Bio-Logisch! ÖFFENTLICHE RINGVORLESUNG SOMMERSEMESTER 2019

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1 ÖFFENTLICHE RINGVORLESUNG SOMMERSEMESTER 2019 Zentrum für Human- und Molekularbiologie der Universität des Saarlandes in Kooperation mit der Landeshauptstadt Saarbrücken Bio-Logisch Filmhaus Mainzer Straße 8, Saarbrücken Mittwochs, 18:30 Uhr

2 Bio-Log Müllabfuhr in der Zelle Prof. Dr. Karin Römisch Mikrobiologie, Saarbrücken ADAM-Proteasen und neuronale Erkrankungen ein neuer Weg in der Alzheimer-Therapie? Jun.-Prof. Dr. Daniela Yildiz Molekulare Pharmakologie, Homburg Neue Einsatzmöglichkeiten für Hefen von der Impfstoff-Forschung bis zur Tumor-Therapie PD Dr. Frank Breinig Molekular- und Zellbiologie, Saarbrücken Der gläserne Mensch Das menschliche Genom im Zeitalter der personalisierten Medizin Dr. Nicole Ludwig Humangenetik, Homburg Epigenetik das Spiel der Gene Prof. Dr. Jörn Walter Genetik/Epigenetik, Saarbrücken

3 sch Zellfortsätze zur Fortbewegung und Sinneswahrnehmung kleinste Strukturen mit riesigen Aufgaben Jun.-Prof. Dr. David Mick Molekularbiologie, Homburg Tumorimmunologie-Funktionen des Immunsystems bei Krebsentstehung und Therapie Dr. Barbara Walch-Rückheim, Virologie & Immunologie, Homburg Krebsabwehr durch natürliche Killerzellen Prof. Dr. Markus Hoth, Biophysik, CIPMM, Homburg Strukturbiologie Leben im atomaren Detail Prof. Dr. Roy Lancaster, Strukturbiologie, Homburg Der Chloroplast grüne Energie und grüne Gentechnik Prof. Dr. Katrin Philippar, Pflanzenbiologie, Saarbrücken Das Gedächtnis Zwischen Erinnern und Vergessen Prof. Dr. Uli Müller Zoologie/Physiologie-Neurobiologie, Saarbrücken

4 Ernährung & Metabolismus von Mikroorganismen

5 Mikrobielles Periodensystem

6 Mikrobielle Ernährung: Makronährstoffe in Kulturmedien Makronährstoffe: benötigt in grossen Mengen Mikronährstoffe: geringe Mengen, oft nur Spuren

7 Mikrobielle Ernährung C: aus organischen Verbindungen oder CO2 50% Trockengewicht der Zelle = C N: aus organischen oder anorganischen Verbindungen 12% Trockengewicht der Bakterienzelle = N P: aus organischen & anorganischen Phosphaten für Nukleinsäuren & Phospholipide S: hauptsächlich aus Sulfat & Sulfid für met, cys, Vitamine K: Cofaktor für Enzyme Mg: Stabilisierung von Ribosomen, Membranen, DNA/RNA Ca: Stabilisierung von Zellwänden, Endosporenbildung

8 Mikrobielle Ernährung Fe: wichtig in Cytochromen & FeS-Proteinen (Elektronen- transport in der Atmung) Aufnahme in die Zelle durch Siderophore wichtiger Pathogenitätsfaktor, in vielen Geweben Fe-Mangel Mikronährstoffe = Spurenelemente: Metalle, häufig Cofaktoren für Enzyme Zugabe zu Labormedien häufig unnötig, weil ausreichend in komplexen Medien vorhanden Wachstumsfaktoren: Vitamine, z. T. auch aa, Purine, Pyrimidine Bedarf variiert mit Organismus

9 Mikrobielle Ernährung Klassen von Medien, aseptische Technik: im Praktikum

10 Metabolismus: Katalyse & Enzyme alle Organismen konservieren Energie - wie? Energie = Fähigkeit zu arbeiten, in [kj] freie Energie G steht für Arbeit zur Verfügung ΔG 0 = Veränderung der freien Energie während einer Reaktion = Veränderung 0 = freie Energie wurde gemessen bei ph 7, 25 C, 1 Atmosphäre Druck, alle Ausgangssubstanzen 1M (Standardbedingungen) A + B C + D wenn ΔG 0 = negativ, d.h. Reaktion läuft unter Freisetzung von freier Energie ab = exergon kann als ATP gespeichert werden

