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Metabolismus, Gärung, Medikamentenherstellung

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• 3 diagnostische Tests zur Unterscheidung von Bakterien auf Wachstumsbasis Citratverwertung: Citrat als einzige Kohlenstoffquelle, Bromthymolblau --> blau bei alkalischem pH-Wert Decarboxylasen: Decarboxylierung von AS --> CO2 --> Bromcresolpuprur bei Enzymaktivität purpur Gelatine-Verflüssigung: Proteasen hydrolysieren Gelatine à Medium nach Abkühlen noch flüssig bei Enzymaktivität
• 1. Nennen Sie 5 Makronährstoffe der Mikroben-Zelle. -       Kohlenstoff -       Wasserstoff -       Sauerstoff -       Stickstoff -       Schwefel
• 2. Was versteht man unter Siderophoren? -       Eisenbinder -       Stoffgruppe von ~200 eisenbindenden Verbindungen/ Peptiden in Bakterien, Pilzen -       transportieren Eisen somit als „Cargo“ in die Zelle -        Z.B. Enterobactin, Hydroxamat, Aquacheline
• 3. Nennen Sie bakterielle Stoffwechseltypen in Bezug auf Energiequelle, Wasserstoffionenquelle und Herkunft des Kohlenstoffs. Phototroph: Energiequelle Sonnenlicht Chemotroph: Energiequelle chemisch gebundene Energie (Zucker) Organotroph: Wasserstoffionenquelle organische Verbindungen (Zucker) Lithotroph: Wasserstoffionenquelle anorganische Verbindungen (H2S) Autotroph: Kohlenstoffquelle CO2 Heterotroph: Kohlenstoffquelle externe Kohlenstoffquellen (Zucker)
• 4. Nennen Sie fünf wichtige energiereiche chem. Verbindungen der Zelle. -       Phosphoenolpyruvat -       ATP -       Glucose-6-Phosphat -       Acetylphosphat -       Acetyl-CoA
• 5. Beschreiben Sie drei Hauptwege der ATP-Synthese. -       Substratstufenphosphorylierung --> ATP wird schrittweise während des Katabolismus einer org. Verbindung synthetisiert -       Oxidative Phosphorylierung --> nutzt Membrangradient -       Photophosphorylierung  --> ähnelt der oxidativen Phosphorylierung, Licht liefert Energie für PMF die ATPase antreibt
• 6. Erläutern Sie 3 diagnostische Tests zur Unterscheidung von Bakterien auf Wachstumsbasis -       Citratverwertung: Citrat als einzige Kohlenstoffquelle, Bromthymolblau -> blau bei alkalischem pH-Wert -       Decarboxylasen: Decarboxylierung von AS --> CO2 --> Bromcresolpuprur bei Enzymaktivität purpur -       Gelatine-Verflüssigung: Proteasen hydrolysieren Gelatine --> Medium nach Abkühlen noch flüssig bei Enzymaktivität
• 7. Nennen sie 3 in Bakterien etablierte Transportmechanismen und erläutern Sie insbesondere ihre Energetik. -       Einfacher Transport: PMF (protonenmotorische Kraft) -       Gruppentranslokation: chemische Modifizierung des transportierten Substrats während der Aufnahme (Bakterien) -       ABC-Transporter: Hydrolyse von ATP treibt Transport an
• 8. Erläutern Sie die Struktur von membranständigen Transportern und Arten von Transportabläufen -       12 alpha-Helices kreisförmig in Membran eingelagert -       diese bilden Kanal der Membran durchzieht -       Uniporter, Antiporter, Symporter
• 9. Nennen sie 3 Stoffwechselwege zum Abbau von Glucose zu Pyruvat -       EMP (Fructose-1,6- Bisphosphat)-Weg -       KDPG (2-Keto-3-deoxy-6-Phosphogluconat)-Weg o. Entner-Duodoroff-Weg -       Pentose-Phosphat-Weg
• 10. Was sind die grundlegenden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen EMP- und KDPG-Weg? EMP-Weg:  Abbau von Glucose über Fructose-1,6-Bisphosphat, 2 ATP KDPG-Weg: Abbau von Glucose über Zwischenprodukt KDPG, 3 ATP
• 11. Welche Aufgabe erfüllt der Citrat-Cyclus? ·    Zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels ·    Enzyme --> konserviert in Prokaryonten und Eukaryonten ·    Generierung von zahlreichen Zwischenprodukten für den Metabolismus (C2, C4, C5 und C6-Kohlenstoff-Verbindungen) ·    Gewinn pro eingesetztem Pyruvat: 4 NADH, 1 FADH2 und 1 ATP (GTP), 3 x CO2
