Fragen zur Vorlesung Grundlagen der Biologie (I) Teil 1: Biomoleküle (B. Moerschbacher)

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1 Fragen zur Vorlesung Grundlagen der Biologie (I) Teil 1: Biomoleküle (B. Moerschbacher) Wieviele Elektronen, Protonen und Neutronen besitzt ein Kohlenstoffatom? Wie unterscheiden sich die Kohlenstoffisotope 12 C, 13 C und 14 C? Was bedeutet die Aussage, daß der Kern eines Atoms für seine physikalischen, die Elektronen für seine chemischen Eigenschaften verantwortlich sind? Wieviele Bindungen geht ein Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatom ein? Ordnen Sie die Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome nach ihrer Elektronegativität. Wie kommen kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen zustande? Ordnen Sie die Begriffe apolar, hydrophil, hydrophob, hydrophobe Wechselwirkung, polar, Wasserstoffbrückenbindung zu sinnvollen Paaren. Welche Beziehung besteht zwischen den Begriffspaaren? Welche der folgenden Flüssigkeiten sind mit Wasser mischbar: Ethanol, Hexan, Linolsäure? Warum? Welche der folgenden Substanzen sind in Wasser lösbar: Fett, Salz, Zucker? Warum? Definieren Sie den Begriff der Säure. Welche Eigenschaft des Sauerstoffatoms ist für den sauren Charakter einer organischen Säure verantwortlich? Definieren Sie den ph-wert. Wie ist der Zusammenhang zwischen ph- und poh-wert? Welchen Wert hat der ph-wert von reinem Wasser? Welchen Wert hat der ph-wert von reinem Ethanol? Welchen ph-wert hat (1) eine 0,1 M Lösung einer vollständig dissoziierenden, starken Säure, z.b. HCl, und (2) eine 0,1 M Lösung einer vollständig dissoziierenden, starken Lauge, z.b. NaOH? Welche Protonenkonzentration herrscht in einer wäßrigen Lösung mit einem ph-wert von 5? Ordnen Sie die funktionellen Gruppen Aldehyd-, Carboxyl-, Hydroxyl-, Methyl-Funktion nach (1) steigender Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms und (2) steigender Polarität. Welche dieser funktionellen Gruppen können Protonen abspalten? Warum? Welche dieser funktionellen Gruppen können (1) Wasserstoffbrückenbindungen und/oder (2) hydrophobe Wechselwirkungen eingehen? Welche dieser funktionellen Gruppen können eine (1) Esterbindung und/oder (2) Etherbindung eingehen? Welche Fettsäuren kommen häufig in pflanzlichen Ölen vor? Welche Fettsäuren kommen häufig in tierischen Fetten vor? Was ist der Unterschied zwischen Fetten und Ölen?

