Sonnewald (Enzymologie) Flashcards
Welche prinzipiellen Wege des intrazellulären Transports neu synthetisierter Proteine gibt es?
Co-Translation: Die an den Ribosomen translatierte Proteinsequenz wird mit einer Sequenz versehen, die das Protein ins ER schleust wo es noch während der Translation modifiziert wird. Anschließend wird es sekretiert, in die PM eingebaut oder in Lysosomen wieder abgebaut.
Post-Translation: Das an den Ribosomen translatierte Protein wird entweder in den Zellkern, die Mitochondrien/Chloroplasten oder die Peroxisomen geschleust und erst dort weiter modifiziert
Über welchen Transportweg werden neu synthetisierte Proteine in die folgenden Or-ganellen transportiert?
Co-Translational (r-ER-Signalsequenz): Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Lysosomen
Post-Translational Mitochondrien Chloroplasten Peroxisomen Zytoplasma
Ordnen Sie die folgenden Stoffwechselwege den angegebenen Organellen zu: Citrat-Zyklus Glykolyse Lipidsynthese Transkription Fettsäure-Oxidation Fettsäure-Synthese oxidative Phosphorylierung Replikation Translation
Citrat-Zyklus --> Mitochondrien Glykolyse -->Zytoplasma Lipidsynthese -->Raues Endoplasmatisches Retikulum Transkription -->Zellkern Fettsäure-Oxidation -->Mitochondrien Fettsäure-Synthese -->Zytoplasma oxidative Phosphorylierung -->Mitochondrien Replikation -->Zellkern Translation -->Ribosomen
Viele Enzyme benötigen für ihre Arbeit Cofaktoren. Cofaktoren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Metall-Ionen und Organische Moleküle (Coenzyme). Bitte ordnen Sie die folgenden Cofaktoren „ihren“ Enzymen zu:
Biotin Thiaminpyrophosphat Pyridoxalphosphat Flavinadeninnucleotid NAD+ Me2+
Biotin • Acetyl-CoA-Carboxylase (EC 6.4.1.2)
• Pyruvat-Carboxylase (EC 6.4.1.1.)
Thiaminpyrophosphat • Pyruvat-Dehydrogenase (EC 1.2.4.1)
Pyridoxalphosphat • Glycogenphosphorylase (EC 2.4.1.1.)
Flavinadeninnucleotid • MAO, Monoamin-Oxidase (EC 1.4.3.4.)
NAD+ • Lactat-Dehydrogenase (EC 1.1.1.27)
Me2+ • Carboxypeptidasen (EC 3.4.17.1+2)
• Urease (EC 3.5.1.5.)
Enzyme werden durch ihren Vmax, KM und Kcat beschrieben. Was sagt ein niedriges Kcat / KM Verhältnis über die Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms in vivo aus?
Ein niedriges Verhältnis von Wechselzahl (kkat) zu Michaelis-Menten-Konstante (Km) bedeutet, dass nur wenig Substrat pro Zeiteinheit umgesetzt werden kann: Für ein niedriges kkat/KM-Verhältnis muss daher kkat klein und KM groß sein:
• Großer KM, großer kkat: Substrat bindet langsam an, wird schnell umgesetzt; v ~ KM
• Kleiner KM, kleiner kkat: Substrat bindet schnell an, wird langsam umgesetzt; v ~ kkat
• Großer KM, kleiner kkat: Substrat bindet langsam an, wird nur langsam umgesetzt.
–> v sehr klein
• Kleiner KM, großer kkat: Substrat bindet schnell an und wird schnell umgesetzt;
–> v sehr groß
Woran kann man eine enzymkatalysierten von einer nicht katalysierten Reaktion un-terscheiden?
Enzyme setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, d. h. die freie Enthalpie des Übergangszustandes ist stark herabgesetzt, sodass sie unter relativ milden Bedingungen ablau-fen kann.
