Tutorium 6

Mathematik und Naturwissenschaften, Biologie, Biochemie
Biochemie II - Tutorium
Dresden, 16.11.2016
Ablauf des Tutoriums
• Einführung und Wiederholung
• Vorlesungszusammenfassung
• Übungsaufgaben
• Selbststudium
TU Dresden, 17.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
Menschen, die unter Beriberi, einer Vitaminmangelkrankheit,
leiden, haben erhöhte Pyruvat und α-Ketoglutarat-Spiegel im
Blut, insbesondere nach einer glukosehaltigen Mahlzeit.
Welche Verbindung besteht zwischen diesen Auswirkungen
und dem Thiaminmangel?
-Bei Thiaminmangel kann das durch Glykolyse erzeugte Pyruvat nicht schnell
genug abgebaut werden, da eine Decarboxylierung der alphaKetocarbonsäure nicht möglich ist.
Somit funktioniert die PDH nicht, deshalb reichertsich Pyruvat im Blut an.
-Die Anreicherung von alpha-Ketoglutarat ist dadurch zu erklären, dass auch
der a-ketoglutarat dehydrogenase Komplex des Zitronenzyklus Thiamin
benötigt um a-Ketoglutarat zu decarboxylieren.
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PDH
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und
Citratzyklus
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Um welches Molekül handelt es sich?
Acetyl Group
Acety-coenzym A
= aktivierte Essigsäure
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Beteiligte Moleküle innerhalb des PDH-Komplexes
Lipoamid
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Beteiligte Moleküle innerhalb des PDH-Komplexes
Thiaminpyrophosphat (TPP)
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Übersicht der beteiligten
Moleküle innerhalb des
PDH-Komplexes
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Einzelschritte der
Pyruvat Dehydrogenase Reaktion
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Übungsaufgaben
Thiaminthiazolonpyrophosphat bindet sich ungefähr 20.000-mal fester an PyruvatDehydrogenase als Thiaminpyrophosphat (TPP). Warum bindet es so stark und welche
Folgen hat die Bindung?
b)
a)
Molekül Rest des
Thiaminthiazolonpyrophosphats,
das mit dem PDH-Komplex
interagiert (a) und katalytischer
Teil des Thiaminrestes (b).
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Strukturanalogon zu TPP
•
•
•
•
kompetitive Hemmung
geringere Decarboxlilierung
geringere Gewinnung von NADH + H+
geringere Umsetzing zu Acetyl-CoA
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Übungsaufgaben
Warum muss im Cytosol gebildetes Pyruvat in die Mitochondrien gelangen? Wie wird
dies bewerkstelligt?
 Glykolyse findet im Cytosol statt. Der PDH-Komplex befindet
sich in den Mitochondrien.
 Äußere-Mitochondrienmebran Pore
 Innere-Mitochondirenmebran Carrier
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Übungsaufgaben
•
Benennen Sie die Funktion der folgenden Enzyme und Co-Faktoren
Enzyme: Pyruvat Dehydrogenase (E1), Dihydrolipoyl transacetylase (E2)
und Dihydrolipoyl dehydrogenase (E3)
Cofaktoren: Thiamonpyrophosphat, Dihydrolipoamid, Flavin-Adeninnucleotid
•
Geben Sie die Gesamtreaktion an, die durch den PDH-Komplex katalysiert
wird.
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Benennen Sie die Funktion der folgenden
Enzyme und Co-Faktoren
Name des Enzyms
Funktion
Pyruvat-Dehydenase
1. Decarboxyliert Pyruvat unter
CO2 freisetzung
Erzeugt Hydroxyethyl-TPP
2. Oxidierung der HydroxethylGruppe zu Acety-Gruppe
Reduktion der Disulfidbindung
zu zwei Thiolgruppen
Dihydrolipoyl transacetylase
1. Veresterung von Acetyl mit
einem der Thiole
2. Verschiebung der
Esterbindung zu CoA
Entlassung von Acetyl-CoA
Dihydrolipoyl dehydrogenase
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1. H-Atome werden von
Lipollysyl auf FAD übertragen
Lipollysyl Gruppe wird
regeneriert
2. Reduziertes FAD überträgt
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die Hydrid Ionen auf NAD+
Benennen Sie die Funktion der folgenden
Enzyme und Co-Faktoren
Cofaktor
Funktion
Thiamonpyrophosphat
Umwandlung der a-Ketocarbonsäure
in eine β-Iminocarbonsäure
Erleichtert Decarboxylierung
durch Ermöglichung von
Resonanzstabilität
Dihydrolipoamid
Nimmt das Hydroxyethyl auf und
begleitet es durch den E2-Komplex.
Flavin-Adeninnucleotid
Nimmt die 2 H-Atome auf und
regeneriert dadurch das Lipoamid
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Geben Sie die Gesamtreaktion an, die durch
den PDH-Komplex katalysiert wird.
