Mikrobiologie (Fach) / Biochemie (Lektion)

Kultivierung von Mikroorganismen, Atmung vs. Gärung

Diese Lektion wurde von sidneymarie972 erstellt.

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• Katabolismus "Kraftwerk" - Metabolismus Energie wird freigesetzt 
• Anabolismus "Fabrik" - Metabolimus Energie wird verbraucht
• Phototroph Organismen, die Licht als Energiequelle nutzen
• Chemotroph Energie wird aus chemischen Reaktionen genutzt Chemoorganotroph: Organische Stoffe Chemolithotroph: Anorganische Stoffe
• Freie Reaktionsenthalpie ΔG° = Veränderungen in der freien Energie in Folge einer Reaktion '° bezieht sich auf die Standardbegingungen  ΔG° > 0 : endergon, Reaktion benötigt Energie bzw. findet nicht freiwillig statt ΔG° < 0 : exergon, Reaktion setzt Energie frei bzw. findet freiwillig statt wichtig:  ΔG° ≠ ΔG Berechnung: ΔG° = ∑ Gf° (Produkte) - Gf° (Edukte)  ΔGf°: Energie, die freigesetzt/verbraucht wird, bei der Bildung der Verbindung
• Aktivierungsenergie - viele energetisch günstige Prozesse laufen nicht spontan ab (Verbrennung, Holz), der Grund ist eine energetische Barriere, die den Ausgangszustand aufrecht erhält - Enzyme setzen Aktivierungsenergie herab --> sind Biokatalysatoren (in der Regel Proteine, RNA, Ribozyme (RNA-Welt)), häufig auf Coenzyme oder prosthetische Gruppen (Cofaktoren) angewiesen
• Enzym-Substrat-Komplex - in diesem Zustand sind reaktive Gruppen ausgerichtet & Bindungen werden spezifisch beansprucht
• Oxidoreduktasen Oxidation/Reduktion
• Transferasen Transfer von funktionellen Gruppen
• Hydrolasen Hydrolytische Spaltungen
• Lyasen Eliminierung oder Addition von funktionellen Gruppen
• Isomerasen Intramolekulare Umlagerungen, z.B Isomerisierungen
• Ligasen kovalente Verknüpfung mittels energiereicher Kofaktoren
• Translokasen Transport von Stoffen
• ATP (Phosphoanhydrid-Bindungen) - Phosphoanhydrid-Bindungen sehr energiereich (energiereicher als Phosphoether) - unstabil - Entropie in ADP wesentlich höher  - Abstoßungs-Effekt durch negative Ladungen (Phosphate) - ATP weist keine Stabilisierung durch Resonanz auf, ADP jedoch schon ---> stabiler
• Redox-Reaktionen - von zentraler Bedeutung für Biochemie  ---> viel Energie wird freigesetzt & kann konserviert werden (= ATP gebildet) - besteht aus Halbreaktionen; Reduktion & Oxidation
• Redox-Potential E'0 in Volt --> Tendenz mit der Substanzen Elektronen abgeben oder akzeptieren --> Redox-Turm (Werte für einzelne Stoffe) --> Unterschied im E'0 bestimmt Energieausbeute von Redoxreaktionen --> im zellulären Stoffwechsel werden Redoxreaktionen durch Elektronenshuttle vermittelt, der wichtigste Elektronenshuttle ist NAD - ein E'0 von - 0,32 V macht NADH zu einen guten Elektronendonator
• Atmung vs. Gärung - zwei Strategien zur Energiegewinnung in Chemoorganotrophen Gärung: anaerobe Form von Katabolismus, in der eine organische Verbindung gleichzeitig als Elektron-Donor & Akzeptor fungiert --> niedrigerer Energiertrag, da Substratkettenphosphorylierung --> nur ohne O2, Bildung von Säuren, Alkohol, CO2 + H2O, keine Wärme wird frei Atmungsprozess: aerob, Oxidation eines Elektron-Donors ist an die Reduzierung eines terminalen Elektronen-Akzeptor gebunden --> höherer Energieertrag, da das Ausgangssubstrat komplett oxidiert wird & Elektronentransportphosphorylierung mehr ATP generiert als Substratkettenphosphorylierung --> nur mit O2 ,  Bildung von CO2 & H2O + Exotherm (Wärme wird frei)
• Glykolyse - universeller Stoffwechselweg für Katabolismus von Glucose - findet im Cytoplasma statt ---> abhängig von Gärung oder Atmung wird Energie über Substratkettenphosphorylierung oder dem Aufbau eines Protonengradienten gewonnen Gärung: Substrat --> (oxidiert) --> Substrat + P --> (ATP-->ADP) --> Endprodukt Atmung: Protonengradient wird von ATP-Synthase genutzt, um ATP zu synthetisieren --> Energieertrag aus Atmungsprozessen ist wesentlich höher im Vergleich zu Gärungen: Redoxreaktionen werden genutzt, um Energie zu konservieren (Aufbau Protonengradient) Organischer Kohlenstoff wird zu CO2 oxidiert (Generierung von Reduktionsäquivalenten) 
• Elektronenshuttle Flavine - NH-Gruppen, Proteine Chinone - OH-Gruppen, frei in Cytoplasmamembran FeS-Proteine (gehen auf Eisen-Schwefel-Welt zurück) - Elektronen werden an die Fe-Atome gebunden  Cytochrome
