VL 4: Stoffwechsel II

Question 1

Entner-Douderoff-Weg (KDPG-Weg) Reaktionsschritte

Answer 1

1. Glucose-6-P wird zu 6-Phosphogluconat dehydrogeniert
2. Bildung von KDPG durch Abspaltung von H2O (=2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat = charakterisisches Zwischenprodukt)
3. KDPG wird durch Aldolase zu Pyruvat und GAP gespalten

Question 2

KDPG-Weg

Answer 2

• Ausschließlich bei Bakterien (modifiziert bei Archaen)
• Transport von Glucose über ein H+ Symportsystem (PEP kann für Anabolismus verwendet werden)
• erhebliche Anzahl von Bakterien besitzt nicht die vollständige Ausstattung der Enzyle für den klassischen EMP-Weg der Glykolyse
• nur 1 ATP vs. 2 ATP bei EMO
• Bilanz
  
  • 2 Pyruvat
  • 1 ATO
  • 2 NADH + H+

Question 3

Pentosephosphat-Weg zur vollständigen Oxidation von Glucose

Reaktionsschritte

Answer 3

• Glucose-kinase-Reaktion
  
  • als erster Schritt
  • wie inder Glykolyse
• Umwandlung Hexose in Pentose
  
  • wird als Bustein für Biosynthese von Nukleinsäuren und Co-Enzymen benötigt
• Bildung von 2 NADPH
  
  • Oxidation von Glu-6-P durch 2 Dehydrogenierungsschritte zu Ribulose-5-P
• Zyklischer Prozess
  • 3-Pentose-Phosphat werden in 2 Fluctose-6-P und ein GAP umgewandelt
  • Durch Isomerisierung von F6P zu G6P und Kondensation von 2 Triosephosphaten zu einem Hexosephosphat schließt sich der oxidatidative Pentosephosphatweg

Question 4

Pentose-Phosphat-Weg

Answer 4

• Bilanz
  
  • 1 Pyruvat
  • 1 ATP
  • 6 NADPH
  • 1 NADH
  • 3 CO2
• Nebenweg für die Bereitstellung von wichtigen Ausgangssubstanzen (Pentosephosphate, GAP und Reduktionsäquivalente (NADPH) für Syntheseprozesse
• in Bakterien mit unvollständigen Citratzyklus auch zur vollständigen Oxidation von Glucose zu CO2 (d.h. Energiegewinnung)
• Umwandlung der Zucker ineinander ist reversibel

Question 5

Wichtigste Glucose-Abbauwege bei Prokaryoten

Answer 5

*

Question 6

Pyruvat als zentrale Schlüsselverbindung des Energiestoffwechsels

Answer 6

Question 7

Aerober Stoffwechsel

Answer 7

• sökjf

Question 8

Bildung von Acetyl-CoA

Answer 8

• oxidative Decarboxylierung
  
  • Pyruvat wird zu Acetyl-CoEnzym A oxidiert
  • irreversibel
• Acetyl-CoA ist ein aktivierter Essigsäurerest

Question 9

Tricarbonsäure (Zitrat) Zyklus

Answer 9

• Gewinnung von Energie (GTP) und Reduktionsmittel (NADH, FADH2) durch Abbau von Acetyl-CoA im Citratzyklus
• bei diesen Vorgängen wird der Acetylrestdes Acetyl-CoA schrittweise zu CO2 und Wasser abgebaut
• Die im Citratzyklus gewonnenen Coenzyme (NAD+ und FAD) gebundenen Elektronen werden der Atmungskette zugeführt und auf den terminalen E-Akzeptor O2 übertragen
• Die dabei frei-werdende Energie wird genutzt um ATP zu bilden
• Der Zitratzyklus dient außerdem als Lieferant verschiedener Vorläufermoleküle für den Anabolismus
• Bspw. können alpha-Ketosäuren in dem Zyklus entnommen werden, um daraus AS oder andere Stoffe zu bilden

