Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen
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Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Studienarbeit im Fach Biotechnologie von Sascha S C H M I D T Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Studiengang Umwelttechnik Prüfer: Prof. Dr. Peter Urban Amberg, den 30.12.06 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung................................................................................................................3 2. Grundlagen der Bioenergetik................................................................................4 2.1. Thermodynamische Grundlagen....................................................................4 2.2. Energie in lebenden Organismen...................................................................5 2.3. Transportprozesse..........................................................................................7 2.4. Regulationsmechanismen..............................................................................9 2.4.1. Regulation der Aktivität bereits vorhandener Enzyme......................................9 2.4.2. Regulation der Enzym-Bildung.......................................................................10 3. Energiegewinnung...............................................................................................11 3.1. Glykolyse......................................................................................................11 3.1.1. Phase I – der energieverbrauchende Teil.......................................................11 3.1.2. Phase II – Energiegewinnung.........................................................................13 3.1.3. Gesamtbilanz der Glykolyse...........................................................................15 3.2. Reduktionsäquivalente.................................................................................15 3.3. Aerobe Bedingungen....................................................................................15 3.3.1. Pyruvatoxidation und Tricarbonsäurezyklus...................................................16 3.3.2. Anaplerotische Sequenzen.............................................................................18 3.6.1. Bilanz der vollständigen Oxidation von Glucose.............................................18 3.6.2. Atmungskette..................................................................................................18 3.6.3. Chemiosmotische ATP-Regenerierung..........................................................20 3.4. Anaerobe Bedingungen................................................................................21 3.4.1. Gärung allgemein............................................................................................21 3.4.2. Milchsäuregärung............................................................................................22 3.4.3. Alkoholische Gärung.......................................................................................23 3.5. Alternativen zur Glykolyse............................................................................23 3.6. Anaerobe Atmung.........................................................................................24 3.6.4. Reduktion von Nitrat – Denitrifikation..............................................................25 3.6.5. Reduktion von Sulfat.......................................................................................26 3.6.6. Reduktion von Metall-Ionen............................................................................26 3.6.7. Carbonatatmung – Methanogenese...............................................................27 1 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3.7. Lithotrophie...................................................................................................28 3.8. Phototrophie.................................................................................................29 4. Zusammenfassung..............................................................................................33 5. Literaturangaben..................................................................................................34 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Adenosin-Tri-Phosphat........................................................................................5 Abbildung 2: Transportmechanismen im Überblick..................................................................8 Abbildung 3: Glykolyse ([9])....................................................................................................14 Abbildung 4: Redoxpotentiale (Quelle: [10] S. 125)................................................................15 Abbildung 5: Citrat-Zyklus (Quelle: [5] S. 324)........................................................................16 Abbildung 6: Schematische Darstellung der Atmungskette (Quelle: [11])..............................19 Abbildung 7: Die wichtigsten Wege der Vergärung von Glucose (Quelle: [1], Seite 166)......22 Abbildung 8: Entner-Doudoroff-Weg (Quelle: [12]).................................................................24 Abbildung 9: Denitrifikation (Quelle: [10], Seite 634)..............................................................25 Abbildung 10: Methanogenese mit H2 als Elektronendonator (Quelle: [10] Seite 641)..........27 Abbildung 11: Chlorophyll a und Bacteriochlorophyll a (Quelle: [10] Seite 606)....................29 Abbildung 12: Elektronentransport bei der Photosynthese (Quelle: [10], Seite 616)..............31 2 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 1. Einleitung Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Überblick darüber zu geben, wie lebende Organismen Energie nutzen können und besonders, welche Formen von Energie sich Lebewesen wie nutzbar machen können. Betrachtet wird in dieser Arbeit die Zellebene, da diese universal übertragbar ist, auch auf Lebewesen mit vielen Zellen, wie Hunde, Bäume oder Menschen. Zunächst wird in einem Grundlagenkapitel auf grundlegende Themen eingegangen. Diese Themen sind thermodynamische Grundlagen, die man zum Verständnis der Bioenergetik braucht, Energie in lebenden Organismen allgemein, das für Energiegewinnung sehr wichtige Thema der Transportprozesse sowie Regulationsmechanismen, mit denen die Organismen den Stoffwechsel regulieren. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird auf die verschiedenen Arten der Energiegewinnung eingegangen, angefangen bei chemoorganothropher Lebensweise über die lithotrophe Lebensweise bis zum Mechanismus der Phototrophie. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nicht möglich auf alle Details des Energiestoffwechsel in lebenden Organismen einzugehen. Sie stellt daher eine willkürliche Auswahl der aus Sicht des Autors wichtigsten Themen dar. 3 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 2. Grundlagen der Bioenergetik 2.1.Thermodynamische Grundlagen Um über Energie in lebenden Organismen reden zu können, bedarf es zunächst der Klärung des Begriffs Energie an sich sowie der damit zusammenhängenden thermodynamischen Grundlagen. Diese Grundlagen sind entscheidend um sagen zu können, welche Reaktionen überhaupt ablaufen und zur Energiegewinnung genutzt werden können. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik oder auch Energieerhaltungssatz besagt, dass die Energie in einem geschlossenen System immer konstant bleibt. Daraus folgt, dass von Energiegewinnung auch bei lebenden Zellen keinesfalls die Rede sein kann. Es handelt sich immer nur um Umwandlungen von einer Energieart in eine andere, sogenannte Energiewandlungen. Wenn im Folgenden also von Energiegewinnung die Rede ist, ist das immer in diesem Sinne gemeint. Aus dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik wird gefolgert, dass im Universum als ganzem die Unordnung ständig zunimmt, thermodynamisch als Entropiezunahme bezeichnet. Energie, die in Form von kinetischer, potentieller, chemischer oder Lichtenergie vorliegt, wird im Universum ständig in Wärme umgewandelt und damit entwertet. Um Ordnung zu schaffen – und das ist es ja, was lebende Organismen tun, indem sie Stoffe zielgerichtet transportieren (siehe Transportprozesse) oder aufbauen – muss Energie aufgewandt werden. Dadurch wirkt das Leben hier bremsend, da die Energie, die in Form von Sonnenlicht auf unseren Planeten einstrahlt nicht sofort in Wärme umgewandelt wird, sondern über biologische Umwege – „Ordnung schaffen“, also chemische Verbindungen aufbauen, kinetisch, akustisch oder auf sonstige Art und Weise Energie nutzen – erst schrittweise entwertet wird. Für bioenergetische Prozesse von großer Bedeutung ist auch die sogenannte Gibbs'sche Energie G bzw. genau genommen die Differenz zwischen zwei freien Energien ΔG, anhand derer eine Aussage darüber getroffen werden kann, ob eine Reaktion freiwillig abläuft. Wenn im Folgenden von freier Energie oder freier Enthalpie gesprochen wird, so ist die Gibbs'sche Energie gemeint. Wenn ΔG < 0 ist, dann handelt es sich um eine exergone Reaktion. Sie kann unter den gegebenen Bedingungen spontan ablaufen. Ist ΔG=0, so handelt es sich um eine reversible Reaktion. Wenn ΔG>0 ist, dann handelt es sich um eine endergone Reaktion. Es muss Energie aufgewandt werden, damit die Reaktion abläuft. Tabelliert findet man häufig Bildungsenthalpien von Stoffen. Mit Hilfe dieser Bildungsenthalpien lässt sich die freie Energie einer Reaktion berechnen, indem man die Summe der Bildungsenthalpien der Edukte von der Summe der Bildungsenthalpien der Produkte substrahiert. Sind statt der Bildungsenthalpien die Redoxpotentiale der Reaktanden gegeben, so kann ΔG aus der Differenz der Redoxpotentiale der beteiligten Redoxpaare berechnet werden nach G=−n⋅F⋅ E . Das Ergebnis ist in kJ/mol. F ist die Fa- raday-Konstante und n ist die Zahl der übertragenen Elektronen. 