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MiBi MAP > VL 7: Anaerobe Respiration > Flashcards

VL 7: Anaerobe Respiration Flashcards

1
Q

Anaerobe Respiration

A
  • Generelles Prinzip
  • Nitrat-Reduktion und Denitrifikation
  • Veratmung von DMSO und TMAO
  • Sulfat-Reduktion von Metallionen
  • Acetogenese
  • Mathanogenese
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Q

Aerobe Atmungskette

A
  • Energieausbeuten ergeben durch Potentialdifferenz der Halbreaktionen
  • bei aerobe Atmung sehr groß
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3
Q

Schritte der dissimilativen Reduktion von Nitrat

A
  • N in Nitrit Oxidationsstufe +3
  • immernoch stark oxidiert
  • eignung al Elektronenakzeptor
  • Veratmung von Nitrit 2 Wege
    • Nitrat-Ammonifikaiton
      • 6 e-Schritt
      • Nitrit-Reduktase
      • zu Ammonium (vollständig reduziert)
    • Denitrifikation
      • Nitritreduktase
      • Stickstoffmonoxid –> Distickstoffmonoxid
      • N2O Reduktase
      • elementarer Stickstoff
      • Entweichen N2O und N2
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4
Q

N2O

A
  • N2O-Sauerstoff Gemische als Schmerzmittel, Anaesthesie als Narkotika
    • tödliche Unfälle
    • bei reinem N2O
  • Beitrag zur Erderwärmung
  • Treibhausgas
  • Denitrifikation trägt zur Erderwärmung bei
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5
Q

Reaktionsfolge Denitrifikation

A
  • Nitrat –> mol. Stickstoff
  • Enzyme
    • NAR
    • NIR
    • NOR
    • N2OR
    • integrierte Membranproteine, mit reaktiven Zentrum auf Cytoplasmaseite
    • Nitrat muss in Zelle aufgenommen werden
  • Protonenpotential
  • e- Stammen aus NADH
  • Denitrifikanten fakultative anaeerobier (betreibene in GGW Sauerstoff aaerob, in anaeroben Bedingung umschalten auf Denitrifikation)
  • NADH DH e- in Chinonpool
  • red. Chinone als Elektronendonatoren in folgereaktionen
  • CytC: E-Donator NIR, manche NOR und N2OR
  • NOR und N2OR
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6
Q

Denitrifikation im biologischen N-Kreislauf

A
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7
Q

Trimethylaminoxid als e- -Akzeptor

A
  • TMAO
  • Osmolyt, compatible solute
    • Substanzen in hoher C vom zell. SW toleriert werden
    • hohen osm. Druck in Umgebung entwirken
  • in Meerestieren, Fischen invertebraten
    • dient Stabilisierung Proteine
    • Vorkommen in Meerestiefen denaturieren
  • Bajterien
    • weit verbreitet
    • TMAO als terminaler e- Akzeptor
    • wird zu Trimethylamin (Fischgeruch)
    • pos. E0 = +30
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8
Q

Dimethylsulfoxid als e- -Akzeptor

A
  • kann reduktiv zu Dimethylsulfid umgesetzt werden
  • Stndordredoxpotential positiv
  • geeigneter e Akzeptor
  • e.Coli Reduktase für beides
  • Herkunft
    • Osmolyt unter marinen Phyroplankton, setzen Diemethylsulfonioproprionat frei
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9
Q

Bedeutung des Dimethylsulfoniopropionat-Stoffwechsels

A
  • von Phytoplankton in Schwefel-SF gebildet
  • absterbende setzen ihn frei
  • Spaltung setzt Acrylat frei
  • DMS oxidiert zu DMSP
  • DMS flüchtiges Molekül
    • cheminsch in Luft ui DMS oder SO42-
      • Wolekenkondensation
      • S´Rückstrahlung der Erde
    • Chemoattractiv für Zooplankton und Seabirds
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10
Q

