Arbeitsheft Biochemie 2 Auflage

Arbeitsheft

Biochemie Timo Brandenburger Fachbeirat Prof. Dr. Klaus-Heinrich Röhm 2., aktualisierte Auflage

Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Timo Brandenburger Stiftstr. 2 24103 Kiel Fachbeirat: Prof. Dr. Klaus-Heinrich Röhm Universität Marburg Institut für Physiologische Chemie Karl-von-Frisch-Straße 35033 Marburg

1. Auflage 2003

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie: detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Autoren und Verlag haben sich bei der Zusammenstellung der Fragen, bei der Zuordnung der Lösungen und bei der Kommentierung von Fragen und Lösungen um größtmögliche sachliche Richtigkeit bemüht. Dennoch wird eine Gewähr für die in diesem Band enthaltenen Angaben nicht übernommen.

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© 2003, 2009 Georg Thieme Verlag KG Rüdigerstraße 14 D-70469 Stuttgart Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Umschlagfoto: Studio Nordbahnhof Stuttgart Satz: Graphik & Text Studio, Barbing Druck: Wesel-Kommunikation Printed in Germany ISBN 978-3-13-132252-4 123 4 5

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Vorwort

Macht nicht jeder Student irgendwann die Erfahrung, dass er Gelerntes und Verstandenes sehr viel schneller vergisst, als ihm es lieb wäre? Insbesondere trifft dies für die Biochemie zu, die dem Studenten bei stetig wachsender Fülle des Stoffes ein wahres Elefantengedächtnis abzuverlangen scheint. Aus dieser Einsicht entstand das Konzept eines Arbeitsheftes, das durch aktives Wiederholen ein besseres Einprägen zuvor erlernter Sachverhalte ermöglichen soll. In erster Linie richtet sich dieses Buch an Medizinstudenten des vorklinischen Studienabschnittes. Das Arbeitsheft kann in verschiedener Hinsicht hilfreich sein: • Während des Studiums kann es dazu dienen, den im biochemischen Praktikum gelernten Stoff aktiv zu wiederholen. Das bietet vor allem 2 Vorteile: Erstens wird das zuvor Gelernte nicht so schnell vergessen und zweitens zeigt die Bearbeitung der Aufgaben, wo man noch Schwächen hat, die man dann mit Hilfe eines Lehrbuchs ausbessern sollte. • Über 100 Prüfungsprotokolle verschiedener Universitäten wurden analysiert, um ein Heft zu schaffen, das den Studenten insbesondere auf das mündliche Physikum vorbereitet. Gerade in der Situation der mündlichen Prüfung greift das Konzept des

„Selbst-Machens“, das Aktivität und eigenständiges Denken vom Studenten fordert. Das Arbeitsheft kann auch in Lerngruppen verwendet werden, um sich mit verschiedenen Fragen aus dem Arbeitsheft gegenseitig zu prüfen. • Auch für die Vorbereitung auf das schriftliche Physikum kann das Heft genutzt werden. Durch die Kapitelaufteilung, die dem Gegenstandskatalog entspricht, ist es möglich einzelne Kapitel parallel zum „Fragen kreuzen“ durchzuarbeiten. Alle Altfragen wurden analysiert und Schwerpunkte in die Fragen des Arbeitsheftes eingearbeitet. Neben der Physikumsrelevanz steht aber auch ein anderer Aspekt im Vordergrund. Das Arbeitsheft kann den Studenten für kurze Zeit von dem monotonen „A bis E-Denken“ ablenken und so ein wenig produktive Abwechslung schaffen. Das Arbeitsheft besteht aus einem Fragen- und einem Lösungsteil, in dem jede Frage ausreichend kommentiert ist. Je nach Belieben kann bei schwierigen Fragen zusätzlich ein Lehrbuch zu Rate gezogen werden. Das Arbeitsheft soll kein Lehrbuch ersetzen, es sollte als ergänzende Lernhilfe verstanden werden. Der Schwierigkeitsgrad variiert von Frage zu Frage, komplizierte Fragen

kann man auslassen und unter Umständen später bearbeiten. Auf keinen Fall sollte Frustration entstehen, wenn manche Frage auf Anhieb zu kompliziert erscheint. Ich hoffe, mit diesem Konzept dem Studenten eine Hilfe beim Studium der Biochemie des Menschen an die Hand geben und hoffentlich auch ein bisschen Spaß und Interesse für die Biochemie wecken zu können. Schließlich danke ich Herrn Professor Röhm für seine fachliche Unterstützung, Frau Dr. Fode vom Georg Thieme Verlag für ihre intensive Betreuung, den Rezensenten und Freunden, die unermüdlich Vorschläge zur Verbesserung geliefert haben, insbesondere gilt dies für meine Partnerin Maria. Über Hinweise und Korrekturvorschläge der Leser würde ich mich sehr freuen, denn nur so kann das Arbeitsheft in Zukunft besser an die Interessen der Leserschaft angepasst werden. Kiel, im Dezember 2008 T. Brandenburger

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Seiten Kapitel

6…7

1

Aminosäuren, Peptide und Proteine

8 … 12

2

Chemie der Fettsäuren und Lipide

12 … 13

3

14

4

Vitamine und Coenzyme

15 … 22

5

Enzyme

22 … 26

6

Ernährung, Verdauung

26 … 29

7

Abbau der Kohlenhydrate

29 … 31

8

Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

32 … 33

9

Aminosäurestoffwechsel

34 … 36

10

Citratcyklus und Atmungskette

36 … 39

11

Glykogenstoffwechsel, Gluconeogenese

39 … 41

12

Biosynthese der Fettsäuren, Lipogenese

41 … 42

13

Spurenelemente

43 … 44

14

Subzelluläre Strukturen

44 … 46

15

Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

46 … 54

16

Hormone

54 … 64

17

Immunchemie

65 … 69

18

Blut

69 … 75

19

Biochemie einzelner Organe

76 … 82

20

Kohlenhydrate

Inhalt

Nucleotide und Nucleinsäuren

Lösungen

ab Seite 83

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1

1

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate

[1] Zeichnen Sie die Monosaccharide D-Glukose, D-Galaktose, D-Mannose und D-Fructose in der Fischer-Projektion in die unten stehenden Felder ein:

D-Glukose

D-Galaktose

D -Mannose

D-Fructose

Andere Darstellungsformen [2] Durch die Verbindung zwischen der Alkoholgruppe am C-Atom ________ (2.1) der D-Glucose und der _____________________ Gruppe (2.2) am C-Atom 1 entsteht ein _____________________ (2.3).

[3] Zeichnen Sie die α-D-Glukose in der Pyranose-Form (HaworthProjektion) in das vorgegebene Feld ein:

α-D-Glukose (Haworth)

[4] Reagiert die C-2 Ketogruppe der Fructose mit der Hydroxylgruppe an C-5, so entsteht ein intramolekulares ___________________ (4.1); man bezeichnet diesen fünfgliedrigen Zuckerring als ___________________ (4.2). Können Sie diesen auch zeichnen? Versuchen Sie es (4.3):

α-D-Fructose (Haworth-Projektion)

Isomerie [5] Bei D-Glucose und D-Galaktose handelt es sich um ___________________ (5.1). ___________________ (5.2) liegen vor, wenn zwei Moleküle die gleiche Summenformel, jedoch eine unterschiedliche Struktur besitzen (z.B. D-Glukose und D-Fructose). Verhalten sich zwei Moleküle wie Bild und Spiegelbild zueinander, so nennt man diese _____________________ (5.3) (z.B. D-Glucose und L-Glucose) 6 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Mögliche Reaktionen der D-Glucose

1

[6] Oxidiert man D-Glucose am C-Atom 1, entsteht _____________________ (6.1). Zweifache Oxidation der Kohlenhydrate

Alkoholgruppe am C-Atom Nr. ________ (6.2) ergibt Glucuronsäure.

[7] Zeichnen Sie diese beiden Moleküle in die freien Felder ein:

[8] Glucosamin trägt eine Aminogruppe am C-Atom Nr. ________ (8.1); durch Acetylierung der Aminogruppe entsteht _____________________ (8.2). Der Zuckeralkohol Sorbitol entsteht durch _____________________ (8.3) der Aldehydgruppe der D-Glucose.

Gluconsäure

Glucuronsäure

Di- und Polysaccharide [9] Verbinden Sie die nachfolgenden drei Spalten der Disaccharide durch unterschiedlich farbige Pfeile korrekt miteinander: Disaccharid

Bindungsart

Vorkommen

Maltose

β-Galaktosido-1-4-Glucose

Rübenzucker, Zuckerrohr

Saccharose

β-Glucosido-1-4-Glucose

Milch

Lactose

α-Glucosido-1-4-Glucose

Pflanzen

Cellobiose

α-Glucosido-1-2-Fructosid

Malzzucker

[10] Disaccharide entstehen durch Zusammenschluss von zwei Monosacchariden unter Abspaltung von ___________________ (10.1). Die dann vorliegende Bindung bezeichnet man als ___________________ (10.2).

[11] Polysaccharide bestehen aus langen Ketten α- oder β-glykosidisch verknüpfter Monosaccharide. Sind die Polysaccharide aus nur einer Art von Monosacchariden aufgebaut, bezeichnet man diese als Homoglykane, enthalten sie verschiedene Zuckeranteile, nennt man sie Heteroglykane. Vervollständigen Sie nachfolgende Tabelle der Homoglykane: Homoglykan

monomere Einheit

Verknüpfung

Verzweigung

Vorkommen/Funktion Reservekohlenhydrat in Leber, Muskel von Tieren

Glykogen β-1→ 4

Bestandteil von Stärke (ca. 20 %)

D-Glucose Amylopektin α-1→ 6

von Bakterien sezernierte Schleimsubstanz 7

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2

2

Aminosäuren, Peptide und Proteine

Aminosäuren, Peptide und Proteine

[1] Der genetische Code des Menschen enthält Informationen für 20 verschiedene Aminosäuren, die bei der Translation in Proteine eingebaut werden. Man bezeichnet diese Aminosäuren daher als proteinogen. (Übrigens bauen nicht nur wir Menschen die Proteine aus eben diesen 20 Aminosäuren auf, sondern alle Lebensformen, vom einfachen Einzeller bis zu uns!) Grundgerüst der Aminosäuren des Menschen

Alle 20 proteinogenen AS haben das gleiche Grundgerüst. Zeichnen Sie dieses in das Feld ein:

[2] Aminosäuren erfüllen im Organismus die unterschiedlichsten Funktionen. Können Sie vier von diesen Funktionen aufzählen?

•

__________________________________________

•

__________________________________________

•

__________________________________________

•

__________________________________________

[3] Die Aminosäuren des Menschen unterscheiden sich zum Teil erheblich in ihrem Rest; man kann sie daher in verschiedene Gruppen einteilen: aliphatisch, schwefelhaltig, aromatisch, neutral, sauer und basisch. Vervollständigen Sie dazu die folgenden Tabellen! Geben Sie jeweils den Namen und die offizielle Abkürzung der Aminosäure an, zeichnen Sie den Rest ein und ergänzen Sie, ob die jeweilige Aminosäure für den Menschen essentiell ist, d.h. ob sie mit der Nahrung zugeführt werden muss oder nicht. Zunächst die fünf aliphatischen Aminosäuren: Aminosäure (Abkürzung)

Glycin (Gly)

Leucin (Leu)

CH3

H3C CH

H3C C H

CH3

CH3

Struktur (Seitenkette)

essentiell?

CH2

nein

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Weiter geht es mit den schwefelhaltigen und den aromatischen Aminosäuren: Phenylalanin (Phe)

Cystein (Cys)

CH2

Tryptophan (Trp)

Aminosäuren, Peptide und Proteine

Aminosäure (Abkürzung)

2

CH2

CH2 S

Struktur (Seitenkette)

CH3

OH

essentiell?

Und die neutralen Aminosäuren sowie die Iminosäure Prolin? Aminosäure (Abkürzung)

Threonin (Thr)

Glutamin (Gln)

CH2

CH2

OH

CONH2

Prolin (Pro)

Struktur (Seitenkette)

essentiell?

Zum Schluss die sauren und basischen Aminosäuren: Aminosäure (Abkürzung)

Glutaminsäure (Glu) CH2 COO

Struktur (Seitenkette)

Histidin (His)

Arginin (Arg)

C H2 –

CH2 CH2 CH2 NH3+

essentiell?

9 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[4] Beantworten Sie folgende Fragen zu besonderen Strukturmerkmalen einiger AS:

2 Aminosäuren, Peptide und Proteine

• Welche Aminosäure besitzt kein chirales Zentrum? _____________________ (4.1) • Welche Aminosäuren besitzen zwei chirale Zentren? _____________________ (4.2); _____________________ (4.3) • Welche besondere Gruppe enthält die Aminosäure Arginin? ________________________________ (4.4) • Wie bezeichnet man die Ringstruktur, die im Prolin vorkommt? ________________________________ (4.5) • Welchen Namen hat die Doppelringstruktur, die im Tryptophan enthalten ist? ________________________________ (4.6) • Wie heißt die im Histidin vorhandene Ringstruktur? ________________________________ (4.7) • Wie nennt man eine freie SH-Gruppe, wie sie im Cystein enthalten ist? ________________________________ (4.8) • Im Methionin ist ein Schwefelatom mit zwei Kohlenstoffatomen verknüpft. Wie nennt man diese Art der Bindung? ________________________________ (4.9)

[5] Aminosäuren können Protonen aufnehmen und abgeben, man bezeichnet sie daher als Ampholyte. Im pH-Wert-Bereich des Blutes von etwa 7,40 liegen die meisten Aminosäuren als so genannte Zwitterionen vor, da sie anionische und kationische Eigenschaften haben. Je nach pH-Wert ändert sich die Nettoladung der Aminosäuren. Als isoelektrischen Punkt (IP) bezeichnet man den pH-Wert, bei dem die Nettoladung gleich Null ist. Wie errechnet man diesen IP bei • neutralen AS? ___________________________________________ (5.1) • sauren AS?

___________________________________________ (5.2)

• basischen AS? ___________________________________________ (5.3) Berechnen Sie den IP von Alanin, Aspartat und Lysin (Alanin: pK1 = 2,4; pK2 = 9,7), (Aspartat: pK1 = 2,1; pK2 = 3,9; pK3 = 9,8), (Lysin: pK1 = 2,2; pK2 = 9,0; pK3 = 10,5): • Alanin: IP =

___________________________________________ (5.4)

• Aspartat: IP = ___________________________________________ (5.5) • Lysin: IP =

___________________________________________ (5.6)

[6] Geben Sie die Strukturformel und den Nettoladungszustand der Aminosäure Lysin bei verschiedenen pH-Werten an.

pH = 1 Nettoladung

pH = 9,7 Nettoladung

pH = 11 Nettoladung

________

________

________

10 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Peptidbindung

2

[7] Bei der Proteinbiosynthese werden die einzelnen AS unter Wasserabspaltung zu Peptiden und Proteinen Aminosäuren, Peptide und Proteine

(Polypeptide) verknüpft. Um welche Bindungsart handelt es sich bei der Peptidbindung? ___________________________________________

[8] Beschreiben Sie die Peptidbindung unter Verwendung folgender Begriffe: Ebene, frei drehbar, mesomeriestabilisiert

[9] Hier dargestellt ist das Tripeptid Glutathion. NH3+

O NH

–

OOC O

NH

COO–

CH2 SH

Markieren Sie mit einem farbigen Stift die beiden Peptidbindungen (9.1) und geben Sie an, aus welchen drei AS dieses Peptid aufgebaut ist: _____________________

_____________________

_____________________ (9.2)

Welche Besonderheit weist eine der beiden Peptidbindungen auf?

(9.3)

Proteinaufbau

[10] Erläutern Sie kurz die vier Organisationsebenen des Proteinaufbaus! Primärstruktur:

11 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Sekundärstruktur:

2 Aminosäuren, Chemie der Peptide Fettsäuren und Proteine und Lipide

3

Tertiärstruktur:

Quartärstruktur:

3

Chemie der Fettsäuren und Lipide

[1] Aus welchen Bausteinen sind Triacylglycerole aufgebaut und durch welchen Bindungstyp sind die Bausteine miteinander verbunden?

[2]Triacylglycerole sind der quantitativ wichtigste Bestandteil der Nahrungslipide. Nehmen sie als solche im Darm an der Mizellenbildung teil? ____________________________________________________________________________________________ 12 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[3] Vervollständigen Sie die Tabelle der Fettsäuren: Anzahl der C-Atome

Doppelbindungen

essentiell?

Palmitinsäure

Chemie der Fettsäuren Lipide Aminosäuren, Peptide und Proteine

Fettsäure

32 nein

Stearinsäure

0

Ölsäure

1

Linolsäure Linolensäure

ja

Arachidonsäure

[4] Bezeichnen Sie die vier Bestandteile des aufgezeichneten Phospholipids! (4.1)

O C O CH2 C O CH O

O

CH3

CH2 O P O CH2 CH2 N+ CH3 O– (4.2) (4.3)

CH3 (4.4)

_____________________ (4.1)

_____________________ (4.2)

_____________________ (4.3)

_____________________ (4.4)

[5] Statt mit Cholin können Phospholipide auch mit anderen Molekülen am Phosphatrest verestert sein. Kennen Sie Beispiele? _____________________

_____________________

_____________________

[6] Ordnen Sie durch Pfeile den beiden Enzymen die zutreffende Funktion zu! Phospholipase A2

kann Fettsäuren vom Glycerol abspalten (z.B. Arachidonsäure bei der Prostaglandinsynthese)

Phospholipase C

kann IP3 und DAG aus bestimmten Phospholipiden abspalten

[7] Vervollständigen Sie die folgende Formel so, dass Cholesterol entsteht!

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4

4

Nucleotide und Nucleinsäuren

Nucleotide und Nucleinsäuren

[1] Hier sehen Sie die drei Pyrimidinbasen und die zwei Purinbasen, die am Aufbau von DNA und RNA beteiligt sind. Können Sie anhand des Formelbildes erkennen, um welche Basen es sich handelt?

O

O

HN O

CH3

HN

N H

O

_____________________ (1.1)

NH2 N

N H

O

_____________________ (1.2)

_____________________ (1.3)

O

NH2 N

N N

N H

N H

_____________________ (1.4)

N

HN N

H2N

N H

_____________________ (1.5)

[2] Geben Sie den schematischen Aufbau eines Nucleosids bzw. eines Nucleotidmonophosphats wieder! (B = Base, P = Phosphat, Z = Zucker)

Nucleotidmonophosphat

Nucleosid

[3] Vervollständigen Sie den DNA-Einzelstrang zu einem Doppelstrang!

T Z

G P

Z

C P

Z

T P

Z

G P

Z

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P

Vitamine und Coenzyme

5

5 Vitamine und Coenzyme

Fettlösliche Vitamine [1]

Ergänzen Sie die folgende Übersichtstabelle zu den fettlöslichen Vitaminen:

Vitamin

biologisch aktive Form

Wirkung

Retinol, Retinal, Retinsäure

Vorkommen Fisch, Provitamin in vielen Pflanzen (β-Carotin)

Vit. D – Cholecalciferol

Tocopherol-Hydrochinon

Oxidationsschutz

Difarnesylnaphtochinon

Vitamin A [2] In welchen Zellen der Leber und in welcher Form wird Vit. A gespeichert? ___________________________________________

[3] Wie lange reicht der Vit. A-Speicher der Leber aus? ___________________________________________

[4] Nennen Sie Folgen einer Hyperbzw. Hypovitaminose A!

Hypervitaminose

Hypovitaminose

[5] Welche Aufgaben übernimmt die Retinsäure?

Der Sehvorgang all-trans-Retinal H3C

CH3

CH3

CH3 COH

OH

15 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[6] Der lange Weg des Sehvorgangs:

5 Vitamine und Coenzyme

Vervollständigen Sie den Text durch Einfügen der folgenden Wörter: all-trans-Retinal; Depolarisation; Phosphodiesterase; Natrium; Rhodopsin; Hyperpolarisation; Glutamat; 11-cis-Retinal; Transducin Die Sinneszellen des Auges beherbergen in ihrer Membran das Sehpigment _____________________ (6.1), ein zusammengesetztes Protein aus Opsin und _____________________ (6.2). Erhalten die Stäbchen und Zapfen kein Lichtsignal, so sind in den Membranen viele _____________________ -kanäle (6.3) geöffnet. Dies bewirkt eine _____________________ (6.4) der Zelle, die wiederum für die Öffnung spannungsgesteuerter Calciumkanäle verantwortlich ist. Durch die hohe intrazelluläre Calciumkonzentration wird über eine _____________________ -Freisetzung (6.5) das Dunkelsignal von den Sinneszellen an die bipolaren Zellen weitergegeben. Bei Lichteinfall wird 11-cis-Retinal zu _____________________ (6.6) isomerisiert; dies führt zu schrittweisen Konformationsänderungen des Rhodopsins. All-trans-Retinal diffundiert schließlich vom Opsin weg, da es nicht an die Bindungsstelle für 11-cis-Retinal passt. Dabei entsteht auch aktiviertes Rhodopsin (R*), welches in der Folge eine enzymatische Kaskade auslöst. Das membranständige _____________________ (6.7) , das eine Guanylnucleotidbindungsstelle an der α-Untereinheit besitzt, bindet an das R*. Durch diese Bindung wird das an die α-Untereinheit des Transducins gebundene GDP durch GTP ersetzt und das R* löst sich danach wieder ab (R* kann dann bis zu 500 weitere Transducin-Moleküle aktivieren!). Die mit GTP aktivierte α-Untereinheit des Transducins spaltet sich nun von der β- und γ-Untereinheit ab und aktiviert in der Folge eine cGMP-abhängige _____________________ (6.8) , die das in der Zelle vorhandene cGMP spaltet. Dadurch kommt es zu einem raschen cGMP-Abfall in den Stäbchen und Zapfen (Wechselzahl der PDE: 4200 s-1!). Dieser Abfall bewirkt den Schluss vieler Ionenkanäle, die intrazelluläre Calciumkonzentration fällt ab und es resultiert eine _____________________ (6.9) der Sinneszellen. Die Glutamatfreisetzung an der Synapse nimmt ab, wodurch letztendlich das Lichtsignal entsteht.

Vitamin D – Cholecalciferol [7] Vervollständigen Sie den „Lebenslauf“ des Vitamin D: Pränatal Geburt Kind

Provitamin D 3 = (7.1)

Einfluss: (7.3)

abgelagert in

Vitamin D = (7.4)

(7.2)

Schule 1. Hydroxylierung Organ: (7.5) Studium Beruf

2. Hydroxylierung Abitur

Organ: (7.7) (7.8) (= Cacitriol)

(7.6)

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[8] Vergleichen Sie die Wirkungen von Calcitriol mit denen des Parathormons: Calcitriol

5

Parathormon Vitamine und Coenzyme

Wirkung auf Niere

Wirkung auf Knochen

Wirkung auf Darm

Vitamin E und Vitamin K [9] Es folgen nun einige Aussagen zu den beiden Vitaminen E und K. Entscheiden Sie jeweils, ob die Aussage wahr oder falsch ist! • Umgewandelt in Tocochinon kann Vitamin E an Redoxreaktionen teilnehmen: ________ (9.1) • Die Synthese der Gerinnungsfaktoren II, III, VII und IX ist von Vitamin K abhängig: ________ (9.2) • Phyllochinone werden in großen Mengen von Darmbakterien des Menschen synthetisiert: ________ (9.3) • Unterbricht das aktive Vit. E eine Radikalkette, so entsteht dabei ein Tocopherylradikal, das durch Antioxidantien wie Ascorbat oder Glutathion reduziert werden kann: ________ (9.4) • Für die intestinale Resorption von Vit. K werden Gallensäuren nicht benötigt, da Vit. K ein lipophiles Vitamin ist: ________ (9.5) • Die Wirkung der Vit. K-antagonistischen Cumarine beruht auf einer Hemmung der Epoxid-Reduktase: ________ (9.6) • Nach lange andauernder oraler Antibiotikatherapie kann ein Vit. K-Mangel entstehen, wodurch es zu einer Verlängerung der Blutgerinnungszeit kommt: ________ (9.7)

[10] Hier ist der Reaktionsmechanismus Vit. K-abhängiger Carboxylierungen dargestellt.

An welcher Stelle greifen Cumarinderivate wie Marcumar® in diesen Zyklus ein? OH CH3

Red. Vit. K Enzym: Chinon-Reduktase

R OH R CH2 COO–

O CH3 Vit. K

R

Enzym: Carboxylase

O

COO– R CH

Enzym:

COO–

Epoxid-Reduktase

O CH3 O R

Vit. K-Epoxid

O

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Wasserlösliche Vitamine

5 Vitamine und Coenzyme

[11] Vervollständigen Sie die folgende Tabelle der hydrophilen Vitamine! Vitamin

biologisch aktive Form

Vit. B1 –

Vit. B2 - Riboflavin

Wirkung

Vorkommen, u. a.

dehydrierende Decarboxylierungen

Nüsse, Keime, Schweinefleisch

Aal, Hefe, Käse, Hühnerbrust, Milch

FAD, FMN

Niacin

Wasserstoffübertragung

Leber, Fisch, Erbsen, Walnuss, Bierhefe

Pyridoxalphosphat

Desoxyadenosylcobalamin, Methylcobalamin

C-C-Umlagerungen, C-1-Übertragungen

frisches, grünes Gemüse, z.T. Synthese durch Darmflora

Folsäure

Pantothensäure

Nüsse, Fleisch, Fisch – Synthese aus Tryptophan

CoA, Phosphopantethein

Eier, Fleisch, Erdnuss

Ascorbinsäure

Redoxsystem, Hydroxylierung

Biocytin

Carboxylierungen

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Vitamin B1 und Vitamin B2

5

[12] Korrigieren Sie 4 Fehler im folgenden Text, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Vitamine und Coenzyme

Formulierungen notieren: Das Vitamin B1 – Thiamin – ist aus einem Purinring und einem Thiazolring aufgebaut, die über eine CH2-Gruppe miteinander verbunden sind. Thiamin wird mit Hilfe der Thiaminkinase und ATP zu Thiaminpyrophosphat (TPP) aktiviert. Im Stoffwechsel nimmt TPP als Coenzym an verschiedenen Decarboxylierungsreaktionen teil. Dies ist erstens der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, der Pyruvat in Acetyl-CoA umwandelt, zweitens die a-Ketoglutarat-Dehydrogenase des Citratcyklus, drittens die Decarboxylierung von Glutamat zum Neurotransmitter GABA und viertens die Transketolase-Reaktion im Hexosemonophosphatweg. Eine Hypovitaminose des Thiamins führt zu Pellagra. Diese Erkrankung ist u.a. durch Dermatitis, Diarrhoe und Demenz gekennzeichnet. Das Vitamin B2 – Riboflavin – besteht aus einem Isoalloxazin-Ringsystem und der Pentose Ribose. Riboflavin ist Baustein der Coenzyme FMN und FAD. FMN und FAD katalysieren oxidative Desaminierungen (AS-Oxidasen), Dehydrierungen (z.B. Acyl-CoA-DH), Oxidationen von Aldehyden (z.B. Xanthinoxidase) und Transhydrogenierungen. Hypovitaminosen sind sehr selten, da Riboflavin weit verbreitet ist. ________________________________ (12.1)

________________________________ (12.2)

________________________________ (12.3)

________________________________ (12.4)

Niacin [13] Aus welcher Aminosäure kann Niacin gebildet werden? _____________________ [14] Niacin ist Strukturbestandteil von folgenden zwei wichtigen Coenzymen: ________________________________

________________________________

[15] Welche Erkrankung beruht auf einem Niacinmangel? _____________________ Vitamin B6 – Pyridoxin [16] Die aktive Form des Vitamin B6 ist das Pyridoxalphosphat (PALP). Viele Decarboxylierungsreaktionen und Transaminierungen sind PALP-abhängig. Es folgen nun einige Ausgangsverbindungen, welche PALP-abhängig decarboxyliert werden. Geben Sie dazu das jeweils entstehende Produkt in der nebenstehenden Tabelle an:

Ausgangsverbindung

Produkt

Glutamat Histidin Cystein Aspartat Serin 5-Hydroxytryptophan Dopa

[17] Bei zwei von den aufgelisteten Reaktionen ist PALP Coenzym. Markieren Sie diese! 1. Succinyl-CoA + Glycin

→

δ-Aminolaevulinsäure

2. Homocystein

→

Methionin

3. Noradrenalin

→

Adrenalin

4. Glykogen

→

Glucose-1-Phosphat

19 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Vitamin B12 - Cobalamin

5 Vitamine und Coenzyme

[18] Vervollständigen Sie den Lückentext zum Cobalamin! Cobalamin ist aus einem Corrinringsytem mit vier reduzierten Pyrrolringen aufgebaut; im Zentrum besitzt es ein _____________________-Atom (18.1). Es wird ausschließlich von Mikroorganismen gebildet; dies ist der Grund dafür, dass es in pflanzlicher Nahrung nicht vorhanden ist. Vitamin B12 wird als „extrinsic factor“ aufgenommen. Im Magen bindet es an den ________________________________ (18.2), der von den _____________________ (18.3) des Magens produziert wird und das Vitamin vor Abbau durch die Pankreasenzyme schützt. Als 5’-Desoxyadenosylcobalamin ist das Vitamin an der Umlagerung von _____________________ -Resten (18.4) beteiligt. Ein Beispiel für eine solche Umlagerung ist die Umwandlung von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA beim Abbau von _____________________ (18.5) Fettsäuren. Eine andere Coenzymform ist das Methylcobalamin, das essentiell für die Remethylierung von Homocystein zu _____________________ (18.6) ist. Ein Vit. B12-Mangel manifestiert sich erst nach einiger Zeit, da die Leber einen Speichervorrat von etwa 2 Jahren besitzt. Ein typisches durch Cobalamin-Mangel hervorgerufenes Krankheitsbild ist die ________________________________ (18.7).

