Fragenkatalog_Zusammenfassung Biologie III WiSe 2017/18 PDF

KLAUSURVORBEREITUNG Fragenkataloge und Zusammenfassungen zur Vorlesung WiSe 2017/18 Biologie III Stand: 04.02.2018 Inhalt Vorlesungsteil Enzymologie.............................................................................................. 1 Grundlagen...........

KLAUSURVORBEREITUNG Fragenkataloge und Zusammenfassungen zur Vorlesung WiSe 2017/18 Biologie III Stand: 04.02.2018 Inhalt Vorlesungsteil Enzymologie.............................................................................................. 1 Grundlagen.................................................................................................................... 1 Enzyme.......................................................................................................................... 3 Stoffwechsel................................................................................................................ 14 Vorlesungsteil Tierphysiologie......................................................................................... 43 Neurophysiologie......................................................................................................... 43 Muskelphysiologie....................................................................................................... 54 Atmung und Blut.......................................................................................................... 65 Hören........................................................................................................................... 69 Sehen.......................................................................................................................... 81 Vorlesungsteil Fotosynthese........................................................................................... 90 Vorlesungsteil Pflanzenphysiologie............................................................................... 107 Vorlesungsteil Naturstoffe............................................................................................. 130 Vorlesungsteil Mikrobiologie.......................................................................................... 136 R. Rausch WiSe 2017/18 Vorlesungsteil Enzymologie Grundlagen 1. Welche prinzipiellen Wege des intrazellulären Transports neu synthetisierter Proteine gibt es? Co-Translational: Die an den Ribosomen translatierte Proteinsequenz wird mit einer Sequenz versehen, die das Protein ins ER schleust, wo es noch während der Translation modifiziert wird. Anschließend wird es sekretiert, in die PM eingebaut oder in Lysosomen wieder abgebaut. Post-Translational: Das an den Ribosomen translatierte Protein wird entweder in den Zellkern, die Mitochondrien / Chloroplasten oder die Peroxisomen geschleust (z. B. TIM/TOM, TIC/TOC), und erst dort weiter modifiziert. 2. Über welchen Transportweg werden neu synthetisierte Proteine in die folgenden Or- ganellen transportiert? Endoplasmatisches Retikulum Co-Translational Golgi-Apparat (r-ER-Signalsequenz) Lysosomen Mitochondrien Chloroplasten Peroxisomen Post-Translational Zytoplasma Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 1 R. Rausch WiSe 2017/18 3. Ordnen Sie die folgenden Stoffwechselwege den angegebenen Organellen zu: Tabelle 1: Stoffwechselwege Stoffwechselweg In welchem Organell Citrat-Zyklus Mitochondrien Glykolyse Zytoplasma Lipidsynthese Raues Endoplasmatisches Retikulum Transkription Zellkern Fettsäure-Oxidation Mitochondrien Fettsäure-Synthese Zytoplasma oxidative Phosphorylierung Mitochondrien Replikation Zellkern Translation Ribosomen Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 2 R. Rausch WiSe 2017/18 Enzyme 4. Enzyme können in sechs Reaktionstypen unterteilt werden. Bitte ordnen Sie die ange- gebenen Beispielenzyme den Reaktionstypen zu: Enzymklasse Zuordnung Oxidoreduktasen Pyruvat-Dehydrogenase (EC 1.2.4.1.) Transferasen Hexokinase (EC 2.7.1.1.) Lipase (EC 3.1.1.) Hydrolasen Amylasen (EC 3.2.X.X.) Nucleasen (EC 3.1.X.) Aldolase (EC 4.1.2.13) Lyasen Aconitase (EC 4.2.1.3.) Isomerasen keine der genannten Enzyme Ligasen Carboxylasen (EC 6.4.1) 5. Viele Enzyme benötigen für ihre Arbeit Cofaktoren. Cofaktoren lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Metall-Ionen und Organische Moleküle (Coenzyme). Bitte ordnen Sie die folgenden Cofaktoren „ihren“ Enzymen zu: Cofaktor Enzym Acetyl-CoA-Carboxylase (EC 6.4.1.2) Biotin Pyruvat-Carboxylase (EC 6.4.1.1.) Thiaminpyrophosphat Pyruvat-Dehydrogenase (EC 1.2.4.1) Pyridoxalphosphat Glycogenphosphorylase (EC 2.4.1.1.) Flavinadeninnucleotid MAO, Monoamin-Oxidase (EC 1.4.3.4.) NAD+ Lactat-Dehydrogenase (EC 1.1.1.27) Carboxypeptidasen (EC 3.4.17.1+2) Me2+ Urease (EC 3.5.1.5.) 6. Enzyme werden durch ihren Vmax, KM und Kcat beschrieben. Was sagt ein niedriges Kcat / KM Verhältnis über die Reaktionsgeschwindigkeit eines Enzyms in vivo aus? Ein niedriges Verhältnis von Wechselzahl (kkat) zu Michaelis-Menten-Konstante (Km) bedeutet, dass nur wenig Substrat pro Zeiteinheit umgesetzt werden kann: Für ein niedriges kkat/KM- Verhältnis muss daher kkat klein und KM groß sein: Großer KM, großer kkat: Substrat bindet langsam an, wird schnell umgesetzt; v ~ KM Kleiner KM, kleiner kkat: Substrat bindet schnell an, wird langsam umgesetzt; v ~ kkat Großer KM, kleiner kkat: Substrat bindet langsam an, wird nur langsam umgesetzt. v sehr klein Kleiner KM, großer kkat: Substrat bindet schnell an und wird schnell umgesetzt; v sehr groß Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 3 R. Rausch WiSe 2017/18 7. Woran kann man eine enzymkatalysierten von einer nicht katalysierten Reaktion un- terscheiden? Enzyme setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, d. h. die freie Enthalpie des Übergangszustandes ist stark herabgesetzt, sodass sie unter relativ milden Bedingungen ablau- fen kann. Abbildung 1: Freie Enthalpie und Reaktions-Art 8. Bitte beschreiben Sie die folgenden Prinzipien der enzymvermittelten Katalyse: (a) induced fit und (b) Schlüssel-Schloss-Prinzip! Schlüssel-Schloss-Prinzip Induced-Fit-Prinzip Modell: Modell: Das aktive Zentrum des Enzyms wird erst Das aktive Zentrum des ungebundenen nach Konformationsänderung nach Enzyms hat eine dem Substrat Anbinden des Substrats komplementär zu komplementäre Gestalt. diesem. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 4 R. Rausch WiSe 2017/18 9. Welche Auswirkung auf die Aktivitätsenergie hätten folgende Eigenschaften des akti- ven Zentrums eines Enzyms. Bitte begründen Sie Ihre Aussagen! (a) Das aktive Zentrum ist komplementär zum Substrat. Die Aktivierungsenergie würde erhöht werden, da der Zustand des Substrates durch die Aus- bildung des aktiven Zentrums begünstigt wäre. (b) Das aktive Zentrum ist komplementär zum Übergangszustand. Die Aktivierungsenergie wäre dank Begünstigung des Übergangszustandes herabgesetzt, da dieser Zustand stabilisiert werden würde. Eine Reaktion zum Produkt wird dadurch begünstigt. 10. Was beschreibt die Michaelis-Menten-Gleichung (bitte nur eine Antwort ankreuzen. Falsche Kreuze führen zu Punktabzug) Die Richtung der Reaktion Die Enzymmengen, die zur maximalen Umsetzung eines Substrates notwendig sind. Die Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Enzymkonzentration und unter- schiedlichen Substratkonzentrationen Die Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Substratkonzentration und unter- schiedlichen Enzymkonzentrationen Die Spezifität eines Enzyms für sein Substrat Die Substrataffinität eines Enzyms Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 5 R. Rausch WiSe 2017/18 11. Bei der Michaelis-Menten-Konetik spielen die Größen vmax und Km eine große Rolle. Was beschreiben sie und was bedeutet ein hoher bzw. niedriger Wert von Km für die Substrataffinität eines Enzyms? 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑐𝑐(𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆) 𝑣𝑣0 = 𝐾𝐾𝑚𝑚 + 𝑐𝑐(𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆) vmax beschreibt die Maximalgeschwindigkeit, die asymptotisch noch erreicht werden kann, jedoch auch durch weitere Substratzugabe nicht überschritten werden kann. Km beschreibt die Michaelis-Menten-Konstante; sie entspricht der Substratkonzentration, die bei halber Maximalgeschwindigkeit vorliegen muss. Ein niedriger Km-Wert bedeutet entsprechend, dass eine hohe Bindungsbereitschaft des Sub- strates an das Enzym besteht; schon kleine Konzentrationen an Substrat genügen, um die Re- aktion mit halber Maximalgeschwindigkeit (bzw. schneller) ablaufen zu lassen. Ein hoher Km-Wert bedeutet entsprechend, dass nir eine niedrige Bindungsbereitschaft des Substrates an das Enzym besteht. Entsprechend bedarf es hoher Substratkonzentrationen, um mindestens die halbe Maximalgeschwindigkeit der Reaktion zu erreichen. 12. Was versteht man unter einem Selbstmordinhibitor? Selbstmordinhibitoren oder auch mechanismusbasierte Inhibitoren sind modifizierte Substrate, die ein Enzym inaktivieren können: Zunächst binden sie an das aktive Zentrum des Enzyms an – sie sind auf dieses hoch spezifisch kompatibel – und bilden dann in der weiteren Reaktion ein Zwischenprodukt, welches das Aktivzentrum des Enzyms so fest bindet, dass dieses blockiert wird. 13. Bei exothermen Reaktionen wird Energie freigesetzt. Man würde daher vermuten, dass solche Reaktionen spontan ablaufen. Warum muss dennoch Aktivierungsenergie aufgewendet werden, um diese zu starten? Die Aktivierungsenergie dient zur Ausbildung eines Übergangszustandes, der zunächst erreicht werden muss, um von den Reaktanden zu den Produkten zu gelangen. Dabei kann es sich bspw. um das Lösen von Bindungen oder Umlagerungen handeln, die endotherm stattfinden. Ein (chemisch nicht ganz korrektes) Beispiel wäre Holz und Sauerstoff; beide reagieren in exo- therme Reaktion zu den Verbrennungsprodukten. Die Reaktion verläuft jedoch nicht spontan, da zunächst durch Wärmezufuhr flüchtige, brennbare Stoffe aus dem Holz freigesetzt werden müssen, die dann das gesamte Holz in Brand setzen können. