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a. TPP und Molybdän-Cofaktor – wo kommen diese jeweils im bakteriellen Stoffwechsel vor? Welche Reaktion wird katalysiert (Edukte/Produkte nennen)? Welche Funktion haben sie? (4)
b. Homofermentative und Heterofermentative Gärung unterscheiden in a) initialer Stoffwechselweg bei Glucoseabbau, b) gebildete Gärprodukte, c) ATP-Gewinn. (3)
c. Funktion Glyoxylat? Schlüsselenzyme nennen? Kommte dieses auch in Pflanzen und Menschen vor? (3)
a.
Molybdän in Nitrat-Reduktasen —> Umwandlung Nitrat zu Nitrit und Wasser
NO2(+)* + 2 H+ + 2 e- —> NO3(-) + H20
TPP - Transketolase Pentose-P Zyklus, Pyruvat Decarboxylase
TK überträgt C2 Körper von Xylulose-5P auf Ribose-5P
Xylulose-5P + Ribose-5P -> Glycerinaldehyd-3-P + Sedoheptulose-7P
TK überträgt C2 von Xylulose-5P auf Erythrose-4P
Xylulose-5P + Erythrose-4P -> Glycerinaldehyd-3P + Fructose 6P
Pyruvat Decarboxylase
Pyruvat <-> Acetaldehyd + CO2
Pyruvat Dehydrogenase —> TPP in E1 Pyruvat-Dehydrogenase bei der oxidative Decarboxylierung des Pyruvats beteiligt
Pyruvat + CoA + NAD+ -> Acetyl-CoA + NADH + CO2
b)
a) Initialer Stoffwechselweg bei Glucoseabbau:
Bei der homofermentativen Gärung wird Glucose zu Pyruvat abgebaut, und alle Pyruvatmoleküle werden anschließend zu Milchsäure reduziert. Es findet also ausschließlich der Embden-Meyerhof-Weg (auch als Glykolyse bekannt) statt.
Bei der heterofermentativen Gärung wird Glucose zunächst zu Pyruvat abgebaut, aber dann wird ein Teil des Pyruvats zu Acetat und CO₂ umgesetzt, während ein anderer Teil zu Ethanol und CO₂ umgewandelt wird. Hierbei werden sowohl der Embden-Meyerhof-Weg als auch der Pentosephosphatweg genutzt.
b) Gebildete Gärprodukte:
In der homofermentativen Gärung wird Milchsäure als Hauptgärprodukt gebildet.
In der heterofermentativen Gärung werden sowohl Milchsäure als auch Ethanol, CO₂ und Acetat als Gärprodukte gebildet.
c) ATP-Gewinn:
Der ATP-Gewinn ist in der homofermentativen Gärung geringer als in der heterofermentativen Gärung, da die homofermentative Gärung nur den Embden-Meyerhof-Weg nutzt, der einen Netto-ATP-Gewinn von 2 ATP-Molekülen pro Glucosemolekül ermöglicht.
Die heterofermentative Gärung erzeugt etwas mehr ATP, da sowohl der Embden-Meyerhof-Weg als auch der Pentosephosphatweg genutzt werden. Der genaue ATP-Gewinn hängt von den spezifischen Umständen der Gärung ab, kann aber höher sein als bei der homofermentativen Gärung.
c)
Im Glyoxylatzyklus wird Acetyl-CoA in der Gegenwart von Glyoxylat zu Malat umgewandelt, ohne dass CO₂ freigesetzt wird. Dies ermöglicht es Organismen, Acetyl-CoA aus Fettsäuren und anderen Quellen zur Glukoseproduktion zu verwenden, was besonders wichtig ist, wenn die Zelle auf Kohlenstoffquellen angewiesen ist, die keine Glukose sind, wie beispielsweise Fettsäuren. Der Glyoxylatzyklus findet in Pflanzen, Bakterien und einigen Mikroorganismen statt, nicht im Menschen.
Isocitrat Lyase (ICL)
Malat Synthase (MS)
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a) Escherichia coli wächst aerob mit der gesättigten C17 Fettsäure Margarinsäure.
a.1 Wie erfolgt der Transport ins Cytoplasma durch die Äußere und Innere Membran, welche Komponenten werden benötigt? Wie und wo erfolgt dabei die Aktivierung zum CoA-Thioester ? (3 p)
a.2 Bei welchen beiden Reaktionen der anschließenden ß-Oxidation findet dann eine Oxidationsschritt statt. Welche unterschiedlichen Elektronenakzeptoren werden in beiden Oxidationsreaktionen als Co-Substrate benutzt. Warum werden nicht die gleichen benutzt? 3 p
a.3 nach 7 ß-Oxidationszyklen bleibt die C3-Einheit Propionyl-CoA übrig, die mit Hilfe einer Carboxylase und einer Mutase zu Succinyl-CoA umgesetzt wird. Welche Cofaktoren benötigt diese Carboxylase, und warum kann sie Propionyl-CoA nicht direkt in einem Schritt zu Succinyl-CoA carboxylieren? 2 P
b. E. coli wächst unter Ausschluss von Sauerstoff mit Glucose unter Fermentationsbedigungen.
