Zentrum für Human- und Molekularbiologie der Universität ...mikrobiologie.uni-saarland.de/lehre/2019 Kapitel 4.pdf · Redox-Potential! Substanzen unterscheiden sich in ihrer Neigung,

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ÖFFENTLICHE RINGVORLESUNG SOMMERSEMESTER 2019

Zentrum für Human- und Molekularbiologie der Universität des Saarlandes in Kooperation mit der Landeshauptstadt Saarbrücken

Bio-Logisch!Filmhaus Mainzer Straße 8, 66111 Saarbrücken Mittwochs, 18:30 Uhr

24.04.19 Müllabfuhr in der Zelle Prof. Dr. Karin Römisch Mikrobiologie, Saarbrücken

08.05.19 ADAM-Proteasen und neuronale Erkrankungen – ein neuer Weg in der Alzheimer-Therapie? Jun.-Prof. Dr. Daniela Yildiz Molekulare Pharmakologie, Homburg

15.05.19 Neue Einsatzmöglichkeiten für Hefen – von der Impfstoff-Forschung bis zur Tumor-Therapie PD Dr. Frank Breinig Molekular- und Zellbiologie, Saarbrücken

22.05.19 Der gläserne Mensch – Das menschliche Genom im Zeitalter der personalisierten Medizin Dr. Nicole Ludwig Humangenetik, Homburg

29.05.19 Epigenetik – das Spiel der Gene Prof. Dr. Jörn Walter Genetik/Epigenetik, Saarbrücken

05.06.19 Zellfortsätze zur Fortbewegung und Sinneswahrnehmung – kleinste Strukturen mit riesigen Aufgaben Jun.-Prof. Dr. David Mick Molekularbiologie, Homburg

12.06.19 Tumorimmunologie-Funktionen des Immunsystems bei Krebsentstehung und Therapie Dr. Barbara Walch-Rückheim, Virologie & Immunologie, Homburg

19.06.19 Krebsabwehr durch natürliche Killerzellen Prof. Dr. Markus Hoth, Biophysik, CIPMM, Homburg

26.06.19 Strukturbiologie – Leben im atomaren Detail Prof. Dr. Roy Lancaster, Strukturbiologie, Homburg

03.07.19 Der Chloroplast – grüne Energie und grüne Gentechnik Prof. Dr. Katrin Philippar, Pflanzenbiologie, Saarbrücken

10.07.19 Das Gedächtnis – Zwischen Erinnern und Vergessen Prof. Dr. Uli Müller Zoologie/Physiologie-Neurobiologie, Saarbrücken Auskunft

Universität des Saarlandes Zentrum für Human- und Molekularbiologie, +49 6841 16 - 26184, [email protected] Landeshauptstadt Saarbrücken Kulturamt, Abt. Film und Wissenschaft +49 681 93674 - 13, [email protected]

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Ernährung & Metabolismus !von!

Mikroorganismen!

Mikrobielles Periodensystem!

Mikrobielle Ernährung: Makronährstoffe in Kulturmedien!

Makronährstoffe: benötigt in grossen Mengen!Mikronährstoffe: geringe Mengen, oft nur Spuren!

Mikrobielle Ernährung!C: aus organischen Verbindungen oder CO2! 50% Trockengewicht der Zelle = C!!N: aus organischen oder anorganischen Verbindungen! 12% Trockengewicht der Bakterienzelle = N!!P: aus organischen & anorganischen Phosphaten! für Nukleinsäuren & Phospholipide!!S: hauptsächlich aus Sulfat & Sulfid! für met, cys, Vitamine!!K: Cofaktor für Enzyme!Mg: Stabilisierung von Ribosomen, Membranen, DNA/RNA!Ca: Stabilisierung von Zellwänden, Endosporenbildung