2 Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller Kohlenstoffatome von Stearinsäure und Ölsäure. Handelt es sich bei der Desaturierung einer gesättigten Fettsäure zu einer ungesättigten Fettsäure (1) um eine Oxidation oder (2) um eine Reduktion? Erklären Sie den Begriff amphipolar und nennen Sie ein Beispiel für ein amphipolares Molekül. Erklären Sie die atomaren Grundlagen für die Amphipolarität des Moleküls. Welche Art von Bindungen hält ein Phospholipid zusammen? Welche Art von Bindungen hält eine Membran zusammen? Ordnen Sie die Begriffe Bilayer, Membran, Micelle, Phospholipid in einer sinnvollen Reihenfolge. Welche Bedeutung haben Membranen für eine lebende Zelle? Welche Eigenschaften von Membranen sind für ihre Bedeutung für lebende Zellen entscheidend? Was versteht man unter einem primären bzw. einem sekundären Alkohol? Welche Beziehung besteht zwischen primärem bzw. sekundärem Alkohol einerseits und Aldehyd und Keton andererseits? Bestimmen Sie die Oxidationszahlen einer primären und einer sekundären Hydroxyl-, einer Aldehyd- und einer Keto-Funktion. Warum gibt es keine primären und sekundären Carboxyl-Funktionen? Zeichnen Sie die beiden Monosaccharide ß-D-Glukose und ß-D-Fruktose in der Fischer- Projektion und in der Ringform. Nummerieren Sie die C-Atome und begründen Sie die Nummerierung. Handelt es sich bei den beiden Monosacchariden ß-D-Glukose und ß-D-Fruktose um Triosen oder Hexosen? Handelt es sich bei den beiden Monosacchariden ß-D-Glukose und ß-D-Fruktose um Aldosen oder Ketosen? Handelt es sich bei den beiden Monosacchariden ß-D-Glukose und ß-D-Fruktose in der typischen Ringform um Furanosen oder Pyranosen? Warum wird das anomere C-Atom eines Monosaccharids auch als sein reduzierendes Ende bezeichnet? Zeichnen Sie die Disaccharide Maltose, Cellobiose und Saccharose. Markieren sie die anomeren C-Atome der Zucker ß-D-Glukose, ß-D-Fruktose, Maltose und Saccharose. Markieren sie die reduzierenden Enden der Zucker ß-D-Glukose, ß-D-Fruktose, Maltose und Saccharose. Bestimmen Sie die Oxidationszahlen aller C-Atome in den Zuckern ß-D-Glukose, ß-D- Fruktose, Maltose und Saccharose. Warum ist bei der glykosidischen Bindung zwischen zwei Zuckern immer das anomere C- Atom mindestens eines der beiden Zucker beteiligt?

3 Wie viele reduzierenden Enden hat ein lineares Zellulose-Molekül, ein lineares Amylose- Molekül bzw. ein verzweigtes Amylopektin-Molekül? Erklären Sie den Begriff Aminosäure. Ordnen Sie die Bindungen C-C, C-H, C-O und C-N nach steigender Polarität. Wieviele Bindungen geht ein Stickstoff-Atom in einem organischen Molekül ein? Ist die Amin-Funktion basisch oder sauer? Warum? Wirkt eine Aminosäure als Base oder als Säure? In welcher Form liegt eine Aminosäure bei neutralem ph vor? Welche Aminosäure kommt in Proteinen nicht in der L-Form vor? Was versteht man unter einem primären bzw. einem sekundären Amin? Nennen Sie je ein Beispiel für einen apolare, eine neutrale polare, eine negativ geladene, eine positiv geladene, eine Schwefel-haltige Aminosäure? Zeichnen Sie eine dieser Aminosäuren. Handelt es sich der Peptidbindung um eine Amid- oder um eine Esterbindung? Welche Bindungen im Rückgrat einer Polypeptidkette sind frei drehbar? Wodurch ist die freie Drehbarkeit der Peptidbindung eingeschränkt (Skizze!)? Welche Konsequenz hat die eingeschränkte Drehbarkeit der Peptidbindung für die räumliche Faltung einer Polypeptidkette? Was ist der Unterschied zwischen einem Polypeptid und einem Protein? Was versteht man unter der Primärstruktur, der Sekundarstruktur, der Tertiärstruktur und der Quartärstruktur eines Proteins? Welche Arten der Sekundärstruktur von Proteinen gibt es? Erläutern Sie den Unterschied zwischen parallelem und anti-parallelem ß-Faltblatt. Erläutern Sie anhand einer Skizze, warum das anti-parallele ß-Faltblatt stabiler ist als das parallele. Welche Aminosäuren begünstigen oder behindern die Bildung von -Helix bzw. ß-Faltblatt? Warum? Nennen Sie je ein Beispiel für ein Protein, dessen Sekundärstruktur überwiegend durch - Helices, überwiegend durch ß-Faltblätter, oder durch eine Mischung beider Typen bestimmt ist. Welche Art von Bindungen halten die Primärstruktur, die Sekundarstruktur, die Tertiärstruktur und die Quartärstruktur eines Proteins zusammen? Handelt es sich bei der Bildung einer Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinen um eine Reduktion oder Oxidation? Benötigt man ein Reduktionsmittel oder ein Oxidationsmittel, um ein Protein vollständig zu einer linearen Polypeptidkette zu denaturieren? Was bewirkt dieses Mittel? Beschreiben Sie, was bei der hitzebedingten Denaturierung eines Proteins passiert.

