1. Beschreiben Sie den Kohlenstoffkreislauf! Wodurch wird dieser in
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1. Beschreiben Sie den Kohlenstoffkreislauf! Wodurch wird dieser in der Umwelt gestört? Pflanzen binden CO2 durch Photosynthese, bei Zersetzung von organischem Material wird der gebunden C wieder als CO2 abgegeben. Durch die Nahrungskette wird der Kohlenstoff ständig weitergereicht. Ein kleiner Teil des Kohlenstoffs wird fossiliert. Durch den anthropogenen Einfluss ist der Kreislauf nicht mehr geschlossen, was zu einem Ungleichgewicht führt. Grund dafür ist das Verbrennen von eingespeicherten fossilen Kohlenstofflagern wir Kohle, Gas und Öl, deren Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre gelangen und nicht durch den Kreislauf „abgearbeitet“ werden können. 2. In welcher Größenordnung wird zur Zeit Kohlenstoff aus der Geosphäre mobilisiert bzw. festgelegt? Mobilisiert: 217 Gigatonnen Festgelegt: 214 Gigatonnen 3. Beschreiben Sie den Stickstoffkreislauf. N2 ist eine Hauptkomponente unserer Atmosphäre. Dieser kann durch Pflanzen in Symbiose mit Rhizobien oder durch Cyanobakterien gebunden werden, wo er zu Ammonium umgewandelt wird. Dieses wird wiederum durch Nitrifikation zu Nitrat, das dann durch Denitrifikation wieder zu elementarem Stickstoff wird. Durch den Einsatz von Düngemitteln wird erheblich mehr Stickstoff bzw. Stickstoffverbindungen in den Boden eingebracht, was teilweise zu Überdüngung führt. Dies spielt u.A. auch in der Trinkwasserqualität eine Rolle. 4. Beschreiben Sie den Schwefelkreislauf. Viele anorganische Schwefelverbindungen entstehen durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffe. Durch Regen (vgl. saurer Regen) werden die Schwefelverbindungen wieder zur Erde transportiert, wo er sich u.a. in den Ozeanen anreichert und zu DMS umgewandelt wird. Auch andere Schwefelverbindungen wie Schwefelwasserstoff spielen eine Rolle, sie sind meist biogen. 5. Definieren Sie die Grundsätze der Bioenergetik. • • • • Lebende Zellen sind höher organisiert als ihre Umgebung → Leben bedeutet Ordnung. Synthese bzw. Aufrechterhaltung von Ordnung benötigt Energie! Eine lebende Zelle steht niemals im thermodynamischem Gleichgewicht mit ihrer Umgebung! Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik angewand auf lebende Systeme: Entropie nimmt zu! 6. Wie kann man die wichtigsten Aussagen der Thermodynamik auf lebende Systeme anwenden? Was ist dabei in Bezug auf die auftretende Entropieänderung zu beachten? Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik angewand auf lebende Systeme: Entropie nimmt in der Umgebung der Zelle zu! 7. Wie schaffen es lebende Zellen ihre thermodynamische "Ordnung" aufrecht zu erhalten? Durch den Einsatz von Energie (freier Enthalpie) und indem sie die Ordnung der Umgebung verringern. 8. Wo wird bei phototrophen Zellen die Entropie produziert? In der Umgebung der Zelle 9. Definieren Sie den Begriff "Stoffwechsel". Stoffwechsel = Summe aller chemischen Umwandlungen in der Zelle/Organismus. Er wird auch als Metabolismus bezeichnet, welcher sich aus Katabolismus (Energiestoffwechsel) und Anabolismus (Baustoffwechsel) zusammensetzt 10. Welche Funktion hat der Stoffwechsel für lebende Zellen? Er versorgt die Zelle mit Energie (ATP) und mit benötigten Substanzen, die sie braucht um zu „arbeiten“ oder um sich zu teilen. Ohne Stoffwechsel ist kein Leben möglich! 11. Definieren Sie die Begriffe "Katabolismus" und "Anabolismus". Welche Bedeutung haben in diesem Zusammenhang die Begriffe "Konvergenz" und "Divergenz"? Katabolismus = Energiestoffwechsel liefert die Grundbausteine für den Anabolismus und liefert Energie Konvergenz: eine Vielzahl verschiedener Ausgangsverbindungen wird zu einer kleinen Zahl von Grundbausteinen und energiearmen Endprodukten Anabolismus = Baustoffwechsel Divergenz: Es wird eine Vielzahl von Zellbausteinen aus den Grundbausteinen des Katabolismus gebildet 12. Was sind Enzyme? Biokatalysatoren Fast alle Enzyme sind Proteine! 13. Aus welchen Verbindungen bestehen Enzyme? Fast jedes Enzym ist ein Protein (Ketten von Aminosäuren) aber nicht jedes Protein ist ein Enzym! (Strukturproteine, Hormone etc.) Enzyme haben eines oder mehrere aktive Zentren, hier finden die Reaktionen statt. 14. Wie viele gencodierte Aminosäuren gibt es? 21 15. In welche Gruppen lassen sich die Aminosäuren aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften grob einteilen? Ionisierbar (sauer), Ionisierbar (basisch), nichtionisierbar (polar!), nichtpolar 16. Gibt es achirale Aminosäuren und wenn ja, welche? Ja, Glycin 17. Was ist eine Peptidbindung? Eine Peptidbindung ist eine kovalente Bindung, die Aminosäuren in einem Polypeptid (Polymer aus Aminosäuren) verknüpft. C-N Bindung zwischen Aminosäuren nach Bindung! 18. Welcher Unterschied besteht zwischen Prolin und den anderen Aminosäuren? Prolin bricht die α-Helix, da es keine freie Amino-Gruppe besitzt 19. Was ist die Primärstruktur von Proteinen? Die Primärstruktur ist die Abfolge von Aminosäuren in einem Protein und definiert damit auch die Sekundärstruktur 20. Was ist die Sekundärstruktur von Proteinen? Benenne die wichtigsten Strukturelemente! Die Sekundärstruktur gibt an welche Konformation (Raumanordnung) das Protein aufweist. • α-Helix (Einzelhelix/Schraube) • β-Faltblatt (AS-Ketten im Zick-Zack) • Knäul (Rest) 21. Was ist die Tertiärstruktur von Proteinen? Räumliche Anordnung der Sekundärstrukturen, wird durch die Wechselwirkungen der ASSeitenketten bestimmt 22. Welche Wechselwirkungen sind für die Sekundär- und Tertiärstruktur von Proteinen verantwortlich? • • • • Wasserstoffbrückenbindungen (Sekundär und Tertiär) Atombindung (Tertiär) Ionenbindung (Tertiär) Hydrophobe Bindung (Tertiär) 23. Was ist die Quartärstruktur von Proteinen? Räumliche Anordnung der Untereinheiten zueinander 24. Was ist eine prostetische Gruppe? Gebe ein Beispiel! Gehören zu den Cofaktoren und sind meist permanent an ihr Enzym gebunden. Sie sind eine NichtProtein-Komponente mit katalytischer Wirkung Z.B. Häme im Hämoglobin 25. Was ist ein Cofaktor? Cofaktoren werden von Enzyme für ihre Aktivität zusätzlich benötigt, z.B. „prostetische Gruppen“, Coenzyme und Metallionen. 26. Definieren Sie die Begriffe "Apoenzym", "Coenzym" und "Holoenzym". Apoenzym: Proteinanteil des Enzyms ohne Cofaktoren Coenzym: Nicht-Protein, das an der katalytischen Aktivität eines Enzyms beteiligt ist, sie dienen u.A. zum Energietransport und Elektronen/Wasserstofftransport Holoenzym: Setzt sich aus Apoenzym und prosthetischer Gruppe zusammen und ist das fertige Enzym 27. Erklären Sie die Wasserstoffübertragung mittels einer prosthetischen Gruppe und mittels einem Coenzym. Diskutieren Sie die Unterschiede! Wasserstoffübertragen mittels prosthetischer Gruppe: Prosthetische Gruppe ist fest an das Enzym gebunden Substrat 1 dockt an, Wasserstoff wird auf prosthetische Gruppe übertragen, Substrat 1 dockt ab, Substrat 2 dockt an, Wasserstoff wird auf Substrat 2 übertragen → Ausgangszustand Wasserstoffübertragung mittels Coenzym: Coenzym ist eher locker an das Enzym gebunden und transportiert Moleküle von Enzym zu Enzym. Substrat 1 dockt an, Wasserstoff wird auf Coenzym übertragen (reduziert), Substrat 1 und Coenzym docken ab, Coenzym reagiert anderswo weiter (wird oxidiert) und zurück in Mechanismus 1 übertragen Unterschied: Coenzym kann an mehreren Stellen aktiv werden und Wasserstoff von einem Ort zu einem anderen transportieren 28. Wenden Sie das Massenwirkungsgesetz auf eine Enzymreaktion an. AE1 + bE2 ↔ cP1 + dP2 [P 1 ]c⋅[ P 2 ]d k= 1 a 2 b [E ] ⋅[ E ] 29. Was ist der Unterschied zwischen Enthalpie und freier Enthalpie? Freie Enthalpie: Zeigt, wo das Gleichgewicht einer Reaktion liegt Enthalpie: Beschreibt den Wärmegehalt einer Reaktion 30. Wie sind die Standardbedingungen in biologischen Systemen definiert? T = 25°C, pH=7, c= 1mol/l, p = 1 atm = 1 bar 31. Was sagt die freie Reaktionsenthalpie einer Reaktion über den Ablauf der Reaktion aus? Ob sie spontan abläuft, sich im GGW befindet (keine Reaktion) oder Energie benötigt um abzulaufen 32. Was versteht man unter "Aktivierungsenergie" einer Reaktion? Zuführen einer Energie, um die Reaktion zu starten. Durch die ablaufende Reaktion entsteht genug Energie um Reaktion weiter anzutreiben. 