Bakterien, Hefen, Pilzen UND Pflanzen

bei der Essigsäuregärung bilden Essigsäurebakterien (Acetobacteraceae) unter aeroben Bedingungen Essigsäure.

= Energiegewinnung durch den Aufbau organischer Stoffe durch oxidation anorganischer Stoffe aus der Umwelt.

• dient der Energiegewinnung von chemolithoautotrophen Bakterien

  -> Schwefel, Eisen und nitrifizierende Bakterien

• über den Calvin- Zyklus autotrophe Kohlenstoff- Assimilation.

  -> dient der ATP und NADPH + H+ Gewinnung

  -> Energiespeicher, Stoffwechselvorgänge, Calvin- Zyklus, etc.

• Enerhiegewinnende Prozesse:

  • Eisenbakterien: Fe2+ -> Fe3+ + e-

  • nitrifizierende Bakterien: oxidation von Ammoniak über Nitrit zu Nitrat

    • z.B. Nitrosomonas, Nitrobacter

  • Schwefelbakterien: Thiosulfat/ andere Schwefelverbindungen oxidieren zu elementaren Schwefel od. Sulfat

    • oft auch von elementaren Schwefel zu Sulfat

Standort:

• bei Pflanzen hauptsächlich in Peroxisomen (Glyoxysomen)

  • die Aconitase- Reaktion im Cytoplasma

  -> findet im Fettspeichernden Gewebe keimender Pflanzen statt, um Acetyl- CoA aus dem Fettsäureabbau zu Succinat umzuwandeln.

  • Succinat kann in Oxalacetat umgewandelt und dann dem Glucoseaufbau zugeführt werden.

• Mikroorganismen im Cytosol

• Menschen GARNICHT, da die Enzyme fehlen.

Ablauf:

1. Kondensation von AcetylCoA + Oxalacetat -> Citrat

   • kat. durch Citratsynthase

2. Citrat transportiert aus dem Glyoxysom ins Cytoplasma. Umgewandelt -> Isocitrat

   • kat. durch Aconitase

3. Isocitrat wird gespalten durch Isocitrat- Lyase -> Succinat + Glyoxylat

   • Succinat wird aus dem Glyoxysom ins Mitochondrium geschleust.

4. Glyoxylat kondensiert mit Acetyl- CoA -> Malat

   • kat. durch Malatsynthase

5. Malat oxidiert -> Oxalacetat

   • kat. durch Malatdehydrogenase

   • dabei wird NAD+ zu NADH + H+ reduziert.

= Alkoholische- Gärung

• von Saccharomyces cerevisiae

• dient dem anaeroben Abbau von Glucose im Cytoplasma von Hefen

Ablauf:

• Glucose im Rahmen der Glykolyse abgebaut -> 2 Brenztraubensäure- Molekülen

  • Brenztraubensäure = Pyruvat

• Pyruvat durch Pyruvat Decarboxylase -> Acetaldehyd decarboxyliert. Cofaktor: Thiamindiphosphat

• Acetaldehyd reduziert zu Ethanol

  • unter oxidation von NADH

• Funktionseinheit auf der DNA von Prokaryoten

• erlaubt Ernährung mit Lactose

  • codiert für Enzyme

  • für Lactosetransport und -abbau

• Definition/ Funktion von:

  • Regulatorgen:

    -> codiert für Regulationsfaktoren, Repressor unterdrückt Operator by default

  • Cap- site:

    -> Bindungsort für CAP (cAMP- Aktivatorprotein), erhöht RNA- Polymerase- Aktivität

  • Promotor:

    -> Bindungsort für RNA- Polymerase; Startpunkt der Transkription

  • Operator:

    -> Bindungsort für Regulationsfaktoren

  • Strukturgene:

    -> lacZ: beta- Galaktosidase: Lactose -> Glucose + Galactose

    -> lacY: Galactosid- Permease: Transport von Galactose

    -> lacA: Galactosid- Transacetylase

positive Regulation:

= Lactose vorhanden, induziert seinen eigenen Abbau

-> Substratinduktion (da sobald Lactose vorhanden ist, die zum Abbau benötigten Enzyme gebaut werden)

• Allolactose bindet an Repressor

• IPTG (Isopropyl- beta- D- thiogalactopyranosid) kann auch an Repressor binden, wird aber nicht abgebaut!

