Methanogenese Flashcards
Was sind Methangashydrate, unter welchen Bedingungen entstehen sie und wo findet man sie auf der Erde (– 2 Orte)? (3 P)
= Molekularverbindeungen, bei denen Methanmoleküle in einer kageartigen Struktur aus Wassermolekülen eingeschlossen sind
-> Bildung erfordert relativ hohe Drücke und niedrige Temperaturen
-> typisch in Meeresböden in Wassertiefen von mehreren 100m bis hin zu einigen km
-> Vorkommen: tief im Ozean, insb. entlang der Kontinentalränder (Arktis, Antarktis, sibirisches Schelf)
Methanquellen und Senken
Quellen:
- Bergbau
- Erdgas
- Pansen von Kühen
Senken:
- Photooxidation
- Methangashydrate
- methanotrophe Bakterien
Prinzip der Methanogenese grafisch darzustellen. Wo findet Energiekonservierung statt und wie?
4H2 –ox–> 8H+ / CO2 –red–> CH4
Energiekonservierung über ETP (red. Ast)
-> Ausnutzung einer pmf/Na+-mf (je nach Substrat)
bei CO2 + H2 als Substrat: ATP über Na+-mf erzeugt, die beim Methyltransfer von Methanopterin auf ein Enzym, das CoM enthält, entsteht (durch Methyltransferase)
Methanogenese und Acetogenese ursprüngliche Stoffwechsel?
Evolutionäre Aspekte:
- Stoffwechselwege bei Bakterien und Archaeen weit verbreitet, die in anaeroben Umgebungen zu finden sind. Bedingungen dort ähneln vmtl. denen, die auf der frühen Erde vorherrschen, bevor O2 in der Atmosphäre vorhanden war
Einfachheit und Effizienz:
- Verwendung einfacher Substrate, wie CO2, H2 und Acetat zur Energieerzeugung und Bildung von Methan und Acetat (org. Verbindungen)
Wie lautet die balancierte Reaktionsgleichung (Summenformel) der Methanogenese aus H2 + CO2? Wieviel Energie (ATP) kann konserviert werden pro Umsatz Methan – erläutern Sie anhand des DeltaG-Wertes / der freien Enthalpie.
4H2 + CO2 -> CH4 + 2H2O
deltaG < -30 kJ/mol Methan => <0,5 mol ATP/Methan
da H2-Konz. in anaeroben Umgebungen <1 mikroM
Modularität Methanogenese (mit Cytochromen)
- oxidativer Ast - Hyrogenase
- reduktiver Ast - Methyl-CoM-Rduktase (MCR)
- Redox-Ausgleichs-Ast - Heterosulfidreduktase
- Na+/H+-mf - ATP-Synthase
Was ist der wesentliche bioenergetische Unterschied von Methanogenen und Acetogenen in der Reduktion von CO2 zur Methyl-Gruppe?
Acetogenese:
CO2 wird erst reduziert, dann an THF gebunden => benötigt ATP
Methanogenese:
Fdred wird genutzt um CO2 zu reduzieren und auf MF zu übertragen => kein ATP benötigt
Wie Methanosarcina barkeri, bei Wachstum auf H2+CO2 Energie konserviert, unter Nennung aller ATP-hydrolysierenden sowie -bildenden Enzyme sowie, falls
vorhanden, bei der Chemiosmose wichtigen Enzym(komplexen).
=> Chemiosmose/ETP (pmf)
1. Energiekonservierende Reaktion: Methyltransferase bildet Na+-mf bei Methyltransfer von Methanopterin auf Enzym mit CoM
2. Energiekonservierende Reaktion: Elektronenbifurkierende Heterosulfid-Reduktase/Hydrogenase-Komplex -> CoM-S-S-CoB wird reduziert, Protonen über Membran gepumpt
kein Enzym vebraucht ATP: Fdred wird zur CO2-Reduktion genutzt
H+-abhängige ATP-Synthase produziert ATP
Na+/H+-Antiporter transloziert Na+ nach innen und H+ nach außen
hydrogenotrophe Methanogenese. Was ist das Schlüsselenzym der Methanbildung, und
welche Kofaktoren sind bei der Reaktion beteiligt?
Methy-CoM-Reduktase (MCR)
Methyl-CoM + HS-CoB -> CH4 + CoM-S-S-CoB
Kofaktoren:
- Methanofuran
- Methanopterin
- CoM
- Coenzym F430
- Coenzym F420
- Coenzym B
- Methanophenazin
Welche Reaktion katalysiert eine elektronenbifurkierende Heterodisulfid-Reduktase?
Warum ist das Enzym wichtig für die Energiekonserveierung in Methanogenen ohne Cytochrome?
koppelt endergone Fd-Reduktion an exergone Reduktion von CoM-S-S-CoB
wichtig für Methanogene ohne Cytochrome, um Fdred zu konservieren, da damit CO2 reduziert wird (ohne wäre ATP benötigt)
da HDR keine H+ pumpt, ist die pmf geringer und der Ech-Komplex erzeugt weniger Fdred -> daher Elektronenbifurkierende Hydrogenase, um Energie als Fdred zu konservieren
Atmungskette von Methanosarcina-Arten inkl. der Substrate, Produkte sowie der wichtigen Membranproteinkomplexe (2) und Elektronenüberträger (3)
Substrate: H2, CoM-S-S-CoB, H2O
Membrankomplexe:
- Heterodisulfidreduktase
- ATP-Synthase
- F420-abhängige Hydrogenase
Elektronenüberträger:
- F420
- MPH (Methanopheanzin)
- Cyt b
Power-To-Gas Konzept, unter Nennung der Quellen für die notwendige Energie bzw. Ressourcen. Welche Organismen nutzen Sie?
= erneuerbaerer Strom genutzt, um H2O zu hydrolysieren, um H2 zu generieren
-> CO2 (Abgase/Industrie) und H2 zur Herstellung von CH4
-> CH4 genutzt, um Wärme/Strom zu erzeugen
Organismen:
Methanothermobacter thermautotrophicus
