Lernzettel Ringvorlesung II-Teil I PDF

Preview

Summary

Genetik, I: VON BESTANDTEILEN DER DER STADIEN DER UND 8 SCHRITTE DES ZELLATMUNG MECHANISMUS: ZELLATMUNG AM BEISPIEL HORMON DURCH 7. BIOCHEMIE ALTKLAUSUR II: MITOSE, MEIOSE UND MENDEL UND DAS DIE GENETIK DER DIE GENETIK DER LETZTE GENETIK ALTKLAUSUR BIOINFORMATIK ALTKLAUSUR sind katalytisch wirksame ...

Description

Lernzettel-Ringvorlesung II Biochemie, Genetik, Bioinformatik TEIL I: BIOCHEMIE

3

STRUKTUR VON BESTANDTEILEN DER NAHRUNG GRUNDLAGEN DER POLYMERE PROTEINE ÜBUNGSFRAGEN PROTEINE: GRUNDLAGEN KOHLENHYDRATE ÜBUNGSFRAGEN KOHLENHYDRATE GRUNDLAGEN LIPIDE ÜBUNGSFRAGEN LIPIDE STOFFWECHSEL-/ZELLVORGÄNGE ZELLATMUNG- EINLEITUNG DIE STADIEN DER ZELLATMUNG OXIDATION UND REDUKTION GLYKOLYSE DER CORI-ZYKLUS CITRATZYKLUS/ KREBSZYKLUS DIE 8 SCHRITTE DES CITRATZYKLUS ÜBUNGSFRAGEN ZELLATMUNG I OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG DIE ATMUNGSKETTE MULTIPROTEINKOMPLEXE I-IV ELEKTRONENTRANSPORT CHEMIOSMOTISCHER MECHANISMUS: ATP-SYNTHESE BILANZIERUNG ZELLATMUNG ÜBUNGSFRAGEN ZELLATMUNG II ERNÄHRUNG/ VERDAUUNG HORMONREGULATION AM BEISPIEL GLYKOGEN: DAS HORMON GLUKAGON GLUKONEOGENESE DURCH GLUKAGON WIRKMECHANISMUS KONZENTRATIONSREGULATION

3 3 4 9 9 13 13 16 17 18 18 19 20 26 27 28 30 31 31 31 32 33 34 34 35 35 36 37 38 38

ÜBUNGSFRAGEN BIOCHEMIE

40

1. VORLESUNGSTAG 2. VORLESUNGSTAG 3. VORLESUNGSTAG 4. VORLESUNGSTAG 5. VORLESUNGSTAG 6. + 7. VORLESUNGSTAG FRAGEN BIOCHEMIE ALTKLAUSUR SOSE2016

40 41 44 46 47 48 50

TEIL II: GENETIK

52

FRAGEN MITOSE, MEIOSE UND FORTPFLANZUNG FRAGEN MENDEL UND DAS GENKONZEPT FRAGEN CHROMOSOMEN FRAGEN: DIE GENETIK DER BAKTERIEN FRAGEN DIE GENETIK DER VIREN FRAGEN LETZTE VORLESUNG FRAGEN GENETIK ALTKLAUSUR SOSE2016

52 53 53 54 54 55 59

TEIL III: BIOINFORMATIK

61

FRAGEN BIOINFORMATIK ALTKLAUSUR SOSE2016

61

Teil I: Biochemie Struktur von Bestandteilen der Nahrung 

Biologische Makromoleküle: o Kohlenhydrate o Lipide o Proteine o Nukleinsäuren

Grundlagen der Polymere           

Makromoleküle sind aus Monomeren aufgebaute Polymere Polymere: Ein Polymer ist ein Molekül, das aus zahlreichen gleichen oder ähnlichen Baueinheiten zusammengesetzt ist, die durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft sind. Die wiederholenden Teile eines Polymers heißen Monomere Polymere werden durch Kondensationsreaktionen gebildet Genau gesagt eine dehydratisierende Kondensation Dabei werden zwei Monomere durch Abspaltung eines Wassermoleküls miteinander verbunden Enzyme beschleunigen den Dehydrationsprozess Polymere können durch Hydrolyse wieder in Monomere gespalten werden Die Hydrolyse ist die Umkehrung der Kondensation Hydrolyse= Bindungsspaltung durch eine Reaktion mit Wasser

