Gärung

Atmung: externer Elektronenakzeptor

Gärung: nicht-externer Elektronenakzeptor

• zB Pyruvat

oder:

Gärung: Disproportionierung

• Substrat ist sowohl Substrat für die Reduktion als auch für die Oxidation

• zB Glycin

Eubacterium limosum

• Aminosäuregärung

Umwandlung von organischen Stoffen zu Gasen, Alkoholen oder Säuren

• Gärung: anaerobe Fermentation

Fast nur Substratstufenphosphorylierung

• keine Elektronentransportkette mit O2 oder NO3- als Akzeptor

• Können im Dunkeln ablaufen

Um Carrier zu reoxidieren

• Synthrophien

• Verwerten Produkte von pimären Gärern?

• Laufen nur ab, weil Partner H2-Partialdruck senkt

Heterofermentativ = 2 Produkte (Ethanol / Acetat, Laktat)

Leuconostoc, manche Lactobacillus

Glucose-Abbau

• Lactose durch beta-Galactosidase zu Glucose und Galactose

• Glucose zu Glc6P (Hexokinase)

• Glc6P zu 6-Phosphogluconat (Glucose-6-Phosphat-DH)

  • NADPH gewonnen

• 6P-Gluconat zu Ribulose-5-P und CO2 (6-Phosphogluconat-DH)

  • NADPH gewonnen

• Ribulose-5-P zu Xylulose-5-P (Epimerase)

• Xyl5P zu Acetylphosphat (und GAP) (Phosphoketolase)

  • bis hierhin: wie bei Phosphoketolaseweg!

• Acetylphosphat zu Acetyl-CoA

• zu Acetaldehyd reduziert (Acetyl-CoA-Reduktase)

  • NAD+ regeneriert

• zu Ethanol reduziert (Alkoholdehydrogenase)

  • NAD+ regeneriert

Pentose-Abbau

• andere Pentosen phosphoryliert

• Pentose-1-P zu Ribulose-5-P (Epimerase)

• Ribulose-5-P zu Xylulose-5-P (Epimerase)

• Xyl5P zu GAP (und Acetylphosphat) (Phosphoketolase)

• GAP über mehrere Schritte (Glykolyse) zu Pyruvat, 2 ATP und NADH gewonnen

  • Pyruvat zu Lactat reduziert (Lactatdehydrogenase)

    • NAD+ regeneriert

• Pro Pentose 1 Laktat und 1 Acetat generiert

weiterer Schritt der Energiegewinnung:

• Pyruvat durch Pyruvat:Fd-Oxidoreduktase zu Acetyl-CoA + CO2 und 2 Elektronen

  • Elektronen auf Ferredoxin und durch Hydrogenase mit 2 Protonen zu H2

• Acetyl-CoA durch Phosphotransacetylase phosphoryliert und HS-CoA entfernt

• Acetyl-Phosphat durch Acetyl-Kinase dephosphoryliert

  • ADP phosphoryliert

Oder:

• Pyruvat durch Acetat:Formiat-Lyase zu Acetyl-CoA und Formiat

• Acetyl-CoA durch Formiat-Hydrogenlyase zu Acetat und ATP, und Formiat zu CO2 und H2

• bei der Oxidation von Pyruvat zu Acetyl-CoA entstehen Elektronen bzw. Formiat als Abfallprodukt

  • zur H2-Produktion genutzt und abgegeben

• Wasserstoffprotonen

Homofermentativ = nur 1 Produkt gebildet (Laktat)

Lactococcus, Streptococcus, einige Lactobacillus

• Glucose über Glykolyse zu 2 Pyruvat

  • 2 ATP (Substratstufenphosphorylierung) und 2 NADH gewonnen

• Pyruvat zu Lactat reduziert (Lactatdehydrogenase)

  • NAD+ regeneriert

  • Lactat säurert Umgebung an: pH unter 4

• Milchsäuregärung

• Nahrungsmittel (Milchprodukte, Sauerkraut)

