VO5 Stoffwechsel

Stoffwechsel

• Stoffwechsel umfasst alle chemischen Prozesse in lebenden Zellen und Organismen.
• Die an diesen Prozessen beteiligten chemischen Verbindungen werden Metabolite genannt.
• Stoffwechselwege sind Abfolgen enzymkatalysierter Reaktionen.
• Intermediärstoffwechsel bezeichnet die Stoffwechselwege, die dem Auf-, Ab- und Umbau von Metaboliten und der Energiekonservierung dienen.

Inhalt

• Energiegewinnung (allgemein)
• Glykolyse
• Citronensäurezyklus
• Atmungskette
• Gärungen
• Anabolismus
• Katabolismus

Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen

• Kohlenstoffquelle
• Stickstoffquelle
• Anorganische Salze (z. B. Phosphate, Magnesium, Eisen, Calcium, Schwefel, Kalium)
• Spurenelemente (z. B. Mangan, Kobalt, Zink, Kupfer, Nickel, Natrium, Selen, Silizium, Wolfram)
• Evtl. Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen
• Optimaler pH-Wert
• Optimale Temperatur

Metabolismus

• Die Gesamtheit aller chemischen Prozesse in lebenden Organismen oder Zellen.
• An der Umsetzung beteiligte Verbindungen heißen Metabolite.
• Der Stoffwechsel läuft über enzymkatalysierte Reaktionen, die Stoffwechselwege.
• Intermediärstoffwechsel: Stoffwechselwege, die dem Auf- und Abbau von Metaboliten und der Energiekonservierung dienen.

Enorme Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen

• Unterscheidung nach Energiequelle
• Unterscheidung nach Elektronendonator
• Unterscheidung nach Kohlenstoffquelle

Energiequelle

• Phototrophe Bakterien: beziehen Lichtenergie.
• Chemotrophe Bakterien: beziehen Energie aus chemischen Reaktionen.

Elektronendonatoren

• Organotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus organischen Verbindungen.
• Lithotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus anorganischen Verbindungen.

Kohlenstoffquelle

• Heterotrophe Bakterien: beziehen Kohlenstoff aus organischen Verbindungen.
• Autotrophe Bakterien: beziehen Kohlenstoff aus Kohlendioxid (CO2).

Bioenergetik

• Befasst sich mit Energieumwandlungen in lebenden Organismen.
• Energieeinheit ist das Joule [J].
• Bakterien müssen Energie konservieren.

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

• AG = ΔH – T x AS
• AG: Freie Energie; ΔH: Enthalpieänderung; T: absolute Temperatur; AS: Entropieänderung
• Reaktionen laufen spontan ab, wenn AG < 0.

Bioenergetische Grundlagen

• Exergone Reaktion: spontane Reaktion, verbunden mit Abnahme freier Energie (AG < 0).
• Endergone Reaktion: läuft nur ab, wenn von außen Energie zugeführt wird (AG > 0).
• Prinzip der Energieerhaltung.

Anwendung von Enzymen

• Enzyme sind Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren.
• Sie benötigen keine hohen Temperaturen oder Drücke.
• Sie wirken häufig sehr spezifisch.

Enzyme

• Setzen biochemische Reaktionen in Gang oder beschleunigen diese (unter Beibehaltung des Gleichgewichtes).
• Senken die Aktivierungsenergie von Reaktionen.
• Erhöhen somit die Reaktionsgeschwindigkeit.

Enzymklassen

• Oxidoreduktasen: Katalysieren Redoxreaktionen.
• Transferasen: Katalysieren Gruppenübertragungen.
• Hydrolasen: Katalysieren hydrolytische Spaltungen.
• Lyasen: Katalysieren nicht-hydrolytische Spaltungen (häufig unter Bildung von Doppelbindungen).
• Isomerasen: Katalysieren Isomerisierungsreaktionen.
• Ligasen: Katalysieren die Verknüpfung von zwei Molekülen unter ATP-Verbrauch.

Enzyme und ihre Verwendung

• Beispiele für Enzyme und ihre Anwendungen.

Redoxreaktionen

• Gekoppelt: Oxidationen und Reduktionen.
• Elektronenübertragungen zwischen Stoffen.
• Wichtiger Mechanismus zur Energiespeicherung.
• Oxidationszahl: Ionenladung eines Atoms in einer chemischen Verbindung.

