Fachmodul Mikrobiologie II - Exam

Aufgabe 1)

Die mikrobiellen Stoffwechselwege und deren BedeutungDie verschiedenen Stoffwechselwege dienen in Mikroorganismen zur Energiegewinnung und Bereitstellung von Bausteinen für anabole Prozesse. Die zentrale Rolle spielen hierbei Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette sowie Fermentation.

• Glykolyse: Umwandlung von Glukose zu Pyruvat, Gewinn von ATP und NADH
• Citratzyklus: Oxidation von Acetyl-CoA zu CO2, Produktion von NADH, FADH2 und GTP
• Atmungskette: Elektronentransport und ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung
• Fermentation: Energiegewinnung ohne O2, Bildung von Lactat oder Ethanol
• Anabolische Wege: Aufbau komplexer Moleküle, z.B. Aminosäuren, Nukleotide
• Katabolische Wege: Abbau von Molekülen zur Energieerzeugung

a)

Beschreibe den Ablauf der Glykolyse, angefangen von der Glukose bis zum Endprodukt Pyruvat. Gehe dabei auf die entstehenden Produkte ATP und NADH ein und beschreibe deren Bedeutung für den weiteren Stoffwechsel der Zelle.

Lösung:

• Die Glykolyse ist ein zentraler Stoffwechselweg, der in fast allen Lebewesen vorkommt. Hier wird Glukose, ein Sechskohlenstoffzucker, in zwei Moleküle Pyruvat (jeweils ein Dreikohlenstoffzucker) umgewandelt.

• Phase 1: EnergieinvestitionsphaseIn den ersten fünf Schritten der Glykolyse wird Energie in Form von ATP investiert, um die Glukose zu aktivieren und in Fruktose-1,6-bisphosphat umzuwandeln.

1. Hexokinase: Glukose wird durch Phosphorylierung mit einem ATP-Molekül zu Glukose-6-phosphat (G6P).
2. Phosphoglukoseisomerase: Glukose-6-phosphat wird in Fruktose-6-phosphat (F6P) umgewandelt.
3. Phosphofruktokinase-1: Fruktose-6-phosphat wird mit einem zweiten ATP-Molekül zu Fruktose-1,6-bisphosphat (F1,6BP) phosphoryliert.
4. Aldolase: Fruktose-1,6-bisphosphat wird in zwei Dreikohlenstoffverbindungen, Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) gespalten.
5. Triosephosphatisomerase: DHAP wird schnell in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt, sodass die Glykolyse zwei Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle weiterverarbeitet.

• Phase 2: EnergiegewinnungsphaseIn den letzten fünf Schritten der Glykolyse entstehen Energie und Reduktionsäquivalente in Form von ATP und NADH.

1. Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase: Glycerinaldehyd-3-phosphat wird oxidiert und phosphoryliert zu 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPG), dabei wird NAD+ zu NADH reduziert.
2. Phosphoglycerat-Kinase: 1,3-Bisphosphoglycerat überträgt eine Phosphatgruppe auf ADP, wodurch ATP und 3-Phosphoglycerat (3PG) entstehen.
3. Phosphoglycerat-Mutase: 3-Phosphoglycerat wird zu 2-Phosphoglycerat (2PG) umgeformt.
4. Enolase: 2-Phosphoglycerat wird durch Dehydratisierung in Phosphoenolpyruvat (PEP) umgewandelt.
5. Pyruvat-Kinase: Phosphoenolpyruvat überträgt seine Phosphatgruppe auf ADP, um ATP und Pyruvat zu bilden.

• Nettoenergiegewinn:Der Nettoenergiegewinn aus der Glykolyse beträgt zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH pro Molekül Glukose, da zwei ATP-Moleküle investiert und vier ATP-Moleküle produziert werden.
• Bedeutung für den Stoffwechsel:Die in der Glykolyse erzeugten ATP-Moleküle dienen als sofort verfügbare Energiequelle für die Zelle. NADH wird entweder in der Fermentation recycelt (z.B. zu Lactat oder Ethanol) oder in die Atmungskette eingespeist, wo es zur ATP-Erzeugung in der oxidativen Phosphorylierung verwendet wird. Pyruvat kann weiter oxidiert werden, um noch mehr Energie zu gewinnen, z.B. über den Citratzyklus.

b)

Erkläre die Rolle des Citratzyklus im Energiestoffwechsel von Mikroorganismen. Nenne die wichtigsten Zwischenprodukte des Zyklus und ihre Bedeutung für anabole Prozesse.

Lösung:

• Die Rolle des Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt)Der Citratzyklus spielt eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel von Mikroorganismen. Er dient der vollständigen Oxidation von Acetyl-CoA zu CO₂ und liefert dabei Reduktionsäquivalente (NADH und FADH₂), die in der Atmungskette zur ATP-Gewinnung verwendet werden.
• Hauptschritte und Zwischenprodukte des Citratzyklus:

1. Citrat: Acetyl-CoA kondensiert mit Oxalacetat zu Citrat. Dies ist der erste Schritt des Zyklus.
2. Isocitrat: Citrat wird durch Aconitase in Isocitrat umgewandelt.
3. α-Ketoglutarat: Isocitrat wird durch Isocitrat-Dehydrogenase zu α-Ketoglutarat und CO₂ oxidiert, dabei entsteht NADH.
4. Succinyl-CoA: α-Ketoglutarat wird durch α-Ketoglutarat-Dehydrogenase zu Succinyl-CoA und CO₂ oxidiert, dabei entsteht NADH.
5. Succinat: Succinyl-CoA wird durch Succinyl-CoA-Synthetase zu Succinat umgewandelt, dabei entsteht GTP (das in ATP umgewandelt werden kann).
6. Fumarat: Succinat wird durch Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert, dabei entsteht FADH₂.
7. Malat: Fumarat wird durch Fumarase zu Malat hydratisiert.
8. Oxalacetat: Malat wird durch Malat-Dehydrogenase zu Oxalacetat oxidiert, dabei entsteht NADH. Oxalacetat wird dann wieder mit einem Acetyl-CoA zu Citrat kondensiert, und der Zyklus beginnt von vorne.

