Biologie Semester 1 Zusammenfassung PDF

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Protein-Liganden Bindungsgleichgewichte GG Bedingung: [P], [L], [PL] = Konz. nach GG Einstellung Massenwirkungsgesetz Einfacher Fall: Niedrige Affinität -> -> Besetzungsgrad y %PL 100:1 99...

Zusammenfassung Biologie Semester 1 Protein-Liganden Bindungsgleichgewichte GG Bedingung: [P], [L], [PL] = Konz. nach GG Einstellung Massenwirkungsgesetz Einfacher Fall: Niedrige Affinität -> -> Besetzungsgrad y %PL 100:1 99% 10:1 91% 1:1 50% 1:10 9% Seite 91 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 1:100 1% Je kleiner , desto höher ist die Affinität des Proteins für seinen Liganden (Assoziationskonstante - Beispiele für : Enzyme: Antikörper (Antigen-Komplexe): Anidin / Biotin Komplex: Extrazelluläre Protein / Proteinkomplexe: Da Werte lediglich zwischen diesen Werten Schwanken, können gewisse sehr kleine Werte nicht durch sehr hohe Werte erreicht werden. -> ist verantwortlich für extrem kleine Werte. Seite 92 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Volumenerhöhung Grund: Hinreaktion ist eine Reaktion 2. Grades (P und L müssen sich "finden") Rückreaktion ist eine Reaktion 1. Grades (PL zerfällt "sowieso") Ergebnis: Wird das Volumen erhöht hat es die Hinreaktion schwerer, die Rückreaktion einfacher. Die Konzentration von PL wird abnehmen. Analogie zu Säure/Base Gleichgewichten B S -> Henderson / Hasselbalch Gleichung Seite 93 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 pH %AH 100:1 99% 10:1 91% 1:1 50% 1:10 9% 1:100 1% Seite 94 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 F: Energiestoffwechsel: Katabolismus (J. Vorholt) Allgemein Zusätzlich: Die verschiedenen Komplexe in der Membran, welche für den Anabolismus wichtig sind Komplex I: NADH quinone oxidoreductase / NADH dehydrogenase. Befindet sich innerhalb der Membran Besteht aus Enzymen und Fe/S, welche die Redoxreaktion Katalysiert Funktion: Oxidiert NADH und reduziert Quinone Komplex III: Zytochrom C Reduktase (Cyt bc1) Befindet sich innerhalb der Membran Funktion: Oxidiert Quinone und reduziert Zytochrom C. Dabei werden 2 Protonen ins Membraninnere abgegeben. Komplex IV: Zitochrom C Oxidase (Cyt aa3) Befindet sich innerhalb der Membran Funktion: Oxidiert Zytochrom C und oxidiert Sauerstoff zu Wasser. (An additional complex, complex II (succinate dehydrogenase complex), bypasses complex I, delivers electrons from FADH2 to quinone and subsequently to complex III. Not a proton pump.) Seite 95 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Vorlesung 1: Einführung in den Stoffwechsel Den Unterschied von Katabolismus und Anabolismus beschreiben und deren Hauptfunktionen in der Zelle kennen Metabolismus Stoffumwandlungsprozesse, welche in Organismen stattfinden. Metabolismus wird unterteilt in Katabolismus und Anabolismus. Katabolismus Alle Stoffumwandlungsprozesse, welche zur Energiegewinnung (ATP Gewinnung) benötigt werden. Anabolismus Alle Stoffumwandlungsprozesse, welche zur Erzeugung von Baustoffen für die Zelle(n) dienen. Erklären, wie exergone und endergone Wege gekoppelt werden können und wie dies im Stoffwechsel realisiert wird Koppeln bedeutet allgemein: Zwei Prozesse sind fest miteinander verbunden. Können gekoppelt werden, indem zwei Reaktionen gleichzeitig ablaufen: Eine endergone ( ) und eine exergone ( ) Reaktion. Im Stoffwechsel wird dies durch Redox Reaktionen realisiert. Die Strukturen von ATP und ADP zeichnen und die Gibbs freie Energie benennen, die mit ihrer Umwandlung unter Standardkonzentration und in der Zelle verbunden ist. In der Zelle: ATP->ADP: Die Funktion von NAD(P)+ /NAD(P)H in biologischen Systemen erklären Seite 96 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 NADH ist ein Elektronendonor (Elektronenshuttle, Reduktionsäquivalent) NAD+ -> NADH (2e-) Es benötigt NADH und NADPH, da sie unterschiedlich gut an gewisse Enzyme gebunden werden (Aus diesem Grund sind die Moleküle auch so gross obwohl sich die Chemie in der Abb. oben lediglich oben am Molekül abspielt). Durchführbare Reaktionen in der Chemotr ophie auf der Grundlage von Redoxpotentialen vorherzusagen Wichtig, dass eine Redox Reaktion stattfinden kann: Wenn , führt das gemäss untenstehender Gleichung zu einer Reaktion mit positiver Gibbs Freien Energie -> Thermodynamisch nicht möglich Redoxpotentiale mit der freien Energie einer Reaktion in Beziehung setzen n = Anzahl Elektronen F = Faraday Konstante (96.5 kJ/V) Beispiel (mit Tabelle links): Seite 97 