1 Organisation und Funktion der Zelle Halbjahr 11/1

Organisation und Funktion der Zelle
Halbjahr 11/1
Stoffübersicht
Wichtige Organellen der eukaryotischen Zelle:
Zellkern: Steuerungszentrum, Erbinformation auf Chromosomen,
Doppelmembran mit Kernporen
Endoplasmatisches Reticulum (ER): Membrannetzwerk (raues und
glattes ER), u. a. Synthese, Speicherung, Austausch von Stoffen
Golgi-Apparat: Membransystem (ein Membranstapel: Dictyosom),
u. a. Synthese sekretorischer Vesikel und von Membranen
Mitochondrien: Organellen mit Doppelmembran, ATP-Synthese
Chloroplasten: Organellen mit Doppelmembran, Fotosynthese
Zellsaftvakuole (pflanzliche Zellen): Großer Zellsaftraum, Stabilität,
Regulation des Wasserhaushalts, Stoffspeicherung
Lysosomen: Membranvesikel, Verdauung von Stoffen
Peroxisomen: Membranvesikel, u. a. Entgiftung von Stoffen
Ribosomen: Membranlose Organellen im Zytoplasma bzw. an Membran des rauen ER, 80S-Ribosomen, Orte der Translation
Wichtige Merkmale der prokaryotischen Zelle:
Kein echter Zellkern
Keine membranbegrenzten Organellen
70S-Ribosomen
Ringförmige DNA
Biomembran:
Merkmale und Aufbau:
– Phospholipiddoppelschicht, Lipide mit hydrophilen polaren Köpfchen und hydrophoben Fettsäureschwänzen
– Integrale und der Membran aufliegende (periphere) Proteine
– Flüssigmosaikmodell: Einbettung der Proteine in zähflüssige
Doppellipidschicht
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Funktionen:
– Kompartimentierung (Schaffung abgetrennter Reaktionsräume)
– Regulation des Stofftransports: Passiver Transport (Diffusion und
Tunnelproteine), aktiver Transport (Carrier-Proteine)
– Aufbau, Erhalt und Veränderung elektrischer Potenziale
Merkmale und Wirkung von (Bio-)Katalysatoren / Enzymen:
Herabsetzung der Aktivierungsenergie und Beschleunigung von
Reaktionen
Kein Verbrauch des Enzyms durch die Reaktion
Keine Veränderung des Gleichgewichts der katalysierten Reaktion
Substratspezifität: Ausschließliche Umsetzung spezifischer Verbindungen
Wirkungsspezifität: Reaktionsspezifische Katalyse
Schlüssel-Schloss-Prinzip: Bindung des Substrats an aktives Zentrum, Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes
Einflüsse auf die Enzymaktivität:
Substratkonzentration
– Michaelis-Menten-Konstante KM: Substratkonzentration bei
halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit (½ vmax)
– Annäherung an maximale Reaktionsgeschwindigkeit (vmax) bei
Substratsättigung
Temperatur: RGT-Regel, Hitzeinaktivierung (Denaturierung)
pH-Wert: Einfluss auf Ladungseigenschaften
Enzymgifte: Inaktivierung z. B. durch Schwermetalle, Alkohol
Regulation von Enzymen:
Kompetitive Hemmung: Konkurrenzreaktion um aktives Zentrum
Allosterischer Effekt: Konformations- und Funktionsänderung eines
Enzyms durch Bindung eines Moleküls an allosterisches Zentrum
– Allosterische Hemmung (nicht kompetitive Hemmung):
Schlechtere Substratbindung
– Allosterische Aktivierung: Bessere Substratbindung
Endprodukthemmung (häufig bei Stoffwechselketten): Hemmung
eines Enzyms einer Reaktionskette durch End- oder Zwischenprodukt
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Übungsreferat 1: Die Enzymaktivität von Papain
Das Enzym Papain findet man in den Kernen und der Schale der Papaya, einer Obstfrucht. Es handelt sich dabei um eine Hydrolase, genauer um eine Protease. Der Papayabaum nutzt dieses Enzym vorwiegend zur Abwehr von Schädlingen.
