Biochemie und Stoffwechsel (BIO-Bio)

Eine unbekannte Lebensmittelprobe zeigt: mit Lugolscher Lösung eine blau-schwarze Färbung, mit Biuret-Reagenz keine Farbänderung, und die Fehling-Probe bleibt zunächst blau - erst nach saurer Hydrolyse und erneutem Erhitzen wird sie ziegelrot. Um welchen Stoff handelt es sich, und wie erklärst du die Befunde?

1. 01Schritt 1 - Lugol-Probe

   Die blau-schwarze Färbung ist der spezifische Nachweis für Stärke (Iod lagert sich in die Helix der Amylose ein).

2. 02Schritt 2 - Biuret negativ

   Keine Violettfärbung bedeutet: keine Peptidbindungen, also kein Protein.

3. 03Schritt 3 - Fehling zunächst negativ

   Stärke besitzt kaum freie, reduzierende Aldehydgruppen und reduziert das $\ce{Cu^2+}$ daher nicht.

4. 04Schritt 4 - Fehling nach Hydrolyse positiv

   Die saure Hydrolyse spaltet die Stärke in Glucose; deren freie Aldehydgruppen reduzieren nun $\ce{Cu^2+}$ zu rotem $\ce{Cu2O}$.

Ergebnis: Die Probe ist Stärke - ein Polysaccharid aus Glucose. Lugol weist das Polymer direkt nach; die Fehling-Probe schlägt erst an, wenn die Hydrolyse die reduzierenden Glucose-Bausteine freilegt - ein schönes Beispiel dafür, wie die Struktur die Nachweisreaktion bestimmt.

Ein Enzym hat $V_{max} = 100\ \mu mol/min$ und $K_M = 2\ mmol/L$. Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Substratkonzentration von 6 mmol/L.

1. 01Michaelis-Menten-Gleichung

   $v = \dfrac{V_{max}\cdot [S]}{K_M + [S]}$.

2. 02Werte einsetzen

   $v = \dfrac{100\cdot 6}{2 + 6} = \dfrac{600}{8}$.

3. 03Ausrechnen

   $v = 75\ \mu mol/min$.

4. 04Interpretation

   Bei $[S] = 3\cdot K_M$ erreicht das Enzym bereits 75 % von $V_{max}$ - die Sättigungskurve flacht ab.

Ergebnis: Die Reaktionsgeschwindigkeit beträgt 75 mu mol/min (75 % von Vmax); bei [S] = KM wäre genau die halbe Maximalgeschwindigkeit erreicht.

Berechne, wie viele Mol $\ce{O2}$ und wie viele Mol Elektronen aus 12 mol $\ce{H2O}$ in der Lichtreaktion entstehen.

1. 01Schritt 1 - Stöchiometrie ansetzen

   Die Photolyse durch das Photosystem II spaltet Wasser: $\ce{2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-}$. Pro Mol $\ce{O2}$ werden also 2 mol $\ce{H2O}$ verbraucht und 4 mol Elektronen freigesetzt.

2. 02Schritt 2 - Sauerstoffmenge bestimmen

   Aus 12 mol $\ce{H2O}$ folgt mit dem Verhältnis 2:1 die Sauerstoffmenge: $12 / 2 = 6$ mol $\ce{O2}$.

3. 03Schritt 3 - Elektronen- und Protonenbilanz

   Pro Mol $\ce{O2}$ entstehen 4 mol Elektronen und 4 mol Protonen. Bei 6 mol $\ce{O2}$ ergeben sich $6 \cdot 4 = 24$ mol Elektronen und ebenso 24 mol $\ce{H+}$, die den Elektronentransport und den Protonengradienten der Thylakoidmembran speisen.

4. 04Schritt 4 - Ergebnis interpretieren

   Die 24 mol Elektronen reduzieren $\ce{NADP+}$ zu NADPH, der Protonengradient treibt die ATP-Synthase an. Der Sauerstoff ist nur Nebenprodukt der Wasserspaltung, nicht das Ziel der Lichtreaktion.

