Grundlagen der Biochemie (BCh 5.3) Prof. Dr. Christoph Thiele WS 2014/15 1. Klausur ( )

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1 Grundlagen der Biochemie (BCh 5.3) Prof. Dr. Christoph Thiele WS 2014/15 1. Klausur ( ) Aufgabe 1: Erläutern Sie die Primär-, Sekundär- und die Tertiärstruktur von Proteinen. [3 P] Aufgabe 2: Erklären Sie die folgenden Begriffe aus der Enzymatik und geben Sie für jeden Fall jeweils ein Beispiel [je 1 P]. a) Feed-back-Inhibition b) Feed-forward-Stimulation c) Allosterische Regulation d) Kooperativität Aufgabe 3: a) Nennen Sie vier Arten von Lipid-Ankern und notieren Sie, auf welcher Seite der Plasmamembran sich ein so verankertes Protein jeweils befindet. [4 P] b) Ihnen liegt die Primärsequenz des Proteins CD9 vor. Der N-Terminus befindet sich auf der cytoplasmatischen Seite. Markieren Sie die Transmembrandomänen [2 P] sowie die Stelle für die N-Glykosylierung [1 P]. Auf welcher Membranseite befindet sich der C-Terminus des Proteins (Begründung!) [1 P]? MPVKGGTKCIKYLLFGFNFIFWLAGIAVLAIGLWLRFDSQTKSIFEQETNNNNSSFYTGVYILI GAGALMMLVGFLGCCGAVQESQCMLGLFFGFLLVIFAIEIAAAIWGYSHKDEVIKEVQEFYK DTYNKLKTKDEPQRETLKAIHYALNCCGLAGGVEQFISDICPKKDVLETFTVKSCPDAIKEV FDNKFHIIGAVGIGIAVVMIFGMIFSTILCCAIRRNREMV

2 Aufgabe 4: Geben Sie für die folgenden prosthetischen Gruppen und Koenzyme an, für welche Art von Reaktion sie benötigt werden [4 P] und geben Sie jeweils ein Enzym an, dass den entsprechenden Kofaktor verwendet [4 P]. a) Ubichinon b) Biotin c) Tetrahydrofolat d) NADH Aufgabe 5: Zeichnen Sie den Zitratzyklus auf (nur Reaktanten) [4 P]. Klassifizieren Sie jede der Reaktionen nach der Enzymklasse (Oxidoreduktase, Transferase, Hydrolase, Lyase/Synthase, Isomerase, Synthetase) [4 P]. Welche zusätzlichen Reaktionen benötigen Pflanzen, die Glucose aus Acetyl- CoA erzeugen, und wie heißt der resultierende Weg [3 P]? Aufgabe 6: a) Wie lautet die Michaelis-Menten-Gleichung zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit enzymatisch katalysierter Reaktion? [2 P] b) Welche anschauliche Bedeutung besitzt die Konstante K M? [1 P] c) Die Skizze zeigt den Scatchard-Plot einer beliebigen enzymatisch katalysierten Reaktion. Zeichnen Sie den Verlauf der Geraden für den Fall ein, dass die Reaktion kompetitiv inhibiert wird. [2 P]

3 Aufgabe 7: Erläutern Sie anhand einer Skizze die Vorgänge bei der DNA-Replikation im Bereich der Replikationsgabel im Falle bakterieller DNA. [8 P] Aufgabe 8: Welche Rolle spielt 2,3-Bisphosphoglycerat bei der O 2 -Regulation im Blutkreislauf, welche bei der Glykolyse? [4 P] Aufgabe Punkte

