Uebungsaufgaben II, Lo%CC%88sungsblatt, 2012

Uebungsaufgaben mit Lösungen zum Vorlesungsteil Metabolismus
(Citronensäurezyklus, Oxidataive Phosphorylierung,
Glycogenstoffwechsel)
1) Malat-dehydrogenase katalysiert die Regenerierung von
Oxalacetat im Citronensäurezyklus. Das G0’ dieser Reaktion ist
allerdings mit + 29,7 kJ mol-1 energetisch ungünstig, und darum
ist die Konzentration von Oxalacetat verglichen mit Malat relativ
niedrig. Warum wird kann dieser Schritt in der Zelle trotzdem
ablaufen? Begründen Sie Ihre Antwort.
Der Citratcyklus wird durch die stark exergone Citrat-synthase
reaktion (G0’ = - 31,5 kJ mol-1, Thioesterspaltung) getrieben.
2) Wo laufen die Reaktionen des Citronensäurezyklus ab?
Die Reaktionen des Citronensäurezyklus laufen im der
mitochondrialen Matrix ab. Daher muss Pyruvat in Mitochondrien
transportiert werden.
3) Nennen Sie die zwei mobilen Elektronenträger der
mitochondrialen Elektronentrabsportkette.
Als mobile Elektronenträger funktionieren membranlösliches
Ubiquinon (Coenzym Q) und der periphere Elektronenträger
Cytochrom C.
4) Wie wird der mitochondriale Protonengradient für die ATPSynthese genutzt? Beschreiben Sie kurz den Vorgang.
Der Protonenfluss treibt Konformationsänderungen der ATPsynthase an. In der offenen Konformation der ATP-synthase wird
ATP freigesetzt, während in der L-form ADP und Phosphat binden
können. Die Konformationsänderung zur T-form erlaubt dann die
eigentliche ATP-katalyse. Die zum Antrieb der koordinierten
Konformationswechsel erforderliche Energieübertragung erfolgt
über die Protonen-getriebene Rotation.
5) Organismen mit aeroben Stoffwechsel benötigen Superoxiddismutase. Warum?
Obwohl die Uebertragung von Elektronen auf Sauerstoff in der
Cytochrom C-oxidase mit erstaunlicher Geschwindigkeit und
Genauigkeit abläuft, können als Nebenreaktion trotzdem
gefährliche Sauerstoffradikale austreten. Diese werden von der
Superoxiddismutase zu H202 umgewandelt und anschliessend von
der Katalase als Sauerstoff und Wasser freigesetzt.
6) Warum liefert NADH aus der Glykolyse weniger ATP als NADH
aus dem Zitronensäurezyklus?
Da die Glykolyse im Cytoplasma abläuft, muss NADH aus der
Glyceraldehydphosphat-dehydogenase Reaktion zuerst in die
mitochondriale Membran eingeschleust werden. Dies geschieht
mittels Glyceraldehyd-3-phosphat-shuttle, der die Elektronen in
drei Schritten auf FADH2 in Mitochondrien überträgt. Dadurch
treten die Elekronen aber erst durch die Succinat-Q-reduktase in
die Atmungskette ein, wodurch die Protonenpumpe des Komplex I
umgangen wird, und daher weniger ATP durch indirekte Synthese
gewonnen werden kann.
7) Wie erhalten Mitochondrien den Protonengradienten unter
anaeroben Bedingungen aufrecht?
Die ATP-synthase kann unter aeroben Bedingungen dank dem
Protonenfluss ATP-synthese betreiben. Die ATP-synthase kann
aber auch in umgekehrter Richtung arbeiten, d.h. unter ATP
Verbrauch Protonen durch die mitochondriale Membran pumpen.
Dadurch kann der Protonengradient auch unter anaeroben
Bedingungen aufrechterhalten werden.
8) Was unterscheidet langsame (Typ I) und schnelle (Typ II)
Muskelfasern? Was bedeutet dies für den Energiehaushalt der
zwei Muskeltypen? Begründen Sie Ihre Antwort.
