Fragenkatalog Sommersemester 2013, Stand

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1 Fragenkatalog Sommersemester 2013, Stand Skizzieren Sie den Aufbau einer eukaryotischen Zelle. Benennen Sie die wichtigsten Organellen und ihre Funktionen! Worin unterscheidet sich die prokaryotische Zelle? 2. Benennen und erläutern Sie die Funktionen von biologischen Membranen! 3. Nennen Sie die wichtigsten Membranlipide und skizzieren Sie den prinzipiellen Aufbau von Glycerolipiden! 4. Worin unterscheidet sich die Hydratisierung kleiner und großer hydrophober Stoffe? 5. Welche Unterschiede bestehen in der Struktur von Wassermolekülen in der Nähe ausgedehnter hydrophober Oberflächen und fernab von diesen? 6. Welche Bedingung muss gelten für die Energie eines Moleküls im Vergleich zu der eines Monomers? Begründen Sie Ihre Antwort anhand einer Herleitung für den Molenbruch der Teilchen in einem Aggregat! 7. Berechnen Sie die Hydratationsenergie einer Lipidmizelle mit dem Radius 3 nm (Oberflächenspannung = 50 mn/m) 8. Leiten Sie einen allgemeingültigen Ausdruck (Scheibe, Kugel) für die kritische Mizellkonzentration her. 9. Nehmen Sie den Radius der Aminosäure Lysin mit 1.7 Å und ihren pk Wert mit 10 an. Berechnen Sie die Energie für den Transfer von Wasser ins Öl sowie die Energie für die Deprotonierung der sauren Form (RNH + 3 ) für einen ph Wert von 7.3. Leiten Sie aus dem Vergleich der beiden Energien ab, ob die Aminosäure geladen oder ungeladen in die Lipiddoppelschicht eingebaut wird. 10. Berechnen Sie die CMC für eine aus 10 C Atomen bestehende Alkan ausgehend von einem Radius der Kette r = 0.2 nm und einem mittleren Abstand der C-Atome von l=0.13 nm. Die Oberflächenspannung betrage 50 mn/m. 11. Berechnen Sie den Unterschied in der CMC zwischen einem Lysolipid (C14) und einem Phospholipid mit zwei identischen Fettsäureketten (2xC14) ausgehend von einem Radius der Kette r = 0.2 nm und einem mittleren Abstand der C-Atome von l=0.13 nm. Die Oberflächenspannung betrage 50 mn/m. 12. Erläutern Sie das Prinzip der isothermalen Titrationskalorimetrie! 13. Wie würden Sie experimentell vorgehen, um die CMC eines Lysolipids (C14) zu bestimmen? 14. Sagen Sie voraus, ob die Lipide planare Strukturen bilden wenn die Oberfläche eines Moleküls 68 A², seine Länge 4.5 nm und sein Volumen 2 nm³ betragen!

2 15. Berechnen Sie die Anzahl der Moleküle pro Aggregat von SDS Molekülen, die erforderlich sind, damit dieses eine Kugelform annimmt! Das Volumen eines SDS Moleküls betrage 0.35 nm 3 und die Kettenlänge 1.76 nm. 16. Berechnen Sie die Verweildauer eines Detergenzmoleküls in einer Mizelle wenn dessen kritische Mizellkonzentration 1 mm beträgt und sich die Zeitkonstante für laterale Diffusion (d.h. für die Seitwärtsbewegung um die Länge eines Kopfgruppendurchmessers) auf eine 1 ns beläuft. 17. Weshalb zeigen einige Lipide in der Kristallstruktur einen Neigungswinkel der Acylketten und andere nicht? 18. Wie können Sie die Temperatur und die kalorimetrische Enthalpie des Phasenübergangs von Lipiden bestimmen? 19. Worin unterscheiden sich die Phasenübergänge von Phospholipiden mit Cholin- oder Ethanolamin-Kopfgruppen? 20. Welchen Einfluss haben das Suspensionsmedium, die Lipidkopfgruppen und Doppelbindungen auf die Phasenübergangstemperatur von Lipiden? 21. Wie können Sie unterscheiden, ob sich Membranlipide im flüssigkristallinen oder Gelzustand befinden? 22. Berechnen Sie die mechanische Mobilität eines Proteins, für das bei 20 C ein Diffusionskoeffizient von 10-6 cm 2 s -1 gemessen wurde! 23. Berechnen Sie den Weg, den ein Protein mit einem Radius von 20 Å innerhalb einer Stunde per Diffusion im Wasser zurückgelegt hat! 24. Ermitteln Sie den Diffusions-koeffizienten aus nebenstehendem FRAP Experiment! Die Fluoreszenzintensität des Hintergrunds ist mit F(0), die am Anfang des Experiments mit F(i) und die zum Zeitpunkt t mit F(t) bezeichnet. Der Durchmesser der Bleichzone betrage 5 µm. 25. Sie haben den Diffusionskoeffizienten D eines peripheren Membranproteins, das über einen Lipidanker verfügt, mit 1 µm 2 /s bestimmt. Wie groß ist D, wenn das Protein dimerisiert? 26. Was versteht man unter dem elektrochemischen Potential? Geben Sie einen mathematischen Ausdruck an, und erläutern Sie diesen! 27. Leiten Sie die Nernst-Planck-Gleichung für die Elektrodiffusion her! 28. Das Oberflächenpotential einer Membran betrage -20 mv in einer 100 mm KCl-Lösung. Berechnen Sie die Oberflächenkonzentration von K + und Cl -.

