Fragenkatalog Biophysik II (Stand )

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1 Fragenkatalog Biophysik II (Stand ) 1. Die Membranproteinfaltung erfolgt in zwei grundlegenden Strukturen. Benennen Sie diese, und gehen Sie auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Aufbau und beim Insertionsprozess in die Membran ein! 2. Welche strukturellen Gemeinsamkeiten kennzeichnen aus - Faltblättern bestehende Membranproteine? 3. Wie unterscheidet sich die Periodizität in der Abfolge polarer/apolarer Aminosäuren zwischen helikalen Proteinen und ß-Faltblättern? 4. Was versteht man unter einem hydrophoben Moment, was unter der hydrophoben Konstante? Welche Aussagen lassen sich mit ihrer Hilfe treffen? 5. Gruppieren Sie die Aminosäuren in folgende 4 Gruppen: a) geladene b) hydrophobe c) polare d) aromatische! Skizzieren Sie die Präferenz von Vertretern dieser Aminosäuren für verschieden Teile der Membran als Funktion der für ihre Insertion benötigten Energie vom Abstand zum Membranzentrum! 6. Klassifizieren Sie die Aminosäuren nach ihren Säure-Base-Eigenschaften! Erläutern Sie die Herangehensweise zur Bestimmung der pk-werte! 7. Erläutern Sie den Mechanismus, der zur Sekretion eines Poteins oder zur Insertion des Proteins in die Membran führt! 8. Erläutern Sie das der biologischen Hydrophobizitätsskala von Aminosäuren zugrunde liegende Experiment! 9. Wie unterscheidet sich die posttranslationale Proteintranslokation in Eukaryoten von der in Bakterien? 10. Erläutern das Johnson-Modell zum Erhalt der Permeabilitätsbarriere des endoplasmatischen Retikulums! Welche Experimente liegen dem Modell zugrunde? 11. Wie wurde die Existenz des proteinleitenden Kanals im endoplasmatischen Retikulum nachgewiesen? Skizzieren und erläutern Sie das Experiment! 12. Wie unterscheiden sich die Translokation hydrophober und hydrophiler Moleküle durch den SecY-Kanal?

2 13. Wie gewährleistet der SecY-Kanal, dass kleine Moleküle von der Permeation ausgeschlossen sind (Rapoport Modell)? 14. Wird die Pore des Translokationskanals von einem Oligomer oder einem Monomer gebildet? Erläutern Sie das experimentelle Vorgehen zur Unterscheidung zwischen beiden Varianten! 15. Welche experimentellen Ansätze sind Ihnen bekannt, mit denen die Größe des offenen Translokationskanals bestimmt wurde? Erläutern Sie diese und erörtern Sie die jeweiligen Vor- und Nachteile! 16. Erläutern Sie den Aufbau des SecY Liganden SecA! 17. Was ist Ihnen über die Interaktion von SecY und SecA bekannt? Wie stellt man sich die SecA vermittelte Membrantranslokation einer Polypeptidkette ausgehend (i) von der Kristallstruktur des SecY-SecA Komplexes oder (ii) single molecule experimenten (dual color fluorescent burst analysis) vor? 18. Welche Komponenten umfasst die minimale Translokationsmaschine? Wie läßt sich Ihre Antwort experimentell überprüfen? 19. Was versteht man unter Nanondiscs? Erläutern Sie ein Beispiel der Verwendung von Nanodiscs für die Strukturaufklärung! 20. Wie werden transmembrane Helices vom Translocon erkannt, wie in die Membran inseriert? 21. Sie haben die Aufgabe, den Energiebedarf für die Insertion einer bestimmten Aminosäure in die Membran zu ermitteln. Wie gehen Sie experimentell vor? 22. Erläutern Sie die co-translationale Biogenese von Membranproteinen am Beispiel von Aquaporin-1 und Aquaporin-4! 23. Wie wurde die Existenz des Translokationskanals im ER mit elektrophysiologischen Techniken nachgewiesen? Skizzieren Sie das Experiment! 24. Welche Mechanismen der Topologieevolution von Membranproteinen sind Ihnen bekannt? Nennen Sie Beispiele! Was versteht man unter dynamischen Topologien von Membranproteinen? 25. Was versteht man unter der positive-inside rule? Welche Experimente sprechen dafür? 26. Erklären Sie die Verwendung von GFP als Topologie-Reporter-Molekül! 27. Erläutern Sie an einem Beispiel, wie Topology repeats zur Vorhersage von Konformationsänderungen bei Carriern verwendet werden können! 28. Welchen strukturellen Gegebenheiten sind für Selektivität und hohe Transportrate der K + -Kanäle verantwortlich?