  -> IPTG ist der künstliche Induktor aus dem Praktikumsversuch.

• Repressor kann dann nicht mehr an Operator binden, wegen Konformationsänderung (norm.: Bindung + Inhibieren)

• der Promotor dient als Bindungsort für die RNA- Polymerase. Ist blockiert, wenn das Repressorprotein an den Operator bindet.

• Strukturgene

  • wenn die RNA- Polymerase beginnt die DNA abzulesen, werden die entsprechenden Strukturgene gebildet.

negative Regulation:

= Glucose als Einfachzucker energetisch günstiger, da die Enzyme für den Abbau sowieso schon im Bakterium vorhanden sind. Daher Glucoseabbau bevorzugt geg. Lactose.

• Glucose unterdrückt Lactose- Abbau

  • denn Glucose hemmt die Adenylat- Cyclase und es wird kein cAMP gebildet.

• wenig Glucose = cAMP steigt (da Adenylat- Cyclase aktiviert wird, oder nicht mehr inaktiviert wird)

  • cAMP bindet an CAP (cAMP- Aktivatorprotein)

  • erst Dimerbildung, dann: CAP bindet an CAP- site

  • RNA- Polymerase- Aktivität wird dann erhöht

  • erhält dadurch eine verstärkte Expression der Strukturgene, für den Lactoseabbau

• viel Glucose = cAMP sinkt

  • weil die Adenylat- Cyclase gehemmt wird

  • es gibt daher kein cAMP, welche an CAP binden könnte

  • daher wird CAP nicht aktiviert

  • führt dazu, dass die RNA- Polymerase- Aktivität nicht aktiviert wird

  • wenig, bis fast gar keine Strukturgen- Expression.

Marcus:

• lac operon wird auch als das “Jacob und Monod- Modell” bezeichnet.

  • die haben das Modell vom Lac- operon aufgestellt

• an diesem System wurden 2 grundlegende Mechanismen der Genregulation aufgeklärt:

  -> die negative Kontrolle

  • durch Repression der Transkription

  -> und eine positive Kontrolle

  • durch Aktivierung der RNA- Polymerase

• normalerweiße bauen Bakterien zur Energiegewinnung Glucose ab.

  • Lactose nicht, da hierfür andere Enzyme benötigt werden.

  • lac- Operon- Modell erklärt, wie Bakterien von den Glucose- Abbau, auf den Lactose- Abbau umschwenken können.

Bild:

• die Strukturgene für das lac- Operon sind normal nicht aktiviert = ruhend.

  -> Lactose- Abbauende Enzyme werden nicht benötigt.

• im Normalzustand schwimmt das Bakterium in Glucoselösung rum.

• wieso werden die abbauenden Enzyme nicht aktiviert?

  -> ein gutes Stück vor den Strukturgenen auf der DNA des Bakteriums, befindet sich ein Regulatorgen. Dieses Regulatorgen wird abgelesen und codiert für eine entsprechende Messenger- DNA.

  -> Diese Messenger- RNA wird translatiert zu einem Repressor- Protein, das als Monomer vorliegt.

  -> von diesem Repressor- Protein lagern sich 4 zu einem Tetramer zusammen.

  -> Repressortetramer setzt sich auch die Operatorstruktur auf der DNA und blokiert diese.

  -> Dadurch kann die RNA- Polymerase nicht an die Promotorstruktur binden und die Strukturgene für den Lactoseabbau können nicht abgelesen werden.

  = Zustand, es ist nur Glucose in der Nährlösung vorhanden.

