Bakterieller Stoffwechsel (MiBi VL3-5) PDF

Der Energiestoffwechsel der Bakterien Prof. Haike Antelmann Institut für Biologie - Mikrobiologie Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Der Energiestoffwechsel...

Der Energiestoffwechsel der Bakterien Prof. Haike Antelmann Institut für Biologie - Mikrobiologie Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Der Energiestoffwechsel der Mikroorganismen 1. Einführung Anabolismus und Katabolismus - Chemoorganotrophie und Chemolithotrophie - Redoxreaktionen, energiereiche Verbindungen, Redoxpotentiale und Energiespeicherung 2. Elektronentransportphosphorylierung - Komponenten der Atmungskette, PMF, ATP-synthase, - Aerobe Atmung und anaerobe Atmung 3. Hauptwege des Glucose-Katabolismus - Glykolyse - Pentosephosphat-Zyklus - KDPG-Weg - Citratzyklus und Glyoxalatzyklus - Fermentation 4. Chemolithotrophie und Phototrophie  Stoffwechsel Bausto昀昀wechsel (Anabolismus) Energiesto昀昀wechsel (Katabolismus) Intermediärsto昀昀wechsel (Amphibolismus)  Stoffwechsel Anabolismus (Energieverbrauch: +DG) Katabolismus (Energiefreisetzung: -DG) Amphibolismus (Intermediate aus Katabolismus für Anabolismus bereitgestellt) GRUNDBEGRIFFE Redoxreaktionen im Stoffwechsel Elektronen werden von einem Elektronendonor auf einen Elektronenakzeptor übertragen. Elektronendonor wird oxidiert und der Akzeptor reduziert  Freie Energie von Redoxreaktionen Elektronendonor -ΔG +ΔG Elektronenakzeptor Katabolismus Anabolismus DG= Änderung der freien Energie DG negativ = exergone Reaktion DG positiv = endergone Reaktion ATP, NADH und NADPH sind die Energiespeicher, die Katabolismus und Anabolismus verbinden Anabolismus + DG Amphibolismus Katabolismus ATP - DG NADH + H+  Katabolismus = Energiestoffwechsel Anabolismus = Baustoffwechsel NADH Adenosintriphosphat (ATP) = Energiespeicher der Zelle Energiereiche Säureanhydrid-Bindungen ~ ~ 32 kJ/mol 32 kJ/mol ATP generiert im Katabolismus ATP notwendig für Anabolismus Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Energiereiche Bindungen und DG der Hydrolyse Säureanhydridbindungen energiereiche Bindungen in ATP, PEP, Acetylphosphat; PEP hat höchstes Gruppenübertragungspotential Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Säureanhydride als energiereiche Bindungen Tafel 2.1 Aus: Alberts et al., Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)  NADH als Elektronen- und Protonenüberträger Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid 2e- + 2H+ Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  NADH versus NADPH NADPH und NADH sind energetisch gleichwertig Enzyme spezifisch für entweder NADH oder NADPH ! (Schlüssel-Schloß-Prinzip) High NAD+/NADH ra琀椀o Low NADP+/NADPH ra琀椀o NAD+ für Oxida琀椀onen NADPH für Reduk琀椀onen im Katabolismus im Anabolismus NADH NADPH  Die Vielfalt der Elektronendonatoren für den Katabolismus bei Mikroorganismen Redoxreaktionen Licht Energiequelle Elektronendonator Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Die Vielfalt der Kohlensto昀昀quellen für den Anabolismus bei Mikroorganismen Kohlensto昀昀quelle Organische CO2 Substanzen (Glucose, Acetat) Heterotrophie Autotrophie 15  Die Vielfalt der Elektronenakzeptoren bei Mikroorganismen Elektronenakzeptor x Fermenta琀椀on O2 NO3-, SO42-, Fumarat Aerobe Atmung Anaerobe Atmung 16 Die Stoffwechselvielfalt der Bakterien Heterotrophie Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Chemoorganotrophie Autotrophie Chemolithotrophie Autotrophie Phototrophie  Stoffwechseltypen Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor photo- litho- auto- troph Licht anorganische CO2 Verbindungen chemo- organo- hetero- troph Redoxreaktionen organische organische Verbindungen Verbindungen Der Mensch ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor troph Der Mensch ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor chemo- organo- hetero- troph  E. coli ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor troph Glucose + O2 CO2 + H2O  E. coli ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor chemo- organo- hetero- troph Glucose + O2 CO2 + H2O Ralstonia eutropha ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor troph H2 + ½ O2 H2O C-quelle: CO2 Ralstonia eutropha ist also ? Energie- Elektronen- C-Quelle quelle donor chemo- litho- auto- troph H2 + ½ O2 H2O C-quelle: CO2 Energiestoffwechsel der chemotrophen Bakterien C-Quelle autotroph heterotroph Elektronendonor lithotroph organotroph Energiequelle Chemotroph Phototroph Elektronenakzeptor Atmung anaerobe Atmung Gärung  Sto昀昀wechsel Prinzipien Sto昀昀wechsel umfasst Katabolismus, Anabolismus und Intermediärsto昀昀wechsel ATP, die protonenmotorische Kra昀琀 (PMF) und NAD(P)H sind