Biochemie II - Tutorium

Transkript

1 Mathematik und Naturwissenschaften, Biologie, Biochemie Biochemie II - Tutorium Dresden,

2 Ablauf des Tutoriums Einführung und Wiederholung Vorlesungszusammenfassung Übungsaufgaben Selbststudium

3 Wiederhohlung 1. Wie groß ist die freie Standard Enthalpie des Citratzykus? Leiten Sie die den Gesamtwert anhand der Einzelreaktionen her. Wird dieser Wert auch erreicht, wenn keine zellulären Standardbedingungen vorliegen, wieso? Wieso ist es essentiell, dass Isocitrat rapide weiterverwendet wird. Geben Sie das K an für das die freie Enthalpie =0 ist. Freie Standard Enthalpie von Rk2 (Aconitase) 13.3 kj/mol) R = 8, J/(mol*K) 2. Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind Thioester? 3. Welches ist das niedrigste Malat/Oxalacetat-Verhältnis, bei dem Oxalacetat aus Malat entstehen kann, wenn man einen NAD+/NADH Quotienten von 8 und einen ph-wert von 7 annimmt. (FSE. Der Oxidation von Malat zu Oxalacetate durch NAD+ = 29kJ/mol)

4 Wiederhohlung 1.Wie groß ist die freie Standard Enthalpie des Citratzyklus? Leiten Sie die den Gesamtwert anhand der Einzelreaktionen her. Wird dieser Wert auch erreicht, wenn keine zellulären Standardbedingungen vorliegen, wieso? Wieso ist es essentiell, dass Isocitrat rapide weiterverwendet wird. Geben Sie das K an für das die freie Enthalpie =0 ist. Freie Standard Enthalpie von Rk2 (Aconitase) 13.3 kj/mol) R = 8, J/(mol*K) -Addiert man die freien Standardenthalpien der acht Einzelreaktionen erhält man eine Freie Gesamtstandardenthalpie von -57,3 kj/mol. -Die sofortige Weiterreaktion von Isocitrate zu Oxalosuccinate ist essentiell, da das Gleichgewicht der Aconitasereaktion sehr stark auf der Eduktseite liegt (K=4,6767*10^-3), damit die Reaktion spontan ablaufen kann, muss die Produktkonzentration gering gehalten werden. -Nützlicherweise ist die freie Standardenthalpie der Isocitrate dehydrogenase Reaktion stark negativ, das Gleichgewicht liegt also auf der Produktseite, sodass Isocitrate rapide weiterverwendet wird.

5 Wiederhohlung 2. Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind Thioester? Acetyldihydrolipoamid Acetyl-CoA

6 Wiederholung 3. Welches ist das niedrigste Malat/Oxalacetat-Verhältnis, bei dem Oxalacetat aus Malat entstehen kann, wenn man einen NAD+/NADH Quotienten von 8 und einen ph-wert von 7 annimmt. (FSE. Der Oxidation von Malat zu Oxalacetate durch NAD+ = 29kJ/mol)

7 Teil 2

8 Wiederhohlung 4. Malonat ist ein kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase. Wie verändern sich die Konzentrationen der Zwischenprodukte des Citratzyklus unmittelbar nach der Erhöhung der Konzentration von Malonat? 5. Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase?

9 Wiederhohlung 4. Malonat ist ein kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase. Wie verändern sich die Konzentrationen der Zwischenprodukte des Citratzyklus unmittelbar nach der Erhöhung der Konzentration von Malonat? Strukturanalogon Kompetetiver Hemmung Die Fumarat Konzentration sinkt Die Konzentration von L-Malat und Oxalacetat sinkt Succinat Konzentration nimmt zu

10 Wiederhohlung 5. Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase? Es kann sich keine Doppelbindung ausbilden Keine Elektronen werden an FAD abgegeben

11 Zusammenfassung

12 Wdh. Pyruvat Dehydrogenase (PDH-Komplex)

13 Eselsbrücken Co-Faktoren des PDH-Komplex Tiere lieben Cola - fantastische Nahrung! Tiaminpyrophosphat Lipoamid CoA FADH2 NADH + H+

14 Citrat-Zyklus

15 Übergeordnete Aspekte des Citratzyklus

16 Eselsbrücken Origineller Zitronen-Isodrink kann süße Cola super fruchtig machen! Oxalacetat Citrat Isocitrat α-ketogluterat Succinyl-CoA Succinat Fumerat L-Malat

17 Biochemie Übersichts Poster

18 Atmungskette Prinzip: Erzeugung eines Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran Nutzung der Energie zum Betreiben der ATP- Synthase Erzeugung von ATP Protonengradient wird durch eine Elektronentransportkette erzeugt, an die eine Protonenverschiebung von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum gekoppelt ist. (Zur Erinnerung, die innere Membran ist undurchlässig für Protonen)

19 Atmungskette Ausgangsstoffe ΔG 0 in kj/mol FADH2 ~160 6 NADH + H+ ~ ADP + Pi ~23,3 3 Anzahl der Transportierten Protonen Annäherung unter Standartbedingungen

