Biochemie Quiz über Enzyme und Stoffwechsel

Stoffwechsel

• Stoffwechsel umfasst alle chemischen Reaktionen im lebenden Organismus oder in einer Zelle.
• Die beteiligten chemischen Verbindungen heißen Metabolite.
• Stoffwechselwege sind eine Reihe von enzymkatalysierten Reaktionen.
• Intermediärstoffwechsel beschreibt die Stoffwechselwege, die dem Aufbau, Abbau und Umbau von Metaboliten sowie der Energiekonservierung dienen.

Inhalt des Stoffwechsels

• Allgemeines zur Energiegewinnung
• Glykolyse
• Citronensäurezyklus
• Atmungskette
• Gärungen
• Anabolismus
• Katabolismus

Nährstoffe für Mikroorganismen

• Kohlenstoffquelle
• Stickstoffquelle
• Anorganische Salze (z.B. Phosphate, Magnesium, Eisen, Calcium, Schwefel, Kalium)
• Spurenelemente (z.B. Mangan, Kobalt, Zink, Kupfer, Nickel, Natrium, Selen, Silicium, Wolfram)
• Eventuell Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen
• Optimaler pH-Wert
• Optimale Temperatur

Metabolismus

• Der Metabolismus beschreibt die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen in einer Zelle oder einem Organismus.
• Die daran beteiligten chemischen Verbindungen heißen Metabolite.
• Der geordnete Ablauf der chemischen Reaktionen erfolgt über Stoffwechselwege, also enzymkatalysierte Reaktionen.
• Die Wege, die dem Auf-, Ab- und Umbau von wichtigen Metaboliten sowie der Energiekonservierung dienen, werden als Intermediärstoffwechsel bezeichnet.

Bioenergetik

• Bioenergetik befasst sich mit Energieumwandlungen in lebendigen Organismen.
• Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.
• Einheit der Energie ist Joule [J].
• Bakterien müssen Energie konservieren.

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

• AG = ΔH – T x AS
• AG = Freie Energie
• ΔH = Enthalpieänderung
• T = absolute Temperatur
• AS = Entropieänderung
• Reaktion läuft spontan ab, wenn ΔG < 0.

Bioenergetische Grundlagen

• Exergone Reaktionen sind spontane Reaktionen, die mit einem Verlust an freier Energie (ΔG < 0) verbunden sind.
• Endergone Reaktionen sind Reaktionen, die nur ablaufen, wenn von außen Energie zugeführt wird (ΔG > 0).
• Prinzip der Energieerhaltung: Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden, nur umgewandelt.

Anwendung von Enzymen

• Enzyme sind Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren (beschleunigen).
• Sie benötigen keine hohen Temperaturen oder Drücke.
• Enzyme wirken häufig spezifisch auf Substrate.
• Enzyme senken die Aktivierungsenergie der Reaktionen, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht wird

Enzymklassen

• Oxidoreduktasen: katalysieren Redoxreaktionen
• Transferasen: katalysieren Gruppenübertragungen
• Hydrolasen: katalysieren hydrolytische Spaltungen
• Lyasen: katalysieren nicht-hydrolytische Spaltungen
• Isomerasen: katalysieren Isomerisierungen
• Ligasen: katalysieren die Verknüpfung zweier Moleküle unter ATP-Verbrauch

Enzyme und ihre Verwendung

• Proteasen: Hydrolyse von Proteinen, Waschmittelzusätze
• Amylasen: Hydrolyse von Stärke, Textilindustrie, Backindustrie
• Katalasen: Zersetzung von Wasserstoffperoxid, Konservierung von Nahrungsmitteln
• Lipasen: Fettspaltung, Käsereifung
• Laktasen: Spaltung von Laktose, Diätmilch

Redoxreaktionen

• Redox-Reaktionen sind chemische Reaktionen, bei denen Elektronen übertragen werden.
• Oxidation ist der Elektronenverlust, während Reduktion der Elektronengewinn ist.
• Elektronenüberträger sind wichtig für die Energiespeicherung.
• Coenzym NAD+/NADH und FAD+/FADH2 spielen eine wichtige Rolle als Elektronenüberträger in Redoxreaktionen.

Biochemischer Energiespeicher

• ATP (Adenosintriphosphat) ist der wichtigste Energieträger in Zellen.
• ATP kann durch Hydrolyse (Spaltung unter Wasseraufnahme) in ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat (P_i) gespalten werden, und dabei Energie freisetzen.
• Biochemischer Energiespeicher: ATP und Coenzym A (Acetyl-CoA).

Biophysikalischer Energiespeicher

• Konzentrationsgradienten und Membranpotentiale sind wichtige biophysikalische Energiespeicher.
• Chemische Potentialdifferenz: Ungleiche Verteilung einer Substanz in verschiedenen Kompartimenten.
• Elektrische Potentialdifferenz: Ungleiche Verteilung von Ladungen in verschiedenen Kompartimenten.
• Protonenmotorische Kraft (ΔμH+) ist eine elektrochemische Potentialdifferenz (Ungleiche Verteilung von Protonen an Membranen), die Energie für verschiedene Prozesse in Zellen speichern kann.

Transport über die Membran

• Diffusion: Spontaner Prozess der Ausbreitung von Stoffen entlang eines Konzentrationsgradienten.
• Uniport: Carrier-vermittelter Transport einer Substanz.
• Symport: Carrier-vermittelter gekoppelter Transport zweier Substanzen in dieselbe Richtung.
• Antiport: Carrier-vermittelter gekoppelter Transport zweier Substanzen in entgegengesetzte Richtungen.
• Primärer Transport: Direkt gekoppelt an die Hydrolyse von ATP.
• Sekundärer Transport: Gepaart mit einem anderen Transport, der ATP-abhängig ist.

ATP Synthetasen

• Enzyme zur Erzeugung von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat
• Die Protonenmotorische Kraft (pmf) treibt die ATP-Synthese durch den Verbrauch der Energie an .

Zusammenfassung

• Exergone und endergone Reaktionen, Enzyme, Redoxreaktionen, biochemische Energiespeicher (ATP, CoenzymA), biophysikalische Energiespeicher, Protonenpumpe, ATP-Synthetase
• Chemooorganotrophie - zentrale Abbauwege zur Oxidation organischer Verbindungen
• Abbau von Kohlenhydraten: Glykolyse, Citratzyklus
• Polysaccharide (Stärke/Glykogen)
• Glykolyse: die Abbauwege von Glucose
• Wichtige Abbauwege des Pyruvat: aerobe und anaerobe Möglichkeiten
• Gärung: anaerobe Bedingungen, Oxidation von organischen Verbindungen, reduzierter Abbau von organischen Produkten (Ethanol, Milchsäure)
• Homofermentative und Heterofermentative Milchsäuregärung

Überblick

• Der Stoffwechsel ist ein komplexer Prozess, der alle chemischen Reaktionen in einer Zelle oder einem Organismus umfasst.
• Die verschiedenen Stoffwechselwege sind eng miteinander vernetzt und ermöglichen die Energiegewinnung und den Stoffaufbau.
• Die Energie in Form von ATP wird durch Redoxreaktionen gespeichert und im Stoffwechsel genutzt.