Question 10

Zitratzyklus - Reaktionsschritte

Answer 10

Question 11

Bilanz der Glucose-Oxidation zu O2

Answer 11

• der überwiegende Anteil der freien Energie der Glucose-Oxidation (deltaG0’ = -2870 kJ/mol) befindet sich noch in den Reduktionsäquivalenten
• Die Regenerierung der Coenzyme NAD+ und FAD durch Reoxidation der Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 in Elektronentransportketten ist mit Energiegewinn verbunden

Question 12

Chemiosmotische Kopplung

Answer 12

• ATP wird hauptsächlich durch die Oxidation von NADH regeneriert
• elektrochemisches Potential an der Mitochondrien-Membran (über diee Cytoplasmamembran von Bakterien)
• außen höhere Konzentration von H+ Ionen als innen = Protonengradient
• NADH-Oxidation in einer ETK = nach außen gerichtete Protonenpumpe
• Protonentranslokation produziert eine Proton Motive Force deltaP (PMF)
• Elektronenransportphosphorylierung = ETK liefert die Energie für die Phosphorylierung von ADP zu ATP

Question 13

Atmungskette

Answer 13

• Spezialfall einer ETK = aus einer Reihe hintereinander geschalteter Redox-Moleküle, die in der Lage sind, Elektronen aufzunehmen bzw. abzugeben
• Über diese Kette werden Elektronen von höheren Energieniveaus auf niedrigere weitergegeben

Question 14

Komplexe der Atmungskette

Answer 14

• Komplex I
  
  • NADH: Ubichinon-Oxidoreduktase oder NADH-Dehydrogenase
  • reduziert Ubichinon mittels NADH, vor allem aus dem Citratzyklus
• Komplex II
  
  • Succinat: Ubichinon-Oxidoreduktase oder Succinat-DH (aus dem CZ)
  • Succinat wird zu Fumarat oxidiert und Reduktion von Ubichinon
• Komplex III
  
  • Ubihydrochinon (Ubichinol): Cytochrom c-Oxidoreduktase oder Cytochrom-c-Reduktase
• Komplex IV
  
  • Cytochrom c: O2-Oxidoreduktase oder Cytochrom-c-Oxidase
  • Cytochrom c wird oxidiert und Sauerstoff zu Wasser reduziert

Question 15

Vergleich bakterieller und mitochondrieller ETK

Answer 15

oxidase-positive vs. Oxidase-negative Bakterien

• viele Bakterien haben kein Cytochrom c
• oxidieren das reduzierte Ubichnol direkt mit Hilfe anderer Andoxidasen (Chinol-Oxidasen)
• ähnelt Cytochrom c-Oxidase und enthalten im aktiven Zentrum eine Häm-Gruppe und ein Kupfer-Ion

Question 16

ATP Synthase F₁F₀

Answer 16

Rotor nutzt Protonengradient

Question 17

ATP Synthese/Hydrolyse (F1)

Answer 17

3 Schritte

• 3 ATP Hydrolyse für 1 Rotation
• ab-UE 3 verschiedene Konformationen
  
  • loose, tight, open
• gamma-UE bewirkt Konformationsänderung

Question 18

ATP-Synthese im F1(alphabeta)3-Komplex

Answer 18

Die Drehung des Rotors um 360° liefert in drei Schritten drei Moleküle ATP

Question 19

Rotation durch pmf (F0)

Answer 19

Protonierung des Asp61 der c-UE

• 10 c-UE im E.coli F0-Rotor
• im Ruhezustand sind alle Asp61 (mit Ausnahme eines Asp61) proponiert
• poositiv-geladener Arg-Rest der a-UE wird durch ionische WW neutralisiert
• Proton wird ins Cytoplasma entlassen
• deprotonierter Asp 61 des gegenüberliegenden cPeptids führt zur Konformationsänderung
• Rotation des c-Rings um 36°
• unterschiedliche Anzahl an F0-c Peptide

