induzierte Passform gehört.

• Michaelis-Menten-Gleichung: \[ v = \frac{{V_{max}[S]}}{{K_m + [S]}} \]
• Lineweaver-Burk-Gleichung (Doppelreziproken-Darstellung): \[ \frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}[S]} + \frac{1}{V_{max}} \]
• Inhibitionsformen: kompetitiv, nichtkompetitiv, unkompetitiv
• Allosterische Regulation von Enzymen: Effektoren binden an andere Stellen als das aktive Zentrum
• Schlüssel-Schloss-Prinzip vs. induzierte Passform

Subexercise: Diskutiere das Schlüssel-Schloss-Prinzip und die induzierte Passform in Bezug auf die allosterische Regulation von Enzymen. Verwende exemplarische Diagramme, um den Einfluss allosterischer Effektoren zu veranschaulichen.Schlüssel-Schloss-Prinzip:Das Schlüssel-Schloss-Prinzip wurde von Emil Fischer im Jahr 1894 vorgeschlagen. Es besagt, dass das Substrat (Schlüssel) in das aktive Zentrum des Enzyms (Schloss) passt, wobei das Enzym eine starre Struktur hat.Induzierte Passform:Das Modell der induzierten Passform (induced fit) wurde von Daniel E. Koshland im Jahr 1958 vorgestellt. Es beschreibt, dass sowohl das Enzym als auch das Substrat vor der Bindung flexible Strukturen haben und sich gegenseitig anpassen. Die Bindung des Substrats induziert eine Konformationsänderung im Enzym.Allosterische Regulation und ihre Wirkung:Bei der allosterischen Regulation binden Effektoren (inhibitorische oder aktivierende Moleküle) an einer anderen Stelle des Enzyms als dem aktiven Zentrum (allosterisches Zentrum). Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des Enzyms, die die Enzymaktivität modifiziert.

• Allosterische Aktivatoren: Diese binden an das Enzym und erhöhen dessen Affinität für das Substrat, was zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit führt.
• Allosterische Inhibitoren: Diese binden an das Enzym und verringern dessen Affinität für das Substrat, was die Reaktionsgeschwindigkeit verringert.

Exemplarische Diagramme:Hier sind zwei Diagramme, die die allosterische Regulation verdeutlichen:

• Allosterische Aktivatoren:In diesem Diagramm wird gezeigt, dass die Bindung eines allosterischen Aktivators an das Enzym zu einer Erhöhung der vmax und/ oder einer Erniedrigung des Km führt.
• Allosterische Inhibitoren:Hier sieht man, dass die Bindung eines allosterischen Inhibitors zu einer Verringerung der vmax und/oder einer Erhöhung des Km führt.

Fazit:Das Schlüssel-Schloss-Prinzip und die induzierte Passform sind zwei Modelle, die die Interaktion zwischen Enzymen und ihren Substraten beschreiben. Bei der allosterischen Regulation kommen Effektoren ins Spiel, die durch Bindung an allosterische Zentren Konformationsänderungen auslösen und so die Enzymaktivität modulieren. Durch die Veränderungen in Km und vmax können allosterische Aktivatoren und Inhibitoren die Reaktionskinetik signifikant beeinflussen.

Aufgabe 3)

Ein Protein wird aus eine Aminosäurekette synthetisiert und durchläuft mehrere Strukturebenen, um seine funktionelle Form zu erreichen. Die Primärstruktur beschreibt die Abfolge der Aminosäuren, während die Sekundärstruktur durch Wasserstoffbrückenbindungen α-Helices und β-Faltblattstrukturen bildet. Die Tertiärstruktur ist die dreidimensionale Anordnung durch diverse Wechselwirkungen, und die Quartärstruktur beschreibt die Assemblierung mehrerer Polypeptidketten. Der Faltungsprozess wird oft durch Chaperone unterstützt, die Fehlfaltungen verhindern. Denaturierung kann durch Hitze, pH-Änderungen oder Chemikalien verursacht werden und führt meist zu einem irreversiblen Verlust der Struktur. Missfaltungen spielen eine Rolle bei Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson.

a)

Beschreibe die Rolle von Chaperonen im Faltungsprozess eines Proteins und welche potenziellen Folgen eine Fehlfaltung haben kann. Beziehe Dich auf zwei bekannte Krankheiten, die durch Proteinmissfaltung verursacht werden.

