Komplette Mitschrift Physiologie PDF, SS2023

Grundlagen der Physiologie SS2023 Inhaltsverzeichnis Vorlesung 1...........................................................................................................................................1-7 Die frühe Erde, der Ursprung und die Diversifizierung des Lebens Isotope von Kohlenstoffatomen Präbiotische Chemie Ein Modell für den Ursprung des zellulären Lebens Chemische Struktur von RNA – Nukleotiden Ribozyme Coenzym A – ein Relikt aus der RNA-Welt? Vitamin B12 – ein weiteres Relikt der RNA-Welt? dNTP-Synthese – ein weiteres Relikt der RNA-Welt? Warum ist die RNA-Welt verschwunden? Primitives Leben Acetyl-CoA-Signalweg Ein Stoffwechsel-Abfallprodukt verändert den Planeten: molekularer Sauerstoff Gabonionta Der Ozon-Schutzschild Der Pionier Bildung der eukaryotischen Zelle Vorlesung 2.........................................................................................................................................8-12 Kultivierung von Bakterien im Labor Arten des mikrobiellen Energiestoffwechsels Die Phototrophe Lebensweise Anoxygene Photosynthese Oxygene Photosynthese Das Chlorosom von Chlorobi und Chloroflexi Elektronenfluss in der anoxygenen Photosynthese Oxidations-Reduktions-Reaktionen Vorlesung 3.......................................................................................................................................13-17 Standard-Wasserstoffelektrode Der Redox-Turm Elektronenfluss in der anoxygenen Photosynthese Coenzym Q und Cytochrome Der Q-Zyklus – Erste Hälfte Der Q-Zyklus – Zweite Hälfte ATP-Synthase Erzeugung von Reduktionskraft in violetten Bakterien Sauerstoffhaltige Photosynthese Thylakoide in Cyanobakterien und Chloroplasten Sauerstoffhaltige Photosynthese Der Calvin-Zyklus Vorlesung 4.......................................................................................................................................18-21 Die umgekehrte (reduktive) Zitronensäure Kreislauf in grünen Schwefelbakterien Seven Ways for Autotrophic CO2-Fixation Photosynthese & Atmung Proteorhodopsine Chemoorganotrophe Organismen – Veratmung von Zucker Nicotinamide Adenine Dinucleotid (NAD) Die Atmungskette Chemolithotrophie: Energie aus der Oxidation von Anorganischen Elektronendonatoren Vorlesung 5.......................................................................................................................................22-24 Woher kommen anorganische Elektronendonatoren? Urease Aerobe Wasserstoffoxidation Oxidation von reduziertem Schwefel Verbindungen wie H2S, S0, S2O32- zu Schwefel oder Sulfat Eisenoxidation Nitrifikation Vorlesung 6.......................................................................................................................................25-26 Commamox Die anaerobe Lebensweise – Anaerobe Atmung Assimilatorische und dissimilatorische Nitratreduktion Anaerobe Oxidation von Ammonium => Anammox Vorlesung 7.......................................................................................................................................27-30 Sulfat Reduktion Acetogene Organismen Methanogene Organismen Fermentationen Fermentation Products Anaerobic food chain in the presence or absence of sulfate Ultra-simplified summary of catabolism & Anabolism Vorlesung 8.......................................................................................................................................31-32 Vom Molekül zur Physiologie Systembiologie: Von Genomik zu Physiologie Erwin Schroedinger Entropie Ludwig von Bertalanffy Zentrales Dogma der Biologie Metabolomics Genomsequenzierung Genomes Vorlesung 9.......................................................................................................................................33-35 Erdgeschichte und Evolution von Leben Endomembransystem Das Endomembransystem der eukaryotischen Zelle Ribosomen: Die Proteinfabriken der Zelle Das Endomembransystem der Zelle: Regulation und Teil des Stoffwechsels Mitochondrien und Chloroplasten: Kraftwerke der Zelle Das Cytoskelett – Organisation von Struktur & Aktivität Phototaxis – der Augenfleck von Chlamydomonas reinhardtii Vorlesung 10.....................................................................................................................................36-38 Assimilation – Tierphysiologie Zellwand - Biosynthese Zellwandproteine / Zellwand-Strukturproteine Komponenten der Zellwand-Grundsubstanz Lipid- Biosynthese Aminosäure- Biosynthese Katabolismus Vorlesung 11.....................................................................................................................................39-43 Der Katabolismus besteht aus 4 Stufen: Bereitstellung von ATP Aufbau vom mitochondrialen Atmungskomplex: Glykogen Energiefluss & Recycling in Ökosystemen Energieumsatz => Grund-, Leistungs- & Gesamtumsatz Grund- & Leistungsumsatz beim Menschen Respiratorischer Quotient Dissimilation Energiebedarf Leistungs- & Arbeitsumsatz Kleibers Gesetz Gleich- & wechselwarme Organismen Bewegung Vorlesung 12.....................................................................................................................................44-47 Hormone, Neurophysiologie, Human Brain Project Hormone Koordination und Integration des Stoffwechsels Lipoproteine Molekulare Basis der neuronalen Erregung Neuron Human Brain Project Lernkatalog.......................................................................................................................................48-49 Grundlagen der Physiologie -------------------------------Vorlesung 1------------------------------ Die frühe Erde, der Ursprung und die Diversifizierung des Lebens Entstehung der Erde (vor ca. 4,5 - 4,6 Milliarden Jahren) Die Erde und alle anderen Planeten entstanden aus einer scheibenförmigen Nebelwolke aus Staub & Gasen, die von der Supernova eines alten Sterns freigesetzt wurden. Ursprung des Wassers auf der frühen Erde Von vulkanischen Ausgasungen Von Kollisionen mit eisigen Kometen & Asteroiden Vor dem Abkühlen als Dampf vorliegen Die Entdeckung alter Sedimentgesteine zeigt, dass die Erde zum Zeitpunkt ihrer Entstehung kühl genug für die Kondensation von Wasserdampf war, die zur Bildung der frühen Ozeane führte. Berühmtes Beispiel: "Itsaq-Gneis-Komplex" in Grönland (3,86 Milliarden Jahre alt) Erste Hinweise auf mikrobielles Leben in Ausfällungen im Zusammenhang mit dem Meeresboden und hydrothermalen Quellen (3.770 Mio.- 4.280 Mio Jahre) Stromatolithen sind versteinerte mikrobielle Matten, die aus Schichten filamentöser phototropher Prokaryoten & eingeschlossenem Sediment bestehen. Älteste Stromatolithen, die für 3.700 Millionen Jahre alte Gesteine des Isua-Suprakrustalgürtels (ISB) im Südwesten Grönlands gemeldet wurden (aus einer flachen Meeresumgebung) Moderne mikrobielle Matten Querschnitt einer mikrobiellen Thermalmatte zeigt eine grüne Schicht aus photosynthetischen Zellen, einschließlich Synechococcus, an der Oberfläche. Moderne Stromatolithen Moderne Stromatolithen kommen vor allem in hypersalinen Seen & Meereslagunen vor, wo extreme Bedingungen die Beweidung von Tieren ausschließen. Shark Bay, Western Australia Fossile prokaryotische Mikroorganismen aus der Bitter Springs-Formation; ca. 1 Milliarde Jahre alt. 1 Isotope von Kohlenstoffatomen Isotopenfraktionierung Enzyme haben eine Präferenz für das leichtere Isotop. In diesem Fall C 12. Anhand des Verhältnisses von C 12 & C 13 der Probe & der Standartbedingungen kann Delta13C berechnet werden. Dieser Wert sagt aus, ob das gefundene Material biologisch ist oder nicht Die linke Darstellung listet diverse Delta Werte auf. Daran lässt sich deutlich erkennen, dass ozeanische Carbonate bestimmt nicht biologisch sind (Wert um 0) Ebenso kann man das Verhältnis der Schwefelwerte S 34 & S 32 heranziehen, um dies zu testen. Bedingungen auf der frühen Erde heiß und anoxisch Atmosphäre: Wasser, Methan, Kohlendioxid, Stickstoff und Ammoniak H2S, FeS, HCN + Spuren von H2 und CO Anfangs Erdoberfläche > 100 °C Erste selbstreplizierende Einheiten hyperthermophil? Präbiotische Chemie Warmer kleiner Teich – die Hypothese des Oberflächenursprungs Primitive Atmosphere: CH4, NH3, H2, H2O Nach 7 Tagen 10-15% des Kohlenstoffs in organischen Verbindungen (HCN, Aldehyde, Öl und Teer), 2% in Aminosäuren. Die Polymerisation von HCN kann Adenin & Guanin erzeugen. 2  Spontansynthese und Polymerisation von Biomolekülen, wenn reduzierende Atmosphären intensiven Energiequellen ausgesetzt sind UV-Strahlung (keine Ozonschicht um die frühe Erde); Wahrscheinlich am wichtigsten Blitzentladungen Radioaktivität Wärme durch Meteoriteneinschläge Thermische Energie aus vulkanischer Aktivität Von einem Bakterium zu einem Menschen zu gelangen, ist weniger ein Schritt als von einer Mischung von Aminosäuren zu einem Bakterium. — Lynn Margulis  Oberflächenursprung des Lebens unwahrscheinlich, aber was ist mit dem Untergrund – uralte Schlotsysteme... H2-Bildung durch Serpentinisierung: (Mg, Fe)2SiO4 + H2O + C → Mg3SiO5(OH)4 + Mg(OH)2 + Fe3O4 + H2 + CH4 + C2–C5 Als Serpentinisierung wird in den Geowissenschaften die Umwandlung von Olivin enthaltenden Gesteinen zu Serpentiniten, bzw. die Bildung von Serpentin-Mineralen aus Olivinen bezeichnet. Ausfällung von FeS, Karbonaten, Montmorillonitton etc. Heutige Hydrothermalquellen Black Smokers: pH 2-3; Temp. bis 405°C; H2; CO2, H2S-reich Verlorene Stadt Hydrothermalquellen pH 9-11; Temp. 40- 91°C; H2; CH4, kein CO2 Ein Modell für den Ursprung des zellulären Lebens Semipermeable, membranartige FeS-Strukturen, die die Bildung von Redox- und pH-Gradienten ermöglichen Die ersten Lebensformen könnten selbstreplizierende RNAs gewesen sein (RNA-Leben). Diese waren sowohl katalytisch als auch informativ. Schließlich wurde die DNA zum genetischen Speicher der Zellen, und das dreiteilige System - DNA, RNA und Protein - wurde unter den Zellen universell. 