Microbial Metabolismus (Boll)

Energiequelle: Chemische Oxidation

Elektronendonor: Glucose = Organische Verbindung

Kohlenstoffquelle: Glucose = Heterotroph

Chemoorganoheterotroph: Tiere, die organische Verbindungen als Elektronendonor und Kohlenstoffquelle nutzen

Energiequelle: Chemische Oxidation

Elektronendonor: Anorganische Verbindungen

Kohlenstoffquelle: CO2 = Autotrophic

- Elektronendonor & Kohlenstoffquelle nicht das gleiche

-> Chemolithoautotroph

Energiequelle: Photonen (Licht)

e- -Donor: H2O= Anorganisch

C-Quelle: CO2= Autotroph

-> Photolithoautotrophisch

• Übertragung Phosphatrest von PEP auf Enzym I (EI) - phosphoryliert histidin haltiges Protein HPr (Phosphoryltransferreaktion)

• Übertragungsschritte auf Enzymkomplex II (EII) - substratspezifisch aus Komplexen A-D aufgebaut - Enzym II C in membran integriertes Transportprotein

• EII je nach vorhandenem Zucker exprimiert

Bei Glucose Verfügbarkeit -> Stoffwechselwege zur Verwertung anderer Zucker auf Transkriptionsebene ausgeschaltet = Katabolitrepression

-Viel Glucose -EIIA dephosphoryliert -> EIIA inhibiert Lactoseaufnahme über LacY

Spezialfall E.coli:

EIIA-Protein für Glucosetransport aktiviert in phosphorylierter Form Adenylatcyclase -> Synthetisiert cAMP (Starvation Signal)

cAMP wirkt mit Rezeptorprotein CRP als Trankriptionsaktivator für aktivierung von Lac Operon -> konstitutiv aktiver Lac-Repressor wird über Allolactose inhibiert

• Embden Meyerhof Parnas Pathway (EMP) = glycolysis

• Entner-Douderoff Pathway (ED) = KPDG (2 Keto 6 Phospho 3 deoxy gluconate) pathway

• Pentose-P-Zyklus

Verschiedene Zucker bevorzugen verschiedene Pathways: Fructose -> Glykolyse, Gluconat -> KDPG, Pentose -> Pentose-P-pathway

- Glucose-6-P wird oxidiert -> Gluconolacton-6-P, NADP+ zu NADPH + H+ reduziert

Hydrolyse zu -> 6-Phosphogluconat - Ringspaltung

(Zwischenprodukt von pentose-P & KDPG-Pathway)

• Decarboxylierung 6-Phosphogluconat -> Ribulose-5P

  2. NADPH entsteht

• Ribulose-5P wird isomerisiert zu Ribose-5P

• Ribulose-5P über Epimerase zu Xylulose-5P

• Transketolase-reaktion: TK überträgt C2 Körper von Xylulose-5P auf Ribose-5P -> Sedoheptulose-7P & Glycerinaldehyd-3P

• Transaldolase-Reaktion:TA Überträgt C3 Körper von Sedoheptulose-7P auf Glycerinaldehyd-3P -> Fructose-6P & Erythrose-4P

• Transketolase-Reaktion: TK überträgt C2 von Xylulose-5P auf Erythrose-4P -> Glycerinaldehy-3P & Fructose-6P

Glycerinaldehyd-3P & Fructose-6P können in die Glykolyse eingespeist werden

1. C5-Sugar-P-isomerase, C3-sugar-P-isomerase

Pentose-P-Zyklus: Ribulose-5-P -> Ribose-5-P

Glykolyse: Dihydroxyaceton-P -> Glycerinaldehyd-3-P

2. Trans-Aldolase, Class I Aldolase

3. Transketolase, Pyruvat-Decarboxylase/dehydrogenase

-> TPP Enzyme

• 6-Phosphogluconat dehydratisiert zu -> 2-Keto-3-Deoxy-6-PhosphoGluconate (KDPG)

