organismus des tages clostridium acetobutylicum geburt der modernen biotechnologie gründung des...
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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