4 Warum sind denaturierte Proteine nicht wasserlöslich? Welche Arten von Membranproteinen gibt es? Wie sind diese mit Membranen assoziiert? Was versteht man unter einem Transmembranprotein? Welche Eigenschaften muß ein Transmembranprotein besitzen, um einerseits in eine Membran eingebettet sein zu können und um andererseits fest in ihr verankert zu sein? Nennen Sie mindestens drei grundlegende Unterschiede zwischen DNA und RNA. Nennen Sie die Purin- und die Pyrimidinbasen der DNA und der RNA. Definieren Sie die Begriffe Nukleosid und Nukleotid. Welche Bindungstypen verbinden Zucker und Base bzw. Zucker und Phosphatgruppe jeweils in DNA und RNA? Erklären Sie, warum die Basenpaarung in der DNA-Doppelhelix eindeutig ist. Was versteht man unter semikonservativer Replikation? Definieren Sie die Begriffe Replikation, Transkription und Translation. In welchem Zellkompartiment laufen Replikation, Transkription und Translation jeweils ab? Aus welchen Elementen besteht ein eukaryontisches Gen? Was geschieht am Promotor? Welche Veränderungen erfährt die mrna während ihrer Reifung im Kern? Nennen Sie zwei essentielle Gründe, warum Proteine nicht einfach durch die Kondensation freier Aminosäuren, sondern über die Vermittlung der trnas synthetisiert werden. Schildern Sie den mehrstufigen Prozeß, mit dem Aminosäuren für die Knüpfung der Peptidbindung aktiviert werden. Welche Funktion hat die rrna? Welche Funktion hat die Peptidyltransferase im Ribosom? Erklären Sie den Namen Adenosintriphosphat. Warum wird ATP als Energieäquivalent der Zelle bezeichnet? Wo steckt die Energie im ATP-Molekül? Begründung! Mit welchen Bindungstypen sind die drei Phosphatgruppen im ATP gebunden? Warum kann ATP Glukose phosphorylieren, aber umgekehrt Glukose-6-Phosphat nicht ADP? Was besagt der Erste Hauptsatz der Thermodynamik? Was besagt der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik? Welcher Zusammenhang besteht (in Worten, nicht als mathematische Formel) zwischen der Inneren Energie, der Entropie und der Gibbsschen freien Energie? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Entropie einerseits und Leben und Tod andererseits?