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 6 R. Rausch WiSe 2017/18 14. Enzymaktivitäten werden durch unterschiedliche Mechanismen reguliert. Hierzu zählt auch die reversible Bindung von Inhibitoren. Es wird bei ihnen zwischen kompetitiven, unkompetitiven und nichtkompetitiven Inhibitoren unterschieden. Bei welcher Art von Inhibitor sind die folgenden Änderungen der Michaelis-Menten- Größen KM und vmax in nun folgend beschriebener Weise zu erwarten? Bitte begründen Sie jeweils Ihre Aussage! (a) vmax bleibt konstant und KM wird erhöht? Dies ist bei kompetitiv wirkenden Inhibitoren der Fall: Der Inhibitor tritt als Konkurrenz zum Substrat am Enzym auf, bindet auf gleiche Weise an. D. h. dass die Substratbindung auf Kos- ten des Inhibitors zurückgedrängt wird (gleichbedeutend mit steigendem KM) (b) vmax und KM werden erniedrigt? Dies ist bei unkompetitiv wirkenden Inhibitoren der Fall: Der Inhibitor komplexiert nur mit Enzymen, die bereits ein Substratmolekül gebunden haben („ESI-Komplex“), aus welchem aber kein Produkt gebildet werden kann. Dadurch wird das GGW freier Enzyme und Substrate ständig in Richtung der Komplexierung verschoben, da ständig Enzym-Substrat-Komplexe durch Inhibierung verloren gehen. Folge: Es werden mehr Substratmoleküle pro Zeiteinheit gebunden (KM sinkt), aber die maximale Reaktionsgeschwindigkeit wird durch den Verlust an Enzym-Molekülen durch Inhibierung herabgesetzt (vmax sinkt). Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 7 R. Rausch WiSe 2017/18 (c) vmax sinkt und KM bleibt konstant? Dies ist bei nichtkompetetiven Inhibitoren der Fall. Hierbei bindet das Substrat unverändert an das Enzym an, wird aber nicht mehr zu Produkt umgesetzt; daher bleibt KM unverändert, vmax sinkt dagegen zu einem neuen Wert vmax(App) ab. Das Enzym verhält sich wie eine Verdünnung seiner selbst, weswegen der Effekt durch Substraterhöhung auch nicht kompensiert werden kann. 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑣𝑣𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = ; mit [I]=Inhibitor, K I =Geschwindigkeitskonstante [I] [𝐼𝐼] 1 + 𝐾𝐾 𝑖𝑖 15. Nach Michaelis-Menten werden Enzymaktivitäten in Form einer hyperbolischen Kurve dargestellt. Viele Enzyme zeigen allerdings einen sigmoiden Kurvenverlauf. Bitte be- schreiben Sie, worauf die Abweichungen zurückzuführen sind! Bei betreffenden Enzymen handelt es sich um allosterische Enzyme; das sind Enzymmoleküle mit mehreren Untereinheiten und aktiven Zentren. Dabei beeinflussen sich diese Zentren ge- genseitig; es treten zwei Konformationen des Enzyms auf: Eine R-Form (relaxed) und eine T- Form (tended). Jede der beiden Formen hat ein eigenes kinetisches Verhalten bzgl. der Sub- stratanbindung, wodurch sich beide kinetischen Kurven zu einer sigmoiden Kurve addieren: Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 8 R. Rausch WiSe 2017/18 16. Was versteht man unter symmetrischem und sequentiellen Modell der Allosterie? Beim symmetrischen Modell wird davon ausgegangen, dass das Enzym-Molekül entweder in der T- oder der R-Form vorliegt; beide können aber ineinander umgewandelt werden. Aller- dings existieren pro Enzymmolekül niemals R-konfigurierte Untereinheiten neben T- konfigurierten Untereinheiten. Diese verhalten sich jedoch unterschiedlich bezüglich der Affinität zu den Substratmolekülen. Beim sequentiellen Modell wird davon ausgegangen, dass es zu einer sukzessiven Konformationsänderung zwischen R-Form und T-Form in Abhängigkeit von der Anzahl der gebundenen Substratmoleküle kommt: Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 9 R. Rausch WiSe 2017/18 17. Was versteht man unter homotropen, was unter heterotropen Regulation? Wird die Enzymaktivität durch das Substratmolekül selber entweder aktiviert oder inhibiert, so wird von homotropen Effekten gesprochen – da der Regulator und das Substrat identisch (gr. homo = gleich) sind. Wird die Enzymaktivität durch andere Moleküle als durch das Substrat aktivierend oder hem- mend beeinflusst, so wird von heterotropem Effekt gesprochen, da Regulator und Substrat sind unterschiedlich (gr. hetero = verschieden). 18. Was bewirkt die Bindung von ATP und CTP an der ATCase in Bezug auf die Konform- ation und Aktivität des Enzyms? ATP bindet heterotrop an das Enzym an, und stabilisiert (heterotrop) dessen aktivere R- Konformation, CTP stabilisiert dagegen (heterotrop) die weniger aktive T-Konformation. ATP erhöht also die Aktivität, CTP vermindert sie. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 10 R. Rausch WiSe 2017/18 19. Wodurch wird verhindert, dass Verdauungsenzyme nicht in der Bauchspeicheldrüse, sondern erst im Dünndarm aktiv sind und wie werden sie aktiviert? Die Verdauungsenzyme der Bauchspeicheldrüse liegen dort in inaktivem Zustand vor. Sie wer- den im Dünndarm durch Enterokinasen aktiviert. 20. Enzyme werden häufig durch reversible kovalente Modifikationen reguliert. Eine zent- rale Rolle spielt dabei die Phosphorylierung. Welche Funktion übernehmen dabei die Proteinkinasen und Proteinphosphatasen? Proteinkinasen phosphorylieren Proteine; vornehmlich an alkoholischen OH-Gruppen (Se- rin, Threonin), sie übertragen eine Phosphatgruppe von ATP auf ein Enzym (unter Bildung von ADP) Proteinphosphatasen hydrolysieren das phosphorylisierte Enzym wieder: Dadurch wird Phosphat frei, am Enzym findet sich wieder die alkoholische OH-Gruppe. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 11 R. Rausch WiSe 2017/18 21. Zytosolische Proteine, die für den Abbau bestimmt sind, werden häufig durch Ubiqui- tin markiert. Bitte beschreiben Sie die enzymatischen Schritte durch die beteiligten En- zyme, die am Abbau beteiligt sind. 1. Energetisierung: Die terminale Carboxylgruppe wird unter Wirkung des Enzyms E1 mit ATP umgesetzt, wodurch ein energiereicher AMP-Ester entsteht. 2. Aktivierung: Diese energiereiche Verbindung überträgt das Enzym E1 auf eine seiner Thiogruppen (Cystein-Gruppe) wodurch ein E1-Ubiquitin-Thioester entsteht. 3. Konjugation: Mittels Katalyse eines Enzyms E2 (Ubiquitinkonjugierendes Enzym) wird der Ubiquitin-E1-Komplex unter Freiwerden des E1 (aktivators) zu Ubiquitin-E2 umgesetzt. 4. Übertragung auf das Zielprotein: Die Ubiquitin-Ligase (E3) überträgt das Ubiquitin an ei- nen Lysinrest des Zielproteins: Aus der (energiereichen) Thioesterbindung wird eine (ener- getisch günstigere) Peptidbindung. Das derart markierte Protein wird dann an Proteasomen unter Freiwerden von Ubiquitin zu Oligopeptiden bzw. freien Aminosäuren abgebaut. 22. Was versteht man unter Mikrokompartimierung des Stoffwechsels und welchem Zweck dient diese? Mikrokompartimente sind gesonderte Reaktionsräume, die nicht durch Membranen getrennt werden (im Ggs. zu Organellen). Hierbei können Enzyme sequentieller Stoffwechselwege in Multienzymkomplexen organsiert werden. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 12 R. Rausch WiSe 2017/18 23. Von manchen Enzymen sind mehrere sogenannte Isoenzyme bekannt. Welche der folgenden Aussagen treffen auf diese zu? Isoenzyme besitzen die gleiche Aminosäuresequenz, unterscheiden sich aber in ihrer Sekundär- und Tertiärstruktur und damit in ihrer Aktivität. Isoenzyme entstehen typischerweise durch alternatives Spleißen. Der isoelektrische Punkt als charakteristische Kenngröße eines Enzyms ist innerhalb einer Gruppe von Isoenzymen identisch. Isoenzyme werden von unterschiedlichen Genen kodiert, katalysieren aber dieselben chemischen Reaktionen. Isoenzyme sind Enzyme mit gleichen regulatorischen Eigenschaften. 24. Was versteht man unter Mikrokompartimierung im Zusammenhang mit Stoffwechsel- wegen? Bitte nennen und beschreiben Sie mindestens ein Beispiel! Mikrokompartimente wurden unter Frage 22 erklärt. Beispiele: Substratchanneling durch elektrostatische Führung beim Umsatz von Malat über Oxalacetat zu Citrat: Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 13 R. Rausch WiSe 2017/18 Stoffwechsel 25. Was versteht man unter chemischer Kopplung von Reaktionen? Geben Sie hierfür ein Beispiel an! Chemische Kopplung bedeutet, dass eine Reaktion, die im Grunde endergonisch (ΔG>0) ab- - laufen würde, an eine zweite gekoppelt wird, die stark exergonisch verläuft, und zu einem Zwischenprodukt führt, das so energetisch ist, das es durch eine daran gekoppelte chemi- sche – dann ebenfalls noch exergonische - Reaktion zum gewünschten Endprodukt führt. Die Kopplung gehorcht dabei dem 0. Hauptsatz der Thermodynamik. Beispiel: Umsatz von Glucose zu Glucose-6-phosphat: Die direkte Reaktion von Glucose mit einem Phosphat-Ion verliefe endergonisch. Der Umsatz von ATP zu ADP und Phosphat ist dagegen stark exergonisch. Wird nun Glucose statt mit Phosphat mit ATP umgesetzt, so ist auch die Bil- dung von Glu-6-Phosphat noch deutlich exergonisch: 𝒌𝒌𝒌𝒌 gewünschte Reaktion: Glu + Pi Glu-6-Phosphat ∆𝑮𝑮𝟏𝟏 = +𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟕𝟕 𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 𝒌𝒌𝒌𝒌 Kopplung 1: ATP ADP + Pi ∆𝑮𝑮𝟐𝟐 = −𝟑𝟑𝟑𝟑, 𝟓𝟓 𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 𝒌𝒌𝒌𝒌 Kopplung 2: Glu + ATP Glu-6-Phosphat + ADP ∆𝑮𝑮𝟑𝟑 = −𝟏𝟏𝟑𝟑, 𝟖𝟖 𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 26. Organismen lassen sich entsprechend ihrer Ernährungsstrategie in zwei Gruppen einteilen; autotrophe und heterotrophe Organismen. Welche Energie- und Kohlenstoff- quelle benutzen phototrophe Organismen, welche chemolithotrophe Organismen? Phototrophe: Kohlenstoffquelle = CO2, Energiequelle = Licht Chemolithotrophe Kohlenstoffquelle = CO2, org. Moleküle Energiequelle = Oxidation Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 14 R. Rausch WiSe 2017/18 27. Was geschieht mit roten Blutzellen, wenn man sie in hypotonischer, hypertonischer bzw. isotonischer Lösung badet? Bitte begründen Sie Ihre Antworten! Entsprechend dem osmotischen Druckgefälle zwischen Blutzelle und Umgebung strömt Was- ser: in hypertonischer Lösung aus den Blutzellen in die Lösung (Zellen schrumpfen) in isotonischer Lösung findet kein makroskopischer Austausch statt in hypotonischer Lösung aus der Lösung in die Blutzellen hinein (Zellen schwellen an) 28. Welche unterschiedlichen Klassen der Membrantransportsysteme kennen Sie? Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 15 R. Rausch WiSe 2017/18 29. Aktive Transportsysteme fallen in zwei Klassen. Bitte benennen Sie diese und geben Sie jeweils ein Beispiel dafür an! Symport: Das zu transportierende Molekül wird mit einem zweiten Molekül oder Ion gekoppelt, und durch ein Membranprotein geschleust. Beispiel: Na-Glucosetransporter in die Zelle. Durch Koppeln eines Glucose-Moleküls mit einem Na+-Ion (ATP!) gelingt es, diese aus dem extrazellulären Raum entgegen dem Konzentrationsgradienten durch Membranproteine in die Zelle zu transportie- ren. Es handelt sich hierbei um einen sekundär akti- ven Transport! Antiport: Ein Membranportein ermöglicht den Durch- tritt eines Teilchens, sobald es mit einem anderen Teilchen am entgegengesetzten „Ende“ beladen wird. Beispiel: Na-K-ATPase. Um in der Zelle ein elektro- chemisches Potenzial aufzubauen, werden über Na- K-ATPase jeweils 3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen ausgetauscht. Hierbei handelt es sich um einen pri- mär aktiven Transport. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 16 R. Rausch WiSe 2017/18 30. Was versteht man unter passivem, primär aktivem und sekundär aktivem Transport? Bitte nennen Sie jeweils ein Beispiel. Passiver Transport Primär aktiver Transport Sekundär aktiver T. Diffusion von Molekülen / Ionen Transport eines Moleküls durch Transport eines Moleküls durch durch die Membran entlang eines Energieaufwand entgegen seines Energieaufwand entgegen seines Konzentrationsgradienten. Kein Konzentrationsgradienten. Dabei Konzentrationsgradienten, gekoppelt Energieaufwand notwendig. wird die Energie direkt genutzt, um an ein Carrier-Molekül. Der Konzent- das Molekül mittels einer molekula- rationsgradient des Carrier-Moleküls Einfache Diffusion und erleichterte ren Pumpe zu transportieren. ist dabei so ausgerichtet, dass er Diffusion. dem zu transportierenden Molekül entgegen steht. Hier wird die Ener- gie in den Aufbau dessen Potenzials investiert. Beispiel: Beispiel: Beispiel: Durchtritt von Wasser durch Transport von Na+-Ionen über Transport von Glucose an Aquaporine Na+-K+-ATPase in die Zelle. Na+-Ionen gekoppelt in eine Zelle. 31. Was versteht man unter Uniport, Symport und Antiport? Bitte geben Sie jeweils ein Beispiel an! Transport eines Teilchens durch eine Membran ohne Beteiligung wei- Uniport terer Teilchen. Beispiel: Glucose-Transporter Transport von gleichzeitig zwei Teilchen in gleiche Richtung durch eine Symport Membran. Beispiel: Glucose-Na+-Transport Transport von gleichzeitig zwei Teilchen in jeweils entgegengesetzte Antiport Richtung durch eine Membran. Beispiel: Cl-/HCO3- --Transport 32. Welche Rolle haben Aquaporine in der Zelle? Aquaporine transportieren Wasser durch Membranen hindurch. Durch ihren lipophilen Charak- ter kann Wasser sonst nicht direkt durch Diffusion durch Membranen gelangen. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 17 R. Rausch WiSe 2017/18 33. Welche Bedeutung hat die Phosphorylierung und Dephosphorylierung für die Funkti- on der Na+/K+-ATPase in Blutzellen? Die Na-K-ATPase wird, sobald sie mit 3 Na+-Ionen komplexiert ist durch ATP phosphorylisiert und damit energetisiert. Dies ge- schieht durch Vermittlung des P-Enzym(II). Infolge der Phosphorylisierung tritt an der Na-K-ATPase eine Konformation- sänderung dergestalt auf, dass sie sich nach der Seite der ECM öffnet. Hat sich die zur Seite der ECM geöffnete Na-K-ATPase mit zwei K+-Ionen verbunden, so wird sie mittels P-Enzym(I) dephosphoryli- siert und dadurch wieder in die Ausgangs-Konformation gebracht: Sie öffnet zur Seite des Zellinneren hin und entlässt die beiden K+- Ionen in das Cytosol. 34. Wie wird sichergestellt, dass bei der Hexokinasereaktion das endständige (g) Phos- phat des ATP auf die C6-Position der Glucose und nicht auf Wasser übertragen wird? Bei der Bindung der Glucose an die Hexokinase macht diese eine Konformationsänderung der- gestalt durch, dass sich das aktive Zentrum schließt - und dadurch für Wasser nicht mehr zu- gänglich ist. Jetzt kann das ATP selektiv am C6-Atom der Glucose angreifen und dieses phosphorylieren. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 18 R. Rausch WiSe 2017/18 35. Über welche Zwischenstufe verläuft die oxidative Phosphorylierung von Glyerinaldehyd-3-Phosphat? (Enzymname, Reaktionspartner, Zwischenprodukte) Die oxidative Phosphorylierung verläuft an Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (mit seinem Cofaktor NAD+) zunächst über die Zwischenstufe der Carbonsäure (Oxidation des Al- dehyds), und erst dann deren Phosphorylierung - beide Reaktionen finden am Enzym statt. 36. An welchen Stellen in der Glykolyse wird ATP investiert und an welchen wird ATP synthetisiert? (Enzymname und Beschreibung der Reaktion) Investition von ATP: Enzymname Phosphorylierung der Glu zu Glu-6-Phosphat Glu-6-Phosphokinase Phosphorylierung der Fru-6-P zu Fru-1,6,-bis-P Fru-6-Phosphokinase-1 Freisetzen von ATP: Enzymname Substratkettenphosphorylierung 1,3-bis-P-Glycerat zu 3- Phosphoglycerat-Kinase Phosphoglycerat Substratkettenphosphorylierung 2-Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat-Kinase Pyruvat 37. Warum ist in Tumorzellen die Rate der Glykolyse stark erhöht? Der Energiebedarf ist dank dem verstärkten Wachstum eines Tumors stark erhöht, weswegen viel ATP durch Glykolyse erzeugt werden muss. Es herrscht chronischer Sauerstoffmangel. 38. Wie wird die Aktivität der Hexokinase im Muskel bzw. in der Leber reguliert? Muskel Leber Isoenzyme Hexokinase I bis III Hexokinase IV (Glucokinase) Kein Einfluss von Glu-6-P; dagegen Hohe Konzentrationen an Glu-6-P Hemmung wirken niedrige Konzentrationen an wirken hemmend. Glu hemmend. 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 KM 0,1 ∙ 10−3 ~4 − 5 ∙ 10−3 𝐿𝐿 𝐿𝐿 Hohe Substrataffinität Niedrige Substrataffinität Stoffwechsel- Bereitstellung von Energie durch Umsatz von Glucose zu Glycogen; prozess Glucoseverbrauch Regulierung des Blutzuckerspiegels Die Antwort auf die Frage findet sich in der Zeile „Hemmung“ Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 19 R. Rausch WiSe 2017/18 39. Worin besteht die physiologische Bedeutung (a) der niedrigen Glucoseaffinität und (b) der fehlenden Glucose-6-Phosphat-Hemmbarkeit der Hexokinasen in Leberzellen? Die Hauptaufgabe der Glucokinase (EC 2.7.1.2.) in der Leber ist die Bereitstellung von Glu-6- P für die Synthese von Glykogen („Leberstärke“) als mittelfristiger Energiespeicher, oder der Synthese von Fettsäuren als langfristiger Energiespeicher. (a) Die niedrige Substrataffinität verhindert, dass der Blutzuckerspiegel unter einen Wert absackt, da zur Glykogenerzeugung immer eine Mindestkonzentration vorhanden sein muss, um die Glucokinase zu aktivieren. (b) Daher wäre es nicht zielführend, wenn in der Leber die Hexokinasen I-III vorkämen, die - gleich der Situation im Muskel - von hohen Glu-6-P-Spiegeln gehemmt werden würde, da zur Glykogenerzeugung hohe Glu-6-P-Spiegel benötigt werden. 40. Wie wirkt sich ein hohes bzw. ATP/AMP-Verhältnis auf die Rate der Glykolyse in Mus- kelzellen aus? Welche Enzyme werden reguliert? Hohe ATP-Konzentration wirken hemmend auf die PFK-1 (Phosphofructokoinase-I); es wird dann keine weitere Fru-1,6-BP aus Fru-6-P umgesetzt, sowie zusätzlich hemmend auf die Pyruvat-Kinase. Hohe AMP-Konzentrationen heben dagegen die Hemmung wieder auf. 41. Welche Bedeutung hat Fructose-2,6-bisphosphat (F-2,6-BP) in der Stoffwechselregu- lation und wie wird die Menge an Fructose-2,6-bisphosphat reguliert? F-2,6-BP wirkt als Signalmolekül in der Leber, und bestimmt durch seine Konzentration, ob Glykolyse oder Gluconeogenese ablaufen soll: Hohe Konzentrationen aktivieren die PFK und setzen dadurch die Glykolyse in Gang, hohe Konzentrationen an F-6-P aktivieren die FBPase1 und dadurch die Glyconeogenese. Das Molekül selber wird von einem Enzymkomplex aus PFK2 und FBPase2 gebildet und auch abgebaut (zu F-6-P). Deren Bildung und Abbau wird im Endeffekt durch die Ausschüttung der Hormone Insulin (Glucose-Überangebot) und Glukagon (Glucose-Mangel) initiiert. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 20 R. Rausch WiSe 2017/18 42. Wie wirkt sich ein erhöhter Gehalt an Insulin im Blut auf den Fructose-2,6- bisphosphat-Gehalt in der Leber und die Geschwindigkeit der Glykolyse bzw. Gluconeo- genese aus? Insulin initiiert durch eine Enzymkaskade die Aktivierung der PFK2, wodurch die Fructose- 2,6-bisphosphat-Konzentration ansteigt. Dieses wirkt stimulierend auf PFK1, wodurch die Geschwindigkeit der Glykolyse erhöht, die der Gluconeogenese vermindert wird. 43. Die Reaktionen der Glucoseneogenese sind auf drei zelluläre Kompartimente verteilt. Benennen Sie die Kompartimente und die Enzymschritte, die außerhalb des Zytoplasmas ablaufen. Kompartimente: Endoplasmatisches Retikulum, Zytoplasma, Mitochondrium Wo? Was? ENR Glu-6-P zu Glu (an Glu-6-Phosphatase) Pyruvat zu Oxalacetat (an Pyruvat-Carboxylase) Mitochondrium Oxalacetat zu Malat (an MDH) 44. Weshalb ist die Überführung von Pyruvat zu Acetyl-CoA für die Zelle von zentraler Bedeutung? Dieser Vorgang ist (für Tiere) irreversibel; d.h. einmal gebildetes Acetyl-CoA kann nur noch verstoffwechselt werden. Aus Acetyl-CoA kann – im Ggs. zu Pyruvat keine Gluconeogenese mehr betrieben werden. 45. Welche Cofaktoren sind für die Aktivität des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes er- forderlich und welche Funktion übernehmen sie? Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex wandelt Pyruvat mit CoA zu Acetyl-CoA um. Die fünf Co-Faktoren haben folgende Funktionen: Cofaktor Funktion CoA-SH Stöchiometrie: Reaktionspartner; wirkt aktivierend. NAD+ Stöchiometrie: Elektronenaufnahme; wirkt aktivierend. Katalyse: Abgabe eines Protons, Nucleophiler Angriff am Carb-Anion TPP des Pyruvat und Übertragung der Hydroxyethyl-Gruppe. Liponamid Katalyse: Transfer der Acetylgruppe auf CoA. FAD Katalyse: Regeneration der oxidierten Liponsäure-Form (-S-S-) 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑫𝑫+ + 𝑯𝑯+ + + 𝟐𝟐 𝒆𝒆− 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑫𝑫𝑯𝑯 ⇄ 𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎 𝐅𝐅𝐅𝐅𝐎𝐎𝐅𝐅 𝐑𝐑𝐎𝐎𝐎𝐎𝐑𝐑𝐑𝐑𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎 𝐅𝐅𝐅𝐅𝐎𝐎𝐅𝐅 Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 21 R. Rausch WiSe 2017/18 46. Auf welche Weise wird der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex reguliert? Welche Aus- wirkung (hemmend / aktivierend) haben die folgenden Metabolite auf die Aktivität der Pyruvat-Dehydrogenase: ATP, AMP, CoA, Acetyl-CoA, NAD+, NADH, Fettsäuren und Ca2+- Ionen? Die Regulierung des PDH-Komplexes erfolgt über eine reversible Phosphorylierung der E1- Einheit durch eine Kinase (die an die E2-Einheit gebunden ist): Phosphoryliert ist der Kom- plex inaktiv, andernfalls aktiv. Die Aktivierung erfolgt über eine Phosphatase und wird durch niedrige ATP-Konzentrationen begünstigt. D. h. bei hohen Konzentrationen von ATP wird die Phosphorylierung begünstigt. Kinase ⎯⎯ Aktiver PDH Inaktiver PDH-𝐏𝐏 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Phosphatase Die Metabolite der Acetyl-CoA-Reaktion haben ebenfalls aktivierende und hemmende Eogenschaften: Hohe Konzentrationen an ATP, NADH oder Acetyl-CoA zeigen eine hohe Energetisie- rung an; es wird kein weiteres Acetyl-CoA benötigt. hemmend. Hohe Fettsäure-Konzentrationen zeigen deren Freisetzung an; deren Verstoffwechselung hat – einmal begonnen – Vorrang vor einer Pyruvat-Umsetzung. Oder: Fettsäuren werden erst dann verstoffwechselt, wenn keine Glucose vorhanden ist. hemmend. Hohe Konzentrationen an AMP, ADP, NAD+ oder CoA zeigen eine geringe Energetisierung an, es besteht Bedarf an Acetyl-CoA. aktivierend. Hohe Konzentrationen an Ca -Ionen zeigen eine erhöhte Muskelaktivität an, da dann Ca2+ 2+ von den Muskelzellen in die ECM ausgeschüttet werden. aktivierend. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 22 R. Rausch WiSe 2017/18 47. Neben Reduktionsäquivalenten in Form von NADH und FADH2 entsteht im Verlauf des Citratzyklus auch GTP. Bitte beschreiben Sie die enzymatische Reaktion! (Substrat, Produkt, Enzym, Cofaktoren) GTP wird im Zuge der Umsetzung von Succinyl-CoA zu Succinat (an der Succinyl-CoA- Synthetase, EC 6.2.1.4 oder 5.) gebildet. 48. Welche Untereinheiten teilen sich die Pyruvat-Dehydrogenase und die α-Ketoglutarat- Dehydrogenase? Benennen Sie bitte die Untereinheit und beschreiben Sie die ausgeführ- te Reaktion! Von beiden Enzymkomplexen ist die E3-Untereinheit identisch (Dihydrolipoyl-Dehydrogenase, EC 1.8.1.4.). Sie katalysiert die Dehydrierung (= Oxidation) von Dihydrolipoamid mit ihrem Cofaktor FAD: Oxidation ⎯⎯⎯⎯ Dihydroliponamid Liponamid ⎯⎯⎯⎯⎯ Reduktion Das aktive Zentrum von E3 hat eine Sulfidbrücke, die die beiden vicinalen Thiolgruppen des Dihydroliponamid zu einer Sulfidbrücke oxidieren kann (wobei dann am aktiven Zentrum Thiolgruppen gebildet werden). Diese können durch Reaktion mit NAD+ zu Sulfidbrücken rege- neriert werden. 49. An welcher Stelle des Citratzyklus‘ entstehen die Reduktionsäquivalente? Reaktion Reduktionsäquivalente 𝐈𝐈𝐈𝐈𝐅𝐅𝐈𝐈𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐎𝐈𝐈𝐎𝐎−𝐃𝐃𝐎𝐎𝐃𝐃𝐃𝐃𝐎𝐎𝐎𝐎𝐅𝐅𝐃𝐃𝐎𝐎𝐃𝐃𝐈𝐈𝐈𝐈𝐎𝐎 Isocitrat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ α-Ketoglutarat NAD+ + 2 e- NADH + H+ 𝐊𝐊𝐎𝐎𝐎𝐎𝐅𝐅𝐃𝐃𝐊𝐊𝐑𝐑𝐎𝐎𝐈𝐈𝐎𝐎𝐈𝐈𝐎𝐎−𝐃𝐃𝐎𝐎𝐃𝐃𝐃𝐃𝐎𝐎𝐎𝐎𝐅𝐅𝐃𝐃𝐎𝐎𝐃𝐃𝐈𝐈𝐈𝐈𝐎𝐎 α-Ketoglutarat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Succinyl-CoA NAD+ + 2 e- NADH + H+ Succinat-Dehydrogenase Succinat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Fumarat FAD + 2 e- FADH2 Malat-Dehydrogenase Malat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Oxalacetat NAD+ + 2 e- NADH + H+ Die Gleichungen der Reduktionsäquivalente sind stöchiometrisch nur ungenau! 50. An welcher Stelle des Citratzyklus entsteht GTP? Benennen Sie bitte das beteiligte Enzym und beschreiben Sie die Reaktion! GTP wird im Zuge der Umsetzung von Succinyl-CoA zu Succinat (an der Succinyl-CoA- Synthetase, EC 6.2.1.4 oder 5.) gebildet. SCS Succinyl-CoA + GDP + Pi Succinat+GTP Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 23 R. Rausch WiSe 2017/18 51. Fette werden gewöhnlich in Acetyl-CoA umgewandelt und im Citratzyklus weiter ver- arbeitet. In der Gluconeogenese kann Glucose aus Oxalacetat synthetisiert werden. Wa- rum müssen wir dann nach einer langen Runde von Anstrengungen, die unsere Kohlen- hydratdepots erschöpfen, diese Speicher durch Aufnahme von Kohlenhydraten auffül- len? Warum ersetzen wir sie nicht einfach durch Umwandlung von Fette in Kohlenhydra- te? Wird Oxalacetat aus dem Citratzyklus abgezweigt, so kann kein Acetyl-CoA - also das Produkt der β-Oxidation des Fettstoffwechsels - mehr weiter verstoffwechselt werden, da es mit diesem kondensieren muss: Der Citratzyklus käme zum Erliegen, und die energetische Mangelsituation würde bedrohlich verschärft werden. Des Weiteren muss für die Umsetzung von Oxalacetat über die Gluconeogenese Energie in Form von ATP, GTP und NADH aufgewendet werden, um daraus Glucose zu erhalten. 52. Bei der Samenkeimung müssen Pflanzen Fette in Kohlenhydrate umwandeln. Wie können sie dies erreichen? Sie verstoffwechseln zunächst die Fette über den Glyoxat-Zyklus zu Succinat, die dann über den Citrat-Zyklus zu Malaten umgesetzt werden. Aus Malaten können Pflanzen über die Gluco- neogenese Glucose gewinnen. 𝐺𝐺𝑚𝑚𝐺𝐺𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑆𝑆 −𝑍𝑍𝐺𝐺𝑍𝑍𝑚𝑚𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆 −𝑍𝑍𝐺𝐺𝑍𝑍𝑚𝑚𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐺𝐺𝑚𝑚𝑆𝑆𝑐𝑐𝑚𝑚𝐺𝐺𝐺𝐺𝑚𝑚𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝑆𝑆𝐺𝐺 Fettsäuren ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Succinat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Malat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Glucose Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 24 R. Rausch WiSe 2017/18 53. Bitte ordnen Sie die rechts angegebenen Enzyme den Stoffwechselreaktionen zu (Mehrfachnennungen sind möglich) Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 25 R. Rausch WiSe 2017/18 54. Mit welchem Experiment wurde die chemiosmotische Hypothese belegt? Bitte be- schreiben Sie ein geeignetes Experiment. Der Beweis konnte mit isolierten Mitochondrien erbracht werden, die zunächst in ein Medium mit pH 9 (Zusatz von 0,1 M KCl) gebracht wurden, bis sich ein GGW einstellt. Danach werden sie in ein Medium mit pH 7 und dem K-Carrier Valinomycin (also mit höherer Protonen- Konzentration), ADP und freiem Phosphat verbracht. Nach einiger Zeit lässt sich ATP im Medi- um nachweisen. Die Synthese erfolgt über den elektrochemischen Gradienten der K+- Konzentration und dem Protonengradienten. 55. Bei welchem Prozess entstehen bei der oxidativen Phosphorylierung reaktive Sauer- stoffspezies und wie werden diese entgiftet? An Komplex IV der Atmungskette können während der Elektronenübertragung von Cytochrom C auf O2 Hyperoxid-Ionen oder Peroxid-Ionen freiwerden. Diese werden durch Superoxd-Dismutase und Katalase vollständig zu Wasser reduziert werden, und dadurch unschädlich gemacht werden. 56. Bitte beschreiben Sie die dreistufige Überführung von Succinat in Oxalacetat! Be- nennen Sie hierzu die beteiligten Enzyme, Metabolite und Cofaktoren! Welches Stoff- wechselmotiv beschreibt diese Umwandlung? Das Stoffwechselmotiv ist die Bereitstellung des Akzeptorkörpers Oxalacetat, der weiteres Acetyl-CoA verarbeiten kann. Oxidation einer Methylengruppe (-CH2-) zu einer Carbonylgruppe (=C=O). Reaktion Reaktionstyp Cofaktoren Succinat-Dehydrogenase Succinat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Fumarat Oxidation FAD, Ubichinon Fumarase Fumarat ⎯⎯⎯⎯⎯ Malat Hydratisierung --- Malat-Dehydrogenase Malat ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Oxalacetat Oxidation NAD+ Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 26 R. Rausch WiSe 2017/18 57. Bitte beschreiben Sie den Glycerin-3-Phosphat-Shuttle. Welche Isoenzyme, Metaboli- te und Cofaktoren sind beteiligt? Welche Funktion hat dieser Shuttle? Funktion: Übertrag von Elektronen aus cytosolischem NADH für den Q-Pool der Mitochondrien nutzbar machen. Enzyme: Glycerinkinase phosphoryliert (unter ATP-Verbrauch) Glycerin zu Gly-3-P, welches wiederum an Gly-3-P-Dehydrogenase zu Dihydroxyaceton-3-P oxidiert wird. Die dabei freiwerdenden Elektronen werden auf den Cofaktror FAD übertragen, welcher diese wiederum auf Q überträgt. Dihydroxyaceton-P kann alternativ dazu auch gleich aus der Glyko- lyse bezogen werden und am selben Enzym zu Glycerin-3-P reduziert werden! 58. Mittels spezifischer Inhibitoren können die einzelnen Komplexe der Atmungskette gehemmt werden. Welcher der folgenden Wirkstoffe wirkt auf Komplex III: Rotenon (hemmt Kpl. I) Azid-Ionen (hemmt Kpl. IV) DNP (hebt Protonengradient auf) Antimycin-A Atractylosid (hemmt Translokase) CO (hemmt Häm) Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 27 R. Rausch WiSe 2017/18 59. Elektronen aus dem cytosolischen NADH-Pool gelangen mittels spezifischen Shuttle- Systeme in die Mitochondrien. Bitte beschreiben Sie den Aspartat-Malat-Shuttle. Im Herz und Leber gelangen Elektronen des cytoplasmatischen NADH über den Malat- Aspartat-Shuttle in die Mitochondrien: Elektronen werden vom cytoplasmatischen NADH auf Oxalacetat übertragen, wobei sich Malat bildet, das die innere Mitochondrienmembran im Aus- tausch gegen α-Ketoglutarat passiert. In der Matrix wird es mithilfe der Malat-Dehydrogenase unter Bildung von NADH reoxidiert. Das entstandene Oxalacetat kann die innere Mitochond- rienmembran nicht überwinden, sodass Glutamat eine Aminogruppe an Oxalacetat übergibt, wobei Aspartat und α-Ketoglutarat entstehen. Im Cytoplasma wird Aspartat dann zu Oxalacetat desaminiert und der Zyklus beginnt erneut. 60. Welche Protein-Komplexe sind an der Elektronenübertragung in den Mitochondrien beteiligt? Streng genommen handelt es sich bei jedweder chemischen Reaktion um Übertragung von Elektronen. Also sind alle Komplexe daran beteiligt! Im Sinne der Atmungskette sind es die Komplexe I, II, III und IV: Komplex Von Nach Produkte I NADH Q NAD+, QH2 II FADH2 Q FAD+, QH2 III QH2 Cytochrom COx. Q, Cytochrom CRed IV Cytochrom CRed. O2 Cytochrom COx., H2O 61. In Komplex III der Atmungskette werden Elektronen von Ubiquinol auf Cytochrom C übertragen. Der zugrundeliegende Prozess wird als Q-Cyclus bezeichnet. Was versteht man unter dem Q-Cyclus? An Komplex III besteht das Problem, dass QH2 zwei Elektronen abgeben kann, Cytochrom COx. aber nur eines aufnehmen kann. Am Komplex befindet sich jedoch nur eine Bindungsstelle für Cyctochrom COx. Evolutionär wurde dieses Problem dadurch gelöst, dass es eine Bindungsstel- le für Q gibt, und Q durch ein Elektron zu einem Radikal reduziert werden kann, dass dann im nächsten Zyklus durch Aufnahme eines zweiten Elektrons zu QH2 wird. Das QH2 steht dann selber als Elektronendonator zur Verfügung. Nebenbei werden dabei auch noch 4 Protonen aus der Matrix ins Cytosol gepumpt. Die Bruttogleichung der Reaktion: + + 2 𝐻𝐻𝑀𝑀𝑚𝑚𝑆𝑆𝑆𝑆𝑖𝑖𝑚𝑚 + 𝑄𝑄 + 2 𝑄𝑄𝐻𝐻2 + 𝐶𝐶𝐺𝐺𝑆𝑆𝑚𝑚𝑐𝑐ℎ𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑚𝑚. → 2 𝑄𝑄 + 𝑄𝑄𝐻𝐻2 + 𝐶𝐶𝐺𝐺𝑆𝑆𝑚𝑚𝑐𝑐ℎ𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐶𝐶𝑅𝑅𝐺𝐺𝑅𝑅. + 4 𝐻𝐻𝐶𝐶𝐺𝐺𝑆𝑆𝑚𝑚𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚 Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 28 R. Rausch WiSe 2017/18 62. Wie ist die Rotationsbewegung der ATPase an die Synthese von ATP gekoppelt? Bit- te beschreiben Sie die strukturellen Voraussetzung, die es erlauben den Protonentrans- port an eine Rotationsbewegung zu koppeln! Die ATP-Synthase ist ein integrales Memb- ranprotein. Die c-Untereinheit (Ring) besteht aus zwei α-Helices, wobei sich auf der zwei- ten Helix ein Asparaginsäurerest (Asp61) befindet. Dieser ist negativ geladen, und kann sich im hydrophob gestalteten Umfeld nicht optimal anlagern. Die a-Untereinheit besteht aus zwei Halbkanälen, die jeweils so in Verbindung mit der C-Einheit stehen, dass ein Proton jeweils durch den cytosolseitigen Halbkanal in den C-Komplex, das benach- barte aus dem C-Komplex in den matrixsei- tigen Halbkanal austreten muss. Durch die Neutralisation der negativen Ladung am Asparagat-Rest wird dieser hydrophober, und macht eine Konformationsänderung, die sich in einer 120°- Rotationsbewegung äußert. Jetzt steht eine protonierte C-Untereinheit mit einem matrixseitigen Halbkanal in Verbindung. Durch den Protonenmangel in der Matrix dissoziiert ein Proton vom Asparaginsäurerest ab, und geht in die Matrix über. Die freie Enthalpie, die durch Ausgleich des Gradienten zustande kommt, wird in die Synthese von ATP aus ADP und P gesteckt: Pro 10 Protonen können 3 ATP synthetisiert werden. 