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Biologisch wichtige Energieformen nennen und wichtige Elektronendonatoren einordnen können Energieformen Anorganisch H2, H2S, Fe2+, NH4+ Organisch Elektronendonatoren (Elektronendonoren oder Elektronenshuttle werden allgemein: [H] abgekürzt) NADH: Elektronendonor für Enzyme für Energiestoffwechsel (Katabolismus) Es wird hauptsächlich generiert bei der Umsetzung reduzierter Moleküle wie Fettsäuren und Zucker und im TCA Zyklus und liefert Energie Für die ATP Synthese. NADPH: Elektronendonor für Enzyme für Biosynthese (Anabolismus) von Stoffen wie Fettsäuren und Nukleotiden. Ein wichtiges NADPH Generierungssystem ist der Pentose Phosphat Weg es gibt aber auch andere Hersteller von NADPH wie der TCA Zyklus. Folge: Zwei unterschiedliche Pools an Elektronendonatoren für Katabolismus und Anabolismus Vorlesung 2: Substratstufenphosphorylierung und energiereiche Verbindungen / Protonen-gekoppelte Phosphorylierung und ATP synthase Verschiedenen Stoffwechseloptionen für die Energieumwand lung in lebenden Zellen erklären und Organismen nach der von ihnen verwendeten Energiequelle klassifizieren Stoffwechseloptionen Chemoorganotroph: Zur Energiegewinnung werden organische Verbindungen umgesetzt Chemolithotroph: Zur Energiegewinnung werden anorganische Verbindungen (H2, H2S, Fe2+, NH4+) umgesetzt Phototroph: Zur Energiegewinnung wird Licht umgesetzt Organismen sortiert nach ihrer Kohlenstoff Quelle: Heterotroph: Erhalten Kohlenstoff aus Biomasse Autotroph: Erhalten Kohlenstoff aus CO2 Seite 98 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Bemerkung: z.B. Chemoorganoheterotrophe Organismen gibt es keine Separation zwischen Katabolismus und Anabolismus. Die Eigenschaften energiereicher Biomoleküle benennen, die sie als Energiewährung geeignet machen, und Beispiele für solch e Moleküle nennen können Biomoleküle haben ein hohes Gruppenübertragungspotenzial in der Zelle. Sie besitzen eine ausreichend hohe freie Enthalpie der Hydrolyse um eine Gruppe (z. B. Phosphat) auf andere Moleküle zu übertragen. Man kennzeichnet die energiereiche Bindung (hochenergetische Bindung) durch ~ anstelle des normalen Bindungsstrichs. Beispiele: ATP, GTP, UTP, TTP, ADP, AMP Acetyl CoA Glukose-6-phosphat (Glukose aktiviert durch ein ATP) Phosphoenolpyruvat (Zwischenprodukt der Glykolyse) Die Substratstufenphosphorylierung definieren können und ein Beispiel aus der Glykolyse nennen Allgemein: Bei der Substratstufenphosphorylierung wird eine Phosphatgruppe von einem Substrat auf ADP übertragen. (S-Pi + ADP -> S + ATP) Glykolyse 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP -> 3-Phosphoglycerat + ATP oder Phosphoenolpyruvat + ADP -> Pyruvat + ATP Die Struktur und Funktion der ATP -Synthase beschreiben Bemerkung Evolution: ATP Synthase wurde monophyletisch weitergegeben Besteht aus 2 Strukturen: F1: Enthält die drei aktiven Seiten an den drei Beta Untereinheiten F0: Eingebettet in die Zellmembran (dreht sich) Proton motorische Kraft Ein Proton Gradient (Unterschiedliche Anzahl Protonen innerhalb und ausserhalb einer Membran) wird ausgenutzt, um ein Drehmoment an der ATP Synthase zu bewirken, um die ATP Synthese anzutreiben. Der Proton Gradient muss immer erneuert werden, sonst ist er nach wenigen Millisekunden aufgebraucht. Wird aufgebaut durch: 1. Elektronen Transport Phosphorylierung (Der Elektronenakzeptor wird von ausserhalb der Zelle erworben, aerob mit O2 als Akzeptor oder anaerob mit anderen Akzeptoren als O2) 2. Photophosphorylierung 3. Rhodopsins (Protonenpumpen) und andere exergonische nicht-redox Reaktionen Seite 99 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Synthese von ATP Aus drei bis vier Protonen (oder manchmal Na+) wird ein ATP gebildet -> Pro vollständiger Umdrehung der F1 Einheit werden 3 ATP generiert (ein ATP für jedes katalytische Zentrum). Die ATP Hydrolyse kann durch die ATP Synthase auch einen Protonen Gradienten aufbauen. Das Grundprinzip beschreiben, wie bei Redoxreaktionen Energie umgewandelt wird und wie diese Energie in der Zelle konserviert wird Die Energie, welche bei Redoxreaktionen (durch die electron transport chain) frei wird, wird in der Zelle als Protonen Gradient gespeichert. Durch die ATP Synthase wird aus diesem Gradient ATP synthetisiert. Die Prinzipien von Elektronentransportsystemen nennen und wichtige Wasserstoff - und Elektronenträger kennen Sind Membrankomplexe, welche in die Membran eingebaut sind. Die Elektronen von Redox Reaktionen werden Transferiert, mit dem Ziel, einen Protongradienten