Bioprocess engineering
Samenvatting; Brock Biology of Microorganisms, Madigan et al., 14th ed., Prentice Hall
(2015)
1
,Hoofdstuk 3 en 5, General microbiologie and Energie (concepts of
modelling growth)
Energy, enzymes and redox reactions
Om te kunnen groeien hebben micro-organismen energie nodig. Bacteriën en archaea kunnen worden verdeel
op basis van de energie bron.
Autotroof = de koolstof bron is C02
Heterotroof = de koolstofbron is organisch materiaal
Zo kan er ook gekeken worden naar de energie bron. Dit kan chemotroof zijn als de energie uit chemicaliën
komt en fototroof als licht de energiebron is. Deze eerste groep kan ook nog verdeeld worden in
chemoörganotroof (als de chemicaliën organisch zijn) en chemolithotroof (wanneer de chemicaliën niet
organisch zijn).
Deze energiebron kan met reacties om worden gezet tot de energie die de cel nodig heeft. Dit is vaak ATP. ATP
kan worden gevormd uit verschillende processen. Deze wordt gevormd met behulp van een heleboel redox
reacties.
De energie die nodig is of die vrij komt bij zo’n reactie kan worden gemeten. Dit noemen we “Bioenergetics” er
zijn hier vier principes voor;
- Energie wordt gemeten in kilojoules (kJ) of warmte
- In elke chemische reactie is energie nodig of komt er energie vrij
- Vrije energie (G): energie dat vrij komt om een reactie tot stand te brengen
- De vrije energie in een reactie wordt weergeven als ∆G0’ (G onder standaard condities)
Een exergone reactie heeft een negatieve ∆G0’ en er komt dus energie vrij, bij een endergone reactie is er een
positieve ∆G0’ en heeft deze juist energie nodig.
∆G = ∆G0’ + (R * T) * ln * Keq
∆G = ∆G0’ + (R * T) * ln * ([C]c * [D]d) / ([A]a * [B]b)
∆G0’ = Gf0 [C+D] – Gf0[A+B]
Hierin is R = 8,29 en T = 25 en Gf0 = free energy of formation
∆G0’ = -n * F * ∆E0’
n = aantal elektronen, F = 96,48 en ∆E0’ = deze kun je aflezen in die elektronen potentiaal tabel = E redox + E
oxidatie
Om een redox reactie te krijgen heb je twee half reacties nodig. In de ene reactie zit een elektronen acceptor
en in de andere een elektronen donor. Een half reactie heeft een elektronen potentiaal, wat in houd dat de
linker kant van de reactie een andere lading heeft dan de rechter kant. Een elektronen donor is de reductor en
heeft hoger elektronenpotentiaal dan de elektronen acceptor en dus oxidator. In de redox toren is precies te
zien hoeveel het elektronenpotentaal per reactie is. (Moet je even “redox tower” opzoeken op Google ofzo).
NAD+, NADP en FAD zijn elektronen dragers. Dit zijn veel voorkomende redox co-enzymen. Deze worden
gebruikt in de glycolyse, citroenzuurcyclus (CZC) en elektronentransport keten (ETK). Deze zorgen ervoor dat
donors en acceptors interactie met elkaar aan gaan. Er zijn ook energierijke compounds hier wordt de energie
die vrij komt uit redoxreacties opgeslagen. Deze zijn acetyl CoA en acetyl fosfaat en glucose 6 fosfaat.
NAD+ kan nadat deze een reactie op gang heeft gezet en dus is omgezet tot NADH weer gerecycled worden.
Hierbij gaat een enzym een reactie aan met NADH die dus een reactie aan gaat met een elektronen acceptor,
deze bind het acceptor substraat en zet vervolgend NADH om tot NAD+. Vervolgens kan NAD+ weer gebruikt
worden in de CZC, waarna het proces weer opnieuw begint.
2
, Energieopslag voor de lange termijn kan in de vorm van onoplosbare polymeren die ATP genereren wanneer
deze geoxideerd worden. Voorbeelden van deze polymeren zijn glycogeen in prokaryoten en zetmeel of
lipiden in eukaryoten.