Energiespeicher, die im Katabolismus generiert werden für Biosynthesen im Anabolismus Energiereiche Bindungen sind z.B. Säureanhydride (ATP etc.), bei deren Hydrolyse freie Energie für den Anabolismus bereitgestellt wird Mikroorganismen haben unterschiedliche Sto昀昀wechseltypen zur Energiegewinnung und C-quellen für den Anabolismus: Phototrophe: Nutzung von Lichtenergie als Energiequelle Chemotrophe: Nutzung von Redoxreak琀椀onen als Energiequelle Lithotrophie: Nutzung eines anorganischen Elektronendonors Organotrophie: Nutzung eines organischen Elektronendonors Autotrophie: Nutzung von CO2 für Neusynthese von Zellmaterial Heterotrophie: Nutzung organischer C-quelle für Neusynthese von Zellmaterial GRUNDBEGRIFFE Redoxreaktionen bei Chemotrophen Elektronen werden von einem Elektronendonor auf einen Elektronenakzeptor übertragen. Elektronendonor wird oxidiert und der Akzeptor reduziert GRUNDBEGRIFFE z.B.: Redoxreaktionen bei Chemolithotrophen Ralstonia eutropha H2 O2 2 H+ O2- Elektronen werden von einem Elektronendonor H2 auf einen Elektronenakzeptor O2 übertragen. Elektronendonor wird oxidiert und der Akzeptor reduziert  Energiequelle der chemotrophen: Chemische Energie aus Redoxreaktionen Redoxpaar Beispiele : Chemolithotroph: H2 + ½ O2 H2O Chemoorganotroph: Glucose + O2 CO2 + H2O Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxpotentiale (E0) von Elektronendonatoren und Elektronenakzeptoren in Chemotrophen ox./red Elektronendonator e- DG0= - n F DE0 Elektronenakzeptor Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxpotentiale (E0´) von Elektronendonatoren und Elektronenakzeptoren in Chemotrophen ox./red Elektronendonator e- n = Anzahl der übertragenen Elektronen DG0= - n F DE0 F = Faraday-Konstante (96,5 kJ/ V. mol) Elektronenakzeptor Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Beispiel zur Berechnung der Freien Energie Chemolithotrophie bei Ralstonia eutropha: H2 + ½ O2 H2O n = Anzahl der übertragenen DG = - n F DE 0 0 Elektronen F = Faraday-Konstante (96,5 kJ/ V. mol) Beispiel zur Berechnung der Freien Energie Chemolithotrophie bei Ralstonia eutropha: H2 + ½ O2 H2O n = Anzahl der übertragenen DG = - n F DE 0 0 Elektronen F = Faraday-Konstante (96,5 kJ/ V. mol) 2 H+/H2: E0 = - 0,42 V ½ O2/H2O : E0 = + 0,82 V Beispiel zur Berechnung der Freien Energie Chemolithotrophie bei Ralstonia eutropha: H2 + ½ O2 H2O n = Anzahl der übertragenen DG = - n F DE 0 0 Elektronen F = Faraday-Konstante (96,5 kJ/ V. mol) 2 H+/H2: E0 = - 0,42 V ½ O2/H2O : E0 = + 0,82 V DE0 = + 1,24 V DG0 = -2. 96,5 kJ/V. mol. 1,24 V DG0 = -239 kJ/mol  Möglichkeiten der Energiespeicherung : ATP-synthese durch Substratkettenphosphorylierung ATP-synthese durch Elektronentransport-Phosphorylierung Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Energiestoffwechsel der chemotrophen Bakterien Chemoorganotrophie Chemolithotrophie E0´ Glucose mV - 550 mV - 550 Sulfit Substrat- phosphorylierung (1 ATP) energetisch - 400 H2 - 320 NADH neutrale „Entsorgung“ - 250 H2S anaerobe Aerobe (NADH + H+) 0 Atmung Atmung Fermentation 0 (2 ATP) (3 ATP) +100 Fumarat Elektronentransport- +400 Nitrat +400 Nitrit phosphorylierung (3 ATP) +800 O2 +800 Sauerstoff DG0= - n F DE0 ATP-synthese durch PMF (oxidative Phosphorylierung) Elektrochemisches NADH2 O2 Membranpotential (PMF) NAD+ H2O ZENTRALE STOFFWECHSELWEGE „Proton motive force“ treibt ATP-Synthase pH-Gradient und elektrochemisches Membranpotential üben auf die ausgestoßenen Protonen eine Kraft in Richtung zurück ins Zellinnere aus: proton motive force (PMF).  ATP-Synthase nutzt PMF zur ATP-Synthese  statischer Kopf ragt ins Zellinnere, der durch drehbaren Stiel mit einer Basis in der Cytoplasmamembran verbunden ist  Protoneneinstrom führt zur Drehung des Stieles  Konformationsänderung und Drehung im Kopf  3 ATP erzeugt durch einströmen von 3 x 3-4 Protonen in die Zelle H+ ATP-synthase-Ak琀椀vität ist reversibel unter anaeroben Bedingungen (Fermenta琀椀on) Anaerobe Fermenta琀椀on Aerobe Atmung  Energiesto昀昀wechsel der Chemotrophen In Redoxreak琀椀onen von Chemotrophen geben energiereiche Elektronendonatoren mit nega琀椀ven Redoxpoten琀椀al Elektronen an Elektronenakzeptoren mit posi琀椀veren Redoxpoten琀椀al ab Freie Energie der Redoxreak琀椀on ist propor琀椀onal zur Redoxpoten琀椀aldi昀昀erenz zwischen Elektronendonator und -akzeptor freie Energie wird gespeichert in ATP, welche durch Substratke琀琀enphosphorylierung (Glycolyse) und Elektronentransportphosphorylierung (Atmungske琀琀e, PMF) generiert wird Substratke琀琀enphosphorylierung: ATP-synthese durch Übertragung einer Phosphatgruppe von einer energiereichen, phosphorylierten Verbindung auf ADP Elektronentransportphosphorylierung: ATP-synthese durch ATP-synthase wird