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Thermodynamik zellularer Prozesse Stand: 15.11.2010 PD Dr. habil. Thomas Maskow.

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Präsentation zum Thema: "Thermodynamik zellularer Prozesse Stand: 15.11.2010 PD Dr. habil. Thomas Maskow."—  Präsentation transkript:

1 Thermodynamik zellularer Prozesse Stand: PD Dr. habil. Thomas Maskow

2 Inhalt: Besonderheiten der Biothermodynamik ? Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöch. Gleichung Triebkräfte mikrobiellen Wachstums Biokalorimetrie 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie Thermodynamik für Ökologen

3 Warum Biothermodynamik ? Thermodynamik in der Biotechnologie Vorhersage der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biomolekülen= f (Struktur, T/pH/P/Lösemitteleigenschaften usw.) Vorhersage von Phasen-Gleichgewichten für Downstream Prozesse Identifikation der Triebkräfte für Bioprozesse Thermodynamische Charakterisierung zellularer Prozesse Prozess-/Stammverbesserung auf Basis einer thermodynamischen Analyse Energetisch determinierte Leistungsgrenzen

4 Biothermodynamik - Neu? Schrödinger (1944) Cambridge Univ. Press Perutz (1987) Nature 326(9), Erwin Schrödinger (1887 – 1961) Book: What Is Live ?... Chapter: Order, Disorder and Entropy...How does the living organism avoid decay ? The obvious answer is: by eating, drinking, breathing and (in the case of plants) assimilating. The technical term is called metabolism What an organism feeds upon is negative entropy. Or, to put it less paradoxically, the essential thing in metabolism is that the organism suceeds in freeing itself from all the entropy it cannot help produce while alive...

5 Wir wissen es doch besser – Warum soll man über 100 Jahre nach Pasteur zellulare Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung (Black Box) beschreiben? Vorhersage von Wachstumsparametern (Y X/S, µ, m E ) ? Abschätzung thermodynamischer Wachstumsparameter (Δ R H, Δ R G o ) ?

6 Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Vorhersage von Wachstumsparametern (Y X/S, µ, m E ) Zelle CH S1 O SO N SN (C – Quelle) CH N1 O NO N NN (N – Quelle) O 2 (e – Akzeptor) H 2 (e – Donor) CH X1 O XO N XN (Biomasse) CH P1 O PO N PN (Produkt) H2OH2O CO 2 Y S/X C S1 H S2 O S3 + Y N/X NH Y O/X O 2 + Y H/X H + + Y H2O/X H 2 O + Y CO2/X HCO C X1 H X2 O X3 N X4 = 0 6 unbekannte Ertragskoeffizienten Y 5 Bilanzgleichungen (4 x Elemente + Ladung)

7 Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Vorhersage von Wachstumsparametern (Y X/S, µ, m E ) 6 unbekannte Ertragskoeffizienten Y 5 Bilanzgleichungen (4 x Elemente + Ladung) Heijnen JJ (1994). Trends Biotechnol. 12: Woher zusätzliche Information ? Spez.Wachstumsgeschwindigkeit Eigenschaften der Kohlenstoffquelle γ D – relativer Reduktionsgrad γ D = 4 n C + n H -2 n O C – Länge der Kohlenstoffkette

8 J. J. Heijnen, M. C. M. van Loosdrecht, L. Tijhuis (1992) Biotechnol. Bioeng. 40, (1992). Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Vorhersage von Wachstumsparametern (Y X/S, µ, m E )

9 Genauigkeit: Δ r G o 20 % Y S/X 15 % Reduktionsgrad der BiomasseC-Atome eines zentralen Präkursors ? Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Vorhersage von Wachstumsparametern (Y X/S, µ, m E ) - Δ r G o (kJ / C-mol)

10 Kann man thermodynamische Daten unbekannter oder komplexer Stoffe abschätzen?

11 Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Berechnung thermodynamischer Wachstumsparameter (Δ R H, Δ R G o ) Edukte C S1 H S2 O S3 H2OH2O NH 4 + C X1 H X2 O X3 N X4 HCO 3 - Molare Bildungsenthalpien Δ F H Produkte Bezugszustand: Elemente Rolle der Bezugszustände ? C X1 H X2 O X3 N X4 NH 4 + C S1 H S2 O S3 Verbrennungsenthalpien Δ C H Bezugszustand: Verbrennungsprodukte HCO 3 - H 2 O...