3 29. Das Strömungspotential einer Kaliumkanäle enthaltenden Membran betrage bei einem osmotischen Gradienten von 1.9 M Harnstoff ca. 2.3 mv. Berechnen Sie die Anzahl der Wassermoleküle, die pro K + transportiert werden! 30. Links einer nur Kaliumkanäle enthaltenden Membran haben Sie 100 mm KCl und rechts 100 mm NaCl. Sie messen bei Raumtemperatur ein Transmembranpotential von 53 mv. Berechnen sie das Verhältnis der Kalium- zu Natriumpermeabilität! 31. Erläutern Sie den Kalium-Transportzyklus im Selektivitätsfilter! 32. Schätzen Sie ab, um welchen Betrag die energetische Barriere im Kaliumkanal durch die wassergefüllten Kammer (Radius = 5 Å) gesenkt wird? 33. Welche Rolle spielt die Hydratationsenergie in der Selektivität von Kationenkanälen? 34. Wie lässt sich die Leitfähigkeit eines einzelnen Kaliumkanals für Wasser bestimmen? 35. Welche Experimente haben zum Strukturmodell des offenen KcsA Kanals geführt? Skizzieren Sie die Strukturveränderungen, die vonstatten gehen müssen, damit der Kanal vom geschlossenen zum offenen Zustand übergeht! Beschriften Sie die kritischen Aminosäurenreste! 36. Wie lässt sich der inaktivierte Zustand des Kaliumkanals nachweisen? Skizzieren Sie das experimentelle Herangehen und das Ergebnis! 37. Was versteht man unter der Öffnungsdauer eines Kanals, was unter der Schließzeit? Wie werden diese Zeiten experimentell ermittelt? 38. Welche strukturellen Gegebenheiten sind für die Inaktivierung des KcsA Kanals verantwortlich? Verdeutlichen Sie diese in einem Schema! Wie wurde der Mechanismus der Inaktivierung nachgewiesen? 39. Welche strukturellen Modelle zur Erklärung der Spannungsabhängigkeit des KvAP Kanals kennen Sie? Skizzieren und erläutern Sie diese! 40. Das Paddelmodell des KvAP geht davon aus, dass der Spannungssensor großräumige Bewegungen ausführt. Beschreiben Sie die funktionellen Experimente, mit denen dieses Modell untermauert wurde! 41. Erläutern Sie die Experimente, aus denen folgt, dass der Spannungssensor im KvAP nur kleine Distanzen zurücklegt! 42. Punktmutationen des spannungsabhängigen Kaliumkanals verwandeln diesen in einen Protonenkanal. Erläutern Sie das Experiment und die Schlussfolgerungen, die aus diesem Experiment über die Struktur des Spannungssensors gezogen wurden!

4 43. Für eine, Shaker Kaliumkanäle enthaltende, Zellmembran haben Sie, ausgehend von einer Klemmspannung von -120 mv, die halbmaximale Leitfähigkeit bei -50 mv gemessen. Wie groß ist die Torladung? 44. Wie funktioniert der Luminiscence Resonanz Energie Transfer und was sind die Vorteile gegenüber FRET? 45. Leiten Sie einen allgemeinen Ausdruck her, mit dem Sie die Lebenszeit eines Ionenkanals aus Einzelkanalaufzeichnungen herleiten können! 46. Welche Gemeinsamkeiten und welche Unterschiede weist die Architektur der K + - und Na + - Kanäle auf? 47. Vergleichen Sie die Struktur des Selektivitätsfilters vom K und NaK Kanal! Welche Änderungen sind für den Verlust der K-Selektivität beim NaK verantwortlich? 48. Vergleichen Sie die Struktur des Selektivitätsfilters vom Na und K Kanal anhand einer Skizze! Welche Änderungen sind für den Wechsel der Selektivität von Na zu K verantwortlich? 49. Welche Mechanismen können zur Inaktivierung der Na Kanäle führen? Skizzieren Sie die experimentellen Ansätze, mit denen diese Mechanismen nachgewiesen werden können! 50. Zur Evaluierung eines Arzneimittels haben Sie die Kanaloffenzeiten von Kontrollkanälen und behandelten Kanälen in einem Histogramm dargestellt. Berechnen Sie jeweils die mittlere Lebensdauer und begründen Sie Ihr Vorgehen. 51. Erläutern Sie Schlüsselexperimente, die zur Entdeckung (dem Nachweis) der Aquaporine geführt haben! 52. Erläutern Sie die Funktion der Aquaporine in Niere, Hirn und Lunge! 53. Benennen Sie wenigsten zwei Krankheitsbilder, die durch Mutationen an Aquaporinen verursacht werden! Zeigen Sie dabei jeweils den Mechanismus auf, der zum Ausbruch der Krankheit führt!

