Biochemie und Grundzüge der Molekularen Medizin - Exam

Aufgabe 1)

Glykolyse und GlukoneogeneseDie Glykolyse ist der Abbau von Glukose zu Pyruvat in 10 Schritten und erzeugt dabei ATP und NADH. Die Glukoneogenese ist die Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydratvorstufen, vor allem in der Leber und den Nieren, und dient als Gegenspieler der Glykolyse.

• Glykolyse: Hauptweg des Glukoseabbaus
• Glukoneogenese: Synthese von Glukose, wenn externe Quellen knapp sind
• Netto-Reaktion Glykolyse: \[ \text{Glukose} + 2 \text{ADP} + 2 \text{NAD}^+ + 2 \text{P}_i \to 2 \text{Pyruvat} + 2 \text{ATP} + 2 \text{NADH} + 2 \text{H}_2\text{O} \]
• Netto-Reaktion Glukoneogenese: \[ 2 \text{Pyruvat} + 2 \text{GTP} + 4 \text{ATP} + 2 \text{NADH} + 6 \text{H}_2\text{O} \to \text{Glukose} + 2 \text{GDP} + 4 \text{ADP} + 2 \text{NAD}^+ + 6 \text{P}_i \]
• Schlüsselenzyme Glykolyse:
• Schlüsselenzyme Glukoneogenese: Pyruvat-Carboxylase, PEPCK, Fruktose-1,6-Bisphosphatase
• Regulation: Hormonell (Insulin, Glukagon), allosterisch (ATP, AMP)
• Substrate: Glykolyse verwendet Glukose; Glukoneogenese nutzt Lactat, Glycerin, Aminosäuren

a)

Erkläre den Unterschied zwischen Glykolyse und Glukoneogenese und verdeutliche dabei, wie die Prozesse in einem physiologischen Kontext je nach Bedarf der Zelle reguliert werden.

Lösung:

Unterschied zwischen Glykolyse und GlukoneogeneseDie Glykolyse und die Glukoneogenese sind zwei entgegengesetzte Stoffwechselwege, die unersetzlich für den Energiestoffwechsel der Zellen sind.

• Glykolyse:Die Glykolyse ist der Prozess, bei dem Glukose in zehn Reaktionsschritten zu Pyruvat abgebaut wird. Dieser Prozess findet im Zytoplasma statt und generiert dabei ATP und NADH, die als Energiequellen für die Zelle fungieren. Die Netto-Reaktion der Glykolyse lautet:

  \[ \text{Glukose} + 2 \text{ADP} + 2 \text{NAD}^+ + 2 \text{P}_i \to 2 \text{Pyruvat} + 2 \text{ATP} + 2 \text{NADH} + 2 \text{H}_2\text{O} \]

  Hauptsächlich wird Glukose verwendet und über die Schlüssel- enzyme Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase katalysiert.
• Glukoneogenese:Die Glukoneogenese ist der Prozess der Bildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydratvorstufen. Dies geschieht hauptsächlich in der Leber und den Nieren und dient dazu, den Blutzuckerspiegel zu erhöhen, wenn externe Glukosequellen knapp sind, beispielsweise während des Fastens oder intensiver körperlicher Aktivität. Die Netto-Reaktion der Glukoneogenese lautet:

  \[ 2 \text{Pyruvat} + 2 \text{GTP} + 4 \text{ATP} + 2 \text{NADH} + 6 \text{H}_2\text{O} \to \text{Glukose} + 2 \text{GDP} + 4 \text{ADP} + 2 \text{NAD}^+ + 6 \text{P}_i \]

  Dieser Prozess verwendet Substrate wie Lactat, Glycerin und bestimmte Aminosäuren und wird durch die Schlüssel- enzyme Pyruvat-Carboxylase, PEPCK und Fruktose-1,6-Bisphosphatase katalysiert.

Regulation in einem physiologischen KontextDie Regulation dieser beiden Prozesse erfolgt durch hormonelle und allosterische Mechanismen:

• Hormonelle Regulation:Insulin und Glukagon sind die Haupt- hormone, die diese Prozesse regulieren. Insulin fördert die Glykolyse, indem es die Enzyme der Glykolyse aktiviert und die Glukoneogenese hemmt. Glukagon hat den gegenteiligen Effekt: Es hemmt die Glykolyse und fördert die Glukoneogenese, um den Blutzuckerspiegel zu erhöhen.
• Allosterische Regulation:Die Regulation erfolgt durch Moleküle wie ATP und AMP. Hohe Konzentrationen von ATP und Zitrat hemmen die Glykolyse, da sie anzeigen, dass ausreichende Energie vorhanden ist. AMP hingegen aktiviert die Glykolyse, da ein niedriger Energieniveau signalisiert wird. Ähnlich beeinflussen diese Moleküle die Glukoneogenese in umgekehrter Weise: Hohe Konzentrationen von AMP hemmen die Glukoneogenese, während ATP sie fördert.