• ! Ganz selten, bindet das Repressortetramer NICHT an den Operator, sodass die RNA- Polymerase ganz selten die Strukturgene ablesen kann und immer kleine Mengen der Enzyme: “beta- Galactosidase, Permease, Transacetylase” vorhanden sind. !

Bild 2:

• Zustand 2 = Glucose und Lactose sind in Nährlösung

• wenn Glucose und Lactose in der Lösung sind, macht es nochimmer keinen Sinn, Lactose abzubauen, denn Glucose reicht.

• das Regulatorgen wird nochimmer agelesen, die Represorproteine werden nochimmer gebildet.

• die Repressorproteine lagern sich zum Repressortetramer zusammen. Das Repressortetramer bindet aber den Induktor Alolactose, machen dadurch eine Konformationsänderung und können nicht mehr an den Operator binden.

• Allolactose wird vom Enzym Beta- Galactosidase aus der Lactose des Nährmediums in kleinen Mengen gebildet.

• im BC- Versuch, ist IPTG (=ein künstlicher Induktor) beteiligt, wodurch der Versuch überhapt funktionieren kann.

• wenn Operator auf der DNA frei ist, kann die RNA- Polymerase an den Promotor binden und die Strukturgene für den Lactoseabbau ablesen.

• die Affinität der RNA- Polymerase zum Promotor ist allerdings nur sehr klein, sodass nur wenig beta- Galactosidase + Permease + Transacetylase gebildet werden.

  -> Es wird im wesentlichen also nur wenig Lactose abgebaut und hauptsächlich Glucose

Bild 3:

• wenn nur Lactose vorhanden wäre, würde das Bakterium sterben.

• Umstellung zum Lactoseabbau dauert ca. 2 Minuten.

• im Bakterium kommt die Adenylat- Cyclase (=Enzym) vor. das Enzym ist bei hohen Glucosegehalt inaktiv und bei kleinem aktiv.

• wenn gar keine Glucose da ist, ist dementsprechend die Adenylat- Cyclase aktiv. Die macht aus ATP -> cAMP (= cyclische Adenosin Monophosphat)

  -> cAMP ist also ein Hungersignal

• wenn also cAMP vorhanden ist, Mangelt es an Glucose

• das cAMP bindet jetzt das Katabolit- Aktivatorprotein und bildet ein cAMP- CAP- Komplex. 2 davon bilden ein cAMP- CAP- Dimer.

• dieses Dimer bindet an die DNA und zieht die RNA- Polymerase an die Promotorposition heran. Die RNA- Polymerase liest dadurch die Strukturgene häufig ab und es wird viel “beta- Galactosidase, Permease und Transacetylase” gebildet.

  -> Lactose- Stoffwechsel kommt jetzt in Gang.

• negativ- Regulation: die Aldolactose wirkt hier als negativ- Regulator, denn die Aldolactose hat den Repressor (=Repressorprotein) von dem Operator gelöst.

• positiv- Regulation: der cAMP- CAP- Komplex stellt eine positiv- Regulation dar, denn die RNA- Polymerase wird durch das Dimer an die DNA- gezogen und die Transkription gesteigert.

= Dunkelreaktion

-> braucht kein Licht, benötigt aber die Produkte der Lichtreaktion! => ATP und NADPH

• Aufbau von Glucose od. Fructose aus CO2

  -> CO2 wird zu Traubenzucker reduziert

  -> dafür wird ATP und NADPH benötigt

• Ort:

  • findet im Stroma der Chloroplasten statt (quasi Cytosol der Chloroplasten)

  • bei Bakterien im Cytoplasma

Ablauf:

1. CO2 Fixierung

2. Reduktion

3. Regeneration

Reaktionsablauf für 1 Glucose:

1. CO2 Fixierung 3- mal

• RuBisCo: = Ribulose- bisphosphat- Carboxylase/ Oxygenase

  • Enzym, welches CO2 in Ribulose- 1,5- bisphosphat (RubP) einschleust

  • besteht aus großen und kleinen Untereinheiten

  • die nun Instabile Hexose (Produkt) zerfällt -> 2x 3- Phosphoglycerinsäure (3- PGS)

1. Reduktionsphase: 12- mal

• 3- Phosphoglycerinsäure (PGS) wird unter ATP- Verbrauch zu 1,3- Bisphosphoglycerinsäure phosphoryliert = aktiviert.

