AMMII VO2 Karteikarten

Heme - Redox Reaktionen, Atmungskette, in Cytochromen, bindet Sauerstoff in Atmung

Nicht heme - Redox Reaktionen, Hydroxylation Reaktionen - e.g. Ribodinukleotid reduktase

Eisen Schwefel Clusters - wichtig in Atmungskette (Komplex I und II), Photosynthese z.b. Ferredoxin

Fe hat 2 Oxidationszustände +2 und +3 - kann Elektronen aufnehmen bzw abgeben

In der Umgebung gibt es fast kein Fe3+. In Uratmosphäre gab es 0,1M Fe2+ und fast kein Fe3+.

Heutzutage fast kein Fe2+, 10^-24 Fe3+

eisen oxid Fe2O3*nH2O - unlöslich

Wachstumlimitierend

Kleine, organische, hochaffine, Fe3+ chelating Verbindungen, die die Bakterien verwenden, um Eisen aufnehmen zu können

Stärkste Eisen-aufnhme Verbindungen

Produzenten: Monokotyledonen, Aerobe Bakterien, Fungi

Hydroxamat, Chatecholat, Carboxylat siderophoren

Xenosiderophoren (fremde)

ABC Transporter

SBDs verwendet, um Spezifizität sicherzustellen

copy number sbds oft größer als von ABC Transporter

oft mehrere SBDs als Transporter

in gram ngeativen - Porine in AM, dann PBPs, dann ABC

6 Porine, 3 ABC Transporter

Xenosiderophoren: Ferrichrome, Coprogren, Rhodoturolic acid

Energie muss investiert sein, Energie durch pmf gestellt

Energiekupplung: TonB-ExbB-ExbD Komplex

- Die Porine, die Fe3+-Siderophore und Vitamin B12 transportieren, sind durch einen N-terminalen Pfropfen verschlossen, der geöffnet werden muss, damit die Substrate hindurchtreten können.

- Diese Proteine sind aktive Transporter und nutzen die PMF der Zytoplasmamembran.

- Energie wird durch TonB, ExbB und ExbD auf die substratbeladenen Porine übertragen.

- Die Porine enthalten die TonB-Box – eine konservierte Sequenz (5-8 AS), die bei der Substratbindung freigelegt wird  TonB kann binden.

- Der Subkomplex ExbB ExbD (5:2) bildet einen Protonenkanal und wirkt wie ein Motor

- Durch die Interaktion mit TonB wird ein Kanal in den Porinen geöffnet, der die Substrattranslokation ermöglicht

Alle biochemischen Reaktionen, die zur Lebenserhaltung essentiell sind

Anabolismus und Katabolismus

Nährstoffe haben Energie, die mit den Elektronen, die die Bindungen machen verbunden ist (?)

Zellen benötigen Reduzierleistungen, in der Form von einen reduzierten Elektronenspender, als Elektronenquelle für REduktion und Oxidation REaktionen

Katabolimsus - komplexe Verbindungen werden abgebaut um Energie fpr die Zelle zur Verfügung zu stellen

konzentrieren und speichern ATP für Biosynthese

Anabolismus - Biosynthese von zell. Material, Energievebrauch

Zellen nutzen biologische Redoxreaktionen im Katabolismus, um Energie aus Nährstoffmolekülen zu gewinnen.

Zellen bauen Nährstoffe von stark reduzierten Verbindungen (mit vielen Wasserstoffatomen) zu stark oxidierten Verbindungen ab

Redoxreaktionen treten paarweise auf, sogenannte Halbreaktionen (auch Redoxpaare genannt).

Konvention beim Schreiben einer Halbreaktion: Die oxidierte Form steht immer links, gefolgt von der reduzierten Form nach einem Schrägstrich

Unter Redoxreaktionen versteht man das Reduktionspotential, das die Affinität einer Substanz zu Elektronen misst

Ob ein Stoff in einer Redoxreaktion ein Elektronendonor oder ein Elektronenakzeptor ist, wird durch das Reduktionspotential (E0‘ bei Standardbedingungen) der beteiligten Halbreaktionen bestimmt

Das negative Reduktionspotential des Redoxpaares weist darauf hin, dass die reduzierte Substanz (d. h. Glucose) eine starke Tendenz zur Elektronenabgabe hat

Das positive Reduktionspotential des Redoxpaares weist darauf hin, dass die oxidierte Substanz (d. h. O2) eine starke Tendenz zur Elektronenaufnahme hat

Der Unterschied im Reduktionspotential ist positiv, was auf eine günstige (exergonische) Reaktion hinweist.