Mikrobielle Ernährung!Fe: wichtig in Cytochromen & FeS-Proteinen (Elektronen-! transport in der Atmung)!! Aufnahme in die Zelle durch Siderophore! wichtiger Pathogenitätsfaktor, in vielen Geweben Fe-Mangel!!Mikronährstoffe = Spurenelemente:! Metalle, häufig Cofaktoren für Enzyme! Zugabe zu Labormedien häufig unnötig, weil ausreichend in ! komplexen Medien vorhanden!!Wachstumsfaktoren:! Vitamine, z. T. auch aa, Purine, Pyrimidine! Bedarf variiert mit Organismus

Mikrobielle Ernährung!Klassen von Medien, aseptische Technik: im Praktikum

Metabolismus: Katalyse & Enzyme!alle Organismen konservieren Energie - wie?!!Energie = Fähigkeit zu arbeiten, in [kJ]!freie Energie G steht für Arbeit zur Verfügung!!ΔG0´ = Veränderung der freien Energie während einer Reaktion ∆ = Veränderung 0´ = freie Energie wurde gemessen bei pH 7, 25°C, 1 Atmosphäre Druck, alle Ausgangssubstanzen 1M (Standardbedingungen) A + B C + D wenn ΔG0´ = negativ, d.h. Reaktion läuft unter Freisetzung von

freier Energie ab = exergon kann als ATP gespeichert werden

Metabolismus: Katalyse & Enzyme!A + B C + D wenn ΔG0´ = negativ: Reaktion läuft unter Freisetzung von

freier Energie ab = exergon kann als ATP gespeichert werden = positiv: Reaktion läuft unter Verbrauch von Energie ab = endergon

Berechnung von ΔG0´ aus freier Energie der Ausgangssubstanzen und Produkte G0

f = freie Energie der Bildung einer Verbindung Wert der G0

f von Elementen in elementarer Form = 0 für die meisten Verbindungen ist G0

f negativ

TABLE 5 Free energy of formation for a few compounds of biological interest Compound Free energy of

formation a

Water (H2O) -237.2 Carbon dioxide (CO2) -394.4 Hydrogen gas (H2) 0 Oxygen gas (O2) 0 Ammonium (NH4

+) -79.4 Nitrous oxide (N2O) +104.2 Acetate (C2H3O2

-) -369.4 Glucose (C6H12O6) -917.3 Methane (CH4) -50.8 Methanol (CH3OH) -175.4 a The free-energy values (G f 0) are in kj/mol.

By convention the Gf

0 for the elements (C, H2, O2, N2) is zero

A + B C + D C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ΔG0´ = ΔG0

f [C + D] - ΔG0f [A + B]

[6x - 394.4 + 6x - 237.7] - [- 917.3] ΔG0´ = - 2872.3 kJ (pH 7.0; 25 °C; 1M) C6H12O6 [A] 2 C3H6O3 [B] ΔG0´ = ΔG0

f [B] - ΔG0f [A]

[2x –517.8] - [- 917.3] ΔG0´ = - 118.3 kJ (pH 7.0; 25 °C; 1M)

Calculation of the change in standard free Energy ΔG0´ from Gf0

(1)

(2)

Rechenbeispiele!

Funktion von Enzymen!beschleunigen der Reaktion durch Reduktion der!Aktivierungsenergie = Katalyse!!Katalysator bleibt unverändert !Energetik & Gleichgewicht bleiben unverändert!!

Funktion von Enzymen!

Funktion von Enzymen!beschleunigen der Reaktion durch Reduktion der!Aktivierungsenergie = Katalyse!!Katalysator bleibt unverändert !Energetik & Gleichgewicht bleiben unverändert!!biologische Katalysatoren = Enzyme (Proteine, RNAs)!!hohe Spezifizität, abhängig von Enzymstruktur!!Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen (Wasserstoffbrücken,!van der Waals, hydrophobe Wechselwirkungen) über aktives Zentrum

Enzyme!beschleunigen Reaktionen bis 1020-fach!!wichtig: substratspezifische Bindung!

! !! Interaktion des Substrats mit katalytisch aktiven ! ! Aminosäuren im aktiven Zentrum!