• Bedeutung der Zwischenprodukte für anabole Prozesse:
• Citrat: Kann als Vorläufer für die Fettsäuresynthese verwendet werden.
• α-Ketoglutarat: Dient als Ausgangsstoff für die Synthese von Aminosäuren, besonders Glutamat.
• Succinyl-CoA: Kann für die Synthese von Porphyrinen, die in Häm- und Chlorophyllmolekülen vorkommen, genutzt werden.
• Oxalacetat: Kann direkt für die Synthese von Aminosäuren wie Aspartat und Asparagin verwendet werden und dient auch als Ausgangspunkt für die Gluconeogenese.

• Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Citratzyklus nicht nur zur Energiegewinnung durch die Produktion von NADH und FADH₂ beiträgt, sondern auch viele wichtige Zwischenprodukte liefert, die als Vorläufer für verschiedene anabole Wege in der Zelle verwendet werden.

c)

Betrachte die Atmungskette und erkläre den Prozess der oxidativen Phosphorylierung. Wie wird der Protonengradient generiert und welche Rolle spielt die ATP-Synthase in diesem Prozess?

Lösung:

• Die Atmungskette und oxidative Phosphorylierung

• Die Atmungskette, auch als Elektronentransportkette bekannt, ist ein zentraler Prozess in der Zellatmung, bei dem Elektronen von NADH und FADH₂ auf Sauerstoff übertragen werden, um Wasser zu bilden. Dieser Prozess findet in der inneren Mitochondrienmembran statt (bei Eukaryoten) oder in der Plasmamembran (bei prokaryotischen Mikroorganismen).

• Prozess der oxidativen Phosphorylierung:Die oxidative Phosphorylierung umfasst zwei Hauptprozesse: den Elektronentransport durch die Atmungskette und die Synthese von ATP durch die ATP-Synthase.

1. Elektronentransport: Elektronen von NADH und FADH₂ werden durch eine Serie von Protein-Komplexen (Komplex I bis IV) und mobile Elektronenträger (Ubichinon und Cytochrom c) transportiert.
   • Komplex I (NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase): Elektronen von NADH werden auf Ubichinon (Q) übertragen, wobei Protonen (H⁺) in den Intermembranraum gepumpt werden.
   • Komplex II (Succinat: Ubichinon-Oxidoreduktase): Elektronen von FADH₂ werden ebenfalls auf Ubichinon übertragen, jedoch ohne Protonenpumpe.
   • Komplex III (Ubichinon: Cytochrom c-Oxidoreduktase): Ubichinon überträgt Elektronen auf Cytochrom c, dabei werden ebenfalls Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
   • Komplex IV (Cytochrom c-Oxidase): Cytochrom c überträgt Elektronen auf Sauerstoff, der zu Wasser reduziert wird. Dabei werden weitere Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
2. Generierung des Protonengradienten: Während des Elektronentransports werden Protonen von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum (bzw. vom Zytoplasma in den periplasmatischen Raum bei Prokaryoten) gepumpt. Dies führt zur Bildung eines Protonengradienten oder elektrochemischen Gradienten über die Membran. Dieser Gradient besteht aus einem pH-Gradienten und einem Membranpotential (elektrochemische Gradient).
3. Rolle der ATP-Synthase: Die ATP-Synthase ist ein Enzymkomplex, der in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet ist. Er nutzt den Protonengradienten zur Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat (Pi).
   • Protonenfluss: Protonen fließen durch den F₀-Teil der ATP-Synthase zurück in die Matrix, wobei die Energie des Protonenflusses genutzt wird, um mechanische Bewegung zu erzeugen.
   • ATP-Synthese: Diese mechanische Bewegung wird auf den F₁-Teil der ATP-Synthase übertragen, was zur Bindung und Synthese von ATP aus ADP und Pi führt.

• Zusammengefasst: Die Atmungskette erzeugt durch die Übertragung von Elektronen einen Protonengradienten, der dann von der ATP-Synthase genutzt wird, um ATP zu synthetisieren. Dies ist ein äußerst effizienter Weg zur Energiegewinnung und kann bis zu 34 ATP-Moleküle pro Molekül Glukose liefern.

d)

Vergleiche die Energieausbeute der Glykolyse in aeroben und anaeroben Bedingungen. Berechne die theoretische ATP-Ausbeute jeweils für die aerobe und anaerobe Glykolyse bei der vollständigen Verwertung einer Glukosemolekül unter Berücksichtigung der nachfolgenden Stoffwechselwege.

Lösung:

• Vergleich der Energieausbeute der Glykolyse unter aeroben und anaeroben Bedingungen

• Die Glykolyse ist der erste Schritt des Glukoseabbaus und verläuft unabhängig davon, ob Sauerstoff vorhanden ist oder nicht. Die ATP-Ausbeute der Glykolyse selbst bleibt unter beiden Bedingungen gleich. Unterschiede in der Gesamtenergieausbeute entstehen erst durch die nachfolgenden Stoffwechselwege, die unterschiedlich ablaufen, abhängig von der Anwesenheit von Sauerstoff.

• Aerobe Bedingungen
• Unter aeroben Bedingungen wird Pyruvat, das bei der Glykolyse entsteht, weiter in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA oxidiert und in den Citratzyklus eingespeist. Dabei entstehen NADH und FADH₂, die in der Atmungskette zur ATP-Synthese genutzt werden.

