Fit in Biochemie: Das Prufungstraining fur Mediziner, Chemiker und Biologen

Rudi Hutterer Fit in Biochemie

Rudi Hutterer

Fit in Biochemie Das Prüfungstraining für Mediziner, Chemiker und Biologen STUDIUM

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Dr. rer. nat. Rudi Hutterer Geboren 1966 in München. Studium der Chemie in München und Würzburg. Diplomarbeit (1993) und Promotion (1996) bei Prof. Dr. F. W. Schneider auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie an Modellmembransystemen. Von 1997 bis 1998 Tätigkeit als Gruppenleiter in der Einsatzstoffentwicklung Diagnostika bei der Boehringer Mannheim GmbH in Tutzing. Seit 1998 als wissenschaftlicher Angestellter und seit 2002 als Akademischer Rat am Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik an der Universität Regensburg verantwortlich sowohl für die Ausbildung der Medizin- und Zahnmedizinstudenten in anorganischer und organischer Chemie, als auch für Praktika und Übungen für Chemiker in Biochemie sowie Biosensorik & Screening.

1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Ulrich Sandten | Kerstin Hoffmann Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-0727-4

Vorwort Die klassischen Lehrbücher der Biochemie, ob von Stryer oder Lehninger et al, Horton et al. oder Voet/Voet, ob „der große Löffler“ oder das jüngst erschienene, von einem Autorenkollektiv verfasste „Biochemie und Molekularbiologie des Menschen“, alle haben eins gemeinsam: sie sind ziemlich dick. Ein weites Feld tut sich da auf, für die angehenden Mediziner in spe, wie auch für Naturwissenschaftler verschiedener Fachrichtung, die mit Biochemie als (Neben)fach in ihrem Studium konfrontiert werden. Wie geht man´s an? Das Studium der Lehrbücher ist sicherlich ein unverzichtbarer Bestandteil zur Nachbereitung von Vorlesungen und Prüfungsvorbereitung. Allein – meist führt bloßes Faktenwissen nicht zum erwünschten Erfolg, denn Prüfungen erfordern typischerweise die Lösung von Problemen, wie manch einer (oft zu spät) erkennt, wenn all das eingepaukte Detailwissen nicht angewandt werden konnte. Mit der klassischen Frage, was man denn für die Klausur tun solle, werde ich immer wieder konfrontiert, seit ich hier in Regensburg Studenten der Medizin und Zahnmedizin auf dem Weg durch zwei Semester Chemie und die Chemiker durch Biochemie-Übungen und -Praktika begleite. Daraus entstand die Idee, eine größere Anzahl von Aufgaben, möglichst mit medizinischem Hintergrund, zusammenzustellen und dazu sehr ausführlich diskutierte Lösungen anzubieten. „Chemischer Denksport“ also, mit dem Anspruch, Gelerntes nicht nur zu reproduzieren, sondern anzuwenden. Den Anfang machte eine Aufgabensammlung zur organischen Chemie mit dem Titel „Fit in Organik“ (2006), das sich für viele Studierende als hilfreich erwies, so dass das Konzept mit „Fit in Anorganik“ (2008) beibehalten wurde, um ein Training der grundlegenden Fertigkeiten in allgemeiner und anorganischer Chemie zu ermöglichen. Und die Biochemie? Für viele Medizinstudenten ist sie die große Hürde vor dem Physikum. Aber auch für alle anderen Naturwissenschaftler, insbesondere Chemiker und Biologen, sind solide Kenntnisse der Biochemie und Molekularbiologie in der Ära von Genomics bis Metabolomics, von Biotechnologie bis molekularer Medizin zunehmend unverzichtbar. Es ist dabei wie im Sport – Fitness erfordert fleißiges und v.a. aktives Training – und hierzu gehört das Lösen von Problemen. Viel zu viel wird im Studium (in der Medizin ganz voran) nur auswendig gelernt, zuwenig problemorientiertes Denken verlangt und gefördert. Übungsaufgaben zur Biochemie also. Das Konzept wurde beibehalten; wieder sollten die Aufgaben wo angebracht auch etwas Hintergrundinformation beisteuern, sollten sehr ausführlich gehaltene Lösungsvorschläge nicht nur zur Selbstkontrolle, sondern auch zur Rekapitulation des Stoffgebiets beitragen. Das Ergebnis ist der vorliegende Band, der – der Vielfalt der Biochemie und dem beschriebenen Konzept geschuldet – einen stattlichen Umfang angenommen hat. Kapitel 1 enthält wiederum Aufgaben vom Multiple Choice-Typus, wie sie beispielsweise im Physikum vorgelegt werden. Der zugehörige Lösungsteil diskutiert jede einzelne Antwortmöglichkeit, so dass der Studierende exakt nachvollziehen kann, warum eine einzelne Antwort richtig oder falsch ist. So werden einzelne Sachverhalte immer wieder wiederholt, prägen sich ins Gedächtnis ein und stehen für die Lösung ähnlicher Aufgaben zur Verfügung.

Die Vielfalt der Themen ließ eine stärkere Sortierung der Aufgaben mit frei zu formulierenden Antworten sinnvoll erscheinen, wobei die Übergänge natürlich fließend sind, z.B. zwischen „Biomolekülen“ in Kapitel 2 und Stoffwechselprozessen in Kapitel 4. Aufgaben zu etwas spezielleren Themengebieten (u.a. Immunologie) wurde ein eigenes Kapitel gewidmet, ebenso wie Aufgaben, die vermehrt klinische und pharmakologische Bezüge aufweisen, also „biochemische Praxis“ darstellen und daher insbesondere für Studierende der Medizin von Interesse sein sollten. Studierende der Chemie, Biochemie, Biologie und Pharmazie wiederum finden ausreichend Beispiele mit analytisch-chemischen Inhalten und mechanistischen Fragestellungen, für die im Rahmen der Medizinerausbildung weniger Platz ist, die aber für das chemische Verständnis biochemischer (Reaktions-)Prozesse bedeutsam sind. Der Einsatz von Farbe soll insbesondere das Verständnis dieser chemischen Sachverhalte erleichtern. Wie auch in „Fit in Organik“ sind elektrophile Gruppen, insbesondere Protonen und positive Ladungen blau dargestellt, nucleophile Gruppen und negative Ladungen dagegen rot, (gute) Abgangsgruppen grün. Auch Enzymnamen sind farblich in blau hervorgehoben. Auf eine Einteilung nach ungefährem Schwierigkeitgrad wurde diesmal verzichtet, da dieser vermutlich je nach fachlichem Hintergrund z.B. von Medizinern und Chemikern in vielen Fällen recht unterschiedlich wahrgenommen werden wird. Ich hoffe, dass es Ihnen mit diesem Buch besser gelingt, sich auf biochemische Prüfungssituationen vorzubereiten, und Sie zugleich Spass am Denken in Zusammenhängen und am Problemlösen entwickeln. Mein Dank gilt allen Studierenden, die durch ihre Fragen und Anregungen mithelfen, die Lehre weiter zu verbessern und mich ermutigt haben, dieses Projekt in Angriff zu nehmen, Herrn Dr. Helfrid Mallow für die Überlassung einiger Aufgaben, Herrn Prof. Joachim Wegener für die Unterstützung und wertvolle Diskussionen sowie dem Vieweg+Teubner Verlag für die Realisierung. Regensburg, im Oktober 2009

Rudi Hutterer

Inhalt Hinweise zur Benutzung Kapitel 1

Multiple Choice Aufgaben (1–120) ………………………………………. 5

Kapitel 2

Biomoleküle: Aminosäuren und Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Membranen, Vitamine und Coenzyme (121–186)…………….…………….………… 63

Kapitel 3

Enzymkinetik und optische Bestimmungen (187–208)…………………. 89

Kapitel 4

Energetik und Stoffwechsel: Glucosestoffwechsel, Citratzylus, Atmungskette, Fettstoffwechsel, Aminosäure- und Nucleotidstoffwechsel (209–322)…………………….. 99

Kapitel 5

Nucleinsäuren, Genexpression und molekularbiologische Methoden (323–387) …………………………………………………... 133

Kapitel 6

Spezielle Themenbereiche (388–438)………………………………….. 155

Kapitel 7

Komplexere Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug (439–500)……………………………………………. 175

Kapitel 8

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben .………………………………. 201

Kapitel 9

Lösungen – Biomoleküle: Aminosäuren und Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Membranen, Vitamine und Coenzyme ….………… 301

Kapitel 10

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen……………… 349

Kapitel 11

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel: Glucosestoffwechsel, Citratzylus, Atmungskette, Fettstoffwechsel, Aminosäure- und Nucleotidstoffwechsel……………………………….. 365

Kapitel 12

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression und molekularbiologische Methoden ……………………………………….. 459

Kapitel 13

Lösungen – Spezielle Themenbereiche ……………………………… 505

Kapitel 14

Lösungen – Komplexere Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug …………………………………………….. 545

Anhang Sachverzeichnis

Hinweise zur Benutzung

Folgende Symbole und Farbcodes werden benutzt: In Reaktionsgleichungen: rot:

nucleophiles Atom / Gruppe

blau: elektrophiles Atom / Gruppe grün: gute Abgangsgruppe Enzymnamen sind i.A. in blauer Farbe angegeben Kennzeichnet eine Aktivierung dieses Reaktionsweges / des entsprechenden Enzyms Kennzeichnet eine Hemmung dieses Reaktionsweges / des entsprechenden Enzyms Erhöhung der Konzentration eines Metaboliten über den Normalwert Erniedrigung der Konzentration eines Metaboliten unten den Normalwert

Kapitel 1 Multiple Choice Aufgaben

Aufgabe 1 Methoden zur Aufreinigung von Proteinen sind in der Biochemie unverzichtbar. Besondere praktische Bedeutung besitzen die Auftrennung von Proteinen in einem elektrischen Feld (Elektrophorese) sowie verschiedene chromatographische Techniken, wie Ionenaustauschoder Affinitätschromatographie. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Für eine Auftrennung von Proteinen durch isoelektrische Fokussierung wird ein stabiler pH-Gradient benötigt.

( )

Für eine Kationenaustauschersäule eignet sich z.B. Säulenmaterial mit Carboxymethylgruppen an der Oberfläche.

( )

Für einen Anionenaustauscher kommen organische Reste mit Diethylaminoethylgruppen in Frage.

( )

Die beiden Peptide Met–Ala–Ser–Arg–Gly–Asn–Pro–His–Ser–Leu–Ser und Gly–Ile–Cys–Glu–Ala–Ser–Phe–Trp–His–Leu–Asp sollten sich durch Ionenaustauschchromatographie leicht trennen lassen.

( )

Fest an einen Ionenaustauscher gebundene Peptide oder Proteine können i.A. durch Erhöhung der Ionenstärke des Elutionspuffers von der Säule eluiert werden.

( )

Bei einer zweidimensionalen Gelelektrophorese werden ein Kationen- und ein Anionenaustauscher miteinander kombiniert.

Aufgabe 2 Die meisten Proteine unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Aminosäuren, also in ihrer molaren Masse (ihrer Größe). Diese Unterschiede kommen ebenfalls als Grundlage für eine Trennung von Proteinen in Frage. Welche Aussage ist richtig? ( )

Bei der Gelchromatographie wandern kleine Proteine wesentlich rascher als große, da sie durch die Teilchen des Gelmaterials viel weniger behindert werden.

( )

Die Polyacrylamid-Gelelektrophorese beruht auf einer Art Siebeffekt, wobei das Gelmaterial kleine Proteine rascher wandern lässt als große.

( )

Ein Zusatz von SDS (Natriumdodecylsulfat) bei der Polyacrylamid-Gelelektrophorese führt zu einer Spaltung der Disulfidbrücken der Proteine.

6

Kapitel 1

( )

Die Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchen bei einer Polyacrylamid-Gelelektrophorese ist proportional zum Logarithmus ihrer molaren Masse.

( )

Der Zusatz von SDS bei der Polyacrylamid-Gelelektrophorese dient dazu, die Proteine gegen eine mögliche Denaturierung durch das Polyacrylamid zu stabilisieren.

( )

Ein Nachteil der Polyacrylamid-Gelelektrophorese ist, dass die Proteine vor ihrer Trennung mit einem Farbstoff oder radioaktiv markiert werden müssen, weil sie sonst nach Durchführung der Elektrophorese nicht mehr zu detektieren sind.

Aufgabe 3 Insulin wird in den Inselzellen der Pankreas als inaktives Vorläuferprotein, das sogenannte Proinsulin, gebildet. Welche Aussage trifft nicht zu? ( )

Um Proinsulin in die aktive Form (Insulin) zu überführen, müssen zwei Peptidbindungen gespalten werden.

( )

Die Disulfidbrücken im Proinsulin bleiben bei der Aktivierung zum Insulin erhalten.

( )

Humaninsulin und Schweineinsulin unterscheiden sich nur an einer Aminosäure.

( )

Insulin besteht aus zwei Peptidketten, die durch zwei Disulfidbrücken verknüpft sind.

( )

Eine Verabreichung von Schweineinsulin an Diabetiker kommt nicht in Frage, da mit einer heftigen Immunantwort auf das körperfremde Protein zu rechnen ist.

( )

Humaninsulin kann gentechnisch in Bakterien erzeugt werden.

Aufgabe 4 Von manchen Enzymen sind mehrere sogenannte Isoenzyme bekannt. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Isoenzyme besitzen die gleiche Aminosäuresequenz, unterscheiden sich aber in ihrer Sekundär- und Tertiärstruktur und damit auch in ihrer Aktivität.

( )

Isoenzyme entstehen typischerweise durch alternatives Spleißen.

( )

Der isoelektrische Punkt als charakteristische Kenngröße eines Enzyms ist innerhalb einer Gruppe von Isoenzymen identisch.

( )

Eine Erhöhung der Konzentration von LDH I (Typ HHHH) im Blut kann auf einen Herzinfarkt oder eine Hämolyse hindeuten.

( )

Die Quartärstruktur der Lactat-Dehydrogenase (LDH) besteht aus vier Untereinheiten, die alternativ als Typ H oder Typ M vorkommen. Daraus ergeben sich für die LDH 24, also 16 verschiedene Isoenzyme.

( )

Das Enzym Creatin-Kinase besitzt eine besondere Bedeutung für die Herzinfarktdiagnostik, weil es nur in einer einzigen charakteristischen Isoform vorkommt.

Multiple Choice Aufgaben

7

Aufgabe 5 Proteine weisen sehr komplexe räumliche Strukturen auf. Oft wird sie auf mehreren Strukturebenen beschrieben; man spricht dann von einer Primär- , Sekundär- und Tertiärstruktur; in manchen Fällen zusätzlich von einer Quartärstruktur. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Bei der Primärstruktur handelt es sich um die primäre, nach außen (mittels geeigneter physikalischer Methoden) sichtbare Struktur des Proteins. Sie ändert sich demnach z.B. bei einer Denaturierung des Proteins.

( )

Die Ausbildung einer D-Helix ist möglich durch Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den polaren Seitenketten der Aminosäuren.

( )

Fehlen polare Gruppen in den Seitenketten, so wird anstelle einer D-Helix eine E-Faltblatt-Struktur ausgebildet.

( )

In globulären Proteinen finden sich praktisch ausschließlich D-helikale Bereiche.

( )

Die Ausbildung von Disulfidbrücken ist auch zwischen Cysteinresten möglich, die in der Primärstruktur weit voneinander entfernt sind.

( )

Zur Ausbildung einer Quartärstruktur kommt es nur, wenn mehrere Proteindomänen durch Disulfidbrücken miteinander verknüpft werden.

Aufgabe 6 Das Protein Kollagen ist in allen Geweben enthalten und stellt das häufigste menschliche Protein dar. Für zahlreiche Organe und ihre physiologische Funktion spielt eine intakte Kollagenstruktur eine essentielle Rolle. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Die häufigste Aminosäure im Kollagen ist Glycin, das an jeder dritten Position der Kette zu finden ist.

( )

Die Aminosäure Prolin findet sich in Kollagen ungewöhnlich häufig im Vergleich mit anderen Proteinen.

( )

Bei der Kollagensynthese wird Ascorbinsäure für die Hydroxylierung bestimmter Aminosäurereste benötigt.

( )

Charakteristisch für das Kollagen ist das Auftreten der modifizierten Aminosäuren 4Hydroxyprolin und 5-Hydroxylysin.

( )

Kollagen enthält besonders viele Cysteinreste, die durch die Ausbildung von Disulfidbrücken für die hohe Stabilität des Kollagens sorgen.

( )

Die native Struktur des Kollagens wird durch Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Strängen stabilisiert.

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Kapitel 1

Aufgabe 7 Um Hinweise auf Ähnlichkeiten in der Struktur und Funktion verschiedener Proteine zu erhalten, vergleicht man typischerweise zunächst ihre Aminosäuresequenzen. Zwei Sequenzen werden als homolog bezeichnet, wenn sie in hohem Maß übereinstimmen und sie sich aus einem gemeinsamen Gen entwickelt haben. Dagegen bezeichnet man Sequenzen, die zwar strukturell sehr ähnlich, aber evolutionär nicht verwandt sind, als analog. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Vergleicht man die Sequenzen eines Proteins aus verschiedenen Tierspezies, so beobachtet man häufig konservative Substitutionen.

( )

Bei einer nichtkonservativen Substitution wird eine Aminosäure durch eine andere mit deutlich unterschiedlicher Polarität ersetzt.

( )

Eine konservative Substitution an Position 6 der E-Globinkette führt zum Hämoglobin S.

( )

Die Neigung von Desoxyhämoglobin S zur Polymerisation ist durch die Substitution der polaren Aminosäure Glutaminsäure durch das unpolare Valin bedingt.

( )

Das Vorhandensein von Hämoglobin S kann durch elektrophoretische Methoden nachgewiesen werden.

( )

Eine Substitution der Aminosäure an Position 6 der E-Globinkette durch Asparaginsäure sollte keine klinischen Auffälligkeiten zur Folge haben.

Aufgabe 8 Aufgabe der Erythrozyten ist es, den gesamten Körper mit Sauerstoff zu versorgen; diese Aufgabe wird durch das in den Erythrozyten enthaltene Hämoglobin wahrgenommen. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Hämoglobin transportiert neben Sauerstoff auch Protonen.

( )

Hämoglobin spielt eine wichtige Rolle bei der Konstanthaltung des pH-Werts im Blut.

( )

Durch Reaktion der N-terminalen Aminosäure der E-Kette des Hämoglobins mit Glucose kann ein glykosyliertes Hämoglobin entstehen.

( )

Diabetespatienten weisen erhöhte Anteile an glykosyliertem Hämoglobin auf.

( )

Im Erythrozyten werden hohe Konzentrationen des Tripeptids Glutathion erzeugt.

( )

Das Sauerstoffbindungsverhalten des Hämoglobins entspricht dem des Myoglobins, da beide Proteine aus den gleichen Globinketten mit der identischen Hämgruppe aufgebaut sind.

Multiple Choice Aufgaben

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Aufgabe 9 Eine kurzfristig wirksame Möglichkeit zur Regulation der Aktivität von Enzymen bietet die limitierte Proteolyse. Dabei wird aus einem längeren Vorläuferprotein durch selektive Abspaltung einer definierten Sequenz das aktive Protein gebildet. Welches der im Folgenden genannten Peptide bzw. Proteine wird nicht durch limitierte Proteolyse gebildet? ( )

Chymotrypsin

( )

Triacylglycerol-Lipase

( )

Insulin

( )

Caspasen

( )

E-Lipotropin

( )

Angiotensin II

Aufgabe 10 Die Enzymkinetik befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der katalysierten Reaktion und den vorherrschenden Reaktionsbedingungen. Oft beschränkt man sich bei der Beschreibung auf ein Modell mit nur einem Substrat und gelangt so zur Michaelis-Menten-Kinetik. Welche der folgenden Aussagen ist richtig? ( )

Unter der Enzymeinheit 1 Unit versteht man diejenige Enzymmenge, die in einer Sekunde genau 1 μmol Substrat umsetzt.

( )

Die molare Aktivität eines Enzyms (Wechselzahl) ist eine dimensionslose Größe.

( )

Zur Erstellung eines typischen Michaelis-Menten-Diagramms muss die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit einer Enzymreaktion für eine Reihe definierter Substratkonzentrationen gemessen werden.

( )

Die Michaelis-Konstante KM steht mit der Maximalgeschwindigkeit der Enzymreaktion in keinem direkten Zusammenhang.

( )

Trägt man die reziproke Reaktionsgeschwindigkeit gegen die reziproke Substratkonzentration auf, so erhält man eine typische hyperbole Sättigungskurve.

( )

Aus dem Abszissenabschnitt einer Lineweaver-Burk-Auftragung lässt sich die Maximalgeschwindigkeit der Enzymreaktion ablesen.

10

Kapitel 1

Aufgabe 11 Die Aktivität eines Enzyms kann in vielfältiger Weise durch körpereigene wie auch körperfremde Stoffe reguliert werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei – auch innerhalb der experimentellen Biochemie – die Hemmung von Enzymen. Verschiedene Stoffwechselprozesse konnten durch die selektive Wirkung bestimmter Hemmstoffe aufgeklärt werden. Auch bei der Entwicklung neuer Medikamente versucht man sich in vielen Fällen die Hemmbarkeit eines bestimmten Enzyms zunutze zu machen. Welche der folgenden Aussagen zu Mechanismen der Enzymhemmung trifft nicht zu? ( )

In entsprechend hohen Konzentrationen kann in manchen Fällen auch das Substrat als Hemmstoff wirken.

( )

In vielen Fällen findet man, dass der Hemmstoff eines Enzyms dem Substrat strukturell sehr ähnlich ist.

( )

Durch kompetitive Hemmung wird die Maximalgeschwindigkeit einer Enzymreaktion nicht wesentlich beeinflusst.

( )

In Anwesenheit eines Hemmstoff, der außerhalb des aktiven Zentrums an ein Enzym bindet, ist keine signifikante Änderung des KM-Werts für das Enzym zu erwarten.

( )

Die Kinetik allosterischer Enzyme beschreibt man am besten nach dem klassischen Modell von Michaelis und Menten.

( )

Statt durch nichtkovalente Wechselwirkung mit einem Hemmstoff kann die Aktivität eines Enzyms in vielen Fällen auch durch eine kovalente Modifikation reguliert werden.

Aufgabe 12 Enzyminhibitoren in der klinischen Therapie wirken in den meisten Fällen kompetitiv. Auch bei vielen Vergiftungen kommt es zu einer kompetitiven Enzymhemmung. Von den im Folgenden aufgeführten Substanzen unterscheidet sich eine insofern, als die Hemmung auch durch einen hohen Substratüberschuss nicht beseitigt werden kann. Um welche der aufgeführten Substanzen handelt es sich? ( )

ACE-Hemmer (z.B. Captopril)

( )

Penicillin

( )

Allopurinol

( )

Kohlenmonoxid

( )

Methanol

( )

Malonat

Multiple Choice Aufgaben

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Aufgabe 13 Viele Enzyme besitzen neben ihrem aktiven Zentrum, das zur Katalyse einer bestimmten Reaktion dient, auch Regionen, die ausschließlich zur Regulation der Enzymaktivität dienen. An diese Zentren binden sogenannte allosterische Effektoren. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Die wirksamsten allosterischen Effektoren zeichnen sich durch hohe strukturelle Ähnlichkeit mit dem Substrat aus.

( )

Allosterische Effektoren vom K-Typ verändern die Kinetik, also die maximale Umsetzungsgeschwindigkeit eines Enzyms.

( )

Die Michaelis-Konstante ist als Enzymkenngröße prinzipiell unabhängig von der Anwesenheit von Effektoren.

( )

Ein wichtiger allosterischer Aktivator der Phosphofructokinase 1 ist die Verbindung Fructose-2,6-bisphosphat.

( )

AMP ist ein allosterischer Inhibitor der Phosphofructokinase 1.

( )

Ein allosterischer Aktivator vom K-Typ verschiebt die sigmoide Kurve, die bei der Auftragung von Anfangsgeschwindigkeit gegen Substratkonzentration erhalten wird, nach rechts.

Aufgabe 14 Hämoglobin und Myoglobin sind zwei unverzichtbare Proteine, die zahlreiche charakteristische Gemeinsamkeiten aufweisen. Welche der folgenden Eigenschaften gehört nicht dazu? ( )

Beide bestehen aus Untereinheiten, die miteinander über Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen in Kontakt stehen.

( )

Beide weisen überwiegend D-helikale Strukturanteile auf.

( )

Pro Globinkette können beide Proteine jeweils ein Häm-Molekül binden.

( )

Es existiert jeweils ein Histidinrest, der eine Bindung zum Fe2+-Ion des Häms ausbilden kann.

( )

Die Hämgruppe wird in einer hydrophoben Tasche der Globinkette gebunden.

( )

Es kann jeweils ein Molekül Sauerstoff pro Hämgruppe gebunden werden.

Aufgabe 15 Hämoglobin dient bekanntlich der reversiblen Bindung von Sauerstoff. Welche der folgenden Aussagen beschreibt die Verhältnisse bei einem Übergang von Desoxyhämoglobin in Oxyhämoglobin korrekt?

12

Kapitel 1

( )

Durch die Bindung des Sauerstoffs wird das Fe2+-Ion ein Stück weit aus der Ebene des Porphyrinrings herausgedrängt.

( )

Beim Übergang in Oxyhämoglobin erhöht sich die Acidität des Hämoglobins und es werden Protonen freigesetzt.

( )

Die Bildung von Carbaminohämoglobin wird erleichtert.

( )

Durch die Oxygenierung wird die Bindung von 2,3-Bisphosphoglycerat begünstigt.

( )

Bei einem längeren Aufenthalt in größerer Höhe, z.B. während einer AnapurnaBesteigung in Nepal, erwartet man eine Abnahme der Konzentration an 2,3-Bisphosphoglycerat in den Erythozyten.

( )

Die Oxygenierung erleichtert die Freisetzung von gebundenem NO an ein SH-haltiges Molekül, wie Glutathion.

Aufgabe 16 Proteine auf der extrazellulären Oberfläche der Plasmamembran sowie Plasmaproteine sind typischerweise Glykoproteine, z.B. die Immunglobuline oder an der Blutgerinnung beteiligte Proteine. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Albumin ist ein typisches Glykoprotein mit hohem Kohlenhydratanteil.

( )

Zuckerreste sind häufig durch eine N-glykosidische Bindung an einen Asparaginrest gebunden.

( )

Die Unterschiede in den antigenen Determinanten der Blutgruppen 0, A und B kommen durch einen einzigen Zuckerrest zustande.

( )

Für die Ausbildung einer O-glykosidischen Bindung in einem Glykoprotein kommen die Aminosäuren Serin, Threonin und 5-Hydroxylysin in Frage.

( )

Proteoglykane bestehen ebenso wie Glykoproteine aus Kohlenhydrat- und Proteinanteilen, unterscheiden sich von diesen aber durch wesentlich höhere Massenanteile an Kohlenhydrat.

( )

Glykoproteine der Mucinklasse nehmen typischerweise eine langgestreckte Form an.

Aufgabe 17 Insulin ist ein Peptidhormon, das aus zwei durch Disulfidbrücken verknüpften Peptidketten, einer A-Kette mit 21 Aminosäuren und einer B-Kette mit 30 Aminosäuren, besteht. Eine wesentliche Wirkung des Insulins auf den Gesamtorganismus ist die Senkung eines erhöhten Blutglucosespiegels. Welche der folgenden Aussagen in diesem Zusammenhang trifft nicht zu?

Multiple Choice Aufgaben

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( )

Der Blutglucosespiegel sinkt durch vermehrte Aufnahme von Glucose in die Zelle und erhöhte Verwertung in der Zelle.

( )

Durch Bindung von Insulin an seinen Rezeptor kommt es zu einem vermehrten Einbau von Glucosetransportern (Glut 4) in die Zellmembran.

( )

Insulin bewirkt eine Erhöhung der Aktivität der Glykogen-Phosphorylase.

( )

Insulin steigert die Fettsynthese durch eine Erhöhung der Aktivität der Acetyl-CoACarboxylase und anderer Enzyme der Fettsäuresynthese.

( )

Der Stoffwechsel der Erythrozyten funktioniert insulinunabhängig.

( )

An der Exozytose von Insulin aus den Granula der B-Zellen sind spannungsabhängige Ca2+-Kanäle beteiligt.

Aufgabe 18 Polysaccharide besitzen entscheidende Bedeutung als Speicher- und Gerüstsubstanzen; dabei unterscheidet man Homoglykane und Heteroglykane. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Polysaccharide sind Polykondensationsprodukte, in denen die einzelnen Monomere unter Abspaltung von Wasser durch Estergruppen verknüpft sind.

( )

Glykogen besteht aus Glucosemolekülen, die mit bis zu vier weiteren Glucosemolekülen verknüpft sein können.

( )

Stärke enthält sowohl D-1Æ4- wie auch D-1Æ6-Verknüpfungen und ist deshalb zu den Heteroglykanen zu rechen.

( )

Cellulose ist für den Menschen schwer verdaulich, weil keine Enzyme zur Verfügung stehen, um die Glucose an den Verzweigungspunkten abzuspalten.

( )

Glykosaminoglykane bestehen aus identisch aneinander gereihten Disaccharideinheiten und enthalten häufig acetylierte Aminozucker.

( )

Zu den Glykosaminoglykanen gehören u.a. Heparin, Chondroitin-6-sulfat, Chitin und die Hyaluronsäure.

Aufgabe 19 Glucuronsäure ( )

ist zur Gluconsäure isomer

( )

liegt im Organismus in aktivierter Form als Glucuronsäureadenylat vor

( )

reagiert mit Alkoholen und Aminen zu Glykosiden

( )

spielt in aktivierter Form eine wichtige Rolle bei der Biotransformation von Arzneistoffen und Steroiden

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Kapitel 1

( )

kann im Organismus des Menschen zu L-Ascorbat abgebaut werden

( )

ist an der Biosynthese von Häm beteiligt

Aufgabe 20 Phospholipide sind unverzichtbare Bestandteile jeder Zelle. Ein typischer Vertreter ist z.B. das Phosphatidylcholin (Lecithin). Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Zu den Phospholipiden gehören die Phosphoglyceride (Glycerophospholipide) und die Sphingophosphatide.

( )

In einem typischen Phospholipid wie Lecithin sind zwei langkettige Fettsäuren verestert.

( )

Phospholipide weisen amphiphile Eigenschaften auf.

( )

Löst man Phospholipide wie Lecithin in Wasser, so bilden sich Mizellen.

( )

Sphingophosphatide enthalten eine Amidbindung.

( )

Das einfachste Phosphoglycerid ist die Phosphatidsäure, von der sich durch Ausbildung einer Phosphorsäureesterbindung verschiedene andere Phospholipide ableiten.

Aufgabe 21 Triacylglycerole bilden die wichtigste Energiereserve im menschlichen Organismus. Sie werden überwiegend im Fettgewebe gespeichert und aus diesem bei Bedarf freigesetzt. Welche der folgenden Aussagen zum Stoffwechsel der Triacylglycerole ist richtig? ( )

Die Lipolyse in den Fettzellen wird durch Hormone reguliert.

( )

Mit der Nahrung aufgenommene Triacylglycerole werden im Darmlumen von einer Lipase gespalten, die mit der Gallenflüssigkeit sezerniert wird.

( )

Glycerol, das bei der Hydrolyse der Triacylglycerole entsteht, wird in der Leber zu Glycerolsäure oxidiert.

( )

In den Fettzellen werden die Triacylglycerole in Anwesenheit von Coenzym A zu den entsprechenden Acyl-CoA-Molekülen und Glycerol gespalten.

( )

Nach der Spaltung der Triacylglycerole im Darm und Resorption der Fettsäuren werden diese vom Blut zu den peripheren Geweben transportiert.

( )

Der Abbau von Triacylglycerolen spielt in allen Zellen eine essentielle Rolle zur Energiegewinnung.

Multiple Choice Aufgaben

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Aufgabe 22 Unter Lipoproteinen versteht man Komplexe aus unterschiedlichen Proteinen und Lipiden, die diskrete Molekülaggregate mit einer charakteristischen stöchiometrischen Zusammensetzung aus Protein- und Lipidkomponenten bilden. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Proteine und Lipide in Lipoproteinen werden durch nichtkovalente Wechselwirkungen zusammen gehalten.

( )

Verschiedene Typen von Lipoproteinen werden häufig anhand ihrer Dichte klassifiziert.

( )

Das typische Apolipoprotein in den sogenannten „High density lipoproteins“ ist das Apolipoprotein A-I.

( )

Die Chylomikronen zeichnen sich durch einen besonders hohen Cholesterolgehalt aus.

( )

Kleinere Lipoproteine zeichnen sich durch einen höheren Proteingehalt aus.

( )

Während Triacylglycerole in VLDLs die überwiegende Lipidklasse stellen, spielen sie in HDLs kaum eine Rolle gegenüber Phospholipiden.

Aufgabe 23 Die Synthese von Phospholipiden erfolgt ausgehend von Glycerol-3-phosphat und zwei Molekülen Acyl-CoA. Im letzten Schritt muss dann die polare Kopfgruppe angefügt werden. Die Reaktion von CDP–X (hierbei symbolisiert X den entsprechenden Alkohol) mit 1,2Diacylglycerol ist dabei der hauptsächliche Syntheseweg für ( )

praktisch ausschließlich Phosphatidylcholin

( )

Phosphatidylserin

( )

Phosphatidylinositol

( )

Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin

( )

Phosphatidylcholin und Phosphatidylinositol

( )

alle genannten Phospholipide

Aufgabe 24 Die Gruppe der Phospholipasen umfasst eine Reihe von Vertretern, die sich in ihrer Spezifität und ihren Angriffspunkten unterscheiden. Welche der folgenden Aussagen trifft zu?

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Kapitel 1

( )

Sie spielen bei der Synthese von Phospholipiden keine Rolle.

( )

Bei der Synthese eines Phospholipids katalysieren die Phospholipasen A1 und A2 die Veresterung der beiden Hydroxygruppen an C-1 und C-2 des Glycerols mit langkettigen Fettsäuren.

( )

Die Phospholipasen A1 und A2 katalysieren die Abspaltung eines Acylrests an der sn-1 oder sn-2 Position und ermöglichen so den Austausch von Fettsäuren bei der Synthese von Phospholipiden.

( )

Die Phospholipase C ist beteiligt an der Umwandlung eines Phosphatidylethanolamins in ein Phosphatidylserin.

( )

Die Phospholipase D hydrolysiert Phosphatidsäure zu einem Diacylglycerol.

( )

Die Phospholipase A1 ist für toxische Reaktionen nach einem Bienenstich mit verantwortlich.

Aufgabe 25 Eine spezielle Gruppe von Membranlipiden wird als Ganglioside bezeichnet. Welche Aussage zu dieser Lipidklasse trifft nicht zu? ( )

Alle Ganglioside enthalten eine Ceramidstruktur.

( )

Ein Glucose- bzw. Galaktoserest findet sich in allen Gangliosiden.

( )

Ganglioside enthalten einen Phosphatrest.

( )

Ganglioside enthalten ein Sphingosingerüst.

( )

Ein Baustein von Gangliosiden ist die sogenannte Sialinsäure.

( )

Ganglioside spielen eine Rolle bei der zellulären Erkennung und als Rezeptoren.

Aufgabe 26 Im Lipidstoffwechsel spielen sogenannte Lipoproteine eine entscheidende Rolle. Man unterscheidet dabei i.A. fünf Klassen, die in ihrer charakteristischen Zusammensetzung und damit in ihrer Dichte (was zu den entsprechenden Bezeichnungen wie „Low density lipoprotein“ oder „High density lipoprotein“ führte) variieren. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Von den fünf Lipoproteinen enthalten LDL die größten Anteile an freiem bzw. verestertem Cholesterol.

( )

Typische Massenkonzentrationen an Gesamtcholesterol im Plasma betragen 150–260 mg/100 mL.

( )

Personen mit einer familiären Hypercholesterolämie erkranken i.A. frühzeitig an Arteriosklerose und Herzleiden.

Multiple Choice Aufgaben

17

( )

In Anwesenheit von LDL zeigen gesunde Zellen nur eine geringe Aktivität der Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reduktase.

( )

Für die Aufnahme von Cholesterol aus dem Plasma in die Zellen existiert ein spezieller Cholesterolkanal in der Zellmembran.

( )

An Zellen von Personen mit einer familiären Hypercholesterolämie beobachtet man unabhängig von der Konzentration an LDL im Medium eine hohe Aktivität der Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reduktase.

Aufgabe 27 Cholesterol besitzt innerhalb des Stoffwechsels große Bedeutung sowohl als Baustein biologischer Membranen als auch als Vorstufe für zahlreiche weitere Verbindungen, wie Gallensäuren, Corticoide und Sexualhormone. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

An der Synthese von Cholesterolestern sind Phospholipide beteiligt.

( )

Im Gegensatz zur Wechselwirkung eines Hormons (z.B. Adrenalin) mit seinem Rezeptor bewirkt eine Bindung an den LDL-Rezeptor eine rezeptorvermittelte Endozytose.

( )

Für die Bindung von LDL an den Rezeptor ist die Erkennung von Cholesterol durch den Rezeptor entscheidend.

( )

In die Zelle aufgenommenes Cholesterol wirkt regulatorisch; so hemmt es beispielsweise die Hydroxymethylglutaryl-CoA-Reduktase.

( )

Wird mit der Nahrung zu viel Cholesterol aufgenommen, so erhöht sich in erster Linie seine extrazelluläre Konzentration, weniger die Konzentration innerhalb der Zelle.

( )

Die HMG-CoA-Reduktase dient als Ziel zur medikamentösen Therapie einer Hypercholesterolämie.

Aufgabe 28 Fette enthalten zahlreiche unterschiedliche Fettsäuren (langkettige Carbonsäuren), die entweder gesättigt oder aber ein- oder mehrfach ungesättigt sein können. Eine bestimmte Klasse der mehrfach ungesättigten Fettsäuren sind die sogenannten Z-3-Fettsäuren. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Die Z-3-Fettsäuren tragen zu einer Senkung der Serumcholesterol- und der Triacylglycerolkonzentration bei.

( )

Z-3-Fettsäuren finden sich vermehrt in Fisch und Fischölen.

( )

Die Linolensäure ist eine typische Z-3-Fettsäure, die vom menschlischen Organismus nicht selbst hergestellt und daher mit der Nahrung aufgenommen werden muss.

18

Kapitel 1

( )

Die bekannteste Z-3-Fettsäure ist die Arachidonsäure, die als Ausgangsstoff für die Synthese von Prostaglandinen und Thromboxanen dient.

( )

Z-3-Fettsäuren könnten durch katalytische Hydrierung in gesättigte Fettsäuren umgewandelt werden.

( )

Z-3-Fettsäuren liefern bei vollständiger E-Oxidation und Verwertung der Produkte in Citratzyklus und Atmungskette etwas weniger ATP als eine gesättigte Fettsäure mit gleicher Kohlenstoffzahl.

Aufgabe 29 Natürliche Membranen enthalten eine große Vielzahl unterschiedlicher Lipidstrukturen. So findet man neben den bekanntesten Vertretern, wie den Diacylglycerophospholipiden und Cholesterol auch sogenannte Glykosphingolipide und Plasmalogene. Welche Aussage zu diesen Verbindungen trifft nicht zu? ( )

Glykosphingolipide leiten sich vom Ceramid ab und tragen an C-1 des Grundgerüsts einen E-glykosidisch gebundenen Zuckerrest.

( )

Ist der Zuckerrest um Glucose oder Galaktose, so spricht man von einem Cerebrosid.

( )

Typisch für die Gruppe der Ganglioside ist das Vorliegen einer Oligosaccharidgruppe, die i.A. mindestens einen N-Acetylneuraminsäurerest aufweist.

( )

Plasmalogene gehören nicht zu den Glycerophospholipiden.

( )

Ethanolamin bzw. Cholin enthaltende Plasmalogene kommen in recht hoher Konzentration im Nervengewebe und im Herz, nicht dagegen in der Leber vor.

( )

In einem Plasmalogen ist die Kohlenwasserstoffkette mit dem C-1 von Glycerol durch eine Etherbindung verknüpft.

Aufgabe 30 Biologische Membranen enthalten neben den Lipidbausteinen stets auch Proteine. Welche der folgenden Aussagen zu Membranproteinen trifft zu? ( )

Der Proteingehalt in biologischen Membranen ist in allen typischen Membranen weitgehend identisch.

( )

Integrale Membranproteine befinden sich im Inneren der Lipiddoppelschicht und haben daher im Normalfall keinen Kontakt zum wässrigen Medium.

( )

Löst man periphere Membranproteine von der Membran ab, so wird die Doppelschichtstruktur der Membran dadurch zerstört.

( )

Integrale Membranproteine lassen sich aus einer Membran i.A. durch Änderung von Salzkonzentration oder pH-Wert entfernen.

Multiple Choice Aufgaben

19

( )

Integrale Membranproteine enthalten meist mehrere Sequenzen von hydrophoben Aminosäuren.

( )

Glykoproteine in Membranen enthalten besonders häufig den Zucker Fructose.

Aufgabe 31 Die Fluidität biologischer Membranen spielt eine wichtige Rolle für die Aktivität membrangebundener Enzyme und Funktionen wie Phagozytose oder Zellwachstum. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Membranen mit hohem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren zeigen tendenziell höhere Fluidität als solche mit überwiegend gesättigten Fettsäuren.

( )

Der Cholesterolgehalt einer biologischen Membran hat Einfluss auf deren Fluidität.

( )

Ca2+-Ionen können die Fluidität einer Membran herabsetzen, da sie mit negativ geladenen Phospholipiden wechselwirken.

( )

Die Wirksamkeit vieler Anästhetika könnte darauf beruhen, dass man in vitro in ihrer Anwesenheit eine Zunahme der Membranfluidität beobachtet.

( )

Die Fluidität einer Membran führt zu einem raschen Austausch von Lipiden zwischen der äußeren und der inneren Seite der Lipiddoppelschicht.

( )

Die Fluidität innerhalb einer Membran nimmt von außen nach innen (d.h. vom Bereich der Kopfgruppen zu den Enden der Kohlenwasserstoffketten) zu.

Aufgabe 32 Die Linolsäure ist eine der wichtigsten ungesättigten Fettsäuren. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Der menschliche Organismus kann Linolsäure nicht selbst herstellen.

( )

Nach Aktivierung zu Linoleyl-CoA kann durch eine Desaturase in Anwesenheit von NADH/H+ eine weitere Doppelbindung eingefügt werden.

( )

Für die Biosynthese von Arachidonsäure aus Linolsäure ist die Anwesenheit einer Elongase erforderlich.

( )

Arachidonsäure kann vom menschlichen Körper nicht synthetisiert werden.

( )

Für die Synthese von Arachidonsäure aus Linolsäure ist Malonyl-CoA und Sauerstoff erforderlich.

( )

In Pflanzen kann die Linolsäure zu Linolensäure dehydriert werden.

20

Kapitel 1

Aufgabe 33 Für die Deckung des Bedarfs an Glucose spielen stärke- und glykogenhaltige Nahrungsmittel die entscheidende Rolle. Durch die Verdauungsenzyme werden diese Polysaccharide in einzelne Glucosemoleküle zerlegt. Die Glucose muss dann aus dem Darmlumen resorbiert und schließlich in die Körperzellen aufgenommen werden. Welche Aussage zum Glucosetransport ist richtig? ( )

Die Aufnahme in die Mucosazellen erfolgt durch passive Diffusion entlang des Konzentrationsgradienten.

( )

Da Glucose im Austausch gegen Na+-Ionen aus dem Darmlumen in die Mucosazellen aufgenommen wird, muss die Na+-K+-ATPase für einen ausreichenden Transport von Na+-Ionen in die Mucosazellen sorgen.

( )

Die Aufnahme von Glucose aus dem Darmlumen erfolgt durch primär-aktiven Transport.

( )

Fast alle Zellen enthalten in der Plasmamembran Glucosetransporter mit hoher Affinität für Glucose, die Glucose unter gleichzeitiger Hydrolyse von ATP in die Zelle transportieren.

( )

In Skelettmuskel- und Fettgewebszellen existiert ein insulinabhängiger Glucosetransporter, der bei einer hohen Konzentration an Insulin verstärkt in die Membran eingebaut wird.

( )

Vor dem Transport durch die Plasmamembran muss die Glucose zu Glucose-6phosphat aktiviert werden.

Aufgabe 34 Die Glykolyse ist der wichtigste Abbauweg für Glucose; er dient in allen tierischen und pflanzlichen Zellen der Gewinnung von Energie. Sie umfasst insgesamt zehn Einzelschritte, die alle im Cytosol ablaufen und den Abbau von Glucose zu Pyruvat ermöglichen. Welches der folgenden Enzyme wird zur Herstellung von Pyruvat aus Glucose nicht zwingend benötigt? ( )

Glucose-6-phosphat-Isomerase

( )

Phosphofructokinase

( )

Aldolase

( )

Triosephosphat-Isomerase

( )

Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase

( )

Enolase

Multiple Choice Aufgaben

21

Aufgabe 35 Neben der Glucose ist anorganisches Phosphat ein weiteres Edukt für die Glykolyse. In einem biochemischen Experiment wird untersucht, welche Auswirkung die gleichzeitige Anwesenheit von Arsenat auf die Glykolyse hat. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Anstelle von ATP wird teilweise Adenosindiphosphatmonoarsenat gebildet.

( )

Arsenat ist ein Giftstoff und führt daher zum raschen Erliegen der Glykolyse.

( )

Das Arsenat hat keinen Effekt auf die Glykolyse, da die entsprechenden Enzyme Arsenat anstelle von Phosphat nicht als Substrat akzeptieren.

( )

Arsenat fungiert als allosterischer Aktivator der Glycerolaldehyd-3-phosphatDehydrogenase und beschleunigt dadurch den Ablauf der Glykolyse.

( )

Durch eine nucleophile Substitution am 3-Phosphoglycerat entsteht 3-Arsenoglycerat, welches in der Zelle akkumuliert.

( )

Anstelle einer Nettoausbeute von 2 ATP liefert die Glykolyse nun nur noch weniger ATP, läuft aber weiterhin ab.

Aufgabe 36 Durch die Reaktionen der Glykolyse wird Glucose in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt, zusätzlich entstehen zwei Reduktionsäquivalente und zwei Moleküle ATP. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

In den Skelettmuskelzellen wird das Pyruvat unter weiterem Energiegewinn zu Lactat abgebaut.

( )

Gebildetes Lactat kann zu Ethanol decarboxyliert werden, das nach Überführung in Acetyl-CoA im Citratzyklus verstoffwechselt wird.

( )

Die Bildung von Lactat durch die Lactat-Dehydrogenase ist ein Relikt aus dem Stoffwechsel anaerober Organismen und hat beim Menschen keinen physiologischen Sinn mehr.

( )

In den Erythrozyten wird das Pyruvat oxidativ decarboxyliert und komplett abgebaut.

( )

In den Erythrozyten entstehen bei der Glykolyse durchschnittlich etwas weniger als zwei Moleküle ATP pro Glucose, weil ein Teil des 1,3-Bisphosphoglycerats in 2,3Bisphosphoglycerat umgewandelt wird.

( )

Im Muskel gebildetes Lactat wird nach dem Transport in die Leber an der Hydroxygruppe glucuronidiert und ausgeschieden.

22

Kapitel 1

Aufgabe 37 Die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion ( )

dient zur Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat, katalysiert also einen Schritt innerhalb der Gluconeogenese.

( )

katalysiert die Umwandlung von Pyruvat in Lactat.

( )

katalysiert die reversible Decarboxylierung zu Acetyl-CoA.

( )

benötigt Pyridoxalphosphat als Coenzym.

( )

wird durch Acetyl-CoA und NADH/H+ allosterisch gehemmt.

( )

findet im Cytosol statt.

Aufgabe 38 Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex benötigt für seine Funktion einige Coenzyme. Welche Aussage zu den Coenzymen und ihren Aufgaben trifft zu? ( )

Thiaminpyrophosphat (TPP) dient zur Übertragung eines Phosphatrestes.

( )

Thiaminpyrophosphat addiert nucleophil an das Pyruvat und katalysiert die Decarboxylierung.

( )

Als Zwischenprodukt entsteht Hydroxyethyl-TPP, das anschließend von NAD+ zu Acetyl-TPP oxidiert wird.

( )

Dihydroliponamid dient als Antioxidans zum Schutz des Pyruvat-DehydrogenaseKomplexes vor Oxidation.

( )

NAD+ dient zur Regeneration von Dihydroliponamid.

( )

Coenzym A reagiert mit Pyruvat unter Übertragung des Acetylrestes und Bildung von Acetyl-CoA.

Aufgabe 39 Die Geschwindigkeit, mit der die Glykolyse abläuft, muss der intrazellulären und der globalen Stoffwechselsituation möglich genau angepasst werden. Einerseits muss ausreichend ATP erzeugt werden, andererseits werden auch verschiedene Vorstufen für andere Synthesen benötigt. Entsprechend existieren mehrere Regulationspunkte. Welche Aussage trifft in diesem Zusammenhang nicht zu? ( )

Zur Regulation dienen bevorzugt solche Reaktionen, die typische Gleichgewichtsreaktionen sind.

( )

Die Aktivität der Phosphofructokinase wird entscheidend durch das Konzentrationsverhältnis c(ATP) / c(AMP) in der Zelle beeinflusst.

Multiple Choice Aufgaben

23

( )

Citrat fungiert als Hemmstoff der Phosphofructokinase.

( )

An der Regulation der Phosphofructokinase in der Leber ist die Verbindung Fructose2,6-bisphosphat beteiligt.

( )

Hohe Konzentrationen an Fructose-1,6-bisphosphat führen zu einer Aktivierung der Pyruvat-Kinase.

( )

Eine durch Insulin bewirkte Erhöhung der cAMP-Konzentration führt letztlich zu einer Aktivierung der Phosphofructokinase.

Aufgabe 40 Der Citratzyklus nimmt im Stoffwechsel eine zentrale Position ein. Er sorgt unter aeroben Bedingungen für den vollständigen Abbau von Acetyl-CoA zu CO2 und liefert auch Zwischenprodukte für anabole Stoffwechselprozesse. Welche der folgenden Aussagen zum Citratzyklus trifft zu? ( )

Drei Reaktionen innerhalb des Citratzyklus sind Oxidationen.

( )

Die beiden in den Zyklus in Form von Acetyl-CoA eintretenden C-Atome verlassen den Zyklus wieder als CO2.

( )

Citrat wird oxidativ zu D-Ketoglutarat decarboxyliert.

( )

Alle am Citratzyklus beteiligten Enzyme befinden sich in der mitochondrialen Matrix.

( )

Da im Citratzyklus Sauerstoff verbraucht wird, kann er nur unter aeroben Bedingungen ablaufen.

( )

Die Regeneration von Oxalacetat aus Succinat verläuft in drei Reaktionsschritten, die in analoger Weise auch bei der E-Oxidation von Fettsäuren durchlaufen werden.

Aufgabe 41 Welche Aussage zum Citratzyklus ist richtig? ( )

Ein Zwischenprodukt im Citratzyklus spielt eine essentielle Rolle bei der Hämbiosynthese.

( )

Der Citratzyklus läuft in allen Zellen des menschlichen Körpers ab.

( )

Im Citratzyklus werden große Mengen an Energie (in Form von ATP) gewonnen.

( )

Die Isocitrat-Dehydrogenase wird allosterisch durch ADP gehemmt.

( )

Succinyl-CoA ist ein allosterischer Aktivator der D-Ketoglutarat-Dehydrogenase.

( )

Die Succinat-Dehydrogenase ist aufgrund ihrer direkten Kopplung an die Atmungskette der Hauptregulationspunkt des Citratzyklus.

24

Kapitel 1

Aufgabe 42 Das letzte Glied im aeroben Energiestoffwechsel bildet die sogenannte Atmungskette. Welche Aussage trifft zu? ( )

Endprodukte der Atmungskette sind CO2 und H2O.

( )

Die Atmungskette wird von einem Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran angetrieben.

( )

Am Komplex I der Atmungskette werden Elektronen auf FAD übertragen.

( )

An der Atmungskette sind drei Proteinkomplexe beteiligt, die am Aufbau eines Protonengradienten mitwirken.

( )

Durch sogenannte Entkoppler, wie z.B. 2,4-Dinitrophenol kommt der Elektronentransport zum Erliegen.

( )

Der Elektronentransport erfolgt in Richtung abnehmendem Standardreduktionspotenzial der beteilgten Komponenten.

Aufgabe 43 Welche Aussage zu den Komplexen der Atmungskette trifft zu? ( )

Die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) gibt die vom NADH erhaltenen Elektronen weiter an den Komplex II.

( )

Zwischen dem Komplex II und dem Komplex III werden die Elektronen durch Cytochrom c transportiert.

( )

Am Komplex III endet der gemeinsame Transport von Elektronen und Protonen.

( )

Oligomycin ist ein Hemmstoff für den Komplex I der Atmungskette.

( )

Am Komplex III werden zwei Elektronen von einem Ubichinol auf ein Cytochrom c übertragen.

( )

Charakteristisch für den Komplex IV ist ein Eisen-Schwefel-Protein, das sogenannte Rieske-Zentrum.

Aufgabe 44 Die innere Mitochondrienmembran ist für fast alle Moleküle praktisch undurchlässig. Für einen selektiven Transport, beispielsweise von Reduktionsäquivalenten, ADP oder ATP zwischen Cytosol und Mitochondrium existieren daher entsprechende Transportsysteme. Welche der Aussagen zu Transportsystemen trifft zu? ( )

In Herz- und Leberzellen sorgt das Glycerol-3-phosphat-Shuttle für den Transport von Redoxäquivalenten in das Mitochondrium.

Multiple Choice Aufgaben

25

( )

Der Transport von NADH/H+ mit Hilfe des Glycerol-3-phosphat-Shuttles ermöglicht eine größere Energieausbeute als ein Transport über das Malat-Aspartat-Shuttle.

( )

Das Glycerol-3-phosphat-Shuttle bewirkt den Transport von Glycerol-3-phosphat ins Mitochondrium, wo es reoxidiert wird, und anschließend den Transport von Dihydroxyacetonphosphat zurück ins Cytosol.

( )

Das Malat-Aspartat-Shuttle umfasst neben Redoxprozessen zwei Transaminierungen.

( )

Ein Symporter transportiert ADP und Pi aus dem Cytosol ins Mitochondrium.

( )

Im Mitochondrium gebildetes ATP kann entlang seines hohen Konzentrationsgradienten ins Cytosol diffundieren.

Aufgabe 45 Der Organismus kann Glucose in Form von Glykogen speichern. Dabei befindet sich der Glykogengehalt der Zelle in einem dauernden Fluss: nach Nahrungsaufnahme wird Glykogen aufgebaut, in den Intervallen zwischen den Nahrungsaufnahmen wird es abgebaut. Welche Aussage zum Glykogenstoffwechsel ist richtig? ( )

Glykogen ist in allen Zellen des Körpers vorhanden.

( )

In der Leber wird besonders viel Glykogen gespeichert, weil dieses Organ einen sehr hohen Energiebedarf aufweist.

( )

Die rasche Mobilisierbarkeit von Glucose aus gespeichertem Glykogen beruht auf der hohen Anzahl an Verzweigungen im Glykogen.

( )

Beim Aufbau von Glykogen reagieren Glucosemoleküle unter Wasserabspaltung und Knüpfung einer D-1Æ4- bzw. einer D-1Æ6-glykosidischen Bindung.

( )

Für die Neubildung eines Glykogenmoleküls wird ein sogenannter Primer benötigt, der aus ca. 4–6 Nucleotiden besteht.

( )

Die Glykogenspeicherkrankheit vom Typ I wird autosomal-rezessiv vererbt und kommt durch eine Hyperaktivität der Glykogen-Synthase zustande.

Aufgabe 46 Glykogen kommt in der Zelle in Form cytosolischer Granula vor, welche auch die Enzyme für den Auf- und Abbau von Glykogen enthalten. Welche Aussage zum Glykogenabbau trifft zu? ( )

Ein rascher Abbau von Glykogen wird dadurch gewährleistet, dass das Glykogenmolekül zunächst hydrolytisch in zahlreiche kürzere Fragmente gespalten wird, die dann durch die Glykogen-Phosphorylase weiter abgebaut werden.

( )

Die Glykogen-Phosphorylase benötigt als Coenzym das Thiaminpyrophosphat.

26

Kapitel 1

( )

Durch phosphorolytische Spaltung entstehen aus einem Glykogenmolekül mit n Resten insgesamt n Moleküle Glucose-1-phosphat.

( )

Für einen vollständigen Glykogenabbau wird ein Enzym mit D-1,6-GlucosidaseAktivität benötigt.

( )

Bevor beim Glykogenabbau entstehendes Glucose-1-phosphat in der Glykolyse abgebaut werden kann, muss es zu freier Glucose hydrolysiert werden.

( )

Sinkt der Blutglucosespiegel unter einen bestimmten Wert, wird in Leber- und Muskelzellen Glykogen zu Glucose abgebaut und ins Blut abgegeben.

Aufgabe 47 Um einen gleichzeitigen Auf- und Abbau von Glykogen zu vermeiden, müssen beide Prozesse entsprechend reguliert werden. Bei der Koordination des Glykogenstoffwechsels spielen hormonvermittelte regulatorische Prozesse eine besonders wichtige Rolle. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Von der Glykogen-Phosphorylase existieren zwei Isoformen, die getrennt voneinander reguliert werden.

( )

Durch Phosphorylierung an einem Serinrest geht die inaktive Form der GlykogenPhosphorylase (Phosphorylase b) in die aktive Phosphorylase a über.

( )

Die Phosphorylase b im Muskel kann durch AMP allosterisch zu einer partiell aktiven Form aktiviert werden.

( )

Die Glykogen-Synthase wird durch Phosphorylierung in die inaktive Form überführt.

( )

Die Bindung von Glucagon bzw. Adrenalin an die Proteinkinase A veranlasst diese zur Phosphorylierung der Phosphorylase-Kinase, die wiederum die Glykogen-Phosphorylase aktiviert.

( )

Insulin aktiviert die Protein-Phosphatase 1 und stimuliert dadurch die Glykogensynthese.

Aufgabe 48 Glucose ist – wenngleich die wichtigste – nicht die einzige Hexose, die im menschlichen Körper verstoffwechselt wird. Auch Fructose und Galaktose spielen eine wichtige Rolle. Welche Aussage zum Stoffwechsel dieser beiden Hexosen trifft zu? ( )

Fructose wird aus dem Disaccharid Saccharose durch eine phosphorolytische Spaltung freigesetzt.

( )

Fructose muss zunächst in Glucose umgewandelt werden, bevor sie im Stoffwechsel verwertet werden kann.

Multiple Choice Aufgaben

27

( )

In der Leber existiert eine spezifische Form der Aldolase, die Fructose-1-phosphat in Glycerolaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat spalten kann.

( )

Galaktose wird analog wie Glucose zunächst durch die Hexokinase am C-Atom 6 phosphoryliert und anschließend gespalten.

( )

Zur Bildung von Lactose wird Galaktose an C-1 phosphoryliert und anschließend mit Glucose verknüpft.

( )

Eine Galaktosämie ist gekennzeichnet durch einen Enzymdefekt, der die Spaltung von Lactose in Galaktose und Glucose verhindert und so zu abnorm niedrigen GalaktoseKonzentrationen in Blut und Urin führt.

Aufgabe 49 Welche der folgenden Verbindungen ist am Pentosephosphatweg nicht beteiligt? ( )

6-Phosphogluconat

( )

Xylulose-5-phosphat

( )

Fructose-1,6-bisphosphat

( )

Erythrose-4-phosphat

( )

Sedoheptulose-7-phosphat

( )

Glycerolaldehyd-3-phosphat

Aufgabe 50 Glucose bzw. Glucose-6-phosphat kann nicht nur in der Glykolyse abgebaut, sondern auch über den sogenannten Pentosephosphatweg verstoffwechselt werden. Welche Aussage trifft nicht zu? ( )

Eine Hauptaufgabe des Pentosephosphatwegs besteht in der Bereitstellung von NADPH/H+ für anabole Stoffwechselprozesse.

( )

Für Erythrozyten ist der Pentosephosphatweg nicht von Bedeutung, da hier keine Nucleinsäuren vorhanden sind.

( )

Der Pentosephosphatweg findet im Cytosol statt.

( )

Der Pentosephosphatweg liefert Ribose-5-phosphat, das für die Synthese von Nucleotiden und Nucleinsäuren benötigt wird.

( )

Als Produkte des Pentosephosphatwegs entstehen Glycerolaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat.

( )

Entscheidender Regulationspunkt des Pentosephosphatwegs ist die Reaktion der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase.

28

Kapitel 1

Aufgabe 51 Der Katabolismus von Fetten beginnt mit der Hydrolyse von Triacylglycerolen zu Glycerol und freien Fettsäuren. Diese werden anschließend im Zuge der E-Oxidation im Wesentlichen zu Acetyl-CoA abgebaut (eine Ausnahme bilden Fettsäuren mit ungerader C-Anzahl, die mengenmäßig eine untergeordnete Rolle spielen). Welche Aussage ist falsch? ( )

Das Signal zum Abbau von Fettreserven wird durch Bindung eines Hormons (z.B. Glucagon) an einen Rezeptor in der Plasmamembran gegeben.

( )

Es kommt zur Bildung von cAMP, das die Aktivierung einer Proteinkinase bewirkt.

( )

Durch Abspaltung eines Phosphatrests kommt es zur Aktivierung der TriacylglycerolLipase („hormonsensitive Lipase“).

( )

Freie Fettsäuren, die Produkte der Hydrolyse von Triacylglycerolen, müssen an ein Transportprotein gebunden werden, um zu den peripheren Geweben zu gelangen.

( )

Das Glycerol wird v.a. zur Leber transportiert und dient dort zur Gluconeogenese.

( )

Im Gegensatz zur Freisetzung von Triacylglycerolen aus dem Fettgewebe ist die Speicherung von Fett in den Adipozyten nicht hormonell reguliert.

Aufgabe 52 In Situationen, die mit einer erhöhten Acetyl-CoA-Konzentration einhergehen, kommt es im Organismus zur Bildung sogenannter Ketonkörper. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Zu den Ketonkörpern rechnet man Aceton, E-Hydroxybutyrat und Acetacetat.

( )

Die Bildung und Verwertung von Ketonkörpern erfolgt vorwiegend in der Leber.

( )

Ein Zwischenprodukt der Ketonkörpersynthese ist das D-3-Hydroxy-3-methylglutarylCoA.

( )

Das Gehirn entwickelt bei Glucosemangel innerhalb einiger Tage durch Induktion entsprechender Enzyme die Fähigkeit zur Verwertung von Ketonkörpern.

( )

Zur Verwertung von Ketonkörpern in peripheren Geweben ist eine spezifische CoATransferase sowie Succinyl-CoA erforderlich.

( )

Ein Acetongeruch im Atem ist ein Hinweis auf Diabetes mellitus.

Aufgabe 53 Im Stoffwechsel von Aminosäuren spielt der Transfer von Aminogruppen eine wichtige Rolle. Welche Aussage hierzu trifft nicht zu?

Multiple Choice Aufgaben

29

( )

Mit Hilfe von Aminotransferasen und deren Cofaktor können D-Aminosäuren in DKetosäuren umgewandelt werden und umgekehrt.

( )

Für die essentiellen Aminosäuren verläuft die Transaminierung praktisch nur eine eine Richtung.

( )

Einige D-Ketosäuren können als Intermediate der Gluconeogenese dienen oder im Citratzyklus zur Energiegewinnung verwertet werden.

( )

Alanin kann seine Aminogruppe auf Oxalacetat übertragen und so in einem Reaktionsschritt Aspartat bilden.

( )

Essentielle Aminosäuren könnten in der Nahrung durch Zufuhr der entsprechenden DKetosäuren substituiert werden.

( )

Die Konzentration einiger Aminotransferasen ist von diagnostischem Interesse; so liefert beispielsweise die Anwesenheit der Alanin-Aminotransferase im Plasma einen Hinweis auf eine Leberschädigung.

Aufgabe 54 Welche der folgenden Aussagen in Zusammenhang mit der Transaminierung ist falsch? ( )

Die Verbindung Pyridoxalphosphat leitet sich vom Vitamin B6 ab und ist das essentielle Coenzym der Transaminasen.

( )

Im Enzym ist das Pyridoxalphosphat kovalent an eine H-Aminogruppe eines Lysinrests unter Ausbildung eines Aldimins gebunden.

( )

Bei der Bindung der Aminosäure an das Coenzym kommt es zur Ausbildung einer Amidbindung.

( )

Für die Umwandlung einer D-Aminosäure in die entsprechende D-Ketosäure mit Hilfe von Pyridoxalphosphat ist eine Tautomerisierung erforderlich.

( )

Pyridoxalphosphat ist als Coenzym auch an der Decarboxylierung von Glutamat und der Umwandlung von Serin in Pyruvat beteiligt.

( )

Die Transaminierung erfordert die Hydrolyse eines Ketimins, wobei Pyridoxamin freigesetzt wird.

Aufgabe 55 Innerhalb der 20 proteinogenen Aminosäuren kommt Glutamat und Glutamin eine herausragende Stellung zu; letzteres ist diejenige Aminosäure, die im Blutplasma in der höchsten Konzentration vorliegt. Welche der folgenden Aussagen zum Stoffwechsel dieser Aminosäuren ist falsch? ( )

Die Glutamat-Dehydrogenase ist in der Lage, Ammoniak durch den Einbau in Glutamat zu entgiften.

30

Kapitel 1

( )

Die Glutamat-Dehydrogenase wird durch Purinnucleotide allosterisch reguliert, so dass es bei einem Energiemangel zum verstärkten oxidativen Abbau von Glutamat kommen kann.

( )

Glutamat ist die wichtigste „Transportform“ für Ammoniak im Blut auf dem Weg zur Leber.

( )

Die Synthese von Glutamin aus Glutamat erfordert ATP.

( )

Der Stickstoff aus dem Abbau von Aminosäuren im Muskel wird zum großen Teil in Form von Alanin zur Leber exportiert.

( )

Glutamin wird in der Leber, aber auch in der Niere, unter Freisetzung von Ammoniak desaminiert.

Aufgabe 56 Landsäugetiere scheiden Stickstoff in erster Linie in Form von Harnstoff aus, der im Zuge des Harnstoffzyklus in der Leber gebildet wird. Am Anfang steht hierbei die Bildung von Carbamoylphosphat. Welche Aussage zu dieser Reaktion ist falsch? ( )

Für die Bildung von Carbamoylphosphat aus Hydrogencarbonat und Ammoniak sind zwei Moleküle ATP erforderlich.

( )

Die Reaktion findet in den Mitochondrien statt.

( )

Die Aktivität der Carbamoylphosphat-Synthetase I ist von N-Acetylglutamat als allosterischem Regulator abhängig.

( )

Es existiert noch eine zweite Carbamoylphosphat-Synthetase, die an der Pyrimidinbiosynthese beteiligt ist.

( )

Statt Ammoniak kann auch Glutamin als Stickstoff-Donor für die CarbamoylphosphatSynthetase I fungieren.

( )

Nach der Kondensation von Carbamoylphosphat mit Ornithin wird das Produkt ins Cytosol transportiert.

Aufgabe 57 Die Bildung von Harnstoff als Ausscheidungsprodukt für Ammoniak spielt eine Schlüsselrolle im Aminosäurestoffwechsel. Die zyklische Natur dieses Prozesses wurde von Hans Krebs und Mitarbeitern bereits vor der Aufklärung des Citratzyklus erkannt. Welche Aussage trifft nicht zu? ( )

Die Bildung von Citrullin aus Carbamoylphosphat und Ornithin erfolgt in der mitochondrialen Matrix.

( )

Das Citrullin muss anschließend unter Aufwand von ATP mit einem weiteren Ammoniakmolekül kondensieren.

Multiple Choice Aufgaben

31

( )

Parallel zur Bildung von Arginin aus dem Vorläuferprodukt wird auch Fumarat freigesetzt.

( )

Im Harnstoffzyklus entstehendes Fumarat kann zu Aspartat regeneriert werden oder für die Gluconeogenese verwendet werden.

( )

Der letzte Schritt des Harnstoffzyklus, die Freisetzung von Harnstoff, ist eine hydrolytische Spaltung.

( )

Eine proteinreiche Diät führt ebenso wie eine Hungerperiode zu einer Induktion der Enzyme des Harnstoffzyklus.

Aufgabe 58 Bevor die Zelle Fettsäuren durch E-Oxidation abbauen kann, müssen sie aktiviert werden. Welche Aussage trifft zu? ( )

Fettsäuren sind reaktive Verbindungen und reagieren deshalb leicht mit Coenzym A zu den entsprechenden Acyl-CoA-Derivaten.

( )

Die Aktivierung der Fettsäuren erfolgt in der mitochondrialen Matrix.

( )

Die Bildung von Acyl-CoA aus freien Fettsäuren wird durch Carnitin katalysiert.

( )

Ein Mangel an Carnitin führt zu einer stark verlangsamten Aktivierung der Fettsäuren.

( )

Bei der Aktivierung der Fettsäuren entsteht intermediär ein reaktives CarbonsäurePhosphorsäure-Anhydrid.

( )

Im Zuge der Fettsäureaktivierung kommt es zur Hydrolyse von ATP zu ADP und Pi.

Aufgabe 59 Die E-Oxidation von Fettsäuren ist ein Zyklus, der vier Einzelreaktionen umfasst. Nach einer ersten Oxidation erfolgt eine Hydratisierung, gefolgt von einer zweiten Oxidation und der abschließenden Thiolyse. Welche der folgenden Verbindungen nimmt nicht an der E-Oxidation teil? ( )

FAD

( )

trans-Δ2-Enoyl-CoA

( )

NADP+

( )

L-3-Hydroxyacyl-CoA

( )

3-Ketoacyl-CoA

( )

Wasser

32

Kapitel 1

Aufgabe 60 Mehrfach ungesättigte und Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl erfordern gegenüber gesättigten Fettsäuren zusätzliche Reaktionsschritte beim Abbau. Welche Aussage ist richtig? ( )

Mehrfach ungesättigte Fettsäuren können nur bis zu einer Acyl-CoA mit einer cis-Δ4Doppelbindung abgebaut werden.

( )

Der Abbau ungesättigter Fettsäuren in der E-Oxidation liefert etwas mehr Energie als der Abbau einer gesättigten Fettsäure mit identischer Kohlenstoffzahl.

( )

Beim Abbau einer Fettsäure mit einer ungeraden Kohlenstoffzahl entsteht FormylCoA, das CoA-Derivat der Methansäure.

( )

Propionyl-CoA kann weiterverwertet werden, wenn im ersten Schritt eine Decarboxylierung erfolgt.

( )

Die vollständige Verwertung von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl erfordert die Anwesenheit von Cobalamin.

( )

Auf den Abbau von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl sind die Peroxisomen spezialisiert.

Aufgabe 61 Viele Reaktionen im Stoffwechsel sind Redoxreaktionen; sie werden von Oxidoreduktasen katalysiert, die dafür auf entsprechende Coenzyme angewiesen sind. Eine zentrale Rolle kommt hierbei dem Redoxpaar NAD+ / NADH+H+ zu. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

NAD+ enthält den Baustein Nicotin(säure)amid, bei dem es sich um ein PyrimidinDerivat handelt.

( )

Im NADP+ ist die Säureamidgruppe zusätzlich mit einem Phosphatrest verknüpft.

( )

NAD+ zeichnet sich im Vergleich zum NADH durch ein zusätzliches Absorptionsmaximum bei ca. 340 nm aus.

( )

Nicotinsäure kann vom menschlichen Organismus nicht hergestellt werden.

( )

Die Reduktion von NAD+ durch Aufnahme von zwei Elektronen und eines Protons (entsprechend einem H–-Ion) führt zur Zerstörung des aromatischen Charakters der Nicotinamid-Gruppe.

( )

In der E-Oxidation von Fettsäuren treten zwei NAD+-abhängige Oxidationsschritte auf.

Multiple Choice Aufgaben

33

Aufgabe 62 Selbstverständlich beeinflussen Ernährungssituation und Nahrungsfaktoren die Fettsäurebiosynthese. Welche der folgenden Aussagen trifft hierbei nicht zu? ( )

Ein hoher Kohlenhydratanteil in der Nahrung führt zu einer verstärkten Fettsäuresynthese.

( )

Ein hoher Fettgehalt der Nahrung bewirkt, dass die Fettsäuresynthese reduziert wird.

( )

Im Hungerzustand steigert Insulin durch eine Aktivierung der Triacylglycerol-Lipase die Lipolyse, so dass die Konzentration an freien Fettsäuren ansteigt.

( )

Bei ausreichendem Nahrungs- und Energieangebot (ATP) nimmt die Konzentration an Malonyl-CoA zu.

( )

Eine Hemmung der Carnitin-Acyltransferase I korreliert mit verminderter E-Oxidation und verstärkter Fettsäurebiosynthese.

( )

Das endoplasmatische Retikulum spielt eine Rolle bei der Synthese von ungesättigten Fettsäuren.

Aufgabe 63 Das Riboflavin (Vitamin B2) besteht aus der Base Flavin und einem Zuckeralkohol (dem Ribitol). Es wird von Pflanzen und Mikroorganismen synthetisiert und ist ebenso wie das Nicotinsäureamid ein wichtiger Baustein in biologischen Redoxsystemen. Welche der folgenden Aussagen ist falsch? ( )

Das Riboflavin wird in der Darmmucosa nicht in seiner freien Form resorbiert.

( )

Zur Bildung eines aktiven Coenzyms muss das Riboflavin phosphoryliert werden.

( )

Flavinmononucleotid (FMN) fungiert als Elektronenakzeptor im Komplex I der Atmungskette, der NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase.

( )

Durch die Reaktion von FMN mit ATP entsteht Pyrophosphat und ein weiteres Coenzym von Oxidoreduktasen.

( )

Die Succinat-Dehydrogenase benötigt für die von ihr katalysierte Reaktion ein flavinhaltiges Coenzym.

( )

Die Kopplung von Nicotinsäureamid und Flavinmononucleotid liefert ein weiteres typisches Coenzym von Oxidoreduktasen.

34

Kapitel 1

Aufgabe 64 Ein Vertreter innerhalb der Gruppe wasserlöslicher Vitamine ist das Thiamin (Vitamin B1). Es kommt in freier Form z.B. in Getreide, Hefe, Nüssen und Eigelb vor und wird im Darm resorbiert. Welche der folgenden Aussagen zum Thiamin ist falsch? ( )

Thiamin muss unter Verbrauch von ATP erst in die wirksame Form, das Thiaminpyrophosphat (TPP) überführt werden.

( )

Im Thiamin finden sich zwei heterozyklische Ringe, ein Pyrimidin- und ein Lactamring.

( )

Thiaminpyrophosphat ist als Coenzym bei der Umwandlung von Pyruvat in AcetylCoA beteiligt.

( )

Im Citratzyklus existiert eine TPP-abhängige Reaktion.

( )

Das Enzym Transketolase überträgt mit Hilfe von TPP eine C2-Einheit (einen „aktivierten Glykolaldehyd“) auf eine Pentose.

( )

Ein Mangel an Thiamin kann zu der als Beriberi bekannten Krankheit führen.

Aufgabe 65 Die Folsäure, die zum Vitamin B-Komplex gehört, ist ein essentieller Nahrungsbestandteil. Sie besteht aus einem aromatischen Pteridinringsystem, an den ein p-Aminobenzoesäurerest gebunden ist, welcher über eine Amidbindung mit Glutamat verknüpft ist. Ein Folsäuremangel ist vergleichsweise häufig, insbesondere bei Frauen während einer Schwangerschaft. Folge ist eine erhebliche Störung der Zellteilung, was u.a. zu einer megaloblastären Anämie führen kann. Welche der folgenden Aussagen zur Folsäure und ihren Derivaten trifft nicht zu? ( )

Die Folsäure muss im Körper zunächst durch eine zweistufige Reduktion in die biologisch aktive Form überführt werden.

( )

Tetrahydrofolsäure fungiert als Überträger von Methylgruppen, Methylengruppen und Formylgruppen.

( )

Verschiedene an Tetrahydrofolsäure gebundene C1-Reste können durch Redoxreaktionen ineinander umgewandelt werden.

( )

Tetrahydrofolsäure wird für die Bildung von Methionin aus Homocystein benötigt.

( )

Durch Reaktion mit Coenzym A kann die Tetrahydrofolsäure einen Acetylrest übernehmen.

( )

Eine Hemmung der Folsäuresynthese ist durch die Gabe von Sulfonamiden möglich.

Multiple Choice Aufgaben

35

Aufgabe 66 Die Ascorbinsäure (Vitamin C) ist wohl nicht nur dank des Nobelpreisträgers Linus Pauling, welcher die Zufuhr ungewöhnlich hoher Dosen zur Erhaltung der Gesundheit empfahl, das prominenteste aller Vitamine. Es handelt sich um das Endiol-Lacton der Keto-L-Gulonsäure. Welche Aussage zu diesem Vitamin ist falsch? ( )

Die Ascorbinsäure stellt nur für wenige Säuger ein Vitamin dar.

( )

Die saure Eigenschaft der Ascorbinsäure kommt durch eine Endiolgruppe zustande.

( )

Ascorbinsäure besitzt stark reduzierende Eigenschaften und wird leicht zu Ascorbat oxidiert.

( )

Die Ascorbinsäure ist essentiell an zahlreichen Hydroxylierungsreaktionen beteiligt.

( )

Methämoglobin kann durch Reaktion mit Ascorbinsäure zu Hämoglobin reduziert werden.

( )

Ein Mangel an Ascorbinsäure kann zu verminderter Festigkeit von Bindegewebe und Knochen führen.

Aufgabe 67 Ein besonders kompliziert aufgebauter Vertreter aus der Gruppe der B-Vitamine ist das Cobalamin. Seine Strukturaufklärung gilt als ein Meilenstein in der Geschichte der Biochemie. Welche der folgenden Aussagen zum Cobalamin ist richtig? ( )

Es enthält eine Hämgruppe, bei der das Fe2+-Ion durch Cobalt substituiert ist.

( )

Für die Resorption von Cobalamin ist ein sogenannter „Extrinsic factor“ erforderlich, der das Cobalamin spezifisch bindet.

( )

Das Coenzym spielt eine essentielle Rolle bei der Übertragung einer Methylgruppe auf das Noradrenalin unter Bildung von Adrenalin.

( )

Für die Reaktion der Methylmalonyl-CoA-Mutase wird als Coenzym das 5´-Desoxyadenosylcobalamin benötigt.

( )

Cobalamin spielt eine essentielle Rolle beim Abbau der Aminosäure Methionin.

( )

Cobalamin kann im Organismus nicht gespeichert werden.

Aufgabe 68 Während die Vitamine der B-Gruppe sowie das Vitamin C gut wasserlöslich sind, gilt dies für die Vitamine A, D, E und K nicht. Sie werden daher als fettlösliche Vitamine bezeichnet. Das Ergocalciferol (Vitamin D2) sowie das Cholecalciferol (Vitamin D3) sind die beiden wichtigsten Vertreter der Gruppe der Calciferole. Welche der folgenden Aussagen ist richtig?

36

Kapitel 1

( )

Für die Synthese der Calciferole ist ausschließlich die Leber zuständig.

( )

Der limitierende Faktor bei der Synthese ist die Verfügbarkeit der Provitamine 7Dehydrocholesterol bzw. Ergosterol.

( )

25-Hydroxycholecalciferol und 1,25-Dihydroxycholecalciferol sind Phase I-Metaboliten, die aus dem aktiven Calciferol gebildet werden, um durch nachfolgende Glucuronidierung deren Ausscheidung zu erleichtern.

( )

1,25-Dihydroxycholecalciferol fördert ebenso wie Calcitonin die Ausscheidung von Ca2+ und Phosphat über die Niere.

( )

Die Mineralisierung des Knochens wird durch 1,25-Dihydroxycholecalciferol gefördert.

( )

Ein Überschuss an Calciferol durch übermäßige Zufuhr von Vitaminpräparaten kann zum Krankheitsbild der Rachitis führen.

Aufgabe 69 Das Retinol (Vitamin A) gehört zur Gruppe der Isoprenoidlipide und leitet sich damit letztlich vom Acetyl-CoA ab. Es wird vom Organismus teils direkt, teils in Form der Provitamine mit der Nahrung aufgenommen. Welche der folgenden Aussage zum Retinol und seinen Derivaten trifft nicht zu? ( )

Bei den Provitaminen handelt es sich um Carotinoide, die nur von Pflanzen hergestellt werden können.

( )

Bei der oxidativen Spaltung von E-Carotin mit Hilfe einer Dioxygenase entstehen zwei Moleküle Retinal.

( )

Eine Alkohol-Dehydrogenase kann Retinol reversibel in Retinal umwandeln.

( )

Das Protein Opsin bildet zusammen mit dem 11-cis-Retinol den Sehpurpur Rhodopsin.

( )

Durch einen auftreffenden Lichtquant kommt es im Rhodopsin zu einer Isomerisierung.

( )

Typisches Symptom eines Mangels an Vitamin A ist Nachtblindheit.

Aufgabe 70 Elektrolyte sind Stoffe, die in Wasser vollständig (Æ starke Elektrolyte) oder zumindest teilweise (Æ schwache Elektrolyte) in Anionen und Kationen dissoziieren. Schwache Elektrolyte in Wasser sind z.B. organische Säuren und Proteine, starke Elektrolyte sind typische Salze, wie z.B. NaCl. Die Aufnahme von Elektrolyten mit der Nahrung ist ebenso essentiell wie die Zufuhr organischer Nährstoffe (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine). Welche der folgenden Aussagen zu Elektrolyten im Körper trifft nicht zu?

Multiple Choice Aufgaben

37

( )

Natrium-Ionen spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation des Wasserhaushalts.

( )

Am transzellulären Transport von Na+ ist die Na+-K+-ATPase essentiell beteiligt.

( )

Kalium-Ionen kommen extrazellulär in wesentlich höherer Konzentration wie intrazellulär vor und stellen den wichtigsten Elektrolyt zur Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotenzials dar.

( )

Das wichtigste Anion des Extrazellularraums ist das Chlorid, das auch an der Kontrolle des Säure-Base-Haushalts beteiligt ist.

( )

Der Chlorid-Transport über die Zellmembran hinweg wird durch verschiedene Ionenkanäle gewährleistet.

( )

Magnesium-Ionen fungieren als essentielle Cofaktoren / Aktivatoren vieler ATPabhängiger Reaktionen.

Aufgabe 71 Die Elemente Calcium und Phosphor sind im menschlichen Organismus in recht großer Menge vorhanden; sie besitzen zahlreiche wichtige Funktionen. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Etwa die Hälfte der im Körper vorhandenen Menge an Ca2+-Ionen liegen gebundenen an Phosphat-Ionen vor.

( )

Ca2+-Ionen können durch spannungsgesteuerte oder ligandenaktivierte Ionenkanäle in die Zelle transportiert werden.

( )

Das endoplasmatische Retikulum fungiert innerhalb der Zelle als Ca2+-Speicher.

( )

Ca2+-Ionen spielen eine essentielle Rolle als Second messenger und bei der Blutgerinnung.

( )

Phosphat-Ionen spielen in organisch gebundener Form eine wichtige Rolle bei der Enzymregulation.

( )

Bei physiologischen pH-Werten liegt anorganisches Phosphat überwiegend in Form von HPO42– vor.

Aufgabe 72 Eisen ist für den Menschen als Spurenelement unverzichtbar. Im Hämoglobin gebunden vermittelt es den Sauerstofftransport im Blut. Die Elektronentransportkette enthält mehrere Fehaltige Cytochrome. Der tägliche Bedarf an Eisen-Ionen wird mit ca. 10 mg angegeben. Welche der folgenden Aussagen zum Eisenstoffwechsel ist richtig? ( )

Ein erheblicher Anteil (ca. 10 %) des im Körper verfügbaren Eisens liegt in den Cytochromen der Atmungskette gebunden vor.

( )

Eisen wird überwiegend in Form von Fe3+-Ionen resorbiert.

38

Kapitel 1

( )

Grüner Tee ist gesund und bei Eisenmangel zu empfehlen, weil durch die als Komplexbildner fungierenden Gerbsäuren die Eisenresorption verbessert wird.

( )

Im Plasma fungiert das Protein Apoferritin als Transportprotein für Fe2+-Ionen.

( )

Eisen-Ionen können nicht in nennenswertem Umfang gespeichert werden und müssen deshalb regelmäßig mit der Nahrung zugeführt werden.

( )

Das Protein Coeruloplasmin ist für die Oxidation von Fe2+ zu Fe3+ im Blut zuständig.

Aufgabe 73 Welche der folgenden Aussagen zum Eisenstoffwechsel trifft nicht zu? ( )

Die latente Eisenbindungskapazität ergibt sich aus der totalen Eisenbindungskapazität abzüglich der Konzentration an Transferrin.

( )

Die Aufnahme von Transferrin in die Zielzelle erfolgt unter Beteiligung eines entsprechenden Rezeptors.

( )

Verliert ein Mensch durch eine Verletzung 1 L Blut, so gehen ihm dadurch ca. 0,5 g Eisen verloren.

( )

Liegt eine Hämochromatose (Eisenspeicher-Krankheit) vor, so können Eisen-Ionen nicht in ausreichendem Maße gespeichert werden, so dass eine permanente Zufuhr mit der Nahrung gewährleistet werden muss.

( )

Bei einer Hämosiderose kommt es zu einer vermehrten Eisenablagerung in Form von Hämosiderin.

( )

Eine hypochrome Anämie kann die Folge von unzureichender Eisenzufuhr mit der Nahrung, Resorptionsstörungen, Eisenverlusten über den Darm oder Blutverlust sein.

Aufgabe 74 Einige Element werden vom Organismus nur in sehr geringen Mengen benötigt, sind aber dennoch für spezifische Funktionen unverzichtbar. Zu diesen (essentiellen) Spurenelementen gehören u.a. Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Selen und Iod. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Die Bedeutung von Cu2+ für den Organismus beruht v.a. auf seiner Wirkung als Cofaktor zahlreicher Oxidoreduktasen.

( )

Für Kupfer-Ionen existiert ein Speicherprotein, das gleichzeitig für die Oxidation von Fe2+-Ionen zu Fe3+ im Plasma zuständig ist.

( )

Die Alkohol-Dehydrogenase ist ein klassisches Beispiel für ein Zn2+-haltiges Enzym.

( )

Selen kommt als Selenat (SeO42–), das entsprechend dem Sulfat-Ion (SO42–) aufgebaut ist, im Enzym Glutathion-Peroxidase vor.

( )

Iodid wird für die Synthese des Hormons Thyroxin benötigt.

Multiple Choice Aufgaben

( )

39

Auf einen Mangel an Iod reagiert der Organismus mit einer vermehrten Produktion des Thyreoidea-stimulierenden Hormons (TSH).

Aufgabe 75 Die Synthese von Glucose aus Pyruvat wird als Gluconeogenese bezeichnet. Welche Aussage zu diesem Stoffwechselprozess trifft zu? ( )

Da Glucose von allen Organen als Energielieferant verwendet werden kann, ist auch die Gluconeonese ein universeller Stoffwechselweg, der in allen Organen stattfindet.

( )

Im Skelettmuskel wird besonders viel Gluconeogenese betrieben, da bei starker körperlicher Aktivität viel Glucose für die anaerobe Glykolyse verbraucht wird.

( )

An der Gluconeogenese sind vier Reaktionen beteiligt, die in der Glykolyse nicht stattfinden.

( )

Die Gluconeogenese findet ebenso wie die Glykolyse komplett im Cytoplasma statt.

( )

Neben Lactat und Pyruvat ist Acetyl-CoA das wichtigste Substrat für die Gluconeogenese.

( )

Für die Synthese von einem Molekül Glucose aus Pyruvat werden insgesamt vier Moleküle ATP (bzw. GTP) benötigt.

Aufgabe 76 Ein Intermediat in Glykolyse und Gluconeogenese ist das Phosphoenolpyruvat. Es reagiert im letzten Schritt der Glykolyse mit ADP zu Pyruvat und ATP und muss im Zuge der Gluconeogenese aus diesem gebildet werden. Welche Aussage zum Phosphoenolpyruvat und seiner Entstehung bei der Gluconeogenese trifft zu? ( )

Phosphoenolpyruvat entsteht durch Phosphorylierung von Pyruvat unter ATPVerbrauch.

( )

Bei der Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat wird in summa ein Molekül CO2 (bzw. HCO3–) benötigt.

( )

Avidin ist ein allosterischer Aktivator der Pyruvat-Carboxylase.

( )

Die durch die Pyruvat-Carboxylase katalysierte Reaktion ist zugleich eine anaplerotische Reaktion für den Citratzyklus.

( )

Phosphoenolpyruvat entsteht im Mitochondrium durch die Reaktion von Oxalacetat mit GTP und wird dann für die weiteren Schritte der Gluconeogenese ins Cytosol transportiert.

( )

Für die Decarboxylierung von Oxalacetat bei der Bildung von Phosphoenolpyruvat wird der Cofaktor Biotin benötigt.

40

Kapitel 1

Aufgabe 77 Der gleichzeitige Ablauf von Glykolyse und Gluconeogenese führt netto zu einer Hydrolyse von ATP, also zu einer Verschwendung von Stoffwechselenergie. Dies wird durch eine entsprechende Regulation beider Prozesse verhindert. Welche der folgenden Aussagen ist richtig? ( )

Für die Regulation kommen nur diejenigen Enzyme in Frage, die an beiden Prozessen beteiligt sind.

( )

Höhere AMP-Konzentrationen führen zu einer Aktivierung der Gluconeogenese und einer Hemmung der Glykolyse.

( )

Fructose-2,6-bisphosphat spielt als allosterischer Effektor nur in der Glykolyse eine Rolle.

( )

Die Pyruvat-Carboxylase wird durch Acetyl-CoA aktiviert.

( )

Die Expression von Enzymen der Gluconeogenese wird durch Insulin stimuliert.

( )

Die Hydrolyse von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat erfolgt spontan und unterliegt somit keiner Regulation.

Aufgabe 78 Ungesättigte, insbesondere mehrfach ungesättigte, Fettsäuren tauchen immer wieder in der einschlägigen Presse auf; so werden beispielsweise Produkte beworben, die besonders reich an sogenannten Z-3-Fettsäuren und damit besonders gesundheitsfördernd sein sollen. Welche Aussage trifft zu? ( )

Zweifach ungesättigte Fettsäuren können vom menschlichen Organismus nicht synthetisiert werden.

( )

Z-3-Fettsäuren enthalten eine Doppelbindung am C-Atom 3 der Kette.

( )

Die Bildung ungesättigter Fettsäuren erfolgt im Cytosol durch ein System aus drei an die äußere Mitochondrienmembran gebundenen Enzymen.

( )

Die Einführung einer Doppelbindung erfolgt analog wie bei der E-Oxidation durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase mit FAD (das zu FADH2 reduziert wird) als prosthetischer Gruppe.

( )

Die vierfach ungesättigte Arachidonsäure kann im Organismus aus Linolsäure hergestellt werden.

( )

Ölsäure ist die wichtigste essentielle Fettsäure.

Multiple Choice Aufgaben

41

Aufgabe 79 Nahezu alle Zellen des Körpers sind zur Synthese von Fettsäuren in der Lage; überwiegend geschieht dies jedoch in der Leber. Welche Aussage ist zutreffend? ( )

Auf- und Abbau von Fettsäuren (durch E-Oxidation) stehen miteinander im Gleichgewicht. Bei der Fettsäuresynthese laufen also die Reaktionen der E-Oxidation in genau der umgekehrten Richtung ab.

( )

Zur Herstellung von Palmitinsäure werden sukzessive acht Moleküle Acetyl-CoA miteinander verknüpft.

( )

Für die Fettsäuresynthese werden große Mengen an NADH als Reduktionsmittel benötigt.

( )

Das für die Fettsäuresynthese benötigte Acetyl-CoA entsteht durch Spaltung von Citrat unter Aufwand von ATP.

( )

Die Enzyme für die Fettsäurebiosynthese befinden sich in der inneren Mitochondrienmembran.

( )

Geschwindigkeitsbestimmend für die Fettsäuresynthese ist der erste Kondensationsschritt zwischen zwei Acetyl-CoA-Molekülen.

Aufgabe 80 Die Tatsache, dass die meisten Fettsäuren eine geradzahlige Anzahl von C-Atomen aufweisen, lieferte bereits früh einen Hinweis auf den Mechanismus der Synthese aus C2-Einheiten. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Die Fettsäurebiosynthese erfordert die Anwesenheit des Coenzyms Biotin.

( )

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Fettsäurebiosynthese ist die Bildung von Malonyl-CoA.

( )

Die Fettsäurebiosynthese findet in der Mitochondrienmatrix statt.

( )

Die beiden Reduktionsschritte erfordern die Anwesenheit von NADPH/H+.

( )

Die Zwischenprodukte der Fettsäuresynthese sind an SH-Gruppen eines multifunktionellen dimeren Enzymkomplexes gebunden.

( )

Für die Fettsäuresynthese wird Hydrogencarbonat benötigt, obwohl dessen C-Atom im Produkt (z.B. Palmitinsäure) nicht auftaucht.

42

Kapitel 1

Aufgabe 81 Eine wichtige Rolle bei der Regulation der Fettsäurebiosynthese kommt der Acetyl-CoACarboxylase zu. Welche Aussage zu diesem Enzym trifft nicht zu? ( )

Die Acetyl-CoA-Carboxylase katalysiert die biotinabhängige Bildung von MalonylCoA.

( )

Die Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch reversible Phosphorylierung reguliert.

( )

Eine hohe AMP-Konzentration (d.h. ein Energiemangelzustand) führt zur Deaktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylase.

( )

Glucagon und Adrenalin bewirken eine Aktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylase und damit eine Steigerung der Fettsäuresynthese.

( )

Eine hohe Konzentration an langkettigen Acyl-CoA-Molekülen hemmt die AcetylCoA-Carboxylase durch negative Rückkopplung.

( )

Citrat ist ein allosterischer Aktivator der Acetyl-CoA-Carboxylase.

Aufgabe 82 Glycerophospholipide sind unverzichtbare Bestandteile jeder biologischen Membran. Sie enthalten 1,2-Diacylglycerol und einen Phosphatrest, der meist noch mit einem Alkohol verestert ist. Welche Aussage zur Biosynthese von Phospholipiden ist nicht zutreffend? ( )

Für die de novo-Biosynthese der meisten Glycerophospholipide muss entweder die Phosphatidsäure oder der Alkohol durch Anfügen eines Nucleosiddiphosphats aktiviert werden.

( )

Bei der Bildung von Phosphatidylcholin reagiert Cholin mit CDP-Diacylglycerol.

( )

Für die Biosynthese von Phosphatidylethanolamin wird Ethanolamin mit ATP aktiviert und anschließend mit CTP zu CDP-Ethanolamin umgesetzt, welches mit 1,2Diacylglycerol zum Produkt reagiert.

( )

Phosphatidylethanolamin kann sowohl in Phosphatidylcholin als auch in Phosphatidylserin umgewandelt werden.

( )

Eine Störung im Syntheseweg von Dipalmitoylphosphatidylcholin ist eine Ursache des Atemnotsyndroms von Neugeborenen („Surfactant-Mangel“).

( )

Die Phosphatidsäure ist eine gemeinsame Zwischenstufe bei der Biosynthese von Triacylglycerolen und Glycerophospholipiden.

Multiple Choice Aufgaben

43

Aufgabe 83 Biologische Membranen bilden eine natürliche Barriere für den Transport vieler Stoffe. Um die Versorgung der Zelle mit benötigten Nährstoffen, Ionen etc. zu gewährleisten, existieren daher verschiedene Transportmechanismen. Welche der folgenden Aussagen zum Transport über Membranen trifft nicht zu? ( )

Ionen und geladene organische Moleküle können nicht in signifikantem Ausmaß durch die Membran diffundieren, weil sie eine starke Wechselwirkung zu Wasser aufweisen und so vom hydrophoben Membraninneren ausgeschlossen bleiben.

( )

Gase wie N2, O2, CO2 oder NO können rasch durch biologische Membranen diffundieren.

( )

Die Diffusion lipophiler Substanzen ist proportional zu ihrer Lipidlöslichkeit und abhängig von Form und Größe der Substanz.

( )

Nach Erreichen eines Konzentrationsausgleichs kommt die Diffusion zum Erliegen.

( )

Eine Nettodiffusion entgegen den Konzentrationsgradienten wird nicht beobachtet.

( )

Zur Erleichterung der Diffusion von Ionen durch Membranen existieren spezifische Kanäle, die auf unterschiedliche Arten reguliert werden.

Aufgabe 84 Neben Kanälen spielen spezifische Transporter eine essentielle Rolle beim Transport durch biologische Membranen. Welche der nachfolgenden Aussagen ist falsch? ( )

Transporter besitzen eine mehr oder weniger ausgeprägte Substratspezifität.

( )

Ebenso wie Enzyme besitzen Transporter eine definierte Reaktionskinetik und können durch geeignete Inhibitoren gehemmt werden.

( )

Die Transportrate eines Transporters ist typischerweise wesentlich höher als die eines Kanals.

( )

Einige Transporter sind in der Lage, ihr Substrat auch gegen einen Konzentrationsgradienten zu transportieren.

( )

Mit der Erhöhung der Konzentration an Substrat nimmt auch die Transportrate zu, erreicht aber dann ein Maximum.

( )

Manche Transporter sind in der Lage, zwei Substanzen in die gleiche oder in entgegengesetzte Richtung zu transportieren.

44

Kapitel 1

Aufgabe 85 In postsynaptischen Membranen findet sich der sogenannte nicotinische Acetylcholinrezeptor. Hierbei handelt es sich um einen chemisch regulierten Ionenkanal. Welche Aussage zum Acetylcholinrezeptor ist falsch? ( )

Die Bindung von Acetylcholin bewirkt eine Öffnung des Kanals und eine Depolarisation der Membran.

( )

Nach der Öffnung des Kanals kommt es zu einem selektiven Einstrom verschiedener Kationen in die postsynaptische Zelle.

( )

Um den Kanal wieder zu verschließen, muss das Acetylcholin hydrolytisch gespalten werden.

( )

Die Öffnungszeit des Kanals beträgt nur ca. 1 ms; danach diffundiert das an den Rezeptor gebundene Acetylcholin ab in den synaptischen Spalt.

( )

Der nicotinische Acetylcholinrezeptor kann durch verschiedene Neurotoxine, wie z.B. D-Bungarotoxin, gehemmt werden.

( )

Die Verbindung Succinylcholin ist als Muskelrelaxans geeignet, weil sie ebenso wie Acetylcholin an den nicotinischen Acetylcholinrezeptor bindet und nach der Anwendung auch rasch wieder gespalten wird.

Aufgabe 86 Der Transport von Ionen und Metaboliten spielt in der Reizweiterleitung sowie für viele Stoffwechselprozesse eine unverzichtbare Rolle. Hierbei spielen die Begriffe Diffusion und erleichterter passiver Transport eine Rolle. Welche der folgenden Aussagen trifft zu? ( )

Beide Begriffe sind synonym zu verwenden.

( )

Erleichterter Transport durch biologische Membranen erfordert den Aufwand von Energie, typischerweise in Form von ATP.

( )

Im Gegensatz zur Diffusion ist ein erleichterter Transport durch eine Sättigungskinetik charakterisiert.

( )

Für den Transport von Glucose kennt man ein spezifisches Transportprotein, das sich universell in allen Geweben nachweisen lässt.

( )

Der erleichterte Transport funktioniert unabhängig von einem Konzentrationsgefälle und unterscheidet sich dadurch von der Diffusion.

( )

In den Erythrozyten gibt es ein Transportprotein, das Chlorid-Ionen zusammen mit Natrium-Ionen transportiert, um die Elektroneutralität zu wahren.

Multiple Choice Aufgaben

45

Aufgabe 87 Neben der Diffusion und dem erleichterten Transport kennt man auch sogenannte aktive Transportsysteme. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Ebenso wie der erleichterte Transport ist auch ein aktiver Transport durch Substratspezifität und eine Sättigungskinetik ausgezeichnet.

( )

Für den primär-aktiven Transport ist ATP als Energiequelle erforderlich.

( )

Der Transport von Na+ und K+ geschieht durch einen primär-aktiven Transport.

( )

Die Na+-K+-ATPase kann durch Ouabain, ein glykosyliertes Steroid, gehemmt werden.

( )

Der sekundär-aktive Transport benutzt einen Konzentrationsgradienten von Na+ oder H+; er kann daher auch stattfinden, wenn die ATP-Synthese gehemmt wird.

( )

Die ATPase ist an der Aufrechterhaltung des Transmembranpotenzials beteiligt, da sie einen Nettotransport positiver Ladung aus der Zelle heraus bewirkt.

Aufgabe 88 Ca2+-Ionen spielen eine wichtige Rolle u.a. als Signalmoleküle; sie können daher über Membranen hinweg transportiert werden. Welche Aussage zum Transport von Ca2+-Ionen trifft zu? ( )

Es handelt sich durchweg um passiv vermittelten Transport.

( )

Der Transport von Ca2+ ist ein Beispiel für einen Symport.

( )

Am Transportprozess ist die Phosphorylierung eines Serinrests durch ATP beteiligt.

( )

Der Transport von Ca2+ kann durch die Bindung eines Ca2+-Calmodulin-Komplexes an den Transporter reguliert werden.

( )

Der Prozess sorgt dafür, dass in der Zelle eine wesentlich höhere Ca2+-Konzentration als extrazellulär aufrecht erhalten wird.

( )

Der Transport von Ca2+-Ionen wird durch einen Protonengradient angetrieben.

Aufgabe 89 Aus der Nebennierenrinde können zahlreiche Hormone isoliert werden, die den Kohlenhydratstoffwechsel beeinflussen (Glucocorticoide) oder auf den Mineralhaushalt einwirken (Mineralocorticoide). Beide Hormongruppen werden als Corticosteroide zusammengefasst. Die Nebennierenrinde lässt sich in drei Bereiche unterteilen; in der Zona Glomerulosa entstehen die Mineralocorticoide, in der Zona Fasciculata die Glucocorticoide und in der Zona Reticularis schließlich Androgene. Welche der folgenden Aussagen zu diesen Hormongruppen trifft nicht zu?

46

Kapitel 1

( )

Alle drei Hormongruppen leiten sich von einem gemeinsamen Vorläufermolekül ab.

( )

Die Glucocorticoide Corticosteron, Cortisol und Cortison können als Insulin-Antagonisten bezeichnet werden.

( )

An der Synthese von Cortisol sind mehrere Hydroxylierungen beteiligt.

( )

Die Wirkung der Glucocorticoide kommt durch die Bindung an einen membranständigen Rezeptor zustande.

( )

Durch höhere Dosen an Glucocorticoiden kann eine Immunsupression sowie eine entzündungshemmende Wirkung erzielt werden.

( )

Aldosteron greift am proximalen und distalen Tubulus der Niere an.

Aufgabe 90 Zwei wichtige Hormone werden von der Glandula thyreoidea (Schilddrüse) gebildet; es handelt sich um das Triiodthyronin (T3) und das Thyroxin (T4). Für die Synthese dieser beiden Hormone ist Iod ein essentielles Spurenelement. Welche der folgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Die beiden Hormone leiten sich von der Aminosäure Tyrosin ab.

( )

Im Zuge der Synthese von Triiodthyronin werden sukzessive drei Iodatome an eine Aminosäure angelagert.

( )

Im Blut liegen die Schilddrüsenhormone nur zu einem geringen Anteil in freier Form vor.

( )

Triiodthyronin und Thyroxin führen zu einer Erhöhung des Grundumsatzes sowie zu einer Steigerung der Proteinsynthese.

( )

Triiodthyronin ist wirksamer als Thyroxin und liegt im Plasma in geringerer Konzentration vor als letzteres.

( )

Die Bildung von T3 und T4 wird durch das glandotrope Hormon Thyreotropin (TSH) angeregt.

Aufgabe 91 Als Hormone bezeichnete Verbindungen sind körpereigene chemische Signalstoffe, die als interzelluläre Informationsträger für die Koordination von Funktion und Stoffwechsel der Erfolgsorgane verantwortlich sind. Häufig unterscheidet man je nach Bildungsort glanduläre und aglanduläre Hormone sowie neurosekretorische Hormone und Mediatoren. Als Hormone können niedermolekulare Aminosäurederivate (z.B. Adrenalin) und Peptide bzw. Proteine (z.B. Insulin) wirken, ferner Steroidderivate (z.B. Cortisol) und Derivate der Arachidonsäure (z.B. Prostaglandine). Hormone besitzen in der Regel charakteristische Erfolgsorgane. Dabei ist die Wirkung des Hormons an das Vorhandensein eines spezifischen Rezeptors gekoppelt.

Multiple Choice Aufgaben

47

Welche Aussage zu Hormon-Rezeptor-Wechselwirkungen ist richtig? ( )

Steroidhormone und Schilddrüsenhormone können aufgrund ihrer Größe die Zellmembran nicht durchdringen und binden daher an einen membranständigen Rezeptor.

( )

Cytoplasmatische Rezeptoren binden lipophile Hormone und beeinflussen als Hormon-Rezeptor-Komplex die Translation bestimmter mRNAs.

( )

Nach Bindung eines Hormons an einen Tyrosinkinase-Rezeptor kommt es zur Dephosphorylierung zahlreicher Tyrosinreste am cytosolischen Teil des Rezeptors.

( )

Charakteristisch für ligandengesteuerte Ionenkanäle ist ihre Struktur aus sieben Transmembranhelices.

( )

Bei der Anlagerung eines Hormons an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor bildet sich ein Hormon-Rezeptor-Komplex, wodurch das G-Protein inaktiviert wird.

( )

Durch Bindung der aktiven D-Untereinheit eines stimulierenden Gs-Proteins an die membranständige Adenylatcyclase kommt es zur Freisetzung eines Second messengers.

Aufgabe 92 Als „Second messenger“ werden Substanzen bezeichnet, die als „Vermittler“ zwischen einem extrazellulären, oftmals hormonellen Signal und einer Stoffwechseländerung in der Zielzelle fungieren. Sie verursachen dabei einen Verstärkungseffekt. Welche der folgenden Aussagen über Second messenger ist richtig? ( )

Zu den Second messengern zählt man cAMP, cGMP, Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat, Arachidonsäure und Ca2+.

( )

Der Second messenger cAMP wird unter Katalyse der Adenylatcyclase durch Ringschluss aus AMP gebildet.

( )

Die Phospholipase C katalysiert die Hydrolyse von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat unter Bildung von Diacylglycerol und Inositol-1,4,5-trisphosphat.

( )

Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat fördert die Freisetzung von Ca2+ aus intrazellulären Speichern, wodurch Ca2+-abhängige Prozesse beeinflusst werden.

( )

Arachidonsäure wird auf ein spezifisches hormonelles Signal hin durch eine hormonsensitive Lipase aus Triacylglycerolen freigesetzt.

( )

Ca2+-Ionen können nicht als Second messenger fungieren, da sie nicht, wie z.B. cAMP, auf- und abgebaut werden können.

48

Kapitel 1

Aufgabe 93 Die Sekretion von Hormonen wird nach einem typischen, für viele Hormone sehr ähnlichen Regelkreis gesteuert. Eine zentrale Rolle spielt hierbei der Hypothalamus, der auf neuronale und humorale Reize hin sogenannte Releasing-Hormone bildet. Welche der folgenden Aussagen zur hormonellen Regulation ist falsch? ( )

Die Releasing-Hormone entfalten ihre Wirkung am Hypophysenvorderlappen.

( )

Der Hypophysenvorderlappen bildet einige Peptidhormone, die durch proteolytische Spaltung aus einer gemeinsamen Vorstufe hervorgehen.

( )

Die in peripheren Hormondrüsen gebildeten Effektorhormone zeigen eine negative Rückkopplung auf den Hypothalamus.

( )

Im Hypophysenvorderlappen werden ausschließlich glandotrope Hormone synthetisiert.

( )

Der Hormonspiegel von Thyroxin beeinflusst die Ausschüttung von Thyreotropin Releasing Hormon (TRH) durch den Hypothalamus und die Ausschüttung von Thyreoidea stimulierendem Hormon (TSH) durch den Hypophysenvorderlappen.

( )

Die Hormonwirkung wird i.A. durch spezifische chemische Inaktivierungsschritte beendet, in einigen Fällen aber auch durch Ausscheidung des Hormons in seiner wirksamen Form.

Aufgabe 94 Die Replikation der DNA ist ein unverzichtbarer Prozess in jedem Lebewesen, um die genetische Information zu erhalten. Welche der folgenden Aussagen zur Replikation ist falsch? ( )

Die Replikation wird als semikonservativ bezeichnet, da einer der beiden DNAStränge als Template (Matrize) für die Synthese des neuen Stranges fungiert.

( )

Da sich die DNA-Polymerase mit der Replikationsgabel in eine Richtung bewegt, wird einer der beiden Tochterstränge in 5´Æ3´-, der andere in 3´Æ5´-Richtung synthetisiert.

( )

Die DNA-Polymerase benötigt für die Anfügung eines neuen Nucleotids die Anwesenheit einer freien 3´-OH-Gruppe.

( )

Die ersten Nucleotide des neu synthetisierten Strangs bestehen aus RNA.

( )

Im Zuge der DNA-Replikation werden zahlreiche Phosphodiesterbindungen neu geknüpft.

( )

Während der Anknüpfung eines neuen Nucleotids wird Pyrophosphat abgespalten.

Multiple Choice Aufgaben

49

Aufgabe 95 Für die Synthese eines neuen DNA-Strangs müssen kontinuierlich neue Nucleotide durch Phosphodiesterbindungen an ein bestehendes freies 3´-OH-Ende angefügt werden. Welche Aussage zu diesem Vorgang ist richtig? ( )

Bei der Auswahl des nächsten Nucleotids spielt die Ausbildung von Wasserstoffbrücken mit dem Template-Strang eine wichtige Rolle.

( )

Die Fehlerrate bei der DNA-Replikation, d.h. die Wahrscheinlichkeit für ein falsch eingebautes Nucleotid im Tochterstrang, beträgt etwa 1:10–4.

( )

Falsch gepaarte Nucleotide können durch eine 5´Æ3´-Exonucleaseaktivität der Polymerase entfernt werden.

( )

Nach Knüpfung der Phosphodiesterbindung zu einem falsch ausgewählten Nucleotid ist eine bleibende Mutation entstanden.

( )

Ein Primermolekül mit einem falsch gepaarten Nucleotid ist ein schlechtes Substrat für eine 3´Æ5´-Exonuclease.

( )

Die Fehlerhäufigkeit bei der Replikation ist größer als bei der Transkription.

Aufgabe 96 Die Neusynthese der DNA erfolgt an einer sogenannten Replikationsgabel. Welche Aussage zu den dabei ablaufenden Vorgängen ist falsch? ( )

Eine kontinuierliche Synthese des Tochterstrangs ist nur für einen der beiden DNAStränge möglich.

( )

Das Enzym Primase hat die Aufgabe, kurze RNA-Stücke zu synthetisieren, die ein 3´OH-Ende für die DNA-Polymerase bereitstellen.

( )

Aufgrund der Aktivität der Primase enthält die fertige DNA alle 100–200 Basen einige Ribonucleotide.

( )

Eine Lücke, die durch die Entfernung der RNA-Primer entstehen kann, wird durch Desoxyribonucleotide unter Wirkung einer DNA-Polymerase aufgefüllt.

( )

Die DNA-Ligase ist in der Lage, eine Phosphodiesterbrücke zwischen zwei sogenannten Okazaki-Fragmenten zu knüpfen.

( )

Die Wirkung der DNA-Ligase erfolgt auf Kosten einer energiereichen Bindung, d.h. unter Aufwand von ATP (oder alternativ NAD+).

50

Kapitel 1

Aufgabe 97 Für die Replikation muss die elterliche DNA teilweise entwunden werden; dies schafft aufgrund der Doppelhelix-Struktur der DNA einige topologische Probleme. Essentiell für den Replikationsprozess sind daher als Topoisomerasen bekannte Enzyme, die eine Änderung der Verwindungszahl der DNA bewirken können. Welche Aussage zu diesen Enzymen trifft nicht zu? ( )

Topoisomerasen vom Typ I katalysieren einen Einzelstrangbruch in der DNA, die Bildung eines sogenannten „nicks“.

( )

Typ I-Topoisomerasen ändern die Verwindungszahl um eine Einheit.

( )

Da die Topoisomerase I an die DNA gebunden bleibt, handelt es sich um einen transienten Einzelstrangbruch.

( )

Topoisomerasen vom Typ II katalysieren Doppelstrangbrüche und ändern die Verwindungszahl um jeweils zwei Einheiten.

( )

Die Wirkung der Topoisomerase I erfordert den Einsatz einer energiereichen Bindung, benötigt also ATP.

( )

Topoisomerasen kommen als Ziele für eine Chemotherapie in Frage.

Aufgabe 98 Die Doppelhelix-Struktur der DNA kann auf verschiedene Weise durch chemische Agenzien und physikalische Einflüsse beschädigt werden. Diese Aufgabe befasst sich mit einigen häufig auftretenden, gut bekannten DNA-Schäden. Welche der folgenden Aussagen trifft dabei nicht zu? ( )

Von einer spontanen Desaminierung können die Basen Cytosin, Guanin und Adenin betroffen sein.

( )

Bei einer Desaminierung von Adenin kommt es zur Bildung von Xanthin.

( )

Eine spontane Depurinierung führt zum Verlust einer Base unter Bruch der N-glykosidischen Bindung.

( )

S-Adenosylmethionin kann zur Methylierung von Nucleosiden, beispielsweise zur Bildung von O6-Methylguanosin, beitragen.

( )

Durch Einfluss von UV-Strahlung kann es zur Bildung von Pyridindimeren unter Ausbildung eines Cyclobutanrings kommen.

( )

Procarcinogene sind Substanzen, die erst durch eine metabolische Aktivierung (z.B. eine Oxidation durch das Cytochrom P450) zum eigentlichen Carcinogen werden.

Multiple Choice Aufgaben

51

Aufgabe 99 Angesichts zahlreicher Mutationen, denen die DNA im Laufe der Zeit ausgesetzt ist, sind wirksame Reparaturmechanismen für das Überleben erforderlich. So sind Menschen mit Defekten an Genen, die für Reparaturenzyme codieren, einem erhöhten Krebsrisiko ausgesetzt. Welche der folgenden Aussagen zu den verschiedenen existierenden Reparaturmechanismen ist falsch? ( )

Bei der Basenexcisionsreparatur wird eine veränderte Base durch einen ReparaturEnzymkomplex erkannt und herausgeschnitten.

( )

Im Zuge einer Basenexcisionsreparatur entsteht ein Schnitt im Rückgrat eines Einzelstrangs, der abschließend durch eine DNA-Ligase wieder verschlossen werden muss.

( )

Ein Uracilrest wird von dem Prozess einer Basenexcisionsreparatur nicht erfasst.

( )

Bei einer Nucleotidexcisionsreparatur können kurze DNA-Sequenzen aus mehreren Nucleotiden herausgeschnitten und anhand der Sequenz des komplementären Strangs korrekt ersetzt werden.

( )

Ein Enzym der sogenannten direkten Reparatur kann durch UV-Strahlung hervorgerufene Thymindimere photochemisch spalten.

( )

Die autosomal-rezessiv vererbbare Krankheit Xeroderma pigmentosum ist auf Gendefekte bei Enzymen der Excisionsreparatur zurückzuführen.

Aufgabe 100 Retroviren, wie der HI-Virus, der bekanntlich AIDS verursacht, besitzen ihre Erbinformation in Form von RNA. Das Enzym reverse Transkriptase verwendet diese RNA als Matrize und synthetisiert daraus eine DNA-Kopie des viralen Genoms. Ein Medikament im Kampf gegen AIDS ist die Verbindung Azidothymidin (AZT), ein Nucleotid mit einer Azidgruppe an der 3´-Position des Zuckers. Die Verbindung kann phosphoryliert werden und konkurriert mit dTTP um den Einbau in das reverse Transkript. Welche der folgenden Aussagen beschreibt die Wirkung der Anwesenheit von AZT richtig? ( )

AZT ist nicht für die Bildung von Wasserstoffbrücken mit der RNA-Matrize geeignet.

( )

Durch die Anwesenheit des Thymidin-Analogs ist die Fähigkeit der reversen Transkriptase zur Fehlerkorrektur gehemmt.

( )

Die DNA-Synthese bricht ab, weil zur Elongation eine freie 3´-OH-Gruppe für den Angriff auf die Phosphatgruppe des folgenden Nucleotids erforderlich ist.

( )

Das AZT bewirkt eine Verzerrung der wachsenden Kette, wodurch die reverse Transkriptase gehemmt wird.

( )

Es ist keine Anknüpfung von dTTP an die wachsende DNA-Kette mehr möglich.

( )

Die Azidgruppe des AZT wird auf das aktive Zentrum der reversen Transkriptase übertragen, so dass diese ihre Aktivität einbüßt.

52

Kapitel 1

Aufgabe 101 Das Desoxythymidin-Analog AZT besitzt ein therapeutisches Fenster, in dem es v.a. die virale Replikation beeinflusst, da die Verbindung in Kompetition mit dTTP um den Einbau durch eine zelluläre DNA-Polymerase deutlich unterliegt. Dies hängt wahrscheinlich mit der Fähigkeit der DNA-Polymerase zur Fehlerkorrektur, dem sogenannten „proofreading“ zusammen. Welche Aussage zu dieser Fehlerkorrektur bei der DNA-Synthese trifft zu? ( )

Das proofreading findet nach Abschluss der DNA-Synthese statt.

( )

Proofreading erfolgt durch eine 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität, die intrinsisch zur Polymerase gehört oder mit dieser assoziiert ist.

( )

Für das proofreading ist die Anwesenheit eines speziellen Enzyms zusätzlich zu der DNA-Polymerase erforderlich.

( )

Das proofreading findet so nur bei Prokaryonten statt.

( )

Die proofreading-Aktivität ist bei Prokaryonten unabhängig von der PolymeraseAktivität.

( )

Im Zuge des proofreadings wird die N-glykosidische Bindung zwischen Base und Zucker-Phosphat-Rückgrat gespalten.

Aufgabe 102 tRNAs sind unersetzliche „Adaptermoleküle“ zwischen der „Sprache“ der Basentripletts und der „Aminosäuresprache“. Sie ermöglichen den Transfer von Aminosäuren an die wachsende Polypeptidkette am translatierenden Ribosom. Schon früh in der Evolution hat sich eine dreidimensionale Struktur herausgebildet, die bis heute in allen Lebewesen praktisch identisch geblieben ist. Welche der folgenden Aussagen zu tRNA-Molekülen trifft nicht zu? ( )

tRNA-Moleküle bestehen aus einer Kette von 73–93 Nucleotiden.

( )

Sie enthalten etliche modifizierte Basen, die z.B. durch Methylierung von A, U, C und G entstehen können, sowie Inosin und Pseudouridin.

( )

Die 2-D-Struktur von tRNAs ähnelt einem Kleeblatt, wobei einige Bereiche Basenpaarung aufweisen.

( )

Die Anticodon-Schleife und die Aminosäurebindestelle befinden sich in der dreidimensionalen Struktur in enger Nachbarschaft.

( )

Die Aminosäure wird am 3´-CCA-Ende über eine Esterbindung mit der Ribose des letzten Nucleotids verknüpft.

( )

Zwei Bereiche, die keine Basenpaarung aufweisen, sind die T\C- und die DHUSchleife.

Multiple Choice Aufgaben

53

Aufgabe 103 Für die Translation spielen die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen eine wichtige Rolle. Welche der folgenden Aussagen zur tRNA und den Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ist falsch? ( )

Es gibt für jedes Triplett-Codon eine eigene tRNA, welche dieses spezifisch erkennt.

( )

Es existiert für jede Aminosäure eine entsprechende Aminoacyl-tRNA-Synthetase.

( )

Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen müssen die richtige Aminosäure erkennen und sie anschließend unter Aufwand von ATP aktivieren.

( )

Für die Erkennung der richtigen tRNA ist das Anticodon besonders wichtig.

( )

Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen übertragen einen Aminoacylrest unter Abspaltung von AMP auf das 3´-CCA-Ende der tRNA.

( )

Manche Aminoacyl-tRNA-Synthetasen besitzen eine Korrekturlese-Domäne.

Aufgabe 104 Ribosomen sind die „Proteinsynthesemaschinen“ jeder Zelle. Welche der nachfolgenden Aussagen trifft nicht zu? ( )

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die in Prokaryonten und Eukaryonten jeweils unterschiedlich sind.

( )

Ein prokaryontisches Ribosom setzt sich aus einer 30S- und einer 50S-Untereinheit zusammen.

( )

Ribosomen können auch als Ribozyme bezeichnet werden.

( )

An einem Ribosom finden sich drei Bindungsstellen (sites) für tRNAs.

( )

Die Untereinheiten der Ribosomen werden am Ort der Proteinbiosynthese, also im Cytoplasma, assembliert.

( )

Im Gegensatz zu Prokaryonten besitzen Eukaryonten nicht nur Ribosomen im Cytoplasma, sondern auch an Membranen gebunden.

Aufgabe 105 Vor einigen Jahren machte das Human-Genom-Projekt größere Schlagzeilen. Es ging dabei um die komplette Entzifferung der Nucleotidsequenz des menschlischen Genoms, sowie der Genome einiger wichtiger Modellorganismen, wie E. coli, Saccheromyces cerevisae (Bäckerhefe), Caenorhabditis elegans (ein Nematode, der in vielen Studien zu Entwicklungs- und Alterungsprozessen eingesetzt wurde), Drosophila melanogaster (Fruchtfliege; das alte „Haustier“ der Genetiker), und Mus Musculus (Maus). Bereits im Jahr 2000 waren rund 90 % der Sequenz in „Rohform“ vorhanden und genetische und physikalische Karten helfen auf der Suche nach Genen, die mit Krankheiten assoziiert sind. Von den Daten aus dem Human-

54

Kapitel 1

Genom-Projekt erwartet man weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Funktionsweise von Zellen und Organismen und auf die Medizin. Da Sequenzunterschiede zwischen einzelnen Individuen mit dem Risiko für bestimmte Krankheiten korrelieren, könnte die Kenntnis spezifischer DNA-Sequenzen bei der Früherkennung bestimmter Krankheiten hilfreich sein. Welche der folgenden Aussagen zum Sequenzierungsverfahren nach Sanger trifft nicht zu? ( )

Die Sequenzierung verläuft über eine Synthese vieler unterschiedlich langer DNASequenzen.

( )

Es wird ein 5´-Primer benötigt.

( )

Der Reaktionsmischung werden sogenannte Didesoxyribonucleotide zugegeben, die zum Kettenabbruch bei der Synthese führen.

( )

Die Didesoxyribonucleotidtriphosphate werden typischerweise im Verhältnis 1:1 zu den normalen Nucleotidtriphosphaten eingesetzt.

( )

Die einzelnen Fragmente werden nach ihrer Länge durch Gelelektrophorese getrennt.

( )

Durch Einsatz unterschiedlich fluoreszenzmarkierter Didesoxyribonucleotidtriphosphate kann das jeweils zuletzt eingebaute Nucleotid identifiziert werden.

Aufgabe 106 Für die Analyse von DNA sind oftmals größere Mengen des gleichen Moleküls erforderlich, als zur Verfügung stehen (z.B. in der Forensik). Einen bahnbrechenden Fortschritt in dieser Hinsicht brachte das 1983 von Kary Mullen erfundene Verfahren der PolymeraseKettenreaktion (PCR), das eine Amplifikation von DNA-Doppelsträngen mit bis zu 50 kbp erlaubt. Welche Aussage zu diesem Verfahren ist falsch? ( )

Für die praktische Durchführung greift man auf eine hitzestabile DNA-Polymerase zurück.

( )

Im Anfangs- und im Endbereich der zu amplifizierenden DNA muss jeweils ein Bereich von 15–25 Basen bekannt sein, damit entsprechende Primer hergestellt werden können.

( )

Das Reaktionsgemisch muss die vier Desoxynucleosidtriphosphate (dNTPs) und Mg2+-Ionen enthalten.

( )

Die Amplifikation folgt einer Exponentialfunktion, d.h. nach n Zyklen sind im Idealfall ausgehend von einem DNA-Doppelstrang en DNA-Moleküle entstanden.

( )

Nach dem Denaturierungsschritt bei ca. 90–95 °C wird das Reaktionsgemisch auf ca. 50–60 °C abgekühlt, um die Anlagerung der Primer zu ermöglichen.

( )

Die Primer sind erforderlich, um der DNA-Polymerase ein 3´-OH-Ende für die Anknüpfung des nächsten Nucleotids zur Verfügung zu stellen.

Multiple Choice Aufgaben

55

Aufgabe 107 Zahlreiche Proteine werden nach der Translation glykosyliert, d.h. es werden Zuckerreste angefügt. Welche der folgenden Aussagen ist richtig? ( )

Immunglubuline zählen nicht zu den Glykoproteinen.

( )

Alle Plasmaproteine sind Glykoproteine.

( )

Typischerweise führt die Glykosylierung zu einer Verringerung der Löslichkeit des Proteins.

( )

Bei der O-Glykosylierung kommt es zur kovalenten Verknüpfung des Oligosaccharids mit dem Sauerstoff einer Tyrosinseitenkette des Proteins.

( )

Bei der N-Glykosylierung entsteht zunächst ein primäres Oligosaccharid gebunden an einen Lipidanker in der ER-Membran, welches dann auf einen Asparaginrest übertragen wird.

( )

N-Glykoside besitzen eine definierte Core-Region, die aus Galaktoseresten besteht.

Aufgabe 108 Das Immunsystem dient zum Schutz des Menschen vor Bakterien, Viren, Tumorzellen und verschiedenen anderen, von außen in den Körper eingedrungenen Fremdsubstanzen. Es setzt sich zusammen aus einer zellulären Abwehr (in Form spezifischer Immunzellen) und einer humoralen Abwehr (lösliche Proteine). Welche der folgenden Aussagen zu Zellen des Immunsystems ist falsch? ( )

Alle Lymphozyten entstehen aus pluripotenten, hämatopoetischen Knochenmarkstammzellen.

( )

Makrophagen besitzen einen MHC II-Rezeptor, der dazu dient, T-Zellen Antigene zu präsentieren.

( )

B-Lymphozyten existieren in einer sehr großen Vielfalt unabhängig von einem Kontakt mit Antigenen.

( )

Trifft eine B-Zelle auf ihr Antigen, so wird dadurch ihre Weiterentwicklung zur Plasmazelle induziert.

( )

T-Zellen reifen im Thymus heran; dabei können unterschiedliche Subpopulationen gebildet werden.

( )

Auf den T-Zellen entstehen in der Membran verankerte Rezeptoren, deren unterschiedliche Spezifitäten durch Rekombination verschiedener Genabschnitte zustande kommen.

56

Kapitel 1

Aufgabe 109 Antikörper gehören zu den globulären Proteinen; sie werden auch als Immunglobuline bezeichnet. Welche der folgenden Aussagen zu Immunglobulin-Antikörpern trifft nicht zu? ( )

Antikörper aller fünf Klassen bestehen aus vier separaten Polypeptidketten, bei denen jeweils konstante und variable Abschnitte unterschieden werden.

( )

Entsprechend seinem Aufbau aus vier Polypeptidketten kann ein Immunglobulin GMolekül bis zu vier Antigene binden.

( )

Behandelt man ein IgG mit dem Enzym Papain, so enthält man daraus drei etwa gleich große Fragmente.

( )

Von den verschiedenen Immunglobulin-Klassen liegt das IgG im Serum in der höchsten Konzentration vor.

( )

Im Gegensatz zu IgM oder IgA sind IgG-Moleküle in der Lage, die Plazenta zu durchdringen.

( )

Auf dem Fc-Fragment trägt IgG Oligosaccharidketten.

Aufgabe 110 Die Klasse der Immunglobuline bestehen aus mehreren Untereinheiten und besitzen charakteristische dreidimensionale Strukturen, die für die Erkennung und Bindung von körperfremden Molekülen zuständig sind. Welche Aussage zu Aufbau und Struktur von Immunglobulinen ist zutreffend? ( )

In der dreidimensionalen Struktur von Immunglobulinen überwiegen D-helikale Bereiche.

( )

In jeder der Ketten (H und L; „heavy“ und „light“) falten sich die C- („konstant“) und V- („variabel“) Regionen unter Ausbildung von C–V-Assoziaten aufeinander.

( )

CL–VL-Assoziationen führen zur Ausbildung der Bindungstasche für die Bindung des Antigens.

( )

Bei den Immunglobulinen handelt es sich um Glykoproteine, wobei die Kohlenhydratketten jeweils an die leichten Ketten gebunden sind.

( )

Es sind einige freie SH-Gruppen vorhanden, die zur Ausbildung stabiler Bindungen mit dem Antigen dienen.

( )

Eine Spaltung von IgG mit der Protease Papain ergibt drei etwa gleich schwere Fragmente, von denen zwei zur Bindung von Antigen in der Lage sind.

Multiple Choice Aufgaben

57

Aufgabe 111 Das menschliche Immunsystem kann auf eine bestimmte antigene Determinante mit unterschiedlichen Antworten reagieren. So existieren neben dem häufigsten Immunglobulin vom Typ G weitere Klassen von Antikörpern, die sich in charakteristischer Weise unterscheiden. Welche der folgenden Aussagen zu den verschiedenen Antikörperklassen ist falsch? ( )

Nach dem Kontakt mit einem Antigen bildet der Organismus als erstes Immunglobuline vom Typ M.

( )

Aufgrund seiner dimeren Struktur ist IgM ein gut agglutinierender und komplementaktivierender Antikörper.

( )

Vor der Geburt ist der menschliche Organismus nicht zur Synthese von IgG-Molekülen in der Lage.

( )

Antikörper vom Typ A liegen in der biologisch aktiven Form als Dimer vor, wobei die beiden Einheiten durch ein Fragment verbunden sind, das von einem Rezeptor auf der Oberfläche von Epithelzellen stammt.

( )

IgE-Moleküle spielen eine wichtige Rolle bei der Auslösung allergischer Reaktionen.

( )

Blutgruppenantikörper des AB0-Systems sind stets vom IgM-Typ.

Aufgabe 112 Eine Klasse von Zelloberflächenproteinen wird als „Major histocompatibility complex“ (MHC) bezeichnet. Die Namensgebung weist auf die Beteiligung dieser Moleküle bei Transplantatabstoßungen hin, die zu ihrer Entdeckung führten. Welche der folgenden Aussagen zu den MHC-Antigenen trifft nicht zu? ( )

Erythrozyten tragen keine MHC-Antigene.

( )

Bei den MHC I-Antigenen handelt es sich um Moleküle, die Peptidfragmente von Proteinen präsentieren, die von der Zelle selbst synthetisiert wurden.

( )

MHC I-Antigene wechselwirken mit einer Klasse von Zelloberflächenproteinen auf den T-Helferzellen.

( )

MHC I-Antigene bestehen aus einer D-Kette und dem sogenannten E2-Mikroglobulin.

( )

MHC II-Antigene sind besonders auf der Oberfläche von B-Zellen und Makrophagen verbreitet.

( )

MHC II-Antigene reagieren mit CD4-Molekülen, die auf bestimmten T-Lymphozyten zu finden sind.

58

Kapitel 1

Aufgabe 113 Der Mechanismus der Proteinfaltung ist höchst komplex und wird seit längerer Zeit intensiv untersucht. Dabei spielen sogenannte Chaperone eine wichtige Rolle. Welche der folgenden Aussagen ist zutreffend? ( )

Entsprechend der großen Anzahl unterschiedlicher Proteine gibt es sehr viele verschiedene Chaperone.

( )

Alle Chaperon-Proteine benötigen ATP zur Ausübung ihrer Wirkung.

( )

Chaperone spalten Disulfidbrücken, die sich inkorrekt gebildet haben und erlauben so die anschließende Ausbildung der richtigen Disulfidbrücken.

( )

Chaperone ermöglichen die Faltung der Polypeptidkette in eine dreidimensionale Struktur, die ohne die Anwesenheit der Chaperone thermodynamisch nicht stabil wäre.

( )

Chaperone der hsp70-Gruppe sind am Transport von Proteinen über die Membranen von Mitochondrium und endoplasmatischem Retikulum beteiligt.

( )

Chaperone entfalten ihre Wirkung nur auf vollständig synthetisierte Polypeptidketten, wobei sie inkorrekt gefaltete Strukturen entfalten und bei der korrekten Faltung helfen.

Aufgabe 114 Inzwischen sind mehr als 300 Varianten menschlichen Hämoglobins bekannt, wobei die überwiegende Zahl (> 90 %) durch Substitution einer einzelnen Aminosäure zustande kommt. Manche Varianten zeigen keine klinischen Effekte, während andere auffällige Abnormalitäten bewirken. Wohl am besten bekannt und untersucht ist die Variante HbS, die die sogenannte Sichelzellanämie verursacht. Einige weitere bekannte Hämoglobin-Varianten sind „Hiroshima“ (His 146 Æ Asp), „Riverdale-Bronx“ (Gly 24 Æ Asp) und „MHyde Park“ (His 92 Æ Tyr). Welche Aussage ist richtig? ( )

Der Aminosäureaustausch in HbS ist konservativ.

( )

Alle vier beschriebenen Hämoglobin-Varianten weisen nichtkonservative Substitutionen auf.

( )

Die Substitution im HbS ist nichtkonservativ, die anderen dagegen konservativ.

( )

Es ist nicht sehr wahrscheinlich, dass die Substitution „MHyde Park“ zu einer Änderung der Proteinstruktur führt.

( )

Die Substitution von Aminosäuren in einem Protein bewirkt immer eine Änderung seiner Funktion.

( )

Im HbS ist ein Valinrest gegen Glutamat ausgetauscht.

Multiple Choice Aufgaben

59

Aufgabe 115 Die Hämoglobin-Variante HbS aggregiert leicht mit anderen HbS-Molekülen, weil ( )

sich die Struktur des Proteins so verändert, dass der Valinrest in das Innere des Proteins platziert wird.

( )

die Substitution zur Ausbildung einer positiven Ladung an der Proteinoberfläche führt, die negative Ladungen auf anderen Molekülen anzieht.

( )

durch die Mutation das C-terminale Ende der Kette modifiziert wurde.

( )

die Einführung einer hydrophoben Gruppe an der Proteinoberfläche zu einer attraktiven Wechselwirkung mit hydrophoben Gruppen auf anderen HbS-Molekülen führt.

( )

Valin eine starke Tendenz zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken besitzt.

( )

das HbS leicht eine Disulfidbrücke zu einem anderen HbS-Molekül ausbildet.

Aufgabe 116 Aufgrund des hohen Sauerstoff-Partialdrucks im Erythrozyten spielt hier der Schutz gegen oxidative Noxen eine besonders wichtige Rolle. Dazu tragen eine Reihe von Prozessen bei. Welche Aussage trifft zu? ( )

Glutathion, das mehrere SH-Gruppen enthält, kann toxische Oxidantien reduzieren, wobei es zur Ausbildung von Disulfidbrücken im Peptid kommt.

( )

Oxidiertes Glutathion (Glutathiondisulfid) wird durch die Glutathion-Reduktase unter Verbrauch von NADH/H+ wieder reduziert und somit regeneriert.

( )

Im Erythrozyten gebildetes Methämoglobin wird v.a. durch Reaktion mit Glutathion laufend wieder reduziert.

( )

Ein genetisch bedingter Defekt der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase vermindert den Oxidationsschutz von Erythrozyten.

( )

Für die Bildung von Methämoglobin sind insbesondere Superoxid-Radikale verantwortlich.

( )

Die Superoxid-Dismutase reduziert gefährliche Superoxid-Radikale zu Wasser.

60

Kapitel 1

Aufgabe 117 Erythrozyten haben eine Lebensdauer von etwa 110–120 Tagen; danach werden sie im retikuloendothelialen System von Milz, Leber und Knochenmark (RES) mit Antikörpern besetzt, hämolysiert und abgebaut. Dabei wird Hämoglobin freigesetzt. Welche Aussage zum Prozess der weiteren Verwertung des Hämoglobins trifft zu? ( )

Das Hämoglobin wird in Zellen des Knochenmarks gespeichert und steht so wieder für die Bildung neuer Erythrozyten zur Verfügung.

( )

Während die Globinketten nach Hydrolyse zu den einzelnen Aminosäuren verstoffwechselt werden können, wird die Hämgruppe mit der Galle ausgeschieden.

( )

Es erfolgt eine Spaltung des Porphyrinrings zu Bilirubin.

( )

Wenn die Konzentration an Häm im Plasma zu hoch ist, kann es zu einer Gelbverfärbung der Haut kommen (Ikterus).

( )

Es entsteht ein wasserunlösliches lineares Tetrapyrrolsystem, das in der Leber mit UDP-Glucuronsäure konjugiert wird.

( )

Das Fe2+-Ion der Hämgruppe wird ausgeschieden, so dass der Organismus laufend auf die Zufuhr von Eisen angewiesen ist.

Aufgabe 118 Bei Verletzung eines Blutgefäßes muss der Gerinnungsprozess in Gang kommen, um hohe Blutverluste zu verhindern und den Kreislauf aufrecht zu erhalten. Die Blutgerinnung ist ein komplexer kaskadenartig verlaufender Prozess, bei dem sogenannte Zymogene (inaktive Vorstufen von Enzymen) in aktive Serinproteasen umgewandelt werden, was letztlich zur Bildung eines vernetzten Fibringerinnsels führt. Umgekehrt werden im Zuge der Fibrinolyse Serinproteasen aktiviert, um ein Fibringerinnsel wieder zu lösen. Hierbei wird im letzten Schritt Plasminogen zu Plasmin aktiviert. Eine Möglichkeit, einen derartigen Gefäßverschluss bei einem Herzinfarkt zu behandeln, ist eine möglichst rasche Gabe von Gewebeplasminogenaktivator (t-PA; tissue plasminogen activator), der inzwischen mit Hilfe gentechnologischer Methoden hergestellt werden kann. Welche Aussage zu an den geschilderten Prozessen beteiligten Serinproteasen ist richtig? ( )

Sie hydrolysieren Peptidbindungen an der C-terminalen Seite von Serinresten.

( )

Serinproteasen besitzen mehrere aktive Zentren pro Molekül, in denen sich jeweils ein Serinrest findet.

( )

Es handet sich um Exopeptidasen.

( )

Serinproteasen werden inaktiviert, wenn man sie der Verbindung Diisopropylfluorophosphat aussetzt, wobei beide Stoffe im Verhältnis 1:1 miteinander reagieren.

( )

Eine der aktiven Serinproteasen der Blutgerinnungskaskade ist das Prothrombin.

( )

Die Serinproteasen erkennen jeweils nur diejenige Aminosäure, die an der zu brechenden Peptidbindung beteiligt ist.

Multiple Choice Aufgaben

61

Aufgabe 119 Eine fehlende oder die unzureichende Produktion des Peptidhormons Insulin führt zum Krankheitsbild des Diabetes mellitus. Während es sich beim Diabetes mellitus Typ I um einen absoluten Insulinmangel handelt (mangelnde Funktion der E-Zellen des Pankreas), beruht der Typ II auf einer verminderten Expression von Insulinrezeptoren. Welche Aussage zur Folge eines Insulinmangels ist falsch? ( )

Die Aufnahme von Glucose durch Muskel- und Fettgewebszellen ist stark eingeschränkt, so dass der Blutglucosespiegel steigt.

( )

Es kann zu einer Ausscheidung von Glucose mit dem Urin kommen.

( )

Der Harnstoffspiegel ist erhöht.

( )

Da die Lipolyse gesteigert ist und somit vermehrt Acetyl-CoA entsteht, läuft der Citratzyklus auf Hochtouren und deckt so den Energiebedarf.

( )

Es kann zu einer metabolischen Azidose kommen.

( )

Ein typischer Hinweis auf eine diabetische Stoffwechsellage ist die Wahrnehmung des Geruchs von Aceton im Atem des Patienten.

Aufgabe 120 Manche proteinogene Aminosäuren werden nach dem Einbau in ein Protein noch chemisch modifiziert. Welche der im Folgenden aufgeführten Modifikationen ist von erheblicher Bedeutung für die Blutgerinnung? ( )

Carboxylierung von Glutamat

( )

Hydroxylierung von Prolin

( )

Hydroxylierung von Lysin

( )

Phosphorylierung von Serin bzw. Tyrosin

( )

Decarboxylierung von Glutamat

( )

Hydroxylierung von Tryptophan

Kapitel 2 Biomoleküle: Aminosäuren und Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Membranen, Vitamine und Coenzyme

Aufgabe 121 Benennen Sie die Aminosäuren in dem folgenden Peptid. Markieren Sie diejenigen Aminosäuren, die im Rahmen biochemischer Prozesse phosphoryliert werden können. O

C

NH2

S

CH2 H3 N

CH CH2

C

CH2 H

CH2

O N H

CH

CH3

C O

N

CH CH2

C

OH H

CH2

O N H

CH

C O

N

CH2

O CH2

C

N

CH

COO

H

HN

OH

Aufgabe 122 a) Berechnen Sie den isoelektrischen Punkt für Histidin, Asparaginsäure und Arginin. b) Berechnen Sie die prozentuale Ladung jeder ionisierbaren Gruppe von Aspartat bei dem pH-Wert, der mit dem pI identisch ist. Bestätigen die Ergebnisse den isoelektrischen Punkt der Asparaginsäure? Die entsprechenden pKS-Werte finden sich in der Tabelle im Anhang.

Aufgabe 123 Das Tripeptid Alanin-Leucin-Threonin wurde erst hydrolysiert, dann dansyliert. Eine anschließende zweidimensionale Dünnschichtchromatographie liefert folgendes Ergebnis:

64

Kapitel 2 . Laufmittel 2 hydrophob

.............................

.............................

Laufmittel 1 hydrophil

.............................

Auftragspunkt

.

Beschriften Sie die Positionen der dansylierten Aminosäuren.

Aufgabe 124 Zeichnen Sie Strukturformeln für die proteinogene Form einer sauren und einer basischen Aminosäure sowie für Cystein, wie sie bei pH = 7 vorliegen. Berücksichtigen Sie die Stereochemie und ermitteln Sie jeweils die absolute Konfiguration. In welchem pH-Bereich können Sie erwarten, dass die zwitterionische Form von Cystein zu > 90 % vorliegt? Die entsprechenden pKS-Werte finden sich in der Tabelle im Anhang.

Aufgabe 125 Die Absorptionsspektroskopie ist ein hilfreiches Instrument für die Bestimmung von Proteinkonzentrationen. Beschreiben Sie kurz zwei gängige Verfahren.

Aufgabe 126 Zeichnen Sie – unter Beachtung der Stereochemie, wie sie bei proteinogenen Aminosäuren vorliegt – das Peptid GlnTyrHisCys bei pH 4. Berechnen Sie die durchschnittliche Ladung pro Peptidmolekül, die das Peptid bei einem pH-Wert von 6,6 bzw. 10 hätte. Die entsprechenden pKS-Werte finden sich in der Tabelle im Anhang.

Biomoleküle

65

Aufgabe 127 Eine Probe (660 mg) eines oligomeren Proteins mit einer molaren Masse von 1,32u105 g/mol wurde unter schwach basischen Bedingungen mit einem Überschuss von 1-Fluor-2,4dinitrobenzol (Sangers Reagenz) behandelt. Die Verbindung reagiert mit freien Aminogruppen und dient in der Proteinchemie zur Bestimmung der N-terminalen Aminosäure. Nach vollständigem Umsatz wurden die Peptidbindungen des Proteins vollständig hydrolysiert. Im Hydrolysat wurden 5,7 mg der links abgebildeten und 1,7 mg der rechten Verbindung gefunden: NO2 O2N

NO2

CH(CH3)2

NH C

COOH

O2N

H

NH2

N

(CH2)4 C

H

H

COOH

a) Formulieren Sie den genauen Mechanismus für die Bildung eines der beiden oben gezeigten Produkte. b) Erklären Sie, wie daraus die Anzahl an Polypeptidketten in einem Protein bestimmt werden kann und berechnen Sie diese Zahl für das vorliegende Protein.

Aufgabe 128 Die Verbindung D-N-Benzoyl-D,L-arginin-p-nitroanilid wird in einem Ansatz 1 mit KOH bei 60 °C und in einem Ansatz 2 mit Trypsin bei Raumtemperatur umgesetzt und dabei parallel die Absorbanz solange gemessen, bis sie in beiden Fällen konstant bleibt. a) Formulieren Sie die ablaufende Reaktion. b) Wie war das Verhältnis von D- zu L-Enantiomer im Substrat, wenn unter den genannten Bedingungen für Ansatz 1 ein 'A = 0,9 und für Ansatz 2 ein 'A = 0,3 gemessen wird?

Aufgabe 129 Die Abbildung zeigt ein Kunststoffpartikel, das kovalent gebundene Sulfonatgruppen trägt und als Ionenaustauscher verwendet wird.

O3S SO3

In welcher Form muss die Aminosäure Isoleucin (pKS1 | 2; pKS1 O3S | 9) vorliegen, damit sie von diesem Austauscher gebunden wird? Geben Sie die entsprechende Strukturformel an. Wie kann man Isoleucin in diese Form überführen? Was kann man machen, um die gebundene Aminosäure wieder vom Austauscher zu eluieren?

66

Kapitel 2

Aufgabe 130 a) Welche Funktion haben folgende Proteasen?

x x x x

Enteropeptidase Thrombin Proteasom Caspasen

H N O

NO2

O N CH2

H

b) Für welche intestinale Protease könnte die dargestellte Verbindung ein Substrat sein? Markieren Sie die Bindung, die durch die Protease gespalten wird. Warum können Sie die Spaltung dieser Bindung relativ einfach photometrisch verfolgen?

Aufgabe 131 a) Was verstehen Sie unter der Tertiärstruktur eines Proteins und wodurch wird sie bestimmt? Wann spricht man von einer Quartärstruktur? b) Vergleichen Sie die Wasserstoffbrückenbindungen in der D-helikalen Struktur von Proteinen mit denjenigen in der DNA-Doppelhelix. Berücksichtigen Sie strukturelle Aspekte sowie die Rolle der Wasserstoffbrücken für die Stabilisierung der jeweiligen Struktur. c) Unter physiologischen Bedingungen nimmt Polylysin eine zufällige Knäuelkonformation ein. Unter welchen Bedingungen könnte es eine D-Helix ausbilden?

Aufgabe 132 Die Aminosäureanalyse eines Enzyms, von dem 1,00 mg eingewogen worden ist, liefert für die Aminosäuren Leucin und Tryptophan folgende Ergebnisse: m (Leu) = 58,1 μg; m (Trp) = 36,2 μg Für die molaren Massen der Aminosäuren gelten: M (Leu) = 131,2 g/mol; M (Trp) = 204,2 g/mol Berechnen Sie die minimale molare Masse des Proteins.

Aufgabe 133 Eine Mutante des Peptidhormons Angiotensin II weist folgende Aminosäurezusammensetzung auf: (Asp, Arg, Ile, Met, Phe, Pro, Tyr, Val)

Biomoleküle

67

a) Welche Ladung trägt das Peptidhormon bei pH 6 bzw. pH 12,5? b) Folgende Beobachtungen wurden gemacht: x Behandlung mit Trypsin liefert ein Dipeptid, das Asp und Arg enthält, sowie ein Hexapeptid. x Spaltung mit BrCN ergibt ein Dipeptid, das Pro enthält, sowie ein Hexapeptid. x Spaltung mit Chymotrypsin liefert zwei Tetrapeptide der Zusammensetzung (Asp, Arg, Tyr, Val) und (Ile, Met, Phe, Pro). x Das erste Produkt einer Behandlung mit Carboxypeptidase ist Phe. Leiten Sie aus den Angaben nachvollziehbar die Sequenz ab.

Aufgabe 134 Extrakte aus dem Bakterium Bacillus brevis enthalten ein Peptid mit antibiotischen Eigenschaften. Die Struktur des Peptids wurde anhand der folgenden Beobachtungen bestimmt: x Vollständige saure Hydrolyse und anschließende Aminosäureanalyse ergaben äquimolare Mengen von Leu, Orn, Phe, Pro und Val. Orn steht für Ornithin, eine nichtproteinogene Aminosäure, die im Harnstoffzyklus vorkommt. x Die molare Masse des Peptids beträgt zwischen 1100 und 1200 g/mol. x Bei der Behandlung des Peptids mit dem Enzym Carboxypeptidase konnte keine hydrolytische Spaltung beobachtet werden. x Die partielle Hydrolyse des Peptids mit nachfolgender chromatographischer Trennung und Sequenzanalyse ergab folgende Di- und Tripeptide: x LeuPhe / PhePro / OrnLeu / ValOrn / ValOrnLeu / PheProVal / ProValOrn x Bei der Behandlung des intakten Peptids mit NO2 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol und nachfolgender vollständiger Hydrolyse und Chromatographie NH entstanden nur freie Aminosäuren und das ne- O2N H benstehende Derivat: C Leiten Sie anhand obiger Angaben die Sequenz des Peptidantibiotikums ab und machen Sie die Richtung der Peptidbindungen klar.

H3N

COO

Aufgabe 135 Ein wichtiges Gebiet in der biochemischen und medizinischen Forschung ist die Aufklärung der Struktur und der Funktion von Proteinen. Bevor man sich dem zuwenden kann, ist allerdings zunächst die Isolierung und Aufreinigung des interessierenden Proteins erforderlich. Dafür ist typischerweise eine Reihe von Schritten mit unterschiedlichen Methoden erforderlich, die von Fall zu Fall mit unterschiedlicher Effizienz zur Reinigung eines gegebenen Proteins beitragen. Handelt es sich um ein Enzym, so kann der Fortschritt bei der Reinigung

68

Kapitel 2

durch die Ermittlung der Enzymaktivität nach jedem Reinigungsschritt verfolgt werden. Dies ist wichtig, um bei der Etablierung eines geeigneten Aufreinigungsprotokolls die effektivsten Methoden ausfindig zu machen und Schritte, die nur eine geringe oder gar keine Anreicherung des gewünschten Proteins bewirken, wegzulassen. In folgender Tabelle ist die Isolierung der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase aus E. coli zusammengefasst. a) Berechnen Sie für jeden Schritt die spezifische Aktivität, die Ausbeute und den Grad der Anreicherung (n-fach, bezogen auf Zellextrakt). Geben Sie an, mit welchem Schritt die größte Anreicherung erzielt wird. Wie hoch war der Anteil der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase im anfänglichen Zellextrakt, wenn man davon ausgeht, dass das Protein nach der letzten Chromatographie (Bio-Gel A) rein ist? m (Protein) Aktivität / mg z/U

Reinigungsschritt

V (mL)

Zellextrakt

2800

70000

2700

(NH4)2SO4Fraktionierung

3000

25400

2300

Hitzebehandlung

3000

16100

1980

DEAE-Chromatographie

80

3900

1680

Affinitätschromatographie

50

47

1350

Bio-Gel-AChromatogr.

7

35

1120

zspez / U/mg

Ausbeute (%)

Anreicherung (n-fach)

b) Angenommen, der isoelektrische Punkt der 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase sei 6. Erklären Sie, warum der bei der DEAE-Cellulose-Chromatographie verwendete Puffer einen pH-Wert über 6, aber unter 9 haben muss, wenn der Reinigungsschritt effektiv sein soll.

Aufgabe 136 Einzelne Proteine mit bekannter molarer Masse ihrer Untereinheiten sowie ein unbekanntes Protein, dessen native molare Masse etwa 39 kDa beträgt, werden in einem Puffer gelöst, der SDS und 2-Mercaptoethanol enthält. Eine Probe dieses Proteingemisches wurde elektrophoretisch über eine SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese aufgetrennt. Der ebenfalls zugesetzte Markerfarbstoff, der die Laufmittelfront anzeigt, wanderte 24 cm. Die Proteinfärbung des Gels ergab folgendes:

Biomoleküle

69

Protein

molare Masse (Untereinheit) M / kDa

Laufstrecke / cm

Serumalbumin

69

3,2

Katalase

60

4,4

Ovalbumin

43

7,0

Carboanhydrase

29

10,4

Myoglobin

17

14,8

a) Nennen Sie zwei Möglichkeiten zur Anfärbung der Proteinbanden im Gel. b) Im obengenannten Probenpuffer wanderte das unbekannte Protein 13,4 cm. Wurde stattdessen ein Probenpuffer ohne 2-Mercaptoethanol verwendet, lief das unbekannte Protein nur 7,6 cm weit. Bestimmen Sie aus diesen Ergebnissen die Quartärstruktur des unbekannten Proteins mit den molaren Massen der Untereinheiten und der Art ihrer Verknüpfung.

Aufgabe 137 Wie hängt der Sedimentationskoeffizient S eines sphärischen Proteins von seiner Masse ab? Wie groß ist das Verhältnis der Sedimentationsgeschwindigkeiten zweier Proteine, von denen das eine eine molare Masse von 70 kDa, das andere von 35 kDa aufweist?

Aufgabe 138 In Ihrem Labor sind versehentlich 5 mL einer wässrigen Lösung des Histons H1 (M = 23 kDa, Stoffmengenanteil Arginin + Lysinreste | 0,3) mit 3 mL einer Albuminlösung (M = 66 kDa) gemischt worden. Welches der nachfolgend genannten Verfahren halten Sie für geeignet zur präparativen Trennung der beiden Proteine in nativer Form? A: Zentrifugation mit normaler Tischzentrifuge B: Ionenaustauschchromatographie C: SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese D: Dünnschichtchromatographie Begründen Sie Ihre Wahl!

70

Kapitel 2

Aufgabe 139 Zur Aufreinigung des Proteins Ribonuclease wurde eine Proteinfällung mit einer konzentrierten Harnstofflösung durchgeführt. Nach Entfernung der ausgefallenen Proteine liegen 20 mL der Ribonucleaselösung in Harnstoff (6 mol/L) vor, aus der durch Dialyse der Harnstoff entfernt werden soll. Hierfür steht Ihnen leider nur ein Gefäß mit 200 mL Fassungsvermögen zur Verfügung. Wie oft müssen Sie die Dialyse wiederholen, um die Harnstoffkonzentration auf unter 0,5 mmol/L zu erniedrigen?

Aufgabe 140 Bakteriorhodopsin ist ein integrales Membranprotein (M = 2,60u104 g/mol), das von dem in Salzlösungen heimischen Bakterium Halobacterium salinarium gebildet wird und als lichtgetriebene Protonenpumpe fungiert. Aus der Röntgenstrukturanalyse weiß man, dass das Protein aus sieben parallelen D-helikalen Segmenten aufgebaut ist, die alle die Zellmembran des Bakteriums (Dicke | 4,5 nm) durchspannen. Berechnen Sie die Anzahl von Aminosäuren, die ein D-helikales Segment mindestens besitzen muss, um die Membran vollständig zu durchspannen. Schätzen Sie daraus den Anteil des Bakteriorhodopsins ab, der in Form einer D-Helix vorliegen muss. Gehen Sie dabei von einer durchschnittlichen molaren Masse von 110 g/mol für die Aminosäurereste aus.

Aufgabe 141 Sie haben ein neues Protein isoliert und möchten mit Hilfe der Gelfiltrationschromatografie seine molekulare Masse bestimmen. Sie stellen eine Gelchromatografiesäule mit einem Säulenvolumen V(S) von 100 mL her. Das Ausschlussvolumen V(t) wird mit Hilfe von Dextranblau zu 25 mL bestimmt. Kalibriert wird mit globulären Proteinen verschiedener molekularer Massen. Die Kalibration liefert folgende Ergebnisse (1 kDa = 1000 g/mol): Protein

molare Masse / kDa

Elutionsvolumen / mL

Thyroglobulin

669

32,5

Apoferritin

440

37,0

Alkohol-Dehydrogenase

150

50,5

BSA

67

59,5

Ovalbumin

43

64,0

RNAse

13,7

77,5

Biomoleküle

71

Anschließend wird das isolierte Protein aufgetragen und das Elutionsvolumen zu 45,0 mL bestimmt. a) Bestimmen Sie die molare Masse des isolierten Proteins. b) Welcher prinzipielle Fehler könnte bei der Bestimmung der molaren Masse vorliegen?

Aufgabe 142 Phosphorsäureester mit guten Abgangsgruppen, wie z.B. Malathion oder das gezeigte Parathion („E 605“) sind potente Insektizide, eignen sich (leider) aber auch für den militärischen Einsatz als Nervengase. Welches Enzym könnte besonders betroffen sein? Erklären Sie die physiologische Wirkungsweise dieser Substanzen anhand entsprechender Reaktionsmechanismen.

O2N

S O P OC2H5 OC2H5 Parathion

Aufgabe 143 Diskutieren Sie den Einfluss der H+-Konzentrationen auf die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin. Skizzieren Sie entsprechende Bindungskurven für pH 7,2 bzw. pH 7,6 sowie den normalen pH-Wert des Blutes (7,4). Welche Rolle spielt dabei die Bildung von CO2 durch den oxidativen Stoffwechsel in den peripheren Geweben?

Aufgabe 144 Studien an einem unbekannten Protein ergaben folgende Befunde: Eine Gelelektrophorese unter nativen Bedingungen in Abwesenheit von SDS ergab eine molare Masse von ca. 240 kDa. Das native Protein zeigt, wie aus Röntgenbeugungsstudien bekannt ist, eine hohe Symmetrie. Eine SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese einer Präparation des Proteins in Abwesenheit eines Reduktionsmittels ergab nach Anfärbung des Gels mit Coomassie Brilliant Blue folgendes schematische Bild (linke Seite). Das rechte Bild zeigt das Ergebnis eines analogen Experiments, bei dem aber zusätzlich 2-Mercaptoethanol zugegeben worden war. Auf der linken Spur (A) wurde jeweils die Proteinpräparation aufgetragen; die rechte Spur (B) zeigt den Molmassenstandard. a) Geben Sie die Strukturformeln an für SDS, das für die Gelherstellung benutzte Monomer sowie das im zweiten Versuch benutzte Reduktionsmittel.

72

Kapitel 2

b) Warum ermöglicht die Behandlung mit SDS bei der Polyacrylamid-Gelelektrophorese die Auftrennung von Proteinen nach der molaren Masse im elektrischen Feld? c) Leiten Sie aus dem Bandenmuster eine Aussage zur Quartärstruktur des Proteins ab. Gehen Sie insbesondere auf die Art der Verknüpfung zwischen den Untereinheiten ein.

A

A

B

B

Serumalbumin: 67 kDa Ovalbumin: 45 kDa

Carboanhydrase: 30 kDa

Trypsininhibitor: 20 kDa Cytochrom c: 10 kDa

Aufgabe 145 Sie haben ein Gemisch folgender Peptide vorliegen, von denen Sie jeweils die Aminosäurezusammensetzung kennen: Peptid 1: (Val)2 , Ser, (Lys)2, (Asn)2, Leu, Ala, Arg, Cys, (Gly)3, Tyr, (Phe)2 Peptid 2: (Gly)2, Phe, (Glu)3, Met, (Ile)2, (Ala)2, (His)2, Asp, Trp, (Thr)2, Gln Peptid 3: Ala, Phe, Asp, Cys, Met, (Ile)2, Gly, Ser, Glu, Leu Die Peptide sollen bei pH 7 voneinander getrennt werden, wofür Sie folgende Chromatographiesäulen zur Verfügung haben: x DEAE-Cellulose (eine mit Diethylaminoethylgruppen = –CH2CH2N(C2H5)2 modifizierte Cellulose) x CM-Cellulose (eine mit Carboxymethylgruppen = –CH2COO– modifizierte Cellulose) x Sephadex-G25 (ein Gelchromatographiematerial aus Dextran) x Eine Affinitätssäule mit einem Nitrilotriacetat-Ni-Komplex a) Erläutern Sie, wie Sie das Trennproblem lösen. b) Mit welcher Methode könnten Sie die Sequenz der Peptide ermitteln und welches Reagenz benötigen Sie dafür? Formulieren Sie die ablaufende Reaktion für Serin als N-terminale Aminosäure.

Biomoleküle

73

Aufgabe 146 Sie haben kürzlich in mühevoller Arbeit drei biologisch aktive, potentiell therapeutisch nutzbare Peptide aus einer Riesenqualle isoliert und müssen entsetzt feststellen, dass die Beschriftung der Eppendorf-Cups verloren gegangen ist. Folgende experimentelle Ergebnisse sind im Laborjournal festgehalten: a) P1 ergibt mit Sangers Reagenz nach vollständiger Hydrolyse zwei unterschiedliche Dinitrophenylderivate. b) Bei einer DEAE (Diethylaminoethyl-)Cellulose-Chromatographie bei pH 7 eluiert eines der Peptide nahezu mit dem Laufmittel, das zweite erheblich später, während das dritte erst bei erhöhter Salzkonzentration von der Säule kommt. c) Eines der drei Peptide zeigt eine starke Absorption bei 280 nm, während die beiden anderen bei dieser Wellenlänge praktisch nicht absorbieren. d) Nur eines der Peptide wird durch Bromcyan gespalten. e) Eines der Peptide, das nicht durch Bromcyan gespalten wird, liefert bei einer Behandlung mit Trypsin insgesamt vier Fragmente. f) Bei einer Gelchromatographie eluieren die Peptide in der zu erwartenden Reihenfolge. Welche ist das? g) P3 hat von allen drei Peptiden als einziges einen isoelektrischen Punkt < 6. h) Das Peptid enthält Aminosäuren, die typischerweise Helixbrecher sind. Die Sequenzen der Peptide lauten: AlaSerCysTrpPheArgTyrAlaHisGlu ValSerLysGlyArgAlaHisProGlyArgLeuLeuPheSer SerGluLeuAspHisMetGlnGlu Erklären Sie für alle experimentellen Befunde, welche Folgerung sich jeweils daraus ergibt und ordnen Sie die drei Sequenzen den Peptiden P1  P3 zu.

Aufgabe 147 Chymotrypsin ist ein klassischer Vertreter der Serinproteasen, die als Endopeptidasen die hydrolytische Spaltung von Peptidbindungen in Proteinen katalysieren. Ebenso wie auch Trypsin und Elastase wird Chymotrypsin zunächst als inaktive Vorstufe (als sogenanntes Zymogen) in der Bauchspeicheldrüse produziert und gespeichert. Die Aktivierung erfolgt durch die Trypsin-katalysierte Spaltung zu S-Chymotrypsin, das anschließend durch die Aktivität von Chymotrypsin selbst in das in vivo vermutlich stabilere α-Chymotrypsin umgewandelt wird. Die unterschiedlichen Substratspezifitäten von Trypsin, Chymotrypsin und Elastase werden durch die sogenannten Spezifitätstaschen in den verschiedenen Proteasen vermittelt, die sich jeweils in der Nähe des aktiven Zentrums befinden.

74

Kapitel 2

a) Welche Aminosäurereste bilden die katalytische Triade von α-Chymotrypsin und welcher Typ von Katalyse wird durch den jeweiligen Rest vermittelt? b) Welche Aminosäuregruppen befinden sich im Oxyanion-Loch der Serinproteasen und welche Rolle spielen sie für die Katalyse? c) Das Enzym β-Lactamase besitzt ebenfalls eine katalytische Triade; sie besteht aus einem Glutamat-, einem Lysin- und einem Serinrest. Zeichnen Sie die zu erwartende Anordnung der Reste dieser katalytischen Triade und berücksichtigen Sie dabei auch die Wasserstoffbrückenbindungen.

Aufgabe 148 Wie ist Sauerstoff an Hämoglobin gebunden? Erklären Sie anhand einer Skizze die Bindungsverhältnisse. Erklären Sie dann die Rolle von 2,3-Bisphosphoglycerat für die Sauerstoffbindung an Hämoglobin.

Aufgabe 149 Ein Heptapeptid produziert bei der Hydrolyse in saurer Lösung äqumolare Mengen von Asp, Cys, Glu, Lys, Phe, Tyr, Val und NH4+. Die Behandlung des intakten Heptapeptids mit 1Fluor-2,4-dinitrobenzol, gefolgt von einer Hydrolyse, führt zur Entstehung von DNP-Valin und H-DNP-Lys. Bei der Behandlung mit Trypsin entsteht ein Tripeptid T1 mit einem Absorptionsmaximum nahe 275 nm, das positiv auf Schwefel getestet wird, und ein Tetrapeptid T2 mit einem Absorptionsmaximum nahe 260 nm. Bei der Behandlung des Heptapeptids mit Chymotrypsin entstehen zwei Tripeptide (CT1 und CT2), die beide im UV-Bereich absorbieren, und Asp. CT1 enthält Schwefel und zeigt die größere Absorbanz beider Tripeptide. CT2 produziert bei der Hydrolyse Ammoniak. Bei Elektrophorese bei pH 6 sind T2 und CT1 Kationen, T1 ein Anion und CT2 ist im Wesentlichen ungeladen. Leiten Sie aus diesen Daten die Sequenz des Heptapeptids ab.

Aufgabe 150 Bei der Behandlung eines Polypeptids mit 2-Mercaptoethanol werden zwei Peptide erhalten: P1 AlaValCysArgThrGlyCysLysAsnPheLeu P2 TyrLysCysPheArgHisThrLysCysSer Durch Behandlung des intakten Polypeptids mit Trypsin werden Fragmente folgender Aminosäurezusammensetzung erhalten: F1 (Ala, Arg, Cys2, Ser, Val) F2 (Arg, Cys2, Gly, Lys, Thr, Phe)

Biomoleküle

75

F3 (Asn, Leu, Phe) F4 (His, Lys, Thr) F5 (Lys, Tyr) Kennzeichnen Sie die Positionen von Disulfidbrücken im intakten Polypeptid.

Aufgabe 151 Sie wollen ein ATP-bindendes Enzym aus einem Rohextrakt isolieren, das mehrere verunreinigende Proteine enthält. Beschreiben Sie, wie diese spezifische Bindungsaffinität des Enzyms für eine rasche und effiziente Reinigung ausgenutzt werden kann und erklären Sie die physikalische Grundlage der Trennung.

Aufgabe 152 Das Strukturprotein Kollagen ist Hauptbestandteil des Bindegewebes und von Knochen. a) Beschreiben Sie kurz seine wichtigsten strukturellen Merkmale. b) Die Bindegewebskrankheit osteogenesis imperfecta („Glasknochenkrankheit“) wird durch einen Defekt in der Kollagenstruktur bewirkt. Analyse des Gens für eine der Kollagenketten bei einem betroffenen Patienten ergab eine Substitution eines Glycinrestes an Position 988 durch einen Cysteinrest, was eine Störung der nativen Kollagenstruktur bewirkt. Versuchen Sie dies anhand der unter a) beschriebenen Merkmale zu erklären. c) Je nach Gewebe können sich verschiedene Arten von Kollagenmolekülen zu Fibrillen zusammenlagern, wobei eine dichte Packung der tripelhelikalen Einheiten durch hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert wird. Kollagen ist zudem kovalent quervernetzt, was seine schlechte Löslichkeit erklärt. Wodurch kommt diese Quervernetzung zustande?

Aufgabe 153 In einem Gelelektrophorese-Experiment werden ein 30 kDa- und ein 92 kDa-Protein als Standards in einem SDS-Polyacrylamidgel verwendet. Ihre relativen elektrophoretischen Mobilitäten in diesem Gels sind 0,80 bzw. 0,41. Wie groß ist die apparente molare Masse eines unbekannten Proteins, das in diesem Gel eine relative Mobilität von 0,62 aufweist?

76

Kapitel 2

Aufgabe 154 Sie tragen auf eine Gelchromatographie-Säule zuerst D-N-Benzoyl-D,L-arginin-p-nitroanilid auf und danach Trypsin. Welche Beobachtung machen Sie und warum? Was beobachten Sie, wenn Sie statt Trypsin Chymotrypsin auftragen? Welche Aminosäuren sind charakteristisch für das aktive Zentrum dieser Enzyme?

Aufgabe 155 Eine Glucoselösung dreht die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht, ist also optisch aktiv. Das gleiche gilt für das Reduktionsprodukt, oft als Sorbitol bezeichnet. a) Wie würden Sie diese Reduktion durchführen? Formulieren Sie eine entsprechende Gleichung mit Strukturformeln. b) Was beobachten Sie, wenn Sie in analoger Weise Galaktose und ihr Reduktionsprodukt untersuchen? Erklären Sie anhand der entsprechenden Strukturen. c) In einer wässrigen Lösung von D-Glucose stellt sich ein Gleichgewicht zwischen α- und βForm ein, wobei bei 40 °C von ersterer ein Stoffmengenanteil von ca. 0,36 und von letzterer von ca. 0,64 vorliegt. Wie groß ist also die Änderung der Freien Enthalpie für die Umwandlung von α- in β-D-Glucose? Würden Sie für die Änderung von 'G eher einen enthalpischen oder einen entropischen Beitrag annehmen?

Aufgabe 156 Formulieren Sie drei Disaccharide mit Strukturformeln, erklären Sie, ob es sich dabei um „reduzierende“ oder „nichtreduzierende“ Zucker handelt und geben Sie ihre Hydrolyseprodukte an!

Aufgabe 157 Sie haben ein Glykogenmolekül mit einem Agens behandelt, das freie Hydroxygruppen methyliert und erhalten nach Hydrolyse des Glykogens u.a. das nebenstehende Produkt. Wo waren diese Moleküle im Glykogen lokalisiert? Begründen Sie!

OH HO H3CO

O OH OCH3

Biomoleküle

77

Aufgabe 158 Stärke und Cellulose sind zwei Kohlenhydrate, die beide ausschließlich aus D-GlucoseMolekülen aufgebaut sind. Dennoch unterscheiden sich beide in ihren Eigenschaften erheblich. a) Beschreiben sie kurz die Unterschiede auf Basis der Molekülstruktur! b) In welcher Form speichern tierische Organismen überwiegend Glucose? Welche Vorteile hat diese Speicherform gegenüber freier Glucose bzw. gegenüber Amylose (in Pflanzen)?

Aufgabe 159 Im Gegensatz den modernen chromatographischen Methoden der Strukturaufklärung, die heute zur detaillierten Aufklärung von Kohlenhydratstrukturen verwendet werden, waren es früher vor allem chemische Methoden, die durch entsprechende Modifizierungen Aufschlüsse über die Strukturen dieser Verbindungsklasse brachten. Mit Hilfe von Reagenzien, wie z.B. Dimethylsulfat (in basischem Milieu), können die freien Hydroxygruppen von Zuckern methyliert werden. Durch eine erschöpfende Methylierung mit anschließendem vollständigen Verdau einer bestimmten Menge eines Homopolysaccharids wurden vier unterschiedliche Glucosederivate erhalten. Erklären Sie mit Hilfe der entsprechenden Strukturformeln, um welches Polysaccharid es sich handeln könnte und welche Information aus dem Stoffmengenverhältnis der gebildeten Verbindungen zu entnehmen ist.

Aufgabe 160 a) Formulieren Sie die folgenden Glykoside in ihrer stabilsten Konformation: x Isomaltose (α-D-Glucopyranosyl-(1Æ6)-α-D-Glucopyranose) x Amydalin (eine Verbindung, die in den Steinen bestimmter Obstsorten vorkommt: sie enthält eine –CH(CN)C6H5-Gruppe gebunden an das C-1-Atom von β-D-Glucopyranosyl(1Æ6)-β-D-glucopyranose) x Das O-gekoppelte Saccharid im Kollagen (5-Hydroxylysin, O-glykosidisch gebunden an β-D-Galaktose). b) Das Glycosaminoglykan Keratansulfat findet sich in Hornhaut, Knochen und Knorpeln zusammen mit anderen Glycosaminoglykanen wie Chondroitinsulfat. Es besteht aus der folgenden sich wiederholenden Disaccharideinheit, die einen Sulfatester am C-6 aufweist: –Gal-β-1Æ4-GlcNAc-6-S-β-1Æ3– Formulieren Sie diese Baueinheit des Keratansulfats.

78

Kapitel 2

Aufgabe 161 In natürlichen Membranen finden sich u.a. zahlreiche unterschiedliche Phospholipide. a) Geben Sie die Strukturformel für ein doppelt ungesättigtes PhosphatidylethanolaminMolekül an! Welchen Ladungszustand erwarten Sie für dieses Lipid in der Zelle? b) Von welchen Parametern hängt die Hauptphasenübergangstemperatur eines Phospholipids ab? Erwarten Sie für das von Ihnen gezeichnete Lipid eine höhere oder niedrigere Hauptphasenübergangstemperatur als für DPPE (1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamin)? Begründen Sie. c) Phasenübergänge sind insbesondere aus der physikalischen Chemie bekannt. Können Sie sich eine Methode vorstellen, die geeignet ist, die Hauptphasenübergangstemperatur eines Lipids wie z.B. DPPE zu bestimmen?

Aufgabe 162 a) Wie erklären sich die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften (z.B. Schmelzpunkt, Härte) von Olivenöl, Butter und Rinderfett? Argumentieren Sie auf Basis der Zusammensetzung dieser Fette. b) In welcher Phase liegen natürliche Membranen vor? Warum? Was lässt sich daraus bezüglich der vorkommenden Fettsäureketten folgern? c) Für ein biochemisches Experiment möchten Sie eine Lipiddoppelschicht zur Simulation einer biologischen Membran aufbauen und sind auf der Suche nach geeigneten Lipiden. In der Gefriertruhe finden sich noch Hexadecyltrimethylammoniumbromid, Dodecanol, Cholesterol und Stearinsäure. Was machen Sie?

Aufgabe 163 Zur experimentellen Untersuchung der Ca2+-abhängigen Bindung eines an der Blutgerinnung beteiligten Proteins wird ein Modellmembransystem benötigt, das die Eigenschaften einer natürlichen Biomembran möglichst gut simulieren soll. Die Membran soll aus mindestens zwei verschiedenen Lipiden zusammengesetzt sein und im Schnitt eine negative Ladung pro fünf Lipidmoleküle aufweisen. a) Skizzieren Sie schematisch den Aufbau einer Plasmamembran einer Säugerzelle und benennen Sie die charakteristischen Komponenten. b) Schlagen Sie geeignete Komponenten zum Aufbau des gewünschten Modellmembransystems vor, geben Sie entsprechende Strukturformeln an und begründen Sie kurz Ihre Wahl.

Biomoleküle

79

Aufgabe 164 Unter dem Begriff Sphingolipidosen versteht man Stoffwechselerkrankungen, die auf einem Enzymdefekt im Sphingolipidabbau beruhen. Derartige Defekte führen zur Speicherung von Abbauprodukten, die sich v.a. im Gehirn, Leber, Milz, Niere und Knochenmark ablagern. Die Ursache ist ein genetisch bedingter Mangel an einer spezifischen Hydrolase, die für den Abbau des entsprechenden Lipids verantwortlich ist. Hierzu gehört z.B. das Tay-Sachs-Syndrom, das auch unter den Bezeichnungen Morbus TaySachs und infantile amaurotische Idiotie (angeborene schwerste Intelligenzminderung mit Erblindung) bekannt ist; eine autosomal-rezessiv vererbte, mit Morbus Sandhoff zu den GM2Gangliosidosen mit Hexosaminidasedefekt gehörende Fettstoffwechselstörung. Die häufigste der sogenannten lysosomalen Speicherkrankheiten ist Morbus Gaucher, die durch einen Mangel des lysosomalen Enzyms Glucocerebrosidase verursacht wird. a) Der Grundkörper aller Sphingolipide ist das Sphingosin. Beschreiben Sie dessen Biosynthese mit Hilfe von Strukturformeln. b) Formulieren Sie ein Glucocerebrosid (Glucose-β-1Æ1´-Ceramid), das bei Morbus Gaucher infolge des Enzymmangels nicht hydrolysiert werden kann.

Aufgabe 165 Valinomycin ist ein sogenannter Carrier-Ionophor. Das zyklische Peptid ist in der Lage, ca. 100 K+-Ionen/s durch eine Zellmembran zu transportieren, wogegen die Transportkapazität für Na+-Ionen um mehrere Zehnerpotenzen niedriger ist. a) Versuchen Sie, eine Erklärung für diese hohe Selektivität zu finden. b) Angenommen, der Transport erfolgt nur vom Extrazellularraum ins Zellinnere (was in der Realität natürlich nicht zutrifft). Wie lange benötigen dann 100 Valinomycin-Moleküle (die zu jeder Zeit mit K+ gesättigt vorliegen sollen), um die K+-Konzentration in einem Erythrozyten mit einem Volumen von 100 μm3 um 10 mM zu erhöhen?

Aufgabe 166 Um die Funktionsweise eines isolierten Proteins zu untersuchen, möchten Sie es in ein einfaches Modellmembransystem rekonstituieren, das die Eigenschaften einer natürlichen Membran möglichst gut simuliert. a) Folgende Chemikalien finden sich noch im Laborkühlschrank: x x x x

Distearoylphosphatidylcholin Palmitoyloleoylphosphatidylserin Cholesterol Dioctanoylphosphatidylcholin

x x x x

Hexadecyltrimethylammoniumbromid Glyceroltripalmitat Dioleoylphosphatidylcholin Natriumdodecylsulfat (SDS)

80

Kapitel 2

Diskutieren Sie die Verwendbarkeit der einzelnen Substanzen. Welche Substanz(en) verwenden Sie? Begründen Sie Ihre Entscheidung! b) Sie haben inzwischen Ihr Protein erfolgreich rekonstituiert. Beschreiben Sie kurz, wie Sie seine laterale Diffusion im Membransystem nachweisen können!

Aufgabe 167 a) Welche durchschnittliche Entfernung legt ein Membranlipid in 1 ms zurück? Der Diffusionskoeffizient D soll 10–8 cm²/s betragen. b) Der Diffusionskoeffizient D eines starren, sphärischen Moleküls ist gegeben durch: D = k T / (6 S K r ) , wobei K die Viskosität des Lösungsmittels, r der Radius des Moleküls, k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur sind. Welchen Diffusionskoeffizienten besitzt ein 100 kDa Protein bei 37 °C in einer Membran, die eine effektive Viskosität von 1 Poise (= 0,1 Paus = 0,1 N/m² u s) hat? (k = 1,38u1023 Nm/K)

Welche durchschnittliche Entfernung legt dieses Protein in 1 ms zurück, wenn man annimmt, dass das Protein eine nicht hydratisierte starre Kugel mit der Dichte 1,35 g/cm³ ist? c) Ein Hepatozyt als Hauptzellart der Leber bildet eine nahezu kubische Zelle mit einer Kantenlänge von 15 μm. Die Dichte der Zelle beträgt etwa 1,03 g/cm³. Berechnen Sie die Anzahl der in der Zelle vorhandenen Proteinmoleküle unter der Annahme, dass der Massenanteil der Zelle an Protein 20 % ist (Y = 0,2) und die durchschnittliche molare Masse der Proteine 5u104 g/mol beträgt. Die gleiche Zelle besitzt 4 Millionen Ribosomen, die in 24 h etwa 1010 Proteine produzieren können. Wie viel Zeit wird unter diesen Bedingungen durchschnittlich für die Synthese eines Proteins benötigt?

Aufgabe 168 Die folgende Abbildung zeigt Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat. 2

OPO3 2

OH O3PO

O H2C O H C O

HO

H2C

HO O

O P O

O

O

Biomoleküle

81

a) Benennen Sie die Moleküle, aus denen es aufgebaut ist. b) Welche Bedeutung hat dieses Phospholipid, das in geringen Mengen auf der Innenseite der Plasmamembran vorkommt?

Aufgabe 169 Für die passive Diffusion von K+-Ionen durch die Erythrozytenmembran fand man einen Permeabilitätskoeffizienten P = 2,4 u 10–10 cm/s. a) Berechnen Sie die Stoffmenge an K+-Ionen, die in einer Minute durch die Membran eines einzelnen Erythrozyten (Oberfläche A = 100 Pm2) diffundiert, wenn folgende Konzentrationsverhältnisse vorliegen: c (K+)innen = 100 mM; c (K+)außen = 15 mM b) Die Geschwindigkeit des Transports von K+-Ionen vermittelt durch Valinomycin durch eine Lipiddoppelschicht aus Dimyristoylphosphatidylcholin (DMPC; Hauptphasenübergangstemperatur Tm = 23 °C) sinkt drastisch, wenn man die Temperatur von 25 °C auf 15 °C absenkt. Dagegen bleibt die Transportgeschwindigkeit in Anwesenheit von Gramicidin A unter vergleichbaren Bedingungen nahezu unverändert. Erklären Sie diesen Befund!

Aufgabe 170 Ein Lipidgemisch, bestehend aus Cholesterylpalmitat (einem Sterolester), Phosphatidylcholin, Glyceroltripalmitat, Cholesterol, Phosphatidylserin, n-Tetradecanol und Sphingomyelin, soll durch Adsorptionschromatographie aufgetrennt werden. Schlagen Sie eine geeignete Kombination aus stationärer und mobiler Phase vor und geben Sie an, in welcher Reihenfolge Sie die Elution der Substanzen erwarten würden.

Aufgabe 171 Die Aufnahme von Glucose in eine Zelle kann auf verschiedene Arten erfolgen. So tritt Glucose in manche Zellen durch einfache Diffusion durch eine Pore oder einen Kanal ein, während z.B. die Aufnahme in Erythrozyten durch einen passiven Transportmechanismus erfolgt. Erstellen Sie eine Skizze für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Glucosetransports von der extrazellulären Glucosekonzentration für die beiden beschriebenen Mechanismen und erklären Sie, worauf die unterschiedliche Geschwindigkeit beruht.

82

Kapitel 2

Aufgabe 172 Für viele Substanzen ist die passive Diffusion durch biologische Membranen zu langsam für die Erfordernisse der Zelle; es sind also spezielle Transportmechanismen erforderlich. Eine Untersuchung der Permeabilitätskoeffizienten von Cl–- und HCO3–-Ionen, deren Transport eine essentielle Rolle für die Funktion von Erythrozyten spielt, ergab Werte von ca. 10–4 cm/s. Dagegen sind die Permeabilitätskoeffizienten in einer künstlichen Membran, z.B. aus Phosphatidylserin, um ca. einen Faktor 106 niedriger. Typische Biomembranen weisen eine Dicke von ca. 3 nm auf. Das Bakterium Bacillus brevis bildet ein interessantes Oligopeptid, das Gramicidin A. Es besteht aus 15 durchwegs hydrophoben Aminosäuren, wobei D- und L-Aminosäuren abwechselnd vorkommen. Betrachtet man die elektrische Leitfähigkeit über eine künstliche Membran hinweg in Anwesenheit kleiner Mengen an Gramicidin, so beobachtet man mit der Zeit eine stufenweise Zu- oder Abnahme der Leitfähigkeit. a) Versuchen Sie die Wirkungsweise von Gramicidin A aus diesen Befunden zu erklären. b) Der N-Terminus von Gramicidin A ist formyliert. Könnte es seine Funktion ohne diese kovalente Modifikation der N-terminalen Aminosäure erfüllen?

Aufgabe 173 Kalium-Kanäle in Zellen sind um ca. den Faktor 100 durchlässiger für K+-Ionen als für Na+Ionen. Ein „Selektivitätsfilter“ erlaubt aufgrund seines Durchmessers von 3 Å maximal Ionen mit einem Radius von 1,5 Å den Durchtritt. Aufgrund ihrer Ionenradien sollten also sowohl Na+ (0,95 Å) wie auch K+ (1,33 Å) passieren können. Wie wird trotzdem diese hohe Selektivität erreicht?

Aufgabe 174 Durch aktiven Transport ist es möglich, Stoffe auch gegen ihren Konzentrationsgradienten zu transportieren. Dies ist beispielsweise erforderlich zur Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials einer Zelle, das typischerweise ca. –70 mV beträgt. Die physiologischen Konzentrationen von Na+-Ionen innerhalb bzw. außerhalb der Zelle betragen ca. 14 mM bzw. 143 mM, diejenigen von K+-Ionen 157 mM bzw. 4 mM. Die Freie Standardenthalpie 'G°´ (bezogen auf die in der Biochemie üblichen Standardbedingungen, d.h. pH = 7) für die Hydrolyse von ATP beträgt –30,5 kJ/mol. In der Zelle (T = 37 °C) sind die Konzentrationen von ATP, ADP und Pi aber wesentlich kleiner als 1 mol/L. So betragen sie z.B. im Erythrozyten 2,25 mM bzw. 0,25 mM bzw. 1,65 mM für ATP bzw. ADP bzw. Pi. Genügt unter diesen Bedingungen die Hydrolyse von einem Molekül ATP (d.h. die dabei freiwerdende Freie Enthalpie), um einen Transportzyklus der Na+-K+-ATPase zu bewerkstelligen?

Biomoleküle

83

Aufgabe 175 Unter der Bezeichnung Herzglykoside sind natürlich vorkommende Verbindungen bekannt, die die Stärke der Herzmuskelkontraktion erhöhen können. So lässt sich aus den Blättern des roten Fingerhuts ein Extrakt gewinnen, der eine Mischung verschiedener Herzglykoside, u.a. Digitoxin, enthält und der Jahrhunderte lang zur Behandlung kongestiver Herzinsuffizienz eingesetzt wurde. Eine weitere derartige Verbindung, das Strophantin (auch Ouabain genannt), wurde lange als Pfeilgift verwendet. Beide Steroide kommen auch heute noch als Herzmedikamente zum Einsatz; sie binden fest an die Na+-K+-ATPase und hemmen diese. a) Erklären Sie die normale Funktionsweise der Na+-K+-ATPase. b) Erklären Sie, wie eine Bindung von Strophantin an die Na+-K+-ATPase eine Verstärkung der Kontraktion des Herzmuskels bewirken kann.

Aufgabe 176 Glucose kann ebenso wie zahlreiche andere Verbindungen durch einen nicht vermittelten Vorgang, d.h. passive Diffusion in Zellen gelangen. Dabei ist die Geschwindigkeit dieses Prozesses proportional der Löslichkeit der Verbindung in der Membran und ihrer Konzentrationsdifferenz auf beiden Seiten der Membran: der Fluss (Transportgeschwindigkeit je Flächeneinheit) steigt mit dem Konzentrationsgefälle 'c. Ist dagegen ein Transportmolekül am Transport von Glucose beteiligt, so ist der Fluss nicht länger linear. Beschreiben Sie vier Kriterien, in denen sich vermittelter und nicht vermittelter Transport typischerweise unterscheiden.

Aufgabe 177 Beim Stofftransport durch biologische Membranen spielt das elektrochemische Potenzial eine wichtige Rolle. Gegeben sei eine Zelle bei 25 °C mit einem Membranpotenzial von –70 mV (d.h. das Zellinnere ist negativ gegenüber dem Extrazellularraum) und einer cytosolischen Na+-Konzentration von 14 mM. Die Na+-Konzentration außerhalb der Zelle betrage 140 mM. Diese Na+-Konzentrationsverhältnisse werden durch die gleichzeitige Wirkung der Na+-K+ATPase konstant gehalten. Ein Symporter in der Zellmembran ermöglicht den gleichzeitigen Transport von einem Molekül Glucose und 2 Na+-Ionen. Welches Konzentrationsverhältnis c(Glucose)innen / c(Glucose)außen kann durch diesen Symporter durch den Einstrom von Na+ erreicht werden, wenn keine zusätzliche Energie in Form von ATP aufgebracht (d.h nur der vorhandene Na+-Gradient genutzt) werden soll? Die Faraday-Konstante beträgt 96500 C/mol.

84

Kapitel 2

Aufgabe 178 Wie heißt das gezeigte Coenzym? Nennen Sie ein Enzym, das dieses Coenzym enthält! Geben Sie jeweils die kompletten Bezeichnungen an, keine Abkürzungen. Welche Reaktion katalysiert dieses Enzym?

O H3C

N

H3C

N

NH O

N

CH2 H C OH H C OH H C OH H2C O

2

PO3

Aufgabe 179 Der Nicotinamidring in NAD+ hat in zahlreichen biochemischen Redoxreaktionen eine entscheidende Bedeutung. a) Welches Ion wird angelagert? Formulieren Sie die entsprechende Reaktion und zeigen Sie die Bewegung aller Elektronenpaare. b) Welche spektroskopischen Folgen hat diese Reaktion?

Aufgabe 180 Welche Eigenschaft des Flavinadenindinucleotids und des Flavinmononucleotids ermöglicht es diesen Coenzymen, in den Komplexen der Atmungskette zwischen Zwei-ElektronenTrägern (z.B. Ubichinol) und obligaten Ein-Elektron-Trägern (z.B. Cytochrom c) zu vermitteln?

Aufgabe 181 Nennen Sie zwei biochemische Reaktionen, für deren Ablauf die Vitamine Thiamin, Pantothensäure, Riboflavin und Nicotinsäure notwendig sind und formulieren Sie die Gleichung für eine der beiden. Wie sind die genannten Vitamine daran beteiligt?

Biomoleküle

85

Aufgabe 182 Benennen Sie die nachfolgend gezeigten Coenzyme und kreisen Sie jeweils die Atomgruppierung (max. 3 Atome enthaltend) ein, die während enzymkatalysierter Prozesse chemisch verändert wird. NH2 N O HS

(CH2)2

OH CH3

NH C

(CH2)2

NH C CH C CH2 O

O

CH3

O

O

P O

P O CH2

O

O

a)

N

N

O

O O

N

OH

P O O

S

S

O

NH O

b)

Lys

NH2 NH2

Enzym N

O

CH2 O

O

N

O

P O

P O

O

O

CH2

N

N

O

N O

H 2

C

OH

N H

CH3

OH

OH

O

P O O

OH

O3PO

d)

O

c)

86

Kapitel 2

Aufgabe 183 Bestimmen Sie für jede der folgenden Reaktionen den Reaktionstyp und das vermutlich beteiligte Coenzym. O

O

a

O

O

OH

O O

O

b

O

H

CO2

+

O O

c

O SCoA

O

d

HCO3

+

+

ATP

+

SCoA

ADP

+

Pi

O

O

O

SCoA CH3

SCoA O

TPP

O +

HSCoA

TPP

+

OH

SCoA

O

f

O

O

e

O

O

O

O

O O

+

NH4

O

O

O NH3

+

H 2O

Biomoleküle

87

Aufgabe 184 Um welche Substanzen handelt es sich (keine Abkürzungen)? CH2OH

O HN

a)

OH HO

b)

H

NH2

HO CH2 H

N

H

O

H3CO

CH3

H H

d)

H2N

e)

N H

N

f)

COOH

g)

h)

HO

H2N

COO

OH

i)

2

CH2 OH

O3PO N

HO

k)

OH

O

OH H3C

N

HN

10 OH

H OH

O

CH3

H3CO

O

H

H2C COO

H

OH

N

c)

OH

HO

COO

S

H2C COO HO C COO

O H

H

NH

(CH2)12 CH CH CH CH CH2 O P R C

NH

O

H

CH3 O CH2 CH2 N CH3 CH3

HOCH2 HO HO

O OH

O

l)

CH3

m)

O PO 2 3

88

Kapitel 2

Aufgabe 185 Aus dem Vitamin Folsäure geht eine Reihe von Coenzymen hervor, die an der Übertragung von C1-Bausteinen beteiligt sind und von denen im Folgenden jeweils der charakteristische Ausschnitt gezeigt ist. 5

N C N H2

10

5

5

N

N H

HN

1

10

HC O

2

5

5

N H

HN

10

4

10

3

5

N H3C

N

HN 5

10

N H H 3C

N

10

6

Welches der gezeigten Coenzyme a) dient als Substrat für das Enzym, das durch die Verbindung Methotrexat gehemmt wird? b) ist an der Umwandlung von Serin in Glycin beteiligt? c) tritt in der Natur nicht auf? d) trägt das am höchsten oxidierte C1-Fragment? e) ist an der Synthese von Purinnucleotiden beteiligt? f) überträgt ein C1-Fragment auf Vitamin B12? Welche Aminosäure wird am Ende dieses Prozesses gebildet? g) fungiert als Coenzym bei der von der Thymidylat-Synthase katalysierten Reaktion?

Aufgabe 186 Von allen Vitaminen das bekannteste ist vermutlich die Ascorbinsäure (Vitamin C). Außer von Primaten (incl. dem Menschen) und Meerschweinchen, denen das Enzym L-GluconolactonOxidase fehlt, kann Ascorbinsäure von allen Organismen ausgehend von Glucose synthetisiert werden. a) Beim ersten Blick auf die Strukturformel der Ascorbinsäure erstaunt die Bezeichnung -säure, da keine Carbonsäuregruppe vorliegt. Tatsächlich liegt die Ascorbinsäure (pKS = 4,2) unter physiologischen Bedingung praktisch vollständig als Anion (Ascorbat) vor. Wodurch wird diese Acidität bewirkt? b) Ascorbat ist an zahlreichen Reaktionen im menschlichen Organismus beteiligt. Beschreiben Sie seine wichtigsten Funktionen und geben Sie einige exemplarische Beispiele an. c) Wie äußert sich ein länger anhaltender Vitamin C-Mangel typischerweise?

Kapitel 3 Enzymkinetik und optische Bestimmungen

Aufgabe 187 Zur Bestimmung der Aktivität des Enzyms Lactat-Dehydrogenase (LDH) wird in eine Küvette (d = 0,5 cm) Pyruvat, NADH und Puffer mit einem Gesamtvolumen von 1,49 mL pipettiert. Die Absorbanz wird bei 340 nm gemessen und beträgt 1,40. Nach dem Start der Reaktion mit 10 μL LDH-Lösung wird die Änderung der Absorbanz 'A bestimmt und dabei folgende Werte ermittelt. t (s)

0

30

60

90

120

A

1,40

1,245

1,09

0,935

0,88

H340 nm (NADH) = 6,2×103 L u mol–1 u cm–1. Bestimmen Sie die Volumenaktivität der LDH-Lösung (U/mL).

Aufgabe 188 In einem Reaktionsgemisch befinden sich Hexokinase und die Substrate Glucose, Fructose und ATP in jeweils einer Konzentration von 5 mM. Die KM-Werte betragen KM (Glucose):

0,05 mM

KM (Fructose):

1,5 mM

KM (ATP):

25 mM

Welches Hauptprodukt erwarten Sie? Durch Zugabe welches der drei Substrate ist eine deutliche Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit zu erwarten? Begründen Sie jeweils.

Aufgabe 189 Zur Bestimmung des Ethanolgehalts eines Getränkes wird in eine Küvette (d = 1 cm) pipettiert: Puffer (pH 8,5), NAD+ und 0,05 mL des Getränkes (1:2000 verdünnt). Das Gesamtvolumen beträgt 0,995 mL, die gemessene Absorbanz A340 = 0,15. Nach Zugabe von 0,005 mL Alkohol-Dehydrogenase aus Hefe steigt A340 auf 0,460. Der Absorptionskoeffizient H = 6,2 mL u cm–1 u μmol–1.

90

Kapitel 3

a) Berechnen Sie die Stoffmengen- bzw. die Volumenkonzentration an Ethanol (U = 0,79 g/mL) in dem Getränk. Mr (C) = 12; Mr (H) = 1; Mr (O) = 16 b) Warum ist es nötig, den Test im leicht basischen Milieu ablaufen zu lassen, damit die quantitative Bestimmung erfolgreich verläuft? Welche weiteren Maßnahmen wären dazu hilfreich?

Aufgabe 190 Sie möchten einen zusammengesetzten optisch-enzymatischen Test zur Bestimmung der Konzentration einer ADP-Lösung entwickeln. In Ihrem Chemikalienschrank finden Sie Puffer, Phosphoenolpyruvat, MgCl2 und NADH. Was fehlt Ihnen noch für einen erfolgreichen Test und welche Reaktionen laufen dann ab?

Aufgabe 191 Bei der Diagnostik des Diabetes mellitus spielt der Grad der Ketogenese eine wichtige Rolle. In einer Serumprobe soll dazu der Gehalt an β-Hydroxybutyrat bestimmt werden. Es werden 100 μL eines 1:4 verdünnten Serums in eine Küvette (d = 1 cm) pipettiert, die Puffer (pH 8,5) und NAD+ enthält. Nach Zugabe eines Enzyms steigt die Absorbanz von 0,21 auf 0,89 an und bleibt dann konstant. Das Endvolumen in der Küvette beträgt 2,0 mL, der Absorptionskoeffizient H366 = 3,4 u 103 L u mol–1 u cm–1. a) Welche Reaktion läuft in der Küvette ab? b) In welcher Konzentration liegt das β-Hydroxybutyrat im Serum vor?

Aufgabe 192 Die Aktivität der Aspartat-Aminotransferase einer Serumprobe soll bestimmt werden. a) Welche Reaktion bietet sich dabei als Hilfsreaktion für einen gekoppelten optischenzymatischen Test an? Warum ist diese Hilfsreaktion möglich, obwohl im Citratzyklus die Reaktion in die andere Richtung abläuft? Wie ist diese umgekehrte Richtung im Citratzyklus zu erklären? b) Wenn Sie 100 PL Probe in dem entsprechenden Test einsetzen, ändert sich die Absorbanz der Hilfsreaktion um 0,017/min. Bestimmen Sie die Aktivität z und die Volumenaktivität zV des Enzyms! Das Testvolumen in der Küvette beträgt 1 mL, die Schichtdicke 1 cm, der Absorptionskoeffizient ist H = 3,4 mL × Pmol–1 × cm–1.

Enzymkinetik und optische Bestimmungen

91

Aufgabe 193 Für Biertrinker, denen der Alkoholabbau im Blut zu langsam voranschreitet, arbeitet die biochemische Industrie an zwei gentechnisch modifizierten Enzymen, der Salvatorase und der Erdingerase. Beide folgen der Michaelis-Menten Kinetik, wobei die Wechselzahl der Salvatorase doppelt so hoch ist, wie die der Erdingerase. Selbstverständlich katalysieren sie die identische Reaktion – die Oxidation von Ethanol. Die Michaelis-Konstante KM der Salvatorase beträgt 4,3×10–2 mol/L, die der Erdingerase dagegen 7u10–5 mol/L. a) Zeigen Sie anhand einer (sauberen) Skizze die Abhängigkeit der Umsatzgeschwindigkeit X von der Substratkonzentration für die Erdingerase in Abwesenheit und in Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors. Was könnte ein solcher Inhibitor sein? b) Nach einem Besuch im Biergarten beträgt Ihr Blutalkoholspiegel 2,5 Promille (= Volumenanteil!). Wie würden sich die Anfangsgeschwindigkeiten beider Enzyme unterscheiden, wenn Sie diese im Blut hätten? Die Dichte von Ethanol ist 0,79 g/mL; Mr (C) = 12; Mr (O) = 16; Mr (H) = 1

Aufgabe 194 Sie möchten die enzymatische Aktivität der Fumarat-Hydratase (Fumarase) bestimmen. a) Formulieren Sie die zugrunde liegende Reaktion. b) Um die Enzymaktivität der Fumarase messen zu können, ist ein gekoppelter optischenzymatischer Test notwendig. Schlagen Sie eine geeignete Indikatorreaktion vor und begründen Sie ihre Wahl. Erklären Sie, warum sich die Malat-Dehydrogenase dazu nicht eignet.

Aufgabe 195 Von einem Enzym innerhalb des Stoffwechsels ist bekannt, dass es einer Kinetik nach Michaelis und Menten gehorcht. a) Wie viel Prozent der maximalen Umsatzgeschwindigkeit erreicht dieses Enzym, wenn die vorliegende Substratkonzentration c(S) = 4 KM beträgt? b)Wie verändern sich Xmax und KM, wenn ein Suizidinhibitor im aktiven Zentrum des Enzyms bindet und dabei die Hälfte aller Enzymmoleküle inhibiert?

92

Kapitel 3

Aufgabe 196 Sie möchten die Enzymaktivität der Glycerolaldehyd-Dehydrogenase über die Entstehung von NADH/H+ bestimmen und bekommen den nachfolgend abgebildeten Verlauf. 0,7 0,6 0,5

A

0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

2

4

6

8

10

12

14

t / min

a) Aus welchem Zeitabschnitt können Sie die Enzymaktivität ermitteln? Berechnen Sie die Aktivität in der Küvette. (d = 1 cm, H= 3,4 mL μmol–1 cm–1, Testvolumen V = 1 mL) b) Wie ändern sich der Graph, die Aktivität, die spezifische Aktivität des Enzyms sowie die Michaelis-Konstante, wenn Sie die doppelte Menge Enzym einsetzen?

Aufgabe 197 Für zwei Enzyme E1 und E2, die in gleicher Menge im Reagenzglas vorhanden sind und um dasselbe Substrat konkurrieren, wurde die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Substratkonzentration untersucht. Dabei ergab sich das folgende schematische Bild:

X

10

20

30

40

50

c(S) /μmol/mL

Enzymkinetik und optische Bestimmungen

93

a) Durch welches Modell lässt sich das Verhalten der beiden Enzyme beschreiben? Geben Sie den mathematischen Ausdruck an, der die erhaltenen Kurven beschreiben kann. Worauf würde ein sigmoider Kurvenverlauf hinweisen? b) Welches Enzym setzt bei einer Substratkonzentration von 10 μmol/mL hauptsächlich das Substrat um? Welcher Parameter ist dafür charakteristisch? Welches Enzym ist bei hoher Substratkonzentration effektiver?

Aufgabe 198 In einer Küvette befinden sich Wasser, Puffer, 2 mM NAD+ und 1,5 mM Fructose-1,6bisphosphat. Die Absorbanz A0 bei 366 nm beträgt 0,12. Nach Zugabe von Aldolase und Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase steigt die Absorbanz bis auf 0,18 an, wo sie ein Plateau erreicht. (d = 1 cm; HNADH = 3,4 L × mmol–1 × cm–1) a) Welches Substrat muss zusätzlich in der Küvette gewesen sein? b) Warum hört die Absorbanz auf zu steigen ? c) Bei welcher Absorbanz hätte sich das Plateau eingestellt, wenn sich in der Küvette neben den oben genannten Substanzen auch Arsenat befunden hätte? Wären diese Bedingungen geeignet für eine Bestimmung der Konzentration an Fructose-1,6-bisphosphat?

Aufgabe 199 a) Formulieren Sie die Reaktion, die von der Lactat-Dehydrogenase (LDH) katalysiert wird, mit Strukturformeln (auch für den reaktiven Teil des beteiligten Coenzyms!), und machen Sie kenntlich, welches H-Atom im Lactat-Ion vom Coenzym stammt. b) Zur Bestimmung der LDH-Aktivität wird in eine Küvette (d = 0,5 cm) das Substrat, das Coenzym und Puffer pipettiert. Das Gesamtvolumen dieser Lösungen beträgt 1,49 mL, die bei 340 nm gemessene Absorbanz A340 nm = 0,875, der Absorptionskoeffizient H340 nm = 6,2 L/mol cm. Sofort nach dem Start der Reaktion durch Zugabe von 0,1 mL LDH-Lösung wird die Absorbanz 3 min lang in Abständen von 15 s gemessen. Daraus wird eine Anfangsgeschwindigkeit von 'A/min = 0,093 bestimmt. Berechnen Sie die maximale Aktivitätskonzentration („Volumenaktivität“) der LDH-Lösung. c) Nach ca. 20 min blieb die Absorbanz konstant (A340 nm = 0,235). Welche Stoffmenge an Lactat ist in der Küvette gebildet worden?