3 29. Berechnen Sie die Debyelänge in einem Medium, dass 0,1 M CaCl 2 und 0,1 M KCl enthält! 30. Nehmen Sie an, Sie habe eine Lipidmembran, die ausschließlich aus einfach negativ geladenen Lipiden besteht (eine Elementarladung auf 0.6 nm 2 ). Wie groß sind die Oberflächenladungsdichte und das Oberflächenpotential in einer 0,1 M KCl Lösung? Wie stark verändert sich das Potential, wenn die Salzlösung verdünnt wird auf 0,01 M oder aufkonzentriert wird auf 1 M? 31. Für eine funktionelle Gruppe an der Membranoberfläche (eine negative Ladung auf 120 Å 2 ) wurde in einer 100 mm Natriumchlorid-Lösung ein pk-wert von 4 gemessen. Welchen scheinbaren pk-wert erwarten Sie, wenn Sie die gleiche Messung in einer 10 mm Natriumchlorid-Lösung wiederholen? 32. Welche Modelle für die diffuse Doppelschicht kennen Sie? Was unterscheidet diese Modelle voneinander? 33. Benennen Sie die Ihnen bekannten elektrokinetischen Erscheinungen! Nennen Sie die jeweilige Ursache der Erscheinung und ihre Auswirkung! 34. Berechnen Sie die Wanderungsgeschwindigkeit von Partikeln mit dem Radius von 2 nm im elektrischen Feld (E = 100 V/m). Die Partikel befinden sich in einer 10 mm KCl-Lösung. Ihr Oberflächenpotential betrage 10 mv. 35. Skizzieren Sie das Geschwindigkeitsprofil in einer Kapillare, die für Partikelelektrophorese genutzt wird! Erläutern Sie dieses! 36. Erläutern Sie die Sättigungskinetik der Bindung von Molekülen an eine Membran mit Hilfe des Langmuirschen Modells! 37. Wie lassen sich Adsoptionskonstante und maximale Anzahl der Bindungsplätze aus der Abhängigkeit des Bedeckungsgrades von der Konzentration des Adsorbants in Lösung grafisch bestimmen? Leiten Sie den entsprechenden mathematischen Ausdruck ausgehend von der chemischen Reaktionsgleichung her! 38. Erläutern Sie die experimentelle Vorgehensweise bei der Bestimmung des Oberflächenpotentials mittels Fluoreszenz! 39. Leiten Sie den Ausdruck für die Born-Energie her und erläutern Sie seine Bedeutung für Transportvorgänge! 40. Berechnen Sie den Membranpartitionskoeffizienten für ein einfach geladenes Kation mit einem Radius von 2 A. 41. Sie betrachten den Transport einfach positiv und negativ geladener hydrophobe Ionen gleicher Größe durch eine ungeladene Membran. Berechnen Sie das Verhältnis der Membranpermeabilitäten dieser Ionen für ein Dipolpotential von 220 mv!