Sulfatreduktion - Typen

A
  • Unvollständige Oxidierer
    • oxidieren organische Säuren über Pyruvat zu Acetyl-CoA und scheiden Acetat aus
  • Vollständige Oxidierer
    • Oxxidieren Fettsäuren, KH oder Aromaten über AcetylCoA bis zum CO2
    • bei Biomineralisation von org. Verbindungen besonder wichtig
    • in marinen Umgebungen
    • Sulfatkonzentration höher im Meer
    • Akkumulierung Biomasse in Gewässer
      • Biomasse in obere Zone kann oxisch umgesetzt werden –> aerobe Atmung mineralisierung zu CO2
      • in tieferen Schichten: Gärung
        • Acetat als Hauptprodukt
        • kann auch oxidiert werden
  • Autotrophe
    • nutzen H2 als E-Quelle und fixieren CO2 über den Acetyl-CoA-Weg oder den reduktiven Trikarbonzyklus (nur bei anaerobiern)
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11
Q

Schritte der Sulfatreduktion

A
  • Sulfat gelangt in Zelle über Symport mit Protonen (1)
    • Energieverbrauch
  • Aktivierung Sulfat mithilde ATP-Sulfurylase (2)
    • mit ATP zu APS
    • Pyrophosphat wird über Pyrophosphatase in zwei mol. anorg. Phosphat
    • GGW in richtung APS
  • APS durch APS Reduktase 2e- Schritt zu Sulfit (3)
    • AMP wird wieder freigesetzt
    • AMP mit ATP zu 2 ADP
  • 2 ADP mit 2 Pi über ATPSynthase zu 2 ATP phosphorylieren (8)
    • 6 Protonenverbrauch
  • 2Energiereiche Verbindungen wurden verbraucht, 2 Energie Bindungen geknüpft –> Keine E-konservierung! Protonenpotential?
  • Aufbau Protonenpotentialmöglichkeit:
  • H2 als E-donator und Protoenen Quelle, DH Spaltet 4 Moleküle (5)
    • 8 Protonen,
      • 6 für ATP-Synthase
      • 2 für Symport
  • Energetisches Nullsystem!
  • Pyrophosphatesen bauen Protonenpotential auf
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12
Q

Sulfatreduktion - Wieso wird APS gebildet?

A
  • liegt in Redoxpotentialen
  • Sulfit/Sulfatpaar hat Redoxpotnetial - 520 mV
  • Herstellung der Reduzierten Form brauch viel Stoffwechselenergie
  • Umsetung zu APS (0’ = - 60 mV)
  • Zelle “kauft” sich besseres Paar mit 2 ATP
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13
Q

Anaerobe Eisenkorrosion

A
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14
Q

Metalle als Elektronenakzeptoren

A

*

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15
Q

Methanogenese und Acetogenese - Carbonatatmung

A
  • Acetogenese
    • Kohlenstoff wird unterschiedlich stark reduziert
  • Methanogenese
    • vollständige Reduktion
    • spezielle Biochemie (Cofaktoren etc.)
  • komplizierte Prozesse
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16
Q

Acetogenese

A
  • obligate anaerobier
  • Synthese Essigsäure
  • Methylzweig
    • CO2 zu Methyl
  • Carbonylzweig
    • CO2 zu CO
    • CO DH Komplex mit
  • Kohlenmonoxid wird an Eisen gebunden und die CH3-Gruppe an Nickel der Kohlenmonoxiddihydrogenase
  • Bildung des Acetyl-CoA mit der Erzeugung einer natriummotorischen Kraft gekoppelt –> treibt ATP-Bildung an
  • ATP wird über Umwandlung von Acetyl-CoA zu Acetat gebildet
  • THF, Tetrahydrofolsäure; B12, Vitamin B12 als ein enzymgebundenes Intermediat
17
Q

Methanogenese - Ökologie

A
  • Anaerobe Mineralisation von Gärungsendprodukten (Acetat) in Süßwassersedimenten
  • Methanproduktion im Pansen von Rindern, Schafen, Ziegen
  • Methanproduktion in Reisfeldern (beim Nassanbau)
18
Q