33. Verschieben Enzyme das Gleichgewicht einer Reaktion? Nein, sie setzen nur die Aktivierungsenergie herab und sorgen dafür, dass sich GGW schneller einstellt 34. Katalysieren Enzyme eine Reaktion immer nur in Richtung der Produkte? Nein, sie katalysieren auch die Rückreaktion! 35. Um wie viel schneller stellt sich das Gleichgewicht einer Reaktion ein, wenn katalytisch aktive Enzyme anwesend sind? 106 bis 1012 mal schneller 36. Wie werden Enzyme benannt? Endung: -ase, nach dem Substrat oder Produkt 37. Schreiben Sie die Formel von ATP auf. Wo sind die energiereichen Bindungen? Siehe Skript Die Phosphatgruppen sind die energiereichen Bindungen. 38. Was für ein Typ sind die energiereichen Bindungen von ATP? Phosphatgruppen 39. Wie viel Energie steckt in ATP unter Standardbedingungen? ∆G0´ = - 30,5 kJ/mol 40. Gibt es noch andere energiereiche Phosphorverbindungen in lebenden Zellen? Ja, ADP, AMP, CTP usw. 41. Was ist das aktive Zentrum eines Enzyms? Das aktive Zentrum eines Enzyms ist die Stelle, an die das Substrat bindet. Es ist komplementär zu seinem Substrat (vgl. Kuchen ↔ Kuchenform), entweder direkt oder nach binden es Enzyms. 42. Welche Funktion haben die Bereiche eines Enzyms, die nicht unmittelbar zu dessen aktivem Zentrum gehören? Sonstige Bereiche des Enzyms schützen das aktive Zentrum und ermöglichen die hoch geordnete Struktur des aktiven Zentrums 43. Erklären Sie anhand von einem Beispiel das "induced-fit" Modell. Das Enzym besitzt einen Ruhezustand, das aktive Zentrum nimmt erst nach Bindung des Substrates die dazu komplementäre Form ein (vgl. Kopf und Kopfkissen) 44. Erklären Sie anhand von einem Beispiel das "lock and key" Modell. Das aktive Zentrum besitzt bereits die komplementäre Form zu seinem Substrat, es kann also als Schlüsselloch gesehen werden, während das Substrat der dazu passende Schlüssel ist. 45. Von welchen äußeren Bedingungen ist die Gleichgewichtslage einer enzymkatalysierten Reaktion abhängig? • • • • Temperatur pH-Wert Ionenkonzentration Redoxpotential 46. Ist die "Lebenszeit" eines Enzyms in der Zelle begrenzt? Ja, ein Enzym kann nur an einer begrenzten Zahl von Zyklen teilnehmen, danach wird es abgebaut und in seine Einzelteile (Aminosäuren) zerlegt, welche zur erneuten Synthese von Enzymen benutzt werden können. Auch wenn ein Enzym nicht mehr benötigt wird wird es zersetzt (Platzmangel!) 47. Leiten Sie die Michaelis-Menten-Kinetik einer enzymkatalysierten Reaktion her. Welche Annahmen werden gemacht? r =r max⋅ cS K M + cS 48. Wie sind die Parameter Km und rmax definiert? Km: Substrat-Konzentration bei der r = ½ rmax rmax: Maximale Reaktionsgeschwindigkeit 49. Zeichnen Sie das cS/ rmax– Diagramm der Michaelis-Menten-Kinetik. Welche Aussagen kann man bezüglich der Reaktionsordnungen machen? Ab einer gewissen Substratkonzentration stellt sich keine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit mehr ein! 50. Was sind konstitutive Enzyme? Konstitutive Enzyme werden ständig in etwa gleicher Menge benötigt und deshalb kontinuierlich synthetisiert 51. Welche prinzipiell unterschiedlichen Möglichkeiten gibt es, Enzyme zu regulieren? 1. Regulation der Enzymsynthese 2. Regulation der Enzymaktivität 52. Erklären Sie den Mechanismus der kompetetiven Hemmung. Ein Inhibitor bindet an das aktive Zentrum des Enzyms. Substrat kann nicht an das aktive Zentrum binden und konkurriert mit dem Inhibitor. Wenn die Substratkonzentration hoch genug ist, kann der Inhibitor (aufgrund der hohen „Konkurrenz“) verdrängt werden → Regulation Enzymaktivität 53. Zeichnen Sie das cS/ rmax– Diagramm einer unregulierten Enzymreaktion und einer Reaktion mit kompetetiver Hemmung. 54. Was ist ein allosterisches Enzym? Allosterische Enzyme werden durch Effektoren reguliert. Sie besitzen ein zweites aktives Zentrum, an die ein Effektor binden kann. Bindet dieser, so verändert sich die Konformation des Enzyms und seine Aktivität verändert sich 55. Welche Typen von Effektoren gibt es? Aktivatoren und Inhibitoren 57. Zeichnen Sie das cS/ rmax– Diagramm einer unregulierten Enzymreaktion und einer Reaktion mit nicht-kompetetiver Hemmung. 58. Welche Stoffe treten als Effektoren auf? • • • • • Andere Enzyme Metaboliten Substrate Cofaktoren Hormone 59. Definieren Sie das zentrale Dogma der Molekularbiologie. Aus DNA wird über Transkription RNA, welche dann in die Proteine übersetzt wird. Durch Replikation wird die Elternzelle geteilt, es entsteht eine Tochterzelle. 60. Durch welche Entdeckung wurde das zentrale Dogma der Molekularbiologie aufgeweicht? Durch die Entdeckung von Retroviren (RNA-Viren), die ihre RNA in die Zelle einschleusen, woraufhin aus ihr DNA gebildet wird Eigentlich: DNA → RNA → Protein 61. Welche Struktur hat die DNA? Doppelhelix 62. Kann man die Einzelstränge der DNA unbeschädigt trennen? Ja, sonst wäre Meiose unmöglich 63. Unter welchen Bedingungen fügen sich die Einzelstränge der DNA zusammen? Bei der richtigen Temperatur 64. Welche Faktoren bestimmen den "Schmelzpunkt" von doppelsträngiger DNA? Der Gehalt von Guanin und Cytosin, da diese eine Dreifach-Wasserstoffbrückenbindung aufweisen → starke Bindung 65. Zeichnen Sie die Strukturen der vier Basen, die in der DNA vorkommen. Adenin(A) Cytosin(C) Guanin(G) 66. In welche Gruppen kann man die vier Basen einteilen? Thymin(T) Purinbasen und Pyrimidinbasen 67. Welche Basen können Wasserstoffbrücken miteinander ausbilden? Guanin mit Cytosin und Thymin mit Adenin 68. Welche Unterschiede bestehen zwischen DNA und RNA? DNA: zweisträngig DNA: Thymin RNA: einsträngig RNA: Uracil 69. Definieren Sie die Begriffe "Nucleosid" und "Nucleotid". Nucleotid: Monomer einer Nukleinsäure mit einer Stickstoffbase, einem Phosphatrest und einem Zucker (RNA oder DNA) Nucleosid: An seinen Zucker gebundene Base ohne Phosphatrest → Nucleotid = Nucleosid + Phosphatrest(e) 70. Wie sind die Basen im Raum zueinander in einer DNA-Doppelhelix angeordnet? Die Basen sind horizontal zueinander angeordnet (planar), während die DNA-Doppelhelix vertikal verläuft 71. Was ist die Aufgabe der DNA-Polymerase? Ein Enzym, das die Replikation der DNA durchführt 72. Wie wird die DNA repliziert? Konservativ, semikonservativ oder dispersiv? Semikonservativ, da die beiden neuen Helices jeweils aus einem Eltern- und einem Tochterstrang bestehen (ein Strang Mutter, ein