Grundlagen der Physiologie

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.

Prinzipien

o Lithotrophie nur bei Prokaryonten

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 Redoxpotential geeignet ist.

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

Elektronenakzeptor, sondern als direkter Reaktant in

Oxygenase-Reaktionen.

Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)

Prozesse und Kreisläufe in einem

Sediment

Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen

photropher Organismus

Lichtgetriebene

Protonenpumpe

bei Halobacterium

(einem Archaeon)

Photosyntheseapparat eines anoxygen phototrophen Bakteriums und cyclischer Elektronentransport. (1) Membran, (2) Antennenpigmente (light harvesting

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

-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

,

Oxygen photropher Organismus (Legende auch für

die vorherigen Bilder)

Biologische Reaktionen von molekularem Sauerstoff

 Photosynthetische Wasserspaltung Lichtenergie

2 H

O  O

+ 4 [H]

 Oxidase-Reaktionen (O

reduziert zu Wasser oder Wasserstoffperoxid) Cytochrom-Oxidase

O

+ 4 [H]  2 H

O

 Oxygenase-Reaktionen (O

eingebaut in schwer angreifbares Molekül, z.B. CH

, NH

, Alkane, Aromaten)

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

 Toxische O

-Spezies

Superoxid-Radikal (O

), Wasserstoff-Peroxid (H

O

), Hydroxyl-Radikal (HO

), gebildet durch Reaktion von O

mit reduzierenden Verbindungen (unvollständige O

-Reduktion)

 Entgiftung durch Superoxid-Dismutase, Katalase bzw. chem. Reaktionen

[ Ozon (O

) nicht biologisch produziert, sondern aus Stickoxiden und O

unter UV-Einwirkung gebildet]