94

Kapitel 3

Aufgabe 200 Ein Patient produziert 2 L Harn pro 24 Stunden. Eine Probe davon wird 1:200 verdünnt und der Harnstoffgehalt mit Hilfe eines gekoppelten optisch-enzymatischen Tests ermittelt. a) Welche Reaktionen laufen dabei ab? Welche Enzyme werden dafür benötigt? b) Der Test liefert eine Harnstoffkonzentration von 1,2 μmol/mL. Welche Masse an Harnstoff hat der Patient in 24 h ausgeschieden? Mr (C) = 12; Mr (H) = 1; Mr (N) = 14; Mr (O) = 16

Aufgabe 201 Zwei Enzyme A und B, die der Michaelis-Menten-Kinetik folgen, katalysieren dieselbe Reaktion und haben eine identische Xmax. Die Michaelis-Konstante KM von A beträgt 10–8 mol/L, die von B 10–3 mol/L. a) Zeigen Sie anhand einer Skizze die Abhängigkeit der Umsatzgeschwindigkeit X von der Substratkonzentration für Enzym A in Abwesenheit und in Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors. b) Wie hoch ist etwa das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten beider Enzyme, wenn bei einer Substratkonzentration von 10–3 mol/L gemessen wird?

Aufgabe 202 Die Carboanhydrase besitzt eine sehr hohe molare katalytische Aktivität. Für den Umsatz eines Substratmoleküls (= katalytische Zykluszeit) benötigt das Enzym 1,7 μs. Das Enzym hat eine molare Masse von M (Enz) = 3,0u104 g/mol und nur ein aktives Zentrum. Welche Masse an CO2 kann man mit 30 mg dieses Enzyms in einer Stunde hydratisieren, wenn durch ausreichenden CO2-Nachschub sichergestellt ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeit über die ganze Zeit konstant hoch bleibt?

Aufgabe 203 Die Kinetik eines Enzyms wurde als Funktion der Substratkonzentration in Ab- und Anwesenheit von 2 mM eines Inhibitors I bestimmt.

Enzymkinetik und optische Bestimmungen

c(S) / μM

95

Anfangsgeschwindigkeit / μmol L–1 min–1

3

ohne Inhibitor 10,4

mit Inhibitor 4,1

5

14,5

6,4

10

22,5

11,3

30

33,8

22,6

90

40,5

33,8

a) Bestimmen Sie Xmax. und KM in Ab- und Anwesenheit des Inhibitors. Welcher Hemmtyp liegt vor? b) Bestimmen Sie die Konstante KI des Inhibitors. c) Geben Sie den Anteil von Enzymmolekülen an, die ein Substrat- bzw. ein Inhibitormolekül gebunden haben, wenn c(S) = 10 PM und c(I) = 2 mM. d) Geben Sie den Anteil von Enzymmolekülen an, die ein Substratmolekül gebunden haben, wenn c(S) = 30 PM und c(I) = 2 mM. Vergleichen Sie dieses Verhältnis mit dem Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten unter den gleichen Bedingungen.

Aufgabe 204 In Anwesenheit von 100 μM eines anderen Inhibitors ergibt sich folgendes Bild: c(S) / μM

Anfangsgeschwindigkeit / μmol L–1 min–1 ohne Inhibitor

mit Inhibitor

3

10,4

2,1

5

14,5

2,9

10

22,5

4,5

30

33,8

6,8

90

40,5

8,1

a) Bestimmen Sie Xmax und KM in Ab- und Anwesenheit dieses Inhibitors. b) Vergleichen Sie mit der vorangegangenen Aufgabe. Welcher Hemmtyp liegt vor? c) Bestimmen Sie die Dissoziationskonstante für diesen Inhibitor. d) Geben Sie den Anteil von Enzymmolekülen an, die ein Substratmolekül gebunden haben, wenn c(S) = 30 PM und die Inhibitorkonzentration 0 bzw 100 μM beträgt.

96

Kapitel 3

Aufgabe 205 Neben der am häufigsten benutzten Auftragung nach Lineweaver und Burk existieren auch noch andere Möglichkeiten zur Linearisierung der Daten einer Kinetik nach Michaelis und Menten. Eine davon wird als Eadie-Hofstee-Plot bezeichnet. Hier wird X0 gegen X0/c(S) aufgetragen. Formen Sie die Michaelis-Menten-Gleichung so um, das Sie X0 als Funktion von X0/c(S) erhalten. Welche Größen definieren die Steigung, der y- bzw der x-Abschnitt eines solchen Plots? Skizzieren Sie schematisch einen Eadie-Hofstee-Plot in Abwesenheit eines Inhibitors, in Anwesenheit eines kompetitiven bzw. in Anwesenheit eines nichtkompetitiven Hemmstoffs.

Aufgabe 206 Ein einfaches Enzym, das der Michaelis-Menten-Kinetik folgt, ergab in Abwesenheit von Inhibitoren folgendes kinetisches Verhalten. Der erwartete Wert für Xmax ist auf der y-Achse angegeben.

Xmax

c(S) Zeichnen Sie einen doppelt-reziproken Plot, der obiger X0 versus c(S)-Auftragung entspricht. Geben Sie eine Erklärung für dieses Verhalten.

Enzymkinetik und optische Bestimmungen

97

Aufgabe 207 Das humane Immunschwächevirus 1 (HIV-1) codiert eine Protease mit einer molaren Masse M = 2,15u104 g/mol, die für den Zusammenbau und die Reifung des Virus erforderlich ist. Diese Protease katalysiert die Hydrolyse eines Heptapeptids mit einer katalytischen Konstante kcat = 103 s–1 und einer Michaelis-Konstante KM = 0,075 mol/L. a) Berechnen Sie Xmax für die Hydrolyse dieses Substrats, wenn die Konzentration der HIVProtease 0,3 mg/mL beträgt. b) Es wurde eine zum Substrat analoge Verbindung hergestellt, bei der die (–C(O)NH–)Gruppen durch (–CH2NH2–)-Gruppen substituiert wurden. Sie kann durch die Protease nicht gespalten werden und fungiert als Inhibitor. In Anwesenheit des Inhibitors in einer Konzentration von 2,5 Pmol/L unter ansonsten identischen Bedingungen wurde eine Maximalgeschwindigkeit Xmax = 1,43u10–2 mol/L s ermittelt. Welche Art von Enzymhemmung liegt demnach vor? War dieser Befund aufgrund der Struktur des Inhibitors zu erwarten?

Aufgabe 208 Isoenzyme katalysieren die gleiche Reaktion, unterscheiden sich aber typischerweise in ihren kinetischen Daten. Ein klassisches Beispiel sind die beiden Isoenzyme Hexokinase und Glucokinase. Wie unterscheiden sich humane Hexokinase und Glucokinase hinsichtlich a) Lokalisation in den Körpergeweben b) Spezifität c) Affinität zu Glucose (relative Angabe) d) Regulation?

Kapitel 4 Energetik und Stoffwechsel: Glucosestoffwechsel, Citratzyklus, Atmungskette, Fettstoffwechsel, Aminosäure- und Nucleotidstoffwechsel

Aufgabe 209 ATP wird oft als „Energiewährung“ der Zelle bezeichnet. a) Welche Eigenschaften sind es, die ATP besonders geeignet für diese Aufgabe machen? b) Im Körper eines Erwachsenen liegen ca. 100 g ATP vor, der tägliche Bedarf ist aber – auch ohne körperliche Anstrengung – um ein Vielfaches höher. Wie ist das möglich?

Aufgabe 210 Phosphathaltige, sogenannte „energiereiche Verbindungen“, spielen im menschlichen Stoffwechsel eine herausragende Rolle. a) Nennen Sie die typischen Substanzklassen und geben Sie jeweils ein Beispiel. b) Was versteht man unter dem Gruppenübertragungspotenzial? Wie kommt das relativ hohe Gruppenübertragungspotenzial von ATP zustande? c) Formulieren Sie drei Reaktionen, mit Hilfe derer ATP aus Metaboliten des Stoffwechsels regeneriert werden kann. d) Eine dieser Verbindungen dient in Muskelzellen als Energiereservoir, das für einige Minuten eine sehr rasche ATP-Versorgung gewährleisten kann. Geben Sie die dabei ablaufende Reaktion an. Die Rückreaktion dieser Reaktion ist mit einem 'G°´ von +12,6 kJ/mol deutlich endergon. Wie kann sie in der Zelle dennoch ablaufen? e) Warum sterben Hirnzellen bei mangelnder Sauerstoffzufuhr besonders rasch ab?

Aufgabe 211 Gegeben seien zwei Metabolite, die in beiden Richtungen (d.h. Katabolismus bzw. Anabolismus) ineinander umgewandelt werden können. a) Begründen Sie, warum die beiden daran beteiligten Stoffwechselwege sich unterscheiden müssen.

100

Kapitel 4

b) Nennen Sie einige Mechanismen zur Regulation von Stoffwechselprozessen. Was sind sogenannte Schlüsselenzyme?

Aufgabe 212 Die meisten Enzyme besitzen neben ihrem aktiven Zentrum auch eine oder mehrere Regionen, die ausschließlich der Regulation ihrer Aktivität dienen. Diese werden als allosterische Zentren bezeichnet und binden entsprechend sogenannte allosterische Effektoren, die keine Ähnlichkeit mit dem Substrat aufweisen müssen. a) Skizzieren Sie kurz ein gängiges Modell für allosterische Enzyme. b) Innerhalb der Aktivatoren und Inhibitoren eines allosterischen Enzyms lassen sich zwei Gruppen unterscheiden, deren unterschiedlicher Einfluss auf die Kinetik des Enzyms z.B. anhand eines Michaelis-Menten-Diagramms erkannt werden kann. Beschreiben Sie diese unterschiedlichen Effektor-Typen und geben Sie jeweils ein typisches Beispiel.

Aufgabe 213 Gegeben sei ein kataboler Stoffwechselprozess, bei dem in vier Schritten aus einem Edukt A die Verbindung E entsteht. Anschließend verzweigt sich der Prozess. Ausgehend von E entsteht zum einen in zwei Schritten das Produkt G, während der andere Zweig in drei Schritten zum Produkt J führt. Dabei bewirkt das Edukt A eine positive Rückkopplung auf das Enzym, welches die Bildung von E katalysiert. G und J wirken beide als Hemmstoffe und inhibieren dabei den ersten Stoffwechselschritt sowie das jeweils erste Enzym nach der Verzweigung des Prozesses. a) Erstellen Sie ein Diagramm, das die Regulation dieses Stoffwechselweges beschreibt. b) Welchen Vorteil hat es, wenn jedes der beiden Endprodukte zwei Enzyme des Prozesses hemmt?

Aufgabe 214 Die meisten Reaktionen in der Zelle, die Energiezufuhr benötigen, um ablaufen zu können, nutzen dazu ATP, so dass dieses oft als universelle Energiewährung der Zelle bezeichnet wird. Andere Nucleosidtriphosphate können diese Funktion aber auch erfüllen. Nennen Sie wichtige Synthese-Vorgänge in der Zelle, bei denen GTP gebraucht wird!

Stoffwechsel

101

Aufgabe 215 Das System ADP/ATP steht im Zentrum des Energieaustausches in biologischen Systemen. a) Nennen Sie einige zelluläre Prozesse, für die Energie in Form von ATP zur Verfügung gestellt wird. b) Für das ATP existieren mehrere Möglichkeiten, geeignete Akzeptorgruppen durch Übertragung von Teilen des ATP-Moleküls zu aktivieren. Beschreiben Sie die beiden häufigsten Varianten anhand einiger Beispiele.

Aufgabe 216 Phosphocreatin und Phosphoarginin sind energiereiche Phosphatspeichermoleküle, die in tierischen Muskelzellen vorkommen. Die Phosphorylgruppen sind dabei über eine Amidbindung mit einer Guanidiniumgruppe verknüpft und weisen ein höheres Phosphatgruppenübertragungspotenzial auf als ATP. In den Muskelzellen von Wirbeltieren werden in Ruhephasen des Muskels (hohe ATP-Konzentration) größere Mengen Phosphocreatin gebildet. Sinkt der ATP-Spiegel durch Muskelaktivität, so katalysiert die Creatin-Kinase die schnelle Nachlieferung von ATP durch Übertragung einer Phosphorylgruppe auf ADP. a) Formulieren Sie diese von der Creatin-Kinase katalysierte Reaktion. b) Welches ATP/ADP-Verhältnis ist erforderlich, um ein Phosphocreatin/Creatin-Verhältnis von 20:1 aufrechtzuerhalten? Die Freie Standardenthalpie 'G°´ für die Hydrolyse von Phosphocreatin zu Kreatin und Pi beträgt –43 kJ/mol, diejenige für die Hydrolyse von ATP zu ADP + Pi beträgt –30,5 kJ/mol.

Aufgabe 217 a) In welchen Zellkompartimenten laufen folgende Stoffwechselwege ab? Welche Wege unterscheiden sich diesbezüglich von den übrigen? Stoffwechselweg Glykolyse Harnstoffzyklus Gluconeogenese E-Oxidation von Fettsäuren Biosynthese von Fettsäuren Atmungskette Citratzyklus Ketonkörpersynthese

Zellkompartiment

102

Kapitel 4

b) In welchen der folgenden zellulären Strukturen finden Sie DNA und/oder RNA ? DNA

RNA

Mitochondrien Lysosomen Cytoplasma Nucleosomen Endoplasmatisches Retikulum Zellkern

Aufgabe 218 Die folgende Abbildung zeigt einen kovalenten Enzym-Substrat-Komplex. H 2C O

PO32

C NH HO

Enzym

CH HC OH HC OH

H 2C O

PO32

a) Um welches Enzym handelt es sich und welche Reaktion katalysiert es? b) Wie bezeichnet man den eingerahmten Bindungstyp?

Aufgabe 219 Um einen kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse zu gewährleisten, muss das während der Glykolyse verbrauchte NAD+ immer wieder regeneriert werden. Formulieren Sie die drei Hauptwege, mit Hilfe derer NAD+ für die Glykolyse regeneriert wird und geben Sie an, wo sie ablaufen.

Aufgabe 220 Aufgrund seiner chemischen Ähnlichkeit zu Phosphat wird Arsenat (AsO43–) von vielen phosphatabhängigen Enzymen als alternatives Substrat akzeptiert. Organische Arsenate sind allerdings instabil und hydrolysieren im Allgemeinen rasch. Identifizieren Sie das betroffene Enzym und erklären Sie kurz, welchen Effekt Arsenat auf die ATP-Produktion in der Glykolyse hat.

Stoffwechsel

103

Aufgabe 221 Welche Reaktion der Glykolyse ist Ihrer Meinung nach am besten zur Regulation des Gesamtprozesses geeignet? Begründen Sie!

Aufgabe 222 Bei der Umwandlung von Glucose in zwei Moleküle Pyruvat (Glykolyse) wird Energie in Form von ATP gewonnen. a) Geben Sie die Strukturformel von ATP an. b) Formulieren Sie alle Reaktionsschritte der Glykolyse, die zur Nettobilanz bezüglich der ATP-Ausbeute beitragen, d.h. an denen ADP bzw. ATP beteiligt ist, und leiten Sie daraus ab, wie groß die ATP-Ausbeute pro Molekül Glucose ist.

Aufgabe 223 Bei der Aldolspaltung von Fructose-1,6-bisphosphat ist ein Lysinrest im aktiven Zentrum der Aldolase beteiligt. a) Erklären Sie die Bedeutung des Lysinrestes für diese Reaktion anhand des Mechanismus. b) Auf einer Gelfiltrationssäule wird das Enzym Aldolase aufgetragen. Nach vollständigem Einsickern wird Fructose-1,6-bisphosphat auf die Säule aufgetragen. Auf einer zweiten identischen Säule wird die Reihenfolge der Auftragung vertauscht. Welche Produkte erwarten Sie in den Eluaten der Säulen 1 bzw. 2? Begründen Sie!

Aufgabe 224 Formulieren Sie drei Reaktionen im Katabolismus, die mit Substratkettenphosphorylierung einhergehen! Kennzeichnen und benennen Sie die funktionelle Gruppe, die jeweils daran beteiligt ist.

Aufgabe 225 Überlegen Sie sich einen plausiblen Mechanismus für die Isomerisierung von Glucose-6phosphat zu Fructose-6-phosphat. Bedenken Sie, dass die beiden Hexosen fast ausschließlich in der zyklischen Form vorliegen. Welcher biochemische Sinn könnte dieser Isomerisierung zugrunde liegen? Was wäre der Nachteil einer Aldolspaltung von Glucose-6-phosphat?

104

Kapitel 4

Aufgabe 226 In der Glykolyse wird Energie (in Form von ATP) durch den Abbau von Glucose zu Pyruvat gewonnen. Viele Mikroorganismen führen unter anaeroben Bedingungen das Pyruvat anschließend in Lactat über. Dieser zusätzliche Schritt ist mit keinem Energiegewinn mehr verbunden. Erklären Sie, warum die Reaktion dennoch Sinn macht.

Aufgabe 227 Die alkoholische Gärung gehört zu den durchaus erfreulichen und nützlichen Reaktionen in der Biochemie. a) Geben Sie mit Hilfe von Strukturformeln an, wie Hefen unter anaeroben Bedingungen ausgehend vom Endprodukt der Glykolyse zu dem beliebten Produkt der alkoholischen Gärung gelangen und benennen Sie die beteiligten Enzymkomplexe! b) Wie lautet demnach die Summengleichung für den Abbau von 1 Mol Glucose zum Endprodukt der alkoholischen Gärung? c) Hefen können sowohl unter anaeroben als auch unter aeroben Bedingungen auf Glucose wachsen. Erklären Sie, warum der Glucoseverbrauch stark sinkt, wenn Hefezellen, die zunächst unter anaeroben Bedingungen gehalten wurden, nun Sauerstoff ausgesetzt werden (Pasteur-Effekt).

Aufgabe 228 Mindestens 5 Enzyme der Glykolyse benötigen ein und denselben Cofaktor. Um welchen handelt es sich? An welchen Reaktionen nimmt er teil?

Aufgabe 229 a) Formulieren Sie die Reaktion, die in der Glykolyse zur Bildung des ersten Substrats mit einer sogenannten „energiereichen“ Bindung führt. b) Das beteiligte Enzym wird durch Alkylierung mit Iodacetat gehemmt. Im Hydrolysat des alkylierten Enzyms findet man Carboxymethylcystein. Erklären Sie diesen Befund anhand des Mechanismus der betreffenden Reaktion.

Stoffwechsel

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Aufgabe 230 Die Phosphofructokinase der Leber ist ein allosterisch reguliertes Enzym, das den Glucoseumsatz in der Glykolyse kontrolliert. a) Formulieren Sie die Reaktion, die von diesem Enzym katalysiert wird. b) Nennen Sie zwei Gründe, warum es sinnvoller ist, den Durchsatz durch die Glykolyse hauptsächlich durch die Phosphofructokinase und nicht durch die Hexokinase-Aktivität zu regulieren. c) Nennen Sie mit Ausnahme von Fructose-2,6-bisphosphat ein Effektormolekül, das jeweils aktivierend bzw. inhibierend auf die katalysierte Reaktion wirkt. Zeichnen Sie die Graphen der aktivierten, gehemmten und unbeeinflussten Reaktionen in ein entsprechendes Diagramm!

Aufgabe 231 Eine Küvette enthält 10 μmol Fructose-1,6-bisphosphat, 5 μmol NAD+, Aldolase und Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase. a) Nach Zugabe von 10 μmol anorganischem Phosphat (Pi) steigt die Absorbanz von 0,15 auf 0,83. Das Endvolumen in der Küvette (Schichtdicke = 1 cm) beträgt 1 mL; H366 = 3,4 mL u

cm–1 u μmol–1. Geben Sie an, welche neuen Substanzen und welche Stoffmengen davon durch diese Zugabe entstanden sind. Was zeigen die erhaltenen Stoffmengen? b) Welche Verbindung sollte zum Reaktionsansatz zugegeben werden, damit das gesamte NAD+ umgesetzt werden kann? Formulieren Sie für diesen Fall Wortgleichungen für alle ablaufenden Reaktionen ausgehend von Fructose 1,6-bisphosphat und NAD+.

Aufgabe 232 In Anwesenheit von anorganischem Phosphat (Pi) wird die Glykolyse durch Fluorid gehemmt und es kommt zur Akkumulation von 2-Phosphoglycerat und auch 3-Phosphoglycerat. a) Welches Enzym wird offensichtlich gehemmt, und welche Reaktion katalysiert dieses Enzym? Wie erklärt sich die gleichzeitige Anhäufung von 3-Phosphoglycerat? b) Für diese Reaktion sind drei verschiedene Mechanismen denkbar: (1) Abspaltung der OH-Gruppe im ersten Schritt unter Bildung eines Carbeniumions (2) Abspaltung von H+ im ersten Schritt unter Bildung eines Carbanions (3) konzertierter Ablauf

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Kapitel 4

Isotopenaustauschexperimente von Boyer ergaben, dass Austausch des H-Atoms an C-2 mit dem Solvens 12 mal rascher verläuft als die Bildung des Produkts, wogegen der Austausch von Sauerstoff an C-3 in etwa mit der Geschwindigkeit der Gesamtreaktion verläuft. Was können Sie daraus für den Mechanismus folgern?

Aufgabe 233 Eine Mischung mit ATP in einer Konzentration von 40 mM und Glucose in einer Konzentration von 20 mM wird bei pH = 7 und 25 °C mit Hexokinase inkubiert. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktanden und Produkte. Freie Standardenthalpien für die Hydrolyse

'G°´ / kJ/mol

ATP ( Æ AMP + PPi )

–32,2

ATP ( Æ ADP + Pi )

–30,5

Glucose-6-phosphat

–13,8

Aufgabe 234 a) Neben der allseits bekannten Glucose kommen auch verschiedene Disaccharide als Lieferanten für Stoffwechselenergie in Frage. Welche Reaktion steht dabei stets am Anfang bei der Verwertung von Disacchariden? Formulieren Sie ein konkretes Beispiel mit Strukturformeln. b) Was fängt der menschliche Organismus mit Galaktose an, für deren Abbau kein eigener Stoffwechselweg zur Verfügung steht? Erstellen Sie eine Nettogleichung für die Prozesse, die bis zur Einschleusung in einen Hauptweg des katabolen Stoffwechsels führen. Welches Nucleotid ist daran beteiligt, obwohl es in der Nettobilanz nicht in Erscheinung tritt?

Aufgabe 235 In der Leber findet sich ein spezielles Isoenzym der Aldolase, die als Typ-B-Aldolase bezeichnet wird. a) Woraus ergibt sich die Notwendigkeit für die Leber, den zusätzlichen Syntheseaufwand für dieses Isoenzym zu betreiben und welche Reaktion katalysiert es? b) Können Sie sich vorstellen, inwieweit dieser Stoffwechselweg auch nützlich ist für die Synthese von Triacylglycerolen und Glycerophospholipiden?

Stoffwechsel

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Aufgabe 236 Im Zuge der anaeroben Glykolyse wird Glucose letztlich zu zwei Molekülen Lactat abgebaut. a) Kennzeichnen Sie – abgeleitet aus dem Verlauf der Glykolyse – in den beiden Lactatmolekülen die Positionen der sechs ursprünglichen C-Atome der Glucose. b) Welche Kohlenstoffe der Glucose müssen 14C markiert werden, um bei einem aeroben Ablauf der Glykolyse radioaktives CO2 zu erhalten? c) Zu einer zellfreien Leberpräparation, die zur Glykolyse in der Lage ist, wird radioaktives 32 Pi zugegeben. Wird das radioaktive Phosphorisotop in ein Zwischen- oder Endprodukt der Glykolyse eingebaut?

Aufgabe 237 Die Pyruvat-Dehydrogenase stellt ein Bindeglied zwischen Glykolyse und Citratzyklus dar. a) Formulieren Sie die Bildung des Coenzyms, das essentiell an der entsprechenden Decarboxylierung beteiligt ist, aus dem entsprechenden Vitamin. b) Formulieren Sie die Bildung von Acetyl-CoA aus der entsprechenden, aus Glucose hervorgegangenen Vorstufe, und geben Sie alle Cofaktoren an, die für diese Reaktion benötigt werden. Kennen Sie einen weiteren Multienzymkomplex, an dem diese Cofaktoren beteiligt sind?

Aufgabe 238 H

In einem Organismus, der aus Glucose Fettsäuren synthetisieren kann, soll dieser Vorgang mit Hilfe von radioaktiv markierter Glucose gemessen werden. Welches der beiden 14C-markierten Glucosepräparate eignet sich zu diesem Zweck? Begründen Sie Ihre Wahl.

C

O

H C OH HO C H

H

C

O

H C OH HO C H

H C OH

H C OH

H C OH

H C OH

CH2OH

CH2OH

= radioaktiv markiertes C-Atom

Aufgabe 239 Folgende radioaktiv markierte Verbindungen werden einem Zellextrakt zugegeben, der die Enzyme der Glykolyse, des Citratzyklus´ sowie den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex enthält. a) [1-14C]-Glucose b) H3C–CO–14COO– In welchen Verbindungen und Positionen findet sich die radioaktive Markierung, wenn man annimmt, dass der Citratzyklus genau einmal durchlaufen wurde?

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Kapitel 4

Aufgabe 240 Die Giftwirkung von Arsen(III)-Verbindungen ist schon seit der Antike bekannt und beruht auf der kovalenten Bindung von SH-Gruppen, insbesondere, wenn diese als Chelatliganden fungieren, vgl. nachfolgende Reaktion. Was ist die Folge? HS

OH O As OH

S R

+

HS

O As

R

+

2 H 2O

S

Aufgabe 241 Das Enzym Succinat-Dehydrogenase enthält seinen Cofaktor FAD kovalent an einen Histidinrest gebunden. a) Welche Reaktion katalysiert die Succinat-Dehydrogenase? Kennen Sie einen Hemmstoff für diese Reaktion und welcher Art ist die Hemmung? b) Der bei der Reaktion entstandene reduzierte Cofaktor muss wieder reoxidiert werden, kann aber aufgrund seiner kovalenten Bindung an das Enzym dieses nicht verlassen. Was lässt sich daraus bzl. der Lokalisation der Succinat-Dehydrogenase in der Zelle folgern?

Aufgabe 242 Die Einspeisung von Acetyl-CoA in den Citratzyklus unter Bildung von Citrat besitzt einen stark negativen 'G°´-Wert von 31,5 kJ/mol, was auf den ersten Blick wie Energieverschwendung aussieht. a) Formulieren Sie einen plausiblen Mechanismus für diese Reaktion, durch die Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust wird. b) Der Sinn dieses stark negativen Werts für 'G°´ wird aber klar, wenn man 'G°´ für den letzten Schritt des Citratzyklus´ (katalysiert von der Malat-Dehydrogenase) kennt: 'G°´ = + 29 kJ/mol. Was entsteht bei dieser Reaktion, was folgt für die Konzentration dieses Produkts und für die Freie Enthalpie der Citratbildung in vivo?

Aufgabe 243 Die Oxidation von Acetyl-CoA zu zwei Molekülen CO2 erfordert den Transport von vier Elektronenpaaren auf entsprechende Coenzyme. In welchen Reaktionen erfolgen diese Elektronenübertragungen und welche Coenzyme sind jeweils beteiligt? Machen Sie sich jeweils den genauen Reaktionsverlauf mit Strukturformeln und Elektronenpfeilen klar!

Stoffwechsel

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Aufgabe 244 Liponsäure ist ein Cofaktor von Enzymen, welche eine oxidative Decarboxylierung von DKetosäuren katalysieren. a) Wie ist die Liponsäure mit dem Enzym verknüpft? b) Erklären Sie mit Hilfe von Strukturformeln, wie die Liponsäure an der oxidativen Decarboxylierung beteiligt ist.

Aufgabe 245 Die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA und dessen Verwertung im Citratzyklus unterliegen vielfältigen allosterischen Regulationsmechanismen. Machen Sie kurz den Sinn der folgenden allosterischen Phänomene klar. a) Aktivierung der Pyruvat-Carboxylase durch Acetyl-CoA b) Aktivierung der Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase durch NADH c) Hemmung der Isocitrat-Dehydrogenase durch NADH d) Aktivierung der Isocitrat-Dehydrogenase durch ADP e) Hemmung der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase durch Succinyl-CoA f) Aktivierung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes durch AMP

Aufgabe 246 Nach der Verknüpfung von Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Citrat erfolgt im nächsten Schritt des Citratzyklus eine Isomerisierung. Erklären Sie, warum diese Reaktion für den weiteren Ablauf des Citatzyklus erforderlich ist.

Aufgabe 247 Bei der vollständigen Oxidation von Glucose werden insgesamt 12 Elektronenpaare übertragen. a) Geben Sie die Redoxgleichung für den Gesamtprozess an! b) Identifizieren Sie alle Enzyme, die an der Bildung der reduzierten Form der Coenzyme beteiligt sind, bevor diese in die Atmungskette eintreten. c) Eines dieser Enzyme unterscheidet sich durch die Art seines Coenzyms und seine Lokalisation von allen anderen. Welches?

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Kapitel 4

Aufgabe 248 Der Citratzyklus wird oftmals als Hauptdrehscheibe des Stoffwechsels bezeichnet. a) Wie wird der Citratzyklus reguliert? b) Der Citratzyklus ist „amphibol“. Erklären Sie diesen Begriff und geben Sie Beispiele.

Aufgabe 249 Von den verschiedenen Oxidationsreaktionen, die in der Glykolyse und im Citratzyklus stattfinden, verwenden mit einer Ausnahme alle NAD+ als Coenzym. Lediglich die Oxidation von Succinat verläuft unter Beteiligung von FAD. a) Welche Freie Enthalpie 'G°´ ergäbe sich für ein Enzym, das Succinat mit NAD+ anstelle von FAD oxidiert? b) Welches Verhältnis von c(NAD+) / c(NADH) wäre erforderlich, damit die Reaktion bei einem angenommenen Verhältnis c(Succinat) / c(Fumarat) = 10 exergon verliefe? E°´ (Fumarat/Succinat) = 0,03 V E°´ (FAD/FADH2) = –0,22 V E°´ (NAD+/NADH) = –0,32 V Die Faraday-Konstante F beträgt 96500 J/V mol

Aufgabe 250 a) Warum werden die reduzierten Coenzyme aus Glykolyse und Citratzyklus (welche sind das?) nicht direkt durch O2 oxidiert? Was ist der biologische Sinn der Elektronentransportkette? b) Die Redoxteilgleichungen für die Oxidation von NADH/H+ mit O2 lauten:

o NADH NAD+ + H+ + 2 e–  ½ O2 + 2 H+ + 2 e–

 o H2O

E°´ =  0,315 V E°´ = + 0,815 V

Berechnen Sie die Freie Standardenthalpie für diesen Prozess. Wie viele ATP-Moleküle können theoretisch gebildet werden, wenn Sie eine Freie Bildungsenthalpie für die ATP-Synthese aus ADP + Pi von 30,5 kJ/mol zugrunde legen? (1 V = 1 J/C)

Aufgabe 251 Was besagt die chemiosmotische Hypothese, die 1961 von Peter Mitchell vorgeschlagen wurde? Nennen Sie einige Schlüsselbeobachtungen, welche diese Hypothese stützen!

Stoffwechsel

111

Aufgabe 252 Das gemessene Membranpotenzial für die innere Membran eines Leber-Mitochondriums betrage 0,168 V (Innenseite negativ). Der pH-Wert in der Matrix ist um 0,75 pH-Einheiten höher als im Intermembranraum. Berechnen Sie 'G für den H+-Transport aus der Matrix heraus bei T = 37 °C.

Aufgabe 253 Ergänzen Sie das folgende Diagramm des Transportsystems, das die Elektronen aus im Cytosol gewonnenen NADH in die Atmungskette einschleust. +

NADH + H

+

NAD

....................... (Name)

....................... (Name) (Formel)

(Formel) Enzym: E-FADH2

.......................

E-FAD

.......................

......................................................... innere Mitochodrienmembran

Matrix

Aufgabe 254 In der folgenden Abbildung soll ein Schema der Atmungskette dargestellt werden. Leider sind dabei ein paar Fehler unterlaufen. Helfen Sie, das Schema richtig zu stellen.

112

Kapitel 4

Isocitrat

D-Ketoglutarat

NAD+

FADH2

QH2

NADH

FAD

Q

Cyt b2+

Cyt b3+

Cyt c3+

Cyt c12+

Cyt a/a33+

H2O 2

Cyt c2+

Cyt c13+

Cyt a/a32+

O2

Aufgabe 255 Aufgrund seiner Eigenschaft als Diradikal ist Sauerstoff (O2) nur zur Aufnahme einzelner Elektronen in der Lage. Wie gelingt es dem Organismus, die Elektronen von beispielsweise NADH/H+, einem Zwei-Elektronenüberträger, auf molekularen Sauerstoff zu transferieren?

Aufgabe 256 Geben Sie die Summengleichung an, die an der Cytochrom c-Oxidase stattfindet. Welche Redoxzentren sind an dieser Reaktion beteiligt?

Aufgabe 257 Atmende Mitochondrien werden mit (a) KCN oder mit (b) 2,4-Dinitrophenol behandelt. Welchen Einfluss hat das auf den O2-Verbrauch?

Stoffwechsel

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Aufgabe 258 Eine wichtige experimentelle Unterstützung für die chemiosmotische Hypothese von Peter Mitchell waren Versuche, bei denen in künstliche Vesikel sowohl die ATP-Synthase als auch die lichtgetriebene Protonenpumpe Bakteriorhodopsin eingebaut wurden. Das Bakteriorhodopsin führt zu einer Erniedrigung des pH-Werts im Inneren des Vesikels. Wie muss die ATP-Synthase orientiert sein, damit ATP Synthese stattfinden kann? Ergänzen Sie in der Skizze die F1-Untereinheit mit der richtigen Orientierung. Skizzieren Sie schematisch einen Querschnitt durch die F1-Untereinheit der ATPSynthase und bezeichnen Sie die einzelnen Proteinbestandteile.

Bakteriorhodopsin

H+

Fo-Teil der ATP-Synthase

Aufgabe 259 Der Elektronentransport entlang der Atmungskette führt bekanntlich zum Aufbau eines Protonengradienten, der letztlich die Triebkraft für die ATP-Synthese zur Verfügung stellt. Die Synthese von ATP wird durch die ATP-Synthase bewerkstelligt, einem Enzymkomplex aus mindestens 17 Untereinheiten, dessen Funktionsweise inzwischen recht gut verstanden wird. Der sogenannte F0-Teil, der in die Mitochondrienmembran eingebettet ist, enthält den Rotor, der durch den Protonenfluss in die mitochondriale Matrix angetrieben wird. a) Aus welchen beiden Teilkomponenten besteht die protonenmotorische Kraft, die den Rotor in Bewegung setzt? b) Man nimmt an, dass für die Synthese von einem ATP-Molekül aus ADP + Pi drei Protonen durch den F0-Teil der ATP-Synthase fließen müssen. Dennoch müssen von der Elektronentransportkette mindestens vier Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum exportiert werden, um die Synthese von einem ATP zu ermöglichen. Erklären Sie, warum insgesamt vier Protonen für die Synthese eines ATP erforderlich sind.

114

Kapitel 4

Aufgabe 260 Im folgenden sind einige Hemmstoffe der mitochondrialen Atmungskette angegeben: Antimycin A / Rotenon / Malonat / Oligomycin / Cyanid a) Ordnen Sie diese den einzelnen Enzymkomplexen zu. b) Worin unterscheidet sich die Wirkungsweise dieser Hemmstoffe grundlegend von der sogenannter Entkoppler? Nennen Sie einen natürlich vorkommenden Entkoppler und beschreiben Sie die Wirkungsweise eines typischen künstlichen, in experimentellen Studien eingesetzten Entkopplers.

Aufgabe 261 Die chemiosmotische Theorie postuliert die ATP-Bildung gemäß folgender Reaktion: ZZX ATP + H 2 O + 2 H + (hoher pH) ADP + Pi + 2 H + (niedriger pH) YZZ

Diese wird durch einen metabolisch erzeugten pH-Gradienten entlang der inneren Mitochondrienmembran angetrieben. Wie groß muss der pH-Gradient für die Synthese von ATP bei 25 °C und pH 7 sein, wenn die steady-state Konzentrationen von ATP, ADP und Pi 0,01 mM, 10 mM und 10 mM betragen? Freie Standardenthalpien für die Hydrolyse ATP ( Æ ADP + Pi )

'G°´ (kJ/mol) –30,5

Aufgabe 262 Es liegt ein System funktionstüchtiger Mitochondrien (d.h. Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung laufen normal ab) mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor vor. Für die im Folgenden aufgeführten Zwei-Elektronendonatoren wird die Anzahl der aus der mitochondrialen Matrix transportierten Protonen, die Anzahl der produzierten ATP-Moleküle und das P/O-Verhältnis bestimmt. a) Welche Ergebnisse erwarten Sie für x NADH (in der mitochondrialen Matrix erzeugt) x Succinat x Ascorbat (überträgt zwei Elektronen auf Cytochrom c)? b) Spielt es eine Rolle, ob das zu oxidierende NADH in der Glykolyse oder im Citratzyklus entstanden ist?

Stoffwechsel

115

Aufgabe 263 In eukaryontischen Zellen wird ein großer Teil des insgesamt synthetisierten ATP in den Mitochondrien gebildet. Da aber das meiste ATP für energieverbrauchende Prozesse im Cytoplasma benötigt wird, muss es aus der mitochondrialen Matrix exportiert werden. Da die innere Mitochondrienmembran für geladene Moleküle impermeabel ist, ist ein Transporter erforderlich, der den Export von ATP und den gleichzeitigen Import von ADP als Substrat für die ATP-Synthese ermöglicht. a) Warum ist der Transport von ATP aus der Matrix gegenüber dem Export von ADP durch den ADP/ATP-Translokator bevorzugt? b) Kostet dieser ATP-Export die Zelle Energie? c) Wie ist es zu erklären, dass der Energieverbrauch für die ATP-Synthese bei Bakterien niedriger ist, als in Eukaryonten?

Aufgabe 264 Für die Biosynthese von Glucose (Gluconeogenese) kommen für den Menschen im Prinzip sechs der folgenden sieben Substrate in Betracht. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Lactat Oxalacetat Fumarat Pyruvat Fructose-6-phosphat Acetyl-CoA Phosphoenolpyruvat

a) Welches Substrat ist ungeeignet und welche der Reaktionswege, die (ausgehend von den angegebenen Substraten) zur Synthese von Glucose führen, werden durch die Anwesenheit von Avidin gehemmt? Begründen Sie unter Formulierung der entsprechenden Reaktion, die betroffen ist! b) Formulieren Sie die Bilanzgleichung, die sich ergibt, wenn 1 mol Glucose durch Glykolyse zu Pyruvat abgebaut und anschließend wieder (Gluconeogenese) zu Glucose aufgebaut wird.

Aufgabe 265 Pyruvat ist ein zentrales Intermediat im Stoffwechsel. Formulieren Sie vier Reaktionsgleichungen, bei denen Stoffwechselintermediate aus Pyruvat entstehen, und geben Sie jeweils den Reaktionstyp an.

116

Kapitel 4

Aufgabe 266 Gegeben ist die nebenstehend gezeigte Aminosäure.

O

C

a) Um welche Aminosäure handelt es sich? In welchem pH-Bereich liegt sie in der gezeigten Form vor?

H3N C

b) Markieren Sie die C-Atome, die in Glucose eingebaut werden, wenn diese Aminosäure als Substrat für die Gluconeogenese verwendet wird und erklären Sie.

O

O H

CH2 C

O

c) Welche Stoffmenge an Nucleosidtriphosphaten wird dazu benötigt?

Aufgabe 267 In der Glykolyse ist ein Molekül Pyruvat gebildet worden; es soll vollständig zu CO2 abgebaut werden. Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung funktionieren wie gewohnt, d.h. es wird ein Rückstrom von ca. 4 Protonen für die Synthese von einem Molekül ATP benötigt. Das Malat-Aspartat-Shuttle ist aktiv. Erläutern Sie welche ATP-Menge beim vollständigen Abbau des Pyruvatmoleküls gebildet werden kann.

Aufgabe 268 a) Unter Gluconeogenese versteht man die Bildung von Glucose aus Metaboliten, die keine Kohlenhydrate sind. Sind die Glykogenvorräte in einer Hungerphase aufgebraucht, muss der menschliche Organismus etwa 100 g Glucose pro Tag synthetisieren. Wofür wird diese Masse an Glucose benötigt? b) Als Vorstufen für die Gluconeogenese kommen eine Reihe von Verbindungen in Frage. Welche ist die quantitativ wichtigste, woher stammt sie überwiegend und welche weiteren Verbindungen werden in nennenswertem Maß für die Gluconeogenese herangezogen? c) Im Gegensatz zur Glykolyse sind an der Gluconeogenese mehrere Zellkompartimente beteiligt. Welche sind das und welche Schritte laufen darin ab? d) Die Gluconeogenese kostet Energie. Welche der typischen Vorstufen kommt dabei mit dem geringsten Aufwand an ATP aus?

Aufgabe 269 Der letzte Schritt der Glykolyse ist die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat (PEP) in Pyruvat. Im Zuge der Gluconeogenese ist daher die Bildung von PEP aus Pyruvat erforderlich. a) Formulieren Sie den genauen Ablauf dieser Reaktion und zeigen Sie insbesondere, wie das dafür benötigte Coenzym beteiligt ist.

Stoffwechsel

117

b) Die Pyruvat-Carboxylase ist nur in Anwesenheit von Acetyl-CoA aktiv. Erklären Sie den Sinn dieser allosterischen Aktivierung. Warum wird das Enzym in Anwesenheit von Avidin gehemmt? c) Die Pyruvat-Carboxylase ist im Mitochondrium lokalisiert; die weiteren Enzyme für die Gluconeogenese ausgehend von Oxalacetat jedoch im Cytosol. Wie gelangt das Oxalacetat ins Cytosol?

Aufgabe 270 Einige Enzyme der Gluconeogenese werden als Schlüsselenzyme bezeichnet; ihre Regulation spielt eine zentrale Rolle. Dabei sind generell zwei unterschiedliche Regulationsmechanismen zu unterscheiden. Erläutern Sie diese anhand ihrer wichtigsten Auswirkungen auf den Ablauf der Gluconeogenese.

Aufgabe 271 Studien mit Patienten, die an der McArdle-Krankheit leiden (diese Personen besitzen keine Glykogen-Phosphorylase-Aktivität), sind dennoch in der Lage Glykogen zu synthetisieren. a) Welche Schlussfolgerung ergibt sich aus diesem Befund? b) Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus der Glykogen-Phosphorylase mit ihrem entsprechenden Coenzym und geben Sie an, welche Rolle dieses Coenzym spielt. Das Coenzym ist mindestens einmal komplett zu formulieren. Welche Aminosäure übernimmt sonst häufig diese Aufgabe, und warum ist diese Aminosäure besonders dafür geeignet? Achten Sie auf korrekten Gebrauch von Elektronenpfeilen!

Aufgabe 272 a) Zum Abbau von Glykogen im Labor kann man das Enzym Amyloglucosidase einsetzen. Welche Enzyme sind in der Zelle für den Glykogenabbau zuständig und wie unterscheidet sich die Arbeitsweise der Amyloglucosidase von den intrazellulären Enzymen? Welches Monosaccharid entsteht beim Abbau durch die Amyloglucosidase nicht? b) Die pflanzliche Cellulose unterscheidet sich vom Glykogen durch die Art der Verknüpfung der Monosaccharide. Formulieren Sie einen Ausschnitt aus dem Cellulosemolekül, der mindestens zwei Monosaccharideinheiten zeigt. c) Cellulose wird zu den sogenannten Ballaststoffen gezählt. Was ist die molekulare Erklärung dafür?

118

Kapitel 4

Aufgabe 273 a) Welches Enzym macht den ersten Schritt beim Abbau des D-1Æ6-verknüpften Zweiges des folgenden Glykogenmoleküls? Beschreiben Sie kurz die von ihm katalysierten Reaktionen. b) Erklären Sie, warum beim Abbau von Glykogen ca. 90 % der Glucosereste in Glucose-1phosphat übergehen, ca. 10 % dagegen in Glucose. CH2 OH

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Aufgabe 274 Der menschliche Organismus ist in der Lage, längere Zeit ohne Zufuhr von Nahrung auszukommen. Als Energiereserve dienen in erster Linie Triacylglycerole (Fette), daneben Glykogen. Allerdings sind die Glykogenreserven (fast ausschließlich in Leber und Muskulatur) relativ gering und nur für ca. 24 h ausreichend. a) Durch welchen Bindungstyp kommt die stark verzweigte Struktur von Glykogen zustande und welchen physiologischen Sinn hat diese? b) Glucose-6-phosphat ist ein zentrales Stoffwechselintermediat. Es kann zur Energiegewinnung im Zuge der Glykolyse abgebaut aber auch zur Synthese von Glykogen herangezogen werden. Beschreiben Sie ausgehend von Glucose-6-phosphat die notwendigen Reaktionsschritte zur Verlängerung eines Glykogenmoleküls mit n Resten um einen zusätzlichen Rest unter Verwendung von Strukturformeln und Elektronenpfeilen.

Aufgabe 275 Glucose kann in der Zelle nicht in monomerer Form als Energiereserve gespeichert werden, sie muss deshalb in Glykogen umgewandelt werden. Sie sollen sich davon überzeugen, dass Glykogen ein ziemlich effektiver Speicher für Glucose ist, d.h., dass für die Speicherung und Wiederfreisetzung nur recht wenig Energie aufgewendet werden muss. Formulieren Sie dazu einen Reaktionszyklus, der die Speicherung eines Glucosemoleküls (ausgehend von Glucose6-phosphat) und die anschließende Freisetzung (ebenfalls als Glucose-6-phosphat) umfasst und erstellen Sie dafür eine Energiebilanz.

Stoffwechsel

119

Welcher Wirkungsgrad ergibt sich für diese Speicherung und Freisetzung eines Glucose-6phosphats, wenn Sie den Energiebedarf dafür in Bezug zum Energiegewinn setzen, der bei der vollständigen Oxidation von Glucose-6-phosphat zu CO2 erzielt werden kann? Gehen Sie davon aus, dass im Schnitt jeder 10. Glucoserest D-1Æ6-glykosidisch gebunden ist.

Aufgabe 276 Dem Second messenger cAMP kommt eine zentrale Rolle in der Regulation des Stoffwechsels zu. Ein wichtiges Beispiel ist die reziproke Regulation von Glykogenabbau und Glykogensynthese. Diskutieren Sie, auf welche Weise die Konzentration an cAMP die Glykogensynthese beeinflusst. Inwiefern ist Insulin an der Regulation des Glykogenstoffwechsels beteiligt?

Aufgabe 277 Der menschliche Organismus ist nicht zu einer Nettoproduktion von Glucose aus Fettsäuren in der Lage, die eine gerade Anzahl von Kohlenstoffatomen aufweisen (z.B. Stearinsäure). Dagegen können Fettsäuren mit einer ungeraden Kohlenstoffzahl als gluconeogenetischer Vorläufer zur Nettoproduktion von Glucose beitragen. Wie ist dieser Unterschied zu erklären?

Aufgabe 278 Glucose-6-phosphat spielt nicht nur als Substrat in der Glykolyse eine entscheidende Rolle, sondern kann alternativ auch im Pentosephosphatweg verarbeitet werden. Dieser findet im Cytosol statt, allerdings je nach Gewebe in stark unterschiedlichem Ausmaß. a) Welchen Zweck besitzt der Pentosephosphatweg? b) Beschreiben Sie mit Hilfe von Strukturformeln den oxidativen Zweig des Pentosephosphatwegs und geben Sie die Namen der Zwischenprodukte an! c) NADPH und NADH zeigen eine intensive Absorption bei 340 nm, während NADP+ und NAD+ bei dieser Wellenlänge praktisch nicht absorbieren. Beschreiben Sie, wie Sie auf Basis der Absorbanz obiger Coenzyme einen photometrischen Test zur Bestimmung von freier Glucose, z.B. im Serum, entwickeln könnten. Welche Substanzen müssen Sie dafür bestellen?

120

Kapitel 4

Aufgabe 279 a) In welchen Organen erwarten Sie besonders hohe Konzentrationen an Enzymen, die am Pentosephosphatweg beteiligt sind, wie z.B. der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase? b) Im Pentosephosphatweg wird NADPH gewonnen. In manchen Fällen ist der Bedarf der Zelle an NADPH wesentlich größer als derjenige an Pentosen. Beschreiben Sie, welche Reaktionen in diesem Fall ablaufen, um die Ausbeute an NADPH beim Glucoseabbau zu optimieren! Stellen Sie eine entsprechende Summenreaktionsgleichung auf. c) Welche Rolle spielt der Pentosephosphatweg im Erythrozyten?

Aufgabe 280 Wenngleich der Pentosephosphatweg in den meisten Zellen quantitativ im Vergleich zur Glykolyse nur von untergeordneter Bedeutung in Hinblick auf den Abbau von Glucose ist, so stellt er doch mit den Ribosephosphaten und NADPH zwei essentielle Edukte für Biosynthesen zur Verfügung. Während die Rolle der Ribosephosphate für die Synthese von Nucleotiden und Nucleinsäuren offensichtlich ist, wird NADPH für eine Reihe recht unterschiedlicher Reaktionen benötigt. Diskutieren Sie die wichtigsten Biosynthesereaktionen, für die NADPH benötigt wird.

Aufgabe 281 Am C-Atom 1 radioaktiv markiertes Ribose-5-phosphat (1-14C-Ribose-5-phosphat) wird mit den Enzymen des Pentosephosphatwegs (Transketolase, Transaldolase, PentosephosphatIsomerase, Pentosephosphat-Epimerase) und Glycerolaldehyd-3-phosphat inkubiert. In dieser Mischung entstehen Erythrose-4-phosphat und Fructose-6-phosphat. Welche C-Atome dieser beiden Verbindungen werden 14C-markiert sein?

Aufgabe 282 Eine (in manchen Fällen überreichliche) Energiereserve in Form von Triacylglycerolen trägt jeder Mensch mit sich, die einer Verstoffwechselung durch β-Oxidation harrt. a) Warum ist es für den Organismus sinnvoll, den größten Teil seiner Energievorräte in Form von Fett anstelle von Kohlenhydraten wie Glykogen zu speichern? b) Woher weiß die Triacylglycerol-Lipase, wann es an der Zeit ist, aktiv zu werden und die Reserve zu mobilisieren und wie gelangen ihre Abbauprodukte an den Ort des Bedarfs?

Stoffwechsel

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Aufgabe 283 Im Gegensatz zur Metabolisierung von Kohlenhydraten, die aufgrund ihres hydrophilen Charakters leicht im Organismus transportierbar sind, ist die Verwertung der Nahrungsfette etwas schwieriger. a) Welche Rolle spielen die Gallensalze für die Fettverdauung? b) Wie gelangen die Hydrolyseprodukte der Pankreas-Lipase (welche sind das?) an den Ort ihrer Bestimmung, z.B. Muskelzellen oder Fettgewebe?

Aufgabe 284 Im Körper existieren eine Reihe verschiedener Lipasen, die sich in Funktion und Lokalisation unterscheiden.Welche Funktionen haben folgende Lipasen und wo sind sie lokalisiert? x Hormonsensitive Lipase x Pankreas-Lipase x Lipoproteinlipase

Aufgabe 285 Vergleichen Sie E-Oxidation und Fettsäurebiosynthese bezüglich x x x x x

Lokalisation Acylgruppen-Carrier Oxidations- bzw. Reduktionsmittel Stereochemie der Intermediate am Chiralitätszentrum Art der Kohlenstoff-Fragmente, die an Ab- bzw. Aufbau beteiligt sind.

Aufgabe 286 Lipoproteine wie Chylomikronen und Low density lipoproteins (LDL) dienen dem Transport von Triacylglycerolen und Cholesterol bzw. Cholesterolestern im Blut zu den peripheren Geweben, wo diese benötigt werden. Dabei werden von der Darmmucosa aufgenommene Fettsäuren erneut zu Triacylglycerolen verestert, die mit bis zu 90 % den Hauptbestandteil der Chylomikronen bilden. Die LDL enthalten nur noch relativ wenig Triacylglycerole, dagegen bis zu 50 % Cholesterolester; sie dienen der Verteilung des Cholesterols im Körper. a) Welche Apolipoproteine enthalten die beiden genannten Klassen von Lipoproteinen und wozu dienen diese? b) Der Mechanismus, nachdem die Triacylglycerole bzw. das Cholesterol in die Zielzellen gelangt, unterscheidet sich grundlegend. Erklären Sie die wesentlichen Prinzipien.

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Kapitel 4

Aufgabe 287 Ein klassisches Experiment lieferte bereits 1904 Hinweise auf den Ablauf der Fettsäureoxidation im Organismus. F. Knoop fütterte Hunde mit phenylsubstituierten Fettsäuren und beobachtete die Stoffwechselprodukte. Welche Metaboliten sollte er gefunden haben, wenn er zum einen 4-Phenylbutansäure, zum anderen 5-Phenylpentansäure verfütterte? Was wurde damit bewiesen?

Aufgabe 288 Die Hydrolyse von Triacylglycerolen liefert langkettige Carboxylate; diese müssen, bevor sie durch β-Oxidation abgebaut werden können, aktiviert werden. a) Geben Sie den Mechanismus für die Aktivierung an (Strukturformeln, Elektronenpfeile) und schätzen Sie die Freie Enthalpie 'G°´ für den Gesamtprozess ab. b) Beim Abbau von Chlorophyll entsteht im Darm von Wiederkäuern das Oxidationsprodukt Phytansäure (3,7,11,15-Tetramethylhexadecansäure). Warum kann diese Carbonsäure nicht direkt durch E-Oxidation abgebaut werden? c) Nach oxidativer Decarboxylierung entsteht aus Phytansäure die Pristansäure (2,6,10,14Tetramethylpentadecansäure). Welche Produkte erwarten Sie bei vollständiger E-Oxidation von 1 mol Pristansäure? In welchem Stoffmengenverhältnis entstehen diese Produkte?

Aufgabe 289 Die wichtigste Funktion der Fettsäureoxidation ist es, Stoffwechselenergie bereitzustellen. Die vollständige Oxidation eines Fettsäuremoleküls ist ein stark exergoner Vorgang und liefert entsprechend große Mengen an ATP. a) Berechnen Sie, wie viele Moleküle ATP bei der Oxidation von Stearat bzw. von Oleat (cis'9-Octadecenoat) entstehen. Gehen Sie davon aus, dass Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung komplett ablaufen und legen Sie für Ihre Berechnung eine Energieausbeute pro NADH von 2,5 ATP bzw. pro FADH2-Molekül von 1,5 ATP zugrunde! b) Welche Masse an reiner Glucose (M = 180 g/mol) müsste oxidativ abgebaut werden, um eine äquivalente Energieausbeute wie bei der Oxidation von 1 g Ölsäure (M = 282 g/mol) zu erhalten? Welcher Masse an Glykogen im Organismus entspräche dies in etwa (kurze Begründung)?

Stoffwechsel

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Aufgabe 290 Der Abbau von Fettsäuren erfolgt nach einer als β-Oxidation bekannten mehrstufigen Reaktionssequenz. Diese findet in erster Linie, aber nicht ausschließlich, in der mitochondrialen Matrix statt. Geben Sie an, wo in der Zelle sonst noch Fettsäuren abgebaut werden können. Gibt es Unterschiede gegenüber der β-Oxidation in den Mitochondrien? Welchen Sinn könnte dies haben?

Aufgabe 291 Aus Acetyl-CoA lassen sich nicht nur lineare Produkte (Fettsäuren), sondern auch verzweigte Moleküle herstellen. In einer langen und komplexen Reaktionsfolge entsteht hierbei letztlich das Cholesterol. a) Identifizieren Sie das Schlüsselenzym der Cholesterolsynthese und beschreiben Sie ausgehend der von diesem Enzym katalysierten Reaktion die wesentlichen Schritte auf dem Weg zum Cholesterol. b) Geben Sie mindestens drei Stoffklassen an, die sich von Cholesterol ableiten und skizzieren Sie jeweils einen charakteristischen Vertreter.

Aufgabe 292 Die Verbindung 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA ist ein Zwischenprodukt im Lipidstoffwechsel. Sie kann an verschiedenen Orten in der Zelle gebildet werden und geht dann in der Folge auch in unterschiedliche Stoffwechselwege ein. Wo, woraus und unter welchen Umständen entsteht 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA und wie wird es jeweils weiter verwendet?

Aufgabe 293 Freie Fettsäuren gelangen nach Hydrolyse von Triacylglycerolen im Fettgewebe ins Blut, werden von den Energie benötigenden Organen aufgenommen und in den Mitochondrien unter Energiegewinnung abgebaut. a) Formulieren Sie die vier Teilschritte der E-Oxidation von Fettsäuren! Geben Sie alle beteiligten Enzyme und Coenzyme an. b) Die an der β-Oxidation beteiligten Enzyme unterliegen keiner direkten Regulation. Dennoch kommt es zu keinem völlig ungeregelten Abbau von Fettsäuren. Woran liegt das? c) Die ersten drei Reaktionen finden Sie in sehr ähnlicher Form in einem anderen bekannten Stoffwechselweg. Welche Reaktionsfolge ist gemeint?

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Kapitel 4

Aufgabe 294 In einem speziellen Gewebe erfolgt trotz maximaler E-Oxidation der Fettsäuren kaum ATPBildung. Welche biologische Funktion erfüllt dieses Gewebe? Die Deletion eines einzigen Membranproteins zerstört diese biologische Funktion. Um welches Protein handelt es sich und was ist seine Funktion?

Aufgabe 295 Für die vollständige E-Oxidation ungesättigter Fettsäuren sind gegenüber gesättigten Fettsäuren einige zusätzliche Enzyme und Reaktionen erforderlich. Erklären Sie den Ablauf am Beispiel von Linolsäure (cis-'9,12-Octadecadiensäure)!

Aufgabe 296 Bei der E-Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Kettenlänge (z.B. Heptadecansäure) entsteht zwangsläufig am Ende eine C3-Verbindung. Dieses Produkt muss zur weiteren energetischen Verwertung in ein Zwischenprodukt des Citratzyklus umgewandelt werden. Für diesen Vorgang wählt die Natur einen scheinbar umständlichen zweistufigen Weg. a) Formulieren Sie den Mechanismus für die Bildung des gesuchten Intermediats und geben Sie eine plausible chemische Erklärung für die Bevorzugung dieses Reaktionsweges an. Welches nur in sehr geringen Mengen im Organismus auftretende Vitamin wird dabei benötigt und welches Spurenelement enthält es? b) Nennen Sie zwei Möglichkeiten zu weiteren Verwertung des unter a) gebildeten Intermediats des Citratzyklus.

Aufgabe 297 Fettsäuren stellen die Hauptbestandteile von Triacylglycerolen, aber auch von Zellmembranen dar; ihre Synthese ist daher ein essentieller Teil des Zellstoffwechsels. a) Erklären Sie die Rolle der Acetyl-CoA-Carboxylase für die Fettsäurebiosynthese und formulieren Sie die von ihr katalysierte Reaktion. b) Welche Vorgänge sind an der Regulation der Acetyl-CoA-Carboxylase beteiligt?

Stoffwechsel

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Aufgabe 298 a) Gegeben sei ein Leber-Homogenat, das alle erforderlichen Enzyme und Substrate zur Synthese von Palmitat enthält. Wo finden Sie die radioaktiven 14C-Atome, wenn Sie dem Homogenat (alternativ) zusätzlich folgende Substanzen hinzufügen: x H14CO3– x H314C-CO-SCoA Begründen Sie Ihre Entscheidung. b) Wie lautet die Gesamtstöchiometrie für die Biosynthese von Palmitat?

Aufgabe 299 Die Fettsäurebiosynthese aus Acetyl-CoA erfordert ATP-Aufwand, ist also – was nicht überrascht – ein endergoner Vorgang. Zusätzlich dazu muss aber auch noch Energie aufgewendet werden, um die benötigten Substrate am Ort der Biosynthese bereitzustellen. Erklären Sie, woraus dieser zusätzliche Energieaufwand resultiert.

Aufgabe 300 Durch welche Reaktionen gelingt es dem Organismus, aus Palmitinsäure Ölsäure bzw. Linolsäure herzustellen, die wichtige Bausteine für Lipidmembranen sind?

Aufgabe 301 Bei Patienten mit Diabetes mellitus ist die insulinstimulierte Glucoseaufnahme in die Zellen beeinträchtigt. Dies führt u.a. zu erhöhter Triacylglycerolhydrolyse und E-Oxidation. Häufig weisen solche Patienten einen typischen Acetongeruch im Atem auf. Erklären Sie anhand entsprechender Strukturformeln, wie es zur Bildung von Aceton kommen kann.

Aufgabe 302 Säugetiere, die einen Winterschlaf halten, müssen zuvor erhebliche Energiereserven in Form von Triacylglycerolen anlegen. Diese dienen aber nicht nur der Energiegewinnung während der Ruhephase, sondern liefern auch Wasser. Während der Mensch beim Fasten erhebliche Mengen an Wasser trinken muss, können viele Tiere während des Winterschlafs ganz ohne Wasserzufuhr auskommen; der kanadische Grizzlybär beispielsweise kann bis zu einem hal-

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Kapitel 4

ben Jahr ununterbrochen schlafen. Während dieser Zeit beziehen die Tiere ihr Wasser im Wesentlichen aus der Atmungskette. Auch die Höcker der Kamele, die große Mengen an Triacylglycerolen speichern, dienen als Wasserreserve. Überlegen Sie, welche Masse an Wasser bei der vollständigen Oxidation von 1 mol Palmitoyl-CoA zu CO2 und Wasser gewonnen werden kann.

Aufgabe 303 Die Linolsäure (cis-'9,12-Octadecadiensäure) ist für den Menschen eine essentielle Fettsäure, da entsprechende Desaturasen fehlen, um Doppelbindungen jenseits des C-Atoms 9 der Fettsäurekette einzuführen. Dagegen ist die Arachidonsäure ('5,8,11,14-Eicosatetraensäure) keine essentielle Fettsäure. Erklären Sie, wie der menschliche Organismus Arachidonsäure synthetisieren kann. Wofür wird diese Fettsäure benötigt?

Aufgabe 304 a) Formulieren Sie den Mechanismus der durch die Carbamoylphosphat-Synthetase I katalysierten Reaktion. In welchem Stoffwechselweg ist dieses Enzym von Bedeutung? In welchem Zellkompartiment ist es lokalisiert? b) Die Carbamoylphosphat-Synthetase I wird durch N-Acetylglutamat allosterisch aktiviert. Erklären Sie den Sinn dieses Regulationsprozesses.

Aufgabe 305 Die meisten landlebenden Vertebraten scheiden überschüssigen Stickstoff in Form von Harnstoff aus; er wird in der Leber durch die Enzyme des Harnstoffzyklus synthetisiert. Der Harnstoffzyklus wurde erstmals 1932 von Hans Krebs und Kurt Henseleit beschrieben und war damit der erste bekannte Stoffwechselkreislauf überhaupt. a) Formulieren Sie die beiden Teilreaktionen des Harnstoffzyklus, bei denen zunächst der zweite Stickstoff eingeführt und anschließend ein Zwischenprodukt des Citratzyklus gebildet wird, mit Strukturformeln und geben Sie die Namen der Verbindungen an. b) Welche Aminosäure(n) müsste man einem Patienten vermehrt zuführen, bei dem das an der zweiten unter a) formulierten Reaktion beteiligte Enzym defekt ist, um eine weitgehend normale Entgiftung des im Zuge des Aminosäurestoffwechsels entstehenden Ammoniaks zu gewährleisten?

Stoffwechsel

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Aufgabe 306 Das Glutamat nimmt im Aminosäurestoffwechsel eine zentrale Rolle ein. a) Formulieren Sie zwei unterschiedliche Reaktionen, die Glutamat in D-Ketoglutarat umwandeln. Welche Coenzyme sind jeweils beteiligt? b) Die Enzyme, die die beiden unter a) formulierten Reaktionen katalysieren, kommen in Herz- und Leberzellen reichlich vor. Eines der beiden besitzt erhebliche Bedeutung in der medizinischen Diagnostik. Wofür?

Aufgabe 307 Die Synthese von Harnstoff findet fast ausschließlich in der Leber statt. Ein Abbau von Aminosäuren findet aber auch in anderen Geweben statt. Dabei spielt die Muskulatur, die den größten Teil ihres Energiebedarfs durch Glykolyse deckt, eine Sonderrolle. Diskutieren Sie zwei Wege (d.h. Muskulatur und übrige Gewebe getrennt), die benutzt werden, um den beim Abbau von Aminosäuren anfallenden Ammoniak in die Leber zu transportieren.

Aufgabe 308 Eine Reihe von Aminosäuren werden unter Beteiligung eines prominenten Coenzyms zu sogenannten biogenen Aminen umgewandelt. Auf diesem Weg entstehen auch die wichtigen Hormone Adrenalin und Noradrenalin, die sich beide von der Aminosäure Phenylalanin ableiten. Durch zweifache Hydroxylierung von Phenylalanin entsteht das 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA). Formulieren Sie ausgehend von DOPA den Reaktionsmechanismus für die Bildung von Dopamin und geben Sie die weiteren Reaktionen an, die zur Bildung von Adrenalin erforderlich sind.

Aufgabe 309 Aspartat ist ein Substrat des Harnstoffzyklus. a) An welcher Reaktion ist es beteiligt und wie läuft diese mechanistisch ab? b) Durch „Recycling“ kann der Nettoverbrauch von Aspartat im Zuge der Harnstoffsynthese verringert werden. Welche Reaktionen laufen dabei ab, und welcher günstige Nebeneffekt ergibt sich daraus für die Energiebilanz des Harnstoffzyklus?

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Kapitel 4

Aufgabe 310 a) Einige der 20 proteinogenen Aminosäuren können aus Zwischenprodukten des Kohlenhydratstoffwechsels durch Transaminierung entstehen. Wie viele und welche Aminosäuren sind dies? Formulieren Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen. b) Was versteht man unter einer reduktiven Aminierung? Welche Aminosäure(n) können auf diesem Weg gebildet werden?

Aufgabe 311 Innerhalb der 20 proteinogenen Aminosäuren nimmt das Glutamin eine herausragende Position ein. Es ist die im Blutplasma in höchster Konzentration vorliegende Aminosäure und sowohl am Transport von Stickstoff aus den peripheren Geweben zur Leber, wie auch am Transport zur Niere beteiligt. a) Zeichnen Sie die Strukturformel von Glutamin in der Form, wie sie beim pH-Wert des Blutes vorliegt, und erklären Sie, ob es sich um eine saure, basische oder neutrale Aminosäure handelt. b) Welche besondere Rolle spielt das Glutamin in der Niere? c) Glutamin ist auch für viele Biosynthesen als Stickstofflieferant essentiell. Nennen Sie einige Beispiele.

Aufgabe 312 Proteine unterliegen im Organismus einem permanenten Auf- und Abbau. Dabei kann die Lebensdauer eines Proteins zwischen wenigen Minuten und mehreren Wochen variieren. Während der Proteinabbau in den Lysosomen weitgehend unselektiv verläuft, müssen Proteasen, die sich frei im Cytosol befinden, strikt kontrolliert werden, damit nur solche Proteine abgebaut werden, die mutiert oder beschädigt sind oder aus anderen Gründen nicht mehr benötigt werden. Obwohl die Proteolyse ein thermodynamisch günstiger Prozess ist, werden für den Proteinabbau erhebliche Mengen an ATP benötigt. Woraus resultiert dieser ATP-Bedarf und wie wird gesteuert, dass die „richtigen“ Proteine abgebaut werden?

Stoffwechsel

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Aufgabe 313 Bereits kurze Zeit nach Beginn einer Fastenperiode nimmt die Ausscheidung von Harnstoff deutlich zu. Nach wenigen Tagen fortgesetzten Fastens nimmt die Harnstoffausscheidung wieder ab, nach einigen Wochen, wenn sämtliche Fettreserven verbraucht sind, steigt sie jedoch wieder beträchtlich an. Erklären Sie diesen Verlauf der Harnstoffausscheidung im Verlauf einer anhaltenden Hungerperiode.

Aufgabe 314 Aus nicht markiertem Citrullin soll in vitro 15N-markierter Harnstoff gebildet werden. a) Welche Enzyme und Substrate benötigen Sie für diese Umwandlung? Formulieren Sie die ablaufenden Reaktionen und benennen Sie die benötigten Enzyme. Wo kommt die Radioaktivität im Harnstoff her? b) Die erste Reaktion benötigt ein Metallion als Cofaktor. Wie lässt sich einfach beweisen, dass dieser Cofaktor für die Synthese von Argininosuccinat essentiell ist?

Aufgabe 315 a) Acetyl-CoA, das im Citratzyklus letztlich zu CO2 abgebaut wird, kann im Organismus aus zahlreichen Vorläufern entstehen. Eine wichtige Quelle sind Triacylglycerole (Fette), deren Fettsäureketten in der β-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut werden, welches wiederum die Pyruvat-Carboxylase aktiviert. Welche Rolle spielt diese Aktivierung für die Energiegewinnung des Körpers aus Fettsäuren? b) Der Abbau der Kohlenstoffgerüste vieler Aminosäuren führt zu Zwischenprodukten des Citratzyklus und kann dazu beitragen, den Vorrat an den entsprechenden Zwischenstufen aufzufüllen. Welche Zwischenprodukte entstehen aus dem Abbau der Aminosäuren Alanin, Glutamat bzw. Leucin und welche dieser Aminosäuren sind demnach geeignet, um den Pool an Intermediaten des Citratzyklus zu füllen?

Aufgabe 316 a) Die Verbindung Carbamoylphosphat findet sich als Intermediat in zwei unterschiedlichen Stoffwechselwegen. Beschreiben Sie die Biosynthese von Carbamoylphosphat. Gibt es hierbei einen Unterschied zwischen Prokaryonten und Eukaryonten?

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Kapitel 4

b) Das Enzym Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) wurde sehr eingehend untersucht. In Bakterien wie E. coli unterliegt es einer allosterischen Regulation: Pyridinnucleotide fungieren als Hemmstoffe, während ATP aktivierend wirkt. Dagegen unterliegt die eukaryontische ATCase keiner Rückkopplungshemmung. Erklären Sie, warum die Regulation in Prokaryonten sinnvoll ist und überlegen Sie, weshalb Eukaryonten darauf verzichten.

Aufgabe 317 Die Abbildung stellt das Guanosin-5’(E,J-imido)-triphosphat dar. Wegen der Imidogruppe kann das J-Phosphat nicht hydrolysiert werden. Diese Verbindung ist ein irreversibler Aktivator des Adenylatcyclasesystems. Begründen Sie diesen Befund.

O N O O

O

NH

O

N P N P O P O CH2 O H O O O H H H H OH

N

NH2

OH

Aufgabe 318 Betrachten Sie ein Molekül Uridinmonophosphat (UMP). Machen Sie innerhalb der Molekülformel kenntlich, aus welchen Bausteinen sich das UMP biosynthetisch zusammensetzt. Benutzen Sie Ihre OC-Kenntnisse und erklären Sie, um welchen Reaktionstyp (z.B. nucleophile Addition, Eliminierung, etc.) es sich jeweils bei den einzelnen Reaktionsschritten handelt, die zur Bildung von UMP führen.

Aufgabe 319 Die Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) ist ein regulatorisches Enzym, das an der Nucleotidsynthese beteiligt ist. Das Enzym zeigt positive Kooperativität, wird durch Adenosintriphosphat (ATP) aktiviert und durch Cytidintriphosphat (CTP) gehemmt. Beide Nucleotide beeinflussen die Michaelis-Konstante KM für das Substrat Aspartat, während die Maximalgeschwindigkeit Xmax nicht beeinflusst wird. Ist das zweite Substrat in seiner Sättigungskonzentration vorhanden und kein ATP bzw. CTP anwesend, beträgt die Aspartat-Konzentration bei halbmaximaler Umsatzgeschwindigkeit c = 5 mmol/L. a) Erstellen Sie ein Diagramm für die Abhängigkeit der Anfangsgeschwindigkeit X0 von der Konzentration an Aspartat und zeigen Sie den Einfluss von ATP bzw. CTP auf. b) Formulieren Sie die von der ATCase katalysierte Reaktion. Woher stammt das zweite Substrat? Spielt es noch eine andere Rolle im Stoffwechsel?

Stoffwechsel

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Aufgabe 320 Die Synthese von Purinnucleotiden ist ein relativ aufwändiger Stoffwechselprozess, an dem eine Reihe von Edukten mitwirkt. a) Mit welchem Substrat beginnt die Purinsynthese, und woher stammt es? b) Geben Sie die Verbindungen an, die am Aufbau eines Purinrings beteiligt sind. c) Als erstes Nucleotid im Zuge der Purinsynthese entsteht das Inosinmonophosphat (IMP). Skizzieren Sie, wie ausgehend von dieser Verbindung die beiden anderen, häufigeren Purinderivate entstehen.

Aufgabe 321 Ordnen Sie folgende Enzyme dem zugehörigen Stoffwechselweg zu: D-Ketoglutarat-Dehydrogenase E-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase Acyl-CoA-Dehydrogenase Aldolase Arginase Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase

Aufgabe 322 Welche Substrate werden nach 24-stündigem Fasten von der Skelettmuskulatur bzw. dem Zentralnervensystem zur Deckung ihres Energiebedarfs überwiegend oxidiert? Geben Sie an, aus welchen Ausgangsstoffen die jeweiligen Substrate stammen.

Kapitel 5 Nucleinsäuren, Genexpression und molekularbiologische Methoden

Aufgabe 323 a) Vergleichen Sie die Wasserstoffbrückenbindungen in der D-helikalen Struktur von Proteinen mit denjenigen in der DNA-Doppelhelix. Berücksichtigen Sie strukturelle Aspekte sowie die Rolle der Wasserstoffbrücken für die Stabilisierung der jeweiligen Struktur. b) Welche Eigenschaft eines DNA-Moleküls lässt sich durch Messung der Viskosität seiner wässrigen Lösung bestimmen? Wie ändert sich die Viskosität dieser Lösung, wenn eine DNase-Behandlung durchgeführt wird?

Aufgabe 324 a) Virale Erreger, deren genetische Information in Form von DNA vorliegt, schleusen diese DNA in ihre Zielzelle ein und transformieren die Zelle dadurch, d.h. sie bringen die Zielzelle dazu, virale Proteine basierend auf der viralen DNA zu synthetisieren. Begründen Sie mit einem Satz, welchen Effekt Sie auf die transformierende Aktivität einer viralen DNA erwarten, wenn diese mit einer Protease behandeln. b) Eine Analyse dieser viralen DNA ergibt, dass 31 % der Basen Thyminreste sind. Ist diese Information ausreichend, um den Gehalt an Guaninresten in dieser DNA zu ermitteln? Begründen Sie! c) Die Neusynthese der DNA durch DNA-Polymerasen erfolgt nur in einer Richtung. Welche ist dies und warum ist das so? Begründen Sie auf Basis der beteiligten Molekülstrukturen.

Aufgabe 325 Sie wollen mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) eine DNA herstellen, in deren Rückgrat alle Phosphoratome gleichmäßig mit dem Radioisotop 32P markiert sind. Ein geeigneter Puffer, die DNA-Matrize, eine thermostabile Polymerase sowie ein entsprechendes Primerpaar ist bereits vorhanden; geeignete radioaktiv markierte Nucleotide müssen noch angeschafft werden. Zum Schutz Ihrer Mitarbeiter soll die Menge an 32P pro Nucleotid so gering wie möglich gehalten werden. Wie müssen demzufolge die in Auftrag zu gebenden 32 P-Nucleotide aufgebaut sein? Formulieren Sie exemplarisch die Struktur eines solchen Nucleotids und kennzeichnen Sie die zu markierenden Atome eindeutig.

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Kapitel 5

Aufgabe 326 a) Was verstehen Sie unter dem Schmelzpunkt der DNA? Wie lässt er sich leicht bestimmen? b) Welche Effekte auf die Schmelzkurve einer wässrigen Lösung einer doppelsträngigen DNA sind durch folgende Behandlungen zu erwarten? x Erniedrigung der Ionenstärke der Lösung x Bei hohem Druck die DNA-Lösung durch eine sehr enge Öffnung spritzen x Erwärmen der Lösung auf 25 °C oberhalb der Schmelztemperatur der DNA, gefolgt von raschem Abkühlen auf 35 °C unterhalb der Schmelztemperatur x Zugabe einer kleinen Menge Ethanol

Aufgabe 327 Der strukturelle Aufbau der DNA wurde erstmals 1953 vom US-Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick in ihrem berühmten Artikel „Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid“ beschrieben. Zu Beginn der 50er-Jahre war ein erbitterter Wettlauf um die Struktur der DNA entbrannt, an dem sich neben anderen auch Linus Pauling am California Institute of Technology beteiligte. Für ihre Entdeckungen über die Molekularstruktur der Nucleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Substanz erhielten die beiden zusammen mit Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis für Medizin. Rosalind Franklin, deren Röntgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beigetragen hatten, war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden. a) Geben Sie die wesentlichen Merkmale der B-DNA-Struktur an! b) Durch welche Faktoren wird die Schmelztemperatur einer DNA-Doppelhelix beeinflusst? c) In den Chromosomen ist die DNA an sogenannte Histon-Proteine gebunden. Bestimmte Aminosäuren kommen in diesen Proteinen besonders häufig vor. Erklären Sie kurz, um welche Aminosäuren es sich handeln könnte. Man kennt spezifische Enzyme, die Histon-Proteine durch Acetylierung modifizieren. Wie sollte sich eine solche Modifikation auf die Bindung an DNA auswirken? d) Der Stoffmengenanteil eines Stranges einer doppelsträngigen DNA beträgt für Adenin F = 0,3 und für Guanin F = 0,24. Wie groß ist der Anteil an Cytosin für x den gleichen x den Gegenstrang?

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

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Aufgabe 328 Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle mit einer Größe von 1–200u103 bp, die man in Bakterien- oder Hefezellen findet. Oftmals vermitteln sie Eigenschaften, die der Wirtszelle fehlen, wie z.B. Resistenz gegen ein Antibiotikum. Ein derartiges Plasmid trägt die Bezeichnung pBR322 und besteht aus 4362 bp. a) Welchen Radius sollte dieses Plasmid besitzen, wenn es als kreisförmig angenommen wird und die DNA in der B-Form vorliegt? b) Solche Plasmide finden Anwendung als Klonierungsvektoren. Mit Hilfe geeigneter Enzyme kann der Doppelstrang aufgeschnitten und ein zusätzliches DNA-Stück eingefügt werden. Wenn das Plasmid anschließend in ein Bakterium aufgenommen und dort exprimiert werden soll, darf sein Radius durch das DNA-Insert maximal um den Faktor 1,5 zunehmen. Aus wie vielen Aminosäuren kann das Polypeptid maximal bestehen, für das das eingefügte DNAFragment codiert?

Aufgabe 329 Ein Teil einer DNA enthaltende Lösung wird langsam auf 90 °C erwärmt, der andere mit der Restriktionsendonuclease EcoRI behandelt und dabei jeweils photometrisch die Absorbanz bei 260 nm verfolgt. Die eine Hälfte der erhitzten Lösung wird anschließend sofort auf 0 °C abgegekühlt, die andere Hälfte lässt man allmählich abkühlen. Tragen Sie in ein entsprechendes Diagramm die Absorbanz der Lösung gegen die Zeit auf und erklären Sie ihre Beobachtungen. Warum ändert sich die Absorbanz mit der Erhöhung der Temperatur?

Aufgabe 330 a) Was verstehen Sie unter einem Intron, und welche Rolle kommt diesen beim sogenannten „alternativen Spleißen“ zu? b) Was versteht man unter einem Operon?

Aufgabe 331 a) Nennen Sie drei wesentliche Unterschiede zwischen DNA und RNA! b) Warum ist RNA wesentlich empfindlicher gegenüber basischer Hydrolyse als DNA? Beantworten Sie die Frage anhand des Mechanismus der RNA-Hydrolyse. c) Wie lässt sich eukaryontische mRNA relativ leicht von anderen DNA und RNA-Sorten abtrennen?

136

Kapitel 5

Aufgabe 332 In DNA-Proben, die aus zwei nicht identifizierten Bakterienspezies isoliert wurden, macht Adenin 32 % bzw 17 % der Anzahl der Gesamtnucleotide aus. a) Welche relativen Anteile würden Sie den beiden DNA-Proben für Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin erwarten? Was setzen Sie bei Ihrer Berechnung voraus? b) Einer der beiden Bakterienstämme wurde aus einer heißen Quelle (64 °C) isoliert. Welche DNA stammte von diesem thermophilen Bakterium? Begründung!

Aufgabe 333 Die DNA in Eukaryonten ist in mehreren Organisationsebenen sehr komplex strukturiert, um eine kompakte Packung zu erreichen. Das Bakteriennucleoid besitzt zwar ebenfalls eine gewisse Packungsstruktur, ist aber bei weitem weniger komplex organisiert. Überlegen Sie, welche Gründe es für diese Unterschiede in der Organisation geben könnte.

Aufgabe 334 Auf den ersten Blick ist wenig einleuchtend, warum RNA als zweite Pyrimidinbase neben Cytosin die Base Uracil, DNA hingegen die Base Thymin enthält. Skizzieren Sie die Strukturformeln dieser drei Basen und versuchen Sie, eine Erklärung für diese Tatsache zu finden.

Aufgabe 335 Von der prozentualen Basenzusammensetzung eines Stranges einer doppelsträngigen DNA ist [A] = 30 % und [G] = 24 % bekannt. Berechnen Sie die in der nachfolgenden Tabelle erfragten Anteile oder Summenanteile der anderen Basen im gleichen oder im komplementären Strang (Gegenstrang). In den Fällen, in denen eine Berechnung mit den vorhandenen Daten nicht möglich ist, setzen Sie ein „X“ ein. Für den gleichen Strang: [T] = [C] = [T] + [C] =

Für den Gegenstrang: [A] = [T] = [A] + [G] = [G] = [C] = [G] + [C] =

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

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Aufgabe 336 a) Beschreiben Sie kurz den experimentellen Ansatz des Meselson-Stahl-Experiments! b) Welches Ergebnis hätte das Experiment von Meselson und Stahl zur Art der Replikation ergeben, wenn anstelle der semikonservativen eine konservative oder dispersive Replikation angenommen wird? Diskutieren Sie das Verhältnis von 15N-DNA und 14N-DNA nach der ersten und zweiten Generation und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem der semikonservativen Replikation. c) Nehmen Sie an, Sie wollen in einer wachsenden Bakterienkultur nur die DNA der Organismen radioaktiv mit Tritium (3H) markieren, nicht aber die RNA. Welche Verbindung müssen Sie dem Kulturmedium zusetzen, um dies zu bewerkstelligen? Zeichnen Sie die Struktur der Verbindung und markieren Sie potentielle Tritium-Stellen mit einem Stern.

Aufgabe 337 Die Genome vieler Viren und Bakterien bestehen aus einem zirkulären doppelhelikalen DNAMolekül. Diese Moleküle erscheinen oft seltsam verdrillt. Dieses als Superspiralisierung bezeichnete Phämomen ermöglicht eine kompaktere Packung als für relaxierte Moleküle und ist von Bedeutung bei den Entspiralisierungsvorgängen, die bei Transkription und Replikation stattfinden. a) Welche Aufgabe haben Typ I-Topoisomerasen? Durch welche Aspekte unterscheiden sie sich vom Typ II in Prokaryonten? b) Wofür werden sogenannte „Gyrase-Hemmer“ eingesetzt? Zeigen Sie ein typisches Beispiel, das in der Humanmedizin benutzt wird.

Aufgabe 338 Die DNA-Polymerase III spielt eine Hauptrolle bei der Replikation der DNA in Prokaryonten. a) Welche Probleme ergeben sich beim Start der Replikation und bei der Synthese des Folgestrangs (verglichen mit der Synthese des Leitstrangs)? Beschreiben Sie kurz, wie diese Probleme gelöst werden! b) Gegeben ist folgende DNA-Sequenz: AACTGTC 5´-AGCCATTGACAGGGCCCATA-3´ Zu dieser Verbindung gibt man DNA-Polymerase III sowie dATP, dGTP, dCTP und dTTP. Welches Nucleotid wird als nächstes eingebaut? Begründen Sie!

138

Kapitel 5

Aufgabe 339 a) Zeichnen Sie eine Replikationsgabel und geben sie alle beteiligten Enzyme und ihre Funktion an, die an der Replikation von DNA beteiligt sind. b) Was versteht man unter „Okazaki-Fragmenten“? Warum werden sie gebildet?

Aufgabe 340 Im Jahr 1993 erhielt der Amerikaner Kary Mullis den Nobelpreis für die Erfindung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) im Jahr 1983. Gegeben ist folgendes DNA-Fragment, das durch PCR amplifiziert werden soll. 5´-CATGCTAATG  beliebige 400 Basen  CAATCGGGCA-3’ a) Zeichnen Sie die benötigten Primerpaare mit Angabe des 5’ bzw. 3’- Endes. b) Sie gehen von 25 Kopien des oben gezeigten Fragmentes aus. Wie viele Kopien haben Sie (im Optimalfall) nach 20 PCR-Zyklen? c) Nach Durchforsten des Laborkühlschranks stellen Sie fest, dass einer Ihrer Mitarbeiter die letzte Taq-Polymerase verbraucht hat. Was müssten Sie theoretisch machen, um die Reaktion mit der DNA Polymerase I aus E. coli ablaufen zu lassen?

Aufgabe 341 Für die DNA-Replikation werden unter anderem Ribonucleosidtriphosphate benötigt. Dennoch sind in den neu synthetisierten Tochtersträngen keine Ribonucleotide zu finden. Erklären Sie diesen Befund und die Rolle der Ribonucleosidtriphosphate bei der Replikation.

Aufgabe 342 Die drei wichtigsten Typen von Ribonucleinsäuren sind ribosomale (rRNA), Boten- (mRNA) und die Transfer-Ribonucleinsäure (tRNA). a) Erklären Sie kurz Herkunft, Funktion und Eigenschaften der mRNA bei Eukaryonten. b) Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen prokaryontischer und eukaryontischer mRNA!

Aufgabe 343 a) Für die Initiation der Transkription ist die Ausbildung eines sogenannten „offenen” Promotor-Komplexes erforderlich, indem das DNA-Template im Bereich zwischen der –10-

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Region und der Initiationsstelle entwunden wird. Erklären Sie, warum die Promotor-Effizienz mit der Anzahl von G/C-Basenpaaren abnimmt. b) Die Fehlerhäufigkeit bei der Transkription ist mit einer falschen Base pro 104 Nucleotide deutlich höher als bei der Replikation. Überlegen Sie sich Gründe, warum diese höhere Fehlerrrate bei der Transkription tolerabel ist.

Aufgabe 344 a) Beschreiben Sie anhand entsprechender Skizzen die drei unterschiedlichen Aktivitäten der DNA-Polymerase I. b) 1969 wurden mutierte E. coli-Zellen beobachtet, die weniger als 1 % Polymerase IAktivität aufwiesen, sich aber dennoch mit normaler Geschwindigkeit replizierten. Jedoch war dieser mutierte Stamm höchst empfindlich gegenüber UV-Strahlung und chemischen Mutagenen. Was ließ sich daraus bezüglich der biologischen Rolle der Polymerase I folgern?

Aufgabe 345 Aus Organismen isolierte bzw. rekombinant hergestellte Ligasen sind ein unverzichtbares Werkzeug in der Molekularbiologie, z.B. für Klonierungen: Um gezielt DNA-Fragmente neu miteinander zu verbinden, werden die mittels Restriktionsendonucleasen geschnittenen Fragmente zusammen mit der DNA-Ligase und dem entsprechenden Cofaktor inkubiert. Die Ligase verknüpft die DNA-Stränge, so dass sich wieder ein ringförmiges Plasmid ergibt, das anschließend in Bakterienzellen transformiert werden kann. Formulieren Sie den genauen Mechanismus für die Reaktion, die von der DNA-Ligase katalysiert wird!

Aufgabe 346 Das E. coli-Chromosom weist eine Länge von 1,28 mm auf. Unter optimalen Bedingungen wird dieses Chromosom in 40 min repliziert. a) Welche Strecke legt eine Replikationsgabel in 1 min zurück? b) Die replizierende DNA liegt in der B-Form vor (10 bp / Windung; Ganghöhe 34 Å). Wie viele Nucleotide werden in einer Minute in einer Replikationsgabel eingefügt? c) Kultivierte Humanzellen (wie z.B. HeLa-Zellen) replizieren 1,2 m DNA während der 5stündigen S-Phase der Mitose, wobei die Geschwindigkeit der Replikationsgabeln nur 1/10 derjenigen in E. coli beträgt. Wie viele Replikationsursprünge („origins of replication”) muss die Zelle besitzen? d) Wie groß ist der Abstand, in kilo-bp, zwischen diesen Replikationsursprüngen?

140

Kapitel 5

Aufgabe 347 Das durchschnittliche menschliche Chromosom enthält ca. 1u108 bp an DNA. a) Wie viel wiegt ein solches Chromosom (in g), wenn es pro g DNA ca. 2 g Protein (Histone u.a.) enthält und die molare Masse pro Basenpaar im Schnitt 660 g/mol beträgt? b) Wie lang wäre die DNA in gestrecktem Zustand? c) Der menschliche Körper besteht aus etwa 1012 Zellen; jede Zelle enthält einen diploiden Satz der 23 verschiedenen Chromosomen. Wie lang wäre die gesamte DNA in ausgestrecktem Zustand? Zum Vergleich: die Distanz Erde  Sonne beträgt ca. 1,5u108 km. d) Wie lange würde die Replikation eines solchen Chromosoms von einem einzigen Replikationsstartpunkt aus (mindestens) dauern, wenn sich eine Replikationsgabel mit 6 kb/min bewegt? In Wirklichkeit liegen die Replikationsstartpunkte bei eukaryontischer DNA etwa 100 kb auseinander. Wie lang dauert die Replikation dann mindestens?

Aufgabe 348 Die DNA des Bacteriophagen T2 hat eine molare Masse von 1,20u108 g/mol und befindet sich in einem Phagenkopf, der etwa 210 nm lang ist. a) Berechnen Sie die Länge der DNA und vergleichen Sie mit der Länge des T2Phagenkopfes. Die durchschnittliche molare Masse eines Basenpaares beträgt 660 g/mol. b) Die DNA des Bacteriophagen M13 hat folgende Basenzusammensetzung: 23 % A, 36 % T, 21 % G, 20 % C. Welche Aussage ergibt sich daraus für die M-13-DNA?

Aufgabe 349 Die DNA-Replikation in E. coli verläuft mit extrem hoher Genauigkeit: pro 105 bis 1010 eingebaute Nucleotide findet sich nur ein falscher Baustein. Erklären Sie, welche Prozesse zu dieser sehr geringen Fehlerrate beitragen.

Aufgabe 350 Die aktive Form des Lactose-Repressors bindet an den Operator mit einer Dissoziationskonstante von 10–13 mol/L für die Reaktion  o RO R + O m 

Dabei genügen etwa 10 Moleküle pro E. coli-Zelle, um das Operon in Abwesenheit eines Inducers abgeschaltet zu halten.

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

141

a) Wie groß ist die intrazelluläre Repressor-Konzentration, wenn das Volumen einer E. coliZelle 0,3u10–12 mL beträgt? b) Wie groß ist die Konzentration des Operators in der E. coli-Zelle, wenn durchschnittlich zwei Kopien des lac-Operons pro Zelle vorliegen? c) Wie hoch ist unter den gegebenen Bedingungen die durchschnittliche Konzentration an freiem Operator?

Aufgabe 351 Der Begriff Transkription umfasst allgemein jede Form der RNA-Synthese anhand einer DNA-Matrize, wobei als Transkript ein zum Matrizenstrang komplementäres, im Wesentlichen einzelsträngiges RNA-Molekül entsteht. Ein derartiges Produkt ist als heterogene nucleäre RNA (hnRNA) bekannt; zwei andere werden als Micro-RNA (miRNA) bzw. als short interfering RNA (siRNA) bezeichnet. a) Was verbirgt sich hinter diesen Bezeichnungen? b) Eukaryontische hnRNA unterliegt dem sogenannten „Capping“. Beschreiben Sie die hierbei ablaufenden Reaktionen und zeichnen Sie eine Strukturformel für das entstehende Produkt. Wozu könnte das Capping dienen?

Aufgabe 352 Cordycepin-5´-triphosphat (3´-Desoxyadenosintriphosphat) ist eine mit ATP eng verwandte Verbindung und damit ein potentielles Substrat für die RNA-Polymerase. Geben Sie die Strukturformel für Cordycepin-5´-triphosphat an. Welchen Effekt erwarten Sie, wenn Cordycepin-5´-triphosphat in signifikanter Menge in einer transkriptionsaktiven Zelle vorhanden ist?

Aufgabe 353 Das Schwere Akute Respiratorische Syndrom (SARS, Severe Acute Respiratory Syndrome) ist eine Infektionskrankheit, die erstmals im November 2002 in der chinesischen Provinz Guangdong beobachtet wurde. Laut dem Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin in Hamburg entspricht das klinische Bild einer atypischen Lungenentzündung (Pneumonie). Der Erreger von SARS war ein bis zum Ausbruch der Epidemie unbekanntes Coronavirus, das man mittlerweile als SARS-assoziiertes Coronavirus (SARS-CoV) bezeichnet. Anhand der Gensequenzen wird vermutet, dass ein bekanntes Coronavirus entweder mutiert ist oder dass eine Virusart, die bisher nur Tiere befallen hat, auf den Menschen „übergesprungen“ ist. Coronaviren gehören zu einer lang bekannte Familie von behüllten Einzel(+)-Strang-RNAViren, deren RNA in der Zelle direkt in Proteine übersetzt wird. Dabei entsteht u.a. eine

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Kapitel 5

RNA-abhängige RNA-Polymerase, welche das Genom zunächst in einen (–)-Strang umschreibt, von dem wiederum (+)-Stränge gebildet werden. a) Wie würden Sie vorgehen, um die Virus-RNA mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) nachzuweisen? b) Die Sequenz des Gens für die virusspezifische Polymerase lautet: 5'-CAUAACCAGUCGGUACAGCUAC–n Basen–GUAACCAUUGACUUGGUAAUUCAU-3´

Welche Primer müssen Sie für die PCR verwenden?

Aufgabe 354 Die unten abgebildete prä-mRNA codiert sowohl für das Calcitonin als auch für das „calcitonin gene related polypeptide“ (CGRP). Beide Polypeptide spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der intrazellulären Calciumkonzentration in Neuronen. Um beide Polypeptide mit ein und derselben prä-mRNA codieren zu können, bedient sich der eukaryontische Organismus des alternativen Spleißens. 5´-

E1

I1

E2

I2

E3

I3

E4

I4

E5

-3´ Prä-mRNA

a) Zeigen Sie anhand einer sauberen Skizze die wichtigen Bereiche auf der prä-mRNA auf, die vorhanden sein müssen, damit ein Spleißvorgang möglich ist.    b) Erklären Sie kurz die wesentlichen Reaktionen, die beim Spleißen im sogenannten Spleißosom ablaufen.

Aufgabe 355 Bakterien wie E. coli können eine ganze Reihe verschiedener Zucker metabolisieren. Das lacOperon codiert Proteine, die für den Abbau von Lactose in E. coli verantwortlich sind. Lactose kann mit Hilfe einer Permease (LacY) in die bakterielle Zelle gelangen und dort von der β-Galaktosidase (LacZ) gespalten werden. Die Transacetylase (LacA) ist am Abbau verwandter Zuckerverbindungen beteiligt. a) Skizzieren Sie die Rolle von Repressor und Inducer bei der Genexpression am Beispiel des lac-Operons! b) Ist neben Lactose auch Glucose vorhanden, wird diese bevorzugt abgebaut, d.h. die Gene für den Lactoseabbau bleiben reprimiert. Erklären Sie, wie diese als „positiv“ bezeichnete Regulation erfolgt.

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

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Aufgabe 356 DNA, die durch enzymatische Hydrolyse in eine Anzahl verschiedener Bruchstücke zerlegt wurde, wird anschließend durch Gelelektrophorese aufgetrennt. a) Welche Typen von DNA-spaltenden Enzymen kennen Sie und wie wirken diese? b) Wie könnte man nach der gelelektrophoretischen Trennung ein Fragment mit einer spezifischen Sequenz identifizieren?

Aufgabe 357 Im Labor wurden nach der Transformation von Bakterienzellen mit drei verschiedenen Plasmiden gleicher Größe die Bakterienkulturen vertauscht. Nach der Kultivierung in Ampicillin-haltigem Medium stehen Ihnen zur Restriktionsanalyse die Enzyme EcoRI und BamHI zur Verfügung. Geben Sie an, wie sie das Plasmid 1 eindeutig identifizieren können. EcoRI

AmpicillinResistenz

EcoRI

AmpicillinResistenz

3000bp

1

3000bp

2 BamHI

BamHI

KanamycinResistenz

3000bp

3 EcoRI

EcoRI

BamHI

Aufgabe 358 Restriktionsenzyme sind Teil des bakteriellen „Restriktions-Modifikations-Systems“, das dazu gebraucht wird die Zelle gegen fremde DNA (meist Phagen-DNA) zu schützen. a) Was ist charakteristisch an den DNA-Sequenzen, die von Restriktionsenzymen erkannt werden? Wie schützen Bakterien ihre eigene DNA vor Verdauung durch Restriktionsenzyme, die in der Zelle produziert werden? b) Restriktionsenzyme sind auch nützliche Werkzeuge in der molekularen Diagnostik. Wie könnte man sie nutzen, um beispielsweise die Mutation im Globin-Gen, die zur Sichelzellanämie führt, nachzuweisen?

Aufgabe 359 a) Die Restriktionsendonuclease EcoRI erkennt eine Basensequenz aus 6 Nucleotiden. Welche durchschnittliche Größe erwarten Sie für entstehende DNA-Fragmente, wenn Sie eine DNA mit dieser Restriktionsendonuclease behandeln?

144

Kapitel 5

b) Eine lineare, aus 4 kb bestehende DNA wird mit den Restriktionsenzymen BamHI, HindIII und einer Mischung beider Enzyme behandelt, wobei die nachfolgende Elektrophorese Fragmente der angezeigten Länge ergab. Leiten Sie daraus die entsprechende Restriktionskarte für diese DNA ab! HindIII + BamHI

HindIII

BamHI

2,8 kb 1,8 kb 1,2 kb

1,0 kb 0,9 kb

1,8 kb 1,3 kb 0,9 kb

0,3 kb

Aufgabe 360 a) Definieren Sie den Begriff Klonierung und beschreiben Sie, wie man dabei experimentell vorgehen kann. b) Während die Produktion prokaryontischer Proteine nach Klonierung in einem bakteriellen Wirtsorganismus (z.B. E. coli) verhältnismäßig einfach ist, ergeben sich bei der Herstellung eukaryontischer Proteine in Bakterien einige Schwierigkeiten. Welche?

Aufgabe 361 Gentherapie bezeichnet einen Ansatz, bei dem versucht wird, neues genetisches Material in die Zellen eines Individuums einzubringen, um eventuell defekte Gene zu substituieren. Ein denkbares „Shuttle-System” für dieses Unterfangen könnten Retroviren sein. Erklären Sie auf der Basis des Lebenszyklus von Retroviren, wie dieser Ansatz funktionieren könnte!

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

145

Aufgabe 362 Die DNA des SV40-Virus ist ein ringförmiges Molekül aus 5243 bp und einem (G+C)-Gehalt von 40 %. Wie viele Schnittstellen in dieser DNA sind für die folgenden Restriktionsenzyme (mit ihren jeweiligen Erkennungssequenzen) zu erwarten, wenn keine weiteren Sequenzinformationen für die vorliegende Virus-DNA zur Verfügung stehen? TaqI TpCGA EcoRII

pCG(A/T)GG

PstI

CTGCApG

HaeII

RGCGCpY

R symbolisiert ein Purinnucleotid; Y ein Pyrimidinnucleotid; ein “/” trennt zwei an der entsprechenden Position mögliche Basen.

Aufgabe 363 In den Vektor pUC19 (2700 Basenpaare) wird mit Hilfe der Restriktionsendonucleasen EcoRI und BamHI ein DNA-Stück eingefügt (Insert mit 4800 Basenpaaren). Insert: 4800 bp

BamHI

EcoRI

pUC19: 2700 bp Das Insert enthält noch eine weitere nicht gezeigte Schnittstelle für eines der beiden Restriktionsenzyme. Um diese herauszufinden, führen sie drei separate Restriktionsverdau-Ansätze mit dem Plasmid durch und erhalten in der Gelelektrophorese folgende Ergebnisse: x Verdau mit BamHI: x Verdau mit EcoRI: x Verdau mit EcoRI + BamHI:

eine Bande mit 7500 Basenpaaren zwei Banden mit 3500 bzw. 4000 Basenpaaren drei Banden mit 800, 2700 und 4000 Basenpaaren

Für welches Restriktionsenzym war eine weitere Schnittstelle vorhanden? Zeichnen Sie die ungefähre Lage der Schnittstelle in die Grafik ein.

146

Kapitel 5

Aufgabe 364 Ein geklontes 8 kb-Fragment bakterieller DNA enthält ein Gen, das bezüglich seiner Lage kartiert werden soll. Als Hybridisierungssonde steht ein hoch gereinigtes radioaktiv markiertes mRNA-Transkript dieses Gens zur Verfügung. Die linke Seite des Diagramms zeigt das Restriktionsschnittmuster des 8 kb-Fragments nach Anfärbung im Gel mit Ethidiumbromid. Die rechte Seite zeigt das Autoradiogramm nach Transfer der Fragmente auf Nitrocellulose und Hybridisierung mit der radioaktiven mRNASonde. BglI

BglI + HpaII

HpaII

3,5 2,5 2,0

BglI

3,5

3,3 3,0

1,7

1,7

3,3 3,0

2,7 2.5

BglI + HpaII

HpaII

Transfer

2,7

2,0

0,8 0,3

0,8 0,3

Zeichnen Sie in folgendes Diagramm alle Schnittstellen und die ungefähren Endpunkte des mRNA-Transkripts ein. BglI-Stellen 0 kb

8 kB

HpaII-Stellen

Aufgabe 365 Ein kleines DNA-Molekül wurde mit verschiedenen Restriktionsenzymen behandelt, und die entstandenen Fragmentgrößen durch Gelelektrophorese bestimmt. Folgende Daten wurden erhalten:

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Restriktionsenzyme

Fragmentgrößen (kb)

EcoRI

1,2 / 1,4

HindIII

2,6

HpaII

2,6

EcoRI + HpaII

1,4 / 0,8 / 0,4

EcoRI + HindIII

1,2 / 0,6 / 0,8

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a) Zeichnen Sie eine Restriktionskarte mit allen Abständen zwischen den Schnittstellen, die mit den Daten konsistent ist. b) Wie viele weitere Karten wären mit den Daten konsistent? c) Was müssten Sie tun, um die Schnittstellen eindeutig relativ zueinander zu bestimmen?

Aufgabe 366 Im Folgenden ist eine DNA-Sequenz aus E. coli gezeigt, die mitten aus der codierenden Region eines Gens stammt: 5´~~CCGGCTAAGCCATGACTAGC~~3´ 3´~~GGCCGATTCGGTACTGATCG~~5´ a) Welche mRNA-Sequenzen können bei der Transkription entstehen? b) Welche Aminosäuresequenz wird in dem Translationsprodukt des Gens gebildet werden? Denken Sie daran, dass nicht bekannt ist, welcher der sense- und welcher der antisense-Strang ist! Benutzen Sie zur Übersetzung den im Anhang angegebenen genetischen Code!

Aufgabe 367 In einem bakteriellen Polypeptid wurde die Aminosäuresequenz Lys-Ser-Ile-Arg bestimmt. Zusätzlich wurden Mutanten isoliert, die jeweils einen einzigen Nucleotidaustausch in der betreffenden DNA-Region trugen. Die resultierenden Aminosäuresequenzen sind: 1 MET-Ser-Ile-Arg 2 Lys-TRP-Ile-Arg 3 Lys-Ser-ARG-Arg 4 Lys-Ser-Ile-PRO 5 Lys-Ser-Ile-TRP

148

Kapitel 5

Bestimmen Sie unter Verwendung des genetischen Codes im Anhang die ursprüngliche Nucleotidsequenz der mRNA in dieser Region.

Aufgabe 368 An der Translation sind Adaptormoleküle beteiligt, die sogenannten tRNAs. a) Skizzieren Sie schematisch ein tRNA-Molekül und geben Sie dabei die gemeinsamen Strukturmerkmale und die Orientierung der tRNA (5´- bzw. 3´-Ende) an. Zeichnen Sie auch die Basenpaarung mit einem AUC-Triplett auf der mRNA. b) Wie werden Aminosäuren an die entsprechende tRNA gebunden? Formulieren Sie den Mechanismus mit Hilfe von Strukturformeln. c) Wie hoch schätzen Sie die Anzahl an verschiedenen tRNAs, die in einem Organismus benötigt wird? Begründen Sie kurz. d) Spielt es für die Bindung an das Ribosom eine Rolle, welche Aminosäure an eine bestimmte tRNA gebunden ist?

Aufgabe 369 Ein entscheidender Schritt innerhalb der Übersetzung des genetischen Codes in eine entsprechende Aminosäuresequenz (der Translation) ist die Verknüpfung der jeweiligen Aminosäure mit dem korrekten tRNA-Molekül. Passiert hier ein Fehler, kann es zum Einbau einer falschen Aminosäure in das Protein kommen. a) Wie viele verschiedene tRNA-Synthetasen werden benötigt und wie erkennen diese die richtige Aminosäure? b) Die beiden Aminosäuren Valin und Isoleucin sind sich sehr ähnlich. So kommt es, dass die Isoleucyl-tRNA-Synthetase in etwa einem Prozent der Fälle die Bildung des Valyl-AdenylatIntermediats katalysiert. Man könnte daher erwarten, dass in ca. einem von 100 Fällen anstelle von Isoleucin fälschlicherweise Valin in eine Polypeptidkette eingebaut wird. Tatsächlich wird aber eine viel niedrigere Fehlerrate beobachtet. Wie ist das möglich?

Aufgabe 370 Während die Synthese neuer Proteine (z.B. als Antwort auf eine Änderung der Umgebung) in eukaryontischen Zellen i.A. Stunden bis Tage erfordert, kommt dieser Prozess bei Prokaryonten innerhalb weniger Minuten in Gang. Wie erklärt sich dieser Unterschied?

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149

Aufgabe 371 Im Zuge der Translation wird die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz der 20 proteinogenen Aminosäuren übersetzt. Unabdingbar hierfür ist der genetische Code. a) Beschreiben Sie einige wesentliche Charakteristika des genetischen Codes. Wie kommt es, dass der genetische Code relativ tolerant gegenüber Fehlern ist? b) Die sehr seltene Aminosäure Selenocystein kann als eine 21. proteinogene Aminosäure aufgefasst werden. Wie wird sie codiert, woraus wird sie gebildet und wo kommt sie vor?

Aufgabe 372 Die Initiation der Translation beginnt mit dem Start-Codon AUG, das in E. coli zum Einbau einer spezifischen N-terminalen Aminosäure führt. a) Welche Aminosäure findet sich stets am N-Terminus eines frisch synthetisierten Polypeptids? Geben Sie den Namen und die Strukturformel an. Was passiert mit dieser Aminosäure auf dem Weg zum reifen Protein? b) Das Codon AUG fungiert nicht nur als Start-Codon, sondern kommt auch im Inneren eines Gens vor. Wie gelingt es, das richtige Start-Codon zu identifizieren?

Aufgabe 373 Die Translation lässt sich in drei Phasen einteilen: Initiation, Elongation und Termination. a) Beschreiben Sie die Bildung des Initiationskomplexes für die Translation in E. coli. b) Die Initiation bei Eukaryonten unterscheidet sich von der Initiation bei E. coli in zwei wesentlichen Punkten. Erklären Sie.

Aufgabe 374 Welche Basentripletts werden als Stopp-Codon (Terminationscodon) bezeichnet? Was passiert, wenn ein Ribosom ein solches Stopp-Codon erreicht?

Aufgabe 375 Einige klinisch bedeutsame Antibiotika hemmen spezifisch das Wachstum von Bakterien, während sie keine oder nur deutlich geringere Wirkung auf die eukaryontische Proteinbiosynthese ausüben. Nennen Sie einige solche Hemmstoffe der Proteinbiosynthese und die Art ihrer Wirkung.

150

Kapitel 5

Aufgabe 376 Im Zuge der Transpeptidierung wird die wachsende Polypeptidkette (an eine tRNA an der PStelle gebunden) durch nucleophilen Angriff der an die tRNA der A-Stelle gebundenen Aminosäure um einen Rest verlängert und auf die tRNA der A-Stelle übertragen. Dies geht ohne zusätzlichen Aufwand an freier Enthalpie (z.B. in Form von ATP), da die Esterbindung zwischen der wachsenden Polypeptidkette und der tRNA der P-Stelle relativ energiereich ist. NH2

N(CH3)2 N H O H 2C

O

HN

N

N

N N

O tRNA O

O

N

O O

OH

OH

C O

C O CH CH2

N

P O H2C

N

O CH3

NH3 Puromycin

CH CH2

OH

NH3 Tyrosyl-tRNA

Das Antibiotikum Puromycin, das dem 3´-Ende einer Tyr-tRNA ähnelt, bindet an die ribosomale A-Stelle und führt zu einem vorzeitigen Abbruch der Polypeptidsynthese. Erklären Sie diesen Befund.

Aufgabe 377 Nennen Sie drei Arten von posttranslationaler Modifikation und geben Sie je ein Beispiel.

Aufgabe 378 Welches Peptid wird von folgendem DNA antisense-Strang codiert? 5´-TCTGACTATTGAGCTCTCTGGCACATAGCA-3´ Gehen Sie davon aus, dass die Translation nach dem ersten Initiationscodon beginnt. Der genetische Code findet sich im Anhang.

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

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Aufgabe 379 Die mRNA für die D-Kette von menschlichem Hämoglobin enthält die Basensequenz ~~~UCCAAAUACCGUUAAGCUGGA~~~ Das C-terminale Tetrapeptid der normalen D-Kette, das von einem Teil obiger Sequenz spezifiziert wird, ist ~SerLysTyrArg. In einer Hämoglobin-Variante hat die entsprechende Region der D-Kette die Sequenz ~SerLysTyrArgGlnAlaGly~ Geben Sie die Mutation an, die zu dieser Hämoglobin-Variante führte. Eine Tafel des genetischen Codes finden Sie im Anhang.

Aufgabe 380 Entwerfen Sie eine mRNA inklusiv der erforderlichen prokaryontischen Kontrollregionen, die für das Octapeptid LysProAlaGlyThrGluAsnSer codiert. Eine Tafel des genetischen Codes finden Sie im Anhang.

Aufgabe 381 Formulieren Sie die Elongationsreaktion für ein ribosomengebundenes Dipeptid CysGlu um einen Serinrest. Machen Sie dabei die jeweilige Besetzung der verschiedenen Ribosomenbindungsstellen klar und zeigen Sie den Mechanismus der Transpeptidierungsreaktion.

Aufgabe 382 Wie hoch ist der energetische Aufwand (in ATP-Einheiten) für die Synthese eines Polypeptids mit 100 Resten in E. coli, ausgehend von mRNA und Aminosäuren? Vernachlässigen Sie einen evt. Aufwand für proofreading. Wie hoch ist der Aufwand in kJ/mol für eine Peptidbindung, wenn man pro ATP-Äquivalent 40 kJ/mol ansetzt? Vergleichen Sie diesen Betrag mit der freien Enthalpie für Bildung einer Peptidbindung (ca. + 20 kJ/mol). Warum ist Peptidbiosynthese so energieaufwändig?

152

Kapitel 5

Aufgabe 383 Die Wahrscheinlichkeit, dass es bei der Translation zu einem Fehler kommt, sei pro Elongationsschritt eine kleine Zahl G. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit p, ein fehlerloses Polypeptid aus n Aminosäuren zu erhalten? Wie groß ist p, falls die Fehlerwahrscheinlichkeit 10–4 beträgt und ein Protein aus 100 Aminosäuren gebildet wird?

Aufgabe 384 Ein doppelsträngiges DNA-Fragment, von dem im Folgenden ein Strang gezeigt ist, codiert zwei Peptide, die als p1 und p2 bezeichnet seien. Gibt man dieses doppelsträngige DNAFragment zu einem künstlichen (in vitro) Transkriptions- und Translationssystem, so bekommt man die beiden Peptide p1 mit 10 Aminosäuren und p2 mit 5 Aminosäuren. 5´-CGGGACTCCATGCTCGACTATATGTGATTAACAGAGCATGCGGCATAATATT-3´ a) Identifizieren Sie die jeweilige DNA-Sequenz, die p1 bzw. p2 codiert und notieren Sie die Aminosäuresequenzen beider Peptide. b) In einem mutierten Stamm wurde T an Position 25 durch G ersetzt. Bestimmen Sie die Aminosäuresequenzen der Mutanten. Eine Tafel des genetischen Codes finden Sie im Anhang.

Aufgabe 385 Die Polymerase-Kettenreaktion (engl.: Polymerase Chain Reaction, PCR) ist eine Methode, um die Erbsubstanz DNA in vitro zu vervielfältigen. Als ihr Erfinder gilt Kary Mullis (1983), der für diese Entdeckung 1993 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Die PCR wird in biologischen und medizinischen Laboratorien für eine Vielzahl verschiedener Aufgaben verwendet, zum Beispiel für die Erkennung von Erbkrankheiten und Virusinfektionen, für das Erstellen und Überprüfen genetischer Fingerabdrücke, für das Klonieren von Genen und für Abstammungsgutachten. Die PCR zählt zu den wichtigsten Methoden der modernen Molekularbiologie und viele wissenschaftliche Fortschritte auf diesem Gebiet (z.B. im Rahmen des Human-Genomprojekts) wären ohne diese Methode nicht denkbar gewesen. a) Was wird benötigt, um ein DNA-Fragment mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion zu amplifizieren? b) Erklären Sie die Einzelschritte, die bei einer typischen PCR ablaufen müssen. Gehen Sie dabei auch auf die gewählten Temperaturbereiche ein und skizzieren Sie ein typisches Temperatur-Zeit-Profil für eine dreistufige PCR. c) Eignet sich die Methode auch zur Vervielfältigung von RNA?

Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

153

Aufgabe 386 a) Formulieren Sie die Bildung der ersten Aminoacyl-tRNA, die für den Start der Proteinsynthese in E. coli erforderlich ist. Welcher Cofaktor wird für die Synthese dieser Aminosäure benötigt? b) Versuchen Sie eine Erklärung zu finden, warum diese (spezielle) Aminosäure am N-Terminus zum Einsatz kommt.

Aufgabe 387 DNA-Sequenzierung ist die Bestimmung der DNA-Sequenz, d.h. der Nucleotidabfolge in einem DNA-Molekül. Die Entwicklung leistungsfähiger Methoden zur DNA-Sequenzierung hat die biologischen Wissenschaften revolutioniert und die Ära der Genomforschung (Genomik) eingeleitet. Seit 1995 konnte durch DNA-Sequenzierung das Genom von über 330 verschiedenen Organismen analysiert werden. Die Methode von Allan Maxam und Walter Gilbert von 1977 beruht auf der basenspezifischen chemischen Spaltung der DNA durch geeignete Reagenzien und anschließender Auftrennung der Fragmente durch Gelelektrophorese; sie ist heute nur noch von historischem Interesse. In der heutigen Praxis bedient man sich fast ausschließlich der sogenannten Kettenabbruchmethode nach Sanger, die 1977 mit der ersten vollständigen Sequenzierung eines Genoms (Bakteriophage φX174) vorgestellt wurde. Sanger erhielt für seine Arbeiten zur DNA-Sequenzierung zusammen mit Gilbert 1980 den Nobelpreis für Chemie. a) Erklären Sie den Ablauf einer Sequenzierung nach der Methode von Sanger. b) Warum ist diese Methode zur Sequenzierung von RNA ungeeignet? c) Unter Verwendung welchen Enzymes kann man dennoch die Sequenz einer RNA mit der oben erwähnten Methode bestimmen – und warum?

Kapitel 6 Spezielle Themenbereiche

Aufgabe 388 Die Biochemie des Sehvorgangs hat auch mit gelben Rüben (Karotten) zu tun – zumindest mit dem darin enthaltenen β-Carotin. Carotinoide bestehen aus acht sogenannten Isopreneinheiten und können nur von Pflanzen gebildet werden.

E-Carotin

Der lichtempfindliche Stoff in den Stäbchen der Retina ist das Rhodopsin. Können Sie Licht in den Zusammenhang zwischen β-Carotin und Rhodopsin bringen, und erklären, wie es zu Nachtblindheit kommen kann?

Aufgabe 389 Die Verbindung Cholecalciferol ist allgemein unter der Bezeichnung Vitamin D3 bekannt. Sie ist jedoch nur schwach biologisch aktiv und muss durch nachfolgende Reaktionen in eine aktivere Form überführt werden. a) Beschreiben Sie die Herkunft von Vitamin D3 und erklären Sie, warum diese Bezeichnung zwar allgemein gebräuchlich, aber eigentlich nicht korrekt ist. b) Wodurch und wo wird Vitamin D3 in die eigentlich aktive Form überführt? c) Was ist die Hauptfunktion des so aktivierten Moleküls?

Aufgabe 390 Das Peptidhormon Thyreoliberin (Thyreotropin Releasing Hormon; TRH) wird als Freisetzungshormon im Hypothalamus gebildet und dann über das hypothalamisch-hypophysäre Pfortadersystem zum Vorderlappen der Hirnanhangsdrüse (Adenohypophyse) transportiert. Im Vorderlappen stimuliert Thyreoliberin die Bildung und Ausschüttung von Prolaktin und TSH, des sogenannten Thyreoidea-stimulierenden Hormons. Über das TSH

O

H H

N

O

N

O N

O N

NH

NH2

156

Kapitel 6

stimuliert das Thyreoliberin dann indirekt auch die Ausschüttung der Schilddrüsenhormone T4 und T3 in der Schilddrüse. Die Struktur von Thyreoliberin ist nebenstehend gezeigt. Es wird aus dem Pro-Thyreoliberin, einem Protein mit 255 Aminosäuren, prozessiert und leitet sich von einem Tripeptid ab. Aus welchem Tripeptid entsteht das Thyreoliberin und welche Reaktionen sind dafür erforderlich? Ändert sich der Ladungszustand durch die Modifizierung gegenüber dem zugrunde liegenden Tripeptid?

Aufgabe 391 Obwohl erst einige Jahre nach dem Penicillin entdeckt (1932 von Gerhard Domagk), sind die Amide der p-Aminobenzolsulfonsäure („Sulfonamide“) die ältesten Chemotherapeutika, die eine Verwendung im großen Stil in der Medizin fanden. Wie auch das Penicillin wurden sie zufällig (als Teil von Azofarbstoffen) entdeckt und fanden zunächst als orales Diabetikum Verwendung. Wenig später entdeckte man auch die antibakterielle Wirkung auf viele Kokken und weitere Darmbakterien. Das einfachste Sulfonamid, das Amid der Sulfanilsäure, wirkt durch Hemmung desjenigen Enzyms der Folsäurebiosynthese, welches die Bildung von Dihydropteroinsäure katalysiert. Im letzten Schritt wird der Glutamatrest angefügt. Folsäure (Folat) spielt eine wichtige Rolle bei der Zellteilung. Aus diesem Grund ist eine ausreichende Folsäureversorgung besonders während der Schwangerschaft wichtig. O OH

H2N

N N

N N

COO

N

N H Folat

O O S NH2

COO

H H2N

Sulfanilsäureamid

a) Während viele Chemotherapeutika erhebliche toxische Nebenwirkungen auf humane Zellen besitzen, ist dies bei den Sulfonamiden kein Problem. Erklären Sie, warum. b) Welchen Typ von Enzymhemmung können Sie für die Hemmung der DihydropteroatSynthase durch Sulfonamide voraussagen, wenn Sie mit der Struktur der Folsäure vergleichen? Erstellen und beschriften Sie ein Lineweaver-Burk-Diagramm für dieses Enzym in Anund Abwesenheit eines Sulfonamids wie Sulfanilsäure.

Aufgabe 392 Von adultem Hämoglobin (HbA) sind zahlreiche Mutanten bekannt, die durch den Austausch von Aminosäureresten gekennzeichnet sind und oftmals eine veränderte Sauerstoffaffinität aufweisen. Die O2-Bindungskurve für normales Hämoglobin im Vollblut zeigt eine sigmoida-

Spezielle Themengebiete

157

le Gestalt und ergibt eine 50-prozentige Sauerstoffsättigung bei einem Sauerstoff-Partialdruck von 26 mm Hg (p50 = 26 mm Hg). In den Lungen liegt es daher aufgrund des hohen Sauerstoff-Partialdrucks fast vollständig mit O2 gesättigt vor. a) Der Austausch von Aminosäureresten an den Schnittstellen der α- und β-Untereinheiten von Hämoglobin kann das von der Oxygenierung abhängige Gleichgewicht zwischen den Konformationen des sogenannten R- und des T-Zustandes beeinflussen. In der Hämoglobinvariante „Hb-Yakima“ beträgt der p50-Wert 12 mm Hg. Was bedeutet das für die relativen Stabilitäten des R- und T-Zustands und warum funktioniert diese Hämoglobin-Variante beim Transport von Sauerstoff zum arbeitenden Muskel weniger effektiv als normales HbA? b) Im Hb-Helsinki (HbH) ist die Aminosäure Lys-82 der β-Ketten, die im zentralen Hohlraum des Hämoglobin-Tetramers lokalisiert ist, gegen Methionin ausgetauscht. Eine Untersuchung der Sauerstoffbindungskurve dieser Mutante HbH und von normalem adultem HbA bei pH 7,4 in Anwesenheit einer physiologischen Konzentration an 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3BPG) ergab das folgende Diagramm. Erklären Sie die Auswirkungen dieser Mutation auf die Stabilität von T- bzw. R-Zustand sowie die O2-Affinität. 1

Sauerstoffsättigung Y

0,9 0,8

HbH

0,7 0,6

HbA

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

20

40

60

80

p (O2) (mm Hg)

Aufgabe 393 Hämoglobin transportiert nicht nur Sauerstoff, sondern kann auch H+-Ionen und Kohlendioxid binden. a) Wie wird in den Geweben gebildetes CO2 in die Lungen transportiert und in welchem Verhältnis steht die CO2-Konzentration zur Sauerstoffaffinität des Hämoglobins? b) Bei einem längeren Aufenthalt in großer Höhe, z.B. beim Höhenbergsteigen, kommt es zu einer verstärkten Bildung von 2,3-Bisphosphoglycerat. Erklären Sie die molekulare Basis dieses Akklimatisationseffekts.

158

Kapitel 6

Aufgabe 394 Zur Untersuchung des Pyruvat-Abbaus durch Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex und Citratzyklus wurden Experimente mit radioaktiv markierten Pyruvatmolekülen durchgeführt. Dabei wurden der Reihe nach jeweils eines der drei C-Atome des Pyruvats durch 14C ersetzt und die Freisetzung von radioaktivem 14CO2 untersucht. Welches der drei Pyruvatmoleküle liefert als Erstes 14CO2, welches als Letztes? Verfolgen Sie den Weg der Markierungen und erklären Sie.

Aufgabe 395 Maligne Tumorzellen (Krebszellen) unterscheiden sich in mehreren Aspekten von normalen Zellen; charakteristisch ist insbesondere eine unkontrollierte Zellproliferation auch in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren. Da Krebserkrankungen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache darstellen, bemüht man sich seit vielen Jahren intensiv um ein besseres Verständnis der Mechanismen, die zu einer unkontrollierten Proliferation führen. Die Transformation, also die Umwandlung einer normalen Zelle in eine Tumorzelle, ist ein Prozess, der sich über einen längeren Zeitraum erstreckt und mehrere Schritte umfasst. Verursacher sind zum einen somatische Mutationen und eine genetische Prädisposition, zum anderen eine Infektion mit Tumorviren, die durch ihre Proteinprodukte die normalen Wachstums- und Kontrollmechanismen der Zelle oder die Apoptose stören. An der Kontrolle von Zellwachstum und Zellproliferation sind insbesondere zwei Gengruppen beteiligt. Beschreiben Sie deren Eigenschaften und erklären Sie auch, wie ihre Kontrollfunktion verloren gehen kann. Welche molekularen Ursachen kommen dafür in Frage?

Aufgabe 396 Das D-Tocopherol (Vitamin E) kommt ausschließlich in Pflanzen vor (z.B. im Sonnenblumenöl) und spielt eine wichtige Rolle als Radikalfänger zum Schutz mehrfach ungesättigter Fettsäuren in biologischen Membranen. a) Erklären Sie anhand entsprechender Strukturformeln den Mechanismus der LipidPeroxidation, die beispielsweise durch ein Hydroxyl-Radikal initiiert werden kann und zur Bildung von Fettsäurehydroperoxiden führt. b) Wie kann dieser Prozess durch die Anwesenheit von D-Tocopherol in der Membran verhindert werden und inwiefern spielt auch die Ascorbinsäure (Vitamin C) dabei eine Rolle?

Spezielle Themengebiete

159

Aufgabe 397 Die beiden Coenzyme NAD+ und NADP+ besitzen aufgrund ihrer Beteiligung an einer Vielzahl von Redoxreaktionen herausragende Bedeutung für den Organismus. Als Edukt für ihre Synthese dient das Niacin, auch als Vitamin B3 bezeichnet, das die Nicotinsäure (Pyridin-3carbonsäure) und ihr Amid umfasst. a) Skizzieren Sie die Biosynthese von NAD+ ausgehend von Nicotinsäure. b) Niacin kommt v.a. in tierischen Geweben vor. Ein Mangel macht sich am ehesten bei Bevölkerungsgruppen bemerkbar, die Mais und Maisprodukte als Hauptnahrungsmittel nutzen. Dies liegt auch daran, dass Mais nur sehr wenig Tryptophan enthält, so dass Cornflakes zur Vorbeugung Niacin zugesetzt wird. Können Sie diesen Zusammenhang erklären? c) Neben seiner Funktion als Coenzym vieler Dehydrogenasen dient NAD+ auch als Substrat einiger enzymatischer Reaktionen. So kann der ADP-Ribosylrest des NAD+ durch eine ADPRibosyltransferase auf bestimmte Aminosäurereste in Proteinen übertragen werden (ADPRibosylierung). Diese Reaktion ist insofern unerfreulich, als sie die Wirkung einiger gefährlicher Toxine vermittelt. Kennen Sie Beispiele?

Aufgabe 398 Vor einigen Jahren sorgte das Kürzel BSE für reichlich Schlagzeilen. Ursache der Epidemie war vermutlich die Verfütterung von Tiermehl an Rinder. BSE steht für bovine spongiforme Enzephalopathie und wurde dabei wahrscheinlich durch Prion-Protein-(PrP)-Partikel hervorgerufen, die aus Kadavern erkrankter Schafe stammten. Seitdem wurden in Großbritannien, dem Zentrum der Epidemie mit mehr als 180000 Fällen, auch einige Fälle einer neuen Variante von Creutzfeld-Jakob-Erkrankungen bei Menschen registriert und auf den Genuss von Fleisch erkrankter Rinder zurückgeführt. Können Sie erklären, wie es zu der krankheitsauslösenden Wirkung von PrP kommen kann?

Aufgabe 399 Biotechnologische Verfahren spielen eine wichtige Rolle für die Medizin, u.a. wenn es darum geht, seltene oder sonst schwer zugängliche Proteine für therapeutische Zwecke zu gewinnen. Das bekannteste Beispiel ist wohl das Insulin, aber auch Erythropoietin, Interferone, Interleukine und das Wachstumshormon konnten inzwischen durch gentechnologische Verfahren produziert werden. Das menschliche Wachstumshormon hGH (human growth hormon), das bei Minderwuchs infolge Hormonmangels eingesetzt werden kann, wurde früher mühsam in kleinen Mengen aus menschlichen Hirnanhangdrüsen von verstorbenen Personen gewonnen. Beschreiben Sie die wesentlichen Schritte, die erforderlich sind, wenn man hGH von Bakterien produzieren lassen will. Warum kann keine genomische humane DNA eingesetzt werden? Welche Probleme sind zu beachten?

160

Kapitel 6

Aufgabe 400 Das menschliche Genom enthält zahlreiche nichtcodierende Bereiche, wobei sich in einigen davon ein Sequenzmotiv vielfach hintereinander wiederholt (sogenannte Tandem Repeats). Da die Anzahl der Wiederholungen derartiger repetitiver Sequenzen innerhalb der Bevölkerung sehr unterschiedlich ist (Polymorphismus), können sie in der forensischen Medizin zur Identifizierung von Personen eingesetzt werden. a) Geben Sie an, welche drei Klassen repetitiver Sequenzen dabei unterschieden werden. b) In den 80er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde in Großbritannien erstmal ein Mörder mit Hilfe eines „genetischen Fingerabdrucks“ überführt. Innerhalb weniger Jahre etablierte sich diese Methode als zuverlässiger und empfindlicher Nachweis in der Gerichtsmedizin und bei Vaterschaftsprozessen. Erklären Sie, wie die unter a) beschriebenen repetitiven Sequenzen zur Erstellung eines solchen genetischen Fingerabdrucks benutzt werden können.

Aufgabe 401 O

Die Abbildung stellt das Guanosin-5’(E,J-imido)-triphosphat dar. Wegen der Imidogruppe kann das J-Phosphat nicht hydrolysiert werden. Diese Verbindung ist ein irreversibler Aktivator des Adenylatcyclasesystems.

N O O

Begründen Sie diesen Befund.

O

NH

O

N P N P O P O CH2 O H O O O H H H H OH

N

NH2

OH

Aufgabe 402

C

Welchen Typ von Reaktionen katalysiert C? Nennen Sie einen Stoffwechselweg, der von C beeinflusst wird.

cAMP

C

cAMP

C

cAMP

cAMP cAMP cAMP cAMP

cAMP

Welcher Vorgang ist in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt?

C

Spezielle Themengebiete

161

Aufgabe 403 Hormone dienen der Informationsübermittlung innerhalb des Körpers, die auch über Zellmembranen hinweg erfolgen muss (Signaltransduktion). Die meisten Hormone binden dazu an Rezeptoren in der Zellmembran, wobei es sich bei einem Großteil um sogenannte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren handelt. a) Wie kommt es zur Aktivierung eines solchen G-Proteins und wie lange bleibt die Aktivität erhalten? b) Welches sind die beiden häufigsten Effektormoleküle von G-Proteinen?

Aufgabe 404 Neben den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und ligandengesteuerten Ionenkanälen existiert als weitere Klasse die Gruppe der enzymgekoppelten Rezeptoren. a) Eine Untergruppe hiervon sind die Guanylatcyclasen, die wiederum zwei Klassen bilden. Erklären Sie, wie sich diese in ihrer Lokalisation und Art der Aktivierung unterscheiden. b) Die typischen Rezeptoren für viele Wachstumsfaktoren (z.B. den Epidermal Growth Factor EGF) sind die sogenannten Rezeptortyrosinkinasen. Beschreiben Sie die wesentlichen Schritte der Signaltransduktion durch diesen Rezeptortyp.

Aufgabe 405 Ordnen Sie folgende Substanzen ihren entsprechenden Angriffspunkten zu und erklären Sie die Wirkung mit einem Satz: Substanzen:

Penicillin, Choleratoxin, α-Amanitin, Tetracycline

Angriffspunkte: RNA-Polymerase II; Bakterienzellwand; G-Protein; Ribosom

Aufgabe 406 Der Medizin-Nobelpreis des Jahres 1998 wurde für die Entdeckung von Stickstoffmonoxid als Signalmetabolit verliehen. Die NO-Synthese geht von der Aminosäure Arginin aus. a) Zeichnen Sie die Formel von Arginin. In welchem wichtigen Stoffwechselzyklus kommt Arginin außerdem vor und in was wird es dort umgewandelt?

O O O S N H 3C

N

CH3 N

N

N N H

O

CH3 CH3

162

Kapitel 6

b) Der Second messenger, der durch den endothelialen Relaxationsfaktor Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert wird und somit an der Relaxation von Blutgefäßen beteiligt ist, ist das cGMP. Die nebenstehend gezeigte Verbindung hat großes öffentliches Interesse ausgelöst, da sie in der Lage ist, die Wirkung von NO zu verstärken. Welcher Wirkmechanismus könnte dem zugrunde liegen?

Aufgabe 407 Die Vielfalt der Antikörper in einem Organismus beruht ganz wesentlich auf der Rekombination von sogenannten V-, D- und J-Segmenten. Findet diese Rekombination statt x auf Ebene der DNA? x bei der Prozessierung der mRNA? x oder durch Neukombination von Peptidfragmenten?

Aufgabe 408 Zum Nachweis der immunologischen Identität bzw. Nicht-Identität von Antigenen mit Hilfe von Antiseren bedient man sich häufig einer sogenannten Doppeldiffusion nach Ouchterlony. Dabei diffundieren Antigen und Antikörper jeweils aus einem in ein Agar-Gel gestanzten Depot radial nach allen Seiten und bilden an der Stelle, an der die Diffusionszonen beider Partner sich überlappen, Präzipitationslinien. In der folgenden Abbildung sind drei typische Versuchsergebnisse (a–c) gezeigt.

Erklären Sie, wie es zu den unterschiedlichen Präzipitationsmustern kommt.

Spezielle Themengebiete

163

Aufgabe 409 Drei Serumproben sollen mit Hilfe der Komplementbindungsreaktion auf Antikörperanwesenheit hin überprüft werden. Sie führen dazu zuerst eine Komplementtiter-Bestimmung durch, ausgehend von einer 1:30 Komplement-Verdünnung. Dabei ermitteln Sie für 50 % Hämolyse einen Titer von 1:180. Zur Vermessung der Serumproben benötigen Sie schließlich insgesamt 9 mL einer doppelt so konzentrierten Komplement-Verdünnung. a) Welches Volumen der 1:30-Komplement-Verdünnung müssen Sie einsetzen, um die erforderliche Menge dieser Endverdünnung herzustellen? b) Warum muss vor dem Nachweis das Patientenserum erhitzt werden?

Aufgabe 410 Einem Patienten wurden im Rahmen einer routinemäßigen Laboruntersuchung innerhalb von 14 Tagen zwei Blutproben abgenommen. Die daraus gewonnenen Seren wurden mit Hilfe verschiedener Antigene auf Anwesenheit entsprechender Antikörper getestet. Mit Choleratoxin als Antigen lieferte die Komplementbindungsreaktion folgende Hämolyse-Werte: Probe A (Tag 0) Verdünnungstufe

Probe B (Tag 14) A546

Verdünnungstufe

A546

1:1

0,30

1:1

0,13

1:2

0,85

1:2

0,13

1:4

0,85

1:4

0,30

1:8

0,85

1:8

0,85

A546 Leerwert

0,13

Totalhämolyse

0,85

a) Erklären Sie die Funktionsweise dieser Bestimmung. Welche bei 546 nm photometrisch vermessbare Substanz wurde als Messgröße für das Ausmaß der Hämolyse verwendet? b) Welche der beiden Serumproben enthält Antikörper gegen Choleratoxin und welche Aussagen über den zeitlichen Verlauf einer Infektion des Patienten mit Vibrio cholerae lässt dieses Ergebnis zu?

164

Kapitel 6

Aufgabe 411 Sie führen mit verschiedenen Formen des Antikörpers Anti-RSA () eine Immundiffusion nach Ouchterlony gegen das Antigen Rinder-Serumalbumin (RSA) durch. Zeichnen Sie das erwartete Präzipitatmuster ein. FabFragment



Antigen RSA

FcFragment

F(ab´)2Fragment

Aufgabe 412 In den E-Zellen des Pankreas kommen Insulin und das C-Peptid in äquimolarem Verhältnis vor. Gegen das C-Peptid wurde ein polyklonaler Antikörper (-AK) hergestellt. Der vollständige Antikörper bzw. das durch proteolytische Spaltung daraus gewonnene FabFragment werden in folgende Ouchterlony-Tests eingesetzt. Zeichnen Sie in beiden Ansätzen die erwarteten Präzipitationsmuster ein. Welches Enzym ist zur Herstellung des Fab-Fragments notwendig und zu welcher Gruppe von Enzymen gehört es in Bezug auf sein aktives Zentrum? Insulin

Insulin Proinsulin

Glucagon

Proinsulin

Glucagon Fab-Fragment des -AK

-AK C-Peptid

Cortisol

Insulin-B-Kette

C-Peptid

Cortisol Insulin-B-Kette

Aufgabe 413 Sie führen mit einem aus Sekret isolierten IgA zwei SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophoresen (PAGE) durch. Das erste Experiment erfolgt unter Zusatz von 2-Mercaptoethanol (reduktive SDS-PAGE), das zweite ohne 2-Mercaptoethanol (nichtreduktive SDS-PAGE). Wie viele Proteinbanden erwarten Sie jeweils? Begründen Sie kurz.

Spezielle Themengebiete

165

Aufgabe 414 Phenylketonurie ist eine erbliche Stoffwechselerkrankung, die unter anderem auf der Deletion des C-terminalen Teils des Enzyms Phenylalanin-Hydroxylase beruht. Sie möchten in einer Lebergewebeprobe nachweisen, dass dieses Enzym in einer verkürzten Form exprimiert wird. Beschreiben Sie ein immunologisches und ein molekularbiologisches Experiment, mit dem Sie die Deletion des mutierten Enzyms nachweisen können. Dabei steht ein markierter Antikörper zur Verfügung, der gegen den N-terminalen Teil des Enzyms gerichtet ist.

Aufgabe 415 Bei einem Ouchterlony-Test zur Bestimmung der Verwandtschaft zweier Antigene erhalten Sie nebenstehendes Präzipitationsmuster. a) Was können Sie über die beiden Antigene A bzw. A’ aussagen?

A

A´

b) Würde sich das Ergebnis unterscheiden, wenn Sie statt eines polyklonalen Antikörpers gegen das Antigen A einen monoklonalen Antikörper eingesetzt hätten? c) In einem weiteren Experiment haben Sie den polyklonalen Antikörper einmal mit Papain und einmal schonend mit Pepsin behandelt. Beide Proteolyseprodukte setzen Sie nachfolgend in obigem OuchterlonyTest ein. Werden diese Tests erfolgreich verlaufen?



Aufgabe 416 Sie haben in zwei Ansätzen IgG einmal 30 Minuten mit Papain und einmal nur mit Puffer inkubiert und analysieren das Ergebnis jeweils mittels einer reduzierenden bzw. nicht reduzierenden SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese. Ergänzen Sie das jeweilige Bandenmuster, das nach Coomassiefärbung zu erwarten ist.

166

Kapitel 6

Standard

IgG mit Papain behandelt

IgG nicht mit Papain behandelt

Standard

200 kD 150 kD

200 kD 150 kD

100 kD

100 kD

50 kD

50 kD

20 kD

20 kD

SDS-Gelunter unter SDS-Gel redureduzierenden zierenden Bedingungen Bedingungen

IgG mit Papain behandelt

IgG nicht mit Papain behandelt

SDS-Gel unter SDS-Gel unter nichtnic ht-reduzierenden reduzierenden Bedingungen Bedingungen

Aufgabe 417 Die Blutprobe eines männlichen Patienten weist 160 g Hämoglobin/L Blut und einen Hämatokrit von 0,5 (50 %) auf (M (Hämoglobin) = 64u103 g/mol). Die Erythrozyten machen 99 % des Hämatokrits aus. a) Befinieren Sie den Begriff Hämatokrit und nennen Sie eine Methode zu seiner Bestimmung. b) Berechnen Sie die Hämoglobin-Konzentration in den Erythrozyten.

Aufgabe 418 a) Skizzieren Sie schematisch die Struktur eines löslichen IgM Moleküls. Wie wirkt sich dies auf die Eigenschaften von IgM aus? b) In welcher Phase einer Immunreaktion ist der Serumspiegel an IgM besonders hoch?

Spezielle Themengebiete

167

Aufgabe 419 Lässt man isoliertes Hämoglobin längere Zeit an der Luft stehen, so geht es unter Braunfärbung allmählich in Methämoglobin über, das keinen Sauerstoff binden kann. Dieser Prozess kann auch in Erythrozyten durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) verursacht werden. a) Diskutieren Sie die Bildung der wichtigsten ROS aus molekularem Sauerstoff. b) Es ist klar, dass die Erythrozyten über Schutzmechanismen verfügen müssen, die verhindern, dass ein größerer Anteil des Hämoglobins zu Methämoglobin oxidiert wird. Beschreiben Sie kurz einige dieser Mechanismen. c) Trotzdem lässt es sich nicht verhindern, dass laufend ein geringer Anteil zu Methämoglobin oxidiert wird. Um dessen langfristige Akkumulation zu verhindern, muss es wieder reduziert werden. Man kennt einige Enzymdefekte, welche diesen Prozess erschweren; einer davon ist Ursache der sogenannten familiären Methämoglobinämie. Formulieren Sie die Reaktionen, die normalerweise dafür sorgen, dass der Anteil an oxidiertem Hämoglobin gering bleibt und erklären Sie, durch welche Defekte diese Reaktionen gehemmt sein können.

Aufgabe 420 Blutplasma enthält neben Salzen u.a. mehr als 100 verschiedene Proteine (ca. 70 g/L). a) Was ist der Unterschied zwischen Blutplasma und Blutserum? b) Trennt man die Serumproteine durch Elektrophorese auf, so erhält man typischerweise 5 Banden. Welches ist das häufigste Protein im Blutplasma und in welcher Bande findet es sich? Beschreiben Sie die wichtigsten Funktionen dieses Proteins.

Aufgabe 421 Alle höheren Organismen verfügen über ein angeborenes Immunsystem, jedoch nur Wirbeltiere besitzen darüberhinaus das adaptive Immunsystem. Dieses ermöglicht es, zu nahezu jeder Pathogenstruktur ein spezifisches Bindeprotein, z.B. einen passenden Antikörper, zu entwickeln. a) Nennen Sie die wesentlichen Komponenten, die an einer adaptiven Immunantwort beteiligt sind. b) Warum ist trotz der hohen Leistungsfähigkeit des adaptiven Immunsystems die angeborene Komponente unverzichtbar? c) Man unterscheidet zwischen aktiver und passiver Immunisierung. Worin besteht der Unterschied?

168

Kapitel 6

Aufgabe 422 Unter Antikörpern versteht man globuläre Proteine, die überwiegend E-Faltblattstruktur aufweisen und mit Hilfe von variablen Domänen Moleküle binden können, die als Antigene bezeichnet werden. Von den 5 Antikörperklassen sind die IgG die häufigsten und wohl auch bekanntesten. a) Beschreiben Sie die charakteristischen strukturellen Merkmale eines IgG-Moleküls. b) Gegen eine antigene Determinante eines bakteriellen Enzyms wurde ein therapeutischer monoklonaler Antikörper entwickelt. Eine Lösung dieser Antikörper wurde mit dem Reduktionsmittel 2-Mercaptoethanol behandelt. Wird dadurch die Affinität der Antikörper für ihr Antigen beeinflusst?

Aufgabe 423 Während die IgG-Moleküle (M | 150 kDa) mit ca. 75 % den weitaus größten Anteil der Antikörper im Blut stellen, werden insgesamt mehr Antikörper vom Typ IgA produziert, insbesondere in den Schleimhäuten. Die Sekretion von IgA liefert Einheiten mit einer molaren Masse von etwa 400 kDa. Erklären Sie anhand des Mechanismus der Sekretion, wie sich diese molare Masse ergibt. Worin besteht die Hauptfunktion von IgA?

Aufgabe 424 B-Zellen entstehen aus lymphatischen Stammzellen; ihre Reifung erfolgt weitgehend im Knochenmark, dem primären lymphatischen Organ der B-Zellen. a) Viele B-Zellen bilden Antikörper gegen körpereigene Strukturen. Wie wird verhindert, dass dadurch Schaden im Körper entsteht? b) Stößt eine B-Zelle auf ein Antigen, das von ihrem Rezeptor erkannt wird, so nimmt sie ihren Rezeptor mitsamt dem gebundenen Antigen auf. Nachdem dieses in den Lysosomen abgebaut worden ist, werden Fragmente davon an sogenannten MHC-Klasse II-Proteinen auf der Zelloberfläche exponiert. Allerdings ist die B-Zelle in diesem Stadium noch nicht in der Lage, lösliche Antikörper zu sezernieren. Erklären Sie, welche Prozesse erforderlich sind, damit die B-Zelle Antikörper an die Umgebung abgeben kann. c) Manche Menschen produzieren ausschließlich Antikörper des Isotyps IgM. Können Sie sich erklären, woran das liegt?

Aufgabe 425 Bei der Entwicklung von Impfstoffen zeigte sich, dass es nicht gelingt, durch Injektion fremder Moleküle mit einer geringen molaren Masse eine Immunantwort auszulösen. Gleiches

Spezielle Themengebiete

169

gilt, wenn man z.B. versucht, durch Verabreichung eines niedermolekularen Analyten wie z.B. Atrazin (einem Umweltschadstoff im Trinkwasser) Antikörper für die Entwicklung eines Immunoassays gegen diese Substanz in einem Versuchstier zu erzeugen. Dagegen verläuft die Immunisierung erfolgreich, wenn man das Molekül zunächst an ein Trägerprotein koppelt und dann das Konjugat verabreicht. Wie ist dieser Unterschied zu erklären?

Aufgabe 426 Durch welches Strukturmerkmal unterscheiden sich membranständige und sezernierte Antikörper? Welche Funktion haben membranständige Antikörper?

Aufgabe 427 Die Abbildung stellt ein MHC-I-Molekül dar. Welche Bauteile enthält es?

Welche Zellen besitzen MHC I-Moleküle? Was ist die Hauptfunktion der Präsentation von Peptiden durch MHC I-Moleküle?

Aufgabe 428 Reife naive T-Zellen exponieren an ihrer Oberfläche den T-Zell-Rezeptor sowie CD4 zur Bindung an MHC-Klasse II-Proteine oder CD8 zur Bindung an MHC-Klasse I-Proteine. Naive CD4-T-Zellen entwickeln sich im Anschluss an ihre Aktivierung zu sogenannten THelferzellen, von denen zwei Typen unterschieden werden. a) Worin unterscheiden sich diese? b) Erklären Sie, wie die Aktivierung von Makrophagen durch T-Helferzellen erfolgt. c) Bei einer Tuberkulose liegen große Mengen an infizierten Makrophagen vor, die in charakteristischer Weise von T-Zellen umlagert sind, so dass es dem Körper normalerweise gelingt, die Ausbreitung der Mykobakterien im Gewebe zu verhindern. Jedoch ist Mycobacterium tuberculosis ein tückischer Geselle, und so kann es oft Jahre nach der Infektion zur Reaktivierung der Tuberkulose kommen. Wie kann es dazu kommen?

170

Kapitel 6

Aufgabe 429 Im Jahr 1981 wurde AIDS als eine eigenständige Krankheit erkannt, die bekanntlich durch Infektion mit dem Retrovirus HIV (Human immunodeficiency virus) ausgelöst wird. Dabei dringt HIV mit Hilfe zweier Glykoproteine (gp120 und gp41) in Zielzellen ein, die CD4 an ihrer Oberfläche exponieren. Weltweit waren 2001 bereits 20 Millionen Menschen an AIDS gestorben; weitere 40 Millionen waren infiziert. a) Skizzieren Sie, wie der Infektionszyklus mit dem HI-Virus abläuft. b) Wie reagiert das Immunsystem und warum kommt es bei Infizierten häufig zu sogenannten opportunistischen Infektionen?

Aufgabe 430 Wird durch ein eigentlich harmloses Antigen eine Überreaktion des Immunsystems ausgelöst, spricht man von einer Allergie. Man unterscheidet dabei vier Typen von Überempfindlichkeitsreaktionen, wobei die Allergie im engeren Sinn dem Typ I entspricht. a) Erklären Sie die molekularen Mechanismen, die für Typ I-Allergien charakteristisch sind. Was ist der wichtigste Mediator und wie wird er gebildet? b) Welche Ansatzmöglichkeiten für eine symptomatische Therapie ergeben sich daraus?

Aufgabe 431 Entzündungen sind häufig auftretende Reaktionen des Körpers, oftmals ausgelöst durch Mikroorganismen oder Viren. So wurden die klassischen Erkennungszeichen bereits im 1. Jahrhundert n. Chr. von dem römischen Arzt Celsus definiert: x Rötung (Rubor) x Hitze (Calor) x Schmerz (Dolor) x Schwellung (Tumor) x gestörte Funktion (Functio laesa) Die zugrundeliegenden Mechanismen sind heute gut verstanden. Generell unterscheidet man zwischen lokalen Reaktionen und allgemeinen Entzündungsreaktionen. a) Entzündungen werden auf zwei verschiedenen Wegen ausgelöst. Erklären Sie. b) Welche Rolle spielen dabei die sogenannten Selektine? c) Eine bekannte entzündungshemmend wirkende Verbindung ist das Cortisol. Worauf ist diese Wirkung zurückzuführen?

Spezielle Themengebiete

171

Aufgabe 432 Sind bei einer Bluttransfusion die Blutgruppen von Spender und Empfänger nicht kompatibel, so binden Antikörper des Empfängers an Erythrozyten und andere Zellen des Spenderblutes und bewirken dadurch eine Agglutination der Zellen. Eine solche Unverträglichkeit kann durch mehrere Blutgruppensysteme verursacht werden, wobei AB0- und Rhesus-System am bekanntesten und auch am wichtigsten sind. a) Worauf beruht die Einteilung der Blutgruppen in diesen beiden Systemen? Erklären Sie die Unterschiede auf molekularer Basis. b) Warum hat eine Inkompatibilität der AB0-Blutgruppen zwischen Mutter und Kind bei einer Schwangerschaft normalerweise keine Konsequenzen? c) Zu Problemen in Hinblick auf eine erneute Schwangerschaft kann es dagegen kommen, wenn eine Rhesus-negative (rh–) Schwangere ein Rhesus-positives Kind (Rh+) zur Welt bringt. Erläutern Sie.

Aufgabe 433 Angesichts der Vielzahl von Tumorerkrankungen ist die Erforschung neuer Möglichkeiten der Tumortherapie eine bleibende Herausforderung. Ein klassischer Ansatz sind Zytostatika, die die Zellteilung hemmen, so dass sich häufig teilende Zellen besonders betroffen sein sollten. Hierzu gehören sicherlich die Tumorzellen, aber auch hämatopoetische Zellen im Knochenmark oder die Epithelzellen der Darmmucosa, so dass die meist erheblichen Nebenwirkungen von Zytostatika verständlich sind. Eine weiteres Problem bei einer Therapie mit Zytostatika ist, dass es oft zur Ausbildung resistenter Tumorzellen kommt, was die Therapie unwirksam macht. a) Nennen Sie einige zytostatisch wirkende Substanzklassen und den jeweiligen Wirkungsmechanismus. b) Inzwischen haben sich einige neuere Therapieformen entwickelt, die eine zielgerichtetere Bekämpfung von Tumoren ermöglichen. Beschreiben Sie kurz mögliche Ansätze und nennen Sie einige Beispiele.

Aufgabe 434 Häm ist eine eisenhaltige prosthetische Gruppe, die essentieller Bestandteil vieler Proteine ist. Die Hämbiosynthese ist ein komplexer Prozess; seine Aufklärung erforderte einige Detektivarbeit. Im Jahr 1945 konnten D. Shemin und D. Rittenberg mit Hilfe von Isotopenmarkierungsexperimenten zeigen, dass alle C- und N-Atome im Häm aus Glycin und Acetat stammen. a) Wo kommt das Häm vor und welche Aufgaben besitzt es?

172

Kapitel 6

b) Der erste (geschwindigkeitsbestimmende) Schritt der Hämsynthese wird von der G-Aminolävulinat-Syntase katalysiert. Formulieren Sie diese Bildung von G-Aminolävulinat und machen Sie dabei die Beteiligung des Coenzyms der G-Aminolävulinat-Syntase deutlich. c) Warum führt chronischer Alkoholmissbrauch häufig zu einer erhöhten Porphyrinausscheidung mit dem Urin?

Aufgabe 435 Zu den heißen entwicklungsbiologischen Gegenwartsthemen zählt die Untersuchung des programmierten Zelltods (Apoptose), der einen Spezialfall der programmierten Zelldifferenzierung darstellt. So bildet die Apoptose den Rückwärtsgang und Abschluss in der Kaskade der Aufeinanderfolge von An- und Abschaltungen bestimmter Genmuster. Für die Aufklärung der Zusammenhänge über den programmierten Zelltod haben Sydney Brenner, Robert Horvitz und John Sulston den Nobelpreis für Medizin und Physiologie 2002 erhalten. Als „Versuchstier“ diente ihnen der winzige (1 mm) Fadenwurm Caenorhabditis elegans, an dem sie zeigen konnten, dass bei Wurm und Mensch die gleichen Signalwege zum programmierten Zelltod führen. Für die angewandte medizinische Forschung sind die gewonnenen Erkenntnisse von großer Bedeutung, da es sich möglicherweise um einen der Schlüsselmechanismen für das ungehemmte Wachstum von Krebszellen handelt. Die Apoptose kann von außen angeregt werden (z.B. durch Immunzellen) oder aufgrund von zellinternen Prozessen ausgelöst werden (etwa nach starker Schädigung der Erbinformation). a) Auch der Begriff der Nekrose steht für einen Zelltod. Inwiefern unterscheiden sich die beiden Vorgänge voneinander? b) Charakteristisch für die Apoptose ist die Beteiligung einer Gruppe spezifischer Proteasen. Erklären Sie die Bezeichnung dieser Proteasen und skizzieren Sie ihre Funktion. c) Im Jahr 1993 wurde ein Protein mit der Kurzbezeichnung p53 zum „Molekül des Jahres“ gewählt. Erklären Sie, inwieweit dieses Protein mit Apoptose zu tun hat.

Aufgabe 436 Die Entdeckung und Anwendung der Antibiotika gehören wohl zu einer der bedeutendsten Entwicklungen der Medizingeschichte. Im ursprünglichen Sinn sind Antibiotika natürlich gebildete, niedermolekulare Stoffwechselprodukte von Pilzen oder Bakterien, die schon in geringer Menge das Wachstum von anderen Mikroorganismen hemmen oder diese abtöten. Darüber hinaus werden inzwischen auch solche Medikamente mit antimikrobieller Wirkung als Antibiotika bezeichnet, die in der Natur nicht vorkommen, sondern synthetisch oder gentechnisch gewonnen werden. Antibiotika hindern Bakterien entweder an ihrer Vermehrung (bakteriostatische Wirkung), töten sie ab (bakterizide Wirkung) oder führen zusätzlich zur Auflösung der bakteriellen Zellwand (bakteriolytische Wirkung).

Spezielle Themengebiete

173

a) Beschreiben sie kurz die wichtigsten Angriffspunkte der verschiedenen Klassen von Antibiotika. b) Tetracycline, Makrolid-Antibiotika, Aminoglykoside, Chloramphenicol und das Diphtherietoxin interferieren alle mit dem gleichen zellulären Prozess, obwohl sie strukturell ganz unterschiedlich sind. Erklären Sie, wie diese Substanzen jeweils ihre Wirkung entfalten.

Aufgabe 437 Der Körper synthetisiert eine Vielzahl von Hormonen zur Übertragung von Signalen zwischen den Zellen. Die Nebenniere beispielsweise bildet (im Nebennierenmark) Catecholamine wie Noradrenalin und Adrenalin, aber auch Steroidhormone wie das Cortisol (in der Nebennierenrinde). Diese beiden Hormongruppen unterscheiden sich in ihrem Wirkungsmechanismus ganz wesentlich. Erklären Sie die grundlegenden Unterschiede.

Aufgabe 438 Seit ihrer Entdeckung durch A. Fleming 1928 haben sich Penicilline zwar als äußerst nützliche Antibiotika erwiesen; zugleich kämpft man seitdem aber auch mit Resistenzen. Sie transfizieren im Labor Bakterien mit einem Plasmid, um diese Bakterien gegen Ampicillin (siehe Abbildung) resistent zu machen. a) Welche genetische Information enthält dieses Plasmid, um die Resistenz zu erreichen?

NH2

H N

O

Ampicillin

CH3 CH3

N O

b) Welche Reaktion katalysiert das von diesem Gen codierte Enzym?

S

COO

Kapitel 7 Komplexere Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

Aufgabe 439 Die Bezeichnung „Surfactant“ steht für eine grenzflächenaktive Substanz, die zu etwa 80 % aus Phospholipiden (überwiegend Phosphatidylcholin) besteht und von spezialisierten Lungenzellen (Pneumozyten Typ II) synthetisiert wird. Die Surfactant-Bildung beginnt ab der 28. Schwangerschaftswoche, aber erst in der 34./35. Woche wird es in ausreichenden Mengen produziert. Eine in der Schwangerschaft bestehende diabetische Stoffwechsellage kann allerdings die Bildung von Surfactant in der Fetalzeit stören, so dass auch reife Neugeborene über zu wenig Surfactant verfügen können. In einem solchen Fall spricht man von einem Newborn Respiratory Distress Syndrome (NRDS). Ohne Surfactant fallen nach der Geburt die Alveolen zunehmend in sich zusammen, die Gasaustauschfläche der Lunge verkleinert sich und es entsteht ein Atemnotsyndrom. Die Atmung betroffener Frühgeborener ist massiv gestört; ein Gasaustausch ist kaum oder gar nicht möglich, so dass sich eine Zyanose entwickelt, die unbehandelt lebensgefährlich ist. a) Beschreiben und formulieren Sie den Hauptsyntheseweg für den Surfactant-Bestandteil Dipalmitoylphosphatidylcholin in der Zelle. b) Phospholipide können auch ineinander umgewandelt werden. Eine zentrale Stellung nimmt dabei das Phosphatidylethanolamin ein. Welche anderen Phospholipide sind aus Phosphatidylethanolaminen leicht zugänglich? Formulieren Sie die entsprechenden Umwandlungsreaktionen.

Aufgabe 440 Ein hoher Cholesterolgehalt im Blut (Hypercholesterolämie), der durch eine zu starke Bildung und/oder eine unzureichende Verwertung von LDL („Low density lipoproteins“) entsteht, kann genetisch (sogenannte familiäre Hypercholesterolämie), aber auch durch übermäßigen Genuss von cholesterolreicher Nahrung bedingt sein. HO a) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen cholesterolreicher Nahrung und der Funktion des LDL-Rezeptors. b) Neben der Einhaltung einer cholesterolarmen Ernährungsweise sind zwei Therapien gebräuchlich, um einer Hypercholesterolämie entgegenzuwirken. Die eine besteht in einer Verabreichung von Anioneraustauscherharzen, die in der Lage sind, negativ geladene Gallensalze zu binden.

COO

OH

O O

Lovostatin

176

Kapitel 7

Die zweite besteht in einer Behandlung mit Verbindungen wie Lovostatin, dessen Struktur nebenstehend gezeigt ist. Können Sie sich anhand der Struktur der Verbindung seine Wirkungsweise als kompetitiver Inhibitor vorstellen? c) Ein Patient entschließt sich zu einer drastischen Umstellung seiner Ernährung und sattelt von einer fleischreichen Kost auf vegetarische Ernährung um. Einige Zeit vor und nach der Umstellung wird seine Konzentration an Mevalonat im Plasma untersucht. Welchen Befund würden Sie erwarten?

Aufgabe 441 Störungen im Lipoproteinstoffwechsel sind ziemlich häufig auftretende Krankheitsbilder; dazu gehören insbesondere erhöhte Konzentrationen an Lipoproteinen im Plasma (Hyperlipoproteinämie). Als primär bezeichnete Hyperlipoproteinämien haben dabei ihre Ursache in genetischen Defekten; sie werden meist autosomal vererbt. Eine häufige Erkrankung ist die familiäre Hypercholesterolämie (ca. 1:500 heterozygot). a) Skizzieren Sie das Cholesterol in seiner dreidimensionalen Konformation und achten Sie dabei auf die stereochemisch korrekte Verknüpfung der Ringe. b) Cholesterol wird einerseits mit der Nahrung aufgenommen, kann aber auch vom Körper selbst synthetisiert werden. Nennen Sie das Edukt und einige wichtige Zwischenstufen der Biosynthese von Cholesterol. c) Wie kommt es zu einer familiären Hypercholesterolämie und was sind ihre typischen Folgen?

Aufgabe 442 Melittin (griech. von mélitta - die Biene) bezeichnet ein als Hauptbestandteil (50–70 %) im Bienengift enthaltenes Polypeptid, bestehend aus 26 Aminosäuren. Es weist die folgende Aminosäuresequenz auf: H2N-Gly-Ile-Gly-Ala-Val-Leu-Lys-Val-Leu-Thr-Thr-Gly-Leu-Pro-Ala-Leu-Ile-Ser-Trp-IleLys-Arg-Lys-Arg-Gln-Gln-COOH. a) In welchem pH-Bereich erwarten Sie den isoelektrischen Punkt von Melittin? b) Können Sie ausgehend von der Aminosäuresequenz eine Aussage darüber machen, wie sich Melittin in wässriger Lösung in Anwesenheit einer Lipiddoppelschicht verhält? c) Es ist bekannt, dass Melittin zu einer Aktivierung der Phospholipase A2 beiträgt. Bienenstiche verursachen lokale Entzündungen des Gewebes. Besteht ein Zusammenhang zwischen diesen beiden Befunden?

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

177

Aufgabe 443 Eine 70 kg schwere Normalperson bildet in 24 h etwa 0,5 mol Harnstoff; bei sehr proteinreicher Nahrung auch deutlich mehr. Da der aus Aminosäuren abgespaltene Ammoniak stark toxisch ist, haben homozygote Defekte von Enzymen des Harnstoffzyklus (mit einer Häufigkeit von ca. 1:25000 bei Neugeborenen) entsprechend schwerwiegende Konsequenzen. Bei der Laboruntersuchung des Plasmas eines Patienten wird eine Citrullinkonzentration ermittelt, die weit unterhalb des Normwerts liegt. Im Urin wurden gleichzeitig erhebliche Mengen an Orotat gefunden. Worauf deuten diese Befunde hin?

Aufgabe 444 Eine schon ziemlich lange bekannte Stoffwechselkrankheit ist die sogenannte Phenylketonurie, die zu schweren geistigen Schäden führt, wenn sie nicht sehr bald nach der Geburt erkannt und behandelt wird. Sie ist u.a. gekennzeichnet durch das Auftreten von Phenylpyruvat im Urin, einer Verbindung, die normalerweise im Stoffwechsel keine Rolle spielt. a) Beschreiben Sie die Reaktion, die zur Bildung von Phenylpyruvat führt! Welche Reaktion würde stattdessen im gesunden Organismus ablaufen, d.h. welches Enzym ist von dem Gendefekt betroffen? b) Warum sollten Patienten, die von diesem Gendefekt betroffen sind, Produkte meiden, die den Süßstoff Aspartam“ enthalten? Erklären Sie dies anhand der Struktur von Aspartam“. c) Warum leiden Patienten mit Phenylketonurie oft an mangelnder Pigmentierung der Haut?

Aufgabe 445 Viele biosynthetische Vorgänge erfordern die Addition einer Ein-Kohlenstoffeinheit (C1) an eine metabolische Vorstufe. Typische Reaktionen sind Carboxylierungen und Methylierungen. a) Formulieren Sie die beiden Coenzyme, die an den meisten Reaktionen dieser Art beteiligt sind. b) Ein besonders vielseitiger Cofaktor für die Übertragung von C1-Einheiten ist das Tetrahydrofolat, da es C1-Einheiten auf verschiedenen Oxidationsstufen übertragen kann. Es wird aus dem Vitamin Folsäure gebildet, das mit der Nahrung aufgenommen werden oder von Mikroorganismen im Darm bereitgestellt werden muss. Die C1-Einheiten, die an die beiden Stickstoffe N-5 und N-10 oder an beide gebunden sein können, können die Oxidationsstufe von Methanol, Formaldehyd oder Formiat aufweisen; sie können durch enzymatische Reaktionen ineinander umgewandelt werden. Die C1-Fragmente stammen aus verschiedenen Quellen, wobei bestimmte Aminosäuren eine wichtige Rolle spielen.

178

Kapitel 7

Beschreiben Sie, woher die von Tetrahydrofolat übertragenen C1-Fragmente stammen können und formulieren Sie eine konkrete Reaktion für die Bildung von N5,N10-Methylentetrahydrofolat. c) Unter dem Begriff der megaloblastären Anämien werden Störungen der Zellreifung und bildung zusammengefasst, die auf unterschiedlichen Defekten der DNA-Synthese beruhen und mit charakteristischen morphologischen Veränderungen der Zellen im Knochenmark und im peripheren Blut einhergehen. Die frühzeitige Diagnose dieser Anämieform ist wichtig, da die zwei häufigsten Ursachen – Vitamin-B12-Mangel und Folsäuremangel – durch eine gezielte Therapie komplett korrigiert und neurologisch-psychiatrische Komplikationen verhütet oder im frühen Stadium rückgängig gemacht werden können. Um zu überprüfen, ob ein Patient mit Verdacht auf megaloblastäre Anämie an einem einfachen Folsäuremangel leidet, erscheint eine Behandlung mit Folsäure naheliegend. Handelt es sich tatsächlich jedoch um eine perniziöse Anämie, können dadurch ernste neurologische Symptome entstehen. Erklären Sie.

Aufgabe 446 Gezeigt ist die Verbindung Metoprolol, die in der Therapie des Herzinfarktes, des Bluthochdrucks, der koronaren Herzkrankheit, der Herzinsuffizienz und bestimmter Herzrhythmusstörungen eingesetzt werden kann. Dieses Wirkungsspektrum wird aus der strukturellen Ähnlichkeit mit einigen wichtigen körpereigenen Botenstoffen verständlich. OH O H3CO

H N

OH H3CO

COOH

HO Metoprolol

Vanillinmandelsäure

a) Beschreiben Sie die typischen Wirkungen der fraglichen körpereigenen Botenstoffe und erklären Sie in diesem Zusammenhang die Wirkungsweise des Metoprolols. b) Ein typischer Metabolit dieser Botenstoffe, der im Urin nachgewiesen werden kann, ist die Vanillinmandelsäure. Durch welche Reaktionen wird dieses Ausscheidungsprodukt gebildet?

Aufgabe 447 Die folgenden Abbildungen zeigen jeweils das Ergebnis einer Serumelektrophorese, die von einem Normalbefund in charakteristischer Weise abweicht. Man spricht von sogenannten Dysproteinämien, bei denen verschiedene Typen unterschieden werden. Versuchen Sie, die gezeigten Befunde jeweils einem Typ von Dysproteinämie zuzuordnen und wagen Sie eine Diagnose.

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

179

2

1

3

Aufgabe 448 a) Was ist ein sogenannter Glucose-Toleranztest und welche Erkenntnisse können aus seinem Ergebnis abgeleitet werden? b) Durch welche molekularen Mechanismen kommt es zur Reaktion auf eine erhöhte extrazelluläre Glucosekonzentration?

Aufgabe 449 Die Acetylsalicylsäure besitzt eine inzwischen mehr als 100-jährige Geschichte und ist das wohl bekannteste Arzneimittel überhaupt. Die therapeutische Wirkung von Acetylsalicylsäure ist auf eine Hemmung der Cyclooxygenase und damit des ersten Schrittes der Prostaglandinsynthese zurückzuführen, wie von Sir John Robert Vane 1971 gezeigt wurde. Die Cyclooxygenase (COX) gibt es in zwei Isoformen, die COX-1 und die COX-2, bei denen jeweils ein Serinrest (Ser 530 bzw. Ser 516) durch Acetylierung modifiziert wird. Die Hemmung der COX-1 oder der COX-2 führt zu sehr unterschiedlichen pharmakologischen Wirkungen. Die COX-1-Hemmung ist überwiegend für die antithrombotischen Effekte verantwortlich, während die antiinflammatorische Wirkung im Wesentlichen über die COX-2 vermittelt wird. Im

180

Kapitel 7

Unterschied zur Selbstmedikation von leichtem Kopfschmerz und Unwohlsein wurde die Schmerztherapie von z.B. rheumatischer Arthritis in der Vergangenheit mit hohen Dosen von Acetylsalicylsäure durchgeführt. Als Folge kam es hierbei zu unerwünschten gastrointestinalen Nebenwirkungen. Diese Effekte im Magen-Darm-Bereich sind im wesentlichen COX-1vermittelt. Durch die COX-1-Hemmung kommt es zu einer Störung der Synthese von Prostanoiden, die hier eine Schutzwirkung auf die Schleimhaut ausüben. Daher wird seit längerem versucht, COX-2-spezifische Inhibitoren zur Behandlung von rheumatischer Arthritis und Osteoarthritis mit geringerem Risiko hinsichtlich der bekannten Nebenwirkungen zu entwickeln. Die Verbindung o-(Acetoxyphenyl)hept-2-inyl-sulfid (APHS) ist ein Aspirin£-Analog, das wie Acetylsalicylsäure im aktiven Zentrum des Enzyms gebunden wird und eine ca. 60-mal stärkere Hemmung von COX-2 als von COX-1 bewirkt.

O O S

C

C

Formulieren Sie eine entsprechende Gleichung mit Strukturformeln, die die Hemmwirkung von APHS erklärt. Wie sollte sich die Anwesenheit des Hemmstoffs auf die Enzymkinetik auswirken? Handelt es sich aufgrund der Bindung im aktiven Zentrum um eine kompetitive Hemmung?

Aufgabe 450 Selen ist ein lebensnotwendiges Spurenelement, das mit der Nahrung aufgenommen wird. Es schützt den Körper vor Alterungsprozessen im Herz-Kreislauf-, Nerven- und Immunsystem. Außerdem beugen Selenverbindungen der Krebsentstehung vor. So werden hochreaktive Sauerstoffverbindungen durch selenhaltige Enzyme abgebaut und unschädlich gemacht. Dem Team um Dr. Lutz Schomburg, Dr. Ulrich Schweizer und Professor Josef Köhrle vom Institut für Experimentelle Endokrinologie der Charité Berlin ist es jetzt zusammen mit ihren Kollegen an der Universität Würzburg und der Technischen Universität Braunschweig gelungen, ein zentrales Protein im Blut zu identifizieren, das die Aufnahme von Selen aus der Nahrung ermöglicht: das sogenannte Selenoprotein P. Selenoprotein P (SeP) ist ein Glykoprotein im Blutplasma, das mit 8–10 Selenocysteinresten pro Molekül einen einzigartig hohen Selengehalt aufweist. Außerdem enthält es einen hohen Anteil an Cystein- und Histidinresten. Bekannte antioxidative Eigenschaften dieses Proteins betreffen die Protektion von Leberendothelien bei Diquat-induzierter Lipidperoxidation, Schutz vor Peroxynitrit-induzierter Lipidperoxidation und Protein-Tyrosin-Nitrierung sowie die Reduktion von Phospholipidhydroperoxiden. Selenoprotein P ist in der Lage, an Glykosaminoglykane des Endothels, wie z.B. Heparin, zu binden. a) Zeichnen Sie einen Strukturausschnitt von Heparin. Wofür wird es in der Medizin eingesetzt und worauf beruht diese Wirkung? b) Die Bindung des Selenoproteins P an Heparin ist stark pH-Wert abhängig. Wie erwarten Sie, dass sich das Bindungsverhalten im pH-Bereich von 5 bis 8 ändert? Begründen Sie.

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

181

Aufgabe 451 Die Enzyme der Cytochrom P450-Familie gehören zu den Monooxygenasen und sind am Abbau von Fremdstoffen, einschließlich Medikamenten, im Körper beteiligt. Cytochrom P450 kommt praktisch in allen Formen des Lebens vor und lässt sich in tierischen Zellen in nahezu allen Organen nachweisen. Besonders hohe Konzentrationen finden sich in der Leber, im Gastrointestinaltrakt und in der Lunge. Für die Zulassung eines Wirkstoffs als Medikament muss der Hersteller die Untersuchung der Verstoffwechselung des Wirkstoffs durch Cytochrom P450 nachweisen. Der Subtyp CYP3A4 der Cytochrom P450-Familie ist für die Verstoffwechselung einiger besonders lipophiler Substanzen zuständig. Dazu gehören eine Reihe wichtiger Arzneistoffe wie Amiodaron, Ciclosporin, Diazepam, Lidocain, Warfarin, Cerivastatin oder Phenytoin. Bei gleichzeitiger Anwendung von CYP3A4-Hemmstoffen (z.B. Clarithromycin, Grapefruitsaft, Ketoconazol, Cimetidin, Erythromycin, Verapamil, Diltiazem) und Arzneistoffen, die über dieses Enzymsystem abgebaut werden, kann deren Abbau verlangsamt und damit Wirkungen und Nebenwirkungen verstärkt werden. CYP3A4-Induktoren, wie beispielsweise Carbamazepin, Phenytoin, Rifampicin, Barbiturate und Johanniskraut beschleunigen hingegen den Abbau dieser Substrate. Hierdurch kann es zu einer Verminderung bis hin zum Verlust der erwünschten Wirkung von Arzneimitteln kommen. So wird z.B. die empfängnisverhütende Wirkung von Kontrazeptiva durch eine Induktion von CYP3A4 eingeschränkt. Midazolam (Handelsname u.a. DORMICUM®) ist ein Arzneistoff aus der Gruppe der Benzodiazepine. Midazolam verstärkt wie alle Benzodiazepine im zentralen Nervensystem die Wirkung des körpereigenen Botenstoffes J-Aminobuttersäure (GABA). Nach Aufnahme wird der Wirkstoff in der Leber hauptsächlich vom CYP3A4 verstoffwechselt und über die Nieren ausgeschieden. Hauptmetabolit ist das 1-Hydroxymidazolam. Für diese Umsetzung wurden die folgenden kinetischen Daten erhalten. Die mittlere Spalte gibt die Geschwindigkeit der Bildung von 1-Hydroxymidazolam in Abwesenheit von Ketoconazol, die rechte Spalte in Anwesenheit von Ketoconazol in einer Konzentration c = 0,1 Pmol/L an. c (Midazolam) / PM

X (ohne) / (pmol L–1 s–1)

X0 (mit) / (pmol L–1 s–1)

1

1,66

0,18

2

2,60

0,30

4

3,70

0,45

8

5,38

0,66

16

8,40

0,90

a) Bestimmen Sie KM und Xmax für das CYP3A4. b) Ketoconazol ist ein Antimykotikum, das unerwünschte Nebenwirkungen hervorruft, wenn es zusammen mit Midazolam angewendet wird. Bestimmen Sie, wie das Ketoconazol die Hydroxylierung von Midazolam beeinflusst.

182

Kapitel 7

Aufgabe 452 Die HIV-Protease ist ein Homodimer, das aus zwei identischen Peptidketten mit jeweils 99 Aminosäuren aufgebaut ist. Während der Virusvermehrung spaltet sie langkettige Polyproteine in funktionstüchtige kleinere Proteine. Als Aspartat-Protease besitzt sie zwei Aspartatreste im aktiven Zentrum, die für die Proteolyse verantwortlich sind. Diese weisen pKS-Werte von 3,3 bzw. 5,3 auf. Im ersten Schritt der Peptidhydrolyse fungiert einer dieser beiden Asp-Reste als Base, die ein Proton von einem Wassermolekül abspaltet, während der andere ein Proton auf eine Peptid-Carbonylgruppe überträgt. Es resultiert ein tetraedrisches Zwischenprodukt, das nichtkovalent an das Enzym gebunden ist. a) Formulieren Sie einen Mechanismus für diese von der HIV-Protease katalysierte Reaktion. b) Skizzieren Sie die zu erwartende Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit für die in der vorangegangenen Teilaufgabe formulierte Reaktion vom pH-Wert. c) Im Zuge der Entwicklung eines potenten Inhibitors wurde zunächst wurde nach spezifischen Minimalsubstraten der HIVProtease gesucht. Dabei zeigte sich, dass Heptapeptide ausreichen und vorzugsweise zwischen den Aminosäuren PhenylO alanin und Prolin gespalten werden. Bereits der Ersatz der R2 R1 N N zentralen Amidbindung zwischen Phe und Pro durch eine H OH R3 Hydroxyethylaminogruppe führte zu einem hochaffinen Inhibitor, der in weiteren Schritten schließlich zu dem Wirkstoff Saquinavir Saquinavir weiterentwickelt wurde. Saquinavir war 1995 der erste Protease-Inhibitor, der von der amerikanischen Lebens- und Arzneimittelbehörde FDA zugelassen wurde. Da es bei vielen Patienten zu rascher Resistenzentwicklung kam, wurde das Präparat jedoch bald vom Markt genommen und in einer neuen Formulierung und damit höherer Bioverfügbarkeit 1997 erneut zugelassen. Worauf würden Sie die effektive Hemmung der Protease durch Saquinavir zurückführen?

Aufgabe 453 An der Steuerung der Insulinausschüttung sind auch Darmhormone (Inkretine) beteiligt. Gelangt Nahrung in den Darm, werden Inkretine an den Blutkreislauf abgegeben, um den Blutzuckerspiegel zu steuern. Besondere Bedeutung besitzen GIP (Gastric Inhibitory Peptide) und GLP-1 (Glucagon-like Peptide-1). Beide werden nach Aufnahme von Kohlenhydraten aus dem Darm ausgeschüttet und regulieren die Insulinfreisetzung. Bei Menschen mit Diabetes werden weniger Inkretine als bei Gesunden produziert. GLP-1 und GIP werden im Körper innerhalb weniger Minuten durch das Enzym Dipeptidyl-Peptidase-4 (DPP-4) gespalten und inaktiviert. Das Enzym gehört zu den Serinproteasen mit der katalytischen Triade Glu–His–Ser im aktiven Zentrum. Im Oxyanion-Loch befindet sich ein Tyrosinrest. Zur Untersuchung der Rolle dieses Tyrosinrestes wurde dieser durch ortsspezifische Mutagenese gegen einen Phenylalaninrest ausgetauscht und die Aktivität des Enzyms untersucht. Wie schätzen Sie die Aktivität dieser Mutante im Vergleich zum Wildtyp ein?

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

183

Aufgabe 454 Vitamin B6-Mangel kann beim Menschen Reizbarkeit, Nervosität, Depressionen und auch Krämpfe verursachen. Es wird vermutet, dass diese Symptome von zu niedrigen Spiegeln der Neurotransmitter Serotonin und Noradrenalin herrühren, die sich von Aminosäuren ableiten. Erklären Sie, wie ein Mangel an Vitamin B6 zu verminderten Serotonin- und Noradrenalinspiegeln führen kann. NH3

OH HO

HO N

NH3

HO

H Serotonin

Noradrenalin

Aufgabe 455 Das dimere Flavoenzym Glucose-Oxidase kommt in Pilzen, wie den Weißfäulepilzen Aspergillus niger und Penicillium amagasakiense vor; es katalysiert die Oxidation von Glucose in Anwesenheit von Sauerstoff zum Gluconolacton. Nach Bindung der Glucose an das Enzym erfolgt der Elektronentransfer auf das am Enzym gebundene FAD, das zu FADH2 reduziert wird. Das Gluconolacton wird freigesetzt; es kann spontan oder enzymatisch zu Gluconsäure hydrolysiert werden. In einem zweiten Schritt wird molekularer Sauerstoff an das Isoalloxazin-Ringsystem des FAD addiert und das Hydroperoxid dann als Wasserstoffperoxid freigesetzt. Der Glucose-Oxidase-Test (GOD-Test) wird häufig in der klinischen Chemie zum Nachweis einer Erkrankung an Diabetes mellitus verwendet. Test-Kits, beispielsweise in Form von Teststreifen, sind kommerziell verfügbar. Nach der Oxidation von Glucose durch die GlucoseOxidase wird das entstandene H2O2 in einer nachgeschalteten Farbreaktion durch eine Peroxidase zu Wasser reduziert. a) Formulieren Sie die von der Glucose-Oxidase katalysierte zweistufige Reaktionsfolge unter Beteiligung des entsprechenden Coenzyms, dessen reaktiven Teil Sie vollständig ausschreiben sollten. b) Die Glucose-Oxidase weist eine hohe Substratspezifität für die β-Form der Glucose auf. Lässt sich mit der beschriebenen Methode die gesamte in einer Probe (z.B. im Blut) vorhandene Glucose bestimmen? Begründen Sie.

Aufgabe 456 Bei intensiver körperlicher Tätigkeit wird vermehrt Glykogen zu Glucosemetaboliten abgebaut, die zur ATP-Produktion dienen.

184

Kapitel 7

a) Spielt es eine Rolle für die Nettoproduktion von ATP im Muskel, ob der Glykogenabbau hierfür in der Leber oder im Muskel erfolgt ist? b) Der McArdle-Krankheit (= Glykogenose Typ V) liegt ein Enzymdefekt der GlykogenPhosphorylase zugrunde; im Extremfall fehlt dieses Enzym in der Skelettmuskulatur völlig. Welche Folgen für das Stoffwechselgeschehen sind für solche Patienten bei erhöhter körperlicher Belastung zu erwarten?

Aufgabe 457 Im Jahre 2002 haben Wissenschaftler der Universität Leipzig erstmals nachgewiesen, dass LCarnitin als Nahrungsergänzung den Abbau von langkettigen Fettsäuren in vivo bei gesunden Erwachsenen ohne L-Carnitin-Mangel steigern kann. Sowohl vor als auch nach zehntägiger Nahrungsergänzung erhielten die Probanden markierte Fettsäuren mit einer Mahlzeit. Anschließend wurde markiertes CO2 als Abbauprodukt der markierten Fettsäuren in der Ausatmungsluft gemessen. Die Wissenschaftler beobachteten einen signifikanten Anstieg an markiertem CO2 in der Ausatmungsluft, was auf eine deutliche Steigerung der Fettverbrennung bei gesunden Erwachsenen nach L-Carnitin-Einnahme hinweist. Bekanntlich erfolgt der Abbau von Fettsäuren durch β-Oxidation. Bei der Betrachtung der Einzelschritte dieses Prozesses fällt auf, dass Carnitin an keinem davon beteiligt ist. Können Sie in Anbetracht dessen das Ergebnis der obengenannten Studie erklären?

Aufgabe 458 Nicht alle Menschen verwerten aufgenommene Nahrung mit der gleichen Effizienz. Als mögliche Ursache wurde ein Gen vorgeschlagen, durch dessen Expression ein als Entkopplerprotein UCP-2 (uncoupling protein 2) bezeichnetes Protein gebildet wird. Das UCP-2 kommt in vielen Geweben des Menschen vor und konnte als Protonentranslokator in der inneren Mitochondrienmembran identifiziert werden. Die Wirkung einiger Medikamente gegen Fettleibigkeit wurde auf eine Regulation der Expression dieses Gens zurückgeführt. Erklären Sie, wie eine Erhöhung der vorhandenen Menge an UCP-2 zu einem Gewichtsverlust beim Menschen führen könnte.

CH3

Aufgabe 459 Die Verbindung mit der Bezeichnung Lipstatin ist ein potenter, natürlich vorkommender Hemmstoff der Pankreas-Lipase; er wurde aus dem Bakterium Streptomyces toxytricini isoliert (P. Barbier, F. Schneider, Helvetica Chi-

H O

O

(CH2)10 H O

O O H

NH H

Tetrahydrolipstatin (Orlistat)

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

185

mica Acta 70 (1987) 196). Die entsprechende gesättigte Verbindung Tetrahydrolipstatin wird auch als Orlistat bezeichnet und seit 1998 unter verschiedenen Handelsnamen (z.B. Xenical“, Roche) als Medikament gegen Fettleibigkeit vertrieben. Orlistat wirkt nur lokal; es wird so gut wie nicht resorbiert und hat daher keine systemischen Wirkungen. Beschreiben Sie, wie die Wirkung dieser Verbindung aus biochemischer Sicht zu verstehen ist. Welche Nebenwirkungen sind vorstellbar?

Aufgabe 460 Pethidin ist das älteste vollsynthetische Opioid. Seine Synthese erfolgte bereits 1939 bei den I.G. Farben (Handelsname: Dolantin®). Während der Einsatz von Pethidin in Deutschland auf Grund modernerer Präparate heute rückläufig ist, ist es weltweit betrachtet nach wie vor eines der wichtigsten starken Analgetika. Seine Wirksamkeit beträgt etwa 20 % der des Morphins; auch das Abhängigkeitspotenzial ist geringer. Seine Wirkungsdauer ist mit 2–4 Stunden für ein Opioid vergleichsweise kurz. a) Gibt man diesen Wirkstoff zu einer Suspension funktionsfähiger arbeitender Mitochondrien, so beobachtet man einen Anstieg der Konzentrationsverhältnisse NADH/NAD+ und Ubichinon/Ubichinol (Q/QH2). Wie lässt sich dies erklären? O

N

CH3 H2N

O

S

N

O N O Pethidin

S

O Myxothiazol

b) In ähnlicher Weise führt die Zugabe des Antibiotikums Myxothiazol zu einer arbeitenden Mitochondriensuspension zu einem Anstieg der Verhältnisse Cytochrom c1 (Fe3+)/Cytochrom c1 (Fe2+) und Cytochrom bL (Fe3+)/Cytochrom bL (Fe2+). Was folgt daraus für den Angriffsort dieses Antibiotikums?

Aufgabe 461 Durch eine überhöhte Kalorienzufuhr in Kombination mit verringerter körperlicher Aktivität nimmt insbesondere in den Industrienationen die Fettleibigkeit immer mehr zu. Dies stellt ein ernstes Problem dar, da Fettleibigkeit zu einer Vielzahl von Erkrankungen wie Typ-2Diabetes und kardiovaskulären Erkrankungen beiträgt. Im Zuge der Adipogenese wurde die Hochregulation von Enzymen wie der Acetyl-CoA-Carboxylase, der Fettsäure-Synthase und der ATP-Citrat-Lyase beobachtet, so dass entsprechende Enzyminhibitoren als Wirkstoffe zur Behandlung von Fettleibigkeit ins Gespräch kamen. So konnte z.B. gezeigt werden, dass Mäuse, die mit einem Inhibitor der Fettsäure-Synthase behandelt wurden, weniger Nahrung aufnahmen und Gewicht verloren.

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Kapitel 7

a) Welchen Effekt erwarten Sie für einen Inhibitor der Acetyl-CoA-Carboxylase auf die Fettsäurebiosynthese und auf die Fettsäureoxidation? O O b) K.L. Levert et al. publizierten 2002 eine Studie mit dem nebenstehend gezeigten Wirkstoff „CABI“. Für welches Enzym kommt diese Substanz als Hemmstoff in Frage und welches strukturelle Merkmal ist dafür verantwortlich?

Cl

N

NH

O O

S "CABI"

Aufgabe 462 Als Folge eines Herzinfarktes oder eines anderen Prozesses, der zu einer lokalen Schädigung von Gewebe führt, beobachtet man, dass Granulozyten in das betroffene Gewebe einwandern und dort zu einer vermehrten Synthese von Arachidonsäure führen. a) Erklären Sie den Grund für diese Antwort des Körpers. b) Die Biosynthese von Eicosanoiden wird einerseits durch Verbindungen wie Acetylsalicylsäure (Aspirin£) oder Ibuprofen („nichtsteroidale Entzündungshemmer“), anderseits auch durch Steroide wie Prednison oder Hydrocortison beeinflusst. Dabei hemmen letztere die Aktivität einer spezifischen Phospholipase. Während die nichtsteroidalen Substanzen nur die Bildung von Prostaglandinen, Prostacyclinen und Thromboxanen hemmen, vermindern die Steroide auch die Synthese der Leukotriene. Erläutern Sie den Grund für diese unterschiedliche Wirkung.

Aufgabe 463 Das Enzym NO-Synthase, kurz NOS, katalysiert die Bildung von Stickstoffmonoxid (NO). 1998 wurde der Nobelpreis für Physiologie und Medizin an die Amerikaner Robert Furchgott, Ferid Murad und Louis J. Ignarro verliehen. Den Forschern gelang es erstmals, die große Bedeutung des NO für die Blutversorgung von Organen und seine Rolle als Botenstoff im Organismus nachzuweisen. Mit den Erkenntnissen über NO erschließen sich somit neue Möglichkeiten bei der Behandlung von Gefäßerkrankungen und den dadurch bedingten Organschäden. Es sind heute drei NOS-Isoformen identifiziert, von denen die endotheliale NOS (eNOS) und die neuronale NOS (nNOS) konstitutiv exprimiert werden, während die induzierbare NOSIsoform (iNOS) auf transkriptioneller Ebene induzierbar ist. Von der eNOS in den Zellen an der Innenseite von Blutgefäßen (Endothelzellen) gebildetes NO bewirkt indirekt durch Erhöhung des cGMP-Spiegels die Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur, was zu einer Vasodilatation und damit zu einer Absenkung der Nachlast des Herzens und des Blutdrucks führt. Durch diese Reaktion wurde die Wirkungsweise einer ganzen

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Gruppe von Medikamenten, wie Amylnitrit und Nitroglycerin verständlich, die durch reduktive Abspaltung NO im Körper freisetzen. a) Woraus wird NO im Körper gebildet? Formulieren Sie eine entsprechende Formelgleichung. Inwiefern ist die Rolle von Stickstoffmonoxid als extrazellulärer Botenstoff überraschend? b) Die Verbindung Thiocitrullin beeinflusst die NO-Synthase. Welchen Effekt würden Sie erwarten?

Aufgabe 464 Studien eines Enzyms der Nucleotidbiosynthese in dem Parasiten Trypanosoma brucei haben Forscher einem Heilmittel für die Schlafkrankheit näher gebracht. Da dieser Parasit seine Oberfläche ständig verändert, kann er dem menschlichen Immunsystem entkommen und in das zentrale Nervensystem eindringen. Das führt zu Persönlichkeits- und Schlafstörungen und letztendlich zum Tod. Für Patienten, die unter einer schweren Typanosoma brucei-Infektion des ZNS leiden, existieren keine Medikamente, die gegen beide Unterarten des Parasiten wirken, ohne sehr schwere Nebenwirkungen nach sich zu ziehen. In einem Projekt, das von Professor Lars Thelander von der Umeå Universität geleitet wurde, haben Wissenschaftler entdeckt, dass Acivicin, ein gut bekanntes Zellgift, das bereits als Krebsmedikament eingesetzt worden ist, ein Enzym der Nucleotidsynthese blockieren kann. Dadurch wurden die Trypanosomen in Zellkulturen dauerhaft abgetötet. Mit einer täglichen Dosis Acivicin sind Mäuse, die mit Trypanosomen infiziert waren, symptomfrei geblieben, wogegen unbehandelte Mäuse nach wenigen Tagen starben.

N O Cl

COO NH3 Acivicin

a) Offensichtlich besitzt Acivicin erhebliche strukturelle Ähnlichkeit mit der Aminosäure Glutamin, worauf sein Eingriff in die Nucleotidbiosynthese beruht. In der oben beschriebenen Arbeit wurde die Hemmung eines Enzyms der Pyrimidinsynthese untersucht. Um welches Enzym handelt es sich, und welche Reaktion wird von diesem Enzym katalysiert? b) Auch die Synthese von Purin-Derivaten sollte von Acivicin beeinflusst werden. Erklären Sie, welche Zwischenprodukte sich in Anwesenheit dieses Hemmstoffs anreichern könnten.

Aufgabe 465 Das Enzym Thymidylat-Synthase ist ein wichtiger Angriffspunkt in der Tumor-Chemotherapie. Erklären Sie die Funktion der Thymidylat-Synthase. Warum ist Fluoruracil ein Suizidinhibitor für die Thymidylat-Synthase?

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Kapitel 7

Aufgabe 466 In der Notaufnahme befindet sich ein Patient mit Verdacht auf Herzinfarkt. Die Labordiagnostik läuft bereits und Sie erhoffen sich entscheidende Hinweise aus der Bestimmung einiger Enzymaktivitäten, u.a. der Creatin-Kinase. a) Von der Creatin-Kinase existieren mehrere sogenannte Isoenzyme. Was ist darunter zu verstehen, und für welches Isoenzym interessieren Sie sich im vorliegenden Fall besonders? b) Welche anderen Enzyme können im aktuellen Fall von besonderem Interesse sein? c) Wie könnte ein gekoppelter optischer Test für eine Aktivitätsbestimmung der CreatinKinase realisiert werden?

Aufgabe 467 Von einem Patienten, der Ihnen bereits seit längerem u.a. aufgrund eines Alkoholproblems bekannt ist, liegen Ihnen einige Laborbefunde vor. Auffällig ist insbesondere das Ergebnis einer Serumelektrophorese, die eine breitbasige Vermehrung der J-Globulin-Fraktion zeigt („polyklonale Gammopathie“). Außerdem sind die Konzentrationen an Bilirubin und an Aspartat-Aminotransferase (AST) deutlich erhöht. Worauf können diese Befunde hindeuten?

Aufgabe 468 Zu den Volkskrankheiten unserer Zeit zählt sicherlich der Diabetes mellitus, von dem eine stetig zunehmende Anzahl von Patienten betroffen ist. Prinzipiell gilt es dabei zunächst zwischen zwei Typen zu unterscheiden. a) Erklären Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Diabetes mellitus Typ 1 und Typ 2. b) Selbst während einer laufenden Insulintherapie besteht die Möglichkeit, zu bestimmen, welche Restmengen an Insulin der Körper noch selbst ausschüttet. Führen Sie sich den Ablauf der Insulinbiosynthese vor Augen und versuchen Sie zu erklären, wie dies möglich ist.

Aufgabe 469 Die Konzentration an Glucose (M = 180 g/mol) im Blutplasma soll mit Hilfe eines gekoppelten optischen Tests bei λ = 340 nm bestimmt werden. a) Welche Reaktionssequenz bietet sich dafür an? b) In einer solchen Bestimmung werden 0,01 mL Blutplasma mit den erforderlichen Enzymen und Cofaktoren zur Reaktion gebracht; das Testvolumen beträgt 2,0 mL, die Schichtdicke der Küvette ist d = 1 cm. Das Experiment liefert eine Massenkonzentration an Glucose im Blut-

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plasma von 90 mg/100 mL. Welche Änderung der Absorbanz wird bei diesem Experiment gemessen, wenn der Absorptionskoeffizient İ340 m = 6,2 mL × μmol–1 × cm–1 beträgt? c) Kurz darauf wird ein bewußtloser Patient eingeliefert. Zur Bestimmung seiner Glucosekonzentration im Serum setzen Sie 100 μL seines 1:5 verdünnten Serums im Test ein (Gesamtvolumen = 1,0 mL). Da Sie nur noch den Absorptionskoeffizienten bei 366 nm im Kopf haben (H366 = 3,4 mL u cm–1 u μmol–1), messen Sie diesmal bei dieser Wellenlänge und erhalten dabei 'A = 0,068. Geben Sie die Glucosekonzentration im Blut des Patienten an. Was ist von dem Ergebnis zu halten? Auf Grund welcher fehlerhaften therapeutischen Maßnahme kann dieser Zustand entstanden sein?

Aufgabe 470 Als Sportarzt betreuen Sie einige Regensburger Leichtathleten bei den deutschen Meisterschaften. Die Athleten stehen in den Startblöcken für das Finale des 400 m-Laufs, eine Disziplin, die kurzfristig die Bereitstellung extremer Mengen an ATP verlangt. a) Wie ist die Skelettmuskulatur dazu in der Lage, ohne dass dazu zusätzlicher Sauerstoff aufgenommen werden muss? b) Ganz andere Anforderungen stellt der Marathon-Lauf, der eine Stunde später gestartet wird. Hier ist der aerobe Energiestoffwechsel von entscheidender Bedeutung. Erklären Sie, wie der Organismus auf diese Dauerbelastung reagiert.

Aufgabe 471 Der normalgewichtige Mensch verfügt über ausreichende Energiespeicher, um auch ohne Nahrungsaufnahme ca. 2 Monate überleben zu können. Allerdings bedarf es dazu einer erheblichen Umstellung des Stoffwechsels. a) Erklären Sie, warum dabei der Gluconeogenese eine herausragende Rolle zukommt. b) Welche anderen typischen Umstellungen des Stoffwechsels auf konsequentes Fasten sind zu beobachten? c) Welche Hormone spielen bei dieser Umstellung eine besonders wichtige Rolle und welche Wirkungen vermitteln Sie?

Aufgabe 472 Vitamine sind Verbindungen, die der Organismus für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen benötigt, aber nicht selbst herstellen kann und daher mit der Nahrung aufnehmen muss. Der Bedarf hängt von individuellen Gegebenheiten ab; die Empfehlungen der Deutschen

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Gesellschaft für Ernährung können aber als grobe Richtlinie dienen. Bei einer Fehlversorgung mit Vitaminen spricht man von einer Vitaminose, wobei Hypovitaminosen sicherlich den häufigsten Fall darstellen, insbesondere in ärmeren Ländern mit oft einseitigem und/oder unzureichendem Nahrungsangebot. a) Welche Ursachen kommen für Hypovitaminosen und Avitaminosen in Frage? b) Bei den Vitaminen A und D sind Hypervitaminosen zwar selten, aber nicht unbekannt, während man beispielsweise für die Vitamine B1, B2, B6 und C keine derartigen Fälle kennt. Wie erklärt sich dieser Unterschied? c) Ein Thiaminmangel tritt insbesondere häufig in Ländern der „Dritten Welt“ auf, in denen geschälter polierter Reis als Hauptnahrungsmittel dient, da das Vitamin in den Schalen und Randschichten des Reiskorns konzentriert ist. Bei fortschreitendem Mangel kommt es zur sogenannten Beriberi-Krankheit. Eine relativ frühzeitige Diagnose eines Thiaminmangels ist durch Bestimmung der Konzentration an Pentosephosphaten in Erythrozyten möglich. Erklären Sie den Zusammenhang.

Aufgabe 473 Das Element Cobalt ist ein essentielles Spurenelement, das in Form von Cobalamin (Vitamin B12) mit der Nahrung aufgenommen werden muss. Die Strukturaufklärung des Cobalamins (Nobelpreis 1964 für Dorothy C. Hodgkin) markierte ebenso einen Meilenstein in der biochemischen Forschung wie die Totalsynthese des Moleküls durch Albert Eschenmoser und Robert B. Woodward. Überraschenderweise kennt man nur zwei Reaktionen im menschlichen Stoffwechsel, an denen das kompliziert gebaute Cobalamin beteiligt ist. a) Beschreiben Sie kurz, wie das zentrale Cobalt-Ion im Cobalamin koordiniert ist. b) Formulieren Sie die beiden Reaktionen, an denen Cobalamin als Cofaktor beteiligt ist. c) Eine ältere Dame klagt über häufige Müdigkeit und Sensibilitätsstörungen. Die Labordiagnostik einer Blutprobe ergibt eine stark verringerte Erythrozytenzahl sowie eine zu niedrige Hämoglobin-Konzentration. Dabei ist die durchschnittliche Masse an Hämoglobin pro Erythrozyt („MCH“) sowie das durchschnittliche Volumen der Erythrozyten („MCV“) erhöht. Außerdem werden Antikörper gegen die Parietalzellen des Magens gefunden, die für die Synthese des sogenannten „Intrinsic factor“ zuständig sind. Erklären Sie, was die unzureichende Bildung des Intrinsic factors mit den Blutwerten und den Symptomen der Patientin zu tun hat. d) Ein Mangel an Cobalamin, der i.A. resorptionsbedingt ist (Mangel an Intrinsic factor, der für die Resorption von Cobalamin erforderlich ist), äußerst sich häufig auch in neurologischen Symptomen, die auf einer progressiven Demyelinierung im Nervensystem beruhen. Versuchen Sie, ausgehend von den Cobalamin-abhängigen Reaktionen zu erklären, wie diese Mangelsymptome hervorgerufen werden.

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Aufgabe 474 Während die Blutgerinnung, die über eine kaskadenartige Reaktionsfolge schließlich zur Umwandlung von Fibrinmonomeren in ein stabiles Fibrinpolymer führt, einerseits natürlich unverzichtbar ist, um nach einer Verletzung hohen Blutverlust zu vermeiden, muss die Gerinnung unter physiologischen Bedingungen verhindert werden. a) Beschreiben Sie dazu den wichtigsten Mechanismus in vivo. b) Bei bestimmten Erkrankungen ist es therapeutisch erwünscht, die Gerinnbarkeit des Blutes herabzusetzen. Geben Sie zwei geeignete Maßnahmen hierfür an. c) Wie wird die Gerinnung in vitro normalerweise gehemmt?

Aufgabe 475 Auf einer Station für Innere Medizin wird ein anämischer Patient mit einem blutenden Magengeschwür vorgestellt. Wie die Laborwerte zeigen, liegt sein Hb-Wert mit nur 6,8 g/dL deutlich unter dem Normwert von 12–16 g/dL, so dass eine Bluttransfusion angezeigt scheint. Ein Blick auf die Patientenakte zeigt weiterhin, dass der Mann die Blutgruppe B besitzt. a) Erklären Sie, wie die immunologische Spezifität der Erythrozyten zustande kommt und wie die Blutgruppenantigene des AB0-Systems aufgebaut sind. b) Bei der Synthese von Glykoproteinen spielt die N-Glykosylierung eine entscheidende Rolle. Beschreiben Sie die Vorgänge, die an der Synthese eines Glykoproteins durch N-Glykosylierung beteiligt sind.

Aufgabe 476 Eine Patientin mit sehr blasser Haut klagt über häufige Müdigkeit und Kopfschmerzen. Die Laborwerte, u.a. eine deutlich zu niedrige Ferritin-Konzentration im Blut, fördern zu Tage, dass sie offensichtlich unter einer Eisenmangelanämie leidet. a) Was versteht man unter einer Anämie und welche Ursachen kommen in Frage? b) Was ist unter Ferritin zu verstehen? c) Die Patienten gibt an, bereits einmal „auf Verdacht“ Eisen-Tabletten eingenommen zu haben, die günstig im Internet angeboten worden seien; jedoch ohne eine signifikante Verbesserung ihres Zustands zu verspüren. Als wirksame Komponente auf der Packung sei die Verbindung „Eisen(III)glucuronid“ angegeben gewesen. Können Sie Ihrer Patientin diesbezüglich einen Rat geben?

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Aufgabe 477 Bei einem weiblichen Säugling fallen in der Labordiagnostik niedrige Konzentrationen an Natrium-Ionen und Cortisol, dagegen zu hohe Konzentrationen an Kalium-Ionen und an adrenocorticotropem Hormon (ACTH) auf. Außerdem ist der 17α-Hydroxyprogesteron-Spiegel deutlich erhöht. Diese Befunde lassen auf einen angeborenen Enzymmangel schließen. Welches Enzym ist betroffen und wie erklären sich daraus die ermittelten Laborwerte? Skizzieren Sie dazu die Struktur von 17α-Hydroxyprogesteron und erklären Sie, woraus es entsteht und welche Verbindungen sich davon ableiten. Wie kann den Folgen dieses Enzymmangels begegnet werden?

