Grundlagen der Physiologie

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1 Grundlagen der Physiologie 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 1

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 2-4 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) 2

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. Die lithotrophe Sulfidoxidation verbraucht ebenso viel Sauerstoff wie die direkte Oxidation organischer Substanzen Prozesse und Kreisläufe in einem Sediment 3

4 Photosynthese Photosynthese 4

5 Photosynthese im Dunkeln? Lichtgetriebene Protonenpumpe bei Halobacterium (einem Archaeon) 5

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 6

7 Analyse des Energiestoffwechsels Aerobe Atmung Mensch, Tier, Pflanze... Oxygene Photosynthese Cyanobakterien, Pflanzen Anoxygene Photosynthese Photoorganoheterotrophe Bakterien, Rhodospirillum, Roseobacter Nachweis der vektoriellen Protonentranslokation Vektorielle Protonentranslokation Steady state wegen Rückfluss über die ATP-Synthase 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 Hemmstoffe wie Valinomycin oder KSCN) verringert Rückflusskraft und -rate 7

8 Vektorielle Protonentranslokation im Licht 7.1 Licht an Licht aus ph Time (min) 8

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: (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 Organismen: Rhodospirillum und/oder Roseobacter mm ATP im Cytoplasma 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 TCS ist ein (giftiges!) Protonophor, macht die Membran für Protonen durchlässig, sollte ATP- Bildung verhindern 9

10 Atmungsversuch mit der Sauerstoffelektrode Gewaschene Zellen von Rhodospirillum und/oder Roseobacter 100 % Luftsättigung 50 Zusatz von Succinat 3. TCS 2. Licht an Zeit (min) 15 TCS- Wirkung ('Gang raus nehmen'): kein H + -Gradient mehr Lichtwirkung: erhöht H + -Gradient, erschwert Arbeit 10

11 Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder) Biologische Reaktionen von molekularem Sauerstoff Photosynthetische Wasserspaltung Lichtenergie 2 H 2 O O [H] Oxidase-Reaktionen (O 2 reduziert zu Wasser oder Wasserstoffperoxid) Cytochrom-Oxidase O [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] 11

12 Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren Welche Elektronendonatoren werden bei lithotrophen Pprozessen verwendet? In welche Reihenfolge lassen sie sich bringen? Weshalb ist es sinnvoll, dass viele lithotrophe Bakterien auch autotroph wachsen können? Weshalb ist der Satz "Lithotrophe Bakterien gewinnen Energie durch die Oxidation anorganischer Verbindungen" zumindest nicht genau? Was besagt das "Dogma der biologischen Unfehlbarkeit?" Weshalb bilden ein Sulfat-Reduzierer und ein Schwefel-Oxidierer nicht zusammen ein perpetuum mobile? Wie unterscheiden sich der Schwefelbedarf eines farblosen Schwefeloxidierers und eines phototrophen Schwefelbakteriums? Wo enden die Reduktionsequivalente aus dem Schwefel in beiden Fällen? Woher stammt das Sulfid, das phototrophe Schwefelbakterien oxidieren? Für welche biologischen Reaktionen wird Sauerstoff benötigt? 12