Strang neu gebildet) 73. Durch welches Experiment wurde der Mechanismus der DNA-Replikation entschlüsselt? Erklären Sie dieses Experiment in Stichworten. Meselson-Stahl-Experiment Züchten von Bakterien auf 15-N-Medium, analysieren des Gewichts ihrer DNA 1. Generation wird auf 14-N-Medium gebracht und deren DNA-Gewicht analysiert Dies wird über 3 Generationen wiederholt, und aufgrund des Gewichtes der DNA darauf geschlossen, dass die DNA semikonservativ repliziert wurde. (Folie 100) 74. Was ist ein "Codon"? Drei Basen auf der DNA = Codon 75. Was ist der "nicht-codogene" Strang der DNA? Der eine Strang der DNA, der keine Codons und somit keinen genetischen Code besitzt 76. Wie viele unterschiedliche Codons gibt es? 64 unterschiedliche Codons aus 20 verschiedenen Aminosäuren 77. Was versteht man unter einem "degeneriertem Code"? Mehrere Codons können für eine Aminosäure stehen = Kodierung von einer Aminosäure durch mehrere Codons 78. Was ist ein Gen? Bereich zwischen Start- und Stoppcodon, der sich auf der DNA befindet und der die Grundinformationen zur Herstellung einer RNA enthält 79. Was versteht man unter "Transkription"? Bei der Transkription werden Gene abgelesen und in m-RNA umgesetzt 80. Welches Enzym ist hauptsächlich in die Transkription involviert? RNA-Polymerase 81. Was sind die Unterschiede zwischen Transkription und Replikation? Bei der Replikation wird die gesamte DNA kopiert (Zellteilung), bei der Transkription nur ein kleiner Teil der DNA (RNA) 82. Was ist t-RNA? Zeichne ein Schema der t-RNA und benenne die wichtigsten Strukturelemente. Sie vermittelt bei der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon auf der mRNA. 83. Wie funktioniert das "Beladen" der t-RNA? Über ein Enzym mit einer Aminosäure und einem Pyrophosphat und spezifischer t-RNA 84. Welche Aufgabe haben Ribosomen? An ihnen werden Proteine hergestellt indem einzelne Aminosäuren genau nach Reihenfolge, die das jeweilige Gen vorschreibt, zu Kettenmolekülen zusammen gesetzt werden 85. Aus welchen Substanzen sind Ribosomen aufgebaut? Aus Proteinen und rRNA 86. Erklären Sie die Funktionsweise der Proteinbiosynthese durch Ribosomen! 87. Was ist ein "Polysom"? Polyribosom, aus mRNA und mehreren Ribosomenen bestehend 88. Erklären Sie das Operon-Modell. Ein Operon besteht aus einem Promotergen („Andockstelle“ für RNA-Polymerase), einer Operatorgen („Schalter“) und ein Strukturgen (Abfolge von Genen für den Bau von Proteinen). Ebenfalls gehört das Regulatorgen dazu, welches ein Regulatorprotein liefert. Dieses Protein kann durch Bindung an das Operatorgen die Transkription der Strukturgene an- und abschalten. 89. Was versteht man unter "Repression" im molekularbiologischen Kontext? Repression bedeutet, dass ein Operon durch die RNA-Polymerase nicht abgelesen werden kann. Dies wird durch den Holorepressor (Corepressor + Regulatorprotein) ausgelöst, der sich an das Operatorgen bindet. 90. Wie baut sich ein Holorepressor auf? Corepressor + Aporepressor 91. Erklären Sie die Repression anhand einer Zeichnung. 92. Sind Aporepressoren konstitutiv? Nicht zwingend??? 93. Was versteht man unter "Induktion" im molekularbiologischen Kontext? Aktivierung von Strukturgenen für verschiedene, selten gebrauchte, Abbauketten von Substraten. Als Auslöser (Induktor) dient das Substrat selbst 94. Was ist "Diauxie"? Ein gewisser Hilfsstoff muss anwesend sein und der Operator muss freigeschaltet sein, damit ein vorhandenes Substrat abgebaut wird. Beispiel: E. Coli baut Lactose erst ab, wenn die vorhandene Glucose verbraucht ist. Davor ist der Promoter zum Lactose-Abbau nicht besetzt, er muss erst durch durch ein Hungersignal der Zelle besetzt werden. 96. Vergleichen Sie die Regulation der Enzymsynthese mit der Regulation der Enzymaktivität Regulation der Enzymaktivität: • Schnell • Energieintensiv, da die Enzyme weiterhin synthetisiert werden. Regulation der Enzymsynthese • Langsam • Wenig Energie muss aufgewandt werden 97. Was versteht man unter "Endprodukthemmung"? Das durch eine biochemische Reaktionskette (übermäßig) produzierte Endprodukt bindet am Anfang der Reaktionskette und hemmt dadurch die Enzymaktivität, wodurch die Produktion unterbrochen wird. 98. Was sind Kohlenhydrate? Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr Hydroxylgruppen Wesentliche Energiequelle 99. Welche (empirische) Zusammensetzung haben Kohlenhydrate? 1C : 2H : 1O 100. Welche funktionellen Gruppen sind in Kohlenhydraten zu finden? Hydroxylgruppen 101. Welche Funktion nehmen Kohlenhydrate in Bakterienzellen ein? Nährstoffe und Reservestoffe, Bau- und Gerüststoffe 102. Über wie viele Kohlenstoffatome muss eine Verbindung mindestens verfügen um ein Zucker zu sein? Mindestens 3 C-Atome 103. Wie werden Kohlenhydrate eingeteilt? Aldehyd-Gruppe: Aldose Keton-Gruppe: Ketose 104. Benennen Sie Kohlenhydrate mit 3,4,5,6 und 7 Kohlenstoffatomen. Triose, Tetrose, Pentose, Hexose, Heptose 105. Wie erfolgt die Nummerierung der Kohlenstoffatome in Zuckern? Es wird ab dem C-Atom gezählt, das am nächsten an der Keton- bzw. Aldehyd-Gruppe ist 106. Zeichne die Strukturformel der Aldotriose und der Ketotriose. 107. Welche Zucker haben die Fähigkeit zur Ringbildung? Zucker mit min. 3 C-Atomen hinter der Hauptgruppe 108. Was versteht man unter der α-Konfiguration und der β-Konfiguration einer Hexose? α-Konfiguration: Hydroxylgruppe am C1-Atom schaut nach unten β-Konfiguration: Hydroxylgruppe am C1-Atom schaut nach oben 109. Zeichen Sie die Strukturformeln einer Pyranose und einer Furanose. 110. Nennen Sie drei wichtige Monosaccharide. β-D-Fructose, α-D-Glucose, α-D-Galactose 111. Was sind Derivate der Zucker? Nennen Sie ein Beispiel. Moleküle, bei denen eine OH-Gruppe durch eine andere funktionelle Gruppe ersetzt ist z.B. β-N-Acetyl-D-Glucosamin 112. Wo treten Zuckerderivate in Bakterienzellen auf? In der Mureinschicht treten Derivate von Zuckern auf 113. Nennen Sie ein Disaccharid. Aus welchen Monosacchariden besteht dieses? Maltose, sie besteht aus zwei Glucosen (unter Abscheidung von H2O) Lactose, sie besteht aus einer Glucose und einer Galactose 114. Zeichen Sie ein Beispiel für eine α-1,4-glycosidische Bindung und eine α-1,6-glycosidische Bindung. 1,4: eben (horizontal miteinander verbunden) 1,6: nicht eben (vertikal miteinander verbunden) 115. Aus welchem Monosaccharid besteht Stärke? α-D-Glucose 116. Welche Bindung zwischen den Zuckern in der Stärke kommt am häufigsten vor. α-1,4-glycosidische Bindung 117. In welchem Verhältnis kommen die α-1,4-glycosidische Bindung und die α-1,6glycosidische Bindung in Stärke vor? 20-30% Amylose (α-1,4-glycosidische Bindung), 70-80% Amylopektin (beide Bindungen) 118. Wie sind die Zucker in Cellulose verknüpft? Mit β-1,4-glycosidische Bindungen 119. Was ist Traubenzucker? Glucose (auch: Dextrose) 120. Welche Eigenschaften hat Traubenzucker in biologischen Systemen? Traubenzucker kann gleich gespeichert werden und ist ein hervorragender Biobrennstoff. Außerdem ist er Ausgangsprodukt für die Synthese von Aminosäuren, Nucleotiden, Coenzymen, 121. Wie wird Traubenzucker im menschlichem Darm und wie durch Bakterienzellen aufgenommen? Bakterien: erleichterte Diffusion oder Gruppentranslokation Menschlicher Darm: Indirekt aktiver Transport 122. Welche Eigenschaften hat die Glycolyse? Reaktionsweg zu ATP Energieausbeute gering (im Vergleich zur eingesetzten Glucose-Menge) Sauerstoff unabhängig Kohlenstoffquelle 123. Die Glykolyse wird in zwei Teile zerlegt. Benennen Sie diese. ??? 