Stoffwechseltypen. Wege des Glukoseabbaus. Oxidativer Pentosephosphat-Weg. Entner-Doudoroff Phosphoketolase. Embden-Meyerhof

Ähnliche Dokumente
Gärung (Fermentation)

lithos (gr.) = der Stein; trophe (gr.) = die Nahrung Chemolithotropher Stoffwechsel

Allg-MiBio1-WS08-Handout IV. Energiequelle phototroph chemotroph (Oxidations-Reduktions-Reaktionen)

5. STOFFWECHSEL. Energie-Quelle Brennstoffe. 5.1 Übersicht. Red.-Äquivalente. Katabolismus

5. STOFFWECHSEL Substratketten-Phosphoryl.

Lithotrophe Organismen II

4. WACHSTUM. 4.1 Messung

Grundlagen der Physiologie

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

Vorlesung: Allgemeine Mikrobiologie. Ausgewählte Prokaryoten -

1. niedere Protisten = Procaryotae (Prokaryonten) Bakterien (alt: Schizophyten) Eubakterien (gram+, gram-, Cyanobakterien) Archaebakterien

Stoffwechseltypen von Mikroorganismen. (chemische Reaktion / Licht) (anorganisch / organisch) / organisches Material) (CO 2. Chlorella sp.

VL 03 Biogeochemische Kreisläufe von C, N, S, Abbau organischer Substanz

Grundlagen der Physiologie

Photosynthese. Astrobiologie: Panspermie und Terraforming von (Exo-)Planeten WS 13/14. Anna Till

Stoffwechsel der Bodenorgansmen Effekt einer Überflutung / Staunässe

Bakterienformen. Stäbchen. Zellgröße: 0,1 5 µm

Biologische Oxidation: Atmung (Dissimilation) C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O G kj

Aerober chemolithoautotropher Stoffwechsel Überblick II Anorganischer Elektronendonator (z. B. NH 4+,H 2 S, Fe 2+ )

Gradienten und Aktivitäten

Atmung Übersicht. Atmung der Mitochondrien

Zum Klausurbogen der Teilprüfung (Mikrobiologie) zum Modul 10 des Bachelorstudiengangs Biowissenschaften vom

6. BAKTERIENSYSTEMATIK

VL Limnochemie

Die alkoholische Gärung: Energieklassen: Gärungen. Gärungen sind Disproportionierungsreaktionen. Louis Pasteur: La fermentation cest la vie sans l air

Einführung in die Biochemie

AllgemeinrÄ Mikrobiologie

Der Citratzyklus (= Trikarbonsäurezyklus, Krebszyklus)

im in ii Allgemeine Mikrobiologie Hans G. Schlegel 7., überarbeitete Auflage unter Mitarbeit von Christiane Zaborosch

Einführung in die Biochemie

Grundlagen der Physiologie

Regulation der Glykolyse: Phosphofructokinase

Grundlagen des Stoffwechsels

Anaerobe Atmung bei Prokaryonten

Ökologie der Mikroorganismen 2 - Uwialtklausur vom

Grundlagen des Stoffwechsels

Stickstoff-Kreislauf. Ökopedologie I + II

Stoffwechsel. Metabolismus (3)

Fumarat-Atmung. Verschiedene Elektronendonatoren und -akzeptoren bei E. coli. Fumarat-Atmung. Fumarat-Atmung. Nitrat-Atmung.

Verschiedene Elektronendonatoren und -akzeptoren bei E. coli

2.3. Stoffwechselaktivitäten

(6) Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens. Wachstum. Baustoffe. Energiequellen. Leben beinhaltet Wachstum als wesentliches Merkmal

Einführung in die Biochemie

Ernährungsphysiologie der Pflanze

ist die Vorlesung MIKROBIOLOGIE 2 (SS 2 SWS)

Citratzyklus. Citratzyklus

Evolutionärer Vorteil als Grundlage zum Leben? Von Nadine Körtel Konrad-Adenauer Straße , Hainburg

Mikrobielle Ökologie

Mikrobielle Ökologie VL 5 Biogeochemische Kreisläufe

SS Thomas Schrader. der Universität Duisburg-Essen. (Teil 8: Redoxprozesse, Elektrochemie)

Mitochondriale Elektronentransportkette (Atmungskette)

Bedarf für die Synthese von neuem Zellmaterial

Stammbaum der Enterobacteriaceae

WICHTIG!!! Fragen, Kritik, Anmerkungen bitte an Viel Spass

Das Leben kommt auf alle Fälle aus einer Zelle, doch manchmal endet's auch in einer solchen - bei Strolchen. Heinz Erhardt

P XXIV/4 Fermentationsbilanzen: Clostridien spp.