Proteine        



Enzyme sind katalytisch wirksame Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen Enzyme erfüllen ihre Aufgaben wieder und wieder und halten so Lebensprozesse am laufen Polypeptide sind lineare Polymere, die jeweils aus dem gleichen Satz von 20 Aminosäuren aufgebaut werden Aminosäuren sind organische Verbindungen, die sowohl Carboxyl- als auch eine Aminogruppe enthalten Aminosäuren unterscheiden sich in ihren Eigenschaften, was die Bildung verschiedener Seitenketten betrifft („Rest R“) Proteinstruktur: Ein funktionelles Protein besteht aus einer oder mehreren Polypeptidketten, die in definierter Weise zu einem Molekül mit einer charakteristischen Struktur geformt sind Die Aminosäuresequenz legt die dreidimensionale Struktur eines Proteins fest bzw. die Strukturen, die die Polypeptidkette prinzipiell einnehmen kann. Die Struktur bestimmt die Funktion eines Proteins Die vier Ebenen der Proteinstruktur: o Primärstruktur eines Proteins ist seine Aminosäuresequenz o Die Sekundärstruktur besteht aus Wicklungen und Faltungen der Polypeptidkette

o Die Tertiärstruktur ist durch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Seitenketten („Reste R“) bestimmt o Einige komplexe Proteine haben eine Quartärstruktur, die die Zusammenlagerung mehrerer gefalteter Polypeptidketten beschreibt

     

  

Die Primärstruktur: Die Primärstruktur ist die Aminosäuresequenz in einem Protein Man kann sie auch als Buchstabenfolge in einem langen Wort beschreiben Sie ist bestimmt durch vererbte genetische Informationen Die Sekundärstruktur: Die Wicklungen und Faltungen der Sekundärstruktur werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen sich wiederholenden Bestandteilen des Polypeptidgerüstes stabilisiert Typische Sekundärstrukturelemente sind Alpha-Helices und Beta-Faltblätter Die Tertiärstruktur: Die Tertiärstruktur eines Proteins ist die gesamte Raumstruktur einer Polypeptidkette, die sich durch die Wechselwirkung aller Seitenketten (-R) der verschiedenen beteiligten Aminosäurereste ergibt.





Dabei spielen sowohl nicht kovalente (Hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen, ionische und Van der Waals-Wechselwirkungen) als auch kovalente Wechselwirkungen eine Rolle. Starke kovalente Bindungen, Disulfidbrücken genannt, können die Molekülgestalt eines Proteins noch weiter strukturell verstärken.

      

           

Die Quartärstruktur: Eine Quartärstruktur liegt vor, wenn zwei oder mehr Polypeptidketten ein einziges funktionelles Makromolekül bilden Beispiel: Collagen ist ein Faserprotein, das aus drei Polypeptidketten besteht, die zu einem Strang gewickelt sind („Triphelix“) Beispiel: Hämoglobin ist ein globuläres Protein und besteht aus vier PolypeptidUntereinheiten, je zwei desselben Typs: Alpha-Globin und Beta-Globin Sichelzell-Anämie: Eine Abweichung in der Primärstruktur Selbst eine geringe Abweichung in der Aminosäuresequenz kann die Molekülgestalt und die Funktion eines Proteins verändern Die Sichelzellkrankheit, eine vererbliche Blutkrankheit, resultiert aus dem Austausch eines einzigen Glutamatrestes gegen Valin in der Primärstruktur des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin. Faktoren die die Struktur eines Proteins bestimmen: Zusätzlich zur Primärstruktur können physikalische und chemische Umgebungsfaktoren die Proteinstruktur beeinflussen Änderungen im pH-Wert, die Salzkonzentration, die Temperatur sowie andere Parameter sind wichtig Der Verlust der nativen Form des Proteins wird Denaturierung genannt Ein denaturiertes Protein ist biologisch inaktiv Proteinfaltung in der Zelle: Die Primärstruktur bietet keine verlässliche Möglichkeit, den Faltungsvorgang vorherzusagen Die meisten Proteine durchlaufen mehrere Zwischenzustände auf ihrem Weg zu einer stabilen Form Chaperone sind Helferproteine, die andere Proteine beim Faltungsprozess unterstützen Die Raumstruktur eines Proteins kann durch eine Röntgenstrukturanalyse, ein Verfahren der Kristallographie, ermittelt werden Eine andere Methode ist die Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie), die keine vorherige Kristallisation erforderlich macht Bioinformatiker setzen Computermodellierungen ein, um die Proteinstruktur aus ihren Aminosäuresequenzen abzuleiten

