Alkanoxidation

Question 1

Nennen Sie die zwei Typen von Kohlenwasserstoffen. Warum sind Kohlenwasserstoffe für uns Menschen bedeutsam – 2 Argumente. Wo in der Natur finden Sie Kohlenwasserstoffe? (4 P)

Answer 1

aliphatisch
aromatisch

wichtig, da
-> große Bedeutung als Energieträger
-> Rohstoff für chemische Industrie

Vorkommen in Pflanzen, Rohöl, lösliche Sekundärmetabolite

Question 2

Was und wo sind die wichtigsten Senken im „Methankreislauf“. (3 P)

Answer 2

1. Photooxidation
2. Methangashydrate
3. methanotrophe Bakterien

Question 3

In welchem Stoffwechsel spielen seltene Erden (z.B. Cerium) eine Rolle, und welches Enzym nutzt Cerium? (2 P)

Answer 3

Lanthamid-abhängige Methanoloxidation (bei aerober Methanoxidation)
-> MEthanol-Dehydrogenase nutzt Cerium

Question 4

Warum ist Methan leichter aerob abzubauen als anaerob? Schlüsselenzyme des anaeroben bzw. aeroben Abbaus? (3 P)

Answer 4

unter aeroben Bedingungen kann Methan leichter aktiviert werden, da O2 direkt eingebaut werden kann und leicht reduziert werden kann (durch hohes Redoxpotential)
-> es müssen keine Konsortien gebildet werden, MO kann selbstständig Oxidation durchführen

Schlüsselenzyme
aerob: Methanmonooxygenase (MMO)
anaerob: reverse Methyl-CoM-Reduktase (MCR)

Question 5

In welcher Form und auf welchen Wegen inkorporieren aerobe Methanotrophe Kohlenstoff aus der Methanoxidation? Wie erfolgt jeweils die initiale Bindung (Akzeptormolekül und Produkt)? (4 P)

Answer 5

in Form von Formaldehy (Formaldehyd -> Biomasse)

1. Serin-Zyklus (Typ II):
   -> Akzeptor: Glycin
   -> Produkt: Acetyl-CoA
   Bindung über die Serintranshydroxymethylase an Glycin => Serin
2. Ribulose-monoP-Weg (Typ I):
   -> Akzeptor: Ribulose-5-P
   -> Produkt: Glycerinaldehyd-3-P
   Bindung über Hexulose-P-Synthase an Ribulose-5-P => Hexulose-6-P

Question 6

Skizzieren Sie die Methankonzentration und Sulfatkonzentration in der SulfatMethan-Übergangszone der marinen Sedimente. Die Gradienten waren der erste Hinweis auf eine Anaerobe Oxidation von Methan gekoppelt an die Reduktion von Sulfat – warum? (3 P)

Answer 6

mit zunehmender Tiefe im Sediment steigt Methan-Konzentration
mit zunehmender Höhe im Sediment steigt Sulfatkonzentration

-> In Sauerstoff-haltigem Sediment ist Sauerstoff Hauptakzeptor bei der aeroben Atmung, sobald Sauerstoff verbraucht ist, beginnen Organismen andere Substrate als Elektronenakzeptor bei der anaeroben Atmung zu verwenden
=> Sulfatkonzentration in diesen Sauerstoff-armen Sedimenttiefen ist relativ hoch und wird verwendet um Methan zu oxidieren

Question 7

Nennen Sie die Produkte der anaeroben Oxidation von Methan mit Sulfat als Elektronenakzeptor. Wieviel freie Enthalpie ist verfügbar unter Standardbedingungen? Warum so wenig vgl. mit der aeroben Methanoxidation? (3 P)

Answer 7

CH4 + SO42- -> HCO3- + HS + H2O

DeltaG = -16,6 kJ/mol

verglichen mit der aeroben Methanoxidation ist DeltaG wenig, da O2 ein besserer Elektronenakzeptor (höheren Redoxpotential) als Sulfat ist
-> damit werden in der aeroben Methanoxidation mehr Elektronen frei und somit auch mehr Energie erzeugt

