Biochemie Flashcards
Nennen Sie Möglichkeiten der anaeroben und aeroben ATP Gewinnung und schätzen Sie deren ATP‐Ausbeute und mögliche Menge ATP, die bereitgestellt werden kann, ab.
Myokinase‐Reaktion: 2 ADP → ATP + AMP (sehr gering)
Creatinkinase‐Reaktion: Creatinphosphat + ADP → ATP (gering)
Anaerobe Glykolyse: Glucose + 2 ADP → 2 Lactat + 2 ATP (limitiert durch Lactatanhäufung)
Aerobe Glykolyse/Citratzyklus/Atmungskette: Glucose + 6 O2 + 32 ADP → 6 CO2 6 H2O + 32 ATP (praktisch unlimitiert)
β‐Oxidation/Citratcyklus/Atmungskette: z. B. Palmitat (C16:0) + 23 O2 + 112 ADP → 16 CO2 + 16 H2O + 112 ATP (praktisch unlimitiert)
Welche Bedeutung kommt der Myokinase‐Reaktion außer der schnellen Bereitstellung von ATP zu?
Das entstehende AMP aktiviert die AMP‐abhängige Proteinkinase und löst damit Signalkaskaden aus, die in der Zelle Energiebereitstellende Prozesse aktivieren. (AMP kann auch abgebaut werden und das entstehende Adenosin ist ein Vasodilatator, der die Durchblutung des Sauerstoff‐ verbrauchenden Gewebes steigert).
- Was sind wesentliche Unterschiede im Stoffwechsel der Postresorptionsphase und des Fastens?
In der Postresorptionsphase läuft Leistungsstoffwechsel uneingeschränkt weiter ab, im Fasten wird der Energieverbrauch im Leistungsstoffwechsel maximal eingeschränkt (Senkung des Grundumsatzes).
In der Postresorptionsphase wird pro Tag ca. 75 g Protein für die Gluconeogenese abgebaut, im Fasten nur ca. 25 g pro Tag.
Das Gehirn reduziert im Fasten den Glucoseverbrauch, indem es einen Teil des Energiebedarfs durch die Verwertung von Ketonkörpern deckt und Glucose teilweise nur noch bis auf die Stufe von Lactat abbaut, das wieder in die Gluconeogenese eingeschleust werden kann.
Über welche Mechanismen kann die Flussgeschwindigkeit durch eine Enzym‐katalysierte Reaktion akut und subakut reguliert werden?
Akut: Kovalente Enzymmodifikation, allosterische Regulation, isosterische Hemmung.
Subakut: Induktion auf mRNA‐Ebene, Veränderung der Translatierbarkeit/mRNA‐Stabilität, regulierter Proteinabbau.
Was sind die drei funktionell essenziellen Domänen von Transkriptionsfaktoren?
DNA-Bindedomäne
Transaktivierungsdomäne
Kernlokalisationssignal
Was ist die Rolle von SGLT1 und SGLT2 in Darm und Niere?
Der natrium‐abhängige sekundär‐aktive SGLT2 is als niedrig affiner Massentransporter für den Großteil der Glucose‐Rückresorption im proximalen Tubulus der Niere zuständig, dort ist ihm der SGLT1 als hochaffiner Transporter nachgeschaltet, um die im Tubuluslumen verbleibende Glucose möglichst vollständig zu resorbieren.
Im Darm ist der SGLT1 für die aktive Resorption von Glucose und Galactose zuständig (und mutmaßlich wegen des elektrogenen, die Zelle depolarisierenden Transports auch als Messfühler für die Anwesenheit von Glucose im Darmlumen).
Benennen Sie die Enzympaare, die an der gegenläufigen Regulation von Glucoseverwertung und Glucosebereitstellung in der Leber beteiligt sind.
Glykolyse/Gluconeogenese: Glucokinase/Glucose‐6‐Phosphatase; Phosphofructokinase/Fructose‐ bisphosphatase; Pyruvatkinase/(Pyruvatcarboxylase und) Phosphoenolyruvat‐Carboxykinase
Glykogensynthese/abbau: Glykogensynthase/Glykogenphosphorylase
Link reaction: Pyruvatdehydrogenase/Pyruvatcarboxylase
Die Induktion der meisten Enzyme der Glycolyse setzt die gleichzeitige Anwesenheit von Insulin und Glucose voraus. Begründen Sie!