Übungsfragen Proteine: 







Frage 1) Bringen sie die unten aufgeführten Funktionen in die richtige Reihenfolge passend zu den Begriffen die hier aufgelistet sind: o Enzyme Beschleunigung spezifischer chemischer Reaktionen o StrukturproteineStütze und Strukturgebung o Speicherproteine Speicherung von Aminosäuren o Transportproteine Transport anderer Substanzen o Proteine mit Hormonwirkung Koordination der Aktivität des Lebens o RezeptorproteineAntwort der Zelle auf chemischen Reiz o Kontraktile und Motorproteine Bewegung o AbwehrproteineSchutz gegen Krankheiten Frage 2) Ordnen Sie den hier aufgeführten Beispielen die entsprechenden Proteintypen zu o Spinnenseide  Strukturproteine o Verdauung katalysiert  Enzyme o Keratin (Haare etc.)  Strukturproteine o Kollagen (im Bindegewebe) Strukturproteine Frage 3) Bringen sie die ausgeführten Schritte innerhalb eines katalytischen Zyklus eines Enzyms in die natürliche Reihenfolge o 1. Aktiver Bereich des Enzyms, an den ein Substratmolekül gebunden werden kann. Das Substratmolekül wird durch die Reaktion des Enzyms umgesetzt o 2. Das Substrat bindet an das Enzym o 3. Das Substrat wird in das Produkt umgewandelt o Die Reaktionsprodukte werden freigesetzt Frage 4) Aminosäuren sind organische Verbindungen, die sowohl eine Carboxyl- als auch eine Aminogruppe enthalten

Grundlagen Kohlenhydrate      

   

Kohlenhydrate bilden die Stoffgruppe, die Zucker und deren Polymere umfasst Kohlenhydrate sind eine wesentliche Energiequelle des Organismus Der Aufbau der Kohlenhydrate in der Pflanze erfolgt über die Photosynthese, bei der aus CO2, Wasser und Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll Glukose aufgebaut wird Die wichtigsten Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Glykogen, Dextrine und Zellulose) sind aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufgebaut Heute werden Kohlenhydrate definiert als Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr Hydroxy-Gruppen Dabei gibt es vier große Zuckergruppen, die ihrerseits Aldosen und Ketosen beinhalten o 1) Monosaccharide (Einfachzucker) o 2) Disaccharide o 3) Oligosaccharide o 4) Polysaccharide Monosaccharide: Das am häufigsten auftretende Monosaccharid ist die Glukose, die innerhalb des Stoffwechsels eine zentrale Rolle spielt In wässriger Lösung bilden Glukosemoleküle Ringe aus In der Zellatmung dient die Glukose als Energielieferant

     

Pflanzlich

Tierisch

Dabei wandeln Zellen die Glukose gespeicherte Energie um Die Kohlenstoffgerüste der Kohlenhydrate dienen auch dem Bau kleiner organischer Moleküle wie Aminosäuren und Fettsäuren Nicht sofort zum Bau verwendete monomere Zuckermoleküle werden in Form von Dioder Polysacchariden von der Zelle gespeichert Darstellungsvarianten: Beispiel 1-lineare Form Beispiel 2- vereinfachte Ringstruktur

Saccharose

Glukose + Fruktose

Saccharose ist ein wichtiges Disaccharid, welches aus den Einfachzuckern Glucose und Fructose besteht. Da es aus Zuckerrohr gewonnen wird, wird Saccharose auch Rohrzucker genannt. Zwischen der Glucose und Fructose ist eine kovalente Bindung, die durch eine Dehydratisierungsreaktion ausgebildet wird.

