Übungsaufgaben 04 bearbeitet-Atmungskette Wi Se 21 22 (1) PDF

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6. Übungsaufgaben BCII: Atmungskette 1) a) Wie können kleine Moleküle vom Cytosol in den mitochondrialen Intermembranraum, und von dort in die mitochondriale Matrix gelangen? Geben Sie zwei Beispiele für die beteiligten Transporter. - In Intermembranraum über Porinkomplexe - In Matrix über Transporter der inneren Membran (Komplexe I, III, IV) o Komplex I = NADH:Q-Oxidoreduktase = NADH-Dehydrogenase o Komplex III = Cytochrom c-Reduktase o Komplex IV = Cytochrom c-Oxidase b) Welche Funktion hat der Glycerin-3-phosphat-Shuttle für den mitochondrialen Membrantransport? - Transport der e- von NADH aus cytosolischem SW in Mitochondrium 2) Nennen Sie die vier Komplexe der Atmungskette. Warum werden dort die Elektronen entlang eines Energiegradienten transportiert und nicht direkt von NADH auf O2 übertragen? - Komplex I = NADH-Dehydrogenase - Komplex II = Succinat-Dehydrogenase - Komplex III = Cytochrom c-Reduktase - Komplex IV = Cytochrom c-Oxidase e--Transport entlang eines Energiegradienten -

Direkter e--Transport von NADH auf O2 für Zelle nicht möglich Sehr hoher Energiesprung (ΔG= -150 kJ/mol) bei direktem e--Transport → Schrittweise ATP-Gewinnung

3) Erklären Sie das Prinzip des Elektronentransportes im Komplex I. Wie gelingt es dabei, den Ein-Elektronen-Transport (z B. über Fe-S-Cluster) mit dem Zwei-Elektronen-Transporter (z. B. Ubichinon) zu verbinden? - Von NADH wird ein Hydridion (1 H+/ 2 e-) auf Komplex I übertragen an NADH-Bindungsstelle - Hydridion wird auf FMN übertragen (an Komplex I gebunden), sodass FMN in reduzierte Form übergeht und die NADH-Oxidation bewerkstelligt - 1 e- wird schrittweise vom FMN auf die Eisenatome eines Fe-S-Clusters übertragen, ein zweites e- dann auf einem zweiten Cluster → EinElektronen-Transportkette - Elektronen werden schrittweise von Eisenatomen auf Ubichinon übertragen (Übertragung zweier Elektronen) 4) Welche Funktion hat der Komplex II der Atmungskette? Welche weiteren Prozesse sorgen für die Bildung von QH2 aus Q? Fkt. Komplex II -

Succinat zu Fumarat durch Reduktion von FAD zu FADH2 Dabei freigesetzte/entstehende e- werden über verschiedene Vermittler (ETFs, Glycerin-3-phosphat-Shuttle) in Q-Pool transferiert

-

Weitere Prozesse: ETF-Proteine, Glycerin-3-phosphat-Shuttle (Ladung d. Q2- bewirkt Konformationsänderung in vier Protonenpumpen d. Komplexes I → 4 H+ werden in IMR transportiert → Q2- wird zu QH2)

5) Erklären Sie den Mechanismus des Q-Zyklus im Komplex III. Warum trägt der Q-Zyklus auch zum Aufbau des Protonengradienten bei? Mechanismus d. Q-Zyklus im Komplex III 1. Halbzyklus: -

-

Erstes Ubichinol (QH2) wird im Q0-Zentrum v. Komplex III gebunden 2 H+ werden in IMR freigesetzt erstes e- wird auf Fe2S2-Zentrum d. Rieske-Proteins, dann auf Cytochrom c1 (Komplex III), dann auf Cyt. c (löslich) übertragen (Cyt. c kann dann freigesetzt werden) zweites e- wird über Cyt. bL und Cyt. bH auf Ubichinon (Q) im Komplex III übertragen, geparkt

2. Halbzyklus: -

dieser Prozess wiederholt sich mit einem zweiten QH2 (drittes und viertes e- nehmen gleichen Weg wie erstes und zweites e-) 2 H+ aus Matrix reagieren mit dem zweifach von e- geparktem Q zu QH2 QH2 wird freigesetzt (Q-Pool) Q-Zyklus trägt zum Aufbau d. H+-Gradienten bei, weil H+ aus der Matrix aufgenommen werden und H+ v. QH2 in den IMR freigesetzt werden o Für Bildung des QH2 aus geparktem Q werden 2 H+ aus der Matrix benötigt, sodass QH2 gebildet werden kann o H+ v. QH2 werden in IMR transferiert → indirekter Protonentransport (oben verbraucht in Matrix und im IMR freigesetzt) → trägt zum Aufbau des Protonengradienten bei