Question 20

ATP-Ausbeute bei E. coli

Answer 20

Question 21

Protonenmotorische Kraft

Answer 21

Question 22

Konsequenzen des Lebens in Gegenwart von Sauerstoff

Answer 22

Question 23

Schutzmechanismen vor toxische Sauerstoffbindungen

Answer 23

Question 24

Anaerober Stoffwechsel

Answer 24

Respiration ohne Sauerstoff

Question 25

Gärung

Answer 25

* In Abwesenheit von externen Elektronenakzeptoren, daher keine E-Transportkette * Ausscheidung noch relativ energiereicher, reduzierter Endprodukte, z.. * organische Säuren und/oder Ethanol * daneben Freisetzung von CO2 und H2 * unvollständiger Abbau von Zuckern unter anaeroben Bedingungen * Vermeidung von Bildung von Reduktionsäquivalenten (NADH, FADH2)

Question 26

Verlauf der Gärungen und Entstehung der wichtigsten Gärprodukte

Answer 26

Question 27

Alkoholische Gärung

Answer 27

* Abbau von Glucse unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol * Energiegewinnung 2 ATP aus Glykolyse * Regeneration des Cofaktors NAD+

Question 28

(!) Mikrobielle Fortbewegungsmechanismen

Answer 28

Question 29

Schwimmverhalten *E. coli*

Answer 29

Question 30

Random Walk + Detektion eines Gradienten

Answer 30

* zeitlicher Gradient (~3 s Gedächtnis) * Hohe Sensitivität (~0,1% dC/C) * Große Dynamikumfang (5-6 logs) * Integration mehrerer Stimuli

Question 31

Chemotaxis

Answer 31

Question 32

Voraussetzung für Motilität

Answer 32

* Nase -\> Chemorezeptoren * Gehirn -\> Signaltransduktionskaskade * Beine -\> Flagellen

Question 33

Chemorezeptoren

Answer 33

* Homodimer funktionelle Einheit * ausschließlich helikal * 4 Subdomänen pro Dimer * ternärer Komplex mit CheA+CheW * 5 Glutamatreste zur Methylierung/Demethylierung durch CheR+CheB * Methyl-accepting chemotaxis protein (MCP)

Question 34

Fluoreszenzmarkierung der Chemorezeptoren

Answer 34

* Fluoreszenzmarkierung der Chemorezeptoren * hauptsächlich an den Zellpolen * CZ hauptsächlich an Zellpolen *

Question 35

Chemorezeptoren - Trimer aus Dimere

Answer 35

* laterale Signalverstärkung * Kompartiment zwischen * Membran und Signalkomplex für CheR/CheB

Question 36

*E. coli* Chemotaxis

Answer 36

*

Question 37

Zweikomponentensysteme

Answer 37

* Hengge * Zwei-Komponenten-System * Sensorkinase * nimmt Signal auf * phosphorylierung * Übertragung Phosphatrest an * ResponseRgulator * receiver-domain * output domäne 1. Die **Sensorkinase** nimmt ein Signal spezifisch auf und gibt die Information an ein Modul weiter (chemische Reaktion) 2. Der **ResponseRegulator** ist der Empfänger, der das Signal an eine Output-Domäne weitergibt. Der Output kann uaf zwei verschiedenen Ebenen erfolgen. Meist erfolgt eine Genregulation, seltener eine Aktivitätskontrolle von Enzymen

Question 38

Zweikomponentensysteme - Beispiel Chemotaxis

Answer 38

Response-Regulatoren * CheY * kann im phosphorylierten Zustand Motor binden * Änderung Bewegungsrichtung Rotationsrichtung * direkte Bindung * CheB * entfernt Methylreste der Chemorezeptoren * Che A wird aufgebaut CheZ * deaktiviert Response-Regulator

Question 39

Signallogik Chemotaxis

Answer 39

* verstärkte Liganden-Bindung führt via MCPs zu Inhibition der CheA-Aktivität * und mit etwas verzögerung (ca. 3 s) zur Erhöhung der Methylierung * Methylierung der MCPs wirkt aktivierend auf die Aktivität von CheA und senkt gleichzeitig die Affinität der MCPs für die Lockstoffe * Jeder Methylierungsstatus entspricht dem Lockstoffbindungsstatus voe 3s (Kurzzeitgedächtnis)

Question 40

Flagellen

Answer 40

* ein Protein: Falgellin *