Organismus des Tages Clostridium acetobutylicum

1. 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.

2. The uncultured majority 13 9 1205 4 n = published species 1367 220 • Black: 12 original Phyla (Woese 1987)many pure cultures • White: 14 new phyla since 1987some isolates • Gray: 26 candidate phylano isolates 8 1808 91 • What are they all doing ? 11 24 25 Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

3. Phylogenie von C. acetobutylicum • Domäne: Bakterien • Phylum: Firmicutes • Klasse: Clostridia • Ordnung: Clostridiales • Familie: Clostridiaceae • Gattung: Clostridien

4. - If too much acid is produced, the organisms shift to Aceton and Butanol-production.

6. Wodurch wird eigentlich die Reaktion getrieben? Kleiner Ausflug in die Thermodynamik O2 NADH (NAD+/NADH) (Eh0‘ = -0,32 V (O2/H2O) (Eh0‘ = + 0,81 V H NAD+ H2O ∆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)

7. Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0 E0‘ [mV] 810 --– O2/H2O 751 --– NO3-/N2 430 --– NO3-/NO2- 390 --– MnO2/Mn2+ 363 --– NO3-/NH4+ 150 --– FeOOH/Fe2+ 0 - 218 --– SO42-/H2S - 240 --– S0/H2S - 244 --– CO2/CH4 - 414 --– 2H+/H2 - 434 –-- CO2/CH2O

8. Faraday Konstante: F = 9,649 x 104 A x s / mol Gaskonstante: R = 8,314 J / (mol x K) Konstanten

9. Aus Fuchs und Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie

11. Nernstgleichung: 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 Redoxpotential

12. Wie ändert sich das Redoxpotential wenn sich das Redoxpaar um eine Größenordnung ändert?

13. 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‘

14. Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0 E0‘ [mV] O2 H2O 810 --– O2/H2O 751 --– NO3-/N2 NO3-/NO2-/NH4+ 430 --– NO3-/NO2- 390 --– MnO2/Mn2+ FeOOH/Fe2+ 363 --– NO3-/NH4+ e- 150 --– FeOOH/Fe2+ 0 SO42-/S0/H2S hν - 218 --– SO42-/H2S - 240 --– S0/H2S - 244 --– CO2/CH4 CO2/CH4 - 414 --– 2H+/H2 - 434 –-- CO2/CH2O CO2 Organic C

15. ∆G = - n F ∆E freie Enthalpie [J / mol] 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

16. 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?

17. Berechnung der freien Enthalpie unter Standardbedingungen • 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) C6H12O6 + 3 SO42- ↔ 6 HCO3- + 3 HS- + 3 H+ Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für diese Reaktion

19. Gibbs free energies of formation from the elements for compounds of biological interest

21. ATP-Hydrolyse

22. Quantelung derEnergetik der ATP Bildung • 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 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

23. Sind Kinetik und Thermodynamik verbunden? • Trotz aller Indikationen besteht kein mathematisch beschreibbarer Zusammenhang. • Aber! • Die Thermodynamik gibt die Richtung einer Reaktion an • Thermodynamik entscheidet ob eine Reaktion stattfindet • Wird die freie Enthalpie sehr klein, wird die Reaktionsgeschwindigkeit sehr klein weil die treibende Kraft kleiner wird.

24. Hausaufgabe • Berechnung der freien Enthalpie der Oxidation von Acetat mit Sulfat als Elektronenakzeptor • ∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sulfat ist? • C2H3O2- + SO42- ↔ 2 HCO3- + HS- • Produkte minus Edukte • = 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63)) = - 1161,2 + 1114,04 = - 47,16 kJ/mol