4 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 2.2.Energie in lebenden Organismen Energie existiert in vielfältiger Form. Ebenso vielfältig kommt Energie auch in der Biologie, in lebenden Organismen, vor. Als Grundlage zum Leben können sich lebende Organismen allerdings nur wenige Arten von Energie nutzbar machen, genaugenommen nur chemische Energie (in chemischen Verbindungen gespeicherte Energie) und Lichtenergie. Zwar kann auch aus elektrischen und chemischen Gradienten Energie gewonnen werden, jedoch nur eine kurze Zeit lang, nämlich so lang, bis der Gradient ausgeglichen ist. Deshalb können diese Formen zwar zum Speichern von Energie verwendet werden, reichen aber nicht aus, um auf Dauer davon zu leben. Kinetische, akustische und Wärmeenergie schließlich sind nur Produkte und können nicht zur Energiegewinnung genutzt werden, selbst wenn sie Voraussetzung für das Leben sind, wie Wärmeenergie bei hyperthermophilen Archaeen. Alle Energiegewinnung in der Biologie dient ausschließlich dem Wachstum; niemals wird Energie um der Energiegewinnung Willen gewonnen. Das macht dann auch verständlich, warum im Metabolismus (Stoffwechsel) Katabolismus (Energiestoffwechsel) und Anabolismus (Synthese von Biomasse) teilweise so verzahnt sind. Trotzdem wird im Folgenden wenn möglich nur auf den Energiestoffwechsel eingegangen. In lebenden Organismen gibt es eine Art allgemeingültige „Energiewährung“, eine Verbindung, die immer dann abgebaut wird, wenn Energie gebraucht wird und immer dann aufgebaut wird, wenn zu wenig Energie vorhanden ist. Die Rede ist von Adenosin-TriPhosphat (ATP). Abbildung 1: Adenosin-Tri-Phosphat Dabei handelt es sich um dreifach phosphoryliertes Adenosin. Die drei Phosphatreste sind über Phosphoanhydrid-Bindungen (sehr energiereiche chemische Bindungen) miteinander verbunden. Werden diese Bindungen hydrolytisch gelöst, so entsteht zunächst Adenosin-Di-Phosphat (ADP) und dann Adenosin-Mono-Phosphat (AMP). Die theoretische Reaktion ATP H 2 O ADPP i ' G 0≈−32 5 kJ mol Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik (ΔG'0 steht für Standardbedingungen) läuft so in der Zelle allerdings nicht ab. An die Hydrolyse wird immer ein endergoner Prozess gekoppelt, sonst wäre die Energie ja verloren. Es wird in der Regel ein Phosphatrest, manchmal auch zwei Reste abgespalten und auf einen anderen Stoff übertragen, der dadurch energetisch geladen (aktiviert) ist und reagieren kann. ATP ist allerdings nicht als wirklicher Speicherstoff geeignet sondern darauf ausgelegt, Energie da zur Verfügung zu stellen, wo sie gebraucht wird. Ein Mensch regeneriert pro Tag in etwa sein Körpergewicht an ATP. Steht überschüssige Energie zur Verfügung, die kurzfristig nicht gebraucht wird, so nutzt der Organismus diese Energie, um Organische Verbindungen zu synthetisieren, die bei Bedarf wieder zur Energiegewinnung genutzt werden können. Die Funktionsweise von ATP ist recht einfach. Wenn zum Beispiel die endergone Reaktion A B ablaufen soll, so wird zunächst ein Phosphor von ATP abgespalten und auf A übertragen – es entsteht A-P i , eine Verbindung, die energiereicher als A ist. Dadurch kann es sein, dass die Reaktion A−Pi BP i jetzt freiwillig abläuft. Die freiwerdende Energie der ATP-Hydrolyse kompensiert die für das Ablaufen der Reaktion A B notwendige Energie. Eventuelle überschüssige Energie wird als Wärme frei. Aufgabe des Katabolismus ist es nun, ATP aus ADP bzw. AMP zu regenerieren. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder, die Phosphorylierung wird an einen Ionentransport über eine Membran gekoppelt (Elektronentransportphosphorylierung, siehe Transportprozesse, Atmungskette) oder an chemische Reaktionen. Der zweite Prozess wird als Substrat-Phosphorylierung bezeichnet und wird im Abschnitt über Glykolyse ausführlicher behandelt. Diese Prozesse laufen relativ langsam ab. In Zellen, die kurzfristig viel Energie in kurzer Zeit brauchen, kann es daher zu Energieengpässen kommen. Daher halten z.B. die Muskelzellen von Säugetieren einen gewissen Vorrat an Kreatinphosphat bereit. Kreatinphosphat hat ein hohes Gruppenübertragungspotential und kann daher bei Bedarf im Rahmen einer Kurzzeitregeneration Phosphatreste auf AMP bzw. ATP übertragen. Ist der Vorrat an Kreatinphosphat verbraucht, so muss der Organismus zu den Standardverfahren der ATP-Regenerierung zurückkehren. In welcher Form, d.h. wie oft phosphoryliert, Adenosin in einer Zelle im Schnitt vorliegt, wird durch den sogenannten Energieladungszustand der Zelle EC ausgesagt: 1 [ ATP ] [ ADP ] 2 EC= [ ATP ][ ADP ][ AMP ] Lägen 100% ATP in einer Zelle vor, so ergäbe sich ein EC von 1. 100% ADP entsprächen 0,5 und 100% AMP schließlich würden ein EC von 0 ergeben. Die realen Zustände liegen dazwischen, typisch ist EC=0,8 ([1] S. 108). 6 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 2.3.Transportprozesse Lebende Zellen sind durch Membranen begrenzt und kompartimentiert. Wären diese Grenzschichten nicht vorhanden, dann könnte die Zelle nicht von der Umgebung unterschieden werden. Es könnten keine Gradienten aufgebaut werden und keine Stoffe aufgenommen oder abgegeben werden. Diese Vorgänge sind allerdings für Leben essentiell. Alle im Folgenden beschriebenen Transportmechanismen und -prozesse laufen an Membranen ab. Diese Transportmechanismen sind notwendig, damit sich die Zellen mit den lebensnotwendigen Stoffen versorgen kann, die nicht einfach durch die Zellmembran diffundieren können. Ebenfalls sind Membranen für viele Prozesse der Energiegewinnung notwendig, wie im weiteren Verlauf noch dargestellt wird. So lässt sich zum Beispiel nur an Membranen elektrische bzw. osmotische Energie in chemische Energie umwandeln und andersrum. Von den Zellmembranen sagt man, dass sie semipermeabel sind. Das heißt aber in diesem Falle nicht halbdurchlässig sondern selektiv durchlässig. Wasser und kleine, ungeladene Moleküle können beliebig durch die Membranen diffundieren. Daher lässt sich zum Beispiel nicht ein einfacher Wassergradient von innerhalb der Zelle nach außen aufbauen. Um Wasser geregelt zur Verfügung stellen zu können, muss in der Zelle entsprechend viel Salz oder Zucker zur Verfügung stehen, das sich im Wasser löst und dadurch ein weiteres Einströmen von Wasser hervorruft. So wird der sogenannte osmotische Druck in der Zelle aufgebaut. Andere Stoffe, also größere bzw. geladene Moleküle können nur über entsprechende Transportproteine durch die Membran gelangen. Hier wird der selektive Charakter der Membran deutlich. Transportproteine, auch Carrier oder Permeasen genannt, sind Proteine, die beidseitig aus der Membran herausragen und jeweils speziellen Stoffen ermöglichen, die Membran zu durchqueren. Es gibt Transportproteine in unterschiedlichen Varianten. Bei der einfachsten wird einfach eine Art Kanal für Moleküle zur Verfügung gestellt, die nicht durch die Membran diffundieren können. Es handelt sich um eine Art verbesserte Diffusion, der betroffene Stoff kann einfach in eine – oder beide – Richtung(en) durch die Membran wandern. Da nur ein Stoff bewegt wird, nennt sich diese Methode Uniport. Häufig ist jedoch der Transport eines Stoffes an den Transport – und damit den Gradienten – eines anderen Stoffes gebunden. So kann dann auch ein Ladungstransport entgegen dem Gradienten stattfinden und damit ein Membranpotential aufgebaut werden. Dann