Biochemie Quiz über Enzyme

Stoffwechsel

• Stoffwechsel umfasst alle chemischen Prozesse in einer Zelle oder einem Organismus.
• Metabolite sind die chemischen Verbindungen, die am Stoffwechsel beteiligt sind.
• Stoffwechselwege sind geordnete Abfolgen von enzymkatalysierten Reaktionen.
• Intermediärstoffwechsel beschreibt die Stoffwechselwege, die dem Aufbau, Abbau und Umbau von Metaboliten sowie der Energiekonservierung dienen.

Inhalt

• Katabolismus: Energiegewinnung durch den Abbau organischer Verbindungen.
• Anabolismus: Stoffaufbau durch die Nutzung von Energie.
• Allgemeines zur Energiegewinnung: Übersicht über grundlegende Prinzipien der Energiegewinnung.
• Glykolyse: Abbau von Glucose zu Pyruvat unter Energiegewinnung.
• Citronensäurezyklus: Weiterer Abbau des Pyruvats unter Energiegewinnung.
• Atmungskette: Elektronenübertragungsketten, die zur ATP-Bildung führen.
• Gärungen: Energiegewinnung ohne Sauerstoff.

Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen

• Kohlenstoffquelle: Grundlegend für den Aufbau von Biomasse.
• Stickstoffquelle: Wichtig für den Aufbau von Proteinen und DNA/RNA.
• Anorganische Salze: Meist in Leitungswasser oder Zusätzen enthalten (z. B. Phosphate, Magnesium, Eisen, Calcium, Schwefel, Kalium).
• Spurenelemente: Spurenmengen an Metallen wie Mangan, Kobalt, Zink, Kupfer, Nickel, Selen, Silicium, Wolfram.
• Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen: Zusätzliche Nährstoffe für Mikroorganismen, die bestimmte Stoffe nicht selbst synthetisieren können.

Metabolismus (Gesamtbild)

• Produzenten (Pflanzen): Nutzen Lichtenergie zur Herstellung von Nährstoffen.
• Destruenten (Mikroorganismen): Zersetzen organische Stoffe.
• Konsumenten (phytophag, zoophag): Nahrungskette.
• Bakterien: Große Stoffwechselvielfalt und hohe Anpassungsfähigkeit.

Enorme Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen

• Energiequelle: Unterscheidung nach Lichtenergie (phototroph) oder chemischen Reaktionen (chemotroph).
• Elektronendonator: Unterscheidung nach organischen (organotroph) oder anorganischen (lithotroph) Verbindungen.
• Kohlenstoffquelle: Unterscheidung nach Nutzung von Kohlendioxid (autotroph) oder organischem Kohlenstoff (heterotroph).

Stoffwechseltypen

• Ein umfassendes Schema der Klassifizierung von Stoffwechseltypen basierend auf Energiequelle, Elektronendonator und Kohlenstoffquelle.

Stickstoffquelle

• Stickstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Proteinen und DNA/RNA.
• Stickstoff kommt in organischen und anorganischen Verbindungen vor.
• Beispiele für Stickstoffverbindungen: Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-), Stickstoff (N2).

Stickstoffkreislauf

• Stickstofffixierung: Umsetzung von atmosphärischem Stickstoff in eine nutzbare Form für Organismen.
• Nitrifizierung: Umsetzung von Ammoniak zu Nitrit und dann zu Nitrat.
• Denitrifizierung: Umwandlung von Nitrat zurück in atmosphärischen Stickstoff.

Katabolismus und Anabolismus

• Katabolismus: Abbau von organischen Verbindungen unter Energiegewinnung.
• Anabolismus: Aufbau von organischen Verbindungen unter Energieaufwand.
• Beispiele: Zellatmung, Synthese von Proteinen oder Stärke.

Energiekopplung

• Zusammenhang zwischen katabolen und anabolen Stoffwechselreaktionen.
• Energiehaltige Nährstoffe werden in den katabolen Stoffwechselwegen abgebaut und die freiwerdende Energie wird im anabolen Stoffwechsel für den Aufbau neuer Moleküle verwendet.
• ATP spielt eine zentrale Rolle als Energieüberträger.

Bioenergetik

• Energieumwandlungen in lebenden Organismen.
• Energiedefinition und -einheit (Joule [J]).
• Energiekonservierung bei Bakterien.

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

• Beschreibung der freien Energie in chemischen Reaktionen.
• ΔG ist die freie Energie, ΔH die Enthalpie, T die Temperatur und ΔS die Entropie.
• Ein ΔG < 0 deutet auf eine spontane Reaktion hin.

