Abi aufgaben biologie enzyme - cutpass.pages.dev

Diese Seite ist ein Selbsttest für diejenigen, die die Prüfungsaufgaben gelöst haben und nun sehen möchten, wie ich antworten würde.

Diese Tabelle zeigt meine vorgeschlagenen Lösungen für Probleme im Zusammenhang mit Enzymen und Stoffwechsel.1

Lebewesen als offene oder geschlossene thermodynamische Systeme

Material 1:
Physiker und Biologen nennen thermodynamische Systeme offen, wenn sie können Stoffe UND Energie mit ihrer Umgebung austauschen.

Geschlossene thermodynamische Systeme können mit ihrer Umgebung nur Energie, aber keine Materie austauschen. Da es keine hundertprozentige Isolierung gibt, existieren geschlossene thermodynamische Systeme nur theoretisch, da sie per Definition weder Materie noch Energie mit ihrer Umgebung austauschen können.

I.A.

Erklären Sie anhand von Handout 1, wie man menschliche Eier von offenen in geschlossene thermodynamische Systeme und wieder zurück in offene umwandelt!
I.B. Erklären Sie, warum ungefähre Flussbilanzen eine lebende Systemzelle von einer technischen Systemuhr unterscheiden!
I.C. Erstellen Sie eine Hypothese zur Beantwortung der Frage, was ein Mensch eigentlich ist, und berücksichtigen Sie dabei den nahezu vollständigen Austausch aller seiner Stoffe über mehrere Jahre!

I.A.

Lebende Eizellen sind offene thermodynamische Systeme, weil sie Stoffe und Energie mit der Umgebung austauschen.
Sie werden zu geschlossenen thermodynamischen Systemen, wenn die Eizellen in flüssigen Stickstoff gelegt werden.

Sie gefrieren in flüssigem Stickstoff, weil sie dann nur noch Energie austauschen können.
Das tun sie, wenn sie im Medium wieder aufgetaut werden. Dann können sie wieder leben und sind wieder offene thermodynamische Systeme.

I.B.

Im Gegensatz zu einer Zelle in einem lebenden System ist eine Uhr ein geschlossenes thermodynamisches System, da sie keine Substanzen mit ihrer Umgebung austauscht, sondern nur Energie.
Zellen behalten auch ihre Homöostase bei, indem sie die Aufnahme von Nährstoffen ermöglichen, und Sauerstoff kann durch Ausscheidung von Substanzen, die nicht mehr vorhanden sind, in einem annähernd stabilen Zustand gehalten werden geeignet für den Einsatz.
Alternativ kann es auch so ausgedrückt werden, dass Zellen Strukturen und Funktionen weitgehend unverändert beibehalten, unabhängig von einem ständigen Stoffwechsel.

I.C. Da es keine Materie sein kann, ist die einzige Essenz eines Menschen sein Bauplan, seine epigenetischen Prägungen, sein Mikrobiom, erworbene Strukturen wie Knochendichte, Krankheiten und vor allem neuronale Verbindungen, die die Grundlage für Persönlichkeit oder Charakter, Fähigkeiten, trainierte Bewegungsmuster, Wissen, Vorurteile.

Typischerweise werden Informationen also in Strukturen gespeichert. (2 Punkte)

Aktivierungsenergie und Enzyme

Material 2: Schema 1

II.A. Schema von Etikett 1 in Material 2!
II.B. Skizzieren und beschriften Sie Diagramm 2 mit der Kurve der exothermen und endothermen chemischen Reaktion!
II.C.

Skizzieren und beschriften Sie Diagramm 3, das zeigt, wie die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion mit zunehmender Konzentration des Substrats zunimmt!
II.D. Erklären Sie die Form der Kurve in Diagramm 3!
II.E. Definieren Sie die Begriffe Aktivierungsenergie und Enzym!
II.F. Definieren Sie die Begriffe: Enzym-Substrat-Komplex, Substratspezifität und Wirkungsspezifität!
II.G.

Beschreiben Sie die Funktion und zwei Mechanismen der Energiekopplung!

