Welche Kräfte regulieren das Zusammenspiel der Moleküle und des Lebens? (Nicht kovalente Wechselwikrungen), Wie kann man sie näher beschreiben? Was bindet an was? Wie wirken diese Kräfte zusammen beim Ausbilden einer Doppelhelix?
Elektrostatische Wechselwirkungen: Anziehung von gegenseitigen Ladungen bzw. Abstoßung von gleichartigen Ladungen. In der doppelsträngigen DNA lagern sich die Stränge so an, dass die negativen Ladungen der Phosphorylgruppe möglichst weit auseinander sind. Die AS Lysin, Arginin und Histidin können abhängig vom pH eine positive Ladung tragen, Glutaminsäure und Asparaginsäure eine negative Ladung. Elektrostatische Wechselwirkungen wirken auf sehr kurzer Distanz, da die elektrostatische Anziehung mit der dritten Potenz des Abstands einer negativen von einer positiven Ladung abnimmt. Eine Hülle von Wassermolekülen um die Ladung schirmt diese Kraft stark ab, d.h. in einer unpolaren Umgebung ziehen sich zwei Ladungen deutlich stärker an als in einer wässrigen Umgebung.
Wasserstoffbrücken: Einige Atome einer chemischen Verbindung ziehen Elektronen stärker an sich und polarisieren diese dadurch, d.h. ein Teil der chemischen Verbidnungen ist im Schnitt sträker negativ geladen, ein anderer Teil stärker positiv. Wasserstoffbrücken sind schwächer als elektrostatische Wechselwirkungen, da sich hier nur Teilladungen anziehen. Sauerstoff und Stickstoff ziehen Elektronen eines Wasserstofftoms an sich, so dass das Sauerstoffatom des Wassers negativ polarisiert ist, während die H-Atome des Wassers eine positive Ladung tragen (positive Partialladung). Wasserstoffbrücken wirken auf sehr kurzer Distanz, da die Anziehung der Teilladungen mit der dritten Potenz des Abstands voneinander abnimmt. Bei den stärksten Wasserstoffbrücken liegen die drei daran beteiligten Atome auf einer gerade Linie. Falls Wassermoleküle an die Teilladung z.B. eines Proteins andocken können, so schirmen diese die Kraft ab, d.h. in einer unpolaren Umgebung sind Wasserstoffbrücken stärker als in einer wässrigen Umgebung. Ein Bsp. sind die alpha-Helices von Membranproteinen. Dabei bilden die CO-Gruppen der Peptidbindung mit der NH-Gruppen der Peptidbindung Wasserstoffbrücken aus
Van der Waals-WW: Die Ladungsverteilung der Elektronen um einen Atomkern ist nie vollständig symmetrisch, dadurch wird an benachbarten Atomen durch sehr kurze elektrostatische WW eine komplementäre Ladungsverteilung induziert. Bei der van der Waals Kontaktdistanz ist die dadurch bewirkte Anziehung am größten. Diese Kräft sind pro Atom gerechnet viel kleiner als z.B. Wasserstoffbrücken. Ein Beispiel sind die aufeinander gestapelten Aromaten in der doppelsträngigen DNA
Hydrophober Effekt: Unpolare Moleküle können sich nicht an Wasserstoffbrücken oder ionische WW beteiligen, die WW, die unpolare Moleküle untereinander ausüben, sind aber vergleichsweise schwach. Vergleicht man nun dieselbe Zahl von unpolaren Molekülen, die sich zu vielen kleinen Kugeln oder aber zu einer einzigen großen Kugel zusammenlagern, dann hat die große Kugel eine viel kleinere Kontaktfläche mit Wasser als die vielen kleinen Kugeln, d.h. es können sich mehr WAsserstoffbrücken ausbilden
Ranking der Kräft: Elektrostatische WW > Wasserstoffbrücken > Hydrophober Effekt > VdW
Einzelsträngige DNA kann sich zu einem Doppelstrang zusammenlagern
a) Wie müssen die einzelsträngen DNAs aussehen, damit dies passt?
b) Diskutieren Sie den Beitrag der vier verschiedenen nicht-kovalenten Kräfte bei der Ausbildung des Doppelstrangs
c) Wie kann man doppelsträngige DNA in einzelstränge Überführen?