Aufgabe 478 Die tödliche Wirkung von Blausäure (HCN) hat spätestens seit den Zeiten der nationalsozialistischen Vernichtungslager traurige Berühmtheit erlangt. Die Verbindung kommt aber auch in Schädlingsbekämpfungsmitteln vor oder kann bei der Verbrennung mancher Kunststoffe entstehen. Blausäure verdunstet bei Raumtemperatur schnell und riecht nach Bittermandeln – allerdings können 30 bis 50 % der Menschen den Geruch genetisch bedingt nicht wahrnehmen. Eine Vergiftung kann deshalb leicht inhalativ erfolgen; auch eine Resorption über die Haut ist möglich. Dabei wirken schon 1–2 mg Blausäure pro kg Körpergewicht tödlich. a) Erklären Sie, wie die rasche und tödliche Wirkung von Blausäure bzw. Cyaniden auf den Organismus zustande kommt. Wie würden Sie einer akuten Cyanid-Vergiftung begegnen? b) Auch das Kohlenmonoxid ist ein starkes Gift; obwohl es isoelektronisch mit dem CyanidIon ist, unterscheidet es sich doch von diesem in seiner Wirkung. Worin besteht diese und wie lässt sich der Unterschied erklären?

Aufgabe 479 Eine seltene Störung des Fettstoffwechsels, die zu den lysosomalen Speicherkrankheiten gezählt wird, ist Morbus Gaucher, benannt nach dem Erstbeschreiber Philippe Gaucher (1854-1918), einem französischen Dermatologen, der diese Arbeit 1882 veröffentlichte. Typische Symptome sind vergrößerte Leber und Milz, gestörte Blutbildung im Knochenmark und damit einhergehende Anämie mit Müdigkeit, Infektanfälligkeit und Blutgerinnungsstörungen (z.B. verstärkte Hämatombildung), sowie erhöhte Frakturgefahr. Die Störung wird autosomal rezessiv vererbt und beruht auf einem Enzymdefekt und daraus resultierender Ansammlung bestimmter Lipide in den für den Abbau zuständigen Zellen, den Makrophagen des retikuloendothelialen Systems von Leber, Milz und Knochenmark. a) Klären Sie die Unterschiede zwischen Phospholipiden, Cerebrosiden, Sulfatiden und Gangliosiden. Wie entsteht ein Cerebrosid? b) Welches Enzym ist bei Morbus Gaucher betroffen und wie lässt sich die Krankheit behandeln?

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Aufgabe 480 In der Kinderklinik wird Ihnen ein Säugling mit auffallend gelber Hautfarbe und vergrößerter Milz vorgestellt. Eine Blutuntersuchung ergibt erhöhte Konzentrationen an Bilirubin und Lactat-Dehydrogenase; im Blutausstrich sind abnorm geformte Erythrozyten mit Stechapfelform zu erkennen. Aufgrund dieser Anzeichen einer hämolytischen Anämie wird eine Bestimmung der Aktivität verschiedener Enzyme der Erythrozyten veranlasst. Dabei wird ein Mangel an Pyruvat-Kinase festgestellt. a) Formulieren Sie die Reaktion, die von der Pyruvat-Kinase katalysiert wird. b) Warum manifestiert sich dieser Enzymdefekt besonders stark in den Erythrozyten und wie kommt es zu der beobachteten Hämolyse?

Aufgabe 481 Calcium-Ionen sind an sehr vielen Prozessen im Organismus beteiligt. Insgesamt enthält der menschliche Körper ca. 1 kg Calcium, wovon sich nur ca 1 % im Plasma befindet. Die Ca2+Konzentration im Serum muss innerhalb recht enger Grenzen konstant gehalten werden; als Normwert gilt ein Bereich 2,2 mmol/L < c(Ca2+) < 2,6 mmol/L. Als Ursachen einer Hypocalcämie kommen Störungen der Resorption, des Vitamin D-Stoffwechsels (z.B. durch Niereninsuffizienz), Unterfunktion der Nebenschilddrüsen, sowie die Einnahme bestimmter Medikamente, die einen Calciumverlust bedingen können, in Frage. Typische Auswirkungen sind eine gesteigerte Erregbarkeit von Muskeln und Nervensystem, was zu Hyperreflexie, Missempfindungen und Krampfanfällen führen kann. a) Nennen Sie einige Körperfunktionen, bei denen Ca2+-Ionen eine essentielle Rolle spielen. b) An der Regulation des Calciumhaushalts sind mehrere Hormone beteiligt. Welche sind dies und wie beeinflussen sie sich gegenseitig? c) Durch welche Prozesse wird eine rasche Änderung der intrazellulären Ca2+-Konzentration ermöglicht?

Aufgabe 482 Im Gegensatz zu Glucose kann die Fructose Insulin-unabhängig verstoffwechselt werden. Diese Eigenschaft hat die Fructose zum Süßungsmittel für Diabetiker schlechthin werden lassen. Allerdings haben viele Diabetiker die irrige Meinung, dass der diätetische Einsatz von Fructose gleich zu setzen sei mit verminderter Energiezufuhr. Daraus resultiert oft ein unkontrollierter Verzehr gesüßter Lebensmittel mit dem Ergebnis einer überkalorischen Versorgung und der Entstehung von Übergewicht. Ein bestehendes metabolisches Syndrom wird so weiter verschlimmert. Die häufigste Ursache einer Fructoseunverträglichkeit ist die Fructosemalabsorption, die wahrscheinlich auf eine Insuffizienz eines intestinalen Zuckertransporters zurückgeht. Die Fructose wird im Darm bakteriell vergoren und führt zu Bauchschmerzen, Blähungen und

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Diarrhoe. Die Unverträglichkeit kann mit einem Atemtest diagnostiziert und durch entsprechende Diät behandelt werden. a) Wesentlich seltener tritt eine sogenannte hereditäre Fructoseintoleranz auf. Erklären Sie anhand des typischen Stoffwechselwegs der Fructose, worauf diese Störung beruht. b) Warum müssen Personen mit Fructoseintoleranz auch die häufig als „Zuckeraustauschstoff“ bzw. „Lebensmittelzusatzstoff E420“ deklarierte Verbindung Sorbitol (Sorbit) meiden?

Aufgabe 483 Im Zuge des Aminosäureabbaus wird der Stickstoff in Form von Ammoniak frei, der bei physiologischem pH-Wert überwiegend als NH4+ vorliegt. Da Ammoniak bereits in geringen Konzentrationen neurotoxisch ist, muss er rasch in ein unschädliches Ausscheidungsprodukt (Harnstoff) überführt werden. a) Woher stammen die beiden Stickstoffatome, die in der Leber zur Harnstoffsynthese verwendet werden? b) Angeborene Enzymdefekte des Harnstoffzyklus´ sind verhältnismäßig selten. Bei einem Säugling werden im Urin erhöhte Konzentrationen an Ammoniak (Hyperammonämie) und Orotat gefunden. Welche Diagnose würden Sie stellen?

Aufgabe 484 Die Hauptaufgaben des Magens sind Speicherung, Durchmischung, Vorverdauung und der Weitertransport der Nahrung. Das Milieu im Magen ist bekanntlich stark sauer, da die Belegzellen der Magenschleimhaut HCl in einer Konzentration bis zu 0,15 mol/L sezernieren. a) Welcher pH-Wert stellt sich dadurch ein, und wozu dient er? Wie schützt sich der Magen selbst gegen seinen aggressiven Inhalt? b) Woher stammen die Protonen und wie gelangen sie in das Magenlumen? c) Bei einem Bekannten von Ihnen wurde ein Magengeschwür, hervorgerufen durch Heliobacter pylori, diagnostiziert. Gegen die Schmerzen versuchte er zuletzt mit Acetylsalicylsäure anzukämpfen. Warum ist dies nicht zu empfehlen und wie sollte stattdessen verfahren werden?

Aufgabe 485 Patienten, die an Gicht leiden, weisen typischerweise erhöhte Konzentrationen an Harnsäure im Blut auf. Woher stammt die Harnsäure, und welche Maßnahme kommt neben einer Umstellung der Ernährung in Frage?

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

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Aufgabe 486 Nach einem durchzechten Abend ist die Leber verstärkt gefordert – Ethanol muss abgebaut werden. Hierfür stehen zwei unterschiedliche Wege zur Verfügung. a) Erklären und formulieren Sie die ablaufenden Reaktionen. b) Häufiger exzessiver Alkoholgenuss schädigt bekanntlich die Leber. So wird bei einer Ultraschalluntersuchung eines Patienten eine deutlich vergrößerte Leber festgestellt. Außerdem stellt sich das Leberparenchym viel heller dar, als bei einem normalen Befund. Es liegt eine sogenannte Fettleber vor. Erklären Sie, warum chronischer Alkoholmissbrauch eine häufige Ursache für die Ausbildung einer solchen Fettleber darstellt.

Aufgabe 487 Tüchtiger Alkoholkonsum strapaziert nicht nur die Leber, sondern führt am nächsten Morgen oftmals auch zu anderen Begleiterscheinungen, wie z.B. Kopfschmerzen. Eine (oder auch mehrere) Aspirin£-Tabletten sind dann meist rasch gefunden und eingenommen. a) Wie kommt es zu der schmerzstillenden Wirkung von Acetylsalicylsäure; wo greift diese Verbindung an? Welche Substanzen werden dadurch in der Folge vermehrt oder vermindert gebildet? b) Leider bleiben auch Nebenwirkungen nicht ganz aus. So führt eine chronische Anwendung zur Schädigung der Magenschleimhaut, was bis zum Magengeschwür führen kann. Ferner ist die Blutgerinnung beeinträchtigt und es kann zu Atemnot bis hin zu einem Asthmaanfall kommen. Erklären sie die Ursachen dieser unerfreulichen Begleiterscheinungen.

Aufgabe 488 Der Begriff „Thrombose“ ist schon sehr alt; er wurde geprägt von Galen (Claudius Galenus, 130–210 n. Chr.). Es handelt sich um eine Gefäßerkrankung, bei der sich ein Blutgerinnsel (Thrombus) in einem Gefäß bildet. Obwohl Thrombosen in allen Gefäßen auftreten können, ist umgangssprachlich meist eine Thrombose in den tiefen Beinvenen (Phlebothrombose) gemeint. Eine gefürchtete Komplikation der Thrombose ist die Embolie, die zustande kommt, wenn sich ein Thrombus von seiner Entstehungsstelle löst, vom Blutfluss durch den Körper geschwemmt wird und dabei eine Engstelle im Gefäßsystem verstopft. a) Was schlagen Sie als Erstmaßnahme vor, wenn Sie eine Patientin mit einer Thrombose in einer Beinvene zu versorgen haben? b) In der Folge wird man zur weiteren Thrombose- und Infarktprophylaxe eine Therapie mit gerinnungshemmenden Medikamenten der Cumarin-Gruppe wie Phenprocoumon oder Warfarin beginnen. Erklären Sie die Wirkungsweise dieser Substanzen.

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c) Eine wichtige Rolle für den Prozess der Blutgerinnung spielt die J-Carboxylierung von Glutamatresten verschiedener Gerinnungsfaktoren. Erklären Sie, wie diese kovalente Modifizierung abläuft und wofür sie erforderlich ist.

Aufgabe 489 Die arterielle Hypertonie, oft verkürzt auch Hypertonie oder im täglichen Sprachgebrauch Bluthochdruck genannt, ist ein Krankheitsbild, bei dem der Blutdruck chronisch erhöht ist. In westlichen Industrieländern lebt etwa jeder zweite Erwachsene mit einem Blutdruck mit Werten über 140/90 mmHg. Dabei nimmt die Häufigkeit des Bluthochdrucks mit steigendem Lebensalter stark zu. Bei den über 60-jährigen weist nur noch etwa jeder Vierte normale Blutdruckwerte auf. Bluthochdruck ist als Risikofaktor für die Entwicklung der Arteriosklerose anerkannt. Kommen zum Bluthochdruck noch Adipositas sowie ein weiterer Risikofaktor – etwa Diabetes mellitus oder Fettstoffwechselstörungen (erhöhte Cholesterol-, bzw. LDLWerte) – hinzu, besteht eine signifikant erhöhte Gefahr, im Laufe des Lebens eine HerzKreislauf-Erkrankung zu erleiden. Die Behandlung von Hypertonie gehört daher heute zur täglichen Praxis jedes Allgemeinmediziners. a) Eine wesentliche Rolle bei der Kontrolle des Gefäßtonus spielt das Renin-AngiotensinAldosteron-System (RAAS). Beschreiben Sie die Funktion dieses Systems. b) Ein Patient mit Bluthochdruck kommt in Ihre Praxis und möchte einen ACE-Hemmer verschrieben bekommen. Erklären Sie den Wirkungsmechanismus dieser Arzneistoffklasse, mit der jährlich viele Milliarden Dollar umgesetzt werden. c) Welche Verbindungen kämen als Alternative zu einem ACE-Hemmer in Frage?

Aufgabe 490 Bereits seit den 30er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts sind sogenannte Antihistaminika auf dem Markt. a) Was ist darunter zu verstehen und wozu dienen diese Verbindungen? b) Über die Niere wird der Metabolit 1-Ribosylimidazolylessigsäure ausgeschieden. Beschreiben Sie kurz, wie diese Verbindung entsteht.

Aufgabe 491 Der Ikterus, auch Gelbsucht genannt, ist ein Krankheitssymptom, das bei mehreren verschiedenen Erkrankungen auftreten kann. Die Gelbsucht zeigt sich in einer hell- bis dunkelgelben Färbung der Haut, der Schleimhäute sowie der Lederhaut des Auges. Die Verfärbungen werden durch eine erhöhte Konzentration von Bilirubin (> 2 mg/dL) ausgelöst.

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a) Was ist Bilirubin und wie wird es gebildet? Wie wird es normalerweise weiter abgebaut? b) Ein Ikterus kann recht verschiedene Ursachen haben. Es ist daher entscheidend, diese diagnostisch abzuklären. Da die Leber eine zentrale Rolle im Stoffwechsel von Bilirubin spielt, unterscheidet man in Abhängigkeit von der Lokalisation der Störung typischerweise drei Formen des Ikterus. Erklären Sie.

Aufgabe 492 Die sogenannte motorische Endplatte ist die Synapse zwischen einem Motoneuron und einer Skelettmuskelzelle. Im Zuge einer Operation wird dem Patienten neben Narkotika und Analgetika häufig auch ein Muskelrelaxans verabreicht, das an einen entsprechenden Rezeptor bindet, jedoch keine Depolarisation der Zelle und somit keine Muskelkontraktion auslöst. Aufgrund der Lähmung (u.a.) der Atemmuskulatur ist daher künstliche Beatmung erforderlich. a) Welcher Typus von Rezeptoren ist betroffen und welche Verbindung fungiert normalerweise als Transmitter an der motorischen Endplatte? b) Was können Sie tun, um eine Muskelrelaxierung nach einer Narkose beschleunigt wieder aufzuheben? Welche Nebenwirkungen treten dabei auf und wie lassen sie sich verhindern?

Aufgabe 493 Im Gegensatz zu menschlichen Zellen besitzen Bakterien eine Zellwand; sie können mit der sogenannten Gramfärbung grob nach ihrem Zellwandaufbau klassifiziert werden. a) Warum benötigen Bakterien eine Zellwand, und worauf beruht die Gramfärbung? b) Skizzieren Sie einen Ausschnitt aus dem Zucker-Rückgrat des Peptidoglykan-Netzwerks. Welches bakterielle Schlüsselenzym ist am Aufbau der Zellwand beteiligt? c) Die Entdeckung der antibakteriellen Wirkung von Penicillin durch Alexander Fleming im Jahr 1928 gehört sicherlich zu den Meilensteinen der Medizingeschichte. Worauf beruht die Wirkung von Penicillin und seinen Derivaten und weshalb sind zahlreiche klinisch vorkommende Bakterien heute bereits gegen Penicillin resistent? d) Das Kürzel MRSA ist in Kliniken in hohem Maße gefürchtet. Was verbirgt sich dahinter und worin besteht die Gefahr?

Aufgabe 494 Die Decarboxylierung von α-Ketosäuren verläuft nicht so leicht wie diejenige von β-Ketosäuren und erfordert daher Enzymkatalyse. Solche Decarboxylierungen spielen an mehreren Stellen im Stoffwechsel eine wichtige Rolle; sie werden jeweils durch einen komplexen Multienzymkomplex katalysiert, der mehrere Cofaktoren benötigt.

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a) Geben Sie drei Beispiele für eine solche Reaktion an und nennen Sie die benötigten Cofaktoren. b) Was haben Decarboxylierungen mit der sogenannten Ahornsirup-Krankheit zu tun? c) Einer der benötigten Cofaktoren leitet sich vom Thiamin (Vitamin B1) ab. Ein Mangel an Vitamin B1 kann zu Störungen insbesondere des peripheren Nervensystems, des Skelettmuskels und des Herzmuskels führen. Begründen Sie.

Aufgabe 495 Iod ist zwar ein essentielles Spurenelement; im Vergleich zu anderen Anionen wie Chlorid ist die Stoffmenge an Iodid, die der menschliche Körper benötigt, aber sehr gering. a) Wofür benötigt der menschliche Organismus das Element Iod? b) Speisesalz enthält häufig Zusätze von Iodat (IO3–), nicht jedoch von Iodid (I–), dem vom Körper aufgenommenen Ion. Was ist der Grund? c) Beschreiben Sie die typischen Folgen eines Iodmangels.

Aufgabe 496 a) Was versteht man unter dem Begriff Biotransformation und wozu dient sie? Beschreiben Sie die typischen Reaktionen, die daran beteiligt sind. b) Das Analgetikum Paracetamol ist (in normaler sachgerechter Dosierung) eine vergleichsweise harmlose Verbindung, die bislang rezeptfrei erhältlich war. Es eignet sich auch zur Fiebersenkung und kann rektal als Zäpfchen verabreicht werden, so dass es häufig in der Pädiatrie eingesetzt wird. Bei entsprechender Überdosierung kann Paracetamol aber zu einer lebensbedrohlichen Vergiftung führen. Beschreiben Sie, wie es dazu kommen kann. Kennen Sie ein Gegengift für den Fall einer akuten Paracetamol-Vergiftung?

Aufgabe 497 Cortisol ist ein sogenanntes Glucocorticoid; es wird in der Zona fasciculata der Nebennierenrinde aus Cholesterol gebildet und ist für den Menschen und höhere Tiere lebensnotwendig. Es ist neben den Catecholaminen ein wichtiges Stresshormon. Bei einer Unterfunktion der Nebennierenrinde (primäre Nebennierenrindeninsuffizienz; Morbus Addison, benannt nach dem englischen Arzt Thomas Addison), wird zu wenig Cortisol gebildet. a) Erklären Sie, wie Synthese und Freisetzung von Cortisol vom Organismus reguliert wird. b) Patienten mit Morbus Addison fallen häufig u.a. durch eine dunkle Hautfarbe auf. Wie ist dieser Befund zu erklären?

Aufgaben mit klinischem / pharmakologischen Bezug

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c) Ein überhöhter Cortisolspiegel (Hypercortisolismus) kann durch ein Cortisol-produzierendes autonomes Adenom, aber auch durch eine therapeutische Langzeitbehandlung mit Glucocorticoiden zustande kommen. Erklären Sie, wie es dadurch zu einer diabetischen Stoffwechsellage kommen kann. d) Die Verbindung Dexamethason (9-Fluor-16αmethylprednisolon) ist ein künstliches Glucocorticoid, welches entzündungshemmend und dämpfend auf das Immunsystem wirkt. Es gehört zu den langwirkenden Glucocorticoiden, wirkt rund 30-mal stärker als die körpereigenen Produkte und besitzt keine relevante mineralcorticoide Wirkung. Wie kommen diese Wirkungen von Cortisol und synthetischen Derivaten wie dem Dexamethason auf das Immunsystem zustande?

OH O HO

OH CH3 F

O Dexamethason

Aufgabe 498 Neurotransmitter sind Verbindungen, die erregende oder hemmende Signale über Synapsen von einem Neuron zum nächsten oder auch auf andere Zielzellen weiterleiten. Viele Neurotransmitter gehören zu den Aminen, wie z.B. Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin oder Serotonin; andere sind Aminosäuren, wie Glutamat, Glycin oder J-Aminobuttersäure (GABA). Glutamat und GABA gehören zu den wichtigsten Neurotransmittern im ZNS, besitzen aber ganz unterschiedliche Wirkungen. a) Erklären Sie die wesentlichen Unterschiede. b) Im Jahr 1960 wurde die von Leo Sternbach für Hoffmann-La Roche entwickelte Verbindung Chlordiazepoxid unter dem Handelsnamen Librium® auf den Markt gebracht. Im weiteren Verlauf der Forschung sind vor allem Verbindungen mit Lactamstruktur eingeführt worden; die bekannteste hiervon ist Diazepam (unter den Handelsnamen Faustan® oder Valium® im Handel). Erklären Sie, wie Benzodiazepine wie das Diazepam die Wirkung von Glutamat bzw. GABA beeinflussen können. Wie macht man sich das zu Nutze und worauf ist zu achten?

Aufgabe 499 Ein Enzymdefekt, der zur Ausbildung einer primären Hyperuricämie führen kann, ist eine verminderte Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferaseaktivität. In welchem Stoffwechselzusammenhang spielt dieses Enzym eine Rolle und wie kann dadurch ein erhöhter Harnsäurespiegel entstehen?

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Kapitel 7

Aufgabe 500 Eine Patientin klagt über Schmerzen im rechten Oberbauch und Verdauungsbeschwerden nach etwas fetterem Essen. Eine sonographische Untersuchung (vgl. Abbildung) fördert als Ursache der Beschwerden einen Gallenstein hervor.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Gallensteine a) Woraus bestehen Gallensteine überwiegend und wie bilden sie sich? Welche therapeutischen Möglichkeiten sind neben einer operativen Entfernung denkbar? b) Was versteht man unter Gallensalzen und welche Rolle spielen sie bei der Verdauung? c) Im Darm entstehen sogenannte sekundäre Gallensäuren, die zusammen mit den Gallensalzen einem enterohepatischen Kreislauf unterliegen. Was ist darunter zu verstehen?

Kapitel 8 Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 1:

Alternative 6

Die zweidimensionale Gelelektrophorese hat im Zeitalter von „Proteomics“ enorme Bedeutung erlangt. Ziel ist hierbei, ein möglichst vollständiges Abbild davon zu erhalten, welche Proteine in einer Zelle oder einem Gewebe unter bestimmten äußeren Bedingungen exprimiert werden. Die Elektrophorese in zwei Dimensionen ermöglicht es, mehrere tausend Proteine auf einem einzigen Gel voneinander zu unterscheiden. Dabei werden die Proteine nach Auftragung auf ein Polyacrylamidgel zunächst aufgrund ihrer Unterschiede im isoelektrischen Punkt getrennt (isoelektrische Fokussierung). Nach Zusatz von SDS zum Puffer erfolgt die Trennung in der zweiten Dimension aufgrund der unterschiedlichen molaren Massen. Anschließend müssen die einzelnen Proteinspots noch sichtbar gemacht werden, beispielsweise durch eine Silberfärbung. Die isoelektrische Fokussierung beruht auf den unterschiedlichen isoelektrischen Punkten von Proteinen und erfordert den Aufbau eines stabilen pH-Gradienten im Gel. Zur Erinnerung: als isoelektrischer Punkt (IP) wird derjenige pH-Wert bezeichnet, bei dem ein Protein keine Nettoladung aufweist. Die Proteine wandern in dem durch das Gel stabilisierten pH-Gradienten, bis sie schließlich am IP liegen bleiben. Für den Aufbau des pH-Gradienten kommen geeignete Polyelektrolyte zum Einsatz. Die Ionenaustauschchromatographie beruht auf den ionischen Wechselwirkungen zwischen geladenen Proteinen und dem Säulenmaterial. Trägt dieses positive Ladungen an der Oberfläche, so werden negativ geladene Proteine gebunden, und zwar um so fester, je höher ihre Ladung ist. An eine Polymermatrix mit negativen Oberflächenladungen binden umgekehrt positiv geladene Proteine. Ein Kationenaustauscher bindet Kationen bzw. positiv geladene Moleküle; er ist also selbst negativ geladen. Häufig verwendet werden Säulenmaterialien mit Carboxymethylgruppen (–CH2-COO–) oder Sulfonsäuregruppen (–SO3–) an der Oberfläche. Für einen Anionenaustauscher werden positiv geladene Gruppen benötigt. Ein häufig benutztes Material trägt Diethylaminoethylgruppen ( –CH2CH2-NH(C2H5)2+) an der Oberfläche und bindet somit negativ geladene Proteine. Für eine effektive Trennung durch Ionenaustauschchromatographie sollten sich zwei Peptide möglichst deutlich in ihrer Ladung bzw. ihrer Ladungsdichte unterscheiden. Da diese außer von den enthaltenen Aminosäuren auch vom pH-Wert abhängt, spielt dieser für den Erfolg der Trennung eine wichtige Rolle. Nimmt man einen physiologischen pH-Wert von 7,4 an, so sollte das erste Peptid etwa zwei positive Nettoladungen aufweisen (Arg und His liegen protoniert vor). Das zweite Peptid enthält zwei saure Aminosäuren (Glu, Asp), die bei pH 7,4 eine negative Ladung beisteuern, sowie ebenfalls ein His, das protoniert vorliegt. Insgesamt resultiert also eine negative Nettoladung. Somit ist eine Trennung sowohl mit einem Katio-

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Kapitel 8

nen- wie einem Anionenaustauscher problemlos möglich, da jeweils eines der beiden Peptide bindet, während das andere rasch eluiert wird. Zur Ablösung von Peptiden oder Proteinen vom Ionenaustauscher müssen die elektrostatischen Wechselwirkungen mit dem Säulenmaterial geschwächt werden. Dies kann geschehen, indem der pH-Wert so verändert wird, dass das zu eluierende Protein durch Protonierung bzw. Deprotonierung seine Nettoladung verliert und daher nicht mehr bindet. Alternativ kann auch die Salzkonzentration im Puffer (und damit die Ionenstärke) erhöht werden, wodurch ionische Wechselwirkungen ebenfalls geschwächt werden.

Lösung 2:

Alternative 2

Ein Polyacrylamid-Gel besteht aus quervernetzten Polymeren aus Propenamid (Acrylamid). Das Gel stabilisiert die wässrige Trennphase und bildet ein dreidimensionales Netzwerk mit mikroskopischen Poren in der Größenordnung der zu trennenden Teilchen aus. Nach Anlegen eines elektrischen Feldes müssen sich die Proteine bei ihrer Wanderung durch diese Poren „zwängen“; dies gelingt um so schwerer, je größer das entsprechende Protein ist. Große Proteine mit hoher molarer Masse wandern daher langsamer als kleine. Bei der Gelchromatographie ist das Ergebnis dagegen umgekehrt. Hier besteht das Säulenmaterial aus Gelkügelchen mit kleinen Poren. Relativ große Moleküle können nicht in diese Poren eindringen, bleiben also aus dem Gelmaterial ausgeschlossen, während sich kleine Moleküle im Porengeflecht verteilen können. Durch diesen weiteren Weg durch die kleinen Poren werden kleinere Moleküle aufgehalten und eluieren daher später von der Säule als große Moleküle, die nicht in das Innere der Gelpartikel gelangen können. Die Verbindung SDS (Natriumdodecylsulfat) ist ein typisches Detergenz; es lagert sich durch hydrophobe Wechselwirkung an Proteine an und führt zur Zerstörung der Tertiärstruktur des Proteins (Entfaltung). Da SDS eine negative Ladung trägt, wird das Protein durch die Bindung von SDS stark negativ geladen. Die Anzahl gebundener SDS-Moleküle ist proportional zur molaren Masse des Proteins, so dass das Ladungs-/Masseverhältnis für alle Proteine konstant wird und die Trennung im Polyacrylamid-Gel nur noch aufgrund der Masse des Proteins erfolgt. Für die Spaltung von Disulfidbrücken wird zusätzlich ein Reduktionsmittel benötigt; gebräuchlich ist beispielsweise 2-Mercaptoethanol. Je größer ein Protein, desto stärker wird es durch die Netzwerkstruktur des PolyacrylamidGels bei seiner Wanderung im elektrischen Feld behindert, desto langsamer wandert es also. Dabei findet man empirisch, dass die Wanderungsgeschwindigkeit indirekt proportional zum Logarithmus der molaren Masse des Proteins ist. Polyacrylamid wirkt nicht denaturierend auf das Protein, sehr wohl dagegen das SDS (vgl. oben). Unterbleibt der Zusatz von SDS (native Gelelektrophorese), so können die Proteine demnach in natürlicher, d.h. strukturell und funktionell intakter Form untersucht werden. Der Nachteil ist, dass hierbei sowohl Ladung als auch Form des Proteins neben seiner molaren Masse die Wanderungsgeschwindigkeit bestimmen, so dass eine (näherungsweise) Bestimmung molarer Massen nicht möglich ist. Dagegen gelingt es mit dieser Methode, Isoenzyme (beispielsweise der Lactat-Dehydrogenase) aufgrund ihrer geringen Ladungsunterschiede nachzuweisen und auch ihre Anteile zu quantifizieren.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Normalerweise werden die Proteine erst nach Beendigung der Polyacrylamid-Gelelektrophorese durch Anfärbung sichtbar gemacht. Dazu dient am häufigsten der unspezifisch (und nichtkovalent) bindende Farbstoff Coomassie Brilliant Blue.

Lösung 3:

Alternative 5

Schweine- und Rinderinsulin werden seit langem zur Behandlung von Diabetes beim Menschen eingesetzt. Da sich die Aminosäuresequenzen in beiden Fällen nur geringfügig vom Humaninsulin unterscheiden, kommt es nur selten zu Komplikationen durch eine immunologische Reaktion; gelegentlich ist dies aber der Fall. Schweineinsulin wird i.A. besser vertragen, da es dem Humaninsulin ähnlicher ist, als Rinderinsulin. Proinsulin wird als noch inaktiver Vorläufer des Insulins in den Inselzellen des Pankreas produziert. Es besteht aus 86 Aminosäuren mit drei Disulfidbrücken und muss durch proteolytische Spaltung aktiviert werden. Durch die Spaltung zwischen den Aminosäureresten 30 und 31 bzw. 65 und 66 werden 35 Aminosäuren, das sogenannte C-Peptid, entfernt. Durch diese proteolytische Abspaltung des C-Peptids werden die drei Disulfidbrücken nicht angetastet. Die A- und die B-Kette bleiben auch nach Abspaltung des C-Peptids durch zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden; die dritte Disulfidbrücke befindet sich innerhalb der A-Kette zwischen Cys-6 und Cys-11. Humaninsulin und Schweineinsulin unterscheiden sich tatsächlich nur an einer Aminosäure. An der Position 30 der B-Kette (dem C-Terminus) befindet sich im Humaninsulin Threonin, beim Schwein dagegen Alanin. Da dieser Austausch die dreidimensionale Struktur praktisch nicht beeinflusst, ist Schweineinsulin für die meisten Diabetiker gut verträglich, vgl. oben. Inzwischen ist der Einsatz von tierischem Insulin rückläufig, da es gelungen ist, Humaninsulin von gentechnisch manipulierten Bakterien herstellen zu lassen.

Lösung 4:

Alternative 4

Die verschiedenen Isoenzyme der Lactat-Dehydrogenase (LDH) unterscheiden sich bezüglich ihres bevorzugten Vorkommens: so finden sich LDH I und II überwiegend im Herzmuskel, in Erythrozyten und in der Niere, während LDH IV typisch für Leber und Skelettmuskel ist. Somit lässt das Auftreten der Isoenzyme im Blut Rückschlüsse auf die ursächlichen Gewebeschädigungen zu. Während sich Leber- und Skelettmuskelschäden in erhöhten Konzentrationen von LDH IV und LDH V im Blut äußern, deutet ein Anstieg der Konzentration von LDH I und LDH II auf einen Herzinfarkt hin. Isoenzyme entstehen oft durch eine Duplikation von Genen und nachfolgende Mutationen; sie besitzen daher typischerweise (geringfügig) unterschiedliche Aminosäuresequenzen. Eine unterschiedliche Primärstruktur bewirkt natürlich i.A. auch etwas unterschiedliche Sekundärund Tertiärstrukturen und damit auch Unterschiede bezüglich typischer physikalischer Eigenschaften und der Aktivität.

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Kapitel 8

Durch alternatives Spleißen einer prä-mRNA können aus einem Gen nach der Translation sehr unterschiedliche Proteine entstehen. Isoenzyme besitzen zwar etwas unterschiedliche, aber doch sehr ähnliche Eigenschaften, da sie von einem gemeinsamen Gen abstammen, das nach Duplizierung mutiert wurde. Aufgrund der i.A. unterschiedlichen Aminosäuresequenz (Primärstruktur) sind für Isoenzyme auch etwas unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften zu erwarten. Beispielsweise unterscheiden sich Isoenzyme in ihrer elektrophoretischen Wanderungsgeschwindigkeit und in ihrem isoelektrischen Punkt. Könnte man für die vier Untereinheiten eine Reihenfolge angeben (wie z.B. für vier Aminosäuren, die zu einem Tetrapeptid verknüpft sind), so ergäben sich tatsächlich 16 unterschiedliche Anordnungen, wenn für jede Untereinheit zwei Formen existieren. Dies ist jedoch nicht der Fall. Es lässt sich also nur unterscheiden, welche Form der Untereinheit wie oft innerhalb der Quartärstruktur auftritt; somit können (maximal) fünf Isoenzyme existieren: LDH I (HHHH), LDH II (MHHH), LDH III (MMHH), LDH IV (MMMH) und LDH V (MMMM). Das H4-Isoenzym weist die höchste Substrataffinität auf, das M4-Isoenzym die niedrigste. Die Creatin-Kinase (CK) spielt eine wichtige Rolle in der Diagnostik von Isoenzymen. Ihre beiden Untereinheiten existieren in zwei Formen (M und B), so dass sich drei Isoenzyme ergeben. CK-MM findet sich v.a. im Herz- und Skelettmuskel, CK-MB v.a. im Herzmuskel, während CK-BB besonders im Gehirn auftritt. Durch Bestimmung der Konzentration der CKMB im Blut kann ein Infarktereignis mit hoher Wahrscheinlichkeit diagnostiziert werden.

Lösung 5:

Alternative 5

In der Primärstruktur (der Aminosäuresequenz) eines Proteins ist auch seine dreidimensionale Struktur festgelegt, d.h. es kann sich in die energetisch günstigste räumliche Anordnung falten. Dadurch können sich Cysteinreste, die in der Sequenz weit voneinander entfernt sind, dennoch räumlich so nahe kommen, dass die Ausbildung einer Disulfidbrücke möglich ist. Disulfidbrücken tragen zur Stabilisierung der Tertiärstruktur eines Proteins bei; werden sie reduktiv gespalten, so denaturiert das Protein. Primärstruktur ist das Synonym für die Aminosäuresequenz, also die Abfolge der einzelnen Aminosäuren im Protein. Sie wird durch Denaturierung (im Gegensatz zu den höheren Strukturebenen) nicht beeinflusst. Eine Vorhersage der „sichtbaren“, also der Tertiärstruktur aus der Aminosäuresequenz ist äußerst schwierig und auch mit aufwändigen Rechenverfahren bislang nur ansatzweise möglich. Für die Ausbildung einer D-Helix ist die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen COund NH-Gruppen des Peptidrückgrats entscheidend. Sie bilden sich etwa parallel zur Helixachse zwischen der CO-Gruppe einer Aminosäure und der NH-Gruppe der in der Sequenz vier Positionen entfernt stehenden Aminosäure. Die Seitenketten weisen nach außen; Wasserstoffbrücken zwischen polaren Seitenketten spielen für die Stabilisierung der D-Helix keine Rolle. Die vorhandenen Seitenketten, ihre Polarität und ihr Raumbedarf entscheiden letztlich darüber, ob die Bildung einer D-Helix oder einer E-Faltblattstruktur bevorzugt ist. Es gibt aber keine einfache Korrelation zwischen dem Fehlen polarer Gruppen und der Ausbildung eines

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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E-Faltblatts. Jede Aminosäure besitzt eine gewisse Präferenz für eine der möglichen Sekundärstrukturtypen oder auch für das Vorkommen in ungeordneten Bereichen. So ist beispielsweise Prolin ein typischer „Strukturbrecher“, der die Bildung einer D-Helix verhindert. Aus dem globulären Charakter eines Proteins lassen sich keine Vorhersagen bezüglich vorhandener Sekundärstrukturelemente machen. So existieren durchaus globuläre Proteine, die (neben ungeordneten) ausschließlich D-helikale Bereiche aufweisen, wie z.B. das Myoglobin, genauso existieren aber viele Vertreter, die überwiegend E-Faltblattstrukturen ausbilden, oder D-helikale und E-Faltblattstrukturen in ähnlichem Ausmaß zeigen. Eine Quartärstruktur liegt vor, wenn ein Protein aus mehreren Aminosäureketten (Untereinheiten) besteht; sie kennzeichnet die räumliche Anordnung dieser Untereinheiten und ihre Wechselwirkungen untereinander. Eine Verknüpfung der Untereinheiten durch Disulfidbrücken ist nicht erforderlich; häufig werden sie vielmehr durch hydrophobe und/oder ionische Wechselwirkungen zusammengehalten.

Lösung 6:

Alternative 5

Reifes Kollagen enthält – im Gegensatz beispielsweise zum Keratin – kein Cystein. Somit können selbstverständlich auch keine Disulfidbrücken ausgebildet werden. Zur Stabilität der Tripelhelix tragen Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Helices (die als „PolyprolinTyp II“-Helix bezeichnet wird) bei. Außerdem werden einige H-Aminogruppen von Lysinresten zu Aldehydgruppen oxidiert, die von unmodifizierten H-Aminogruppen nucleophil angegriffen werden können. Dadurch entstehen kovalente Verknüpfungen sowohl zwischen den Ketten der Tripelhelix als auch zwischen benachbarten Kollagenmolekülen in einer Fibrille. Die Ausbildung der Tripelhelix ist nur möglich, weil sich an jeder dritten Position der Aminosäurekette ein Glycinrest befindet, der als Seitenkette nur ein H-Atom und somit kaum Platzbedarf aufweist. Dies ermöglicht die enge Zusammenlagerung der Helices zur Tripelhelix. Kennzeichnend für Kollagen ist neben dem hohen Anteil an Glycinresten auch der hohe Gehalt an Prolin bzw. Hydroxyprolin. Dieser ist verantwortlich für die Ausbildung der charakteristischen Helixstruktur. Dagegen kommt Prolin in den meisten anderen Proteinen vergleichsweise selten vor. Ein Teil der Prolinreste im Kollagen wird ebenso wie einige Lysinreste posttranslational hydroxyliert. Als Cofaktor für diese Reaktion wird Ascorbinsäure benötigt. Ascorbinsäuremangel, der in früheren Zeiten häufig auf langen Seereisen auftrat, führt daher zu verminderter Kollagensynthese und den damit verbundenen Symptomen von Skorbut. Das 4-Hydroxyprolin findet sich nur im Kollagen (zusammen mit etwas 3-Hydroxyprolin) und ist somit charakteristisch für dieses Protein. Wie bereits erwähnt, zeichnet sich die Tripelhelix dadurch aus, dass im Gegensatz zur DHelix keine Wasserstoffbrücken innerhalb der Helix (parallel zur Helixachse), sondern zwischen den Helices (senkrecht zur Helixachse) ausgebildet werden.

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Lösung 7:

Kapitel 8

Alternative 3

Im Hämoglobin S ist ein Glutamatrest an Position 6 der E-Globinkette durch die Aminosäure Valin ersetzt. Es wurde somit eine stark polare Seitenkette, die sich an der Oberfläche des Proteins befindet, durch einen unpolaren Rest ersetzt. Eine solche Substitution wird als nichtkonservativ bezeichnet, da sie meist mit einer erheblichen Änderung der Proteineigenschaften verbunden ist. Konservative Substitutionen sind solche, bei denen eine Aminosäure durch eine andere mit ähnlicher Polarität ersetzt wird, also z.B. eine Substitution von Leucin durch Valin. Derartige Substitutionen wirken sich i.A. kaum auf Struktur und Funktion eines Proteins aus und treten daher häufig zwischen verschiedenen Spezies auf. Nichtkonservative Substitutionen sind wie erwähnt solche, bei denen Aminosäuren mit deutlich unterschiedlicher Polarität gegeneinander ausgetauscht werden, wie die Substitution im Hämoglobin S. Der unpolare Valinrest an Position 6 im Hämoglobin S erzeugt einen hydrophoben Bereich auf der Oberfläche des Proteins. Die hierbei entstehende Strukturvorwölbung passt genau in eine komplementäre hydrophobe Tasche an einer anderen Stelle des HbS, sofern das Molekül in seiner desoxygenierten Form vorliegt. Dadurch können langkettige Polymere von HbS entstehen, die elektronenmikroskopisch sichtbar sind. Die Substitution des negativ geladenen Glutamatrestes gegen das ungeladene Valin ändert die Gesamtladung des Proteins und damit auch seine elektrophoretischen Eigenschaften, sofern die Ladung nicht durch Zugabe des negativ geladenen Detergenz SDS (Natriumdodecylsulfat) maskiert wird. Asparaginsäure trägt ebenso wie Glutaminsäure bei physiologischem pH-Wert eine negative Ladung in der Seitenkette, besitzt daher sehr ähnliche Polarität und auch ähnliche Größe. Daher ist nicht zu erwarten, dass sich die Proteineigenschaften durch diese (konservative) Substitution signifikant ändern und klinische Effekte hervorrufen.

Lösung 8:

Alternative 6

Ein Hämoglobinmolekül besteht aus vier Polypeptidketten (Globinketten), die jeweils eine Hämgruppe als prosthetische Gruppe enthalten. Jede Hämgruppe kann ein Molekül Sauerstoff binden. Aus den molaren Massen errechnet sich unter Standardbedingungen eine theoretische maximale Sauerstoffaufnahme von 1,39 mL O2 / g Hämoglobin; der physiologisch erreichbare Wert liegt etwas niedriger. Die Sauerstoffaffinität ist nicht für alle vier Hämgruppen identisch, da eine O2-Aufnahme der ersten Hämgruppe zu einer allosterischen Konformationsänderung der benachbarten Ketten führt. Dadurch kommt es mit jeder Bindung eines O2Moleküls zu einer Erhöhung der O2-Affinität. Umgekehrt wird die Sauerstoffabgabe mit zunehmender Desoxygenierung weiter erleichtert. Dies ermöglicht in der Lunge (hohe O2Konzentration) eine nahezu vollständige Oxygenierung und im sauerstoffarmen Gewebe eine weitgehende Desoxygenierung. Im Gegensatz zu einer klassischen (hyperbolen) Substratbindungskurve, wie man sie für Myoglobin findet, weist Hämoglobin daher eine sigmoide Bindungskurve auf. Während im Myoglobin (nur eine Globinkette bzw. Hämgruppe) kein koope-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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rativer Bindungseffekt auftreten kann, ist die positive Kooperativität entscheidend für das Bindungsverhalten des Hämoglobins. Die Affinität des Hämoglobins zu Sauerstoff ist abhängig von pH-Wert (Bohr-Effekt). Eine hohe H+-Konzentration erniedrigt die Affinität (Æ erleichterte O2-Abgabe im saureren Milieu peripherer Gewebe); eine niedrige H+-Konzentration erhöht die Affinität (Æ erleichterte O2Aufnahme im weniger sauren Milieu der Lunge). Durch Oxygenierung bzw. Desoxygenierung kommt es zu einer Änderung von pK-Werten von Histidinresten des Hämoglobins. Desoxyhämoglobin ist eine stärkere Base als Oxyhämoglobin und kann im Gewebe Protonen aufnehmen, die dort aus der Reaktion von CO2 mit Wasser entstehen, und zur Lunge transportieren, wo durch Sauerstoffaufnahme der pK-Wert sinkt und die H+-Ionen wieder abgegeben werden. Das System Hb/HbO2 stellt also, wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, ein Puffersystem mit veränderlicher Pufferkapazität dar. Insgesamt leistet das konjugierte Basenpaar Hb/HbO2 einen Beitrag von ca. 30 % zur Gesamtpufferkapazität des Plasmas und übertrifft damit die Pufferwirkung der übrigen Proteine. Die N-terminale Aminogruppe der E-Ketten des Globins kann in einer nichtenzymatischen Reaktion mit reduzierenden Zuckern (z.B. Glucose) reagieren. Der glykierte Anteil an HbA1 (der bis zu 8 % betragen kann) wird als HbA1c bezeichnet; er korreliert mit der Höhe des Blutglucosespiegels während des Zeitraums der Hämoglobinsynthese. Die Reaktion ist irreversibel, so dass glykierte Hämoglobine erst durch Abbau nach Absterben des Erythrozyten entfernt werden. Der Anteil an HbA1c kann somit klinische Hinweise auf die Einstellung der Blutzuckerkonzentration bei Patienten mit Diabetes mellitus in den zurückliegenden Wochen liefern. Erhöhte Blutzuckerkonzentrationen führen auch zu erhöhten Anteilen an HbA1c, wobei ein Anteil von 6–6,5 % als akzeptabel gilt. Im Cytoplasma des Erythrozyten sorgt das Enzym Glutathion-Synthetase für die Bildung des Tripeptids Glutathion (J-Glu–Cys–Gly). Es dient zum Schutz gegen toxische Oxidantien wie H2O2 und Sauerstoffradikale, deren Konzentration im Erythrozyten aufgrund des hohen Sauerstoff-Partialdrucks besonders hoch ist.

Lösung 9:

Alternative 2

Die Triacylglycerol-Lipase wird durch kovalente Modifikation reguliert. Durch Bindung eines Hormons (z.B. Glucagon) an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor kommt es zur Stimulation der Adenylatcyclase, vermehrter cAMP-Bildung und Aktivierung der Proteinkinase A. Diese phosphoryliert die Triacylglycerol-Lipase und aktiviert sie dadurch. Durch eine Phosphatase wird der Phosphatrest wieder abgespalten, die Lipase dadurch deaktiviert. Chymotrypsin entsteht durch limitierte Proteolyse durch Trypsin aus dem Vorläuferprotein Chymotrypsinogen. Aus dem Insulinvorläufer Präproinsulin, das die E-Zellen der Langerhans-Inseln des Pankreas bilden, wird zunächst durch eine Signalpeptidase das Signalpeptid abgespalten. Das entstehende Proinsulin wird in den Golgi-Apparat transportiert. Die anschließende Umwandlung in

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Kapitel 8

Insulin durch proteolytische Abspaltung des C-Peptids durch eine spezifische Protease kann entweder im Golgi-Apparat oder in davon abgeschnürten E-Granula erfolgen. Dort wird das reife Insulin an Zn2+-Ionen gebunden und gespeichert. Caspasen entstehen ebenfalls durch proteolytische Spaltung aus entsprechenden Vorläufermolekülen, den Procaspasen. Die Caspasen sind proteolytische Enzyme, die Cystein enthalten und andere Proteine nach einem Aspartatrest spalten. Sie katalysieren eine Reaktionskaskade in der Zelle, die letztlich zur Apoptose führt. Das E-Lipotropin gehört zu den Hormonen des Hypophysenvorderlappens. Es entsteht zusammen mit einigen anderen Hormonen (ACTH, D-MSH, E-Endorphine) durch proteolytische Spaltung aus einem gemeinsamen Vorläufer, dem Proopiomelanocortin. Vorläufer des Angiotensin II ist das Angiotensinogen, ein D2-Globulin, das im Hepatozyten synthetisiert, ins Plasma abgegeben und dort durch Renin proteolytisch gespalten wird. Es resultiert das Angiotensin I, das erneut durch limitierte Proteolyse mit Hilfe des AngiotensinConverting-Enzymes (ACE) in Angiotensin II überführt wird. Das Octapeptid Angiotensin II ist der stärkste Aktivator für die Synthese und Sekretion von Aldosteron, welches entscheidend für die Rückresorption von Wasser und Na+-Ionen in der Niere ist.

Lösung 10:

Alternative 3

In einem Michaelis-Menten-Diagramm ist die Anfangsgeschwindigkeit X0 gegen die Konzentration an Substrat aufgetragen. Entsprechend benötigt man für die Erstellung eines solchen Diagramms eine Anzahl von Lösungen mit genau eingestellter Substratkonzentration, die in einem größeren Bereich variieren muss. Zu jeder Lösung wird die gleiche Enzymmenge gegeben, so dass die Enzymkonzentration in allen Einzelexperimenten identisch ist. Dann bestimmt man (meist photometrisch durch Absorbanzmessung) die Änderung der Konzentration eines Produkts oder des Substrats als Funktion der Zeit und ermittelt daraus durch Anlegen einer Tangente an die Kurve zum Zeitpunkt t = 0 die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit. Die Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten für alle Ansätze werden dann gegen die jeweilige Substratkonzentration aufgetragen. Bei niedrigen Substratkonzentrationen ist die Reaktion 1. Ordnung, d.h. proportional zur Substratkonzentration (jedes Substratmolekül „findet“ leicht ein freies Enzymmolekül). Bei sehr hohen Substratkonzentrationen kann durch Steigerung der Konzentration keine weitere Beschleunigung der Reaktion erzielt werden. Die Reaktion wird unabhängig von der Substratkonzentration (0. Ordnung) und nähert sich asymptotisch der Maximalgeschwindigkeit Xmax. Bei mittleren Substratkonzentrationen beobachtet man den langsamen Übergang von 1. zu 0. Ordnung. Die klassische Einheit der Enzymaktivität (Unit) ist keine SI-Einheit und sollte eigentlich nicht mehr verwendet werden, ist aber nach wie vor sehr gebräuchlich. Sie ist definiert als diejenige Enzymmenge, die in einer Minute (nicht Sekunde!) genau 1 μmol an Substrat umsetzt. Die SI-Einheit ist 1 Katal = 1 mol/s, d.h. diejenige Enzymmenge, die pro Sekunde ein Mol an Substrat umsetzt. Die molare Enzymaktivität bezieht die Aktivität auf die Stoffmenge an Enzym. Es wird also die umgesetzte Stoffmenge (Einheit: mol) durch die Stoffmenge an Enzym (Einheit: mol) und die Zeit dividiert, so dass die Einheit s–1 resultiert. Diese Größe wird auch als Wechselzahl

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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des Enzyms bezeichnet; sie gibt die Anzahl an Substratmolekülen an, die pro Zeiteinheit von einem aktiven Zentrum in das Produkt überführt werden kann. Besitzt ein Enzym mehrere aktive Zentren, muss man die gemessene molare Aktivität also noch durch die Anzahl an aktiven Zentren des Enzyms teilen. Die Michaelis-Konstante KM ist definiert als diejenige Substratkonzentration, bei der die Enzymreaktion mit der halben Maximalgeschwindigkeit abläuft. Aus dem klassischen Michaelis-Menten-Diagramm ist die Maximalgeschwindigkeit (und damit KM) meist nicht sehr gut zu bestimmen, da sich die Geschwindigkeit nur langsam (und bei experimentell oft nicht realisierbaren hohen Substratkonzentrationen) asymptotisch der Maximalgeschwindigkeit annähert. Daher verwendet man in der Praxis (zusätzlich) häufig andere Formen der Auftragung (vgl. unten). Durch Umformung der Michaelis-Menten-Gleichung gelangt man zu einem linearen Zusammenhang zwischen 1/X und 1/c(S). Diese doppelt reziproke Auftragung von 1/X gegen 1/c(S) liefert also im Idealfall eine Gerade, während die einfache Auftragung von X gegen c(S) zu der hyperbolen Sättigungskurve führt. Diese doppelt-reziproke Auftragung ist allgemein als Lineweaver-Burk-Diagramm bekannt. Als Ordinatenabschnitt erhält man 1/Xmax (und somit die Maximalgeschwindigkeit), während am Schnittpunkt der (extrapolierten!) Gerade mit der Abszisse der Wert für –1/KM abgelesen werden kann. Die Steigung der Geraden ist entsprechend gegeben durch KM/Xmax.

Lösung 11:

Alternative 5

Das einfache Modell nach Michaelis und Menten ergibt für die Abhängigkeit der Anfangsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration einen hyperbolen Kurvenverlauf; bei hohen Substratkonzentrationen nähert sich X asymptotisch der Maximalgeschwindigkeit Xmax. Allosterisch regulierte Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten, die sich gegenseitig beeinflussen. So findet man bei Vorhandensein mehrerer aktiver Zentren oft, dass die Anlagerung eines Substrats an ein Zentrum die Bindung eines zweiten Substratmoleküls an ein anderes Zentrum begünstigt. Man spricht dann von positiver Kooperativität. Ein klassisches Beispiel liefert das Hämoglobin, bei dem die Bindung des ersten Sauerstoffmoleküls die Affinität für die Bindung weiterer (maximal vier) O2-Moleküle erhöht. Eine Auftragung von X gegen c(S) liefert dann eine sigmoide Kurvenform, welche durch das Michaelis-Menten-Modell nicht zu beschreiben ist. Während in einem großen Konzentrationsbereich eine Erhöhung der Substratkonzentration auch zu einer Erhöhung der Umsatzgeschwindigkeit führt, kann bei sehr hoher Substratkonzentration auch eine sogenannte Substrathemmung eintreten. Man kann sich vorstellen, dass es dann zu einer gegenseitigen Behinderung der Substratmoleküle beim Kampf um die Bindung an das aktive Zentrum kommt bzw. dass nichtreaktive Enzym-Substrat-SubstratKomplexe gebildet werden. Substanzen, die dem Substrat eines Enzyms strukturell eng verwandt (sehr ähnlich) sind, sind oftmals in der Lage, mit vergleichbarer (oder u.U. auch wesentlich höherer) Affinität an das aktive Zentrum des Enzyms zu binden. Da sie somit mit dem Substrat um die Bindungsstelle konkurrieren, bezeichnet man sie als kompetitive Hemmstoffe. Strukturelle Ähnlichkeit mit

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Kapitel 8

dem Substrat ist aber keine Bedingung für eine Wirkung als Hemmstoff, da die Enzymaktivität auch durch die Bindung einer Substanz an eine völlig andere Region des Enzyms abseits des aktiven Zentrums beeinflusst werden kann. Ein kompetitiver Hemmstoff (Inhibitor) konkurriert mit dem Substratmolekül um die Bindung an das aktive Zentrum. Ein gebildeter Enzym-Inhibitor-Komplex kann nicht umgesetzt werden, so dass in einem weiten Konzentrationsbereich an Substrat die Umsatzgeschwindigkeit sinkt. Bei sehr hoher Substratkonzentration kann jedoch, da Substrat und Inhibitor an die gleiche Stelle binden, der Inhibitor praktisch vollständig von der Bindungsstelle verdrängt werden. Die Maximalgeschwindigkeit (und nur diese!) wird dann durch Anwesenheit des Inhibitors nicht beeinflusst. Hemmstoffe, die außerhalb des aktiven Zentrums binden, wirken nicht durch Konkurrenz mit dem Substrat um das aktive Zentrum; sie bewirken also keine kompetitive Hemmung. Die Fähigkeit des Enzyms zur Bindung des Substrats (für die KM ein Maß ist) wird nicht beeinflusst, wohl aber die Geschwindigkeit, mit der das Substrat umgesetzt wird (Xmax). Dies kann beispielsweise durch eine Konformationsänderung des Enzyms infolge der Bindung des Hemmstoffs bewirkt werden. Die reversible kovalente Modifikation von Enzymen wird auch als Interkonversion bezeichnet. Es ist ein rascher physiologischer Mechanismus, der die „An“- und „Abschaltung“ von Enzymen ermöglicht. Besonders häufig findet man eine Regulation durch Phosphorylierung / Dephosphorylierung. Ein klassisches Beispiel liefert der Glykogenstoffwechsel, an dem mehrere interkonvertierbare Enzyme beteiligt sind. Eines davon ist die Glykogen-Phosphorylase. Durch Phosphorylierung eines Serinrests durch eine Proteinkinase wird die GlykogenPhosphorylase aktiviert; umgekehrt führt die Abspaltung des Phosphatrestes durch eine Phosphatase zur wenig aktiven Form.

Lösung 12:

Alternative 2

Penicillin ist ein wirksamer Inhibitor der bakteriellen Transpeptidase, die essentiell für die Quervernetzung des Peptidoglykangerüsts der Zellwand ist. Die reaktive OH-Gruppe des Enzyms greift nucleophil am E-Lactamring des Penicillins an und öffnet diesen, wodurch die Transpeptidase irreversibel inaktiviert wird. Die anderen aufgeführten Verbindungen wirken als kompetitive Hemmstoffe, die durch einen hohen Substratüberschuss vom aktiven Zentrum des jeweiligen Enzyms verdrängt werden können. ACE-Hemmer wie Captopril hemmen das Angiotensin Converting Enzyme und verhindern dadurch die Abspaltung eines Dipeptids vom Angiotensin I. Allopurinol ist ein Strukturanalogon des Hypoxanthins; es wirkt als kompetitiver Hemmstoff der Xanthin-Oxidase. Kohlenmonoxid bindet an die Hämgruppe im Hämoglobin und verhindert so die Bindung und den Transport von Sauerstoff. Methanol kann ebenso wie Ethanol durch die Alkohol-Dehydrogenase oxidiert werden; es entstehen Formaldehyd und Ameisensäure, die wesentlich giftiger als das Methanol sind. Bei

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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einer Methanolvergiftung versucht man daher durch Gabe von Ethanol das Methanol kompetitiv durch Ethanol vom aktiven Zentrum zu verdrängen, da die Oxidationsprodukte von Ethanol weniger toxisch sind als die von Methanol. Malonat ist der klassische kompetitive Hemmstoff der Succinat-Dehydrogenase; es bindet anstelle von Succinat und behindert dadurch den Ablauf des Citratzyklus.

Lösung 13:

Alternative 4

Die Phosphofructokinase-1 (PFK1) ist das Schlüsselenzym der Glykolyse; sie katalysiert den zweiten irreversiblen Schritt – die ATP-abhängige Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat. Die PFK1 ist ein allosterisches Enzym, das durch mehrere Verbindungen reguliert wird. Ein wichtiger Aktivator (vom K-Typ) ist Fructose-2,6-bisphosphat, welches die PFK1 aus ihrer wenig affinen T-Form in die höher affine R-Form umwandelt. Gleichzeitig wird der Hemmeffekt von ATP herabgesetzt. Weitere allosterische Effektoren der Phosphofructokinase-1 sind AMP (Aktivator; signalisiert Energiebedarf) und Citrat (Hemmstoff; signalisiert ausreichende Versorgung mit Glykolyseprodukten). Allosterische Zentren befinden sich oft weit ab des katalytischen Zentrums. Die Bindung eines Effektors bedingt typischerweise eine Konformationsänderung des Enzyms, welche sich auf die Aktivität des Enzyms auswirkt. Da allosterische Bindungsstellen i.A. keine strukturelle Ähnlichkeit mit der Substratbindungsstelle aufweisen, zeigen die Effektoren normalerweise auch keine strukturelle Ähnlichkeit zum Substrat. Entsprechend der Auswirkung einer Konformationsänderung eines allosterischen Enzyms infolge Bindung eines Effektors unterscheidet man solche Effektoren, die eine Änderung der maximalen Umsatzgeschwindigkeit bewirken („V-Typ“) und solche, welche die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat beeinflussen („K-Typ“). Letztere verändern also KM, nicht aber Xmax. Die Michaelis-Konstante ist definiert als diejenige Substratkonzentration, bei der die Umsetzung durch das Enzym mit halbmaximaler Geschwindigkeit erfolgt. In Anwesenheit eines kompetitiven Inhibitors wird die Bindung des Substrats erschwert. Entsprechend wird eine höhere Substratkonzentration benötigt, um einen Umsatz mit der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit zu erzielen; KM nimmt also zu. AMP signalisiert, dass Energiebedarf besteht und die Glykolyse somit mit erhöhter Geschwindigkeit ablaufen sollte. Daher muss die Aktivität der PFK1 gesteigert werden; AMP fungiert folglich als Aktivator und Gegenspieler zum allosterischen Inhibitor ATP. Eine Verschiebung der Kurve nach rechts bedeutet, dass eine höhere Substratkonzentration benötigt wird, damit die Enzymreaktion mit halbmaximaler Geschwindigkeit verläuft; entsprechend einer Erhöhung von KM. Ein allosterischer Aktivator vom K-Typ verringert KM, verschiebt die Kurve also nach links.

212

Lösung 14:

Kapitel 8

Alternative 1

Das Myoglobin besteht nur aus einer Polypeptidkette, an die als prosthetische Gruppe ein Häm-Molekül gebunden ist; es existiert also nur eine Untereinheit. Im Gegensatz dazu ist das Hämoglobin ein Tetramer, d.h. es besteht aus vier Untereinheiten mit jeweils einer Hämgruppe. Die häufigste Form, HbA1, besteht aus zwei D- und zwei E-Untereinheiten aus jeweils 141 bzw. 146 Aminosäuren; ein kleiner Anteil des Hämoglobins im Erwachsenen ist das HbA2 mit der Zusammensetzung D2G2. Fetales Hämoglobin (HbF) enthält die gleichen D-Ketten zusammen mit zwei γ-Ketten, die sich an zwei Positionen von der E-Kette im HbA1 unterscheiden. Die Untereinheiten werden jeweils durch nichtkovalente Wechselwirkungen zusammengehalten. Der überwiegende Teil der Aminosäuren (ca. 70 %) der Globinketten ist an D-helikalen Strukturen beteiligt. Die D-Kette weist sieben helikale Regionen (A–G) auf, die E-Kette deren acht (A–H), die durch kurze nichthelikale Bereiche verbunden sind. E-Faltblatt-Strukturen kommen in Myoglobin und Hämoglobin nicht vor. Jede Globinkette im Myoglobin bzw. Hämoglobin besitzt als prosthetische Gruppe ein Häm, das für die O2-Bindung verantwortlich ist. Die Hämgruppe besteht aus einem Porphyringerüst, das quadratisch planar ein Fe2+-Ion komplexiert. Eine weitere Wechselwirkung geht das Fe2+-Ion mit einem His-Rest („proximales Histidin“ an Position 8 der F-Helix) ein. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich ein weiteres („distales“) Histidin (E7), das jedoch weiter vom Fe2+-Ion entfernt ist und deshalb keinen direkten Kontakt hat. Auf dieser Seite des Porphyrinrings kann daher ein Molekül Sauerstoff gebunden werden. Hämgruppen finden sich auch in den Cytochromen der Atmungskette und im Cytochrom P450System. Charakteristisch für das Cytochrom c ist dabei eine kovalente Verknüpfung der Hämgruppe mit der Polypeptidkette. Im Myoglobin und im Hämoglobin werden die Hämgruppen dagegen lediglich durch nichtkovalente Wechselwirkungen in hydrophoben Taschen festgehalten. Da pro Hämgruppe jeweils ein O2-Molekül gebunden werden kann, bindet Myoglobin nur ein O2, Hämoglobin (mit vier Untereinheiten) dagegen maximal vier. Im desoxygenierten Zustand liegt das Fe2+-Ion etwas außerhalb der Ebene des Porphyrinrings zum His F8 hin verschoben; es resultiert ein gespannter Zustand, der als T-Form („tense“) bezeichnet wird. Durch die Bindung eines O2-Moleküls auf der anderen Seite des Porphyrinrings wird das Fe2+-Ion wieder in die Ebene des Rings hineingezogen; die Hämgruppe wird wieder planar. Dieser Bewegung folgt auch das His F8, so dass sich die gesamte F-Helix in die Richtung der Hämgruppe biegt. Diese Konformationsänderung infolge Bindung eines ersten O2-Moleküls triggert weitreichende Konformationsänderungen im ganzen Molekül, was in allen Untereinheiten zu einer entspannteren Konformation (R-Form; „relaxed“) und einer höheren O2Affinität führt. Im Gegensatz zum Myoglobin ist also beim Hämoglobin ein Wechsel zwischen zwei Konformationszuständen möglich. Mit Bindung eines ersten Sauerstoffmoleküls steigt die Wahrscheinlichkeit für einen Übergang in die R-Form und nimmt mit Bindung weiterer O2-Moleküle weiter zu.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 15:

213

Alternative 2

Im Zuge der Oxygenierung geht Hämoglobin von der T-Form in die R-Form über. Dabei + ZZX Protonen werden gemäß dem Gleichgewicht HbH n+ n + 4 O 2 YZZ Hb(O 2 ) 4 + n H

freigesetzt. Dies wird als Bohr-Effekt bezeichnet. Eine Erhöhung der H+-Konzentration, wie sie durch Stoffwechselaktivität (Bildung von CO2, Milchsäure) zustande kommt, führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts nach links, d.h. zu erhöhter Freisetzung von Sauerstoff. Das Stoffwechselendprodukt CO2 bewirkt also zunehmende Nachlieferung von O2, der für die Aufrechterhaltung des Zellmetabolismus erforderlich ist. Auf molekularer Ebene trägt v.a. die Imidazoliumgruppe des His 146 zur Erhöhung der H+-Konzentration bei. Während es in der T-Form zwischen der positiven Ladung der Seitenkette im His 146 und dem benachbarten negativ geladenen Asp 94-Rest zu einer starken ionischen Wechselwirkung kommt, führt der Übergang in die R-Konformation zum Bruch dieses Ionenpaars. Dadurch erniedrigt sich der pKS-Wert der Imidazoliumgruppe von ca. 7,7 auf 7,3, was zu einer verstärkten Dissoziation beim pH-Wert 7,4 des Blutes führt. In ähnlicher Weise tragen auch noch andere saure Gruppen zur Freisetzung von Protonen bei. Durch die Bindung des Sauerstoffs wird das Fe2+-Ion wieder in die Ebene des Porphyrinrings hineingezogen und nicht herausgedrängt. Dies bewirkt die Konformationsänderung in den RZustand, die sich auf die anderen Untereinheiten auswirkt und deren Übergang in den RZustand erleichtert. Im Zuge des Stoffwechsels anfallendes CO2 diffundiert in die Erythrozyten und wird dort durch die Carboanhydrase zu H2CO3 hydratisiert. Die Kohlensäure dissoziiert in HCO3–, das vom Plasma zur Lunge transportiert wird, und H+-Ionen, die vom Hämoglobin gebunden werden können (vgl. obige Gleichung). Dies wiederum fördert die Freisetzung von O2. Etwa 15–20 % des CO2 werden direkt vom Hämoglobin transportiert. Die N-terminalen Aminogruppen der Polypeptidketten können CO2 nucleophil angreifen, wobei Carbaminohämoglobin und ein H+-Ion entstehen: HbNH 2 + CO 2

ZZX HbNHCO 2  + H + YZZ

Da die Oxygenierung zur Freisetzung von H+-Ionen führt, wird dadurch das Gleichgewicht auf die linke Seite verschoben, d.h. die Bildung von Carbaminohämoglobin wird erschwert. Das 2,3-Bisphosphoglycerat ist ein wichtiger Modulator für das Desoxygenierungs- / Oxygenierungsgleichgewicht des Hämoglobins. In Erythrozyten liegt das 2,3-BPG in hoher Konzentration vor; es besitzt Affinität für die Desoxykonformation des Hämoglobins (T-Zustand), jedoch nicht für die Oxy-(R)-Konformation (die Größe der Bindungstasche ist hier vermindert). Die Bindung von 2,3-BPG an Hämoglobin stabilisiert also den T-Zustand und erhöht dessen Konzentration relativ zur R-Konformation. Kommt es zur Oxygenierung von DesoxyHb zu Oxy-Hb, so dissoziiert das 2,3-BPG daher ab: H n+ n BPG ˜ Hb + 4 O 2

ZZX Hb(O 2 ) 4 + n H + + BPG . YZZ

An jedes Hämoglobin-Tetramer kann maximal ein Molekül 2,3-BPG gebunden werden. Die Bindung in einer Tasche zwischen den beiden E-Untereinheiten führt zu erniedrigter O2Affinität aller Untereinheiten und damit erleichterter Freisetzung von Sauerstoff.

214

Kapitel 8

In großer Höhe ist der Sauerstoff-Partialdruck stark erniedrigt; entsprechend niedriger ist die Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in den Lungen. Es kommt zu einer vermehrten Bildung von 2,3-BPG, da hierdurch obiges Gleichgewicht nach links verschoben und die SauerstoffFreisetzung in den Geweben erleichtert wird. Stickstoffmonoxid (NO) ist ein potenter Vasodilator, besitzt aber nur eine sehr kurze Lebensdauer. Durch die Bindung an Hämoglobin und die Übertragung auf SH-Gruppen wird es vor rascher Zerstörung geschützt und der Transport eines bioaktiven NO-Äquivalents (in Form von X-S-NO) zu NO-Rezeptoren auf Zellen der Blutgefäßwände ermöglicht. Das Häm-Eisen bindet das NO bevorzugt in der T-Konformation. Von dort wird es auf einen Cys-Rest übertragen, wenn das Hämoglobin in den R-Zustand übergeht. Beim der Rückkehr in den TZustand infolge der O2-Abgabe im Gewebe wird das NO auf ein kleines SH-haltiges Molekül, wie z.B. Glutathion übertragen. Letztlich katalysiert das Hämoglobin also die Umwandlung des kurzlebigen NO in das stabilere schwefelgebundene NO und ermöglicht so den Transport des Vasodilators an seine Zielorte.

Lösung 16:

Alternative 1

Albumin ist mit Abstand das Plasmaprotein, das in größter Konzentration vorhanden ist; zugleich ist es zusammen mit Präalbumin von den 60 humanen Plasmaproteinen das einzige, welches nicht glykosyliert vorliegt. In der Mehrheit der Fälle ist das Oligosaccharid N-glykosidisch an die Amidgruppe eines Asparaginrestes gebunden; die O-glykosidische Bindung (vgl. unten) ist weniger häufig. Oligosaccharide an Zelloberflächen können eine spezifische Antikörperantwort hervorrufen. Dies ist beispielsweise bei den Lipopolysacchariden der gramnegativen Bakterien der Fall, aber auch bei Glykolipiden und Glykoproteinen der Erythrozytenmembran, die über die endständigen Monosaccharide der Zuckerketten die antigenen Eigenschaften der Blutgruppen spezifizieren. Träger der verschiedenen Blutgruppen 0, A, B, und AB haben Glykokonjugate mit charakteristischen Oligosaccharidketten auf der Oberfläche ihrer Erythrozyten, aber auch auf anderen Körperzellen. Dabei unterscheidet sich das Antigen der Blutgruppe A von dem der Blutgruppe B nur durch den Austausch des endständigen N-Acetylgalaktosamins gegen Galaktose. Bei der Blutgruppe 0 ist das Antigen um einen Rest verkürzt; Träger der Gruppe AB besitzen beide Antigene. Für die Ausbildung einer O-glykosidischen Bindung ist eine Hydroxygruppe erforderlich. Von den 20 proteinogenen Aminosäuren besitzen Serin und Threonin eine alkoholische OHGruppe in der Seitenkette; 5-Hydroxylysin entsteht durch posttranslationale Hydroxylierung, beispielsweise im Kollagen. Alle drei Reste kommen also für die Ausbildung O-glykosidischer Bindungen in Frage; am häufigsten sind Serinreste beteiligt. Proteoglykane bestehen im Wesentlichen aus Kohlenhydratketten, die an ein Peptid gebunden sind. Dabei überwiegt der Kohlenhydratanteil bei Weitem, so dass sich die Proteoglykane ähnlich wie Polysaccharide verhalten. Bei den Glykoproteinen überwiegt dagegen der Proteinanteil gegenüber dem kleinen Kohlenhydratanteil, der aus kurzen Oligosaccharidketten besteht.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Mucine sind große Glykoproteine mit einem hohen Anteil O-glykosidisch gebundener Saccharidketten. Diese tragen zahlreiche negativ geladene Säurereste, deren gegenseitige Abstoßung zu einer gestreckten Form führt. Daher sind Lösungen dieser Glykoproteine hoch viskos, was ihre Funktion als Schutzstoffe und Gleitmittel v.a. in den Schleimhäuten und in extrazellulären Flüssigkeiten ermöglicht.

Lösung 17:

Alternative 3

Die Wirkung von Insulin besteht in einer gesteigerten Verwertung von Glucose und einer damit einhergehenden Senkung des Blutglucosespiegels. Daher aktiviert es die Neubildung der Schlüsselenzyme der Glykolyse (Glucokinase, Phosphofructokinase, Pyruvat-Kinase), sorgt für vermehrten Glucosedurchsatz im Pentosephosphatweg und steigert die Glykogensynthese durch Aktivierung der Glykogen-Synthase. Reziprok dazu wird die Aktivität der Glykogen-Phosphorylase in Leber und Muskel gehemmt (via Dephosphorylierung), da offensichtlich kein Glykogenabbau zu Glucose-1-phosphat mit entsprechender Erhöhung der Glucose-6-phosphat- bzw. Glucosekonzentration erforderlich ist. Aussage 1 beschreibt die wesentliche Wirkung des Insulins – die Förderung der Aufnahme und der nachfolgenden Verwertung von Glucose in der Zelle mit entsprechender Senkung des Blutglucosespiegels. In insulinabhängigen Organen (besonders Muskel- und Fettgewebe) wird durch Insulin die Aufnahme von Monosacchariden (v.a. Glucose) erhöht. Dabei führt die Bindung von Insulin an seinen Rezeptor zu einem vermehrten Einbau von Glucosetransportern (Typ Glut 4) in die Zellmembran. Die intrazellulären Wirkungen des Insulins werden dann über den Tyrosinkinase-Rezeptor und eine Reihe nachfolgender Phosphorylierungsreaktionen vermittelt. Insulin bewirkt eine Senkung des Fettsäurespiegels im Blut und eine gesteigerte Fettsäuresynthese, während die Lipolyse durch die Hemmung der Lipase (Dephosphorylierung; Hemmung der cAMP-Bildung) gedrosselt wird. Durch die erhöhte Glucoseverwertung steht nach Glykolyse und oxidativer Decarboxylierung vermehrt Acetyl-CoA zur Verfügung, das durch insulininduzierte Aktivierung der Acetyl-CoA-Carboxylase (Bildung von Malonyl-CoA) für vermehrte Fettsäuresynthese genutzt wird. Insulin wirkt nicht auf alle Organe. Man unterscheidet somit insulinabhängige Organe (v.a. Muskel- und Fettgewebe) und Organe mit insulinunabhängigem Stoffwechsel. Hierzu gehören z.B. das Gehirn und die Erythrozyten. Das Startsignal zur Insulinsekretion liefert eine Aufnahme von Glucose in die B-Zellen über den Glut 2-Carrier und die daraus resultierende erhöhte ATP-Produktion. In der Folge werden ATP-hemmbare K+-Kanäle geschlossen; es kommt zur Depolarisation. Dadurch öffnen sich spannungsabhängige Ca2+-Kanäle, wodurch vermehrt Ca2+-Ionen in die Zelle einströmen und die Exozytose der Insulingranula induzieren.

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Lösung 18:

Kapitel 8

Alternative 5

Glykosaminoglykane sind Heteroglykane; sie bestehen aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten. Häufige Bausteine sind Derivate von Aminozuckern wie Glucosamin und Galaktosamin, die oft in N-acetylierter Form vorliegen und z.T. zusätzliche Sulfatgruppen tragen. Polysaccharide entstehen durch Verknüpfung von Monosacchariden unter Abspaltung von Wasser, sind also Polykondensationsprodukte. Als funktionelle Gruppe entsteht dabei ein Acetal (glykosidische Bindung), keine Estergruppe. Glykogen, das Reservekohlenhydrat menschlicher und tierischer Zellen (hauptsächlich in Leber- und Muskelzellen), ist ausschließlich aus Glucosemolekülen aufgebaut. Diese sind überwiegend D-1Æ4-glykosidisch verknüpft; ca. alle 10 Reste wird zusätzlich eine D-1Æ6glykosidische Bindung ausgebildet, so dass es zu einer Verzweigung kommt. Die starke Verzweigung führt zu einer kompakten Struktur von Glykogen und ist biologisch bedeutsam, da sie einen raschen Abbau von Glykogen von den zahlreichen nichtreduzierenden Enden her ermöglicht. Ein Glucosemolekül an einem Verzweigungspunkt ist über die C-Atome 1, 4 und 6, also mit maximal drei weiteren Glucosemolekülen verknüpft. Stärke, das Reservekohlenhydrat der Pflanzen, setzt sich zusammen aus der unverzweigten Amylose (ca. 20 %, ausschließlich D-1Æ4-glykosidische Bindungen) und dem Amylopektin (ca. 80 %; überwiegend D-1Æ4- sowie gelegentliche D-1Æ6-glykosidische Bindungen). Sie besteht aber ebenso wie Glykogen und Cellulose ausschließlich aus Glucosemonomeren und ist deshalb ein Homoglykan. Cellulose ist in der Tat für den Menschen unverdaulich, jedoch nicht aufgrund einer verzweigten Struktur. Cellulose ist vielmehr unverzweigt und bildet ein lineares Polymer, in dem die einzelnen Glucosemonomere E-glykosidisch verknüpft sind. Für die Spaltung Eglykosidischer Bindungen fehlen dem Menschen entsprechende Enzyme, so dass Cellulose den Verdauungstrakt unverdaut verlässt („Ballaststoff“). Eine Ausnahme bildet das Enzym Lactase, welches die E-glykosidische Bindung zwischen Galaktose und Glucose in der Lactose spalten kann. Heparin ([D-Iduronat-2-sulfat(1Æ4)-E-N-Glucosamin-2,6-sulfat(1Æ4)-]n), Chondroitin-6sulfat (E-Glucuronat(1Æ3)-E-N-Galaktosamin-6-sulfat(1Æ4)-]n) und Hyaluronsäure [EGlucuronat(1Æ3)-E-Glucosamin(1Æ4)-]n sind, wie aus den rationellen Bezeichnungen ersichtlich, aus jeweils zwei unterschiedlichen Monomeren zusammengesetzt und zu den Glukosaminoglykanen zu rechnen. Chitin besteht nur aus E-glykosidisch verknüpften N-Acetylglucosamin-Monomeren. Es handelt sich also um ein Homoglykan.

Lösung 19:

Alternative 4

Glucuronsäure leitet sich von der Glucose ab, indem diese am C-Atom 6 zur Carboxylgruppe oxidiert wird. Dabei erhöht sich die Oxidationszahl dieses C-Atoms von –1 auf +3. Glucuronsäure spielt vor allem in aktivierter Form als UDP-Glucuronsäure eine wichtige Rolle. Diese entsteht, indem zunächst Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-phosphat isomerisiert wird, welches mit UTP zu UDP-Glucose und PPi reagiert. Die UDP-Glucose wird anschließend an C-6

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

217

zur UDP-Glucuronsäure oxidiert. Der Glucuronsäureanteil der UDP-Glucuronsäure kann durch eine Glucuronyltransferase auf funktionelle OH-, NH2- oder auch COO–-Gruppen von Arzneistoffen, Steroiden u.ä. übertragen werden. Durch die Anknüpfung des stark polaren Glucuronsäurerests wird die Wasserlöslichkeit von ansonsten eher hydrophoben Substanzen erheblich erhöht und so deren Ausscheidung erleichtert. Die Gluconsäure entsteht durch Oxidation der Aldehydgruppe am C-Atom 1 der Glucose; dessen Oxidationszahl erhöht sich von +1 auf +3. Insgesamt besitzt also die Gluconsäure zwei H-Atome mehr als die Glucuronsäure; die beiden Verbindungen können demnach keine Isomere sein. Für die Bildung von Glucuroniden mit körpereigenen oder körperfremden Substanzen ist eine aktivierte Form der Glucuronsäure erforderlich. Ein Glucuronsäureadenylat (gemischtes Anhydrid der Glucuronsäure mit AMP) wäre zur Ausbildung eines Glucuronsäureesters oder -amids geeignet; für die Ausbildung einer glykosidischen Bindung muss dagegen die Halbacetalgruppe an C1 aktiviert werden. Dies geschieht durch die Verknüpfung mit UDP (UDPGlucuronsäure, vgl. oben), in der das UDP als gute Abgangsgruppe fungiert. Die freie Glucuronsäure ist nicht reaktiv genug, um mit Alkoholen oder Aminen unter Ausbildung einer glykosidischen Bindung zu reagieren; dies geschieht aber nach entsprechender Aktivierung zur UDP-Glucuronsäure, vgl. oben. Ein Überschuss an Glucuronsäure kann in der Leber abgebaut werden. Dabei erfolgt zunächst eine NADPH-abhängige Reduktion am ursprünglichen C-Atom 1 der Glucuronsäure, wodurch die L-Gulonsäure entsteht, die leicht zum L-Gulonolacton zyklisiert. Die meisten Tiere verfügen über das Enzym L-Gulonolacton-Oxidase, das zur Überführung von L-Gulonolacton zur L-Ascorbinsäure benötigt wird. Eine Ausnahme bilden die Primaten, das Meerschweinchen und der Mensch, die daher auf eine Zufuhr von Ascorbinsäure mit der Nahrung angewiesen sind. Beim Menschen wird die L-Gulonsäure über mehrere Schritte zu Xylulose abgebaut, die im Pentosephosphatweg verwertet werden kann. Die Glucuronsäure ist nicht am Aufbau von Häm, sondern an dessen Abbau beteiligt. Das aus dem Häm hervorgehende sogenannte „indirekte“ Bilirubin wird mit zwei Molekülen UDPGlucuronsäure konjugiert und dadurch in das wasserlösliche Bilirubindiglucuronid („direktes“ Bilirubin) überführt. Dieses gelangt über die Galle in den Darm, wo die Glucuronsäurereste wieder abgespalten werden. Kann diese Glucuronidierung aufgrund eines Mangels an Glucuronyltransferase nicht erfolgen, unterbleibt die Ausscheidung über die Gallenwege; es resultiert eine Gelbsucht.

Lösung 20:

Alternative 4

Welcher Typus von supramolekularer Struktur sich beim Lösen einer amphiphilen Verbindung in Wasser ausbildet, hängt u.a. von der Geometrie des Amphiphils ab. Verbindungen, die einen langen unpolaren (Kohlenwasserstoff)rest gebunden an eine (voluminöse) polare (oftmals geladene) Kopfgruppe aufweisen, bilden typischerweise Mizellen. Die unpolaren Reste versuchen dem Kontakt mit Wasser zu entgehen, indem sie sich im Inneren eines kugelförmigen Gebildes, einer Mizelle, zusammenlagern. Die polaren Kopfgruppen bilden die Oberfläche der Kugel und stehen in Kontakt mit Wasser. Ist der Raumbedarf der hydrophoben Ketten

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Kapitel 8

vergleichbar mit dem der Kopfgruppe, wie es bei Phospholipiden mit zwei hydrophoben Ketten der Fall ist, bilden sich aus sterischen Gründen keine Mizellen, sondern Lipiddoppelschichten. Sind diese wie bei einer Zellmembran sphärisch geschlossen, spricht man von einem Liposom, das – wie die Zelle – im Inneren ein wässriges Kompartiment aufweist. Je nach Grundgerüst, an das die polare Kopfgruppe und die Fettsäurereste gebunden sind, unterscheidet man bei den Phospholipiden die Phosphoglyceride (Grundgerüst = Glycerol) und die Sphingophosphatide (Grundgerüst = Sphingosin, ein Aminoalkohol). Beide enthalten eine veresterte Phosphatgruppe und werden zu den Phospholipiden zusammengefasst. Lecithin (Phosphatidylcholin) ist ein Phosphoglycerid. Die OH-Gruppen an den C-Atomen 1 und 2 des Glycerols sind mit zwei Fettsäuren verestert. Die OH-Gruppe an C-3 ist mit Phosphat verestert, das über eine weitere Phosphorsäureesterbindung mit Cholin verknüpft ist. Aufgrund der beiden unpolaren Fettsäurereste und der polaren Kopfgruppe (Phosphatgruppe; meist verestert mit einem polaren (Amino)alkohol, wie z.B. Ethanolamin, Cholin oder Serin im Fall der Phosphoglyceride) sind Phospholipide (ähnliches gilt für die Sphingophosphatide) typische amphiphile Verbindungen. Das Grundgerüst der Sphingophosphatide bildet der Aminoalkohol Sphingosin, der aus Palmitoyl-CoA und Serin gebildet wird. Die Aminogruppe reagiert mit einem Acyl-CoAMolekül zum Ceramid, das eine Amidgruppe besitzt und den Grundkörper der Sphingophosphatide bildet. Durch Übertragung einer Phosphocholingruppe von einem Phosphatidylcholin wird das Sphingophosphatid Sphingomyelin gebildet. Verestert man Glycerol an C1 und an C2 jeweils mit einer langkettigen Fettsäure, so entsteht das Diacylglycerol (das auch als Second messenger fungiert). Durch Veresterung der OHGruppe am C3 mit Phosphorsäure entsteht die Phosphatidsäure. Von dieser leiten sich weitere Phosphoglyceride ab, in denen die Phosphatgruppe mit einem Alkohol verestert vorliegt, vgl. oben.

Lösung 21:

Alternative 1

Die Hydrolyse der in den Adipozyten gespeicherten Triacylglycerole wird durch die Triacylglycerol-Lipase („hormonsensitive Lipase“) katalysiert, die durch reversible Phosphorylierung reguliert wird. Durch Bindung von Glucagon bzw. Catecholaminen an den Glucagonbzw. E-Adrenorezeptor kommt es zur Aktivierung der Adenylatcyclase und damit zu gesteigerter Bildung von cAMP. Dieses aktiviert die cAMP-abhängige Proteinkinase A, die ihrerseits die hormonsensitive Lipase phosphoryliert und dadurch aktiviert. Insulin aktiviert dagegen Proteinphosphatasen, die zur Dephosphorylierung und damit zur Inaktivierung der Triacylglycerol-Lipase führen. Mit der Nahrung aufgenommene Triacylglycerole werden im Darm durch eine Lipase gespalten, die in den Azinuszellen des Pankreas gebildet und in das Duodenum sezerniert wird. Mit der Gallenflüssigkeit kommen die Gallensalze hinzu, die zusammen mit den Triacylglycerolmolekülen gemischte Mizellen bilden und dadurch den Angriff der Pankreas-Lipase an der Lipid-Wasser-Grenzschicht ermöglichen. Bei der Hydrolyse der Triacylglycerole entstehendes Glycerol wird hauptsächlich von der Leber weiterverarbeitet. Die Glycerol-Kinase katalysiert zunächst die ATP-abhängige

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Phosphorylierung zu Glycerol-3-phosphat, das anschließend von der Glycerol-3-phosphatDehydrogenase unter Verbrauch von NAD+ zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert wird. Dieses steht im Gleichgewicht mit Glycerolaldehyd-3-phosphat, das in der Glykolyse abgebaut oder zur Gluconeogenese herangezogen werden kann. Die Triacylglycerole werden in den Fettzellen in freie Fettsäuren und Glycerol gespalten. Die Fettsäuren werden mit dem Blut zu peripheren Geweben transportiert und erst dort nach der Aufnahme unter Aufwand von ATP für eine nachfolgende E-Oxidation aktiviert, d.h. in das entsprechende CoA-Derivat umgewandelt. Fettsäuren, die im Darm durch Hydrolyse von Nahrungsfetten entstehen, werden in die Mukosazellen aufgenommen, dort erneut zu Triacylglycerolen verestert und zusammen mit Apolipoproteinen zu Chylomikronen verpackt. Diese gelangen mit dem Blut in die Peripherie, wo die enthaltenen Triacylglycerole von einer endothelständigen Lipoproteinlipase wieder gespalten werden. Nach Aufnahme in die Zellen werden die Fettsäuren aktiviert und mit Hilfe des Carriers Carnitin in die Mitochondrien transportiert. Das Gehirn und Erythrozyten sind nicht zur Verwertung von Fettsäuren in der Lage. Die Fettsäuren können einerseits die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden; andererseits besitzen die Erythrozyten keine Mitochondrien, so dass kein Abbau unter Energiegewinn durch E-Oxidation, Citratzyklus und Atmungskette erfolgen kann.

Lösung 22:

Alternative 4

Die dominierende Lipidkomponente in den Chylomikronen sind, ebenso wie in den VLDL („Very low density lipoproteins“), die Triacylglycerole. Die mit der Nahrung zugeführten Triacylglycerole werden im Dünndarm in Fettsäuren und Monoacylglycerol gespalten. Diese werden in die Mucosazelle aufgenommen, dort wieder zu Triacylglycerolen verestert und zusammen mit Nahrungscholesterol und Apolipoprotein B48 sowie weiteren Lipoproteinen zu Chylomikronen zusammengesetzt. Aufgrund des hohen Triacylglycerolgehalts weisen die Chylomikronen von allen Lipoproteinen die geringste Dichte auf. Generell bestehen Lipoproteine im Inneren aus hydrophoben Lipiden (Triacylglycerolen, Cholesterolester), die von amphiphilen Lipiden wie Phosphoglyceriden und den Apolipoproteinen umgeben sind. Alle Komponenten stehen miteinander durch nichtkovalente Wechselwirkungen in Kontakt. Die einzelnen Lipoproteinklassen unterscheiden sich im Verhältnis der einzelnen Komponenten zueinander, das für eine gegebene Lipoproteinklasse jeweils charakteristisch ist. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung unterscheiden sich die verschiedenen Lipoproteine in ihrer Dichte; je höher der Gehalt an Triacylglycerolen, desto geringer ist die Dichte, je höher der Proteingehalt, desto höher. Die geringste Dichte weisen daher die Chylomikronen auf, die höchste – wie der Name bereits andeutet – die HDL („High density lipoproteins“). Die HDL enthalten überwiegend Apolipoproteine vom Typ A; dabei überwiegt das Apo A-I. Typisch für LDLs ist dagegen das Apo B100, das für die Bindung der LDL-Partikel an ihren Rezeptor von Bedeutung ist.

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Kapitel 8

Mit steigender Dichte sinkt gleichzeitig die charakteristische Größe der Lipoproteine. So sind die Chylomikronen (geringste Dichte) mit Abstand die größten Partikel, die HDL (größte Dichte) dagegen die kleinsten. Ihre vergleichsweise hohe Dichte beruht auf ihrem hohen Proteingehalt; Proteine weisen eine höhere Dichte auf, als Lipide. HDL enthalten neben den Apolipoproteinen v.a. Phosphoglyceride sowie Cholesterol, letzteres überwiegend in Form von Cholesterolestern. Triacylglycerole sind nur in geringer Menge enthalten.

Lösung 23:

Alternative 4

Gemeinsames Zwischenprodukt für alle der genannten Phospholipide ist die Phosphatidsäure (1,2-Diacylphosphoglycerid). Für die Veresterung mit einem Alkohol können zwei Wege beschritten werden; entweder wird der Alkohol aktiviert, oder die Phosphatidsäure. Die Synthese von Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin folgt dem ersten Weg. Cholin bzw. Ethanolamin werden mit ATP zu Phosphorylcholin bzw. Phosphorylethanolamin phosphoryliert und anschließend durch Reaktion mit CTP aktiviert. Dabei entstehen unter Abspaltung von PPi CDP-Cholin bzw. CDP-Ethanolamin. Eine entsprechende Transferase katalysiert dann die Übertragung von Phosphorylcholin bzw. -ethanolamin auf 1,2Diacylglycerol, das durch Abspaltung von Phosphat aus der Phosphatidsäure entsteht; CMP wird freigesetzt. Bei der de novo-Synthese von Phosphatidylinositol und Phosphatidylserin wird dagegen nicht der Alkohol, sondern die Phosphatidsäure aktiviert (Weg 2). Sie reagiert mit CTP unter Bildung von CDP-Diacylglycerol und PPi. Das aktivierte CDP-Diacylglycerol wird dann von dem Alkohol (Inositol bzw. Serin (OH-Gruppe der Seitenkette)) unter Abspaltung von CMP und Knüpfung der Phosphorsäureesterbindung angegriffen. Neben diesen beiden Synthesewegen besteht auch noch die Möglichkeit, Phospholipide ineinander umzuwandeln. Im Mittelpunkt dabei steht das Phosphatidylethanolamin. Durch schrittweise Methylierung mit Hilfe einer in der Leber lokalisierten PhosphatidylethanolaminMethyltransferase kann Phosphatidylethanolamin in Phosphatidylcholin umgewandelt werden. Auch ein enzymkatalysierter Austausch von Ethanolamin gegen Serin zur Bildung von Phosphatidylserin ist möglich, ebenso die Umkehrung dieser Reaktion (Bildung von Phosphatidylethanolamin aus Phosphatidylserin). Phosphatidylethanolamin kann ferner durch Decarboxylierung aus Phosphatidylserin gebildet werden.

Lösung 24:

Alternative 3

Wie bereits die Bezeichnungen implizieren spalten die Phospholipasen A1 und A2 Acylreste an der jeweiligen Position vom Glycerolgerüst ab. So spaltet beispielsweise die Phospholipase A2 die am C-Atom 2 des Phosphatidylcholins veresterte Fettsäure ab, wodurch Lysolecithin gebildet wird. Die Hydrolyse des verbliebenen Acylrests an C-1 unter Bildung von Glycerolphosphorylcholin geschieht dann durch eine Lysophospholipase. Diese Reaktionen besit-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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zen auch synthetische Bedeutung für den Austausch von Acylresten in Phospholipiden (vgl. unten), der offensichtlich nicht ohne Hydrolyse eines anwesenden Acylrestes erfolgen kann. Obwohl primär am Abbau von Phospholipiden beteiligt spielen die Phospholipasen A1 und A2 auch bei der Synthese eine Rolle. Die Fettsäuren in der sn-1 und sn-2 Position von Phospholipiden sind häufig nicht diejenigen, die in den Acyltransferasereaktionen während der Phospholipidsynthese ursprünglich auf das Glycerolgerüst übertragen worden waren. Grund ist eine fehlende Spezifität der Acyltransferasen, um die in einem bestimmten Gewebe erforderliche asymmetrische Verteilung bestimmter Fettsäureketten zu gewährleisten. So kann es für eine Zelle notwendig sein, z.B. eine gesättigte Fettsäure wie Stearinsäure an Position 2 gegen eine mehrfach ungesättigte, wie Linolsäure, auszutauschen. Dies geschieht durch Hydrolyse mit Hilfe der Phospholipase A2 und anschließende Reacylierung. Die beiden Phospholipasen A1 und A2 sind zwar wie beschrieben an der Synthese von Phospholipiden mit beteiligt, sie katalysieren aber nicht die beiden Acylierungsreaktionen. Die Phospholipase C spaltet die Phosphodiesterbindung zwischen Glycerolgerüst und Phosphat. Am Austausch von Ethanolamin gegen Serin ist sie nicht beteiligt. Hierzu muss die andere Phosphodiesterbindung zur polaren Kopfgruppe hin gespalten werden. Die Phospholipase D ist für die Spaltung der Phosphodiesterbindung zum polaren Alkohol hin zuständig; sie kann also Phosphatidsäure nicht in 1,2-Diacylglycerol umwandeln. Im Gift der Honigbiene kommt die Phospholipase A2 vor, nicht die Phospholipase A1. Ihre Wirkung ist mit verantwortlich für die toxischen Reaktionen nach einem Bienenstich. Während ein einzelner Stich (außer bei Allergikern) i.A. nur lokale Reaktionen verursacht, kann es durch viele Stiche (z.B. bei einem Bienenangriff) zu schweren Intoxikationen kommen. Die Phospholipase A2 greift Phosphoglyceride der Erythrozytenmembran an, was zu einer intravasalen Hämolyse mit Schock und Blutungen führen kann.

Lösung 25:

Alternative 3

In den meisten Sphingolipiden ist das Ceramidgrundgerüst (N-Acylsphingosin) mit einem oder mehreren Zuckerresten verknüpft (Æ Glykosphingolipide). Die Ganglioside gehören zu den Glykosphingolipiden. Das einzige Sphingolipid, das Phosphat enthält, ist das Sphingomyelin, das einen Hauptbestandteil in Membranen des Nervengewebes bildet. Die terminale OH-Gruppe des Ceramids ist hier mit Phosphorylcholin verestert, das von Phosphatidylcholin unter Bildung von Diacylglycerol übertragen wird. Das Ceramid ist die Grundstruktur aller Glykosphingolipide und somit auch der Ganglioside. Es entsteht durch Ausbildung einer Amidgruppe zwischen der NH2-Gruppe an C-2 von Dihydrosphingosin mit dem CoA-Derivat einer langkettigen Fettsäure (häufig C22). Dihydrosphingosin entsteht in zwei Schritten: zunächst kondensiert Serin unter Decarboxylierung mit Palmitoyl-CoA zum 3-Ketodihydrosphingosin, das anschließend NADPH/H+-abhängig zum Dihydrosphingosin reduziert wird. Durch Reaktion der terminalen OH-Gruppe des Ceramids mit einem aktivierten Monosaccharid (UDP-Glucose oder UDP-Galaktose) entsteht ein Cerebrosid. Das Glucocerebrosid ist ein Intermediat bei Synthese und Abbau komplexerer Glykosphingolipide. Durch einen Enzymdefekt bei der lysosomalen Glucocerebrosidase kann es zu einer sehr starken Erhöhung des

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Kapitel 8

Glucocerebrosidanteils in den für den Abbau zuständigen Zellen (Makrophagen) des retikuloendothelialen Systems von Leber, Milz und Knochenmark kommen (Morbus Gaucher). Dies ist die häufigste angeborene Lipidspeicherkrankheit (ca. 1:40000); sie wird autosomal rezessiv vererbt. In einem Gangliosid sind an die Cerebrosidgrundstruktur weitere Monosaccharide angeknüpft. Ganglioside enthalten also sowohl ein Sphingosingrundgerüst, Glucose bzw. Galaktose sowie weitere Monosaccharide. Typisch für Ganglioside ist ihr Gehalt an N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure). Er spiegelt sich im Codenamen der Ganglioside wider; so lauten die Bezeichnungen für die wichtigsten Ganglioside im Gehirn GM1, GD1a, GD1b und GT1b. Hierbei stehen die Indizes M, D, T und Q für Ganglioside, die einen, zwei, drei oder vier Sialinsäurereste tragen. Die Oligosaccharidreste der Ganglioside dienen der Zellerkennung und als Rezeptoren, beispielsweise für Toxine, wie das Tetanustoxin oder Choleratoxin, oder für Viren.

Lösung 26:

Alternative 5

Es existiert kein Cholesterolkanal. Die LDL-Partikel, welche hohe Anteile an Cholesterol enthalten, binden vielmehr an einen Rezeptor in der Plasmamembran; die Bindung erfolgt mit hoher Affinität und Spezifität, wird durch das Apolipoprotein B100 vermittelt und ist sättigbar. Es folgt eine rezeptorvermittelte Endozytose mit Hilfe von Clathrin, einem Protein, das sich in Bereichen hoher Rezeptordichte an die cytosolische Seite der Zellmembran anlagert und die Bildung von Endosomen (intrazelluläre Vesikel) veranlasst. LDL löst sich vom Rezeptor, der durch separate Vesikel zurück zur Plasmamembran transportiert wird. Die LDL enthaltenden Vesikel fusionieren mit primären Lysosomen, in denen eine Lipase die Cholesterolester hydrolysiert. Cholesterol wird freigesetzt, aus den Lysosomen ausgeschleust und kann in Membranen eingebaut oder zur Synthese verwendet werden. Während in den Chylomikronen und den VLDL die Anteile an Triacylglyceriden überwiegen sind die LDL diejenigen Lipoproteine mit dem höchsten Anteil an Cholesterol (überwiegend in Form von Cholesterolestern). Die angegebene Massenkonzentration für das Gesamtcholesterol im Plasma (150–260 mg/100 mL) stellt eine Richtwert dar; ein Wert unter 200 mg/100 mL wird als wünschenswert erachtet. Entscheidend ist aber nicht allein die gesamte Massenkonzentration, sondern insbesondere die Verteilung auf LDL und HDL. Letztere fungieren als „Cholesterol-Fänger“, die freies Cholesterol aufnehmen und zur Verwertung in die Leber transportieren. Die familiäre Hypercholesterolämie ist eine recht häufige Erkrankung (heterozygot 1:500); sie ist durch einen LDL-Rezeptordefekt gekennzeichnet. Dies führt zu einer intrazellulären Verarmung an Cholesterol und vermehrter Aktivität der HMG-CoA-Reduktase. Der LDLCholesterolspiegel ist erhöht, die LDL zirkulieren übermäßig lange im Blut und werden dabei oxidativ modifiziert. Sogenanntes ox-LDL wird von Makrophagen über den „ScavengerRezeptor“ aufgenommen, wodurch die Makrophagen zu absterbenden Schaumzellen werden, die in der Gefäßwand liegen bleiben. Letztlich führt dies zu einer frühzeitigen Arteriosklerose vor allem der Herzkranzgefäße. Je effizienter überschüssiges Cholesterol durch HDL zur

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Leber transportiert werden kann, desto langsamer entwickeln sich Makrophagen zu Schaumzellen. Eine hohe Konzentration an HDL ist daher prognostisch als günstig anzusehen. Die Zellen peripherer Gewebe synthetisieren i.A. nur wenig Cholesterol, da sie den Großteil des Bedarfs aus LDL decken. Gesunde Zellen können das durch die LDL angelieferte Cholesterol mit Hilfe des LDL-Rezeptors aufnehmen und wie oben beschrieben freisetzen. Sie müssen daher kaum selbst Cholesterol synthetisieren, so dass das geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Cholesterolsynthese, die HMG-CoA-Reduktase, nur geringe Aktivität zeigt. Liegt eine familiäre Hypercholesterolämie vor, so können die LDL nicht oder nur unzureichend in die Zelle aufgenommen werden. Wie erwähnt resultiert eine intrazelluläre Verarmung an Cholesterol, auf die die Zelle mit gesteigerter eigener Synthese (und damit erhöhter Aktivität der HMG-CoA-Reduktase) reagiert.

Lösung 27:

Alternative 3

Cholesterol ist der Hauptbestandteil der „Low density lipoproteins“ (LDL); der überwiegende Teil liegt dabei mit langkettigen, meist ungesättigten Fettsäuren verestert vor. LDL sind die wichtigsten Transporter von Cholesterol bzw. Cholesterolestern in die peripheren Gewebe. Für die Aufnahme von Cholesterol in die Zellen müssen die LDL-Partikel mit den LDLRezeptoren in der Plasmamembran in Wechselwirkung treten; entscheidend dafür ist aber nicht das Cholesterol, sondern das Apolipoprotein B100, welches die Wechselwirkung mit dem Rezeptor vermittelt. In der Leber gebildete VLDL enthalten neben den Triacylglycerolen auch größere Anteile an Cholesterol. Nach Spaltung der Triacylglycerole durch die Lipoproteinlipase der Endothelzellen verbleiben VLDL mit entsprechend erhöhtem Cholesterolgehalt. Der Großteil davon wird durch die Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase (LCAT) in Cholesterolester überführt. Das Enzym bindet reversibel an VLDL und katalysiert die Übertragung von Acylresten (in der Regel von Position 2) aus Phosphatidylcholin, das sich in der äußeren Schicht der VLDL befindet, auf Cholesterol. Da der Acylrest an Position 2 in Lecithinen meist ungesättigt ist, sind die entstehenden Cholesterolester der VLDL und LDL reich an ungesättigten Fettsäuren, insbesondere Linolsäure. Die Bindung eines Hormons an einen membranständigen Rezeptor, wie z.B. einen G-Proteingekoppelten Rezeptor, bewirkt eine Reaktionskaskade, die in den meisten Fällen zur Bildung eines sekundären Botenstoffs („Second messenger“) wie z.B. cAMP führt. Das Hormon verlässt den Rezeptor anschließend wieder, wird dabei aber nicht in die Zelle aufgenommen. Eine Bildung von LDL-Partikeln an den LDL-Rezeptor führt im Gegensatz dazu zusammen mit der Wechselwirkung mit Clathrin zu einer Endozytose des LDL-Rezeptorkomplexes. Die mit LDL aufgenommenen Cholesterolester werden in der Zelle durch eine lysosomale Lipase gespalten. In das Cytosol freigesetztes Cholesterol hemmt dort die cytosolische HMGCoA-Reduktase, das Schrittmacherenzym der Cholesterolbiosynthese. Je mehr Cholesterol die Zelle von außen aufnimmt, desto weniger Eigensynthese ist erforderlich; die Hemmung der HMG-CoA-Reduktase ist daher sinnvoll. Überschüssiges Cholesterol wird durch die

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Kapitel 8

Acyl-CoA-Cholesterol-Acyltransferase mit Acyl-CoA verestert und in Lipidtröpfchen gespeichert. Ein erhöhtes Angebot von Cholesterol in der Nahrung führt zu vermehrter Bildung von LDL. Die Aufnahme von LDL (und damit von Cholesterol) in die Zelle wird durch den LDLRezeptor gesteuert. Über dessen kontrollierte Expression können die Zellen steuern, wie viel LDL bzw. Cholesterol aufgenommen werden soll. Ein Überangebot an LDL führt dazu, dass die LDL-Partikel länger im Blut zirkulieren, d.h. die extrazelluläre Cholesterolkonzentration erhöht ist. Ziel einer medikamentösen Therapie bei einer Hypercholesterolämie ist eine Senkung der Cholesterolkonzentration im Blut, um das Arterioskleroserisiko zu senken. Sogenannte Statine wie der HMG-CoA-Reduktase-Hemmer Atorvastatin gehören zu den umsatzstärksten Medikamenten weltweit. Durch Hemmung der HMG-CoA-Reduktase wird die intrazelluläre Cholesterolsynthese gedrosselt; die Cholesterolkonzentration sinkt. Dies bewirkt, vermittelt über einen Transkriptionsfaktor, indirekt eine gesteigerte Bildung von LDL-Rezeptoren, wodurch vermehrt LDL aus dem Blut aufgenommen werden kann. Dadurch kommt es in geringerem Maß zu oxidativen Modifizierung von LDL und dessen Aufnahme durch Makrophagen; die Bildung von Schaumzellen und ihre Ablagerung an den Gefäßwänden wird dadurch verringert, das Arterioskleroserisiko gesenkt.

Lösung 28:

Alternative 4

Der systematische Name der Arachidonsäure lautet cis-Δ5,8,11,14-Eicosatetraensäure; es handelt sich also um eine vierfach ungesättigte Fettsäure mit 20 C-Atomen. Die letzte Doppelbindung befindet sich zwischen den C-Atomen 14 und 15; damit ist die Arachidonsäure eine Z-6Fettsäure und keine Z-3-Fettsäure, wie beispielsweise die Linolensäure (cis-Δ9,12,15-Octadecatriensäure). Richtig ist jedoch, dass die Arachidonsäure die Ausgangssubstanz für die Synthese von Prostaglandinen und Thromboxanen darstellt. Ungesättigten Fettsäuren im Allgemeinen, besonders aber den Z-3-Fettsäuren sagt man nach, dass sie in der Lage sind, die Menge an triacylglycerol- und cholesterolhaltigen Lipidaggregaten (VLDL) zu reduzieren, die von der Leber an das Blut abgegeben werden und deren Lipidbestandteile zu Ablagerungen an der Arterienwand führen können. Je niedriger der Anteil an VLDL im Blut ist, als desto niedriger gilt das Risiko eines Herzinfarkts. Ein hoher Anteil an ungesättigten Fettsäuren, insbesondere auch Z-3-Fettsäuren in der Nahrung (sogenannte „Mittelmeerdiät“ mit hohen Anteilen an Olivenöl, das überwiegend ungesättigte Fettsäuren enthält, an der Gesamtfettaufnahme) wird als günstig angesehen. Fisch und Fischöle bilden eine wesentliche Quelle für Z-3-Fettsäuren in der Nahrung, so dass der gelegentliche Verzehr von Seefisch allgemein empfohlen wird. Die Linolensäure ist die wohl wichtigste Z-3-Fettsäure. Da sie zwei Doppelbindungen nach dem C-Atom 9 enthält, kann sie vom menschlichen Organismus nicht selbst hergestellt werden, da eine entsprechende Desaturase fehlt. Sie ist demnach eine essentielle Fettsäure, die mit der Nahrung aufgenommen werden muss und u.a. als Vorstufe für die Arachidonsäure dient, die vom Körper durch Verlängerung der Kette und Einführung einer weiteren Doppelbindung hergestellt werden kann.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Wie alle ungesättigten Fettsäuren können auch die Z-3-Fettsäuren durch katalytische Hydrierung (d.h. Anlagerung von Wasserstoff an die Doppelbindungen) in gesättigte Fettsäuren überführt werden. Ein Zyklus der E-Oxidation bei gesättigten Fettsäuren umfasst zwei Oxidationsreaktionen und eine Hydratisierung, gefolgt von der thiolytischen Spaltung. Der erste Oxidationsschritt (Einführung einer Doppelbindung) liefert ein Molekül FADH2, der zweite (Oxidation der EHydroxy- zur Ketogruppe) ein NADH/H+. Jedes dieser gebildeten reduzierten Coenzyme kann in die Atmungskette eingespeist werden und trägt dort zum Aufbau des Protonengradienten (und damit zur ATP-Ausbeute) bei. In ungesättigten Fettsäuren entfällt pro Doppelbindung ein Oxidationsschritt unter Bildung von FADH2, d.h. es werden insgesamt weniger FADH2-Moleküle als bei Oxidation einer gesättigten Fettsäure gleicher Kohlenstoffzahl gebildet; die ATP-Ausbeute ist dementsprechend etwas niedriger.

Lösung 29:

Alternative 4

Plasmalogene sind auch Phospholipide; sie unterscheiden sich von den Diacylglycerophospholipiden dadurch, dass am C-1-Atom des Glycerolgrundgerüsts eine Alkylkette über eine Etherbindung verknüpft ist, vgl. Alternative 6. Man spricht daher auch von Etherphospholipiden. Grundgerüst aller Sphingolipide ist der ungesättigte Aminoalkohol Sphingosin. Bei der Synthese der verschiedenen Sphingolipide wird die Aminogruppe des Sphingosins mit einem langkettigen Acyl-CoA über eine Amidbindung zu einem sogenannten Ceramid verknüpft. Ist die terminale OH-Gruppe des Ceramids über einem Phosphatrest mit einem Alkohol verknüpft, spricht man von einem Sphingophosphatid. Der wichtigste Vertreter, u.a. als Bestandteil der Myelinscheide von Nerven, ist das Sphingomyelin, das als Alkohol das Cholin enthält. Ist dagegen an der primären OH-Gruppe anstelle eines Phosphatrestes ein Zuckerrest Eglykosidisch gebunden, so liegt ein Glykosphingolipid vor. Handelt es sich bei dem gebundenen Zuckerrest um Glucose oder Galaktose, erhält man ein sogenanntes Cerebrosid. Hierfür reagiert das Ceramid mit UDP-Glucose oder UDP-Galaktose unter Abspaltung von UDP. Ganglioside sind die komplexesten Glykosphingolipide. Das Ceramid trägt eine Oligosaccharidgruppe, die einen oder mehrere N-Acetylneuraminsäurereste (Sialinsäure) enthält. Man kennt ca. 20 verschiedene Typen, die sich in der Anzahl und Position der Hexosen und der Sialinsäurereste unterscheiden. Aufgrund von Gendefekten kann es zu angeborenen Störungen des Sphingolipidstoffwechsels kommen (sogenannte Sphingolipidosen). Die Folge ist eine Anreicherung verschiedener Lipide in den Lysosomen der Zellen verschiedener Organe (v.a. ZNS, Leber, Nieren). Plasmalogene, die Ethanolamin oder Cholin enthalten, finden sich in hohen Konzentration im Nervengewebe und im Herz, nicht dagegen in der Leber. So beträgt der Anteil des Ethanolamin-Plasmalogens an der Gesamtmenge der Ethanolamin enthaltenden Glycerophospholipide im menschlichen Herzen mehr als 50 %. Hohe Konzentrationen an Etherphospholipiden wurden auch in den Plasmamembranen stark metastasierender Krebszellen entdeckt.

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Lösung 30:

Kapitel 8

Alternative 5

Jede biologische Membran enthält neben zahlreichen Lipiden auch bestimmte Proteine, die charakteristisch für ihre Struktur und ihre Funktion sind. Dabei lassen sich integrale (intrinsische) und periphere Membranproteine unterscheiden. Integrale Membranproteine reichen durch die ganze Lipiddoppelschicht hindurch und verbinden so zwei zelluläre Kompartimente miteinander. Typisch sind eine oder mehrere membrandurchspannende D-Helices (Transmembranhelices), die überwiegend aus hydrophoben Aminosäuren bestehen und so mit den unpolaren Lipidketten der Doppelschicht in Wechselwirkung treten können. Mehrere solche membrandurchspannende D-Helices können beispielsweise eine Pore bilden. Die Zusammensetzung biologischer Membranen kann – je nach Funktion – in einem breiten Bereich variieren. So finden sich für den Proteinanteil Werte von ca. 20 % in den Membranen der Myelinscheide bis hin zu über 70 % in der inneren Mitochondrienmembran. Integrale Membranproteine durchspannen die Lipiddoppelschicht; sie stehen daher auf beiden Seiten der Membran mit der wässrigen Umgebung im Kontakt. Periphere Membranproteine sind membranassoziierte Proteine, die ohne Zerstörung der Lipiddoppelschicht von der Membran abgelöst werden können, beispielsweise durch Änderung von pH-Wert oder Salzkonzentration. Sie sind entweder an ein integrales Membranprotein assoziiert oder über elektrostatische Wechselwirkungen z.B. an negativ geladene Phospholipide gebunden. Einige weisen auch ein hydrophobes Segment an einem Ende der Polypeptidkette auf, das als Anker in der Lipidmembran fungiert. Integrale Membranproteine sind dagegen durch ihre membrandurchspannenden hydrophoben Bereiche fest in der Doppelschicht verankert. Eine Entfernung aus der Membran allein durch Änderung von Salzkonzentration oder pH-Wert ist daher nicht möglich. Versucht man, sie unter Einsatz von Detergenzien aus der Membran herauszulösen, wird dabei auch die Lipiddoppelschicht zerstört. Biologische Membranen enthalten häufig auch Kohlenhydrate; diese sind dabei immer an Lipide oder Proteine gebunden. Die Bindung an Proteine erfolgt entweder N-glykosidisch an einen Asparaginrest oder O-glykosidisch an einen Serin- oder Threoninrest. Fructose spielt dabei keine Rolle; man findet stattdessen Mannose, Glucose, Galaktose, Fucose sowie NAcetylgalaktosamin und N-Acetylneuraminsäure.

Lösung 31:

Alternative 5

Die Fluidität einer biologischen Membran ermöglicht eine rasche Diffusion von Lipiden und Membranproteinen innerhalb einer Doppelschicht. Allerdings kann es durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen polaren Kopfgruppen, hydrophobe Wechselwirkungen von Cholesterol mit bestimmten Lipiden oder Protein-Lipid-Wechselwirkungen zu gewissen Einschränkungen der Beweglichkeit kommen. Dagegen ist ein Austausch von Lipiden zwischen der äußeren und der inneren Seite der Lipiddoppelschicht („flip-flop“) ein sehr langsamer und damit seltener Vorgang. Die polare Kopfgruppe des Lipidmoleküls müsste dabei den sehr hydrophoben Bereich der Fettsäureketten im Inneren der Membran durchqueren, ein thermodynamisch ungünstiger Vorgang.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

227

In biologischen Membranen vorkommende ungesättigte Fettsäuren weisen cis-Konfiguration auf; die Doppelbindung führt zu einem Knick in der Fettsäurekette. Dies verhindert eine dichte Packung der Fettsäureketten, schwächt dadurch deren Wechselwirkung und erhöht die Beweglichkeit (Fluidität) der Ketten. Mit zunehmendem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren wird die Membran daher fluider. Gesättigte Fettsäuren können dagegen in einer geordneten all-trans-Anordnung vorliegen; die Wechselwirkungen zwischen den Ketten sind stärker, die Fluidität niedriger. Cholesterol besitzt eine starre Ringstruktur, die – zwischen Phospholipidmoleküle eingebracht – die Beweglichkeit der Fettsäureketten einschränkt und dadurch die Fluidität einer biologischen Membran verringert. Allerdings kann Cholesterol in einer artifiziellen Lipiddoppelschicht aus (überwiegend) gesättigten Lipiden, die sich in der starren Gelphase befindet, aufgrund der Störung der Lipidpackung auch zu einer Erhöhung der Fluidität führen. Mögliche klinische Auswirkungen eines hohen Cholesterolgehalts im Blut auf die Membranfluidität werden diskutiert. Negativ geladene Kopfgruppen in biologischen Membranen können durch Ca2+-Ionen verbrückt werden. Dadurch nimmt die Abstoßung zwischen den Kopfgruppen ab, die Packungsdichte steigt und die Fluidität der Membran verringert sich. Pharmaka können die Membranfluidität beeinflussen. Die Gruppe der Anästhetika umfasst strukturell sehr unterschiedliche Verbindungen; allen gemeinsam ist jedoch ihre gute Lipidlöslichkeit (hydrophober Charakter). In vitro wurde für viele Anästhetika eine Erhöhung der Membranfluidität beobachtet und es wird angenommen, dass auch ihre Wirkung in vivo mit einer Erhöhung der Membranfluidität in Zusammenhang steht. Die Fluidität einer Membran ist in den verschiedenen Bereichen der Doppelschicht unterschiedlich. In Inneren der Doppelschicht im Bereich der Enden der Kohlenwasserstoffketten ist die Fluidität am höchsten; nach außen zum Bereich der Kopfgruppen hin nimmt sie ab.

Lösung 32:

Alternative 4

Arachidonsäure (C20; Δ5,8,11,14) dient im menschlichen Organismus als Ausgangssubstanz für die Bildung von Prostaglandinen, Thromboxanen und Leukotrienen. Sie kann im Körper synthetisiert werden, allerdings nicht aus einer gesättigten Fettsäure. Als Vorstufe benötigt der Organismus die zweifach ungesättigte Linolsäure, eine essentielle Fettsäure. Linolsäure (C18, Δ9,12) enthält eine Doppelbindung nach dem C-Atom 9 der Fettsäurekette. Da im menschlichen Körper für die Einführung dieser Doppelbindung keine entsprechende Desaturase zur Verfügung steht, kann der Mensch Linolsäure nicht selbst herstellen, sondern muss sie mit der Nahrung zu sich nehmen. Für die Einführung von Doppelbindungen und die Elongation von Fettsäuren müssen diese zunächst zum entsprechenden CoA-Derivat aktiviert werden. Aus der Linolsäure entsteht dabei Linoleyl-CoA. Nicht möglich ist die Einführung einer weiteren Doppelbindung zwischen C-15 und C-16 unter Bildung von Linolensäure (C18, Δ9,12,15), da hierfür die entsprechende Desaturase fehlt. Dagegen kann oberhalb von C-9, nämlich zwischen C-6 und C-7, eine weitere Doppelbindung ausgebildet werden; in Anwesenheit von O2 und NADPH entsteht aus Linoleyl-CoA das Δ6,9,12-Octadecatrienoyl-CoA.

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Kapitel 8

Soll aus Linolsäure (C18) die Arachidonsäure (C20) gebildet werden, so ist ist neben der Einführung von zwei zusätzlichen Doppelbindungen eine Kettenverlängerung erforderlich. Diese erfolgt nach der Einführung der ersten Doppelbildung (Æ Δ6,9,12-Octadecatrienoyl-CoA) ebenfalls auf der cytosolischen Seite des endoplasmatischen Retikulums unter Bildung von Δ8,11,14-Eicosatrienoyl-CoA. Für die Kettenverlängerung fungiert nach dem Prinzip der Fettsäuresynthese Malonyl-CoA als C2-Donor (unter Abspaltung von CO2). Die Einführung der beiden (gegenüber Linolsäure) zusätzlichen Doppelbindungen erfordert neben den entsprechenden Desaturasen die Anwesenheit von Sauerstoff. In Pflanzen ist, da die entsprechenden Desaturasen vorhanden sind, eine Einführung zusätzlicher Doppelbindungen auch jenseits von C-Atom 9 der Fettsäurekette möglich. Daher können Pflanzen aus Linolsäure (C18, Δ9,12) ohne Schwierigkeiten die dreifach ungesättigte Linolensäure (C18, Δ9,12,15) bilden.

Lösung 33:

Alternative 5

Derzeit sind fünf unterschiedliche Glucosetransporter bekannt (GLUT 1 – GLUT 5), die zwar ähnlich aufgebaut sind, sich aber in ihrer Lokalisation und ihrer Funktion unterscheiden. Einer davon (GLUT 4) kommt in den Membranen von Skelettmuskel- und Fettgewebszellen vor und ist im Gegensatz zu den anderen Glucosetransportern insulinabhängig. So führt eine hohe Insulinkonzentration zu einem verstärkten Einbau von GLUT 4 in die Plasmamembran und dadurch zu vermehrter Glucoseaufnahme. Dadurch wird der Blutzuckerspiegel gesenkt und die Glucose kann zur Synthese und Speicherung von Glykogen und Triacylglycerolen genutzt werden. Die Glucoseaufnahme aus dem Darmlumen in die Mucosazellen erfolgt durch ein Transportprotein, das Glucose zusammen mit einem Na+-Ion (Na+-Glucose-Symport) in die Zellen transportiert, nicht durch einfache passive Diffusion. Der Transport von Glucose zusammen mit Na+ in die Mucosazellen erfordert Energie. Die Hydrolyse von ATP erfolgt aber nicht direkt an den Glucosetransporter gekoppelt, sondern zum Antrieb der (auf der basalen Seite der Mucosazelle lokalisierten) Na+-K+-ATPase. Diese sorgt durch den Transport von Na+-Ionen aus der Mucosazelle ins Blut dafür, dass die Na+Konzentration in der Zelle niedriger ist als im Darmlumen, und somit Glucose zusammen mit Na+ entlang des Na+-Konzentrationsgradienten in die Zelle gelangen kann. Aufgrund der indirekten Kopplung des Glucosetransports in die Mucosazelle an die ATPHydrolyse handelt es sich um einen sekundär-aktiven Glucosetransport. Ein primär-aktiver Transport läge vor, wenn der Transport der Glucose unmittelbar mit der energieliefernden ATP-Hydrolyse gekoppelt wäre. Der Transport von Glucose durch die Plasmamembran in die Zellen wird durch Glucosetransporter vermittelt; diese benötigen aber kein ATP. Es liegt somit kein aktiver Transport vor, sondern die Glucoseaufnahme erfolgt durch erleichterte Diffusion. Die Glucosetransporter können nur freie Glucose transportieren, nicht dagegen Glucose-6phosphat. Phosphorylierte Glucose kann somit die Zellmembran nicht überwinden. Die

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

229

Phosphorylierung der Glucose nach Aufnahme ins Cytosol verhindert also auch, dass der Zelle wieder Glucose verloren geht.

Lösung 34:

Alternative 4

Die Triosephosphat-Isomerase katalysiert die reversible Umwandlung von Dihydroxyacetonphosphat in Glycerolaldehyd-3-phosphat. Beide Moleküle entstehen bei der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat durch die Aldolase. Da nur Glycerolaldehyd-3-phosphat in der Glykolyse weiter umgesetzt wird, dient die Triosephosphat-Isomerase dazu, dass auch das Dihydroxyacetonphosphat weiter in der Glykolyse abgebaut werden kann, indem es zu Glycerolaldehyd-3-phosphat isomerisiert wird. Fehlt die Triosephosphat-Isomerase, entsteht zwar pro Molekül Glucose am Ende der Glykolyse nur ein Molekül Pyruvat, die Glykolyse kann aber dennoch bis zum Ende ablaufen. Das Fehlen eines der anderen Enzyme blockiert den entsprechenden Schritt der Glykolyse. So wird die Glucose-6-phosphat-Isomerase für die Umwandlung von Glucose-6-phosphat in Fructose-6-phosphat benötigt, die Phosphofructokinase für die anschließende ATP-abhängige Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat. Diese wird durch die Aldolase in die beiden C3-Körper Glycerolaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat gespalten. Die Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysiert anschließend die Oxidation von Glycerolaldehyd-3-phosphat mit Hilfe von NAD+; die dabei frei werdende Energie wird – via Bildung eines energiereichen Thioesters als Zwischenprodukt – zur Einführung einer Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydridbindung im 1,3-Bisphosphoglycerat genutzt. Dieses reagiert anschließend unter ATP-Gewinn zum 3-Phosphoglycerat. Nach Isomerisierung zum 2-Phosphoglycerat katalysiert das Enzym Enolase die Abspaltung von Wasser unter Bildung der energiereichen Verbindung Phosphoenolpyruvat.

Lösung 35:

Alternative 6

Arsenat konkurriert mit Phosphat in der von der Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierten Reaktion. Der intermediär durch Reaktion des Aldehyds mit einer SH-Gruppe des Enzyms und nachfolgender Oxidation mit NAD+ gebildete Thioester reagiert mit vergleichbarer Geschwindigkeit entweder mit Phosphat oder Arsenat. In Abwesenheit von Arsenat entsteht (physiologisch) ausschließlich das 1,3-Bisphosphoglycerat, das anschließend unter Katalyse der Phosphoglycerat-Kinase mit ADP zu 3-Phosphoglycerat und ATP reagiert. Arsenat bildet zwar in analoger Weise ein gemischtes Anhydrid; das 1-Arseno-3-phosphoglycerat ist aber instabil und hydrolysiert in Wasser rasch zu 3-Phosphoglycerat und Arsenat. Es wird somit zwar kein ATP gebildet, die Glykolyse kann aber immerhin ausgehend vom 3Phosphoglycerat bis zum Ende ablaufen. Ist ausschließlich Arsenat und kein Phosphat anwesend, entfällt die ATP-Synthese bei diesem Schritt vollständig. Es werden somit insgesamt 2 ATP verbraucht (Bildung von Fructose-1,6-bisphosphat) und im letzten Schritt, der Reaktion von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat, 2 ATP (bezogen auf 1 Glucose) gebildet, d.h. der Nettoertrag ist Null.

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Kapitel 8

Eine Bildung von Adenosindiphosphatmonoarsenat aus ADP und 1-Arseno-3-phosphoglycerat in Analogie zur ATP-Bildung wird nicht beobachtet, vermutlich, weil das Arsensäureanhydrid zu rasch hydrolysiert. Arsenat ist zwar giftig; es führt aber, wie beschrieben, nicht zum Abbruch der Glykolyse, sondern nur zu einer verminderten bzw. fehlenden ATP-Nettoausbeute. Arsenat ist analog aufgebaut wie Phosphat und diesem strukturell äußerst ähnlich. Das Enzym Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase kann daher zwischen beiden offensichtlich nicht unterscheiden. Dies führt wie beschrieben zum Einbau von Arsenat in 1-Arseno-3-phosphoglycerat, welches rasch zerfällt. Theoretisch wäre es zwar denkbar, dass Arsenat als allosterischer Aktivator fungieren kann; das Experiment zeigt aber, das dies offensichtlich nicht der Fall sein kann. Aufgrund der praktisch identischen Struktur wie Phosphat wäre dann für dieses ein analoger Effekt zu erwarten. Das Arsenat-Ion ist ein schwaches Nucleophil; obwohl nicht prinzipiell ausgeschlossen, bewirkt es daher keine Substitution des Phosphatrests am C3 von 3-Phosphoglycerat.

Lösung 36:

Alternative 5

2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) ist einerseits ein Cofaktor der durch die PhosphoglyceratMutase katalysierten Reaktion, zum anderen fungiert es als allosterischer Effektor am Hämoglobin und fördert die Sauerstoffabgabe. Im Laufe einer Höhenadaption wird daher vermehrt 2,3-BPG gebildet, um bei verringertem Sauerstoff-Partialdruck eine ausreichende Versorgung der Gewebe zu gewährleisten. Allerdings geht durch Isomerisierung von 1,3-Bisphosphoglycerat zu 2,3-Bisphosphoglycerat die Anhydridbindung mit hohem Phosphatgruppenübertragungspotenzial verloren, so dass kein ATP mehr gebildet werden kann. Eine Phosphatase wandelt das 2,3-BPG zu 3-Phosphoglycerat um. Bei schlechter Sauerstoffversorgung oder akut hohem Energiebedarf wird im Muskel Pyruvat vermehrt zu Lactat reduziert, um NAD+ für den kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse zu regenerieren. Dieser Schritt ist jedoch mit keinem Energiegewinn verbunden. Bei guter Sauerstoffversorgung wird das Pyruvat dagegen oxidativ zu Acetyl-CoA decarboxyliert und im Citratzyklus zu CO2 abgebaut. Während Pyruvat zu Acetaldehyd decarboxyliert werden kann, ist eine Decarboxylierung von Lactat im Organismus nicht bekannt. D-Ketosäuren sind typische Substrate für eine Decarboxylierung, nicht jedoch D-Hydroxysäuren. Die Bildung von Ethanol („alkoholische Gärung“) ist also möglich aus Pyruvat durch Decarboxylierung zu Acetaldehyd und anschließende Reduktion. Ethanol kann prinzipiell zu Essigsäure oxidiert und zu Acetyl-CoA aktiviert werden, so dass Alkoholkonsum einen erheblichen Beitrag zur Energiebilanz leistet. Anaeroben Lebewesen steht kein oxidativer Stoffwechsel von Pyruvat zur Verfügung. Um das NAD+ für die Glykolyse zu regenerieren sind sie auf die Bildung von Lactat („Milchsäuregärung“) bzw. Ethanol („alkoholische Gärung“) angewiesen. Obwohl die Bildung von Lactat keine Energie liefert und Lactat eine Sackgasse darstellt, spielt die Reaktion auch beim Menschen (und anderen aeroben Lebewesen) noch eine wichtige Rolle. Bei unzureichender Sauerstoffversorgung, z.B. infolge hoher körperlicher Belastung, wird im Muskel vermehrt Lactat

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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gebildet, das anschließend über das Blut zur Leber zur weiteren Verwertung (Reoxidation zu Pyruvat) transportiert wird (Cori-Zyklus). Auch die Erythrozyten sind auf die Reduktion von Pyruvat zu Lactat angewiesen, da sie keine Mitochondrien besitzen und somit nicht zu oxidativem Stoffwechsel in der Lage sind. Im Muskel gebildetes Lactat wird über das Blut zur Leber transportiert. Dort wird es jedoch nicht glucuronidiert und ausgeschieden, sondern zu Pyruvat reoxidiert. Dieses kann anschließend für die Gluconeogenese verwendet werden oder in den Mitochondrien vollständig oxidativ abgebaut werden.

Lösung 37:

Alternative 5

Die Pyruvat-Dehydrogenase ist ein Multienzymkomplex aus drei Enzymen, der PyruvatDehydrogenase (E1), der Dihydrolipoyl-Transacetylase (E2) und der Dihydrolipoyl-Dehydrogenase (E3). Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA und verbindet damit die Glykolyse mit dem Citratzyklus. Der Komplex wird vielfältig reguliert; sowohl kovalente Modifikation als auch allosterische Effektoren und hormonelle Effekte sind beteiligt. So führt die Phosphorylierung der E1Komponente durch eine spezifische Kinase zur Inaktivierung des Komplexes; durch Dephosphorylierung kann er wieder aktiviert werden. Die Aktivität der Kinase wird ihrerseits durch die Reaktionsprodukte Acetyl-CoA und NADH/H+ erhöht und durch die Edukte Pyruvat, NAD+ und CoA-SH vermindert. Die allosterische Regulation der Pyruvat-Dehydrogenase erfolgt ebenfalls durch die Reaktionsprodukte. Hohe Konzentrationen an Acetyl-CoA hemmen die Dihydrolipoyl-Transacetylase, große Mengen an NADH/H+ die DihydrolipoylDehydrogenase. Die Catecholamine sowie Insulin beeinflussen die Aktivität des Komplexes ebenfalls: so wirken die Catecholamine aktivierend, da sie die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhen, was wiederum die Aktivität der Phosphatase steigert (Æ Dephosphorylierung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes). Insulin bewirkt ebenfalls (v.a. im Fettgewebe) eine Aktivierung. Die Umwandlung von Pyruvat zu Oxalacetat wird durch die Pyruvat-Carboxylase katalysiert; die Reaktion ist biotinabhängig und benötigt ein Molekül ATP zur Aktivierung von HCO3–. Die Reduktion von Pyruvat zu Lactat wird durch die Lactat-Dehydrogenase katalysiert. Sie dient unter anaeroben Bedingungen (z.B. im Muskel bei starker Belastung) der Regeneration von NAD+ für die Glykolyse. Im Gegensatz zur Umwandlung in Lactat ist die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA stark exergon und damit irreversibel. Acetyl-CoA kann daher nicht in Pyruvat umgewandelt werden, d.h. ein Aufbau von Kohlenhydraten aus Acetyl-CoA ist nicht möglich. Pyridoxalphosphat ist an mehreren Prozessen als Coenzym beteiligt, insbesondere im Aminosäurestoffwechsel (Transaminierung, Decarboxylierung) und beim Glykogenabbau, nicht aber an der Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion. Die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion findet in der mitochondrialen Matrix statt. Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse im Cytosol, muss daher durch einen Pyruvat-Carrier in die mitochondriale Matrix transportiert werden.

232

Lösung 38:

Kapitel 8

Alternative 2

Thiaminpyrophosphat (TPP) fungiert als Coenzym der Pyruvat-Dehydrogenase (E1). Es addiert (in Form seines Ylids) nucleophil an die Carbonylgruppe von Pyruvat, das anschließend durch die Pyruvat-Dehydrogenase decarboxyliert wird. Dabei entsteht das Hydroxyethyl-TPP, das auch als „aktivierter Aldehyd“ bezeichnet wird. Dieser kann anschließend (wie beim ersten Schritt der alkoholischen Gärung) als Acetaldehyd abgespalten werden oder unter Oxidation auf Liponamid, den zweiten essentiellen Cofaktor des Pyruvat-DehydrogenaseKomplexes, übertragen werden. Die beiden Phosphatreste im Thiaminpyrophosphat sind am Gesamtprozess der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA nicht direkt beteiligt; es werden keine Phosphatreste übertragen. Das Hydroxyethyl-TPP ist das Produkt der von der Pyruvat-Dehydrogenase katalysierten Decarboxylierung von Pyruvat. Es wird im Folgeschritt oxidiert, allerdings erfolgt die Oxidation nicht direkt durch NAD+, sondern im Zuge der Übertragung auf das Liponamid. Dabei übernimmt die Disulfidgruppe des Liponamids als Oxidationsmittel ein Elektronenpaar und bindet den entstandenen Acetylrest. Das Dihydroliponamid entsteht nach Übertragung des Acetylrestes vom Acetylliponamid auf das Coenzym A durch die Dihydrolipoyl-Transacetylase. Es spielt keine Rolle als Antioxidans (obwohl es natürlich als solches wirken kann), sondern muss in der Folge reoxidiert werden, damit wieder Liponamid zur Verfügung steht, vgl. oben. Dafür sorgt ein Flavoprotein, die Dihydrolipoyl-Dehydrogenase. Durch Übertragung von zwei Elektronen auf FAD wird das Dihydroliponamid zum Liponamid reoxidiert; es entsteht FADH2. Das FAD als Cofaktor der Dihydrolipoyl-Dehydrogenase muss ebenfalls regeneriert werden; dies geschieht durch Übertragung von zwei Elektronen vom FADH2 auf NAD+. NAD+ ist damit letztlich das Oxidationsmittel, das im Zuge der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat verbraucht wird, um das Liponamid und FAD zu regenerieren, nicht das Dihydroliponamid. Das Coenzym A reagiert nicht direkt mit dem Pyruvat, sondern übernimmt die Acetylgruppe vom Acetylliponamid, d.h. erst nach der (TPP-abhängigen) Decarboxylierung durch die Pyruvat-Dehydrogenase und der Übertragung auf Liponamid.

Lösung 39:

Alternative 1

Generell unterliegen insbesondere solche Reaktionen einer Regulation, die nahezu irreversibel verlaufen. In der Glykolyse sind dies die Reaktionen, die von der Hexokinase, der Phosphofructokinase und der Pyruvat-Kinase katalysiert werden. Der wichtigste Regulationspunkt in der Glykolyse ist die Phosphofructokinase, die oft auch als das Schrittmacherenzym der Glykolyse bezeichnet wird. Sie wird durch verschiedene Enzyme allosterisch beeinflusst. So führen hohe Konzentrationen an ATP (was eine ausreichende Versorgung der Zelle mit Energie signalisiert) zur Bindung an ein allosterisches Zentrum des Enzyms, wodurch dessen Affinität zu seinem Substrat (Fructose-6-phosphat) sinkt (Æ allosterische Hemmung). Umgekehrt bewirkt AMP (hohe Konzentration signalisiert Ener-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

233

giebedarf) eine Aktivierung und Aufhebung des Hemmeffekts von ATP. Somit reguliert das Konzentrationsverhältnis c(ATP) / c(AMP) entscheidend die Aktivität der Phosphofructokinase. Citrat verstärkt den hemmenden Effekt von ATP auf die Phosphofructokinase. Eine hohe Konzentration an Citrat, das im ersten Schritt des Citratzyklus aus Acetyl-CoA und Oxalacetat entsteht, signalisiert, dass ausreichend Acetyl-CoA vorhanden ist und somit der Abbau von Glucose gedrosselt werden kann. Fructose-2,6-bisphosphat ist ein wichtiger Metabolit, der durch das bifunktionelle Enzym mit Kinase- und Phosphataseaktivität gebildet und auch abgebaut wird. Dabei katalysiert die Kinasedomäne (Phosphofructokinase-2) die Phosphorylierung zu Fructose-2,6-bisphosphat, die Phosphatasedomäne die Dephosphorylierung zum Fructose-6-phosphat. Die Verbindung wird also selber streng reguliert und aktiviert ihrerseits die Phosphofructokinase allosterisch durch Minderung des Hemmeffekts von ATP und Erhöhung der Affinität zum Substrat. Eine Erhöhung der Konzentration an Fructose-6-phosphat in der Leberzelle als Folge eines hohen Blutglucosespiegels führt zu vermehrter Bildung von Fructose-2,6-bisphosphat, Aktivierung der Phosphofructokinase und damit verstärktem Umsatz von Fructose-6-phosphat (Feedforward-Stimulation). Die Aktivität der beiden Domänen des bifunktionellen Enzyms wird durch Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung eines Serinrestes reguliert. Auch die Pyruvat-Kinase wird allosterisch reguliert: ATP und Alanin wirken hemmend, Fructose-1,6-bisphosphat dagegen aktivierend, wodurch vermieden wird, dass es zu einer Anhäufung von Metaboliten in der Glykolyse kommt. Schließlich wird die Gesamtaktivität der Glykolyse auch noch durch die beiden als Antagonisten fungierenden Peptidhormone Glucagon und Insulin reguliert. Relativ schnell kommt es durch Insulin zur Aktivierung der cAMP-spezifischen Phosphodiesterase und damit verringerter cAMP-Konzentration. Dies bewirkt die Dephosphorylierung des bifunktionellen Enzyms, wodurch die Kinase-Aktivität und somit die Konzentration an Fructose-2,6-bisphosphat zunimmt, was wiederum die Phosphofructokinase aktiviert (s.o.). Ein zweiter wesentlich langsamer eintretender Effekt beruht auf einer Stimulation der Expression der Schlüsselenzyme der Glykolyse, d.h. von Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvat-Kinase.

Lösung 40:

Alternative 6

Bei der E-Oxidation von Fettsäuren findet zunächst eine FAD-abhängige Oxidation statt (Einführung der Doppelbindung), anschließend wird Wasser addiert und im dritten Schritt die Hydroxygruppe zur Ketogruppe oxidiert. Die Umwandlung von Succinat in Oxalacetat folgt einem analogen Muster. Der erste Schritt ist die Oxidation von Succinat zu Fumarat durch die Succinat-Dehydrogenase (mit FAD als prosthetischer Gruppe), gefolgt von der Addition von Wasser, katalysiert durch die Fumarase. Es entsteht Malat, das von der Malat-Dehydrogenase mit Hilfe von NAD+ zu Oxalacetat oxidiert wird. Der Citratzyklus umfasst insgesamt vier Oxidationen. Dabei ist an drei Reaktionen NAD+ (das zu NADH/H+ reduziert wird) beteiligt: an der von der Isocitrat-Dehydrogenase katalysierten Bildung von D-Ketoglutarat, im D-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex (oxidative Decarboxylierung zu Succinyl-CoA) und bei der Oxidation von Malat. Eine weitere FAD-

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Kapitel 8

abhängige Oxidation, die Bildung von Fumarat aus Succinat, katalysiert die SuccinatDehydrogenase. Zwei C-Atome werden ausgehend von Citrat in den folgenden Schritten als CO2 abgespalten. Durch Experimente mit radioaktiv markierten C-Atomen in Acetyl-CoA konnte gezeigt werden, dass die beiden als CO2 aus dem Citratzyklus austretenden C-Atome nicht identisch mit den eingetretenen Kohlenstoffatomen sind. Citrat weist eine tertiäre Hydroxygruppe auf, kann also nicht direkt oxidiert werden. Daher katalysiert das Enzym Aconitase zunächst eine Isomerisierung zu Isocitrat. Dessen sekundäre OH-Gruppe kann nun durch NAD+ mit Hilfe der Isocitrat-Dehydrogenase zur Ketogruppe oxidiert werden. Das Produkt ist eine E-Ketocarbonsäure und spaltet leicht CO2 ab, es entsteht das D-Ketoglutarat. Der Citratzyklus findet in den Mitochondrien statt; bis auf ein Enzym befinden sich alle anderen in der mitochondrialen Matrix. Die Succinat-Dehydrogenase ist im Unterschied dazu Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran und damit direkt in die Atmungskette integriert. Das bei der Oxidation von Succinat zu Fumarat entstehende FADH2 gibt seine beiden Elektronen dort an das Ubichinon ab und wird so zur oxidierten Form (FAD) regeneriert. Der Citratzyklus läuft tatsächlich nur unter aeroben Bedingungen (d.h. in Anwesenheit von Sauerstoff) ab. Allerdings nimmt der Sauerstoff nicht direkt am Citratzyklus teil, er wird vielmehr benötigt, um die im Citratzyklus anfallenden reduzierten Coenzyme (FADH2, NADH/H+) in der Atmungskette zu oxidieren und damit wieder für den Citratzyklus verfügbar zu machen. Sauerstoff nimmt als Endakzeptor die von NADH/H+ bzw. FADH2 in die Atmungskette eingespeisten Elektronen auf und wird dabei zu Wasser reduziert.

Lösung 41:

Alternative 1

Der erste (geschwindigkeitsbestimmende) Schritt der Hämbiosynthese findet im Mitochondrium (v.a. im Hepatozyten und in den Zellen der roten Reihe des Knochenmarks) statt; er wird durch die G-Aminolävulinsäure-Synthetase katalysiert. Dabei reagiert Glycin mit Succinyl-CoA, einem Zwischenprodukt des Citratzyklus. Der Citratzyklus läuft in den Mitochondrien ab. Erythrozyten besitzen keine Mitochondrien, so dass ihnen Citratzyklus und Atmungskette nicht zum Energiegewinn zur Verfügung stehen. Der Citratzyklus erzeugt nur ein Molekül GTP (energetisch äquivalent einem ATP); die Energieausbeute im Zyklus selbst ist also recht bescheiden. Die beim Abbau von Acetyl-CoA frei werdende Energie ist aber in den reduzierten Coenzymen (FADH2, NADH/H+) gespeichert und wird bei ihrer Reoxidation im Zuge der Atmungskette freigesetzt. Durch Elektronentransport in der Atmungskette und oxidative Phosphorylierung können pro Molekül NADH letztlich ca. 2,5 ATP gewonnen werden, pro FADH2 sind es ca. 1,5 ATP. Eine wichtige Rolle für die Regulation des Citratzyklus spielt der ATP-Bedarf der Zelle; dabei stehen die Enzyme, welche die ersten drei Reaktionen des Citratzyklus katalysieren, im Mittelpunkt der Regulation. Hohe Konzentrationen an NADH und ATP signalisieren, dass die Zelle ausreichend mit Energie versorgt ist und wirken daher tendenziell inhibitorisch; umgekehrt signalisieren hohe ADP-Konzentrationen Energiebedarf und wirken stimulierend. Somit

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

235

ist verständlich, dass die Isocitrat-Dehydrogenase durch ADP nicht gehemmt sondern aktiviert wird, während umgekehrt ATP und NADH hemmend wirken. Succinyl-CoA ist das Produkt der von der D-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysierten Reaktion; es wirkt nicht aktivierend, sondern hemmend (Produkthemmung). Hauptregulationspunkte des Citratzyklus sind die drei ersten Reaktionen, also die CitratSynthase, die Isocitrat-Dehydrogenase und die D-Ketoglutarat-Dehydrogenase, in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Prinzip, dass die Regulation möglichst zu Beginn einer Reaktionssequenz erfolgt und irreversibel verlaufende Reaktionen umfasst. Die Kopplung der Succinat-Dehydrogenase an die Atmungskette spielt für die Frage der Regulation des Citratzyklus somit keine Rolle.

Lösung 42:

Alternative 4

An der Atmungskette sind insgesamt vier Proteinkomplexe beteiligt, die Elektronen von den im Zuge des Stoffwechsels gebildeten Reduktionsäquivalenten NADH und FADH2 auf molekularen Sauerstoff übertragen. Drei dieser vier Komplexe, nämlich die NADH-UbichinonOxidoreduktase (Komplex I), die Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) und die Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV) sind in der Lage, Protonen aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen und so zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran beizutragen. Die Succinat-Ubichinon-Reduktase (= Succinat-Dehydrogenase) trägt nicht zum Protonengradient bei. Endprodukt der Atmungskette ist Wasser, das durch die Elektronenübertragung auf Sauerstoff entsteht. CO2 wird dagegen nicht gebildet; dies geschieht im Citratzyklus, wo die beiden CAtome des Acetyl-CoA oxidativ als CO2 freigesetzt werden. Triebkraft für die Atmungskette ist die Potenzialdifferenz zwischen dem NADH/H+ (niedriges Standardreduktionspotenzial) und dem Sauerstoff (hohes Standardreduktionspotenzial); sie sorgt für den Elektronentransport hin zum Endakzeptor O2. Zwischen NADH/H+ und Sauerstoff beträgt die Potenzialdifferenz ΔE = E (2 H2O/O2) – E (NADH/H+/NAD+) = 1,14 V, entsprechend einer Freien Enthalpie ΔG°´ von –220 kJ/mol. Diese Potenzialdifferenz ermöglicht den Elektronentransport entlang der Komplexe der Atmungskette und den damit verbundenen Aufbau des Protonengradienten, in dem die freigesetzte Energie gespeichert wird. Der Protonengradient seinerseits dient dazu, die ATP-Synthese anzutreiben. Der Komplex I der Atmungskette ist die NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase; hier werden die Elektronen vom NADH zunächst auf die prosthetische Gruppe Flavinmononucleotid (FMN) übertragen. FAD ist nicht beteiligt. Vom FMN gelangen die Elektronen über Eisen-SchwefelCluster zum Ubichinon (Coenzym Q), das dadurch unter Aufnahme von zwei Protonen zum Ubichinol reduziert wird. Als „Entkoppler“ bezeichnete Verbindungen, wie das 2,4-Dinitrophenol, sind lipophile schwache Säuren, die Protonen aus dem Intermembranraum in die mitochondriale Matrix transportieren können und dadurch den Protonengradient abbauen. Damit fehlt die Triebkraft für die ATP-Synthese, die somit zum Erliegen kommt; die Atmungskette läuft aber weiter ab. Die in der Atmungskette erzeugte (und im Protonengradient gespeicherte) Energie wird dadurch in Form von Wärme freigesetzt, anstatt die ATP-Synthese anzutreiben.

236

Kapitel 8

Der Elektronentransport verläuft von der Spezies mit dem niedrigsten Standardreduktionspotenzial (dem NADH/H+; Reduktionsmittel) zum Sauerstoff, der Spezies mit dem höchsten Standardreduktionspotenzial (Oxidationsmittel). Ein Transport in die umgekehrte Richtung wäre endergon und läuft nicht ab.

Lösung 43:

Alternative 3

Die beiden ersten Komplexe der Atmungskette transportieren Elektronen und Protonen, die Komplexe III und IV dagegen nur Elektronen. Sowohl der Komplex I (die NADHUbichinon-Oxidoreduktase) als auch Komplex II (die Succinat-Dehydrogenase) übertragen zwei Elektronen und zwei Protonen auf das Ubichinon, das dadurch zu Ubichinol reduziert wird. Dieses transportiert die Elektronen zur Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III). Hier endet der gemeinsame Weg von Elektronen und Protonen. Die Elektronen werden mit Hilfe des sogenannten Q-Zyklus sukzessive auf zwei Moleküle Cytochrom c übertragen, während die beiden Protonen des Ubichinols in den Intermembranraum abgegeben werden. Das Cytochrom c befindet sich frei beweglich im Intermembranraum an der inneren Mitochondrienmembran und überträgt jeweils ein Elektron auf ein Cu-Zentrum in der Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV), wo es letztlich zur Reduktion von Sauerstoff dient. Zwischen Komplex I und Komplex II findet kein Elektronentransfer statt. Während ersterer zwei Elektronen und zwei Protonen von NADH/H+ übernimmt und auf Ubichinon überträgt, sorgt der Komplex II dafür, das von der Succinat-Dehydrogenase erzeugte FADH2 durch Weitergabe von zwei Elektronen und zwei Protonen an Ubichinon zu FAD zu regenerieren. Ebenso wie zwischen Komplex I und Komplex III werden die Elektronen auch von Komplex II zu Komplex III durch Ubichinol übertragen. Cytochrom c bewerkstelligt dagegen den Elektronentransport vom Komplex III zum Komplex IV. Man kennt zahlreiche Hemmstoffe der Atmungskette, die den Elektronentransport an spezifischen Stellen inhibieren. So blockieren beispielsweise Rotenon und Amytal die Übertragung von Elektronen und Protonen von NADH/H+ auf Ubichinon im Komplex I. Antimycin A fungiert als Hemmstoff am Komplex III. Die Cytochrom c-Oxidase wird durch Substanzen wie CO und CN–-Ionen gehemmt, die mit hoher Affinität an die Hämgruppen im Komplex IV binden. Das Oligomycin ist dagegen ein Hemmstoff der ATP-Synthase. Da das Cytochrom in seiner oxidierten Form nur ein Elektron aufnehmen kann (Reduktion von Fe3+ Æ Fe2+), kann ein Ubichinolmolekül seine beiden Elektronen nicht auf ein einziges Cytochrom c übertragen. Es ist daher ein etwas komplizierterer Mechanismus erforderlich, der als Q-Zyklus bezeichnet wird. Dabei werden die beiden Elektronen des Ubichinols getrennt transportiert: eines gelangt über das sogenannte Rieske-Zentrum und Cytochrom c1 zum Cytochrom c, während das andere über zwei Cytochrom b-Zentren auf ein Ubichinon (gebunden an eine separate Bindungsstelle) übertragen wird. Das entstehende SemichinonRadikal bleibt gebunden, bis auf dem gleichen Weg ein weiteres Elektron von einem zweiten Molekül Ubichinol eintrifft (das andere Elektron des Ubichinols wird wiederum auf Cytochrom c übertragen) und es zusammen mit zwei Protonen aus dem Matrixraum zu Ubichinol reduziert. In der Summe wird so ein Molekül Ubichinol zu Ubichinon oxidiert und zwei Moleküle Cytochrom c gehen in die reduzierte (Fe2+)-Form über.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

237

Das als Rieske-Zentrum benannte Eisen-Schwefel-Protein befindet sich in der UbichinolCytochrom c-Oxidoreduktase, nicht in der Cytochrom c-Oxidase. Letztere enthält als prosthetische Gruppen Häm a und Häm a3 sowie zwei Kupfer-Zentren (CuA und CuB), die an der Elektronenübertragung vom Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff beteiligt sind.

Lösung 44:

Alternative 4

Das Malat-Aspartat-Shuttle kommt v.a. in Herz- und Leberzellen vor. Eine cytosolische Malat-Dehydrogenase reduziert Oxalacetat mit NADH/H+ zu Malat, das mit Hilfe eines Carriers die innere Mitochondrienmembran passieren kann. In der Matrix erfolgt die Reoxidation mit NAD+ zu Oxalacetat. Da für dieses kein Carrier zur Verfügung steht, erfordert der Rücktransport ins Cytosol einen Umweg. Das Oxalacetat wird durch die Aspartat-Aminotransferase in Aspartat überführt (gleichzeitig wird Glutamat in D-Ketoglutarat umgewandelt), das durch einen Carrier ins Cytosol transportiert wird. Dort wird die Aminogruppe durch die AspartatAminotransferase auf D-Ketoglutarat rückübertragen; es entsteht Oxalacetat und Glutamat. Damit ist das Oxalacetat im Cytosol regeneriert und ein neuer Zyklus kann beginnen. Das Glycerol-3-phosphat-Shuttle spielt v.a. in der Muskulatur eine Rolle. In Herz- und Leberzellen wird der Transport von NADH/H+ überwiegend durch das Malat-Aspartat-Shuttle bewältigt. Die cytosolische Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase reduziert Dihydroxyacetonphosphat mit NADH/H+ zu NAD+ und Glycerol-3-phosphat. Dieses wird anschließend durch die mitochondriale Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase reoxidiert. Das Enzym ist an die cytosolische Seite der inneren Mitochondrienmembran gebunden und überträgt die beiden Elektronen und Protonen auf enzymgebundenes FAD unter Bildung von FADH2. Von dort werden die Elektronen und die Protonen auf Ubichinon übertragen, das dadurch zum Ubichinol reduziert wird und zum Komplex III der Atmungskette gelangt. Da durch die (indirekte) Elektronenübertragung von NADH/H+ auf FAD der Komplex I der Atmungskette umgangen wird, werden weniger Protonen gepumpt, so dass die mit diesem Shuttle transportierten Elektronen und Protonen des NADH/H+ nur ca. 1,5 ATP liefern. Die Energieausbeute ist also geringer als bei einem Transport mit dem Malat-Aspartat-Shuttle. Das Glycerol-3-phosphat wird nicht durch die innere Mitochondrienmembran transportiert; vielmehr werden Elektronen und Protonen durch die mitochondriale Glycerol-3-phosphatDehydrogenase auf die prosthetische Gruppe FAD übertragen, vgl. oben. ADP und Pi werden getrennt voneinander transportiert. Der Transport von ADP in die mitochondriale Matrix ist aber an den Transport von ATP aus der Matrix ins Cytosol gebunden; er wird durch eine ADP-ATP-Translokase vermittelt. Für den Transport von Pi existiert ein Carrier, der Phosphat entweder im Symport mit H+-Ionen oder in einem Austausch gegen mitochondriales OH– ins Mitochondrium transportiert. ATP wird durch die beschriebene ADP-ATP-Translokase aus dem Mitochondrium ins Cytosol transportiert. Aufgrund der hohen negativen Ladung von ATP kommt eine Diffusion durch das hydrophobe Innere der Membran nicht in Betracht.

238

Lösung 45:

Kapitel 8

Alternative 3

Ein wichtiges Merkmal des Glykogenstoffwechsels ist, dass die gespeicherte Glucose bei Bedarf rasch mobilisiert werden kann. Da der Abbau durch die Glykogen-Phosphorylase ausschließlich vom nichtreduzierenden Ende her (und nicht beispielsweise durch Spaltung nach beliebigen internen Glucoseresten) erfolgt, wäre der Abbau sehr langsam, wenn das Glykogenmolekül ein lineares unverzweigtes Molekül wäre, wie die Amylose. Infolge der D1Æ6-Verzweigungen besitzt Glykogen zahlreiche nichtreduzierende Enden, an denen die Freisetzung von Glucose erfolgen kann, so dass eine rasche Verfügbarkeit gewährleistet ist. Glykogen ist in fast allen Zellen des Körpers vorhanden; eine Ausnahme bilden aber die Erythrozyten. Hauptspeicherorte für Glykogen sind die Leber (ca. 150 g) und die Skelettmuskulatur (ca. 250 g). Das in den Muskelzellen gespeicherte Glykogen dient zur Deckung des Glucosebedarfs des Muskels. Eine Freisetzung von Glucose, etwa zur Konstanthaltung des Blutglucosespiegels aus Muskelglykogen ist nicht möglich, da das Enzym Glucose-6-Phosphatase im Muskel nicht vorhanden ist. Im Gegensatz dazu dient das Leberglykogen im Wesentlichen dazu, Glucose für andere Organe (Gehirn, Erythrozyten) zur Verfügung zu stellen, d.h. die Leber deckt ihren Energiebedarf anderweitig. Sie registriert die aktuelle Blutglucosekonzentration und stimmt den Glykogenstoffwechsel entsprechend darauf ab, setzt also entweder Glucose frei oder verstärkt die Glykogensynthese. Wie auch bei der Synthese von Proteinen oder Nucleinsäuren müssen die Monomere (in diesem Fall die Glucose) zunächst aktiviert werden, bevor eine Verknüpfung zum Polymer erfolgen kann; freie Glucosemoleküle reagieren also nicht unter Wasserabspaltung und Ausbildung einer glykosidischen Bindung. Vielmehr muss die Glucose zunächst phosphoryliert werden, dabei gebildetes Glucose-6-phosphat wird zu Glucose-1-phosphat isomerisiert und reagiert anschließend mit Uridintriphosphat (UTP) zu UDP-Glucose und Pyrophosphat. Die Glykogen-Synthase ist nicht in der Lage, de novo mit der Synthese eines Glykogenmoleküls zu beginnen, sondern kann nur Glucosereste an ein schon bestehendes Molekül anknüpfen, wenn die unverzweigte Kette mindestens vier Glucosereste umfasst. Es ist also ein „Starter-Glykogen“ als „Primer“ erforderlich. Dieser besteht aber nicht (wie bei der DNAReplikation) aus Nucleotiden, sondern aus dem Protein Glykogenin. Dessen Glykosyltransferase-Aktivität kann an einen Tyrosinrest des Proteins durch Reaktion mit UDP-Glucose ein Glucosemolekül anknüpfen und dieses zu einer Oligosaccharidkette verlängern. Hat diese Kette eine Länge von acht Glucoseresten erreicht, kann die Glykogen-Synthase mit der Glykogensynthese fortfahren. Man kennt eine Reihe von Glykogenspeicherkrankheiten (Glykogenosen), die aber glücklicherweise sehr selten auftreten. Sie beruhen auf angeborenen Defekten von Enzymen des Glykogenstoffwechsels und führen typischerweise zu pathologischen Ablagerungen von Glykogen in verschiedenen Organen und im Muskelgewebe. Zu den häufigsten Glykogenosen gehört die Von-Gierke-Krankheit („Typ I“), die durch einen Mangel an Glucose-6Phosphatase gekennzeichnet ist. Typische Symptome sind Hypoglykämie und verstärkte Speicherung von Glykogen in der Leber.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 46:

239

Alternative 4

Glykogen wird durch Spaltung der D-1,4-glykosidischen Bindung des jeweils endständigen Glucosemoleküls abgebaut. Diese Reaktion wird von der Glykogen-Phosphorylase katalysiert, die D-1,4-glykosidische (aber nicht D-1,6-glykosidische) Bindungen phosphorolytisch zu spalten vermag, wobei der endständige Glucoserest als Glucose-1-phosphat freigesetzt wird. Vier Glucosereste vor einer D-1,6-Verzweigung kommt dieser Prozess zum Stillstand und es werden drei dieser Glucosemoleküle abgespalten und auf einen anderen Zweig übertragen. Anschließend spaltet eine D-1,6-Glucosidase hydrolytisch den D-1,6-glykosidisch gebundenen Glucoserest ab. Beide Reaktionen werden durch das sogenannte Debranching Enzym katalysiert, das Transferase- und D-1,6-Glucosidase-Aktivität vereint. Der rasche Glykogenabbau wird durch das Vorhandensein vieler nichtreduzierender Enden (aufgrund der vielen Verzweigungen) gewährleistet. Es werden stets nur einzelne Glucosereste vom nichtreduzierenden Ende abgespalten; eine hydrolytische Spaltung innerhalb der Ketten findet nicht statt. Als Coenzym der Glykogen-Phosphorylase wirkt das Pyridoxalphosphat, das als allgemeiner Säure-Base-Katalysator fungiert. Thiaminpyrophosphat ist als Coenzym u.a. an oxidativen Decarboxylierungen und an der Übertragung von C2-Einheiten durch die Transketolase im Pentosephosphatweg beteiligt. Die D-1,4-glykosidischen Bindungen im Glykogen werden phosphorolytisch durch die Glykogen-Phosphorylase gespalten; die D-1,6-glykosidischen Bindungen dagegen hydrolytisch durch die D-1,6-Glucosidase-Aktivität des Debranching-Enzyms (vgl. oben). Dabei entsteht kein Glucose-1-phosphat, sondern freie Glucose. Daher wird der Abbau eines Glykogenmoleküls mit n Resten stets weniger als n Moleküle Glucose-1-phosphat liefern, dafür eine der Zahl an Verzweigungen entsprechende Anzahl freier Glucosemoleküle. Glucose-1-phosphat muss für die weitere Verwertung im Stoffwechsel (z.B. via Glykolyse oder Pentosephosphatweg) zu Glucose-6-phosphat isomerisiert werden. Dafür wird jedoch der Phosphatrest an C-1 nicht hydrolytisch abgespalten und anschließend C-6 unter ATPAufwand phosphoryliert. Vielmehr wird zunächst von einem phosphorylierten Serinrest des Enzyms Glucosephosphat-Mutase die Phosphatgruppe auf das C-6 von Glucose-1-phosphat übertragen. Vom Zwischenprodukt Glucose-1,6-bisphosphat wird anschließend der Phosphatrest am C-1 auf das Enzym rückübertragen, wodurch Glucose-6-phosphat entsteht. Durch diesen Mechanismus wird die Energie der Phosphorsäureesterbindung konserviert. Ein sinkender Blutglucosespiegel veranlasst die Leber zum Abbau von Glykogen, wodurch nach Isomerisierung von Glucose-1-phosphat das Glucose-6-phosphat entsteht. Dieses muss, damit es an die Blutbahn abgegeben werden kann, zu freier Glucose + Phosphat gespalten werden. Das hierfür erforderliche Enzym, die Glucose-6-Phosphatase kommt nur in Leber-, nicht aber Skelettmuskelzellen vor. Deshalb sind Muskelzellen nicht zur Abgabe von Glucose in der Lage und an der Konstanthaltung des Blutglucosespiegels nicht beteiligt.

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Lösung 47:

Kapitel 8

Alternative 5

Eine Ausschüttung von Glucagon und Adrenalin signalisiert einen vermehrten Bedarf an Glucose und führt damit letztendlich zu verstärktem Abbau von Glykogen. Beide Hormone können aber die Zellmembran nicht durchdringen und somit nicht an die Proteinkinase A binden. Ihre Wirkungen werden vielmehr durch den Second messenger cAMP vermittelt. Dieser entsteht infolge Bindung des Hormons an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor, dessen G-Protein die Adenylatcyclase aktiviert. Der resultierende erhöhte intrazelluläre cAMP-Spiegel führt via Bindung an die beiden regulatorischen Untereinheiten der Proteinkinase A zur Freisetzung (und damit Aktivierung) der beiden katalytischen Untereinheiten. Die aktivierte Proteinkinase A kann nun Serinreste der Phosphorylase-Kinase phosphorylieren, wodurch diese in die aktive Form übergeht und ihrerseits die Glykogen-Phosphorylase phosphoryliert. Die Glykogen-Phosphorylase kommt in der Leber und im Muskel in zwei unterschiedlichen Isoformen vor. Dies ermöglicht eine getrennte Regulation in beiden Organen, wodurch den unterschiedlichen Funktionen von Muskel- und Leberglykogen (Deckung des Eigenbedarfs an Glucose bzw. Konstanthaltung der Glucosekonzentration im Blut) entsprochen werden kann. Die Glykogen-Phosphorylase kommt in einer aktiven phosphorylierten Form (Phosphorylase a) und einer inaktiven dephosphorylierten Form (Phosphorylase b) vor. Die Umwandlung der inaktiven in die aktive Form durch Phosphorylierung eines Serinrestes wird durch die Phosphorylase-Kinase katalysiert, die einer hormonellen Steuerung unterliegt. Während die Phosphorylase a keinen allosterischen Einflüssen unterliegt, wird die Phosphorylase b zusätzlich zur kovalenten Modifikation durch Phosphorylierung auch allosterisch reguliert. Die inaktive Form geht durch Bindung von AMP in ein partiell aktives Enzym über; durch Anwesenheit von ATP und Glucose-6-phosphat wird diese Aktivierung jedoch gehemmt. Für das Isoenzym in der Leber spielt die Regulation durch AMP bzw. ATP keine Rolle; hier hemmt Glucose die Phosphorylase a und verhindert so unnötigen Glykogenabbau bei normaler oder erhöhter Blutglucosekonzentration. Die Glykogen-Synthase wird reziprok zur Glykogen-Phosphorylase reguliert; sie ist in der dephosphorylierten Form aktiv, in der phosphorylierten Form dagegen inaktiv. Die Phosphorylierung erfolgt dabei direkt durch die Proteinkinase A. Hohe Konzentrationen an Glucose-6phosphat bewirken eine allosterische Aktivierung der inaktiven b-Form. Im Gegensatz zur Glykogen-Phosphorylase existieren für die Synthase zwischen Leber und Skelettmuskel keine Unterschiede. Insulin wird bei hohen Blutglucosekonzentrationen freigesetzt und fördert als Gegenspieler von Glucagon und Adrenalin die Glykogensynthese. Es aktiviert die Protein-Phosphatase 1, die eine Dephosphorylierung von Phosphorylase-Kinase, Glykogen-Phosphorylase und Glykogen-Synthase bewirkt; dadurch wird die Glykogensynthese stimuliert und der Abbau gehemmt.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 48:

241

Alternative 3

Fructose (aus der Spaltung von Saccharose, vgl. unten, oder in freier Form mit der Nahrung aufgenommen) gelangt nach der Resorption aus dem Darmlumen in die Leber und wird dort abgebaut. Nach Phosphorylierung am C-Atom 1 durch die Fructokinase kann Fructose-1phosphat durch eine spezifische Fructose-1-phosphat-Aldolase (Aldolase B) in Glycerolaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten werden. Ein Mangel an Aldolase B liegt bei einer erblichen Fructoseintoleranz vor; dies führt zu einer Anreicherung an Fructose-1phosphat insbesondere in der Leber und Beeinträchtigungen im Glucose- und Glykogenstoffwechsel. Saccharose, die mit der Nahrung aufgenommen wurde, wird im Darm durch Disaccharidasen in Glucose und Fructose gespalten. Die Spaltung erfolgt hydrolytisch, also ohne Beteiligung von Phosphat. Wie oben erwähnt kann die Fructose nach Phosphorylierung zu Fructose-1-phosphat in der Leber durch eine spezifische Aldolase gespalten werden (sofern keine Fructoseintoleranz vorliegt). Die entstehenden Triosen können in der Glykolyse verwertet oder zur Gluconeogenese benutzt werden. Eine Umwandlung in Glucose kann über das Sorbitol erfolgen, das durch NADH/H+-abhängige Reduktion aus Fructose entsteht; durch Oxidation an C-1 mit NADP+ geht Sorbitol in Glucose über. Im umgekehrter Richtung erfolgt die Bildung von Fructose aus Glucose in den Samenbläschen. Für die Verwertung von Galaktose erfolgt im ersten Schritt eine Phosphorylierung zu Galaktose-1-phosphat mit Hilfe der Galaktokinase. Eine Bildung von Galaktose-6-phosphat durch die Hexokinase dürfte zwar möglich sein; für diese Verbindung existiert aber kein entsprechender Abbauweg, der eine Spaltung in zwei Triosen ermöglicht. Galaktose-1-phosphat spielt eine zentrale Rolle im Galaktosestoffwechsel. Es muss aber sowohl für die Ausbildung einer glykosidischen Bindung mit Glucose (Æ Bildung von Lactose) als auch für eine Epimerisierung zu Glucose zunächst zu UDP-Galaktose aktiviert werden. Dies geschieht durch die Reaktion mit UDP-Glucose, die durch die Galaktose-1-phosphatUridyltransferase katalysiert wird, und zur Bildung von UDP-Galaktose und Glucose-1phosphat führt. Eine kongenitale Galaktosämie äußerst sich nicht in einem Mangel an Galaktose bzw. Galaktose-1-phosphat, sondern durch deren Anhäufung in Blut und Urin. Sie hat nichts zu tun mit einer Lactoseintoleranz, bei der das Enzym zur Spaltung von Lactose defekt ist. Ursache ist vielmehr ein Mangel an Galaktose-1-phosphat-Uridyltransferase, die für die oben beschriebenen Reaktionen zur Verwertung von Galaktose-1-phosphat erforderlich ist.

Lösung 49:

Alternative 3

Fructose-1,6-bisphosphat entsteht katalysiert durch das Schlüsselenzym der Glykolyse, die Phosphofructokinase, im dritten Schritt der Glykolyse. Im Pentosephosphatweg entsteht zwar Fructose-6-phosphat als Endprodukt, das durch die Phosphofructokinase-Reaktion zu Fructose-1,6-bisphosphat phosphoryliert werden kann, dieser Schritt ist aber nicht dem Pentosephosphatweg zuzurechnen.

242

Kapitel 8

6-Phosphogluconat entsteht innerhalb der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs im zweiten Schritt. Zunächst wird Glucose-6-phosphat durch die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase unter NADP+-Verbrauch zu 6-Phosphogluconolacton oxidiert, welches nach hydrolytischer Spaltung des Lactonrings das 6-Phosphogluconat liefert. Xylulose-5-phosphat entsteht durch Epimerisierung von Ribulose-5-phosphat; es ist an zwei Reaktionen der nichtoxidativen Phase beteiligt: In der von der Transketolase katalysierten Reaktion mit Ribose-5-phosphat entstehen Glycerolaldehyd-3-phosphat und Sedoheptulose7-phosphat, in der Reaktion mit Erythrose-4-phosphat werden Glycerolaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat gebildet. Erythrose-4-phosphat entsteht in der von der Transaldolase katalysierten Reaktion von Glycerolaldehyd-3-phosphat mit Sedoheptulose-7-phosphat zusammen mit Fructose-6-phosphat. Insgesamt werden durch die beschriebenen Reaktionen des nichtoxidativen Zweigs drei Pentosen (2× Xylulose-5-phosphat, 1× Ribose-5-phosphat) in zwei Moleküle Fructose-6-phosphat und ein Molekül Glycerolaldehyd-3-phosphat umgewandelt, die in der Glykolyse weiter abgebaut oder aber zur Gluconeogenese verwendet werden können.

Lösung 50:

Alternative 2

Der Pentosephosphatweg kann in allen Zellen des menschlichen Organismus ablaufen; auch die Erythrozyten sind dazu in der Lage. Hier spielt der Pentosephosphatweg sogar eine sehr wichtige Rolle, da in den Erythrozyten viel NADPH/H+ benötigt wird, um oxidiertes Glutathion wieder zu reduzieren. Aber auch in allen anderen Zellen besteht eine Hauptaufgabe des Pentosephosphatwegs in der Bereitstellung von NADPH/H+, das für viele reduktive Biosynthesen benötigt wird. Besonders aktiv ist der Pentosephosphatweg daher in allen Geweben, in denen viel Fettsäure- und Steroidsynthese erfolgt, z.B. in der Leber, den Nebennieren, im Fettgewebe und in der Schilddrüse. Ebenso wie die Glykolyse findet auch der Pentosephosphatweg im Cytosol statt. Nach der Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat muss daher entschieden werden, welcher der beiden Wege eingeschlagen wird. Man unterteilt den Pentosephosphatweg häufig in zwei Phasen; eine oxidative und eine nichtoxidative. Produkt der ersten Phase ist (neben NADPH/H+) Ribulose-5-phosphat, das über eine Pentosephosphat-Isomerase in Ribose-5-phosphat bzw. Xylulose-5-phosphat umgewandelt werden kann. Insbesondere Ribose-5-phosphat ist ein wichtiger Baustein; es findet sich in der RNA, im ATP und in Coenzymen wie NADH und FAD. In der nichtoxidativen Phase werden die in der oxidativen Phase gebildeten Pentosen durch eine Reihe reversibler Reaktionen umgebaut. In Zellen, die in erster Linie viel NADPH für biosynthetische Zwecke benötigen, z.B. Fettgewebszellen, kann dadurch nicht benötigtes Ribose-5-phosphat in Glycerolaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat umgewandelt werden. Diese beiden Monosaccharide sind Zwischenprodukte von Glykolyse und Gluconeogenese und können daher entweder in der Glykolyse weiter abgebaut oder zur Resynthese von Glucose verwendet werden.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

243

Glucose-6-phosphat kann alternativ in der Glykolyse oder im Pentosephosphatweg verstoffwechselt werden. Eine wichtige Rolle hierfür spielt die intrazelluläre NADP+-Konzentration, da NADP+ als Cofaktor bei der irreversiblen Oxidation von Glucose-6-phosphat durch die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase benötigt wird. Ein hohes Verhältnis c(NADP+) / c(NADPH) aktiviert die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und damit den Pentosephosphatweg.

Lösung 51:

Alternative 3

Die Triacylglycerol-Lipase („hormonsensitive Lipase“) im Fettgewebe wird durch reversible Phosphorylierung reguliert. Kommt es durch Bindung von Glucagon oder Catecholaminen an den Glucagon- bzw. E-Adrenozeptor zur Aktivierung der Adenylatcyclase und damit zur gesteigerten Bildung von cAMP (= Second messenger), so wird die cAMP-abhängige Proteinkinase A aktiviert. Diese phosphoryliert das Protein Perilipin, das in den Adipozyten eine schützende Hülle um die Lipidtröpfchen bildet und so ungewollte Lipolyse verhindert, sowie die Triacylglycerol-Lipase. Das phosphorylierte Perilipin verliert dadurch seine Affinität zu den Triacylglycerolen und diffundiert von den Lipidtröpfchen ab, so dass die – durch die Phosphorylierung aktivierte – Triacylglycerol-Lipase angreifen kann. Die Aktivierung der Lipase erfolgt also durch Phosphorylierung, nicht durch Dephosphorylierung, wie im Fall der Glykogen-Synthase. Der Abbau von Fettreserven (Lipolyse) wird hormonell induziert. Die Bindung von Glucagon bzw. von Catecholaminen an die entsprechenden Rezeptoren der Plasmamembran führt, wie oben erläutert, zur Aktivierung der hormonsensitiven Lipase. Die Bindung der Hormone erfolgt an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Diese weisen sieben Transmembranhelices auf (sogenannte 7TM-Rezeptoren) und führen zur Aktivierung der Adenylatcyclase, d.h. zu gesteigerter Bildung von cAMP, welches wiederum die Proteinkinase A aktiviert. Der Abbau der Triacylglycerole liefert Glycerol und Fettsäuren; beide werden ins Blut abgegeben. Während Glycerol ausgezeichnet wasserlöslich ist, sind längerkettige Fettsäuren zu hydrophob, um in freier Form mit dem Blut transportiert zu werden. Sie werden daher an Serumalbumin gebunden und so zu den peripheren Geweben transportiert. Das Glycerol gelangt mit dem Blut zur Leber und wird dort mit Hilfe der Glycerol-Kinase zu Glycerol-3-phosphat aktiviert. Dieses wird NAD+-abhängig durch die Glycerol-3-phosphatDehydrogenase zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert, das in der Glycolyse abgebaut oder zur Gluconeogenese verwendet werden kann. Zwar steht die Synthese von Triacylglycerolen unter dem Einfluss von Insulin, welches die Lipolyse hemmt und die Lipogenese stimuliert, die Speicherung der Triacylglycerole in den Fettzellen unterliegt aber keiner Regulation, so dass es zur Akkumulation großer Mengen an Fett im Organismus kommen kann.

244

Lösung 52:

Kapitel 8

Alternative 2

Die sogenannten Ketonkörper werden in den Mitochondrien der Hepatozyten, also in der Leber, bei erhöhten Konzentrationen an Acetyl-CoA gebildet. Von der Leber werden sie an das Blut abgegeben und dienen dann extrahepatischen Geweben als Energielieferanten, insbesondere der Skelettmuskulatur, dem Herzmuskel, dem Kortex der Niere und dem Gehirn. Die Leber verwertet die von ihr gebildeten Ketonkörper also nicht selbst. Aceton, E-Hydroxybutyrat und Acetacetat werden als Ketonkörper bezeichnet. Bei der Synthese der Ketonkörper reagieren zunächst zwei Moleküle Acetyl-CoA zu Acetacetyl-CoA (dies entspricht einer Umkehrung des letzten Schritts der E-Oxidation). Anschließend katalysiert die mitochondriale HMG-CoA-Synthase die Reaktion von Acetacetyl-CoA mit einem weiteren Acetyl-CoA zum 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (E-Hydroxy-Emethylglutaryl-CoA). Dieses besitzt an C-3 ein Chiralitätszentrum, das D-Konfiguration aufweist. Es ist gleichzeitig auch ein Zwischenprodukt bei der Cholesterolbiosynthese, wird dazu aber im Cytosol synthetisiert. Im Gehirn findet kein Fettsäureabbau statt, da Fettsäuren die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren können. Normalerweise ist Glucose das bevorzugte Substrat für das Gehirn zur Energiegewinnung. Herrscht jedoch Glucosemangel, so können im Zuge der Ketonkörpersynthese der Leber gebildetes Acetacetat und E-Hydroxybutyrat durch Diffusion in die Zellen des Gehirns gelangen. Es kommt dann zur Induktion der zur Verwertung notwendigen Enzyme, was jedoch eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Zur Verwertung der Ketonkörper muss daraus wieder Acetyl-CoA regeneriert werden. EHydroxybutyrat wird dafür zunächst NAD+-abhängig zu Acetacetat oxidiert, das im nächsten Schritt zu Acetacetyl-CoA aktiviert werden muss. Dafür ist eine spezielle Transferase zuständig, die eine CoA-Einheit von Succinyl-CoA auf Acetacetat überträgt; es entsteht Succinat und Acetacetyl-CoA. Dieses wird anschließend durch die 3-Keto-Thiolase mit Hilfe von Coenzym A in zwei Moleküle Acetyl-CoA gespalten. Bei Diabetes mellitus besteht Insulinmangel, die Blutglucosekonzentration steigt an. Obwohl ausreichend Glucose zur Energiegewinnung vorhanden wäre, kommt es zu einem gesteigerten Abbau von Triacylglycerolen im Fettgewebe. Der Abbau der Fettsäuren in den peripheren Geweben und in der Leber führt zu vermehrtem Anfall von Acetyl-CoA. Kann dieses (aufgrund eines Gluconeogenese-bedingten Oxalacetatmangels) nicht vollständig im Citratzyklus verwertet werden, bildet die Leber vermehrt Ketonkörper. Aceton entsteht aus Acetacetat durch eine spontane Decarboxylierung. Es hat im Stoffwechsel keine Funktion und wird mit dem Urin und mit der Atemluft unverändert ausgeschieden und ist daher ein Anzeichen für eine diabetische Stoffwechsellage.

Lösung 53:

Altenative 2

Transaminierungen sind vollständig reversible Reaktionen. Dies gilt auch, wenn daran essentielle Aminosäuren beteiligt sind; der essentielle Charakter einer Aminosäure für den Menschen spielt keine Rolle für die Gleichgewichtslage der Reaktion.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

245

D-Aminosäuren reagieren in Anwesenheit von Pyridoxalphosphat als Coenzym und einer Transaminase zur entsprechenden D-Ketosäure; eine andere D-Ketosäure wird in Umkehrung der Reaktion unter Regeneration des Pyridoxalphosphats dafür in die entsprechende D-Aminosäure umgewandelt. Zwei D-Ketosäuren, die in der Gluconeogenese vorkommen, sind das Pyruvat und das Oxalacetat. D-Ketoglutarat, das Produkt der Transaminierung von Glutamat, kann im Citratzyklus unter Gewinn von einem GTP und Reduktionsäquivalenten in Oxalacetat überführt werden. Alanin reagiert, katalysiert durch die Alanin-Aminotransferase (ALT) mit Oxalacetat unter Transaminierung zu Pyruvat und Aspartat. Aminosäuren, deren korrespondierende D-Ketosäuren im Stoffwechsel vorkommen, wie z.B. Alanin, Aspartat oder D-Ketoglutarat, sind nicht essentiell, da sie problemlos vom Organismus durch Transaminierung aus der entsprechenden D-Ketosäure gebildet werden können. Zu den essentiellen Aminosäuren existieren natürlicherweise keine entsprechenden D-Ketosäuren im Stoffwechsel. Würde man solche, z.B. Phenylpyruvat, aber mit der Nahrung zuführen, könnten daraus durch Transaminierung die entsprechenden Aminosäuren (im Beispiel: Phenylalanin) gebildet werden. Besondere Bedeutung innerhalb der Aminotransferasen kommt den beiden Enzymen AlaninAminotransferase (ALT) und Aspartat-Aminotransferase (AST) zu, die den Austausch von Aminogruppen zwischen den wichtigsten Metaboliten des Aminosäurestoffwechsels katalysieren. Die ALT findet sich vorwiegend in Hepatozyten, die AST auch in Herz- und Skelettmuskelzellen, während beide im Serum normalerweise nicht in signifikanten Konzentrationen auftreten. Sterben jedoch Zellen des entsprechenden Gewebes ab, gelangen die Enzyme ins Blut. Steigende Aktivitäten der Aminotransferasen im Blut weisen daher auf eine Schädigung der Leber hin; wird nur ein Anstieg der AST-Aktivität beobachtet, deutet dies auf einen Herzinfarkt hin.

Lösung 54:

Alternative 3

Freies Pyridoxalphosphat weist eine Aldehydgruppe auf, die auch zur Bindung an das Enzym (eine Aminotransferase) dient, wobei ein Aldimin (eine Schiff´sche Base) in protonierter Form gebildet wird. Wird eine freie Aminosäure an das Coenzym gebunden, wird die im Aldimin gebundene H-Aminogruppe des Lysinrests des Enzyms substituiert; es entsteht wiederum ein Aldimin und kein Carbonsäureamid. Analog entstünde auch bei Reaktion einer Aminosäure mit freiem Pyridoxalphosphat kein Carbonsäureamid, sondern ein Aldimin. Vitamin B6 ist die Bezeichnung für das Pyridoxol, aus dem durch Oxidation der zum PyridinStickstoff para-ständigen CH2OH-Gruppe zum Aldehyd das Pyridoxal entsteht, welches durch Phosphorylierung zum Pyridoxalphosphat in die aktive Form überführt wird. Dieses dient als Coenzym der Transaminasen und auch als allgemeiner Säure-Base-Katalysator beim phosphorolytischen Abbau von Glykogen durch die Glykogen-Phosphorylase. In den Aminotransferasen (Transaminasen) ist das Pyridoxalphosphat kovalent an eine HAminogruppe eines Lysinrests gebunden; es liegt somit als Aldimin vor.

246

Kapitel 8

Das Aldimin zwischen dem Pyridoxalphosphat und der Aminosäure geht durch Abspaltung eines Protons vom D-C-Atoms und Wiederanlagerung an den ursprünglichen AldehydKohlenstoff des Pyridoxalphosphats in eine tautomere Verbindung (ein Ketimin) über; diese liefert nach Hydrolyse die entsprechende D-Ketosäure und das Pyridoxamin. Das durch Reaktion von Pyridoxalphosphat mit der Aminosäure gebildete Aldimin besitzt neben der beschriebenen Transaminierung noch weitere Reaktionsmöglichkeiten. Anstelle der Abspaltung von H+ kann auch die Carboxylatgruppe der Aminosäure als CO2 abgespalten werden (Decarboxylierung); nach der Hydrolyse resultiert ein biogenes Amin. Ist am E-CAtom der Aminosäure eine Abgangsgruppe (wie –OH im Fall von Serin) vorhanden, kann auch Wasser eliminiert werden. Auf diese Weise kann Serin durch eliminierende Desaminierung über Aminoacrylat in Pyruvat umgewandelt werden. Nach der oben beschriebenen Tautomerisierung des Aldimins ist ein Ketimin entstanden; dieses liefert nach Hydrolyse eine D-Ketosäure und Pyridoxamin.

Lösung 55:

Alternative 3

Aufgrund seiner Toxizität kann Ammoniak, der beim Aminosäureabbau im Muskel und in anderen peripheren Geweben entsteht, nicht direkt über die Blutbahn zur Leber transportiert werden. Als „Transportform“ dienen stattdessen die beiden Aminosäuren Alanin (entsteht durch Übertragung der Aminogruppe von Glutamat auf Pyruvat) und Glutamin (entsteht aus Glutamat katalysiert durch die Glutamin-Synthetase). Glutamat fungiert dagegen selbst nicht als Transporter. Die Glutamat-Dehydrogenase katalysiert die oxidative Desaminierung von Glutamat zu DKetoglutarat. Die Reaktion ist reversibel; dementsprechend können D-Ketoglutarat und Ammoniak bei gleichzeitiger Oxidation von NADH zu NAD+ auch in Glutamat umgewandelt werden. GTP und ATP hemmen die Glutamat-Dehydrogenase, ADP und GDP aktivieren sie. Hohe Konzentrationen an ADP bzw. GDP signalisieren Energiemangel; in diesem Fall kann es demnach zu verstärkter oxidativer Desaminierung von Glutamat zu D-Ketoglutarat kommen. Die Carboxylatgruppe in der Seitenkette des Glutamats ist wenig reaktiv. Um sie in das Carbonsäureamid zu überführen, d.h. um Glutamat in Glutamin umzuwandeln, muss sie daher zunächst unter Verbrauch von ATP unter Bildung eines gemischten Anhydrids aktiviert werden. Im zweiten Schritt der von der Glutamin-Synthetase katalysierten Reaktion wird das Anhydrid dann durch nucleophilen Angriff von NH3 in das Carbonsäureamid Glutamin überführt. Wie oben bereits erwähnt ist das Alanin die wichtigste Transportform für Stickstoff aus dem Aminosäureabbau im Muskel hin zur Leber. Dort katalysiert die Alanin-Aminotransferase die Rückreaktion zu Pyruvat, das zur Gluconeogenese dient oder auch oxidativ abgebaut werden kann. In gleicher Weise wird aus dem Glutamin nach Transport zur Leber durch die Glutaminase wieder Ammoniak freigesetzt, der zur Synthese von Harnstoff verwendet wird. In der Niere dient NH3 u.a. zur Neutralisation des Urins.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 56:

247

Alternative 5

Carbamoylphosphat tritt als Intermediat in zwei verschiedenen Stoffwechselwegen auf: Im Zuge der Harnstoffbildung wird es im Mitochondrium katalysiert durch die Carbamoylphosphat-Synthetase I aus Hydrogencarbonat, Ammoniak und ATP gebildet. Zugleich dient Carbamoylphosphat als Ausgangspunkt der Pyrimidinsynthese, für die es im Cytosol durch die Carbamoylphosphat-Synthetase II gebildet wird; diese benutzt Glutamin anstelle von Ammoniak als Stickstoffquelle. Ein Molekül ATP wird für die Aktivierung von Hydrogencarbonat zum Carboxyphosphat benötigt, das durch Angriff von NH3 in Carbaminsäure übergeht. Diese wird unter Verbrauch des zweiten ATP-Moleküls zum reaktiven Carbamoylphosphat aktiviert. Insgesamt sind somit zwei ATP für die Bildung von Carbamoylphosphat erforderlich. Die Bildung von Carbamoylphosphat findet ebenso wie dessen nachfolgende Reaktion mit Ornithin zu Citrullin im Mitochondrium statt. Die weiteren Reaktionen des Harnstoffzyklus sind dann im Cytosol lokalisiert. Die Carbamoylphosphat-Synthetase I wird durch N-Acetylglutamat allosterisch aktiviert. Bei verstärktem Aminosäureabbau steigt die Konzentration an Glutamat, was vermehrte Bildung von N-Acetylglutamat und somit Aktivierung der Harnstoffbildung zur Folge hat. Diese wird somit an die Konzentration von freien Aminosäuren im Plasma angepasst. Wie oben bereits erwähnt, existiert im Cytosol eine zweite Carbamoylphosphat-Synthetase, welche die Synthese von Carbamoylphosphat für die Pyrimidinsynthese katalysiert. Aus Carbamoylphosphat und Ornithin entsteht durch Katalyse der Ornithin-Transcarbamoylase unter Abspaltung von HPO42– das Citrullin, das aus der mitochondrialen Matrix ins Cytosol transportiert wird.

Lösung 57:

Alternative 2

Citrullin wird unter Aufwand von ATP zu Citrullyl-AMP aktiviert; das freigesetzte Pyrophosphat wird zu zwei Phosphatresten hydrolysiert, so dass diese Reaktion zwei energiereiche Bindungen kostet. Das Citrullyl-AMP reagiert aber nicht mit NH3, sondern mit Aspartat unter Bildung von Argininosuccinat. Citrullin entsteht in der mitochondrialen Matrix durch die Kondensation von Ornithin mit Carbamoylphosphat. Arginin entsteht bei der von der Argininosuccinat-Lyase katalysierten Spaltung von Argininosuccinat. Das zweites Produkt ist Fumarat. Das Fumarat kann durch dieselben Reaktionen wie im Citratzyklus in Oxalacetat umgewandelt werden. Dieser Prozess wird durch cytosolische Isoformen der Fumarase und der MalatDehydrogenase katalysiert. Das Oxalacetat wird anschließend durch eine D-Aminosäure transaminiert, wobei das Aspartat zurückgewonnen wird, oder aber für die Gluconeogenese benutzt. Alternativ kann es nach Transport ins Mitochondrium auch in den Citratzyklus eingeschleust werden.

248

Kapitel 8

Das Arginin enthält eine Guanidinogruppe; diese setzt durch hydrolytische Spaltung das Produkt Harnstoff frei und regeneriert dabei Ornithin, das dadurch wieder als Reaktionspartner für Carbamoylphosphat zur Verfügung steht. Eine proteinreiche Diät hat vermehrten Protein- und damit auch Aminosäureabbau zur Folge. Entsprechend steigt die Konzentration an Glutamat, es wird mehr N-Acetylglutamat gebildet und dadurch die Carbamoylphosphat-Synthetase I und der Harnstoffzyklus aktiviert. Zu Beginn einer Nahrungskarenz kommt es infolge des fallenden Blutglucosespiegels zu einer Abnahme der Insulin- und einer Zunahme der Glucagon- und der Glucocorticoidsekretion. Im Muskelgewebe stimuliert Cortisol die Proteolyse; die freigesetzten Aminosäuren dienen der Gluconeogenese in der Leber. Dadurch fällt zunächst auch mehr Stickstoff an, der in Harnstoff umgewandelt werden muss. Da sich auch das Gehirn im Laufe einiger Tage an die Verwertung von Ketonkörpern als Brennstoff adaptieren kann, nimmt der Glucosebedarf und somit die Gluconeogenese aus Aminosäuren wieder ab; die Ausscheidung von Stickstoff mit dem Urin sinkt entsprechend.

Lösung 58:

Alternative 5

Bei physiologischen pH-Werten liegen Fettsäuren in deprotonierter Form (als Carboxylate) vor. Die Carboxylatgruppe ist ein äußerst schwaches Elektrophil und kann daher von der nucleophilen SH-Gruppe im Coenzym A nicht direkt angegriffen werden; sie muss zuerst in ein reaktives Derivat überführt werden. Die Bildung von Acyl-CoA verläuft daher in zwei Stufen. Im ersten Schritt reagiert die Carboxylatgruppe als Nucleophil mit dem elektrophilen D-Phosphoratom in ATP unter Bildung eines Acyladenylats und Pyrophosphat (PPi). Die Hydrolyse des PPi liefert die Triebkraft für den Gesamtprozess und sorgt für einen irreversiblen Ablauf. Das Acyladenylat ist ein reaktives Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydrid und wird deshalb leicht von Coenzym A unter Bildung eines Thioesters (Acyl-CoA) und Abspaltung von AMP angegriffen. Eine direkte Reaktion von Fettsäuren (die keine reaktiven Verbindungen sind) mit Coenzym A ist, wie oben erläutert, nicht möglich. Die Reaktionen der Fettsäure-Aktivierung sind an der äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert. Erst die eigentliche E-Oxidation findet in der mitochondrialen Matrix statt. Die in zwei Schritten verlaufende Reaktion der Carboxylate zu Acyl-Coenzym A wird von der Fettsäure-Thiokinase katalysiert. Das Carnitin ist kein Enzym, sondern die Verbindung 3Hydroxy-4-trimethylammoniumbutansäure. Es ist am Transport der Fettsäuren durch die innere Mitochondrienmembran beteiligt, da Acyl-CoA diese nicht durchqueren kann. Eine cytosolische Carnitin-Acyltransferase I überträgt den Acylrest von Coenzym A auf die Hydroxygruppe des Carnitins (Æ Acylcarnitin). Acylcarnitin kann durch einen Antiporter der inneren Mitochondrienmembran, die Acylcarnitin-Translokase, im Austausch gegen freies Carnitin in die mitochondriale Matrix transportiert werden. Dort erfolgt die Rückübertragung des Acylrests auf Coenzym A durch die mitochondriale Carnitin-Acyltransferase II. Da Carnitin nicht an der Aktivierung sondern am Transport der Fettsäuren in die mitochondriale Matrix beteiligt ist, führt ein Mangel nicht zu verlangsamter Aktivierung, sondern zu einer Störung des Transports. Als Folge davon reichern sich Fettsäuren im Cytoplasma und im Blut

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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an, anstatt zur Energiegewinnung zur Verfügung zu stehen. So kommt es insbesondere bei körperlicher Belastung oder auch bei längerer Nahrungsabstinenz zu Muskelschwäche und Krämpfen.

Lösung 59:

Alternative 3

Am zweiten Oxidationsschritt ist NAD+ beteiligt, nicht NADP+. Allgemein beobachtet man, dass an fast allen katabolen Oxidationsvorgängen NAD+ (und nicht NADP+) beteiligt ist, während die meisten anabolen (Biosynthese-)Reaktionen als Coenzym NADPH/H+ (und nicht NADH/H+) erfordern. Das FAD fungiert als prosthetische Gruppe der Acyl-CoA-Dehydrogenase; diese katalysiert die Einführung einer trans-Doppelbindung zwischen D- und E-C-Atom des Acyl-CoA. Dabei entsteht als erstes Zwischenprodukt der E-Oxidation das trans-Δ2-Enoyl-CoA neben FADH2. Die Doppelbindung im Enoyl-CoA wird anschließend unter Katalyse der Enoyl-CoAHydratase hydratisiert. Durch diese (stereospezifische) Addition von Wasser entsteht das L-3-Hydroxyacyl-CoA. Im dritten Schritt erfolgt die Oxidation der Hydroxylgruppe im L-3-Hydroxyacyl-CoA zur Ketogruppe durch die L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase; es entsteht 3-Ketoacyl-CoA. Als Coenzym fungiert hierbei das NAD+. Im letzten Schritt kommt es, katalysiert von der E-Thiolase, zur thiolytischen Spaltung des 3Ketoacyl-CoA infolge eines nucleophilen Angriffs der SH-Gruppe von Coenzym A am Carbonyl-C-Atom. Es resultiert ein um zwei C-Atome verkürztes Acyl-CoA und Acetyl-CoA. Das Wasser ist wie erwähnt zur Hydratisierung der Doppelbildung unter Bildung des L-3Hydroxyacyl-CoA erforderlich.

Lösung 60:

Alternative 5

Die E-Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl liefert nach Abspaltung des letzten Acetyl-CoA als Endprodukt Propionyl-CoA. Dieses kann – biotinabhängig – durch die Propionyl-CoA-Carboxylase zu D-Methylmalonyl-CoA carboxyliert werden, das durch eine Racemase in das L-Methylmalonyl-CoA umgelagert wird. Für den folgenden Schritt wird Cobalamin benötigt; die Vitamin B12-abhängige Methylmalonyl-CoA-Mutase katalysiert die intramolekulare Umlagerung von L-Methylmalonyl-CoA in Succinyl-CoA. Diese ist eine von nur zwei Reaktionen im Organismus, an denen Cobalamin direkt beteiligt ist. Das Produkt, Succinyl-CoA, kann im Citratzyklus weiter umgesetzt werden. Auch mehrfach ungesättigte Fettsäuren können vollständig zu Acetyl-CoA abgebaut werden; allerdings sind dafür zusätzliche Reaktionsschritte und Enzyme erforderlich. Dies sei am Beispiel der Linolensäure, einer dreifach ungesättigten Δ9,12,15-Fettsäure erläutert. Nach dreimaliger E-Oxidation liegt eine cis-Δ3-Doppelbindung vor, die von der cis-Δ3-Enoyl-CoA-

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Kapitel 8

Isomerase in eine trans-Δ2-Doppelbindung umgelagert werden muss. Nach einem weiteren Abbauzyklus ist eine cis-Δ4-Doppelbindung entstanden. Es folgt eine Oxidation durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase zu einem 2,4-Dienoyl-CoA, anschließend Reduktion zum Δ3ungesättigten Acyl-CoA und schließlich die Isomerisierung durch die cis-Δ3-Enoyl-CoAIsomerase zu trans-Δ2-Enoyl-CoA. Es schließen sich die gewöhnlichen weiteren Schritte der E-Oxidation an, also Hydratisierung, Oxidation der Hydroxygruppe und thiolytische Spaltung des 3-Ketoacyl-CoA. Ungesättigte Fettsäuren enthalten bereits Doppelbindungen; somit entfällt (bei einer einfach ungesättigten Fettsäure) ein Oxidationsschritt durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase und daher die Bildung von einem FADH2. Für die Atmungskette steht damit ein Elektronendonor (in Form von FADH2) weniger zur Verfügung, was einem Minderertrag von etwa 1,5 ATP entspricht. Von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffzahl werden solange Acetyl-CoA-Einheiten abgespalten, bis das CoA-Derivat der Fettsäure mit drei C-Atomen verbleibt (Propionyl-CoA). Davon kann keine C2-Einheit mehr abgespalten werden; es muss vielmehr auf andere Weise verwertet werden (s.o). Es entsteht also kein Formyl-CoA. Der erste Schritt bei der Verwertung von Propionyl-CoA ist keine Decarboxylierung, sondern eine biotinabhängige Carboxylierung, die von der Propionyl-CoA-Carboxylase katalysiert wird. Diese Reaktion verläuft analog zu der von der Pyruvat-Carboxylase katalysierten Reaktion, die Pyruvat unter Verbrauch von ATP und CO2 mit Biotin als prosthetischer Gruppe in Oxalacetat überführt. Zum größten Teil findet die E-Oxidation in den Mitochondrien statt, zu einem kleinen Teil aber auch in den Peroxisomen. Allerdings handelt es sich dabei nicht speziell um den Abbau von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffzahl. Charakteristisch ist vielmehr, dass der Abbau nur bis zu einer Länge des Restes von acht C-Atomen führt; der restliche Abbau findet dann in den Mitochondrien statt.

Lösung 61:

Alternative 5

Das Nicotinamid enthält eine Carbonsäureamidgruppe in der meta-Position (C-3) des aromatischen Pyridinrings. Die Reduktion von NAD+ zu NADH erfolgt durch Addition eines Hydrid-Ions (H–) an das C-4-Atom des Pyridinrings. Dadurch wird der Pyridinring zum Dihydropyridin reduziert und verliert seinen aromatischen Charakter. Das Nicotin(säure)amid ist ein Pyridin- und kein Pyrimidin-Derivat. Pyridin enthält ein Stickstoffatom im aromatischen Sechsring, Pyrimidin dagegen zwei N-Atome in 1,3-Position. Das Coenzym NADP+ (Nicotinamidadenindinucleotidphosphat) enthält gegenüber dem NAD+ (Nicotinamidadenindinucleotid) einen zusätzlichen Phosphatrest. Dieser befindet sich an der 3´-OH-Gruppe der an das Nicotinamid gebundenen Ribose, nicht jedoch verknüpft mit der Amidgruppe. NAD+ (und NADP+) zeigen praktisch keine Absorption bei 340 nm. Werden sie zu NADH (bzw. NADPH) reduziert, entsteht infolge der Zerstörung des aromatische S-Elektronensystems im Pyridinring eine zusätzliche Absorptionsbande mit einem Maximum bei ca.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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340 nm. Dieser Unterschied im Absorptionsverhalten ist experimentell sehr nützlich, da durch Messung der Absorbanz bei 340 nm die Bildung bzw. der Verbrauch von NAD(P)H bei enzymatischen Reaktionen leicht verfolgt werden kann. Auf diesem Verfahren („optischer Test“ bzw. „gekoppelter optischer Test“ – wenn eine NAD(P)H-bildende oder verbrauchende Reaktion einer anderen Enzymreaktion „nachgeschaltet“ wird) beruhen viele enzymatische Testverfahren. Nicotinamid wird zwar i.A. zu den Vitaminen gezählt, es kann aber dennoch vom menschlichen Organismus hergestellt werden. Ausgangsstoff für die Synthese ist die Chinolinsäure, die ein Abbauprodukt der Aminosäure Tryptophan darstellt. Der Grund für diese Zuordnung ist, dass Tryptophan zu den essentiellen Aminosäuren gehört, und in vielen Fällen als einzige Nicotinamid-Quelle nicht ausreichend ist. In der E-Oxidation von Fettsäuren finden zwei Oxidationsschritte und eine Hydratisierung statt, bevor es durch Thiolyse zur Abspaltung eines Acetyl-CoA kommt. NAD+ fungiert aber nur bei der zweiten Oxidation, die durch die 3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase katalysiert wird, als Coenzym. An der ersten Oxidation, der Einführung einer C=C-Doppelbindung durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase, ist als Coenzym das FAD beteiligt.