Auf diese Weise stellt der Körper sicher, dass die Energieproduktion und -speicherung je nach Bedarf der Zelle dynamisch und effizient reguliert wird.

b)

Berechne die Energieausbeute der Glykolyse in Form von ATP. Gehe dabei auf jeden energieliefernden Schritt ein und quantifiziere den Gesamtgewinn.

Lösung:

Energieausbeute der Glykolyse in Form von ATPDie Glykolyse ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem Glukose in Pyruvat umgewandelt wird. Während dieses Prozesses werden ATP-Moleküle sowohl verbraucht als auch gebildet. Lass uns jeden Schritt betrachten, der zur Energieproduktion beträgt oder Energie verbraucht.

• Investitionsphase:In den ersten Schritten der Glykolyse werden zwei ATP-Moleküle investiert:
  • 1. Schritt: Hexokinase-Katalyse (Glukose -> Glukose-6-phosphat) verbraucht 1 ATP.
  • 3. Schritt: Phosphofructokinase-Katalyse (Fructose-6-phosphat -> Fructose-1,6-bisphosphat) verbraucht 1 ATP.
  Daher beträgt der ATP-Verbrauch in der Investitionsphase insgesamt 2 ATP.
• Ertragsphase:In den späteren Schritten der Glykolyse werden ATP-Moleküle produziert:
  • 7. Schritt: Phosphoglyceratkinase-Katalyse (1,3-Bisphosphoglycerat -> 3-Phosphoglycerat) produziert 2 ATP (pro Glukosemolekül entstehen zwei Moleküle 1,3-Bisphosphoglycerat).
  • 10. Schritt: Pyruvatkinase-Katalyse (Phosphoenolpyruvat -> Pyruvat) produziert 2 ATP (pro Glukosemolekül entstehen zwei Moleküle Phosphoenolpyruvat).
  Insgesamt werden in der Ertragsphase 4 ATP produziert.

Netto-Gewinn an ATP:Der Netto-Gewinn an ATP ergibt sich aus der Differenz der in der Ertragsphase produzierten ATP und der in der Investitionsphase verbrauchten ATP:Netto-Gewinn an ATP = 4 ATP (Ertrag) - 2 ATP (Verbrauch) = 2 ATPZusammenfassend ergibt die Glykolyse pro Glukosemolekül einen Netto-Gewinn von 2 ATP.

c)

Beschreibe die Rolle der Schlüsselenzyme in der Glykolyse und Glukoneogenese und erkläre, wie deren Aktivität hormonell durch Insulin und Glukagon reguliert wird.

Lösung:

Rolle der Schlüsselenzyme in der Glykolyse und GlukoneogeneseEnzyme spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel, indem sie chemische Reaktionen katalysieren und regulieren. Schlüsselenzyme in der Glykolyse und Glukoneogenese bestimmen die Geschwindigkeit und Richtung dieser Stoffwechselwege.Schlüsselenzyme der Glykolyse:

• Hexokinase:Dieses Enzym katalysiert die Phosphorylierung von Glukose zu Glukose-6-phosphat, den ersten Schritt der Glykolyse. Es stellt sicher, dass Glukose in der Zelle verbleibt und für den weiteren Abbau genutzt werden kann.
• Phosphofructokinase (PFK):PFK katalysiert die Umwandlung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glykolyse und ein wichtiger Kontrollpunkt, der allosterisch reguliert wird.
• Pyruvatkinase:Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat unter Bildung von ATP. Dies ist der letzte Schritt der Glykolyse und führt zur Produktion von ATP.

Schlüsselenzyme der Glukoneogenese:

• Pyruvat-Carboxylase:Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Pyruvat zu Oxaloacetat, den ersten Schritt der Glukoneogenese. Es ist in den Mitochondrien lokalisiert und benötigt Biotin als Cofaktor.
• PEPCK (Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase):PEPCK katalysiert die Umwandlung von Oxaloacetat zu Phosphoenolpyruvat (PEP). Dieser Schritt benötigt GTP und ist ein Schlüsselkontrollpunkt der Glukoneogenese.
• Fruktose-1,6-Bisphosphatase:Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat. Es ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glukoneogenese und ein wichtiger Kontrollpunkt.