II.A. Diagramm 1(6 Punkte):

II.B. Diagramm 2(6 Punkte):

I.C. Grafik 3 (3 Punkte):

II.D. (3 Punkte):

Zunächst steigt die Reaktionsgeschwindigkeit wie bei allen chemischen Reaktionen proportional zur Konzentration der Substrate.
Dann flacht die Kurve immer mehr ab, da mit zunehmender Substratkonzentration immer mehr Enzyme bereits besetzt sind, da die Bindung der Substrate, die Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen, Zeit benötigt, bis die gebildeten Substrate zu Produkten reagieren und Produkte aus den aktiven Zentren der Enzyme entfernen können.
Diese Kurve wird als Sättigungseffekt oder Sättigung bezeichnet Kurve.

II.E.

Aktivierungsenergie wird im Allgemeinen als die Energiemenge bezeichnet, die erforderlich ist, um die Energie eines Partikels oder mehrerer Partikel auf ein höheres Niveau zu heben, bei dem das Partikel dann in der Lage ist, Aktivitäten auszuführen, die zuvor für es nicht möglich waren.
Bei chemischen Reaktionen bedeutet Aktivierungsenergie die Energiemenge, die den Ausgangsmaterialien (Produkten) zugeführt werden muss, damit eine gegebene Reaktion erfolgt chemische Reaktion überhaupt in erheblichem Umfang in Gang setzen und die Endprodukte (Produkte) entstehen lassen. Da Aktivierungsenergie zunächst zugeführt werden muss, kann sie alternativ als Barriere angesehen werden, die verhindert, dass eine chemische Reaktion spontan abläuft.Oder als Hindernis und das Aktivierungsenergieniveau als Höhe des zu überwindenden Hindernisses.

(3 Punkte)
Enzyme sind Biokatalysatoren (von Lebewesen produzierte Katalysatoren), die chemische Reaktionen beschleunigen und steuern, weil sie die Aktivierungsenergie reduzieren, die sonst zum Erreichen hochenergetischer Übergangszustände erforderlich ist, indem sie sich selbst oder ihre Cofaktoren kurzzeitig chemisch mit Substraten reagieren und so reagieren, dass von mehreren möglichen Zwischenprodukten nur eines gebildet wird, das dann weiter reagiert, um nur ein Produkt zu bilden, wobei das Enzym zu seinem ursprünglichen Zustand zurückkehrt Originalzustand.

(3 Punkte)

II.F. (5 Punkte):

Der Enzym-Substrat-Komplex wird als temporäre Assoziation des Enzyms mit seinem Substrat bezeichnet.
Substratspezifität ist eine Eigenschaft der meisten Enzyme, die dem Schloss-und-Schlüssel-Prinzip nur in ihren aktiven Zentren entspricht, die das Substrat (oder mehrere sehr ähnliche) binden und ihm die Reaktion ermöglichen.
Aktionsspezifität ist die Eigenschaft von Enzymen, die darin besteht, nur eine sehr spezifische chemische Reaktion unter mehreren für das Substrat möglichen zu beschleunigen.

II.G. Die Energiekopplung ermöglicht das Auftreten energetisch ungünstiger chemischer Reaktionen durch ihre Kombination mit energetisch günstigen.

Dies kann durch direkte Energieübertragung oder durch Übertragung hochenergetischer chemischer Bindungen erfolgen. (4 Punkte)

Substratspezifität

Material 3:
Im Zytoplasma unserer Zellen enthalten Ribosomen ribosomale RNA (28S-rRNA), die zu den sogenannten Ribozymen gehört. Dabei handelt es sich um RNAs, die wie viele Proteine als Enzyme wirken.

28S-rRNA katalysiert die Verbindung zweier Aminosäuren über eine Peptidbindung während eines Proteinherstellungsprozesses namens Translation. Aufgrund dieser Funktion wird sie auch Peptidyltransferase genannt.

III.A. Lesen Sie Handout 3 und versuchen Sie zu erklären, was diese neuen Informationen für Sie in Bezug auf die Substratspezifität von Enzymen bedeuten!

III.A. 2 Punkte - Diese Aktivität im Anforderungsbereich 3 war für Einführungsschüler zu schwierig.

Sie sind einfach noch nicht oder nicht ausreichend mit der Übersetzung vertraut und rechnen nicht damit, nach sechs Monaten Beschäftigung mit dem Thema Enzyme auf Genetik und Zellbiologie zurückzugreifen.