6) a) Erklären Sie den Mechanismus des Komplexes IV. Warum heißt er auch Cytochrom c-Oxidase? Wie kommt es dabei zur Umwandlung von O2 zu H2O? Mechanismus d. Komplexes IV - zwei Cyt.-c-Moleküle übertragen e- nacheinander, um CuB und Häm a3 zu reduzieren - reduziertes CuB und Fe in Häm a3 binden O2, welches eine Peroxidbrücke bildet - zwei weitere Cyt.-c-Moleküle werden benötigt → Addition von je zwei weiteren e- und H+ spaltet die Peroxidbrücke → je eine Hydroxylgruppe bindet an Cu und Fe als Ligand - die Addition von zwei weiteren H+, welche sich mit den Hydroxylgruppen verknüpfen, führt zur Freisetzung von 2 Wassermolekülen → sorgen dafür, dass Cytochrom c-Oxidase regeneriert werden kann, sodass der Zyklus neu startet

Komplex IV = Cytochrom c-Oxidase - katalysiert in einer gekoppelten Reaktion die Oxidation von Cyt. c mit der damit verbundenen e--Übertragung und der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser Umwandlung von O2 zu H2O - durch chemische Protonen, die aus den Reaktionen entstehen → Aus Matrix werden 4 Protonen verbraucht für Reduktion des Sauerstoffs → erhöhen Differenz zwischen IMR und Matrix b) Was versteht man unter „Reaktiven Sauerstoffspezies“ (ROS)? Wie können diese wieder abgebaut werden? Reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) - reaktive Sauerstoffspezies sind sehr reaktive, z. T. radikale Sauerstoffverbindungen, wie z. B. Superoxid-Anion und Wasserstoffperoxid - können biologische Moleküle (z. B. Lipide oder AS-Seitenketten in Proteinen) oxidativ schädigen Abbau von ROS - durch Tocopherol = Vit. E (Inaktivierung v. Radikalen) → es entsteht aber ein Tocopherol-Radikal, dass durch Vit. C (Ascorbat) wieder regeneriert werden kann → es entsteht wieder ein Radikal (Ascorbyl-Radikal)→ Regeneration: Endprodukt DHA (Reduktionsprodukt der Ascorbinsäure) 7) a) Wie wird durch die Atmungskette im Mitochondrium die protonenmotorische Kraft erzeugt, und wie wird diese für die Synthese von ATP genutzt? Erklären Sie auch den speziellen Mechanismus der ATP-Bildung im Komplex V. Erzeugung der protonenmotorischen Kraft -

Komplexe I, III, IV erzeugen über e--Transportkette protonenmotorische Kraft → H+ werden aus Matrix in IMR transportiert (pH-Wert-Änderung)

Komplex V = ATP-Synthase -

„Zeiger“ (-UE) d. F1-Komplexes wird durch F0-Komplex/Rotation angetrieben

Mechanismus der ATP-Synthase (Komplex V) 1. Substratbindung - es gibt 3 aktive Zentren (, ) mit 3 verschiedenen Konformationen (L, O, T) o L = loose → hohe Affinität zu Edukten, bindet ADP + Pi o O = open → niedrige Affinität zu ATP o T = tight → hohe Affinität zu ATP 2. Konformationsänderung - „Zeiger“ bewegt sich, angetrieben durch Rotation d. F0-Komplexes durch H+-Gradienten → alle Konformationen ändern sich (OTL → LOT) - L → T: ADP und Pi noch (fest) gebunden

3. -

T → O: ATP locker gebunden Produktfreisetzung und ATP-Synthese O: Freisetzung von ATP in Matrix T: ATP-Synthese durch Energieeintrag v. Konformationsänderung