durch das elektrochemische Membranpoten琀椀al (Protonengradient) angetrieben  Aerobe Elektronentransportke琀琀e Komplex I: NADH-Ubichinon- Oxidoreduktase Komplex II: Succinat-Dehydrogenase (aus TCA-zyklus) Komplex III: Ubichinol-CytochromC- Oxidoreduktase Komplex IV: CytochromC- Oxidase Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Elektronen- und Protonenüberträger Flavinmononukleotid FeS-cluster (FMN) 2 Elektronen Elektronen 2 Protonen Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Elektronen- und Protonenüberträger Chinone Cytochrome 2 Elektronen Elektronen 2 Protonen Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Aerobe Elektronentransportke琀琀e 1 NADH oxidiert: 10 Protonen transportiert = 3 ATP O2 und alternative Elektronenakzeptoren NADH Anaerobe Fumarat-Atmung 1 ATP Anaerobe Nitratatmung 2 ATP Aerobe Atmung 3 ATP  Anaerobe Atmungen: Alterna琀椀ve Elektronenakzeptoren (Nitrat, Fumarat…) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Aerobe und anaerobe Atmungsketten Substratoxidoreductase und terminale Oxidoreduktasen sind unterschiedlich, Atmungske琀琀enkomponenten sind ähnlich  Aerobe und anaerobe Atmungsketten NADH: Substratoxidoreduktase ist NADH-Dehydrogenase (Komplex-I) Terminale Oxidoreduktase: Cytochrom-C-oxidase (Komplex-IV)  Eine Bakterienart kann verschiedene Elektronendonoren/-akzeptoren verwenden Elektronendonor: NADH, Formiat, Lactat, Succinat… Elektronenakzeptor: Sauersto昀昀, Nitrat, Fumarat.. Es werden jeweils die stärksten verfügbaren Akzeptoren/Donoren verwendet, wo die Redoxpoten琀椀aldi昀昀erenz am größten und am meisten Energie für ATP-Synthese herauskommt!  Anaerobe Atmung : Nitratatmung und Denitri昀椀ka琀椀on Assimilatorische und dissimilatorische Nitratreduk琀椀on  Aerobe Atmung und anaerobe Nitratatmung Terminale Oxidoreduktase: Terminale Oxidoreduktase: Cytochrom-C-Oxidase Nitratreduktase Nitratreduktase Energiegewinn ist größer bei O2 -Atmung, da Redoxpoten琀椀aldi昀昀erenz zum NADH größer ist mit O2 als Elektronenakzeptor (1,12 V) im Vergleich zu Nitrat (0,74 V) 10 Protonen gepumpt bei O2 -Atmung (3 ATP), nur 8 Protonen bei Nitratatmung (2 ATP) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Kopplung von Nitratatmung und Denitrifikation Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Denitrifikation bei Pseudomonas stutzeri Anaerobe Denitrifikation: dissimilatorische Nitrate Nitrite Nitratatmung = NO Denitri昀椀ka琀椀on in N2O Gase entweichen N2 Kläranlagen Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Assimilatorische und Dissimilatorische Nitratreduk琀椀on Nitrat als Stickstoffquelle Nitrat als Elektronenakzeptor wenn NH4+ fehlt wenn O2 fehlt NO3- Assimilatorische Dissimilatorische Nitratreduktase Nitratreduktase NO-2 Assimilatorische Dissimilatorische Nitritreduktase Nitritreduktase NH2OH NO NO-Reduktase NH3 N2O Gase N2O-Reduktase Organic N (R-NH2) N2  Assimilatorische und Dissimilatorische Nitratreduk琀椀on Nitrat als Stickstoffquelle Nitrat als Elektronenakzeptor wenn NH4+ fehlt wenn O2 fehlt NO3- Assimilatorische Dissimilatorische Nitratreduktase Nitratreduktase NO-2 NH3 - - O2 Assimilatorische Dissimilatorische Nitritreduktase Nitritreduktase NH2OH NO NO-Reduktase NH3 N2O Gase N2O-Reduktase Organic N (R-NH2) N2  Regula琀椀on der dissimilatorischen Nitratreduktase durch globalen Regulator FNR und O2 FNR: Globaler Transkriptionsregulator für Fumarat-Nitratreductase Anaerob: FNR aktiv mit 4Fe-4S-cluster und aktiviert Nitratreduktase (NarGHJI) Aerob: Oxidation und Zerfall des FeS-clusters durch O2 , FNR inaktiv anaerob aerob FNR mit FeS-cluster FNR inaktiv (aktiv) O2 FeS + NarGHJI Nitratreduktase nicht exprimiert NO3- NO2-  Chemoorganotrophie: Die wichtigsten Wege des Katabolismus organischer Verbindungen  Aufnahme von Glucose: PTS Aus: Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2.Auflage, Springer (2012) Überblick: Die 3 Wege des Glucose-Katabolismus Glycolyse: 1. Stufe Vorbereitung Glycerinaldehyd-3-phosphat Glycolyse: 2. Stufe Ertragsphase Glycerinaldehyd-3-phosphat Oxida琀椀on von Aldehyd zu Säure 1,3-Bisphosphoglycerat 3-Phosphoglycerat Substratke琀琀en- 2-Phosphoglycerat phosphorylierung 2-Phosphoenolpyruvat (PEP) Pyruvat Pentose-phosphate pathway NADPH NADPH Ribose-5-P Bedeutung des Pentosephosphatweges Bereitsstellung von Pentosen: Ribose-5-P für Nukleotidbiosynthese Ausbildung von Zuckervielfalt (C4,C5,C6, C7), Hexosen für Katabolismus oder Gluconeogenese NADPH Erzeugung als Reduktionsmittel für Biosynthesen und für Thiol-disulfide- Oxidoreduktasen unter oxidativem Stress !  