aufzubauen. Viele Oxidation-Reduktion Enzyme sind in den Elektrontransport involviert: Flavine (kann 2e- und 2 Protonen aufnehmen) Chinone - Akzeptieren 2e- und 2 Protonen - Akzeptieren Elektronen und Protonen - Bewegen sich innerhalb der Membran - Gibt verschiedene (meistens UQ und MK) Seite 100 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Eisen Schwefel Proteine (Ferrodoxine) Cytochrome - Enthalten Cluster aus Eisen und Schwefel - Akzeptieren und geben ein Elektron ab - Transferieren lediglich elektronen über das Heme Atom (Fe2+ oder Fe3+) Die molekulare Zusammensetzung der Atmungsketten mit Sauersto ff (Chinoloxidase und Cytochrom-c-abhängig) beschreiben und die Bedeutung der letzteren im Zusammenhang mit der Endosymbiosetheorie und der Entstehung von Mitochondrien abschätzen Übertragung der Elektronen von NADH auf O2. Seite 101 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Atmungskette von Alphaproteobakterien Pro 2e- werden 10 Protonen über die Membran transferiert Elektronen fliessen von NADH zu O2. Dies wird durch Protein Komplexe in der inneren Membrane der Mitochondrien ermöglicht. Diese Komplexe pumpen Protonen von der Innenseite der Membran zur Aussenseite und generieren einen Protonengradienten. Protonenbewegungen zurück durch die ATP Synthase liefert Energie für die ATP Synthese. Dabei Beteiligte Komplexe Sind: Komplex I: Oxidiert NADH und Reduziert Q Komplex III: Oxidiert Q und reduziert Zytochrom C Komplex IV: Oxidiert Zytochrom C und reduziert O2 zu H2O (Komplex II ist Bypass von Komplex I, siehe Katabolismus Allgemein) Endosymbiontentheorie Aerobe Prokaryoten gingen mit anaeroben Eukaryoten eine Symbiose ein. So sind Eukaryoten mit Mitochondrien entstanden. Dies passt gut mit den obigen Erkenntnissen zusammen, denn die katalytischen Untereinheiten in Mitochondrien und den Alphaproteobakterien sind sehr konserviert. Seite 102 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Atmungskette von Alphaproteobakterien (Mitochondrien) mit der von E. coli vergleichen E Coli (im Schema links der linke Pfad): - Besitzt kein Zytochrom-C - Besitzt anstelle der Zytochrom-C Oxidase eine Quinol Oxidase - Stellt aus 2e- nur einen Proton Gradienten von 8H+ auf Aber (Gemeinsamkeiten): - E Coli hat auch einen Komplex 1 - Hat auch einen Quinon Pool Den Zweck von verzweigten Atmungsketten erklären, d.h. die Verwendung alternativer terminaler Oxidasen Der Unterschied von verschiedenen terminalen Oxidasen liegt in der unterschiedlichen Affinität für Sauerstoff dieser Oxidasen. Somit wenn hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden sind können «normale» Oxidasen verwendet werden, wenn aber weniger Sauerstoff vorhanden ist können Oxidasen mit einer höheren Affinität für Sauerstoff verwendet werden, welche aber dann keine Protonenpumpen mehr sind. Seite 103 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Vorlesung 3 - Oxidation organischer Verbindungen - Glykolyse, Gärung, Zitratzyklus, Fettsäureoxidation Die Bedeutung der Glykolyse und des Zitratzyklus für katabole Reaktionen aufzuzeigen und diese mit der Substratstufenphosphorylierung und der Elektronentransportphosphorylierung in Beziehung setzen (und die Bedeutung für anabole Reaktionen vorhersagen können) Glykolyse Wie man auf der Grafik links sehen kann: Setzt Glukose durch Zugabe von 2 ATP (Invest) zu einem Molekül 3-Glyceraldehydphosphat (GAP) und einem Molekül Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) um. Das Enzym Triose Phosphat Isomerase setzt DHAP zu GAP um. Diese Schritte werden als obere Glykolyse bezeichnet. Die 2 Moleküle 3-Glyceraldehydphosphat (GAP) werden anschliessend mit Pi und unter Umsetzung eines NAD+ zu NADH (Mithilfe von 3-Glyceraldehydphosphat Dehydrogenase (GAP-DH), siehe nächstes Lernziel) zu 1-3-Bisphosphoglycerat reagiert. Dieses Molekül Wird in einer exergonen Reaktion zu 3-Phosphoglycerat reagiert. Dabei wird ein Molekül ATP generiert. Das Produkt reagiert unter Abgabe von H2O weiter zu Phosphoenolpyruvat und dann unter Abgabe eines weiteren Moleküls ATP zu Pyruvat. Diese Schritte werden als untere Glykolyse bezeichnet und laufen insgesamt 2x ab. Nettobilanz (aus einem Molekül Glukose entstehen): 2 Moleküle ATP 2 Moleküle NADH 2 Moleküle Pyruvat (Werden an TCA Zyklus weitergegeben) Bedeutung für anabole Reaktionen Das in der Glykolyse und dem TCA Zyklus generierte ATP und NADH wird im Anabolismus zur Biosynthese von Makromolekülen benötigt Zentrale Metaboliten (wie z.b. Acetyl-CoA) können nicht von Katabolismus und