Tutorium 7

Mathematik und Naturwissenschaften, Biologie, Biochemie
Biochemie II - Tutorium
Dresden, 23.11.2016
Ablauf des Tutoriums
• Einführung und Wiederholung
• Vorlesungszusammenfassung
• Übungsaufgaben
• Selbststudium
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
1. Wie groß ist die freie Standard Enthalpie des 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)
2. Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind
Thioester?
3. 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)
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
1.Wie groß ist die freie Standard Enthalpie des Citratzyklus? 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)
-Addiert man die freien Standardenthalpien der acht Einzelreaktionen erhält
man eine Freie Gesamtstandardenthalpie von -57,3 kJ/mol.
-Die sofortige Weiterreaktion von Isocitrate zu Oxalosuccinate ist essentiell,
da das Gleichgewicht der Aconitasereaktion sehr stark auf der Eduktseite
liegt (K=4,6767*10^-3), damit die Reaktion spontan ablaufen kann, muss
die Produktkonzentration gering gehalten werden.
-Nützlicherweise ist die freie Standardenthalpie der Isocitrate
dehydrogenase Reaktion stark negativ, das Gleichgewicht liegt also auf der
Produktseite, sodass Isocitrate rapide weiterverwendet wird.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
2. Welche Produkte, deren Synthese vom PDH-Komplex katalysiert wird, sind
Thioester?
 Acetyldihydrolipoamid
TU Dresden, 29.11.2016
 Acetyl-CoA
BCII-Tutorium
Wiederholung
3. 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)
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Teil 2
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
4. 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?
5. Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
4. 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?




Strukturanalogon  Kompetetiver Hemmung
Die Fumarat Konzentration sinkt
Die Konzentration von L-Malat und Oxalacetat sinkt
Succinat Konzentration nimmt zu
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wiederhohlung
5. Warum ist Malonat kein Substrat der Succinat-Dehydrogenase?


Es kann sich keine Doppelbindung ausbilden
Keine Elektronen werden an FAD abgegeben
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Zusammenfassung
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Wdh. Pyruvat Dehydrogenase (PDH-Komplex)
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Eselsbrücken
Co-Faktoren des PDH-Komplex
Tiere lieben Cola - fantastische Nahrung!
•
•
•
•
•
Tiaminpyrophosphat
Lipoamid
CoA
FADH2
NADH + H+
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Citrat-Zyklus
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übergeordnete Aspekte des Citratzyklus
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Eselsbrücken
Origineller Zitronen-Isodrink kann süße Cola super fruchtig machen!
Oxalacetat
Citrat
Isocitrat
α-Ketogluterat
Succinyl-CoA
Succinat
Fumerat
L-Malat
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Biochemie Übersichts Poster
•
http://www.medi-learn.de/examen/BiochemiePoster/
•
https://www.thieme.de/viamedici/biochemie-27211/a/endspurtbiochemieposter-27883.htm
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Atmungskette
•
Prinzip: Erzeugung eines Protonengradient über die innere
Mitochondrienmembran  Nutzung der Energie zum Betreiben der ATPSynthase  Erzeugung von ATP
•
Protonengradient wird durch eine Elektronentransportkette erzeugt, an die
eine Protonenverschiebung von der mitochondrialen Matrix in den
Intermembranraum gekoppelt ist. (Zur Erinnerung, die innere Membran ist
undurchlässig für Protonen)
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Atmungskette
Ausgangsstoffe
ΔG0´
in kJ/mol
Anzahl der
Transportierten
Protonen
Annäherung unter
Standartbedingungen
FADH2
~160
6
NADH + H+
~220
10
ADP + Pi
~23,3
3
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Atmungskette
Die Zahl z ist bei
Kationen positiv
Und bei Anionen
negativ
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Altklausuraufgabe
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Atmungskette
Inter Membranraum
Mitochondriale Matrix
pH = 7,2
pH = 7,9
positiver
negativer
Δψ = + 0,18V
• Beschreiben sie den H+-Konzentrations Gradient und
den Elektrostatischen Gradient in eigenen Worten.
Welcher Gradient ist stärker?
 Der Elektrostatischen Gradient ist ca. 3mal so hoch
wie der H+-Konzentrations Gradient
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Atmungskette
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
1. Welche Eigenschaft ist allen Dehydrogenasen gemein?
2. Formulieren Sie die Reaktion, die durch das Enzym α-Ketoglutarat
Dehydrogenase katalysiert wird. Info: CO2, CoA-SH
3. Definieren sie das Prinzip einer Redoxreaktion.
4. Phosphat und Arsenat sind strukturell identisch und in ihrem chemischen
Verhalten sehr ähnlich. Allerdings hydrolysieren Arsenatester extrem schnell
und ohne Enzymkatalyse, während Phosphatester stabil sind.
Geben Sie die ATP-Bilanz an für den Fall, dass man die Glykolyse in
Gegenwart von Arsenat statt Phosphat ablaufen lässt.
Info: 1-Arseno-3-Phosphoglycerat und Phosphogluceratkinase. Schreibt
mal das Molekül auf.
5. Die Succinat Dehydrogenase ist ein Enzym des Citratzyklus. Benennen
sie die beteiligten Reaktanden der Succinat DH Reaktion. Das Enzym
kommt auch in der Atmungskette vor. Welche Eigenschaft wird dabei
genutzt?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
1. Welche Eigenschaft ist allen Dehydrogenasen gemein

