APS = adenosinefosfosulfaat
PAPS = Fosfo-adenosine-5’-fosfosulfaat
AssimilatiefDissimilatief
Dissimilatief
? electronen
ATP-vorming
4H2 + SO42- + H+ààHS-+ 4H2O
Desulfovibrio desulfuricans
Acetaat als e-donor bij sulfaatreduceerders
CH3COO- + SO42- + 3H+àà 2CO2 + H2S + H2O ∆∆G’0 = - 57.5kJ
Koostofmonoxide dehydrogenase
Indien autotrofe groei bestaat dan niet via Calvin cyclus maar via acetylCoA weg
Sommige sulfaat reduceerders zijn in staat om auto-troof te groeien met CO2 en H2 als electronen donor en sulfaat (SO4
2- ) als electronen acceptor
Sulfur disproportionation
S2O32- + H2O àà SO4
2- + H2S ∆∆G’0 = - 21.9kJ+2 +6 -2
1.
4 SO32- + 2H+ àà 3SO4
2- + H2S ∆∆G’0 = - 235.6 kJ 2.
4S0 + 4 H2O àà 3H2S + SO42- + 2H+ ∆∆G’0 = +40.8 kJ3.
als: H2S + MnO2àà S0 + Mn2+ + 2OH- ∆∆G’0 = -140.87 kJ
Som: 4S0 + 4 H2O + MnO2 àà 3H2S + SO42- + 2H+ + Mn2+ + 2OH- ∆∆G’0 = -100.6 kJ
Desulfovibrio
CO2 als electronenacceptor . Acetogenen = acetogenese
. Methanogenen = methanogenese
Acetogenese
4H2 + H+ + 2HCO3-àà CH3COO- + 4 H2O
CO2 wordt gereduceerd via acetylCoA weg, ook voor autotrofie (= Ljungdahl-Wood pathway).
Organismen?Acetobacterium woodii
Clostridium aceticum
1. Chemorganotroof: fermentatie
C6H12O6àà 3CH3COO- + 3H+
2. Chemolitotroof: reductie CO2
4H2 + H+ + 2HCO3-àà CH3COO- + 4 H2O
Omzetting van glucose tot acetaat
Chemorganotroof: fermentatie
C6H12O6àà 3CH3COO- + 3H+
Eerst glycolyse: glucose àà 2 pyruvaat + 2NADH + H
Dan: 2 pyruvaat àà 2 acetaat + 2CO2 + 2NADH + H
Tenslotte: 2CO2 + 4 NADH + H àà acetaat
Totaal: glucose àà 2 pyruvaat àà 3 acetaat
AcetylCoA weg
Geen cyclus
ATP vorming?
Acetaat
CO2 en electronen
e-acceptor bv SO4
2-
CO2 en electronen (H2)
H2S + energie
AcetylCoA weg
Organische verbindingenzoals suikers: vergisting
Acetaat & CO2 & reducing power
Acetaat wordt uitgescheiden of ingebouwd
Methanogenese
Bacteria? Archaea: methanogenen, anaëroob
Biochemie & energie metabolisme
C1 cariers1.
Redox Co-enzymen: electronen transfer2.
Complexe metabolische wegen, uniek voor de Archaea
C1 carrier: 1°stap
C1 carrier: intermediair
C1 cariers
C1 carrier: laatste stap van de reductie
Methylreductase complex
Mercaptoheptanoyl-threonine fosfaat
= flavine
Redox Co-enzymen
Licht absorptie(420 nm)
H2 als electronen donor
1. CO2 activering2. Formyl groep transfer3. Methyl groep transfer4. Methyl-CoM reductie
1
2
3
4MF: methanofuraan
MP: Methanopterine
Energie conservering in methanogenen
? voldoende vrije energie
∆∆G’0 = - 131 kJ/mol (reductie van CO2 met H2)
Na-pomp
Protonen gradient ààheterodisulfide reductase
Methanofenazine
Fig.15.48bFig.15.48bMPH = methanophenazine
Methaanvorminguit methanol
Corr
CorrCH3
CoM
CH4
2H
CH3
ATP
CoM
Methanogenesis
Corrinoid = Vit B12-achtige porfirine kern
CH3OH+
Methaanvorming
uit azijnzuur
Autotrofie in de methanogenen
Via acetylCoA wegmissen tetrahydro-folaat weg.
13.6
MethanobrevibacterMethanospirillum Methanosarcina
Methanocaldococcus
Methanothermus
Methanotorris
Methanosaeta
Grote % GC spreiding,= grote fylogenetische heterogeniteit
Andere electronen acceptoren
Fe3+: E0’ +0.77V (pH 2) of +0.2 bij pH 7
Waar komen electronen vandaan?
Acetaat + 8 Fe3+àà 2HCO3- + 8 Fe2+ + 9H+
Organische moleculen of anorganische moleculen
∆∆G’0 = - 2 33 kJ/mol
Arsenaat -> arseniet
Mn4+
Chloraat
selenaat
dimethylsulfoxide
Trimethylalanine-N-oxide
arsenaat
Fumaraat
Fe3+
? ?
Bv. een suiker
Fermentatie
q Zuurstof is gelimiteerdq Alternatieve electronen acceptoren gelimiteerd
- CO2 is natuurlijk altijd aanwezig- ? : H2
Ecologische niche
H2 = eindproduct van een fermentatie!!!
Metabolische diversiteit: fermentatie
Fermentatie Respiratie
Energie metabolisme?Energie metabolisme?
Electronen balans? – balans?Electronen balans? – balans?