In Bezug auf die Substratspezifität bedeutet dies:

Da unsere Proteine aus 20 verschiedenen Aminosäuren bestehen, muss die Peptidyltransferase 20 verschiedene Aminosäuren als Substrate akzeptieren.
Dies bedeutet eine Verringerung der Substratspezifität.
Dies ist notwendig, da möglicherweise nicht jede mögliche Kombination von zwei Aminosäuren (20x20=400) über ein eigenes Enzym verfügt.
Um so unterschiedliche Aminosäuren als Substrate akzeptieren zu können, muss die 28S-rRNA die verschiedenen Aminosäuren genau dort binden, wo sie alle gleich sind. Unterstützt wird es durch tRNA, die die aktuell benötigten Aminosäuren bereitstellt.

Einfluss von Temperatur und pH-Wert auf die Enzymaktivität

Material 4:

IV.A.

Skizzendiagramm 4 zur Darstellung der Temperaturabhängigkeit menschlicher Enzyme!
IV.B. Erklären Sie im Detail die Form der Kurve von sehr niedrigen zu hohen und zurück zu sehr niedrigen Temperaturen!
IV.C. Zeichnen Sie mit Pfeilen, welche Teile der Kurve reversibel und welche irreversibel sind!
IV.D.

Entwickeln Sie eine Hypothese, um den Unterschied zwischen der Temperaturabhängigkeit, die für alle menschlichen Enzyme nahezu gleich ist, und der in Material 4 gezeigten pH-Abhängigkeit zu erklären!

IV.A. Grafik 4 (7 Punkte): Ich habe die Bezeichnungen reversibel, irreversibel und denaturiert als zusätzliche Punkte verwendet, aber die in Aufgabe IV.C erforderlichen Pfeile waren grundsätzlich ausreichend.

IV.B. Gemäß der RGT-Regel (Reaktionsrate-Temperatur-Regel) führt eine Temperaturerhöhung um 10°C dazu, dass sich die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen verdoppelt bis verdreifacht.

Durch die Erwärmung nimmt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen schneller zu. Deshalb geht die Kurve nach unten. Kurz vor Erreichen der optimalen Temperatur nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit immer langsamer zu, weil die Reaktanten immer schneller ankommen und die Produkte immer schneller abtransportiert werden, das Enzym jedoch durch die thermische Bewegung seiner Atome immer mehr von seiner Struktur verliert.

Oberhalb der optimalen Temperatur stabilisieren sich die Sekundärstrukturen für einige Zeit gegenseitig und behalten so teilweise die Funktion der Tertiärstruktur. Aber wenn die ersten Bindungen brechen, wird der Rest immer schneller gehen.Das Enzym denaturiert und verliert seine Funktion sowie seine Form. Reduziert man dann die Temperatur wieder, bleiben die allermeisten Enzyme inaktiv, da sie ihre funktionelle Form nicht mehr finden können.

(12 Punkte)

IV.C. (3 Punkte): Die Pfeile sind in Diagramm 4 zu sehen. Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich Substrate langsam und Enzyme werden steif. Dadurch wird die durch das Enzym katalysierte chemische Reaktion sehr langsam, die niedrigen Temperaturen schädigen jedoch weder die Substrate noch die Enzyme.

Daher ist die Inaktivierung auch bei sehr niedrigen Temperaturen reversibel.

IV.D. (2 Punkte):

Im menschlichen Körper ist die Körpertemperatur immer und überall sehr ähnlich, während sich die pH-Werte verschiedener Organe deutlich unterscheiden.
Da in der menschlichen Evolution nur Menschen, die optimal an ihre Arbeitsumgebung angepasst sind, über angepasste Enzyme verfügen, haben menschliche Enzyme sehr ähnliche optimale Temperaturen, aber sehr unterschiedliche pH-Optima.

Homöostase und Regulierung von Stoffwechselwegen

V.A.

Definieren Sie die Begriffe Homöostase, Stoffwechselweg und Schlüsselenzym!
V.B. Erklären Sie die Notwendigkeit, unsere Stoffwechselwege zu regulieren!
V.C. Erklären Sie die Unterschiede zwischen a) reversibel und irreversibel, b) isosterisch und allosterisch, c) Aktivierung und Hemmung!
V.D.