nennt sich der Transport elektrogen. Es gibt zwei Transportarten, bei denen ein anderer Stoff mittransportiert wird, den sogenannten Symport und den Antiport. Beim Symport werden beide Moleküle in die gleiche Richtung transportiert, beim Antiport wird der eine Stoff nach außen und der andere nach innen transportiert. Aller bisherigen Transportmechanismen sind nicht an chemische Reaktionen gekoppelt. Man nennt sie auch „sekundären Transport“. Eine weitere Möglichkeit ist, dass durch den Transport die Energie für den Ablauf einer Reaktion zur Verfügung gestellt wird (oder durch das Ablaufen einer Reaktion ein 7 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Transport angetrieben wird). Diese Art des Transportes nennt sich „primärer Transport“. Alle Varianten haben gemeinsam, dass sie meist reversibel sind, also in beide Richtungen ablaufen können. Einen Überblick gibt Abbildung 2. Abb. 2 gibt eine Übersicht über die verschiedenen Transportprozesse. Abbildung 2: Transportmechanismen im Überblick Besondere Beachtung im Zusammenhang mit dem Energiestoffwechsel verdient das sogenannte Phosphotransferase-System, das für den Transport von Zucker, u.A. Glucose, in die Zelle sorgt. Das besondere an diesem Transportsystem ist, dass der Zucker während dem Transport bereits mit Phosphor aktiviert wird. Daraus resultieren drei Punkte: ● es entsteht kein Zucker-Gradient, da innerhalb der Zelle nur Zucker-Phosphat existiert und dieses selbst gar nicht transportiert werden kann ● der Zucker ist bereits für weitere Umsetzungen aktiviert und kann sofort weiterreagieren ● Organismen, die kein Phosphotransferase-System haben, müssten ein ATP für die Aktivierung verbrauchen Der Phosphor für die Aktivierung stammt vom Phosphoenol-Pyruvat, das zum Pyruvat reduziert wird. Ein weiterer Vorteil des Phosphotransferase-Systems ist, dass es nur für Zucker ausgebildet wird, die auch existieren, also zum Beispiel für Glucose nur dann, wenn auch Glucose vorhanden ist. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Regulation. 8 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 2.4.Regulationsmechanismen Wie beim Phosphotransferase-System müssen bei vielen Biologischen Prozessen Regulationsmechanismen angewandt werden, um eine Energie- bzw. Substratverschwendung durch die Zelle zu verhindern. Das geschieht, indem verhindert wird, dass momentan nicht notwendige Produkte gebildet werden. Dafür gibt es zwei verschiedene Ansatzpunkte; entweder die Zelle verhindert, dass die für die entsprechende Reaktion notwendigen Enzyme gebildet werden oder die Aktivität von bereits vorhandenen Enzymen wird reguliert. 2.4.1.Regulation der Aktivität bereits vorhandener Enzyme Oft reicht schon die Tatsache, dass die Konzentration der Produkte ansteigt aus, um das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der Substrate zu verschieben. Das heißt, wenn die Produkte nicht in einer Folgereaktion verbraucht werden (können), dann steigt auf Grund der erhöhten Konzentration die Rückreaktion. Ein anderer Weg ist die sogenannte kompetitive Hemmung. Andere Stoffe ähneln dem natürlichen Substrat derart, dass sie an das katalytische Zentrum des Enzyms binden können, dabei aber nicht die gewünschte Reaktion hervorrufen. Dadurch kann auch kein Produkt mehr gebildet werden, solange das katalytische Zentrum besetzt ist. Bei einer ganzen Reihe von Enzymen gibt es noch einen weiteren Mechanismus, um die Aktivität des Enzyms zu beeinflussen. Diese Enzyme haben neben dem katalytischen Zentrum ein sogenanntes allosterisches Zentrum. Hier können dann als Effektoren bezeichnete Stoffe binden – meist nicht kovalent – und dadurch die Struktur des Enzyms reversibel so verändern, dass das eigentliche Substrat nicht mehr am katalytischen Zentrum binden kann. In einigen Fällen handelt es sich bei den Effektoren um die Produkte der Reaktion, die so oft den ersten enzymatischen Schritt hemmen; man spricht dann von Feedback-Hemmung oder Endprodukt-Hemmung. Entsteht also ein ProduktÜberschuss, so wird die Reaktionskette gehemmt, das Produkt wird nicht länger nachgebildet. Sinkt die Konzentration des Produkts durch Folgereaktionen, so wird der Effektor wieder freigesetzt, das Enzym bildet sich wieder zurück, die Reaktion kann ablaufen. Wenn ein Effektor doch chemisch an das Enzym bindet – es kann sich beispielsweise um Phosphat-, Methyl-, Acetyl- und Adenylgruppen handeln, die von Enzymen auf das zu regulierende Enzym übertragen werden – verformt sich das Enzym. Wenn die entsprechenden Voraussetzungen gegeben sind, dann kann ein zusätzliches Protein die Gruppe wieder entfernen. Beispiele zu Regulation finden sich im weiteren Verlauf, besonders im Abschnitt über Glykolyse. 9 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 2.4.2.Regulation der Enzym-Bildung Ein anderer Ansatzpunkt ist die Regulation der Bildung des Enzyms selbst. Das ist natürlich nur dann möglich, wenn das Enzym nicht bereits vorhanden ist. Diese Art der Regulation beruht darauf, dass ein Regulator-Enzym an die DNA bindet und dadurch das Ablesen der DNA durch RNA-Polymerase und Kopieren in messengerRNA beeinflusst. Das kann sowohl positiv – man spricht von Aktivatoren und positiver Kontrolle – als auch negativ – Repressoren, negative Kontrolle – sein. Ob ein Regulator-Enzym an die DNA binden kann, entscheiden Effektoren, die an das Regulator-Enzym binden. Ein gebundener Effektor kann entweder die Bindung an die DNA ermöglichen oder verhindern. 10 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3. Energiegewinnung Was die Thermodynamik erlaubt, das setzt irgend eine Art von Organismen fast zwingend um. Fast jede nur erdenkliche Art der Energiegewinnung ist irgendwo auf diesem Planeten verwirklicht. Energie wird aus organischen Verbindungen gewonnen und aus anorganischen. In der Photosynthese macht sich das Leben die im Licht steckende Energie zu Nutze. Jedoch gibt es all die Variantenvielfalt nur zu einem Zweck: der Regenerierung von ATP. Besonders im Bereich der chemoorganotrophen Lebensweise (Atmungsprozesse, Gärungen) ist diese Energiegewinnung immer an den Abbau eines komplexeren Stoffes zu einem oder mehreren einfacheren Stoffe gebunden. Bei der Glykolyse mit darauf folgender aerober Atmungskette wird zum Beispiel Glucose zu CO2 und H2O abgebaut. 3.1.Glykolyse Glykolyse ist der erste Schritt auf dem Weg der Energiegewinnung aus Glucose. Gemeint ist hier das, was im Allgemeinen unter Glykolyse verstanden wird, nämlich der Fructose-1,6-Bisphosphat-Weg oder Embden-Meyerhof-Parnas-Weg. Alternative Wege, wie der Pentosephosphat-Weg oder der KDPG-Weg werden weiter unten angesprochen. Aufgabe der Glykolyse ist die Reduktion von Glucose zu Pyruvat. Der Embden-Meyerhof-Parnas-Weg lässt sich in zwei Phasen einteilen. Die erste Phase verbraucht Energie, um das Substrat – neben Glucose kann das durchaus auch eine andere Hexose sein – zu aktivieren sowie einige weitere vorbereitende Schritte durchzuführen und damit Phase zwei zu ermöglichen. Phase zwei ist der eigentlich für die Zelle interessante Teil; hier wird Energie gewonnen. Die jeweils in der entsprechenden Phase erklärten Schritte sind in Abb. 3 dargestellt. 3.1.1.Phase I – der energieverbrauchende Teil In Phase I laufen, beginnend mit Glucose, vier Schritte ab. Vor dem letzten Schritt ist aus Glucose Fructose-1,6-bisphosphat geworden, die Verbindung, die für den Namen Fructose-1,6-Bisphosphat-Weg verantwortlich ist. Diese Substanz wird dann in zwei C3Verbindungen gespalten. Schritt 1: Glucose → Glucose-6-Phosphat (G6P) Der erste Schritt, die Phosphorylierung der Glucose, ist Organismen-spezifisch. Entweder das Enzym Hexokinase katalysiert diesen Schritt oder die Zelle besitzt ein Phosphotransferase-System, bei dem – wie oben bereits bemerkt – schon bei der Aufnahme in die Zelle Phosphor auf die Glucose übertragen wird. Hexokinase ist ein allosterisches Enzym, dass stark von seinem Produkt, G6P gehemmt wird. Das heißt, wenn schon G6P vorhanden ist, dann läuft diese Reaktion nicht ab. Auch der Weg mit Hexokinase findet sofort nach der Aufnahme in die Zelle statt, da dadurch kein Glucose Gradient ent11 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik steht und außerdem Glucose-Phosphat die Membran noch schlechter als Glucose passieren kann. Bei Verwendung von Hexokinase wird ein ATP verbraucht. Schritt 2: Glucose-6-Phosphat → Fructose-6-Phosphat (F6P) Schritt 2 wird von Phosphoglucose-Isomerase bzw. Phosphohexose-Isomerase katalysiert. G6P wird zu F6P umgelagert. Das vereinfacht den nächsten Schritt. Die Reaktion wird durch die Konzentrationen von Produkten und Edukten reguliert. Schritt 3: Fructose-6-Phosphat → Fructose-1,6-Bisphosphat (F1,6BP) Schritt 3 führt zum namengebenden Zwischenprodukt dieses Stoffwechsel-Weges, F1,6BP. Das Enzym dieses Schrittes ist Phosphofructokinase, das meistens geschwindigkeitsbestimmend für die Glykolyse ist und vielfältige Möglichkeiten der Regulation beinhaltet. Einige Beispiele: Als Aktivatoren wirken: • Das Ausgangsprodukt, F6P. • AMP, was einem niedrigen Energieladungszustand EC der Zelle entspricht. So wird dafür gesorgt, dass mehr Pyruvat und damit auch ATP nachgebildet wird. Hemmend, also der Reaktion entgegen wirken: • ATP. Im Gegensatz zu AMP zeigt ATP einen hohen Energieladungszustand EC der Zelle an. Wenn also viel ATP zur Verfügung steht, wird die Glykolyse verlangsamt. • Citrat, das, wie später gezeigt wird, im Citrat-Zyklus entsteht und weiter abgebaut wird. Ist viel ATP in der Zelle vorhanden, so wird dieser weitere Abbau von Citrat verlangsamt, Citrat ist im Zytoplasma vorhanden und hemmt die Glykolyse. Daher ist auch die Hemmung durch Citrat eine indirekte Hemmung auf Grund ausreichend vorhandener Energie. Dieser Schritt verbraucht ein ATP. Schritt 4: Fructose-1,6-Bisphosphat → Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) + Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P) Der vierte und letzte Schritt spaltet F1,6BP, eine C6-Verbindung, in zwei C3-Verbindungen auf, DHAP und G3P. Das Enzym Aldolase katalysiert diesen Vorgang. Durch Phosphotriose-Isomerase katalysiert kann DHAP sehr schnell zu G3P weiterreagieren. G3P ist Ausgangsprodukt für Phase II der Glykolyse, den gewinnbringenden Teil. Aus einem mol Glucose entstehen 2 mol G3P, das heißt, alle weiteren Reaktionen laufen pro mol Glucose zwei mal ab. 12 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3.1.2.Phase II – Energiegewinnung Kein Lebewesen würde Phase I ablaufen lassen, wenn es nicht Aussicht auf Phase II gäbe; das wäre ein energetisches Verlustgeschäft, da ATP verbraucht wird. In den fünf Schritten der Phase II jedoch werden pro mol G3P zwei mol ATP zurückgewonnen. Schritt 1: Glycerinaldehyd-3-phosphat → 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3BPG) Schritt 1 der Phase II ist die erste Redoxreaktion der Glykolyse. Katalysiert wird diese Reaktion von G3P-Dehydrogenase. Dieses Enzym enthält Nicotin-Adenin-Dinukleotid (NAD+) als Coenzym ([10]) und nimmt „2e- und 2H+ auf, um NADH + H+ zu bilden“ ([10] S. 132). Parallel zu dieser Reduktion läuft die Oxidation von G3P zu 1,3BPG, eine Phosphorylierungsreaktion, ab, bei der anorganisches Phosphat durch Anknüpfung an G3P in eine organische Form umgewandelt wird und somit den Grundstein für die im nächsten Schritt ablaufende Substratkettenphosphorylierung legt. Wie in Abbildung 3 erkennbar ist, läuft diese Reaktion nicht schlagartig sondern über zwei Zwischenschritte ab. Schritt 2: 1,3-Bisphosphoglycerat → 3-Phosphoglycerat (3-PG) Bedenkt man, dass es eigentlich das Ziel der Glykolyse ist, ATP zu regenerieren, dann sieht die Bilanz bisher recht mager aus: Es sind zwei mol ATP verbraucht worden. Jetzt wird aber bei der von Phosphoglycerat-Kinase katalysierten Reaktion von 1,3BPG zu 3-PG ein Phosphatrest abgespalten und auf ADP übertragen. Da diese Reaktion pro mol Glukose zwei mal abläuft (s.o.) ist nach diesem Schritt die ATP-Bilanz wieder auf null. Thermodynamisch möglich ist diese Reaktion dank freien Energie von mehr als 30kJ, die in jedem der beiden in 1,3BPG gebundenen Phosphatmoleküle steckt. Bei der Phosphat-Übertragung auf ADP handelt es sich um eine Substratkettenphosphorylierung. Schritt 3: 3-Phosphoglycerat → 2-Phosphoglycerat (2-PG) Schritt 3 ist eine Isomerisierungs-Reaktion. 3-PG wird reversibel zum 2-PG umgelagert. Katalysiert wird dieser Schritt vom Enzym Phosphoglycerat-Mutase und läuft nur dann ab, wenn in sehr geringer Konzentration 2,3-Biphosphoglycerat vorhanden ist – was allerdings in den meisten Zellen gewährleistet ist. Schritt 4: 2-Phosphoglycerat → Phosphoenolpyruvat (PEP) Bei der von der Enolase katalysierten Reaktion von 2-PG zu PEP ändert sich kaum die freie Energie. Allerdings wird diese Energie entscheidend umverteilt. Das Resultat ist mit PEP eine energiereiche Phosphatverbindung. PEP wird unter Anderem auch bei der Phosphorylierung von Glucose durch das Phosphotransferase-System als Phosphat-Donator verwendet. 13 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Schritt 5: Phosphoenolpyruvat → Pyruvat Im letzten Schritt wird in einer Substratkettenphosphorylierung aus der energiereichen Phosphatverbindung PEP Phosphat abgespalten und auf ADP übertragen. Dabei entsteht das vorläufige Endprodukt der Glykolyse, Pyruvat. Das katalytisch wirksame Enzym ist Pyruvat-Kinase, ein allosterisches Enzym. Es wird durch ATP, Alanin, Fettsäuren und Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), allesamt Energieträger, gehemmt. Abbildung 3: Glykolyse ([9]) 14 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3.1.3.Gesamtbilanz der Glykolyse Betrachtet man die Glykolyse insgesamt, dann erhält man folgende Reaktionsgleichung: Glucose + 2 ADP +2 Pi → 2 Pyruvat + 4 [H] + 2 ATP Es können also pro mol Glucose 2 mol ATP regeneriert werden. Problem auf der Seite der Produkte sind allerdings die vier [H], sogenannte Reduktionsäquivalente, die in Form von zwei NADH + H+ vorliegen, auf deren (gewinnbringende) Beseitigung im Folgenden noch eingegangen wird. 3.2.Reduktionsäquivalente Bei der Glykolyse entstehen vier [H], sogenannte Reduktionsäquivalente, wie oben gezeigt wurde. Diese [H] werden oft einfach als Elektron behandelt, was aber nicht korrekt ist. Elektronen existieren in freier Form nicht in Zellen. Daher bestehen Reduktionsäquivalente immer aus Elektronen und Elektronen-Überträgern, z.B. das Coenzym NAD+. Das zeigt zweierlei: Erstens ist [H] nicht mit molekularem Wasserstoff zu verwechseln. Und zweitens können energetische Berechnungen nicht mit Reduktionsäquivalenten durchgeführt werden, da das Redoxpotential immer von den Überträgern abhängt. Reduktionsäquivalent bieten zunächst für den Organismus eine willkommene Möglichkeit, Ladungen zu entsorgen. Allerdings kann das auf Dauer keine Lösung sein, da erstens für eine weitere Reaktion weitere NAD+ vorhanden sein müssen und zweitens mit der Zeit ein Gradient aufgebaut wird, der die Reaktion behindert. Das heißt, dass das Coenzym NAD+ regeneriert werden muss. Dafür gibt es zwei grundlegend verschiedene Wege, einen unter aeroben und einen unter anaeroben Bedingungen, auf die im Folgenden eingegangen wird. Um diesem und auch den weiteren Unterschieden im Energiestoffwechsel in Anwesenheit und in Abwesenheit von Sauerstoff gerecht zu werden, wird zwischen den beiden Bedingungen unterschieden. 3.3.Aerobe Bedingungen Steht einem Organismus Sauerstoff zur Verfügung, so wird er normalerweise immer als terminaler Elektronenakzeptor verwendet. Wie man in Abbildung 4 erkennen kann, ist die Differenz zwischen dem Redoxpotential der Oxidation von Glucose nach CO2 und dem Redoxpotential der Reduktion von Sauerstoff zu Wasser recht hoch, dadurch steht viel Energie zur Verfügung. 15 Abbildung 4: Redoxpotentiale (Quelle: [10] S. 125) Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3.3.1.Pyruvatoxidation und Tricarbonsäurezyklus Um Sauerstoff reduzieren zu können, muss zunächst Pyruvat weiter oxidiert werden. Das wird durch einen Komplex aus mehreren Enzymen, den Pyruvat-DehydrogenaseKomplex, bewerkstelligt. Eines der vier beteiligten Coenzyme, Coenzym A (CoA), reagiert vom Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert zu Acetyl-CoA und CO2. Dabei entstehen zwei Reduktionsäquivalente, die auf das Coenzym NAD übertragen werden. Die Reaktion der Pyruvatoxidation lautet also: Pyruvat +CoA → Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+ Acetyl-CoA ist aktivierte Essigsäure und kann gut weiterreagieren. Die weitere Oxidation bis zum CO2 findet in einem Zyklischen Prozess, dem sogenannten Tricarbonsäurezyklus oder Zitronensäurezyklus oder Citratzyklus statt (siehe Abbildung 5). Abbildung 5: Citrat-Zyklus (Quelle: [5] S. 324) Schritt 1:Acetyl-CoA + Oxalacetat → Citrat + Coenzym A Die erste Reaktion des Citratzyklus ist eine Kondensationsreaktion. Acetyl-CoA, das Endprodukt der Pyruvatoxidation, reagiert mit Oxalacetat unter Abspaltung von CoA zu Citrat. Durch die Abspaltung steht CoA wieder für weitere Reaktionen zur Verfügung. 