Architecture of Biopolymers - Exam

Aufgabe 1)

Diskutiere die verschiedenen Strukturebenen eines Proteins bezüglich ihrer Stabilität und Funktion. Beziehe Dich dabei auf die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen. Beschreibe jedes dieser Strukturlevel und erkläre, welche Arten von Bindungen oder Wechselwirkungen für deren Stabilität verantwortlich sind.

a)

Definiere die Primärstruktur eines Proteins. Erläutere, wie diese Struktur die Funktion eines Proteins beeinflusst. Diskutiere die Rolle genetischer Mutationen auf die Primärstruktur und wie diese Mutationen die Funktion eines Proteins verändern können.

Lösung:

Primärstruktur eines Proteins:

Die Primärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die lineare Sequenz von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Diese Sequenz wird von den Genen kodiert und ist spezifisch für jedes Protein. Hierbei wird die Reihenfolge der Aminosäuren von dem N-terminalen Ende zum C-terminalen Ende beschrieben.

Einfluss der Primärstruktur auf die Funktion:

• Die Primärstruktur eines Proteins bestimmt die Art und Weise, wie das Protein faltet und seine endgültige 3D-Struktur annimmt. Diese 3D-Struktur ist entscheidend für die Funktion des Proteins.
• Jede Aminosäure innerhalb der Sequenz trägt spezifische chemische Eigenschaften, die die Eigenschaft des Proteinmoleküls beeinflussen, wie beispielsweise hydrophobische Bereiche oder Orte für chemische Reaktionen.
• Wenn die Primärstruktur durch die Peptidketten verändert wird, kann dies die Faltung und damit die funktionelle Struktur des Proteins beeinträchtigen.

Rolle genetischer Mutationen auf die Primärstruktur:

• Genetische Mutationen können zu Veränderungen in der Aminosäuresequenz der Primärstruktur führen. Dies kann entweder durch Punktmutationen (eine einzelne Aminosäure wird verändert), Deletionen oder Insertionen geschehen.
• Solche Mutationen können die Funktionalität eines Proteins drastisch verändern. Eine einizige Mutation kann die Faltung des Proteins und seine Fähigkeit mit anderen Molekülen interagieren, stören.
• Während einige Mutationen neutral sind und keine sichtbaren Auswirkungen auf die Funktion des Proteins haben, können andere zu Fehlfunktionen oder Krankheiten führen. Beispielsweise können Mutationen in der Primärstruktur von Enzymen zu Enzymopathien führen, wo das Enzym seine enzymatische Aktivität verliert.
• Ein bekanntes Beispiel ist die Sichelzellanämie, die durch eine Mutation im Hämoglobin-Gen verursacht wird. Diese Mutation führt zu einer veränderten Primärstruktur des Hämoglobins, was die Form der roten Blutkörperchen und deren Funktion beeinträchtigt.

b)

Erkläre die Sekundärstruktur von Proteinen. Beschreibe die Unterschiede zwischen α-Helices und β-Faltblättern und die Art der Bindungen, die diese Strukturen stabilisieren. Erläutere, warum bestimmte Aminosäuren in diesen Sekundärstrukturen bevorzugt sind.

Lösung:

Sekundärstruktur von Proteinen:

Die Sekundärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die regelmäßigen, wiederkehrenden Strukturen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Atomen des Polypeptid-Rückgrats erzeugt werden. Die beiden häufigsten Formen der Sekundärstruktur sind die α-Helix und das β-Faltblatt.

Unterschiede zwischen α-Helices und β-Faltblättern:

• α-Helices: Dies sind rechteckige Spiralen, die durch Wasserstoffbrücken zwischen der Carbonylgruppe (C=O) einer Aminosäure und der Aminogruppe (N-H) der vierten nachfolgenden Aminosäure in der Kette stabilisiert werden. Jede Drehung der Helix umfasst etwa 3,6 Aminosäuren. Die Seitengruppen der Aminosäuren ragen nach außen, was Interaktionen mit anderen Molekülen ermöglicht.
• β-Faltblätter: Diese Strukturen bestehen aus benachbarten Polypeptidsträngen, die in eine gefaltete Blattstruktur übergehen. Diese Stränge können parallel oder antiparallel zueinander verlaufen. Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen der benachbarten Stränge, wodurch die Stabilität der β-Faltblätter gewährleistet wird. Die seitlichen Reste der Aminosäuren ragen alternierend ober- und unterhalb der Blattstruktur heraus.

