Aufgaben: Stoffwechsel, Anabolismus und Katabolismus

Definiere den Begriff Stoffwechsel und erkläre den Unterschied zwischen Anabolismus und Katabolismus. Nenne für jede Art ein Beispiel.

Was ist ATP und warum wird es als „Energiewährung“ der Zelle bezeichnet? Gib an, was bei seiner Hydrolyse zu ADP geschieht.

Ordne die folgenden Vorgänge als anabol oder katabol ein und begründe deine Entscheidung kurz: die Proteinsynthese, die Zellatmung, die Fotosynthese und die Verdauung der Nahrung.

Was ist ein Enzym und warum sagt man, dass die Reaktionen des Stoffwechsels katalysierte Reaktionen sind? Gib an, was am Ende der Reaktion mit dem Enzym geschieht.

Beschreibe die chemische Zusammensetzung des ATP-Moleküls (Base, Zucker und Phosphatgruppen) und gib an, welche Bindung bei der Hydrolyse zu ADP gespalten wird und warum man diese Bindung als energiereich bezeichnet.

Erkläre, warum man Lebewesen im Hinblick auf den Austausch von Materie und Energie als offene Systeme bezeichnet und worin der Unterschied zu einer isolierten Maschine besteht.

Nenne zwei Beispiele für Vorgänge aus dem Alltag, die von der bei der ATP-Hydrolyse freigesetzten Energie abhängen (Muskelkontraktion, aktiver Transport, Synthese von Molekülen, Weiterleitung des Nervenimpulses), und erkläre eines davon kurz.

Was ist die Aktivierungsenergie einer Reaktion? Erkläre, wie Enzyme es ermöglichen, dass Stoffwechselreaktionen bei der Körpertemperatur des Menschen schnell ablaufen.

Betrachte das Schema zum Stoff- und Energieaustausch im Stoffwechsel. Gib an, welchen Vorgang (Anabolismus oder Katabolismus) A und B darstellen und welches Molekül mit ? gekennzeichnet ist. Erkläre anhand eines Beispiels, wie die von einem Vorgang freigesetzte Energie den anderen antreibt.

Stoffwechselumwandlungen laufen in Stoffwechselwegen ab, die aus vielen aufeinanderfolgenden Reaktionen bestehen, von denen jede durch ein Enzym katalysiert wird. Erkläre, was ein Stoffwechselweg ist und welche Vorteile es bietet, eine Umwandlung in zahlreiche Schritte zu unterteilen.

Unterscheide autotrophe und heterotrophe Organismen unter stoffwechselphysiologischen Gesichtspunkten (Kohlenstoff- und Energiequelle) und nenne je ein Beispiel.

Fotosynthetisch aktive Organismen gewinnen ihr ATP aus Licht, Heterotrophe aus Nährstoffen, doch alle bilden es nach demselben letzten Mechanismus: der Nutzung eines Protonengradienten. Erkläre, was Chemiosmose ist und an welchen Membranstrukturen sie bei den einen und den anderen Organismen stattfindet.

Warum ist ATP und nicht Glucose die unmittelbare Energiequelle der Zelle? Begründe, indem du vergleichst, wie die Energie jeweils freigesetzt wird (in kleinen, nutzbaren Portionen gegenüber der schnellen, unkontrollierten Verbrennung, die das schlagartige Freisetzen der gesamten Energie der Glucose bedeuten würde).

Anabole Reaktionen benötigen neben ATP auch Reduktionsäquivalente in Form von NADPH. Erkläre, was NADPH zu den Synthesen beiträgt und worin sich seine Funktion von der des NADH im Stoffwechsel unterscheidet.

Ordne die folgenden Aktivitäten einer Muskelzelle danach ein, ob sie ATP verbrauchen oder freisetzen, und begründe jeden Fall: die Kontraktion, die Glykogensynthese, den Abbau der Glucose in der Glykolyse und den aktiven Transport von Ionen durch die Membran.

Bei körperlicher Belastung kann sich der Sauerstoffverbrauch eines Menschen auf das Zehnfache oder mehr erhöhen. Erkläre, welchen Zusammenhang dies mit dem Zellstoffwechsel hat, und begründe, warum Sauerstoff nur für einen Teil des Energiestoffwechsels notwendig ist.