b1. Geben Sie an, durch welche Reaktionsfolge, ausgehend von zentralen lntermediaten des Glucoseabbaus, die typischen Produkte Succinat und Formiat gebildet werden
a.1
Aufnahme der LCFA über FadL (Porin) in der äußeren Membran (Transport über Konzentrationsgradienten)
Innere Membran: FaD - Acyl-CoA Synthetase -> Aktivierung zum CoA Thioester im Cytoplasma , aktiver Transport unter ATP Verbrauch
Margininsäure-CoA-Thioester kann in ß-Oxidation weiter prozessiert werden
a.2
Schritt 1: Oxidation über FadE: Acyl-CoA Dehydrogenase - ETF(FAD) als Elektronenakzeptor
Dann über Pentafunktionelles Polypeptid - Elektronenakzeptor Ubiquinon
Acyl-CoA + UQ -> Enoyl-CoA + UQH2
Schritt 3: Oxidation durch ß-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase hier NAD+ als Cofaktor
—> Die Elektronen der ersten Reaktion könnten aufgrund des Redoxpotentials nicht auf NAD+ übertragen werden, da diese Reaktion mit + 66 mV endergonisch wäre. Daher die übertragung über das Electrontransferring Flavoprotein auf Ubiquitin.
a.3
Benötigtfür Carboxylierung: Biotin & ATP (+HCO3- ) und dann für Isomerisierung Vit B12 Cobalamin
ß-Oxidation nicht möglich am äußeren C-Atom (Ladungsstabilisierende Wirkung der Keto-Gruppe (Sauerstoff am C1)) deshalb zwischenstufe über Anlagerung von HCO3-zu Methylmalonyl-CoA und anschließend zu Succinyl-CoA über die Mutase (Cofaktor Vitamin B12)
Mixed-acid Fermentation
Formiate entsteht direkt aus Pyruvat
2 Pyruvat + CO2 —> 2 Formiat + 2 Acetyl-CoA
Succinat entsteht aus einer Reaktionsfolge ausgehende von Phosphoenolpyruvat was zu Oxalacetat —> Malat —> Fumarat —> Succinat
MB 20/21
a) Alle Reaktionen bei dem Abbau von Butyryl-CoA zu Acetyl-Coa und
b) dem Aufbau von Acetyl-CoA zu PEP/Pyruvat beschreiben und von Pyruvat zu Glucose. (Substrate, Produkte und Co-Substrate nennen)
c) In E-coli den Abbau von Succinat zu CO2 Beschreiben (aerob)
d) Abbauprodukte von Buttersäure, wenn Ecoli anaerob mit Nitrat im Medium wächst.
a)
C4 Fettsäure
Acyl-CoA Dehydrogenase
Acyl-CoA + FAD —> a-ß-enoyl-CoA + FADH2
Enoyl-CoA Hydratase
Enoyl-CoA + H2O —> ß-Hydroxyacyl-CoA
ß-Hydroxyacyl-CoA Dehydrogenase
ß-Hydroxyacyl-CoA + NAD+ —> ß-Ketoacyl-CoA + NADH+H+
ß-Keto-Thiolase
ß-Ketoacyl-CoA + CoA-SH —> 2 Acetyl-CoA
b) Acetyl-CoA - in den Glyoxylatzyklus malat oxalacetat - gluconeog. zu pyruvat
Acetyl-CoA + CO2 -> Pyruvat + CoA
Co-Substrate: Ferredoxin
normaler Weg wie im TCA nur das Oxalacetat über Pyruvat oder Phosphoenolpyruvat zu Acetyl-CoA umgewandelt werden muss damit dies für TCA zur Verfügung steht
d)
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1) 3 Glukose Abbauwege nennen und stoffe zuordnen:
a. 6 Phosphogluconat
b. C4 Erythrose-4P
c. Glycerinaldehyd 3 P
2) Succinat und Butyrat als alleinige C Quelle für E.coli aerob.