Lösung:

Rolle von Chaperonen im Faltungsprozess eines Proteins

• Chaperone sind spezialisierte Proteine, die andere Proteine bei ihrer korrekten Faltung unterstützen.
• Während des Proteinfaltungsprozesses verhindern Chaperone die Bildung von Fehlfaltungen und ermöglichen es den Proteinen, ihre native, funktionelle Konformation zu erreichen.
• Sie binden an hydrophobe Regionen der neu synthetisierten Polypeptidkette und stabilisieren diese, bis die gesamte Kette vollständig gefaltet ist.
• Chaperone bieten eine geschützte Umgebung, indem sie Aggregationen von fehlgefalteten Proteinen verhindern.
• Bekannte Beispiele für Chaperone sind die Heat Shock Proteins (HSPs), insbesondere HSP70 und HSP60.

Potenzielle Folgen einer Proteinfehlfaltung

• Proteinfehlfaltungen können schwerwiegende Folgen für die Zelle haben und sind mit verschiedenen Krankheiten assoziiert.
• Eine Fehlfaltung kann zur Bildung von Proteinaggregaten führen, die toxisch für die Zelle sind.
• Diese Aggregation kann die normale Zellfunktion beeinträchtigen und schließlich zum Zelltod führen.

Bekannte Krankheiten durch Proteinmissfaltung

• Alzheimer-Krankheit: Diese Krankheit ist durch die Akkumulation von fehlgefalteten Amyloid-beta-Proteinen gekennzeichnet, die Plaques bilden. Diese Plaques stören die neuronale Kommunikation und führen zum Absterben von Nervenzellen, was Gedächtnisverlust und kognitive Beeinträchtigungen verursacht.
• Parkinson-Krankheit: Die Fehlfaltung und Aggregation des Proteins alpha-Synuclein führt zur Bildung von Lewy-Körperchen in den Nervenzellen. Dies beeinträchtigt die Funktion der dopaminergen Neuronen und verursacht motorische Symptome wie Zittern, Steifheit und Bewegungsarmut.

b)

Ein Protein hat eine Sequenz von 200 Aminosäuren. Berechne die theoretische Anzahl an möglichen Peptidbindungen für dieses Protein und die Gesamtzahl der möglichen primären Strukturen, wenn jede Position von einer von 20 verschiedenen Aminosäuren besetzt werden kann.

Lösung:

Berechnung der theoretischen Anzahl an möglichen Peptidbindungen

• Ein Protein mit einer Sequenz von 200 Aminosäuren hat Peptidbindungen zwischen jeder benachbarten Aminosäure.
• Da Peptidbindungen immer zwischen zwei Aminosäuren gebildet werden, gibt es insgesamt (Anzahl der Aminosäuren - 1) Peptidbindungen.
• In diesem Fall: 200 - 1 = 199 Peptidbindungen.

Berechnung der Gesamtzahl der möglichen primären Strukturen

• Jede Position in der Sequenz kann von einer von 20 verschiedenen Aminosäuren besetzt werden.
• Für eine Sequenzlänge von 200 Aminosäuren hat jede Position 20 Möglichkeiten.
• Die Gesamtzahl der möglichen primären Strukturen kann daher durch 20²⁰⁰ berechnet werden.
• Das ergibt: \[ 20^{200} \]

c)

Erkläre, wie die Sekundärstruktur eines Proteins durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird und wie externe Faktoren wie pH-Änderungen zu einer Denaturierung führen können. Welche strukturellen Veränderungen erwarten sich durch eine vollständige Denaturierung?

Lösung:

Stabilisierung der Sekundärstruktur durch Wasserstoffbrückenbindungen

• Die Sekundärstruktur eines Proteins umfasst die Bildung von α-Helices und β-Faltblattstrukturen.
• Diese Strukturen werden hauptsächlich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Rückgraten der Peptidkette stabilisiert.
• In α-Helices entstehen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Carbonylgruppe (C=O) einer Aminosäure und der Amidgruppe (N-H) einer Aminosäure, die vier Positionen weiter entlang der Kette liegt.
• In β-Faltblattstrukturen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Kettenabschnitten, die parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind.