Hormonelle Regulation durch Insulin und GlukagonDie Aktivität der Schlüsselenzyme der Glykolyse und Glukoneogenese wird durch die Hormone Insulin und Glukagon reguliert, um den Blutzuckerspiegel zu kontrollieren.Regulation durch Insulin:

• Insulin wird von der Bauchspeicheldrüse als Reaktion auf erhöhte Blutzuckerspiegel ausgeschüttet. Es fördert die Glykolyse und hemmt die Glukoneogenese, um den Blutzuckerspiegel zu senken.
• Insulin erhöht die Aktivität der Hexokinase, PFK und Pyruvatkinase durch Dephosphorylierung und allosterische Aktivierung.
• Gleichzeitig hemmt Insulin die Aktivität von Schlüsselenzymen der Glukoneogenese, wie PEPCK und Fruktose-1,6-Bisphosphatase, durch Transkriptionsregulation und Phosphorylierung.

Regulation durch Glukagon:

• Glukagon wird von der Bauchspeicheldrüse als Reaktion auf niedrige Blutzuckerspiegel freigesetzt. Es hemmt die Glykolyse und fördert die Glukoneogenese, um den Blutzuckerspiegel zu erhöhen.
• Glukagon reduziert die Aktivität der Hexokinase, PFK und Pyruvatkinase durch Phosphorylierung und allosterische Hemmung.
• Zugleich fördert Glukagon die Aktivität von Schlüsselenzymen der Glukoneogenese, wie PEPCK und Fruktose-1,6-Bisphosphatase, durch Transkriptionsaktivierung und Dephosphorylierung.

Durch diese hormonelle Regulation stellt der Körper sicher, dass der Glukosestoffwechsel je nach Bedarf der Zelle und des Organismus aufrechterhalten wird.

Aufgabe 2)

Die Prozesse des Citratzyklus und der oxidativen Phosphorylierung sind die Hauptwege der Energiegewinnung in eukaryotischen Zellen. Beide sind in den Mitochondrien lokalisiert und eng miteinander verbunden. Der Citratzyklus beginnt mit der Kondensation von Oxaloacetat und Acetyl-CoA zur Bildung von Citrat durch die Einwirkung der Citratsynthase. Der Zyklus führt zur Erzeugung von 3 NADH, 1 FADH2 und 1 GTP (oder ATP) und endet mit der Regeneration von Oxaloacetat. In der oxidativen Phosphorylierung werden Elektronen von NADH und FADH2 auf die Elektronentransportkette übertragen, wobei ein Protonengradient durch die innere Mitochondrienmembran erzeugt wird. Dieser Gradient treibt die ATP-Synthase an, um ATP zu produzieren. Schlüsselrelevante Enzyme beinhalten die Citratsynthase, Aconitase, Isocitratdehydrogenase, α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und die Succinat-Dehydrogenase. Insgesamt können pro Glukosemolekül etwa 30-32 ATP-Moleküle erzeugt werden.

a)

a) Beschreibe die Rolle der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase im Citratzyklus und erkläre die Bedeutung des Reaktionsprodukts für die nachfolgenden Schritte. Berechne die theoretische Anzahl der ATP-Moleküle, die aus einem Molekül α-Ketoglutarat bis zu seiner vollständigen Oxidation im Citratzyklus und der anschließenden oxidativen Phosphorylierung erzeugt werden könnten.Stelle Deine Ergebnisse mittels der Reaktionsgleichungen und notwendigen Umrechnungen dar.

Lösung:

• Rolle der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase im Citratzyklus: Die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert die Umwandlung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA. Dies ist eine oxidative Decarboxylierung, bei der ein Molekül CO₂ freigesetzt wird und NAD⁺ reduziert wird zu NADH.

Krebszyklus: α-Ketoglutarat + NAD⁺ + CoA → Succinyl-CoA + CO₂ + NADH

• Die Reaktion ist signifikant, weil die erzeugten Moleküle (NADH und Succinyl-CoA) im weiteren Verlauf des Citratzyklus und der oxidativen Phosphorylierung verwendet werden.
• Bedeutung des Reaktionsprodukts: Das erzeugte NADH wird in die Elektronentransportkette aufgenommen, wo es ein wesentlicher Beitrag zur ATP-Produktion darstellt. Succinyl-CoA wird später in Succinat umgewandelt und trägt ebenfalls zur Energieproduktion bei.