Question 8

Wie wird Methan unter anaeroben Bedingungen in Konsortien von ANME-Archaeen und Sulfat reduzierenden Bakterien aktiviert – Schlüsselenzym und alle Reaktionspartner/Kofaktoren. (3 P)

Answer 8

Schlüsselenzym: reverse Methyl-CoM-Reduktase (MCR)

Cofaktor: F430

Reaktionspartner: CoM-S-S-CoB

CH4 -> H3C-S-CoM

Question 9

Was ist eine Syntrophie? Wie können Elektronen in einer Syntrophie übertragen werden – 3 Möglichkeiten? (2 P)

Answer 9

= die gegenseitige Abhängigkeit zweier verschiedener MO-Arten oder -Stämme auf bestimmten Nährmedien zum Abbau bestimmter organischer Verbindungen

Elektronenübertragung hat 3 Möglichkeiten
1. direkter Zell-Zell-Kontakt (Nanodrähte)
2. reduzierte organische C-Verbindungen (Formiat, Acetat)
3. Wasserstoffübertragung

Question 10

Mikrobielle Brennstoffzelle/bioelektrische Synthese –Wie können Elektronen auf eine Elektrode bzw. von einer Elektrode auf Zellen übertragen werden – 3 Möglichkeiten? (2 P)

Answer 10

1. lösliche Elektronenüberträger (H2/H+)
2. bakterielle Nanodrähte
3. direkter Zell-Zell-Kontakt (Oberflächenproteine, Cytochrome)

Question 11

Wie aktiviert der Nitritreduzierer Methylomirabilis oxyfera Methan unter anaeroben Bedingungen? Was sind die beiden Schlüsselenzyme? (3 P)

Answer 11

nitritgebundene Oxidation von Methan über einen Denitrifikationsweg, um Stickstoff und CO2 zu erzeugen
-> verwendet selbst erzeugten Sauerstoff, um CH4 zu oxidieren

Schlüsselenzyme:
-> Stickstoff-Dismutase
-> Methanmonooxygenase (MMO)

Question 12

Nennen Sie die beiden wichtigsten gemeinsamen Intermediate des aeroben Aromatenabbaus und das wichtigste gemeinsamen Intermediat des anaeroben Aromatenabbaus. (2 P)

Answer 12

aerob: Catechol, Protocatechuate

anaerob: Benzoyl-CoA

Question 13

Wie geschieht die Aktivierung des Benzols unter aeroben Bedingungen Schlüsselenzym und Produkt? Wie wird die Ringöffnung katalysiert (2 P)

Answer 13

Oxygenierung

Schlüsselenzym: Benzolmonooxygenase (mit NADH als Elektronendonor)

Ringöffnung durch O2-Einbau katalysiert (ortho- und meta-spaltung)

Question 14

Was sind die Produkte des aeroben Abbaus von Brenzcatechin/Catechol? Wie heißt der Stoffwechselweg? (2 P)

Answer 14

Beta-Ketoadipat-Weg

Abbau von Brenzcatechin zu Succinyl-CoA und Acetyl-CoA

Question 15

Wie wird Benzol unter anaeroben Bedingungen aktiviert – Methylierung, Hydroxylierung oder Carboxylierung? Was ist das Produkt? (1 P)

Answer 15

alle Möglich

Produkt: Benzoyl-CoA

Question 16

Wie wird Hexan unter aeroben Bedingungen aktiviert und wie unter anaeroben Bedingungen? (2 P)

Answer 16

aerob: Oxygenierung

anaerob: Fumarataddition

Question 17

Was ist eine Fumarataddition? – Skizzieren Sie den anaeroben Abbau von Toluol. (3 P)

Answer 17

= radikalische Reaktion zur Anlagerung von Fumarat an eine Verbindung

1. Hinzufügen von Fumarat
2. Aktivierung mit CoA