Organismus des TagesClostridium acetobutylicum

• Geburt der modernen Biotechnologie• Gründung des Staates Israel• Chaim Weizmann (*1874 Westrußland)• Chemiker in Manchester• 1915 Mangel an Aceton (David Lloyd George)• Isolation von Clostridium acetobutylicum• Aceton und Butanol aus Mais• Lloyd Premierminister, Erklärung 1917• Später Gründung von Israel• Weizmann erster Präsident von Israel und 1951 Direktor

der, später Weizmann Institut genannten, Forschungseinrichtung in Rehovot.

The uncultured majority

• Black: 12 original Phyla (Woese 1987)many pure cultures

• White: 14 new phyla since 1987some isolates

• Gray: 26 candidate phylano isolates

Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

What are they all doing ?

1205

1367220

1808

91

8

4

913

1124

25

n = published species

Phylogenie von C. acetobutylicum

• Domäne: Bakterien• Phylum: Firmicutes• Klasse: Clostridia• Ordnung: Clostridiales• Familie: Clostridiaceae• Gattung: Clostridien

- If too much acid is produced, the organisms shift to Aceton and Butanol-production.

Wodurch wird eigentlich die Reaktion getrieben? Kleiner

Ausflug in die ThermodynamikNADH O2

NAD+ H2O

H(NAD+/NADH)

(Eh0‘ = -0,32 V(O2/H2O)

(Eh0‘ = + 0,81 V

∆E0‘ = E0‘A - E0‘B = (+ 0,81 V) - ( -0,32 V) = 1,13 V

∆Go‘ = - n F ∆E0‘ = - n x 1,13 V x 96,5 kJ / V = - 218 kJ x mol (exergon)

KonstantenFaraday Konstante: F = 9,649 x 104 A x s / mol

Gaskonstante: R = 8,314 J / (mol x K)

Aus Fuchs und Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie

RedoxpotentialNernstgleichung:

E = E0 + (RT/n F) x ln(ox/red) (30°C) RT/F = 8,31 x 30/96500 [J K mol/K mol C]

= 0,0261 [V]

E = E0 + 0,0261 V / n x 2,3 log(ox/red)

= E0 + 0,06 V / n x log(ox/red)

Wasserstoffnormalelektrode

H2 ↔ 2H+ + 2e-

Bei Standardbedingungen (alle Reaktanden = 1, H2 = 1 Bar, pH = 0)

E = E0 – definitionsgemäß gleich Null gesetzt

E0‘ von Wasserstoff für pH = 7,0 (30°C):

E0‘ = E0 + (0,06 V / n) log (cox(ox)/cred

(red)) E0 = 0

E0‘ = (0,06 V / n) log ((10-7)2/1) H2 ↔ 2H+ + 2e-

= (0,06 V / 2) log 10-14

= 0,03 V x (-14)

= - 0,42 V

Wie ändert sich das Redoxpotential wenn sich das Redoxpaar um eine Größenordnung

ändert?

Wie ändert sich das Redoxpotential wenn sich das Redoxpaar um eine Größenordnung

ändert?

Wenn sich das ox/red Paar um eine Größenordung ändert:

E = E0‘ + (0,06 V / n) log (cox/cred)

E = E0‘ + (0,06 V / n) log (10-1/1)

= E0‘ + 0,06 V x (-1)

= E0‘ - 0,06 V

E ändert sich um 60 mV gegenüber E0‘

Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0

E0‘ [mV]

0

- 434 –-- CO2/CH2O- 414 --– 2H+/H2

- 244 --– CO2/CH4

- 240 --– S0/H2S- 218 --– SO4

2-/H2S

751 --– NO3-/N2

150 --– FeOOH/Fe2+

390 --– MnO2/Mn2+

363 --– NO3-/NH4

+

430 --– NO3-/NO2

-

810 --– O2/H2O

CO2/CH4

SO42-/S0/H2S

FeOOH/Fe2+

NO3-/NO2

-/NH4+

Organic C CO2

O2 H2O

e-

hν

Redoxpotential und Energie hängen zusammen

(NAD+/NADH)

(Eh0‘ = -0,32 V

(O2/H2O)

(Eh0‘ = + 0,81 V

∆E0‘ = E0‘A - E0‘B = (+ 0,81 V) - ( -0,32 V) = 1,13 V

∆Go‘ = - n F ∆E0‘ = - n x 1,13 V x 96,5 kJ / V = - 218 kJ x mol (exergon)

Änderung der Redoxpartner um eine Größenordnung:

E = E0 + (0,06 V / n) log (cox/cred) entspricht 60 mV

entspricht 5,8 kJ/mol

∆G = - n F ∆E freie Enthalpie [J / mol]

Kann eine Reaktion ablaufen?