125. Transferieren alle Kinasen Phosphatgruppen? ??? 126. Welches Enzym katalysiert die Fructose-1,6-diphosphat-Produktion? Glucosephosphat-Isomerase 128. Ist die Aldolasereaktion der Glycolyse unter Standardbedingungen exergon oder endergon? Wie sind die Verhältnisse unter physiologischen Bedingungen? Unter Standardbedingungen ist die Aldolasereaktion endergon, unter physiologischen Bedingungen allerdings leicht exergon 129. Welches Substrat verarbeitet die Triose-Phosphat-Isomerase? Dihydroxyacetonphosphat (Ketose) wird zu einer Aldose 130. Warum tragen alle Metabolite der Glykolyse eine Ladung? Damit die Metaboliten nicht aus der Zelle diffundieren können → quasi alle Metaboliten in Stoffwechselprozessen tragen eine Ladung 131. Was ist ein katalytisch perfektes Enzym? Geben Sie ein Beispiel für solch ein Enzym. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nur diffusionslimitiert, jedes Substrat, das mit dem Enzym zusammenstößt wird von ihm umgesetzt z.B. Triosephosphat-Isomerase 132. Was ist ein Reduktionsäquivalent? Reduktionsäquivalente sind Stoffe, die in oxidierter und reduzierter Form vorliegen können und dazu dienen, um „Reduktionskraft“ zu transportieren, meinst in der Form von 2 H-Atomen und zwei Elektronen Beispiele: NAD+ ↔ NADH + H+ 133. Welche Eigenschaften und Aufgaben haben die Reduktionsäquivalente? Dienen dem Transport von “Reduktionskraft“ (Elektronentransport) Sie existieren in zwei verschiedenen Formen, der reduzierten Form und der oxidierten Form. Sie Transportieren zwei Wasserstoffatome und zwei Elektronen. Ein Reduktionsäquivalent kann viele male Be- und Entladen werden. Sie koppeln Katabolismus und Anabolismus. 134. Benennen Sie die wichtigsten Bausteine des NAD+. Nicotinsäureamid, Adenin, 2 Phosphat, Ribose 137. Bilanzieren Sie die Glycolyse. Glucose + 2 NAD++ 2 Pi + 2 ADP → 2 Pyruvat + 2 (NADH + H+) + 2 ATP + 2 H2O 2 ATP wurden verbraucht, 4 regeneriert = Netto 2 ATP 2 NADH + H+ wurden regeneriert 138. Wo wird in der Glycolyse ATP produziert und wo verbraucht? Verbraucht: Hexokinase, Phosphofructokinase Produziert: Phosphoglyceratkinase, Pyruvat-Kinase 139. Was ist ein Multi-Enzym-Komplex? Eine Gruppe von Enzymen, die zwei oder mehr Schritte eines Reaktionsweges katalysieren 140. Welche Vorteile bieten Multi-Enzym-Komplexe den Zellen? Distanz, die ein Reaktionsprodukt zurücklegen muss, wird minimiert. Zusammenarbeit der Enzyme, damit ein katalytisch-perfektes Enzym entsteht (?) Vermeiden von Nebenreaktionen 141. Formulieren Sie die oxidative Descarboxylierung des Pyruvats. Siehe Skript, S. 182 142. Welche Quartärstrukturen kann die Pyruvatdescarboxylase einnehmen? ??? 143. Wie interagieren die Untereinheiten der Pyruvatdescarboxylase bei der oxidativen Descarboxylierung des Pyruvats untereinander. 144. Welche Cofaktoren benötigt die Pyruvatdescarboxylase für ihre Funktion? TPP (Vitamin B1), NAD+, CoA, Lipoamid, FAD 145. Welche Aufgabe hat das TPP? Auch Vitamin B1, kann vom Mensch nicht synthetisiert werden Coenzym, wichtig für Stoffwechselenzyme, beteiligt an oxidativen Decarboxylierung 146. Benennen Sie die wichtigsten Bausteine des Coenzyms A. Adenin, Diphosphat, Pantoinsäure, Adenosin, Cysteamin 147. Kann der menschliche Körper alle diese Bausteine selbst synthetisieren? Wie sind die Verhältnisse dazu im Vergleich in E. coli und anderen Bakterien? ??? 148. Welche Aufgaben hat der Tricarbonsäurezyklus (TCA)? Auch: Zitronensäurezyklus Glucose wird zu CO2 oxidiert, nach Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung. Dabei entsteht viel Reduktionskraft, durch 3 NADH + H+ und 1 FADH2 (insgesamt 10 NADH + H+ und 2 FADH2) 149. Formulieren Sie die einleitende Reaktion des TCA. Skript, siehe Seite 191 150. Was ist Aconitat? Wo tritt es im TCA auf? Eine organische Säure mit 3 Carboxylgruppen. Sie ist das Zwischenprodukt (dehydriert!) zwischen Citrat und Isocitrat = Aconitase 151. Formulieren Sie die Reaktionen des TCA, bei denen CO2 anfällt. Skript Seite 193 und 194 152. Welche Reaktion katalysiert die α-Ketoglutarat-Dehydrogenase? Welchem anderen Enzym ist sie sehr ähnlich? Die Reaktion von α-Keto-Gluterate zu Succinyl-CoA ??? 153. Welchen Cofaktor benötigt die Succinat-Dehydrogenase? FAD 154. Formulieren Sie die Fumarase-Reaktion? Skript Seite 199 155. Was ist das Produkt der Malat-Dehydrogenase? Durch welche Reaktion wird es noch gebildet? Produkt: Oxaloacetat Es wird noch die Reaktion von CO2, ATP und Pyruvat gebildet 156. Bilanzieren Sie der TCA. Es werden 3 NADH + H+ und 1 FADH2 regeneriert 157. Was versteht man unter einer "anaplerotischen" Reaktion? Eine Auffüllreaktion, sie stellt Substrate für den Zitronensäurezyklus breit, z.B. Oxalacetat 158. Welche Wirkung hat Fluoracetat auf den TCA? Fluoracetat ist ein Gift. Das Fluoracetat bindet im Laufe des TCA, was dazu führt, dass die Produkte unbrauchbar werden und nicht weiterreagieren können. Zerstört die Aconitase, da aus Keton kein Aldehyd gemacht werden kann (Fluor nicht versetzbar!) 159. Warum reagiert NADH + H+ in Bakterienzellen nicht direkt mit O2? Die Reaktion verliefe zu exotherm, die Zelle würde bei der Reaktion zerstört, weshalb die Reaktion in mehreren Einzelreaktionen abläuft 160. Wo in der Bakterienzelle findet die Atmungskette statt? Wo findet sie in Eukaryonten statt? Prokaryonten: In der Membran Eukaryonten: In den Mitochondrien 161. Welche Aufgabe hat der Komplex I in der Atmungskette? Er nimmt 2 e- von NADH + H+ auf, es werden zwei Wasserstoffatome aus der Zelle transportiert (nicht von NADH + H+, sondern durch Autoprotolyse!) 162. An welchen Carrier gibt der Komplex I die Elektronen des Reduktionsäquivalentes weiter? Ubichinon (Coenzym Q) 163. Woher stammen die H+, die der Komplex I aus der Zelle ausschleust? Autoprotolyse 164. Was sind Eisenschwefelproteine? Proteine, an die Eisen und Schwefel gebunden sind, z.B: Fe2S2 oder Fe4S4 165. Wo tritt FADH2 in die Atmungskette ein? FADH2 tritt im Komplex 2 ein 166. Was sind Cytochrome? Proteine mit prosthetischen Gruppen, die aus einem eisenhaltigen Porphyrinring (Häm) bestehen 167. Nenne die wichtigsten prosthetischen Gruppen der Cytochrome. Häme 168. Was ist ein Membranpotential und welche Aufgabe hat es? Eine elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenseite der Zellmembran. Infolge von Reizeinwirkungen treten bei den Zellen Spannungsänderungen auf. Diese Spannungsänderungen, die in Form elektrischer Impulse entlang der Membranen geleitet werden, dienen u.A. der Informationsübertragung 169. Unter welchem Namen ist der Komplex 2 der Atmungskette noch bekannt? Succinat-Dehydrogenase 170. Durch welchen Komplex werden die Elektronen auf den Sauerstoff übertragen? Gelingt das immer reibungslos? Cyctochrom-Oxidase. Nein, als Nebenprodukt kann H2O2 (Wasserstoffperoxid) entstehen 171. Wie funktioniert die ATPase? Die F0-Einheit leitet Protonen durch die Membran, was ein Drehmoment erzeugt, welchen an die F1-Einheit weitergegeben wird. Durch dieses Drehmoment wird ADP+Pi zu ATP katalysiert. 