je größer delta E, desto mehr Energie zur Verfügung gestellt

Nitrat Respiration hat niedriger delta E - produziert weniger Energie

deswegen bevorzugen fakultative anaeroben, die aerobe Respiration

E. coli kann alternative elektronenakzeptoren verwenden, zb statt O2, NO3- - nitrat respiration

Lösliche Energieträger, die eine Mehrzahl von Reaktionen ermöglichen - sie verbinden weit entfernte Elektronenakzeptoren und Donoren, die normalerweisen nicht zusammen reagieren könnten

NAD+ wird zu NADH/H+ reduziert - benötigt 2e- und 1H+, ! Proton wird ins cytoplasma freigesetzt (weil Oxidation meist 2e und 2H+ herstellt)

Nictoninamid adenine dinucleotide

NAD+ und NADH - für viele katabolische Reaktionen verwendet

NADP+ und NADPH - für anabolische Reaktionen

electron shuttles

Delta E ist Reduzierleistung - Elektronenquelle

G - freie Energie, Energie, die für Arbeit verfügbar ist

Delta G - Änderung der freien Energie während einer REaktion

• wenn negativ, reaktion energetisch günstig, exergon, setzt energie frei
• positiv,, endergon, energie wird verbraucht

ΔG0′ = - n F ΔE0 ′

∆G0‘ einer Reaktion kann auch aus der freien Bildungsenergie Gf 0 der Reaktanten und der Produkte in der Reaktion berechnet werden.

Gf 0 = Energie, die bei der Bildung eines bestimmten Moleküls aus seinen Bestandteilen freigesetzt oder benötigt wird.

Konvention: Gf 0 = 0 für die Elemente in ihrer elementaren und elektrisch neutralen Form.

Für die meisten Verbindungen ist Gf 0 negativ, was darauf hindeutet, dass sie dazu neigen, sich spontan aus ihren Elementen zu bilden

Verbindungen mit einem positiven Gf 0, z.B. Lachgas N2O sind nicht stabil und zersetzen sich mit der Zeit

∆G = ∆G0‘ at standard reaction conditions

ΔG = ΔG0‘ + RT 2,303 log [C]c [D]d / [A]a [B]b

Der Begriff berücksichtigt, dass die Konzentrationen von Reaktanten und Produkten unter natürlichen Wachstumsbedingungen eines Organismus stark von 1 M abweichen können

1. Die Konzentration der Reaktanten übersteigt die der Produkte bei weitem

Beispiel: „Eisenoxidierende Bakterien“ wie Acidithiobacillus ferrooxidans gewinnen ihre Energie aus der Oxidation von Fe2+ zu Fe3+. Dies ist nur in speziellen Umgebungen möglich, die eine niedrige Sauerstoffkonzentration oder einen pH-Wert < 4 aufweisen. Dadurch wird die spontane Oxidation von Fe2+ durch Sauerstoff verhindert und die Konzentration von Fe3+ hoch gehalten.

2. Die Konzentration der Produkte wird unterhalb der Konzentrationen der Reaktanten gehalten

Beispiele:

- Bei vielen katabolen Reaktionen werden Zwischenprodukte in Folgereaktionen schnell metabolisiert und dadurch schnell aus dem Gleichgewicht gebracht. Dieser schnelle Abbau löst sogar ungünstige Stoffwechselreaktionen aus.

- Koexistenz mit anderen Mikroben, die die erzeugten Reaktionsprodukte verbrauchen

Bakterien (Pelotomaculum sp., Syntrophobacter sp.) in Feuchtgebieten (und Bioreaktoren) oxidieren Propionat zu Acetat, H2 und CO2

• energetisch ungünstig, aber:

Koexistierende Methanogene (Methanobacterium sp., Methanospirillum sp.) verbrauchen H2 und produzieren CH4, was die Oxidation von Propionat energetisch günstig macht

Syntrophie: Die Syntrophe führt eine Reaktion aus, deren ΔG0′ positiv ist. In Reinkultur wächst der Organismus nicht.

Das von Pelotomaculum produzierte H2 kann jedoch von einem Methanogen als Elektronendonor zur Bildung von Methan verwendet werden, einer exergonischen Reaktion. Wenn die beiden Reaktionen summiert werden, ist die Gesamtreaktion exergonisch

Bei gemeinsamer Kultivierung wachsen beide Organismen.

Das Herzstück syntrophischer Reaktionen ist der Elektronentransfer zwischen den Spezies (hier: H2-Transfer zwischen den Spezies).

Wichtig für Biogas Produktion, CLimate change forecastig wegen Methan Emissionen usw.