3 Chemische Struktur von RNA – Nukleotiden Ribose unter alkalischen Bedingungen sehr instabil, wird aber stabilisiert, wenn Boratmineralien vorhanden sind. P-haltige Mineralien mit geringer Löslichkeit – Schreibersit aus Meteroiten setzt jedoch Pyrophosphat bei Raumtemperatur in Wasser frei. Was diente als Katalysator für die spontane Synthese von Makromolekülen aus organischen Vorläufern? Wie wurde ihre Konzentration gefördert? Mineralische Oberflächen entscheidend für die Konzentration Verdunstung von Gezeitentümpeln, Konzentration im Eis durch eutektische Schmelzen, riesige Ölteppiche Adsorption an Ton- oder Pyritoberfläche (FeS2) Synthese und Akkumulation von Makromolekülen auf einer Oberfläche → organischen Filmen Entstehung primitiver, sich selbst replizierender Strukturen Katalyse durch Montmorillonitton-Ton (Laborexperiment) Montmorillonit bildet sich hydrothermal durch Reaktion der Minerale und Glasbestandteile in vulkanischen Tuffen, Aschen und Bentoniten mit wässrigen Lösungen. Als Tonbestandteil ist er vor allem in tropischen Böden und in der Tonmineralfraktion der Tiefseeböden zu finden. Ribozyme Ein Ribozym (von Ribonukleinsäureenzym, auch RNA- Enzym oder katalytische RNA genannt) ist ein RNA-Molekül, das eine chemische Reaktion katalysiert. Während die Idee einer RNA-Welt seit den 1960er Jahren existierte, wurde die Entdeckung der ersten Ribozyme (Gruppe I-Introns; RNaseP) in den 1980er Jahren Viele natürliche Ribozyme katalysieren entweder die Hydrolyse einer ihrer eigenen Phosphodiesterbindungen oder die Hydrolyse von Bindungen in anderen RNAs, aber es wurde auch festgestellt, dass sie die Aminotransferaseaktivität des Ribosoms katalysieren. Forscher, die den Ursprung des Lebens untersuchen, haben im Labor zwei Ribozyme hergestellt, die in der Lage sind, die Synthese des jeweils anderen zu katalysieren Katalytisch aktive RNA steckt in jeder Zelle – den Ribosomen Bei Prokaryoten gibt es die 23S, 5S & die 16S RNA. Bei Eukaryoten wird dies anders eingeteilt. Die 23S RNA ist katalytisch aktiv. Coenzym A – ein Relikt aus der RNA-Welt? Kommt in allen Bakterienzellen vor. Hat ein RNA Rückgrat, wo das Coenzym dranhängt. 4 Vitamin B12 – ein weiteres Relikt der RNA-Welt? Hier unten findet sich auch ein RNA-Molekül. dNTP-Synthese – ein weiteres Relikt der RNA-Welt? DNA wird aus RNA gebildet. Die Ribunucleotidereductase wandelt die RNA in DNA um. Zuerst gab es die RNA & erst danach ist das Enzym zu Bildung der DNA entstanden. Warum ist die RNA-Welt verschwunden? DNA ist stabiler als RNA, da das 2'O der Ribose ein sehr reaktives Atom ist, das die Phosphodiesterbindung angreifen kann Die Desaminierung von Cytosin in Uracil (eine häufige spontane chemische Reaktion) kann in der DNA repariert werden, aber nicht in der RNA (aus offensichtlichen Gründen!). DNA bietet eine stabilere genetische Kodierung als RNA, da RNA-Polymerasen weniger genau sind als DNA- Polymerasen Proteine zeigen eine höhere katalytische Spezifität als RNAs Primitives Leben Energie- und Kohlenstoffstoffwechsel Die ersten Zellen die mit einem Enzym Wasserstoff oxidieren können. Elektronen gelangen durch die Membran nach innen & binden dort an Schwefel, welcher durch ein Enzym zu Schwefelwasserstoff wird. Der Schwefelwasserstoff diffundiert nach außen & reagiert dort mit Mineralien & bildet dadurch Wasserstoff nach. 5 Acetyl-CoA-Signalweg Der braune Bereich stellt die anoxischen Jahre der Erde dar. Erst ab dem Übergang von braun zu blau gab es Sauerstoff auf der Erde. Ein Stoffwechsel-Abfallprodukt verändert den Planeten: molekularer Sauerstoff Produziert von Cyanobakterien, die vor ca. 2,7 Milliarden Jahren entstanden sind Anfangs keine Sauerstoffanreicherung in der Atmosphäre, bedingt durch reduzierende Substanzen (FeS; FeS2) in den Ozeanen; erst nach dem Verzehr von Fe2+ reichert sich Sauerstoff in der Atmosphäre an Fe2+ wurde zu Fe3+ oxidiert. Eisen bildete verschiedene Eisenoxide, die sich als Banded Iron Formation (BIF) ansammelten Gebänderte Eisenformationen Klippe ca. 10 m hoch. Eisenoxide, die mit Eisensilikaten und anderen Silikaten durchsetzt sind. Die Gesamtmenge an Sauerstoff, die in den gebänderten Eisenbetten eingeschlossen ist, wird auf das Zwanzigfache des Sauerstoffvolumens geschätzt, das in der modernen Atmosphäre vorhanden ist. Sauerstoffversorgung der Atmosphäre: Neue Stoffwechselvorgänge und der Ozonschild Aerobe Organismen erzeugen mehr Energie aus der Oxidation organischer Verbindungen als Anaerobier Größere Populationen Auftreten von Organellen, die Eukaryoten enthalten Explosion in der Geschwindigkeit der Evolution Sauerstoff hat aber auch negative Auswirkungen z.B. auf Nitrogenase, Rubisco und sogar auf PSII. Gabonionta Früheste Form möglicherweise mehrzelligen eukaryontischen Lebens auf der Erde; 2,1 Milliarden Jahre Der Ozon-Schutzschild In der Stratosphäre: O-Bildung aus O2 durch kurzwellige UV-Strahlung = Photodissoziation; O2 +O => O3 O3 absorbiert UV-Strahlung mit Wellenlängen bis zu 300 nm Starke UV-Strahlung verursacht DNA-Schäden → erst nach Bildung des Ozonschildes könnte sich Leben in nicht UV-geschützten Umgebungen entwickeln UV-Absorption durch Ozon UV-A: 380−315 nm, 3.10−3.87 eV UV-B: 315−280 nm, 3.87−4.43 eV UV-C: 280−100 nm, 4.43−6.20 eV Der Pionier Carl Woese (Crafoord-Preisträger 2003) Hat den Preis für die Entdeckung der dritten Form des Lebens erhalten. → Archaeen 6 Bildung der eukaryotischen Zelle Bakterielle Endosymbionten, die Vorfahren der Mitochondrien + Chloroplasten Belege für die Endosymbiosen-Theorie: Mitochondrien und Chloroplasten mit kleinen kreisförmigen Genomen; 16S-rRNA-Gene bakteriellen Ursprungs in diesen Organellen; Organellen besitzen bakterielle Ribosomen; Organellare Ribosomen werden durch die gleichen Antibiotika gehemmt wie bakterielle Ribosomen Hypothese I: Kernbildung vor Hypothese II: Zellkernbildung nach Aufnahme des Endosymbiosenereignissen, die zu Mitochondrien und mitochondrialen Vorfahren. Lipidbiosynthese-Gene, die Chloroplasten führen. Kann nicht erklären, warum auf den Wirt übertragen werden. Kernbildung, um ein Eukarya und Bakterien ähnliche Lipide haben. größeres Genom besser handhaben zu können Ablauf der Endosymbiose 7 -------------------------------Vorlesung 2------------------------------ Kultivierung von Bakterien im Labor Abstrich wird auf einem Nährmedium verteilt & die Bakterien wachsen zu Kolonien an. Exponentielles Wachstum. Prokaryoten - Geringe Kultivierbarkeit Viele Bakterien lassen sich schlecht bis gar nicht kultivieren. Lange Zeit war dies allerdings die einzige Möglichkeit, um Bakterien festzustellen und zu bestimmen. Dadurch waren Mikrobiologen lange Zeit blind für viele Mikroben. Die Entdeckungszeit – von 12 auf 100 Stämme in 20 Jahren Jeder Strich stellt 1000de Spezies dar. 1997 kannte man 12 Bakterien, welche alle kultivierbar waren. Nach 20 Jahren sind es bereits 100. Die blauen Linien stellen die kultivierbaren & die grünen dich nicht kultivierbaren Bakterien dar. Die Entdeckung dieser neuen Bakterien lässt sich nicht mit rezenten Tierart Entdeckungen vergleichen. Viel mehr kann man es wie die Entdeckung der Vertebraten interpretieren. Mikrobielle Häufigkeit - ein Vergleich Ein Gramm Erde beherbergt etwa >1.000.000.000 Zellen >100.000 mikrobielle Spezies Menschen auf der Erde (Mär 2023) 8.020.738.572 „Eine Tonne Erde enthält mehr Bakterienzellen als die Anzahl der Sterne in unserer Galaxie“ Verborgene Kräfte von Mikroben Sanierung (Abfallwirtschaft) Energieerzeugung (Wasserstoff, Methan) Stoffumwandlung (Biopolymere, Feinchemikalien) Globale Gesundheit ( Gleichgewicht der Elemente & der Puls des Planeten) Diese Kräfte können wir nun mit Hilfe der molekularen Mikrobiellen Ökologie nutzen. Bakterien im und auf dem Menschen Ein Mensch besteht aus mehr Bakterienzellen als menschliche Zellen 500-1000 Bakterienarten besiedeln unseren Darm und beeinflussen unseren Immunstatus Die Mundhöhle beherbergt mehr als 600 Bakterienarten Metabolismus Schutz Vitaminsynthese Stimulation des Immunsystems Abbau schädlicher Verbindungen Abwehr von Krankheitserregern Fermentation unverdaulicher Substanzen Energiegewinnung Krankheiten, die mit der Zusammensetzung von Darmmikrobiomen assoziiert sind Allergien Fettleibigkeit Typ-2-Diabetes Darmkrebs entzündliche Nackenerkrankungen Autismus, Depression, Angstzustände 8 Faktoren, die die Zusammensetzung und Funktion des Mikrobioms beeinflussen Arten des mikrobiellen Energiestoffwechsels Man unterscheidet im ersten Schritt zwischen Chemo- & Phototrophen Organismen. Die Phototrophen Organismen spalten sich dann noch in Photoautotrophe & Photoheterotrophe Organismen. Die Chemotrophen Lebewesen unterscheiden sich in Chemolithotrophe & Chemoorganotrophe Organismen. Die Chemolithotrophen Organismen kann man dann nochmal in Chemolithoautotrophe & Mixotrophe Organismen unterscheiden. Alle Organismen Chemotrophe Phototrophe (nutzt an-/organische Substanzen) (Licht als Energiequelle) Chemolithotroph Chemoorganotroph (nutz anorganische Substanzen) (nutz organische Substanzen) Photoautotrophe Photoheterotrophe Chemolithoautotroph Mixotroph C=CO2 C= organic C=CO2 C=organisch Katabolismus: Schaffung von Unordnung in einer Zelle; Meist exergonische Reaktionen. Herstellung einfacherer, energiearmer Endprodukte (CO2, H2O, NH4 + ). Einfangen freier Energie entweder direkt als ATP oder in Form eines reduzierten Coenzyms (NAD(P)H, FADH) Anabolismus: Biosynthese. Neue kovalente Bindungen werden gebildet. Die Ordnung in der Zelle wird erhöht. Energie und reduzierende Äquivalente werden von ATP und NADPH bereitgestellt Die Phototrophe Lebensweise Phototrophe Organismen wandeln Lichtenergie in chemische Energie für das Wachstum um Photosynthese ist die Reduktion von CO2 in Biomasse unter Verwendung von Energie, die aus Licht gewonnen wird. Für die biologische CO2-Reduktion werden sowohl ATP als auch Elektronen benötigt, die als NADPH oder reduziertes Ferredoxin bereitgestellt werden können 9 Alle photosynthetischen Bakterien sind phototroph, aber nicht alle phototrophen Bakterien sind photosynthetisch Photochemische Reaktionszentren, die (Bakterio-) Chlorophyll enthalten → Rhodopsine Phototrophe (Licht als Energiequelle) Photoautotrophe Photoheterotrophe C=CO2 C= organic Diversität phototropher Mikroorganismen mit photochemischen Reaktionszentren Proteobakterien: violetter Schwefel (𝛾) und violetter Nicht-Schwefel (𝛼, 𝛽) Bakterien Chloroflexi: filamentöse anoxygene Phototrophe (= grüne Nicht-Schwefelbakterien) Chlorobi: Alle Mitglieder sind photoautotrophe, grüne Schwefelbakterien Firmicutes: Heliobakterien – photoheterotrophe Endosporenbildner Acidobakterien: "Candidatus Chloracidobacterium thermophilum" Gemmatimonadetes: Gemmatimonas phototrophica, photoheterotroph Cyanobakterien: Alle Mitglieder sind photoautotroph Anoxygene Photosynthese Licht wird genutzt, um chemische Energie aufzubauen. In der oberen Abbildung handelt es sich nur um eine