172. Wie viele ATP können durch die Entladung eines NADH + H+, wie viele durch die Entladung eines FADH2 regeneriert werden? NADH + H+: max. 3 ATP FADH2: max. 2 ATP 173. Bilanzieren Sie die Atmungskette. Aus einem Mol Glucose, 6 Mol H2O und 6 Mol O2 werden 6 Mol CO2 und 12 Mol H2O. Dabei werden 34 ATP regeneriert und 10 NADH + H+ oxidiert. 174. Kann das Membranpotential kurzgeschlossen werden, und wenn ja, wie? Ja, beispielsweise 2,4 Dinitrophenol (toxisch, kanzerogen) Es findet Glycose-Abbau und -verwertung statt, aber keine ATP-Regeneration, nur Wärmeentwicklung 175. Wie viele ATP kann maximal durch die Oxidation eines Mols Glucose zu CO2 und H2O regeneriert werden? Wie viele ATP fallen dabei in der Glykolyse, dem TCA und in der Atmungskette an? 38 ATP, jeweils 2 per Glykolyse und zwei per TCA, Rest per Atmungskette 176. Was ist eine Fettsäure? Geben Sie zwei Strukturbeispiele. Eine Fettsäure ist eine Kohlenwasserstoffkette (Alkane, Alkene) mit einem Carboxylrest (COO-) siehe Skript für Stukturbeispiele 177. Wie ist ein Phospholipid aufgebaut? Nennen Sie die Strukturelemente. Mehrere, mit einem Glycerin verbundene Fettsäuren mit einer Phosphatgruppe → Lipid + Phosphat 178. Warum bilden Phospholipide keine Micellen sondern Membranen aus? Platzmangel, aufgrund der vorherrschenden Geometrie sind keine Micellen bildbar 179. Was ist ein Triglycerid? Drei, über ein Glycerin miteinander verbundene Fettsäuren → Fette und Öle 180. Kommen Triglyceride in Bakterien vor? Nein, da das Glycerin zersetzt wird 181. Wie erfolgt der Abbau von Glycerin durch Bakterien? Mithilfe des Enzyms Glyerolkinase 182. Wie werden Fettsäuren für den weiteren Abbau "aktiviert"? Zuerst wir ein O durch AMP ersetzt, welches wiederum durch ein HS-CoA ersetzt wird, wodurch aus der Fettsäure ein Acyl-CoA wurde. 183. Erklären Sie die Schritte des Fettsäureabbaus? Handelt es sich hierbei um einen Zyklus? Es handelt sich um keinen Kreislauf, eher um eine Schnecke 184. Wie viele ATP werden durch die Enzyme der Fettsäureabbaukette regeneriert? 4 ATP (-ATP + 1 NADH + 1 FADH) 185. Welches Enzym spaltet in Fettsäureabbaukette das Acetyl-CoA ab? Thilolase 186. Formuliere und Bilanziere den Abbau von n-Hexansäure. ??? 187. Wie werden Fettsäuren, die über eine ungerade Anzahl von Kohlenstoffatomen verfügen abgebaut? Am Ende des Fettsäureabbaus verbleibt ein C3-Fragment, das in der Regel ausgeschleust wird. Selten kann es auch zu Pyruvat oder Lactat oxidiert werden 188. Wie wird Propionat abgebaut? Es wird von einigen Bakterien zu Pyruvat oder Lactat oxidiert oder ausgeschleust 189. Wo fallen in der Wirtschaft hauptsächlich Triglyceride an? Schlachthöfe, Molkereien, Lebensmittelverarbeitende Betriebe 190. Wie ist Diesel/Heizöl/Kerosin zusammengesetzt? Langkettige Alkane und kurzkettige Alkane 191. Welche Kettenlängen sind in Wie ist Diesel/Heizöl/Kerosin am häufigsten zu finden? C10 - C20 192. Erkläre und formuliere die ersten drei Schritte des n-Alkynabbaus. 1.) Oxidieren des Kettenendes zu einem Alkohol (- NADH) 2.) Dehydration des Kettenendes zu einem Alkanal (+ NADH) 3.) Oxidieren des Alkanals zu einer Alkansäure (+ NADH) 193. Wie werden n-Alkane aktiviert? Was ist dabei das Agens? Sie binden Sauerstoff an das Kettenende und oxidieren das Kettenende, so das am Schluss ein Fettsäurerest an der Alkankette hängt. 194. n-Alkane sind schlecht bioverfügbar. Wie schaffen es Bakterien trotzdem diese zu metabolieren? extrem niedrige Konzentrationen in wässriger Lösung und sehr langsame Umsetzung oder Produktion von emulgierenden Substanzen 195. Welches chemische Grundprinzip steckt hinter allen Gärungsreaktionen bzw. um welchen Reaktionstyp handelt es sich? Intramolekulare Disproportionierung 196. Skizziere die Reaktionen der Ethanolgärung. Siehe Skript Seite 264 197. Findet in ethanolgärenden Bakterien die Glykolyse statt? ??? Ja, bei Bakterien 198. Unterscheidet sich die Ethanolgärung zwischen Bakterien und Hefen? Ja, Bakterien nutzen die Glykolyse um Glucose zu spalten, Hefen hängen an den abgespaltenen Teil noch einen Phosphatrest 199. Erkläre die Begriffe "Pasteur-Effekt", "Crabtree-Effekt" und "Metabolic overflow". Pasteur-Effekt: Durch Anwesenheit von O2 wird die Gärungsrate vermindert Crabtree-Effekt: Gärungsenzyme werden durch die Anwesenheit von viel Glucose induziert Metabolic Overflow: Atmung und Gärung laufen gleichzeitig ab 200. Für welche Anwendungen wird die Hefe Saccharomyces cervesiae hauptsächlich eingesetzt. Zum Backen, zur obergärigen Bierherstellung, Weinherstellung, Essigherstellung,... 201. Durch welchen Mikroorganismus wird das Ethanol im Tequilla produziert? Saccharomyces cerevisiae 202. Welche Bakterienarten können sonst noch Ethanol durch Gärungen erzeugen? Zymomonas (Gärung von Agavensaft), Leuconostoc (heute Oenococcus oeni?) 214. Welche Organismengruppen können Milchsäure durch Gärungsreaktionen produzieren? Milchsäurebakterien (Lactobacteriaceae) 215. Definiere die Begriffe "Homofermenter" und "Heterofermenter". Homofermenter: Produzieren ausschließlich Milchsäure Heterofermenter: Produzieren neben Milchsäure auch Alkohol und CO2 216. Wo kommen Milchsäurebakterien vor? In Milch, Schleimhäuten, Pflanzen und dem Darm (saure Medien bevorzugt, obligat mit Zucker!) 217. Welche Bedingungen stellen Milchsäurebakterien an ihr Milieu? Saures Medium, C-Quelle obligat als Zucker, benötigt viele Vitamine und Suppline 218. Wie unterscheidet sich die Milchsäuregärung von der Ethanolgärung? Bei der Ethanolgärung kommt nach dem Pyruvat ein Schritt mit Acetaldehyde, dieser kommt bei der Milchesäuregärung nicht vor. 219. Skizzieren sie kurz die Schritte der Heterofermentation von Milchsäure und Ethanol. Wie unterscheidet sich diese von der Heterofermentation von Milchsäure und Acetat? ??? 220. Welches wichtige menschliche Gewebe ist zur Milchsäuregärung befähigt? Unter welchen Randbedingungen wird diese durchgeführt? Der Muskel. Die Milchsäuregärung tritt im Muskel nur auf, wenn die Sauerstoffversorgung nicht ausreicht, dann schalten die Zellen auf anaerobe Energiegewinnung um (Ausnahme: Herzmuskel!) 221. Was versteht man unter dem "Cori-Zyklus"? Skizze! Beschreibt den Kreislauf von Glucose und deren Abbauprodukten zwischen Skelettmuskel und Leber. 222. Was versteht man unter "gemischter Säuregärung" bzw. "Ameisensäuregärung". Beim „gemischten Säuregärung“ entsteht aus Glucose eine Vielzahl von Endprodukten, u.A. CO2, Ethanol, Lactat, Acetat, usw. Er wird von Enterobakterien durchgeführt, die fakultative Anaerobier sind und deshalb weniger Ansprüche an ihre Umgebung stellen. Der Name Ameisensäuregärung beruht auf einem Zwischenprodukt namens Formiat, das ein Anion der Ameisensäure ist. 223. Welche Organismen sind zur gemischten Säuregärung befähigt? E. Coli und andere Enterobakterien 224. Nenne fünf Endprodukte der gemischten Säuregärung. Siehe oben 225. Trägt Enterobacter aerogenes seinen Namen zurecht? Welche Gärungsprodukte produziert er hauptsächlich? Wo ist diese Spezies im menschlichen Körper zu finden? Nein, Enterobacter aerogenes trägt seinen Namen nicht zurecht. Er ist ein Ammonifizierer, der aus NO3- NH4+ herstellt. Er gehört eigentlich zur Coliformengruppe und ist im Darmtrakt zu finden. 