Stoffkreisläufe 4-5

Gluc 1 Acetat + 1 EtOH +3 ATP 2 Formiat + 3 H +ΔG 0 ‘= -218 kJ/ mol GlucGemischte Säuregärung (E. coli)GlucoseEMP2 CH 2 = C – CO 2-(PEP)O ~ P2 NADHPKATP (2x)O2 CH 3 – CCO 2-PFLCoASHOCH 3 – CH2 [H]ADHCH 3 – CH 2 OH2 [H]O2 CH 3 – CADHP iCH 3 – CATPCH 3 – C2 HCOFo-H 22 COSCoAO -2 + 2 H 2LyasePhosphotransacetylaseOPAcetatkinaseOO -

Die Formiat-Hydrogen-Lyase (FHL) von E. coliDer NiFeS-Cofaktor der Hydrogenasen

Gemischte Säuregärung (E. coli) (II)2 HFumFumaraseATPMal2 [H]MDHFumaratreduktaseSuccinatOACO 2GlucoseEMP2 NADH-2 CH 2 = C – CO 2 (PEP)PEP O ~ PCarboxylasePkATPOCH 3 – CCO 2-Gluc + HCO-3 Succinat + Acetat +~3ATP Formiat + 3 H +ΔG 0 ‘= -218 kJ/ mol GlucPFLO2 CH 3 – CP iCH 3 – CATPCH 3 – CCoASHHCO Fo-H 2COSCoAO -2 + H 2LyaseOPAcetatkinaseOO -Phosphotransacetylase

Gemischte Säuregärung (E. coli) (II)2 HFumFumaraseATPMal2 [H]MDHFumaratreduktaseSuccinatOACO 2GlucoseEMP2 NADH-2 CH 2 = C – CO 2 (PEP)PEP O ~ PCarboxylasePkATPOCH 3 – CCO 2-Gluc + HCO-3 Succinat + Acetat +~3ATP Formiat + 3 H +ΔG 0 ‘= -218 kJ/ mol GlucPFLO2 CH 3 – CP iCH 3 – CATPCH 3 – CCoASHHCO Fo-H 2COSCoAO -2 + H 2LyaseOPAcetatkinaseOO -Phosphotransacetylase

Shift Buttersäuregärung LösungsmittelgärungEinfluß des pH-Wertes

Buttersäuregärung durch C. butyricum (Teil 1)Gluc 1 Buytyrat + 2 H 2 + 2 CO 2 + 3 ATPPyruvat-Fd-OxidoreduktaseThiolaseGlucoseEMW2 PyruvatCH 3– COOCH 3– C – CH 2– C2 ATP2 NADHFd ox2 H 22 CO 2Fd red 4 H +SCoAO+SCoAH – CH 2– CHydrogenaseOSCoAAcetoacetyl-CoA

‚Lösungsmittelgärung‘durchC. acetobutylicum :Niedriger pH / hoher pH 2Thiolase+2 HGlucoseEMW + Pyr-Fd-Oxidoreduktase8 [H]2 Acetyl-CoAAcetoacetyl-CoA+ 2 [H] 2 [H]Acetaldehyd-DHCoA-Transf.Acetat AcCoAOCH 3– CHOADHCH 3– C – CH 2– CO 2-AcetoacetatCH 3– CH 2OHAcetoacetat-DecarboxylaseCO 2CO 2Butyryl-CoA+2 H+2 HCH 3– CH 2– CH 2– COHOCH 3– C – CH 3Aceton2 [H]CH 3– CH – CH 3CH 3– CH 2– CH 2– CH 2– OHn-ButanolOH2-Propanol

Reduktive Teilschritte der Buttersäure- und Lösungsmittel-GärungGlucoseEMW + Pyr-Fd-OxidoreduktaseCO 28 [H]

Stoffwechselwege und Energetik von Prokaryoten:Reaktionen und Enzyme des EnergiestoffwechselsStoffwechselwege und Reaktionen: Wie werden bestimmte Substrate(unter Energiekonservierung) umgesetzt (Prokaryoten)?Enzyme: Wie funktionieren energiekonservierende Enzyme ?1. Einführung:- Wieso Bakterienstoffwechsel ? - Energetik ?2. Abbau von Zuckern, Fettsäuren, Aromaten; Anaplerotische R.3. Fermentativer Stoffwechsel (‘SSP’)- Gemischte Säuregärung, Regulation– Fermentation Aminosäuren- Radikalreaktionen- Propionatfermentation4. Phosphorylierung durch Elektronentransport (‘ET’)- ET-getriebene Phosphorylierung- Aerobe Atmung bei Bakterien- Anaerobe Respiration (Fumarat, Nitrat, Sulfat)5. Photophosphorylierung und phototrophe Bakterien6. Kreislauf des N und S (Stoffwechsel)7. Methanogenese (Enzymologie, Energetik, Reaktionen)8. Acetogenese (Energetik, Reaktionen)9. Syntrophie, Nahrungsketten (Pansen, anaerobe Biotope)10. ATP-Synthese durch Ionentransport11. Transport durch die Cytoplasmamembran (Bakterielle Systeme)

Pyridoxalphosphat als Cofaktor

Reaktionsmechanismus der Glycinreduktase (C. sporogenes)AGlycinreduktase UE:SHSe -H 3 CCBCH COO -2+NH 3OS -CH 2 OA: Selenoprotein AB: Komponente B (Pyruvoyl-Enzym)C: Komponente C (Thiolrest)AS HSe -H 3 CCBCH 2COO -S -+ NH+CAS -SeH 3 CCH COO -2S -NH 2CBCAH 2 OS -SeH 3 CCH 2+NH 2CBCO[CH 2 = C = O]SCKetenASSeH 3 CCH 3+NH 2CBCOSCPiH 2 OASSeH 3 CCH 3+OCBNH 4+COOPO 3 H -S -C[H] ?