• Aldolase spaltet KDPG in Pyruvat & Glycerinaldehyd-3P

• Glycerinaldehyd-3-Phosphat via Glykolyse ebenfalls in Pyruvat umgewandelt

Glc-6-P + NADP+ + NAD+ + 2 ADP + 2Pi -> 2 Pyruvat + NADPH +NADH + 2 H+ + 2 ATP

Reversible & Irreversible Reaktionen

EMP -> mehr reversibe Schritte

ED -> schneller & weniger Enzyme erfordert

Abbau Polymere: Cellulose, Lignin, Chitin usw.

• Hydrolyse zu Monosacchariden

• Phosphorlysis zu Monosacchariden (Wie Glykogen-abbau)

Bsp: Maltose

Aufnahme über ABC transporter

Uptake via LacY / MelB-Symporter

ß- Galactosidase spaltet Lactose → Glucose + Galactose

a- Galactosidase spaltet Melibiose → Glucose + Galactose

Galaktose über Galacto-Kinase (galK) in Galactose-1-P phosphoryliert

Über Transferase: Galactose-1-phosphat + UDP-Glucose → UDP-Galactose + Glucose-1-phosphat

UDP-Galactose über UDP-Galactose-4-Epimerase in UDP-Glucose umgewandelt.

UDP-Galactose ↔ UDP-Glucose

-> NAD+ abhängig

SCFA = Short chain fatty acid z.B acetate & butyrate

Protoniert Form passiert membran

3 Wege:

1.) Acetyl-CoA Synthetase (Acetat CoA ligase)

Acetat + ATP + CoA <-> Acetyl-CoA + AMP + PPi

2.) Energiesparender Weg: Succinyl-CoA:acetate CoA transferase

Acetate + Succinyl-CoA <-> Acetyl-CoA + succinate

3.) 1. Acetate/Butyrate kinase: Acetate + ATP <-> Acetyl-P

1. Phospotransacetylase: Acetyl-P + CoA <-> Acetyl-CoA

Auswahl der Systeme je nach Fettsäure Konzentration im extracellulären Raum, wenn wenig vorhanden irreversible Reaktion 1.

-> ß-Oxidation

Kann nicht zurück diffundieren weil CoA-Ester

LCFA = long chain fatty acid (>C6)

1. Aufnahme über FadL - Porin über Äußere Membran

2. Fettsäuredegradierung über FaD Cluster: Acyl-CoA Synthetase

3. FadE: Acyl-CoA Dehydrogenase

4. Pentafunctional Polypeptide (1. & 2. Oxidation ..)

Keto-Enol-Tautomerie: reversible Umlagerung von ketoform von Acyl-CoA zu Enolform

-> stabilisiert

Wieso werden Elektronen auf UQ und nicht NAD+ transferriert stattdessen auf ETF-Enzym und dann auf Quinon

NAD+ funktioniert nicht als e- Akzeptor, Delta G Positiv (ΔG = -n*F+ΔE (negativ) -> ΔG positiv

AcylCoA + UQ -> Enoyl-CoA + UQH2, DeltaG = -14 kJ/mol

Hilfsenzyme (auxiliary enzymes):

cis-Δ3-Enoyl-CoA-Isomerase: cis -> trans

2,4-dienoyl-CoA-Reduktase

1. Schritt: ß-Oxidation -> Bsp C17 -> 7 Acetyl-CoA & 1 Propionyl-CoA

1. ATP-abhängige Carboxylierung von Propionyl zu Methylmalonyl-CoA (nicht in Succinyl-CoA)

1. Isomerisierung & Umstellung Kohlenstoffstruktur zu Succinyl-CoA (Vitamin B12 beteiligt)

Unterschiede zur ß-Oxidation von Fettsäuren:

1. Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA

   ATP- und Biotin-abhängige Carboxylase

   -> Ähnlich wie Propionyl-CoA-Carboxylase!