Anabolismus getrennt werden und werden für beide gleichermassen benötigt Zuckermoleküle dienen auf der einen Seite der Energiegewinnung und auf der anderen Seite als Edukte für neue Bausteine für die Zelle Den Zusammenhang zwischen Zuckerabbau und Redoxreaktionen beschreiben (Schlüsselenzym und seine Reaktion, d.h. GAP -DH (siehe Vorlesungsthema 2)) Die GAP-DH ist dafür verantwortlich, dass ATP in der Glykolyse entsteht, da sie ein Phosphat (Pi) an das GAP anbaut, um 1,3-Bisphosphoshpoglyceraldehyd zu erstellen. Dies kann dann durch Substratstufenphosphorylierung insgesamt 2 ATP umsetzen. Seite 104 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wie man in der Abbildung links sehen kann wird das C Atom des Aldehyds zuerst Oxidiert (das C Atom wird positiv geladen), indem das H Atom auf das NAD+ übertragen wird, sodass NADH entsteht (reduktion). Da das C jetzt positiv geladen ist und das Pi negativ kann es an das C gebunden werden und es entsteht 1,3- Bisphosphoshpoglyceraldehyd, welches durch eine Substratstufenphosphorylierung 1 Molekül ATP umsetzt. Schritte der Substratstufenphosphorylierung in einem vorgegebenen Stoffwechselweg erkennen können Ein Beispiel für allosterische Regulierung in der Glykolyse nennen und die Bedeutung kennen Bsp: Ist die Konzentration an ATP hoch, so wird die Synthese von neuem ATP gedrosselt (Zelle benötigt nicht mehr so viel ATP), ist die Konzentration von AMP oder ADP hoch, so wird mehr ATP gebildet (Zelle benötigt ATP). Irreversible Schritte in Stoffwechselwegen anhand einer vorgegebenen Tabelle mit G-Werten identifizieren und die Relevanz für den Ablauf eines Stoffwechselweges in Bezug auf die Bildung eines Produktes kennen Wenn der Wert (Berechneter Wert mit den Konditionen in einer Zelle) stark negativ ist, so wird der Schritt irreversibel sein. Ist der Wert nur schwach positiv oder negativ, so ist der Schritt der Reaktion auch reversibel. Seite 105 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Zusätzliche Optionen für den Zuckerabbau (Entner -Doudoroff-Weg u.a.) und die Aktivierung von Glucose mittels Transport (PEP -Transferase-System, PTS) nennen Das Glukosemolekül wird über ein Transporter (Phosphoenolpyruvat, PEP, ganz unten in der Glykolyse) in die Zelle transferiert und eine Phosphatgruppe wird angehängt, sodass Glucose-6- Phosphat entsteht. Dadurch wird das Molekül in der Zelle festgehalten und hält die Konzentration an Glukose in der Zelle niedrig -> Treiben den Glukosetransporter an. Das Glukose-6-Phosphat durchläuft von da an gleich. Ausserdem: Einige Archaeen verwenden leicht andere Schritte in der Glykolyse (z.B. Glukose wird durch ADP - > AMP akt Die Gärung definieren und "den Zweck" kennen Wenn kein Sauerstoff für den TCA Zyklus zur Verfügung steht, können einige Bakterien eine Alternative Form der Energiegewinnung anwenden: Die Gärung. Die Energie wird normalerweise durch Substratstufenphosphorylierung gewonnen. Die Reduktionsäquivalente (NADH...) werden verwendet, um ein oxidiertes Zwischenprodukt zu reduzieren. Die Art einer Gärung und des verantwortlichen Mikroorganismus identifizieren, wenn das/die Produkt(e) einer mikrobiellen Kultur (Laktat, Ethanol) gegeben sind Laktat Ethanol Streptococcus Hefe Lactobacillus Zymomonas Seite 106 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Den Gärungsprozess beschreiben, der zur Bildung von Laktat und Ethanol führt (Enzymreaktionen), und erklären können, warum die Endprodukte nicht vollständig oxidiert werden (und die Relevanz für Muskeln, Krebszellen benennen können) Laktat Ethanol Die Gesamtbilanz der Glykolyse, des Pyruvat -Dehydrogenase-Komplexes, des Zitratzyklus und des Fettsäureabbaus nennen -> Obiges Beispiel: > 100 ATP Netto-ATP-Gewinn bei vollständiger Oxidation von Glukose im Falle aerober Atmung und unvollständiger Oxidation von Glukose im Falle von Gärung vergleichen Vollständige Oxidation von 1 Glukose Molekül: 38 Moleküle ATP Unvollständige Oxidation von Glukose (Gärung) von 1 Glukose Molekül: 2 Moleküle ATP Seite 107 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Bedeutung von Coenzym A als Träger von Säuren im Zentralstoffwechsel beschreiben Links ist der Zitronensäurezyklus abgebildet. Ein Acetyl-CoA (von der Glykolyse -> Pyr. Dehydr. Komplex) verbindet sich mit einem C4 Molekül und es entsteht ein C6 Molekül. Ziel Zitronensäurezyklus: Reduktionsäquivalente (und wenig ATP) erstellen. Die Reduktionsäquivalente können später für Atmungsprozesse ausgenutzt werden. Ausserdem: Zwischenprodukte zu erstellen, welche