Betrachten Sie die folgenden zwei voneinander unabhängigen Stoffwechselreaktionen unter physiologischen Bedingungen:

1. $\text{Glucose} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glucose-6-phosphat} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13,8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30,5\text{ kJ/mol})$

1. a) Begründen Sie auf molekularer Ebene, warum die ATP-Hydrolyse ein so stark exergones $\Delta G^{\circ\prime}$ aufweist (beziehen Sie sich auf die elektrostatische Ladungsabstoßung und die Resonanzstabilisierung der entstehenden Produkte).
2. b) Schreiben Sie die Gleichung der gekoppelten Nettoreaktion, die von dem Enzym Hexokinase katalysiert wird, berechnen Sie ihr gesamtes $\Delta G^{\circ\prime}$ und begründen Sie, wie dieser Mechanismus der Energiekopplung Zellvorgänge ermöglicht, die für sich allein thermodynamisch nicht durchführbar wären.

In einer Untersuchung zum Muskelstoffwechsel wird eine Zelllinie mit einer Mutation analysiert, die das Enzym Glykogensynthase konstitutiv aktiv und unempfindlich gegenüber der Hemmung durch Phosphorylierung macht, sodass es selbst bei starken Adrenalinausschüttungen zu 100 % aktiv bleibt.

1. a) Bei einer durch Adrenalin ausgelösten kräftigen Muskelkontraktion wird die Glykogenphosphorylase durch eine Phosphorylierungskaskade aktiviert. Sagen Sie begründet die unmittelbare stoffwechselphysiologische Folge voraus, wenn beide Enzyme (Synthase und Phosphorylase) gleichzeitig mit maximaler Geschwindigkeit arbeiten, und begründen Sie, warum dieses Phänomen (Leerlaufzyklus, „futile cycle“) für die Zelle energetisch nachteilig ist.
2. b) Erklären Sie, wie die koordinierte reziproke Regulation (durch reversible kovalente Modifikation und allosterische Modulatoren wie AMP und ATP) in normalen Muskelfasern in Ruhe und bei Belastung verhindert, dass dieser Konflikt auftritt.

Ein Schüler stellt ein scheinbares Paradoxon auf: „Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass spontane Vorgänge mit einem $\Delta G < 0$ verlaufen. Da der Anabolismus komplexe Moleküle über stark endergone Reaktionen aufbaut ($\Delta G > 0$), verstößt dann die Biosynthese von Makromolekülen nicht gegen die Gesetze der Physik?“

1. a) Widerlegen Sie den Einwand des Schülers, indem Sie mithilfe des Prinzips der Energiekopplung und der Vermittlerfunktion des ATP/ADP-Systems begründen, wie die Zelle erreicht, dass ein anaboler Gesamtweg thermodynamisch begünstigt ist.
2. b) Wird einer Suspension von Hepatozyten ein Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung (wie DNP) zugesetzt, der den elektrochemischen Protonengradienten der Mitochondrien abbaut, sagen Sie begründet voraus, was mit der Rate des Glucoseabbaus, mit der Synthese von Biomolekülen (Anabolismus) und mit der Temperatur des Mediums geschieht.

Ein Gegner der Evolutionstheorie behauptet, die Entstehung und Aufrechterhaltung komplexer, geordneter Lebewesen aus einfachen Vorstufen sei physikalisch unmöglich, weil sie dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widerspreche, nach dem die Unordnung (Entropie) zwangsläufig zunehmen müsse.

1. a) Widerlegen Sie dieses Argument anhand der Formulierung $\Delta S_\text{Universum} = \Delta S_\text{System} + \Delta S_\text{Umgebung} \ge 0$, indem Sie zwischen einem offenen und einem isolierten System unterscheiden, und begründen Sie, wie der Zellkatabolismus die lokale Abnahme der inneren Entropie ausgleicht, die während des Anabolismus entsteht.
2. b) Entwerfen Sie ein Gedankenexperiment, in dem ein Tier und seine Nahrung in einem starren, vollkommen dichten und adiabatischen Behälter (gegenüber der Umgebung in Bezug auf Materie und Wärme isoliert) eingeschlossen werden. Sagen Sie das Schicksal des Systems im Hinblick auf Leben und Thermodynamik im Lauf der Zeit voraus und erklären Sie, warum die Biosphäre der Erde dank des kontinuierlichen Sonnenstroms nicht denselben entropischen Zusammenbruch erleidet.