• substraat-gebonden fosforylatie• uitzonderlijk protondrijvende kracht
• protondrijvende kracht• substraat-gebonden fosforylatie
relatief lage energie opbrengst relatief hoge energie opbrengst
Externe electronen acceptoràà CO2
Interne electronen acceptorH2
àà CO2 + eindproducten
àà Cel componenten àà Cel componenten
Waar is substraats-gebonden fosforylatiemogelijk?
? Hoeveel ATP /glucose
Glucose àà ethanol + CO2
- 257 kJ = 7ATP
Toch maar 2ATP!!!
Electronen balans
Oxidatie-reductie balans
Hydrogenase
Gereduceerde eindprod
Soorten fermentaties
Soorten fermentaties
Enterobacter
Uitzondering ATP vorming
Propiogenium modestum
Succinaat + H2O àà propionaat+ HCO3
- (∆∆G’0 : -20.5 kJ)
Oxalobacter formigens
Oxlataat-- + H2O àà formiaat-
+ HCO3- (∆∆G’0 : -20.5 kJ)
Syntrofie: samen groeien
Eén enkel organismen kan een bepaalde component niet metaboliseren maar twee organismen wel.
• meeste voorbeelden betreffen gebruik van H2
• Hierbij wordt H2 geproduceerd door één organismeen gebruikt door een ander
= Interspecies hydrogen transfer
Energie huishouding: ATP zowel gevormd via substraatslevelfosforylatie als via proton drijvende kracht
*
hydrogenase optake: hoge affiniteit
**
**
Butyraat- + H2O -> 2 acetaat- + H+ +2H2∆∆G0’ +48.2
Afbraak van organische zuren: niet kennen
• Afbraak van vetten – lipiden: niet kennen• Afbraak van fosfolipiden: niet kennen• Afbraak van vetzuren: niet kennen
Moleculaire zuurstof (O2) als reactant in metabolische processen(15.27 &15.28: wel kennen)
Oxigenasen:mono-oxygenase: incorporatie van één O= ½ O2 als OH groep, 2° O wordt gereduceerd tot H2O
di-oxygenase: incorporatie van twee O : 1 O2
Biosynthese: zie vorming van sterolen
Afbraak alifatische koolwaterstoffen
PseudomonasNocardiaMycobacterium
Oxidatiestappen
Afbraak van aromatische koolwaterstoffen
• Complexe aromaten eerst afbreken tot- protocatechuaat- catechol
Aëroob
Voorbeeld: benzeen
Anaërobe afbraak van aromatische koolwaterstoffen
Reeds O-atoom in molecule
CoA- derivaat: energie
Methanotrofie en methylotrofie
Bv Methylosinus = methaan oxideerder
Energie metabolisme
CH4ààCH3OH ààCH2OààHCOO-ààCO2
Type I = ribulose monofosfaatweg
Koolstofassimilatie
Methanotrofie en methylotrofie
Type II = serine weg
Minder gunstig dan de ribulose fosfaatweg voor biosynthese (waarom?)
Bacteriën zelf: mehanotrofen doch ook ammonium oxidatie (12.6)
Substraten
Bacteriën zelf: mehanotrofen doch ook ammonium oxidatie (12.6)
Type I membraan
Type II membraan Sybiosis met mossels en sponsen
Metabolisme van hexosen en polysacchariden
Afbraak van hexosen en polysacchariden(15.24 (Brock ed. 9); 17.25 Brock ed. 10 : niet kennen
Enkele voorbeelden: • afbraak van zetmeel (veel)• afbraak van cellulose (beperkt: Cytophaga & clostridia)• disachariden & vorming van polymeren zoals dextraan
Cellulose afbraak bv bij Cytophaga hutchinsonii
Hydrolyse v zetmeel
K-iodide oplossing(lugol)
Vorming van dextraan: Leuconostoc mesenteroides
Stikstoffixatie
q Beperkt tot prokaryotenq Vrijlevende aërobe stikstoffixeerdersq Vrijlevende anaërobe stikstoffixeerdersq Symbiotische stikstoffixeerders
• Rhizobium• Bradyrhizobium• Sinorhizobium• Azorhizobium
Leguminosen
• Frankia
• Azotobacter• Klebsiella• Bacillus azotofixans
• Cyanobacteria
• Alcaligenes• Thiobacillus
• Clostridium• Desulfovibrio
• Chromatium• Rhodospirillum• Rhodopseudomonas• Rhodopila• Rhodobacter etc.
• Methanosarcina• Methanococcus
Reductie van N2 naar ammonium àà cel (aminozuren)
Nitrogenase: Fe-Mo cofactor
Alternatief nitrogenase: vanadium als co-factor
Probleem bij N2 fixatie?
Reductie van N2 naar ammonium is een ATP verbruikend proces
is zeer stabielNN 940 kJ O=O: slechts 493kJ
Zes electronen zijn nodig om N2 àà 2NH3 te reduceren
N2 fixatie is een zeer reducerend proces en de enzymen wordengeinhibeerd door de aanwezigheid van zuurstof, ook bij deaëroben; dus dient er een zuurstof protectie te zijn van de enzymen!!
De manier om tegen zuurstof effect te beschermen is bij de aëroben verschillend van organisme tot organisme
Electronen flow in het nitrogenase complex
e?
ATP?
H2?
Nif regulon: • 24kb• 20 genen
• Co-factor• structurele genen• regulatie genen
Strikte regulatie: zuurstof, NH3
Genetica
Nitrogenase assay: gaschromatografisch