Nennen Sie zwei Ebenen, auf denen Stoffwechselwege kurz- oder langfristig abgeschaltet oder nur bei Bedarf aktiviert werden können!
V.E. Skizzieren Sie anhand einer Zeichnung die kompetitive und nichtkompetitive Enzymhemmung und listen Sie die Hauptunterschiede auf!
V.F. Skizzieren Sie in Diagramm 3 die reversiblen und irreversiblen Wettbewerbsaufnahmekurven!
V.G.

Erklären Sie den Zweck der Zellatmung!
V.H. Entwickeln Sie eine Hypothese, um die Möglichkeit einer irreversiblen, isosterischen und nicht-kompetitiven Aktivierung zu erklären!

V.A. (7 Punkte):

Die Stabilisierung von Faktoren der inneren Umgebung eines Lebewesens durch aktive Regulierung wird Homöostase genannt.
Stoffwechsel Ein Stoffwechselweg ist die Abfolge mehrerer enzymatisch katalysierter chemischer Reaktionen durch eine Reihe von Enzymen.
Das Schlüsselenzym ist ein Enzym, das in seiner Aktivität reguliert am Beginn des Stoffwechselweges steht, von wo aus der gesamte kontrollierte Stoffwechselweg beginnt.

V.B. Wenn unsere Stoffwechselwege nicht reguliert wären, dann würden Energie und Materialien durch die Produktion überschüssiger oder sogar schädlicher Zwischenprodukte verschwendet.

Auch soeben synthetisierte Produkte können sofort wieder abgebaut werden. Zudem konnten verbrauchte Materialien nicht geformt oder Substrate nicht genutzt werden. Außerdem wären dann alle Zellen gleich. (4 Punkte)
V.C. (6 Punkte):
Reversibel bedeutet reversibel, irreversibel bedeutet irreversibel.
Isosterisch bedeutet am selben Ort, allosterisch bedeutet an einem anderen Ort.
Aktivierung erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, Hemmung reduziert sie.
V.D. (2 Punkte):
Stoffwechselwege werden langfristig durch die Aktivierung oder Blockierung von Genen von Enzymen reguliert (zum Beispiel durch die Induktion eines Substrats oder die Hemmung des Endprodukts).
Kurzfristig wird die Enzymaktivität durch Effektoren reguliert.

V.E. Um das Wettkampfbremsen verständlicher zu machen, zeigt die folgende Skizze drei Situationen. In der Prüfung würde die Zeichnung rechts ausreichen, um die Wettbewerbshemmung nachzuweisen. Für den Rest der grafischen Darstellung des nicht wettbewerbsbedingten Bremsens würde die Abbildung in der unteren linken Ecke ausreichen.

(4 Punkte):
Nur bei kompetitiver Hemmung wird die Substratbindung durch den Inhibitor gestört.
Nichtkompetitive Inhibitoren behindern stattdessen die Katalyse einer chemischen Reaktion.
Typischerweise binden kompetitive Inhibitoren an das aktive Zentrum, während nicht-kompetitive Inhibitoren an das allosterische Zentrum binden.

Im Gegensatz zu nicht-kompetitiven Inhibitoren kann die Wirkung eines kompetitiven Inhibitors durch eine große Überversorgung mit Substraten nahezu aufgehoben werden.
V.F. (2 Punkte):

V.G. Die Zellatmung dient der Übertragung chemischer Energie, die während der Photosynthese in den chemischen Bindungen energiereicher Moleküle wie Glukose gespeichert ist, aufden universellen Energieträger ATP.

Damit es möglichst effizient funktioniert, werden energiereiche Moleküle in den Zellen Schritt für Schritt und schließlich mit Sauerstoff oxidiert, wodurch letztlich energiearme Moleküle aus Kohlendioxid und Wasser entstehen. (3 Punkte)
V.H. (4 Punkte):
Ein Metallion oder ein kleines Molekül könnte kovalent und daher irreversibel
am aktiven Zentrum und damit isosterisch binden, sodass die Bindung von Substraten nicht auf nicht-kompetitive Weise gestört wird,
gleichzeitig ändert sich die Form des Enzyms, wodurch es schneller arbeitet und somit aktiviert wird.