11 Metabolismus: Katalyse & Enzyme A + B C + D wenn ΔG 0 = negativ: Reaktion läuft unter Freisetzung von freier Energie ab = exergon kann als ATP gespeichert werden = positiv: Reaktion läuft unter Verbrauch von Energie ab = endergon Berechnung von ΔG 0 aus freier Energie der Ausgangssubstanzen und Produkte G 0 f = freie Energie der Bildung einer Verbindung Wert der G 0 f von Elementen in elementarer Form = 0 für die meisten Verbindungen ist G 0 f negativ

12 TABLE 5 Free energy of formation for a few compounds of biological interest Compound Free energy of formation a Water (H 2 O) Carbon dioxide (CO 2 ) Hydrogen gas (H 2 ) 0 Oxygen gas (O 2 ) 0 Ammonium (NH + 4 ) Nitrous oxide (N 2 O) Acetate (C 2 H 3 O - 2 ) Glucose (C 6 H 12 O 6 ) Methane (CH 4 ) Methanol (CH 3 OH) a The free-energy values (G f 0 ) are in kj/mol. By convention the G f 0 for the elements (C, H 2, O 2, N 2 ) is zero

13 Rechenbeispiele Calculation of the change in standard free Energy ΔG 0 from G f 0 (1) A + B C 6 H 12 O O 2 C + D 6 CO H 2 O ΔG 0 = ΔG 0 f [C + D] - ΔG0 f [A + B] [6x x ] - [ ] ΔG 0 = kj (ph 7.0; 25 C; 1M) (2) C 6 H 12 O 6 [A] 2 C 3 H 6 O 3 [B] ΔG 0 = ΔG 0 f [B] - ΔG0 f [A] [2x 517.8] - [ ] ΔG 0 = kj (ph 7.0; 25 C; 1M)

14 Funktion von Enzymen beschleunigen der Reaktion durch Reduktion der Aktivierungsenergie = Katalyse Katalysator bleibt unverändert Energetik & Gleichgewicht bleiben unverändert

15 Funktion von Enzymen

16 Funktion von Enzymen beschleunigen der Reaktion durch Reduktion der Aktivierungsenergie = Katalyse Katalysator bleibt unverändert Energetik & Gleichgewicht bleiben unverändert biologische Katalysatoren = Enzyme (Proteine, RNAs) hohe Spezifizität, abhängig von Enzymstruktur Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen (Wasserstoffbrücken, van der Waals, hydrophobe Wechselwirkungen) über aktives Zentrum

17 Enzyme beschleunigen Reaktionen bis fach wichtig: substratspezifische Bindung Interaktion des Substrats mit katalytisch aktiven Aminosäuren im aktiven Zentrum führt zur Schwächung spezifischer Bindungen im Substrat reduziert Aktivierungsenergie für Produktbildung

18 Bsp: Fructosebisphosphataldolase

19 Enzyme beschleunigen Reaktionen bis fach wichtig: substratspezifische Bindung Interaktion des Substrats mit katalytisch aktiven aa im aktiven Zentrum führt zur Schwächung spezifischer Bindungen im Substrat reduziert Aktivierungsenergie für Produktbildung Enzyme können sowohl exergone als auch endergone Reaktionen beschleunigen, letztere unter Zuführung von Energie (ATP)

20 Redox-Reaktionen & energiereiche Verbindungen Oxidation = Entfernen von Elektronen vom e - -Donor Reduktion = Hinzufügen von Elektronen zum e - -Akzeptor A red A ox + n electrons B ox + n electrons B red H 2 " 2 H + + 2e- 1/2 O e- " O 2-2H + + O 2- " H 2 O H 2 + 1/2 O 2 " H 2 O

21 Redox-Potential Substanzen unterscheiden sich in ihrer Neigung, oxidiert oder reduziert zu werden = Redoxpotential, gemessen in Volt, in Bezug auf H 2, bei ph 7 E 0 je nach Reaktionspartner können viele Moleküle sowohl Elektronen-Donor als auch -Akzeptor sein bei Redox-Paaren steht die oxidierte Form links: NAD + /NADH bei Redox-Reaktionen gibt die reduzierte Form des Redox- Paares, dessen E 0 negativer ist, Elektronen ab an die oxidierte Form des Paares, dessen E 0 positiver ist

22 natürliche Spannbreite

23 E 0 proportional zu ΔG 0 Redox-Potential bei Redoxreaktionen freigesetze Energie kann z.b. als ATP gespeichert werden d.h. Elektronendonoren sind Energiequellen in Gegenwart geeigneter Elektronenakzeptoren

24 NAD als e - Überträger bei Redoxreaktionen Elektronenüberträger: 1) Frei diffundierbar (Coenzyme): NAD +, NADP + 2) fest an Enzyme gebunden (prosthetische Gruppen); bei membran-gekoppelten e - Transferreaktionen NAD +, NADP + übertragen gleichzeitig 2 e - und 2 H + E 0 für NAD + /NADH (oder NADP + /NADPH) = -0,32V d.h. NAD(P)H ist guter e - Donor NAD + /NADH in energieerzeugenden Reaktionen NADP + /NADPH in biosynthetischen Reaktionen