Lösung 62:

Alternative 3

Nicht Insulin bewirkt eine Steigerung kataboler Stoffwechselprozesse (hier: die Aktivierung der Triacylglycerol-Lipase im Fettgewebe), sondern seine Gegenspieler, Adrenalin und Glucagon. Gleichzeitig hemmen diese die Acetyl-CoA-Carboxylase, so dass die Fettsäuresynthese abnimmt. Werden große Mengen an Kohlenhydraten zugeführt, die der Körper aktuell nicht benötigt, so werden diese (via Acetyl-CoA) zur Synthese von Fettsäuren verwendet, die als Triacylglycerole gespeichert werden. Die Synthese von Fettsäuren ist u.a. für die Bildung von Membranlipiden erforderlich. Wird mit der Nahrung viel Fett zugeführt, so können die enthaltenen Fettsäuren (nach Transport ins Fettgewebe) direkt zur Synthese von Triacylglycerolen sowie zur Synthese von Membranlipiden (Phospholipide) benutzt werden. Es müssen daher weniger Fettsäuren synthetisiert werden, die Fettsäuresynthese ist gehemmt. Hohe Konzentrationen an ATP signalisieren eine ausreichende Energieversorgung der Zelle; ein weiterer Abbau, z.B. von Acetyl-CoA im Citratzyklus, ist dann nicht erforderlich. Stattdessen können Biosyntheseprozesse aktiviert werden, z.B. die Fettsäuresynthese. ATP fungiert als Aktivator der Acetyl-CoA-Carboxylase und führt so zu einer Zunahme der Konzentration an Malonyl-CoA. Die Enzyme der E-Oxidation werden nicht direkt reguliert. Limitierender (regulierender) Faktor ist vielmehr der Transport der Fettsäuren nach Aktivierung in die mitochondriale Matrix durch die Carnitin-Acyltransferase I. Diese wird durch Malonyl-CoA, das Produkt der AcetylCoA-Carboxylase, gehemmt. Dadurch wird gewährleistet, dass Fettsäureoxidation und -biosynthese nicht gleichzeitig nebeneinander ablaufen. Die Fettsäure-Synthase katalysiert nur die Bildung von gesättigten Fettsäuren bis zu einer Länge von 16–18 C-Atomen. Ungesättigte Fettsäuren werden hauptsächlich in der Leber ge-

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Kapitel 8

bildet. Ein Enzymsystem von drei Enzymen (NADH-Cytochrom b5-Reduktase, Cytochrom b5 und Desaturase) auf der Innenseite der Membran des endoplasmatischen Retikulums katalysiert die Einführung von Doppelbindungen in langkettige Acyl-CoA-Moleküle. Der Mechanismus dieser Reaktion entspricht dem einer Oxygenase: von den vier Elektronen, die zur Reduktion von O2 zu 2 H2O benötigt werden, stammen zwei aus der Fettsäure und zwei von NADH. Der menschliche Organismus vermag allerdings keine Doppelbindungen jenseits des C-9-Atoms der Fettsäurekette einzuführen, da hierfür die entsprechenden Desaturasen fehlen.

Lösung 63:

Alternative 6

Flavinmononucleotid und Nicotinsäureamid kommen nicht zusammen in einem Coenzym vor. Nicotinsäureamid ist aber Baustein eines extrem wichtigen Coenzyms vieler Oxidoreduktasen, des Nicotinamidadenindinucleotids (NAD+). Riboflavin liegt in pflanzlicher und in tierischer Nahrung jeweils in dephosphorylierter Form vor, in der es nicht resorbiert wird. Durch Phosphorylierung in der Darmmucosa entsteht als aktive (als Coenzym wirksame) Form das Flavinmononucleotid (FMN); erst dieses kann resorbiert werden. Flavinmononucleotid kann zwei Elektronen und zwei Protonen aufnehmen und wird dabei zum FMNH2 reduziert. Diese Reduktion findet am Beginn der Atmungskette am Komplex I (der NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase) statt; die Elektronen werden vom NADH/H+ geliefert, welches dadurch zu NAD+ oxidiert wird und erneut als Elektronenakzeptor in Glykolyse und Citratzyklus zur Verfügung steht. Die Reaktion von FMN mit ATP unter Abspaltung von Pyrophosphat (PPi) entspricht der Verknüpfung des Phosphatrestes von FMN mit dem Phosphatrest eines AMP-Moleküls; es entsteht das Flavinadenindinucleotid, in dem Riboflavin über eine Diphosphatbrücke mit Adenosin verbunden ist. Das FAD ist das Coenzym vieler Oxygenasen und Dehydrogenasen, u.a. solcher, welche die Einführung von Doppelbindungen katalysieren. Typische Beispiele sind die

x Acyl-CoA-Dehydrogenase: katalysiert die Einführung einer C=C-Doppelbindung zwischen dem D- und dem E-C-Atom einer Fettsäure bei der E-Oxidation

x Succinat-Dehydrogenase: katalysiert die Dehydrierung von Succinat zu Fumarat im Citratzyklus Weitere FAD-abhängige Reaktionen katalysieren die Xanthin-Oxidase (Abbau von Purinbasen) und die Lipoat-Dehydrogenase (Reoxidation von Dihydrolipoat bei der PyruvatDehydrogenase-Reaktion).

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 64:

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Alternative 2

Thiamin enthält zwei heterozyklische Ringe, einer davon ist ein substituiertes Pyrimidin. Der zweite über eine Methylengruppe (–CH2–) mit dem Pyrimidinring verknüpfte Heterozyklus ist aber kein Lactam-, sondern ein schwefelhaltiger Thiazolring. Thiamin wird im Darm resorbiert und anschließend von der Leber unter Verbrauch von zwei Molekülen ATP zweifach zur wirksamen Form, dem Thiaminpyrophosphat (TPP), phosphoryliert. Thiaminpyrophosphat wird bei der oxidativen Decarboxylierung von D-Ketosäuren als Coenzym benötigt. Eine solche Reaktion ist die Reaktion von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Im ersten Schritt addiert TPP an die Carbonylgruppe von Pyruvat, anschließend wird CO2 abgespalten. Eine Acetylgruppe (CH3–CO–) wird auf Liponamid und von dort auf Coenzym A übertragen, wodurch Acetyl-CoA entsteht. Weitere Schritte dienen zur Regeneration des Liponamids aus der reduzierten Form (Dihydroliponamid). Eine analoge oxidative Decarboxylierung findet auch im Citratzyklus statt. Hier wird unter Katalyse der D-Ketoglutarat-Dehydrogenase aus D-Ketoglutarat TPP-abhängig Succinyl-CoA gebildet. Thiaminpyrophosphat spielt auch im nichtoxidativen Zweig des Pentosephosphatwegs eine essentielle Rolle. Hier fungiert es als Coenzym der Transketolase, die mit Hilfe von TPP eine aktivierte Glykolaldehyd-Einheit überträgt. Dadurch entstehen aus den beiden Pentosen Xylulose-5-phosphat und Ribose-5-phosphat die C7-Verbindung Sedoheptulose-7-phosphat sowie Glycerolaldehyd-3-phosphat. Eine Vitamin B1-Hypovitaminose lässt sich über enzymatische Tests (Messung der Transketolaseaktivität in Erythrozyten) nachweisen und führt zu dem als Beriberi bezeichneten Krankheitsbild. Typische Symptome sind Herzinsuffizienz und neurologische Störungen. Entdeckt wurde ein Thiaminmangel zuerst bei Menschen, die sich zu einem großen Teil von poliertem Reis ernährten, da beim Schälen und Polieren von Getreide der überwiegende Anteil des Thiamins entfernt wird.

Lösung 65:

Alternative 5

Die Aufgabe der Tetrahydrofolsäure ist die Übertragung von Einkohlenstoff-Einheiten. Prinzipiell wäre zwar ein nucleophiler Angriff eines der N-Atome auf das elektrophile CarbonylC-Atom im Acetyl-CoA möglich, die Reaktion wird aber im Organismus nicht beobachtet. Tetrahydrofolsäure wird also durch Acetyl-CoA nicht acetyliert. Die Tetrahydrofolsäure ist die biologisch aktive Form der Folsäure. Diese wird in einer ersten NADPH-abhängigen Reduktion mit Hilfe der Folat-Reduktase zu 7,8-Dihydrofolat reduziert, welches anschließend erneut NADPH-abhängig durch die Dihydrofolat-Reduktase zum aktiven 5,6,7,8-Tetrahydrofolat (THF) reduziert wird. Tetrahydrofolat fungiert als Coenzym bei der Übertragung von C1-Resten. Diese können sich dabei auf verschiedenen Oxidationsstufen befinden, gebunden an die Stickstoffatome N-5 und/oder N-10, und werden größtenteils aus Serin, Formaldehyd und Histidin gebildet. So

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Kapitel 8

entstehen aus THF das N5-Methyl-THF, N5,N10-Methylen-THF, N5,N10-Methenyl-THF, N5Formimino-THF und N10-Formyl-THF. Durch NAD+- bzw. NADP+-abhängige Redoxreaktionen können einige Derivate von THF ineinander umgewandelt werden; so kann Methenyl-THF durch NADPH zu Methylen-THF und dieses durch NADH zu Methyl-THF reduziert werden. Methenyl-THF entsteht aus Formimino-THF durch Abspaltung von NH4+; Formyl-THF durch Hydratisierung von MethenylTHF. N5-Methyltetrahydrofolsäure ist der wichtigste Überträger von Methylgruppen im Stoffwechsel. Eine typische Reaktion ist die Bildung der Aminosäure Methionin durch Übertragung einer Methylgruppe durch N5-Methyl-THF auf Homocystein durch die HomocysteinMethyltransferase. Als Cofaktor ist Cobalamin (Vitamin B12) erforderlich. Bakterien sind selbst zur Synthese von Folsäure in der Lage. Ein Baustein dafür ist die pAminobenzoesäure. Sulfonamide, wie z.B. p-Aminobenzolsulfonsäure, besitzen große strukturelle Ähnlichkeit zur p-Aminobenzoesäure. Sie werden von Enzymen der Folsäuresynthese als Substrat akzeptiert und führen zu kompetitiver Hemmung der Enzyme. Man kennt auch einige als Antivitamine bezeichnete Substanzen, welche die Dihydrofolat-Reduktase hemmen und so die Bildung der biologisch aktiven Form, der Tetrahydrofolsäure behindern, z.B. Trimethoprim und Aminopterin.

Lösung 66:

Alternative 3

Charakteristisch für die Ascorbinsäure ist ihre reduzierende Wirkung; im Zuge ihrer Wirkung als Reduktionsmittel wird sie (unter Abgabe von zwei Elektronen und zwei Protonen) zu Dehydroascorbinsäure oxidiert. Ascorbat ist das Anion der Ascorbinsäure. Der Übergang von Ascorbinsäure in Ascorbat erfordert lediglich eine Deprotonierung, es ist also eine SäureBase- und keine Redoxreaktion. Dem Mensch fehlt ebenso wie Primaten und Meerschweinchen das Enzym L-GulonolactonOxidase, das für eine Synthese von Ascorbinsäure aus Glucuronsäure erforderlich ist. Alle anderen Tiere sind dazu in der Lage, so dass sie nicht auf eine Zufuhr von Ascorbinsäure angewiesen sind. Ein Blick auf die Strukturformel der Ascorbinsäure zeigt, dass keine Carboxylgruppe vorhanden ist, die saure Eigenschaft (pKS | 4) also anderweitig erklärt werden muss. Ursache ist die Endiol-Gruppierung. Die Abspaltung eines Protons von der Hydroxygruppe an C-3 ergibt ein Anion, dessen Ladung effektiv mesomeriestabilisiert werden kann. Außerdem kann zwischen der verbliebenen Hydroxygruppe und dem Alkoholat-Sauerstoff eine intramolekulare Wasserstoffbrücke gebildet werden, die zusätzlich zur Stabilisierung der deprotonierten Form der Ascorbinsäure (des Ascorbats) beiträgt. Die zellulären Funktionen der Ascorbinsäure beruhen auf ihren Eigenschaften als Redoxpartner. In Anwesenheit von Sauerstoff werden Substrate hydroxyliert, das zweite O-Atom des O2-Moleküls wird zu Wasser reduziert: Ascorbat + R–H + O2  o Dehydroascorbat + R–OH + H2O

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

255

Wichtige Beispiele für Ascorbat-abhängige Hydroxylierungen sind die Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten (Kollagensynthese), die Hydroxylierung von Dopamin zu Noradrenalin, sowie Hydroxylierungen bei Hormonen der Nebennierenrinde. Aufgrund ihrer guten reduzierenden Wirkung kann Ascorbinsäure auch Methämoglobin (enthält Fe3+) zu Hämoglobin (enthält Fe2+) reduzieren, welches allein zur Bindung von Sauerstoff in der Lage ist. Da Ascorbinsäure in vielen Lebensmitteln (besonders in frischem Obst und Gemüse) reichlich vorkommt, ist ein manifester Ascorbinsäuremangel heutzutage selten. Früher war dies jedoch besonders bei Seefahrern häufig ein großes Problem, da die Ernährung auf See infolge mangelnder Haltbarkeit von frischem Obst und Gemüse einseitig und vitaminarm war. Abhilfe schuf die „Erfindung“ des Sauerkrauts, das hohen Vitamin C-Gehalt mit ausreichender Haltbarkeit verbindet. Die Folge eines Ascorbinsäuremangels sind Symptome, die in ihrer Gesamtheit unter dem Begriff Skorbut zusammengefasst werden. Es kommt zu herabgesetzter Festigkeit von Bindegewebe und Knochen, Zahnfleischbluten und Zahnausfall sowie punktförmigen Hautblutungen. Wesentliche Ursache sind eine mangelnde Hydroxylierung von Lysin- und Prolinresten bei der Kollagensynthese.

Lösung 67:

Alternative 4

In den Zielzellen wird Cobalamin in zwei unterschiedliche, aktive Formen umgewandelt: das Methylcobalamin und das 5´-Desoxyadenosylcobalamin. Jede dieser beiden Formen besitzt eine spezifische Funktion im Organismus. Beim Abbau von Fettsäuren mit ungerader Kohlenstoffanzahl entsteht durch Carboxylierung von Propionyl-CoA das Methylmalonyl-CoA. 5´Desoxyadenosylcobalamin fungiert als Coenzym der Methylmalonyl-CoA-Mutase und katalysiert dessen intramolekulare Umlagerung zu Succinyl-CoA, das im Citratzyklus weiter verwertet werden kann. Das Methylcobalamin ist das Coenzym der Homocystein-Methyltransferase, welche die Methylierung von Homocystein zu Methionin katalysiert. Als Methylgruppendonor fungiert N5-Methyltetrahydrofolat, das in Tetrahydrofolat übergeht. Zentraler Bestandteil des Cobalamins ist ein Corrinringsystem, das zwar eng mit den Porphyrinen verwandt ist, aber dennoch keine Hämgruppe darstellt. Es besteht aus vier teilweise hydrierten Pyrrolringen, die ein zentrales Co+-Ion quadratisch planar koordinieren. Die fünfte Koordinationsstelle besetzt ein 5,6-Dimethylbenzimidazol-Derivat, als sechster Ligand fungiert entweder ein CN–-Ion, ein 5´-Desoxyadenosyl- oder ein Methylrest. Vitamin B12 selbst wird als „Extrinsic factor“ bezeichnet; für seine Resorption muss es sich im Magen mit einem Glykoprotein (das als „Intrinsic factor“ bezeichnet wird) zu einem wasserlöslichen Komplex verbinden. Der Intrinsic factor schützt das Cobalamin auch vor Verdauungsenzymen und wird mit diesem zusammen von den Epithelzellen des Ileums rezeptorvermittelt resorbiert. Der Intrinsic factor wird abgebaut, der Rezeptor gelangt zurück zur Membran und das Cobalamin wird an das Blut abgegeben. Die Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin verläuft ohne Cobalamin-Beteiligung: als Methylgruppen-Donor fungiert hierbei das S-Adenosylmethionin, das dabei in S-Adenosylhomocystein übergeht. Erst bei der Regeneration von Methionin aus Homocystein wird Methylcobalamin benötigt.

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Kapitel 8

Methylcobalamin ist also nicht am Abbau von Methionin beteiligt, sondern vielmehr bei seiner Regeneration aus Homocystein. Die Leber weist eine recht hohe Speicherfähigkeit für Cobalamin auf. Dadurch treten Mangelerscheinungen erst mit einer Verzögerung von Monaten bis Jahren auf, nachdem die Resorption gestört wurde. Ein Cobalamin-Mangel äußert sich in einer megaloblastären Anämie (d.h. einer Störung der Erythropoese aufgrund verlangsamter DNA-Synthese), sowie in neurologischen Störungen. Ersteres hängt mit dem Tetrahydrofolat-Metabolismus zusammen. Die Vitamin B12-abhängige Methioninsynthese aus Homocystein regeneriert auch Tetrahydrofolat aus Methyltetrahydrofolat. Vitamin B12-Mangel führt daher zu einer Akkumulation von Methyl-THF und entsprechendem Mangel an THF-Derivaten, die für die Purin- und dTMPBiosynthese benötigt werden. Die neurologischen Störungen hängen mit einer Demyelinierung von Nervengewebe zusammen. Man nimmt an, dass eine Anhäufung von Methylmalonyl-CoA mit der Ausbildung von Myelinscheiden interferiert, da es einerseits als kompetitiver Inhibitor von Malonyl-CoA bei der Fettsäurebiosynthese fungiert und anderseits zur Ausbildung verzweigter Fettsäuren führt, die die Membranstruktur stören.

Lösung 68:

Alternative 5

Der Calciumhaushalt wird durch drei Hormone reguliert. Dabei sorgt das 1,25-Dihydroxycholecalciferol (Calcitriol) für eine Erhöhung des Ca2+-Spiegels im Blut, indem es die Calciumresorption im Darm steigert. Gleichzeitig wird der Einbau von Ca2+ in den Knochen gefördert. Das Parathormon fördert in gleicher Weise die Ca2+-Resorption im Darm, bewirkt aber andererseits den Abbau von Ca2+ und Phosphat im Knochen, was beides zur Erhöhung der Ca2+-Konzentration im Blut führt. Calcitonin verstärkt ebenfalls den Ca2+-Einbau im Knochen (wirkt also synergistisch zu 1,25-Dihydroxycholecalciferol) und fördert andererseits die Ausscheidung von Ca2+ (Æ Antagonist) und Phosphat über die Niere. Die Leber spielt zwar eine wichtige Rolle bei der Synthese der Calciferole, es sind aber auch die Haut und die Niere beteiligt. Aus dem Provitamin 7-Dehydrocholesterol wird unter Einwirkung von UV-Licht in der Haut der Ring B des Sterangerüstes gespalten, wobei das Cholecalciferol (Vitamin D3) entsteht. Dieses ist nur relativ schwach aktiv und wird nach Transport in die Leber NADPH-abhängig zu 25-Hydroxycholecalciferol hydroxyliert. Letzteres gelangt in die Niere und wird dort zum 1,25-Dihydroxycholecalciferol hydroxyliert. In gleicher Weise wird auch das pflanzliche Ergosterol durch UV-Licht in Ergocalciferol (Vitamin D2) überführt und anschließend in Leber und Niere zum 1,25-Dihydroxyergocalciferol umgesetzt. Der limitierende Faktor für die Biosynthese der biologisch wirksamen Vitamine aus den Provitaminen ist nicht die Verfügbarkeit des jeweiligen Provitamins, sondern die photochemische Reaktion in der Haut. In vielen Fällen dienen Hydroxylierungen zur Aktivierung von Metaboliten für eine nachfolgende Kondensation beispielsweise mit Glucuronsäure zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit. Im Fall der Calciferole bewirkt die Hydroxylierung jedoch eine Steigerung der biologischen Aktivität. 1,25-Dihydroxycholecalciferol und Calcitonin erhöhen zwar beide den Einbau von Ca2+ in Knochen (synergistische Wirkung), wirken aber auf den Ca2+-Spiegel in antagonistischer

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Weise. Während Calcitonin die Ca2+-Auscheidung fördert und so die Konzentration im Blut senkt, hat das 1,25-Dihydroxycholecalciferol den umgekehrten Effekt. Ein Mangel an Cholecalciferol kommt meist durch Resorptionsstörungen oder aber eine Störung der Hydroxylierung zustande. In früheren Jahrhunderten war oft mangelnde UV-Bestrahlung Ursache für einen Vitamin D-Mangel bei Kindern, was zur Rachitis führen kann, einer mangelnden Mineralisation des Knochens während der Wachstumsphase. Ein Überschuss an Calciferol durch übermäßige Zufuhr von Vitaminpräparaten kann zu ausgeprägtem Abbau von Knochensubstanz führen, woraus erhöhte Ca2+- und Phosphatkonzentrationen im Blut resultieren.

Lösung 69:

Alternative 4

Vitamin A spielt eine essentielle Rolle beim Sehvorgang. Die aktive Form hierbei ist jedoch das Retinal, nicht das Retinol. 11-cis-Retinal bildet mit einer Aminogruppe des Opsins ein Imin (Schiff´sche Base) aus; es entsteht das Rhodopsin. Zu den Provitaminen von Retinol (Vitamin A) zählt man die Carotinoide D-, E- und J-Carotin. Dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffe aus 40 C-Atomen, die durch Verknüpfung von acht Isopreneinheiten ausschließlich von Pflanzen gebildet werden. Sie enthalten ein konjugiertes S-Bindungssystem, was zu ihrer Absorption im sichtbaren Spektralbereich führt. Das E-Carotin kann durch O2 in Anwesenheit einer Dioxygenase oxidativ in zwei Moleküle Retinal gespalten werden. Dagegen liefert das D-Carotin nur ein Molekül Retinal, da es nur einen E-Iononring besitzt, der für die Vitaminsynthese erforderlich ist. Retinal kann anschließend durch eine NADH-abhängige Dehydrogenase zu Retinol (Vitamin A) reduziert und in veresterter Form in der Leber gespeichert werden. Retinol wiederum kann reversibel durch eine Alkohol-Dehydrogenase zu Retinal oxidiert werden. Dabei reagiert sowohl die 11-cis- wie auch die 11-trans-Form; beide können zudem auf der Oxidationsstufe des Alkohols (Retinol) wie auch des Aldehyds (Retinal) durch eine Isomerase ineinander umgewandelt werden. Das Rhodopsin (entstanden aus 11-cis-Retinal und Opsin) ist ein Membranprotein und bildet die lichtempfindliche Substanz in den Stäbchen der Netzhaut. Durch Absorption eines Lichtquants kommt es zur Isomerisierung der 11-cis-Doppelbindung in die trans-Form. Dies bewirkt eine Konformationsänderung im Opsin und den Zerfall des Rhodopsins in Opsin und 11-trans-Retinal, wodurch ein elektrischer Nervenimpuls ausgelöst wird. Der größte Teil des 11-trans-Retinals wird zu all-trans-Retinol reduziert, in die Blutbahn abgegeben, von der Leber zum 11-cis-Retinol isomerisiert und schließlich wieder zu 11-cis-Retinal oxidiert, das danach wieder für eine Rhodopsinbildung zur Verfügung steht. Im Normalfall verlaufen Rhodopsinspaltung und -neubildung mit gleicher Geschwindigkeit. Bei einem Mangel an Retinol ist die Regeneration des Rhodopsins dagegen verlangsamt; die Anpassung an Dunkelheit ist entsprechend erschwert und es kommt zu Nachtblindheit. Die für das Farbensehen zuständigen Zapfen enthalten als Sehpigmente andere Opsinformen und sind weniger lichtempfindlich, so dass bei Dämmerung nur noch monochromatisches Sehen möglich ist.

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Lösung 70:

Kapitel 8

Alternative 3

Der menschliche Organismus verfügt über etwa 150 g Kalium-Ionen, die überwiegend intrazellulär vorkommen. So beträgt die Konzentration im Intrazellularraum ca. 155 mmol/L, im Extrazellularraum dagegen nur ca. 4 mmol/L. Die Kalium-Ionen sind essentiell zur Aufrechterhaltung von Membranpotenzialen, insbesondere des Ruhepotenzials. Natrium-Ionen liegen überwiegend extrazellulär vor; so beträgt die Plasmakonzentration etwa 150 mmol/L verglichen mit ca. 10 mmol/L intrazellulär. Reguliert wird der Natrium-Haushalt durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS). Eine durch Aldosteron vermittelte gesteigerte Rückresorption von Na+ in der Niere erhöht den osmotischen Druck im Intravasalraum und führt zur Wasserretention. Die Resorption von Na+-Ionen (v.a. im Dünndarm) ist parazellulär (d.h. durch freie Diffusion vom Darmlumen ins Blut) und transzellulär möglich. Die transzelluläre Diffusion ist energieabhängig und erfolgt unter Beteiligung der Na+-K+-ATPase. Diese befördert auf der dem Darmlumen abgewandten Basalseite des Enterozyten 3 Na+-Ionen ins Blut und 2 K+-Ionen in die Zelle. Dadurch wird die Na+-Konzentration in der Zelle niedriger als im Darmlumen und Na+-Ionen können entlang des Konzentrationsgradienten durch Carrier im Symport mit Glucose und Aminosäuren in die Zelle transportiert werden. Auch im übrigen Organismus erfolgt der Transport überwiegend transzellulär unter Beteiligung der ATPase. Chlorid-Ionen sind die wichtigsten Anionen im Extrazellularraum. Insbesondere tragen sie bei, den Säure-Base-Haushalt zu kontrollieren. Im Erythrozyten von der Carboanhydrase gebildetes HCO3– tritt ins Blutplasma aus, im Austausch gegen Cl–-Ionen, die über einen Anionenkanal (als Protein 3 bezeichnet) einströmen und so das Ladungsgleichgewicht aufrecht erhalten können. Es existieren mehrere Ionenkanäle, die den Transport von Chlorid-Ionen vermitteln, z.B. das im letzten Abschnitt erwähnte Protein 3 in den Erythrozyten. Ein weiteres wichtiges Beispiel sind durch J-Aminobuttersäure regulierte Chlorid-Kanäle (GABAA-Rezeptor-Chlorid-KanalKomplexe) an neuronalen Membranen. Die Bindung von GABA führt zur Stimulation und Öffnung des Ionenkanals; der vermehrte Einstrom von Cl– bewirkt eine Hyperpolarisation und damit verminderte Erregbarkeit des Neurons. Magnesium-Ionen sind einerseits am Skelettsystem beteiligt; die übrige Menge findet sich überwiegend im Intrazellularraum. Dort wirkt es als Cofaktor vieler Enzyme und ist besonders an Reaktionen von Phosphorsäureestern beteiligt. Unverzichtbar ist Mg2+ für alle ATPabhängigen Reaktionen; es bildet einen stabilen, reaktiven ATP-Mg2+-Komplex aus. In ähnlicher Weise ist Mg2+ für die DNA- und RNA-Synthese erforderlich.

Lösung 71:

Alternative 1

Die Gesamtmasse an Calcium im menschlichen Körper beträgt ca. 1,5 kg; davon entfallen etwa 99 % auf das Skelettsystem, in dem Ca2+-Ionen zusammen mit Phosphat-Ionen als Hydroxylapatit Ca10(PO4)6(OH)2 vorliegen. Die Knochenmasse fungiert damit auch als wichtiger Ca2+-Speicher.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Der Transport von Ca2+ in die Zelle kann sowohl passiv durch spannungsregulierte und ligandenaktivierte Ca2+-Ionenkanäle als auch aktiv durch Ca2+-ATPasen erfolgen. Letztere transportieren 2 mol Ca2+ pro mol ATP, welches hydrolysiert wird. Der Transport aus der Zelle heraus erfolgt entweder primär-aktiv (durch Ca2+-ATPasen) oder sekundär-aktiv im Antiport gegen 3 Na+-Ionen. Innerhalb der Zelle sind wiederum Ca2+-ATPasen für den Transport in das endoplasmatische Retikulum, das den wichtigsten Ca2+-Speicher bildet, zuständig. In Muskelzellen wird diese Rolle vom sarkoplasmischen Retikulum erfüllt. An der Freisetzung von Ca2+-Ionen aus den Speichern sind IP3-Rezeptoren beteiligt. Nun ein geringer Anteil an Ca2+ im Cytoplasma liegt in freier Form vor. Es fungiert als Second messenger und bindet u.a. an das Protein Calmodulin; der gebildete CalciumCalmodulin-Komplex aktiviert dann verschiedene Enzyme. Auch für die Blutgerinnung sind Ca2+-Ionen unverzichtbar. Sie fungieren als Cofaktoren mehrerer Serinproteasen, in dem sie die Bindung negativ geladener Proteindomänen an negativ geladene Phospholipidmembranen vermitteln. Der Großteil (ca. 85 %) des Phosphats im Organismus ist zwar im Hydroxylapatit des Skelettsystems gebunden; die restliche Menge erfüllt aber viele weitere wichtige Aufgaben als Bestandteil von Nucleinsäuren, Phospholipiden, Phosphoproteinen, phosphorylierten Zuckern usw. Zahlreiche Enzyme werden durch Phosphorylierung in ihrer Aktivität reguliert, z.B. die Glykogen-Phosphorylase oder die Glykogen-Synthase. Durch seine „energiereiche“ Bindung im ATP (Phosphorsäureanhydridbindung) ist das Phosphat an sehr vielen Stoffwechselprozessen beteiligt. Anorganisches Phosphat (Pi) leitet sich von der Phosphorsäure (H3PO4) ab, die nur bei niedrigen pH-Werten in undissoziierter Form vorliegt. Bei physiologischen pH-Werten überwiegt das Hydrogenphosphat (HPO42–) mit einem Anteil von etwa 80 % gegenüber dem Dihydrogenphosphat mit ca. 20 %. Beide zusammen bilden ein Puffersystem, das aber aufgrund der vergleichsweise niedrigen Konzentrationen an Phosphat im Blut nur einen kleinen Beitrag zur Gesamtpufferkapazität leistet.

Lösung 72:

Alternative 6

Nach der Resorption wird der Großteil des Eisens in Form von Fe2+-Ionen über die basale Membran der Darmepithelzellen ins Plasma abgegeben. Dort wird es durch den Enzymkomplex Coeruloplasmin (Ferrioxidase I) sofort zu Fe3+ oxidiert, da es nur in dieser Form an das Transportprotein Apotransferrin gebunden und transportiert werden kann. Der menschliche Körper enthält ca. 5–7 g Eisen, wovon der größte Anteil (ca. 70 %) im Hämoglobin gebunden vorliegt. Weitere 9 % entfallen auf Myoglobin, das als Sauerstoffspeicher im Muskel dient; etwa 15 % liegen in Leberparenchymzellen und in retikuloendothelialen Zellen von Knochenmark, Leber und Milz in gespeicherter Form vor. Der gesamte Gehalt in den Cytochromen beträgt ebenso wie in den übrigen eisenhaltigen Enzymen (z.B. Katalase, Peroxidase) nur etwa 0,1 % der Gesamtmenge im Körper. Die Resorption erfolgt v.a. im Duodenum. Dabei wird überwiegend Fe2+ resorbiert, da es besser löslich und leichter resorbierbar ist. Daher erleichtern reduzierend oder antioxidativ

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Kapitel 8

wirkende Substanzen, wie z.B. Ascorbinsäure oder SH-Gruppen in Nahrungsproteinen, die Resorption, da sie Fe3+-Ionen zu Fe2+ reduzieren können bzw. eine Oxidation von Fe2+-Ionen verhindern. Umgekehrt wird die Resorption durch Komplexbildner behindert, da gebildete Fe-Komplexe schlecht oder gar nicht resorbiert werden können. In schwarzem und grünem Tee sowie in Kaffee reichlich enthaltene Gerbsäuren (Epicatechingallate) hemmen die Resorption daher ebenso wie Phosphat- und Oxalat-Ionen. Nach der Oxidation von Fe2+-Ionen im Plasma zu Fe3+ durch das Coeruloplasmin werden die Fe3+-Ionen an ein Transportprotein gebunden. Dabei handelt es sich um das Apotransferrin, ein E-Globulin aus zwei Untereinheiten, welches zwei Fe3+-Ionen binden kann. Der entstehende Komplex wird als Transferrin bezeichnet. Apoferritin fungiert als Eisenspeicherprotein und dient nicht dem Transport. Im Organismus existieren verschiedene Speicherorte für Eisen-Ionen, insbesondere die Leberparenchymzellen und die retikuloendothelialen Zellen von Knochenmark, Leber und Milz. Eisen(II)-Ionen werden intrazellulär zu Fe3+ oxidiert und an das Eisenspeicherprotein Apoferritin, das aus 24 Polypeptiden besteht und ca. 2400 Fe3+-Ionen speichern kann, gebunden. Der entstehende lösliche Komplex wird als Ferritin bezeichnet. Zur Mobilisation erfolgt die Reduktion zu Fe2+-Ionen durch die Ferritin-Reduktase; die Fe2+-Ionen werden freigesetzt.

Lösung 73:

Alternative 4

Eine Hämochromatose ist nicht durch mangelnde, sondern eine pathologisch erhöhte Eisenspeicherung charakterisiert. Die Eisenresorption im Darm ist durch einen autosomal-rezessiv vererbten Gendefekt stark erhöht; dadurch steigt die Gesamtmasse an Eisen im Körper deutlich an. Infolge von Eisenablagerungen in Gelenken, Leber, Herz und Haut kommt es zu Gelenkbeschwerden, Leberschäden, einer degenerativen Herzerkrankung sowie zu Hautverfärbungen. Die Gesamtmenge an Apotransferrin und Transferrin (Komplex aus Apotransferrin und Fe3+) wird als totale Eisenbindungskapazität bezeichnet; dabei hat das Transferrin einen Anteil von etwa 30 %. Das verbleibende, nicht mit Fe3+ komplexierte Apotransferrin stellt die latente Eisenbindungskapazität dar. Benötigt eine Zelle Eisen, so bildet sie Transferrinrezeptoren aus, die Transferrin erkennen, binden und durch Endozytose in die Zelle aufnehmen. Die Komplexe aus Transferrin und Transferrinrezeptor werden von den Lysosomen aufgenommen, wo der relativ niedrige pHWert zur Freisetzung der Fe3+-Ionen führt. Rezeptor und Apotransferrin gelangen zurück zur Zellmembran, das Apotransferrin steht anschließend für eine erneute Bindung von Fe3+ zur Verfügung. Ein mL Blut enthält ca. 0,5 mg Eisen. Bei der Menstruation gehen so jeweils etwa 10–15 mg Eisen verloren; bei Verlust von 1 L Blut entsprechend ca. 0,5 g, d.h. knapp 10 % der gesamten Masse an Eisen im Körper. Beim Hämosiderin handelt es sich um eine weitgehend unlösliche Speicherform von Eisen, die Eisenhydroxid (Fe(OH)3) enthält. Ist zu viel Eisen im Körper vorhanden, so kommt es zu einer vermehrten Ablagerung von Hämosiderin; man spricht dann von einer Hämosiderose.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Im Gegensatz zu einer megaloblastären Anämie, die durch Folsäuremangel verursacht wird, beruht eine hypochrome Anämie auf einer verringerten Hämoglobinsynthese. Ursache sind zu geringe Eisenreserven im Körper, bedingt beispielsweise durch Mangelernährung, Resorptionsstörungen oder Blutverluste. Während des Wachstums oder während einer Schwangerschaft ist der Eisenbedarf erhöht.

Lösung 74:

Alternative 4

Selen ist integraler Bestandteil des Enzyms Glutathion-Peroxidase, das als antioxidatives Schutzsystem im Erythrozyten fungiert. Allerdings wirkt das Selen stets als Bestandteil der Aminosäure Selenocystein (mit einer –Se–H-Gruppe in der Seitenkette), nicht als anorganisches Selenat. Selenocystein findet sich auch in der Thyroxin-5´-Deiodase, die die Umwandlung von Tetraiodthyronin (Thyroxin) in Triiodthyronin katalysiert. Kupfer(II)-Ionen sind ein gutes Oxidationsmittel und als Coenzym in zahlreichen an Redoxreaktionen beteiligten Enzymen (Oxidoreduktasen) enthalten. Beispiele sind die Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV der Atmungskette), das Coeruloplasmin (Oxidation von Fe2+Ionen), die Superoxid-Dismutase (Entgiftung des toxischen Superoxid-Radikals O2–) und die Katalase (Disproportionierung von H2O2 zu O2 und H2O). Im Golgi-Apparat wird Kupfer an Apocoeruloplasmin gebunden; das entstehende (Holo)Coeruloplasmin wird bei Bedarf ins Blut abgegeben. Coeruloplasmin ist ein D2-Globulin und dient als Kupferspeicherprotein. Daneben besitzt es Ferrioxidase-Aktivität, d.h. es ist in der Lage, Fe2+-Ionen im Plasma zu Fe3+ zu oxidieren. Zink ist neben dem Eisen das häufigste Spurenelement im Organismus; die Gesamtmenge beträgt ca. 2–3 g. Zink-Ionen wechselwirken mit tRNA, sind Bestandteil von regulatorischen DNA-Bindeproteinen und beeinflussen so die Genexpression. Daneben existieren zahlreiche (mehr als 70) Metalloenzyme mit Zn2+ als Cofaktor. Darunter befinden sich mehrere Dehydrogenasen, z.B. die Alkohol-, die Lactat- und die Malat-Dehydrogenase, die PankreasCarboxypeptidasen, die Carboanhydrase und die Superoxid-Dismutase. Der menschliche Körper enthält ca. 10–20 mg Iod, den überwiegenden Teil davon in der Schilddrüse. Neben seiner Eigenschaft als Bestandteil der beiden Schilddrüsenhormone Triiodthyronin (T3) und Tetraiodthyronin (Thyroxin; T4) scheint das Iod keine weiteren Funktionen im Organismus zu besitzen. Iodid wird im Darm nahezu vollständig resorbiert, im Blut an Plasmaproteine gebunden und unter Energieaufwand durch eine Iodidpumpe (im Symport mit Na+) in die Schilddrüsenzellen transportiert, wo die Synthese der genannten beiden Hormone stattfindet. Bei Iodmangel kommt es zu einer verminderten Synthese der Schilddrüsenhormone (Hypothyreose). Der Körper versucht dem durch eine verstärkte Stimulation der Schilddrüse, vermittelt durch das Hormon TSH (Thyreoidea-stimulierendes Hormon), entgegenzuwirken. Es resultiert eine Vermehrung des Schilddrüsengewebes mit der Folge einer Strumabildung.

262

Kapitel 8

Lösung 75:

Alternative 3

Auf den ersten Blick ist es naheliegend, die Gluconeogenese als die Umkehrung der Glykolyse zu betrachten; tatsächlich sind auch mehrere Reaktionsschritte (in umgekehrter Richtung verlaufend) beiden Prozessen gemeinsam. Dies gilt jedoch nicht für die aus thermodynamischen Gründen irreversibel verlaufenden Schritte der Glykolyse, die von den drei Schlüsselenzymen Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvat-Kinase katalysiert werden. Diese Reaktionen werden in der Gluconeogenese durch insgesamt vier Gluconeogenese-spezifische Reaktionen umgangen:

x Die Pyruvat-Carboxylase katalysiert die Bildung von Oxalacetat aus Pyruvat. x Oxalacetat wird durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase in Phosphoenolpyruvat umgewandelt.

x Die Fructose-1,6-bisphosphatase hydrolysiert Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6phosphat.

x Die Glucose-6-Phosphatase katalysiert die Hydrolyse von Glucose-6-phosphat zu Glucose. Glucose kann von allen Organen als Brennstoff verwendet werden; die Erythrozyten und das Nierenmark sind obligat auf die Bereitstellung von Glucose angewiesen. Bleibt daher die Versorgung mit Glucose durch die Nahrung aus und sind die Glykogenvorräte erschöpft, muss durch Gluconeogenese die Glucoseversorgung der auf Glucose angewiesenen Zellen gewährleistet werden. Allerdings sind nur die Leber und die Nieren in signifikantem Ausmaß in der Lage, Gluconeogenese zu betreiben. Dort gebildete Glucose wird daher an das Blut abgegeben und zu den glucoseabhängigen Zellen transportiert. Bei starker körperlicher Anstrengung wird zwar viel Glucose im Skelettmuskel verbraucht; diese kann aber dort nicht gebildet werden, d.h. der Muskel ist nicht zur Gluconeogenese in der Lage. Grund ist das Fehlen des Enzyms Glucose-6-Phosphatase. Alle Reaktionen der Glykolyse laufen im Cytosol ab. Dagegen findet der erste Schritt der Gluconeogenese, die Umwandlung von Pyruvat in Oxalacetat, im Mitochondrium statt. Das Oxalacetat muss anschließend, um ins Cytosol gelangen zu können, NADH-abhängig durch die mitochondriale Malat-Dehydrogenase zu Malat reduziert werden. Dieses gelangt ins Cytosol und wird dort durch die cytosolische Malat-Dehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert. Der letzte Schritt der Gluconeogenese, die Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat durch die in der ER-Membran lokalisierte Glucose-6-Phosphatase, erfolgt im Lumen des ER. Lactat und Pyruvat sind, ebenso wie auch Glycerol, geeignete Ausgangsstoffe für die Gluconeogenese. Lactat entsteht durch anaeroben Glucoseabbau v.a. in den Erythrozyten, aber auch im Muskel bei hoher Belastung. Es wird durch die Lactat-Dehydrogenase zu Pyruvat oxidiert. Pyruvat resultiert auch aus dem Abbau glucogener Aminosäuren. Glycerol stammt aus dem Abbau von Triacylglycerolen und kann nur von spezialisierten Geweben, insbesondere von der Leber, zu Dihydroxyacetonphosphat aktiviert werden. Dagegen existiert kein Stoffwechselschritt, der die (irreversible!) oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA umkehren kann; Acetyl-CoA ist somit kein Substrat für die Gluconeogenese. Die Gluconeogenese umfasst insgesamt drei ATP- bzw. GTP-verbrauchende Schritte: das erste ATP wird bei der Carboxylierung von Pyruvat (für die Aktivierung von CO2) benötigt,

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

263

das GTP für die Synthese von Phosphoenolpyruvat, einer Verbindung mit hohem Phosphatübertragungspotenzial, durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase. Ein weiteres ATP wird für die Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat zum 1,3-Bisphosphoglycerat benötigt. Da für die Bildung von 1 mol Glucose 2 mol 1,3-Bisphosphoglycerat hergestellt werden müssen, verbraucht die Gluconeogenese insgesamt 6 mol ATP bzw. GTP pro Mol Glucose (1 GTP { 1 ATP).

Lösung 76:

Alternative 4

Die von der Pyruvat-Carboxylase katalysierte Reaktion lautet: Pyruvat + HCO3– + ATP

 o Oxalacetat + ADP + Pi

Das hierbei entstehende Oxalacetat spielt auch eine wichtige Rolle im Citratzyklus als Akzeptor für Acetyl-CoA, mit dem es zu Citrat reagiert. Oxalacetat kann aber auch zu Aspartat transaminiert und dadurch dem Citratzyklus entzogen werden. Dann muss durch die von der Pyruvat-Carboxylase katalysierte Synthese aus Pyruvat für eine Wiederauffüllung des Oxalacetat-Pools gesorgt werden (anaplerotische Reaktion). Phosphoenolpyruvat ist eine energiereiche Verbindung mit einem sehr hohen Phosphatgruppenübertragungspotenzial. Es reagiert daher in der letzten Reaktion der Glykolyse mit ADP unter Bildung von ATP zu Pyruvat. Diese Reaktion ist stark exergon und verläuft daher in der umgekehrten Richtung (im Sinne der Bildung von Phosphoenolpyruvat) nicht spontan. Um die Synthese von Phosphoenolpyruvat aus Pyruvat in der Gluconeogenese zu bewerkstellen, ist deshalb eine zweistufige Umgehungsreaktion via Oxalacetat erforderlich, die den Aufwand eines ATP und eines GTP erfordert. In der Summenreaktion für die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat taucht CO2 (bzw. HCO3–) zwar nicht auf, es wird aber dennoch zwingend für die oben angegebene von der Pyruvat-Carboxylase katalysierte Reaktion benötigt. Das entstandene Oxalacetat wird im zweiten Schritt wieder decarboxyliert; dabei wird zusätzlich Energie freigesetzt und so die Phosphorylierung mit GTP zum Phosphoenolpyruvat ermöglicht. An der von der Pyruvat-Carboxylase katalysierten Bildung von Oxalacetat ist Biotin als kovalent gebundene prosthetische Gruppe, die als Überträger von aktiviertem CO2 fungiert, essentiell beteiligt. Das Glykoprotein Avidin (in größeren Mengen im Eiklar enthalten) zeigt eine sehr starke nichtkovalente Wechselwirkung mit Biotin, so dass dieses seine Rolle als Coenzym nicht mehr erfüllen kann. Avidin ist daher ein Hemmstoff für alle biotinabhängigen Reaktionen, u.a. auch für die Carboxylierung von Pyruvat. Die Reaktion von Oxalacetat mit GTP zu Phosphoenolpyruvat erfolgt im Cytosol und nicht im Mitochondrium. Da das Oxalacetat aber im Mitochondrium gebildet wird und die innere Mitochondrienmembran nicht passieren kann, muss es zunächst NADH-abhängig durch die mitochondriale Malat-Dehydrogenase zu Malat reduziert werden. Dieses wird ins Cytosol ausgeschleust und dort durch die cytosolische Malat-Dehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert. Erst dann erfolgt der zweite Teilschritt der Umgehungsreaktion, die GTP-abhängige Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Oxalacetat.

264

Kapitel 8

Biotin ist ein essentieller Cofaktor bei den meisten Carboxylierungsreaktionen. Decarboxylierungen verlaufen dagegen biotinunabhängig und – insbesondere bei E-Ketosäuren – oftmals spontan (mit negativem ΔG).

Lösung 77:

Alternative 4

Die Pyruvat-Carboxylase wird durch ADP gehemmt und durch Acetyl-CoA aktiviert. Dies macht Sinn, da Acetyl-CoA für den vollständigen Abbau im Citratzyklus an Oxalacetat gebunden werden muss. Eine Aktivierung der Pyruvat-Carboxylase fördert die Bildung von Oxalacetat. Diejenigen Enzyme, die sowohl an Glykolyse wie Gluconeogenese beteiligt sind, katalysieren typische Gleichgewichtsreaktionen, die nicht für die Regulation geeignet sind. Vielmehr werden die jeweiligen Schlüsselenzyme reguliert, also die Glykolyseenzyme Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvat-Kinase sowie die Pyruvat-Carboxylase, die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase und die Fructose-1,6-bisphosphatase für die Gluconeogenese. Hohe Konzentrationen an AMP signalisieren Energiebedarf; entsprechend wird es als Aktivator der Phosphofructokinase (Glykolyse) und als Hemmstoff der Fructose-1,6-bisphosphatase (Gluconeogenese). Fructose-2,6-bisphosphat ist ein wichtiger Aktivator der Phosphofructokinase in der Leber, der in Phasen der Sättigung beeinflusst durch Insulin vermehrt gebildet wird. Gleichzeitig hemmt Fructose-2,6-bisphosphat die Fructose-1,6-bisphosphatase und somit die Gluconeogenese. Es beeinflusst also als allosterischer Effektor Glykolyse und Gluconeogenese auf entgegengesetzte Weise. Die Konzentrationen der Schlüsselenzyme der Gluconeogenese werden durch Glucagon und Insulin reziprok reguliert. Während Glucagon (und nicht Insulin!) durch Steigerung der Expression der Fructose-1,6-bisphosphatase und der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase die Gluconeogenese stimuliert, hat Insulin den gegenteiligen Effekt auf die Expression dieser Enzyme. Dagegen stimuliert es die Bildung von Phosphofructokinase und Pyruvat-Kinase und steigert somit die Geschwindigkeit der Glykolyse. Fructose-1,6-bisphosphat hydrolysiert nicht spontan, sondern katalysiert durch die Fructose1,6-bisphosphatase. Diese wird durch AMP und Fructose-2,6-bisphosphat gehemmt und durch Citrat aktiviert, also reziprok zum Glykolyseenzym Phosphofructokinase reguliert.

Lösung 78:

Alternative 5

Auf den ersten Blick erscheint es wenig wahrscheinlich, dass der menschlichen Organismus eine 4-fach ungesättigte Fettsäure wie die Arachidonsäure herstellen kann, wenn andererseits die zweifach ungesättigte Linolsäure eine essentielle Fettsäure darstellt. Entscheidend sind aber weniger die Anzahl, als vielmehr die Positionen der Doppelbindungen. Im menschlichen Organismus fehlen Enzyme (Desaturasen), die nach dem C-Atom 9 (Position 1 ist das Carboxyl-C-Atom) Doppelbindungen einfügen können. Linolsäure ist die cis,cis-Δ9,12-Octa-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

265

decadiensäure, enthält also eine Doppelbindung zwischen C12 und C13, die nicht gebildet werden kann. Ausgehend von Linoleyl-CoA (C18) kann man aber zur Arachidonsäure (C20; Δ5,8,11,14) gelangen. Im ersten Schritt wird in die Linolsäure an Position 6 eine weitere cisDoppelbindung eingeführt (für diese Position existiert eine entsprechende Desaturase!); das entstehende Δ6,9,12-Octadecatrienoyl-CoA wird anschließend um eine C2-Einheit verlängert. Es entsteht die C20-Verbindung Δ8,11,14-Eicosatrienoyl-CoA. Jetzt kann die vierte Doppelbindung an Position 5 eingefügt werden (auch für diese Position existiert eine entsprechende Desaturase) und es entsteht Δ5,8,11,14-Eicosatetraenoyl-CoA (Arachidonyl-CoA), das nach Hydrolyse die Arachidonsäure ergibt. Entscheidend ist also, dass für diese Synthese (ausgehend von Linolsäure, einer essentiellen Fettsäure) nur neue Doppelbindungen vor dem CAtom 9 eingeführt werden müssen. Eine Synthese aus Stearinsäure, der gesättigten Fettsäure mit 18 C-Atomen, wäre dagegen nicht möglich. Analog können zweifach ungesättigte Fettsäuren gebildet werden, sofern dabei keine Doppelbindung nach C-9 eingefügt werden muss. Die wichtige Δ9,12-Octadecadiensäure (Linolsäure) kann daher nicht synthetisiert werden. Das Z steht für das Ende der Fettsäurekette (den Methylterminus); die Bezeichnung Z-3Fettsäure kennzeichnet daher solche Fettsäuren, die eine Doppelbindung am drittletzten CAtom aufweisen. Eine solche ist die Linolensäure (C18; Δ9,12,15) mit der dritten Doppelbindung zwischen C15 und C16. Ungesättigte Fettsäuren entstehen hauptsächlich in der Leber. Verantwortlich hierfür ist ein Enzymsystem, das aus drei membrangebundenen Enzymen besteht, die sich an der cytosolischen Seite des endoplasmatischen Retikulums, nicht an der Mitochondrienmembran befinden. Die Doppelbindung wird also nicht durch die FAD-abhängige Acyl-CoA-Dehydrogenase eingeführt, sondern im Zusammenspiel von drei Enzymen, der NADH-Cytochrom-b5Reduktase, dem Cytochrom b5 und einer Desaturase. Als Oxidationsmittel fungiert Sauerstoff (O2), der durch Aufnahme von insgesamt vier Elektronen zu zwei Molekülen Wasser reduziert wird. Dabei stammen zwei Elektronen aus dem Acyl-CoA (Æ Oxidation der Einfachbindung zur Doppelbindung) und zwei aus dem NAD(P)H/H+. Die Elektronen vom NAD(P)H werden über ein FAD (Cofaktor der NADH-Cytochrom-b5-Reduktase) über ein Häm-Eisen im Cytochrom und ein Eisen-Ion in der Desaturase auf den Sauerstoff übertragen. Die Ölsäure (cis-Δ9-Octadecensäure) ist keine essentielle Fettsäure, da eine Desaturase für die Einführung einer Doppelbindung an C-9 im menschlichen Organismus zur Verfügung steht. Sie kann daher aus der gesättigten Stearinsäure gebildet werden, ist aber auch in der Nahrung (insbesondere im Olivenöl!) reichlich vorhanden.

Lösung 79:

Alternative 4

Die Fettsäurebiosynthese geht aus von Acetyl-CoA, das alle C-Atome der fertigen Fettsäure liefert. Acetyl-CoA entsteht hauptsächlich bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat im Mitochondrium, die Fettsäuresynthese findet aber im Cytosol statt. Da Acetyl-CoA die innere Mitochondrienmembran nicht passieren kann und auch kein Carrier für Acetyl-CoA existiert, erfolgt der Transport über Citrat. Die mitochondriale Citrat-Synthase katalysiert die

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Kapitel 8

Addition von Acetyl-CoA an Oxalacetat zu Citrat, das mit Hilfe eines Carriers ins Cytosol transportiert wird. Dort wird das Citrat nach Aktivierung unter Verbrauch von ATP und HSCoA in Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten. Da Oxalacetat ebenfalls nicht durch die Membran transportiert werden kann, wird es im Cytosol zu Malat reduziert und anschließend durch das Malat-Enzym oxidativ mit NADP+ als Coenzym zu Pyruvat decarboxyliert. Dieses passiert die innere Mitochondrienmembran und muss im Mitochondrium durch die PyruvatCarboxylase wieder carboxyliert werden. Reaktionen des anabolen und des katabolen Stoffwechsels teilen zwar in manchen Fällen einige reversible Schritte, nie jedoch ist die Reaktionssequenz zum Aufbau eines Biomoleküls die einfache Umkehrung der Abbauschritte. Zum einen kann die ganze Reaktionsfolge nur in einer Richtung exergon verlaufen, zum anderen kann eine effektive Regulation nur erfolgen, wenn getrennte Reaktionsschritte vorhanden sind, die jeweils nur in einer Richtung durchlaufen werden. Für die Synthese von Palmitinsäure werden acht Moleküle Acetyl-CoA benötigt; der Aufbau der Kette erfolgt aber nicht durch Kondensation von Acetyl-CoA-Einheiten. Als KohlenstoffDonor zur Kettenverlängerung fungiert vielmehr Malonyl-CoA, das zunächst durch Carboxylierung von Acetyl-CoA mit Hilfe der biotinabhängigen (charakteristisch für Carboxylierungsreaktionen!) Acetyl-CoA-Carboxylase gebildet wird. Die Reaktion benötigt ein ATP zur Aktivierung von CO2 (bzw. HCO3–). Für die Synthese von Palmitinsäure (C16) werden ein Acetyl-CoA und sieben Malonyl-CoA (die unter Verbrauch von insgesamt 7 ATP aus AcetylCoA gebildet werden) gebraucht; dabei liefert die Decarboxylierung von Malonyl-CoA jeweils die Triebkraft für die Knüpfung der C–C-Bindung. Als Reduktionsmittel bei der Fettsäurebiosynthese fungiert – wie bei vielen anderen reduktiven Biosynthesen auch – das NADPH, nicht das NADH. Auch dies zeigt, dass die Synthese nicht die direkte Umkehr des Abbaus einer Fettsäure darstellt; bei der E-Oxidation sind die Coenzyme der Oxidationsschritte FAD bzw. NAD+. Abgesehen von der Synthese von Malonyl-CoA werden alle anderen Teilreaktionen der Fettsäuresynthese von einem multifunktionellen homodimeren Enzymkomplex katalysiert, der als Fettsäure-Synthase bezeichnet wird. Die Reaktionsschritte finden also nicht an einzelnen Enzymen statt (auch nicht an der inneren Mitochondrienmembran); vielmehr bleiben alle Zwischenprodukte am Enzym gebunden. Dazu enthält jede der beiden Untereinheiten der Fettsäure-Synthase zwei SH-Gruppen, eine (die „zentrale“ SH-Gruppe) als Bestandteil eines Phosphopantetheinrestes, der kovalent mit einem Serinrest des Acyl-Carrier-Proteins (ACP) verbunden ist, die andere („periphere SH-Gruppe“) als Teil eines Cysteinrestes. Eine Kondensation von zwei Acetyl-CoA-Molekülen findet nicht statt; wie erwähnt wird die Knüpfung der C–C-Bindung durch die Decarboxylierung von Malonyl-CoA angetrieben. Geschwindigkeitsbestimmend für den Gesamtprozess ist die Bereitstellung von MalonylCoA, also die von der Acetyl-CoA-Carboxylase katalysierte Reaktion, die unabhängig von den weiteren Schritten an der Fettsäure-Synthase verläuft. Die Acetyl-CoA-Carboxylase wird durch reversible Phosphorylierung reguliert: Phosphorylierung durch die Proteinkinase desaktiviert die Carboxylase, die daneben durch Citrat allosterisch aktiviert und durch Acyl-CoA allosterisch gehemmt wird.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 80:

267

Alternative 3

In der mitochondrialen Matrix läuft die E-Oxidation ab; die Fettsäurebiosynthese ist dagegen im Cytosol lokalisiert. Da das Acetyl-CoA als Edukt der Fettsäurebiosynthese durch oxidative Decarboxylierung von Pyruvat in der mitochondrialen Matrix entsteht, muss das Acetyl-CoA zunächst aus dem Mitochondrium ins Cytosol transportiert werden. Da für Acetyl-CoA kein Transporter existiert, geschieht dies durch Kondensation mit Oxalacetat zu Citrat, welches über das Tricarboxylat-Transportsystem in das Cytosol gelangt. Dort katalysiert die ATPCitrat-Lyase die Spaltung in Acetyl-CoA und Oxalacetat nach folgender Gleichung: Citrat + CoA + ATP

 o Acetyl-CoA + Oxalacetat + ADP + Pi.

Als C2-Donor bei der Fettsäurebiosynthese fungiert nicht das Acetyl-CoA, sondern MalonylCoA, welches aus Acetyl-CoA durch Carboxylierung entsteht. Dieser von der Acetyl-CoACarboxylase katalysierte Schritt erfordert das Coenzym Biotin, das an der Aktivierung von CO2 (Bildung von Carboxybiotin) beteiligt ist. Der erste Schritt der Fettsäurebiosynthese, die Bildung von Malonyl-CoA, ist zugleich der geschwindigkeitsbestimmende Schritt für die Gesamtreaktion; dementsprechend unterliegt die Acetyl-CoA-Carboxylase einer umfangreichen Kontrolle. So wirkt Citrat stimulierend, während langkettige Fettsäure-Acyl-CoA Moleküle als Rückkopplungsinhibitoren wirken. Außerdem wird die Aktivität auch durch kovalente Modifizierung (Phosphorylierung) reguliert. Während bei der E-Oxidation an den beiden Oxidationen verschiedene Coenzyme beteiligt sind (FAD bzw. NAD+) erfordern beide Reduktionsschritte im Zuge der Fettsäurebiosynthese das gleiche Coenzym (NADPH/H+). Auch diesbezüglich sind also beide Prozesse nicht die unmittelbare Umkehrung voneinander. Die Synthese von Fettsäuren aus Acetyl-CoA und Malonyl-CoA umfasst sieben enzymatische Reaktionen. Während diese Reaktionen in zellfreien Extrakten von E. coli, wo sie erstmals untersucht wurden, von unabhängigen Enzymen katalysiert werden, existiert in Säugern ein großes multifunktionelles Protein, das aus zwei identischen Untereinheiten besteht, die Fettsäure-Synthase. Die wachsende Fettsäurekette ist dabei am Acyl-Carrier-Protein verankert, das ebenso wie CoA eine Phosphopantetheingruppe enthält, die mit der Acylgruppe einen Thioester bildet. Acetyl-CoA muss für die Kondensationsreaktion mit der wachsenden Acylkette zunächst zu Malonyl-CoA aktiviert werden. Für diese biotinabhängige Carboxylierung wird Hydrogencarbonat benötigt. Da während der Kondensation (Reaktion von Malonyl-CoA mit dem bereits vorhandenen Acylrest) wieder CO2 abgespalten wird (Decarboxylierung), taucht das CAtom des Hydrogencarbonats netto im Produkt (der fertigen Acylkette) nicht auf.

Lösung 81:

Alternative 4

Die Acetyl-CoA-Carboxylase katalysiert die Schrittmacherreaktion der Fettsäurebiosynthese, die Bildung von Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA. Das Enzym unterliegt daher einer strengen Regulation durch die Hormone Adrenalin, Glucagon und Insulin sowie durch Stoffwechselprodukte. Der Hauptregulationsmechanismus der Acetyl-CoA-Carboxylase ist eine reversible

268

Kapitel 8

Phosphorylierung: dabei ist die phosphorylierte Form des Enzyms inaktiv, die dephosphorylierte dagegen aktiv. Verantwortlich für die Phosphorylierung eines Serinrestes ist eine AMPabhängige Proteinkinase (Æ Deaktivierung), während die Proteinphosphatase 2A durch Dephosphorylierung für eine Aktivierung sorgt. Diese Phosphatase wird ihrerseits durch Phosphorylierung gehemmt. Da Glucagon und Adrenalin die cAMP-abhängige Proteinkinase A aktivieren (Æ Phosphorylierung und Inaktivierung der Protein-Phosphatase 2A), bleibt die Acetyl-CoA-Carboxylase im phosphorylierten (inaktiven) Zustand; die Fettsäuresynthese ist dadurch gehemmt. Insulin bewirkt dagegen eine Aktivierung der Acetyl-CoACarboxylase. Wie anfangs erwähnt, katalysiert die Acetyl-CoA-Carboxylase die Bildung von MalonylCoA. Für diese Carboxylierungsreaktion wird Biotin als Coenzym zur Übertragung des CO2 benötigt. An der Regulation der Acetyl-CoA-Carboxylase sind wie beschrieben mehrere reversible Phosphorylierungen beteiligt. Eine hohe Konzentration an AMP in der Zelle zeigt einen Energiemangel an. Statt anaboler Prozesse, wie der Fettsäuresynthese, müssen daher katabole Prozesse, die zur Bereitstellung von Stoffwechselenergie führen, aktiviert werden. Eine Hemmung der Acetyl-CoA-Carboxylase durch AMP ist somit sinnvoll. Sie erfolgt durch die Aktivierung der Proteinkinase durch AMP, welche die Acetyl-CoA-Carboxylase phosphoryliert und dadurch in die inaktive Form überführt. Hohe Konzentrationen langkettiger Acyl-CoA-Moleküle, den Produkten der Fettsäurebiosynthese, zeigen eine ausreichende Versorgung mit freien Fettsäuren an. Diese hemmen die Acetyl-CoA-Carboxylase durch negative Rückkopplung. Eine hohe Citratkonzentration zeigt einen Energieüberschuss an. Citrat wird dann nicht mehr im Citratzyklus verwertet, da die Isocitrat-Dehydrogenase durch ATP gehemmt wird. Stattdessen wird das Citrat aus dem Mitochondrium ins Cytosol transportiert, wo es die AcetylCoA-Carboxylase allosterisch aktiviert und durch Spaltung in Acetyl-CoA umgewandelt wird.

Lösung 82:

Alternative 2

Die ersten Schritte der Synthese von Glycerophospholipiden entsprechen der Triacylglycerolsynthese. Glycerol-3-phosphat wird mit zwei Molekülen Acyl-CoA verestert; es entsteht 1,2Diacylglycerol-3-phosphat, die Phosphatidsäure. Soll der Phosphatrest mit einem weiteren Alkohol verestert werden, muss eine der beiden Komponenten aktiviert werden (vgl. Alternative 1). Hierzu wird Cytidintriphosphat (CTP) benutzt. Für die Synthese von Phosphatidylcholin bzw. Phosphatidylethanolamin wird der Alkohol (Cholin bzw. Ethanolamin) zu CDPCholin bzw. CDP-Ethanolamin aktiviert. Es reagieren also nicht Cholin und CDP-Diacylglycerol miteinander, sondern CDP-Cholin und Diacylglycerol. Gleiches gilt für die Synthese von Phosphatidylethanolamin. Zunächst wird Ethanolamin mit ATP phosphoryliert und anschließend mit CTP zu CDP-Ethanolamin und Pyrophosphat umgesetzt. CDP-Ethanolamin wird dann von 1,2-Diacylglycerol nucleophil am E-Phosphoratom unter Abspaltung von CMP angegriffen.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

269

Phospholipide müssen nicht immer de novo synthetisiert werden, sondern können auch ineinander umgewandelt werden. Phosphatidylethanolamin nimmt dabei eine zentrale Stellung ein. Durch eine schrittweise dreifache Methylierung am Stickstoff, katalysiert durch die in der Leber lokalisierte Phosphatidylethanolamin-Methyltransferase, entsteht Phosphatidylcholin. Alternativ kann die Ethanolamin-Kopfgruppe gegen Serin ausgetauscht werden. Diese Überführung in Phosphatidylserin ist reversibel, d.h. aus Phosphatidylserin kann auch Phosphatidylethanolamin gebildet werden. Unter „Surfactant“ versteht man eine Substanz, welche die Oberflächenspannung in den Alveolen herabsetzt. Sie besteht zu ca. 80 % aus Phospholipiden, wobei Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) den Hauptanteil ausmacht. Treten Störungen bei der Synthese von DPPC auf, kommt es daher zu einem Surfactant-Mangel, wodurch die gleichmäßige Entfaltung der Lunge nach der Geburt behindert wird. Die Folge ist Atemnot, die durch Gabe von synthetisch gebildetem Surfactant therapiert werden kann. Wie oben für die Synthese von Glycerophospholipiden beschrieben, wird Glycerol-3phosphat mit zwei Molekülen Acyl-CoA zur Phosphatidsäure verestert, von der sich die weiteren Phospholipide ableiten. Zur Triacylglycerolsynthese wird daraus der Phosphatrest unter Bildung von 1,2-Diacylglycerol abgespalten, das anschließend mit einem weiteren Molekül Acyl-CoA zum Triacylglycerol verestert wird.

Lösung 83:

Alternative 4

Diffusion beschreibt eine Bewegung von Teilchen entlang eines Konzentrationsgradienten. Nach dem 1. Fick´schen Gesetz ist dabei die transportierte Stoffmenge proportional zum Konzentrationsgradienten. Dies bedeutet, dass nach erfolgtem Konzentrationsausgleich kein Nettotransport mehr erfolgt. Ebenso wie aber nach Einstellung eines chemischen Gleichgewichts Hin- und Rückreaktion weiterhin ablaufen (mit der gleichen Geschwindigkeit, so dass keine Nettoreaktion mehr zu beobachten ist), kommt nach erfolgtem Konzentrationsausgleich die Diffusion nicht völlig zum Erliegen, sie verläuft vielmehr in beide Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit. Aufgrund des hydrophoben Innenbereichs ist eine Biomembran für Ionen und stark polare Substanzen durch Diffusion kaum zu passieren. Sie müssen dazu die Hydrathülle abstreifen – ein energetisch ungünstiger Vorgang, der durch keine entsprechenden Wechselwirkungen im Inneren der Membran kompensiert wird. Eine Ausnahme bilden Wassermoleküle, die trotz ihrer hohen Polarität Membranen leicht durchdringen können, vermutlich mit Hilfe von Hohlräumen in der Membran, die sich durch die ständige Bewegung der Fettsäureketten ergeben, wenn die Membran sich in der fluiden Phase befindet. Gase wie N2, O2, CO2 oder NO sind weitgehend unpolar und diffundieren rasch in Abhängigkeit vom Konzentrationsgradienten durch die Membran. Die Diffusionsgeschwindigkeit lipophiler Stoffe hängt von ihrer Lipidlöslichkeit und von ihrem Diffusionskoeffizienten ab. Letzterer ist eine Funktion von Größe und Form der Substanz. Je besser die Löslichkeit in der Lipidphase, desto leichter kann ein Stoff durch die Membran diffundieren.

270

Kapitel 8

Diffusion ist ein passiver Transportvorgang; er erfordert keinen Energieaufwand. Daher kann Diffusion immer nur entlang eines Konzentrationsgradienten erfolgen. Ein Transport entgegen einen Konzentrationsgradienten erfordert Zufuhr von Energie und ist ein sogenannter aktiver Transport, z.B. mit Hilfe einer Ionenpumpe wie der ATPase. Für einen spezifischen Transport von Substanzen durch Membranen, die (wie z.B. Ionen) durch passive Diffusion die Membran kaum passieren können, existieren spezielle Transportmechanismen; man spricht dann von erleichterter Diffusion. Hierfür dienen Membranproteine, die entweder als Transporter spezifisch ein bestimmtes Substrat erkennen und durch die Membran schleusen, oder Kanäle, die den Durchtritt von Ionen durch eine zentrale Pore erlauben. Die meisten Ionenkanäle werden streng reguliert, entweder durch das Membranpotenzial (spannungsgesteuerte Kanäle) oder durch einen spezifischen Liganden (ligandengesteuerte Kanäle).

Lösung 84:

Alternative 3

Kanäle und Transporter unterscheiden sich deutlich bezüglich der Transportrate, die sie vermitteln können: für (Ionen)kanäle beträgt die Transportgeschwindigkeit typischerweise ca. 107 Ionen pro Sekunde, wogegen Transporter nur etwa 102–103 Moleküle pro Sekunde transportieren können. Der Durchsatz durch einen Kanal ist also i.A. wesentlich höher, als mit Hilfe eines Transporters, der das Substrat binden, sich selbst durch die Membran bewegen und anschließend das Substrat wieder freisetzen muss. Transporter sind meist relativ spezifisch für eine zu transportierende Substanz; man spricht in Analogie zu einem Enzym auch von ihrem Substrat. Ihre Aktivität kann ebenso wie die eines Enzyms durch eine entsprechende Kinetik beschrieben werden; ebenso wie bei Enzymen beobachtet man auch bei Transportern kompetitive und nichtkompetitive Hemmung. Einige Transporter vermitteln nur eine erleichterte Diffusion und können Substrate nur entlang des Konzentrationsgradienten transportieren. Kann eine Substanz (unter Aufwand von ATP) auch gegen einen Konzentrations- oder elektrochemischen Gradienten transportiert werden, spricht man von aktivem Transport. In Hinblick auf den Energielieferanten für den Transport wird zwischen primär-aktivem und sekundär-aktivem Transport unterschieden. Im ersten Fall ist der Transportvorgang direkt mit einer ATP-Spaltung verknüpft, während im zweiten Fall die Energie für den Transportvorgang durch seine Kopplung mit einem primäraktiven Transport bereitgestellt wird. Transporter (Carrier) weisen analog zu Enzymen eine Sättigungskinetik auf: die Transportrate steigt zunächst mit der Substratkonzentration (analog Reaktion 1. Ordnung) und nähert sich dann einem Maximum unabhängig von einem weiteren Anstieg der Substratkonzentration (Sättigung; analog Reaktion 0. Ordnung). Aktive Transporter können mehr als eine Substanz entweder in die gleiche Richtung (Symport) oder in entgegengesetzte Richtung (Antiport) transportieren. Ein typisches Beispiel für Antiport ist die Na+-K+-ATPase, wogegen die Glucoseresorption in der Niere durch einen sekundär-aktiven Na+-Glucose-Symport erfolgt.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 85:

271

Alternative 4

Der nicotinische Acetylcholinrezeptor ist ein Beispiel eines transmitterkontrollierten Ionenkanals. Sein Name rührt von der Bindung von Nicotin, dem Hauptalkaloid der Tabakpflanze, her, das die gleiche Wirkung wie Acetylcholin hat. Der Acetylcholinrezeptor besteht aus fünf Untereinheiten (D2EJδ), die jeweils vier membrandurchspannende D-Helices enthalten. Durch ringförmige Zusammenlagerung der Untereinheiten entsteht eine ionenleitende Pore. Beide D-Untereinheiten enthalten eine Acetylcholin-Bindestelle. Die Bindung von Acetylcholin an die beiden Bindestellen löst durch eine Konformationsänderung des Proteins für kurze Zeit (ca. 1 ms) eine Öffnung der Pore aus. Das Acetylcholin verlässt den Rezeptor allerdings nicht wieder von selbst, sondern es muss mit Hilfe der Acetylcholinesterase hydrolytisch in Acetat und Cholin gespalten werden, die dann den Rezeptor verlassen. Die Pore, die durch die Bindung von Acetylcholin geöffnet wird, ist für Na+- und K+-Ionen, in geringem Umfang auch für Ca2+-Ionen, permeabel. Anionen werden von negativ geladenen Aminosäureresten im Kanal abgestoßen und können die Membran nicht passieren. Unter den vorliegenden Konzentrationsverhältnissen strömen vor allem Na+-Ionen in die postsynaptische Zelle ein; es kommt zur Depolarisation der Membran und zur Auslösung eines Aktionspotenzials. Die Öffnungszeit des Kanals ist mit etwa 1 ms recht kurz. Um ihn wieder zu verschließen, muss der Neurotransmitter (Acetylcholin) den Rezeptor wieder verlassen. Dies erfordert die hydrolytische Spaltung des Acetylcholins durch die Acetylcholinesterase. Die Hydrolyseprodukte Acetat und Cholin werden teilweise wieder von der präsynaptischen Membran des Motoneurons aufgenommen und für die Neusynthese von Acetylcholin verwendet. Der Acetylcholinrezeptor kann auf vielfältige Weise sowohl reversibel als auch irreversibel gehemmt werden. Eine reversible kompetitive Hemmung bewirkt beispielsweise „Curare“, eine Gruppe giftiger Alkaloide, die von südamerikanischen Indianern als Pfeilgift verwendet wird. Derivate eines dieser Alkaloide (D-Tubocurarin) kommen bei Operationen als Muskelrelaxantien zum Einsatz. Das D-Bungarotoxin ist ein Neurotoxin, das von Giftnattern der Gattung Bungarus in den Speicheldrüsen produziert wird. Es handelt sich um ein basisches Peptid, das irreversibel an den nicotinischen Acetylcholinrezeptor bindet und somit die Bindung von Acetylcholin verhindert. Eine irreversible Hemmung erfolgt auch durch Organophosphate wie E 605 (Parathion; als Insektizid für die Landwirtschaft entwickelt) und davon abgeleitete chemische Kampfstoffe wie Sarin oder Tabun. Diese phosphorylieren den Serinrest im aktiven Zentrum der Acetylcholinesterase und verhindern so die Spaltung von Acetylcholin. Succinylcholin bindet aufgrund seiner strukturellen Verwandschaft mit Acetylcholin ebenfalls an den nicotinischen Acetylcholinrezeptor, öffnet den Kanal und führt zur Depolarisation. Da es analog zu Acetylcholin rasch hydrolysiert wird, seine Wirkung also reversibel ist, eignet es sich zum Einsatz als Muskelrelaxans bei chirurgischen Eingriffen.

Lösung 86:

Alternative 3

Ein erleichterter Transport kann durch einen Membrankanal (Kanalprotein) oder durch einen Transporter vermittelt werden. Transporter spielen auch bei aktiven Transportprozessen, die

272

Kapitel 8

unter Aufwand von Energie erfolgen, eine wichtige Rolle. Von erleichtertem Transport spricht man daher nur, wenn der Transport entlang eines Gradienten erfolgt und ohne Zufuhr von Energie auskommt. Die einfache Diffusion erfolgt ohne ein Hilfsmolekül (Transporter / Kanal) entlang des Konzentrationsgradienten einer Substanz. Dabei ist die Transportgeschwindigkeit proportional zur Konzentrationsdifferenz auf beiden Seiten der Membran. Beim erleichterten Transport wird dagegen eine Sättigung bei hohen Konzentrationen beobachtet – sind alle Transporter „im Einsatz“, lässt sich die Transportrate auch durch einen höheren Konzentrationsgradienten nicht weiter steigern. Erleichterter passiver Transport und Diffusion sind demnach also zu unterscheiden und keine synonymen Begriffe. Ein Transportprozess, der unter Aufwand von ATP erfolgt, kann auch gegen einen Konzentrationsgradienten stattfinden und wird als aktiver Transport bezeichnet. Erleichterter Transport kommt ohne Energiezufuhr aus, ist aber nur entlang eines Konzentrationsgradienten möglich. Es existiert eine Reihe von Glucosetransportern (GLUT1 – GLUT4), die alle als Uniporter funktionieren, also nur ein Molekül transportieren. Davon kommt GLUT1 (zur basalen insulinunabhängigen Glucoseversorgung) in fast allen Geweben vor, während sich GLUT2 hauptsächlich in Zellen findet, die an der Regelung des Blutzuckerspiegels beteiligt sind (Leber, Niere, Pankreas). GLUT3 sorgt für die insulinunabhängige Glucoseversorgung des Nervensystems und kommt hauptsächlich in Nervenzellen vor, GLUT4 dagegen in Muskel- und Fettzellen (insulinabhängig). Der erleichterte Transport unterscheidet sich wie oben beschrieben von der Diffusion, kann aber ebenfalls nur entlang eines Konzentrationsgradienten erfolgen. In Erythrozyten existiert ein Ionentransporter, der HCO3–-Ionen im Austausch gegen Cl–Ionen transportiert (Na+-unabhängiges HCO3–/Cl–-„exchange protein“). Er ist wichtig für die Kontrolle der Hydrogencarbonat-Konzentration in arteriellem und venösem Blut.

Lösung 87: Alternative 5 Während der primär-aktive Transport ATP als Energiequelle benötigt (Alternative 2), verwendet der sekundär-aktive Transport einen Konzentrationsgradienten von Na+- oder H+-Ionen, beispielsweise für einen Transport von Glucose oder Aminosäuren. Die Aufrechterhaltung dieses Na+- bzw. H+-Gradienten ist aber nur mit Hilfe von ATP-Aufwand möglich. Eine Hemmung der ATP-Synthese führt daher zum Abbau des erforderlichen Gradienten; ist dieser ganz erloschen, ist auch kein sekundär-aktiver Transport mehr möglich. Aktiver Transport und erleichterter Transport besitzen drei gemeinsame Kennzeichen, die sie auch mit Enzymen teilen: die (mehr oder weniger ausgeprägte) Spezifität für ein bestimmtes Substrat, das Auftreten einer Sättigungskinetik und ihre Hemmbarkeit. Die Na+-K+-ATPase („Na+-K+-Pumpe“) besteht aus zwei D- und zwei E-Untereinheiten; sie katalysiert den Transport von drei Na+-Ionen aus der Zelle heraus und von zwei K+-Ionen in die Zelle hinein. Im Zuge des Ionentransports kommt es zu einer Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung des Enzyms (ATP-Verbrauch) und einer Konformationsänderung der D-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Untereinheiten. Das glykosylierte Steroid Ouabain bindet an die kleine E-Untereinheit der Na+-K+-ATPase und stellt einen wirksamen Inhibitor dar. Der Antiport von Na+ und K+ ist ein elektrogener Prozess, da drei Na+-Ionen aus der Zelle heraus und zwei K+-Ionen hinein transportiert werden. Dies bewirkt eine Zunahme positiver Ladung außerhalb der Zelle und trägt damit zur Aufrechterhaltung des Membranpotenzials (das Zellinnere ist negativ gegenüber der Außenseite) bei. Die Na+-K+-ATPase verbraucht dafür einen großen Teil der von Nerven- und Muskelzellen produzierten Menge an ATP.

Lösung 88:

Alternative 4

Ca2+ ist ein wichtiger intrazellulärer Botenstoff, der an der Regulation sehr verschiedener zellulärer Prozesse beteiligt ist, wie z.B. Muskelkontraktion und Kohlenhydratstoffwechsel. Die Ca2+-Konzentration im Cytosol liegt im Bereich um 0,1 μM und ist damit um mehrere Größenordnungen niedriger als außerhalb der Zelle. Durch kurzzeitige Öffnung von Ca2+Kanälen in der Plasmamembran oder durch Freisetzung von Ca2+ aus dem endoplasmatischen oder sarkoplasmischen Retikulum kann die Ca2+-Konzentration sehr rasch ansteigen (passiver Transport entlang des Konzentrationsgradienten). Um die normale niedrige Ca2+-Konzentration im Cytosol wiederherzustellen, ist anschließend ein aktiver Transport über die Membran hinweg mit Hilfe einer Ca2+-ATPase erforderlich (vgl. Alternative 1). Der Ca2+Transporter der Plasmamembran wird in eukaryontischen Zellen über ein Ca2+-bindendes Protein mit der Bezeichnung Calmodulin reguliert. Ist die Ca2+-Konzentration im Cytosol erhöht, bindet es an Calmodulin; der entstehende Komplex kann dann an den Transporter binden, wodurch die Transportgeschwindigkeit durch Steigerung der Affinität der Ca2+-Ionen zum Transporter erhöht wird. Wenn die Ca2+-Konzentration wieder auf den normalen Wert gesunken ist, dissoziiert auch der Ca2+-Calmodulin-Komplex; die Transportgeschwindigkeit sinkt wieder. Während der Einstrom von Ca2+ in die Zelle passiv entlang des hohen Konzentrationsgradienten erfolgen kann, ist, wie beschrieben, für den Transport von Ca2+ aus der Zelle heraus aktiver Transport erforderlich. Da hierbei nur Ca2+-Ionen und kein weiteres Molekül oder Ion transportiert werden, liegt kein Symport vor. Die Ca2+-ATPase besitzt mehrere membrandurchspannende Helices und wird durch ATP phosphoryliert; allerdings erfolgt die Phosphorylierung nicht an einem Serin-, sondern an einem Aspartatrest. Der aktive Transport von Ca2+-Ionen aus der Zelle heraus sorgt dafür, dass die Ca2+Konzentration im Cytosol sehr niedrig gehalten wird; die extrazelluläre Konzentration ist demgegenüber um einen Faktor von ca. 104 höher. Der Ca2+-Transport ist primär-aktiv, d.h. direkt an die Hydrolyse von ATP gekoppelt. Ein Protonengradient ist daher nicht beteiligt.

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Lösung 89:

Kapitel 8

Alternative 4

Gluco- und Mineralocorticoide sind Steroidderivate. Im Gegensatz zu hydrophilen Peptidhormonen wie Insulin oder Glucagon wechselwirken sie nicht mit membranständigen Rezeptoren. Vielmehr werden sie in die Zelle aufgenommen und bilden dort mit einem cytoplasmatischen Protein einen Steroid-Rezeptor-Komplex. Dieser wird in den Zellkern transportiert und vermittelt dort die Aktivierung der Transkription von Genen für bestimmte Enzyme. Gemeinsamer Vorläufer von Corticosteroiden und Androgenen ist das Cholesterol. Es wird in vielen Stufen aus Acetyl-CoA gebildet. Durch Kondensation von drei Molekülen Acetyl-CoA und Reduktion entsteht zunächst Mevalonsäure (C6). Diese wird ATP-abhängig aktiviert und decarboxyliert, wobei das Isopentenylpyrophosphat (oft als „aktives Isopren“ bezeichnet) gebildet wird. Isopentenylpyrophosphat kann zu Dimethylallylpyrophosphat isomerisiert werden, welches in zwei Schritten mit zwei Molekülen Isopentenylpyrophosphat zu Farnesylpyrophosphat reagiert (C15). Durch reduktive Kupplung von zwei Molekülen Farnesylpyrophosphat entsteht das Squalen (C30). Dieses wird in einer komplexen Zyklisierungsreaktion in Lanosterin umgewandelt, welches schließlich in zahlreichen Einzelschritten unter Abspaltung von drei Kohlenstoffatomen in Cholesterol (C27) übergeht. Durch Abspaltung der Seitenkette entsteht die C21-Verbindung Pregnenolon als letzte gemeinsame Vorstufe auf dem Weg zu den Gluco- und Mineralocorticoiden. In peripheren Organen fördern Glucocorticoide den Proteinabbau und hemmen die Proteinsynthese. Gleichzeitig wird die Bildung der Schlüsselenzyme der Gluconeogenese von den Glucocorticoiden stimuliert, so dass die durch Proteinabbau vermehrt zur Verfügung stehenden Aminosäuren zur Synthese von Glucose verwendet werden können. Diese kann an das Blut abgegeben werden (Æ Anstieg des Blutglucosespiegels) oder zur Glykogensynthese benutzt werden. Ferner wird die Lipolyse gesteigert, so dass vermehrt freie Fettsäuren im Blut entstehen. Alle diese Effekte sind gegenläufig zur Wirkung von Insulin, so dass die Glucocorticoide als Insulin-Antagonisten zu bezeichnen sind. Durch Oxidation der Hydroxygruppe an C-3 und Umlagerung der Doppelbindung entsteht das Progesteron. Aus diesem wird durch dreifache Hydroxylierung an C-11, C-17 und C-21 das Cortisol gebildet. Oxidation der Hydroxygruppe an C-11 von Cortisol liefert das Cortison. Bei der Bildung der Mineralocorticoide unterbleibt die Hydroxylierung an C-17. Durch Hydroxylierung an C-21 und C-11 entsteht zunächst das Corticosteron, das durch Hydroxylierung an C-18 und nachfolgende Oxidation dieser Hydroxygruppe zum Aldehyd in das Aldosteron, das wichtigste Mineralocorticoid, übergehen kann. Glucocorticoide fördern den Proteinabbau und hemmen die Proteinsynthese. Damit kommt es auch zu einer verminderten Produktion von Antikörpern (γ-Globuline), was die immunsupressive Wirkung von Glucocorticoiden erklärt. Zugleich hemmen sie die Arachidonsäurekaskade, was zu einer verminderten Bildung von Prostaglandinen und Leukotrienen führt, die an entzündlichen Prozessen beteiligt sind. Das Aldosteron ist das Mineralocorticoid mit der stärksten Wirkung auf den Mineralhaushalt. Es greift am proximalen und distalen Tubulus der Niere an und fördert die Resorption von Na+, Cl– und Wasser, während die Sekretion von K+ begünstigt wird. Die Regulation des Aldosterons erfolgt nur zum Teil über die Hypophyse und ACTH. Wichtiger ist die Regulation der Aldosteronsekretion über das Renin-Angiotensin II-System. Das hieran beteiligte Angio-

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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tensin Converting Enzyme (ACE) kann durch spezifische Hemmstoffe blockiert werden (z.B. durch Captopril); dies findet Anwendung bei der Therapie von Hypertonie.

Lösung 90:

Alternative 2

Mit der Nahrung zugeführtes Iodid wird von der Schilddrüse aktiv aufgenommen und durch eine Oxidase zu Iod (I2) oxidiert. Dieses wird jedoch nicht an freie Tyrosinmoleküle, sondern nur an Tyrosinreste des Glykoproteins Thyreoglobulin angelagert, wobei Monoiod- und Diiodtyrosinreste entstehen. Triiodthyronin (T3) wird anschließend aus einem Mono- und einem Diiodtyrosinrest unter Ausbildung einer Etherbrücke gebildet; Thyroxin (T4) entsteht in gleicher Weise aus zwei Diiodtyrosinresten. Die Synthese erfolgt also nur mit Thyreoglobulingebundenen Tyrosinresten, nicht aus der freien Aminosäure. Diese Globulin-gebundenen Reste stellen zugleich die Speicherform für T3 und T4 dar. Wie beschrieben handelt es sich bei T3 und T4 um Derivate der Aminosäure Tyrosin. Die Sezernierung der beiden Schilddrüsenhormone kann erst nach vorangegangener proteolytischer Abspaltung von Thyreoglobulin erfolgen. Im Blut kommen sie sowohl frei als auch an Trägerproteine gebunden vor. Die Hauptrolle spielen dabei das Thyroxin-bindende Globulin (TBG), ferner Albumin und Präalbumin. Nur ein sehr kleiner Anteil der Hormone liegt in freier (aktiver!) Form vor; der überwiegende Teil ist an die genannten Proteine gebunden. Die Wirkungen von T3 und T4 beruhen auf einer Erhöhung der Enzymsynthese durch eine entsprechende Steuerung der Transkription. Die Hormone binden hierzu an ein cytoplasmatisches Rezeptorprotein und gelangen dann als Hormon-Rezeptor-Komplex in den Zellkern. Sowohl T3 als T4 sind für die Entwicklung in der Wachstumsphase essentiell und bewirken u.a. eine Erhöhung von Grundumsatz, Kohlenhydrat- und Lipidumsatz, Protein- sowie Cholesterolsynthese. Von den beiden Schilddrüsenhormonen ist das Triiodthyronin das wirksamere. Seine Gesamtkonzentration im Plasma beträgt nur ca. 1,5–3,5 nmol/L und ist damit wesentlich niedriger als die Gesamtkonzentration an Thyroxin (ca. 60–140 nmol/L). Beide Hormone unterliegen einer typischen Regulation. Im Hypothalamus wird das Thyreotropin Releasing Hormon (TRH) gebildet, das an spezifische Rezeptoren der basophilen Zellen des Hypophysenvorderlappens bindet und dadurch die Produktion und Abgabe des Thyreoidea-stimulierenden Hormons (TSH) anregt. Das Glykoprotein TSH ist ein glandotropes Hormon und regt die Schilddrüse durch Steigerung der Durchblutung und gesteigerte Iodidaufnahme aus dem Blut zur Bildung von T3 und T4 an. Zugleich wird die TSH-Ausschüttung über die Konzentration der Schilddrüsenhormone im Sinne einer negativen FeedbackKontrolle reguliert. Sinkt die Produktion der Schilddrüsenhormone infolge Iodmangels kommt es zur einer Erhöhung der TSH-Sekretion und zu vermehrtem Wachstum der Schilddrüse. Dem sollte v.a. in Iod-Mangelgebieten durch ausreichende Zufuhr von Iodat (z.B. mit dem Speisesalz) von täglich 100–200 μg entgegengewirkt werden.

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Lösung 91:

Kapitel 8

Alternative 6

Hormone, welche die Zellmembran nicht durchqueren können, müssen ihre Wirkung durch einen membranständigen Rezeptor vermitteln. Hierbei unterscheidet man man drei Typen: die Tyrosinkinase-Rezeptoren, ligandengesteuerte Ionenkanäle und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Charakteristisch für letztere ist neben ihrer Struktur aus sieben Transmembrandomänen die Kopplung an ein aus drei Untereinheiten (D,E,γ) bestehendes Guanidinnucleotidbindendes Protein (G-Protein). Bindet ein Hormon an den Rezeptor, bildet dieser mit dem GProtein einen Komplex, worauf GDP von der D-Untereinheit des G-Proteins abgespalten und statt dessen GTP gebunden wird. Das aktivierte G-Protein dissoziiert von der Membran ab und wird in die aktive D-GTP-Untereinheit und den E,γ-Komplex gespalten. Die D-GTPUntereinheit kann dann auf verschiedenen Wegen die Freisetzung von Second messengern beeinflussen:

x Durch Bindung an eine membranständige Adenylat- bzw. Guanylatcyclase wird diese entweder stimuliert (durch Gs) oder inhibiert (durch Gi); entsprechend kommt es zu einem Anstieg oder einem Abfall der cAMP- bzw. cGMP-Konzentration. x Durch Bindung an eine Phosphodiesterase wird cAMP bzw. cGMP gespalten und somit deren Konzentration verringert. x Die Aktivierung eines Ionenkanals kann zu einem Anstieg beispielsweise der Ca2+Konzentration führen. x Schließlich kann es zur Aktivierung der Phospholipase C kommen, die spezifisch das Membranlipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) hydrolysiert. Dadurch wird die Phosphoinositkaskade eingeleitet, die zu den Endprodukten Diacylglycerol und Inositol1,4,5-trisphosphat (IP3) führt. Steroidhormone und Schilddrüsenhormone sind lipophile Verbindungen; sie sind in der Lage, die Zellmembran zu durchdringen. Dort werden sie von spezifischen cytoplasmatischen Proteinrezeptoren gebunden. Der Hormon-Rezeptor-Komplex gelangt in den Zellkern und kann dort an DNA binden. Der Hormon-Rezeptor-Komplex beeinflusst also nicht die Translation (die Übersetzung der mRNA in ein Protein), sondern regt durch die Bindung an die DNA die Transkription spezifischer DNA-Sequenzen an. Die Tyrosinkinase-Rezeptoren sind mit einer lipophilen Domäne in die Membran integriert; in ihrer funktionellen Form liegen sie als Dimere bzw. Tetramere vor. Bindet ein Hormon an die extrazellulär lokalisierte D-Einheit, so kommt es zu einer Konformationsänderung und damit zu einer Aktivierung der Tyrosinkinase. Sie kann dann Tyrosinreste am cytosolischen Teil des Rezeptors autophosphorylieren (nicht dephosphorylieren!), wodurch letztlich eine Kinasekaskade in Gang gesetzt wird. Eine Struktur aus sieben Transmembranhelices ist charakteristisch für G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Ligandengesteuerte Ionenkanäle, wie z.B. der Acetylcholinrezeptor, bestehen vielmehr aus fünf Proteinuntereinheiten. Die Bindung eines Hormons an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor führt zur Aktivierung des G-Proteins. Dieses kann dann je nach Typ (Gs bzw. Gi) zu einer Aktivierung oder zu einer Hemmung führen.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 92:

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Alternative 3

Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) ist ein Phospholipid in der Plasmamembran. Durch die hydrolysierende Wirkung der Phospholipase C, welche die Bindung zwischen C-3 des Glycerolgerüsts und der Phosphatgruppe spaltet, entstehen daraus die beiden Second messenger Diacylglycerol (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3), die synergistische Wirkung aufweisen. IP3 setzt aus intrazellulären Speichern Ca2+-Ionen frei, wodurch Ca2+abhängige Prozesse beeinflusst werden. DAG steigert wiederum die Aktivität der Ca2+abhängigen Proteinkinase C. Die Verbindungen cAMP, cGMP, Arachidonsäure und Ca2+-Ionen zählen zu den Second messengern, nicht jedoch Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat, aus dem durch hydrolytische Spaltung (vgl. oben) die beiden Second messenger DAG und IP3 freigesetzt werden. Der bekannteste (und wahrscheinlich entwicklungsgeschichtlich älteste) Second messenger cAMP wird unter Katalyse der Adenylatcyclase gebildet, allerdings nicht aus AMP, sondern vielmehr aus ATP unter Abspaltung von Pyrophosphat. Aktiviert wird die Adenylatcyclase durch die aktive D-Untereinheit eines G-Proteins. Die Freisetzung von Ca2+-Ionen wird durch Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) vermittelt, nicht durch das Phospholipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (der Vorstufe von IP3). Die Arachidonsäure wird unter Kontrolle eines G-Proteins durch Katalyse der Phospholipase A2 aus Membranlipiden freigesetzt. Triacylglycerole können zwar Arachidonsäurereste enthalten; diese können daraus aber nicht spezifisch freigesetzt werden. Auch Ca2+-Ionen können als Second messenger wirken. Dazu wird ihre intrazelluläre Konzentration durch Öffnung oder Schließen von Ca2+-Kanälen der Zellmembran verändert. Die Bindung von Ca2+ beispielsweise an negativ geladene Proteindomänen kann zu Konformationsänderungen führen; weitere Effekte werden durch das Calcium-bindende Protein Calmodulin vermittelt.

Lösung 93:

Alternative 4

In der Adenohypophyse (dem Hypophysenvorderlappen) werden jeweils in Abhängigkeit eines Releasing-Hormons bzw. eines Release-Inhibiting-Hormons (Statin) sechs Hormone gebildet. Es handelt sich um das adrenocorticotrope Hormon (ACTH), das Thyreoideastimulierende Hormon (Thyreotropin; TSH), das luteotrope Hormon (LH), das Follikelstimulierende Hormon (FSH), das Wachstumshormon (Somatotropin; STH) und das Prolaktin. Die vier Erstgenannten sind glandotrope Hormone, d.h. sie regen eine periphere Hormondrüse zur Bildung und Sekretion eines Effektorhormons an. Prolaktin und STH sind dagegen systemisch, d.h. auf den ganzen Organismus wirkende Hormone. Die vom Hypothalamus gebildeten Releasing-Hormone wirken am Hypophysenvorderlappen und induzieren dort die Ausschüttung der dort produzierten Hormone. Die gemeinsame Vorstufe einiger Peptidhormone des Hypophysenvorderlappens ist das Proopiomelanocortin, das aus 256 Aminosäuren besteht. Aus ihm entstehen durch proteolytische

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Kapitel 8

Spaltung das Melanozyten-stimulierende Hormon (MSH), das adrenocorticotrope Hormon (ACTH), E- und γ-Lipotropin sowie E-Endorphine. Die negative Rückkopplung der gebildeten Effektorhormone auf den Hypophysenvorderlappen sowie auf den Hypothalamus ist charakteristisch für hormonelle Regelkreise. Ein konkretes Beispiel hierfür ist in Alternative 5 gegeben. Das vom Hypothalamus ausgeschüttete Thyreotropin-Releasing-Hormon (TRH) stimuliert den Hypophysenvorderlappen zur Ausschüttung von Thyreoidea-stimulierendem Hormon (TSH), das wiederum die Schilddrüse zur Synthese von Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4) anregt. Eine erhöhte Konzentration der beiden Effektorhormone mindert die Ausschüttung von Releasing-Hormonen durch den Hypothalamus und von glandotropen Hormonen durch den Hypophysenvorderlappen, bewirkt also eine negative Rückkopplung. Jedes Hormon besitzt eine charakteristische Halbwertszeit und wird dementsprechend mehr oder weniger schnell inaktiviert. Abhängig von der chemischen Natur des Hormons existieren hierfür mehrere Mechanismen:

x x x x

Methylierung hormonwirksamer OH-Gruppen, z.B. bei Catecholaminen Konjugation mit Glucuronsäure oder Sulfat, z.B. bei Steroiden, führt zu besserer Wasserlöslichkeit und damit rascherer Ausscheidung Proteolyse (deaktiviert Proteo- und Peptidhormone) Oxidative Desaminierung, z.B. durch eine Monoaminoxidase bei Aminosäurederivaten

Daneben wird auch die Ausscheidung einiger Hormone in ihrer wirksamen Form beobachtet, z.B. bei Östrogenen.

Lösung 94:

Alternative 2

Richtig ist, dass sich die DNA-Polymerase mit der Replikationsgabel in eine Richtung bewegt. Die DNA-Polymerasen, z.B. die Polymerase III in Prokaryonten, können allerdings einen DNA-Strang nur ausgehend von einem 3´-OH-Ende verlängern, d.h. die Synthese kann nur in 5´Æ3´-Richtung erfolgen. Da einer der beiden Elternstränge in 3´Æ5´-Richtung verläuft, kann der Tochterstrang entsprechend in 5´Æ3´-Richtung gebildet werden. Dieser Strang, der als Leit- oder Führungsstrang bezeichnet wird, kann von der Polymerase kontinuierlich synthetisiert werden. Für den zweiten 5´Æ3´-Elternstrang ist dagegen die DNASyntheserichtung der Wanderungsrichtung der Replikationsgabel entgegengesetzt. Da eine Synthese des zweiten Tochterstranges in 3´Æ5´-Richtung nicht möglich ist, muss dieser diskontinuierlich in kurzen Stücken (den sogenannten Okazaki-Fragmenten) gebildet werden. Wie beschrieben dienen die beiden Elternstränge jeweils als Matrize für die Synthese eines neuen, des Tochterstranges. Die Tochter-DNA besteht also aus einem Strang der alten DNA und einem neu synthetisierten Strang; die Replikation wird daher als semikonservativ bezeichnet. Die DNA-Polymerase kann ein neues Nucleotid nur mit einer freien 3´-OH-Gruppe der Desoxyribose eines vorangegangenen Nucleotids verknüpfen. Dies ist der Grund, dass die Synthese eines neuen Stranges durch die DNA-Polymerase nur in 5´Æ3´-Richtung erfolgen kann.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Die DNA-Polymerase benötigt am 3´-Ende eine freie OH-Gruppe, d.h. es muss bereits ein kurzes Nucleinsäurestück vorhanden sein, das als Primer bezeichnet wird. Dieser wird von einer DNA-abhängigen RNA-Polymerase (der „Primase“) gebildet, die de novo eine kurze RNA-Sequenz synthetisieren kann. Für die Synthese des Folgestrangs müssen zahlreiche Primer gebildet werden, da jeweils nur ein kurzes DNA-Stück entstehen kann, indem der Folgestrang in eine Schleife gelegt wird. Mit jedem neuen Nucleotid wird eine Phosphodiesterbindung unter Abspaltung von Pyrophosphat neu gebildet; im Zuge der ganzen Replikation entstehen also viele Phosphodiesterbindungen. Zur Ausbildung einer neuen Phosphodiesterbindung greift die 3´-OH-Gruppe nucleophil am D-Phosphoratom des neu eintretenden Nucleotids an. Dabei wird eine Anhydridbindung im dNTP gebrochen und Pyrophosphat abgespalten, was die Triebkraft für die Ausbildung der neuen Phosphodiesterbindung liefert.

Lösung 95:

Alternative 1

Die Auswahl des jeweils „richtigen“ Nucleotids ist entscheidend für eine korrekte Replikation. Das neu eintretende Nucleotid muss dafür die korrekte Orientierung im aktiven Zentrum der DNA-Polymerase einnehmen. Dies ist nur der Fall, wenn die korrekten Wasserstoffbrücken zwischen der Base des neuen Nucleotids und der Base des Matrizenstrangs ausgebildet werden. Dieser initiale Selektionsprozess ermöglicht bereits eine relativ niedrige Fehlerrate im Bereich von 10–4, d.h. ca. alle zehntausend Basen kommt es zur Knüpfung einer Phosphodiesterbindung zu einem falschen Nucleotid. Diese Fehlerrate ist aber für die Replikation zu hoch; sie wird dadurch weiter erniedrigt, dass die DNA-Polymerase über eine Korrekturlesefunktion verfügt. Sie ermöglicht die Entfernung eines falschen Nucleotids, bevor die Polymerase mit der Synthese des neuen Strangs fortfährt. Diese Korrekturlesefunktion kommt durch eine 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität zustande, nicht durch eine 5´Æ3´-Exonucleaseaktivität. Das falsch eingebaute Nucleotid besitzt ein freies 3´OH-Ende; es wird also vom 3´-Ende her ein Nucleotid entfernt, was deshalb als 3´Æ5´Exonucleaseaktivität bezeichnet wird. Dieser Mechanismus ermöglicht somit, ein falsch ausgewähltes und gebundenes Nucleotid wieder zu entfernen. Wird also der Fehler von der Polymerase rechtzeitig (d.h. bevor das nächste Nucleotid angeknüpft wird) erkannt, kann er mit Hilfe der 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität wieder beseitigt und nachfolgend das richtige Nucleotid eingefügt werden. Es entsteht dann keine Mutation. Ein Primer, dessen letztes Nucleotid (3´-Ende) eine korrekte Basenpaarung aufweist, ist ein gutes Substrat für die Anknüpfung des nächsten Nucleotids durch die DNA-Polymerase, gleichzeitig ein schlechtes Substrat für die 3´Æ5´-Exonuclease. Umgekehrt verhält es sich mit einem falsch gepaarten Nucleotid; es ist ein gutes Substrat für die 3´Æ5´-Exonuclease und wird daher fast immer entfernt. Dies ermöglicht die insgesamt sehr niedrige Fehlerrate der DNA-Replikation (vgl. Alternative 2).

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Kapitel 8

Fehler bei der Transkription führen zu Mutationen in der mRNA, was zur Bildung nicht funktionstüchtiger Proteine führen kann, jedoch nicht zwangsläufig muss. Aufgrund der Degeneriertheit des genetischen Codes kann eine Mutation in der mRNA stumm bleiben, d.h. es wird trotz einer falschen Base die richtige Aminosäure codiert. Zudem hat der Einbau einer falschen Aminosäure nicht zwangsläufig den Funktionsverlust des Proteins zur Folge. Während Gene i.A. wiederholt transkribiert werden und somit neue, korrekte mRNA als Matrize für die Proteinbiosynthese gebildet werden kann, wird eine Mutation in der DNA durch einen Fehler bei der Replikation auf die Tochterzellen vererbt. Daher ist bei der Transkription eine etwas höhere Fehlerrate tolerierbar, als bei der Replikation.

Lösung 96:

Alternative 3

Die Primase (bei Prokaryonten) bzw. die Primase-Untereinheit der eukaryontischen DNA-Polymerase D synthetisiert die Primer (kurze, zum Elternstrang komplementäre RNA-Stücke), die ein 3´-OH-Ende zur Verfügung stellen, an welches die DNA-Polymerase Desoxyribonucleotide anfügen kann. Trifft dann die DNA-Polymerase am Folgestrang auf den Primer des zuvor synthetisierten Okazaki-Fragments, werden diese Ribonucleotide durch die 5´Æ3´Exonucleaseaktivität entfernt. Die fertige DNA enthält daher keine Ribonucleotide mehr. Da DNA-Polymerasen einen neuen Strang nur in 5´Æ3´-Richtung synthetisieren können, kann nur einer der beiden Elternstränge kontinuierlich synthetisiert werden; die Synthese des Folgestrangs erfolgt diskontinuierlich in Form kürzerer Fragmente. Die Primase stellt den RNA-Primer (freies 3´-OH-Ende) für die nachfolgende Elongation durch die DNA-Polymerase zur Verfügung. Nach der Entfernung der Ribonucleotide der Primer muss die entstandene Lücke durch Desoxyribonucleotide aufgefüllt werden. Bei Prokaryonten erfolgt dies durch die Polymerase I, bei Eukaryonten durch die Polymerase G. Nach Auffüllung der durch die Entfernung der Primer entstandenen Lücken weist zwar jede Base des Elternstrangs wieder eine komplementäre Base auf dem Tochterstrang auf, die einzelnen DNA-Fragmente sind aber noch nicht kovalent miteinander verbunden. Es müssen noch die fehlenden Phosphodiesterbindungen geknüpft werden, wofür die DNA-Ligase zuständig ist. Die Knüpfung einer neuen Phosphodiesterbindung erfordert Energieaufwand. Konkret wird im ersten Schritt ein AMP-Rest an einen Tyrosinrest des Enzyms gebunden (als Donor kann entweder ATP oder NAD+ fungieren). Die Ligase überträgt den AMP-Rest dann auf das 5´Phosphat, das mit dem 3´-OH-Ende des vorangehenden Okazaki-Fragments verknüpft werden soll. Dadurch entsteht eine reaktive Phosphorsäureanhydridbindung; das 5´-Phosphat kann nucleophil vom 3´-OH-Ende unter Abspaltung von AMP und Knüpfung der Phosphodiesterbindung angegriffen werden.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

Lösung 97:

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Alternative 5

Topoisomerasen vom Typ I erzeugen transiente Einzelstrangbrüche unter Ausbildung einer Enzym-DNA-Bindung, wodurch ein Strang um den anderen rotieren kann. Die Phosphodiesterbindung zwischen zwei Nucleotiden wird also nicht hydrolysiert, sondern es kommt zu einer Umesterung, wobei ein Tyrosinrest der Topoisomerase an das 5´-Phosphat gebunden wird. Nach erfolgter Änderung der Verknüpfungszahl um eine Einheit greift die freie 3´-OHGruppe an dem enzymgebundenen Phosphatrest an und verdrängt so die Hydroxygruppe des Tyrosins unter Rückbildung der Phosphodiesterbindung. Da die Energie der Phosphodiesterbindung durch den Umesterungsprozess erhalten bleibt, kommen die Topoisomerasen vom Typ I ohne Aufwand von ATP aus. Die Topoisomerasen vom Typ I katalysieren wie beschrieben Einzelstrangbrüche, die auch als „nicks“ bezeichnet werden. Dabei wird die Verwindungszahl um eine Einheit geändert. Wie beschrieben ist die Topoisomerase während des transienten Einzelstrangbruchs an die DNA gebunden. Im Gegensatz zu den Typ I-Topoisomerasen erzeugen Typ II-Topoisomerasen einen Bruch in beiden Strängen (Doppelstrangbruch) und erlauben durch die Passage der Doppelhelix durch die Bruchstelle eine Änderung der Verwindungszahl um zwei Einheiten. Die Wirkung der Typ II-Topoisomerasen ist ATP-abhängig und führt eine negative Superspiralisierung in die DNA ein, die der Spannung im DNA-Molekül durch übermäßige Verdrillung infolge der Entwindung an der Replikationsblase entgegenwirkt. Da beide Topoisomerase-Typen essentiell an der Replikation beteiligt sind, stellen sie auch mögliche Ziele einer Chemotherapie, z.B. durch Gyrase-Hemmer, dar.

Lösung 98:

Alternative 2

Die Basen Cytosin, 5-Methylcytosin, Adenin und Guanin enthalten eine NH2-Gruppe; bei ihnen kann es zu einer spontanen Desaminierung kommen (vgl. Alternative 1). Besonders häufig beobachtet man dabei eine Desaminierung von Cytosin, das dadurch in Uracil übergeht. Xanthin entsteht durch Desaminierung von Guanin, nicht von Adenin. Letzteres geht bei der Desaminierung in Hypoxanthin über. Die N-glykosidische Bindung zwischen dem N-8-Atom einer Purinbase und der Desoxyribose wird bereits bei Körpertemperatur relativ leicht hydrolytisch gespalten. Durch diese Depurinierung entsteht eine sogenannte Apurinstelle in der DNA. Alkylierende Reagenzien führen zusätzliche Alkylgruppen in die Basen ein. Ethylmethansulfonsäure beispielsweise kann Transitionen erzeugen, in dem es eine Ethylgruppe an das N-7Atom von Guanin anknüpft, das dann mit Thymin anstelle von Cytosin paart. Das SAdenosylmethionin ist ein körpereigenes Methylierungsmittel, das beispielsweise Guanin zu O6-Methylguanin methylieren kann.

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Kapitel 8

Nucleinsäuren absorbieren UV-Strahlung (Omax | 260 nm), wodurch es zu einer Dimerisierung benachbarter Pyrimidinreste kommen kann. So werden zwei benachbarte Thyminbasen kovalent unter Ausbildung eines Cyclobutanrings verknüpft. Die entstandenen Thymindimere passen sterisch nicht gut in die Doppelhelix und behindern daher Replikation und Genexpression. Procarcinogene sind Substanzen, die in ihrer nativen Form zu keiner Schädigung der DNA führen. Allerdings können sie durch metabolische Prozesse, wie z.B. eine Oxidation durch Cytochrom P 450, in eine cancerogene Verbindung umgewandelt werden (metabolische Aktivierung). Ein klassisches Beispiel ist das Benzo[a]pyren, ein polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, der durch metabolische Aktivierung zu einem stark elektrophilen Epoxid ein potentes Cancerogen wird, das leicht von den basischen Gruppen der DNA nucleophil angegriffen wird.

Lösung 99:

Alternative 3

Eine veränderte Base kann durch einen Reparatur-Enzymkomplex erkannt und herausgeschnitten werden, wobei der Desoxyribosephosphat-Anteil des Nucleotids zunächst erhalten bleibt. Dieser Reparaturmechanismus funktioniert auch für die Base Uracil, die normalerweise in der DNA nicht vorkommt, aber durch eine Desaminierung aus Cytosin entstehen kann. Sie wird durch die Uracil-DNA-Glykosylase erkannt und entfernt. Nach der Entfernung der falschen Base wird der DNA-Strang durch eine 5´Æ3´-Endonuclease geöffnet und anschließend der Ribosephosphat-Rumpf durch eine 5´Æ3´-Exonuclease entfernt. Das fehlende Nucleotid (mit der korrekten Base) wird dann durch eine DNA-Polymerase eingefügt und der Strangbruch durch die DNA-Ligase beseitigt. Werden nicht nur einzelne Basen ersetzt, sondern eine ganze DNA-Sequenz (die bis zu 32 Nucleotide umfassen kann), so spricht man von einer Nucleotidexcisionsreparatur. Nach den Regeln der Basenpaarung können die fehlenden Basen dann anhand des komplementären Strangs korrekt ersetzt werden. In vielen Organismen (z.B. Bakterien, Pflanzen) existiert das Enzym DNA-Photolyase, das in der Lage ist, Thymindimere, die durch Einwirkung von UV-Strahlung entstanden sind, photochemisch zu spalten. Die Energie für die Spaltung kommt dabei aus der Absorption eines Photons. Dieser Prozess wird als direkte Reparatur bezeichnet; beim Menschen ist seine Aktivität bislang nicht nachgewiesen. Xeroderma pigmentosum ist eine von drei sehr seltenen Erbkrankheiten, die durch Defekte im Nucleotidexcisionsreparatursystem bedingt sind; durch Sonnenbestrahlung entstandene DNASchäden in Hautzellen können so nicht beseitigt werden. Es kommt zu Pigmentverschiebungen und Tumoren auf lichtexponierter Haut, so dass die Betroffenen das Sonnenlicht meiden müssen.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Lösung 100: Alternative 3 Im Zuge der Elongation wird für jedes neu eintretende Nucleotid eine Phosphodiesterbindung zwischen der 3´-OH-Gruppe des vorangehenden mit dem D-Phosphoratom des neuen Nucleotids ausgebildet; die Anwesenheit der 3´-OH-Gruppe an der Desoxyribose ist daher unverzichtbar. Im AZT ist die 3´-OH-Gruppe durch eine Azidgruppe (N3-) ersetzt. Wird nun ein AZT-Molekül als Thymidin-Analog in die wachsende DNA-Kette eingebaut, so kommt es zum Abbruch der Elongation. Für die Ausbildung von Wasserstoffbrücken mit der RNA-Matrize ist die jeweilige Base verantwortlich; diese ist im AZT gegenüber dem dTTP nicht verändert, so dass die Ausbildung korrekter Wasserstoffbrücken durch die 3´-Azidgruppe nicht behindert wird. Das Enzym reverse Transkriptase besitzt keine Korrekturlesefunktion. Da das AZT strukturell dem dTTP sehr ähnlich ist, ist nicht mit einer Verzerrung der entstehenden DNA-Kette zu rechnen; seine Wirkung beruht auf der fehlenden 3´-OH-Gruppe, die zum Kettenabbruch führt. Sowohl dTTP wie auch das AZT bilden korrekte Wasserstoffbrückenbindungen mit einem Adenin des Gegenstrangs aus und werden von der reversen Transkriptase als Substrat akzeptiert. AZT verhindert also nicht den Einbau von dTTP, sondern beide konkurrieren miteinander; je größer das Verhältnis der Konzentrationen von AZT zu dTTP ist, desto wahrscheinlicher ist ein Einbau eines AZT-Moleküls. Die Azidgruppe bleibt kovalent am AZT gebunden; ein Übertragung dieser Gruppe auf das Enzym erfolgt nicht. Die Aktivität der reversen Transkriptase bleibt unverändert.

Lösung 101: Alternative 2 Durch die Proofreading-Aktivität wird ein gerade eingebautes Nucleotid (mit freiem 3´-OHEnde) wieder entfernt, wenn eine Fehlpaarung mit dem Nucleotid des Matrizenstrangs vorliegt. Man spricht von der 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität, da eine Abspaltung eines Nucleotids vom 3´-Ende her erfolgt und diese Aktivität ein Teil der Aktivität der DNA-Polymerase ist bzw. mit dieser assoziiert ist. Das Proofreading findet während der DNA-Synthese statt; so kann ein falsch eingebautes Nucleotid sofort wieder beseitigt und der Fehler korrigiert werden. Nicht zu verwechseln mit dem Proofreading ist die DNA-Reparatur, die erst nach Abschluss einer DNA-Synthese erfolgt. Bei den meisten DNA-Polymerasen handelt es sich um multifunktionelle Enzyme, bei denen die Korrekturlesefähigkeit einen Teil ihrer Aktivität darstellt. Es sind daher i.A. keine weiteren speziellen Enzyme beteiligt. Eine Proofreading-Aktivität ist nicht auf Prokaryonten beschränkt. Zwar weisen nicht alle eukaryontischen Polymerasen eine 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität auf, die meisten jedoch schon.

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Kapitel 8

Proofreading- und Polymeraseaktivität sind eng gekoppelt; man nimmt an, dass die Basenfehlpaarung an der Stelle der Polymeraseaktivität erkannt und der 3´-Terminus dann zur Stelle der Proofreading-Aktivität dirigiert wird. Die 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität führt zur Wiederentfernung des zuletzt eingebauten Nucleotids, wenn dieses als fehlgepaart erkannt wird. Es wird also nicht nur die Base durch Hydrolyse der N-glykosidischen Bindung, sondern das ganze Nucleotid entfernt.

Lösung 102: Alternative 4 Die Transfer-RNA bildet eine charakteristische 3-dimensionale Struktur aus, die man in etwa als L-förmig bezeichnen kann. Dabei befindet sich am einen Ende die sogenannte AnticodonSchleife, die das Basentriplett enthält, das an ein komplementäres mRNA-Codon bindet. Die Aminosäurebindungsstelle befindet sich am anderen Ende des tRNA-Moleküls, dem 3´-CCAEnde. Anticodon-Schleife und Aminosäurebindungsstelle sind also relativ weit voneinander entfernt. Die tRNA-Struktur hat sich schon recht früh in der Evolution herausgebildet und ist bei fast allen Lebewesen weitgehend identisch geblieben. So besteht die tRNA stets aus einer Kette aus 73–93 Ribonucleotiden. Auffällig im Vergleich zu anderen Nucleinsäuren ist, dass ein relativ hoher Anteil der Basen modifiziert ist, beispielsweise durch ein- oder zweifache Methylierung. Zudem finden sich einige ansonsten seltene Basen, wie Inosin, Methylinosin oder Pseudouridin, die für spezifische Wechselwirkungen der tRNA von Bedeutung sind. Anstelle der räumlichen 3D-Struktur findet man häufig die 2D-Struktur abgebildet, die die Sequenz der Nucleotide, sowie spezifische Basenpaarungen zwischen einzelnen Bereichen der Nucleotidkette wiedergibt. Die 2D-Struktur erinnert an die Form eines Kleeblatts und wird deshalb oft als „Kleeblatt-Struktur“ bezeichnet. Das 3´-CCA-Ende ist die Aminosäurebindestelle. Das letzte Nucleotid mit Adenin als Base besitzt an der Ribose eine freie 2´- und eine 3´-OH-Gruppe. Die Aminosäure wird an eine dieser beiden OH-Gruppen durch eine Esterbindung angeknüpft. Insgesamt besteht tRNAs aus aus vier „Stämmen“, die aufgrund der Basenpaarungen in einer RNA-Helix vorliegen, sowie aus drei Schleifen (und manchmal einem zusätzlichen kleinen „Extraarm“), in denen ungepaarte Basen vorliegen. Die sogenannte T\C- und die DHUSchleife (die nach in diesen Schleifen vorkommenden speziellen Basen benannt sind) sind zwei davon. Ungepaart ist auch das 3´-CCA-Ende der tRNA, das erst posttranskriptional angehängt wird.

Lösung 103: Alternative 1 Es gibt eine spezifische tRNA für jede (proteinogene) Aminosäure, nicht aber für jedes der 61 codierenden Basentriplett der mRNA. Statt dessen existieren sogenannte isoakzeptierende tRNAs, die an unterschiedliche Basentripletts, welche aber dieselbe Aminosäure codieren

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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(sogenannte Synonyme), binden können. Die Basenpaarung zwischen Codon und Anticodon ist also in gewissem Maß variabel, was auch als „Wobble-Basenpaarung“ bezeichnet wird. Charakteristisch für tRNA-Moleküle, die mehrere Anticodons erkennen können, ist am 5´Ende des Anticodons, das mit der dritten, degenerierten Position des Codons wechselwirkt, die Base Inosin (I), die sowohl mit U, C als auch A paaren kann. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen haben die Aufgabe, eine tRNA mit der ihrem Anticodon entsprechenden Aminosäure zu beladen. Jede von ihnen ist dabei spezifisch für eine Aminosäure und die entsprechende tRNA-Spezies; für jede proteinogene Aminosäure existiert also eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase. Entscheidend für den gesamten Vorgang der Aminoacylierung und die nachfolgende Polypeptidsynthese ist, dass die Aminoacyl-tRNA-Synthetase die richtige Aminosäure bindet und zum entsprechenden mRNA-Codon transportiert. Während der Proteinbiosynthese am Ribosom wird nicht mehr darauf geachtet, ob die tRNA, die an die A-Stelle des Ribosoms bindet, die richtige (zum Anticodon passende) Aminosäure trägt. Wird also bei der Aminoacylierung von der Aminoacyl-tRNA-Synthetase eine falsche Aminosäure ausgewählt, führt dies zum Einbau einer falschen Aminosäure in das Protein. Die Aminoacyl-tRNA-Synthetase muss nicht nur die richtige Aminosäure, sondern natürlich auch die richtige tRNA erkennen, um beide miteinander zu verknüpfen. Die Erkennung der passenden tRNA geschieht hauptsächlich anhand des Anticodons auf der tRNA. Da die Verknüpfung freier Aminosäuren am Ribosom endergon wäre, werden diese durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase aktiviert. Im ersten Schritt wird die Aminosäure adenyliert, d.h. in das Aminoacyl-AMP-Derivat überführt. Anschließend wird der Aminoacylrest unter Abspaltung von AMP auf das 3´-OH-Ende der tRNA übertragen, wobei eine Esterbindung entsteht. Entsprechend der Bedeutung einer richtigen Verknüpfung zwischen Aminosäure und tRNA besitzen einige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen tatsächlich eine eigene Korrekturlesedomäne. Die Auswahl der korrekten Aminosäure erfordert eine sehr hohe Diskriminierungsfähigkeit seitens der Aminoacyl-tRNA-Synthetase; dennoch kann es bei sehr ähnlichen Aminosäuren leicht zu Fehlern kommen. Am häufigsten wird dann das Aminoacyladenylat hydrolysiert. Beispielsweise hydrolysiert die Valyl-tRNA-Synthetase effizient ein Threonyladenylat. In anderen Fällen kann eine falsch acylierte tRNA erkannt und deacyliert werden. Durch diese Korrekturmechanismen wird erreicht, dass im Durchschnitt nur eine von 104–105 tRNAs mit der falschen Aminosäure beladen wird.

Lösung 104: Alternative 5 Ribosomen bestehen zu ca. zwei Dritteln ihrer Masse aus rRNA; den Rest machen Proteine aus. Es handelt sich somit um Riboproteine. Die beiden Molekülsorten werden im Nucleolus zu den beiden Untereinheiten des Ribosoms zusammengesetzt. Dabei falten sich die rRNAAnteile spontan zu definierten Doppelhelixabschnitten und bilden eine komplizierte 3DStruktur aus („self assembly“). Die beiden Untereinheiten werden anschließend ins Cytosol, den Ort der Proteinbiosynthese, transportiert, wo sie sich zusammen mit der mRNA und tRNA zum funktionsfähigen Ribosom zusammenlagern.

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Kapitel 8

Ribosomen bestehen stets aus zwei Untereinheiten; diese unterscheiden sich aber bei Pro- und Eukaryonten etwas in ihrer Größe. So findet man in Prokaryonten 70S-Ribosomen mit einer 30S- und einer 50S-Untereinheit, während das eukaryontische 80S-Ribosom aus einer 40Sund einer 60S-Untereinheit besteht. Da die katalytische Aktivität der Ribosomen in erster Linie von der rRNA ausgeht, können Ribosomen auch als Ribozyme bezeichnet werden. Ein Ribosom besitzt drei tRNA-Bindungsstellen: an der Exitstelle (E-site) verlässt eine tRNA das Ribosom, nachdem sie ihre Aminosäure auf die wachsende Polypeptidkette übertragen hat. Daneben befindet sich die Peptidylstelle (Donorstelle; P-site). Hier befindet sich die tRNA, welche die letzte Aminosäure angefügt hat und die nun die wachsende Peptidkette trägt. Die dritte Bindungsstelle wird als Aminoacylstelle (Akzeptorstelle; A-site) bezeichnet. Hier bindet die tRNA, welche die nächste Aminosäure trägt, die eingebaut werden soll. Passt ihr Anticodon zum Codon auf der mRNA, greift die Aminogruppe der gebundenen Aminosäure die an die tRNA der P-Stelle gebundene Peptidkette nucleophil an und überträgt sie so auf die an der A-Stelle gebundene tRNA. Bei Prokaryonten befinden sich alle Ribosomen im Cytosol; in Eukaryonten existieren dagegen zusätzlich auch membranständige Ribosomen. Diese sind an das endoplasmatische Retikulum gebunden und dienen der Synthese von Membran- und Exportproteinen.

Lösung 105: Alternative 4 Die DNA-Sequenzierung nach Sanger beruht auf einer zufälligen Termination der DNA-Kette während ihrer in vitro-Synthese. Man verwendet Desoxyribonucleotid-Analoga, denen die OH-Gruppe an Position 3´ der Desoxyribose fehlt (sogenannte Didesoxyribonucleotide; ddNTP), die aber dennoch von der DNA-Polymerase in eine wachsende DNA-Kette eingebaut werden. Aufgrund der fehlenden 3´-OH-Gruppe können sie keine Phosphodiesterbindung zu einem nachfolgenden Nucleotid eingehen, und führen deshalb zum Kettenabbruch. Der Kettenabbruch kann zufällig nach einer beliebigen Anzahl von Nucleotiden erfolgen, je nachdem, an welcher Stelle ein Didesoxyribonucleotid anstelle eines normalen dNTP eingebaut wird (beide Nucleotidsorten konkurrieren miteinander um den Einbau). Würde man ddNTPs und dNTPs im Verhältnis 1:1 einsetzen, ergäben sich nur sehr kurze DNAFragmente, da die Wahrscheinlichkeit für den Einbau eines ddNTPs hoch wäre. Um längere Ketten synthetisieren (und dadurch sequenzieren) zu können, setzt man daher ein ddNTP / dNTP-Verhältnis << 1 ein. Da jede synthetisierte DNA-Kette zufällig an einer Stelle durch den Einbau eines ddNTP abbricht, erhält man bei dieser Prozedur eine Mischung vieler unterschiedlich langer DNASequenzen, die anschließend durch eine Gelelektrophorese aufgetrennt werden, die es ermöglicht, DNA-Fragmente aufzulösen, die sich in ihrer Länge nur um ein einziges Nucleotid unterscheiden. Für die Synthese wird eine DNA-Polymerase eingesetzt; diese benötigt einen Primer mit einem freien 3´-OH-Ende, um daran das erste Nucleotid anzuknüpfen. Die Methode beruht wie beschrieben auf der Anwesenheit der Didesoxynucleotide (ddNTP), die aufgrund ihrer fehlenden 3´-OH-Gruppe zum Kettenabbruch führen.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Nach der Synthese müssen die einzelnen DNA-Sequenzen aufgetrennt werden; dies geschieht durch (Kapillar-)Gelelektrophorese. Typischerweise erfolgt die Synthese in vier Reaktionsansätzen, die jeweils alle vier dNTPs und zusätzlich eines der vier verschiedenen ddNTPs enthalten. Dadurch kommt es in jedem Ansatz zu Kettenabbrüchen nach einer bestimmten Base (je nach dem, welches ddNTP zugegeben worden war). Die vier Ansätze werden separat auf vier Bahnen eines Polyacrylamid-Gels aufgetragen; aus dem erhaltenen Bandenmuster kann dann die Sequenz der DNA abgelesen werden, sofern die DNA eine entsprechende Markierung trägt. Früher wurden dafür radioaktiv markierte Primer verwendet, während man heutzutage meist Fluorophore zur Markierung der Primer verwendet. Alternativ zur Markierung der Primer können auch fluoreszenzmarkierte ddNTPs verwendet werden. Trägt jedes der vier ddNTPs einen anderen Fluorophor, so dass sie nach Fluoreszenzanregung unterschiedliche Emission zeigen, so wird nur ein Reaktionsansatz benötigt, da aus der unterschiedlichen Emission der jeweiligen DNA-Bande auf das zuletzt eingebaute ddNTP geschlossen werden kann.

Lösung 106: Alternative 4 Für die Synthese eines neuen DNA-Strangs benötigen DNA-Polymerasen eine Matrize, zu der der entsprechende Gegenstrang synthetisiert wird. In jedem Zyklus der PolymeraseKettenreaktion kann daher die Anzahl der DNA-Stränge maximal verdoppelt werden, d.h. nach n Zyklen können aus m zu Beginn vorliegenden Einzelsträngen maximal m × 2n Stränge erhalten werden. Zu Beginn eines jeden Zyklus muss die DNA in Einzelstränge getrennt werden; dazu sind hohe Temperaturen erforderlich (i.A. führt man die Denaturierung bei 95 °C durch). Würde die DNA-Polymerase dieser Temperatur nicht standhalten, müsste für jeden Zyklus nach dem Denaturierungsschritt neue Polymerase zum Reaktionsgemisch gegeben werden. Dieser für die Praxis lästige Aspekt konnte mit der Entdeckung thermostabiler DNA-Polymerasen (z.B. der sogenannten Taq-Polymerase aus dem thermophilen Bakterium Thermus aquaticus) entfallen. Die DNA-Polymerase benötigt ebenso wie in vivo einen Primer, um mit der Amplifikation beginnen zu können. Dieser muss vor Beginn der zu amplifizierenden Sequenz an den jeweiligen Strang binden. Um einen entsprechenden Primer herzustellen, der spezifisch nur vor genau diesem interessierenden Abschnitt bindet, muss die zum Primer komplementäre Sequenz bekannt sein. Eine Primerlänge von 15–25 Basen garantiert die gewünschte spezifische Bindung. Selbstverständlich werden für die Synthese eines neuen DNA-Strangs die entsprechenden Bausteine, also die vier Desoxynucleosidtriphosphate, benötigt. Außerdem müssen für die Aktivität der Polymerase Mg2+-Ionen anwesend sein. Nach Trennung der Doppelstränge (Denaturierung) bei typischerweise 95 °C müssen, bevor die Polymerase mit der Synthese des gewünschten DNA-Abschnitts beginnen kann, die Primer an den Matrizenstrang binden. Dafür muss die Temperatur im Reaktionsgemisch gesenkt werden, da bei der Denaturierungstemperatur der DNA naturgemäß auch keine Primeranlagerung zu erwarten ist. Die exakte im jeweiligen Fall gewählte „Annealing-Temperatur“ für die

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Kapitel 8

Primeranlagerung hängt von der Länge der Primer und ihrem GC-Gehalt ab. Je tiefer die Temperatur gewählt wird, desto größer ist die Gefahr einer Fehlpaarung und unspezifischer Primeranlagerung (mit der nachfolgenden Synthese eines falschen DNA-Abschnitts); bei zu hoher Temperatur ist die Primeranlagerung unvollständig. DNA-Polymerasen benötigen für ihre Aktivität ein freies 3´-OH-Ende, das mit dem nächstfolgenden Nucleotid verknüpft werden kann; dieses wird durch den Primer zur Verfügung gestellt.

Lösung 107: Alternative 5 Nach dem Anteil des Kohlenhydratrestes am Gesamtmolekül werden glykosylierte Proteine i.A. in Glykoproteine (überwiegender Proteinanteil) und Proteoglykane (überwiegender Kohlenhydratanteil) eingeteilt. Zu den Glykoproteinen zählen Membranproteine (z.B. Rezeptoren), Immunglobuline, einige Hormone und fast alle Plasmaproteine. Die Verknüpfung von Zuckerresten mit dem Protein kann über Asparaginseitenketten (N-Glykoside) oder über Serin- bzw. Threoninreste erfolgen (O-Glykoside). Die N-Glykosylierung ist ein zweistufiger Prozess: Dabei wird zunächst ein „Primär-Oligosaccharid“, das mit einem Lipidanker (Dolicholphosphat) an der dem Lumen zugewandten Seite der Membran des rauen ER befestigt ist, auf einen Asparaginrest übertragen. Dieses Primär-Oligosaccharid wird im Golgi-Apparat anschließend noch modifiziert, vgl. Alternative 6. Immunglobuline gehören, wie oben bereits angemerkt, zu den Glykoproteinen. Die Zuckerreste sind dabei an den Fc-Teil gebunden. Fast alle Plasmaproteine sind Glykoproteine. Das häufigste Plasmaprotein, das Albumin, macht jedoch eine Ausnahme; gleiches gilt für das Präalbumin. Die Glykosylierung von Proteinen dient, z.B. bei Membranproteinen, der Unterscheidung von Innen- und Außenseite. Ein zweiter wichtiger Aspekt ist die Löslichkeit von Proteinen; insbesondere Plasmaproteine müssen gut löslich sein. Kohlenhydratketten besitzen viele OHGruppen, sind daher stark hydrophil und verbessern die Löslichkeit eines Proteins. Bei der O-Glykosylierung sind Serin- bzw. Threoninreste beteiligt. Eine Glykosylierung von Tyrosinresten wäre zwar chemisch möglich, wird aber nicht gefunden. Insgesamt ist die OGlykosylierung seltener zu beobachten als die N-Glykosylierung. Man findet sie z.B. bei den Proteinen der Erythrozytenmembran, die als Blutgruppenantigene bekannt sind. Im Gegensatz zur N-Glykosylierung erfolgt die O-Glykosylierung erst, nachdem das Protein den GolgiApparat erreicht hat, also posttranslational. Von dem primären, noch während der Proteinsynthese (cotranslational) auf einen Asparaginrest übertragenen Oligosaccharid werden vor dem Transport zum und auch im Golgi-Apparat endständige Glucosereste entfernt, bis eine definierte Core-Region aus N-Acetylglucosamin und Mannose (GluNAc2Man3) übrig bleibt. An diese Core-Einheit können weitere Zuckerreste angefügt werden. Im sogenannten „komplexen Typ“ treten auch Galaktosereste auf; an der Core-Einheit sind sie aber nicht beteiligt.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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Lösung 108: Alternative 4 In der Antigen-abhängigen Phase der Reifung von B-Zellen differenzieren diese zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen und zu Gedächtniszellen. Letztere tragen zu einer schnelleren Zweitantwort bei erneutem Antigenkontakt bei. Viele Antigene sind aber (allein) nicht in der Lage, die Weiterentwicklung von B-Zellen zu Plasmazellen zu induzieren. Das von der BZelle an MHC II-Proteinen präsentierte Antigen muss zunächst von T-Helferzellen erkannt werden. Diese sezernieren daraufhin Cytokine, die die Differenzierung der B-Zelle hin zur Plasmazelle induzieren. Aus pluripotenten Knochenmarkstammzellen können einerseits Leukozyten, Erythrozyten und Monozyten entstehen (myeloische Zelllinie), auf der anderen Seite die Lymphozyten (Bund T-Zellen; lymphatische Zelllinie). Alle Lymphozyten stammen demnach von den pluripotenten Knochenmarkstammzellen ab. Die größten Leukozyten, die im Knochenmark gebildet werden, werden als Monozyten bezeichnet. Über die Blutbahn gelangen sie in die Gewebe, wo sie aktiviert und dann als Makrophagen bezeichnet werden. Makrophagen phagozytieren Reste von abgestorbenen Zellen, antikörpermarkierte Stoffe, Tumorzellen etc. Sie tragen wie die B-Lymphozyten einen MHC II-Rezeptor, mit dem sie T-Zellen Antigene präsentieren können. Der MHC II-Rezeptor besteht aus zwei Transmembrandomänen und präsentiert exogene Antigene, nachdem diese in Phagolysosomen gespalten worden sind. Die große Vielfalt von B-Lymphozyten ist bereits vorhanden, bevor der Organismus Kontakt mit Antigenen hatte. Sie kommt durch eine genetische Rekombination von Genen zustande. Die genetische Information für eine vollständige Immunglobulinkette liegt nicht „am Stück“ vor, sondern ist auf mehrere, weit voneinander entfernt liegende Genabschnitte verteilt. So existiert zwar für die konstante Region nur ein C-Segment; das Gensegment für die variable Region setzt sich aber aus mehreren Abschnitten zusammen (bezeichnet als V, J und – zusätzlich bei der schweren Kette – D). Da jeder einzelne Abschnitt in mehreren verschiedenen Varianten vorliegt, existieren viele Kombinationsmöglichkeiten der Abschnitte zu einem Gesamtgen. Durch den Kontakt mit dem Antigen wird somit „nur“ die Proliferation und Differenzierung derjenigen B-Zelle ausgelöst, die die entsprechenden für das Antigen spezischen Rezeptoren trägt. Aus im Knochenmark gebildeten Vorläuferzellen reifen im Thymus unter Stimulation humoraler Faktoren verschiedene Populationen von T-Zellen heran:

x Cytotoxische T-Zellen (T8-Zellen): erkennen Antigen nur, wenn es von MHC I-Proteinen

präsentiert wird und töten solche Zellen durch Ausschüttung cytotoxischer Substanzen. x T-Helferzellen (T4-Zellen): sind an der humoralen Immunantwort beteiligt. Sie erkennen von B-Zellen an MHC II-Proteinen präsentierte Antigene und sezernieren Cytokine, welche die Differenzierung der B-Zellen induzieren. x T-Suppressorzellen (TS-Zellen): können eine Immunantwort unterdrücken und übernehmen so regulatorische Aufgaben im Immunsystem. Wie bei den B-Zellen werden auch bei den T-Zellen durch Rekombination von V-, D-, J- und C-Genen verschiedene Rezeptoren gebildet, welche die Zellspezifität vermitteln. Diese TZellrezeptoren bestehen aus einer D- und einer E-Kette und sind fest in der Zellmembran verankert.

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Kapitel 8

Lösung 109: Alternative 2 Jeder Antikörper reagiert nur mit einer einzigen spezifischen antigenen Determinante (Epitop); die Stuktur des Antikörperteils, der für die Antigenbindung verantwortlich ist, ist daher sehr variabel. Eine Antigenbindungsstelle (das Paratop) wird dabei durch die variablen Abschnitte einer leichten und einer schweren Kette gebildet. Die beiden variablen Bereiche zusammen mit den folgenden konstanten Abschnitten der leichten und der schweren Ketten werden als Fab-Fragment bezeichnet. Jedes Fab-Fragment kann ein Antigen binden. Ein IgGMolekül besitzt daher nur zwei und nicht vier Antigenbindungsstellen. Gemeinsam ist allen Antikörpern ihr Aufbau aus zwei „leichten“ (L) und zwei „schweren“ (H), insgesamt also aus vier Polypeptidketten. Dabei gibt es zwei verschiedene L-Ketten, die mit N und O bezeichnet werden, sowie fünf Typen von H-Ketten, welche zugleich die Zugehörigkeit des Immunglobulins zu einer der fünf Klassen (IgA, IgD, IgE, IgG, IgM) bestimmen. L-Ketten bestehen aus einem konstanten und einem variablen Abschnitt, H-Ketten dagegen aus einem variablen und drei konstanten Abschnitten. Die Protease Papain spaltet IgG-Moleküle im Bereich ihrer Gelenkregion. Diese verknüpft die beiden Fab-Fragmente mit dem Fc-Fragment, das nur von konstanten Bereichen der schweren Ketten gebildet wird. Diese Gelenkregion vermittelt die Beweglichkeit der beiden FabFragmente, so dass antigene Determinanten in unterschiedlichen Abständen gebunden werden können. Durch die Spaltung von IgG mit Papain entstehen zwei identische Fab-Fragmente sowie der Fc-Teil; die molaren Massen betragen jeweils ca. 25 kDa (2,5×104 g/mol). Ein alternativer Verdau mit der Protease Pepsin führt zu einer Aufspaltung des Fc-Teils in zahlreiche kleine Fragmente; zugleich entsteht ein großes, zusammenhängendes (divalentes!) F(ab´)2Fragment. Die Serumkonzentration von IgG beträgt ca. 12 mg/mL; sie ist damit deutlich höher als die der anderen Immunglobulinklassen (z.B. IgM: ca. 1 mg/mL; IgA: 1,8 mg/mL). Gleichzeitig weist es eine vergleichsweise lange Halbwertszeit auf (ca. 23 Tage). Von den fünf verschiedenen Klassen sind nur IgG-Moleküle dazu in der Lage, die Plazenta zu überwinden. Dies wird durch den Fc-Teil des Moleküls vermittelt; der Fetus erlangt auf diese Weise eine gewisse Immunität, bevor er (ca. ab dem 5. Monat) zur Produktion von IgM in der Lage ist. Die Synthese eigener IgG-Moleküle erfolgt erst einige Monate nach der Geburt. Immunglobuline sind Glykoproteine; die gebundenen Oligosaccharidketten befinden sich am Fc-Teil, der auch die Komplementbindungsstelle enthält.

Lösung 110: Alternative 6 Jedes Immunglobulin besteht aus zwei leichten und zwei schweren Polypeptidketten (L- bzw. H-Ketten), wobei man jeweils einen variablen und einen konstanten Abschnitt unterscheiden kann. Diese bestehen jeweils aus mehreren Domänen. Die beiden schweren Ketten sind in der Gelenkregion („Hinge-Region“), die von einem Verbindungsstück zwischen der CH1- und der CH2-Domäne gebildet wird, über mehrere Disulfidbrücken verknüpft. In dieser Region spaltet Papain ein IgG-Molekül in drei etwa gleich schwere Fragmente (jeweils ca. 50 kDa). Zwei davon besitzen jeweils eine Antigenbindungsstelle und werden als Fab (für „fragment antigen

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

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binding“) bezeichnet; das dritte besteht nur aus Domänen der schweren Kette und ist gut zu kristallisieren (Fc; „fragment crystallizable“). Charakteristisch für die einzelnen Segmente eines Ig, die z.B. beim IgG jeweils ca. 110 Aminosäuren umfassen, ist eine Anordnung aus antiparallelen E-Faltblättern, die als „immunglobuline fold“ bezeichnet wird. Diese Anordnung besteht aus 7–9 „strands“, die zwei einander zugewandte E-Faltblätter bilden. D-Helikale Abschnitte spielen dagegen keine Rolle. Die konstanten (C) und die variablen (V) Regionen liegen benachbart; sie assoziieren aber nicht miteinander. Sowohl die leichten wie die schweren Ketten bestehen aus einer konstanten und einer variablen Region. Die beiden variablen Abschnitte (also VL und VH) bilden zusammen die Antigenbindungsstelle (Paratop) als Gegenstück zu den Epitopen des Antigens; die konstanten Regionen sind daran nicht beteiligt. Die Immunglobuline sind Glykoproteine. Die Oligosaccharidreste sind aber nicht an die leichten, sondern an die schweren Ketten (im Bereich CH2-Domäne bei IgG; für andere Antikörperklassen auch an andere CH-Domänen) gebunden. Die Antigenbindung beruht ausschließlich auf nichtkovalenten Wechselwirkungen; freie SHGruppen spielen dafür keine Rolle.

Lösung 111: Alternative 2 Das IgM-Molekül ist ein Pentamer aus fünf IgG-ähnlichen Strukturen, die durch eine Polypeptidkette (die sogenannte J-Kette) sowie durch zusätzliche Disulfidbrücken verknüpft sind. Die molare Masse eines IgM beträgt ca. 9×105 g/mol, die Serumkonzentration ca. 1 mg/mL. IgM besitzt gute agglutinierende und Komplement-aktivierende Eigenschaften, ist aber, wie erwähnt kein Dimer, sondern ein Pentamer. Es handelt sich um die einzige Immunglobulinklasse, die vom Fetus gebildet werden kann. IgM-Moleküle werden nach einem Antigenkontakt als erste gebildet; sie dominieren damit die Frühphase einer Immunantwort, bevor zu späteren Zeiten überwiegend IgG-Moleküle gebildet werden. Die Fähigkeit zur Bildung von IgG erlangt der menschliche Organismus erst einige Monate nach der Geburt; vor der Geburt können, wie erwähnt, nur IgM synthetisiert werden. IgG sind aber in der Lage, die Plazenta zu durchdringen, so dass der Fetus auf diese Weise von der Mutter eine gewisse Immunität übertragen bekommt. Biologisch aktives IgA ist ein Dimer, dessen beide Einheiten aus vier Ketten durch eine sogenannte J- und eine S-Kette verbunden sind. Aus der Plasmazelle wird zunächst das Dimer mit der J-Kette freigesetzt, das mit seinem Fc-Teil an den sogenannten Poly-Ig-Rezeptor auf der basolateralen Oberfläche von Epithelzellen bindet. Nach Endozytose und Transport durch die Zelle erfolgt die Sezernierung in die extrazelluläre Flüssigkeit. Dabei bleibt ein Teil des Rezeptors (als sekretorische Komponente bezeichnet) mit dem Dimer verbunden. IgA findet sich v.a. in Sekreten wie Schleim, Speichel, Tränenflüssigkeit oder dem Darmsekret. IgE kommt zwar von allen Ig-Klassen mit Abstand in der geringsten Konzentration vor und weist mit ca. zwei Tagen auch die kürzeste Halbwertszeit auf, spielt aber dennoch eine wich-

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Kapitel 8

tige biologische Rolle. Sein Fc-Teil bindet mit hoher Affinität an Mastzellen und basophile Granulozyten. Beim Zweitkontakt mit einem Antigen kommt es zu einer Vernetzung von IgEMolekülen und in der Folge zu einer Freisetzung von Inhaltsstoffen der Mastzellgranula (z.B. Histamin, Leukotriene), welche Überempfindlichkeitsreaktionen (Allergien) auslösen. Eine Antikörper-produzierende Zelle bildet als primäre Immunantwort IgM-Moleküle und erst in der Folge IgG, IgA oder IgE mit identischer Spezifität. Während der variable Teil der H-Kette sowie die L-Kette dabei konstant bleiben, wird der konstante Teil der H-Kette (welcher die Immunglobulin-Klasse bestimmt) ausgetauscht. Dieser als „switching“ bezeichnete Vorgang ist jedoch nur möglich, wenn es sich bei dem Antigen um ein Peptid handelt. Die Antigene des AB0-Blutgruppensystems sind jedoch Zuckermoleküle; die Antigene A und B unterscheiden sich von der Gruppe 0 jeweils nur durch einen Zuckerrest. Daher ist in diesem Fall kein switching möglich und es bleibt bei der Synthese von Immunglobulinen vom Typ M.

Lösung 112: Alternative 3 Beide Klassen von MHC-Antigenen wechselwirken mit Oberflächenproteinen von Leukozyten, die als CD-Moleküle bezeichnet werden. Dabei trägt jede Zellart spezifische CDMoleküle. Die MHC I-Antigene treten dabei mit dem Zelloberflächenprotein CD8 von cytotoxischen T-Zellen (nicht mit T-Helferzellen!) in Wechselwirkung und sind dabei beispielsweise an der Bekämpfung von Virusinfektionen beteiligt. MHC I-Antigene finden sich auf allen kernhaltigen Zellen. Erythrozyten besitzen jedoch keinen Zellkern und tragen auch keine MHC-Antigene. Charakteristisch für die MHC-Proteine vom Typ I ist die Präsentation von Peptidfragmenten von in der Zelle produzierten Proteinen. Diese können, müssen aber nicht pathogenen Ursprungs sein. Hat beispielsweise ein Virus die Trägerzelle befallen, so produziert die Zelle auch virale Proteine. Diese werden proteolytisch gespalten, die Peptidfragmente über ein Transportsystem in das Lumen des rauen endoplasmatischen Retikulums eingeschleust, wo sie an eine Antigenbindungsstelle eines MHC I-Moleküls binden und anschließend an die Zelloberfläche transportiert werden. Wird das Peptidfragment als körperfremd erkannt, so kommt es zur Wechselwirkung der MHC I-Moleküle mit den CD8-Proteinen auf cytotoxischen T-Zellen. Diese können Fremdantigene nur erkennen, wenn sie von MHC I-Proteinen präsentiert werden. Die beiden MHC-Klassen unterscheiden sich etwas in ihrem Bau: So bestehen MHC IMoleküle aus einer membranständigen D-Kette (die aus drei Ig-artigen Domänen besteht) und einem E2-Mikroglobulin, das nicht membranständig ist und nur aus einer Domäne besteht. Dagegen besitzen die MHC II-Moleküle zwei Transmembranketten (D und E), die jeweils aus zwei Domänen bestehen und zusammen das Antigenfragment binden. MHC II-Moleküle finden sich speziell auf Zellen, die an Immunreaktionen beteiligt sind (BZellen und Makrophagen), während MHC I-Moleküle wie erwähnt auf allen kernhaltigen Zellen vorkommen. Die MHC II-Moleküle sind für die Präsentation von exogenen Antigenen körperfremden Ursprungs zuständig (z.B. bakterielle Toxine). Sie interagieren mit Zelloberflächenproteinen

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

293

vom Typ CD4, die sich auf den T-Helferzellen (T4-Zellen) befinden. Die Erkennung des präsentierten Antigens durch den T-Zellrezeptor führt zu einer vermehrten Expression eines als B7 bezeichneten Proteins durch den B-Lymphozyten, welches wiederum mit CD28 auf der TZelle in Kontakt tritt. Diese Interaktion liefert einen Reiz zur Ausschüttung der Interleukine 2 und 4. Letzteres bewirkt die Differenzierung der B-Zellen zu Antikörper-produzierenden Plasmazellen einerseits und Gedächtniszellen anderseits.

Lösung 113: Alternative 5 Zur Überwindung der Membranen von Mitochondrium und endoplasmatischem Retikulum müssen Proteine in entfaltetem Zustand vorliegen. Anschließend müssen die Proteine erneut gefaltet werden; daran sind Chaperone der hsp70-Gruppe beteiligt, die dadurch zum Proteintransport beitragen. Trotz der großen Anzahl unterschiedlicher zu faltender Proteine existieren nur wenige verschiedenartige Chaperone, die für bestimmte Zellkompartimente typisch sind. Dabei ist ein Faltungshelfer für eine große Vielzahl unterschiedlicher Proteine verantwortlich. Die Chaperone können also keine individuellen Faltungswege katalysieren, sonst müsste jedes Protein seinen eigenen Faltungshelfer besitzen (und wer faltet dann die Faltungshelfer?). Die Chaperone funktionieren wahrscheinlich dadurch, dass sie eine Art „Käfig“ um das zu faltende Protein bilden, in dem sich dann die Faltung abspielen kann, und erleichtern die Ausbildung von Wechselwirkungen, die es dem Polypeptid ermöglichen, in den günstigsten Zustand mit niedrigster Energie zu gelangen. Die Hydrolyse von ATP ist charakteristisch für Chaperone vom Typ hsp60, die auch als Chaperonine bezeichnet werden. Sie bilden lange zylindrische Quartärstrukturen aus und binden ungefaltete Polypeptide in ihrer inneren unpolaren Cavität. Im Gegensatz zu ihnen benötigen hsp70-Proteine kein ATP. Mit der Spaltung von Disulfidbrücken haben Chaperone nichts zu tun. Für die korrekte Ausbildung von Disulfidbrücken sorgt das Enzym Protein-Disulfid-Isomerase, das verschiedene Kombinationen von Disulfidbrücken „ausprobiert“ und falsche Paarungen wieder spaltet, bis das Energieminimum erreicht ist. Chaperone fungieren als Katalysatoren. Eine dreidimensionale Proteinstruktur, die thermodynamisch nicht stabil ist, wird dies auch nicht durch die Hilfe eines Chaperons. Dieses trägt nur dazu bei, die stabilste Konformation schneller zu erreichen, indem ungünstige intermediäre Wechselwirkungen vermieden werden. Chaperone „warten“ nicht, bis ein Polypeptid fertig synthetisiert ist, sondern wechselwirken bereits mit der wachsenden Polypeptidkette, während sie am Ribosom entsteht. Sie schirmen dabei hydrophobe Bereiche ab, die sonst zum Solvens hin exponiert wären und verhindern dadurch eine Aggregation des Polypeptids vor Beendigung der Synthese.

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Kapitel 8

Lösung 114: Alternative 2 Als nichtkonservativ wird eine Substitution bezeichnet, wenn sie zu einer erheblichen Änderung der Polarität des Aminosäurerestes führt. Im HbS wurde eine negativ geladene Seitenkette (Glu) gegen einen sehr hydrophoben Rest ausgetauscht; diese Substitution ist eindeutig nichtkonservativ. Gleiches gilt für die Varianten „Hiroshima“ (Austausch einer positiv geladenen Aminosäure (His) gegen eine negativ geladene (Asp) und für „Riverdale-Bronx“ (Austausch des schwach hydrophoben, kleinen Gly-Restes gegen einen negativen Asp-Rest. Bei „Hyde Park“ ist ein positiver Rest (His) durch die neutrale, relativ hydrophobe Aminosäure Tyrosin ersetzt; auch dieser Austausch ist nichtkonservativ. Der Rest His 92 ist an die Hämgruppe gebunden. Es hat sich gezeigt, dass der Verlust dieser Bindung zum Liganden infolge eines Austausches gegen Tyrosin zum Verlust der Hämgruppe aus ihrer Bindungstasche in der E-Globinkette führt – eine sehr erhebliche Änderung der Proteinstruktur! Ob es durch Substitution einer Aminosäure zu einer Änderung der Funktion des Proteins kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere davon, ob die Substitution zu einer Änderung der Struktur führt und ob sich die Aminosäure an einer für die Funktion des Proteins kritischen Stelle befand (z.B. Bestandteil des aktiven Zentrums eines Enzyms war). Es existieren durchaus konservative Substitutionen, die zu keinerlei Beeinflussung der Proteinfunktion führen. Die oben angeführten Beispiele haben jedoch alle pathologischen Charakter. Im Hämoglobin A befindet sich ein Glu-Rest an Position 6 der E-Kette, der im HbS gegen Val ausgetauscht ist, nicht umgekehrt.

Lösung 115: Alternative 4 Der unpolare Valinrest an Position 6 im Hämoglobin S erzeugt einen hydrophoben Bereich auf der Oberfläche des Proteins. Dieser passt genau in eine komplementäre hydrophobe Tasche an einer anderen Stelle des HbS, sofern das Molekül in seiner desoxygenierten Form vorliegt. Durch diese hydrophoben Wechselwirkungen können langkettige Polymere von HbS entstehen, die elektronenmikroskopisch sichtbar sind. Der Glutamatrest an Position 6 im HbA befindet sich auf der Oberfläche des Proteins; diese Position wird auch durch den Austausch gegen das Valin nicht verändert. Valin ist ungeladen; es entsteht demnach keine positive Ladung auf der Oberfläche, sondern ein hydrophober Bereich, der mit einer anderen hydrophoben Region wechselwirkt. Die Nummerierung einer Proteinkette erfolgt immer ausgehend vom N-Terminus. Die Position 6 befindet sich demnach in der Nähe des N-Terminus, nicht in der Nähe des C-Terminus. Die Seitenkette im Valin weist keine polare Gruppe auf; sie kann somit keine Wasserstoffbrücke ausbilden. Die Aggregation von HbS führt nicht zur Ausbildung kovalenter (Disulfid)brücken zwischen den Molekülen, sondern beruht auf hydrophober Wechselwirkung. Die Positionen von im Hämoglobin vorhandenen Cys-Resten werden durch die Mutation zum HbS nicht beeinflusst.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

295

Lösung 116: Alternative 4 Die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert die erste Reaktion des Glucoseabbaus im oxidativen Pentosephosphatweg; dabei wird aus Glucose-6-phosphat und NADP+ das 6Phosphogluconolacton und NADPH/H+ gebildet. Letzteres spielt im Erythrozyten eine wichtige Rolle bei der Regeneration von Glutathion mit Hilfe der Glutathion-Reduktase. Ein Mangel an NADPH/H+ infolge eines Defekts der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase bewirkt somit einen Mangel an reduziertem Glutathion, wodurch z.B. aus Superoxid-Radikalen entstandenes H2O2 nur unzureichend entgiftet werden kann. Es kommt zum Angriff auf ungesättigte Fettsäuren in der Zellmembran, was v.a. bei oxidativem Stress zu einer hämolytischen Anämie führen kann. Glutathion wirkt in der Zelle als Antioxidans und kann beispielsweise H2O2 oder andere Oxidantien reduzieren. Das Tripeptid (J-Glu–Cys–Gly) besitzt aber nur eine SH-Gruppe und kann daher natürlich keine intramolekulare Disulfidbrücke ausbilden. Vielmehr werden zwei Moleküle Glutathion (GSH) unter Ausbildung einer Disulfidbrücke (GSSG) oxidativ verknüpft und dadurch z.B. H2O2 zu H2O reduziert. Für die Reduktion von Glutathiondisulfid durch die Glutathion-Reduktase ist NADPH/H+ (nicht NADH/H+) erforderlich. Das NADPH/H+ entsteht bei zwei Reaktionen im Zuge des Glucoseabbaus im oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs. Der erste Schritt wird von der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase katalysiert, die daher im Erythrozyten eine wichtige Rolle beim Schutz gegen oxidativen Stress spielt. Methämoglobin entsteht im Erythrozyten ständig in geringer Menge durch die Oxidation von Fe2+ zu Fe3+. Da es keinen Sauerstoff binden und transportieren kann, muss dafür gesorgt werden, dass es laufend wieder zu Hämoglobin reduziert wird. Dies geschieht in erster Linie durch die Methämoglobin-Reduktase, die als Reduktionsmittel NADH/H+ verwendet; Glutathion ist an diesem Prozess also nicht vorrangig beteiligt. Superoxid-Radikale (O2–) sind starke Oxidationsmittel und daher auch zur Oxidation von Fe2+ in der Lage (Bildung von Methämoglobin). Sie entstehen aber umgekehrt erst im Zuge der Bildung von Methämoglobin bei einer Reaktion von Sauerstoff mit Fe2+. Aufgabe der Superoxid-Dismutase ist es, reaktive und somit gefährliche Superoxid-Radikale unschädlich zu machen. Dazu nimmt die Dismutase zunächst ein Elektron vom O2– auf, das dadurch zu elementarem Sauerstoff reoxidiert wird. In einem zweiten Schritt wird das überschüssige Elektron des Enzyms auf ein zweites Superoxid-Radikal übertragen, das durch gleichzeitige Aufnahme von zwei H+-Ionen in H2O2 übergeht. Die Dismutase wird dadurch wieder oxidiert. Das Wasserstoffperoxid kann durch Reaktion mit einem weiteren SuperoxidRadikal ein Hydroxyl-Radikal (HO) bilden, das v.a. ungesättigte Fettsäuren angreift und so die Zellmembran schädigt. Um das zu verhindern, muss H2O2 möglichst rasch durch Reaktion mit Glutathion (vgl. oben) entgiftet werden.

296

Kapitel 8

Lösung 117: Alternative 5 Nach Spaltung des Hämoglobins in Proteinanteil (Globinketten) und Hämgruppe wird letztere im endoplasmatischen Retikulum durch die Häm-Oxygenase zwischen Ring I und II des Porphyrinringsystems gespalten. Dadurch geht der Tetrapyrrolring unter Freisetzung von CO in das lineare Tetrapyrrol Biliverdin über; gleichzeitig wird das Fe2+-Ion aus der Komplexbindung gelöst. Das Biliverdin wird anschließend unter Verbrauch von NADPH/H+ zu Bilirubin reduziert und an das Plasma abgegeben, wo das Bilirubin aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit an Albumin gebunden wird. Nach Aufnahme in die Leberzelle wird Bilirubin durch Reaktion mit zwei Molekülen UDP-Glucuronsäure zum Bilirubindiglucuronid konjugiert („direktes Bilirubin“). Dieses ist aufgrund der polaren Glucuronsäurereste wasserlöslich und gelangt über die Galle in den Darm. Dort werden die Glucuronsäurereste durch eine EGlucuronidase wieder abgespalten und das verbleibende Mesobilirubin unter dem Einfluss von Darmbakterien weiter abgebaut. Als Endprodukte werden schließlich Urobilin und Stercobilin ausgeschieden. Hämoglobin kann nicht gespeichert werden; die Hämgruppe wird wie oben beschrieben abgebaut, die Aminosäuren der Globinketten nach Hydrolyse entweder wiederverwertet oder im Aminosäurestoffwechsel umgesetzt. Die Hämgruppe wird nicht unverändert ausgeschieden, sondern über eine Reihe von Schritten abgebaut, vgl. oben. Der Porphyrinring wird durch die Häm-Oxygenase unter Verbrauch von O2 und NADPH/H+ gespalten. Das dabei entstehende lineare Tetrapyrrolsystem wird als Biliverdin bezeichnet. Erst dessen Reduktion mit NADPH/H+ durch die Biliverdin-Reduktase liefert dann das Bilirubin. Eine Gelbfärbung der Haut (Ikterus; „Gelbsucht“) wird durch eine Einlagerung von Bilirubin verursacht. Dafür kommen mehrere Ursachen in Frage. So kann ein erhöhter Hämabbau zu vermehrter Produktion von (indirektem) Bilirubin führen, wodurch die Kapazität der Leberzellen zur Glucuronidierung überschritten wird. Es kann aber auch eine Störung der Leber vorliegen, z.B. eine hepatische Glucuronidierungsstörung infolge eines Mangels oder eines Defekts der Glucuronyltransferase (intrahepatischer Ikterus). Daneben kommt auch eine Anhäufung von direktem Bilirubin in der Leber infolge eines Verschlusses der ableitenden Gallenwege in Frage (posthepatischer Ikterus). Durch Spaltung der Hämgruppe wird das Fe2+-Ion aus der Komplexbindung gelöst und anschließend zu Fe3+ oxidiert. Dieses geht in den Ferritin-Eisenspeicher von RES und Leber über und steht für eine Wiederverwertung zur Verfügung, wird also nicht ausgeschieden. Im Normalfall ist daher der physiologische Verlust an Eisen recht gering, so dass der tägliche Bedarf bei nur etwa 1–2 mg liegt. Da aber nur ca 10 % des in der Nahrung enthaltenen Eisens resorbiert werden, wird eine Zufuhr von 10–15 mg empfohlen.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

297

Lösung 118: Alternative 4 Die Reaktion mit Diisopropylfluorophosphat ist charakteristisch für Serinproteasen. Durch nucleophilen Angriff des Serinrests im aktiven Zentrum auf das Diisopropylfluorophosphat wird irreversibel ein Phosphorsäureester gebildet und dadurch die aktive Hydroxygruppe des Serins blockiert. Auf diesem Prinzip beruht auch die Hemmung von Serinproteasen durch verschiedene chemische Kampfstoffe. Serinproteasen tragen ihren Namen, weil sie im aktiven Zentrum einen Serinrest aufweisen, der essentiell für die katalysierte Reaktion, die Spaltung einer Peptidbindung, ist. Manche Serinproteasen besitzen eine ausgeprägte Präferenz für die Hydrolyse von Peptidbindungen nach ganz bestimmten Aminosäuren. So spaltet beispielsweise Trypsin bevorzugt nach den basischen Aminosäuren Arginin und Lysin, während Chymotrypsin eine Hydrolyse nach großen hydrophoben Aminosäureresten bevorzugt. Dabei handelt es sich um keine absolute Spezifität, d.h. auch Peptidbindungen zwischen anderen Aminosäuren können gespalten werden, allerdings mit geringerer Wahrscheinlichkeit. Verantwortlich hierfür ist die jeweilige dreidimensionale Struktur im aktiven Zentrum, die, wie z.B. beim Trypsin, durch einen negativ geladenen Rest in der Bindungstasche die Wechselwirkung mit einer positiv geladenen Seitenkette ermöglicht. Die Serinproteasen besitzen jeweils nur ein aktives Zentrum im Molekül, das durch die sogenannte katalytische Triade gebildet wird. Neben dem aktiven Serinrest sind daran typische Säure-Base-Katalysatoren wie ein His- und ein Asp-Rest beteiligt. Exopeptidasen sind Proteasen, die die Hydrolyse von Peptidbindungen ausgehend von einem Ende der Polypeptidkette katalysieren, also Aminosäuren vom N- oder C-Terminus abspalten. Die Serinproteasen sind typische Endoproteasen; sie spalten mehr oder weniger spezifisch an bestimmten Stellen innerhalb der Polypeptidkette. Das Prothrombin ist Bestandteil der Blutgerinnungskaskade; allerdings ist es keine aktive Serinprotease. Es muss von einer aktiven Serinprotease (dem „Faktor Xa“) erst durch limitierte Proteolyse zu Thrombin aktiviert werden. Thrombin (Faktor IIa) ist eine aktive Serinprotease und spaltet in der Zentralregion des Fibrinogens vier Peptidbindungen zwischen Arginin und Glycin; es entsteht das aktive Fibrinmonomer (Faktor Ia). Ein einziger Rest ist nicht ausreichend für die Erkennung der Peptidbindung, die gespalten werden soll. Studien mit kleinen Substratmolekülen und Inhibitoren haben gezeigt, dass die zu hydrolysierende Bindung nach beiden Seiten hin von einigen (ca. 4) Aminosäuren flankiert ist, die an das Enzym binden und die Reaktivität beeinflussen.

Lösung 119: Alternative 4 Trotz eines erhöhten Blutglucosespiegels können insulinabhängige Zellen nur unzureichend Glucose aufnehmen, leiden also unter Glucosemangel. Zur Deckung des Energiebedarfs werden deshalb vermehrt Fette abgebaut; der erste Teil der Aussage ist also korrekt. Allerdings ist die Verwertung des entstehenden Acetyl-CoA im Citratzyklus nur eingeschränkt möglich, da aufgrund des gehemmten Glucosestoffwechsels Oxalacetat für die Bildung von Citrat nicht in entsprechender Menge zur Verfügung steht. Infolgedessen werden aus Acetyl-CoA vermehrt

298

Kapitel 8

sogenannte Ketonkörper gebildet. Die Kondensation von drei Molekülen Acetyl-CoA liefert dabei über intermediär gebildetes 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA Acetacetat, das zu 3Hydroxybutyrat reduziert oder zu Aceton (Propanon) decarboxyliert werden kann. Muskel- und Fettgewebszellen sind insulinabhängig; Insulinmangel bzw. Unempfindlichkeit gegenüber Insulin führt somit zu verminderter Glucoseaufnahme in die Zellen und entsprechend zu einer Erhöhung der Glucosekonzentration im Blut. Normalerweise wird Glucose von der Niere vollständig rückresorbiert. Bei stark erhöhtem Blutglucosespiegel wird jedoch das tubuläre Transportmaximum (180–200 mg/100 mL) überschritten und es kommt zu einer Glucoseausscheidung mit dem Urin (Glucosurie). Die weitere Folge ist aus osmotischen Gründen eine Diurese. Die verminderte Glucoseaufnahme in insulinabhängige Zellen führt zu einem Glucosemangel. Diesem kann durch eine gesteigerte Gluconeogenese aus glucogenen Aminosäuren entgegengewirkt werden. Der verstärkte Aminosäureabbau liefert Ammoniak, der durch Umwandlung in Harnstoff entsorgt werden muss; dadurch erklärt sich ein erhöhter Harnstoffspiegel. Die beschriebene gesteigerte Bildung von Ketonkörpern führt aufgrund der sauren Eigenschaften von Acetessigsäure bzw. 3-Hydroxybutansäure zu einer Erniedrigung des pH-Werts. Kann dieser Effekt nicht mehr durch basische Verbindungen (z.B. HCO3–) kompensiert werden, resultiert eine sogenannte metabolische Azidose, die im Extremfall zum diabetischen Koma führen kann. Ein Nebeneffekt der gesteigerten Ketonkörpersynthese ist die Bildung von Aceton durch spontane Decarboxylierung von Acetacetat. Aceton kann vom Organismus nicht verwertet werden und wird mit dem Atem ausgeschieden, wo es durch seinen typischen Geruch wahrnehmbar ist.

Lösung 120: Alternative 1 Für die Blutgerinnung von Bedeutung ist die Vitamin K-abhängige Carboxylierung von Glutamatresten am J-C-Atom unter Bildung von J-Carboxyglutamat. Dieses findet sich in den Gerinnungsfaktoren II (Prothrombin), VII (Proconvertin), IX (Christmas factor) und X (Stuart factor). Die Einführung der J-Carboxyglutamatreste erhöht die negative Ladung in den entsprechenden Proteinbereichen und ist für die Chelatisierung von Ca2+-Ionen wichtig, welche wiederum die Wechselwirkung mit negativ geladenen Membranlipiden (insbesondere Phosphatidylserin) vermitteln. Die Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten spielt insbesondere beim Kollagen eine wichtige Rolle. Als Cofaktoren fungieren Ascorbat und Fe2+-Ionen. Hydroxyprolin kann durch die Hydroxygruppe zusätzliche Wasserstoffbrücken ausbilden und trägt zur Stabilität der Tripelhelix-Struktur bei. An die Hydroxygruppe im Lysin werden Zuckerreste O-glykosidisch gebunden.

Lösungen – Multiple Choice Aufgaben

299

Durch die Phosphorylierung von Serinresten durch Proteinkinasen wird die Aktivität zahlreicher Enzyme gesteuert. Ein typisches Beispiel ist die Glykogen-Phosphorylase, die durch Phosphorylierung in die aktive Form übergeht, während die Dephosphorylierung das Enzym deaktiviert. Die Decarboxylierung von Glutamat ergibt J-Aminobutansäure (GABA), eine Verbindung, die im Gehirn als Neurotransmitter fungiert. Bei die Hydroxylierung von Tryptophan entsteht das 5-Hydroxytryptophan. Es ist eine Vorstufe für die Bildung von Serotonin (5-Hydroxytryptamin), das durch Decarboxylierung von 5-Hydroxytryptophan gebildet wird und als Gewebshormon und Neurotransmitter fungiert.

Kapitel 9 Lösungen – Biomoleküle: Aminosäuren und Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und Membranen, Vitamine und Coenzyme

Lösung 121 Glutamin O

C

Methionin

NH2

S

CH2 O H3 N

CH

N

CH2

CH

H

Serin

CH2 O

H

CH2

C

CH3

N

C O

CH CH2

C

OH H

CH2 N

CH

H

C

N

O CH2

C

O

CH2 N

CH

COO

H Glycin

HN

OH Tyrosin

Tryptophan

Die phosphorylierbaren Aminosäuren Tyrosin und Serin sind in blau hervorgehoben.

Lösung 122 a) Aus dem Massenwirkungsgesetz für die allgemeine Dissoziation einer schwachen Säure mit der Säurekonstante KS lässt sich folgende, als Henderson-Hasselbalch-Gleichung bekannte Beziehung ableiten: K

c (H3O + ) ˜ c (A  ) ; KS c (HA) ˜ c (H 2 O)

c (H3O + )

KS ˜

 lg c (H3O + )

c (H 3O + ) ˜ c (A  ) c (HA)

c (HA) c (A  ) pH

pKS  lg

c (A  ) c (HA)

302

Kapitel 9

Definitionsgemäß besitzt die Aminosäure beim isoelektrischen Punkt (IP; pI) keine Nettoladung. Der pI-Wert einer Aminosäure mit nichtionisierbaren Seitenketten ist mit dem pH identisch, der dem arithmetischen Mittel zwischen den pK-Werten der Carboxyl- und der DAminogruppe entspricht. Für basische Aminosäuren sind die Seitenketten an der positiven Ladung beteiligt; die Ladungsbeiträge der D-Aminogruppe und der Seitenkette (R) müssen zusammen 1 ergeben. Dies wird erreicht, wenn der pH das arithmetische Mittel von pKAmino und pKR ist. Analog entspricht der pI einer sauren Aminosäure dem arithmetischen Mittel von pKCarboxyl und pKR: pI (His) = [(pKAmino) + (pKImidazol)] / 2 = 7,6 pI (Asp) = [(pKCarboxyl) + (pKR)] / 2 = 3,0 pI (Arg) = [(pKAmino) + (pKR)] / 2 = 10,75 b) Zur Berechnung der prozentualen Ladungen benutzt man die Henderson-HasselbalchGleichung: Bei pH = pI = 3 wird die Aminogruppe praktisch vollständig protoniert sein und eine volle positive Ladung beitragen (α1 = 1). Die anteiligen Ladungsbeiträge der Carboxylgruppen sind: D-COOH: pKS = 2,1 lg

c (A  ) c (HA)

0,9

o

c (A  ) c (HA)

7,94

o Anteil deprotonierte Form D 0 (1) =

c (A  ) 

c (A )  c (HA)

7,94 8,94

88,8%

0,126 1,126

11, 2 %

Analog ergibt sich für die E-Carboxylat-Gruppe (pKS = 3,90) lg

c (A  ) c (HA)

 0,9

o

c (A  ) c (HA)

0,126

o Anteil deprotonierte Form D 0 (2) =

c (A  ) 

c (A )  c (HA)

Insgesamt ist die Summe der negativen (α0(1) + α0(2)) und der positiven Ladungsanteile (α1) bei pH = 3 also jeweils gleich eins, d.h. die Nettoladung ist Null, wie es der Definition des isoelektrischen Punktes entspricht.

Lösung 123 Die Hydrolyse des Tripeptids liefert die drei Aminosäuren Alanin, Leucin und Threonin, die sich in ihrer Polarität unterscheiden. Alanin besitzt als Rest eine kleine unpolare Methylgruppe, das Leucin enthält eine größere unpolare Seitenkette, während im Threonin eine polare Hydroxygruppe in der Seitenkette enthalten ist. Entsprechend läuft die polarste der drei Aminosäuren, das Threonin, im hydrophilen Laufmittel 1 am weitesten, im hydrophoben dagegen praktisch nicht. Das Alanin nimmt in beiden Laufmitteln eine Mittelstellung ein. Das sehr

Lösungen – Biomoleküle

303

unpolare Leucin läuft im hydrophilen Laufmittel kaum, dagegen am weitesten im hydrophoben Laufmittel. Damit ergibt sich folgendes Bild: .

Laufmittel 2 hydrophob

Threonin

.............................

Alanin

.............................

Laufmittel 1 hydrophil

Leucin .............................

Auftragspunkt

.

Lösung 124 Die in Proteinen vorkommenden Aminosäuren weisen praktisch ausschließlich L-Konfiguration auf. Für alle Aminosäuren außer Cystein ist dies identisch mit der S-Form (nach absoluter Nomenklatur). Nur für das Cystein hat die Seitenkette mit der SH-Gruppe höhere Priorität als die Carboxylgruppe, so dass für das proteinogene L-Cystein die R-Konfiguration resultiert. Als saure Aminosäure ist Aspartat, als basische Lysin gezeigt. O H3N S

O O

H 3N

S

O O

COO Aspartat

H 3N R

O SH

Cystein

Lysin NH3

Der pH-Bereich, in dem Cystein zu > 90 % in der zwitterionischen Form vorliegt, lässt sich mit Hilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung näherungsweise bestimmen. Für den zweiten pKS-Wert, der die Dissoziation der Seitenkette beschreibt, gilt: pH

pKS2  lg

c (A  ) ; c (HA)

c (A  ) c (A  ) d 0,1 für lg d 1 c (HA) c (HA) o pH  pKS2  1, d.h. pH  7,3

304

Kapitel 9

Für den ersten pKS-Wert von 1,8 für die Carboxylgruppe ergibt sich: pH

pKS1  lg

c (HA) +

c (H 2 A )

c (HA) c (H 2 A + )

t 10 für lg

;

c (HA) c (H 2 A + )

t 1

o pH ! pKS1  1, d.h. pH ! 2,8

Die zwitterionische Form sollte demnach im Bereich 2,8 < pH < 7,3 zu über 90 % vorliegen.

Lösung 125 Zur Konzentrationsbestimmung von Proteinen kann man sich deren Eigenabsorption zunutze machen, die durch die aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan bedingt ist. Dabei absorbiert das Tryptophan deutlich stärker und etwas langwelliger (Omax | 280 nm) als die beiden anderen Aminosäuren. Kennt man den Absorptionskoeffizienten (= Extinktionskoeffizient) für ein gegebenes Protein, so kann aus der gemessenen Absorbanz direkt die Konzentration berechnet werden, sofern man sich im Gültigkeitsbereich des Lambert-Beer´schen Gesetzes befindet. Häufig wird auch die Biuret-Reaktion angewandt. Sie beruht darauf, dass Peptidbindungen in alkalischer Lösung mit Cu2+-Ionen blau-violett gefärbte Komplexe bilden. Mit Hilfe einer Eichgeraden aus Absorbanzwerten für bekannte Proteinkonzentrationen kann die unbekannte Konzentration ermittelt werden. Daneben sind eine Reihe weiterer Farbreaktionen bekannt, z.B. die Proteinbestimmung nach Lowry u.a.

Lösung 126 Die Struktur des Peptids ist nebenstehend gezeigt; alle Aminosäuren weisen L-Konfiguration auf. Mit Ausnahme von Cystein ist die absolute Konfiguration daher S. Dieses ist Rkonfiguriert, da der Seitenkette aufgrund des Schwefelatoms höhere Priorität zukommt als der Carboxylgruppe. OH Die Carboxylgruppe ist bei pH = 6,6 (und selbstverständlich auch bei pH = 10) vollständig deprotoniert, die N-terminale Aminogruppe dagegen protoniert – beide zusammen tragen also nicht zur Nettoladung bei. Die einzige ionisierbare Gruppe dieses Peptids, die einen pKS-Wert nahe 6,6 besitzt, ist die Seitenkette im Histidin mit pKS = 6,0. Unter Anwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung erhält man:

O H3N S

H

H H2N

C

O

N S

N S

SH

O

O

H

H N

O

N R O NH

Lösungen – Biomoleküle

6, 6

6, 0  lg

c (His0 ) c (His 1 )

305

c (His0 ) c (His 1 )

100,6

3,98

Dies entspricht einer positiven Ladung pro ca. 5 Moleküle oder ca. 0,2 pro Peptidmolekül. Bei pH 10 liegt die SH-Gruppe von Cystein fast vollständig deprotoniert vor; die OH-Gruppe von Tyrosin zu 50 % (pKS = 10). Der Aminoterminus ist ebenfalls fast vollständig (zu ca. 90 %) deprotoniert. Somit ergibt sich eine Gesamtladung von ca. –2,4.

Lösung 127 a) Es handelt sich um eine nucleophile Substitutionsreaktion an einem sehr elektronenarmen Aromaten, die durch den starken –I/–M-Effekt der beiden Nitrogruppen ermöglicht wird. Im Zuge der Rearomatisierung wird HF abgespalten. Anschließend wird das 2,4-Dinitrophenylmarkierte Peptid hydrolysiert und die derivatisierte Aminosäure ermittelt. NO2 O 2N

F

H +

N

H 2N

O

H2 N

O

N

N

R

O

O

F

R

H

NO2 H N

O 2N

N H

O

R

H Hydrolyse

NO2

OH O 2N

N

+

H

O

H3N

R

NO2

b) Die Berechnung der Stoffmenge an DNP-Valin, die pro Mol Protein gebildet wird, ergibt die Anzahl der Aminotermini und damit die Anzahl der Polypeptidketten. Lysinreste im Protein, die nicht N-terminal sind, ergeben zusätzliche DNP-Derivate (die in der Aufgabe gezeigte rechte Verbindung); allerdings durch Reaktion der H-Aminogruppe und nicht der D-Aminogruppe und sind daher nicht zu berücksichtigen. n (Protein) = 0,660 g / 1,32u105 g/mol = 5,0 μmol M (DNP-Valin) = 283 g/mol; n (DNP-Valin) = 5,7 mg / 283 g/mol = 20,1 μmol Æ n (DNP-Valin) = 4 n (Protein); es liegen also 4 Polypeptidketten vor.

306

Kapitel 9

Lösung 128 a) Die Serinprotease Trypsin ist spezifisch für Peptidbindungen C-terminal zu den LEnantiomeren der basischen Aminosäuren Arginin und Lysin, d.h. es wird nur die L-Form des gegebenen Substrats gespalten und dadurch das p-Nitroanilin freigesetzt, das die beobachtete Absorbanz bewirkt. NO2

O

H N

H

N H2O

H

O

O

N

NO2

O

O

+ NH

NH H2N

NH2

N-Benzoyl-D,L-Arginin-p-nitroanilid

H2N

+ H

H2 N

Trypsin

p-Nitroanilin

NH2

N-Benzoyl-D,L-Arginin

b) Demnach entspricht die durch Spaltung mit Trypsin hervorgerufene Änderung der Absorbanz von 0,3 dem L-Enantiomer. Eine basische Hydrolyse mit KOH spaltet dagegen beide Enantiomere. Die Differenz der Absorbanz in beiden Experimenten von 0,6 kommt also durch die Spaltung des D-Enantiomers zustande. Somit beträgt das Verhältnis von D- zu L-Enantiomer D : L = 0,6 : 0,3 = 2 : 1.

Lösung 129 a) Die Aminosäure muss in der kationischen Form vorliegen, damit sie über ionische Wechselwirkungen an das negativ geladene Kationentauscherharz gebunden werden kann. Dementsprechend muss die Lösung der Aminosäure so weit angesäuert werden, dass die Carboxylgruppe in der protonierten Form vorliegt. So lägen bei einem pH-Wert von 1 gemäß der Henderson-HasselbalchGleichung etwas mehr als 90 % in der protonierten Form vor.

CH3

O

H3C

OH NH3 Isoleucin

Um die Aminosäure wieder zu eluieren muss entsprechend der pH-Wert erhöht werden, so dass Isoleucin in die zwitterionische oder anionische Form übergeht. Alternativ können die ionischen Wechselwirkungen mit dem Austauscherharz durch Erhöhung der Salzkonzentration (Elution mit ausreichend konzentrierter NaCl-Lösung) so geschwächt werden, dass die Aminosäure vom Harz gelöst wird.

Lösung 130 a) Die Enteropeptidase in der Bürstensaummembran der Mucosazellen im Duodenum spaltet Trypsinogen zu Trypsin und aktiviert es dadurch. Die Enteropeptidase wirkt als sequenzspezi-

Lösungen – Biomoleküle

307

fische Endopeptidase und entfernt spezifisch die aminoterminalen sechs Aminosäurereste des Trypsinogens. Thrombin (Faktor IIa) ist eine Serinprotease der Blutgerinnungskaskade. Es entsteht durch proteolytische Spaltung von Prothrombin (Faktor II) und katalysiert den letzten Schritt der Blutgerinnungskaskade, die Spaltung von Fibrinogen zu Fibrin. Das Proteasom ist ein Proteinkomplex im Cytosol, das dem Abbau falsch gefalteter, nicht funktionstüchtiger oder regulatorischer Proteine, die inaktiviert werden müssen, dient. Fast alle Proteine, die vom Proteasom abgebaut werden, sind vorher durch kovalente Verknüpfung mit Ubiquitin, einem kleinen Protein aus 76 Aminosäuren, „markiert“ worden (meist werden mehrere Ubiquitinmoleküle angehängt; „Poly-Ubiquitinierung“). Caspasen (Cystein-dependent aspartate-specific proteases) sind die Hauptmediatoren der Apoptose. Die Initiator-Caspasen stehen am Anfang der Signalkaskade und sind an der Auslösung der Apoptose beteiligt, während die Effektor-Caspasen die proteolytische Spaltung ihrer Substrate katalysieren. b) Die Verbindung enthält einen hydrophoben Phenylalaninrest. Die Serinprotease Chymotrypsin spaltet typischerweise Peptidbindungen auf der C-terminalen Seite großer, hydrophober Aminosäurereste. Bei Spaltung der markierten Amidbindung der gegebenen Verbindung durch Chymotrypsin entsteht pNitroanilin, das bei ca. 405 nm ein Absorptionsmaximum aufweist und daher gelb gefärbt ist.

H N O

NO2

O N CH2

H

Lösung 131 a) Unter der Tertiärstruktur eines Proteins versteht man die räumliche Anordnung der Sekundärstrukturelemente (meist eine Kombination aus D-Helix, β-Faltblatt, turns und ungeordneten Bereichen), d.h. die vollständige dreidimensionale Struktur des Proteins. In die Stabilisierung von Tertiärstrukturen sind Disulfidbrücken, Ionenbindungen, Wasserstoffbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen involviert. Dabei finden sich die hydrophoben Bereiche v.a. im Inneren, während die hydrophilen und/oder geladenen Bereiche dem wässrigen Milieu zugewandt sind. Voraussetzung für eine Quartärstruktur ist, dass das Protein aus mehreren Untereinheiten (einzelnen Polypeptidketten) besteht, die zusammen einen funktionellen Komplex bilden. Die einzelnen Untereinheiten können durch hydrophobe Wechselwirkungen, ionische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. b) x Struktur: Bei einer D-Helix bilden sich H-Brücken zwischen dem Carbonyl-Sauerstoffatom eines Restes und der D-Aminogruppe eines Restes eine Windung (4 Reste) entfernt. Die Orientierung der Wasserstoffbrücken ist im Wesentlichen parallel zur Helixachse, zwischen Atomen des „backbones“ (d.h. die Seitenketten sind nicht daran beteiligt).

308

Kapitel 9

Dagegen bilden sich in der DNA die Wasserstoffbrücken zwischen den miteinander paarenden Basen und damit annähernd senkrecht zur Helixachse. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat ist daran nicht beteiligt. x Stabilisierung: Die einzelnen Wasserstoffbrücken innerhalb der D-Helix tragen zur Stabilisierung dieser regelmäßigen Sekundärstruktur bei; zusammen ergeben sie einen kumulativen Effekt, der die Helix v.a. im hydrophoben Inneren des Proteins stabilisiert. In der DNA ist die wichtigste Funktion der Wasserstoffbrücken die komplementäre Basenpaarung; der Hauptbeitrag zur Stabilisierung der helikalen Struktur kommt von den „Stapelwechselwirkungen“ der aromatischen Basen. c) Bei physiologischem pH-Wert stoßen sich die positiv geladenen Lys-Seitenketten ab. Eine pH-Wert-Erhöhung über den pKS-Wert (> 10,5) würde die Seitenketten neutralisieren; die Bildung einer D-Helix wäre dann möglich.

Lösung 132 Bei der Berechnung wird der um die molare Masse des Wassers verminderte Wert für die molare Masse der Aminosäuren verwendet, da im Protein aus n Aminosäuren insgesamt (n–1) Moleküle Wasser abgespalten worden sind, die molare Masse des Proteins also um (n–1)u18 g/mol niedriger ist, als die Summe der molaren Masse der n Aminosäuren. M ´ (Leu)

M (Leu)  M (H 2 O)

w (Leu)

m (Leu) m (Prot)

132, 2 g/mol  18 g/mol

113, 2 g/mol

n (Leu) ˜ M ´ (Leu) L n (Prot) ˜ M min (Prot)

Die minimale molare Masse basierend auf dem Leucingehalt ergibt sich für das Stoffmengenverhältnis: n (Leu) n (Prot) L (Prot) M min

Mit M ´ (Trp)

1 o

M ´ (Leu) L (Prot) M min

1 mg ˜ 113, 2 g/mol 58,1 μg M (Trp)  M (H 2 O)

58,1 μg 1 mg 1948 g/mol

204, 2 g/mol  18 g/mol

186, 2 g/mol

ergibt sich die minimale molare Masse basierend auf dem Trp-Gehalt analog zu T M min (Prot)

1 mg ˜ 186, 2 g/mol 36, 2 μg

5150 g/mol

Beide Berechnungen beruhen nun darauf, dass jeweils nur 1 Molekül der betreffenden Aminosäure pro Proteinmolekül vorhanden ist. Das tatsächliche Stoffmengenverhältnis ergibt sich aus den Analysedaten zu

Lösungen – Biomoleküle

n (Leu) n (Trp)

309

m (Leu) ˜ M (Trp) n (Trp) ˜ M (Leu)

58,1 μg ˜ 204, 2 g/mol 36, 2 μg ˜ 131, 2 g/mol

2,5 1

Da das Stoffmengenverhältnis nur geradzahlig sein kann, muss gelten: 5 n (Leu) 2 n (Trp) Die minimale molare Masse des Proteins bezogen auf die beiden Aminosäuren Leucin und Tryptophan ergibt sich zu L M min (Prot) 5 ˜ M min (Prot)

5 ˜ 2120 g/mol

10600 g/mol

2 ˜ 5150 g/mol

10300 g/mol

oder T M min (Prot) 5 ˜ M min (Prot)

Lösung 133 a) Bei pH 6 tragen der C-Terminus sowie die Asp-Seitenkette jeweils eine negative Ladung; die Seitenkette von Arginin sowie der N-Terminus sind positiv. Die Nettoladung beträgt demnach Null. Bei pH 12,5 sind der C-Terminus sowie die Aspartatseitenkette selbstverständlich wiederum negativ geladen, ebenso die Tyr-OH-Gruppe; der N-Terminus ist jetzt ungeladen und die Argininseitenkette ist nur noch zu 50 % protoniert (pH = pKS). Daraus resultiert eine Nettoladung von –2,5. b) 1. Trypsin spaltet nach Arg, Lys: Æ Sequenz des Dipeptids ist AspArg 2. Da die Carboxypeptidase Reste vom C-Terminus eines Peptids bzw. Proteins abspaltet, folgt: Æ Phe ist C-terminal 3. Bromcyan spaltet nach Methioninresten: Æ Das Dipeptid muss ProPhe sein (wegen 2.); das Hexapeptid muss auf Met enden. 4. Chymotrypsin spaltet nach hydrophoben aromatischen AS: Æ Tetrapeptid 1 = AspArgValTyr (Spaltung nach Tyr + Information aus dem Dipeptid) Tetrapeptid 2 = IleMetProPhe (wegen 2. und 3. ) Für die Gesamtsequenz ergibt sich damit: AspArgValTyrIleMetProPhe

Lösung 134 Da die Aminosäuren äquimolar im Peptid vorhanden sind, ergibt sich zusammen mit der molaren Masse, dass alle Aminosäuren je zwei mal vorkommen. Die Behandlung mit der Carboxypeptidase, die als Exopeptidase die C-terminale Aminosäure eines Peptids oder Proteins abspaltet, ergab keine Spaltung. Dieser Befund weist darauf hin, dass es sich um ein zyklisches Peptid handelt. Durch Behandlung mit Sangers Reagenz wurde zwar ein 2,4-

310

Kapitel 9

Dinitrophenylderivat erhalten; dieses leitet sich aber offensichtlich von einer Reaktion der Seitenkette von Ornithin ab. Es entstand kein Derivat einer N-terminalen Aminogruppe; auch dieser Befund ist in Übereinstimmung mit einem zyklischen Peptid. Zusammen mit den Peptidfragmenten folgt daraus folgende Struktur: Leu Orn

Phe

Val

Richtung der Peptidbindung im Uhrzeigersinn

Pro

Pro

Val

Phe

Orn

Leu

Lösung 135 a) Die spezifischen Aktivitäten, Ausbeuten und Anreicherungsfaktoren (bezogen auf den zu Beginn vorliegenden Zellextrakt) sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst: m (Protein)

zspez /

/ mg

Aktivität z/U

U/mg

Ausbeute (%)

Anreicherung (n-fach)

2800

70000

2700

0,039

100

1

(NH4)2SO4Fraktionierung

3000

25400

2300

0,091

85

2,3

Hitzebehandlung

3000

16100

1980

0,12

73

3,1

80

3900

1680

0,43

62

11,0

50

47

1350

28,7

50

736

7

35

1120

32

41

820

Reinigungsschritt

V / mL

Zellextrakt

DEAEChromatographie Affinitätschromatographie Bio-Gel-AChromatographie

Im Folgenden ist beispielhaft eine Berechnung aufgeführt (Beispiel: DEAE-CelluloseSchritt): Die spezifische Aktivität ist definiert als Enzymaktivität pro Masse an Protein: zspez = 1680 U / 3900 mg = 0,43 U/mg Die Ausbeute berechnet sich als Anteil der nach jedem spezifischen Isolierungsschritt verbleibenden Aktivitätseinheiten im Vergleich zur anfänglichen Aktivität: Ausbeute = 1680 U / 2700 U u 100 % = 62 %

Lösungen – Biomoleküle

311

Die Anreicherung (n-fach) ist das Verhältnis der spezifischen Aktivität nach einem gegebenen Isolierungsschritt zur spezifischen Aktivität im Zellextrakt: n-fache Anreicherung = (0,43 U mg–1) / (3,9 u 10–2 U mg–1) = 11,0 Die größte Anreicherung wird durch die Affinitätschromatographie erzielt. Die spezifische Aktivität des Enzyms nach diesem Schritt ist im Vergleich zur spezifischen Aktivität des vorherigen Schrittes 67-fach erhöht. Die Ammoniumsulfat-Fällung verursacht eine 2,3-fache Anreicherung, die Hitzedenaturierung eine 1,4-fache, die DEAE-Chromatographie eine 3,5fache und die Biogel-A-Chromatographie eine 1,1-fache. Im Vergleich zum Zellextrakt ist die spezifische Aktivität der reinen 6-PhosphogluconatDehydrogenase um das 820-fache erhöht. Der Anteil des Enzyms am Gesamtprotein war anfänglich 1/820, also 0,12 %. b) Eine Bindung des Proteins an DEAE erfolgt, wenn die Nettoladung des Proteins negativ und die der Diethylaminoethyl-Austauschergruppe positiv ist. Vorausgesetzt, der pKS-Wert des Austauschers beträgt etwa 9, dann ist die DEAE-Gruppe bei pH = 9 noch zu ca. 50 % protoniert und positiv geladen; bei pH-Werten > 9 jedoch zunehmend neutral. Das Protein ist bei einem pH-Wert über dem isoelektrischen Punkt (pI = 6,0) negativ geladen. Somit wird durch einen Puffer im pH-Bereich 69 sichergestellt, dass die Austauschergruppe überwiegend positiv und das Protein negativ geladen ist, so dass es zur ionischen Wechselwirkung zwischen beiden Komponenten kommt.

Lösung 136 a) Am häufigsten wird zur Anfärbung der Proteinbanden ein Farbstoff wie das CoomassieBlau verwendet. Sind die Proteinmengen sehr gering, kann man auf die empfindlichere Silberfärbung zurückgreifen. Man berechnet für jedes Eichprotein einen Rf-Wert, indem man die Wanderungsstrecke des Eichproteins durch die Wegstrecke zwischen Auftragsstelle und Lauffront teilt. Trägt man diesen Wert gegen den Logarithmus der entsprechenden (relativen) molaren Massen auf, ergibt sich eine Eichkurve, aus der die Masse der Pyrophosphatase abgeschätzt werden kann. Molare Masse M (Untereinheit) / kDa

lg M

Laufstrecke / cm

Rf

69

4,839

3,2

0,133

60

4,778

4,4

0,183

43

4,633

7,0

0,292

29

4,462

10,4

0,433

17

4,230

14,8

0,617

Pyrophosphatase

13,4

0,558

Pyrophosphatase ohne 2-Mercaptoethanol

7,6

0,317

312

Kapitel 9

Gelelektrophorese 0,8 0,7 0,6

y = -0,7946x + 3,9777

Rf

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

lg M Aus der Geradengleichung der Eichgerade und den relativen Rf-Werten der Pyrophosphatase in An- bzw. Abwesenheit von 2-Mercaptoethanol oder wie angedeutet durch Fällung des Lotes auf die x-Achse ergibt sich für die reduzierte Pyrophosphatase ein Polypeptid mit lg M = 4,30 entsprechend einer molaren Masse von ca. 2,0u104 g/mol, während man ohne das Reduktionsmittel ein Peptid mit lg M = 4,6 entsprechend einer molaren Masse von ca. 4,0u104 g/mol erhält. Die Pyrophosphatase besteht somit aus einem Dimer von zwei Untereinheiten mit Massen von jeweils etwa 2,0u104 g/mol, wobei die Untereinheiten über eine oder mehrere Disulfidbrücken verknüpft sind.

Lösung 137 Für den Sedimentationskoeffizienten S gilt: S

m ˜ 1  U L / U P fr

wobei fr der Reibungskoeffizient ist; UL die Dichte der Lösung und UP die Dichte des Proteins. Für sphärische Teilchen gilt: f r 6S K r . Die Masse einer Kugel ist proportional zu ihrem Volumen, d.h. m ~ V; da V

3 1/3 4 S r 3 folgt m ~ r und damit r ~ m . 3

Damit wird S proportional zu m/m1/3 , also S ~ m2/3. Vorausgesetzt wurde dabei, dass die anderen Größen (1  UL/UP ) und K konstant bleiben. Daraus folgt: S (70 kD) S (35 kD)

702 / 3 352 / 3

22 / 3

1,59

Lösungen – Biomoleküle

313

Lösung 138 Histone weisen aufgrund ihres großen Anteils an basischen Aminosäuren bei physiologischen pH-Werten eine positive Nettoladung auf. Sie werden daher im Gegensatz zum Albumin fest an einen Kationenaustauscher gebunden. Das durch eine Tischzentrifuge erzeugbare Schwerefeld ist bei weitem nicht ausreichend, um Proteine dieser Größe abzuzentrifugieren. Mit Hilfe einer SDS-Gelelektrophorese lassen sich zwar Proteine mit unterschiedlicher molarer Masse trennen, allerdings werden diese durch das zugegebene SDS denaturiert, so dass sie nicht in nativer Form erhalten werden. Die Dünnschichtchromatographie schließlich ist eher eine analytische Methode und weniger zur präparativen Trennung geeignet. Mit einer gängigen stationären Phase wie z.B. Kieselgel oder Aluminiumoxid und einem unpolaren Laufmittel(gemisch) wäre zudem damit zu rechnen, dass die Proteine am Auftragungspunkt liegen bleiben und nicht wandern.

Lösung 139 Aus dem Volumen der vorliegenden Lösung und dem Fassungsvolumen des Gefäßes ergibt sich, dass bei einem Dialyseschritt maximal eine Verdünnung des Harnstoffs von 20 : 200 = 1:10 erreicht werden kann. Daraus ergibt sich folgende Abfolge, unter der idealisierten Annahme, dass sich das Gleichgewicht jeweils vollständig einstellt: 6 mol/L Æ 0,6 mol/L Æ 0,06 mol/L Æ 0,006 mol/L Æ 0,0006 mol/L Æ 0,00006 mol/L 0,00006 mol/L = 0,06 mmol/L < 0,5 mmol/L Es müssen also mindestens 5 Dialyseschritte nacheinander durchgeführt werden.

Lösung 140 Eine typische D-Helix besitzt eine Ganghöhe von 0,54 nm pro Windung; dies entspricht 3,6 Aminosäuren (AS). Daraus folgt eine Länge von 0,15 nm pro Aminosäure. Für die Länge der D-Helix ergibt sich also Länge der D-Helix = Ganghöhe pro AS u Anzahl an AS Damit die α-Helix mindestens eine Länge von 4,5 nm erreicht und so die Membran durchspannen kann, benötigt sie die Anzahl N an Aminosäuren

N =

4,5 nm 0,15 nm pro AS

30

Die molare Masse einer solchen Helix beträgt M = N (AS) u 110 g/mol = 3300 g/mol. Die molare Masse für 7 derartige Helices beträgt dann 7 u 3300 g/mol = 2,31×104 g/mol. Der D-helikal vorliegende Anteil ist dann 2,31×104 / 2,60×104 | 89 %.

314

Kapitel 9

Lösung 141 a) Aus den gegebenen Volumina (V (S) = 100 mL; V (t) = 25 mL; V (E) = 45 mL) lässt sich der Verteilungskoeffizient K berechnen zu: K =

V (E)  V (t) V (S)  V (t)

molare Masse / kDa

lg M

Elutionsvolumen / mL

K

669

4,137

32,5

0,70

440

4,633

37,0

0,52

150

4,826

50,5

0,46

67

5,176

59,5

0,34

43

5,643

64,0

0,16

13,7

5,825

77,5

0,10

45,0

0,27

unbekannt

Eine Auftragung von lg M gegen K liefert eine Gerade. Aus der Geradengleichung kann lg M für das unbekannte Protein (und daraus M) berechnet werden.

Gelfiltration 6,0

lg M

5,5 y = -2,8075x + 6,1068 5,0

4,5

4,0 0

0,2

0,4

0,6

K Für K = 0,27 ergibt sich:

lg M =  2,8084 ˜ 0,27 + 6,1068 = 5,35 o M | 224 kD Die molare Masse des unbekannten Proteins beträgt also ca. 2,24×105 g/mol.

0,8

Lösungen – Biomoleküle

315

b) Vorausgesetzt ist bei dieser Bestimmung, dass es sich bei dem unbekannten Protein ebenfalls um ein globuläres Protein mit einer den Kalibrationsproteinen möglichst ähnlichen (kugelförmigen) Gestalt handelt. Ist dies nicht der Fall, gilt die erhaltene Eichgerade nicht für das unbekannte Protein und liefert ein falsches Ergebnis.

Lösung 142 Parathion ist, wie eine Reihe anderer organischer Phosphorsäureester, ein starkes Nervengift. Dies beruht auf einer irreversiblen Reaktion derartiger Phosphorsäureester mit reaktiven Serinresten im aktiven Zentrum der Serinproteasen, wie Chymotrypsin und Acetylcholinesterase. Im Labor verwendet man häufig Diisopropylfluorophosphat (DIPF) zur Desaktivierung der Proteasen bei Proteinspaltungen. Die irreversible Reaktion von Parathion mit der Acetylcholinesterase verhindert den Abbau des Neurotransmitters Acetylcholin, der an den postsynaptischen Acetylcholinrezeptor, ein integrales Membranprotein, gebunden ist. Man unterscheidet aufgrund der Affinität zu bestimmten Substanzen den nicotinischen Acetylcholinrezeptor und den muscarinischen Acetylcholinrezeptor. Ferner kann zwischen verschiedenen Acetylcholinrezeptoren entsprechend ihrem Vorkommen im Organismus unterschieden werden; so existieren neuronale Acetylcholinrezeptoren und diejenigen an der motorischen Endplatte (auf der Seite der Muskelfasermembran). Das Funktionsprinzip ist bei allen Typen gleich: Beim Ankommen eines Aktionspotenzials werden von der synaptischen Endigung eines motorischen Axons durch Exocytose synaptische Vesikel in den synaptischen Spalt abgegeben; Acetylcholin wird frei und diffundiert zur postsynaptischen Membran. Dort bindet es an seinen jeweiligen Rezeptor und löst die entsprechende spezifische Aktivität aus. Dadurch bleibt der nicotinische Acetylcholinrezeptor, ein Na+-K+-Kanal, länger als normal geöffnet, was den regulären Ablauf von Nervenimpulsen stört. Hält dieser Zustand an, kommt es rasch zum Tod durch Atemlähmung. S

O2N Acetylcholinesterase

Ser

OH

+

S O

P OC H 2 5 OC2H5

Acetylcholinesterase

Ser

O

P OC H 2 5 OC2H5

O2N +

O

316

Kapitel 9

Lösung 143 Für die Bindung von O2 bzw. H+ durch Hämoglobin lässt sich folgendes Gleichgewicht formulieren: H-Hb + +

O2

ZZX HbO 2 YZZ

 H+

Die Bindung von H+ und CO2 steht in reziprokem Verhältnis zur Bindung von O2. Bei relativ niedrigem pH und hohen CO2-Gehalten in den peripheren Geweben sinkt die Affinität von Hb für O2 , während H+ und CO2 gebunden werden. Der gleichzeitige Einfluss von pH und CO2Konzentration beruht in erster Linie darauf, dass eine Erhöhung von CO2 zur Erniedrigung des pH-Werts führt und umgekehrt. Der Einfluss des CO2-Moleküls selbst auf die SauerstoffAffinität ist dagegen gering. Wird CO2 in den Lungen ausgeschieden (wodurch auch der BlutpH ansteigt), bindet Hb verstärkt O2 für den Transport in die peripheren Geweben (BohrEffekt). Eine schematische Sauerstoffbindungskurve (Auftragung des Sättigungsgrades YO2 gegen den Sauerstoff-Partialdruck) ist nachstehend gezeigt. 4

pH 7,6

pH 7,2

pO2

Lösung 144 a) Die Abkürzung SDS steht für engl. „sodium dodecylsulfate“, also Natriumdodecylsulfat, einen langkettigen Ester der Schwefelsäure. Die Verbindung ist ein typisches anionisches Detergenz. Als Monomer bei der Polyacrylamid-Gelelektrophorese dient Acrylamid (Propensäureamid). Als Reduktionsmittel zur Spaltung von Disulfidbrücken dient ein Thiol, wie z.B. das 2-Mercaptoethanol (β-Mercaptoethanol). O Natriumdodecylsulfat (SDS)

O SO3 Na

NH2 Acrylamid

HS

OH

2-Mercaptoethanol

b) SDS lagert sich an die Polypeptidkette an und entfaltet diese; die Bindung erfolgt mit einem konstantem Massenverhältnis SDS / Protein. Dadurch erhält das Protein eine hohe negative Nettoladung (proportional zur molaren Masse); die ursprüngliche Ladung des Proteins wird unerheblich. Da das Protein in Anwesenheit von SDS entfaltet (denaturiert) vorliegt,

Lösungen – Biomoleküle

317

spielt auch die ursprüngliche Form keine Rolle mehr. Dadurch erfolgt die Trennung allein aufgrund der Länge der Polypeptidkette (und damit der Masse des Proteins). c) In Abwesenheit von 2-Mercaptoethanol sieht man zwei kräftige Banden bei 15 kD bzw. 45 kD, d.h. es existieren zwei verschiedene Untereinheiten. Diese wiegen zusammen 60 kD. Bei einer Gesamtmasse des Enzyms von 240 kD und der angegebenen hohen Symmetrie ist anzunehmen, dass beide Untereinheiten je 4 mal vorhanden sind: Zusammensetzung A4B4. Diese Untereinheiten sind nichtkovalent miteinander assoziiert. In Anwesenheit von 2-Mercaptoethanol zerfällt die größere Untereinheit mit 45 kD in zwei kleinere mit ca. 10 bzw. 35 kD. Diese waren offensichtlich durch eine oder mehrere Disulfidbrücken miteinander verknüpft.