Folsäure [19] Das Folsäure-Molekül besteht aus drei Bausteinen. Unten sehen Sie den Bauplan des Folats. Bezeichnen Sie die einzelnen Bausteine!

OH N

N H2N

O

N

CH2 NH

COO –

C NH CH CH2

N

CH2 COO –

___________________ (20.1) ___________________ (20.2) ___________________ (20.3)

[20] Nach enzymatischer Umwandlung in Tetrahydrofolsäure (FH4) ist das Vitamin Coenzym von C1-Übertragungen. Dabei werden verschiedene C1-Gruppen vorübergehend an N5, N10 oder beide N-Atome von FH4 gebunden. Ergänzen Sie die folgende Tabelle der Stoffwechselreaktionen, an denen FH4 beteiligt ist. C1-Gruppe

gebundenes N-Atom

Methylgruppe

N5

Hydroxymethylgruppe

N5, N10

Formiminogruppe

N5, N10

Formylgruppe

N10

Beispielreaktion

20 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[21] Als angehender Arzt interessieren Sie sich für die Möglichkeit der Hemmung der Folsäure-Synthese, um dadurch eventuell die Ausbreitung pathogener Bakterien bremsen zu können. Zur Verfügung stehen Ihnen dazu Sulfonamide und Folsäure-Antagonisten. Können Sie die beiden unterschiedlichen Wirkungsmechanismen erklären?

5 Vitamine und Coenzyme

Pantothensäure [22] Aus welchen Struktureinheiten ist Pantothensäure aufgebaut?

O

CH3 HO C H2 C

CH C NH CH2 CH2 COO –

CH3 OH

___________________ (23.1) ___________________ (23.2)

[23] In welchem biochemisch sehr wichtigen Molekül kommt Pantothensäure vor? ___________________

Vitamin C – Ascorbinsäure [24] Das dargestellte Ascorbinsäuremodell enthält zwei Fehler. Können Sie diese finden? HO H2N

O O CH2

[25] Entscheiden Sie, ob die folgenden

CH2OH

Aussagen zum Vitamin C wahr oder falsch sind! • Ascorbinsäure ist an der posttranslationalen Hydroxylierung von Lysin- und Prolinresten im Kollagen beteiligt: ________ (25.1) • Vitamin C ist an der Steroidhormonsynthese beteiligt und hat daher die höchste Konzentration in der Nebennierenrinde: ________ (25.2) • Vit. C ist wichtig für die Reduktion von Methämoglobin zu Hämoglobin: ________ (25.3) • Als Redoxpartner wird Vitamin C zu Dehydroascorbinsäure reduziert: ________ (25.4) • Im Gegensatz zu Menschen können niedere Tiere das Vitamin C nicht selbst synthetisieren, da ihnen das Enzym Gulonolacton-Oxidase fehlt, das Gulonolacton in Vitamin C umwandelt: ________ (25.5) • Länger andauernder Ascorbinsäuremangel führt zu Skorbut. Symptome dieser Mangelerkrankung sind beispielsweise Knochenveränderungen, Zahnfleischbluten, Zahnausfall: ________ (25.6) 21 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Vitamin H

5

[26] In der Abb. sehen Sie die Struktur von Biotin. Biotin ist ein Harnstoffderivat. Kreisen Sie den Harnstoffrest ein:

Vitamine Enzyme und Coenzyme

6

O HN

C

NH

S

CH2

CH2

CH2

CH2

COO –

[27] Biotin ist Coenzym der meisten Carboxylierungsreaktionen. In seiner aktiven Form ist es dazu an den Lysinrest von Enzymen gebunden. Vervollständigen Sie die folgende Tabelle Biotin-abhängiger Carboxylierungen. Edukt

Produkt

Enzym

Acetyl-CoA Oxalacetat Propionyl-CoA-Carboxylase

6

Enzyme

[1] Sie sehen hier die Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

∆G = ∆H - T · ∆S

Benennen Sie die einzelnen Bestandteile dieser Gleichung. ∆G:

(1.1)

∆H:

(1.2)

T:

(1.3)

∆S:

(1.4)

[2] Verbinden Sie durch Pfeile: ∆G < 0

exergone Reaktion

∆G > 0

endergone Reaktion

[3] Geben Sie die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion A + B → C + D an. K = ________________________________ 22 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[4] Enzyme werden in 6 Hauptklassen eingeteilt. Vervollständigen Sie dazu die folgende Tabelle: Hauptklasse

Reaktionstyp

6

Beispiele Enzyme

1. Oxidoreduktasen

A-B + C ↔ A + B-C

2. Transferasen

3. Hydrolasen

4. Lyasen

5. Isomerasen energieabhängige Knüpfung von Bindungen

6. Ligasen

[5] Wie lautet die Gleichung nach Michaelis und Menten?

[6] Die folgende Graphik gibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms von der Substratkonzentration wieder. Tragen Sie Vmax und Vmax/2 ein.

v

1/V

[S]

Steigung = ____________________

[7] Nach Lineweaver und Burk y-Achsenabschnitt = ____________________ x-Achsenabschnitt

0

= ____________________

1/[s]

werden die Kehrwerte von Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit aufgetragen. Beschriften Sie die beiden Achsen und die vorgegebenen Pfeile.

[8] Überprüfen Sie die folgenden Aussagen zur Michaelis-Menten-Gleichung auf ihren Wahrheitsgehalt: • Ist [S] sehr viel größer als Km, so nimmt v beinahe den Wert von Vmax an: ________ (8.1) • Wenn [S] sehr viel kleiner ist als Km, ist v proportional zu [S] : ________ (8.2) • Km hat die Dimension mol/min: ________ (8.3)

23 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

• Km ist ein Maß für die Affinität eines Substrats zum Enzym: ________ (8.4)

6

• Km entspricht der [S] , bei der Vmax/2 einer enzymatischen Reaktion erreicht wird:________ (8.5) Enzyme

Hemmung [9] Ergänzen Sie die Tabelle zur kompetitiven bzw. nicht-kompetitiven Hemmung: Art der Hemmung

Einfluss auf Km

Einfluss auf Vmax

durch hohe [S] aufhebbar?

kompetitiv

nicht-kompetitiv

[10] Tragen Sie den Verlauf einer enzymatischen Reaktion in Anwesenheit eines kompetitiven bzw. nicht-kompetitiven Inhibitors in die Lineweaver-Burk-Diagramme ein. 1/V

ohne Inhibitor

kompetitive Hemmung:

0

1/[S]

1/V

ohne Inhibitor

nicht-kompetitive Hemmung:

0

1/[S]

Allosterie [11] Bei allosterisch regulierten Enzymen tritt keine hyperbole Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration auf, sondern ein sigmoidaler Verlauf der Kurve. Geben Sie an, welchen Einfluss ein positiver allosterischer Effektor vom K- bzw. vom V-Typ auf Vmax und Km einer enzymatischen Reaktion hat. Art des allosterischen Effektors

Einfluss auf Vmax

Einfluss auf Km

K-Typ

V-Typ

24 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[12] Tragen Sie nun den Verlauf einer Reaktion mit positivem Effektor vom K- bzw. V-Typ im Vergleich zu einer Reaktion ohne positiven Effektor in die folgenden Graphiken ein: v

6 Enzyme

v

ohne Effektor

ohne Effektor

[S]

[S] K-Typ, pos. Effektor

V-Typ, pos. Effektor

[13] Die genannten Verbindungen besitzen ein Gruppenübertragungspotential von mehr als -30 kJ/mol. Daher werden sie auch als energiereiche Verbindungen bezeichnet. Tragen Sie die Verbindungen – absteigend, oben die energiereichste Verbindung – in die Tabelle ein: Kreatinphosphat; Phosphoenolpyruvat; Glycerinphosphat; 1,3-Bisphosphoglycerat; Acetyl-CoA Gruppenübertragungspotential in kJ/mol

energiereiche Verbindung

–62 –50 –42 –32 –30

[14] Der indirekte Laktat-Test beruht auf dem unterschiedlichen Absorptionsverhalten von NAD+ und NADH+H+. Bei welcher Wellenlänge besitzt NADH+H+ im ultravioletten Licht im Vergleich zu NAD+ ein zusätzliches Absorptionsmaximum?________ nm

[15] Ergänzen Sie die Reaktionsgleichung, bei der Laktat in Pyruvat umgewandelt wird! (15.2) Pyruvat +

Enzym:

Laktat +

(15.1)

(15.3)

[16] Glucose kann mit Hilfe eines gekoppelt enzymatischen Tests nachgewiesen werden. Dabei macht man sich

ebenfalls ein zweites Absorptionsmaximum, nämlich das von NADPH+H+, zunutze. Vervollständigen Sie die beiden Reaktionsgleichungen dieses optischen Tests durch Einfügen von: ADP, Hexokinase, 6-Phosphogluconat, Glucose-6-phosphat, ATP, Glucose-6-phosphat-DH, NADP+

I) Glucose +

II)

(16.2)

(16.1)

(16.5) +

(16.6)

(16.3) +

(16.7)

(16.4)

(16.8) + NADPH 2

25 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[17] Viele Enzyme können durch Phosphorylierung aktiviert bzw. inaktiviert werden.

6

Vervollständigen Sie dazu die folgende Tabelle.

7

Enzyme Ernährung, Verdauung

Enzym

Aktivitätsänderung durch Phosphorylierung

Glykogenphosphorylase

aktiv

Phosphorylasekinase Glykogensynthase Pyruvatdehydrogenase Pyruvatkinase

inaktiv

Acetyl-CoA-Carboxylase Triacylglycerol-Lipase Glycerin-3-phosphat-Acyltransferase HMG-CoA-Reduktase

7

Ernährung, Verdauung

[1] Geben Sie die physikalischen und biologischen Brennwerte sowie den respiratorischen Quotienten (RQ) für die folgenden Nährstoffe an. Nährstoff

physikalischer Brennwert

biologischer Brennwert

respiratorischer Quotient (RQ)

Kohlenhydrat Fett Protein

[2] Warum entspricht der biologische Brennwert der Proteine nicht dem physikalischen?

26 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[3] Wie viel g Kohlenhydrat benötigen Sie, um 35 g Fett äquikalorisch zu ersetzen?

7 Ernähtung, Verdauung

[4] Wie hoch ist der tägliche Proteinbedarf eines Erwachsenen pro kg Körpergewicht? _____________________

[5] Nennen Sie mindestens fünf Bestandteile des Mundspeichels:

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

[6] Ordnen Sie den unterschiedlichen Zellen des Magens jeweils die richtigen Funktionen zu (nicht alle Funktionen sind den angegebenen Zellen zuzuordnen): Belegzellen

Abgabe von Pepsinogenen (Pepsine spalten Proteine) Bildung von Trypsinogen

Hauptzellen

Bildung von intrinsic factor Schleimproduktion

Nebenzellen

HCl-Produktion Bildung von Vit. K

[7] Die HCl-Produktion der Belegzellen des Magens ist ein komplizierter Vorgang. Wenn Sie alle richtigen Aussagen auswählen, ergeben die unterstrichenen Buchstaben der richtigen Aussagen ein Lösungswort. Finden Sie dieses heraus? 1. Die Wasserstoffionen der Salzsäure werden durch eine H+/K+-ATPase aktiv in das Magenlumen transportiert. 2. Die Wasserstoffionen entstehen aus Kohlensäure, das dabei ebenfalls freiwerdende Bikarbonat wird im Austausch gegen Chlorid an das Interstitium abgegeben. 3. CO2 wird durch eine ATPase in die Belegzelle aufgenommen. 4. Das gegen HCO3- aufgenommene Cl- gelangt durch einen Kanal in das Magenlumen. 5. Aus Wasser und Kohlendioxid entsteht in der Belegzelle durch die Carboanhydrase Kohlensäure (genauer HCO3-+H+). 6. Die treibende Kraft für den Protonentransport ist der elektrochemische K+-Gradient. 7. Die H+/K+-ATPase kann durch Omeprazol gehemmt werden (z.B. bei der Therapie von Magenulzera). richtige Lösungsbuchstaben: ___________________________________________ (Sie müssen die Lösungsbuchstaben nun in die richtige Reihenfolge bringen!) Lösungswort: ________________________________

[8] Vervollständigen Sie den Text zu den Verdauungsenzymen des Pankreas durch Einsetzen der folgenden Wörter: Proenzyme, 3, Lysin, Enterokinase, Amylase, Trypsin, Arginin, Chymotrypsin, Insulin, Procarboxypeptidasen, Lipase, 8, Verdauungsenzyme Während der endokrine Anteil des Pankreas vor allem für die Produktion wichtiger Hormone, wie beispielsweise _____________________ (8.1) in den B-Zellen der Langerhans-Inseln, verantwortlich ist, produziert der exokrine 27 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Teil des Pankreas sehr wichtige ________________________________(8.2).

7

Pro Tag bildet die Bauchspeicheldrüse etwa ________ (8.3) l Pankreassaft, welcher durch seinen hohen Ernähtung, Verdauung

Hydrogencarbonatanteil einen alkalischen pH-Wert von etwa ________ (8.4) hat (was außerordentlich wichtig ist, um den sauren Mageninhalt zu neutralisieren). Einige Enzyme des exokrinen Pankreas werden als inaktive _____________________ (8.5) ins Duodenum sezerniert. Eine zentrale Rolle nimmt dabei das ________________________________(8.6) ein, das nach Aktivierung durch _____________________ (8.7) (gebildet im Duodenum) aus Trypsinogen entsteht. Trypsin, eine Protease, spaltet bevorzugt Peptidbindungen, an denen _____________________ (8.8) oder _____________________ (8.9) beteiligt sind. Gleichzeitig ist Trypsin verantwortlich für die Aktivierung von Chymotrypsinogen (Chymotrypsin ist wie Trypsin eine _____________________ (8.10)) und ________________________________(8.11), die in aktiver Form Aminosäuren am C-terminalen Ende von Proteinen abspalten. Weitere wichtige Enzyme des Pankreas sind die _____________________ (8.12), die Fettsäuren von Triacylglycerolen abspaltet, die Elastase, die Cholesterolesterase, die Stärke und Glykogen spaltende _____________________ (8.13) und die Ribonuclease. Für die Diagnostik von Pankreaserkrankungen haben die Pankreas-Lipase und die Pankreas-Amylase besondere Bedeutung.

[9] Bringen Sie die verschiedenen Stufen der Verdauung von Kohlenhydraten in die richtige Reihenfolge: 1. Aufnahme von Glucose in Enterozyten im Symport mit Natrium. 2. Orale Aufnahme von Stärke oder Glykogen. 3. Die α-Amylase des Mundspeichels und des Pankreas spaltet Stärke und Glykogen in kleine Kohlenhydratbruchstücke (Maltose, Isomaltose u.a.). 4. Durch den Glucosetransporter GLUT 5 gelangt Glucose (auch Fructose und Galaktose) vom Enterozyten in die Blutbahn. 5. Im Bürstensaum von Mucosazellen beherbergte Disaccharidasen spalten Disaccharide zu Monosacchariden (Maltase, Saccharase, Lactase u.a.). richtige Reihenfolge: ___________________________________________

[10] Korrigieren Sie 4 Fehler im folgenden Text zur Verdauung und Resorption von Fetten, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Mit der Nahrung aufgenommene Triacylglycerole werden zu 15 % durch die Magen-Lipase gespalten (Spaltung von Esterbindungen), der überwiegende Teil der Neutralfette gelangt jedoch in unveränderter Form in das Duodenum. Dort werden die Fette zum größten Teil in b-Monoacylglycerine und freies Glycerol gespalten. Das Enzym, das diese Spaltung katalysiert, ist die Pankreas-Lipase. Für die weitere Fettverdauung sind die b-Monoacylglycerine von großer Bedeutung. Gemeinsam mit den Gallensäuren ermöglichen sie die Bildung von Micellen, in denen Fette, Fettsäuren, Cholesterol und auch die fettlöslichen Vitamine Tocopherol, Retinol, Phyllochinon und Thiamin eingeschlossen und dadurch in Lösung gebracht werden. Durch die Micellenbildung wird die Wirksamkeit der Pankreas-Lipase erhöht und die Lipidresorption gesteigert. Die Bestandteile der Micellen werden in die Mucosazellen aufgenommen. Dort werden die b-Monoacylglycerine erneut mit Fettsäuren verestert, welche zuvor durch die Pankreas-Amylase zu Acyl-CoA aktiviert wurden. Es entstehen somit erneut Triacylglycerole innerhalb der Mucosazelle, diese können jedoch auch aus Glycerol-3-Phosphat und Acyl-CoA entstehen. Außerdem werden Cholesterolester gebildet. Diese und die Triacylglycerole werden schließlich an Apolipoprotein B100 gekoppelt und als Chylomikronen an die Lymphbahn abgegeben. _______________________________ (10.1)

_______________________________ (10.2)

_______________________________ (10.3)

_______________________________ (10.4)

28 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[11] Links sehen Sie die Struktur eines Cholsäure-Moleküls, rechts davon die Formel der Aminosäure Glycin. Verbinden Sie diese beiden Moleküle und zeichnen Sie ihr Produkt dazu in das freie Feld ein! Wie nennen Sie es?

OH

COO – O–

H2N C H H

+ HO

8

Ernähtung, Abbau Verdauung der Kohlenhydrate

O

7

OH

Glycin

Cholsäure

[12] Welche Bindungsart liegt zwischen Cholsäure und Glycin vor? ___________________________________________

8

Abbau der Kohlenhydrate

[1] Vervollständigen Sie das vorliegende Schema zur Glykolyse! Ergänzen Sie fehlende Reaktionsprodukte der Glykolyse, fehlende Enzyme (über bzw. rechts der Reaktionspfeile), ATP-Verbrauch und -Bildung sowie NADH + H+-Bildung (halbrunde Pfeile)! Glucose

Glucose -6-Phosphat

Glucose - 6P- Isomerase

Fructose -1.6-bisphosphat Aldolase

Glyceron-3-Phosphat

Phosphoglycerat

Glyceral -3-Phosphat

3-Phosphoglycerat

Enolase

Pyruvat

29 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[2] Wie lautet die Bilanz der aeroben Glykolyse?

8 Abbau der Kohlenhydrate

ATP:

___________________________________________

NADH+H+:

___________________________________________

[3] Zeichnen Sie die genannten „Glykolyse-Moleküle“ in die freien Felder ein!

1,3-Bisphosphoglycerat

Phosphoenolpyruvat

Pyruvat

[4] Einige Enzyme der Glykolyse können aktiviert oder gehemmt werden, wodurch eine Regulation des Glukoseabbaus möglich ist (hier handelt es sich um Enzyme, die irreversible Reaktionen katalysieren!). Vervollständigen Sie dazu die folgende Tabelle: Enzym

Aktivierung

Hemmung

Hexokinase

Phosphofructokinase

Pyruvat-Kinase

[5] Für die Umwandlung von Glucose in Glucose-6-Phosphat existieren zwei Enzyme, die Hexokinase und die Glukokinase. Nennen Sie generelle Unterschiede dieser Enzyme: •

•

•

•

•

30 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[6] Glucose-6-Phosphat kann anstatt in Fructose-6-Phosphat auch in andere Verbindungen umgewandelt

8

werden. Dies geschieht beispielsweise im Pentosephosphatweg, in dem das Glc-6-P einen anderen Weg beschreitet.

Abbau der Kohlenhydrate

Für die Bereitstellung von zwei Verbindungen ist der Pentosephosphatweg von besonderer Relevanz. Welche sind das? •

•

[7] Im oxidativen Teil (erste Phase) des Pentosephosphatwegs entsteht aus Glc-6-P Ribulose-5-Phosphat. Vervollständigen Sie dazu das folgende Reaktionsschema: Glc -6-P

6-Phospho gluconolacton

Gluconolactonase

6-Phosphogluconat

Phospho gluconat - DH

Ribulose -5-Phosphat

[8] Nennen Sie drei Substanzen, die im regenerativen Teil des Pentosephosphatwegs gebildet werden können?

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

[9] Ein wichtiges Enzym des regenerativen Teils des Pentosephosphatwegs ist die Transketolase. Welche Art von Reaktionen katalysieren Transketolasen formal?

[10] Welche Coenzyme benötigt die Transketolase des Pentosephosphatwegs? ________________________________

und

________________________________

31 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

9

9

Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

[1] Bei der β-Oxidation werden Acetyl-CoA-Einheiten aus Fettsäuren abgespalten. Der Abspaltung von Acetyl-CoA gehen einige Schritte voraus, die hier dargestellt sind. Vervollständigen Sie das Schema durch Beschriftung der runden Pfeile, geben Sie zudem an, um welche Art von Reaktion es sich bei den einzelnen Schritten handelt (die erste Reaktion z.B. ist eine Oxidation). O R CH2 CH2 CH2 C S CoA

Acyl -CoA

(1.4) Oxidation (1.5)

H O R CH2 C C C S CoA

2

trans -∆ -Enoyl -CoA

H (1.6) (1.1)

OH H O R CH2 C H

C C S CoA

L-Hydroxyacyl -CoA

H

(1.7) (1.2)

(1.8)

O

O

R CH2 C CH2 C S CoA

Ketoacyl -CoA

(1.9) (1.3)

O Acetyl -CoA

H3C C S CoA

O

+ R CH2 C S CoA

um 2 C -Atome verkürztes Acyl -CoA

[2] Geben Sie die Reaktionsgleichung für den vollständigen Abbau der C 16-Fettsäure Palmitat in 8 Acetyl-CoA an: Palmityl-CoA

+

________

8 Acetyl-CoA

+

________

+

________

+

________

+

________

+

________

+

________

32 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[3] Wie viel mol ATP entstehen bei der vollständigen Oxidation von 1 mol Palmitat?

9 Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

[4] Als Endprodukt des Abbaus ungeradzahliger Fettsäuren entsteht nicht Acetyl-CoA, sondern Propionyl-CoA. Vervollständigen Sie das folgende Reaktionsschema zum weiteren Abbau von Propionyl-CoA:

Propionyl -CoA

Propionyl -CoACarboxylase

MethylmalonylCoA-Mutase

Citrat-Cyklus

[5] Welches Coenzym benötigt die • Propionyl-CoA-Carboxylase? ___________________________________________ (5.1) • Methylmalonyl-CoA-Mutase? ___________________________________________ (5.2)

[6] Die Oxidation der Fettsäuren findet in der mitochondrialen Matrix statt. Erläutern Sie, wie die Fettsäuren vom Zytosol in das Mitochondrium gelangen!

[7] Im Hungerzustand kann die Leber aus Acetyl-CoA Ketonkörper bilden. Vervollständigen Sie dazu den Entstehungsweg (bezeichnen Sie freie Felder und ergänzen Sie die Formeln von Aceton und β-Hydroxybutyrat): 2-Acetyl-CoA

β-Hydroxybutyrat

3-HMG-CoA

H O H H C C C COO– H

H

Aceton 33 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

10

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Aminosäurestoffwechsel

Aminosäurestoffwechsel

[1] Korrigieren Sie 4 Fehler im folgenden Text zum Harnstoffzyklus, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Unter Verbrauch von einem ATP entsteht im ersten Schritt des Harnstoff-Zyklus aus Ammoniak und Hydrogencarbonat Carbamoylphosphat. Enzym dieser Reaktion ist die Cabamoylphosphat-Synthase, die durch N-Acetyl-Glutamat allosterisch aktiviert wird. Das entstandene Carbamoylphosphat wird durch die Ornithin-Carbamoyltransferase auf Ornithin übertragen, wodurch die Aminosäure Citrullin entsteht. Die Argininosuccinat-Synthase verbindet Citrullin mit Asparagin unter Bildung von Argininosuccinat, das dann vom Mitochondrium in das Zytosol der Zelle übertritt. Bei der Entstehung von Argininosuccinat wird erneut ein ATP gespalten. Im Zytosol wird Fumarat durch die Argininosuccinat-Lyase aus Argininosuccinat abgespalten, übrig bleibt die Aminosäure Aspartat. Unter Anwesenheit von H2O spaltet die Arginase Harnstoff ab, wodurch Ornithin entsteht, welches durch einen Transporter zurück in das Mitochondrium gelangt. Damit ist der Harnstoffzyklus geschlossen, auf das Ornithin kann nun erneut ein Molekül Carbamoylphosphat übertragen werden. ________________________________ (1.1)

________________________________ (1.2)

________________________________ (1.3)

________________________________ (1.4)

[2] Beantworten Sie nun noch folgende Fragen zum Harnstoffzyklus: • Wie viel ATP wird für die Synthese eines Harnstoffmoleküls aus einem Molekül Ammoniak und der α-Aminogruppe von Aspartat verbraucht? ________ (2.1) ATP • Wie viele ATP benötigt man für die Regenerierung der verbrauchten ATP-Moleküle? ________ (2.2) ATP • Was geschieht mit dem aus dem Argininosuccinat abgespaltenen Fumarat (2.3)?

[3] Der Abbau der meisten proteinogenen Aminosäuren wird durch eine PALP-abhängige Transaminierung eingeleitet. Zwei sehr wichtige Transaminasen sind die Glutamat-Pyruvat-Transaminase (ALT, früher GPT) und die Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (AST, früher GOT). Die Reaktionen dieser beiden Enzyme sind jedoch leicht reversibel, weshalb sie beim AS-Aufbau ebenfalls einen wichtigen Beitrag leisten. Vervollständigen Sie die Schemata der von diesen Enzymen katalysierten Reaktionen. COO–

COO– +

+

H3N C H

H3N C H

CH3

CH2 CH2 COO–

α Ketoglutarat

Pyruvat

34 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

10 Aminosäurestoffwechsel

COO– +

H3N C H CH2 COO–

α Ketoglutarat

Oxalacetat

[4] Nach Übertragung des Adenosylrests von ATP

Glutamat

• ___________________________________________

auf Methionin entsteht S-Adenosyl-Methionin (SAM), welches im Stoffwechsel als Methylgruppendonator dient. Nennen Sie mindestens 3 SAM-abhängige Methylierungen im Stoffwechsel:

• ___________________________________________ • ___________________________________________

[5] Aminosäuren können zu verschiedenen Produkten abgebaut werden. Man unterscheidet glucogene von ketogenen Aminosäuren. Vervollständigen Sie zu diesem Thema die folgende Tabelle (nicht ganz leicht!). Aminosäure

Abbauprodukt

Serin, Glycin, Alanin, Cystein

glucogen

ketogen

×

Tryptophan Lysin Leucin Aspartat, Asparagin

Oxalacetat

Phenylalanin, Tyrosin Isoleucin

×

Methionin, Threonin, Valin Glutamat, Glutamin, Histidin, Prolin, Arginin

[6] Viele Aminosäuren dienen als Vorstufen z.B. von Transmittern oder Hormonen. Jede der genannten Verbindungen entsteht aus einer Aminosäure. Können Sie diese Aminosäure jeweils angeben?

Verbindung

entsteht aus der AS

Melanin GABA Melatonin Dopamin Nicotinsäure Adrenalin und Noradrenalin Schilddrüsenhormone

35 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[7] Die kleine AS Glycin nimmt im Stoffwechsel eine nicht unwichtige Stellung ein. Hier sind unvollständige

10

Aussagen über Glycin aufgelistet. Schaffen Sie es, die Lücken zu füllen?

Aminosäurestoffwechsel Citratcyklus und Atmungskette

11

• Die Aminosäure Glycin ist zusammen mit _____________________ (7.1) und _____________________ (7.2) Strukturbestandteil von Glutathion. • Glycin ist ein inhibitorischer _____________________ (7.3) im ZNS. • Bei der Kreatinbiosynthese entsteht aus Glycin und der Guanidino-Gruppe von Arginin ________________________________ (7.4), Dieses wird mit Hilfe von SAM methyliert zu Kreatin. • Durch Aufnahme einer Hydroxymethylgruppe der FH4 entsteht aus Glycin die Aminosäure _____________________ (7.5). • Aus Glycin und Succinyl-CoA entsteht im ersten Schritt der Häm-Biosynthese PALP-abhängig ________________________________ (7.6).

11

Citratcyklus und Atmungskette

Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH) [1] Wie lautet die Nettogleichung der Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex? Pyruvat + ________ + ________

Acetyl-CoA + ________ + ________

[2] Welche Coenzyme benötigt der PDH-Komplex?

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

[3] Können Sie die einzelnen Reaktionen des PDH-Komplexes richtig wiedergeben (das ist eine sehr schwierige Frage!)?

36 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Citratcyklus

11

[4] Vervollständigen Sie die Nettoreaktionsgleichung des Citratcyklus: Citratcyklus und Atmungskette

Acetyl-CoA + ________ NAD+ + ________ + ________ + Pi + ________ H2O ________ CO2 + 3 ________ + ________ + ________ + 2 H+ + CoA

[5] Ergänzen Sie die folgende Tabelle zur Regulation des Citratcyklus: Enzym

aktiviert durch …

gehemmt durch …

Pyruvat-Dehydrogenase Isocitrat-Dehydrogenase Succinat-Dehydrogenase

[6] Hier sehen Sie einen unvollständigen Citratcyklus. Vervollständigen Sie Zwischenprodukte des Cyklus (Formeln oder Namen) sowie die beteiligten Enzyme und überlegen Sie, wie Sie die Pfeile zur Mitte des Kreises beschriften könnten!

Acetyl - CoA + H2 O

Citrat - Synthase Oxalacetat

Oxalacetat

Citrat

Citrat Aconitat -Hydratase H2C COO– HC COO–

H HO C COO

HO C COO–

–

H

H2C COO–

Isocitrat - DH

Fumarat - Hydratase

α -Ketoglutarat Fumarat α -Ketoglutarat Fumarat

Succinat - DH H2C COO– H2C COO– H2C COO–

Succinyl - CoA - Synthetase

H2C C S C oA O

Atmungskette [7] Vervollständigen Sie den Text zu den verschiedenen Komplexen der Atmungskette durch Einsetzen dieser Wörter: Sauerstoff, Protonenkanal, Cytochrom c1, Ubichinol, Eisen-Schwefel-Komplex, Succinat, Kupferionen, FAD, Cytochom b, NADH-Ubichinon-Reduktase, Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase, Häm a, FMN, Ubichinol-Cytochrom c-Reduktase, Cytochrom c-Oxidase, ATP-Synthase, Häm a3, NADH+H+, Cytochrom c 37 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Die Atmungskette ist aus 4 Komplexen aufgebaut, die den Wasserstoff- bzw. Elektronentransport katalysieren.