25 Nicotinamid- adenindinucleotid (NAD + )

26 Redoxreaktionen mit NAD +

27 Energiereiche Verbindungen & Energiespeicherung freie Energie der Hydrolyse

28 Energiereiche Verbindungen & Energiespeicherung Energiespeicherung in lebenden Organismen: chemische Energie aus Redoxreaktionen v. a. als Phosphat nicht alle Phosphatbindungen sind energiereich Zellen benutzen i. A. Verbindungen mit ΔG 0 > 30 kj/mol als Energiespeicher

29 Energiereiche Verbindungen & Energiespeicherung freie Energie der Hydrolyse

30 Energiereiche Verbindungen: ATP wichtigste Energieeinheit in Zellen in aktiv wachsenden Zellen: ATP/ADP = 1000, Energiebedarf für ATP Synthese ist > als Energie, die freigesetzt wird bei der ATP Hydrolyse

31 Energiereiche Verbindungen & Energiespeicherung freie Energie der Hydrolyse

32 Energiereiche Verbindungen: Coenzym A energiereiche Thioesterbindung besonders wichtig bei anaeroben Mikroorganismen, deren Metabolismus über Fermentation läuft

33 Langfristige Energiespeicherung ATP in relativ geringer Konzentration in der Zelle (2 mm) für langfristige Energiespeicherung in Prokaryoten unlösliche Polymere, die zur Bildung von ATP oxidiert werden können, z.b. Glycogen, Poly-ß-Hydroxybutyrat, Polyhydroxyalkanoat in der Zelle als Granula gelagert in Eukaryoten: Polyglucose = Stärke Fette

34 Katabolismus & Elektronentransport in Mikroorganismen Chemorganotrophe: Fermentation & Atmung bei beiden: Synthese von ATP durch Energie aus Redox-Reaktionen Fermentation: ohne exogene Elektronenakzeptoren Substratkettenphosphorylierung Atmung: mit exogenem Elektronenakzeptor (O 2 ) oxidative Phosphorylierung, ATP durch PMF bei Phototrophen: Photophosphorylierung zur ATP-Bildung hier erzeugt Licht Energie für Redox-Reaktionen zur PMF-Bildung

35 Katabolismus & Elektronentransport in Mikroorganismen

36 2 H + Glycolyse als Bsp. für Fermentation

37 Glycolyse als Bsp für Fermentation Emden-Meyerhof-Weg = Fermentation von Glucose 3 Hauptstufen: 1) Vorbereitungsreaktionen, keine Energiefreisetzung 1 Glucose 2 Glycerinaldehyd-3-P 2) Redox-Reaktionen, Bildung von ATP & Pyruvat 3) Redox-Reaktionen, Bildung von Fermentationsprodukten

38 2 H + Glycolyse als Bsp. für Fermentation

39 Atmung & membrangebundene Elektronenüberträger Fermentation: keine externen e - -Akzeptoren geringe Energiegewinnung keine komplette Oxidation der C-Atome in Glucose zu CO 2 Atmung: vollständige Oxidierung von Glucose zu CO 2 hohe ATP-Ausbeute O 2 als terminaler e - -Akzeptor: aerobe Atmung Transfer von Elektronen Umwandlung von organischem C zu CO 2 dabei Bildung von ATP über PMF

40 Elektronentransportsysteme in der Atmung membrangebunden vermitteln e- Transport vom Donor zum Akzeptor speichern einen Teil der freigesetzten Energie der Redox- Reaktion zur ATP-Synthese

41 Elektronentransportsysteme in der Atmung NADH-Dehydrogenasen: an der Innenseite der Cytoplasmamembran binden NADH im aktiven Zentrum, nehmen 2e- und 2H+ auf bei der Umwandlung zu NAD+, und geben diese an Flavoproteine: proteingebundenes Flavin, das reduziert oder oxidiert wird nehmen 2e- und 2H+ auf, aber geben nur e- ab häufig Flavinmononucleotid (FMN) und Flavinadenindinucleotid (FAD) Flavinquelle ist Riboflavin (= Vitamin B2), Wachstumsfaktor

42 Flavinmononucleotid (FMN) Redox cofactor

43 Elektronentransportsysteme in der Atmung Cytochrome: enthalten Häm als prosthetische Gruppe übertragen nur e- Redoxstelle ist Fe (2+ oder 3+) mehrere Klassen: a, b, c je nach Hämtyp können mit Eisen-Schwefel-Proteinen Komplexe bilden diese übertragen auch nur e-