• 13. Skizzieren sie das PEP-Phosphotransferase-System und erläutern sie die Funktionsweise. -       klassischer Aufnahmeweg für Glucose in vielen Bakterien -       erlaubt Integration von Stoffwechsel und Signalwegen in Zelle PEP--> Pyruvat                           innen                                                                 außen nicht spezifische Komponenten / spezifische Komponenten / Membran mit Enzym / Glucose                                                    Glucose + Pi --> Glucose-6-Posphat
• 14. Mit welchem Problem hat ein alkaliphiler Mikroorganismus bei der oxidativen Phosphorylierung zu kämpfen und wie wird das Problem typischerweise gelöst? leben in Umgebungen mit sehr hohen pH-Werten deshalb ist der Protonengradient nach außen gerichtet
• 15. Warum wird D,L-Methionin in der Tiermast eingesetzt? •      Beides sind essentielle AS •      Aminosäurezufütterung erhöht den Nährwert des Futters •      bei Methionin und Lysin etwa um den Faktor 2!!! •      z.B. Zusatz von Lysin zu Lysin-armen Weizenfutter
• 16. Wie werden typischerweise mikrobielle Produktionsstämme generiert und was muss man dabei bzgl. der Physiologie beachten? •      Screening von natürlichen Resourcen oder Stammsammlungen •      direkte Suche nach bestimmten Überproduzenten, Rolle Auxotrophe •      Mutagenese und Screening nach feedback-resistenten Schlüsselenzymen •      Nutzung von Substratanaloga (die nicht metabolisiert werden) •      Beachte allosterische Regulationsmechanismen •      Vermeidung von Abflüssen in Stoffwechselwegen •      Einführung oder Ausschalten von bestimmten Zielgenen durch gentechnische Methoden
• 17. Was versteht man unter emersem und submersem Wachstum? •      Zitronensäureproduktion ursprünglich: durch sog. Emersverfahren (1912 entwickelt) •      Emers (=Oberflächen)-Verfahren: homogenes Wachstum an Oberfläche v. Medium •      arbeitet mit sog. Schwimmdecken von Aspergillus niger (keine Rührer) •      modernerer Ansatz= Submersverfahren = Suspendierung mittels Rührer •      somit homogene Verteilung gesichert •      Voraussetzung: Pilzmycel wächst als Pellet •      bis 200 m3 in Rührkesselreaktoren, bis 900 m3 in Blasensäulenreaktoren (air lift) •      Reaktionsführung ist aufwendig, da hohe Anforderungen an O2 und pH (<2) gestellt werden •      Mn2+ Mangel fördert Zitronensäure-Produktion
• 18. Durch welche Mikroorganismen wird Essig gebildet und unter welchen Bedingungen erfolgt der Umsatz? •      durch Acetobacter und Gluconobacter (= aerobe Bakterien) •      Umsetzung von Alkohol zu Essigsäure oder Glucose zu Acetaldehyd verstoffwechselt •      Oxidation jeweils unvollständig
• Skizzieren Sie den Umsatz von Glucose bzw. Ethanol zu Essig. Welche Nebenprodukte werden gebildet? Glucose --> PP-Zyklus --> Gluconat                                  --> Triosephosphat --> Pyruvat --> CO2                                                                                 --> Acetaldehyd --> Essigsäure                                                                     Ethanol -->                   bei Umsatz von Ethanol zu Acetaldehyd und Acetaldehyd zu Essigsäure kann PQQ und daraus PQQH2 entstehen
• 20. Nennen Sie die grundlegenden Schritte des Grüssner-Reichstein-Verfahrens. Was ist Ausgangsstoff, was wird produziert? •      Kombination aus chemischem und biologischem Verfahren •      chemische Umsetzung von Glucose zu Sorbit •      biologische Sorbitumwandlung zu Sorbose und 2-Keto-Gulonsäure •      mithilfe von Gluconobacter •      dann chem. Umsetzung zu Vitamin C •      Glucose --> Sorbit --> Sorbitol --> Sorbose --> 2-Keto-Gulonsäure --> Ascorbinsäure (Vitamin C)