für den Anabolismus benötigt werden können. Das CoA ist für den Zitronesäurezyklus wichtig, da es den Zitronensäurezyklus bis zum C4 (in der Abbildung unten) katalysiert. Ohne CoA wären die Reaktionen wesentlich träger. Es verlässt das C4 im Zitronensäurezyklus, nachdem die 2 C1 Moleküle (CO2) oxidiert wurden und wird wieder im pyruvate dehydrogenase complex an ein C2 gebunden. Kein Lernziel, Zusätzlich: Funktion von Fettsäure Oxidation ( -Oxidation) In der Abbildung links wird die Aktivierung von Fettsäuren mittels CoA gezeigt. Die Fettsäure wird an das CoA gehängt. Danach wird ein Acetyl CoA abgespalten durch Oxidation, Hydration, eine zweite Oxidation und Thiolyse (ein neues HS-CoA wird an das Acyl-CoA gehängt). Dies wird wiederholt, bis nurnoch Acetyl-CoA (C2) vorhanden ist. Ist die Anzahl C ungerade, so entsteht bei der letzten Thiolyse Propionyl CoA (C3), und wird zu Succinyl CoA umgesetzt (ein Bestandteil des Zitronensäure Zyklus). C16 (palmitoyl) liefert mehr als 100ATP bei der Fettsäure Oxidation. Vorlesung 4 - Anaerobe Atmung / Oxidation anorganischer Verbindungen Das Konzept der Hierarchie der Elektronenakzeptoren erklären Grundsätzlich: Bei der Atmung wird eine Redox Reaktion zwischen zwei Edukten durchgeführt. Je weiter die E0 Werte der beiden Edukte voneinander weg sind, desto mehr Energie wird frei. Seite 108 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die wesentlichen Aspekte der Nitratatmung und der Denitrifikation vergleichen, d.h. Bilanz, Schlüsselenzym, Zwischenprodukte Nitratatmung Wie man in der Abbildung Erkennen kann ist die Nitratatmung der erste Teil der Denitrifikation. Dabei wird Nitrat (NO3-) mithilfe von Nitrat Reduktase zu Nitrit (NO2- ) reduziert. Bei der Nitratatmung wird höchstens eine Energie von 1932kJ/mol frei. Bemerkung: Einige Organismen (E. Coli) können NO2- weiter bis zu Ammonium (NH3) reduzieren. Denitrifikation Bei der Denitrifikation wird Nitrat (NO3) über verschiedene Zwischenschritte (inklusive der Nitratatmung) zu N2 reduziert. Dabei werden die Enzyme NO3- Reduktase, NO2- Reduktase, NO Reduktase und N2O Reduktase benötigt. Bei der Umsetzung von einem Mol Glukose über Denitrifikation wird höchstens eine Energie von 2670 kJ/mol frei. Im Vergleich: Ein Mol Glukose über aerobe Atmung: 2830 kJ/mol. Beispielorganismen benennen, die in der Lage sind, Nitrierungsatmung bzw. Denitrifikation durchzuführen Nitrierung E. Coli Denitrifikation Proteobakterien (Fakultative Anaerober -> O2 unterdrückt Enzym für Denitrifikation) z.B. Pseudomonas Einige Archaeen und ein Eukaryot (Globobulimina pseudospinescens) Die Folgen der Denitrifikation in der Landwirtschaft und in Abwassersystemen beschreiben Schädlich für die Landwirtschaft durch N2-Bildung und Nitratverlust aus Düngemitteln N2O ist ein Treibhausgas; NO verbraucht Ozon, NO2 ist Teil des sauren Regens Aber: Nützlich bei der Abwasserbehandlung (zur Entfernung von festem Stickstoff) Beschreiben, warum die aerobe Atmung bei fakultativ anaeroben Organismen wie E. coli der anaeroben Atmung und Fermentation vorgezogen wird Seite 109 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Wird durch die Redoxreaktionen durch grösseren E0 Wert mehr Energie frei. Am wenigsten Energie wird bei der Fermentation frei (lediglich Reduktion, keine Oxidation möglich). Ein Beispiel für einen obligatorisch anaeroben Atmungsprozess und die beteiligten Organismen geben Methan und Wasser wird aus CO2 und H2 gebildet (Methanogenese). Organismen: Methanogene Chemolithotrophie definieren und chemolitotrophe Organismen nach dem verwendeten Elektronendonor unterscheiden Bei der Chemolithotrophie werden anstelle von organischen energiereichen Verbindungen (Glukose...) anorganische energiereiche Verbindungen (H2, H2S, Fe2+, NH3) als Energiequelle verwendet. Normalerweise aerobe Organismen Startet mit Oxidation von anorganischem Elektronendonor Elektrontransport generiert ATP (ATP Synthase) Meist Autotroph (CO2 als Kohlenstoffquelle) Herstellung von NADH bei chemolithotrophen Organismen Komplex 1 wird «rückwärts» angewendet: Der Protonengradient wird verwendet, um NADH zu erstellen. Den chemolithotrophen Prozess nennen, der zuerst entdeckt wurde, und den Wissenschaftler nennen, der das Konzept vorgeschlagen hat Sergei Winogradsky (1887): Hat schwefeloxidierende Bakterien im Berner Oberland bei Schwefelquellen entdeckt. Unter Mikroskop beobachtbare Schwefel (Elementar, S0) «Kügelchen» in den Zellen werden in Wasser zu H2SO4 umgesetzt (verschwinden). Die Bakterien Gewinnen elementaren