• Krankheitserreger

  • Streptokokken

    • Scharlach

    • Karies (durch Milchsäure)

• unter anoxischen Bedingungen vergären Hefen Zucker schneller

• PFK (Glykolyse) bei viel ATP gehemmt

• Gärung bei Belüftung unterdrückt

• 2 ATP pro Glucose: nicht sehr effektiv (-17 kj / mol)

1. Hefen Scerevisiae (hohe Zuckergehalte und niedriger pH)

• Glc über Glykolyse zu 2 Pyruvat

  • 2 ATP, 2 NADH

• 2 Pyruvat zu 2 Acetaldehyd (Pyruvatdecarboxylase)

  • 2 CO2

• 2 Acetaldehyd zu 2 Ethanol (Alkoholdehydrogenase)

  • 2 NAD+ regeneriert

1. thermophile Clostridien und E.coli

• Glc über Glykolyse zu 2 Pyruvat

  • 2 ATP, 2 NADH

• 2 Pyruvat zu 2 Acetyl-CoA (Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase)

  • 2 CO2 und 2 Ferredoxin(red)

• 2 Acetyl-CoA zu 2 Acetaldehyd (Aldehyddehydrogenase)

• 2 Acetaldehyd zu 2 Ethanol (Alkoholdehydrogenase)

1. Geobacillus

• Glc über Glykolyse zu 2 Pyruvat

  • 2 ATP, 2 NADH

• 2 Pyruvat zu 2 Acetyl-CoA (Pyruvat-DH)

  • 2 CO2, 2 NADH

• 2 Acetyl-CoA zu 2 Acetaldehyd (Aldehyd-DH)

  • 2 NAD+

• 2 Acetaldehyd zu 2 Ethanol (Alkohol-DH)

  • 2 NAD+

1. direkte, Ferredoxin-abh. Reduktion organischer Säuren, zB Acetat, Sonderweg

• Glc über Glykolyse zu 2 Pyruvat

  • 2 ATP, 2 NADH

• 2 Pyruvat zu 2 Acetyl-CoA (Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase)

  • 2 CO2 und 2 Ferredoxin(red)

• (2) Acetyl-CoA mit Phosphat zu (2) Acetyl-Phosphat (Phosphotransacetlase)

  • CoA abgespalten

• Acetyl-Phosphat zu Acetat (Acetat-Kinase)

  • ATP

• Acetat zu Acetaldehyd (Aldehyd:Ferredoxin-Oxidoreduktase)

  • Ferredoxin oxidiert

• Acetaldehyd zu Ethanol (Alkoholdehydrogenase)

  • NAD+

Enzyme:

• Pyruvat-Decarboxylase (Hefen, zu Acetaldehyd)

• Pyruvat-DH (Eukaryoten, Geobacillus)

• Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase (thermophile Clostridien)

• Pyruvat:Formiat-Lyase (E. coli)

Gemeinsamkeiten:

• Pyruvat aus Glykolyse Startprodukt

• Endprodukt Ethanol aus Acetaldehyd mit Alkoholdehydrogenase

Unterschiede:

• immer Acetyl-CoA aus Pyruvat, außer bei Hefen: Acetaldehyd (Pyruvat-Decarboxylase)

• Aus Acetyl-CoA immer Acetaldehyd, außer bei Gärung über Acetat

• Gärung über Acetat Sonderweg:

  • Acetyl-CoA zu Acetyl-Phosphat (Phosphotransacetylase)

  • Acetat aus Acetyl-Phosphat (Acetatkinase) für mehr ATP

  • Acetaldehyd aus Acetat (Aldehyd:Ferredoxin-Oxidoreduktase) mit Ferredoxin

• Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA über Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase ist Ferredoxin abhängig

• Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA über Pyruvat-DH ist NAD(P)+ abhängig

• Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA über Pyruvat-Decarboxylase läuft ohne Coenzym

• Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA über Pyruvat:Formiat-Lyase bildet Formiat anstatt CO2

Enterobakterien (zB E.coli)

E.coli-Typ: große Mengen an Säuren gebildet

• Glucose über Glykolyse zu (2) Pyruvat

• PEP aus Glykolyse mit CO2 regeneriert 2 NAD+ über Oxalacetat, Malat, Fumarat und Succinat

  • regeneriert bei Oxalacetat zu Malat und Fumarat zu Succinat

• Pyruvat aus Glykolyse zu Acetyl-CoA und Formiat (Pyruvat:Formiat-Lyase)

  • Formiat zu CO2 und H2 (Formiat:Hydrogen-Lyase)

    • H2 ausgeschieden wenn zu viel Säure akkumuliert

  • Acetyl-CoA über Acetaldehyd (Aldehyd-DH) zu Ethanol (Alkohol-DH) zur NAD+Regenerierung

  • Acetyl-CoA auch über Acetyl-Phosphat (Phosphotransacetylase) zu Acetat (Acetatkinase) für ein weiteres ATP

• Pyruvat auch zu Laktat (Laktatdehydrogenase) zur NAD+Regenerierung

Enterobacter-Typ: mehr CO2, Ethanol, 2,3-Butandiol

• Glucose über Glykolyse zu (2) Pyruvat

• Pyruvat zu 2-Acetolactat (Acetolactat-synthase)

  • CO2

• 2-Acetolactat zu Acetoin (Acetolactat-decarboxylase)

  • CO2

• Acetoin zu 2,3-Butandiol (Butandiol-DH)

  • NAD+ regeneriert

• im Stoffwechsel aber auch Ethanol, Lactat, Succinat, Acetat und CO2 + H2 gebildet

• Indikatororganismen für Verschmutzung (Trinkwasser, Nahrungsmittel): mittels diagnostischer Tests (bunte Reihe) gefunden

• Acetolactat in der Pharmazie für die Synthese von Leucin, Valin und Isoleucin genutzt

Acetat = Speiseessig (Salze, Ester Essigsäure)

• Acetobacter Aceti, Acetobacter pasteurianus

• Alkohole (Wein, Ethanol)

• Unvollständige Oxidation

  • Keine Gärung, da mit Sauerstoff

  • Mit PQQ (Pyrroloquinolinchinon, Methoxatin) als Elektronenakzeptor

  • Succinat-DH fehlt, daher kein TCC mit Acetyl-CoA (Gluconobacter)

  • Solange Ethanol vorhanden, ist TCC nur gering aktiv, danach Aufnahme und Verwertung von Acetat (Acetobacter)

• Saccharolytisch

  • C. acetobutylicum: ABE-Fermentation

  • C. thermocellum: Zellulose-Verdau

  • C. autoethanogenum: Synthesegasfermentation

• Peptidolytisch

  • C. tetani

  • C. botulinum

  • C. sporogenes

Von strikt anaeroben Clostridien: Clostridium pasteurianum

3 ATP pro Glc, Butyrat = Buttersäure (Salze, Ester)

Kondensation, Reduktion, Dehydrierung, Reduktion

• Zucker über Glykolyse zu 2 Pyruvat abgebaut

• 2 Pyruvat zu 2 Acetyl-CoA mit reduzierung von Ferredoxin (Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase)

• 2 Acetyl-CoA zu Acetoacetyl-CoA und HS-CoA (Thiolase)

• Acetoacetyl-CoA zu 3-Hydroxybutyryl-CoA durch NADH reduziert (3-Hydroxybutyryl-CoA-DH)

• 3-Hydroxybutyryl-CoA zu Crotonyl-CoA dehydriert (Crotonase)

• Crotonyl-CoA zu Butyryl-CoA durch NADH reduziert (Butyryl-CoA-DH)

• Butyryl-CoA gibt CoA an Acetat ab, zu Acetyl-CoA und Butyrat

  • Acetyl-CoA zu Acetyl-Phosphat phosphoryliert (Phosphotransacetylase)