Synthese von SeCys-tRNA in BakterienASerintRNA secUCA(SelC)Seryl-tRNA-LigaseSeCys-Synthase(SelA)Seryl-tRNAH 2 O[Aminoacyl-tRNA]OC~O tRNA+H 3 NCHCH 2 OHOC~O tRNA+CNH 3CH 2SeCys-tRNASelD [Se~P]HSe -AMPATP+ P iBSeCys-tRNA secUCAGTP SelB SeCys-spez.Translationsfaktor

Einbau von Se-Cys in die wachsende PeptidketteSelB als tRNA Sec /UGA ElongationsfaktorSECISSeCys-InsertionssequenzHaarnadelschleife (mRNA)

Coenzym B 12 (Adenosyl-Cobalamin)Bildung des 5‘-Adenosylradikals und des Co 2+ -‘Radikals‘AdenosylH 2CRH 2C R••Co 3+ Co 2+CorrinringCoenzym B 12 :Radikalbildner!Nucleosid

Möglicher Mechanismus der Glu-Mutase-ReaktionCO 2-+H 3 N CHCH 2H C HCO-2L-GluCO-2+H 3 N CHH C HHC•CO O -SubstratradikalEnzymradikal(Adenosylradikal)RCH 2•RCH 3spontaneUmlagerung+H 3 N+H 3 NCO 2-CHCCH 3CO 2-CHCH C•CO 2-Methylasp.CO 2-HProduktradikal

Propionsäuregärung: Methylmalonyl-CoA-Weg3 Lactat 2 Propionat + Acetat + CO 2 + H 2 OCarboxytransferaseMethylmalonyl-CoA-Mutase

GlutamatfermentationSuccinsemialdehyd-Weg (C. amylobutylicum)+H 3 N2 x2 Glutamat 2 Acetat + 1 Butyrat + 2 CO 2 + 2 NH+1 ATP4∆G 0 ‘ = - 116 kJ/Mol ButyratCO 2-CHCH 2CH 2CO 2-Decarboxyl.2 CO 2+H 3 N2 xCH 2CH 2Transaminase2 OG 2 x GluOC2 x CH 2H2 NADHHO2 xCH 2CH 2CH 2CO 2-4-Aminobutyrat2 NADH2 NH+4Succinsemialdehyd2 NAD4-Hydroxybutyrat2 xCH 2CH 2OHCH 22 AcCoA 2 AcC2 H 2 OOSCoA4-HydroxybutyrylCoA2 xOCH 2CHCH 2CSCoACH 3H 2 O2 AcetylCoACH2 xCH 2 HC ButyrylCoAO SCoAATPCrotonylCoA Butyrat

Anaerobe NährstoffketteBeteiligung der primären und sekundären Gärer und der Methanogenen

Zuckerabbau in anaeroben Biotopen:Acetogenese und Methanogenese (Energetik)Acetogene:kJ / ReaktionG 0 ‘G env1. Gluc + 4 H 2 O 2 Ac + 2 HCO 3-+ 4 H + + 4 H 2 - 207 - 3192. Butyrat + 2 H 2 O 2 Ac + H + + 2 H 2 + 48 - 17,63. Propionat + 3 H 2 O Ac + HCO 3-+ H + + 3 H 2 + 76 - 5,54. EtOH + H 2 O Ac + H + + 2 H 2 + 9,6Methanogene (Folgereaktion):5. Acetat + H 2 O CH 4 + HCO 3-+ H + - 31 - 256. 4 H 2 + HCO 3-+ H + CH 4 + 3 H 2 O - 136 - 322,5,6:) 2 Butyrat + 5 H 2 O CH 4 + HCO 3-+ H + - 154 - 138

Sekundäre Vergärung von Butyratdurch Syntrophomonas inCokultur mit Methanococcus

Buttersäuregärung durch C. butyricum (Teil 2)Gluc 1 Buytyrat + 2 H 2 + 2 CO 2 + 3 ATP-Hydroxybutyryl-CoA-DHCrotonaseButyryl-CoA-DHCoA-TransferaseOCH 3– C – CH 2– COHCH 3– C – CH 2– CCH 3– CH = CH – COSCoANADHOSCoAH 2 OOSCoANADHFADNADOCH 3– CH 2– CH 2– CSCoAAcetatAcetoacetyl-CoA-Hydroxybutyryl-CoACrotonyl-CoAButyryl-CoAButyratAcetyl-CoAPTAAcetyl - PAKAcetatP iCoAADPATP