Bioenergetische Grundlagen

• Exergone Reaktionen: Spontane Reaktionen mit Abnahme der freien Energie (ΔG < 0).
• Endergone Reaktionen: Nicht-spontane Reaktionen, die Energie benötigen (ΔG > 0).
• Erhaltung der Energie: Energie kann weder geschaffen noch zerstört werden.

Anwendung von Enzymen

• Proteine, die biochemische Reaktionen beschleunigen.
• Kein Bedarf an hohen Temperaturen oder Drücken.
• Spezifisch für Substratbindung.

Enzyme: Aktivierungsenergie

• Enzyme senken die Aktivierungsenergie für biochemische Reaktionen.
• Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit

Enzymklassen

• Eine Klassifizierung von Enzymen nach ihren katalysierten Reaktionen.

Enzyme und ihre Verwendung

• Beispiele für Enzyme und ihre Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen. (z.B. Waschmittel, Lebensmittelverarbeitung).

Redoxreaktionen

• Elektronenübertragung.
• Oxidationsreaktionen: Elektronenabgabe.
• Reduktionsreaktionen: Elektronenaufnahme.

Elektronenüberträger

• Prosthetische Gruppen: Kovalent an Enzymen gebunden.
• Co-Enzyme: Nicht kovalent an Enzymen gebunden.
• Beispiele: NAD+/NADH, FAD/FADH2.

Biochemischer Energiespeicher

• Wichtige Möglichkeiten, chemische Energie in der Zelle zu speichern, (ATP, Coenzym A)

ATP

• Generelle Energieeinheit des Stoffwechsels.
• Freigesetzte Energie durch Hydrolyse (Spaltung unter Wasseraufnahme) des ATP in ADP und Phosphat.
• Bedeutung für den Transport von Phosphatgruppen und energetisch ungünstige Reaktionen.

Biophysikalischer Energiespeicher

• Konzentrationsgradienten und Membranpotentiale: Speichern Energie durch ungleiche Verteilung von Ionen (z.B. H+) über die Membran.

Transport über die Membran

• Primärer Transport: Energie benötigt wird, z.B. Protonenpumpe.
• Sekundärer Transport: Engere Kopplung an Stofftransport. (z.B. Symport, Antiport)

ATP-Synthase

• Funktion: Protonen-ATP-Synthetase.
• Struktur: Bestandteile F0 und F1.
• Energietransformation: Protonenfluss durch F0 treibt die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat.

Chemoorganotrophie

• Zentrale Abbauwege: Für die Oxidation organischer Verbindungen zur Energiegewinnung.

Abbau von Kohlenhydraten

• Glykolyse: Abbau von Kohlenhydraten.
• Citratzyklus: Oxidativer Abbau von Acetyl-CoA.
• Atmungskette: Elektronenübertragung und ATP-Synthese.

Polysaccharid: Stärke/Glykogen

• Struktur: Verzweigte Polysaccharide aus Glucoseeinheiten.
• Funktion: Speicherform von Glukose.

Glykolyse

• Abbauweg von Glucose: Zu Pyruvat unter Energiegewinnung.
• Schlüsselreaktionen: Besondere Reaktionen in der Glykolyse.

Abbauwege des Pyruvats

• Anaerobe Bedingungen: Lactatgärung oder alkoholische Gärung.
• Aerobe Bedingungen: Oxidative Decarboxylierung zu Acetyl-CoA, welcher in den Citratzyklus gelangt.

Gärung

• Anaerobe Energiegewinnung: Ohne Sauerstoff.
• Produkte: Ethanol oder Milchsäure.
• Wichtige Organismen: (z.B. Hefen, Milchsäurebakterien).

Milchsäuregärung

• Typen: Homofermentativ, heterofermentativ
• Verfahren: Umwandlung von Glucose zu Milchsäure unter anaeroben Bedingungen.
• Anwendungen: Lebensmittelindustrie (z. B. Joghurt, Käse).

Alkoholische Gärung

• Verfahren: Umwandlung von Glucose zu Ethanol und CO2.
• Anwendungen: Lebensmittelindustrie (z. B. Bier, Wein, Brot).

Zusammenfassung

• Übersichtsbild: Zusammenführung der wichtigsten Stoffwechselwege und -reaktionen.
• Beziehung zwischen Stoffwechselwegen: Abgrenzung von katabolen und anabolen Prozessen.
• Redoxreaktionen: Übertragung oder Austausch von Elektronen, die zum Energiegewinn führen.