• Theoretische Anzahl der ATP-Moleküle aus einem Molekül α-Ketoglutarat: Lass uns die Menge des erzeugten ATPs berechnen, indem wir die Produkte der vollständigen Oxidation von α-Ketoglutarat verfolgen:

• α-Ketoglutarat erzeugt beim Eintritt in den Citratzyklus: 1 NADH (direkt aus der Reaktion)
• Weiter im Citratzyklus:
• 1 GTP (umgerechnet in 1 ATP)
• 1 FADH₂ (produziert 1,5 ATP in der Elektronentransportkette)
• 1 NADH (umgesetzt in 2,5 ATP)
• Insgesamt pro ein α-Ketoglutarat:
• 1 NADH = 2,5 ATP
• 1 GTP = 1 ATP
• 1 FADH₂ = 1,5 ATP
• 1 NADH = 2,5 ATP
Gesamtsumme:2,5 + 1 + 1,5 + 2,5 = 7,5 ATP

• Somit kann man aus der vollständigen Oxidation eines Moleküls α-Ketoglutarat insgesamt etwa 7,5 ATP-Moleküle erzeugen.

b)

b) Diskutiere den Prozess der chemiosmotischen Kopplung in der oxidativen Phosphorylierung. Wie führt der Protonengradient zur ATP-Produktion? Beschreibe die beteiligten Komponenten und erkläre, wie Defekte in einem dieser Prozesse zu einem verminderten ATP-Gehalt in der Zelle führen könnten.

Lösung:

• Prozess der chemiosmotischen Kopplung in der oxidativen Phosphorylierung:
• Die chemiosmotische Kopplung bezeichnet den Prozess, durch den die Energie eines Protonengradienten zur Synthese von ATP genutzt wird.
• Protonengradient und ATP-Produktion:
• In der Elektronentransportkette (ETC) werden Elektronen durch eine Reihe von Protein-Komplexen übertragen:

• Komplex I: NADH-Dehydrogenase
• Komplex II: Succinat-Dehydrogenase
• Komplex III: Cytochrom-bc1-Komplex
• Komplex IV: Cytochrom-c-Oxidase

• Während diese Elektronen durch die ETC transportiert werden, werden Protonen (H⁺) aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum gepumpt. Dies führt zur Bildung eines Protonengradienten und eines elektromechanischen Potentials über die innere Mitochondrienmembran.
• Dieser Protonengradient wird durch den Komplex V (ATP-Synthase) genutzt:

• Die ATP-Synthase besteht aus zwei Hauptuntereinheiten: F₀ und F₁. F₀ ist in der Membran verankert und lässt Protonen zurück in die Matrix fließen, während F₁ die chemische Energie dieses Protonenflusses nutzt, um ADP zu ATP umzuwandeln.

ATP-Synthase: ADP + Pi + H+ → ATP + H2O

• Beteiligte Komponenten:
• Elektronentransportkette (Komplexe I-IV)
• ATP-Synthase (Komplex V)
• Protonen (H⁺) als Treibkraft

• Defekte und ihre Auswirkungen:
• Defekte in der Elektronentransportkette (z.B. Mutationen in den Komplexen I-IV) können die Protonenpumpenaktivität stören, wodurch der Protonengradient und folglich der ATP-Gehalt vermindert wird.
• Defekte in der ATP-Synthase können die Effizienz der ATP-Produktion verringern, selbst wenn der Protonengradient intakt ist. Dies führt ebenfalls zu einem verminderten ATP-Gehalt in der Zelle.
• Beispielsweise können genetische Mutationen oder Inhibitionen durch toxische Substanzen die Funktion dieser Proteine beeinträchtigen, was zu energetischen Defiziten führt, die viele Zellfunktionen stören können.

Aufgabe 3)

Proteinfaltung und Chaperone: Der Prozess der Proteinfaltung beschreibt, wie Proteine ihre notwendige dreidimensionale Struktur erlangen, um ihre biologische Funktion zu erfüllen. Chaperone sind spezielle Proteine, die diesen Faltungsprozess unterstützen, indem sie Fehlfaltungen und Aggregationen verhindern. Es gibt vier Ebenen der Proteinstruktur: die Primärstruktur (Aminosäurensequenz), die Sekundärstruktur (Alpha-Helix und Beta-Faltblatt), die Tertiärstruktur (dreidimensionale Anordnung) und die Quartärstruktur (Zusammenlagerung mehrerer Proteineinheiten). Viele Chaperone arbeiten ATP-abhängig und ein Beispiel für Chaperone sind Hsp70 und GroEL/GroES. Fehlgefaltete Proteine können ER-Stress auslösen.

a)

Erläutere den Unterschied zwischen der Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen und die jeweilige Rolle von Chaperonen in diesen Faltungsprozessen.