11

Komplex 1, die ________________________________ (7.1), sorgt für die Wasserstoffübertragung von Citratcyklus und Atmungskette

________________________________ (7.2) auf Ubichinon, welches dadurch zu _____________________ (7.3) reduziert wird. An dieser Reaktion sind so genannte Eisen-Schwefel-Komplexe sowie ________ (7.4) beteiligt. Komplex 2, auch ___________________________________________ (7.5) genannt, katalysiert ebenfalls die Reduktion von Ubichinon, als Reduktionsmittel dient hier_____________________ (7.6). Coenzyme des zweiten Enzymkomplexes der Atmungskette sind Eisen-Schwefel-Komplexe und ________ (7.7). Der dritte Komplex heißt auch ___________________________________________ (7.8). Die Aufgabe von diesem Komplex besteht in der Elektronenübertragung von Ubichinol auf _____________________ (7.9). Die Cytochrom c-Reduktase enthält zwei verschiedene Cytochrome, nämlich _____________________ (7.10) und _____________________ (7.11). Ferner enthält das Enzym einen ________________________________ (7.12). Der vierte Komplex wird ________________________________ (7.13) genannt. Dieser Enzymkomplex katalysiert den Elektronentransfer vom reduzierten Cytochrom c zum molekularen _____________________ (7.14). Die Cytochrom c-Oxidase enthält zwei Häm-Gruppen, welche als ________ (7.15) und ________ (7.16) bezeichnet werden, zudem enthält sie zwei _____________________ (7.17). Bei Komplex 5 schließlich handelt es sich um eine H+-transportierende _____________________ (7.18). Diese ist aufgebaut aus einem F0- und einem F1-Anteil, wobei es sich bei dem F0-Anteil um einen _____________________ (7.19), bei dem F1-Anteil um die katalytische Einheit handelt.

[8] Füllen Sie die folgende Tabelle zu den katalytischen Vorgängen in den fünf Komplexen der Atmungskette aus: Multienzymkomplex

katalysierter Vorgang

Komplex 1

Komplex 2

Komplex 3

Komplex 4

Komplex 5

38 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[9] Atmungskette und oxidative Phosphorylierung können an verschiedenen Orten gehemmt werden.

11

Vervollständigen Sie die Tabelle zu den verschiedenen Hemmstoffen:

12

Wirkort / Mechanismus

Citratcyklus Glykogenstoffwechsel, und AtmungsketteGluconeogenese

Substanz Barbiturate, Rotenon

Antimycin A

HCN, CO

Oligomycin

Entkoppler (2,4-Dinitrophenol, Chlorcarbonylcyanidphenylhydrazon [CCCP] u.a.)

12

Glykogenstoffwechsel, Gluconeogenese

Glykogensynthese [1] Für die Synthese von Glykogen müssen die Glukosemoleküle zunächst aktiviert werden. Welche beiden Moleküle sind Ausgangssubstanzen dieser Aktivierungsreaktion?

• ________________________________ • ________________________________

[2] Für die weitere Synthese des Glykogens sind zwei Enzyme von großer Bedeutung: erstens die Glykogensynthase und zweitens das so genannte branching enzyme. Erläutern Sie kurz die Funktionen dieser beiden Enzyme: ___________________________________________ Glykogensynthase ___________________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________ branching enzyme (Amylo-1,4 → 1,6-Transglykosylase)

___________________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________ ___________________________________________ 39

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[3] Bei Glucosebedarf können sowohl Leber als auch Muskelgewebe Glykogen abbauen. Im Unterschied zur Leber

12 Glykogenstoffwechsel, Gluconeogenese

besitzt die Muskulatur jedoch keine Glucose-6-Phosphatase. Endprodukt beim Glykogenabbau im Muskel ist daher Glucose-6-P. Ergänzen Sie den folgenden Text zum hepatischen Glykogenabbau: Durch phosphorolytische Abspaltung endständiger Glucosereste aus den 1 → 4-glykosidischen Bindungen des Glykogens entsteht unter Einwirkung der Glykogenphosphorylase zunächst _____________________ (3.1). Vier Glucosereste vor Erreichen einer 1 → 6-Verzweigungsgabel wird durch eine 1,4 → 1,4-________________________________ (3.2) eine Trisaccharideinheit auf eine andere Kette übertragen. Die nun freigelegte Verzweigungsstelle ist das Arbeitsgebiet der ________________________________ (3.3). Dieses Enzym spaltet die 1,6-Bindung hydrolytisch, dabei entsteht freie Glucose. Abbauprodukte des Glykogens sind somit Glucose und Glucose-1-P, das durch eine Mutase zu _____________________ (3.4) und unter Einwirkung der Glucose-6-Phosphatase zu Glucose dephosphoryliert wird.

[4] Reguliert werden Glykogensynthese und Glykogenabbau auf der Stufe der Glykogensynthase bzw. Glykogen-Phosphorylase. Ergänzen Sie dazu die folgende Tabelle: Enzym

Aktivitätsänderung durch Phosphorylierung

aktiviert durch

inaktiviert durch

Glykogensynthase Glykogen-Phospho rylase

Gluconeogenese [5] Was sind die wichtigsten Vorstufen der Gluconeogenese?

• ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________

[6] Die Gluconeogenese ist im Grunde die Umkehrung der Glykolyse. Jedoch gibt es drei Glykolyseschritte, die unumkehrbar sind. Welche sind das und welche „Strategie“ gibt es, um diese Reaktionen doch umkehren zu können? Vervollständigen Sie dazu die Tabelle: irreversibler Glykolyseschritt

beteiligtes Enzym in der Glykolyse

Glucose → Glc-6-P

„Strategie“ in der Gluconeogenese

Enzym(e)?

Glc-6-P → Glucose

Phosphofructokinase

Fructose-1,6-bisphosphat → Fructose-6-P

PEP → Pyruvat

40 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[7] In der Leber wird beispielhaft Laktat in die Gluconeogenese eingeschleust. Füllen Sie die Lücken im folgenden Schema (einige Schritte, die identisch mit der Umkehr der Glykolyse sind, sind weggelassen):

NAD

+

NADH+H

13

PEP

+

Fructose-1,6 bisphosphat

Fructose-6Phosphat

Glykogenstoffwechsel, Biosynthese der Fettsäuren, Gluconeogenese Lipogenese

Laktat

13

PyruvatCarboxylase

LDH

12

Isomerase

mehrere Schritte

mehrere Schritte

1,3-Bisphosphoglycerat

3-Phosphoglycerat

Glucose

Biosynthese der Fettsäuren, Lipogenese

[1] Vervollständigen Sie die Nettoreaktionsgleichung der Synthese von Palmitat: ________ Acetyl-CoA + ________ Malonyl-CoA + 14 _____________________ 1 Palmitat + ________ CO2 + 6 ________ + ________ CoA + 14 ________

[2] Vervollständigen Sie den Text zur Fettsäuresynthese durch Einsetzen der folgenden Wörter: Malonyl-CoA, CO2, Cystein-Rest, Palmitat, 4’-Phosphopanthetein, Malonyl-Rest, NADPH+H+ Die Fettsäuresynthese wird von der Fettsäure-Synthase katalysiert. Die Fettsäure-Synthase enthält zwei besondere SH-Gruppen, eine periphere SH-Gruppe, die zu einem _____________________ (2.1) gehört, und eine zentrale SH-Gruppe, welche Teil von ________________________________ (2.2) ist. Die Fettsäuresynthese beginnt mit der Bindung eines Acetyl-Rests an die zentrale SH-Gruppe; dieser wird auf die periphere Sulfhydryl-Gruppe übertragen, sodass die nun freie zentrale SH-Gruppe einen _____________________ (2.3) aufnehmen kann. Acetyl-CoA wird nun unter Abspaltung von ________ (2.4) auf den Malonylrest übertragen. Es folgen eine ________-abhängige (2.5) Reduktion, eine Wasserabspaltung und eine erneute Reduktion mit Hilfe von NADPH+H+. Dadurch entsteht ein vier C-Atome langer Acyl-Rest, der dann von der zentralen auf die periphere SH-Gruppe übertragen wird. An die freie SH-Gruppe kann erneut ein _____________________ (2.6) binden. Der Zyklus wird wieder durchlaufen, nach insgesamt sieben Durchläufen entsteht eine 16 C-Atome lange Fettsäure, nämlich _____________________ (2.7), welche durch eine Hydrolase freigesetzt wird. 41 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Triacylglycerol-Synthese

13

[3] Die Synthese von Triacylglycerolen beginnt mit Biosynthese der Fettsäuren, Lipogenese

Glycerol-3-Phosphat. Woher stammt dieses im/in der

• Fettgewebe:

_____________________ (3.1)

• Leber:

_____________________ (3.2)

• Skelettmuskel:

_____________________ (3.3)

[4] Hier werden nun einige Zwischenprodukte der Triacylglycerol-Synthese genannt. Bringen Sie diese in die richtige Reihenfolge, sodass Sie am Ende eine 4-stellige Lösungszahl erhalten? Vorsicht: 2 Moleküle haben mit der TG-Synthese nichts zu tun! 1. 1.Diacylglycerol 2. Glycerol-3-Phosphat 3. Carnitin

4. Phosphatidat 5. Ethanolamin 6. Triacylglycerol

Lösung: _____________________

[5] Korrigieren Sie 4 Fehler im folgenden Text zur Cholesterol-Biosynthese, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Die Synthese von Cholesterol beginnt mit Acetyl-CoA. Aus zwei Molekülen Acetyl-CoA entsteht zunächst 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA. Dieses wird dann mit Hilfe des Schlüsselenzyms der Cholesterol-Biosynthese, der HMG-CoA-Reduktase (Coenzym ist NADPH), umgewandelt in Mevalonat. Die HMG-CoA-Reduktase wird induziert durch Insulin und Schilddrüsenhormon, reprimiert wird das Enzym durch Glukagon. Im Hungerzustand und bei Diabetes mellitus ist die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase stark erhöht. Aus Mevalonat entsteht in einigen Schritten schließlich unter GTP-Verbrauch Isopentenylpyrophosphat, dieses wird auch als aktives Isopren bezeichnet. Aktives Isopren ist die Vorstufe der Isoprenoide, zu diesen gehören beispielsweise Vitamin E, Vitamin K, Dolichol und Ubichinon. Durch Isomerisierung entsteht aus Isopentenylpyrophosphat Dimethylallylpyrophosphat, das mit aktivem Isopren zu Geranylpyrophosphat kondensiert. Dieses kondensiert mit einem weiteren aktiven Isopren zum C-15-Körper Farnesylpyrophosphat. Aus Kopf-an-Kopf-Kondensation von 2 Molekülen Farnesylpyrophosphat entsteht schließlich der C-30-Körper Squalen. Dieses wird in mehreren Schritten in Cholesterol umgewandelt, hier sind auch Cytochrom P450-Enzyme beteiligt. Coenzyme bei einigen Reaktionen der Entstehung von Cholesterol aus Squalen sind NADH und NADPH. ________________________________ (5.1)

________________________________ (5.2)

________________________________ (5.3)

________________________________ (5.4)

[6] Die Tabelle zu den Lipoproteinen enthält viele Lücken. Können Sie diese füllen? Dichteklasse Größe (Ø) Dichte (g/ml) Zusammensetzung (%) • Triacylglycerole • Cholesterol (frei) • Cholesterolester • Phospholipid • Protein typische Apolipoproteine Elektrophoresefraktion Ort der Synthese

Chylomikronen 100 – 1000 nm < 1,006

VLDL

LDL

HDL

(very low density

(low density

(high density

lipoproteins)

lipoproteins)

lipoproteins)

0,95 – 1,006

1,006 – 1,063

1,063 – 1,21

50 3 20 55 keine Wanderung VLDL (Blut)

Funktion

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Spurenelemente

14 Spurenelemente

[1] Spurenelemente sind in sehr geringen Mengen vorkommende, zum Teil essentielle Bestandteile des Körpers. Essentielle Spurenelemente sind beispielsweise Eisen, Kupfer, Kobalt, Zink oder Mangan. Ergänzen Sie die folgende Tabelle zum Spurenelement Eisen: (Es genügt, wenn Sie bei der Verteilung des Eisenbestandes auf Hämoglobin, Myoglobin, usw. ungefähre Prozentangaben machen können!)

Eisen (Fe) Gesamtbestand an Eisen (70 kg schwerer Mann) ________ mg Hämoglobin-Fe Myoglobin-Fe Nichthämenzym-Fe Transferrin Ferritin, Hämosiderin

~________ % ~________ % ~________ % ~________ % ~ ________ %

Transportform von Eisen Speicherform von Eisen

[2] Wie bezeichnet man eine Krankheit, die auf einem genetischen Defekt eines Membranproteins beruht und dadurch zu einer langsamen Akkumulation von Eisen in Organen wie Leber, Pankreas, Myokard, Hoden und endokrinen Drüsen führt?

[3] In allen Geweben des menschlichen Körpers kommt Kupfer vor. Der Gesamtbestand eines Menschen beträgt etwa 40 – 80 mg. Um eine ausgeglichene Kupferbilanz zu erreichen, muss der Mensch täglich ungefähr 2,5 mg Kupfer zu sich nehmen. Das mit der Nahrung zugeführte Kupfer wird in Magen und Duodenum resorbiert und gebunden an Albumin und Transcuprein mit dem Portalblut der Leber zugeführt.

________________________________

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

Viele Oxidasen enthalten Kupfer. Können Sie mindestens vier kupferhaltige Enzyme nennen?

[4] Beim Morbus Wilson kommt es zu einer Akkumulation von Kupfer in einigen Organen. Was können Sie zu dieser Krankheit sagen?

43 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[5] In der linken Spalte der folgenden Tabelle ist jeweils ein Enzym, Coenzym oder ein Stichwort genannt, welches

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mit einem Spurenelement assoziiert ist. Können Sie dieses jeweils angeben? assoziiert ist der / die / das

Spurenelemente Subzelluläre Strukturen

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mit dem Spurenelement

assoziiert ist der / die / das

Xanthinoxidase

Glutamat-DH

Carboanhydrase

Förderung der Zahnremineralisierung

Vitamin B12

Cobalt

Schilddrüsenhormon

Alkohol-DH

Speicherform des Insulins im Pankreas

Pyruvatcarboxylase

Typ I-Thyroxin-5’-Dejodase

Glutathionperoxidase

alk. Phosphatase

Steroidrezeptor

PEP-Carboxykinase

15

mit dem Spurenelement

Selen (Selenocystein)

Subzelluläre Strukturen

[1] Geben Sie die Zusammensetzung von Zellmembranen verschiedener Gewebe an: Lipid (%) Nervenzelle

Kohlenhydrat (%) 3

Erythrozyt Hepatozyt innere Mitochondrienmembran

Protein (%)

49 54 -

[2] Geben Sie jeweils an, ob die folgenden Aussagen über Plasmamembranen wahr oder falsch sind: Die äußere Membranschicht unterscheidet sich qualitativ von der inneren Membranschicht. So enthält z.B. die äußere Schicht einer Erythrozytenmembran überwiegend Sphingomyelin und Lecithin, die innere Schicht Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylserin und Phosphatidylinositol: ________ (2.1) Die glykosylierte Komponente von Membranproteinen und -lipiden ist nach innen gerichtet: ________ (2.2) In freier Form tritt Cholesterol hauptsächlich in Membranen auf, dabei hat es einen Einfluss auf die Fluidität der Membran: ________ (2.3)

[3] Ergänzen Sie den Text zum endoplasmatischen Retikulum und zum Golgi-Apparat durch Einsetzen dieser Wörter: Phosphorylierungen, Ribosomen, modifiziert, Proteinbiosynthese, signal recognition particle (SRP), Modifizierung der Oligosaccharide, cis-Seite, Zytosol, Signalpeptid, Chaperonen Das raue endoplasmatische Retikulum (rER) ist Ort der _____________________ (3.1). Hier werden insbesondere die Proteine gebildet, die nicht im _____________________ (3.2) vorkommen, z.B. Membranproteine, Mitochondrienproteine, für den Export aus der Zelle bestimmte Proteine u.a. (Die für das Zytosol bestimmten Proteine entstehen nicht am rER, sondern an freien _____________________ (3.3), die nicht an das ER gebunden sind.) 44 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Die Translation beginnt immer im Zytoplasma. Hat das am Ribosom gebildete Peptid eine bestimmte Sequenz, die

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man als _____________________ (3.4) bezeichnet, so wird die Translation durch ein Subzelluläre Strukturen

___________________________________________ (3.5) vorübergehend unterbrochen und das Ribosom mit Hilfe eines SRP-Rezeptors zum ER geleitet. Dort setzt die Translation nach Abdissoziierung des SRPs von Signalpeptid und SRP-Rezeptor wieder ein. Am Ende der Translation entsteht schließlich ein Protein, welches im rER _____________________ (3.6) wird. Hier erfolgt die Abspaltung des Signalpeptids, ein Austausch von Disulfid-Brücken, die cis-trans-Isomerisierung von X-Pro-Bindungen, die Übertragung von Oligosacchariden u.a. Eine wichtige Funktion für die korrekte Faltung des entstehenden Proteins kommt so genannten _____________________ (3.7) zu. Diese Proteine binden vorübergehend an ungefaltete Abschnitte und verhindern falsche Kontakte der wachsenden Peptidkette. Hat das neue Protein die richtige Sekundär- und Tertiärstruktur erhalten, so wird es in Vesikeln zum Golgi-Apparat transportiert. Der Golgi-Apparat besteht aus einer Ansammlung gestapelter Vesikel, man unterscheidet eine _____________________ (3.8), die dem rER zugewandt ist, und eine gegenüberliegende trans-Seite, die zu den sekretorischen Vesikeln und Zentriolen orientiert ist. Im Golgi-Apparat findet die weitere posttranslationale Modifizierung von Proteinen statt. Besondere Bedeutung haben die _____________________ (3.9) und die __________________________________________ (3.10). Es werden auch Peptide abgespalten. Ein Beispiel für diesen Vorgang ist das Herausspalten des C-Peptids aus dem Proinsulin. Schließlich erfolgt vom Golgi-Apparat aus die Verteilung der fertigen Proteine in Sekretgranula, Vesikel bzw. Lysosomen.

[4] Nennen Sie stichpunktartig einige Funktionen des glatten endoplasmatischen Retikulums:

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

[5] Vergleichen Sie Ribosomen von Prokaryonten mit denen von Eukaryonten: Eigenschaften

prokaryonte Ribosomen

eukaryonte Ribosomen

ca. 2600

ca. 4200

Sedimentationskonstante große Untereinheit kleine Untereinheit Molekulargewicht (kDa)

[6] Ergänzen Sie die Tabelle zu Lysosomen: Größe Form

lysosomale Enzyme (einige Beispiele)

pH-Wert Mechanismus zur Sicherstellung des sauren pH

zentrale Aufgaben der Lysosomen

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[7] Mitochondrien werden auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Diese 1×2 µm großen Organellen bestehen

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aus einer äußeren und einer inneren Membran. Von der inneren Membran umgeben ist der Matrix-Raum des Mitochondriums, die starke Faltung der inneren Membran bezeichnet man als Cristae. Im Mitochondrium laufen zahlreiche Prozesse ab, von denen im Folgenden einige genannt sind. Allerdings sind auch einige Stoffwechselwege genannt, die nicht im Mitochondrium ablaufen. Wenn Sie die richtigen Antworten herausfinden, ergeben die unterstrichenen Buchstaben ein Lösungswort. Finden Sie dieses Lösungswort heraus?

Spurenelemente Subzelluläre Strukturen

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Folgende Stoffwechselwege laufen in den Mitochondrien ab: 1. Citratcyklus 2. Atmungskette und oxidative Phosphorylierung 3. Teilreaktionen der Gluconeogenese 4. Glykolyse 5. Teilschritte der Cortisol-Synthese 6. Beta-Oxidation 7. Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA (PDH) 8. Umwandlung von Argininosuccinat in Arginin und Fumarat (Harnstoffcyklus) richtige Lösungsbuchstaben: ___________________________________________ (Sie müssen die Lösungsbuchstaben nun in die richtige Reihenfolge bringen!) Lösungswort: ________________________________

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Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

[1] Zeichnen Sie einen Pyrimidinring in das Feld ein:

[2] Die drei Nucleinsäurebasen Uracil, Thymin und Cytosin

Uracil: ______________________

leiten sich vom Pyrimidin ab. Ergänzen Sie zu jeder dieser drei Pyrimidin-Basen, ob sie nur in DNA, nur in RNA oder in beidem vorkommt:

Thymin: ______________________ Cytosin: ______________________

[3] Füllen Sie die Lücken im folgenden Text zur Pyrimidinsynthese! Die Synthese der Pyrimidine beginnt mit der Verknüpfung von Aspartat und ______________________ (3.1), welches zuvor unter Verbrauch von zwei ________ (3.2) aus Glutamin und ________ (3.3) gebildet wurde. Das katalysierende Enzym dieser Reaktion ist die ___________________________________________ (3.4), es entsteht Carbamylaspartat. Carbamylaspartat wird durch die Dihydroorotase in ______________________ (3.5) umgewandelt. Diesem Schritt folgt nun die Oxidation des Dihydroorotats zu ______________________ (3.6) 46 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

durch die Dihydroorotat-DH. Das Orotat wird mit Hilfe der Orotat-phosphoribosyl-transferase und

16 Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

________ (3.7) unter Pyrophosphatabspaltung in ___________________________________________ (3.8) umgewandelt. Aus dem gebildeten OMP entsteht nun durch eine Decarboxylierung ___________________________________________ (3.9). Die de novo Synthese der Pyrimidine liefert also UMP, aus dem alle anderen Pyrimidin-Nucleotide und Pyrimidin-Desoxynucleotide gebildet werden.

[4] Beim Pyrimidinabbau entstehen zunächst die Basen Uracil (aus UMP und CMP) und Thymin (aus dTMP). Wie verläuft der weitere Abbau von Uracil bzw. Thymin? • Uracil:

_____________________________________________________________________________

• Thymin:

_____________________________________________________________________________

[5] Ergänzen Sie den folgenden Lückentext zur Purinsynthese: Am Ende der Purinsynthese entsteht _______ (5.1), welches rasch in AMP und GMP umgewandelt wird. AMP bzw. GMP werden zunächst in ADP bzw. GDP umgewandelt, aus diesen entstehen _______ (5.2) bzw. _______ (5.3), welche dann als RNA-/DNA-Bausteine dienen oder als Coenzyme fungieren. Die Umwandlung der Ribonucleotide in Desoxyribonucleotide findet auf der Stufe der ______________________ (5.4) statt.

[6] Dargestellt ist hier ein Purinkern. Geben Sie zu jedem Stickstoff- bzw. Kohlenstoffatom dessen Herkunft an: (6.1) (6.7)

(6.2)

N

N

(6.3)

N

NH

(6.6) (6.4) (6.5)

[7] Geben Sie den Abbauweg der Purine am Beispiel des Purinribosids Adenosin an: Adenosin

___________

___________

___________

___________

[8] Die Biosynthese der Purin- und Pyrimidinbasen erfordert einen beträchtlichen Energieaufwand. Dem Körper stehen daher sinnvolle Mechanismen zur Verfügung, um Abbauprodukte der Nucleinsäuren, die beim intrazellulären Abbau entstehen, sowie mit der Nahrung zugeführte Nucleinsäuren wiederzuverwerten. Dieser Mechanismus wird auch salvage pathway genannt. Das folgende Schema zeigt die Wiederverwertungsmechanismen (salvage pathways) für die Purinbasen. Bitte ergänzen Sie (das ist keine leichte Aufgabe)!

47 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

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Enzym:

Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

(8.1)

(8.3)

Adenin (8.2)

PRPP

(8.5)

Guanin

(8.4)

PP i

(8.6)

E n zym:

(8.8)

Hypoxanthin

(8.7)

Welches Krankheitsbild beruht auf einem Mangel an dem zweiten Enzym? _______________________________________________________________________________________ (8.9)

[9] Nennen Sie das Enzym, das …

• Hypoxanthin in Xanthin umwandelt?

______________________ (9.1)

• Xanthin in Harnsäure umwandelt?

______________________ (9.2)

[10] Fast alle Säugetiere können Harnsäure weiter in Allantoin umwandeln. Warum können wir Menschen das nicht?

[11] Zeichnen Sie das Harnsäure-Molekül in der Ketoform in das freie Feld ein:

[12] Bei der Therapie der Hyperuricämie (Gicht) durch Allopurinol wird die Xanthinoxidase kompetitiv gehemmt. Welche Produkte entstehen dadurch beim Purin-Abbau und sind in erhöhter Konzentration im Serum nachweisbar? ________________________________

________________________________

[13] Was sind Histone? (Versuchen Sie, eine knappe Definition zu geben.)

48 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

16 Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

[14] Geben Sie eine 6 Basen lange DNA-Sequenz an, deren Gegenstrang die gleiche Sequenz ergibt (Palindrom). (Es gibt sehr viele Möglichkeiten!)

Palindrom: 5’ ... ___ ___ ___ ___ ___ ___ ... 3’

[15] Warum sind Palindrome wichtige DNA-Sequenzen, besonders in der Gentechnologie?

[16] Die Replikation bezeichnet einen Vorgang, bei dem die DNA der Elternzelle vollständig kopiert wird. Dieser Vorgang der identischen DNA-Verdopplung ist bei Eukaryonten sehr viel schlechter untersucht als bei Prokaryonten. Korrigieren Sie 5 Fehler im folgenden Text zur Replikation der DNA von E.coli (der Replikationsablauf der Eukaryonten ist aber sehr ähnlich), indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Die DNA-Replikation bei Prokaryonten lässt sich in drei Phasen einteilen: Erstens Initiation, zweitens Elongation und drittens Termination. In der Initiationsphase wird die DNA durch Entstehung der Replikationsgabel auf die Neusynthese vorbereitet. Dazu muss der DNA-Doppelstrang zunächst mit Hilfe einer Helikase geöffnet werden, wozu kein ATP benötigt wird. Außerdem muss die DNA durch ein Protein in beide Richtungen hin entspiralisiert werden. Damit die nun getrennten DNA-Einzelstränge nicht reassoziieren, binden single strand binding proteins (SSB) an die Einzelstrang-DNA. Schließlich wird ein Enzym benötigt, welches die durch die Entspiralisierung im DNA-Doppelstrang entstandene Spannung beseitigt; dies ist die Aufgabe der DNA-Phosphatase I. Die Replikation der DNA beginnt immer mit einem Primer, der durch eine Primase synthetisiert wird. Der Primer ist ein kurzer DNA-Einzelstrang, welcher am Anfang der Replikation benötigt wird, da DNA-Polymerasen das freie 3’OH-Ende nicht produzieren können. Im Laufe der Elongation erfolgt die weitere Synthese der DNA-Stränge von 3’ nach 5’, dabei wird der Leitstrang kontinuierlich, der Folgestrang diskontinuierlich synthetisiert. Es können nicht beide Stränge gleichzeitig kontinuierlich gebildet werden, da Polymerasen die DNA-Synthese nur von 5’ nach 3’ durchführen können, die beiden DNA-Stränge jedoch wegen ihrer Antiparallelität in unterschiedlichen Richtungen vorliegen. Die Synthese am Leitstrang erfolgt in einem Stück durch Anheftung von Desoxynucleosidtriphosphaten mit Hilfe der DNA-Polymerase III (dabei wird jeweils Pyrophosphat abgespalten). Da der Folgestrang nicht in einem Stück gebildet wird, entstehen zunächst Okazaki-Fragmente durch die DNA-Polymerase III, die etwa 15 – 20 Basen lang sind. Diese Fragmente benötigen auch einen eigenen Primer, der von der Primase zur Verfügung gestellt wird. Die Primer werden, wenn das Fragment in einiger Entfernung von der Replikationsgabel liegt, von der DNA-Polymerase I entfernt. Die entstandenen Lücken werden durch eine DNA-Ligase geschlossen. Die Replikation läuft bidirektional so lange weiter, bis die beiden Replikationsgabeln aufeinander treffen. Dadurch wird die Replikation terminiert und die DNA wurde semikonservativ repliziert. ________________________________ (16.1)

________________________________ (16.2)

________________________________ (16.3)

________________________________ (16.4)

________________________________ (16.5) 49 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[17] Die DNA des Menschen enthält Abschnitte, die für ein definiertes Produkt codieren; diese bezeichnet man

16 15 Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

als Gene (man geht heute davon aus, dass die DNA des Menschen etwa 40.000 Gene enthält). Um diese genetische Information wirksam werden zu lassen, muss die DNA in RNA umgeschrieben werden. Diesen Prozess bezeichnet man als Transkription. Für den Transkriptionsvorgang sind DNA-abhängige RNA-Polymerasen verantwortlich. Diese benötigen keinen Primer und bauen Ribonucleotide statt Desoxyribonucleotide in einen wachsenden RNA-Strang ein. Vervollständigen Sie die Tabelle zu den drei verschiedenen RNA-Polymerasen: RNA-Polymerase

Produkt

hemmbar durch α-Amanitin?

I II III

[18] Für die Entstehung der hnRNA ist die RNA-Polymerase II zuständig. Wie erkennt dieses Enzym, an welcher Stelle des abzuschreibenden DNA-Strangs es seine Arbeit beginnen soll (Initiation)?