Maltose

Glukose + Glukose

Maltose (Malzzucker) ist ebenfalls ein Disaccharid, welches jedoch aus zwei Glucose-Molekülen besteht. Malzzucker spielt in der industriellen Fermentation eine tragende Rolle, indem er der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae als Nahrung dient. Die Hefezellen wandeln im eigenen Stoffwechsel den Zweifachzucker über Gärung in Alkohol um.

Laktose

Glukose + Galaktose

Lactose ist der Zucker in der Milch. Das Lactose-Molekül besteht aus einem Glucoseund einem Galactose-Molekül. Die Verbindung der Lactosemoleküle kann im tierischen Organismus durch das Enzym Lactase gespalten werden und so dem Körper

als Energie zur Verfügung gestellt werden.

  

Die allgemeine Summenformel für Kohlenhydrate ist CnH2nO2 Disaccharide: Disaccharide bestehen aus 2 glykosidisch miteinander verbundenen Monosacchariden

Laktose

          

Oligosaccharide: Sind wenige, jedoch mehr als zwei Monosaccharide aneinandergeheftet, so spricht man von einem Oligosaccharid Ein Polysaccharid besteht ebenfalls aus mehreren glykosidisch verbundenen Monosacchariden Die Begrenzung zwischen Oligo- und Polysacchariden ist fließend, meist geht man bei Oligosacchariden jedoch von drei bis zehn Monosacchariden aus Oligosaccharide sind z.B. in der Zellmembran gebunden und spielen eine Rolle in der Zellerkennung Unter anderem bestimmen sie die Blutgruppen nach dem AB0-System Polysaccharide: Makromoleküle bestehen aus einigen hundert bis mehreren tausend Monosacchariden, die glykosidisch miteinander verbunden sind Der Aufbau und die Funktion werden durch die Zusammensetzung der einzelnen Monosaccharide und der Lage der glykosidischen Bindungen bestimmt Ein Ernährungswissenschaftlich entscheidendes Polysaccharid ist das Glykogen Auch weitere Polysaccharide dienen als Speichermaterial, andere wiederum als Stützund Schutzstrukturen wie z.B. die Zellulose im pflanzlichen Organismus und das Chitin im tierischen (z.B. Crustacea, Insecta, u.a.) Organismus

    





 

Ketosen: Ketose ist ein Monosaccharid, welches die Carbonylgruppe (C=O)- innerhalb (nicht am Ende) der Kohlenstoffkette trägt Hier wird diese Gruppe Ketogruppe genannt Je nach Anzahl der Kohlenstoffatome innerhalb der Hauptkette wird die jeweilige Ketose in verschiedene Einfachzuckergruppen geteilt: 3 C-Atome: Triosezucker o Beispiel: Dihydroxyaceton o Wichtig in: Zwischenprodukt der Glykolyse 5 C-Atome: Pentosezucker o Beispiel: Ribulose o Wichtig in: Calvin Zyklus (Ribulose-1,5-biphosphat) 6 C-Atome: Hexosezucker o Beispiel: Fuktose o Wichtig in: Bestandteil der Saccharose, Fruchtzucker Aldosen: Aldose ist ein Monosaccharid, welches die Carbonylgruppe (C=0) - am Ende der Kohlenstoffkette trägt

 





Je nach Anzahl der Kohlenstoffatome auf der Hauptkette wird die jeweilige Aldose in verschiedene Einfachzuckergruppen eingeteilt: 3 C-Atome: Triosezucker o Beispiel Aldose: Glyceraldehyd o Wichtig in: Glykolyse 5 C-Atome: Pentosezucker o Beispiel Aldose: Ribose o Wichtig in: RNA 6 C-Atome: Hexosezucker o Beispiel Aldose: Glucose o Wichtig in: Zellatmung

