Stoffwechsel: Katabolismus und Anabolismus

Stoffwechsel

• Stoffwechsel umfasst alle chemischen Vorgänge in einer lebenden Zelle oder einem Organismus.
• Die beteiligten chemischen Verbindungen heißen Metabolite.
• Stoffwechselwege sind enzymkatalysierte Reaktionen.
• Intermediärstoffwechsel umfasst die Stoffwechselwege, die dem Auf-, Ab- und Umbau wichtiger Metabolite sowie der Energiekonservierung dienen.

Inhalt

• Katabolismus: Energiegewinnung durch Abbau von Substanzen.
  • Allgemeines zur Energiegewinnung
  • Glykolyse
  • Citronensäurezyklus
  • Atmungskette
  • Gärungen
• Anabolismus: Aufbau von Substanzen durch Energiezufuhr.
  • Anabolismus

Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen

• Kohlenstoffquelle
• Stickstoffquelle
• Anorganische Salze (z. B. PO43-, Mg2+, Fe2+, Ca2+, S-, K+)
• Spurenelemente (z. B. Mn, Co, Zn, Cu, Ni, Na, Se, Si, Wo)
• Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen (optional)
• Optimaler pH-Wert
• Optimale Temperatur

Metabolismus

• Produzenten (z. B. Pflanzen) nutzen Lichtenergie, um CO₂ in organische Stoffe umzuwandeln.
• Destruenten (z. B. Mikroorganismen) bauen organische Stoffe ab und setzen CO₂ frei.
• Konsumenten (z. B. Pflanzenfresser, Fleischfresser) nehmen organische Stoffe auf und nutzen diese als Energiequelle.
• Bakterien zeigen eine enorme Anpassungsfähigkeit aufgrund ihrer Stoffwechselvielfalt.

Enorme Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen

• Energiequelle: Phototrophe Bakterien (Lichtenergie) und Chemotrophe Bakterien (chemische Reaktionen).
• Elektronendonator: Organotrophe Bakterien (organische Verbindungen) und Lithotrophe Bakterien (anorganische Verbindungen).
• Kohlenstoffquelle: Autotrophe Bakterien (CO₂) und Heterotrophe Bakterien (organische Verbindungen).

Stoffwechseltypen

• Licht als Energiequelle, organische bzw anorganische Verbindungen als Elektronenquelle, organische bzw anorganische Verbindungen als Kohlenstoffquelle.
• Tabelle mit verschiedenen Stoffwechseltypen nach Energiequelle, Elektronenquelle und Kohlenstoffquelle.

Stickstoffquelle

• Stickstoff ist neben Kohlenstoff ein wichtiger Bestandteil von Proteinen und DNA/RNA.
• Stickstoff kann in organischen oder anorganischen Verbindungen vorkommen (z. B. Ammoniak, Nitrat, N₂).
• Stickstofffixierung (z. B. Rhizobien) ist der Prozess, bei dem atmosphärischer Stickstoff in eine nutzbare Form umgewandelt wird.

Katabolismus

• Katabolismus ist der Abbau von organischen Verbindungen, um Energie freizusetzen.
• Die dabei freigesetzte Energie wird in Form von ATP gespeichert.
• Beispiel: Zellatmung, bei der Stärke oder Glykogen abgebaut wird und Energie in Form von CO₂, H₂O und ATP freigesetzt werden.

Anabolismus

• Anabolismus ist der Aufbau von organischen Verbindungen durch Energiezufuhr.
• Bei diesem Prozess wird ATP verbraucht.
• Beispiel: Synthese von Proteinen aus Aminosäuren, Stärke aus Glucose.

Energiekopplung

• Energiehaltige Nährstoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) werden durch katabole Prozesse abgebaut.
• Die freiwerdende Energie wird genutzt, um anabole Prozesse anzutreiben.

Bioenergetik

• Bioenergetik befasst sich mit den Energieumwandlungen in lebenden Organismen.
• Energie wird in Joule (J) gemessen.
• Bakterien müssen Energie konservieren.

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

• Die Gibbs-Helmholtz-Gleichung beschreibt die Änderung der freien Energie (ΔG) in einer chemischen Reaktion.
• ΔG = ΔH – TΔS
• Reaktionen mit ΔG < 0 laufen spontan ab.

Bioenergetische Grundlagen

• Exergone Reaktion: Spontane Reaktion, bei der Energie freigesetzt wird (ΔG < 0).
• Endergone Reaktion: Nicht-spontane Reaktion, die Energie benötigt (ΔG > 0).