Elektronenüberträger

• Prostentische Gruppen: kovalent an Enzym gebunden.
• Co-Enzyme: nicht kovalent an Enzym gebunden.
• Beispiele: FAD+/FADH2, NAD+/NADH, NADP+/NADPH.

Biochemischer Energiespeicher

• ATP (Adenosintriphosphat) und Coenzym A (Acetyl-CoA).
• Speicherung freigesetzter Energie aus Redoxreaktionen.

ATP

• Generelle Energieeinheit des Stoffwechsels.
• Energie wird durch Hydrolyse von ATP in ADP und Phosphat freigesetzt.

Biophysikalischer Energiespeicher

• Konzentrationsgradienten und Membranpotentiale.
• Chemische und elektrische Potentialdifferenz.
• Protonenmotorische Kraft (ΔμH+).

Transport über die Membran

• Diffusion: Spontaner Prozess der Ausbreitung von Stoffen entlang eines Konzentrationsgradienten.
• Uniport: Erleichterte Diffusion, Carrier-vermittelt.
• Symport: GeKoppelter Transport zweier Substanzen, Carrier-vermittelt.
• Antiport: Transport von zwei Substanzen in gegenläufiger Richtung.
• An chemische Reaktionen gekoppelten Transport, z.B. Protonenpumpen.

ATP-Synthasen

• Enzymatische Komplex.
• Durch den Protonenfluss wird ATP gebildet.

Chemoorganotrophie

• Zentrale Abbauwege zur Oxidation organischer Verbindungen.

Abbau von Kohlenhydraten

• Glykolyse: Abbau von Glucose zu Pyruvat.
• Citratzyklus: Oxidation von Acetyl-CoA.
• Atmungskette: Weiterleitung von Elektronen und Energiegewinnung.

Polysaccharid: Stärke/Glykogen

• Glykogen als Kohlenstoff- und Energiequelle.
• Strukturelle Details von Glykogen.

Glykolyse

• Abbau von Glucose zu Pyruvat unter Energiegewinnung.
• Schlüsselreaktionen und beteiligte Enzyme.

Die Abbauwege des Pyruvats

• Anaerobe und aerobe Abbauwege von Pyruvat.
• Endprodukte sind Laktat, Ethanol und Acetyl-CoA.

Gärung

• Anaerobe Bedingungen, Sauerstoff fehlt.
• Bildung von reduzierten Gärungsprodukten (z.B. Ethanol, Milchsäure).
• Wichtige Gärprodukte und beteiligte Mikroorganismen.

Milchsäuregärung

• Familie der Lactobacillaceae, aerob-mikroaerophil.
• Natürliches Vorkommen: Milch, Milchprodukte, pflanzliche Produkte, Schleimhäute.
• Verwertung von Laktose (Milchzucker) als Zuckerquelle.
• Bauen Glucose zu Milchsäure ab. Homofermentativ und Heterofermentativ.

Citronensäurezyklus

• Vollständige Oxidation der Acetylgruppe (aus Pyruvat).
• Lokalisierung im Cytoplasma von Prokaryoten.
• C2-Verbindung dient als Akzeptor.
• Regeneration des Akzeptors.
• Übertragung von Reduktionsäquivalenten auf NAD(P)+.
• Wichtige Vorstufen für den Baustoffwechsel.
• Substratkettenphosphorylierung liefert Energie (GTP-Synthese).

Vollständige Oxidation von Glucose

• Bilanz von Glykolyse und Citratzyklus.
• Gleichung: Glucose + 6O2 → 6CO2 + 6H2O.

Atmung

• Chemioorganotrophe Mikroorganismen übertragen Elektronen auf einen externen Elektronenakzeptor.
• Sauerstoff dient als finaler Elektronenakzeptor; Aufbau der protonenmotorischen Kraft (pmf).
• „Energetisierung“ der Zytoplasmamembran.
• ATP Synthese: die ATP-Bildung durch den Protonenfluss.

Aerobe Atmung

• Abbau von Glucose unter Sauerstoffverbrauch.
• Vier geschaltete Membrankomplexe: Elektronentransportkette.
• Oxidation von NADH zu NAD+ und Reduktion von Sauerstoff; Energieerzeugung.