a) komplementär
b)
VdW: die aromatischen Ringe der Basen haben im Doppelstrang fast die optimale VdW Kontaktdistanz zueinander. Sie stabilisieren die Ausbildung einer doppelstängigen DNA
Hydrophober Effekt: Unpolare Moleküle können sich nicht an VB oder ionische WW beteiligen, die WW die unpolare Moleküle untereinander ausüben, sind aber vergleichsweise schwach. Deshalb lagern sich hydrophobe Bereiche zusammen, um die WW mit Wassermolekülen zu minimieren, die viel lieber aneinander binden. Die aneinander bindenden basen in der doppelsträngigen DNA minimieren den Kontakt zu Wassermolekülen. Dadurch stabilisieren sie die Ausbildung einer doppelsträngigen DNA
Arbeit gegen Entropie, da die Entropie im gesamten System ni abnahmen darf muss Wärme an die Umgebung abgegeben werden - Entropie im System sinkt, deshalb muss Energie der Umgebung steigen
c) Hitze, Säure
Freie Enthalpie 𝛥G
a) Um welchen Faktor verschiebt die ATP Hydrolyse das Gleichgewicht gekoppelter Reaktionen? (Für Hydrolyse ATP, 𝛥G von -45,57kJ/mol - K zum verschieben GGW)
b) Schreiben Sie eine oder mehrere dazugehörige Formeln hin aus denen man den Faktor ableiten kann. Was sind die Standardbedingungen für 𝛥G`0
a) 5,69 kj/mol für den Faktor 10 - deshalb hier 10^8
Standardbedingungen, pH7, 25°C (298,15K)
Das Leben wie wir es heute kennen ist offensichtlich nur einmal entstanden
a) Wie kommen Biochemiker zu dieser Annahme?
b) Nennen Sie einige Moleküle, die bei fast allen Lebewesen vorkommen
c) Es gibt Proteine, die bei sehr weit entfernt miteinander verwandten Lebewesen keinerlei Sequenzhomologien mehr aufweisen und trotzdem wird behauptet, dass sie einen gemeinsamen Vorfahren haben. Welche experimentellen Befunde müssen vorhanden sein wenn diese Behauptung plausibel nennen sollen?
a) Alle Lebewesen gleiche Bausteine und Stoffwechselwege
b) DNA, RNA, AS, Glucose, Pyruvat, ATP, NAD, FAD, Coenzym Q, Biotin
c) die 3D Struktur der Proteine muss übereinstimmen
Die Atmungskette und auch die FS sind bereits vor langer Zeit entstanden
a) Woher weiß man, dass die FS vor etwa 2 Mrd. Jahren entstanden ist?
b) Ist die Atmungskette vor der FS oder erst danach entstanden?
c) Welche Bestandteile der Atmungskette und der FS sind sich ähnlich (Beschreiben sie auch die jeweiligen Funktionen)
a) O2 Gehalt ist gestiegen, in Gesteinen nachzuweisen, Eisenoxid
b) Atmungskette älter, haben alle Eukaryoten, FS nicht
c) #
Watson und Crick haben den Nobelpreis gewonnen
a) Für was?
b) Warum war dieser Nobelpreis so wichtig?
a) DNA-Doppelhelix-Struktur
Rosalin Franklin: Röntgenbaugungsstruktur
b) Molekulare Grundlage der Vererbung, 2x Einzelstrang als Template
Das Leben hat viele ziemlich ungemütliche Lebensräume erobert, z.B. saure und gleichzeitig heiße Quellen
a) Was ist ein Puffer und wie wirkt er?
b) Was ist der pH-Wert?
c) WAs ist der pKs Wert?
d) Nennen Sie einige anorganische Moleküle (die man bei Zugabe von Protonen ineinander umwandeln kann) die bei Lebewesen als Puffer dienen
a) Schwache Säure und Base, hält den pH Wert stabil
b) negativer dekadischer Logarithmus der Konzentration der H3O+ Ionen
c) pH Wert bei dem die Hälfte protoniert und deprotoniert vorliegt
d) #
Alle Menschen dieser Erde sind höchstwahrscheinlich eng miteinander verwandt und man weiß auch welche Subpopulationen sich besonders ähneln
a) Woher weiß man das?
b) Warum kann man sogar nachvollziehen, wie die Menschen sich über die Erde ausgebreitet haben?
a) DNA sehr stabil, Sequenzanalyse, Doppelstrang stabiler, Angriff nicht so leicht
Proteine können miteinander und mit anderen biologischen Molekülen komplexe Zusammenschlüsse bilden. Diese haben dadurch oft vollkommen neu Eigenschaften
a) Nennen sie mindestens # solcher komplexer Zusammenschlüsse
b) Was tun diese jeweils?
