Stoffwechselphysiologie

Erklärung: Enzyme sind Proteine (selten RNA), die biochemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Sie gehen unverändert aus der Reaktion hervor und wirken substrat- und wirkungsspezifisch.

Erklärung: Das Schlüssel-Schloss-Prinzip (Emil Fischer, 1894) erklärt die Substratspezifität: Das Substrat (Schlüssel) passt genau in das aktive Zentrum des Enzyms (Schloss). Das modernere Induced-Fit-Modell berücksichtigt, dass sich das aktive Zentrum bei Substratbindung anpasst.

Erklärung: Falsch. Enzyme sind Katalysatoren und gehen unverändert aus der Reaktion hervor. Ein einzelnes Enzymmolekül kann Tausende von Reaktionen katalysieren. Deshalb wirken bereits geringe Enzymmengen sehr effektiv.

Erklärung: Bei kompetitiver Hemmung ähnelt der Inhibitor dem Substrat strukturell und besetzt das aktive Zentrum. Die Hemmung kann durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) bleibt erreichbar, Km steigt.

Erklärung: Die Zellatmung verläuft in vier Hauptschritten: Glykolyse (Glucose → 2 Pyruvat), oxidative Decarboxylierung (Pyruvat → Acetyl-CoA), Citratzyklus (Acetyl-CoA → CO₂ + Reduktionsäquivalente), Atmungskette + oxidative Phosphorylierung (NADH/FADH₂ → ATP).

Erklärung: Die Glykolyse (griech. 'Zuckerspaltung') findet im Cytoplasma statt und spaltet Glucose (C₆) in zwei Pyruvat-Moleküle (C₃). Nettobilanz: 2 ATP und 2 NADH+H⁺ pro Glucose. Glykolyse ist der älteste Stoffwechselweg und läuft anaerob ab.

Erklärung: Die theoretische Maximalausbeute beträgt ca. 38 ATP pro Glucose: 2 ATP (Glykolyse) + 2 ATP (Citratzyklus) + 34 ATP (Atmungskette aus 10 NADH und 2 FADH₂). In der Praxis sind es oft ca. 30–32 ATP wegen Transportverlusten.

Erklärung: Der Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus) läuft in der Mitochondrienmatrix ab. Pro Durchlauf werden aus einem Acetyl-CoA: 2 CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ und 1 GTP (≈ ATP) gebildet. Pro Glucose durchläuft der Zyklus zweimal.

Erklärung: Richtig. NADH+H⁺ und FADH₂ nehmen bei Redoxreaktionen in Glykolyse und Citratzyklus Wasserstoff (Elektronen + Protonen) auf und geben die Elektronen an die Atmungskette ab. Die freiwerdende Energie wird zum Aufbau eines Protonengradienten genutzt.

Erklärung: Enzymaktivität wird durch physikalische Faktoren (Temperatur: RGT-Regel, Denaturierung), chemische Faktoren (pH-Wert, Substratkonzentration) und regulatorische Mechanismen (kompetitive/allosterische Hemmung, Endprodukthemmung) beeinflusst.

Erklärung: Die Atmungskette pumpt Protonen (H⁺) aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Der entstehende elektrochemische Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die wie eine molekulare Turbine ATP aus ADP + Pᵢ synthetisiert (chemiosmotische Kopplung).

Erklärung: Alkoholische Gärung (z. B. bei Hefepilzen) ist eine anaerobe Alternative zur Zellatmung: Pyruvat → Acetaldehyd + CO₂ → Ethanol. NADH wird dabei reoxidiert. Die Energieausbeute ist gering (nur 2 ATP aus der Glykolyse).

Erklärung: Richtig. Bei intensiver Muskelarbeit und Sauerstoffmangel wird Pyruvat durch Lactatdehydrogenase zu Lactat (Milchsäure) reduziert. Dabei wird NADH zu NAD⁺ reoxidiert, sodass die Glykolyse weiterlaufen kann. Die Energieausbeute ist gering (2 ATP pro Glucose).

Erklärung: Die meisten menschlichen Enzyme haben ihr Temperaturoptimum bei ca. 37 °C (Körpertemperatur). Bei höheren Temperaturen denaturieren die Proteine, bei niedrigeren sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der RGT-Regel.

Erklärung: Die Michaelis-Menten-Konstante (Km) ist ein Maß für die Affinität eines Enzyms zu seinem Substrat: Je kleiner Km, desto höher die Affinität. Bei [S] = Km erreicht das Enzym Vmax/2. Die Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Beziehung zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit.

Erklärung: Allosterische Regulation erfolgt durch Bindung eines Effektormoleküls an das allosterische Zentrum (griech. 'anderer Ort'). Dies verändert die Konformation des aktiven Zentrums. Aktivatoren steigern, Inhibitoren senken die Enzymaktivität.

Erklärung: Fette haben mit ca. 39 kJ/g den höchsten Energiegehalt, da sie stärker reduziert sind als Kohlenhydrate oder Proteine (je ca. 17 kJ/g). Deshalb sind Fette die effizientesten Energiespeicher des Körpers.

Erklärung: Pyruvat (Brenztraubensäure, CH₃-CO-COO⁻) ist ein C₃-Körper. Es entsteht durch Spaltung der C₆-Glucose in der Glykolyse. Zwei Pyruvat-Moleküle pro Glucose werden anschließend in den Mitochondrien weiter abgebaut.

Erklärung: Richtig. Die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (Q₁₀-Regel) besagt, dass enzymatische Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C etwa doppelt so schnell ablaufen. Dies gilt nur bis zum Temperaturoptimum; darüber denaturiert das Enzym.