20 Atmungskette Die Zahl z ist bei Kationen positiv Und bei Anionen negativ

21 Altklausuraufgabe

22 Atmungskette Inter Membranraum ph = 7,2 ph = 7,9 positiver Δψ = + 0,18V Mitochondriale Matrix negativer Beschreiben sie den H+-Konzentrations Gradient und den Elektrostatischen Gradient in eigenen Worten. Welcher Gradient ist stärker? Der Elektrostatischen Gradient ist ca. 3mal so hoch wie der H+-Konzentrations Gradient

23 Atmungskette

24 Übungsaufgaben 1. Welche Eigenschaft ist allen Dehydrogenasen gemein? 2. Formulieren Sie die Reaktion, die durch das Enzym α-ketoglutarat Dehydrogenase katalysiert wird. Info: CO2, CoA-SH 3. Definieren sie das Prinzip einer Redoxreaktion. 4. Phosphat und Arsenat sind strukturell identisch und in ihrem chemischen Verhalten sehr ähnlich. Allerdings hydrolysieren Arsenatester extrem schnell und ohne Enzymkatalyse, während Phosphatester stabil sind. Geben Sie die ATP-Bilanz an für den Fall, dass man die Glykolyse in Gegenwart von Arsenat statt Phosphat ablaufen lässt. Info: 1-Arseno-3-Phosphoglycerat und Phosphogluceratkinase. Schreibt mal das Molekül auf. 5. Die Succinat Dehydrogenase ist ein Enzym des Citratzyklus. Benennen sie die beteiligten Reaktanden der Succinat DH Reaktion. Das Enzym kommt auch in der Atmungskette vor. Welche Eigenschaft wird dabei genutzt?

25 1. Welche Eigenschaft ist allen Dehydrogenasen gemein Dehydrogenasen sind Enzyme, die ihr Substrat durch Abspaltung von Wasserstoffanionen oxidieren.

26 Übungsaufgaben 2.Formulieren sie die Reaktion, die durch das Enzym α-ketoglutarat Dehydrogenase katalysiert wird.

27 Übungsaufgaben 3.Definieren sie das Prinzip einer Redoxreaktion. Chemische Reaktion bei der ein Reaktionspartner Elektronen abgibt und diese von einem anderen Reaktionspartner aufgenommen werden Redox-Paar Oxidation = Elektronen Abgabe meist exergon Reduktion = Elektronen Aufnahme

28 Übungsaufgaben 4. Phosphat und Arsenat sind strukturell identisch und in ihrem chemischen Verhalten sehr ähnlich. Allerdings hydrolysieren Arsenatester extrem schnell und ohne Enzymkatalyse, während Phosphatester stabil sind. Geben Sie die ATP-Bilanz an für den Fall, dass man die Glykolyse in Gegenwart von Arenat statt Phosphat ablaufen lässt. (Es sind nur die 10 Glykolyseenzyme und alle anderen benötigten Reaktanden vorhanden). Begründen sie Ihre Antwort. ATP-Bilanz = 0 In der GAPDH-Reaktion wird anstatt Phosphat Arsenat verwendet. Dabei entsteht 1-Arseno-3-Phosphoglycerat, das sofort zu 3-Phosphoglycerat und Arsenat zerfällt. Dadurch werden pro Molekül Glucose 2 ATP weniger synthetisiert

29 Übungsaufgaben 5. Die Succinat Dehydrogenase ist ein Enzym des Citratzyklus. Benennen Sie die beteiligten Reaktanden der Succinat DH Reaktion. Das Enzym kommt auch in der Atmungskette vor. Welche Eigenschaft wird dabei genutzt? Oxidoreduktase FADH2 ist ein Reduktionsäquivalent in der Atmungskette Succinat Dehydrogenase = Komplex II der Atmungskette Einzige Membranständige Enzym im Citratzyklus

30 1. Á 2. AÜbungsaufgaben 3. A 4. A 5. A 6. Was bedeutet anaplerotisch und kataplerotisch in Bezug auf die Funktionen des Citratzyklus? 7. Nennen sie alle Enzyme, die beim vollständigen Abbau von Glucose bei der Freisetzung von CO2 beteiligt sind. 8. Wie kann ein katalytischer Zyklus Vorstufen für andere Stoffwechselwege bereitstellen, ohne an seinen eigenen Intermediaten zu verarmen? 9. Warum haben obligat anaerobe Bakterien einige Citratzyklusenzyme und warum haben sie keinen vollständigen Zyklus?