• Aerobe Glykolyse:Umwandlung von Glukose zu Pyruvat: C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂O

• Gesamtbilanz der aeroben Verwertung von 1 Molekül Glukose:
• Glykolyse: 2 ATP (Netto) und 2 NADH
• Pyruvatdehydrogenase-Komplex: 2 NADH (pro 2 Pyruvat)
• Citratzyklus: 2 ATP (als GTP), 6 NADH und 2 FADH₂ (pro 2 Acetyl-CoA)

• Atmungskette:
• NADH: Jeder NADH liefert ungefähr 2.5 ATP durch die oxidative Phosphorylierung.
• FADH₂: Jeder FADH₂ liefert ungefähr 1.5 ATP durch die oxidative Phosphorylierung.

• Theoretische ATP-Ausbeute für die aerobe Glykolyse:
• Glykolyse: 2 ATP direkt und 2 NADH (2 x 2.5 ATP) = 2 + 5 = 7 ATP
• Pyruvatdehydrogenase-Komplex: 2 NADH (2 x 2.5 ATP) = 5 ATP
• Citratzyklus: 2 GTP (als ATP) + 6 NADH (6 x 2.5 ATP) + 2 FADH₂ (2 x 1.5 ATP) = 2 + 15 + 3 = 20 ATP
• Gesamt ATP aus einer Glukose: 7 + 5 + 20 = 32 ATP

• Anaerobe Bedingungen
• Unter anaeroben Bedingungen wird Pyruvat durch Fermentation zu Lactat (in Tieren) oder Ethanol und CO₂ (in Hefen und einigen Bakterien) umgewandelt. Dabei können keine zusätzlichen NADH in der Atmungskette genutzt werden, da kein Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor vorhanden ist.

• Anaerobe Glykolyse: Glykole: C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Laktat + 2 ATP (in anaeroben Bedingungen mit Lactat als Endprodukt)

• Gesamtbilanz der anaeroben Verwertung von 1 Molekül Glukose:
• Die Glykolyse selbst liefert 2 ATP direkt (Netto) und das NADH, welches in der Glykolyse produziert wird, wird in der Fermentation zurück zu NAD⁺ oxidiert, ohne zusätzlichen ATP-Gewinn.
• Glykolyse: 2 ATP (Netto)
• Fermentation: Kein zusätzlicher ATP-Gewinn
• Gesamt ATP aus einer Glukose bei anaeroben Bedingungen: 2 ATP

• Zusammengefasst:
• Unter aeroben Bedingungen: 32 ATP pro Molekül Glukose
• Unter anaeroben Bedingungen: 2 ATP pro Molekül Glukose

Aufgabe 2)

Erläutere die verschiedenen Prozesse zur Energiegewinnung in Zellen und die Synthese von ATP durch unterschiedliche Reaktionen. Betrachte dabei Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette und OXPHOS, sowie die substratkettenphosphorylierung und photophosphorylierung.

a)

Glykolyse und Citratzyklus: Detailliere die einzelnen Schritte der Glykolyse und des Citratzyklus. Erkläre, wie durch diese Prozesse ATP und Reduktionsäquivalente erzeugt werden. Berechne die Gesamtmenge an ATP, NADH und FADH₂, die bei der vollständigen Oxidation eines Moleküls Glukose in den beiden Zyklen entsteht.

Lösung:

Glykolyse und Citratzyklus

• Glykolyse: Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt und besteht aus zehn Schritten, die in zwei Phasen unterteilt sind:

• Energie-Investitionsphase:
  • Schritt 1: Glukose wird durch Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert (Verbrauch von 1 ATP).
  • Schritt 2: Glukose-6-phosphat wird durch Glukosephosphatisomerase zu Fruktose-6-phosphat isomerisiert.
  • Schritt 3: Fruktose-6-phosphat wird durch Phosphofruktokinase zu Fruktose-1,6-bisphosphat phosphoryliert (Verbrauch von 1 ATP).
  • Schritt 4: Fruktose-1,6-bisphosphat wird durch Aldolase in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle gespalten: Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat.
  • Schritt 5: Dihydroxyacetonphosphat wird durch Triosephosphatisomerase in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt.
• Energiegewinnungsphase:
  • Schritt 6: Glycerinaldehyd-3-phosphat wird durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase zu 1,3-Bisphosphoglycerat oxidiert (Produktion von 2 NADH).
  • Schritt 7: 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch Phosphoglyceratkinase zu 3-Phosphoglycerat phosphoryliert (Produktion von 2 ATP).
  • Schritt 8: 3-Phosphoglycerat wird durch Phosphoglycerat-Mutase zu 2-Phosphoglycerat isomerisiert.
  • Schritt 9: 2-Phosphoglycerat wird durch Enolase zu Phosphoenolpyruvat (PEP) dehydriert.
  • Schritt 10: PEP wird durch Pyruvatkinase zu Pyruvat phosphoryliert (Produktion von 2 ATP).
• Insgesamt produziert die Glykolyse also 2 ATP (4 ATP - 2 ATP investiert) und 2 NADH pro Glukose-Molekül.