Nur die Glucokinase wird direkt durch Insulin induziert. Alle anderen Glycolysenezyme werden über das Carbohydrate‐responsive‐element‐binding‐protein (ChREBP) induziert, das von einer Proteinphosphatase aktiviert wird, die ihrerseits von Xylulose‐5‐Phosphat, das im Pentosephosphatweg aus vermehrt angebotener Glucose entsteht, aktiviert wird. Damit die vermehrt angebotene Glucose umgesetzt werden, muss die Glucokinase Insulin‐abhängig induziert werden.
Beschreiben Sie den funktionellen Antagonismus von Glucagon und Insulin am Phosphoenolpyruvat‐Carboxykinase‐ (PCK)‐Promotor!
Glucagon induziert die PCK über die cAMP‐PKA‐abhängige Phosphorylierung und Aktivierung von CREB, das einerseits direkt am PCK‐Promotor bindet, andererseits PGC1α induziert, der seinerseits die Induktion der PCK verstärkt.
Für die Transkription des PCK‐Gens ist der Transkriptionsfaktor FOXO‐1 essenziell. Dieser Transkriptionsfaktor wird Insulin‐Akt‐abhängig phosphoryliert, inaktiviert, verlässt den Zellkern und wird abgebaut.
(Weitere wichtige TF am PCK‐Promotor sind der Glucocorticoidrezeptor und PPARα über die Cortisol und mehrfach ungesättigte Fettsäuren die Transkription steigern können).
- Erklären Sie, warum Fructose “Insulin‐unabhängig” im Hepatocyten verstoffwechselt wird.
Fructose wird durch die Fructokinase zu Fructose‐1‐Phosphat umgesetzt, das durch die Aldolase B in Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten wird.
–> Damit umgeht Fructose die beiden ersten Insulin‐abhängig regulierten Schritte der Glycolyse (Glucokinase und Phosphofructokinase).
Wie steigert Insulin die Glucoseaufnahme in den Skelettmuskel? Beschreiben Sie die relevanten Details des Signalwegs ab der Akt‐Kinase.
Die Glucoseaufnahme in den Skelettmuskel erfolgt über den Glut‐4, der überwiegend in intrazellulären Vesikel gelagert wird und Insulin‐abhängig an die Plasmamembran transloziert wird.
Für die Translokation wird ein G‐Protein in seiner aktiven GTP‐Form benötigt (rab). Wie alle G‐Proteine inaktiviert sich diese G‐Protein selber durch seine GTPase‐Aktivität.
Dazu ist die Anwesenheit eines GTPase‐aktivierenden Proteins (AS160) notwendig.
AS160 wird durch die Akt‐Kinase insulin‐abhängig phosphoryliert und dadurch inaktiviert.
Woher stammt Glucagon‐like Peptide 1 (GLP‐1) und auf welchem Wege moduliert es die Insulinfreisetzung?
GLP‐1 wird aus enteroendokrinen Zellen freigesetzt, wenn diese in Kontakt mit Glucose kommen.
–> Es bindet an seinen Gs‐gekoppelten Rezeptor an den β‐Zellen des Pankreas und verstärkt dort die Glucose‐abhängige Insulinfreisetzung, indem es die ATP‐abhängige Hemmung des Kalium‐ Leckstromkanals und den Depolarisations‐abhängigen Calciumeinstrom verstärkt.
Welche drei unabhängigen Argumente kann man ins Feld führen, um zu begründen, wieviel Protein man täglich aufnehmen muss, um einen optimalen Einbau von Aminosäuren in Muskelproteine zu gewährleisten? Begründen Sie und reihen Sie nach steigender, dafür notwendiger Proteinmenge.
(1) Erreichen einer positiven Stickstoffbilanz: Es muss mehr Protein zugeführt werden als durch die obligatorischen Verluste verloren geht.
(2) Optimale Versorgung mit essenziellen Aminosäuren: Es muss mindestens soviel Protein zugeführt werden, dass die in dem jeweiligen Protein am geringsten vorhandene essenzielle Aminosäure in hinreichender Menge aufgenommen wird.
(3) Optimale Versorgung mit verzweigtkettigen Aminosäuren zur maximalen TORC‐abhängigen Stimulation der Proteinsynthese im Muskel.
Über welchen Signalweg kann Insulin die Proteinsynthese mTOR‐Komplex‐abhängig stimulieren?
Die Proteinsynthese wird durch eine Aktivierung des mTOR‐Komplexes Insulin‐abhängig stimuliert.