[19] Hat diese Initiation der Transkription stattgefunden, so wandert die RNA-Polymerase II nun an dem DNA-Strang entlang und verknüpft Ribonucleosidtriphosphate unter Pyrophosphatabspaltung miteinander (Elongation). In welche Richtung wird die DNA abgelesen und in welche Richtung wird ein RNA-Strang aufgebaut? DNA-Ableserichtung: ____________________________________________ (19.1) RNA-Synthese:

____________________________________________ (19.2)

[20] Schon während der Elongation wird das 5’-Ende der RNA geschützt. Wie?

[21] Wie wird das 3’-Ende der RNA nach dem Ende der Transkription modifiziert?

50 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[22] Am Ende der Transkription entsteht eine hnRNA (Primärtranskript), die während der RNA-Reifung in mRNA umgewandelt wird. Erklären Sie, unter Verwendung der folgenden Wörter, was dort geschieht: Spleißen, Introns, Exons, snRNA, Spleißosomen, lassoartige Form

16 Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

[23] Ergänzen Sie die Tabelle zu den verschiedenen Arten von RNA: RNA-Typ

Arten / Zelle

Länge

% aller RNA

Funktion

mRNA tRNA rRNA snRNA

[24] Es folgt ein Text zur Translation in E.coli. Ergänzen Sie die Lücken durch Einsetzen dieser Wörter: 3’-Richtung, Ribozyme, A-Stelle, Aminoacyl-AMP, Peptidyltransferase, Anticodon, Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, 3’-OH-Ende, Stop-Codon, tRNA, UAG, Zytosol, N-Formyl-Methionin, AUG, GTP, Peptidyl-Stelle Die Translation bezeichnet einen Prozess, bei dem die Information einer im Zellkern entstandenen mRNA in eine Sequenz von Aminosäuren übersetzt wird. Die Translation findet am rauen endoplasmatischen Retikulum oder im ______________________ (24.1) statt. Auch die Translation lässt sich unterteilen in Initiation, Elongation und Termination. Für die Initiationsphase werden verschiedene Dinge benötigt: mRNA, Start-tRNA, verschiedene Initiationsfaktoren und GTP. Die ________ (24.2) muss vor Beginn der Translation mit einer Aminosäure beladen werden. Dafür gibt es spezielle Enzyme, die ___________________________________________ (24.3). Von diesen Enzymen existiert wenigstens eines für jede AS. Die Beladung der tRNA mit einer AS erfolgt in zwei Schritten. Zunächst muss die AS unter ATP-Verbrauch aktiviert werden, Pyrophosphat wird abgespalten. Produkt dieser Aktivierung ist ______________________ (24.4). Nach der Aktivierung wird dieses an das freie ______________________ (24.5) der tRNA gebunden; dadurch entsteht das benötigte Aminoacyl-tRNA-Molekül. Für den Start der Translation bei Prokaryonten wird immer eine mit ________________________________ (24.6) beladene tRNA gebraucht, für die es nur das Codon ________ (24.7) gibt (Startcodon). Um mit der Translation zu beginnen, binden die Initiationsfaktoren IF-1 und IF-3 an die 30S-Untereinheit des Ribosoms, der Initiationsfaktor IF-2 ermöglicht, gemeinsam im Komplex mit ________ (24.8), die Anlagerung der mRNA an die kleine Untereinheit und die Bindung der fMet-tRNA an das Startcodon der mRNA. Bei dieser Anlagerung wird IF-3 bereits abgespalten, dadurch kann die 50S-Untereinheit an den Komplex 51 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

assoziieren. Im Anschluss daran werden auch IF-1 und IF-2 abgespalten, dabei wird GTP in GDP + Pi umgewandelt (ein GTP wird verbraucht!). In der sich anschließenden Elongationsphase wird die AS-Kette verlängert, bis das

16 15 Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

Stop-Codon auf der mRNA erreicht wird. An der ______________________ (24.9) (P) des Ribosoms sitzt die tRNA, welche die gesamte bis dahin synthetisierte Peptidkette trägt. An die Akzeptor-Stelle (A) bindet nun eine tRNA, deren ______________________ (24.10) zu dem mRNA-Codon der Akzeptor-Stelle passt. Unter Mitwirkung des Elongationsfaktors EF-Tu und GTP bindet die passende tRNA nun an die ______________________ (24.11), dabei wird GTP verbraucht und der EF abgespalten. Die ribosomale ______________________ (24.12) katalysiert die Übertragung der AS der tRNA der P-Stelle auf die tRNA der A-Stelle. Diese Übertragungsreaktion verbraucht kein ATP. Bei der ribosomalen Peptidyltransferase handelt es sich um katalytisch aktive RNAs, die als ______________________ (24.13) bezeichnet werden. Im nächsten Schritt löst sich die freie tRNA der P-Stelle ab und ein mit GTP beladener Elongationsfaktor, EF-G, bindet an das Ribosom. Durch Hydrolyse dieses GTPs wird Energie frei, die für die Translokation des Ribosoms genutzt wird. Dabei wandert das Ribosom um drei Basen in ______________________ (24.14) der mRNA weiter. Bei dieser Translokation wird die tRNA, die die Peptidkette trägt, von der A-Stelle in die P-Stelle verschoben. Die A-Stelle ist nun wieder frei und eine neue AS beladene tRNA kann dort anlagern. Der ablaufende Elongationsprozess schreitet solange fort, bis auf der mRNA das ______________________ (24.15) erreicht wird (UAA, ________ (24.16), UGA). Für diese Codons gibt es keine tRNAs mit passendem Anticodon, deswegen bleibt die A-Stelle frei. Stattdessen binden Releasing-Faktoren an das Ribosom und bewirken die Abspaltung der Peptidkette von der tRNA. Zudem sorgen sie unter GTP-Verbrauch für die Auflösung des gesamten Komplexes. Das Ribosom dissoziiert in zwei Untereinheiten, die Translation ist beendet.

[25] Als Alexander Fleming 1928 zufällig bemerkte, dass mit dem Schimmelpilz Penicillium kontaminierte Bakterien im Wachstum gehemmt wurden, hatte er das Penicillin entdeckt. Antibiotika sind Substanzen, die das Wachstum von Bakterien hemmen. Man unterscheidet zwischen bakteriostatisch wirksamen Antibiotika, diese beeinträchtigen die Vermehrung von Bakterien, und bakteriziden Antibiotika, die Bakterien abtöten. Heute existiert eine Vielzahl verschiedener Antibiotika, die besonders dem lernenden Medizinstudenten das Leben schwer machen. Die folgende Tabelle soll Ihnen helfen, eine Übersicht über die verschiedenen Substanzen und deren Angriffspunkte zu gewinnen. Füllen Sie dazu die freien Felder der Tabelle aus! antibakterieller Wirkstoff

Angriffspunkt

Penicillin

Zellwandsynthese

bewirkte Störung

Cephalosporine Sulfonamide Diaminopyrimidine

Folsäure-Synthese

Hemmung der Dihydrofolat-Reduktase

Gyrase-Hemmer Actinomycin Rifampicin Chloramphenicol Makrolide (z.B. Erythromycin) Aminoglykoside (z.B. Streptomycin) Tetracycline Puromycin 52 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[26] Was sind Plasmide?

___________________________________________

16

___________________________________________ Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

___________________________________________ ___________________________________________

[27] Restriktionsendonucleasen spalten meistens an so genannten Palindromsequenzen. Spalten sie RNA oder DNA? ___________________________________________ (27.1) In welchen Lebewesen kommen sie vor? Besitzen unsere Zellen auch Restriktionsendonucleasen? ___________________________________________ (27.2)

[28] Retroviren (z.B. HIV) besitzen eine Einzelstrang-RNA. Welchen Mechanismus benutzen sie, um ihre genetische Information in das Wirtszell-Genom zu übertragen?

[29] Welche Zellen sind am stärksten von einer HIV-Invasion betroffen?

[30] Welche Strategien werden heute in der Therapie gegen HIV verwendet?

[31] Gene, die für die Entstehung und Progression von Tumorerkrankungen verantwortlich sind, bezeichnet man als Onkogene. Onkogene weisen große Ähnlichkeiten mit Genen von Proteinen auf, die an Signaltransduktionsprozessen beteiligt sind. Diese Gene, die physiologisch vorkommen, bezeichnet man als Protoonkogene. Sie werden kontrolliert von Tumor-Suppressor-Genen, die auch als Antionkogene bezeichnet werden. Durch Mutationen in den Protoonkogenen können diese zu Onkogenen werden. Dabei wird ein Signaltransduktionsweg angeschaltet, der keiner exogenen Regulation mehr bedarf. Für welche Klassen von Proteinen codieren Protoonkogene? • ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________ 53 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[32] Die heute nicht mehr wegzudenkende Polymerase-Ketten-Reaktion (polymerase chain reaction, PCR) erlaubt es, ohne Hilfe von Restriktionsenzymen und Hilfszellen, DNA millionenfach zu amplifizieren. Füllen Sie die Lücken in den folgenden Aussagen zum Funktionsprinzip der PCR. • Die Auftrennung des DNA-Doppelstrangs in zwei Einzelstränge erfolgt im ersten Schritt der PCR durch

15 16 Nucleinsäuren, Hormonegenetische Information, Molekularbiologie

17

______________________ (32.1). • Nach einer kurzen Abkühlung lagern sich die ______________________ (32.2) an die DNA-Einzelstränge an. Ein Überschuss an diesen Startmolekülen verhindert ein vorzeitiges Renaturieren der beiden Elternstränge. • Die thermostabile ______________________ (32.3) (Temperaturoptimum ca. 73 °C) synthetisiert nun die erste Generation von Tochtersträngen. Dazu müssen Nucleosidtriphosphate zugesetzt werden. • Das 5’-Ende wird jeweils von den Primern gebildet. Die DNA wird von ________ (32.4) in ________ –Richtung (32.5) aufgebaut. • In der zweiten Amplifikationsrunde werden die 2 Doppelstränge erneut in Einzelstränge aufgetrennt. Es entstehen am Ende der zweiten Amplifikationsrunde insgesamt ________ (32.6) Doppelstränge, die jedoch noch nicht die gewünschte Länge haben. • DNA-Doppelstränge, deren Länge dem Abstand der Primer entspricht, entstehen ab dem ________ (32.7) Zyklus der PCR.

17

Hormone

[1] G-Protein gekoppelte Rezeptoren können sowohl den „cAMP-Weg“, als auch den „IP3-Weg“ initialisieren. Vervollständigen Sie die Kaskade, die durch ein Hormon, das den intrazellulären cAMP-Gehalt erhöht, ausgelöst wird: Bindung des Hormons an den Rezeptor (z.B. Noradrenalin an β1-Rezeptor)

(1.1):

Abspaltung der α-Untereinheit des G-Proteins

(1.2):

vermehrte Bildung von cAMP

(1.3):

Proteinkinase A phosphoryliert zelluläre Proteine; es entsteht eine zelluläre Reaktion auf die Hormonbindung

54 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[2] Vervollständigen Sie durch das Einsetzen der folgenden Wörter:

17

Adenylatzyklase, 5’-AMP, ATP, Phosphodiesterase

Hormone

• cAMP entsteht durch die ______________________ (2.1) aus ________ (2.2). • cAMP wird abgebaut durch die ______________________ (2.3) zu ________ (2.4).

[3] Bindet Noradrenalin nun beispielsweise an den α1-Rezeptor, so wird der IP3-Weg initiiert. Korrigieren Sie 4 Fehler im folgenden Text, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Bindet Noradrenalin an seinen α1-Rezeptor, so wird durch den Hormon-Rezeptor-Komplex das GDP des G-Proteins gegen GTP ausgetauscht. Das G-Protein, das nun GTP gebunden hat, aktiviert die Phospholipase A . Die aktivierte Phospholipase spaltet dann Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat in Inositolbisphosphat (IP2) und Diacylglycerol (DAG). Diese beiden Second messenger (IP2 und DAG) entfalten verschiedene Wirkungen: Das IP2 bindet an Rezeptoren am endoplasmatischen Retikulum und fördert dadurch die Ca2+-Freisetzung ins Cytosol. Das DAG aktiviert mit Hilfe des Ca2+ eine Proteinlipase C, die durch Glykosylierung zellulärer Proteine eine Zellreaktion auf die Hormonbindung auslöst. ________________________________ (3.1)

________________________________ (3.2)

________________________________ (3.3)

________________________________ (3.4)

[4] Nennen Sie beispielhaft einige Hormone, die ihr Signal über einen cAMP-Anstieg, einen cAMP-Abfall oder den IP3-Weg vermitteln: cAMP - Anstieg

cAMP - Abfall

IP3 - Weg

Schilddrüsenhormone [5] Tragen Sie in die nebenstehende Graphik die Hormone ein, die im Hypothalamus, im HVL bzw. in der Schilddrüse gebildet werden.

ZNS

Hypothalamus _____________________ (5.1)

HVL _____________________ (5.2)

– Schilddrüse _____________________ (5.3)

Zielgewebe

[6] Vervollständigen Sie den Text durch Einsetzen der folgenden Wörter:

Zinkfinger, TSH, T3, Basedow, Tyrosyl, Na+/K+-, TBG, Thyreoglobulin, TRH, intramolekulare Kopplung, Leber, Tetrajodthyronin (T4), Trijodthyronin (T3)

55 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Frau M. suchte mit folgenden Beschwerden ihren Hausarzt auf: Wärmeintoleranz, Gewichtsabnahme von 6 kg und

17 Hormone

hervorstehende Bulbi. Dieser diagnostizierte nach einer Blutentnahme einen Morbus ______________________ (6.1) . Der Arzt erklärte ihr die Funktion der Schilddrüse und ihre damit verbundene Krankheit folgendermaßen: „Alles beginnt mit einem Befehl des ZNS an den Hypothalamus. Das ZNS befiehlt sozusagen die Produktion von Schilddrüsenhormonen. Der Hypothalamus sendet auf diesen Befehl hin einen Boten zur Hypophyse, dieser Bote ist ein Tripeptid und heißt ________ (6.2). Die Hypophyse reagiert darauf mit der Freisetzung eines weiteren Hormons, das ________ (6.3). Dieses Hormon wird in das Blut abgegeben und bindet an der Schilddrüse an einen spezifischen Rezeptor. Diese Rezeptorbindung bewirkt zum einen die aktive Iodidaufnahme in den Thyreozyten, außerdem fördert es die Iodierung von ______________________ (6.4). Das Thyreoglobulin ist ein sehr großes Molekül, welches aus etwa 3000 AS aufgebaut ist. Zudem enthält es über hundert ______________________-Reste (6.5). Diese Reste werden iodiert und durch ________________________________ (6.6) entstehen die Schilddrüsenhormone, die an Thyreoglobulin gebunden im Kolloid gespeichert werden. Durch Proteolyse werden die Schilddrüsenhormone aus dem Thyreoglobulin herausgelöst. Es entsteht dabei v.a. das __________________________ (6.7), zu einem geringen Teil auch das __________________________ (6.8). Das eigentlich aktive Schilddrüsenhormon ist dabei das ___________ (6.9). Dieses entsteht aus T4 (zu 80 % in der ___________ (6.10)). Die Formel des T4 sieht so aus: H – OOC

C C H2 NH3+

I

I O I

OH I

Die Schilddrüsenhormone werden an das Blut abgegeben und dort an ________ (6.11), Präalbumin oder Albumin gebunden transportiert. Sie durchdringen dann die Zellmembran ihrer Zielzellen, binden dort an einen intrazellulären Rezeptor, der so genannte ______________________ (6.12) enthält, und entfalten schließlich ihre Wirkung über eine Beeinflussung der Genexpression. Die Wirkungen der Schilddrüsenhormone sind u.a. die folgenden: • Vermehrte Expression der ________-ATPase (6.13), • vermehrte Wärmebildung, • Steigerung des Grundumsatzes, • Stimulation des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels, • positiv chronotroper Effekt am Herzen. Ihre Erkrankung, Frau M., ist dadurch entstanden, dass sie Autoantikörper entwickelt haben, welche an den TSH-Rezeptor der Schilddrüse binden und die Schilddrüsenaktivität stimulieren. Wir werden zunächst mit einer thyreostatischen Therapie beginnen, die die Synthese ihrer Schilddrüsenhormone blockieren soll. Sollte es in einem nach Absetzen der Therapie zu einem Rezidiv kommen, müssen wir entscheiden, ob eine Radioiodtherapie oder eine operative Sanierung erforderlich ist!“

Insulin [7] Prüfen Sie die folgenden Fragen auf ihren Wahrheitsgehalt! • Insulin ist ein aus einer A- und einer B-Kette aufgebautes Peptidhormon. Die beiden Ketten sind durch zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden, eine weitere Disulfidbrücke verbindet zwei Cystein-Reste der B-Kette miteinander: ________ (7.1) • Insulin ist aus 51 Aminosäuren aufgebaut: ________ (7.2)

56 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

• Insulin wird in den Granula der B-Zellen des Pankreas als Zink-haltiges Hexamer gespeichert, im Blut liegt es als

17 Hormone

Monomer vor: ________ (7.3) • Das C-Peptid verbindet im Proinsulin die A- und B-Kette miteinander: ________ (7.4) • Sekretionsreiz für die Insulinfreisetzung ist die Blutglucose, welche über Glut4 in die B-Zellen des Pankreas gelangt: ________ (7.5) • Adrenalin und Somatostatin hemmen die Insulinfreisetzung: ________ (7.6) • An insulinempfindlichen Zellen bindet das Insulin an den Tyrosinkinase-Rezeptor, der sich daraufhin selbst an Tyrosin-Resten phosphoryliert: ________ (7.7) • Insulin fördert die Glucoseaufnahme in die Leber: ________ (7.8)

[8] Verbinden Sie die passenden Zeilen durch Pfeile miteinander.

Diabetes mellitus Typ I

Altersdiabetes ohne Übergewicht

Diabetes mellitus Typ IIa

Altersdiabetes mit Übergewicht

Diabetes mellitus Typ IIb

B-Zell-Untergang, insulinpflichtig

[9] Nennen Sie vier schwerwiegende Spätkomplikationen, die

• ________________________________

ein dauerhaft erhöhter Blutglucosespiegel zur Folge haben kann: • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

[10] Insulin hat eine starke Wirkung auf Muskulatur, Fettgewebe und Leber. In der Tabelle sind diese Wirkungen zusammengefasst. Sie sollen nun durch ↓ oder ↑ entscheiden, ob die Aktivität der jeweils genannten Enzyme bzw. Stoffwechselwege unter Insulinwirkung zu- oder abnimmt (siehe Beispiel Hexokinase). Muskulatur • Hexokinase ↑

Fettgewebe • Hexokinase

Leber • Glykolyse • Glukokinase

• Glykogensynthase

• Phosphofructokinase

• Phosphofructokinase • Pyruvatkinase

• Glukogenphosphorylase

• Pyruvatkinase • Glykogensynthase • Acetyl-CoA-Carboxylase • Gluconeogenese • FS-Synthase

• Pyruvatcarboxylase • PEP-Carboxykinase

• Lipoproteinlipase (Aufnahme

• Fructose-1,6-bisphosphatase

von TG aus VLDL) • Glykogenphosphorylase

57 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Stammbaum der Steroidhormone

17 Hormone

[11] Alle 6 Steroidhormone entstehen aus Cholesterol. Der hier aufgezeichnete vereinfachte Stammbaum der Steroidhormone ist unvollständig. Können Sie ihn vervollständigen?

Cholesterol 27 C-Atome HO CH3 CO

(11.1) HO

C-Atome (11.2) CH3 CO

(11.3) C-Atome (11.4)

O

CH2OH HO

CH2OH

CO OH

HO

OHC

CO

O

(11.9) C-Atome (11.10)

O

O

(11.5) C Atome (11.6)

O

(11.7) OH

C Atome (11.8)

(11.11) O

Enzym:

C-Atome (11.12)

(11.13) OH

(11.14) HO

C-Atome (11.15)

Glukagon [12] In welchen Zellen des Pankreas wird Glucagon gebildet?

58 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[13] Ist Glucagon ein Steroidhormon, ein Fettsäurederivat oder ein Peptidhormon?

17 Hormone

[14] Welche Wirkung hat Glucagon auf die folgenden Stoffwechselwege der Leber? • Glycogenolyse:

___________________________________________ (14.1)

• Glycolyse:

___________________________________________ (14.2)

• Gluconeogenese:

___________________________________________ (14.3)

• Lipolyse:

___________________________________________ (14.4)

Glucocorticoide [15] In dieser Aufgabe sind alle richtigen Antworten aus Physikumsfragen mit einigen Falschantworten zu Glucocorticoiden gemischt. Finden Sie die richtigen Antworten heraus? Wenn Sie das schaffen, sind Sie fit fürs Physikum! 1.

Die gemeinsame Vorstufe der Steroidhormone ist Pregnenolon.

2.

Eine C21-Hydroxylase ist an der Synthese von Testosteron und Estrogenen beteiligt.

3.

Mineralo- und Glucocorticoide werden im Gegensatz zu den Geschlechtshormonen an C11 hydroxyliert.

4.

Cytochrom-P450-abhängige Monooxygenasen hydroxylieren das Steranskelett des Progesterons.

5.

Das Cholesterol für die Steroidhormonsynthese in den Zellen der NNR wird durch Freisetzung aus intrazellulären Cholesterolestern bereitgestellt.

6.

Der Cortisolrezeptor ist ein integrales Membranprotein mit Tyrosinkinaseaktivität.

7.

Cortisol führt zu einer Verminderung der Arachidonsäurefreisetzung aus Phospholipiden.

8.

Cortisol führt zu einer Steigerung der Proteolyse in der Skelettmuskulatur.

9.

ACTH stimuliert die Adenylatzyklase der NNR und steigert damit die Cortisol-Biosynthese.

10. Cortisol stimuliert in den Plasmamembranen cortisolempfindlicher Zellen die Freisetzung von Inositoltriphosphat aus Phosphatidylinositol. 11. Glucocorticoide induzieren in der Leber Enzyme der Gluconeogenese. 12. Cortisol steigert die Lipolyse im Fettgewebe. 13. Cortisol wird in Sekretgranula in der NNR gespeichert. 14. Cortisol stimuliert die Proteolyse im Muskel. 15. In der Leber induziert Cortisol die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase. 16. In der Leber induziert Cortisol die Phosphofructokinase. 17. Cortisol hemmt die Bildung von IL-2. 18. Cortisol führt zu einer Stimulierung des GLUT2 in den Hepatozyten. 19. Unter dem Einfluss von Cortisol wird die Produktion von Prostaglandinen infolge Hemmung der Phospholipase A2 gehemmt. 20. Glucocorticoide sind im Blut an Transcortin gebunden. 21. Glucocorticoide werden über Androstendion zu Testosteron umgewandelt. 22. Cortisoleffekt ist die Induktion von Aminotransferasen in der Leber. richtige Antworten: ___________________________________________ falsche Antworten: ___________________________________________ 59 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Katecholamine

17

[16] Ergänzen Sie den Syntheseweg der Katecholamine Noradrenalin und Adrenalin! Hormone

CH2 CH NH3+

HO

COO

Tyrosin

–

Enzym:

(16.5)

HO CH2 CH NH3+

HO

(16.1)

COO–

Enzym:

(16.6)

HO CH2 CH NH3+

HO

(16.2)

H

Enzym: Dopamin-β-Hydroxylase HO CH CH2 NH3 +

HO

(16.3)

OH

Enzym:

(16.7)

HO HO

(16.4)

CH CH2 NH CH3 OH

[17] Vervollständigen Sie die Tabelle zu den Katecholaminen und ihren Rezeptoren: Rezeptor

α1

α2

β1

β2

Second messenger

Wirkung

60 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[18] Es folgen 2 Fragen zum Abbau der Katecholamine:

17

• Welches Enzym katalysiert die Methylierung von Adrenalin bzw. Noradrenalin beim extraneuronalen Abbau?

Hormone

___________________________________________ (18.1) • Welches Produkt entsteht beim Abbau der Katecholamine (es kann im 24h-Urin bestimmt werden und gibt dann indirekt Auskunft über die Katecholamin-Synthese)? ___________________________________________ (18.2)

ACTH [19] Das in der Hypophyse gebildete Proopiomelanocortin (POMC) ist Vorläufermolekül der folgenden vier Hormone:

• ________________________________ • ________________________________ • ________________________________ • ________________________________

Geschlechtshormone [20] Korrigieren Sie 5 Fehler im folgenden Text, indem Sie die Fehler unterstreichen und unten die korrekten Formulierungen notieren: Die im Hypothalamus gebildeten Gonadotropin-Releasing-Hormone fördern die Bildung und Ausschüttung von FSH und LH im Hypophysenhinterlappen. Beim Mann bewirkt das LH die Testosteronproduktion in den Sertoli-Zellen, das FSH stimuliert die Sertoli-Zellen zur Spermienreifung. Das Steroidhormon Testosteron, welches 18 Kohlenstoff-Atome enthält, bindet an einen intrazellulären Rezeptor in den Sertoli-Zellen und beeinflusst dadurch die Spermienreifung. Eine Wirkung hat es zudem auf Wachstum und Differenzierung der männlichen Geschlechtsorgane und die Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale. Bei der Frau wirken FSH und LH in der Follikelphase auf unterschiedliche Zellen des Ovars. FSH stimuliert die Granulosazellen zur Produktion von Östradiol, LH stimuliert die Theca interna Zellen zur Produktion von Androgenen. Die Androgene gelangen dann per Diffusion in die Granulosazellen und werden dort durch die Aromatase in Östrogen umgewandelt. Die beiden wichtigsten Geschlechtshormone der Frau sind das Gestagen Progesteron und das Östrogen Östradiol. Die im Ovar gebildeten Östrogene induzieren vor allem die Proliferation der Uterusschleimhaut (Proliferationsphase) und bereiten auf eine möglicherweise eintretende Schwangerschaft vor (Zervixschleim wird dünnflüssiger, erhöhte Tubenmotilität, Epithelproliferation der Vagina u.a.). Progesteron wird unter LH-Einfluss besonders nach der Ovulation vom Corpus luteum gebildet und führt zur sekretorischen Umwandlung der Uterusschleimhaut (Sekretionsphase). Als Schwangerschaftsschutzhormon steigt seine Sekretion zu Beginn der Schwangerschaft stark an, fällt aber im Laufe der nächsten Monate der Schwangerschaft wieder langsam ab. Dabei wird es in der ersten Schwangerschaftshälfte besonders stark vom Corpus luteum, in der zweiten Schwangerschaftshälfte von der Plazenta gebildet. Das Progesteron bewirkt das Wachstum von Uterus und Mammae in der Schwangerschaft, für den Anstieg der Körpertemperatur während der Lutealphase ist es allerdings nicht verantwortlich. ________________________________ (20.1)

________________________________ (20.2)

________________________________ (20.3)

________________________________ (20.4)

________________________________ (20.5)

[21] In der Zeichnung sehen Sie den schematischen Verlauf der hormonellen Schwankungen einer Frau während ihres Menstruationszyklus. Geben Sie an, um welche beiden Hormone der Hypophyse und um welche beiden Hormone des Ovars es sich in diesem Schema handelt: ________________________________ (21.1)

________________________________ (21.2)

________________________________ (21.3)

________________________________ (21.4)

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17 Hormone

21.1 [E/L]

Hypophyse

21.2 [E/L] 21.3 [ng/ml] 21.4 [pg/ml]

Ovar

Temperatur

Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) [22] Ist Renin ein Steroidhormon, eine Protease oder ein Peptidhormon?

[23] Markieren Sie die falschen Aussagen zum RAAS! a. Die Freisetzung von Renin erfolgt durch β1-adrenerge Stimulation, Druckabfall im Vas afferens oder einen Abfall der Natriumkonzentration im distalen Tubulus. b. Renin spaltet vom Angiotensinogen ein Dekapeptid namens Angiotensin I ab. c. ACE wandelt Angiotensin II in Angiotensin I um. d. Angiotensin II erhöht den peripheren Gefäßwiderstand und fördert die Aldosteron-Sekretion. e. Männer besitzen ein vielfach stärker ausgeprägtes RAAS als Frauen.

[24] Welche Aussagen zum Aldosteron treffen zu? Aldosteron …

a. induziert die Na+/K+-ATPase in den Sammelrohren der Niere. b. steigert die Na+-Reabsorption. c. ist ein Steroidhormon. d. wird durch Einfluss von Angiotensin I vermehrt gebildet. e. kann durch Spironolacton gehemmt werden.

[25] Ergänzen Sie die folgende Tabelle zum atrialen natriuretischen Peptid (ANP): Bildungsort Sekretionsreiz Second messenger • • Wirkungen

• •

62 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Wachstumshormone

17 17

[26] Vervollständigen Sie das vorliegende Schema! Hormone

Hypothalamus Somatokrinin (GRH)

Somatostatin (SIH)

-

+ Hypophyse

(26.1)

+

+

+

Leber (26.2) (26.3)

z.B.

+ Knochenwachstum

• erhöhter Sulfateinbau • Stimulation von Chondrozyten • erhöhte Mitoserate

metabolische Wi rkungen

gesteigerte Lipolyse, Erhöhung des Blutzuckers, Gewichtszunahme, proteinanabol

63 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Eicosanoide

17 Hormone

[27] Fast jeder von uns hat schon einmal Aspirin eingenommen, sei es wegen Fieber oder aber nach einer langen Nacht. Um die Wirkung des Aspirins zu verstehen, vervollständigen Sie das nachfolgende Schema. Anmerkung: Es sind nicht alle Wirkungen der Eicosanoide aufgeführt! Aber Sie können die Tabelle nach Belieben ergänzen!

Cortisol

Lipocortin

Phospholipide

-

(27.1) (27.2) ASS

-

Prostaglandine Beispiel: Prostaglandin E2 • Blutdruck ↓ • Schmerzempfinden ↑ • Magenschleim ↑ Prostaglandin F2 • Stimulation der Uterusmuskulatur

(27.3)

Prostacyclin heißt auch: Prostaglandin I2 • Hemmung der Thrombozytenaggregation

Thromboxan Thromboxan A2

• Thrombozytenaggregation ↑

(27.4)

Leukotriene Leukotrien C4

• Bronchokonstriktion • Vasodilatation

64 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

18

Immunchemie

18 Immunchemie

[1] Das Immunsystem des Menschen kann in spezifische und unspezifische Abwehrmechanismen unterteilt werden. Nennen Sie einige dieser Mechanismen in der folgenden Tabelle: unspezifische Mechanismen

spezifische Mechanismen

[2] Lymphozyten sind die Träger der spezifischen Immunität.