Einfluss von externen Faktoren wie pH-Änderungen auf die Denaturierung

• Externe Faktoren wie Änderungen des pH-Wertes können die Stabilität von Proteinen beeinträchtigen.
• Änderungen des pH-Wertes können die Ionisierung der Seitenketten von Aminosäuren beeinflussen, was zu einer Destabilisierung der Wasserstoffbrückenbindungen und der ionischen Wechselwirkungen führt.
• Diese Destabilisierung kann zur Entfaltung des Proteins und damit zur Denaturierung führen.

Erwartete strukturelle Veränderungen durch eine vollständige Denaturierung

• Durch eine vollständige Denaturierung verliert das Protein seine native, dreidimensionale Struktur.
• Die Sekundär-, Tertiär- und gegebenenfalls Quartärstruktur brechen zusammen.
• Das Protein wird zu einer ungeordneten, linearen Kette von Aminosäuren zurückgeführt.
• Die funktionellen Eigenschaften des Proteins gehen verloren, da die spezifische Faltung notwendig ist, um die biologischen Funktionen auszuführen.

d)

Diskutiere den Einfluss der Tertiär- und Quartärstruktur auf die Funktionalität eines Proteins und wie spezifische Wechselwirkungen (z.B. Disulfidbrücken) zur Stabilität dieser Strukturen beitragen. Gib ein Beispiel für ein Protein, dessen Funktion von der Quartärstruktur abhängt und erläutere die Konsequenzen, wenn diese Struktur zerstört wird.

Lösung:

Einfluss der Tertiär- und Quartärstruktur auf die Funktionalität eines Proteins

• Die Tertiärstruktur eines Proteins ist die dreidimensionale Anordnung aller Atome im Protein, und sie bestimmt weitgehend die Funktion des Proteins, da sie die spezifischen aktiven Stellen und Bindungsstellen für Substrate und andere Moleküle formt.
• Die Quartärstruktur bezieht sich auf die Assemblierung mehrerer Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Proteinkomplex. Diese Struktur ist entscheidend für die Funktion von Proteinen, die aus mehreren Untereinheiten bestehen, da die Wechselwirkungen zwischen diesen Untereinheiten oft für die biologische Aktivität notwendig sind.

Beitrag spezifischer Wechselwirkungen zur Stabilität der Tertiär- und Quartärstruktur

• Disulfidbrücken: Diese kovalenten Bindungen zwischen den Schwefelatomen von Cysteinresten stabilisieren die Tertiär- und Quartärstruktur. Sie kommen besonders in extrazellulären Proteinen vor, wo sie zur Resistenz gegen Umwelteinflüsse beitragen.
• Hydrophobe Wechselwirkungen: Hydrophobe Aminosäuren neigen dazu, sich im Inneren des Proteins zu sammeln, weg von der wässrigen Umgebung. Diese Wechselwirkungen sind wichtig für die Ausbildung der Tertiärstruktur.
• Ionische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken: Diese tragen sowohl zur Stabilität als auch zur spezifischen Faltung der Tertiär- und Quartärstruktur bei, indem sie bestimmte Teile der Polypeptidkette zusammenhalten.

Beispiel für ein Protein, dessen Funktion von der Quartärstruktur abhängt: Hämoglobin

• Hämoglobin ist ein Protein, das in roten Blutkörperchen vorkommt und für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich ist.
• Es besteht aus vier Untereinheiten: zwei α-Ketten und zwei β-Ketten, die zusammenarbeiten, um Sauerstoffmoleküle zu binden und freizusetzen.
• Die Quartärstruktur von Hämoglobin ist entscheidend für seine Funktion, da die Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten die Sauerstoffbindung und -freisetzung regulieren.
• Wenn die Quartärstruktur zerstört wird, z.B. durch Mutation oder denaturierende Bedingungen, verliert Hämoglobin seine Fähigkeit, Sauerstoff effizient zu binden und zu transportieren. Dies kann zu schweren gesundheitlichen Problemen wie Anämie führen.

Aufgabe 4)

Glykolyse und Gluconeogenese sind zentrale Stoffwechselwege im menschlichen Körper zur Energiegewinnung und Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels. Glykolyse ist der Abbau von Glukose zu Pyruvat, während die Gluconeogenese die Synthese von Glukose aus Nicht-Kohlenhydratvorstufen umfasst. Diese Prozesse sind durch bestimmte Reaktionen und Enzyme geregelt.

a)

Beschreibe detailliert die Reaktionsfolge der Glykolyse von der Glukose bis zum Pyruvat. Nenne die beteiligten Enzyme und betone besonders die drei regulierten Schritte. Begründe, warum diese Schritte als regulierte Punkte dienen.