• 1,3- Bisphosphoglycerinsäure wird unter NADPH- Verbrauch reduziert -> Glycerinaldehyd- 3- phosphat (G3P)

  • NADPH -> NADP+ 2e- + H+ (Oxidation)

1. Regenartionsphase

• 3 Moleküle Glycerinaldehyd-3- phosphat + 2 Moleküle Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) in Tautomerie

• reagieren zu verschiedenen Zwischenprodukten, u.a. Fructose-1,6- bisphosphat

• reagieren anschließend zu -> 3 Molekülen Ribulose- 5- phosphat

• diese wird unter ATP- Verbrauch phosphoryliert -> Ribulose- 1,5- bisphosphat

-> 5/6 der Glycerinaldehyd-3- phosphate werden genutzt um wieder Ribulose- 1,5- bisphosphat herzustellen

= 5x (10 von 12 G3P werden zu Ribulose- 5- phosphat)

-> 1/6 des G3P reagieren mit einem weiteren G3P zu C6H12O6

= 1x (2 von 12 G3P Molekülen werden zu Glucose)

= Lichtreaktion der Photosynthese grüner Landpflanzen

= Photorespiration

= Lichtatmung

• Primärreaktion der Photosynthese (= Lichtreaktion) findet an der Thylakoidmembran der Chloroplasten statt.

• wichtigster Lichtsammelkomplex: Chlorophyll a

• andere Lichtsammelkomplexe:

  • Carotinoide und Chlorophyll b

    -> gehören zu den akzessorischen Pigmenten

  • erhöhen Effiziens der Lichtreaktion, indem sie grüne Wellenlängen absorbieren + Energie aufs Chlorophyll a übertragen.

    • nutzbarer Lichtbereich wird erweitert.

• Phycobiline = akzessorische Pigmente bei Cyanobakterien.

Ablauf:

• Photosystem 2: e- Mangel

  • verursacht durch herausschlagen des e- aus Chlorophyll

• wird behoben durch Photolyse des Wassers am Wasserspaltungskomplex

  -> Wasser wird gespalten -> Sauerstoff, Hydroniumion (H3O+) und e-

• freiwerdendes e- wird auf Photosystem 2 übertragen.

  -> nichtzyklischer Elektronentransport

• Licht regt Photosystem 2 an. Die aus dem Chlorophyll herausgeschlagenen e- werden durch Plastochinon über die in der Membran integrierten Redoxsysteme weiter geleitet

  • Redoxsysteme sind zwischengefaltet, sorgen für einen Protonenfluss vom Stroma in den Thylakoidinnenraum

  -> Redoxsysteme: Cytochrom b6/f- Komplex und Photosystem 1

• Photosystem 1 gibt e- an Ferredoxin weiter

• wird weiter übertragen auf NADP+, welches dadurch zu NADPH + H+ reduziert wird.

  -> kat.- Enzym: NADP/ NADPH Oxidoreduktase

Energie durch:

• Protonengradient der sich auf der Innenseite der Thylakoid- Membran aufbaut liefert ATP durch ATP- Sythase

  -> beim H+ Ausstrom vom Innenraum ins Stroma entsteht ATP

NADPH und ATP:

• sind wichtig für Dunkelreaktion = Calvin- Zyklus = Zuckerproduktion

• an der Photorespiration sind Mitochondrien, Peroxisomen und Chloroplasten beteiligt.

• Photorespiration ist nicht gleicht Photosynthese

• bei der Photorespiration wird im Calvin- Zyklus ausversehen O2 statt CO2 eingebaut

  -> falsches Produkt entsteht, was erst wieder abgebaut werden muss

  -> dieser Abbau findet statt in:

  • Mitochondiren, Peroxisomen, Chloroplasten