5 Erläutern Sie die Aussage, daß Zellen Inseln niedriger Entropie in einem Meer stetig steigender Entropie sind. Was versteht man unter einer irreversiblen bzw. einer reversiblen chemischen Reaktion? Erklären Sie die Begriffe einerseits auf der Grundlage der Gleichgewichtskonstanten k und andererseits auf der Grundlage der Änderung in der Gibbsschen freien Energie G. Welcher Zusammenhang besteht zwischen k und G? Warum muß eine Zelle zunächst Energie in Form von zwei ATP-Molekülen aufbringen, um ein Molekül Glukose in der Glykolyse zu spalten, die doch der Energiegewinnung dient? An welches C-Atom der Glukose wird die erste Phosphatgruppe gekoppelt? Warum an dieses C-Molekül? Warum muß Glukose-6-Phosphat zunächst zu Fruktose-6-Phosphat umgelagert werden, bevor die zweite Phosphatgruppe übertragen werden kann? Wie heißt das Enzym, das die Umlagerung von Glukose-6-Phosphat zu Fruktose-6-Phosphat katalysiert? Welche Reaktion wird von diesem Enzym noch katalysiert? Warum benötigt die Zelle für die Gleichgewichtsreaktion zwischen Glukose-6-Phosphat und Fruktose-6-Phosphat ein Enzym? Welche Funktion haben Enzyme im Stoffwechsel? Wie wirken Enzyme? In welcher Einheit wird die Enzymaktivität gemessen? Welche Spezifitäten haben Enzyme? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Geschwindigkeit einer énzymatischen Reaktion und der Lage des Gleichgewichts der katalysierten Reaktion? Ist die Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion abhängig von den Ausgangskonzentrationen oder von den Gleichgewichtskonzentrationen der katalysierten Reaktion? Ist die Richtung einer enzymatischen Reaktion abhängig von den Ausgangskonzentrationen oder von den Gleichgewichtskonzentrationen der katalysierten Reaktion? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Höhe der Aktivierungsenergie einer Reaktion und der Umsatzgeschwindigkeit dieser Reaktion? Warum ist es wichtig, dass auch exergonische Reaktionen eine Aktivierungsenergie besitzen? Besitzen alle exergonischen Reaktionen eine Aktivierungsenergie? Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen exergonisch und endergonisch einerseits und dem G einer chemischen Reaktion. Was ist der Unterschied zwischen G und G? Welche Reaktion katalysiert die Aldolase? Handelt es sich bei der Aldolase-Reaktion um eine endergonische oder um eine exergonische Reaktion?

6 Welche Rolle spielt der Lysinrest im aktiven Zentrum der Aldolase? Handelt es sich bei der Glykolyse insgesamt um eine endergonische oder um eine exergonische Reaktionsfolge? Handelt es sich bei der Glykolyse insgesamt um eine Oxidation oder um eine Reduktion der Glukose? Welches sind die Produkte der Glykolyse? Was geschieht mit den Produkten der Glykolyse? Was versteht man unter einer oxidativen Decarboxylierung? An welchen Stellen in der Veratmung von Glukose kommt eine oxidative Decarboxylierung vor? Was geschieht im Citratzyklus? In welchen Molekülen wird die im Citratzyklus freiwerdende Energie konserviert? Was versteht man unter einem Reduktionsäquivalent? Nennen Sie drei verschiedene Reduktionsäquivalente. Wieviele energiereiche Elektronen können die verschiedenen Reduktionsäquivalente jeweils speichern? Skizzieren Sie die Strukturformeln der für die Elektronenspeicherung relevanten Teile der drei Reduktionsäquivalent in ihrer reduzierten und in ihrer oxidierten Form. Handelt es sich bei der Reaktion von NAD + zu NADH um eine Oxidation oder um eine Reduktion? Was versteht man unter einem Energieäquivalent? Nennen Sie drei verschiedene Energieäquivalente. Skizzieren Sie die Strukturformeln der für die Energiespeicherung relevanten Teile der drei Energieäquivalente. Handelt es sich bei der Reaktion von ATP zu ADP um eine Oxidation oder um eine Reduktion? Warum werden die bei der Oxidation von Succinat zu Fumarat freiwerdenden Elektronen auf FAD übertragen und nicht auf NAD +? Benutzen Sie den Begriff G. Handelt es sich bei FAD um eine prosthetische Gruppe oder um ein Coenzym/Cosubstrat der Succinatdehydrogenase? Was ist der Unterschied zwischen einer prosthetischen Gruppe und einem Coenzym/Cosubstrat? Wie wird die Energie der energiereichen Elektronen, die in den Reduktionsäquivalenten gespeichert sind, für die Zelle nutzbar gemacht? Geben Sie die Bilanzen der Glykolyse, des oxidativen Decarboxylierung, des Citratzyklus und der Atmungskette an.