Bitte beschreiben Sie die folgenden Prinzipien der enzymvermittelten Katalyse: (a) induced fit und (b) Schlüssel-Schloss-Prinzip!
Schlüssel Schloss Prinzip: Das aktive Zentrum des ungebundenen Enzyms hat eine dem Substrat komplementäre Gestalt.
Induced fit: Das aktive Zentrum des Enzyms wird erst nach Konformationsänderung nach Anbinden des Substrats komplementär zu diesem.
Welche Auswirkung auf die Aktivitätsenergie hätten folgende Eigenschaften des akti-ven Zentrums eines Enzyms. Bitte begründen Sie Ihre Aussagen!
(a) Das aktive Zentrum ist komplementär zum Substrat.
(b) Das aktive Zentrum ist komplementär zum Übergangszustand.
(a) Die Aktivierungsenergie würde erhöht werden, da der Zustand des Substrates durch die Aus-bildung des aktiven Zentrums begünstigt wäre.
(b) Die Aktivierungsenergie wäre dank Begünstigung des Übergangszustandes herabgesetzt, da dieser Zustand stabilisiert werden würde. Eine Reaktion zum Produkt wird dadurch begünstigt.
Was beschreibt die Michaelis-Menten-Gleichung
Die Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Enzymkonzentration und unter-schiedlichen Substratkonzentrationen
Bei der Michaelis-Menten-Konetik spielen die Größen vmax und Km eine große Rolle. Was beschreiben sie und was bedeutet ein hoher bzw. niedriger Wert von Km für die Substrataffinität eines Enzyms?
vmax beschreibt die Maximalgeschwindigkeit, die asymptotisch noch erreicht werden kann, jedoch auch durch weitere Substratzugabe nicht überschritten werden kann.
Km beschreibt die Michaelis-Menten-Konstante; sie entspricht der Substratkonzentration, die bei halber Maximalgeschwindigkeit vorliegen muss.
Ein niedriger Km-Wert bedeutet entsprechend, dass eine hohe Bindungsbereitschaft des Sub-strates an das Enzym besteht; schon kleine Konzentrationen an Substrat genügen, um die Re-aktion mit halber Maximalgeschwindigkeit (bzw. schneller) ablaufen zu lassen.
Ein hoher Km-Wert bedeutet entsprechend, dass nir eine niedrige Bindungsbereitschaft des Substrates an das Enzym besteht. Entsprechend bedarf es hoher Substratkonzentrationen, um mindestens die halbe Maximalgeschwindigkeit der Reaktion zu erreichen.
Was versteht man unter einem Selbstmordinhibitor?
Selbstmordinhibitoren oder auch mechanismusbasierte Inhibitoren sind modifizierte Substrate, die ein Enzym inaktivieren können: Zunächst binden sie an das aktive Zentrum des Enzyms an – sie sind auf dieses hoch spezifisch kompatibel – und bilden dann in der weiteren Reaktion ein Zwischenprodukt, welches das Aktivzentrum des Enzyms so fest bindet, dass dieses blockiert wird.
Bei exothermen Reaktionen wird Energie freigesetzt. Man würde daher vermuten, dass solche Reaktionen spontan ablaufen. Warum muss dennoch Aktivierungsenergie aufgewendet werden, um diese zu starten?
Die Aktivierungsenergie dient zur Ausbildung eines Übergangszustandes, der zunächst erreicht werden muss, um von den Reaktanden zu den Produkten zu gelangen. Dabei kann es sich bspw. um das Lösen von Bindungen oder Umlagerungen handeln, die endotherm stattfinden.
Ein (chemisch nicht ganz korrektes) Beispiel wäre Holz und Sauerstoff; beide reagieren in exo-therme Reaktion zu den Verbrennungsprodukten. Die Reaktion verläuft jedoch nicht spontan, da zunächst durch Wärmezufuhr flüchtige, brennbare Stoffe aus dem Holz freigesetzt werden müssen, die dann das gesamte Holz in Brand setzen können.