!! führt zur Schwächung spezifischer Bindungen im Substrat

! reduziert Aktivierungsenergie für Produktbildung!

!

Bsp: Fructosebisphosphataldolase!

Enzyme!beschleunigen Reaktionen bis 1020-fach!!wichtig: substratspezifische Bindung!

! !! Interaktion des Substrats mit katalytisch aktiven aa im !! aktiven Zentrum!! führt zur Schwächung spezifischer Bindungen im Substrat ! reduziert Aktivierungsenergie für Produktbildung!

!Enzyme können sowohl exergone als auch endergone Reaktionen beschleunigen, letztere unter Zuführung von Energie!(ATP)

Redox-Reaktionen & !energiereiche Verbindungen!

Oxidation = Entfernen von Elektronen vom e- -Donor!Reduktion = Hinzufügen von Elektronen zum e- -Akzeptor!!

Redox reactions

Ared ! Aox + n electrons

Box + n electrons ! Bred

H2 " 2 H+ + 2e- 1/2 O2 + 2 e- " O2-

2H+ + O2- " H2O

H2 + 1/2 O2 " H2O

Redox-Potential!Substanzen unterscheiden sich in ihrer Neigung, oxidiert oder!reduziert zu werden =!!Redoxpotential, gemessen in Volt, in Bezug auf H2, bei pH 7!E0´ je nach Reaktionspartner können viele Moleküle sowohl Elektronen-Donor als auch -Akzeptor sein!!bei Redox-Paaren steht die oxidierte Form links: NAD+/NADH!!bei Redox-Reaktionen gibt die reduzierte Form des Redox-Paares, dessen E0´negativer ist, Elektronen ab an die oxidierte Form des Paares, dessen E0´positiver ist!

natürliche Spannbreite!

Redox-Potential!∆E0´ proportional zu ΔG0´ bei Redoxreaktionen freigesetze Energie kann z.B. als ATP gespeichert werden d.h. Elektronendonoren sind Energiequellen in Gegenwart geeigneter Elektronenakzeptoren

NAD als e- Überträger bei Redoxreaktionen!Elektronenüberträger:!

1) Frei diffundierbar (Coenzyme): NAD+, NADP+!

!2) fest an Enzyme gebunden (prosthetische Gruppen); bei !!membran-gekoppelten e- Transferreaktionen!

!!NAD+, NADP+ übertragen gleichzeitig 2 e- und 2 H+ !

E0´ für NAD+/NADH (oder NADP+/NADPH) = -0,32V!!d.h. NAD(P)H ist guter e- Donor!

!NAD+/NADH in energieerzeugenden Reaktionen!NADP+/NADPH in biosynthetischen Reaktionen

Nicotinamid-!adenindinucleotid!(NAD+)

Redoxreaktionen!mit NAD+!

Energiereiche Verbindungen !& Energiespeicherung!

freie Energie!der Hydrolyse!


Energiespeicherung in lebenden Organismen:!!chemische Energie aus Redoxreaktionen v. a. als Phosphat!!nicht alle Phosphatbindungen sind energiereich !!Zellen benutzen i. A. Verbindungen mit ΔG0´ > 30 kJ/mol als Energiespeicher



Energiereiche Verbindungen: ATP!

wichtigste Energieeinheit in Zellen!!in aktiv wachsenden Zellen: ATP/ADP = 1000,! Energiebedarf für ATP Synthese ist > als Energie, die freigesetzt wird bei der ATP Hydrolyse



Energiereiche Verbindungen: Coenzym A!

energiereiche Thioesterbindung!!besonders wichtig bei anaeroben Mikroorganismen, deren!Metabolismus über Fermentation läuft

Langfristige Energiespeicherung!ATP in relativ geringer Konzentration in der Zelle (2 mM)!!für langfristige Energiespeicherung in Prokaryoten unlösliche !Polymere, die zur Bildung von ATP oxidiert werden können, !z.B. Glycogen, Poly-ß-Hydroxybutyrat, Polyhydroxyalkanoat!in der Zelle als Granula gelagert!!in Eukaryoten: Polyglucose = Stärke!