Lösung:

• Primärstruktur: Die Primärstruktur eines Proteins ist die lineare Sequenz der Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Diese Abfolge bestimmt letztendlich die höheren Strukturebenen des Proteins. Chaperone spielen bei der Primärstruktur eine indirekte Rolle, indem sie insbesondere während der Synthese und nach der Entstehung der Polypeptidkette Fehlfaltungen verhindern.
• Sekundärstruktur: Die Sekundärstruktur umfasst regelmäßige Muster wiederkehrender Faltungen, wie Alpha-Helices und Beta-Faltblätter, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Carbonyl- und Aminogruppen der Peptidrückgrats entstehen. Bei der Bildung der Sekundärstruktur helfen Chaperone, indem sie korrekte Faltungsmuster unterstützen und den Übergang in falsche Konformationen verhindern, was die Bildung stabiler Sekundärstrukturen fördert.
• Tertiärstruktur: Die Tertiärstruktur ist die dreidimensionale Anordnung eines gesamten Polypeptids, die durch verschiedene Wechselwirkungen wie hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken und Disulfidbrücken stabilisiert wird. In diesem Stadium sind Chaperone besonders aktiv. ATP-abhängige Chaperone wie Hsp70 helfen dabei, die Proteine korrekt zu falten und Fehlfaltungen oder Aggregationen zu verhindern. Chaperonine wie GroEL/GroES bieten isolierte Umgebungen, in denen Proteine zur richtigen Tertiärstruktur gefaltet werden können.
• Quartärstruktur: Die Quartärstruktur entsteht durch die Zusammenlagerung mehrerer Polypeptideinheiten zu einem funktionellen Proteinkomplex. Chaperone unterstützen diesen Zusammenbau, indem sie sicherstellen, dass jede Untereinheit korrekt gefaltet ist und sich die Untereinheiten korrekt zusammenlagern, um die biologisch aktive Struktur zu bilden. Fehlgefaltete Untereinheiten können herausgefiltert oder repariert werden. Chaperone sind somit unerlässlich, um die Stabilität und Funktionalität der Proteine in ihrem finalen Zustand zu gewährleisten.

b)

Beschreibe die Funktionsweise der Chaperone Hsp70 und GroEL/GroES und erkläre, wie sie dabei helfen, die korrekte Faltung von Proteinen zu gewährleisten. Gehe dabei auch auf den Energiebedarf (ATP-Abhängigkeit) ein.

Lösung:

• Hsp70: Hsp70 steht für Heat Shock Protein 70 und ist eines der meistuntersuchten Chaperone. Es bindet an neu synthetisierte Polypeptidketten und verhindert deren Aggregation oder Fehlfaltung. Die Funktionsweise von Hsp70 lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:
  • 1. Erkennung und Bindung: Hsp70 erkennt und bindet sich an hydrophobe Regionen von nicht vollständig gefalteten Proteinen.
  • 2. ATP-Hydrolyse: Dieses Binden erfolgt häufig in einem energieabhängigen Prozess. Hsp70 hat eine ATP-Bindungsstelle und die Bindung von ATP bewirkt eine Konformationsänderung in Hsp70, die die Affinität für das Substratprotein erhöht. Die Hydrolyse von ATP zu ADP verfestigt die Bindung zwischen Hsp70 und dem Protein.
  • 3. Freisetzung: Durch den Austausch von ADP gegen ATP wird die Konformation von Hsp70 erneut geändert und das gebundene Protein wird freigesetzt. Dieser Zyklus kann sich mehrfach wiederholen, um sicherzustellen, dass das Protein korrekt gefaltet ist.
  Hsp70 arbeitet oft in Verbindung mit anderen Chaperonen und Co-Chaperonen, um die Faltung und den Transport von Proteinen zu koordinieren.
• GroEL/GroES: Das Chaperonin-System GroEL/GroES ist ein komplexes System, das in Bakterien (und als Hsp60/Hsp10 in Eukaryoten) vorkommt. GroEL ist ein zylindrisches Doppelfass, während GroES als Deckel fungiert. Die Funktionsweise lässt sich wie folgt beschreiben:
  • 1. Proteineintritt: Fehlgefaltete oder nicht vollständig gefaltete Proteine binden an die hydrophoben Flächen im Inneren von GroEL.
  • 2. ATP-Bindung: Die Bindung von ATP an GroEL führt zu einer Konformationsänderung, sodass das Substratprotein in das Innere des Hohlraums geleitet wird.
  • 3. Kappe GroES: GroES bindet an GroEL und verschließt den Hohlraum, wodurch ein isolierter Bereich entsteht, in dem das Protein die Möglichkeit hat, korrekt zu falten, ohne dass es mit anderen Proteinen oder Molekülen interagiert.
  • 4. ATP-Hydrolyse und Freisetzung: Die Hydrolyse von ATP zu ADP initiiert die Freisetzung von GroES und des Substratproteins. In vielen Fällen ist das Protein nach einem Zyklus korrekt gefaltet. Wenn nicht, kann es in einem weiteren Zyklus erneut an GroEL binden.
  GroEL/GroES verbraucht ATP in einem zyklischen Prozess, um sicherzustellen, dass die Proteine ausreichend Zeit und Raum haben, um ihre native Konformation zu erreichen.

c)

Diskutiere die Auswirkungen von ER-Stress durch fehlgefaltete Proteine und wie Chaperone zur Minderung dieses Stresses beitragen können. Berechne, wie viel ATP aufgewendet werden muss, wenn ein typisches Chaperon-Molekül für die Faltung eines Proteins 5 ATP-Moleküle benötigt und in einer Zelle gleichzeitig 10⁶ Proteine gefaltet werden müssen.