Enterobacteriaceae. Enterobacteriaceae

- der oxidative Abbau von Acetyl-CoA (und die somit gebildeten Reduktionsäquivalente) - Lieferung von Substraten für verschiedene Synthesen

Atmung Respiration 1

Was bisher geschah 1

Lichtgetriebener Elektronentransport in der Thylakoidmembran führt zu PMK

Biogeochemische Kreisläufe

Nitrifikation Nitritoxidation. Von Patrycja Kosnik und Nico Tennigkeit

Microbiology II. Fermentations Acetogenesis and the CODH/ACS pathway Syntrophy. Christopher Bräsen. Methyl branch. Carbonyl branch

Vorlesungsthemen Mikrobiologie

Sauerstoff und ROS. ROS und Altern

Limnische Mikrobiologie

Schrittweise Oxidation und Decarboxylierung von Glucose-6-phosphat zu Ribulose-5- phosphat

Pentosephosphatzyklus. Synonym: Hexosemonophosphatweg

Ein bewohnbares Milieu

Mikrobielle Ökologie. Mikrobielle Ökologie

Einführung in die Biochemie Glykolyse

Grundlagen der Mikrobiologie

ist die Vorlesung MIKROBIOLOGIE 2 (SS 2 SWS)

Pflanzliche und bakterielle Stoffwechselprozesse

Bioenergetik. Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie. Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien

Pasteur-Effekt. Pasteur-Effekt

Teil 5: Physiologie der Pflanze

Reaktionen der Zellatmung (1)

Biochemische Reaktionen zur Identifizierung von Bakterien

Einführung in die Mikrobielle Ökologie

Kapitel 5: 1. Siderophore assistieren dem Transfer welcher der folgenden Makronährstoffe über Membranen? A. Stickstoff B. Phosphor C. Eisen D.

Einführung in die Mikrobielle Ökologie

Glykolyse! Pyruvat-! dehydrogenase! Citronensäure-! Zyklus!!

Z11 GRUNDLAGEN DER BIOCHEMIE STOFFWECHSELWEGE 1) DIE WICHTIGSTEN STOFFWECHSELWEGE: 2) ÜBERSICHT ÜBER DEN ENERGIESTOFFWECHSEL

Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens (9) Die Synthese.

Citratzyklus. Biochemie Maria Otto,Bo Mi Ok Kwon Park

Fehlinterpretation S.c. zeigt aber keinen Pasteur-Effekt, alkoholische Gärung bevorzugte Form der Energiegewinnung Crabtree-Effekt

Das Sinnloseste: der Zitronensäurezyklus

BIOCHEMIE. Prof. Manfred SUSSITZ. über(be)arbeitet und zusammengestellt nach Internetvorlagen:

Der Energiestoffwechsel eukaryotischer Zellen

Photosynthese. Pflanzen nied. Eukaryoten (Rotalgen) Prokaryoten (Cyanobakterien) Cyanobakterium Anabaena. Abb. aus Stryer (5th Ed.

Die innere Mitochondrienmebran ist durchlässig für: 1. Pyruvat 2. Malat 3. Aspartat 4. Citrat

Z 11 GRUNDLAGEN DER BIOCHEMIE STOFFWECHSELWEGE 1) DIE WICHTIGSTEN STOFFWECHSELWEGE: 2) ÜBERSICHT ÜBER DEN ENERGIESTOFFWECHSEL

An Astrophysical View of Earth- Based Metabolic Biosignature Gases

Transkript:

Stoffwechseltypen Wege des Glukoseabbaus Embden-Meyerhof Entner-Doudoroff Phosphoketolase Oxidativer Pentosephosphat-Weg

Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (Fruktose-1,6-bisphosphat-Weg, FBP-Weg) Bilanz: Glukose 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH 2 Entner-Doudoroff-Weg (2-Keto-3-desoxy-phosphogluconat-Weg, KDPG-Weg) Bilanz: Glukose 2 Pyruvat + 1 ATP + 1 NAD(P)H 2 + 1 NADH 2 z.b. Pseudomonas Wautersia (Rlastonia) Zymomonas

Oxidativer Pentosephosphat- Weg Variationen der Atmungskette in Bakterien Elektronen können über verschiedene Dehydrogenasen in die Atmungsketten eingeschleust werden es gibt Atmungsketten mit und ohne Chinol:Cytochrom c Oxidoreductase viele Bakterien verfügen über mehr als eine terminale Reductase (Oxidase)

Unvollständige Oxidation Substrate werden unvollständig oxidiert Unvollständig oxidierte Substanzen wie organische Säuren häufen sich im Medium an (z.b. Acetat, Gluconat, Fumarat, Citrat) z.b.: Essigsäurebakterien wie Acetobacter oder Gluconobacter Alkohol-DH (Alkohol Oxidase) Aldehyd-DH (Aldehyd Oxidase) EtOH Acetaldehyd Essigsäure (PQQ) (PQQ) Peroxidierer können die organischen Säuren langsam weiter oxidieren Suboxidierer oxidieren die organischen Säuren nicht weiter E 0 (V) Anaerobe Atmung -0,3 CH 3 COO - Carbonatatmung obligat Anaerobe CO 2 (Homoacetogene) HS - -0,27 Schwefelatmung fakultativ und S 0 obligat Anaerobe Sulfatatmung obligat Anaerobe 2- SO 4-0,25 CH 4 Carbonatatmung obligat Anaerobe CO 2 (methanogene Archaea) Succinat 0 Fumaratatmung fakultativ Anaerobe Fumarat NO - 2,N 2 O,N 2 +0,4 Nitratatmung fakultativ Anaerobe - NO 3 Fe 2+ +0,75 Fe-Atmung fakultativ und Fe 3+ obligat Anaerobe H 2 O +0,82 Aerobe Atmung obligat Aerobe und O 2 fakultativ Anaerobe Nitratatmung = Dissimilatorische Nitratreduktion dient dem Energiegewinn durch Elektronentransport-Phosphorylierung. Nitrat und nicht O 2 der e-akzeptor wenn Nitrat zu einer gasförmigen N-Verbindung reduziert wird Denitrifikation. fakultative Eigenschaft, i.d.r. nur bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck und Anwesenheit von Nitrat Denitrifikation NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 Nitrat-Nitrit- Atmung NH 4 + Ammonifikation

Die anaerobe Nahrungskette Kohlenhydrate, Aminosäuren, Purine, Pyrimidine, usw. Fermentierer organische Säuren, Alkohole, H 2, CO 2 Acetat, H 2, CO 2 H + reduzierende Acetogene Sulfatreduzierer Methanogene CH 4, CO 2 Methanogenese außergewöhnliche Coenzyme beteiligt 4H 2 + CO 2 CH 4 + H 2 O ΔG 0 131 kj/mol CH 4 Disproportionierung von Acetat (Methanosarcina, Methanotrix): CH 3 COO - + H + CH 4 + CO 2 ΔG 0 36 kj/mol CH 4

Gärung (Fermentation) Pyruvat : zentrales Intermediat vieler Gärungen Spaltung von Pyruvat: verschiedene Möglichkeiten Pyruvat Dehydrogenase (fast alle aerobe Organismen) Pyruvat - + NAD + + CoASH Acetyl-SCoA + CO 2 + NADH Pyruvat Ferredoxin Oxidoreductase (Archaea, anaerobe Gram+, anaerobe euk. Parasiten) Pyruvat - + 2 Fd + CoASH Acetyl-SCoA + 2 red. Fd - + CO 2 + H + Pyruvat Formiat Lyase Pyruvat - + CoASH Acetyl-SCoA + Formiat - (Enterobacteriaceae, Lactobazillen, manche Clostridien) Pyruvat Decarboxylase (Hefe, Zymomonas) Pyruvat - + H + Acetaldehyd + CO 2 Acetyllactat-Synthase (Enterobacteriaceae, Bacillus) Pyruvat - + H + 2-Acetolactat - + CO 2