16 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Oxalacetat ist, wie später gezeigt wird, gleichzeitig das Endprodukt des Citratzyklus, daher Zyklus. Das katalytisch wirksame, allosterische Enzym Citratsynthetase wird von ATP (was auf einen hohen EC der Zelle schließen lässt), NADH und Succinyl-CoA (ein Zwischenprodukt im weiteren Verlauf des Tricarbonsäurezyklus) gehemmt. Schritt 2:Citrat → Isocitrat Das in Schritt 1 erzeugte Citrat wird in einer Isomerisierungsreaktion in zwei Schritten zum Isocitrat umgelagert. Katalysiert wird diese Reaktion von der Aconitase. Zunächst wird Citrat zum cis-Aconitat dehydriert. Dieses wird sodann wieder hydratisiert, zum Isocitrat. Das Ablaufen der Folgereaktionen verschiebt das Gleichgewicht hin zum Isocitrat. Unter Standardbedingungen sind etwa 91 % Citrat, 3 % cis-Aconitat und 6 % Isocitrat vorhanden. Schritt 3:Isocitrat → α-Ketoglutarat + CO2 Bei der Reaktion von Isocitrat zu α-Ketoglutarat handelt es sich um eine oxidative Decarboxylierung. Es wird CO2 freigesetzt. Außerdem werden bei dieser Reaktion zwei Reduktionsäquivalent auf NAD+ übertragen. Das Enzym, Isocitrat-Dehydrogenase, wird von ATP und NADH gehemmt (also zwei Folgeprodukten) und von ADP (was auf einen niedrigeren EC hinweist) aktiviert. Schritt 4:α-Ketoglutarat + CoA → Succinyl-CoA Im Zyklus folgt eine weitere oxidative Decarboxylierung, es wird erneut CO2 frei. Es werden auch wieder Reduktionsäquivalent auf NAD+ übertragen. Folgerichtig heißt das Enzym α-Ketoglutarat-Dehydrogenase. Für die weitere Reaktion ist eine Aktivierung mit CoA von Nöten – es entsteht Succinyl-CoA, eine energiereiche Thioesterverbindung, die eine gewisse Ähnlichkeit mit Acetyl-CoA aufweist. Gehemmt wird die Reaktion von ATP, NADH, Succinyl-CoA, allesamt Folgeprodukte. Schritt 5:Succinyl-CoA + GDP + Pi (anorganisches Phosphat) → Succinat + GTP + CoA Schritt 5 ist der zunächst energetisch interessanteste Schritt des Citratzyklus. Hier entsteht eine energiereiche Triphosphat-Verbindung. Das durch eine Substratkettenphosphorylierung gebildete GTP (Guanosin-Tri-Phosphat) kann durch das Enzym Nukleotiddiphosphat-Kinase in das gebräuchlichere ATP umgewandelt werden (Teilweise wird auch direkt ADP zu ATP regeneriert). Die Notwendige Energie für diese von SuccinylCoA-Synthetase bzw. Succinatthiokinase katalysierten Reaktion stammt aus der Abspaltung von CoA, das damit wieder für Reaktionen zur Verfügung steht. Eigentliches Produkt der Reaktion ist Succinat. Schritt 6:Succinat → Fumarat Succinat wird durch Succinatdehydrogenase dehydriert, das einzige Enzym des Citratzyklus, das bei Eukaryonten nicht im Zytoplasma gelöst ist sondern in Verbindung mit der inneren mitochondrialen Membran steht. Die dabei entstehenden Reduktionsäquiva17 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik lente werden auf auf das Coenzym FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) übertragen, das kovalent an das Enzym Succinatdehydrogenase gebunden ist. Dabei entsteht FADH2. Reaktionsprodukt ist Fumarat. Schritt 7:Fumarat → Malat In Schritt 7 wird Fumarat hydratisiert. Wasser wird an der C=C-Doppelbindung addiert, um Malat zu bilden. Fumarase katalysiert diesen Vorgang. Schritt 8:Malat → Oxalacetat Der letzte Schritt des Citratzyklus, der den Kreislauf wieder schließt, ist eine Dehydrierung, die von Malatdehydrogenase katalysiert wird. Zum letzten Mal werden zwei Reduktionsäquivalente frei, die jetzt wieder auf NAD+ übertragen werden. Das Produkt, Oxalacetat, ist zugleich wieder Substrat des 1. Schrittes. 3.3.2.Anaplerotische Sequenzen Die Zwischenprodukt des Citratzyklus sind teilweise zugleich auch Grundlage für anabolische Reaktionen, also Reaktionen der Biosynthese. Wenn aber die Konzentration der Zwischenprodukte durch anderweitige Verwendung verringert wird, dann senkt das die Geschwindigkeit, mit der ATP regeneriert wird und es steht weniger Energie zur Verfügung. Um das zu verhindern, können die sogenannten anaplerotischen Sequenzen oder Reaktionen die Konzentrationen der Zwischenprodukte des Citratzyklus auf direktem Wege – teilweise unter Einsatz von ATP – erhöhen. 3.6.1.Bilanz der vollständigen Oxidation von Glucose An diesem Punkt ist Glucose vollständig zu CO2 oxidiert. Daraus ergibt sich folgende Bilanzgleichung: C 6 H 12 O 66 H 2 O4 ADP4 Pi 6CO 2 24 [ H ]4 ATP Auf vier regenerierte ATP kommen 24 [H] die oxidiert werden müssen. Gegenüber den vier Reduktionsäquivalenten aus der Glykolyse ein ganz erheblicher Anfall. Das ist der Grund, warum Pyruvat-Oxidation und Citratzyklus auch nur unter aeroben Bedingungen ablaufen, in der Atmungskette steht Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor zur Verfügung. 3.6.2.Atmungskette Unter aeroben Bedingungen ist die Atmungskette der Teil des Katabolismus, der die Energie für die Regeneration der meisten ATP zur Verfügung stellen kann. Im Grunde ist die Atmungskette nichts anderes als ein primärer Transportportmechsnismus, also ein an eine Reaktion gekoppelter Transport. Die Tatsache, dass etwas transportiert wird legt nahe, dass die Atmungskette mit Membranen im Zusammenhang steht. Tatsächlich befinden sich die Enzyme der Atmungskette bei Prokaryonten in der Zytoplasmamembran 18 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik und bei Eukaryonten in der inneren Membran der Mitochondrien die ja – laut Endosymbiontentheorie – aus Prokaryonten hervorgegangen sind. Genaugenommen handelt es sich um eine primäre Protonen-Pumpe, die eine vektorielle Protonen-Translokation bewirkt. Vektoriell heißt, dass die Protonen nicht neu gebildet sondern schlicht nach außen verschoben werden. Dadurch entsteht ein Protonengradient und ein elektrischer Gradient, das Membranpotential, die die Energie für ATPRegenerierung zur Verfügung stellen, wie im nächsten Abschnitt gezeigt wird. Die Atmungskette besteht aus mehreren Bestandteilen, genauer gesagt aus vier Multienzym-Komplexen, Coenzym Q und Cytochrom c. Der Aufbau ist in Abbildung 6 dargestellt. Abbildung 6: Schematische Darstellung der Atmungskette (Quelle: [11]) Komplex I wird als NADH-Chinon-Oxidorduktase oder auch NADH-Coenzym-Q-Reduktase bezeichnet, was seine Aufgabe zusammenfasst. NADH + H+ wird durch Komplex I reoxidiert. Elektronenakzeptor in diesem Enzymkomplex ist Coenzym Q (wird auf Grund seines ubiquitären Vorkommens auch Ubichinon genannt). Über FAD und einen Fe-SKomplex werden die Elektronen der Reduktionsäquivalente auf Coenzym Q übertragen. Ein Teil der entstehenden Protonen wird dabei durch die Membran nach außen transportiert. Komplex II wird als Succinat-Coenzym-Q-Reduktase bezeichnet. Ein Teil dieses Komplexes ist das Enzym Succinatdehydrogenase des Citratzyklus. Dort werden auf das als prosthetische Gruppe vorliegende Coenzym FAD zwei Reduktionsäquivalent übertragen. Die Elektronen werden an Ubichinon abgegeben, „das (dabei) zu Ubihydrochii- 19 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik non reduziert wird“ ([11]). Auf Grund der geringeren Potentialdifferenz werden hier allerdings keine Protonen transloziert. Coenzym Q ist je nach Quelle entweder „fest in die Membran eingebettet“ [5] oder kann frei „in der Membran [...] diffundieren“ [3]. Übereinstimmend wird es jedoch als stark lipophil bezeichnet. Es dient als Elektronenakzeptor für Komplex I und II und gibt nacheinander zwei Elektronen an den Komplex III ab, wobei wieder Protonen transloziert werden. Komplex III ist der Ort an dem die erwähnte Reoxidation von Coenzym Q stattfindet. Außerdem wird hier Cytochrom c reduziert. Daher heißt dieser Komplex „Cytochrom c – Oxidoreduktase“ oder „Cytochrom c Reduktase“. Dabei werden die Elektronen über Cytochrom b, einen Fe-S-Komplex und Cytochrom c1 auf Cytochrom c übertragen. Cytochrom c ist, was in Abbildung 6 nicht zu erkennen ist, ein Protein, das an der Außenseite der inneren Membran mit dieser verbunden und hydrophil. Es überträgt die Elektronen von Komplex III auf Komplex IV. Komplex IV ist für annähernd den gesamten Sauerstoffbedarf eines Organismus zuständig, hier werden die Elektronen auf diesen terminalen Elektronenakzeptor übertragen. Der Komplex heißt „O2 – Oxidoreduktase“ oder „Cytochrom c Oxidase“. Der molekulare Sauerstoff wird hier zu Wasser reduziert. Die notwendigen Protonen und weitere werden in diesem Komplex transloziert. 