  • Acetyl-Coa von ADP dephosphoryliert zu Acetat (Acetatkinase)

    • ATP entsteht

(Wenn zu viel Butyrat gebildet und pH zu sauer wird:

• Butyryl-CoA zu Butyraldehyd mit NADH reduziert

• Butyraldehyd zu Butanol mit NADH reduziert (Alkoholdehydrogenase)

Gleichzeitig: Lösungsmittel für Butanol produziert (Aceton)

• Acetoacetyl-Coa übergibt CoA an Acetat, zu Acetyl-CoA und Acetoacetat

• Acetoacetat decarboxyliert (CO2) zu Aceton

• Aceton u.U. zu 2-Propanol mit NADH reduziert

• Aceton-Butanol-Gärung 1:1 gekoppelt)

2 Glc -> 1 Butanol + 1 Aceton + 5 CO2 + 4 H2 + 4 ATP

Wenn zu viel Butyrat gebildet (Buttersäuregärung) und pH zu sauer wird

Clostridium acetobutylicum

• Zucker über Glykolyse zu 2 Pyruvat abgebaut

• 2 Pyruvat zu 2 Acetyl-CoA mit reduzierung von Ferredoxin (Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase)

• 2 Acetyl-CoA zu Acetoacetyl-CoA und HS-CoA (Thiolase)

• Acetoacetyl-CoA zu 3-Hydroxybutyryl-CoA durch NADH reduziert (3-Hydroxybutyryl-CoA-DH)

• 3-Hydroxybutyryl-CoA zu Crotonyl-CoA dehydriert (Crotonase)

• Crotonyl-CoA zu Butyryl-CoA durch NADH reduziert (Butyryl-CoA-DH)

• Butyryl-CoA zu Butyraldehyd mit NADH reduziert

• Butyraldehyd zu Butanol mit NADH reduziert (Alkoholdehydrogenase)

Gleichzeitig: Lösungsmittel für Butanol produziert (Aceton)

• Acetoacetyl-Coa übergibt CoA an Acetat, zu Acetyl-CoA und Acetoacetat

• Acetoacetat decarboxyliert (CO2) zu Aceton

• Aceton u.U. zu 2-Propanol mit NADH reduziert

• Aceton-Butanol-Gärung 1:1 gekoppelt)

C. acetobutylicum

Niedriger pH (durch viel Buttersäure / Butyrat) führt zu Butanol und Aceton (Lösungsmittel)

• auch geringe Ethanol-Produktion

• Produktion von Butyrat 1 ATP mehr, aber irgendwann zu sauer

• Butanolbildung analog Ethanolgärung

Relevanz (biotechn., experimentell)

• möglichst viel Umsetzung in gewünschtes Produkt?

• Alle Produkte erfasst?

Erstellung

• Nettoreaktion

• Ist C (CO2!) ausgeglichen?

• Ist Elektronen ausgeglichen (H2 beachten)?

• Bilanz O/R vergleichen (Oxidation / Reduktion):

  • Anzahl C und O in einer CH2O-Verbindung müssen gleich sein

  • Ausgleichen durch Abziehen/Addieren von H2O

  • Differenz H zum entsprechenden Standart CH2O ergibt O/R-Wert durch + 2H = -1 und -2 H = +1

    • CnHnx2On

Beispiele

• Glucose: C6H12O6

  • 6 CO2 können entstehen

  • Ausgleichen: dafür 6 H2O benötigt

  • 24 [H] bleiben übrig (=Elektronen)

  • O/R = 0 (6C und 6O)

• Essigsäure: C2H4O2 (H3CCOOH)

  • 2 CO2

  • 2 H2O

  • 8 [H]

  • O/R = 0

• Ethanol: C2H6O

  • 2 CO2

  • 1 H2O

  • 8 [H]

  • O/R = -2

    • + 1 H2O: C2H8O2

    • 4 H mehr als entsprechender Standart C2H4O2

Propionibakterien Propionibacterium sp.