Art der Phototrophen Organismen → anoxygene. Das bedeutet sie produzieren keinen Sauerstoff als Abfallprodukt. Hier handelt es sich um die evolutionär älteren Organismen. Anaerobe und aerobe anoxygene Photosynthese in Purpurbakterien Bei den meisten photosynthetischen Purpurbakterien ist der Photosyntheseapparat unter aeroben Bedingungen heruntergeregelt → anaerobe anoxygene Photosynthese Einige violette Bakterien (z.B. Roseobacter) können BChl unter anaeroben Bedingungen nicht nutzen und führen nur unter aeroben Bedingungen einen effizienten photoinduzierten Elektronentransfer durch => aerobe anoxygene Photosynthese Oxygene Photosynthese Oxygene Organismen nutzen keinen Wasserstoff oder ähnliche Moleküle zur Energiegewinnung. Sie nutzen Wasser als Elektronendonator. Somit konnten die Cyanobakterien überall Leben wo Licht & Wasser ist. 10 Photosynthetische Pigmente und ihre Position in der Zelle Chlorophyll a → in Cyanobakterien, den meisten Algen & grünen Pflanzen Bakteriochlorophyll a → in anoxygenen Phototrophen Organismen Cytochrome sind ebenfalls Porphyrine, besitzen aber ein Eisenatom in der Mitte Absorptionsspektrum Chlorophyll a Bacteriochlorophyll a  Absorptionsspektrum von Chlorophyll – deshalb sind Pflanzen grün  Phototrophe Mikroben haben verschiedene Arten von internen Membransysteme wie Thylakoid-Membranen (Cyanobakterien) oder Einstülpungen von zytoplasmatische Membranen (violette Bakterien) Chloroplasten und photosynthetische Membranen Pflanzen und Algen besitzen Chloroplasten Phototrophe Mikroben haben verschiedene Arten von inneren Membransystemen wie Thylakoidmembranen (Cyanobakterien) oder Einstülpungen von zytoplasmatischen Membranen (violette Bakterien) Antennenpigmente und Reaktionszentrum Pigmente befinden sich in der Membran, die mit Proteinen assoziiert sind. Zubehör-Pigmente Phycobiline (Lichternte) in Cyanobakterien und Rotalgen Antennenpigmente Allophycocyanin, Phycoerythrin, Phycocyanin Carotinoide (Lichtschutz und Lichtgewinnung) bei allen Phototrophen hydrophob, membraneingebettet absorbieren blau oder blaugrün, sind gelb-bräunlich oder grün Schädigung durch toxische Sauerstoffspezies 11 Das Chlorosom von Chlorobi und Chloroflexi Elektronenfluss in der anoxygenen Photosynthese Nur ein Photosystem zyklische Photophos-phorylierung Negatives Reaktionspotential bedeutet, dass Elektronen gerne abgegeben werden. Positives Reaktionspotential bedeutet, dass Elektronen gerne aufgenommen werden. Das Reaktionszentrum violetter phototropher Bakterien – Anordnung der Pigmentmoleküle Anregung von Reaktions- und Elektronentransfers im Reaktionszentrum dauert weniger als eine Milliardstel Sekunde Struktur des Reaktionszentrums in violetten Bakterien Oxidations-Reduktions-Reaktionen Reduktion: Gewinn von Elektronen Oxidation: Verlust von Elektronen 12 -------------------------------Vorlesung 3------------------------------ Standard-Wasserstoffelektrode Fein verteilte Oberfläche Platin-Elektrode. HCL-Lösung mit [𝐻+]= 1 H2 p= 1 atm blubbern über die Elektrode. H2 absorbiert an Platin und bildet das Äquivalent einer "festen Wasserstoff"- Elektrode im Gleichgewicht mit H+ Platin – Gaselektrode, H2 Elektrode H2 ↔ 2 H+ + 2e-E 0 = 0.00V Metall – Metallionen Elektrode Cu²+ + 2e- ↔ Cu E0 = 0.34 V Die Standardwasserstoffelektrode (engl. Standard Hydrogen Electrode, kurz SHE) ist auf eine Ionen- Aktivität von 1 mol/l und einem Wasserstoff-Druck von 1013 hPa bei jeder Temperatur normiert. Sie dient zunächst wie jede Bezugselektrode dem Zweck, ein genau definiertes Potential zu liefern. Der Redox-Turm E°' = Reduktionspotential des Redoxpaares (bei Standardbedingungen und pH 7) ΔG°' = Änderung der freien Energie unter Standardbedingungen (1 M von Produkten und Reaktanten, 25 °C, 1 atm, pH 7) ΔG°' theoretisch für die ATP-Synthese erforderlich = -32 kJ Istwert ΔG höher = - 55-60 kJ Abhängigkeit des Redoxpotentials von der Konzentration der reduzierten und oxidierten Verbindung Elektronenfluss in der anoxygenen Photosynthese Nur ein Photosystem zyklische Photophosphorylierung PMF → Proton Motive Force / protonenmotorische Kraft Das Licht wird von den Antennenpigmenten eingefangen und zum Reaktionszentrum gebracht P870. Dieses wird vom Licht angeregt und wird zum Elektronendonator und gibt es in den Quinonepool ab. Dann kommt es zu einer Ladungstrennung. Das Elektron wird rausgeschlagen und dadurch wird es positiv. Dadurch entsteht ein Protonengradient (PMF), welcher wie eine Batterie das System am Laufen hält. 13 Coenzym Q und Cytochrome Chinon → ist überall vorhanden, wo Elektronentransport eine rolle spielt. es kommt in drei verschiedenen oxidationsformen vor. Kann Elektronen & Protonen aufnehmen Cytochrom → dient als Elektronen Überträger Der Q-Zyklus – Erste Hälfte Reaktionszentrum wird aktiviert mit Licht, Elektronen werden herausgeschlagen und oxidiert, weil es ein negatives Redoxpotential hat. Es gibt dann über das Bacteriophaeophytin Elektronen letztendlich an den Quinonen-Pool ab und wenn das Quinon reduziert wird, werden Protonen von Innen aufgenommen und dieses reduzierte Quinon schwimmt dann zum bc1-Komplex. Dieser enthält das Cytochrom b (Transmembranprotein mit 2 Hämgruppen) und ein Eisen-Schwefel-Protein (Rieske-Protein) und ein Cytochrom c1. An der QP-site bindet ein reduziertes Quinon und gibt ein Elektron an das Eisen-Schwefel-Rieske ab. Dieses Elektron fällt dann entlang des Redoxpotentials zum Cytomchrom c1 und reduziert dann ein Cytochrom c2 -> Fe3+ wird zu Fe2+. Das zweite Elektron reduziert das Cytochrom bL und das Cytochrom bH und von hier aus reduziert es ein oxidiertes Ubiquinon zum Semiquinon. In der ersten Halbreaktion wird ein reduziertes Ubiquinon reduziert. Die 2 Protonen, die es mit sich trägt, werden auf die positive Seite abgegeben. Ein Elektron geht zum Cyt c2, das andere fängt an auf der Innenseite (negativ) ein Ubiquinon halb zu reduzieren -> Semiquinon. Der Q-Zyklus – Zweite Hälfte Summe: QH2 + 2 Cyt cox + 2 H+ N → Q + 2 Cyt cred + 4 H+ P Es bindet wieder ein reduziertes Ubiquinon an die QP-site – es werden also wieder 2 Protonen nach außen abgegeben, sodass in Summe 4 Protonen nach außen abgegeben wurden – und passiert genau dasselbe wieder wie in der ersten Hälfte. Das andere Elektron reduziert das Semiquinon wieder zum komplett reduzierten Ubiquinon und dabei werden 2 Protonen aus der Innenseite aufgenommen 14 ATP-Synthase Durch bc1-Komplex gelingt es also diesen anoxygenen phototrophen Mikroorganismen einen Protonengradienten über die Cytoplasmamembran aufzubauen und dieser Protonengradient wird dann von der ATPase verwendet, um ADP zu phosphorylieren und ATP aufzubauen. Somit ist letztlich Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt worden. Zusammenfassung des Elektronenfluss der anoxygenen Photosynthese Elektronen fließen freiwillig (ohne Energieaufwand) vom negativen Medium zum positiven. Bei der Aktivierung des Reaktionszentrum wird das Redoxpotential sehr negativ. Die Elektronen fallen dann dem Reduktionspotential entlang runter in den Quinonen-Pool. Es werden 2 Protonen aufgenommen, um das Quinon zu reduzieren. Und dann am bc1-Komplex kommts dann zur Protonen- Translokation nach außen (4 Protonen werden nach außen abgegeben und 2 werden aufgenommen). Letztlich wird dieser Protonengradient ausgenutzt, um ATP aufzubauen. Elektronen laufen im Kreis Szent-Gyorgi erhielt 1937 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin. Er war der erste, der Vitamin C isolierte. Seine Entdeckungen lieferten die Grundlage für die Entdeckung des "Zitronensäurezyklus", der Substratreaktionen des oxidativen Stoffwechsels. Erzeugung von Reduktionskraft in violetten Bakterien Allerdings braucht ein Organismus, um von Licht leben zu können und Biomasse aufzubauen, CO2. Dazu muss das CO2 reduziert und in organisches Material überführt werden. Dazu wird ATP und Reduktionskraft (Elektronen auf einem gewissen Redoxpotentialniveau, die auf kleine Transportmoleküle geladen werden) gebraucht. Die Transportmoleküle sind NAD(P)H. Anoxygene Phototrophen Organismen nehmen Elektronen aus diesem cyclischen Elektronenfluss heraus, um NADP zu reduzieren. Dafür müssen manche von ihnen Energie aufbringen (Purpurbakterien). Wie man Elektronen nachfüllen kann: Arsen 3 zu Arsen 4. Complex 1 erhält Elektronen vom Quinonen-Pool und transferiert dies auf NADPH, um es zu reduzieren. Dafür muss ein Teil des Protonengradients geopfert werden, der nicht von der ATPase zur Herstellung von ATP verwendet werden kann. Anoxygener phototropher Organismus: Zuerst Elektronen Kreislauf. Licht fällt ein, aktiviert Reaktionszentrum, gelangt in den Chinon Pool, es entsteht ATP. Reverser Elektronenfluss reduziert NAD zu NADH+. Nicht alle anoxygenen phototrophen Mikroorganismen benötigen einen „reverse electron flow“. (Chloroflexi, green sulfur bacteria, Heliobacteria) Two Different Types of Photosystems in Anoxygenic Phototrophs Photosysteme der Cyanobakterien sind evolutionär aus diesen beiden Typen hervorgegangen. 