Lösung:

• Auswirkungen von ER-Stress durch fehlgefaltete Proteine:ER-Stress entsteht, wenn das endoplasmatische Retikulum (ER) eine große Menge an fehlgefalteten oder falsch prozessierten Proteinen enthält. Dies kann zu einer gestörten zellulären Homöostase und letztendlich zu Zellschäden oder -tod führen. Die Hauptfolgen von ER-Stress sind:
  • Aktivierung der Unfolded Protein Response (UPR): Dies ist ein zellulärer Signalweg, der versucht, das Gleichgewicht wiederherzustellen, indem er die Proteinsynthese reduziert, die Produktion von ER-Chaperonen steigert und den Abbau fehlgefalteter Proteine erhöht.
  • Apoptose: Wenn der ER-Stress zu stark ist und die UPR nicht ausreicht, um das Problem zu bewältigen, kann die Zelle in einen programmierten Zelltod (Apoptose) übergehen, um weiteren Schaden zu verhindern.
  • Erkrankungen: Chronischer ER-Stress ist mit verschiedenen Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen (z.B. Alzheimer, Parkinson), Diabetes und Krebs verbunden.
  Chaperone, wie Hsp70 und GroEL/GroES, tragen zur Minderung des ER-Stresses bei, indem sie die korrekte Faltung von Proteinen unterstützen. Sie helfen, fehlgefaltete Proteine zu korrigieren und verhindern die Bildung toxischer Proteinaggregate.
• Berechnung des ATP-Verbrauchs:Gegeben ist, dass ein typisches Chaperon-Molekül 5 ATP-Moleküle für die Faltung eines Proteins benötigt. Wenn in einer Zelle gleichzeitig 10⁶ Proteine gefaltet werden müssen, ergibt sich der gesamte ATP-Bedarf wie folgt:
  • Anzahl der ATP-Moleküle pro Protein: 5
  • Anzahl der Proteine: 10⁶
  Der gesamte ATP-Verbrauch kann mit der Formel berechnet werden:ATP-Verbrauch = Anzahl der ATP-Moleküle pro Protein * Anzahl der ProteineDas ergibt:ATP-Verbrauch = 5 * 10⁶ = 5 * 1.000.000 = 5.000.000 ATP-MoleküleDas heißt, die Zelle benötigt 5 Millionen ATP-Moleküle, um die Faltung von 10⁶ Proteinen durchzuführen.

Aufgabe 4)

Posttranslationale Modifikation von Proteinen:Die posttranslationale Modifikation von Proteinen, also chemische Veränderungen an Proteinen nach deren Synthese, beeinflusst deren Funktion, Lokalisation und Stabilität. Zu den wichtigsten Modifikationen gehören:

• Phosphorylierung: Das Anhängen einer Phosphatgruppe durch Kinasen, meist an die Aminosäuren Serin, Threonin oder Tyrosin.
• Glykosylierung: Das Anhängen von Zuckerresten, was wichtig für die Proteinfaltung und -stabilität ist.
• Ubiquitinierung: Die Markierung von Proteinen für den Abbau im Proteasom.
• Methylierung und Acetylierung: Modifikationen, die ebenfalls eine Rolle bei der Regulation von Proteinfunktion und Interaktionen spielen.

Diese Modifikationen beeinflussen wichtige zelluläre Prozesse wie Signaltransduktion, Protein-Protein-Interaktionen, die Funktion von Enzymen und sind entscheidend für den Zellzyklus, Apoptose, das Immunsystem und die DNA-Reparatur.

a)

a) Erkläre die Rolle der Phosphorylierung in der Signaltransduktion. Welche Enzyme sind an diesem Prozess beteiligt und welche Aminosäuren sind die Hauptzielorte für diese Modifikation?

Lösung:

a) Rolle der Phosphorylierung in der Signaltransduktion:

Die Phosphorylierung ist eine Schlüsselmodifikation in der Signaltransduktion, da sie die Aktivität, Lokalisation und Wechselwirkungen von Proteinen regulieren kann. In der Signaltransduktion fungiert die Phosphorylierung als molekularer Schalter, der bestimmte Proteine aktiviert oder inaktiviert. Dies geschieht, indem eine Phosphatgruppe von ATP auf spezifische Aminosäuren des Zielproteins übertragen wird.