Enzymaktivitäten werden durch unterschiedliche Mechanismen reguliert. Hierzu zählt auch die reversible Bindung von Inhibitoren. Es wird bei ihnen zwischen kompetitiven, unkompetitiven und nichtkompetitiven Inhibitoren unterschieden.
Bei welcher Art von Inhibitor sind die folgenden Änderungen der Michaelis-Menten-Größen KM und vmax in nun folgend beschriebener Weise zu erwarten? Bitte begründen Sie jeweils Ihre Aussage!
(a) vmax bleibt konstant und KM wird erhöht?
(b) vmax und KM werden erniedrigt?
(c) vmax sinkt und KM bleibt konstant?
(a) Dies ist bei kompetitiv wirkenden Inhibitoren der Fall: Der Inhibitor tritt als Konkurrenz zum Substrat am Enzym auf, bindet auf gleiche Weise an. D. h. dass die Substratbindung auf Kos-ten des Inhibitors zurückgedrängt wird (gleichbedeutend mit steigendem KM)
(b) Dies ist bei unkompetitiv wirkenden Inhibitoren der Fall: Der Inhibitor komplexiert nur mit Enzymen, die bereits ein Substratmolekül gebunden haben („ESI-Komplex“), aus welchem aber kein Produkt gebildet werden kann. Dadurch wird das GGW freier Enzyme und Substrate ständig in Richtung der Komplexierung verschoben, da ständig Enzym-Substrat-Komplexe durch Inhibierung verloren gehen. Folge: Es werden mehr Substratmoleküle pro Zeiteinheit gebunden (KM sinkt), aber die maximale Reaktionsgeschwindigkeit wird durch den Verlust an Enzym-Molekülen durch Inhibierung herabgesetzt (vmax sinkt).
(c) Dies ist bei nichtkompetetiven Inhibitoren der Fall. Hierbei bindet das Substrat unverändert an das Enzym an, wird aber nicht mehr zu Produkt umgesetzt; daher bleibt KM unverändert, vmax sinkt dagegen zu einem neuen Wert vmax(App) ab. Das Enzym verhält sich wie eine Verdünnung seiner selbst, weswegen der Effekt durch Substraterhöhung auch nicht kompensiert werden kann.
Enzyme können in sechs Reaktionstypen unterteilt werden. Bitte ordnen Sie die ange-gebenen Beispielenzyme den Reaktionstypen zu:
Oxidoreduktasen • Pyruvat-Dehydrogenase (EC 1.2.4.1.)
Transferasen • Hexokinase (EC 2.7.1.1.)
Hydrolasen • Lipase (EC 3.1.1.)
• Amylasen (EC 3.2.X.X.)
• Nucleasen (EC 3.1.X.)
Lyasen • Aldolase (EC 4.1.2.13)
• Aconitase (EC 4.2.1.3.)
Isomerasen keine der genannten Enzyme
Ligasen • Carboxylasen (EC 6.4.1)
Nach Michaelis-Menten werden Enzymaktivitäten in Form einer hyperbolischen Kurve dargestellt. Viele Enzyme zeigen allerdings einen sigmoiden Kurvenverlauf. Bitte be-schreiben Sie, worauf die Abweichungen zurückzuführen sind!
Bei betreffenden Enzymen handelt es sich um allosterische Enzyme; das sind Enzymmoleküle mit mehreren Untereinheiten und aktiven Zentren. Dabei beeinflussen sich diese Zentren ge-genseitig; es treten zwei Konformationen des Enzyms auf: Eine R-Form (relaxed) und eine T-Form (tended). Jede der beiden Formen hat ein eigenes kinetisches Verhalten bzgl. der Sub-stratanbindung, wodurch sich beide kinetischen Kurven zu einer sigmoiden Kurve addieren:
Was versteht man unter symmetrischem und sequentiellen Modell der Allosterie?