31 Übungsaufgaben 6.Was bedeutet anaplerotisch und kataplerotisch in Bezug auf die Funktionen des Citratzyklus? Anaplerotisch:= Liefert Intermediate durch vorherigen Abbau von Metaboliten Kataplerotisch:=Zieht Intermediate ab, zum Aufbau anderer Metabolite

32 Übungsaufgaben 7. Nennen sie alle Enzyme die beim vollständigen Abbau von Glucose bei der Freisetzung von CO2 beteiligt sind. Pyruvat Dehydrogenase Isocitrat Dehydrogenase Durch diese drei Enzyme werden die drei verbleibenden C-Atome Alpha Ketoglutarat Dehydrogenase des Pyruvats zu CO2

33 Übungsaufgaben 8. Wie kann ein katalytischer Zyklus Vorstufen für andere Stoffwechselwege bereitstellen, ohne an seinen eigenen Intermediaten zu verarmen? Indem er durch anaplerotische Reaktionen mit den benötigten Intermediaten aufgefüllt wird. Anaplerotische und kataplerotische Reaktionen bedingen einander.

34 Übungsaufgaben 9. Warum haben obligat anaerobe Bakterien einige Citratzyklusenzyme und warum haben sie keinen vollständigen Zyklus? Sie müssen Intermediate wie Citrat und Succinyl-CoA produzieren können, da es Vorstufen für Biosynthesen sind Wird nicht benötigt, da Reduktionsäquivalente nicht in der Atmungskette oxidiert werden, da kein O2 vorhanden ist.

35 Die Methylgruppe von Acetyl CoA wurde radioaktiv markiert. Nach wie vielen Runden des Citratzyklus wird es frühstens in Form von 14 CO 2 freigesetzt wird?

36 Übungsaufgaben Die Methylgruppe von Acetyl CoA wurde radioaktiv markiert. Nach wie vielen Runden des Citratzyklus wird es frühstens in Form von 14 CO 2 freigesetzt wird? 1. Runde C2, oder C3 bei Succinat, Fumarat Malat, Oxalacetat 2. Runde C1, oder C2 bei Succinyl-CoA C1 - C4 in Oxalacetat 3. Runde Wenn in Oxalacetat am Ende von Runde 2 an Position C1, oder C4 Freisetzung von CO2 In Reaktion 3 und 4

37 Selbststudium Warum spricht man von der Succinyl-CoA-Synthetase und nicht von der Succinyl-CoASynthase?. Was ist Succinat chemisch betrachtet? Zeichne die Struktur! Bei der Reaktion der Succinat-Dehydrogenase wird ausgehend von Succinat einmal FADH2 gewonnen. Betrachte die Struktur von Succinat und überlege, an welcher Stelle aus dieser Verbindung zwei H-Atome abgespalten werden können?

38 Selbststudium Warum spricht man von der Succinyl-CoA-Synthetase und nicht von der Succinyl- CoASynthase?. GTP wird bei der namensgebenden Rückreaktion verbraucht Enzyme die ATP/GTP verbrauchen und zwei Moleküle kovalent zu verbinden Synthase verbindet zwei Moleküle Kovalent ohne ATP/GTP zu verbrauchen Bezeichnungen sind veraltet Synthasen meist unspezifisch (z.b Citratsynthase = Transferase) Generell handelt es sich bei Synthasen und Synthetasen um Ligasen Was ist Succinat chemisch betrachtet? Zeichne die Struktur! Dicarbonsäure OOC-CH2-CH2-COO

39 Selbststudium Bei der Reaktion der Succinat-Dehydrogenase wird ausgehend von Succinat einmal FADH2 gewonnen. Betrachte die Struktur von Succinat und überlege, an welcher Stelle aus dieser Verbindung zwei H-Atome abgespalten werden können?

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41 Zusammenfassung des Citrat Acid Cycle Citric Acid Cycle: Reactions of the citric acid cycle/tricarbonsäure (TCA) Zyklus)/Krebs Zyklus -the entire set of reactions takes place in mitochondria Function of citric acid cycle: -complete katabolism of Acetyl to CO 2 -yielding of NADH und FADH 2 -yielding of ATP from GTP -production of intermediates for the biosynthesis of other molecules -katabolism of products and intermediates from other metabolisms The eight steps of the citric acid cycle: 1. Formation of citrate Acetyl-CoA is condensated with oxaloacetate to citrate Catalysed by citrate synthase a. Methyl carbon of acetyl group is joined to the carbonyl group (C-2) of oxaloacetate b. The intermediate Citroyl-CoA undergoes rapid hydrolysis to free CoA and citrate Reaction is highly exergonic (compensates for low Oxaloacetate concentration) c. Free CoA is recycled and reenter the PDH complex

42 Relative Reduktionskraft Referenzreduktionskraft: Wasserstoffelektrode mit Standard Reduktionspotential E = 0 V (bedeutet nicht, dass keine Reduktion stattfindet, sondern dient als Vergleichswert um zu gucken, ob andere Stoffen mehr (positives Vorzeichen) oder weniger (negatives Vorzeichen) im Vergleich gerne reduziert werden. Bemerkenswert: O 2 /H 2 O = 0,816 V würde bedeuten, dass das Sauerstoff sehr gerne Elektronen aufnimmt. Anhand des Redoxpotentials kann der Ablauf von Reaktionen überprüft werden.

43 Quellen: Nelson D. Principles of Biochemistry, 6. Auflage (2013), New York: Freeman, S