• 21. Erläutern Sie ein Bsp. wie man Auxotrophe Mutanten für die Lysinproduktion nutzbar machen kann. --> Lysin-Überproduzenten => Homoserin-Auxotrophen Corynebacterium glutamicum Es werden kleine Mengen von Threonin und Metionin ins Medium gegeben um das Wachstum zu ermöglichen
• 22. Erläutern Sie positive und negative Eigenschaften von Sauerstoff. Positiv: •      Sauerstoffpräsenz änderte den Stoffwechsel auf der Erde •      Moderne Eukaryoten ohne freien Sauerstoff nicht lebensfähig •      Aerobe Stoffwechselwege Negativ: •      toxischer Sauerstoff entsteht vornehmlich durch photo-chemische und biochemische Prozesse    -  passiver Schutz durch Carotinoide und Vitamin E    -  aktiver Schutz durch zelluläre Entgiftungsenzyme    -  besonders in pathogenen Bakterien zu finden
• Nennen Sie Enzyme und Reaktionen zur Entgiftung schädlicher Sauerstoffspezies. Katalase: H2O2 + H2O2 --> 2 H2O + O2 Peroxidase: H2O2 + NADH + H+ --> 2 H2O + NAD+ Superoxiddismutase: O2- + O2- + 2 H+ --> H2O2 + O2 Superoxiddismutase + Katalase in Kombination: 4 O2- + 4 H+ --> 2 H2O + 3 O2 Superoxidreduktase: O2- + 2 H+ + cyt creduziert --> H2O2 + cyt coxidiert
• 24. Was versteht man unter aerober und anaerober Atmung? (Vgl. anhand von E. coli) Erste Schritte sind identisch Aerobe Atmung:Sauerstoff-Reduktion Energetisch günstiger, da mehr H+ und größerer Protonengradient Anaerobe Atmung: Nitrat-Reduktion Nitrat wird nur unter anaeroben Bedinungen reduziert Nitrat-Reduktase (Genexpression durch O2 inhibiert, durch Nitrat induziert) 
• 25. Beschreiben Sie bedeutende Eigenschaften im allgemeinen und Energiestoffwechsel von chemo-organotrophen Bakterien. -       Aerobe und anaerobe Atmung -       Kohlenstoff aus organischer Verbindung -       Bildung von ATP durch PMF
• 26. Erläutern Sie die Begriffe assimilativer und dissimilativer Stoffwechsel. •      anorg. Nitrat, Sulfat und CO2 werden durch viele Mikroben reduziert                              Quelle für viele zelluläre Stickstoff-, Schwefel- und Kohlenstoffverbindungen •      Endprodukte dieser Reduktionsprozesse: Aminogruppen (-NH2), Sulfhydrylgruppen (-SH) und organische C-Gruppen (-COOH, -CHO usw.) •      erfolgt Reduktion zur Nutzung in organischen Biosynthesewegen = assimilativer Stoffwechsel •      d.h. Nitrat, Sulfat und CO2 werden somit „assimiliert“ •      Reduktion der Stoffe aus Gründen der Energiegewinnung = dissimilativer Stoffwechsel
• 27. Wie erfolgt die Trennung von Assimilation und Dissimilation beim Schwefelstoffwechsel? •      Dissimilation (SO4) ist auf sulfat-reduzierende Bakterien begrenzt •      Haben APS, Sulfit, Schwefelwasserstoff als Zwischenprodukte und geben sie an Umgebung ab •      Assimilation --> Sulfat wird als Schwefelquelle für Biosynthesen verwertet
• 28. Beschreiben Sie den Elektronentransport bei der Sulfatreduktion. •      Aufbau von Protonengradient (pmf) mit ATPase •      Sulfat-Ion muss aktiviert werden •      ATP-Sulfurylase spaltet ATP in AMP und PPi --> Bildung von APS •      Reduktion von APS zu Sulfit --> toxischer Schritt!!! •      Sofortige Reduktion zu H2S
• 29. Erläutern Sie die individuellen Stufen in der Nitratreduktionskette. •      Reduktion über individuelle Reduktasen (Nitrat-Reduktase, Nitrit-Reduktase…) •      Nur in E. coli:   -  Nitrat   -  Nitrit •      Alle gasförmig und Abgabe in Atmosphäre:   -  Stickstoff-Monoxid   -  Di-Stickstoff-Monoxid   -  Elementarer Stickstoff
• 30. Warum ist die Energiegewinn bei der Nitrat-Atmung von E. coli geringer als bei oxidativer Phosphorylierung? Weil mehr Wasserstoff und damit größerer Protonengradient erzeugt wird