4 Lösungen Grundlagen der Biochemie WS 2014/15 1. Klausur ( ) Aufgabe 1: Unter der Primärstruktur eines Proteins wird die Abfolge der Aminosäuren in der Kette verstanden, welche durch die Basenfolge der mrna festgelegt ist. [1 P] Die Sekundärstruktur eines Proteins stellt die lokale Faltung dar (α-helix, β-faltblatt, β-turn etc.). Sie wird durch Wasserstoffbrückenbindungen in der Hauptkette sowie sterische Wechselwirkungen bestimmt. [1 P] Mit der Tertiärstruktur eines Proteins wird die großräumige Faltung der Sekundärelemente bezeichnet, wobei hydrophobe Wechselwirkungen, insbesondere in den Seitenketten, eine wichtige Rolle spielen. [1 P] Aufgabe 2: a) Feed-back-Inhibition liegt vor, wenn das (End-)Produkt eines metabolischen Weges eine frühere Reaktion, i.d.r. den commited step, inhibiert. Dies verhindert sinnlosen Verbrauch von Edukten und die Überproduktion des Endprodukts. [0.5 P] Bsp.: ATP inhibiert die Phosphofructokinase 1 (PFK1) in der Glykolyse [0.5 P] b) Dementsprechend meint Feed-forward-Stimulation, dass ein Edukt oder Zwischenprodukt eines metabolischen Weges einen späteren (irreversiblen) Schritt stimuliert. Dies verhindert die Akkumulation des Edukts oder (oft toxischen) Zwischenprodukts. [0.5 P] Bsp.: Fructose-1,6-bisphosphat stimuliert die Pyruvatkinase [0.5 P] c) Von allosterischer Regulation spricht man, wenn ein Enzym in seiner Aktivität durch einen Stoff reguliert wird, der an einer Stelle bindet, die nicht die Substratbindungsstelle ist. [0.5 P] Bsp.: 2,3-Bisphosphoglycerat in Hämoglobin (reguliert O 2 -Bindung) [0.5 P] d) Kooperativität wird der Effekt genannt, dass in manchen Enzymen das Substrat seine eigene Bindung (i.d.r. an einer anderen Bindungsstelle im Enzym) beeinflusst. [0.5 P] Bsp.: O 2 -Bindung in a 2 b 2 -Hämoglobin [0.5 P]

5 Aufgabe 3: a) Es gibt folgende Arten von Lipidverankerung [je 0.5 P P 4 P] 1. Myristoylierung (Amidbindung zu Tetradecansäure) intrazellulär 2. Palmitoylierung (Thioesterbindung zwischen Palmitat und Cys-SH) intrazellulär 3. Prenylierung (Thioetherbindung zwischen Isoprenoid und Cys-SH) intrazellulär 4. GPI-Anker extrazellulär b) Die N-Glykosylierung wird durch ein NXS- oder NXT-Motiv induziert. Hier gibt es nur ein NXS-Motiv. Die Signalsequenz für Membraninsertion ist ein L-reiches, hydrophobes, in der N- terminalen Region angesiedeltes Motiv von ca. 14 bis 25 Aminosäuren. Bevorzugt sind L, I, V, A, M, W, F, Y, T, C, auch G und seltener P enthalten. Die Abgrenzung erfolgt durch R, K, D, E, W. Hier gibt es vier Transmembransequenzen. Da der N-Terminus auf der cytoplasmatischen Seite liegt und es eine gerade Anzahl an Durchgängen gibt, liegt auch der C-Terminus auf der cytoplasmatischen Seite. [1 P] MPVKGGTKCIKYLLFGFNFIFWLAGIAVLAIGLWLRFDSQTKSIFEQETNNNNSSFYTGVYILI GAGALMMLVGFLGCCGAVQESQCMLGLFFGFLLVIFAIEIAAAIWGYSHKDEVIKEVQEFYK DTYNKLKTKDEPQRETLKAIHYALNCCGLAGGVEQFISDICPKKDVLETFTVKSCPDAIKEV FDNKFHIIGAVGIGIAVVMIFGMIFSTILCCAIRRNREMV [je Transmembrandomäne 0.5 P 2 P; N-Glykosylierungsstelle 1 P (falls NNNN markiert wurde: 0.5 P, da wenigstens das N von NXS markiert wurde)] Transmembranbereiche markiert nach: Rubinstein, Eric et al., Organization of the Human CD9 Gene ; Genomics 16, (1993) Aufgabe 4: a) Ubichinon dient als 1+1-Elektronen-Redox-Carrier. [1 P] Bsp.: Atmungskette Komplexe I, II, III [1 P] b) Biotin ist ein CO 2 -Aktivator. [1 P] Bsp.: Pyruvat-Carboxylase [1 P] c) Tetrahydrofolat wird als C1-Gruppen-Träger und -Aktivator verwendet. [1 P] Bsp.: Thymidylat-Synthase [1 P] d) NADH stellt einen H - /2-Elektronen-Redox-Carrier dar. [1 P] Bsp.: GAPDH, PyrDH, MalatDH [1 P]

