Grundlagen des Stoffwechsels

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1 Vorlesung Allgemeine Mikrobiologie Grundlagen des Stoffwechsels Was ist Stoffwechsel? Stoffwechsel fi Chemische Umsetzungen, (Bio-)Chemie fi Umwandlung von Nahrung in Biomasse fi Umwandlung von Biomasse in anorganische Stoffe Zuweisung einer Rolle in der Natur für Organismen je nach ihrem Stoffwechseltyp: Produzenten, Konsumenten, Destruenten 1

2 Nahrungskette Nahrungskette Sind die Mikroorganismen destruktiv? fi Lineares Denken in der Biologie oft falsch... Stoffwechsel: Metabolismus Metabolismus fi Anabolismus, Assimilation, Biosynthese, Wachstum fi Anabolismus verbraucht Energie und Baustoffe fi Katabolismus, Dissimilation, Abbau, Mineralisation fi Katabolismus liefert Energie und (meist) auch anorg. Stoffe Mikroorganismen sind Weltmeister des Wachstums, bezogen auf Schnelligkeit, Effizienz, Art der verwertbaren Nahrung, Toleranz gegenüber 'extremen' Umweltbedingungen... Mikroorganismen sind auch Weltmeister des Abbaus (s.o.) 2

3 Baustoffe Baustoffe Als wichtigste Baustoffe werden Kohlendioxid (CO 2 ) oder organische Verbindungen <CH 2 O> genutzt Organismen sind entweder autotroph (nutzen CO 2 als Haupt-Kohlenstoffquelle) oder heterotroph (verwenden vorgefertigte organische Baustoffe) CO 2 ist und war meist reichlich verfügbar, Autotrophie erfordert jedoch aufwendige assimilatorische Stoffwechselwege (z.b. Calvin-Cyclus) Baustoffwechsel Baustoffwechsel CO 2 + H 2 O fi <CH 2 O> + O 2 oder <CH 2 O> fi <CH 2 O> <CH 2 O> als vereinfachende Formel für eine Biomasse-Einheit oder totes organisches Material Neben Wasser können (und wurden i.d. Erdgeschichte zunächst ausschließlich) andere reduzierte Verbindungen als Elektronendonatoren für die CO 2 -Fixierung dienen (z.b. H 2, H 2 S. Fe 2+...) 3

4 Holz-Möbel Ein hölzerner Vergleich o Energieinhalt von Möbeln Energieinhalt von Bäumen o Aber: Möbelbau braucht Energie, z.b. durch Verbrennung von Holz o Holz als Bau- und Brennstoff o Möbelbau (vgl. Biosynthese): divergent zu vielerlei Produkten führend o Holzverbrennung (Dissimilation) : konvergent zu wenigen Reaktionen und Produkten führend Kopplung von Anabolismus und Katabolismus Kopplung Bei organotrophen Organismen wird ein Teil des Futters wird zur Energiekonservierung "verbrannt" Lithotrophe Organismen setzen anorganische Stoffe zur Energiekonservierung um Je weniger Energie gewonnen wird, desto mehr wird pro Verdopplung einer Zelle katabolisch umgesetzt (50-99 % des Futters) Mikroorganismen sind auch Weltmeister in der Ausnutzung verschiedenster Energiequellen 4

5 Energiequellen Energie Als Energiequellen werden nur Licht und chemische Energie genutzt (phototrophe oder chemotrophe Lebensweise) Chemische Energie kann aus organischen oder anorganischen Verbindungen gewonnen werden (organotrophe oder lithotrophe Lebensweise) Wärme ist Voraussetzung und Produkt von Leben, wird aber nicht als Triebkraft verwertet Lebewesen sind Energiewandlungsmaschinen und erzeugen verschiedene Energieformen: elektrische, mechanische, magnetische, akustische, chemische, Licht und chemiosmotische Gradienten... Lebensweisen Lebensweisen 1: grüne Pflanze 2: Schwefel- Purpurbakterium 3: Schwefelfreies Purpurbakterium : Mensch, Pilz 5: Sulfatreduzierendes Bakterium 6: Darmbakterium 4 5 7: Desulfovibrio sulfodismutans 5

6 z.b. Glucose Heterotropher Aerobier Stoffwechsel eines heterotrophen Aerobiers (z.b. Mensch) Welchen Stoffwechsel haben Sie selbst gerade? fi Wachstumsrate = 0 fi Netto nur Katabolismus fi Erhaltungsstoffwechsel fi Vor allem umgesetzt: Glucose (im Gehirn ausschließlich!) 6