Lösung:

Einführung in die Glykolyse:

Die Glykolyse ist der Prozess, bei dem eine Glukosemolekül (C₆H₁₂O₆) in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird (C₃H₄O₃). Dieser Prozess findet im Cytosol der Zelle statt und besteht aus zehn Schritten, die jeweils durch spezifische Enzyme katalysiert werden. Wir werden die Reaktionsfolge Schritt für Schritt durchgehen und besonders die regulierten Schritte hervorheben.

• Schritt 1: Glukose wird durch das Enzym Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert. Dieser Schritt verbraucht ein Molekül ATP und ist stark exergonisch, was ihn zu einem der regulierten Schritte macht. Die Regulation erfolgt durch das Produkt, Glukose-6-phosphat, welches die Hexokinase hemmt, sobald genügend Glukose-6-phosphat vorhanden ist. Reaktion: Glukose + ATP → Glukose-6-phosphat + ADP
• Schritt 2: Glukose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphoglukose-Isomerase zu Fructose-6-phosphat isomerisiert. Reaktion: Glukose-6-phosphat ↔ Fructose-6-phosphat
• Schritt 3: Fructose-6-phosphat wird durch das Enzym Phosphofruktokinase-1 (PFK-1) zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert. Dieser Schritt verbraucht ein weiteres Molekül ATP und ist der wichtigste regulierte Schritt in der Glykolyse. Die Aktivität von PFK-1 wird durch den Energiezustand der Zelle (ATP/ADP-Verhältnis) und durch Fructose-2,6-bisphosphat reguliert. Reaktion: Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat + ADP
• Schritt 4: Fructose-1,6-bisphosphat wird durch das Enzym Aldolase in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) gespalten. Reaktion: Fructose-1,6-bisphosphat ↔ DHAP + GAP
• Schritt 5: DHAP wird durch das Enzym Triosephosphat-Isomerase zu GAP isomerisiert, so dass zwei Moleküle GAP pro Glukosemolekül vorhanden sind. Reaktion: DHAP ↔ GAP
• Schritt 6: GAP wird durch das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) oxidiert und phosphoryliert, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird. Reaktion: GAP + NAD⁺ + Pi ↔ 1,3-BPG + NADH + H⁺
• Schritt 7: 1,3-BPG wird durch das Enzym Phosphoglycerat-Kinase zu 3-Phosphoglycerat umgewandelt, wobei ein Molekül ATP pro Molekül 1,3-BPG gebildet wird. Reaktion: 1,3-BPG + ADP ↔ 3-Phosphoglycerat + ATP
• Schritt 8: 3-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Phosphoglycerat-Mutase zu 2-Phosphoglycerat isomerisiert. Reaktion: 3-Phosphoglycerat ↔ 2-Phosphoglycerat
• Schritt 9: 2-Phosphoglycerat wird durch das Enzym Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) dehydratisiert. Reaktion: 2-Phosphoglycerat ↔ PEP + H₂O
• Schritt 10: PEP wird durch das Enzym Pyruvat-Kinase zu Pyruvat umgewandelt, wobei ein weiteres Molekül ATP gebildet wird. Dieser Schritt ist ebenfalls stark exergonisch und einer der regulierten Schritte in der Glykolyse. Die Pyruvat-Kinase wird durch Fructose-1,6-bisphosphat aktiviert (Feedforward-Aktivierung) und durch ATP und Alanin gehemmt, was ihn zu einem wichtigen regulatorischen Punkt macht. Reaktion: PEP + ADP → Pyruvat + ATP

Zusammenfassung der regulierten Schritte:

• Hexokinase-Reaktion (Schritt 1): Wird durch Glukose-6-phosphat gehemmt. Reaktion: Glukose + ATP → Glukose-6-phosphat + ADP
• PFK-1-Reaktion (Schritt 3): Wichtigster regulierter Schritt, reguliert durch ATP/ADP-Verhältnis und Fructose-2,6-bisphosphat. Reaktion: Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat + ADP
• Pyruvat-Kinase-Reaktion (Schritt 10): Reguliert durch Fructose-1,6-bisphosphat, ATP und Alanin. Reaktion: PEP + ADP → Pyruvat + ATP