b) Was versteht man unter einem Entkoppler der Atmungskette und wozu kann er im Körper dienen? - Entkoppler der Atmungskette = e--Transportkette bleibt aktiv, H +-Gradient wird nicht mehr für ATP-Synthese genutzt → anderer Mechanismus baut protonenmotorische Kraft ab (z. B. 2,4-Dinitrophenol/UCP-1) - Entkoppler der Atmungskette - Fkt.: UCP-1 (in braunem FG) dient im Körper zur Wärmeerzeugung bei einem Kältereiz → in Mitochondrien wird BAT-Programm gestartet → e--Transportkette läuft leer, aber erzeugt dabei Wärme Altfragen 8) Erklären Sie das Prinzip des Glycerin-3-phosphat-Shuttles. Welches Molekül empfängt letztendlich die zu transportierenden Elektronen? Welche Gemeinsamkeit(en) gibt es mit dem Komplex II der Atmungskette? Prinzip d. Glycerin-3-phosphat-Shuttles - Kann NADH aus cytosolischem SW (z. B. Glykolyse) ins Mitochondrium transferieren (nur e-) - Dihydroxyacetonphosphat wird mit Hilfe v. NADH zu Glycerin-3-phosphat (Ketogruppe → Alkoholgruppe), kann auch wieder zurückgewandelt werden, wobei 2 e- und 2 H+ auf FAD und dann auf Ubichinon übertragen werden Molekül, welches die zu transportierenden e- empfängt: Ubichinon Gemeinsamkeit mit Komplex II der Atmungskette - sind beides Dehydrogenasen mit FAD als prosthetische Gruppe - Fütterung des Q-Pools mit Elektronen 9) Reduziertes NADH aus dem SW gibt seine Elektronen an den Komplex I der Atmungskette weiter. Erklären Sie das Prinzip des Elektronentransportes im Komplex I. Wie gelingt es dabei, den EinElektronen-Transport mit dem Zwei-Elektronen-Transport zu verbinden? Prinzip d. e--Transportes im Komplex I - Von NADH wird ein Hydridion (1 H+/ 2 e-) auf Komplex I übertragen an NADH-Bindungsstelle - Hydridion wird auf FMN übertragen (an Komplex I gebunden), sodass FMN in reduzierte Form übergeht und die NADH-Oxidation bewerkstelligt - 1 e- wird schrittweise vom FMN auf Eisenatome eines Fe-S-Clusters übertragen, ein zweites e- dann auf einem zweiten Cluster → EinElektronen-Transportkette → Elektronen werden schrittweise von den Eisenatomen auf Ubichinon übertragen (Übertragung zweier Elektronen)

10) Die Elektronen der Atmungskette werden durch Cytochrom c auf die Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV) übertragen. Erklären Sie wie dort Sauerstoff in Wasser umgewandelt wird und wie es zum Protonentransport kommt. - zwei Cyt.-c-Moleküle übertragen Elektronen nacheinander, um CuB und Häm a3 zu reduzieren - reduziertes CuB u. Fe in Häm a3 binden O2→ Bildung einer Peroxidbrücke - zwei weitere Cyt.-c-Moleküle werden benötigt → Addition von je zwei weiteren e- und H+ spaltet die Peroxidbrücke → eine Hydroxylgruppe bindet jeweils an Cu und Fe als Ligand - die Addition von zwei weiteren H+, welche sich mit den Hydroxylgruppen verknüpfen, führt zur Freisetzung von 2 H2O → sorgen dafür, dass Cytochrom c-Oxidase regeneriert werden kann, sodass der Zyklus neu startet 11) Die Mitchell-Hypothese besagt, dass die durch die Komplexe I, III und IV erzeugte protonenmotorische Kraft zur Synthese von ATP genutzt werden kann. Erklären Sie das Prinzip der Übertragung dieser Kraft auf das aktive Zentrum der ATP-Synthase (Komplex V). Was würde passieren, wenn man die protonenmotorische Kraft von der ATPSynthase entkoppeln würde? Prinzip -

Übertragung der protonenmotorischen Kraft auf aktives Zentrum v. Komplex V Kraft wird übertragen auf F0-Komplex für die ATP-Synthese „Zeiger“ (-UE) d. F1-Komplexes wird durch F0-Komplex/Rotation angetrieben

Entkopplung der protonenmotorischen Kraft von ATP-Synthase -

-

Elektronentransportkette bleibt aktiv und Protonengradient wird nicht mehr für ATP-Synthese genutzt → anderer Mechanismus baut protonmotorische Kraft ab (keine ATP-Synthese, da keine Rotation der F0-Domäne)

12) Welche der folgenden Aussagen zu Elektronentransportprozessen in der Atmungskette sind richtig? Geben Sie die jeweils korrekte Antwort an. a. Beim Glycerin-3-phosphat-Shuttle werden Elektronen von mitochondrialem NADH über die cytosolische Glycerin-3-phosphatDehydrogenase auf Ubichinon übertragen. ➔ Falsch (mitochondriales Glycerin-3-phosphat-Dehydrogenase) b. Der Elektronentransport zwischen dem Komplex II und dem Komplex III erfolgt durch Ubichinol. ➔ Falsch? (Ubichinon?)