Entner-Doudoro昀昀 pathway: Alterna琀椀ve zur Glycolyse KDPG-Weg Pyruvate Glycerin- aldehyde-3- P Ertrag: 1 ATP, 1 NADPH + 1 NADH Überblick: Die 3 Wege des Glucose-Katabolismus  Glycolyse, PPC und KDPG-Weg unterschiedlich genutzt in Bakterien Glycolyse  Pyruvatdecarboxylase und Tricarbonsäure-Zyklus Oxidation des Pyruvat zu CO2 Pyruvatdehydrogenase und Citratzyklus Pta AckA Overflow- Metabolismus Citratzyklus Energieausbeute: PDH: 2 NADH 6 ATP TCA: 6 NADH 18 ATP 2 FADH2 4 ATP 2 ATP 2 ATP Energiebilanz für Glucose-oxidation und aerobe Atmung C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O 38 ATP Energiebilanz Glucose-oxida琀椀on und aerobe Atmung C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O 38ATP Glycolyse: Glucose (C6)  2x Pyruvat (C3) 2 ATP 2 NADH (6 ATP) Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus: 2x Pyruvat (C3)  4 x CO2 2 ATP 8 NADH (24 ATP) 2 FADH (4 ATP) 1 mol ATP liefert 30,5 kJ Energie 38 mol ATP: 1159 kJ Verbrennung von 1 mol Glucose liefert: 2872 kJ Wirkungsgrad ca. 40%, der Rest wird als Wärme frei und dient der Aufrechterhaltung der Körpertemperatur Bereitstellung von Kohlensto昀昀verbindungen aus den drei zentralen Sto昀昀wechselwegen Glyoxylatzyklus als anaplerotische Sequenz des Citratzyklus Nutzung von Acetyl-CoA aus Abbau von Alkanen, Fe琀琀säuren, Estern, Alkoholen für Biosynthesen und Gluconeogenese CO2 geht nicht verloren Au昀昀üllzyklus für TCA- Intermediate Fermentation (Gärung) Wann gärt E. coli ? Wenn kein terminaler Elektronenakzeptor vorhanden ist, wenn weder aerobe noch anaerobe Atmung möglich ist !  Bedeutung der Fermentation in der Industrie Milchsäurebakterien, Hefen, Enterobakterien, Clostridien, Propionibakterium Bier & Wein Joghurt, Käse & Sauermilchprodukte Sauergemüse, Silage-Futter Brot Bioethanol Lösungsmittel (Aceton, Butanol, Isopropanol) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Grundprinzipien der Fermentation Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13 th edition (2013), Pearson kein terminaler Elektronenakzeptor vorhanden ATP durch Substratke琀琀enphosphorylierung in Glycolyse oder im Gärungssto昀昀wechsel erzeugt NADH muß energe琀椀sch neutral entsorgt werden, NADH zur Reduk琀椀on von organischen Intermediaten verwendet (z.B. Pyruvat, Acetaldehyd) Redoxbilanz wird ausgleichen durch Exkre琀椀on des Fermenta琀椀onsproduktes (enthält noch viel Energie!)  Grundprinzipien der Fermentation gärende Mikroorganismen in der Natur überall dort vorhanden wo es abbaubare organische Verbindungen gibt, aber Sauerstoff oder alternative Elektronenakzeptoren für die anaerobe Atmung fehlen obligat anaerob oder fakultativ anaerob, d.h. je nach den verfügbaren Elektronenakzeptoren Umschalten des Energiestoffwechsels zwischen aerober Atmung und Gärung entstehende reduzierte Verbindungen sind die charakteristische Gärprodukte nach denen die Gärungen benannt sind (Milchsäure, Ethanol, organische Säuren) Gärende Mikroorganismen in der anaeroben Nahrungskette  Energiespeicherung bei der Atmung und Gärung ATP-synthese durch Substratkettenphosphorylierung Gärung ATP-synthese durch Elektronentransport-Phosphorylierung Atmung Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Glycolyse ist der Hauptweg der Substratkettenphosphorylierung bei vielen gärenden Mikroorganismen Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Energiereiche Verbindungen für die Substratkettenphosphorylierung bei der Gärung aus Overflow-metabolismus aus Glycolyse aus Glycolyse Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson ATP-Ausbeute bei einigen Fermentationen Übersicht über verschiedene Gärungen Übersicht über verschiedene Gärungen  Homofermentative Milchsäuregärung Lactobacillus lactis 2 Lactat Gram-positive Bakterien der Gattung Lactobacilliales (Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus, Pediococcus, Lactobacillus lactis) sind aerotolerant (wachsen mit O2, können O2 nicht nutzen)  Heterofermentative Milchsäuregärung Pentosen Vergärung von Pentosen aus Abbau von P昀氀anzenzellwänden Ethanol Silage Sauerteig Lactat Oenococcus oeni, Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus casei Alkoholische Gärung bei Hefen Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces ellipsoideus 2 Ethanol Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Gemischte Säuregärungen bei E. coli und Enterobacteriacae Glucose Succinat Lactat Pyruvat Acetyl-CoA + Formiat Acetat Ethanol H2 CO2 Acetoin Butandiol Gärprodukte: Säuren (Formiat, Lactat, Succinat, Acetat), Alkohole (Ethanol, Butandiol) und Gase (H2, CO2)  Gemischte Säuregärung bei E. coli Succinat Ethanol Formiat Lactat Acetat Gärprodukte: Säuren (Formiat, Lactat, Succinat, Acetat), Alkohole (Ethanol) und Gase (H2, CO2)  Gemischte Säuregärung von E. coli im Darm Gase CO2 und H2 entstehen Methanogene Bakterien: CO2 und H2  CH4 und 2 H2O Methan ist brennbar Koloskopie und