Enzymtechnik an der Fachhochschule Aachen | Karteikarten & Zusammenfassungen

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TESTE DEIN WISSEN

Nenne fünf Produkte der Industriellen Biotechnologie!

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  • Enzyme
  • Antibiotika
  • Wein, Käse, Brot
  • Biodiesel
  • Pharmaprodukte
  • Vitamine 
  • Basischemikalien
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Welche Arten von Selektivität gibt es? 


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Enzyme sind zudem sehr selektiv. Sie setzen häufg ein Substrat nur zu einem von mehreren möglichen Produkten um. Dabei unterscheidet man zwischen der Chemo-, Regio-, cis-/trans- bzw. E-/Z- und Stereoselektivität eines Enzyms. 


Ein chemoselektives Enzym reagiert nur mit einer von mehreren vorhandenen, unterschiedlichen funktionellen Gruppen eines Substrates. 

Bei einer regioselektiven Reaktion greif das Enzym nur eine von mehreren äquivalenten Positionen bzw. Gruppen eines Substrates an.

Bei einer cis- bzw. E-selektiven Reaktion wird bevorzugt die cis- bzw. E-Form des Substrates umgesetzt bzw. die des Produktes gebildet. 

Handelt es sich um ein stereoselektives Enzym, wird die Bildung eines Stereoisomeres gegenüber dem oder den anderen bevorzugt. Wird selektiv ein Diastereomer gebildet bzw. umgesetzt, handelt es sich um eine diastereoselektive Reaktion. Wird bevorzugt ein Enantiomer gebildet bzw. umgesetzt, spricht man von der Enantioselektivität eines Enzyms.  


Quelle: Einführung in die Enzymtechnik 

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Nenne Beispiele für Proteinfasern!

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Wolle

Seide

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Erläutere in einem Satz, wie die Papierherstellung funktioniert!

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in Wasser aufgelöste pflanzliche Faserstoffe
verbinden sich bei der Entwässerung auf einem Sieb zu
einem zusammenhängenden Faservlies, dem Papier (vdp)

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Was sind optimale Eigenschaften von Trägermaterialien?

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• mechanisch stabil
• chemisch stabil funktionelle Gruppen Träger
• keine Schwellung
(besonders bei Membranen)
• große Oberfläche
• porös (große Poren zur Verringerung der Diffusionslimitierung)
• gut abtrennbar (nicht zu klein)
• günstig!

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Was ist Hemicellulose?


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Hemicellulose ist ein Sammelbegriff für in pflanzlicher Biomasse vorkommende Gemische von Polysacchariden (Vielfachzuckern) in veränderlicher Zusammensetzung. Die am häufigsten vorkommenden Monomere (Monosaccharide = Einfachzucker) sind Pentosen, wie D-Xylose und L-Arabinose.

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Nenne drei weitere Verfahren des Downstream-Processings!

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Adsorption, Fällung, Kristallisation

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Was bedeutet Immobilisierung?

Nenne Vor- und Nachteile einer Immobilisierung!

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Bedeutung:

Der Begriff immobilisiert bezeichnet Biokatalysatoren, die durch chemische oder physikalische Methoden in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt worden sind.


Vorteile:

- Erhöhte Stabilität

- Vereinfachte Handhabung (Trockener Feststoff, gute Quantifizierbarkeit)

- Rückhaltung des Katalysators (z.B. in kontinuierlichen Systemen)

- Wiederverwertbarkeit (Reduktion der Katalysatorkosten)

-> Ökonomischer Vorteil: 

- Anstelle der homogenen Katalyse (Substanz und Biokatalysator homogen gelöst) wird nach Immobilisierung heterogene Katalyse möglich

-  Kontinuierliche und wiederholt durchführbare Prozesse möglich 

- Biokatalysator kann wiederverwendet oder über einen langen Zeitraum eingesetzt werden (Biokatalysatoren sind zumeist die Hauptkostentreiber)
- (spezifische) Raum-Zeit-Ausbeuten erhöht

- Erleichterte Produktabtrennung 


Nachteile:

- Immobilisierung kann Enzymaktivität erniedrigen
- Erhöhter präparativer Aufwand, zusätzliches Material

- höhere Kosten (gilt nicht für Immob. in Form von ganzen Zellen)
- Nachteil einiger Methoden: Diffusionsbarriere
- Cofaktorregenerierung z.T. erschwert
- Selektivitäten können beeinflusst werden (positiv oder negativ)

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Gebe einen Sequenz abhängigen Ansatz und einen funktionsbasierten Ansatz an!