2. Fettsäure Synthasen: 6 Enzyme + ACP

   Reduktion immer mit NADP, D-3-OH-Acyl-CoA

Isoprenoide = Lipide

Funktionen:

Phototrophische Carotinoide (immer Methyl-Gruppe alle 5 C-Atome)

Bactoprenol-P -C55 Carrier -> Murein Biosynthese, Protein Glykosylierung

Prokaryotische Quinons (Membrangebundene e- Carrier)

Cholesterol

Hopanoids

Mevalonat Pathway:

Der entstandene C-6 Building Bock ist Mevalonat

—> in Tieren

Methylerythritol -4-P- Pathway (MEP)

• komplett anders — verwendet Pyruvat und Glycerinaldehyd-3-P als Bausteine

• in Pflanzen, Bakterien - aber nicht Eukaryoten

essentiell in der Atmungskette

• Naphthoquinons: [!2 Ringe]

  Menaquinons (MQs) z.B MQ-8 (8 isoprenoid Einheiten)

  e- Carrier in anaerober Atmungskette mit geringem potential Akzeptoren (-80 mV)

• Benzoquinons:

  Ubiquinons (UQs) z.B UG-8 (8 isoprenoid Einheiten)

  e- Carrier in aerober & anderen Atmungsketten mit hohem potential Akzeptoren (+80 mV)

Synthese abhängig von Wachstums Bedingungen

Propionat (C3) - ungerade Fettsäure kann äußere membran passieren -> 1 Carboxylierung damit gerade Anzahl

Propionat -> Malonyl-CoA -> (B12 Cofaktor) Succinyl CoA

• Lacatdehydrogenase verwendet Q statt NAD+

• Lactat -> Pyruvat

I : NADH dehydrogenase

II: Succinat dehydrogenase

III: Cytochrome bc Komplex

IV: Cyt aa3 oxidase

NADH --> FMN --> [FeS] --> Q --> Cytb /FeS --> Cyt c --> Cytaa 3 /Cu --> O 2

NADH Dehydrogenase

NADH + UQ + 5 H+ (innen) -> NAD+ + QH2 + 4H+ (außen)

ΔG = -87 kJ/mol

FeS-cluster biogeneses für Komplex I notwendig

ΔG für ein Protonen Transport über die Membran = 20 kJ/mol

Succinate:quinone Oxidoreduktase

Succinate + UQ <-> Fumarat + UQH2

ΔG = -16 kJ/mol

4 Konservierte Untereinheiten (UQ-heme b556, FeS clusters, kovalentes FAD)

ähnelt Fumarat-Reduktase (MQH2 als Donor)

Electron transferring flavoprotein (ETF)- quinone oxidoreduktase

ETF (red.) + UQ <-> ETF(ox.) + UQH2

ΔG = -14 kJ/mol

1 Untereinheit mit 3 Domänen (FAD-, [4Fe-4S]-, Quinon-Bindestelle

Ubiquinol:cytochrome C oxidoreduktase

UQH2 + 2 cytC(ox.) <-> UQ + 2 cytC(red)

ΔG = -31 kJ/mol

Bakterien: 3 UE (Rieske-Fe/S Protein, cytb, cytc1)

Q-Zyklus: Elektronenbifurkation bei Q

Elektronen aus Molekül auf 2 versch. Akzeptoren

Oxidase-Test —> MOs die Cytochrom c nutzen wandeln Reagenz um (wird blau) Oxidase pos. z.B. E. coli ist oxidase negativ überträgt Protonen also ohne Cyt c

Complex IV: Cytochrome aa3 Oxidase

4 cytC(red) + 4 H+ <-> 4 cytC(ox) + 2 H2O

ΔG = -115 kJ/mol

Protonenpumpe 2 H+ pro gebildetem H2O

F0F1 ATP-Synthase

• F1: ADP + Pi -> ATP

• F0: H+(außen) <-> H+(innen) über Protonenkraft Rotor Stator System (H+ bindet an Aspartat in Membran -> konf änderung —> Drehung, Inhibitor: DCCD