3.6.3.Chemiosmotische ATP-Regenerierung Entscheidend für die Energiebilanz der Atmung ist, wie viele Protonen in der Atmungskette transportiert werden konnten. Das hängt von mehreren Faktoren ab, unter anderem von dem vorhandenen Sauerstoff. Diese Protonen sowie das daraus resultierende Membranpotential stellen die Energie zur Verfügung, die für die Regeneration von ATP nötig ist. Die ATP-Regenerierung findet an dem Transmembran-Protein ATP-Synthase statt. Dieses Protein besteht aus zwei Bereichen. Der eine Bereich ist eine Protonenpumpe. Bei Protonenüberschuss außerhalb der Membran funktioniert dieser Bereich als eine Art Turbine (es gibt tatsächlich eine Art Rotation, auch wenn die Funktionsweise eine andere ist), welche die Energie für den zweiten Bereich, eine ATPase, zur Verfügung stellt. Der Transport eines Protons über die Membran stellt mit ca. 19 kJ/mol aber nicht genug Energie zur Verfügung, um ATP zu regenerieren. Dafür sind unter biologischen Bedingungen in etwa 50 kJ/mol notwendig. In der Realität werden etwa vier transportierte Protonen gebraucht, um ein mol ATP zu regenerieren. Das hängt damit zusammen, dass auch biologische Prozesse keinen Wirkungsgrad von 100% haben. Wie im Grundlagenkapitel im Abschnitt über Transportprozesse schon gesagt wurde sind die meisten Transportprozesse reversibel. So kann auch diese Membrangebundene ATP-Synthase Protonen aus der Zelle Pumpen. Dafür wird dann natürlich Energie in Form von ATP verbraucht. 20 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Durch die Atmungskette können in dem oben beschriebenen Fall etwa 136 Protonen im Idealfall transloziert werden. Werden dann pro mol ATP vier Protonen verbraucht, so können 34 ATP regeneriert werden. Mit den vier ATP, die während der Glykolyse regeneriert wurden ergibt sich daraus und aus der Gibbs'schen Energie der Gesamtreaktion ein Wirkungsgrad von etwa 66% für den gesamten Prozess der Oxidation von Glucose. 3.4.Anaerobe Bedingungen Ist Sauerstoff nicht verfügbar, so muss ein anderer Weg gefunden werden, die Reduktionsäquivalente zu „entsorgen“ und Pyruvat weiterzuverarbeiten. In diesem Fall findet eine Gärung statt. 3.4.1.Gärung allgemein Gärung ist der Weg der ATP-Regenerierung in Abwesenheit von Elektronenakzeptoren, die exotherm reduziert werden können. Das Betreiben einer Atmungskette ist dann nicht möglich. Daher muss ein anderer Weg der Phosphorylierung von ADP gefunden werden. Dieser andere Weg ist wieder die Substratkettenphosphorylierung (im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung der Sauerstoffatmung. Um die Substratkettenphosphorylierung zu ermöglichen, müssen aus dem Stoffwechsel aktivierte Intermediate vorhanden sein, die einen Phosphatrest exotherm übertragen können. Eine vollständige Oxidation des Ausgangsstoffes ist auf Grund des fehlenden terminalen Elektronenakzeptors nicht möglich. Daher findet eine Disproportionierung des Substrates statt, teilweise wird es oxidiert, teilweise reduziert. Der reduzierte Anteil, der eine ausgeglichene Redoxbilanz bewirkt, ist das, was man als die eigentlichen Gärprodukte bezeichnet, Verbindungen wie Ethanol oder Acetat. Hier fließen auch die Reduktionsäquivalente ein, die bei Gärungen nicht wie bei der Atmungskette gewinnbringend eingesetzt werden können, sondern ein Problem darstellen, da die Carrier reoxidiert werden müssen. Einen Überblick über die Vergärungsmöglichkeiten der Glucose (repräsentativ für Hexosen) gibt untenstehende Abbildung 7. 21 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Abbildung 7: Die wichtigsten Wege der Vergärung von Glucose (Quelle: [1], Seite 166) Zwei der dargestellten Wege, die Milchsäure- (Lactat-)Gärung und die Alkoholische (Ethanol-) Gärung, werden im folgenden Beispielhaft etwas ausführlicher behandelt, wobei immer Pyruvat als Ausgangsbasis dient. 3.4.2.Milchsäuregärung Die einfachste Gärung ist die so genannte homofermentative Milchsäure-Gärung. Das Enzym Lactat-Dehydrogenase reduziert Pyruvat ausschließlich zu Lactat. Die während der Glykolyse entstandenen Reduktionsäquivalent werden dabei verbraucht und NADH + H+ damit wieder zu NAD+ oxidiert. Die Gesamtreaktion Glucose → 2 Lactat- + 2 H+ hat eine freie Energie von -198 kJ/mol. Da nach der Glykolyse kein ATP mehr regeneriert wird, steht dem eine Bildung von zwei mol ATP gegenüber. Das ist angesichts der biologischen freien Enthalpie von 50 kJ/mol ATP ein ausgesprochen schlechter Wirkungsgrad. Andere Wege der Gärung (mit besser reduzierten Endprodukten) erreichen auf Umwegen deutlich bessere Ausbeuten. Neben der homofementativen Milchsäure-Gärung gibt es auch eine heterofermentative Milchsäure-Gärung. Voraussetzung ist hierfür, dass Glucose nicht durch die Glykolyse sondern über den (weiter unten besprochenen) Pentose-Phosphat-Weg oxidiert wird. Dabei entstehen Zwischenprodukte, die bei der heterofermentativen Milchsäure-Gärung 22 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik zu anderen Gär-Produkten reduziert werden als Lactat. Diese zusätzlichen Produkte sind Acetat, Ethanol und CO2. Während der Milchsäure-Gärung entsteht eine hohe Milchsäure-Konzentration in der Zelle. Von einigen Organismen kann diese Konzentration wieder dazu genutzt werden, um einen Protonengradienten aufzubauen, wenn im elektrogenen Symport mit zwei Protonen Lactat aus der Zelle gepumpt wird (ein entsprechendes Transportsystem muss dafür vorhanden sein). Der Entstandene Protonengradient kann wieder ATP-Synthase antreiben. Dadurch kann bei diesen Milchsäuregärern die schlechte Energiebilanz verbessert werden. 3.4.3.Alkoholische Gärung Fast genauso einfach verläuft die alkoholische Gärung bei Hefen. Auch hier wird kein ATP regeneriert. Da aber die freie Enthalpie der Reaktion Glucose → 2 Ethanol +CO2 mit -235kJ/mol auf eine noch exergonere Reaktion hinweist, ist hier der Wirkungsgrad noch schlechter. Die Alkoholische Gärung verläuft in zwei Schritten. Zunächst wird Pyruvat zu Acetaldehyd umgesetzt. Dabei wird CO2 freigesetzt. Enzymatisch aktiv ist Pyruvat-Decarboxylase. Im zweiten Schritt wird Acetaldehyd durch Alkohol-Dehydrogenase zu Ethanol umgesetzt. Dabei wird – wie bei der Milchsäure-Gärung – NADH + H + zu NAD+ regeneriert, die Reduktionsäquivalente werden verbraucht. Acetaldehyd + 2 [H] → Ethanol 3.5.Alternativen zur Glykolyse Wie schon erwähnt gibt es neben der Glykolyse noch weitere Wege, um Glucose (bzw. anderen Hexosen) zu oxidieren. Ein wichtiger Vertreter dieser Alternativen ist der so genannte Pentosephosphatweg. Dabei wird in mehreren Schritten Glucose zu Ribulose-5-Phosphat umgesetzt. Dabei entstehen Reduktionsäquivalent, die für weitere reduktive Reaktionen nötig sind. Allerdings wird auf diesem Weg kein ATP regeneriert. Dazu muss – und kann – Ribulose-5-Phosphat enzymatisch in Metaboliten der Glykolyse umgewandelt werden. Unter Anderem die zum Beispiel zur Herstellung des Alkohols in Tequila eingesetzten Organismen Zymomonas mobilis beschreiten einen weiteren Alternativ-Weg zum Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, den so genannten Entner-Doudoroff-Weg. Hierbei wird in der Bilanz nur 1 mol ATP regeneriert. Schematisch dargestellt ist dieser Weg in Abbildung 8. Bei dem Entner-Doudoroff-Weg entstehen trotz der geringeren Energieausbeute wieder vier Reduktionsäquivalent. Das erklärt, warum Zymomonas Mobilis eine schnellere Alkohol-Produktion aufweisen kann als Mikroorganismen, die die Glykolyse verwenden – um die nötige Energie zu gewinnen muss die Zelle mehr Substrat umsetzen, die Produkte und die Reduktionsäquivalent müssen beseitigt werden, also muss die Folgereaktion ablaufen. 23 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Abbildung 8: Entner-Doudoroff-Weg (Quelle: [12]) 3.6.Anaerobe Atmung Neben der Atmungskette mit Sauerstoff als terminalem Elektronenakzeptor gibt es auch einige Atmungsprozesse, die unter anaeroben Bedingungen ablaufen können. Hier wird dann Sauerstoff durch einen anderen Elektronenakzeptor ersetzt. Wichtig ist, dass dessen Reduktion genug Energie zur Verfügung stellt um Protonen oder Natrium-Ionen vektoriell zu translozieren. Aus Abbildung 4 ist erkennbar, welche Potentialdifferenz einige Verbindungen zur Verfügung stellen. Vier mögliche anaerobe Atmungsprozesse werden im Folgenden dargestellt: die Denitrifikation, die Reduktion von Sulfat, die anaerobe Atmung mit Metall-Ionen und die Methanogenese. 