6 Aufgabe 5: Christoph Thiele, Vorlesung Grundlagen der Biochemie, WS 2014/15 [4 P] Citrat-Synthase: Transferase (EC 2) Aconitase: Lyase/Synthase (EC 4) Isocitrat-DH: Oxidoreduktase (EC 1) α-ketoglutarat-dh-komplex: besteht aus zwei Oxidoreduktasen und einer Transferase, wobei die α-ketoglutarat-dh selbst eine Oxidoreduktase (EC 1) ist Succinyl-CoA-Synthetase: Synthetase (EC 6) Succinat-DH: Oxidoreduktase (EC 1) Fumarase: Lyase/Synthase (EC 4) Malat-DH: Oxidoreduktase (EC 1) [4 P]

7 Sonderweg in Pflanzen: Glyoxylat-Zyklus [1 P] [2 P] Aufgabe 6: a) v = v max S K M +S [2 P] b) K M ist die Substratkonzentration, bei der die enzymatisch katalysierte Reaktion mit halbmaximaler Geschwindigkeit abläuft: v (S=K M ) = 0.5v max. [1 P] c) [2 P] v s = 1 K M v + v max K M Bei kompetitiver Hemmung (rote Gerade) bleibt v max (Nullstelle) gleich, aber K M erhöht sich scheinbar. Dadurch sinkt der Ordinatenabschnitt und die Gerade wird flacher.

8 Aufgabe 7: Die Stränge werden durch die Helicase getrennt, wobei die Gyrase (Topoisomerase) durch Topologieänderung eine zu starke Verdrillung verhindert und somit die Zugänglichkeit der DNA reguliert. Die Einzelstrangbindungsproteine (SSBs) verhindern die Ausbildung von Sekundärstrukturen. An die Einzelstränge wird durch die Primase ein RNA-Primer (circa 10 Nukleotide) gesetzt. Vom Primer aus werden die neuen Stränge durch die Polymerase III (die über die DNA- Klammer/sliding clamp an die DNA gebunden wird) synthetisiert (mit gleichzeitiger Prüfung und, falls nötig, Korrektur der letzten Basen). Es kann jedoch nur in 3'-Richtung synthetisiert werden. Am Leitstrang (leading strand; 3' 5') wird kontinuierlich synthetisiert. Am Folgestrang (lagging strand; 5' 3') kann nur abschnittsweise synthetisiert werden. Es entstehen Okazaki-Fragmente. Der vorletzte Primer wird durch die Polymerase I entfernt (da diese Anfänge fehlerträchtig sind), die Lücken gefüllt und die Fragmentenden durch die Ligase verbunden. [8 P] Aufgabe 8: 2,3-Bisphosphoglycerat ist ein allosterischer Regulator der O 2 -Bindung an Hämoglobin (in der Mitte der Untereinheiten). Es verringert die Affinität für O 2 und erhöht die Kooperativität. [2 P] In der Glykolyse ist es ein essentieller Kofaktor der Phosphoglyceromutase. [2 P]