Art der Bindungen, die diese Strukturen stabilisieren:

• Die Hauptbindung, die sowohl die α-Helix als auch das β-Faltblatt stabilisiert, sind die Wasserstoffbrücken zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen des Polypeptidrückgrats.
• Hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Interaktionen zwischen den Seitengruppen der Aminosäuren können ebenfalls zur Stabilität dieser Strukturen beitragen.

Aminosäuren in Sekundärstrukturen:

• α-Helices: Aminosäuren wie Alanin, Leucin und Methionin bevorzugen die Bildung von α-Helices, da ihre Seitenketten nicht zu groß sind und gut in die dicht gepackte Helixstruktur passen. Prolin hingegen bricht oft α-Helices, da seine Ringstruktur keine Wasserstoffbrückénbildung zulässt und die Flexibilität des Rückgrats einschränkt.
• β-Faltblätter: Aminosäuren wie Valin, Isoleucin und Phenylalanin begünstigen die Bildung von β-Faltblättern aufgrund ihrer hydrophoben Seitenketten, die stabilisierte Interaktionen in den gefalteten Strängen erlauben. Glycin und Prolin können β-Faltblätter destabilisieren, da Glycins kleine Seitenkette zu hoher Flexibilität führt und Prolins Ringstruktur das Rückgrat steif macht.

Die Auswahl der Aminosäuren und ihre Anordnung innerhalb der Polypeptidkette bestimmen daher maßgeblich die endgültige Sekundärstruktur und somit die Funktionalität des Proteins.

c)

Beschreibe die Tertiärstruktur eines Proteins. Welche Arten von Wechselwirkungen sind für die Stabilisierung der Tertiärstruktur verantwortlich? Verwende mathematische Formeln, um die Energie von hydrophoben Wechselwirkungen zu berechnen, falls zutreffend.

Lösung:

Tertiärstruktur eines Proteins:

Die Tertiärstruktur eines Proteins beschreibt die räumliche Anordnung der Aminosäurekette in einer dreidimensionalen Form. Diese Struktur entsteht durch Faltung der Sekundärstrukturen (wie α-Helices und β-Faltblätter) und wird durch diverse chemische Wechselwirkungen stabilisiert. Die Tertiärstruktur ist entscheidend für die biologische Funktion des Proteins, da sie die genaue Anordnung der funktionellen Gruppen und Bindungsstellen bestimmt.

Arten von Wechselwirkungen zur Stabilisierung der Tertiärstruktur:

• Hydrophobe Wechselwirkungen: Hydrophobe Seitenketten versuchen, Wasser zu entkommen und aggregieren im Inneren des Proteins. Diese Wechselwirkungen sind eine der Hauptkräfte, die die Tertiärstruktur stabilisieren.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Diese treten zwischen Polypeptidketten oder zwischen Seitenketten und Rückgratgruppierungen auf und helfen dabei, die Struktur aufrechtzuerhalten.
• Disulfidbrücken: Kovalente Bindungen, die zwischen den Schwefelatomen zweier Cysteinreste entstehen. Diese Bindungen sind besonders stabil und kommen häufig in extrazellulären Proteinen vor.
• Ionische Bindungen (Salzbrücken): Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen positiv und negativ geladenen Aminosäureresten tragen zur Stabilität bei.
• Van-der-Waals-Kräfte: Schwache intermolekulare Kräfte, die durch die nahe Interaktion von Atomen entstehen und zur Feinanpassung der Proteinstruktur beitragen.

Berechnung der Energie von hydrophoben Wechselwirkungen:

Die Energie von hydrophoben Wechselwirkungen kann mithilfe von thermodynamischen Prinzipien berechnet werden. Eine gängige Methode ist die Verwendung der freien Energieänderung (\(\Delta G\)), die auftritt, wenn hydrophobe Moleküle aus einer wässrigen in eine hydrophobe Umgebung überführt werden:

 \(\Delta G = -kT \cdot \ln(K_d)\) 

Hierbei ist:

• \(\Delta G\): Freie Energieänderung
• k: Boltzmann-Konstante (\(1.38 \times 10^{-23}\) J/K)
• T: Temperatur (in Kelvin)
• \(K_d\): Dissoziationskonstante der hydrophoben Wechselwirkung

Ein anderer Ansatz zur Berechnung der Energie hydrophober Effekte basiert auf der Entropieänderung (\(\Delta S\)), die durch die Zusammenlagerung hydrophober Moleküle entsteht:

 \(\Delta G = -T \cdot \Delta S\) 

Hierbei ist:

• \(\Delta S\): Änderung der Entropie

Eine positive Entropieänderung (\(\Delta S > 0\)) führt zu einer negativen freien Energieänderung (\(\Delta G < 0\)), was bedeutet, dass der Prozess energetisch günstig ist und zur Stabilität der Proteinstruktur beiträgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Tertiärstruktur von Proteinen durch eine Vielfalt von Wechselwirkungen stabilisiert wird, einschließlich hydrophober Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Disulfidbrücken, ionischer Bindungen und Van-der-Waals-Kräften. Die Berechnung der Energie hydrophober Wechselwirkungen kann durch thermodynamische Formeln erfolgen, was ein tieferes Verständnis der Stabilitätsmechanismen in Proteinen ermöglicht.

d)

Untersuche die Quartärstruktur eines Proteins und gib Beispiele für Proteine mit einer signifikanten Quartärstruktur. Welche Arten von Bindungen sind für die Stabilität der Quartärstruktur entscheidend? Diskutiere ein Beispiel, bei dem eine Fehlfunktion in der Quartärstruktur zu einer Krankheit führen kann.

Lösung:

Quartärstruktur eines Proteins:

Die Quartärstruktur eines Proteins bezieht sich auf die Anordnung und Wechselwirkung von mehreren Polypeptidketten (Untereinheiten) innerhalb eines größeren Protein-Komplexes. Diese Struktur ist besonders wichtig für die Funktion von multi-subunit Proteinen, da die einzelnen Untereinheiten oft spezifische Aufgaben erfüllen und zusammenarbeiten müssen, um die gesamte Funktion des Proteins zu gewährleisten.

Beispiele für Proteine mit signifikanter Quartärstruktur:

• Hämoglobin: Ein Protein, das im Blutfarbstoff der roten Blutkörperchen vorkommt und für den Sauerstofftransport verantwortlich ist. Es besteht aus vier Untereinheiten (zwei α- und zwei β-Ketten), die zusammenarbeiten, um Sauerstoff zu binden und zu transportieren.
• DNA-Polymerase: Ein Enzym, das DNA repliziert und aus mehreren Untereinheiten besteht. Die verschiedenen Untereinheiten arbeiten zusammen, um die komplizierte Aufgabe der DNA-Replikation effizient zu erfüllen.
• Ribosom: Ein riesiger Komplex, der aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA) besteht und die Proteinsynthese in der Zelle ermöglicht. Es setzt sich aus zwei Untereinheiten zusammen (große und kleine Untereinheit), die während der Proteinbiosynthese zusammenkommen und zusammenarbeiten.

Arten von Bindungen, die für die Stabilität der Quartärstruktur entscheidend sind:

• Hydrophobe Wechselwirkungen: Ähnlich wie bei der Tertiärstruktur spielen hydrophobe Wechselwirkungen eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Quartärstruktur, indem sie hydrophobe Bereiche innerhalb der Untereinheiten zusammenhalten.
• Ionische Bindungen (Salzbrücken): Elektrostatische Wechselwirkungen zwischen geladenen Aminosäureresten verschiedener Untereinheiten tragen zur Stabilität bei.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Diese Bindungen entstehen zwischen polaren Gruppen verschiedener Untereinheiten und tragen zur strukturellen Integrität des Gesamtkomplexes bei.
• Disulfidbrücken: Diese kovalenten Bindungen zwischen den Schwefelatomen von Cysteinresten verschiedener Untereinheiten können die Quartärstruktur besonders stark stabilisieren.

Beispiel einer Fehlfunktion der Quartärstruktur:

Ein bekanntes Beispiel ist Sichelzellanämie. Diese genetische Erkrankung wird durch eine Mutation im β-Globin-Gen des Hämoglobins verursacht. In der Sichelzelle-Hämoglobinvariante (HbS) führt die Mutation zu einer Veränderung in der Aminosäuresequenz, was die Quartärstruktur des Hämoglobins destabilisiert. Insbesondere führt dies dazu, dass die Hämoglobinmoleküle in deoxygeniertem Zustand zu länglichen Fasern aggregieren, die die roten Blutkörperchen in eine sichelartige Form zwingen. Diese veränderten Zellen sind weniger flexibel und können Blutgefäße blockieren, was zu Schmerzen, Organversagen und anderen schwerwiegenden gesundheitlichen Problemen führt.

Zusammenfassend ist die Quartärstruktur ein wesentliches Strukturelement vieler Proteine, das durch verschiedene Bindungen und Wechselwirkungen stabilisiert wird. Fehler in der Quartärstruktur können schwerwiegende Auswirkungen haben und zu Krankheiten führen, wie das Beispiel der Sichelzellanämie zeigt.

