Grundlagen der Physiologie

(1)

Grundlagen der Physiologie

www.icbm.de/pmbio

Lithotrophie - Verwertung anorganischer

Elektronendonatoren

Dogma der biologischen Unfehlbarkeit Was auf biologische Weise gebildet wurde, lässt sich auch biologisch wieder abbauen

Gilt ohne Ausnahme, aber nicht ohne

Vorbedingungen und biologische (!) Umwege

(2)

Lithotrophe Prozesse

Elektronen- Oxidiertes Prozess

donator Endprodukt (Beispiel)

H

₂

→ H

⁺

Wasserstoffoxidation

(z.B. Knallgasbakterien)

CH

₄

→→→

^*)

CO

₂

Methanoxidation (Oxygenase!)

O

2

! (Methylo- spez. Methanotrophe Bakterien)

H

₂

S →→→ SO

₄^2-

Sulfurikation (Thiobacillus oder phototrophe Schwefelbakterien)

Fe

²⁺

→ Fe

³⁺

Eisenoxidation (Gallionella)

N

2

→→→ NO

3-

unbekannt (nur über Umwege)

NH

₄⁺

→→→ NO

₃

- Nitrifikation durch zwei Bakterien

NH

₄⁺

→→→ NO

₂^-

Nitrosomonas (Oxygenase!)

O

₂

!

NO

₂^-

→ NO

₃^-

Nitrobacter

H

2

O → O

2

Oxygene Photosynthese

(Cyanobakterien, Chloroplasten)

*)

Mehrere Pfeile deuten auf mehrstufige Prozesse.

Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)

(3)

Prinzipien

o Lithotrophie nur bei Prokaryoten

o Je günstiger der Akzeptor einer Atmung ist, desto ungünstiger ist der daraus gebildete Elektronendonator für lithotrophe Prozesse - und umgekehrt!

o Anorganische Elektronendonatoren können mit Hilfe verschiedener Akzeptoren oxidiert werden, solange deren Redoxpotenzial geeignet ist.

o Ausnahmen bei schwer angreifbaren Molekülen (Alkane, Aromaten, NH ₃ ): Sauerstoff nicht als terminaler

Elektronenakzeptor, sondern als direkter Reaktant in Oxygenase-Reaktionen.

Prozesse und

Kreisläufe in

einem

Sediment

Die lithotrophe

Sulfidoxidation

verbraucht

ebenso viel

Sauerstoff wie

die direkte

Oxidation

organischer

Substanzen

(4)

Photosynthese

(5)

Photosynthese im Dunkeln ?

Lichtgetriebene

Protonenpumpe

bei Halobacterium

(einem Archaeon)

(6)

Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen photropher Organismus

z.B. Rhodospirillum rubrum

Grüne und rote Schwefelbakterien, z.B. Chlorobium

Photosyntheseapparat eines anoxygen phototrophen Bakteriums und cyclischer

Elektronentransport. (1) Membran, (2) Antennenpigmente (light harvesting

complex) (3) Reaktionszentrum, (4) Chinoncyclus, (5) Cytochrom bc

₁

-Komplex, (6)

Bacteriochlorophyll a (special pair, P870), (7) Bacteriophaeophytin, (8) Chinon A

und B (nahe FeS-Zentrum), (9) Cytochrom b, (10) FeS-Protein, (11) Cytochrom c

₁

,

(12) Cytochrom c

₂

(7)

Analyse des Energiestoffwechsels

Aerobe Atmung Oxygene

Photosynthese

Anoxygene Photosynthese Mensch, Tier,

Pflanze...

Cyanobakterien, Pflanzen

Photoorganohetero- trophe Bakterien, Rhodospirillum, Roseobacter

Nachweis der vektoriellen Protonentranslokation

Messung von steady state- Verhältnissen:

- Kurzfristige Auslenkung

Inkubation unter anoxischen

Bedingungen, kleiner Sauerstoffpuls führt zu kurzfristiger Protonentranslokation und Rücklauf mit negativ exponentieller Kinetik (Prozess 1. Ordnung), Aufhebung des Membranpotenzials (durch Hemm- stoffe wie Valinomycin oder KSCN) verringert Rückflusskraft und -rate Vektorielle Protonentranslokation

Steady state wegen Rückfluss über

die ATP-Synthase

(8)

0 2 4

Time (min)

pH 7.0

7.1

6.9 Licht an Licht aus

Vektorielle Protonentranslokation im Licht

(9)

Contribution of aerobic photoheterotrophic bacteria to the carbon cycle in the ocean

Kolber ZS, Plumley FG, Lang AS, Beatty JT, Blankenship RE, VanDover CL, Vetriani C, Koblizek M, Rathgeber C, Falkowski PG

SCIENCE 292: 2492-2495 (2001)

Abstract:

The vertical distribution of bacteriochlorophyll a, the numbers of infrared fluorescent cells, and the variable fluorescence signal at 880 nanometers wavelength, all indicate that photosynthetically competent anoxygenic phototrophic bacteria are abundant in the upper open ocean and comprise at least 11% of the total microbial community.

These organisms are facultative photoheterotrophs, metabolizing organic carbon when available, but are capable of photosynthetic light utilization when organic carbon is scarce. They are globally distributed in the euphotic zone and represent a hitherto unrecognized

component of the marine microbial community that appears to be critical to the cycling of both organic and inorganic carbon in the ocean.