Für die Stimulation des mTOR‐Komplexes muss ein G‐Protein (rheb) in seiner aktiven GTP‐Form vorliegen, dessen Inaktivierung über den GTPase‐aktivierenden Proteinkomplex TSC1/TSC2 beschleunigt wird. Insulin aktiviert die Akt‐Kinase, die eine Untereinheit des GTPase‐aktivierenden Proteins phosphoryliert (TSC2) und so inaktiviert.
Was versteht man unter Makroautophagie? Welchen Einfluss haben Insulin und Glucagon auf diesen Prozess?
Bei der Makroautophagie werden durch Proteinkomplexe neue Membranen im Zellinneren aufgebaut, die Zellbestandteile einschließlich ganzer Organellen in Vesikel umschließen können, die dann mit Lysosomen fusionieren und deren Inhalt so abgebaut wird. Insulin hemmt (mTOR‐abhängig) die Makroautophagie, Glucagon stimuliert sie.
Charakterisieren Sie kurz die Schritte der Resorption von Nahrungslipiden im Darm.
(1) Im Darmlumen werden Nahrungslipide durch Lipasen gespalten. Die entstehenden Fettsäuren, Monoacylglyceride, Glycerol und Cholesterol werden über spezifische Transportprozesse resorbiert.
(2) Monoacylglyceride/Glycerol und Fettsäuren werden zu Triglyceriden, Cholesterol und Fettsäuren zu Cholesterol‐estern re‐verestert.
(3) In ER und Golgi‐Apparat werden Triglyceride, Cholesterolester, Phospholipide und Cholesterol mit Apolipoproteinen zu Chylomikronen assembliert. Die apolaren Triglyceride und Cholesterolester bilden den Kern der Chylomikronen, Phospholipide und Cholesterol umschließen sie in einem Monolayer.
(4) Chylomikronen werden in die Lymphe sezerniert und gelangen von dort über den Ductus thoracicus in Herznähe in das venöse Blut.
Warum wird der Cholesterol‐Spiegel im Plasma effizienter durch eine Hemmung der Cholesterolaufnahme gesenkt als durch eine Reduktion der Cholesterolmenge in der Nahrung? Wie kann man die Aufnahme hemmen?
Bei normaler Ernährung stammt der überwiegende Teil des Cholesterols im Darmlumen nicht aus der Nahrung, sondern aus der Leber (Galle) und dem enterohepatischen Kreislauf.
Die Cholesterol‐ Resorption kann durch Phytosterole oder pharmakologisch durch den Hemmstoff des Cholesteroltransporters NPC1L1, Ezetimib, gehemmt werden.
Beschreiben Sie kurz den Abbau der Chylomikronen. Welches Apolipoprotein ist in diesem Zusammenhang wichtig, woher kommt es?
Chylomikronen werden in peripheren Geweben (Muskulatur, Fettgewebe) abgebaut.
Dabei werden die Triglyceride der Chylomikronen durch die Lipoproteinlipase hydrolysiert, die durch den Cofaktor ApoCII aktiviert wird, das Chylomikronen als peripheres Apolipoprotein von HDL‐Partikeln übernehmen.
Die freigesetzten Fettsäuren werden von den Geweben aufgenommen und oxidiert oder zu Triacylglyceriden re‐verestert, Glycerol gelangt zur Leber und wird dort metabolisiert.
Chylomikronen Remnants werden in der Leber abgebaut. Welches Apolipoprotein ist dafür essentiell? Warum? Woher kommt es?
Chylomikornen Remnants werden über den LDL‐Rezeptor oder ein LDL‐Receptor‐Related Protein durch rezeptorvermittelte Endocytose in den Hepatocyten aufgenommen und dort vollständig abgebaut. Ligand der Rezeptoren ist das periphere Apolipoprotein ApoE, das von HDL auf die Chylomikronen(remnants) übertragen wird. (Dem integralen Apolipoprotein ApoB48 fehlt im Gegensatz zum ApoB100 der VLDL‐Partikel die Rezeptor‐Interaktions‐Domäne).
Welches Hormon hemmt die VLDL‐Synthese? Warum ist das sinnvoll?
Insulin hemmt die VLDL‐Synthese, unter anderem durch eine Repression des mikrosomalen Transferproteins, das für die Beladung der Apolipoproteine mit Lipiden verantwortlich ist.
Eine Hemmung der VLDL‐Synthese durch Insulin ist sinnvoll, weil ein hoher Insulinspiegel eine reichliche Versorgung der Peripherie mit Glucose und Lipiden anzeigt. Die Leber fungiert dann als intermediärer Lipidspeicher.
Erklären Sie den Funktionellen Antagonismus von Insulin und Adrenalin bei der Regulation der Einspeicherung und Mobilisation von Fettsäuren im weißen Fettgewebe.