Wie viele Lymphozyten befinden sich etwa in 1 mm3 Blut? ______________________ (2.1) Wie viele Lymphozyten sind das im Vergleich zur Zahl der Lymphozyten im gesamten Organismus? ______________________ (2.2)

[3] Ergänzen Sie die folgende Tabelle zur Herkunft der zwei Lymphozytenfamilien, den B-Lymphozyten und den T-Lymphozyten:

B-Lymphozyten

T-Lymphozyten

primär lymphatische Organe

sekundär lymphatische Organe

T-Lymphozyten [4] Die antigenbindende Region der T-Zelle ist der T-Zellrezeptor (TCR). Dieser Rezeptor ist antikörper-ähnlich aufgebaut, wird jedoch nicht sezerniert. Mit welchem Hilfsmolekül ist der TCR assoziiert? ___________________________________________ 65 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

18

[5] Am Ende der T-Zellreifung entstehen CD4-positive oder CD8-positive Lymphozyten. Diese Oberflächenproteine sind entscheidend für die Anlagerung der T-Zellen an entweder MHC I- oder MHC II-Moleküle.

Immunchemie

Verbinden Sie durch Pfeile die richtigen Konstellationen der Anlagerung der T-Zellen an MHC-Moleküle:

CD4-positive Lymphozyten

MHC I

CD8-positive Lymphozyten

MHC II

[6] Geben Sie in dieser Tabelle kurz die Funktionen der unterschiedlichen T-Zellsubpopulationen an: Funktion

T-Helferzelle

zytotoxische T-Zelle

Tuppressorzelle-S

[7] B-Lymphozyten können T-Zell-abhängig oder T-Zell-unabhängig aktiviert werden. Sie differenzieren dadurch zu Antikörper produzierenden Plasmazellen. Antikörper sind Y-förmige Glycoproteine, die Antigene binden können und so die Ausbildung von Antigen-Antikörper-Komplexen hervorrufen. Sie kommen sowohl gelöst im Blut, als auch auf der Zelloberfläche von B-Lymphozyten vor. Insgesamt unterscheidet man 5 verschiedene Immunglobulinklassen. Vervollständigen Sie dazu diese Tabelle: IgA IgD IgE IgG IgM 150 Molekulargewicht (kDa) 180 200 150 900 (Dimer: 400) 0,00005 13,5 Serumkonzentration (g/l) 3,5 0,03 1,5 (niedrigste) (höchste) schwere Ketten leichte Ketten joining peptide?

nein

plazentagängig? Komplementaktivierung?

nein –

+

Hauptfunktionen

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[8] Hier sehen Sie ein Immunglobulin der Klasse G in der Form eines Ypsilons.

18 Immunchemie

• Beschriften Sie die drei vorgegebenen Pfeile! • Kreisen Sie ein Fab- und ein Fc-Fragment ein. Welche Aufgaben kommen diesen Fragmenten des Antikörpers zu? ______________________ (8.1) • Welche Fragmente entstehen, wenn IgG durch die Protease Papain gespalten wird? ______________________ (8.2)

[9] Welche drei Wirkungen entfaltet das Komplementsystem?

• ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________

[10] Erklären Sie, wie die Aktivierung des Komplementsystems auf dem klassischen bzw. alternativen Weg abläuft: klassischer Weg:

alternativer Weg:

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[11] Sie sehen ein grobes Schema der Komplementkaskade. Vervollständigen Sie dieses durch Angabe der Aufgaben einiger Komplementfaktoren:

18 Immunchemie

*

(11.1)

C5

*Aufgabe von C3a, C4a, C5a:

C5b

(11.2)

C6 – C9

(11.3)

[12] Vervollständigen Sie die Tabelle, in der MHC-Moleküle der Klasse I mit MHC-Molekülen der Klasse II verglichen werden: MHC I

MHC II

auf folgenden Zellen vorhanden: Struktur

Funktion

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[13] Hier sehen Sie eine Liste mit verschiedenen Zytokinen. Können Sie diese ergänzen? produz. Zelle

Interleukin-1

Makrophagen

Interleukin-2 Interferon-γ

Zielzelle

19

T-Zellen, B-Zellen T-Zellen

Makrophagen, Endothelzellen Stimulation, Entzündung, Fieber, Akute-Phase-Proteine

TNF

19

Wirkung

Blut Immunchemie

Zytokin

18 15

Blut

[1] Wie viele Erythrozyten sind in einem µl Blut eines Erwachsenen etwa vorhanden?

________________________________

[2] Erythrozyten besitzen weder Zellkern noch Mitochondrien. Ihr Stoffwechsel ist daher sehr eingeschränkt. Nennen Sie zwei Stoffwechselwege, die dennoch im Erythrozyten ablaufen. Welche Funktion haben diese Stoffwechselwege? •

•

[3] Warum liegt die Nettobilanz der Glykolyse in Erythrozyten etwas unter den erwarteten + 2 mol ATP?

[4] Welche Funktion hat das 2,3-BPG?

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[5] Dargestellt ist die Sättigungskurve von

19 15

[6] Ergänzen Sie folgenden Lückentext zum Hämoglobin: Das Hämoglobin besteht aus insgesamt vier Peptidketten, von denen jede über einen _____________________-Rest (6.1) mit einer Hämgruppe verbunden ist. Der Hauptanteil des Hämoglobins eines Erwachsenen (über 95 %) besteht aus zwei α- und zwei β-Ketten; dieses Hämoglobin

1.0 0.8

Sättigung

Blut

Hämoglobin (Hb). Zeichnen Sie die Sättigungskurven für Hb + CO2 sowie für Hb + CO2 + 2,3-BPG in die Graphik ein!

0.6 0.4 0.2 0.0 0

10

20

30

40

50

O2-Partialdruck (mm HG)

wird als ________ (6.2) bezeichnet. Das aus zwei α- und zwei δ-Ketten bestehende ________ (6.3) liegt nur zu einem sehr geringen Prozentsatz vor, es hat jedoch eine höhere _____________ (6.4) als das aus zwei α- und zwei β-Ketten bestehende Hämoglobin. Eine Besonderheit stellt das fetale Hämoglobin HbF dar, das sich aus zwei ________-Ketten (6.5) und aus zwei ________-Ketten (6.6) zusammensetzt. Das HbF hat eine höhere Affinität zu Sauerstoff als das HbA; dies ist von Vorteil, da der Fetus den Sauerstoff aus dem Blut der Mutter entnehmen muss. Der physiologische Neugeborenenikterus ist eine Folge des Abbaus des HbF, denn es wird nach der Geburt vermehrt abgebaut, da die Gesamtmenge aufgrund der Eigenatmung nun zu groß ist. Bei der Sichelzellanämie handelt es sich um eine Hämoglobinopathie, der ein Aminosäureaustausch in der ________-Kette (6.7) des Hämoglobins zu Grunde liegt. An Position sechs der Kette ist die Aminosäure Glutamat durch _____________________(6.8) ersetzt. Homozygote Träger erleben das 30. Lebensjahr meist nicht, heterozygote Träger weisen hingegen eine erhöhte Resistenz gegen _____________________ (6.9) auf. Durch diesen Selektionsvorteil der an Sichelzellanämie Erkrankten lässt sich erklären, warum die Sichelzellanämie in manchen Gebieten sehr häufig vorkommt (v.a. Afrika). Eine andere Hämoglobinopathie ist die Thalassämie. Häufigste Form ist die β-Thalassämie, bei der die Synthese der gesamten _____________________ (6.10) des Hämoglobins gestört ist. Folge sind das Absterben erythropoetischer Stammzellen im Knochenmark und eine verminderte Lebensdauer von Erythrozyten. Die homozygote Form, die _______________________________ (6.11), endet meist schon im Kindesalter tödlich. Patienten mit einer heterozygoten Ausprägung, _______________________________ (6.12) genannt, haben jedoch eine fast normale Lebenserwartung.

[7] Das zweiwertige Eisenatom des Häms hat 6 Koordinationsstellen. Geben Sie an, wie diese im Hämoglobin besetzt sind: Koordinationsstelle des Fe2+

im Hämoglobin besetzt mit ...

I II III IV V VI

70 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[8] Die Schritte der Häm-Biosynthese sind hier aufgelistet. Ergänzen Sie die Syntheseschritte durch Einsetzen

19 Blut

folgender Wörter: Succinyl-CoA, Uroporphyrinogen III, δ-Aminolaevulinsäure–Synthase, Häm, Koproporphyrinogen III, δ-Aminolaevulinsäure, Ferrochelatase, Desaminierung, Porphobilinogen, δ-Aminolaevulinsäure–Synthase, Mitochondrium, PALP, Glycin • Während einige Zwischenschritte der Häm-Biosynthese im Zytosol stattfinden, beginnt die Synthese im ______________________ (8.1). • Dort kondensieren ______________________ (8.2) und ______________________ (8.3) zu ________________________________(8.4). • Enzym dieser Reaktion ist die ___________________________________________ (8.5), das Schlüsselenzym der Häm-Biosynthese. Dieses Enzym benötigt ________ (8.6) als Coenzym. • Die δ-Aminolaevulinsäure verlässt das Mitochondrium und jeweils zwei Moleküle kondensieren unter Wasserabspaltung zu ______________________ (8.7). Dieses enthält bereits den typischen Pyrrolring. Zeichnen Sie einen Pyrrolring in das nebenstehende Feld ein: • Im nächsten Schritt entsteht die für das Häm typische Tetrapyrrolstruktur. Unter ______________________ (8.9) kondensieren 4 Moleküle Porphobilinogen zu

Pyrrol (8.8)

________________________________ (8.10). • Hieraus entsteht durch vierfache Decarboxylierung der Acetat-Reste zu Methyl-Resten ________________________________ (8.11), das zurück in das Mitochondrium gelangt.

CH3 CH3

H2C H3C

• Dieses Molekül wird intramitochondrial oxidiert. Es entsteht Protoporphyrin III, das durch den Einbau von

Fe N

zweiwertigem Eisen mit Hilfe der ______________________ (8.12) schließlich in Häm umgewandelt wird. Dieses sieht dann folgendermaßen aus: • Reguliert wird die Häm-Biosynthese auf der Stufe der ___________________________________________ (8.13). Allosterischer Inhibitor dieses Enzyms ist

CH2

N

N

CH3

N

H3C

CH3 H2C

H2C CH2

HO

C O

CH2 C

HO

O

________ (8.14) als Endprodukt der Synthese (feed-back-Hemmung).

[9] Erythrozyten haben eine Lebensdauer von etwa 120 Tagen. Bei 5 × 106 Erythrozyten pro µl bedeutet das bei einem Blutvolumen von 4 – 6 l, dass 100 bis 200 Millionen Erythrozyten pro Stunde abgebaut werden. Zu den einzelnen Schritten des Häm-Abbaus folgen nun einige Fragen: • Das aus den Erythrozyten beim Abbau freigesetzte Häm wird im RES (retikulo-endotheliales-System in Leber, Milz und Knochenmark) in grünes Biliverdin umgewandelt. Dabei werden Sauerstoff und NADPH benötigt, CO und Eisen werden freigesetzt. Das Eisen kann für den Aufbau eines neuen Häms wiederverwertet werden. Welches Enzym katalysiert diese Reaktion? _______________________ (9.1) • Mit Hilfe der Biliverdin-Reduktase wird Biliverdin NADPH-abhängig umgewandelt. Wie heißt das Produkt dieser Reaktion? _______________________ (9.2) 71 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

• Dieses wird nun gebunden an Albumin zur Leber transportiert. Wie bezeichnet man dieses gebundene Bilirubin

19 15

auch? _________________________________ (9.3) Blut

• In der Leber wird das Bilirubin in _________________________________ (9.4) umgewandelt. • Das konjugierte Bilirubin wird nun an die Galle abgegeben. Was ist das Wichtige an diesem Prozess? _______________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________ (9.5) • Im Darm wird Bilirubin durch bakterielle Enzyme weiter abgebaut. Wie heißen die Endprodukte des Bilirubin-Abbaus, die vorwiegend mit dem Kot ausgeschieden werden und dessen Farbe bedingen? _________________________________

_________________________________ (9.6)

Blutgerinnung [10] Geben Sie an, wie der extrinsische bzw. intrinsische Weg der Gerinnung aktiviert wird (weißer Kasten). Vervollständigen Sie die Kaskade der Blutgerinnung, indem Sie die leeren grauen Kästen ausfüllen. Machen Sie sich die wesentlichen Schritte der Blutgerinnung dabei klar (lernen Sie nicht stur die römischen Ziffern auswendig, sondern versuchen Sie, sich den Ablauf anhand dieses Schemas einzuprägen). Überlegen Sie, mit welchem Faktor die gemeinsame Endstrecke von extrinsischem und intrinsischem Weg beginnt! Zeichnen Sie nun mit einem farbigen Stift Pfeile ein, welche die Hemmung der Blutgerinnung durch Antithrombin III und das Protein C-/Protein S-System (PC/PS) wiedergeben. intrinsisches System

extrinsisches System

à Auslösung durch:

XI

à Auslösung durch:

XIa

IX

IXa

VIII

VIIIa

AT III PL, Ca2+

PL, Ca2+

PC / PS

Va PL, Ca

V 2+

AT III

proteolytische Aktivierung

72 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[11] Geben Sie die Namen der fehlenden Faktoren an, die an der Blutgerinnung beteiligt sind. Angeborene Koagulopathien können auf einem Mangel bzw. Defekt verschiedener Gerinnungsfaktoren beruhen. Fallen Ihnen einige zu den verschiedenen Faktoren ein? Bezeichnung

Blut

Faktor

19

Koagulopathie

I II III IV

Calcium

V

Proaccelerin

VII

Prokonvertin

VIII IX

wichtig: Christmas-Faktor

X XI

wichtig: Faktor X-Mangel

Plasma-Thromboplastin-Antecedent

XII XIII

Hypoprokonvertinämie

Faktor XI-Mangel Faktor XII-Mangel

Fibrin-stabilisierender Faktor (FSF)

FSF-Mangel

[12] Das System der Blutgerinnung ist durch einen ständigen Auf- und Abbau gekennzeichnet. Das Auflösen von Fibrin, wichtig für die Wundheilung und die Gefäßrekanalisation, geschieht in der Fibrinolyse. Vervollständigen Sie das grobe Schema der Fibrinolyse:

Fibrin

Fibrinspaltprodukte

73 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[13] Die Blutgerinnung kann durch eine Reihe von Medikamenten gehemmt werden. Im Vordergrund stehen

19 15 Blut

dabei Heparin und Cumarinderivate (z.B. Phenprocoumon). Erläutern Sie deren unterschiedliche Wirkmechanismen: Hemmer der Blutgerinnung

Wirkungsmechanismus

Heparin

Phenprocoumon (= Marcumar)

[14] Im Plasma des Menschen finden sich über 100 Proteine, die als Plasmaproteine bezeichnet werden. Nach ihrem Verhalten in der Elektrophorese werden sie in 5 Klassen eingeteilt: Albumine, α1-, α2-, β- und γ-Globuline. Ergänzen Sie die folgende Tabelle. Geben Sie dabei zu jeder Fraktion einige Beispiele an: FRAKTION

%-Anteil

Beispiele

Albumine

α1-Globuline

α2-Globuline

β-Globuline

γ-Globuline

[15] Welchen Gesamtproteingehalt hat 1l Plasma etwa? ______________________ (15.1) Wie hoch ist die Plasmakonzentration von Albumin? ______________________ g/l (15.2) Albumin ist das wichtigste Transportprotein des Plasmas (Transport von FS, Bilirubin, Steroidhormonen etc.). Neben dieser Transportfunktion ist es für die Aufrechterhaltung des ________________________________ (15.3) Druckes verantwortlich.

[16] In der Abbildung trägt der Erythrozyt alle drei Oberflächenantigene des ABO-Systems auf seiner Oberfläche. Biochemisch bestehen die Blutgruppenantigene aus einem Trägerlipid und einem Oligosaccharidrest, es handelt sich also um Glycolipide. Wie man sieht, unterscheiden sich diese Oligosaccharidreste nur sehr wenig voneinander. Können Sie den drei dargestellten Oligosaccharidresten jeweils eines der drei Blutgruppen-Antigene des ABO-Systems zuordnen? • oberer Oligosaccharidrest: __________________________________________ (16.1) • mittlerer Oligosaccharidrest: __________________________________________ (16.2) • unterer Oligosaccharidrest: __________________________________________ (16.3) 74 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

19 Blut

N-Acetyl glucosamin

Galaktose

Fucose

N-Acetyl galaktosamin

Erythrozyt

N-Acetyl glucosamin

Galaktose

Fucose

Galaktose

Galaktose

N-Acetyl glucosamin

Fucose

[17] Neben dem AB0-System ist auch das Rhesus-Blutgruppensystem von Bedeutung. Entsprechen die Rhesusantigene Kohlenhydraten, Proteinen oder Lipiden? ______________________ (17.1) Beim Rhesus-System gibt es drei Antigene: CDE bzw. cde. Welches Antigen ist bestimmend für die Eigenschaft Rhesus positiv? ________ (17.2) Durch eine Rhesus-Inkompatibilität kann es zum Morbus haemolyticus neonatorum kommen. Können Sie den Ablauf dieser Reaktion erklären? (17.3)

75 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

20 15

20

Biochemie einzelner Organe

Biochemie einzelner Organe

Leber [1] Die Leber ist das zentrale Stoffwechselorgan des Körpers. Sie ist die Drehscheibe von Kohlenhydrat-, Lipidund Aminosäurestoffwechsel. Daneben ist sie das Zentrum der Biotransformationsreaktionen und ein wichtiges Speicherorgan des Körpers. Beinahe alle Plasmaproteine werden in der Leber aufgebaut. Welche Proteine bilden eine Ausnahme, weil sie nicht in der Leber gebildet werden?

[2] Die beiden Kohlenhydrate Fructose und Galaktose werden überwiegend in der Leber verstoffwechselt. Beide Zucker können in die Glykolyse eingeführt werden; dazu bedarf es jedoch einiger vorhergehender Reaktionsschritte. Geben Sie diese Schritte für Fructose und Galaktose an (Zeichnen Sie dazu ein einfaches Schema):

Fructose

Galaktose

[3] Für die Entgiftung körpereigener und körperfremder Stoffe ist die Leber verantwortlich. Die Leber verfügt über einen Mechanismus der Biotransformation, mit dem sie Stoffe inaktivieren und dann über Galle oder Urin ausscheiden kann. Die Biotransformation lässt sich in zwei Phasen einteilen. Geben Sie an, um welche Art von Reaktionen es sich bei der Phase I bzw. II der Biotransformation handelt:

Gift

Phase I Reaktionen: (3.1)

Umwandlungs produkt

Phase II

polarer Metabolit (Konjugat)

Reaktionen: (3.2)

Urin, Galle

[4] An Phase I-Reaktionen der Biotransformation sind Monooxygenasen beteiligt, die als Coenzym ein Hämprotein enthalten. Um welches Hämprotein handelt es sich?

76 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[5] Monooxygenasen katalysieren die Spaltung von

____________________________________________

molekularem Sauerstoff. Was geschieht hier mit dem Sauerstoff?

____________________________________________

20 Biochemie einzelner Organe

____________________________________________ ____________________________________________

[6] Die Phase II der Biotransformation

Phase II-Reaktion

dient der Inaktivierung des Substrats durch Übertragung verschiedener Gruppen. In welcher Form werden die Gruppen der hier angegebenen Reaktionen übertragen?

die Gruppe wird übertragen als ...

Glucuronidierung Sulfatierung Amid-Bildung Acetylierung

Acetyl-CoA

[7] Wie wird Alkohol von der Leber abgebaut? Vervollständigen Sie dazu das folgende Schema: H

H

O

H C C H Ethanol

H O

O

H C C SCoA

H C C H

Acetaldehyd

Aldehyd-DH

H

O–

Acetat- CoALigase

H

Fettgewebe [8] Geben Sie im folgenden Schema an, welchen Einfluss die genannten Faktoren auf die Lipolyse haben. Bei Steigerung der Lipolyse durch das Hormon markieren Sie dieses mit ↑, bei einer Hemmung der Lipolyse mit ↓, bei fehlendem Einfluss des Hormons auf die Lipolyse im Fettgewebe streichen Sie das Hormon. • • • • • •

Triacylglycerole

Adrenalin STH ACTH Glukagon TSH Insulin

Glycerin und freie FS

Niere [9] Die Niere erfüllt zentrale Aufgaben im Organismus, z.B. Elimination und Entgiftung (Ausscheidung harnpflichtiger Substanzen), Regulation des Säure-Basen-Haushalts, Regulation des Elektrolythaushalts u.a. Daneben ist die Niere an der Bildung einiger Hormone beteiligt. Welche sind das?

• ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________

77 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[10] Die Zusammensetzung des Urins ist ein wichtiges diagnostisches Kriterium, da viele mit dem Urin

20 15 Biochemie einzelner Organe

ausgeschiedene Substanzen oder Abbauprodukte indirekt Auskunft über deren Aktivität geben. Zudem können pathologische Harnbestandteile Hinweise auf krankhafte Prozesse geben. Am besten für die Diagnostik geeignet ist der über einen Tag und eine Nacht gesammelte 24 h-Urin, da tagesperiodische Schwankungen verschiedener Harnbestandteile nun keine Rolle mehr spielen. Beantworten Sie folgende Fragen zum Urin: • Wie viel Urin scheidet ein Erwachsener pro Tag aus? ______________________ (10.1) • Zwischen welchen Werten schwankt der pH-Wert des Urins im physiologischen Bereich? ______________________ (10.2) • An welcher Stelle steht mengenmäßig die Harnstoffausscheidung der Niere im Vergleich zu anderen ausgeschiedenen Stoffen? ______________________ (10.3) • Wie viel g Harnstoff werden pro Tag durch die Nieren ausgeschieden? ______________________ (10.4) Nennen Sie vier weitere physiologische organische Bestandteile des Urins (10.5): ________________________________

________________________________

________________________________ ________________________________ • Durch welchen Mechanismus wird Glucose aus dem Primärharn rückresorbiert? _____________________________________________ (10.6)

[11] Das bevorzugte Substrat der renalen Gluconeogenese ist Glutamin. Glutamin, die Aminosäure mit der höchsten Konzentration im Plasma, ist gleichzeitig die Transportform von Ammoniak im Blut. Geben Sie anhand eines Schemas das Schicksal des Glutamins in einer Tubuluszelle der Niere an: Tubuluszelle

Glutamin

Muskelgewebe [12] Ergänzen Sie den Lückentext zur quergestreiften Muskulatur. Setzen Sie dazu die folgenden Wörter in die Lücken ein: F-Actin, Actinfilament, schweren, ATP, ATPase-Aktivität, Konformationsänderung, Troponin, leichten, Tropomyosin, Myosin, G-Actin, Myosinköpfchen Das mit 65 % in der größten Menge vorkommende Protein des Skelettmuskels ist ______________________ (12.1). Es ist ein Hexamer, bestehend aus 4 ______________________ (12.2) und 2 ______________________ (12.3) Peptidketten. Als Monomer ist das Aussehen vergleichbar mit einem Golfschläger. Der Kopf am NH3+-Ende, an den die kleinen Untereinheiten angelagert sind, besitzt ______________________ (12.4). Vom Kopfteil setzt sich der Schwanz des Proteins fort, in dem sich die beiden schweren Ketten umeinander winden. Die dünnen Proteinfilamente sind aus monomerem ______________________ (12.5) aufgebaut; dieses lagert sich zusammen zum strangförmigen ______________________ (12.6). Das F-Aktin macht ungefähr 25 % der Muskelmasse aus. Das Dimer 78 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

______________________ (12.7) ist dem F-Actin angelagert, an dessen Ende sich das Heterotrimer

20 Biochemie einzelner Organe

______________________ (12.8) befindet. Tropomyosin und Troponin regulieren die Myosin-ActinWechselwirkung. Die Muskelkontraktion: In Ruhestellung ist das ______________________ (12.9) an das Actin gebunden. Durch die Anlagerung von ______________________ (12.10) an das Köpfchen löst sich dieses vom Actinfilament ab. Das Myosinköpfchen mit ATPase-Aktivität spaltet ATP in ADP und Pi. Dies führt zu einer

ATP

ATP

ADP + Pi

ADP + P i

________________________________ (12.11) des Myosinköpfchens, das nun an ein benachbartes Actinmolekül bindet.

Das Actin sorgt für die Freisetzung des Pi, dadurch bewegt sich der Myosinkopf um etwa 5 nm. Die Bewegung wird aufgrund der festen Bindung des Myosins an das Actin auf das ______________________ (12.12) übertragen, das sich gegenüber dem Myosin verschiebt.

ADP

ADP

ADP wird freigesetzt, das Myosin ist für eine erneute ATP-Bindung bereit.

[13] Man kann zwei Typen von Muskelfasern unterscheiden. Typ I-Muskelfasern sind besonders für Dauerarbeit verantwortlich, sie heißen auch rote Muskelfasern. Die für schnelle Bewegungen zuständigen Typ II-Muskelfasern werden wegen ihrer hellen Farbe auch als weiße Muskelfasern bezeichnet. Vergleichen Sie Typ I- und Typ II-Muskelfasern in dieser Tabelle: rote Muskelfasern (Typ I) Kontraktion

weiße Muskelfasern (Typ II) schnell

Mitochondriengehalt aerob / anaerob? Laktatbildung

wenig

Myoglobingehalt

79 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[14] Die Muskelkontraktion ist ein

20 15

• _______________________________

Biochemie einzelner Organe

ATP-verbrauchender Prozess. Die im Ruhezustand im Muskel vorhandene Menge an ATP ist bei der Kontraktion in weniger als einer Sekunde aufgebraucht. Der Muskel ist daher auf die Produktion von ATP angewiesen. Dazu verfügt er über verschiedene Mechanismen. Welche Mechanismen nutzt der Muskel, um ATP zu erzeugen?

_______________________________ • _______________________________ _______________________________ • _______________________________ _______________________________ • _______________________________ _______________________________

[15] Machen Sie Angaben zur Struktur und Funktion des Myoglobins: Struktur:

Funktion:

Stütz – und Bindegewebe [16] Nennen Sie die drei häufigsten Bestandteile des Knochens:

• ___________________________________________ • ___________________________________________ • ___________________________________________

[17] Bringen Sie die verschiedenen Schritte der Kollagen-Biosynthese in die richtige Reihenfolge: a. Die Kollagenmoleküle lagern sich zu Mikrofibrillen zusammen (lösliches Kollagen). b. Synthetisierung von α1- und α2-Prokollagenen, Hauptkomponenten sind Glycin, Prolin und Lysin. Am C- und N-terminalen Ende enthalten die Peptidketten Propeptide. c. Herausspalten der Propeptide. d. Ausbildung der tripelhelikalen Struktur und Glykosylierungen (Disaccharide aus Glucose und Galaktose). e. Hydroxylierung von Prolin- und Lysin-Resten als Voraussetzung für die Ausbildung der Tripelhelix. Diese Reaktionen sind Vit. C-abhängig. f. Die hydroxylierten Prokollagen-Moleküle werden aus der Zelle ausgeschleust, extrazellulär erfolgen weitere Glykosylierungen. g. Aus löslichem Kollagen entsteht durch Quervernetzung unlösliches Kollagen. richtige Reihenfolge: ___________________________________________ 80 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Nervensystem

20

[18] Beantworten Sie die folgenden Fragen zum Energiestoffwechsel des Gehirns: Biochemie einzelner Organe

• Mit einem Gewicht von etwa 1,3 kg hat das Gehirn einen Gewichtsanteil von ca. 2 % des menschlichen Körpers. Wie hoch ist der Anteil des ZNS am Sauerstoffverbrauch des Körpers? _______________________________ (18.1) • Wie viel Gramm Glucose verbrennt das Gehirn pro Tag etwa? _______________________________ (18.2) • Zu welchen Endprodukten wird die Glucose bei normaler Stoffwechsellage abgebaut? _______________________________ (18.3) • Welche Energieträger außer Glucose kann das Gehirn nutzen? _______________________________ (18.4) • Ist die Glucoseaufnahme in das Gehirn Insulin–abhängig oder Insulin–unabhängig? _______________________________ (18.5)

[19] Ergänzen Sie die folgende Tabelle, die Informationen zum Neurotransmitter Acetylcholin enthält: Vorstufen Vorkommen beim nikotinischen Ach-Rezeptor handelt es sich um ... der muskarinische Ach-Rezeptor ist gekoppelt an ... Inaktivierung Hemmstoff

81 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Kreuz und quer durch die Biochemie

20 15 Biochemie einzelner Organe

2

1

Hinweis: die Umlaute ä, ö und ü nehmen jeweils nur ein Feld ein (also nicht ea etc.)

