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.

The uncultured majority 13 The uncultured majority 9 1205 4 n = published species 1367 220 8 Black: 12 original Phyla (Woese 1987) many pure cultures White: 14 new phyla since 1987 some isolates Gray: 26 candidate phyla no isolates 1808 91 What are they all doing ? 11 24 25 Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003) Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

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

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

Wodurch wird eigentlich die Reaktion getrieben 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)

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

Aus Fuchs und Schlegel: Allgemeine Mikrobiologie

Redoxpotential 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

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

Wie ändert sich das Redoxpotential wenn sich das Redoxpaar um eine Größenordnung ändert? Wenn sich das ox/red Paar um eine Größenordung ändert: E = E0‘ + (0,06 V / n) log (cox/cred) E = E0‘ + (0,06 V / n) log (10-1/1) = E0‘ + 0,06 V x (-1) = E0‘ - 0,06 V E ändert sich um 60 mV gegenüber E0‘

Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0 E0‘ [mV] 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+ SO42-/S0/H2S hν - 218 --– SO42-/H2S - 240 --– S0/H2S - 244 --– CO2/CH4 CO2/CH4 - 414 --– 2H+/H2 - 434 –-- CO2/CH2O Organic C CO2

Redoxpotential und Energie hängen zusammen ∆G = - n F ∆E freie Enthalpie [J / mol] (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

Kann eine Reaktion ablaufen? C6H12O6 + 3 SO42- + 6 H+ ↔ 6 CO2 + 3 H2S + 6 H2O C6H12O6 + 3 SO42- ↔ 6 HCO3- + 3 HS- + 3 H+ Die Oxidation von Glukose mit Sauerstoff wirft für den Organismus viel Energie ab. Kann man mit Sulfat als Elektronenakzeptor auch Energie gewinnen?

Berechnung der freien Enthalpie unter Standardbedingungen 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

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

ATP-Hydrolyse

Quantelung der Energetik 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

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.

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