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Sequenz abhängigen Ansatz

(1) Mehrfacher Sequenzabgleich von Genen, die für Mitglieder einer bestimmten Enzymklasse kodieren

(2) Entwurf von Konsens-Primern

(3) Isolierung von eDNA

(4) Amplifikation der Ziel-DNA unter Verwendung von Konsensus Primern und eDNA als Template

(5) Design von gen-spezifischen Primern basierend auf diesen Sequenzen

(6) Genom-Walking-PCR unter Verwendung der eDNA als Template zur Bestimmung unbekannter stromaufwärts und nachgeschalteten Sequenzen

(7) Wiederholung von Schritt 6, bis die gesamte Sequenz gewonnen wurde (!!)


funktionsbasierten Ansatz

(1) Direkte ‚shot-gun‘ Klonierung der eDNA
(2) Transformation und Expression in rek. Wirt
(fast immer E. coli !!)
(3) Screening mit passendem (!!) Assay (-> HTS)
(4) Sequenzierung der Hits/BLAST
(5) Klonierung in Expressionsvektor
(6) Charakterisierung des neuen Moleküls

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Nenne Beispiele für organische Lösemitteltypen!

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Hydrophil
- Methanol
- Isopropanol
- Acetonitril
- THF (Tetrahydrofuran)
- ...


Hydrophob
- Dialkylether
- Toluol
- Hexan
- Heptan
- Cyclohexan
- ...

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Nenne Vor- und Nachteile von organischen Lösemitteln!

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Vorteil:

• Erhöhte Löslichkeit der Reaktanten
• Verschiebung des Gleichgewichts
(z.B. Peptidsynthese)
• Leichte (Rück-)Gewinnung des Enzyms/Produkts
• Erleichtertes downstream processing bei flüchtigen Lösungsmitteln, Lösungsmittel leichter zu recyclen
• (Manchmal) positiver Einfluss auf die Optimierung der Spezifität, Selektivität, Stabilität, Umsätze (medium engineering)
• Kein bzw. unterdrücktes bakterielles Wachstum


Nachteil:

• oft reduzierte spezifischeAktivität
• Massentransferprobleme (heterogene Katalyse)
• Toxizität/Umweltschädlichkeit organischer Lösungsmittel
• Negativer Einfluss auf die Selektivität/Stabilität

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Wie sieht ein "Standardprotokoll" für Enzyme in Lösungsmittel aus?

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1. Lyophilisierung bei optimalem pH
-> Enzyme Memory
-> aber: ‚Lyophilization-induced-inactivation‘
2. Wasseraktivität
-> Funktionalität des Enzyms beachten
3. Testen des Enzyms unter Standardbedingungen

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Q:

Nenne fünf Produkte der Industriellen Biotechnologie!

A:
  • Enzyme
  • Antibiotika
  • Wein, Käse, Brot
  • Biodiesel
  • Pharmaprodukte
  • Vitamine 
  • Basischemikalien
Q:

Welche Arten von Selektivität gibt es? 


A:

Enzyme sind zudem sehr selektiv. Sie setzen häufg ein Substrat nur zu einem von mehreren möglichen Produkten um. Dabei unterscheidet man zwischen der Chemo-, Regio-, cis-/trans- bzw. E-/Z- und Stereoselektivität eines Enzyms. 


Ein chemoselektives Enzym reagiert nur mit einer von mehreren vorhandenen, unterschiedlichen funktionellen Gruppen eines Substrates. 

Bei einer regioselektiven Reaktion greif das Enzym nur eine von mehreren äquivalenten Positionen bzw. Gruppen eines Substrates an.

Bei einer cis- bzw. E-selektiven Reaktion wird bevorzugt die cis- bzw. E-Form des Substrates umgesetzt bzw. die des Produktes gebildet. 

Handelt es sich um ein stereoselektives Enzym, wird die Bildung eines Stereoisomeres gegenüber dem oder den anderen bevorzugt. Wird selektiv ein Diastereomer gebildet bzw. umgesetzt, handelt es sich um eine diastereoselektive Reaktion. Wird bevorzugt ein Enantiomer gebildet bzw. umgesetzt, spricht man von der Enantioselektivität eines Enzyms.  


Quelle: Einführung in die Enzymtechnik 

Q:

Nenne Beispiele für Proteinfasern!

A:

Wolle

Seide

Q:

Erläutere in einem Satz, wie die Papierherstellung funktioniert!

A:

in Wasser aufgelöste pflanzliche Faserstoffe
verbinden sich bei der Entwässerung auf einem Sieb zu
einem zusammenhängenden Faservlies, dem Papier (vdp)

Q:

Was sind optimale Eigenschaften von Trägermaterialien?

A:

• mechanisch stabil
• chemisch stabil funktionelle Gruppen Träger
• keine Schwellung
(besonders bei Membranen)
• große Oberfläche
• porös (große Poren zur Verringerung der Diffusionslimitierung)
• gut abtrennbar (nicht zu klein)
• günstig!

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Q:

Was ist Hemicellulose?