63. Was ist die Funktion von Ubiquinon? Ubiquinon (oxidierte Form) oxidiert NADH bzw. FADH2, wobei es selber reduziert wird. Inner- halb der Atmungskette können außerdem im Q-Zyklus Elektronen „zwischengespeichert“ wer- den. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 29 R. Rausch WiSe 2017/18 64. In Säugern ist der Pentosephosphat-Weg mit der Glykolyse koordiniert. Die Verstoff- wechselung von Glu-6-P wird durch den Bedarf an NADPH, Ribose-5-P und ATP reguliert. Welche Teile der Stoffwechselwege laufen, wenn sowohl ATP als auch NADPH benötigt werden? Bitte skizzieren Sie die Verstoffwechselung von Glu-6-P! 65. Welche Rolle spielt Thioredoxin bei der Regulation des OPP und RPP? Benennen Sie auch die Enzyme, die reguliert werden und beschreiben Sie, wie sich die Regulation auf die Enzymaktivtät auswirkt! Thioredoxin inhibiert Enzyme des OPP-Weges und aktiviert die Enzyme des RPP-Weges, wodurch ein „Futile-Circle“ verhindert wird. 66. Welche Glucose-Polymere kennen Sie? Bitte benennen Sie jeweils den Bindungstyp der Glu-Monomere und die biologischen Funktionen der jeweiligen Polymere! Polymer Bindung Funktion Cellulose β-1,4 Strukturfunktion Stärke α-1,4 und α-1,6 Speicherfunktion (Pflanzen) Glykogen α-1,4 und α-1,6 Speicherfunktion (Tiere), „Leberstärke“ Kallose β-1,3 Strukturfunktion, Abwehrfunktion (Pflanzen) Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 30 R. Rausch WiSe 2017/18 67. Welche Funktion hat die anorganische Pyrophosphatase in der Glycogenbiosynthese? Spaltung von Pyrophosphat zu freiem Hydrogenphosphat Pyrophosphatase PPi 2 Pi EC 3.6.1.X. 68. Warum ist die De-novo-Synthese von Glykogen glykogenin-abhängig? Bitte be- schreiben Sie die Prozesse, die zur Initiierung von Glykogen notwendig sind! Glykogenin ist ein Enzym, das zur Polymerisation von Glucose und Anhaftung dieser an sich selbst in der Lage ist. Dabei wird UDP-Glucose (welche wiederum aus Glu-1-P und UTP an UDP-Glucose-Pyrophosphatase synthetisiert wurde) an einen Tyrosin-Rest (aktives Zentrum im Glycogenin) angelagert. An dieses Glucose-Molekül werden jetzt vom Enzym noch bis zu 13 weitere Glucose-Moleküle angelagert. Hat der Glygenenin-Glucose-Polymer-Komplex die maximale Kettenlänge erreicht, erfolgt die weitere Polymerisation zum Glykogen über die Glycogen-Synthase. Diese braucht jedoch eine Mindest-Kettenlänge um funktionieren zu können (sonst wäre der Glycogenin-Komplex über- flüssig). Glykogen-Molekül mit Glykogenin-Enzym als Kern (schematisch) Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 31 R. Rausch WiSe 2017/18 69. Welche Enzymaktivitäten werden benötigt, um Glykogen in Glu-6-P abzubauen? Es werden zwei Enzyme benötigt: 1. Glykogen-Phosphorylase spaltet mithilfe von freiem Pi die linearen α-1,4-Bindungen im Glykogen. Es ist aber nicht zur Spaltung von α-1,6-Bindungen in der Lage. Es entsteht jeweils eine um eine Glucose-Einheit verkürzte Endkette, wobei jeweils ein Molekül Glu-1-P frei wird. 2. Phosphoglucomutase isomerisiert das frei gewordene Glu-1-P zu Glu-6-P: 70. Glucagon ist ein Hormon, das für die Wahrnehmung des Glukosestatus‘ des Blutes in der Leber wichtig ist. Bitte beschreiben Sie die Erkennung, die Signalleitung und die Wir- kung von Glukagon in Leberzellen. Bei der Wirkung können Sie sich auf den Glykogenstoffwechsel beschränken! Glukagon ist der Antagonist zum Insulin: Der Blutzuckerspiegel wird gesteigert. Erkennung: Glukagon dockt an den Rezeptor eines Integralproteins (GPCR) an, welcher an einen GS-Proteinkomplex gekoppelt ist. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 32 R. Rausch WiSe 2017/18 Signalleitung: Die α-Untereinheit des GS-Proteinkomplexes hat GDP gebunden, das von ei- nem freien GTP Pi übertragen bekommt. Dadurch dissoziiert der GS-Komplex in die drei Unter- einheiten. Die α-Untereinheit dockt an die - ebenfalls integrale - Adenylcyclase an, welche da- durch aktiviert wird. Diese setzt ATP zu cAMP um, welches als sekundärer Botenstoff fungiert, und folgende Enzymkaskade initiiert: Wirkung: Im Endeffekt wird die Glykogen-Phosphorylase aktiviert (durch Phosphorylierung mit- tels der aktivierten Phosphorylkinase), welche dann Glykogen sukzessive unter Abspaltung von Glu-1-P abbaut (siehe Frage 69). Gleichzeitig wird sinnvollerweise (der Gegenspieler) Glyko- gen-Synthase inaktiviert. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 33 R. Rausch WiSe 2017/18 71. Der Glykogenstoffwechsel der Leber wird durch hormonelle und nicht hormonelle Mechanismen reguliert, wodurch der Blutzuckerspiegel ausgeglichen werden kann. Zu den nicht hormonellen Regulatoren gehört die Glucose, hormonelle Signale umfassen u. a. Adrenalin, Glukagon und Insulin. a) Welche Auswirkungen hat die Infusion von Glucose in den Blutstrom auf die Aktivität der Glykogenphosphorylase und Glykogensynthase? Die Glykogenphosphorylase wird inaktiviert, die Glykogensynthase aktiviert. b) Auf welchem Mechanismus beruht die Glucoseregulation? Blutzuckerspiegel zu niedrig: Die Ausschüttung des Hormons Glukagon initiiert die Aktivie- rung der Glykogenphosphorylase bei gleichzeitiger Inaktivierung der Glykogensynthase. Bildung von Glucose aus Glykogen, Blutzuckerspiegel steigt. Blutzuckerspiegel zu hoch: Die Ausschüttung von Insulin initiiert die Aktivierung der Glykogensynthase bei gleichzeitiger Inaktivierung der Glykogenphosphorylase. Bildung von Glykogen aus Glucose, Blutzuckerspiegel sinkt. c) Wie wirkt sich ein Anstieg an Glukagon auf den Glykogenstoffwechsel in der Leber aus? Glukagon führt zu einem Abbau von Glykogen zu Glu-1-P (Glykogenolyse), wodurch die Glu- coneogenese und stimuliert wird, und im Endeffekt Glucose gebildet wird. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 34 R. Rausch WiSe 2017/18 72. Bitte prognostizieren Sie die wichtigsten Auswirkungen der folgenden Mutationen auf den Glykogenstoffwechsel: a) Überexpression der Phosphorylase-Kinase in der Leber. Die Glykogen-Phosphorylase würde übermäßig aktiviert werden, wodurch gebildetes Glykogen - auch bei relativ hohen Blutzuckerspiegeln - zu Glucose abgebaut wurde. Folge: Ständig zu hohe Blutzuckerspiegel, kaum Glykogen-Reserven. b) Verlust des Gens für den Inhibitor 1 der Proteinphosphatase 1 Es würde zu einer ständigen Inaktivierung der Phosphorylase-Kinase und der Glykogen- Phosphorylase kommen, da PP1 ständig aktiv wäre: Auch bei sehr niedrigen Blutzuckerspiegeln würde kaum Glykogen abgebaut werden. Es würde daher zwar Glykogen gebildet, aber nicht wieder abgebaut werden. Folgen: Blutzuckerspiegel chronisch zu niedrig, Leberschädigung durch übermäßige Glyko- gen-Einlagerung. c) Verlust des Gens für Glykogenin Es könnte kein Glykogen gebildet werden, da die Glykogen-Synthase nur an bereits vorhande- nen (kurzen) Glucose-Polymeren weitere Glucose-Moleküle binden kann. Folge: Blutzuckerspiegel ständig zu hoch, keine Glykogen-Bildung möglich. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 35 R. Rausch WiSe 2017/18 73. Bitte benennen Sie drei metabolische Wege, die durch Proteinkinase A (PKA) regu- liert werden. Welche Enzyme werden durch PKA reguliert? Wie wirkt sich die Regulation auf die Aktivität der Enzyme aus? Regulatorien der PKA: 1. Glykogenolyse/Glucagonsynthese: PKA aktiviert die Glykogen-Phosphorylase (Freiset- zung von Glu-1-P aus Glykogen) 2. Lipolyse. PKA aktiviert die Triacylglycerol-Lipase (Spaltung von Fetten zu Diacylglyerol und freier Fettsäure) 3. Gluconeogenese/Glykolyse: PKA inaktiviert Phosphofructokinase II (PFKA2), wodurch FBPase2 aktiviert und die Glykolyse gehemmt, die Gluconeogenese aktiviert wird. 74. Welche Rolle spielen die Chylomikrone bei der Verteilung von Lipiden im Blut? Bitte benennen Sie neben der Funktion die wesentlichen Bestandteile und ihre Aufgaben! Chylomikrone sind Vesikel, die Fette (Triacylg- lyceride und Cholesterole) mithilfe von Lipoproteinen und Phospholipen emulgieren. Lipoproteine und Phospholipide bilden eine Art Membran um die Fettpartikel, die dadurch auch in wässrigen Medien transportiert werden können. Sie gelangen aus dem Dünndarm ins Lymph- system, und können von dort ins Blut freigesetzt werden. Die Lipoproteine haben neben der emulgieren- den Wirkung (hydrophobes und hydrophiles En- de) auch Rezeptorfunktion: So fungiert das Lipidprotein Apo-E als Rezeptor, das gezielt an Fettzellen (adipocyten) andocken kann. Das Lipidprotein C-II aktiviert dabei Lipasen, die Fette in Fettsäuren (und Glycerin) spalten, wel- che dann in die Fettzellen transferiert werden können. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 36 R. Rausch WiSe 2017/18 75. Welche enzymatischen Schritte sind notwendig, um Glycerin in die Glykolyse einzu- schleusen? Glycerin wird in der Leber absorbiert. In der Glykolyse (und auch Gluconeogenese) wird jedoch Glycerinaldehyd-3-Phosphat bzw. sein Tautomeres Dihydroxyaceton-Phosphat benötigt. Phosphorylierung von Glycerin unter ATP-Verbrauch zu Glycerin-3-P an Glycerin-Kinase (EC 2.7.1.30). Oxidation von Glycerin-3-Phosphat zu Dihydroxyaceton-Phosphat an Glycerinphosphat- Dehydrogenase (EC 1.1.1.8.) 