Übungsblatt 3

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Übungsblatt 3
1) Im Zuge des Citratzyklus wird eine Verbindung mit einer sogenannten „energiereichen“
Bindung gebildet, die zu einer Substratkettenphosphorylierung genutzt wird. Beschreiben
Sie detailliert mit Strukturformeln, wie die Energie dieser Bindung in nutzbarer Form
konserviert wird. Wie erklärt sich der Name des an der Reaktion beteiligten Enzyms?
(4 P)
2)
a) Geben Sie die Summengleichung an, die an der Cytochrom c-Oxidase stattfindet.
Welche Redoxzentren sind an dieser Reaktion beteiligt und in welchen Oxidationszuständen treten sie auf?
(2,5 P)
b) Erklären Sie die molekulare Wirkung von CN--Ionen auf die Cytochromoxidase.
(2 P)
3) Es liegt ein System funktionstüchtiger Mitochondrien (d.h. Elektronentransport und
oxidative Phosphorylierung laufen normal ab) mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor vor. Für die im Folgenden aufgeführten Zwei-Elektronen-Donatoren wird die
Anzahl der aus der mitochondrialen Matrix transportierten Protonen, die Anzahl der
produzierten ATP-Moleküle und das P/O-Verhältnis ( = Quotienten aus der Zahl der
phosphorylierten Moleküle und der Anzahl der Sauerstoffatome, die reduziert wurden)
bestimmt.
a) Welche Ergebnisse erwarten Sie für
• NADH (in der mitochondrialen Matrix erzeugt)
• Succinat
• Ascorbat (überträgt zwei Elektronen auf Cytochrom c)?
(4,5 P)
b) Spielt es eine Rolle, ob das zu oxidierende NADH in der Glykolyse oder im Citratzyklus
entstanden ist? Erklären Sie anhand der beteiligten Prozesse.
(5 P)
4) Aus gereinigten Komponenten der mitochondrialen Elektronentransportkette und
Vesikeln lassen sich durch Rekonstitution funktionsfähige Elektronentransportsysteme
generieren. Prüfen Sie, in welchen der folgenden Fälle a) - d) ein korrekter Elektronenfluss
bis zum Endakzeptor (welcher ist das?) möglich ist, benennen Sie eventuell fehlende
Komponenten in der Elektronen-Übertragungskette und geben Sie für diese Fälle an, wo die
Elektronen „stehen bleiben“. Die Anwesenheit von O2 sei vorausgesetzt.
(4 P)
a) NADH, Q; Komplexe I, III und IV
b) Succinat, Q, Cytochrome c, Komplexe II, III und IV
c)
Succinat, Q, , Komplexe I und III
d) NADH, Cytochrome c, Komplexe I, II, III
5) Sie untersuchen eine Suspension von intakten isolierten Mitochondrien, die in einem
Phosphatpuffer vorliegen.
a) Obwohl ausreichend Reduktionsäquivalente in den Mitochondrien zur Oxidation bereit
stehen, kann kein Sauerstoffverbrauch detektiert werden. Woran könnte es in den
Mitochondrien fehlen, was diesen Befunde erklären könnte?
(1 P)
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b) Bestimmte Substanzen können dazu führen, dass auch in Abwesenheit der unter a)
gesuchten Substanz Substrate oxidiert werden. Geben Sie ein Beispiel an und erklären Sie
die Wirkungsweise dieser Verbindungen. Welche Eigenschaften müssen solche
Verbindungen aufweisen?
(3 P)
c) Unter bestimmten Bedingungen macht dieser Prozess auch biochemisch Sinn und wird
von manchen Tieren genutzt, wozu ein bestimmtes Protein gebildet wird. Erklären Sie
Zweck und Wirkungsweise.
(2 P)
6) Im Folgenden sind etliche Standardreduktionspotentiale von Komponenten der
mitochondrialen Atmungskette gegeben:
E0´ (V)
NADH
–0,32
FMN
–0,30
Fe-S-Cluster
–0,25 bis –0,05
Succinat
+0,03
QH2/Q
+0,04
Cytochrom bL
–0,01
Cytochtom bH
+0,03
Fe-S-Cluster
+0,28
Cytochrom c1
+0,22
Cytochrom c
+0,23
Cytochrom a
+0,21
CuA
+0,24
Cytochrom a3
+0,39
CuB
+0,34
O2
+0,82
Näherungsweise kann davon ausgegangen werden, dass sich die (konzentrationsabhängigen) Werte für E nur wenig von den gegebenen E0´-Werten unterscheiden. Bis in die
1960er-Jahre hinein wurde angenommen, dass die ATP-Synthese direkt durch Schritte
innerhalb der Elektronentransportkette angetrieben wird, die eine ausreichend negative
Freie Enthalpie aufweisen. Dabei beträgt die Freie Standardenthalpie ΔG0´ für die Synthese
von ATP aus ADP = 32 kJ/mol. An welchen Komplexen der Atmungskette wäre nach dieser
(überholten) Vorstellung eine ATP-Synthese möglich?
(6 P)
7)
a) Definieren Sie den Begriff „protonenmotorische Kraft“.
(1 P)
b) Betrachten Sie ein Mitochondrium in einer Leberzelle (T = 37 °C). Das Membranpotenzial
beträgt –0,17 V, d.h. die Matrix ist negativ relativ zum Intermembranraum. Die Komplexe
der Atmungskette haben einen pH-Gradienten von 0,5 pH-Einheiten erzeugt. Lassen Sie
nun ein Proton in die Matrix zurückfließen und ermitteln Sie, ob die Freie Reaktionsenthalpie dieses Prozesses die Synthese eines ATP-Moleküls aus ADP und Pi ermöglicht. Dabei
beträgt die Freie Standardenthalpie ΔG0´ für die Synthese von ATP aus ADP = 32 kJ/mol.
(4 P)