Beim symmetrischen Modell wird davon ausgegangen, dass das Enzym-Molekül entweder in der T- oder der R-Form vorliegt; beide können aber ineinander umgewandelt werden. Aller-dings existieren pro Enzymmolekül niemals R-konfigurierte Untereinheiten neben T-konfigurierten Untereinheiten. Diese verhalten sich jedoch unterschiedlich bezüglich der Affinität zu den Substratmolekülen.
Beim sequentiellen Modell wird davon ausgegangen, dass es zu einer sukzessiven Konformationsänderung zwischen R-Form und T-Form in Abhängigkeit von der Anzahl der gebundenen Substratmoleküle kommt:
Was versteht man unter homotropen, was unter heterotropen Regulation?
Wird die Enzymaktivität durch das Substratmolekül selber entweder aktiviert oder inhibiert, so wird von homotropen Effekten gesprochen – da der Regulator und das Substrat identisch (gr. homo = gleich) sind.
Wird die Enzymaktivität durch andere Moleküle als durch das Substrat aktivierend oder hem-mend beeinflusst, so wird von heterotropem Effekt gesprochen, da Regulator und Substrat sind unterschiedlich (gr. hetero = verschieden).
Was bewirkt die Bindung von ATP und CTP an der ATCase in Bezug auf die Konform-ation und Aktivität des Enzyms?
ATP bindet heterotrop an das Enzym an, und stabilisiert (heterotrop) dessen aktivere R-Konformation, CTP stabilisiert dagegen (heterotrop) die weniger aktive T-Konformation. ATP erhöht also die Aktivität, CTP vermindert sie.
Wodurch wird verhindert, dass Verdauungsenzyme nicht in der Bauchspeicheldrüse, sondern erst im Dünndarm aktiv sind und wie werden sie aktiviert?
Die Verdauungsenzyme der Bauchspeicheldrüse liegen dort in inaktivem Zustand vor. Sie wer-den im Dünndarm durch Enterokinasen aktiviert.
Enzyme werden häufig durch reversible kovalente Modifikationen reguliert. Eine zent-rale Rolle spielt dabei die Phosphorylierung. Welche Funktion übernehmen dabei die Proteinkinasen und Proteinphosphatasen?
Proteinkinasen phosphorylieren Proteine; vornehmlich an alkoholischen OH-Gruppen (Se-rin, Threonin), sie übertragen eine Phosphatgruppe von ATP auf ein Enzym (unter Bildung von ADP)
Proteinphosphatasen hydrolysieren das phosphorylisierte Enzym wieder: Dadurch wird Phosphat frei, am Enzym findet sich wieder die alkoholische OH-Gruppe.
Zytosolische Proteine, die für den Abbau bestimmt sind, werden häufig durch Ubiqui-tin markiert. Bitte beschreiben Sie die enzymatischen Schritte durch die beteiligten En-zyme, die am Abbau beteiligt sind.
- Energetisierung: Die terminale Carboxylgruppe wird unter Wirkung des Enzyms E1 mit ATP umgesetzt, wodurch ein energiereicher AMP-Ester entsteht.
- Aktivierung: Diese energiereiche Verbindung überträgt das Enzym E1 auf eine seiner Thiogruppen (Cystein-Gruppe) wodurch ein E1-Ubiquitin-Thioester entsteht.
- Konjugation: Mittels Katalyse eines Enzyms E2 (Ubiquitinkonjugierendes Enzym) wird der Ubiquitin-E1-Komplex unter Freiwerden des E1 (aktivators) zu Ubiquitin-E2 umgesetzt.
- Übertragung auf das Zielprotein: Die Ubiquitin-Ligase (E3) überträgt das Ubiquitin an ei-nen Lysinrest des Zielproteins: Aus der (energiereichen) Thioesterbindung wird eine (ener-getisch günstigere) Peptidbindung.