Begründung für die Regulierung dieser Schritte:

• Energiestatus der Zelle: Die Zelle muss in der Lage sein, den Energiebedarf zu erkennen und darauf zu reagieren. ATP/ADP-Verhältnisse und andere allosterische Effektoren bieten Rückkopplung, um die Energieproduktion nach Bedarf zu steuern.
• Substratverfügbarkeit: Die Regulierung durch spezifische Metaboliten ermöglicht es der Zelle, die Glykolyse an die Verfügbarkeit von Substraten und Zwischenprodukten anzupassen.
• Verhinderung von Energiewechselkonflikten: Durch die Regulierung dieser Schritte wird verhindert, dass die Glykolyse gleichzeitig mit der Gluconeogenese aktiv ist, was zu ineffizientem Energieverbrauch führen würde.

b)

Erkläre den Ablauf der Gluconeogenese und wie sie die Reaktionen der Glykolyse umkehrt. Welche spezifischen Umgehungsreaktionen und Schlüsselenzyme sind beteiligt? Diskutiere die Rolle dieser Enzyme in der Regulation des Blutzuckerspiegels.

Lösung:

Einführung in die Gluconeogenese:

Die Gluconeogenese ist der Prozess, bei dem Glukose aus Nicht-Kohlenhydratvorstufen wie Laktat, Aminosäuren und Glycerin synthetisiert wird. Dieser Prozess findet hauptsächlich in der Leber und in geringem Maße in der Niere statt. Im Gegensatz zur Glykolyse, die in eine Richtung verläuft, enthält die Gluconeogenese mehrere umgehende Reaktionen, um die stark exergonischen Schritte der Glykolyse zu überwinden.

Hauptschritte der Gluconeogenese:

• Schritt 1: Umgehung der Pyruvat-Kinase-Reaktion: Pyruvat wird im ersten Umgehungsschritt durch das Enzym Pyruvat-Carboxylase in Oxalacetat umgewandelt. Danach wird Oxalacetat durch das Enzym Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) zu Phosphoenolpyruvat (PEP) decarboxyliert und phosphoryliert. Reaktionen: Pyruvat + CO₂ + ATP → Oxalacetat + ADP + Pi (katalysiert durch Pyruvat-Carboxylase) Oxalacetat + GTP → PEP + CO₂ + GDP (katalysiert durch PEPCK)
• Schritt 2: Umgehung der Phosphofruktokinase-1 (PFK-1)-Reaktion: Fructose-1,6-bisphosphat wird durch das Enzym Fructose-1,6-bisphosphatase zu Fructose-6-Phosphat dephosphoryliert. Reaktion: Fructose-1,6-bisphosphat + H₂O → Fructose-6-Phosphat + Pi
• Schritt 3: Umgehung der Hexokinase-Reaktion: Glukose-6-Phosphat wird durch das Enzym Glukose-6-Phosphatase zu Glukose dephosphoryliert. Dieser Schritt findet im endoplasmatischen Retikulum statt. Reaktion: Glukose-6-phosphat + H₂O → Glukose + Pi

Beteiligte Schlüsselenzyme und ihre Rolle:

• Pyruvat-Carboxylase: Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Pyruvat zu Oxalacetat und ist ein Schlüsselenzym der Gluconeogenese. Es wird durch Acetyl-CoA aktiviert, was ein Signal für den Energiebedarf der Zelle ist.
• Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK): Dieses Enzym wandelt Oxalacetat in PEP um. PEPCK wird durch Hormone wie Glukagon und Cortisol reguliert, die in Zeiten niedrigen Blutzuckerspiegels und Stress freigesetzt werden.
• Fructose-1,6-bisphosphatase: Dieses Enzym katalysiert die Dephosphorylierung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-Phosphat. Es wird allosterisch durch AMP und Fructose-2,6-bisphosphat gehemmt, was die zelluläre Energielage widerspiegelt.
• Glukose-6-Phosphatase: Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Glukose-6-Phosphat zu Glukose und ist ein letzter Schritt der Gluconeogenese. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels, indem es die Freisetzung von Glukose in das Blut ermöglicht.