15 Ferredoxin ist direkter Elektronendonator für die CO2-Reduktion im umgekehrten Zitronensäurezyklus. Es gibt (wenige) symbiotische Assoziationen von anoxygenen Phototrophen Heterotrich-Wimperntierchen Pseudoblepharisma tenue mit Purpurbakterien- und Grünalgensymbionten Cyanobakterien sind an vielen Symbiosen beteiligt einige tropische Blattflechten Hornmoose Palmenfarne (Cycadaceae) Blütenpflanze Gunnera tropischer Wasserfarn Azolla Cyanobakterien, Algen, Grünpflanzen => Nutzen Wasser als Elektronen Donatoren. Sauerstoffhaltige Photosynthese Z-Schema: Kombiniert zwei Photosysteme. Sie nehmen Wasser als Elektronendonor & oxidieren das Wasser zu Sauerstoff und geben diesen an die Umwelt ab. Dann wird das Photosystem II angeregt und das Elektron fällt „hinunter“ aber nicht cyclisch, sondern auf das Photosystem I & wird dort nochmals angeregt. Dadurch wird das potential so niedrig, dass NADP direkt reduziert werden kann. Thylakoide in Cyanobakterien und Chloroplasten Thylakoide sind durch Einfaltung entstanden. Bislang war es so, dass die ATPase sich innen & die Protonen außen befanden. Durch die Einfaltung liegt die ATPase nun außen & die Protonen innen. An der Cytoplasmamembran ist das genau umgekehrt. Sauerstoffhaltige Photosynthese Wasser wird gespalten Elektronen kommen zum Antennenkomplexe, Licht wird gefangen gelangen zum reaktiven Zentrum, das Dimer aus Chlorophyll a wird angeregt gibt Elektronen ab zum Chinonpool, asymmetrische Protonentransport über die Membran der dann Entscheidend ist, um ATP zu generieren, CF steht dann für Coupling Factor eigentlich ist es die ATPase die aus der Protonengradient Energie bekommt, es sind zwischen 3 & 4 Protonen, die man braucht um einen ATP zu generieren. Also Licht, Elektronen, Pool, Protonen BC 1 oder BF 6 Protonen Cut, werden zum zweiten Foto System weitergeleitet, dann wird der zweite Antennenkomplexe angeregte, Elektronen inzwischen so Elektronegativ im Redoxpotential, das sich direkt das Ferredoxin reduzieren kann, Ferredoxin wird reduziert und das kann direkt zum NADPH und dann habe ich alles, was ich brauche, dann habe ich NADP und ATP und kann damit beginnen CO2 zu fixieren 16 Kopplung von lichtabhängigen Reaktionen und CO2-Fixierung NADPH & ATP an der Außenseite, damit wird im Calvin Cyklus aus CO2 Zucker gemacht. Der Calvin-Zyklus Aufgabe ist es aus CO2 Zucker aufzubauen. RUBISCO wird in hohen Mengen benötigt, da es sehr ineffizient ist. Es hängt das CO2 Phosphorglycerat. Dieses wird durch ATP aktiviert zum 1,3 Phosphorglycerat. Anschließend Reduktion zu Glycerinaldehyd-3- Phosphat aus welchem die Synthese zu Zucker erfolgt. Um ein Molekül Zucker zu generieren, benötigt man 6 CO2 Moleküle, 18 ATP Moleküle & 12 reduzierte NADP. Phosphoribulokinase macht aus dem Ribulose-5-phosphat zu Ribulosebisphosphat. Carboxysomen erhöhen die Menge an Rubisco und konzentrieren CO2 Carboanhydrase: H2CO3 → CO2 + H2O Rubisco Findet man in einigen Calvin-Zyklus betreibenden Organismen. Dienen zur Leistungssteigerung von RUBISCO 17 -------------------------------Vorlesung 4------------------------------ Die umgekehrte (reduktive) Zitronensäure Kreislauf in grünen Schwefelbakterien Seven Ways for Autotrophic CO2-Fixation The Calvin Cycle (not sensitive to oxygen and light) Reverse Citric Acid Cycle (oxygen sensitive but exceptions) Reductive Acetyl-CoA pathway (extremely oxygen sensitive) 3-Hydroxypropionate Bicycle (only in Chloroflexus, not oxygen sensitive but UV-A sensitive) 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle (not oxygen sensitive; in aerobic Crenarchaeota) Modified 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle (not oxygen sensitive, in Thaumarchaeota) Dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle (extremely oxygen sensitive, in archaeon Ignicoccus hospitalis) Photosynthese & Atmung Archaeen sind nicht photosynthetisch aktiv! Allerdings haben sie Bakterienrhodopsine. Diese sind Membranproteine mit einem eingelagerten Pigment. Sie können so Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Lichtbetriebene ATP-Erzeugung durch Halobacterium (ein Archaeon!) 18 Proteorhodopsine Viele Bakterien im offenen Ozean enthalten Proteorhodopsine Im Ozean leben oxygene phototrophe Organismen -> Primärproduzenten Ebenso anoxygene und aerobe phototrophe Organismen Chemoorganotrophe Organismen – Veratmung von Zucker In Summe: Glukose wird abgebaut zu CO2 und H2O. dabei entsteht auf direkte und dann über die Elektronentransportkette auf indirekte Art und Weise ATP und es entsteht reduziertes NAD und FAD (bringen Elektronen zur Elektronentransportkette). Glykolyse … auch Embden-Meyerhof-Parnas Stoffwechselweg genannt. Hier sind mindestens 10 Enzyme beteiligt. Mikroorganismen haben 3 Zuckerabbauwege, unter anderem die Glykolyse. Letztlich wird Glukose in Pyruvat umgewandelt und es entstehen 4 ATP. Pyruat dehydrogenase complex Im nächsten Schritt der durch den PDC katalysiert wird, wird das aus der Glykolyse entstandene Pyruvat in Acetyl Co-A und CO2. Dieser PDC besteht aus 3 Enzymen, die zusammen agieren.  Acetyl Co-A wird über den Zitronensäurezyklus/Krebszyklus oxidativ abgebaut. 19 Schema: Glukose unten links, wird über die Glykolyse abgebaut zu Pyruvat. Das Pyruvat wird dann zum Acetyl Co-A umgewandelt und Acetyl Co-A wird im Zitronensäurezyklus abgebaut. Am Ende ist die ganze Glukose umgewandelt in CO2 und H2O und Elektronen werden auf Elektronencarrier geladen, die reduziert sind (NAD, FAD). Diese bringen die Elektronen zur Atmungskette, die aus verschiedenen Komplexen besteht, und die Elektronen sausen über diese Komplexe bis zum Sauerstoff, der dann zu Wasser reduziert wird. Sinn ist, den Protonengradienten aufzubauen und mithilfe dessen die ATPase anzutreiben. Nicotinamide Adenine Dinucleotid (NAD) = Hauptoxidationsmittel der Zelle. Es übertragt Elektronen und Wasserstoff auf die Atmungskette. Neben NAD gibt es auch noch NADP. H2PO3 anstelle von H! In der Zelle viel mehr NADH als NAD -> damit kann das Redoxpotential dieser Halbreaktion positiver werden. Im Gegensatz das Verhältnis von NADPH zu NADP groß (viel größer als 1), also vielmehr NADPH als NADP -> negativeres Redoxpotential -> mehr Verbindungen können reduziert werden! NADH/H+ wird an der Atmungskette dann wieder oxidiert und gewonnene Elektronen werden hergenommen, um ATP zu produzieren. NADPH/H+ wird hergenommen, um in biosynthetischen Prozessen Elektronen für Reduktionen in der Zelle zur Verfügung zu stellen. Die Atmungskette Das reduzierte NAD (also NADH) dockt am Complex I an und gibt seine Elektronen ab. Complex I reicht dann die Elektronen weiter an den Quinonen-Pool (Complex II wird kurz vergessen). Von da geht’s zum Complex III: hier werden die Elektronen von Quinonen-Pool zum Cytochrom c im Periplasma weitergereicht. Dabei kommts zur Protonentranslokation über den Q-Zyklus. Cytochrom c bringt Elektronen dann zum Complex IV (=Endoxidase) und dieser Komplex gibt die Elektronen an den Sauerstoff ab, der der terminale Elektronenakzeptor ist => dieser wird dann zu Wasser reduziert. Viele dieser Endoxidasen sind auch Protonenpumpen und translozieren Protonen nach außen. Complex II spielt beim Transport der Elektronen von NAD bis zum Sauerstoff über alle Komplexe keine Rolle, aber er ist Teil des oxidativen Zitronensäurezyklus (bei der Umwandlung von Succinat zu Fumarat werden die freiwerdenden Elektronen direkt in den Quinonen-Pool hineintransferiert) 20 Protonengradient = ist ein elektrochemischer Gradient, der die ATP-Synthese antreibt und es ermöglicht, dass ATP generiert werden kann. Chemolithotrophie: Energie aus der Oxidation von Anorganischen Elektronendonatoren Die meisten Chemolithotrophen sind autotroph, einige benötigen jedoch eine organische Verbindung als C-Quelle Reduzierung der direkt aus der anorganischen Verbindung erzeugten Energie oder durch umgekehrte Elektronentransportreaktionen – hängt davon ab, ob die Reduktionspotential ausreichend gering ist. Chemolithotrophe sind das Herzstück der meisten biogeochemischen Stoffkreisläufe 21 -------------------------------Vorlesung 5 ------------------------------ Woher kommen anorganische Elektronendonatoren? + metabolische Endprodukte von Anaerobiern: H2S; Fe(II), H2 usw. Urease Die Urease ist das Enzym, das Harnstoff in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid bzw. in Ammonium- und Carbonationen spaltet; da die Reaktion in wässriger Lösung stattfindet, entstehen zum Teil auch Hydrogencarbonat-ionen Aerobe Wasserstoffoxidation  Knallgas Reaktion: Die Knallgasreaktion ist eine exotherm und detonationsartig ablaufende Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff und verläuft mit einer Detonationsgeschwindigkeit von 2820 m/s. Hydrogenase sitzt in Membran & oxidiert H2 zu Protonen o Dabei werden 2 Protonen frei, die auf Quinon-Pool übertragen werden => dann Atmungskette Wasserstoff wird oxidiert, wodurch NADH entsteht & dann im Calvin Zyklus Zellmaterial o Viele wachsen aber auch als Chemoorganotrophe Oxidation von reduziertem Schwefel Verbindungen wie H2S, S0, S2O32- zu Schwefel oder Sulfat Farblose Schwefelbakterien grüne und violette Schwefelbakterien Oft ist Schwefel ein Zwischenprodukt Interne Schwefelablagerungen als Energiespeicher Viel am Meeresboden Externer elementarer Schwefel als Elektronendonor erfordert Adhäsion Riftia/Riesenröhrenwürmer leben am Meeresboden durch Symbiose mit Bakterien, die Schwefelwasserstoff oxidieren; haben Trophosom statt Darm, der voll von diesen Bakterien ist o Viele andere Tiere harbos chemolithorophische H2S-Oxidationsmittel als Symbionten Kabelbakterien => Elektronentransport über cm 3 Wege zur Sulfidoxidation Es gibt verschiedene Wege um H2S zu oxidieren 1. KEIN Sulfit als Zwischenschritt 2. Sulfit über Sulfitoxydase oxidiert 3. Sulfit über APS reductase oxidiert 22 Sergei Winogradsky (1856-1953) Entwicklung des Konzepts der Chemolithotrophie durch die Untersuchung von farblosen Schwefelbakterien in der Schweiz Sulfidische Federn Später untersuchte er Nitrifikatoren und zeigte die Kopplung der Autotrophie an die Oxidation anorganischer komposita Es wurde gezeigt, dass die Nitrifikation ein zweistufiger Prozess ist. Isolierte Reinkulturen von Nitrifizierern Schwefelwasserstoff H2S wird oxidiert zum Sulfat SO4 2- z.B. ohne Sulfit-Zwischenprodukt (durch Soxsystem), mit Sulfit-Zwischenprodukt, welches über Sulfitoxidase oder APS Reduktase zum Sulfat wird (AMP → ADP) Reverser Elektronenfluss Schwefelwasserstoff wird oxidiert nach dem Redoxpotential; Elektronen werden auf Qpool übertragen → fallen energetisch runter auf Komplex 3, Helena Holy, SS 22 Cytochrom c, Komplex 4, Translokation etc. & Veratmung mit terminaler Oxidase Sauerstoff zu Wasser → immer dasselbe, aber Chemolithotrophe brauchen Modul, um Elektronen aus speziellem Substrat in die Atmungskette zu bringen (z.B. Hydrogenase bei Knallgasbakterien); und da Elektronen nicht mehr direkt aufs NADH übertragen werden können, um CO2 zu fixieren & Calvin Zyklus betreiben zu können, wird der reverse Elektronenfluss über den Komplex 1 angewendet (dabei müssen Protonen nach innen gepumpt werden, es geht ein Teil der Energie des PMF verloren, jedoch ist das die Konsequenz bei Verwendung von Elektronendonoren, die nicht negativer im Redoxpotential sind als NADH) Eisenoxidation Die Eisenbakterien sind Chemolithotrophe, die Eisen (Fe2+) als alleinige Energie verwenden Quelle Fe2+ ist bei oxischen Bedingungen instabil, wenn der pH-Wert neutral ist, aber stabil bei saurem pH-Wert  Die meisten, aber nicht alle Eisenoxidationsmittel sind acidophil und wachsen bei einem pH-Wert von 1 oder darunter Die Energieausbeute der Eisenoxidation ist gering o Riesige Mengen an Eisen müssen oxidiert werden, um seinen Lebensunterhalt zu verdienen Einige phototrophe violette Bakterien können Fe2+ bis Fe3+ anaerob oxidieren o Eisenoxid / Oxyhydroxid-Mineralien als