Übungsfragen Kohlenhydrate 











Frage 1) Kohlenhydrate umfassen… o Nur Polysaccharide und Disaccharide o Zucker und deren Polymere o Nur Monosaccharide und Disaccharide o Nur Oligosaccharide Frage 2) In wässrigen Lösungen bilden Glukosemoleküle meist… o Ringe o Ketten o Kompakte Kugelstrukturen Frage 3) Diabetes Typ 1 kann assoziiert werden mit… o Einer angeborenen Überproduktion von Insulin o Einem absoluten Überschuss an Insulin o Einer Erhöhung des Blutzuckerspiegels o Einer angeborenen Störung der Produktion von Insulin o Einem absoluten Mangel an Insulin o Einem reduzierten Blutzuckerspiegel Frage 4) Ordnen Sie die Begriffe den Definitionen zu: o Saccharosepflanzliches Disaccharid o Maltose pflanzliches Disaccharid o Lactose tierische Disaccharid o FruktoseMonosaccharid o GlukoseMonosaccharid Frage 5) Laktoseintoleranz ist eine… o Allergie o Unverträglichkeit Frage 6) Welche Funktionen können Polysaccharide wie Cellulose, Chitin oder auch Glykogen bewerkstelligen? o Speichern o Stützen o Schützen

Grundlagen Lipide  

Lipide sind hydrophob und zeigen keine bzw. sehr geringe Affinität zu Wasser Ferner sind Lipide die einzige Klasse Makromoleküle ohne Polymere

 

       



    

Sie bestehen vor allem aus Kohlenwasserstoffen Wichtigste Lipidfamilien o Fette o Phospholipide o Steroide Fette: Bildung: Dehydratisierungsreaktion aus kleineren Molekülen Glycerin (Kopf) + Fettsäuren (Anhänge) Bindung: Alkohol des Glycerols und Carboxygruppe der Fettsäuren Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren: Nur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffen (C-C) innerhalb der Fettsäure bedeutet, dass alle Kohlenstoffatome mit Wasserstoffatomen „gesättigt“ sind es handelt sich demnach um eine gesättigte Fettsäure Sind auch Doppelbindungen (C=C) innerhalb der Fettsäure zu finden, sind einige Kohlenstoffatome an Wasserstoffatomen „ungesättigt“ es handelt sich demnach um eine ungesättigte Fettsäure

Phospholipide: Ein Phospholipidmolekül trägt nur zwei mit dem Glycerylrest veresterte Acylreste statt drei Die dritte Hydroxylfunktion des Glycerins ist mit einem Orthophosphatmolekül verestert Der Kohlenwasserstoffanteil der Acylreste ist hydrophob weicht also dem Wasser aus Die Phosphosäuregruppe und daran befindliche Kopfgruppe verhalten sind hydrophil



 

 









Wenn Phospholipide und Wasser zusammengebracht werden, bilden sie eine Doppelschicht, deren hydrophobe Anteile sich vom Wasser weg und aufeinander zu orientieren Die Phospholipid-doppelschicht bildet eine Grenzfläche zwischen der Zelle und ihrer Umgebung Phospholipide sind der Hauptbestandteil aller Zellwände/-membranen

Steroide- Cholesterin: Steroide sind eine Lipidgruppe, die ein Kohlenstoffgerüst aus vier kondensierten Ringen aufweisen Das wichtigste Steroid Cholesterin ist ein verbreiteter Bestandteil tierischer Zellmembranen Die Bildung dieses speziellen Steroids erfolgt bei Vertebraten in der Leber Cholesterin ist in tierischen Organismen die chemische Vorstufe für weitere wichtige Steroide Darunter gehören auch die Geschlechtshormone (Sexualhormone), wie z.B. Östrogen und Testosteron