Om energie te besparen zijn er in chemoörganotrofen twee processen die daar bij helpen. Deze processen zijn;
- Fermentatie (anaeroob)
- Respiratie (aeroob of anaeroob)
Fermentatie is een reactie waarbij organische verbindingen beide elektronen accepteren en doneren die pas
plaats vind wanneer er geen zuurstof aanwezig is. In de glycolyse kan er bijvoorbeeld 2 ATP gevormd worden
door glucose om te zetten in pyruvaat, en pyruvaat in lactaat. Bij fermentatie komen er altijd stoffen vrij die
niet vrij komen wanneer er zuurstof aanwezig is. Bij de omzetting van glucose tot lactaat komt er bijvoorbeeld
naast ATP ook acetaat vrij. Ook kan gist op deze manier bijvoorbeeld alcohol maken. In onderstaande
afbeeldingen zie je meer voorbeelden.
Wanneer een energierijke fosfaat groep bind van een organische verbinden aan een ADP waarbij ATP gevormd
wordt spreken we van substraat level fosforylatie. Oxidatieve fosforylatie is de ATP die vrij komt in de ETK.
Respiratie is het proces waarbij een donor wordt geoxideerd met O2 (aeroob) of een andere organische
verbinding (anaeroob). De donor wordt dus gebruikt als elektronen acceptor. Respiratie komt voor in de
glycolyse, CZC en ETK. Wanneer er zuurstof aanwezig is wordt pyruvaat hierbij geoxideerd tot CO2 in de CZC.
De hoeveelheid ATP die hierbij vrij komt is vele malen groter dan bij fermentatie (namelijk 38 ATP ipv 2).
In de ETK worden NADH en FADH2 omgezet tot ATP. Dit wordt gedaan door eerst de verbindingen te oxideren
zodat de H+ over het membraan wordt getransporteerd. Vervolgens worden 3 of 4 H+ opgevangen door ATP
synthase die er 1 ATP van maakt.
3
Samenvatting; Brock Biology of Microorganisms, Madigan et al., 14th ed., Prentice Hall
(2015)
1
,Hoofdstuk 3 en 5, General microbiologie and Energie (concepts of
modelling growth)
Energy, enzymes and redox reactions
Om te kunnen groeien hebben micro-organismen energie nodig. Bacteriën en archaea kunnen worden verdeel
op basis van de energie bron.
Autotroof = de koolstof bron is C02
Heterotroof = de koolstofbron is organisch materiaal
Zo kan er ook gekeken worden naar de energie bron. Dit kan chemotroof zijn als de energie uit chemicaliën
komt en fototroof als licht de energiebron is. Deze eerste groep kan ook nog verdeeld worden in
chemoörganotroof (als de chemicaliën organisch zijn) en chemolithotroof (wanneer de chemicaliën niet
organisch zijn).
Deze energiebron kan met reacties om worden gezet tot de energie die de cel nodig heeft. Dit is vaak ATP. ATP
kan worden gevormd uit verschillende processen. Deze wordt gevormd met behulp van een heleboel redox
reacties.
De energie die nodig is of die vrij komt bij zo’n reactie kan worden gemeten. Dit noemen we “Bioenergetics” er
zijn hier vier principes voor;
- Energie wordt gemeten in kilojoules (kJ) of warmte
- In elke chemische reactie is energie nodig of komt er energie vrij
- Vrije energie (G): energie dat vrij komt om een reactie tot stand te brengen
- De vrije energie in een reactie wordt weergeven als ∆G0’ (G onder standaard condities)
Een exergone reactie heeft een negatieve ∆G0’ en er komt dus energie vrij, bij een endergone reactie is er een
positieve ∆G0’ en heeft deze juist energie nodig.