226. Aus welchem Nahrungsmittel wurden erstmals Propionibakterien isoliert? Welchen Effekt haben diese in dem besagten Nahrungsmittel? Propionibakterien wurden zuerst im Schweizer Käse isoliert, sie sind hauptverantwortlich für die typischen Löcher im Käse. 227. Wo sind Propionibakterien sonst noch zu finden? Mägen von Wiederkäuern 228. Propionigenium modestum vergärt Succinat zu Propionat. Dabei baut er ein Membranpotential auf, was für ein gärendes Bakterium untypisch ist. Wie kommt dies zustande und wie wird es vom Bakterium genutzt? Das Membranpotential kommt zustande, da die Gärung von Dicarboxylsäure an membrangebundene energiegekoppelte Ionenpumpen gekoppelt ist. Das Bakterium nutzt dieses Potential, um die ATP-Synthese anzutreiben (durch ein Na+-Gefälle) 229. Welche Eigenschaften haben Clostridien und wo kommen sie vor? Obligat anaerob bis aerotolerant Sporenbildner, oft pathogen Sind im Boden und im Darm zu finden 230. Nenne eine Clostridium-Spezies, die pathogen ist. Clostridium tetani (Tetanus) 231. Welche Produkte können Clostridien durch Gärungsreaktionen erzeugen? Welche sind davon wirtschaftlich interessant? Acetat, H2 232. Welche Stoffe können neben Sauerstoff noch als Elektronenakzeptoren dienen? 233. In welchem Milieu finden zumeist diese alternativen Atmungsreaktionen statt? 234. Werden bei diesen alternativen Elektronenakzeptoren stets die gleiche Anzahl von Reduktionsäquivalenten verbraucht? Formulieren Sie zwei Beispiele! 235. Woher Stammen die Reduktionsäquivalente, die in den Reaktionen der alternativen Atmungsketten auf die Elektronenakzeptoren übertragen werden? 236. Ordne nach Energieausbeute pro übertragenem Elektron: Eisen(III)-Atmung, Nitratatmung, Sulfatatmung, Sauerstoffatmung. 237. Welche zwei Typen der Nitratatmung unterschiedet man? Was ist der jeweilige Zweck? 238. Über welche "Zwischenstufen" erfolgt die Reduktion des Nitrates (NO3-) zum Stickstoff (N2)? Wie kann man beweisen, dass es sich dabei um echte Metabolite dieser Reaktionskette handelt? 239. Wie verhält sich Nitrat im menschlichem Körper? Warum ist es, vor allem für Säuglinge gefährlich, obwohl es selbst doch völlig ungiftig ist? 240. Welche ökologischen Probleme sind mit der Nitratatmung verbunden? 241. Wo werden in der Technik Denitrifizierer eingesetzt? 242. Über welche Zwischenschritte erfolgt die Ammonifizierung? Welche Enzyme vollbringen dies? 243. Welche Zwischenprodukte treten bei der Sulfatatmung auf? 244. Wie ist der überwältigende Teil der Sulfatatmer benannt? 245. Erklären Sie die Vorgänge der Biokorrosion von Betonrohren (mit Formeln!). Welche Spezies sind daran beteiligt und welche Abhilfemöglichkeiten gibt es? 246. Formulieren sie die Vorgänge bei der Eisen(III)-Atmung. 247. Nennen Sie zwei weitere Schwermetallionen bzw. Schwermetalloxide, die ebenfalls als terminale Elektronenakzeptoren dienen können. 248. Definieren Sie den Begriff "Carbonatatmung"? 249. Wo tritt die Carbonatatmung natürlicherweise auf? 250. Wo wird durch den Menschen zusätzliches Methan emittiert? Welche Probleme verursacht dieses in der Umwelt? 251. Zu welcher Mikroorganismengruppen gehören die Methanbildner? 252. Können die Methanbildner alleine Glucose zu CO2 und CH4 vergären? 253. Welche Endeckung machte man im Jahre 1967 bei näherer Untersuchung des "Reinstammes" Methanobacterium omelianskii? 254. Was ist Coenzym M (Formel, rationaler Name) und wo kommt es vor? 255. Über welche Zwischenstufen verläuft die Carbonatatmung? 256. Stellen Sie das anaerobe Nahrungsnetz auf. Ordnen Sie die primären und sekundären Gärer sowie die methanogenen und sulfatreduzierenden Mikroorganismen ein. 257. Nennen Sie zwei Beispiele für technische Gärungsprozesse und erläutern Sie ein Beispiel kurz. 258. Welche Substrate werden bei der Biomassenvergärung verwendet. Nennen Sie hierzu drei Beispiele. 259. Beschreiben Sie die wichtigsten Schritte der Bierherstellung. Warum wird die Würze gekocht? 260. Warum ist es wichtig das Maischen bei der richtigen Temperatur durchzuführen. 261. Beschreiben Sie die Herstellung von Industriealkohol auf Basis der Maisvergärung. Was sind die wichtigsten Unterschiede im Vergleich zur Bierproduktion? 262. Warum wird jetzt begonnen neben Biomüll auch Restmüll zu vergären? Hoher Gehalt an organischen Stoffen wie z.B. Taschentücher, die auch noch viel Energie liefern 263. Welche verfahrenstechnischen Tricks werden verwendet um hohe Wirkungsgrade bei der Vergärung zu erreichen? Kurze Erläuterung! 264. Welche Vor- und Nachteile bietet die anaerobe Abwasserbehandlung? Welche Reaktorform wird bevorzugt verwendet? 265. Beschreiben Sie die vier Phasen der methanogenen Nahrungskette. 266. Benennen Sie die wichtigsten Schritte zur Mengenreduktion des Klärschlamms und erklären Sie diese kurz. 267. Welche Gefahren bestehen, wenn Tierabfälle nicht behandelt werden? 268. Was versteht man unter "lithotrophen" Organismen und was unter "Chemosynthese"? Organismen, die anorganische Verbindungen oxidieren um Energie zu gewinnen, werden als litotrophe Organismen bezeichnet Unter Chemosynthese versteht man die CO2-Fixierung durch Chemolithotrophe Organismen 269. Nennen Sie drei Elektronendonoren für lithotrophe Organismen. H2, CH4, Fe2+ 270. Erklären Sie die Prinzipien der litotrophen Lebensweise. Nur bei Prokaryonten je günstiger Akzeptor, desto ungünstiger der daraus gebildete Donator bei schwer angreifbaren Molekülen dient Sauerstoff als direkter Reaktant 271. Woher stammt in natürlichen Kompartimenten das NH4+, welches die Nitrifizierer oxidieren? Aus dem Abbau von Biomasse 272. Nenne das berühmteste „Paar“ von nitrifizierenden Organismen. Nitrosomonas und Nitrobacter 273. Welche Zwischenstufen treten bei der Nitrifizierung von Ammonium auf? NH2OH → NOH → NO2- → NO3- 274. Welche Schwefelverbindungen können von Bakterien zu Schwefelsäure oxidiert werden? S2-, HS-, H2S, S8, S2O32276. Gibt es eine Phosphatatmung? Begründung! Da es keine Phosphatreduktion gibt, kann es auch keine Phosphatatmung geben (keine (Ausnahme siehe unten) Elektronenübertragung möglich!) 277. Gibt es eine biologische Phosphoroxidation? Ja, von PO33- zu PO43278. Welche Wissenschaften liefern fachlichen Input in die Biotechnologie/Gentechnik? Naturwissenschaften (Biologie, Physik) 279. Nennen Sie drei Bereiche, in denen Biotechnologie zum Einsatz kommt, und geben Sie jeweils ein Produktbeispiel an! Umweltsanierung (Bodensanierung durch Mikroorganismen), Pharmaprodukte, Gendiagnostik 280. Geben Sie jeweils ein Beispiel (Speziesnamen) für ein biotechnologisch bedeutsames gramnegatives und grampositives Bakterium sowie einen Pilz an. Echeria Coli (gramnegativ) Bacillus subtilis (grampositiv) Saccharomyces cerevisiae (Pilz) 281. Skizzieren sie die drei bakteriellen Produktbildungstypen, nennen sie jeweils ein Beispielprodukt. Typ I: (wachstumgekoppelt) Biomasseproduktion und Ethanolbildung, z.B. Bier Typ II: (teilweise wachstumgekoppelt) Produkt kommt aus Nebenwegen des Primärstoffwechsels (z.B. Citronensäure oder Aminosäuren) Typ III: (wachstumsentkoppelt) Produkt stammt aus Sekundärstoffwechsel (Antibiotikaproduktion oder Expression extrazellulärer Enzyme) 282. Wie lassen Sich extrazelluläre Proteine, wie intrazelluläre Proteine abtrennen und Aufreinigen? extrazelluläre Proteine: Konzentration der Lösung durch Membranfiltration, dann Salzfällung oder Isopropanolfällung intrazelluläre Proteine: abgetrennte Zellmasse aufschließen (mechanisch (Homogenisatoren, UV) oder enzymatisch (Lysozym)), dann eventuell Einschlusskörper durch Zentrifugation abtrennen → weiter wie bei extrazellulären Proteinen; 283. Nennen Sie drei Fragestellungen, die in der öffentlichen Diskussion über Biotechnologie und Gentechnik relevant sind bzw. es sein sollten! Ethnisch korrekt? Keine Nebenwirkungen? 