Sonnenschutz für alte Photosynthtischen Mikroben Acidithiobacillus ferrooxidans nutzt einen "natürlichen" Protonengradienten o Aerobe Eisenoxidation o In äußerer Membran ist Cyc2 -> oxidiert Fe2+ zu Fe3+ o Dabei werden außen Protonen freigesetzt & innen Elektronen o Elektron wird von Rusticyanin weitergeleitet auf cyt c o Zu Complex 3 o Reverser Elektronenfluss auf NAD+, um es zu NADH zu reduzieren (Complex 1) o Electron transport generates proton motive force Bedeutung in Abwässern von Bergwerken Zustansdiagramm des Eisens– Einfluss von pH und Redoxpotential 23 Nitrifikation Ammoniakoxidation: Nitroso... Nitritoxidation: Nitro... Zeitlicher Ablauf der Entdeckung nitritoxidierender Mikroben Nitrit Oxidation Endprodukt der Ammonium Oxidation (=Nitrit) → Oxidation zu Nitrat → freie e - auf Sauerstoff → Energiekonservierung; Name meist „Nitro…“/NOB; hier gibt es keine Archaea; Nitrit wird oxidiert vom Enzym NXR (Nitritoxidoreducatse) → Nitrat, wobei 2 Protonen freiwerden (und 2 Elektronen, die dann von der NXR über ein Cytochrom c an den Komplex IV übertragen werden, dabei wird O als terminaler Elektronenakzeptor zu Wasser reduziert, was zur Protonentranslokation führt) → wachsen sehr langsam Nitrobacter oxidiert Nitrit im Cytoplasma, die dabei freiwerdenden Elektronen werden auf der falschen Seite der Membran (innen) freigesetzt Nitrospira NXR liegt bei diesen Nitritoxidierern im Periplasma vor (und nicht Cytoplasma; dadurch werden die 2 Protonen auf der richtigen Seite freigesetzt) Ammonium Oxidierer und Nitrit Oxidierer wohnen miteinander vergesellschaftet in der Umwelt (=Mutualismus) → Ammoniumoxidierer wandeln NH4+ in NO2- um, welches dann von den Nitritoxidierern in NO3- umgewandelt wird! Commamox-Bakterien machen beide Schritte der Nitrifikation innerhalb eines Organismus HAO oxidizes NH2OH to NO Carboxysomen erhöhen die Menge von RubisCo und konzentrieren CO2 24 -------------------------------Vorlesung 6 ------------------------------ Commamox Nitrification ->aerobe Umwandlung von Nitrit zu Nitrat o Complete nitrification also exists -> nitro oxidation & ammonia oxidation in one organism Comammox Organismen wandeln Ammonium direct in Nitrat um (auch aerob) 50% of the World population is fed by Haber-Boch nitrogen (The Haber– Bosch process, where nitrogen and hydrogen molecules react to form ammonia (N 2 + H 2 → NH 3), accounts for 1.4% of global carbon dioxide emissions and consumes 1% of the world’s total energy production.) o Importance of Nitrification: beneficial in sewage treatment plants; destruction of buildings; aquaria filters, … o 100Tg N/y fertilizer is used in industrial agriculture -> only 17% are consumed by humans o Nitrogen removal in wastewater treatment -> mit Hilfe von Denitrifikanten & Nitrifikanten (sorgen aber in Landwirtschaft für Probleme) Die anaerobe Lebensweise – Anaerobe Atmung Anaerobes Wachstum bei Eukaryoten selten Nitrogen removal in wastewater treatment  Aber weit verbreitet in Prokaryoten AH2 oft E-Spender für Chemo- oder Photolithotrophe Prinzip ist gleich => über Atmungskette wird Redoxdifferenz zw. e-Donor & e-Akzeptor proton motive force erstellt, um ATP herstellen zu können Thermodynamic hierarchy of electron acceptors Low energy yield High energy yield Assimilatorische und dissimilatorische Nitratreduktion Assimilatorische Nitratreduktion Dissimilatorische Nitratreduktion Führt zu -NH2-Gruppen und Biosynthese Hauptsächlich Prokaryoten, einige Pilze Breitspred unter Pro- und Eukaryoten Führt zur Energieeinsparung Kein Energiegewinn Zytoplasmatische Enzyme, induziert durch Stickstoffmangel Unabhängig von der Sauerstoffkonzentration Nitrat als N-Quelle => not covered here Dentrifikation => als Intermediate treten gasförmige Stickstoffe auf  Fatal für Umwelt (Treibstoffgase) 25 Denitrification by Paracoccus denitrificans Bedeutung der Denitrifikation Vorteilhaft in Kläranlagen Schädlich für die Düngung in der Landwirtschaft  In Kläranlagen will man (im Gegensatz zur Landwirtschaft) Detrificanten haben Anaerobe Oxidation von Ammonium => Anammox Entdeckung hat Abwasserreinigung durch Annamox- Reaktoren auf der ganzen Welt revolutioniert Nitrit und Ammonium wird durch diese Bildung reduziert o Nitrat wird aber mehr Phylogeny of Anammox bacteria => sind alle polyphyletisch o Kuenenia, Brocadia, Jettenia => freshwarer & wastewater species o Scalindua => marine species Organismen sind strikt anaerob => mit Sauerstoff wird ihre Aktivität komplett gehemmt Intracellular compartmentilization of Anammox bacteria The anammoxsome is the intracellular site of the unique anammox reaction Muss vom Rest der Zelle abgeschirmt sein, wegen toxischen Zwischenprodukten Protonengradient wird über Anamoxisomen aufgebaut, NICHT über Membran o Aufbau ansonsten ist relativ normal Anaerobe Ammoniumoxidation Besteht aus Cyclic electron flow & Reverse electron flow o Man weiß aber noch nicht wie der Reverse electron flow funktioniert Nitrit-Reduktase NirS oder NirK o Reduziert Nitrit zu NO o 4 Elektronen werden frei Hydrazin-Synthase Hzs o NO reagiert mit Ammonium zu N2H4 o Benötigt dafür 2 Elektronen o Hydrazine ist ein extrem toxischer Raketentreibstoff (Zwischenprodukt) Hydrazin-Dehydrogenase Hzo o Oxidiert Hydrazine zum Endprodukt Stickstoff o Benötigt 2 Elektronen Annamox kann auch ohne Nitrit wachsen Nur mit Ammonium und NO Importance of Anammox Nitrogen loss from the oceans Wastewater treatment 26 -------------------------------Vorlesung 7 ------------------------------ Sulfat Reduktion Sand am Meer wird mit der Tiefe Schwarz, weil dort Reduktion von Sufat mit Hilfe von organischem oder anorganischem Substrat zu Sulfid und CO2 reduziert wird  Vor allem am Meer, weil am Meer sehr viel Sulfat ist (28mM) => much lower in freshwater or soil Sulfat hat ein so negatives Redoxpotential, dass eigentlich kein Komplex Elektronen auf Sulfat übertragen kann  Quinonpool reduzierender Komplex reduziert die Elektronen vom Quinonpool, damit sie zu Sulfat kommen können  Elektronen kommen aus Wasserstoff oder Formiat  Protonengradient wird durch Elektronen von Innen genommen, um zu reduzieren ▪ Elektronen werden Außen wieder frei gesetzt und Proton motive force entsteht ▪ Elektronen wandern dann zur APS-Reduktase weiter Sulfatreduzierer sind obligate Anaerobier Dissimilatorische Sulfatreduktion Sulfite durch DsrAB (Dissimilatory sulfitte reductase) zu Sulfid reduziert  Dazwischen wird Sulfit noch in Trisulfide umgewandelt Assimilatorische Sulfatreduktion Sulfit wird auf andere Weise reduziert Elektronenbifurkationshypothese  Elektronen teilen sich auf => eines fällt energetisch & eines wird angehoben Elektronenverfaltung  Elektron fällt runter & reißt anderes mit CO2 als Elektronenakzeptor zur anaeroben Energiegewinnung nutzen Acetogene Organismen => 20 unterschiedliche Gattungen o Acetyl-CoA-Signalweg für Redox-Balancing und Autotrophie o Protonen- oder Natriumantriebskraft + Phosphorylierung auf Substratebene Methanogene Organismen => Archaisch o Acetyl-CoA-Signalweg für Autotrophie o Protonenantriebskraft Acetogene Organismen Acetogene Bakterien sind eine streng anaerobe Gruppe von Mikroorganismen, die den WoodLjungdahl-Weg (WLP) nutzen, um von der Umwandlung von zwei CO2 in Acetat zu leben WLP (The Wood–Ljungdahl pathway = reductive acetyl-CoA pathway) ist einer der ältesten biochemischen Signalwege und der einzige Signalweg, der die Fixierung von anorganischem Kohlenstoff zur Energieeinsparung 27 Acetogene Bakterien verwenden entweder den Rnf-Komplex (eine Ferrodoxin-NAD+-Oxicoreduktase) oder eine Ech-Hydrogenase (eine Ferrodoxin-H2-Oxidoredsuktase) zur chemiosmotischen Energieeinsparung Acetogene sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und eine Schlüsselkomponente der Anaerobes Nahrungsnetz Acetogenese => Leben am thermodynamischen Rand des Lebens Aktenogenese mit CO & H2 als Elektronendonatoren & der Einsatz einer Energieumwandlung Hydrogenase für die anaerobe Atmung Acetogenese ist eine spezielle Form des Energiestoffwechsels und zwar der anaeroben Atmung, die auf dem reduktiven Acetyl-CoA-Weg basiert. Kohlenstoffdioxid (CO2) fungiert dabei als Elektronenakzeptor und übernimmt somit die Funktion als Oxidationsmittel, die O2 bei der aeroben Atmung hat. Als Endprodukt dieser „CO2-Atmung“ wird ausschließlich Essigsäure ausgeschieden. Methanogene Organismen Letzter Schritt in der anaeroben Nahrungskette Methanogene verbrauchen Fermentationsprodukte (Acetat, H2, CO2) Bei der Kohlenstoffmineralisierung werden etwa 1,5 % des C als CH4 freigesetzt 72-74% des emittierten Methans (CH4) wird von Methan erzeugenden Archaeen produziert Von großer Bedeutung in Süßwassersedimenten, Sümpfen, Tundra, anaeroben Fermentern, Reis, Reisfelder, Pansen,... und zur Biogaserzeugung CH4 ist ein Treibhausgas o 28-34x höheres Treibhauspotenzial als CO2 The Volta Experiment Mit Stab in Sumpf rühren & Trichter darüber halten Methan steigt durch Trichter auf Kann man anzünden Methanogenese Biologische Herstellung von CH4 aus CO2, Acetat! oder methylierte Verbindungen Streng anaerob (CO2-Reduktion -> anaerobe Atmung) Hydrogenotrophe -> Reduktion von CO2 mit H2 Acetoklastinsäure -> Acetat-Disproportionierung zu CH4 und CO2 4 H2 + CO2 -> CH4 + 2 H2O (-136kJ/mol) H3C-COO- + H+ -> CH4 + CO2 (-31kJ/mol; in der Natur wichtiger) Beinhaltet eine komplexe Reihe von biochemischen Reaktionen, bei denen spezifische Coenzyme zum Einsatz kommen Die Energieeinsparung bei der Methanogenese umfasst sowohl Protonen- als auch Natriumionengradienten Methanogene -> Gruppen streng anaerober Archaeen (Methano...) Schlüssel-Coenzyme in der Methanogenese => 2 Klassen Übertragung von C1 von CO2 auf das Endprodukt o Tetrahydromethanopterin (MP), Methanofuran (MF), Coenzym M Zufuhr von Elektronen zur Reduktion von CO2 zu CH4 o F420, Coenzym B Ablauf - Hydrogenotrophic CO2 wird reduziert & an Enzym gebunden, das MF als Cofaktor hat CO2 wird über Formyl & Methylen zu Methyl-Gruppe reduziert 4*2 Elektronenreduktionen  sequenzielle Reduktions des CO2 zu Methyl Methyl-Gruppe kann dann über WLP pathway zu Acetyl-CoA Oder Methyl wird in nächsten Schritt zu Methan reduziert o Schlecht für Umwelt o Elektronen dafür aus reduzierten Cofaktor B ▪ Sulfidbrücke zw. Cofaktor M & B entsteht o Elektronen kommen ursprünglich aus Wasserstoff ▪ Hydrogenase-Heterodisulfid-reductase-complex hilft beim Übertragen 28 Acetoclastic Methanogenesis Reverse Reaktion Anwendung Die Hemmung der Methylcoenzym-M (CoA)-Reduktase führt zu 30% weniger CH4-Emissionen durch milchkühe Fermentationen CO2-Reduktion erfordert H2, das ein Fermentationsprodukt ist Wenn Elektronendonatoren, aber keine geeigneten externen Elektronenakzeptoren zur Verfügung stehen Fermenter scheiden häufig Exoenzyme (Zellulose,...) aus Intern ausbalancierter Oxidations-Reduktions-Prozess mit internem Elektronenakzeptor Redox-Gleichgewicht durch Herstellung und Ausscheidung von Fermentationsprodukten Haupt-ATP-Synthese nicht über oxidative Phosphorylierung, sondern über Substrat-Level-Phosphorylierung Nur unter anaeroben Bedingungen Organische Substrate o ATP -> ADP -> Zellbiomasse o ADP -> ATP -> Phosphorylierung auf Substratebene -> Fermentationsprodukte (Säuren, Alkohole, CO2, H2, NH3) Scheiden Elektronen mit Endprodukten aus, weil keine Elektronenakzeptoren mehr verfügbar sind Primary & secondary fermenters Fermentation Products DNA-Bestandteile, organische Säuren und Aminosäuren können vergoren werden Homolactic fermentation Lactose wird durch Glycolyse vergoren o Lactose wird zunächst in Bestandteile zerlegt und letztlich in Pyruvat umgewandelt o 2ATP Nettogewinn Pyruvat wird durch Lactat dehydrogenase zu Lactate reduziert Lactate wird als Fermentationsprodukt gebildet Pro Glucose 2 Lactat Heterolactic fermentation Lactose über pentose phosphate pathway vergoren o Lactose in Bestandteile zerlegt o 2 Oxidationen erfolgen o Am Ende entsteht Glyceraldehyde-3phosphate (wie bei Homo) Wird auf selbe weise wir Homo zu Lactate 1ATP Nettogewinn 29 Anaerobic food chain in the presence or absence of sulfate Ultra-simplified summary of catabolism & Anabolism 30 -------------------------------Vorlesung 8 ------------------------------ Vom Molekül zur Physiologie Es sind gemeinsame grundlegende molekulare Prinzipien der Biochemie und Physiologie in allen Organismengruppen zu finden. z.b.: DNA, RNA, Proteine, Metabolite, Doppelmembranen ATPase, das Protein, welches ATP, die Energiewährung jeder lebenden Zelle auf der Erde, bildet Atmung, Photosynthese in Mikroorganismen und Pflanzen ⇒ Anspruch dieser Vorlesung, die Physiologie von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren zu diskutieren, um gemeinsame Prinzipien herauszuarbeiten und ein Verständnis der molekularen Zusammenhänge zu erlangen. ⇒ Vergleichende Physiologie (Systemphysiologie) ⇒ Comparative Physiology Systembiologie: Von Genomik zu Physiologie Was ist Leben? chemisch-physikalische Organisation des Lebendigen: Synthese von Harnstoff durch Wöhler (1828) - Herstellung von organischer Substanz aus anorganischen Elementen Evolutionstheorie – Charles Darwin (1859) Vererbungslehre - Gregor Mendel (1865) Versuche über Pflanzenhybride Delbrück, Luria, Avery (1943/44); Erwin Schrödinger (1944) Was ist Leben? Postulat eines molekularen genetischen Codes Erwin Schroedinger In Kapitel I ist dargelegt worden, daß die Gesetze der Physik, so wie wir sie kennen, statistische Gesetze sind. Sie haben sehr viel mit der natürlichen Neigung der Dinge, in Unordnung überzugehen, zu tun. Um aber die hohe Dauerhaftigkeit der Erbsubstanz mit ihrer winzigen Größe in Einklang zu bringen, mußten wir der Tendenz zur Unordnung durch die »Erfindung des Moleküls« ausweichen, sogar eines ungewöhnlich großen Moleküls, welches ein Meisterstück höchst differenzierter Ordnung sein muß, vom Zauberstab der Quantentheorie beschirmt. Entropie Boltzmann und Gibbs Entropie = k log D Es bedeuten k die sogenannte Boltzmannsche Konstante (= 3,2983x10-24 cal./°C) und D ein quantitatives Maß der atomaren Unordnung des fraglichen Körpers. Gleichgewichtszustand => Der Physiker nennt ihn den thermodynamischen Gleichgewichtszustand oder den Zustand »maximaler Entropie« Die lebende Materie entzieht sich dem Abfall in den Gleichgewichtszustand o Negative Entropie Was ist das Kennzeichen des Lebens? Wann sagt man von einem Stück Materie, es lebe? Wenn es fortwährend »etwas tut«, sich bewegt, mit der Umwelt Stoffliches austauscht usw., und zwar während einer viel längeren Zeit, als wir unter gleichen Bedingungen von einem unbelebten Stück Materie erwarten, dass es »in Bewegung bleibe« Wie entzieht sich der lebende Organismus dem Zerfall? o Die Antwort lautet offenbar => Durch Essen, Trinken, Atmen und (im Falle der Pflanzen) durch Assimilation => Metabolismus o Das griechische Wort (μεταβαλλειν) bedeutet Wechsel oder Austausch Ludwig von Bertalanffy „Vom Molekül zur Organismenwelt“ 1. Lebensformen sind offene Systeme und im Massenwirkungsgleichgewicht mit ihrer Umgebung (Fließgleichgewicht, stationärer Zustand (steady state), Stabilität) 31 2. “Allgemeine Systemtheorie” - kann auf alle komplexen – nichtlinearen Systeme angewendet werden (Biologie, Ökologie, Soziologie, Ökonomie, etc.) Der Organismus als physikalisches System No genome sequences – principles of information storage & inheritance in 1953 Limitations o Too many equations, only numerical solution o Today possible => Computer o No genome-scale molecular readout Zentrales Dogma der Biologie Metabolomics DNA-> RNA -> Protein -> Metabolit Non-targeted metabolite analysis Integrative part of systems biology Genomsequenzierung NGS Sequenzierung von Erbinformation ist keine Limitierung mehr ABER => Genominterpretation!!! Systembiologie – 3 Kerngebiete 1. Genomsequenzierung => Erbinformation 2. Theoretische Biologie => Systemtheorie; Comparative Genomics, Computer 3. OMICS / „Readout“ => Metabolomics, Proteomics, RNA-OMICS, Wachstum, Morphologie, Anatomie, Physiologie Genomsequenzierung 1976 DNA-Gilbert/Sanger-Sequenzierung 1996 erstes Hefegenom 2000 Publikation erstes Humangenom und erstes Pflanzengenom 2010 neue Methoden des “Next Generation Sequencing” (NGS) – das 1000 Dollar Genom De novo/Resequenzierung in Tagen Genomes Functional Genomics Genome Sequencing: Human, Chimpanse, Mouse, Arabidopsis, Rice, Craig Venters Dog, Craig Venter himself.... Resequencing of a Corean within three weeks! Metagenome projects How many up to now? Beispiel: Leguminosen – Symbiose von Pflanze und Bakterium Leaf-Nodule-Symbioses in paleotropical plants Bacteria live inside galls within the plants leaf Evolved independently in multiple plant families: Rubiaceae & Primulaceae Dioscoreaceae Only prevalent in (sub)tropic evergreens Symbionts: Bacteria from the Burkholderia genus o Gram-negative, aerobe β-Proteobacteria, uncultivable o Eroded genome (2,67Mb) o Vertical transmission 32 -------------------------------Vorlesung 9 ------------------------------ Systembiologie – drei Kerngebiete 1. Genomsequenzierung => Erbinformation 2. Theoretische Biologie => Systemtheorie, Comparative Genomics, Computer, Internet 3. OMICS/“Readout” => Metabolomics, Proteomics, RNA-OMICS, Wachstum, Morphologie, Anatomie, Physiologie (phýsis ‚Natur‘ und lógos‚ Lehre‘) (Crispr/Cas9, Genomsequenzierung, Genomgröße, etc genauer in VO Genetics & Modellsysteme) Erdgeschichte und Evolution von Leben Miller-Urey experiment Im Miller-Urey-Experiment wurde die Entstehung von Lipiden, Aminosäuren, … beobachtet. Die Endosymbiontentheorie geht von einer Eisen-Schwefel-Welt aus Protobionten aus. Lipide haben unterschiedlichste Formen. Bakterien haben eine Esterbindung und Archaea eine Etherbindung. In der Zelle sind die wässrigen Phasen immer von Lipiddoppelschichten abgetrennt (Eucytenmodell). Eine Hypothese lautet: präbiotische Bedingungen → Bildung bestimmter Grundmoleküle (Black Smoker Hypothesis) → Phospholipide können spontan Lipiddoppelschichten bilden (Grundbestandteil der Zellmembran) → Polymerisation von Nukleotiden zu zufälligen RNA-Molekülen → selbstreplizierende Ribozyme (RNA-Welt-Hypothese) → Selektionsdrücke für katalytische Effizienz und Diversität → Ribozyme die Peptidyltransfer katalysieren → erstes Ribosom → Proteinsynthese häufiger → Proteine übertreffen Ribozyme in katalytischer Aktivität → dominierendes Biopolymer (Nukleinsäure nur in genomischer Verwendung). Endomembransystem Eine Doppelschicht Lipide bildet eine Plasmamembran Liposomen haben eine wässrige & eine plasmatische Phase Die genetischen Anweisungen einer eukaryotischen Zelle sind im Zellkern kodiert & werden von den Ribosomen umgesetzt o Der Kern einer eukaryotischen Zelle enthält einen Großteil der DNA dieser Zelle o Ribosomen nutzen die DNA-Informationen, um Proteine herzustellen Das Endomembransystem der eukaryotischen Zelle Die meisten pflanzlichen & tierischen Zellen kann man unter dem Lichtmikroskop erkennen o Genauso Zellkern; die meisten Bakterien & Mitochondrien Der Zellkern -> die Informationszentrale der Zelle Der Zellkern enthält die weitaus meisten Gene und ist in der Regel das augenfälligste Organell Die Zellkernhülle umschließt den Kern und trennt seinen Inhalt weitgehend vom Cytoplasma ab o Diese Hülle ist eine doppelte Membran; ihre beiden Membranen bestehen aus je zwei Lipiddoppelschichten mit darin eingebetteten Proteine o Poren in der Zellkernhülle regulieren den Ein- und Austritt von Makromolekülen wie RNA und Proteine in den und aus dem Zellkern o Die Innenseite der Kernhülle, also die innere Zellkernmembran, ist von der Kernlamina ausgekleidet, einem netzartigen Maschenwerk aus Protein o Im Kern bilden DNA und Proteine das genetische Material, als Chromatin bezeichnet Chromatinfasern rollen sich auf (kondensieren) und bilden getrennte, unterscheidbare Gebilde, bekannt als Chromosomen o Der Nucleolus findet sich im Zellkern; an ihm wird rRNA synthetisiert Ribosomen: Die Proteinfabriken der Zelle Ribosomen sind Zellbestandteile, die aus rRNA und einer Reihe verschiedener Proteine gebildet werden Ribosomen nehmen die Proteinbiosynthese an zwei Orten vor: o Im Cytosol der Zelle (freie Ribosomen) an der Außenseite des endoplasmatischen Reticulums oder o An der Zellkernhülle (membrangebundene Ribosomen) 33 Sedimentation coefficient Verhältnis der Sedimentationsgeschwindigkeit zum Zentrifugalfeld einer Zentrifuge unit = Svedberg [10-13s] Das Endomembransystem der Zelle: Regulation und Teil des Stoffwechsels Die wesentlichen Teile des Endomembransytems: die Zellkernhülle das endoplamatisches Reticulum (ER) der Golgi-Apparat die Lysosomen die Vakuole(n) die Endosomen (sowie gegebenenfalls andere zellspezifische Organellen) Diese Elemente sind ständig oder funktionell durchTransportvesikel miteinander verbunden. Die Funktionen des glatten ER Das glatte ER enthält die Enzyme für die Lipidbiosynthese Bewirkt den Kohlenhydratstoffwechsel Entgiftet Fremdstoffe