Ein Gift blockiert die Hydrolyse von ATP, ohne seine Synthese zu verhindern. Sagen Sie begründet voraus, was mit der zellulären ATP-Konzentration, dem Anabolismus, dem Katabolismus und den Zellleistungen geschieht, und erklären Sie, warum die Zelle schließlich stirbt, obwohl sie mit ATP „gefüllt“ ist.

Ein erwachsener Mensch von 70 kg besitzt zu jedem Zeitpunkt eine konstante Gesamtmasse von nur etwa 50 g ATP. Dennoch erfordern seine Grundaktivität und sein Alltag, dass etwa 50 kg ATP pro 24 Stunden hydrolysiert und neu synthetisiert werden.

1. a) Berechnen Sie, wie oft pro Tag jedes ATP-Molekül in diesem Individuum durchschnittlich recycelt wird, und leiten Sie die mittlere Zeit (in Sekunden oder Minuten) ab, die zwischen der Synthese eines ATP-Moleküls und seiner anschließenden Hydrolyse vergeht.
2. b) Könnte unser Organismus das ADP nicht recyceln und müsste er die für den Tag benötigten 50 kg vorab als freies ATP speichern, begründen Sie die unüberwindbaren Folgen für das Zellvolumen und den osmotischen Druck der Zellen. Begründen Sie, warum Neutralfette (Triacylglycerine) und Polysaccharide im Gegensatz zu ATP physiologisch geeignete Makromoleküle als langfristige Energiespeicher sind.

Ein Student behauptet: „Da die direkte Verbrennung eines Mols Glucose im Labor und ihre vollständige Oxidation in der Zelle dieselbe Nettoenergiemenge freisetzen ($\Delta G^\circ = -2870\ \text{kJ/mol}$), wäre es für die lebende Zelle vorteilhafter, die Glucose in einer einzigen schnellen Reaktion zu verbrennen, um das gesamte ATP auf einmal zu synthetisieren und Zwischenverluste zu vermeiden.“ a) Widerlegen Sie diese Behauptung, indem Sie zwei zytologische oder thermodynamische Gründe nennen, warum die sofortige Freisetzung dieser Energie für die Zelle zerstörerisch oder nicht durchführbar wäre. b) Erklären Sie den biologischen Vorteil der schrittweisen Oxidation und begründen Sie die Schlüsselrolle, die Coenzyme wie $\text{NAD}^+$ und FAD als Vermittler des Redoxpotenzials spielen.

In einem Bakterium besteht der Syntheseweg der essenziellen Aminosäure L aus dem Vorläufer P aus drei aufeinanderfolgenden Schritten, die von den Enzymen $E_1, E_2$ und $E_3$ katalysiert werden. Das Enzym $E_1$ ist allosterisch und unterliegt einer Rückkopplungshemmung durch das Produkt L selbst. a) Sagen Sie begründet voraus, was mit der Konzentration der Zwischenprodukte des Stoffwechselwegs und mit der Energiebilanz der Zelle geschähe, wenn eine Mutation das allosterische Zentrum von $E_1$ verändert und die Bindung von L verhindert, die katalytische Aktivität aber unversehrt lässt, während das Bakterium in einem Medium mit reichlich exogenem L wächst. b) Inaktiviert eine andere Mutation das Enzym $E_2$ vollständig, begründen Sie, welche Verbindung sich anreichern wird und ob die Aktivität von $E_1$ bei Abwesenheit von L im Medium erhalten bleibt oder gebremst wird. c) Begründen Sie den Selektionsvorteil, die allosterische Kontrolle am ersten wegspezifischen Enzym und nicht am letzten ($E_3$) anzusetzen.