284. Wie unterscheidet sich die Organisation von Bakteriengenen von Eukaryontengenen? (Skizze) ??? 285. Was versteht man unter „Klonierung eines Genes in E. coli“? Verfahrensschritte nennen! Unter Klonierung eines Genes in E. Coli versteht man, dass ein gewünschter DNA-Strang mit speziellen „Fähigkeiten“ aus einem anderen Organismus entnommen wird und mithilfe eines Vektors in E. Coli eingebracht wird. Dies dient dazu, Stoffe herzustellen, die es in der Natur nicht gibt oder deren Herstellung mit dem Orginal-Organismus gefährlich wäre. 1. Isolieren der DNA 2. Verknüpfung der DNA mit Klonierungsvektor 3. Einführung in Wirtsorganismus (E. Coli) 4. Nachweis und Aufreinigung des gewünschten Klons 5. Produktion vieler Zellen 286. Wie wird chromosomale Bakterien-DNA präpariert? Nennen sie die Verfahrensschritte. • • • • Zelle aufschließen: SDS, Rnase, Lysozym und Proteinase K Isopropanol- bzw. Ethanolfällung der DNA Sorption der DNA an geeigneten Phasen (Glasmilch etc.) Abtrennung von anderen Zellbestandteilen wie Proteine, RNA, Membranbruchstücke, Ribosomen. Elution der DNA 287. Welche Funktion haben Restriktionsenzyme? Sie sind Schutzenzyme gegen Fremd-DNA (Viren!), die die fremde DNA zerschneiden 288. Was versteht man unter der „Restriktionskarte eines Plasmids“? Auf einer Restriktionskarte sind die Positionen, an denen die verschiedenen Restriktionsenzyme schneiden, eintragen 289. Was versteht man unter der Polymerasekettenreaktion (PCR)? Mit der PCR können definierte DNA-Sequenzen vervielfältigt werden 290. Welche Anwendungen hat die PCR? Gendiagnostik, Forensik, Medizin, usw. 291. Welche Zusammensetzung hat ein PCR-Ansatz? Primer, Ausgangs-DNA, DNA-Polymerase, dNTPs, Puffer 292. Welche Verfahrensschritte erfolgen während der PCR? (Skizzen) 293. Was versteht man unter Agarose-Gel-Elektrophorese? Methode, um DNA nach ihrer Größe zu trennen und um heraus zu finden, wie groß ein spezielles DNA-Fragment ist. 294. Welchen Farbstoff verwendet man zum Anfärben von DNA im Agarosegel? Welche Eigenschaften hat dieser? Ethidium-Bromid, welches sehr giftig ist, da es sich zwischen die Basen der DNA heftet! 295. Was versteht man unter dem „genetischen Fingerabdruck“ eines Menschen? Der genetische Fingerabdruck ist das DNA-Profil eines Menschen, das genau wie der wirkliche Fingerabdruck (annähernd) einzigartig ist. Charakteristisch für das DNA-Profil sind die sogenannten Minisatelliten. Der Fingerabdruck wird mithilfe einer PCR bestimmt, deshalb reichen kleinste DNA-Mengen aus. 296. Wie funktioniert die DNA-Sequenzierung nach Sanger/Coulson? Verfahrenschritte nennen! Denaturieren der DNA → Aufteilen in Einzelstränge Kopie der einsträngigen DNA mit DNA-PCR und einem fluoreszierenden Primer Hinzugabe von dNTPs, führt zum Abbruch der PCR. Durchführen einer Elektrophorese, ablesen der Basen-Sequenz aufgrund von „Wanderweite“ Reihenfolge der 4 Röhrchen = Sequenz, z.B. GAATCGA 297. Nennen Sie je drei biologische (biotische) sowie nicht-biologische (abiotische) Reinigungsverfahren zur Abluft. Abiotisch: Kondensations, Filtern, Absorption Biotisch: Biofilter, Biotricklingfilter, Biowäscher 299. Welche biologischen Reinigungsverfahren kennen Sie, benennen Sie kurz jeweils zwei Vor- und zwei Nachteile je Verfahren. Biofilter Vorteile: kostengünstiger Prozess, wasserunlösliche Stoffe auch abbaubar Nachteile: Hoher Platzbedarf, schlechte Funktionskontrolle Biotricklingfilter Vorteile: größere Volumenströme und bessere Kontrolle als beim Biofilter möglich Nachteile: wenig Pufferkapazität, ungeregeltes Wachstum der Mikroorganismen Biowäscher Vorteile: hohe Konzentrationen möglich, kompaktere Installation als Biofilter Nachteile: Kein Puffersystem, nicht für hohe Henry-Koeffizienten geeignet, nur wasserlösliche Stoffe 300. Welche Voraussetzungen muss die Abluft erfüllen, damit sie biologisch abgebaut werden kann. Benennen Sie hierzu die Parameter. Konz: 0,1 – 2 g/m³ Inhaltsstoffe müssen biol. abbaubar und wasserlöslich sein, dürfen nicht toxisch für MOs sein 301. Weshalb ist es notwendig Stäube und Fette aus der Abluft zu entfernen? Warum kann im Falle von Biowäscher und Biotricklingfilter ggf. auf eine extra Entstaubungseinrichtung verzichtet werden? Stäube setzen den Filter zu, Fette werden von MOs als bevorzugte Nahrungsquelle behandelt, die Schadstoffe in der Abluft werden ggf. nicht abgebaut! Bei feuchten/halbfeuchten Systemen ist keine Entstaubungseinrichtung nötig, da der Staub vom Wasser abgewaschen wird und im Sumpf landet 302. Welche Wasseraktivität aW sollte in biologischen Verfahren eingestellt werden? Wie ist sie definiert (kurze Erläuterung)? Die Wasseraktivität sollte größer 0,98 sein. Sie ist ein Maß für freies Wasser, je kleiner sie ist, desto langsamer wachsen die MOs oder sterben gar. Sie ist definiert über den Quotienten von Wasserdruckdampf p im Medium durch den Wasserdruckdampf ps in reinem Wasser! 303. Sie werden beauftragt für eine Firma eine biologische Reinigungsanlage zu entwickeln. Die Abluft besteht aus den Hauptkomponenten Ethanol und Butanol (Summe beider annähernd 98% des Gesamtmassenstromes). Die Feuchte ϕ beträgt 60%, die Temperatur T beträgt 55°C. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen sollten sie eine Gesamtanlage konstruieren, die nur aus wesentlichen Bestandteilen (kein unnötiger Schnickschnack) besteht. Benennen Sie ein geeignetes Verfahren sowie die Vorkonditionierungseinheiten, die Sie bauen würden. Erklären Sie kurz Ihre Wahl. Empfehlung: Biowäscher Grund: Temperatur mit 55°C zu hoch für „normale“ MOs, nur thermophile MOs halten diese Temperatur aus. Zudem sind im Biowäscher hohe Konzentrationen möglich, Ethanol und Butanol sind beide in Wasser löslich 304. Wo findet im Biowäscher, Biofilter und Biotricklingfilter der Abbau der Abluftinhaltsstoffe statt bzw. wo befindet sich die Biologie? Im Biowäscher werden die Inhaltsstoffe aus der Luft gespült und in der flüssigen Phase abgebaut. Im Biotricklingfilter und im Biofilter werden die Inhaltsstoffe im sogenannten Biofilm abgebaut. 305. In der Regenerationsstufe eines Biowäschers kommt es zu einer Störung (z.B. durch Zugabe von zu viel NaOH). Die Abbauleistung der Mikroorganismen sinkt. Was für Auswirkungen ergeben sich hieraus für die Qualität der gereinigten Abluft im Absorber? Die Qualität der gereinigten Abluft im Absorber sinkt, da in der Regenerationsstufe aufgrund der Störung vermutlich nicht alle Schadstoffe abgebaut wurden. 