Denitrification: Nitrat Reduktasen - Molybdopterin-Cofaktor, FeS cluster, Heme b, Cyt c(periplasmatisch) / QH2/MQH2 (Membrangebunden) als e- Donor

• Membrangebundene Nitrat Redukatse NarGHI(J),

• Assimilierende, lösliche Nitrat Reduktase NasAB

• Periplasmatische, lösliche Nitrat Reduktase NapABC

Ammonification: Nitrit Reduktasen

Nitrite + 6H+ + 6 cyt C(red) <-> Ammonia + 2 H2O + 6 cytC(ox.)

NrfA = Cytochrome C: Nitrit Reduktase

Alle Nitrat-Reduktase mit Molybdän Co-Faktor

1) Superoxid Dismutase

2) Superoxid Reduktase

3) Katalase

-> in aeroben und fakultativ anaeroben (z. B. Nitrat-Reduzierern)

Hauptsächlich abwesend bei strikten Anaeroben, daher die Sensibilität

Hydroxid Radikal Redoxpotentital +2,18 V reagiert mit ALLEM

NO - toxisches Radikal gebildet bei Denitrifizierung

Enzyme:

1) NO-Dioxygenase: NO + O2 -> NO3-

2) NO-Reduktase: 2 NO + 2 H+ + 2 e- -> 2 N2O + H2O

X als Elektronenakzeptor bei Fermentation fehlt Atmung und damit muss ein finaler Elektronenakzeptor herhalten nachdem die Fermentationsart benannt wird —> Milchsäurefermentation

2 ATP / Glucose

Heterofermentativ

erst pentose-P-cycle (1 ATP muss investiert werden) daher nur 1 ATP pro Glucose —> Warum? damit mehr Vielfalt an Substraten genutzt werden kann!

er wird Acetyl-P gebildet dies kann aber nicht zur ATP gewinnung genutz, da Redoxpotential nicht ausreicht und die freie Säure (Acetat) zu reduzieren

I. Weg (bei Eukaryoten) wird weiteres NADH +H+ gebildet das geht für Fermenter nicht!

Pyruvate formate lyase (PFL) - Schlüsselenzym in der Ameisensäure Fermentation, Glycyl-Radikal, Ferredoxin & Pyruvat:ferredoxin oxidoreduktase Hilfsenzyme

Formate

Schlüsselenzyme:

Ribulose- 1,5-bisphosphate carboxylase (RubisCo) -> CO2 Fixierung oder Photorespiration (resultiert in Verlust)

Phosphoribulokinase

Decarboxylierung Umgehen, dadurch kommt es zu Assimilation

• Pyruvat Synthase

• Nur in anaeroben Bakterien

• Ferredoxin: Schwefelcluster hoch reaktiv mit O2 -> strikt anaerob

-Biochem. prozesse die dazu dienen Intermediäre in Stoffwechselwegen aufzufüllen

1. Gluconeogenese (C3)

   Pyruvat -> Oxalacetat -> PEP [2 ATP pro PEP]

2. Malat Enzym (C4)

   Malat -> Pyruvat

3. (C3) Pyruvat -> PEP [2 ATP pro PEP]

NH4+ (Ammonium) -> NH3 (Ammoniak)

NO3- (Nitrat) -> NO2- (Nitrit) ^

Aus NH3 dann stabiles Produkt —> Aminotransferasen und Amidotransferasen

N2 alternative Quelle nur durch Nitrogenase (in Prokaryoten) umzuwandeln (Haber-Bosch Verfahren sehr Energie aufwendig)

Auch für Organismus sehr energieaufwendig 16 ATP (in Bsp Molybdän abhängig)