Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 1 (1.4) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022

1.4.1 Beschreiben Sie die wesentlichen Aspekte der allosterischen Enzymregulation.

Lösung: - Allosterisch regulierte Enzyme besitzen neben dem aktiven Zentrum noch mindestens ein weiteres Zentrum, das so genannte allosterische Zentrum. - Die Regulation erfolgt über die Bindung eines Effektors an das allosterische Zentrum des Enzyms, was eine Änderung der Raumstruktur bewirkt. - Ist der Effektor ein Aktivator, bewirkt die Raumstrukturänderung eine Steigerung der Enzymaktivität, handelt es sich um einen Inhibitor führt die Bindung zu einem Absinken der Enzymaktivität.

1.4.2 Erklären Sie den Regulationsmechanismus, der dem Pasteur-Effekt zugrunde liegt (Material 2).

Lösung: Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird Pyruvat mithilfe des Co-Substrats $\text{NAD}^+$ durch die Pyruvat-Dehydrogenase abgebaut. Gerät die Hefe in einen Sauerstoffmangel, sinkt das $\text{NAD}^+$-Level und der Gehalt an $\text{NADH/H}^+$ steigt in der Zelle an. Dies ist dadurch zu erklären, dass die Elektronen der Atmungskette nicht länger auf Sauerstoff übertragen werden können und es zu einem „Elektronenstau“ in der Atmungskette kommt. Dadurch kann $\text{NADH/H}^+$ seine Elektronen nicht mehr an den Komplex I der Atmungskette abgeben und die Konzentration von $\text{NADH/H}^+$ steigt daher an. $\text{NADH/H}^+$ hemmt die Pyruvat-Dehydrogenase allosterisch, wodurch es zu einem Ansteigen der Pyruvatkonzentration in der Zelle kommt. Die höhere Pyruvatkonzentration führt zur vermehrten Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen mit der Pyruvat-Decarboxylase und damit zur Gärung. Sobald wieder Sauerstoff verfügbar ist, wird $\text{NADH/H}^+$ über die Atmungskette wieder vermehrt zu $\text{NAD}^+$ oxidiert, so dass das $\text{NADH/H}^+$-Level in der Zelle wieder sinkt. Dadurch wird die Hemmung der Pyruvat-Dehydrogenase aufgehoben und das Pyruvat wird wieder vermehrt durch die Pyruvat-Dehydrogenase umgesetzt. Durch die niedrige Pyruvatkonzentration in der Zelle kann Pyruvat nicht mehr von der Pyruvat-Decarboxylase umgesetzt werden und der Gärungsstoffwechsel läuft nicht mehr ab.

1.4.3 Erläutern Sie die in Material 3 dargestellte Grafik und begründen Sie den Kurvenverlauf.

Lösung: Erläuterung: In Material 3 ist die Aktivität der Pyruvat-Dehydrogenase bei Abwesenheit von $\text{NADH/H}^+$ gezeigt. Dargestellt ist die Konzentration an gebildetem Acetyl-CoA pro Zeit in Abhängigkeit von der Pyruvatkonzentration. Nach einer kurzen Anlaufphase steigt mit steigender Pyruvatkonzentration auch die Menge an gebildetem Acetyl-CoA. Ab einer bestimmten Pyruvatkonzentration ist ein Sättigungswert erreicht und es kann, auch bei einem weiteren Anstieg der Pyruvatkonzentration, nicht mehr Acetyl-CoA hergestellt werden. Begründung: Das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase ist bei Abwesenheit von $\text{NADH/H}^+$ aktiv bzw. nicht gehemmt, d.h. Pyruvat kann im aeroben Stoffwechsel weiter zu Acetyl-CoA umgesetzt werden. Dabei steigt die Umsetzung mit zunehmender Substratkonzentration sigmoidal an. Ab einer gewissen Substratkonzentration sind alle Enzyme voll ausgelastet und die Aktivität der Pyruvat-Dehydrogenase und damit die Konzentration an Produkt kann nicht weiter ansteigen. Daher bleibt die gebildete Acetyl-CoA-Menge pro Zeit ab dieser Pyruvatkonzentration konstant.

1.4.4 Begründen Sie den Kurvenverlauf (für den Fall einer hohen NADH/H+-Konzentration).

Lösung: $\text{NADH/H}^+$ hemmt die Pyruvat-Dehydrogenase und damit die Bildung von Acetyl-CoA. Es wird daher nur wenig oder kein Acetyl-CoA gebildet, unabhängig von der Pyruvatkonzentration.

1.4.4 Skizzieren Sie eine Grafik analog zu Abbildung 2.1 für den Fall einer hohen NADH/H+-Konzentration.

Lösung: Kurve verläuft nahezu flach auf der x-Achse bzw. auf einem sehr niedrigen Niveau knapp über der x-Achse, unabhängig von der Pyruvatkonzentration.