306. Ihr Chef will die Produktion der Firma umstellen auf ein neues monohalogeniertes Lösungsmittel, um ein höherwertiges Produkt zu erzeugen. Er besteht darauf eine biologische Reinigung vorzunehmen. Aus der Literatur wissen sie, dass das monohalogenierte Lösungsmittel nur teilweise verstoffwechselt werden kann. Welches Verfahren wählen Sie? Kurze Begründung! Biotricklingfilter, da lipophil und nicht wasserlöslich 308. Nennen Sie ein Verfahren zur Bekämpfung des „cloggings. Physikalisches Verfahren: Rausschaufeln Biologisches Verfahren: Stress für die Bakterien, es wird weniger Biomasse produziert 309. Welche Anforderungen werden an das Schüttungsmaterial eines Biofilters gestellt? Nennen Sie zwei Beispiele für Schüttungsmaterialien. Es muss eine große spez. Oberfläche aufweisen, ein gutes Feuchtigkeitsspeichervermögen, viele organische Verbindungen und eine niedrige Verrottungsgeschwindigkeit. Beispiel: Rindenmulch, Blähton 310. Welche drei wichtigen Kenngrößen spielen bei der Dimensionierung einer biologischen Reinigungsanlage eine wichtige Rolle? Wirkungsgrad, Filtervolumenbelastung, Eliminationsleistung 311. Nennen Sie zwei abluftrelevante Gesetze der Bundesrepublik Deutschland! BImSchG, TA Luft 312. Was versteht man unter autochton bzw. allochton? Autochton: standorteigen Allochton: Standortfremd 313. Welche Stoffe können bei der biologischen Bodensanierung als N- bzw. P-Quelle dienen? Dünger, Klärschlamm 314. Was für Strukturbildner kennen Sie (drei Beispiele)? Kompost, Biomüll, Holzabfälle, Perlit 315. Was versteht man unter der gesättigten und der ungesättigten Zone? Gesättigte Zone: Wassergehalt 100% ungesättigte Zone: Wassergehalt < 100% 316. Welche mikrobiologischen Einflussgrößen bezüglich das Bodens kennen Sie? (mindestens vier nennen!) Konzentration von Ionen, pH-Werte, Feuchte, Pufferkapazität, Redoxpotential 317. Definieren Sie das Restfeuchteminimum! Restfeuchteminimum ist der Bereich, an dem die Feuchte optimal ist. Es ist i.d.R. Allerdings nicht limitierend! 318. Wie sollte die Pufferkapazität des Bodens beschaffen sein? Je größer, umso besser, damit pH-Wert lange konstant bleibt 319. Was beschreibt der foc-Parameter? Was ist bei Böden mit hohem foc-Wert zu beachten? Der foc-Parameter beschreibt, wie hoch die Konzentration von org. Kohlenstoff im Boden ist (wichtig wegen Sorption!) Ein hoher foc-Wert weißt auf einen hohen Kohlenstoffgehalt hin → Beeinträchtigung des Abbaus 320. Warum muss der kontaminierende Schadstoff im Boden zum mikrobiellen Abbau in einer optimalen Konzentration vorliegen? Die Konzentration muss optimal sein, damit die MOs durch eine zu hohe Konzentration nicht vergiftet oder geschädigt werden → Beeinflussung des Abbaus 321. Was versteht man unter Bioverfügbarkeit? Bioverfügbarkeit ist die Konzentration der Substanz, die den Mikroorganismen zur Verfügung steht, also nicht durch Adsorption oder ähnliches gebunden ist 322. Zu welcher Substanzklasse (bezüglich der Funktion) gehören Tenside? Oberflächenaktive Substanzen 323. Was kennzeichnet das Temperatur- und pH-Optimum? Die Abbaufähigkeit von Mikroorganismen wird durch die Temperatur und den pH-Wert bestimmt → bei Optimum schnellste Abbaureaktion 324. Was versteht man unter "oligotroph"? Oligotrop bedeutet, dass wenig Nährstoffe zur Verfügung stehen, im Falle der Mikroorganismen bedeutet dies über dies hinaus sehr langsame Vermehrungsraten. 325. Was ist ein Biofilm? Warum bildet er sich aus? Ein Biofilm ist ein Gebilde, das aus sich an Partikel heftenden Mikroorganismen besteht, um optimal mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt zu werden. (schleimumhüllt) 326. Auf welche verschiedene Arten kann eine Kontamination biologisch „verwertet“ werden? (zwei Begriffe mit jeweiliger Erklärung!) 1.) Mineralisierung / Totaloxidation: aerob oder anaerob mit NO3- - Atmung (Vermehrung ist möglich) 2.) Transformation a) Teilabbau mit Energiegewinn (Vermehrung ist möglich) b) Teilabbau ohne Energiegewinn (Cometabolismus / Fehlmetabolismus) → keine Vermehrung c) Umbau keine Vermehrung 327. Welche abiotischen Dekontaminierungen können auftreten? (zwei Beispiele nennen!) Ausgasen, Sorption, Zerfall 328. Was ist Synergismus? Anderer Begriff für Symbiose, Zusammenarbeit zweier Organismen 329. Welche Verfahren kennen Sie, um Kontaminationen in Böden bzw. Wässern nachzuweisen? Nennen Sie zwei verschiedene und erläutern Sie diese (Vorgehensweise, Detektion, ...)! Gaschromatographie, chromatografisch 330. Was kennzeichnet Schwermetalle im Sinne „biologischer Abbaubarkeit“? Schwermetalle sind toxisch, sie behindern den Abbau, da sie die Mikroorganismen vergiften 331. Welche drei Probleme können bei Mischkontaminationen auftreten? Erläutern Sie diese kurz! a) Sauerstoffzehrungdurch hohe Ammoniumkonzentrationen (O2 fehlt zum Abbau des eigentlichen Schadstoffes) b) konkurrierender Abbau: verschiedene Abbaugeschwindigkeiten der Kontaminanten resultieren daraus c) Schwermetallinhibition der Bakterien 332. Welche Potentiale bergen Mischkontaminationen (Vorteile)? Mobilisierung eines Schadstoffes durch einen anderen, Cometabolismus (z.B. Symbiose) 333. Welche Unterscheidung trifft man grundsätzlich bei Sanierungsverfahren? Sicherungsverfahren (z.B. Kunststofffolie über Deponie) oder Dekontaminationsverfahren Biologisch oder nicht-biologisch 334. Charakterisieren Sie kurz die unterschiedlichen in-situ Verfahren bei oberflächennahen bzw. tieferen Bodenkontaminationen! An der Oberfläche ist der Schadstoff gut abbaubar, in tieferen Schichten (max. 2m) kaum mehr möglich, da zu wenig Sauerstoff 335. Was versteht man unter on-site, was unter off-site Verfahren? Der Boden wird ausgehoben, on-site bedeutet den Abbau vor Ort (z.B. auf Hochbeet), off-side bedeutet, dass der Aushub abtransportiert wird und andernorts gereinigt wird 336. Wie wird in Deutschland Landfarming durchgeführt? Ein ex-situ-Verfahren, bei dem Flachbeete(40cm Höhe) angelegt werden, die landwirtschaftlich gut bearbeitbar sind. Durchpflügen der Böden um diese Aufzulockern und Ausbringen der Mikroorganismen, Trägermedium, Nährsalzen etc. 337. Welches Verfahren der Bodensanierung ist das meistgenutzte in Deutschland? Das sogenannte Regenerationsmieten 338. Warum werden Bioreaktoren zur Reinigung von Böden genutzt? Gehen Sie dabei kurz auf die Vorteile eines geschlossenen Systems im umweltschutztechnischen Sinn ein! Da sich die Prozesse im Bioreaktor besser steuern lassen als z.B. auf dem freien Feld. Außerdem ist die Gefährdung des Grundwassers durch das geschlossene System vermeidbar. 339. Welche Vorteile bringt biologische Bodensanierung? Welche Nachteile stehen dem gegenüber? Kostengünstig, geringer Energiebedarf (außer Bioreaktor), rekultivierbares Endprodukt allerdings langandauernd, eventuell Hemmung möglich 340. Aus welchen Komponenten würden Sie ein Modellöl zusammenmischen, mit dem Sie den biologischen Abbau von Diesel modellieren wollen? n-Undecan, n-Hexadecan, Pristan (2,6,10,14-Tetrametyl-pentadecan), Naphtalin 341. Wie werden Bakterien-Reinstämme gewonnen, die Diesel als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen? Indem eine Mischkultur mit dem Dieselkraftstoff überimpft wird. Die übrig gebliebenen, Diesel abbauenende Mikroorganismen werden als Reinkultur vermehrt. 342. Nennen Sie ein Verfahren, um Kohlenwasserstoffe aus Bodenproben zu extrahieren und deren Konzentration zu bestimmen. Soxhlet-Verfahren 343. Welche Parameter werden beim Landfarming-Versuch zyklisch bestimmt? Wiederfindungsrate, KBE (Gesamtkeimzahl und Selektivkeimzahl), Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, pH 344. Welche Abbaubarkeit von Pristan (2,6,10,14-Tetrametyl-pentadecan) erwarten Sie? Keine gute Abbaubarkeit, da der Stoff sehr verzweigt ist, was dazu führt, dass der Stoff von Mikroorganismen nicht gut abbaubar ist, da die Abbaubarkeit mit Verzweigungsgrad sinkt