• Citratzyklus (Krebs-Zyklus): Der Citratzyklus findet in den Mitochondrien statt und besteht aus acht Schritten:

• Schritt 1: Acetyl-CoA verbindet sich mit Oxalessigsäure, um Citrat zu bilden.
• Schritt 2: Citrat wird durch Aconitase in Isocitrat isomerisiert.
• Schritt 3: Isocitrat wird durch Isocitrat-Dehydrogenase zu α-Ketoglutarat oxidiert (Produktion von 1 NADH).
• Schritt 4: α-Ketoglutarat wird durch α-Ketoglutarat-Dehydrogenase zu Succinyl-CoA oxidiert (Produktion von 1 NADH).
• Schritt 5: Succinyl-CoA wird durch Succinyl-CoA-Synthetase zu Succinat phosphoryliert (Produktion von 1 GTP -> 1 ATP).
• Schritt 6: Succinat wird durch Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat oxidiert (Produktion von 1 FADH₂).
• Schritt 7: Fumarat wird durch Fumarase zu Malat hydratisiert.
• Schritt 8: Malat wird durch Malat-Dehydrogenase zu Oxalessigsäure oxidiert (Produktion von 1 NADH).
• Pro Durchlauf des Citratzyklus werden 3 NADH, 1 FADH₂ und 1 GTP (entspricht 1 ATP) produziert. Da der Citratzyklus zweimal pro Glukose-Molekül durchläuft (da zwei Pyruvate aus einer Glukose entstehen), ergibt sich:
• Gesamtmenge an ATP: 2 ATP (aus Glykolyse) + 2 ATP (aus Citratzyklus) = 4 ATP.
• Gesamtmenge an NADH: 2 NADH (aus Glykolyse) + 6 NADH (aus Citratzyklus) = 8 NADH.
• Gesamtmenge an FADH₂: 0 FADH₂ (aus Glykolyse) + 2 FADH₂ (aus Citratzyklus) = 2 FADH₂.
• Damit beträgt die Gesamtmenge an ATP, NADH und FADH₂ bei der vollständigen Oxidation eines Moleküls Glukose in der Glykolyse und dem Citratzyklus:
• ATP: 4
• NADH: 8
• FADH₂: 2

b)

Atmungskette und OXPHOS: Beschreibe die Funktionsweise der Atmungskette und ihre Rolle in der ATP-Synthese. Erkläre, wie der Protonengradient entsteht und wie er zur ATP-Bildung in der OXPHOS genutzt wird. Notiere die Gleichung (mit Latex) für die Protonenflusserhaltung und berechne den maximalen theoretischen Ertrag an ATP pro Molekül NADH und FADH₂.

Lösung:

Atmungskette und OXPHOS

• Funktionsweise der Atmungskette:Die Atmungskette, auch Elektronentransportkette genannt, findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. Sie besteht aus vier Hauptkomplexen (Komplex I-IV) und mehreren mobilen Elektronenträgern (wie Coenzym Q und Cytochrom c). Die Hauptfunktion der Atmungskette ist der Transport von Elektronen von NADH und FADH₂ auf molekularen Sauerstoff (O₂), was zur Reduktion von O₂ zu Wasser (H₂O) führt. Dabei wird Energie freigesetzt, die genutzt wird, um Protonen (H₊) von der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum zu pumpen. Dies erzeugt einen Protonengradienten.

• Die Schritte der Atmungskette sind wie folgt:

• Komplex I (NADH-Dehydrogenase): NADH wird oxidiert, und die Elektronen werden auf Coenzym Q übertragen. Dabei werden 4 H₊ in den Intermembranraum gepumpt.
• Komplex II (Succinat-Dehydrogenase): FADH₂ wird oxidiert, und die Elektronen werden ebenfalls auf Coenzym Q übertragen, aber es werden keine Protonen gepumpt.
• Komplex III (Cytochrom-bc₁-Komplex): Elektronen werden von Coenzym Q auf Cytochrom c übertragen, und 4 H₊ werden in den Intermembranraum gepumpt.
• Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase): Elektronen werden von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff übertragen, was zur Bildung von Wasser führt. Dabei werden 2 H₊ in den Intermembranraum gepumpt.
• Insgesamt werden pro NADH 10 H₊ und pro FADH₂ 6 H₊ in den Intermembranraum gepumpt.

• Entstehung des Protonengradienten:Die durch die Atmungskette erzeugten Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt. Dies schafft einen Protonengradienten sowie ein elektrisches Membranpotenzial aufgrund der Ladungsdifferenz zwischen der mitochondrialen Matrix und dem Intermembranraum. Dieser Protonengradient wird als protonenmotivierende Kraft bezeichnet.

• ATP-Synthese durch OXPHOS:Die durch die Atmungskette aufgebaute protonenmotivierende Kraft wird durch die ATP-Synthase genutzt, um ATP zu synthetisieren. Protonen fließen durch die ATP-Synthase zurück in die mitochondriale Matrix, und die dabei freigesetzte Energie treibt die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat (P_i) an.
• Die Protonenflussgleichung zur Erhaltung kann wie folgt notiert werden:

\[ H^+_{matrix} + ADP + P_i \rightarrow H^+_{intermembranraum} + ATP \]

• Die ATP-Synthase benötigt etwa 4 H₊, um 1 Molekül ATP zu synthetisieren (3 H₊ zur ATP-Synthese und 1 H₊ zum Transport von Phosphat).
• Maximaler theoretischer Ertrag an ATP:
  • Pro Molekül NADH werden 10 H₊ gepumpt, was theoretisch zur Synthese von 2,5 ATP führen könnte (da 10 H₊ / 4 H₊ ≈ 2,5).
  • Pro Molekül FADH₂ werden 6 H₊ gepumpt, was theoretisch zur Synthese von 1,5 ATP führen könnte (da 6 H₊ / 4 H₊ = 1,5).
  • Zusammengefasst:
  • ATP-Ertrag pro NADH: 2,5 ATP
  • ATP-Ertrag pro FADH₂: 1,5 ATP

  c)

  Substratkettenphosphorylierung und Photophosphorylierung: Erkläre die Unterschiede zwischen der Substratkettenphosphorylierung und der Photophosphorylierung hinsichtlich der ATP-Synthese. Zeige, wie Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, und berechne den ATP-Ertrag bei der Photophosphorylierung unter der Annahme von perfekten Bedingungen. Nutze entsprechende mathematische Gleichungen und Formeln in deiner Berechnung.