• 3 Lactat zu 3 Pyruvat oxidiert (Lactat-DH)

• Pyruvat zu Acetyl-CoA oxidiert und decarboxyliert

  • Acetyl-CoA zu Acetat, CO2 und ATP

• 2 Pyruvat mit Biotin zu 2 Oxalacetat carboxyliert (Transcarboxylase), alles 2x:

  • Oxalacetat zu Malat reduziert (Malat-DH)

  • Malat zu Fumarat dehydriert (Fumarase)

  • Fumarat zu Succinat reduziert (Fumarat-Reduktase)

    • jeweils 1 ATP, also netto 2 ATP

    • ATP durch Aufbau Membranpotenzial mit Protonen (ETP!)

  • Succinat mit CoA von Propionyl-CoA zu Succinyl-CoA (CoA-Transferase)

    • vgl. Teil TCC rückwärts

  • Succinyl-CoA mit Coenzym B12 zu Methylmalonyl-CoA (Methylmalonyl-CoA-Mutase)

  • Methylmalonyl-Coa zu Propionyl-CoA decarboxyliert, CO2 wieder auf Biotin übertragen (Transcarboxylase)

  • Propionyl-Coa gibt CoA an Succinat und wird zu Propionsäure (CoA-Transferase)

• über Lab dem schweizer Käse zugesetzt

3 Lactat -> 2 Propionat + Acetat + CO2 + H2O

• Delta G0’= -171 kJ

• 3 ATP

Nur reduktiver Ast dargestellt, enzymatisch sehr schwierig, sehr selten

Clostridium propionicum, Megasphaera elsdenii

• Lactat mit HS-CoA zu Lactyl-Coa

• Lactyl-CoA zu Acryloyl-CoA dehydriert

• Acryloyl-CoA zu Propionyl-CoA reduziert

• Propionyl-CoA zu Propionat

Glucose -> Butyrat + H+ + 2 H2 + 2 CO2, 3 ATP, -247 kJ/mol

• oxidativer Ast: Oxidation von Glucose über Pyruvat zu Acetyl-CoA

• 2 reduktive Äste:

  • Acetyl-CoA in Butyrat reduziert

  • 4 H+ in 2 H2 reduziert

    • H+ von Ferredoxin(red) aus Pyruvatoxidation (Pyruvat:Ferredoxin-Oxidoreduktase) durch Ferredoxin:NADH-Oxidoreduktase?

Keine Gärung, keine Redox: Decarboxylierung!

Propiogenium modestum

• Succinat(2-) durch Membran in Zelle

• Durch CoA-HS zu Succinyl-CoA aktiviert

• Succinyl-CoA zu Methylmalonyl-CoA

• Methylmalonyl-CoA durch Wasser-Investition Bicarbonat decarboxyliert zu Propionat-

• Propionat- aus Zelle entfernt

• erster Nachweis der Na+-Bioenergetik

  • Natrium-Ionen anstatt H+ für Membranpotenzial

  • Natriumherauspumpende Decarboxylase

  • Na+-ATPase

• Weder SLP noch ETP!

• Nur Succinat als Substrat

• Analog Propionsäuregärung

• Netto:

1 Succinat + 2 H+ -> Propionat +2 H+ + CO2 + 1/3 ATP

Keine Gärung, Decarboxylierung

Oxalobacter formigenes

• Oxalat(2-) im Formiat- Antiport in Zelle

• Oxalat mit H2O- und Protonen-Investition Bicarbonat decarboxyliert zu Formiat

• H+ in Formiat aus Zelle entfernt: Membranpotenzial

  • ohne SLP oder ETP

• H+-ATPase

• Art der syntrophen Organismen

• Co-Kultur: 2 Organismen

  • Sekundärer Gärer (Synthropher) führt Reaktion durch, die alleine endergon ist und nicht zum leben aussreicht