Uns Menschen dient die Wirkung von Papain in der Küche als Zartmacher für
Fleisch, als Nahrungsergänzungsmittel und Therapeutikum sowie als Zusatz in der
Lebensmittelherstellung, z. B. um die unerwünschte Eintrübung von Bier zu verhindern.
Nachfolgend sind die Ergebnisse von Laborexperimenten zur Wirkungsweise und
Beeinflussbarkeit von Enzymen am Beispiel des Papains aufgeführt.
Konzentrationsverläufe der bei der
Umsetzung von Proteinen durch Papain
vorkommenden Stoffgruppen
Versuch
Substratkonzentration
zu Beginn [mol / L]
Papaingehalt
[%]
weitere
Zusatzstoffe
Temperatur
[°C]
1
1
0
–
30
2
2
0,1
–
30
3
1
0,1
–
30
4
1
0,1
Cu(NO3)2
30
5
1
0,1
–
10
6
1
0,1
–
80
Versuchsreihe zur Enzymaktivität von Papain
1 Erklären Sie allgemein den molekularen Mechanismus einer enzymatischen Reaktion und ordnen Sie den Kurven des Diagramms die an einer solchen Reaktion beteiligten Stoffgruppen begründet zu.
2 Erstellen Sie eine Reihung der Versuchsansätze 1– 6 hinsichtlich der zu erwartenden Reaktionsgeschwindigkeit bezüglich des Proteinabbaus und erläutern Sie Ihre
Ansicht. Unterstützen Sie Ihre Ausführungen durch Diagrammdarstellungen, die
das Abhängigkeitsverhältnis der Reaktionsgeschwindigkeit von Substratkonzentration und Temperatur widerspiegeln.
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Lösungen
Erwartungshorizont – Übungsreferat 1
1 Enzyme sind Stoffe, zumeist Proteine, die biochemische Reaktionen durch eine
Herabsetzung der Aktivierungsenergie beschleunigen. Sie gehen aus der von ihnen beschleunigten Reaktion unverändert hervor und wirken damit als Biokatalysatoren.
Allgemeiner Ablauf einer enzymatischen Reaktion:
– In einer reversiblen Reaktion bindet zunächst das Enzym (E) über eine spezifische Bindestelle an das Substrat (S), es bildet sich der Enzym-SubstratKomplex (ES).
– Das Substrat wird zum Produkt (P) bzw. mehreren Produkten umgesetzt, von
besonderer Bedeutung ist hierbei das aktive Zentrum des Enzyms.
– Der Enzym-Substrat-Komplex zerfällt in das bzw. die Produkt(e) und das Enzym.
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Zur grundlegenden Erfüllung der Aufgabenstellung würde die Beschreibung des
Ablaufs bereits ausreichen. Eine bildhafte Darstellung könnte den Vortrag jedoch
unterstützen und aufwerten. Mit zusätzlichen Informationen demonstrieren Sie
umfassende Kenntnisse. Grundsätzlich kann die Aufnahme oder das Auslassen optionaler Inhalte auch genutzt werden, um die Zeitvorgabe des Referats möglichst
exakt zu erfüllen. Hier kann zusätzlich auf die Enzymspezifitäten und die Funktion
von Proteasen eingegangen werden:
– Substratspezifität: Enzyme setzen hoch spezifisch nur bestimmte Substrate gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip um.
– Wirkungsspezifität: Enzyme ermöglichen nur eine bestimmte Reaktion des Substrats (Hin- und Rückreaktion gleichermaßen).
Proteasen spalten Proteine, sodass kurzkettigere Peptide oder Aminosäuren entstehen. Der Begriff Hydrolase signalisiert, dass bei der Spaltung der Peptidbindungen Wasser verbraucht wird.
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