Schwefel aus H2S aus ihrer Umgebung. Seite 110 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Zwei chemolithotrophe Prozesse genauer und mit Schlüsselenzymen kennen, nämlich die Wasserstoffoxidation durch Knallgas -Bakterien und die Nitrifikation Wasserstoffoxidation (Knallgas-Bakterien) Schlüsselenzym: Hydrogenase (Fe, S) (Ni, Fe) Der lösliche Hydrogenase Komplex bindet H2 und wird für die NADH Produktion benötigt Beispielbakterum: Cuprividus necator (fakultativer Chemolithotroph) Nitrifikation NH3 -> NO2- NO2- -> NO3- Die meisten Bakterien haben entweder Enzyme, um Ammoniak oder Nitrit katalysieren zu können, gibt aber auch Bakterien, welche beide Enzyme haben (Gruppe der Comammox Bakterien). Bakterien, welche Nitrifikation betreiben sind sehr wichtig für den Stickstoff Zyklus. Seite 111 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Darlegen, wie Energie in Chemolithotrophen (aus Wasserstoff) konserviert wird und wie NADH generiert wird Wie man in der Abbildung links erkennen kann verwendet die Cytoplasmatische Hydrogenase in manchen Chemolithotrophen H2 als Elektronendonor und NAD+ als Elektronenakzeptor, um NADH zu erstellen. (Thermodynamisch möglich) Chemoorganotrophie und Chemolithotrophie vergleichen E. Coli ist Chemoorganotroph und kann NO3- und NO2- als Elektronenakzeptor verwenden und Acetat (Glukose) als Elektronendonor -> Thermodynamisch möglich Bakterien, die Nitrifikation betreiben, sind Chemolithotroph und können NH3 und NO2- als Elektronendonor und Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwenden -> Thermodynamisch möglich Vorlesung 5 - Verwendung von Licht / Phototrophie Kein Lernziel, Zusätzlich: Allgemeine Infos Phototrophie Je kleiner die Wellenlänge, desto mehr Energie haben die Lichtwellen. - UV (sehr energiereich) ist schädlich für Organismen - Zw. ca. 400nm und 750nm wird als Energiequelle verwendet - IR (sehr energiearm) wird nicht mehr von der Biologie als Energiequelle verwendet Seite 112 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Gruppen von Phototrophen aufzählen und ihre Lebensräume exemplarisch kennen Prokaryotische Phototrophe Anoxisch: Purpur und Grüne Schwefelbakterien (je 2 Gruppen: nonsulfur (org. Elektronendonatoren) werden von hohen Konzentrationen an H2S getötet, können aber auch H2S umsetzen) und sulfur), Heliobakterien (anoxisch, org. Elektronendonatoren) Energiegewinnung: Setzen H2S und CO2 zu SO42- und (CH2O)n um Lebensräume: Purpur: untere Seezone / Grün: noch weiter unten als Purpur Oxisch Cyanobakterien (meist obligatorisch Phototroph) Energiegewinnung: Setzen H2O und CO2 zu O2 und (CH2O)n um Lebensärume: Terrestrische Süss- und Salzwassermarinensysteme, (obere Seezone, wie auch Algen) Phototropher Bestandteil von Flechten, Können Krusten auf Wüstenböden bilden Ein mögliches Szenario beschreiben, wie grundlegende Mechanismen zum Energiestoffwechsel nacheinander entstanden sein kö nnten und aufzeigen können, wie sich dies auf die Diversifizierung des Lebens auf der Erde ausgewirkt haben könnte Cyanobakterien sind eine Symbiose mit Eukaryoten (vorfahren der heutigen Pflanzenzellen) eingegangen. Ähnlich wie bei der Endosymbiose der Mitochondrien könnten aus ihnen Chloroplasten entstanden sein, welche die eukaryotische Zelle phototroph gemacht hat und die eukaryotische Zelle schützte im Gegenzug die prokaryotische Zelle. Die Bedeutung des grossen Oxidationsereignisses (great oxidation event, GOE) aufzuzeigen und die Verbindung zur Photosynthese erklären Great Oxidation Event (GOE): vor 2.4 Mia Jahren begann oxygene Photosynthese: Langsamer Anstieg des Sauerstoffgehalts in der Atmosphäre. Zuvor gab es lediglich anoxische Photosynthese. Durch die oxygene Photosynthese begann der Luftsauerstoffgehalt langsam zu steigen. Dies wird GOE genannt. Durch den GOE entstand langsam viel O2, die aerobe Atmung wurde somit zu einem nützlichen Mittel für Lebewesen, Energie zu gewinnen. Seite 113 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Prozesse der anoxygenen und oxygenen Photosynthese vergleichen Die Struktur des Chlorophylls erkennen und erklären, was dieses Molekül für die Photosynthese geeignet macht Die Dekorationen am Bacteriochlorophyll a sorgen dafür, dass das Molekül Licht von einer speziellen Wellenlänge optimal absorbieren kann. Die Phytol Seitenkette ist eine lange, hydrophobe Seitenkette, welche durch eine Estergruppe an das Chlorophyll Molekül angebaut ist. Sie bietet bestimmten Membran Proteinen Ankerpunkte für eine feste Bindung mit dem Chlorophyll Molekül. Chlorophyll