Biochemie II - Tutorium

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

2 Ablauf des Tutoriums Einführung und Wiederholung Vorlesungszusammenfassung Übungsaufgaben Selbststudium

3 Wiederhohlung Menschen, die unter Beriberi, einer Vitaminmangelkrankheit, leiden, haben erhöhte Pyruvat und α-ketoglutarat-spiegel im Blut, insbesondere nach einer glukosehaltigen Mahlzeit. Welche Verbindung besteht zwischen diesen Auswirkungen und dem Thiaminmangel? -Bei Thiaminmangel kann das durch Glykolyse erzeugte Pyruvat nicht schnell genug abgebaut werden, da eine Decarboxylierung der alpha- Ketocarbonsäure nicht möglich ist. Somit funktioniert die PDH nicht, deshalb reichertsich Pyruvat im Blut an. -Die Anreicherung von alpha-ketoglutarat ist dadurch zu erklären, dass auch der a-ketoglutarat dehydrogenase Komplex des Zitronenzyklus Thiamin benötigt um a-ketoglutarat zu decarboxylieren.

4 PDH und Citratzyklus

5 Um welches Molekül handelt es sich? Acetyl Group Acety-coenzym A = aktivierte Essigsäure

6 Beteiligte Moleküle innerhalb des PDH-Komplexes Lipoamid

7 Beteiligte Moleküle innerhalb des PDH-Komplexes Thiaminpyrophosphat (TPP)

8 Übersicht der beteiligten Moleküle innerhalb des PDH-Komplexes

9 Einzelschritte der Pyruvat Dehydrogenase Reaktion

10 Übungsaufgaben Thiaminthiazolonpyrophosphat bindet sich ungefähr mal fester an Pyruvat- Dehydrogenase als Thiaminpyrophosphat (TPP). Warum bindet es so stark und welche Folgen hat die Bindung? a) b) Molekül Rest des Thiaminthiazolonpyrophosphats, das mit dem PDH-Komplex interagiert (a) und katalytischer Teil des Thiaminrestes (b). Strukturanalogon zu TPP kompetitive Hemmung geringere Decarboxlilierung geringere Gewinnung von NADH + H+ geringere Umsetzing zu Acetyl-CoA

11 Übungsaufgaben Warum muss im Cytosol gebildetes Pyruvat in die Mitochondrien gelangen? Wie wird dies bewerkstelligt? Glykolyse findet im Cytosol statt. Der PDH-Komplex befindet sich in den Mitochondrien. Äußere-Mitochondrienmebran Pore Innere-Mitochondirenmebran Carrier

12 Übungsaufgaben Benennen Sie die Funktion der folgenden Enzyme und Co-Faktoren Enzyme: Pyruvat Dehydrogenase (E1), Dihydrolipoyl transacetylase (E2) und Dihydrolipoyl dehydrogenase (E3) Cofaktoren: Thiamonpyrophosphat, Dihydrolipoamid, Flavin-Adeninnucleotid Geben Sie die Gesamtreaktion an, die durch den PDH-Komplex katalysiert wird.

13 Benennen Sie die Funktion der folgenden Enzyme und Co-Faktoren Name des Enzyms Pyruvat-Dehydenase Dihydrolipoyl transacetylase Dihydrolipoyl dehydrogenase Funktion 1. Decarboxyliert Pyruvat unter CO2 freisetzung Erzeugt Hydroxyethyl-TPP 2. Oxidierung der Hydroxethyl- Gruppe zu Acety-Gruppe Reduktion der Disulfidbindung zu zwei Thiolgruppen 1. Veresterung von Acetyl mit einem der Thiole 2. Verschiebung der Esterbindung zu CoA Entlassung von Acetyl-CoA 1. H-Atome werden von Lipollysyl auf FAD übertragen Lipollysyl Gruppe wird regeneriert 2. Reduziertes FAD überträgt die Hydrid Ionen auf NAD+

14 Benennen Sie die Funktion der folgenden Enzyme und Co-Faktoren Cofaktor Funktion Thiamonpyrophosphat Dihydrolipoamid Flavin-Adeninnucleotid Umwandlung der a-ketocarbonsäure in eine β-iminocarbonsäure Erleichtert Decarboxylierung durch Ermöglichung von Resonanzstabilität Nimmt das Hydroxyethyl auf und begleitet es durch den E2-Komplex. Nimmt die 2 H-Atome auf und regeneriert dadurch das Lipoamid