a. Abbau zu CO2
b. Assimilation zu Zucker
3) Anaerob mit Glucose als C Quelle, 3 Gärprodukte mit enzymatischer Bildung
1)
Embden Meyerhof Parnas Pathway (EMP) = Glykolyse
-> Glycerinaldehyd-3 P
Entner-Douderoff Pathwy (ED) = KPDG
-> 6-Phosphogluconat
-> Glycerinaldehyd-3-P
Pentose-P Zyklus
-> C4-Erythrose-4P
-> Glycerinaldehyd-3P
2)
Succinat durch TCA Zyklus abbauen (—> Fumarat->Malat->Oxalacetat+Acetyl-CoA-> Citrat …) aber Oxalacetat muss “zweigleisig fahren” zusätzlich zu Pyruvat und dann Acetyl-CoA umgewandelt werden, zum Aufbau über Oxalacetat was direktes Substrat der Gluconeogenese ist
Butyrat —> Butyryl-CoA -> ß-Oxidation -> TCA
Propionat —> Propionyl-CoA -Carboxylierung und Isomerisierung zu Succinyl-CoA-> TCA
Aufbau zu Zucker über Oxalacetat oder von Acetyl-CoA auch durch Pyruvat-Synthase mit Ferredoxin als Co-Faktor möglich (nur in Anaerobiern -> diese haben ja auch nicht TCA)
3)
Lactat (Lactat-Dehydrogenase)
Ethanol (Pyruvat zu Acetaldehyd durch Pyruvat Carboxylase und dann Alcohol Dehydrogenase zu Ethanol)
Formate (Ameisensäure) (Pyruvat-Formate-Lyase)
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a) Nenne 3 Abbauwege für Glucose. In welchem Abbauweg befinden sich folgende Zwischenprodukte? - 6-Phosphogluconat* - Glycerinaldehyd 3-phosphat* - Fructose-6-phosphat* - KDPG
b) Skizziere die hetero- und homofermentative Milchsäuregärung
c) Beschreibe den Import von Palmitinsäure durch die äußere und die innere Membran. Nenne beteiligte Komplexe und Reaktionen.
-> Fructose-6-phosphat
c) LCFA
Palmitin-CoA-Thioester kann in ß-Oxidation weiter prozessiert werden
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a. E. coli mit Glucose im Mineralsalzmedium: 1) aerob mit Schütteln, 2)anaerob mit Nitrat und 3) anaerob ohne Nitrat. Welche Stoffwechseltypen bei welchen Bedingungen, was sind die jeweiligen Kohlenstoffprodukte die aus Glucose gebildet werden.
b. Wie schützt sich E.coli vor reaktiven Sauerstoffspezies? 3 Mechanismen
c. Lösliche und membranständige Lactat-Dehydrogenase, welche katalysiert was? (Reaktionsgleichung) Wann nutzt E.coli welche der beiden? Erklärung
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a. Unterschiede/Gemeinsamkeiten beim Import von SCFA/LCFA
b. 3 Reaktionen + Enzyme zur Synthese von Acyl-Thioestern in Bakterien
c. Malat als Substrat für Bakterien. Wie wird Malat komplett zu CO2 oxidiert?
d. Reaktionsgleichung + Enzym Acetyl-CoA → Pyruvat
Unterschiede: versch. Transportproteine für den Import
SCFA 3 Wege: Acetyl-CoA Synthetase, Succinyl-CoA:Acetat-CoA Transferase , LCFA: FadL (Porin), & FaD -> 2 Systeme für äußere & innere Membran
Gemeinsamkeiten: ATP Verbrauch über Synthetase , können nicht zurück diffundieren weil CoA-Ester -> Abbau ß-Oxidation
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A. Nennen Sie die Gesamtbilanz des EMP und es ED (+ ATP und Reduktionsäquivalenten!) (2)
B. In beiden Stoffwechselwegen spielt eine Aldolase eine wichtige Rolle. Nennen Sie die Reaktionsgleichung der Reaktion, die die jeweilige Aldolase katalysiert (mit Namen der Edukte und Produkte oder Strukturformeln). (2)
C. Welchen der beiden Stoffwechselwege nutz ein Bakterium, das mit Enzymen für beide Stoffwechselwege (ED & EMP) ausgestattet ist, bei Wachstum auf Gluconat? (+Begründung) (1)
A.
ED (Entner-Douderoff Pathway) = KPDG (2 Keto 6 Phospho 3 deoxy gluconate) pathway:
Glc-6-P + NADP+ + NAD+ + 2 ADP + 2Pi -> 2 Pyruvat + NADPH +NADH + 2 H+ + 2 ATP
Embden Meyerhof Parnas Pathway (EMP) = Glycolyse:
Glucose + 2Pi + 2 ADP + 2 NAD+ —> 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
B.
ED:
2-Keto-3-Deoxy-6-PhosphoGluconat -> Pyruvat & Glycerinaldehyd-3-P
EMP:
Fructose-1,6-bisphosphat -> Glycerinaldehyd-3-phosphat + Dihydroxyacetonphosphat
C.
-> ED pathway weil 6-Phosphogluconat in KDPG unter Wasserabspaltung umgewandelt wird, ED effizienter benötigt weniger Energie
A. Ein Bakterium (ich glaub es war sogar E. coli) wächst anaerob auf Glucose in einem Mineralsalz-Medium. Nennen Sie typische Gärprodukte. Wie/durch welche enzymatischen Schritte werden sie gebildet? (3)
B. Dem Medium wird Nitrat in hohen Mengen zugegeben. Dadurch wächst das Bakterium schneller, warum? Zu was wird Nitrat umgesetzt (es wird nicht als N-Quelle genutzt!)? Wie lautet der Name des Prozesses? (2)
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