  • Zweiter Organismus entfernt vom Gärer produzierten Wasserstoff, was die Reaktion exergon macht (senkt Partialdruck)

    • zB Methanogener

  • Oder: extrazellulärer Transfer von Elektronen über Formiat / Nanodrähte / Carrier

• Sekundärer Gärer verbraucht reduzierte Produkte von primären Gärern

  • zu Acetat / Wasserstoff / CO2 / Formiat / Methyl-X

• Leben in Konsortien

1. Synthrophomonas und Methanococcus

Syntrophomonas:

• Butyrat zu Butyryl-CoA mit CoA von Acetyl-CoA (CoA-Transferase)

• Beta-Oxidation zu 2 Acetyl-CoA unter Reduktion von FAD und NAD+

  • Oxidation von FADH2 und NADH durch jeweils 2 Ferredoxine führt zur Produktion von 2 H2

• 1 Acetyl-Coa für Butyrat verwendet und 1 Acetyl-CoA zu Acetyl-Phosphat phosphoryliert (Phosphotransacetylase)

• Acetyl-Phosphat zu Acetat und ATP (Acetatkinase)

Methanococcus:

• nimmt die 2 H2 auf

• Oxidiert 2 H2 mit 1/2 CO2 zu 1/2 CH4 und H2O

Buttersäuregärung

• Kondensation

• Reduktion

• Wasserelimination

• Reduktion

Methylgruppentransfer

• “Gärung “ (Decarboxylierung) ohne Substratstufenphosphorylierung

• Na-abh. Decarboxylase

• niedriger Wasserstoffpartialdruck durch syntrophen Partner

Übertragung einer Phosphorylgruppe einer energiereichen Verbindung eines Stoffwechselproduktes auf ADP zu ATP

Beispiel Glykolyse:

• Glycerinaldehyd-3-Phosphat wird zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert und phosphoryliert, energiereiche Anhydridbindung entsteht (GAP-DH)

• Anhydrid des 1,3-Bisphosphoglycerat wird zur Phosphorylierung von ADP genutzt, 3-Phosphoglycerat entsteht (Phosphoglycerat-Kinase)

oder:

• Phosphoenolpyruvat besitzt Phosphatgruppe mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotenzial

• Pyruvat-Kinase überträgt Phosphorylgruppe auf ATP, Pyruvat entsteht

Form der heterofermentativen Laktatgärung

Bifidum-Weg (Bifidobacterium bifidum)

• Acetat

• Laktat

• Succinat

• Ethanol

• 2,3-Butandiol

• Acetoin

• H2 + CO2

3 Laktat -> 2 Propionat + Acetat + CO2 + H2O + 3 ATP

• keine Gärung sondern Decarboxylierung

• Weder ETP noch SLP: Na+-Membranpotenzial durch Decarboxylierung und Na+-abh. ATPase

• Butanol

• Ethanol (eigentlich auch 2-Propanol, aber dabei wird Aceton verbraucht)

= Bilanz zur Bestimmung der Effizienz der untersuchten Gärung

• benötigte Parameter: Elektronenbilanz, O/R-Bilanz, C muss ausgeglichen sein

• Wichtig für Biotechnologie

  • alle Produkte erfasst?

  • möglichst viel vom gewünschten Produkt entstanden?

• O/R-Wert:

  • Produkt mit Standart (CnH2nOn) vergleichen

  • Wenn Anzahl C und O ungleich H2O addieren

  • Anzahl H unterschiedlich vom Standart ergibt O/R-Bilanz nach der Regel: +2 H = -1 und -2 H = +1

• [H]-Bilanz:

  • Substrat vollständig zu CO2 umsetzen und Reaktionsformel ausgleichen mit H2O und H+

• Decarboxyliert Oxalat zu Formiat

• Formiat-Oxalat Antiport baut H+-Membranpotenzial auf

• H+-abh. ATPase