Fähigkeit zur Anwendung biochemischer Konzepte auf die Lösung von Problemen und zur Interpretation von experimentellen Daten im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel.
Grundwissen:
Stoffwechselwege besitzen folgende Merkmale:
Alle Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert.
Sie laufen intra- oder extrazellulär ab.
Stoffwechselvorgänge sind entweder aufbauend (anabolisch) oder abbauend (katabolisch).
Sie erzeugen Wärme.
Sie sind zyklisch oder linear.
Sie können gesteuert werden (àz.B.Hemmung).
Im Folgenden wird die Endprodukt-Hemmung erklärt. Fertige dazu eine Skizze an, die dies schemenhaft widergibt.
Die Endprodukt-Hemmung ist eine Sonderform der nicht-kompetitiven Hemmung. Das Besondere an dieser Form der Hemmung ist, dass die Endprodukte [④ = EP] einer Stoffwechselkette ①-③ an ein allosterisches Zentrum eines der in der Kette vorher benötigten Enzyme (E1) binden ⑤. Das aktive Zentrum wird verändert und die Reaktion mit dem Substrat gehemmt ⑥. Je mehr Endprodukte entstanden sind, um so mehr Enzyme (E1) werden gehemmt. Dadurch entstehen weniger P1==>P2==>EP. So können Stoffwechselprozesse der Homöostase in Form von negativer Rückkopplung gesteuert werden.
Erläutere das in der Abbildung dargestellte Beispiel für eine Endprodukthemmung:
Threonin wird durch das Enzym Threonin-Dehydratase in einer mehrschrittigen Stoffwechselkette zu Isoleucin umsetzt. Isoleucin fungiert als allosterischer Inhibitor für das Enzym Threonin-Dehydratase. Wenn Isoleucin an das allosterische Zentrum der Threonin-Dehydratase bindet, ändert sich deren aktives Zentrum und die Stoffwechselkette kann nicht beginnen.
Stellen Sie die wichtigsten Unterschiede zwischen kompetitiver, allosterischer und mechanismusbasierter Hemmung dar.
Bei einer kompetitiven Hemmung konkurriert der Inhibitor mit dem Substrat um das aktive Zentrum des Enzyms, während bei einer allosterischen Hemmung der Inhibitor an einer anderen Stelle des Enzyms bindet und so die enzymatische Aktivität beeinflusst. Bei der mechanismusbasierten Hemmung bindet z.B. Penicillin zwar auch an das aktive Zentrum des Enzyms wird dort aber chemisch so modifiziert dass es zu einer kovalenten Bindung zwischen Penicillin und dem Enzym kommt, wodurch das Enzym dauerhaft und irreversibel inaktiviert wird.
Sehen Sie sich das Video an und stoppen Sie das Video jeweils an den relevanten Stellen um die drei Übungen zu den Operatoren: Beschreiben, Erklären und Bewerten zu lösen.
https://www.youtube.com/watch?v=1mIfUWzJkk8
Glyphosat ist ein sehr umstrittenes Totalherbizid. Seine Wirkung ist in Abbildung rechts dargestellt. Interpretieren Sie die Kurven in Abbildung links unter Nutzung der Abbildung rechts.
Schauen Sie sich zur Lösung das folgende Video an:
https://youtu.be/81mOQoYd5Yo
In der Abbildung ist das aktive Zentrum des Enzyms Hexokinase dargestellt. Dieses Enzym ist in der Lage das Phosphat von ATP auf Glukose zu übertragen, sodass Glukose-6-Phosphat entsteht. Erläutern Sie mithilfe der Abbildung den allgemeinen Bau eines Enzyms und die hier dargestellte Reaktion.
Enzyme besitzen ein aktives Zentrum. Das aktive Zentrum besteht aus nur wenigen Aminosäuren. In der Abbildung halten drei Aminosäuren die Glukose und drei weitere das ATP in ihren entsprechenden Positionen. Dadurch kann das Phosphat vom ATP (hier als ADP mit gebundenem Phosphat dargestellt) auf Glukose übertragen werden. Es entsteht Glukose-6-Phosphat. Glukose wird dadurch energiereicher, denn die Energie des ATPs wird auf Glukose übertragen.
Lückentext:
Für die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat ist Energie erforderlich. Glukose und Fettsäuren sind z.B. energiereiche Kohlenstoffverbindungen, die hauptsächlich als Substrate für die Zellatmung genutzt werden.
Aufgabenstellung: Ein Labor führt Experimente zur Bestimmung der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) und der Michaelis-Menten-Konstante (Km) eines Enzyms durch. Die Experimente werden mit verschiedenen Substratkonzentrationen durchgeführt. Die erhaltenen Daten zeigen, dass mit steigender Substratkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit zunächst steil ansteigt, bevor sie einen Plateauwert erreicht.