Elektrokauter (heißer Draht zur Verödung/Entfernung)  Butandiol fermentation bei Enterobacteriacae 2 Pyruvat 2,3-Butandiol Enterobacter aerogenes 1= Acetolactat-Synthase 2= Acetolactat-Decarboxylase 3= Butandiol-Dehydrogenase  Propionsäuregärung in Propionibacterium 3 Lactat Acetat + CO2 2 Propionat Gattung Propionibacteria gehört zu den Gram-positiven Actinbacteria obligate anaerob, hoher GC-Gehalt Geben Schweizer Käse den Geschmack im Pansen und Darm von Wiederkäuern: Abbau von Zellulose zu Acetat und Propionat Teil der Hautflora, an Akne beteiligt Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Bu琀琀ersäure- und Butanol/Aceton-Gärung in Clostridium acetobutylicum Ethanol Acetat Clostridien sind Gram- posi琀椀ve und obligate Anaerobe, Sporenbildner Gärung produziert vorangig Säuren Acetat and Butyrat Bei niedrigen pH Wechsel zur Produk琀椀on von Butanol (von Butyrat), Aceton and Isopropanol (von Acetat) Butyrat Pyruvatoxidation zu Acetyl-CoA und CO2 durch die Pyruvat-Ferredoxin-Oxidoreduktase  Bu琀琀ersäure- und Butanol/Aceton-Gärung in Clostridium acetobutylicum Ethanol Acetat Aceton Butanol 2-Propanol Butyrat  Bedeutung von Clostridium acetobutylicum 1915: ABE-Fermenta琀椀on von C. acetobutylicum erstmals beschrieben von Chaim Weizmann, dem ersten Präsidenten des Staates Israel bis Mi琀琀e des 20. Jahrhunderts zur Produk琀椀on von Aceton, Butanol, Ethanol und Acetat, Bu琀琀ersäure im industriellen Maßstab genutzt (18 Mill. Liter Fermenter!) Bacterial Metabolism III. Chemolithotrophie Phototrophie Prof. Haike Antelmann Institut für Biologie - Mikrobiologie  Die Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren  Prinzip der Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren Beispiele für chemolithotrophe Lebensweisen NH4+ und NO2- -oxidation: Nitrifikation Fe2+-oxidation: Thiobacillus ferreoxidans H2-oxidation: Ralstonia eutrophia H2S und S0-oxidation: Sulfur bacteria CO-oxidation: Carboxybakterien  Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxpotentiale (E0) von anorganischen Elektronendonatoren in Chemolithotrophen ox./red Anorganischer Elektronendonator Beispiele: e- H2 H2O 2- H2S S0 SO4 NH4+ NO2- NO2- NO3- Fe2+ Fe3+ Elektronenakzeptor Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxskala chemolithotropher (anorganischer) Elektronendonatoren Aerobe Atmung mit O2 als Elektronenakzeptor Anaerobe Atmungen: H2 und NO3- als Elektronenakzeptoren  Chemolithotrophie und der revertierte Elektronentransport zur NADH-Herstellung NADH (-0,32 V) Redoxpoten琀椀al einiger Elektronendonatoren ist posi琀椀ver als das von NADH ! NADH (+NADPH) für CO2-Fixierung und Anabolismus muß durch rever琀椀erten Elektronentransport (Cyt C, Chinol) hergestellt werden (PMF-abhängig)  Beispiele für Chemolithotrophie: Nitri昀椀ka琀椀on (Oxida琀椀on von Ammonium und Nitrit zu Nitrat) NADH (-0,32 V)  Oxidation von NH4+ zu Nitrit: Nitrifikation (Nitrosomonas) Nitrit NH4+ NH2OH NO2-  Oxidation von Nitrit zu Nitrat: Nitrifikation (Nitrobacter) Nitrit Nitrat NO2- NO3-  Kombina琀椀on von Nitri昀椀zierung und Denitri昀椀zierung zur Abwasserau昀戀ereitung in Kläranlagen Aerobe Anaerobe Nitri昀椀ka琀椀on Denitri昀椀ka琀椀on NH3 als e--Donor Nitrat als e--Akzeptor NH4+-oxida琀椀on Nitratatmung NH4+ oxidiert zu NO2- NO3- reduziert zu: (Nitrosomonas) NO2-, NO, N2O, N2 Gase ! NO2- oxidiert zu NO3- (Pseudomonas stutzeri) (Nitrobacter) Kombina琀椀on von Nitri昀椀zierung und Denitri昀椀zierung zur Abwasserau昀戀ereitung in Kläranlagen zur En琀昀ernung von NH4+ und Umsetzung zu N2 (entweicht als Gas !) Nitri昀椀ka琀椀on und Denitri昀椀ka琀椀on im S琀椀cksto昀昀-Kreislauf Denitrifikation Nitrifikation 14  Anaerobe NH4+ oxidation (Anammox-Bakterien) Brocardia anammoxidans Anaerobe Nitrifizierung (N2 produziert) NH3 als e--Donor NO2- als e--Akzeptor Anammox-Bakterien: Brocardia anammoxidans e--donor NH4+ + NO2- N2 + 2 H2 O e--akzeptor  Anaerobe NH4+ oxida琀椀on im Anammoxosom Brocardia anammoxidans Nitritreductase Hydrazinhydrolase Hydrazindehydrogenase e--donor NH4+ + NO2- N2 + 2 H 2 O e--akzeptor  Beispiele für Chemolithotrophie: Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) NADH (-0,32 V) pH=7 Fe2+ pH=1 Fe2+ Fe2+ Redoxpoten琀椀ale von Fe2+ sehr viel posi琀椀ver bei pH=1 als bei pH=7, wenig Energie bei Fe2+ Oxida琀椀on in Acidophilen!  