! ! Fette

Katabolismus & Elektronentransport!in Mikroorganismen!

Chemorganotrophe: Fermentation & Atmung!!bei beiden: Synthese von ATP durch Energie aus !

! Redox-Reaktionen!!Fermentation: ohne exogene Elektronenakzeptoren!

! ! Substratkettenphosphorylierung!!Atmung: mit exogenem Elektronenakzeptor (O2)!

! ! oxidative Phosphorylierung, ATP durch PMF!!bei Phototrophen: Photophosphorylierung zur ATP-Bildung!

! ! hier erzeugt Licht Energie für Redox-Reaktionen!! ! zur PMF-Bildung

Katabolismus & Elektronentransport!in Mikroorganismen!

2 H+

Glycolyse als Bsp. für

Fermentation!

Glycolyse als Bsp für Fermentation!Emden-Meyerhof-Weg = Fermentation von Glucose!!3 Hauptstufen:!1) Vorbereitungsreaktionen, keine Energiefreisetzung! 1 Glucose ! !2 Glycerinaldehyd-3-P!!2) Redox-Reaktionen, Bildung von ATP & Pyruvat!!3) Redox-Reaktionen, Bildung von Fermentationsprodukten!!

2 H+

Glycolyse als Bsp. für

Fermentation!

Atmung & !membrangebundene Elektronenüberträger!Fermentation:!keine externen e- -Akzeptoren!geringe Energiegewinnung!keine komplette Oxidation der C-Atome in Glucose zu CO2!!Atmung:!vollständige Oxidierung von Glucose zu CO2!hohe ATP-Ausbeute!O2 als terminaler e- -Akzeptor: aerobe Atmung!!!Transfer von Elektronen!!Umwandlung von organischem C zu CO2!! !dabei Bildung von ATP über PMF!

Elektronentransportsysteme in der Atmung!

membrangebunden!!vermitteln e- Transport vom Donor zum Akzeptor!!speichern einen Teil der freigesetzten Energie der Redox-

Reaktion zur ATP-Synthese!

Elektronentransportsysteme in der Atmung!NADH-Dehydrogenasen:!an der Innenseite der Cytoplasmamembran!binden NADH im aktiven Zentrum, nehmen 2e- und 2H+ auf bei!der Umwandlung zu NAD+, und geben diese an!!Flavoproteine:!proteingebundenes Flavin, das reduziert oder oxidiert wird!nehmen 2e- und 2H+ auf, aber geben nur e- ab!häufig Flavinmononucleotid (FMN) und !Flavinadenindinucleotid (FAD)!Flavinquelle ist Riboflavin (= Vitamin B2), Wachstumsfaktor!

Redox cofactor

Flavinmononucleotid (FMN)!

Elektronentransportsysteme in der Atmung!Cytochrome: !enthalten Häm als prosthetische Gruppe!!übertragen nur e- Redoxstelle ist Fe (2+ oder 3+)!!mehrere Klassen: a, b, c!je nach Hämtyp!!können mit !Eisen-Schwefel-Proteinen !Komplexe bilden!!diese übertragen auch nur e-!

Redox Cofaktor

Nicht-Häm Eisen-Schwefelproteine

Fe2S2-Zentrum

Fe4S4-Zentrum

Elektronentransportsysteme in der Atmung!Chinone:!stark hydrophob!kein Proteinanteil!Vitamin K verwandt!nehmen 2H+ und 2e- auf!geben nur e- weiter!

Coenzym Q

Redoxpotential von Redox-Systemen!typisch für Mitochondrien (innere !Membran) und manche !Bakterien wie P. denitrificans!(Cytoplasmamembran) !

E. coli fehlen Cytochrome c und aa3; !die e- gehen direkt von Cyt b zu!Cyt o oder d. !!Elektronentransport zu O2 geht !einher mit Aufbau eines !Protonengradienten über der!Plasmamembran =!