Anwendung von Enzymen

• Enzyme sind Proteine, die biochemischen Reaktionen katalysieren und dabei die Aktivierungsenergie senken, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
• Enzyme benötigen kein hohen Temperaturen oder Druck wie chemische Katalysatoren.
• Enzyme wirken häufig spezifisch auf Substrate.

Enzymklassen

• Liste verschiedener Enzymklassen (z. B. Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen).
• Alle Enzyme katalysieren spezifische Reaktionen.

Enzyme und ihre Verwendung

• Beispiele für Enzyme und ihre Verwendung in verschiedenen Bereichen (z. B. Waschmittelzusätze, Textilindustrie, Verdauung, Konservierung von Nahrungsmitteln, Lebensmittelverarbeitung).

Redoxreaktionen

• Redoxreaktionen umfassen Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme).
• Elektronenübertragung bei Redoxreaktionen wird mit Elektronenüberträgern wie Prosthetiche Gruppen und Coenzymen ermöglicht.
• NAD+ und FAD können Elektronen aufnehmen und als Coenzymen fungieren, um Oxidations-/ Reduktions-Reaktionen zu vollziehen.
• Redoxreaktionen spielen eine wichtige Rolle bei der Energiegewinnung und -speicherung in biologischen Systemen.

Biochemischer Energiespeicher

• ATP ist der wichtigste biochemische Energiespeicher in Zellen.
• Energie kann durch Hydrolyse von ATP in ADP und Phosphat freigesetzt werden.
• ATP dient als Carrier für Phosphatgruppen in vielen anabolen Reaktionen

Biophysikalischer Energiespeicher

• Membranpotentiale und Konzentrationsgradienten speichern Energie als elektrochemische Potentiale.

Transport über die Membran

• Primärer Transport: Transport gegen das Konzentrationsgefälle, Energie aus ATP-Hydrolyse. (zB. Protonenpumpe)
• Sekundärer Transport: Energie aus dem Konzentrationsgefälle anderer Substanz wird genutzt. (z. B. Symport, Antiport)

ATP-Synthasen

• ATP-Synthase ist ein Enzym, das ATP aus ADP und Phosphat unter Verwendung von Energie aus dem Protonengradienten synthetisiert. -F0 = Kanal für Protonen -F1 = Enzymkomplex für ATP-Synthese

Zusammenfassung

• Überblick über verschiedene Stoffwechselprozesse (z. B. Glykolyse, Citronensäurezyklus, Atmungskette, Gärungen).

Chemoorganotrophie

• Ein zentraler Abbauweg zur Oxidation organischer Verbindungen.
• Wichtige Stoffwechselpfade (z. B. Glykolyse, Citratzyklus)

Abbau von Kohlenhydraten

• Kohlenhydrate werden zu Pyruvat abgebaut.
• Weiterer Abbau von Pyruvat durch aerobe (Atmung) oder anaerobe Stoffwechselwege (zB Gärung).
• Unterschiedliche Pfade und Ergebnisse.

Glykolyse

• Abbauweg für Glucose zum Pyruvat unter Energiegewinnung.
• Folgende Schritte: Glucoseaktivierung, Spaltung in zwei C3-Moleküle, Dehydrogenierung , Substratkettenphosphorylierung, Bildung von Pyruvat.

Pyruvat Abbau

• Abhängig vom Vorhandensein von Sauerstoff (aerob oder anaerob)
• Anaerobe Bedingung: Gärung zu Laktat oder Ethanol.
• Aerobe Bedingung: Oxidative Dekarboxylierung zu Acetyl-CoA

Citratzyklus

• Vollständige Oxidation der Acetylgruppe (Acetyl-CoA)
• Akzeptormoleküle und deren Oxidation/Reduktion
• Gewinnung von Reduktionsäquivalenten (z. B. NADH + H⁺, FADH₂), die für die Atmungskette benötigt werden.
• Substratkettenphosphorylierung von GTP
• Wichtige Stoffwechselschritte und -enzyme

Atmung

• Chemoorganotrophe Mikroorganismen übertragen Elektronen, bei der Oxidation organischer Verbindungen an ein externes Elektronenakzeptor.
• Sauerstoff als finaler Elektronenakzeptor in der Zellatmung.
• Protonenmotorische Kraft (pmf) treibt die ATP-Synthese an.

Zusammenfassung der wichtigsten Stoffwechselwege zur Energiegewinnung

• Aerobe Atmung
• Anaerobe Atmung/ Gärung