Grundlagen der Physiologie

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1 Grundlagen der Physiologie Gärungen und anaerobe Atmungsprozesse Glykolyse C 6 H 12 O 6 2 C 3 H 4 O [H] (+ 2 ATP) Entsorgung überschüssiger Reduktionsequivalente durch Übertragung auf oxidierte Metabolite 2 C 3 H 4 O [H] 2 C 3 H 6 O 3 2 Pyruvat + 4 [H] 2 Lactat Gärung: Hier homofermetative Milchsäuregärung 1

2 Homofermetative Milchsäuregärung <CH 2 O> 6 2 <CH 2 O> 3 Weshalb steckt da Energie drin? COO - HCOH CH 3 Aus 1 mach 2 Intramolekulare Redoxreaktionen (Methyl- und Säuregruppe gebildet) z.b. Phospotransferase- System (verbraucht kein ATP) Elektroneutraler Lactat-Export ist Entsorgung von H + ohne Energiegewinn Elektrogener Lactat-Export mit mehr als 1 H + /Lac - würde einen Energiegewinn ermöglichen 2

3 Alkoholische Gärung C 6 H 12 O 6 2 C 3 H 4 O [H] (+ 2 ATP) Entsorgung überschüssiger Reduktionsequivalente durch Übertragung auf oxidierte Metabolite 2 CH 3 CHO + 4 [H] 2 CH 3 CH 2 OH 2 Acetaldehyd + 4 [H] 2 EtOH 2 C 3 H 4 O 3 2 CH 3 CHO + CO 2 Pyruvat- Decarboxylase 2 Pyruvat 2 Acetaldehyd + 2 CO 2 Alkohol- Dehydrogenase Prinzip der Gärungen und wichtigste Gärprodukte 3

4 Verlauf der der Gärungen und Entstehung der wichtigsten Gärprodukte Schlüsselreaktionen der ATP-Gewinnung bei Gärungen Ac-CoA + Pi Ac-P + CoA Phosphotransacetylase Ac-P + ADP Ac + ATP Acetatkinase 4

5 Weshalb macht ein Clostridium Buttersäure? 5

6 Organoheterotropher Aerobier Redoxpotentiale anorganischer Verbindungen, die durch Prokaryoten reduziert und oxidert werden 6

7 Anaerobe Atmungsprozesse 5 [H] + NO H + ½ N H 2 O Denitrifikation 8 [H] + NO H + NH H 2 O Nitrat-Ammonifikation [H] + Fe 3+ Fe 2+ + H + Eisen-Reduktion 2 [H] + Mn 4+ Mn H + Mangan-Reduktion 8 [H] + SO H + H 2 S + 4 H 2 O Sulfat-Reduktion 2 [H] + S H 2 S Schwefel-Reduktion 8 [H] + CO 2 CH H 2 O CO 2 -Reduktion zu Methan 8 [H] + 2 CO 2 CH 3 COOH + 2 H 2 O CO 2 -Reduktion zu Acetat 2 H + + e - H 2 Protonen-Reduktion (durch Gärer ohne Energiekonservierung) 7

8 Überblick über den Stoffwechsel sulfatreduzierender Bakterien. Es werden überwiegend Gärprodukte verwertet. Für den Elektronentransport steht nur eine geringe Redoxspanne zur Verfügung. Anders als Sauerstoff (und anders als hier dargestellt), kann Sulfat nicht in einem Schritt reduziert werden 8

9 9

10 Prinzip des Acetyl-CoA- Weges. Das Schlüsselenzym Kohlenmonoxid- Dehydrogenase leistet sowohl die Reduktion von CO 2 als auch die Umsetzung eines gebundenen CO-Moleküls und einer gebundenen Methylgruppe mit Coenzym A zu Acetyl-CoA Verbreitung des Acetyl-CoA-Wegs Acetat-Synthese bei autotrophem Wachstum - einiger Sulfat reduzierender Bakterien - methanogener Bakterien - homoacetogener Bakterien Acetat-Oxidation bei (vielen) Sulfat-Reduzierern Acetat-Spaltung bei methanogenen Bakterien Carbonat-Atmung bei homoacetogenen Bakterien 10

11 Überblick über den Stoffwechsel methanogener Archaeen. Es werden nur Wasserstoff und Acetat verwertet. Für Elektronentransport und chemiosmotische Energiekonservierung durch Translokation von Protonen und Natrium- Ionen steht nur eine sehr geringe Redoxspanne zur Verfügung. Die Reduktion von CO 2 zu Methan verläuft über einen mehrstufigen Prozess 11

12 Methanogener Abbau von Glucose. Nur die unterlegten Umsetzungen werden von methanogenen Archaeen geleistet. Fd und FdH 2 bezeichnen Ferredoxin in der oxidierten und reduzierten Form Umsetzung von Glucose zu drei Acetat durch Homoacetat- Gärung (Carbonat- Atmung zu Acetat). Fd und FdH 2 bezeichnen Ferredoxin in der oxidierten und reduzierten Form 12

13 13

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