Aufgaben: Proteine

Was sind Aminosäuren und wie viele verschiedene Arten bilden die Proteine der Lebewesen? Geben Sie an, welche chemischen Gruppen alle Aminosäuren gemeinsam haben und welche Gruppe jeder einzelnen ihre besonderen Eigenschaften verleiht.

Nennen Sie vier verschiedene Funktionen der Proteine in Lebewesen und geben Sie für jede ein konkretes Beispiel für ein Protein an.

Was ist die Peptidbindung? Geben Sie an, zwischen welchen chemischen Gruppen der Aminosäuren sie entsteht und welches Molekül bei der Reaktion freigesetzt wird.

Betrachten Sie das Schema der Strukturebenen der Proteine, nummeriert von 1 bis 4. Benennen Sie jede Ebene, beschreiben Sie kurz ihr Hauptmerkmal und nennen Sie ein Beispiel für ein Protein, das Ebene 4 aufweist.

Hämoglobin verliert seine dreidimensionale Form, wenn Temperatur oder pH-Wert zu stark von den normalen Werten abweichen. Wie heißt dieser Vorgang, welche Bindungen werden gelöst und welche Folge hat das für die Funktion des Proteins?

Was ist ein Enzym? Erklären Sie, wie es eine chemische Reaktion beschleunigt, und beziehen Sie sich dabei auf die Aktivierungsenergie und den Enzym-Substrat-Komplex.

Das funktionelle Hämoglobin des Erwachsenen ($\text{HbA}$) ist ein lösliches Heterotetramer. Bei der Sichelzellanämie ersetzt die Punktmutation im Globin-Gen $\beta$ an Position 6 der Polypeptidkette ($\text{HbS}$) eine Glutaminsäure durch Valin, sodass das Desoxyhämoglobin zu langen, unlöslichen Fasern polymerisiert, die die Erythrozyten verformen.

1. a) Begründen Sie anhand der chemischen Eigenschaften der Seitenketten beider Aminosäuren, warum diese Veränderung der Primärstruktur die Konformation und Löslichkeit des Proteins verändert, und geben Sie an, welche Art schwacher molekularer Wechselwirkungen diese Fasern stabilisiert.
2. b) Bei einem genetischen Screening werden im selben Codon 6 des Globins $\beta$ zwei alternative Mutationen entdeckt:

• Variante A: Die Glutaminsäure wird durch Asparaginsäure ersetzt ($\text{Glu6Asp}$).

• Variante B: Die Glutaminsäure wird durch Leucin ersetzt ($\text{Glu6Leu}$).

Sagen Sie begründet voraus, welche dieser beiden Varianten eine praktisch identische biologische Funktion wie das gesunde $\text{HbA}$ behält und welche eine krankhafte Aggregation ähnlich der Sichelzellanämie auslöst.

Ein Patient mit schwerer Mangelernährung wird mit Muskelschwäche, Desorientierung und schwerer Laktatazidose (Symptome, die mit Beriberi vereinbar sind) in die Notaufnahme eingeliefert. Die biochemischen Untersuchungen zeigen erhöhte Plasmakonzentrationen von Pyruvat und Laktat bei einem deutlichen Abfall des zellulären ATP, obwohl die Glucosewerte normal sind. Die umgehende Gabe von Thiamin (Vitamin B1) beseitigt die Symptome.

1. a) Thiamin ist die Vorstufe des Coenzyms Thiaminpyrophosphat (unverzichtbar für den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex). Erklären Sie, was ein Coenzym ist, und begründen Sie biochemisch, warum sein Fehlen die Zellatmung blockiert und die Laktatsynthese in die Höhe treibt.
2. b) Wäre dem Patienten vor der Gabe des Vitamins eine konzentrierte Glucoselösung infundiert worden, um ihm „Energie zu geben“, hätte sich seine Azidose rasch verschlimmert. Begründen Sie diese Aussage anhand der Stoffwechselwege des Kohlenhydratstoffwechsels.
3. c) Da Coenzyme bei den von ihnen katalysierten Reaktionen nicht stöchiometrisch verbraucht werden (sie werden regeneriert), begründen Sie, warum wir Menschen wasserlösliche Vitamine kontinuierlich mit der Nahrung aufnehmen müssen und nicht nur eine einzige Dosis im Leben.

In einem biochemischen Labor wird die thermische Stabilität eines intrazellulären menschlichen Enzyms untersucht. Aliquots des Enzyms werden 20 Minuten lang bei vier verschiedenen Temperaturen inkubiert ($15\ \text{°C}$, $37\ \text{°C}$, $45\ \text{°C}$ und $70\ \text{°C}$). Anschließend wird jede Probe in zwei Fraktionen geteilt:

• Fraktion 1: Ihre katalytische Geschwindigkeit wird sofort bei derselben Temperatur gemessen, bei der sie inkubiert wurde.

• Fraktion 2: Die Probe wird auf $37\ \text{°C}$ zurückgebracht, man wartet 15 Minuten und misst dann ihre katalytische Geschwindigkeit bei $37\ \text{°C}$.

Die Ergebnisse zeigen, dass Fraktion 1 bei $37\ \text{°C}$ optimale Aktivität aufweist, bei $15\ \text{°C}$ sehr geringe und bei $70\ \text{°C}$ keine. In Fraktion 2 gewinnt die bei $15\ \text{°C}$ vorbehandelte Probe $100\ \%$ ihrer maximalen Aktivität zurück, während die bei $70\ \text{°C}$ vorbehandelte Probe eine Aktivität von $0\ \%$ behält.

1. a) Deuten Sie die Ergebnisse von Fraktion 2 für die Proben bei $15\ \text{°C}$ und $70\ \text{°C}$ molekular und unterscheiden Sie dabei zwischen der kinetischen Energie des Systems und der Denaturierung des Proteins.
2. b) Sagen Sie voraus, wie sich die Kurve von Fraktion 1 verändern würde, wenn ein entsprechendes gereinigtes Enzym des thermophilen Bakteriums Thermus aquaticus ($T_{\text{optimal}} \approx 75\ \text{°C}$) verwendet würde, und begründen Sie, welche Anpassungen der Bindungen seiner Tertiärstruktur es bei dieser Temperatur funktionsfähig machen.