Übungsfragen Lipide 







Frage 1) Welche Stoffgruppe gehören zur Lipidfamilie? o Steroide o Oligosaccharide o Phospholipide o Fette o Enzyme Frage 2) Woraus bestehen Fette? o Glukagon + Steroid o Glycerin + Fettsäure o Glukose + Phospholipide Frage 3) Welche Merkmale haben ungesättigte Fettsäuren? o Erhöhte Aufnahme führt zu Arteriosklerose o Sind nie essentiell o Können essentiell sein o Doppelbindungen o Liefern Energie o Nur Einfachbindungen Frage 4) Was kann mit Cholesterin assoziiert werden? o Vorstufe von Östrogen o Fettsäure o Leber o Steroid o Bauchspeicheldrüse

o o o o o

2 kondensierte Ringe Vorstufe von Glykogen Pflanzliche Zellwand Vier kondensierte Ringe Tiertische Zellmembran

Stoffwechsel-/Zellvorgänge     

Der tierische Stoffwechsel: Vom Körper werden 3 Stoffgruppen benötigt (Kohlenhydrate, Proteine und Lipide), um einen funktionierenden Stoffwechsel aufrecht zu halten Dazu werden Kohlenhydrate benötigt, um Hexosen zu bilden, Proteine für Aminosäuren und Lipide (Triglyceride) für Glycerin und Fettsäuren Hexosen, Aminosäuren sowie Glycerin und Fettsäuren tragen zur Synthese von AcetylCoenzym A bei Über Wasserstoffproduktion, Kohlenstoffdioxidabgabe und Sauerstoffverbrauch geht Wasser (neben Kohlenstoffdioxid) als Endprodukt der Stoffwechselkette hervor

Zellatmung- Einleitung   

Energie geht in Form von Sonnenlicht in ein Ökosystem ein und verlässt es in Form von Wärme und niedermolekularen Stoffen Photosynthese erzeugt Sauerstoff und organische Moleküle, die in den Zellen als Betriebsstoffe der Zellatmung (Respiration) verwertet werden Zellen nutzen Energie, wie sie in organischen Verbindungen gespeichert ist, zur Synthese von ATP, das die meisten innerzellulären Arbeitsvorgänge antreibt

Die Stadien der Zellatmung 

    

Zellatmung setzt sich aus drei Stoffwechselpfaden zusammen: o Der Glykolyse (Glukose wird in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt) o Des Citratzyklus (der Zitronensäurezyklus vervollständigt den Abbau des Glukosemoleküls) o Der oxidativen Phosphorylierung (ADP wird zu ATP umgesetzt) Katabolismus: Der katabole Stoffwechsel liefert Energie durch die Oxidation organischer Brennstoffe Einige Prozesse sind zentrale bedeutsam für die Zellatmung und damit verbundene Stoffwechselwege: Der Abbau komplexer organischer Moleküle zu einfacheren Produkten mit geringerem Energiegehalt setz die Freisetzung chemischer Energie voraus Fermentation oder Gärung ist ein kataboler Vorgang, in dessen Verlauf Zucker ohne Beteiligung von Sauerstoff (anaerob) teilabgebaut werden

   



Aerobe Atmung/Respiration verwertet Sauerstoff zusammen mit organischen Brennstoffen als Edukt und produziert schlussendlich ATP Anaerobe Atmung ähnelt der aeroben, nutzt jedoch andere Substanzen ohne Beteiligung von elementaren Sauerstoff Zellatmung umfasst sowohl die aerobe wie die anaerobe Atmung, bezieht sich jedoch häufig stillschweigend nur auf die erstere Obgleich Kohlenhydrate, Fette und Proteine als Brennstoffe verbraucht werden können, ist es hilfreich, die einzelnen Schritte der Zellatmung am Beispiel des Abbaus von Traubenzucker (Glukose) zu verfolgen C6H12O6C6H12O6 + 6 O2O2 -> 6 CO2CO2 + 6 H2OH2O + Energie (in Form von ATP + Wärme)

Oxidation u...