Enzyme: Die Hauptenzyme, die an der Phosphorylierung beteiligt sind, sind Kinasen. Sie katalysieren die Übertragung der Phosphatgruppe. Ein anderes Enzym, die Phosphatase, entfernt diese Phosphatgruppen und stellt somit die ursprüngliche Konfiguration des Proteins wieder her. Diese Enzymgruppen arbeiten zusammen, um den Phosphorylierungsstatus der Proteine dynamisch zu regulieren.

Hauptzielorte der Phosphorylierung: Die wichtigsten Aminosäuren, die als Zielorte für die Phosphorylierung dienen, sind Serin, Threonin und Tyrosin. Diese Aminosäuren haben Hydroxylgruppen (-OH) in ihren Seitenketten, die die Phosphatgruppe aufnehmen können. Jede dieser Aminosäuren kommt in spezifischen Kontexten vor:

• Serin: Kommt am häufigsten vor und ist in vielen zellulären Prozessen involviert.
• Threonin: Ähnlich wie Serin, jedoch weniger häufig, aber in wesentlichen Signalwegen eingebunden.
• Tyrosin: Weniger üblich, spielt jedoch eine entscheidende Rolle in Signalwegen, die insbesondere durch Rezeptor-Tyrosinkinasen vermittelt werden.

b)

b) Diskutiere die Bedeutung der Glykosylierung für die Proteinbiosynthese und Stabilität. Welche Typen von Glykosylierung kennst Du und wie beeinflussen diese die Proteinfunktion?

Lösung:

b) Bedeutung der Glykosylierung für die Proteinbiosynthese und Stabilität:

Die Glykosylierung ist eine entscheidende posttranslationale Modifikation von Proteinen, bei der Zuckerreste an spezifische Aminosäuren des Proteins angeheftet werden. Sie beeinflusst maßgeblich die Faltung, Stabilität, Lokalisierung und Funktion von Proteinen. Diese Modifikation hilft Proteinen, ihre korrekt gefaltete Struktur zu erreichen und stabil zu bleiben, wodurch ihre Funktion und Lebensdauer verlängert werden. Des Weiteren kann die Glykosylierung die Proteine vor proteolytischem Abbau schützen und spielt eine wichtige Rolle bei der Zellinteraktion und Signalübertragung.

Typen der Glykosylierung:

• N-Glykosylierung: Die Zuckerreste werden an das Stickstoffatom der Asparaginseitenkette gebunden. Diese Form der Glykosylierung beginnt im Endoplasmatischen Retikulum und wird im Golgi-Apparat weiter modifiziert. Sie ist wichtig für die korrekte Faltung und Stabilität von Proteinen.
• O-Glykosylierung: Die Zuckerreste werden an das Sauerstoffatom von Serin oder Threonin gebunden. Dieser Prozess findet hauptsächlich im Golgi-Apparat statt und ist von Bedeutung für die Funktion und Stabilität von extrazellulären und membranständigen Proteinen.

Einfluss auf die Proteinfunktion:

• Faltung und Stabilität: Die Glykosylierung trägt zur korrekten Proteinfaltung bei und schützt vor Fehlfaltung und Aggregation. Das erhöht die thermische Stabilität und Lebensdauer der Proteine.
• Zell-Zell-Interaktion: Glykolisierte Proteine spielen eine Schlüsselrolle in der Zell-Zell-Erkennung und Kommunikation. Spezielle Zuckerstrukturen auf der Oberfläche von Zellen können als Erkennungsstellen für andere Zellen oder Pathogene dienen.
• Signalübertragung: Glykolisierte Proteine sind oft an der Zelloberfläche zu finden und dienen als Rezeptoren oder Liganden in Signaltransduktionswegen. Die Anlagerung von Zuckerresten kann die Interaktion mit anderen Molekülen oder Zellen beeinflussen und so die Signalweiterleitung modifizieren.
• Schutz vor Abbau: Die Glykosylierung kann Proteine vor proteolytischem Abbau schützen, indem sie spezifische Abbauwege hemmt oder maskiert. Dies trägt zur längeren Stabilität und Funktion der Proteine bei.

c)

c) Die Ubiquitinierung ist ein entscheidender Prozess für den Proteinabbau. Erläutere den Mechanismus der Ubiquitinierung und beschreibe, wie sie die proteasomale Degradation von Proteinen steuert. Nenne mindestens ein Beispiel für ein Protein, dessen Abbau über Ubiquitinierung reguliert wird.

Lösung:

c) Mechanismus der Ubiquitinierung:

Die Ubiquitinierung ist ein Prozess, bei dem das kleine Protein Ubiquitin kovalent an ein Zielprotein gebunden wird. Dieser Prozess verläuft in mehreren Schritten und erfordert die Beteiligung von drei Klassen von Enzymen: E1 (Ubiquitin-aktivierende Enzyme), E2 (Ubiquitin-konjugierende Enzyme) und E3 (Ubiquitin-Ligase).