5 54. Wie funktioniert der Selektivitätsfilter der Aquaporine? 55. Worin unterscheiden sich orthodoxe Aquaporine von Aquaglyceroproteinen? Skizzieren Sie die Änderungen im Selektivitätsfilter, die zur Änderung der Kanalpermeabilität geführt haben! 56. Welche Rolle wird Aquaporinen bei der Zellmigration zugeschrieben? Erläutern und kommentieren Sie diesbezügliche Experimente! 57. Erläutern Sie drei Methoden zur Bestimmung der Einzelkanalleitfähigkeit von Aquaporinen! 58. Sie haben mit Stopped flow die Verringerung der Zeitkonstante von 0.12 s auf 0.03 s für das Schrumpfen von Vesikeln (Durchmesser 120 nm) gemessen, die im Durchschnitt 2 Aquaporintetramere enthalten. Wie groß ist deren Einzelkanalleitfähigkeit? 59. Aquaporinen wird eine Funktion im Säure-Basenhaushalt zugeschrieben. Erläutern und kommentieren Sie diesbezügliche Experimente! 60. Berechnen Sie den maximalen Glukosegradienten, gegen den der SGLT1 Glukose aus dem Darm aufnehmen kann! Gehen Sie von den üblichen intra- und extrazellulären Natriumkonzentrationen aus. 61. Erläutern Sie Strukturmodelle zur Kopplung von Natrium und Galaktosetransport des vsglt! 62. Erläutern Sie mögliche Mechanismen, wie Wasser über epitheliale Barrieren transportiert werden kann, auch wenn ein osmotischer Gradient fehlt! 63. Welche experimentellen Daten sprechen für einen primär transzellulären Transport von Wasser? Erläutern Sie das entsprechende Experiment! 64. Erläutern Sie das Modell (incl. Experiment), demzufolge Elektrosomose im epithelialen Wassertransport von Bedeutung ist! 65. Erklären Sie das drei-kompartment-modell (lokale Osmose) für den Wassertransport! 66. Wägen Sie die Argumente für oder gegen den sekundär aktiven Wassertransport gegeneinander ab! 67. Welche Faktoren tragen zur Stabilierung des Cl - im Cl-H-Transporter bei? Erläutern Sie Ihre Ausführungen anhand einer Skizze! 68. Wie wurde nachgewiesen, dass es sich beim Protein ClC - EC1 nicht um einen Kanal, sondern um einen Carrier handelt? 69. Nach Rekonstitution des ClC-ec1 messen Sie ein Umkehrpotential von 30 mv. Berechnen Sie die Stoichiometrie des Cl-H Austausches wenn der ph links und rechts

6 der Membran einen Wert von fünf hatte und sich die entsprechenden KCl Konzentrationen auf 300 und 45 mm beliefen! 70. Skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau und den experimentellen Verlauf zum Nachweis des chlorgetriebenen Protonentransports! 71. Skizzieren Sie den prinzipiellen, experimentellen Aufbau, und erläutern Sie ein Experiment zum Nachweis des protonengetriebenen Chlortransports mit Hilfe von Proteoliposomen! 72. Berechnen Sie das Umkehrpotential einer Membran mit rekonstituiertem Protonen- Chlor-Cotransporter wenn der ph Wert innen 3.0 und außen 5.0 beträgt und sich die Chlorkonzentration innen und außen auf 300 mm beläuft! Gehen Sie davon aus, dass pro H + zwei Cl - transportiert werden.