Dehydrogenasen sind Enzyme, die ihr Substrat durch Abspaltung von
Wasserstoffanionen oxidieren.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
2.Formulieren sie die Reaktion, die durch das Enzym α-Ketoglutarat Dehydrogenase
katalysiert wird.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
3.Definieren sie das Prinzip einer Redoxreaktion.

Chemische Reaktion bei der ein Reaktionspartner Elektronen abgibt und diese von
einem anderen Reaktionspartner aufgenommen werden  Redox-Paar

Oxidation = Elektronen Abgabe

Reduktion = Elektronen Aufnahme
TU Dresden, 29.11.2016
meist exergon
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
4. Phosphat und Arsenat sind strukturell identisch und in ihrem
chemischen Verhalten sehr ähnlich. Allerdings hydrolysieren
Arsenatester extrem schnell und ohne Enzymkatalyse, während
Phosphatester stabil sind.
Geben Sie die ATP-Bilanz an für den Fall, dass man die Glykolyse in
Gegenwart von Arenat statt Phosphat ablaufen lässt. (Es sind nur
die 10 Glykolyseenzyme und alle anderen benötigten Reaktanden
vorhanden). Begründen sie Ihre Antwort.


ATP-Bilanz = 0
In der GAPDH-Reaktion wird anstatt Phosphat Arsenat
verwendet. Dabei entsteht 1-Arseno-3-Phosphoglycerat,
das sofort zu 3-Phosphoglycerat und Arsenat zerfällt.
Dadurch werden pro Molekül Glucose 2 ATP weniger synthetisiert
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
5. Die Succinat Dehydrogenase ist ein Enzym des Citratzyklus. Benennen Sie die
beteiligten Reaktanden der Succinat DH Reaktion. Das Enzym kommt auch in der
Atmungskette vor. Welche Eigenschaft wird dabei genutzt?



Oxidoreduktase  FADH2 ist ein Reduktionsäquivalent in der Atmungskette
Succinat Dehydrogenase = Komplex II der Atmungskette
Einzige Membranständige Enzym im Citratzyklus
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
1.
2.
3.
4.
5.
Á
A
A
A
A
Übungsaufgaben
6. Was bedeutet anaplerotisch und kataplerotisch in Bezug auf die Funktionen des
Citratzyklus?
7. Nennen sie alle Enzyme, die beim vollständigen Abbau von Glucose bei der
Freisetzung von CO2 beteiligt sind.
8. Wie kann ein katalytischer Zyklus Vorstufen für andere Stoffwechselwege
bereitstellen, ohne an seinen eigenen Intermediaten zu verarmen?
9. Warum haben obligat anaerobe Bakterien einige Citratzyklusenzyme und warum
haben sie keinen vollständigen Zyklus?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
6.Was bedeutet anaplerotisch und kataplerotisch in Bezug auf die Funktionen des
Citratzyklus?
Anaplerotisch:= Liefert Intermediate durch vorherigen Abbau von Metaboliten
Kataplerotisch:=Zieht Intermediate ab, zum Aufbau anderer Metabolite
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
7. Nennen sie alle Enzyme die beim vollständigen Abbau von Glucose bei der
Freisetzung von CO2 beteiligt sind.

Pyruvat Dehydrogenase

Isocitrat Dehydrogenase

Alpha Ketoglutarat Dehydrogenase
TU Dresden, 29.11.2016
Durch diese drei Enzyme werden
die drei verbleibenden C-Atome
des Pyruvats zu CO2
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
8. Wie kann ein katalytischer Zyklus Vorstufen für andere Stoffwechselwege
bereitstellen, ohne an seinen eigenen Intermediaten zu verarmen?


Indem er durch anaplerotische Reaktionen mit den benötigten Intermediaten
aufgefüllt wird.
Anaplerotische und kataplerotische Reaktionen bedingen einander.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
9. Warum haben obligat anaerobe Bakterien einige Citratzyklusenzyme und warum
haben sie keinen vollständigen Zyklus?

