I. Zellatmung. =Abbau von Kohlenhydraten unter Sauerstoffverbrauch (aerob) KH + O 2 --> CO 2 + H 2 O + Energie

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1 KATABOLISMUS Abbau komplexer organischer Moleküle (reich an Energie) zu einfacheren (mit weniger Energie). Ein Teil der Energie wird genutzt um Arbeit zu verrichten (Zelle erhalten, Wachstum)

2 I. Zellatmung =Abbau von Kohlenhydraten unter Sauerstoffverbrauch (aerob) KH + O 2 --> CO 2 + H 2 O + Energie z.b. Glucose: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + Energie Umkehrung der Photosynthese ATP wird produziert durch e - -Fluss vom Zucker zum Sauerstoff Verbrennung von Zucker, zerlegt in viele Einzelreaktionen bei niedrigerer Temperatur

3 Teilschritte der Zellatmung Abbau makromolekularer Stoffe in ihre Bausteine Glycolyse Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA Citratcyklus Atmungskette

4 Glycolyse Ort: Zellplasma 10 Einzelschritte, 2 Phasen: Energieinvestitionsphase Energiegewinnungsphase Bilanz: Glucose + 2ADP + 2NAD + 2Pyruvat + 2ATP + 2NADH 2 Glucose (C6) 2 ATP 2 ADP 4 ADP 2 NAD + 4 ATP 2 NADH2 2 Pyruvat (2 C3) läuft in fast allen Lebewesen ab

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6 Pyruvat Acetyl-CoA Ort: Transport vom Zellplasma ins Mitochondrium Pyruvat + NAD + + CoA CO 2 + Acetyl-CoA + NADH 2 NAD + CoA CoA C3 Zellplasma NADH2 CO2 Mitochondrium C2

7 Pyruvat + Acetyl-CoA: Schlüsselmoleküle im Stoffwechsel AMINOSÄURE -STOFFWECHSEL FETTSÄURE -ABBAU GLYCOLYSE Pyruvat Acetyl-CoA GÄRUNG CITRATCYKLUS

8 Ort: Mitochondrium CITRATZYKLUS FADH2 FAD + Acetyl-CoA + H2O NADH2 CoA H2O NAD+ CO2 H2O NAD + NADH2 GTP CO2 ATP GDP + Pi NADH2 NAD + ADP 3 H2O + Acetyl-CoA + ADP + Pi + 3 NAD + + FAD + 2 CO2 + CoA + ATP + 3 NADH2 + FADH2

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10 Atmungskette und oxidative Phosphorilierung NADH/FADH geben H+ an Sauerstoff ab, bilden Wasser Elektronen wandern nicht direkt sondern über Transportkette H + Ionen werden transportiert, Konzentrationsunterschied zur Produktion von ATP genutzt (ATP-Synthase)

11 II. Gärung -1.)Allgemeines Abbau von Zuckern und anderen Verbindungen ohne Sauerstoff (ANAEROB) Unterschiedliche Varianten:! a) alkoholische Gärung!!!!!!!! b) Milchsäuregärung!!!!!!!! c) Propionsäuregärung!!! abhängig!! vom!!! d) Buttersäure/Butanol/Aceton G. Organismus und den!! Umweltbedingungen!!!!!! e) Methangärung!!!!!!!! f)... Ort: anaerobe marine Bereiche, Humus, Pansen, Faulschlammbehälter, See/Teich-Sedimente,... (auch in Biotechnologie oft bewusst eingesetzt)

12 2.) alkoholische Gärung Was: Glucose, Saccharose (Glu-Fru), Maltose (Glu-Glu), Stärke Organismen:! - Hefe (Saccharomyces cerevisiae)!!!! - Bakterien (z.b. Zymomonas mobilis:!!!! Algavenschnaps = Tequila): selten Ablauf: 2 Teilschritte -!a) Glycolyse!!!!!! b) Abbau von Pyruvat und NADH a) b) Glu 2 Pyruvat 2 Acetaldehyd 2 Ethanol 2 CO2

13 3.) Milchsäuregärung Was: Hexosen, Pentosen Organismen: Bakterien (Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc, Bifidusbacterium), sind aerotolerant Ablauf: 2 unterschiedliche Wege:! a) homofermentativ: Gycolyse + Pyruvatabbau Glu 2 Pyruvat 2 Milchsäure z.b.: Streptococcus,!! einige Lactobacillus spezies! b) heterofermentativ: keine Glycolyse, Enzym fehlt, anderer! Abbauweg

14 3.) Milchsäuregärung - cont. heterofermentativ: Glu Milchsäure + Ethanol + CO2 1 ATP 3NADH 3NADH 2 ATP Investitionsphase Energiegewinnungs -phase Nettogewinn: 1ATP/Glu z.b.: Bifidobacterium, Leuconostoc, einige Lactobacillus spezies

15 3.) Milchsäuregärung - cont.2 Anwendung in der Biotechnologie: a) Konservierung von Milchprodukten:! - Joghurt, Kefir! - Sauerrahm! - manche Käsesorten: durch Säurebildung sinkt ph-wert, Milch-! emulsion wird zerstört, es bildet sich ein Feststoff (Käse = Eiweiß,! Fett) und eine Flüssigkeit (Molke = Wasser, gelöste Zucker) b) Konservierung von Nicht-Milchprodukten:! - Sauerkraut! - Sauerteig! - Rohwurst

16 4. Propionsäuregärung Was? - Hexosen, Milchsäure Wer? - Propionibacterium species (z.b. Propionibacterium acnes = Pickelerreger) Wie? Glucose oxidativer Weg NADH gebildet Acetat + CO2 + ATP Pyruvat reduktiver Weg NADH abgebaut Propionsäure CH3-CH2-COOH

17 4. Propionsäuregärung - cont. oxidativer Weg NADH gebildet Pyruvat Lactat reduktiver Weg NADH abgebaut Acetat + CO2 + ATP Propionsäure CH3-CH2-COOH Bedeutung: Hartkäseherstellung (z.b. Emmentaler: Kombintion aus Lactobacillus (Glucose zu Lactat) und Proionibacterium (Glucose + Lactat zu Acetat + CO 2 (Löcher) + Propionsäure (Geschmack))

18 Buttersäure-Butanol- Aceton-Gärung Wer: Clostridium (wichtige Pathogene: Wundbrand, Wundstarrkrampf, Clostridium botulinum: Verderb von Konservendosen, bildet eines der stärksten bekannten Gifte) Wie:!a) Glycolyse! (Glucose --> 2 Pyruvat--> 2 Acetyl-CoA)! b) Gärung:2 Pyruvat!! Acetoacetyl-CoA Aceton + CO 2 ADP ATP!!!!!!!!!!! Butanol Buttersäure Das Produkt ist abhängig vom ph-wert zuerst wird Säure gebildet, bei tieferem ph-wert dann die neutralen Produkte

19 Methangärung Wer: Methanogene Archaebakterien Was:! a) Essigsäure bzw Acetat (acetoklastische Methanbildner)!! b) CO 2 + H 2 (hydrogenotrophe Methanbildner) läuft nur unter sauerstofffreien Bedingungen ab: obligat anaerob, z.b. Pansen, Faulturm beschleunigt durch höhere Temperaturen bis ca. 80 C