12 Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Berechnung thermodynamischer Wachstumsparameter (Δ R H, Δ R G o ) Woher Δ C H und Δ C G o für Biomasse oder unbekannte Verbindungen ? Relativer Reduktionsgrad: normieren auf ein C-mol also physiologische Endprodukten wie CO 2, H 2 O, N 2, H 2 SO 4, H 3 PO 4 usw. wird der Reduktionsgrad 0 zugeordnet Thornton 1917 Δ C H (kJ C-mol -1 ) Δ C H (kJ e-mol -1 ) Thornton WM (1917) Philos. Mag. 33: Cordier et al. (1987) Appl. Microbiol. Biotechnol. 25:

13 Beschreibung zellularer Prozesse durch eine stöchiometrische Gleichung Berechnung thermodynamischer Wachstumsparameter (Δ R H, Δ R G o ) Woher Δ C H und Δ C G o für Biomasse oder unbekannte Verbindungen ? 1.Ermittle der relativer Reduktionsgrad aus der Formel oder der Elementaranalyse: 2. Berechne die gewünschte thermodynamische Größe: Roels, 1983 Thornton, 1917; Cordier 1987

14 Nebenerkenntnis Daraus folgt für aerobe Prozesse: 4 Elektronen gehen zum Sauerstoff O 2 4 e-mol/mol-O 2 x – 115 kJ/e-mol = oxykalorisches Äquivalent (Gnaiger, 1983)

15 Was sind Triebkräfte mikrobiellen Wachstums? Kann man Antworten auf diese Grundsatzfrage technisch verwerten?

16 Entropie prod. durch Wachstum R G x. r x = -TS prod °Yx/s H r x T S r x r x Ertragskoeffizient Entropie Export als Wärme and chemisch gebundene Entropie G cat << 0 G bios > 0 Aus der Kooplung von Biosynthese – Energiegenerierung Triebkräfte mikrobiellen Wachstums G bios ~ 0 häufig ΔRGXΔRGX Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden

17 Triebkräfte mikrobiellen Wachstums K. fragilis r H x S. cerevisiae E. coli C. utilis C. pseudotropicalis r G x ° ° Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden Aerobe Respiration C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O 26 (ADP + P i ) 26 ATP

18 Alkoholische Gärung Triebkräfte mikrobiellen Wachstums Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden C 6 H 12 O 6 2C 3 H 2 OH + 2CO 2 ADP + P i ATP

19 C 2 H 4 O 2 CH 4 + CO 2 ADP + P i ATP Endothermes Wachstum durch Methanogenese aus Acetat Y X/S (C-mol/C-mol) T r S X - r G° X - r H° X Triebkräfte mikrobiellen Wachstums Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden Δ r H o X, -Δ r G o X (kJ/C-mol)

20 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O ADP + P i ATP Y X/D (C-mol/mol) T r S° X - r G° X - r H° X Extrem exothermes Wachstum durch Methanogenese aus H 2 und CO 2 Triebkräfte mikrobiellen Wachstums Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden Δ r H o X, -Δ r G o X (kJ/C-mol)

21 H Klassifikation 0 G H H H - TS Alkoholische Gärung AEROBIC RESPIRATION METHANOGENESE aus CO 2 Entropie getrieben METHANOGENESE aus Acetat Enthalpie getrieben Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden

22 Triebkräfte mikrobiellen Wachstums Effizienz vs Geschwindigkeit Y X/S Oxydation von Glukose Alkoholische Gärung Milchsäure-Gärung Methanogenese aus Acetat Entnommen: von Stockar et al. (2004) Thermodynamische Analyse des mikrobiellen Wachstums. BioPerspectives 2004, Wiesbaden Evolution -> Optimale Energienutzung -> konstantes Δ r G x o

23 Taken from: J.-S. Liu et al. / Thermochimica Acta 458 (2007) 38–46 Konstantes Δ r G x o -> Vereinfachte Ertragsvorhersagen ?

24 Aerobes Wachstum Geht es noch einfacher ?????? Anaerobes Wachstum Achtung

25 Thermodynamik auch in der Evolution?

26 Thermodynamik auch in der Evolution ??? Evolution -> Zunahme der Aktivität und Intensität von Lebensprozessen Wärme/Sauerstoffverbrauch – quantitatives Maß für Lebens - Grundumsatz (mW) für alle Poikilotherme (20 o C), Homöotherme (physiologische Temperatur) M - Masse in g k - Konstante zwischen (reine Oberflächenabhängigkeit) und 1 (Massenabhängigkeit), meistens 0,7 – 0,8, Tiergruppenabhängig); Säugetiere k = 0,74 (Kleiber 1967) a - Maß für den Umsatz (wird erhalten nach Extrapolation auf ein hypothetisches Tier von 1g) in mW/g