Sie müssen Intermediate wie Citrat und Succinyl-CoA produzieren können, da es
Vorstufen für Biosynthesen sind

Wird nicht benötigt, da Reduktionsäquivalente nicht in der Atmungskette oxidiert
werden, da kein O2 vorhanden ist.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Die Methylgruppe von
Acetyl CoA wurde radioaktiv
markiert. Nach wie vielen
Runden des Citratzyklus wird
es frühstens in Form von
14CO
2
freigesetzt wird?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Übungsaufgaben
Die Methylgruppe von Acetyl CoA wurde radioaktiv markiert. Nach wie vielen Runden
des Citratzyklus wird es frühstens in Form von 14CO2 freigesetzt wird?
1. Runde C2, oder C3
bei Succinat, Fumarat
Malat, Oxalacetat
2. Runde C1, oder C2
bei Succinyl-CoA
C1 - C4 in Oxalacetat
3. Runde
Wenn in Oxalacetat am
Ende von Runde 2 an
Position C1, oder C4
Freisetzung von CO2
In Reaktion 3 und 4
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Selbststudium
•
•
•
Warum spricht man von der Succinyl-CoA-Synthetase und nicht von der
Succinyl-CoASynthase?.
Was ist Succinat chemisch betrachtet? Zeichne die Struktur!
Bei der Reaktion der Succinat-Dehydrogenase wird ausgehend von Succinat
einmal FADH2 gewonnen. Betrachte die Struktur von Succinat und überlege,
an welcher Stelle aus dieser Verbindung zwei H-Atome abgespalten werden
können?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Selbststudium
Warum spricht man von der Succinyl-CoA-Synthetase und nicht von der SuccinylCoASynthase?.





GTP wird bei der namensgebenden Rückreaktion verbraucht
Enzyme die ATP/GTP verbrauchen und zwei Moleküle kovalent zu verbinden
Synthase verbindet zwei Moleküle Kovalent ohne ATP/GTP zu verbrauchen
Bezeichnungen sind veraltet Synthasen meist unspezifisch
(z.B Citratsynthase = Transferase)
Generell handelt es sich bei Synthasen und Synthetasen um Ligasen
Was ist Succinat chemisch betrachtet? Zeichne die Struktur!


• Dicarbonsäure
• –OOC-CH2-CH2-COO–
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Selbststudium
Bei der Reaktion der Succinat-Dehydrogenase wird ausgehend von Succinat
einmal FADH2 gewonnen. Betrachte die Struktur von Succinat und überlege, an
welcher Stelle aus dieser Verbindung zwei H-Atome abgespalten werden können?
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Zusammenfassung des Citrat Acid Cycle
Citric Acid Cycle:
Reactions of the citric acid cycle/Tricarbonsäure (TCA) Zyklus)/Krebs Zyklus
-the entire set of reactions takes place in mitochondria
Function of citric acid cycle:
-complete katabolism of Acetyl to CO2
-yielding of NADH und FADH2
-yielding of ATP from GTP
-production of intermediates for the biosynthesis of other molecules
-katabolism of products and intermediates from other metabolisms
TU Dresden, 29.11.2016
The eight steps of the citric acid cycle:
1. Formation of citrate
Acetyl-CoA is condensated with oxaloacetate to citrate
Catalysed by citrate synthase
a. Methyl carbon of acetyl group is joined to the carbonyl group
(C-2)
of oxaloacetate
b. The intermediate Citroyl-CoA undergoes rapid hydrolysis to free CoA
and citrate Reaction is highly exergonic (compensates for low
Oxaloacetate concentration)
c. Free CoA is recycled and reenter the PDH complex
BCII-Tutorium
Relative Reduktionskraft
•
Referenzreduktionskraft: Wasserstoffelektrode mit Standard
Reduktionspotential E°= 0 V (bedeutet nicht, dass keine Reduktion
stattfindet, sondern dient als Vergleichswert um zu gucken, ob andere Stoffen
mehr (positives Vorzeichen) oder weniger (negatives Vorzeichen) im
Vergleich „gerne“ reduziert werden.
•
Bemerkenswert: O2/H2O = 0,816 V würde bedeuten, dass das Sauerstoff sehr
gerne Elektronen aufnimmt.
•
Anhand des Redoxpotentials kann der Ablauf von Reaktionen überprüft
werden.
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium
Quellen:
Nelson D. „Principles of Biochemistry“, 6. Auflage (2013),
New York: Freeman, S.634-637
TU Dresden, 29.11.2016
BCII-Tutorium