Beispiele für Chemolithotrophie: Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) Pyrit: FeS2 Fe2+ im Gestein Eisenoxidation: z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans: Leben nur in Habitaten mit viel Fe2+ möglich: z.B. Acid mine drainage  Beispiele für Chemolithotrophie: Aerobe Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) Acidithiobacillus ferrooxidans: Fe2+ + ½O2 + 2H+ Fe3+ + H2O Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Fe2+ oxidation in Acid mine drainage biofilm: Leptospirillium Eisenkreislauf ferrooxidans Acidophilic pink biofilm pH 0.5, 42oC, FeS2 Leptospirillum ferrooxidans Ferroplasma acidophilum Fe2+ Fe3+ Ferroplasma acidophilum Fe3+ Fe3+ Fe 2+ Nature 428: 37-47 (2004)  Beispiele für Chemolithotrophie: Wassersto昀昀oxida琀椀on (Ralstonia eutropha) H2 NADH (-0,32 V)  Ralstonia eutropha: „Knallgas“-Bakterium H2 als Elektronendonator and O2 als Elektronenakzeptor Stark exergone Reak琀椀on H2 + ½O2 H 2O DG0‘ = -237 kJ (1 ATP) Wassersto昀昀 als Elektronendonator A) Energiequelle B) Reduk琀椀onskra昀琀 für CO2-Fixierung Schlüsselenzyme: Hydrogenasen C) membranständige: H2-Oxida琀椀on zur Energiegewinnung D) Cytoplasma琀椀sche : H2-Oxida琀椀on zur NADH-Herstellung Hydrogenase katalysiert die reversible Umwandlung von H2 zu Protonen und Elektronen H2 2 H + 2 e + -  Ralstonia eutropha: „Knallgas“-bakterium H2 als Elektronendonator and O2 als Elektronenakzeptor H2 + ½O2 H 2O Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Beispiele für Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on (Beggiatoa, Thioploca) H2S NADH (-0,32 V)  Beispiele für Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on (Oxida琀椀on von H2S zu S0 und SO42-) Schwefeloxidierer: a) Beggiatoa b) Thioploca c) Thiomargarita namibiensis Anaerobe Oxidation H2S S0 SO42- Elektronendonor: H2S oder S0 Elektronenakzeptor: Nitrat Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Schwefeloxida琀椀on: Beggiatoa sp. Beggiatoa-Ma琀琀en in Tiefseesedimenten Oxidation H2S S0 SO42- Weiße Schwefelgranula Chantal Guidi-Rontani et al., FEMS Microbiology Letters, Vol 359, Issue 2, (2014), Pages 173–181 https://doi.org/10.1111/1574-6968.12551 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Schwefeloxida琀椀on: Thioploca (昀椀lamentöse Riesenbakterien) Fädige Zellen wandern in selbst geschaffenen Röhren im marinen Sediment nach oben und unten zur Aufnahme von H2S oder Nitrat.  Schwefeloxida琀椀on: Riesenbakterium Thiomargarita namibienis Riesenvakuole mit Nitrat als Elektronenakzeptor Oxida琀椀on von H2S zu S0 und Sulfat und anaerobe NO3—Atmung Schwefel in Granula gespeichert, genutzt wenn H2S nicht verfügbar Elektronendonator: H2S or So (Granula) Elektronenakzeptor: NO3- (Vakuole) H2S So (granula) e- 31 (vacuoles) NO3- NO2- Quelle: https://www.mpi-bremen.de/Schwefelbakterien.html http://www.pmbio.icbm.de/mikrobiologischer-garten/de/deantwort038.htm  Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on 3 Wege zur Schwefeloxidation Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Schwefeloxida琀椀on und Sulfatreduk琀椀on im Schwefel-Kreislauf SO42- H2S S0 Dissimilatorische Sulfatreduktion = Sulfatatmung Assimilatorische Sulfatreduktion = S-Einbau in Cys, Met  Schwefeloxidierer und Sulfatreduzierer als Endosymbionten Darmloser mariner Wurm (2-3 cm lang) Olavius algarvensis lebt in den Mi琀琀elmeer- sedimenten, in 5-15 cm Tiefe Proteobakterien in der Ku琀椀kula sind Endosymbionten und versorgen den Wurm g-Proteobakterien (green) d d-Proteobakterien (red) g Olavius symbionts NATURE 443: 950-955 (2006) NATURE 411: 298-302 (2001)  Schwefelkreislauf der Endosymbionten Sulfuroxidation Sulfatreduktion NATURE 443: 950-955 (2006) Schwefeloxidierer als Endosymbionten von Ri昀琀ia pachyp琀椀la Ri昀琀ia-Endosymbionten Ri昀琀ia-Symbionten leben in Bacteriozytenepithel des Trophosoms, erhalten H2S, O2 und CO2 durch Blutgefäße vom Wurm Schwefeloxidierer als Endosymbionten von Ri昀琀ia pachyp琀椀la Ri昀琀ia pachyp琀椀la Röhrenwürmer ohne Verdauungstrakt leben an Hydrothermalen Quellen (Black Smokern) in 3000 Meter Tiefe in Symbiose mit Schwefeloxidierenden Bakterien (Endosymbionten)  Zusammenfassung: Chemolithotrophie Chemolithotrophe oxidieren anorganische Elektronendonatoren, sind meist aerob (manche nutzen Nitratatmung) und autotroph Elektronen werden in Atmungske琀琀e eingespeist, Energie durch Elektronen- Transportphosphorylierung (PMF, ATP-synthase) Elektronen meist auf Stufe Chinon und Cytochrome eingespeist, NAD(P)H- Synthese durch rückläu昀椀gen Elektronentransport erzeugt Elektronendonatoren sind NH4+, NO2- (Nitri昀椀ka琀椀on), Fe2+-oxida琀椀on (Acid mine drainage), H2-oxida琀椀on (Knallgasbakterien mit Hydrogenasen), H2S oder S0 (Sulfur bacteria-Thiomargarita, Thioploca, Beggiatoa) und Endosymbionten von Würmern Olavius, Ri昀琀ia) ohne Verdauungstrakt Chemolithotrophe spielen große Rolle im N-,S- und Fe-Kreislauf ! Ökologische Bedeutung: Nitri昀椀ka琀椀on Abwasserau昀戀ereitung Fe-oxida琀椀on in Kohleminen führt zur Acid mine drainage Schwefeloxida琀椀on in Endosymbionten Autotrophie: CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus Rubisco  Autotrophie: CO2-Fixierung im Reduk琀椀ven (Reversen) TCA-Zyklus Reduk琀椀ver (Reverser) TCA-Zyklus  Phototrophic lifestyles Anoxygenic and oxygenic photosynthesis Photosynthese  Phototrophe Mikroorganismen Photoautotrophie Photoheterotrophie Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  The anoxygenic and oxygenic phototrophs Oxygene Phototrophe produzieren Sauersto昀昀 und nutzen Lichtenergie für die Wasserspaltung (Cyanobacterien, Chloroplasten) Anoxgene Purpurbakterien produzieren keinen O2 und nutzen andere Elektronendonatoren (H2S, S0, Fe2+) für Produk琀椀on der Reduk琀椀onskra昀琀 (NADH) zur CO2-Fixierung Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson The principle of photosynthesis  Oxygenic and anoxigenic phototrophs anoxygenic oxygenic anoxygenic  Anoxygenic phototrophs: Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien (PSII) Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (PSI) Cyanobakterien, Algen Nicht-Schwefelpurpur- Bakterien (Rhodobacter) Schwefel- Purpurbakterien (Chroma琀椀um) Grüne Schwefelbakterien (Chlorobium) Flaches Gewässer mit Schwefelpurpurbakterien  Anoxygenic phototrophs: Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II- Chinon-Typ Phototrophe Bakterien Schwefelpurpurbakterien an warmer Quelle Purpurbakterien Nicht-Schwefelpurpurbakterien  Anoxygenic phototrophs: Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ Chlorobiacea  Pigmente: Chlorophyll und Bacteriochlorophyll Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Antennenkomplexe und Reaktionszentren Chorophyll  Anoxygenic phototrophs Purpurbakterien (Rhodobacter), Grüne Schwefelbakterien (Chlorobi), Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Chloroflexi), Heliobakterien meistens anaerobe nur eines der beiden Photosysteme: PS I oder II Licht löst ein Elektron aus dem PS (Oxidation), dieses fliesst zyklisch durch die Elektronentransportkette zurück zum PS (Reduktion). Protonengradient aufgebaut für ATP-Synthese Elektronen für NAD(P)+-Reduktion kommen aus alternativen Elektronendonatoren (H2, H2S, S, H2S2O3, Fe2+, Gärprodukte, Aromaten)  Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012) Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ  Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ FeS Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012)  Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ FeS Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012)  Energiefluß bei anoxygenen Phototrophen PS-II (Chinon) PS-I (FeS) PS-I (FeS) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Oxygenic phototrophs: Cyanobacteria  Oxygenic photosynthesis nur bei Cyanobacterien (+Algen und P昀氀anzen) fast immer aerob (Atmung) nutzen sowohl PS I als auch PS II Elektronendonor ist Wasser PS II wird durch Licht oxidiert, entzieht Wasser Elektronen (H2O -> O2) und schickt sie über Elektronentransportke琀琀e zum PS I, dann Reduk琀椀on von NADP+ (-> NADPH) NADPH dient der CO2 Fixierung  Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012) Summary phototrophic bacteria  Zusammenfassung: Phototrophie Phototrophie nutzt Lichtenergie zum Au昀戀au von PMF und zur ATP-synthese Licht regt Pigmente (Chrlorophyll, Bacteriochlorophyll) an, spaltet Elektron ab, welches über Elektronentransportke琀琀e transpor琀椀ert wird und dann zurückkehrt ins PS (anoxygene) oder auf NADP übertragen wird (oxygene) Anoxygene Phototrophe: Purpurbakterien, Grüne Schwefelbakterien (Chlorobi), Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Chloro昀氀exi), Heliobakterien meistens anaerobe nur eines der beiden Photosysteme: PS I oder PSII Licht löst ein Elektron aus dem PS (Oxida琀椀on), dieses 昀氀iesst zyklisch durch die Elektronentransportke琀琀e zurück zum PS (Reduk琀椀on). Protonengradient aufgebaut für ATP-Synthese Elektronen für NAD(P)+-Reduk琀椀on kommen aus alterna琀椀ven Elektronendonatoren (H2, H2S, S, H2S2O3, Fe2+, Gärprodukte, Aromaten) Oxygene Phototrophie: Cyanobacterien (+Algen und P昀氀anzen) fast immer aerob (Atmung) nutzen beide Photosysteme: (PS I und PS II) Elektronendonor ist Wasser PS II wird durch Licht oxidiert, entzieht Wasser Elektronen (H2O -> O2) und schickt sie über Elektronentransportke琀琀e zum PS I, dann Reduk琀椀on von NADP+ (-> NADPH) NADPH dient der CO2 Fixierung Bacteriorhodopsin: lichtgetriebene Protonenpumpe der Halobakterien Microbial Life 2e, Sinauer Associates (2007) Bacterial Metabolism III. Chemolithotrophie Phototrophie Prof. Haike Antelmann Institut für Biologie - Mikrobiologie  Die Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren  Prinzip der Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren Beispiele für chemolithotrophe Lebensweisen NH4+ und NO2- -oxidation: Nitrifikation Fe2+-oxidation: Thiobacillus ferreoxidans H2-oxidation: Ralstonia