Lösung 145 a) Die beiden ersten Peptide weisen praktisch identische Größe auf; für sie kommt eine Trennung durch Gelchromatographie nicht in Frage. P1 weist bei pH 7 drei positive Ladungen auf (2uLys / Arg), P2 dagegen ist 2-fach negativ (3uGlu / Asp / 2uHis). Beide lassen sich daher leicht durch Ionenaustauschchromatographie trennen. Verwendet man DEAE-Cellulose (enthält positiv geladene Aminogruppen), so läuft P1 durch und P2 wird gebunden. P2 kann anschließend durch Erhöhung der Ionenstärke oder Erniedrigung des pH-Werts (Æ Neutralisierung der Ladungen am Peptid) eluiert werden. Verwendet man CM-Cellulose, verhält es sich umgekehrt; P1 wird gebunden und muss anschließend eluiert werden. Das Peptid 3 ist signifikant kürzer als die beiden anderen; es sollte sich daher durch Gelchromatographie abtrennen lassen. Gibt man das Gemisch der drei Peptide auf die SephadexSäule, sollten die beiden größeren P1 und P2 annähernd gemeinsam und zuerst eluieren; das kleinere Peptid P3 dagegen später. Eine Abtrennung von P2 mit der Hilfe der Affinitätssäule gelingt dagegen nicht, da hierfür mehrere aufeinanderfolgende His-Reste für die Komplexierung mit dem Ni2+ des Nitrilotriacetat-Komplexes erforderlich wären. b) Eine Sequenzanalyse ist möglich durch Edmann-Abbau mit Phenylisothiocyanat (Ph–N=C=S). Die N-terminale Aminogruppe greift nucleophil am Isothiocyanat-Kohlenstoff an. Das Additionsprodukt wird anschließend durch Behandlung mit einer starken wasserfreien Säure gespalten; anschließend lagert das Derivat des N-terminalen Rests zum Phenylthiohydantoin-Derivat (PTH) um.

318

Kapitel 9

R

O N C

S

H 2N

+

Phenylisothiocyanat

H

2

N

N

R2

N H

S N

R2

O

N

N H

O

O OH

+

H3N O verkürztes Peptid

O H

H

H H

C S

O

H

HO

H

H

S N N

OH O

Phenylthiohydantoin-Derivat

Die in jedem Abbauschritt gebildete PTH-Aminosäure kann chromatographisch mittels HPLC durch Vergleich mit einem entsprechenden Standard ermittelt werden. Sequenzen von bis zu 50 Aminosäuren können so automatisch analysiert werden; größere Peptide und Proteine müssen zuerst in kleinere Fragmente gespalten werden.

Lösung 146 a) 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol wird von Aminogruppen nucleophil unter Bildung eines entsprechenden Dinitrophenylderivats angegriffen. Auf diese Weise wird die N-terminale Aminosäure eines Peptids oder Proteins markiert; es reagiert aber auch die Aminogruppe in der Seitenkette von Lysinresten. Die Bildung von zwei Dinitrophenylderivaten weist darauf hin, dass sowohl eine Reaktion mit dem N-Terminus als auch mit einer Seitenkette stattgefunden hat; das Peptid muss also Lysin enthalten. Dies ist nur bei einem Peptid der Fall (P1). b) DEAE ist bei pH 7 positiv geladen; es kommt somit zur Bindung anionischer Peptide. Je höher die negative Nettoladung, desto stärker ist die Retention; positiv geladene Peptide werden dagegen nicht gebunden und eluieren als erste. P1 trägt aufgrund der Arg- und des LysRestes bei pH 7 eine positive Nettoladung und eluiert als erstes; das dritte Peptid ist dagegen aufgrund der drei sauren Reste (Glu, Asp) negativ geladen und wird am stärksten gebunden, eluiert also als letztes (P3). c) Von den drei aromatischen Aminosäuren Phe, Tyr und Trp absorbiert nur Trp signifikant bei 280 nm; das Peptid muss also Tryptophan enthalten (P2). d) Eine Spaltung durch BrCN erfolgt nach Met, das nur in einem der Peptide (P3) vorkommt. e) Die Serinprotease Trypsin spaltet bevorzugt nach basischen Aminosäuren (Lys, Arg). Das P1 enthält drei Spaltstellen und liefert somit vier Fragmente. f) Bei der Gelchromatographie eluiert das größte Peptid als erstes, das kleinste als letztes; daher lautet die Reihenfolge P1 vor P2 vor P3. g) Ein IP < 6 deutet darauf hin, dass mehr saure (Glu, Asp) als basische Aminosäuren vorhanden sind. Dies gilt für das letzte der drei Peptide, welches auch das Met enthält (P3).

Lösungen – Biomoleküle

319

h) Als Helixbrecher fungiert v.a. die Aminosäure Prolin aufgrund der Fixierung der Aminogruppe in der Ringstruktur, die zur häufigen Ausbildung einer cis-Amidstruktur führt; es findet sich oft am Übergang einer α-Helix zu einer anderen Sekundärstruktur (häufig Random coil) wieder. Daneben fungiert auch Glycin, dem eine Seitenkette fehlt und das daher konformationell sehr flexibel ist, oft als Helixbrecher. Beide zusammen kommen in dem längsten Peptid vor, dem P1.

Lösung 147 Die katalytische Triade im Chymotrypsin wird durch die drei Aminosäurereste Asp-102, His57 und Serin-195 gebildet. Die Nucleophilie des Hydroxysauerstoffatoms der Ser-195Seitenkette wird durch die (teilweise) Übernahme des Protons durch His-57 deutlich erhöht, so dass ein Angriff auf das schwach elektrophile Carbonylkohlenstoffatom einer Peptidbindung möglich wird. Es handelt sich also um eine kovalente Katalyse durch das nucleophile Sauerstoffatom des Serinrestes sowie eine allgemeine Säure-Base-Katalyse des His-57. Während der Imidazoliumring des His als Säurekatalysator ein Proton auf den Stickstoff der Peptidbindung überträgt, und somit deren Spaltung erleichtert, stabilisiert der negativ geladene Asp-102-Rest durch teilweise Übernahme eines Protons vom His-57 dessen positive Partialladung, die durch die Übernahme des Protons vom Ser-195 entstanden ist. Die Wasserstoffbrückenbindung zwischen der Carboxylatgruppe des Asp-102 und dem zweiten Stickstoffatom des Imidazolrings des His-57 erhöht die Basizität des His und ermöglicht dadurch die (teilweise) Abstraktion des Protons vom Ser-195. b) Bei der Bildung des tetraedrischen Zwischenprodukts besetzt der negativ geladene Sauerstoff das sogenannte Oxyanion-Loch, indem er Wasserstoffbrückenbindungen zu den NHWasserstoffen des Peptidrückgrats von Gly-193 und Ser-195 ausbildet. Dadurch wird die negative Ladung im tetraedrischen Zwischenprodukt (und damit der Übergangszustand der Reaktion) stabilisiert. c) In der katalytischen Triade der β-Lactamase ersetzt ein Lysinrest das His und Glutamat den Asp-Rest. Die basische Seitenkette des Lysins trägt durch Übernahme eines Protons zur Aktivierung des aktiven Serinrests bei, die entstehende positive Ladung wird durch eine Wasserstoffbrücke zum Glutamat stabilisiert.

320

Kapitel 9

O

C

H

H

O

Ser R

N

O

O H

Glu

Ser R

H N

O

O H

Glu

R

C Glu

R

N

R´

H Lys

R O

katalytische Triade

R´

Lys

H

O

C

N H

R R

O

R

H

O

R

H N H

O

O

R

N

R´

H

R R

Lys

Lösung 148 In der Hämgruppe ist das Fe2+-Ion quadratisch planar von den vier Stickstoffatomen des Porphyrinrings umgeben. Eine fünfte, axiale Koordinationsstelle wird von dem Stickstoff eines Histidinrestes (dem sogenannten proximalen His) besetzt. An die sechste Koordinationsstelle des Oktaeders kann reversibel ein Sauerstoffmolekül koordinieren; dabei fällt die gewinkelte Position des O2 relativ zur Ebene des Porphyrinrings auf. Stark vereinfacht könnte man die Bindungsverhältnisse skizzieren wie nebenstehend gezeigt.

N His N N

N N

Fe

Tetrapyrrolsystem

N

2,3-BPG ist ein heterotoper allosterischer Regulator; es O O bindet fest an Desoxyhämoglobin, dagegen nur schwach an Oxyhämoglobin. 2,3-BPG stabilisiert die T-Konformation durch eine (nichtkovalente) Quervernetzung der beiden β-Untereinheiten und reduziert so die Affinität von Hämoglobin für O2. Es spielt eine wichtige Rolle für die physische Anpassung an niedrige O2-Partialdrücke, z.B. im Hochgebirge. Normalerweise ist die O2-Bindung so reguliert, dass von der maximal transportierten Menge den Geweben ca. 40 % zugeführt wird. Bei reduziertem pO2 würde entsprechend weniger O2 freigesetzt. Durch einen Anstieg der

Lösungen – Biomoleküle

321

2,3-BPG-Konzentration wird die Affinität des Hämoglobin für O2 abgesenkt. Dies hat nur einen geringen Einfluss auf die Bindung von O2 in den Lungen aber einen spürbaren Effekt auf die Freisetzung von O2 in den Geweben, die dadurch erhöht wird.

Lösung 149 Die Umsetzung mit Sangers Reagenz (1-Fluor-2,4-dinitrobenzol; DNP-Analyse) zeigt ein Nterminales Valin und ein inneres oder C-terminales Lysin. Die Analyse nach Hydrolyse mit Trypsin liefert ein Tetrapeptid (T2) mit Lys (Kation bei pH 6), mit einem Aminosäureamid und mit Phe (260 nm) sowie ein Tripeptid (T1), das Cys, Tyr (Absorption bei 275 nm) und Glu oder Asp (Anion bei pH 6) enthält. Da dem Tetrapeptid erst 3 Aminosäuren zugeordnet wurden, muss es zusätzlich Val enthalten. Daher ergibt sich als Reihenfolge der tryptischen Fragmente T2T1. Die Analyse mit Chymotrypsin zeigt, dass CT1 eine aromatische Aminosäure, Cys und Lys (Kation bei pH 6) enthält. Dann bleibt auch für CT2 eine aromatische Aminosäure, und, da durch Chymotrypsin freies Asp gebildet wird, muss CT2 Gln enthalten. Die beiden durch Chymotrypsin gebildeten Tripeptide müssen dem Asp im Hexapeptid vorausgehen. Daraus ergibt sich folgende Sequenz: ValGlnPheLysCysTyrAsp

Lösung 150 Die Serinprotease Trypsin spaltet bevorzugt nach den beiden basischen Aminosäuren Lysin und Arginin. Mit zwei Arginin- und drei Lysin-Resten ergeben sich also fünf Schnittstellen. AlaValCysArgThrGlyCysLysAsnPheLeu

TyrLysCysPheArgHisThrLysCysSer Fragment F1 ergibt sich durch Schnitt nach dem Arg-Rest in P1, wenn eine Disulfidbrücke zwischen dem ersten Cystein in P1 und dem zweiten Cystein in P2 besteht. F3 entsteht durch Schnitt nach dem Lysin im P1, das F5 durch Schnitt nach dem ersten Lysin im P2. Wird das P2 nach dem Arginin und dem zweiten Lysin geschnitten, ergibt sich das Fragment F4. Es verbleibt das Fragment F2, das die zweite Disulfidbrücke zwischen dem zweiten Cystein im P1 und dem ersten Cystein in P2 enthält. Es entsteht durch Schnitt nach Arginin und Lysin im P1 bzw. nach dem ersten Lysin und dem Arginin im P2.

322

Kapitel 9

Lösung 151 Für dieses Trennproblem bietet sich die Affinitätschromatographie an, die auf der starken, spezifischen Bindung eines Proteins an ein Substrat, ein Substratanaloges, einen Inhibitor oder einen Antikörper beruht. Zur Isolierung des ATP-bindenden Proteins wird zunächst ein Affinitätsharz hergestellt, indem man ATP an einen unlöslichen Träger (Polymer, z.B. Polystyrol) über ein Brückenmolekül mit angemessener Länge (Spacer) koppelt. Dieser Abstandshalter erlaubt die Bindung des Proteins ohne wesentliche sterische oder chemische Behinderung durch das unlösliche Trägermaterial. Probleme könnten auftreten durch Proteine im Rohextrakt, die eventuell das ATP hydrolysieren. In diesem Fall könnte eine nichthydrolysierbare ATP-analoge Verbindung verwendet werden. Die verunreinigenden Proteine werden von der Säule gewaschen und das gebundene Protein mit ATP, steigender Ionenkonzentration, pH-Änderung oder einer empirisch ermittelten Kombination daraus eluiert.

Lösung 152 a) Kollagen ist ein starres, nicht dehnbares Faserprotein. Charakteristisch ist seine ungewöhnliche Aminosäurezusammensetzung: aus einer sich wiederholenden Tripeptidsequenz GlyXY, wobei X häufig = Prolin und Y häufig = Hydroxyprolin ist. Die einzelnen Stränge weisen eine linksgängige helikale Konformation auf; jeweils drei solcher KollagenPolypeptidketten fügen sich zu einer rechtsgängigen Tripelhelix zusammen. Es finden sich keine Wasserstoffbrücken innerhalb derselben Kette; stattdessen werden diese zwischen den Ketten einer dreisträngigen Superhelix ausgebildet. Die Peptidgruppen sind so orientiert, dass die N–H-Gruppe jedes Gly-Restes eine starke Wasserstoffbrückenbindung zum Carbonylsauerstoffatom eines X-Restes der Nachbarkette ausbilden kann. Die sperrigen und relativ wenig flexiblen Prolin- und Hydroxyprolinreste führen zu einer Versteifung der ganzen Anordnung. b) Jeder dritte Rest muss Glycin sein, da sich dieser Rest auf der Innenseite der dreisträngigen Helix befindet; dort kann aus sterischen Gründen als Seitenkette nur ein H-Atom platziert werden. Substitution eines Glycins durch Cystein führt zu einer Störung der Tripelhelixstruktur, weil für die größere Cysteinseitenkette kein Platz ist. Erstaunlicherweise genügt dabei die Substitution eines einzigen Glycinrestes (von über 300 pro Polypeptidkette), um die Helixstruktur signifikant zu beeinträchtigen und die Funktion zu stören. c) Im Gegensatz zum Keratin kann die Quervernetzung des Kollagens nicht durch Disulfidbrücken erfolgen, da die in den N- und C-terminalen Propeptiden enthaltenen Cys-Reste zwar durch Bildung von Disulfidbrücken die Bildung der Tripelhelix unterstützen, jedoch nach Abspaltung der Propeptide im Laufe der Biosynthese im reifen Kollagen nicht mehr vorhanden sind. Eine wichtige Rolle spielt stattdessen die Lysyl-Oxidase, die Lysin in Allysin umwandelt. Chemisch handelt es sich dabei um eine oxidative Desaminierung der Aminogruppe der Seitenkette zum Aldehyd. Durch eine Aldolkondensation entsteht aus zwei Molekülen Allysin das Allysinaldol, das anschließend mit einem Histidinrest weiter quervernetzt werden kann.

Lösungen – Biomoleküle

323 Lys

Lys Lysyl-Oxidase

O C

H

Lysyl-Oxidase

O

O

C

C

H N

H

H

Allysin

O C

H

C O N H

Allysin

H

H C

H N O

C

C O N H

H

Allysinaldol

Lösung 153 In der typischen Auswertung eines solchen Gels wird der Logarithmus der molaren Masse der Proteine gegen ihre relativen Mobilitäten aufgetragen. Die Steigung der resultierenden Eichgerade ist also: Steigung

' lg M ' relative Mobilität

Die Steigung ergibt sich aus den Daten für die beiden bekannten Proteine: s

lg (9, 2 ˜ 104 )  lg (3, 0 ˜ 104 ) 0, 41  0,80

( 0,18) s  lg (3, 0 ˜ 104 ) lg x x

lg x  lg (3, 0 ˜ 104 ) 0, 62  0,80

lg x

4, 70 104,70 | 5, 0 ˜ 104

Das unbekannte Protein besitzt also etwa eine molare Masse von 5,0u104 g/mol = 50 kDa.

Lösung 154 Charakteristisch für die Gelchromatographie ist, dass größere Moleküle, die nicht in die Poren des Gelmaterials eindringen können, rascher wandern als kleine und somit zuerst eluiert werden. Das Protein Trypsin „überholt“ also das kleine Substrat und katalysiert dabei seine Spaltung in D-N-Benzoyl-D,L-arginin und p-Nitroanilin. Letzteres ist gelb gefärbt, so dass während des Laufes eine gefärbte Bande entsteht.

324

Kapitel 9

Verwendet man statt Trypsin Chymotrypsin, so wird nichts beobachtet, da das Arginin nicht in die hydrophobe Bindungstasche des Chymotrypsins passt und somit keine Spaltung erfolgt. Trypsin und Chymotrypsin sind Serinproteasen. Sie enthalten die sogenannte katalytische Triade aus den Aminosäuren Aspartat, Histidin und Serin.

Lösung 155 a) Die Ringform der Glucose (Halbacetal) steht im Gleichgewicht mit der offenkettigen Aldehyd-Form. Aldehyde lassen sich z.B. mit NaBH4 bequem und unter milden Bedingungen zu primären Alkoholen reduzieren. O HOCH2

H

CH2OH

H C OH

O

HO HO

C

OH

C H

HO

OH

H C OH NaBH4

HO

H C OH

chiral

H C OH

H C OH

D-Glucopyranose (Anomerengemisch)

C H

H C OH CH2OH

CH2OH

Sorbitol

b) Die Reduktion von Galaktose liefert analog den entsprechenden Zuckeralkohol. Wie aus der Struktur der offenkettigen Form zu erkennen ist, weist dieser aber eine Symmetrieebene auf; es handelt sich also um eine optisch inaktive meso-Form. Das Reduktionsprodukt zeigt daher keine Drehung von linear polarisiertem Licht mehr. O

HO CH OH 2

C

H C OH

O HO

OH

OH

CH2OH

H

HO

C

H

HO

C

H

H C OH NaBH4

C

H

HO

C

H

H C OH

H C OH

D-Galaktopyranose (Anomerengemisch)

HO

Symmetrieebene --> achiral!

CH2OH

CH2OH

Galacitol

c) Aus dem Stoffmengenverhältnis ergibt sich für die Gleichgewichtskonstante und damit für die Freie Standardenthalpie 'G°: HOCH2

HOCH2

O

HO HO

OH

HO HO

K

c ( E -D-Glucose) c (D -D -Glucose)

o 'G O

 RT ln K

0, 64 0,36

OH OH

OH

D-D-Glucopyranose

O

E-D-Glucopyranose

1, 78

 8,3143 J/mol K ˜ 313 K ˜ ln 1, 78

 1,50 kJ/mol

Lösungen – Biomoleküle

325

Die β-Form ist also etwas stabiler und daher im Gleichgewicht bevorzugt. Während sich die beiden OH-Gruppen an C-1 und C-2 in der α-Glucose räumlich relativ nahe kommen, hat die äquatoriale OH-Gruppe am anomeren C-Atom in der β-Form mehr Platz. Die ungünstigere sterische Wechselwirkung in der α-Form ist in erster Linie ein enthalpischer Effekt, d.h. der negative Wert für 'G° kommt durch eine negative Standardenthalpie 'H° für das obige Gleichgewicht zustande.

Lösung 156 D-glykosidische Bindung

O

HOCH2

CH2OH OH O HO

HO HO

HOCH2 H

O

OH

OH

H 2O

O

HO 2 HO

1

OH

OH

D-Glucopyranose (Anomerengemisch)

Maltose D-D-Glucopyranosyl-1-->4-D-glucopyranose

E-glykosidische Bindung

HOCH2

OH

O

HO HO

HOCH2

HO O

OH

OH

O

H H 2O

O

HO 2 HO

1

OH

OH

D-Glucopyranose (Anomerengemisch)

HOCH2

Cellobiose E-D-Glucopyranosyl-1-->4-D-glucopyranose HOCH2 O

HO HO

D-glykosidische Bindung

1

OH O HOCH2 HO HO

H CH2OH O HO O OH CH2OH OH

H H 2O

OH

D-Glucopyranose (Anomerengemisch) +

HOCH2

O

OH

Saccharose

D-D-Glucopyranosyl-1-->2-E-D-fructofuranose

H

H OH

HO

1CH2OH

H

Maltose und Cellobiose sind reduzierende Zucker, da sie jeweils noch eine Halbacetalgruppe aufweisen. Saccharose ist nichtreduzierend, es liegt ein Vollacetal vor.

326

Kapitel 9

Lösung 157 Der gezeigte Glucoserest muss an einer Verzweigungsstelle lokalisiert gewesen sein, da die Hydroxygruppen an C-1, C-4 und C-6 nicht methyliert sind. Dementsprechend können sich an diesen Positionen keine freien OH-Gruppen befunden haben.

Lösung 158 a) Stärke setzt sich zusammen aus Amylose (ca. 20 %; ausschließlich D-1Æ4-glykosidische Bindungen; einige 1000 Reste) und Amylopektin (ca. 80 %; D-1Æ4-glykosidische Bindungen + einige D-1Æ6-Verzweigungen ca. alle 20–30 Reste; bis zu 102 Glucosereste). Die D-glykosidische Bindung führt zur Ausbildung einer helikalen Struktur; in die Helix können beispielsweise I2-Moleküle eingelagert werden (Iod-Stärke-Reaktion). Cellulose weist dagegen ausschließlich β-1Æ4-glykosidische Bindungen auf; dies ergibt eine dicht gepackte, vollständig gestreckte Konformation und ermöglicht die Ausbildung langer Fasern, die hohe Zugfestigkeit besitzen. b) Im tierischen Organismus wird Glucose in Form von Glykogen in der Leber und der Muskulatur gespeichert (überwiegend D-1Æ4-glykosidische Verknüpfungen mit D-1Æ6-Verzweigungen ca. alle 810 Reste). Der Vorteil ist, dass Glykogen keine Auswirkung auf den osmotischen Druck in der Zelle besitzt, da nur vergleichsweise wenige, sehr große Glykogenmoleküle vorliegen anstelle vieler Monomere. Aus Glykogen ist die Glucose zudem rasch mobilisierbar, da der Abbau aufgrund der Verzweigungen von vielen nichtreduzierenden Enden her gleichzeitig erfolgen kann.

Lösung 159 Homopolysaccharide aus Glucose sind in erster Linie Amylose (unverzweigt; α-1Æ4glykosidisch), Cellulose (unverzweigt; β-1Æ4-glykosidisch) sowie Amylopektin und Glykogen (verzweigt, α-1Æ4- und α-1Æ6-glykosidisch). Da vier unterschiedliche Produkte gefunden werden, scheiden die beiden unverzweigten Homopolymere aus. Es entstehen vier unterschiedlich methylierte Glucose-Derivate, je nachdem, ob sich der Glucoserest an einem nichtreduzierenden Ende (Æ 2,3,4,6-Tetramethylglucose), am reduzierenden Ende (Æ 1,2,3,6Tetramethylglucose), an einem Verzweigungspunkt einer α-1Æ6-glykosidischen Bindung (Æ 2,3-Dimethylglucose) oder innerhalb einer Sequenz von α-1Æ4-glykosidisch verknüpften Resten (Æ 2,3,6-Trimethylglucose) befindet. Je größer das Verhältnis von 2,3,4,6-Tetramethylglucose und 2,3-Dimethylglucose im Verhältnis zu 2,3,6-Trimethylglucose ist, desto stärker ist der Verzweigungsgrad. Glykogen weist mehr α-1Æ6-glykosidische Bindungen auf als Amylopektin, sollte also ein größeres Verhältnis von 2,3,4,6-Tetramethylglucose und 2,3Dimethylglucose zu 2,3,6-Trimethylglucose ergeben.

Lösungen – Biomoleküle

327

Strukturen: HOCH2

H3COCH2

O

HO H3CO 2,3-

OCH3

OH

H3COCH2

O

HO H3CO

OCH3

OH

2,3,6-

H3COCH2

O

H3CO H3CO

OH

OCH3

O

HO H3CO

2,3,4,6-

OCH3

OCH3

1,2,3,6-

Lösung 160 a) In der stabilsten Konformation liegen die jeweiligen Hexosen in der Sesselkonformation vor; dabei überwiegt bei Weitem diejenige Konformation, bei der die größtmögliche Anzahl an Substituenten äquatoriale Positionen einnehmen (dies ist z.B. für die β-D-Glucose für alle Substituenten möglich). HOCH2 HO HO

O

HO

O

OH

O

O

OH O

HO HO Isomaltose

NH3

O

HO CH2

OH O OH

NH3

OH

E-Galaktose, gebunden an 5-Hydroxylysin

HOCH2 HO HO

O O OH

CH2

HO HO

O O OH

Amygdalin

C

N

Das Amygdalin und andere cyanogene (Blausäure-abspaltende) Glykoside (Linamarin, Lotaustralin (Lein, Hülsenfrüchtler, Maniok u.a.), Dhurrin (Hirse), Taxiphyllin (Bambussprossen), Sambunigrin (Holunder) u.a.) kommen in einigen unverarbeiteten Lebensmitteln in relevanten Mengen (> 0,02 % gebundene Blausäure) vor. Durch traditionelle Verarbeitungsweisen wird der Blausäuregehalt aber auf ungefährliche Konzentrationen reduziert. Die höchsten Blausäuregehalte weisen die Steinfrüchte einiger Rosengewächse auf, v.a. Bittermandeln und Aprikosenkerne. So enthalten Aprikosenkerne bis zu 8 % Amygdalin, entsprechend etwa 0,4 % gebundene Blausäure, Bittermandeln bis zu 5 % (0,3 % Blausäure). b) Der Sulfatgehalt im Keratansulfat kann variieren; zudem enthält Keratansulfat auch kleine Anteile an Fucose, Mannose, N-Acetylglucosamin und Sialinsäure. Die typische Struktureinheit ist nachfolgend gezeigt.

328

Kapitel 9

OH

HO

OSO32

O O OH

HO

OH O

O

O HO

O NH

O OH

O n Keratansulfat

Lösung 161 a) In der folgenden Abbildung sind zwei Beispiele für ein doppelt ungesättigtes Phosphatidylethanolamin gezeigt. Die OH-Gruppen an Position 1 und 2 des Glycerols sind jeweils mit einer langkettigen Carbonsäure (Fettsäure) verestert. Im ersten Beispiel ist an C-2 die zweifach ungesättigte Linolsäure gebunden, während die Fettsäure an C-1 gesättigt ist; im zweiten Beispiel liegen zwei einfach ungesättigte Fettsäuren vor. Beachten Sie, dass die Doppelbindungen in natürlich vorkommenden Lipiden stets cis-Konfiguration aufweisen. Die Phosphatgruppe an C-3 ist bei physiologischen pH-Werten deprotoniert, die Aminogruppe des daran gebundenen Ethanolamins dagegen protoniert, so dass die Nettoladung Null beträgt. Bei pH-Werten > 9 (Deprotonierung der Ammoniumgruppe) tragen Phosphatidylethanolamine eine negative Ladung. Im Vergleich dazu liegen Phosphatidylcholine außer bei sehr niedrigen pH-Werten stets zwitterionisch (also nach außen hin ungeladen) vor; Phosphatidylserine tragen bei pH 7 eine negative, bei pH-Werten größer etwa 9 sogar zwei negative Nettoladungen (wichtig u.a. für die Bindung von negativ geladenen Proteinen über Ca2+-Brücken). O C H2C O H C O

O C O

H2 C O

P

O

(CH2)2 NH3

O 1-Palmitoyl-2-linoylglycerophosphatidylethanolamin O C H2C O H C O

O C O

H2 C O

P O

(CH2)2

NH3

O 1,2-Dioleoylglycerophosphatidylethanolamin

Lösungen – Biomoleküle

329

b) Beide oben gezeigten Phosphatidylethanolamine besitzen wesentlich niedrigere Hauptphasenübergangstemperaturen als Dipalmitoylphosphatidylethanolamin. Durch die beiden cis-Doppelbindungen weisen die Acylketten einen Knick auf; ihre Van der Waals-Wechselwirkungen sind deshalb wesentlich schwächer, als bei einer all-trans-Konformation, wie sie für ein gesättigtes Lipid in der Gelphase vorliegt. Die niedrigere Van der Waals-Wechselwirkung führt dazu, dass bereits bei wesentlich niedrigerer Temperatur der Übergang in die flüssig-kristalline Phase erfolgt, die durch eine wesentlich ungeordnetere Konformation der Acylketten gekennzeichnet ist. c) Eine häufig benutzte Möglichkeit zur Charakterisierung von kooperativen Änderungen, wie sie im Bereich des thermotropen Verhaltens von Lipiden zu beobachten sind, ist z.B. die Differentialkalorimetrie (DSC; „differential scanning calorimetry“). Dabei werden die Temperatur der Probe und einer inerten Referenz separat linear mit identischen, differentiellen Temperaturraten verändert, wobei der Temperaturunterschied zwischen Probe und Referenz konstant gehalten wird. Die Differenz der Wärmeströme wird registriert und als Funktion der Probentemperatur aufgetragen. Kommt es in der Lipidprobe zum Übergang vom Gel- in den flüssig-kristallinen Zustand, so resultieren unterschiedliche Wärmeströme, deren Differenz in Form eines Signals aufgezeichnet wird. Die Fläche des Signalpeaks ist der von der Probe aufgrund der (endothermen) Phasenumwandlung aufgenommenen Wärme (Phasenumwandlungsenthalpie 'H) direkt proportional.

Lösung 162 a) Olivenöl, Butter und Kokosfett bestehen aus einem Gemisch von Triacylglycerolen (Butter zu 82 %), die sich in ihrer Fettsäurezusammensetzung unterscheiden. Der Schmelzpunkt der Fette (und damit natürlich der Aggregatszustand bei Raumtemperatur) hängt direkt von der Fettsäurezusammensetzung ab. Olivenöl besitzt einen sehr großen Anteil (ca. 80 %) an langkettigen (C16 und C18), überwiegend einfach ungesättigten Fettsäuren; es ist daher bei Raumtemperatur flüssig, erstarrt aber (im Gegensatz z.B. zu Distelöl: höherer Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren!) mit der Zeit im Kühlschrank. Butter besitzt einen deutlich höheren Anteil an gesättigten Fettsäuren, darunter im Vergleich zu pflanzlichen Fetten relativ vielen kürzerkettigen (C4 – C14) Fettsäuren. Sie ist bei Raumtemperatur noch fest aber ziemlich weich. Kokosfett mit einem noch höheren Gehalt an langkettigen gesättigten Fettsäuren ist dagegen fest und relativ hart. Die vielen ungesättigten Fettsäuren in pflanzlichen Ölen bewirken auch deren relativ rasches „ranzig werden“, das auf oxidativer Spaltung von Doppelbindungen unter Bildung relativ flüchtiger Aldehyde und Carbonsäuren beruht. b) Natürliche Membranen liegen in der flüssig-kristallinen Phase vor. Die hohe laterale Beweglichkeit der Lipide ist unerlässlich für die Funktion der Membranproteine. Daher weisen natürliche Membranen, z.B. die Plasmamembran, hohe Gehalte an ein- und mehrfach ungesättigten Lipidketten in den Phospholipiden auf.

330

Kapitel 9

c) Mit den vorhandenen Lipiden lässt sich keine Lipiddoppelschicht aufbauen. Hexadecyltrimethylammoniumbromid ist ein typisches Tensid, das mit seiner großen Kopfgruppe und nur einer Kohlenwasserstoffkette ein typischer Mizellbildner ist. Stearinsäure eignet sich ebenfalls nicht als Baustein für Lipiddoppelschichten; auch diese Verbindung bildet bevorzugt Mizellen in wässriger Lösung. Gleiches ist auch für Dodecanol zu erwarten. Cholesterol findet sich zwar zusammen mit Phospholipiden in biologischen Membranen, in Mischung mit den anderen gegebenen Substanzen lässt sich aber keine Doppelschicht aufbauen. Sie müssen also ein geeignetes Phospholipid, wie z.B. Dioleoylphosphatidylcholin, bestellen.

Lösung 163 a) Eine Plasmamembran besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Lipide, v.a. Glycerophospholipiden, Sphingolipiden sowie Cholesterol, das zwischen die Acylketten von Phospho- und Sphingolipiden eingelagert ist. In die Lipiddoppelschicht eingebettet sind auch intrinsische (integrale) Membranproteine, welche die Doppelschicht i.A. durchspannen. Periphere Membranproteine sind dagegen an die Oberfläche einer Membranseite gebunden und durchspannen die Membran nicht. Zusätzlich hängen zur Markierung an der Außenseite der Zellmembran oft kurzkettige, teilweise bäumchenartig verzweigte Kohlenhydratverbindungen an den Proteinen und an den Lipiden. Man spricht dann von Glykoproteinen bzw. Glykolipiden. Die nach außen ragenden Strukturen der Zellmembran haben vielfach Rezeptorfunktion. Diese Glykoproteine und Glykolipide bilden auch die Glykokalyx, die bei Zellen ohne Zellwand für Stabilität sorgt. peripheres Membranprotein

Cholesterol

integrales Membranprotein

Lipiddoppelschicht

Stark vereinfachte, einfache schematische Skizze Eine detailliertere Darstellung ist im Folgenden gegeben: Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Zellmembran

Lösungen – Biomoleküle

331

b) Es wird ein neutrales und ein anionisches (bei pH 7 eine negative Nettoladung) Phospholipid im Stoffmengenverhältnis 4:1 benötigt. Um eine flüssig-kristalline Doppelschicht zu erhalten, sind ungesättigte Lipide mit mindestens einer cis-Doppelbindung erforderlich. Geeignet wären also z.B. Dioleoylphosphatidylcholin (DOPC) und 1-Palmitoyl-2-oleoylphosphatidylserin (POPS) im Verhältnis 4:1. Letzteres ist bei pH = 7 negativ geladen. O C H2C O H C O

O C O

H2 C O

P

O CH2 CH COO

O

NH3

1-Palmitoyl-2-oleoylglycerophosphatidylserin O C H2C O O H C O

C O

H2C O

P O

(CH2)2

N(CH3)3

O 1,2-Dioleoylglycerophosphatidylcholin

Lösung 164 a) Palmitoyl-CoA reagiert in einer Pyridoxalphosphat-abhängigen Reaktion mit Serin unter Decarboxylierung. Das entstehende 3-Ketosphinganin wird anschließend durch NADPH/H+ reduziert. Im letzten Schritt wird das Sphinganin unter Einführung einer Doppelbindung mit Hilfe von FAD oxidiert.

332

Kapitel 9 O

O SCoA

Pyridoxalphosphat, Mg2+

+

HO

O NH3 Serin

Palmitoyl-CoA

O

CO2, HSCoA

NADPH/H

NAD

OH NH2

3-Ketosphinganin OH

FAD

OH

FADH2

OH

6

OH

NH2

Sphingosin

Sphinganin

NH2

b) In einem Ceramid ist die Aminogruppe des Sphingosins mit einer langkettigen Fettsäure acyliert. Durch Addition des Glucoserestes aus UDP-Glucose entsteht das entsprechende unten dargestellte Glucocerebrosid. H HO HOCH2 HO HO

O OH

C

O

H C N H O CH2

C

Lösung 165 a) Ein K+-Ion wird im Zentrum des Ionophors oktaedrisch von sechs Carbonylgruppen koordiniert. Dabei passt das K+-Ion (Ionenradius 1,33 Å) genau in die Koordinationsstelle des Valinomycins. Dagegen ist die Bindungsstelle für Na+ (Ionenradius 0,95 Å) zu groß – es kann nicht mit allen Carbonylsauerstoffen der Cavität zugleich effektiv wechselwirken. Die Bindungsaffinität für K+-Ionen ist daher wesentlich größer als für Na+-Ionen. b) Die Anzahl der zu transportierenden Ionen N ist: 'c ˜ V ˜ N A

10 mmol/L ˜ 100 μm3 ˜ 6, 02 ˜ 1023 mol1

N

'n ˜ N A

N

0, 01 mol/L ˜ 1013 L ˜ 6, 02 ˜ 1023 mol1

6, 02 ˜ 108

Bei 100 Ionophoren muss jeder 6,02 ˜ 106 Ionen transportieren. Die dazu benötigte Zeit ist t

6,02 ˜ 106 / (104 Ionen / s)

602 s | 10 min

Lösungen – Biomoleküle

333

Lösung 166 a) x Distearoylphosphatidylcholin: als Phospholipid prinzipiell geeignet, aber sehr hoher Hauptphasenübergang (ca. 55 °C), daher nur im Gemisch mit anderen Phospholipiden mit niedrigerer Phasenübergangstemperatur. Eine Biomembran muss im flüssig-kristallinen Zustand sein! x Palmitoyloleoylphosphatidylserin: gut geeignetes ungesättigtes anionisches Lipid; daher Phasenübergangstemperatur unterhalb Raumtemperatur; Gehalt in natürlichen Membranen beträgt ca. 20 % x Cholesterol: alleine nicht zum Aufbau einer Lipiddoppelschicht geeignet; im Gemisch mit Phospholipiden bis zu einem Cholesterolgehalt von ca. 30 % geeignet; inkorporiertes Cholesterol moduliert die Fluidität der Doppelschicht x Dioctanoylphosphatidylcholin: aufgrund der kurzen (C8) Fettsäureketten wenig geeignet (Membranlipide weisen typischerweise 14–22 C-Atome in den Acylketten auf) x Hexadecyltrimethylammoniumbromid: als typisches Tensid ungeeignet zum Aufbau von Lipiddoppelschichten. Es kann verwendet werden, um intrinsische Membranproteine aus der Doppelschicht herauszulösen und zu solubilisieren, zerstört also biologische Membranen x Glyceroltripalmitat: ein Fett, d.h. Speicherlipid; als sehr unpolares Molekül ohne amphiphilen Charakter nicht geeignet zum Aufbau von Lipiddoppelschichten; kommt in natürlichen Membranen nicht vor x Dioleoylphosphatidylcholin: zweifach ungesättigtes zwitterionisches Phospholipid, niedrige (< 0 °C) Hauptphasenübergangstemperatur; ideal geeignet zum Aufbau von Modellmembransystemen; findet sich auch in natürlichen Membranen, in Mischung mit anderen Phospholipiden; käme für eine Modellmembran als alleiniges Lipid in Betracht x Natriumdodecylsulfat (SDS): wie Hexadecyltrimethylammoniumbromid ein typisches Tensid und daher nicht zum Aufbau einer Lipiddoppelschicht geeignet Zusammenfassung: In Frage kommen insbesondere Dioleoylphosphatidylcholin und Palmitoyloleoylphosphatidylserin; als „Beimengungen“ zur Steuerung der Fluidität der Membran sind Cholesterol und Distearoylphosphatidylcholin geeignet. b) Eine Methode zur Untersuchung lateraler Diffusionsvorgänge in biologischen Membranen ist das „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP): x Das Membranprotein wird selektiv mit einem Fluorophor gelabelt. x Mittels eines Fluoreszenzmikroskops wird ein kleiner Ausschnitt (~3 μm2) der Membran beobachtet; man misst die Fluoreszenzintensität I0. x Durch einen kurzen intensiven (Laser)lichtpuls wird der Chromophor im bestrahlten Areal gebleicht (zerstört); die Fluoreszenzintensität sinkt auf I1 ab. x Anschließend beobachtet man die zeitliche Veränderung der Fluoreszenz im beobachteten Areal. Es kommt zum Wiederanstig der Fluoreszenzintensität (fluorescence recovery) aufgrund der Diffusion fluoreszenzmarkierter Moleküle aus der Umgebung in das Beobachtungsareal.

334

Kapitel 9

Ein typischer Kurvenverlauf ist nachfolgend skizziert:

Bleichpuls

I I0

Fluoreszenzerholung

I1 t Aus dem exponentiellen Wiederanstieg der Fluoreszenzintensität nach dem Bleichvorgang kann die Diffusionskonstante ermittelt werden.

Lösung 167 a) Für die Diffusion in der Ebene gilt: ¢ x²

4 Dt

¢ x²

4 ˜ 108 cm 2 /s ˜ 103 s

6,32 ˜ 106 cm

6,32 ˜ 108 m

b) Es wird zunächst der Radius des Proteins berechnet:

U

m ; V V

r

3

4 S r3 3

3m 4S ˜ U

3

m

U 3 ˜ 105 g/mol

3, 08 ˜ 107 cm

4 S ˜ 1,35 g/cm3 ˜ 6, 022 ˜ 1023

Durch Einsetzen erhält man für den Diffusionskoeffizienten:

D =

kT 6S K r

=

1,38 ˜ 1023 N m/K ˜ 310 K 6 S ˜ 0,1 N m 2 s ˜ 3, 08 ˜ 109 m

= 7,36 ˜ 1013 m 2 /s = 7,36 ˜ 109 cm 2 /s

Für die Entfernungen ergibt sich dann: ¢ x²

4 Dt

¢ x²

7,36 ˜ 109 cm 2 /s ˜ 103 s

2, 71 ˜ 106 cm

27,1 nm

Lösungen – Biomoleküle

335

c)

U

mZ ; mZ VZ

U ˜ a3

Z

mP ; mP mZ

Z ˜ mZ

n ˜ NA

mP ˜ NA MP

NP

1, 03 ˜ 103

kg m3

˜ (15 ˜ 106 m)3

0, 2 ˜ 3, 48 ng 6,95 ˜ 1010 g 4

5 ˜ 10 g/mol

3, 48 ˜ 1012 kg

3, 48 ng

6,95 ˜ 1010 g ˜ 6, 022 ˜ 1023 mol1

8,37 ˜ 109

Anzahl der Proteine pro Ribosom in 24 h: 1010 Proteine / 4 ˜ 106 Ribosomen = 2,5 ˜ 103 Proteine / Ribosom 24 h = 86400 s 86400 s o | 34,5 s pro Protein 2,5 ˜ 103 Proteine

Lösung 168 a) Inositol-1,4,5-trisphosphat 2

OPO3 2

OH O3PO

O

Stearinsäure

H2C O H C O

HO

H2C

HO O

O

O

Arachidonsäure

Glycerol

P O

O

b) Das Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat wird durch das E-Isoenzym der Phospholipase C (CE) nach Aktivierung durch die D-Untereinheit des G-Proteins Gq zu 2,3-Diacylglycerol (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) hydrolysiert, die beide als Second messenger fungieren. Das IP3 stimuliert die Freisetzung von Ca2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum und erhöht so die cytosolische Ca2+-Konzentration; DAG aktiviert (zusammen mit Ca2+) die Proteinkinase C, die wiederum verschiedene Zielproteine phosphoryliert, die bei Genexpression, Zellwachstum und Differenzierung eine Rolle spielen.

336

Kapitel 9

Lösung 169 a) Für die Flussdichte entlang eines Konzentrationsgradienten gilt:

j

 P (c2  c1 ) =  2, 4 ˜10 = 2, 4 ˜10

10

= 2,04 ˜10

cm mol (  0, 085 ) s L cm 3 mol ( 0, 085 ˜ 10 ) 3 s cm

10

14

mol 2

cm s

Der Fluss J ist dann gegeben durch J

j˜A

 P ˜ A ˜ (c2  c1 ) 2

2

8

2

2

6

100 μm ; 1 cm 10 μm o 100 μm 10 cm j ˜ A˜t o Fluss pro Erythrozyt pro Minute 14 mol 6 2 18 = 2,04 ˜10 1, 22 ˜ 10 mol ˜ 10 cm ˜ 60 s 2 cm s A

2

b) Valinomycin ist ein mobiler Carrier, der K+-Ionen komplexiert und durch Diffusion von einer auf die andere Membranseite bringt. Die Diffusion ist rasch in der flüssig-kristallinen Phase (T > Tm), wird dagegen sehr langsam, wenn sich die Doppelschicht in der Gelphase befindet (T < Tm; hohe Membranviskosität). Dagegen bildet Gramicidin A aus zwei Monomeren einen membrandurchspannenden Ionenkanal, dessen Transportkapazität weitgehend unabhängig von der Membranviskosität ist.

Lösung 170 In Frage kommt die Verwendung einer polaren stationären Phase (z.B. Kieselgel) in Kombination mit einem relativ unpolaren Laufmittel(gemisch) (mobile Phase, z.B. ein Gemisch Petrolether/2-Butanon/Essigsäure 95:4:1). Auch die umgekehrte Kombination („reversed phase chromatography“), also eine unpolare stationäre Phase (z.B. ein mit langen organischen Resten modifiziertes Kieselgel) und eine polare mobile Phase (z.B. ein Acetonitril/ Wasser-Gemisch) käme in Frage. Für den ersten Fall würde man in Hinblick auf die relativen Polaritäten der zu trennenden Substanzen etwa folgende Elutionsreihenfolge erwarten (die unpolarsten Verbindungen laufen im unpolaren Lösungsmittel-System am schnellsten und eluieren als erste): Cholesterylpalmitat | Glyceroltripalmitat > Cholesterol | Tetradecanol > Sphingomyelin | Phosphatidylcholin > Phosphatidylserin

Lösungen – Biomoleküle

337

Lösung 171 X (Transport) Sättigung passiver Transport

Diffusion durch Pore c (Glucose)

Die blaue Linie repräsentiert die (unvermittelte) Diffusion von Glucose, z.B. durch eine Pore, während die rote Kurve einen passiven Transportmechanismus beschreibt. Die einfache Diffusion wird im Allgemeinen nicht durch eine Sättigung (z.B. der Pore) begrenzt, so dass die Transportrate linear mit der Differenz der Konzentration des gelösten Stoffes zwischen beiden Kompartimenten steigt. Ein passiver Transport durch ein Transportprotein (z.B. einen Carrier) unterliegt dagegen bei hohen Konzentrationen des beförderten Stoffes einer Sättigung, die mit der Sättigung eines Enzyms bei hohen Substratkonzentrationen vergleichbar ist.

Lösung 172 a) Die Erhöhung der Leitfähigkeit weist auf einen erleichterten Transport von Ionen durch die Membran hin. Die abwechselnden D- und L-Aminosäuren ermöglichen die Ausbildung einer Helix mit einem Durchmesser von etwa 0,4 nm, die eine unpolare Außenseite und einen polaren zentralen Kanal aufweist. Dieser erleichtert den Durchtritt von Na+- und K+-Ionen. Allerdings ist die Länge der Helix nicht ausreichend, um die Membran zu durchspannen. Nimmt man beispielsweise als Sekundärstruktur für ein Polypeptid eine α-Helix an, lässt sich die minimale Anzahl von Aminosäuren abschätzen, die erforderlich ist, um eine Membran mit einer Dicke von 3 nm zu durchspannen.

338

Kapitel 9

Bei einer Ganghöhe von 0,54 nm und 3,6 Aminosäuren pro Windung (entspricht 0,15 nm pro Aminosäure) ergibt sich ein Minimum von 20 Aminosäuren. Ein Gramicidinmolekül reicht also nicht aus, um die Doppelschicht zu durchspannen. Hinweise aus NMR-spektroskopischen und röntgenkristallographischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass zwei Moleküle Gramicidin A in einer Kopf-an-Kopf-Anordnung dimerisieren und so einen membrandurchspannenden Kanal bilden. In der Skizze ist ein Gramicidin A-Dimer umgeben von schematisch dargestellten Membranlipiden gezeigt. Die stufenweise Erhöhung und Erniedrigung der Leitfähigkeit kommt durch Öffnung bzw. Schließung einzelner Kanäle zustande, wenn zwei Gramicidinmoleküle durch Diffusion in der Membran zu einem Dimer zusammenfinden bzw. sich wieder voneinander entfernen. b) Die Funktion von Gramicidin A als Transmembrankanal beruht auf der Bildung von Dimeren, wobei die beiden formylierten N-Termini in der Mitte der Membran unter Ausbildung einer Wasserstoffbrücke assoziieren. Ohne die Formylreste läge der N-Terminus in protonierter Form vor; eine Insertion in das hydrophobe Innere der Membran und damit die Ausbildung eines membrandurchspannenden Kanals aus zwei Gramicidin A-Molekülen wäre dann sehr unwahrscheinlich.

Lösung 173 In solvatisierter Form sind sowohl K+- als auch Na+-Ionen viel zu groß, um durch den Selektivitätsfilter mit einem Durchmesser von 1,5 Å zu passen; die Hydrathülle muss also abgestreift werden. Dies geht um so leichter, je geringer die Hydratationsenthalpie ist. Sie ist für das kleinere Na+-Ion höher (ca. 300 kJ/mol) als für das größere K+-Ion (ca. 200 kJ/mol). Dieser Energieaufwand muss durch entsprechende negative Enthalpiebeiträge durch Wechselwirkung mit den Gruppen auf der Innenseite des Kanals kompensiert werden. Während K+-Ionen genau die richtige Größe besitzen, um durch die Carbonylsauerstoffatome des Peptidrückgrats optimal komplexiert zu werden, sind Na+-Ionen etwas zu klein; die Wechselwirkung ist schwächer und damit der Enthalpiegewinn geringer. Einem höheren Aufwand für die Dehydratisierung von Na+ (aq) steht also ein geringerer Energiegewinn verglichen mit K+ (aq) gegenüber. Somit ist der Transport von K+-Ionen wesentlich begünstigt.

Lösung 174 Wir berechnen zunächst die aufzuwendende Freie Enthalpie für den Transport von 3 mol Na+Ionen aus der Zelle bei gleichzeitigem Transport von 2 mol K+-Ionen in die Zelle unter den gegebenen Bedingungen (Membranpotenzial = – 0,070 V, T = 37 °C = 310 K):

Lösungen – Biomoleküle

'G

n ( RT ln

339

ci  z F 'V ) mit : ca

R allgemeine Gaskonstante = 8,3143 J/mol K z = Ladung der transportierten Spezies F = Faradaykonstante = 96500 C/mol bzw. J/V mol 'G

'G (Na  )  'G (K  )

143  96500 J/V mol ˜ 0, 070 V) 14 157 + 2 mol ˜ (8,3143 J/mol K ˜ 310 K ˜ ln  96500 J/V mol ˜ ( 0, 070 V)) 4 = 38, 2 kJ + 5, 4 kJ = 42,6 kJ 3 mol ˜ (8,3143 J/mol K ˜ 310 K ˜ ln

Für beide Ionen erfolgt der Transport gegen den Konzentrationsgradienten, der Beitrag des konzentrationsabhängigen Terms zu 'G muss also jeweils positiv sein. Im Fall von Na+ wirkt das Membranpotenzial dem Transport entgegen (positiver Beitrag zu 'G), im Fall von K+ dagegen unterstützt es den Transport (negativer Beitrag zu 'G). Für die Freie Enthalpie durch Hydrolyse von ATP ergibt sich: 'G

'Gq´  RT ln

c (ADP) ˜ c(Pi ) c(ATP)

 30,5 kJ/mol + 8,3143 J/K mol ˜ 310 K ˜ ln

(2,5 ˜ 104 ) ˜ (1, 65 ˜ 103 ) (2, 25 ˜ 103 )

 30,5 kJ/mol + ( 22, 2 kJ/mol)  52,7 kJ/mol

Daraus folgt, dass die Freie Enthalpie aus der Hydrolyse von einem ATP-Molekül leicht ausreicht, um den Transport von 3 Na+- und 2 K+-Ionen gegen die herrschenden Konzentrationsgradienten zu gewährleisten, da der Gesamtprozess exergon ist.

Lösung 175 a) Die Na+-K+-ATPase hat die Aufgabe, Na+-Ionen aus der Zelle heraus und K+-Ionen in die Zelle hinein zu transportieren. Dies erfolgt gegen den jeweiligen Konzentrationsgradienten und erfordert deshalb die Hydrolyse von ATP. Die Gesamtstöchiometrie für diesen Prozess lautet: 3 Na + (innen) + 2 K + (außen) + ATP + H 2O o 3 Na + (außen) + 2 K + (innen) + ADP + Pi

Die Na+-K+-ATPase führt also zu einer Ladungstrennung und erzeugt so einen elektrochemischen Gradienten als Grundlage fürd die elektrische Erregbarkeit von Nervenzellen. Entscheidend für die Funktion der Na+-K+-ATPase ist die Phosphorylierung eines spezifischen

340

Kapitel 9

Asp-Restes, die nur in Gegenwart von Na+ erfolgt, wogegen die Hydrolyse dieses Aspartylphosphats die Gegenwart von K+ erfordert. Es werden daher zwei Konformationszustände (bezeichnet als E1 und E2) angenommen, die unterschiedliche Strukturen und Ligandenspezifitäten aufweisen. x Im E1-Zustand bindet der Transporter drei Na+-Ionen in der Zelle und anschließend ein ATP unter Bildung eines E1˜ATP˜3 Na+-Komplexes. x Durch die Hydrolyse von ATP entsteht ADP und ein energiereiches AspartylphosphatZwischenprodukt E1~P˜3 Na+. x Dieses Zwischenprodukt geht in eine energieärmere Konformation E2-P˜3 Na+ über und setzt die drei Na+-Ionen außerhalb der Zelle frei. x Das verbliebene E2-P bindet zwei K+-Ionen außerhalb der Zelle und bildet einen E2-P˜2 K+-Komplex mit nachfolgender Hydrolyse des Phosphatrestes. x Der E2˜2 K+-Komplex ändert daraufhin seine Konformation und setzt die beiden K+-Ionen in die Zelle frei und steht daraufhin wieder für die Aufnahme von Na+ zur Verfügung. b) Eine Hemmung der Na+-K+-ATPase führt zu einem Anstieg der intrazellulären Na+Konzentration. Dieser Anstieg stimuliert das Na+/Ca2+-Antiportsystem des Herzens, das Na+ aus der Zelle hinaus und dafür Ca2+ hinein pumpt. Dadurch erhöht sich die Ca2+Konzentration im Cytosol und in der Folge auch die Ca2+-Konzentration im sarkoplasmischen Retikulum. Trifft ein Aktionspotenzial an der Membran einer Herzmuskelzelle ein, so wird vermehrt Ca2+ aus dem sarkoplasmischen Retikulum ausgeschüttet. Der Anstieg der Ca2+Konzentration im Cytosol ist höher als gewöhnlich, wodurch die Intensität der Herzmuskelkontraktion verstärkt wird.

Lösung 176 Folgende Unterscheidungsmerkmale zwischen vermitteltem und nichtvermitteltem Transport sind charakteristisch: x Geschwindigkeit und Spezifität: Die Geschwindigkeit des vermittelten Transports ist höher. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit, mit der D-Glucose die Erythrozytenmembran durchquert, um mehrere Größenordnungen höher als die von D-Mannose, obwohl beide Monosaccharide in einer synthetischen Lipiddoppelschicht praktisch die gleiche Löslichkeit aufweisen. Dieser Effekt beruht auf einem spezifischen Transportsystem in der Erythrozytenmembran, das zwischen D-Glucose und D-Mannose unterscheiden kann. x Sättigung: Die Geschwindigkeit des Glucosetransport im Erythrozyten nähert sich mit steigender Glucosekonzentration einem Maximalwert, da nur eine begrenzte Anzahl an Stellen auf der Membran an dem Transportprozess beteiligt sind. Bei hoher Glucosekonzentration sind die Transportsysteme gesättigt. Die Abhängigkeit des Flusses von der Konzentration ist hyperbolisch, wogegen der nichtvermittelte Fluss linear mit der Konzentrationsdifferenz ansteigt.

Lösungen – Biomoleküle

341

x Kompetition: Verbindungen, die ebenfalls an das Transportmolekül binden können, konkurrieren mit der zu transportierenden Substanz. Bei einem nichtvermittelten Transport existiert dagegen keine Kompetition. x Inaktivierung: Verbindungen, die das Transportmolekül chemisch modifizieren und damit seine Funktion beeinflussen können, sind in der Lage, den schnellen und sättigbaren Transport (z.B. von Glucose in die Erythrozyten) zu inhibieren. Dieser Effekt tritt naturgemäß nicht auf, wenn kein Transportmolekül am Transport beteiligt ist.

Lösung 177 Das elektrochemische Potenzial ist durch die folgende Beziehung gegeben:

ci  z F 'V ) mit: ca R = allg. Gaskonstante = 8,3143 J/K mol z = Ladung der transportierten Spezies F = Faradaykonstante = 96500 C/mol bzw. J/V mol Das elektrochemische Potenzial für den Einstrom von 2 mol Na + ist dann : 14 'G  96500 J/V mol ( 0, 07 V)) 2 ˜ (8,3143 J/K mol ˜ 298 K ˜ ln 140 Dieser Betrag steht für den Einstrom von Glucose (Transport gegen den Konzentrationsgradienten) maximal zur Verfügung, d.h. c 'G 24,9 kJ/mol d 8,3143 J/K mol ˜ 298 K ˜ ln i ca ci 4 o | 2,33 ˜ 10 ca 'G

n ( RT ln

 24,9 kJ

Durch Kopplung an den (exergonen) Einstrom von Na+ ist also eine beträchtliche Anreicherung von Glucose in der Zelle möglich.

Lösung 178 a) Es handelt sich um das Flavinmononucleotid (FMN). Das FMN ist Bestandteil des Komplex I der Atmungskette (NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase). Dort nimmt es zwei Elektronen vom NADH auf und überträgt sie auf Ubichinon. NADH + H + + FMN FMNH 2 + Ubichinon

NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase

  o NAD + + FMNH 2 NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase

  o FMN + Ubichinol

342

Kapitel 9

Häufiger als das FMN findet sich das Flavinadenindinucleotid (FAD) als prosthetische Gruppe von Oxidoreduktasen. So katalysieren Flavoproteine die folgenden Reaktionen: x Dehydrierungen von –CH2–CH2–Einfachbindungen zu –CH=CH–Doppelbindungen (z.B. Acyl-CoA-Dehydrogenase in der E-Oxidation; Succinat-Dehydrogenase im Citratzyklus) x oxidative Desaminierungen von Aminosäuren im Peroxisom (Aminosäureoxidasen) x Oxidation von C-Atomen auf Oxidationsstufe von Aldehyden zur Oxidationsstufe von Säuren (z.B. Xanthin-Oxidase beim Purinabbau) x Transhydrogenierungen (Dihydroliponamid-Dehydrogenase der Pyruvat-Dehydrogenase)

Lösung 179 a) Der Nicotinamidring im NAD+ reagiert unter Aufnahme zweier Elektronen und eines Protons, d.h. es wird insgesamt ein Hydrid-Ion auf das C-4-Atom übertragen. Dieser nucleophile Angriff wird durch den elektronenziehenden Effekt des positiv geladenen Pyridin-Stickstoffs erleichtert. O C

H H NH2

O C

+

H

N

N

R

R

NH2

b) Die Folge ist das Auftreten einer zusätzlichen Absorptionsbande mit einem Maximum im Bereich um 340 nm, die das NAD+ nicht aufweist. Dies nutzt man häufig zur photometrischen Verfolgung von Reaktionen, bei denen NADH/H+ gebildet oder verbraucht wird.

NAD NAD+

A

NADH NADH

260

340

O / nm

Lösungen – Biomoleküle

343

Lösung 180 Im Gegensatz zu NADH und NADPH, die ausschließlich an Zwei-Elektronen-Redoxprozessen beteiligt sind, können reduzierte Flavin-Coenzyme ihre Elektronen entweder schrittweise durch Ein-Elektronen-Redoxprozesse abgeben oder aber in einem Schritt durch einen Zwei-Elektronen-Prozess. Der Grund ist, dass das Riboflavinringsystem eine relativ stabile Semichinon-Form (= Radikal) als Zwischenstufe bilden kann, da diese durch Delokalisierung des einzelnen ungepaarten Elektrons im ausgedehnten konjugierten S-Elektronensystem des Isoalloxazins stabilisiert wird. Häufig ist die Oxidation von FADH2 und FMNH2 mit der Reduktion eines Metalloproteins gekoppelt, das in Eisen-Schwefel-Cluster eingebundene FeIonen enthält, die nur ein Elektron aufnehmen bzw. abgeben können. O H

N

O

N

N

CH3

N

CH3

R

H e O

FAD bzw. FMN (Chinon-Form)

O H

H

+

H

O

N N

N

CH3

N

CH3

R

H N

CH3

N

N

CH3

H

R

N

O

+

H

H

H e

FADH bzw. FMNH (Semichinon-Form)

FADH2 bzw. FMNH2 (Hydrochinon-Form)

Lösung 181 Es handelt sich um die oxidative Decarboxylierung von D-Ketosäuren. Die PyruvatDehydrogenase katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA, die D-Ketoglutarat-Dehydrogenase diejenige von D-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA. Dabei fungiert das Thiaminpyrophosphat als Coenzym für die Decarboxylierung; Liponamid übernimmt die Acylgruppe und überträgt sie auf Coenzym A (enthält als Baustein die Pantothensäure) und wird dabei zu Dihydroliponamid reduziert. FAD (enthält Riboflavin) dient zur Reoxidation von Dihydroliponamid zum Liponamid; es geht dabei in FADH2 über, das durch NAD+-abhängige Oxidation wieder zu FAD regeneriert wird. Die Nicotinsäure ist Bestandteil im NAD+.

344

Kapitel 9

O

C

O

C O

+

NAD

+

HS

CoA

Pyruvat-Dehydrogenase

CH3 Pyruvat

O

C

SCoA

CH3

+

CO2

+

NADH

Acetyl-CoA

Lösung 182 a) Coenzym A: die SH-Gruppe wird acyliert b) Liponamid: die Disulfidgruppe wird zu zwei SH-Gruppen reduziert c) Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP+): der Pyridinring wird an C-4 durch Addition von H– reduziert d) Pyridoxalphosphat: die Aldehydgruppe reagiert mit einer Aminogruppe zum Aldimin

Lösung 183 a) Die Bildung von Pyruvat aus Lactat ist eine Oxidation; als Coenzyme kommen prinzipiell NAD+ , FAD oder FMN in Frage. Das Coenzym für die gezeigte Reaktion ist NAD+. b) Es handelt sich um die Decarboxylierung einer α-Ketosäure (hier: Pyruvat); hierfür wird als Coenzym Thiaminpyrophosphat (TPP) benötigt. c) Gezeigt ist die Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA (erster, geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Fettsäurebiosynthese), für die Hydrogencarbonat und ATP benötigt werden. Als Coenzym ist Biotin beteiligt, das in Form von Carboxybiotin als CO2Überträger fungiert. d) Hier erfolgt eine Isomerisierung, also eine intramolekulare Umlagerung, von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA unter Beteiligung von 5´-Desoxyadenosylcobalamin. e) Bei dieser Reaktion erfolgt die Übertragung einer Hydroxyethylgruppe als Acylgruppe von TPP auf CoA. Dieser Transfer erfolgt mit Hilfe von Liponamid, der enzymgebundenen Form der Liponsäure. Nach Transfer der Acetylgruppe auf Coenzym A muss das entstandene Dihydroliponsäureamid mit Hilfe von FAD und NAD+ wieder reoxidiert werden. f) Es handelt sich um eine reduktive Aminierung, katalysiert durch die GlutamatDehydrogenase, bei der NADPH bzw. NADH als Coenzym mitwirken.

Lösungen – Biomoleküle

345

Lösung 184 a) Biotin

b) Mannose

c) Citrat

d) Desoxycytidin

e) Ubichinol

f) Guanin

g) Arachidonsäure

h) Cholesterol

i) Cholat

k) Pyridoxaminphosphat

l) Sphingomyelin

m) Glucose-1-phosphat

Lösung 185 a) Methotrexat ist ein Hemmstoff der Dihydrofolat-Reduktase, die für die Regeneration von Tetrahydrofolat (THF) aus Dihydrofolat (2) benötigt wird. Dihydrofolat entsteht bei der Synthese von Thymidin-Nucleotiden und muss NADPH-abhängig wieder zu THF reduziert werden. b) Im Zuge der Umwandlung von Serin zu Glycin wird eine Methylengruppe auf THF (4) unter Bildung von N5,N10-Methylentetrahydrofolat übertragen. c) Während das N10-Formyl-THF (3) mit dem hoch oxidierten C-Atom an N10 existiert, tritt das N10-Methyl-THF (6) nicht auf. d) Das am höchsten oxidierte C1-Fragment findet sich im N10-Formyl-THF (3). Die gleiche Oxidationsstufe (+3) kommt daneben auch im N5-Formimino-THF vor. e) Für die Purinsynthese wird das N10-Formyl-THF (3) verwendet; es liefert die C-Atome 2 und 8 des Purinringsystems. f) Vom Vitamin B12 leiten sich zwei als Coenzyme aktive Verbindungen ab, das 5´-Desoxyadenosylcobalamin und das Methylcobalamin. Letzteres entsteht durch Übertragung des Methylrestes vom 5-Methyl-THF (5), das dadurch in THF übergeht. Methylcobalamin überträgt die Methylgruppe auf Homocystein, wodurch Methionin gebildet wird. g) An der Synthese von Thymidin-Nucleotiden, die von der Thymidylat-Synthase katalysiert wird, ist das N5,N10-Methylentetrahydrofolat (1) beteiligt. Es wirkt dabei gleichzeitig als Kohlenstoff-Donor und als Reduktionsmittel, da die Methylgruppe des Thymins aus der höher oxidierten Methylengruppe hervorgeht. Die Elektronen werden vom Pteridinring geliefert, so dass als Produkt aus (1) das Dihydrofolat entsteht. Dieses muss anschließend durch die Dihydrofolat-Reduktase wieder zum THF reduziert werden. Diese Reaktion liefert den Angriffspunkt für die klinisch eingesetzten Antimetabolite Methotrexat und Aminopterin (vgl. a)), die als Hemmstoffe der Dihydrofolat-Reduktase wirken.

346

Kapitel 9

Lösung 186 a) Verantwortlich für die vergleichsweise hohe Acidität der Ascorbinsäure ist die EndiolStruktur im Molekül. So kann die nach Deprotonierung der Hydroxygruppe an C-3 entstehende negative Ladung bis zum Carbonylsauerstoffatom des Lactons delokalisiert und dadurch (gegenüber einem gewöhnlichen Alkoholat-Ion) effektiv stabilisiert werden, vgl. nachfolgendes Schema. b) Allgemein bekannt ist die Funktion von Ascorbat als Antioxidationsmittel. Es wird über eine radikalische Zwischenstufe, das Ascorbyl-Radikal, leicht zum Dehydroascorbat oxidiert und kann so reaktive Radikale abfangen. Durch seine reduzierenden Eigenschaften hält es auch Metallionen, die als prosthetische Gruppe oder Cofaktoren im aktiven Zentrum einer Reihe von Proteinen lokalisiert sind, im reduzierten Zustand, der für die Funktion erforderlich ist. Ein typisches Beispiel ist das Hämoglobin, das nur mit Fe2+ als Zentralion Sauerstoff binden und transportieren kann, so dass eine Oxidation zu Methämoglobin (enthält Fe3+) möglichst verhindert bzw. gebildetes Methämoglobin wieder reduziert werden muss. Durch Reduktion des Tocopheryl-Radikals trägt Ascorbat auch zum Schutz von Zellmembranen bei; durch Reduktion von Fe3+-Ionen fördert es die Resorption von Eisen aus der Nahrung. CH2OH HO

CH

CH2OH HO

O

CH

O

O

O

H CH2OH HO CH

HO

O

O

OH

Ascorbinsäure pKS = 4,2

O

OH

e

O

OH

Ascorbat

e,

H

CH2OH HO

CH

O

CH2OH

O

O

OH

Ascorbyl-Radikal

e,

H

HO CH

O

O

O

O

Dehydroascorbinsäure

Daneben fungiert Ascorbat als Cofaktor zahlreicher Hydroxylasen. Allerdings ist es kein Coenzym im engeren Sinn, da es an der katalytischen Reaktion nicht direkt beteiligt ist. Beispiele sind die Synthese von x Steroidhormonen: Hohe Ascorbat-Konzentrationen finden sich in der Nebennierenrinde, wo es als Cofaktor mehrerer Hydroxylasen fungiert. x Serotonin: Ascorbat ist Cofaktor der Tryptophan-Hydroxylase, die die Bildung von 5Hydroxytryptophan katalysiert. x Kollagen: Kollagen enthält viele Hydroxyprolin- und Hydroxylysinreste, die unter Beteiligung von Ascorbat durch die Prolyl- bzw. Lysyl-Hydroxylase gebildet werden.

Lösungen – Biomoleküle

347

Auch mehrere Oxygenasen benötigen Ascorbat als Cofaktor, beispielsweise die Dopamin-EMonooxygenase, die Dopamin zum Noradrenalin hydroxyliert. Das Ascorbat kann sowohl aus dem Ascorbyl-Radikal durch eine NADPH/H+-abhängige Reduktase als auch aus Dehydroascorbat durch NADPH/H+-abhängige Enzyme wie die Thioredoxin-Reduktase regeneriert werden. Außerdem ist eine nichtenzymatische Reduktion von Dehydroascorbat durch reduziertes Glutathion möglich. c) Die ersten Symptome eines Vitamin C-Mangels, die jedoch aufgrund der relativ langen Lebensdauer des Kollagens erst nach einer längeren Latenzzeit auftreten, sind Störungen des Bindegewebsstoffwechsels. In Abwesenheit von Ascorbat werden die Prolin- und Lysinreste im Kollagen nicht mehr in ausreichendem Maß hydroxyliert, wodurch das Kollagen an Stabilität verliert. Dadurch vermindert sich die Festigkeit des Binde- bzw. Stützgewebes und es kommt zu Zahnfleischbluten, Haut- und Knochenveränderungen, sowie Muskelschwäche und Gelenkschmerzen – den typischen Anzeichen von Skorbut.

Kapitel 10 Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

Lösung 187 Nach dem Lambert-Beer´schen Gesetz gilt: 'A 't

'c ˜H ˜d 't

Es ist darauf zu achten, nur die Änderung der Absorbanz in dem Zeitintervall zu berücksichtigen, in dem sie linear verläuft, also in diesem Fall für die ersten 90 s. Hier erhält man für 'A = 0,31 / min. Zusätzlich ist der Verdünnungsfaktor FV zu berücksichtigen, da das Enzym-Probenvolumen VProbe von 10 μL auf ein Testvolumen VTest von insgesamt 1,50 mL verdünnt wird: FV

VTest VProbe

1,50 mL 0, 010 mL

150

Die Umrechnung der Einheiten von H ergibt: H340 nm (NADH) = 6,2 mL u μmol–1 u cm–1. Damit folgt für die Aktivität der gegebenen Enzymlösung: zV

'c 't

V 'A ˜ Test ' t ˜ H ˜ d VProbe

zV

0,31 μmol cm 1,50 mL ˜ min ˜ 6,2 mL ˜ 0,5 cm 0,010 mL

15

U mL

Lösung 188 Die Michaelis-Konstante KM ist ein Maß für die Affinität eines Enzyms zu dem jeweiligen Substrat. Sie entspricht derjenigen Substratkonzentration, bei der die halbmaximale Geschwindigkeit der Reaktion erreicht wird. Da der KM-Wert für Glucose wesentlich niedriger ist als derjenige für Fructose, wird die Glucose von der Hexokinase mit deutlich höherer Affinität gebunden. Die Hexokinase katalysiert die Phosphorylierung von Hexosen an der OHGruppe am C-6. Als Hauptprodukt ist daher Glucose-6-phosphat zu erwarten. Die vorliegende Konzentration an ATP ist deutlich niedriger als der KM-Wert und damit weit entfernt von der Sättigungskonzentration. Eine Zugabe von ATP wird daher zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit führen.

350

Kapitel 10

Lösung 189 a) Die Alkohol-Dehydrogenase katalysiert die Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd mit Hilfe von NAD+, das zu NADH/H+ reduziert wird. Neben der Vorverdünnung des Getränks von 1:2000 ist der Probenverdünnungsfaktor zu berücksichtigen: FV

VTest VProbe

1, 0 mL 0, 050 mL

20

Mit dem Lambert-Beer´schen Gesetz erhält man: 'c

V 'A ˜ Test ˜ 2000 H ˜ d VProbe

'c

(0, 46  0,15) μmol cm 1, 0 mL ˜ ˜ 2000 6,2 mL ˜ 1 cm 0,050 mL

2, 0 ˜ 103

μmol mL

2, 0

mol L

Die molare Masse von Ethanol (C2H5OH) errechnet sich zu 46 g/mol. Mit der Dichte von Ethanol erhält man V (EtOH) =

V (EtOH) V (Getränk)

V (EtOH) =

2, 0 mol/L ˜ 46 g/mol 0, 79 g/mL

=

m (EtOH) U (EtOH) ˜ V (Getränk)

=

c (EtOH) ˜ M (EtOH) U (EtOH)

= 0,116 = 11, 6 %

b) Bei der Reaktion entsteht NADH + H+, die Protonen werden durch das basische Milieu aus dem Gleichgewicht entzogen und so die Reaktion, wie bei einer quantitativen Bestimmung essentiell, auf die Seite der Endprodukte verlagert. Dies gelingt auch, wenn der gebildete Acetaldehyd aus dem Gleichgewicht entfernt wird, z.B. durch gleichzeitige Anwesenheit der Acetaldehyd-Dehydrogenase. Alternativ kommt (als preisgünstigere Variante) eine Umsetzung des Aldehyds mit einem Hydrazin-Derivat oder mit Semicarbazid zum entsprechenden Hydrazon bzw. Semicarbazon in Frage.

Lösung 190 Phosphoenolpyruvat ist ein Intermediat in der Glykolyse; es reagiert dort im letzen Schritt mit ADP unter Bildung von Pyruvat und ATP. Diese Reaktion wird durch die Pyruvat-Kinase katalysiert, die demnach zu beschaffen ist. Diese Reaktion wird mit einem NADH-verbrauchenden Schritt gekoppelt, nämlich der Reduktion des entstandenen Pyruvats zu Lactat. Hierfür wird als Enzym die Lactat-Dehydrogenase benötigt. Der gekoppelte Test besteht dann aus den beiden folgenden Reaktionen:

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen O

C C

O

O

2 OPO3

+

Pyruvat-Kinase

ADP

O

Pyruvat

O

C O

ATP

+

CH3

Phosphoenolpyruvat

C

C

C O

Mg2+

CH2

O

351

O +

NADH

+

H

Lactat-Dehydrogenase

C C

HO

O

CH3

CH3

Pyruvat

Lactat

NAD

+

H

Lösung 191 a) Das E-Hydroxybutyrat wird durch das NAD+ mit Hilfe der E-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase zu Acetacetat oxidiert. OH

E-HydroxybutyratDehydrogenase

O O

+

NAD

O

O O

E-Hydroxybutyrat

+

NADH

+

H

Acetacetat

b) Mit dem Lambert-Beer´schen Gesetz und dem Vorverdünnungsfaktor 4 erhält man: 'c 'c

V 'A ˜ Test ˜ Vorverdünnung H ˜ d VProbe (0,89  0, 21) mol cm 3, 4 ˜ 103 L ˜ 1 cm

˜

2, 0 mL ˜4 0,10 mL

0,68 μmol ˜ l cm ˜ 20 ˜ 4 3, 4 mL ˜ 1 cm

16

mmol L

Lösung 192 a) Die Aspartat-Aminotransferase katalysiert die Transaminierung von D-Ketoglutarat mit Aspartat unter Bildung von Glutamat und Oxalacetat. Das Oxalacetat kann anschließend mit NADH/H+ zu Malat reduziert werden; aufgrund des Verbrauchs von NADH/H+ sinkt die Absorbanz. Die Reaktion ist exergon, d.h. das Gleichgewicht liegt weit genug auf Seiten des Malats. Dementsprechend ist die umgekehrte Reaktion, die im Citratzyklus abläuft (die Oxidation von Malat zu Oxalacetat), unter Standardbedingungen stark endergon. Sie kann dennoch ablaufen, da das Oxalacetat in vivo laufend durch Kondensation mit Acetyl-CoA unter Bildung von Citryl-CoA aus dem Gleichgewicht entfernt wird.

352

Kapitel 10 O

C

O

O

C O

+

NADH

+

Malat-Dehydrogenase

H

C

O NAD

+

HO C H

CH2

CH2

COO

COO

Oxalacetat

Malat

b) Mit dem Lambert-Beer´schen Gesetz erhält man: z z zV

' c ˜ VTest 'n 'A ˜ VTest 't 't 't ˜ H ˜ d 0, 017 μmol cm μmol 0, 005 ˜ 1 mL min ˜ 3,4 mL ˜ 1 cm min 0, 005 U 0,10 mL

z VProbe

0, 005 U

50 U/L

Lösung 193 a) Charakteristisch für eine kompetitive Hemmung ist, dass die Maximalgeschwindigkeit bei hohem Substratüberschuss (c(S) >> KM) erreicht wird und die apparente Michaelis-Konstante KM zunimmt. Daraus ergibt sich folgendes charakteristisches Bild der beiden Auftragungen:

XV

1/X

ohne Inhibitor

Vmax Xmax

1 V

mit kompetitiven Inhibitor

mit kompetitiven Inhibitor ohne Inhibitor 1 1/X max Vmax

KMK

M

KKM M

1 -1/KK1M -1/K K M

[S]

c(S)

M

M

Ein kompetitiver Inhibitor könnte z.B. Methanol oder ein anderer primärer Alkohol sein. b) Volumenanteil 2,5 Promille  2,5 mL (Ethanol) / L n (Ethanol) m (Ethanol) c (Ethanol) V M (Ethanol) ˜ V 0,79 g/mL ˜ 2,5 mL 0,043 mol/L c (Ethanol) 46 g/mol ˜ 1 L

U (Ethanol) ˜ V (Ethanol) M (Ethanol) ˜ V {

K M ( Salvatorase )

1

1 / c(S) [S]

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

353

Da die Substratkonzentration c(Ethanol) gerade gleich dem KM-Wert ist, arbeitet die Salvatorase mit halbmaximaler Geschwindigkeit. Gleichzeitig ist KM (Erdingerase) << c(Ethanol), d.h. die Erdingerase arbeitet praktisch mit

Xmax. Da, wie vorausgesetzt, die Salvatorase eine doppelt so hohe Maximalgeschwindigkeit aufweist, arbeiten beide Enzyme unter den gegebenen Bedingungen zu Beginn gleich schnell.

Lösung 194 a) Die Fumarase katalysiert die (stereospezifische) Hydratisierung von Fumarat zu Malat COO

COO +

Fumarase

H2O

HO

OOC

OOC

Fumarat

Malat

b) Naheliegend erscheint es, als Indikatorreaktion die folgende Reaktion im Citratzyklus zu benutzen, die von der Malat-Dehydrogenase katalysierte Oxidation von Malat zu Oxalacetat unter Verbrauch von NAD+. Unter Standardbedingungen liegt das chemische Gleichgewicht für diese Reaktion allerdings weit auf der Seite der Edukte, d.h. es kann keine quantitative Umsetzung des Malats erwartet werden, wie es für die Verwendung der Reaktion in einem gekoppelten optischen Test erforderlich wäre. Unter den physiologischen Bedingungen in der Zelle kann die Reaktion jedoch ablaufen, weil das gebildete Oxalacetat in den Mitochondrien schnell mit Acetyl-CoA reagiert und dem Gleichgewicht dadurch entzogen wird. Geeignet wäre stattdessen die oxidative Decarboxylierung von Malat zu Pyruvat durch das Malat-Enzym, bei der NADP+ zu NADPH/H+ umgesetzt wird. MalatDehydrogenase

COO O OOC Oxalacetat

COO HO

COO

Malat-Enzym

+

O

CO2

CH3 OOC NADH

+

H

NAD

Malat

NADP

NADPH

+

H

Pyruvat

Lösung 195 a) Die Michaelis-Menten-Kinetik liefert für die Geschwindigkeit der Enzymreaktion den folgenden Ausdruck:

X

Xmax ˜ c (S) K M  c (S)

Durch Einsetzen erhält man leicht

354

X

Kapitel 10

Xmax ˜ 4 K M

4 Xmax , 5

KM  4 KM

d.h. die Maximalgeschwindigkeit wird zu 80 % erreicht. b) Durch kovalente Bindung eines Suizidinhibitors (die Bezeichnung „Suizidinhibitor“ weist auf den irreversiblen Charakter der Bindung hin und damit darauf, dass der Inhibitor bei der Reaktion verbraucht wird; Beispiele sind Acetylsalicylsäure oder Omeprazol) wird das Enzym dauerhaft gehemmt und steht nicht mehr für die Katalyse zur Verfügung. Ein derartiger Inhibitor muss also in stöchiometrischen Mengen zur Verfügung stehen. Wird die Hälfte aller Enzymmoleküle durch einen solchen Stoff inhibiert, sinkt die Maximalgeschwindigkeit der Reaktion folglich auf die Hälfte. Die Affinität der Enzyme, die keinen Inhibitor gebunden haben, zum Substrat bleibt dabei unverändert, d.h. KM ändert sich nicht.

Lösung 196 Die Aktivität kann nur aus dem linearen Abschnitt (0–6 min) ermittelt werden. Die Änderung der Absorbanz beträgt 0,45 innerhalb von 6 Minuten. Für die Aktivität der Enzymlösung ergibt sich damit: z z

'n 't

'c 'A ˜ VTest ˜ VTest 't 't ˜ H ˜ d 0,45 μmol cm U 0, 0226 ˜ 1, 0 mL 6 min ˜ 3, 4 mL ˜ 1 cm min

b) Durch Verdopplung der Enzymmenge verdoppelt sich auch die Aktivität in der Küvette, d.h. die Steigung der Kurve im linearen Bereich verdoppelt sich. Die spezifische Aktivität und die Michaelis-Konstante (= Kenngrößen des Enzyms!) ändern sich natürlich nicht. 0,7 0,6 0,5

A

0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

2

4

6 t / min

8

10

12

14

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

355

Lösung 197 a) Beide Enzyme gehorchen dem Anschein nach dem Michaelis-Menten-Modell. So nimmt ihre Umsatzgeschwindigkeit bei niedrigen Substratkonzentrationen linear mit c(S) zu und zeigt bei höheren Substratkonzentrationen Sättigung. Ein sigmoiden Kurvenverlauf wäre typisch für ein allosterisch reguliertes Enzym, das mehrere Untereinheiten aufweist. Der Ausdruck für die Reaktionsgeschwindigkeit als Funktion der Substratkonzentration lautet:

X

Xmax ˜ c (S) K M  c (S)

b) Bei einer Substratkonzentration von 10 μmol/mL zeigt offensichtlich E2 die höhere Umsatzgeschwindigkeit und setzt daher den größeren Teil des Substrats um. Es besitzt den niedrigeren KM-Wert, d.h. eine höhere Affinität zum Substrat als E1. Dagegen zeigt E1 eine höhere Maximalgeschwindigkeit; es ist daher bei hohen Substratkonzentrationen effektiver.

Lösung 198 a) Die Aldolase spaltet Fructose-1,6-bisphosphat in Dihydroxyacetonphosphat und Glycerolaldehyd-3-phosphat; dieses wird anschließend von der Glycerolaldehyd-3-phosphatDehydrogenase mit NAD+ zu 1,3-Bisphosphoglycerat umgesetzt – vorausgesetzt, es ist anorganisches Phosphat vorhanden. b) Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion, die relativ weit auf der Seite der Edukte liegt. Nach Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts ändert sich die Absorbanz nicht mehr. c) Führt man die Reaktion in Anwesenheit von Arsenat durch, so entsteht intermediär das gemischte Anhydrid 1-Arseno-3-phosphoglycerat. Dieses ist instabil, hydrolysiert rasch und wird dadurch aus dem Gleichgewicht entzogen, so dass es immer wieder gebildet wird, bis die Edukte vollständig umgesetzt sind. Aus dem Fructose-1,6-bisphosphat entsteht in Abwesenheit der Triosephosphat-Isomerase eine äquivalente Stoffmenge an Glycerolaldehyd-3phosphat, das wiederum durch eine äquivalente Stoffmenge NAD+ oxidiert wird. NAD+ liegt im vorliegenden Beispiel im Überschuss vor, das Fructose-1,6-bisphosphat ist der limitierende Faktor. Das NADH kann maximal in einer Konzentration von 1,5 mM entstehen. Für die Absorbanz ergäbe sich in diesem Fall: A A0  H ˜ c ˜ d 0,12  3, 4 L/mmol cm ˜ 1,5 mmol/L ˜ 1 cm 5, 22 Die Absorbanz, die sich unter diesen Bedingungen einstellen würde, wäre offensichtlich viel zu hoch und nicht mehr messbar; die Probe müsste also vorher in geeigneter Weise (z.B. 1:10) verdünnt werden.

356

Kapitel 10

Lösung 199 a) Die Lactat-Dehydrogenase (LDH) überträgt ein Hydrid-Ion vom NADH auf das CarbonylC-Atom von Pyruvat. Die Reaktion ist stereospezifisch; es wird das pro-R H-Atom (rot) unter Bildung von L-Lactat übertragen. NADH wird dabei zum NAD+ oxidiert, das durch diese Reaktion für die Glykolyse regeneriert wird. O

C

O

H H

O

H O

NH2

C O

+

+

N

CH3

R

H

LDH HO

O

C C

H

NH2 +

N

CH3

NADH/H

O

R

NAD

b) Aus dem Lambert-Beer´schen Gesetz ergibt sich: 'A 't

'c ˜H ˜d 't

'n ˜H ˜ d VTest ˜ ' t

zV, Test

'A 't ˜ H ˜ d

zV, Enz

zV, Test ˜

zV, Test ˜ H ˜ d

0, 093 mmol cm min ˜ 6,2 mL ˜ 0,5 cm

VTest VEnz

30

0, 03

U 1,5 mL ˜ mL 0,01 mL

mmol mL ˜ min

4,5 ˜ 103

30

U mL

U mL

c) Die Stoffmenge n (Lactat) ist identisch mit der umgesetzten Stoffmenge an NADH; diese ergibt sich aus der Änderung der Absorbanz. 'n

'A ˜ VTest H ˜d

' c ˜ VTest

0,875  0, 235 mmol cm ˜ 1,5 mL 6,2 mL ˜ 0,5 cm

0,31 mmol

Lösung 200 a) Im ersten Schritt wird Harnstoff durch das Enzym Urease in Ammoniak und Kohlendioxid gespalten. Der gebildete Ammoniak wird anschließend von der Glutamat-Dehydrogenase für die reduktive Aminierung von D-Ketoglutarat zu Glutamat verwendet. Dabei wird NAD(P)H/H+ verbraucht, was photometrisch verfolgt werden kann. O H 2N

NH2

+

H 2O

Urease

COO O +

NH3

COO D-Ketoglutarat

+

NAD(P)H

+

H

2 NH3 + CO2

GlutamatDehydrogenase

COO H 3N +

COO Glutamat

H2O

+

NAD(P)

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

357

b) Die Stoffmenge des pro Tag produzierten Harnstoffs beträgt: n

c ˜ V ˜ Vorverdünnungsfaktor

1, 2

μmol ˜ 2 L ˜ 200 mL

480 mmol

Die molare Masse des Harnstoffs beträgt 12 + 2×14 + 16 + 4 = 60 g/mol. Daraus folgt für die Masse an Harnstoff in 24 h: m

n˜M

480 mmol ˜ 60

mg mmol

28,8 g

Lösung 201 a) Ein kompetitiver Inhibitor beeinflusst Xmax nicht, da er bei sehr hoher Substratkonzentration verdrängt werden kann; die Michaelis-Konstante als Maß für die Affinität des Enzyms zum Substrat erhöht sich. Aufgrund der Konkurrenz durch den Inhibitor ist eine höhere Substratkonzentration erforderlich, um halbmaximale Geschwindigkeit zu erreichen.

X Xmax

mit kompetitivem Inhibitor

Xmax 2

KM

KM

c (S)

b) Die Substratkonzentration c(S) = 10–3 mol/L entspricht der Michaelis-Konstante von Enzym B, d.h. dieses arbeitet gerade mit seiner halbmaximalen Geschwindigkeit. Dagegen ist c(S) um mehrere Größenordnungen höher als KM von Enzym A; dieses ist daher mit Substrat gesättigt und arbeitet mit Xmax. Die Reaktionsgeschwindigkeiten von Enzym A und Enzym B verhalten sich also wie 2:1.

358

Kapitel 10

Lösung 202 Gesucht ist die katalytische Aktivität z (Enz). Es gilt: z zmolar

' n (CO 2 ) ; ferner: 't 1 z tz n (Enz) 1 m (Enz) ˜ t z M (Enz)

o z m (CO 2 )

z ˜ t ˜ M (CO 2 )

z ˜ M (Enz) m (Enz) 0, 03 g 1, 7 ˜ 10

6

4

s ˜ 3, 0 ˜ 10 g/mol 3600 s/h ˜ mol ˜ 44 g/mol 1, 7 s

1 mol 1, 7 s | 93 kg/h

Lösung 203 a) Zur Bestimmung der kinetischen Daten des Enzyms eignet sich die doppelt-reziproke Auftragung nach Lineweaver und Burk. Dazu werden die Werte für 1/c(S) und 1/X0 in Ab- und Anwesenheit des Inhibitors berechnet und aufgetragen. 1/c(S) / μM–1

1/X0 / L min μmol–1 ohne Inhibitor

mit Inhibitor

0,333

0,096

0,244

0,200

0,069

0,156

0,100

0,044

0,088

0,033

0,033

0,044

0,011

0,025

0,030

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

359

kompetitive Hemmung 0,3 y = 0,6664x + 0,0222

mit Inhibitor

0,2 -1

0,15

μmol

1/X  / L min

0,25

y = 0,2227x + 0,0226

0,1 0,05

ohne Inhibitor

0 -0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

-0,05 -1

1 / c (S) / L μmol

In Abwesenheit des Inhibitors: 0, 2227 x  0, 0226 0, 2227 1 o x   KM 0, 0226

0

o KM 1

10 μmol/L 0, 0226

Xmax

 0,1015 μM 1

o Xmax

L min μmol

44, 2

μmol L min

In Anwesenheit des Inhibitors: 0, 6664 x  0, 0222

0 o x

o KM´ 1

Xmax o Xmax



0, 0222 0, 6664



1 KM ´

 0, 0333 μM 1

30 μmol/L 0, 0222

L min μmol

45, 0

μmol L min

Die Maximalgeschwindigkeit ist in Ab- und Anwesenheit des Inhibitors praktisch identisch, während sich KM erhöht. Es liegt kompetitive Hemmung vor.

360

Kapitel 10

c) Für die Bindungskonstante des Inhibitors gilt der folgende Ausdruck: K M (1 

KM ´ KM ´  1 KM KI

c (I) ) KI

c (I) KI

c (I) KM ´ 1 KM

2 mM | 1 mM 30  1 10

d) c(S) = 10 μM; c(I) = 2 mM Anteil der Enzymmoleküle, die Substrat gebunden haben: = XI c (ES I ) c (S) 1 ˜ 105 M = = =  5 Xmax c (E ges ) K M ´ + c (S) (3 ˜ 10 M  1 ˜ 105 M) KI

c (E) ˜ c (I) c (EI)

o

c (EI) c (E)

c (I) KI

0, 25 =

11,3 25

2

Da 25 % des Gesamtenzyms an Substrat gebunden ist, verbleiben für c (E) + c (EI) zusammen noch 75 %: c (EI)  c (EI) 2 e) In Abwesenheit des Inhibitors: c (E) + c (EI) = 0,75 o

0, 75 o c (EI)

X c (ES) c (S) 3 ˜ 105 M = = = c (E ges ) K M + c (S) Xmax (1 ˜ 105 M  3 ˜ 105 M)

0,50

0, 75

In Anwesenheit des Inhibitors:

XI c (ES I ) c (S) 3 ˜ 105 M = = = c (E ges ) K M ´ + c (S) Xmax (3 ˜ 105 M  3 ˜ 105 M)

0,50

Das Verhältnis der Anteile an substratbeladenem Enzym in Abwesenheit bzw. in Anwesenheit des Inhibitors entspricht dem Verhältnis der beobachteten Geschwindigkeiten: 33,8 μmol/min / 22,6 μmol/min = 1,5.

Lösung 204 a) Zur Bestimmung der kinetischen Daten des Enzyms eignet sich die doppelt-reziproke Auftragung nach Lineweaver und Burk. Dazu werden die Werte für 1/c(S) und 1/X0 in Ab- und Anwesenheit des Inhibitors berechnet und aufgetragen.

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

361

1/X0 / L min μmol–1

1/c(S) / μM–1

ohne Inhibitor

mit Inhibitor

0,333

0,096

0,476

0,200

0,069

0,345

0,100

0,044

0,222

0,033

0,033

0,147

0,011

0,025

0,123

nichtkompetitive Hemmung 0,6

mit Inhibitor

0,5

-1

0,3

mmol

1/X 0 / L min

y = 1,1093x + 0,1124 0,4

0,2 y = 0,2227x + 0,0226 0,1

ohne Inhibitor

0 -0,2

0

0,2

-0,1 -1

1 / c (S) / L mmol In Abwesenheit des Inhibitors: 1

0, 0226

Xmax o Xmax

L min μmol

44, 2

μmol L min

In Anwesenheit des Inhibitors: 0

1,1093 x  0,1124

o x o KM ´



0,1124 1,1093 10 μmol/L



1 KM ´

 0,10 μM 1

0,4

362

Kapitel 10

1

Xmax ´

0,1124

L min μmol

8,9

μmol L min

o Xmax ´

Die Michaelis-Konstante KM ist in Ab- und Anwesenheit des Inhibitors praktisch identisch, während sich Xmax erniedrigt. Es liegt nichtkompetitive Hemmung vor. c) Für die Bestimmung der Inhibitor-Konstante erhält man:

Xmax

Xmax ´

1

c (I) KI

Xmax  1 Xmax ´

c (I) KI c (I)

KI

100 μM | 25, 2 μM 44, 2  1 8,9

Xmax  1 Xmax ´

d) Da der nichtkompetitive Inhibitor die Substratbindung nicht beinflusst (KM ist unverändert), ist auch der Anteil c(ES) / c(Eges) = X /Xmax unabhängig von der Anwesenheit des Inhibitors.

X c (S) = = 33,8 / 45 = 0,75, also ca. 75 % K M + c (S) Xmax

Lösung 205 X0

X0 XXmax ma

Xmax ˜ c (S) K M  c (S)

X0 ˜ ( K M  c (S)) X0 ˜ K M  X0 ˜ c (S) X0 ˜ K M c (S)

X0

 X0

1 ohne Inhibitor

vmax ˜ c (S)

Xmax ˜ c (S)

2 kompetitiver Inhibitor

1

3 nichtkompetitiver Inhibitor

Xmax

Xmax  K M ˜

Steigung: –KM y-Abschnitt: Xmax x-Abschnitt: Xmax / KM

X0 c (S)

2 3

X0/c(S)

Lösungen – Enzymkinetik und optische Bestimmungen

363

Lösung 206 Die Abnahme der Geschwindigkeit bei hohen Substratkonzentrationen führt im doppeltreziproken Lineweaver-Burk-Plot zu einer Krümmung nach oben bei kleinen Werten von 1/c(S), entsprechend hohen c(S)-Werten: 1/X

1/c(S) Es handelt sich um das Phänomen der Substrathemmung. Bei sehr hohen Substratkonzentrationen kann es zur Bildung von „unproduktiven“ Komplexen im aktiven Zentrum kommen. Statt einem Substratmolekül, das mit zwei Domänen an die jeweils komplementären Bereiche des aktiven Zentrums bindet, binden beispielsweise zwei Substratmoleküle mit jeweils nur einer Domäne. Keines der beiden Substratmoleküle weist dann die für die katalytische Reaktion erforderliche Orientierung auf. Die folgende schematische Abbildung soll dies verdeutlichen.

normale Substratbindung: Substrat wird in „gelben“ und „roten“ Teil gespalten Substrathemmung

Lösung 207 Die katalytische Konstante kcat gibt die Stoffmenge an Substrat an, die pro Mol Enzym und pro Sekunde unter Sättigungsbedingungen umgesetzt werden kann. Die Maximalgeschwindigkeit wird durch die Enzymkonzentration bestimmt und es gilt:

Xmax

kcat ˜ c (Enzym)

364

Kapitel 10

Die Enzymkonzentration lässt sich aus der Massenkonzentration und der molaren Masse berechnen: c

E

0,3 g/L

M

2,1 ˜ 104 g/mol

1, 43 ˜ 105 mol/L

Damit erhält man für die Maximalgeschwindigkeitvmax:

Xmax

103 s 1 ˜ 1, 43 ˜ 105 mol/L

1, 43 ˜ 102 mol/L ˜ s

b) In Anwesenheit dieses Inhibitors ist demnach keine Änderung der Maximalgeschwindigkeit zu beobachten; Xmax´ beträgt unverändert 1,43u10–2 mol/L s. Dies ist charakteristisch für eine kompetitive Hemmung. Da es sich bei dem Hemmstoff um ein Substratanalogon handelt, war der kompetitive Charakter der Hemmung zu erwarten.

Lösung 208 Die Hexokinase ist eines der Schlüsselenzyme der Glykolyse; sie kommt in allen Organen und Geweben vor. Die Glucokinase findet sich dagegen nur in der Leber und in den E-Zellen des Pankreas. Die Hexokinase ist nicht spezifisch für Glucose, sondern phosphoryliert auch andere Hexosen, wenngleich die Affinität zur Glucose am höchsten ist. Dagegen ist die Glucokinase, wie bereits der Namen vermuten lässt, für Glucose spezifisch. Beide Isoenzyme unterscheiden sich stark in ihrer Affinität zu Glucose. Der KM-Wert der Hexokinase ist mit ca. 0,1 mM sehr gering und liegt weit unter der Konzentration an Glucose, d.h. das Enzym arbeitet praktisch immer mit nahezu maximaler Geschwindigkeit. Wird die Menge an Hexokinase als Antwort auf eine Ausschüttung von Insulin gesteigert, erhöht sich dadurch der Substratumsatz in entsprechendem Maß. Zugleich wird die Hexokinase durch Glucose-6-phosphat gehemmt (Produkthemmung), wodurch vermieden wird, dass die Zelle übermäßig viel Glucose-6-phosphat akkumuliert. Die Glucokinase besitzt einen viel höheren KM-Wert (ca. 5 mM); ihre Aktivität kann dadurch in der Resorptionsphase erheblich zunehmen und so überschüssige Glucose aus dem Blut verarbeiten. Sie unterliegt keiner Produkthemmung und tritt also immer dann in Aktion, wenn das Glucoseangebot sehr hoch ist (und die Hexokinase durch Glucose-6-phosphat gehemmt wird). In der Leber wird das durch die Glucokinase gebildete Glucose-6-phosphat dann zum Aufbau von Glykogen verwendet. In den E-Zellen des Pankreas sorgt die Aktivität der Glucokinase bei hoher Blutglucosekonzentration für einen Anstieg der Glucose-6-phosphat-Konzentration, wodurch es letztlich infolge gesteigerter ATP-Synthese und Schließung von K+-Kanälen zu einer Depolarisation der Zelle und Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle zur Exocytose von Insulin und zur Absenkung der Blutglucosekonzentration kommt.

Kapitel 11 Lösungen – Energetik und Stoffwechsel: Glucosestoffwechsel, Citratzyklus, Atmungskette, Fettstoffwechsel, Aminosäure- und Nucleotidstoffwechsel

Lösung 209 a) Die folgenden drei Faktoren spielen eine wichtige Rolle: x ATP weist eine relativ hohe Freie Enthalpie der Hydrolyse (–30,5 kJ/mol) unter biochemischen Standardbedingungen auf; bei zellulären Konzentrationen ist der Wert noch negativer. Damit ist sein Phosphatgruppenübertragungspotenzial groß genug, um viele Substanzen zu phosphorylieren. x Zugleich ist die Freie Enthalpie ist aber nicht zu hoch, als dass sie durch Reaktionen wie im Zuge der Substratkettenphosphorylierung und der oxidativen Phosphorylierung aufgebracht werden könnte, so dass die Resynthese von ATP aus ADP durch mehrere Reaktionen möglich ist, z.B durch Reaktion von Phosphoenolpyruvat mit ADP. x Aufgrund einer hohen Aktivierungsbarriere für eine nichtenzymatische Spaltung ist ATP in wässriger Lösung im Gegensatz zu anderen Anhydriden kinetisch relativ stabil. ATP wird daher im Stoffwechsel nur in Anwesenheit entsprechender Enzyme hydrolysiert. b) Das ATP unterliegt einem ständigen Auf- und Abbau – durch energieverbrauchende Prozesse auf der einen und Neusynthese aus ADP durch Substratketten- und v.a. oxidative Phosphorylierung auf der anderen Seite.

Lösung 210 a) Die wichtigen phosphathaltigen „energiereichen“ Substanzklassen sind im Folgenden aufgeführt: x Enolphosphate: z.B. Phosphoenolpyruvat (Verbindung mit dem höchsten Phosphatgruppenübertragungspotenzial in der Glykolyse) x Phosphoamide: z.B. Phosphocreatin (= Creatinphosphat; ein Guanidin-Derivat) x Phosphorsäureanhydride: z.B. Nucleosiddiphosphate wie ADP, GDP, CDP, UDP; und Nucleosidtriphosphate (ATP, GTP, CTP, UTP) x gemischte Säureanhydride: z.B. 1,3-Bisphosphoglycerat (Glykolyse), Acyl-AMP (Fettsäureaktivierung), Aminoacyl-AMP (Aminosäureaktivierung), Carbamoylphosphat (Harnstoff- und Pyrimidinsynthese)

366

Kapitel 11

x Glykosiddiphosphate: z.B. UDP-Glucose, UDP-Glucuronsäure (aktivierte Monosaccharide für Ausbildung einer glykosidischen Bindung); CDP-Cholin (aktiviertes Cholin für Lecithinsynthese) b) Das Gruppenübertragungspotenzial ist die Freie Enthalpie unter biochemischen Standardbedingungen 'G°´ für die Reaktion, bei der 1 mol der terminalen Gruppe eines Donormoleküls auf den Akzeptor Wasser übertragen wird. Metabolite mit energiereichen Bindungen besitzen ein hohes Gruppenübertragungspotenzial für die entsprechende Gruppe. Das klassische Beispiel ist das Adenosintriphosphat (ATP). Hier beträgt 'G°´ für die Hydrolyse zu ADP + Pi gleich –30,5 kJ/mol. Dieser relativ stark negative Wert lässt sich auf folgende strukturelle Aspekte zurückführen: x Die Phosphatgruppen tragen bei physiologischen pH-Bedingungen insgesamt 4 negative Ladungen, die sich gegenseitig abstoßen; durch die Hydrolyse eines Phosphatrestes wird diese Abstoßung verringert. x Durch Hydrolyse ergibt sich eine bessere Mesomeriestabilisierung des freien Phosphats gegenüber dem im ATP gebundenen. x Die Hydrolyseprodukte werden besser hydratisiert. c) Hierzu werden Verbindungen benötigt, die ein höheres Phosphatgruppenübertragungspotenzial aufweisen, als ATP. In Frage kommen insbesondere Phosphoenolpyruvat und 1,3Bisphosphoglycerat (in der Glykolyse) sowie Creatinphosphat als kurzfristiger Energiespeicher im Muskel. COO O

COO O O

P O O

C

O

HO CH CH2

CH2O

O P O

N CH3

H 2N

O

NH O

PO32

P O

O

Phosphoenolpyruvat

1,3-Bisphosphoglycerat

Creatinphosphat

'G°´ = - 61,9 kJ/mol

'G°´ = - 49,4 kJ/mol

'G°´ = - 43,1 kJ/mol

d) Als Energiereservoir fungiert das Creatinphosphat, das ADP zu ATP phosphorylieren kann.

O

P O

NH2

NH2

O N H

N

COO

H 3C

Creatinphosphat

+

ADP

H 2N

N

COO

+

ATP

H 3C Creatin

Die intrazellulären Konzentrationen der Reaktionspartner sorgen dafür, dass 'G | 0 ist, so dass im Ruhezustand der Zelle (c(ATP) relativ hoch) Creatinphosphat gebildet werden kann. e) Das Gehirn hat einen sehr hohen Bedarf an ATP, gleichzeitig nur sehr geringe ATP-Vorräte. Für eine kontinuierliche ATP-Versorgung muss der Ablauf der oxidativen Phosphorylierung gewährleistet sein, die wiederum O2-abhängig ist.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

367

Lösung 211 a) x Die Reaktion kann nur in einer Richtung exergon sein, d.h. spontan ablaufen. x Getrennte Reaktionswege ermöglichen die unabhängige Regulation beider Prozesse. b) Typische Regulationsmechanismen sind x x x x

allosterische Kontrolle (Bindung eines allosterischen Effektors) kovalente Modifikation (z.B. Phosphorylierung) negative Rückkopplung (Produkthemmung; feedback-Hemmung) limitierte Proteolyse (insbesondere bei extrazellulären Enzymen, z.B. Verdauungsenzymen, Blutgerinnungsfaktoren) x genetische Kontrolle (Erhöhung oder Erniedrigung der Enzymsynthese) Schlüsselenzyme katalysieren i.A. die Schrittmacherreaktion eines Reaktionsprozesses und stellen damit das entscheidende Kontrollelement eines Stoffwechselweges dar. Entsprechend stehen sie meist am Anfang oder an Verzweigungspunkten von Reaktionsabläufen. Schlüsselenzyme katalysieren irreversible Schritte und arbeiten in der Regel im Bereich der Substratsättigung, so dass ihr Umsatz über die Enzymsynthese kontrolliert werden kann.

Lösung 212 a) Man kann sich vorstellen, dass das Enzym zwischen einem entspannten R-Zustand („relaxed“), in dem es stärker aktiv ist, und einem weniger aktiven, gespannten T-Zustand („tense“) wechseln kann. Dabei begünstigt eine Bindung von Substrat den R-Zustand, die von allosterischen Inhibitoren dagegen den T-Zustand. Dadurch können sowohl die Affinität zum Substrat, als auch katalytische Mechanismen beeinträchtigt sein. Allosterische Enzyme bestehen i.A. aus mehreren Untereinheiten, die miteinander (positiv) kooperieren; dies führt zu einem sigmoidalen Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Substratkonzentration. Das klassische Beispiel eines solchen kooperativen Effekts ist die Sauerstoffbindung im Hämoglobin. b) Die Bindung eines allosterischen Effektors bewirkt typischerweise eine Konformationsänderung im Enzym, die entweder eine Änderung der maximalen Katalysegeschwindigkeit (Änderung von Xmax) oder eine Änderung der Affinität des Enzyms zum Substrat (Änderung von KM) bewirken kann. Entsprechend unterscheidet man zwei Klassen von Effektoren, die dem K-Typ bzw. V-Typ zugeordnet werden. K-Typ-Effektoren sind solche, die sich nur auf die Affinität des Enzyms zum Substrat auswirken, also die Michaelis-Konstante verändern. Ist das Substrat erst einmal gebunden, wird es mit der normalen Geschwindigkeit umgesetzt. Bei einer Auftragung von Xmax gegen c(S) verschiebt ein positiver Effektor (Aktivator) die sigmoidale Kurve nach links (KM sinkt), ein negativer Effektor (Inhibitor) dagegen nach rechts (KM steigt). Ein solches durch einen Effektor vom K-Typ geregeltes Enzym ist die Phosphofructokinase-1, die die ATP-abhängige Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat katalysiert. Als allosteri-

368

Kapitel 11

scher Aktivator vom K-Typ fungiert das Fructose-2,6-bisphosphat, das die Phosphofructokinase-1 von der T- in die R-Form umwandelt und dadurch die Affinität des Enzyms gegenüber Fructose-6-phosphat erhöht und den Hemmeffekt von ATP (K-Typ-Inhibitor) herabsetzt. Dieser Hemmeffekt kann durch AMP aufgehoben werden. Dagegen wirken sich Effektoren vom V-Typ nur auf die maximale Reaktionsgeschwindigkeit Xmax aus, ohne die Affinität des Enzyms zu beeinflussen. Dieser Effektortyp ist wesentlich seltener; ein Beispiel ist die Pyruvat-Carboxylase, die den ersten Schritt der Gluconeogenese, also die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat, katalysiert. Acetyl-CoA fungiert dabei als Aktivator, und führt so zu einer rascheren Bildung von Oxalacetat, das benötigt wird, um Acetyl-CoA in den Citratzyklus einzuspeisen.

Lösung 213 a)

A

B

C

D

F

G

H

I

E J

b) Durch eine Hemmung des ersten Schrittes im gemeinsamen Stoffwechselweg durch G oder J wird die unnötige Anhäufung von Zwischenprodukten des Weges verhindert. Wenn G oder J in ausreichender Menge vorhanden ist, werden somit weniger Moleküle von A zur Fortsetzung des Weges in B umgewandelt. Durch die Regulation eines Enzyms nach der Verzweigung des Weges hemmen G oder J nur ihre eigene Synthese, ohne die Produktion des jeweils anderen zu beeinflussen.

Lösung 214 x Transkription: Zur mRNA-Synthese werden selbstverständlich die entsprechenden Nucleosidtriphosphate als Bausteine benötigt, u.a. auch GTP. x Translation: Hierbei gelangen die Aminoacyl-tRNAs stets als ternärer Komplex mit GTP und einem Hilfsprotein – bei der Initiation einem Initiationsfaktor (eIF2), bei der Elongation einem Elongati-

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

369

onsfaktor (eEF1-D) – zum Ribosom. Auch für die Verschiebung der Peptidyl-tRNA von der A-Stelle auf die P-Stelle wird neben dem Elongationsfaktor eEF2 ein GTP benötigt, das im Zuge der Weiterbewegung des Ribosoms um drei Nucleotide hydrolysiert wird. x AMP-Synthese: Für die Reaktion von 5´-Inosinmonophosphat mit Aspartat unter Bildung von Adenylosuccinat (das anschließend unter Abspaltung von Fumarat in AMP übergeht) wird GTP benötigt, das zu GDP + Pi hydrolysiert wird. Umgekehrt verläuft die Synthese von GMP unter Verbrauch von ATP, so dass durch die wechselseitige Abhängigkeit für eine ausgewogene Produktion beider Purinnucleotide gesorgt wird. x Gluconeogenese: Eine weitere GTP-abhängige Reaktion findet in der Gluconeogenese statt. Hier wird Oxalacetat unter Decarboxylierung und Verbrauch von GTP in das energiereiche Phosphoenolpyruvat umgewandelt.

Lösung 215 a) Durch Aufwand von ATP werden verschiedene endergone Vorgänge ermöglicht, wie x aktive Transportprozesse (z.B. Transport von Na+- und K+-Ionen durch die Na+-K+ATPase x Biosynthesen x Muskelarbeit (Æ Bewegung) x Wärmeerzeugung b) Von einem ATP-Molekül kann ein Phosphatrest, ein Pyrophosphatrest, das Adenosin oder AMP übertragen werden. Am häufigsten wird die Übertragung von Phosphatresten beobachtet, ferner die Aktivierung durch Übertragung von AMP. Die häufigsten Akzeptorgruppen für Phosphatreste sind primäre oder halbacetalische Hydroxygruppen, wobei Phosphorsäureester gebildet werden, z.B. Glucose + ATP  o Glucose-6-phosphat + ADP Galaktose + ATP

 o Galaktose-1-phosphat + ADP

Möglich ist auch die Übertragung auf eine Aminogruppe unter Bildung eines Phosphorsäureamids, oder auf eine Carboxylatgruppe (Bildung eines gemischten Anhydrids), z.B. Creatin + ATP  o Creatinphosphat + ADP

o 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP. 3-Phosphoglycerat + ATP  Die Übertragung von AMP spielt eine wichtige Rolle zur Aktivierung von Fettsäuren und Aminosäuren und auch von Ubiquitin: Fettsäure + ATP

 o Fettsäure–AMP + PPi

o Aminoacyl–AMP + PPi Aminosäure + ATP 

370

Kapitel 11

Lösung 216 a) COO COO

N CH3 H2N

+

NH O

P O

ADP

Creatin-Kinase N CH3

+

ATP

H2N NH2

O

Creatin

Phosphocreatin

b) Aus den gegebenen Freien Standardenthalpien ergibt sich für die Bildung von Phosphocreatin aus Creatin und ATP ein Wert von 'G°´ = 12,5 kJ/mol. Um die beiden gekoppelten Reaktionen im Gleichgewicht zu halten, muss die tatsächliche Freie Enthalpie des Prozesses gleich Null sein:

 'Gq´ RT

c(ADP) ˜ c(Phosphocreatin) c(ATP) ˜ c(Creatin) c (ADP) ˜ c(Phosphocreatin) ln c(ATP) ˜ c(Creatin)

§  'Gq´ exp ¨ © RT c(ATP) c(ADP)

c(Creatin) · ¸ ˜ ¹ c(Phosphocreatin) § 'Gq´ · 20 ˜ exp ¨ ¸ © RT ¹

'G

'Gq´  RT ln

0

c(ADP) c(ATP) 3,1 ˜ 103

Das ATP/ADP-Verhältnis muss also etwa 3,1u103 betragen.

Lösung 217 a) Die meisten Soffwechselprozesse sind auf ein Zellkompartiment beschränkt. Eine Ausnahme bilden diesbezüglich die Gluconeogenese und der Harnstoffzyklus. Während der größte Teil der Gluconeogenese im Cytosol stattfindet, erfolgt der erste Schritt, die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat, im Mitochondrium. Der letzte Schritt, die Hydrolyse von Glucose-6-phosphat zu Glucose, findet im endoplasmatischen Retikulum (ER) statt. Auch die beiden ersten Reaktionen des Harnstoffzyklus erfolgen im Mitochondrium, bevor anschließend das Citrullin ins Cytosol exportiert wird, wo die weiteren Schritte ablaufen.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

371

Stoffwechselweg

Zellkompartiment

Glykolyse

Cytosol

Harnstoffzyklus

Cytosol / Mitochondrienmatrix

Gluconeogenese

Cytosol / (Mitochondrienmatrix; ER)

E-Oxidation von Fettsäuren

Mitochondrienmatrix

Biosynthese von Fettsäuren

Cytosol

Atmungskette

innere Mitocodrienmembran

Citratzyklus

Mitochondrienmatrix

Ketonkörpersynthese

Mitochondrienmatrix

b)

Mitochondrien

DNA

RNA

x

x

Lysosomen Cytoplasma

x

Nukleosomen

x

Endoplasmatisches Retikulum Zellkern

x

x

Lösung 218 a) Es handelt sich um die Aldolase, welche die Aldolspaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Dihydroxyacetonphosphat und Glycerolaldehyd-3-phosphat katalysiert. 2

O3PO

CH2

2

CH2 OPO3

O

OH OH

H Aldolase

HO

C

O

CH2OH +

H C OH 2

CH2 OPO3

C O 2

CH2 OPO3

b) Das Enzym bildet über die H-Aminogruppe eines Lysinrestes ein Imin (Schiff´sche Base) mit der Ketogruppe von Fructose-1,6-bisphosphat.

372

Kapitel 11

Lösung 219 In Abwesenheit von Sauerstoff muss die Regeneration von NAD+ durch anaerobe Gärung erfolgen. Im Muskel kommt es bei starker Anstrengung zur Bildung von Lactat, wenn die Reoxidation von NADH in der Atmungskette nicht rasch genug erfolgen kann. Auch viele Mikroorganismen bilden Lactat aus Pyruvat (Milchsäuregärung). Pyruvat

NADH

+

+

H

Lactat

NAD

+

+

Hefen regenerieren das NAD dagegen typischerweise durch alkoholische Gärung, bei der der im ersten Schritt das Pyruvat zu Acetaldehyd decarboxyliert und dieses anschließend zu Ethanol reduziert wird. Pyruvat

Ethanol

Acetaldehyd NADH/H

CO2

NAD

Unter aeroben Bedingungen erfolgt die Reoxidation von NADH/H+ dagegen in der Atmungskette. Durch den Elektronentransport vom NADH/H+ zum Endakzeptor Sauerstoff wird ein Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut, der zur ATP-Synthese genutzt wird.

NADH

+

H

+

1/2 O2

NAD

+

H2O

Lösung 220 Arsenat (AsO43–) konkurriert aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit Phosphat um die Bindung an die Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase und wird von dieser in das Substrat unter Bildung von 1-Arseno-3-phosphoglycerat eingebaut. Diese Verbindung hydrolysiert in Wasser rasch unter Bildung von 3-Phosphoglycerat, ohne dass es zur Bildung von ATP kommt. In Anwesenheit von Arsenat erfolgt daher in der Glykolyse kein Nettogewinn von ATP.

Lösung 221 Für die Regulation eignen sich Reaktionen, die x möglichst zu Anfang der Reaktionssequenz liegen x irreversibel sind.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

373

Daher kämen in Frage: x Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat durch die Hexokinase x Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat durch die Phosphofructokinase. Die erste irreversible Reaktion, die nur in der Glykolyse auftritt (Schrittmacherreaktion) ist die Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat. Glucose-6-phosphat ist dagegen auch an mehreren anderen Stoffwechselwegen beteiligt, z.B. am Aufbau von Glykogen oder dem Pentosephosphatweg; die Reaktion der Hexokinase ist also nicht spezifisch, so dass durch ihre Regulation im Zuge der Glykolyse auch andere Stoffwechselwege beeinflusst würden. Die dritte irreversible Reaktion von Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat liegt ganz am Ende der Glykolyse und kommt daher nicht als primäre Regulationsstelle in Frage. Die vielfältig regulierte Schrittmacherreaktion innerhalb der Glykolyse ist daher die von der Phosphofructokinase katalysierte Reaktion.

Lösung 222 a) NH2 N O

O

O

O

P O

P O

P O CH2

O

O

O

N

N O

N Adenin

OH

OH

Ribose Adenosin Adenosintriphosphat

374

Kapitel 11

b) CH2OH OH

OH

ATP

+

OH

OCH2 H

O 2

2

CH2OH HO

OH

H

O

PO3

C

OH

+

ATP

Phosphofructokinase

O3P

OCH2

2

C

ADP

O +

2 ADP

Phosphoglycerat-Kinase

2

PO3 +

OH

ADP

H

O

C

H C OH

+

2 ATP

2

CH2 OPO3

O 2 OPO3

2

CH2O HO

OH

2 CH2 OPO3

C

O H

H

2

H C OH

O

+

OH

O

H

OH

OH

OH

O 3P

PO3 O

Hexokinase

OH

2

2

CH2O

O

O +

2 ADP

CH2

Pyruvat-Kinase

2

C

O

C O

+

2 ATP

CH3

Nettogewinn: 2 ATP pro Glucose

Lösung 223 a) Durch nucleophilen Angriff der H-Aminogruppe eines Lysinrestes der Aldolase auf die Carbonylgruppe des Fructose-1,6-bisphosphats kommt es zur Bildung der protonierten SchiffBase. Diese weist einen stärkeren Elektronenzug als die Carbonylgruppe auf und erleichtert dadurch die Spaltung zum Enamin. Dieses wiederum ist stabiler als ein entsprechendes Enolat-Ion, so dass die Aldolspaltung durch den Reaktionsverlauf über die Schiff-Base erleichtert wird.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

375

2

CH2OPO3

H2 N

C O

(CH2)4 Lys

CH2OH

O

Dihydroxyacetonphosphat

Tyr H2 O

Hydrolyse der Schiff-Base CH2OPO3

Fructose-1,6-bisphosphat Substratbindung

freies Enzym

2 2

CH2OPO3

C NH (CH2)4 HO C

C O

H

H2N (CH2)4

HO C H

H

O

H C O H

O

H C OH

2

CH2OPO3

Enzym-Produkt-protonierte Schiff-Base

Enzym-Substrat-Komplex Bildung der protonierten Schiff-Base

Tautomerisierung und Protonierung

2

2

CH2OPO3

CH2OPO3 Aldolspaltung

C NH (CH2)4 HO

C

C NH (CH2)4 HO C H H C O H O H C OH CH2OPO3

H H

O

H

C

O

H C OH Enamin-Intermediat

H2 O

2

CH2OPO3

Glycerolaldehyd-3-phosphat

Enzym-Substrat-protonierte Schiff-Base

376

Kapitel 11

b) Mittels Gelchromatographie werden Moleküle nach ihrer Größe getrennt; dabei eluieren große Moleküle (z.B. Proteine) früher, als kleine (z.B. Substrate). Wird zuerst das Enzym Aldolase aufgetragen (Säule 1), so läuft dieses vorneweg und kommt somit mit seinem Substrat, dem Fructose-1,6-bisphosphat, nicht in Berührung. Es eluiert also zuerst die Aldolase und mit einigem Abstand das kleine Substratmolekül Fructose-1,6-bisphosphat. Im umgekehrten Fall (Säule 2) überholt die Aldolase aufgrund ihrer rascheren Laufgeschwindigkeit das Fructose-1,6-bisphosphat und spaltet dieses dabei. Wie im ersten Fall eluiert also zunächst das Makromolekül (die Aldolase), anschließend dann eventuell nicht umgesetztes Substrat sowie die beiden Spaltprodukte, also Glycerolaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat.

Lösung 224 In der Glykolyse werden zwei energiereiche Verbindungen gebildet, die ein hohes Phosphatgruppenübertragungspotenzial aufweisen und daher zur ATP-Synthese genutzt werden können, das 1,3-Bisphosphoglycerat (ein gemischtes Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydrid) und das Phosphoenolpyruvat (ein Enolphosphat). Die dritte Reaktion liefert das einzige ATPÄquivalent im Citratzyklus; hierbei ist der Thioester Succinyl-CoA beteiligt. O

O

C

2

PO3

H C OH CH2 O

+

PhosphoglyceratKinase

ADP

2 PO3

C

C

H C OH

O 2 PO3

+

+

ATP

2

PO3

3-Phosphoglycerat

O

C O

O

CH2 O

1,3-Bisphosphoglycerat O

O

ADP

+

Pyruvat-Kinase

H

CH2

C

O

C O

ATP

+

CH3

Phosphoenolpyruvat

OOC

Pyruvat

SCoA +

O Succinyl-CoA

GDP

+

Pi

Succinyl-CoAsynthetase

OOC

O +

O Succinat

HS

CoA

+

GTP

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

377

Lösung 225 Die Pyranoseform von Glucose-6-phosphat steht im Gleichgewicht mit der offenkettigen Form, die basenkatalysiert ein Endiol bilden kann. Diese tautomerisiert zur offenkettigen Form von Fructose-6-phosphat, das anschließend zur Furanoseform zyklisieren kann. B 2

B

H

2

O3POCH2 O

H OH

H

O3POCH2 H

H O H

OH H

OH

H

OH

H

H

OH

O

OH

B

Glucose6-phosphat

H O

B

2

O3POCH2

H O

H

H

OH

O

OH H 2

O3P

OCH2 H

O H OH

2

CH2OH HO H

Fructose6-phosphat

OH

H

B

B O3POCH2

H O

H

H

OH H

H

B

H

OH H

O H

OH

O B

Die Aldolspaltung von Glucose-6-phosphat ergäbe zwei Fragmente mit unterschiedlicher Länge. Dagegen ergibt die Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat zwei C3-Fragmente, die leicht (durch die Triosephosphat-Isomerase) ineinander umgewandelt werden können, so dass nur ein weiterer gemeinsamer Abbauweg erforderlich ist.

Lösung 226 Beim Abbau von Glucose zu Pyruvat in der Glykolyse wird NAD+ verbraucht und zu NADH/H+ reduziert. Für einen kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse muss NAD+ immer wieder regeneriert werden. Unter aeroben Bedingungen geschieht dies durch die Reoxidation im Zuge der Atmungskette. Letztere findet aber unter anaeroben Bedingungen nicht statt; die Regeneration von NAD+ muss also auf anderem Weg erfolgen. Durch Reduktion von Pyruvat zu Lactat mit NADH/H+ wird NAD+ für die Glykolyse regeneriert.

378

Kapitel 11

Lösung 227 a) Die Reaktion verläuft in zwei Schritten: O

O

C

PyruvatDecarboxylase

C O

O

H

AlkoholDehydrogenase H3C

CH3

CH3 Pyruvat

H

CO2

Acetaldehyd

NADH/H

OH Ethanol

NAD

b) Die Gesamtgleichung für die alkoholische Gärung von Glucose lautet: Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 H +

 o 2 Ethanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H 2O

c) Unter anaeroben Bedingungen kann nur die Glykolyse ablaufen; es werden demnach maximal 2 ATP pro Molekül Glucose gewonnen. Wachsen die Hefen aerob (in Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff), so wird das Kohlenstoffgerüst der Glucose im Citratzyklus vollständig zu CO2 abgebaut, wobei Energie in Form von GTP sowie Reduktionsäquivalenten (3 NADH/H+ + 1 FADH2 pro Acetyl-CoA) entsteht. Die erzeugten Reduktionsäquivalente werden in der Atmungskette reoxidiert, wobei letztlich ca. 30 ATP pro Glucose erzeugt werden können. Da also unter aeroben Bedingungen wesentlich mehr Energie (in Form von ATP) pro Glucosemolekül gewonnen wird, muss entsprechend weniger Glucose zur Deckung des Energiebedarfs verstoffwechselt werden.

Lösung 228 Es handelt sich um Mg2+-Ionen. Alle 4 Kinasen, die innerhalb der Glykolyse vorkommen, katalysieren unter physiologischen Bedingungen den nucleophilen Angriff eines Sauerstoffatoms einer Hydroxygruppe auf das Phosphoratom der endständigen Phosphorylgruppe von ATP und/oder die Rückreaktion der nucleophilen Substitution und benötigen als Cofaktor Mg2+. Der Mg2+-ATP-Komplex stellt dabei als Substrat einen besseren Phosphorylgruppendonor dar, als unkomplexiertes ATP, da das Mg2+ die negativen Ladungen einer der Phosphorylgruppen abschirmt. Auch für die Aktivität der Enolase ist die Anwesenheit von Mg2+ erforderlich.

Lösung 229 a) Es handelt sich um die von der Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion zum 1,3-Bisphosphoglycerat, einem energiereichen gemischten Anhydrid: H C O H C OH 2

CH2 OPO3

Glycerolaldehyd3-phosphat

+

NAD

+

2 HPO4

Glycerolaldehyd-3phosphat-Dehydrogenase

O

C

O

2

PO3

+

H C OH CH2 O

2 PO3

1,3-Bisphosphoglycerat

NADH/H

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

379

b) Die Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase enthält im aktiven Zentrum eine essentielle SH-Gruppe, die im ersten Schritt durch nucleophilen Angriff auf Glycerolaldehyd-3phosphat ein Thiohalbacetal bildet, das anschließend durch NAD+ zum Thioester oxidiert wird. Dieser kann dann durch das Phosphat unter Bildung des gemischten Anhydrids (1,3Bisphosphoglycerat) angegriffen werden. H C O

OH

H C OH

HS

+

2 CH2 OPO3

H C

Enzym

S

Enzym

H C OH 2

CH2 O

Glycerolaldehyd3-phosphat

PO3 NAD

NADH/H O

O

C

2

PO3

H C OH CH2 O

O

2

HPO4

S

Enzym

H C OH

2

PO3

1,3-Bisphosphoglycerat

C

2

CH2 O HS

PO3

Enzym

In Anwesenheit von Iodacetat wird die Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase irreversibel durch folgende SN2-Reaktion unter Ausbildung einer kovalenten Bindung gehemmt: O I

O O

HS

+

Enzym

Enzym S

O

HI

+

Lösung 230 a) Die Phosphofructokinase katalysiert die ATP-abhängige Phosphorylierung von Fructose-6phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat. 2

O3PO CH2

2

CH2OH

O HO

+

ATP

Phosphofructokinase

O3PO

CH2

HO

OH OH Fructose-6-phosphat

2

CH2 OPO3

O

+

ADP

OH OH Fructose-1,6-bisphosphat

b) Glucose-6-phosphat wird nicht nur in der Glykolyse weiter umsetzt, sondern dient auch als Ausgangsstoff verschiedener anderer Stoffwechselwege. So ist es das Edukt des Pentosephosphatwegs, dient zur Glykogensynthese und auch zur Synthese anderer Zucker, z.B. Galaktose und Mannose.

380

c) Aktivierend:

Kapitel 11

AMP

Inhibierend: ATP, Citrat

Da es sich um ein allosterisch reguliertes Enzym handelt, zeigt die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration an Fructose-6-phosphat einen sigmoiden Verlauf. In Anwesenheit inhibierender Substanzen sind höhere Substratkonzentrationen erforderlich, um eine bestimmte Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen (Verschiebung der Kurve nach rechts), in Anwesenheit aktivierender entsprechend geringere Substratkonzentrationen (Verschiebung der Kurve nach links).

X

aktiviert

inhibiert

c (Fructose-6-phosphat)

Lösung 231 a) Das bei der Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat durch die Aldolase gebildete Glycerolaldehyd-3-phosphat wird durch NAD+ unter Katalyse der Glycerolaldehyd-3-phosphatDehydrogenase zum 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert. Die erhaltene Stoffmenge an 1,3-Bisphosphoglycerat entspricht der Stoffmenge an gebildetem NADH, die mit Hilfe des LambertBeer´schen Gesetzes leicht berechnet werden kann. 'A

n (NADH)

c (NADH) ˜ VTest

n (NADH)

0, 68 μmol cm ˜ 1, 0 mL 3, 4 mL ˜ 1 cm

H ˜d

˜ VTest 0, 20 μmol

Aus den Stoffmengen der Edukte ist ersichtlich, dass maximal 5 μmol NADH entstehen könnten. Die Reaktion läuft also sehr unvollständig ab, d.h. das Gleichgewicht liegt weit auf der Eduktseite. b) Setzt man dem Reaktionsgemisch Arsenat zu, entsteht anstelle von 1,3-Bisphosphoglycerat das instabile 1-Arseno-3-phosphoglycerat, das in wässriger Lösung spontan zu 3-Phosphoglycerat hydrolysiert und so aus dem Gleichgewicht entzogen wird. Dadurch kann eine praktisch vollständige Umsetzung von Glycerolaldehyd-3-phosphat erreicht werden.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

381

Die Reaktionen lauten: Fructose-1,6-bisphosphat o Dihydroxyacetonphosphat + Glycerolaldehyd-3-phosphat Glycerolaldehyd-3-phosphat + NAD+ + Arsenat o 1-Arseno-3-phosphoglycerat + NADH/H+ 1-Arseno-3-phosphoglycerat + H2O o 3-Phosphoglycerat + Arsenat 2

O3PO

2

CH2

HO

C O

Aldolase

Fructose-1,6-bisphosphat O

C

H C OH

+

NAD

+

PO32

CH2O

HAsO42

Glycerolaldehyd3-phosphatDehydrogenase

Glycerolaldehyd3-phosphat O

C

H C OH

Glycerolaldehyd3-phosphat O As

O

O O

H C OH

+

NADH

+

H

2

PO3

CH2O

O O

+

H2O

O

spontan

C

O +

HAsO42

H C OH

PO32

CH2O

C

PO32

1-Arseno-3-phosphoglycerat

O As

O

O

O

CH2O

Dihydroxyacetonphosphat

OH

C

H C OH

+

CH2 OPO32

OH

H

H

CH2OH

CH2 OPO3

O

CH2O

1-Arseno-3-phosphoglycerat

PO32

3-Phosphoglycerat

Lösung 232 a) Gehemmt wird die Enolase, die Mg2+-abhängig ist. Pi und F–-Ionen bilden zusammen einen stabilen Komplex mit Mg2+ im aktiven Zentrum, der die Substratbindung von 2-Phosphoglycerat hemmt. Die Enolase katalysiert die Bildung von Phosphoenolpyruvat aus dem 2Phosphoglycerat: O

C

O

H C O

O 2

PO3

CH2OH 2-Phosphoglycerat

Enolase

C

O

C O

2

PO3

+

H2O

CH2 Phosphoenolpyruvat

Die Akkumulation von 3-Phosphoglycerat rührt von dem Gleichgewicht zwischen 2Phosphoglycerat und 3-Phosphoglycerat her, welches durch die Phosphoglycerat-Mutase katalysiert wird.

382

Kapitel 11

b) Die Reaktion verläuft gemäß (2) unter rascher Bildung eines Carbanions (begünstigt durch allgemeine Basenkatalyse des Enzyms). Das abgespaltene Proton kann rasch mit dem Solvens austauschen. Die Eliminierung der OH-Gruppe an C-3 ist geschwindigkeitsbestimmend.

Lösung 233 Aus den gegebenen Freien Standardenthalpien kann die Freie Standardreaktionsenthalpie und daraus die Gleichgewichtskonstante berechnet werden: 'GRo´

 30,5 kJ/mol  13,8 kJ/mol =  16,7 kJ/mol exp (16700 J mol1 / 298 K ˜ 8,3143 J mol1 K 1 )

K = exp (  'GRo´ / RT )

x2 (0, 04  x) (0, 02  x)

c (ADP) ˜ c (Glc-6-P) c (ATP) ˜ c (Glc)

K

K ˜ (0, 04  x) (0, 02  x)

x2

( K  1) x 2  0.06 K x  0, 0008 K 0, 06 K r

x x

846

0

(0, 06 K )2  4 ( K  1) ˜ 0, 0008 K 2 ˜ ( K  1)

0, 01998

o c (ADP)

c (Glc-6-P)

o c (ATP) o c (Glc)

20, 02 mM 0, 02 mM

19,98 mM

Lösung 234 a) Die Disaccharide werden im ersten Schritt zunächst hydrolytisch gespalten, wie im folgenden am Beispiel der Saccharose gezeigt ist. D-glykosidische Bindung

O HOCH2 HO HO

H CH2OH O HO O OH CH2OH OH Saccharose

HOCH2 Saccharase H2O

HO HO

HO CH2

O OH

OH

O HO

CH2 OH

+

OH

D-D-Glucopyranose

OH E-D-Fructofuranose

D-D-Glucopyranosyl-1-->2-E-D-fructofuranose)

b) Galaktose wird in Glucose-6-phosphat, das erste Intermediat der Glykolyse, überführt. Dazu wird die Galaktose zunächst mit ATP zu Galaktose-1-phosphat phosphoryliert und anschließend mit Hilfe von UDP-Glucose in Glucose-1-phosphat umgewandelt, die zu Glucose-

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

383

6-phosphat isomerisiert werden kann. Die UDP-Glucose geht dabei in UDP-Galaktose über, die anschließend in zwei Schritten wieder zu UDP-Glucose epimerisiert wird. Die Nettogleichung für diesen Prozess lautet: HO C H OH 2

2

O +

HO OH

ATP

O3P

OH2C O

HO HO

OH

OH

D-D-Galaktose

ADP

+

H

+

OH

D-D-Glucose-6-phosphat

Neben ATP zur Aktivierung der Galaktose ist einmalig ein Molekül UTP zur Bildung von UDP-Glucose aus Glucose-1-phosphat erforderlich. Die UDP-Glucose wird nach dem Transfer des UMP auf das Galaktose-1-phosphat unter Bildung von UDP-Galaktose aus diesem durch die NAD+-abhängige Epimerisierung immer wieder regeneriert und taucht daher in der Nettogleichung nicht auf. HO CH OH 2

HOCH2

O

UDP-Glucose-D-D-Galaktose1-phosphat-uridyltransferase

HO OH

O

HO HO

OH

2

PO3

O

2

PO3

D-D-Glucose-1-phosphat

D-D-Galaktose-1-phosphat HOCH2 HO HO

O

HO CH OH 2

O

O OH

O UDP

UDP-Glucose

HO OH

O UDP

UDP-Galaktose UDP-Galaktose-Epimerase

Lösung 235 a) Im Gegensatz beispielsweise zum Muskelgewebe enthält die Leber zur Phosphorylierung von Hexosen neben der Hexokinase ein als Glucokinase bezeichnetes Enzym, das recht spezifisch für Glucose ist, und nur eine sehr geringe Affinität zu Fructose hat. Die Phosphorylierung von Fructose zu Fructose-6-phosphat spielt daher nur eine geringe Rolle, so dass ein anderer Weg für die Verwertung von Fructose beschritten werden muss. Stattdessen katalysiert die sogenannte Fructokinase die Phosphorylierung von Fructose durch ATP am C-1-Atom zu Fructose-1-phosphat. Dieses kann jedoch nicht durch eine zweite ATPabhängige Phosphorylierung in Fructose-1,6-bisphosphat, das Zwischenprodukt der Glykolyse, umgewandelt werden. Während in der Glykolyse die Typ-A-Aldolase nur die Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat katalysiert, akzeptiert die Typ-B-Aldolase der Leber auch Fruc-

384

Kapitel 11

tose-1-phosphat als Substrat und spaltet dieses in Glycerolaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat. b) Das Glycerolaldehyd kann entweder direkt zu Glycerolaldehyd-3-phosphat phosphoryliert werden und in die Glykolyse eingehen, oder aber durch eine Alkoholdehydrogenase zu Glycerol reduziert und anschließend zu Glycerol-3-phosphat phosphoryliert werden. Letzteres liefert das Glycerolgrundgerüst bei der Synthese von Triacylglycerolen und Glycerophospholipiden, wobei durch zweifache Acylierung mit Acyl-CoA als gemeinsames Zwischenprodukt die Phosphatidsäure (Diacylglycerolphosphat) entsteht.

Lösung 236 a) Nach Phosphorylierung, Isomerisierung und erneuter Phosphorylierung wird Fructose-1,6bisphosphat durch die Aldolase in Glycerolaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat gespalten. Dieses wird zu Glycerolaldehyd-3-phosphat isomerisiert und in der Folge über 3-Phosphoglycerat und Pyruvat zu Lactat abgebaut. Das Carbonyl-C-Atom im Glycerolaldehyd-3-phosphat geht dabei in das Carboxyl-C-Atom des Lactats über; die beiden Carboxyl-C-Atome waren also, wie die folgende Übersicht zeigt, die C-Atome 3 und 4 des ursprünglichen Glucosemoleküls. 1

O

1C

H

H 2C OH HO

3C

H

H 4C OH H 5C OH CH2OH 6

1

HO

CH2O

2C

O

C

H

3

2 PO3

2

CH2 O

2C 3 CH

PO3

O 2OH

H 4C OH H 5C OH 6 CH2O

2

PO3

O

4C

O

H

H 5 C OH 6 CH2

O

2 PO3

3C

HO 2C

O H

1CH3

O +

HO

4C 5C

O H

6CH3

b) Bei der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA und CO2 wird die Carboxylgruppe des Pyruvats (nach dessen Bindung an Thiaminpyrophosphat) abgespalten und der Hydroxyethylrest auf Liponamid übertragen. Die beiden Carboxylgruppen entsprechen, wie aus dem obigen Schema ersichtlich, den C-Atomen 3 und 4 der ursprünglichen Glucose; diese müssten demnach 14C-markiert werden. c) Die Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAP-DH) katalysiert die Umwandlung von Glycerolaldehyd-3-phosphat in 3-Phosphoglycerat. Dabei reagiert eine SH-Gruppe des Enzyms zunächst mit der Aldehydgruppe im Glycerolaldehyd-3-phosphat zu einem Thiohalbacetal, das durch NAD+ zum Thioester-Zwischenprodukt oxidiert wird. Der Thioester wird dann von Phosphat nucleophil unter Bildung des gemischten Anhydrids 1,3-Bisphosphoglycerat angegriffen. Anschließend wird die in diesem Schritt eingeführte Phosphatgruppe unter Bildung von ATP auf ADP übertragen. Das radioaktive 32P-Atom findet sich also intermediär im 1,3-Bisphosphoglycerat und schließlich als J-P-Atom im gebildeten ATP.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

O

C

385 H

H

HO HS

+

H C OH

GAPDH

AMP C

O

P

O

O

H C OH

O

PO3

GAPDH 2

CH2 O

P O O

AMP O

P O

PO3

32

Pi

O O

GAPDH

O P C O H C OH O O

2

CH2 O

S

C

H C OH

2

O 32

O

NADH + H

GAPDH NAD

CH2 O O

O

S

H C OH

2 PO3

CH2 O

C

PO3

O

32

CH2 O

2

PO3

Lösung 237 a) OH

H3C

ATP N H3C

N N

AMP N

Thiamin-Kinase

Thiamin

P O

S

NH2

O

O

H3C

H3C

N

O O O

S Thiaminpyrophosphat (TPP)

NH2

N

O P

Der aktive Teil des Thiaminpyrophosphats (TPP) ist ein mesomeriestabilisiertes Ylid-Ion, das die Carbonylgruppe von α-Ketosäuren wie Pyruvat nucleophil angreift. b) Die Summengleichung für die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat lautet: O COO

+

NAD

+

HS

CoA

PyruvatDehydrogenase

O SCoA

+

CO2

+

NADH/H

Als weitere Coenzyme (neben TPP) sind beteiligt: x x x x

Liponsäure(amid) NAD+ FAD Coenzym A

Eine analoge Reaktion, die Decarboxylierung von α-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA, findet im Citratzyklus statt und wird von der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert.

386

Kapitel 11

Lösung 238 Es eignet sich nur die an C-2 markierte Glucose. Nach Phosphorylierung und Isomerisierung wird nach der Aldolspaltung aus dem markierten C-Atom des rechten Glucosemoleküls schließlich die Carboxylgruppe des Pyruvats, die im Zuge der oxidativen Decarboxylierung als CO2 verloren geht, also im Acetyl-CoA (Baustein der Fettsäuresynthese) nicht mehr auftaucht.

Lösung 239 a) Das C-1-Atom der Glucose wird nach zweifacher Phosphorylierung zu Fructose-1,6bisphosphat und der Aldolspaltung durch die Aldolase zum (phosphorylierten) C-3-Atom im Dihydroxyacetonphosphat bzw. (nach Isomerisierung) zum C-3 im Glycerolaldehyd-3phosphat. Dieses C-Atom bildet nach den weiteren Schritten der Glykolyse die Methylgruppe im Pyruvat. Sie bleibt auch nach der oxidativen Decarboxylierung im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex als Methylgruppe des Acetyl-CoA erhalten. Acetyl-CoA kondensiert anschließend mit Oxalacetat unter Bildung von Citryl-CoA bzw. (nach Hydrolyse) Citrat. Nach Isomerisierung zu Isocitrat und oxidativer Decarboxylierung unter Verlust der Carboxylgruppe an C-3 erhält man markiertes α-Ketoglutarat. Im folgenden Schritt wird die neben der Carbonylgruppe ständige Carboxylgruppe unter Bildung von Succinyl-CoA abgespalten; das radioaktive C-Atom befindet sich an Position 2 von Succinat also weiterhin im Citratzyklus und endet somit nach einer Runde im Oxalacetat. NADH/H

NAD

O COO Pyruvat

HSCoA

O SCoA Acetyl-CoA

CO2 OH

O

H

OOC

OOC

O D-Ketoglutarat

C

SCoA

O CO2

COO

- CO2

H OH Isocitrat

HSCoA

HSCoA

NADH/H

NAD

COO COO

NADH/H

+

COO Citrat

OOC

NAD

COO

OOC

SCoA

COO Oxalacetat

SCoA

HO

H2O

+

OOC

OH

Succinyl-CoA

O OOC

COO

Oxalacetat

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

387

b) Das an Position 1 markierte Pyruvat verliert die 14C-Markierung dagegen während der oxidativen Decarboxylierung im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Es entsteht 14CO2.

Lösung 240 Die gezeigte Struktur mit zwei Mercaptogruppen findet sich in dieser Form im Dihydroliponamid. Zu erwarten ist daher eine Inaktivierung liponamidhaltiger Enzyme, insbesondere des Pyruvat-Dehydrogenase- und des D-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes. Dadurch sind keine oxidativen Decarboxylierungen mehr möglich und der oxidative Metabolismus (Citratzyklus + nachfolgende Atmungskette) kommt zum Stehen.

Lösung 241 a) Die Succinat-Dehydrogenase katalysiert die Oxidation von Succinat zu Fumarat; als Coenzym fungiert, ebenso wie bei der Einführung einer C=C-Doppelbindung in ein Acyl-CoA im Verlauf der β-Oxidation der Fettsäuren, das FAD. Die Reaktion wird kompetitiv durch Malonat gehemmt, das ein Strukturanalogon von Succinat darstellt und daher anstelle dessen von der Succinat-Dehydrogenase als Substrat akzeptiert wird. OOC

COO

+

FAD

Succinat-Dehydrogenase

OOC

COO

+

FADH2

Fumarat

Succinat OOC

COO

Malonat

b) Die Reoxidation von FADH2 erfolgt im Zuge der Atmungskette. Daraus ergibt sich, dass die Succinat-Dehydrogenase in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert sein muss; sie ist ein Teil des sogenannten Komplex II der Atmungskette. Das FADH2 verlässt den Komplex nicht, sondern gibt die beiden Elektronen und die Protonen an Ubichinon ab, so dass FAD regeneriert wird.

388

Kapitel 11

Lösung 242 a) Das Acetyl-CoA tritt durch eine aldolartige Addition seines Enols an die Ketogruppe des Oxalacetats (für Experten: die Addition erfolgt an die si-Seite) unter Bildung von S-CitrylCoA in den Citratzyklus ein. Ein negativer Aspartatrest unterstützt dabei die Deprotonierung des Acetyl-CoA, während ein Histidinrest als Säure das Aldolprodukt protoniert. B

H

H

si OOC

B

O O

C

+

H2C

CH2 COO

SCoA

B

B H

H

si

1

OOC

H

C

O

O H2C

CH2 COO B

Oxalacetat

H

SCoA B

2 OH

OOC C OOC H2C

B HSCoA

H2O

CH2 COO

pro-R

pro-S Citrat

B OOC C

3

OOC H2C

H

OH O CH2 C

S-Citryl-CoA

SCoA

b) Die Malat-Dehydrogenase katalysiert die NAD+-abhängige Oxidation von L-Malat zum Oxalacetat (vgl. L247). Aufgrund des stark positiven 'G°´-Werts von +29,5 kJ/mol liegt Oxalacetat nur in sehr niedriger Konzentration vor. Daher wird nur durch einen (unter Standardbedingungen) stark negativen Enthalpiewert für die folgende Kondensation mit Acetyl-CoA gewährleistet, dass das Oxalacetat dem oben genannten Gleichgewicht praktisch vollständig entzogen wird und die Oxidation von Malat zu Oxalacetat trotz des stark positiven Werts für die Freie Standardreaktionsenthalpie in der Zelle ablaufen kann.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

389

Lösung 243 1. oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu D-Ketoglutarat Die Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert NAD+-abhängig die Oxidation der sekundären Hydroxygruppe im Isocitrat; es entsteht das unbeständige Oxalsuccinat, das als β-Ketosäure leicht decarboxyliert. Die Reaktion verläuft über den typischen 6-gliedrigen Übergangszustand zum entsprechenden Enolat, das durch ein Mn2+-Ion stabilisiert wird und anschließend zum α-Ketoglutarat tautomerisiert. COO

H OOC

COO

NAD

C

O

H OH Isocitrat

COO

O

NADH/H

Mg2+

O O

Mn2+

O

Oxalsuccinat - CO2 OOC

COO

OOC

H

O

Mn2+

D-Ketoglutarat

COO O

2. oxidative Decarboxylierung von D-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA Diese Reaktion verläuft analog zur oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat durch die Pyruvat-Dehydrogenase. R´ R N

R´ E1

S

R N

H A

OOC

OOC

COO O

D-Ketoglutarat

R´

E1

S

R N

- CO2

C C O HO O

OOC

S C

E1

OH

H A

R´ R N OOC

S C

via Acyldihydroliponamid

E1

COO

C

SCoA

O OH

NAD HS CoA

S S E2

NADH/H

Succinyl-CoA

390

Kapitel 11

3. Oxidation von Succinat zu Fumarat: Die Reaktion verläuft stereospezifisch unter Abspaltung eines pro-S und eines pro-R Wasserstoffatoms analog zum ersten Oxidationsschritt bei der β-Oxidation von Acyl-CoA. Der Cofaktor FAD bleibt an die Succinat-Dehydrogenase gebunden; das gebildete FADH2 wird im Zuge der Atmungskette (Abgabe von 2 Elektronen und 2 Protonen an Ubichinon) zum FAD reoxidiert. H pro-S

H

H

OOC

OOC

Succinat-Dehydrogenase

COO

COO

H

H pro-R

H Enz-FAD

Enz-FADH 2

Fumarat

Succinat

4. Oxidation von L-Malat zu Oxalacetat: OH OOC S

H COO

H H L-Malat

+

NAD

Malat-Dehydrogenase

O OOC H

COO

+

NADH/H

H Oxalacetat

Lösung 244 a) Liponsäure ist über eine Amidbindung mit einem Lysinrest des Enzyms verknüpft. b) Das an Thiaminpyrophosphat gebundene Decarboxylierungsprodukt der α-Ketosäure greift das enzymgebundene Liponamid unter Bildung eines Thiohalbacetals an; nach Eliminierung des TPP entsteht das Acyldihydroliponamid. Dieses überträgt den Acylrest auf Coenzym A unter Bildung von Acyl-CoA und Dihydroliponamid. Letzteres muss wieder zum Liponamid oxidiert werden; dies erfolgt durch FAD. Dabei gebildetes FADH2 wird schließlich durch NAD+ wieder zu FAD reoxidiert, so dass in der Nettogleichung für die oxidative Decarboxylierung nur das Coenzym A (als Acylempfänger) und das NAD+ (als Oxidationsmittel) auftreten.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

R´ R N

391 R´

E1

R N

S

H A

R C

R C

S

OH

H O

S

B

E2

H A

R´ E1

S

R N

B

+

S

O

HS

CoA

C

E2

H

Acyldihydroliponamid-E2

R H A

O

HS

R C S

CoA

+

HS

Acyl-CoA

E2

HS

+B

E2

HS

HS

R

HS

S

SH

C S

Liponamid-E2 O

E1

S

+

FAD

FADH2

E2 Dihydroliponamid-E2

+

E2 S S E2 Liponamid-E2

NADH/H

NAD

Lösung 245 a) Dies ist ein Signal, dass eine ausreichende Versorgung mit Substraten für die Oxidation im Citratzyklus vorliegt, so dass Pyruvat stattdessen für die Gluconeogenese eingesetzt werden kann. b) Eine Aktivierung der Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase führt durch Phosphorylierung zu einer Verminderung der Aktivität der Pyruvat-Dehydrogenase. Ist ausreichend NADH für die Energieproduktion in der Atmungskette vorhanden, führt eine Hemmung der PyruvatDehydrogenase dazu, dass Pyruvat anderweitig verwertet werden kann (z.B. durch Gluconeogenese). c) Das Vorhandensein von ausreichend NADH für die Energieproduktion liefert ein Signal, dass der Fluss von Substraten durch den Citratzyklus gedrosselt werden kann; hierzu trägt eine Hemmung der Isocitrat-Dehydrogenase bei. d) Ist die Energieladung der Zelle niedrig, steigt das ADP/ATP-Verhältnis an. Eine erhöhte ADP-Konzentration ist daher ein Signal, die Aktivität des Citratzyklus zu steigern, um durch Oxidation von Nährstoffen die Energieproduktion zu erhöhen.

392

Kapitel 11

e) Die Hemmung der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase durch Succinyl-CoA entspricht einer Produkthemmung; gleichzeitig ist eine hohe Konzentration eines energiereichen Substrats wie Succinyl-CoA ein generelles Signal dafür, dass der Fluss durch den Citratzyklus und somit die Energieproduktion gedrosselt werden kann. f) Eine hohe AMP-Konzentration ist Zeichen einer niedrigen Energieladung der Zelle, d.h ein Zeichen dafür, dass die ATP-Produktion erhöht werden sollte. Dies kann durch vermehrte Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat für die nachfolgende Oxidation im Citratzyklus unter Gewinn von Reduktionsäquivalenten für die Atmungskette eingeleitet werden.

Lösung 246 Citrat enthält eine nicht oxidierbare tertiäre Hydroxygruppe; eine Decarboxylierung von Citrat ist daher nur schwer möglich. Durch die Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat entsteht eine sekundäre OH-Gruppe in E-Stellung zur COOH-Gruppe an C-3. Dies ermöglicht eine Oxidation mit NAD+ zu Oxalsuccinat, einer E-Ketosäure, die leicht decarboxyliert, und damit das erste CO2 generiert. Das Produkt ist D-Ketoglutarat, welches anschließend einer zweiten Decarboxylierung zu Succinyl-CoA unterliegt.

Lösung 247 a) Die Nettogleichung für die Oxidation von Glucose zu Kohlendioxid und Wasser lautet: C6H12O6 + 6 O2  o 6 CO2 + 6 H2O b) In der Glykolyse erfolgt ein Oxidationsschritt, katalysiert durch die x Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase Pyruvat als Endprodukt der Glykolyse wird oxidativ decarboxyliert. Diese Reaktion katalysiert der x Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex Im Citratzyklus erfolgen insgesamt vier Oxidationsreaktionen, katalysiert durch x x x x

Isocitrat-Dehydrogenase D-Ketoglutarat-Dehydrogenase Succinat-Dehydrogenase Malat-Dehydrogenase

c) Die Succinat-Dehydrogenase. Sie verwendet als einzige der oben genannten Dehydrogenasen FAD als Coenzym und liegt membrangebunden vor.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

393

Lösung 248 a) Die Umsatzgeschwindigkeit des Citratzyklus wird in erster Linie durch den Bedarf der Zelle an ATP reguliert. Die wichtigsten Regulationspunkte sind dabei die Citrat-Synthase, die Isocitrat-Dehydrogenase und die D-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Dabei wirken hohe Konzentrationen an ATP und reduzierten Coenzymen (FADH2, NADH) generell inhibierend – sie signalisieren eine ausreichende Energieversorgung der Zelle. Die Hemmung der Citrat-Synthase durch ATP ermöglicht es, bei ausreichender Energieversorgung Acetyl-CoA erst gar nicht in den Citratzyklus einzuschleusen, sondern für andere Stoffwechselprozesse, z.B. Fettsäure- oder Cholesterolbiosynthese, zu verwenden. Auch die Isocitrat-Dehydrogenase wird durch den Energiestatus der Zelle reguliert; ATP und NADH wirken hemmend, hohe ADP-Konzentrationen dagegen aktivierend. Die D-KetoglutaratDehydrogenase wird außer durch ATP auch durch ihre Produkte Succinyl-CoA und NADH gehemmt. b) Katabolismus bedeutet Abbau von Stoffwechselintermediaten zur Gewinnung von nutzbarer Energie (meist in Form von ATP). In den Citratzyklus wird Acetyl-CoA eingeschleust und zu zwei Molekülen CO2 unter Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (NADH, FADH2) abgebaut. Der Citratzyklus liefert aber auch Zwischenprodukte für Biosynthesen (Anabolismus), die unter Einsatz von Freier Enthalpie verlaufen. Die dabei aus dem Citratzyklus entfernten Zwischenprodukte müssen durch andere (sogenannte anaplerotische) Reaktionen ersetzt werden. Typische Beispiele sind: 1. Gluconeogenese: Hierfür kann Oxalacetat aus dem Citratzyklus entnommen werden; es wird ersetzt durch Carboxylierung von Pyruvat (wichtigste anaplerotische Reaktion!) oder Transaminierung aus Aspartat. 2. Fettsäure- und Cholesterolbiosynthese: Beide benötigen Acetyl-CoA. Dieses wird im Cytosol aus membrangängigem Citrat freigesetzt: Citrat + ATP + CoA  o Acetyl-CoA + Oxalacetat + ADP + Pi 3. Aminosäurebiosynthese: Die D-Ketosäuren D-Ketoglutarat und Oxalacetat können durch Transaminierung in Glutamat bzw. Aspartat umgewandelt werden. 4. Porphyrin- und Hämbiosynthese bzw. Aktivierung von Acetacetat: Das hierfür benötigte Succinyl-CoA entsteht bei der Oxidation von Fettsäuren mit ungerader Kettenlänge sowie beim Abbau verschiedener Aminosäuren.

Lösung 249 a) Mit NAD+ als Oxidationsmittel würde die Reaktion lauten: Succinat-DH

OOC

COO Succinat

+

NAD

OOC

COO Fumarat

+

NADH

+

H

394

Kapitel 11

Für die Freie Standardenthalpie 'G°´ ergibt sich: 'G o´

 n ˜ F ˜ 'E o´

'G o´

 n ˜ F ˜ ( E o´ (NAD + /NADH)  E o´ (Fumarat/Succinat))

'G o´

o´ o´ )  n ˜ F ˜ ( Ered  Eox

 2 ˜ 96500 J/V mol (  0,32 V  0, 03 V)

67, 6 kJ/mol

+

Da NAD ein schwächeres Oxidationsmittel ist als FAD, ergibt sich ein stärker positiver Wert für 'G°´ als für die Reaktion mit FAD. b) Der Ausdruck für 'G´ ergibt sich aus obiger Reaktionsgleichung zu: 'G´

'G o´  RT ln

'G´

0

o ln

c (Succinat) ˜ c (NAD + )

c (Fumarat) ˜ c (NADH) c (Succinat) ˜ c (NAD+ )

c (Fumarat) ˜ c (NADH) +

c (Succinat) ˜ c (NAD ) c (NADH)

c (Fumarat) ˜ c (NADH)

c (NAD+ ) c (NADH)

'G o´ RT

exp ('G o´ / RT )

10 exp ('G o´ / RT )

c (NAD + )



§ · 67600 J/mol 10 exp ¨  ¸ ˜ 8,3143 J/mol K 310 K © ¹

2, 4 ˜ 1010

Damit 'G´ kleiner null wird (exergone Reaktion), müsste das Verhältnis c(NAD+) / c(NADH) größer als 2,4 u 1010 werden.

Lösung 250 a) Bei einer direkten Oxidation von NADH oder FADH2 mit O2 würde ein zu hoher Energiebetrag frei, dieser wäre für die Zelle nicht nutzbar. Während des Elektronentransports durch die Komplexe I, III und IV werden Elektronen aus der Matrix der Mitochondrien in den Intermembranraum gepumpt. Dies erlaubt den schrittweisen Aufbau eines Protonengradienten, der die Synthese von ATP durch die ATP-Synthase antreibt und so die frei werdende Energie bei der Reduktion von O2 in Form nutzbarer „Energiepakete“ konserviert. b) Die Gesamtgleichung für die Atmungskette lautet: ½ O2 + NADH + H+  o 'G o´

 n F 'E o´

NAD+ + H2O

E°´ = +1,13 V

 2 ˜ 96500 C/mol ˜ 1,13 J/C =  218 kJ/mol

Dies entspricht ca. 7 Molekülen ATP.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

395

Lösung 251 Die Freie Enthalpie des Elektronentransports wird dadurch konserviert, dass H+-Ionen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum gepumpt werden, so dass ein Ladungs- und pH-Gradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut wird. Das elektrochemische Potenzial dieses Gradienten wird benutzt, um die ATP-Synthese anzutreiben. Die folgenden Befund sind in Einklang mit der von P. Mitchell formulierten Theorie: x Die oxidative Phosphorylierung erfordert eine intakte innere Mitochondrienmembran. x Die innere Membran ist impermeabel gegenüber Ionen wie H+, OH–, K+, Cl–, deren Diffusion durch die Membran den elektrochemischen Gradienten vernichten würde. x Der Elektronentransport führt zu einem messbaren elektrochemischen Gradienten über die innere Membran (pH-Differenz). x Verbindungen, die die Permeabilität für H+ erhöhen (sogenannte „Entkoppler“) erlauben weiterhin den Elektronentransport, führen aber zum Erliegen der ATP-Synthese. x Eine Erhöhung der H+-Konzentration außerhalb der inneren Membran stimuliert die ATPSynthese.

Lösung 252 Die Freie Enthalpie setzt sich aus zwei Beiträgen zusammen, die sich aus der Konzentrationsdifferenz der Protonen ('pH) und dem Membranpotenzial ergeben. Da die H+-Konzentration außerhalb der Mitochondrienmatrix höher ist, müssen die Protonen gegen den Konzentrationsgradienten transportiert werden (positiver Beitrag zu 'G). Das Membranpotenzial ist außen positiv gegenüber der Innenseite, so dass der Transport auch gegen das Potenzial erfolgt. c (H + )außen

'G

n RT ln

'G

2,3 RT ª¬ pH (innen)  pH (außen) º¼  z F '< 2,3 ˜ 8,3143 J/mol K ˜ 310 K ˜ 0,75 V  96500 J/mol V ˜ 0,168 V 20,5 kJ/mol

c (H + )innen

 z F '<

Lösung 253 Gezeigt ist das sogenannte Glycerol-3-phosphat-Shuttle. Die Elektronen des NADH/H+ werden im Cytosol zur Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerol-3-phosphat verwendet. Dieses wird von den Mitochondrien aufgenommen und an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran durch die mitochondriale Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase wieder zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert. Die anfallenden Elektronen werden unter Vermittlung von FADH2 auf Ubichinon (Coenzym Q) übertragen, das dadurch in Ubichinol übergeht.

396

Kapitel 11 +

NADH + H

Dihydroxyacetonphosphat

....................... (Name)

NAD

+

CH2 OH C O

Glycerol3-phosphat

CH2 OH HO C H

2

CH2 OPO3

2

CH2 OPO3

(Formel)

....................... (Name)

(Formel) Enzym: E-FADH2

Ubichinol (QH2) .......................

E-FAD

Ubichinon (Q) .......................

mitochondriale Glycerol-3-phosphatDehydrogenase

......................................................... innere Mitochodrienmembran

Matrix

Lösung 254 Das Schema enthält vier Fehler: 1. Bei der Oxidation von NADH am Komplex I der Atmungskette (der NADH-UbichinonOxidoreduktase) fungiert nicht FAD, sondern das Flavinmononucleotid (FMN) als Oxidationsmittel. 2. Im nächsten Schritt werden die Elektronen vom FMNH2 auf Ubichinon (Coenzym Q) übertragen. Coenzym Q dient also als Oxidationsmittel (nicht QH2) und wird zu QH2 (Ubichinol) reduziert. 3. Im Komplex III, der Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase, werden die Elektronen von Cytochrom b1 (Cyt b12+) zunächst auf Cytochrom c13+ übertragen und gelangen erst anschließend von dort zum Cytochrom c, das als mobiler Carrier zwischen den Komplexen III und IV (der Cytochrom c-Oxidase) fungiert. 4. Die Cytochrom c-Oxidase katalysiert im letzten Schritt die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, nicht zu Wasserstoffperoxid. Als Substrat für die Reduktion von NAD+ zu NADH kämen selbstverständlich auch andere Verbindungen in Frage; die oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat ist nur eine von vielen Reaktion, an denen NAD+ als Coenzym beteiligt ist.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

397

Richtig lautet das Schema also: NAD+

FMNH 2

Q

NADH

FMN

QH2

Isocitrat

D-Ketoglutarat

Cyt c13+

Cyt c12+

Cyt b2+

Cyt b3+

Cyt c2+

Cyt a/a33+

H2 O

Cyt c3+

Cyt a/a32+

O2

Lösung 255 Entlang der Atmungskette erfolgt der Übergang vom Zwei-Elektronencarrier Ubichinon (Coenzym Q) auf die Cytochrome, die als Ein-Elektronencarrier fungieren. Dies ist möglich, da das Ubichinon ein relativ stabiles Radikal (Semichinon) bildet. Der Prozess findet an der Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) statt und verläuft über den sogenannten Q-Zyklus. Nach Bindung eines Ubichinols (QH2) an die äußere Bindungsstelle wird ein Elektron über das Rieske-Zentrum und Cytochrom c1 auf Cytochrom c übertragen. Das zweite Elektron gelangt über Cytochrom b1 zu einem an der inneren Bindungsstelle lokalisierten Ubichinon (Q), das dadurch zum Semichinon (Q˜–) reduziert wird. Anschließend bindet ein weiteres QH2 an die äußere Bindungsstelle und überträgt wiederum ein Elektron auf ein Cytochrom c. Das zweite Elektron wird auf das noch an der inneren Bindungsstelle gebundene Semichinon übertragen, das zusätzlich zwei Protonen aus der mitochondrialen Matrix aufnimmt und so zum QH2 reduziert wird. Netto betrachtet werden also zwei Moleküle Ubichinol an der äußeren Bindungsstelle oxidiert (unter gleichzeitiger Reduktion von zwei Cytochrom c1) und ein Molekül Ubichinon an der inneren Bindungsstelle reduziert. O

OH

OH

CH3O

CH3

CH3O

(CH2 O

Coenzym Q (oxidierte Form)

H CH

C

CH2)nH

CH3

CH3O

CH3

CH3O

R O

Coenzym QH (Semichinon-Form)

H

CH3O

CH3

CH3O

R OH

Coenzym QH2 Hydrochinon-Form

Vom Cytochrom c werden anschließend einzelne Elektronen im Cytochrom c-OxidaseKomplex via Cytochrom a und Cu-Ionen auf Sauerstoff übertragen.

398

Kapitel 11

Lösung 256 Die Cytochrom c-Oxidase katalysiert die Übertragung von insgesamt vier Elektronen von Cytochrom c auf Sauerstoff; das Cytochrom c wird dabei wieder zur dreiwertigen Form oxidiert.

o 4 Cyt c3+ + 2 H2O + 4 H+(Intermembranraum) 4 Cyt c2+ + O2 + 8 H+(Matrix)  Die Kernstruktur der Cytochrom c-Oxidase ist aus drei Untereinheiten aufgebaut. Die Untereinheit I ist fast völlig in die Membran eingebettet und enthält zwei Hämgruppen vom Typ a (Häm a und a3) sowie ein Cu-Ion (CuB). Letzteres befindet sich in unmittelbarer Nähe zum Häm a3 und bildet mit dessen Eisen-Ion ein zweikerniges Metallzentrum, an dem die Reduktion von Sauerstoff stattfindet. Die Untereinheit II enthält das Kupfer-Redoxzentrum CuA, das aus zwei Cu-Ionen besteht und das Elektron von Cytochrom c übernimmt und an die Häm aGruppe weitergibt.

Lösung 257 Cyanid-Ionen sind ein potenter Hemmstoff für die Cytochrom c-Oxidase. Sie binden an das Cytochrom a3 in der Cytochrom c-Oxidase und verhindern dadurch eine Reduktion von Sauerstoff. Die Atmungskette kommt zum Erliegen, d.h. der Sauerstoffverbrauch der Mitochondrien sinkt gegen Null. Die schwache Säure 2,4-Dinitrophenol fungiert als sogenannter Entkoppler der Atmungskette. Die Verbindung transportiert Protonen durch die innere Mitochondrienmembran aus dem Intermembranraum in die Matrix und baut dadurch den Protonengradient ab. Dies führt zu unkontrollierter Atmung und erhöhtem Sauerstoffverbrauch. Es wird kein ATP mehr gebildet; stattdessen wird die im Protonengradient gespeicherte Energie in Form von Wärme freigesetzt.

Lösung 258 Die Protonen strömen durch den F0-Teil der ATP-Synthase und versetzen dadurch den Rotor relativ zur D-Untereinheit in eine Drehung, die sich auf die im Rotor verankerte J-Untereinheit überträgt. Normalerweise ragt die F1-Einheit in die mitochondriale Matrix, die Protonen strömen aus dem Intermembranraum zurück in die Mitochondrienmatrix. Entsprechend ist der F1-Teil hier zur Umgebung des Vesikels hin orientiert.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

399

Bakteriorhodopsin

D H

E

+

E

D

D

J

E

Fo-Teil der ATP-Synthase

Der F1-Teil besteht im Wesentlichen aus 3 D- und 3 E-Untereinheiten, die ringförmig angeordnet sind. In der Mitte befindet sich asymmetrisch angeordnet die J-Untereinheit. Je eine D- und eine E-Einheit bilden gemeinsam ein katalytisches Zentrum für die ATP-Synthese.

Lösung 259 a) Durch den Export von Protonen aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum wird die Matrix relativ zum Intermembranraum negativ aufgeladen. Es entsteht somit ein Membranpotenzial Δ\, das mit ca. 140 mV zur protonenmotorischen Kraft beiträgt. Zugleich wird die Matrix bedingt durch den Verlust von Protonen schwach alkalisch, d.h. es bildet sich ein Protonengradient relativ zum Intermembranraum. Dieser beträgt etwa eine pH-Einheit entsprechend einem Konzentrationsverhältnis an H+-Ionen von 10:1 (Intermembranraum / Matrix). Aus der Nernst´schen Gleichung ergibt sich hieraus ein Potenzial von ca. 60 mV, so dass die protonenmotorische Kraft insgesamt etwa 200 mV beträgt. b) Die ATP-Synthese kann auf Dauer nur ablaufen, wenn das gebildete ATP laufend aus dem Mitochondrium exportiert und dafür die Edukte, also ADP und Pi, nachgeliefert werden. Dies wird durch den ADP/ATP-Translokator gewährleistet, der als Antiporter fungiert. Da jedoch das ATP bei physiologischen pH-Werten vier negative Ladungen trägt, ADP jedoch nur drei, geht pro exportiertem ATP dem Membranpotenzial eine Ladung verloren (die Matrix ist gegenüber dem Intermembranraum negativ geladen). Parallel hierzu arbeitet der PhosphatTranslokator, der H2PO4–-Ionen im Austausch gegen OH–-Ionen in die Matrix transportiert. Dabei gehen zwar keine negativen Ladungen verloren, jedoch wird der Protonengradient durch die exportierten OH–-Ionen teilweise abgebaut. Beide Transportprozesse zusammen führen also zu einer Verringerung des Membranpotenzials durch Export einer negativen Ladung und des Protonengradienten durch Neutralisation von H+- durch exportierte OH–-Ionen.

400

Kapitel 11

Um diese Effekte zu kompensieren, muss die Atmungskette neben den drei H+-Ionen, die durch den F0-Teil der ATP-Synthase fließen müssen, ein zusätzliches Proton in den Intermembranraum pumpen, so dass für die Synthese von einem ATP insgesamt vier H+-Ionen erforderlich sind.

Lösung 260 Rotenon ist ein Furocumarin-Derivat aus der Tubawurzel (Derris elliptica) und das wichtigste der Rotenoide. Es findet Verwendung als Insektizid und Akarizid und blockiert die Elektronenübertragung am Komplex I (NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase). x Malonat hemmt als kompetitiver Inhibitor von Succinat den Komplex II (SuccinatDehydrogenase). x Antimycin A ist ein Antibiotikum aus Streptomyceten; es blockiert die Übertragung von Elektronen vom Coenzym Q auf Cytochrom c, hemmt also den Komplex III, die Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase. x Cyanide hemmen ebenso wie Azide und Kohlenmonoxid den Komplex IV (Cytochrom cOxidase); sie blockieren die Bindungsstelle für Sauerstoff, da sie mit höherer Affinität an die Hämgruppe binden. Die Folge ist ein Elektronenstau, wodurch die Komponenten der Atmungskette vollständig reduziert vorliegen. x Das Makrolid-Antibiotikum Oligomycin A hemmt den Komplex V (ATP-Synthase); dadurch wird der Protonengradient wesentlich langsamer abgebaut. In der Folge nimmt der Elektronenfluss zum Erhalt dieses Gradienten deutlich ab und der Sauerstoffverbrauch sinkt. b) Alle oben beschriebenen Hemmstoffe der Atmungskette bringen einen verminderten Sauerstoffverbrauch mit sich. Im Gegensatz dazu erzwingen Entkoppler (Protonophore) einen maximalen Sauerstoffverbrauch, ohne dass es jedoch zur Synthese von ATP kommt. Sie bauen das mitochondriale Membranpotenzial (Protonengradient) ab, in dem sie den Transport von H+-Ionen durch die innere Mitochondrienmembran ermöglichen. Ein natürlicher Entkoppler ist das Protein Thermogenin (UCP1), das im braunen Fettgewebe vorkommt. Es fungiert als Ionenkanal und ermöglicht die Erzeugung von Wärme ohne Muskelaktivität. Die durch UCP1 bewirkte Thermogenese ist die vorherrschende Art der Wärmeerzeugung bei Winterschlaf haltenden oder neugeborenen Säugetieren einschließlich Säuglingen und Kleinkindern. Der bekannteste künstliche Entkoppler ist die schwache organische Säure 2,4-Dinitrophenol. Die Verbindung kann in protonierter Form die innere Mitochondrienmembran passieren und wird intramitochondrial (höherer pH-Wert) deprotoniert, so dass es zum Abbau des Protonengradienten kommt. Um diesen zu erhalten, arbeiten die Komplexe der Atmungskette auf Hochtouren. So kommt es zu einem maximalen Sauerstoffverbrauch.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

401

Lösung 261 Für den Zusammenhang von Gleichgewichtskonstante und Freier Enthalpie gilt: K c (H a ) c (Hi )

c (ATP) ˜ c (H a ) 2

c (ADP) ˜ c (Pi ) ˜ c (Hi ) 2

e ( 'G q´/ RT ) 1/ 2

§ c (ADP) ˜ c (Pi ) · ¨ exp ('Gq´/ RT ) ˜ ¸ c (ATP) © ¹

1/ 2

pH a ' pH

§ 104 · = ¨ exp [30500 J / (8,3143 J/mol K ˜ 298 K)] ˜ ¸ ¨ 105 ¸¹ ©  log (1490)  pHi

1490

 3,17

Der pH-Wert im Intrazellularraum muss also etwas mehr als drei pH-Einheiten niedriger sein, als in der Matrix.

Lösung 262 a) Zum Aufbau des Protonengradienten über die mitochondriale Membran tragen die Komplexe I, III und IV der Atmungskette bei. Der erzeugte Protonengradient über die Membran dient als Energiereservoir für die ATP-Synthase-Komplexe. Für die Synthese eines Moleküls ATP aus ADP und Pi ist der Einstrom von etwa drei Protonen erforderlich. Ein zusätzliches Proton ist erforderlich, um ATP, ADP und Pi durch die innere Mitochondrienmembran zu transportieren. Das P/O-Verhältnis entspricht dem Quotienten aus der Zahl der phosphorylierten Moleküle und der Anzahl der Sauerstoffatome, die reduziert wurden. Pro Sauerstoffatom (1/2 O2) werden zwei Elektronen benötigt. Am Komplex I werden für den Transport von zwei Elektronen vier Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt, am Komplex III ebenfalls vier und am Komplex IV schließlich zwei Protonen. Das NADH überträgt zwei Elektronen auf den Komplex I; es wird also die gesamte Elektronentransportkette durchlaufen und somit insgesamt zehn Protonen durch die Membran transportiert. Da für jedes produzierte ATP-Molekül vier Protonen in die Matrix zurückfließen müssen, können ca. 2,5 Moleküle ATP gebildet werden; das P/O-Verhältnis beträgt 2,5. Succinat wird durch die Succinat-Dehydrogenase oxidiert, die in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist (Komplex II); dabei wird FAD zu FADH2 reduziert. Vom Flavin werden die Elektronen über Fe-S-Cluster auf Ubichinon übertragen, das dadurch zu Ubichinol reduziert wird. Da bei diesen Reaktionen nur sehr wenig Freie Enthalpie freigesetzt wird, kann der Komplex II nicht zum Aufbau des Protonengradienten beitragen. Es werden also pro Succinat-Ion nur sechs Protonen aus der Matrix gepumpt; entsprechend können nur ca. 1,5 Moleküle ATP gebildet werden; das P/O-Verhältnis beträgt 1,5. Cytochrom c überträgt die Elektronen vom Komplex III, der Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase, auf Komplex IV, die Cytochrom c-Oxidase. Werden Elektronen von Ascorbat in die Atmungskette eingespeist (via Übertragung auf Cytochrom c) werden also nur zwei Pro-

402

Kapitel 11

tonen durch den Komplex IV aus der Matrix befördert. Dies ermöglicht die Bildung von 0,5 ATP, der P/O-Quotient beträgt 0,5. b) Die Glykolyse erfolgt im Cytosol, der Citratzyklus läuft in der mitochondrialen Matrix ab. Da NADH-Moleküle die innere Mitochondrienmembran nicht durch Diffusion passieren können, müssen ihre Reduktionsäquivalente mit Hilfe spezieller Shuttle-Systeme durch die Membran übertragen werden, während im Citratzyklus gebildetes NADH unmittelbar mit dem Komplex I der Elektronentransportkette in der inneren Mitochondrienmembran in Wechselwirkung treten kann. Für den Transport der Reduktionsäquivalente stehen zwei unterschiedliche Shuttle-Systeme zur Verfügung; das Glycerol-3-phosphat- und das MalatAspartat-Shuttle. Ersteres umfasst zwei Isoenzyme der Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase und katalysiert im Cytosol die Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerol-3phosphat durch NADH. Anschließend werden zwei Elektronen auf die prosthetische FADGruppe der membranständigen Dehydrogenase übertragen, wodurch das Dihydroxyacetonphosphat regeneriert wird. Da das gebildete FADH2 die Elektronen unter Umgehung des Komplex I der Atmungskette direkt auf Ubichinol überträgt, werden insgesamt weniger Protonen gepumpt; daher liefert ein cytosolisches NADH, das seine Elektronen über das Glycerol-3-phosphat-Shuttle überträgt, insgesamt nur ca. 1,5 ATP. Der Elektronentransport über das Malat-Aspartat-Shuttle ist komplexer und erfordert den Transport von Malat und α-Ketoglutarat bzw. von Aspartat und Glutamat durch die Mitochondrienmembran. Für jedes im Cytosol oxidierte NADH-Molekül entsteht zwar in der Matrix wieder ein NADH (im Gegensatz zum Glycerol-3-phosphat-Shuttle); allerdings wird durch die Reaktionen des Malat-Aspartat-Shuttles im Cytosol bei der Reduktion von Oxalacetat zu Malat ein Proton verbraucht, das bei der Oxidation von Malat in der mitochondrialen Matrix wieder freigesetzt wird. Somit wird für jedes NADH-Molekül, das durch das MalatAspartat-Shuttle-System im Cytosol oxidiert wird, ein Proton in die mitochondriale Matrix transportiert, das dem Protonengradienten für die ATP-Synthese auf diese Weise verloren geht. Netto werden daher nur neun Protonen zum Aufbau des Protonengradienten durch die Membran transportiert, während es bei der direkten Verwendung von mitochondrialem NADH zehn Protonen sind. Die ATP-Ausbeute beträgt deswegen nur etwa 2,25 ATP statt 2,5 ATP wie bei der Oxidation von mitochondrialem NADH; der Verlust ist aber offensichtlich geringer als bei Benutzung des Glycerol-3-phosphat-Shuttles.

Lösung 263 a) Das ATP trägt gegenüber dem ADP eine negative Nettoladung mehr. Da das Membranpotenzial über die Mitochondrienmembran innen negativ gegenüber außen ist, ist der Nettoexport einer negativen Ladung aus dem Mitochondrium begünstigt. Der elektrische Anteil der protonenmotorischen Kraft, die durch den Protonengradienten erzeugt wird, trägt also zum ATP-Export bei. b) Durch den Nettoexport einer negativen Ladung geht ein Teil der protonenmotorischen Kraft, die durch den Protonengradienten erzeugt wurde, verloren. Zudem tragen auch andere energieverbrauchende Prozesse zur Aufrechterhaltung des Membranpotenzials bei, welches letztlich den ATP-Export antreibt. Der ATP-Export kostet also ebenso wie der elektroneutrale

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

403

Transport von Pi und einem Proton (der zum Abbau des Protonengradienten beiträgt) die Zelle Energie. c) In Bakterien müssen weder ATP noch ADP oder Pi durch eine Membran transportiert werden, weil die ATP-Synthese auf der Innenseite der Cytoplasmamembran stattfindet und das ATP daher nach der Synthese unmittelbar von der ATP-Synthase ins Cytosol freigesetzt wird. Dadurch entfällt der Transport eines Protons (zusammen mit Pi), der bei Eukaryonten zum Abbau des Protonengradienten beiträgt, wodurch letztlich pro in die Matrix zurückfließendem Proton weniger ATP gebildet wird.

Lösung 264 a) Ungeeignet ist Acetyl-CoA, da im menschlichen Organismus keine Möglichkeit besteht, Acetyl-CoA in Umkehrung der oxidativen Decarboxylierung in Pyruvat umzuwandeln. Bei allen anderen Verbindungen handelt es sich um Edukte (Lactat bzw. Pyruvat) oder Zwischenprodukte der Gluconeogenese, d.h. sie können in Glucose umgewandelt werden. Der Schritt von Pyruvat über Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat erfordert eine biotinabhängige Carboxylierung. Aufgrund der starken nichtkovalenten Wechselwirkung zwischen Biotin und Avidin steht Biotin als Cofaktor in Anwesenheit von Avidin nicht in ausreichender Menge in freier Form zur Verfügung, d.h. es kommt zur Hemmung der Gluconeogenese, wenn von Lactat bzw. Pyruvat (Wege I und IV) ausgegangen wird. Die Bildung von Oxalacetat aus Pyruvat erfolgt nach folgender Nettogleichung: O

O O

+

HCO3

+

ATP

Pyruvat-Carboxylase Biotin

O

OOC

O

+

ADP+ Pi

O

Die Pyruvat-Carboxylase ist ein tetrameres Enzym mit insgesamt vier Biotinmolekülen, die jeweils in einer Amidbindung an eine H-Aminogruppe eines Lysinrests gebunden sind. Im ersten Reaktionsschritt erfolgt die ATP-abhängige Carboxylierung des Cofaktors zu Carboxybiotin (ATP dient hierbei zur Aktivierung von HCO3–). Von diesem aktivierten Derivat wird das CO2 dann auf Pyruvat übertragen. b) In der Glykolyse wird Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut; dabei werden zwei NAD+ zu NADH/H+ reduziert und zwei Moleküle ATP gewonnen: Glucose + 2 NAD +  2 ADP  2 Pi

 o 2 Pyruvat + 2 NADH/H +  2 ATP  2 H 2O

In der Gluconeogenese wird umgekehrt NADH/H+ als Reduktionsmittel benutzt. Damit ein exergoner Gesamtprozess resultiert, muss in der Gluconeogenese ein größerer Energiebetrag eingesetzt werden, als in der Glykolyse gewonnen wird. Insgesamt werden sechs ATPÄquivalente benötigt (4 ATP + 2 GTP); die Bilanzgleichung lautet: 2 Pyruvat + 2 NADH/H +  2 ATP  6 H 2 O  o Glucose + 2 NAD +  4 ADP  2 GDP  6 Pi

404

Kapitel 11

Für einen kompletten Zyklus (d.h. Abbau eines Glucosemoleküls zu Pyruvat, Resynthese von Glucose aus Pyruvat) ergibt sich dann die folgende Summengleichung: 2 ATP + 2 GTP + 4 H 2 O  o

2 ADP + 2 GDP + 4 Pi

Dieser Prozess führt also netto ausschließlich zum Verbrauch von Energie (Hydrolyse von ATP bzw. GTP); durch entsprechende Regulation von Glykolyse und Gluconeogenese wird daher dafür Sorge getragen, dass beide Prozesse nicht simultan ablaufen.

Lösung 265 x Oxidative Decarboxylierung: Pyruvat + NAD+ + HS-CoA  o Acetyl-CoA + NADH/H+ + CO2 x Reduktion: Pyruvat + NADH/H+  o Lactat + NAD+

x Carboxylierung: Pyruvat + ATP + CO2  o Oxalacetat + ADP + Pi

x Transaminierung: Pyruvat + Glutamat  o Alanin + D-Ketoglutarat

Lösung 266 a) Es handelt sich um Aspartat. Der pKS-Wert der Carbonsäuregruppe in der Seitenkette ist bei etwa 4 zu erwarten, derjenige der Aminogruppe liegt typischerweise bei etwa 9. Damit Aspartat in der gezeigten anionischen Form vorliegt, muss der pH-Wert also oberhalb des pKS-Werts der Seitenkette und unterhalb des pKS-Werts der Aminogruppe liegen. Im pHBereich zwischen 5 und 8 sollte Aspartat demnach zu mehr als 90 % in der gezeigten Form vorliegen. b) Aspartat kann mit Hilfe der Aspartat-Aminotransferase zu Oxalacetat transaminiert werden, das als Edukt für die Gluconeogenese dienen kann. Dabei wird im ersten Schritt unter Verbrauch von GTP Phosphoenolpyruvat gebildet, wobei durch die Decarboxylierung die ursprüngliche Carboxylgruppe in der Seitenkette von Aspartat abgespalten wird. Die verbleibenden drei C-Atome des Phosphoenolpyruvats finden sich in der Glucose wieder. O H3N

O

C C

O

O

H Transaminierung

C

O

C O

CH2

CH2

C

C

O

Aspartat

O

O

Oxalacetat

GTP

O

C

OH

O 2

C OPO3 GDP

CH2 Phosphoenolpyruvat

HO HO

O OH Glucose

OH

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

405

c) Für die von der Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase katalysierte Reaktion von Oxalacetat zu Phosphoenolpyruvat werden insgesamt 2 mol GTP benötigt. Die Phosphorylierung von 3Phosphoglycerat durch die Phosphoglycerat-Kinase zum 1,3-Bisphosphoglycerat erfordert pro Mol 3-Phosphoglycerat 1 mol ATP, insgesamt also 2 mol ATP. Somit werden insgesamt 4 mol Nucleosidtriphosphate (2 GTP + 2 ATP) benötigt.

Lösung 267 Im ersten Schritt wird Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex oxidativ decarboxyliert. Dieser Prozess findet in der mitochondrialen Matrix statt; seine Summengleichung lautet: O

O O

O

+

NAD

+

HS

CoA

SCoA

+

NADH

+

CO2

Das Acetyl-CoA wird durch die Reaktion mit Oxalacetat in den Citratzyklus eingeschleust; neben zwei Molekülen CO2 werden 3 NADH + 1 FADH2 gebildet. Außerdem entsteht bei der Umwandlung von Succinyl-CoA in Succinat ein GTP, das (energetisch) einem Molekül ATP äquivalent ist. Da die NADH-Moleküle in der mitochondrialen Matrix entstehen, können sie die Elektronen direkt an den Komplex I der Atmungskette abgeben; die SuccinatDehydrogenase, die FADH2 bildet, ist ohnehin an die innere Membran gebunden und überträgt die Elektronen auf Ubichinol. Ausgehend von NADH (Komplex I) können im Zuge des Elektronentransports 10 Protonen gepumpt werden (Æ Synthese von ca. 2,5 ATP), ausgehend von FADH2 (Komplex II) dagegen nur sechs (Æ Synthese von 1,5 ATP). Insgesamt ergibt sich daraus pro Pyruvatmolekül eine Ausbeute von 12,5 ATP.

Lösung 268 a) Durch die Gluconeogenese ist die Aufrechterhaltung einer Blutglucosekonzentration von ca. 3,5 mM auch während Hungerphasen möglich, wenn die letzten Nahrungskohlenhydrate bereits verwertet sind und die Glykogenvorräte in Leber und Skelettmuskulatur aufgebraucht sind. Die Blutglucosekonzentration darf nicht weiter absinken, da das ZNS und die Erythrozyten auf die Zufuhr von Glucose angewiesen sind. Während das Gehirn bei normaler Ernährung ca. 150 g Glucose pro Tag verbraucht, kann es den Verbrauch nach einer Umstellungsphase auf die Verwertung von Ketonkörpern auf etwa 50 g reduzieren. Die Erythrozyten sind dagegen unter allen Umständen auf Glucose (ca. 50 g / Tag) als Brennstoff angewiesen, da sie keine Mitochondrien besitzen und somit keine Ketonkörper verwerten können. b) Der wichtigste Ausgangsstoff für die Gluconeogenese in Leber und Niere ist das Lactat. Es entsteht in der Skelettmuskulatur bei anaerober Glykolyse durch Reduktion von Pyruvat (zur Regeneration von NAD+). Außerdem fällt es ständig in den Erythrozyten an, die aufgrund fehlender Mitochondrien auf anaerobe Glykolyse beschränkt sind. Beide Zellarten geben das

406

Kapitel 11

Lactat an das Blut ab, mit dem es zur Leber gelangt, zu Pyruvat oxidiert und anschließend weiter in der Gluconeogenese verwendet wird. Insbesondere die Skelettmuskulatur gibt im Zuge eines ständigen Ab- und Aufbaus von Proteinen größere Mengen an Alanin an das Blut ab, das zur Leber transportiert und dort zu Pyruvat transaminiert wird. Neu gebildete Glucose gelangt dann wieder in die Muskulatur (Alanin-Zyklus); Alanin ist somit ein lebertypisches Substrat für die Gluconeogenese. Eine Rolle spielen auch Glutamat und Glutamin, insbesondere in der Niere, wo in den Zellen des proximalen Tubulus Glutamin durch Hydrolyse zu Glutamat umgesetzt wird. Aus Glutamat entsteht dann durch oxidative Desaminierung oder Transaminierung α-Ketoglutarat, ein Metabolit des Citratzyklus. Im Zuge des Citratzyklus entsteht aus dem α-Ketoglutarat Oxalacetat, das abgezweigt und der Gluconeogenese zugeführt werden kann. Auch alle anderen Aminosäuren, die zu Pyruvat oder Intermediaten des Citratzyklus´ abgebaut werden (sogenannte glucogene Aminosäuren) können einen Beitrag zur Gluconeogenese leisten. Beim Abbau von Triacylglycerolen entsteht Glycerol. Es wird vom Fettgewebe an das Blut abgegeben und gelangt so zur Leber. Dort wird es durch die Glycerol-Kinase unter ATP-Verbrauch zu Glycerol-3-phosphat phosphoryliert und anschließend durch NAD+ zu Dihydroxyacetonphosphat oxidiert. c) Der erste Schritt der Gluconeogenese, die biotinabhängige Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat, findet im Mitochondrium statt. Das Oxalacetat muss anschließend via Reduktion zu Malat (das von der cytosolischen MalatDehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert wird) oder via Transaminierung zu Aspartat (das im Cytosol von der Aspartat-Aminotransferase wieder in Oxalacetat überführt wird) ins Cytosol transportiert werden. Möglich ist auch eine Reaktion mit Acetyl-CoA zu Citrat unter Katalyse der Citrat-Synthase. Citrat kann ins Cytosol exportiert und dort durch eine ATPabhängige Citrat-Lyase wieder in Oxalacetat und Acetyl-CoA gespalten werden. Die Bildung von Phosphoenolpyruvat aus Oxalacetat im Cytosol wird durch die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase katalysiert. Das im Mitochondrium durch die Pyruvat-Carboxylase eingefügte CO2 wird wieder abgespalten; die Phosphatgruppe stammt aus der Hydrolyse von GTP. Die weiteren Schritte bis zum Fructose-1,6-bisphosphat verlaufen in Umkehrung der Glykolyse-Schritte analog im Cytosol, ebenso die hydrolytische Spaltung von Fructose1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat und die folgende Isomerisierung zu Glucose-6phosphat.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

407

O

O O

HCO3

+

+

ATP

Pyruvat-Carboxylase OOC

Biotin

O

O

+

ADP

+

Pi

O

Mitochondrium

H2C OPO3 2 O OOC

Phosphoenolpyruvatcarboxykinase O

O

Cytosol

GTP

2

O3P

O

HO O

C

H

H C OH

CH2

CO2

H C OH 2

CH2 OPO3

Fructose-1,6-bisphosphat H

H2C OH C O

H 2O

C O

O

HO

C

C

O

H C OH

H

HO

H C OH

C H

H C OH

H C OH 2

CH2 OPO3 Fructose-6-phosphat

H Glucose-6Phosphatase H 2O

Glucose-6-phosphat

O

H C OH HO

C

H

+

Pi

H C OH

H C OH 2 CH2 OPO3

C

ER

H C OH CH2 OH

Blut

Der letzte Schritt ist die Dephosphorylierung von Glucose-6-phosphat durch eine Gluconeogenese-spezifische Glucose-6-Phosphatase. Diese ist in der Membran des endoplasmatischen Retikulums von Hepatozyten sowie Zellen des proximalen Tubulus der Niere lokalisiert, fehlt dagegen in Skelettmuskelzellen. Glucose-6-phosphat muss also in das ER transportiert, dort dephosphoryliert und anschließend wieder zurück ins Cytosol transportiert werden, bevor die Glucose die Zelle mit Hilfe eines Glucosetransporters verlassen kann. d) Die Umwandlung von Pyruvat in Phosphoenolpyruvat schlägt mit 1 ATP + 1 GTP zu Buche, insgesamt also mit 4 ATP-Äquivalenten pro gebildeter Glucose. Für die Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat wird noch ein weiteres Molekül ATP (also 2 pro Glucose) benötigt. Wesentlich günstiger fällt die Bilanz für Glycerol (aus der Hydrolyse von Triacylglycerolen) aus. Nach Phosphorylierung durch die Glycerol-Kinase und Oxidation mit NAD+ liegt bereits Dihydroxyacetonphosphat vor, so dass insgesamt pro aus Glycerol gebildeter Glucose nur 2 ATP benötigt werden.

408

Kapitel 11

Lösung 269 a) Die Reaktion an der Pyruvat-Carboxylase verläuft in zwei Phasen; zunächst muss Hydrogencarbonat aktiviert und das CO2 auf das enzymgebundene Biotin übertragen werden. Im aktiven Zentrum des Enzyms wird dann CO2 freigesetzt, während gleichzeitig unter Einwirkung des Biotinylenzyms das Enolat-Ion des Pyruvats entsteht. Das Pyruvat-Enolat ist ein gutes Nucleophil und kann das elektrophile CO2 unter Bildung von Oxalacetat angreifen. Adenosin

O

O

O

P O

P O

P O

O

O

O

+

O

ADP

O

C

O HO

P O

OH

O C

O

O Carboxyphosphat Pi

Biotinyl-Enzym

H O

O

O O

C

NH

C N O

O (CH2)4 C NH

S

NH

HN

O

O

(CH2)4 E

S

(CH2)4 C NH

(CH2)4 E

Carboxybiotinyl-Enzym O OOC

O

OOC

O

C CH2

NH

C N

+

NH Biotinyl-Enzym

N

NH

O

O

C

Pyruvat

O

OOC

OOC

O C CH2

Pyruvat-Enolat

O

C

O

O

CH2

C

COO Oxalacetat

O

COO O

HN

O

H2 C H

O

H

O C

O

O

Oxalacetat

O

O

O

COO

PhosphoenolpyruvatCarboxykinase O

P O P O P O Guanosin O O O

PO32

Phosphoenolpyruvat GDP

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

409

b) Acetyl-CoA muss für den weiteren Abbau unter Energiegewinn in den Citratzyklus eingeschleust werden; hierfür ist Oxalacetat als Akzeptor erforderlich. Steht zu wenig Oxalacetat zur Verfügung, z.B. weil es zum Teil in Aspartat für die Proteinbiosynthese umgewandelt wurde (Transaminierung), so kommt der Citratzyklus zum Erliegen. Durch die aktivierende Wirkung von Acetyl-CoA auf die Pyruvat-Carboxylase wird nun vermehrt Oxalacetat gebildet und das Acetyl-CoA kann in den Citratzyklus eingeschleust werden. Die Pyruvat-Carboxylase benötigt als Cofaktor Biotin. Dieses wird durch Avidin in sehr starker nichtkovalenter Wechselwirkung gebunden und steht dann nicht mehr als Cofaktor zur Verfügung. c) Oxalacetat kann die Mitochondrienmembran nicht passieren. Es wird daher durch eine NADH-abhängige Malat-Dehydrogenase zu Malat reduziert, das durch die Membran transportiert werden kann. Im Cytosol wird das Malat dann durch eine NAD+-gekoppelte MalatDehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert. Es wird also NADH im Mitochondrium verbraucht und im Cytosol gebildet, wo es auch für die weitere Gluconeogenese benötigt wird. Eine zweite Möglichkeit ist die Umwandlung von Oxalacetat in Aspartat, für das ein Transportprotein durch die Membran existiert. Dabei kommt es zu keinem gleichzeitigen Transport von Reduktionsäquivalenten, so dass dem Transport via Malat die größere Bedeutung zukommt. Möglich ist auch die Kondensation von Oxalacetat mit Acetyl-CoA zu Citrat, für das ein Transporter zur Verfügung steht. Im Cytosol wird die Rückreaktion durch eine ATPabhängige Citrat-Lyase katalysiert; dieser Transportweg ist also mit einem Aufwand von ATP verbunden.

Lösung 270 Zur Umgehung der drei irreversiblen Schritte der Glykolyse werden vier Schlüsselenzyme benötigt. Es handelt sich um die

x x x x

Pyruvat-Carboxylase Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase Fructose-1,6-bisphosphatase Glucose-6-phosphatase

Diese werden einerseits allosterisch reguliert, um kurzfristige Anpassungen an den Bedarf der Gluconeogenese zu steuern, und unterliegen anderseits einer hormonellen Kontrolle. Der wichtigste allosterische Regulationsmechanismus ist die Hemmung der Fructose-1,6-bisphosphatase durch Fructose-2,6-bisphosphat. Diese Verbindung fungiert gleichzeitig als Aktivator der Phosphofructokinase-1, des zentralen Enzyms der Glykolyse. Dadurch wird sichergestellt, dass in einer Zelle stets nur einer der beiden gegenläufigen Prozesse mit hoher Aktivität abläuft. Die Pyruvat-Carboxylase wird darüberhinaus durch Acetyl-CoA allosterisch aktiviert. Dies ist auch im Hungerzustand von Bedeutung, wenn vermehrter Fettsäureabbau durch β-Oxidation in den Mitochondrien Acetyl-CoA liefert. Längerfristige Wirkungen werden durch hormonelle Regulation vermittelt. Hormone wie Glucagon, Adrenalin, Cortisol und Insulin stimulieren oder hemmen die Transkription der

410

Kapitel 11

Gene für die genannten Schlüsselenzyme; die Zeit bis zum Wirkungseintritt ist damit naturgemäß länger. Das Peptidhormon Glucagon, das von den A-Zellen des Pankreas ausgeschüttet wird, entfaltet seine Wirkung v.a. in der Leber. Es induziert die Transkription der Gene für alle vier Schlüsselenzyme und senkt darüberhinaus über eine cAMP-vermittelte Kaskade die intrazelluläre Fructose-2,6-bisphosphat-Konzentration. Es kommt durch Aktivierung der Proteinkinase A zur Phosphorylierung des bifunktionellen Enzyms, das Bildung und Abbau von Fructose-2,6-bisphosphat kontrolliert. Durch die Phosphorylierung wird die KinaseAktivität des Enzyms gehemmt und die Phosphatase-Aktivität gesteigert, so dass Fructose2,6-bisphosphat hydrolysiert wird. Dadurch wird die Hemmung der Fructose-1,6-bisphosphatase aufgehoben und die Phosphofructokinase-1 nicht mehr aktiviert, d.h. die Gluconeogenese wird stimuliert. OH bifunktionelles Enzym

Fru-6-P

Fru-2,6-bis-P

PFK-1 aktiv Gluconeogenese gehemmt

PFK-2 aktiv, Bisphosphatase gehemmt

Proteinphosphatase 1 P

Proteinkinase A

O bifunktionelles Enzym

Fru-6-P

Fru-2,6-bis-P

PFK-1 gehemmt Gluconeogenese aktiviert

PFK-2 gehemmt, Bisphosphatase aktiv

Auch Glucocorticoide wie das Cortisol steigern die Transkription der Gene der vier Schlüsselenzyme und stimulieren die Gluconeogenese in Leber und Niere. Zudem induziert Cortisol einen vermehrten Abbau von Muskelproteinen, so dass Aminosäuren als Substrate für die Gluconeogenese zur Verfügung stehen. Dagegen wird Insulin von den B-Zellen des Pankreas ausgeschüttet, wenn reichlich Glucose vorhanden ist; es wirkt entsprechend antagonistisch zu Glucagon und Cortisol.

Lösung 271 a) Auf- und Abbau von Glykogen verlaufen auf unterschiedlichen Stoffwechselwegen. Für die Glykogensynthese ist keine Glykogen-Phosphorylase erforderlich. b) Die Phosphatgruppe des Pyridoxal-5´-phosphats wirkt bei der Phosphorolyse als allgemeiner Säure-Base-Katalysator:

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel H

O P

O

N

C

Enzym O

OH

O

O

411

+

O

N CH3 Pyridoxalphosphat-Enzym HOCH2 HO HO

OH

O O O O

P

O

O

OH CH2

O

PL

P

O

O

O

HO

O

OH

OH CH2

C

H

OH O O

O O

+ Glykogen

OH CH2

O

H

H

O

O

HO

OH

O

Enzym

HO HO

O

O

H

HOCH2

P

P O

P O

O

OH CH2

O

HO

OH

HO Glykogen (n-1 Reste)

O

H

O

O

OH

O

O

PL

Enzym H

OH CH2 O

HO

O Glucose-1-phosphat OH O

O P OH O

Diese Funktion wird sonst häufig von der Aminosäure Histidin übernommen. Diese besitzt als einzige der proteinogenen Aminosäuren einen pKS-Wert nahe dem physiologischen pHBereich und kann somit leicht ein Proton aufnehmen bzw. abgeben.

412

Kapitel 11

Lösung 272 a) In der Zelle werden die D-1Æ4-glykosidischen Bindungen phosphorolytisch durch die Glykogen-Phosphorylase gespalten. Sie beendet den Abbau 4 Reste vor einer D-1Æ6-Verzweigung. Zur Übertragung von drei Glucosemonomeren und anschließende hydrolytische Spaltung der D-1Æ6-Bindung wird das Debranching Enzyme benötigt. Die Amyloglucosidase spaltet im Gegensatz zur Glykogen-Phosphorylase rein hydrolytisch, es entsteht also nur Glucose und kein Glucose-1-phosphat. b) OH O HO

O

OH E

HO O

O O

OH OH

c) Der Mensch besitzt keine Cellulase, welche E-1Æ4-glykosidische Bindungen spalten kann. Somit ist Cellulose für den Menschen unverdaulich.

Lösung 273 a) Der obere D-1Æ6-verknüpfte Zweig umfasst noch 4 Glucosereste. Die GlykogenPhosphorylase stellt in diesem Zustand die phosphorolytische Abspaltung von Glucoseresten ein. Es wird das Glykogen-Entzweigungsenzym (Debranching Enzyme) benötigt, das 3 Glucosereste vom Seitenast auf die Hauptkette des Glykogens transferiert. Erst anschließend kann dann der verbliebene, D-1Æ6-glykosidisch gebundene Glucoserest durch die im gleichen Enzym vorhandene Hydrolase-Aktvitität hydrolytisch abgespalten und dadurch die Verzweigung beseitigt werden. b) Das Enzym Glykogen-Phosphorylase spaltet Glucosereste phosphorolytisch vom nichtreduzierenden Ende bis 4 Reste vor einer D-1Æ6-Verzweigung ab; daraus resultiert jeweils ein Molekül Glucose-1-phosphat (vgl. unter a). Das Debranching Enzyme überträgt drei Reste vor dem Verzweigungspunkt auf ein anderes nichtreduzierendes Ende und hydrolysiert die D-1Æ6-Bindung zu Glucose. Da ca. alle 10 Reste eine Verzweigung auftritt, entstehen ca. 90 % Glucose-1-phosphat und ca. 10 % freie Glucose.