• ATP-Synthase --> F0  (Ring) treibt F1 über einen Protonengradienten an (ähnlich dem Flagellenmotor). Die Rotation der c-Proteine (F0-Ring) wird über ϒ & ε an F1 weitergegeben und führt zu strukturellen Veränderungen von β F1 katalysiert Bildung von ATP, F0 leitet die Protonen weiter
• Atmung Definition --> Abbau von Glucose mithilfe von Sauerstoff (aerob) GLYKOLYSE --> Energie wird unter anderem durch den Aufbau eines Protonengradienten über eine Elektronentransportkette, mit versch. Elektronenshuttlen, gewonnen, dieser versorgt die ATP-Synthase mit Energie, wodurch ATP produziert wird Energieertrag aus Atmungsprozessen ist höher im Vergleich zu Gärungen --> Redox-Reaktionen werden genutzt, um Energie zu konservieren (Aufbau-Protonengradient) --> Organischer Kohlenstoff wird zu CO2 oxidiert (Generierung der Reduktionsäquivalenten NADH etc.)
• Gärung Definition --> Abbau von Glucose ohne Sauerstoff (anaerob) --> Ausgangssubstrat wird oxidiert , dies führt zur Generierung von energiereichen Zwischenprodukten (Substratkettenphosphorylierung), diese werden dazu genutzt, um aus ADP ATP zu bilden
• Elektronentransportkette --> Grundlage für die Ausbildung von Protonengradienten --> Elektronentransport entlang des Redoxpotentialgradienten, gekoppelt an die Translokation der Elektronen vom Zellinneren ins Zelläußere --> findet über 4 Proteinkomplexe statt
• Citratzyklus Glykolyse-Endprodukt: Pyruvat enthält immer noch Energie, die mithilfe von Redox-Reaktionen verfügbar gemacht werden (Citratzyklus) Pyruvat + 2,5 O2 --> 2 H2O + 3 CO2  (Übertragung von 10e- = 5 NADH) NADH = 10 H+  FADH2 = 6 H+ 1 NADH = 3 ATP 1 FADH2 = 2 ATP  --> entscheidendes Metabolit: Oxalacetat (C4-Verbindung); fungiert als Akzeptor für Acetyl-CoA, dieses wird aus Pyruvat gebildet 2 Hälften: 1. Hälfte - Bildung von Succinyl-CoA, 2. Hälfte - Regenerierung von Oxalacetat
• Citratzyklus 1. Hälfte - Bildung von Succinyl CoA 1. Pyruvathydrogenase-Komplex (PDC) verbindet Glykolyse & Citratzyklus - Pyruvat wird decarboxyliert (CO2 wird frei) - NADH und Acetyl-CoA werden gebildet 2. Bildung von Citrat durch Citratsynthase aus Acetyl-CoA und Oxalacetat 3. Nach zwei Umlagerungen durch Aconitase (Citrat --> Aconitat --> Isocitrat), finden zwei Decarboxylierungen statt (Isocitrat - Dehydrogenase; Ketoglutarat - Dehydrogenase) - 2 NADH(P)H werden gebildet - es entsteht Succinyl-CoA mithilfe von CoA-SH (C4-Verbindung)
• Regeneration von Oxalacetat (Citratzyklus 2.Teil) 4. Das energiereiche Succinyl-CoA (Thioester) wird zur ATP-Bildung via Substratkettenphosphorylierung genutzt  5. Oxalacetat wird durch zwei Oxidationen regeneriert, beteiligte Enzyme:  - Succinat-Dehydrogenase (Complex II), Fumerase, Malat-Dehydrogenase - 1 FADH2 und 1 NADH werden gebildet
• Redoxpotential & Länge der Elektronentransportkette Bedeutung --> Unterschied im Eo (Redoxpotential) zwischen Elektronen-Donor & Elektronen-Akzeptor bestimmt die Elektronentransportkette --> Länge der Elektronentransportkette begrenzt die Zahl der e--Übertragungsschritte und damit die Zahl der Protonentranslokationen (Bsp.: NADH vs. FADH2)
• Nitratatmung - Nitrat-Reduktion, Denatrifizierung anaerobe Atmung Nitrat-Reduktion: über Elektronentransportkette - NO3- wird zu NO2- reduziert durch Denatrifizierung: NO2- + H2O --> NO ↑ + H2O --> N2O ↑ + H2O --> N2 + H2O --> hochrelevant für die Umwelt, trägt zur Klimaerwärmung bei
• Sulfat-Reaktion - Sulfat wird niemals direkt reduziert, immer zuerst aktiviert - SO42+ wird mit ATP zu APS aktiviert, dann zu SO32- reduziert und schließlich zu H2S ---> Exkretion -Hydrogenasen sind entscheidend für den Aufbau eines Protonengradienten und die Reduktion von Sulfat - Lactat wird zu Pyruvat reduziert, dabei wird FADH frei, ausgehend vom Pyruvat wird H2 frei, dieses wird im Zelläußeren oxidiert - Dabei werden Protonen frei, diese bilden Protonengradienten (Bildung von ATP)  - freiwerdende Elektronen werden über FeS-Proteine transportiert & genutzt, um Sulfat zu Schwefelwasserstoff zu reduzieren
• Definiertes Nährmedium man kennt die exakte Zusammensetzung eignen sich eher als Grundlage für Selektivmedien
• Komplexes Nährmedium man kennt die exakte Zusammensetzung nicht 
• Selektivmedien durch seine Zusammensetzung nur für das Wachstum ganz bestimmter Mikroorganismen oder Zellen geeignet
• Differentielles Medium/Indikatormedien unterschiedliche Mikroorganismen werden aufgrund ihrer biochemischen (Stoffwechsel-)Eigenschaften voneinander differenziert --> mithilfe von Farbstoffen  

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