Frage: Erkläre, warum die Reaktionsgeschwindigkeit ein Plateau erreicht und welche Schlüsse bezüglich des Enzyms kannst du aus diesem Verhalten ziehen?
Mögliche Antwort:Die Reaktionsgeschwindigkeit erreicht ein Plateau, weil alle aktiven Stellen des Enzyms bei hohen Substratkonzentrationen besetzt sind, und das Enzym seine maximale Arbeitsgeschwindigkeit (Vmax) erreicht hat. Dies deutet darauf hin, dass das Enzym gesättigt ist und auch bei weiterer Erhöhung der Substratkonzentration keine weitere Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit möglich ist. Dieses Verhalten ist charakteristisch für enzymkatalysierte Reaktionen und folgt dem Michaelis-Menten-Modell.
Aufgabenstellung: Ein Forschungsartikel beschreibt die Hemmung eines Schlüsselenzyms in der Glykolyse durch ein neues Medikament. Das Enzym, das gehemmt wird, ist die Phosphofructokinase.
Frage: Welche Auswirkungen könnte diese Hemmung auf den zellulären Energiestoffwechsel haben? Diskutiere mögliche zelluläre Reaktionen auf diese Hemmung.
Mögliche Antwort:Die Hemmung der Phosphofructokinase, eines Schlüsselenzyms der Glykolyse, würde den Abbau von Glucose zu Pyruvat und damit die Produktion von ATP über diesen Weg blockieren. Als Reaktion darauf könnte die Zelle alternative Energiequellen nutzen, wie den Abbau von Fettsäuren durch die β-Oxidation oder die verstärkte Nutzung des Pentosephosphatweges zur Gewinnung von NADPH und Ribose. Ferner könnte die Zelle anaerobe Glykolyse verstärken, was zu einer erhöhten Lactatproduktion führt und potenziell zu einer Azidose beitragen könnte.
Aufgabenstellung: Ein Experiment zeigt, dass unter stressigen Bedingungen das Verhältnis von NADH zu NAD⁺ in Zellen steigt.
Frage: Was könnte ein Anstieg dieses Verhältnisses über den zellulären Zustand aussagen und welche zellulären Prozesse könnten daraufhin aktiviert werden?
Mögliche Antwort:Ein erhöhtes NADH/NAD⁺-Verhältnis deutet auf einen reduzierenden Zustand in der Zelle hin, was typischerweise auftritt, wenn die oxidative Phosphorylierung gehemmt ist oder eine hohe Rate an Glykolyse vorliegt. Diese Verschiebung könnte Zellen veranlassen, ihren Stoffwechsel anzupassen, beispielsweise durch Aktivierung von Wegs wie der Gluconeogenese oder durch Einleitung von Überlebensmechanismen gegen oxidativen Stress, wie die verstärkte Synthese von antioxidativen Enzymen.
Aufgabenstellung: In einem Bericht wird festgestellt, dass bestimmte Umweltbedingungen zu einem niedrigeren ATP-Spiegel in Zellen führen.
Frage: Welche Auswirkungen könnte ein verminderter ATP-Spiegel auf zelluläre Funktionen haben und wie könnten Zellen darauf reagieren?
Mögliche Antwort:Ein niedriger ATP-Spiegel kann die Energieversorgung für wichtige zelluläre Prozesse wie aktiven Transport, Zellteilung und Synthese von Makromolekülen beeinträchtigen. Als Reaktion darauf könnten Zellen den Energiemetabolismus hochregulieren, indem sie die Rate der Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung steigern, oder sie könnten in einen Sparmodus übergehen, indem sie den Energieverbrauch reduzieren und das Zellwachstum verlangsamen.
Aufgabenstellung: Eine genetische Modifikation in einem Modellorganismus führt zu einer erhöhten Expression von Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase, einem Schlüsselenzym des Pentosephosphatweges.
Frage: Diskutiere mögliche Vorteile dieser genetischen Veränderung für den Organismus unter verschiedenen Umweltbedingungen.
Mögliche Antwort:Die erhöhte Expression von Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase könnte die Fähigkeit des Organismus verbessern, NADPH zu produzieren, was essentiell für reduktive Biosynthesen und den Schutz vor oxidativem Stress ist. Unter Bedingungen, die oxidativen Stress erhöhen, wie UV-Exposition oder chemische Toxine, könnte dieser Organismus widerstandsfähiger sein. Außerdem könnte die verbesserte Verfügbarkeit von Ribose-5-phosphat, einem weiteren Produkt des Pentosephosphatweges, die Nukleotid- und Nukleinsäuresynthese unterstützen, was für das Zellwachstum und die Reparatur von Vorteil ist.
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