Lösung 274 a) Glykogen enthält neben den α-1Æ4-glykosidischen Bindungen ca. alle 10 Glucosereste zusätzlich D-1Æ6-glykosidische Bindungen. Der Abbau von Glykogen erfolgt von den nichtreduzierenden Enden her. Ein lineares Molekül wie Amylose (ausschließlich α-1,4glykosidische Bindungen) enthält nur ein nichtreduzierendes Ende; daher wird beim Abbau

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

413

pro Zeiteinheit nur wenig Glucose freigesetzt. Unter körperlicher Belastung könnte ein erhöhter Glucosebedarf so nicht rasch genug gedeckt werden. Durch die stark verzweigte Struktur des Glykogens sind viele nichtreduzierende Enden vorhanden, an denen gleichzeitig Glucosemonomere freigesetzt werden können; dies ermöglicht einen raschen Abbau. b) Zunächst muss Glucose-6-phosphat durch die Glucosephosphat-Mutase zu Glucose-1phosphat isomerisiert werden; dabei entsteht durch Übertragung einer Phosphorylgruppe vom aktiven Phosphoenzym als Zwischenprodukt Glucose-1,6-bisphosphat. Dieses phosphoryliert wiederum das Enzym unter Bildung von Glucose-1-phosphat. Für die Ausbildung einer glykosidischen Bindung wird generell ein aktiviertes Monosaccharid-Derivat benötigt. Die Aktivierung erfolgt durch nucleophilen Angriff der Phosphatgruppe an C-1 auf ein Nucleosidtriphosphat (Uridintriphosphat; UTP) unter Bildung von UDP-Glucose, wobei Diphosphat (PPi) abgespalten wird. Die Hydrolyse des Diphosphats trägt zur Triebkraft dieser Aktivierungsreaktion bei. Die Glykogen-Synthase (eine Glykosyltransferase) katalysiert anschließend die Übertragung des aktivierten Glucoserestes auf eine nichtreduzierende Hydroxygruppe des Glykogenmoleküls unter Ausbildung einer α-1Æ4-glykosidischen Bindung. 2

O3P

OH2C

GlucosephosphatMutase

O

HO HO

OH

HOH2C

O

HO HO

OH

OH

Glucose-6-phosphat

O

2

PO3

Glucose-1-phosphat

O HN

HOH2C

O

HO HO

OH

O

Glucose-1-phosphat

O

O P O

O

O

O

O

P O

P O

P O H2C

O

O

O

O

N O

HO

UTP

OH O

HOH2C HO HO

PPi

HN

O OH O

H2O

HOH2C HO HO

O

P O

P O H 2C

O

O

O OH

OxoniumionZwischenprodukt

HOH2C +

HO HO

HOH2C O

OH O R (Glykogen)n

N

HO HO

UDP

O

HO

UDP-Glucose

2 Pi

O

O

OH

O OH

HOH2C O HO

(Glykogen)n+1

O OH

O R

414

Kapitel 11

Lösung 275 Für die Übertragung eines Glucoserests auf ein Glykogenmolekül muss die Glucose in eine aktivierte Form überführt werden; dies erfolgt durch Reaktion von Glucose-1-phosphat mit UTP zu UDP-Glucose und Pyrophosphat, vgl. vorangegangene Aufgabe. Durch Übertragung des Glucoserests der UDP-Glucose wird das Glykogenmolekül um einen Rest verlängert und UDP abgespalten. Die phosphorolytische Spaltung einer α-1Æ4-glykosidischen Bindung durch die Glykogen-Phosphorylase liefert umgekehrt ein Molekül Glucose-1-phosphat und ein um einen Rest verkürztes Glykogenmolekül. Fasst man die einzelnen Reaktionen zusammen, resultiert eine Hydrolyse von UTP zu UDP + Pi, also der Aufwand einer „energiereichen Bindung“. Dies macht deutlich, dass der Auf- und Abbau von Glykogen entsprechend reguliert werden muss, da ein gleichzeitiger Ablauf beider Prozesse nur einen Verlust an nutzbarer Energie zur Folge hat. ZZX Glucose-1-phosphat Glucose-6-phosphat YZZ Glucose-1-phosphat + UTP

 o UDP-Glucose + PPi

o 2 Pi PPi + H 2 O  o (Glykogen) n+1 + UDP (Glykogen) n + UDP-Glucose  (Glykogen) n+1 + Pi

 o (Glykogen) n + Glucose-1-phosphat

ZZX Glucose-6-phosphat Glucose-1-phosphat YZZ

UTP + H 2 O  o UDP + Pi

Für Bildung und Hydrolyse der D-1Æ4 glykosidischen Bindungen gilt obige Bilanz. Da die Bindungen phosphorolytisch gespalten werden und das erhaltene Glucose-1-phosphat ohne Energieverlust in Glucose-6-phosphat überführt werden kann, ist kein zusätzlicher Aufwand für die Einschleusung in die Glykolyse erforderlich. Durchschnittlich jeder etwa 10. Rest (1Æ6-glykosidische Bindung) wird dagegen hydrolytisch gespalten und muss daher unter ATP-Verbrauch in Glucose-6-phosphat überführt werden. Dies bedeutet für 10 Glucosereste, die auf dem Umweg über Glykogen in die Glykolyse eingespeist werden, einen zusätzlichen Energieaufwand von 10 + 1 = 11 ATP-Äquivalenten. Eine vollständige Oxidation der Glucose (Glykolyse; oxidative Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA; Citratzyklus und nachfolgende Verwertung der Reduktionsäquivalente in der Atmungskette) ergibt maximal 30–32 ATP (je nach dem, wie das NADH aus der Glykolyse ins Mitochondrium gelangt) pro Glucosemolekül (pro NADH werden 2,5 ATP, pro FADH2 1,5 ATP gewonnen). Wir gehen von 30 ATP aus; dazu kommt ein zusätzliches, da der Aufwand von 1 ATP für die Phosphorylierung der Glucose entfällt. Aus 10 Glucose-6-phosphatMolekülen ergibt sich daraus ein maximaler Energiegewinn von 310 ATP. Der Aufwand von 11 ATP-Äquivalenten für den „Umweg“ über Glykogen entspricht dann einem Verlust von ca. 3,5 %; der Wirkungsgrad beträgt somit > 96 %.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

415

Lösung 276 Durch die Bindung von Adrenalin bzw. Glucagon an einen entsprechenden G-Proteingekoppelten Rezeptor kommt es zur Aktivierung der Adenylatcyclase und die vermehrte Bildung von cAMP. cAMP bewirkt die Freisetzung der katalytischen Untereinheit der Proteinkinase A und damit deren Aktivierung. Die Proteinkinase A phosphoryliert verschiedene Enzyme und beeinflusst dadurch deren Aktivität. So führt die Phosphorylierung der Phosphorylase-Kinase zu deren Aktivierung; die aktive Phosphorylase-Kinase ihrerseits phosphoryliert (und aktiviert) die Glykogen-Phosphorylase und stimuliert dadurch den Glykogenabbau. Umgekehrt ist die Glykogen-Synthase in der dephosphorylierten Form aktiv, d.h. sie wird via Phosphorylierung durch die Proteinkinase in eine inaktive Form überführt. Daneben hängt die Aktivität der Glykogen-Synthase aber auch noch von der Konzentration an Glucose-6-phosphat ab, das als allosterischer Aktivator fungiert. Neben der Proteinkinase A existieren noch weitere Proteinkinasen, die verschiedene Serinreste der Glykogen-Synthase phosphorylieren und dadurch ihre Aktivität beeinflussen können. Steigende Phosphorylierung führt zu abnehmender Affinität der Synthase gegenüber ihrem Substrat, der UDP-Glucose und gegenüber dem allosterischen Aktivator Glucose-6-phosphat. Um die dephosphorylierte (aktive) Form der Glykogen-Synthase wieder zu regenerieren, existieren verschiedene Phosphatasen, wobei der Protein-Phosphatase 1 (PP1) die Hauptbedeutung zukommt. Die Aktivität dieser Phosphatase wird durch ein als PhosphoproteinPhosphatase-Inhibitor bezeichnetes Enzym kontrolliert. Dieses ist als Inhibitor aktiv, wenn es sich in phosphoryliertem Zustand befindet, der wiederum von der cAMP-abhängigen Proteinkinase gebildet wird. Somit beeinflusst die Konzentration von cAMP die Aktivität der Glykogen-Synthase auf zweierlei Weise: zum einen führen hohe Konzentrationen an cAMP zur Phosphorylierung (und damit Inaktivierung) der Glykogen-Synthase, zum anderen wird die PhosphoproteinPhosphatase gehemmt (die in aktivem Zustand zur Dephosphorylierung und Reaktivierung der Glykogen-Synthase beiträgt). Eine hormonelle Stimulation durch Insulin steigert die Aufnahme von Glucose in viele Zellarten (z.B. Muskel-, Fettzellen); gleichzeitig wird die Konzentration an cAMP gesenkt. Außerdem führt Insulin zu einer Aktivierung der Phosphoprotein-Phosphatase und bewirkt so die Dephosphorylierung (Aktivierung) der Glykogen-Synthase.

Lösung 277 Beim Abbau der Fettsäuren im Zuge der β-Oxidation entsteht Acetyl-CoA; unverzweigte Fettsäuren mit einer geraden Anzahl an C-Atomen, wie z.B. die Stearinsäure (C18), können vollständig zu Acetyl-CoA abgebaut werden. Im menschlichen Organismus existiert jedoch kein Stoffwechselweg, der in der Lage ist, Acetyl-CoA in Pyruvat oder Lactat als mögliche Edukte der Gluconeogenese umzuwandeln. Bei der Umsetzung im Citratzyklus entsteht zwar am Ende wieder Oxalacetat; dies ist aber kein Nettoprodukt, da ja die beiden C-Atome des Acetyl-CoA als CO2 verloren gehen.

416

Kapitel 11

Bei Fettsäuren mit einer ungeraden Kohlenstoffanzahl entsteht dagegen als Produkt bei der abschließenden thiolytischen Spaltung Propionyl-CoA; dieses kann im Säugerorganismus in drei Stufen in Succinyl-CoA umgewandelt werden. Im ersten Schritt katalysiert die biotinabhängige Propionyl-CoA-Carboxylase die Verknüpfung von Propionyl-CoA mit CO2 aus Hydrogencarbonat zu D-Methylmalonyl-CoA. Dieses wird durch die Methylmalonyl-CoAMutase in das entsprechende L-Isomer umgewandelt. Im letzten Schritt erfolgt die Isomerisierung von L-Methylmalonyl-CoA zum Succinyl-CoA; hierbei wird 5´-Desoxyadenosylcobalamin als Cofaktor benötigt. Das Succinyl-CoA kann durch die Enzyme des Citratzyklus in Oxalacetat überführt werden, das ein Zwischenprodukt der Gluconeogenese darstellt. Somit kann zumindest ein kleiner Teil einer Fettsäure mit ungerader Kohlenstoffanzahl (die bei der β-Oxidation verbleibende C3-Einheit, das Propionyl-CoA) zum Aufbau von Glucose benutzt werden.

Lösung 278 a) Der Pentosephosphatweg hat zwei Hauptfunktionen: (1) die Bereitstellung von NADPH/H+ für reduktive Biosynthesen und (2) die Produktion von Ribose-5-phosphat für die Synthese von Nucleotiden und Nucleinsäuren. Außerdem können Pentosen verwertet werden, die bei der Verdauung von Nucleinsäuren anfallen. b) Glucose-6-phosphat wird durch die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase unter Verbrauch von NADP+ zum Lacton oxidiert, welches zu 6-Phosphogluconat hydrolysiert wird. Es schließt sich ein zweiter Oxidationsschritt an; die Oxidation der Hydroxygruppe am C-Atom 3 ergibt intermediär eine β-Ketocarbonsäure, die leicht decarboxyliert. Das Produkt ist Ribulose-5-phosphat, welches durch Keto-Enol-Tautomerie mit Hilfe der Ribulose-5-phosphatIsomerase zu Ribose-5-phosphat isomerisiert werden kann. 2

2

CH2OPO3

NADP

2

CH2OPO3

NADPH/H

O

CH2OPO3

O

OH

OH

OH

OH

Oxidation Glucose-6-phosphatDehydrogenase

OH

O

OH

OH

H2O

OH

H

OH

OH

6-Phosphogluconolacton

NADP

NADPH/H

C O

Isomerase

H C OH Oxidation Decarboxylierung

CO2

6-Phosphogluconat

H C O

H2C OH

H C OH H C OH

H C OH 2

CH2 OPO3

Ribulose-5-phosphat

COO

OH

H C OH 2

CH2 OPO3

Ribose-5-phosphat

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

417

c) Der Test beruht auf der unter b) gezeigten Reaktionsfolge. Messgröße ist das bei der Reaktion der Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase entstehende NADPH, das analog wie NADH photometrisch bei 340 oder 366 nm bestimmt werden kann. Benötigt werden also Hexokinase und ATP zur Phosphorylierung der Glucose, sowie Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und ihr Cofaktor NADP+ sowie ein geeigneter Puffer.

Lösung 279 a) Der Pentosephosphatweg ist eine Hauptquelle für die Bereitstellung von NADPH/H+, welches für reduktive Biosynthesen, insbesondere die Fettsäurebiosynthese und die Steroidsynthese, benötigt wird. Daher spielt der Pentosephosphatweg besonders in den Organen eine wichtige Rolle, in denen diese anabolen Prozesse überwiegend stattfinden, wie in den Nebennieren, der Leber, im Fettgewebe oder in den Milchdrüsen. NADPH wird auch zur Reduktion von Ribonucleotiden zu Desoxyribonucleotiden benötigt, so dass der Pentosephosphatweg auch in rasch proliferierenden Zellen mit hoher Aktivität abläuft. b) Im oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs entsteht die Pentose Ribulose-5-phosphat, die durch die Ribulose-5-phosphat-Isomerase in Ribose-5-phosphat und durch die Ribulose-5phosphat-Epimerase in Xylulose-5-phosphat umgewandelt werden kann. Diese C5-Zucker (2u Xylulose-5-phosphat, 1u Ribose-5-phosphat) werden durch die Wirkung von Transaldolase und Transketolase über C7, C4 und C3-Zucker in 2u Fructose-6-phosphat und 1u Glycerolaldehyd-3-phosphat umgewandelt (vgl. nachfolgendes Formelschema). Beide Produkte können durch Reaktionen der Gluconeogenese wieder in Glucose-6-phosphat umgewandelt werden, das erneut in den Zyklus eingeschleust wird. Dies ermöglicht einen vollständigen Abbau von Glucose-6-phosphat zu CO2 unter Gewinn von NADPH. Die entsprechende Summengleichung lautet: Glucose-6-phosphat + 12 NADP + + 6 H 2 O  o 6 CO 2 + 12 NADPH/H + + Pi

Werden dagegen überwiegend Pentosephosphate für die Nucleinsäuresynthese benötigt, so läuft überwiegend der oxidative Teil des Pentosephosphatwegs ab und die oben gezeigten Umwandlungen spielen eine untergeordnete Rolle.

418

Kapitel 11 H 2C

HO

C

CH2OH

H C O

OH

C O

H C OH

H

+

C O

Transketolase

OH C

H C OH

H C OH 2

2 CH2 OPO3

Xylulose-5-phosphat

H C O +

H C OH

H C OH

H C OH

CH2 OPO3

H

2

CH2 OPO3

H C OH

Glycerolaldehyd3-phosphat

H C OH

Ribose-5-phosphat

2 CH2 OPO3

Sedoheptulose-7-phosphat CH2OH C O OH C

H C O

H

+

Transaldolase

H C OH

H C OH

2

2 CH2 OPO3

+

2

C

H C OH

+ 2

CH2 OPO3

Erythrose-4-phosphat

HO

C

Transketolase

H C OH 2 CH2 OPO3

H C OH 2

CH2 OPO3

Xylulose-5-phosphat

Glycerolaldehyd3-phosphat

2

Fructose-6-phosphat OH

C O

H C O

H

H

CH2 OPO3

H 2C

OH

C O

H C OH

C

H C OH

CH2 OPO3

Erythrose-4-phosphat

H 2C

O

HO

H C OH

Sedoheptulose-7-phosphat

H

OH

C O

H C OH

Glycerolaldehyd3-phosphat

H C OH

C

H 2C

O

H C OH

CH2 OPO3

H C OH

H

HO +

C

H

H C OH H C OH

2

CH2 OPO3

Fructose-6-phosphat

c) In Erythrozyten liegen hohe Konzentrationen an Glutathion (etwa 2,5 μmol/mL) vor, das die SH-Gruppen von Enzymen (z.B. Hexokinase, Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase), von Proteinen der Erythrozytenmembran und von Hämoglobin, das 6 Thiolgruppen enthält, vor einer Oxidation schützt. Oxidiertes und reduziertes Glutathion bilden ein Redoxsystem, bei dem die reduzierte Form zu 98 % vorliegt. Wegen des kontinuierlichen Verbrauchs von Glutathion muss das reduzierte Glutathion ständig durch eine Glutathion-Reduktase, die mit NADPH/H+ aus dem Pentosephosphatweg arbeitet, regeneriert werden. Etwa 5–10 % des Glucose-6-phosphats in Erythrozyten werden daher zur Bildung von NADPH/H+ dem Pentosephosphatweg zugeführt.

Lösung 280 Gewebe, die in größerem Umfang Fettsäurebiosynthese betreiben, haben einen hohen Bedarf an NADPH, das für die beiden Reduktionsschritte im Zuge eines Zyklus der Fettsäuresynthese benötigt wird. Nach der Kondensation von Malonyl-ACP mit dem enzymgebundenen Acyl-Rest zum 3-Ketoacyl-ACP wird dieses durch die 3-Ketoacyl-Reduktase NADPH-

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

419

abhängig zum 3-Hydroxyacyl-ACP reduziert. Nach Dehydratisierung erfolgt der zweite NADPH-abhängige Reduktionsschritt durch die Enoyl-Reduktase zum gesättigten Acyl-ACP. Der Pentosephosphatweg ist für die Bereitstellung von NADPH auch insbesondere in allen Zellen von Bedeutung, die Steroidhormon-Synthese betreiben, wie z.B. in der Nebennierenrinde. Ausgehend vom Cholesterol werden durch Mitglieder der Gruppe der Cytochrom P450-Enzyme verschiedene Hydroxylierungen und Oxidationen katalysiert, die neben O2 auch NADPH erfordern. Typische Beispiele sind ausgehend vom Progesteron die Hydroxylierungen an den Positionen 11, 17 und 21 des Steroidgerüsts, die zum Cortisol führen. Cytochrom P450 katalysiert daneben auch zahlreiche weitere Hydroxylierungen, z.B. beim Fremdstoffmetabolismus. Die (NADPH-abhängige) Einführung von OH-Gruppen ermöglicht in einem nachfolgenden Schritt die Konjugation des auszuscheidenden Moleküls beispielsweise mit Glucuronsäure, was infolge der gesteigerten Wasserlöslichkeit die Elimination des Konjugats erheblich erleichtert (Entgiftung). Von Bedeutung ist NADPH auch für die Regeneration von Systemen, die in den Zellen reduzierende Bedingungen aufrechterhalten und vor Oxidantien schützen. Große Bedeutung besitzt hier, ganz besonders in den Erythrozyten, das Glutathion, das Enzyme und Hämoglobin (Fe2+) vor oxidativen Noxen wie z.B. H2O2 schützt, indem es sie unter Bildung von Glutathion-Disulfid reduziert. Durch die Glutathion-Reduktase wird gebildetes Glutathion-Disulfid unter Beteiligung von NADPH wieder in die reduzierte Form überführt. Die zweite wichtige Quelle für NADPH ist die oxidative Decarboxylierung von Malat zu Pyruvat durch das Malat-Enzym im Cytosol. Das Malat entsteht hierbei im Zuge der Bereitstellung von Acetyl-CoA für die Fettsäurebiosynthese. Aus dem Mitochondrium exportiertes Citrat wird CoA-abhängig zu Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten, das mit NADH (aus der Glykolyse) zum Malat reduziert wird. Dadurch resultiert auch eine Abhängigkeit der Fettsäuresynthese vom Kohlenhydratstoffwechsel.

Lösung 281 Ribose-5-phosphat steht durch die Wirkung der Pentosephosphat-Isomerase mit Ribulose-5phosphat im Gleichgewicht; dieses wiederum kann durch die Pentosephosphat-Epimerase in Xylulose-5-phosphat umgewandelt werden. Im ersten Schritt des nichtoxidativen Zweigs des Pentosephosphatwegs katalysiert die Transketolase die Übertragung einer GlykolaldehydEinheit von Xylulose-5-phosphat auf Ribose-5-phosphat unter Bildung von Sedoheptulose-7phosphat. Dabei ist aufgrund der Gleichgewichte zwischen den drei Pentosen neben dem C-1Atom von Ribose-5-phosphat auch das C-1-Atom von Xylulose-5-phosphat markiert. Die entstehende Sedoheptulose wird daher an C-1 und an C-3 markiert sein. Anschließend überträgt die Transaldolase eine Dihydroxyaceton-Einheit (C-1 bis C-3 der Sedoheptulose) auf Glycerolaldehyd-3-phosphat. Aus C-4 bis C-7 der Sedoheptulose entsteht Erythrose-4phosphat, die daher ohne radioaktive Markierung bleibt. Als zweites Produkt entsteht Fructose-6-phosphat, dessen C-Atome 1 und 3 markiert sind.

420

Kapitel 11

H C O

H2C OH

PentosephosphatIsomerase

H C OH H C OH

C O

CH2 OPO3

Xylulose-5-phosphat

Ribulose-5-phosphat

CH2OH

H C O

H2C OH C O

H C OH

H

2

2

CH2 OPO3

Ribose-5-phosphat

+

C O

Transketolase

OH C H

H C OH

H C OH

2 CH2 OPO3

Xylulose-5-phosphat

H C O +

H C OH

H C OH

2 CH2 OPO3

C H

H C OH

H C OH 2

CH2 OPO3

C

C O HO

H C OH

H C OH

HO

H2C OH

PentosephosphatEpimerase

H C OH 2

CH2 OPO3

H C OH

Glycerolaldehyd3-phosphat

H C OH

Ribose-5-phosphat

2 CH2 OPO3

Sedoheptulose-7-phosphat CH2OH C O OH C

H

H C O +

H C OH

2

CH2 OPO3

H C OH H C OH

2 CH2 OPO3

Transaldolase

H C OH

Glycerolaldehyd3-phosphat

Sedoheptulose-7-phosphat

H

C

H2C OH

O

C O +

H C OH

HO

C

H

H C OH

H C OH 2

CH2 OPO3

Erythrose-4-phosphat

H C OH

2

CH2 OPO3

Fructose-6-phosphat

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

421

Lösung 282 a) Im Wesentlichen spielen zwei Aspekte eine Rolle:

x Die C-Atome der Fettsäuren befinden sich im Mittel in einem niedrigeren Oxidationszustand als in Kohlenhydraten. Daher fallen bei einer vollständigen Oxidation von Fettsäuren wesentlich mehr Reduktionsäquivalente (NADH/H+, FADH2) an, als bei der Oxidation von Glykogen. Entsprechend höher ist der Energiegewinn (ca. das Doppelte bezogen auf Trockengewicht) x Fett ist unpolar, wird daher in nichthydratisiertem Zustand gespeichert, wogegen Glykogen stark hydratisiert vorliegt (1 g Glykogen bindet ca. 2 g Wasser). In der Folge liefert 1 g Fett ca. die sechsfache Energie gegenüber 1 g Glykogen; die Speicherung von Fett gegenüber Glykogen erlaubt somit einen wesentlich geringeren Körperumfang . b) Während die Speicherung von Triacylglycerolen („Fett“) leider keiner Kontrolle unterliegt, wird ihr Abbau hormonell gesteuert. Ebenso wie beim Glykogenstoffwechsel liegt auch hier eine Reaktionskaskade vor, die durch Bindung eines Hormons (v.a. Adrenalin und Glucagon) an einen Rezeptor der Plasmamembran ausgelöst wird. Über ein G-Protein wird durch die Hormon-Rezeptorbindung die Adenylatcyclase aktiviert und somit vermehrt cAMP freigesetzt. Dieses fungiert (analog wie im Glykogenstoffwechsel) als allosterischer Aktivator der Proteinkinase A und setzt durch Bindung an die beiden regulatorischen Untereinheiten des Tetramers R2C2 die katalytischen Untereinheiten frei. Die aktive Proteinkinase A aktiviert nun durch Phosphorylierung die Triacylglycerol-Lipase (auch hormonsensitive Lipase genannt) im Fettgewebe, die (nach herkömmlicher Auffassung; vgl. auch die folgende Aufgabe) die Hydrolyse der Esterbindungen an Position 1 bzw. 3 des Triacylglycerols katalysiert. Eine Diund eine Monoacylglycerol-Lipase vervollständigen die Hydrolyse des Fettes zu Glycerol und den langkettigen Carboxylaten. Diese gelangen durch passive Diffusion ins Blutplasma, können aber aufgrund ihrer stark hydrophoben Eigenschaften nicht in freier Form transportiert werden. Sie werden daher an Serumalbumin gebunden und in den Geweben durch Diffusion aus dem Blutstrom aufgenommen.

Lösung 283 Die hormonsensitive Lipase (Triacylglycerol-Lipase) wurde bislang mit dem Abbau von Triacylglycerolen in der Zelle in Verbindung gebracht, z.B. im Fettgewebe bei Energiebedarf (vgl. die vorangegangene Aufgabe). Nach neueren Befunden mit sogenannten knockoutMäusen ist diese Lipase für den Abbau von Diacylglycerolen verantwortlich. Wodurch der erste Schritt katalysiert wird, ist demnach derzeit noch in der Diskussion. Die Pankreas-Lipase katalysiert den Abbau von Triacylglycerolen aus der Nahrung im Duodenum. Die Lipoproteinlipase befindet sich am Gefäßendothel peripherer Gewebe und katalysiert die Hydrolyse von Triacylglycerolen in Chylomikronen oder VLDL-Lipoproteinen.

422

Kapitel 11

Lösung 284 a) Fette sind wasserunlöslich; die fettspaltenden Lipasen dagegen wasserlöslich, d.h. die Reaktion muss an einer Lipid/Wasser-Grenzfläche stattfinden. Die Geschwindigkeit der Verdauung hängt stark von der Oberfläche dieser Grenzfläche ab. Durch die emulgierende Wirkung der Gallensalze (Detergenzwirkung) wird diese Oberfläche stark vergrößert, die Verdauung dadurch beschleunigt. b) Freie Fettsäuren und 2-Acylglycerole werden von der Darmschleimhaut aufgenommen und in den Mucosazellen wieder zu Triacylglycerolen verestert. Anschließend werden diese zusammen mit einigen Apolipoproteinen zu Lipoproteinpartikeln verpackt, die als Chylomikronen bezeichnet werden. Ohne eine hydrophile Proteinhülle könnten die sehr hydrophoben Triacylglycerole nicht in der polaren wässrigen Phase transportiert werden. Die Chylomikronen gelangen über die Lymphe in die Blutbahn und werden zu den peripheren Geweben transportiert. Dort existieren an den Innenseiten der Kapillaren spezifische Rezeptoren für die Apolipoproteine der Chylomikronen sowie als membranständiges Enzym die Lipoproteinlipase, die für die Hydrolyse der Triacylglycerole zuständig ist. Die freigesetzten Monoacylglycerole und freien Fettsäuren werden dann von den Geweben aufgenommen. Von den Chylomikronen bleiben nur noch Restkörper (sogenannte „Remnants“), die v.a. Cholesterol enthalten und die zur Leber zurück transportiert werden, wo sie zu weiteren Lipoproteinen umgebaut werden.

Lösung 285 In der folgenden Tabelle sind die charakteristischen Unterschiede zusammengefasst. Typisch ist die Lokalisation von katabolem und anabolem Prozess in unterschiedlichen Zellkompartimenten (ermöglicht getrennte Regulation) sowie die Verwendung von NAD+ im katabolen und von NADPH/H+ im anabolen Stoffwechsel. Auch die Kohlenstoff-Fragmente unterscheiden sich im Auf- und Abbau. Die Carboxylierung von Acetyl-CoA (ATP-Aufwand) ermöglicht die exergone Decarboxylierung von Malonyl-CoA während Knüpfung der C–C-Bindung und verschiebt dadurch das Gleichgewicht der Reaktion auf die Produktseite. Im Gegensatz zur β-Oxidation, an deren Teilschritten einzelne Enzyme beteiligt sind, wird die Fettsäuresynthese durch einen dimeren Multienzymkomplex, die Fettsäure-Synthase, katalysiert.

E-Oxidation

Fettsäurebiosynthese

Lokalisation

Mitochondrium (Matrix)

Cytosol

Acylgruppen-Carrier

Coenzym A

Acylcarrier-Protein

+

Oxidations- bzw. Reduktionsmittel NAD , FAD Stereochemie der Intermediate Art der an Ab- bzw. Aufbau beteiligten C-Fragmente

NADPH/H+

L-E-Hydroxyacyl-CoA

D-E-Hydroxyacyl-CoA

Acetyl-CoA

Malonyl-CoA als Donor

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

423

Lösung 286 a) Die Chylomikronen enthalten das Apo B48; dieses dient zur Bindung der Triacylglycerole, die in der Darmmucosa resynthetisiert wurden. Weiterhin enthalten die Chylomikronen das Apo CII, das als Cofaktor der Lipoproteinlipase fungiert, die sich an der Außenseite der Endothelzellmembran der Blutkapillaren befindet. Die LDL enthalten nur noch das Apo B100. Dieses dient während der Biogenese der in der Leber gebildeten Very low density lipoproteins (VLDL) der Anlagerung der Lipide und vermittelt die Bindung der aus den VLDL entstehenden LDL an den LDL-Rezeptor. b) Das Enzym Lipoproteinlipase spaltet die Triacylglycerole der Chylomikronen in Glycerol und Fettsäuren. Dabei vermittelt das Apo CII der Chylomikronen deren Erkennung und Bindung an die Lipoproteinlipase. Während das gebildete Glycerol mit dem Blut zur Leber transportiert wird, werden die Fettsäuren von den Zielzellen resorbiert und durch E-Oxidation abgebaut, bzw. nach Resynthese als Triacylglycerole gespeichert. Durch die LDL wird im Wesentlichen das Cholesterol im Körper verteilt. Entscheidend für die Aufnahme in die Zielzelle ist hierbei der LDL-Rezeptor, an den die LDL über das Apo B100 binden. Im Anschluss daran erfolgt (im Gegensatz zur extrazellulären Freisetzung von Triacylglycerolen aus den Chylomikronen) die Endozytose des kompletten LDL-Partikels. Das Ausmaß, in dem der LDL-Rezeptor von der Zelle exprimiert wird, entscheidet somit darüber, wie viele LDL (und damit wie viel Cholesterol) aufgenommen werden soll. LDL, die in den peripheren Geweben nicht benötigt wurden, gelangen schließlich zur Leber und werden dort nach Bindung an LDL-Rezeptoren aufgenommen.

Lösung 287 Die 4-Phenylbutansäure wird durch einmalige β-Oxidation zu 2-Phenylessigsäure und AcetylCoA abgebaut. Bei der 5-Phenylpentansäure kann die β-Oxidation zweimal stattfinden; neben zwei Molekülen Acetyl-CoA entsteht dabei als Produkt die Benzoesäure. Hunde, die mit 5Phenylpentansäure (oder einer anderen Z-Phenyl-substituierten Fettsäure mit ungerader Anzahl von C-Atomen in der Kette) gefüttert wurden, schieden Hippursäure (das Glycinamid der Benzoesäure) im Urin aus, während diejenigen, die 4-Phenylbutansäure (oder eine andere ZPhenyl-substituierte Fettsäure mit gerader Anzahl von C-Atomen in der Kette) erhalten hatten, Phenylacetursäure (das Glycinamid der Phenylessigsäure) produzierten. Dadurch konnte gezeigt werden, dass bei der Fettsäureoxidation jeweils C2-Einheiten abgespalten werden und dass dieser Vorgang die Oxidation des C-Atoms in β-Stellung zur Carboxylgruppe beinhaltet. Andernfalls würde die Phenylessigsäure weiter zu Benzoesäure umgesetzt werden. In den 1950er Jahren wurde diese Hypothese endgültig bestätigt.

424

Kapitel 11 E-Oxidation

COOH

COOH

O +

SCoA

2-Phenylessigsäure

4-Phenylbutansäure

O

COOH

2 mal E-Oxidation

2

+

COOH 5-Phenylpentansäure

SCoA

Benzoesäure

Lösung 288 a) Das Carboxylat-Ion reagiert als Nucleophil mit dem elektrophilen α-P-Atom von Adenosintriphosphat (ATP) unter Abspaltung von Diphosphat (PPi) zum Acyladenylat, einem gemischten Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydrid. Es enthält AMP als ausgezeichnete Abgangsgruppe und wird daher durch die nucleophile SH-Gruppe von Coenzym A leicht angegriffen. Dabei entsteht das Acyl-CoA und AMP. Ohne die zusätzliche Hydrolyse von PPi ist die Freie Enthalpie der Reaktion etwa Null (Umwandlung einer energiereichen Anhydridbindung in eine energiereiche Thioesterbindung). In Folge der Hydrolyse von PPi durch die Pyrophosphatase beträgt die Freie Standardenthalpie für den Gesamtprozess ca. –30 kJ/mol. O R CH2

C

+

O

O

O

O

O

P O

P O

P O Adenosin

O

O

O

O R CH2

C

O

AMP

+

PPi

Acyladenylat Pyrophos- H2O phatase

O R CH2

HS

C S

CoA

CoA

AMP

Acyl-CoA

2 Pi

b) Die Methylgruppe an C-3 verhindert die Oxidation zum E-Ketoacyl-CoA. c) Nach Aktivierung der Pristansäure zum CoA-Derivat und sechsmaligem Durchlaufen der β-Oxidation entstehen als Produkte drei Moleküle Acetyl-CoA, drei Moleküle Propionyl-CoA und ein Molekül 2-Methylpropionyl-CoA (Isobutyryl-CoA):

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

425 O C

Aktivierung

O

O C

SCoA

6 mal E-Oxidation O 1

O SCoA

+

3

O SCoA

+

3

SCoA

Lösung 289 a) Die Stearinsäure enthält 18 C-Atome; d.h. die β-Oxidation kann acht mal durchlaufen werden. Dies ergibt 9 Acetyl-CoA, die in den Citratzyklus eingespeist werden können. Pro Acetyl-CoA entstehen im Citratzyklus je 3 NADH/H+, 1 FADH2 und 1 GTP (äquivalent einem ATP). Geht man davon aus, dass in der Atmungskette pro NADH/H+ 2,5 ATP und pro FADH2 1,5 ATP gebildet werden, so ergibt sich: 27 NADH/H+ (Citratzyklus)

Æ 67,5 ATP durch oxidative Phosphorylierung

9 FADH2 (Citratzyklus)

Æ 13,5 ATP durch oxidative Phosphorylierung

9 GTP (Citratzyklus)

Æ 9 ATP

+

8 NADH/H (β-Oxidation)

Æ 20 ATP durch oxidative Phosphorylierung

8 FADH2 (β-Oxidation)

Æ 12 ATP durch oxidative Phosphorylierung

6 122 ATP Für die Aktivierung von Stearat zu Stearoyl-CoA müssen 2 ATP aufgewendet werden, so dass insgesamt maximal 120 ATP gewonnen werden. Die Ölsäure enthält eine cis-Doppelbindung zwischen C-9 und C-10. Nach 3 Runden EOxidation muss die cis-E,J-Doppelbindung durch die Enoyl-CoA-Isomerase in eine transD,E-Doppelbindung isomerisiert werden. Durch das Vorhandensein der Doppelbindung wird eine Oxidation mit FAD eingespart; es entsteht folglich ein FADH2 weniger. Da dieses FADH2 in der Atmungskette 1,5 ATP liefern würde, werden bei der Ölsäure insgesamt 1,5 ATP-Moleküle weniger gewonnen, als bei der Stearinsäure, also 118,5.

426

Kapitel 11

b) Stoffmenge Ölsäure n = 1 g / 282 g/mol = 3,55u10–3 mol Stoffmenge ATP = 3,55u10–3 mol u 118,5 mol ATP / mol Ölsäure = 0,42 mol Der vollständige Abbau von 1 mol Glucose liefert 30 mol ATP pro mol Glucose. Æ benötigte Stoffmenge n (Glucose) = 0,42 mol / 30 = 1,4u10–2 mol Æ m (Glucose) = n (Glucose) u M (Glucose) = 1,4u10–2 mol u 180 g/mol = 2,52 g

Das Glykogen liegt im Organismus in stark hydratisierter Form vor; pro Gramm Glykogen werden ca. 2 g Wasser gebunden. Daher wären etwa 3 u 2,52 g, also ca. 7,5 g (hydratisiertes) Glykogen erforderlich.

Lösung 290 Außer in den Mitochondrien findet die β-Oxidation auch in den Peroxisomen statt. Besonders langkettige Fettsäuren mit 22 und mehr C-Atomen diffundieren in die Peroxisomen und werden dort durch eine für lange Ketten spezifische Acyl-CoA-Synthetase aktiviert. Im Gegensatz zur β-Oxidation im Mitochondrium, durch die (geradzahlige) Fettsäuren vollständig zu Acetyl-CoA abgebaut werden, stoppt der Abbau in den Peroxisomen bei mittelkettigen Fettsäuren (Kettenlänge 8–10 C-Atome). Diese können offenbar in den Peroxisomen nicht weiter verwertet werden. Sie werden in Carnitinester umgewandelt, gelangen zu den Mitochondrien und werden dort weiter verstoffwechselt. Während für die Aufnahme langkettiger Fettsäuren in die Mitochondrienmatrix Carnitin notwendig ist, ist die peroxisomale Fettsäureaufnahme Carnitin-unabhängig. Das FettsäureTransportsystem der Peroxisomenmembran ist noch nicht genau identifiziert, möglicherweise ist es mit der Fettsäure-Aktivierung, der Veresterung mit Coenzym A unter ATP-Verbrauch, gekoppelt. Ausgeschleust werden Fettsäuren aus Peroxisomen jedoch als Carnitinester. Ein weiterer wesentlicher Unterschied findet sich beim ersten Schritt der β-Oxidation, der Oxidation von Acyl-CoA zu trans-'2-Enoyl-CoA. Dieser wird im Mitochondrium von der FAD-abhängigen Acyl-CoA-Dehydrogenase katalysiert. Das gebildete FADH2 überträgt die Elektronen dann über ein elektronenübertragendes Flavoprotein (ETF) und die EFTUbichinon-Oxidoreduktase auf Ubichinon (Coenzym Q); die Acyl-CoA-Dehydrogenase ist also mit der Elektronentransportkette (der Atmungskette) verbunden. In den Peroxisomen wird der erste Schritt der β-Oxidation durch die Acyl-CoA-Oxidase katalysiert; diese verwendet zwar ebenfalls FAD als Coenzym, die Elektronen werden aber von FADH2 direkt auf Sauerstoff übertragen, so dass H2O2 gebildet wird. Dadurch wird die Elektronentransportkette umgangen, so dass das gebildete FADH2 nicht zum Aufbau des Protonengradienten beiträgt. Pro C2-Zyklus werden daher bei der peroxisomalen β-Oxidation ca. 1,5 ATP weniger gebildet als im Mitochondrium. Das Wasserstoffperoxid wird von der Katalase zu Wasser und Sauerstoff disproportioniert.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

Acyl-CoA + E-FAD E-FADH 2 + O 2 H 2 O2

Katalase

427

Acyl-CoA-Oxidase

 o trans-' 2 -Enoyl-CoA + E-FADH 2

 o E-FAD + H 2 O 2

o H 2 O +

1 O2 2

Da die Reaktion der Acyl-CoA-Oxidase zu einer geringeren ATP-Ausbeute führt, wird ein Teil der gespeicherten Energie als Wärme frei, was im tierischen Organismus in manchen Situationen vorteilhaft ist.

Lösung 291 a) Schlüsselenzym der Cholesterolbiosynthese ist die 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoAReduktase, die die Reduktion von 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA zur Mevalonsäure katalysiert. Die primäre Hydroxygruppe der Mevalonsäure wird anschließend zweifach phosphoryliert und das Produkt nach Aktivierung der tertiären Hydroxygruppe mit ATP unter Bildung eines Phosphorsäureesters zu Isopentenylpyrophosphat decarboxyliert. Durch Isomerisierung der Doppelbindung entsteht daraus das Dimethylallylpyrophosphat. Die Verknüpfung von Isopentenylpyrophosphat mit Dimethylallylpyrophosphat unter Abspaltung von PPi liefert das Geranylpyrophosphat, von dem sich zahlreiche Monoterpene ableiten. Anfügen eines weiteren Isopentenylpyrophosphats unter PPi-Abspaltung ergibt Farnesylpyrophosphat, aus dem durch reduktive Kupplung die C30-Verbindung Squalen hervorgeht. Durch die Zyklisierung von Squalen und nachfolgende Umlagerungen entsteht das Lanosterol, das in zahlreichen weiteren Schritten unter Verlust von drei Methylgruppen schließlich in Cholesterol (C27) umgewandelt wird.

428

Kapitel 11 3-Hydroxy-3-methylglutarylCoA-Reduktase

O

HO OOC

HO OOC

SCoA

OH Mevalonat

2 NADPH/H

+

2 NADP HS CoA

O O

3 ATP

3 ADP O

O O C

PO3

2

O O

P O

P O

O

P O

O

Isopentenylpyrophosphat

O O

P O

O

O O

CO2 +

Pi

O

P O

O O

P O

O

Dimethylallylpyrophosphat PPi O

P

P

+

Dimethylallylpyrophosphat

O

P

P

O

Isopentenylpyrophosphat

P

P

Monoterpene

Geranylpyrophosphat

Squalen (C30)

CH3 19 Schritte

CH3

Cholesterol (C27) CH3

HO H3 C

CH3

Lanosterol

3 "CH3"

Cholesterol ist der Vorläufer der Gallensäuren (C24), der Nebennierenrindenhormone (C21; z.B. Progesteron, Cortisol), und der Sexualhormone (Androgene C19, Östrogene C18).

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

429 COO

OH

HO

HO Cholesterol (C27)

OH Gallensäuren: z.B. Cholat (C24) OH

O

O HO

HO

OH

O Pregnenolon (C21)

Glucocorticoide: z.B. Cortisol (C21)

OH

O Androgene: z.B. Testosteron (C19)

OH

HO Östrogene: z.B. Östradiol (C18)

Lösung 292 Liegt mehr Acetyl-CoA vor, als im Citratzyklus zu CO2 abgebaut werden kann (z.B. aufgrund eines Mangels an Oxalacetat), kann es im Mitochondrium (insbesondere in der Leber) für die Ketonkörpersynthese verwendet werden. Dies ist besonders im Hungerzustand oder (pathologischerweise) bei Insulinmangel (Diabetes mellitus) der Fall. Unter diesen Bedingungen läuft der Fettsäureabbau verstärkt ab, während die Kohlenhydratverwertung vermindert ist. Das nur in geringen Mengen vorhandene Oxalacetat dient dann in der Leber zur Gluconeogenese und „fehlt“ daher als Akzeptor für die Einschleusung von Acetyl-CoA in den Citratzyklus. In dieser Situation synthetisieren die Leberzellen aus Acetyl-CoA Ketonkörper, die die meisten Organe als Energielieferant (nach Rückumwandlung in Acetyl-CoA) verwenden können, vgl. unten. Dabei kondensieren zunächst drei Moleküle Acetyl-CoA zu 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA). Auf dem gleichen Weg kann HMG-CoA auch im Cytosol gebildet werden. Hier wird es durch die HMG-CoA-Reduktase zu Mevalonat reduziert, das durch

430

Kapitel 11

Phosphorylierung und Decarboxylierung in Isopentenylpyrophosphat übergeht. Dieses ist Ausgangsstoff für die Synthese von Terpenen und aller Steroide. Im Mitochondrium wird HMG-CoA dagegen durch die HMG-CoA-Lyase zu Acetacetat und Acetyl-CoA gespalten. Acetacetat kann mit NADH zu β-Hydroxybutyrat reduziert werden oder auch spontan decarboxylieren, wobei Aceton entsteht. Für dieses besteht keine Verwendung im Organismus; es wird mit der Atmung ausgeschieden. O

O SCoA

O

Thiolase

+

O SCoA

SCoA HSCoA

O SCoA, H2O HydroxymethylglutarylCoA-Synthase

O O

HO

HMG-CoA-Reduktase

C

OH

O

Cytosol

Mevalonat 2 NADP HSCoA

3 ATP

O

O

HO C

SCoA HMG-CoA

2 NADPH/H

Mitochondrium (v.a. Leber)

3 ADP + Pi + CO2

O O O O P P O O O

O

HydroxymethylglutarylCoA-Lyase

O

O +

O

Isopentenyl-PP

SCoA

Acetacetat NADH/H OH

Terpene, Gallensäuren Steroidhormone

O

O +

O

CO2

E-Hydroxybutyrat

Acetacetat, β-Hydroxybutyrat und Aceton werden oft auch als „Ketonkörper“ bezeichnet. Sie werden in erster Linie in der Leber produziert und gelangen mit dem Blut in andere Gewebe, wo Acetacetat und β-Hydroxybutyrat wieder in Acetyl-CoA überführt und zur Energieproduktion genutzt werden können. OH

O

O O NAD

O

O O

NADH/H

Succinyl-CoA

O

HSCoA SCoA

Succinat

O 2

SCoA

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

431

Lösung 293 a) Die β-Oxidation besteht aus der nachfolgend gezeigten Abfolge von Oxidation (Einführung einer trans-Doppelbindung zwischen C-2 und C-3), Hydratisierung (Bildung von β-Hydroxyacyl-CoA), Oxidation (Bildung von β-Ketoacyl-CoA) und thiolytischer Abspaltung von Acetyl-CoA. FAD

O CH3 (CH2)n CH2 CH2 C

FADH2

SCoA H

Acyl-CoADehydrogenase

O

CH3 (CH2)n C C C H

O CH3 (CH2)n

SCoA

Fettsäureacyl-CoA (um 2 C verkürzt)

HO H CH3 (CH2)n C C C

E-Ketoacyl-CoAThiolase

O CH3 C

H2O

Enoyl-CoAHydratase

usw.

C

H H

3-L-HydroxyacylCoA-Dehydrogenase

SCoA

SCoA

O SCoA

NAD O H HS

CH3 (CH2)n C C C

CoA

H

O SCoA

NADH/H

b) Bevor Fettsäuren durch β-Oxidation abgebaut werden können, müssen sie aktiviert und in die mitochondriale Matrix transportiert werden. Dafür muss Acyl-CoA durch die CarnitinAcyltransferase I in Acylcarnitin umgewandelt werden. Diese Reaktion ist für die gesamte β-Oxidation geschwindigkeitsbestimmend und kontrolliert so den nachfolgenden Fettsäureabbau. Die Carnitin-Acyltransferase wird durch Malonyl-CoA, das als C2-Donor in der Fettsäurebiosynthese dient, allosterisch gehemmt. Dadurch wird gewährleistet, dass Fettsäurebiosynthese und -abbau durch β-Oxidation nicht parallel ablaufen. c) Die drei erstgenannten Reaktionen (vgl. a)) finden sich analog im Citratzyklus; sie dienen der Regeneration von Oxalacetat aus Succinat. FAD Succinat

FADH2 Fumarat

H2O

NAD L-Malat

NADH/H Oxalacetat

432

Kapitel 11

Lösung 294 Es handelt sich um das sogenannte braune Fettgewebe. Dieses unterscheidet sich vom typischen (weißen) Fettgewebe durch seinen hohen Gehalt an Mitochondrien. Seine physiologische Funktion ist die Produktion von Wärme durch eine Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung. Die Mitochondrien des braunen Fettgewebes enthalten einen Protonenkanal, der als Entkopplerprotein bekannt ist („uncoupling protein“ (UCP1) oder Thermogenin genannt). Es handelt sich um ein Dimer aus zwei Untereinheiten von je 33 kDa, das dem mitochondrialen Adeninnucleotid-Translokator ähnelt.. Der Protonenfluss durch dieses Protein anstatt durch die ATP-Synthase erzeugt Wärme (auf Kosten der ATP-Produktion). Die durch UCP1 bewirkte Thermogenese ist die vorherrschende Art der Wärmeerzeugung bei Winterschlaf haltenden oder neugeborenen Säugetieren einschließlich Säuglingen und Kleinkindern. Kleinsäuger bis 10 kg besitzen überwiegend braunes Fettgewebe. Je kleiner die Tiere sind, umso höher ist der Beitrag zur Wärmeerzeugung gegenüber dem Kältezittern. Bei Säugetieren über 10 kg spielt die zitterfreie Wärmeerzeugung praktisch keine Rolle mehr. Fehlt das Thermogenin, geht die Funktion des braunen Fettgewebes verloren. UCP1 wird durch Fettsäuren auf folgendem Weg aktiviert: Im sympathischen Nervensystem wird Noradrenalin freigesetzt, das an den β3-Adrenozeptor in der Zellmembran der braunen Fettzellen bindet. Dadurch wird eine Adenylatcyclase aktiviert, die die Umwandlung von ATP zu zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) katalysiert. cAMP seinerseits aktiviert die Proteinkinase A, die wiederum durch Phosphorylierung eine Lipase aktiviert. Diese Lipase katalysiert die Umwandlung von Triacylglycerolen in freie Fettsäuren, die schließlich UCP1 aktivieren, indem sie dessen Hemmung durch Purinnucleotide (GDP, ADP) aufheben. Die Thermogenese wird dadurch beendet, dass die Mitochondrien freie Fettsäurereste oxidieren. Dadurch wird UCP1 inaktiv und die Zelle kehrt zur normalen Zellatmung zurück, bei der ATP synthetisiert wird.

Lösung 295 Für den Abbau ungesättigter Fettsäuren mit Doppelbindungen an ungeradzahligen C-Atomen (z.B. Ölsäure) wird gegenüber gesättigten Fettsäuren zusätzlich die Aktivität einer cis-'3Enoyl-CoA-Isomerase benötigt. Sind (zusätzlich) Doppelbindungen an geradzahligen C-Atomen vorhanden, wie bei der Linolsäure, wird darüberhinaus noch die 2,4-Dienoyl-CoA-Reduktase benötigt. Das folgende Schema zeigt den Ablauf der β-Oxidation für die Linolsäure. Nach dreimaliger β-Oxidation, d.h. Abspaltung von sechs C-Atomen in Form von drei Molekülen Acetyl-CoA, besteht die Kette noch aus 12 C-Atomen; die erste cis-Doppelbindung (an C-9 der Linolsäure) befindet sich nur an C-3. Sie wird von der cis-'3-Enoyl-CoA-Isomerase in eine trans-'2-Doppelbindung umgewandelt. Danach kann hydratisiert, oxidiert und durch Coenzym A thiolytisch ein weiteres Acetyl-CoA abgespalten werden. Damit ist in dem verbliebenen Acyl-CoA eine cis-'4-Doppelbindung entstanden. Diese wird durch die Acyl-CoADehydrogenase zum 2,4-Dienoyl-CoA oxidiert, das von der 2,4-Dienoyl-CoA-Reduktase zum '3-Enoyl-CoA reduziert wird. Die erneute Aktivität der cis-'3-Enoyl-CoA-Isomerase überführt das '3-Enoyl-CoA in trans-'2-Enoyl-CoA, wonach die β-Oxidation wie üblich weiterlaufen kann.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

433 O SCoA

3 NAD

+

3 FAD

+

3 CoA-SH 3 mal E-Oxidation

3 NADH/H

+

3 FADH2

+

3 Acetyl-CoA

J

Problem 1: E,J-Doppelbindung

O

E

SCoA

3

cis-'3-Enoyl-CoA-Isomerase SCoA O NAD

+

FAD

+

CoA-SH 1 malE-Oxidation

NADH/H

+

FADH2

+

Acetyl-CoA 4

Problem 2: cis-'4-Doppelbindung

SCoA O

FAD erste Oxidation der folgenden Runde FADH2 5

2

4 3

NADPH/H

SCoA O

2,4-Dienoyl-CoA-Reduktase NADP

O SCoA cis-'3-Enoyl-CoA-Isomerase O SCoA

weitere E-Oxidation

434

Kapitel 11

Lösung 296 a) Als Endprodukt der E-Oxidation verbleibt Propionyl-CoA, das durch die biotinabhängige Carboxylierung in S-Methylmalonyl-CoA überführt wird. Der nucleophile Angriff auf CO2 erfolgt durch ein Carbanion von Propionyl-CoA. Während sich aufgrund der Resonanzstabilisierung durch die Thioestergruppe an C-2 relativ leicht ein Carbanion bildet, wäre ein Carbanion an C-3 sehr instabil. Die Carboxylierung an C-2 erfolgt daher wesentlich leichter. O CH3 CH2 C

SCoA

H

Propionyl-CoA

ATP + CO2

ADP + Pi

CH3 CH C

CH3 CH C

SCoA

H CH3

O

Methylmalonyl-CoA Racemase

SCoA

Cobalamin

H OOC C

O C

CH3

SCoA

R-Methylmalonyl-CoA

S-Methylmalonyl-CoA Methylmalonyl-CoAMutase

SCoA

mesomeriestabilisiertes Carbanion (Enolat-Ion)

OOC C C Propionyl-CoA-Carboxylase

O

O

O OOC CH2 CH2 C Succinyl-CoA

SCoA

Nach der Isomerisierung zu R-Methylmalonyl-CoA katalysiert die Methylmalonyl-CoAMutase eine Gerüstumlagerung zu Succinyl-CoA, das im Citratzyklus weiter verarbeitet werden kann. Die Methylmalonyl-CoA-Mutase benötigt Vitamin B12, eine komplizierte Verbindung mit einem Cobalt-Ion im Zentrum eines Corrin-Ringsystems. Das für die Reaktion der Pyruvat-Carboxylase aufgewendete ATP wird (in Form von GTP) bei der Reaktion von Succinyl-CoA zu Succinat wieder zurückgewonnen. b) Succinat kann in Oxalacetat umgewandelt werden; dies kann im Citratzyklus als Akzeptor für Acetyl-CoA verbleiben, durch Transaminierung in Aspartat umgewandelt oder für die Gluconeogenese verwendet werden. Nach Dehydrierung zu Fumarat und Hydratisierung zu Malat kann dieses oxidativ zu Pyruvat decarboxyliert und weiter zu Acetyl-CoA abgebaut werden. Auf diese Weise liefert ein Propionyl-CoA neben einem Acetyl-CoA in summa zwei NADH-Äquivalente und ein FADH2, also nach Verwertung in der Atmungskette maximal 6,5 zusätzliche Moleküle ATP.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

O

GTP

GDP + Pi

O

435 FADH2

O O

O

SCoA

FAD

O

O

O

O HS

NADH/H

O

CoA

H2O

NAD

NADPH/H

O

SCoA HS

OH

NADP

O

O

COO CO2

O

O

O O

CoA CO2

Weiterhin dient Succinat als Baustein für die Häm-Biosynthese; es reagiert dazu im ersten Schritt mit Glycin zur G-Aminolävulinsäure.

Lösung 297 a) Die Fettsäurebiosynthese verläuft über eine Kondensation von C2-Einheiten. Allerdings können Acetyl-CoA-Moleküle nicht in einer direkten Umkehrung der β-Oxidation verknüpft werden, sondern müssen zunächst durch Carboxylierung zu Malonyl-CoA aktiviert werden. Die exergone Decarboxylierung von Malonyl-CoA liefert die Triebkraft für die Ausbildung der neuen C–C-Bindung. Dieser erste (und geschwindigkeitsbestimmende) Schritt der Fettsäuresynthese wird durch die Acetyl-CoA-Carboxylase katalysiert. Das Enzym benötigt Biotin als Cofaktor; der Mechanismus ist vergleichbar dem der Pyruvat-Carboxylase in der Gluconeogenese. Hydrogencarbonat wird zunächst durch ATP zum gemischen Anhydrid aktiviert und dann auf (enzymgebundenes) Biotin übertragen. Das so aktivierte CO2 wird dann nucleophil durch das Enol/Enolat-Ion von Acetyl-CoA unter Bildung von Malonyl-CoA angegriffen. Summarisch ergibt sich: HCO3 E

Biotin

+

ATP

ADP

+

O

Pi E

Biotin

CO2

O SCoA

OOC

SCoA

Malonyl-CoA

Dabei laufen folgende Einzelschritte ab:

436

Kapitel 11

O HO

C

O

+

O

O

O

O

P O

P O

P O Adenosin

O

O

O

O Enzym-Biotin

+

HO

C O

O O

ADP

O

HO

P O

O

O SCoA O

bzw. Enzym-Biotin

+

O

O

Enzym-Biotin-COO O C O

+

P

O

Enzym-Biotin

+

O O

Enzym-Biotin-COO

H SCoA

C O

O P

O HO

SCoA

OOC

SCoA

+

Enzym-Biotin

b) Die Acetyl-CoA-Carboxylase aus Säugern, ein Polypeptid mit ca. 230 kDa, unterliegt sowohl allosterischer wie auch hormoneller Kontrolle. Citrat, das eine ausreichende Energieversorgung der Zelle und damit die Möglichkeit zur Fettsäuresynthese signalisiert, wirkt aktivierend, langkettige Acyl-CoA-Moleküle dagegen fungieren als Rückkopplungsinhibitoren. Außerdem ist die Acetyl-CoA-Carboxylase das Substrat verschiedener Kinasen. Das Enzym besitzt sechs potentielle Phosphorylierungsstellen, wobei jedoch nur die Phosphorylierung von Ser-79 zur Inaktivierung des Enzyms führt. Glucagon und Adrenalin fördern die Phosphorylierung über die cAMP-abhängige Proteinkinase A (wahrscheinlich durch Hemmung der Dephosphorylierung), während Insulin zur Dephosphorylierung (d.h. Aktivierung) des Enzyms führt. Daneben ist auch eine Phosphorylierung über einen cAMP-unabhängigen Weg durch eine AMP-abhängige Proteinkinase möglich.

Lösung 298 a) Das radioaktiv markierte H14CO3– taucht im Produkt Palmitat nicht auf. Es wird zwar von der Acetyl-CoA-Carboxylase in Malonyl-CoA eingebaut; bei der Kondensation von MalonylCoA mit dem an das Acylcarrier-Protein gebundenen Acetyl-CoA wird dieser Kohlenstoff jedoch wieder als CO2 abgespalten. Hat man dagegen die Methylgruppe des Acetyl-CoA markiert, so findet sich die 14C-Markierung in jedem zweiten C-Atom im Palmitat ausgehend vom Methylende. Die Carboxylatfunktion ist also unmarkiert. b) 8 Acetyl-CoA + 14 NADPH + 7 ATP + 7 H+  o Palmitat + 8 HS-CoA + 14 NADP+ + 6 H2O + 7 ADP + 7 Pi Sieben der acht Moleküle Acetyl-CoA werden unter Verbrauch von ATP zu Malonyl-CoA carboxyliert; das hierbei verbrauchte Hydrogencarbonat wird bei der Knüpfung der C–CBindung durch die Decarboxylierung wieder freigesetzt. Für die beiden Reduktionsschritte

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

437

pro Zyklus werden insgesamt 14 NADPH verbraucht. Eines der sieben H2O-Moleküle, die bei den Dehydratisierungsschritten des 3-Hydroxyacyl-SACP-Intermediats entstehen, wird zur Hydrolyse des nach 7 Zyklen entstandenen Palmitoyl-CoA zum Produkt, dem Palmitat, benötigt.

Lösung 299 Die Fettsäurebiosynthese erfolgt im Cytosol und benötigt neben Acetyl-CoA als Kohlenstoffbaustein NADPH/H+ als Reduktionsmittel. Acetyl-CoA entsteht zum großen Teil aus Pyruvat; jedoch ist der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, der diese oxidative Decarboxylierung katalysiert, im Mitochondrium lokalisiert. Acetyl-CoA muss also aus der Matrix ins Cytosol gelangen. Aufgrund seiner Polarität kann es die innere Mitochondrienmembran nicht passieren. Da auch kein spezifischer Carrier existiert, ist der folgende Umweg erforderlich. Das AcetylCoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat, wie es auch geschieht, wenn Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust wird. Citrat kann mit Hilfe eines Carriers ins Cytosol transportiert werden, wo es durch die Citrat-Lyase unter ATP-Aufwand wieder zu Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten wird. Citrat + HSCoA + ATP

 o Acetyl-CoA + Oxalacetat + ADP + Pi

Das Oxalacetat seinerseits kann nicht direkt ins Mitochondrium zurücktransportiert werden. Es wird mit NADH/H+ durch die Malat-Dehydrogenase zu Malat reduziert, welches anschließend durch das Malat-Enzym oxidativ zu Pyruvat decarboxyliert wird; dabei entsteht aus NADP+ ein NADPH/H+. Als Summengleichung ergibt sich: Oxalacetat + NADH/H + + NADP +

 o Pyruvat + CO 2 + NADPH/H + + NAD +

Pyruvat wird ins Mitochondrium transportiert und muss dort durch die Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat carboxyliert werden, damit dieses wieder als Akzeptor für Acetyl-CoA zur Verfügung steht. Diese Reaktion ist ATP-abhängig, so dass für die Regeneration von Oxalacetat im Mitochondrium insgesamt ein Molekül ATP verbraucht wird. Pyruvat + HCO3 + ATP  o Oxalacetat + ADP + Pi

Insgesamt entsteht durch die Reaktion von Oxalacetat zu Pyruvat im Cytosol aus NADH/H+ ein NADPH/H+, das als Reduktionsmittel bei der Fettsäurebiosynthese fungiert. Der Rest des benötigten NADPH/H+ wird durch den Pentosephosphatweg bereitgestellt. Für den Transport von einem Molekül Acetyl-CoA aus dem Mitochondrium ins Cytosol und den damit assoziierten Protonentransfer von NADH auf NADP+ müssen somit insgesamt zwei Moleküle ATP aufgewendet werden.

Lösung 300 Palmitinsäure kann unter Mitwirkung von Elongasen und Desaturasen in längerkettige gesättigte und ungesättigte Fettsäuren überführt werden. Die Elongation unterscheidet sich etwas,

438

Kapitel 11

je nach dem, ob sie in den Mitochondrien oder im endoplasmatischen Retikulum stattfindet. Im Mitochondrium werden in Umkehrung der E-Oxidation Acetyleinheiten addiert und anschließend reduziert. Für beide Reduktionsschritte wird NADPH/H+ verwendet. Im endoplasmatischen Retikulum wird das Acyl-CoA in Analogie zur von der Fettsäure-Synthase katalysierten Reaktion durch Kondensation mit Malonyl-CoA verlängert. O OOC CH2 C

SCoA Malonyl-CoA

O

O bzw. CH3 C

CH3(CH2)14 C

+

SCoA

SCoA

Palmitoyl-CoA

O

HSCoA Thiolase

CH3(CH2)14

OH

usw.

Stearinsäure +

O

H2O

HSCoA

O

CH3(CH2)14

SCoA

O CH3(CH2)14

SCoA

3-HydroxyacylCoA-Dehydrogenase

Stearoyl-CoA

NADPH/H NADP

Enoyl-CoAReduktase

NADP NADPH/H

Enoyl-CoAHydratase

O CH3(CH2)14

OH

O

CH3(CH2)14

SCoA

SCoA L-E-Hydroxyacyl-CoA

DE-trans- Enoyl-CoA

H2O

Ungesättigte Fettsäuren werden mit Hilfe von terminalen Desaturasen gebildet. Dem Menschen fehlen jedoch Desaturasen, die Doppelbindungen jenseits von C-9 einführen können, so dass die Bildung von Linolsäure (cis-'9,12-Octadecadiensäure) aus Ölsäure nicht möglich ist. Linolsäure gehört daher zu den essentiellen Fettsäuren, die mit der Nahrung (aus Pflanzen, welche entsprechende '12- und '15-Desaturasen besitzen) aufgenommen werden muss. O 9

CH3(CH2)14

H3 C

SCoA

(CH2)6 +

+

NADH

(CH2)6 2 H2O

+

NAD

+

H

SCoA C O

+

O2

'

-Fettsäure-Acyl-CoA-Desaturase

H2O H3C

(CH2)6

(CH2)6 Ölsäure

C O

OH

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

439

Lösung 301 Aceton kann im Zuge einer nichtenzymatischen Decarboxylierung aus Acetacetat (einer EKetosäure) entstehen. Acetacetat ist ein Produkt der Ketogenese (Ketonkörper-Bildung), im Zuge derer Acetyl-CoA, welches nicht im Citratzyklus zur Energiegewinnung abgebaut wird, in die sogenannten Ketonkörper umgewandelt wird. Zu letzteren wird auch das E-Hydroxybutyrat gezählt (obwohl es keine Ketogruppe enthält), welches durch Reduktion aus Acetacetat entsteht. Acetacetat und E-Hydroxybutyrat gelangen über die Blutbahn in die peripheren Gewebe, wo sie als Energielieferanten genutzt werden können, insbesondere in Herz- und Skelettmuskulatur. Das Gehirn verwertet unter normalen Stoffwechselbedingungen nur Glucose als Energiequelle; bei ausbleibender Nahrungszufuhr (Fasten) kann es aber auf die wasserlöslichen Ketonkörper als Hauptenergiequelle umstellen. Die Bildung von Acetacetat verläuft in drei Schritten, vgl. nachfolgendes Schema: Zwei Moleküle Acetyl-CoA werden durch die Thiolase zu Acetacetyl-CoA kondensiert, das – katalysiert durch die HMG-CoA-Synthase – mit einem weiteren Molekül Acetyl-CoA zu 3Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) reagiert. Im dritten Schritt katalysiert die HMG-CoA-Lyase eine Aldol-Claisen-Esterspaltung zu Acetacetat und Acetyl-CoA. Mechanistisch verläuft diese Reaktion analog der Rückreaktion der von der Citrat-Synthase katalysierten Reaktion. Acetacetat kann durch die β-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase zu D-βHydroxybutyrat reduziert werden oder aber spontan in einer nicht enzymatischen Decarboxylierung zu CO2 und Aceton zerfallen. Dies führt bei Patienten mit einer Ketose (Acetacetat wird schneller gebildet, als es weiter umgesetzt werden kann) zu dem typischen süßlichen Geruch des Atems nach Aceton. O

O SCoA

+

O

Thiolase

O

SCoA

SCoA HSCoA

O SCoA, H2O HydroxymethylglutarylCoA-Synthase

O

O

O +

O

SCoA

HydroxymethylglutarylCoA-Lyase

O O

HO C

O SCoA

3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA Reduktion

Decarboxylierung

H

O +

CO2

NADH/H

NAD

O

O

O E-Hydroxybutyrat

440

Kapitel 11

Lösung 302 In der E-Oxidation wird Palmitoyl-CoA zu 8 Molekülen Acetyl-CoA abgebaut; zusätzlich entstehen in den 7 Runden der E-Oxidation 7 NADH/H+ und 7 FADH2. Der Abbau von Acetyl-CoA im Citratzyklus liefert pro Umlauf 3 NADH/H+ und 1 FADH2. Insgesamt können also 31 NADH/H+ und 15 FADH2 in die Atmungskette eingespeist werden. Pro Reduktionsäquivalent werden zwei Protonen und zwei Elektronen zur Verfügung gestellt, so dass an der Cytochrom c-Oxidase, dem Komplex IV der Atmungskette, durch Reduktion von Sauerstoff ein Molekül Wasser gebildet werden kann. Insgesamt können durch Oxidation der Reduktionsäquivalente also 46 Moleküle Wasser entstehen. Für die Gesamtbilanz ist zu beachten, dass pro Runde der E-Oxidation für die Hydratisierung des Enoyl-CoA ein H2O benötigt wird (insgesamt also 7) und dass im Zuge der Oxidation von Acetyl-CoA im Citratzyklus zwei Moleküle Wasser aufgenommen werden (für die Hydrolyse von Citryl-CoA zu Citrat und die Hydratisierung von Fumarat zu Malat). Für den Abbau von 8 Acetyl-CoA werden im Citratzyklus also 16 H2O benötigt. Damit steht dem Ertrag von insgesamt 46 H2O ein Aufwand von 23 H2O gegenüber, so dass insgesamt pro Mol Palmitoyl-CoA 23 mol Wasser entstehen. Bei einer molaren Masse von rund 18 g/mol entspricht dies insgesamt einem Gewinn von 414 g Wasser.

Lösung 303 Linolsäure muss zunächst zu Linolyl-CoA aktiviert werden. Dann kann mit Hilfe einer entspechenden Desaturase eine weitere cis-Doppelbindung eingefügt werden; es entsteht das J-Linolenyl-CoA. Dagegen kann α-Linolensäure (cis-'9,12,15-Octadecatriensäure) vom Menschen nicht gebildet werden, da Desaturasen für die Einführung von Doppelbindungen jenseits von C-9 fehlen. Im nächsten Schritt erfolgt die Elongation um eine C2-Einheit; das Produkt ist das '8,11,14-Eicosatrienyl-CoA. Durch erneute Einwirkung einer Desaturase entsteht hieraus das '5,8,11,14-Eicosatetraenyl-CoA (Arachidonyl-CoA). Der Großteil davon wird für die Synthese von Phospholipiden benutzt; hieraus kann durch Einwirkung der Phospholipase A2 die Arachidonsäure hydrolytisch freigesetzt werden. Arachidonsäure ist der Vorläufer einer Gruppe von Verbindungen, die als Eicosanoide bezeichnet werden. Zu ihnen gehören die Prostaglandine und die Thromboxane, an deren Synthese die Cyclooxygenase beteiligt ist, sowie die Leukotriene, deren Bildung durch Angriff der Lipoxygenase auf Arachidonsäure eingeleitet wird.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel AMP, PPi

ATP, HSCoA '

441

Linolsäure -Octadecadiensäure

Linolyl-CoA

9,12

Elongase

Desaturase

J-Linolenyl-CoA '

Desaturase

'8,11,14-Eicosatrienoyl-CoA

6,9,12

-Octadecatrienoyl-CoA

Arachidonyl-CoA '

5,8,11,14

-Eicosatetraenoyl-CoA H2O

HSCoA

Arachidonsäure

Lösung 304 a) Die Carbamoylphosphat-Synthetase I katalysiert die Bildung von Carbamoylphosphat im Harnstoffzyklus. Diese Reaktion erfolgt im Mitochondrium, ebenso die Kondensation von Carbamoylphosphat mit Ornithin zu Citrullin. Die weiteren Reaktionen des Harnstoffzyklus finden im Cytosol statt. O HO

O O

AMP

+

O

P O

O

CarbamoylphosphatSynthetase I

O P O O

O HO

O

PO32

+

ADP

O

O HO

AMP O

O O

PO3

2 +

NH3

H 2N

OH

+

Pi

O P O O O O

P

CarbamoylphosphatSynthetase I

O H2N

O

PO32

+

ADP

b) N-Acetylglutamat entsteht durch Acetylierung der Aminosäure Glutamat mit Acetyl-CoA. Glutamat wiederum ist das Transaminierungsprodukt anderer Aminosäuren, die im Zuge verstärkten Proteinabbaus gebildet werden. Die erhöhte Glutamatkonzentration führt zu vermehrter Bildung von N-Acetylglutamat und damit zur Aktivierung der CarbamoylphosphatSynthetase I. Dadurch wird die Harnstoffbildung beschleunigt und somit sichergestellt, dass der bei verstärktem Aminosäureabbau in erhöhter Konzentration anfallende Ammoniak effizient entgiftet werden kann.

442

Kapitel 11

Lösung 305 a) Das zweite Stickstoffatom des Harnstoffs wird durch die Kondensation der Ureidogruppe des Citrullins (entstanden aus Ornithin und Carbamoylphosphat) mit der Aminogruppe von Aspartat durch die Argininosuccinat-Synthetase eingeführt. Dabei wird das Sauerstoffatom durch Reaktion mit ATP unter Bildung eines Citrullyl-AMP-Derivats zu einer guten Abgangsgruppe aktiviert. Anschließend wird AMP durch nucleophilen Angriff der Aminogruppe von Aspartat verdrängt. Da das freigesetzte Pyrophosphat sofort durch die Pyrophosphatase hydrolysiert wird, kostet dieser Schritt zwei ATP-Äquivalente. Im folgenden Schritt katalysiert die Argininosuccinat-Lyase die Eliminierung von Fumarat (= Zwischenprodukt im Citratzyklus) unter Freisetzung von Arginin. Die Reaktion folgt einem E1cB-Mechanismus; als Base für die Deprotonierung dient ein Histidinrest des Enzyms. Das Fumarat kann über Oxalacetat durch Transaminierung wieder in Aspartat überführt und so für die Reaktion der Argininosuccinat-Synthetase regeneriert werden. COO H3N

C

H

H3 N

CH2 CH2

+

O

O

CH2

P O

P O

P O Ade

CH2

O

O

O

CH2

PPi

NH C

Citrullin

C

H2N

COO

CH2

H3N

H2N

O AMP

COO

OOC

C

OOC

NH CH

Arginino- COO succinat

C H

CH2 NH

NH CH

H2N

Aspartat

CH2

E1cB

NH C

AMP

C H CH2

NH

CH2

ArgininosuccinatLyase

CH2

H2N

CH2

COO

C H CH2

H

CH2 COO

2 Pi

H3 N

C

CH2

ArgininosuccinatSynthetase

NH

Pyrophosphatase

O

H3N

C H

O O

CH2

H2 N

COO

COO

B H

H2N

C

+

OOC

COO

Fumarat

NH2

Arginin

COO

b) Ein Defekt der Argininosuccinat-Lyase führt zu vermehrter Ausscheidung von Argininosuccinat mit dem Urin; Ornithin wird nicht regeneriert und steht somit nicht als Akzeptor für Carbamoylphosphat zur Verfügung. Man müsste also für entsprechende Zufuhr von Ornithin, einer nichtproteinogenen Aminosäure, sorgen, was in der Praxis i.A. durch vermehrte Gabe von Arginin erfolgt, das durch die Arginase in Ornithin und das Ausscheidungsprodukt Harnstoff gespalten wird. Zudem ist auf eine proteinarme Diät zu achten.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

443

Lösung 306 a) Die meisten Aminosäuren werden durch Transaminierung, d.h. die Übertragung der Aminogruppe auf eine α-Ketosäure, desaminiert. Neben einer neuen Aminosäure entsteht dabei aus der ursprünglichen Aminosäure eine α-Ketosäure. Der wichtigste Akzeptor hierbei ist αKetoglutarat, das in Glutamat übergeht. Die Aminogruppe von Glutamat kann in einer zweiten Transaminierungsreaktion auf Oxalacetat übertragen werden; es entstehen Aspartat und αKetoglutarat. Als Coenzym fungiert das Pyridoxalphosphat. Die zweite Möglichkeit zur Umwandlung von Glutamat in α-Ketoglutarat ist eine oxidative Desaminierung; hierbei wird die Aminogruppe von Glutamat mit NAD+ bzw. NADP+ intermediär zur Iminogruppe oxidiert, die anschließend zu α-Ketoglutarat und NH4+ hydrolysiert. Die Reaktion wird von der Glutamat-Dehydrogenase katalysiert; als Coenzym kann sowohl NAD+ als auch NADP+ fungieren, was eine Besonderheit der Glutamat-Dehydrogenase ist.

x Transaminierung (Coenzym: Pyridoxalphosphat): O 2

O

O

O

OH

O3PO

O

O +

O NH3

O

Glutamat

N H

O

O

H

O

Oxalacetat

+

O

O

O NH3

NH3

Transaminase Coenzym: PLP

O

O

O

CH3

D-Ketoglutarat

O

Aspartat

x oxidative Desaminierung: (Coenzym: NAD(P)+) O

O

O

NAD(P)

Glutamat

O

O

O NH3

O

NAD(P)H/H

Glutamat-Dehydrogenase

H2O O

NH2

D-Iminoglutarat

O

NH4

O

O

O NH3

D-Ketoglutarat

b) Die oben gezeigte Transaminierung wird von der Aspartat-Aminotransferase (AST; oft auch als Glutamat-Oxalacetat-Aminotransferase (GOT) bezeichnet) katalysiert. Enzymaktivitätsmessungen sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Erfassung und Überwachung zahlreicher Krankheitszustände. Bei Erkrankungen der Leber, des Herzens und der Pankreas sind die Ergebnisse von Enzymbestimmungen oft unentbehrlich für Differentialdiagnose, Verlaufsund Therapiekontrolle. Normalerweise findet man nur eine geringe Aktivität dieser Enzyme im Blut. Werden Leberzellen oder Myokardzellen geschädigt oder gehen zu Grunde, steigt die Aktivität im Blut stark an. Man bestimmt AST und ALT (Alanin-Aminotransferase) heute vor allem zur Erkennung und Verlaufsbeobachtung von Lebererkrankungen. Auch bei Erkrankungen der Gallenwege ist die Bestimmung von AST und ALT wichtig. Die Bestimmung der AST zur Erkennung und Beobachtung von Herzerkrankungen und Muskelerkrankungen ist weitgehend durch den Einsatz besserer Marker (z.B. Troponin, Myoglobin, Creatin-Kinase (CK, CKMB)) abgelöst worden.

444

Kapitel 11

Lösung 307 In den meisten Geweben wird Ammoniak durch das Enzym Glutamin-Synthetase in das nicht toxische Glutamin eingebaut, das anschließend mit dem Blut zur Leber transportiert wird. Dort wird Glutamin durch das Enzym Glutaminase hydrolytisch in Glutamat und Ammoniak gespalten. O

O

O

O

O

ATP

+

O O

O

NH3

O

NH3

P O

ADP

+

O

Glutamat O

O

O H

NH4

O O

NH3

NH3

P O

O

O

O

O

Glutamin-Synthetase

O

O NH2

+

H 2O

+

HPO4

O

+

NH4

NH3

O

O

NH2

Glutaminase

O

O

NH3

NH3

Im Muskel wird dagegen ein anderer Weg benutzt, der als Glucose-Alanin-Zyklus bekannt ist. Im Zuge der Glykolyse entsteht Pyruvat, das in einer Transaminierungsreaktion mit Glutamat zu α-Ketoglutarat und Alanin umgesetzt wird. Diese Reaktion benötigt Pyridoxalphosphat als Coenzym der Alanin-Aminotransferase. Der Stickstoff im Glutamat wiederum stammt aus beim Aminosäureabbau entstandenen Ammoniak; die reduktive Aminierung von α-Ketoglutarat zu Glutamat wird durch die Glutamat-Dehydrogenase katalysiert. Alanin wird zur Leber transportiert, wo die beschriebene Reaktionsfolge in umgekehrter Richtung verläuft. O

O

O

O

+

NH4

+

NAD(P)H/H

O

GlutamatDehydrogenase

O

O

+

O NH3

O

NAD(P) H2O

+

Aminosäure-Abbau

O

O

O

O

O NH3

+

AlaninAminotransferase

O O

PLP

O

O

O

O

O O

+

O NH3

Leber

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

445

Lösung 308 An der Decarboxylierung von Aminosäuren ist, ebenso wie bei der Transaminierung, das Coenzym Pyridoxalphosphat (PLP) beteiligt. Dabei entsteht analog wie bei der Transaminierung im ersten Schritt aus dem an einen Lysinrest des Enzyms gebundenen PLP das entsprechende Imin mit der Aminosäure (hier: DOPA). Während es bei der Transaminierung anschließend zu einer Tautomerisierung kommt (Bruch der α-C-H-Bindung), wird zur Bildung des biogenen Amins die Bindung zur Carboxylgruppe gespalten. Es entsteht ein chinoides System, das durch Tautomerisierung wieder in das Imin übergeht; dieses wird im letzten Schritt zum biogenen Amin und PLP hydrolysiert. OH O

DOPA

HO

OH

O NH2

OH

+

H 2

OH

HO

C

O

N

O H

O 2

OH

O3PO

O

H2O

H

OH

O3PO N

CH3

O

H

N

2

CH3

H

H OH

O3PO N

H

Pyridoxalphosphat

N

CH3

H OH

CO2

HO

H HO

H H2O C 2

HO HO

NH2 Dopamin

N

H OH

O3PO N H

CH3

N

HO 2

OH

O3PO N

CH3

H

In analoger Weise werden auch eine Reihe weiterer biogener Amine gebildet, so entstehen z.B. Histamin aus Histidin, J-Aminobutansäure (J-Aminobuttersäure, GABA) aus Glutamat oder 5-Hydroxytryptamin (Serotonin) aus 5-Hydroxytryptophan. Das Dopamin wird anschließend von der Dopamin-β-Hydroxylase, einer kupferhaltigen Monooxygenase, zu Noradrenalin hydroxyliert. Die Reaktion benötigt Ascorbat als Cofaktor. Im letzten Schritt wird das Noradrenalin zum Adrenalin methyliert; S-Adenosylmethionin fungiert als Methylgruppendonor.

446

Kapitel 11

HO

Ascorbat + O2

NH2

Dehydroascorbat + H 2O

OH HO

Dopamin-Hydroxylase

HO

NH2

HO

Dopamin

Noradrenalin NH2 OH

HO

OOC

S

N

O

+

H 2N

HO

N

CH3

OH

PhenylethanolaminN-Methyltransferase

OH

NH2 N

OOC

HO

S O

+

H

Adrenalin

S-Adenosylmethionin

SN2 Methylierung

OH

HO

N

NH3

Noradrenalin

N

N

CH3

N

N N +

NH3

H

S-Adenosylhomocystein OH

OH

Lösung 309 Aspartat liefert im Harnstoffzyklus das zweite Stickstoffatom für die Harnstoffbildung. Dabei reagiert es mit aktiviertem Citrullin (Citrullyl-AMP) zu Argininosuccinat, das im Folgeschritt zu Arginin und Fumarat gespalten wird.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

AMP O

O

O

O

P O

P O

O

O

447

PPi

NH2

C

H AMP O

NH

+

(CH2)3

NH

H C NH3

C

N

OOC H AMP

H2N C CH2

COO

COO

H C NH3 COO

H CH2

+

(CH2)3

COO Citrullin

OOC

C

NH2

C

NH2

Citrullyl-AMP

NH (CH2)3

Argininosuccinat

H C NH3 COO

b) Die Spaltung von Argininosuccinat durch die Argininosuccinase liefert neben Arginin auch Fumarat. Dieses kann durch analoge Reaktionen wie im Citratzyklus über Malat in Oxalacetat umgewandelt werden. Allerdings laufen diese Reaktionen nicht im Mitochondrium, sondern im Cytosol ab. Anschließend kann Oxalacetat durch Transaminierung in Aspartat überführt werden. Dieser Reaktionszyklus liefert ein zusätzliches NADH/H+ (entsprechend ca. 2,5 ATP in der Atmungskette) und damit einen Beitrag zum Energieaufwand der Harnstoffsynthese (erfordert vier „energiereiche“ Bindungen).

Lösung 310 a) Durch eine Pyridoxalphosphat-abhängige Transaminierung einer α-Ketosäure entstehen die drei proteinogenen Aminosäuren Alanin (aus Pyruvat), Aspartat (aus Oxalaceteat) und Glutamat (aus α-Ketoglutarat):

448

Kapitel 11 O

O R

+

O O

O NH3

O OOC

R

O

O O

R

+

O

O

OOC

R

+

R

O

+

OOC

O NH3 Aspartat O

O Transaminase

O NH3

D-Aminosäure

D-Ketoglutarat

O O

O O

Alanin

O D-Ketosäure

D-Aminosäure

O

O NH3

O Transaminase

NH3

Oxalacetat

+

O D-Ketosäure

D-Aminosäure

Pyruvat

O

O Transaminase

R

O

+

OOC

O NH3

O D-Ketosäure

Glutamat

b) Bei einer reduktiven Aminierung wird eine Carbonylgruppe (einer α-Ketosäure) in eine Aminogruppe umgewandelt. Auf diese Weise wird Glutamat aus α-Ketoglutarat gebildet; die Reaktion ist reversibel. Das beteiligte Enzym, die Glutamat-Dehydrogenase, existiert in verschiedenen Isoformen, die entweder NADPH (in Bakterien, Pflanzen) oder NADH als Reduktionsmittel benutzen. O

GlutamatDehydrogenase

O

O

O O D-Ketoglutarat

+

NAD(P)H/ H

+

NH4

O

O

O

O NH3

+

NAD(P) + H2O

Glutamat

Im tierischen Organismus ist die Glutamat-Dehydrogenase im Mitochondrium lokalisiert und katalysiert bevorzugt die oxidative Desaminierung (d.h. die Rückreaktion) unter Bildung von α-Ketoglutarat, das im Citratzyklus verwertet werden kann.

Lösung 311 a) Glutamin liegt im physiologischen pH-Bereich als Zwitterion vor. Die Amidgruppe in der Seitenkette besitzt trotz des freien Elektronenpaars am Stickstoff aufgrund dessen Konjugation mit der C=O-Gruppe (Mesomeriestabilisierung) praktisch keine basischen Eigenschaften.

O

O NH2

O NH3 Glutamin

b) In den Zellen des proximalen Tubulus der Niere wird Glutamin zunächst zu Glutamat hydrolysiert und in einem weiteren Schritt in D-Ketoglutarat umgewandelt. Der dabei gebildete Ammoniak dient v.a. zur Neutralisation von Säuren im Urin; er wird

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

449

dazu an das Lumen des proximalen Tubulus abgegeben und bindet dort Protonen unter Bildung von NH4+. Das D-Ketoglutarat ist ein Intermediat des Citratzyklus und kann dort eingespeist werden. Dies ermöglicht es, Oxalacetat aus dem Citratzyklus abzuzweigen, ohne dadurch den Ablauf des Citratzyklus einzuschränken (anaplerotische Reaktion). Dadurch kann die Niere einen Beitrag zur Gluconeogenese leisten, der bei kurzzeitigem Nahrungsmangel zwar nur ca. 10 % ausmacht (der überwiegende Anteil an Glucose wird von der Leber gebildet), bei längerem Nahrungsmangel jedoch bis zu 40 % betragen kann. c) Glutamin ist unverzichtbar bei der Nucleinsäuresynthese. In sämtlichen Zellen des Körpers wird Glutamin als Stickstoff-Donor für die Synthese der Purine und Pyrimidine benötigt. So stammen im Puringrundgerüst die N-Atome an Position 3 und 9 (rot) vom Glutamin, ebenso die zusätzliche Aminogruppe im nebenstehend gezeigten Guanin (blau). Bei der Pyrimidinsynthese kondensiert im ersten Schritt Carbamoylphosphat mit Aspartat; hier stammt die Aminogruppe des Carbamoylphosphats vom Glutamin.

O N

HN H2N

N Guanin

N H

Auch in Aminozuckern stammt die Aminogruppe vom Glutamin, z.B. bei der Bildung von Glucosamin-6-phosphat aus Fructose-6-phosphat. O O

NH2 NH3

2

O3PO

CH2

OH

O HO

O

O

CH2OH

OH Fructose-6-phosphat

O

O

O NH3 2

O3PO

H2C

HO HO

O OH NH2

Glucosamin-6-phosphat

Lösung 312 Eine entscheidende Rolle beim Proteinabbau spielt das Protein Ubiquitin, das aus 76 Aminosäuren besteht, und zur Markierung von Proteinen dient, die abgebaut werden sollen. Dieser ATP-abhängige Vorgang verläuft in drei Schritten, die zu einer kovalenten Verknüpfung von H-Aminogruppen von Lysinresten des Proteins mit den C-terminalen Glycinresten des Ubiquitins führen. Dafür wird das Ubiquitin zunächst unter ATP-Verbrauch über eine Thioesterbindung mit dem Ubiquitin-aktivierenden Enzym (E1) verknüpft und anschließend auf eine spezifische SH-Gruppe des Ubiquitin-konjugierenden Enzyms (E2) übertragen. Anschließend wird das aktivierte Ubiquitin durch die Ubiquitin-Protein-Ligase (E3) unter Bildung einer Isopeptidbindung auf einen Lysinrest eines zuvor gebundenen Proteins übertragen. Meist werden auf diese Weise mehrere Ubiquitinmoleküle an das abzubauende Protein gebunden.

450

Kapitel 11

Ubiquitin

C

AMP, PPi

ATP

O +

HS

O

E1

OH

Ubiquitin

C S

E1

O Ubiquitin

C S

E1

C

Ubiquitin

C S

+

S

O

E2

O

H2N-Lys

O Ubiquitin

HS

+

E2 H2N-Lys

E3 Protein

Lys-NH2

E2

H C N-Lys

Ubi O

H C N-Lys

Protein

O H Lys-N C Ubi

Ubi +

HS

E2

An der Auswahl nativer Proteine für den Abbau scheinen verschiedene Merkmale der Aminosäurestruktur beteiligt zu sein. So weisen Proteine gemäß der sogenannten N-Terminus-Regel mit einem Asp-, Arg-, Leu- oder Phe-Rest am N-terminalen Ende typischerweise nur sehr kurze Lebenshalbwertszeiten auf, während Ala-, Met-, Gly-, Ser- und Val-Reste lange Lebenszeiten bedingen. Dies deutet auf eine Interaktion von E3 mit dem N-Terminus hin, die zu einer Auswahl des Proteins für die Ubiquitinierung führt. Weiterhin werden Proteine mit Sequenzen, die viele Pro- (P), Glu- (E), Ser- (S) und Thr- (T)-Reste enthalten (sogenannte PEST-Sequenzen), schnell abgebaut. Die ubiquitinierten Proteine werden anschließend durch einen großen Multienzymkomplex, das sogenannte 26S-Proteasom, abgebaut. Hierfür müssen die abzubauenden Proteine die röhrenförmige Struktur des Proteasoms passieren, wofür ebenfalls ATP aufgewendet werden muss.

Lösung 313 Zu Beginn einer Hungerperiode können die Glykogenspeicher zur Bereitstellung von Energie und vor allem zur Versorgung des Gehirns mit Glucose genutzt werden. Diese sind allerdings bereits nach kurzer Zeit aufgebraucht und der Organismus weicht kurzeitig auf den Abbau von Aminosäuren aus, von denen einige nach Transaminierung zur Glucosesynthese zur Verfügung stehen. Damit kann der Blutglucosespiegel noch für eine gewisse Zeit stabilisiert werden. Der dadurch stark zunehmende Abbau von Aminosäuren führt zu gesteigerter Ausscheidung von Harnstoff. Weitere Nahrungskarenz führt dann zum Einsetzen der Lipolyse und damit der Freisetzung und dem oxidativen Abbau von Fettsäuren. Ein weiterer Abbau von Proteinen würde die Funktionalität des Organismus zu stark beeinträchtigen. Das Gehirn kann sich jedoch dem dann unausweichlichen Mangel an Glucose durch die Verwendung von Ketonkörpern als Energiequelle anpassen. Nach Abbau sämtlicher Fettreserven bleiben dem Organismus nur noch Proteine bzw. Aminosäuren zur Energieversorgung, was die Harnstoffausscheidung wieder ansteigen lässt.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

451

Lösung 314 Es werden ATP und 15N-markiertes Aspartat benötigt, sowie die Enzyme ArgininosuccinatSynthetase, Argininosuccinat-Lyase und Arginase. Argininosuccinat-Synthetase Citrullin + ATP + 15 N-Aspartat   o 15 N-Argininosuccinat + AMP + PPi Argininosuccinat-Lyase 15 N-Argininosuccinat  o 15 N-Arginin + Fumarat Arginase 15 N-Arginin + H 2 O  o 15 N-Harnstoff + Ornithin

Der radioaktive Stickstoff muss aus dem Aspartat kommen, da das andere im Harnstoff abgespaltene Stickstoffatom bereits im Citrullin enthalten ist. b) Setzt man dem Reaktionsansatz EDTA zu, wird evt. anwesendes Mg2+ in einen Chelatkomplex überführt und steht nicht mehr als Cofaktor für die Argininosuccinat-Synthetase zu Verfügung. Es wird somit kein Argininosuccinat und in der Folge kein Harnstoff gebildet.

Lösung 315 a) Die Aktivierung der Pyruvat-Carboxylase durch Acetyl-CoA führt zu einer verstärkten Bildung von Oxalacetat, das infolge der Aktivität dieses Enzyms aus Pyruvat gebildet wird. Das Oxalacetat wird benötigt, um das bei der Fettsäureoxidation gebildete Acetyl-CoA unter Bildung von Citrat in den Citratzyklus einzuschleusen. Die Verwertung von Acetyl-CoA zur Energiegewinnung setzt also die Anwesenheit ausreichender Mengen an Oxalacetat voraus, um den Fluss durch den Citratzyklus zu gewährleisten. b) Alanin bzw. Glutamat können durch Transaminierung in Pyruvat bzw. α-Ketoglutarat umgewandelt werden. Letzteres ist ein Intermediat des Citratzyklus und kann dementsprechend unter Gewinn von Reduktionsäquivalenten und einem Molekül GTP zu CO2 und Oxalacetat umgesetzt werden. Pyruvat kann entweder oxidativ zu Acetyl-CoA decarboxyliert und zum weiteren Abbau in den Citratzyklus eingeschleust, aber auch durch die Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat umgesetzt werden. Diese Biotin- und ATP-abhängige Carboxylierung von Pyruvat stellt die wichtigste sogenannte anaplerotische Reaktion dar, durch die der Vorrat an Zwischenprodukten des Citratzyklus aufgefüllt werden kann. Der Abbau von Leucin liefert Acetyl-CoA. Dieses kann zwar durch den Citratzyklus abgebaut werden, es liefert aber keinen Beitrag zu einer Erhöhung der Konzentration an Intermediaten des Zyklus.

Lösung 316 a) Carbamoylphosphat ist ein Zwischenprodukt in der Pyrimidinbiosynthese und tritt als Edukt für die Harnstoffsynthese im Harnstoffzyklus auf, wo es mit Ornithin zu Citrullin kondensiert. Der erste Schritt in der Pyrimidinsynthese ist die Bildung von Carbamoylphosphat aus Hydrogencarbonat, Glutamin und ATP, katalysiert durch die CarbamoylphosphatSynthetase. Während im Harnstoffzyklus Ammoniak als Stickstoff-Donor bei der Synthese von Carbamoylphosphat auftritt, stammt der Stickstoff bei der Pyrimidinsynthese aus der

452

Kapitel 11

Amidgruppe der Aminosäure Glutamin. Bei Prokaryonten werden beide Prozesse (im Cytosol) von der gleichen Carbamoylphosphat-Synthetase katalysiert. Dagegen existieren in Eukaryonten zwei unterschiedliche Enzyme: die Carbamoylphosphat-Synthetase I ist für den Einbau von Ammoniak im Zuge der Harnstoffsynthese zuständig, während in der Pyrimidinsynthese die Carbamoylphosphat-Synthetase II aktiv ist. Beide Prozesse laufen in unterschiedlichen Kompartimenten ab (Mitochondrium bzw. Cytosol), besitzen somit einen eigenen „Pool“ an Carbamoylphosphat und werden entsprechend durch separate Enzyme katalysiert. Carbamoylphosphat-Synthetase II (Cytosol) ATP

H2N O

ADP

HCO3

HO

C

O

O

C

C NH3

O O

P O

O +

H2O

O HO

O

O

O

O

C

C

O

+

C

NH2

Pi

NH3 O HO

C

ATP

O

ADP H2N

NH2

C

O O

Aspartat

P O

O

Pyrimidinsynthese

Carbamoylphosphat-Synthetase I (Mitochondrium) ATP HCO3

HO

O HO

O

ADP

C

ATP NH2

C

O O

P O

NH3 O

O

ADP H2N

C

Pi

O HO

C

NH2

O O

P O

O

Ornithin

Harnstoffsynthese

b) In Bakterien kann Carbamoylphosphat sowohl zur Synthese von Harnstoff als auch zur Pyrimidinsynthese verwendet werden. Daher katalysiert die Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) den ersten festlegenden Schritt („committed step“) der Pyrimidinsynthese. Eine allosterische Kontrolle dieses Enzyms in Form einer Hemmung durch Pyrimidinnucleotide bzw. einer Aktivierung durch ATP ermöglicht eine mengenmäßige Angleichung (z.B. für die DNA-Synthese!) der verfügbaren Mengen an Pyrimidin- bzw. Purinnucleotiden. So können Pyrimidinnucleotide mit hoher Aktivität nachgebildet werden, wenn hohe Konzentrationen an

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

453

ATP (Purinnucleotiden) vorliegen und für die DNA-Synthese daher vermehrt Pyrimidinnucleotide benötigt werden. In gleicher Weise wirkt die Hemmung durch Pyrimidinnucleotide. Eukaryonten können auf diese allosterische Kontrolle der ATCase verzichten. Hier wird die Pyrimidinsynthese durch die Regulation der Carbamoylphosphat-Synthetase II kontrolliert, die den vorangehenden Schritt katalysiert. Hier ist das Carbamoylphosphat als Substrat der ATCase kein Verzweigungspunkt, da das Carbamoylphosphat für den Harnstoffzyklus im Mitochondrium gebildet wird und somit einen separaten Pool bildet.

Lösung 317 Die Adenylatcyclase ist ein Transmembranprotein in der Plasmamembran, das aus ATP den Second messenger cAMP synthetisiert. Dabei werden alle Isoformen durch die D-Untereinheit stimulatorischer G-Proteine (GDs) aktiviert, so lange diese in der GTP-gebundenen Form vorliegt. Normalerweise erfolgt die Inaktivierung des G-Proteins (und dadurch der Adenylatcyclase) durch die intrinsische GTPase-Aktivität der GD-Untereinheit, die gebundenes GTP langsam zu GDP und Pi hydrolysiert. Ist an die GD-Untereinheit anstelle von GTP das nichthydrolysierbare Guanosin-5’-(E,J-imido)-triphosphat gebunden, kann das G-Protein nicht durch intrinsische GTPase-Aktivität inaktiviert werden, so dass es die Adenylatcyclase dauerhaft stimuliert. O

keine Hydrolyse N O

O

N P N P O P O CH2 O H O O O H H H H

O

NH

O

OH

N

NH2

OH

Lösung 318 O aus Carbamoylphosphat

HN O

2

O3PO

CH2

aus Aspartat

N

O 5-PhosphoribosylD-diphosphat (PRPP)

OH

OH

454

Kapitel 11

Die erste Reaktion ist eine nucleophile Substitution am Carboxyl-C-Atom nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus; das gemischte Anhydrid ist eine gute Abgangsgruppe. Auch der nachfolgende Ringschluss folgt einem Additions-Eliminierungs-Mechanismus; die Reaktion ist aber aus organisch-chemischer Sicht insofern überraschend, da der AmidStickstoff ein schwaches Nucleophil und die Carboxylatgruppe ein sehr schlechtes Elektrophil darstellt. Es folgt eine Oxidation unter Ausbildung einer C=C-Doppelbindung. Der vorletzte Schritt ist eine monomolekulare Substitution mit Pyrophosphat als guter Abgangsgruppe, bevor im letzten Schritt eine Decarboxylierung stattfindet, die im Gegensatz zu den meisten Decarboxylierungen (v.a. von D-Ketosäuren) ohne Cofaktor auskommt. O H2N

C

schwaches Nu O

PO32

O

(Add. / Elimin.) H2N

HN

NH

O schwaches El

COO

Dihydroorotat

Carbamoylaspartat O

O

Oxidation

HN

H

nucl. Subst. (Add. / Elimin.)

O

COO

N

COO

O

COO

O

O NH

H2N

nucl. Subst.

COO

Q

O

HN O

QH2

HN N

COO

O 2

H

nucl. Subst. (SN1)

Orotat 2

O3PO

CH2

O3PO

CH2

N

C O

O

H

via Oxonium-Ion OH

O

OH

Orotidinmonophosphat

OPP OH

OH O

Decarboxylierung (kein Cofaktor!)

HN O

CO2

+

O

2

O3PO

Uridinmonophosphat (UMP)

CH2

N

O

OH

OH

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

455

Lösung 319 a) Die Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) ist ein allosterisches Enzym; sie zeigt eine sigmoide Abhängigkeit der Anfangsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration. ATP als Aktivator verschiebt die Kurve nach links; die halbmaximale Geschwindigkeit wird bereits bei niedrigerer Substratkonzentration erreicht (KM sinkt). Umgekehrt verschiebt CTP als Hemmstoff die Kurve nach rechts, der KM-Wert nimmt zu. Da die Maximalgeschwindigkeit nicht beeinflusst wird, nähern sich die Kurven bei hoher Substratkonzentration einem gemeinsamen Wert an. X0 Xmax

mit ATP mit CTP

c (Aspartat)

b) Die Aspartat-Transcarbamoylase katalysiert den zweiten Schritt der UMP-Biosynthese, die Bildung von Carbamoylaspartat durch Übertragung einer aktivierten Carbamoylgruppe (im Carbamoylphosphat) auf die Aminosäure Aspartat. Das Carbamoylphosphat entsteht durch die Reaktion von Hydrogencarbonat, ATP und Glutamin, die (in Säugerzellen) von der Carbamoylphosphat-Synthetase II katalysiert wird. Das Carbamoylphosphat spielt auch eine wichtige Rolle für den Harnstoffzyklus. In der Leber entsteht es aus Hydrogencarbonat, ATP und Ammoniak; die Reaktion wird von der Carbamoylphosphat-Synthetase I katalysiert. Beide Enzyme unterscheiden sich also in der Stickstoffquelle – für die CarbamoylphosphatSynthetase I ist es Ammoniak, der durch die Bildung von Harnstoff entgiftet wird, für die Carbamoylphosphat-Synthetase II ist es Glutamin.

456

Kapitel 11 2 ATP H2O

O HCO3

+

H3N

C

NH2

COO

O H2N

C

O

PO3

H3N

2

2 ADP + Pi

+

AspartatTranscarbamoylase

COO

+

H2N

Carbamoylphosphatsynthetase II

O

O

COO

O

PO32

H3N

C

+

O

COO

OOC H2N O

C

+

Pi

COO

N H H Carbamoylaspartat

Lösung 320 a) Im Gegensatz zur Pyrimidinsynthese, bei der zunächst die Synthese des Rings und anschließend die Übertragung auf Ribose erfolgt, wird der Purinring Schritt für Schritt ausgehend von der aktivierten Ribose (5-Phosphoribosylpyrophosphat) aufgebaut. Ribose-5-phosphat stammt aus dem Pentosephosphatweg und wird durch die Übertragung von Pyrophosphat auf die Hydroxygruppe am C1 aktiviert. b) Die Atome des Purinrings stammen von Aspartat, CO2, Glycin, Formyl-THF und Glutamin: CO2 Glycin

Aspartat

6 1

N

FormylTHF

2C

C

N3

5

C C 4

N

7

C N9 H

8

FormylTHF

Glutamin

c) Das Inosinmonophosphat (IMP) wird entweder in Adenosinmonophosphat (AMP) oder via Xanthosinmonophosphat (XMP) in Guanosinmonophosphat (GMP) umgewandelt. Dabei stammt die Aminogruppe für die Bildung von AMP aus dem Aspartat, die für GMP dagegen aus Glutamin. Die Reaktion von IMP mit Aspartat, die von der Adenylsuccinat-Synthetase katalysiert wird, wird kompetitiv durch AMP, die IMP-Dehydrogenase (bildet Xanthosinmonophosphat) dagegen von GMP gehemmt. Da die Bildung von AMP abhängig ist von GTP, die von GMP dagegen umgekehrt von ATP, ist für eine ausgewogene Produktion von AMP bzw. GMP gesorgt.

Lösungen – Energetik und Stoffwechsel

457 O N

2

N

O CH2

O3P

NH N

O IMP

Aspartat

NAD OH

Adenylsuccinat-Synthetase

H2 O

IMP-Dehydrogenase

GTP

Fumarat

+

OH

NADH/H GDP + Pi O

NH2 N 2

N

N 2

O3 P

N

O CH2

N

O3P

O

O

OH

N

O CH2

OH

OH

NH N H

O

OH

Xanthosinmonophosphat

Adenosinmonophosphat

Glutamin O

Glutamat 2

O3P

N N

O CH2

NH N

O

OH

OH

Guanosinmonophosphat

NH2

458

Kapitel 11

Lösung 321 Es handelt sich um die grundlegenden Stoffwechselwege, so dass eine Zuordnung nicht schwer fallen sollte:

D-Ketoglutarat-Dehydrogenase

Citratzyklus

E-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase

Ketonkörpersynthese

Acyl-CoA-Dehydrogenase

E-Oxidation

Aldolase

Glykolyse

Arginase

Harnstoffzyklus

Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase

Pentosephosphatweg

Lösung 322 Die Skelettmuskelzellen beziehen ihre Energie überwiegend aus der E-Oxidation von Fettsäuren. Diese werden im Fettgewebe durch Lipolyse, katalysiert durch die hormonsensitive Lipase, freigesetzt und an Albumin gebunden zu den peripheren Geweben transportiert. Das Zentralnervensystem ist dagegen auf die Nutzung von Glucose angewiesen. Diese entsteht durch Gluconeogenese (v.a. in der Leber) aus entsprechenden Vorstufen, insbesondere glucogenen Aminosäuren, die beim Abbau von Proteinen freigesetzt werden. Die Glykogenvorräte sind nach 24-stündigem Fasten weitgehend erschöpft. Nach längerem Fasten kann sich das Gehirn auch an die Verwertung von Ketonkörpern adaptieren; diese können dann nach einigen Tagen dazu beitragen, den Bedarf an Glucose zu senken. Nach 24 Stunden spielen sie aber für die Energieversorgung des Gehirns noch keine signifikante Rolle.

Kapitel 12 Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression und molekularbiologische Methoden

Lösung 323 a) Die Sekundärstruktur bezieht sich auf die räumliche Anordnung von Aminosäureresten, die in der linearen Sequenz nahe beieinander liegen. Die α-Helix, das β-Faltblatt und die Kollagenhelix sind Beispiele für regelmäßige Konformationselemente von Polypeptidketten. Die αHelix ist eine stabförmige Struktur, wobei das Peptidrückgrat helikal gewunden ist, während die Seitenketten in schraubenartiger Anordnung nach außen weisen. Die α-Helix wird durch Wasserstoffbrücken zwischen den NH- und CO-Gruppen des Peptidrückgrats stabilisiert; dabei bildet die CO-Gruppe jeder Aminosäure eine Wasserstoffbrücke zur NH-Gruppe jener Aminosäure, die in der linearen Sequenz vier Reste vor ihr liegt. Folglich sind alle CO- und NH-Gruppen der Hauptkette an Wasserstoffbrücken beteiligt; diese sind im Wesentlichen parallel zur Helixachse orientiert. Jeder Rest ist gegen den nächsten um 0,15 nm entlang der Helixachse versetzt und um 100° verdreht, so dass eine volle Umdrehung der Helix 3,6 Aminosäureresten entspricht. Die einzelnen Wasserstoffbrücken sind zwar relativ schwach; insgesamt resultiert aber ein kumulativer Effekt, der die Helix v.a. im hydrophoben Inneren des Proteins stabilisiert. In der DNA wird die helikale Struktur durch das Zucker-Phosphat-Rückgrat gebildet. Annähernd senkrecht dazu sind die heterozyklischen Basen gestapelt. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind „gepaart“. Dabei paaren sich immer Adenin und Thymin, die zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, sowie Cytosin und Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Die Wasserstoffbrücken sind daher annähernd senkrecht zur Helixachse ausgerichtet. Da sich immer die gleichen Basen paaren, lässt sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang die des anderen Strangs ableiten, die Sequenzen sind komplementär. Dabei sind die Wasserstoffbrücken fast ausschließlich für die Spezifizität der Paarung verantwortlich, nicht aber für die Stabilität der Doppelhelix, die überwiegend durch die Stapelwechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Basen vermittelt wird. b) Die Messung der Viskosität gibt eine Information bezüglich der Molekularität (d.h der Länge) der DNA; je höher die Viskosität der Lösung, desto länger ist die DNA-Doppelhelix. Durch Behandlung mit DNase wird die DNA in kürzere Fragmente gespalten; die Viskosität der Lösung nimmt ab.

460

Kapitel 12

Lösung 324 a) Proteasen katalysieren die Hydrolyse von Peptidbindungen (Säureamidbindungen). Das DNA-Rückgrat besteht aber aus Desoxyribose und Phosphatresten, die über Esterbindungen miteinander verknüpft sind. Die DNA wird daher durch die Protease nicht gespalten und behält ihre transformierende Aktivität unverändert. Derartige Experimente von Avery et al. in den 40er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts trugen dazu bei, die Rolle der DNA als Erbsubstanz zu verifizieren. b) Da die Basenpaarungsregeln nach Chargaff universell gültig sind (Adenin paart mit Thymin über zwei Wasserstoffbrücken; Guanin mit Cytosin über drei Wasserstoffbrücken), lässt sich der Guaningehalt sehr einfach berechnen, sofern es sich um eine doppelsträngige DNA handelt. In diesem Fall ist ein Guaninanteil von F = [100 % – (31 % u 2)] / 2 = 19 % zu erwarten. Ist die DNA dagegen einzelsträngig, so lässt sich der Gehalt an Guaninresten aus der gegebenen Information nicht ermitteln. c) Eine neuer DNA-Strang wird stets in 5´Æ3´-Richtung synthetisiert, d.h. das letzte Nucleotid einer DNA-Kette weist eine freie 3´-OH-Gruppe auf. Der Grund ist, dass die Verknüpfung zweier Nucleotide durch einen nucleophilen Angriff der 3´-OH-Gruppe der Desoxyribose auf das α-Phosphoratom eines weiteren Nucleosidtriphosphats erfolgt, da nur am 5´-Ende der Desoxyribose eine reaktive Phosphorsäureanhydridbindung mit Diphosphat als guter Abgangsgruppe vorliegt.

Lösung 325 Beim Einbau eines neuen Nucleotids reagiert die 3´-OH-Gruppe des wachsenden DNA-Strangs mit dem α-Phosphoratom eines Nucleosidtriphosphats unter Abspaltung von Pyrophosphat. In den zu verwendenden Nucleotiden muss also genau an dieser Stelle das 32P-Atom eingebaut sein; die anderen P-Atome in den dNTPs sollten nicht radioaktiv sein. Gezeigt ist ein entsprechend markiertes dATP-Molekül.

NH2 1

6

2

O

O

O

O

P O

P O

P O

O

O

O

5

N

N7 8

N 4 3

5'

N

9

O 1'

4'

2'

3'

OH H

Lösung 326 a) Der Schmelzpunkt der DNA-Doppelhelix ist die Temperatur, bei der die Bindungskräfte zwischen den beiden Einzelsträngen überwunden werden und diese sich voneinander trennen. Dies wird auch als denaturieren bezeichnet. Solange die DNA in einem kooperativen Übergang denaturiert (der sich in einem enggefassten Temperaturbereich vollzieht), bezeichnet der Schmelzpunkt die Temperatur, bei der die Hälfte der Doppelstränge in Einzelstränge denatu-

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

461

riert ist. Von dieser Definition sind die korrekten Bezeichnungen „midpoint of transition temperature“ bzw. Mittelpunktstemperatur Tm abgeleitet. Da einzelsträngige DNA UV-Licht (O = 260 nm) etwa 40 % stärker absorbiert, als doppelsträngige, lässt sich die Übergangstemperatur gut photometrisch durch Messung der Absorbanz bestimmen. b)

x Erniedrigung der Ionenstärke führt zu einer erhöhten elektrostatischen Abstoßung zwischen den negativ geladenen Phosphatgruppen beider Stränge und daher zu einer Erniedrigung von Tm. x Hierbei wirken starke Scherkräfte; die DNA wird daher mechanisch in kürzere Bruchstücke fragmentiert. Kürzere Fragmente weisen ebenfalls eine niedrigere Schmelztemperatur auf. x Hierbei wird die DNA zunächst zu Einzelsträngen denaturiert. Durch das rasche Abschrecken ist nicht genug Zeit vorhanden für eine korrekte Basenpaarung zur ursprünglichen Doppelhelix; vielmehr werden sich nur einzelne kürzere Abschnitte mit Basenpaarung ausbilden. Die Schmelztemperatur dieser nichtnativen DNA wird niedriger sein als für die ursprüngliche Doppelhelix. x Hauptverantwortlich für die Stabilisierung von doppelsträngiger DNA sind hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den gestapelten Basen; diese werden durch die Verringerung der Polarität der Lösung infolge der Ethanolzugabe geschwächt. Die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen tragen kaum zur Stabilisierung bei, da sie bei Denaturierung durch mehr oder weniger äquivalente Wasserstoffbrücken zum Solvens H2O ersetzt werden.

Lösung 327 Typische Merkmale der B-DNA-sind:

x Zwei Polynucleotidstränge bilden zusammen eine rechtsgängige Doppelhelix. x Die Stränge sind antiparallel, d.h. ein 5´-Phosphat-Ende auf einem Strang liegt einem 3´OH-Ende auf dem anderen Strang gegenüber. x Die Basen liegen (nahezu) senkrecht zur Helixachse und bilden feste Basenpaare. Dabei bildet ein AT-Paar jeweils 2 Wasserstoffbrücken und ein CG-Paar je 3 Wasserstoffbrücken aus. x Pro Windung der Helix liegen 10 bp vor. Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefähr 2 nm und windet sich mit jedem Zuckermolekül um 0,34 nm weiter. x Es existiert eine große (ca. 2,2 nm breit) eine kleine Furche (ca. 1,2 nm breit). Proteine, die sequenzspezifisch an die DNA binden, wie z.B. Transkriptionsfaktoren, binden daher meist an der großen Furche. Neben der eben beschriebenen B-DNA existieren auch eine „A-Form“ sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT erstmals untersuchte, linkshändige, sogenannte „Z-DNA“. Diese tritt besonders in GC-reichen Abschnitten auf. Erst 2005 wurde über eine Kristallstruktur berichtet, welche Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivität von Z-DNA liefert.

462

Kapitel 12

b) Entscheidende Parameter sind die Länge der Doppelhelix (die Schmelztemperatur nimmt mit der Länge zu), der GC-Gehalt (die Wechselwirkung zwischen GC-Paaren ist stärker als zwischen AT-Paaren) und die Ionenstärke der Lösung (die Abstoßungskräfte zwischen den negativ geladenen Desoxyribose-Phosphatketten sinken mit steigender Abschirmung, d.h. Erhöhung der Ionenstärke) sowie ihr pH-Wert. c) Das Rückgrat der DNA besteht aus Desoxyribosemolekülen, die durch Phosphatreste über Phosphordiesterbrücken miteinander verknüpft sind. Im physiologischen pH-Bereich sind die Phosphatreste jeweils negativ geladen, so dass ein DNA-Molekül insgesamt eine hohe negative Nettoladung aufweist. Damit ein Protein über elektrostatische Wechselwirkungen fest an die DNA binden kann, sollte es eine (hohe) positive Nettoladung aufweisen, d.h. einen höheren Anteil basischer Aminosäuren (His, Lys, Arg) gegenüber sauren Aminosäuren (Asp, Glu) aufweisen. Durch Acetylierung der H-Aminogruppen von Lysinseitenketten geht die positive Ladung verloren, die elektrostatische Anziehung zum negativ geladenen Rückgrat der DNA nimmt dadurch ab, d.h. die Bindung wird schwächer. Dadurch wird der Zugang zur DNA für die Transkription erleichtert. Die Struktur des Chromatins wird also durch eine kontrollierte Acylierung und Deacylierung der Histon-Proteine reguliert. Eine Familie von HistonDeacetylasen ist in der Lage, die Transkriptionsaktivierung durch Histon-Acetylierung umzukehren. d) Aus den gegebenen Stoffmengenanteilen ergibt sich für G und A zusammen ein Anteil von 0,54; d.h. auf C und T zusammen entfällt der verbleibende Anteil von 0,46. Der Anteil für C ist daraus nicht abzuleiten. Da Guanin jeweils mit Cytosin paart (gemäß den ChargaffRegeln), determiniert bei einer doppelsträngigen DNA der G-Anteil eines Stranges den CAnteil des Gegenstrangs. Dieser beträgt folglich ebenfalls 0,24.

Lösung 328 a) Die „ideale“ B-DNA besitzt 10 bp pro Windung und weist eine Ganghöhe (Anstieg pro Windung) von 0,34 nm auf. Das gegebene Plasmid sollte also 463,2 Windungen enthalten; dies entspräche in gestreckter Form einer Länge von 463,2 u 0,34 nm = 157,5 nm. Da das Plasmid ringförmig ist, entspricht diese Länge dem Umfang des Plasmids U = 2rS = 157,5 nm. Daraus ergibt sich für den Radius r ein Wert von 25,1 nm. b) Das Plasmid mit eingefügtem DNA-Fragment soll maximal den 1,5-fachen Radius des ursprünglichen Plasmids besitzen, d.h. r´ = 1,5 u 25,1 nm = 37,6 nm. Dies entspricht einem Umfang von 236,2 nm, entsprechend 694,8 Windungen oder 6948 bp. Es können also 2316 bp eingefügt werden. Da jeweils drei Basen für eine Aminosäure codieren, entspricht dies 772 Aminosäuren.

Lösung 329 Durch Erwärmen auf 90 °C wird der DNA-Doppelstrang in Einzelstränge aufgespalten („Schmelzen“ der DNA). Einzelsträngige DNA weist eine höhere Absorbanz auf, als doppelsträngige DNA, so dass eine Zunahme der Absorbanz beobachtet wird, bis sich die Dop-

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

463

pelstränge vollständig getrennt haben. Kühlt man sehr rasch ab, können sich die Einzelstränge nicht so schnell wieder zum Doppelstrang zusammenfinden; die Absorbanz bleibt hoch. Wird dagegen ausreichend langsam abgekühlt, kommt es wieder zur Hybridisierung zum ursprünglichen Doppelstrang und die Absorbanz sinkt entsprechend. Durch die Restriktionsendonuclease (z.B. EcoRI) wird die DNA in kürzere Fragmente gespalten, bleibt dabei aber doppelsträngig. Die Absorbanz bleibt daher praktisch unverändert.

A260

T = 90 °C

schnelles Abkühlen

Erwärmen langsames Abkühlen

t EcoRI

Lösung 330 a) Introns sind nichtcodierende DNA-Sequenzen innerhalb eines Gens, die benachbarte Exons trennen. Sie werden zwar in mRNA transkribiert, anschließend aber durch Spleißen entfernt („posttranskriptionale Modifikation“) und daher nicht in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Durch alternatives Spleißen können aus ein und derselben DNA-Sequenz und dementsprechend ein und derselben prä-mRNA mehrere verschiedene reife mRNA-Moleküle und durch deren Translation auch mehrere unterschiedliche Polypeptide gebildet werden. Die Entscheidung, welche DNA-Sequenzen Introns und welche Exons sind, entscheidet sich somit erst während des Spleißvorganges. Die Regulation erfolgt über Spleißfaktoren; dabei handelt es sich um Proteine, die Signale auf der RNA erkennen und die Auswahl der Spleißstellen beeinflussen. Eine Sonderrolle kommt den selbstspleißenden Introns (Ribozymen) zu, die sich quasi selbst aus der mRNA entfernen. b) Ein Operon besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden prokaryontischen Strukturgenen, die – da an einem gemeinsamen Stoffwechselweg beteiligt – zusammen transkribiert werden, sowie aus regulatorischen Elementen, die die Expression des Operons kontrollieren. Je nach Operon können verschiedene regulatorische Proteine (Repressoren bzw. Aktivatoren, die mit Liganden oder Effektormolekülen wechselwirken) mit den Operatoren in Wechselwirkung treten und dadurch die Transkription der Gene im Operon an- oder abschalten. Auf diese

464

Kapitel 12

Weise wird die Synthese der betreffenden mRNA und damit indirekt der codierten Proteine (durch Translation dieser mRNA) aktiviert oder gehemmt. Alle Gene eines Operons werden koordiniert gesteuert. Dieser Mechanismus des OperonModells der Genregulation wurde 1961 von den französischen Wissenschaftlern François Jacob und Jacques Monod u.a. anhand des lac-Operons von E. coli entwickelt, wofür sie 1965 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurden.

Lösung 331 a)

x DNA ist i.A. doppelsträngig; RNA dagegen einzelsträngig. x DNA enthält Thymin, RNA statt dessen Uracil. x Der Zucker in DNA ist Desoxyribose, in RNA Ribose. b) Eine basenkatalysierte Deprotonierung der 2´-OH-Gruppe erleichtert deren nucleophilen Angriff am benachbarten Phosphoratom unter Spaltung des Zucker-Phosphat-Rückgrats. Das entstehende zyklische 2´,3´-Phosphat hydrolysiert anschließend zum 2´- oder 3´-Phosphat. B1 B1

B1

H2O O O

P O

O

CH2 O

O +

B2

OH

O

O H

P O O

P

O H

O

O

O

O

B1

+

H2O

OH CH2 O

B2

H O

O O

P O O

c) Reife mRNA besitzt infolge der Polyadenylierung am 3´-Ende einen Poly-A-Schwanz. Eine bequeme Möglichkeit zur Aufreinigung von mRNA bietet daher die Affinitätschromatographie an einer Affinitätssäule mit kovalent gebundenem poly-U. Die mRNA wird selektiv mit ihrer Poly-A-Sequenz gebunden, während die übrigen Nucleinsäuren eluiert werden.

Lösung 332 a) Da gemäß der Basenpaarungsregeln jeweils A mit T und C mit G paart, erwartet man im ersten Fall je 32 % Adenin bzw. Thymin und je 18 % Cytosin bzw. Guanin. Im zweiten Fall sollten je 17 % Adenin bzw. Thymin und je 34 % Cytosin bzw. Guanin vorliegen. Voraussetzung ist allerdings, dass die DNA doppelsträngig ist, ansonsten ist keine Aussage möglich.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

465

b) Mit großer Wahrscheinlichkeit ist es die zweite DNA, die aus dem thermophilen Bakterium stammt. Aufgrund des wesentlich höheren Gehalts an G+C (die jeweils 3 Wasserstoffbrücken ausbilden und stärker wechselwirken, als A–T-Paare) sollte diese DNA eine höhere Schmelztemperatur aufweisen und somit bei 64 °C noch als Doppelhelix vorliegen.

Lösung 333 Die relativ dynamische Struktur des Bakterienchromosoms spiegelt wahrscheinlich die Erfordernis wider, die genetische Information leicht zugänglich zu halten. Der Zellteilungszyklus von Prokaryonten dauert in vielen Fällen nur etwa 1520 Minuten, so dass die leichte Zugänglichkeit hier wichtig ist, während sich eine typische Eukaryontenzelle oft stunden-, tageoder auch wochenlang nicht teilt. Außerdem dient bei Prokaryonten ein wesentlich größerer Teil der DNA zur Codierung von RNA oder Proteinen. Bei Eukaryonten ist hingegen der weitaus überwiegende Teil der DNA nichtcodierend, so dass er auch nicht für die Trankskription zugänglich sein muss. Der intensivere Zellstoffwechsel der Prokaryonten erfordert dagegen, dass zu jedem Zeitpunkt ein viel größerer Anteil zur Replikation oder Transkription zur Verfügung steht.

Lösung 334 Die drei Pyrimidinbasen sind nachfolgend dargestellt. Das entscheidende Problem ist, dass Cytosin in der DNA zu einem merklichen Prozentsatz spontan zu Uracil desaminiert. Diese Reaktion wirkt potenziell mutagen, da Uracil mit Adenin paart, d.h. aus einem ursprünglichen C/G-Basenpaar entsteht bei der Replikation ein U/A-Paar. Durch ein entsprechendes Reparatursystem, das Uracil als ein fremdes Element in der DNA erkennt, kann eine solche Mutation verhindert werden. Die glykosidische Bindung zwischen Uracil und der Desoxyribose wird hydrolysiert, und die entstehende sogenannte AP-Stelle nachfolgend durch Einbau von Cytosin repariert. Somit dient die Methylgruppe im Thymin als Markierung, die es von desaminiertem Cytosin unterscheidet; ansonsten könnte ein ordnungsgemäß eingebautes nicht von einem durch Desaminierung entstandenen Uracil unterschieden werden. Die Verwendung von Thymin in der DNA anstelle von Uracil dient also dazu, die Fehlerrate bei der Replikation zu minimieren. Die RNA unterliegt dagegen keiner Reparatur; hier wird eine höhere Fehlerrate zugunsten eines energetisch weniger aufwändigen Bausteins in Kauf genommen. NH2 H

N O

N H Cytosin

O

H N N H

Imin-Tautomer

O

O

NH

O H 2O

NH3

H

N N

O

CH3

N N

H

H

Uracil

Thymin

466

Kapitel 12

Lösung 335 Für den gleichen Strang kann nur die Summe der Anteile der beiden verbleibenden Basen T und C berechnet werden, nicht aber die beiden einzelnen Anteile. Der Anteil an G+A ist im Gegenstrang gleich dem Anteil von C+T im gegebenen Strang. Außerdem ergibt sich der Anteil des mit A paarenden T identisch zum Gehalt an A im gegebenen Strang. Gleiches gilt für den Gehalt an C, das mit G paart. Die anderen Anteile lassen sich nicht berechnen. Für den gleichen Strang:

Für den Gegenstrang:

[T] = X

[A] = X

[C] = X

[T] = 30 %

[T] + [C] = 46 %

[A] + [G] = 46 % [G] = X [C] = 24 % [G] + [C] = X

Lösung 336 a) Das klassische Meselson-Stahl-Experiment umfasste folgende Schritte:

x Züchtung von E. coli über viele Generationen in einem Medium, das als Stickstoffquelle nur 15N enthält (15NH4Cl) x Überführung der E. coli auf 14N-haltiges Medium, wo man sie eine Generation wachsen ließ x Isolation der DNA; die anschließende Dichtegradientenzentrifugation ergab in der ersten Generation nur „mittelschwere“ (14N/15N-) DNA x erneute Replikation in 14N-Medium unter Bildung der 2. Generation x Isolation der DNA; die anschließende Dichtegradientenzentrifugation ergab in der zweiten Generation zwei Banden gleicher Intensität aus „mittelschwerer“ (14N/15N-) DNA und leichter (14N/14N-) DNA Dieses Ergebnis bewies die semikonservative Natur der DNA-Replikation. b) Bei einer konservativen Replikation würde in der ersten Generation die eine Hälfte der DNA-Moleküle ausschließlich 15N-Isotope enthalten, die andere ausschließlich 14N-Isotope. Nach der zweiten Generation ergäbe sich ein Viertel „schwere“ DNA (ausschließlich 15N) im Vergleich zu drei Vierteln „leichter“ DNA (ausschließlich 14N). „Mittelschwere“ DNAMoleküle, die in gleichen Anteilen 14N- und 15N-Isotope enthalten (wie im Meselson-StahlExperiment beobachtet) würden gar nicht auftreten.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

467

Nach dem „dispersiven“ Modell der DNA-Replikation werden die Eltern-DNA-Stränge in Stücke mit zufälliger Größe gespalten und dann mit Stücken der neu synthetisierten DNA zu Tochterduplexen verknüpft. Deren Stränge würden beide beliebig große Abschnitte sowohl mit schwerer als auch mit leichter DNA enthalten.

Semikonservative Replikation

Konservative Replikation

Dispersive Replikation

O

c) Es müsste mit Tritium markiertes Thymin (oder Desoxythymidin) verwendet werden, da dies das einzige Nucleotid ist, das in der DNA, nicht aber in der RNA vorkommt.

HN O

CH3

H N H Thymin

Lösung 337 a) Typ I-Topoisomerasen katalysieren die Relaxation negativ superspiralisierter DNA durch schrittweise Erhöhung der Verwindungszahl („linkage number“) um eine Einheit. Sie schneiden dabei nur einen der beiden DNA-Stränge und verknüpfen nach Änderung der Verwindungszahl die Bruchstücke. Typ II-Topoisomerasen (DNA-Gyrase) katalysieren Doppelstrangbrüche und ändern die Verwindungszahl um jeweils zwei Einheiten. Sie können die Relaxation superspiralisierter DNA katalysieren, aber auch negative Superspiralisierung einführen. Für beide Vorgänge ist die Hydrolyse von ATP erforderlich.

468

Kapitel 12

b) Gyrase-Hemmer sind antibiotisch wirksame Verbindungen. Sie verhindern durch Hemmung der bakteriellen DNA-Gyrase die bakterielle DNA-Replikation und RNA-Transkription (was die Bedeutung entsprechender Superspiralisierung bei diesen Prozessen zeigt). Ausgangspunkt der Entwicklung der Gyrase-Hemmer war die Nalidixinsäure. Gemeinsam ist allen Vertretern der Gyrase-Hemmer eine heterozyklische Struktur mit einem Stickstoffatom im Ring (Position 1), einer Carboxylgruppe an Position 3 sowie einer Ketogruppe an Position 4. Gyrase-Hemmer wirken – je nach Höhe der Dosis – sowohl bakteriostatisch als auch bakterizid. Eine wichtige Gruppe von Gyrase-Hemmern sind die Chinolone. Sie leiten sich von Chinolin ab, welches am stickstoffhaltigen Ringsystem eine Carbonylgruppe sowie eine Carbonsäuregruppe trägt. Ein Fluoratom am Benzolring führt zu den Fluorchinolonen. Sehr oft enthalten Chinolone auch einen Piperazin-SubstituO O enten. Das wohl bekannteste Antibiotikum der Gruppe der Fluorchinolone ist das Ciprofloxacin. Die Substanz wurde 1981 von der Firma Bayer entwickelt, 1983 patentiert und seitdem unter dem Handelsnamen Ciprobay® vermarktet.

F

N

OH N

HN Ciprofloxazin

Lösung 338 a)

x Startproblem: DNA-Polymerase III benötigt zum Start der Replikation ein freies 3´-OH-Ende, d.h. es muss bereits ein kurzer doppelsträngiger Abschnitt vorliegen. Ein solcher muss von einer RNAPolymerase synthetisiert werden, die keinen Primer benötigt. Daher sind die ersten Nucleotide keine Desoxyribonucleotide, sondern Ribonucleotide. x Synthese des Folgestrangs: Die DNA-Polymerase kann nur in 5´Æ3´-Richtung synthetisieren, d.h. die Synthese des Folgestrangs kann nicht kontinuierlich (wie beim Leitstrang) erfolgen, sondern muss diskontinuierlich sein. Ein Teil der Helix wird durch Helicasen entwunden und die Primase bildet einen kurzen, zum Elternstrang komplementären RNA-Primer. Anschließend wird von der Polymerase III ein kleines Stück des Folgestrangs synthetisiert („Okazaki-Fragment“); die Helix dissoziiert ein Stück weiter, ein neues Fragment wird synthetisiert usw. Anschließend entfernt die DNAPolymerase I die RNA-Primer durch ihre 5´Æ3´-Exonuclease-Aktivität und füllt die Lücke durch Desoxyribonucleotide. Die Verbindung der Okazaki-Fragmente erfolgt abschließend durch die DNA-Ligase unter Knüpfung einer Phosphodiesterbindung. b) Die DNA-Polymerase katalysiert den Einbau neuer Nucleotide in 5´Æ3´-Richtung, d.h. es muss eine freie 3´-OH-Gruppe vorhanden sein. Am 3´-Ende obiger DNA befindet sich A; die nächste Base, die komplementär zum A im Gegenstrang eingebaut wird, ist daher T.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

469

Lösung 339 a)

Bewegungsrichtung der Replikationsgabel

Helicase

Primosom

SSB 3 ‘

5 ‘

Primase

Pol III (DNA-Polymerase)

Okazaki-

3

‘

Stücke

RNAPrimer DNAPolymerase I + Ligase

Folgestrang

Leitstrang Quelle: http://www.bzh.uni-heidelberg.de/hurt/vorlesungen/Mediziner

x x x x x x x

Helicase Æ Entwindung des Doppelstrangs Topoisomerase Æ Aufhebung von Superspiralisierung Einzelstrang-Bindeproteine (SSB) Æ verhindern die Rehybridisierung des Doppelstrangs Primase Æ Synthese von RNA-Primern DNA-Polymerase III (Prokaryonten) Æ Synthese von Leit- und Folgestrang DNA-Polymerase I (Prokaryonten) Æ Entfernung der RNA-Primer und Auffüllung der Lücken mit Desoxynucleotiden DNA-Ligase Æ kovalente Verknüpfung der Okazaki-Fragmente

b) Am Leitstrang kann nach der einmaligen Synthese des Primers bis zur Termination durchgehend repliziert werden, da dieser mit der Leserichtung des Polymerasekomplexes und in

470

Kapitel 12

Laufrichtung der Replikationsgabel orientiert ist. Am Folgestrang ist dagegen eine kontinuierliche Replikation nicht möglich, da er in die „falsche Richtung“ verläuft. Okazaki-Fragmente sind kurze DNA-Fragmente, die bei der Replikation des Folgestrangs entstehen. Benannt sind sie nach der japanischen Wissenschaftlerin Tsuneko Okazaki und ihrem Mann Reiji Okazaki, die den Replikationsmechanismus 1968 vorschlugen. Bei Prokaryonten ist ein solches Fragment 1000 bis 2000, bei Eukaryonten 100 bis 200 Nucleotide lang. Da der Polymerasekomplex nur in eine Richtung, nämlich der Helicase folgend in 5´Æ3´-Richtung, fortschreitet, muss der Folgestrang entsprechend ausgerichtet werden. Es wird angenommen, dass der Bereich zwischen Primase und dem letzten Okazaki-Fragment als eine Schleife verdreht wird, so dass die Polymerase beide Stränge mit gleicher Laufrichtung bearbeiten kann. Die Gabel bewegt sich fort, und weitere Teile der DNA werden frei, an die eine Primase erneut einen Primer setzt. Von dort aus beginnt die Polymerase ein weiteres DNA-Teil anzuschließen, bis sie auf das 5'-Ende des zuvor gebildeten kurzen Fragments stößt usw. Diese Okazaki-Fragmente enthalten am 5´-Ende zunächst noch die RNA-Primer, die von der DNAPolymerase I entfernt und durch Desoxyribonucleotide ersetzt werden. In einem Folgeschritt werden die Okazaki-Fragmente durch die DNA-Ligase zum kompletten Folgestrang verknüpft. Helicase

Bewegungsrichtung der Replikationsgabel

Primosom

DNA-Polymerase III Holoenzym-Dimer Primer DNA-Polymerase III Primer OkazakiStück

Leitstrang

Folgestrang

Holoenzym-Dimer

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

471

OkazakiStück DNA-Polymerase III 3‘

5‘

Holonenzym-Dimer

Quelle: http://www.bzh.uni-heidelberg.de/hurt/vorlesungen/Mediziner

Lösung 340 a) Zur Amplifikation des gegebenen Strangs wird ein 5´-Primer benötigt, der komplementär zur Sequenz am 3´-Ende ist, d.h. folgende Sequenz aufweist: 5´-TGCCCGATTG-3´ Zusätzlich wird ein Primer benötigt, der komplementär zum 3´-Ende des im ersten Schritt neu synthetisierten Strangs ist, der also die gleiche Sequenz wie das 5´-Ende des gegebenen Strangs aufweist, also 5´-CATGCTAATG-3´. b) Im ersten Zyklus entsteht aus dem Einzelstrang doppelsträngige DNA in 25 Kopien, in den folgenden 19 Zyklen erfolgt jeweils (im Idealfall) eine Verdopplung der Kopienzahl. Daraus folgt für die (maximale) Anzahl N der nach 20 Zyklen erhaltenen Kopien: N = 25 u 219 = 13107200 = 1,31u107 c) Man müsste nach jedem Denaturierungsschritt neue Polymerase zusetzen, da die alte im vorangegangenen Zyklus durch das Erwärmen auf ca. 95 °C inaktiviert würde.

472

Kapitel 12

Lösung 341 DNA-Polymerasen benötigen eine freie 3´-OH-Gruppe zur Kettenverlängerung; diese steht zu Beginn der Synthese des Leitstrangs sowie zu Beginn der Synthese jeden Okazaki-Fragments nicht zur Verfügung. Dagegen können RNA-Polymerasen auch ohne freie 3´-OH-Gruppe mit der Synthese beginnen. Das Enzym Primase benutzt also Ribonucleosidtriphosphate zur Synthese der sogenannten Primer zu Beginn des Leitstrangs und jeden Okazaki-Fragments. Nach Abschluss der Synthese der einzelnen Fragmente werden die Primer durch die 5´Æ3´Exonuclease-Aktivität der Polymerase I ausgeschnitten und durch Desoxynucleotide ersetzt. Daher sind in der fertigen DNA keine Ribonucleotide mehr zu finden.

Lösung 342 a) mRNA entsteht im Zuge der Transkription durch die RNA-Polymerase II als Kopie einer DNA-Matrize im Zellkern. Sie transportiert die Information für die Proteinbiosynthese aus dem Zellkern zu den Ribosomen (= Orte der Proteinbiosynthese) und assoziiert mit diesen. Die mRNA ist einzelsträngig; sie enthält Uracil anstelle von Thymin als Base und Ribose anstelle der Desoxyribose in der DNA. Die mRNA ist kurzlebig und wird relativ rasch wieder abgebaut. b) Die prokaryontische mRNA enthält keine Introns; sie kann daher direkt translatiert werden. Während bei Prokaryonten die Translation sofort einsetzt (häufig vor Fertigstellung der kompletten mRNA), unterliegt die eukaryontische mRNA exzessiver posttranskriptionaler Modifizierung im Zellkern:

x Anbringung eines 7-Methylguanosin-Cap (m7G-Cap) am 5´-Nucleosid: Nach Hydrolyse des terminalen γ-Phosphats durch die Triphosphatase wird durch das sogenannte Capping-Enzym ein GMP-Rest (von GTP) in Form einer 5’-5’-Phosphodiesterbindung auf das 5’-Ende der RNA übertragen und anschließend an Position 7 des Guanins unter Verbrauch von S-Adenosylmethionin (SAM) methyliert. Die Cap-Struktur hat mindestens zwei wichtige Funktionen: erstens wirkt sie nach dem Transport ins Cytosol als Signal für die kleine ribosomale Untereinheit, an die die mRNA andockt, und zweitens schützt sie die mRNA vor hydrolysierenden Enzymen. x Polyadenylierung am 3´-Ende: Bei diesem Vorgang wird ein Poly-A-Schwanz aus 30 bis 200 Adenin-Nucleotiden angehängt, der die mRNA vor einem enzymatischen Abbau schützt. Zusätzlich erleichtert er den Export der mRNA aus dem Zellkern ins Cytoplasma. x Spleißen (Entfernung der nichtcodierenden Introns) aus dem Primärtranskript: Durch sogenanntes alternatives Spleißen können aus derselben prä-mRNA unterschiedliche mRNAs entstehen, die in der Translation zu unterschiedlichen Proteinen führen.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

473

Lösung 343 a) G/C-Paare sind stabiler als A/T-Paare, da sie untereinander 3 gegenüber nur 2 Wasserstoffbrücken ausbilden. Daher ist die Öffnung der Doppelhelix erschwert, je mehr G/C-Paare in der –10-Region vorliegen, was wiederum die Initiation erschwert. b) Die meisten Gene werden wiederholt transkribiert; entsteht beim ersten Mal ein fehlerhaftes Transkript, kann der Mangel durch weitere (fehlerfreie) Transkriptionsvorgänge ausgeglichen werden. Außerdem enthält der genetische Code zahlreiche Synonyme, so dass nicht jede falsch eingebaute Base zur Codierung einer anderen als der vorgesehenen Aminosäure führt. Viele Mutationen in einem Protein wirken sich daher funktionell nicht aus.

Lösung 344 a) Die DNA-Polymerase I besitzt selbstverständlich Polymerase-Aktivität (in 5´Æ3´-Richtung), ferner Exonuclease-Aktivität in 3´Æ5´-Richtung (Korrekturlesefunktion) und auch in 5´Æ3´-Richtung.

x Polymerase-Aktivität Sie katalysiert den Angriff des 3´-OH-Endes eines wachsenden DNA-Strangs am DPhosphoratom des neu eintretenden dNTPs unter Abspaltung von PPi. Template

3´ 5´

3´- OH n

+

3´ P

P

P OCH2 dRib

Primer + bereits eingebaute Nucleotide

5´ B

Template 3´ OH

n+1

PPi um ein Nucleotid verlängerter Strang

neues dNTP

x 3´Æ5´-Exonuclease-Aktivität („proofreading”) Diese wird durch ein ungepaartes (da falsch eingebautes) 3´-terminales Nucleotid mit freier OH-Gruppe aktiviert. Dieses Nucleotid wird durch hydrolytische Spaltung entfernt. 3´ 5´

Template n

O

P O dRib O O B ungepaartes Nucleotid

3´ 5´ H2O

dNMP

Template n

3´- OH

474

Kapitel 12

x 5´Æ3´-Exonuclease-Aktivität Die Polymerase I bindet an doppelsträngige DNA an einem Einzelstrangbruch („nick”) und spaltet eines oder mehrere (bis zu 10) Nucleotide ab. Dabei spielt es keine Rolle, ob das unmittelbar auf den Strangbruch folgende Nucleotid gepaart oder ungepaart ist. 3´ 5´

Template OH n

O

P O Nu1 Nu2 Nu3 O O

H2O

Template

3´ 5´

n +

"nick"

O

OH

P Nu3

P O Nu1 Nu2 OH O O

b) Offensichtlich sind Polymerase-Aktivität (die in E. coli hauptsächlich durch die DNAPolymerase III erledigt wird) und Exonuclease-Aktivität voneinander unabhängig. Da trotz geringer Polymerase I-Aktivität die Replikation mit normaler Geschwindigkeit verlief, muss hierfür überwiegend ein anderes Enzym zuständig sein, nämlich die (dadurch entdeckte) Polymerase III. Die hohe UV-Empfindlichkeit (Æ verursacht Mutationen) weist auf die Rolle der Polymerase I für die Reparatur veränderter DNA hin.

Lösung 345 An der Ligase-Reaktion ist ein Lysinrest des Enzyms beteiligt, der zunächst durch Adenylierung aktiviert wird. Als Donor von AMP fungiert bei Eukaryonten ATP; Prokaryonten wie E. coli verwenden stattdessen NAD+, aus dem dabei das Nicotinamidmononucleotid (NMN+) freigesetzt wird. Durch Angriff der 5´-Phosphatgruppe wird AMP unter Bildung einer energiereichen Phosphorsäureanhydridbindung auf das 5´-Ende übertragen, das dadurch einem Angriff der nucleophilen 3´-OH-Gruppe des vorangehenden Nucleotids zugänglich wird. Unter Abspaltung von AMP wird die neue Phosphodiesterbindung geknüpft.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

E

Lys

NH2

+

O

O

O

O

P O

P O

P O Adenosin

O

O

O

O

3´ O

n OH

Lys NH2

5´

P O Nu1 Nu2 O O

Template n OH

O O

O E

Lys NH2

P O Adenosin

E

Lys

NH2

O

3´ 5´

P O Adenosin

PPi

Template

5´

E

O

ATP

3´

475

O Nu1 Nu2 P

O

O

P O O Adenosin

Template n

O

P O Nu1 Nu2 O O

AMP

Lösung 346 a) Da die Replikation bidirektional verläuft (2 Replikationsgabeln bewegen sich in entgegengesetzte Richtung), muss jede der beiden Replikationsgabeln pro Minute eine Strecke von 1,28 mm : 40 : 2, also 0,016 mm zurücklegen. b) 0,016 mm entsprechen 1,6u105 Å. Bei 34 Å bzw. 10 bp pro Windung entspricht 1 bp einer Länge von 3,4 Å. Dies ergibt bei 1,6u105 Å 47059 bp oder 9,41u104 Basen. c) Dies entspricht einer Replikation von 1200 mm / 300 min, also 4 mm pro Minute. Pro Replikationsgabel werden 0,016 mm / 10, also 1,6 Pm pro Minute repliziert. Erforderlich sind daher 4 / 0,0016 = 2500 Replikationsgabeln, das entspricht 1250 Replikationsursprüngen. d) Der Abstand beträgt 0,96 mm = 0,96u107 Å / 3,4 Å / Base = 2824 kb.

Lösung 347 a) 108 bp entsprechen 108 / (6,022u1023) = 1,66u10–16 mol. Bei einer molaren Masse von 660 g/mol pro Basenpaar erhält man eine Masse von 1,66u10–16 mol u 660 g/mol = 1,1u10–13 g.

476

Kapitel 12

Bei einem Massenverhältnis Protein / DNA von 2:1 beträgt die Proteinmasse pro Chromosom = 2,2 u 10–13 g; die Gesamtmasse folglich 3,3u10–13 g = 0,33 pg. b) Geht man für die native DNA von 10 bp / Windung bei einer Ganghöhe von 34 Å aus, so erhält man eine Länge von 3,4 cm. c) Die Gesamtlänge der DNA beträgt dann 23 u 2 u 0,034 m u 1012 = 1,5u109 km (!!), der 10-fachen Entfernung zur Sonne. d) Wenn sich (im günstigsten Fall) der Replikationsstartpunkt genau in der Mitte des Chromosoms befindet, die Replikation also in beide Richtungen (zwei Replikationsgabeln!) gleich schnell verläuft, würde die Replikation (108 bp / 2) / 6000 bp min–1 = 8333 min = 5,79 Tage dauern. Liegen die Replikationsstartpunkte im Schnitt 100 kb (=105 bp) auseinander, so würden (gesetzt den Fall, die Replikation würde an allen Startpunkten simultan beginnen), nur (105 bp / 2) / 6000 bp min–1 = 8,33 min benötigt.

Lösung 348 a) Teilt man die ungefähre molare Masse der T2-DNA durch die durchschnittliche Masse für ein Basenpaar (660 g/mol), erhält man eine Anzahl von 1,82u105 Basenpaaren. Durch Multiplikation mit 0,34 nm je Basenpaar erhält man eine Länge von 6,18u104 nm. Die DNA ist also rund 300 mal länger als der Phagenkopf. b) Da die Zahl der A- und T- bzw. C- und G-Basen nicht übereinstimmt, kann es sich nicht um eine Doppelhelix mit Basenpaarungen handeln. Die M13-DNA ist einzelsträngig.

Lösung 349 Folgende drei Prozesse sorgen für die erstaunlich geringe Fehlerrate bei der Replikation:

x Bereits während der Polykondensationsreaktion wird zwischen richtigen und falschen Nucleotiden aufgrund der Wasserstoffbrücken zwischen den komplimentären Basen sowie den geometrischen Eigenschaften von A/T- bzw. G/C-Paaren unterschieden. Ein falsches Nucleotid kann zwar u.U. Wasserstoffbrücken mit der Matrize ausbilden, passt aber in der Regel nicht in das aktive Zentrum des Enzyms. Dadurch wird bereits eine Fehlerquote von etwa 1 : 104–105 erreicht. x Durch die 3´Æ5´-Exonuclease-Aktivität wird jedes Nucleotid nach dem Einbau nochmals überprüft. Wurde ein falsches Nucleotid eingebaut, ist die Verschiebung der Polymerase zur nächsten Base der Matize gehemmt. Die 3´Æ5´-Exonuclease-Aktivität sorgt dafür, dass das falsch eingebaute Nucleotid wieder entfernt wird und anschließend ein neues Nucleotid eingefügt wird. Dieses „Korrekturlesen“ steigert die Genauigkeit nochmals um einen Faktor 102 bis 103. x Noch verbliebene falsch gepaarte Basen werden durch eigenständige Reparatursysteme entfernt (Fehlpaarungsreparatur; Basenexcisionsreparatur; Nucleotidexcisionsreparatur).

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

477

Lösung 350 a) Die Konzentration des Repressors ergibt sich aus der Stoffmenge an Repressormolekülen und dem Zellvolumen: c (R)

n (R) V

N (R) NA ˜ V

10 mol 6, 022 ˜ 10

23

˜ 0,3 ˜ 10

b) Entsprechen 10 Moleküle pro Zelle 5,5 u 10 Zelle 1,1 u 10–8 mol/L.

–8

15

L

5,5 ˜ 108 mol/L

mol/L, dann entsprechen 2 Moleküle pro

c) Für das Dissoziationsgleichgewicht zwischen Repressors und Operator gilt KD KD

1013 mol/L

c (R) ˜ c (O) c (RO)

(5,5 ˜ 108  x) ˜ (1,1 ˜108  x) x

o x 2  (5,5 ˜ 108  1,1 ˜108  1013 ) x  6, 05 ˜1016

0

Lösung der quadratischen Gleichung ergibt: x

1, 0999975 ˜ 108

o c (O)frei

c (O)gesamt  c (RO)

2,5 ˜1014 mol/L

Lösung 351 a) Die heterogene nucleäre RNA (hnRNA) ist das primäre Transkript eukaryontischer Strukturgene und der Vorläufer der reifen mRNA. Eukaryontische Gene enthalten zahlreiche Introns zwischen den codierenden Bereichen, den Exons. Die Introns sind auch in der hnRNA enthalten und werden auf dem Weg zur reifen mRNA durch Spleißen entfernt. Die Micro- und die short interfering RNA gehören zur Gruppe der nichtcodierenden RNAs, denen offenbar eine Rolle bei der Genexpression zukommt. Beide entstehen durch Einwirkung von RNAsen aus größeren Vorläufermolekülen, umfassen nur ca. 18–25 Nucleotide und können durch spezifische Basenpaarungen an mRNA binden. Die miRNA hemmt dadurch die Translation, während die siRNA zum Abbau der mRNA führt, ein Prozess, der als RNAInterferenz bezeichnet wird. Bislang wurden bereits mehr als 200 derart potenziell regulatorisch wirkender RNAs gefunden, deren Funktion noch weitgehend unbekannt ist und intensiv untersucht wird. Eine gezielte Unterdrückung der Genexpression durch RNA-Interferenz könnte zahlreiche therapeutische Einsatzmöglichkeiten erschließen. b) Bereits bevor die Transkription beendet ist beginnt die Prozessierung der hnRNA. Diese umfasst das „Capping“, das Anfügen eines Poly-A-Schwanzes (Polyadenylierung), sowie das Herausschneiden der Introns (Spleißen). Das „Capping“ verläuft in drei Schritten: zunächst wird die Phosphorsäureanhydridbindung zwischen β- und J-Phosphat hydrolytisch gespalten, dann auf das verbliebene Diphosphat durch eine Guanylyl-Transferase ein GMP-Rest unter Ausbildung einer 5´-5´-Triphosphat-

478

Kapitel 12

brücke übertragen und schließlich die Position 7 des Guanidins sowie optional der Riboserest des ersten oder der beiden ersten Nucleotide des Transkripts in Position 2´ unter Verbrauch von S-Adenosylmethionin methyliert. Die entstandene 5´,5´-Triphosphatbrücke am 5´-Ende schützt die fertige mRNA vor dem Abbau durch Exonucleasen. Sie ist weiterhin bedeutsam für die Initiation der Translation, da sie zur Erkennung der mRNA durch Translationsfaktoren beiträgt. O

O

P

5´-Ende der hnRNA

O O

O P

O

O P

O O

O P

O P

O

O

CH2

Base

O

H2O

O

Pi

N

O O O

O

Base

O

5´-Triphosphatase O O

OH

O

O

O CH2

Base

O

OH

OH

OH

O P O CH2

OH

O

O

O

Base

OH

O N

O

O

P

O P O P O

N

CH2

O

O O

OH

OH

O

CH2

N O

NH2

P S-Adenosylmethionin

S-Adenosylhomocystein

O P O

O O

O

O Base

O

Cap 1

bzw. 2´-O-Methyltransferase

O

OH

O

O

O CH2

O

Base

O

O

O

P

N

P

CH3

O CH2

Base

O

Cap 2 O

OH

O

O

NH2

7-Methylguanosin

OH

OH

Guanin-7-methyltransferase O

NH

N

CH2

O O

CH2

Base

O

O

P

O

O O

O

H3C NH

N

NH2

N

O

Guanylyl-Ttransferase O

P

NH

N

CH2

P O O

O

CH2

O

CH3

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

479

Lösung 352 Es kommt zur Hemmung der Transkription, da bei Einbau von Cordycepin-5´-triphosphat anstelle von ATP kein 3´-OH-Ende mehr vorhanden ist, an welches das nächste Nucleotid angeknüpft werden könnte.

NH2 N O

O

O

O

P O

P O

P O CH2

O

O

O

O

N

N N

OH fehlendes 3´-OH-Ende

Lösung 353 a) Die für die Polymerase codierende RNA muss zunächst mit Hilfe des Enzyms reverse Transkriptase in DNA übersetzt werden. Anschließend kann der DNA-Strang durch die Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt werden (Prinzip der RT-PCR). Reverse Transkriptasen (RT) (RNA-abhängige DNA-Polymerasen) sind Enzyme, die zunächst von einer einzelsträngigen RNA einen RNA-DNA-Hybridstrang mittels einer RNAabhängigen DNA-Polymerase-Aktivität synthetisieren. Für den folgenden Abbau des RNAAnteils ist ein eigener Abschnitt des Proteins zuständig, der RNase-H-Anteil. Es folgt die Vervollständigung des Einzel- zum DNA-Doppelstrang durch die DNA-abhängige DNA-Polymerase-Aktivität. b) Mit Hilfe der reversen Transkriptase erhält man also die folgende Sequenz: 5´-ATGAATTACCAAGTCAATGGTTAC–n Basen–GTAGCTGTACCGACTGGTTATG-3´ 3´-TACTTAATGGTTCAGTTACCAATG–n Basen–CATCGACATGGCTGACCAATAC-5´ Da es sich um DNA handelt, wird komplementär zu den Adenin-Nucleotiden in der RNA Thymin eingebaut und nicht Uracil. Um diesen DNA-Doppelstrang weiter zu vervielfältigen, sind demnach die beiden folgenden Primer erforderlich: Primer 1: 5'-CATAACCAGTCGGTACAGCTAC-3´ Primer 2: 5'-ATGAATTACCAAGTCAATGGTTAC-3´

Lösung 354 a) Aus der Untersuchung der Basensequenzen von Tausenden von Intron-ExonVerbindungsstellen von RNA-Transkripten ergaben sich folgende allgemeine Merkmale:

x Die Basensequenz eines Introns beginnt stets mit GU und endet mit AG. x Als Consensussequenz am 5´-Ende des Introns gilt die Basenfolge GUAAGU. x Am 3´-Ende findet man einen Abschnitt von 10 Pyrimidinresten (U oder C), denen eine beliebige Base und ein C sowie am Ende das invariante AG folgen. x Etwa 20–50 Nucleotide stromaufwärts der 3´-Spleißstelle des Introns findet sich die Verzweigungsstelle (A).

480

Kapitel 12

5´-Spleißstelle 5´

AG GU Exon 1

Verzweigungsstelle A Intron

3´-Spleißstelle 3´

pyrimidinreich AG G Exon 2



b) Das Spleißen findet in den meisten Fällen in einem großen Komplex aus RNA und Proteinen statt, dem sogenannten Spleißosom, welches die Reaktion in zwei aufeinanderfolgenden Umesterungen katalysiert. Die Mehrzahl der Introns wird auf diese Art und Weise entfernt. Bei beiden Reaktionen findet eine nucleophile Substitution an einem Phosphat statt; das Nucleophil ist jeweils eine Hydroxygruppe einer Ribose. Im ersten Schritt greift der Adenylatrest der Verzweigungsstelle mit der 2´-OH-Gruppe der Ribose die 5´-Phosphatgruppe des Introns unter Ausbildung einer 2´,5´-Phosphodiesterbindung an, was zur Freisetzung des 5´-Exons und zur Bildung einer Verzweigung mit intermediärer „Lassostruktur“ führt. Im zweiten Schritt greift die nun frei gewordene 3´-OH-Gruppe des 5´-Exons die Phosphodiesterbindung zwischen Intron und nachfolgendem Exon an; es kommt zur Verknüpfung der beiden Exons und zur Freisetzung des Introns in „Lassoform“. Die Anzahl der Phosphodiesterbindungen bleibt während dieser beiden Schritte unverändert, so dass die Spleißreaktion ohne Energiezufuhr durch ATP oder GTP ablaufen kann.

Lösung 355 a) Der Aufbau des lac-Operons entspricht dem Aufbau vieler prokaryontischer Operons aus einem Promotor (= RNA-Polymerase-Bindungsstelle), dem Operator (= Bindungsstelle für regulatorische Proteine) und den Strukturgenen für die β-Galaktosidase, die Permease und die Transacetylase. Stromaufwärts des lac-Promotors liegt lacI, das Gen für den lac-Repressor, das einen eigenen Promotor hat. In Abwesenheit von Lactose (obere Abbildung) bindet der lac-Repressor an den Operatorbereich O und verhindert die Expression der Strukturgene. Durch diese negative Kontrolle wird das lac-Operon nur dann transkribiert, wenn der lac-Repressor vom Operator dissoziiert. Im reprimierten Zustand verhindert der lac-Repressor, dass die RNA-Polymerase an die DNA binden und die Transkription initiieren kann. Lactose (genauer: das Isomer Allolactose, das aus der Lactose entsteht) fungiert als Induktor (Inducer; untere Abbildung), der an den lac-Repressor bindet. Dadurch vermindert sich die Affinität des Repressors zum Operatorbereich der DNA; der Repressor dissoziiert ab, so dass nun der Promotorbereich für die RNA-Polymerase zugänglich wird. Als nichtmetabolisierbarer Induktor wird in der Gentechnologie häufig die Verbindung Isopropyl-β-thiogalactosid (IPTG) verwendet.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

Promotor

481

Operator lac-Operon

Regulatorgen I

P

O

Z

Y

A

Repressor bindet an den Operator und verhindert die Transkription des lacOperons

Repressor

Promotor

Operator

lac-Operon

Regulatorgen I

Repressor

P

O

Z

ȕ-Galactosidase

Inducer

Inducer-Repressor-Komplex, bindet nicht an den Operator

Y

Permease

A

Transacetylase

482

Kapitel 12

b) Verantwortlich für die positive Regulation des lac-Operons ist ein Aktivatorprotein, das CAP (catabolite activator protein). Allerdings ist die CAP-Aktivität von der Konzentration von cAMP abhängig, da beide Verbindungen aneinander binden müssen, um die Genexpression positiv zu beeinflussen. Sie lagern sich an die DNA an und wechselwirken direkt mit der RNA-Polymerase, wodurch deren Affinität zum Promotor deutlich erhöht wird. Die Präsenz von Glucose hemmt (indirekt) den Abbau der Lactose. Beim Transport der Glucose in die Zelle wird ein Phosphatrest vom Transportprotein IIAGlc auf die Glucose übertragen. Ohne den Phosphatrest ist das Protein nicht mehr in der Lage, die Adenylatcyclase zu aktivieren. Somit sinkt die cAMP-Konzentration allmählich ab und das CAP kann das Operon nicht positiv regulieren, d.h. es kommt auch bei Anwesenheit von Lactose kaum zur Genexpression. Die Glucose wird demzufolge bevorzugt abgebaut.

Lösung 356 a) Wie bei den Proteasen unterscheidet man Exonucleasen, die vom Ende der Kette her Nucleotid für Nucleotid freisetzen (5´-Exonucleasen vom 5´-Ende her; 3´-Exonucleasen vom 3´Ende her), und Endonucleasen, die im Inneren der Kette mehr oder weniger spezifisch spalten. Die meisten DNasen greifen spezifisch Doppelstrang-DNA an (z.B. DNase I); andere können nur Einzelstrang-DNA spalten (z.B. Exo-DNase I). Die Restriktionsendonucleasen vom Typ II sind bakterielle Enzyme, die sehr spezifisch für bestimmte Basensequenzen sind. Sie erkennen in den meisten Fällen sogenannte Palindrome und spalten die beiden Stränge entweder versetzt (Æ „klebrige“ Enden) oder (seltener) unversetzt (Æ „glatte“ Enden). b) Eine typische Methode ist der sogenannte Southern Blot, eine 1975 von Edward Southern in die Molekularbiologie eingeführte Methode. Dabei wird das Gel nach der Elektrophorese in NaOH-Lösung gelegt, so dass die DNA in Einzelstränge denaturiert. Anschließend wird das im Gel entstandene Trennmuster auf eine Membran (meist Nylon oder Nitrocellulose) übertragen („Blotten“) und dort dauerhaft fixiert. Beim Kapillar-Blot ist die treibende Kraft ein (alkalischer) Flüssigkeitsstrom, der von einem Reservoir ausgehend von unten durch das Gel weiter durch die Membran zu einem Stapel saugfähigen Materials läuft. Dieser Strom zieht die DNA aus dem Gel mit, die anschließend an der Membran hängen bleibt und gebunden wird. Durch Anlegen eines Vakuums („Vakuum-Blot“) kann der Prozess beschleunigt werden. Die Fixierung an die Membran erfolgt durch Wärme oder Bestrahlung mit UV-Licht (Æ Crosslinking). Anschließend wird die Membran mit einer Lösung einer chemisch (z.B. mit einem Fluorophor) oder radioaktiv markierten Gensonde behandelt. Diese Sonde besteht meist aus einzelsträngiger RNA (RNA-DNA-Hybride sind stabiler als DNA-DNA-Hybride), welche zur gesuchten Sequenz komplementär ist. Befindet sich diese Sequenz auf der Membran, so bildet die Sonde Basenpaarungen mit dieser aus und bindet dauerhaft in diesem Bereich (Hybridisierung). Durch Autoradiographie oder Fluoreszenzmessung o.ä. (je nach verwendeter Markierung) wird die Hybridisierung detektiert und dadurch die gesuchte Sequenz nachgewiesen.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

483

Lösung 357 Plasmid 3 besitzt kein Ampicillin-Resistenzgen; Bakterien mit diesem Plasmid wachsen daher nicht auf Ampicillin-haltigem Medium. Das Plasmid 2 ergibt bei Spaltung mit EcoRI zwei Fragmente, ein kleines mit 3000 bp und ein größeres. Plasmid 1 ergibt bei Spaltung mit EcoRI nur ein großes Fragment.

Lösung 358 a) Restriktionsendonucleasen erkennen spezifische Sequenzen der DNA, die 4 bis 8 bp umfassen. Solche Sequenzen sind meist spiegelbildlich aufgebaut und werden Palindrome genannt. Die Enzyme schneiden die Sequenzen meist nicht in der Mitte durch, wodurch „glatte“ Enden (sogenannte blunt ends) entstünden, sondern produzieren bevorzugt überhängende DNA-Einzelstrangabschnitte, die als „klebrige“ Enden (sticky ends , siehe Graphik) bezeichnet werden. 5’-GAA TTC-3’ 3’-CTT AAG-5’

5’-G

AATTC-3’

3’-CTTAA

G-5’

„klebrige Enden“ Die eigene DNA schützt die Zelle mittels Methylierung der Base Adenin vor der Verdauung durch die eigenen Restriktionsenzyme. b) Erbkrankheiten wie die Sichelzellanämie beruhen auf Mutationen (Änderungen der DNASequenz) in codierenden oder regulatorischen Bereichen, oder auch an Spleißstellen. Liegen größere Deletionen oder Insertionen vor, oder ist durch eine Punktmutation eine Schnittstelle eines Restriktionsenzyms betroffen, so ergibt sich nach der Spaltung der DNA mit dem entsprechenden Restriktionsenzym ein verändertes Bandenmuster in der Gelelektrophorese. Ursache der Sichelzellanämie ist eine Punktmutation im Globin-Gen der E-Kette des Hämoglobins. Diese Mutation in der DNA führt dazu, dass in Position 6 der Aminosäurekette die Aminosäure Glutamat durch Valin ersetzt wird. Man benötigt nun ein Restriktionsenzym, dessen Erkennungssequenz der DNA-Sequenz des Wildtyps (HbA) entspricht, so dass die entsprechende Schnittstelle (roter Pfeil) durch die Mutation im HbS-Gen verloren geht. Ein solches Restriktionsenzym ist MstII; es besitzt im normalen Globin-Gen drei Schnittstellen, dagegen fehlt die mittlere im HbS-Gen.

484

Kapitel 12

Während für das normale Globin-Gen bei einer Gelelektrophorese zwei Fragmente mit 1150 bzw. 200 bp erhalten werden, liefert das mutierte Gen stattdessen nur ein Fragment (rot) mit 1350 bp. MstII-Schnittstellen

Globin-Gen

Codon 6 1350 bp

Mutante

1150 bp

Wildtyp

Lösung 359 a) Eine Erkennungssequenz aus 6 Basen besitzt, da vier verschiedene Basen in der DNA vorkommen, eine statistische Wahrscheinlichkeit von 1:46 = 1:4096. Die durchschnittliche Fragmentlänge sollte also etwa 4,1u103 Basen betragen. b) Offensichtlich besitzt die gegebene DNA eine Schnittstelle für das Restriktionsenzym HindIII, die zu zwei Fragmenten mit 1,2 bzw. 2,8 kb führt, sowie zwei Schnittstellen für BamHI. Bei gleichzeitigem Einsatz beider Enzyme bleibt keines der beiden mit HindIII allein entstehenden Fragmente erhalten; die beiden BamHI-Schnittstellen liegen also zu beiden Seiten der HindIII-Schnittstelle. Wie sich aus dem Bandenmuster erkennen lässt, wird das 1,2 kb-Fragment in ein 0,3 kb- und ein 0,9 kb-Fragment gespalten; die Spaltung mit BamHI allein zeigt, dass die beiden Schnittstellen 0,3 kb bzw. 1,0 kb von der HindIII-Schnittstelle entfernt sind. Damit ergibt sich die folgende Restriktionskarte: BamHI

HindIII

1,8 kb

1,8 kb

2,8 kb

1,0 kb

BamHI

3,1 kb

0,3 kb

4,0 kb

0,9 kb

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

485

Lösung 360 a) Als Klonierung wird die Integration eines Gens oder DNA-Fragments in einen Klonierungs- bzw. Expressionsvektor sowie die nachfolgende Vermehrung und Expression dieser rekombinanten DNA in einem geeigneten Wirtsorganismus bezeichnet. Einfache Vektoren zur Klonierung von Bakterien sind Plasmide. Bei der Plasmid-Klonierung wird ein Plasmid (z.B. pBR322) mit Hilfe von speziellen Restriktionsenzymen versetzt geschnitten, so dass überhängende Enden („sticky ends“) entstehen. Die Ziel-DNA, die als Insert in den Vektor integriert werden soll, wird mit den gleichen Enzymen geschnitten, so dass komplementäre Enden an Vektor- und Ziel-DNA entstehen. Die zueinander kompatiblen, überhängenden Enden von Vektor und Ziel-DNA finden sich und hybridisieren miteinander. Durch eine DNA-Ligase (z.B. T4-DNA-Ligase) werden die Enden der Einzelstränge miteinander kovalent verbunden. Anschließend müssen die Bakterienzellen (z.B. E. coli) mit dem Vektor-Insert-Konstrukt transformiert werden. Hat eine Bakterienzelle das Plasmid ins Zellinnere aufgenommen, kann diese mit Hilfe eines auf dem Plasmid vorhandenen Antibiotikum-Resistenzgens auf einem Agar-Nährboden (z.B. „LB-Medium“) wachsen, der das entsprechende Antibiotikum (z.B. Ampicillin) enthält. So werden nur diejenigen Bakterienzellen selektiert, die das Plasmid aufgenommen haben. Durch Vermehrung dieser einzelnen Bakterienzellen entstehen Bakterienkolonien. Alle anderen Bakterienzellen, die kein Plasmid aufgenommen haben, gehen zugrunde. b)

x Eukaryontische Kontrollelemente für RNA- und Proteinsynthese werden vom bakteriellen Wirt i.A. nicht erkannt. Man benötigt daher als Expressionsvektoren Plasmide, die so konstruiert wurden, dass sie geeignete regulatorische Sequenzen für die Transkription und Translation enthalten, wie z.B. starke Promotoren und Ribosomenbindungsstellen. x Eukaryontische Gene enthalten Introns, die von Bakterien nicht entfernt werden können. Daher muss aus dem mRNA-Transkript des Gens zunächst die entsprechende cDNA hergestellt und in den Expressionsvektor eingefügt werden. x Viele eukaryontische Proteine müssen posttranslational modifiziert werden, z.B. durch Glykosylierung. In Bakterien fehlen i.A. die spezifischen Enzyme, die zur Katalyse dieser Modifizierungen erforderlich sind. x Eukaryontische Proteine werden zudem oft bevorzugt von bakteriellen Proteasen abgebaut.

Lösung 361 Retroviren sind RNA-Viren, die nach Befall der Wirtszelle ihre RNA mit Hilfe des Enzyms reverse Transkriptase in komplementäre DNA (cDNA) übersetzen; es entsteht ein RNADNA-Hybrid. Die neu synthetisierte DNA dient als Template für den komplementären DNAStrang, während der RNA-Strang abgebaut wird. Die entstandene doppelsträngige DNA baut sich in das Wirtschromosom ein und wird so repliziert. Allerdings birgt genau dieser Einbau auch erhebliche Risiken: Retroviren verstreuen oft mehrere Kopien des eingeschleusten Gens im Wirtsgenom; bisher ist weder steuerbar wo, noch wie viele Genbausteine die Viren auf diese Weise einbauen. Eine Insertion der Gene an falscher Stelle kann jedoch die Funktion

486

Kapitel 12

wichtiger Steuerungsgene stören und dann beispielsweise ungeregeltes Zellwachstum und letztendlich Krebs zur Folge haben. In Versuchen mit retroviralen Genfähren sind bereits Fälle von Leukämie oder Tumorbildungen beobachtet worden. Eine retrovirale RNA für therapeutische Zwecke enthält therapeutische Gene anstelle derer, die für die Replikation des Virus erforderlich sind.

Lösung 362 Die Einzelwahrscheinlichkeiten für das Auftreten einer bestimmten Base betragen für eine DNA mit 40 % (G+C) je 20 % für C bzw. G und je 30 % für A bzw. T. Können an einer Stelle der Erkennungssquenz zwei verschiedene Basen stehen (z.B. A/T), so addieren sich die beiden Wahrscheinlichkeiten. Für ein Purinnucleotid beträgt die Wahrscheinlichkeit ebenso wie für ein Pyrimidinnucleotid je 0,5. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Erkennungssequenz von TaqI beträgt daher: 0,3 u 0,2 u 0,2 u 0,3 = 1 : 277,8. Bei einer Länge von 5243 bp und zufälliger Sequenz sollte die Erkennungsstelle statistisch gesehen 18,9 mal auftreten; es wären also ca. 19 Schnittstellen zu erwarten. Für EcoRII: 0,2 u 0,2 u 0,6 u 0,2 u 0,2 = 1 : 1002. Æ etwa 5 Schnittstellen zu erwarten Für PstI: 0,2 u 0,3 u 0,2 u 0,2 u 0,3 u 0,2 = 1 : 6944. Æ nur 1 Schnittstelle zu erwarten Für HaeII: 0,5 u 0,2 u 0,2 u 0,2 u 0,2 u 0,5= 1 : 2500. Æ etwa 2 Schnittstellen zu erwarten

Lösung 363 Da der Verdau mit EcoRI zwei Banden, d.h. zwei DNA-Fragmente ergibt, muss das ringförmige Plasmid offensichtlich zwei mal geschnitten werden; es liegt also eine zweite Schnittstelle für EcoRI vor. Durch den gleichzeitigen Verdau mit beiden Restriktionsenzymen wird das durch EcoRI erzeugte Fragment von 3500 bp in zwei Fragmente geteilt, d.h. die BamHISchnittstelle muss zwischen den beiden EcoRI-Schnittstellen lokalisiert sein, so dass sich folgendes Bild ergibt: Insert: 4800 bp  

EcoRI

BamHI

EcoRI

pUC19: 2700 bp

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

487

Lösung 364 Während das mit BglI gebildete 2,5 kb-Fragment beim gemeinsamen Verdau mit HpaII offensichtlich nicht weiter gespalten wird, d.h. keine HpaII-Schnittstelle enthält, wird das 2,0 kB-Fragment in zwei Fragmente mit 1,7 bzw. 0,3 kb gespalten, dasjenige mit 3,5 kb in zwei Fragmente mit 2,7 und 0,8 kb. Eine der beiden HpaII-Schnittstellen liegt also innerhalb des 2,0 kb-Fragments (1,7 kb vom Ursprung entfernt), die andere 3,0 kb entfernt von der ersten Schnittstelle im 3,5 kb-Fragment von BglII. Diejenigen Banden des Gels, die nach Transfer auf die Nitrocellulose-Membran und Hybridisierung mit der radioaktiv markierten mRNA nicht sichtbar werden, liegen offenbar außerhalb des Hybridisierungsbereichs der mRNA-Sonde. Dies betrifft die beiden endständigen Fragmente mit 1,7 kb aus dem Verdau mit HpaII und mit 2,5 kb aus dem Verdau mit BglI. Somit ergibt sich nachfolgend gezeigtes Bild: BglI-Stellen

2,0

2,0 kb

5,5 3,5 kb

2,5 kb 8 kb

0 kb 1,7 kb

3,0 kb

1,7

3,3 kb

4,7

HpaII-Stellen Der gelbe Balken skizziert die ungefähre Lage der radioaktiven mRNA-Sonde.

Lösung 365 a) Da die beiden Restriktionsenzyme HindIII und HpaII nur jeweils ein Fragment ergeben, muss es sich um zyklisches DNA-Molekül (z.B. ein Plasmid) handeln. Eine mögliche Restriktionskarte zeigt die folgende Abbildung. EcoRI 0,4 kb

0,6 kb HindIII 2,6 kb

HpaII 2,6 kb

0,8 kb 0,8 kb 1,4 kb 1,4 kb EcoRI

1,2 kb 1,2 kb

488

Kapitel 12

Restriktionsenzyme

Fragmentgrößen (kb)

EcoRI

1,2 / 1,4

HindIII

2,6

HpaII

2,6

EcoRI + HpaII

1,4 / 0,8 / 0,4

EcoRI + HindIII

1,2 / 0,6 / 0,8

b) Es gäbe 3 weitere mit den Daten konsistente Restriktionskarten. c) Durch einen Verdau mit HpaII und HindIII kann der Abstand dieser beiden Schnittstellen ermittelt werden. Allerdings sind auch dann noch zwei Restriktionskarten mit den Daten vereinbar, weil nicht klar ist, welche der beiden Schnittstellen von EcoRI das kleinere (1 kb) und welche das größere (1,6 kb) der beiden bei einem Verdau mit HpaII und HindIII entstehenden Fragmente teilt.

Lösung 366 a) Beachtet man die Regeln für die Basenpaarung und ersetzt man, wie allgemein in der RNA, Thyminreste durch Uracil, so erhält man folgende Sequenzen für die beiden denkbaren mRNAs: mRNA 1: 3´~~GGCCGAUUCGGUACUGAUCG~~5´ mRNA 2: 5´~~CCGGCUAAGCCAUGACUAGC~~3´ b) Da die Sequenz wie angegeben mitten aus einem Gen stammt und nicht mit einem StartCodon beginnt, ist das Leseraster nicht bekannt. Es müssen daher alle drei Möglichkeiten für die beiden mRNAs untersucht werden. mRNA 1 codiert, je nach Leseraster (readingframe RF) 1,2 oder 3: RF 1: ProAlaLysProStop RF 2: ArgLeuSerHisAspStop RF 3: GlyStop mRNA 2 codiert, je nach Leseraster (readingframe RF) 1,2 oder 3: RF 1: AlaSerHisGlyLeuAlaGly RF 2: LeuValMetAlaStop RF 3: Stop Man erkennt daraus, dass nur ein mögliches Leseraster kein Stopp-Codon enthält. Demnach ist der obere DNA-Strang der sense-Strang und mRNA 2 wird gemäss dem 1. Leseraster zur angegebenen Sequenz translatiert.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

489

Lösung 367 Für die Aminosäure Lysin codieren die beiden Tripletts AAA und AAG. Soll durch Mutation nur einer Base daraus ein Codon für Methionin (AUG) werden, so muss das Lysin im Wildtyp offensichtlich durch AAG codiert werden; Mutation der zweiten Base A zu U liefert dann das Triplett für Methionin. Für Serin existieren insgesamt sechs Codons. Tryptophan wird durch UGG codiert; das einzige Serin-Codon, das sich davon in nur einer Position unterscheidet, ist UCG. Analog kommt für die Bildung eines Arg-Codons aus einem Codon für Isoleucin nur das Triplett AUA in Frage, das durch Mutation an Position 2 in das Arg-Codon AGA übergeht. Für eine Mutation von Arg zu Prolin kann in allen vier denkbare Tripletts CGX die zweite Base G gegen C ausgetauscht werden. Damit aber gleichzeitig aus Arg durch genau eine Mutation auch Trp entstehen kann (Codon UGG), muss das Prolin-Codon im Wildtyp CGG sein. Die vollständige Sequenz lautet demnach 5'- AAG UCG AUA CGG -3´.

Lösung 368 a) Die Sekundärstruktur von tRNAs erinnert an ein Kleeblatt und wird auch oft als KleeblattStruktur bezeichnet. Typisch sind mehrere „Arme“, die eine Schleife mit einem über Wasserstoffbrücken stabilisierten, doppelsträngigen Stamm bilden. Am 3´-Ende befindet sich der Akzeptor-Stamm, an den die Aminosäure gebunden wird. Ihm gegenüber liegt die einzelsträngige Anticodon-Schleife; sie enthält das als Anticodon bezeichnete Triplett, das mit dem Codon auf der mRNA paart. Zwei weitere Arme sind nach kovalent modifizierten, konservierten Nucleotiden innerhalb dieser Arme benannt. So enthält der T\C-Arm eine Sequenz aus Ribothymidin (T), Pseudouridin (\) und Cytidin (C), während der D-Arm nach den in ihm häufig vorkommenden Dihydrouridinresten benannt ist. AOH-3´ C C

Akzeptor-Arm

5´ T\C-Arm

Variabler Arm

D-Arm

Anticodon-Arm 3´

GAU CUA

5´ mRNA

490

Kapitel 12

b) Die Aminosäuren werden nach ihrer Aktivierung zum Acyladenylat unter Ausbildung einer Esterbindung entweder an die 2´- oder die 3´-OH-Gruppe der Ribose am 3´-Ende der tRNA gebunden. Für jede Aminosäure existiert eine spezifische Aminoacyl-tRNASynthetase, die die richtige Aminosäure für die Verknüpfung mit der jeweiligen tRNA auswählen muss. Einige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen katalysieren nur die Verknüpfung des Aminoacyladenylats mit der 2´-terminalen OH-Gruppe der tRNA, andere nur mit der 3´terminalen OH-Gruppe. Zwischen der Bindung an die 2´- oder 3´-Position besteht ein Gleichgewicht; für die Ausbildung einer Peptidbindung während der Proteinbiosynthese muss die Aminosäure aber an der 3´-OH-Gruppe gebunden sein. NH2 N

O R

C

O

+

O

NH3

O

O

O

P O

P O

P O CH2

O

O

O

O

N

O

N R

C

O

N

AMP +

PPi

NH3 Aminoacyladenylat

HO

OH tRNA

tRNA

CH2

O +

HO

O

Adenin

OH

O R

C

O

AMP

CH2

Adenin O

3´ O

OH

Aminoacyl-tRNA

R NH3

NH3 tRNA

CH2

Adenin O 2´

HO

O

O R H 3N

c) Ein Großteil der Basenpaarungen zwischen Codon und Anticodon wird durch die Regeln für Watson-Crick-Basenpaare bestimmt. Allerdings hat sich gezeigt, dass für eine korrekte Erkennung des Codons nur die beiden ersten Basen des Codon entscheidend sind, während für die Base am 3´-Ende des Codons auch andere Basenpaarungen möglich sind. Dies deutet darauf hin, dass die Konformation des Basenpaares am 5´-Ende des Anticodons flexibel ist („Wobble-Basenpaare“). Nur C und A als 5´-Basen auf dem Anticodon paaren spezifisch; G paart mit C und U, U mit A oder G und die modifizierte Base I (Inosin) mit A, U oder C. Das Wobbling ermöglicht somit einigen tRNA-Molekülen die Erkennung mehrerer synonymer Codons, so dass mindestens 20, aber weniger als 61 verschiedene tRNAs erforderlich sind. d) Nein, die Aminoacyl-tRNAs werden nur durch die Codon-Anticodon-Wechselwirkung ausgewählt. Das bedeutet, dass die Beladung einer tRNA mit einer falschen Aminosäure auch zum Einbau der falschen Aminosäure in das Polypeptid führt.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

491

Lösung 369 a) Da es 20 proteinogene Aminosäuren gibt und für jede eine spezifische Aminoacyl-tRNASynthetase benötigt wird, müssen mindestens 20 verschiedene Synthetasen vorhanden sein. Würde für jedes Codon einer Aminosäure eine eigene Aminoacyl-tRNA-Synthetase benötigt, käme man auf eine Anzahl von 61. Jede Synthetase ist zwar für eine bestimmte Aminosäure spezifisch, kann aber verschiedene Isoakzeptor-tRNA-Moleküle erkennen und aminoacylieren. Beispielsweise existieren sechs Codons für Serin und mehrere isoakzeptierende tRNASerMoleküle, die alle von einer einzelnen Seryl-tRNA-Synthetase erkannt und als Substrat akzeptiert werden. Somit kommen viele Spezies mit 20 (oder nur wenigen mehr) tRNASynthetasen aus. Jede davon bindet ATP und wählt auf der Grundlage von Ladung, Größe und Hydrophobizität die richtige Aminosäure aus. Diese Selektion führt in nahezu allen Fällen zum Ausschluss fast aller anderen Aminosäuren. Das richtige tRNA-Molekül wird anhand von Merkmalen, die für diese tRNA einzigartig sind, unterschieden. Dabei ist insbesondere der Teil des AkzeptorStamms, der an der Oberfläche der Innenseite des L-förmigen tRNA-Moleküls liegt, beteiligt. In einigen Fällen trägt auch das Anticodon zur Erkennung bei. b) Die beobachtete geringe Fehlerrate deutet auf eine Unterscheidung zwischen den beiden Aminosäuren durch die Isoleucyl-tRNA-Synthetase nach der Bildung des Aminoacyl-AMPIntermediats hin, d.h. es existiert eine Art Korrekturleseschritt. Ist es fälschlicherweise zur Bildung von Valyladenylat gekommen, so katalysiert die Isoleucyl-tRNA-Synthetase meist gleich im Anschluss wieder dessen Hydrolyse zu Valin und AMP oder etwas später die Hydrolyse der Valyl-tRNAIle. Einige Aminoacyl-tRNA-Synthetasen können auf eine solche Korrekturleseaktivität verzichten, da ihre Substratspezifität ausreichend hoch ist bzw. die jeweilige Aminosäure sich genügend von allen anderen unterscheidet.

Lösung 370 Bei Eukaryonten erfolgt die Transkription im Zellkern; die entstandene mRNA muss erst ins Cytoplasma transportiert und posttranskriptional modifiziert werden (Capping, Polyadenylierung, Spleißen), bevor die Translation beginnt. In Prokaryonten sind Transkription und Translation eng gekoppelt. Ribosomen beginnen mit der Translation bereits am 5´-Ende der mRNA, kaum dass diese von der RNA-Polymerase gebildet wird und bevor die ganze mRNA fertig ist.

492

Kapitel 12

Lösung 371 a) Der genetische Code ist ein nichtüberlappender, kommafreier Triplett-Code, d.h. jeweils drei Basen codieren für eine Aminosäure, es gibt keine „Leerzeichen“ und keine Base ist gleichzeitig Bestandteil von zwei Codons. Der Code ist nahezu universell; es gibt nur wenige Abweichungen, z.B. in der mitochondrialen DNA. Von den 64 Codons (es existieren 43 = 64 Möglichkeiten, verschiedene Tripletts aus vier Bausteinen zu bilden) codieren 61 für eine der 20 proteinogenen Aminosäuren. Mit Ausnahme von Tryptophan und Methionin existieren für jede Aminosäure zwei oder mehr Codons. Die verbleibenden drei Codons (UAA, UAG, UGA) sind Stopp-Codons, d.h. sie signalisieren das Ende der Translation. Die meisten Aminosäuren werden durch mehrere Tripletts codiert. So charakterisieren in vielen Fällen bereits die beiden ersten Basen des Codons die Aminosäure, während die dritte Base keine Rolle spielt. Beispielsweise codieren alle Tripletts, die mit UU beginnen, für die Aminosäure Phenylalanin, unabhängig davon, welche Base das Triplett komplettiert. Mutationen, die die dritte Position des Codons betreffen, bleiben daher oft ohne Auswirkung. Auch ein Fehler in der ersten Codonposition hat häufig keine allzu großen Konsequenzen, da die Eigenschaften der codierten Aminosäuren v.a. mit der Base an der zweiten Position korreliert sind. So codieren alle Tripletts mit einem U in der Mitte eine hydrophobe Aminosäure, während ein A in der Mitte zum Einbau einer hydrophilen Aminosäure führt. Kommt es in Folge einer Mutation zum Austausch einer hydrophoben Aminosäure gegen eine andere hydrophobe Aminosäure, hat dies für die Proteinstruktur und -funktion meist keine größeren Auswirkungen, während ein Austausch einer hydrophilen gegen eine hydrophobe Aminosäure (unter Umständen) drastische Konsequenzen haben kann. Ein bekanntes Beispiel ist der Austausch des Glutamatrestes an Position 6 des E-Globingens gegen Valin, wodurch es zur Bildung von Sichelzell-Hämoglobin kommt. b) Das Selenocystein kann unter bestimmten Bedingungen durch UGA codiert werden, das normalerweise ein Stopp-Codon repräsentiert. Eine Nucleotidsequenz der mRNA nimmt dann eine definierte Sekundärstruktur an, wodurch die mit Selenocystein beladene tRNA, unterstützt durch einen spezifischen Transkriptionsfaktor, das Triplett UGA als Codon für Selenocystein erkennt. Dieses wird dann in die wachsende Polypeptidkette eingebaut. Das Selenocystein entsteht nicht, wie der Name suggeriert, aus Cystein, sondern aus Serin durch Austausch der Hydroxygruppe gegen Selen. Diese (enzymkatalysierte) Reaktion findet nicht am freien Serin statt, sondern während der Translation, wenn das Serin an seine entsprechende tRNA gebunden ist. Zu den vergleichsweise wenigen (ca. 25) Proteinen, die Selenocystein enthalten und deren Funktion nur zum Teil bekannt ist, gehören vier Glutathion-Peroxidasen (katalysieren die Reduktion von H2O2 und Peroxiden), sowie drei Iodthyronin-Deiodasen, die die Abspaltung eines Iodatoms aus dem Schilddrüsenhormon Thyroxin (T4) unter Bildung von Triiodthyronin (T3) katalysieren.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

493

Lösung 372 a) Das Start-Codon AUG codiert für die Aminosäure Methionin. O Dabei existieren in der Zelle zwei Typen von Methionyl-tRNAMetC S Molekülen, die AUG-Codons erkennen können. Einer der beiden O H3C Typen kommt dabei nur an Initiations-Codons zum Einsatz. In H NH Bakterien wird die mit Methionin beladene Initiator-tRNA durch 10 eine Formyltransferase, die eine Formylgruppe von N -FormylO Tetrahydrofolat auf die Aminogruppe des Methionins überträgt, N-Formylmethionin formyliert. Somit wird als erste Aminosäure das N-Formylmethionin eingebaut. Der Formylrest wird im Lauf der Translation abgespalten; in den meisten Fällen wird auch der N-terminale Methioninrest entfernt, so dass reife E. coliProteine i.A. nicht mit Met beginnen. b) Etwa 10 Nucleotide stromaufwärts vom Start-Codon befindet sich auf der mRNA von Prokaryonten eine purinreiche Sequenz von 3–10 Nucleotiden, die sogenannte Shine-DalgarnoSequenz. Diese paart mit einer entsprechenden pyrimidinreichen Sequenz auf der 16S-rRNA, so dass das Start-Codon schließlich genau in der P-Stelle des Ribosoms positioniert wird. In Eukaryonten befindet sich das Start-Codon immer nahe dem 5´-Ende des Gens, so dass das erste AUG vom 5´-Ende aus als Start-Codon erkannt wird. Einer der beteiligten Initiationsfaktoren ist zudem ein sogenanntes „Cap-bindendes“ Protein, so dass die 40S-Untereinheit nahe des 5´-Caps der mRNA gebunden wird und dann das erste AUG-Triplett sucht.

Lösung 373 a) Neben dem Ribosom, der Initiator-tRNA und der mRNA sind für die Bildung des Initiationskomplexes mehrere Initiationsfaktoren (IF) erforderlich; bei Prokaryonten sind dies IF-1, IF-2 und IF-3. Zunächst binden die beiden Initiationsfaktoren IF-1 und IF-3 an die 30SUntereinheit des Ribosoms und verhindern dadurch eine verfrühte Zusammenlagerung mit der 50S-Untereinheit. IF-3 unterstützt außerdem die Positionierung des Initiationscodons und der fMet-tRNAfMet in der P-Stelle des Ribosoms. IF-2 bindet ein GTP; der resultierende Komplex assoziiert mit der 30S-Untereinheit und vermittelt die spezifische Bindung der Initiator-tRNA. Anschließend bindet die mRNA mit ihrer Shine-Dalgarno-Sequenz an die 30S-Unterheit des Ribosoms. Die beiden Initiationsfaktoren IF-1 und IF-3 dissoziieren ab und ermöglichen die Bindung der 50S-Untereinheit derart, dass sich die Initiator-tRNAfMet an der P-Stelle befindet. Das GTP wird hydrolysiert und der IF-2-GDP-Komplex löst sich vom 70SInitiationskomplex. b) Eukaryonten benötigen eine größere Anzahl an Initiationsfaktoren. Das an die InitiatortRNA gebundene Methionin wird nicht formyliert, d.h. als erste Aminosäure wird Methionin (und nicht N-Formylmethionin) eingebaut. Außerdem existiert keine der Shine-Dalgarno-Sequenz analoge Basenabfolge auf der mRNA. Stattdessen führt die Bindung eines Initiationsfaktors (eIF-4) an das 5´-Cap der mRNA und die Anlagerung der 40S-Untereinheit, der aminoacylierten Initiator-tRNA und mehrerer anderer Initiationsfaktoren zur Bildung eines Präinitiationskomplexes. Dieser wandert dann in 3´-Richtung an der mRNA entlang, bis er auf das erste AUG-Codon trifft.

494

Kapitel 12

Lösung 374 Als Stopp-Codons werden die drei Tripletts UAA, UAG und UGA bezeichnet; sie codieren für keine Aminosäure, sondern signalisieren das Ende der Translation. Ein Stopp-Codon bindet sogenannte „Release-Faktoren”, die die Peptidyltransferase zur Hydrolyse der Peptidyl-tRNA-Bindung veranlassen. Die unbeladene t-RNA dissoziiert und die Release-Faktoren werden unter Hydrolyse von GTP freigesetzt; die mRNA verlässt das nun inaktive Ribosom.

Lösung 375 x Streptomycin: bindet an eines der ribosomalen Proteine der 30S-Untereinheit und hemmt die Initiation bei Prokaryonten x Erythromycin: behindert die Translokation durch Bindung an die 50S-Untereinheit x Chloramphenicol: tritt in Wechselwirkung mit dem Peptidyltransferasezentrum der 23SrRNA der 50S-Untereinheit und hemmt die prokaryontische Peptidyltransferase x Tetracycline: assoziieren mit der 16S-rRNA der 30S-Untereinheit und hemmen die Bindung von Aminoacyl-tRNA-Bindung an die A-Stelle

Lösung 376 Im ersten Schritt erfolgt eine normale Transpeptidierung unter Bildung von PeptidylPuromycin. Das Ribosom kann aber die Transpeptidierung im folgenden Elongationsschritt nicht katalysieren, da der „Aminosäurerest” in Puromycin durch eine Amidbindung mit der Ribose verknüpft ist, anstatt durch eine (wesentlich leichter zu spaltende) Esterbindung, wie in gewöhnlicher tRNA. Da das Puromycin aber nicht nur die Translation bei Prokaryonten, sondern auch in eukaryontischen Zellen effektiv hemmt, ist es für die Behandlung von Infektionen beim Menschen nicht geeignet.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

Rn-1

NH

CH

Rn

C O NH2

CH

Rn+1

C O O Ribose

NH2

Transpeptidase

CH

Rn+1

C O

tRNA

P

CH C O

NH Rn

CH C O

Puromycin, gebunden an die A-Stelle Rn-1

495

Translokation

C O

NH

OH

NH

Ribose

Ribose

Ribose

tRNA Ribosom

CH

tRNA

P

A

tRNA Ribosom

A eingebautes Puromycin

Rn-1

CH C O NH

Rn

nächste Aminoacyl-tRNA

CH C O

NH2

NH2 Rn+1 keine Spaltung der Amidbindung!

CH

Rn+2

CH

C O

C O

NH

O

Ribose

Ribose

tRNA

P

tRNA Ribosom

A

Lösung 377 x Proteolytische Spaltung (durch spezifische Peptidasen): aktiviert sogenannte „Proproteine”, z.B. Trypsinogen Æ Trypsin x Entfernung der N-terminalen Signalsequenz durch Signalpeptidasen, z.B. bei Insulin: Präproinsulin Æ Proinsulin (Æ Insulin) x Kovalente Modifikation, z.B. bei Kollagen: Prolin Æ 4-Hydroxyprolin; Lysin Æ 5-Hydroxylysin

496

Kapitel 12

Lösung 378 Der antisense-Strang ist derjenige, der in mRNA übersetzt wird; folglich lautet die entsprechende mRNA: 3´-AGACUGAUAACUCGAGAGACCGUGUAUCGU-5´ Das Start-Codon ist gelb hervorgehoben. Nimmt man den genetischen Code zu Hilfe, so findet man als Peptidprodukt dieser mRNA: fMetCysGlnArgAlaGln Dann trifft man auf das rot hervorgehobene Stopp-Codon.

Lösung 379 Die vier C-terminalen Reste ~SerLysTyrArg werden vom Beginn der Basensequenz codiert: ~~~UCCAAAUACCGUUAAGCUGGA~~~ Nach der 12. Base trifft man auf das Stopp-Codon UAA, so dass Arg die C-terminale Aminosäure ist. Mutiert dieses Stopp-Codon dagegen zu CAA, d.h. das erste U zu C, so wird als nächstes die Aminosäure Glu codiert und man erhält die Sequenz der HämoglobinVariante.

Lösung 380 Für das Octapeptid lassen sich aus dem Code leicht entsprechende Tripletts ermitteln; aufgrund der Degeneriertheit des Codes kommen viele Basensequenzen in Frage, die in die entsprechende Peptidsequenz übersetzt werden. Am 5´-Ende muss ein vorgeschaltetes AUG als Start-Codon (gelb unterlegt) stehen. Das davon codierte N-Formylmethionin wird posttranslational entfernt und taucht daher nicht mehr im Peptid auf. Weiter stromaufwärts ist eine Shine-Dalgarno-Sequenz (türkis unterlegt) erforderlich, die durch Basenpaarung mit der 16S-rRNA des Ribosoms die mRNA-Bindung vermittelt. Ferner ist am 3´-Ende ein StoppCodon erforderlich (rot unterlegt). Eine denkbare mRNA könnte wie folgt aussehen: 5´-~~~CAGGGUGGUGAUUAUGAAACCUGCCGGGACUGAAAAUUCCUGA~~3´ Shine-Dargarno

Start

Stop

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

497

Lösung 381 Das ribosomengebundene Dipeptid befindet sich in der P-Bindungsstelle; die neue Aminoacyl-tRNA mit gebundenem Serinrest wird in der A-Stelle gebunden. Durch nucleophilen Angriff der Aminoacyl-tRNA der A-Stelle auf die Esterbindung der tRNA in der P-Stelle erfolgt die sogenannte Transpeptidierung. Die Peptidkette wird dadurch um einen Rest verlängert und zur A-Stelle transferiert. Die Bildung der Peptidbindung wird wahrscheinlich durch eine rRNA-Einheit des Ribosoms katalysiert. Angenommen wird die Beteiligung eines invarianten Adeninrests, der die Nucleophilie der Aminogruppe der mit der tRNA verknüpften Aminosäure verstärkt, vgl. Skizze unten. Nach erfolgter Transpeptidierung befindet sich die neu gebildete Peptidyl-tRNA zum Teil noch in der A-Stelle, teilweise aber bereits in der P-Stelle. Die jetzt unbeladene tRNA ist etwas aus der P-Stelle herausgedrängt worden und besetzt nun teilweise die sogenannte Exit(E)-Stelle. Von dort wird die deaminoacylierte tRNA freigesetzt, während die tRNAgebundene Peptidkette vollständig zur P-Stelle transferiert wird, so dass die A-Stelle für die Bindung einer neuen Aminoacyl-tRNA bereit wird. Für den gesamten, als Translokation bezeichneten Prozess ist in Prokaryonten der Elongationsfaktor EF-G (in Form des GTPKomplexes) erforderlich, der anschließend nach Hydrolyse des GTP vom Ribosom abdissoziiert.

498

Kapitel 12 NH3 CH2

HS

CH C O

NH3 HS

CH2

NH

"Ribosom"

CH

OOC (CH2)2

C O

C O NH2

NH OOC (CH2)2

CH NH

Transpeptidierung

CH2 CH

CH

CH2

C O

O

O

O

O

tRNA

tRNA

tRNA

tRNA

P

A

E

P

HO

CH

C O HO

H

A

E

C O

NH3 CH2

HS

CH C O NH

OOC (CH2)2

CH

tRNA-AS

C O NH

Translokation

CH2

CH

HO

H O

O

tRNA

tRNA

E

P

N

N

O

C

Peptid

N N

R H

NH2

N

N N

tRNA

A

NH2

N

O

usw.

C O

H O

N H

tRNA

tRNA

O

O Peptid

NH2

N N

C

R

OH

O Peptid

C

H

R O

N H

O

O

N

N N

tRNA

O

tRNA

O

tRNA

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

499

Lösung 382 Für ein Peptid aus 100 Aminosäuren sind – inclusive des essentiellen N-terminalen NFormylmethionins, das posttranslational entfernt wird – 100 Peptidbindungen zu knüpfen. Dafür müssen 101 Aminosäuren zur entsprechenden Aminoacyl-tRNA aktiviert werden. Da hierbei ATP zu AMP und PPi hydrolysiert wird, sind pro Aminosäure zwei ATP-Äquivalente in Rechnung zu stellen. Die Ausbildung einer Peptidbindung benötigt insgesamt zwei ATPÄquivalente: Für die Bindung der jeweiligen Aminoacyl-tRNA an die A-Stelle wird der Elongationsfaktor EF-Tu im Komplex mit einem GTP-Molekül benötigt, das nach der Bindung der tRNA an das Codon hydrolysiert wird. Ein weiteres GTP wird für den Translokationsprozess benötigt, an dem der Elongationsfaktor EF-G beteiligt ist. Zusätzlich sind je 1 GTP für Initiation und Termination erforderlich. Das ergibt: 100 u Peptidbindung (je 2 GTP):

200 GTP

101 u Aktivierung der Aminosäure (je 2 ATP)

202 ATP

1 u Initiation:

1 GTP

1 u Termination:

1 GTP

Summe:

404 ATP-Äquivalente

Dies entspricht einem Minimalbetrag von ca. 160 kJ/mol pro Peptidbindung. Dieser hoher Aufwand ist erforderlich, weil nicht nur einfach Peptidbindungen geknüpft werden müssen, sondern dabei eine ganz spezifische Sequenz mit hoher Genauigkeit gebildet werden muss. Man spricht auch von einem „hohen entropischen Preis“ für die korrekte Herstellung einer spezifischen Sequenz.

Lösung 383 Ist G die Wahrscheinlichkeit für einen Fehler, dann ist die Wahrscheinlichkeit für einen richtigen Einbau 1–G. Für n Elongationsschritte ergibt sich dann p = (1 – G)n. Für das Zahlenbeispiel: p = (0,9999)100 = 0,99 Dies bedeutet, dass statistisch 99 % der Proteine dieser Länge korrekt gebildet werden.

Lösung 384 a) Der komplementäre Strang lautet: 5´-AATATTATGCCGCATGCTCTGTTAATCACATATAGTCGAGCATGGAGTCCCG-3´ Jeder Leserahmen muss mit einem Initiationscodon ATG beginnen (entspricht AUG in der transkribierten mRNA).

500

Kapitel 12

Mutation im gegebenen Strang 25

5´-CGGGACTCCATGCTCAACTATATGTGATTAACAGAGCATGCGGCATAATATT-3´ 5´-AATATTATGCCGCATGCTCTGTTAATCACATATAGTTGAGCATGGAGTCCCG-3´

25 Mutation im Gegenstrang Der Gegenstrang wird in eine mRNA transkribiert, die dem gegebenen Strang entspricht, nur dass T gegen U ersetzt ist. Statt ATG hat man dann das Start-Codon AUG, statt TGA das Stopp-Codon UGA. Diese mRNA liefert das Pentapeptid p2 MetLeuAsnTyrMet. Dann ist das erste Stopp-Codon erreicht. Der gegebene Strang wird in eine mRNA übersetzt, die der Sequenz des Gegenstrangs entspricht (T gegen U ersetzt). Er liefert das Peptid p1 MetProHisAlaLeuLeuIleThrTyrSer. Durch die Mutation an Position 25 (Ersatz T gegen G; blauer Pfeil) wird das Stopp-Codon in ein Codon für Gly ersetzt. Man erhält dann anstelle des Pentapeptids p2: p2´: MetLeuAsnTyrMetGlyLeuThrGluHisAlaAla Im Gegenstrang wurde entsprechend an der Stelle des grünen Pfeils ein A gegen C ersetzt. Dies ergibt das Codon CCA und führt zur Substitution von Thr gegen Pro. Das Peptid p1´ lautet dann p1´: MetProHisAlaLeuLeuIleProTyrSer

Lösung 385 a) Für die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion benötigt man:

x (thermostabile) DNA-Polymerase: Die Verwendung von thermostabilen DNA-Polymerasen, d.h. Enzymen, die auch bei Temperaturen von annähernd 100 °C ihre Polymerase-Aktivität behalten, brachte eine entscheidende Verbesserung der PCR-Technologie. Die wohl bekannteste ist die Taq-Polymerase, die als eine der ersten thermostabilen DNAPolymerasen aus dem in heißen Quellen lebenden thermophilen Bakterium Thermus aquaticus gewonnen wurde. x 4 Desoxynucleosidtriphosphate (dNTPs), häufig als (käufliche) Mischung eingesetzt x 2 Primer (Oligonucleotide), deren Sequenz die zu amplifizierende Region flankieren: DNA-Polymerasen benötigen eine Hydroxygruppe als Startpunkt für ihre erste Verknüp-

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

501

fungsreaktion. Primer stellen mit ihrem 3’-OH-Ende eine passende Hydroxyfunktion zur Verfügung; sie können sowohl aus DNA als auch aus RNA bestehen. Die Wahl einer Sequenz und deren Länge für einen Primer hängt von einer Vielzahl an Überlegungen ab. Da die Schmelztemperatur der Primer etwa im Bereich zwischen 55 und 65 °C liegen sollte, wählt man i.A. Primer, deren Länge 30 Nucleotide nicht übersteigt. Zu kurz gewählte Primer erhöhen andererseits die Gefahr einer unspezifischen Bindung.

x Puffer mit Mg2+-Ionen (werden von der Polymerase als Cofaktor benötigt) b) Im ersten Schritt, der Denaturierung der DNA-Doppelstränge (ca. 95 °C), wird die DNA in Einzelstränge aufgetrennt. Da die DNA zu Beginn in einer noch recht komplexen, hochmolekularen Struktur vorliegt, wählt man hier eine Zeit von 510 min, um insbesondere auch GCreiche Sequenzen zu denaturieren. Beim zweiten Schritt, dem „Annealing“, muss der Reaktionsansatz auf eine durch die Primer festgelegte Temperatur abgekühlt werden (ca. 5070 °C); dabei hybridisieren die Primer mit den beiden DNA-Matrizensträngen. Die korrekte Anlagerung der Primer an die Zielsequenz ist entscheidend für die Spezifität der PCR. Anschließend erwärmt man auf ca. 72 °C, dem Aktivitätsoptimum des verwendeten Enzyms, der Taq-DNAPolymerase, die für die schnelle Verlängerung (Extension) der Primer sorgt. Dann wird erneut auf ca. 95 °C aufgeheizt, um die DNA wieder in ihre Einzelstränge zu zerlegen. 1

1

Temperatur

3

1 Denaturierung 2 Annealing 3

Primer-Extension

2 2. Zyklus Zeit

c) Ja, diese muss allerdings vor Durchführung der PCR durch das Enzym reverse Transkriptase in eine entsprechende cDNA überführt werden.