  Lösung:

  Substratkettenphosphorylierung und Photophosphorylierung

  • Unterschiede zwischen Substratkettenphosphorylierung und Photophosphorylierung:Bei der Substratkettenphosphorylierung wird direkt ein Phosphat auf ADP übertragen, um ATP zu synthetisieren. Dies geschieht in Stoffwechselprozessen wie der Glykolyse und dem Citratzyklus. Bei der Photophosphorylierung wird Lichtenergie genutzt, um Protonen über eine Membran zu pumpen und einen Protonengradienten zu erzeugen, der dann von der ATP-Synthase genutzt wird, um ATP zu synthetisieren. Dies geschieht in den Chloroplasten von Pflanzenzellen während der Photosynthese.
  • Substratkettenphosphorylierung: - Dieser Prozess erfolgt in der Glykolyse und im Citratzyklus. - Ein direktes Transfer von Phosphatgruppen von phosphorylierten Substraten auf ADP findet statt. - Dies führt zur Bildung von ATP ohne die Beteiligung einer Protonenpumpe und einem Elektronentransport.
  • Photophosphorylierung: - Dieser Prozess erfolgt in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten. - Lichtenergie wird durch Photosysteme genutzt, um Elektronen zu aktivieren und durch eine Elektronentransportkette zu leiten. - Die Energie der Elektronen wird genutzt, um Protonen in den Thylakoidraum zu pumpen, wodurch ein Protonengradient entsteht. - ATP-Synthase nutzt den Protonengradienten, um ATP aus ADP und P_i zu erzeugen.

  Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie

  • Photosynthese:Die Photosynthese besteht aus zwei Hauptphasen: den Lichtreaktionen und dem Calvin-Zyklus. Die Lichtreaktionen erfolgen in der Thylakoidmembran und beinhalten die folgenden Schritte:
  1. Absorption von Licht durch die Photosysteme II (PSII) und I (PSI).
  2. Anregung von Elektronen im Reaktionszentrum von PSII.
  3. Übertragung der Elektronen durch eine Elektronentransportkette zu PSI, wobei Energie zur Protonenpumpe verwendet wird.
  4. Aufbau eines Protonengradienten durch den Transport von Protonen in den Thylakoidraum.
  5. Nutzung des Protonengradienten durch die ATP-Synthase zur Synthese von ATP.
  6. Übertragung der Elektronen von PSI auf NADP⁺ zur Bildung von NADPH.

  Berechnung des ATP-Ertrags bei der Photophosphorylierung

  • Angenommen, unter perfekten Bedingungen werden 4 Photonen für jedes ATP benötigt (2 für PSII und 2 für PSI).
  • Die Lichtreaktionen liefern pro Wassermolekül, das gespalten wird, die folgenden Produkte:
  • 2 NADPH
  • 3 ATP
  • Mathematisch kann dies wie folgt dargestellt werden:

  \[ 2H_2O + 2NADP^+ + 3ADP + 3P_i + Lichtenergie \rightarrow O_2 + 2NADPH + 3ATP \]

  • In idealen Bedingungen wird aus 8 Photonen (jeweils 4 für PSII und PSI) insgesamt 3 ATP erzeugt. Daher beträgt der theoretische ATP-Ertrag pro Photon:

   \ [ ATP_{pro Photon} = \frac{3 ATP}{8 Photonen} = 0.375 ATP/Photon \]

• Dies bedeutet, dass unter idealen Bedingungen 8 Photonen erforderlich sind, um 3 ATP zu synthetisieren.

Aufgabe 3)

Betrachte die hierarchische Struktur der Stoffwechselwege, die in der Vorlesung 'Fachmodul Mikrobiologie II' behandelt wurden. Diese Struktur umfasst die Organisation und Regulation der verschiedenen Stoffwechselreaktionen, indem sie in abgestufte Ebenen oder Hierarchien unterteilt werden. Dazu zählen die primären und sekundären Stoffwechselwege, Katabolismus und Anabolismus, sowie die Schlüsselstellen innerhalb dieser Wege, wie die Glykolyse, der Citratzyklus, die Atmungskette und der Fettsäurezyklus. Bedenke dabei die unterschiedlichen Regulationsmechanismen wie Feedback-Hemmung, allosterische Regulation und Genexpression.

a)

Erkläre detailliert den Unterschied zwischen primären und sekundären Stoffwechselwegen. Gib zwei Beispiele für jeweilige Stoffwechselwege und beschreibe ihre spezifischen Funktionen in Zellen.

Lösung:

Unterschied zwischen primären und sekundären Stoffwechselwegen

Primäre Stoffwechselwege sind essentielle Prozesse, die in allen lebenden Zellen stattfinden und für das Überleben der Zelle unerlässlich sind. Dazu gehören grundlegende Prozesse wie die Energiegewinnung und die Synthese wichtiger Zellbestandteile. Im Gegensatz dazu sind sekundäre Stoffwechselwege nicht lebensnotwendig, sondern tragen zu spezialisierteren Funktionen bei, wie z.B. der Abwehr von Schädlingen oder der Anpassung an Umweltbedingungen.