ist so ein guter Licht Absorber, weil es konjugierende Doppelbindungs Systeme enthält. Die Funktion anderer Pigmente im Zusammenhang mit der Photosynthese beschreiben Oben ein Chlorophyll wie es in Cyanobakterien vorkommt In der Mitte ein Beispiel eines Carotenoids (in Cyano B.) mit den folgenden Funktionen: - Tragen zur Photosynthese bei idem sie Licht an des Reaktionszentrum weiterleiten - Schützen vor zu viel reaktiven Sauerstoffspezies Unten ein Geöffnetes Chlorophyll (lineares Tetrapyrol). Entsteht, wenn ein Chlorophyll in einer Reaktion gespalten wird. Diese werden an Proteine gebunden, um das Licht optimal ausnützen zu können. Seite 114 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Chlorophyll Pigmente sind in Bakterien integriert in die cytoplasmische Membran. In Eukaryoten in gestapelten Membransystemen. Fachwörter? Chlorosome kommen z.B. in Grünen Bakterien vor. Es sind gigantische Antennensysteme mit extrem viel Bakteriochlorophyll im Vergleich zum Reaktionszentrum von ihnen (unten). Die Grünen Bakterien sind mit ihnen fähig, extrem schwache Lichtintensitäten auszunützen und können aus diesem Grund weit unten im Wasser überleben und Energie erzeugen. Kein Lernziel, Zusätzlich: Light harvesting comp lex und Reaktionszentren Das Chlorophyll ist (zusammen mit den Pigmenten) in einem Kreis um das Reaktionszentrum angeordnet. Dabei haben die Chlorophyll Moleküle genau den Richtigen Abstand zueinander, dass angeregte Zustände von Elektronen weitergegeben können. Dieser angeregte Zustand wird bis ins Reaktive Zentrum an ein Chlorophyll Paar (hier: blau) weitergegeben. Dies garantiert, dass Photosynthese sehr effektiv ist. Wird ein Elektron eines Chlorophylls durch ein Photon einer genau festgelegten Wellenlenge beschossen, so wird es angeregt. Es gibt 4 verschiedene Möglichkeiten, wie die Energie weitergegeben werden kann: 1. Es entsteht Wärme 2. Es wird ein Photon emittiert (Licht entsteht) 3. Wenn der Abstand zu einem anderen Molekül genau stimmt: Der angeregte Zustand wird weitergegeben an ein anderes Molekül. Dies ist, was auch angestrebt wird. 4. Am Reaktionszentrum wird die Energie des angeregten Zustand des Moleküls verwendet, um eine Redox Reaktion durchzuführen, nach welchem der Elektronendonor oxidiert ist, der Elektronenakzeptor reduziert ist, und das Molekül wieder in den Grundzustand wechselt. Seite 115 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Das Licht trifft im Normalfall auf ein Lichtsammelkomplex (oben dargestellt). Der links dargestellte Vorgang läuft am reaktiven Zentrum des Lichtsammelkomplexes (im Zentrum) ab. Bemerkung: Licht kann auch direkt auf das reaktive Zentrum treffen, ohne, dass angeregte Elektronen weitergegeben werden müssen (ist aber selten). Oben grundsätzlich wichtig: Licht wird verwendet, um einen extrem Starken Elektronen Donor zu erzeugen (im Beispiel unten P870*). Somit kommt es zu einem Elektronenfluss ähnlich wie in Atmungsprozessen. Den Prozess der anoxygenen Photosynthese auf biochemischer Ebene beschreiben, einschliesslich Reaktionszentrum, Elektronen fluss, Erzeugung von ATP und Reduktionsäquivalenten aus Elektronendonotoren Der linke Kreislauf wäre geschlossen. Aber: Problem von z.B. Purpurbakterien: Benötigen viel NADH, um CO2 als Baustoffe umzusetzen. Möglich wäre der linke Kreislauf (Elektronen von Q pool werden für NADH benötigt) Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich, Die Elektronen im Q pool sind um einiges positiver als NAD+ (c.a. 0.32 V). Um trotzdem NADH produzieren zu können verwenden auch Purpurbakterien (wie chemolithotrophe Organismen) den Komplex 1 revers und nutzen einen Protonengradienten, um NADH aus NAD+ herzustellen. Dies führ zum Problem, dass das das Chlorophyll nicht mehr reduziert werden kann (Das Elektron Seite 116 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 wurde für NADH benötigt). Somit wird ein externer Elektronen Donor (z.B. H2S, Fe2+ Dies ist bestimmt ein Grund, wieso diese Spezies in der frühen Erdgeschichte sehr Wichtig gewesen sein müssen. Vergleich von Purpur Bakterien mit Grünen Schwefelbakterien. Elektronen werden zuerst an ein EisenSchwefel Cluster haltiges Protein und erst dann weiter über den bc1 Komplex wieder an das Pigment. Da das FeS Protein noch negativer ist, gibt es hier direkt die Möglichkeit, Ferrodoxin zu reduzieren. In diesen Bakterien ist Ferrodoxin wichtig für CO2 fixierung, nicht NADH. Photosystem II Photosystem I Anaerobe Prokaryotische Phototrophe Organismen besitzen immer entweder ein PS