Das derart markierte Protein wird dann an Proteasomen unter Freiwerden von Ubiquitin zu Oligopeptiden bzw. freien Aminosäuren abgebaut.
Was versteht man unter Mikrokompartimierung des Stoffwechsels und welchem Zweck dient diese?
Mikrokompartimente sind gesonderte Reaktionsräume, die nicht durch Membranen getrennt werden (im Ggs. zu Organellen). Hierbei können Enzyme sequentieller Stoffwechselwege in Multienzymkomplexen organsiert werden.
Von manchen Enzymen sind mehrere sogenannte Isoenzyme bekannt. Welche der folgenden Aussagen treffen auf diese zu?
Isoenzyme werden von unterschiedlichen Genen kodiert, katalysieren aber dieselben chemischen Reaktionen.
Isoenzyme sind Enzyme mit gleichen regulatorischen Eigenschaften.
Was versteht man unter Mikrokompartimierung im Zusammenhang mit Stoffwechsel-wegen? Bitte nennen und beschreiben Sie mindestens ein Beispiel!
Substratchanneling durch elektrostatische Führung beim Umsatz von Malat über Oxalacetat zu Citrat:
Was versteht man unter chemischer Kopplung von Reaktionen? Geben Sie hierfür ein Beispiel an!
Chemische Kopplung bedeutet, dass eine Reaktion, die im Grunde endergonisch (ΔG>0) ab-laufen würde, an eine zweite gekoppelt wird, die stark exergonisch verläuft, und zu einem Zwischenprodukt führt, das so energetisch ist, das es durch eine daran gekoppelte chemi-sche – dann ebenfalls noch exergonische - Reaktion zum gewünschten Endprodukt führt. Die Kopplung gehorcht dabei dem 0. Hauptsatz der Thermodynamik.
Beispiel:
Umsatz von Glucose zu Glucose-6-phosphat: Die direkte Reaktion von Glucose mit einem Phosphat-Ion verliefe endergonisch. Der Umsatz von ATP zu ADP und Phosphat ist dagegen stark exergonisch. Wird nun Glucose statt mit Phosphat mit ATP umgesetzt, so ist auch die Bil-dung von Glu-6-Phosphat noch deutlich exergonisch:
Organismen lassen sich entsprechend ihrer Ernährungsstrategie in zwei Gruppen einteilen; autotrophe und heterotrophe Organismen. Welche Energie- und Kohlenstoff-quelle benutzen phototrophe Organismen, welche chemolithotrophe Organismen?
Phototrophe: Kohlenstoffquelle = CO2, Energiequelle = Licht
Chemolithotrophe Kohlenstoffquelle = CO2, org. Moleküle Energiequelle = Oxidation
Was geschieht mit roten Blutzellen, wenn man sie in hypotonischer, hypertonischer bzw. isotonischer Lösung badet? Bitte begründen Sie Ihre Antworten!
- in hypertonischer Lösung aus den Blutzellen in die Lösung (Zellen schrumpfen)
- in isotonischer Lösung findet kein makroskopischer Austausch statt
- in hypotonischer Lösung aus der Lösung in die Blutzellen hinein (Zellen schwellen an)
Welche unterschiedlichen Klassen der Membrantransportsysteme kennen Sie?
Uniport: Form des Transports bei dem nur eine Substanz durch die Membran transportiert wird
Symport: Form des Transports bei dem zwei unterschiedlich gelöste Substanzen in dieselbe Richtung transportiert werden
Antiport: Form des Transports, bei der ein gegenseitiger Austausch von zwei Molekülen erfolgt
Aktive Transportsysteme fallen in zwei Klassen. Bitte benennen Sie diese und geben Sie jeweils ein Beispiel dafür an!
Symport: Das zu transportierende Molekül wird mit einem zweiten Molekül oder Ion gekoppelt, und durch ein Membranprotein geschleust.