24 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 3.6.4.Reduktion von Nitrat – Denitrifikation Denitrifikation ist ein Begriff, der für die dissimilative Reduktion von Nitrat zu elementarem Stickstoff verwendet wird. Wichtig ist die Unterscheidung gegenüber der assimilativen Nitratreduktion, die hier nicht behandelt wird. Nitrat ist ein ausgesprochen guter Elektronenakzeptor, der beste nach Sauerstoff. Bei der Oxidation von Hexosen mit Nitrat als terminalem Elektronenakzeptor stehen im besten Fall 90% der freien Energie der Sauerstoffreduktion zur Verfügung, allerdings nur dann, wenn die Reduktion wirklich bis zu N2 abläuft. Einige Organismen, als prominentester Vertreter ist wohl Escherichia coli zu nennen, führen nur den ersten Schritt der Nitratreduktion, die Reduktion zu Nitrit, durch. Einen Überblick über die vollständige Denitrifikation gibt Abbildung 9. Abbildung 9: Denitrifikation (Quelle: [10], Seite 634) So vollständig läuft die Denitrifikation zum Beispiel bei Pseudomonas stutzeri ab. Die beteiligten Elektronenüberträger sind die gleichen wie bei der aeroben Atmung. Anders als Sauerstoff kann Nitrat allerdings nicht in einem Schritt reduziert werden. Es werden mehrere Enzyme benötigt, die Nitrat schrittweise über Nitrit, Stickstoffmonoxid und Lachgas je nach Organismus bis zum Stickstoff reduzieren. Alle beteiligten Enzyme werden nicht exprimiert, wenn molekularer Sauerstoff vorhanden ist, da es sich bei Nitratatmern in der Regel um fakultative Aerobier handelt, d.h. sobald Sauerstoff vorhanden ist wird dieser als terminaler Elektronenakzeptor verwendet. Weitere Voraussetzung zu Ausbildung der Enzyme ist eine hinreichend hohe Nitrat-Konzentration. Der erste Schritt der eigentlichen Reduktion, die Reduktion von Nitrat zum Nitrit, wird von dem Enzym Nitratreduktase katalysiert. Vor dieser Stufe unterscheidet sich die Nitratatmung nur unwesentlich von der aeroben Atmungskette. Bei Organismen, die nicht nur diesen ersten Schritt durchführen folgt die Nitrit-Reduktase. Je nach Organismus wird Nitrit hier zu NO oder weiter bis zum Lachgas (N2O) reduziert. Bei letzteren folgt als nächster Schritt sofort die Reduktion zu N 2, katalysiert von der N2O-Reduktase. Dieses Enzym wird durch Ethin gehemmt. Ist Ethin vorhanden, so ist N2O das Endprodukt. 25 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Bei ersterer Variante kommt vor der N2O-Reduktase noch ein eigenes Enzym um NO zu N2O zu reduzieren, die NO-Reduktase. Dieses Enzym ist das einzige im Bereich der gesamten Nitratreduktion, das Protonen translozieren kann. Daraus folgt bei fehlen dieses Schrittes eine geringere protonenmotorische Kraft und damit eine geringere Regenerierungsrate für ATP. Bei Organismen, die nur den ersten Schritt durchführen besteht die Gefahr der Anreicherung von giftigem Nitrit. 3.6.5.Reduktion von Sulfat Wie bei der Nitratreduktion soll auch bei der Reduktion von Sulfat nur der dissimilative Weg beschrieben werden, also die Reduktion von Sulfat zur Energiegewinnung. Die meisten Sulfat dissimilativ reduzierenden Organismen verwenden als Substrat nicht Glucose sondern Gärprodukte wie Lactat. Sie teilen sich den Lebensraum daher meist mit Gärern. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass Sulfat ein deutlich schlechterer Elektronenakzeptor als Sauerstoff oder Nitrat ist. Die verfügbare freie Energie bei der Verwendung von Glucose als Substrat betrüge nur -480 kJ/mol, meistens verteilt sich diese Energie – wie oben beschrieben – auch noch auf zwei Organismen. Nicht nur darin ist jedoch der große Substratbedarf begründet. Hinzu kommt die Tatsache, dass Sulfat zunächst über ein (spezifisches) Transportsystem aufgenommen und anschießend aktiviert werden muss. Da für die Aktivierung anders als in den meisten anderen Fällen jedoch nicht ein Phosphatrest von ATP übertragen wird, sondern AMP mit Sulfat zu Adenosinphosphosulfat (APS) reagiert (katalysiert durch das Enzym ATPSulfurylase), stehen hier zwei energiereiche Phosphatbindungen negativ zu Buche. Daraus folgt, dass mehr als zwei mol ATP regeneriert werden müssen, um überhaupt eine positive Energiebilanz zu erhalten. Anschließend an die Aktivierung wird die Sulfatgruppe des APS unter Freisetzung von AMP von der APS-Reduktase zu Sulfit reduziert. Ein weiteres Enzym, die Sulfit-Reduktase, reduziert Sulfit schließlich zu Sulfid, das in der Zelle meist in Form von HS- vorliegt, im Symport mit einem weiteren Proton jedoch als H2S durch die Membran nach außen diffundieren kann. Bei dieser letzten Reduktion werden vermutlich wieder Protonen transloziert, was aber nach [1] noch nicht nachgewiesen ist. Cypionka sagt weiterhin, dass auch die bei der Oxidation des Substrates genutzten Elektronenüberträger wie Chinone und Cytochrome alleine für den Aufbau der protonenmotorischen Kraft verantwortlich sein können. Über eine Membrangebundene ATP-Synthase wird anschließend ATP regeneriert. 3.6.6.Reduktion von Metall-Ionen Nur als Ausblick sei hier erwähnt, dass im Bereich der Mikroorganismen selbst Metallionen als Elektronenakzeptoren dienen können. Die häufigsten veratmeten Me26 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik tallionen sind dreiwertige Eisen- (Fe3+) und vierwertige Mangan- (Mn4+) Ionen. Besonders in Sedimenten haben Organismen die diesen Stoffwechselwegen folgen eine größere Bedeutung. Daneben können aber auch Exoten wie Vanadium oder Uran zur Energiegewinnung reduziert werden. Auf Grund des ungeeigneten Redoxpotentials dieser Metallionen verwenden jedoch die meisten Organismen, die Metallionen reduzieren, diese nur als alternative Elektronenakzeptoren. 3.6.7.Carbonatatmung – Methanogenese CO2 ist definitiv kein guter Elektronenakzeptor, jedoch ist es, vor allem in anoxischen Lebensräumen, quasi Ubiquitär. Von daher verwundert es nicht, dass trotz des Geringen Energiegewinnes ( G '0 = -131 kJ/mol bei der Reduktion von CO2 zu Methan) Organismen – streng anaerobe Archaeen, die so genannten Methanogenen – sich die Reduktion von CO2 zu eigen gemacht haben. In den meisten Fällen fungiert H2 als Elektronendonator, jedoch sind auch Acetat oder in seltenen Fällen verschiedene C1-Verbindungen wie Formiat, CO, Methanol,... als Substrat möglich. Aus diesen Substraten folgt, dass Methanogenese betreibende Organismen am Ende der Nahrungskette stehen und immer auf andere Lebewesen angewiesen sind, die diese zur Verfügung stellen. Methanogene kommen unter anderem im Pansen von Wiederkäuern sowie in Sedimenten, Mooren und Reisfeldern vor. Wie der Name schon vermuten lässt, wird bei der Methanogenese das Substrat zu CH4 reduziert. In die Atmosphäre gelangendes Methan trägt zum Treibhauseffekt bei. Im Zuge der zunehmenden Umstellung auf erneuerbare Energien hat Methan und damit die Methanogenese einen bedeutenden Anteil an Biogas. Abbildung 10 zeigt den Ablauf der Methanogenese mit Wasserstoff als Elektronendonator. Am ersten Schritt dieses Pro- Abbildung 10: Methanogenese mit H als 2 zesses ist das Coenzym Methanofuran Elektronendonator (Quelle: [10] Seite 641) beteiligt. Es ist für die Aktivierung und anschließende Reduktion auf Formyl-Niveau zuständig. Das den nächsten Schritt katalysierende Enzym enthält das Coenzym Methanopterin, auf das die Formyl-Gruppe vom 27 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Methanofuran übertragen wird. In zwei weiteren Schritten folgt einen weitere Reduktion über die Stufen des Methenyl und des Methylen zur Methylgruppe. Elektronenüberträger und Protonendonator für die Methanogenese ist das Coenzym F420. Während der Reduktion zum Methyl wird ein Wasser abgespalten und an zwei stellen findet eine Hydrogenierung durch von Wasserstoff reduziertes F420 statt, wie ja in Abbildung 10 zu erkennen ist. Im nächsten Schritt wird die Methylgruppe auf ein Coenzym M (CoM) - haltiges Enzym übertragen und dann durch Methylreduktase weiter reduziert zum Methan. Bei diesem letzten Schritt entsteht aus dem beteiligten Coenzym B (CoB) und dem abgespaltenen CoM CoM-S-S-CoB, ein Disulfidkomplex. Im letzten Schritt wird dieses sogenannte Heterodisulfid vom Transmembranenzym Heterodisulfidreduktase unter Zuhilfenahme von Coenzym F420 wieder reduziert. Dabei können Protonen durch die Membran tranportiert werden, was zum Aufbau eines Protonengradienten führt. Wie schon bekannt kann der Protonengradient zum Antrieb einer Membrangebundenen ATP-Synthase verwendet werden. Die bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methan frei werdende Energie von 131 kJ/mol reicht – je nach Bedingungen – mindestens für die Regeneration von einem mol ATP. 3.7.Lithotrophie Bei allen bisher dargestellten Wegen der Energiegewinnung entstehen aus organischen Substraten anorganische Endprodukte. Anorganische Stoffe sind schließlich außerdem durch vulkanische Aktivität und Verbrennungsvorgänge zu Genüge vorhanden. Kein Wunder also, dass es chemolithotrophe Organismen gibt, die sich diesen Vorrat zunutze machen. Die Tatsache, dass bei chemolithotrophen Organismen anorganische Substrate als Elektronendonator dienen, ist aber auch schon der Hauptunterschied zum Energiestoffwechsel von chemoorganotrophen Lebewesen. Elektronendonatoren können Schwefelverbindungen, vor Allem H2S, NH4+und N2 sowie Fe2+ sein. Ein Ausgezeichneter Elektronendonator ist außerdem Wasserstoff. Als allgemeine Aussage über die Qualität eines Elektronendonators lässt sich formulieren: „Je günstiger der Akzeptor einer Atmung ist, desto ungünstiger ist der daraus gebildete Elektronendonator für lithotrophe Prozesse.