Stoffwechsel - VO 5.pdf

P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Stoffwechsel P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Inhalt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Metabolismus = Stoffwechsel Metabolismus Stoffwechsel: Die Gesamtheit der...

P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Stoffwechsel P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Inhalt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Metabolismus = Stoffwechsel Metabolismus Stoffwechsel: Die Gesamtheit der chemischen Umwandlungen, die in einer lebenden Zelle oder einem Organismus ablaufen. Die daran beteiligten chemischen Verbindungen heißen Metabolite Der geordnete Ablauf chemischer Reaktionen erfolgt über eine Reihe von enzymkatalysierten Reaktionen, den Stoffwechselwegen Die Wege, die dem Auf-, Ab- und Umbau wichtiger Metabolite sowie der Energiekonservierung dienen, bezeichnet man als Intermediärstoffwechsel P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Nährstoffe für heterotrophe Mikroorganismen 1. Kohlenstoffquelle 2. Stickstoffquelle 3. anorganische Salze: meist in Leitungswasser oder Zusätzen enthalten), PO43-, Mg2+, Fe2+, Ca2+, S-, K+ 4. Spurenelemente: Mn, Co, Zn, Cu, Ni, Na, Se, Si, Wo 5. Evt. Stoffe für auxotrophe Mikroorganismen 6. Optimaler pH-Wert 7. Optimale Temperatur P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Metabolismus Licht CO2 O2 Nährstoffe Nahrung CO2 Tierkadaver Nahrung Kot Bakterien haben aufgrund ihrer Stoffwechselvielfalt eine enorme Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enorme Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen Unterscheidung anhand der Energiequelle: um ATP aufzubauen Elektronendonator: um Reaktionen im Stoffwechsel durchzuführen Kohlenstoffquelle: um Biomasse aufzubauen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Energiequelle Phototrophe Bakterien: beziehen Lichtenergie Chemotrophe Bakterien: Energie aus chemischen Reaktionen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Elektronendonatoren Organotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus organischen Verbindungen Lithotrophe Bakterien: Elektronen stammen aus anorganischen Verbindungen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Kohlenstoffquelle: Kohlenstoff zum Aufbau von Biomasse Heterotrophe Bakterien beziehen Kohlenstoff aus organischen Verbindungen: häufig aus der Umgebung Aminosäuren, Fettsäuren, organischen Säuren, Zucker, ……… Autotrophe Bakterien beziehen Kohlenstoff aus Kohlendioxid (CO2): Energie zum Aufbau von Zucker wird durch Licht oder anorganischen Stoffen bereitgestellt oft Photosynthese betreibende Bakterien: chemische Speicherung von Lichtenergie P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enorme Stoffwechselvielfalt der Mikroorganismen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Stoffwechseltypen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Stickstoffquelle Neben Kohlenstoff ist Stickstoff ein wichtiger Bestandteil in: Proteinen DNA/RNA ………………… Kann in organischen Verbindungen und anorganischen Verbindungen vorkommen: Proteine, Nukleotide, …. Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3-), N2, ……. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Stickstoffquelle Knöllchen- bakterien (Rhizobien) CH4N2O P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Metabolismus P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Katabolismus Katabolismus Abbaureaktion - Abbau energiereicher hochmolekularer Verbindungen - Reaktion läuft exergonisch ab, d.h. Energie wird gewonnen. - z.B. bei der Zellatmung Stärke / Glycogen + O2 ↔ CO2 + H2O + Energie ↑ - Die freiwerdende Energie wird in einem energiereichen Molekül, meist dem Adenosintriphosphat (ATP), festgelegt. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Anabolismus Anabolismus Aufbaureaktion, Biosynthese - Synthese hochmolekularer Verbindungen aus einfach gebauten Molekülen - Reaktion läuft endergonisch ab, d.h. Energie wird verbraucht. - z.B. Synthese von Proteinen aus Aminosäuren, Stärke aus Glucose,… - Bei diesen Reaktionen wird das energiereiche ATP abgebaut. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Energiekopplung energetischer Zusammenhang zwischen anabolen und katabolen Stoffwechselreaktionen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Bioenergetik befasst sich mit Energieumwandlungen in lebendigen Organismen Definition von Energie: Fähigkeit, Arbeit zu verrichten Energie: Einheit ist Joule [J] Bakterien müssen Energie konservieren P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Gibbs-Helmholtz-Gleichung Bei chemischen Reaktionen geht ein Teil der Energie als Wärmeenergie verloren. Freie Energie steht für weitere Arbeit zur Verfügung: Definiert als Energie, die nötig ist, um ein System zu generieren, das bei definierter Temperatur im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung steht. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Bioenergetische Grundlagen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Anwendung von Enzymen Enzyme sind Proteine, die biochemische Reaktionen katalysieren benötigen keine erhöhten Temperaturen bzw. hohe Drücke wie chemische Katalysatoren wirken häufig sehr spezifisch P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enzyme Enzyme setzen die Aktivierungsenergie der biochemischen Reaktion runter: → Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enzymklassen 1. Oxidoreduktase: katalysieren Redoxreaktionen 2. Transferasen: katalysieren intermolekulare Gruppenübertragung 3. Hydrolasen: katalysieren hydrolytische Spaltungen 4. Lyasen: nicht-hydrolytische Spaltungen häufig unter der Bildung von Doppelbindungen 5. Isomerasen: Isomerisierungsreaktionen 6. Ligasen: Verknüpfung zweier Moleküle unter ATP Verbrauch P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enzyme und ihre Verwendung Beispiele: Proteasen Hydrolyse von Proteinen Waschmittelzusätze Amylase Hydrolyse von Stärke zu Textilindustrie, Verdauungs- und Dextrin und Maltose Backhilfe Katalase Zersetzung von H2O2 Konservierung von Nahrungsmitteln Lipase Fettspaltung Käsereifung Laktase Spaltung von Lactose in Diätmilch Glucose und Galaktose …………. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Redoxreaktionen Gekoppelt: Oxidationen und Reduktionen (Redoxreaktionen) ein Elektron von A wird auf B übertragen. B ist dabei der Elektronenakzeptor (= Oxidationsmittel) und A ist dabei das Reduktionsmittel Bei einer Redoxreaktion wird ein Stoff (A) oxidiert, ein zweiter (B) durch die Aufnahme von Elektronen reduziert Wichtiger Mechanismus der Energiespeicherung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Redoxreaktionen Elektronenübertragungsreaktionen: Oxidationszahl: Ionenladung eines Atoms innerhalb einer chemischen Verbindung molekularer Sauerstoff Oxidationszahl: Knallgasreaktion molekularer Wasserstoff P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Redoxreaktionen Beteiligt am Transfer von Elektronen bei Redox-Reaktionen: Elektronenüberträger: prosthetische Gruppen kovalent an Enzymen FAD+/FADH2 (Flavin-Adenin-Dinukleotid) Co-Enzyme: z.B. NAD+/ NADH (in katabolischen Reaktionen) NADP+/ NADPH (in anabolischen Reaktionen) sind nicht kovalent an Enzym gebunden P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Redoxreaktionen Coenzym: Nicotinadenindinucleotid NAD kann oxidieren, NADH dagegen reduzieren Können Elektronen und Protonen transportieren oxidiert reduziert Ein NAD+-Ion kann ein Wasserstoffatom und ein zusätzliches Elektron aufnehmen und wird dann zum NADH. Das NADH-Molekül dann kann ein zusätzliches Proton anlagern und wird dann zum NADH/H+-Ion P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Enzyme NAD+ kann Wasserstoff locker binden und bei Bedarf wieder abgeben. NAD+ ist die oxidierte Form und nimmt zwei Elektronen und ein Proton auf. Die dabei entstehende reduzierte Form des Coenzyms heißt NADH. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biochemischer Energiespeicher Freigewordene Energie (z.B. nach Redoxreaktion) muss in der Zelle gespeichert werden: Biochemische Energiespeicher ATP Coenzym A (Acetyl-CoA) P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG ATP Organismen brauchen fortwährend Energie für die Aufrechterhaltung von Ionengradienten, für die Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren und um energetisch ungünstige Reaktionen durchzuführen. ATP ist die generelle Energieeinheit des Stoffwechsels. Die Energie kann durch Hydrolyse (Spaltung unter Wasseraufnahme) des ATP in ADP und Phosphat freigesetzt werden. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biochemischer Energiespeicher In der Zelle laufen viele endotherme Reaktionen ab, die einen recht hohen Energiebetrag benötigen können: -32 kJ/mol P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biochemischer Energiespeicher Exotherme Reaktion treibt endotherme Reaktion an: Hydrolyse von ATP Die chemischen Bindungen zwischen den drei Phosphatgruppen sind sehr energiehaltig. Spaltet man eine solche Bindung, so wird ein hoher Energiebetrag freigesetzt, der dann eine endotherme Reaktion antreiben kann. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Hexokinase Biochemischer Energiespeicher P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biophysikalischer Energiespeicher P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biophysikalischer Energiespeicher P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Biophysikalischer Energiespeicher P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Transport über die Membran Spontaner Prozess der Ausbreitung von Stoffen einem Konzentrationsgradienten folgend Sekundärer Transport erleichterte Diffusion, Carrier-vermittelt: z.B. Kalium- Uniporter Gekoppelter Transport zweier Substanzen, Carrier- vermittelt: z.B. Laktose-Protonen Symporter Transport von zwei verschiedenen Molekülen in gegenläufiger Richtung, Carrier-vermittelt: z.B. Natrium-Protonen-Antiporter Primären Transport An eine chemische Reaktion gekoppelter Transport z.B. Protonenpumpe P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Protonenpumpe Protonenpumpe ist ein Transmembranprotein Pumpen Protonen gegen das Konzentrationsgefälle und gegen das elektrische Feld P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG ATP Synthetasen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Zusammenfassung Exergone und endergone