Alkoholische Gärung Hefe: Embden-Meyerhof-Parnas-Weg 2 NAD + 2 NADH 2 Alkohol Dehydrogenase Pyruvat Decarboxylase Zymomonas: Entner-Doudoroff-Weg 2 NAD(P) + 2 NAD(P)H 2 Alkohol Dehydrogenase Pyruvat Decarboxylase Homofermentative Milchsäuregärung Embden-Meyerhof-Parnas-Weg (Fruktose-1,6-bisphosphat-Weg) Laktat-Dehydrogenase

Clostridien Gram-positive Stäbchen niedriger GC-Gehalt der DNA strikt anaerob Sporenbildner bevorzugen neutralen oder alkalischen ph manche können N 2 fixieren Saccharolytische Clostridien Gärprodukte: Essigsäure, Buttersäure, Ethanol, Butanol, Aceton, Isopropanol, CO 2, H 2 Peptolytische Clostridien C. histolyticum, C. septicum Wundinfektionen C. tetani Wundstarrkrampf C. botulinum Lebensmittelvergiftung, Botulismus C. sporogenes, C. butyricum, C. thermosaccharolyticum, u.a. Lebensmittelverderb Entstehung und Entgiftung reaktiver Sauerstoffspecies O 2 e - Superoxid (O 2 -) Entgiftung mit Superoxid-Dismutase e - Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) Entgiftung mit Katalase e - NADH Peroxidase Hydroxyl-Radikal (OH. ) 2 H 2 O + NAD + Superoxid und H 2 O 2 können FeS-Cluster und SH-Gruppen oxidieren und können Enzyme mit solchen Gruppen inaktivieren. Hydroxyl-Radikale reagieren aggressiv mit praktisch allen Biomolekülen. Strikt Anaerobe haben keine oder unzureichende Entgiftungsmechanismen Strikt Anaerobe haben oft Enzyme für chemisch schwierige Reaktionen (mit Radikalen oder Metallzentren m. niedrigem Potential), die O 2 -empfindlich sind.

Vergleich chemoorganotropher Stoffwechselarten: Gärungsstoffwechsel respiratorischer Stoffwechsel Möglichkeiten des Energiegewinns unter aeroben und anaeroben Bedingungen Energiequelle e - -Donor aerob/anaerob e - -Acceptor ATP-Gewinn Gärung Redox- organische anaerob organ. Stoffe Substrat-Phosphorylierung (Fermentation) reaktionen Substanzen (direkte ATP-Synthese) Atmung Redox- organische o. aerob O 2 e - -Transport-Phosphorylierung (Respiration) reaktionen anorg. Substan- anaerob NO - 3, SO 2-4, (indirekt über Aufbau eines zen (NH + 4, H 2, S CO 2, Fumarat Protonengradienten) S 2 O 2-3, Fe 2+ ) Photosynthese Licht H 2 O aerob nicht-zyklischer e - -Transport-Phosphorylierung e - -Transport (indirekt über Aufbau eines zum NAD(P) Protonengradienten) H 2 S, H 2, S, anaerob zyklischer organ. Subst. e - -Transport

Chemoorganotropher Stoffwechsel heterotroph Chemolithotropher Stoffwechsel autotroph Chemolithotrophie ist beschränkt auf Prokaryonten (Bakterien und Archaeen) In Chemolithoautotrophen dient der reduzierte Elektronendonator für 2 Zwecke : (1) Energiekonservierung (Aufbau eines Protonengradienten) (2) Bildung von Reduktionsäquivalenten (auf Kosten des Protonengradienten) für die CO 2 -Fixierung Habitate von Chemolithotrophen : - ausreichende Mengen red. anorganischer Verbindungen, - geeignete Elektronenakzeptoren (oft O 2, NO 3 - ), - oft an extreme Standorte angepasst, - wo wenig organische Substanz verfügbar z.b. Grenzschichten aerob/anaerob z.b. extrem saure Habitate Chemolithotrophe spielen eine wichtige Rolle in den Stoffkreisläufen z.b. N-Kreislauf, S-Kreislauf