“ ([1] Seite 195). Als Elektronenakzeptor können unterschiedliche Stoffe verwendet werden, in viele Fällen jedoch ist Sauerstoff das Mittel der Wahl. 28 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Ein Beispiel für einen lithotrophen Prozess ist die Reaktion, wie sie in sogenannten hydrotrophen Organismen abläuft. Wird Wasserstoff oxidiert und Sauerstoff reduziert, so steht die Energie der Knallgasreaktion zur Verfügung. Diese läuft allerdings nicht explosionsartig ab, sondern wird von dem Enzym Hydrogenase kontrolliert durchgeführt. Die Hydrogenase überträgt die Elektronen des Wasserstoff zunächst auf ein Chinon-Coenzym. Von dort werden sie über einige Cytochrome schlußendlich auf Sauerstoff übertragen, der damit zu Wasser reduziert wird. Diese Elektronentransportkette leistet dabei den Transport von Protonen durch die Membran. Die so entstehende protonenmotorische Kraft kann wieder eine Membangebundene ATP-Synthase antreiben. 3.8.Phototrophie Einer der heute wichtigsten Mechanismen zur Energiegewinnung ist wohl ohne Zweifel die Photosynthese. In allen bisher geschilderten Methoden zur Energiegewinnung nutzen die in chemischen Verbindungen gespeicherte Energie zur Regenerierung von ATP. Einzig die chemolithotrophen Organismen sind in der Lage, ohne organische Substrate Biomasse aufzubauen. Bei chemoorganotrophen Organismen wird mehr Biomasse ab- als aufgebaut. Erst die Möglichkeit, nicht-chemische Energie, nämlich die Energie des Lichtes, zu nutzen, um Biomasse zu synthetisieren, stellt sicher, dass weiterhin genügend chemische Energie zur Verfügung steht. Phototrophie kommt in den verschiedensten Formen vor. Insbesondere sind die anoxygene Photosynthese und die oxygene Photosynthese. Wie der Name schon sagt findet die anoxygene Photosynthese ohne Beteiligung von Sauerstoff statt wohingegen bei der oxygenen Photosynthese Sauerstoff entsteht. Letztere Variante findet bei allen höher entwickelten Pflanzen, Algen und Cyanobakterien statt. Damit Photosynthese stattfinden kann, müssen die Zellen Chlorophyll enthalten. Chemische betrachtet sind Chlorophylle Porphyrenringsysteme. Zu unterscheiden sind die „echten“ Chlorophylle und so genannte Bakterio29 Abbildung 11: Chlorophyll a und Bacteriochlorophyll a (Quelle: [10] Seite 606) Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik chlorophylle. Erstere sind für die oxygene Photosynthese, die meist in den Chloroplasten von Eukaryonten stattfindet und letztere für die für Prokaryonten typische anoxische Photosynthese notwendig. Abbildung 11 zeigt von jedem Typ die häufigste Art, Chlorophyll a und Bacteriochlorophyll a, sowie jeweils ein Absorptionsspektrum von Mikroorganismen, die diesen Typ verwenden. Die grüne Kurve zeigt eine Grünalge mit Chlorophyll a und die rote Kurve ein Purpurbakterium mit Bacteriochlorophyll a. Zwar stammen nicht alle Peaks vom jeweiligen Chlorophyll, eines läßt sich jedoch gut erkennen: Die Absorptionsmaxima liegen bei unterschiedlichen Wellenlängen. Es gibt weit mehr Chlorophyll- bzw. Bacteriochlorophyllarten als a, jeweils mit eigenen Absorptionsmaxima. Das kommt daher, dass jedes Chlorophyll bzw. vor allem Bacteriochlorophyll auf bestimmte Lichtverhältnisse die im Lebensraum des jeweiligen Organismus vorherrschen, optimiert ist. Im folgenden wird die oxygene Photosynthese wie sie bei Pflanzen vorkommt etwas genauer dargestellt. Bei Pflanzen ist das für die Photosynthese zuständige Chlorophyll in einem eigenen Zellorganell, den sogenannten Chloroplasten, angeordnet. Die häufigsten Chlorophyllarten bei Pflanzen sind Chlorophyll a und b. Das Innere der Chloroplasten ist von sogenannten Tylakoiden – das sind spezielle Membranen, die auch als photosynthetische Membranen bezeichnet werden – in zwei getrennte Bereiche eingeteilt. Das ermöglicht, dass später innerhalb des Chloroplast ein Protonengradient aufgebaut wird. Innerhalb der Thylakoide befindet sich das Chlorophyll im Verbund mit Proteinen. Diese Systeme sind so aufgebaut, dass nur ein kleiner Anteil wirklich photosynthetisch aktiv ist. Die umgebenden Moleküle wirken wie eine Art Antennen. Sie leiten die Photonen zu den aktiven Bereichen, den sogenannte Reaktionszentren, weiter. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Photosynthese auch bei schlechten Lichtverhältnissen deutlich verbessert werden. Bei oxygen phototrophen Organismen hat die Photosynthese zwei Aufgaben, die Regenerierung von ATP und die Erzeugung von Reduktionsäquivalenten, die zur Biosynthese im Calvin-Zyklus (hier findet die Fixierung von CO 2 statt, d.h., hier wird Kohlendioxid zu organischen Molekülen reduziert) gebraucht werden. Abbildung 12 zeigt den schematischen Ablauf der Photosynthese bzw. des Elektronentransportes, wie er bei der Photosynthese stattfindet. 30 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Abbildung 12: Elektronentransport bei der Photosynthese (Quelle: [10], Seite 616) Es gibt zwei Photosysteme, Photosystem I und II (PSI und PSII). Jedes Photosystem enthält im Zentrum ein Chlorophyll a mit leicht unterschiedlicher Absorption. PSI absorbiert bei 700 nm, PSII bei 680 nm. Am PSII wird Wasser aufgespalten in zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Ein Elektron wird dabei auf ein oxidiertes PSII übertragen. Durch eine darauf folgende Anregung durch ein Lichtquant der Wellenlänge 680 nm wird das PSII in die Lage versetzt, ein (bislang noch nicht sicher bekanntes) Molekül mit dem Redoxpotential von -0,5 V zu reduzieren. Über mehrere Überträger wird das Elektron schließlich auf das PSI übertragen. Dieses – von einem Photon mit 700 nm angeregt – erreicht dadurch ein Energieniveau, dass es ihm ermöglicht, wieder über einige Zwischenschritte, NAD(P)+ zu reduzieren. Während das Elektron von PSII auf PSI übertragen wird, wandert es in die thermodynamisch günstige Richtung (in Richtung positiverem Redoxpotential). Dadurch wird ein 31 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik Protonengradient über die photosynthetische Membran aufgebaut, der wie üblich eine Membrangebundene ATP-Synthase antreiben kann. Das wird dann als nichtzyklische Photophosphorylierung bezeichnet. Das bezieht sich darauf, dass die Elektronen nicht zum PSII zurückfließen um dieses zu reduzieren, sondern wie schon beschrieben, NAD(P)+. Wenn genug Reduktionsäquivalente vorhanden sind, so besteht die Möglichkeit der zyklischen Photophosphorylierung. Dabei fließt das übertragene Elektron von einem der Überträger nach PSI, einem Ferredoxin, zum Cytochrom bf – Komplex zurück, wie es in Abbildung 12 zu sehen ist. Dadurch kann die Regenerierungsrate von ATP erhöht werden. 32 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 4. Zusammenfassung Lebewesen verbrauchen sehr große Mengen an Energie, wenn sie organische Verbindungen aufbauen oder sich bewegen. Diese Energie wird in Form von ATP gebraucht. Es gibt verschiedene Verfahren, um ATP in ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen. Entweder die Energie wird aus energiereichen organischen Verbindungen gewonnen oder es wird die Energie genutzt, die in anorganischen Verbindungen noch vorhanden ist. Im Fall der Energiegewinnung aus organischen Verbindungen muss klar unterschieden werden zwischen der Energiegewinnung durch Atmung und der Energiegewinnung durch Gärung. Beide Wege ermöglichen es Organismen, genug ATP zu regenerieren. Allerdings sind Atmungsprozesse wesentlich effektiver und verbrauchen daher deutlich weniger Substrat, das ja auch zur Biosynthese noch verwendet werden könnte. Eine weitere Variante ist die Nutzung elektromagnetischer Strahlung in Form von Licht zur Energiegewinnung in der Photosynthese. Vorteil dieses Weges ist, dass der Organismus nicht auf das Vorhandensein energiereicher organischer Verbindungen angewiesen ist. 33 Mechanismen der Energienutzung in lebenden Organismen Sascha Schmidt Fachbereich Maschinenbau / Umwelttechnik 5. Literaturangaben [1] Heribert Cypionka: Grundlagen der Mikrobiologie (3. Auflage) [2] Madigan, Martinko, Parker: Biology of microorganisms [3] Wolfgang Fritsche: Mikrobiologie (3. überarbeitete Auflage) [4] Plattner, Hentschel: Zellbiologie [5] Davidson, Sittman, Hyde: Intensivkurs: Biochemie [6] http://de.wikipedia.org/wiki/Adenosintriphosphat (27.12.2006) [7] http://de.wikipedia.org/wiki/Protonengradient (27.12.2006) [8] http://de.wikipedia.org/wiki/Membrantransport (27.12.2006) [9] http://de.wikipedia.org/wiki/Glykolyse (27.12.2006) [10] Madigan, Martinko: Mikrobiologie (11., überarbeitete Auflage) [11] http://de.wikipedia.org/wiki/Atmungskette (27.12.2006) [12] http://de.wikipedia.org/wiki/Entner-Doudoroff-Weg (27.12.2006) 34
