aps = adenosinefosfosulfaat paps = fosfo -adenosine -5

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