∆G = ∆G0’ + (R * T) * ln * Keq
∆G = ∆G0’ + (R * T) * ln * ([C]c * [D]d) / ([A]a * [B]b)
∆G0’ = Gf0 [C+D] – Gf0[A+B]
Hierin is R = 8,29 en T = 25 en Gf0 = free energy of formation
∆G0’ = -n * F * ∆E0’
n = aantal elektronen, F = 96,48 en ∆E0’ = deze kun je aflezen in die elektronen potentiaal tabel = E redox + E
oxidatie
Om een redox reactie te krijgen heb je twee half reacties nodig. In de ene reactie zit een elektronen acceptor
en in de andere een elektronen donor. Een half reactie heeft een elektronen potentiaal, wat in houd dat de
linker kant van de reactie een andere lading heeft dan de rechter kant. Een elektronen donor is de reductor en
heeft hoger elektronenpotentiaal dan de elektronen acceptor en dus oxidator. In de redox toren is precies te
zien hoeveel het elektronenpotentaal per reactie is. (Moet je even “redox tower” opzoeken op Google ofzo).
NAD+, NADP en FAD zijn elektronen dragers. Dit zijn veel voorkomende redox co-enzymen. Deze worden
gebruikt in de glycolyse, citroenzuurcyclus (CZC) en elektronentransport keten (ETK). Deze zorgen ervoor dat
donors en acceptors interactie met elkaar aan gaan. Er zijn ook energierijke compounds hier wordt de energie
die vrij komt uit redoxreacties opgeslagen. Deze zijn acetyl CoA en acetyl fosfaat en glucose 6 fosfaat.
NAD+ kan nadat deze een reactie op gang heeft gezet en dus is omgezet tot NADH weer gerecycled worden.
Hierbij gaat een enzym een reactie aan met NADH die dus een reactie aan gaat met een elektronen acceptor,
deze bind het acceptor substraat en zet vervolgend NADH om tot NAD+. Vervolgens kan NAD+ weer gebruikt
worden in de CZC, waarna het proces weer opnieuw begint.
2
, Energieopslag voor de lange termijn kan in de vorm van onoplosbare polymeren die ATP genereren wanneer
deze geoxideerd worden. Voorbeelden van deze polymeren zijn glycogeen in prokaryoten en zetmeel of
lipiden in eukaryoten.
Om energie te besparen zijn er in chemoörganotrofen twee processen die daar bij helpen. Deze processen zijn;
- Fermentatie (anaeroob)
- Respiratie (aeroob of anaeroob)
Fermentatie is een reactie waarbij organische verbindingen beide elektronen accepteren en doneren die pas
plaats vind wanneer er geen zuurstof aanwezig is. In de glycolyse kan er bijvoorbeeld 2 ATP gevormd worden
door glucose om te zetten in pyruvaat, en pyruvaat in lactaat. Bij fermentatie komen er altijd stoffen vrij die
niet vrij komen wanneer er zuurstof aanwezig is. Bij de omzetting van glucose tot lactaat komt er bijvoorbeeld
naast ATP ook acetaat vrij. Ook kan gist op deze manier bijvoorbeeld alcohol maken. In onderstaande
afbeeldingen zie je meer voorbeelden.
Wanneer een energierijke fosfaat groep bind van een organische verbinden aan een ADP waarbij ATP gevormd
wordt spreken we van substraat level fosforylatie. Oxidatieve fosforylatie is de ATP die vrij komt in de ETK.
Respiratie is het proces waarbij een donor wordt geoxideerd met O2 (aeroob) of een andere organische
verbinding (anaeroob). De donor wordt dus gebruikt als elektronen acceptor. Respiratie komt voor in de
glycolyse, CZC en ETK. Wanneer er zuurstof aanwezig is wordt pyruvaat hierbij geoxideerd tot CO2 in de CZC.
De hoeveelheid ATP die hierbij vrij komt is vele malen groter dan bij fermentatie (namelijk 38 ATP ipv 2).
In de ETK worden NADH en FADH2 omgezet tot ATP. Dit wordt gedaan door eerst de verbindingen te oxideren
zodat de H+ over het membraan wordt getransporteerd. Vervolgens worden 3 of 4 H+ opgevangen door ATP
synthase die er 1 ATP van maakt.
3