A:

Hemicellulose ist ein Sammelbegriff für in pflanzlicher Biomasse vorkommende Gemische von Polysacchariden (Vielfachzuckern) in veränderlicher Zusammensetzung. Die am häufigsten vorkommenden Monomere (Monosaccharide = Einfachzucker) sind Pentosen, wie D-Xylose und L-Arabinose.

Q:

Nenne drei weitere Verfahren des Downstream-Processings!

A:

Adsorption, Fällung, Kristallisation

Q:

Was bedeutet Immobilisierung?

Nenne Vor- und Nachteile einer Immobilisierung!

A:

Bedeutung:

Der Begriff immobilisiert bezeichnet Biokatalysatoren, die durch chemische oder physikalische Methoden in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt worden sind.


Vorteile:

- Erhöhte Stabilität

- Vereinfachte Handhabung (Trockener Feststoff, gute Quantifizierbarkeit)

- Rückhaltung des Katalysators (z.B. in kontinuierlichen Systemen)

- Wiederverwertbarkeit (Reduktion der Katalysatorkosten)

-> Ökonomischer Vorteil: 

- Anstelle der homogenen Katalyse (Substanz und Biokatalysator homogen gelöst) wird nach Immobilisierung heterogene Katalyse möglich

-  Kontinuierliche und wiederholt durchführbare Prozesse möglich 

- Biokatalysator kann wiederverwendet oder über einen langen Zeitraum eingesetzt werden (Biokatalysatoren sind zumeist die Hauptkostentreiber)
- (spezifische) Raum-Zeit-Ausbeuten erhöht

- Erleichterte Produktabtrennung 


Nachteile:

- Immobilisierung kann Enzymaktivität erniedrigen
- Erhöhter präparativer Aufwand, zusätzliches Material

- höhere Kosten (gilt nicht für Immob. in Form von ganzen Zellen)
- Nachteil einiger Methoden: Diffusionsbarriere
- Cofaktorregenerierung z.T. erschwert
- Selektivitäten können beeinflusst werden (positiv oder negativ)

Q:

Gebe einen Sequenz abhängigen Ansatz und einen funktionsbasierten Ansatz an!

A:

Sequenz abhängigen Ansatz

(1) Mehrfacher Sequenzabgleich von Genen, die für Mitglieder einer bestimmten Enzymklasse kodieren

(2) Entwurf von Konsens-Primern

(3) Isolierung von eDNA

(4) Amplifikation der Ziel-DNA unter Verwendung von Konsensus Primern und eDNA als Template

(5) Design von gen-spezifischen Primern basierend auf diesen Sequenzen

(6) Genom-Walking-PCR unter Verwendung der eDNA als Template zur Bestimmung unbekannter stromaufwärts und nachgeschalteten Sequenzen

(7) Wiederholung von Schritt 6, bis die gesamte Sequenz gewonnen wurde (!!)


funktionsbasierten Ansatz

(1) Direkte ‚shot-gun‘ Klonierung der eDNA
(2) Transformation und Expression in rek. Wirt
(fast immer E. coli !!)
(3) Screening mit passendem (!!) Assay (-> HTS)
(4) Sequenzierung der Hits/BLAST
(5) Klonierung in Expressionsvektor
(6) Charakterisierung des neuen Moleküls

Q:

Nenne Beispiele für organische Lösemitteltypen!

A:

Hydrophil
- Methanol
- Isopropanol
- Acetonitril
- THF (Tetrahydrofuran)
- ...


Hydrophob
- Dialkylether
- Toluol
- Hexan
- Heptan
- Cyclohexan
- ...

Q:

Nenne Vor- und Nachteile von organischen Lösemitteln!

A:

Vorteil:

• Erhöhte Löslichkeit der Reaktanten
• Verschiebung des Gleichgewichts
(z.B. Peptidsynthese)
• Leichte (Rück-)Gewinnung des Enzyms/Produkts
• Erleichtertes downstream processing bei flüchtigen Lösungsmitteln, Lösungsmittel leichter zu recyclen
• (Manchmal) positiver Einfluss auf die Optimierung der Spezifität, Selektivität, Stabilität, Umsätze (medium engineering)
• Kein bzw. unterdrücktes bakterielles Wachstum


Nachteil:

• oft reduzierte spezifischeAktivität
• Massentransferprobleme (heterogene Katalyse)
• Toxizität/Umweltschädlichkeit organischer Lösungsmittel
• Negativer Einfluss auf die Selektivität/Stabilität

Q:

Wie sieht ein "Standardprotokoll" für Enzyme in Lösungsmittel aus?

A:

1. Lyophilisierung bei optimalem pH
-> Enzyme Memory
-> aber: ‚Lyophilization-induced-inactivation‘
2. Wasseraktivität
-> Funktionalität des Enzyms beachten
3. Testen des Enzyms unter Standardbedingungen

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