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Organismus des Tages Clostridium acetobutylicum Geburt der modernen Biotechnologie Gründung des Staates Israel Chaim Weizmann (*1874 Westrußland) Chemiker.

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Präsentation zum Thema: "Organismus des Tages Clostridium acetobutylicum Geburt der modernen Biotechnologie Gründung des Staates Israel Chaim Weizmann (*1874 Westrußland) Chemiker."—  Präsentation transkript:

1 Organismus des Tages Clostridium 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 Black: 12 original Phyla (Woese 1987) many pure cultures White: 14 new phyla since 1987 some isolates Gray: 26 candidate phyla no isolates Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003) Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)  What are they all doing ? n = published species

3 Phylogenie von C. acetobutylicum Domäne: BakterienDomäneBakterien Phylum: FirmicutesFirmicutes Klasse: ClostridiaKlasseClostridia Ordnung: ClostridialesOrdnungClostridiales Familie: ClostridiaceaeFamilieClostridiaceae Gattung: ClostridienGattung

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

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6 Wodurch wird eigentlich die Reaktion getrieben? Kleiner Ausflug in die Thermodynamik NADH O2O2 NAD + H2OH2O H (NAD + /NADH) (Eh 0 ‘ = -0,32 V (O 2 /H 2 O) (Eh 0 ‘ = + 0,81 V ∆E 0 ‘ = E 0 ‘ A - E 0 ‘ B = (+ 0,81 V) - ( -0,32 V) = 1,13 V ∆G o ‘ = - n F ∆E 0 ‘ = - n x 1,13 V x 96,5 kJ / V = kJ x mol (exergon)

7 Konstanten Faraday Konstante: F = 9,649 x 10 4 A x s / mol Gaskonstante: R = 8,314 J / (mol x K)

8 Aus Fuchs und Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie

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10 Redoxpotential Nernstgleichung: E = E 0 + (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 = E 0 + 0,0261 V / n x 2,3 log(ox/red) = E 0 + 0,06 V / n x log(ox/red) Wasserstoffnormalelektrode H 2 ↔ 2H + + 2e - Bei Standardbedingungen (alle Reaktanden = 1, H 2 = 1 Bar, pH = 0) E = E 0 – definitionsgemäß gleich Null gesetzt E 0 ‘ von Wasserstoff für pH = 7,0 (30°C): E 0 ‘ = E 0 + (0,06 V / n) log (c ox (ox) /c red (red) ) E 0 = 0 E 0 ‘ = (0,06 V / n) log ((10 -7 ) 2 /1)H 2 ↔ 2H + + 2e - = (0,06 V / 2) log = 0,03 V x (-14) = - 0,42 V

11 Wie ändert sich das Redoxpotential wenn sich das Redoxpaar um eine Größenordnung ändert?

12 Wenn sich das ox/red Paar um eine Größenordung ändert: E = E 0‘ + (0,06 V / n) log (c ox /c red ) E = E 0 ‘ + (0,06 V / n) log (10 -1 /1) = E 0 ‘ + 0,06 V x (-1) = E 0 ‘ - 0,06 V E ändert sich um 60 mV gegenüber E 0 ‘

13 Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0 E 0 ‘ [mV] –-- CO 2 /CH 2 O – 2H + /H – CO 2 /CH – S 0 /H 2 S – SO 4 2- /H 2 S – NO 3 - /N – FeOOH/Fe – MnO 2 /Mn – NO 3 - /NH – NO 3 - /NO – O 2 /H 2 O CO 2 /CH 4 SO 4 2- /S 0 /H 2 S FeOOH/Fe 2+ NO 3 - /NO 2 - /NH 4 + Organic C CO 2 O2O2 H2OH2O e-e- hνhν

14 Redoxpotential und Energie hängen zusammen (NAD + /NADH) (Eh 0 ‘ = -0,32 V (O 2 /H 2 O) (Eh 0 ‘ = + 0,81 V ∆E 0 ‘ = E 0 ‘ A - E 0 ‘ B = (+ 0,81 V) - ( -0,32 V) = 1,13 V ∆G o ‘ = - n F ∆E 0 ‘ = - n x 1,13 V x 96,5 kJ / V = kJ x mol (exergon) Änderung der Redoxpartner um eine Größenordnung: E = E 0 + (0,06 V / n) log (c ox /c red ) entspricht 60 mV entspricht 5,8 kJ/mol ∆G = - n F ∆Efreie Enthalpie [J / mol]

15 Kann eine Reaktion ablaufen? C 6 H 12 O SO H + ↔ 6 CO H 2 S + 6 H 2 O C 6 H 12 O SO 4 2- ↔ 6 HCO HS H + Die Oxidation von Glukose mit Sauerstoff wirft für den Organismus viel Energie ab. Kann man mit Sulfat als Elektronenakzeptor auch Energie gewinnen?

16 Berechnung der freien Enthalpie unter Standardbedingungen C 6 H 12 O SO 4 2- ↔ 6 HCO HS 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

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

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20 ATP-Hydrolyse

21 Quantelung der Energetik der ATP Bildung Die minimale Energie, die eine Zelle nutzbar konservieren kann, ist ein Proton über die geladene Zytoplasmamembran zu pumpen. Wenn 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], [P i ] = M; [ADP] = M ∆G 0 ‘ = + 49 kJ/mol Wärmeverlust in irreversiblen Reaktionen kJ/mol kJ/mol

22 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.

23 Hausaufgabe Berechnung der freien Enthalpie der Oxidation von Acetat mit Sulfat als Elektronenakzeptor ∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sulfat ist? –C 2 H 3 O SO 4 2- ↔ 2 HCO HS - –Produkte minus Edukte –= 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63)) = , ,04 = - 47,16 kJ/mol


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