Schauen wir uns nun beide Kategorien im Detail an:

• Primäre Stoffwechselwege:
  • Glykolyse: Ein zentraler Weg des Glukoseabbaus, bei dem Glukose zu Pyruvat abgebaut wird. Dieser Prozess findet im Zytoplasma der Zelle statt und erzeugt Energie in Form von ATP sowie Reduktionsäquivalente in Form von NADH. Dies ist ein universeller Prozess, der in nahezu allen lebenden Zellen vorkommt.
  • Citratzyklus (Krebszyklus): Ein weiterer zentraler Stoffwechselweg, der in den Mitochondrien stattfindet. Er oxidiert Acetyl-CoA zu CO₂ und H₂O, wobei Energie in Form von ATP, NADH und FADH₂ freigesetzt wird. Der Citratzyklus spielt eine Schlüsselrolle im katabolischen Stoffwechsel und der Energiebereitstellung.
• Sekundäre Stoffwechselwege:
  • Produktion von Antibiotika: Viele Mikroorganismen produzieren antibiotische Substanzen als sekundäre Stoffwechselprodukte. Ein bekanntes Beispiel ist die Produktion von Penicillin durch den Pilz Penicillium. Diese Substanzen helfen dem Organismus, sich gegen konkurrierende Mikroben durchzusetzen.
  • Biosynthese von Alkaloiden: Ein weiteres Beispiel sind Alkaloide, wie Nikotin in Tabakpflanzen oder Chinin in Chinarinde. Diese Verbindungen dienen oft der Abwehr von Fraßfeinden oder der Anpassung an abiotiche Umweltbedingungen.

Funktionen in Zellen

Die primären Stoffwechselwege sind entscheidend für das Wachstum, die Entwicklung und die Fortpflanzung der Zelle. Sie sichern die Energieversorgung und die Strukturaufrechterhaltung, indem sie bau- und Funktionsstoffe der Zelle erzeugen oder abbauen. Sekundäre Stoffwechselwege sind durch evolutionäre Anpassung entstanden und verleihen der Zelle zusätzliche Vorteile, wie die Verteidigung gegen schädliche Organismen oder das Überleben unter stressigen Umweltbedingungen.

b)

Ein Schlüsselelement der Stoffwechselregulation ist die allosterische Regulation. Beschreibe den Mechanismus der allosterischen Regulation und erkläre anhand eines Beispiels, wie allosterische Effekte die Aktivität eines Enzyms in einem Stoffwechselweg beeinflussen können. Formuliere die Gleichung, die die allosterische Hemmung beschreibt und erläutere die Bedeutung der einzelnen Parameter.

Lösung:

Mechanismus der allosterischen Regulation

Allosterische Regulation ist ein Mechanismus, bei dem die Aktivität eines Enzyms durch die Bindung eines Effektors an eine Stelle beeinflusst wird, die nicht das aktive Zentrum (allosterische Stelle) ist. Diese Bindung bewirkt eine Konformationsänderung des Enzyms, die entweder die Affinität des aktiven Zentrums für das Substrat erhöht oder verringert.

Ein allosterischer Effektor kann ein Aktivator oder ein Inhibitor sein:

• Allosterischer Aktivator: Bindung des Aktivators stabilisiert die aktive Form des Enzyms, was die katalytische Aktivität erhöht.
• Allosterischer Inhibitor: Bindung des Inhibitors stabilisiert die inaktive Form des Enzyms, was die katalytische Aktivität verringert.

Beispiel für allosterische Effekte

Ein klassisches Beispiel für allosterische Regulation ist die Phosphofruktokinase-1 (PFK1) im Glykolyseweg:

• Aktivator: ADP oder AMP wirken als allosterische Aktivatoren von PFK1. In Perioden niedriger Energiegehalte (viel ADP/AMP) wird die Aktivität des Enzyms erhöht, um die Glykolyse und damit die ATP-Produktion zu fördern.
• Inhibitor: ATP und Citrat wirken als allosterische Inhibitoren von PFK1. Hohe Konzentrationen dieser Moleküle signalisieren einen hohen Energiezustand der Zelle und reduzieren die PFK1-Aktivität, um die Glykolyse zu verlangsamen.

Gleichung der allosterischen Hemmung

Die allosterische Hemmung kann durch die modifizierte Michaelis-Menten-Gleichung dargestellt werden:

v = \frac{V_{\text{max}} \times [S]}{K_{\text{m}} + [S] \times \left(1 + \frac{[I]}{K_{\text{i}}}\right)}

Hierbei:

• v: Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion
• [S]: Substratkonzentration
• V_max: Maximale Reaktionsgeschwindigkeit ohne Inhibitor
• K_m: Michaelis-Menten-Konstante (Substratkonzentration, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit halbmaximal ist)
• [I]: Konzentration des Inhibitors
• K_i: Inhibitionskonstante (Konzentration des Inhibitors, bei der die Inhibitorbindung die Enzymaktivität halbiert)

Bedeutung der Parameter

• v: Gibt die aktuelle Reaktionsgeschwindigkeit an, die durch Substrat- und Inhibitorkonzentrationen beeinflusst wird.
• V_max: Indiziert die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, wenn das aktive Zentrum des Enzyms vollständig gesättigt ist.
• K_m: Stellt die Affinität des Enzyms für das Substrat dar; ein niedriger K_m-Wert bedeutet hohe Affinität.
• [I]: Repräsentiert die Konzentration des allosterischen Inhibitors.
• K_i: Bestimmt die Wirksamkeit des Inhibitors; ein niedriger K_i-Wert bedeutet hohen inhibitorischen Effekt.

Durch das Verständnis dieser Parameter und Gleichung kann die allosterische Regulation in verschiedenen Stoffwechselwegen effektiv modelliert und analysiert werden.

Aufgabe 4)

Angenommen, Du untersuchst ein Stoffwechselweg in Bakterien, bei dem das Endprodukt eine allosterische Hemmung eines Schlüsselenzyms verursacht. Dieser Stoffwechselweg wurde so konzipiert, dass die Bakterien effizient Nährstoffe nutzen können, wobei das Endprodukt sowohl als negativer Feedback-Inhibitor als auch als allosterischer Inhibitor wirkt.

a)

a) Erkläre den Mechanismus der negativen Rückkopplung im beschriebenen Bakterienstoffwechselweg. Wie würde ein Überschuss des Endprodukts die Enzymaktivität beeinflussen?