I oder ein PS II. Den Prozess der oxygenenen Photosynthese auf biochemischer Ebene beschreiben, einschliesslich Reaktionszentren, Elektronenfluss, Erzeugung von ATP und verwendetem Elektronendonor und -akzeptor (und die Bedeutung im Zusammenhang mit Endosymbiose und Chloroplasten vorhersagen) Kombination aus PS I und PS II. O2 ist ein extrem guter Elektronenakzeptor, jedoch auch ein schlechter Elektronendonor. Da aber das P680 Pigment hier so stark positiv geladen ist, können die Elektronen von Wasser trotzdem aufgenommen werden (O2 entsteht). Es folgt dasselbe Photosystem I wie oben schon aufgezeigt. Über den Cyt b6f Komplex können Elektronen aus Wasser freigesetzt werden und die Lücke des Photosystems I auffüllen (Die beiden PS sind in Reihe geschaltet). Dadurch wird ein Protonengradient aufgebaut -> ATP Synthase generiert daraus ATP. Die Elektronen für die Reduktionsäquivalente am ende des PS I kommen aus dem Wasser. Es ist auch möglich nur das PS I ablaufen zu lassen (gestrichelte Linie), dass nur ein Protonengradient aufgebaut wird (Wenn mehr ATP bedarf als Reduktionsäquivalente). Seite 117 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Bilanz: Vier Photonen werden benötigt um ein O2 Molekül zu erzeugen. Die vier Elektronen, welche von Wasser extrahiert wurden reduzieren zwei Q zu zwei QH2. Die Photolyse von Wasser wie sie in der oxygenenen Photosynthese stattfindet ist die Quelle von O2 für alles Leben. Die Erzeugung eines Protonengradienten mit Bakteriorhodopsinen skizzieren und dem Prozess der (an)oxygenen Photosynthese gegenüberzustellen Die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge sorgt dafür, dass direkt ein Protonengradient aufgebaut wird (Protonenpumpe, die gegen natürlichen Protonengradienten arbeiten kann). Über die ATP Synthase wird dann ATP erzeugt. Ein Retinal Molekül (welches für uns auch wichtig ist, um zu sehen) hat zwei unterschiedliche Konformationen: Im Grundzustand ist es ein trans Molekül, und ein Lysin Rest ist an das Protein gebunden. Wird Licht der richtigen Wellenlänge absorbiert, wird es in eine instabile cis Verbindung überführt, was dafür sorgt, dass Protonen aus der inneren Seite aufgenommen werden, was zu einer Konformationsänderung führt, welche dafür sorgt, dass die Protonen auf der anderen Seite der Membran wieder abgegeben werden. G: Baustoffwechsel: Anabolismus (J. Piel) Vorlesung 1: Zusammenhang zwischen Katabolismus und Anabolismus, Kohlenstofffixierung und Stickstofffixierung Zusammenhang zwischen Katabolismus und Anabolismus Anabolismus ist der Aufbau von Biomolekülen (Baustoffen) für die Zelle. Diese Reaktionen sind im Normalfall endergon und benötigen ATP, welches im Katabolismus gebildet wird. Ausserdem benötigen einige Reaktionen im Anabolismus NADP, welche ebenfalls im Katabolismus gebildet werden. Gemeinsamkeiten: Aktivierung der Biomoleküle durch ATP (oder durch andere Triphosphate), um die Reaktivität zu erhöhen. Seite 118 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Die Zentralen Biosynthesewege im Katabolismus und Anabolismus sind dieselben. Kohlenstoff Fixierung: Kohlenstoffzyklus, Hauptgruppen von CO2-fixierenden Organismen Kohlenstoffzyklus Stark vereinfacht: Seite 119 von 136 Zusammenfassung Biologie Semester 1 Hauptgruppen von CO2-fixierenden Organismen Kohlenstoff Fixierer sind autotroph Kohlenstoff Fixierung: CBB Cyklus: I nput, Output, Schlüsselzwischenprodukte Kelvin Calvin-Benson-Bassham Zyklus (CBB Cycle) Input: Aus 6 CO2 (und NADPH und ATP) entsteht Output: 1 Glukose-6-Phosphat (Zwischenprodukt: 2 GAP). Zweck des CBB Zyklus: - Biomassenherstellung - CO2 wird zu GAP umgesetzt, welches für Zucker und andere Biomoleküle verwendet wird - Herstellung von 4-, 5-, 6-, und 7- Kohlenstoff Verbindungen -> Der CBB Zyklus muss 6-mal durchlaufen werden, um ein Molekül GAP herzustellen Kohlenstoff Fixierung: RuBisCO und die Challenge der CO 2 fixierung Ribulose-1,5-bisphosphat Karboxylase (RuBisCO) ist das Schlüsselenzüm, welches für die CO2 Fixierung verantortlich ist. Es katalysiert, wie man links erkennen kann, die Reaktion, bei welcher ein CO2 Molekül an ein Ribulose 1,5-Bisphosphat (Zwischenprodukt am Ende des CBB Zyklus) angehängt wird. Danach wird eine C-C Verbindung des Moleküls getrennt, sodass 2 Moleküle 3-Phosphoglycerat entsthehen. Challenge der CO2 Fixierung 1. CO2 ist ein kleines, lineares, funktionsloses und reaktionsträges Molekül. Das Mg2+ von RuBisCO hilft, das CO2 zu polarisieren und bringt es nahe an das Ribulose-1,5-Bisphosphat Seite 120 von 136