Lösung 386 a) Die Proteinsynthese beginnt bei Prokaryonten mit N-Formylmethionin. Die für den Transport zum Ribosom benutzte tRNA (als Initiator-tRNA bezeichnet; tRNAf) unterscheidet sich von derjenigen, die Methionin an Positionen im Inneren eines Proteins einbaut (tRNAm). Beide tRNAs werden aber durch die gleiche Aminoacyl-tRNA-Synthetase mit Methionin beladen. Erst anschließend wird die Aminogruppe des Methionins, das an die tRNAf gebunden ist, durch eine Transformylase formyliert. Bemerkenswerterweise ist freies Methionin und Methionin-tRNAm kein Substrat für dieses Enzym. Als Donor für die Formylgruppe dient N10-Formyltetrahydrofolat.

502

Kapitel 12 O

tRNAf

H3C

+

S

C

O

AMP

O

Aminoacyl-tRNASynthetase

S

H3C

C

NH3

tRNAf

O

NH3 Methionyl-tRNAf O

N 10-Formyl-THF

H3C

THF

S

C H

O

tRNAf

NH O

Transformylase

N-Formylmethionyl-tRNAf

b) Eine freie Aminogruppe am N-Terminus ist relativ reaktiv. Nach der ersten Peptidylübertragungsreaktion ist ein Dipeptid an die tRNA, die sich an der P-Stelle befindet, gebunden. Eine freie Aminogruppe könnte die Esterbindung zur tRNA nucleophil unter Ausbildung eines stabilen Sechsrings angreifen; die Translation käme damit zum Stillstand. Durch die Formylierung des Aminoendes wird diese Reaktionsmöglichkeit blockiert. H3C S R2

NH2 O HN R2 O C

H

O N H tRNA

O

H N

H

R2

O S

CH3

H

H O

+

tRNA

O

N N H

O S

CH3

O tRNA

Lösung 387 a) Nach Denaturierung der DNA-Doppelhelix durch Erwärmung wird zu vier sonst gleichen Ansätzen (alle beinhalten die vier Nucleosidtriphosphate) ein Primer für den zu sequenzierenden Strang und von jeweils einer der vier Basen ein kleiner Anteil als Didesoxynucleosidtriphosphat (ddNTP) zugegeben. Diese Kettenabbruch-ddNTPs besitzen keine 3´Hydroxygruppe. Werden sie in den neu synthetisierten Strang eingebaut, ist eine weitere Verlängerung der DNA durch die DNA-Polymerase nicht mehr möglich, da die OH-Gruppe am 3´-C-Atom der Ribose für die Verknüpfung mit der Phosphatgruppe des nächsten Nucleotids fehlt. In der Folge entstehen DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge, die in jedem Ansatz stets mit dem gleichen ddNTP enden. Anschließend werden die erhaltenen Fragmente durch Gelelektrophorese aufgetrennt. Zur Detektion der Fragmente wurden früher entweder der Primer oder die ddNTPs radioaktiv markiert. Durch Vergleich der vier Ansätze kann man die Sequenz nach der Entwicklung des radioaktiven Gels auf einem fotografischen Film ablesen.

Lösungen – Nucleinsäuren, Genexpression, molekularbiologische Methoden

503

Seit Anfang der neunziger Jahre werden vor allem mit Fluoreszenzfarbstoffen markierte Didesoxynucleosidtriphosphate eingesetzt. Jedes der vier ddNTPs wird mit einem unterschiedlichen Farbstoff gekoppelt. Diese Modifikation erlaubt es, alle vier ddNTPs in einem Reaktionsgefäß zuzugeben, so dass eine Aufspaltung in getrennte Ansätze und der Umgang mit Radioisotopen entfällt. Die entstehenden Kettenabbruchprodukte werden mittels Kapillarelektrophorese aufgetrennt und mit Hilfe eines Lasers zur Fluoreszenz angeregt. Die ddNTPs am Ende jedes DNA-Fragmentes können durch ihre unterschiedliche Fluoreszenz von einem Detektor erkannt werden. Das Chromatogramm (die Abfolge der Farbsignale, die am Detektor erscheinen) gibt direkt die Sequenz der Basen des sequenzierten DNA-Stranges wieder.

Die ddNTPs sind die entsprechenden Didesoxy-Varianten der dNTPs. Der Einbau eines ddNTPs führt zum Abbruch der Polymerisationsreaktion. Die blauen Punkte am 5'-Ende des Primers stellen eine Markierung dar (z.B. eine fluoreszierende Gruppe), mittels der die Syntheseprodukte später im Gel sichtbar gemacht werden können. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/DNA-Sequenzierung b) Die DNA-Polymerase erkennt die RNA nicht als Matrize. c) Mit Hilfe des Enzyms reverse Transkriptase kann die mRNA in eine komplementäre cDNA umgeschrieben und anschließend wie oben beschrieben sequenziert werden.

Kapitel 13 Lösungen – Spezielle Themenbereiche

Lösung 388 In zahlreichen Obst- und Gemüsesorten (z.B. Orangen, Karotten, Spinat, Broccoli und Grünkohl wie auch Peperoni und Kürbis) ist die Vitamin-A-Vorstufe Beta-Carotin enthalten, die im menschlichen Körper zu Vitamin A umgewandelt werden kann. E-Carotin wird deshalb auch als Provitamin A bezeichnet. Die Nahrungsmittelindustrie verwendet E-Carotin als Lebensmittelfarbstoff oder zur „Vitaminanreicherung“ von Produkten. Das Retinol entsteht durch Spaltung von β-Carotin mit Hilfe einer Dioxygenase und nachfolgende Reduktion von Retinal. Es wird nach Veresterung zu Retinylpalmitat in der Leber gespeichert und daraus bei Bedarf durch eine Esterase freigesetzt. Die beim Sehvorgang aktive Form von Vitamin A ist das Retinal, das durch Oxidation von Retinol mit NAD+ entsteht.

Dioxygenase

O2 H O

2

Retinal

NADH/H Dehydrogenase NAD H 2

H OH

Retinol

Das Rhodopsin, der lichtempfindliche Stoff in den Stäbchen der Retina, entsteht durch Ausbildung eines Imins (Schiff´sche Base) zwischen 11-cis-Retinal und einem Lysinrest des Proteins Opsin. Es absorbiert stark zwischen 400 und 600 nm, also im sichtbaren Wellenlängenbereich. Durch Absorption eines Photons kommt es zu einer Isomerisierung der 11-cisDoppelbindung in die trans-Konfiguration. Auch das Opsin ändert seine Konformation, wodurch schließlich die Iminbindung in der Zwischenverbindung Metarhodopsin gelöst und alltrans-Retinal freigesetzt wird. Der Zerfall des Metarhodopsin führt zu einer Aktivierung von

506

Kapitel 13

Transducin, das seinerseits nach Bildung eines Transducin-GTP-Komplexes eine Phosphodiesterase aktiviert, die cGMP hydrolysiert. Dies stimuliert schließlich intrazelluläre Prozesse, die letztlich zu einem visuellen Signal führen. Das freigesetzte all-trans-Retinal muss anschließend durch eine Isomerase wieder zu 11-cisRetinal regeneriert werden. Ein Teil davon wird durch die Alkohol-Dehydrogenase zu 11trans-Retinol reduziert, über das Blut zur Leber transportiert und dort nach Isomerisierung zu 11-cis-Retinol wieder zu 11-cis-Retinal oxidiert, das anschließend erneut für eine Rhodopsinbindung zur Verfügung steht. 1

6

2

7

4

1

6

2

10

8 3

H2N Opsin

11

9

11

9 10

8 3

5

4

11-cis-Retinal

7

H

5

Rhodopsin

O

H

N

Opsin

H RetinalIsomerase

hQ

H

H

11

O

H2O, H

11-trans-Retinal

H N

Opsin

Metarhodopsin H2N Opsin

Normalerweise laufen Rhodopsinspaltung und -regeneration mit gleicher Geschwindigkeit ab. Liegt dagegen ein Mangel an Retinol vor, ist die Rhodopsinregeneration verlangsamt. Gleichzeitig ist für die Anpassung der Augen an Dunkelheit jedoch eine ausreichend große Menge an Rhodopsin erforderlich; daher kann es bei Vitamin A-Mangel infolge der verlangsamten Regeneration von Rhodopsin zu Nachtblindheit kommen.

Lösung 389 Calciferole gehören zur Gruppe der Steroide; Vorläufer von Cholecalciferol ist das 7-Dehydrocholesterol. Definitionsgemäß sind Vitamine Substanzen, die der Körper selbst nicht herstellen kann, aber zum Leben benötigt und die daher zugeführt werden müssen. Die Vorstufen des sogenannten Vitamin D werden aber vom Körper selbst hergestellt. Im übertragenen Sinne ist also das notwendige „Vitamin“ das Sonnenlicht (genauer: sein UV-B-Anteil), das zu dem im Körper vorhandenen Provitamin 7-Dehydrocholesterol (der Ausgangssubstanz der Vitamin D-Synthese) für die Synthese in der Haut hinzukommen muss. Vitamin D3 wird also aus historischen Gründen als Vitamin bezeichnet.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

507

Aufgrund seiner endogenen Synthese und der Tatsache, dass seine Wirkung neben dem Syntheseort auch andere Gewebe betrifft, müsste Vitamin D3 als Prohormon bezeichnet werden. Da der UV-B-Anteil des Sonnenlichts mit zunehmendem Weg des Lichts durch die Atmosphäre abnimmt, ist die Höhe des Sonnenstandes ein entscheidender Faktor für die Vitamin D3-Bildung in der Haut. Wird sie bei sonst guten Lichtbedingungen ganztägig so unterschritten, dass kein Vitamin D3 mehr in der Haut gebildet werden kann, spricht man von dem „Vitamin D-Winter“. Schon im alten Rom war die Mangelerkrankung Rachitis beschrieben worden; besonders in den Zeiten der Industrialisierung im 18., 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts war sie v.a. in den Industriestädten Europas und Nordamerikas weit verbreitet. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erkannte man den Zusammenhang zwischen Rachitis, Sonnenlicht und Vitamin D3. Cholecalciferol entsteht aus 7-Dehydrocholesterol unter Einwirkung von Licht mit Wellenlängen zwischen 290 und 315 nm durch eine photochemisch induzierte 6-Elektronen konrotatorische elektrocyclische Reaktion, wodurch der B-Ring aufgebrochen wird. Es entsteht Prävitamin D3, das durch Isomerisierung in das Cholecalciferol übergeht. b) Cholecalciferol selbst besitzt nur geringe Aktivität; diese wird durch zwei Hydroxylierungen an den C-Atomen 1 und 25 erheblich gesteigert. Die Hydroxylierung an C-25 zum 25Hydroxycholecalciferol wird durch ein mikrosomales Enzymsystem in der Leber katalysiert. Das Produkt wird anschließend in die Niere transportiert, wo die zweite Hydroxylierung am C-1 stattfindet. Insgesamt sind an der Bildung von 1,25-Dihydroxycholecalciferol also drei Organe (Haut, Leber und Niere) beteiligt.

hQ 290 - 315 nm

HO

HO

7-Dehydrocholesterol

Prävitamin D3 25

25

OH

Leber

Niere Hydroxylierung 1

1

HO Cholecalciferol (Vitamin D3)

HO

OH

1,25-Dihydrocholecalciferol

508

Kapitel 13

c) Der Wirkmechanismus von 1,25-Dihydroxycholecalciferol entspricht dem anderer Steroidhormone. Es bindet an ein Rezeptorprotein (Vitamin D-Rezeptor) und wird in den Zellkern transportiert. Dort assoziiert der Vitamin-Rezeptor-Komplex an die DNA und verändert die Transkription verschiedener hormonsensitiver Gene, was schließlich zu Änderungen in der Proteinsynthese mit entsprechenden biologischen Wirkungen führt. So wird beispielsweise die Synthese eines Proteins stimuliert, das die Resorption von Ca2+ im Darm und in der Niere steigert. Gleichzeitig wird die Mineralisation am Knochen durch Einbau von Ca2+ und Phosphat gefördert. Weiterhin beeinflusst 1,25-Dihydroxycholecalciferol die Genexpression und moduliert dadurch Wachstum und Differenzierung von epidermalen Zellen und Zellen des blutbildenden Systems.

Lösung 390 Das Thyreoliberin leitet sich von dem Tripeptid Glu–His–Pro ab. Die C-terminale Carboxylgruppe des Prolins ist mit Ammoniak zu einem Amid derivatisiert. Diese Amidierung, die zum Schutz vor Exonucleasen dient, ist charakteristisch für Releasing-Hormone. Der Nterminale Glu-Rest hat unter Beteiligung der Carboxylgruppe der Seitenkette intramolekular zu einem zyklischen Amid (einem Lactam) reagiert. Es ist also weder eine freie Aminogruppe am N-Terminus noch eine freie Carboxylgruppe am C-Terminus erhalten. Das zugrunde liegende Tripeptid Glu–His–Pro trägt im physiologischen pH-Bereich am NTerminus eine positive (–NH3+) und am C-Terminus eine negative (–COO–) Ladung; außerdem ist die Seitenkette aufgrund der Carboxylgruppe negativ geladen. Durch die beschriebenen Modifikationen entstand ein neutrales Molekül, die negative Nettoladung ging verloren.

Lösung 391 a) Für eukaryontische (und damit auch menschliche) Zellen ist die Folsäure ein Vitamin; sie muss also mit der Nahrung aufgenommen werden, da nicht alle erforderlichen Enzyme zur Folsäuresynthese vorhanden sind. Entscheidend ist die Bildung von Dihydropteroinsäure aus Dihydropteridin und p-Aminobenzoesäure. Bakterien sind in der Lage, diesen Reaktionsschritt auszuführen; das entsprechende Enzym wird durch die Anwesenheit von Sulfonamiden gehemmt. Da der menschliche Organismus Folsäure nicht selbst bildet, unterbleibt entsprechend die Hemmwirkung der Sulfonamide. b) Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von p-Aminobenzoesäure und Sulfanilamid ist zu erwarten, dass beide an das aktive Zentrum des Enzyms gebunden werden können; es handelt sich also um eine kompetitive Hemmung der Dihydropteroat-Synthase. Charakteristisch ist, dass die Maximalgeschwindigkeit der Reaktion unverändert bleibt, da die Hemmung durch sehr hohen Substratüberschuss aufgehoben werden kann. Die Michaelis-Konstante KM nimmt zu. Ein entsprechendes Lineweaver-Burk-Diagramm hätte qualitativ folgendes Aussehen:

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

509

0,3 0,25

mit Sulfonamid

-1

0,15

μmol

1/X 0 / L min

0,2

0,1 0,05

ohne Inhibitor

0 -0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

-0,05 -1

1 / c (S) / L μmol

Lösung 392 a) Der T-Zustand entspricht der Desoxy-Form von Hämoglobin, die Sauerstoff nur schwer bindet, während die Oxy-Form, welche die Sauerstoffbindung erleichtert, dem R-Zustand entspricht. Beide stehen in einem dynamischen Gleichgewicht. Die Bindung eines allosterischen Inhibitors an seine Bindungsstelle begünstigt den raschen Übergang vom R- in den TZustand, während ein allosterischer Aktivator den umgekehrten Übergang bewirkt. Dabei bewirkt die Bindung eines Effektors an die allosterische Bindungsstelle nicht nur eine lokale Konformationsänderung, sondern beeinflusst auch die Konformation im Bereich der funktionellen Bindungsstelle bzw. des aktiven Zentrums. Ein niedriger p50-Wert entspricht einer hohen Sauerstoffaffinität. Im Hämoglobin Yakima mit einem p50-Wert = 12 mm Hg wird demnach der R-Zustand mit hoher O2-Affinität stabilisiert. Im Muskel beträgt der Sauerstoff-Partialdruck nur etwa 10–20 mm Hg; normales Hämoglobin ist daher in der Lage, O2 an den Muskel abzugeben, während Hb-Yakima aufgrund seiner höheren O2-Affinität dazu schlechter in der Lage ist. b) Der zentrale Hohlraum des Hämoglobin-Tetramers weist mehrere positive Ladungen auf, die zur Bindung des mehrfach negativ geladenen 2,3-BPG beitragen. Die Bindung von 2,3BPG führt zu einer Stabilisierung der Desoxy-Konformation im T-Zustand, der nur geringe O2-Affinität besitzt. Der Lysinrest 82 trägt bei pH 7,4 eine positive Ladung und trägt zur Bindung von 2,3-BPG bei. Durch die Substitution gegen Methionin wird daher die Affinität zu 2,3-BPG verringert, wodurch die Umwandlung in den R-Zustand begünstigt wird. Dadurch nimmt die O2-Affinität von Hämoglobin H zu, was an der Verschiebung der Sauerstoffbindungskurve nach links zu erkennen ist. Die Sauerstoffsättigung wird also bereits bei niedrigeren Partialdrücken erreicht.

510

Kapitel 13

Lösung 393 a) Die Bildung von Kohlendioxid im Gewebe vermindert die Sauerstoffaffinität des Hämoglobins auf zwei Arten. Zum einen bewirkt die Hydratisierung durch die Carboanhydrase die Bildung von Hydrogencarbonat und Protonen, die zum Bohr-Effekt beitragen. Dieser beschreibt die Verringerung der Sauerstoffaffinität von Hämoglobin mit sinkendem pH-Wert. Das gebildete Hydrogencarbonat gelangt aus den Erythrozyten hinaus ins Blut und wird so zu den Lungen transportiert. Zum anderen reagiert ein (kleiner) Teil des Kohlendioxids auch direkt mit N-terminalen Aminogruppen des Hämoglobins unter Bildung von Carbamaten gemäß folgender Nettogleichung, H R NH3

+

HCO3

R N COO

+

H

+

H 2O

wodurch das Hämoglobin direkt am CO2-Transport beteiligt ist. Gleichzeitig tragen die gebildeten H+-Ionen zum Bohr-Effekt bei. Die negativ geladenen Carbamatgruppen am N-Terminus stabilisieren die Ausbildung von Salzbrücken zwischen den α- und β-Ketten des Hämoglobins, die charakteristisch für den Desoxy-Zustand sind. CO2 führt sowohl durch die Bildung von Hydrogencarbonat als auch von Carbamatgruppen zur Freisetzung von Protonen, wodurch wiederum die Abgabe von Sauerstoff und die Bindung von CO2 gefördert wird. b) Die Bindungsstelle für 2,3-Bisphosphoglycerat ist eine zentrale Kavität zwischen den zwei β-Untereinheiten im Hämoglobin-Tetramer, die mehrere positive Ladungen aufweist, welche zur Bindung des negativ geladenen 2,3-BPG beitragen. Diese Öffnung ist nur im Desoxyhämoglobin zugänglich; durch Bindung des 2,3-BPG wird die Desoxyform stabilisiert. Daraus resultiert eine niedrigere Sauerstoffaffinität aller Untereinheiten und damit eine erleichterte Freisetzung von O2 mit steigender Konzentration an 2,3-BPG (Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve). Mit steigender Höhe über dem Meeresspiegel sinkt der O2-Partialdruck kontinuierlich; es wird weniger Sauerstoff in der Lunge an Hämoglobin gebunden. Durch eine erleichterte Freisetzung im Gewebe infolge der verminderten O2-Affinität mit steigender 2,3-BPG-Konzentration kann dieser Effekt teilweise kompensiert werden; kurzzeitige Aufenthalte auf den höchsten Gipfeln der Erde werden so bei guter Höhenanpassung möglich.

Lösung 394 Das C-1-Atom des Pyruvats wird bereits im ersten Schritt, der oxidativen Decarboxylierung durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, in Form von CO2 freigesetzt; das an C-1 markierte 14C- Pyruvat liefert daher zuerst 14CO2. Die beiden Kohlenstoffatome der Acetylgruppe von Acetyl-CoA kondensieren mit Oxalacetat zu Citrat; von diesen beiden C-Atomen wird aber keines in seinem ersten Durchlauf durch den Citratzyklus als CO2 freigesetzt. Aufgrund der Symmetrieebene im Succinat sind die beiden Molekülhälften äquivalent. Die beiden CAtome der ursprünglichen Acetyl-Einheit werden daher gleichmäßig auf die beiden Molekülhälften der nachfolgenden C4-Zwischenprodukte, die zum Oxalacetat führen, verteilt. Nach Kondensation mit dem nächsten Acetyl-CoA werden die Carboxylatkohlenstoffatome des Oxalacetats, die beide jeweils aus einem C-2 eines Pyruvats hervorgegangen sind, zu den beiden Carboxylatgruppen des Citrats, die im zweiten Durchlauf des Citratzyklus in Form

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

511

von CO2 entfernt werden. Deswegen ist das an C-2 markierte Pyruvat das zweite Molekül, das radioaktiv markiertes 14CO2 liefert. An C-3 markiertes Pyruvat ist das letzte der drei markierten Pyruvatmoleküle, aus dem schließlich im dritten Durchlauf des Citratzyklus 14CO2 gebildet wird. 1 1

COO

CO2 SCoA

C O

C O

CH3

CH3 2

COO 2 3

CO2

C O

2

CH3

3

3

SCoA

CO2

CH2 C

HO

C O

COO

2

CO2

3

COO

COO

COO

nächster Zyklus

COO

COO

CH2

CH2

3

HO C

2

COO

CH2

oder HO

3 2

COO COO nächster Zyklus HO

3

COO

CH2 COO

2

CO2

3

CH2 COO

C

3

CH2

COO

COO CH2

oder

CH2 COO

3

CH2 COO

COO

COO

CH2

CH2 oder HO

COO

CO2

COO

COO

CH2 C

C

CH2 CH2

CH2

CH3

COO

oder HO

C

3

COO

CH2

CH2

COO

COO

3

CO2

CH2 C

oder HO 3

3

COO

CH2 COO

CO2

Lösung 395 Dabei handelt es sich um Protoonkogene, die Wachstums- und Differenzierungsprozesse in der Zelle stimulieren, und um Tumorsuppressorgene (auch als Anti-Onkogene bezeichnet), die hemmend auf Wachstums- und Differenzierungsprozesse wirken. Die Genprodukte der meisten Protoonkogene sind dabei Bestandteile von Signaltransduktionswegen, die die Zellteilung stimulieren, wie z.B. der Ras-Raf-MAP-Kinase-Signalkaskade. Letztlich vermitteln sie die Wirkung von Wachstumsfaktoren auf die Expression spezifischer, für die Zellproliferation notwendiger Gene.

512

Kapitel 13

Durch somatische Mutationen können Protoonkogene in Onkogene übergehen, die sich einer physiologischen Regulation entziehen. Onkogene können aktivierte Komponenten der mitogenen Signalkette vortäuschen, ohne dass tatsächlich ein Wachstumssignal vorliegt und so eine ständige Stimulation der Zellteilung bewirken. Typische Mechanismen der Mutation sind:

x Punktmutationen, Deletionen oder Insertionen: eine Punktmutation im ras-Protoonkogen führt zu einer ständigen Aktivität eines ras-Proteins und damit zu ständiger Zellproliferation x Genamplifizierung (z.B. des erbB-Protoonkogens): die Folge ist eine Vervielfachung des EGF-Rezeptors und dadurch eine Stimulation der Zellproliferation auch ohne Bindung eines Liganden an den Rezeptor Æ Mammakarzinom x chromosomale Translokation (z.B. des abl-Protoonkogens von Chromosom 9 auf Chromosom 22): es entsteht ein Fusionsgen auf dem veränderten Chromosom 22, dessen Genprodukt ein Protein mit unkontrollierter Tyrosinkinase-Funktion ist und chronischmyeloische Leukämie auslösen kann x chromosomale Translokation (z.B. des c-myc-Protoonkogens) in die Nähe eines starken Promotors, der eine ständige Aktivierung von Transkriptionsfaktoren bewirkt Die zweite Gengruppe sind die sogenannten Tumorsuppressorgene (Anti-Onkogene), die Wachstums- und Differenzierungsprozesse der Zelle hemmen, indem von ihnen codierte Proteine die Genprodukte der Protoonkogene inaktivieren. Ihre Inaktivierung begünstigt daher die Entstehung von Tumorzellen. Im Gegensatz zu Onkogenen sind Tumorsuppressoren rezessiv, d.h. es müssen beide Allele ausfallen, damit die Wachstumshemmung der Zelle aufgehoben wird. Der wahrscheinlich bedeutenste Tumorsuppressor ist das im Zellkern lokalisierte Protein p53. Es wechselwirkt u.a. mit dem Transkriptionsfaktor E2F und verhindert so dessen Bindung an die DNA. Das p53 wird als Folge einer Schädigung der DNA aktiviert und bewirkt einen Wachstumsstopp in der G1-Phase. Kann der DNA-Schaden behoben werden, wird der Zellzyklus fortgesetzt, andernfalls wird die Apoptose eingeleitet. So wird die Vermehrung mutierter, also geschädigter, Zellen verhindert. Die Bedeutung des p53-Gens lässt sich daran erkennen, dass ca. die Hälfte der menschlichen Krebsformen mit einem defekten p53-Gen in Zusammenhang gebracht wird.

Lösung 396 a) Radikale können bei mehrfach ungesättigten Fettsäuren am sp3-Kohlenstoff zwischen zwei Doppelbindungen relativ leicht ein H-Atom abspalten, da das entstehende allylische Radikal aufgrund der Mesomerie verhältnismäßig stabil ist. Das gebildete Radikal reagiert in der Folge mit elementarem Sauerstoff (O2) unter Bildung eines reaktiven Peroxy-Radikals, das wiederum einer anderen Fettsäure ein H-Atom unter Bildung des Fettsäurehydroperoxids entziehen kann. Dadurch wird eine Radikalkettenreaktion gestartet, so dass wenige (Hydroxyl)-Radikale zur Oxidation vieler Fettsäuremoleküle führen.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche HO

H H

H2O

513

H

H

Fettsäure

Fettsäure-Radikal Radikalkettenreaktion

O2 H H H

H

HOO Fettsäurehydroperoxid ROOH

OO Fettsäureperoxy-Radikal ROO

b) Das D-Tocopherol steht im Gleichgewicht mit dem entsprechenden Hydrochinon, das durch Addition von Wasser entsteht. Hydrochinone bilden durch Abgabe eines H-Atoms Semichinon-Radikale; diese sind aufgrund der Mesomeriestabilisierung des ungepaarten Elektrons recht stabil und unterbrechen daher die Radikalkettenreaktion. Durch Abgabe eines H-Atoms an das Fettsäureperoxy-Radikal entsteht das D-Tocopheryl-Radikal, das durch Oxidation (Abgabe eines weiteren H-Atoms) in D-Tocochinon übergehen oder aber durch Aufnahme eines H-Atoms von einer Verbindung, die leicht ein stabiles Radikal bildet, zum DTocopherol regeneriert werden kann. Diese Rolle kann die Ascorbinsäure übernehmen, die leicht zum mesomeriestabilisierten Ascorbyl-Radikal und durch Abgabe eines weiteren HAtoms zur Dehydroascorbinsäure oxidiert wird.

514

Kapitel 13 Fettsäureperoxy-Radikal ROO CH3

CH3

HO

H2O

H3C

Fettsäurehydroperoxid ROOH

O CH3

R CH3

CH3

H, e

O

HO H3C

OH CH3

OH R CH3

H3C

D-Tocopherol

OH CH3

D-TocopherolHydrochinon

CH

O

OH R CH3

D-Tocopheryl-Radikal

H3C

O CH3

OH R CH3

D-Tocochinon

CH2OH

CH2OH HO

CH3 O

HO

O

CH

O

HO

OH

Ascorbyl-Radikal

O

O

OH

Ascorbinsäure CH2OH

H, e

HO

CH

O

O

O

2 H, 2 e

O

Dehydroascorbinsäure

Lösung 397 a) Die Nicotinsäure wird N-glykosidisch mit 5´-Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP; „aktivierte Ribose“) zum Nicotinsäuremononucleotid verknüpft, das im folgenden Schritt mit Hilfe von ATP adenyliert wird. Es entsteht das Desamino-NAD+, dessen Carboxylatgruppe noch in das Amid überführt werden muss. Als Stickstoff-Donor fungiert (wie auch in vielen Reaktionen der Nucleotid-Synthese) das Glutamin; die Triebkraft für die Amidbildung wird durch Hydrolyse von ATP geliefert. b) Neben der oben beschriebenen Synthese des Nicotinsäuremononucleotids ausgehend von der Nicotinsäure existiert noch ein weiterer Weg, bei dem ein Zwischenprodukt des (vielstufigen) Tryptophanabbaus genutzt werden kann. Sofern ausreichende Mengen der essentiellen Aminosäure Tryptophan vorliegen, kann der Organismus also NAD+ auch unabhängig von Nicotinsäure herstellen, so dass Niacin unter dieser Bedingung strenggenommen kein Vitamin darstellt. Im Zuge des Tryptophanabbaus entsteht die Verbindung Acroleyl-E-aminofumarat, die unter Abspaltung von Wasser zur Chinolsäure (Pyridin-2,3-dicarbonsäure) zyklisieren kann. Das Enzym Chinolat-Phosphoribosyltransferase kann daraus unter Abspaltung von CO2 das Nicotinsäuremononucleotid bilden.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

515 Tryptophan

O

COO

O

+

P O CH2 O

N

O NH3

O O

Nicotinsäure

OH

P

P

COO

H

OH

COO

PRPP

Acroleyl-E-aminofumarat

H, H2O

COO O O

P O CH2

O

O

PPi

N

CO2

COO N

OH

COO

Chinolsäure

OH

Nicotinsäuremononucleotid ATP

PPi

Ade

O

O

COO ATP

O

O

P O

P O CH2

O

O

O

N

Desamino-NAD

+

C

Pi

Ade Glutamin

OH

ADP

O

O

O

P O

P O CH2

O

O

O

NH2

N

Glutamat

OH Nicotinamidadenindinucleotid (NAD )

OH

OH

c) Das Toxin des Corynebacterium diphtheriae ist eine solche ADP-Ribosyltransferase. Sie knüpft einen ADP-Ribosylrest an die D-Untereinheit des humanen Elongationsfaktors eEF2 und hemmt dadurch die Translokation des Ribosoms auf der mRNA. Da bereits ein Molekül des Diphtherietoxins ausreicht, um alle Elongationsfaktoren einer Zelle zu blockieren, wird die Proteinbiosynthese dadurch vollständig gehemmt, so dass bereits recht geringe Mengen des Toxins letale Wirkung zeigen. In analoger Weise überträgt das Choleratoxin einen ADP-Ribosylrest auf einen Argininrest der D-Einheit von stimulatorischen G-Proteinen, wodurch die intrinsische GTPase-Aktivität des G-Proteins gehemmt wird. Da GTP nicht mehr hydrolysiert wird, bleibt das G-Protein ständig aktiv. Die in der Folge aktivierte Proteinkinase A phosphoryliert und aktiviert Chlorid-Kanäle in den Zellen der Darmmucosa, so dass ständig große Mengen an Cl–-Ionen und Wasser ausgeschieden werden. Die Folge sind schwere Durchfälle und Erbrechen. Ein rascher Ersatz von Wasser und Elektrolyten ist essentiell, da es sonst zum hypovolämischen Schock mit Nierenversagen kommt, der zum Tode führt.

516

Kapitel 13

Lösung 398 Das Prionprotein (PrP) übt an der Außenseite der Zellen des ZNS eine bisher unbekannte Funktion aus. Während bislang unklar ist, wie das PrP aus der Nahrung zu den Zellen des Gehirns gelangt, weiß man, dass die sogenannten Prionenkrankheiten (= übertragbare spongiforme Enzephalopathien) auf eine fehlerhafte Faltung (d.h. die Ausbildung einer falschen Tertiärstruktur) der PrP-Moleküle zurückzuführen sind. Normalerweise ist das PrP durch eine Struktur gekennzeichnet, die im Wesentlichen aus drei D-Helices und zwei E-Faltblattbereichen besteht und als zelluläre Form (PrPc, in der Abbildung links) bezeichnet wird. Die pathologische Form, das PrPsc (prion protein Scrapie, rechte Abbildung), bildet sich durch eine Änderung von Teilen der Tertiärstruktur. Charakteristisch ist ein deutlich höherer Anteil an E-Faltblattstrukturen auf Kosten der D-helikalen Bereiche. Dadurch neigt das PrPsc zur Ausbildung eigentümlicher Fibrillen, die im Lichtmikroskop als Plaques erkennbar sind.

Für die Fehlfaltung des PrP kommen zwei Ursachen in Betracht: Durch eine Mutation im PrP-Gen kommt es zur Änderung der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) des Proteins, die dann eine Änderung der Tertiärstruktur nach sich zieht. Dieser Mechanismus kommt v.a. für sporadische Erkrankungen in Betracht. Bei einem epidemischen Auftreten, wie im Fall von BSE, spielt die Übertragung von fehlgefalteten PrP-Molekülen eine Rolle. Durch Wechselwirkung korrekter PrP-Moleküle mit PrPscMolekülen aus der Nahrung kommt es zu einer induzierten Konformationsänderung, d.h. die nativen PrPc-Moleküle (links) lagern sich in die pathologische PrPsc-Form um.

Lösung 399 Prinzipiell läuft die Prozedur nach folgendem Schema ab: Benötigt wird zunächst ein geeigneter Expressionsvektor (mit Replikationsursprung, Promotor, Restriktionsschnittstelle, Antibiotikaresistenzgen) und die zu exprimierende DNA. Durch ein Restriktionsenzym wird der Vektor linearisiert. Durch Schneiden mit demselben Restriktionsenzym erhält das einzubringende Gen komplementäre überhängende („klebrige“) Enden und kann mit Hilfe einer DNALigase ligiert werden. Anschließend müssen die Bakterien mit dem Ligationsprodukt transformiert werden. Transformierte Bakterien werden anhand ihrer Antibiotikaresistenz selektio-

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

517

niert und produzieren unter geeigneten Wachstumsbedingungen das gewünschte Genprodukt, das im letzten Schritt isoliert werden muss. Im Detail gilt es dabei folgende Punkte zu beachten: Bakterien besitzen keine Introns in ihren Genen; sie können daher ein Primärtranskript eukaryontischer DNA nicht spleißen. Als Spender-DNA kommt daher nur cDNA (hergestellt durch „Rückübersetzung“ (reverse Transkription) der reifen mRNA in komplementäre DNA) oder synthetische DNA in Frage. Letztere hat den Vorteil, dass man von mehreren synonymen Codons (codieren die gleiche Aminosäure) jeweils dasjenige verwenden kann, das vom Bakterium am häufigsten benutzt wird, was die Ausbeute an Produkt steigert. Damit das Gen in einem anderen Organismus transkribiert werden kann, muss es am 5´-Ende einen entsprechenden Promotor aufweisen. Aufgrund der erheblichen Unterschiede in der Transkriptionskontrolle zwischen Pro- und Eukaryonten muss in den Klonierungsvektor anstelle des menschlichen Promotors ein geeigneter bakterieller Promotor eingesetzt werden. Viele Enzyme und Hormone weisen nach der Translation noch Bereiche auf, die im reifen, funktionsfähigen Protein nicht mehr vorhanden sind, also posttranslational entfernt werden. So besitzen sekretierte Proteine Signalsequenzen für den Transport in das endoplasmatische Retikulum. Die nach Abspaltung der Signalsequenz entstehenden Propeptide sind häufig inaktive Vorstufen, die erst durch proteolytische Spaltung mittels spezifischer Proteasen in das biologisch aktive Protein überführt werden. Damit solche Proteine in Bakterien exprimiert werden können, müssen die für entsprechende Abschnitte in den Propeptiden codierende Sequenzen aus der zu klonierenden DNA entfernt werden. Für eine effektive Aufarbeitung des gewünschten Proteins ist seine Sekretion aus dem Bakterium wünschenswert. Da eine humane Signalsequenz in Prokaryonten unwirksam ist, muss sie durch eine entsprechende bakterielle Signalsequenz ersetzt werden. Häufig konstruiert man zu diesem Zweck ein Fusionsgen aus der Signalsequenz eines Proteins, das in das Periplasma des Bakteriums sezerniert wird, und dem zu exprimierenden Gen, z.B. dem hGH-Gen. Dies garantiert ein effektives Ausschleusen des gewünschten gentechnologischen Produkts aus dem Bakterium. Aus dem sezernierten Fusionsprotein muss anschließend die Signalsequenz durch eine Signalpeptidase abgespalten werden. Ein weiteres Problem bei der Expression von Fremdproteinen in Bakterien ist, dass diese häufig nicht korrekt gefaltet werden und/oder falsche Disulfidbrücken enthalten. Falsch gefaltete Proteine sind meist unlöslich und fallen im Cytoplasma der Bakterien aus. Die dabei gebildeten sogenannten Einschlusskörper müssen anschließend durch chemische Behandlung in Lösung gebracht und entfaltet werden. Durch längere Inkubation unter geeigneten Temperatur- und Ionenbedingungen gelingt es dann, die korrekte Faltung zumindest eines Teils der Proteinmoleküle zu erreichen. Das Problem der korrekten Faltung ist ein Haupthindernis auf dem Weg zur Entwicklung neuer gentechnischer Produkte. Schließlich bedürfen viele humane Proteine einer umfangreichen posttranslationalen Modifikation, die von Prokaryonten nicht durchgeführt werden kann. Aus diesem Grund müssen wichtige gentechnische Arzneimittel, wie z.B. der Gewebsplasminogenaktivator zur Behandlung von Herzinfarktpatienten oder der Faktor VIII für Patienten mit Gerinnungsstörung, mit Hilfe wesentlich aufwändiger zu kultivierender Säugerzellkulturen produziert werden.

518

Kapitel 13

Lösung 400 a) Je nach Länge des wiederholten Sequenzmotivs unterscheidet man drei Klassen repetitiver Sequenzen: Bei sogenannten Makrosatelliten besteht das Sequenzmotiv aus mehreren Hunderten bis Tausenden von Basenpaaren, so dass das gesamte Tandem Repeat mehrere hunderttausend Basenpaare lang sein kann. Minisatelliten umfassen Sequenzmotive von 10–100 bp; der gesamte sich wiederholende Bereich umfasst einige hundert bis tausend Basenpaare. Die in der Population entstehenden Polymorphismen werden als Variable Number of Tandem Repeats (VNTR) bezeichnet. Noch kürzer sind die Sequenzen bei den Mikrosatelliten (Short Tandem Repeats; STR) mit nur 2–6 bp und einer Gesamtlänge von 100–400 bp. Die Funktion der STR, die sich verstreut im Genom befinden, ist weitgehend unbekannt. b) Von besonderem Interesse für die Medizin sind solche Mini- und Mikrosatelliten, deren Anzahl an Sequenzwiederholungen (und damit ihre Gesamtlänge) sich zwischen einzelnen Individuen stark unterscheidet. Sie werden nach den Mendel´schen Regeln vererbt, d.h. jeder Mensch hat für jeden Satellitenlocus auf beiden Chromosomen je ein Repeat mit der Anzahl an Sequenzwiederholungen, wie sie sein Vater und seine Mutter aufweisen. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei nicht verwandte Menschen an einem Genort einen Mini- oder Mikrosatelliten gleicher Länge besitzen, recht klein. Da man in der Praxis eine ganze Reihe verschiedener Loci betrachtet, ist die Chance, dass zwei Menschen in dem gesamten Muster übereinstimmen, äußerst gering („genetischer Fingerabdruck“). Die Analyse der Restriktionsfragment-Längenpolymorphismen (RFLP) von VNTRs ist das ältere der beiden Verfahren zur DNA-Profilanalyse. Man verdaut dazu genomische DNA mit Restriktionsendonucleasen, die Schnittstellen in Bereichen aufweisen, die VNTRs flankieren. Die erhaltenen Restriktionsfragmente werden durch Gelelektrophorese aufgetrennt; sie sind umso länger, je häufiger das entsprechende Sequenzmotiv in dem untersuchten Individuum vorkommt. Nachteilig ist, dass diese Methode vergleichsweise viel (ca. 5–10 μg) DNA erfordert. Die zweite Methode beruht auf einer Typisierung der STRs mit Hilfe der PolymeraseKettenreaktion (PCR). Da hierfür geringste Mengen auch gealterten Spurenmaterials ausreichend sind, stellen die STRs derzeit die wichtigsten Marker in der Forensik dar. Für die PCR werden Primer eingesetzt, die zu flankierenden Basensequenzen der STR-Loci komplementär sind. Entsprechend der Anzahl an Sequenzwiederholungen ergeben sich unterschiedlich lange PCR-Produkte, die mittels Gelelektrophorese analysiert werden.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

519

A

4 Tandem Repeats

B

3 Tandem Repeats

C

6 Tandem Repeats

Nachweis durch Restriktionstest

Nachweis durch PCR

A B C Restriktionsschnittstellen = durch Hybridisierungssonde nachweisbare Sequenz

= PCR-Primer

Lösung 401 Die Adenylatcyclase ist ein Transmembranprotein in der Plasmamembran, das aus ATP den Second messenger cAMP synthetisiert. Dabei werden alle Isoformen durch die D-Untereinheit stimulatorischer G-Proteine (GDs) aktiviert, solange diese in der GTP-gebundenen Form vorliegt. Normalerweise erfolgt die Inaktivierung des G-Proteins (und dadurch der Adenylatcyclase) durch die intrinsische GTPase-Aktivität der GD-Untereinheit, die gebundenes GTP langsam zu GDP und Pi hydrolysiert. Ist an die GD-Untereinheit anstelle von GTP das nicht hydrolysierbare Guanosin-5’-(E,J-imido)-triphosphat gebunden, kann das G-Protein nicht durch die intrinsische GTPase-Aktivität inaktiviert werden, so dass es die Adenylatcyclase dauerhaft stimuliert.

Lösung 402 Gezeigt ist die Aktivierung der Proteinkinase A durch den allosterischen Aktivator cAMP. Die Proteinkinase A besteht aus zwei katalytischen („C“) und zwei regulatorischen Untereinheiten, die zusammen ein inaktives Tetramer bilden. Durch die Bindung des Second messengers cAMP wird eine Konformationsänderung induziert, die zur Freisetzung der beiden (monomeren) katalytischen Untereinheiten führt. Die Proteinkinase A katalysiert die Phosphorylierung von Serin- bzw. Threoninresten, wodurch die entsprechenden Enzyme aktiviert oder desaktiviert werden.

520

Kapitel 13

Das klassische Beispiel ist der Glykogenstoffwechsel: Die Proteinkinase A phosphoryliert (und aktiviert) die Phosphorylase-Kinase, die ihrerseits die Glykogen-Phosphorylase phosphoryliert und dadurch in die aktive Form überführt. Gleichzeitig wird die GlykogenSynthase durch Phosphorylierung in den inaktiven Zustand versetzt.

Lösung 403 a) Als Stimulus dient die Bindung eines extrazellulären Signalmoleküls (z.B. eines Hormons) an den entsprechenden Rezeptor, was zu einer Konformationsänderung des Rezeptors führt. Dies ermöglicht die Bindung der D-Untereinheit eines G-Proteins, wodurch wiederum in dieser eine Konformationsänderung induziert wird, die zur Freisetzung von gebundenem GDP führt. Stattdessen wird GTP gebunden, das die neue Konformation der D-Untereinheit stabilisiert. Dadurch kommt es zur Ablösung der D-Untereinheit vom Rezeptor und vom restlichen Teil des G-Proteins (E/J-Einheit). Gleichzeitig werden in der neuen Konformation der DUntereinheit Peptidschleifen exponiert, die die Wechselwirkung mit einem Effektormolekül erlauben, wodurch dieses aktiviert wird. Da die D-Untereinheit des G-Proteins nach der Bindung des Liganden an den Rezeptor rasch abdiffundiert, können unter Umständen mehrere GProteine an den Rezeptor binden und aktiviert werden, bevor der Ligand den Rezeptor verlässt. Auch nach der Inaktivierung des Rezeptors ist die GD-Untereinheit zunächst weiter aktiv, solange sie in der GTP-gebundenen Form vorliegt, so dass das ursprüngliche Hormonsignal verstärkt wird. Die Inaktivierung des G-Proteins erfolgt schließlich durch die intrinsische GTPase-Aktivität der aktivierten D-Untereinheit. Sie sorgt dafür, dass das gebundene GTP langsam zu GDP und Pi hydrolysiert wird, wonach die D-Untereinheit in der GDPgebundenen Form wieder mit der E/J-Einheit des G-Proteins reassoziiert. b) Die meisten Hormone vermitteln ihre zellulären Effekte durch G-Proteine, die entweder die Aktivität der Adenylatcyclase beeinflussen (dabei unterscheidet man stimulierende und inhibierende G-Proteine) oder die Phospholipase CE aktivieren. Im ersten Fall kommt es zur Erhöhung (bzw. Erniedrigung) der Konzentration des Second messengers cAMP, in letzterem werden durch Hydrolyse des Membranlipids Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) Diacylglycerol (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) als Second messenger gebildet. Das DAG verbleibt in der Membran, während das hydrophile IP3 ins Cytosol diffundiert.

Lösung 404 a) Man unterscheidet Guanylatcyclasen, die an die Plasmamembran gebunden sind, und solche, die gelöst im Cytosol vorliegen. Erstere werden durch extrazelluläre Liganden, wie z.B. das atriale natriuretische Peptid, aktiviert, während letztere durch Stickstoffmonoxid, das leicht durch Membranen diffundieren kann, aktivierbar sind. Beide wandeln GTP unter Abspaltung von Pyrophosphat in cGMP um. Für die Inaktivierung von cGMP sorgen Phosphodiesterasen, von denen insgesamt elf verschiedene Familien bekannt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass zyklische Nucleotide nicht unkontrolliert, sondern spezifisch in zellulären Kompartimenten und als Ergebnis verschiedener Signalwege abgebaut werden.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

521

b) Unter Rezeptortyrosinkinasen versteht man solche Transmembranrezeptoren, deren intrazellulärer Teil eine Tyrosinkinase-Aktivität aufweist. Durch Bindung des entsprechenden Liganden kommt es zu einer Dimerisierung des Rezeptors, die essentiell für die weitere Signaltransduktion ist. Der Ligand muss also entweder in der Lage sein, an zwei Rezeptormoleküle zu binden, oder er liegt selbst als Dimer vor, das zwei Rezeptoren verbrückt. In Folge der Dimerisierung kommen die jeweiligen Tyrosinkinase-Domänen der beiden Rezeptoren benachbart zu liegen, so dass sie sich gegenseitig phosphorylieren können („trans“Phosphorylierung; nicht ganz korrekt oft als Autophosphorylierung bezeichnet). Durch die Phosphorylierung steigt die Kinase-Aktivität, so dass zum einen Substrate in der Zelle und zum anderen Tyrosinreste der cytosolischen Rezeptordomäne phosphoryliert werden können. Die entstehenden Phosphotyrosinreste ermöglichen die Bindung spezieller Signaltransduktionsmoleküle. Dies geschieht mit Hilfe sogenannter SH2-Domänen, die sich durch eine Bindungstasche mit positiv geladenen Aminosäureresten auszeichnen, welche die spezifische Erkennung eines Rezeptors vermittelt. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Signalmolekülen aktiviert und entsprechende Signalkaskaden eingeleitet. Ein Beispiel ist die Phospholipase CJ. Sie wird nach Bindung über ihre SH2-Domäne phosphoryliert, wonach die SH2-Domänen bevorzugt die phosphorylierten Tyrosinreste im eigenen Protein binden. Dies bewirkt eine Konformationsänderung, die entfernt liegende Abschnitte der enzymatischen Domäne der Phospholipase zueinander führt, so dass das funktionelle Enzym entsteht. Dieses löst sich daraufhin vom (EGF)-Rezeptor, bindet an die Membran und katalysiert dort die Bildung der Second messenger Diacylglycerol und Inositol1,4,5-trisphosphat.

Lösung 405 x D-Amanitin: Eukaryontische Zellen enthalten drei verschiedene RNA-Polymerasen, die verschiedene Arten von Genen transkribieren und sich in ihrer Empfindlichkeit gegenüber dem D-Amanitin, dem Gift des Knollenblätterpilzes, unterscheiden. Gehemmt wird insbesondere die RNAPolymerase II, die Strukturgene transkribiert, so dass es zum Erliegen der Proteinbiosynthese und zum Zelltod kommt. x Penicillin: Das E-Lactam-Antibiotikum hemmt die prokaryontische Transpeptidase, die für die Quervernetzung der Peptidoglykanketten im Zuge der Zellwandbiosynthese essentiell ist, indem es unter Öffnung des gespannten E-Lactamrings kovalent an das aktive Zentrum bindet. x Choleratoxin: Das Choleratoxin katalysiert die Übertragung des ADP-Ribosylrestes von NAD+ auf einen Argininrest der D-Untereinheit stimulatorischer G-Proteine, wodurch die GTPase-Aktivität von GDs gehemmt wird. x Tetracycline: Tetracycline blockieren die Bindung der Aminoacyl-tRNA an die A-Stelle prokaryontischer Ribosomen und hemmen so die Proteinbiosynthese.

522

Kapitel 13

Lösung 406 a) Arginin ist ein Intermediat im Harnstoffzyklus. Es entsteht durch Spaltung von Argininosuccinat in Arginin und Fumarat und wird anschließend durch die Arginase hydrolytisch zu Harnstoff und Ornithin gespalten.

NH2 OOC

N NH3

NH2

H

Arginin b) Stickstoffmonoxid (NO) wirkt intrazellulär durch eine Erhöhung des cGMP-Spiegels. Das cGMP-Signal wird i.A. rasch durch eine Phosphodiesterase beendet, die den Second messenger zu Guanosinmonophosphat (GMP) hydrolysiert. Hemmstoffe der cGMP-Phosphodiesterasen sind daher in der Lage, die Wirkung von NO verstärken.

Sogenannte Phosphodiesterase-5-Hemmer, wie das in der Aufgabe gezeigte Sildenafil (Wirkstoff von Viagra®), als auch Tadalafil und Vardenafil erhöhen dadurch kurzfristig die cGMPKonzentration, was zu einer Erschlaffung der Muskulatur und damit im Penis zu einer Erektion und in der Lunge zu einem Blutdruckabfall führt. Sie werden zur Behandlung der erektilen Dysfunktion und der pulmonalen arteriellen Hypertonie eingesetzt.

Lösung 407 Die Antikörpervielfalt kommt zustande durch Variationen der V-, D- und J-Domänen, durch Mutationen und Rekombinationen der Keimbahn-DNA, durch somatische Mutationen, sowie durch die Kombinationsmöglichkeiten von leichten und schweren Ketten. All dies findet auf Ebene der DNA durch somatische Rekombination, also Neukombination von Erbmaterial in somatischen Zellen, statt; eine Neukombination von Peptidfragmenten trägt nicht zur Vielfalt bei. So codieren für den variablen Abschnitt der L-Ketten zwei Gensegmente (VL, JL) und für den variablen Abschnitt der H-Ketten drei Gensegmente (VH, DH und JH). Für jedes dieser Segmente existieren zahlreiche Varianten; dazu kommt jeweils noch eine C-Sequenz, die für den konstanten Teil der Ketten codiert. Aus den zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Gensegmente ergibt sich bereits eine große Vielfalt von Antigenbindungsstellen. Diese Vielfalt wird noch weiter gesteigert durch

x Insertion oder Deletion einzelner Nucleotide an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Gensequenzen x weitere Punktmutationen in den bereits etablierten Genabschnitten.

Lösung 408 Zwei identische Antigene tragen identische antigene Determinanten auf ihrer Oberfläche. Ein Antigenmolekül weist in der Regel eine unbestimmte Anzahl antigener Determinanten auf, so dass ein Antiserum gegen dieses Antigen immer aus einer Mischung verschiedener Antikörperpopulationen besteht. Ein Antiserum wird mit identischen Antigenen gleich stark reagie-

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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ren. Ordnet man die zwei Antigendepots und das Antikörperdepot so an, dass sie sich an den drei Ecken eines gleichseitigen Dreiecks befinden, so verlaufen die Präzipitatbanden wie in Abbildung a) skizziert. An der Stelle, an der die beiden Präzipitatbanden sich berühren, gehen sie fließend ineinander über. Fall b) zeigt zwei strukturell verwandte, aber nicht identische Antigene (Agxy / Agxz), wie sie z.B. bei homologen Proteinen phylogenetisch verwandter Spezies auftreten (Beispiel: humanes Serumalbumin / Rinderserumalbumin). Agxz (z.B. Rinderserumalbumin) ist nur noch in einem Teil der Antigendeterminanten mit Agxy (humanes Serumalbumin) identisch. Deshalb können die in dem Antiserum gegen die verschiedenen Antigendeterminanten von Agxy gerichteten Antikörper nicht mehr mit allen Determinanten des anderen Antigens (Agxz) reagieren, sondern nur mit der Determinante x des Agxz. Bei der Reaktion zwischen den Anti-AgxyAntikörpern und dem Agxz bleiben Antikörpermoleküle übrig, die nicht mit Agxz reagieren können (Aky). Diese Antikörper reagieren mit überschüssigem Agxy, das im Verlauf der Diffusion in den Bereich der Diffusionszone von Agxz gelangt, und bilden den sogenannten „Sporn“ (Abbildung b). Verwendet man ein Antiserum, das zwei unabhängige, gegen zwei völlig verschiedene Antigene gerichtete Antikörperpopulationen enthält und lässt die beiden voneinander verschiedenen Antigene (Agx und Agz) dagegen diffundieren, präzipitieren beide Antikörperpopulationen völlig unabhängig voneinander mit dem jeweiligen Antigen: die beiden Präzipitatbanden überkreuzen sich (Abbildung c).

Lösung 409 a) Wird eine 50 %ige Hämolyse bei einem Titer von 1:180 erreicht, entspricht die doppelte Komplementmenge einer 1:90-Verdünnung. Da von einer Komplementverdünnung von 1:30 ausgegangen wird, ist folglich eine 1:3-Verdünnung erforderlich. Um davon 9 mL herzustellen, werden 3 mL Komplementlösung eingesetzt und mit 6 mL Puffer versetzt. b) Dies ist erforderlich, um das patienteneigene Komplement zu inaktivieren.

Lösung 410 a) Ein Komplementbindungstest zum Nachweis von Antikörpern gegen das Choleratoxin läuft folgendermaßen ab: Hitzeinaktiviertes Serum (zur Zerstörung des körpereigenen Komplementsystems) wird mit dem Toxinantigen versetzt und dann mit genau bekannten Komplementmengen inkubiert. Sind im Serum entsprechende Antikörper vorhanden, kommt es zur Bildung von Antigen-Antikörper-Komplexen, die eine entsprechende Menge an Komplement binden. Anschließend wird die verbliebene Menge an Komplement bestimmt, die ein Maß für die vorliegende Antikörperkonzentration ist. Diese Rückbestimmung erfolgt beispielsweise mit Schafserythrozyten, die mit geeigneten Anti-Erythrozyten-Antikörpern belegt („sensitiviert“) sind und dadurch in Abhängigkeit vom noch vorhandenen Komplementsystem lysiert werden. Die Lyse kann anhand des freigesetzten Hämoglobins durch Absorbanzmessung bei 546 nm bestimmt werden.

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Kapitel 13

Die Leerwert-Bestimmung erfolgt in Abwesenheit von Komplement, so dass keine komplementbedingte Lyse eintritt. In reinem Wasser lysieren die Erythrozyten komplett; dies liefert den Maximalwert der Absorbanz. Nach entsprechender Bestimmung des Komplementtiters wird gerade die doppelte Menge an Komplement eingesetzt, die 50 % der Erythrozyten lysiert. b) In der Probe A entspricht die gemessene Absorbanz nur bei der niedrigsten Verdünnungsstufe nicht dem Wert für Totalhydrolyse. Dies bedeutet, dass am Tag 0 eine geringe Konzentration an Antikörpern gegen das Choleratoxin im Serum vorlag. Im unverdünnten Serum liegen gerade ausreichend Antikörper vor, um etwas Komplement zu binden, so dass bei der Rückbestimmung keine vollständige Lyse mehr auftritt. Nach 14 Tagen wird bei den Verdünnungsstufen 1:1 und 1:2 nur noch der Leerwert erreicht, d.h. hier liegen so viele Antikörper vor, dass das Komplement vollständig gebunden wird. Nur bei der höchsten Serum-Verdünnung verbleibt noch ausreichend Komplement, um eine vollständige Lyse zu erzielen. Im Verlauf von 14 Tagen wurden demnach vermehrt Antikörper gegen Vibrio cholerae gebildet.

Lösung 411 Damit es zu einer Präzipitatbildung Fabkommen kann, müssen die Antigene Fragment durch den Antikörper bzw. geeignete Fragmente vernetzt werden. Dazu ist einerseits der komplette Antikörper (antiAntigen RSA RSA; = ), anderseits das F(ab´)2Fragment in der Lage, da beide zwei Antigenbindungsstellen aufweisen. Das FcF(ab´)2einzelne Fab-Fragment ist dagegen monoFragment Fragment valent; es kann zwar an die antigene Determinante binden, aber keine Quervernetzung (und damit Präzipitation) bewirken. Das Fc-Fragment bindet überhaupt nicht an das Antigen. Somit entstehen Präzipitatlinien jeweils in der Mitte zwischen Antigen (RSA) und bzw. F(ab´)2-Fragment.

Lösung 412 Im reifen Insulin ist das C-Peptid nicht mehr enthalten, wohl aber im Vorläufer, dem Proinsulin. Der anti-C-Peptid-Antikörper (-AK) erkennt also das C-Peptid und das Proinsulin; es kommt zur Quervernetzung und Bildung einer Präzipitatlinie. Mit den Hormonen Glucagon und Cortisol erfolgt selbstverständlich keine Reaktion. Werden statt dem vollständigen Antikörper nur Fab-Fragmente (enthalten nur eine Antigenbindungsstelle) eingesetzt, wird kein Präzipitat gebildet, da keine Quervernetzung erfolgen kann.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

525 Insulin

Insulin Proinsulin

Glucagon

Proinsulin

Glucagon Fab-Fragment des -AK

-AK C-Peptid

Cortisol

Insulin-B-Kette

C-Peptid

Cortisol Insulin-B-Kette

Für die Spaltung von IgG zu Fab-Fragmenten und Fc-Teil wird die Protease Papain verwendet. Papain enthält einen Cysteinrest im aktiven Zentrum und gehört daher zu den Cystein- oder Thiolproteasen.

Lösung 413 In den Sekreten liegen IgA als Dimere vor, wobei die carboxyterminalen Enden der schweren Ketten zweier Monomere durch ein zusätzliches Polypeptid, die sogenannte J-Kette, unter Beteiligung von Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Im Zuge der Sekretion durch Transzytose binden die IgA-Dimere an der basolateralen Seite der Epithel- bzw. Drüsenzellen an einen IgA-Rezeptor. Dessen antikörperbindender Anteil wird bei der Exozytose abgeschnitten und bleibt (nichtkovalent) mit dem freigesetzten IgA-Dimer als sogenannte sekretorische Komponente verbunden. Unter reduzierenden Bedingungen entstehen durch Spaltung der Disulfidbrücken demnach vier unterschiedliche Polypeptidketten (H-Ketten, L-Ketten, J-Peptid, sekretorische Komponente), d.h. man kann vier unterschiedliche Banden im Gel beobachten. Unter nichtreduktiven Bedingungen bleiben die über Disulfidbrücken verbundenen Ketten (H-, L-, J-Ketten) dagegen verbunden. Nur die nichtkovalent gebundene sekretorische Komponente kann separiert werden, so dass nur zwei Banden entstehen.

Lösung 414 x Immunologischer Nachweis: Man trennt die Enzyme im Leberhomogenisat durch eine SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese auf, wobei in einer Spur entsprechende Molmassensstandards mitgeführt werden, und führt anschließend einen Western Blot durch. Anschließend wird die Membran mit dem markierten Antikörper, der gegen den N-terminalen Teil der Phenylalanin-Hydroxylase gerichtet ist, inkubiert. Aus der Position des Signals (Fluoreszenz, Radiolabel), das der markierte Antikörper liefert, kann anhand des Molmassenstandards im SDS-Gel auf die ungefähre molare Masse des Enzyms geschlossen werden. Liegt das Enzym in seiner verkürzten Form vor, ist seine molare Masse gegenüber der nativen Form entsprechend verringert.

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Kapitel 13

x Molekularbiologischer Nachweis: Hierfür bietet sich die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) an. Hierbei werden (neben den dNTPs, einer thermostabilen Polymerase und Puffer mit Mg2+-Ionen) Primer benötigt, die außerhalb des für die Phenylalanin-Hydroxylase codierenden Bereichs binden. Die PCRProdukte werden durch Gelelektrophorese getrennt und ihre Größe anhand eines entsprechenden Längenstandards bestimmt. Alternativ könnten auch Primer verwendet werden, die spezifisch an die Basensequenz binden, die für den C-terminalen Bereich codieren. Fehlt dieser Genabschnitt, wird entsprechend kein PCR-Produkt gebildet.

Lösung 415 a) Die beiden Antigene sind immunologisch verwandt, aber nicht identisch. Charakteristisch für diesen Sachverhalts ist die Ausbildung eines Sporns in Richtung des Antigens A´. Er kommt dadurch zustande, dass ein Teil der Antikörper im polyklonalen Serum Determinanten erkennt, die in beiden der verwandten Antigene auftreten. Nur der Teil des Serums, der mit Determinanten reagiert, die ausschließlich auf Antigen A zu finden sind, wandert an A’ vorbei und reagiert im Sporn mit dem Antigen A. b) Bei Einsatz eines monoklonalen Antikörpers kann kein Sporn auftreten, da nur eine antigene Determinante erkannt wird. c) Papain trennt die Fab-Fragmente und damit die Antigenbindungsstellen voneinander, so dass keine Quervernetzung (Präzipitatbildung) mehr möglich ist. Bei der Behandlung mit Pepsin bleiben die Antigenbindungsstellen verbunden, so dass ein analoges Ergebnis wie mit dem polyklonalen Antikörper erhalten wird.

Lösung 416 Die Cysteinprotease Papain spaltet das IgG im Bereich der Hinge-Region in etwa drei gleich große Fragmente, zwei sogenannte Fab-Fragmente (mit je einer Antigenbindungsstelle) und den Fc-Teil: Führt man die SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese unter reduzierenden Bedingungen (z.B. in Anwesenheit von 2-Mercaptoethanol) durch, so werden die Disulfidbrücken gespalten, die leichte und schwere Ketten zusammenhalten. Man erhält daher eine stärkere Bande für die beiden schweren Ketten (molare Masse ca. 58 kD) und eine schwächere für die beiden leichten Ketten (molare Masse ca. 23 kD). Durch Spaltung mit Papain unter reduzierenden Bedingungen werden die Disulfidbrücken zwischen den Anteilen der schweren Kette des FcFragments und zwischen leichter und schwerer Kette der Fab-Fragmente getrennt, so dass die Bande bei ca. 58 kD bis auf einen kleinen unverdauten Rest zugunsten kleinerer Peptidketten (den Spaltprodukten der schweren Ketten sowie den leichten Ketten) weitgehend verschwindet.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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Führt man die Gelelektrophorese in Abwesenheit des Reduktionsmittels ohne Papain durch, so wird das IgG zwar durch SDS denaturiert, aber nicht in kleinere Bruchstücke gespalten; man erhält naturgemäß nur eine Bande mit der molaren Masse von IgG (ca. 150 kD). Behandlung mit Papain liefert, wie eingangs beschrieben, das Fc- und zwei Fab-Fragmente mit je ca. 50 kD (sowie je nach Inkubationsdauer evt. geringe Reste an nicht gespaltenem IgG). IgG mit IgG mit IgG nicht IgG nicht Papain Papain behandelt mit Papain behandelt mit Papain Standard Standard behandelt behandelt

200 kD 150 kD

200 kD 150 kD

100 kD

100 kD

50 kD

( )

20 kD

SDS-Gel SDS-Gel unter unter reduzierenden reduzierenden Bedingungen Bedingungen

( )

50 kD 20 kD

SDS-Gelunter unter SDS-Gel nic nichtreduzierenden ht-reduzierenden Bedingungen Bedingungen

Lösung 417 a) Der Hämatokrit ist nichts anderes als der Volumenanteil der Blutzellen am Gesamtvolumen des Blutes; er kann durch Zentrifugation einer kleinen Blutmenge in einer Glaskapillare bestimmt werden. b) Ein Hämatokrit von 50 % bedeutet, dass die Blutzellen die Hälfte des Blutvolumens ausmachen, in 1 L Blut also 0,50 L. 99 % davon, also 495 mL, entfallen auf die Erythrozyten, in denen 160 g Hämoglobin vorliegt. m (Häm) 160 g = = 323 g/L V (Erys) 0,495 L n (Häm) m (Häm) c (Häm) = = = V (Erys) M (Häm) ˜ V (Erys)

E (Häm) =

160 g 4

6, 4 ˜ 10 g/mol ˜ 0,495 L

= 5,05 mmol/L

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Kapitel 13

Lösung 418 a) Sezerniertes IgM liegt als Pentamer vor; entsprechend besteht es aus 10 leichten und 10 schweren Ketten, wobei letztere durch das sogenannte J-Peptid verbunden sind. Dieses ist identisch mit der J-Kette der IgA und durch Disulfidbrücken mit jeweils einer schweren Kette jedes Monomers verknüpft.

leichte Ketten sc hwere Ketten

Das Vorhandensein von 5 Antigenbindungsstellen im Pentamer bedingt dessen hohe Avidität (Maß für die Gesamtbindungsstärke) und eine hohe Effizienz bei der Agglutination.

J-Peptid

b) Monomere IgM-Moleküle sind die ersten Immunglobuline, die reifende B-Zellen im Knochenmark auf ihrer Oberfläche exponieren. Die ersten Antikörper, die nach Kontakt mit einem Antigen im Zuge einer Immunreaktion sezerniert werden, sind IgM-Pentamere. Ihre Konzentration ist daher während der primären Immunantwort besonders hoch, bevor in der späteren Phase überwiegend IgG entstehen.

Lösung 419 a) Durch Aufnahme eines Elektrons geht Sauerstoff (O2) in das Superoxid-Radikalanion O2– über. Dieses ist ausgesprochen reaktiv und schädigt durch Reaktionen mit fast allen verfügbaren Reaktionspartnern in der Umgebung die Zelle. Durch Disproportionierung und Aufnahme von zwei Protonen entstehen aus dem O2– molekularer Sauerstoff und Wasserstoffperoxid (H2O2). Auch H2O2 ist ein starkes Oxidationsmittel, das im Erythrozyten zur Bildung von Methämoglobin beiträgt. Eine wichtige Rolle spielt ferner das äußerst aggressive HydroxylRadikal (OH), das aus Superoxid-Radikalanionen entstehen kann. O2

+

2 O2 O2

e +

O2 2H

Disproportionierung

O2

+

H2O 2

OH

b) Die oben beschriebenen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) können durch Antioxidantien, aber auch mit Hilfe enzymatischer Reaktionen beseitigt werden. Bedeutung als Antioxidanz besitzen die beiden Vitamine D-Tocopherol und Ascorbinsäure, die als Radikalfänger fungieren können und gute Reduktionsmittel sind. Auch das Tripeptid Glutathion (J-Glu–Cys–Gly) ist ein wichtiges Antioxidanz und wird beispielsweise durch H2O2 zum Disulfid oxidiert. Daneben verfügen alle Zellen über Enzyme, die Disproportionierungen katalysieren und so Superoxid-Radikalanionen und Wasserstoffperoxid unschädlich machen können. Die Superoxid-Dismutase katalysiert die unter a) formulierte Disproportionierung von O2– zu O2 und

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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H2O2, welches wiederum durch die Katalase (ein Häm-Protein) zu O2 und H2O umgesetzt wird. 2 O2

+

2H

Disproportionierung Superoxid-Dismutase

O2

+

H 2O 2

Disproportionierung Katalase

1/2 O2

+

1/2 H2O

c) Im gesunden Organismus beträgt der Anteil an Methämoglobin am gesamten Hämoglobin nicht mehr als 1 %. Dafür sorgt in den Erythrozyten zum einen eine NADH-abhängige Methämoglobin-Reduktase, die das zentrale Fe3+-Ion zu Fe2+ reduziert. Daneben kann auch das Glutathion enzymunabhängig Fe3+ reduzieren, wobei pro zwei reduzierter Eisen-Ionen zwei Moleküle Glutathion (GSH) unter Bildung einer Disulfidbrücke zum dimeren GSSG oxidiert werden. Die Regeneration von GSSG zum reduzierten GSH erfolgt durch die Glutathion-Reduktase, die dafür als Cofaktor NADPH/H+ benötigt, das im Erythrozyten durch den Pentosephosphatweg bereitgestellt wird. Die familiäre Methämoglobinämie kommt durch einen Mangel an Methämoglobin-Reduktase zustande, der durch einen Defekt im entsprechenden Gen bewirkt wird. Die Reduktion durch Glutathion ist davon abhängig, dass dieses immer wieder aus der oxidierten Form regeneriert wird. Kommt es in der Zelle zu einem Mangel an NADPH/H+, unterbleibt dies, auch wenn das Enzym, die Glutathion-Reduktase, funktionstüchtig ist. Ein Mangel an NADPH/H+ wird typischerweise durch Hemmung des Pentosephosphatwegs infolge eines Defekts der Glucose6-phosphat-Dehydrogenase ausgelöst.

Lösung 420 a) Nach Abtrennung der korpuskulären Bestandteile des Blutes erhält man das Blutplasma. Im Gegensatz zum Serum enthält das Plasma noch alle für die Blutgerinnung notwendigen Proteine. b) Das mit Abstand häufigste Protein im Blutplasma (ca. 35–50 g/L) ist das Albumin. Bei einer elektrophoretischen Trennung der Serumproteine liefert das Albumin die erste und größte Bande, gefolgt von den kleinen D1- und D2-Banden, der etwas größeren E-Bande und der abschließenden breiten Bande der γ-Globuline. Das Albumin ist aufgrund seiner hohen Konzentration wichtig für die Aufrechterhaltung des kolloidosmotischen Drucks. Dadurch bestimmt es indirekt die Verteilung des Wassers zwischen Plasma und Interstitium. Sinkt der kolloidosmotische Druck infolge Albumin-Mangels (z.B. aufgrund unzureichender Synthese in der Leber bei einer Leberschädigung, z.B. einer Leberzirrhose infolge von Alkoholmissbrauch), so tritt vermehrt Wasser in das Interstitium über und es kommt zur Bildung von Ödemen. Daneben dient das Albumin als Transportprotein im Blut. Freie Fettsäuren, die im wässrigen Milieu praktisch unlöslich sind, werden durch Bindung an Albumin transportiert. Auch Bilirubin sowie ein großer Anteil der Ca2+-Ionen im Plasma liegen an Albumin gebunden vor.

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Kapitel 13

Lösung 421 a) Adaptive Immunantworten werden im Wesentlichen durch zwei Klassen von Leukozyten vermittelt, den B- und den T-Lymphozyten (auch als B- bzw. T-Zellen bezeichnet). So kommt es bei einer adaptiven Immunantwort zu

x Bildung spezifischer Antikörper durch B-Lymphozyten x Abtötung infizierter Zellen durch antigenspezifische cytotoxische T-Zellen vom Typ CD8 x Aktivierung von B-Lymphozyten durch antigenspezifische T-Helferzellen vom Typ CD4/TH2 x Aktivierung von Makrophagen durch antigenspezifische T-Helferzellen vom Typ CD4/TH1. b) Eine adaptive Immunantwort benötigt für ihre Entwicklung einige Tage Zeit, während der sie noch nicht zur Bekämpfung von Erregern zur Verfügung steht. In dieser Phase ist das angeborene Immunsystem wichtig, da es sofort in der Lage ist, eine Abwehrreaktion gegen Pathogene auszulösen. c) Für eine passive Immunisierung werden Antikörper oder T-Zellen aus dem Blut eines immunisierten Spenders isoliert und dem Patienten übertragen. Dies ermöglicht eine zwar rasche aber nicht sehr lang anhaltende Immunität. Im Gegensatz dazu reizt man bei einer aktiven Immunisierung das Immunsystem mit einem ungefährlichen Antigen und provoziert dadurch eine adaptive Immunantwort, z.B. durch die Bildung spezifischer Antikörper. Dabei entstehen auch langlebige B- und T-Zellen (sogenannte Gedächtniszellen), die dafür sorgen, dass die Immunität längere Zeit erhalten bleibt.

Lösung 422 a) Ein IgG-Molekül besteht aus vier Polypeptidketten, zwei sogenannten leichten (L-) und zwei schweren (H-) Ketten. Diese sind durch Disulfidbrücken miteinander verbunden. Die Nterminalen Enden je einer leichten und einer schweren Kette bilden zusammen die beiden Antigenbindungsstellen; diese Bereiche zeigen beim Vergleich verschiedener IgG-Moleküle die größte Variabilität. Innerhalb der Polypeptidketten lassen sich Proteindomänen aus jeweils etwa 110 Aminosäuren unterscheiden. Während die L-Ketten nur zwei Domänen umfassen (eine „variable“, VL und eine „konstante“, CL) bestehen die H-Ketten aus insgesamt vier Domänen, einer VH- und drei CH-Domänen. Die CH2-Domäne ist bei den IgG-Molekülen glykosyliert. Die Verbindungsregion zwischen CH1- und CH2-Domäne wird auch als Gelenkregion (Hinge-Region) bezeichnet; sie kann durch Proteasen wie Papain relativ leicht hydrolysiert werden. Dabei entstehen drei Fragmente, zwei identische antigenbindende (Fab) und das sogenannte Fc-Fragment aus den verbleibenden Resten der H-Ketten, die noch über Disulfidbrücken verbunden sind. Obwohl der Fc-Teil nicht zur Antigenbindung beiträgt, ist er für verschiedene Funktionen von IgG essentiell, beispielsweise für die Bindung von Komplementproteinen wie dem C1q.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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b) Die beiden leichten Ketten sind mit den schweren Ketten über Disulfidbrücken verknüpft. Werden diese durch 2-Mercaptoethanol gespalten, werden leichte und schwere Ketten getrennt. Da für die Ausbildung der Antigenbindungsstelle die variablen Regionen von leichter und schwerer Kette zusammenwirken müssen, werden die Antigenbindungsstellen durch Spaltung der Disulfidbrücken zerstört; der Antikörper verliert dadurch seine Affinität zum Antigen.

Lösung 423 Im Blut liegen IgA-Moleküle zwar als Monomere mit ähnlicher Struktur und molarer Masse wie die IgG vor, in Sekreten hingegen als Dimere, wobei die Fc-Teile zweier Monomere über ein zusätzliches Polypeptid, die sogenannte J-Kette, verbunden sind. Die IgA werden überwiegend in den B-Zellen der Lamina propria gebildet. Als sekretierter Antikörper muss IgA mittels eines Transzytoseprozesses durch das Epithel von Darm, Lunge etc. geschleust werden. Dabei bindet das IgA-Dimer an der basolateralen Seite der Epithel- bzw. Drüsenzellen an einen spezifischen IgA-Rezeptor und wird anschließend durch Endocytose aufgenommen. Die gebildeten Vesikel wandern zur luminalen Membran und verschmelzen mit dieser. Die Freisetzung des IgA in das Lumen erfolgt durch proteolytische Spaltung des Rezeptors, wobei der IgA-bindende Teil des Rezeptors mit dem freigesetzten IgA-Dimer dauerhaft verbunden bleibt. Dieses Rezeptorbruchstück wird als sekretorische Komponente bezeichnet und schützt das IgA vor proteolytischer Spaltung. Die gesamte molare Masse von ca. 400 kDa setzt sich also aus den molaren Massen der beiden IgA-Monomere, der J-Kette und der sekretorischen Komponente zusammen. Die Funktion der IgA besteht im Schutz der Schleimhautoberfläche des Organismus vor bakteriellen Infektionen. Im Intestinaltrakt binden die IgA-Antikörper an verschiedenste Antigene und verhindern dadurch die Aufnahme bakterieller Toxine und Viren, sowie die Anhaftung von Bakterien an Zelloberflächen.

Lösung 424 a) Eine B-Zelle bildet zunächst Antikörper, die über eine Sequenz hydrophober Aminosäuren in der Plasmamembran verankert sind und die quasi „Ansichtsexemplare“ der Sorte löslicher Antikörper darstellen, die die B-Zelle potentiell herstellen kann. Diese membrangebundenen Antikörper gehören in den frühen Stadien der B-Zellentwicklung zu den Isotypen IgM und IgD und werden als B-Zell-Rezeptoren bezeichnet. Solche B-Zellen, deren Rezeptoren körpereigene Strukturen binden, gehen bereits im Knochenmark durch Apoptose zugrunde; die übrigen (nur etwa 10 % der ursprünglichen Population) gelangen in die Blutbahn und siedeln sich in den Lymphfollikeln der sekundären lymphatischen Organe an. b) Zur Aktivierung einer B-Zelle sind zwei Signale erforderlich. Zuerst muss ein Antigen an den B-Zell-Rezeptor binden; das Antigen muss prozessiert und an MHC-Klasse-II-Proteinen präsentiert und schließlich in Form des MHC-II-Protein-Antigenfragment-Komplexes vom TZell-Rezeptor einer TH2-Zelle erkannt werden. Die TH2-Zelle exponiert das Membranprotein

532

Kapitel 13

CD40L. Die Bindung dieses Proteins, das als Ligand für das CD40-Protein der B-Zelle dient, liefert das zweite Signal. Die B-Zelle produziert nun Rezeptoren für Interleukine (insbesondere IL-4, IL-5 und IL-6), die von der T-Zelle ausgeschüttet werden. In der Folge kommt es zur Proliferation der B-Zelle, d.h. der Bildung eines B-Zellklons, sowie zum Wechsel der Antikörperklasse durch eine alternative Prozessierung der mRNA. Dies ermöglicht die %ildung großer Mengen an löslichen Antikörpern des Typs IgA, IgE oder IgG. Welcher Isotyp gebildet wird, wird durch die TH2-Zelle sowie benachbarte TH1-Zellen durch das Muster der von ihnen ausgeschütteten Cytokine bestimmt. So induziert das IL-4 der TH2-Zellen die Bildung von IgE, wogegen das Interferon-γ der TH1-Zellen die Bildung von IgG stimuliert und die Bildung von IgE hemmt. c) IgM ist der primär von einer B-Zelle gebildete Antikörper-Isotyp. Wie oben beschrieben, ist für die Proliferation der B-Zelle sowie für den Klassenwechsel die Wechselwirkung zwischen dem CD40 und dem CD40L-Membranprotein der TH2-Zelle erforderlich. Können die T-Zellen das costimulierende CD40L nicht bilden, fehlt das Signal zur Auslösung des Wechsels der Antikörperklasse und die Betroffenen können nur IgM produzieren.

Lösung 425 Moleküle, die zwar von einem Antikörper gebunden werden, aber allein keine Immunantwort auslösen können, werden als Haptene bezeichnet. Durch Kopplung an ein größeres Trägermolekül (i.A. ein Protein) entsteht daraus ein komplettes Immunogen. Das Trägerprotein bindet zusammen mit dem Hapten an die B-Zelle, wobei die Bindung an den B-Zell-Rezeptor von dem Hapten vermittelt wird. Nach Phagozytose und lysosomalem Abbau des RezeptorLigand-Komplexes werden Peptidfragmente des Trägerproteins durch MHC-Klasse-IIProteine an der Oberfläche der B-Zelle exponiert. Das Trägerprotein dient also dazu, nach seiner Zerlegung in Peptidbruchstücke und Präsentation an der B-Zelloberfläche die Kooperation mit der TH2-Zelle und damit die Aktivierung der B-Zelle zu Proliferation, Klassenwechsel und Sekretion von Antikörpern gegen das Epitop des Haptens zu vermitteln. Die Bindung des Haptens allein an den B-Zell-Rezeptor genügt nicht, um die B-Zelle zu aktivieren.

Lösung 426 Bei der membranständigen Form der Antikörper ist der C-Terminus der schweren Kette um einen ca. 26 Aminosäuren langen hydrophoben Bereich ergänzt, der für die Verankerung des Antikörpers in der Zellmembran verantwortlich ist. Der nachfolgende cytoplasmatische Teil ist bei den verschiedenen Immunglobulinklassen unterschiedlich lang. Membranständige Antikörper dienen als Antigen-Rezeptoren auf unreifen B-Lymphozyten und Gedächtniszellen. Der Kontakt mit dem Antigen führt zur Proliferation und Reifung der Lymphozyten.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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Lösung 427 MHC-Klasse-I-Moleküle werden von allen kernhaltigen Zellen des Körpers gebildet und an der Oberfläche exponiert; Ausnahmen sind die Erythrozyten und Thrombozyten. Intrazelluläre Erreger werden abgebaut und Peptidfragmente daraus an die MHC-I-Proteine gebunden und an der Oberfläche exponiert. Dieser Komplex aus (fremdem) Peptid und MCH-I-Protein wird unter Beteiligung des CD8-Proteins vom T-Zell-Rezeptor der cytotoxischen T-Zellen erkannt. Die T-Zellen induzieren daraufhin in ihren Zielzellen Apoptose. Peptidfragment Peptidbindungsstelle

E2-Mikroglobulin

Transmembrananker

Lösung 428 a) Je nach Typ des präsentierten Antigens entsteht eine TH1- oder eine TH2-Zelle. Beide Klassen üben ihre Funktion in Wechselwirkung mit MHC-Klasse-II-Proteinen einer Zielzelle aus. Die TH1-Zellen aktivieren bevorzugt Makrophagen durch die Bindung an deren MHC-KlasseII-Proteine, während die TH2-Zellen bevorzugt zur Aktivierung von B-Zellen beitragen. b) Pathogene Organismen werden von Makrophagen durch Phagozytose aufgenommen und im sogenannten Phagosom getötet. Durch Fusion mit einem Lysosom entsteht ein Phagolysosom, in dem der Erreger abgebaut wird und Peptidfragmente an MHC-Klasse-II-Proteine gebunden werden. Die Komplexe aus Peptidfragment und MHC-Protein werden an die Zelloberfläche transportiert und dort von den TH1-Zellen erkannt. Dadurch werden die Makrophagen dazu veranlasst, große Mengen an toxischen Substanzen, wie SauerstoffRadikale, H2O2, Stickstoffoxide u.a. zu synthetisieren, die an das Lumen der Phagosomen und die Umgebung abgegeben werden, um die Erreger abzutöten. Um eine Schädigung des Gewebes durch permanente Produktion dieser Substanzen zu verhindern, erfolgt diese nur nach der Aktivierung des Makrophagen durch TH1-Zellen. Neben der Bindung des T-ZellRezeptors an das MHC-gebundene Antigenfragment trägt auch die Präsentation des CD40L und die Sekretion von Interferon-γ zur Aktivierung des Makrophagen bei. Die TH1-Zellen sezernieren zudem noch IL-2 und stimulieren dadurch ihre eigene Vermehrung. c) Mykobakterien haben Mechanismen entwickelt, durch die sie die Abtötung in den Phagosomen und deren Fusion mit Lysosomen verhindern, so dass sie in der Lage sind, in den Makrophagen zu überleben. Dadurch unterbleibt auch die Antigenpräsentation und damit die

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Kapitel 13

Stimulation der Makrophagen zur Produktion toxischer Verbindungen. Ist das Immunsystem geschwächt, kann es daher zu einer Reaktivierung der Tuberkulose kommen. Man geht davon aus, dass etwa ein Drittel der Menschheit mit Mycobacterium tuberculosis infiziert ist.

Lösung 429 a) Die Adsorption des HI-Virus (HIV) erfolgt durch die Bindung des viralen Hüllproteins EP an das CD4-Protein der Wirtszelle, das sich v.a. auf T-Helferzellen befindet. Dies führt zur Internalisierung des Virus durch Endozytose. Nach der Freisetzung des Nucleocapsids wird die virale RNA durch die virale reverse Transkriptase (eine RNA-abhängige DNA-Polymerase) in DNA umgeschrieben. Diese Provirus-DNA wird nach Aufnahme in den Zellkern mit Hilfe der viralen Integrase in das Wirtsgenom integriert, wo sie über einen längeren Zeitraum inaktiv vorliegen kann. Für die Transkription sind wirtseigene, später virale Transkriptionsfaktoren erforderlich, wobei dem Faktor NF-NB eine besondere Rolle zukommt. Es entstehen verschiedene mRNA-Spezies, die z.T. differenziell gespleißt werden und HIVEnzyme, Strukturproteine und für die Transkription benötigte Regulationsfaktoren liefern. Ungespleißte RNA wird als Genom für neue Viren benutzt. Anschließend assemblieren Struktur- und Enzymproteine zu neuen Capsiden, die das HIV-Nucleocapsid enthalten. Diese treten von innen an die Zellmembran mit eingebauten ENV-Proteinen, stülpen diese nach außen und werden unter Freisetzung von der Zellmembran abgeschnürt. b) Das Immunsystem reagiert auf die Infektion in zweierlei Weise:

x Die Bildung von Antikörpern gegen das Virus kennzeichnet die humorale Immunantwort. Opsonisierte Viren werden von Makrophagen aufgenommen und abgebaut. x Im Rahmen der zellulären Immunantwort entstehen cytotoxische T-Zellen, die an infizierte CD4-T-Zellen binden und in diesen den programmierten Zelltod (Apoptose) auslösen. Auf diese Weise gehen laufend viele T-Helferzellen verloren. Zunächst sind noch ausreichend T-Helferzellen vorhanden, so dass der Organismus die Zahl der HI-Viren so weit reduzieren kann, dass der Patient zwar infiziert ist, aber noch keine AIDS-Symptome entwickelt. Durch geeignete Medikation kann dieser Zeitraum verlängert werden. Ist die Anzahl an CD4-Zellen schließlich auf etwa ein Fünftel der Normalzahl gesunken, kommt es vermehrt zu Infektionen durch Viren oder Mikroorganismen, die bei gesunden Personen normalerweise keine Krankheiten hervorrufen (opportunistische Infektionen). Die entscheidende Ursache für die Immundefizienz ist also letztlich der Mangel an T-Helferzellen.

Lösung 430 a) Allergische Reaktionen vom Typ I erfordern die Anwesenheit von IgE-Molekülen, die spezifisch für den jeweiligen allergenen Stoff sind. Die IgE binden an den Fc-Rezeptor der sogenannten Mastzellen, die aus den gleichen Vorläuferzellen wie basophile Granulozyten entstehen. Kommt es durch das passende Antigen zur Verbrückung zweier IgE-Moleküle auf einer Mastzelle, so wird dadurch ein Anstieg der cytosolischen Ca2+-Konzentration ausgelöst. Dies dient als Signal zur Exozytose des Mediators Histamin, der in den Granula der Mastzel-

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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len gespeichert ist. Histamin wird durch eine Pyridoxalphosphat-abhängige Decarboxylierung aus der Aminosäure Histidin gebildet; seine Wirkung wird durch Bindung an H1-Rezeptoren vermittelt und führt u.a. zu

x x x x

Juckreiz Stimulation der Schleimbildung im oberen und unteren Respirationstrakt Bronchokonstriktion durch Kontraktion der glatten Muskelzellen (Æ Asthma-Anfälle) Vasodilatation in Arteriolen und Venolen

In extremen Fällen kann es zu Kreislaufversagen kommen (anaphylaktischer Schock). Nach der Histaminfreisetzung wird in der Mastzelle die Phospholipase A2 aktiviert, die aus den Lipiden der Plasmamembran Arachidonsäure freisetzt, die als Edukt der Prostaglandinund Leukotrien-Synthese dient. Innerhalb dieser Verbindungsklasse scheint v.a. das Leukotrien C4 die meisten Effekte des Histamins synergistisch zu unterstützen, insbesondere seine bronchokonstriktorische Wirkung. b) Da für eine Auslösung allergischer Reaktionen die Freisetzung von Mediatoren (insbesondere Histamin) entscheidend ist, liegt es nahe, hier anzusetzen. Der Wirkstoff Cromoglykat erschwert bei einer regelmäßigen lokalen Anwendung die Freisetzung von Mediatoren aus den Mastzellen, was evt. auf eine Hemmung von bestimmten Ca2+-Kanälen in der Plasmamembran zurückgeführt werden kann. Symptome, die in hohem Maße durch die Bindung von Histamin an die H1-Rezeptoren ausgelöst werden, wie z.B. Heuschnupfen, können durch sogenannte Antihistaminika bekämpft werden. Diese Verbindungen verhindern die Bindung von Histamin an die H1-Rezeptoren, wirken also als H1-Blocker. Da infolge der Aktivierung der Phospholipase A2 auch vermehrt Leukotriene gebildet werden, kommt weiterhin eine Gabe von Leukotrienrezeptor-Antagonisten in Frage. Allerdings haben sich die Erwartungen an diese Wirkstoffgruppe bislang nicht erfüllt. Schließlich kann die Biosynthese von Leukotrienen schon vorher teilweise unterdrückt werden, indem man die Aktivität der Phospholipase A2 reduziert. Als effektiv hat sich hierbei das Cortison erwiesen, ein Oxidationsprodukt des Glucocorticoids Cortisol. In der symptomatischen Therapie von Asthma bronchiale spielt das Cortison nach wie vor die wichtigste Rolle.

Lösung 431 a) Bakterielle Infektionen können vom Organismus anhand verschiedener typischer molekularer Strukturen mit Hilfe entsprechender Rezeptoren erkannt werden. Die Aktivierung dieser Rezeptoren führt dazu, dass an den Zelloberflächen neue Proteine exponiert und lösliche Mediatoren freigesetzt werden. Dadurch wird die Einwanderung von Leukozyten in das infizierte Gewebe ausgelöst. Eine Entzündung kann aber auch unabhängig von bakteriellen Komponenten durch das Komplementsystem initiiert werden. Auslöser ist hierbei die Bindung des Komplementproteins C3b an die Oberfläche eines Fremdkörpers. Im Zuge der Aktivierung des Komplementsystems werden verschiedene weitere Polypeptide gebildet, die chemotaktisch auf Leukozyten wirken.

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Kapitel 13

b) Selektine sind Rezeptorproteine, die Affinität zu bestimmten Oligosacchariden besitzen. Sie werden von Endothelzellen als Antwort auf eine Stimulation durch Lipopolysaccharide, die sich in der äußeren Schicht von gramnegativen Bakterien befinden, an ihrer Oberfläche exponiert. Die Leukozyten exprimieren an ihrer Oberfläche Glykoproteine, deren Zuckerketten von den Selektinen als Liganden gebunden werden können, so dass die Leukozyten an den Endothelzellen haften bleiben. In weiteren Schritten kommt es schließlich zur Durchquerung des Endothels und der Basalmembran durch die Leukozyten, die so in die umgebenden Gewebe einwandern. c) Glucocorticoide wie das Cortisol hemmen die Prostaglandinsynthese. Zum einen beruht diese Wirkung auf einer Induktion der Synthese des Proteins Lipocortin, das die Phospholipase A2 hemmt. Diese setzt durch Hydrolyse aus den Phospholipiden in biologischen Membranen Fettsäuren frei, u.a. die Arachidonsäure, die das Edukt für die Synthese von Prostaglandinen und Leukotrienen darstellt. Gleichzeitig hemmt das Cortisol die Transkription der Gene für die Phospholipase A2 und die induzierbare Cyclooxygenase 2 (COX-2), die bei Entzündungsreaktionen normalerweise verstärkt exprimiert wird und den ersten Schritt der Prostaglandin- und Thromboxan A2-Synthese katalysiert.

Lösung 432 a) Im AB0-System basiert die Einteilung auf bestimmten Antigenen, die auf der Erythrozytenmembran lokalisiert sind. Während das Antigen bei der Blutgruppe 0 nur aus einem Trisaccharid aus Galaktose, N-Acetylgalaktosamin und Fucose besteht („H-Antigen“), sind die Antigene A und B Tetrasaccharide. Antigen A besteht aus dem H-Antigen und einem zusätzlichen N-Acetylgalaktosaminrest, während das B-Antigen einen zusätzlichen Galaktoserest aufweist. Für die Übertragung dieser zusätzlichen Reste auf das H-Antigen sind zwei Glykosyltransferasen zuständig, die bei Vertretern der Blutgruppe 0 fehlen. Individuen der Blutgruppe A bilden Antikörper gegen das B-Antigen, und umgekehrt, während bei der Blutgruppe 0 sowohl Anti-A wie Anti-B-Antikörper vorliegen. Da Personen der Blutgruppe 0 keine Antigene aufweisen, können die Antikörper der anderen Gruppen A, B, und AB nicht binden, so dass keine Agglutination erfolgt. Personen der Blutgruppe 0 sind daher ideale Spender, wogegen Personen der Blutgruppe AB von allen anderen Gruppen Blut empfangen können, da sie keine Antikörper gegen die Antigene A und B ausbilden. Während also die Blutgruppen im AB0-System durch bestimmte Oligosaccharide auf der Zelloberfläche definiert sind, ist der entscheidende Faktor im Rhesus-System ein Protein aus 417 Aminosäuren, das mehr als 80 % der Europäer auf ihren Erythrozyten tragen und als DAntigen bezeichnet wird. Sie werden als Rhesus-positiv bezeichnet (Rh+), während bei Rhesus-negativen Personen (rh–) das entsprechende Gen (und damit das Protein) fehlt. b) Kommt es im Rahmen einer Bluttransfusion zu einer Mischung nichtkompatibler Blutgruppen, so reagieren die entsprechenden Antigene mit den Antikörpern vom Typ IgM des Empfängers und es kommt zur Agglutination. Die IgM sind gleichzeitig effektive Aktivatoren des Komplementsystems, so dass es rasch zu einer massiven Lyse der Erythrozyten kommt (Hämolyse). Da IgM jedoch die Plazenta nicht passieren können, hat eine Inkompatibilität der AB0-Blutgruppen von Mutter und Kind i.A. keine gravierenden Konsequenzen.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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c) Während der Geburt können Erythrozyten des Rh-positiven Kindes in den Kreislauf der rhnegativen Mutter gelangen und so die Bildung von Antikörpern gegen das D-Antigen auslösen. Dies stellt zunächst kein Problem dar. Im Gegensatz zu den IgM sind die von der Mutter gebildeten Anti-D-IgG jedoch plazentagängig; sie können daher bei einer erneuten Schwangerschaft mit einem Rh-positiven Kind aus der Mutter in das Kind übertreten und so dessen Erythrozyten schädigen. Die Folge wäre eine Hämolyse, die als Rh-Erythroblastose bezeichnet wird. Daher ist es bei der beschriebenen Konstellation der Rh-Faktoren üblich, der Rh-negativen Mutter innerhalb von 3 Tagen nach der Geburt des Kindes humane monoklonale Anti-DAntikörper zu verabreichen (Rhesus-Prophylaxe). So werden Erythrozyten des Kindes, die in das Blut der Mutter gelangt sind, abgebaut, bevor die Mutter eigene Anti-D-Antikörper bildet.

Lösung 433 a) Die meisten Zytostatika interferieren mit der DNA-Synthese. So werden Purinanaloga und Fluoruracil als Substrate akzeptiert und hemmen so die Purin- bzw. die Thymidylat-Synthese. Methotrexat hemmt als Folsäureanalogon kompetitiv die Dihydrofolat-Reduktase und dadurch die Purin- und Pyrimidinsynthese. Platin-Komplexe wie das bekannte cis-Platin bewirken eine Quervernetzung der DNA-Stränge, so dass die Trennung der Stränge gehemmt wird. Verbindungen wie Doxirubicin intercalieren zwischen benachbarte Basen in der DNA und stören dadurch die DNA-Synthese. b) Das Wachstum mancher Krebszellen ist abhängig von einer Hormon-Rezeptor-Bindung, so dass die Entwicklung von Hormonantagonisten nahe liegt. Manche Brustkrebszellen sind Östrogen-abhängig. Die Verbindung Tamoxifen ist ein Östrogenrezeptor-Antagonist und kann so das Wachstum der Krebszellen zumindest verlangsamen; es wird zusammen mit einer Chemotherapie angewandt. Manche Krebsformen gehen mit einer Überexpression von Rezeptoren für Wachstumsfaktoren einher. Man versucht in diesen Fällen monoklonale Antikörper zu entwickeln, die durch Bindung den Rezeptor blockieren. So weiß man, dass das Onkoprotein Her2, ein EGFRähnlicher Wachstumsfaktor-Rezeptor, bei vielen Brustkrebspatientinnen überexprimiert wird. Zur Blockade dieses Rezeptors wurde der monoklonale Antikörper Herceptin (Trastuzumab) entwickelt. In gleicher Weise setzt man bei EGFR-positivem metastasierendem kolorektalem Carcinom den monoklonalen Antikörper Cetuximab (Erbitux“) ein, der den EGF-Rezeptor blockieren soll. Eine weitere Strategie besteht in der Entwicklung von Hemmstoffen gegen Tyrosinkinasen. Durch Translokation von Teilen der Chromosomen 9 und 22 entsteht das sogenannte Philadelphia-Chromosom, das charakteristisch für die chronische myeloische Leukämie ist. Das entstehende Hydrid-Gen codiert das Fusionsprotein Brc-ABl, das eine höhere TyrosinkinaseAktivität aufweist, als die ursprüngliche Tyrosinkinase. Die Verbindung Imatinib (Glivec“) fungiert als Hemmstoff der Brc-ABl-Tyrosinkinase und kann so die Behandlungschancen bei einer chronisch myeloischen Leukämie verbessern.

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Kapitel 13

Lösung 434 a) Häm fungiert als prosthetische Gruppe in einer Reihe von Häm-Proteinen; es ist beteiligt am Sauerstofftransport im Blut (Hämoglobin), fungiert als Sauerstoffspeicher in der Muskulatur (Myoglobin) und dient der Übertragung von Elektronen (Cytochrome). Cytochrom c beispielsweise vermittelt den Elektronentransport in der Atmungskette zwischen der UbiquinolCytochrom c-Oxidoreduktase (Komplex III) und der Cytochrom c-Oxidase (Komplex IV). Das Cytochrom P450 ist an vielen Hydroxylierungsreaktionen beteiligt, insbesondere an Biotransformationen in der Leber und der Synthese von Steroidhormonen in der Nebennierenrinde und den Gonaden. Auch die Katalase und die Peroxidase, die den Abbau von Wasserstoffperoxid katalysieren, sind Häm-Proteine. b) Mitochondriales Acetat kondensiert mit Oxalacetat zu Citrat und wird durch die folgenden Reaktionen des Citratzyklus in Succinyl-CoA umgewandelt. Die G-Aminolävulinat-Syntase katalysiert die Pyridoxalphosphat-abhängige Reaktion von Glycin mit Succinyl-CoA zum GAminolävulinat. Dabei wird Glycin zunächst in Form eines Imins an das PLP gebunden und anschließend unter Decarboxylierung auf Succinyl-CoA übertragen. COO Glycin

H

H

H +

H 2

O

O

NH2

H

O 2

OH

O3PO N

O

H

H

N

2

OH

O3PO N

CH3

OH

O3PO N

CH3

CH3

H

H

H

O H

N

+

H2O

Pyridoxalphosphat O

O H

OOC N 2

H

Decarboxylierung CO2

N

C

OOC

OH

O3PO

2

OH

O3PO

CH3

N

CH3

H +

Enzym-NH2 Enzym

O NH3

GAminolävulinsäure

+

N PLP

H O

HSCoA

C

COO

O SCoA

N

H

N

H

OOC

O

2

OH OOC

O3PO

Succinyl-CoA N H

CH3

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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G-Aminolävulinat wird anschließend ins Cytosol transportiert, wo zwei Moleküle davon zum Porphobilinogen kondensieren. Es enthält einen Pyrrolring, an den eine Aminomethyl-, eine Acetat- und eine Propionatgruppe gebunden sind. Aus vier Porphobilinogen-Molekülen entsteht anschließend Uroporphyrinogen III. Durch mehrere Oxidationen der Substituenten am Porphyrinring entsteht das Protoporphyrinogen IX, aus dem durch Einbau von Fe2+ das Häm fertig gestellt wird. c) Chronischer Alkoholmissbrauch führt mit der Zeit zu einer Schädigung der Leber und einer Abnahme der Häm-Produktion. Dadurch fällt die negative Rückkopplung auf die von der GAminolävulinat-Syntase katalysierte Schrittmacherreaktion weg. Der Häm-Mangel kann dadurch kompensiert werden; allerdings kommt es zu vermehrter Anreicherung von Zwischenprodukten der Häm-Synthese, die schließlich mit dem Urin ausgeschieden werden.

Lösung 435 a) Im Gegensatz zum anderen bedeutenden Mechanismus des Zelltods, der Nekrose, wird die Apoptose von der betreffenden Zelle selbst aktiv durchgeführt, d.h. sie ist Teil des Stoffwechsels der Zelle. Dadurch unterliegt diese Form des Zelltods strenger Kontrolle und es wird gewährleistet, dass die betreffende Zelle ohne Schädigung des Nachbargewebes zugrunde geht. Im Gegensatz zu den anderen Formen des programmierten Zelltods spielt bei der Apoptose eine Gruppe von Enzymen, die proteolytische Aktivität aufweisen, eine zentrale Rolle, die sogenannten Caspasen. Apoptose und Nekrose lassen sich schon optisch leicht unterscheiden. Während bei der Apoptose ein Schrumpfen der Zelle einsetzt und ein Abbau der DNA durch Endonucleasen in definierte Stücke stattfindet, schwillt bei der Nekrose die Zelle an, wobei deren Plasmamembran zerstört wird. Als Folge kommt es zu lokalen Entzündungen, da Cytoplasma und Zellorganellen in den Extrazellularraum freigesetzt werden, welche durch Makrophagen beseitigt werden müssen. b) Caspasen sind eine Gruppe von Proteasen mit einem Cystein im aktiven Zentrum (Cysteinproteasen). Sie spalten Peptidbindungen C-terminal von Aspartat. Ihre Bezeichnung leitet sich ab vom Englischen cysteinyl-aspartate specific protease. Beim Menschen existieren 13 verschiedene Caspasen, die in drei Gruppen eingeteilt werden: Proinflammatorische Caspasen, Initiator-Caspasen und Effektor-Caspasen. Die Caspasen sind essentiell für den Mechanismus der Apoptose und für die Antwort einer Zelle auf schwere Beschädigung (z.B. durch Strahlung) oder Infektion durch Viren. Zur Auslösung des Zelltods werden Initiator-Caspasen (z.B. Caspase 8 und 9) aktiviert. Diese wiederum spalten die pro(Vorläufer-) Form nachgeschalteter Effektor-Caspasen (u.a. Caspase 3, 7, 6), die zelleigene Proteine spalten und eine Nuclease aktivieren, die im Rahmen der Apoptose die nucleäre DNA spaltet. Eine Fehlsteuerung dieser Mechanismen kann zu schweren Krankheiten führen. Ein Beispiel dafür ist Chorea Huntington, wo eine Initiator-Caspase zur falschen Zeit aktiviert wird und so gesunde Zellen absterben. Eine medikamentöse Blockade der Caspase kann diesen Vorgang unterdrücken.

540

Kapitel 13

c) Das im Jahr 1979 entdeckte p53 erhielt seinen Namen aufgrund der scheinbaren molaren Masse von 53 kDa auf einem SDS-Polyacrylamid-Gel. Es liegt in vielen Typen von entarteten Zellen in erhöhter Konzentration vor. Der humane Tumorsuppressor p53 reguliert als Transkriptionsfaktor nach DNA-Schädigung die Expression von Genen, die an der Kontrolle des Zellzyklus, an der Induktion der Apoptose oder an der DNA-Reparatur beteiligt sind. Seine besondere medizinische Bedeutung erklärt sich aus dem Befund, dass p53 in 60 % aller menschlichen Tumoren mutiert ist. Der Verlust der p53-Funktion spielt daher eine kritische Rolle bei der Entstehung von Krebs, ist jedoch nicht der ursächliche Auslöser für das unkontrollierte Wachstum von Zellen. Wenn es in der DNA zu Schäden, z.B. einem Doppelstrangbruch, kommt, die eine Replikation oder eine Mitose fehlerhaft ablaufen lassen würden, so wird p53 innerhalb von 30 Minuten posttranslational stabilisiert, wodurch es sich in der Zelle akkumuliert. Dadurch werden einerseits DNA-Reparaturmechanismen in Gang gesetzt, andererseits wird der Zellzyklus gestoppt. Wird p53 jedoch zu stark angehäuft und kommen weitere Faktoren hinzu, so aktiviert p53 Gene der Bcl2-Familie (insbesondere den Apoptose-Regulator BAX), die wiederum in Form einer Signalkaskade Caspasen auslösen und so zu Apoptose führen. Demnach wirkt p53 wie eine Art Bremse, die Zellen vom unkontrollierten Wachstum und weiterer Schädigung abhält, und deren Mutation zu verstärkter Zellteilung führt. Nach heutigem Kenntnisstand sind es i.A. Punktmutationen, die zu einem Funktionsverlust von p53 führen. In der Folge ist weder ein Anhalten des Zellzyklus zur DNA-Reparatur, noch die Einleitung der Apoptose möglich. Die Zellen beginnen sich auch mit Schäden in der DNA unkontrolliert zu teilen; es kommt zur Tumorbildung. Im Jahr 1982 wurden die gegen p53 gerichteten Autoantikörper entdeckt und seitdem in zahlreichen Publikationen untersucht. In dem Artikel „p53 Autoantikörper in der klinischen Diagnostik“ (Deutsche Medizinische Wochenschrift, Nr. 31/32 2000) wurden einige der Erkenntnisse zusammengefasst:

x p53 Autoantikörper sind ein zuverlässiger Indikator für Tumorerkrankungen. Nahezu alle Patienten, bei denen p53 Autoantikörper festgestellt wurden, waren an einem bösartigen Tumor erkrankt. x Im Vergleich zu konventionellen Methoden können bösartige Tumore unter Umständen (weil nicht jeder Patient Autoantikörper entwickelt) anhand einer Bestimmung von p53 Autoantikörpern sehr viel früher erkannt werden (z.B. bei Rauchern). x p53 Autoantikörper treten bei verschiedenen Tumorerkrankungen in unterschiedlicher Häufigkeit auf. So konnte beispielsweise in mehreren Studien festgestellt werden, dass bei bis zu 40 % der Patienten mit Lungenkarzinom p53 Autoantikörper vorlagen. Im Gegensatz dazu waren jedoch nur bei 14 % der Patienten mit Gehirntumoren p53 Autoantikörper nachweisbar. x Die Bestimmung von p53 Autoantikörpern eignet sich vor allem bei schlecht diagnostizierbaren Tumoren (z.B. Lungentumore, Pankreastumore).

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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Lösung 436 a) Ansatzpunkt für die gewünschte Wirkung sind Strukturen oder Mechanismen der Bakterienzellen, die in tierischen bzw. menschlichen Zellen nicht vorkommen. Beispielsweise kann die Wirkung eines Antibiotikums durch eine Hemmung der bakteriellen Zellwandsynthese, der Proteinsynthese am Ribosom, der DNA-Replikation oder der Folsäuresynthese erfolgen. So sind Bakterien die einzigen bekannten Organismen, die eine Zellwand aus einer Peptidoglykanschicht (auch als Murein bezeichnet) besitzen. Ferner besitzen Bakterien andere Ribosomen zur Proteinbiosynthese und andere Enzyme zur DNA-Replikation als der Mensch. Peptidoglykane bestehen aus Strängen der zwei β-1Æ4-glykosidisch miteinander verknüpften Zuckerderivate N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, die als lineare Kettenmoleküle das Rückgrat bilden. Von jedem Molekül N-Acetylmuraminsäure geht – an dessen Pyruvatgruppe gebunden – eine Oligopeptidkette zu einem N-Acetylmuraminsäure-Molekül eines benachbarten Stranges. Die parallel angeordneten Stränge sind quervernetzt. Dadurch bildet das Murein ein flächiges Netz, das die Oberfläche der Bakterienzelle umspannt. Einige der wichtigsten Antibiotika, wie z.B. Vancomycin und die β-Lactam-Antibiotika (z.B. Penicilline, Cephalosporine) hemmen den Aufbau der Peptidoglykanschicht. Die synthetisch hergestellten Verbindungen aus der Gruppe der Chinolone wirken als sogenannte Gyrase-Hemmer. Das Enzym DNA-Gyrase ist im Bakterium für das Verdrillen der DNA-Stränge unverzichtbar und führt während der DNA-Replikation zur Verringerung auftretender innermolekularer Spannungen. Durch die Verabreichung des Antibiotikums wird dieses Enzym inaktiviert und damit die Replikation gestört. Rifampicin ist ein bakterizides Antibiotikum aus der Gruppe der Ansamycine (Rifamycine), welches semisynthetisch aus Rifamycin B, isoliert aus Amycolatopsis mediterranei, hergestellt wird. Die Verbindung hemmt die bakterielle DNA-abhängige RNA-Polymerase und somit spezifisch die Transkription der Bakterien. Rifampicin wird vorwiegend bei Infektionen mit Mykobakterien, insbesondere bei Tuberkulose und Lepra, sowie bei der Therapie von Methicillin-resistenten Staphylokokken eingesetzt. Eine Vielzahl antibiotisch wirksamer Verbindungen fungiert als Hemmstoff bei der bakteriellen Proteinbiosynthese, vgl. unten. In den 30er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurden durch Gerhard Domagk die Sulfonamide als die ersten Breitspektrum-Antibiotika entdeckt und synthetisch hergestellt. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sie als Antimetabolite der p-Aminobenzoesäure dasjenige Enzym des Stoffwechselwegs der Folsäuresynthese kompetitiv inhibieren, welches die Bildung von Dihydropteroat katalysiert. Eukaryontische (und damit auch menschliche) Zellen sind hiervon nicht betroffen, da diese Folsäure nicht selbst herstellen können. Das folgende Schema gibt einen zusammenfassenden Überblick über die verschiedenen Wirkorte unterschiedlicher Klassen von Antibiotika.

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Kapitel 13

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Angriffe_Antibiotika.png b) Tetracycline, Makrolid-Antibiotika, Aminoglykoside und das Diphterietoxin fungieren alle als Hemmstoffe der bakteriellen Proteinbiosynthese. Aminoglykoside wie z.B. Streptomycin sind Oligosaccharid-Antibiotika. Sie wirken stark bakterizid, indem sie an die 30S-Untereinheit der Ribosomen binden und dadurch die Anlagerung falscher tRNA-Moleküle an die mRNA erlauben und so den Einbau falscher Aminosäuren in die wachsende Polypeptidkette verursachen. Eine weitere Gruppe umfasst die Makrolid-Antibiotika, wie z.B. Erythromycin, das an die 50S-Untereinheit des bakteriellen Ribosoms bindet und den durch den Elongationsfaktor EF-G katalysierten Vorgang der Translokation bei der Translation hemmt. Das EF-G hat die Funktion einer GTPase, bewirkt also die Hydrolyse von GTP in GDP + Pi. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um die freien tRNA-Moleküle aus dem Ribosom zu lösen und so dessen Fortbewegung zu ermöglichen.

Lösungen – Spezielle Themenbereiche

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Bei den Tetracyclinen handelt es sich um eine Gruppe von tetrazyklischen Verbindungen, die von verschiedenen Streptomyceten produziert werden. Sie verhindern die Anlagerung der Aminoacyl-tRNA an die Akzeptorstelle der 30S-Untereinheit des Ribosoms und somit die Verlängerung der Peptidkette. Ihre vergleichsweise geringe Toxizität für den Menschen kann durch ihre selektive Interaktion mit bakteriellen, nicht aber eukaryontischen, Ribosomen erklärt werden. Chloramphenicol, ein Breitband-Antibiotikum, das erstmals 1947 aus Streptomyces venezuelae gewonnen wurde, heute aber ausschließlich vollsynthetisch produziert wird, hemmt die ribosomale Peptidyltransferase. Chloramphenicol wird heute nur noch nach sorgfältiger Abwägung als Reserveantibiotikum verwendet. Manche Organismen können Chloramphenicol durch eine spezifische Acetyltransferase inaktivieren, indem sie an den beiden Hydroxygruppen eine Acetylgruppe einführen. Das Diphtherietoxin (DT) ist ein Exotoxin aus Corynebacterium diphtheriae, dem Erreger der Diphtherie. Es hemmt die Proteinsynthese bei Eukaryonten und Archaeen durch Blockierung der Translation während der Elongationsphase. Das hochmolekulare Toxin zählt zu den Lectinen. Ziel der enzymatischen Aktivität des Diphtherietoxin A ist der Elongationsfaktor eEF-2; es katalysiert die kovalente Modifikation des ungewöhnlichen Aminosäurerestes Diphthamid (ein modifizierter Histaminrest). Dabei wird ein ADP-Ribosylrest aus NAD+ unter Abspaltung von Nicotinamid auf das Diphthamid übertragen (ADP-Ribosylierung). Dadurch wird die Fortbewegung des Ribosoms auf der mRNA gehemmt; die Proteinsynthese stoppt. Da bereits ein Molekül des Diphtherietoxins ausreicht, um alle Elongationsfaktoren in einer Zelle zu blockieren, wirkt es bereits in sehr geringen Mengen letal.

Lösung 437 Die Catecholamine gehören zu den hydrophilen Hormonen, die die Zellmembran nicht durchqueren können und daher an Rezeptoren in der Zellmembran der Zielzelle binden. Bei den Rezeptoren handelt es sich meist um Transmembranproteine. Es lassen sich drei große Gruppen unterscheiden: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die nach Ligandbindung zur Aktivierung eines Effektormoleküls führen, ligandengesteuerte Ionenkanäle, die häufig durch Neurotransmitter aktiviert werden, sowie enzymgekoppelte Rezeptoren, deren Aktivierung zur Aktivierung von Guanylatcyclasen, Tyrosinkinasen oder Serin-/Threoninkinasen führt. Häufig werden sekundäre Botenstoffe (Second messenger), z.B. cAMP, Diacylglycerol oder IP3 gebildet, die intrazelluläre Enzyme in ihrer Aktivität beeinflussen. Die Wirkung hydrophiler Hormone tritt typischerweise innerhalb einiger Minuten ein. Ganz anders gestaltet sich die Wirkung von lipophilen Hormonen, wie den Steroid- oder den Schilddrüsenhormonen. Diese können aufgrund ihres lipophilen Charakters die Membran der Zielzellen durchdringen und binden an einen Rezeptor im Cytoplasma oder im Zellkern. Solche intrazellulären Rezeptoren besitzen DNA-Bindungsdomänen, an denen sogenannte Zinkfingermotive beteiligt sind. Charakteristisch für diese Motive sind vier Cysteinreste, die an ein Zn2+-Ion binden und dadurch die Peptidkette in einer für die DNA-Bindung optimalen Konformation fixieren. Häufig lagern sich zwei Hormon-Rezeptor-Komplexe zu einem Dimer zusammen. Durch Bindung des Dimers an sogenannte Verstärkerelemente (EnhancerElemente) der DNA, die oft palindromische Sequenzen aufweisen, werden in der Zelle be-

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Kapitel 13

stimmte DNA-Abschnitte vermehrt transkribiert. Die neu gebildete mRNA wird in das gewünschte Protein translatiert, d.h. letztlich kommt es durch das hormonelle Signal zu einer Stimulation der Proteinsynthese. Erfolgt die Bindung des Hormon-Rezeptor-Komplexes statt an ein Enhancer- an ein Silencer-Element, wird entsprechend die mRNA- und damit die Proteinsynthese gedrosselt.

Lösung 438 a) Das Plasmid trägt das Gen für das Enzym Ampicillinase. b) Dieses Enzym ist eine β-Lactamase und katalysiert die hydrolytische Spaltung des ELactamrings: NH2

NH2

H N

O

S

CH3

N O

CH3

COO

+

H2O

Ampicillinase O

H N O C

S

O

CH3 CH3

N H2 COO

Kapitel 14 Lösungen – Komplexere Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

Lösung 439 a) Der erste Abschnitt der de novo-Synthese von Glycerophospholipiden wie Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) entspricht der Triacylglycerolsynthese: aus Glycerol-3phosphat und zwei Molekülen Acyl-CoA entsteht die Phosphatidsäure (1,2-Diacylglycerolphosphat). Das Glycerol-3-phosphat kann durch Phosphorylierung von Glycerol mit ATP oder durch NADH/H+-abhängige Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat bereitgestellt werden. Zur Veresterung mit einem Alkohol muss dann einer der beiden Reaktionspartner aktiviert werden. Dies ist bei der Synthese von Phosphatidylserin und Phosphatidylinositol die Phosphatidsäure (Æ CDP-Diacylglycerol), bei der Synthese von Phosphatidylethanolaminen und Phosphatidylcholinen dagegen der Alkohol (Ethanolamin bzw. Cholin). Durch ATP-abhängige Phosphorylierung entsteht aus Cholin das Phosphorylcholin, das anschließend mit Cytidintriphosphat (CTP) zu Cytidindiphosphat-Cholin (CDP-Cholin) reagiert. Es handelt sich um das gleiche Aktivierungsprinzip wie bei der Glykogensynthese, in der der neu eintretende Glucoserest über Glucose-1-phosphat mit UTP zu UDP-Glucose, also einem Nucleotidaktivierten Monomer aktiviert wird, um dann von der 4-OH-Gruppe der Glykogenkette nucleophil angegriffen zu werden. Im vorliegenden Fall wird nun die Phosphorylcholingruppe von CDP-Cholin auf das 1,2Diacylglycerol übertragen, das durch Abspaltung des Phosphatrestes aus der Phosphatidsäure entsteht; CMP wird freigesetzt, vgl. Abbildung nächste Seite. b) Phosphatidylethanolamine können in die entsprechenden Phosphatidylserine oder in die -choline umgewandelt werden. Für die Bildung von Phosphatidylserin wird einfach die Ethanolamingruppe gegen Serin ausgetauscht. Auch die umgekehrte (enzymkatalysierte) Reaktion ist möglich. Eine Umwandlung in Phosphatidylcholin erfolgt durch eine dreifache Methylierung der primären Aminogruppe im Phosphatidylethanolamin durch eine in der Leber lokalisierte Phosphatidylethanolamin-Methyltransferase. Als Cofaktor (Methyldonor) fungiert das S-Adenosylmethionin.

R

O O O P O

Ethanolamin Serin NH3

R

COO Ethanolamin

Serin

O O O P O

NH3

PhosphatidylethanolaminMethyltransferase R 3 "CH3"

O

O O P O

H3C

CH3 N

CH3

546

Kapitel 14

Überblick über die Synthese von Dipalmitoylphosphatidylcholin: ATP

OH HO

NAD

OH

ADP

OPO3

HO

OH

NADH/H

2

HO

Glycerol-3-phosphat

O 2 H3C(CH2)14

HO

CH3

N H3C

Cholin

CH3

2 HS ATP

(CH2)14CH3

ADP 2

O3PO H3 C

O O

CH3

N

(CH2)14CH3

CH3

Phosphorylcholin

O

PO32

Phosphatidsäure Pi

CTP O O

(CH2)14CH3

PPi CMP

P

O

O O

CoA

O O

N H3C

O

CH3

O

(CH2)14CH3

CH3 OH

CDP-Cholin

Diacylglycerol

O O

(CH2)14CH3 O O

O O O P O

(CH2)14CH3 H3C

+

CH3 N

CH3

Dipalmitoylphosphatidylcholin

O

CMP

C

SCoA

OPO32

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

547

Lösung 440 a) Die Aufnahme von Cholesterol aus dem Blut wird durch die Aktivität des LDL-Rezeptors gesteuert. LDL (Low density lipoproteins) werden aus den VLDL erzeugt, die von der Leber sezerniert werden, um Cholesterolester und Triacylglycerole in die peripheren Gewebe zu transportieren. LDL-Rezeptoren werden am endoplasmatischen Retikulum synthetisiert, im Golgi-Apparat prozessiert und anschließend als Bestandteil der sogenannten „coated pits“ in die Zellmembran eingebaut. Der Apolipoprotein B-Bestandteil der LDL bindet spezifisch an den Rezeptor; LDL gelangt durch Endocytose in die Zelle und wird durch Endosomen zu den Lysosomen transportiert. Durch den lysosomalen Abbau der LDL wird Cholesterol freigesetzt und der LDL-Rezeptor zur Zellmembran zurücktransportiert. Je höher die Cholesterolkonzentration in der Zelle ist, desto stärker wird die Synthese der HMG-CoA-Reduktase und neuer LDLRezeptoren gehemmt. Dadurch wird die zelleigene Cholesterolproduktion gesenkt und die Aufnahme von LDL aus dem Blut vermindert. Einerseits wird also die Cholesterolsynthese durch die Menge an HMG-CoA-Reduktase reguliert, zum anderen kann auch die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase selbst durch reversible Phosphorylierung kurzfristig reguliert werden. b) Gallensäuren leiten sich biosynthetisch von Cholesterol ab; sie werden normalerweise von der Leber rasch wieder absorbiert und zurückgewonnen, so dass sie mehrmals am Tag zwischen Darm und Leber zirkulieren können (enterohepatischer Kreislauf). Die Gallensäuren fungieren als Detergenzien und helfen durch Emulgation der Nahrungslipide im Darm bei deren Hydrolyse durch die Pankreas-Lipase und die Absorption aus dem Darmlumen. Anionenaustauscherharze können die negativ geladenen Gallensäuren binden und dadurch ihre Resorption im Darm verhindern. Die vermehrte Ausscheidung der gebundenen Gallensäuren mit dem Stuhl regt nun die Leber an, vermehrt Gallensäuren aus Cholesterol zu bilden, so dass der Cholesterolspiegel im Blut sinkt, was wiederum die Synthese von LDL-Rezeptoren auslöst. Da gleichzeitig aber auch die Synthese der HMG-CoA-Synthase stimuliert wird, lässt sich der Cholesterolspiegel durch Gallensäure-bindende Harze nur um 15 bis maximal 20 % senken. Ein Molekülteil (rot) des Lovostatins ähnelt stark dem Mevalonat; es wirkt daher als kompetitiver Inhibitor der HMG-CoAReduktase. Dadurch wird die Cholesterolsynthese in der Zelle vermindert. Da hierdurch wiederum die Biosynthese des LDLRezeptors und der HMG-CoA-Reduktase angeregt wird, ist auch hier der erreichbare Effekt auf den Cholesterolspiegel limitiert.

HO

COO OH

O O

HO H3C

Lovostatin

COO OH Mevalonat

c) Fleischreiche Kost ist reich an Cholesterol, während bei vegerarischer Ernährung wesentlich weniger Cholesterol aufgenommen wird. Ist weniger Cholesterol aus der Nahrung vorhanden wird, wie oben beschrieben, die Aktivität der HMG-CoA-Reduktase erhöht, so dass mit einem Anstieg der Konzentration ihres Produkts, dem Mevalonat, gerechnet werden kann.

548

Kapitel 14

Lösung 441 a) Das Cholesterol besitzt die nebenstehende Struktur. Die trans-verknüpften Sechsringe ergeben zusammen mit dem (ebenfalls HO trans-verknüpften Fünfring) ein starres, stark hydrophobes Gerüst; lediglich die polare Hydroxygruppe verleiht dem Cholesterol schwach amphiphilen Charakter.

Cholesterol

b) Durch Isotopenmarkierungsversuche konnte nachgewiesen werden, dass sämtliche CAtome im Cholesterol aus Acetat (in Form von Acetyl-CoA) stammen. Dabei kondensieren zunächst drei Moleküle Acetyl-CoA zum 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA), einer Schlüsselverbindung in der Cholesterolbiosynthese. Während im Mitochondrium aus HMG-CoA Ketonkörper gebildet werden (Spaltung von HMG-CoA zu Acetyl-CoA und Acetacetat durch die HMG-CoA-Lyase), wird es auf dem Weg zum Cholesterol mit Hilfe der HMG-CoA-Reduktase in vier Schritten über Mevalonat in die C5-Verbindung Isopentenylpyrophosphat umgewandelt. Aus zwei Molekülen Isopentenyl-PP sowie einem isomeren Dimethylallyl-PP entsteht das Farnesylpyrophosphat mit 15 C-Atomen. Zwei Farnesyl-PPMoleküle werden anschließend über eine „Schwanz-Schwanz-Verknüpfung“ reduktiv zur C30Verbindung Squalen gekoppelt. Dieses wird epoxidiert und zyklisiert dann in einer höchst komplexen Reaktionsfolge zum Lanosterol (C30). Weitere 19 (!) Reaktionsschritte sind erforderlich, um vom Lanosterol durch eine Oxidation und den Verlust von drei Methylgruppen schließlich zum Cholesterol zu gelangen. c) Die familiäre Hypercholesterolämie ist durch einen Defekt des LDL-Rezeptors gekennzeichnet. (LDL ist die Kurzbezeichnung für „Low density lipoproteins“, welche die wichtigsten Transporter von Cholesterol(estern) in die peripheren Gewebe und Regulatoren der zelleigenen Cholesterolbiosynthese darstellen). Der Rezeptor kann entweder völlig fehlen, oder aber Mutationen in der Apo B-Bindungsdomäne oder der Endozytose-Einheit aufweisen. Folge ist in jedem Fall eine intrazelluläre Verarmung an Cholesterol und infolge dessen eine gesteigerte Aktivität der HMG-CoA-Reduktase und ein Anstieg des LDL-Cholesterolspiegels. Durch das Überangebot zirkulieren die LDL-Partikel zu lange im Blut und werden dabei oxidativ modifiziert. Das Produkt wird von Makrophagen aufgenommen, die dadurch zu absterbenden Schaumzellen werden, sich in der Gefäßwand ablagern und dadurch letztendlich zur Entstehung von Arteriosklerose beitragen.

Lösung 442 a) Melittin enthält nahe dem C-Terminus mehrere basische Aminosäuren (Arginin, Lysin), dagegen keinerlei saure. Im physiologischen pH-Bereich liegt es daher als kationisches Peptid vor. Lysin und Arginin besitzen isoelektrische Punkte > 9; dies ist auch für das Melittin zu erwarten. b) Bei Betrachtung der Aminosäuresequenz fällt auf, dass Melittin abgesehen von den letzten C-terminalen Aminosäuren praktisch ausschließlich hydrophobe Reste aufweist. Man kann

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

549

daher erwarten, dass sich diese hydrophobe Sequenz in die Lipiddoppelschicht insertiert und der hydrophile C-terminale Teil evt. aus der Membran herausragt. Tatsächlich bildet Melittin in Membranen Kanäle aus, die für gelöste Ionen durchlässig sind. Die Durchlässigkeit ist dabei für Anionen höher, als für Kationen. Es wird davon ausgegangen, dass dies durch eine parallele Anordnung des Melittins in der Zellmembran als Tetramer geschieht, wobei (im Gegensatz zu einem Tetramer, das in Wasser gebildet wird) alle Proteine in die gleiche Richtung zeigen. c) Die Phospholipase A2 spaltet an Position 2 des Glycerolgerüstes gebundene Fettsäuren hydrolytisch ab. Hier finden sich in Phospholipiden bevorzugt ungesättigte Acylketten, wie z.B. ein Arachidonylrest. Die vierfach ungesättigte Arachidonsäure (cis-'5,8,11,14-Eicosatetraensäure) ist Ausgangssubstanz für die Synthese von Prostaglandinen, eine Gruppe von Gewebshormonen, die u.a. für Schmerz- und Entzündungsreaktionen verantwortlich sind. Nach ihrer Produktion werden die Prostaglandine in die unmittelbare Umgebung des produzierenden Gewebes freigesetzt und sind auch nur dort und für kurze Zeit aktiv. Man unterscheidet verschiedene körpereigene Prostaglandine, sie bilden Gruppen wie PGD, PGE und PGF und teilen sich zusätzlich in Untergruppen. Je nach ihrem Wirkort haben sie sehr vielseitige und zum Teil sogar gegensätzliche Wirkungen. Einige Wirkungen sind therapeutisch unerwünscht, wie z.B. die der Prostaglandine PGE2, die verstärkt in verletztem Gewebe produziert werden. Sie rufen unter anderem Entzündungen, Schmerzen und Fieber hervor. Die Bildung solcher Prostaglandine kann mittels nichtopioider Schmerzmittel wie Acetylsalicylsäure oder Antiphlogistika unterdrückt werden. Beide blockieren das Enzym Cyclooxygenase (COX), das essentiell an der Synthese von Prostaglandinen beteiligt ist. Aufgrund der Melittin-induzierten Aktivierung der Phospholipase A2 und der dadurch bewirkten vermehrten Bildung von Arachidonsäure reagiert das durch den Einstich irritierte Gewebe mit erhöhter Produktion von Prostaglandinen; eine lokale Entzündung ist die Folge.

Lösung 443 Citrullin entsteht im Harnstoffzyklus durch nucleophilen Angriff der Aminogruppe in der Seitenkette von Ornithin auf das Carbonyl-C-Atom im Carbamoylphosphat. Stark erniedrigte Citrullinkonzentrationen können also durch unzureichende Bildung von Carbamoylphosphat oder eine Hemmung der Citrullinsynthese aus Ornithin und Carbamoylphosphat bedingt sein. Ein Mangel an Carbamoylphosphat könnte durch einen Defekt der CarbamoylphosphatSynthetase I oder einen Mangel an N-Acetylglutamat-Synthase bedingt sein, da N-Acetylglutamat als allosterischer Aktivator der Carbamoylphosphat-Synthetase I erforderlich ist. Die zweite Ursache für mangelnde Synthese von Citrullin ist ein Defekt der OrnithinTranscarbamoylase (OTC). Eine Unterscheidung ist aufgrund der stark erhöhten Konzentration an Orotat im Urin möglich. Bei einem Mangel an OTC kommt es zu einem Anstau an Carbamoylphosphat. Wird dieses nicht zu Citrullin umgesetzt, reagiert es mit Aspartat (Schlüsselreaktion der Pyrimidinsynthese) zu Carbamoylaspartat, das nach Umwandlung in Orotat über die Nieren ausgeschieden wird. Das Auffinden von Orotat im Urin ist daher für einen Mangel des Enzyms Ornithin-Transcarbamoylase charakteristisch.

550

Kapitel 14

COO

COO H3N C

H

H3N

O

CH2

H2N

+

CH2

C

Ornithin-Transcarbamoylase

OPO32

C H CH2 CH2 CH2

CH2 NH2

H3 N C

Pi

NH

COO

Ornithin

+

H

H2N

CH2

C

O

Citrullin

COO O

O H2N

H

N

NH

OOC

O

COO

N

COO

H Orotat

Carbamoylaspartat

Lösung 444 a) Die Bildung von Phenylpyruvat resultiert aus der Transaminierung von Phenylalanin. O

H3N

O

COO

COO

2

H OH

O3PO N H

+

COO

O

H3 N

COO

CH3 +

COO

Coenzym: PLP

D-Ketoglutarat

Phenylalanin

COO

Phenylpyruvat

Glutamat

Normalerweise wird Phenylalanin durch die Phenylalanin-Hydroxylase zu Tyrosin hydroxyliert, das über p-Hydroxyphenylpyruvat und einige weitere Abbauschritte schließlich zu Fumarat und Acetacetat abgebaut wird. Phenylalanin und Tyrosin besitzen also einen gemeinsamen Abbauweg.

COO

Tetrahydrobiopterin + O2

Dihydrobiopterin + H2O

NH3 Phenylalanin

Phenylalanin-Hydroxylase

COO HO

NH3 Tyrosin

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

551

Das betroffene Enzym ist die Phenylalanin-Hydroxylase, die nicht oder nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht (klassische Phenylketonurie). Es handelt sich um die häufigste angeborene Stoffwechselstörung des Aminosäurestoffwechsels und wird autosomal rezessiv vererbt. Dabei behindern die erhöhten Phenylalanin-Spiegel den Transport anderer Aminosäuren über die Blut-Hirn-Schranke, was zu Myelinierungsstörungen und als Folge zu geistiger Retardierung führt. Aufgrund der schwerwiegenden Folgen einer Phenylketonurie wird in Deutschland in den ersten Lebenstagen ein Neugeborenen-Screening durchgeführt, bei dem die Stoffwechselerkrankungen Phenylketonurie, Galaktosämie und Hypothyreose erfasst werden. Wird eine erhöhte Konzentration an Phenylalanin festgestellt, so muss ausgeschlossen werden, dass diese auf einen Mangel an Tetrahydrobiopterin, dem Coenzym der Phenylalanin-Hydroxylase, zurückzuführen ist. Dieser – wesentlich seltener auftretende Mangel – führt aufgrund der Beteiligung von Tetrahydrobiopterin an verschiedenen anderen Hydroxylierungsreaktionen zu noch schlimmeren Krankheitssymptomen. b) Aspartam“ ist die Verbindung Asp-Phe-Methylester, die bei der Hydrolyse im Verdauungstrakt Phenylalanin freisetzt. Da Patienten mit Phenylketonurie aufgrund ihres Gendefekts eine weitgehend Phenylalanin-freie Kost einhalten sollten, ist Aspartam“ als Phenylalanin-Quelle zu meiden.

O

O H3N OOC

O

N H

O

Aspartam

CH3

Hydrolyse

COO

O

O

+

NH3

O

Aspartat

NH3

+

CH3OH

Phenylalanin

c) Für die Pigmentierung von Haut, Haaren und Augen ist das Melanin zuständig. Die Bildung geht von Tyrosin aus, das im ersten Schritt hydroxyliert und anschließend durch eine kupferhaltige Oxidase (Tyrosinase) zum Dopaquinon oxidiert wird. Durch hohe PhenylalaninSpiegel wird die für den ersten Schritt der Melaninsynthese zuständige Tyrosin-Hydroxylase gehemmt; es resultiert unzureichende Melaninbildung und damit schwache Pigmentierung.

Lösung 445 a) Carboxylierungsreaktionen, wie die Synthese von Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA oder von Oxalacetat aus Pyruvat, sind i.A. biotinabhängig. Das CO2 wird dabei zunächst an Biotin gebunden (Æ Carboxybiotin) und anschließend auf das Substrat übertragen. An Methylierungen, wie z.B. der Synthese von Adrenalin aus Noradrenalin, ist häufig das S-Adenosylmethionin als Donor einer CH3-Gruppe beteiligt.

552

Kapitel 14 NH2 O OOC

NH

HN

N

CH3 O

O S

S

(CH2)4 C NH

N

N N

NH3

(CH2)4 Enzym

OH

Biotin (über einen Lysinrest an Enzym gebunden)

OH

S-Adenosylmethionin

b) Die wahrscheinlich wichtigste Quelle für C1-Einheiten, die vom Tetrahydrofolat (THF) übertragen werden, ist die Aminosäure Serin, die dabei unter Katalyse der SerinHydroxymethyltransferase in Glycin umgewandelt wird. Das Enzym benötigt als weiteres Coenzym das Pyridoxalphosphat, da das Serin in Form der an PLP gebundenen Schiff´schen Base das eigentliche Substrat darstellt. Das Glycin seinerseits kann seine CH2-Gruppe unter Spaltung in CO2 und NH4+ durch einen im Mitochondrium lokalisierten Multienzymkomplex auf THF übertragen, wobei ebenfalls N5,N10-Methylentetrahydrofolat entsteht. Beim Abbau von Histidin entsteht 5-Formimino-THF, das einen C1-Baustein in der höchsten Oxidationsstufe +3 enthält. Durch Wirkung einer Cyclodesaminase entsteht daraus das N5,N10Methenyltetrahydrofolat. H2N

N N OH

COO

H N 5 N H

COO

H3 N

H3 N

CH2 HO 10 HN

Tetrahydrofolat

O

Serin-HydroxymethylTransferase

COO H3N CH2 NAD

CO2 +

H N 5 N

OH Glycin-Synthase

COO

N N

COO

+

H2 O

H2 N

H N

+

10 C N H2 R O

+

NH4

N 5,N 10-Methylentetrahydrofolat

NADH

c) Der Terminus perniziöse Anämie beschreibt die durch einen Vitamin B12-Mangel bedingten Blutveränderungen, die auf einen durch Autoimmunität hervorgerufenen Mangel an Intrinsic factor zurückgehen. Eine Gabe von Folsäure führt in der Zelle auch zu einer erhöhten Konzentration an 5-Methyltetrahydrofolat. Dadurch wird die Bildung von Methionin aus Homocystein durch die Methionin-Synthase gefördert. Da dieses Enzym auch Vitamin B12 als Cofaktor benötigt, resultiert daraus eine weitere Abnahme der (ohnehin zu niedrigen) für andere Prozesse verfügbaren Vitamin B12-Menge.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

553

Lösung 446 Das Metoprolol gehört aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit zu den Catecholaminen Adrenalin und Noradrenalin zur Gruppe der β-Adrenozeptorenblocker. Die Catecholamine entfalten ihre Wirkung durch Bindung an zwei Gruppen von Rezeptoren, die als α- und β-Rezeptoren bezeichnet werden. Während das Noradrenalin v.a. an α- und β1-Rezeptoren bindet, wirkt Adrenalin über alle vier Rezeptortypen (α1, α2, β1 und β2), die jeweils an G-Proteine gekoppelt sind und durch entsprechende Bildung von Second messenger-Molekülen ihre Wirkung entfalten. So führt die Stimulation von α1-Rezeptoren über die Aktivierung eines GqProteins zur Aktivierung der Proteinkinase C und damit zu einem Anstieg der Konzentration an IP3 und Diacylglycerol. Dagegen stimuliert die Bindung an einen α2-Rezeptor ein inhibitorisches Gi-Protein, wodurch die cAMP-Konzentration in der Zielzelle gesenkt wird. Die βRezeptoren sind an aktivierende Gs-Proteine gekoppelt und bewirken somit eine Zunahme der Konzentration an cAMP. β-Rezeptorantagonisten („β-Blocker“) verdrängen die Catecholamine von deren Rezeptoren und verringern dadurch die sympathoadrenerge Stimulation. Da sich die β1-Rezeptoren v.a. am Herzen befinden, führen solche Rezeptorantagonisten, die selektiv an β1-Rezeptoren binden, zu einer Senkung der Herzfrequenz, der Erregbarkeit, der Kontraktionskraft und damit des Sauerstoffverbrauchs des Herzens, sowie zur Senkung des Blutdrucks. β2-Adrenozeptoren sind dagegen nicht im Herzgewebe, sondern im Bronchialsystem, den Muskelgefäßen und anderen Organen wie Harnblase, Leber und Muskulatur lokalisiert und werden von Metoprolol nur wenig oder erst bei höherer Dosierung blockiert. Daraus ergibt sich, dass Metoprolol eher bei Patienten mit chronischen Atemwegserkrankungen (etwa mit Asthma bronchiale) oder mit peripheren Durchblutungsstörungen eingesetzt werden kann, als β-Blocker, die unselektiv sowohl β1- als auch β2-Adrenozeptoren blockieren. b) Catecholamine wie das Adrenalin werden in mehreren Reaktionsschritten abgebaut. Zunächst erfolgt eine Methylierung einer der phenolischen OH-Gruppen, katalysiert durch die Catecholamin-O-Methyltransferase (COMT); als Donor der Methylgruppe fungiert das SAdenosylmethionin. Anschließend katalysiert eine Monoaminoxidase (MAO) die oxidative Desaminierung zum Aldehyd (Vanillinmandelsäurealdehyd), der schließlich von der AldehydDehydrogenase zur Säure oxidiert wird. Die Vanillinmandelsäure (3-Methoxy-4-hydroxymandelsäure) lässt sich im Urin nachweisen. OH HO

OH

H N

CH3

S-Adenosylmethionin COMT

HO

H

H3CO

N

HO

Adrenalin

3-Methoxyadrenalin MAO OH

OH H3CO HO

COOH

Aldehyd-DH

H3CO HO

C H

O

CH3

554

Kapitel 14

Lösung 447 Im Fall 1 fällt die starke Erhöhung der J-Globulin-Fraktion bei gleichzeitiger Erniedrigung des Albumin-Peaks ins Auge. Man spricht entsprechend von einer Dysproteinämie vom J-Typ oder auch von einer polyklonalen Gammopathie, da die Hyperglobulinämie heterogen (breitbasig) ist, im Gegensatz zu einer monoklonalen Gammopathie, bei der einheitliche Immunglobuline exzessiv gebildet werden, was in der Elektrophorese eine schmale hohe Zacke ergibt. Dieser J-Typ ist Ausdruck chronisch entzündlicher Erkrankungen, einer schweren Hepatitis oder einer Leberzirrhose. Das zweite Beispiel zeigt eine Erhöhung der beiden α-Globulin-Fraktionen, wogegen die JFraktion weitgehend normal erscheint. Dieser sogenannte α-Typ ist Ausdruck akut entzündlicher Prozesse. Hierbei treten die Akute-Phase-Proteine vermehrt auf, die zu den α1- und α2Globulinen gehören. Die dritte Abbildung 3 ist durch eine sehr niedrige J-Globulin-Bande gekennzeichnet; dies kennzeichnet ein Antikörpermangel-Syndrom (Defekt-Proteinämie).

Lösung 448 a) Beim Glucose-Toleranztest wird die Reaktion der Blutzuckerkonzentration eines Probanden auf eine Kohlenhydratbelastung hin verfolgt. Dazu werden 100 g Glucose oral verabreicht. Im Normalfall kommt es daraufhin innerhalb der ersten ca. 30 Minuten zu einem raschen Anstieg der Glucosekonzentration im Blut, wonach die Gegenregulation einsetzt, so dass bis spätestens 2 h nach Beginn der Belastung eine weitgehende Normalisierung der Blutglucosekonzentration eintritt. Ein steilerer Anstieg der Glucosekonzentration in der ersten Phase auf höhere Werte sowie v.a. ein stark verzögerter Abfall nach Einsetzen der Gegenregulation weist dagegen auf eine schwere Störung des Kohlenhydratstoffwechsels, wie beispielsweise einen Diabetes mellitus, hin. b) Letztlich wird auf das Signal einer erhöhten extrazellulären Glucosekonzentration hin die Insulinsekretion in den β-Zellen der Langerhans´schen Inseln der Pankreas ausgelöst. Die Glucose wird von den β-Zellen in Abhängigkeit von ihrer Konzentration aufgenommen und verstoffwechselt. Dabei bewirkt jede Steigerung des Glucoseumsatzes eine Steigerung des zellulären ATP/ADP-Verhältnisses. Dadurch wird ein in der Plasmamembran der β-Zellen vorhandener ATP-empfindlicher K+-Kanal gehemmt, so dass es zu einer Depolarisation der Zelle kommt. Dies bewirkt die Öffnung eines spannungsregulierten Ca2+-Kanals und einen Anstieg der cytosolischen Ca2+-Konzentration, was wiederum die Exocytose der Insulin enthaltenden β-Granula auslöst. Verschiedene andere Verbindungen, z.B. Aminosäuren und Fettsäuren, modulieren die Antwort der β-Zelle auf den Glucosereiz. Auch einige Hormone üben eine zusätzliche regulierende Wirkung aus; so hemmen Noradrenalin und besonders Adrenalin die Sekretion von Insulin.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

555

Lösung 449 o-(Acetoxyphenyl)hept-2-inyl-sulfide (APHS) wirkt ebenso wie Acetylsalicylsäure durch Acetylierung des Serinrests im aktiven Zentrum der Cyclooxygenase. Während es sich bei anderen bislang bekannten COX-2-Inhibitoren wie Celecoxib (Celebrex£) um im Prinzip reversibel bindende Hemmstoffe handelt, ist APHS ein irreversibel bindender COX-2selektiver Inhibitor. O O COX-2-Ser-OH

+

C

OH

O S

C

S

C COX-2-Ser- O

CH3

C

C

+

Der aktive Serinrest der Cyclooxygenase wird also kovalent modifiziert (acetyliert). Obwohl der Hemmstoff im aktiven Zentrum bindet, liegt keine kompetitive Hemmung vor, da der Hemmstoff auch durch einen hohen Substratüberschuss nicht verdrängt werden kann.

Lösung 450 a) Heparine sind variabel veresterte Glykosaminoglykane, bestehend aus jeweils abwechselnden Folgen von D-Glucosamin und einer Uronsäure (D-Glucuronsäure oder L-Iduronsäure).

OOC H2 C

O

O HO

O

O O O3S

OSO3

HO

O NH

Ab einer Kettenlänge von fünf MonoO3 S Heparin sacchariden (drei D-Glucosamine und zwei Uronsäuren) besitzen sie gerinnungshemmende Eigenschaften. Die gerinnungshemmende Wirkung beruht auf der Bindung an das Enzym Antithrombin III, wodurch dessen Hemmwirkung auf aktivierte Gerinnungsfaktoren stark erhöht wird. Heparin wird daher zur Prophylaxe und Therapie von Thrombosen angewandt. b) Wichtig für das Bindungsverhalten des Selenoprotein P an das stark negativ geladene Heparin ist der Ladungszustand seiner Histidinreste, von dem laut Angabe ein ungewöhnlich hoher Anteil vorhanden ist. Die Seitenkette des Histidins besitzt als einzige proteinogene Aminosäure einen pKS-Wert nahe 6, ändert also in diesem pH-Bereich seinen Ladungszustand. Bei niedrigeren pH-Werten sind die His-Reste positiv geladen, oberhalb von ca. pH = 7 dagegen ungeladen. Daher ist zu erwarten, dass die Bindungsaffinität von Selenoprotein P zu Heparin im pH-Bereich von etwa 5,5 bis 7 stark abnimmt, da die positiv geladenen His-Reste ihre Ladungen verlieren. Qualitativ ist daher etwa folgendes Verhalten zu erwarten:

556

Kapitel 14

Bindung (rel. Einheiten)

120 100 80 60 40 20 0 5

6

7

8

9

pH-Wert

Lösung 451 Die Werte für KM und Xmax lassen sich am besten aus einer doppelt reziproken Auftragung nach Lineweaver und Burk bestimmen. In der folgenden Tabelle sind die entsprechenden Kehrwerte der gegebenen Konzentrationen und Geschwindigkeiten zusammengefasst: 1/c (Midazolam) / PM–1

1/X0 (ohne) / (L s pmol–1)

1/X0 (mit) / (L s pmol–1)

1

0,602

5,56

0,50

0,385

3,33

0,25

0,270

2,22

0,125

0,186

1,52

0,0625

0,119

1,11

Die nachfolgende Abbildung zeigt eine entsprechende Auftragung nach Lineweaver-Burk. 6 y = 4,6712x + 0,9379

-1

5

1/X 0 / L s pmol

4 mit Ketoconazol 3 2 y = 0,4945x + 0,1208

1 0 -0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

-1 -1

1 / c (S) / L P mol

1

1,2

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

557

Aus dem Schnittpunkt der Trendlinie, die durch die experimentellen Messpunkte gelegt wurde, mit der y-Achse erhält man 1/Xmax und daraus die Maximalgeschwindigkeit; der Schnittpunkt mit der x-Achse liefert –1/KM. Aus der Gleichung der Trendgeraden erhält man 1

0,1208

Xmax 

1 KM

L˜s pmol

 0, 244

o Xmax

L μmol

8, 28

o KM

pmol L˜s

4, 09

μmol L

b) In Anwesenheit von Ketoconazol ergibt sich eine wesentlich steilere Gerade; der Schnittpunkt mit der y-Achse zeigt einen höheren Wert für 1/Xmax, entsprechend einer verringerten Maximalgeschwindigkeit. Dagegen ist der KM-Wert praktisch unverändert. Dieses Verhalten ist charakteristisch für eine nichtkompetitive Hemmung, da die Maximalgeschwindigkeit in Anwesenheit des Hemmstoffs auch durch einen sehr hohen Substratüberschuss nicht erreicht werden kann.

Lösung 452 a) Der stärker saure (pKS = 3,3) Aspartatrest liegt überwiegend in der deprotonierten Form vor; er kann als Protonenakzeptor fungieren und ein Proton vom Wasser übernehmen, wodurch dessen Nucleophilie erhöht wird. Der weniger saure Asp-Rest liegt dagegen überwiegend protoniert vor und kann das Proton auf den Carbonylsauerstoff übertragen. R R

Asp O O

C Asp

O R

H

O H

H R

C

O

O

O N H

R´

C Asp

O R

H H

O

C

O

OH

R

N

Asp O

R´

H H

b) Da einer der beiden Asp-Reste als Protonendonor fungiert, der andere dagegen als Base, sollte der erste (schwächer saure) Asp-Rest protoniert, der andere dagegen deprotoniert vorliegen. Dies sollte am ehesten bei pH-Werten der Fall sein, die zwischen den beiden pKSWerten liegen, d.h. es ist ein pH-Optimum für die HIV-Protease zwischen pH 4 und 5 zu erwarten.

558

Kapitel 14

X

2

4

6

8

pH

c) Bei der Spaltung eines Peptids hinter einem Phenylalaninrest wird ein tetraedrisches Intermediat gebildet, zu dem das Saquinavir hohe strukturelle Ähnlichkeit aufweist. Es ist daher zu vermuten, dass die Verbindung als Übergangszustandsanalogon vom Enzym gebunden wird und dieses dadurch gehemmt wird. Da anstelle der hydrolysierbaren C–N-Peptidbindung im Saquinavir eine C–C-Bindung vorliegt, kann keine Hydrolyse erfolgen; der Hemmstoff bleibt an das Enzym gebunden.

H2O

O R

1

N H

NH

R

2

O R1

N H

O

NH

R2

HO O

O vgl.

R1

N H

N OH

R2

R3

Saquinavir

Lösung 453 Der Austausch des Tyrosinrestes im Oxyanion-Loch gegen einen Phenylalaninrest führt zu einer starken Abnahme der Aktivität gegenüber dem Wildtyp. Der Tyrosinrest ist also offensichtlich an der katalytischen Aktivität der DDP-4 beteiligt. Tyrosin besitzt eine Hydroxygruppe am aromatischen Phenylring der Seitenkette. Von anderen Serinproteasen ist bekannt, dass Wasserstoffbrücken von Aminosäureresten im Oxyanion-Loch das tetraedrische Oxyanion-Zwischenprodukt stabilisieren. Die Hydroxygruppe in der Seitenkette von Tyrosin kann eine solche Wasserstoffbrücke bilden und somit zur Stabilisierung des tetraedrischen Zwischenprodukts beitragen. Der Phenylalaninrest, dem eine solche Hydroxygruppe fehlt, kann keine Wasserstoffbrücke dieser Art bilden. Die daraus resultierende geringere Stabilisierung des Oxyanion-Intermediats bzw. des dahin führenden Übergangszustands bedingt die starke Abnahme der Aktivität dieser Enzymmutante.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

559

Lösung 454 Serotonin leitet sich von der Aminosäure Tryptophan ab, das Noradrenalin von Tyrosin. In beiden Fällen wird die Aminosäure zum entsprechenden biogenen Amin decarboxyliert. An der Decarboxylierung von Aminosäuren ist das Coenzym Pyridoxalphosphat (PLP) essentiell beteiligt; ein Mangel an Vitamin B6 (als Vorläufer von PLP) kann daher zu einer verminderten Produktion von Serotonin bzw. Noradrenalin beitragen. Die Synthese von Noradrenalin verläuft, ausgehend von Tyrosin, über die folgenden Schritte: COO

O2, NADPH, H

H2O, NADP

NH3

HO

HO

NH3

HO Tetrahydro biopterin

DOPA

Dihydro biopterin

PLP

Tyrosin-Hydroxylase

OH

Ascorbat, O2

HO NH3

HO

COO

DOPA-Decarboxylase

HO

Dopamin-E-Hydroxylase

NH3

HO

Noradrenalin

+

CO2

Dopamin

Der Mechanismus der Decarboxylierung, für die Vitamin B6 (bzw. das daraus gebildete PLP) benötigt wird, ist in Aufgabe 308 am Beispiel von DOPA dargestellt. In analoger Weise wird Tryptophan zunächst unter Beteiligung von Tetrahydrobiopterin an der 5-Position hydroxyliert und anschließend PLP-abhängig zu Serotonin decarboxyliert.

Lösung 455 a) Die Oxidation von Glucose zum Gluconolacton liefert zwei Elektronen und zwei Protonen, die auf den Isoalloxazinring des Coenzyms FAD übertragen werden. O

HOCH2

H

O

HO HO

+

OH OH

O

H

N

CH3

OH

H

+

O

N R FADH2

CH3

N

N

CH3

H

R

N

O

D-Gluconolacton

H N

FADH2

O CH3

H +

N

H

O

HO HO

H N

N

O

HOCH2

FAD O

O

N

CH3

R

E-D-Glucose

H

N

N

CH3

O2 O

N

N

CH3

N

CH3

+

N

R FAD

H2O 2

560

Kapitel 14

b) Die β-D-Glucose steht in wässriger Lösung über die offenkettige Form im Gleichgewicht mit der α-Form. Wird die β-D-Glucose durch die Glucose-Oxidase zum Lacton oxidiert, wird sie aus dem Anomerengleichgewicht entzogen. Da sich dieses rasch neu einstellt, liefert der Glucose-Oxidase-Test eine Bestimmung der gesamten Glucose, auch wenn das Enzym eine hohe Selektivität für die β-Form aufweist.

Lösung 456 a) Im Muskel werden die 1Æ4-glykosidischen Bindungen des Glykogens durch die Glykogen-Phosphorylase phosphorolytisch durch Pi gespalten; dabei entsteht ohne zusätzlichen Energieaufwand Glucose-1-phosphat. Die 1Æ6-glykosidischen Bindungen werden dagegen hydrolytisch unter Bildung von freier Glucose gespalten. Die Glucosephosphat-Mutase wandelt Glucose-1-phosphat reversibel in Glucose-6-phosphat um, das als solches in die Glykolyse eintreten kann. Die im Zuge des Glykogenabbaus in der Leber gebildete phosphorylierte Glucose muss für den Transport zum Muskel dephosphoryliert werden. Für die Rephosphorylierung im Muskel zu Glucose-6-phosphat, dem ersten, von der Hexokinase katalysierten Schritt der Glykolyse, ist dann ein Molekül ATP erforderlich. Aufgrund dieses Aufwands an ATP ist die Nettoproduktion von ATP im Muskel aus Glucose, die dem Glykogenabbau in der Leber entstammt, etwas geringer. b) Glykogenosen heißen auch Glykogenspeicherkrankheiten. Infolge von angeborenen Enzymdefekten kommt es zur Ablagerung von Glykogen in den Speicherorganen Leber und Muskeln. Zur Gruppe der Leberglykogenosen, die ca. 80 % der Fälle umfassen, gehören Typ I (Glucose-Phosphatase-Mangel, von Gierke-Erkrankung) und Enzymdefekte des sogenannten Leber-Phosphorylase-Systems. Muskelglykogenosen (ca. 20 %) sind seltener als Leberglykogenosen. Hier steht an erster Stelle die Glykogenose Typ II (saure Maltase-Mangel, Morbus Pompe) mit einem Anteil von 15 %, gefolgt vom Typ V (Myophosphorylase-Mangel, McArdle-Erkrankung), der etwa 2 % aller Glykogenspeicherkrankheiten ausmacht. Patienten mit einer Muskelglykogenose zeigen als gemeinsame Symptome eine belastungsabhängige Muskelschwäche, Muskelkrämpfe und Muskelschwund. Normalerweise kann der Körper bei Bedarf auf die Glykogenspeicher zurückgreifen. Sinkt der Blutzucker ab, so wird in der Leber Glucose aus Glykogen freigesetzt. In den Muskeln kann das Glykogen selbst als Energielieferant genutzt und in den Muskelstoffwechsel eingeschleust werden. Ein totaler GlykogenPhosphorylase-Mangel im Muskel verhindert die Freisetzung von Glucose aus Glykogen. Wenn nicht genügend freie Glucose (aus der Nahrung oder durch Glykogenabbau der Leber) zur Verfügung steht, kann nicht ausreichend ATP durch die Glykolyse gebildet werden. Die für die Muskelarbeit verbrauchten ATP-Reserven können deswegen nicht adäquat wieder aufgefüllt werden und die Konzentrationen von ADP und Pi steigen an. Da im Muskel keine Glucose aus Glykogen verfügbar ist, wird auch kein Lactat produziert.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

561

Lösung 457 Vor ihrem Abbau durch β-Oxidation müssen die Fettsäuren zum entsprechenden Acyl-CoA aktiviert werden. Die so aktivierten Fettsäuren können jedoch die innere Mitochondrienmembran nicht passieren. Für den Transport in die mitochondriale Matrix müssen die Fettsäuren an L-Carnitin gebunden werden. Dazu überträgt die Carnitin-Acyltransferase I, die auf der cytosolischen Seite der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist, den Acylrest von der SH-Gruppe des Coenzyms A auf die Hydroxygruppe von Carnitin. Der gebildete Carnitinester wird dann von der Acylcarnitin-Translokase, einem Antiporter in der inneren Mitochondrienmembran, im Austausch gegen freies Carnitin durch die Membran ins Mitochondrium transportiert. Auf der Matrixseite wird der Acylrest anschließend durch die CarnitinAcyltransferase II in Umkehrung der von der Carnitin-Acyltransferase I katalysierten Reaktion wieder auf Coenzym A rückübertragen. Da die β-Oxidation keiner direkten Regulation unterliegt, ist der Transport der Fettsäuren in die Mitochondrienmatrix mit Hilfe von Carnitin der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Es ist daher plausibel, dass eine reichliche Versorgung mit L-Carnitin den Fettsäureabbau steigern kann. Umgekehrt beobachtet man bei einem Mangel an Carnitin, Carnitin-Acyltransferase oder der Acylcarnitin-Translokase eine Anreicherung von Fettsäuren im Cytoplasma bzw. im Blut. Dies führt zu einer Störung der Energiegewinnung aus Fettsäuren, was insbesondere bei stärkerer körperlicher Belastung Schwächezustände zur Folge haben kann. Nebenbei kommt es zu toxischen Effekten auf Leber, Muskulatur oder Herz.

Lösung 458 Die Entkopplerproteine UCP1–5 (uncoupling proteins) gehören zur Familie der mitochondrialen Anion-Transporter, zu der auch der ATP/ADP-Translokator und die Phosphat-, Citratund Oxoglutarat/Malat-Transporter gezählt werden. Generell besitzen alle mitochondrialen Transportproteine charakteristische Strukturmerkmale und Sequenzmotive. Sie sind aus durchschnittlich 300 Aminosäuren aufgebaut und besitzen eine dreiteilige, sich wiederholende Struktur aus je 100 Aminosäuren, die jeweils zwei α-helikale, hydrophobe Transmembrandomänen mit einem Matrix-Loop bilden. Die Entkopplerproteine UCP1–5 werden aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit zum UCP1 zu einer Unterfamilie der mitochondrialen AnionTransporter gezählt. Das UCP1 ist ein kernkodiertes, 307 Aminosäuren und rund 33 kDa großes Protein, welches im Cytosol synthetisiert und anschließend in die innere Mitochondrienmembran inkorporiert wird. Es ist bisher das einzige funktionell charakterisierte Protein dieser Familie. UCP1 wird ausschließlich im braunen Fettgewebe von Kleinsäugern und jungen Säugetieren exprimiert und gilt als Schlüsselenzym der zitterfreien Wärmebildung. Die Produktion von zitterfreier Wärme in den Mitochondrien des braunen Fettgewebes wird durch die Entkopplung der Atmungskette von der ATP-Synthese bewirkt. Dabei erfolgt der energieliefernde Protonenrückfluss in die Mitochondrienmatrix nicht über die ATP-Synthase, sondern über UCP1. Die dabei frei werdende Energie wird nicht in Form von ATP gespeichert, sondern als Wärme freigesetzt. Eine analoge Funktion kommt für das UCP2 in Betracht. Durch einen

562

Kapitel 14

Anstieg der UCP2-Konzentration geht ein größerer Teil der protonenmotorischen Kraft für die ATP-Synthese verloren, so dass im Endeffekt die Energie aus den aufgenommenen Nahrungsmitteln schlechter verwertet wird. Das heißt, pro Gramm Nahrung wird im Durchschnitt weniger ATP produziert. Infolgedessen müssen mehr Kohlenhydrate, Fette und Proteine aus den vorhandenen Speichern verstoffwechselt werden, um den grundlegenden Energiebedarf des Organismus zu decken, so dass insgesamt ein Gewichtsverlust eintreten kann.

Lösung 459 Mit der Nahrung aufgenommene Fette (Triacylglycerole) gelangen in das Darmlumen und werden dort mit Hilfe von Gallensalzen, wie dem Anion der Taurocholsäure, zu gemischten Mizellen aus Gallensalzen und Triacylglycerolen umgewandelt. Durch die Vergrößerung der Oberfläche werden die Fette so einer Hydrolyse durch die Pankreas-Lipase zugänglich. Dabei entstehen in erster Linie 2-Acylglycerole sowie freie Fettsäuren, welche in die Epithelzellen der Darmwand diffundieren und dort wieder zu Triacylglycerolen zusammengesetzt werden. Diese werden anschließend mit Apolipoproteinen zu Chylomikronen verpackt und gelangen über das Lymphsystem in die Blutbahn, wodurch sie zu den peripheren Geweben transportiert werden. Orlistat bindet kovalent an das aktive Zentrum der gastrischen und pankreatischen Lipasen. Dadurch werden diese Lipasen irreversibel inaktiviert und können die Nahrungsfette nicht mehr zu resorbierbaren freie Fettsäuren und Monoacylglycerolen hydrolysieren. Nahrungsfette, die nicht hydrolysiert werden, können im Dünndarm nicht resorbiert werden, passieren somit den Darm ungenutzt und werden ausgeschieden. Die Wirkungsweise von Orlistat beruht also darauf, die Resorption von Fettsäuren aus Nahrungsfetten zu verringern, so dass diese dem Organismus nicht als potente Energielieferanten zur Verfügung stehen. Xenical“ birgt eine „eingebaute Strafe“ für den Fall, dass die begleitend empfohlene fettarme Diät nicht eingehalten wird. In diesem Fall kommt es nämlich zu unangenehmen Nebenwirkungen, wie fettigen, flüssigen Stühlen, Blähungen und anderen Magen-Darm-Beschwerden. Eine weitere ernst zu nehmende Nebenwirkung ist die Behinderung der Aufnahme wichtiger fettlöslicher Stoffe, wie zum Beispiel fettlöslicher Vitamine.

Lösung 460 a) Die Elektronenübertragung von NADH auf Ubichinon (Q) wird durch die NADHUbichinon-Oxidoreduktase, den Komplex I der Atmungskette, katalysiert. Im ersten Schritt überträgt NADH zwei Elektronen und ein Proton als Hydrid-Ion (H–) auf ein Flavinmononucleotid (FMN), gefolgt von der Aufnahme eines Protons. Der reduzierte Cofaktor FMNH2 gibt die Elektronen über eine Reihe von Fe-S-Clustern über zwei getrennte aufeinander folgende Einelektronen-Übertragungen an Ubichinon ab, das über eine Radikalanion-Zwischenstufe schließlich in den vollständig reduzierten Zustand (QH2) übergeht. Dieser Elektronentransfer wird offensichtlich durch Pethidin gehemmt, so dass die Konzentration an reduziertem NADH zunimmt, da Ubichinon nicht mehr reduziert werden kann.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

563

b) Das antifungisch wirkende Myxothiazol A wurde 1980 aus Myxococcus fulvus isoliert. Myxothiazol A gehört in die Gruppe der β-Methoxyacrylate (ungeachtet der Tatsache, dass ein Acrylamid statt eines Acrylesters vorliegt). Becker und Mitarbeiter zeigten 1981, dass dieser Pharmacophor für die Hemmung des bc1-Komplexes der Ubichinol-Cytochrom cOxidoreduktase (den Komplex III der Atmungskette) verantwortlich ist (Becker, W.F., von Jagow, G., Anke, T., and Steglich, W. (1981), FEBS Lett 132(2), 329.). Die Bindung von Myxothiazol A an den bc1-Komplex hemmt die Elektronenübertragung von QH2 auf Cytochrom c1 sowie von der gebildeten radikalischen Semichinon-Zwischenstufe auf das Cytochrom bL. Somit verbleiben Cytochrom c1 und Cytochrom bL jeweils in der oxidierten (Fe3+-) Form.

Lösung 461 a) Die Acetyl-CoA-Carboxylase katalysiert den ersten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Fettsäurebiosynthese, die Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA. Eine Hemmung dieses Schrittmacherenzyms sollte daher die Fettsäuresynthese entsprechend stark verlangsamen. Malonyl-CoA ist jedoch nicht nur Substrat für die Fettsäurebiosynthese, sondern fungiert auch als Inhibitor der Carnitin-Acyltransferase I. Bei einer Hemmung dieses Enzyms werden weniger Fettsäuren durch das Carnitin-Shuttle ins Mitochondrium transportiert, wo sie durch β-Oxidation abgebaut werden. Sinkt die Konzentration an Malonyl-CoA, wird entsprechend die Hemmwirkung auf die Carnitin-Acyltransferase I aufgehoben; mehr Fettsäuren werden in die Matrix transportiert und die β-Oxidation somit stimuliert. b) Der erste Schritt der von der Acetyl-CoA-Carboxylase katalysierten Reaktion ist eine ATPabhängige Carboxylierung von Biotin. Die Carboxylgruppe wird dann vom Biotin unter Bildung von Malonyl-CoA auf Acetyl-CoA übertragen. Das Biotin bleibt während der beiden Teilschritte kovalent über eine Amidbindung an einen Lysinrest eines flexiblen Arms des bifunktionellen Enzyms gebunden, der zwischen zwei aktiven Zentren hin- und herschwenkt. Der gezeigte Wirkstoff fungiert als Hemmstoff der Acetyl-CoA-Carboxylase. Verantwortlich ist die chloracetylierte Biotineinheit. Es wird angenommen, dass die Verbindung nach Eintritt in die Zelle mit Coenzym A zu CABI-CoA reagiert, das als Hemmstoff der Acetyl-CoACarboxylase fungiert (K.L. Levert et al., J. Biol. Chem., Vol. 277 (2002) 15947.)

Lösung 462 a) An Entzündungsvorgängen sind u.a. phagozytierende Granulozyten (weiße Blutkörperchen) maßgeblich beteiligt. Normalerweise befinden sich Granulozyten im Blut und werden bei entzündlichen Reaktionen vermehrt aus dem Knochenmark, wo sie gebildet werden, ausgeschüttet. Sind jedoch z.B. Bakterien ins Gewebe eingedrungen, wandern Granulozyten innerhalb kurzer Zeit aus dem Blut ins Gewebe ein, um Entzündungsprodukte direkt am Ort des Geschehens zu beseitigen. Damit Entzündungs- und Heilungsprozesse geregelt ablaufen und jede Immunzellart ihrer Aufgabe nachkommen kann, schütten diese Zellen Botenstoffe aus, um miteinander zu kommunizieren. Diese Botenstoffe werden als Cytokine bezeichnet.

564

Kapitel 14

Man unterscheidet dabei solche Botenstoffe, die Entzündungsreaktionen fördern (= proinflammatorische Cytokine) und solche, die hemmend wirken (= antiinflammatorische Cytokine). Als Hauptproduzenten der proinflammatorischen Cytokine dienen neben den Granulozyten im Blut auch besonders phagozytierende Monozyten und Makrophagen im Gewebe. Im Rahmen von Entzündungsreaktionen wird der Arachidonsäuremetabolismus aktiviert, was über den Cyclooxygenaseweg (COX) bzw. den 5-Lipooxygenaseweg (5-LOX) zur Bildung von Entzündungsmediatoren, also Prostaglandinen, Thromboxanen bzw. Leukotrienen, führt. Die Prostaglandine entstehen aus Arachidonsäure, wobei die Cyclooxygenase den ersten Schritt katalysiert; sie sind der Hauptangriffspunkt der nichtsteroidalen Entzündungshemmer. Die Leukotriene sind das Produkt der durch die 5-Lipooxygenase katalysierten Umwandlung der Arachidonsäure. Einige der Entzündungsmediatoren führen zu einer Einwanderung von Zellen des Immunsystems in das Entzündungsgebiet (vgl. oben). Monozyten und Lymphozyten werden aktiviert und führen ihrerseits durch die Produktion von Cytokinen und Mediatoren, welche die Aktivierung der in den Prozess involvierten Zellen aufrechterhalten, zur Etablierung einer chronischen Entzündung. b) Bei der Cyclooxygenase unterscheidet man zwei Isoenzyme: die Cyclooxygenase-1 (COX1) und die Cyclooxygenase-2 (COX-2). Das Enzym Cyclooxygenase-1 ist ein konstitutives Enzym und in relativ konstanter Konzentration in vielen Zellen und Geweben, wie z.B. Thrombozyten, Endothelzellen, glatte Muskelzellen, Nieren und Magen, zu finden. Dieses sogenannte „housekeeping enzyme“ ist für die physiologischen Schutzfunktionen der verschiedenen Organe verantwortlich. Die Cyclooxygenase-2 wird durch die Entzündung, bzw. durch proinflammatorische Cytokine, bakterielle Lipopolysaccharide oder Tumornekrosefaktoren induziert und bildet innerhalb kurzer Zeit grosse Mengen entzündungsfördernder Prostaglandine, welche wiederum zu den klassischen Entzündungssymptomen wie Erythem, Schwellung und Schmerz führen. Der entzündungshemmende Effekt der nichtsteroidalen Entzündungshemmer beruht somit auf einer Hemmung der COX-2, während die unerwünschten Nebenwirkungen auf die Hemmung der COX-1 zurückzuführen sind. Die Bildung von Leukotrienen (an der die Cyclooxygenase nicht beteiligt ist) wird also durch die klassischen nichtsteroidalen Entzündungshemmer nicht beeinflusst. Entzündetes Gewebe zeigt eine erhöhte Aktivität und Expression verschiedener Phospholipasen des Typs A2. Diese Enzymklasse katalysiert die Freisetzung von an C-2 des Glycerolgerüsts gebundenen Fettsäuren (u.a. Arachidonsäure) aus Phospholipiden, insbesondere aus Phosphatidylcholin. Durch die Zunahme der Menge an freier Arachidonsäure kommt es zu einer vermehrten Bildung von Prostaglandinen. Eine Hemmung der Phospholipase A2 durch steroidale Entzündungshemmer führt zu einer verminderten Konzentration des Edukts Arachidonsäure für den Cyclooxygenaseweg bzw. den 5-Lipooxygenaseweg. Dadurch werden beide Reaktionswege gehemmt und somit auch die Bildung von Leukotrienen reduziert. Zusatzbemerkung: Im Unterschied zu anderen nichtsteroidalen Entzündungshemmern hemmt ein neuerer Wirkstoff mit der Bezeichnung Tepoxalin (Zubrin£) über einen dualen Wirkmechanismus sowohl die Aktivität der Cyclooxygenase, als auch der 5-Lipooxygenase (D.M. Ritchie et al., Int J Immunopharmacol 17(10): 805-812, 1995). Ausserdem zeigt es immunmodulierende Eigenschaften, in Form einer Hemmung der Proliferation von Immunzellen und der Unterdrückung der Produktion verschiedener Cytokine (Interleukin-2, Tumornekrosefaktor-α), welche bei der

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

565

Entstehung und Aufrechterhaltung von chronischen Entzündungen eine wichtige Rolle spielen.

Lösung 463 a) Die Biosynthese von Stickstoffmonoxid durch die NO-Synthase erfolgt ausgehend von der Aminosäure Arginin; das Enzym benötigt FMN, FAD, ein Cytochrom P450 und Tetrahydrobiopterin als Cofaktoren. Als Zwischenprodukt entsteht N-Hydroxyarginin: NH2 H2N

C

NADPH/H

O

N

O

H

H2N

NH3

O2

Arginin

H H2 N

N C

OH

H

C

O O

N NH3

N-Hydroxyarginin

O H2N

O2

OH

H

1/2 NADP

O NH3

N

H2O

O 1/2 NADPH/H

N

H

NADP

C

O N

O

H H2 O

+

N O

NH3 Citrullin

Stickstoffmonoxid ist ein Radikal. Im Allgemeinen sind Radikale sehr reaktionsfreudig und besitzen entsprechend kurze Lebenszeiten. Stickstoffmonoxid ist das einzige bislang bekannte Radikal, das mit seiner ungewöhnlich langen Halbwertszeit von ca. 2–3 s in biologischen Systemen ausreichend stabil zu sein scheint, um als Botenstoff fungieren zu können. b) Thiocitrullin kann die NO-Synthase hemmen, da es ein unreaktives Analogon eines der Produkte (Citrullin) der von der NO-Synthase katalysierten Reaktion darstellt.

Lösung 464 a) Das Nucleotid Cytidintriphosphat (CTP) wird in drei Schritten aus Uridin-5´-monophosphat (UMP), dem Vorläufer der anderen Pyrimidinnucleotide, gebildet. Durch zweifache Phosphorylierung mit ATP entsteht zunächst das UTP. Danach katalysiert die CTP-Synthetase die unten gezeigte Bildung von CTP durch die ATP-abhängige Übertragung der Amid-NH2Gruppe von Glutamin auf das Kohlenstoffatom C-4 von UTP. Offensichtlich wird das Acivicin aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit mit Glutamin von der CTP-Synthetase als Substrat erkannt, kann aber nicht entsprechend umgesetzt werden.

566

Kapitel 14 O NH

4

O9P3

O CH2 H

ATP + H2O

H

H

N

Pi

+

4

H2N

H OH

ADP

O

N

O

NH2

CTP-Synthetase

O

O

O 9P3

O CH2 H

O

H

H

OH

O

N

O

H OH

OH

CTP

UTP H3 N

COO

H3N COO Glutamat

Glutamin

b) Die Aminosäure Glutamin ist auch an der Biosynthese der Purinnucleotide als Substrat beteiligt. Bereits im ersten Schritt wird der Amidstickstoff von der Glutamin-PRPPAmidotransferase auf das 5-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) unter Verdrängung von Pyrophosphat übertragen. Bei einer Hemmung des Enzyms sollte sich PRPP anreichern. Im vierten Schritt, der Bildung von Formylglycinamidinribonucleotid aus Formylglycinamidribonucleotid, dient erneut Glutamin als Stickstoff-Donor. Bei einer Hemmung des an diesem Schritt beteiligten Enzyms durch Acivicin wäre also eine Anhäufung des Intermediats Formylglycinamidribonucleotid zu erwarten. Glutamin-PRPP-Amidotransferase 2

O3 P

O CH2

O

O OH

H2O

H

2 Pi

PPi

2 3

P2O6

OH

H2N

O

O

O3 P

OH COO

H3 N

Glutamin

H N

O3 P

O CH2

OH

OH

5-Phospho-E-D-ribosylamin H3N

O

NH2

O

O

PRPP

2

O CH2

NH

C

COO

Glutamat H N

FGAM-Synthetase

O

ATP + H2O

ADP

Pi

+

H

O

2

O3P

H2N

O

O

O CH2

OH H3N Glutamin

COO

NH

O

H

O

O

OH

Formylglycinamidribonucleotid (FGAR)

HN

C

H3N

COO

Glutamat

OH

Formylglycinamidinribonucleotid (FGAM)

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

567

Lösung 465 a) Ausgangspunkt für die Synthese von dTMP ist UMP, das zunächst in das entsprechende Desoxyribonucleotid (dUMP) überführt werden muss. Dies erfolgt nach Phosphorylierung zu UDP durch Reduktion mit Hilfe der Ribonucleotid-Reduktase. Nach Phosphorylierung zu dUTP entsteht dUMP durch Hydrolyse mittels der dUTP-Diphosphohydrolase. Die Thymidylat-Synthase methyliert den Pyrimidinring des dUMP an C-5, wodurch dTMP gebildet wird. Als Donor der Methylgruppe fungiert N5,N10-Methylentetrahydrofolat, welches dabei zu Dihydrofolat oxidiert wird. Das Dihydrofolat muss anschließend durch die DihydrofolatReduktase wieder zu Tetrahydrofolat (THF) reduziert und dann mit Hilfe von Serin wieder zum N5,N10-Methylen-THF regeneriert werden. Da sich Tumorzellen rasch teilen, sind sie durch Eingriffe in die Thyminnucleotid-Synthese verwundbar. Aus dem oben beschriebenen Ablauf der dTMP-Synthese ergeben sich für eine Krebstherapie zwei Ansatzpunkte: zum einen eine Hemmung der Thymidylat-Synthase, zum anderen die Hemmung der Dihydrofolat-Reduktase. Erstere wird mit Hilfe sogenannter Antimetabolite wie 5-Fluoruracil (5-FU) versucht. Dieses setzt an zwei Stellen im Pyrimidinstoffwechsel an: Es kann an (Desoxy-)Ribose-5-phosphat gebunden und dann aufgrund seiner Strukturähnlichkeit mit den Pyrimidinnucleotiden als falsches Nucleotid in DNA und RNA eingebaut werden, wo es mit der Prozessierung zu reifer ribosomaler RNA oder mRNA interferiert. Die entstehende DNA bzw. RNA ist dann nicht voll funktionstüchtig. Nach seiner Umwandlung in Fluordesoxyuridylat (5-F-dUMP) wird es von der ThymidylatSynthase als Substrat akzeptiert. Nach Bildung eines kovalenten Adduktes aus 5-F-dUMP, N5,N10-Methylen-THF und einer SH-Gruppe des Enzyms bleibt die Katalyse jedoch stecken, d.h. das Enzym wird dadurch irreversibel desaktiviert. 5-FU fungiert damit als ein sogenanntes Suizid-Substrat. Für die Hemmung der Dihydrofolat-Reduktase kommen sogenannte Folsäureantagonisten zum Einsatz. Hierzu gehören die Verbindungen Trimethoprim und Amethopterin (Methotrexat). Sie hemmen die Dihydrofolat-Reduktase kompetitiv und verhindern so die Regeneration der Tetrahydrofolsäure, wodurch die Pyrimidin- und Purinsynthese blockiert wird.

568

Kapitel 14 O HN O P O CH2

O

O

N

Glycin

O

O

+

H 2O

CH2

CH2

dUMP

N OH

Serin

N5,N10-Methylen-THF

H

N CH CH2 THF

H

5-FU

N

O

P O CH2

O

N C CH2

CH3

HN O

H

N DihydrofolatReduktase

OH

NADP

Dihydrofolat

N

O

NADPH

+

H Methotrexat

O dTMP

COO NH3

N CH CH2

H

Thymidylat-Synthase

O

OH

H

Lösung 466 a) Die Creatin-Kinase katalysiert die kurzfristige Bereitstellung von ATP im arbeitenden Skelettmuskel durch Hydrolyse von Creatinphosphat. Isoenzyme unterscheiden sich in ihrer Aminosäuresequenz, katalysieren aber im Prinzip die gleiche Reaktion, u.U. unter Verwendung verschiedener Substrate. In der Regel unterscheiden sich verschiedene Isoenzyme in ihren katalytischen Daten wie dem KM-Wert oder in ihren regulatorischen Eigenschaften. Die Creatin-Kinase (CK) ist ein Dimer mit den Untereinheiten M und B. Es existieren also drei Isoenzyme, nämlich

x CK-MM (v.a. im Herzmuskel und im Skelettmuskel) x CK-MB (v.a. im Herzmuskel) x CK-BB (v.a. im Gehirn) Im vorliegenden Fall konzentriert sich das Interesse also auf die CK-MB. Während bei Skelettmuskelschäden der Anteil des Isoenzyms MM an der Gesamtkonzentration der CK im

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

569

Blut mehr als 95 % beträgt, findet man nach einem Herzinfarkt einen Anteil des Isoenzym MB von > 6 %, dessen Bestimmung einen wichtigen Hinweis auf ein Infarktereignis liefert. b) Weitere Enzyme, deren Aktivitätsanstieg im Plasma diagnostisch verwertet werden kann, sind die Aspartat-Aminotransferase (AST) und die Lactat-Dehydrogenase (LDH). Von letzterer, die aus vier Untereinheiten besteht (M bzw. H) existieren fünf Isoenzyme, von den LDH I (HHHH) und LDH II (MHHH) vor allem im Herzmuskel, in Erythrozyten und in der Niere vorkommen. Eine Erhöhung von LDH I und LDH II im Blut deutet daher auf einen Herzinfarkt oder eine Hämolyse hin. Modernere Marker für die Diagnostik sind die myokardialen Proteine Troponin T und Troponin I, die gleichzeitig hohe Sensitivität aufweisen und sehr spezifisch eine Schädigung des Myokards anzeigen. So lassen sich bei fast allen Patienten mit einem Herzmuskelschaden (Infarkte sind dabei die häufigste Ursache) erhöhte Konzentrationen der kardialen Troponine nachweisen. Andere Marker sind demgegenüber entweder weniger sensitiv (z.B. CK-MB) oder weniger spezifisch (z.B. AST oder LDH). c) Die Reaktion der Creatin-Kinase liefert ATP, das in nachgeschalteten Reaktionen genutzt werden kann, ein optisch leicht detektierbares Produkt, wie z.B. NADH oder NADPH, in entsprechender Menge zu generieren, so dass aus einer Absorbanzmessung auf die ATPProduktion und damit die Aktivität der Creatin-Kinase geschlossen werden kann. Eine Möglichkeit wäre, das ATP für eine Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6phosphat mittels der Hexokinase zu verwenden. Glucose-6-phosphat kann dann im folgenden Schritt durch Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase unter Verbrauch von NADP+ zum 6-Phosphogluconolacton oxidiert werden, wobei der Anstieg der Absorbanz bei 340 nm infolge der Bildung von NADPH/H+ gemessen wird.

Lösung 467 Die vorliegenden Befunde weisen stark darauf hin, dass die Leber des Patienten (sicherlich zumindest teilweise infolge des übermäßigen Alkoholkonsums) schwer geschädigt ist. Fast alle in signifikanter Menge im Blut zirkulierende Proteine werden von der Leber produziert, mit Ausnahme der Immunglobuline. Die Antikörper werden von den Plasmazellen gebildet; sie repräsentieren bei der elektrophoretischen Auftrennung die J-Globulin-Fraktion. Die erste und größte Fraktion bei der Elektrophorese ist normalerweise das Albumin. Bei einer schwerwiegenden Schädigung der Leber kann es zu einem Mangel an Plasmaproteinen (insbesondere Albumin) kommen; entsprechend erhält man in der Serumelektrophorese deutlich erniedrigte Konzentrationen. Da die Produktion der J-Globuline hiervon nicht betroffen ist, erscheint ihre Konzentration relativ zu den vorangehenden Fraktionen erhöht, ein Befund, der als polyklonale Gammopathie bezeichnet wird. Die erhöhte Konzentration an Bilirubin ist Ausdruck eines gestörten Gallenabflusses, der aus einer Vernarbung der intrahepatischen Gallenwege sowie der eingeschränkten Fähigkeit der Leber resultieren kann, entstehendes Bilirubin mit Glucuronsäure zu konjugieren. Auch der erhöhte Wert für die Aspartat-Aminotransferase weist auf eine Schädigung der Leberzellen infolge des übermäßigen Alkoholgenusses hin. Dadurch wird das Enzym aus dem Cytoplasma freigesetzt und im Blut nachweisbar.

570

Kapitel 14

Lösung 468 a) Das Krankheitsbild des Diabetes mellitus wird durch einen Mangel an Insulin hervorgerufen. Dabei zeichnet sich der Diabetes vom Typ 1 durch einen absoluten Insulinmangel aus, der durch eine verminderte Insulinsekretion zustande kommt. Ursache ist häufig eine Autoimmunkrankheit, die zu einer Zerstörung der E-Zellen der Langerhans´schen Inseln der Pankreas führt. Zur Behandlung ist die Substitution von Insulin erforderlich, wobei man heute meist rekombinant hergestelltes Humaninsulin einsetzt. Dagegen liegt beim Diabetes vom Typ 2 kein Insulinmangel, sondern eine Insulinresistenz vor, d.h. die Wirkung des Insulins auf die Zielzellen ist vermindert. Typische Ursachen sind

x eine durch Störungen in der Signaltransduktion hervorgerufene Resistenz von im Normalfall Insulin-empfindlichen Geweben gegenüber Insulin und/oder x eine Funktionsstörung der β-Zellen (z.B. Defekte bei der Prozessierung und Sekretion des Insulins). In vielen Fällen besteht zunächst eine Insulinresistenz, die der Organismus durch eine gesteigerte Insulinproduktion und eine Vergrößerung der β-Zellmasse zu kompensieren versucht. Dies führt im Laufe der Jahre dann zu einer Degeneration der β-Zellen. Als typische Risikofaktoren gelten hohes Übergewicht (insbesondere, wenn viel viszerales Fettgewebe vorhanden ist), ferner Bluthochdruck, Arteriosklerose und eine Hypertriglyceridämie. Durch erhöhte Konzentrationen an freien Fettsäuren sowie Fehlregulationen im Glucose- und Fettstoffwechsel (z.B. gehemmte Glucoseaufnahme im Muskel, gesteigerte Gluconeogenese) wird die Insulinresistenz verstärkt. Im Frühstadium kann durch eine konsequente Umstellung der Ernährung und der Lebensgewohnheiten oft noch wirksam gegengesteuert werden. In späteren Phasen kann in leichteren Fällen die Insulinsekretion durch Gabe von Sulfonylharnstoffen gesteigert werden. b) Wie auch andere Peptidhormone wird das Insulin am rauen endoplasmatischen Retikulum gebildet. Das Vorläuferprotein Präproinsulin mit einer N-terminalen Signalsequenz wird in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums transportiert, wobei unter Abspaltung der Signalsequenz das Proinsulin entsteht. Dieses enthält nach der Faltung drei Disulfidbrücken, ist aber noch inaktiv. Im Golgi-Apparat wird daraus das sogenannte C-Peptid herausgespalten, welches im Proinsulin die A- und die B-Kette verbindet. Diese bleiben aufgrund der Disulfidbrücken miteinander verknüpft und bilden das reife Insulin. Das abgespaltene C-Peptid wird zusammen mit dem reifen Insulin in äquimolarem Verhältnis ins Blut abgegeben. Bei der Verabreichung von rekombinantem Insulin zu therapeutischen Zwecken wird selbstverständlich kein C-Peptid zugeführt. Über eine Bestimmung der Konzentration des C-Peptids im Verhältnis zum gesamt vorhandenen Insulin lässt sich daher der Anteil an Insulin bestimmen, der vom Körper selbst ausgeschüttet wurde.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

571

Lösung 469 a) Der gekoppelte optische Test besteht aus zwei Schritten. Im ersten wird die Glucose zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert; die anschließende Oxidation zum 6-Phosphogluconolacton bildet dann NADPH/H+ aus NADP+ und bedingt eine Zunahme der Absorbanz bei 340 nm aufgrund der Erhöhung der Konzentration an NADPH/H+. Glucose + ATP  o Glucose-6-phosphat + ADP

o 6-Phosphogluconolacton + NADPH/H+ Glucose-6-phosphat + NADP+  b) Für die Berechnung der Absorbanzänderung muss die gefundene Massenkonzentration E an Glucose in die Stoffmengenkonzentration c umgerechnet werden. Anschließend kann die Änderung der Absorbanz mit Hilfe des Lambert-Beer´schen Gesetzes berechnet werden. c (Glucose) 'A

E (Glucose)

M (Glucose) V H ˜ c ˜ d ˜ Probe VTest

90 mg / 100 mL 180 mg / mmol 6, 2

0, 005

mmol mL

5

mmol L

mL mmol 0, 01 mL ˜5 ˜ 1 cm ˜ μmol cm L 2,0 mL

0,155

c) Die Auflösung obiger Gleichung nach der Konzentration liefert:

c

V 'A ˜ Test ˜ Vorverdünnungsfaktor H ˜ d VProbe

c

0, 068 μmol cm 1, 0 mL ˜ ˜ 5 3, 4 mL ˜ 1 cm 0,10 mL

1, 0

μmol mL

1, 0

mmol L

Der Normalwert für die Glucosekonzentration im Serum liegt bei ca. 5 mmol/L. Offensichtlich liegt eine erhebliche Hypoglykämie vor. Dies könnte die Folge einer Insulinüberdosierung sein.

Lösung 470 a) Die im Muskel gespeicherten Vorräte an ATP sind sehr gering, so dass sie bereits wenige Sekunden nach dem Start vollständig zu ADP + Pi hydrolysiert sind. Deutlich höher ist die Konzentration des Creatinphosphats im Skelettmuskel, das zur raschen Regeneration von ATP verwendet werden kann. Die (reversible) Hydrolyse des Creatinphosphats kann den Energiebedarf für ca. 20 Sekunden decken. COO

ATP

COO

N CH3

H2N

NH O

ADP

P O

O

Creatinphosphat

Creatin-Kinase

H2N

N CH3 NH2 Creatin

572

Kapitel 14

Währenddessen wird die Glykolyse intensiviert. Dies geschieht durch allosterische Regulation des Schrittmacherenzyms der Glykolyse, der Phosphofructokinase-1. Diese wird durch das infolge der gesteigerten ATP-Hydrolyse vermehrt gebildete ADP allosterisch aktiviert, während gleichzeitig die Hemmung des Enzyms durch ATP durch die rasch fallende ATPKonzentration aufgehoben wird. Das entstehende Pyruvat kann in den Mitochondrien nicht mehr rasch genug oxidiert werden. Die Glykolyse erfolgt also anaerob; das entstehende Pyruvat wird zu Lactat reduziert und von der Zelle exportiert. Im Zuge der maximalen Muskelarbeit während eines 400 m-Laufs kann die Lactat-Konzentration im Blut auf über 8 mmol/L ansteigen, während sie sonst gewöhnlich etwa 1 mmol/L beträgt. Ein Teil des Lactats kann, wenn im Zuge gesteigerter Durchblutung die Sauerstoffversorgung der Skelettmuskulatur verbessert wird, von roten Muskelfasern wieder zu Pyruvat oxidiert und in den Mitochondrien zu CO2 abgebaut werden. Auch der Herzmuskel kann einen Teil des Lactats aufnehmen und oxidieren. Dagegen wird das von der Leber aufgenommene Lactat überwiegend für die Gluconeogenese verwendet; die gebildete Glucose wird über das Blut wieder der Muskulatur zur Verfügung gestellt (Cori-Zyklus). b) Bei einer langandauernden körperlichen Anstrengung, wie bei einem Langstreckenlauf, werden zunächst (etwa während der ersten halben Stunde) die Glykogenvorräte in Skelettmuskulatur und Leber abgebaut. Dazu wird die Glykogen-Phosphorylase aktiviert, die den Abbau von Glykogen zu Glucose-1-phosphat katalysiert. Den Impuls dazu liefern die Hormone Adrenalin (durch Bindung an E2-Rezeptoren) und Glucagon, das vorrangig in der Leber den Abbau von Glykogen und die Gluconeogenese induziert. In beiden Fällen führt die Bindung des Hormons zu einem Konzentrationsanstieg von cAMP, wodurch die klassische Signalkaskade aktiviert wird, die (via Phosphorylierung der Proteinkinase A und der Phosphorylase-Kinase) die Phosphorylierung und Aktivierung der Glykogen-Phosphorylase auslöst, während gleichzeitig die Glykogen-Synthase inaktiviert wird. Während dieser Phase spielt der Abbau von Triacylglycerolen noch eine untergeordnete Rolle. Mit zunehmender Dauer (und zur Neige gehenden Glykogenvorräten) wird einerseits die Gluconeogenese intensiviert und andererseits die Lipolyse im Fettgewebe durch Aktivierung der hormonsensitiven Lipase gesteigert. Die Hydrolyseprodukte der Triacylglycerole, Glycerol und Fettsäuren, werden an das Blut abgegeben. Während das Glycerol von der Leber aufgenommen und zur Gluconeogenese verwendet wird, werden die Fettsäuren gebunden an Albumin mit dem Blut zur Muskulatur (und anderen Zielorganen) transportiert, dort von den Zellen aufgenommen und der E-Oxidation zugeführt. Während also in der ersten Phase der Ausdauerleistung die Energiegewinnung durch aeroben Kohlenhydratabbau dominiert, rücken mit zunehmender Dauer der Abbau von Triacylglycerolen und die Gluconeogenese in den Vordergrund.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

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Lösung 471 a) Obwohl die Gluconeogenese keinen Energiegewinn bringt, sondern im Gegenteil (bei Nahrungskarenz besonders wertvolles) ATP verbraucht, ist sie für den Organismus unverzichtbar. Nur so können bei fehlender Kohlenhydrat-Zufuhr diejenigen Zellen mit Glucose versorgt werden, die sich überhaupt nicht oder nur teilweise auf die Verwertung von Fettsäuren umstellen können. x Dazu gehören Nervenzellen im ZNS, insbesondere im Gehirn. Sie benötigen ca. 150 g Glucose pro Tag, sind aber in der Lage, sich im Laufe einiger Tage so umzustellen, dass sie auch Ketonkörper verwerten können, so dass der Bedarf an Glucose auf 40–50 g gesenkt werden kann. x Erythrozyten besitzen keine Mitochondrien und sind folglich nicht zur oxidativen Phosphorylierung in der Lage. Sie können daher keine Fettsäuren verstoffwechseln und sind obligat auf Glucose angewiesen (ca. 40 g pro Tag). x Auch die Zellen des Nebennierenmarks verfügen nur über wenige Mitochondrien und sind daher auf Zufuhr von Glucose angewiesen. Während also bei längerem Fasten der Bedarf an Glucose aus Gluconeogenese durch Stoffwechselumstellungen zwar gedrosselt werden kann, bleibt eine Synthese von ca. 80 g pro Tag unverzichtbar, um die Versorgung der oben genannten Zellen zu gewährleisten. b) Zum einen wird, wie oben beschrieben, die Gluconeogenese gesteigert. In der Leber, dem Hauptorgan der Gluconeogenese, bewirken Adrenalin und Glucagon über eine cAMP-abhängige Kaskade ein Absinken der Konzentration an Fructose-2,6-bisphosphat. Dadurch sinkt die Aktivität der Phosphofructokinase-1 (und somit der Glykolyse), während die Hemmung der Fructose-1,6-bisphosphatase entfällt und die Gluconeogenese somit gesteigert wird. Zum anderen gewinnt die Synthese von Ketonkörpern an Bedeutung. Dafür werden vermehrt Triacylglycerole abgebaut. Die freigesetzten Fettsäuren werden zu etwa gleichen Anteilen durch E-Oxidation verwertet und zu Ketonkörpern umgesetzt. Diesen kommt in Hungerphasen besondere Bedeutung zu, da das Gehirn seinen Stoffwechsel teilweise auf die Verwertung von Ketonkörpern umstellen und dadurch seinen Bedarf an Glucose drosseln kann. Außerdem werden Proteine abgebaut (pro Tag etwa 20 g). Die freien Aminosäuren können (mit Ausnahme von Lysin und Leucin) als Edukte für die Gluconeogenese (glukogene Aminosäuren) sowie als Donor von Stickstoff für verschiedene Synthesen, wie z.B. Purinen und Pyrimidinen, benutzt werden. Beim Abbau von Aminosäuren entstehender Ammoniak dient zudem der Neutralisation des Harns in der Niere. c) Während einer längeren Fastenperiode spielen die – deshalb auch als Hungerhormone bezeichneten – Verbindungen Glucagon (ein Peptidhormon aus 29 Aminosäuren) und Cortisol (ein Glucocorticoid, also ein Steroidhormon) wichtige Rollen. Das Glucagon stimuliert (über eine cAMP-abhängige Kaskade) die Lipolyse im Fettgewebe. Über die Erhöhung der cAMP-Konzentration in der Leber werden Glykogenabbau, Gluconeogenese (vgl. oben) und E-Oxidation der Fettsäuren aktiviert. Letztere liefert Acetyl-CoA und ermöglicht dadurch die vermehrte Synthese von Ketonkörpern. Im Gegensatz dazu wirkt das Cortisol wie alle Steroidhormone durch Bindung an intrazelluläre Rezeptoren, die als Transkriptionsfaktoren im Zellkern wirken und entsprechende Gene aktivieren, die im Hungerzustand vermehrt benötigt werden und insbesondere die essentielle

574

Kapitel 14

Versorgung mit Glucose sicherstellen, vgl. b). Dies führt zu einer Steigerung des Proteinabbaus, ferner zur vermehrten Bildung von Aminotransferasen (zur Verwertung der freigesetzten Aminosäuren) und Enzymen der Gluconeogenese in der Leber (Pyruvat-Carboxylase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase, Fructose-1,6-bisphosphatase, Glucose-6-phosphatase). Gleichzeitg wird die Bildung von Glykolyse-Enzymen gehemmt.

Lösung 472 a) Die primäre (und triviale) Ursache einer Hypovitaminose ist sicherlich eine unzureichende orale Zufuhr des entsprechenden Vitamins, z.B. aufgrund einer stark einseitigen Ernährung. In den westlichen Industriestaaten spielt dieser Fall heutzutage in den meisten Fällen eine untergeordnete Rolle. Trotzdem können aber auch bei ausreichender Zufuhr Mangelerscheinungen auftreten. Verantwortlich hierfür ist in vielen Fällen eine gestörte intestinale Resorption. Dies gilt insbesondere für die fettlöslichen Vitamine, die mit Hilfe von Gallensalzen in gemischten Mizellen gelöst werden müssen. Im Fall des Cobalamins (Vitamin B12) ist für die Resorption die Anwesenheit des sogenannten Intrinsic factors erforderlich, der von den Belegzellen des Magens sezerniert wird. Als weitere Ursache für eine Hypovitaminose trotz ausreichender Zufuhr und Resorption kommt eine unzureichende Umwandlung des Vitamins aus der aufgenommenen in die aktive Form in Frage. So muss beispielsweise das Thiamin ATP-abhängig in das aktive Thiaminpyrophosphat umgewandelt werden. Diese Reaktion wird durch Ethanol gehemmt, so dass ein häufig vorliegender ernährungsbedingter Mangel an Thiamin bei Alkoholikern noch verstärkt wird. b) Die Vitamine werden gängigerweise in fett- und wasserlösliche Vertreter eingeteilt. Zu ersteren gehören Retinol (Vitamin A), Cholecalciferol (Vitamin D), Tocopherol (Vitamin E) und Phyllochinon (Vitamin K), zu letzteren alle übrigen, z.B. die Vitamine der B-Gruppe und die Ascorbinsäure (Vitamin C). Eine Hypervitaminose setzt voraus, dass sich das Vitamin bei zu hoher Zufuhr anreichern kann. Dies ist nur bei den fettlöslichen (hydrophoben) Vitaminen der Fall, die vom Körper nicht so leicht eliminiert werden können. Wasserlösliche Vitamine werden dagegen bei Überversorgung problemlos mit dem Urin ausgeschieden, so dass z.B. auch bei übertriebener Zufuhr von Vitamin C keine Hypervitaminosen beobachtet werden. c) Thiaminpyrophosphat fungiert als Coenzym einerseits bei oxidativen Decarboxylierungen von D-Ketosäuren, wie z.B. der Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA, andererseits bei der Übertragung von C2-Einheiten durch die Transketolase. Diese Reaktion ist im nichtoxidativen Teil des Pentosephosphatwegs von Bedeutung, der die Umwandlung von Pentosephosphaten (aus dem oxidativen Teil des Pentosephosphatwegs) in die Glykolyse-Intermediate Glycerolaldehyd-3-phosphat und Fructose-6-phosphat ermöglicht. Fehlt Thiaminpyrophosphat als Coenzym der Transketolase, lassen sich daher erhöhte Konzentrationen an Pentosephosphaten bestimmen, insbesondere in Zellen, in denen der Pentosephosphatweg eine wichtige Rolle spielt, wie den Erythrozyten aufgrund ihres Bedarfs an NADPH.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

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Lösung 473 a) Das Cobalt-Ion im Cobalamin ist sechsfach koordiniert. Es wird quadratisch-planar von vier N-Atomen koordiniert, die zu einem Tetrapyrrolringsystem gehören. Dieses wird als Corrinring bezeichnet und unterscheidet sich vom Porphyrinring dadurch, dass zwei der vier Pyrrolringe direkt und nicht über eine C1-Brücke verbunden sind. Während an die fünfte Koordinationsstelle ein 5,6-Dimethylbenzimidazolribosid gebunden ist, kann die verbliebene sechste Koordinationsstelle durch verschiedene Liganden besetzt sein. Im Organismus findet man das Methylcobalamin (R = CH3) sowie das 5´-Desoxyadenosylcobalamin (R = 5´-Desoxyadenosyl), während das Cyanocobalamin (R = CN) nicht in der Natur vorkommt, sondern therapeutisch zur Supplementierung bei Vitamin B12-Mangel eingesetzt wird. b) Das Methylcobalamin, das im Cytosol aus Cobalamin Cobalamin gebildet wird, dient als Cofaktor bei der Synthese der Aminosäure Methionin aus Homocystein. Die Methylgruppe wird dabei von N5-Methyltetrahydrofolat zur Verfügung gestellt, das dadurch zu Tetrahydrofolat regeneriert wird. N5-Methyl-THF CH3 H 5 N N CH CH2 COO

Homocystein

H N

CH CH2

COO H3N

H3N

SH

THF H N5

Methionin-Synthase Methylcobalamin

S H3C Methionin

Für die Umlagerung der Methylgruppe in L-Methylmalonyl-CoA unter Bildung von Succinat wird das 5´-Desoxyadenosylcobalamin als Cofaktor benötigt. Es bildet ein Radikal, das ein H-Atom vom Methylmalonyl-CoA abstrahiert; die entstehende radikalische Zwischenstufe isomerisiert anschließend zu Succinyl-CoA.