4 42. Aus welchen Komponenten setzt sich das Dipolpotential einer Membran zusammen? Erläutern Sie Experimente, die Ihre These belegen. 43. Wie können Sie aus einer durch die Anwesenheit eines Dipolpotential-Modifikators (z.b. Phloretin) bedingten Änderung der Leitfähigkeit einer Membran für ein hydrophobes Ion die Höhe des Dipolpotentials dieser Membran bestimmen? Leiten Sie die entsprechende Gleichung her! 44. Erläutern Sie die Ionisationsmethode zur Messung des Dipolpotentials! 45. Berechnen Sie die Membranpermeabilität für K + aus beiliegendem Graphen! Die Lipidvesikel (Durchmesser 200 nm) wurden mit 0.2 M K 2 SO 4 beladen. Mit einer K + -sensitiven Elektrode messen Sie im zunächst K + -freien äußeren Medium die im Graphen gezeigte Potentialänderung. Das Probenvolumen betrage 1 ml, die Lipidkonzentration 10 mg/ml (Molmasse 700 g/mol) und die Fläche pro Lipidkopfgruppe 0.7 nm 2. Gehen Sie für die Berechnung von einer Sensitivität der Elektrode in Höhe des Nernst Potentials aus. 46. Skizzieren und erläutern Sie den Aufbau eines stopped-flow Fluorimeters. 47. Wie berechnen Sie die Gesamtpufferkapazität, wenn in Ihrem System sowohl offene als auch geschlossene Puffer vorhanden sind? Stellen Sie die Pufferkapazität als Funktion des ph Wertes graphisch dar! Nennen Sie Beispiele für offene und geschlossene Puffer! 48. Berechnen Sie die Pufferkapazität einer Lösung (ph=7.0), die sowohl 10 mm Tris Puffer (pka = 8.2) als auch 10 mm MES Puffer (pka = 6.1) enthält. 49. Berechnen Sie die Permeabilität der Vesikelmembran (100 nm Durchmesser) für NH 3 aus beiliegender graphischer Darstellung! ph des wässrigen Außenmediums war Zum Zeitpunkt t=0 wurde die NH 4 Cl Konzentration im Außenmedium von 0 auf 5 mm erhöht.

5 Im Vesikelinneren war die Pufferkapazität 1 mm und bei t=0 war dort kein NH 3 oder NH 4 Cl vorhanden. NH 3 hat einen pk a -Wert von Machen Sie eine theoretische Voraussage über den Unterschied in den Membranpermeabilitäten der neutralen und anionischen Form der Salizylsäure. Gehen Sie dabei von einem Molekülradius r = 1.25 nm aus! 51. Berechnen maximale Membranpermeabilität, die Sie mit einem stopped-flow Gerät messen können, dass eine Totzeit von 1 ms hat! 52. Nehmen Sie an, Sie hätten nebenstehendes Konzentrations-profil von NH 4 + in der Nähe einer ebenen Lipiddoppelschicht gemessen. Wie groß ist die Permeabilität dieser Membran für NH 3 wenn die Volumenkonzentration von NH 4 Cl auf der anderen Seite der Membran 10 mm betrug? ph der Lösungen war 6.5. NH 3 hat einen pk a -Wert von Die Lösung enthielt 10 mm Mes Puffer (pk Wert 6.2). Gehen Sie von einem NH 3 (NH + 4 ) Diffusionskoeffizienten von 2x10-5 cm 2 s -1 aus. 53. Nehmen Sie an, Sie hätten eine Membran vorliegen, die ausschließlich für Ca 2+ -Ionen permeabel ist. Die Kalziumionenkonzentration auf der einen Seite der Membran betrage 1 µm, die auf der anderen 100 µm. Berechnen Sie das Membranpotential! 54. Berechnen Sie den Fluß von 20 Salicylat-Ionen durch eine ebene Lipiddoppelschicht (Durchmesser 100 µm) für U = 0 mv aus nebenstehender graphischer Darstellung! Der pk a Wert von Salicylsäure betrage 2,75. Der ph- Wert der Pufferslösung sei 3,0. I (pa) U (mv) 55. Erläutern Sie den Grotthuss-Mechanismus des Protonentransports. Verwenden Sie eine Skizze!

6 56. Berechnen Sie die Permeabilität der Vesikelmembran für Protonen aus der Änderung der Fluoreszenz eines im Inneren eingeschlossenen Farbstoffes (siehe Abb.)! Der Vesikeldurchmesser betrage 100 nm, die Pufferkapazität innen und außen 6 mm. Der anfängliche ph Wert von 6.75 wurde durch Zugabe von 7,5 µl 1 M KOH auf 7.25 angehoben. Vier 2 µl Aliquote von 0.5 M H 2 S0 4 wurden zu Kalibrierzwecken zugegeben. 57. Welchen hydrostatischen Gegendruck müssen Sie anlegen, um den Wasserfluss über eine Lipiddoppelschicht zu stoppen, der von einer transmembranen Konzentrationsdifferenz von 100 mm KCl getrieben wird? 58. Sie haben den osmotischen Druck in Abhängigkeit von der Massekonzentration eines Ihnen unbekannten Stoffes gemessen. Berechnen Sie das Molgewicht aus beiliegender graphischer Darstellung! 59. Die Rekonstitution von Wasserkanälen in Lipidvesikel führte zu einem Anstieg ihrer osmotischen Wasserleitfähigkeit von 10 auf 30 µm/s. Die diffusive Wasserleitfähigkeit änderte sich von 10 auf 12 µm/s. Berechnen Sie die Länge des Kanalabschnitts, in dem das Wasser in single file transportiert wird! Gehen Sie von einem Vesikeldurchmesser von 120 µm und 5 Wasserkanälen pro Vesikel aus!