15 Geben Sie die Gesamtreaktion an, die durch den PDH-Komplex katalysiert wird. Pyruvat + NAD + + CoA-SH --PDH-Komplex > Acetyl-CoA + Co 2 + NADH + H +

16 Citratzyklus

17 Gesamtgleichung Citric Acid Cycle

18 Wichtigste Reaktionen im Beispiel: Citrat-Synthase (Reaktion 1)

19 Wichtigste Reaktion im Überblick a-ketoglutaratdehydrogenase (Reaktion 4)

20 Wichtigste Reaktionen im Überblick Succinyl-CoA Synthetase (Reaktion 5)

21 Wichtigste Reaktionen im Überblick Malat Dehyrogenase (Reaktion 8)

22 Übungsaufgaben Vervollständigen Sie die Reaktion Info: Reaktion 1 Edukt ist Oxalacetat, Wasser

23 Übungsaufgaben Vervollständigen Sie die Reaktion Info: Reaktion 1 Edukt ist Oxalacetat, Wasser K = Acetyl-CoA 2 =Citrat-Synthase L = CoA-SH (Coenzym A)

24 Übungsaufgaben Unterscheide die Begriffe Co-Substrat, Co-Enzym und prosthetische Gruppe. Erkläre, warum es für den Ablauf des Citratzyklus essentiell ist, dass die Citratsynthase-Reaktion stark exergon ist. Welchen Zweck hat der Citratzyklus? Bringen Sie die acht Enzyme in die richtige Reihenfolge Isocitrat-DH (3), Succinyl-CoA-Synthetase, Succinat-DH, Citrat-Synthase, Malat-DH, Aconitase (2), Fumarase (7), α-kg-dh

25 Unterscheide die Begriffe Co-Substrat, Co-Enzym und prosthetische Gruppe. -Essentielle Bestandteile für die Katalyse Co-Substrat Co-Enzym Prosth. Gruppe Liegt am Ende verändert vor Nicht-kovalent gebunden CoA NAD+ Liegt am Ende unverändert vor Nicht-kovalent gebunden TPP Nicht-Protein- Komponente ist kovalent gebunden Lipoamid-Lysin FAD-E3

26 Erkläre, warum es für den Ablauf des Citratzyklus essentiell ist, dass die Citratsynthase-Reaktion stark exergon ist. Malat-DH-Reaktion ist stark endergon, nachgeschaltete Citratsynthase liefert Energie (da stark exergon) um die Reaktion zu betreiben. Malat Oxalacetat Citrat sonst thermodynamisch sehr ungünstig.

27 Welchen Zweck hat der Citratzyklus? vollständiger, katalyt. Abbau des Acetylrestes zu CO2 (katabol) Gewinnung 8 energiereicher Elektronen in Form von NADH und FADH2 für die Atmungskette Gewinnung von Energie in Form von GTP ( ATP) Funktion als Stoffwechseldrehscheibe

28 Bringen Sie die acht Enzyme in die richtige Reihenfolge 1. Citrat-Synthase 2. Aconitase 3. Isocitrate dehydrogenase 4. a-ketoglutarat dehydrogenase 5. Succinyl-CoA synthetase 6. Succinate dehydrogenase 7. Fumarase 8. Malate dehydrogenase

29 Übungsaufgaben Bevor eine Oxidation im Citratzyklus stattfinden kann, muss das Citrat zunächst zu Isocitrat isomerisiert werden. Warum?

30 Bevor eine Oxidation im Citratzyklus stattfinden kann, muss das Citrat zunächst zu Isocitrat isomerisiert werden. Warum? isoenergetischer Umbau des Molekuls zur Vorbereitung des nachfolgenden Oxidationsschritts von Alkohol (Isocitrat) Keton (α-kg) Citrat = tertiarer Alkohol; nicht oxidierbar Isocitrat = sekundarer Alkohol; oxidierbar TCA Reaktion #2: Enzym Aconitase *TCA = Tricarbonsäurezyklus = Krebs-Zyklus = Zitronensäurezyklus = Citrat Acid Cycle

31 Selbststudium Wie groß ist die freie Standard Enthalpie für die vollständige Oxidation einer Acetylgruppe des Acetyl-CoA im 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) Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind Thioester? 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)

32 Selbststudium 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? Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase?

33

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

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