Pyruvat + NAD+ + CoA-SH
--PDH-Komplex—>
Acetyl-CoA + Co2 + NADH + H+
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Citratzyklus
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Gesamtgleichung Citric Acid Cycle
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Wichtigste Reaktionen im Beispiel:
Citrat-Synthase (Reaktion 1)
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Wichtigste Reaktion im Überblick
a-Ketoglutaratdehydrogenase (Reaktion 4)
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Wichtigste Reaktionen im Überblick
Succinyl-CoA Synthetase (Reaktion 5)
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Wichtigste Reaktionen im Überblick
Malat Dehyrogenase (Reaktion 8)
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Übungsaufgaben
•
Vervollständigen Sie die Reaktion
Info: Reaktion 1
Edukt ist Oxalacetat, Wasser
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Übungsaufgaben
•
Vervollständigen Sie die Reaktion
Info: Reaktion 1
Edukt ist Oxalacetat, Wasser
•
K = Acetyl-CoA
•
2 =Citrat-Synthase
•
L = CoA-SH (Coenzym A)
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Übungsaufgaben
•
Unterscheide die Begriffe Co-Substrat,
Co-Enzym und prosthetische Gruppe.
•
Erkläre, warum es für den Ablauf des Citratzyklus essentiell ist, dass die
Citratsynthase-Reaktion stark exergon ist.
•
Welchen Zweck hat der Citratzyklus?
•
Bringen Sie die acht Enzyme in die richtige Reihenfolge
Isocitrat-DH (3), Succinyl-CoA-Synthetase, Succinat-DH, Citrat-Synthase, Malat-DH,
Aconitase (2), Fumarase (7), α-KG-DH
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Unterscheide die Begriffe Co-Substrat,
Co-Enzym und prosthetische Gruppe.
-Essentielle Bestandteile für die Katalyse
Co-Substrat
Co-Enzym
Prosth. Gruppe
Liegt am Ende
verändert vor
Nicht-kovalent
gebunden
Liegt am Ende
unverändert vor
Nicht-kovalent
gebunden
Nicht-ProteinKomponente ist
kovalent gebunden
CoA
NAD+
TPP
Lipoamid-Lysin
FAD-E3
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Erkläre, warum es für den Ablauf des
Citratzyklus essentiell ist, dass die
Citratsynthase-Reaktion stark exergon ist.
•
Malat-DH-Reaktion ist stark endergon, nachgeschaltete Citratsynthase liefert
Energie (da stark exergon) um die Reaktion zu betreiben.
•
Malat→Oxalacetat→Citrat sonst thermodynamisch sehr ungünstig.
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Welchen Zweck hat der Citratzyklus?
•
vollständiger, katalyt. Abbau des Acetylrestes zu CO2 (katabol)
•
Gewinnung 8 „energiereicher“ Elektronen in Form von NADH und
FADH2 für die Atmungskette
•
Gewinnung von Energie in Form von GTP (→ ATP)
•
Funktion als Stoffwechseldrehscheibe
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Bringen Sie die acht Enzyme in die richtige
Reihenfolge
•
•
•
•
•
•
•
•
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Citrat-Synthase
Aconitase
Isocitrate dehydrogenase
a-Ketoglutarat dehydrogenase
Succinyl-CoA synthetase
Succinate dehydrogenase
Fumarase
Malate dehydrogenase
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Übungsaufgaben
•
Bevor eine Oxidation im Citratzyklus stattfinden kann, muss das Citrat
zunächst zu Isocitrat isomerisiert werden. Warum?
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Bevor eine Oxidation im Citratzyklus stattfinden
kann, muss das Citrat zunächst zu Isocitrat
isomerisiert werden. Warum?
•
•
•
•
isoenergetischer Umbau des Molekuls zur Vorbereitung des nachfolgenden
Oxidationsschritts von Alkohol (Isocitrat)→ Keton (α-KG)
Citrat = tertiarer Alkohol; nicht oxidierbar
Isocitrat = sekundarer Alkohol; oxidierbar
TCA Reaktion #2: Enzym Aconitase
•
*TCA = Tricarbonsäurezyklus = Krebs-Zyklus = Zitronensäurezyklus = Citrat Acid Cycle
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Selbststudium
•
Wie groß ist die freie Standard Enthalpie für die vollständige Oxidation einer
Acetylgruppe des Acetyl-CoA im Citratzykus? Leiten Sie die den Gesamtwert
anhand der Einzelreaktionen her. Wird dieser Wert auch erreicht, wenn keine
zellulären Standardbedingungen vorliegen, wieso?
• Wieso ist es essentiell, dass Isocitrat rapide weiterverwendet wird.
Geben Sie das K an für das die freie Enthalpie =0 ist.
Freie Standard Enthalpie von Rk2 (Aconitase) 13.3 kJ/mol)
R = 8,3144598 J/(mol*K)
•
Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind
Thioester?
•
Welches ist das niedrigste Malat/Oxalacetat-Verhältnis, bei dem Oxalacetat
aus Malat entstehen kann, wenn man einen NAD+/NADH Quotienten von 8
und einen pH-Wert von 7 annimmt. (FSE. Der Oxidation von Malat zu
Oxalacetate durch NAD+ = 29kJ/mol)
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Selbststudium
•
Malonat ist ein kompetitiver Inhibitor der Succinat-Dehydrogenase. Wie
verändern sich die Konzentrationen der Zwischenprodukte des Citratzyklus
unmittelbar nach der Erhöhung der Konzentration von Malonat?
•
Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase?
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Quellen:
Nelson D. „Principles of Biochemistry“, 6. Auflage (2013),
New York: Freeman, S.634-637
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