Lösung:

Der Mechanismus der negativen Rückkopplung (auch bekannt als Feedback-Hemmung) ist ein häufiges Regulationsprinzip in biologischen Stoffwechselwegen. In diesem Kontext bedeutet es, dass das Endprodukt eines Stoffwechselweges die Aktivität eines frühen Enzyms in demselben Weg hemmt. Dadurch wird verhindert, dass zu viel vom Endprodukt produziert wird, was eine effiziente Nutzung der Nährstoffe ermöglicht.

• Das Endprodukt des Stoffwechselweges bindet an ein Schlüsselenzym im gleichen Weg.
• Diese Bindung verändert die Konformation (die 3D-Struktur) des Enzyms.
• Durch diese Konformationsänderung wird die Enzymaktivität verringert oder vollständig gehemmt.
• Ergebnis ist eine geringere Produktion des Endprodukts, sobald ein Überschuss vorhanden ist.

• Wenn die Konzentration des Endprodukts hoch genug ist, bindet das Endprodukt häufiger an das Schlüsselenzym.
• Diese häufigere Bindung führt zu einer stärkeren Hemmung des Enzyms.
• Durch die verminderte Enzymaktivität wird die Produktion des Endprodukts herabgesetzt.
• Dies stellt sicher, dass die Bakterien ihre Nährstoffe nicht verschwenden und verhindert die Ansammlung zu großer Mengen des Endprodukts, die potentiell schädlich sein könnten.

Zusammenfassend sorgt die negative Rückkopplung in diesem Bakterienstoffwechselweg dafür, dass ein Überschuss des Endprodukts die Aktivität des Schlüsselenzyms hemmt, was wiederum die Produktion des Endprodukts reduziert. Dies ist ein eleganter und effizienter Mechanismus der Selbstregulation in biologischen Systemen.

b)

b) Beschreibe, wie die allosterische Inhibition in dem besagten Stoffwechselweg funktioniert. Welche Rolle spielen dabei allosterische Effektorbindungsstellen und wie beeinflussen sie die Konformation des Enzyms?

Lösung:

Die allosterische Inhibition ist ein wesentlicher Mechanismus, der die Enzymaktivität in biologischen Stoffwechselwegen reguliert. In dem beschriebenen Bakterienstoffwechselweg wirkt das Endprodukt sowohl als negativer Feedback-Inhibitor als auch als allosterischer Inhibitor. Hier ist eine detaillierte Erklärung, wie die allosterische Inhibition funktioniert:

• Allosterische Inhibition tritt auf, wenn ein Inhibitor an eine spezifische Stelle auf dem Enzym bindet, die nicht das aktive Zentrum ist. Diese spezifische Stelle wird als allosterische Effektorbindungsstelle bezeichnet.
• Das Endprodukt des Stoffwechselweges wirkt als allosterischer Inhibitor, indem es an diese allosterische Effektorbindungsstelle bindet.
• Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des Enzyms. Das bedeutet, dass sich die dreidimensionale Struktur des Enzyms verändert.
• Durch die Konformationsänderung wird das aktive Zentrum des Enzyms so verändert, dass das Substrat nicht mehr effizient binden kann oder die katalytische Aktivität des Enzyms herabgesetzt wird.
• Als Ergebnis wird die Umwandlung des Substrats in das Produkt verlangsamt oder gestoppt, was die Produktion des Endprodukts reduziert.

• Allosterische Effektorbindungsstellen sind spezifische Stellen auf dem Enzym, die räumlich getrennt vom aktiven Zentrum liegen.
• Sie dienen als Bindungsstellen für allosterische Effektor-Moleküle (in diesem Fall das Endprodukt des Stoffwechselweges).
• Die Bindung eines allosterischen Effektors an diese Stellen kann entweder aktivierend oder inhibierend wirken. In diesem Fall wirkt sie inhibierend.
• Die Konformationsänderung, die durch die Bindung des allosterischen Effektors ausgelöst wird, beeinflusst die Enzymaktivität ohne direkt das aktive Zentrum zu beeinträchtigen.
• Dies ermöglicht eine präzise und effiziente Regulation der Enzymaktivität durch Feedback-Mechanismen.

Zusammenfassend kann die allosterische Inhibition in dem besagten Stoffwechselweg so beschrieben werden, dass das Endprodukt, durch seine Bindung an die allosterische Effektorbindungsstelle eines Schlüsselenzyms, eine Konformationsänderung des Enzyms induziert. Diese Konformationsänderung bewirkt eine Reduktion der Enzymaktivität und somit eine verminderte Produktion des Endprodukts. Dieser Mechanismus gewährleistet eine effiziente Nutzung der Nährstoffe und verhindert eine Überproduktion des Endprodukts.

c)

c) Angenommen, eine Mutante des Bakteriums hat eine Mutation im Schlüsselenzym, die die allosterische Effektorbindungsstelle verändert. Prognostiziere die wahrscheinlichen Auswirkungen dieser Mutation auf den Stoffwechselweg und erkläre deine Argumentation.