Aufgabe 2)

Beschreibe die Struktur und Funktion von Lipid-Doppelschichten. Gehe dabei auf die molekularen Eigenschaften der Phospholipide ein und wie diese zur Bildung der Doppelschicht beitragen. Diskutiere anschließend die Aspekte der Fluidität, Permeabilität und Asymmetrie der Lipid-Doppelschicht. Verdeutliche die Rolle der Lipid-Doppelschicht bei der Vesikelbildung und wie dies zum Stofftransport innerhalb der Zelle beiträgt. Erläutere, welche Bedeutung die Interaktion von Lipid-Doppelschichten mit integralen und peripheren Membranproteinen hat und wie diese Interaktionen verschiedene Zellfunktionen unterstützen.

a)

Beschreibe die molekulare Struktur der Phospholipide und erkläre, wie diese zur Bildung der Lipid-Doppelschicht beitragen. Berücksichtige dabei die hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften der Phospholipide und ihrer Rolle bei der Ausbildung der Membranstruktur.

Lösung:

• Struktur der Phospholipide: Phospholipide bestehen aus einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und zwei hydrophoben (wasserabweisenden) Fettsäureschwänzen.
• Der hydrophile Kopf enthält eine Phosphatgruppe, die negativ geladen ist, und oft zusätzlich eine polare Gruppe wie Cholin.
• Die hydrophoben Schwänze bestehen aus langen Kohlenwasserstoffketten, die aus gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren bestehen können.
• Bildung der Lipid-Doppelschicht:
• In einer wässrigen Umgebung ordnen sich die Phospholipide so an, dass ihre hydrophilen Köpfe zum Wasser hin zeigen und die hydrophoben Schwänze sich nach innen orientieren.
• Dies führt zur Ausbildung einer Doppelschicht, bei der die hydrophoben Schwänze im Inneren der Schicht vor Wasser geschützt sind, während die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen.
• Die Doppelschichtstruktur entsteht aufgrund der amphiphilen Natur der Phospholipide, da sie sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften besitzen.
• Durch diese Struktur kann die Lipid-Doppelschicht eine Barriere bilden, die den Eintritt und Austritt von Molekülen in die bzw. aus der Zelle reguliert.

b)

Diskutiere die physikalischen Eigenschaften Fluidität und Permeabilität der Lipid-Doppelschicht. Berechne das Verhältnis von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren in einer Membran, wenn die Gesamtmembranfluidität für eine 10%ige Zunahme an ungesättigten Fettsäuren steigen muss. Gehe dabei von einem anfänglichen Verhältnis von 1:1 aus. Zeige Schritt für Schritt, wie sich die Zunahme ungesättigter Fettsäuren auf die Fluidität auswirkt.

Lösung:

• Diskussion der physikalischen Eigenschaften: Fluidität und Permeabilität der Lipid-Doppelschicht:
• Fluidität:
• Die Fluidität beschreibt die Beweglichkeit der Lipidmoleküle innerhalb der Doppelschicht. Diese Beweglichkeit ist entscheidend für die Flexibilität der Membran und beeinflusst Prozesse wie die Fusion von Membranen, Signaltransduktion und die Funktion von Membranproteinen.
• Die Fluidität wird stark durch das Verhältnis der enthaltenen gesättigten und ungesättigten Fettsäuren beeinflusst:
• Gesättigte Fettsäuren haben keine Doppelbindungen und sind gerade. Sie ermöglichen eine dichtere Packung der Lipidmoleküle, was zu einer geringeren Fluidität führt.
• Ungesättigte Fettsäuren enthalten eine oder mehrere Doppelbindungen. Diese führen zu „Knicke“ in der Kette, die die Packung der Lipide lockern und somit die Fluidität erhöhen.
• Permeabilität:
• Die Permeabilität der Lipid-Doppelschicht bezieht sich auf ihre Durchlässigkeit für Moleküle.
• Eine höhere Fluidität der Membran erhöht in der Regel auch deren Permeabilität. Moleküle können leichter durch die locker gepackte Struktur der Doppelschicht diffundieren.
• Berechnung des Verhältnisses von gesättigten zu ungesättigten Fettsäuren:

• Ausgangsverhältnis: 1:1 (50% gesättigte Fettsäuren, 50% ungesättigte Fettsäuren)
• Erforderlicher Anstieg der ungesättigten Fettsäuren um 10%:
• Ursprünglicher Anteil ungesättigter Fettsäuren (U): 50% = 0.5
• Neue Menge ungesättigter Fettsäuren nach 10%iger Zunahme: 0.5 + 0.1 = 0.6 (60%)
• Gesamtanteil muss 1 (100%) betragen, daher: Anteil der gesättigten Fettsäuren (S) = 1 - 0.6 = 0.4 (40%)
• Neues Verhältnis: (S : U) = 0.4 : 0.6 = 2 : 3
• Auswirkung auf die Fluidität:

• Durch die Erhöhung der ungesättigten Fettsäuren um 10% wird die Membranfluidität insgesamt steigen. Dies resultiert aus dem „Knick“ in den ungesättigten Fettsäuren, der die dichte Packung der Lipidmoleküle aufbricht und ihnen mehr Bewegungsfreiheit gibt.

Aufgabe 3)

In der DNA-Replikation gibt es mehrere wichtige Schritte und Enzyme, die für die genaue Vervielfältigung der DNA vor der Zellteilung notwendig sind. Die Replikation beginnt an spezifischen Initiationspunkten und beinhaltet die Entwindung der Doppelhelix durch die Helicase, die Synthese eines kurzen RNA-Primers durch die Primase und die Verlängerung des Primers durch die DNA-Polymerase. Dabei entsteht ein kontinuierlich synthetisierter Leitstrang und ein diskontinuierlich synthetisierter Folgestrang, der in Form von Okazaki-Fragmenten vorliegt. RNase H entfernt die RNA-Primer, und die DNA-Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente. Die DNA-Polymerase korrigiert dabei Fehler durch Korrekturlesen (proofreading).

a)

Erkläre den Unterschied zwischen dem Leitstrang und dem Folgestrang in der DNA-Replikation. Wie wird die Synthese auf beiden Strängen in Bezug auf die Funktion der DNA-Polymerase durchgeführt?

Lösung:

Unterschied zwischen Leitstrang und Folgestrang in der DNA-Replikation:

• Leitstrang: Der Leitstrang (leading strand) wird kontinuierlich in die gleiche Richtung wie die Helikase bewegt und entwindet die DNA-Doppelhelix. Da die DNA-Polymerase nur in 5'-zu-3'-Richtung arbeiten kann, ist dieses Strang kontinuierlich und folglich effizienter synthetisiert.
• Folgestrang: Der Folgestrang (lagging strand) wird diskontinuierlich synthetisiert. Da er in die entgegensetzte Richtung der Helikase verläuft, kann die DNA-Polymerase nicht kontinuierlich arbeiten und bildet stattdessen kurze DNA-Segmente, die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden. Diese Fragmente werden später zusammengefügt.

Synthese auf beiden Strängen in Bezug auf die Funktion der DNA-Polymerase:

• Leitstrang: Die DNA-Polymerase bindet an den RNA-Primer und fügt kontinuierlich neue Nukleotide dem wachsenden DNA-Strang hinzu, wobei sie die Matrize in 3'-zu-5'-Richtung abliest und den komplementären Strang in 5'-zu-3'-Richtung synthetisiert.
• Folgestrang: Die DNA-Polymerase kann hier nur kurze DNA-Segmente synthetisieren, bevor sie abbricht. Ein RNA-Primer wird periodisch durch die Primase gesetzt, und die DNA-Polymerase verlängert diese Primer zu Okazaki-Fragmenten. Die RNase H entfernt die RNA-Primer, die durch DNA ersetzt werden, und die DNA-Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente, um einen vollständigen DNA-Strang zu bilden.

b)

Beschreibe die Rolle der Primase und der RNase H in der DNA-Replikation. Warum sind diese Enzyme essentiell für den Prozess der Replikation?

Lösung:

Rolle der Primase und der RNase H in der DNA-Replikation:

• Primase: Die Primase ist ein Enzym, das eine zentrale Rolle in der DNA-Replikation spielt. Ihre Hauptfunktion besteht darin, kurze RNA-Primer zu synthetisieren, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen. Die DNA-Polymerase III kann die DNA-Synthese nur beginnen, wenn ein freies 3'-OH-Ende vorhanden ist, das durch diesen RNA-Primer bereitgestellt wird. Ohne die Primase wäre die DNA-Polymerase nicht in der Lage, den Prozess der DNA-Replikation zu starten.
• RNase H: RNase H ist ein Enzym, das RNA-Moleküle abbaut, die innerhalb eines RNA-DNA-Hybrids vorkommen. In der Replikation ist RNase H für die Entfernung der RNA-Primer verantwortlich, die ursprünglich von der Primase synthetisiert wurden. Nachdem die RNA-Primer entfernt wurden, füllt die DNA-Polymerase I die entstandenen Lücken mit DNA auf, und die resultierenden Okazaki-Fragmente werden schließlich durch die DNA-Ligase verbunden.