3

7

6

5

4

19

7 9

8 11

13

12

15

10

14

16 17

14

13

8

18 19

2 20

22

21 25

23

24

T R

26

1 28

27

15

Y P

4

29 30

T 31

10

20 O 32

P 33

34

9

35

H 36

37

5

A N

38

40

39

41 42

43

45

44

11

18

46 47 48

6

16 49

12

17

50

51

Die Buchstaben der grauen Ziffern ergeben die Lösung:

3 1 2

3

4

5

6

7

waagerecht: 1 Replikationshemmstoff 5 Die Glucose-6Phosphatase fehlt dem ... 7 entsteht bei Fettsäuresynthese 11 bei Morbus Wilson vermehrt abgelagert 14 biogenes Amin von Glutamat (Abk.) 15 Vitamin-C-Mangelkrankheit 16 Proteinkinase C wird aktiviert durch ... (Abk.) 17 stimuliert T3- und T4-Freisetzung (Abk.) 20 neutrale Aminosäure 22 Coenzym der Propionyl-CoA-Carboxylase 25 aktiviert Lipoproteinlipase 28 Vitamin E 30 Methylgruppendonator (Abk.) 31 Fettsäure mit 18 C-Atomen 33 Zahl der Peptidketten im Hb 36 Vorstufe der Eicosanoide 37 Bestandteil von Lecithin 40 wandelt Pyruvat in Acetyl-CoA um (Abk.) 42 Verdauungsenzym 43 wichtiges Enzym des HMW 47 Faktor VIII-Mangel 48 Vorkommen von GLUT 5 49 von Tc-Zellen freigesetzt 50 hemmt InsulinFreisetzung 51 Zinkhaltiges Enzym

8

9

10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20

senkrecht: 2 größter Ak (Abk.) 3 nicht-codierende Sequenzen der hnRNA 4 Vorstufe von Melanin 6 Zuckeralkohol 7 Endprodukt der Glykolyse 8 Bilirubindiglucuronid = ... Bilirubin 9 Ak mit höchster Serumkonzentration (Abk.) 10 Pyrimidinbase in DNA 12 fördert Follikelreifung (Abk.) 13 β-Globulin (Abk.) 18 glucogene AS 19 Komplex 1 der Atmungskette überträgt Elektronen von NADH auf ... (Abk.) 20 Bestandteil von Stärke 21 Bestandteil von FAD 23 Provitamin von Nicotinamid 24 Lipoprotein (Abk.) 26 Vorstufe der Gluconeogenese 27 wandelt Glycerol in Glycerol-3-P um 29 die de-novo-Pyrimidinsynthese liefert ... (Abk.) 32 Purinbase 34 aktive Form von Vitamin B6 (Abk.) 35 entsteht im HMW (Abk.) 38 blockiert Komplex 4 der Atmungskette (Abk.) 39 Ketonkörper 41 Abbauprodukt von Adenosin 44 hemmt RNA-Polymerase III 45 verstärkt Wirkung von AT III 46 ketogene AS

82 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Seiten Kapitel

Lösungen

Kohlenhydrate

84

1

Aminosäuren, Peptide und Proteine

85

2

Chemie der Fettsäuren und Lipide

87

3

Nucleotide und Nucleinsäuren

87

4

Vitamine und Coenzyme

88

5

Enzyme

90

6

Ernährung, Verdauung

91

7

Abbau der Kohlenhydrate

93

8

Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

94

9

Aminosäurestoffwechsel

95

10

Citratcyklus und Atmungskette

96

11

Glykogenstoffwechsel, Gluconeogenese

98

12

Biosynthese der Fettsäuren, Lipogenese

99

13

Spurenelemente

100

14

Subzelluläre Strukturen

101

15

Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

102

16

Hormone

104

17

Immunchemie

106

18

Blut

108

19

Biochemie einzelner Organe

110

20

Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

1

Kohlenhydrate

1 [1]

[2] H

C

H

O

H C OH

C

O

H

H C OH HO C H

HO C H H C OH

C

O

CH2OH

HO C H

C O

HO C H

HO C H

HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

D-Glukose

D-Galaktose

D-M annose

D-Fructose

[3]

2.1: 5; 2.2: Aldehyd; 2.3: Halbacetal

[4] 4.1: Halbketal; 4.2: Furanose;

HOCH2

4.3: HO H2C

O CH2 OH H HO H OH

H CH O H OH H HO OH H OH

OH H

α-D-Glucose (nach Haworth)

α-D-Fructose (nach Haworth)

[5] 5.1: Diastereomere; 5.2: Konstitutionsisomere; 5.3: Enantiomere

[6] 6.1: Gluconsäure (Gluconolacton, der intramolekulare Ester der Gluconsäure); 6.2: 6

[7]

[8] 8.1: 2; 8.2: N-Acetylglucosamin; 8.3: Reduktion COOH

[9]

CHO

Disaccharid

Bindungsart

Vorkommen

Maltose

α-Glucosido-1-4-Glucose

Malzzucker

Saccharose

α-Glucosido-1,2-Fructosid

Rübenzucker, Zuckerrohr

H C OH

Lactose

β- Galaktosido-1-4-Glucose

Milch

H C OH

H C OH

Cellobiose

β-Glucosido-1-4-Glucose

Pflanzen

CH2OH

COOH

H C OH

H C OH HO C H

HO C H H C OH

Gluconsäure

[10] 10.1: Wasser; 10.2: glykosidische Bindung

Glucuronsäure

[11] Homoglykan Glykogen Cellulose Amylose Amylopektin Dextran

monomere Einheit D-Glucose D-Glucose D-Glucose D-Glucose D-Glucose

Verknüpfung α-1→ 4 β-1→ 4 α-1→ 4 α-1→ 4 α-1→ 6

Verzweigung α-1→ 6 --------α-1→ 6 α-1→ 2, α-1→ 3, α-1→ 4

Vorkommen/Funktion Reservekohlenhydrat in Leber, Muskel von Tieren Pflanzen, Strukturbildung Bestandteil von Stärke (ca. 20 %) Bestandteil von Stärke(ca. 80 %) von Bakterien sezernierte Schleimsubstanz

84 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Aminosäuren, Peptide und Proteine

2 [1]

2

[2] COO + H3N

Bausteine von Peptiden und Proteinen; Bausteine anderer Stoffe (z.B. Gallensalze, Antibiotika); Signalstoffe (z.B. Neurotransmitter Glycin); Metabolite

–

C H R

Grundgerüst der Aminosäuren des Menschen

[3] Aminosäure (Abkürzung)

Glycin (Gly)

Alanin (Ala)

H

Valin (Val)

Leucin (Leu)

H3C CH

C H3

essentiell?

Aminosäure (Abkürzung)

H3C C H

C H2

CH3

Struktur (Seitenkette)

Isoleucin (Ile)

CH2

H3C CH

CH3

CH3

nein

nein

Cystein (Cys)

Struktur (Seitenkette)

ja

Methionin (Met)

C H2

CH2

SH

CH2

ja

Phenylalanin (Phe)

ja

Tyrosin (Tyr)

Tryptophan (Trp)

C H2

C H2

C H2

S

N H

C H3

OH

essentiell?

nein

ja

ja

nein

ja

Aminosäure (Abkürzung)

Serin (Ser)

Threonin (Thr)

Asparagin (Asn)

Glutamin (Gln)

Prolin (Pro)

C H2

OH

OH

Struktur (Seitenkette)

essentiell?

H3C C H

nein

ja

COO –

C H2

C H2

CONH2

C H2

HN

CONH2

H2C

nein

nein

CH CH2 CH2

nein

85 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

2

Aminosäure (Abkürzung)

Aspartat (Asp)

Glutamat (Glu)

C H2

C H2

COO–

C H2

Histidin (His)

C H2 HN

COO–

Struktur (Seitenkette)

Lysin (Lys)

CH

HC

N

Arginin (Arg)

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

NH

+ NH 3

essentiell?

nein

nein

nein

+

H2N

ja

C

NH2

nein

[4] 4.1: Glycin; 4.2: Isoleucin; 4.3: Threonin; 4.4: Guanidino-Gruppe; 4.5: Pyrrolidin-Ring; 4.6: Indol-Ring; 4.7: Imidazol-Ring; 4.8: Thiol-Gruppe bzw. Sulfhydryl-Gruppe; 4.9: Thioether [5] 5.1: (pK der Säuregruppe + pK der Aminogruppe) geteilt durch 2; 5.2: (pK der Säuregruppe 1 + pK der Säuregruppe 2) geteilt durch 2; 5.3: (pK der Aminogruppe 1 + pK der Aminogruppe 2) geteilt durch 2; 5.4: Alanin: (2,4 + 9,7) : 2 = 6,05; 5.5: Aspartat: (2,1 + 3,9) : 2 = 3; 5.6: Lysin: (9,0 + 10,5) : 2 = 9,75 [6]

[7] Carbonsäureamidbindung

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

C H2

[8] Wie alle Carbonsäureamidbindungen ist auch die Peptidbindung mesomeriestabilisiert und daher nicht frei drehbar. Die Peptidbindung hat den Charakter einer partiellen Doppelbindung; dadurch liegen alle 4 Atome der Peptidbindung in einer Ebene.

C H2

C H2

C H2

[9] 9.1:

+ NH 3

+ NH 3

NH2

COOH +

H3N C H

COO–

COO–

H2N C H

H2N C H

+ NH 3

O NH

–

pH = 1 Nettoladung: +2

pH = 9,7 Nettoladung: 0

pH = 11 Nettoladung: -1

OOC O

9.2: Glu-Cys-Gly;

NH

COO–

H2C SH

9.3: Verknüpfung der γ-Carboxylgruppe des Glutamats mit der Aminogruppe des Cysteins

[10] Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren Sekundärstruktur: Räumliche Anordnung der AS-Reste, die in der linearen Sequenz nahe beieinander liegen. Die α-Helix- und β-Faltblatt-Struktur sind Elemente der Sekundärstruktur. Pro 360°-Windung finden sich in der α-Helix 3,6 AS, es werden pro Drehung 0,54 nm zurückgelegt. Die α-Helix wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der CO-Gruppe jeder AS und der NH-Gruppe stabilisiert, die in der Sequenz vier AS vor ihr liegt. Die β-Faltblatt-Struktur wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen CO- und NH-Gruppen verschiedener Polypeptidketten stabilisiert. Die Nachbarstränge innerhalb dieser Struktur können die gleiche (parallel) oder entgegengesetzte Richtung aufweisen (antiparallel). Ein drittes Element der Sekundärstruktur ist die β-Schleife, wodurch die Polypeptidketten plötzlich ihre Richtung ändern können. Tertiärstruktur: Die Trennungslinie zwischen Sekundär- und Tertiärstruktur ist unscharf. Man versteht unter Tertiärstruktur die räumliche Anordnung von AS innerhalb einer Polypeptidkette, die weit voneinander entfernt sind. Sie beschreibt sozusagen die dreidimensionale Struktur des biologisch aktiven Proteins. Ein wichtiges Merkmal der Tertiärstruktur ist die Ausbildung von Disulfidbrücken. Quartärstruktur: Besitzt ein Protein verschiedene Polypeptidketten, so bezeichnet man diese als Untereinheiten oder Monomere. Diese Untereinheiten können sich zu einer Funktionseinheit zusammenschließen. Dies wird beschrieben durch die Quartärstruktur. 86 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Chemie der Fettsäuren und Lipide

3

3 4

[1] Der dreiwertige Alkohol Glycerol ist mit drei Fettsäuren verestert (Triacylglycerole = Fette). [2] Nein, aber Lipase spaltet im Duodenum zwei Fettsäurereste ab, es entsteht dadurch ein β-Monoacylglycerol, das an der Mizellenbildung beteiligt ist.

[3] Fettsäure Palmitinsäure Stearinsäure Ölsäure Linolsäure Linolensäure Arachidonsäure

Anzahl der C-Atome 16 18 18 18 18 20

Doppelbindungen 0 0 1 2 3 4

essentiell? nein nein nein ja ja „halbessentiell“

[4] Es handelt sich um Lecithin (Phosphatidyl-Cholin). 4.1: Fettsäurereste; 4.2: Glycerol; 4.3: Phosphat; 4.4: Cholin [5] Serin, Ethanolamin, Inositol [6] Phospholipase A2 Phospholipase C

kann Fettsäuren vom Glycerol abspalten (z.B. Arachidonsäure bei der Prostaglandinsynthese) kann IP3 und DAG aus bestimmten Phospholipiden abspalten (z.B. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat)

[7]

HO

Nucleotide und Nucleinsäuren

4

[1] 1.1: Uracil; 1.2: Thymin; 1.3: Cytosin; 1.4: Adenin; 1.5: Guanin [2]

[3] Z B

B

Z

Z P

Nucleosid

Nucleotid monophosphat

H P

Z

P

Z

P

Z

P

Z

A

C

G

A

C

T

G

C

T

G

Z

P

Z

P

Z

P

Z

P

Z

P

P

87 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

5

5

Vitamine und Coenzyme

[1] Vitamin Vit. A - Retinol

biologisch aktive Form Retinol, Retinal, Retinsäure

Vit. D – Cholecalciferol Vit. E - Tocopherol

1,25-Dihydroxycholecalciferol (Calcitriol) Tocopherol-Hydrochinon

Vit. K – Phyllochinon

Difarnesylnaphtochinon

[2] in den Ito-Zellen als Retinylpalmitat

Wirkung Sehvorgang (-al); Entwicklung (-säure) Hormon des Ca2+-Stoffwechsels Oxidationsschutz Coenzym von Carboxylierungen (bei Bildung von γ-Carboxyglutarat)

Vorkommen Fisch, Provitamin in vielen Pflanzen (β-Carotin) Lebertran, Eier, Leber, Milch Getreidekeime, Pflanzenöle, Eier Darmbakterien, Gemüse, tierische Gewebe

[3] mehrere Monate bis 2 Jahre [5]

[4] Schmerzattacken, Verdickung des Periosts; Hautabstoßung; Haarausfall Nachtblindheit (Hemeralopie); Haut- und Schleimhautschäden; Xerophthalmie (Corneaverhornung)

Hypervitaminose Hypovitaminose

Die Retinsäure beeinflusst die Genexpression und übt damit Einfluss auf die Embryogenese, das Wachstum und die Differenzierung aus. Als Medikament wird es eingesetzt gegen Akne vulgaris, Basalzellkarzinome und Hyperkeratosen.

[6] 6.1: Rhodopsin; 6.2: 11-cis-Retinal; 6.3: Natrium; 6.4: Depolarisation; 6.5: Glutamat; 6.6: all-trans-Retinal; 6.7: Transducin; 6.8: Phosphodiesterase; 6.9: Hyperpolarisation [7] 7.1: 7-Dehydrocholesterol; 7.2: Haut; 7.3: UV-Licht; 7.4: Cholecalciferol; 7.5: Leber; 7.6: 25-Hydroxycholecalciferol; 7.7: Niere; 7.8: 1,25-Dihydroxycholecalciferol [8] Calcitriol erhöhte Calcium- und Phosphat-Reabsorption Wirkung auf Niere

Wirkung auf Knochen Wirkung auf Darm

Mineralisation durch Aktivierung von Osteoblasten, bei Hypocalcämie Stimulierung der Osteoklasten auf Knochenmarkebene erhöhte Calciumresorption durch Stimulation des Einbaus eines Calcium-Transporters

Parathormon verminderte Calciumausscheidung, Hemmung der Reabsorption von Phosphat; Stimulation der Hydroxylierung von 25-Hydroxycholecalciferol Aktivierung der Osteoklasten, dadurch Mobilisierung von Calcium erhöhte Calciumresorption

[9] 9.1: wahr; 9.2: falsch, die Synthese der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X ist Vit. K-abhängig (Merke: 1972); 9.3: wahr; 9.4: wahr; 9.5: falsch, es werden Gallensäuren benötigt; 9.6: wahr; 9.7: wahr

[10] Hemmung der Chinon- und Epoxid-Reduktase [11] Vitamin Vit. B1 - Thiamin

biologisch aktive Form Thiaminpyrophosphat

Vorkommen Nüsse, Keime, Schweinefleisch

FAD, FMN

Wirkung dehydrierende Decarboxylierungen Wasserstoffübertragung

Vit. B2 - Riboflavin Niacin

NAD+, NADP+

Wasserstoffübertragung

Vit. B6 – Pyridoxin

Pyridoxalphosphat

Vit. B12 – Cobalamin Folsäure

Desoxyadenosylcobalamin, Methylcobalamin Tetrahydrofolsäure

Transaminierung, Decarboxylierung C-C-Umlagerungen, C-1-Übertragungen C-1-Übertragungen

Nüsse, Fleisch, Fisch; Synthese aus Tryptophan Leber, Fisch, Erbsen, Walnuss, Bierhefe

Aal, Hefe, Käse, Hühnerbrust, Milch

Fisch, Fleisch; Synthese durch Darmbakterien frisches, grünes Gemüse, z.T. Synthese durch Darmflora

88 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

Vitamin Pantothensäure

biologisch aktive Form CoA, Phosphopantethein

Wirkung Acylübertragung

Vorkommen Eier, Fleisch, Erdnuss

Vit. C – Ascorbinsäure Vit. H - Biotin

Ascorbinsäure

Redoxsystem, Hydroxylierung Carboxylierungen

Obst und Gemüse

Biocytin

5

Synthese durch Darmbakterien

[12] 12.1: Das Vitamin B1 Thiamin ist aus einem Pyrimidinring und einem Thiazolring aufgebaut; 12.2: Die

Decarboxylierung von Glutamat zu GABA ist Pyridoxalphosphat-abhängig, Thiamin nimmt nicht teil an dieser Decarboxylierung; 12.3: Eine Hypovitaminose des Thiamins führt zu der Beriberi-Krankheit; 12.4: Das Vitamin B2 Riboflavin besteht aus einem Isoalloxazin-Ringsystem und dem Alkohol Ribitol

[13] Tryptophan [14] NAD und NADP +

[17]

[16] Ausgangsverbindung Glutamat Histidin Cystein Aspartat Serin 5-Hydroxytryptophan Dopa

+

[15] Pellagra

Reaktion 1. und 4. (2. Cobalamin und Tetrahydrofolsäure; 3. SAM)

Produkt GABA Histamin Cysteamin β-Alanin Ethanolamin Serotonin Dopamin

[18] 18.1: Cobalt; 18.2: intrinsic factor; 18.3: Belegzellen; 18.4: Alkyl; 18.5: ungeradzahligen; 18.6: Methionin; 18.7: perniziöse Anämie

[19] 19.1: Pteridin; 19.2: p-Aminobenzoesäure; 19.3: Glutamat [20] C1-Gruppe Methylgruppe Hydroxymethylgruppe Formiminogruppe Formylgruppe

gebundenes N-Atom N5 N5, N10 N5, N10 N10

Beispiel Homocystein → Methionin; Ethanolamin → Cholin Glycin → Serin; Thymidinsynthese Histidinstoffwechsel C2 und C8 für Purinsynthese; N-Formyl-methionin-t-RNA für Proteinbiosynthese

[21] Sulfonamide: Hemmung des Einbaus von p-Aminobenzoesäure in das Folsäuremolekül; Folsäure-Antagonisten: Hemmung der Dihydrofolatreduktase

[22] 22.1: Pantoinsäure; 22.2: β-Alanin [24] HO HO

[23] Bestandteil von Coenzym A

[25] O O

HO C H CH2OH

[26]

25.1: wahr; 25.2: wahr; 25.3: wahr; 25.4: wahr; 25.5: falsch, es ist genau umgekehrt: Uns Menschen fehlt die Gulonolacton-Oxidase, die die Umwandlung von Gulonolacton in Vit. C katalysiert; 26.6: wahr

O O HN

H2N

CH2

NH2

Harnstoff

NH

S

C

CH2

CH2

CH2

COO

–

[27] Edukt Acetyl-CoA Pyruvat Propionyl-CoA

Produkt Malonyl-CoA Oxalacetat Methylmalonyl-CoA

Enzym Acetyl-CoA-Carboxylase Pyruvatcarboxylase Propionyl-CoA-Carboxylase

89 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

6

Enzyme

6

[1] 1.1: Änderung der freien Enthalpie (Einheit von ∆G ist J/mol); 1.2: Änderung der Enthalpie; 1.3: Temperatur in K; 1.4: Änderung der Entropie

[3] K = [C] · [D] / [A] · [B]

[2] ∆G < 0 ∆G > 0

exergone Reaktion endergone Reaktion

[4] Hauptklasse 1. Oxidoreduktasen 2. Transferasen 3. Hydrolasen 4. Lyasen 5. Isomerasen 6. Ligasen

[5]

Beispiele Lactatdehydrogenase, Pyruvat-DH, Oxidasen Hexokinase, Phosphorylase u.a. Esterasen, Peptidasen u.a. Aldolase, Transketolase u.a cis-trans-Isomerasen, Epimerasen u.a. Pyruvatcarboxylase, Thiokinase u.a.

[6] V max· [ S ] K m + [S ]

Reaktionsgeschwindigkeit (V)

V =

Reaktionstyp Ared + Box ! Aox + Bred A-B + C ! A + B-C A-B + H2O ! A-H + B-OH A + B ! A-B Umwandlung isomerer Verbindungen energieabhängige Knüpfung von Bindungen

[7] 1/V

Vmax

Steigung = KM/Vmax Vmax/2

y-Achsenabschnitt = 1/Vmax

x-Achsenabschnitt = –1/KM

KM Substratkonzentration [S]

0

1/[S]

[8] 8.1: wahr; 8.2: wahr; 8.3: falsch, die Dimension von Km ist mol/l; 8.4: wahr; 8.5: wahr [9] Art der Hemmung kompetitiv nicht-kompetitiv

[10]

Einfluss auf Km erhöht unverändert

Einfluss auf Vmax unverändert erniedrigt

durch hohe [S] aufhebbar? ja nein mit nichtkompetitiven Inhibitor

mit kompetitiven Inhibitor 1/V

1/V

ohne Inhibitor

ohne Inhibitor

0

kompetitive Hemmung

1/[S]

0

nicht-kompetitive Hemmung

1/[S]

[11] Art des allosterischen Effektors K-Typ V-Typ

Einfluss auf Vmax unverändert erhöht

Einfluss auf Km erniedrigt unverändert

90 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[12] v

positiver Effektor

v

7 ohne Effektor

ohne Effektor

[S]

[S]

K-Typ, pos. Effektor

V-Typ, pos. Effektor

[13] energiereiche Verbindung Phosphoenolpyruvat 1,3-Bisposphoglycerat Kreatinphosphat Acetyl-CoA Glycerinphosphat

Gruppenübertragungspotential in kJ/mol – 62 – 50 – 42 – 32 – 30

[17] Enzym Glykogenphosphorylase Phosphorylasekinase Glykogensynthase Pyruvatdehydrogenase Pyruvatkinase Acetyl-CoA-Carboxylase Triacylglycerol-Lipase Glycerin-3-phosphat-Acyltransferase HMG-CoA-Reduktase

7

6

positiver Effektor

[14] bei 340 nm [15] 15.1: NAD+; 15.2: LDH; 15.3: NADH+H+ [16] 16.1: ATP; 16.2: Hexokinase; 16.3: Glucose-6-phosphat; 16.4: ADP; 16.5: Glucose-6-phosphat; 16.6: NADP+; 16.7: Glucose-6-phosphat-DH, 16.8: 6-Phosphogluconat

Aktivitätsänderung durch Phosphorylierung aktiv aktiv inaktiv inaktiv inaktiv inaktiv aktiv inaktiv inaktiv

Ernährung, Verdauung

[1] Nährstoff Kohlenhydrat Fett Protein

physikalischer Brennwert 17 kJ/g 37 kJ/g 23 kJ/g

biologischer Brennwert 17 kJ/g 37 kJ/g 17 kJ/g

respiratorischer Quotient (RQ*) 1,0 0,71 0,83

* Der RQ beschreibt das Verhältnis von produziertem CO2 zu verbrauchtem Sauerstoff.

[2] Als Abbauprodukt der Proteine entsteht Harnstoff, der noch einen physikalischen Brennwert größer Null besitzt. [3]

[6]

35 g Fett · 37 kJ/g = 1295 kJ 1295 kJ : 17 kJ/g ≈ 76 g Kohlenhydrat

Zellen Belegzellen

[4] 0,5 – 1 g/kg Körpergewicht

Hauptzellen

[5]

Nebenzellen

Aufgaben Bildung von intrinsic factor HCl-Produktion Abgabe von Pepsinogenen (Pepsine spalten Proteine) Schleimproduktion

z.B. H20, Salze, Antikörper, Mucine, Lipase, Lysozym, Amylase 91 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

7

[7] richtige Aussagen: 1., 2., 4., 5., 7. - Lösungswort: SALZSÄURE [8] 8.1: Insulin; 8.2: Verdauungsenzyme; 8.3: 3; 8.4: 8; 8.5: Proenzyme; 8.6: Trypsin; 8.7: Enterokinase; 8.8: Lysin; 8.9: Arginin; 8.10: Protease; 8.11: Procarboxypeptidasen; 8.12: Lipase; 8.13: Amylase [9] richtige Reihenfolge: 2, 3, 5, 1, 4 [10] 10.1: Dort werden die Fette zum größten Teil in β-Monoacylglycerine und freie Fettsäuren gespalten; 10.2: Gemeinsam mit den Gallensäuren ermöglichen sie die Bildung von Micellen, in denen Fette, Fettsäuren, Cholesterol und auch die fettlöslichen Vitamine Tocopherol, Retinol, Phyllochinon und Vitamin D (Cholecalciferol) eingeschlossen und dadurch in Lösung gebracht werden; 10.3: Dort werden die β-Monoacylglycerine erneut mit Fettsäuren verestert, welche zuvor durch die Thiokinase zu Acyl-CoA aktiviert wurden; 10.4: Diese und die Triacylglycerole werden schließlich an Apolipoprotein B48 gekoppelt und als Chylomikronen an die Lymphbahn abgegeben. [11]

[12]

O OH

HO

C

Carbonsäureamidbindung NH

COO–

OH Glycocholsäure

92 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

8

Abbau der Kohlenhydrate

8

[1] Glucose

Glucose-6-Phosphat

P-Isomerase

Fructose-6-Phosphat

ATP ATP

ADP

ADP

Aldolase

NAD Dehydrogenase

NADH+H

Mutase

Kinase

ATP

ADP

[2] ATP: -2 ATP + 2 · 2 ATP = + 2 ATP; NADH+H+ : 2 · 1 NADH+H+ = 2 NADH+H+ Fazit: Pro mol Glucose entstehen in der Glykolyse 2 mol ATP und 2 mol NADH+H+.

ADP

ATP

[3] O

C

O

P

C

O–

C O

HC OH H2C O

O

P

1,3-B isphosphoglycerat

O P

CH2

Phosphoenolpyruvat

C

O–

C O CH3

Pyruvat 93

Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

8 9

[4] Wichtige Aktivatoren und Inhibitoren von Hexokinase, PFK und Pyruvat-Kinase: Enzym Hexokinase Phosphofructokinase Pyruvat-Kinase

Aktivierung

Hemmung Glucose-6-Phosphat ATP, Citrat, H+ ATP, Alanin

AMP, ADP, Fructose-2,6-bisphosphat, Fructose-6-phosphat Fructose-1,6-bisphosphat

Zusatz: Alle drei Enzyme werden durch Insulin induziert, durch cAMP hingegen reprimiert (hormonelle Regulation der Glykolyse).

[5] Unterschiede zwischen Hexokinase und Glukokinase • Glukokinase vor allem in Hepatozyten (und B-Zellen des endokrinen Pankreas), • Km der Glukokinase für Glucose sehr viel höher als Km der Hexokinase (niedrigere Affinität von Glukokinase zu Glucose), • Glukokinase hat hohe Spezifität für Glucose, Hexokinase kann auch Fructose, Galactose u.a. phosphorylieren, • Glukokinase wird durch Glc-6-P nicht allosterisch gehemmt, • Glukokinase stellt Glc-6-P vor allem für die Glykogensynthese bereit.

[6] Bereitstellung von NADPH + H+ (essentiell für FS-Synthese, Cholesterol-Synthese u.a.) und Pentosen, besonders Ribose-5-Phosphat für Purin- und Pyrimidinsynthese Glc-6-P

Glc-6-P-DH

NA DP +

NA DP H + H +

6-Phosphogluconolacton

Gluconolactonase

6-Phosphogluconat

[7]

NA DP +

H2O

Phosphogluconat-DH NA DP H + H + CO2

Ribulose-5-Phosphat

[8] Fructose-6-P; Ribose-5-P; 3-P-Glycerinaldehyd [9] Sie übertragen die C-Atome 1 und 2 einer Ketose auf eine Aldose. Beispiel: Durch Übertragung der C-Atome 1 und 2 von Xylose-5-P auf Erythrose-4-P entstehen Fructose-6-P und 3-P-Glycerinaldehyd.

[10] Thiaminpyrophosphat (aktive Form des Vitamin B1) und Magnesiumionen

9

Abbau der Fettsäuren, Ketonkörper

[1] 1.1: Hydratisierung; 1.2: Oxidation; 1.3: thioklastische Spaltung; 1.4: FAD; 1.5: FADH2; 1.6: H2O; 1.7: NAD+;

1.8: NADH+H+; 1.9: CoA-SH

[2] Palmityl-CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + 7 H2O

→

[3] 7 NADH (× 2,5 ATP) 7 FADH2 (× 1,5 ATP) 8 Acetyl-CoA (× 10 ATP) = (8 × [3 NADH + 1 FADH2 + 1GTP]) Aktivierung von Palmitat

8 Acetyl-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ = = = = ∑ =

17,5 ATP 10,5 ATP 80,0 ATP - 2,0 ATP 106 ATP

94 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[4]

[5]

Propionyl-CoA

CO2

Propionyl-CoACarboxylase

ATP

Methylmalonyl-CoA

Methylmalonyl CoA-Mutase

Succinyl-CoA

5.1: Biotin; 5.2: 5’-Desoxyadenosylcobalamin

9 10

ADP

Citrat-Cyklus

[6] Da der größte Anteil von Acyl-CoA im Zytosol entsteht, die β-Oxidation jedoch im Mitochondrium geschieht, muss Acyl-CoA in das Mitochondrium gelangen. Acyl-CoA kann jedoch die Mitochondrienmembran nicht frei passieren, es muss also ein Transportsystem geben. Durch die Carnitin-Acyltransferase 1 entsteht Acyl-Carnitin unter Freisetzung von CoA. Mit Hilfe der Carnitin-Acyl-Carnitin-Translokase kann das Acyl-Carnitin die innere Mitochondrienmembran durchdringen und gelangt so in den Matrixraum. Dort wird, katalysiert durch die Carnitin–Acyltransferase 2, der Acylrest auf CoA übertragen und Carnitin freigesetzt. Das Acyl-CoA im Matrixraum kann nun zur β-Oxidation verwendet werden.