Knallgasbakterium Wautersia eutropha (Ralstonia eutropha) Die meisten Knallgasbakterien sind fakultativ chemolithoautotroph, d.h. sie können auch organische Verbindungen als Energie- u./o. C-Quelle nutzen Mixotrophes Wachstum: H 2 u./o. CO 2 und ein organisches Substrat werden gleichzeitig genutzt Nitrifikation Nitroso-Bakterien oxidieren Ammonium zu Nitrit z.b. Nitrosomonas Nitro-Bakterien oxidieren Nitrit zu Nitrat z.b. Nitrobacter Bedeutung der Nitrifikation Rolle im N-Kreislauf Entfernung von Ammonium bei der Abwasserbehandlung Verwitterung poröser Gesteine Ausblühungen von Salpeter

Chemolithoautotrophe müssen oft große Mengen eines Elektronendonators verbrauchen Für Synthese von 1 g Zellmasse (Trockenmasse) werden umgesetzt durch Thiobacillus ferrooxidans 156 g Fe 2+ Thiobacillus neapolitanus 30 g S 2 O 2-3 Nitrosomonas 30 g NH 3 Ralstonia eutropha 0,5 g H 2 zum Vergleich: E. coli 2 g Glucose Gewinnung von Energie und Reduktionskraft durch oxygene und anoxygene Photosynthese Oxygene: Pflanzen Cyanobakterien Gewinnung von Reduktionskraft immer durch lichtgetriebene Oxidation von H 2 O zu O 2 Anoxygene: Purpurbakterien, Grüne Bakterien Heliobakterien Gewinnung von Reduktionskraft aus Substanzen wie H 2 S ist nicht immer lichtgetrieben

Gruppen phototropher Bakterien Oxygene Photosynthese 1. Cyanobakterien (z.b. Synechococcus, Oscillatoria, Nostoc) 2. Prochlorophyten (z.b. Prochloron, Prochlorothrix) Anoxygene Photosynthese Kommt nur bei phototrophen Bakterien vor Im Gegensatz zur oxygenen Photosynthese ist nur ein Photosystem beteiligt Keine Oxidation von H 2 O 1. Purpurbakterien A. Nichtschwefel-Purpurbakterien (z.b. Rhodobacter, Rhodospirillum) B. Schwefel-Purpurbakterien (z.b. Chromatium, Thiocapsa) 2. Grüne Bakterien A. Grüne Schwefelbakterien (z.b. Chlorobium, Chloronema) B. Grüne Nichtschwefelbakterien (z.b. Chloroflexus, Heliothrix) 3. Heliobakterien (z.b. Heliobacterium, Heliobacillus) In phototrophen Bakterien gibt es mehrere Arten von Bacteriochlorophyll, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren Mehr Energie des elektromagnetischen Spektrums kann genutzt werden Zur Energiegewinnung kann nur absorbierte Lichtenergie verwendet werden. Daher können verschiedene phototrophe Arten in einem Habitat koexistieren, indem jede andere Wellenlängen nutzt. Pigmentvielfalt erlaubt die Besetzung unterschiedlicher ökologischer Nischen

Vergleich des Elektronenflusses bei Purpurbakterien, Grünen Schwefelbakterien und Heliobakterien ATP-Bildung durch zyklische Photo-phosphorylierung Grüne Bakterien und Heliobakterien können im Zuge der Photosynthese neben ATP auch NADH bilden, da das erste stabile Akzeptormolekül (FeS-Protein) im Vergleich zu Purpurbakterien (Chinon) ein deutlich elektronegativeres E 0 besitzt Heliobakterien + Grüne Bakterien ATP + Reduktionskraft direkte Produkte der Lichtreaktion Purpurbakterien nur ATP direktes Produkt der Lichtreaktion Lichtvermittelte ATP-Synthese ohne Chlorophyll-Pigmente Einige Arten extrem halophiler Archaea (z.b. Halobacterium) können lichtvermittelte ATP-Synthese ohne Chlorophyll-Pigmente betreiben Bildung einer protonmotorischen Kraft durch Bacteriorhodopsin Bacteriorhodopsin ähnelt dem Sehpigment des Auges dem Rhodopsin Mit Bacteriorhodopsin ist ein Retinal-Molekül konjugiert, welches Licht (bei ca. 570 nm) absorbieren kann