Warum sind diese Enzyme essentiell für den Prozess der Replikation?

• Primase: Ohne die Primase könnten die DNA-Polymerasen nicht starten, da die DNA-Polymerase ein freies 3'-OH-Ende benötigt, um Nukleotide hinzuzufügen. Dies trifft sowohl auf den kontinuierlichen Leitstrang als auch auf den diskontinuierlichen Folgestrang zu. Die Primase initiiert somit die DNA-Synthese, was sie für den gesamten Replikationsprozess unerlässlich macht.
• RNase H: Die RNase H ist essentiell, weil sie die RNA-Primer entfernt, die während der Synthese des Folgestranges eingebaut wurden. Wenn diese RNA-Primer nicht durch DNA-Polymerase I und DNA ersetzt und durch DNA-Ligase verbunden würden, blieben Lücken in der DNA, was die Integrität und Funktionalität des verdupplizierten Genoms beeinträchtigen würde. Daher ist RNase H ebenfalls unverzichtbar für eine fehlerfreie DNA-Replikation.

c)

Die Korrekturfunktion (proofreading) der DNA-Polymerase ist für die Genauigkeit der DNA-Synthese unerlässlich. Erkläre, wie diese Korrekturfunktion funktioniert und welche Schritte unternommen werden, um Fehler während der DNA-Replikation zu korrigieren.

Lösung:

Korrekturfunktion (proofreading) der DNA-Polymerase:

Die Korrekturfunktion der DNA-Polymerase ist ein entscheidender Mechanismus, um die Genauigkeit der DNA-Replikation zu gewährleisten. Bei der Synthese eines neuen DNA-Strangs könnten Fehler wie falsche Nukleotideinfügungen auftreten, die Mutationen und genetische Instabilität verursachen könnten. Die DNA-Polymerase besitzt neben ihrer Synthesefunktion auch eine Korrekturfunktion, um solche Fehler sofort zu erkennen und zu korrigieren.

Wie funktioniert die Korrekturfunktion der DNA-Polymerase?

• Fehlererkennung: Während die DNA-Polymerase neue Nukleotide hinzufügt, überprüft sie gleichzeitig, ob das zuletzt hinzugefügte Nukleotid korrekt zum Matrizenstrang passt. Das heißt, sie überprüft, ob die Basenpaarung (Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin) korrekt ist.
• Exonuklease-Aktivität: Wenn die DNA-Polymerase einen Fehler findet (z.B. ein falsch eingebautes Nukleotid), stoppt sie die Synthese und verwendet ihre 3'-zu-5'-Exonuklease-Aktivität, um das fehlerhafte Nukleotid zu entfernen. Diese Exonuklease-Aktivität ermöglicht der DNA-Polymerase, Nukleotide in umgekehrter Richtung (3'-zu-5') zu entfernen.
• Fehlerkorrektur: Nachdem das fehlerhafte Nukleotid entfernt wurde, kann die DNA-Polymerase weiter neue, korrekte Nukleotide in der 5'-zu-3'-Richtung hinzufügen. Dies stellt sicher, dass die DNA-Synthese korrekt fortgesetzt wird, ohne dass Fehler in die neu synthetisierte DNA eingebaut werden.

Schritte zur Fehlerkorrektur während der DNA-Replikation:

• Inkorrektes Nukleotid erkennen: Während der DNA-Synthese überprüft die DNA-Polymerase ständig die Korrektheit der neu eingebauten Nukleotide.
• Exonuklease-Aktivität aktivieren: Sobald ein fehlerhaftes Nukleotid erkannt wird, aktiviert die DNA-Polymerase ihre 3'-zu-5'-Exonuklease-Aktivität und entfernt das falsche Nukleotid.
• Neues korrekten Nukleotid einbauen: Die DNA-Polymerase setzt die DNA-Synthese fort und fügt das richtige Nukleotid an die Stelle des entfernten Fehlers ein.
• Sicherstellung der Genauigkeit: Durch diese kontinuierliche Überprüfung und Korrektur werden die meisten Fehler während der DNA-Synthese sofort behoben, was zu einer hohen Genauigkeit der DNA-Replikation beiträgt.