[7] 2 Acetyl-CoA

Acetacetyl-CoA

3-HMG-CoA

H OH H H C C C COO– H H H

NAD NADH + H

β Hydroxybutyrat

H O H H C C C COO– H

Acetacetat

H O H H C C C H H

H

H

CO2

Aceton

10

Aminosäurestoffwechsel

[1] 1.1: Unter Verbrauch von zwei ATP entsteht im ersten Schritt des Harnstoff-Zyklus aus Ammoniak und Hydrogencarbonat Carbamoylphosphat; 1.2: Die Argininosuccinat-Synthase verbindet nun Citrullin mit Aspartat unter Bildung von Argininosuccinat; 1.3: Citrullin, das dann vom Mitochondrium in das Zytosol der Zelle übertritt; 1.4: Im Zytosol wird Fumarat durch die Argininosuccinat-Lyase aus Argininosuccinat abgespalten, übrig bleibt die Aminosäure Arginin. [2] 2.1: 3; 2.2: 4 (Die ersten beiden ATP, die bei der Synthese von Carbamoylphosphat verbraucht werden, werden zu ADP gespalten. Das ATP, das bei der Entstehung von Argininosuccinat verbraucht wird, wird jedoch in AMP und PP gespalten, es werden zwei energiereiche Bindungen gelöst [ATP → AMP + PPi → 2 Pi], die Regenerierung benötigt also auch 2 ATP!); 2.3: Durch zwei Teilschritte des Citratcyclus kann Fumarat in Oxalacetat umgewandelt werden (Fumarat → Malat → Oxalacetat). Durch Transaminierung entsteht aus Oxalacetat Aspartat, welches dem Zyklus nun wieder zur Verfügung steht (Aspartat-Cyklus). 95 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

10 11

[3]

[4] COO–

+

COO– C O

H3N C H CH3

CH2

Alanin

COO– +

H3N C H CH2 –

COO– +

C O GPT (ALT)

H3N C H

CH3

CH2

CH2

CH2

COO–

COO–

α-Ketoglutarat

Pyruvat

COO–

COO–

Glutamat

COO– +

C O

C O CH2

COO

COO–

H3N C H

CH2

GOT (AST)

CH2 –

COO

CH2

CH2 COO–

COO–

Aspartat

(Liste unvollständig!) Ethanolamin → Cholin Guanidinoacetat → Kreatin N-Acetylserotonin → Melatonin Noradrenalin → Adrenalin Methylierung von Pharmaka

α-Ketoglutarat

Oxalacetat

Glutamat

[5] Aminosäure Serin, Glycin, Alanin, Cystein Tryptophan Lysin Leucin Aspartat, Asparagin Phenylalanin, Tyrosin Isoleucin Methionin, Threonin, Valin Glutamat, Glutamin, Histidin, Prolin, Arginin

Abbauprodukt Pyruvat 2 Acetyl-CoA und Alanin 2 Acetyl-CoA Acetyl-CoA und Acetoacetat Oxalacetat Fumarat und Acetoacetat Succinyl-CoA und Acetyl-CoA Succinyl-CoA α-Ketoglutarat

× × × × ×

ketogen × × × × ×

[7]

[6] Verbindung Melanin GABA Melatonin Dopamin Nicotinsäure Adrenalin und Noradrenalin Schilddrüsenhormone

11

glucogen × ×

entsteht aus der AS Tyrosin Glutamat Tryptophan Tyrosin Tryptophan Tyrosin Tyrosin

7.1: Glutamat; 7.2: Cystein; 7.3: Neurotransmitter; 7.4: Guanidinoacetat; 7.5: Serin; 7.6: δ-Aminolävulinsäure (genauer: zunächst entsteht δ-Amino-β-ketoadipat, das spontan zu δ-Aminolävulinsäure decarboxyliert)

Citratcyklus und Atmungskette

[1] Pyruvat + CoA + NAD+ → Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+ [2] NAD+; Thiaminpyrophosphat (aktives Vit. B1); Liponamid; FAD; CoA 96 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[3] Im PDH kommen drei Enzyme vor. Das erste Enzym, die Pyruvat-Dehydrogenase (E1), katalysiert die Decarboxylierung von Pyruvat nach dessen Bindung an TPP, wodurch zunächst Hydroxyethyl-TPP entsteht, sowie die Oxidation der Hydroxyethylgruppe des TPP zu einer Acetylgruppe und deren Übertragung auf Liponamid. Das zweite Enzym des PDH, die Dihydroliponamid-Acetyltransferase (E2), katalysiert nun die Übertragung der Acetylgruppe auf CoA, wodurch Acetyl-CoA und reduziertes Dihydroliponamid entstehen. Das dritte Enzym, die Dihydroliponamid-DH (E3) regeneriert nun das reduzierte Dihydroliponamid zu Liponamid unter Bildung von NADH + H+.

11

[4] Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH + H+ + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA [5] Enzym Pyruvat-Dehydrogenase Isocitrat-Dehydrogenase Succinat-Dehydrogenase

aktiviert durch … Pyruvat, ADP, Mg2+ ADP, Mg2+, Mn2+ Succinat, Fumarat

gehemmt durch … Acetyl-CoA, ATP, NADH ATP, NADH Oxalacetat

[6] Der Citratcyklus Acetyl-CoA + H2 O

H2C COO– HO C COO–

O C COO– H2C COO–

H2C COO–

Citrat- Synthase

Oxalacetat

Oxalacetat

Citrat

Citrat Aconitat- Hydratase

M alat- DH

NADH+H

H2C COO– HC COO–

H HO C COO–

Isocitrat

Malat

HO C COO– H

H2C COO–

Isocitrat

Malat

NADH

Isocitrat-DH

Fumarat- Hydratase C H2

α-Ketoglutarat

HC COO– –OOC

CH

H2C COO–

CO2

H 2O

Fumarat

NADH+H

QH 2 [FADH 2]

α- Ketoglutarat

CO2

Fumarat

α - Ketoglutarat- DH

GTP

Succinat- DH

Succinat H2C COO– H2C

O C COO–

COO–

Succinyl-CoA

Succinyl- CoA- Synthetase

H2C C OO– H2C C S CoA O

Succinat

Succinyl-CoA

[7] 7.1: NADH-Ubichinon-Reduktase; 7.2: NADH+H+; 7.3: Ubichinol; 7.4: FMN; 7.5: Succinat-Ubichinonoxidoreduktase; 7.6: Succinat; 7.7: FAD; 7.8: Ubichinol-Cytochrom c-Reduktase; 7.9: Cytochrom c; 7.10: Cytochom b; 7.11: Cytochrom c1; 7.12: Eisen-Schwefel-Komplex; 7.13: Cytochrom c-Oxidase; 7.14: Sauerstoff; 7.15: Häm a; 7.16: Häm a3; 7.17: Kupferionen; 7.18: ATP-Synthase; 7.19: Protonenkanal

97 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

11 12

[8] Multienzymkomplex Komplex 1

Komplex 2 Komplex 3 Komplex 4

Komplex 5

katalysierter Vorgang Zwei Elektronen von NADH+H+ werden zunächst auf FMN übertragen, wodurch dieses zu FMNH2 reduziert wird. Vom FMNH2 werden die Elektronen auf Eisen-Schwefel-Komplexe übertragen, von dort gelangen die Elektronen schließlich zum Ubichinon (Coenzym Q), es entsteht reduziertes Ubichinol (QH2). Übertragung der Elektronen von FADH2 auf Eisen-Schwefel-Komplexe, anschließend Transfer dieser Elektronen zum Ubichinon, auch hier entsteht reduziertes Ubichinol (QH2). Merke: Als einziger der 4 Komplexe ist Komplex 2 keine Protonenpumpe. QH2 überträgt seine Elektronen zunächst auf zwei Häm-Gruppen des B-Typs, von dort auf einen Eisen-Schwefel-Komplex, weiter an Cytochrom c1 und von dort schließlich auf Cytochrom c. Das bewegliche Cytochrom c transportiert die Elektronen zum Komplex 4, nach Übertragung der Elektronen auf Häm a und a3 gelangen die Elektronen schließlich zum Sauerstoff. Das durch Reduktion entstehende O2--Anion bindet nun zwei Protonen und geht in Wasser über. Die ATP-Synthase ist aufgebaut aus einer F1- und einer F0-Einheit. Die F1-Einheit katalysiert die Bildung von ATP aus ADP und Pi, sie stellt sich als knopfförmige Erhebung auf der Matrixseite des Mitochondriums dar. Die F0-Einheit der ATPase ist ein Protonenkanal, durch den die Wasserstoffionen vom Intermembranraum des Mitochondriums in den Matrixraum gelangen.

[9] Substanz Barbiturate, Rotenon Antimycin A HCN, CO Oligomycin

Entkoppler (z.B. 2,4-Dinitrophenol, Chlorcarbonylcyanidphenylhydrazon [CCCP])

12

Wirkort / Mechanismus Blockade der Atmungskette in Komplex 1 zwischen FMN und Ubichinon Blockade der Atmungskette in Komplex 3 zwischen Cytochrom b und Cytochrom c Blockade der Atmungskette in Komplex 4 zwischen Cytochrom a und Sauerstoff Hemmung der ATP-Synthase Transport von Protonen durch die innere Mitochondrienmembran → dadurch bricht das über die innere Mitochondrienmembran aufgebaute Potential zusammen. Der Elektronentransport vom NADH zum O2 läuft normal, jedoch erzeugt die ATP-Synthase kein ATP. Es entsteht stattdessen Wärme. Dieses Prinzip nutzen Winterschläfer und neugeborene Tiere (auch Babys). Im braunen Fettgewebe gibt es ein Thermogenin, das einen Nebenweg des Protonenflusses in den Mitochondrien darstellt (vom Intermembranraum in die Matrix) und so die u.U. lebenswichtige Wärmebildung fördert.

Glykogenstoffwechsel, Gluconeogenese

[1] Glucose-1-Phosphat; UTP Aus Glucose-1-Phosphat (welches zuvor durch eine Mutase aus Glucose-6-P gebildet wurde) und UTP entsteht durch die Glucose-1-Phosphat-UTP-Transferase UDP-Glucose.

[2] Glykogensynthase: überträgt UDP-Glucose auf ein primer glycogen, dabei wird eine glykosidische Bindung zwischen C-Atom 1 der UDP-Glucose und C-Atom 4 des Glycosylrests des primer glycogens geknüpft; branching enzyme: (Amylo-1,4→1,6-Transglykosylase) überträgt eine mindestens 6 Glucosereste lange 1→4-verknüpfte Kette auf eine benachbarte Kette unter Ausbildung einer 1→6-glykosidischen Bindung, wenn die 1→4-verknüpfte Glucosekette zuvor eine Länge von 6 – 11 Glucoseresten erreicht hat.

[3] 3.1: Glucose-1-P; 3.2: Glucantransferase; 3.3: Amylo-1,6-Glucosidase (debranching enzyme); 3.4: Glucose-6-P 98 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[4] Aktivitätsänderung durch Phosphorylierung inaktiv aktiv

Enzym Glykogensynthase Glykogen-Phosphorylase

aktiviert durch

inaktiviert durch

Insulin Adrenalin, Glukagon

Adrenalin, Glukagon Insulin

12 13

[5] Aminosäuren, Laktat, Glycerol [6] irreversibler Glykolyseschritt Glucose → Glc-6-P Fructose-6-P → Fructose-1,6-bisphosphat PEP → Pyruvat

beteiligtes Enzym Hexokinase Phosphofructokinase Pyruvat-Kinase

„Strategie“ in der Gluconeogenese Glc-6-P → Glucose Fructose-1,6-bisphosphat → Fructose-6-P Pyruvat → Oxalacetat → PEP

Enzym(e)? Glc-6-Phosphatase Fructose-1,6-bisphosphatase Pyruvat-Carboxylase (Biotin); PEP-Carboxykinase

[7]

13

Biosynthese der Fettsäuren, Lipogenese

[1] 1 Acetyl-CoA + 7 Malonyl-CoA + 14 NADPH+H+ → 1 Palmitat + 7 CO2 + 6 H2O + 8 CoA + 14 NADP+ [2] 2.1: Cystein-Rest; 2.2: 4’-Phosphopanthetein; 2.3: Malonyl-Rest; 2.4: CO2; 2.5: NADPH+H+; 2.6:

Malonyl-CoA; 2.7: Palmitat

[3] 3.1: Glykolyse (Glyceron-3-P wird NADH-abhängig durch die Glycerol-3-phosphat-DH in Glycerol-3-Phosphat umgewandelt), Merke: Das Fettgewebe besitzt keine Glycerol-Kinase!; 3.2: Glykolyse oder Umwandlung von Glycerol in Glycerol-3-Phosphat durch die Glycerol-Kinase mit Hilfe von ATP; 3.3: Glykolyse (Glyceron-3-P wird NADH-abhängig durch die Glycerol-3-phosphat-DH in Glycerol-3-Phosphat umgewandelt)

[4] Die korrekte Reihenfolge (siehe Schema) lautet 2-4-1-6. Glycerol-3-P

2 Acyl-CoA

Diacylglycerol

Phosphatidat

2 CoA

H2O

Pi

Acyl-CoA

Triacylglycerol

CoA

99 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

13 14

[5] 5.1: Aus drei Molekülen Acetyl-CoA entsteht zunächst 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA; 5.2: Im Hungerzustand und bei Diabetes mellitus ist die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase erniedrigt; 5.3: Aus Mevalonat entsteht in einigen Schritten schließlich unter ATP-Verbrauch Isopentenylpyrophosphat; 5.4: Coenzyme bei einigen Reaktionen der Entstehung von Cholesterol aus Squalen ist nur NADPH

[6] Dichteklasse

Chylomikronen

100 – 1000 nm < 1,006

VLDL (very low density lipoproteins) 30 - 70 0,95 – 1,006

LDL (low density lipoproteins) 15 - 25 1,006 – 1,063

Größe (Ø) Dichte (g/ml) Zusammensetzung (%)

85

50

10

4

1

7

8

2

• Triacylglycerole • Cholesterol (frei) • Cholesterolester • Phospholipid • Protein typische Apolipoproteine Elektrophoresefraktion Ort der Synthese

Funktion

14

HDL (high density lipoproteins) 7,5 × 10 1,063 – 1,210

3

12

37

15

9

18

20

24

2

10

23

55

B-48, CI-III, E, AI, AIV

B-100, CI-III, A, D, E

keine Wanderung Darmmukosa Transport von Nahrungslipiden zur Leber. Im Muskel und Fettgewebe verlieren sie durch eine Lipoprotein-Lipase einen Großteil der TG, werden dann zu sog. Remnants, die von der Leber aufgenommen werden.

prä-β Leber Transport von TG, Phospholipiden und Cholesterol von der Leber zu den Geweben. Nach Abbau der TG durch die LipoproteinLipase gehen sie in IDL und schließlich LDL über.

B-100, (C, D, E) β VLDL (Blut) Versorgen die Gewebe v.a. mit Cholesterol. Sie binden an ihre Zielzellen über Apo B100-Rezeptoren und werden durch Endozytose aufgenommen. An der Entstehung von artherosklerotischen Gefäßwandveränderungen sind sie maßgeblich beteiligt (LDL = „schlechtes“ Cholesterin).

AI, AII, AIV, (CI-III, E) α Leber und Darm Sie sind die uneinheitlichste Fraktion der Lipoproteine. Ihre wichtigste Aufgabe besteht im Transport von Cholesterol aus der Peripherie zur Leber (HDL = „gutes“ Cholesterin). Sie binden die LCAT, enthalten im Kern daher viele Cholesterolester. In der Oberfläche können sie Cholesterol aus Geweben einlagern und zur Leber transportieren.

Spurenelemente

[1] Eisen (Fe) Gesamtbestand an Eisen (70 kg schwerer Mann)

• Hämoglobin-Fe • Myoglobin-Fe • Nichthämenzym-Fe • Transferrin • Ferritin, Hämosiderin Transportform von Eisen Speicherform von Eisen

[2] Hämochromatose ca. 5 g 2800 mg (66 %) 200 mg (ca. 5 %) 420 mg (10 %) 10 mg (ca. 0,2 %)

[3] Cytochrom-c-Oxidase, Lysyloxidase, MAO, Dopamin-β-Hydroxylase, Tyrosinase, Superoxiddismutase, Ferrioxidase (Caeruloplasmin)

800 mg (ca. 19 %) Transferrin Ferritin, Hämosiderin (Leber, Knochenmark, Milz)

100 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

[4] Der Morbus Wilson (auch hepatolenticulärer Defekt genannt) beruht auf der Unfähigkeit der Leber, das mit der Nahrung im Überschuss aufgenommene Kupfer in notwendigen Mengen auszuscheiden. Dem zu Grunde liegt ein genetischer Defekt einer kupfertransportierenden ATPase in der Leber. Folgen sind die Akkumulation von Kupfer in der Leber, die zu Nekrosen, Entzündung, Fibrose und später Zirrhose führt. Ebenfalls kommt es zu Ablagerungen von Kupfer im Gehirn, besonders im Nucleus lentiformis, weniger häufig in Pons, Medulla oblongata, Thalamus und Cerebellum. Die Symptomatik ist vielfältig. Es können Tremor, Spastik, Rigor, Chorea und andere Symptome auftreten. Zudem kommt es zu Kupfer-Ablagerungen in der Descement-Membran der Cornea. Diese goldfarbenen Ablagerungen werden als Kayser-Fleischer-Ringe bezeichnet. Sie sind ein wichtiges diagnostisches Kriterium des Morbus Wilson, beeinträchtigen das Sehvermögen jedoch nicht.

14 15

[5] assoziiert ist der / die / das Xanthinoxidase Carboanhydrase Vitamin B12 Alkohol-DH Pyruvatcarboxylase Glutathionperoxidase Steroidrezeptor

15

mit dem Spurenelement Molybdän (+ Eisen) Zink Cobalt Zink Mangan Selen (Selenocystein) Zink

assoziiert ist der / die / das Glutamat-DH Förderung der Zahnremineralisierung Schilddrüsenhormon Speicherform des Insulins im Pankreas Typ I-Thyroxin-5’-Dejodase alk. Phosphatase PEP-Carboxykinase

mit dem Spurenelement Zink Fluor Jod Zink Selen (Selenocystein) Zink Mangan

Subzelluläre Strukturen

[1] Nervenzelle Erythrozyt Hepatozyt innere Mitochondrienmembran

Lipid (%) 79 43 54 24

Kohlenhydrat (%) 3 8 2–4 -

Protein (%) 18 49 46 76

[2] 2.1: wahr; 2.2: falsch, sie ist nach außen gerichtet; 2.3: wahr

[3] 3.1: Proteinbiosynthese; 3.2: Zytosol; 3.3: Ribosomen; 3.4: Signalpeptid; 3.5: signal recognition particle (SRP); 3.6: modifiziert; 3.7: Chaperonen; 3.8: cis-Seite; 3.9: Phosphorylierungen; 3.10: Modifizierung der Oligosaccharide

[4]

[5]

Lipidsynthese, Teilreaktionen der Gluconeogenese (Glucose-6-Phosphatase), Teilreaktionen des Glykogenabbaus, Biotransformation, Ca2+-Speicherung (besonders im sarkoplasmatischen Retikulum des Muskels) u.a.

Eigenschaften Sedimentationskonstante große Untereinheit kleine Untereinheit Molekulargewicht (kDa)

prokaryonte Ribosomen 70 S 50 S 30 S ca. 2600

eukaryonte Ribosomen 80 S 60 S 40 S ca. 4200

[6] Größe Form pH-Wert Mechanismus, der den sauren pH sicherstellt Enzyme (einige Beispiele) zentrale Aufgaben der Lysosomen

0,2 – 2 µm variabel 4,5 - 5 ATPasen vom V-Typ sorgen für Anreicherung von H+ im Lysosom saure Phosphatase, DNase, Ribonuclease, Phosphodiesterase, Kollagenase, Peptidase, Esterase, TG-Lipase, α-Glucosidase, Neuraminidase etc. Primäre Lysosomen sind wichtig für den Abbau intrazellulärer Materialien. Nach Verschmelzen dieser Materialien mit dem Lysosom bildet sich das sekundäre Lysosom, in dem diese Elemente hydrolytisch abgebaut werden. Bei schwerer Zellschädigung setzen die Lysosomen ihre Hydrolasen frei, was zur Autolyse der Zelle führt.

[7] richtige Aussagen: 1., 2., 3., 5., 6., 7. - Lösungswort: CRISTAE 101 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

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Nucleinsäuren, genetische Information, Molekularbiologie

16

[1]

[2] Uracil: nur RNA; Thymin: nur DNA (es ist das 5-Methyl-Derivat des Uracils); Cytosin: RNA und DNA

N

[3] 3.1: Carbamoylphosphat; 3.2: ATP; 3.3: HCO3-; 3.4: Aspartat-Transcarbamylase; 3.5:

N

Pyrimidin

Dihydroorotat; 3.6: Orotat; 3.7: PRPP (Phosphoribosylpyrophosphat); 3.8: Orotidin-5’-monophosphat (OMP); 3.9: Uridin-5’-monophosphat (UMP)

[4] Uracil: Uracil →→→ β-Alanin → Acetat + NH3 + CO2; Thymin: Thymin →→→ β-Aminoisobutyrat → Propionat + NH3 + CO2

[5] 5.1: IMP; 5.2: ATP; 5.3: GTP; 5.4: Diphosphate [6] 6.1: HCO3-; 6.2: Glycin; 6.3: Formylrest (FH4); 6.4: Glutamin; 6.5: Glutamin; 6.6: Formylrest (FH4); 6.7: Aspartat

[7] Adenosin → Inosin → Hypoxanthin → Xanthin → Harnsäure [8] 8.1: Adenin-Phosphoribosyltransferase; 8.2: PPi; 8.3: AMP (Adenylat); 8.4: PRPP; 8.5: GMP (Guanylat); 8.6: Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase; 8.7: PRPP; 8.8: IMP (Inosinat); 8.9: Das Lesch-Nyhan-Syndrom (eine gonosomal-rezessiv vererbte Erkrankung) beruht auf einem Mangel an Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase. Diese Patienten beginnen bereits im frühen Kindesalter, sich selbst zu verstümmeln, zudem leiden sie häufig unter neurologischen Störungen sowie schwerer Gicht und Nephrolithiasis. [9] 9.1: Xanthinoxidase; 9.2: Xanthinoxidase

[11]

[10] Uns Menschen fehlt das Enzym Uricase, das Harnsäure weiter zu Allantoin abbaut.

[12] Hypoxanthin und Xanthin

O HN O

H N O

N H

N H

Harnsäure (Ketoform)

[13] Histone sind kleine basische Proteine, die mit DNA assoziiert sind und zur strukturellen Organisation des Chromatins beitragen. Ihr hoher Anteil an basischen Aminosäuren (v.a. Lysin und Arginin) neutralisiert die negativ geladenen Phosphatreste der DNA, nur dadurch wird eine dichte Packung des Chromatins möglich (das dicht gepackte Chromatin bezeichnet man als Heterochromatin). Je 2 Histonmoleküle bilden ein Dimer, 4 dieser Dimere bilden ein Oktamer, um das sich DNA in einer Länge von 140 – 150 Basenpaaren windet und eine flache Helix mit 1,8 Windungen bildet. Diese Partikel von 7 nm Durchmesser entdeckte 1974 erstmals R. Kornberg, sie werden als Nucleosomen bezeichnet. Die Seitenketten der Histone können phosphoryliert, acetyliert, methyliert oder ADP-ribosyliert sein.

[14] Beispiel: 5’... GAATTC ... 3’ (Spaltungssequenz für das Restriktionsenzym EcoRI) [15] Ein Palindrom liegt vor, wenn die Basensequenz in beiden Einzelsträngen des DNA-Abschnitts vom 5’-Ende gelesen identisch ist. Palindromische Strukturen sind wichtig, weil sie (je nach Sequenz) von bakteriellen Restriktionsendonucleasen erkannt werden, welche die doppelsträngige DNA in diesen Bereichen spalten (Anwendungen in der Gentechnologie).

[16] 16.1: Dazu muss der DNA-Doppelstrang zunächst mit Hilfe einer Helikase geöffnet werden, wozu ATP benötigt wird; 16.2: Schließlich wird ein Enzym benötigt, welches die durch die Entspiralisierung im DNA-Doppelstrang entstandene Spannung beseitigt, dies ist die Aufgabe der Topoisomerase I; 16.3: Der Primer ist ein kurzes RNA-Stück; 16.4: Im Laufe der Elongation erfolgt die weitere Synthese der DNA-Stränge von 5’ nach 3’; 16.5: Da der Folgestrang nicht in einem Stück gebildet wird, entstehen zunächst Okazaki-Fragmente durch die DNA-Polymerase III, die etwa 1000 – 2000 Basen lang sind.

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[17] RNA-Polymerase I II III

Produkt rRNA hnRNA (später mRNA), snRNA tRNA, 5S-rRNA, snRNA

hemmbar durch α-Amanitin? nein ja ja, aber nur bei hohen Konzentrationen

16

[18] Die RNA-Polymerase II erkennt Promotor-Regionen auf der DNA und bindet diese am 3’-Ende. Zu diesem Zweck benötigt das Enzym eine Reihe von Transkriptionsfaktoren. RNA-Polymerase II und Transkriptionsfaktoren werden auch als Polymerase II-Holoenzym bezeichnet. Die Promotor-Region enthält oft eine AT-reiche Sequenz, die als TATA-Box bezeichnet wird. Oberhalb der TATA-Box befinden sich andere definierte Sequenzen (CG-Box, CAAT-Box u.a.), die für Beispiel: Start CAAT-Box GC-Box TATA-Box die Transkription ebenfalls wichtig sind, da sie von Transkriptionsfaktoren gebunden werden, die jedoch nicht zum RNA-Polymerase II-Holoenzym gehören. -80 -60 -40 -20 1

[19] 19.1: von 3’ nach 5’ (codogener Strang); 19.2: von 5’ nach 3’ [20] durch Anhängen einer cap-Struktur (7-Methylguanosintriphosphat-Rest), Nucleotide dieser Kopfgruppen können SAM-abhängig methyliert werden

[21] durch Anhängen eines Poly-A-Schwanzes mit bis zu 200 AMP-Resten [22] Das Primärtranskript, die hnRNA, besteht aus codierenden Sequenzen, die Exons genannt werden, und nichtcodierenden Sequenzen, diese heißen Introns. Während der RNA-Reifung werden die Introns aus der RNA entfernt. Dieser als Spleißen bezeichnete Vorgang wird durch small nuclear ribonucleoprotein particles (snRNP) katalysiert. Es existieren 5 verschiedene snRNPs, die aus jeweils verschiedenen Proteinen und einem Molekül snRNA bestehen. Die Introns der hnRNA besitzen an beiden Enden spezielle Sequenzen; beim Spleißen greift zunächst eine OH-Gruppe mit Hilfe eines snRNPs das 5’-Ende des Introns an und spaltet es, das freie Ende des Introns wird innerhalb des Introns gebunden, wodurch eine lassoartige Struktur entsteht. Danach führt die OH-Gruppe des 5’-ständigen Exons zur Spaltung des 3’-Endes des Introns. Die beiden Exons werden miteinander verknüpft und das Intron freigesetzt. Spleißosomen bestehen aus hnRNA und snRNPs, sie bilden sich während des Spleißens aus.

[23] RNA-Typ mRNA tRNA rRNA snRNA

Arten / Zelle mehr als 1000 mehr als 50 4 etwa 10

Länge sehr variabel 50 – 105 Basen 120 – 5000 Basen 100 – 300 Basen

% aller RNA etwa 5 % 10 – 20 % etwa 80 % weniger als 1 %

Funktion Matrize bei der Proteinbiosynthese Bindung von AS für Proteinbiosynthese Element bei Bildung der ribosomalen Untereinheiten Bestandteil des Spleißosoms bei Spleißen von hnRNA

[24] 24.1: Zytosol; 24.2: tRNA; 24.3: Aminoacyl-tRNA-Synthetasen; 24.4: Aminoacyl-AMP; 24.5: 2’- oder 3’-OH-Ende; 24.6: N-Formyl-Methionin; 24.7: AUG; 24.8: GTP; 24.9: Peptidyl-Stelle; 24.10: Anticodon; 24.11: A-Stelle; 24.12: Peptidyltransferase; 24.13: Ribozyme; 24.14: 3’-Richtung; 24.15: Stop-Codon; 24.16: UAG [25] antibakterieller Wirkstoff Penicillin Cephalosporine Sulfonamide Diaminopyrimidine Gyrase-Hemmer Actinomycin Rifampicin Chloramphenicol Makrolide (z.B. Erythromycin) Aminoglykoside (z.B. Streptomycin) Tetracycline Puromycin

Angriffspunkt Zellwandsynthese Zellwandsynthese Folsäure-Synthese Folsäure-Synthese Replikation und Transkription Replikation Transkription Proteinbiosynthese Proteinbiosynthese Proteinbiosynthese

bewirkte Störung Hemmung der Glykopeptid-Transpeptidase Hemmung der Glykopeptid-Transpeptidase Analoge der p-Aminobenzoesäure Hemmung der Dihydrofolat-Reduktase Hemmung der bakteriellen Gyrase Interkalation in DNA-Doppelhelix Hemmung der prokaryonten RNA-Polymerase Hemmung der Peptidyltransferase Hemmen Weiterrücken des Ribosoms an mRNA Anlagerung falscher Aminoacyl-tRNAs an mRNA

Proteinbiosynthese Proteinbiosynthese

Hemmen Aminoacyl-tRNA-Anlagerung an mRNA Strukturanalogon der tRNA – vorzeitiger Kettenabbruch

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[26] Plasmide bestehen aus einem ringförmigen DNA-Doppelstrang, sie kommen in Bakterien und Hefen vor. Besonders wichtig sind sie für die Konjugation von Bakterien, zudem tragen viele Plasmide Gene für bestimmte Antibiotikaresistenzen, die Bakterien untereinander austauschen können.