Lösung:

Eine Mutation im Schlüsselenzym, die die allosterische Effektorbindungsstelle verändert, könnte weitreichende Auswirkungen auf den Stoffwechselweg haben. Hier ist eine detaillierte Prognose der wahrscheinlichen Auswirkungen:

• Falls die allosterische Effektorbindungsstelle des Enzyms durch die Mutation verändert wird, könnte dies dazu führen, dass das Endprodukt nicht mehr effizient oder überhaupt nicht mehr an die allosterische Stelle binden kann.
• Ohne die effektive Bindung des Endprodukts an die allosterische Effektorbindungsstelle wäre die allosterische Hemmung des Enzyms beeinträchtigt. Dies bedeutet, dass die Konformationsänderung, die normalerweise durch die Bindung des Endprodukts ausgelöst wird, nicht mehr stattfinden kann.
• Ohne diese Konformationsänderung bleibt die aktive Form des Enzyms bestehen, was zur Folge haben könnte, dass die Enzymaktivität nicht mehr durch die negative Rückkopplung reguliert wird.
• Dies würde dazu führen, dass der Stoffwechselweg weiterhin ungehindert abläuft, selbst wenn bereits ausreichend Endprodukt vorhanden ist. Das Endprodukt kann sich in der Zelle ansammeln.
• Die Ansammlung des Endprodukts könnte zelluläre Ungleichgewichte und möglicherweise toxische Effekte verursachen, da die Zelle nicht in der Lage ist, die Produktion des Endprodukts zu regulieren.
• Auf lange Sicht könnte dies die Effizienz der Nährstoffnutzung in den Bakterien stark beeinträchtigen und deren Wachstum und Überleben negativ beeinflussen.

• Die allosterische Effektorbindungsstelle ist entscheidend für die Regulierung der Enzymaktivität durch Feedback-Mechanismen. Eine Veränderung dieser Bindungsstelle beeinträchtigt die Fähigkeit des Endprodukts, als allosterischer Inhibitor zu wirken.
• Ohne die Bindung des Endprodukts kann keine Konformationsänderung stattfinden, welche normalerweise die Enzymaktivität hemmt. Dies führt zu einer Störung des Feedback-Mechanismus.
• Der Wegfall der negativen Rückkopplung bedeutet, dass der Stoffwechselweg nicht mehr selbstregulierend ist und die Endproduktproduktion nicht mehr an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden kann.
• Die unkontrollierte Produktion des Endprodukts kann zu einer Ansammlung desselben führen, was die Zelle schädigen kann und somit die Fitness und Überlebensfähigkeit der Bakterien reduziert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Mutation im Schlüsselenzym, die die allosterische Effektorbindungsstelle verändert, die allosterische Hemmung des Enzyms beeinträchtigen würde. Dies könnte zu einer unkontrollierten Produktion des Endprodukts führen und negative Auswirkungen auf die Zelle haben, einschließlich toxischer Effekte und einer verminderten Effizienz der Nährstoffnutzung.

d)

d) Eine Konzentration von 2 mM des Endprodukts verringert die Aktivität des Schlüsselenzyms um 70%. Falls die Konzentration des Endprodukts auf 4 mM erhöht wird, schätze die prozentuale Hemmung der Enzymaktivität ab, wenn davon ausgegangen wird, dass die Hemmung exponentiell zunimmt. Begründe deine Schätzung mathematisch.

Lösung:

Um die prozentuale Hemmung der Enzymaktivität bei einer Erhöhung der Endproduktkonzentration von 2 mM auf 4 mM abzuschätzen, wenn angenommen wird, dass die Hemmung exponentiell steigt, können wir den Zusammenhang exponentiell modellieren.

• Bei 2 mM Endprodukt beträgt die Hemmung 70%.

Wir nehmen an, dass die Hemmung (\textstyle H) in Abhängigkeit der Konzentration (\textstyle C) mittels einer Exponentialfunktion beschrieben werden kann:

• \textstyle H(C) = A \times e^{kC}.

Hierbei sind \textstyle A und \textstyle k Konstanten, die wir bestimmen müssen.

Unter der Annahme, dass die Konzentration von 2 mM zu einer 70% Hemmung führt, können wir die folgende Gleichung aufstellen:

• \textstyle 0.70 = A \times e^{k \times 2}.

Um die Werte für \textstyle A und \textstyle k zu erhalten, führen wir noch die Bedingung ein, dass bei einer Konzentration von 0 mM keine Hemmung vorliegt (\textstyle H(0) = 0):

• \textstyle 0 = A \times e^{k \times 0} = A.

Da bei 0 mM keine Hemmung auftritt, müssen wir eine kontinuierliche Konstante für \textstyle A festlegen. Wir nehmen an, dass die Hemmwirkung offensichtlich erst ab einer bestimmten Konzentration erkennbar ist. Eine Möglichkeit ist, dass eine Basislinie der Hemmung existiert.

Eine exponentielle Anpassung könnte folgendermaßen aussehen:

• \textstyle H(C) = 1 - e^{-kC}.

Also, wenn \textstyle H(2) = 0.70:

• 0.70 = 1 - e^{-k \times 2}.

Umstellen ergibt:

• e^{-2k} = 0.30,.
• -2k \times \textstyle \text{ln}(e) = \text{ln}(0.30),.
• -2k = \text{ln}(0.30),.
• k = -\frac{\text{ln}(0.30)}{2}.

Die Berechnung ergibt \textstyle k:

• k ≈ 0.6016.

Nehmen wir nun die gegebene exponentielle Formel und setzen \textstyle 4 mM für \textstyle C ein, um die Hemmung bei 4 mM zu bestimmen:

• \textstyle H(4) = 1 - e^{-0.6016 \times 4},.
• \textstyle H(4) ≈ 1 - e^{-2.4064},.
• H(4) ≈ 1 - 0.0902,.
• H(4) ≈ 0.9098,.

Dies bedeutet, dass bei einer Konzentration von 4 mM des Endprodukts die Enzymaktivität voraussichtlich um etwa 90.98% gehemmt wird.

Zusammenfassend beträgt die prozentuale Hemmung der Enzymaktivität bei einer Endproduktkonzentration von 4 mM voraussichtlich etwa 91%, wenn die Hemmung exponentiell zunimmt.