Beispiel: Na-Glucosetransporter in die Zelle. Durch Koppeln eines Glucose-Moleküls mit einem Na+-Ion (ATP!) gelingt es, diese aus dem extrazellulären Raum entgegen dem Konzentrationsgradienten durch Membranproteine in die Zelle zu transportie-ren. Es handelt sich hierbei um einen sekundär akti-ven Transport!
Antiport: Ein Membranportein ermöglicht den Durch-tritt eines Teilchens, sobald es mit einem anderen Teilchen am entgegengesetzten „Ende“ beladen wird.
Beispiel: Na-K-ATPase. Um in der Zelle ein elektro-chemisches Potenzial aufzubauen, werden über Na-K-ATPase jeweils 3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen ausgetauscht. Hierbei handelt es sich um einen pri-mär aktiven Transport.
Was versteht man unter passivem, primär aktivem und sekundär aktivem Transport? Bitte nennen Sie jeweils ein Beispiel.
Passiver Transport : Diffusion von Molekülen / Ionen durch die Membran entlang eines Konzentrationsgradienten. Kein Energieaufwand notwendig.
Einfache Diffusion und erleichterte Diffusion.
Bsp.: Durchtritt von Wasser durch Aquaporine
Primär aktiver Transport: Transport eines Moleküls durch Energieaufwand entgegen seines Konzentrationsgradienten. Dabei wird die Energie direkt genutzt, um das Molekül mittels einer molekula-ren Pumpe zu transportieren.
Bsp.: Transport von Na+-Ionen über Na+-K+-ATPase in die Zelle.
Sekundär aktiver T.: Transport eines Moleküls durch Energieaufwand entgegen seines Konzentrationsgradienten, gekoppelt an ein Carrier-Molekül. Der Konzent-rationsgradient des Carrier-Moleküls ist dabei so ausgerichtet, dass er dem zu transportierenden Molekül entgegen steht. Hier wird die Ener-gie in den Aufbau dessen Potenzials investiert.
Bsp.: Transport von Glucose an Na+-Ionen gekoppelt in eine Zelle.
Was versteht man unter Uniport, Symport und Antiport? Bitte geben Sie jeweils ein Beispiel an!
Uniport: Transport eines Teilchens durch eine Membran ohne Beteiligung wei-terer Teilchen. Beispiel: Glucose-Transporter
Symport:Transport von gleichzeitig zwei Teilchen in gleiche Richtung durch eine Membran. Beispiel: Glucose-Na+-Transport
Antiport: Transport von gleichzeitig zwei Teilchen in jeweils entgegengesetzte Richtung durch eine Membran. Beispiel: Cl-/HCO3- –Transport
Welche Rolle haben Aquaporine in der Zelle?
Aquaporine transportieren Wasser durch Membranen hindurch. Durch ihren lipophilen Charak-ter kann Wasser sonst nicht direkt durch Diffusion durch Membranen gelangen.
Welche Bedeutung hat die Phosphorylierung und Dephosphorylierung für die Funkti-on der Na+/K+-ATPase in Blutzellen?
Die Na-K-ATPase wird, sobald sie mit 3 Na+-Ionen komplexiert ist durch ATP phosphorylisiert und damit energetisiert. Dies ge-schieht durch Vermittlung des P-Enzym(II). Infolge der Phosphorylisierung tritt an der Na-K-ATPase eine Konformation-sänderung dergestalt auf, dass sie sich nach der Seite der ECM öffnet.
Hat sich die zur Seite der ECM geöffnete Na-K-ATPase mit zwei K+-Ionen verbunden, so wird sie mittels P-Enzym(I) dephosphoryli-siert und dadurch wieder in die Ausgangs-Konformation gebracht: Sie öffnet zur Seite des Zellinneren hin und entlässt die beiden K+-Ionen in das Cytosol.