Aufgabe 4)

Untersuchung der Kinetik und des Mechanismus eines hypothetischen Serinprotease-EnzymsDir wird ein hypothetisches Serinprotease-Enzym (Enzym XYZ) vorgestellt, das in einer chemischen Reaktion ein Substrat (S) zu einem Produkt (P) umsetzt. Die Katalyse dieses Enzyms erfolgt in Übereinstimmung mit der Michaelis-Menten-Kinetik. Das Enzym XYZ enthält eine katalytische Triade in seinem aktiven Zentrum und kann verschiedenen Inhibitoren ausgesetzt sein. Die Aktivität und Effizienz des Enzyms werden von allosterischen Effektoren beeinflusst.

a)

Berechne die Anfangsgeschwindigkeit (V) der Reaktion bei einer Substratkonzentration von [S] = 0.5 mM, wenn die Maximalgeschwindigkeit (V_{max}) des Enzyms 200 µmol/min beträgt und der Michaelis-Konstante (K_m) den Wert von 0.1 mM hat. Verwende die Michaelis-Menten-Gleichung:

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

Lösung:

Berechne die Anfangsgeschwindigkeit (V) der ReaktionUm die Anfangsgeschwindigkeit (V) der Reaktion zu berechnen, verwenden wir die Michaelis-Menten-Gleichung:

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

Die gegebenen Werte sind:

• Maximalgeschwindigkeit (V_{max}) = 200 µmol/min
• Michaelis-Konstante (K_m) = 0.1 mM
• Substratkonzentration ([S]) = 0.5 mM

Wir setzen diese Werte in die Gleichung ein:

• V = \( \frac{200 \text{ µmol/min} \cdot 0.5 \text{ mM}}{0.1 \text{ mM} + 0.5 \text{ mM}} \)

Wir führen die Berechnung Schritt für Schritt durch:

• Zähler: 200 \text{ µmol/min} \cdot 0.5 \text{ mM} = 100 \text{ µmol/min}
• Nenner: 0.1 \text{ mM} + 0.5 \text{ mM} = 0.6 \text{ mM}

Nun berechnen wir den Bruch:

• V = \( \frac{100 \text{ µmol/min}}{0.6 \text{ mM}} \approx 166.67 \text{ µmol/min} \)

Daher beträgt die Anfangsgeschwindigkeit (V) der Reaktion ungefähr 166.67 µmol/min.

b)

Ein Forscher erstellt ein Lineweaver-Burk-Diagramm, um die kinetischen Parameter des Enzyms XYZ zu bestimmen. Er erhält eine Gerade mit der Gleichung

• \frac{1}{V} = 0.005 \frac{1}{[S]} + 0.01

Berechne aus dieser Gleichung die Werte für V_{max} und K_m.

Lösung:

Berechne die Werte für V_max und K_m anhand der Lineweaver-Burk-GleichungEin Forscher hat ein Lineweaver-Burk-Diagramm erstellt und die folgende Gleichung für die Gerade erhalten:

• \( \frac{1}{V} = 0.005 \frac{1}{[S]} + 0.01 \)

Diese Gleichung entspricht der Lineweaver-Burk-Darstellung der Michaelis-Menten-Gleichung:

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

Hierbei entsprechen die Koordinaten der Gerade:

• Steigung (Slope) = 0.005 = \( \frac{K_m}{V_{max}} \)
• Y-Achsenabschnitt (Intercept) = 0.01 = \( \frac{1}{V_{max}} \)

Wir können diese Informationen verwenden, um die Werte für V_max und K_m zu berechnen.1. Berechnen von V_max:

• \( \frac{1}{V_{max}} = 0.01 \)
• \( V_{max} = \frac{1}{0.01} = 100 \text{ µmol/min} \)

2. Berechnen von K_m:

• \( \frac{K_m}{V_{max}} = 0.005 \)
• \( K_m = 0.005 \cdot V_{max} \)
• \( K_m = 0.005 \cdot 100 \text{ µmol/min} \)
• \( K_m = 0.5 \text{ mM} \)

Daher betragen die Werte:

• \( V_{max} = 100 \text{ µmol/min} \)
• \( K_m = 0.5 \text{ mM} \)

c)

Beschreibe die Wirkungsweise von kompetitiven, nicht-kompetitiven und unkompetitiven Inhibitoren auf das Enzym XYZ. Diskutiere anhand der Michaelis-Menten-Gleichung und des Lineweaver-Burk-Diagramms die Änderungen, die für V_{max} und K_m zu erwarten sind. Veranschauliche diese Effekte grafisch mit einem Lineweaver-Burk-Diagramm.