• 31. Was versteht man unter Pasteur- und Crabtree-Effekt beim Hefestoffwechsel? Pasteur-Effekt: Unterdrückung der Gärung durch Sauerstoff --> basiert auf dem Energieladungszustand der Zelle (ATP/ADP-Verhältnis) Crabtree-Effekt: bei Glukosekonzentrationen >1 g/l schaltet die Hefe auch unter aeroben Bedingungen auf Gärung um
• 32. Welches Grundprinzip liegt Gärungen in der Regel zugrunde? Definition: Gärung = Stoffwechsel ohne Sauerstoffbeteiligung ·      Falls genügend Elektronenakzeptoren (Sulfat, Nitrat, Fe3+ etc.) vorhanden sind, wird ein Großteil des Kohlenstoffs durch Gärung (Fermentation) katabolisiert ·      Zu lösende Probleme bei Gärung: Energieversorgung + Redoxbilanz-Ausgleich ·      ATP-Gewinnung erfolgt typischerweise nicht durch chemi-osmotische Prozesse, sondern durch Substratketten-Stufenphosphorylierung ·      Bei Substratketten-Stufenphosphorylierung werden energiereiche Anhydridbindungen in Phosphorsäureresten von organischen Stoffwechselmolekülen (Intermediaten) auf ADP übertragen •      Merkmale: o   geringe Energieausbeute o   hoher Stoffumsatz bei geringer Zellausbeute o   Exkretion von Fermentationsprodukten
• 33. Nennen Sie 5 Gärungen und dabei beteiligte Bakterien. -       Homolactisch --> Streptococcus -       Heterolactisch --> Lactobacillus -       Gemischte Säure- --> Escherichia -       Homoacetogen --> Acetobacterium -       Methanogen --> Methanosaeta
• 34. Welche Bakterien führen die sogenannte Stickland-Fermentation durch, was wird fermentiert und was ist die Besonderheit dabei? ausgeführt bspw. durch Clostridium sticklandii & Clostridium sporogenes •      --> peptolytische Clostridien-Arten •      Nutzung von AS als Kohlenstoff- und Energiequelle •      nicht ausgehend von Zuckern, sondern von Aminosäuren •      --> Vergärung von Aminosäure-Gemischen •      sog. Aminosäurepaare dienen als: Elektronendonatoren und - Elektronenakzeptoren
• 35. Die Buttersäure/Butanolfermentation durch Clostridium acetobutylicum verläuft zweiphasig. Was wird zuerst gebildet, was später? Begründen Sie die Reihenfolge. ·      Lösungsmittelsynthese nicht kontinuierlich, sondern phasenabhängig ·      Zuerst Säurephase, dann Lösungsmittelphase
• 36. Saccharomyces cerevisiae und Zymomonas mobilis bilden Ethanol aus Glucose. Wie unterscheiden sich diese Organismen bei der Glucose-Verwertung? Nennen Sie die unterschiedlichen Abbauwege. -       Zymomonas ist gram-negatives Bakterium   Alkoholresistenter   Geringere Biomassenproduktion   Gärung schneller als Hefe   Alternative ethanolische Gärung -       Saccharomyces cerevisiae   Ethanolische Gärung -       Acetaldehyd als gemeinsamer Metabolit
• 37. Durch welche energetische Besonderheit ist die Glycolyse in Zymomonas mobilis gekennzeichnet? Welche Konsequenzen hat dies für die Biomassebildung? Warum ist die Ethanolproduktion auch bei Nährstoffüberschuss begrenzt? •      Temperatur-toleranter als Hefe •      Bakt.: höhere Alkoholtoleranz (pH 3.5- 7.5) •      Gärung = 3-4 mal schneller als Hefe Zymomonasmobilis •      geringere Biomasse-Produktion als Hefe •      es werden nur 3 ATP beim KPDG-Weg gewonnen, wodurch ~50% weniger Biomasse/Glukose und 5% mehr Ethanol gebildet wird
• 38. Warum sind Clostridien für Gärungen interessant? Nennen Sie 5 Anwendungen. --> Sie können die Stickland-Fermentation von Glycin/Alanin machen und auch durch Glycin-Reduktion ATP gewinnen was eine Ausnahme bei Gärungen darstellt 1  vergären von Kohlenhydraten 2  vergären von Aminosäuren 3  vergären von Kohlenhydraten oder AS 4  Purinfermentierer 5  Vergären von Ethanol zu Fettsäuren