7 60. Berechnen Sie die Permeabilität der Vesikelmembran für H 2 O aus beiliegender graphischer Darstellung! Gemessen wurde die Selbstlöschung von Carboxyfluorescein, verursacht durch das Schrumpfen von Vesikeln. Ausgelöst wurde die Volumenänderung durch eine Erhöhung der NaCl Konzentration im äußeren Medium von 100 mm auf 200 mm zum Zeitpunkt t = 0. Zu diesem Zeitpunkt hatten die Vesikel einen Durchmesser von 100 nm. 61. Zur Erfassung der Wasserpermeabilität erfassen Sie das Streulicht einer Vesikelsuspension (Vesikeldurchmesser 100 nm) in einem Winkel von 90 bei einer Anregung mit Licht einer Wellenlänge von 550 nm. Erwarten Sie eine Erhöhung der Streulichtintensität oder einer Verringerung? Wie ändert sich das Streulicht bei einer Vesikelaggregation? Begründen Sie jeweils Ihre Aussagen! 62. Von einem 100 mm großen Harnstoffgradienten getriebenes Wasser strömt mit einer Geschwindigkeit von 1 µm/s durch ein Epithel. Nehmen Sie an, die Dicke der dem Epithel benachbarten ungerührten Schicht betrage 100 µm. Berechnen Sie die Verdünnung des Harnstoffs in Epithelnähe und die Wasserpermeabilität des Epithels. 63. Berechnen Sie die Senkung der Energiebarriere für den Membrantransport von Wasser durch den Einbau von Wasserkanälen aus beiliegender Darstellung! k sei die Zeitkonstante für die Vesikelschrumpfung im Stopped Flow.

8 64. Welcher Mechanismen bedienen sich mobile Carrier, um die Energiebarriere für den Membrantransport von Ionen zu senken? Belegen Sie jeden dieser Mechanismen mit Beispielen! 65. Wie groß ist der Fluss von Essigsäure (pk = 4.75) durch eine mit einem Protonophor dotierte Membran, wenn dieser ein Membranpotential von 5 mv induziert? Der ph Wert betrage 7.75, die Pufferkapazität 5 mm, der Diffusionskoeffizient des Puffers 10-6 cm 2 s -1 und die Dicke der ungerührten Schichten links und rechts der Membran belaufe sich auf jeweils 100 µm. 66. Welchen Widerstand hat eine kationenselektive Pore einer Länge von 5 A und einem Radius von 3 A in einer 150 mm NaCl Lösung (D = 2 x 10-6 cm 2 s -1 ; = 60 cm)? Fertigen Sie eine Skizze an, aus der die einzelnen Widerstandskomponenten hervorgehen! 67. Berechnen Sie das Diffusionslimit (Transportrate in Ionen/s) für einen 3 nm langen natriumselektiven Kanal (Radius 3 A ). Geben Sie an, ob die Diffusion zum oder durch den Kanal den Ionenfluss limitiert. Die Konzentration der Natriumionen auf der einen Seite der Membran betrage 150 mm und auf der anderen 0 mm. Ihr Diffusionskoeffizient beläuft sich auf 1,4 x 10-5 cm 2 s Eine Membran mit engen kationenselektiven Kanälen (single file transport) liefert Ihnen nach einseitiger Zugabe von Harnstoff (Endkonzentration 2 M) ein Strömungspotential von 3.1 mv. Auf beiden Seiten der Membran befinden sich 150 mm KCl. Berechnen Sie, wie viele Wassermoleküle pro Ion transportiert werden! 69. Wie groß ist das durch einseitige Zugabe von 1 M Glukose induzierte Strömungspotential, wenn sich die Protonenkonzentration zu beiden Seiten der kationenselektiven Membran auf 50 mm beläuft. Begründen Sie Ihre Antwort. 70. Sie legen Spannung an eine kationenselektive Membran (single file Transport). Ihr Puffer zu beiden Seiten der Membran enthält 100 mm KCl. Sie messen in Abwesenheit eines osmotischen Gradienten den Wasserfluss J v und Strom I lt. folgender Abbildung. Berechnen Sie, wie viele Wassermoleküle pro Ion transportiert werden!

9 71. Auf die eine Seite einer kationenselektiven Membran geben Sie 0,1 M NaCl, auf die andere 0,1 M KCl. Es entsteht ein Potential von -38 mv. Berechnen Sie das Verhältnis der Kaliumund Natriumpermeabilitäten des Kanals. 72. Wie sind die physikalischen Größen: molare Leitfähigkeit, Diffusionskoeffizient und mechanische Beweglichkeit miteinander verknüpft? 73.