Lösung:

Wirkungsweise von Inhibitoren auf das Enzym XYZEnzyme können durch verschiedene Arten von Inhibitoren gehemmt werden. Im Folgenden wird beschrieben, wie kompetitive, nicht-kompetitive und unkompetitive Inhibitoren auf das Enzym XYZ wirken.

• Kompetitive Inhibition: Ein kompetitiver Inhibitor bindet an das aktive Zentrum des Enzyms und konkurriert direkt mit dem Substrat um die Bindungsstelle. Dies erhöht den apparenten Wert von K_m, da eine höhere Substratkonzentration benötigt wird, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen. V_max bleibt unverändert, da bei ausreichender Substratkonzentration der Inhibitor verdrängt werden kann. Michaelis-Menten-Gleichung:Die Michaelis-Menten-Gleichung ändert sich zu: \[ V = \frac{V_{max}[S]}{K_m (1 + \frac{[I]}{K_I}) + [S]} \]Im Lineweaver-Burk-Diagramm zeigt sich dies wie folgt:Die Gerade hat eine steilere Steigung \( \frac{K_m (1 + \frac{[I]}{K_I})}{V_{max}} \) und denselben Y-Achsenabschnitt \( \frac{1}{V_{max}} \).
  • Beispielbild (Kompetitive Inhibition):
• Nicht-kompetitive Inhibition: Ein nicht-kompetitiver Inhibitor bindet an einer anderen Stelle als das aktive Zentrum und ändert die Konformation des Enzyms, wodurch die Katalyseeffizienz herabgesetzt wird. K_m bleibt unverändert, da der Inhibitor das Substrat nicht direkt verdrängt. V_max wird herabgesetzt, da nicht alle Enzyme für die Katalyse zur Verfügung stehen. Michaelis-Menten-Gleichung:Die Michaelis-Menten-Gleichung verändert sich zu: \[ V = \frac{V_{max}(1 + \frac{[I]}{K_I})^{-1} [S]}{K_m + [S]} \]Im Lineweaver-Burk-Diagramm zeigt sich dies wie folgt:Die Gerade hat dieselbe Steigung \( \frac{K_m}{V_{max}} \), aber einen höheren Y-Achsenabschnitt \( \frac{1}{V_{max} (1 + \frac{[I]}{K_I})^{-1}} \).
  • Beispielbild (Nicht-kompetitive Inhibition):
• Unkompetitive Inhibition: Ein unkompetitiver Inhibitor bindet nur an den Enzym-Substrat-Komplex und verhindert das Entstehen von Produkt. Sowohl K_m als auch V_max werden verringert. K_m sinkt, da der Inhibitor die freie Enzymkonzentration erniedrigt. Michaelis-Menten-Gleichung:Die Michaelis-Menten-Gleichung ändert sich zu: \[ V = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S](1 + \frac{[I]}{K_I})} \]Im Lineweaver-Burk-Diagramm zeigt sich dies wie folgt:Die Gerade zeigt eine Verschiebung nach oben und eine horizontale Verschiebung nach rechts gegenüber der Basislinie, was sich in veränderten Werten für Steigung und Y-Achsenabschnitt niederschlägt.
  • Beispielbild (Unkompetitive Inhibition):

Lineweaver-Burk-Diagramm für alle Inhibitorarten

• Ohne Inhibitor: Die Grundgerade beschreibt die Basislinie für die Enzymaktivität mit Steigung \( \frac{K_m}{V_{max}} \) und dem Y-Achsenabschnitt \( \frac{1}{V_{max}} \).
• Mit kompetitivem Inhibitor: Die Gerade hat eine steilere Steigung \( \frac{K_m (1 + \frac{[I]}{K_I})}{V_{max}} \), aber denselben Y-Achsenabschnitt \( \frac{1}{V_{max}} \).
• Mit nicht-kompetitivem Inhibitor: Die Gerade hat dieselbe Steigung \( \frac{K_m}{V_{max}} \), aber einen höheren Y-Achsenabschnitt \( \frac{1}{V_{max}(1 + \frac{[I]}{K_I})^{-1}} \).
• Mit unkompetitivem Inhibitor: Die Gerade zeigt eine Verschiebung nach oben und eine horizontale Verschiebung nach rechts gegenüber der Basislinie.
• Beispielbild (Lineweaver-Burk-Diagramm):