Regulation des Blutzuckerspiegels:

• Hormonelle Regulation: Die Gluconeogenese wird durch Hormone wie Glukagon und Cortisol aktiviert, die in Zeiten niedrigen Blutzuckerspiegels oder Stress freigesetzt werden. Insulin hemmt die Gluconeogenese und fördert die Glykolyse.
• Allosterische Kontrolle: Verschiedene Metaboliten wie ATP, ADP, AMP und Fructose-2,6-bisphosphat spielen eine wichtige Rolle bei der allosterischen Regulation der beteiligten Enzyme und passen den Stoffwechsel an den Energiebedarf der Zelle an.
• Substratverfügbarkeit: Die Verfügbarkeit von Vorstufen wie Laktat, Aminosäuren und Glycerin steuert die Rate der Gluconeogenese. Hohe Verfügbarkeit fördert die Produktion von Glukose.

c)

Berechne die Nettoenergiebilanz der Glykolyse. Gehe davon aus, dass ein Molekül Glukose verstoffwechselt wird. Berücksichtige dabei die produzierten und verbrauchten ATP- und NADH-Moleküle. Schreibe den Gesamtenergiegewinn in Form von ATP auf und erkläre die Bedeutung für die Zelle.

Lösung:

Berechnung der Nettoenergiebilanz der Glykolyse:

Die Glykolyse ist ein zehnschrittiger Prozess, bei dem ein Molekül Glukose zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut wird. Während dieses Prozesses werden sowohl ATP-Moleküle verbraucht als auch produziert. Darüber hinaus werden NADH-Moleküle produziert, die später in der Zellatmung verwendet werden können, um zusätzliche ATP-Moleküle zu erzeugen.

Im Folgenden ist die detaillierte Energiebilanz dargestellt:

• Verbrauchte ATP: 1. Schritt: Glukose wird durch Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert (1 ATP verbraucht). 3. Schritt: Fructose-6-phosphat wird durch Phosphofruktokinase-1 zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert (1 ATP verbraucht). Insgesamt: 2 ATP verbraucht.
• Produzierte ATP: 7. Schritt: 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch Phosphoglycerat-Kinase zu 3-Phosphoglycerat umgewandelt (2 ATP produziert, weil es 2 Moleküle GAP gibt). 10. Schritt: Phosphoenolpyruvat wird durch Pyruvat-Kinase zu Pyruvat umgewandelt (2 ATP produziert, weil es 2 Moleküle PEP gibt). Insgesamt: 4 ATP produziert.
• Produzierte NADH: 6. Schritt: Glycerinaldehyd-3-phosphat wird durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird (2 NADH produziert, weil es 2 Moleküle GAP gibt). Insgesamt: 2 NADH produziert.

Berechnung der Netto-ATP-Ausbeute:

Die Netto-ATP-Ausbeute berechnet sich, indem wir die insgesamt produzierten ATP-Moleküle subtrahieren von den insgesamt verbrauchten ATP-Molekülen:

• Produzierte ATP: 4
• Verbrauchte ATP: 2
• Netto-ATP: 4 - 2 = 2 ATP

Zusätzliche Energie durch NADH:

Die in der Glykolyse produzierten NADH-Moleküle können in der mitochondrialen Atmungskette oxidiert werden, um weitere ATP-Moleküle zu erzeugen. In der Regel produziert jedes NADH etwa 2,5 ATP (basierend auf einer typischen Ausbeute von etwa 3 ATP pro NADH, wobei Verluste berücksichtigt werden).

• 2 NADH x 2,5 ATP/NADH = 5 ATP

Gesamte Energieausbeute aus Glykolyse:

• Netto-ATP aus Glykolyse: 2 ATP
• ATP aus NADH (nach oxidative Phosphorylierung): 5 ATP
• Gesamt: 2 + 5 = 7 ATP

Bedeutung für die Zelle:

• Schnelle Energieproduktion: Die Glykolyse produziert schnell ATP ohne die Notwendigkeit von Sauerstoff (anaerob), was besonders wichtig in Geweben mit hohem Energiebedarf oder unter hypoxische Bedingungen ist.
• Vorfahren für andere Stoffwechselwege: Zwischenprodukte der Glykolyse dienen als Ausgangspunkt für andere Biosynthesewege, z.B. die Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden und Lipiden.
• Beitrag zur Homöostase: Die Regulierung der Glykolyse hilft, den Blutzuckerspiegel zu kontrollieren und gewährleistet eine kontinuierliche Energieversorgung für alle zellulären Prozesse.