7 Glucose-Abbau Schritte des Abbaus von Glucose - Transport - z.b. Glykolyse (Fructose-1,6-Bisphosphat-Weg) o Aktivierung durch Phosphatgruppen o Spaltung in C 3 -Körper, teilw. Oxidation, 2 ATP (netto) - Pyruvat-Dehydrogenase o Oxidation von Pyruvat zu Acetat-Coenzym A + CO 2 - Tricarbonsäure-Cyclus o Vollst. Oxidation (2 ATP) und Drehscheibe für Assimilation - Atmungskette o Übertragung der Reduktionsequivalente auf Sauerstoff (kein ATP, aber Aufbau eines Protonengradienten) Glucose-Metabolite Glucose und in der Glykolyse daraus gebildete phosphorylierte Metabolite 7

8 C 3 -Verbindungen Phosphorylierte C 3 -Verbindungen aus der Glykolyse sowie Pyruvat und Lactat Glycolyse Umsetzung von Glucose zu Pyruvat über Fructose-1,6- Bisphosphat Anbringen von zwei P-'Griffen' Spaltung Glycolyse Oxidation und noch ein 'Griff', daraus dann ATP 2 ATP = 'Griffe' zurück gewonnen 8

9 Pyruvat-Oxidation Pyruvat-Oxidation Pyr + CoA fi Acetyl-CoA + CO [H] o CoA-Aktivierung vergleichbar der durch Phosphatgruppe o Reduktionsequivalente [H] als NADH 2 o Redox-Reaktionen of mit Energiegewinn TCC-Metabolite Metabolite des Tricarbonsäure- Cyclus 9

10 Pyruvat- Oxidation und Tricarbonsäure- Cyclus Pyr-DH + TCC o Bei der Bildung von Succinat entsteht GTP, das seinen Phosphatrest auf ADP übertragen kann o der TCC wirkt auch als zentrale Drehscheibe für Biosynthesen, wird dann durch anaplerotische Sequenzen kurzgeschlossen o Pro Durchlauf: 2 CO 2, 8 [H] und 1 ATP Bilanzen Bilanzen Glykolyse Glucose + 2 ADP + 2 P i 2 Pyr + 4 [H] + 2 ATP Pyruvat-Dehydrogenase 2 Pyr + 2CoA 2 Acetyl-CoA + 2 CO [H] Tricarbonsäure-Cyclus 2 Ac-CoA + 2 ADP + 2 P i 4 CO [H] + 2 CoA + 2 ATP Summe Glucose + 6 H 2 O + 4 ADP + 4 P i 6 CO [H] + 4 ATP Vollständige Oxidation ohne O 2 nur 4 ATP konserviert: Substratphosphorylierung 20 [H] als NADH 2, 4 als FADH 2 10

11 Reduktionsequivalente Reduktionsequivalente [H] = H + + e - (vgl. H 2, H +, e - ), stets an Überträger gebunden! Elektronentransport und chemiosmotische Energiekonservierung Aerobe Atmung 11

12 Chemiosmotische Energiekonservierung Vektorieller elektrogener Transport Reduktionsequivalente (2) Chemisosmotische Energiekonservierung durch zwei primäre Transportsysteme Reduktionsequivalente (2) Struktur eines einfachen Eisen-Schwefel-Zentrums, der Porphyrine und eines Chinons. Cytochrome und FeS-Zentren übertragen nur Elektronen, keinen Wasserstoff 12

13 Atmungskette Elektronentransport und vektorielle Protonen-Translokation Der erste Komplex (mit FMN und FeS als prosthetischen Gruppen) leitet Elektronen an die Chinone (UQ), die einen H + - translozierenden Cyclus durchlaufen und Elektronen an den Cytochrom bc 1 -Komplex leiten. Die weiteren Überträger sind Cytochrom c (Cyt c) und Cu-haltige Cytochrom-Oxidase (Cyt aa 3 ) Wieviele Protonen werden transloziert? o Die tatsächliche Anzahl translozierter Protonen ist fast nie bekannt. Sie hängt von der Organisation des Elektronentransportsystems ab und kann je nach den Bedingungen variieren. o Es gibt echte H + -Pumpen, nicht nur Freisetzung beim Wechsel von Elektronen- und [H]-Überträgern 13

14 Membranpotential Entstehung eines Membranpotentials durch einen transmembranen Gradienten von KCl und selektiven Kalium-Ausstrom, der durch Valinomycin ermöglicht wird Wieviel K + -Ionen treten aus? Membranpotential (2) Membrankapazität biologischer Membranen 1 µf/cm 2 =10-11 mol Ladungen pro Volt und cm 2 Membranfläche hier 6 µm 2 => K + -Ionen erzeugen ein Potential von V in der 'Zelle' vorhanden: 120 Mio. => nur 0.03 % treten aus 14

15 Protonentranslokation Nachweis der vektoriellen Protonentranslokation mit Hilfe einer ph- Elektrode. Ein kleiner Puls sauerstoffgesättigter Salzlösung führt zu einer kurzfristigen Ansäuerung durch die Atmungskette. Es folgt die Aufnahme der Protonen durch die ATPase mit einem typischen negativ exponentiellen Verlauf Teaching