Substrate Methanogenese

19
Q

Coenzyme der methanogenen Archaea

A
  • (a) Methanofuran
    • Furanring
    • Aminogruppe: initiale Bindung C–Einheit
    • wird zu Ameisenrest reduziert
  • (b) Tetrahydromethanopterin
    • Reduktion Formin -> Methylgruppe reduktion
    • fkt, strk. Pendant Tetrahydrofolsäure in Pro-/Eukaryoten
      • Unterscheidung im rechten Teil
  • (c) Coenzym M (CoM)
    • überschaubar Komplex
    • Anlieferung Methylgruppe am Thiolgruppe gebunden
    • zum CoM-Reduktase, setzt Methan frei
20
Q

CoM-reduktase Coenzyme und aktiver Zentrum

A
  • (d) Coenzym F430
    • Nickel-Ion als Zentralatom
    • ähnelt Porphyrin
  • (f) Coenzym B
    • Thrionin
    • OH-Gruppe mit Phosphorsäure verestert
    • Heptansäure
    • 7: Thiolgruppe
  • (e) Coenzym F420
    • ähnelt Riboflavin
    • Elektronencarrier
    • reduziert: Elektronendonator
21
Q

Weg der Methanogenese aus Kohlendioxid mit Wasserstoff als Elektronendonator

A
  • CO2 wird reduktiv an Methanofuran gebunden
    • endergone Reaktion
    • über Natriumionenmotorische Kraft
  • Formylgruppe wird von MF auf nächsten Cofaktor übertragen (Tetrahydromethanopterin)
    • K sukzessiv zur Methylgrppe reduziert
    • Weiterleitung zu Coenzym M
  • Coenzym M
    • Methylgruppe wird intermediär an Nickel in Coenzym F430 gebunden
    • reduktiv als Methan freigestzt
    • CoM und CoB werden oxidativ mit Disulfidbrücke miteinander verknüpft
  • Reduktive Spaltung des gemischten Disulfids
    • spielt Rolle bei Energiekonservierung
  • Energetik
    • Verbrauch Natriumpotntial
    • Methyltransferreaktion liefert Natriumpotential
    • Spaltung des Disulfids
22
Q

Methanogenese Methanol als Substrat

A
  • keine neue Reaktionen
  • Energiekonservierung
    • Methylgruppe aus Methanol wird aus CoM übertragen
    • Methan
    • Disulfid entsteht
    • dessen Reduktion ist Energiekonserviernder Schritt
  • Oxidation
    • Tetrathydromethanopterin übertragen
    • Oxidation zu Formyl
    • schließlich CO2
      • Ausscheidung teilw
      • oder An CO DH gebunden
      • Carbonylzweig
        • zweite Carbonylgruppe und CoA zu Acetyl-CoA –> Baustoffwechsel
23
Q

Methanogenese Acetat als Substrat

A
  • Essigsäure zu Acetyl-CoA, ATP Verbrauch
    • Baustoffwechsel
  • E-Gewinnung
    • Acetylcoa an Acetyl-CoA-Synthase-Decarbonylase gespalten
    • Methylgruppe
      • wird auf CoM übertragen,
      • über bekannten Weg zu Methan
    • Carbonylgruppe
      • durch CODH bis CO2 oxidiert
24
Q

Anaerobe Fütterungsketten

A
  • links
    • ausreichend Sulfat als E–Akzeptor vorhanden
      *
25
Q

Zusammenfassung

A
  • Anaerobe Atmer nutzen oxidierte Substrate als E-Akzeptoren in Atmungsketten
  • Hierzu zählen Nitrat, Nitrit, Sulfat, DMSO, TMAO, Fumarat, Metallionen und viele weitere, hier nicht behandelte Substrate
  • Denitrifikanten und Desulfurikanten katalysieren reduktive Reaktionen in den biologischeen Kreisläufen von Stickstoff bzw. Schwefel
  • Sulfatreduzenten und Methanogene spielen eine zentralee Rolle bei der anaeroben Mineralisation des Kohlenstoffs

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