76. Vor der β-Oxidation der Fettsäuren müssen diese aktiviert werden. Wie erfolgt die Aktivierung der Fettsäuren an der äußeren Mitochondrienmembran? Durch das integrale Membranprotein Acyl-CoA-Synthetase (EC 6.2.1.1.) wird die Fettsäure mit ATP zu Acyl-Adenylat umgesetzt: Aus diesem wird - ebenfalls unter Katalyse der Acyl-CoA-Synthetase - Acyl-CoA (nicht Acetyl- CoA !!!) gebildet, wobei AMP frei wird: Das Acyl-CoA kann über den Weg der βOxidation metabolisiert werden. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 37 R. Rausch WiSe 2017/18 Vorlesungsteil Tierphysiologie Die Fragen wurden teilweise selber anhand der Folien zusammengestellt, teilweise aus Altklausuren übernommen. Zusammen decken sie die gesamte Vorlesung ab. Neurophysiologie \ 1. Welche Aufgaben hat das Nervensystem? Detektiert und verarbeitet Reize aus der Umwelt sowie der Innenwelt des eigenen Körpers. Reguliert unbewusste Körperfunktionen. Kontrolliert die Motorik. Steuert das Verhalten. Kontrolliert Emotionen. Steuert Lernen und Gedächtnis. Schafft Bewusstsein. 2. Welche Neuronen-Typen gibt es, wie sind diese aufgebaut und welche Aufgaben kön- nen diese jeweils erfüllen? Motoneurone: Erregung der Muskulatur Sensorische Neurone: Verarbeitung von Sinnesreizen Interneurone: Reizweiterleitung, verknüpfen Neurone miteinander. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 43  R. Rausch WiSe 2017/18 3. Beschreiben Sie den morphologischen und funktionellen Aufbau eines Neurons! In welchen Bereichen wird der chemische Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt? Die Dendriten sind durch Synapsen mit benachbarten Neuronen verbunden, entweder durch chemische oder elektrische Synapsen. Chemische Synapsen haben Rezeptoren für Neuro- transmitter, elektrische Synapsen Ionenkanäle (Gap junctions). In ihnen erfolgt der Signal- Input der Nervenzelle. Der Zellkörper (Perikaryon) stellt den Bereich um den Zellkern dar, enthält alle Organellen und ist der Bereich der Stoffwechselvorgänge des Neurons. Der Axonhügel ist der Summationsort der eintreffenden Impulse, die entweder erregender (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial, EPSP) oder hemmender (inhibitorisches postsy- r naptisches Potenzial, IPSP) sein können, und sowohl räumlich als auch zeitlich summiert wer- den. Das Axon leitet elektrische Signale entlang des Neurons weiter; weg vom Soma, hin zu den Terminalien. Die Myelinscheide stellt eine lipidreiche Ummantelung des Axons dar, wodurch der Membranleitwert und die Membrankapazität stark gesenkt werden. Dadurch sind schnelle saltatorische Erregungsweiterleitungen möglich, die von Schnürring zu Schnürring springen kann. Die Ranvier-Schnürringe sind freiliegende Bereiche des Axons. Sie weisen eine hohe Dichte an Na-Kanälen auf, wodurch bei Depolarisation ein starker Na+-Einstrom stattfinden kann. Die Axonkollaterale ermöglichen die Splittung eines Signals auf mehrere Terminale und damit auf mehrere Neuronen. Die Axonterminale enden in Synapsen, und stellen den Signal-Output dar (siehe Dentriten). Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 44 R. Rausch WiSe 2017/18 4. Was versteht man unter dem Ruhemembranpotenzial und wie kommt es zustande? Erregbare Zellen halten an ihren PM ein Ladungsgefälle von etwa -70 bis -90 mV aufrecht, das aus einer ungleichen Ver- teilung von Na+, K+, Cl- und organischen Säurerestionen bei- derseits der Membran resultiert. Dieses Potenzial wird als Ruhemembranpotenzial bezeichnet. Das Potenzial der Membranaußenseite wird dabei willkürlich mit 0 mV ange- nommen. 5. Stellen Sie die Nernstgleichung für das Ruhepotenzial bezogen auf Kalium-Ionen und 20 °C auf. Benennen Sie alle Größen mit den zugehörigen Einheiten! Die Konzentrationen für Kalium sind extrazellulär 20 mM und intrazellulär 400 mM. 𝐽𝐽 𝑅𝑅 ∙ 𝑇𝑇 [𝐾𝐾 +]𝑚𝑚𝑆𝑆 ß𝐺𝐺𝐺𝐺 8,341 ∙ 293 𝐾𝐾 20 𝑚𝑚𝑀𝑀 𝐸𝐸𝐾𝐾 = ln + = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝐾𝐾 ln = −75 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑧𝑧 ∙ 𝐹𝐹 [𝐾𝐾 ]𝑖𝑖𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 𝐶𝐶 400 𝑚𝑚𝑀𝑀 1 ∙ 96485 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 R = Universelle Gaskonstante (J mol-1 K-1) T = Temperatur (K) z =Anzahl Ladungen des Ions F = Faraday-Konstante (C mol-1) E = Elektrisches Potenzial (V) 6. Was sind efferente Neuronen, was afferente Neuronen? Afferente Neuronen übertragen Signale zum ZNS hin (lat. afferre = hintragen), efferente Neu- ronen übertragen Signale vom ZNS zum Erfolgsorgan hin (lat. efferre = wegtragen). Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 45 R. Rausch WiSe 2017/18 7. Beschreiben Sie Funktion und Aufbau der Natrium-Kalium-Pumpe. Wo und wann wird dabei ATP verbraucht, wie ändert sich das Potenzial? Die Na-K-Pumpe sorgt für die Aufrechterhaltung des Ionengradienten über der Membran. Mit ihm können Ionen entgegen ihres Konzentrationsgradienten durch die PM transportiert werden. Durch den Na/K-Austausch wird das Potenzial an der Innenseite der PM negativer. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 46  R. Rausch WiSe 2017/18 8. Beschreiben Sie den zeitlichen Ablauf eines Aktionspotenzials auch bezüglich der ver- schiedenen Ionenströme. Warum öffnen die Na-Kanäle nur während der Depolarisation und nicht bei der Repolarisation, obwohl während beiden Phasen ähnliche Potenzialdif- ferenzen vorliegen? Was bedeutet Refraktärzeit? r Phase Beschreibung 1. Ruhezustand Die Na- und K-Kanäle sind geschlossen, das Ruhepotenzial des Neurons liegt an. 2. Schwelle Ein Reiz öffnet einige der Na-Kanäle, Potenzial steigt. Wird das Schwellenpotenzial überschritten, so wird das Aktionspotenzial aus- gelöst: 3. Depolarisation Viele Na-Kanäle öffnen sich, Potenzialdifferenz kehrt sich um: Das Zellinnere wird positiv (+ 30 mV). 4. Repolarisation Na-Kanäle schließen sich, werden inaktiviert. Kalium-Kanäle öffnen sich, K strömt aus der Zelle hinaus, Potenzial sinkt wieder ab. 5. Hyperpolarisation Potenzialdifferenz unterschreitet Wert des Ruhepotenzials. Dadurch werden die Na-Kanäle wieder aktiviert, bleiben aber geschlossen. 6. Ruhezustand Durch Na-K-Pumpe wird Ruhepotenzial wieder hergestellt. Die Refraktärzeit ist die Zeit zwischen Auslösen eines Aktionspotenzials und Wiedererlangen des Ruhezustandes. In dieser Zeit kann das Neuron auf keinen neuen Reiz reagieren. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 47 R. Rausch WiSe 2017/18 9. Nennen Sie zwei Aminosäuren, die als wichtige Neurotransmitter im ZNS wirken! Glutamat und Aspartat (Glycin wäre auch richtig) 10. Welche zwei Faktoren beeinflussen die Bewegung von Ionen durch Kanäle in einer biologischen Membran? Membranpotenzial und Konzentrationsgradient zwischen ECR und Cytosol. 11. Nennen Sie die beiden Typen von Synapsen und zeichnen Sie jeweils 3 wichtige Strukturen! Wie groß ist jeweils der synaptische Spalt? Chemische Synapse Elektrische Synapse 12. Nennen Sie drei Vorteile und 3 Nachteile, die eine elektrische Synapse gegenüber einer chemischen Synapse hat! Vorteile: Geschwindigkeit: Übertragung ist faktisch verzögerungsfrei. Hohe Verlässlichkeit: Keine synaptische Depression, keine Angriffsfläche für Neurotoxine. Elektrische Synchronisation von ganzen Neuronengruppen möglich. Interzellulärer Transfer von Schlüsselmolekülen (ATP, cAMP, Ca2+) möglich. Nachteile: Verbindung ist primär bidirektional; passiv und wenig molulierbar. Keine Signalverstärkung; rein elektrotonische Signalausbreitung. Stereotypes Verhalten Geringe Plastizität elektrischer Synapsen Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 48 R. Rausch WiSe 2017/18 13. Erklären Sie kurz die Wirkungen von Botulinum-, Tetanus-Toxin (Tetanospasmin) und von Tetrodotoxin (Fugu-Gift) an der chemischen Synapse! Botox und Tetanospasmin verhindern die Freisetzung von Acetylcholin an der Synapse, da es den SNARE-Komplex spaltet. Dadurch kommt es im Endeffekt zur Muskellähmung. Tetrodotoxin wirkt präsynaptisch an den Na-Kanälen, wodurch Aktionspotenziale unterbunden werden. 14. Beschriften Sie diese Zeichnung (rote Felder) einer chemischen Synapse und be- schreiben Sie kurz, wie diese funktioniert! 1. Synthese / Speicherung der NT in Vesikeln. 2. Ca2+-Einstrom infolge präsynaptischen Ak- tionspotenzials und Öffnung der Ca-Kanäle. 3. Fusion der Vesikel mit der PM; Ausschüt- tung des NT. 4. Bindung der NT an den postsynaptischen Rezeptoren. 5. Öffnung postsynaptischer Ionenkanäle, Einstrom von Kationen oder Anionen. 6. Inaktivierung des NT. (NT = Neurotransmitter) 15. Ordnen Sie folgende Kriterien den richtigen Synapsen (elektrische / chemische) zu: Kriterium und Beschreibung chemisch elektrisch Entfernung Prä- und Postsynapse weniger als 5 nm Zytoplasmatische Kontinuität zwischen Prä- und Postsy- napse ist vorhanden. Übertragung des Signals durch chemische Neurotrans- mitter. Die synaptische Verzögerung beträgt etwa 1 bis 5 ms. Bidirektionale Übertragungsrichtung Unidirektionale Übertragungsrichtung Gap-Junctions sind ultrastrukturelle Komponenten Übertragung des Signals durch Ionenstrom. Entfernung Prä- und Postsynapse 20 bis 40 nm. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 49 R. Rausch WiSe 2017/18 16. Beschreiben Sie den synaptischen Vesikelzyklus, wobei folgende Begriffe unbedingt verwendet werden müssen: Endosome Fusion, Translocation, Docking, Priming, Fusion, Endocytose und Exocytose. 1. Endosomale Vesikelneubildung, langsamer Prozess. 2. Aufnahme der NT in die Vesikel über Transporter unter ATP-Verbrauch. 3. Docking: Vesikel docken an einer aktiven Zone an der PM der Synapse in der Nähe von Ca2+-Kanälen an. 4. Priming: Bildung des SNARE-Protein-Komplexes unter ATP-Verbrauch. Der SNARE- Komplex ermöglicht eine Anbindung des Vesikels an die PM. 5. Exocytose: Wird ein Aktionspotenzial ausgelöst, so strömen Ca2+-Ionen aus dem ECR in das Cytosol des Neurons, und katalysieren die Fusion des Vesikels mit der PM, wodurch die NT freigesetzt werden. 6. Endocytose: Bildung von calthrin-umhüllten Vesikeln, die wieder zur weiteren NT-Aufnahme zur Verfügung stehen können. 7. Aufbau eines Protonengradienten; langsamer Prozess. Pfeil von 5 nach 2: „Kiss & Run“. Vesikel können auch direkt nach NT-Freisetzung wieder einer NT-Neuaufnahme zur Verfügung gestellt werden. Schneller Prozess. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 50 R. Rausch WiSe 2017/18 17. Nennen Sie mindestens drei Charakteristika, die einen Neurotransmitter auszeichnen! Sie werden in den Neuronen synthetisiert. Sie liegen in den präsynaptischen Endigungen in Vesikeln vor, und werden in solch großen Mengen freigesetzt, dass sie an den postsynaptischen Rezeptoren eine Wirkung erzielen können. Wird ein NT exogen verabreicht, so verursacht er in gleichen Konzentrationsbereichen glei- che Wirkungen wie endogen vorhandene NT. Es gibt spezifische Mechanismen, die die Wirkung der NT beenden können, z. B. inaktivie- rende Enzyme oder Transporter. 18. Bei welchen Substanzen handelt es sich (auch) um Neurotransmitter? Bitte kreuzen Sie entsprechende Verbindungen an. hemmend / aktivierend ? ATP Dopamin ADP Serotonin cAMP Niacin Glycin hemmend Cobalamin Alanin Histamin Glutamat aktivierend Adrenalin Glutamin Acetylcholin 19. Skizzieren Sie die beiden Arten von Neurotransmitter-Rezeptoren und benennen Sie diese: Ionotrope Rezeptoren Metabotrope Rezeptoren direkte Transmitterwirkung, bidirektional indirekte Transmitterwirkung, monodirektional meist spezifisch auf Kat- oder Anionen, sehr Die Adenylcyclase setzt cAMP um und löst schnelle erregende oder hemmende eine Kaskade aus, das G-Protein kann GTP Potentiale. Anionen-Einstrom meist hemmend freisetzen. Im Endeffekt wird entweder ein Na- (IPSP), Kationen-Einstrom meist erregend Kanal (EPSP) oder ein K-Kanal (ISPS) (EPSP). Wird durch Andocken des NT in geöffnet. Die Potenzialdauer ist relativ lang! seiner Konformation geändert und öffnet/schließt sich daraufhin. Zurzeit 8 bekannte. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 51 R. Rausch WiSe 2017/18 20. Bitte kreuzen Sie an, welche Aussagen richtig sind! Das Aktionspotenzial entsteht am Axonhügel. Daher herrscht hier eine hohe Dichte an Na-Kanälen. Ein Aktionspotenzial kann auch in Richtung der Dendriten verlaufen um so eine Rück- kopplung an das präsynaptische Neuron zu ermöglichen. Ein EPSP ist ein hemmendes Signal Je vollständiger die Myelinschicht das Axon umgibt, desto höher ist die Signalübertra- gungs-Geschwindigkeit. Je stärker der Reiz ist, desto höher die Frequenz auftretender Aktionspotenziale. Im Neuron liegt nur am Axonhügel eine hohe Dichte an Na-Kanälen vor. Die Na-K-Pumpe befördert in Richtung der Konzentrationsgradienten K-Ionen in die Zelle, und Na-Ionen aus der Zelle heraus. Im Unterschied zum elektrotonischen Potenzial ist das Aktionspotenzial ein aktives Po- tenzial. Die Zellmembran im Ruhepotenzial ist für K-Ionen am besten und für Na-Ionen am schlechtesten durchlässig. Im Gegensatz zum Aktionspotenzial ist das elektrotonische Signal örtlich begrenzt. Die Na-K-Pumpe pumpt unter ATP-Verbrauch 3 Na+ aus der Zelle und 2 K+ in die Zelle um dadurch das Ruhemembranpotenzial aufrecht zu erhalten. Glutamat ist der wichtigste erregende und γ-Aminobuttersäure (GABA) der wichtigste hemmende Neurotransmitter im ZNS. Ionotrope Neurotransmitter-Rezeptoren vermitteln die Transmitterwirkung direkt, meta- botrope Neurotransmitter-Rezeptoren vermitteln die Transmitterwirkung indirekt. Ionotrope Rezeptoren sind grundsätzlich bidirektional, während metabotrope Rezepto- ren nur monodirektional sind. An einer Synapse können nur erregende Signale (EPSP) übertragen werden, die Sy- napse wird durch IPSP gehemmt. An einer elektrischen Synapse wird das Signal, im Gegensatz zur chemischen Synapse, verstärkt. Unterschiede der Wahrnehmung (z. B. hell/dunkel, laut/leise) sind im Endeffekt auf die Modulation synaptischer Signale an die Erregungsstärke der Neuronen zurückzuführen. Die Plastizität (Veränderlichkeit) von chemischen Synapsen ist wichtig für Lernprozesse und Gedächtnisausbildung. Unser Gedächtnis verdankt seine Leistung der Verschaltung mit elektrischen Synapsen. Die Übertragung des Signals an der elektrischen Synapse erfolgt durch Elektronen. Elektrische Synapsen sind durch Tight-Junctions miteinander verbunden. Die Reiz-Übertragung an der elektrischen Synapse erfolgt praktisch verzögerungsfrei. Neurotransmitter werden über Endocytose in das Neuron geschleust. Dieser Vorgang wird durch hohe Ca2+-Ionenkonzentrationen im Cytosol stimuliert. Neurotransmitter liegen in der präsynaptischen Endigung vor und werden in genügend großen Mengen freigesetzt, sodass sie durch Aktivierung von Rezeptoren ihre Wirkung an der Synapse hervorrufen. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 52 R. Rausch WiSe 2017/18 Glossar Begriff Erklärung Wichtiger (meist) exzitatorischer NT, es gibt sowohl metabotrope als Acetylcholin auch ionotrope Rezeptoren. Drogen wie Nikotin und Muscarin (Flie- genpilz) wirken ebenfalls über diese Rezeptoren. Ist ein Alles-oder-Nichts-Ereignis, wird von Muskel- und Nervenzellen (erregbare Zellen) ausgebildet. Selbstregenerierendes, aktives Poten- Aktionspotenzial zial mit einer konstanten Amplitude von ca. 100 mV und einer Dauer von 1 - 10 ms; die Reizstärke ist in der Frequenz kodiert. Da die Innenseite der PM im Ruhepotenzial stark negativ geladen ist, herrscht eine große Triebkraft für Na-Ionen-Einstrom, die dadurch eine Depolarisation rasche Potenzialumkehr (von -70 mV auf +30 mV) verursachen - was als Depolarisation bezeichnet wird. Passive, örtlich stark begrenzte Form der Erregungsleitung, die durch Elektrotonisches eine lokale Depolarisation am Axonhügel und dem damit auftretenden, Signal nur wenige Mikrometer weit reichenden elektrischen Feld zustande kommt. Gamma-Aminobutyric Acid, wichtigster inhibitatorisch wirkender Neu- GABA rotransmitter. Es gibt sowohl ionotrope als auch metabotrope GABA- Rezeptoren. Glutaminsäure. Wichtigster exzitatorischer NT im ZNS von Wirbeltie- ren, wird präsynaptisch freigesetzt und bindet postsynaptisch an Glutamat ionotrope und metabotrope Glutamatrezeptoren an. Decarboxylierung führt zum inhibitorisch wirkenden GABA. Zeitraum, im welchem sich während der Repolarisation das Membran- potenzial durch ausströmende K-Ionen unterhalb des Ruhepotenzials Hyperpolarisation befindet. In diesem Zeitraum werden die Na-Ionenkanäle reaktiviert (bleiben aber geschlossen). Art der Erregungsleitung, die in Neuronen ohne Myelin-Umhüllung, den so genannten marklosen Nervenfasern stattfindet. Hier bilden sich kontinuierliche Er- entlang des Axons sukzessive Aktionspotenziale aus, wobei die regungsleitung Membranabschnitte elektrotonisch de/repolarisiert werden. Relativ langsame Signalübertragung, Neuronen zur Steuerung innerer Orga- ne. Gegensatz: Saltatorische Erregungsleitung. Overshoot / Spike Aktionspotenzial-Zeitraum, in dem dieses größer 0 mV wird. Hemmender (trophotroper) Teil des ZNS,regt Anabolismus an, desak- Parasympatikus tiviert Zielorgane. Inaktivierung der Na-Kanäle, Öffnen der K-Kanäle; große elektrische Repolarisation Triebkraft für K-Ionen, die sehr schnell aus dem Cytosol in den ECR strömen, wodurch das Membranpotenzial wieder negativ wird. Zeit, in welchem die Na-Kanäle geschlossen bleiben und daher kein Refraktärzeit, weiteres Aktionspotenzial ausgelöst werden kann (also nach Depolari- absolute sation und vor Hyperpolarisation). Dauer: ~ 1 ms. In dieser Phase sind bereits durch die fortschreitende Repolarisation mehrere, jedoch nicht alle, Natrium-Kanäle wieder im aktivierbaren, Refraktärzeit, aber noch geschlossenen Zustand. Es können Aktionspotentiale aus- relative gelöst werden, allerdings ist dazu eine höhere Reizstärke notwendig und die Amplitude des Aktionspotentials sowie die Steilheit der Depo- larisation sind vermindert. (ca. 1,5 ms zusätzlich) Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 53 R. Rausch WiSe 2017/18 Schnelles Signal, mit bis zu 100 m/s, dass sich entlang des Axons von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring durch Auslösen von Akti- saltatorische Erre- onspotenzialen fortpflanzt. (lat. saltare = tanzen, springen). Benötigt gungsleitung Axone, die möglichst mit Myelin umhüllt sind, und dadurch isoliert. Betrifft Neuronen, die die Steuerung von Muskeln efferent und afferent mit dem ZNS verbinden. Gegensatz: Kontinuierliche Erregungsleitung. Das Membranpotenzial, ab dem sich genügend Na-Känale öffnen, um dadurch das Aktionspotenzial auszulösen. Unterhalb des Schwellen- Schwellenwert wertes bleibt ein Reiz folgenlos. Ab dem Schwellenwert ist die Ionen- permeabilität für Na-Ionen größer als für K-Ionen. Komplex der Proteine Syntaxin und Synaptobrevin, der die Neurotransmittervesikel mit der Plasmamembran der Synapse im Be- SNARE-Komplex reich einer aktiven Zone verbindet, und durch Ca2+-Katalyse eine NT- Freisetzung ermöglicht. Aktivierender (ergotroper) Teil des ZNS, regt den Katabolismus an, Sympatikus und aktiviert Zielorgane. Muskelphysiologie 21. Es gibt quergestreifte- und glatte Muskulatur. Ordnen Sie Skelettmuskeln, den Herz- muskel und die Darmmuskulatur jeweils zu, und geben Sie an, ob die Steuerung dieser Muskeln willkürlich oder unwillkürlich ist! Skelettmuskel Herzmuskel Darmmuskulatur quergestreift quergestreift glatt willkürlich unwillkürlich unwillkürlich 22. Beschriften Sie die folgende Skizze einer Myofibrille richtig. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 54 R. Rausch WiSe 2017/18 23. Erläutern Sie stichwortartig die Gleitfilament-Theorie anhand der nachfolgenden Skizze: Die Muskellänge ändert sich mit der Länge der Sarcomere. Bei einer Kontraktion behält die A-Bande ihre Länge, I-Bande und H-Zone werden schmäler. Die Myosin- und Aktinfilamente ändern nicht ohre Länge, sondern nur den Grad ihrer Über- lappung. Die Aktinfilamente gleiten zwischen die Myosinfilamente in Richtung der H-Zone. 24. Welche Rolle spielen Ca2+-Ionen bei der Muskelkontraktion? Was passiert bei hohen Ca2+-Konzentrationen (10-5 M) , was bei niedrigen (10-7 M)? Im Ruhezustand beträgt die Ca2+-Ionenkonzentration 10-7 M. Dabei blockiert der Tropomyosin- Troponin-Komplex die Myosin-Bindestelle am Aktin, der Muskel ist entspannt. Steigt die Ca2+-Ionenkonzentration auf über 10-5 M an, so bindet Ca2+ an den Komplex an, die Myosin-Bindestellen werden infolge Konformationsänderung freigegeben und können mit dem Aktin interagieren. Der Muskel kontrahiert. Die Stärke der Kontraktion hängt von der erreichten Ca2+-Ionenkonzentration ab. Sinkt die Ca2+-Ionenkonzentration wieder ab, so dissoziiert Ca2+ wieder von dem Komplex ab, und die Bindung Myosin zu Aktin geht wieder verloren Der Muskel entspannt sich. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 55 R. Rausch WiSe 2017/18 25. Beschriften Sie die vier in der Abbildung gekennzeichneten Strukturen! 1 ‒ Motoneuron 2 ‒ Motorische Endplatte 3 ‒ Muskelfaser 4 ‒ Myofibrille 26. Erklären Sie kurz und in der richtigen zeitlichen Reihenfolge die einzelnen Schritte bei der elektromotorischen Kopplung! 1. Erregung der Muskelfasermembran 2. Auslösung des Muskel-Aktionspotenzials 3. Ausschüttung von Ca2+-Ionen 4. Freigabe der Myosin-Bindestelle am Aktin 5. Muskelkontraktion 27. Welcher Neurotransmitter spielt bei der Muskelkontraktion eine zentrale Rolle? Acetylcholin Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 56 R. Rausch WiSe 2017/18 28. Beschriften Sie die folgenden Diagramme für die isotonische und die isometrische Kontraktion eines Muskels. Was ist der wesentliche Unterschied zwischen beiden Arten der Kontraktion? Bei der isotonischen Kontraktion bleibt die Spannung des Muskels über den gesamten Bewe- gungsumfang gleich hoch. Die Muskellänge verändert sich und wird sichtbar kürzer und dicker. Bewegungsabläufe mit den Extremitäten kommen durch isotonische Muskelbewegungen zu- stande. Bei der isometrischen Kontraktion treten intramuskuläre Spannungsunterschiede auf, während sich der Muskel insgesamt nicht (nennenswert) verkürzt. Es ändert sich nur die Muskelspan- nung, bei gleichbleibendem Abstand zwischen Ursprung und Ansatz. 29. Beschriften Sie folgende Skizze: Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 57 R. Rausch WiSe 2017/18 30. Wie wirken sich folgende Reize auf das Kontraktionsverhalten eines Skelettmuskels aus? a) Elektrischer Einzelreiz b) Niederfrequente Reizserie c) Mittelfrequente Reizserie d) Hochfrequente Reizserie Bei der Einzelzuckung wird ein Aktions- potenzial ausgelöst, dass eine kurze Kon- traktion zur Folge hat, und danach wieder direkt zur Entspannung führt. Eine niederfrequente Reizserie führt zu unvollständigen tetanischen Kontraktio- nen; die mittel- und hochfrequenten zu vollständigen Kontraktionen zunehmender Intensität. 31. Welche Arten von Zuckfasern (phasischen Fasern) lassen sich anhand welchen Krite- riums unterscheiden? Welche Faser-Art wird in der Muskulatur von Marathonläufern be- sonders gut trainiert worden sein? Es lassen sich rote und weiße Muskelfasern unterscheiden, deren Färbung durch die ATPase zustande kommt. Sie lassen sich anhand der vornehmlichen Arten ihres Energie-Umsatzes voneinander unterscheiden. Daneben gibt es einen dritten, intermediären Fasertyp. Fasertyp I Fasertyp IIa Fasertyp IIb Eigenschaft Rote Fasern Intermediär Weiße Fasern Energiebereitstellung langsam, oxidativ schnell, oxidativ schnell, glykolytisch Kontraktions- niedrig hoch hoch geschwindigkeit Ermüdbarkeit langsam mittel schnell Kapazität für oxidati- hoch mittel gering ve Phosphorylierung Enzyme für anaeorbe niedrig mittel hoch Glykolyse Mitochondrienzahl hoch hoch gering Der Marathonläufer trainiert die Ausdauer, also die rote Muskulatur. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 58 R. Rausch WiSe 2017/18 32. Benennen Sie alle Strukturen der folgenden Abbildung: 33. Erklären Sie die Funktionsweise der Muskelspindel. Wie wird die Länge registriert und welche Aktionskette läuft dabei ab? In der Muskelspindel befinden sich Muskelfasern, die von einer Bindegewebskapsel umgeben sind. Diese werden auch als intrafusale Muskelfasern bezeichnet. Die Muskelspindel selbst ist von der Arbeitsmuskulatur umgeben, und wird mit ihr gedehnt oder gestreckt. Der mittlere Teil dieser Fasern ist von afferenten, sensorischen Nervenfasern vom Typ Ia um- geben, die auf Längenveränderungen spezialisiert sind, und - zusammen mit dem Golgi- Sehnenorgan - bei Längenänderung ein Signal in Richtung Rückenmark senden. Muskelspindel und Golgi-Sehnenorgan sind so genannte Propiorezeptoren, die reflektorisch Signale an das Rückenmark senden. Im Rückenmark werden die Signale dann an die Motoneuronen entsprechender Antagonisten (und des Muskels selber) weitergegeben, welche entweder hemmend oder aktivierend sind - abhängig davon, ob der angesprochene Muskel kontrahiert oder entspannt werden muss. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 59 R. Rausch WiSe 2017/18 34. Wie funktioniert der [Kniesehnen-]Muskeleigenreflex? Beschriften Sie dazu folgende Skizze, und erklären Sie anhand dieser, was in Einzelschritten passiert! Wie nennt man diese Schaltung? Wofür ist der Eigenreflex wichtig? Es handelt sich um einen monosynaptischen Reflexbogen, da jeweils eine einzige afferente bzw. efferente Nervenfaser im Rückenmark über eine Synapse verschaltet ist. Durch einen mechanischen Reiz auf die Patellarsehne wird der Musculus quadriceps ein wenig gestreckt, was durch die Muskelspindel als Längenänderung wahrgenommen wird. Es wird ein Aktionspotenzial am efferenten Ia-Neuron ausgelöst und ins Rückenmark gesendet. Dort wird dieses über die Synapse auf das afferente Motoneuron übertragen, welches ein exzitatives Sig- nal in Richtung desselben Muskels (daher auch Eigenreflex) überträgt. Dieser kontrahiert. Dieser Eigenreflex ist deshalb wichtig, um ein Stolpern zu verhindern. Der motorische Ablauf einer Beinbewegung wird somit über daS Rückenmark (nicht über das Hirn) automatisch ge- steuert. 35. Wie wirkt Strychnin, und wie das Tetanustoxin? Welches der beiden Gifte ist stärker? Strychnin ist ein Alkaloid, das in Strychnos nux-vomica enthalten ist. Es blockiert die Glycin- Rezeptoren im Rückenmark, wodurch Dyspnoe und Krämpfe hervorgerufen werden. Die tödli- che Dosis liegt für einen erwachsenen Menschen in zweistelligen mg-Bereich (Literaturanga- be: 30-120 mg). Tetanustoxin ist ein hochwirksames Bakteriengift, das im Rückenmark die Freisetzung von Glycin und GABA unterbindet, und dadurch Krämpfe auslöst. Einige ng sind tödlich. Das Tetanustoxin ist nach Botox das zweitstärkste Bakterientoxin überhaupt! Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 60 R. Rausch WiSe 2017/18 36. Skizzieren und beschriften Sie ein menschliches Herz! 37. Nennen Sie vier Strukturen am Herzen, die für die Erregungsausbreitung verantwort- lich sind! Sind diese myogener oder neurogener Natur? 1. Sinus-Knoten 2. AV-Knoten 3. His-Bündel 4. Purkinje-Fasern Diese Strukturen sind alle myogen, es sind also keine Nervenfasern! 38. Skizzieren Sie die Erregungsausbreitung am Herzen! Sinusknoten: Primärer elektrischer Takt- geber, erregt Vorhöfe. AV-Knoten: Einzige elektrische Verbin- dung zwischen Atrien und Ventrikeln. Erre- gungsausbreitung sehr langsam. Das His-Bündel leitet das Signal weiter bis zur Herzspitze in die Purkinje-Fasern, über die dann das Ventrikel erregt (kontra- hiert) wird. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 61 R. Rausch WiSe 2017/18 39. Abgebildet ist die Grundform eines EKG. Beschriften Sie die 5 wichtigsten Abschnit- te, und geben Sie zusätzlich an, was jeweils passiert! Abschnitt Aktion P-Welle Erregung der Atrien (Vorhöfe): Erregung durch den Sinusknoten PQ-Strecke Erregungsübertragung vom Sinusknoten zum AV-Knoten. QRS-Komplex Erregung der Ventrikel (Kammern). Weitereleitung des Signals über His-Bündel und Purkinje-Fasern zur Herzspitze und über die beiden Ventrikel. Depolarisation der beiden Herzkammern. ST-Strecke Ventrikel ist vollständig erregt. T-Welle Erregungsrückbildung. 40. Was sind Systole und Diastole? Die Systole bezeichnet (vereinfacht) die Ausströmungsphase, die Diastole die Füllungsphase im Herzen. Dabei wird zwischen Atrium und Ventrikel unterschieden. Beim Blutdruckmessen wird die ventrikuläre Systole und Diastole erfasst, da der (arterielle) Blutdruck vom Ausströmen des Blutes aus den Ventrikeln bestimmt wird. 41. Wie werden Aktionspotenziale im Myocard erzeugt, und worin unterscheiden diese sich von neurogen erzeugten Aktionspotenzialen in Motoneuronen? In den Myocardzellen befinden sich Na-, K- und Ca- Kanäle. Zuerst öffnen Na-Kanäle, die einen Anstieg des Potenzials bis zu einem Schwellenwert verursa- chen. Dann öffnen Ca-Kanäle, und der Ca-Einstrom bewirkt das Aktionspotenzial. Die Repolarisation er- folgt über einen K-Ausstrom, solange bis wieder das Grundpotenzial erreicht wird. In Motoneuronen sind keine Ca-Kanäle vorhanden, De- und Repolarisation funktionieren über Na / K. Alle Angaben ohne Gewähr! Seite 62 R. Rausch WiSe 2017/18 42. Bitte kreuzen Sie an, welche Aussagen richtig sind! Unter einer isotonischen Muskelkontraktion versteht man eine Kontraktion des Muskels bei gleichbleibender Muskellänge. Die Myofibrille, das kontraktile Element der Muskelfaser, setzt sich aus den longitudinal angeordneten Sarcomeren zusammen. Bei einer sehr niedrigen Ca2+-Konzentration (10-7 M) kann der Muskel nicht kontrahie- ren, da die Bindestelle für Myosin am Aktin blockiert ist. Der Skelettmuskel ist ein quergestreifter, unwillkürlicher Muskel. Die Muskelspindel misst die Länge des Muskels. Ca2+-Ionen sind für die Kontraktion des Muskels notwendig. Die Amplitude einer Muskelkontraktion ist bei repetitiver Reizung kleiner, als bei Einzel- reizung. Bei Muskelentspannung ist die H-Zone der Sarcomere kleiner als bei Muskelkontraktion. Die motorische Endplatte ist die Verbindungsregion zwischen Motoneuron und der Mus- kelfasermembran. Die postsynaptische Membran der motorischen Endplatte enthält Acetylcholin- Rezeptoren in hoher Dichte. Das Muskel-Aktionspotenzial wird durch erhöhte Ca2+-Spiegel ausgelöst. Die postsynaptischen Rezeptoren der motorischen Endplatte interagieren mit Acetylcho- lin, wobei sich Natriumkanäle öffnen, und ein EPSP erzeugt wird. Das elektrische Signal des Motoneurons wird an der Triadenstruktur in ein chemisches Ca2+-Signal umgewandelt. Die Totenstarre kommt durch das Bestehen bleiben der Myosin-Querbrücken zustande. Die Muskelspindel ist von Muskelfasern des Typs IIa umgeben. Der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Rückenmark ist Glycin, der wichtigste exzitartorische Glutamat. Motoneurone können durch Interneurone entweder gehemmt oder aktiviert werden. Strychnin verhindert die Freisetzung von GABA und Glycin in den Synapsen des Rü- ckenmarks. Das Säugetierherz ist ein funktionelles Syncytium. Der Sinusknoten wird zwar von Sympatikus und Parasympatikus beeinflusst, der Herz- rhythmus ist jedoch vom ZNS unabhängig (Autorhythmie). Die Depolarisation in den Myocardzellen wird durch das ?