Speichert Calciumionen Die Funktionen des rauen ER Das raue ER bindet Ribosomen, die Glycoproteine sekretisieren, die kovalent gebundene Kohlenhydratketten aufweisen Bildet und streut Transportvesikel, membranumhüllte Proteine, die Stoffe von einem Ort der Zelle an einen anderen bringen Ist die Membranfabrik für die Zelle Der Golgi-Apparat = Fracht- und Umbauzentrum Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten Membranstapeln, Zisternen genannt Die Funktionen des Golgi-Apparats o Er modifiziert chemisch Produkte des ER, z.B. Proteine o Er synthetisiert bestimmte Makromoleküle, z.B. Polysaccharide o Er sortiert und packt Materialien in Transportvesikel Lysosomen -> Kompartimente der Verdauung Ein Lysosom ist ein Organell, das viele hydrolytische Enzyme enthält, mit deren Hilfe Makro- und andere Moleküle zerlegt werden können Lysosomale Enzyme hydrolysieren Proteine, Fette Polysaccharide und Kernsäuren Einige Zelltypen können andere Zellen fressen; der Vorgang heißt Phagocytose o Dabei wird eine Nahrungsvakuole gebildet Ein Lysosom fusioniert mit der Nahrungsvakuole; die Enzyme übernehmen dann die Verdauung Lysosomen setzen ihre Hydrolasen auch dafür ein, die zelleigenen organischen Bestandteile zu verdauen und für die weitere Verdauung zurückzugewinnen  Autophagie Mitochondrien und Chloroplasten: Kraftwerke der Zelle Mitochondrien sind die Organellen des Zellstoffwechsels, der den größten Anteil an ATP aus dem oxidativen Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen liefert In den Chloroplasten, die nur in Pflanzen und Algen vorkommen, findet die Photosynthese statt => STRUFU Peroxisomen sind Organellen des oxidativen Stoffwechsels Mitochondrien und Chloroplasten gehören nicht zum Endomembransystem haben mindestens zwei Membranen haben Proteine, die von freien Ribosomen des Cytosols hergestellt werden enthalten jeweils eine kleine Menge DNA in Form eines ringförmigen Chromosoms 34 Peroxisomen sind Organellen des oxidativen Stoffwechsels Das Peroxisom ist ein spezialisiertes Stoffwechselkompartiment, das von einer einzigen Membran umgeben ist Peroxisomen produzieren Wasserstoffperoxid (H2O2) Sauerstoff wird benötigt, um Fettsäuren oxidativ in kleinere Moleküle zu zerlegen Das Cytoskelett – Organisation von Struktur & Aktivität Das Cytoskelett ist ein Maschenwerk aus Molekülfasern, das sich durch das ganze Cytoplasma erstreckt Es spielt eine wesentliche Rolle bei der inneren Organisation und Koordination der Zellaktivitäten 3 Typen supramolekularer Strukturen => Mikrotubuli; Mikofilamente; Intermediärfilamente Funktionen des Cytoskeletts => Stütze, Motilität und Regulation Das Cytoskelett festigt die Zelle und ihre Gestalt Es arbeitet zusammen mit Motorproteinen daran, dass die Zelle als Ganzes sich an außerhalb der Zelle verlaufenden Fasern entlangbewegen kann Innerhalb der Zelle werden Vesikel und andere Organellen entlang von “Schienen” aus Cytoskelettfasern zu ihren Zielorten befördert Das Cytoskelett ist außerdem an der Regulation biochemischer Aktivitäten (als Reaktion auf mechanische Reize) beteiligt Mikrofilamente => ausgefüllte Stäbe mit einem Durchmesser von ca. 7 nm, gebaut als verdrillte Doppelkette aus Actinmonomeren Die strukturgebende Funktion der Mikrofilamente besteht darin, Zugspannungen auszugleichen und die Zellgestalt aufrechtzuerhalten Bilden ein 3D-Netzwerk, Cortex genannt, innerhalb der Plasmamembran Mikrofilamentbündel bilden den Zentralbereich der Mikrovilli, also der oberflächenvergrößernden Ausstülpungen Centrosomen und Centriolen In manchen Zellen wachsen die Mikrotubuli aus Centrosom in Zellkernnähe hervor Das Centrosom ist eine Art “MikrotubulusOrganisationszentrum” In Tierzellen hat das Centrosom ein Paar von Centriolen; jedes Centriol verfügt über neun MikrotubulusDreiergruppen, die zu einem Ring angeordnet sind Phototaxis – der Augenfleck von Chlamydomonas reinhardtii Chlamyopsin eingelagert => sogenanntes sensorrhodopsin 1. Lichtanregung des Rhodopsins und Photoisomerisierung (Disks) 2. G-Protein gesteuerte Schließung der Kationen (Na+(80%), Ca2+ (15%) )- Kanäle (Hyperpolarisation) 3. Drosselung der Neurotransmitterproduktion an der synaptischen Endigung 35 -------------------------------Vorlesung 10----------------------------- Assimilation – Tierphysiologie Zellwand - Biosynthese Typischer Aufbau von Holz: Cellulose, 35–50 % Xylan, 20–35 %, Hemizellulose Lignin, 10–25 %, Phenolpolymer Cellulose repräsentiert mehr als 50 % des auf der Erde vorhandenen organisch gebundenen Kohlenstoffs und ist damit das häufigste organische Molekül auf der Erde Texturen in der Primärwand (A) und Sekundärwand (B) einer pflanzlichen Zelle. Die Cellulosemikrofibrillen sind in der Primärwand regellos angeordnet (Streuungstextur), während sie in der Sekundärwand parallel zueinander liegen (Paralleltextur). Dabei überkreuzen sich mehrere Schichten mit unterschiedlicher Streichrichtung der Fibrillen. Das Cytoskelett – Organisation von Struktur & Aktivität Das Cytoskelett ist ein Maschenwerk aus Molekülfasern, das sich durch das ganze Cytoplasma erstreckt Spielt wesentliche Rolle bei der inneren Organisation und Koordination der Zellaktivitäten Es setzt sich aus drei Typen supramolekularer Strukturen zusammen  Mikrotubuli; Mikofilamenten; Intermediärfilamenten Modell der gerichteten Synthese von Cellulose durch Komplexe der Cellulose-Synthase im Plasmalemma Jede der sechs Untereinheiten eines Komplexes erzeugt gleichzeitig Cellulosemoleküle (grüne Fäden), die sich sofort zu Elementarfibrillen und diese zu Mikrofibrillen zusammenlagern Diese bilden ein steifes Widerlager, von dem sich die sich an der Basis verlängernden Cellulosemoleküle abdrücken Dadurch werden die Cellulosesynthase-Komplexe in der fluiden Membran nach rückwärts, also in Richtung der Pfeile, verschoben Die mit dem Plasmalemma assoziierten peripheren Mikrotubuli im Cytoplasma dienen dabei als „Führungsschienen“ Cellulose -> beta-1,4-Bindung!!! Stärke -> alpha-1-4-Bindung!!! Glykogen -> Speicherpolysaccharid in tierischen Zellen o Glykogengranula in Leberzelle & in quergestreifter Muskelzelle Müller´scher Körper (Cecropia, Ameisenbaum) & Belt´scher Futterkörper (Acacia) o Futterkörper für Ameisen o => Myrmekophylaxis Plasmalemma & Cellulose-synthase o Ort der Biosynthese von -> Cellulose, Kallose Dictyosomen o Ort der Biosynthese von -> Pectinstoffen; Hemicellulosen o Ort der Glycolysierung von -> HRGP & weiteren Glycoproteinen o => Extensine! Endoplasmatisches Reticulum o Ort der Biosynthese von -> HRGP, GRP, PRP & weiteren Strukturproteinen und Zellwandenzymen Zellwandproteine / Zellwand-Strukturproteine Bezeichnung für Proteine, denen strukturelle Funktion beim Aufbau der Zellwand zukommt (Unterschied zu löslichen Proteinen, die in vivo mit Komponenten der Zellwand assoziiert) o Wie z.B. Peroxidasen, Phosphatasen, Invertasen, Glucanasen und andere) 36 Die überwiegende Mehrheit der Zellwandproteine ist glykosyliert (Glykosylierung), wobei der Kohlenhydratanteil zwischen 10 und 90% der relativen Molekülmasse liegt o Bei Primärwänden der Dikotylen machen Zellwandproteine ca. 5%, bei den Gramineen (Süßgräser) sogar nur 0,5% des Trockengewichts aus Es werden 5 Klassen von Zellwandproteinen unterschieden o Die Extensine, die Glycin-reichen Proteine (GRP), die Prolin-reichen Proteine (PRP), die Solanaceen- Lectine und die Arabinogalactan-Proteine (AGP) Die 5 Klassen sind möglicherweise evolutiv miteinander verwandt (molekulare Evolution), da alle – mit Ausnahme der Glycin-reichen Proteine – die ungewöhnliche Aminosäure Hydroxyprolin enthalten und Sequenzhomologien mit den Extensinen aufweisen Die am besten charakterisierten Zellwandproteine sind die zur Familie der Hydroxyprolinreichen Glykoproteine (HRGP) gehörenden Extensine, die durch Lösung der Wasserstoffbrücken zwischen den Cellulose-Mikrofibrillen zur Auflockerung der Zellwand und damit zur Wachstumssteigerung beitragen Die Arabinogalactan-Proteine (AGP) spielen eine wichtige Rolle in der Zell-ZellKommunikation (Zellkommunikation) während der Differenzierung (Zelldifferenzierung) Da einige Zellwandproteine in Antwort auf Verwundung und Pathogenbefall gebildet werden, nimmt man an, dass sie Teil einer Signalkette sind, die an der Aktivierung der pflanzlichen Abwehr beteiligt ist Vermutlich davon abgeleitet ist die in neuerer Zeit nachgewiesene Rolle von Zellwandproteinen bei der Erkennung und Abstoßung von eigenem oder sehr nahe verwandtem Pollen in den weiblichen Organen der Blüte (Selbstinkompatibilität) Komponenten der Zellwand-Grundsubstanz Pektinstoffe; Hemicellulosen; Glykoproteine Weiterer Hauptbestandteil der Zellwand => Pectin Gemisch von Polymerisaten aus Zuckersäuren Wichtigstes Monomer ist D-Galacturonsäre, die α-1,4-glykosidisch verknüpft ist Ein Teil der Carboxygruppen ist durch Methylgruppen verestert Die freien Carboxygruppen werden durch Ca- und Mg-Ionen zusammengehalten In Abwesenheit von Mg- und Ca-Ionen ist Pectin eine lösliche Verbindung Als natives Ca-/Mg-Salz bildet Pectin ein amorphes, plastisch verformbares und sehr quellungsfähiges Gel => dies nutzt man von Pektin bei der Herstellung von Fruchtgelees und Marmeladen Die Struktur der Cellulose-Fibrillen in einer Zellwand Bei dieser Verbindung sind Brückenpolysaccharide beteiligt An der Oberfläche der Cellulosefibrillen sind über Wasserstoffbrücken viele Xyloglucanmoleküle (Polymere bestehend aus Xylose und Glucose) gebunden An jedes Xyloglucanmolekül ist wiederum ein Arabinogalactan (polymeres Molekül bestehend aus Arabinose und Galactose) kovalent gebunden Mehrere Arabinogalactanmoleküle sind gemeinsam an dieselbe lange Kette eines Rhamnogalacturonat- Moleküls (polymeres Molekül bestehend aus Rhamnose und Galacturonsäure) gekoppelt Jede der Rhamnogalacturonat-Ketten kann so mit mehreren Cellulose-Mikrofibrillen verbunden sein und sie zusammenhalten Ligninnachweis => lignifizierte Zellwände färben sich in stark saurer Lösung in Gegenwart von Phloroglucin rot LIGNOCELLULOSE (HOLZ) => ENERGY GENOMICS!!! Lipid- Biosynthese Ablauf der Neusynthese von Fettsäuren im Stroma der Plastiden Die prosthetische Gruppe der Acetyl-CoACarboxylase, Biotin, ist über einen Lysinrest an das Apoenzym gebunden Die Bildung von Acetyl-ACP und Malonyl-ACP aus den entsprechenden Coenzym-A-Addukten verläuft energetischneutral und daher nicht bevorzugt in eine Richtung Die Decarboxylierung bei der Kondensation der beiden C2-Körper (3-Ketoacyl-Synthase-Reaktion) ist stark exergonisch, damit verläuft diese Reaktion irreversibel Diese und die nachfolgenden Decarboxylierungen geben der Synthesesequenz die Richtung, denn die übrigen Enzyme katalysieren jeweils prinzipiell reversible Reaktionen Die ACP-gebundenen Reaktanden liegen als Thioester vor 37 Die Thiolgruppe wird, wie im Coenzym A auch von einem Pantetheinrest bereitgestellt, dieser ist beim ACP über ein Phosphat mit einem Serin des Apoenzyms verestert – ACP Acylcarrierprotein, ACPSH freies ACP mit unbesetzter Thiolgruppe (-SH) Aminosäure- Biosynthese Pharmakologie => Medikamente leiten sich von Leitstrukturen der Naturstoffe ab Metabolische Rekonstruktionen aus Genomdaten Pflanzenphysiologie -> Primärproduzenten, photoautotroph ->oxygene Photosynthese PSI- Cytb6f-PSII- ATPsynthase -> RUBISCO, Photorespiration, C3/C4/CAM ->Assimilation Staerke, Saccharose, Cellulose, Lignin, Lipide, Aminosäuren, Sekundärstoffe Tierphysiologie -> Konsumenten, heterotroph Erwin Schroedinger: Was ist Leben? Wie entzieht sich der lebende Organismus dem Zerfall? Die Antwort lautet offenbar: Durch Essen, Trinken, Atmen und (im Falle der Pflanzen) durch Assimilation. Der Fachausdruck heißt Metabolismus. Das griechische Wort (μεταβαλλειν) bedeutet Wechsel oder Austausch. Katabolismus ATP => universelle Energiewährung von Bakterien bis zum Menschen Katabolismus 1. Hydrolyse 2. Bildung von Acetyl-CoA 3. Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2 Oxidative Phosphorylierung => Übertragung der Elektronen auf Sauerstoff & Bildung von ATP Glykolyse (glykos = süß; lysis = Auflösung) Bilanz => Verbrauch von 2 ATP; Gewinn von 4 ATP & 2 NADH  Netto => 2 ATP + 2 NADH Coenzym A => der wichtigste Acylgruppenüberträger Amphibol => Katabolismus & Anabolismus Ein Mensch setzt zur Deckung seines energetischen Grundumsatzes täglich eine Menge an ATP um, die in etwa seinem Körpergewicht entspricht Ein Mensch setzt zur Deckung seines energetischen Grundumsatzes täglich eine Menge an ATP um, die in etwa seinem Körpergewicht entspricht. ⇒ Muskelbewegung ⇒ Membrantransportprozesse ⇒ Neurophysiologie ⇒ …. 38 -------------------------------Vorlesung 11----------------------------- Der Katabolismus besteht aus 4 Stufen: 1) Polymer durch Hydrolyse zu Monomer 2) Bildung von Acetyl-CoA 3) Citratzyklus, Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2 4) Elektronen über Elektronentransportkette zum Sauerstoff → Bildung von Wasser, Transportkette treibt Protonengradienten an → katalysiert Phosphorylierung von ADP zu ATP Schritt 1: Glykolyse: Glucose → Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphat → Gylcerinaldehyd-3-phosphat → 1,3- Biphosphoglycerat → 3-Phosphoglycerat → 2-Phosphoglycerat → Phosphoenolpyruvat → Pyruvat. Die Nettobilanz sind 2 ATP und 2 NADH. Im Calvin-Zyklus läuft dieselbe Reaktion genau umgekehrt ab. Das Bild zeigt die Reaktionstypen der Glykolyse. Bei der Regulation der Glykolyse ist der Energiestatus der Zelle entscheidend. Bei viel Citrat kommt weniger Pyruvat in den Citratzyklus. Die Einschleusung von Fructose kommt entweder durch die Umwandlung von Hexokinasen unter Verbrauch von ATP in Fructose- 6-phosphat oder unter Energieverbrauch zu Fructose-1-phosphat → Glycerinaldehyd, Dihydroxyacetonphosphat → Glycerinaldehyd-3-phosphat → Glykolyse. Die Einschleusung von Lactose oder Galactose ist über die Phosphorylierung. Der Zucker wird phosphoryliert und ist dann für alle möglichen Aktivierungsschritte zuständig. Schritt 2: Pyruvat wird decarboxyliert. Das passiert im Innenraum der Mitochondrien (Matrix). Die Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert die Bindung vom Acetyl-CoA und ist ein riesiger Komplex. Dabei wird CO2freigesetzt. Coenzym A ist der wichtigste Acetylgruppenüberträger. Schritt 3: Citratzyklus: Citrat → Isocitrat → α-Ketoglutarat → Succinyl CoA → Succicant → Fumarat → Malat → Oxalacetat → Acetyl-CoA (Eselsbrücke: Zitronen im Koma sind super für meine Oma). Amphibiol hat eine Rolle im Kata- und Anabolismus. Es gibt unterschiedliche Mechanismen der Regulation: Niedriges AMP-Level → Aktivierung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes Hohes NADH-Level → Aktivitätshemmung Hohes Succinyl-CoA-Level → α-Ketoglutarat-Dehydrogenase direkt regulieren (Feedback Mechanismus) Zu viel oxidiertes NAD+ → Aktivierung vom Citratzyklus Bereitstellung von ATP Schnell => weiße Skelettmuskulatur; anaerobe Glykolyse; sauerstoffunabhängig Langsam => rote Skelettmuskulatur; hämhaltige Proteine Es gibt unterschiedliche Pools zur ATP-Gewinnung. Diese sind Glykogen, Kreatinphosphat, Fettsäuren, weiße Skelettmuskulatur (anaerobe Glykolyse), rote Skelettmuskulatur (hämhaltige Proteine). Die oxidative Phosphorylierung findet in den Mitochondrien statt. Die Energie dafür kommt vom NADH und FADH2. Am Ende vom Elektronenfluss wird Wasser gebildet. Beteiligte Moleküle sind NAD(P)+ , NAD(P)H, FMN, Eisen-Schwefel-Cluster und FMN (Flavinmononucleotid). 2 Elektronen werden vom NADH aufgenommen und wieder abgegeben. Die Eisen- Schwefel-Cluster sind eine Analogie zu Photosystemen. Aufbau vom mitochondrialen Atmungskomplex: Komplex I: NADH-Dehydrogenase; NADH von seinen Elektronen entladen → Elektronen auf FMN → auf Eisen- Schwefel-Cluster → auf Ubiquinon übertragen → so in Membran transportiert, Transport von Protonen in den Intermembranraum. Komplex II: 2. Elektrontransporter; Succinat zu Fumarat oxidieren → Elektronen freigesetzt → auf FAD übertragen → auf Eisen-Schwefel-Cluster → Ubiquinon wird reduziert → seine Elektronen zur Cytochrom c-Reduktase transportiert Komplex III: Cytochrom c-Reduktase, Ubiquinon läuft zur Cytochrom c-Reduktase, viele Bestandteile aus dem Photosystem (Rieske-Protein, Eisen-Schwefel-Cluster, Cytochrom B, Häm) 13 Das Ubihydroquinon gibt Elektronen ans Cytocrom c ab → läuft über Matrixseite → nimmt Protonen auf → transportiert Protonen in Intermembranraum. Der Q-Zyklus ist die Protonenpumpe der Cytochrom c-Reduktase. Komplex IV: Cytochrom c-Oxidase; Elektronen vom Cytochrom c abspalten → auf Sauerstoff übertragen → Bildung von Wasser. UE2 hat Kupfer-Schwefel-Zentren und UE1 hat Kupfer-Eisen-Zentren. Das Cytochrom c liefert Elektronen an Kupferatome (sind an Hämmoleküle mit Eisen gebunden) → Sauerstoff reduziert → nimmt Elektronen auf → bildet Wasser → dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt. Chemisosmotisch ist wenn auf der einen Seite chemische Ladungen (durch Transfer von Ladungen auf die andere Seite der Membran) und auf der anderen Seite ein elektronisches Potential ist (eine Seite höhere Ladungen). Diese Kraft ist die Protonmotorische Kraft (PMK/PMF). Komplex V: ATP-Synthase. Das ist ein molekularer Motor durch einen Protonengradienten. Die Gesamtbilanz ist: 1 Mol Glucose macht 30 Mol ATP. Die ATPase ist nicht überall zu finden (Chloroplasten-Photosynthese, Mitochondrien). (Siehe Bild Nächste seite) 39 Glykogen Glykogengranula in Leberzelle & in quergestreifter Muskelzelle Alpha-1,6-gkykosidische Bindung an den Verzweigungsstellen Alpha-1,4-glykosidische Bindung zwischen den Kettengliedern Woher kommt die Energie? Oxidation von NADH & FADH2 setzen Energie frei, die genutzt werden kann ½ O2 + NADH + H+ => H2O + NAD+ deltaG0´= -220,1 kJ/mol ATP-Synthese sind -30,5 kJ/mol Kleine Moleküle als Redox-Katalysator (z.b. NAD) Mit dem Redox-Prozess ändern sich auch die spektralen Eigenschaften Grundlage für den optischen Test zur Bestimmung der Enzymaktivität von Dehydrogenasen Chemisomotische Kopplung Peter Dennis Mitchell (* 29. September 1920 in Mitcham (Surrey, England); † 10. April 1992 in Bodmin (Cornwall, England)) war ein britischer Chemiker, der 1978 den Nobelpreis für Chemie für seine Forschungen zur Energieumwandlung in Zellen erhielt ΔμH+ /F = konst. x ΔpH x ΔE [Volt, V] => Protonmotorische Kraft ATPase = molekularer Motor Bilanz Glycolyse + Citratzyklus (TCA Zyklus) GLUCOSE + 10 NAD+ + 2FAD+ + 2 H2O + 4 ADP + 4 Pi -> 6 CO2 + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP Oxidative Phosphorylierung Pro NADH 10 Protonen, pro FADH2 6 Protonen gepumpt ⇒112 Protonen pro Glucose ⇒ ca. 3,3 Protonen / ATP ⇒ ca.1 Proton für Transport von Nucleotiden (ATP/GTP) über Membranen ⇒~ 26 ATP  1 Mol Glucose erzeugt ca. 30 Mol ATP, Wirkungsgrad ist ca. 30% !!! 40 Energiefluss & Recycling in Ökosystemen Energie fließt in Form von Sonnenlicht in die meisten Ökosysteme ein & verlässt sie letztlich als Wärme Die für das Leben wesentlichen chemischen Elemente werden recycelt Energieumsatz => Grund-, Leistungs- & Gesamtumsatz Man unterscheidet bezüglich des Energieumsatzes zwischen der Energiemenge, die notwendig ist, um die Lebensvorgänge aufrecht zu halten und nennt sie Grundumsatz (GU) Der Grundumsatz ist die Energiemenge, die ein Mensch bei Ruhe für die Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Körperfunktionen (Atmung, Herzschlag, Drüsenfunktion) pro Tag benötigt Der Grundumsatz ist vor allem abhängig von Geschlecht, Alter, Größe, Gewicht, Muskelmasse sowie bestimmten Hormonen Für einen Erwachsenen beträgt der Grundumsatz im Durchschnitt 1 kcal (Kilokalorie) pro kg Körpergewicht und Stunde Davon wird die Energie unterschieden, die man für zusätzliche Leistungen braucht, der Leistungsumsatz Der Leistungsumsatz ist die Energiemenge, die unser Körper innerhalb eines Tages benötigt, um Arbeit zu verrichten Als Leistungsumsatz wird dabei die Energie bezeichnet, die über den Grundumsatz (Energiebedarf für Organtätigkeiten bei völliger Ruhe) hinausgeht Der Leistungsumsatz ist abhängig von körperlicher Aktivität, Wärmeproduktion, Verdauungsarbeit und dem Bedarf für Wachstum, Schwangerschaft und Stillzeit Grundumsatz und Leistungsumsatz ergeben zusammen den Gesamtumsatz, d.h. den gesamten Energiebedarf einer Person pro Tag Grund- & Leistungsumsatz beim Menschen Der Energieumsatz kann durch Kalorimetrie direkt oder indirekt bestimmt werden Bei der direkten Kalorimetrie wird die Wärmeabgabe eines Prozesses oder Organismus unter definierten Bedingungen gemessen Schon 1780 erkannten Lavoisier und LaPlace, dass Tiere die Energie der Nahrung in Wärme umwandeln und dass dieser Atmungsprozess lebenswichtig ist Dabei gilt: (Fette, Proteine, Kohlenhydrate) + Sauerstoff CO2 + H2O + ATP +Wärme Bei der indirekten Kalorimetrie wird über die Atemgase auf den Energieumsatz geschlossen Wie wir ja von der Zellatmung wissen, benötigt man O2, um die Nähr

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