c. Cytochrom c transportiert Elektronen vom Komplex I auf den Komplex IV. ➔ Falsch (e--Transport von Komplex III auf Komplex IV) d. Innerhalb d. Komplexes IV werden Elektronen zu Protonen transportiert, um H2 zu bilden. ➔ Falsch (H2O-Bildung) 13) Die genaue Umrechnung der protonenmotorischen Kraft in synthetisierte ATP-Moleküle durch den Komplex V ist schwierig. Daher wird als Faustregel angenommen, dass ein NADH 2,5 ATP und ein FADH2 1,5 ATP erzeugt. Welche der nachfolgenden Aussagen zu Energiebilanzen, die sich auf dieser Basis aufstellen lassen, sind richtig? Kennzeichnen Sie die jeweils korrekte Antwort. a. Der Unterschied in der Energiebilanz einer ungesättigten FS (z. B. Palmitoleinsäure) im Vergleich zu ihrer gesättigten FS (z. B. Palmitinsäure) beträgt 1,5 ATP. ➔ Falsch b. In der Energiebilanz cytosolisch erzeugten NADH ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu mitochondrial erzeugtem NADH pro Molekül ein ATP weniger erzeugt werden kann, wenn die Elektronen des cytosolischen NADH mit Hilfe des Glycerin-3-phosphatShuttles in das Mitochondrium transportiert werden. ➔ Richtig/falsch 14) Unten ist schematisch die Atmungskette gekennzeichnet. Ordnen Sie die Namen der vier Komplexe der Atmungskette sowie der beiden Elektronentransporter der angegebenen Nummerierung zu („Komplex I, II, III, IV“ genügt nicht!). Warum werden in der Atmungskette die Elektronen entlang eines Energiegradienten transportiert und nicht direkt von NADH auf O2 übertragen? -

1 = Komplex I = NADH-Dehydrogenase 2 = Komplex II = Succinat-Dehydrogenase 3 = Ubichinon (Q) 4 = Komplex III = Cytochrom c-Reduktase 5 = Cytochrom c 6 = Komplex IV = Cytochrom c-Oxidase

e--Transport entlang eines Energiegradienten -

Direkter e--Transport von NADH auf O2 für Zelle nicht möglich Sehr hoher Energiesprung (ΔG= -150 kJ/mol) bei direktem e--Transport → Schrittweise ATP-Gewinnung

15) a) Beschreiben Sie die Umsetzung von Succinyl-CoA zu Fumarat im Citratzyklus mit Strukturformeln. 𝑆𝑢𝑐𝑐𝑖𝑛𝑦𝑙−𝐶𝑜𝐴−𝑆𝑦𝑛𝑡ℎ𝑒𝑡𝑎𝑠𝑒

Succinyl-CoA + Pi + GDP →

𝑆𝑢𝑐𝑐𝑖𝑛𝑎𝑡−𝐷𝑒ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑎𝑠𝑒

Succinat + FAD →

Succinat + CoA + GTP

Fumarat + FADH2

b) Die an der in a) darzustellenden Reaktionsfolge beteiligte SuccinatDehydrogenase wird auch Komplex II der Atmungskette genannt. Wie werden die Elektronen im Komplex II transportiert und welches Molekül empfängt die Elektronen für den Weitertransport auf den Komplex III? e--Transport im Komplex II - Succinat wird umgesetzt zu Fumarat und reduziert dabei FAD zu FADH2 - Elektronen werden z. B. über Fe-S-Cluster übertragen - 2 e- (+ 2 H+) werden auf ein FAD im ETF übertragen - ETF-Ubichinon-Oxidoreduktase transferiert Elektronen (u. Protonen) auf Ubichinon - Ubichinon empfängt e- für Weitertransport auf Komplex III c) Mit Ausnahme von Komplex II sorgen alle Komplexe der Atmungskette für den Aufbau eines Protonengradienten zwischen dem Intermembranraum und der mitochondrialen Matrix. Beschreiben Sie, wie dieser Protonengradient durch die ATP-Synthase (Komplex V) für die Synthese von ATP aus ADP und Pi genutzt wird. Wie gelingt dabei der Energietransfer von der F0-Domäne (Protonenpumpe) auf die F1-Domäne (ATP-Synthase-Komplex)? Nutzung d. H+-Gradienten für ATP-Synthase -

Viele H+ im IMR, H+ bindet an c-UE d. F0-Komplexes Nach Rotationsprinzip dreht sich F0-Komplex im Uhrzeigersinn H+ in Freisetzungsposition → H+ wird in Matrix freigesetzt 10 H+ = vollständige Drehung d. F0-Komplexes

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Energietransfer von F0-Domäne auf F1-Domäne durch Rotationsprinzip → Konformationsänderung der -UE...