Ergebnis: 6 mol $\ce{O2}$ sowie 24 mol Elektronen und 24 mol $\ce{H+}$ - genau die Sauerstoffmenge, die in der Bruttogleichung als Nebenprodukt erscheint.

Bilanziere die ATP-Ausbeute des vollständigen aeroben Glucoseabbaus. Rechne mit 2,5 ATP je NADH und 1,5 ATP je FADH2.

1. 01Substratkettenphosphorylierung

   Glykolyse netto 2 ATP + Citratzyklus 2 GTP/ATP = 4 ATP direkt.

2. 02NADH zählen

   Glykolyse 2 + Pyruvat-Oxidation 2 + Citratzyklus 6 = 10 NADH.

3. 03FADH2 zählen

   Citratzyklus liefert 2 FADH2.

4. 04Atmungskette

   $10\cdot 2{,}5 + 2\cdot 1{,}5 = 25 + 3 = 28$ ATP.

5. 05Gesamtbilanz

   $4 + 28 = 32$ ATP (abzüglich Transportkosten für cytosolisches NADH praktisch ca. 30-32 ATP).

Ergebnis: Der vollständige aerobe Abbau eines Glucosemoleküls liefert rund 30-32 ATP - etwa 15-mal mehr als die anaerobe Gärung (2 ATP).

Ein erwachsener Mensch setzt pro Tag etwa 40 kg ATP um, trägt aber zu jedem Zeitpunkt nur rund 50 g ATP im Körper. Wie oft muss jedes ATP-Molekül im Schnitt pro Tag regeneriert werden?

1. 01Schritt 1 - Idee

   Der riesige Tagesumsatz wird vom kleinen, ständig vorhandenen Vorrat geleistet, der immer wieder aufgeladen wird.

2. 02Schritt 2 - Einheiten

   $40\,\mathrm{kg} = 40000\,\mathrm{g}$ Umsatz; Vorrat $\approx 50\,\mathrm{g}$.

3. 03Schritt 3 - Recyclingfaktor

   $\dfrac{40000\,\mathrm{g}}{50\,\mathrm{g}} = 800$.

4. 04Schritt 4 - Deutung

   Jedes ATP durchläuft den Kreislauf ATP → ADP → ATP also rund 800-mal pro Tag (Abb. 6).

Ergebnis: Jedes ATP-Molekül wird im Mittel etwa 800-mal täglich regeneriert - ATP ist Bargeld, kein Sparbuch: ein kleiner Vorrat mit gewaltigem Durchsatz.

Eine Mahlzeit enthält 60 g Kohlenhydrate, 20 g Fett und 30 g Protein. Berechne den physiologischen Brennwert in kJ (Kohlenhydrate und Proteine je 17 kJ/g, Fett 38 kJ/g) und rechne in kcal um.

1. 01Schritt 1 - Kohlenhydrate

   $60\,\mathrm{g} \times 17\,\mathrm{kJ/g} = 1020\,\mathrm{kJ}$.

2. 02Schritt 2 - Fett

   $20\,\mathrm{g} \times 38\,\mathrm{kJ/g} = 760\,\mathrm{kJ}$.

3. 03Schritt 3 - Protein

   $30\,\mathrm{g} \times 17\,\mathrm{kJ/g} = 510\,\mathrm{kJ}$.

4. 04Schritt 4 - Summe und Umrechnung

   $1020 + 760 + 510 = 2290\,\mathrm{kJ}$; mit $1\,\mathrm{kcal} = 4{,}18\,\mathrm{kJ}$ folgt $2290 / 4{,}18 \approx 548\,\mathrm{kcal}$.

Ergebnis: Die Mahlzeit liefert rund 2290 kJ (≈ 548 kcal). Obwohl Fett nur ein Fünftel der Masse ausmacht, steuert es ein Drittel der Energie bei - weil Fett mehr als doppelt so energiedicht ist wie Kohlenhydrate und Proteine.