Reaktionen Enzyme Redoxreaktionen: prosthetische Gruppen, Coenzyme Biochemische Energiespeicher: ATP, CoenzymA Biophysikalische Energiespeicher: Konzentrationsgradienten und Membranpotentiale Protonenpumpe und ATP Synthetase P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Abbau von Kohlehydraten P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Polysaccharid: Stärke/Glykogen Viele Bakterien können Glykogen als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen Glykogen/Stärke bis zu 50.000 Glucosebausteine sind α-1,4-glykosidisch geknüpft sind. Alle 8 bis 12 Glucose-Bausteine erfolgt eine weitere α-1,6-glykosidische Verknüpfung: → Verzweigung des Moleküls α-D-Glucose P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse Verbrauch von 2 ATP P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Glykolyse P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Das Einschleusen von anderen Zuckern in die Glykolyse Hexokinase P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Die Abbauwege des Pyruvat‘s Milchsäure anaerob aerob P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Oxidation des Pyruvats: Oxidative Dekarboxylierung Reaktion verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Überblick P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Citronensäurezyklus Acetylgruppe: P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Citronensäurezyklus Hauptaufgabe: viele H-beladene Coenzyme zu erzeugen, die anschließend ihre H- Atome in der aerobe Atmungskette unter großem Energiegewinn auf O2 übertragen werden P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Citronensäurezyklus Hauptaufgabe: viele H-beladene Coenzyme zu erzeugen, die anschließend ihre H- Atome in der aerobe Atmungskette unter großem Energiegewinn (3 ATP je NADH/H+ und 2 ATP pro FADH2) auf O2 übertragen werden P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Atmung Atmende chemoorganotrophe Mikroorganismen übertragen die bei der Oxidation organischer Verbindungen anfallenden Elektronen auf einen externen Elektronenakzeptor Sauerstoff dient als finaler Elektronenakzeptor Unter Aufbau der protonenmotorischen Kraft (pmf) werden die Elektronen weitergeben „Energetisierung“ der Zytoplasmamembran ATP Synthese P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG ATP Synthetasen P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Aerobe Atmung außen innen Atmung findet an der inneren Membran statt 2 H+ + 2 e− (= H2) + 1/2 O2 → H2O Knallgasreaktion Redoxpotential Vier hintereinander geschaltete Membrankomplexe: hohes negativ Bestreben, e- Komplex I: NADH Dehydrogenase, pumpt Protonen Elektronenfluss abzugeben Komplex II: Succinatdehydrogenase Komplex III: Cytochrom-bc1 Komplex, pumpt Protonen Komplex IV: Cytochromoxidase, pumpt Protonen positiv Die Elektronen werden von einem Komplex auf den anderen übertragen: Elektronentransportkette P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Aerobe Atmung Oxidation von NADH, Reduktion von Sauerstoff ist über eine elektrochemische Membranspannung mit der ATP-Synthese verbunden energiefreisetzende Redoxreaktionen werden dazu genutzt, Protonen gegen ein Konzentrationsgefälle über die Membran zu pumpen Die von den protonenpumpenden Komplexen transportierten Wasserstoffionen werden über eine ATP-Synthase zurücktransportiert Fluss der Protonen durch das Enzym wird zur Synthese von ATP ausgenutzt. P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Aerobe Atmung ursprünglich 4 ATP, 2 werden jedoch wieder investiert P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Aerobe Atmung Entspricht: 1162,8 KJ/Mol FADH2 liegt auf einem etwas höherem Redoxpotential als NADH2: Elektronen werden später in die Atmungskette eingeschleust  P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG anaerob Die Abbauwege des Pyruvat‘s aerob P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Gärung anaerobe Bedingungen: Sauerstoff als Elektronenakzeptor fehlt Oxidation von organischen Verbindungen, Zwischenprodukte dienen als Elektronenakzeptoren: Bildung von reduzierten Gärungsprodukten Wichtige Gärprodukte: Ethanol und Milchsäure (Lactat) Spezialisten: Buttersäuregärung durch Chlostridien Propionsäuregärung durch Propionibacterium …….. P A R I S - 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L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Homofermentative Milchsäuregärung Umsetzung von Glucose zu Milchsäure P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Heterofermentative Milchsäuregärung Hexose-Ketolase Weg Pentose-Ketolase Weg Glycerinaldehyd- phosphat Spaltung Spaltung  P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG anaerob Die Abbauwege des Pyruvat‘s aerob P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Alkoholische Gärung Wenn Sauerstoff fehlt, können die Mikroorganismen Glukose zu EtOH und CO2 abbauen Dabei wird weniger Energie in Form von ATP gewonnen, Regeneration von NAD+ hauptsächlich Hefearten: fakultative Anaerobier (wechseln zwischen aerobe Atmung und Vergärung je nach Vorhandensein von Sauerstoff) P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Alkoholische Gärung P A R I S - L O D R O N UNIVERSITY SALZBURG Zusammenfassung