27 Taken from: Lamprecht und Zotin 1997 Sber. Ges. Naturf. Freunde Bd. 36:

28 Wärmeschwelle 1? Ca. 5 mW

29 Maximal möglicher Umsatz = 10 x Ruheumsatz (a) Bienenkönigin im Flug 45 o C höchste Temperatur im Tierreich Oberhalb Denaturierung von Proteinen, Lipidstrukturen a = 4,74 mW/g; maximaler Umsatz = 47 mW/g Vor der Wärmeschwelle: Nach der Wärmeschwelle: Schnabeligel (Poikilotherme -> Homöotherme) a = 8,3 mW/g; maximaler Umsatz möglich von 83 mW/g Überwindung der 1. Wärmeschwelle durch Thermoregulation Spitzenwert Paridae (Meisen) 49,5 mW/g; Körpertemperatur = 40 – 43 o C Mammalia (Säugetiere) a = 18,0 mW/g; Körpertemperatur 36 – 38 o C

30 2. Wärmeschwelle ?

31 1. Wärmeschwelle ca. 5 mW/g 2. Wärmeschwelle ca. 50 mW/g Urmensch + Feuer - Feuer

32 Sprung über die 2. Wärmeschwelle durch externe Energie

33 Zeichnet sich hier die 3. Wärmeschwelle ab?

34 Man geht davon aus, dass maximal 1% des solaren Energieeinstromes tolerierbar sind (Gorskov, 1980) Sonne W bedeutet, dass W anthropogen erzeugt werden können Zur Zeit 2100 W x 7 Milliarden Menschen ca W Faktor 100 trennt uns von der 3. Wärmeschwelle also zwischen 6 (2 6 = 64) und 7 (2 7 = 128) Verdoppelungen Bisher (letzte 200 Jahre) eine Energieverdoppelung alle 20 Jahre Also ca. 120 oder 140 Jahre bis zur nächsten Wärmeschwelle Die UNO erwartet bei mittlerer Projektion bis ,0 Milliarden und bis ,2 Milliarden Menschen

35 Woher kommen die thermodynamischen Daten?

36 Biokalorimetrie - Mikrokalorimeter

37 Konstante Umgebungstemperatur Δ T ~ K Messgenauigkeit Δ P ~ 0.1 – 3 mW/l

38 Fermenterkalorimeter Messgenauigkeit Δ P ~ 20 – 50 mW/l

39 Reaktionskalorimeter Mettler-Toledo/EPFL BioRC1 2 L Bioreaktor Isotherm (T r = konst.) T j geregelt; Wärmeabfuhr durch Silikonöl (2 L/s) Genauigkeit: ca. 50 mW/L Verbesserte Isolation definierte, kleine Austauschfläche Genauigkeit: < 10 mW/L Voisard et al. (2002) themochimica acta (394)

40 Es ist bald 2011, die Zeit der postgenomischen und systembiologischen Forschung ist angebrochen. Wozu brauche ich noch die Thermodynamik deren Grundlagen vor über 100 Jahren gelegt wurden?

41 Protein-Analyse: 2 D Gel Metabolisches Potenzial

42 Beispiel: Potenzial einer Zelle (a)A B(e) F + K H + E (k) F G (b)B C(f) H + D E + F (m) G L (c)C D(g) A E (d)C + D F + K(h) E F + G RouteY L/A (mol-L/mol-A) [2(-g),3a,3b,2c,d,e,f,k,m] A L1 [3a,3b,2c,d,e,f,3k,5m,2h] 3 A 5 L1.67 [g,h,k,2m]A 2 L2 Welche Route, welcher Ertrag ??? Example taken from: Stephanopoulos GA, Aristidou AA, Nielsen J (1998) Metabolic Engineering Academic Press 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie

43 Metabolische Sequenz: A B C Einschränkung durch den II. HS: Konzentrationsgradienten bestimmen ob eine Route thermodynamisch erlaubt ist! 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie

44 Welcher Konzentrationsgradient erfüllt den 2. HS für eine gegebene Route? Reaktion j erlaubt Keine Aussage Reaktion j Nicht erlaubt Metabolische Routen können eingeschränkt sein durch a)localized bottleneck – Eine Reaktion ist nicht erlaubt b)distributed bottleneck– 2 der mehr R. sind nicht erlaubt H j, min < 0 H j, max < 0 H j, min < 0 H j, max > 0 H j, min > 0 H j, max > 0 withand Mavrovouniotis (1993) ISMB-3 Mavrovouniotis (1996) Chem. Eng. Sci. (51) 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie

45 Beispiel: Milchsäure-Fermentation Glucose G6P F6P FBP DHAPGAP BGP 3PG 2PG PEP PYR LAC GAP ATP ADP ADP + P i ADP NAD + + P i NADH + H + NAD + ADP ATP Δ R G o (kJ mol -1 ) H min H max R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R , Distributed BN H min = < C i < 5 mM 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie

46 Was limitiert die Glucolyse ? R8 3PG 2PG Δ R G 8 o = 4.60 kJ mol -1 R9 2PG PEP Δ R G 8 o = 1.67 kJ mol -1 R5 DHAP GAP Δ R G 8 o = 7.53 kJ mol -1 R6 GAP + NAD+ + Pi BGP + NADH + H+ Δ R G 8 o = 6,28 kJ mol -1 Thermodynamisch erlaubt Thermodynamisch nicht erlaubt 100 Jahre nach Gibbs – Thermodynamik in der Systembiologie

47 DETERMINING G 0 ' FROM GROUP CONTRIBUTIONS f G 0 ' = P 0 + n j P j f G 0 ' = P 0 + n j P j Simplification for biochemical reactions: P 0 and P j for many groups are tabulated (Mavroviounotis, 1991) A B G 0 ' = f G 0 ' - f G 0 ' G 0 ' = f G 0 ' - f G 0 ' G 0 ' = (n j,B - n j,A ) P j G 0 ' = (n j,B - n j,A ) P j A B j i

48 Calculation of G 0 for alcohol dehydrogenase rxn group F G 0 (kJ mol -1 ) G i 0 (kJ mol -1 ) PjPj N° of occurences contri- bution H+H NADH- NAD CH CH OH CH=O Total20.2 CH 3 CH 2 OH CH 3 CH = O H+H+ NAD + NADH Taken from: von Stockar, Thermodynamics in Biochemical Engineering, Mürren, 2005

49 Thermodynamik für die Ökologie Beispiel aus der Umwelttechnik – Abbau organischer Abfälle

50 G<0 Triebkraft Symbiose - Anaerober Interspezies Wasserstoff - Transfer polymere Substrate (Kohlenhydrate, Proteine usw.) Lösliche Fragmente (Saccharide, Aminosäuren usw.) H2H2 CO 2 Org. Säuren AcetatAlkohole Acetat Methan Hydrolyse Exo-enzyme Acidogenese Lactobac., Propionibac., Clostr. Enterobac., Escherichia sp. etc Acetogenese e.g. Syntrophobacter, Syntrophomonas Methanogenese e.g. Methanosarcina barkeri

51 Notwendigkeit anaerober Symbiose ? Symbiose von Synthrophobacter wolnii Methanosarcina barkeri (und anderen) Azetogenese Methanogenese + -

52 Ein thermodynamisches Lebensfenster oder Einer braucht den Anderen ! - Seitz et al. (1990) Arch Microbiol. (155) Wu et al. (1993) Arch Microbiol. (159) Müller (1997) PhD thesis RWTH Aachen Optimum [H 2 ]: Annahmen:

53 Kleines Pepetitorium: Was kennzeichnet die Thermodynamik mikrobieller Produkte und Stoffwandlungen? Klassifiziere die Vielfalt mikrobiellen Lebens aus thermodynamischer Sicht. Beeinflussen der Aggregatzustand aufgenommener oder abgegebener Stoffe bzw. Nebenreaktionen die Triebkräfte mikrobiellen Wachstums? Welche Aussagen kann die Systembiologie aus thermodynamischen Analysen erwarten?

54 Empfehlungen für weiteres Lesen Zur Vertiefung der Vorlesung: Haynie DT (2001) Biological Thermodynamics, Cambridge University Press ISBN Stephanopoulos GN, Aristidu AA, Nielsen J (1998) Metabolic engineering. Academic Press ISBN Demirel Y, Sandler SI (2002) Review Thermodynamics and Bioenergetics. Biophysical Chemistry 97: von Stockar U, van der Wielen LAM (2003) Back to the Basics: Thermodynamics in Biochemical Engineering. In: Process Integration in Biochemical Engineering. Springer Verlag ISBN von Stockar U,van der Wielen LAM (1997) Minireview Thermodynamics in biochemical engineering. Journal of Biotechnology 59: 25-37

55 Fragen ?


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