Nachweis der ATP-Bildung durch Atmung und Photosynthese

Ansatz 1: N ₂ , dunkel Ansatz 2: N ₂ , 3 min Licht

Ansatz 3: Luft, 3 min in der Luft geschüttelt, dunkel Ansatz 4: 3 min Licht + Luft

Ansatz 5: 3 min Licht + Luft, mit 50 µM TCS Organismen: Rhodospirillum und/oder Roseobacter

TCS ist ein (giftiges!) Protonophor, macht die Membran für Protonen durchlässig, sollte ATP- Bildung verhindern

mM ATP im Cytoplasma

2.3

4.3

10.8

15.6

2.1

(10)

100 0 50

Zeit (min)

0 5 10

% Luftsättigung

Zusatz von Succinat

3. TCS

2. Licht an

15 Atmungsversuch mit der Sauerstoffelektrode

Gewaschene Zellen von Rhodospirillum und/oder Roseobacter

TCS- Wirkung ('Gang raus nehmen'): kein H ⁺ -Gradient mehr Lichtwirkung: erhöht H ⁺ -Gradient, erschwert Arbeit

(11)

Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)

Biologische Reaktionen von molekularem Sauerstoff

• Photosynthetische Wasserspaltung Lichtenergie

2 H

₂

O → O

₂

+ 4 [H]

• Oxidase-Reaktionen (O

₂

reduziert zu Wasser oder Wasserstoffperoxid) Cytochrom-Oxidase

O

2

+ 4 [H] → 2 H

2

O

• Oxygenase-Reaktionen (O

₂

eingebaut in schwer angreifbares Molekül, z.B. CH

₄

, NH

₃

, Alkane, Aromaten)

Mono-Oxygenase (1 O zu Wasser reduziert, 1 O in Substrat-Molekül) Di-Oxygenase (beide O in Substrat-Molekül)

• Toxische O

₂

-Spezies

Superoxid-Radikal (O

₂^-•

), Wasserstoff-Peroxid (H

₂

O

₂

), Hydroxyl-Radikal (HO

^•

), gebildet durch Reaktion von O

2

mit reduzierenden Verbindungen (unvollständige O

₂

-Reduktion)

• Entgiftung durch Superoxid-Dismutase, Katalase bzw. chem. Reaktionen [• Ozon (O

3

) nicht biologisch produziert, sondern aus Stickoxiden und O

2

unter UV-Einwirkung gebildet]

(12)

Grundlagen der Physiologie

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Lithotrophie - Verwertung anorganischer

Elektronendonatoren

Dogma der biologischen Unfehlbarkeit Was auf biologische Weise gebildet wurde, lässt sich auch biologisch wieder abbauen

Gilt ohne Ausnahme, aber nicht ohne

Vorbedingungen und biologische (!) Umwege

Lithotrophe Prozesse

Elektronen- Oxidiertes Prozess

donator Endprodukt (Beispiel)

H

→ H

Wasserstoffoxidation

(z.B. Knallgasbakterien)

CH

→→→

CO

Methanoxidation (Oxygenase!)

O

! (Methylo- spez. Methanotrophe Bakterien)

H

S →→→ SO

Sulfurikation (Thiobacillus oder phototrophe Schwefelbakterien)

Fe

→ Fe

Eisenoxidation (Gallionella)

N

→→→ NO

unbekannt (nur über Umwege)

NH

→→→ NO

- Nitrifikation durch zwei Bakterien

NH

→→→ NO

Nitrosomonas (Oxygenase!)

O

!

NO

→ NO

Nitrobacter

H

O → O

Oxygene Photosynthese

(Cyanobakterien, Chloroplasten)

Mehrere Pfeile deuten auf mehrstufige Prozesse.

Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)

Prinzipien

o Lithotrophie nur bei Prokaryoten

o Je günstiger der Akzeptor einer Atmung ist, desto ungünstiger ist der daraus gebildete Elektronendonator für lithotrophe Prozesse - und umgekehrt!

o Anorganische Elektronendonatoren können mit Hilfe verschiedener Akzeptoren oxidiert werden, solange deren Redoxpotenzial geeignet ist.

o Ausnahmen bei schwer angreifbaren Molekülen (Alkane, Aromaten, NH 3 ): Sauerstoff nicht als terminaler

Elektronenakzeptor, sondern als direkter Reaktant in Oxygenase-Reaktionen.

Prozesse und

Kreisläufe in

einem

Sediment

Die lithotrophe

Sulfidoxidation

verbraucht

ebenso viel

Sauerstoff wie

die direkte

Oxidation

organischer

Substanzen

Photosynthese

Photosynthese

Photosynthese im Dunkeln ?

Lichtgetriebene

Protonenpumpe

bei Halobacterium

(einem Archaeon)

Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen photropher Organismus

z.B. Rhodospirillum rubrum

Grüne und rote Schwefelbakterien, z.B. Chlorobium

Photosyntheseapparat eines anoxygen phototrophen Bakteriums und cyclischer

Elektronentransport. (1) Membran, (2) Antennenpigmente (light harvesting

complex) (3) Reaktionszentrum, (4) Chinoncyclus, (5) Cytochrom bc

-Komplex, (6)

o Ausnahmen bei schwer angreifbaren Molekülen (Alkane, Aromaten, NH ₃ ): Sauerstoff nicht als terminaler

Ansatz 1: N ₂ , dunkel Ansatz 2: N ₂ , 3 min Licht

TCS- Wirkung ('Gang raus nehmen'): kein H ⁺ -Gradient mehr Lichtwirkung: erhöht H ⁺ -Gradient, erschwert Arbeit