• 39. Beschreiben Sie die Unterschiede zwischen der homofermentativen und heterofermentativen Milchsäuregärung. Milchsäuregärung = Wege des Energiestoffwechsels bei Mikroben, die Glucose und andere Monosaccharide zu Milchsäure allein oder darüber hinaus noch zu weiteren Endprodukten abbauen (v.a. Milchsäurebakterien) homofermentativ: Hauptprodukt nur Milchsäure heterofermentativ: auch andere Katabolite als Produkte (Ethanol, Acetat)
• Welche Enzyme werden in Waschmitteln eingesetzt und wie wirken sie? Amylasen: Abbau von Stärke Proteasen: Abbau von Eiweiß Lipasen: Abbau von Fett Cellulasen: Abbau von Cellulose
• 41. Erläutern Sie stichwortartig die Schritte des Celluloseabbaus (Angriffsort, Enzyme, Produkte). Angriffsort: amorphe Cellulose-Mikrofibrillen Enzyme: Endocellulase --> Exocellulase Produkte: Cellobiosen,                                                                        Oligosaccharide --> Cellobiose-Oxidase baut zu                              --> ß-Glucosidase baut diese zu Glucose ab Cellobionlacton/Cellobionsäure ab
• 42. Sie wollen ein Waschmittel für empfindliche Seidenstoffe zusammenstellen. Welche Enzyme sollten Sie zusetzen und welche nicht: Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Proteasen? Begründen Sie Ihre Antwort.   Amyase, Cellulase, Lipase Keine Proteasen: da Seide hauptsächlich aus Protein besteht
• 43. Nennen Sie 2 Anforderungen, die man an ein Enzym stellen muss, das in einem Waschmittel eingesetzt werden soll. ·      Sollten effektiv gegen viele gängige Verunreinigungen wirken ·      Hohe Stabilität und Aktivität ·      Proteasen sollten z.B. nicht sich selbst u.a. Enzyme verdauen ·      Hitzeunempfindlich
• 44. Erläutern Sie den Abbau von Fettsäuren und Alkanen durch Mikroorganismen (einzelne Teilschritte der Abbaureaktion, Energiebilanz, Formeln nicht notwendig). -       Abgespaltete Fettsäurereste   Abbau durch ß-Oxidation   Bei jedem Schritt wird jeweilige Fettsäure um 2 C-Atome verkürzt -       Alkane (alifatische Kohlenwasserstoffe)   Auch Abbau durch ß-Oxidation   Monooxygenase katalysieren Einbau von einem Sauerstoffmolekül -       Bei C16-Fettsäure gewinn von 106 ATP-Molekülen
• 45. Wie unterscheiden sich Mono- und Dioxygenase-Reaktion? Monooxygenase: ein Sauerstoffatom geht auf organisches Substrat über, das zweite wird zu Wasser reduziert Dioxygenase: beide Sauerstoffatome werden auf organisches Substrat übertragen
• 46. Wie kann man Erdöl-“kontaminiertes“ Wasser und Küsten behandeln? -       Mithilfe des Bakteriums Alcanivorax borkumensis -       Verwertet breites Spektrum an Kohlenwasserstoffen (auch Erdöl) -       Macht in ölverschmutzten Bereichen bis 90% der Bakterienpopulation aus -       Lagert sich an Alkan/Wasser-Interphase an -       Durch Zusatz von Dünger kann Rekultivierung verbessert werden
• 47. Was sind die Probleme beim Abbau/Entsorgung von Kunststoffen wie Plastik und wie versucht man diese dringenden Fragen zu lösen? •      für viele synthetische Kunststoffe ist im Gegensatz zu Naturstoffen kein Abbauweg bekannt •      Oft biologisch inert (in der Regel erfolgt nur Abbau der Weichmacher) •      Persistenz beruht auf dem Fehlen von extrazellulären Enzymen •      Ersatz durch Biopolymere (Stärke basierend etc.) ist in Zukunft wünschenswert  -->  Bioplastik durch Mikroben •      Neu entdeckter Pilz kann Polyurethane abbauen
• 48. Worin besteht das Hauptproblem bei der biotechnologischen Insulinherstellung? Insulin ist ein Peptid (51 AS, kodiert auf 2 Ketten) Gentechn. Herstellung: Reinigung und Faltung ist anspruchsvoll.
• 49. Nennen Sie die zwei grundlegenden Verfahren zur Immobilisierung von Biokatalysatoren. Kopplung und Einschluss
• Welche Verfahren zur Kopplung bzw. zum Einschluss von Biokatalysatoren gibt es? Kopplung: -       Trägerbindung -       Quervernetzung Einschluss: - Einhüllung - Verkapselung

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