C6H12O6 + 3 SO42- + 6 H+ ↔ 6 CO2 + 3 H2S + 6 H2O

C6H12O6 + 3 SO42- ↔ 6 HCO3

- + 3 HS- + 3 H+

Die Oxidation von Glukose mit Sauerstoff wirft für den Organismus viel Energie ab. Kann man mit Sulfat als Elektronenakzeptor auch Energie gewinnen?

Berechnung der freien Enthalpie unter Standardbedingungen

C6H12O6 + 3 SO42- ↔ 6 HCO3

- + 3 HS- + 3 H+

1) Bestimmen der Richtung einer Reaktion unter Standartbedingungen (alle Reaktanden in 1 M Konzentration, und pH 7)

Berechnung der freien Reaktionsenthalpie aus den freien Bildungsenergien der Stoffe (Tabellen)

Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für diese Reaktion

Gibbs free energies of formation from the elements for compounds of biological interest

Substance State -ΔGf 0 (25 ◦C) (kj/mol)

H2 g 0 H+ aq 0

H+ (pH7) aq 39.87 H2O liq 237.178 CO2 g 394.359

HCO3- aq 586.85 CH4 g 50.75

Ethanol aq 181.75 Formaldehyde aq 130.54 Acetaldehyde aq 139.9

Formate aq 351.04 Acetate aq 369.41

Propionate aq 361.08 Butyrate aq 352.63 Lactate aq 517.81

Pyruvate aq 474.63 Succinic acid aq 746.38 Succinate 2- aq 690.23

Fumaric acid aq 647.14 Fumarate 2- aq 604.21

Substance State -ΔGf 0 (25 ◦C) (kj/mol)

α-D-Glucose aq 917.22 Benzene c -124.5 Phenol c 47.6

Resorcinol c 209.6 o-Cresol g 37.1 m-Cresol g 40.54 p-Cresol g 32.09 Toluene liq -114.22

Benzoic acid c 245.6 N2 g

NH4+ aq 79.37

NO2- aq 37.2

NO3- aq 11.34

N2O g -104.18 SH- aq -12.05 SH2 g 33.56

SO32- aq 486.6

SO42- aq 744.63

Fe2+ aq 78.87 Fe3+ aq 4.6

Substance State -ΔGf 0 (25 ◦C) (kj/mol)

H2 g 0 H+ aq 0

H+ (pH7) aq 39.87 H2O liq 237.178 CO2 g 394.359

HCO3- aq 586.85 CH4 g 50.75

Ethanol aq 181.75 Formaldehyde aq 130.54 Acetaldehyde aq 139.9

Formate aq 351.04 Acetate aq 369.41

Propionate aq 361.08 Butyrate aq 352.63 Lactate aq 517.81

Pyruvate aq 474.63 Succinic acid aq 746.38 Succinate 2- aq 690.23

Fumaric acid aq 647.14 Fumarate 2- aq 604.21

Substance State -ΔGf 0 (25 ◦C) (kj/mol)

α-D-Glucose aq 917.22 Benzene c -124.5 Phenol c 47.6

Resorcinol c 209.6 o-Cresol g 37.1 m-Cresol g 40.54 p-Cresol g 32.09 Toluene liq -114.22

Benzoic acid c 245.6 N2 g

NH4+ aq 79.37

NO2- aq 37.2

NO3- aq 11.34

N2O g -104.18 SH- aq -12.05 SH2 g 33.56

SO32- aq 486.6

SO42- aq 744.63

Fe2+ aq 78.87 Fe3+ aq 4.6

ATP-Hydrolyse

Quantelung derEnergetik der ATP Bildung

Die minimale Energie, die eine Zelle nutzbar konservieren kann, ist ein Proton über die geladene Zytoplasmamembran zu pumpen.

Wenn 3 - 4 H+ in der ATPase für die Synthese eines ATP gebraucht werden

ist das minimale Energiequantum, das man konservieren kann, 15 – 20 kJ/mol

mit [ATP], [Pi] = 10-2 M; [ADP] = 10-3 M ∆G0‘ = + 49 kJ/mol

Wärmeverlust in irreversiblen Reaktionen 10-20 kJ/mol

+ 60-70 kJ/mol

Sind Kinetik und Thermodynamik verbunden?

Trotz aller Indikationen besteht kein mathematisch beschreibbarer Zusammenhang.

Aber!

1) Die Thermodynamik gibt die Richtung einer Reaktion an

2) Thermodynamik entscheidet ob eine Reaktion stattfindet

3) Wird die freie Enthalpie sehr klein, wird die Reaktionsgeschwindigkeit sehr klein weil die treibende Kraft kleiner wird.

Hausaufgabe• Berechnung der freien Enthalpie der Oxidation von

Acetat mit Sulfat als Elektronenakzeptor• ∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sulfat ist?

– C2H3O2- + SO4

2- ↔ 2 HCO3- + HS-

– Produkte minus Edukte– = 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63))

= - 1161,2 + 1114,04 = - 47,16 kJ/mol