576

Kapitel 14 O

O C

SCoA

H 3C COO Methylmalonyl-CoA

C

Methylmalonyl-CoA-Mutase

SCoA

5´-Desoxyadenosylcobalamin OOC Succinyl-CoA

c) Die Patientin leidet durch den Mangel an Intrinsic factor an einer perniziösen Anämie, da die Resorption von Vitamin B12 (auch als Extrinsic factor bezeichnet) nur nach Bindung an den Intrinsic factor erfolgt. Beide bilden zusammen einen Komplex, der im terminalen Ileum aufgenommen wird. Auch durch mangelhafte oder einseitige Ernährung kann ein Mangel an Vitamin B12 entstehen. Da der Stoffwechsel von Vitamin B12 und Folsäure eng zusammenhängt, bewirkt ein Vitamin B12-Mangel auch Störungen im Folsäurestoffwechsel. Fehlt Vitamin B12, so kann die Methylgruppe im Methyltetrahydrofolat (Methyl-THF) nicht in ausreichendem Maß auf das Vitamin übertragen werden. Dadurch wird zu wenig Tetrahydrofolat regeneriert, das als C1-Donor essentiell an der DNA-Synthese (Purinbasen, Thymidin) beteiligt ist. Besonders von dieser Störung der DNA-Synthese betroffen sind sich rasch teilende Zellen wie die Erythrozyten, die in zu geringer Anzahl gebildet werden. Damit der Sauerstofftransport möglichst wenig beeinträchtigt wird, wird die geringe Zahl an Erythrozyten mit möglichst viel Hämoglobin beladen. Daher sind die Erythrozyten auffallend groß (Erhöhung des MCV-Werts) und enthalten ungewöhnlich viel Hämoglobin (Erhöhung des MCH-Werts). d) Durch einen Mangel an 5´-Desoxyadenosylcobalamin wird die Reaktion der Methylmalonyl-CoA-Mutase gehemmt, die für die Verwertung von Propionyl-CoA (via MethylmalonylCoA und Succinyl-CoA) und im Katabolismus von verzweigtkettigen Aminosäuren von Bedeutung ist. Man nimmt an, dass die Bildung der Myelinscheiden in zweierlei Weise durch akkumulierendes Methylmalonyl-CoA behindert wird. Zum einen fungiert Methylmalonyl-CoA als kompetitiver Inhibitor von Malonyl-CoA bei der Fettsäuresynthese. Da die Myelinscheiden einem kontinuierlichen Turnover unterliegen, wird dieser Prozess durch eine Beeinträchtigung der Fettsäuresynthese gestört. Zum anderen können durch Einbau von Methylmalonyl-CoA anstelle von Malonyl-CoA verzweigte Fettsäuren gebildet werden, die zu einer Störung der Membranstruktur beitragen können. Durch hoch dosierte Gabe von Folat können die Symptome der megaloblastären Anämie, nicht aber die neurologischen Symptome, weitgehend beseitigt werden.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

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Lösung 474 a) Eine Blutgerinnung unter physiologischen Bedingungen wird dadurch verhindert, dass die entscheidenden Gerinnungsfaktoren als inaktive Zymogene vorliegen, die erst durch proteolytische Spaltung aktiviert werden. Gelegentlich kommt es jedoch unspezifisch zu einer solchen Spaltung. Würden die so aktivierten Enzyme nicht umgehend wieder inaktiviert, käme es durch den Verstärkungseffekt in der Gerinnungskaskade rasch zu einer massiven Blutgerinnung in den Gefäßen. Dies wird durch die Anwesenheit unspezifischer Protease-Hemmer im Blutplasma verhindert. Der wichtigste ist das Antithrombin, ein Protein von 58 kD, das in der Leber synthetisiert wird, effizient an den Faktor Xa und an Thrombin (und mit geringerer Affinität auch an andere Faktoren) bindet und diese inaktiviert. Auch das D2-Makroglobulin trägt durch Bildung von 1:1-Komplexen mit verschiedenen Proteasen zur Gerinnungshemmung bei. b) Eine Gabe von Vitamin K-Antigonisten (z.B. Marcumar®, eine Verbindung aus der Gruppe der Cumarine) hemmt die Bildung der Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren in der Leber. Durch diesen gezielt herbeigeführten Mangel an Gerinnungsfaktoren wird die Aktivierung des intrinsischen Systems behindert. Die zweite Möglichkeit, die in der Klinik in großem Umfang zur Verhinderung einer intravasalen Blutgerinnung eingesetzt wird, ist die subkutane Applikation von Heparin. Heparin ist ein Polysaccharid, bestehend aus Disaccharideinheiten aus Uronsäuren und GlucosaminDerivaten, das zusätzlich viele Sulfatgruppen trägt. Es bindet an Antithrombin und induziert dabei eine Konformationsänderung, die zu einer sehr starken Erhöhung der Affinität von Antithrombin für seine Substrate Faktor Xa und Thrombin führt. Es kommt zu einer stark beschleunigten Deaktivierung von Thrombin. Eine versehentliche Überdosierung kann durch Protamin antagonisiert werden, das Heparin aus der Komplexbindung mit Antithrombin verdrängt. c) Um die Gerinnung von Blut in vitro zu verhindern, setzt man i.A. Chelatoren zu, welche die Ca2+-Ionen im Blut komplexieren. Calcium-Ionen sind als Cofaktor für mehrere Gerinnungsfaktoren erforderlich; werden sie durch Zugabe von Citrat oder EDTA in stabile Komplexe überführt, wird die Gerinnung dadurch unterdrückt.

Lösung 475 a) Die immunologische Spezifität von Erythrozyten wird durch Oligosaccharidketten vermittelt, die an Lipide und Proteine auf der Außenseite der Erythrozytenmembran gebunden sind, daneben auch durch Proteine selbst, wie z.B. das Rhesus-Antigen. Das Immunsystem bildet Antikörper gegen fremde Antigene. Wird das Blut verschiedener Blutgruppen gemischt, kommt es zur Verklumpung (Agglutination) der Zellen durch die Bindung an die Antikörper. Vor der Entdeckung der Blutgruppen waren daher Blutübertragungen nur zufällig erfolgreich und endeten oft tödlich. Beim Menschen gibt es eine Vielzahl verschiedener Blutgruppensysteme, davon sind 29 bei der ISBT (Internationale Gesellschaft für Bluttransfusion) anerkannt und beschrieben. Die wichtigsten Blutgruppensysteme sind das AB0-System und das RhesusSystem, welche sich jeweils an einem bestimmten Antigen orientieren.

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Kapitel 14

Es wurde 1901 von dem Wiener Arzt Karl Landsteiner beschrieben, wofür er 1930 den Nobelpreis für Medizin bekam. Das Grundgerüst aller drei Blutgruppenantigene besteht aus einem Ceramid (ein Sphingolipid), an das ein Oligosaccharid bestehend aus einer unterschiedlichen Kombination von Galaktose (Gal), Fucose (Fuc), N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure, NeuNAc) gebunden ist. Diese Kernstruktur wird als H-Antigen bezeichnet; sie endet auf Fuc, Gal und GlcNAc und kann auf unterschiedliche Weise modifiziert vorliegen. Wird an die Galaktose α-(1Æ3)-glykosidisch ein GalNAc-Rest angeknüpft, resultiert das AAntigen; die Anknüpfung eines Gal-Restes ergibt das B-Antigen. Tragen die Erythrozyten eines Individuums nur H-Antigene auf ihrer Oberfläche, an die keine zusätzliche Reste (Gal bzw. GalNAc) angefügt sind, spricht man von der Blutgruppe 0. Entsprechend besitzt ein Mensch die Blutgruppe A, wenn auf seinen Erythrozyten nur das A-Antigen vorkommt, bzw. die Blutgruppe B, wenn nur das B-Antigen vorhanden ist. Die Blutgruppe AB bedeutet, dass sowohl A-Antigene als auch B-Antigene auf den Zelloberflächen der Erythrozyten existieren. H-Antigen Fuc D-(1

2) Gal E-(1

3)-GlcNAc E....

A-Enzym

Fuc D-(1

B-Enzym

2) Gal E-(1

GalNAc D-(1 A-Antigen

3)

3)-GlcNAc E....

Fuc D-(1

2) Gal E-(1

Gal D-(1

3)-GlcNAc E....

3)

B-Antigen

Festgelegt wird die Blutgruppe nach dem AB0-System durch ein einzelnes Gen auf Chromosom 9. Das ursprüngliche Gen codiert das A-Enzym (überträgt GalNAc); durch Variation kam es zu einer Änderung der Substratspezifität (Erkennung und Übertragung von Gal). Das neue Gen codiert das sogenannte B-Enzym. Individuen, die am Genort dieser Glykosyltransferasen infolge Deletion eines Basenpaares nur nichtfunktionelle Allele besitzen, können weder Anoch B-Antigen erzeugen und weisen demnach die Blutgruppe 0 auf. Alle Erythrozyten besitzen auf ihrer Oberfläche einige H-Antigene, auch wenn die zugehörige Blutgruppe A, B, oder AB lautet, da nicht alle H-Antigene modifiziert werden. Daher enthält menschliches Blutplasma normalerweise keine Antikörper gegen das H-Antigen. Dagegen besitzen Menschen mit der Blutgruppe 0 Antikörper sowohl gegen das A- als auch das BAntigen, die vom Immunsystem als körperfremd erkannt werden. Erhalten sie (versehentlich) eine Bluttransfusion der Blutgruppen A, B oder AB, binden IgM-Antikörper an diese Antigene auf der Erythrozytenoberfläche. Aufgrund der pentameren Struktur von IgM kommt es zu einer stabilen Vernetzung der Erythrozyten und damit zu einer Agglutination mit lebensgefährlichen Folgen.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

579

b) Die N-Glykosylierung von Proteinen beginnt HOCH2 im endoplasmatischen Retikulum (ER). SpezifiH R O sche Glykosyltransferasen übertragen zunächst N NH HO Nucleosiddiphosphat-aktivierte Monosaccharide NH (UDP-N-Acetyl-Glucosamin, GDP-Mannose, O O O R UDP-Glucose) auf den in der Membran lokalisierten Lipidanker Dolicholphosphat (Doli-P). Glc-NAc Dieser ändert dann seine Orientierung, so dass N-glykosidische Bindung das Oligosaccharid nun in das ER-Lumen weist. Anschließend werden weitere an Dolicholphosphat gebundene Monosaccharide mit dem initialen Dolicholphosphat-Oligosaccharid verknüpft. Hat das Oligosaccharid eine Länge von 14 Resten erreicht, wird es durch die Oligosaccharid-Transferase komplett auf einen Asparaginrest des Proteins unter Ausbildung einer β-N-glykosidischen Bindung übertragen. Danach erfolgt das sogenannte Trimmen, d.h. das Glykoprotein wird durch Hinzufügen oder Abspalten von Monosacchariden im ER und Golgi-Apparat fertig gestellt.

Lösung 476 a) Bei einer Anämie ist die Sauerstofftransportkapazität des Blutes vermindert. Sie ist definiert als x eine Verminderung der Konzentration des roten Blutfarbstoffs (Hämoglobin) und/oder x eine Verminderung des Hämatokrits (prozentualer Anteil der zellulären Elemente am Blutvolumen) und/oder x eine Verminderung der Anzahl der roten Blutkörperchen (Erythrozyten) unter die der Altersnorm entsprechende Menge. Es handelt sich um ein erworbenes, angeborenes oder durch Erkrankung beziehungsweise Verletzung bedingtes Missverhältnis zwischen der für die Deckung des Sauerstoffbedarfs der peripheren Gewebe notwendigen Konzentration an Hämoglobin und der Bedarfsdeckung. Diesem Defizit und damit den oben beschriebenen Ursachen liegt entweder eine Störung der Bildung roter Blutkörperchen, der Blutbildung im Knochenmark oder ein vermehrter Abbau zugrunde. Typische erste Symptome, die vom Patienten wahrgenommen werden, sind infolge der mangelhaften Sauerstoffversorgung des ganzen Körpers häufig Leistungsabfall und schnelle Ermüdbarkeit. Haut und Schleimhäute sind durch Blässe gekennzeichnet, wobei zumindest die Hautblässe abhängig von der Hautfarbe nicht immer leicht erkennbar ist. Durch Unterversorgung des Gehirns mit Sauerstoff können Kopfschmerzen, Ohrgeräusche (Tinnitus), Übelkeit, Ohnmacht (Synkopen), Schlaflosigkeit, Konzentrationsprobleme und Sehstörungen auftreten. Während die Konzentration der am Eisenstoffwechsel beteiligten Proteine wie Ferritin, Transferrin und Transferrinrezeptor Aufschluss über das Vorhandensein einer Eisenmangelanämie geben, sind ein Mangel an Vitamin B12 und Folsäure Zeichen einer megaloblastären oder perniziösen Anämie. Die auch heute weitgehend anerkannten Kriterien für die Diagnose von Anämien beruhen auf einem Bericht einer WHO-Expertengruppe aus dem Jahr 1968.

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Kapitel 14

Demnach liegt eine Anämie vor, wenn der Hämoglobin-Gehalt bei erwachsenen, nicht schwangeren Frauen 12 g/100 mL und bei erwachsenen Männern 13 g/100 mL Blut unterschreitet. b) Ferritin („Speichereisen“) ist ein Protein, das in Tieren, Pflanzen und Bakterien vorkommt. In Tieren und Pflanzen funktioniert es als Speicherstoff für Eisen. Im Menschen kommt Ferritin hauptsächlich in der Leber, der Milz und im Knochenmark vor. Bei gesunden Menschen sind ca. 20 % des gesamten Eisens in Ferritin gespeichert. Das Eisen liegt darin in der dreiwertigen Form (Fe3+) vor. Mutationen in den Genen, die für Ferritin codieren, können erbliche Stoffwechselerkrankungen verursachen. Obwohl sich das meiste Ferritin innerhalb der Zellen befindet, ist die Ferritin-Konzentration im menschlichen Blutserum ein aussagekräftiges Maß für den gesamten Eisenspeicher des Organismus. Die Bestimmung des Ferritin-Spiegels besitzt daher bei der Diagnostik von Anämien einen hohen Stellenwert. c) Eisen kann von den Darmzellen nur in der zweiwertigen Form (als Fe2+) aufgenommen werden. Dreiwertiges Eisen muss daher zuvor reduziert werden. Daher wird die Resorption durch Anwesenheit von Reduktionsmitteln (z.B. Vitamin C = Ascorbinsäure) gefördert, weshalb diese häufig Bestandteile von Eisenpräparaten sind. In die Darmzellen aufgenommenes Fe2+ kann in Form von Ferritin gespeichert oder an das Blut abgegeben werden, wo es in Form von Fe3+ an Apotransferrin unter Bildung von Transferrin gebunden wird. Die von der Patientin eingenommenen Tabletten enthielten Fe(Glucuronid)3, also dreiwertiges Eisen. Daher wurde vermutlich nur ein geringer Anteil resorbiert und der Großteil ungenutzt ausgeschieden. Es sollte daher ein Präparat gewählt werden, das Fe2+, am besten in Kombination mit einem Reduktionsmittel wie Vitamin C, enthält.

Lösung 477 Das 17α-Hydroxyprogesteron entsteht wie alle Steroide aus Cholesterol. Ein Cytochrom P450-Enzym hydroxyliert die Seitenkette des Cholesterols an C-20 und C-22 und spaltet die Seitenkette oxidativ unter Bildung von Pregnenolon ab. Durch Dehydrogenierung und Isomerisierung der Doppelbindung entsteht das Progesteron. Die Hydroxylierung an C-17 liefert das 17α-Hydroxyprogesteron, während durch Hydroxylierungen an den Positionen 11, 18 und 21 sowie Oxidation an C-18 das Mineralocorticoid Aldosteron entsteht. Durch zwei Hydroxylierungen an C-11 und C-21 von 17α-Hydroxyprogesteron wird das Glucocorticoid Cortisol gebildet. Die folgende Skizze gibt einen Überblick, wobei die bei den jeweiligen Reaktionen geschriebenen „OH“-Teilchen kein Reagenz darstellen, sondern nur eine enzymkatalysierte Hydroxylierung andeuten sollen.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

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O

O

NAD HO

HO

O Progesteron

Pregnenolon

Cholesterol

O

17 D

21 OH

OH OH

Enzymdefekt OH O

Androgene O 17D-Hydroxyprogesteron 11 E

O OH

11-Desoxycorticosteron

11-Desoxycortisol 21 OH

Enzymdefekt OH OH

O

O HO

HO

O CH

OH

O O

Cortisol

Aldosteron

Der hier vorliegende Mangel an Cortisol bei gleichzeitig stark erhöhtem 17α-Hydroxyprogesteron-Spiegel deutet auf einen Mangel des Enzyms 21-Hydroxylase hin. Dadurch kann 17α-Hydroxyprogesteron nicht in das 11-Desoxycortisol umgewandelt und somit kein Cortisol gebildet werden. Dies wiederum bedingt eine fehlende negative Rückkopplung auf die Hypophyse, die das ACTH ausschüttet, um die Nebennierenrinde zur Cortisolbildung anzuregen. Da jedoch die Synthese von Cortisol aufgrund des Enzymmangels nicht möglich ist, kommt es zur Überproduktion und zur Anhäufung von Vorstufen (v.a. 17α-Hydroxyprogesteron). Diese werden in der Folge verstärkt in Androgene umgewandelt, so dass es bei Mädchen zur Virilisierung kommt. Aufgrund des Enzymmangels unterbleibt auch die über mehrere Stufen verlaufende Bildung von Aldosteron. Aldosteron kontrolliert die Rückresorption von Na+- und die Ausscheidung von K+-Ionen in der Niere. Durch den Mangel an Aldosteron kommt es daher zu einer vermehrten Ausscheidung von Na+- und erhöhter Resorption von K+-Ionen. Diese Elektrolytverschiebungen gehen häufig mit Erbrechen und Durchfall einher.

582

Kapitel 14

Der Mangel an der 21-Hydroxylase führt also zu dem klinischen Erscheinungsbild eines adrenogenitalen Syndroms mit charakteristisch erhöhten Konzentrationen an ACTH und 17αHydroxyprogesteron. Die entspechend fehlenden Hormone, meist Gluco- und Mineralocorticoide, müssen bei den betroffenen Patienten i.A. lebenslang substituiert werden.

Lösung 478 a) Die primäre Giftwirkung von Blausäure bzw. Cyanid-Ionen besteht in der Blockade der Sauerstoffbindungsstelle durch eine irreversible Bindung des Cyanids an das zentrale Eisen(III)-Ion des Häm a3-Cofaktors in der Cytochrom c-Oxidase in den Mitochondrien der Zelle. Das Fe3+-Ion kann dadurch kein Elektron mehr aufnehmen und der Elektronenfluss ist unterbrochen, so dass auch keine Protonen mehr in den Intermembranraum gepumpt werden. Es kommt zum Abbau des Protonengradienten und damit zum Erliegen der ATP-Synthese. Die Zelle kann den Sauerstoff nicht mehr zur Energiegewinnung verwerten; man spricht daher von „innerer Erstickung“. Dadurch bleibt das venöse Blut mit Sauerstoff angereichert; eine hellrote Färbung der Haut ist daher ein typisches Anzeichen für eine Cyanid-Vergiftung. Die Inaktivierung des Hämoglobins durch Komplexierung des Eisen(II)-Ions spielt dagegen bei Vergiftungen eine untergeordnete Rolle, da das CN–-Ion an die Hämgruppe im Hämoglobin vergleichsweise schwach bindet und die Konzentration an Hämoglobin zudem wesentlich höher ist als an Cytochrom c-Oxidase. Als Antidot bei Cyanid-Vergiftungen wird häufig zunächst 4-Dimethylaminophenol (4DMAP) eingesetzt, das als Methämoglobinbildner das Fe(II) im Hämoglobin in Fe(III) umwandelt. Das Methämoglobin bindet die Cyanid-Ionen und verringert dadurch deren Bindung an die Cytochrom c-Oxidase. Gemessen am gesamten Hämoglobin genügt schon eine geringe Menge an Methämoglobin, um einen großen Teil des Cyanids zu binden. Für spezielle Fälle, z.B. wenn gleichzeitig mit dem Vorliegen einer CO-Vergiftung zu rechnen ist (vgl. b)), wird Hydroxycobalamin verwendet, welches unter dem Handelsnamen Cyanokit® in der EU seit dem 29. November 2007 zugelassen ist und mit Cyanid-Ionen sehr stabile Komplexe eingeht. Als weitere Maßnahme ist die Einnahme von Natriumthiosulfat angezeigt, das als Schwefelquelle die Umwandlung des Cyanids in Thiocyanat (SCN–; Rhodanid) durch das Enzym Rhodanase fördert. b) Kohlenmonoxid ist ein gefährliches Atemgift. Wenn es z.B. über die Lunge in den Blutkreislauf gelangt ist, koordiniert es an das zentrale Eisen(II)-Ion des Hämoglobins und behindert so den Sauerstofftransport im Blut, was zum Tod durch Erstickung führen kann. Da Kohlenmonoxid etwa 300-fach stärker an Hämoglobin bindet als Sauerstoff, wird bereits bei einem Volumenanteil von 0,1 % Kohlenmonoxid in der Atemluft etwa die Hälfte der roten Blutkörperchen deaktiviert. Patienten mit einer Kohlenmonoxid-Vergiftung werden i.A. vom Rettungsdienst und Notarzt intubiert und mit reinem Sauerstoff beatmet. Durch das so erhöhte Sauerstoffangebot kann Kohlenmonoxid sukzessive vom Hämoglobin verdrängt werden.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

583

Lösung 479 a) Man unterscheidet zwei Gruppen von Phospholipiden, die Glycerophospholipide (mit Glycerol als Grundgerüst) und die Sphingophospholipide, die sich vom Sphingosin ableiten. Zwei der drei Hydroxygruppen des Glycerols sind in den Glycerophospholipiden mit je einer (meist langkettigen) Fettsäure, die OH-Gruppe an C-3 mit Phosphorsäure verestert. Mit dem Phosphat ist meist noch ein Alkohol wie Ethanolamin, Cholin oder Serin verknüpft. In den Sphingophospholipiden ist das Sphingosin über eine Amidbindung mit einer Fettsäure zum Ceramid und dieses durch Reaktion mit CDP-Cholin zum Sphingomyelin verknüpft. Die Sphingophospholipide (in erster Linie Sphingomyeline) sind Hauptbestandteile von Myelinscheiden im ZNS. Cerebroside entstehen durch die Verknüpfung eines Ceramids mit einem aktivierten Monosaccharid (z.B. UDP-Galaktose). Sulfatide entstehen analog, wenn es sich bei dem Monosaccharid um einen sulfatierten Vertreter handelt. In den Gangliosiden ist das Ceramidgrundgerüst mit einem komplexen Oligosaccharid verknüpft. Glykolipide sind insbesondere Bestandteile der extrazellulären Seite der Plasmamembran; sie dienen u.a. der Zellerkennung. b) Morbus Gaucher ist gekennzeichnet durch einen Mangel des Enzyms Glucocerebrosidase, das Glucose von Glucocerebrosiden abspaltet. Durch den Enzymdefekt kommt es zur Anreicherung von Glucocerebrosid in den für den Abbau zuständigen Makrophagen. Diese sogenannten Gaucher-Zellen führen dann zur Vergrößerung und Funktionsstörung der betroffenen Organe. Als Behandlung kommt eine Enzymersatztherapie in Frage, d.h. die Glucocerebrosidase muss lebenslang intravenös verabreicht werden.

584

Kapitel 14

Glycerolgrundgerüst

O O

H2C O

C

O

P

CH

CH2

O

O

C

CH3

O

O

HOCH2 HO

N CH 3 CH3 Cholin

Sphingosingrundgerüst

O

OH

O

HO

OH

Monosaccharid (Glucose / Galaktose)

H2C O

CH C

CH

NH

ein Glucocerebrosid

ein Phospholipid

OH

OH

Oligosaccharid O

HOCH2 O

HO

NH O

HO

O OH Glucose

N-Acetylgalaktose

HOCH2

O

O HO

O OH Glucose

H C

H2C O

C

OH CH

NH

ein Gangliosid

Ceramid

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

585

Lösung 480 a) Die Pyruvat-Kinase katalysiert den letzten Reaktionsschritt der Glykolyse, die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat in Pyruvat unter Bildung von ATP. O

C

O

C OPO32 CH2

O +

ADP

Pyruvat-Kinase

C

O

C O

+

ATP

CH3

b) In den meisten Zellen wird das Pyruvat als Endprodukt der Glykolyse aerob im Citratzyklus weiter zu CO2 abgebaut. Dabei werden Reduktionsäquivalente (NADH/H+ und FADH2) gewonnen, die in der Atmungskette zum Aufbau des Protonengradienten und damit zur ATPGewinnung dienen. Kommt es zum Sauerstoffmangel oder fehlen (wie in den Erythrozyten) Mitochondrien, ist nur anaerobe Energiegewinnung möglich, die nur maximal 2 ATP pro Glucosemolekül (gegenüber ca. 30 ATP bei aerobem Stoffwechsel) liefert. Da für einen kontinuierlichen Ablauf der Glykolyse NADH/H+ wieder zu NAD+ oxidiert werden muss, wird im Erythrozyten (und auch im Muskel bei anaerobem Ablauf der Glykolyse) das Pyruvat mit NADH von der Lactat-Dehydrogenase zu Lactat reduziert. Selbst bei ungehindertem Ablauf liefert die Glykolyse im Erythrozyten etwas weniger als 2 Moleküle ATP pro Glucose, da durch eine Mutase ein Teil des 1,3-Bisphosphoglycerats zu 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3BPG) isomerisiert wird. Das 2,3-BPG steht nicht für die ATP-Gewinnung zur Verfügung, sondern dient zur Stabilisierung der Desoxy-Form des Hämoglobins und damit einer leichteren O2-Abgabe im Gewebe. Da der Erythrozyt zur Energiegewinnung ausschließlich auf die Glykolyse angewiesen ist, wirkt sich hier ein (autosomal-rezessiv vererbter) Mangel an Pyruvat-Kinase besonders aus; der Erythrozyt leidet unter ATP-Mangel. ATP wird vom Erythrozyten unter anderem zur Aufrechterhaltung des Natriumgradienten über der Zellmembran durch die Na+-K+-ATPase benötigt. Je nach Ausprägung des Pyruvat-Kinase-Mangels ist die Membranstabilität der Erythrozyten stark eingeschränkt; es kommt zu Formveränderungen und vermehrter Hämolyseneigung. Die Folge ist ein Sauerstoffmangel in den Geweben (Anämie). Durch den verstärkten Abbau von Erythrozyten wird auch Häm abgebaut, so dass die Konzentration des Abbauprodukts Bilirubin erhöht ist und eine gelbe Hautfarbe hervorgerufen wird. Enzyme der Erythrozyten, wie die Lactat-Dehydrogenase, werden verstärkt freigesetzt und sind daher im Serum in erhöhter Konzentration zu finden.

Lösung 481 a) Die Hauptmenge an Ca2+-Ionen ist selbstverständlich in Form von Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2) in den Knochen gespeichert. Weitere wichtige Funktionen besitzt Ca2+ bei der Muskelkontraktion, als Botenmolekül („Second messenger“) in der Zelle und als Cofaktor bei der Blutgerinnung. b) An der Regulation der Ca2+-Konzentration im Serum sind das Parathormon, Calcitriol und Calcitonin beteiligt, die teils antagonistisch wirken und sich gegenseitig beeinflussen.

586

Kapitel 14

Das Parathormon (PTH) ist ein Peptidhormon aus 84 Aminosäuren, welches in den Nebenschilddrüsen (Epithelkörperchen) gebildet wird. Seine Hauptfunktion ist die Erhöhung der Ca2+-Konzentration im Blutplasma. So induziert eine Verminderung der Konzentration an Ca2+ im Serum eine vermehrte Bildung und Sekretion von Parathormon. Verantwortlich für den Regulationsmechanismus ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor, der bei Aktivierung durch den Liganden (hohe Calcium-Konzentration) den Inositolphosphatweg in Gang setzt, der zur Erhöhung der cytoplasmatischen Inositol-1,4,5-triphosphat- und DiacylglycerolKonzentration führt. Wahrscheinlich hemmt Inositol-1,4,5-triphosphat (IP3) die Adenylatcyclase, so dass die cytoplasmatische cAMP-Konzentration abfällt und dadurch die Sekretion von Parathormon sinkt. An den Zielzellen löst das PTH eine cAMP-gekoppelte Kaskade aus und führt so zur Aktivierung von Osteoklasten (Æ Mobilisierung von Ca2+ aus dem Knochen) und vermehrter Ca2+Absorption im Darm und in der Niere. Beides bewirkt einen Anstieg des Calciumspiegels. Gleichzeitig wird die Phosphatresorption in der Niere gehemmt, so dass vermehrt Phosphat ausgeschieden wird. Damit es langfristig nicht zu einer Demineralisation des Knochens durch die PTH-induzierte Freisetzung kommt, stimuliert das Parathormon auch die Synthese von Calcitriol, indem es die 1α-Hydroxylase in den Nierentubuli aktiviert. Dieses Enzym katalysiert den abschließenden Schritt der Synthese von Calcitriol, die Hydroxylierung des 25Hydroxycholecalciferols zum 1,25-Dihydroxycholecalciferol (= Calcitriol). Das Calcitriol fördert die Resorption von Ca2+ aus dem Dünndarm und dessen Einbau in die Knochen (Mineralisation). Durch die erhöhte Ca2+-Konzentration im Blut wird die Sekretion von Parathormon unterdrückt, was die Osteoblasten-Aktivität erhöht und zu vermehrtem Einbau von Hydroxylapatit in die Knochen führt. Auch die Resorption von Phosphat wird stimuliert. Das dritte Hormon, das Calcitonin, ist ein Peptidhormon aus 32 Aminosäuren, das in den parafollikulären Zellen (C-Zellen) der Schilddrüse aus einem 136 Aminosäuren umfassenden Vorläuferprotein gebildet wird. Es fungiert als Gegenspieler des Parathormons und wird bei einem Anstieg der Ca2+-Konzentration im Serum freigesetzt. Es hemmt die Calciumfreisetzung aus dem Knochen und erhöht die Ausscheidung über die Niere, so dass die Ca2+Konzentration im Serum erniedrigt wird. c) Die intrazelluläre Ca2+-Konzentration ist mit ca. 10–7 mol/L normalerweise sehr gering. Eine rasche Erhöhung (und damit eine Aktivierung der Zelle) ist möglich mit Hilfe von ligandenaktivierbaren oder spannungsabhängigen Calciumkanälen in der Zellmembran, die einen Einstrom aus dem Extrazellularraum ins Cytosol ermöglichen. Außerdem existieren in der Membran des endoplasmatischen Retikulums IP3-aktivierbare Calciumkanäle, die einen Einstrom von Ca2+ aus dem ER ins Cytosol vermitteln. Um die Zelle wieder in den Ruhezustand zu versetzen, muss Ca2+ umgekehrt wieder aus dem Cytosol ins ER oder aus der Zelle heraus transportiert werden. Dies geschieht mit Hilfe von Ca2+-ATPasen (in ER- bzw. Zellmembran) bzw. durch einen Na+-Ca2+-Austauscher, der einen von der Na+-K+-ATPase aufgebauten Na+-Gradient zum sekundär-aktiven Transport von Ca2+ aus der Zelle heraus benutzt.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

587

Lösung 482 a) Die hereditäre Fructoseintoleranz ist eine seltene, vererbte Störung des Fructosestoffwechsels. Durch einen genetischen Defekt besteht bei den Betroffenen ein Mangel bzw. ein Aktivitätsverlust des Enzyms Fructose-1-phosphat-Aldolase B. Dadurch staut sich Fructose-1-phosphat, das ansonsten zu Glycerolaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten wird, auf, wodurch sowohl die Aldolase A in der Glykolyse als auch die Fructose-1,6-bisphosphatase in der Gluconeogenese gehemmt wird. Dadurch kommt es kurzfristig zu Hypoglykämien mit adrenerger Gegenreaktion, um den Blutzuckerspiegel wieder zu erhöhen, was zu typischen Symptomen wie Zittern und Blässe führt. Bei sehr starker Erniedrigung des Blutzuckerspiegels und daraus folgender Mangelversorgung des Gehirns kann es sogar zu Krampfanfällen und Koma kommen. Die Störung tritt bei einem von ca. 20000 Neugeborenen auf. Die ersten Symptome treten meistens in den ersten Lebensmonaten auf, wenn ein Säugling durch Zufüttern von Beikost erstmals mit fructosehaltiger Nahrung (z.B. Früchte, Gemüse, Säfte, Honig) in Kontakt kommt. HOCH2 H

O H

HO

OH

ATP

OH CH2OH

ADP

HOCH2 H

Fructokinase

H

H2C OPO32 C

H

H C OH H C OH CH2 OH

OH HO

CH2O

PO32

H

Fructose-1-phosphat O

C O

H OH

E-D-Fructofuranose (Fructose)

HO

O

C

H Glycerolaldehydkinase

H C OH Fructose-1phosphatAldolase

CH2OH

ATP

Glycerolaldehyd CH2 O

O ADP

CH2OH

H

2 H C OH CH2O

PO32

C O

C

PO32

Triosephosphatisomerase

Dihydroxyacetonphosphat

b) Im Organismus ist Sorbitol Zwischenstufe des außerhalb der Leber vorkommenden Polyolweges und kann sowohl zu Glucose als auch zu Fructose umgewandelt werden. Neben dem Abbau von über die Nahrung zugeführtem Sorbitol wird dieser Weg zur Bildung von Fructose aus Glucose benutzt, v.a. in den Samenbläschen zur Ernährung der Spermien. Das Enzym Aldose-Reduktase wandelt Glucose unter Verbrauch von NADPH/H+ in Sorbitol um, während das Enzym Sorbitol-Dehydrogenase unter Gewinn eines NADH/H+ Sorbitol zu Fructose oxidiert.

588

Kapitel 14

O

C

H

H C OH HO

C

H2C NADPH/H

NADP

H C OH H2C OH Glucose

H C OH HO

H

H C OH

Aldol-Reduktase

OH NAD

NADH/H

C H

H C OH H C OH H2C

OH

Sorbitol

H2C OH C O HO

SorbitolDehydrogenase

C H

H C OH H C OH CH2 OH Fructose

Der Stoffwechsel des Sorbitols spielt bei der Entstehung einiger Spätfolgen des Diabetes mellitus eine Rolle. Bei unphysiologisch hohem Glucoseangebot wird der Polyolweg beschritten, dessen Gleichgewicht auf der Seite von Sorbitol und Fructose liegt. Da Fructose praktisch nur in der Leber abgebaut wird und Sorbitol und Fructose die Zellen nicht verlassen können, akkumulieren sie und verschieben das osmotische Gleichgewicht der Zelle, was letztendlich zur Zellschwellung führt. Insbesondere die Entstehung des grauen Stars wird auf diesen Mechanismus zurückgeführt.

Lösung 483 a) In den extrahepatischen Geweben wird Ammoniak auf Glutamat und Pyruvat (v.a. im Muskel) übertragen; es entstehen Glutamin und Alanin. Glutamin kann von der Leberzelle aufgenommen und durch die Glutaminase wieder in Glutamat und Ammoniak gespalten werden. Aus Glutamat kann mit Hilfe der Glutamat-Dehydrogenase unter Bildung von α-Ketoglutarat ein weiteres NH3-Molekül freigesetzt werden, das in die Harnstoffsynthese eingeht. Glutamin stellt andererseits auch Aminogruppen für verschiedene Biosynthesen zur Verfügung. Dabei entsteht wiederum Glutamat, das in einer Transaminierung seine Aminogruppe auf Oxalacetat übertragen kann. Das entstehende Aspartat liefert das zweite Stickstoffatom für die Harnstoffsynthese. b) Die meisten Enzymdefekte des Harnstoffzyklus unterliegen einer autosomal-rezessiven Vererbung. Eine Ausnahme ist der Defekt der Ornithin-Transcarbamoylase, der die größte Häufigkeit aufweist und X-chromosomal vererbt wird. Das gehäufte Vorkommen von Orotat im Urin des Säuglings liefert einen Hinweis auf das betroffene Enzym. Von der Carbamoylphosphat-Synthetase I in den Mitochondrien gebildetes Carbamoylphosphat wird gewöhnlich unter Bildung von Citrullin auf Ornithin übertragen. Bei einem Mangel an OrnithinTranscarbamoylase staut sich Carbamoylphosphat dagegen an und wird verstärkt zur Synthese von Carbamoylaspartat (katalysiert durch die Aspartat-Transcarbamoylase) benutzt. Carbamoylaspartat ist ein Intermediat bei der Pyrimidinsynthese und reagiert in einem Folgeschritt zum Orotat, das in der Folge vermehrt mit dem Urin ausgeschieden wird.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

589

Lösung 484 a) Liegt Salzsäure in einer Konzentration von 0,15 mol/L vor, so gilt für den pH-Wert: pH = –lg c (H+) = –lg 0,15 = 0,8. Durch den niedrigen pH-Wert werden aufgenommene Mikroorganismen abgetötet, Proteine denaturiert und außerdem die Protease Pepsin aktiviert, die ihre maximale Aktivität bei pHWerten um 2 entfaltet. Der Magen selbst wird von diesem aggressiven Milieu durch eine dicke Schleimschicht geschützt, die aus einer viskosen Mischung aus Wasser, Hydrogencarbonat und stark O-glykosylierten Proteinen (Mucine) besteht. Sie legt sich wie ein Schutzfilm über die Magenschleimhaut und schützt diese so vor der Magensäure. Die Schleimschicht wird unter dem Einfluss von Prostaglandin E2 ständig erneuert. b) Die sezernierten Protonen stammen aus der intrazellulären Hydratisierung von CO2 durch die Carboanhydrase: ZZX H + + HCO3 CO 2 + H 2 O YZZ

An der Sekretion ist eine H+-K+-ATPase beteiligt, die als Antiporter ähnlich der Na+-K+ATPase arbeitet und H+ in das Magenlumen pumpt. Im Austausch gegen H+ in die Zelle eintretende K+-Ionen wandern anschließend passiv entlang ihrem elektrochemischen Gradienten wieder in das Magenlumen. Das gebildete Hydrogencarbonat wird an der basolateralen Seite der Belegzelle durch einen Antiporter gegen Cl–-Ionen ausgetauscht, die wiederum durch einen Cl–-Kanal über die luminale Membran hinweg ins Magenlumen gelangen. c) Zur Bildung eines Magengeschwürs kommt es, wenn das Gleichgewicht zwischen der Magensäure und dem Pepsin einerseits und der protektiven Schleimschicht andererseits gestört ist. Eine häufige Ursache ist die Besiedlung der Magenschleimhaut durch das Bakterium Heliobacter pylori, aber auch die Einnahme von Hemmstoffen der Prostaglandinsynthese und das Rauchen. Man nimmt an, dass etwa die Hälfte der Menschheit von dem Bakterium besiedelt ist, das sich gegen die Magensäure schützt, indem es sich in der Schleimschicht auf dem Epithel aufhält. Dort reizen die Bakterien die G-Zellen, was – vermittelt über Gastrin – zu vermehrter HCl-Produktion und bei einem Teil der Betroffenen zu einer Gastritis führt. Acetylsalicylsäure (Aspirin®) wirkt durch Hemmung der Cyclooxygenase, die den ersten Schritt der Prostaglandinsynthese aus Arachidonsäure katalysiert. Hierdurch leidet die Regeneration der Schleimschicht, so dass Acetylsalicylsäure ebenso wie Diclofenac bei einem Magengeschwür kontraindiziert ist. Etwa 20 % der Fälle werden auf eine längerfristige Einnahme von Cyclooxygenase-Hemmern wie Ibuprofen oder Diclofenac zur Entzündungshemmung (z.B. aufgrund einer rheumatischen Erkrankung) zurückgeführt. Erforderlich ist im vorliegenden Fall stattdessen, mit einem Antibiotikum gegen die bakterielle Infektion durch Heliobacter pylori vorzugehen. Zusätzlich und auch bei Geschwüren, die nicht bakteriell verursacht sind, verabreicht man meist einen sogenannten Protonenpumpenhemmer wie Omeprazol. Ein solcher blockiert die H+-K+-ATPase und stoppt somit die Säureproduktion, wodurch sich die Magenschleimhaut besser regenerieren kann. Verbindungen wie Omeprazol und Pantoprazol erzielen jährliche Umsätze von mehreren Milliarden Dollar und gehören damit zu den umsatzstärksten Medikamenten überhaupt. Die Säureproduktion der Belegzellen wird auch durch Histamin angeregt. Dem kann durch einen kompetitiven, reversiblen H2-Antagonist der Belegzellen der Magenschleimhaut begeg-

590

Kapitel 14

net werden. Ein typisches Beispiel ist die Verbindung Cimetidin, die aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit zum Histamin an den Histamin-Rezeptor bindet, die H+-K+-ATPase aber nicht aktiviert. Vor der Einführung von Omeprazol war es eines der umsatzstärksten Medikamente auf dem Markt. O

N S H3CO

N

N H

CH3

N H3C

Omeprazol

H N

OCH3

CH3 S

N N H

C N H

N CH3

Cimetidin

Lösung 485 Harnsäure fällt im menschlichen Organismus als Endprodukt des Abbaus von Purinnucleotiden an. AMP kann auf zwei unterschiedlichen Wegen in Hypoxanthin umgewandelt werden, das durch die Xanthin-Oxidase zu Xanthin oxidiert wird. Auch GMP geht über Guanin und nachfolgende Desaminierung in Xanthin über. Im letzten Schritt wird Xanthin von der Xanthin-Oxidase zu Harnsäure oxidiert. Die Harnsäure liegt mit einem pKS-Wert von 5,4 (in der Enol-Form) bei physiologischem pH-Wert als Anion (Urat) vor, das verhältnismäßig schwer löslich ist. Bei pathologisch erhöhter Urat-Konzentration im Serum kommt es daher zu einer Ablagerung von Natriumurat-Kristallen im Gewebe, die eine Entzündung auslösen können, insbesondere in Gelenken, wie dem Grundgelenk der großen Zehe. In 95 % aller Fälle liegt der Hyperurikämie eine Nierenfunktionsstörung zugrunde. Ursache hierfür kann ein Diabetes mellitus sein, da über längere Zeit ein zu hoher Blutzuckerspiegel die Blutgefäße schädigt, wodurch die Nierenfunktion beeinträchtigt wird. Außerdem schadet ein übermäßiger Alkoholkonsum, da Carbonsäuren mit der Harnsäure im Ausscheidungsmechanismus der Niere konkurrieren. Zudem liefert Bier durch die noch enthaltenen Hefereste zusätzlich harnsäurepflichtige Purine. Weiter kann eine Störung des Purinstoffwechsels vorliegen. So führt ein X-chromosomal vererbter Defekt der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase (HGPRT) zu gestörter Resynthese von IMP bzw. GMP, so dass deren Konzentration sinkt. Gleichzeitig steigt die Konzentration von 5-Phosphoribosylpyrophosphat und bewirkt über eine Vorwärtsaktivierung der Glutamin-Phosphoribosyl-Amidotransferase eine starke Steigerung der Purinsynthese, verbunden mit vermehrter Harnsäurebildung beim Abbau der Purine (Lesch-NyhanSyndrom). Bei erhöhten Harnsäurewerten (c(Harnsäure) > 0,42 mmol/L) sollte der Verzehr purinreicher Nahrungsmittel, wie z.B. Fleisch, Fisch und Innereien, eingeschränkt werden. Zusätzlich wird oftmals Allopurinol verabreicht, das ein (kompetitiver) Hemmstoff der Xanthin-Oxidase ist. Durch die Hemmung stoppt der Abbau der Purinnucleotide bei Hypoxanthin (Abbau von Adenin) bzw. bei Xanthin (Abbau von Guanin). Beide Verbindungen sind besser wasserlöslich als die Harnsäure und können daher leichter ausgeschieden werden.

O HN

N N

N H

Allopurinol

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

591

Lösung 486 a) Mehr als 90 % des Alkohols werden von der Leber abgebaut; der Rest wird über Atmung, Schweiß und Urin in unveränderter Form ausgeschieden. Der größte Teil wird durch die Alkohol-Dehydrogenase (ADH) mit NAD+ zu Acetaldehyd oxidiert. Ein kleinerer Teil wird durch das Cytochrom P450-abhängige mikrosomale Ethanol-oxidierende System (MEOS) oxidiert. Der entstandene Acetaldehyd wird mit NAD+ unter Katalyse der AcetaldehydDehydrogenase weiter zu Acetat oxidiert, das nach Aktivierung zu Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingespeist oder aber zur Fettsäuresynthese benutzt werden kann. Der Abbau von Ethanol durch die Katalase in den Peroxisomen spielt quantitativ eine untergeordnete Rolle. Da das MEOS induziert werden kann, steigt sein Anteil am Ethanolabbau bei chronisch hohem Konsum. Aufgrund seiner Abhängigkeit von Cytochrom P450 werden dadurch andere Cytochrom P450-abhängige Entgiftungsreaktionen, z.B. Biotransformationen, in der Leber beeinträchtigt. NAD

NADH/H

OH

NADH/H O

H

MEOS NADPH/H + O2

NAD O

ADH

NADP 2 H 2O

+

AcetaldehydDehydrogenase

O O

SCoA

Citratzyklus Fettsäuresynthese

b) Schätzungen zufolge leidet in den westlichen Industrienationen etwa jeder vierte Erwachsene unter einer Fettleber. Die Ursache hierfür liegt hauptsächlich in zu hohem Alkoholkonsum. Aber auch jahrzehntelange Fehlernährung, chronischer Bewegungsmangel sowie Diabetes mellitus, Übergewicht und Fettstoffwechselstörungen sind dafür verantwortlich. Chronischer Alkoholmissbrauch erfordert den fortwährenden Abbau durch die ADH, die als Coenzym NAD+ benötigt. Dieses fehlt daher für andere NAD+-abhängige Reaktionen, z.B. die durch die β-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase katalysierte Oxidation bei der β-Oxidation von Fettsäuren. Dadurch wird die β-Oxidation insgesamt gehemmt, freie Fettsäuren reichern sich an und werden für die Synthese von Triacylglycerolen verwendet. Der Abbau von Ethanol liefert reichlich Acetyl-CoA. Kann dieses nicht komplett via Citratzyklus verstoffwechselt werden (z.B. aufgrund Hemmung der Isocitrat-Dehydrogenase infolger hoher ATP-Konzentrationen), wird es ebenfalls vermehrt zur Fettsäuresynthese verwendet. Beide Prozesse liefern also vermehrt Triacylglycerole, die in die Leber eingelagert werden und schließlich zur sogenannten Fettleber führen. Dazu trägt auch intermediär gebildeter Acetaldehyd bei, der lebertoxisch ist und Membranen und Transportsysteme der Leber schädigt. Dadurch wird der Export von Triacylglycerolen aus Leberzellen behindert und es kommt zu Ablagerungen.

592

Kapitel 14

Lösung 487 a) Acetylsalicylsäure (ASS) ist der bekannteste Hemmstoff der Cyclooxygenase (COX). Dieses Enzym wandelt Arachidonsäure (cis-'5,8,11,14-Eicosatetraensäure) in Prostaglandine und Thromboxane um. Die Arachidonsäure ist Bestandteil der Phospholipide der Zellmembran und wird daraus mit Hilfe der Phospholipase A2 abgespalten. Durch Übertragung des Acetylrestes von ASS auf einen Serinrest der Cyclooxygenase wird der Zugang für Arachidonsäure zum aktiven Zentrum irreversibel blockiert. Allerdings hält die Wirkung nur über einige Stunden an, da das Enzym neu synthetisiert wird. Prostaglandine besitzen eine Vielzahl von Wirkungen im Organismus. Das Prostaglandin E2 (PGE2) beispielsweise kann nach Überwindung der Blut-Hirn-Schranke Rezeptoren auf Neuronen und Gliazellen aktivieren und so das Schmerzempfinden steigern, Fieber auslösen und Entzündungsreaktionen hervorrufen. Durch die Hemmung der Cyclooxygenase werden weniger Prostaglandine gebildet, so dass die Schmerzempfindlichkeit nachlässt (analgetische Wirkung) und Entzündungen verringert werden (antiphlogistische Wirkung). Die verminderte Bildung von Thromboxanen (Thromboxan A2) in den Thrombozyten infolge Hemmung der Cyclooxygenase führt zur Beeinträchtigung der Blutgerinnung. ASS wird daher in geringer Dosis (100 mg) zur Myokard- oder Hirninfarktprophylaxe eingesetzt. b) Auch die Nebenwirkungen der nichtsteroidalen Antiphlogistika (NSAS), zu denen neben ASS auch Ibuprofen und Diclofenac gehören, beruhen auf der Hemmung der Prostaglandinbiosynthese. So ist PGE2 für den Schutz der Magenschleimhaut förderlich, da es die Schleimproduktion stimuliert. Eine längere Einnahme von NSAS erhöht daher das Risiko für eine Magenblutung oder die Ausbildung eines Geschwürs. Arachidonsäure ist nicht nur Vorläufer der Prostaglandine und Thromboxane, sondern auch für die Leukotriene, die unter Katalyse der 5-Lipoxygenase gebildet werden. Bei einer Hemmung der Cyclooxygenase steht vermehrt Arachidonsäure für die Umwandlung in Leukotriene zur Verfügung. Aus dem zunächst gebildeten Epoxid (LTA4) entstehen durch Anheftung des Tripeptids Glutathion die sogenannten Cysteinylleukotriene. Sie wirken bronchokonstriktorisch und sind damit wesentlich für die typischen Symptome bei Asthma verantwortlich.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

593

Plasmamembran

Phospholipase A2 COOH Arachidonsäure ASS

Cyclooxygenase

Prostaglandine, Thromboxane O

5-Lipoxygenase

Leukotriene O

COOH

COOH LTA4

O OOH

PGG2 OH

O

COOH COOH C5H11

HO

Glu OH

S Cys

LTC4 Cys

PGE2

Lösung 488 a) Da Cumarin-Derivate erst nach einigen Tagen ihre maximale Wirkung entfalten, greift man, wenn rasches Handeln erforderlich ist, zu Heparin als Gerinnungshemmer. Chemisch gesehen handelt es sich dabei um Polysaccharide (Glykosaminoglykane), bestehend aus einer variablen Anzahl von Aminozuckern mit einer molaren Masse zwischen ca. 4×103 und 4×104 g/mol. Da Heparin nicht aus dem Magen-Darm-Trakt resorbiert wird, muss es parenteral appliziert werden. Die gerinnungshemmende Wirkung beruht darauf, dass im Blut Antithrombin III zirkuliert, ein Enzym, das aktivierte Gerinnungsfaktoren hemmt. Heparin bindet an Antithrombin III, was die von diesem katalysierte Reaktion etwa 1000-fach schneller ablaufen lässt.

594

Kapitel 14

b) Cumarin-Derivate wie Phenprocoumon und Warfarin sind Vitamin K-Antagonisten. Aufgrund ihrer strukturellen ÄhnOH lichkeit mit Vitamin K wirken sie als kompetitive Inhibitoren der Chinon- und der Epoxid-Reduktase, zwei am Wirkungsmechanismus von Vitamin K beteiligten Enzymen. Dadurch O O kommt es zur Unterbrechung des Vitamin K-Kreislaufs (vgl. Phenprocoumon (Marcumar) Abbildung folgende Seite) und die Gerinnungszeit verlängert sich. Allerdings dauert es einige Tage, bis sie ihre maximale Wirkung entfalten, da die Konzentration der vorhandenen (J-carboxylierten und damit wirksamen!) Gerinnungsfaktoren im Plasma erst allmählich sinkt. In Anwesenheit der CumarinDerivate wird durch Verhinderung der J-Carboxylierung die Neubildung aktiver Gerinnungsfaktoren unterbunden. c) Die fettlöslichen Vitamin K-Derivate Phyllochinon (Vitamin K1, in Pflanzen) und Menachinon (Vitamin K2; von Darmbakterien gebildet) fungieren als Coenzym des Enzyms JCarboxylase, das für die Umwandlung von Glutamatresten in J-Carboxyglutamat zuständig ist. Die J-Carboxyglutamatreste (Gla) sind essentiell für die Funktion einer Reihe von Blutgerinnungsfaktoren (Faktoren II, VII, IX, X), da sie eine Ca2+-abhängige Bindung der Gerinnungsfaktoren an negativ geladene Lipidmembranen ermöglichen, z.B. bei der Bildung des sogenannten Prothrombinase-Komplexes aus Faktor Va, Faktor Xa, Ca2+ und der Oberfläche von Thrombozyten. Er überführt das Prothrombin (Faktor II) in aktives Thrombin (IIa), welches schließlich Fibrinogen in Fibrin überführt und andere Faktoren aktiviert. Zunächst wird Vitamin K2 (Menachinon) durch eine NADPH-abhängige Chinon-Reduktase zum K2-Hydrochinon reduziert. Dieses wird nach Anlagerung von O2 in das stark basische Vitamin K-Alkoxid umgewandelt, das ein Proton am Glutamatrest abspalten kann. Dadurch kann am J-C-Atom des Glutamatrestes CO2 addiert werden. Das Vitamin K2 wird durch diese Reaktionssequenz in das Vitamin K2-Epoxid überführt, das durch die Epoxid-Reduktase wieder zu Vitamin K2 regeneriert werden muss. Die beiden H-Atome stammen dabei von zwei Mercaptogruppen, die zu einer Disulfidbrücke oxidiert werden. Die biologische Aktivität von Vitamin K ist also auf seine Fähigkeit zurückzuführen, zwischen seiner oxidierten (Chinon) und reduzierten (Hydrochinon) Form im Vitamin K-Zyklus zu wechseln. Die Epoxid-Reduktase und die Vitamin-K-Reduktase können durch die gerinnungshemmenden Medikamente Dicoumarol, Marcumar“ und Warfarin inhibiert werden.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

595

O CH3 S

S +

NADPH/H

R O

H 2O

Vitamin K2

NADP Chinon-Reduktase OH CH3

EpoxidReduktase

SH SH

R Vitamin K2- OH Hydrochinon O2

Vitamin KAntagonisten z.B. Marcumar, Warfarin

O CH3 O

O

R

CH3

O

O

Vitamin K2Epoxid

R HO

H N

O CH CH2

OOC CH

J-Carboxylase

C

+

H2O

COO J-Carboxyglutamatrest

H N

O O

CH CH2 CH2

C +

CO2

COO Glutamatrest

Lösung 489 a) Das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) ist eine Kaskade von verschiedenen Hormonen und Enzymen, die im Wesentlichen den Salz- und Wasserhaushalt des Körpers steuern. Zusätzlich ist RAAS eines der wichtigsten blutdruckregulierenden Systeme des Körpers. Am Anfang der Renin-Angiotensin-Aldosteron-Kaskade steht die Freisetzung des Enzyms Renin aus spezialisierten Anteilen des Nierengewebes, dem sogenannten juxtaglomerulären Apparat. Wichtige Sekretionsstimuli sind ein erhöhter Sympatikustonus sowie ein Abfall des Blutdrucks und/oder ein Verlust an NaCl und Wasser (und damit Blutvolumen).

596

Kapitel 14

Renin ist eine Aspartat-Protease und spaltet aus dem in der Leber gebildeten Protein Angiotensinogen das Decapeptid Angiotensin I ab. Dieses wiederum wird von einem weiteren Enzym, dem Angiotensin Converting Enzyme (ACE) in das biologisch aktive Octapeptid Angiotensin II umgewandelt. Für das Angiotensin II existieren zwei verschiedene, als AT1 und AT2 bezeichnete Rezeptoren, wobei die meisten Effekte über AT1, einen 7-Transmembranhelix-Rezeptor, vermittelt werden. Über ein Gq-Protein und die Phospholipase C wird die Freisetzung von Ca2+ stimuliert und die Proteinkinase C aktiviert. Das Angiotensin II bewirkt in erster Linie eine starke Verengung der feinen Blutgefäße (Vasokonstriktion), was direkt zu einer Erhöhung des Blutdrucks führt. In der Nebennierenrinde führt Angiotensin II zu einer Freisetzung des Hormons Aldosteron. Dieses fördert in den Nierenkanälchen den Rücktransport von Na+-Ionen und Wasser aus dem Urin ins Blut, wodurch die NaCl-Konzentration des Blutes und das Blutvolumen steigen. In der Hypophyse führt Angiotensin II zu einer vermehrten Freisetzung des antidiuretischen Hormons (ADH; auch Vasopressin genannt). Dieses Hormon führt zu einer verminderten Wasserausscheidung durch die Nieren und dient somit ebenfalls der Konservierung von Wasser. Einerseits steigert das Angiotensin II also die Resorption von Na+-Ionen direkt durch Bindung an spezifische Rezeptoren, andererseits indirekt durch Stimulation der Aldosteron-Biosynthese. Dies führt zu einem höheren Blutvolumen und damit zur Steigerung des Blutdrucks. Eine überschießende Aktivierung des Systems wird durch negative Rückkopplung vermieden. So hemmen ein höherer Blutdruck, Angiotensin II und auch Aldosteron die Freisetzung von Renin. b) ACE-Hemmer sind Arzneistoffe, die insbesondere in der Therapie von Hypertonie und der chronischen Herzinsuffizienz Anwendung finden. Sie sind Inhibitoren des Angiotensinkonvertierenden Enzyms (ACE), das wie oben beschrieben für die Bildung von Angiotensin II aus dem Vorläuferpeptid Angiotensin I verantwortlich ist. Die wichtigsten in der Therapie verwendeten Vertreter dieser Arzneistoffgruppe sind Captopril, Enalapril, Lisinopril und Ramipril. Diese zählen auf Grund ihrer großen therapeutischen Bedeutung zu den umsatzstärksten Arzneistoffen überhaupt. ACE-hemmende Inhaltsstoffe, wie das Pentapeptid mit der Bezeichnung BPP5a, wurden zuerst in Schlangengiften gefunden, wobei als wirksame Komponente die Sequenz Trp–Ala–Pro fungiert. Da BPP5a und das Tripeptid im Körper sehr schnell abgebaut werden, wurden zahlreiche Modifikationen am Molekül vorgenommen, um die Wirkdauer zu verlängern. Bis auf Captopril und Lisinopril sind alle therapeutisch genutzten ACE-Hemmer sogenannte Prodrugs, die erst im Körper aktiviert werden. Im Fall von Enalapril und Ramipril geschieht dies durch Abspaltung der Ethylgruppe durch Esterasen, wodurch die Wirkform, das Enalaprilat bzw. Ramiprilat, mit einer freien Carboxylatgruppe entsteht, welche dann das Zink-Ion des ACE komplexieren kann.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

HO O HS

HO

O

H

O

N

N Captopril

597

O

O

N

O Enalapril

Die Hemmung des Angiotensin Converting Enzyme hat eine Abnahme der Angiotensin IIKonzentration an den Angiotensin-Rezeptoren AT1 und AT2 zur Folge. Primär sinkt dadurch der Blutgefäßtonus und der Blutdruck nimmt ab. Sekundär führt die Abnahme des Angiotensin II-Spiegels zu einer Verringerung der Aldosteron-Freisetzung aus der Nebennierenrinde und somit zu einer Beeinflussung des Wasserhaushalts. Der molekulare Wirkmechanismus der ACE-Hemmer beruht auf ihrer Ähnlichkeit zum C-Terminus des Angiotensin I. Dadurch werden ACE-Hemmer vom Angiotensin Converting Enzyme fälschlich für das physiologische Substrat gehalten, können jedoch nicht umgesetzt werden und blockieren das Enzym somit.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/ACE-Hemmer c) Alternativ kann die Wirkung des Angiotensin II an seinem Wirkungsort, nämlich am Angiotensin-Rezeptor blockiert werden (Angiotensin-Rezeptor-Blocker oder AT1-Antagonisten). Diese Substanzgruppe ist eine Weiterentwicklung der ACE-Hemmer und seit 1996 am Markt. Gegenüber den ACE-Hemmern bietet sie im Wesentlichen den Vorteil, dass die häufigste Nebenwirkung der ACE-Hemmer (trockener Reizhusten) nicht auftritt. Weitere organprotektive Vorteile sind Gegenstand zahlreicher aktueller Studien. Bei den Verbindungen handelt es sich um Weiterentwicklungen der Muttersubstanz Losartan, dem ersten nichtpeptidischen AT1-Antagonist. Alle AT1-Antagonisten zeigen eine mehr als 104-fache Selektivität für den AT1-Rezeptor im Vergleich zum AT2-Rezeptor und besitzen mit Ausnahme von Valsartan entweder ein Imidazol- oder Benzimidazol-Grundgerüst.

598

Kapitel 14

Lösung 490 a) Histamin-Rezeptorantagonisten, sogenannte Antihistaminika, sind Wirkstoffe, welche die Wirkung des körpereigenen Botenstoffs Histamin abschwächen oder aufheben, indem sie Histamin-Rezeptoren blockieren. Histamin entsteht durch Decarboxylierung aus der Aminosäure Histidin; es handelt sich um ein biogenes Amin mit einer Vielzahl zellulärer Wirkungen. Antihistaminika werden entsprechend ihrer Selektivität für die vier verschiedenen HistaminRezeptoren (die zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren gehören) in H1-, H2-, H3- und H4Antihistaminika unterteilt. Lediglich die H1- und H2-Antihistaminika besitzen derzeit therapeutische Bedeutung und werden insbesondere zur Behandlung von Allergien bzw. gegen Magenschleimhautentzündung eingesetzt. Das wichtigste Anwendungsgebiet der H1-Antihistaminika ist die Behandlung allergischer Beschwerden, wie Hautrötung, Juckreiz, Conjunctivitis und Rhinitis. Je nach Fähigkeit die Blut-Hirn-Schranke zu passieren (ZNS-Gängigkeit) zeigen sie ein unterschiedliches Spektrum zusätzlicher zentralnervöser Wirkungen und Nebenwirkungen. H1-Antihistaminika werden in Präparate der ersten, der zweiten und bisweilen der dritten Generation unterteilt, wobei sich die H1-Antihistaminika der ersten einerseits und der zweiten und dritten Generation andererseits im Wesentlichen durch ihre ZNS-Gängigkeit unterscheiden. H2-Antihistaminika sind Arzneistoffe, welche die durch H2-Rezeptoren (im Herz, in den Blutgefäßen und insbesondere in der Magenschleimhaut zu finden) vermittelte Histaminwirkung hemmen. H2-Rezeptoren sind regulatorisch an der Produktion des Magensafts beteiligt; die entsprechenden Antagonisten, wie z.B. Ranitidin, werden daher bei der Therapie von Magenund Zwölffingerdarmgeschwüren eingesetzt. Ebenso werden sie als Begleittherapie beim Langzeiteinsatz von bestimmten Schmerzmitteln (z.B. Acetylsalicylsäure) verwendet, um das Auftreten von solchen Geschwüren zu reduzieren. Für diese Indikationen haben sie jedoch gegenüber Medikamenten aus der Gruppe der Protonenpumpenhemmer (z.B. Omeprazol), die ein günstigeres Nutzen-Risiko-Verhältnis aufweisen, an Bedeutung verloren. Hemmstoffe der H3- und H4-Rezeptoren werden bislang nicht therapeutisch genutzt. b) Die 1-Ribosylimidazolylessigsäure ist ein Abbauprodukt des Histamins. Dieses wird im Körper über zwei verschiedene Wege abgebaut. Während insbesondere im Zentralnervensystem zunächst eine Inaktivierung zum N-Methylhistamin durch das Enzym Histamin-NMethyltransferase erfolgt, spielt die Methylierung in den peripheren Geweben nur eine geringere Rolle. Hier wird das Histamin zunächst durch eine Diamin-Oxidase zum Imidazolylacetaldehyd und durch eine Aldehyd-Oxidase weiter zu Imidazolylacetat abgebaut. Dieses wird dann nach Ribosylierung über die Nieren ausgeschieden.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

Diamin-Oxidase

NH3

H N

599 O

H N N

N Histamin

H

Imidazolylacetaldehyd HO O

Aldehyd-Oxidase

O

H N N

O

N N

Ribosylierung

O

O

Imidazolylacetat

OH

OH

1-Ribosylimidazolylacetat

Lösung 491 a) Das Bilirubin ist ein Zwischenprodukt des Häm-Abbaus auf dem Weg zu den als Gallenfarbstoffen bezeichneten Verbindungen Urobilin und Stercobilin. Dabei wird in Makrophagen (überwiegend in der Milz) zunächst das Porphyrinringsystem des Häms durch eine Cytochrom P450-abhängige Monooxygenase (Häm-Oxygenase) aufgespalten. Als Cofaktor fungiert NADPH/H+. Es kommt zur Oxidation einer Methinbrücke (=CH–) des Ringsystems unter Freisetzung des Eisen-Ions als Fe3+ und eines Kohlenstoffatoms in Form von CO. Das entstehende lineare Tetrapyrrol-System besitzt blau-grüne Farbe und wird als Biliverdin bezeichnet. Durch NADPH/H+-abhängige Reduktion der zentralen Methinbrücke zu einer CH2Gruppe, katalysiert durch die Biliverdin-Reduktase, wird das konjugierte S-Elektronensystem unterbrochen und das Biliverdin geht in das orange-rote Bilirubin über. Dieses wird auch als „indirektes Bilirubin“ bezeichnet; es ist wasserunlöslich und muss für den Transport in die Leber an Albumin gebunden werden. In der Leber wird das Bilirubin mit UDP-Glucuronat zum (wasserlöslichen) Diglucuronid („direktes Bilirubin“) konjugiert, das aktiv in die Gallenkanälchen ausgeschieden wird und mit der Galle in den Darm gelangt. Im Colon wird das Glucuronat durch Bakterien wieder abgespalten. Durch mehrere Redoxreaktionen wird das Bilirubin dann über Urobilinogen und Stercobilinogen zu den Gallenfarbstoffen Urobilin und Stercobilin abgebaut, die für die dunkle Farbe der Faeces verantwortlich sind. Wird besonders viel Häm abgebaut, gelangt Urobilin zunehmend auch in den Urin und färbt diesen entsprechend dunkel.

600

Kapitel 14

Häm

Milz

3 NADPH/H 3 O2

Häm-Oxygenase

3 NADP 3 H2O CO Fe3+

OOC

H2C H3C

H3C

2

COO 2 H3C

H2C H3C Biliverdin

O

N H

N H

N H

N

O

NADPH/H

BiliverdinReduktase

NADP OOC

H2C H3C

H3C

2

COO 2 H3C

H2C H3C Bilirubin

O

Leber

N H

N H

N H

N

O

2 UDP-Glucuronat

UDP-GlucuronylTransferase

2 UDP Bilirubindiglucuronid 2 Glucuronat

Dickdarm

Stuhl

Urobilin Stercobilin

b) Beim prähepatischen (hämolytischen) Ikterus kommt es durch den stark gesteigerten Zerfall von Erythrozyten im Rahmen einer Hämolyse zum vermehrten Anfall von Bilirubin, so dass die Fähigkeit der Leber zur Biotransformation (Konjugation mit Glucuronsäure) überschritten wird. Derselbe Mechanismus tritt physiologischerweise auch beim Neugeborenen-

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

601

ikterus auf. Kurz nach der Geburt werden die mit dem fetalen Hämoglobin beladenen Erythrozyten vermehrt abgebaut und durch neu gebildete rote Blutkörperchen ersetzt. Der Neugeborenenikterus ist Zeichen dieser ablaufenden Reaktion und üblicherweise unschädlich. Der hepatische oder hepatozelluläre Ikterus kann durch Störungen der Aufnahme, der Konjugation oder des Transports von Bilirubin bedingt sein. Eine unzureichende Aufnahme von unkonjugiertem Bilirubin kann einerseits durch eine Leberzellschädigung, beispielsweise im Rahmen einer Virushepatitis oder einem akuten Leberversagen, oder andererseits durch eine Überlastung des zelleigenen Transportsystems bedingt sein. Einige Medikamente müssen über die selben Transportwege ausgeschieden werden und können dabei mit dem Bilirubin konkurrieren. Störungen in der Konjugation von Bilirubin kommen meist durch Gendefekte der beteiligten Enzyme (v.a. der UDP-Glucuronyl-Transferase) zustande. Bei einem posthepatischen Ikterus ist der Häm-Abbau zu den Gallenfarbstoffen hinter der Leber gestört; die Leber kann also das Bilirubin noch konjugieren, das Produkt kann aber nicht mehr ausgeschieden werden. Hier liegt eine Störung des Gallenabflusses aus der Leber durch den Ductus choledochus in das Duodenum vor. Da in der Galle neben Bilirubin auch verschiedene andere Substanzen ausgeschieden werden, treten neben der Gelbfärbung von Haut und Schleimhäuten auch verschiedene andere Symptome auf. Gemeinsam werden alle Erscheinungen unter der Bezeichnung Cholestase subsummiert. Am häufigsten sind es Gallensteine, die im Ausführungsgang steckenbleiben und ihn verlegen. Aber auch Tumoren (ausgehend von Bauchspeicheldrüse, Gallenblase, Gallengängen oder dem Zwölffingerdarm) können zu plötzlichen Verschlüssen des Ausführungsganges und damit zu einem Verschlussikterus führen. Ein Symptom, welches bei jeder Form eines Verschlussikterus auftritt, ist die blasse Farbe des Stuhls, wobei gleichzeitig der Urin dunkel gefärbt ist. Die blasse Farbe rührt daher, dass die Gallenfarbstoffe, die zur Stuhlfärbung beitragen, den Darm nicht mehr erreichen. Der dunkle Urin ist auf die Ausscheidung von Gallensalzen über die Nieren zurückzuführen.

Lösung 492 a) Als (exzitatorischer) Neurotransmitter an der motorischen Endplatte fungiert das Acetylcholin. Es bindet an nicotinerge Acetylcholinrezeptoren, die sich an der motorischen Endplatte und am ersten Neuron des vegetativen Nervensystems (Parasympathikus und Sympathikus) befinden, sowie an muscarinerge Rezeptoren am zweiten Neuron des Parasympathikus. Nach Bindung des Acetylcholins an nicotinerge Acetylcholinrezeptoren wird die Muskelzellmembran depolarisiert; es kommt zur Kontraktion. Im vegetativen Nervensystem führt die Bindung von Acetylcholin zur Erhöhung der Aktivität des Parasympathikus. Die Acetylcholinesterase sorgt anschließend für eine rasche Spaltung des Acetylcholins und damit für seine Inaktivierung. Muskelrelaxanzien sind Arzneimittel, die eine reversible (vorübergehende) Entspannung der Skelettmuskulatur bewirken. Entsprechend ihrem Wirkmechanismus unterscheidet man zwi-

O

CH3 O

N CH 3 CH3

Acetylcholin O

CH3 O O

O

N CH 3 CH3 CH3 N CH 3 CH3

Succinylcholin (Suxamethonium)

602

Kapitel 14

schen den direkt an der motorischen Endplatte des Muskels angreifenden peripheren Muskelrelaxanzien und den zentralen Muskelrelaxanzien, die im Zentralnervensystem den Muskeltonus herabsetzen. Periphere Muskelrelaxanzien werden zur Durchführung von Narkosen im Rahmen von Operationen eingesetzt, um den Tonus der Skelettmuskulatur herabzusetzen oder gänzlich aufzuheben, zentrale Muskelrelaxanzien zur Behandlung von spinal ausgelösten Spastiken oder lokalen Muskelspasmen. Die Substanzen lagern sich an die nicotinergen Acetylcholinrezeptoren der Muskelzelle an. Bei einer Erregung der Nervenzelle wird dann zwar Acetylcholin freigesetzt, kann aber an der Muskelzelle nicht adäquat wirken. Der Muskel ist somit vorübergehend gelähmt, aktive Bewegungen sind ausgeschlossen. Depolarisierende Muskelrelaxanzien wirken als Agonisten (erregend) am Rezeptor, sie lösen eine lang anhaltende Depolarisation aus und sind nicht antagonisierbar. Ein Beispiel ist die Verbindung Suxamethonium, das auch als Succinylcholin (Handelsname Lysthenon®) bekannt ist. Durch den Wirkmechanismus der Substanz werden vor Einsetzen der Lähmung kurzzeitig Muskelzuckungen (Faszikulationen) individuell unterschiedlicher Stärke ausgelöst. Nichtdepolarisierende Muskelrelaxanzien binden als kompetitive Antagonisten (hemmend) an den Rezeptor, ohne eine Depolarisation auszulösen. Durch die Blockade wird die Wirkung des Acetylcholins verhindert. Zu dieser (größeren) Gruppe gehört z.B. das Atracurium (Handelsname TRACRIUM®), das bei Operationen und in der Intensivmedizin eingesetzt wird. b) Da nichtdepolarisierende Muskelrelaxanzien als kompetitive Antagonisten (hemmend) an den Rezeptor binden, kann ihre Wirkung durch Erhöhung der Acetylcholinkonzentration unterbrochen werden. Dies macht man sich bei der Ausleitung von Narkosen zunutze. Dabei werden meist Cholinesterase-Hemmer wie Neostigmin eingesetzt, die zu einem Anstieg der Konzentration von Acetylcholin in den Synapsen führen, was den Tonus von Parasympathikus und Skelettmuskeln erhöht. Neostigmin wird auch bei Vergiftungen mit kompetitiven Acetylcholinrezeptor-Antagonisten (z.B. Curare, Procuron) angewendet. Zur Vermeidung von Nebenwirkungen durch die Steigerung des Parasympathikotonus (Bradykardie, Bronchokonstriktion, etc.) kann zusätzlich Atropin verabreicht werden. Atropin hemmt die muscarinergen Acetylcholinrezeptoren durch kompetitive Bindung und blockiert so den Parasympathikus.

CH3 N CH3

H 3C

O O

N

Neostigmin H 3C

CH3

CH3

N OH O Atropin

O

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

603

Lösung 493 a) Die Zellwand verleiht Bakterien ihre Form und mechanische Stabilität. Prokaryonten weisen intrazellulär eine hohe Salzkonzentration auf, so dass der menschliche Körper für sie ein hypotones Medium darstellt. Ohne schützende Zellwand würde das Bakterium dem osmotischen Druck, der durch einströmendes Wasser entsteht, nicht standhalten – es würde zerplatzen. Grampositive und gramnegative Bakterien unterscheiden sich im Aufbau ihrer Zellwände. Beide haben eine Cytoplasmamembran, auf die die Zellwand aufgelagert ist. Bei grampositiven besteht diese aus vielen Schichten des sogenannten Mureins (Peptidoglykan, vgl. b), in welches (Lipo)teichonsäuren und Proteine eingelagert sind. Bei gramnegativen liegt der Cytoplasmamembran (innere Membran) nur eine dünne Peptidoglykanschicht auf, die von einer zweiten, äußeren Zellmembran umgeben wird, die sich aber in Chemie und Aufbau von der Cytoplasmamembran unterscheidet. Der Farbstoff Kristallviolett (Gentianaviolett) ist bei grampositiven Bakterien aufgrund ihrer vielschichtigen Zellwand nicht auswaschbar; daher erscheinen diese Bakterien blau, wohingegen die gramnegativen Bakterien mit sehr dünner Zellwand aufgrund der Auswaschung des Farbstoffs gar nicht oder rot gefärbt sind. b) Peptidoglykane bestehen aus Strängen der zwei β-1Æ4-glykosidisch miteinander verknüpften Zuckerderivatmoleküle N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, die als lineare Kettenmoleküle das Rückgrat bilden. Die parallel angeordneten Stränge sind über ein Oligopeptid quervernetzt. CH3 O

HOCH2

NH

O

O

O

O NH

H 3C O Tetrapeptid

HO

O CH3

O O

HOCH2 N-Acetyglucosamin

N-Acetylmuraminsäure

Die N-Acetylmuraminsäure ist über ein Tripeptid mit zwei D-Alaninmolekülen verknüpft. Entscheidend für die Quervernetzung der Glykanketten sind die bakteriellen Transpeptidasen. Die Transpeptidase erkennt das Dipeptid D-Ala–D-Ala und spaltet ein D-Alanin ab. Das verbleibende D-Alanin wird entweder direkt mit dem Oligopeptid der benachbarten Glykankette über eine Amidbindung verknüpft (z.B. bei E. coli) oder über eine Interpeptidbrücke aus fünf Glycinresten (z.B. bei Staphylococcus aureus), wie im folgenden schematisch gezeigt. Da das Verbindungsstück von Organismus zu Organismus verschiedene Aminosäuren enthalten kann, trägt dies dazu bei, dass über 100 unterschiedliche Arten von Peptidoglykanen bekannt sind. Die D-Aminosäuren verleihen der Zellwand eine natürliche Resistenz gegenüber vielen Proteasen, die i.A. für L-Aminosäuren spezifisch sind.

604

Kapitel 14

Schematische Darstellung der Mureinschicht aus Escherichia coli (links) und aus Staphylococcus aureus (rechts). MurNAc = N-Acetylmuraminsäure; GlcNAc = N-Acetylglucosamin; DAP = Diaminopimelinsäure Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Murein c) Penicillin ist ein β-Lactam-Antibiotikum. Der βH Lactamring ist wegen seiner Vierring-Struktur vergliN S chen mit normalen Säureamiden sehr reaktiv. AufCH3 grund seiner Ähnlichkeit in der Raumstruktur zu dem N CH3 O D-Ala-D-Ala-Dipeptid wird Penicillin von der SerinO COOH protease Transpeptidase als falsches Substrat erkannt, wobei der β-Lactamring gespalten wird. Der entstePenicillin G hende Penicillin-Transpeptidase-Komplex hemmt das Enzym irreversibel, so dass die weitere Zellwandsynthese zum Erliegen kommt. Die fehlende Toxizität von Penicillin auf den Menschen dürfte darauf zurückzuführen sein, dass humane Serinproteasen die D-Ala-D-Ala-ähnliche Raumstruktur nicht erkennen, da in menschlichen Proteinen keine D-Aminosäuren vorkommen. Die Wirkung von Penicillin lässt also (individuell) wachsende Bakterien absterben, beeinflusst aber nicht bereits ausgereifte Bakterien, da ihre Zellwand schon vollständig ausgebildet ist und so kein Angriffspunkt für Penicillin mehr vorhanden ist. Zahlreiche klinisch vorkommende Bakterien sind heute bereits gegen Penicillin resistent, was dazu führt, dass ständig neue β-Lactam-Antibiotika entwickelt werden müssen. Viele Bakterien bilden β-Lactamasen, von denen zur Zeit sind mehr als 340 Varianten bekannt sind. Sie hydrolysieren den allen β-Lactam-Antibiotika gemeinsamen β-Lactamring und können diese somit inaktivieren.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

605

Die genetische Information zur Synthese des Enzyms wird chromosomal oder plasmidal vererbt. Je nach ihrer Wirkung unterscheidet man zwischen Penicillinasen und Cephalosporinasen. Sogenannte Extended Spectrum β-Lactamasen (ESBL) können ein noch größeres Spektrum an β-Lactam-haltigen Antibiotika spalten. Die ESBL entstehen durch eine Punktmutation der bekannten β-Lactamase. Die Gene für die ESBL befinden sich auf Plasmiden, die von Bakterium zu Bakterium weitergegeben werden können. ESBL-tragende Bakterien sind resistent gegen Penicilline, Cephalosporine (Generation 1-4) und gegen Monobactame. Hauptsächlich E. coli und Klebsiellen (gramnegative Bakterien) tragen ESBL-Gene. Um trotzdem β-Lactamase-produzierende Bakterien bekämpfen zu können, werden zusätzlich zu einem β-LactamAntibiotikum β-Lactamase-Inhibitoren wie Clavulansäure, Sulbactam oder Tazobactam verabreicht. Ein weiterer Fortschritt ist das gegen die bakterielle β-Lactamase beständige Flucloxacillin, das man deshalb gegen β-Lactamase-produzierende Bakterien wie Staphylokokken einsetzen kann.

F O Cl N

N H

S

CH3

d) Das Kürzel MRSA steht für Methicillin-resisN CH3 O CH3 tente Staphylococcus aureus-Stämme. Bei etwa O 25 % der in Kliniken auftretenden StaphyloCOOH coccus aureus-Stämme ist die Struktur der TransFlucloxacillin peptidase aufgrund einer Mutation so verändert, dass auch penicillinasefeste Isoxazolylpenicilline ebenso wie andere β-Lactam-Antibiotika nicht mehr wirken. Die Bezeichnung Methicillin-resistent leitet sich von einem solchen, heute nur noch zu Testzwecken eingesetzten Isoxazolylpenicillin ab. Da MRSA häufig zusätzlich gegenüber anderen Klassen von Antibiotika, wie Aminoglykosiden oder Gyrase-Hemmern resistent sind, ist ihre Ausbreitung in Kliniken höchst gefürchtet.

Lösung 494 a) Oxidative Decarboxylierungen werden katalysiert von der Pyruvat-Dehydrogenase (Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA), der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase (Umwandlung von α-Ketoglutarat in Succinyl-CoA im Citratzyklus) sowie der α-Ketoisovalerat-Dehydrogenase (oxidative Decarboxylierung der α-Ketosäuren der verzweigtkettigen Aminosäuren Leucin, Isoleucin und Valin). Als Cofaktoren werden neben Thiaminpyrophosphat (vgl. c)) Liponamid, NAD+, FAD und Coenzym A benötigt. b) Leucin, Isoleucin und Valin sind verzweigtkettige Aminosäuren. Im Zuge ihres Abbaus werden sie zunächst zur entsprechenden α-Ketosäure transaminiert und anschließend oxidativ decarboxyliert. Letztere Reaktion wird durch den Multienzymkomplex Isovalerat-Dehydrogenase katalysiert. Bei der Ahornsirup-Krankheit handelt es sich um einen autosomal-rezessiv vererbten Defekt dieses Multienzymkomplexes. In der Folge kommt es zu einer Anreicherung von Leucin, Isoleucin und Valin sowie deren α-Ketosäuren im Blut und im Urin. Die leicht flüchtigen α-Ketosäuren geben dem Urin den charakteristischen Geruch nach Maggi bzw.

606

Kapitel 14

Ahornsirup. Erforderlich ist eine Diät, die arm, jedoch nicht frei (da es sich um essentielle Aminosäuren handelt) der genannten Aminosäuren ist. c) Ein Mangel an Thiamin (und damit an Thiaminpyrophosphat, dem essentiellen Coenzym der α-Ketosäure-Dehydrogenasen) führt zu eingeschränkter Funktion der unter a) genannten Multienzymkomplexe. Bei mangelnder Funktion der Pyruvat-Dehydrogenase kann Pyruvat nicht ausreichend in Acetyl-CoA umgewandelt und in den Citratzyklus eingespeist werden. Dadurch wird nur wenig ATP gebildet; die eingesetzte Glucose wird nur ineffizient genutzt. Analog führt auch mangelnde Aktivität der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase zu unzureichendem Abbau von Acetyl-CoA und damit letztlich zu Energiemangel, sowie zu Zellschädigungen durch aufgestautes α-Ketoglutarat. Insgesamt resultiert aus dem Vitamin B1-Mangel eine ineffiziente Glucoseausnutzung und dadurch ein Mangel an Energie in Form von ATP. Betroffen sind hiervon v.a. Gewebe mit einem hohen Umsatz an Glucose, d.h. insbesondere Nervensystem, Herz- und Skelettmuskulatur. Daraus resultieren als Symptome der sogenannten Beriberi-Krankheit neurologische Störungen, Herzfunktionsstörungen und Skelettmuskelschwund. Thiamin-Mangel (und Beriberi) treten v.a. in ostasiatischen Ländern auf, in denen geschälter Reis als Hauptnahrungsmittel dient. Durch das Schälen geht der Großteil des Vitamin B1 verloren, das in der Reisschale enthalten ist.

Lösung 495 a) Iodid wird vom Körper für die Synthese der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin (T3) und Tetraiodthyronin (Thyroxin; T4) in den Follikelepithelzellen der Schilddrüse benötigt. Ausgangssubstanzen für die Synthese sind das Glykoprotein Thyreoglobulin, welches zahlreiche Tyrosinreste enthält, und Iodid. Letzteres wird von den Follikelepithelzellen mittels einer Iodidpumpe unter Verbrauch von ATP gegen den Konzentrationsgradienten aufgenommen und von einer membrangebundenen Peroxidase zu Iod oxidiert. Dieses Enzym katalysiert gleichzeitig auch die Übertragung des Iods auf die Tyrosinreste des Thyreoglobulins unter Bildung von 3-Mono- und 3,5-Diiodtyrosin. Die Mono- und Diiodtyrosylreste können anschließend unter Ausbildung einer Etherbindung verknüpft werden; dabei entsteht aus einem Mono- und einem Diiodtyrosin das T3 und aus zwei Diiodtyrosinresten das T4 als Hauptprodukt der Schilddrüse. Diese thyreoglobulingebundenen Reste stellen die Speicherform der Schilddrüsenhormone im Follikel dar. I Durch TSH, das Thyroidea-stimulierende Hormon, wird die Schilddrüse zur Freisetzung von T3 und HO I COO T4 angeregt. Dazu wird das Thyreoglobulin in den Lysosomen der Thyreozyten zerlegt und die HorNH3 O mone an das Blut abgegeben, wo sie überwiegend (I) gebunden an Transportproteine (ThyroxinI bindendes Globulin (TBG), Thyroxin-bindendes Triiodthyronin (T3) bzw. Thyroxin (T4) Präalbumin (TTR, auch Transthyretin) und Albumin) zu den Zielzellen transportiert werden. Der wesentlich kleinere, aber biologisch aktive Anteil der Schilddrüsenhormone liegt nicht an Proteine gebunden vor, sondern zirkuliert frei im Blut.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

607

Durch den thyreotropen Regelkreis wird die Konzentration an Schilddrüsenhormonen im Blutplasma reguliert. Die Hypophyse schüttet das Steuerhormon Thyreotropin (TSH) aus, das in der Schilddrüse die Sekretion von Thyroxin (T4) und Triiodthyronin (T3) anregt. Umgekehrt hemmen Schilddrüsenhormone im Sinne einer negativen Rückkopplung die Produktion und Ausschüttung von TSH, so dass sich normalerweise ein Gleichgewichtsspiegel an Schilddrüsenhormonen im Blut einstellt. Die Produktion und die Ausschüttung des TSH hängt zudem von dem Spiegel des Thyreoliberin (TRH) ab, das vom Hypothalamus produziert und ausgeschüttet wird. Während die Plasmakonzentration von T4 wesentlich größer ist als von T3, ist letzteres das biologisch aktivere der beiden Hormone. Durch Deiodierung von T4 mit Hilfe einer (selenhaltigen) 5´-Deiodase wird ein großer Teil des T4 extrathyreoidal in das T3 umgewandelt. b) Speisesalz, das mit Iodat angereichert ist, wird als Iodsalz bezeichnet. Es wird angeboten, um in Gegenden mit iodarmen Böden (und entsprechend niedrigem Iodgehalt der Nahrungsmittel) eine ausreichende Versorgung des Menschen mit dem Spurenelement Iod zu gewährleisten. Das Iodat kann im Körper leicht zum Iodid reduziert werden, wogegen ein direktes Versetzen von Speisesalz mit Iodid aufgrund dessen Oxidationsempfindlichkeit nicht sinnvoll wäre. c) Ein chronischer Iod-Mangel führt zunächst zur Hyperplasie und später Hypertrophie, d.h. zur Größenzunahme der Schilddrüse. Klinisch macht sich das als Kropf (Struma) bemerkbar. Die endemische Struma war in früheren Jahrhunderten geradezu Kennzeichen ganzer Bevölkerungen in iodarmen Gebieten, wie z.B. in Bayern, der Schweiz oder Österreich. Die Hormone T3 und T4 sind von entscheidender Bedeutung für die frühkindliche Entwicklung des Gehirns. Ein bei Geburt bestehender ausgeprägter Mangel an diesen Hormonen führt zur mehr oder minder schweren geistigen Retardierung (bis zum Kretinismus). Deswegen wird routinemäßig jedes Neugeborene auf das Vorliegen einer Hypothyreose (Schilddrüsenunterfunktion) untersucht. Eine Hypothyreose kann erfolgreich durch eine Substitution von T4 behandelt werden.

Lösung 496 a) Durch Biotransformationen werden körperfremde Stoffe (z.B. Pharmaka), aber auch körpereigene apolare Stoffe (z.B. Bilirubin, Gallensäuren, Steroide) in polarere umgewandelt und dadurch leichter ausscheidbar gemacht. In manchen Fällen entsteht dadurch auch erst ein Molekül mit biologischer Aktivität und/oder Toxizität („Giftung“). Biotransformationsreaktionen finden zum überwiegenden Teil im glatten endoplasmatischen Retikulum der Leber statt; dabei unterscheidet man gewöhnlich zwei Phasen. In der Phase I werden funktionelle Gruppen in ein (i.A. unpolares) Molekül eingefügt oder aber auch vorhandene funktionelle Gruppen umgewandelt. In der Phase II (Konjugation) werden anschließend polare Moleküle an die (neuen) funktionellen Gruppen, die durch die Phase I-Reaktionen gebildet wurden, angefügt, so dass eine besser wasserlösliche Verbindung entsteht, die über die Niere oder die Galle ausgeschieden werden kann.

608

Kapitel 14

Die wohl häufigsten Phase I-Reaktionen sind Oxidationsreaktionen, insbesondere Hydroxylierungen, die durch Cytochrom P450-abhängige Monooxygenasen katalysiert werden. Diese hydroxylieren Xenobiotika wie auch körpereigene Substanzen, wofür molekularer Sauerstoff und NADPH/H+ benötigt werden. Eines der beiden Sauerstoffatome wird auf das Substrat übertragen, aus dem anderen entsteht Wasser. Die Cytochrom P450-abhängigen Monooxygenasen bilden eine große Enzymfamilie; ihre Substratspezifität ist gering. Dabei wird die Expression dieser Enzyme durch ihre Substrate initiiert. So ist es verständlich, dass Pharmaka, die über das gleiche Enzym abgebaut werden, sich gegenseitig in ihrer Pharmakokinetik beeinflussen. Weitere Phase I-Reaktionen sind Dealkylierungen und Desaminierungen, Epoxidierungen, Methylierungen sowie hydrolytische Spaltungen von Estern, Amiden und Ethern. In der zweiten Phase werden die Fremdstoffe oder Metaboliten der ersten Phase mit endogenen, meist stark wasserlöslichen Stoffen verbunden. Zu den Reaktionen der Phase II gehören insbesondere die Glucuronidierung mit Hilfe von UDP-Glucuronat (am wichtigsten), ferner die Sulfatierung mittels Phosphoadenosin-Phosphosulfat (PAPS), die Acetylierung (mit Acetyl-CoA) und die Konjugation mit Aminosäuren (Amidierung). R H

O2

+

+

Monooxygenase

NADPH/H

Phase I

OOC R OH

+

HO HO

UDP-GlucuronylTransferase

O O OH

R OH

UDP

Phase II

+

H2O

NADP

+

OOC HO HO

O O OH

+

UDP

R

b) Paracetamol ist ein häufig eingenommenes Analgetikum und Antipyretikum (z.B. Benuron®), das bis vor Kurzem frei verkäuflich war. Es wirkt hauptsächlich zentral über eine Hemmung der zerebralen Prostaglandinsynthese, wobei der genaue Wirkmechanismus noch nicht endgültig geklärt ist. Die normale Einzeldosis liegt bei 500–1000 mg. Diese kann bis zu viermal täglich eingenommen werden, woraus sich eine maximale Tagesdosis von 4000 mg ergibt. Paracetamol wird rasch und vollständig aus dem Gastrointestinaltrakt resorbiert; die Bioverfügbarkeit liegt zwischen 70 und 90 %. Die Metabolisierung via Phase II-Reaktion findet überwiegend in der Leber statt. Hauptmetabolit ist zu ca. 55 % das unwirksame Paracetamol-Glucuronid, ca. 30 % werden durch die Arylsulfotransferase sulfatiert. Nur ca. 5 % einer Paracetamol-Dosis werden unverändert im Harn ausgeschieden. Besonders bei hohen Paracetamol-Dosen können noch weitere Metaboliten von Paracetamol gebildet werden. Es erfolgt dann eine Oxidation über das CYP450-System zu N-Acetyl-pbenzochinonimin. Daraus entsteht durch Reaktion mit dem Tripeptid Glutathion das CysteinKonjugat, welches zu ca. 5 % ausgeschieden wird. Es kann aber auch weiter durch die NAcetyltransferase zum Mercapturat umgewandelt werden. Auch dieses wird dann zu ca. 5 % mit dem Harn eliminiert. Wenn nicht ausreichend Glutathion vorhanden ist, kann das elektrophile N-Acetyl-p-benzochinonimin kovalent an SH-Gruppen von Leberproteinen binden. Dies führt zu Leberzellschädigungen und -nekrosen. Paracetamol ist deshalb in größerer Menge hepatotoxisch; Dosen von 8 g und mehr führen zu schweren und u.U. sogar tödlichen Leberschäden. Derart hohe Dosen werden häufig aus Versehen oder in suizidaler Absicht eingenommen.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

609

Enzyminduktoren, die die CYP450-Synthese stimulieren, können die Lebertoxizität von Paracetamol erhöhen, da mehr von dem reaktiven Metaboliten N-Acetyl-p-benzochinonimin gebildet wird. Bei gleichzeitiger Einnahme von Paracetamol und Enzyminduktoren wie z.B. Phenobarbital, Carbamazepin oder Rifampicin können daher auch ansonsten nicht toxische Dosen die Leber schädigen. Zur Therapie einer Paracetamol-Intoxikation nimmt man SH-Donatoren, wie z.B. N-Acetylcystein. Diese fördern die Bildung von Glutathion, wodurch der reaktive lebertoxische Metabolit N-Acetyl-p-benzochinonimin inaktiviert werden kann, bevor er an Leberproteine bindet. OOC O

HO HO

UDPGlucuronat

O

N

CH3

N

Paracetamol-Glucuronid

Konjugation (Phase II)

O

HO

O

OH

H

CH3

H

H Paracetamol

PAPS

N

O O S O O

Giftung

CYP450

CH3 O

Paracetamol-Sulfat Ausscheidung

N

CH3 O

O

N-Acetylcystein

N-Acetyl-p-Benzochinonimin

CH3

N O

HO

OOC NH3

H N H

N

O

S N H

S COO

CH3 O

HO

H

O

N

Entgiftung

Glutathion

Leberschädigung

H

O O

Paracetamol-Mercapturat

O

Paracetamol-Glutathion-Konjugat



610

Kapitel 14

Lösung 497 a) Ebenso wie für andere Steroidhomone wird auch die Biosynthese und Freisetzung der Glucocorticoide wie Cortisol durch Hypothalamus und Hypophyse kontrolliert. Durch entsprechende Stimuli (z.B. Hypoglykämie, emotionale Faktoren) wird im Hypothalamus die Sekretion des Corticotropin-Releasing-Hormons (CRH) gesteigert. CRH ist ein kurzkettiges Peptidhormon, das über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor in der Adenohypophyse die Biosynthese und Sekretion des adrenocorticotropen Hormons ACTH stimuliert. Das ACTH reguliert die Synthese von Cortisol sowohl durch Stimulation der Expression der erforderlichen Enzyme als auch der Bildung von NADPH, das für die verschiedenen Cytochrom P450Enzyme als Cofaktor benötigt wird. Die Bildung von Cortisol unterliegt einem zirkadianen Rhythmus, der durch die rhythmische Ausschüttung des CRH bedingt ist. Typisch für das System aus Hypothalamus, Hypophyse und Zielorgan sind vielfältige Rückkopplungsmechanismen. Entsprechend wirkt Cortisol hemmend auf die Freisetzung von CRH und ACTH und hemmt somit seine eigene Synthese. b) Durch den niederen Cortisolspiegel im Blut wird in der Hypophyse vermehrt ACTH gebildet. Die Zellen der Hypophyse, die für die ACTH-Produktion verantwortlich sind, produzieren noch ein zweites Hormon, das MSH (Melanozyten-stimulierendes Hormon), das die in der Haut vorhandenen Melanozyten zur vermehrten Pigmenteinlagerung anregt. Die Haut erscheint dadurch dunkler. Das ist der Grund dafür, dass man den primären Morbus Addison auch „braunen“ Addison oder „Bronzekrankheit“ nennt. c) Glucocorticoide beeinflussen den Stoffwechsel und wirken auch auf verschiedene Organsysteme ein. So ist Cortisol essentiell für die Induktion der Gluconeogenese, da die erforderlichen Enzyme ansonsten nur unzureichend exprimiert werden. Durch Steigerung von Gluconeogenese und Glykogensynthese wird dafür gesorgt, dass die Konzentration an Glucose im Blut auch ohne Nahrungszufuhr konstant gehalten werden kann. Gleichzeitig fördert Cortisol die Lipolyse und den Abbau von Protein, um die freigesetzten Aminosäuren für die Gluconeogenese zur Verfügung zu stellen. Ein stark erhöhter Cortisolspiegel, z.B. in Folge einer langen Behandlung mit Glucocorticoiden, kann zum sogenannten Cushing-Syndrom führen. Neben anderen Symptomen, die z.T. darauf zurückzuführen sind, dass Cortisol in hohen Konzentrationen auch Rezeptoren für Androgene und Mineralocorticoide besetzen kann, führt die stark erhöhte Gluconeogenese zusammen mit der Steigerung der Lipolyse zur Hyperglykämie mit einer diabetischen Stoffwechsellage (auch als „Steroiddiabetes“ bezeichnet). d) Neben den Wirkungen auf den Stoffwechsel helfen Glucocorticoide auch, ein Überschießen von Immunreaktionen zu verhindern. So hemmt das Cortisol die Synthese von Interleukinen, deren Expression während der Immunabwehr hochreguliert wird, und begrenzt dadurch die Immunantwort. Die bei hohen therapeutischen Dosen auftretenden immunsuppressiven Wirkungen macht man sich zur Verhinderung von Gewebeabstoßung nach Transplantationen und bei der Behandlung von Autoimmunkrankheiten zunutze. Grundlage der immunsuppressiven Wirkung ist die Hemmung der Interleukin-Synthese, wodurch die Differenzierung und Proliferation der T-Helferzellen beeinträchtigt wird. Da ohne reife THelferzellen die B-Lymphozyten nicht differenzieren können, unterbleibt die Synthese von Antikörpern; das Immunsystem wird geschwächt.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

611

Ferner steigert Cortisol die Synthese von Lipocortin, das wiederum die Phospholipase A2 und damit die Bildung von Eicosanoiden hemmt. Dadurch entstehen weniger Entzündungsmediatoren wie Prostaglandine; Entzündungen und Schmerz werden gedämpft. Das gezeigte synthetische Glucocorticoid-Derivat Dexamethason wird häufig bei rheumatoider Arthritis verschrieben, bei der das körpereigene Immunsystem Gelenke und andere Gewebe angreift und zerstört. Langanhaltender Gebrauch entzündungshemmender Mittel mit dem Wirkstoff Dexamethason kann jedoch Osteoporose verursachen, wie amerikanische Wissenschaftler entdeckt haben: Die Substanz verlängert die Lebensdauer knochenabbauender Zellen und schwächt sie dabei in ihrer Funktion. In der Folge wird die Aktivität knochenaufbauender Zellen gehemmt, wodurch sich die Bildung neuen Knochenmaterials verzögert, was zu Osteoporose führt. Die Forscher verglichen den Effekt von Dexamethason auf knochenabbauende Zellen gesunder Mäuse und Tiere, denen der Glucocorticoid-Rezeptor fehlt. Der Wirkstoff verzögerte bei gesunden Mäusen den Zelltod der knochenabbauenden Zellen und schwächte ihre Fähigkeit, Knochensubstanz zu resorbieren. Da die Lebensspanne und Funktionsfähigkeit der knochenabbauenden Zellen einen Einfluss auf die knochenaufbauenden Zellen hat, entsteht dadurch Osteoporose.

Lösung 498 a) Glutamat fungiert im ZNS als erregender Neurotransmitter, wogegen GABA inhibitorisch wirkt. Das Glutamat bindet an mehrere verschiedene Rezeptoren, die alle über ligandengesteuerte Ionenkanäle wirken; Na+- und K+-Kanäle (in einem Fall auch Ca2+-Kanäle) werden geöffnet. Es kommt zum Einstrom von Na+, K+ und Ca2+ und dadurch zur Depolarisation, d.h. die Zelle wird erregt. Daneben kann Glutamat auch an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor binden, der via Aktivierung der Phospholipase C zur Bildung der beiden Second messenger Diacylglycerol und Inositol-1,4,5-trisphosphat führt. GABA entsteht durch Pyridoxalphosphat-abhängige Decarboxylierung von Glutamat und kann an die beiden Rezeptoren GABAA und GABAB binden. Der GABAA-Rezeptor ist ein ligandengesteuerter Ionenkanal für Cl–-Ionen, der durch Bindung von GABA an spezifische Bindungsstellen in der β-Untereinheit geöffnet wird. Der resultierende Einstrom von Cl– bewirkt eine Hyperpolarisation des Neurons und erschwert dadurch die Auslösung eines Aktionspotenzials. Eine Bindung an den GABAB-Rezeptor führt letztlich auch zu einer Hyperpolarisation und verminderter Erregbarkeit, allerdings auf indirektem Weg über G-Proteingekoppelte Beeinflussung von K+- und Ca2+-Kanälen. Der Abbau von GABA erfolgt über eine Transaminierung mit α-Ketoglutarat zu Succinatsemialdehyd und Glutamat, d.h. die Vorstufe für die Bindung von GABA (Glutamat) wird dabei regeneriert (sogenannter „GABA-shunt“). b) Normalerweise herrscht im ZNS ein Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung. Während eine Hemmung der GABA-Wirkung zu Übererregung führt, kann umgekehrt eine Förderung der Bindung von GABA an den GABAA-Rezeptor dessen hemmende Wirkung verstärken. Benzodiazepine entfalten ihre Wirkung durch Bindung an eine Benzodiazepin-

612

Kapitel 14

Bindungsstelle auf der α-Untereinheit des GABAA-Rezeptors, wodurch sich dessen Affinität für GABA erhöht. Sie wirken also nur zusammen mit GABA und sind allein nicht in der Lage, den GABAA-Rezeptor zu öffnen. Es wird aber die Wirksamkeit des inhibitorisch wirkenden Neurotransmitters GABA verstärkt, was zur Folge hat, dass die Permeabilität des Chlorid-Kanals (und somit auch der Einstrom der Chlorid-Ionen in die Nervenzelle) erhöht wird, was wiederum zu einer geringeren Erregbarkeit der Neuronenmembran führt. GABA wirkt v.a. in der Formatio reticularis, die die Wachheit steuert, und im limbischen System, das an der Steuerung von Gefühlen beteiligt ist. Benzodiazepine, wie z.B. das lang wirksame Diazepam, finden daher Anwendung bei der Behandlung von Angst- und Unruhezuständen, als Notfallmedikation bei epileptischen Krampfanfällen und als Schlafmittel. Ferner werden sie als Prämedikation vor Operationen verordnet, damit der Patient entspannt und angstfrei ist. Es ist zu beachten, dass bei regelmäßiger Einnahme die Gefahr der Gewöhnung und der Abhängigkeit besteht. Daher sollte die Anwendung von Benzodiazepinen so kurz wie möglich und die Dosis so gering wie möglich sein.

H3C

O

N

Cl

N

Diazepam

Lösung 499 Die beim Abbau von Purinnucleotiden entstehenden freien Purinbasen Adenin, Hypoxanthin und Guanin werden zu einem großen Teil unter Verwendung von 5-Phosphoribosyl-1pyrophosphat (PRPP) wieder zu Nucleotiden umgesetzt. Man spricht vom sogenannten Salvage-Pathway, der aufgrund des hohen Energiebedarfs für eine de novo-Purinsynthese sinnvoll ist. Dabei setzt die Adenin-Phosphoribosyl-Transferase (APRT) Adenin in einer PRPPabhängigen Reaktion zu AMP um; die Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase wandelt Hypoxanthin in Inosinmonophosphat (IMP) und Guanin in GMP um. Ist diese Resynthese von IMP bzw. GMP gestört, so sinken die intrazellulären Konzentration von IMG und GMP bei einem gleichzeitigen Anstieg der Konzentration an PRPP. Dies führt zu einer Vorwärtsaktivierung der Glutamin-Phosphoribosyl-Amidotransferase, des Schlüsselenzyms der Purinsynthese, und somit zu einer stark erhöhten Bildung von Purinen. Durch den Abbau der Purinnucleotide kommt es so zu vermehrter Bildung von Harnsäure. Ein Defekt der Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase liegt beim X-chromosomalrezessiv vererbten Lesch-Nyhan-Syndrom vor, das neben Gicht auch eine verzögerte geistige Entwicklung und aggressives Verhalten zur Folge hat.

Lösung 500 a) Ein Gallenstein (Gallenkonkrement, Cholelith, von griechisch „chole“ = Galle, „lithos“ = Stein) ist ein festes, kristallisiertes Ausfallprodukt der Gallenflüssigkeit. Die meisten Gallensteine enthalten als Hauptbestandteil Cholesterol (sogenannte Cholesterolsteine). Cholesterol ist kaum wasserlöslich und kann im Stoffwechsel des Menschen nicht abgebaut werden.

Lösungen – Aufgaben mit klinischem / pharmakologischem Bezug

613

Vielmehr wird es nur mit der Galle ausgeschieden und dabei normalerweise in der Galle durch Gallensäuren und Phosphatidylcholin in mizellarer Form in Lösung gehalten. Erhöht sich jedoch der Stoffmengenanteil an Cholesterol und nimmt derjenige der Gallensäuren und des Phosphatidylcholins ab, so entsteht ein Lösungsungleichgewicht; das Cholesterol fällt aus und bildet Steine. Solange die Cholesterolsteine noch zu keiner Entzündung der Gallenblase geführt haben oder die ableitenden Gallenwege blockieren, kann man versuchen, die Steine durch medikamentöse Therapie aufzulösen. Dabei sind zwei Ansätze denkbar: x Eine Verabreichung von Gallensäuren zielt darauf, die Zusammensetzung der Galle so zu verändern, dass wieder mehr Cholesterol in Lösung gehen kann; gleichzeitig hemmen Gallensäuren die Cholesterolsynthese. x Die Cholesterolsynthese kann direkt gehemmt werden, z.B. durch Gabe von Hemmstoffen der HMG-CoA-Reduktase. b) Die in der Leber gebildeten Gallensäuren (Cholsäure und Chenodesoxycholsäure) werden auch als primäre Gallensäuren bezeichnet. Geschwindigkeitsbestimmender Schritt bei ihrer Synthese ist die Hydroxylierung an der Position 7 des Cholesterols. Durch Aktivierung mit Coenzym A und anschließende Reaktion mit Glycin bzw. Taurin entstehen in der Leber die sogenannten Gallensalze (konjugierte Gallensäuren). Die Cholsäure reagiert mit Glycin zur Glycocholsäure und mit Taurin zur Taurocholsäure, die beide als Anionen vorliegen. Die Gallensalze sind der wichtigste Bestandteil der Gallenflüssigkeit. Sie wirken als Detergenzien, d.h. sie lösen Lipide aus Nahrungsbestandteilen heraus und emulgieren sie. Dadurch werden die Lipidtröpfchen mit der Zeit in kleine Mizellen aufgespalten, in denen Fette (Triacylglycerole) von Gallensalzen, Phospholipiden und anderen polaren Molekülen umgeben sind. An der Lipid-Wasser-Grenzfläche dieser Mizellen kann die Pankreas-Lipase angreifen und die Triacylglycerole zu Fettsäuren und 2-Monoacylglycerolen abbauen, die von den Epithelzellen der Darmmucosa aufgenommen werden. c) Sekundäre Gallensäuren werden im Darm durch Enzyme gebildet, die von Darmbakterien freigesetzt werden. Diese katalysieren zum einen die Abspaltung von Glycin bzw. Taurin durch Hydrolyse der Amidbindung und spalten zum anderen die Hydroxygruppe an Position 7 ab. Aus der Cholsäure entsteht dadurch die Desoxycholsäure. Der Körper enthält wesentlich weniger Gallensalze (ca. 6 g), als täglich für die Verdauung benötigt werden (15–30 g). Da weniger als ein Gramm täglich neu synthetisiert wird, müssen die Gallensäuren mehrmals am Tag zwischen Leber und Galle zirkulieren (enterohepatischer Kreislauf). Dabei gelangen die Gallensalze mit Hilfe eines ATP-abhängigen GallensäureTransporters aus den Hepatozyten in die Gallenkanälchen und mit der Galle in den Darm. Im Ileum werden Gallensalze und sekundäre Gallensäuren zu über 90 % resorbiert und über die Pfortader wieder der Leber zugeführt. Nach Aufnahme durch sekundär-aktiven Na+-Symport werden in den Hepatozyten aus den sekundären Gallensäuren erneut primäre Gallensäuren synthetisiert, so dass sich der Kreislauf schließt. Auch das Cholesterol unterliegt diesem Kreislauf und kann daher vom Organismus nur schwer ausgeschieden werden.

614

Kapitel 14

COO

OH O2, NADPH Hydroxylierung, Oxidation der Seitenkette

HO Cholesterol

HO

OH

Leber

primäre Gallensäure

Cholat

O C

OH

COO

N

COO

H O C

OH

NH3 Glycocholat

SCoA HO

HSCoA

OH

Konjugation (Leber)

ATP

O C

OH HO

OH Cholyl-CoA

SO3

N H

H3N

SO3 Taurocholat HO

OH Gallensalze

Darmbakterien

Leber

Resorption

OH

HO Desoxycholat

COO

sekundäre Gallensäure

Anhang Proteinogene Aminosäuren Name

1-Buchstaben-Code

pKS der αCarboxylgruppe

pKS der α-Aminogruppe

Alanin

A

2,3

9,7

Arginin

R

2,2

9,0

Asparagin

N

2,0

8,8

Asparaginsäure

D

2,1

9,8

3,9

115,09

Cystein

C

1,8

10,8

8,3

103,14

Glutamin

Q

2,2

9,1

Glutaminsäure

E

2,2

9,7

Glycin

G

2,3

9,6

Histidin

H

1,8

9,2

Isoleucin

I

2,4

9,7

113,17

Leucin

L

2,4

9,6

113,17

Lysin

K

2,2

9,0

Methionin

M

2,3

9,2

131,21

Phenylalanin

F

1,8

9,1

147,18

Prolin

P

2,0

10,6

97,12

Serin

S

2,2

9,2

87,08

Threonin

T

2,6

10,4

101,11

Tryptophan

W

2,4

9,4

186,21

Tyrosin

Y

2,2

9,1

Valin

V

2,3

9,6

pKS der Seitenkette

M (Aminosäure) – M (H2O) 71,08

12,5

156,20 114,11

128,14 4,2

129,12 57,06

6,0

10,0

10,1

137,15

128,18

159,18 99,14

616

Der genetische Code

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Genetischer_Code

Anhang

Sachverzeichnis A A-Antigen Siehe Blutgruppen AB0-System 57, 577 absolute Konfiguration 64 Absorptionsspektroskopie 64 ACE Siehe Angiotensin-Converting Enzyme ACE-Hemmer 10, 196, 214, 596 Acetacetat 28, 248, 439 Acetaldehyd-Dehydrogenase 591 Aceton 28, 61, 248, 439 Bildung aus Acetacetat 430 Bildung bei Diabetes 125 Acetylcholin 601 Acetylcholinesterase 271, 315, 601 Acetylcholinrezeptor 44 Hemmung 271 muscarinerger 601 muscarinischer 315 nicotinerger 601 nicotinischer 44, 271, 315 Acetyl-CoA Addition an Oxalacetat 388 Einschleusung in Citratzyklus 108 Oxidation im Citratzyklus 108 Transport ins Cytosol 266, 437 Acetyl-CoA-Carboxylase 42, 124, 266, 435, 563 Hemmung 563 Regulation 124, 267, 436 reversible Phosphorylierung 268 Inhibitor 186 Acetylsalicylsäure (ASS) 179, 194, 549, 589, 592 Nebenwirkungen 195 Wirkungsweise 195 Acivicin 187, 565 Aconitase 238 Acrylamid 316 Acyl-Adenylat 252, 424, 490 Acylcarnitin 252, 431 Acylcarnitin-Translokase 252, 565 Acyl-Carrier-Protein 266, 267 Acyl-CoA Bildung 252, 424 Acyl-CoA-Dehydrogenase 253, 254, 256, 426 Coenzym 255 Acyl-CoA-Oxidase 426 Acyl-CoA-Synthetase 426 Acyldihydroliponamid 390 Acyltransferase 225 Adenin-Phosphoribosyltransferase 612 Adenohypophyse (Hypophysenvorderlappen) 277 Adenosintriphosphat Siehe ATP

Phosphatgruppenübertragungspotenzial 366 Adenylatcyclase 47, 244, 276, 277, 415, 421, 453, 519 Adenylierung 474 Adenylosuccinat 369 Adenylsuccinat-Synthase 456 Adipogenese 185 ADP/ATP-Translokator 115, 399 ADP-ATP-Translokase 241 ADP-Ribosylierung 159, 543 ADP-Ribosyltransferase 159, 515 Adrenalin 173, 244, 553 Bildung aus Phenylalanin 127 adrenocorticotropes Hormon (ACTH) 192, 277, 610 adrenogenitales Syndrom 582 E-Adrenorezeptor 222 β-Adrenozeptorenblocker 553 Adsorptionschromatographie Trennung von Lipiden 81 Affinitätschromatographie 322 Reinigung von mRNA 464 Affinitätssäule 317 Agglutination 536 Ahornsirup-Krankheit 202, 605 AIDS 170 Aktionspotenzial 271, 315 Aktivator allosterischer, K-Typ 215 aktives Isopren Siehe Isopentenylpyrophosphat aktives Zentrum 11, 214 Aktivierung metabolische 50, 282 Aktivität spezifische 354 Akute-Phase-Proteine 554 Alanin Gluconeogenese 406 Transportform für Stickstoff 250 Alanin-Aminotransferase (ALT) 249, 443, 444 Alanin-Zyklus 406 Albumin 218, 529, 569 Aldimin 29, 249 Aldolase 20, 103, 106, 233, 355, 371, 374 Typ A 383 Typ B 383 Aldolase B Siehe Fructose-1-phosphat-Aldolase Aldolkondensation von Allysin 322 Aldolspaltung 103, 374, 377, 386 Aldose-Reduktase 587 Aldosteron 46, 212, 262, 274, 580, 596 Mangel 581

618 Alkohol-Dehydrogenase (ADH) 350, 506, 591 alkoholische Gärung 104, 234, 372, 378 Allergie 170 Allolactose 480 Allopurinol 10, 214, 590 allosterische Effektoren 11 K-Typ 11 allosterischer Aktivator 11, 509 allosterischer Inhibitor 11, 509 allosterisches Zentrum 215 Allysin 322 ALT Siehe Alanin-Aminotransferase D-Amanitin 521 Aminierung, reduktive 356, Siehe reduktive Aminierung Aminoacyl-AMP 285 Aminoacylierung 285 Aminoacyl-tRNA 153, 490, 499 Aminoacyl-tRNA-Synthetase 53, 285, 490, 491, 501 Fehlerrate 491 Korrekturleseaktivität 491 J-Aminobuttersäure (GABA) 181, 203, 262, 445 Aminoglykoside 173 G-Aminolävulinat 172, 538 G-Aminolävulinsäure-Synthetase 172, 238, 538 Aminopterin 258 Aminosäurebindestelle 52 Aminosäuren Abbau zu Zwischenprodukten im Citratzyklus 129 proteinogene 128 essentielle 29 glucogene 406 Helixbrecher 73 N-terminale 65, 149, 318 phosphorylierbare 63, 301 Aminosäuresequenz 6 aus Nucleotidsequenz 152 bei Isoenzymen 208 Aminotransferasen 29 Anstieg im Serum 249 Bindung an Pyridoxalphosphat 249 Ammoniak 194, 250, 588 Transport zur Leber 127 Ammoniumsulfat-Fällung 311 AMP Siehe Adenosinmonophosphat als Regulator (Glykolyse) 215 Hemmung der Acetyl-CoA-Carboxylase 268 amphibol 110 Amygdalin 77, 327 Amyloglucosidase 117, 412 Amylopektin 326 Amylose 326, 412 Amytal 240 Anämie 579 Eisenmangel- 191, 579 hämolytische 193, 295 hypochrome 38, 265

Sachverzeichnis megaloblastäre 178, 260, 579 perniziöse 178, 552, 576, 579 anaplerotische Reaktion 263, 393, 449, 451 Anfangs(reaktions)geschwindigkeit 9, 91, 212 Angiotensin Converting Enzyme (ACE) 212, 214, 275, 596 Angiotensin I 596 Angiotensin II 212, 596 Rezeptoren (AT1/AT2) 596 Anhydrid gemischtes 233, 250, 369, 378 Anionenaustauscher 5, 205 Anion-Transporter mitochondriale 565 Annealing 501 Annealing-Temperatur 287 Anomerengleichgewicht 564 Anreicherung 311 Antibiotika 172, 185 Angriffsorte 173, 541 -Resistenz 173 Anticodon 489, 491 Anticodon-Schleife 52 antidiuretisches Hormon (ADH) 596 Antigenbindungsstelle 290, 524, 526, 528, 530 Antigene Verwandschaft 526 antigene Determinante 12, 57, 290, 522, 526 Antihistaminika 196, 535, 598 Antikörper Fab-Fragment 160 membranständige 169, 532 monoklonaler 165, 526 polyklonaler 160, 165 Proteolyseprodukte 165 sezernierte 168, 169 Vielfalt 162, 522 Antikörper-Mangel-Syndrom 554 Antimetabolit 567 Antimycin A 114, 240, 400 Antioxidanz 528 Antiport 271 Antiporter 589 antisense-Strang 150, 496 Antiserum 522 Antithrombin III 555, 577, 593 Antivitamine 258 Apoferritin 264 Apo(lipoprotein) B96 226, 227, 423 Apo(lipoprotein) B48 223 Apo(lipoprotein) CII 423 Apolipoproteine 15, 422 Funktionen 121 Apoptose 172, 307, 512, 534, 539 B-Zellen 531 Apotransferrin 263 AP-Stelle 465 Arachidonsäure 18, 19, 40, 47, 228, 231, 264, 277, 549, 564, 592

Sachverzeichnis aus Linolsäure 440 Biosynthese 126 Arginin 31, 161, 252, 522 Bildung im Harnstoffzyklus 442 Argininosuccinat 251, 446, 522 Argininosuccinat-Lyase 251, 442 Enzymdefekt 442 Argininosuccinat-Synthetase 442, 451 Arsen(III)-Verbindungen Giftwirkung 108 Arsenat 21, 233, 355, 372, 380 Effekt auf ATP-Produktion 102 1-Arseno-3-phosphoglycerat 233, 355, 372, 380 Arteriosklerose 226, 548 Arterioskleroserisiko 228 Ascorbat Siehe Ascorbinsäure Cofaktor von Hydroxylasen 346 Ascorbinsäure (Vitamin C) 35, 88, 158, 258, 513, 528 Acidität 346 als Cofaktor für Kollagensynthese 209 Endiol-Struktur 346 Mangel 88 Ascorbyl-Radikal 346 Asparat-Protease 182 Asparat-Transcarbamoylase (ATCase) Regulation 130 Aspartam“ 177, 551 Aspartat Edukt für Gluconeogenese 404 Rolle im Harnstoffzyklus 127 Aspartat-Aminotransferase (AST/GOT) 188, 241, 249, 351, 404, 443 Aktivitätsbestimmung 90 Aspartat-Transcarbamoylase (ATCase) 130, 455 allosterische Kontrolle 452 AST Siehe Aspartat-Aminotransferase Atmungskette 24, 111, 397 Einfluss von 2,4-Dinitrophenol 112 Einfluss von KCN 112 Hemmstoffe 114, 240, 400 Nettogleichung 394 Proteinkomplexe 239 Atorvastatin 228 ATP (Adenosintriphosphat) Aktivierung von Akzeptormolekülen 101 als Aktivator 455 Eigenschaften 99 Export aus Mitochondrium 402 Freie Enthalpie der Hydrolyse 365 kinetische Stabilität 365 kurzfristige (anaerobe) Bereitstellung 189 Nettobilanz der Glykolyse 103 Phosphatgruppenübertragungspotenzial 365 Struktur 103 Transport aus dem Mitochondrium 115 Übertragung von AMP 369 Übertragung von Phosphat 369 Versorgung in Muskelzellen 99

619 ATP/ADP-Verhältnis 554 ATP-Citrat-Lyase 267 ATP-Synthase 113 Protonenbedarf 113 Untereinheiten 398 ATP-Synthese 399 Anwesenheit von Entkopplern 395 elektrochemisches Potenzial 395 Protonenbedarf 401 Atropin 602 Ausdauerleistung Energiegewinnung 572 Avidin 39, 115, 263 Wechselwirkung mit Biotin 409 Avidität 528 Azidgruppe 283 Azidose metabolische 298 Azidothymidin (AZT) 51, 283

B Bakterien Gram-negative 603 Gram-positive 603 Bakteriorhodopsin 70, 113 B-Antigen Siehe Blutgruppen Basenexcisionsreparatur 51, 476 Basenpaarung 476 komplementäre 308 Codon-Anticodon 490 Basenpaarungsregeln 464, 464 B-DNA Siehe DNA Benzo[a]pyren metabolische Aktivierung 282 Benzodiazepine 181, 199, 611 Beriberi-Krankheit 34, 190, 257, 606 bifunktionelles Enzym 237 Regulation 237 Bilirubin 60, 188, 296, 569, 599 Bildung und Abbau 196 direktes Siehe Bilirubindiglucuronid Glucuronidierung 221 Bilirubindiglucuronid 221, 296, 599 Biliverdin 296, 599 Bindegewebsstoffwechsel Vitamin C-Mangel 347 biogenes Amin 127, 250, 445 Biotin 40, 41, 263, 344, 408 Carboxylierung 563 Biotransformation 198, 600, 607 1,3-Bisphosphoglycerat 233, 366, 380, 384 Substratkettenphosphorylierung 376 2,3-Bisphosphoglycerat 12, 21, 74, 157, 217, 234 Bindungsstelle 510 und Sauerstoffaffinität 320, 509 2,3-BPG 320, Siehe 2,3-Bisphosphoglycerat Biuret-Reaktion 304

620 Blausäure 192, Siehe Cyanid-Ionen cyanogene Glykoside 327 β-Blocker Siehe β-Adrenozeptorenblocker Blutgerinnung 60, 191, 298 Beeinflussung in vivo 191 Beeinträchtigung durch Acetylsalicylsäure 195, 592 Hemmung (in vitro) 191, 577 Blutglucosespiegel 13, 26, 61, 219, 450 erhöhter 298 Konstanthaltung 243, 405 Blutgruppen 171, 218, 577 AB0-System 191, 536 Rhesus-System 536 Blutgruppenantigene 191, 288, 578 Blut-Hirn-Schranke 248, 598 Bluthochdruck Siehe Hypertonie Blutplasma 167, 529 Blutserum 167 Blutzuckerspiegel 232 B-Lymphozyten 55, 530 Bohr-Effekt 211, 217, 316, 510 braunes Fettgewebe 400, 432 Bromcyan (BrCN) 67, 73, 309 BSE (bovine spongiforme Enzephalopathie) 159 D-Bungarotoxin 271 B-Zellen 168 Siehe B-Lymphozyten Aktivierung 531 Differenzierung 289, 293 Proliferation 532 B-Zell-Rezeptor 531, 532

C Ca2+-ATPase 263, 273, 586 Ca2+-Ionen 37, 45, 47, 577 Funktionen 193 Ionenkanäle 263 primär-aktiver Transport 274 Regulation (der Konzentration) 193, 585 Resorption 260 Second messenger 263, 277 Transport 45, 263 Ca2+-Kanäle 273, 586 Ca2+-Konzentration Cytosol 273 Ca2+-Speicher 263 Calcitonin 36, 260, 585 Calcitriol Siehe 1,25-Dihydroxycholecalciferol Calcium-Calmodulin-Komplex 263 Calmodulin 273 cAMP 47, 453, 519, 520, 572 Aktivierung der Proteinkinase A 415, 421 Bindung an Proteinkinase A 519 CAP-Aktivität, Genexpression 482 Einfluss auf Glykogen-Synthase 415 Glykogensynthese 119 CAP (catabolite activator protein) 482

Sachverzeichnis Capping 141 Captopril 275, 596 Carbaminohämoglobin 12, 217 Carbamoylaspartat 455, 549, 588 Carbamoylphosphat 30, 251, 451, 588 Biosynthese 129 Carbamoylphosphat-Synthetase 451 Carbamoylphosphat-Synthetase I 30, 251, 441, 455, 588 Aktivierung durch N-Acetylglutamat 441 allosterische Aktivierung 126 Reaktionsmechanismus 126 Carbamoylphosphat-Synthetase II 251, 455 Carboanhydrase 262, 589 Carbonsäure-Phosphorsäure-Anhydrid 31, 233, 252, 376, 424 Carboxybiotin 403, 551 J-Carboxyglutamat 298, 594 Carboxylat-Ionen Aktivierung für E-Oxidation 122 Carboxylierung(sreaktion) 177, 344 Acetyl-CoA 435 biotinabhängige 254, 264, 266, 267, 403 von Glutamat 61 J-Carboxylierung Gerinnungsfaktoren 594 Vitamin K-abhängige 298 Carboxymethylgruppe 201 Carboxypeptidase 67, 309 Carnitin 31, 248 Carnitin-Acyltransferase I 33, 248, 431, 565 Hemmung durch Malonyl-CoA 251, 563 Carnitin-Acyltransferase II 248, 565 Carnitinester 426 Carnitin-Shuttle 563 E-Carotin 155, 257, 505 Carrier-Ionophor 79 Caspasen 66, 208, 539 Effektor- 307 Initiator- 307 Catecholamine 543, 553 Abbau 553 Catecholamin-O-Methyltransferase 553 CD4 169 CD40L 533 CD4-Moleküle 57 CD4-T-Zellen 534 CD8 169 CD8-Protein 533 cDNA (complementary DNA) 485, 501, 503, 517 CDP-Cholin 220, 269, 545 CDP-Diacylglycerol 42, 220, 545 CDP-Ethanolamin 42, 220, 269 Cellulase 412 Cellulose 13, 77, 326 Aufbau 216 Struktur 117 Ceramid 18, 221, 225, 332, 583 Cerebrosid 18, 192, 221, 225, 583

Sachverzeichnis cGMP 47, 162, 520 Chaperone 58 hsp60-Gruppe 293 hsp66-Gruppe 293 Chargaff-Regeln 466 chemiosmotische Hypothese/Theorie 110, 113, 114 Chenodesoxycholsäure 613 Chinolinsäure 251 Chinolsäure 514 Chitin 13, 216 Chloramphenicol 173, 494, 543 Chlorid-Ionen 258 Chlorid-Kanal 258 Cholecalciferol 35, 155, 256, 506 Mangel 257 Choleratoxin 515, 521 Cholestase 601 Cholesterol 333 Aufnahme in die Zelle 121, 222 Biosynthese 123, 176, 427, 548 Gallensteine 612 in LDL 16 in Lipiddoppelschichten 227 Konformation 176, 548 Plasmakonzentration 16 zelleigene Produktion 547 Cholesterolester 17, 121, 223 Cholesterolspiegel 547 Cholinesterase-Hemmer 602 Cholsäure 613 Chondroitin-6-sulfat 13, 216 Chorea Huntington 539 Chromatographie DEAE-Cellulose 68 Chromosom 140 chromosomale Translokation 512 Chylomikronen 15, 121, 219, 422, 566 Apolipoproteine 423 Chymotrypsin 67, 73, 207, 307, 309, 319, 321, 324 Spezifität 297 Cimetidin 590 Ciprofloxacin 468 cis-'3-Enoyl-CoA-Isomerase 250, 432 cis-Platin 537 Citrat Isomerisierung 109, 234, 392 Citrat-Lyase 406, 437 Citrat-Synthase 262, 393 Citratzyklus 23 aerober Charakter 234 Energieausbeute 234 Oxidationsreaktionen 233, 392 Regulation 110, 234, 393 Zwischenprodukte für Biosynthesen 393 Citrullin 30, 247, 442, 446, 549 Umwandlung in 15N-Harnstoff 129 Citrullyl-AMP 247, 446 Citryl-CoA 388 CK-MB

621 Herzinfarktdiagnostik 568 Clathrin 222 14 C-Markierung 387 CM-Cellulose 72, 317 CN–-Ionen 236 Cobalamin (Vitamin B12) 32, 35, 190, 249, 254, 255, 575 Mangelsymptome 190, 256 Codon 489 Coenzym(e) 84 basierend auf Folsäure 88 Coenzym A 343, 344, 385 Coenzym Q Siehe Ubichinon Coeruloplasmin 38, 259, 261 Coomassie Brilliant Blue 71, 203 Cordycepin-5´-triphosphat (3´Desoxyadenosintriphosphat) 141, 479 Cori-Zyklus 231, 572 Coronaviren 141 Corrinringsystem 255 Corticosteroide 274 Corticosteron 46 Corticotropin-Releasing-Hormon (CRH) 610 Cortisol 46, 192, 198, 274, 536, 573 entzündungshemmende Wirkung 170 Mangel infolge Enzymdefekt 581 Regulation 610 Wirkungen 610 Cortison 46, 274, 535 C-Peptid 203 Creatin-Kinase 7, 101, 568 Aktivitätsbestimmung 188, 569 Isoenzyme 188, 204 Creatinphosphat 366, 571 CTP Siehe Cytidintriphosphat als Hemmstoff 455 CTP-Synthetase 565 Cu2+-Ionen 38 Cumarinderivate 593 Curare 271 Cushing-Syndrom 610 Cyanid(-Ionen) 114, 400 Giftwirkung 582 Cyanid-Vergiftung 192 Anzeichen 582 Cyclooxygenase 440 Inhibitoren 555 Cyclooxygenase (COX) 549, 564, 592 COX-1 179, 582 COX-2 179, 536, 582 Cyclooxygenase (COX)-Hemmung 179 Cyclooxygenase-Hemmer 589 Cystein zwitterionische Form 64, 303 Cysteinprotease 526 Cytidintriphosphat (CTP) 268, 545, 565 Cytochrom b1 397 Cytochrom b5 252, 261 Cytochrom b5-Reduktase 252

622 Cytochrom c 24, 212, 236 Cytochrom c1 397 Cytochrom c-Oxidase 112, 235, 236, 396, 398, 400, 401 Hemmung durch Cyanid 398, 582 Cytochrom P446(-Enzyme) 181, 419, 591 Subtyp CYP3A4 181 Cytokine 564 antiinflammatorische 564 proinflammatorische 564 Cytosin Desaminierung 465

D D-3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA 28 D-Alanin 603 ddNTP Siehe Didesoxyribonucleotid DEAE Siehe Diethylaminoethyl-Gruppe DEAE-Cellulose 72, 73, 317 Debranching Enzyme 239, 412 Decarboxylierung 197 Aminosäuren 563 oxidative 109, 231, 353, 384, 385, 386, 389, 396, 605; Siehe oxidative Decarboxylierung oxidative, von α-Ketosäuren 253, 344 spontane 298 von Glutamat 61 Dehydroascorbat 346 Dehydroascorbinsäure 254, 513 7-Dehydrocholesterol 36, 256, 506 Deletion 165 Demyelinierung 256 Dephosphorylierung 231 Depurinierung 50, 281 Desaminierung spontane 281 eliminierende 246 oxidative 246, 322, 443, 553 spontane 50 Desaturase 19, 227, 252, 261, 440 5´-Desoxyadenosylcobalamin 35, 255, 344, 345, 575 Desoxygenierung 206 Desoxyhämoglobin 11, 207, 510 Desoxynucleosidtriphosphate (dNTPs) 54, 500 Detergenz 202 Dexamethason 199, 611 D-Glucose Anomerengleichgewicht 76 DHU-Schleife 52 Diabetes mellitus 28, 61, 244, 570 Bildung von Aceton 125 Ketogenese 90 Typ 1 188 Typ 2 188 (1,2-)Diacylglycerol (DAG) 218, 269, 276, 277, 335, 520, 521

Sachverzeichnis Dialyse 70, 313 Diazepam 199, 612 Didesoxynucleosidtriphosphat (ddNTP) 502 Didesoxyribonucleotid (ddNTP) 54, 286 2,4-Dienoyl-CoA-Reduktase 432 Diethylaminoethyl-Austauschergruppe 311 Diethylaminoethylgruppe 201 Differentialkalorimetrie (DSC) 329 Diffusion 43, 44, 269, 272 erleichterte 228, 270 laterale, in Membranen 80 passive 20, 81, 82 Pore, Kanal 337 transzelluläre 258 Diffusionskoeffizient/-konstante 270, 334 Dihydrofolat 567 Dihydrofolat-Reduktase 253, 567 Hemmstoffe 345 Hemmung 567 Dihydroliponamid 232, 343, 387, 390 Dihydrolipoyl-Dehydrogenase 231, 232 Dihydrolipoyl-Transacetylase 231, 232 Dihydropteroat-Synthase Hemmung durch Sulfonamide 156 Dihydropteroinsäure 156, 508 Dihydrosphingosin 221 3,4-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) 127 1,25-Dihydroxycholecalciferol 36, 256, 586 Bildung 507 Wirkmechanismus 508 Diisopropylfluorophosphat (DIFP) 60, 297, 315 Dimethylallylpyrophosphat 274, 427 5,6-Dimethylbenzimidazol-Derivat im Cobalamin 255 Dimyristoylphosphatidylcholin (DMPC) 81 2,4-Dinitrophenol 24, 235, 398, 400 Dioctanoylphosphatidylcholin 333 Dioleoylphosphatidylcholin 330, 333 Dioxygenase 257, 505 Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) 269 Synthese 175 Dipeptidyl-Peptidase-4 182 Diphtherietoxin 173, 515, 543 direktes Bilirubin Siehe Bilirubindiglucuronid Disaccharide 106 Disproportionierung 528 Distearoylphosphatidylcholin 333 Disulfidbrücken 6, 7, 8, 12, 59, 75, 204, 312, 317, 321 IgA 525 im Insulin 203 in Immunglobulinen 290, 530 Diurese 298 D-Methylmalonyl-CoA 249 DNA 464 Absorbanz 135, 466 Bindung von Histonen 134 Bindung von Proteinen 466 Denaturierung 501

Sachverzeichnis Packung 136 radioaktive Markierung 133 Reparaturmechanismen 51 Rückgrat 466 Schäden 50, 540 Schmelztemperatur 134 Sequenzierung 54, 153 Struktur der B-DNA 134 Syntheserichtung 133 Tritiummarkierung 137 UV-Absorption 464 Viskosität in Lösung 133 Wasserstoffbrücken(bindungen) 133, 308 DNA-Bindungsdomänen intramolekulare Rezeptoren 543 DNA-Doppelhelix Basenpaarungen 463 hydrophobe Wechselwirkungen 465 Schmelztemperatur/-punkt 464, 466 Stapelwechselwirkungen 463 Viskosität in Lösung 463 Wasserstoffbrücken 463 DNA-Gyrase 541 DNA-Ligase 49, 51, 280, 468, 469, 474 Mechanismus 139 DNA-Photolyase 282 DNA-Polymerase 48, 278, 280, 500 Korrekturlesefunktion 279 hitze-/thermostabile 54, 287 DNA-Polymerase I 139, 468, 469, 473 DNA-Polymerase III 137, 278, 468, 469 DNA-Profilanalyse 518 DNA-Replikation 48, 49, 138 dispersive 137 Fehlerhäufigkeit/-rate 49, 140 konservative 137 semikonservative 137 Start 137 Synthese des Folgestrangs 137 DNA-Sequenzierung Sanger-Verfahren 286 dNTP Siehe Desoxynucleosidtriphosphat Dodecanol 330 Dolicholphosphat 288, 579 Domäne(n) Immunglobuline 530 Dopamin 445 Dopamin-E-Monooxygenase 347 Dopamin-β-Hydroxylase 445 Doppelstrangbruch 50, 281 Doxirubicin 537 dTMP Synthese 567 dUMP 567 Dünnschichtchromatographie 69, 313 Trennung von Lipiden 336 zweidimensionale 63 dUTP-Diphosphohydrolase 567 Dysproteinämie 178, 554

623

E E 601 (Parathion) 271 Eadie-Hofstee-Plot 96 Edmann-Abbau 317 Effektor allosterischer 100, 211, 367 K-Typ 211, 367 V-Typ 211, 367 Effektor-Caspasen 539 EFT-Ubichinon-Oxidoreduktase 426 EGF-Rezeptor 537 Eicosanoide 186, 440 Einzelstrang-Bindeproteine (SSB) 469 Einzelstrangbruch (nick) 50, 281, 474 Eisen 60 Bindungskapazität 38 latente 260 totale 260 Resorption 37, 260 Stoffwechsel 38 Transport 37 Verteilung im Körper 259 Eisen-Ionen 37 Eisen-Schwefel-Cluster (Fe–S-Cluster) 235, 343, 566 Eisen-Schwefel-Protein 24 Eisenspeicher-Krankheit Siehe Hämochromatose Eisenspeicherprotein Siehe Apoferritin elektrochemischer Gradient elektrochemisches Potenzial 83, 341 Elektrolyt 36 Elektronencarrier 397 Elektronentransport 24, 394, 395 Elektronentransportkette 401 biologischer Sinn 110 elektronenübertragendes Flavoprotein (ETF) 426 Elongase 19 Elongation 151 DNA-Synthese 283 Elongationsfaktor 369, 497 Enalapril 596 5´Æ3´-Endonuclease 282 Endopeptidase sequenzspezifische 307 Endoproteasen 297 Endosom 222 Endozytose 223 rezeptorvermittelte 17, 222 energiereiche Verbindung 99 Enolase 20, 229, 381 Enolphosphat 365 Enoyl-CoA-Hydratase 249 Enoyl-CoA-Isomerase 425 enterohepatischer Kreislauf 200, 547, 613 Enteropeptidase 66, 306 Entkoppler 24, 114, 235, 395, 398, 400 Entkopplerprotein 184, 432, 565

624 Entzündung(sreaktion) 170, 535, 549, 563 Entzündungshemmer nichtsteroidale 186, 564 Steroide 186 Enzephalopathie spongiforme 159, 516 Enzymaktivität 92, 208 Anwesenheit von Hemmstoffen 210 molare 208 Enzymaktivitätsmessungen Diagnostik 443 Enzyme allosterische 100, 211, 367 Hemmung 10 interkonvertierbare 210 R-Zustand 367 T-Zustand 367 Enzym-Inhibitor-Komplex 210 Enzymkinetik 9 Epicatechingallate Hemmung der Eisenresorption 260 Epitop 290 Ergocalciferol 35, 256 Erythromycin 494, 542 Erythropoese 256 Erythrose-4-phosphat 27, 242, 419 Erythrozyten ATP-Mangel 585 immunologische Spezifität 577 Stechapfelform 193 Erythrozytenmembran und Blutgruppen 214 Erythrozytenzahl verminderte 190 Ethanol Abbau 195 Bestimmung durch optischen Test 89 chronischer Missbrauch 591 Ethidiumbromid 146 Exonuclease 3´Æ5´- bzw. 5´Æ3´- 473 Exonuclease-Aktivität 3´Æ5´- 52, 279, 283, 474, 476 5´Æ3´- 49, 280, 468, 472, 474 Exopeptidase 60, 297 Expressionsvektor 485, 516 Extrinsic factor 35, 255

F F(ab´)2-Fragment 290, 524 Fab-Fragment 290, 526 FAD 31, 183, 343, 344, 385, Siehe Flavinadenindinucleotid Oxidation von Dihydroliponamid 390 Rolle im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex 232 Succinat-Dehydrogenase 387, 390 FADH2

Sachverzeichnis ATP-Gewinn in der Atmungskette 234 Oxidation 394 E-Faltblatt(-Struktur) 7, 204, 307 Faltungshelfer Siehe Chaperone Farnesylpyrophosphat 274, 427 Fasten Stoffwechselumstellungen 189 Fc-Fragment 56, 290, 526 Komplementbindung 530 Fe2+-Ionen 259 Feedback-Kontrolle 275 Feedforward-Stimulation 233 Fehlerkorrektur 52 Ferritin 191, 260, 580 Ferritin-Reduktase 260 Fette als Energiereserve/-speicher 120, 421 als Energiespeicher 421 Katabolismus 28 Fettgewebe braunes, Wärmebildung 565 Fettleber 195, 591 Fettsäurebiosynthese 41, 121 Energieaufwand 125 Ernährungssituation 33 geschwindigkeitsbestimmender Schritt 267 Fettsäurehydroperoxide 158, 512 Fettsäuren Z-3- 17, 40, 224, 261 Z-6- 224 Aktivierung 31, 248 Einführung von Doppelbindungen 251 Elongation 437, 440 essentielle 126, 227, 260, 438 mehrfach ungesättigte 17, 249 mit ungerader Kohlenstoffzahl 32, 250 mehrfach ungesättigte 512 Synthese 41 Transport ins Mitochondrium 248 ungesättigte 32, 225, 227, 432, 438 β-Oxidation 124 ungerader Kettenlänge 124 β-Oxidation 31 Fettsäure-Synthase 251, 262, 267, 422 Fettsäuresynthese 422 Fettsäure-Thiokinase 248 Fibrinolyse 60 Flavinadenindinucleotid (FAD) 84, 252, 342, siehe FAD Flavinmononucleotid (FMN) 33, 84, 235, 252, 341, 396, 566 Flavoproteine 342 flip-flop von Membranlipiden 226 Flucloxacillin 605 1-Fluor-2,4-dinitrobenzol 318, 321, Siehe Sangers Reagenz Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) 333

Sachverzeichnis 5-Fluoruracil (5-FU) 187, 537, 567 Flussdichte 336 flüssig-kristalline Phase 329, 336 FMN Siehe Flavinmononucleotid Folat-Reduktase 253 Follikel-stimulierendes Hormon (FSH) 277 Folsäure (Folat) 34, 88, 156, 508 Folsäureantagonisten 567 Folsäuremangel 178 5-Formimino-THF 552 FRAP Siehe Fluorescence recovery after photobleaching Freie Enthalpie Atmungskette 235 Fettsäureaktivierung 122 Freie Standardenthalpie H+-Transport 111 Oxidation von NAD+ 110 Fructokinase 241, 383 Fructose 26 diätetischer Einsatz 193 Unverträglichkeit 193 Verwertung 241, 383 Fructose-1,6-bisphosphat 27 Aldolspaltung 103, 371 Konzentrationsbestimmung 93 Fructose-1,6-bisphosphatase 262 Regulation 260, 409 Fructose-1-phosphat 27, 383, 587 Fructose-1-phosphat-Aldolase 241 Mangel 587 Fructose-2,6-bisphosphat 11, 23, 40, 211, 233, 573 allosterischer Aktivator 368 allosterischer Effektor 260 Fructose-6-phosphat 242 Fructoseintoleranz 241, 587 hereditäre 194 Fumarase 233, 353 Fumarat 31, 247 Fumarat-Hydratase (Fumarase) Aktivitätsbestimmung 91 Fusionsgen 517 Fusionsprotein 517

G GABA Siehe J-Aminobuttersäure GABAA-Rezeptor 611 GABAB-Rezeptor 611 Galaktokinase 241 Galaktosämie 27, 241 Galaktose 26, 382 Reduktion 76 mit NaBH4 324 Verwertung im Stoffwechsel 106, 241 Galaktose-1-phosphat 241, 382 Galaktose-1-phosphat-Uridyltransferase 241 Gallenfarbstoffe 599

625 Gallenflüssigkeit 218 Gallensalze 121, 200, 566 emulgierende Wirkung 422 Gallensäuren 547, 613 sekundäre 200 Gallenstein 200, 612 Gammopathie monoklonale 554 polyklonale 554 Ganglioside 16, 18, 192, 221, 225, 583 Gedächtniszellen 289, 530 gekoppelter optischer Test 251, Siehe optischenzymatischer Test Bestimmung von Malat 353 Gelbsucht Siehe Ikterus Gelchromatographie 5, 76, 202, 317, 318, 323, 376 Gelelektrophorese 54, 75, 143, 146 DNA-Sequenzierung 502 native 202 relative Rf-Werte 312 zweidimensionale 5, 201 Gelenkregion 290, 530 Gelfiltration(schromatographie) 70, 314 Gelphase 329, 336 Genamplifizierung 512 genetischer Code 149, 492 Synonyme 473 genetischer Fingerabdruck 160, 518 Genexpression Unterdrückung durch RNA-Interferenz 477 Gentherapie 144 Geranylpyrophosphat 427 Gerinnungsfaktoren 577 J-Carboxylierung 196 Gerinnungshemmer Heparin 593 Gesamtpufferkapazität 259 Gewebeplasminogenaktivator 60 Glandula thyreoidea 46 Globinkette 11, 212 Glucagon 233, 240, 260, 573 Gluconeogenese 409 Glucocerebrosid 79, 332 Glucocerebrosidase lysosomale 221 Mangel 583 Glucocorticoide 45, 198, 536 Gluconeogenese 410 immunsuppressive Wirkung 274, 610 Wirkung als Insulin-Antagonisten 274 Wirkung auf das Immunsystem 199 Glucokinase 97, 364, 383 Gluconeogenese 39 allosterische Regulation 409 Bedeutung in Fastenperioden 189 bei Nahrungskarenz 573 Bilanzgleichung 403 Bildung von PEP 116 Energieaufwand, minimaler 116

626 Energiebilanz 259 Hemmung durch Avidin 403 hormonelle Regulation 410 Lokalisation (der Einzelschritte) 116, 262 Regulation(smechanismen) 40, 117 Substrate 115, 259 Vorstufen 116 Gluconolacton 183, 563 Gluconsäure 217 Glucosamin-6-phosphat 449 Glucose 107 als obligater Brennstoff 262 ATP-Ausbeute, vollständige Oxidation 414 Aufnahme aus dem Darmlumen 228 Aufnahme in die Zelle 81 Bedarf der Erythrozyten 405 Bestimmung im Serum 119 Konzentration im Serum 189 Nettoproduktion aus Fettsäuren 119 obligater Bedarf 573 optisch-enzymatischer Test 188 Reduktion (mit NaBH4) 76, 324 Transport 20 vollständige Oxidation 109, 392 Glucose-1,6-bisphosphat 239 Glucose-1-phosphat 26, 414, 564 Aktivierung 413 Isomerisierung 239 Glucose-6-phosphat 373 Aktivator für Glykogen-Synthase 415 Dephosphorylierung 407 Glykogensynthese 118 Isomerisierung (zu Fructose-6-phosphat) 103, 377 Pentosephosphatweg 119 vollständiger Abbau via Pentosephosphatweg 417 Glucose-6-Phosphatase 238, 239, 262, 407 Mangel 238 Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase 27, 59, 242, 243, 295, 416, 529, 569 Defekt 295 Glucose-6-phosphat-Isomerase 20, 229 Glucose-Alanin-Zyklus 444 Glucose-Oxidase 183, 564 Glucose-Oxidase-Test (GOD-Test) 183 Glucosephosphat-Mutase 239, 564 Glucosetoleranztest 179, 554 Glucosetransporter 13, 20, 215, 228, 272 D-1,6-Glucosidase 239 E-Glucuronidase 296 Glucuronidierung 608 Glucuronidierungsstörung 296 Glucuronsäure 13, 216 Glucuronyltransferase 217 Glut 2-Carrier 215 GLUT 4 Siehe Glucosetransporter GLUT1 Siehe Glucosetransporter GLUT2 Siehe Glucosetransporter

Sachverzeichnis GLUT3 Siehe Glucosetransporter GLUT4 Siehe Glucosetransporter Glutamat 30 Umwandlung in α-Ketoglutarat 127 Wirkung als Neurotransmitter 199, 611 Glutamat-Dehydrogenase 29, 246, 344, 356, 443, 444, 448, 588 Glutamin 30, 444, 448, 514 als Stickstofflieferant 128 Bildung aus Glutamat 246 CTP-Synthese 565 Nucleotidsynthese 449 Purinsynthese 566 Rolle in der Niere 128 Transportform für Stickstoff 246 Glutaminase 246, 444, 588 Glutamin-Phosphoribosyl-Amidotransferase 612 Aktivierung durch 5-PRPP 590 Glutamin-PRPP-Amidotransferase 566 Glutamin-Synthetase 246, 444 Glutathion 59, 419, 528 im Erythrozyt 418 reduziertes 295 Glutathiondisulfid 59, 295 Glutathion-Peroxidase 261, 492 Glutathion-Reduktase 59, 295, 418, 529 Glycerol 14, 28, 262, 384 Verwertung 243, 406 Glycerol-3-phosphat 15, 237 Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase 243, 395 cytosolische 237 mitochondriale 237 Glycerol-3-phosphat-Shuttle 24, 111, 237, 395, 402 Glycerolaldehyd 384 Glycerolaldehyd-3-phosphat 27, 229, 242 Glycerolaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase 20, 229, 384 Hemmung 379 Mechanismus 378 Glycerol-Kinase 218, 243, 406 Glycerolphosphorylcholin 220 Glyceroltripalmitat 333 Glycerophospholipide 14, 583 de novo-Synthese 545 Synthese 268 Glycocholsäure 613 Glykogen 13 Abbau 25, 118, 239 als Speichermolekül 326 Aufbau 216 Bindungstyp 118 Speicherorte 238 Struktur 412 Verfügbarkeit 238 Wirkungsgrad als Glucosespeicher 118 Glykogenin 238 Glykogen-Phosphorylase 25, 184, 240, 412, 414, 415, 564 allosterische Regulation 240

Sachverzeichnis Coenzym 239 Isoformen 26, 240 kovalente Modifikation 240 Mechanismus 117 Glykogenspeicherkrankheiten 25, 238, 564 Glykogenstoffwechsel 25, 238 Regulation 26 Glykogen-Synthase 413, 415 "Starter-Glykogen" als Primer 238 Regulation 240 Glykokalyx 330 Glykolipide 330 Glykolyse 20, 229 anaerobe 107, 572 Anwesenheit von Arsenat 21, 229 ATP-Ausbeute 103 ATP-Ausbeute in Erythrozyten 585 Bilanzgleichung 403 Mechanismus der GAP-DH 104 Hemmung durch Fluorid 105 hormonelle Regulation 233 in Erythrozyten 21 Regeneration von NAD+ 377 Regulation 22, 232 Regulationspunkt Phosphofructokinase 105 Schlüsselenzyme 262 Glykoproteine 12, 55, 214, 288, 330 Core-Einheit 288 Glykosaminoglykane 13, 216, 555 D-1Æ4-glykosidische Bindung 216, 326, 412, 414 D-1Æ6-glykosidische Bindung 216, 412, 414 β-1Æ4-glykosidische Bindung 326 Glykosphingolipid 18, 221, 225 Glykosyltransferasen 579 Blutgruppenantigene 536 G-Proteine Effektormoleküle 161 Gi-Protein 553 Gq-Protein 553 Gs-Protein 553 GTPase-Aktivität 519, 520 Hemmung der GTPase-Aktivität 515 Second messenger 520 stimulatorische 519 α-Untereinheit 520 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 240, 243, 276 Gramfärbung 197 Gramicidin A 82, 336, 338 Gruppenübertragungspotenzial 99, 366 GTPase-Aktivität 453 Guanidinnucleotid-bindendes Protein 276 Guanidinogruppe 248 Guanosin-5’-(E,J-imido)-triphosphat 130, 160, 453, 519 Guanosinmonophosphat (GMP) 456, 522 Guanosintriphosphat (GTP) -abhängige Reaktionen 368 Beteiligung bei Biosynthesen 100 Guanylatcyclase 161, 276, 520

627 Guanylyl-Transferase Capping 477 Gyrase Siehe Topoisomerasen Typ II Gyrase-Hemmer 137, 281, 468, 541

H +

H -K+-ATPase 589 H1-Rezeptoren 535 H2-Antagonist 589 Halbacetalgruppe 325 Häm 538 Biosynthese 171 Häm a 237 Häm a / a3 398 Häm a3 237 Hämatokrit 166, 527, 579 Hämgruppe 11, 60, 206, 212 Bindungsverhältnisse 320 Hämochromatose 38, 260 Hämoglobin 8, 11, 212 Abbau 60, 296 Acidität 12 CO2-Transport 157, 510 Desoxygenierungs-/Oxygenierungsgleichgewicht 213 fetales (HbF) 212 glykiertes 207 glykosyliertes 8 Konformationszustände 212 Mutanten 156 O2-Bindungskurve 156 Oxygenierung 213 R-Zustand 157, 509 Sauerstoffaffinität 157, 316, 510 Sauerstoffbindung 9, 74 Sauerstoffbindungskurven, pH-Einfluss 71 T-Zustand 157, 509 Varianten 58 Hämoglobin S 8, 206 Aggregation 294 Hämoglobin-Varianten "Hiroshima" 294 "Hyde-Park" 294 "Riverdale-Bronx" 294 HbS 294 Hämolyse 159, 193, 523, 536 Hämosiderin 261 Hämosiderose 38, 261 Häm-Oxygenase 296, 599 Häm-Proteine 538 H-Antigen 536, Siehe Blutgruppen Haptene 532 Harnsäure 590, 612 erhöhte Konzentration und Gicht 194 Harnstoff 248 Ausscheidung während Fastenperiode 129 Konzentrationsbestimmung 94

628 Harnstoffzyklus 31, 126, 127 Enzymdefekte 177, 194 Hauptphasenübergangstemperatur 78, 329 HbS Siehe Hämoglobin HDL 223, Siehe High density lipoproteins Helicase 468, 469 Heliobacter pylori 589 D-Helix 7, 70, 204, 307 Struktur 463 Wasserstoffbrückenbindungen 133, 307 Helixbrecher 319 Hemmstoff kompetitiver 210, 590 Hemmtyp 95, 97 Hemmung kompetitive 10, 180, 352, 363, 508 nichtkompetitive 366, 557 Henderson-Hasselbalch-Gleichung 301, 304 Heparin 13, 180, 216, 555, 577 Herceptin (Trastuzumab) 537 Herzglykoside 83 Heteroglykane 13, 216 Hexadecyltrimethylammoniumbromid 330, 333 Hexokinase 97, 349, 364, 417 hGH (human growth hormon) Siehe Wachstumshormon High density lipoproteins (HDL) 15, 219 Hinge-Region Siehe Gelenkregion Histamin 445, 535, 589 Abbau 598 Histamin-Rezeptoren 598 Histidin 411 distales 212 Ladungszustand 555 proximales 212 Histon-Deacetylase 466 Histone Nettoladung 313 Histon-Proteine 134, 466 HI-Virus (HIV, human immunodeficiency virus) 170, 534 HIV-Protease 182 HMG-CoA 439, Siehe 3-Hydroxy-3-methylglutarylCoA HMG-CoA-Lyase 430, 439 HMG-CoA-Reduktase 222, Siehe 3-Hydroxy-3methylglutaryl-CoA-Reduktase Hemmstoff 547 Hemmung durch Cholesterol 223 reversible Phosphorylierung 547 HMG-CoA-Reduktase-Hemmer 224 HMG-CoA-Synthase 244, 439 Höhenadaption/-anpassung 230, 510 Homocystein 34 Homocystein-Methyltransferase 254, 255 Homoglykane 13, 216 Homopolysaccharide 326 Hormone glandotrope 275, 278

Sachverzeichnis Mechanismen zur Inaktivierung 278 systemische 278 Hormon-Rezeptor-Komplex 47 Transkriptionskontrolle 276 Hormon-Rezeptor-Wechselwirkungen 46 hormonsensitive Lipase Siehe TriacylglycerolLipase Hyaluronsäure 13, 216 Hybridisierung 146 Hybridisierungssonde 146 Hydratationsenthalpie 338 Hydratisierung 249, 250, 251 Hydrierung katalytische 18 Hydrogencarbonat 41 3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase Coenzym 251 E-Hydroxybutyrat 28, 244, 439 Konzentrationsbestimmung im Serum 90 E-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase 351, 439 β-Hydroxybutyryl-CoA 430 25-Hydroxycholecalciferol 36, 256, 507 Hydroxylapatit 259, 585 21-Hydroxylase 581 Hydroxylierung 35, 46 Ascorbat-abhängige 255 Calciferole 256 Cholecalciferol 507 Cytochrom P446-abhängige 419 Phase I-Reaktionen 608 posttranslationale (Lysin) 214 von Lysin 61 von Prolin 61 von Tryptophan 61 Hydroxyl-Radikal 158, 295, 528 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) 123, 244, 429, 548 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA-Reduktase 17, 427 E-Hydroxy-E-methylglutaryl-CoA Siehe 3Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA 5-Hydroxylysin 214 17α-Hydroxyprogesteron 192 Biosynthese 580 Hydroxyprolin 205, 298, 322 5-Hydroxytryptamin 445, Siehe Serotonin Hyperammonämie 194 Hypercholesterolämie 17, 175, 176, 224 familiäre 17, 222, 548 Hypercortisolismus 199 Hyperglykämie 610 Hyperlipoproteinämie 176 Hyperpolarisation 258, 611 Hypertonie 196, 275, 596 Hypertrophie 607 Hyperurikämie 199, 590 Hypervitaminose 190, 574 Hypocalcämie Ursachen 193

Sachverzeichnis Hypoglykämie 587 Hypophysenvorderlappen 48 Hypothalamus 48, 278 Hypothyreose 261, 607 Hypovitaminose 190, 574 Hypoxanthin 590 Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyl-Transferase 199, 590, 612

I IgA 164 Dimere 525 Funktion 531 Rezeptor 525 Sekretion 168 Transzytose 525, 531 IgE allergische Reaktionen 534 IgG 56, 290 Aufbau 530 Spaltung mit Papain 165, 526 Struktur 168 IgM 57, 166, 528 Monomere 528 Pentamere 528 Ikterus 60, 296 hepatischer 600 intrahepatischer 296 Neugeborenen- 600 posthepatischer 296, 601 prähepatischer 600 Ursachen 196 Imin 371, 505 Immunantwort adaptive 530 humorale 534 primäre 528 zelluläre 534 Immundiffusion nach Ouchterlony Siehe Ouchterlony-Test Immunglobuline 56, 290 Antigenbindungsstelle 290 Antikörperklassen 57 Gelenkregion 290 IgA 291 IgE 291 IgM 291 J-Kette 291 Oligosaccharidreste 291 Paratop 291 Spaltung mit Papain 290 Struktur 56 Immunglobuline fold 291 Immunisierung 167, 169 aktive 530 passive 530 Immunogen 532

629 Immunsupression 46 Immunsystem 55 adaptives 167 angeborenes 167 IMP-Dehydrogenase 456 Inducer 142 Inhibitor Siehe Hemmstoff allosterischer 11 Dissoziationskonstante 95 HIV-Protease 97 kompetitiver 91, 94, 176, 357 Initiationscodon 493, 499, Siehe Start-Codon Initiationsfaktoren (Translation) 368, 493 Initiationskomplex 149, 493 Initiator-Caspasen 539 Initiator-tRNA 501 Inkretine 182 Inosin 52, 284 Inosinmonophosphat (IMP) 131, 456 Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) 276, 277, 335, 520, 521 Insulin 6, 12, 203, 233, 570 C-Peptid 164, 524, 570 Einfluss auf Glykogen-Synthase 415 Glykogenstoffwechsel 119 Mangel 61 Rolle in der Glykogensynthese 240 Sekretion 215, 554 Synthese 570 Wirkung 215 Insulinresistenz 570 Insulinrezeptor 61 Interferon-γ 533 Interkonversion 210 Interleukine 293, 532 Intrinsic factor 190, 255, 552, 574 Mangel 576 Intron 135, 463, 477 charakteristische Sequenzen 479 Iod 46, 198 Mangel 198, 261, 275 Schilddrüsenhormone 261 Iodid 38, 275 Iodsalz 607 Ionenaustauschchromatographie 5, 69, 201, 317 Ionenaustauscher 65 Ionenkanal 44, 270, 336 ligandengesteuerter 37, 47, 161, 276, 611 spannungsgesteuerter 37 transmitterkontrollierter 271 Ionophor 332 IP3 Siehe Inositol-1,4,5-trisphosphat IP3-Rezeptor 259 Isocitrat Oxidation 392 Isocitrat-Dehydrogenase 23, 109, 234, 235, 389, 393 Hemmung durch ATP 268 isoelektrische Fokussierung 201

630 isoelektrischer Punkt 6, 63, 176, 201, 301 bei Isoenzymen 204 Isoenzyme 6, 97, 106, 202, 364, 568 Creatin-Kinase 188 der Lactat-Dehydrogenase 203 und Gewebeschädigungen 203 Isomaltose 77 Isomerisierung Retinal 257, 505 Isopentenylpyrophosphat 274, 427 Isopropyl-β-thiogalactosid (IPTG) 480 Isotyp Immunglobuline 532 Isovalerat-Dehydrogenase 605

J J-Kette 531 J-Peptid 525, 528, Siehe J-Kette

K Kalium-Ionen 258 Kalium-Kanal 82 Kanal, membrandurchspannender 338 Kapillargelelektrophorese DNA-Sequenzierung 287 Katalase 261 katalytische Hydrierung 225 katalytische Konstante kcat 97, 363 katalytische Triade 74, 297, 319 Kationenaustauscher 5, 201, 306, 313 Keratansulfat 77 Ketimin 29 3-Ketoacyl-CoA 31 β-Ketocarbonsäure 416 3-Ketodihydrosphingosin 221 Ketogenese 439 D-Ketoglutarat 443 oxidative Decarboxylierung 389 reduktive Aminierung 356 D-Ketoglutarat-Dehydrogenase 109, 253, 343, 385, 393 Hemmung 387 Ketonkörper 28, 244, 298, 429 in Hungerphasen 573 Verwertung 244 Verwertung durch das Gehirn 458 D-Ketosäure 605 Decarboxylierung 197 Transaminierung 245 3-Keto-Thiolase 244 Kettenabbruch DNA-Sequenzierung 286 Kettenabbruchmethode 153 Klonierung 144, 485 Kohlenmonoxid 10, 210, 400, 582

Sachverzeichnis Giftwirkung 192 Kohlenmonoxid-Vergiftung 582 Kollagen 7, 205, 322 charakteristische Aminosäuren 7 Glasknochenkrankheit 75 Quervernetzung 75 Struktur 75 -Synthese und Ascorbinsäure 7 kolloidosmotischer Druck 529 Koma, diabetisches 298 Komplement 523 Komplementbindungsreaktion 159 Komplementbindungsstelle 290 Komplementbindungstest 523 Komplementsystem 535 Komplex I Siehe NADH-UbichinonOxidoreduktase Komplex II 24 Komplex III 24, Siehe Ubichinol-Cytochrom cOxidoreduktase Komplex IV 24, Siehe Cytochrom c-Oxidase Konformationsänderung induzierte 516 Rezeptor 520 Konzentrationsgradient 20, 45, 82, 269 Kooperativität positive 207, 209 Kopfgruppe in Phospholipiden 218 polare 226 Korrekturlesedomäne Aminoacyl-tRNA-Synthetase 285 Korrekturlesefunktion DNA-Polymerase I 473 kovalente Modifikation 10 Krebstherapie 567 Kupfer(II)-Ionen 261 Kupferspeicherprotein Siehe Coeruloplasmin Kupfer-Zentren in der Cytochrom c-Oxidase 237

L L-3-Hydroxyacyl-CoA 31, 249 L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase 249 lac-Operon 142, 480 lac-Repressor 480 β-Lactam-Antibiotika 541, 604 β-Lactamase 74 katalytische Triade 319 β-Lactamase-Inhibitoren 605 E-Lactamring 210, 604 Hydrolyse 544 Lactat 21, 230, 262, 377, 405 anaerobe Glykolyse 572 Verwertung 572 Lactat-Dehydrogenase (LDH) 93, 231, 350, 356, 569

Sachverzeichnis Aktivitätsbestimmung 93 Isoenzyme 7, 203 Lactoseintoleranz 241 Ladungs-/Masseverhältnis 202 Lambert-Beer´sches Gesetz 349, 350, 351, 352, 356 Lanosterol 427, 548 L-Ascorbinsäure 217, Siehe Ascorbinsäure Lassostruktur 480 L-Carnitin 184, 565, Siehe Carnitin LDH Siehe Lactat-Dehydrogenase LDL (Low density lipoproteins), Siehe Low density lipoproteins lysosomaler Abbau 547 LDL-Rezeptor 17, 175, 223, 423, 547 Defekt 222, 548 Leber(zellen) Schädigung 569 Leberglykogenose Siehe Glykogenspeicherkrankheiten Lecithin Siehe Phosphatidylcholin Lecithin-Cholesterol-Acyltransferase 223 Lesch-Nyhan-Syndrom 590, 612 Leseraster 488 Leukämie, chronisch myeloische 537 Leukotrien C4 535 Leukotriene 186, 535, 564, 592 Leukozyten CD-Moleküle 292 L-Gulonolacton 217 L-Gulonolacton-Oxidase 217, 254 L-Gulonsäure 217 limitierte Proteolyse 208 Lineweaver-Burk-Auftragung 9, 354, 358 Lineweaver-Burk-Diagramm 156, 209, 508 Linolensäure 17, 224, 227 α-Linolensäure 440 β-Oxidation 249 Linolsäure 19, 124, 227, 261 Biosynthese aus Palmitinsäure 125 Lipiddoppelschicht 78, 218, 226, 330 Lipid-Peroxidation 158 Lipoat-Dehydrogenase 252 Lipocortin 536 Lipolyse 14 Lipon(säure)amid 232, 343, 344, 385, 390 Liponsäure 109 Lipopolysaccharid 214 Lipoproteine 15, 121, 219 Lipoproteinlipase 121, 223, 421, 422, 423 endothelständige 219 Liposom 218 E-Lipotropin 208 5-Lipoxygenase 440, 564, 592 L-Malat Oxidation 390 L-Methylmalonyl-CoA 249 Lovostatin 176, 547 Low density lipoproteins (LDL) 16, 121, 223, 423 luteotropes Hormon (LH) 277

631 Lymphozyten 55, 289 Lysolecithin 220 lysosomale Speicherkrankheiten 79 Lysyl-Hydroxylase 346 Lysyl-Oxidase 322

M Magen pH-Wert 194 Magengeschwür 194, 589 Magenschleimhaut 195, 589, 592 Magnesium-Ionen 258 D2-Makroglobulin 577 Makrolid-Antibiotika 173, 542 Makrophagen 289 Aktivierung 533 Makrosatelliten 518 Malat oxidative Decarboxylierung 419 Malat-Aspartat-Shuttle 25, 237, 402 Malat-Dehydrogenase 233, 388, 409, 437 cytosolische 237, 262, 259 mitochondriale 262, 259 Malat-Enzym 262, 353, 419, 437 Malonat 10, 114, 211, 400 Malonyl-CoA 41, 228, 262, 267, 435 Mastzellen 534 Bindung von IgE 292 Inhaltsstoffe 292 Maximalgeschwindigkeit 9, 10, 209, 211, 352, 355, 508, 557 McArdle-Krankheit 117, 184, 564 Melanin 551 Melanozyten-stimulierendes Hormon (MSH) 278, 610 Melittin 176, 548 Membran Fluidität 19 Gelphase 227 postsynaptische 315 Transport 43 Membranfluidität 226 Anästhetika 227 Ca2+-Ionen 227 Cholesterolgehalt 227 Membranlipide flip-flop 226 laterale Diffusion 226 Membranpotenzial 273, 395, 399, 400, 402 Membranproteine 226 integrale 18, 226 intrinsische 330 periphere 226, 330 Membranviskosität 336 Menachinon Siehe Vitamin K β-Mercaptoethanol Siehe 2-Mercaptoethanol 2-Mercaptoethanol 68, 71, 74, 164, 168, 202, 316

632 Meselson-Stahl-Experiment 137, 466 Mesobilirubin 296 meso-Form 324 Messenger RNA (mRNA), 138, Siehe mRNA metabolische Azidose 61 Metalloprotein 343 Metarhodopsin 505 Methämoglobin 35, 59, 167, 295, 529 Bindung von Cyanid 582 Methämoglobinämie familiäre 529 Methämoglobin-Reduktase 295, 529 Methanol 10, 210 -vergiftung 211 Methionin 34, 35 Bildung aus Homocystein 254 Synthese 575 Methionin-Synthase 552 Methotrexat 88, 345, 537, 567 Methylcobalamin 255, 345, 575 7-Methylguanosin-Cap 472 Methylierung 50, 177 erschöpfende 77 von Phosphatidylethanolamin 220 Methylinosin 284 Methylmalonyl-CoA 255, 416, 575 als Inhibitor von Malonyl-CoA 576 Methylmalonyl-CoA-Mutase 35, 249, 255, 434, 576 Methyltetrahydrofolat 576 Metoprolol 178, 553 Mevalonat 176, 429 Mevalonsäure 274, 427 Mg2+-ATP-Komplex 378 Mg2+-Ionen 54, 378, 501 Polymerase-Kettenreaktion 287 MHC Siehe Major histocompatibility complex MHC I-Antigene 57, 292 MHC II-Antigene 57 MHC I-Proteine 169, 533 MHC II-Proteine 168, 289, 292, 531, 532, 533 MHC II-Rezeptor 55 Michaelis-Konstante 9, 11, 92, 209, 211, 349, 352, 357 Michaelis-Menten-Gleichung 209 Michaelis-Menten-Kinetik 9, 91, 94, 355 Eadie-Hofstee-Plot 96 Substrathemmung 96 E2-Mikroglobulin 57, 292 mikrosomales Ethanol-oxidierendes System (MEOS) 591 Milchsäuregärung 230, 372 Mineralocorticoide 45 Minisatelliten 518 Mitchell-Hypothese 395 Mitochondrienmembran Transportsysteme 24 Mizelle 217 Modellmembransystem 78, 79 Modifikation / Modifizierung

Sachverzeichnis kovalente 196, 210, 267, 367, 495 kovalente, zur Regulation 231 posttranslationale 61, 517 posttranskriptionale 472 molare (katalytische) Aktivität 9, 94 Monoacylglycerol 566 Monoaminoxidase (MAO) 553 Monooxygenasen 181 Cytochrom P446-abhängige 608 Monozyten 289 Morbus Addison 198, 610 Morbus Gaucher 79, 222, 583 betroffenes Enzym 192 Morbus Pompe 564 motorische Endplatte Transmitter 197 mRNA (Messenger-RNA) eukaryontische 135 Eigenschaften 472 Poly-A-Schwanz 464 prokaryontische Kontrollregionen 151 Prozessierung 472 MRSA 197 Mucine 215 Murein 541 Muskelglykogenose Siehe Glykogenspeicherkrankheiten Muskelrelaxanzien 44, 272 depolarisierende 602 nichtdepolarisierende 602 periphere 601 zentrale 601 Muskelrelaxierung 197 Myoglobin 11, 206, 212 Myxothiazol A 185, 563

N 10

N -Formyltetrahydrofolat (N10-Formyl-THF) 254, 345, 501 N5,N10-Methenyl-THF 254 N5,N10-Methylentetrahydrofolat (N5,N10-MethylenTHF) 177, 254, 345, 552, 567 N5-Formimino-THF 254 N5-Methyltetrahydrofolat (N5-Methyl-THF) 254, 255, 575 Na+-Glucose-Symport 228, 271 Na+-K+-ATPase 20, 37, 45, 258, 271, 273, 339 Funktionsweise 83 Hemmung 340 Konformationen 340 N-Acetylgalaktosamin 214 N-Acetylglucosamin 288, 541, 603 N-Acetylglutamat 30, 126, 247, 248, 441 N-Acetylmuraminsäure 603 N-Acetylneuraminsäure 18, 222, 225 N-Acetyl-p-benzochinonimin 608 Nachtblindheit 36, 155, 257, 506

Sachverzeichnis NAD+ 84, 342, 343, 344, 350, 355, 385 Absorbanz 250 Biosynthese 159 Citratzyklus 233, 388, 389 DNA-Ligase 474 Glykolyse 379 oxidative Decarboxylierung 232, 390 Regeneration 372 für Glykolyse 102, 230 NADH/H+ 344, 351, 356 Absorbanz 250 ATP-Gewinn in der Atmungskette 234 Glycerol-3-phosphat-Shuttle 395 Oxidation 394 im Komplex I 396 NADH-Cytochrom-b5-Reduktase 261 NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I) 24, 235, 236, 252, 341 Hemmung 566 NADP+ 31, 250, 353, 417 NADPH/H+ 344, 599 aus oxidativer Decarboxylierung von Malat 419 Ausbeute im Pentosephosphatweg 120 Bedarf in Biosynthesen 120 Bereitstellung durch Pentosephosphatweg 417 Fettsäurebiosynthese 41, 262, 418, 437 Glutathion-Reduktase 419 Hydroxylierungen 419 Mangel 529 optischer Test 417 Nahrungskarenz 450 Natriumdodecylsulfat 202, 316, 333 Natrium-Ionen 258 Nebennierenrinde 45 Nekrose 172, 539 Neostigmin Siehe Cholinesterase-Hemmer Neurotransmitter 199 Newborn Respiratory Distress Syndrome (NRDS) 175 NF-NB (nuclear factor NB) 534 N-Formylmethionin 493, 496, 499, 501 N-glykosidische Bindung 12 N-Glykosylierung 55, 191, 288, 579 Niacin (Vitamin B3) 159 nichtreduzierendes Ende 216, 238, 326, 412 Amylose bzw. Glykogen 412 nichtsteroidale Antiphlogistika (NSAS) 592 Nicotinamid 250 Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) 252, Siehe NAD+ Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP+) 250, 344 Siehe NADP+ Nicotinsäure 84, 343, 514 Nicotinsäureamid 33 Nitrilotriacetat-Ni-Komplex 72, 317 Noradrenalin 173, 553 (Bio)synthese 445, 563 NO-Synthase 186, 565 N-Terminus-Regel 450

633 Nucleotidbiosynthese 187 Nucleotidexcisionsreparatur 51, 282, 476

O 6

O -Methylguanosin 50, 282 O-glykosidische Bindung 12, 214 O-Glykosylierung 55, 288 Okazaki-Fragmente 138, 278, 280, 468, 470 Oleat ATP-Ausbeute 122 Oligomycin 24, 114, 236, 400 Olivenöl 329 Ölsäure 40, 261 ATP-Ausbeute 425 Biosynthese aus Palmitinsäure 125 Omeprazol 589 Onkogene 512 Operator 480 Operon 135, 140, 463 Opioid 185 optisch-enzymatischer Test 90, 91, 94 Glucosebestimmung 571 Ornithin 30, 247 Ornithin-Transcarbamoylase (OTC) 247, 549, 588 Orotat 177, 194, 549 im Urin 588 Ouabain 45, 273 Ouchterlony-Test 162, 164, 165 Oxalacetat 451 aus Pyruvat 408 Regeneration aus Succinat 431 Transport 409 Weg ins Cytosol 117 Oxalsuccinat 389, 392 E-Oxidation 18, 121, 122, 123, 124, 415, 422, 423 in Peroxisomen 123 Teilschritte 431 oxidative Decarboxylierung, Siehe Decarboxylierung, oxidative von Malat 419 α-Ketosäuren 343 oxidative Desaminierung 342, 448, Siehe Desaminierung, oxidative Oxidoreduktasen prosthetische Gruppe 342 Oxyanion-Loch 74, 182, 319, 558 Oxygenierung 206 Oxyhämoglobin 11, 207

P P/O-Verhältnis 114, 401 p53 540 Apoptose 172 Autoantikörper 540 Krebsentstehung 540

634 Mutation 540 Palindrom 482, 483 Palmitat / Palmitinsäure 41 Biosynthese 125, 262, 436 Palmitoyl-CoA Produkte der E-Oxidation 440 Palmitoyloleoylphosphatidylserin 333 p-Aminobenzoesäure 254 p-Aminobenzolsulfonsäure 254 Pankreas E-Zellen 61 Pankreas-Lipase 121, 218, 421, 566, 613 Hemmstoff 184 Pantothensäure 84, 343 Papain 56, 290, 525, 526 Paracetamol 198, 608 Lebertoxizität 609 Metabolisierung 608 Parathion („E 601“) 71, 315 Parathormon (PTH) 256, 585 Paratop 290 Pasteur-Effekt 104 PCR Siehe Polymerase-Kettenreaktion Penicillin 10, 210, 521, 604 Resistenz 197 Wirkungsweise 197 Pentosephosphat-Epimerase 419 Pentosephosphat-Isomerase 242, 419 Pentosephosphatweg 27, 120, 295 Bedeutung 242, 417 nichtoxidativer Zweig 242 oxidativer Zweig 119, 242, 416 Produkte 242 Rolle im Erythrozyten 120 Peptidbindung ATP-Aufwand 499 Peptide 63, 64, 67, 74 Disulfidbrücken 74 Sequenzbestimmung 72, 74 Trennung 72, 317 Peptidfragmente Präsentation durch MCH I 292 Peptidhormone 12, 66, 274 Glucagon 410 Peptidoglykangerüst/-schicht 210, 541 Peptidoglykan-Netzwerk 197 Peptidsynthese Energieaufwand 151 Peptidyl-tRNA 497 Permeabilitätskoeffizient 81, 82 Peroxisomen 32, 250 β-Oxidation 426 PEST-Sequenz 450 Pethidin 185, 566 Phagolysosom 533 Phagosom 533 Phase II-Reaktionen 608 Phase I-Reaktionen 607 Phasenumwandlung, endotherme 329

Sachverzeichnis Phenprocoumon 195, 594 Phenylalanin-Hydroxylase 165, 550 Phenylisothiocyanat 317 Phenylketonurie 165, 177, 551 Phenylpyruvat 177, 550 pH-Gradient für ATP-Synthese 114 Phosphat 259 Rollen im Organismus 259 Phosphatgruppenübertragungspotenzial 101, 259, 376 Phosphatidsäure 14, 42, 218, 220, 268, 545 Phosphatidylcholin 14, 42, 175, 218 Synthese 220, 268 Phosphatidylethanolamin 42, 78, 175, 545 doppelt ungesättigtes 328 Synthese 220, 268 Phosphatidylethanolamin-Methyltransferase 220, 269, 545 Phosphatidylinositol Synthese 220 Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) 47, 80, 276, 277, 335, 520 Phosphatidylserin 42, 545 aus Phosphatidylethanolamin 269 Synthese 220 Phosphat-Translokator 399 Phosphoadenosin-Phosphosulfat (PAPS) 608 Phosphoamid 365 Phosphoarginin 101 Phosphocreatin, Siehe Creatinphosphat Phosphodiesterase 276, 506, 522 cAMP-spezifische 233 Inaktivierung von cGMP 520 Phosphodiesterase-5-Hemmer 522 Phosphodiesterbindung 48, 49, 221 5´-5´- 472 DNA 466 DNA-Ligase 280, 468 Knüpfung durch DNA-Ligase 474 Replikation 279 Umesterung 281 beim Spleißen 480 Phosphoenolpyruvat (PEP) 39, 229, 350, 366 Bildung aus Pyruvat 116, 259 Substratkettenphosphorylierung 376 Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase 262, 405, 406 Phosphofructokinase 20, 229, 379 allosterische Regulation 572 Effektormoleküle 105 Reaktion 105 Regulation 23, 233 Phosphofructokinase-1 (PFK1) 11, 211, 367 Phosphofructokinase-2 233 Phosphoglucomutase 413 6-Phosphogluconat 27, 242 6-Phosphogluconolacton 242 2-Phosphoglycerat 105, 381 3-Phosphoglycerat 229

Sachverzeichnis Phosphoglycerat-Kinase 405 Phosphoglycerat-Mutase 381 Phosphoglycerid 218 Phosphoinositkaskade 276 Phospholipasen 15 Phospholipasen A1 220 Phospholipase A2 176, 220, 535, 549, 592 Hemmung 536, 564 Phospholipase C 47, 221, 276, 277, 611 Phospholipase CJ 521 Phospholipase D 221 Phospholipide 192 (Bio)synthese 15, 42 Phosphopantetheingruppe 267 5´-Phospho-α-D-ribosyl-1-pyrophosphat (PRPP) 456, 514, 566, 590, 612 Phosphorsäureanhydrid 365 Phosphorsäureester 315 Phosphorsäureesterbindung 14, 220 Phosphorylase-Kinase 26, 240, 415 Phosphorylierung 26, 45, 210, 245, 252, 259, 259, 519, 545 Acetyl-CoA-Carboxylase 436 bifunktionelles Enzym 410 Fructose-6-phosphat 367, 379 Glycerol 407 Glykogen-Phosphorylase 240 Glykogenstoffwechsel 520, 572 Glykogen-Synthase 415 Glykolyse 372 Hexosen 383 Na+-K+-ATPase 273, 339 3-Phosphoglycerat 405 Phosphorylase-Kinase 415 Pyruvat-Dehydrogenase 231, 391 reversible 218, 243, 267, 268 Rezeptortyrosinkinasen 521 Serin 61, 299 Tyrosin 61 UMP 565 Phyllochinon Siehe Vitamin K Phytansäure 122 Pigmentierung 551 PIP2 Siehe Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat Plasmalogene 18, 225 Plasmamembran 330 Plasmazellen 289 Plasmide 143, 173 als Klonierungsvektoren 134, 485 Restriktionsverdau 145 Plasmin 60 Plasminogen 60 p-Nitroanilin 306, 307 Polyacrylamid-Gel 202 Polyacrylamid-Gelelektrophorese 5, 316 Polyadenylierung 464, 472, 477 Poly-A-Schwanz 472 Poly-Ig-Rezeptor 291 polyklonale Gammopathie 188, 569

635 Polylysin 66 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 54, 138, 142, 287, 479, 500, 518, 526 Edukte 152 Schritte 152 Temperatur-Zeit-Profil 152 Polymermatrix 201 Polymorphismus 160, 518 Polyolweg 588 Polysaccharide 13 Porphobilinogen 539 Porphyrinring 12, 60, 212, 296 posttranskriptionale Modifizierung 472 posttranslationale Modifikation 150 Potenzialdifferenz in der Atmungskette 235 Präinitiationskomplex 493 prä-mRNA 142 Präproinsulin 207, 570 Präzipitatbanden Sporn 523 Präzipitatbildung 524 Präzipitationslinien 162 Präzipitationsmuster 162, 164 Pregnenolon 274 Primärstruktur 7, 204 Primase 49, 279, 280, 468, 469, 472 Primer 142, 279, 471 Annealing-Temperatur 288 für die PCR 500 Polymerase-Kettenreaktion 287 Prionprotein (PrP) 159, 516 pathologische Form (PrPsc) 516 Pristansäure 122, 424 Procarcinogen 282 Produkthemmung 367, 392 Hexokinase 364 Succinyl-CoA 235 Progesteron 274 Proinsulin 6, 203, 524, 570 Prolaktin 278 Proliferation B-Zellen 289 Prolin als Helixbrecher / Strukturbrecher 205, 319 Prolyl-Hydroxylase 346 Promotor 480, 485, 517 -Effizienz 139 -Komplex 138 Proofreading 283, Siehe Fehlerkorrektur, Siehe 3´Æ5´-Exonucleaseaktivität Proopiomelanocortin 208, 278 Propionyl-CoA 249, 416 Carboxylierung 250 Verwertung 434 Propionyl-CoA-Carboxylase 249, 250, 416 Prostaglandine 18, 549, 564 PGE2 589, 592

636 Prostaglandinsynthese Hemmung 536 Prostanoide 180 Protamin 577 Proteasen Aspartat- 596 Funktionen 66 Protease-Inhibitor 182 (26S-)Proteasom 66, 307, 450 Protein p53 512 Protein(bio)synthese antibiotische Hemmstoffe 149 bakterielle, Hemmstoffe 542 bakterielle 541 hormonelle Stimulation 544 Protein-Disulfid-Isomerase 293 Proteine Abbau 128, 449 Aufreinigung 67 Faltung 58, 293 Konzentrationsbestimmung 304 laterale Diffusion 80 präparative Trennung 69 Quartärstruktur 66, 69 Reinigungsmethoden 5 Strukturebenen 7 Tertiärstruktur 66 Proteinfaltung 58, 293 gentechnisch erzeugte Proteine 517 Proteinkinase A 26, 240, 268, 415, 421, 519 Aktivierung der Triacylglycerol-Lipase 243 Proteinkinase C 335, 553 Protein-Phosphatase 1 26, 240, 415 Protein-Phosphatase 2A 268 Proteoglykane 12, 214, 288 Proteolyse limitierte 9, 367 Steuerung 128 Prothrombin (Faktor II) 60, 297, 307, 594 Prothrombinase-Komplex 594 Protonengradient 45, 235, 394, 398, 399, 401 protonenmotorische Kraft 113, 399 Protonenpumpenhemmer 589, 598 Protonentranslokator 184 Protoonkogene 511 Protoporphyrinogen IX, 539 Pseudouridin 52, 284 Pufferkapazität 207 Punktmutation 483, 512 Purinbasen Wiederverwertung 612 Purinnucleotide Abbau 590 Synthese 131 Purinring Bausteine 456 Puromycin 150, 494 Pyridindimer 50 Pyridoxal 245

Sachverzeichnis Pyridoxalphosphat (PLP) 29, 231, 245, 344 als Säure-Base-Katalysator 239 Decarboxylierung 445 Transaminierung 245, 443, 444 Pyridoxamin 29, 246 Pyridoxol 245 Pyrimidinsynthese 187, 451 Regulationsprinzip 452 Pyrophosphatase 424, 442 Pyruvat als Stoffwechselintermediat 115 ATP-Ausbeute 405 bei vollständigem Abbau 116 Lactatbildung bei Sauerstoffmangel 230 oxidative Decarboxylierung 384 Reaktionsmöglichkeiten 404 Pyruvat-Carboxylase 109, 231, 262, 259, 403, 408, 451 Aktivierung durch Acetyl-CoA 409 allosterische Aktivierung 117 Cofaktor Biotin 409 Hemmung durch Avidin 117 Regulation 260 Pyruvat-Dehydrogenase 22, 231 Coenzym für Decarboxylierung 107 Hemmung 387 Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase 109 Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex 109, 405, 510 Coenzyme 22 Regulation 231 Pyruvat-Kinase allosterische Regulation 233 Mangel 193, 585

Q Quartärstruktur 7, 205, 307 Quervernetzung 526 Q-Zyklus 236, 397

R RAAS Siehe Renin-Angiotensin-Aldosteron-System Rachitis 36, 257, 507 Radikalkettenreaktion 512 reaktive Sauerstoffspezies (ROS) 167, 528 Reduktionsäquivalente 235, 378, 421 Transport 402 reduktive Aminierung 128, 344, 356, 444, 448 Regelkreis hormoneller 278 Regulation 372 hormonelle 48 Mechanismen 100, 367 allosterische 109 Release-Faktoren 494 Releasing-Hormone 48, 277

Sachverzeichnis Remnants 422 Renin 595 Renin-Angiotensin II-System 275 Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) 196, 258, 595 Reparatur-Enzymkomplex 282 repetitive Sequenzen 518 Replikation Siehe DNA-Replikation dispersive 467 Fehlerrate 279, 476 Folgestrang 468 konservative 466 semikonservative 466 Replikationsgabel 49, 138, 139, 278, 470, 475 Replikationsstartpunkt 140, 476 Replikationsursprung („origin of replication”) 139 Repressor 141, 142, 463 Restriktionsanalyse 143 Restriktionsendonucleasen 145, 482, 483 Restriktionsenzyme 143, 146, 484, 486, 487, 516 Klonierung 485 Schnittstellen 145 Restriktionsfragment 518 Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus (RFLP) 518 Restriktionskarte 144, 147, 484, 487 Restriktions-Modifikations-System 143 Retinal 36, 257, 505 Retinol 36, 257, 505 Mangel 257 Retroviren 485 Gentherapie 144 reverse Transkriptase 51, 283, 479, 485, 501, 503, 534 reversed phase chromatography 336 Rezeptor cytoplasmatischer 47 enzymgekoppelter 161 G-Protein-gekoppelter 47, 161, 276 membranständiger 46, 47, 276 β1-Rezeptoren 553 β2-Rezeptoren 553 Rezeptortyrosinkinasen 161, 521 R-Form bei Hämoglobin 212 Rf-Wert 312 Rh-Erythroblastose 537 Rhesus-Prophylaxe 537 Rhesus-System 171, 577 Rhodopsin 36, 155, 257, 505 Riboflavin 33, 84, 252 -ringsystem 343 Ribonucleosidtriphosphat 138 Primersynthese 472 Ribose-5-phosphat 27, 242, 416, 419 Ribosom 53 Aufbau 285 Bindungsstellen 151, 497 Hemmung durch Puromycin 494

637 membranständige 286 P-Stelle 493 tRNA-Bindungsstellen 286 Untereinheiten 53, 286, 493 1-Ribosylimidazolylessigsäure 196 Ribozyme 53 Ribulose-5-phosphat 416, 417 Ribulose-5-phosphat-Epimerase 417 Ribulose-5-phosphat-Isomerase 417 Rieske-Zentrum 24, 237, 397 Rifampicin 541 RNA 464 basische Hydrolyse 135, 464 heterogene nucleäre (hnRNA) 141, 477 Micro- (miRNA) 141, 477 Prozessierung 477 short interfering (siRNA) 141, 477 RNA-DNA-Hybrid 485 RNA-Interferenz 477 RNA-Polymerase 279, 468 bakterielle 541 RNA-Polymerase II 472, 521 RNA-Primer 468 Rotenon 114, 236, 400 Rückkopplung negative 268, 278, 367, 607 positive 100 Rückkopplungshemmung prokaryontische ACTase 130 Ruhemembranpotenzial 37

S Saccharose 325, 382 S-Adenosylhomocystein 255 S-Adenosylmethionin (SAM) 255, 445, 472, 545, 551 Salvage-Pathway 612 Sangers Reagenz 65, 73, 309, Siehe 1-Fluor-2,4dinitrobenzol Saquinavir 182, 558 sarkoplasmisches Retikulum 259, 340 Sättigungskinetik 45 Sättigungskurve hyperbole 209 Sauerstoff als Elektronenakzeptor 112, 398 Sauerstoffaffinität 206 Hämoglobin Yakima 509 Sauerstoffaufnahme 206 Sauerstoffbindungskurve 316 Sauerstoff-Partialdruck 214 Säureanhydrid gemischtes 365 Säure-Base-Katalyse allgemeine 319 scavenger-Rezeptor 222 Schaumzellen 222, 548

638 Schiff-Base Siehe Imin Schilddrüsenhormone 156, 606 Sezernierung 275 Schlüsselenzyme 100, 367 als Regulationspunkte 260 Schmelzkurve doppelsträngige DNA 134 Schrittmacherenzym Glykolyse 232 Schrittmacherreaktion Glykolyse 373 Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom (SARS, Severe Acute Respiratory Syndrome) 141 SDS 71, Siehe Natriumdodecylsulfat, Siehe Natriumdodecylsulfat, SDS-(Polyacrylamid)-Gelelektrophorese (PAGE) 68, 69, 71, 164, 165, 313, 525 Second messenger 37, 47, 277, 520, 521 cAMP 240 Sedimentationskoeffizient 69, 312 Sedoheptulose-7-phosphat 27, 242, 419 sekretorische Komponente 291, 525, 531 sekundäre Botenstoffe Siehe Second messenger Sekundärstruktur 463 -typ 205 Selektine 170, 536 Selektivitätsfilter 82, 338 Selen 38, 180, 261 Selenocystein 149, 180, 261, 492 Selenoprotein P (SeP) 180, 555 Semichinon 397 Semichinonform 343 Semichinon-Radikal 513 Sephadex-G25 72 Sequenzierung 54 Serin-Hydroxymethyltransferase 552 Serinprotease(n) 60, 73, 182, 324 Hemmung 297 Spezifität 297 Substratspezifität 73 Serotonin 299, 563 Serum 529 Serumalbumin 243 Serumelektrophorese 178, 188, 569 Sesselkonformation bei Hexosen 327 SH2-Domänen 521 SH-Gruppe periphere 262 zentrale 262 Shine-Dalgarno-Sequenz 493, 496 Short Tandem Repeats (STR) 518 Sialinsäure 16, Siehe N-Acetylneuraminsäure Sichelzellanämie 483 Signalpeptid 207 Signalpeptidase 517 Signalsequenz 495, 517 Signaltransduktion 161, 521 Silberfärbung 201, 311

Sachverzeichnis Sildenafil 522 Skorbut 205, 255, 347 S-Methylmalonyl-CoA 434 somatische Rekombination 522 Somatotropin (STH) 277 Sorbitol 194, 241, 587 Sorbitol-Dehydrogenase 587 Southern Blot 482 Spaltung proteolytische 495, 517 thiolytische 249, 250 spezifische Aktivität 68, 92, 310 Sphinganin 331 Sphingolipid 221 Sphingolipidose 79, 225 Sphingomyelin 218, 221, 225 Sphingophosphatid 14, 218 Sphingophospholipide 583 Sphingosin 218, 225 Biosynthese 79, 332 Spleißen 463, 472, 477, 480 alternatives 6, 135, 142, 204, 463 Spleißosom 480 Sporn 526 Spurenelemente 37, 38, 190, 198 Squalen 274, 427, 548 Stapelwechselwirkung 308 Stärke 13, 77, 216 Start-Codon 149, 493 Statine 224 Stearinsäure / Stearat 330 ATP-Ausbeute 122, 425 Stercobilin 296, 599 Stereochemie proteinogener Aminosäuren 64 Steroidhormone 173 Steroid-Rezeptor-Komplex 274 Stickstoffmonoxid (NO) 162, 214, 522, 565 Bildung im Körper 187 Rolle als Botenstoff 187 Stopp-Codon 149, 488, 494, 496, 500 Streptomycin 494, 542 Strophantin 83 Struma 607 -bildung 262 Substitution konservative 8, 58, 206 nichtkonservative 8, 58, 206, 294 Substratbindungskurve hyperbole 206 Substrathemmung 209, 363 Substratkettenphosphorylierung 103 Substratspezifität 43 Succinat 434 Häm-Biosynthese 435 Oxidation 390 Succinat-Dehydrogenase 23, 33, 236, 252, 390, 401 Hemmstoff 211 Reaktion 108

Sachverzeichnis Hemmung durch Malonat 387 Lokalisation 108, 234, 387 Succinylcholin 44, 271 Succinyl-CoA 23, 249, 416, 434 Aktivierung von Acetacetat 244 Substratkettenphosphorylierung 376 Suizidinhibitor 91, 187, 354 Suizid-Substrat 567 Sulfanilamid 508 Sulfatide 192 Sulfonamide 34, 156, 508, 541 Sulfonsäuregruppe 201 Superoxid-Dismutase 59, 261, 295, 528 Superoxid-Radikalanion 528 Superoxid-Radikale 59, 295 Superspiralisierung 137, 467 negative 281 Surfactant 175, 269 -Mangel 42 Symport 271 Symporter 83

T T\C-Schleife 52 T3 Siehe Triiodthyronin T4 Siehe Thyroxin Tamoxifen 537 Tandem Repeats 160 Taq-Polymerase 138, 287, 500 Taurocholsäure 613 Tautomerisierung Aldimin / Ketimin 246 Tay-Sachs-Syndrom 79 terminale Desaturase 438 Tertiärstruktur 66 Prion-Proteine 516 von Proteinen 307 Zerstörung durch SDS 202 Tetracycline 173, 494, 521, 543 Tetrahydrobiopterin 551 Tetrahydrofolat / Tetrahydrofolsäure (THF) 34, 177, 253, 345, 552 DNA-Synthese 576 Tetrahydrolipstatin (Orlistat) 185 T-Form bei Hämoglobin 212 TH1-Zelle 532, 533 TH2-Zelle 532, 533 T-Helferzellen 169, 289, 530 CD 4 293 Reduktion durch HI-Viren 534 Thermogenese 432 Thermogenin 400, 432 THF Siehe Tetrahydrofolat Thiamin (Vitamin B1) 34, 84, 253 Mangel(erscheinungen) 190, 198, 253, 606

639 Thiaminpyrophosphat (TPP) 232, 253, 343, 344, 385 Funktionen 574 Thiocitrullin 187 E-Thiolase 249 Thiolyse 251 Thrombin (Faktor IIa) 66, 297, 307, 594 Thrombose Erstversorgung und -Prophylaxe 195 Thromboxane 18 Thromboxan A2 592 Thymidylat-Synthase 187, 345, 567 Hemmung 567 Thymin 136 Thymindimer 51, 282 Thyreoglobulin 275, 606 Thyreoidea-stimulierendes Hormon (TSH) 39, 156, 275, 277, 606 Thyreoliberin (TRH) Siehe Thyreotropin Releasing Hormon) 155 Thyreotropin (TSH) Siehe Thyroidea-stimulierendes Hormon Thyreotropin Releasing Hormon (TRH) 48, 155, 275, 508, 607 Thyroxin (T4) 38, 46, 48, 275, 606 Thyroxin-5´-Deiodase 261 Thyroxin-bindendes Globulin (TBG) 275 T-Konformation 320 T-Lymphozyten 530 Tochterstrang 278 D-Tocopherol (Vitamin E) 158, 513, 528 Tocopheryl-Radikal 346 Topoisomerasen 50, 469 Typ I 50, 137, 281, 467 Typ II 50, 137, 281, 467 t-PA Siehe Gewebeplasminogenaktivator TPP Siehe Thiaminpyrophosphat Transaldolase 242, 417, 419 Transaminierung 29, 244, 351, 443, 447 Transducin 505 Transferrin 38, 580 Transferrinrezeptor 260 Transformation 158 Transformylase 501 Transketolase 34, 242, 417, 419 Coenzym TPP 253 Transkription 141, 147 Fehlerhäufigkeit/-rate 139, 280 Initiation 138 Transkriptionsfaktoren virale 534 Translation Fehlerrate 152 Initiation 149 Initiationskomplex 149 Translokation 497 Transmembranhelix 226 Transpeptidase 210, 521, 603 Transpeptidierung(sreaktion) 150, 494, 497

640 Mechanismus 151 Transport aktiver 45, 82, 270, 272 erleichterter (passiver) 44, 272 nichtvermittelter 83, 340 primär-aktiver 20, 270 sekundär-aktiver 228, 270 von Ca2+ 586 vermittelter 83, 340 Transporter / Transportprotein 43 Sättigung 270, 272, 337 Spezifität 270 Transportrate 270 trans-Δ2-Enoyl-CoA 31, 249 TRH Siehe Thyreotropin Releasing Hormon Triacylglycerol 14 aus Phosphatidsäure 269 als Wasserreserve 126 Triacylglycerol-Lipase 33, 120, 421 Aktivierung 218 Regulation 207, 243 Triiodthyronin (T3) 46, 275, 606 Trimethoprim 254, 567 Triosephosphat-Isomerase 20, 229, 355, 377 Tripelhelix 205 im Kollagen 322 5´,5´-Triphosphatbrücke 478 tRNA (Transfer-RNA) 52, 53, 148, 284 Akzeptor-Stamm 489 Aminosäurebindungsstelle 284 Anticodon-Schleife 284, 489 Bindung von Aminosäuren 148 D-Arm 489 DHU-Schleife 284 isoakzeptierende 284 Kleeblatt-Struktur 284, 489 Sekundärstruktur 489 T\C-Arm /-Schleife 284, 489 tRNA-Synthetasen Aminosäureerkennung 148 Fehlerrate 148 Troponin T in der Diagnostik 569 Trypsin 65, 67, 73, 74, 306, 309, 321, 324 Spezifität 297 Trypsinogen 306 Tryptophan NAD+-Synthese 514 Quelle für Nicotinamid 251 Tryptophan-Hydroxylase 346 TSH Siehe Thyroidea-stimulierendes Hormon T-Suppressorzellen 289 Tumorsuppressor 540 Tumorsuppressorgene 511 Tumorzellen (Krebszellen) 158 Tyrosin 46 Tyrosinkinase -Aktivität 521 Hemmung 537

Sachverzeichnis Tyrosinkinase-Rezeptor 215, 276 T-Zellen 169, Siehe T-Lymphozyten cytotoxische 289, 292 T-Zell-Rezeptor 169, 289, 531, 533

U Überempfindlichkeitsreaktion 292 Ubichinol 236, 397 Ubichinol-Cytochrom c-Oxidoreduktase 235, 236, 397, 401 Hemmung 563 Ubichinon (Coenzym Q) 235, 236, 387, 395, 396, 566 Ubiquitin 307, 449 -aktivierendes Enzym 449 -konjugierendes Enzym 449 -Protein-Ligase 449 UCP1 Siehe Entkopplerproteine, Siehe Thermogenin Aktivierung 432 UDP-Galaktose 241, 383 UDP-Glucose 238, 241, 383, 413, 414 UDP-Glucuronat / UDP-Glucuronsäure 60, 216 608 UDP-Glucuronyl-Transferase 601 UMP Siehe Uridinmonophosphat Biosynthese 455 Uracil 136 Uracil-DNA-Glykosylase 282 Urease 356 Uridinmonophosphat (UMP) 130 Uridintriphosphat (UTP) 413 Aktivierung von Monosacchariden 238 Urobilin 296, 599 Uroporphyrinogen III 539 UTP Siehe Uridintriphosphat UV-Licht / UV-Strahlung 50 Vitamin D-Synthese 256

V Valinomycin 79, 332, 336 Van der Waals-Wechselwirkungen 329 Vanillinmandelsäure 553 Variable number of Tandem Repeats (VNTR) 518 Vasodilator 214 Vasopressin Siehe antidiuretisches Hormon (ADH) Verwindungszahl 50, 281, 467 Very low density lipoproteins (VLDL) 219, 423 Verzweigungsstelle, in Introns 479 Vitamin A 505, Siehe Retinol Vitamin B1 Siehe Thiamin Vitamin B12 Siehe Cobalamin Mangel 576 Vitamin B2 Siehe Riboflavin Vitamin B6 Siehe Pyridoxol

Sachverzeichnis Mangelsymptome 183 Vitamin C Siehe Ascorbinsäure Vitamin D2 Siehe Ergocalciferol Vitamin D3 506, Siehe Cholecalciferol Vitamin K Antagonisten 577, 594 Vitamin K-Reduktase Hemmung 594 Vitamine fettlösliche 574 wasserlösliche 574 VLDL 223, Siehe Very low density lipoproteins Vollacetal 325 Volumenaktivität 89 von-Gierke-Erkrankung 238, 564

W Wachstumsfaktor-Rezeptoren EGFR-ähnliche 537 Wachstumshormon Produktion durch Bakterien 159 Wasserstoffbrücken 204, 307 in DNA-Doppelhelix 66 in α-Helix 66 Replikation 279 zwischen DNA-Basen 463 Wasserstoffbrückenbindung 133, 319 katalytische Triade 74 Kollagen 322 Wasserstoffperoxid 183, 295, 426, 528 Wechselwirkungen Codon-Anticodon- 490 elektrostatische 226, 466 hydrophobe 11, 202, 294, 307, 465 ionische 202, 213, 306, 307, 311 nichtkovalente 10, 15, 212, 219, 291, 403 Wechselzahl 9, 208

641 Wobble-Basenpaarung 285 Wobble-Basenpaare 490 Winterschlaf 125 Western Blot 525

X Xanthin 50, 281 Xanthin-Oxidase 210, 252, 590 Xanthosinmonophosphat (XMP) 456 Xeroderma pigmentosum 51, 282 Xylulose-5-phosphat 27, 242, 417

Z Z-DNA Siehe DNA Zelllinie lymphatische 289 myeloische 289 Zellproliferation 158, 511 zelluläre Erkennung 16 Zellwand 197, 602 Zinkfingermotiv 543 Zink-Ionen 261 als Cofaktor 261 ZNS-Gängigkeit Siehe Blut-Hirn-Schranke Zona Fasciculata 45 Zona Glomerulosa 45 Zona Reticularis 45 Zucker reduzierende 325 Zuckeralkohol 324 Zyanose 175 Zymogene 60, 73 Zytostatika 171, 537