1. Aktivierung: Das Ubiquitin-aktivierende Enzym (E1) aktiviert Ubiquitin in einem ATP-abhängigen Prozess und bildet eine Thioesterbindung zwischen Ubiquitin und E1.
2. Konjugation: Das aktivierte Ubiquitin wird von E1 auf ein Ubiquitin-konjugierendes Enzym (E2) übertragen.
3. Ligation: Die Ubiquitin-Ligase (E3) vermittelt die Übertragung von Ubiquitin von E2 auf das Lysine-Rest des Zielproteins. Es können mehrere Ubiquitin-Moleküle an das Zielprotein angehängt werden, was zur Bildung von Polyubiquitinketten führt.

Steuerung der proteasomalen Degradation: Polyubiquitinierte Proteine werden von 26S-Proteasomen erkannt, die sie binden und zu kurzen Peptiden abbauen. Der Abbau erfolgt in der Regel bei Proteinen, die defekt sind oder reguliert entfernt werden müssen, um zelluläre Prozesse zu steuern. Der Prozess der Ubiquitinierung markiert diese Proteine spezifisch für die proteasomale Degradation und ermöglicht so die präzise Kontrolle über die Proteinhomöostase in der Zelle.

Beispiel: Ein prominentes Beispiel für ein Protein, dessen Abbau über Ubiquitinierung reguliert wird, ist das Tumorsuppressorprotein p53. Unter normalen Bedingungen wird p53 kontinuierlich ubiquitiniert und abgebaut, wodurch seine Konzentration in der Zelle niedrig gehalten wird. Im Falle von DNA-Schäden oder anderen zellulären Stresssituationen wird die Ubiquitinierung von p53 gehemmt, was zu einer Erhöhung der p53-Konzentration führt. Dies ermöglicht p53, die Expression von Genen zu aktivieren, die für die DNA-Reparatur oder den programmierten Zelltod (Apoptose) verantwortlich sind.

d)

d) Methylierung und Acetylierung von Proteinen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle in der Regulation zellulärer Prozesse. In welchem Zusammenhang stehen diese Modifikationen mit der Genexpression und Chromatinstruktur? Führe ein Beispiel an, wie Acetylierung die Aktivität eines Proteins beeinflussen kann.

Lösung:

d) Methylierung und Acetylierung in der Regulation zellulärer Prozesse:

Die Methylierung und Acetylierung von Proteinen sind posttranslationale Modifikationen, die eine zentrale Rolle in der Regulation der Genexpression und der Chromatinstruktur spielen. Diese Modifikationen betreffen häufig Histone, die Proteine, um die DNA gewickelt ist, und beeinflussen so die Zugänglichkeit der DNA für die Transkriptionsmaschinerie.

Methylierung:

• Histonisierungsmethylierung kann sowohl die Aktivierung als auch die Repression von Genen bewirken, abhängig davon, welche Aminosäuren in den Histonen methylisiert sind.
• Zum Beispiel führt die Trimethylierung von Lysin 4 in Histon H3 (H3K4me3) zur Genaktivierung, während die Trimethylierung von Lysin 27 in Histon H3 (H3K27me3) zur Genrepression führt.
• Methylgruppen werden durch Enzyme wie Histon-Methyltransferasen (HMTs) hinzugefügt und durch Histon-Demethylasen (HDMs) entfernt.

Acetylierung:

• Die Acetylierung von Histonen findet meist an den Lysineresten statt und führt typischerweise zu einer Dekondensation des Chromatins, was die Genexpression fördert.
• Acetylgruppen neutralisieren die positive Ladung der Lysinereste, verringern die Affinität der Histone zur negativ geladenen DNA und erleichtern den Zugang der Transkriptionsmaschinerie.
• Dieser Prozess wird durch Histon-Acetyltransferasen (HATs) katalysiert und durch Histon-Deacetylasen (HDACs) rückgängig gemacht.

Beispiel für die Beeinflussung der Proteinfunktion durch Acetylierung:

Ein bekanntes Beispiel ist der Transkriptionsfaktor p53. Die Acetylierung von p53 erhöht seine Stabilität und Transaktivität, sodass es effektiver als Tumorsuppressor agieren kann. Diese Acetylierung kann durch Histon-Acetyltransferase (HAT) CBP/p300 vermittelt werden. Durch die Acetylierung wird die DNA-Bindungsfähigkeit und die Fähigkeit von p53 zur Rekrutierung von Co-Faktoren gesteigert, was zu einer erhöhten Transkription von Genen führt, die für die Zellzyklusarrest und Apoptose verantwortlich sind.