Diese Muskelfasern unterscheiden sich vor allem durch die Anzahl
Mitochondrien. Schnelle Muskelfasern enthalten wenige
Mitochondrien, da sie ATP möglichst schnell mittels Glykolyse
anaerob herstellen müssen. Pyruvat wird nachher vor allem zu
Lactat reduziert, und ausgeschieden. Langsame Muskelfasern
verbrennen Zucker meist aerob, d.h. Pyruvat wird zu Acetyl-CoA
abgebaut , das dann im Citronensäurezyklus veratmet wird. Die
gewonnenen Elektronen werden durch die Atmungskette als
Protonengradient in Mitochondrien gespeichert, der dann
wiederum für die indirekte ATP synthese ausgenutzt wird.
Dadurch erzielen langsame Muskelfasern eine höhere ATPAusbeute, allerdings auf Kosten der Geschwindigkeit.
9) Krebszellen leiden oft unter Sauerstoffmangel. Wie decken sie
trotzdem den ATP-Bedarf? Warum verbrauchen sie dabei viel
mehr Glukose als normale Zellen mit genügend Sauerstoff.
Krebszellen decken ihren ATP-Bedarf vorallem durch anerobe
Glykolyse. Da dieser Stoffwechselweg aber nur die Synthese von
zwei ATP-Molekülen pro Glucose erlaubt, muss etwa 100 mal mehr
Zucker verbraucht werden als durch die aeroben Abbauwege.
10)Der Andersenkrankheit liegt ein genetischer Defekt der Amylo(1,4 -> 1,6)- Transglykosylase (Verzweigungsenzym) zu
Grunde. Dagegen haben Patienten mit McArdle-Krankheit einen
Mangel an Muskel-phosphorylase. Beschreiben Sie kurz die
erwartete Glykogenstruktur in den Muskelzellen der zwei
Patienten. Was für Auswirkungen erwarten Sie bei erhöhtem
ATP-Bedarf durch Muskelanstrengung in den beiden Patienten?
Begründen Sie kurz Ihre Antworten.
Anderson-Krankheit: Durch den Defekt des Verzweigungsenzyms
weist die Glykogenstruktur viele unverzweigte Ketten auf. Die
Löslichhkeit des Glykogens ist daher herabgesetzt, und es kann
dadurch weniger Zuckermoleküle in dieser Form gespeichert
werden. Bei erhöhter Muskelanstrengung können durch die
Phosphorylase weniger Glucoseeinheiten abgespalten werden, was
sich in einem ATP-Mangel äussert.
McArdle-Krankheit: Die Glykogenstruktur von McArdle Patienten
erscheint normal, da die benötigten Enzyme für den
Glykogensynthese effizient arbeiten können. Allerdings kann der
ATP-Bedarf bei Anstrengung nur ungenügend gedeckt werden, da
die defekte Phosphorylase Glucoseeinheiten nicht entsprechend
von den nicht-reduzierenden Enden des Glycogens abspalten kann.
11)Welches Trägermolekül wird gebraucht um Glucose für die
Glykogensynthese zu aktivieren? Wie wird die dazu nötige
Energie gewonnen?
Die Glycogensynthese erfordert aktivierte Glucose in Form von
Uridin-diphosphat-glucose. Die benötige Energie wird durch die
Abspaltung und anschliessende Hydrolyse von Pyrophosphat
erzeugt.
12) Welche aktivierten Trägermoleküle übertragen welche
chemische Gruppe in hochenergetischer Verknüpfung?
a.
b.
c.
d.
e.
f.
a–6
b–4
c–2
d–5
e–3
f-1
Acetyl-CoA
S-adenosinemethionin
ATP
Carboxyliertes-Biotin
NADH, NADPH, FADH2
Uridine diphosphate glucose
1. Glucose
2. Phosphat
3. Electronen und Wasserstoff
4. Methyl group
5. Carboxyl-Gruppe
6. Acetyl-Gruppe