Die protonenmotorische Kraft (PMF)!

während des e- Transports!werden e- und H+ getrennt und!H+ aus der Zelle ausgeschieden:!Anreicherung von H+ aussen!!bei der Atmung: am Ende Transfer!der Elektronen zu O2 und dessen!Reduktion zu H2O;!dafür wird H+ aus H2O-Spaltung im !Cytosol verbraucht:!Anreicherung von OH- innen!!weil geladen können H+ und OH-!nicht durch die Membran diffundieren!

d.h. Bildung eines pH-Gradienten !und elektrochemischen Potenzials!über der Membran = PMF!Membran der Zelle ist wie eine!Batterie aufgeladen!!diese elektrische Energie kann !in ATP umgewandelt werden!(1961 Peter Mitchell, !„chemiosmotic theory“)!oder zum Ionentransport!oder zur Flagellen-!bewegung benutzt werden!



wesentlich in allen e- Transportketten:!!1) Reihe membrangebundener! e- Überträger, die nach aufstei-! genden E0‘-Werten angeordnet sind!!2) Abwechseln in der Kette von ! e- und e-/H+ Überträgern!!3) Erzeugung der PMF durch Trennung! der Ladungen über der Membran,! innen - , aussen +!

PMF & die Bildung von ATP: ATP-Synthase!Nobelpreis Chemie, 1997!John Walker &!Paul Boyer!

PMF & die Bildung von ATP!

F1 Kopf im Cytoplasma!F0 in der Membran = Protonenkanal!katalysieren zusammen die Bildung!(oder Spaltung) von ATP!hoch konserviert!!kleinster bekannter biologischer Motor: !H+ Transport durch F0 α-Untereinheit treibt Rotation der C-

Proteine!Drehmoment wird auf F1 übertragen, führt zur Konformations-!änderung der ß-Untereinheiten, genutzt zur ATP-Bildung!

ATP-Synthase!ist umkehrbar:!ATP-Spaltung führt zu H+ Transport nach aussen,!d.h. Erzeugung von PMF!!Inhibitoren: hemmen e- Fluss, z.B.! CO, CN- (beide binden Cytochrom a)!!Entkoppler z.B. Dinitrophenol, Dicumarol: machen Membranen ! H+ durchlässig, zerstören PMF! verhindern dadurch die ATP-Synthese!!!

Kohlenstofffluss bei der Atmung!Citrat-Zyklus:!von Glucose bis Pyruvat!wie bei Glycolyse!!dann: vollständiger Abbau des Pyruvat zu CO2!!dabei e- Übertragung auf!NAD+ und FAD, von dort auf!O2 oder andere terminale!Akzeptoren!!dadurch wesentlich höhere!Energieausbeute als bei!der Fermentation!

Bausteine für Biosynthese aus Citrat-Zyklus!Citrat-Zyklus!liefert ausserdem Ausgangsprodukte!für Biosynthese: Aminosäure-Synthese!Cytochrome, Chlorophyll!Fettsäuren!!!!

Alternativen des Katabolismus:!anaerobe Atmung!

andere e- Akzeptoren als O2!weniger Energiefreisetzung als mit O2!dafür Möglichkeit, in O2-freien Habitaten zu leben!!!

Alternativen des Katabolismus:!Chemolithotrophie!

Energie/e- aus anorganischen Verbindungen; !z. B. H2S, H2, Fe2+, NH3!meist aerob!e- Transportkomplexe & PMF!C für Biosynthese aus CO2 (autotroph)!!

Alternativen des Katabolismus:!Phototrophie!

Alternativen des Katabolismus:!Bedeutung der PMF!

Sie sollten jetzt Folgendes wissen:!

1)  Wie entsteht die protonenmotorische Kraft?!!2) Was sind die Unterschiede zwischen ! Fermentation und Atmung bezüglich! - des Kohlenstoffflusses?! - der Energieausbeute?! - der terminalen Elektronenakzeptoren?!!3) Welche Aufgaben hat der Citratzyklus?!

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