[27] 27.1: Sie spalten doppelsträngige DNA (Schutz vor eingedrungener Fremd-DNA); 27.2: Sie kommen nur in Bakterien vor.

[28] Die Retroviren besitzen das Enzym Reverse Transkriptase, welche die RNA in eine cDNA umwandelt. Diese cDNA wird dann in das Wirtsgenom integriert und bei Virusvermehrung von Enzymen der Wirtszelle transkribiert.

[29] CD4-positive Zellen, also CD4-T-Helferzellen und Makrophagen [30] Hemmstoffe der reversen Transkriptase (Basenanaloge wie z.B. Azidothymidin) und Protease-Inhibitoren, die die Virus-Reifung hemmen

[31] Wachstumsfaktoren; Wachstumsfaktorrezeptoren; Tyrosin-spezifische Proteinkinasen; Membranassoziierte G-Proteine; Transkriptionsfaktoren; Hormonrezeptoren

[32] 32.1: Erhitzen; 32.2: Primer; 32.3: Taq-Polymerase; 32.4: 5’-; 32.5: 3’; 32.6: 4; 32.7: dritten

17

Hormone

[1] 1.1: Austausch von GDP gegen GTP an der α-Untereinheit des G-Proteins; 1.2: Aktivierung der Adenylatzyklase; 1.3: cAMP aktiviert Proteinkinase A

[2] 2.1: Adenylatzyklase; 2.2: ATP; 2.3: Phosphodiesterase; 2.4: 5’-AMP [3] 3.1: Das an GTP-gebundene G-Protein wandert nun zur Phospholipase C (PLC) und aktiviert diese; 3.2: Die aktivierte Phospholipase spaltet dann Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat in Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG); 3.3: Das DAG aktiviert mit Hilfe des Ca2+ eine Proteinkinase C; 3.4: … eine PLC, die durch Phosphorylierung zellulärer Proteine eine Zellreaktion auf die Hormonbindung auslöst [5]

[4] cAMP-Anstieg (Nor-) Adrenalin (β1 und β2) ACTH FSH Glucagon TSH Vasopressin (V2) …

cAMP-Abfall (Nor-) Adrenalin (α2) Opioide Somatostatin

IP3-Weg (Nor-) Adrenalin (α1) Acetylcholin (M) Angiotensin II Cholezystokinin Glutamat Oxytocin TRH Vasopressin (V1)

5.1: TRH; 5.2: TSH; 5.3: T4, T3

[6] 6.1: Basedow; 6.2: TRH; 6.3: TSH; 6.4: Thyreoglobulin; 6.5: Tyrosyl; 6.6: intramolekulare Kopplung; 6.7: Tetrajodthyronin (T4); 6.8: Trijodthyronin (T3); 6.9: T3; 6.10: Leber; 6.11: TBG (Thyroxin-bindendes-Globulin); 6.12: Zinkfinger; 6.13: Na+/K+

[7] 7.1: falsch, zwei Disulfidbrücken verbinden A- und B-Kette miteinander, eine weitere Disulfidbrücke verbindet zwei Cysteinreste der A-Kette; 7.2: wahr; 7.3: wahr; 7.4: wahr; 7.5: falsch, nicht über Glut4, sondern über Glut2 gelangt die Blutglucose in die B-Zellen; 7.6: wahr; 7.7: wahr; 7.8: falsch, die Glucose gelangt über Glut2 Insulin-unabhängig in die Leber

[8] Diabetes mellitus Typ I Diabetes mellitus Typ IIa Diabetes mellitus Typ IIb

[9] Retinopathie; Nephropathie; B-Zell-Untergang, insulinpflichtig Altersdiabetes ohne Übergewicht Altersdiabetes mit Übergewicht

Polyangiopathien; Polyneuropathien

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[10]

[11]

Muskulatur • Hexokinase ↑

Fettgewebe • Hexokinase ↑

• Glykogensynthase ↑

• Phosphofructokinase ↑

Leber • Glykolyse ↑ • Glukokinase ↑ • Phosphofructokinase ↑ • Pyruvatkinase ↑

• Glukogenphosphorylase ↓ • Pyruvatkinase ↑ • Glykogensynthase ↑ • Acetyl-CoA-Carboxylase ↑ • FS-Synthase ↑ • Lipoproteinlipase ↑ (Aufnahme von TG aus VLDL)

[12] A-Zellen des Pankreas

• Gluconeogenese ↓ • Pyruvatcarboxylase ↓ • PEP-Carboxykinase ↓ • Fructose-1,6-bisphosphatase ↓ • Glykogenphosphorylase ↓

[13] Peptidhormon aus 29 AS

11.1: Pregnenolon; 11.2: 21; 11.3: Progesteron; 11.4: 21; 11.5: Cortisol; 11.6: 21; 11.7: Aldosteron; 11.8: 21; 11.9: Androstendion; 11.10: 19; 11.11: Testosteron; 11.12: 19; 11.13: Aromatase; 11.14: Estradiol; 11.15: 18

17

[14] 14.1: Glycogenolyse ↑ (Glycogenphosphorylase ↑); 14.2: Glycolyse ↓ (u.a. Phosphofructokinase ↓); 14.3: Gluconeogenese ↑ (u.a. Fructose-1,6-bisphosphatase ↑); 14.4: Lipolyse ↑ (TG-Lipase ↑) [15] Falschantworten: 2. 6. 10. 13. 16. 18. 21.

Testosteron enthält 19 C-Atome, Estradiol 18 C-Atome, sie werden nicht am C-21 hydroxyliert! Insulin bindet an einen Tyrosinkinase-Rezeptor, Cortisol hingegen dringt in die Zelle ein (wie alle Steroidhormone) und bindet an einen intrazellulären Rezeptor. Der IP3-Weg wird ausgelöst durch Hormone, die extrazellulär an einen spezifischen Rezeptor binden, ein G-Protein aktivieren, dieses aktiviert die Phospholipase C und diese spaltet Phosphatidylinositolbisphosphat in IP3 und DAG. Cortisol hingegen dringt in die Zielzelle ein und bindet an einen IZ-Rezeptor. Durch ACTH wird die Cortisol-Produktion in der Zona fasciculata der NNR stimuliert. Gespeichert wird das Cortisol hingegen nicht, sondern direkt an das Blut abgegeben. Cortisol induziert in der Leber die Gluconeogenese und unterdrückt die Glykolyse. Die Phosphofructokinase ist eines der Schlüsselenzyme der Glykolyse, es wird daher durch Cortisol reprimiert. Der GLUT2 der Leber ist Cortisol- (und Insulin-!) unabhängig. Zudem hemmt Cortisol die Glucoseaufnahme in Muskel und Lymphozyten. Alle Steroidhormone entstehen aus Cholesterol. Gemeinsames Vorläufermolekül ist das Pregnenolon, aus diesem entsteht Progesteron. Androstendion (C19) ist das direkte Vorläufermolekül des Testosteron (C19). Cortisol enthält 21 C-Atome.

[16] 16.1: L-Dopa (Dihydroxyphenylalanin); 16.2: Dopamin; 16.3: Noradrenalin; 16.4: Adrenalin; 16.5: Tyrosin-Hydroxylase; 16.6: Dopa-Decarboxylase; 16.7: Phenylethylamin-N-Methyltransferase → dieses Enzym wurde bereits öfter vom IMPP abgefragt. Wichtig: Methylgruppendonator bei der Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin ist S-Adenosyl-Methionin

[17] Rezeptor Second messenger Wirkung

α1 IP3, DAG • pos. inotrop am Herzen • Kontraktion glatter Muskeln (Gefäße, Sphinkter, Bronchien, Myometrium)

α2 cAMP ↓ ZNS: • Dämpfung, Blutdrucksenkung, Bradykardie extraneural: • Vasokonstriktion • Relaxation der Darmmuskulatur

β1 cAMP ↑ Herz: • Sinusfrequenz ↑ • Erregungsleitung ↑ • Erregbarkeit ↑ • Kontraktionskraft ↑ Niere: • Reninsekretion ↑ Darm: • Relaxation

β2 cAMP ↑ Relaxation von: • Gefäßen • Bronchien • Myometrium extraneural: • Insulinsekretion ↑ • Glykogenolyse ↑ (Leber und Muskulatur)

[18] 18.1: Die COMT (Catecholamin-O-Methyl-Transferase) wandelt (Nor-) Adrenalin in 3-Methoxy(nor-)adrenalin um (S-Adenosyl-Methionin-abhängig); 18.2: Vanillinmandelsäure entsteht aus 3-Methoxy(nor-)adrenalin (zunächst oxidative Desaminierung durch die MAO (Monoaminooxidase), dann Oxidation durch eine Aldehyddehydrogenase zu Vanillinmandelsäure

[19] ACTH; β-Endorphin; β-Lipotropin; α-MSH 105 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

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[20] 20.1: Die im Hypothalamus gebildeten Gonadotropin-Releasing-Hormone fördern die Bildung und Ausschüttung von FSH und LH im Hypophysenvorderlappen; 20.2: Beim Mann bewirkt das LH die Testosteronproduktion in den Leydig-Zwischenzellen; 20.3: Das Steroidhormon Testosteron, welches 19 Kohlenstoff-Atome enthält; 20.4: Als Schwangerschaftsschutzhormon steigt seine Sekretion kontinuierlich an und erreicht ein Maximum kurz vor der Geburt (zu Beginn der Schwangerschaft steigt das β-HCG stark an, fällt aber etwas ab der 12. SSW wieder ab). 20.5: Das Progesteron bewirkt das Wachstum von Uterus und Mammae, für den Anstieg der Körpertemperatur ist es ebenfalls verantwortlich.

[21] 21.1: LH; 21.2: FSH; 21.3: Progesteron; 21.4: Östradiol

[22] Protease

[23] c.; e.

[24] a.; b.; c.; e.

[25] Bildungsort Sekretionsreiz Second messenger Wirkungen

in myoendokrinen Zellen des Herzmuskels vor allem im rechten Atrium Dehnung des Herzmuskels (erhöhter Vorhofdruck) das ANP aktiviert eine membrangebundene Guanylatzyklase mit folgendem cGMP-Anstieg • Abnahme des Gefäßwiderstandes Antagonist von RAAS • GFR ↑ • Na+- und Wasserausscheidung ↑ und Vasopressin • Hemmung des RAAS

[26] 26.1: Somatotropin (STH); 26.2: Somatomedine; 26.3: IGF1 und IGF2 (Insulin-like growth factor) [27] 27.1: Phospholipase A2; 27.2: Arachidonsäure; 27.3: Cyclooxygenase; 27.4: Lipoxygenase

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Immunchemie [2]

[1] unspezifische Mechanismen Haut Magensäure Fieber Komplementsystem Makrophagen Granulozyten Lysozym u.a.

spezifische Mechanismen B-Lymphozyten T-Lymphozyten

2.1: 2000 – 4000; 2.2: etwa 1 %

[4] CD3

[3] primär lymphatische Organe sek. lymphatische Organe

[6] T-Helferzelle (CD4-T-Zelle)

B-Lymphozyten Knochenmark (bone marrow) Lymphknoten, Milz, Tonsillen, Peyer-Plaques u.a.

T-Lymphozyten Thymus Lymphknoten, Milz, Tonsillen, Peyer-Plaques u.a.

[5] CD4-positive Lymphozyten CD8-positive Lymphozyten

MHC II MHC I

Funktion Diese Zellen sind beteiligt an der humoralen Immunantwort, indem sie die Differenzierung von B-Lymphozyten in Ak-produzierende Plasmazellen fördern. Für diese Aktivierung der B-Lymphozyten sind zwei Dinge wesentlich (biochemische Erklärung, trotzdem sehr interessant!): • Nach Bindung eines Antigens (Ag) an die B-Zelle wird ein Signal in das Innere der Zelle gesandt, dadurch wird die B-Zelle aktiviert; zudem wird das Ag internalisiert und in Peptidfragmente zerlegt, die dann auf dem MHC II-Molekül den T-Zellen präsentiert werden. Es entsteht dadurch ein MHC II-Peptidrezeptorensystem. • Auf der B-Zelle befindet sich das Oberflächenmolekül CD40, dieses entspricht dem Tumor-Nekrose-Faktor-Rezeptor auf Makrophagen. Durch Bindung des CD40-Liganden der T-Zelle an das CD40-Molekül der B-Zelle wird die IL-4-Freisetzung der CD4-T-Zelle stimuliert, IL-4 fördert die Aktivierung der B-Zelle zur Plasmazelle. (Außerdem wird durch die Bindung des Oberflächenmoleküls B7 auf B-Zellen an CD28 der T-Zelle die IL-2-Freisetzung stimuliert.)

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zytotoxische T-Zelle (CD8-T-Zelle) T-Suppressorzelle

Funktion Werden den zytotoxischen T-Zellen Ag auf MHC I-Molekülen präsentiert, so sind sie in der Lage, durch Freisetzung bestimmter zytotoxischer Proteine (Perforine, Proteasen) diese Zellen abzutöten. Zudem sind sie in der Lage, die Apoptose von Zellen zu induzieren. Diese Zellen unterdrücken spezifisch die Immunantwort, um Überreaktionen des Immunsystems zu vermeiden. Ob es sich bei diesen Zellen um eine eigene T-Zellsubpopulation handelt, ist noch nicht bekannt, man weiß auch wenig über den biochemischen Wirkmechanismus dieser Zellen.

18

[7] Molekulargewicht (kDa) Serumkonzentration (g/l) schwere Ketten (H)

IgA 150 (Dimer:400) 3,5 α

IgD 180 0,03 δ

IgE 200 0,00005 ε

IgG 150 13,5 γ

IgM 900 1,5 µ

κ oder λ ja nein Schleimhautschutz; Schutz von Neugeborenen (IgA ist in Muttermilch vorhanden)

κ oder λ nein nein Beeinflussung der Lymphozytenfunktion? (es ist neben IgM auf der Oberfläche von B-Zellen vorhanden)

κ oder λ nein nein (+) Auslösung einer anaphylaktischen Reaktion; Parasitenabwehr

κ oder λ nein ja + Schutz des extravaskulären Raumes vor Bakterien und Viren

κ oder λ ja nein +++ erste Abwehr gegen Mikroorganismen im Blut (Frühphase einer Infektion)

(Namensgebung der Ig´s)

leichte Ketten (L) joining peptide? plazentagängig? Komplementaktivierung

Hauptfunktionen

[8] 8.1: IgG besteht aus 2 Fab-Fragmenten und 1 Fc-Fragment. Die variable Region des Fab-Fragments ist Ort der Antigenbindung („ab“ wie antigen binding), mit dem Fc-Anteil („c“ wie crystallizable) bindet der Ak an Zelloberflächen, zudem dient er der Komplementbindung; 8.2: Papain spaltet das IgG in der Gelenkregion (s. gestrichelter Pfeil in der Zeichnung):

Papain S S

VL

VH S

S

S

S S

S S

CL

S

C H1 S

S

S

S S

S

S

S

S S S S

S

S

leichte Kette (light chain – L) schwere Kette (heavy chain – H)

[9] Chemotaxis; Lyse; Opsonisierung [10] klassischer Weg: Aktivierung durch Ag/Ak-Komplexe komplementbindender Ak (IgM, IgG); alternativer Weg: Durch Anlagerung des Faktors C3b an Bakterienzellwände wird mit Hilfe der Faktoren B und D eine C3/C5-Konvertase aktiviert, was zu aktiviertem Faktor C3b führt.

Oligosaccharid (Komplementfixierung)

C H2 S

S

S S

C H3 S

S S

S

[11] 11.1: Opsonin; 11.2: Chemotaxis; 11.3: membranangreifender Komplex → Lyse [12] auf folgenden Zellen vorhanden: Struktur

Funktion

MHC I auf fast allen kernhaltigen Zellen (nicht auf Erythrozyten!) eine α-Kette und β2-Mikroglobulin Präsentation eigener Peptid-fragmente, so ist die Zelle als „selbst“ erkennbar. Bei Befall der Zelle mit z.B. Viren werden körperfremde Fragmente auf MHC I präsentiert, dies führt zur Elimination dieser Zelle durch CD8-TC-Zellen (die Zelle wird nun als „fremd“ erkannt).

MHC II B-Lymphozyten, Makrophagen, dendritische Zellen → Zellen des Immunsystems eine α- und eine β-Kette MHC II-Moleküle präsentieren exogene Antigene, diese werden von CD4-TH-Zellen erkannt.

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18 19

[13] Zytokin Interleukin-1

produz. Zelle Makrophagen

Zielzelle T-Zellen, Endothelzellen

Interleukin-2 Interferon-γ

T-Zellen T-Zellen

TNF

Makrophagen

T-Zellen, B-Zellen Makrophagen, Endothelzellen Neutrophile, Endothelzellen, T-Zellen

19

Wirkung Stimulation, Entzündung, Fieber, Akute-Phase-Proteine Aktivierung Aktivierung Stimulation, Entzündung, Fieber, Akute-Phase-Proteine

Blut

[1] ca. 5.000.000/µl (5·106/µl) [2] anaerobe Glykolyse: Bereitstellung von ATP, vor allem für Transportprozesse in der Erythrozytenmembran und die Synthese von Glutathion. Endprodukt ist Laktat, das in der Leber wieder in die Gluconeogenese eingeführt wird; Pentosephosphatweg: dient der Bereitstellung von NADPH2, welches für die Reduktion von Glutathion benötigt wird

[3] Etwa 20 % des in der Glykolyse entstandenen 1,3-BPG wird im Erythrozyten in 2,3-BPG umgewandelt (Enzym: 2,3-Bisphosphoglyceratmutase). Dieses kann nach Abbau zu 2-Phosphoglycerat (Bisphosphoglyceratphosphatase) wieder in die Glycolyse eingeführt werden, dabei geht jedoch das ATP verloren, das durch die Umwandlung von 1,3-BPG in 3-Phosphoglycerat in der Glycolyse entsteht.

[4] Es bindet selektiv an Desoxy-Hämoglobin, daraus ergibt sich eine erleichterte Abgabe von O2 an das Gewebe. 1.0

[5]

die Anlagerung von 2,3-BPG führt zu einer Rechtsverschiebung der Sauerstoffsättigungskurve, die Wirkungen von CO2 und 2,3-BPG sind additiv

Sättigung

0.8 1

0.6

2

0.4

1 Hämoglobin (Hb) 2 Hb + BPG 3 Hb + CO2 + BPG

0.2 0.0

[6]

3

0

10

20

30

40

50

O2-Partialdruck (mm HG)

6.1: Histidin; 6.2: HbA1; 6.3: HbA2; 6.4: Sauerstoffaffinität; 6.5: α; 6.6: γ; 6.7: β; 6.8: Valin; 6.9: Malaria; 6.10: β-Kette; 6.11: Thalassaemia major; 6.12: Thalassaemia minor

[7] im Hämoglobin besetzt mit ... Koordinationsstelle des Fe2+ I II Stickstoffatome der 4 Pyrrolringe im Häm III IV V Histidinrest eines Globins VI O2 im Oxy-Hb bzw. H20 im Desoxy-Hb

[8] 8.1: Mitochondrium; 8.2: Succinyl-CoA; 8.3: Glycin; 8.4: δ-Aminolaevulinsäure; 8.5: δ-Aminolaevulinsäure-Synthase; 8.6: PALP; 8.7: Porphobilinogen; 8.9: Desaminierung; 8.10: Uroporphyrinogen III; 8.11: Koproporphyrinogen III; 8.12: Ferrochelatase; 8.13: δ-Aminolaevulinsäure-Synthase; 8.14: Häm

8.8:

[9] 9.1: Häm-Oxygenase; 9.2: Bilirubin; 9.3: indirektes Bilirubin; 9.4: Bilirubindiglucuronid = direktes Bilirubin; 9.5: Bei der Abgabe des Bilirubindiglucuronids an die Galle handelt es sich um einen aktiven Transportprozess, der gegen ein Konzentrationsgefälle stattfindet. Er ist daher der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Bilirubinstoffwechsels der Leber; 9.6: Stercobilin und Urobilin 108 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

N H

Pyrrol

[10]

19

intrinsisches System

extrinsisches System

Auslösung: innere Gefäßläsion; verletzte Endothelien; freiliegendes Kollagen; Verstärkung durch Kallikrein

Auslösung: Verletzung von außen; Gerinnung des ausgetretenen Blutes

PL , PL ,

PC / PS

proteolytische Aktivierung Hemmung (AT III) Hemmung (PC / PS)

[11] Faktor I II III IV V

VII VIII IX X XI XII XIII

Bezeichnung Fibrinogen Prothrombin Gewebsthromboplastin Calcium Proaccelerin

Prokonvertin Antihämophiler Faktor A Christmas-Faktor Stuart-Prower-Faktor Plasma-Thromboplastin-Antecedent Hagemann-Faktor Fibrin-stabilisierender Faktor (FSF)

Koagulopathie A-, Hypofibrinogenämie A-, Hypoprothrombinämie

APC-Resistenz (akt. Protein C kann den Faktor V nicht spalten → erhöhte Thrombosegefahr) Hypoprokonvertinämie Hämophilie A Hämophilie B Faktor X-Mangel Faktor XI-Mangel Faktor XII-Mangel FSF-Mangel

109 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

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[12]

•

Urokinase

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[13] Hemmer der Blutgerinnung Heparin Phenprocoumon (= Marcumar)

Wirkungsmechanismus Aktivierung von Antithrombin III. AT III hemmt die aktivierten Faktoren XIIa, XIa, IXa, Xa und Thrombin Hemmung der Vitamin K-abhängigen γ-Carboxylierung der Gerinnungsfaktoren X, IX, VII und II sowie Protein C und Protein S

[15]

[14] FRAKTION Albumine α1-Globuline α2-Globuline β-Globuline γ-Globuline

%-Anteil 55 – 65 % (≈ 60 %) 2,5 – 4,5 (≈ 4 %) 6 – 10 % (≈ 8 %) 8,5 – 14 (≈ 12 %) 10 – 21 % (≈ 16 %)

15.1: 60 – 80 g/l; 15.2: etwa 45 g/l; 15.3: kolloidosmotischen

Beispiele Albumin, Präalbumin α1-Antitrypsin, α1-Lipoprotein (HDL), Prothrombin, TBG, Transcortin u.a. Caeruloplasmin, AT III, Cholin-Esterase, Haptoglobin, Plasminogen u.a. β-Lipoprotein (LDL), Transferrin, Fibrinogen, C-reaktives Protein (CRP) Immunglobuline

[16] 16.1: H-Antigen: Blutgruppe 0; 16.2: A-Antigen: Blutgruppe A; 16.3: B-Antigen: Blutgruppe B

[17] 17.1: Proteinen; 17.2: D; 17.3: Voraussetzung ist die Schwangerschaft einer Rh(-) Mutter mit einem Rh(+) Kind. Bildet die Mutter Antikörper gegen Rh(+)-Erythrozyten, so können diese eine Hämolyse der kindlichen Erythrozyten hervorrufen. Gefährdet sind besonders Rh(-) Mütter, die bereits ein Rh(+) Kind geboren haben, da beim Geburtsvorgang kindliche Erythrozyten in den Kreislauf der Mutter gelangen, was zu einer Produktion von Antikörpern gegen Rh(+)-Erythrozyten führt. In einer zweiten Schwangerschaft mit einem Rh(+) Kind kann dies zum Morbus haemolyticus neonatorum führen.

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Biochemie einzelner Organe

[1] Immunglobuline (Globuline der γ-Fraktion) werden nicht von der Leber, sondern von differenzierten B-Zellen, den Plasmazellen, gebildet.

[2]

Heteroglykane

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[3] 3.1: Hydroxylierung, hydrolytische Spaltung, Methylierung, Desaminierung, Dealkylierung u.a.; 3.2: Glucuronidierung, Sulfatierung, Amidierung u.a.

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[6]

[4] Cytochrom P450, dessen Hämeisen ist

meistens dreiwertig, im Gegensatz zum Häm im Hämoglobin

Phase II-Reaktion Glucuronidierung Sulfatierung Amid-Bildung Acetylierung

[5] Das eine Sauerstoffatom wird unter Ausbildung einer Hydroxylgruppe auf das Substrat übertragen, das andere Sauerstoffatom geht in Wasser über.

die Gruppe wird übertragen als ... UDP-Glucuronat 3’-Phosphoadenosyl-5’-phosphosulfat (PAPS) Glycin und Glutamin Acetyl-CoA

[7] H H

H

H C C OH

H

O

H C C

H H

H

NADH+H

H C C

H C C H Aldehyd-DH

Alkohol-DH

NAD

H O

O

NAD

H

O– Acetat-CoALigase

NADH+H

SCoA

H Acetyl -CoA

AMP + PPi CoA

[8] Adrenalin ↑, STH ↑, ACTH ↑, Glukagon ↑, TSH ↑ – Aktivierung der TG-Lipase durch cAMP • Insulin ↓ cAMP-Abfall durch Aktivierung der Phosphodiesterase [9] Calcitriol, Erythropoietin, die Protease Renin fördert die Freisetzung von Angiotensin und Aldosteron [10] 10.1: 0,5 – 2 l; 10.2: pH 4,8 – 7,5; 10.3: an erster Stelle; 10.4: 20 – 35 g; 10.5: Harnsäure (Purinabbau), Kreatinin (Muskel), Aminosäuren, Glucose (bis 1,1 mmol), Ketonkörper, Proteine u.a.; 10.6: sekundär aktiver Transport im Symport mit Na+ [11]

Glutaminase

Glutamat-DH

α-Ketoglutarat H2O

NH3

H2O

NH3

Tubuluszelle

[12] 12.1: Myosin; 12.2: leichten; 12.3: schweren; 12.4: ATPase-Aktivität; 12.5: G-Actin; 12.6: F-Actin; 12.7: Tropomyosin; 12.8: Troponin; 12.9: Myosinköpfchen; 12.10: ATP; 12.11: Konformationsänderung; 12.12: Actinfilament [13] Kontraktion Mitochondriengehalt aerob / anaerob? Laktatbildung Myoglobingehalt

rote Muskelfasern (Typ I) langsam hoch aerob wenig hoch

weiße Muskelfasern (Typ II) schnell niedrig anaerob viel niedrig

111 Aus Brandenburger, Timo: Arbeitsheft Biochemie (ISBN 9783131322514) © Georg Thieme Verlag KG 2009 Dieses Dokument ist nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weiter gegeben werden!

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[14] Umwandlung von Kreatinphosphat in Kreatin; Umwandlung von ADP in ATP und AMP mit Hilfe der Adenylat-Kinase. Das AMP kann weiter in IMP umgewandelt werden; anaerobe Glycolyse; oxidative Phosphorylierung, dazu können unter aeroben Bedingungen Glucose (aus Muskelglycogen), Fettsäuren und Ketonkörper genutzt werden [15] Struktur: Hämprotein, besitzt nur eine Polypeptidkette. Als Monomeres verfügt es nicht über die allosterischen Eigenschaften des Hämoglobins (s. Sauerstoffbindungskurve des Myoglobins); Funktion: Sauerstoffspeicher und Sauerstofftransportmolekül des Muskels. Wegen des hohen extrazellulären O2–Partialdrucks wird das Myoglobin gut mit O2 beladen, das diesen leicht an die Mitochondrien abgibt, da dort ein niedriger O2-Partialdruck herrscht.

[16] Ca-Hydroxylapatit [Ca10(PO4)6(OH)2]: ca. 60 %;

[17] richtige Reihenfolge: b., e., d., f., c., a., g.

Kollagen (vorwiegend Typ I): ca. 20 %; andere Mineralien (Carbonat, Nitrat etc.): ca. 10 %; Wasser: ca. 9 %

[18] 18.1: ca. 20 %; 18.2: etwa 100 g; 18.3: zu CO2 und H2O – RQ = 1; 18.4: Im Hungerzustand oder bei Diabetes mellitus kann das Gehirn auch Ketonkörper (β-Hydroxybutyrat und Acetacetat) zur Deckung des Energiebedarfs verwenden; 18.5: Insulin-unabhängig [19] Vorstufen

Acetyl-CoA und Cholin motorische Endplatte, vegetatives Nervensystem, Nucl.caudatus (Teil der Basalganglien)

Vorkommen beim nikotinischen Ach-Rezeptor handelt es sich um ... der muskarinische Ach-Rezeptor ist gekoppelt an ... Inaktivierung

Hemmstoff

einen Ionenkanal ein G-Protein Enzymatische Hydrolyse durch die Cholinesterase. Das Cholin wird wieder in die Nervenendigung aufgenommen und dient erneut der Ach-Synthese Atropin hemmt kompetitiv alle muskarinergen Ach-Rezeptorsubtypen und bewirkt so eine generelle Parasympatholyse. Es existiert eine Vielzahl weiterer Parasympatholythika (s. Lehrbücher der Pharmakologie)

Kreuz und quer durch die Biochemie - LÖSUNG WAAGERECHT

SENKRECHT

1 Actinomycin 5 Muskel 7 Palmitat 11 Kupfer 14 GABA 15 Skorbut 16 DAG 17 TSH 20 Alanin 22 Biotin 25 Insulin 28 Tocopherol 30 SAM 31 Linolensäure 33 vier 36 Arachidonsäure 37 Cholin 40 PDH 42 Trypsin 43 Transketolase 47 Hämophilie A 48 Enterozyten 49 Perforin 50 Adrenalin 51 Carboanhydrase

2 IgM 3 Introns 4 Tyrosin 6 Sorbitol 7 Pyruvat 8 direktes 9 IgG 10 Thymin 12 FSH 13 LDL 18 Serin 19 FMN 20 Amylose 21 Riboflavin 23 Tryptophan 24 VLDL 26 Laktat 27 Glycerolkinase 29 UMP 32 Adenin 34 PALP 35 NADPH 38 HCN 39 Acetacetat 41 Harnsäure

44 Amanitin 45 Heparin 46 Leucin

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