a) Polymerase, Ribosomen, Photosystem, Atmungskette, Myosin/ Aktin in Muskeln, Enzymkomplexe z.B. Pyruvat, Dehydrogenase Komplexe
Nennen Sie mindestens vier FUnktionen von Proteinen
Enzymatische Katalyse, Transport und Speicherung, Koordinierte Bewegung, Mechanische Stützfunktion, Immunabwehr, Erzeugung und Übertragung von Nervenimpulsen, Kontrolle von Wachstum und Differenzierung, Replikation, …
Proteine werden von unterschiedlichen Aminosäuren aufgebaut, deren Seitenketten unterschiedliche Eigenschaften haben
a) Wie viele unterschiedliche AS gibt es in den Proteinen des Lebens
b) Welcher dieser Aminosäuren sind basisch?
c) Welche sauer?
d) Welche sind aromatisch?
a) 20
b) Histidin, Lysin, Arginin
c) Glutaminsäure, Asparaginsäure
d) Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan
Biomoleküle
a)
c)
d)
e)
a) NAD+ (oxidierte Forme)
b) Glucose-6-Phosphat
c) Plastochinon
d) FAD
e) ATP
In welche Richtung werden Proteine synthetisiert?
Ribosomen vom Amino- zum Carboxylende, das Start Codon ist Methionin (ATG). Es wird am N-Terminus eingebaut. (synthetisch anders rum)
Wie werden Proteine bei der Festphasensynthese (Merrifieldsynthese) synthetisiert? An welchem Ende befindet sich die zuerst eingebaute Aminosäure? An welchem Ende befindet sich die zuletzt eingebaute Aminosäure?
Bei der Merrifieldsynthese haben Aminosäuren sogenannte Seitenschutzgruppen und transiente N-terminale Schutzgruppen, der freie C-Terminus wird chemisch aktiviert, sodass er an eine auf dem Träger befindliche Aminosäure koppeln kann. Die transiente N-Terminale Schutzgruppe verhindert dabei, dass die freie AS mit sich selbst auspolymerisiert. Diese (fmoc oder tBoc) Gruppe wird danach abgespalten, so dass wieder eine freie Aminosäure entsteht an die die nächste Aminosäure angekoppelt werden kann. Die zuerst an den Träger gekoppelte AD befindet sich am C-Terminus des Peptids, die zuletzt angekoppelte AS befindet sich am N-terminus des Peptids.
Proteine können Disulfidbrücken ausbilden
a) Welche Aminosäure vermittelt diese Fähigkeit?
b) Was passiert dabei chemisch gesehen?
a) Cystein
b) Wasserstoff wird abgespalten. Redoxreaktion
Peptidbindungen
a) Warum ist die Peptidbindung so stabil?
b) Setzt die Spaltung einer Peptidbindung Energie frei oder verbraucht sie Energie?
c) Was für eine Reaktion ist die Spaltung einer Peptidbindung?
d) Warum ist die Peptidbindung so unflexibel?
a) Resonanzstrukturen stabilisierne, planar
b) setzt Energie frei
c) Hydrolyse
d) weniger Freiheitsgrade, weniger Möglichkeiten, anders wäre die Entropie größer
a) Welche Chemikalie muss hinzugefügt werden, um die verworrene Ribonuklease zu entwirren?
b) Braucht man viel von der Chemikalie? Erklären Sie warum man ggf. viel oder weniger dieser Chemikalie braucht, um zur nativen Ribonuclease zu kommen
c) hat die verworrene Ribonuklease katalytische Aktivität? d.h. spaltet RNA
d) Was glauben sie, wo kommt die Ribonuklease natürlicherweise vor?
a) Beta-Mercaptoethanol
b) Man braucht nur Spuren von beta-Mercaptoethanol. Würde man viel beta-Mercaptoethanol benutzen, wäre die sich bildenden Ribonucleasen nicht durch Disulfidbrücken stabilisiert.
c) nein
d) Die Ribonuklease wird durch das ER in den extrazellulären Raum sekretiert. Im Gegensatz zum cytoplasmatischen Kompartiment kann sie dort Disulfidbrücken ausbilden. Darüber hinaus würde sie im Cytoplasma die RNA zerstören
a) Krankheiten durch fehlgefaltete Proteine?
b) infektiös?
Rinderwahnsinn (BSE)
man stellt sich vor, dass falsch gefaltete Proionen an ein endogen produziertes Protein binden und dadurch eine Konformationsänderung dieses Protein induzieren. So wird ein langsamer infektiöser Prozess gestartet
Parkinson
Chorea Huntington
b) Rinderwahnsinn
a) Was versteht man unter der Domäne eines Proteins?
b) Beispiel nennen für Protein mit mehreren Domänen
a) funktionelle Einheit
b) Transkriptionsfaktor, Antikörper
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