Insulin stimuliert die Einspeicherung von Fettsäuren in Triglyceride über seine Signalkette (Akt → AS160 → Glut4‐Translokation → Glucoseaufnahme → α‐Glycerophosphatbereitstellung; Akt → Proteinphosphatasen → Dephosphorylierung der GPAT, die dadurch aktiviert wird).
Gleichzeitig hemmt Insulin die Freisetzung von Fettsäuren aus den Triglyceridspeichern über seine Signalkette (Akt → PDE → cAMP‐Abbau → Hemmung der Adrenalin‐abhängigen Stimulation der PKA und Proteinphosphorylierung; Akt → Proteinphosphatasen → Dephosphorylierung von HSL und PLIN, das in der dephosphorylierten Form den ATGL‐Aktivator CGI‐58 bindet).
Adrenalin löst über den β3‐ adrenergen Rezeptor und die Adenylatcyclase einen cAMP‐Anstieg aus und aktiviert so die PKA, die GPAT, HSL und PLIN phosphoryliert und so den Insulin‐stimulierten Triglyceridaufbau hemmt und die Freisetzung von Fettsäuren aus Triglyceriden stimuliert.
Auf welchem Weg hemmt ein reichliches Glucoseangebot die mitochondriale β‐Oxidation?
Wird über die Glycolyse mehr Pyruvat bereitgestellt als in Citratcyclus und Atmungskette oxidiert werden kann, wird das aus Pyruvat entstehende Citrat aus dem Mitochondrium ausgeschleust und der Fettsäuresynthese zugeführt.
Zwischenprodukt ist Malonyl‐CoA, das ein starker Inhibitor der Carnitin‐Palmitoyl‐Transferase 1 ist, die die Übertragung von Fettsäuren von CoA auf das Carnitin‐ Shuttle katalysiert und ein wichtiger, Geschwindigkeits‐bestimmender Schritt der mitochondrialen β‐ Oxidation von mittel‐ und langkettigen Fettsäuren ist.
Welche Funktionen haben Uncoupling (UCP) Proteine?
Der über die Atmungskette aufgebaute Protonengradient wird genutzt, um in der F1/F0 ATPase‐ Reaktion ATP zu synthetisieren. ATP hemmt die Atmungskettenenzyme. Dadurch häufen sich reduzierte Coenzyme an. Uncoupling‐Proteine gleichen den Protonengradienten ohne ATP‐Synthese aus. Dadurch wird:
(1) garantiert, dass die Coenzyme auch dann oxidiert werden können, wenn kein ATP‐Bedarf besteht und
(2) Wärme produziert werden kann (Hauptfunktion im braunen Fettgewebe).
(3) Es wird diskutiert, dass einige UCPs auch freie Fettsäuren (die durch spontane Hydrolyse von Acyl‐CoA im Mitochondrium entstehen und dort nicht verwertet werden können) aus der Mitochondrienmatrix ins Cytosol transportieren, wo sie wieder in Acyl‐CoAs umgewandelt werden können (Thiokinase‐Reaktion).
Was ist die Funktion der Peroxysomen‐Proliferator‐Aktivierten‐Rezeptoren (PPAR) PPARα und PPARγ? Wie wird ihre Aktivität reguliert?
PPARα ist ein nucleärer Rezeptor (Ligand‐modulierter Transkriptionsfaktor) für mehrfach‐ ungesättigte Fettsäuren. Er bildet einen Komplex mit dem RXR, an den ein Co‐Repressor bindet, wenn der PPARα nicht mit Ligand besetzt ist. Bindet eine Fettsäure an PPARα, wird der Co‐Repressor durch einen Co‐Aktivator ersetzt und die Transkription der PPARα‐abhängigen Gene wird induziert. Unter den PPARα‐abhängig induzierten Genen sind viele, deren Genprodukte direkt oder indirekt die Oxidation von Fettsäuren stimulieren. Dementsprechend ist der PPARα vorwiegend in Geweben zu finden, die Fettsäuren oxidieren, wie Skelettmuskel und Leber.
Der PPARγ ist ein nucleärer Rezeptor für Fettsäure‐Derivate. Die Regulation der Genexpression erfolgt analog zum PPARα. Im Gegensatz zum PPARα sind die Produkte der vom PPARγ induzierten Gene aber mehrheitlich an der Einspeicherung von Fettsäuren in Triglyceride beteiligt. Daher ist der PPARγ auch vorwiegend im Fettgewebe exprimiert.