44 Nicht-Häm Eisen-Schwefelproteine Redox Cofaktor Fe 2 S 2 -Zentrum Fe 4 S 4 -Zentrum

45 Elektronentransportsysteme in der Atmung Chinone: Coenzym Q stark hydrophob kein Proteinanteil Vitamin K verwandt nehmen 2H+ und 2e- auf geben nur e- weiter

46 Redoxpotential von Redox-Systemen typisch für Mitochondrien (innere Membran) und manche Bakterien wie P. denitrificans (Cytoplasmamembran) E. coli fehlen Cytochrome c und aa 3 ; die e- gehen direkt von Cyt b zu Cyt o oder d. Elektronentransport zu O2 geht einher mit Aufbau eines Protonengradienten über der Plasmamembran =

47 Die protonenmotorische Kraft (PMF) während des e- Transports werden e- und H+ getrennt und H+ aus der Zelle ausgeschieden: Anreicherung von H+ aussen bei der Atmung: am Ende Transfer der Elektronen zu O 2 und dessen Reduktion zu H 2 O; dafür wird H + aus H 2 O-Spaltung im Cytosol verbraucht: Anreicherung von OH - innen weil geladen können H + und OH - nicht durch die Membran diffundieren

48 Die protonenmotorische Kraft (PMF) d.h. Bildung eines ph-gradienten und elektrochemischen Potenzials über der Membran = PMF Membran der Zelle ist wie eine Batterie aufgeladen diese elektrische Energie kann in ATP umgewandelt werden (1961 Peter Mitchell, chemiosmotic theory ) oder zum Ionentransport oder zur Flagellen- bewegung benutzt werden

49 Die protonenmotorische Kraft (PMF) wesentlich in allen e- Transportketten: 1) Reihe membrangebundener e- Überträger, die nach aufstei- genden E 0 -Werten angeordnet sind 2) Abwechseln in der Kette von e- und e-/h+ Überträgern 3) Erzeugung der PMF durch Trennung der Ladungen über der Membran, innen -, aussen +

50 PMF & die Bildung von ATP: ATP-Synthase Nobelpreis Chemie, 1997 John Walker & Paul Boyer

51 PMF & die Bildung von ATP F 1 Kopf im Cytoplasma F 0 in der Membran = Protonenkanal katalysieren zusammen die Bildung (oder Spaltung) von ATP hoch konserviert kleinster bekannter biologischer Motor: H + Transport durch F 0 α-untereinheit treibt Rotation der C- Proteine Drehmoment wird auf F1 übertragen, führt zur Konformations- änderung der ß-Untereinheiten, genutzt zur ATP-Bildung

52 ATP-Synthase ist umkehrbar: ATP-Spaltung führt zu H + Transport nach aussen, d.h. Erzeugung von PMF Inhibitoren: hemmen e- Fluss, z.b. CO, CN - (beide binden Cytochrom a) Entkoppler z.b. Dinitrophenol, Dicumarol: machen Membranen H + durchlässig, zerstören PMF verhindern dadurch die ATP-Synthese

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54 Kohlenstofffluss bei der Atmung Citrat-Zyklus: von Glucose bis Pyruvat wie bei Glycolyse dann: vollständiger Abbau des Pyruvat zu CO 2 dabei e - Übertragung auf NAD + und FAD, von dort auf O 2 oder andere terminale Akzeptoren dadurch wesentlich höhere Energieausbeute als bei der Fermentation

55 Bausteine für Biosynthese aus Citrat-Zyklus Citrat-Zyklus liefert ausserdem Ausgangsprodukte für Biosynthese: Aminosäure-Synthese Cytochrome, Chlorophyll Fettsäuren

56 Alternativen des Katabolismus: anaerobe Atmung andere e - Akzeptoren als O 2 weniger Energiefreisetzung als mit O 2 dafür Möglichkeit, in O 2 -freien Habitaten zu leben

57 Alternativen des Katabolismus: Chemolithotrophie Energie/e - aus anorganischen Verbindungen; z. B. H 2 S, H 2, Fe 2+, NH 3 meist aerob e - Transportkomplexe & PMF C für Biosynthese aus CO 2 (autotroph)

58 Alternativen des Katabolismus: Phototrophie

59 Alternativen des Katabolismus: Bedeutung der PMF

60 Sie sollten jetzt Folgendes wissen: 1) Wie entsteht die protonenmotorische Kraft? 2) Was sind die Unterschiede zwischen Fermentation und Atmung bezüglich - des Kohlenstoffflusses? - der Energieausbeute? - der terminalen Elektronenakzeptoren? 3) Welche Aufgaben hat der Citratzyklus?