eutrophia H2S und S0-oxidation: Sulfur bacteria CO-oxidation: Carboxybakterien  Chemolithotrophie: Oxidation von anorganischen Elektronendonatoren Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxpotentiale (E0) von anorganischen Elektronendonatoren in Chemolithotrophen ox./red Anorganischer Elektronendonator Beispiele: e- H2 H2O 2- H2S S0 SO4 NH4+ NO2- NO2- NO3- Fe2+ Fe3+ Elektronenakzeptor Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Redoxskala chemolithotropher (anorganischer) Elektronendonatoren Aerobe Atmung mit O2 als Elektronenakzeptor Anaerobe Atmungen: H2 und NO3- als Elektronenakzeptoren  Chemolithotrophie und der revertierte Elektronentransport zur NADH-Herstellung NADH (-0,32 V) Redoxpoten琀椀al einiger Elektronendonatoren ist posi琀椀ver als das von NADH ! NADH (+NADPH) für CO2-Fixierung und Anabolismus muß durch rever琀椀erten Elektronentransport (Cyt C, Chinol) hergestellt werden (PMF-abhängig)  Beispiele für Chemolithotrophie: Nitri昀椀ka琀椀on (Oxida琀椀on von Ammonium und Nitrit zu Nitrat) NADH (-0,32 V)  Oxidation von NH4+ zu Nitrit: Nitrifikation (Nitrosomonas) Nitrit NH4+ NH2OH NO2-  Oxidation von Nitrit zu Nitrat: Nitrifikation (Nitrobacter) Nitrit Nitrat NO2- NO3-  Kombina琀椀on von Nitri昀椀zierung und Denitri昀椀zierung zur Abwasserau昀戀ereitung in Kläranlagen Aerobe Anaerobe Nitri昀椀ka琀椀on Denitri昀椀ka琀椀on NH3 als e--Donor Nitrat als e--Akzeptor NH4+-oxida琀椀on Nitratatmung NH4+ oxidiert zu NO2- NO3- reduziert zu: (Nitrosomonas) NO2-, NO, N2O, N2 Gase ! NO2- oxidiert zu NO3- (Pseudomonas stutzeri) (Nitrobacter) Kombina琀椀on von Nitri昀椀zierung und Denitri昀椀zierung zur Abwasserau昀戀ereitung in Kläranlagen zur En琀昀ernung von NH4+ und Umsetzung zu N2 (entweicht als Gas !) Nitri昀椀ka琀椀on und Denitri昀椀ka琀椀on im S琀椀cksto昀昀-Kreislauf Denitrifikation Nitrifikation 14  Anaerobe NH4+ oxidation (Anammox-Bakterien) Brocardia anammoxidans Anaerobe Nitrifizierung (N2 produziert) NH3 als e--Donor NO2- als e--Akzeptor Anammox-Bakterien: Brocardia anammoxidans e--donor NH4+ + NO2- N2 + 2 H2 O e--akzeptor  Anaerobe NH4+ oxida琀椀on im Anammoxosom Brocardia anammoxidans Nitritreductase Hydrazinhydrolase Hydrazindehydrogenase e--donor NH4+ + NO2- N2 + 2 H 2 O e--akzeptor  Beispiele für Chemolithotrophie: Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) NADH (-0,32 V) pH=7 Fe2+ pH=1 Fe2+ Fe2+ Redoxpoten琀椀ale von Fe2+ sehr viel posi琀椀ver bei pH=1 als bei pH=7, wenig Energie bei Fe2+ Oxida琀椀on in Acidophilen!  Beispiele für Chemolithotrophie: Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) Pyrit: FeS2 Fe2+ im Gestein Eisenoxidation: z.B. Acidithiobacillus ferrooxidans: Leben nur in Habitaten mit viel Fe2+ möglich: z.B. Acid mine drainage  Beispiele für Chemolithotrophie: Aerobe Eisenoxida琀椀on (Oxida琀椀on von Fe2+ zu Fe3+) Acidithiobacillus ferrooxidans: Fe2+ + ½O2 + 2H+ Fe3+ + H2O Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Fe2+ oxidation in Acid mine drainage biofilm: Leptospirillium Eisenkreislauf ferrooxidans Acidophilic pink biofilm pH 0.5, 42oC, FeS2 Leptospirillum ferrooxidans Ferroplasma acidophilum Fe2+ Fe3+ Ferroplasma acidophilum Fe3+ Fe3+ Fe 2+ Nature 428: 37-47 (2004)  Beispiele für Chemolithotrophie: Wassersto昀昀oxida琀椀on (Ralstonia eutropha) H2 NADH (-0,32 V)  Ralstonia eutropha: „Knallgas“-Bakterium H2 als Elektronendonator and O2 als Elektronenakzeptor Stark exergone Reak琀椀on H2 + ½O2 H 2O DG0‘ = -237 kJ (1 ATP) Wassersto昀昀 als Elektronendonator A) Energiequelle B) Reduk琀椀onskra昀琀 für CO2-Fixierung Schlüsselenzyme: Hydrogenasen C) membranständige: H2-Oxida琀椀on zur Energiegewinnung D) Cytoplasma琀椀sche : H2-Oxida琀椀on zur NADH-Herstellung Hydrogenase katalysiert die reversible Umwandlung von H2 zu Protonen und Elektronen H2 2 H + 2 e + -  Ralstonia eutropha: „Knallgas“-bakterium H2 als Elektronendonator and O2 als Elektronenakzeptor H2 + ½O2 H 2O Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Beispiele für Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on (Beggiatoa, Thioploca) H2S NADH (-0,32 V)  Beispiele für Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on (Oxida琀椀on von H2S zu S0 und SO42-) Schwefeloxidierer: a) Beggiatoa b) Thioploca c) Thiomargarita namibiensis Anaerobe Oxidation H2S S0 SO42- Elektronendonor: H2S oder S0 Elektronenakzeptor: Nitrat Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Schwefeloxida琀椀on: Beggiatoa sp. Beggiatoa-Ma琀琀en in Tiefseesedimenten Oxidation H2S S0 SO42- Weiße Schwefelgranula Chantal Guidi-Rontani et al., FEMS Microbiology Letters, Vol 359, Issue 2, (2014), Pages 173–181 https://doi.org/10.1111/1574-6968.12551 Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Schwefeloxida琀椀on: Thioploca (昀椀lamentöse Riesenbakterien) Fädige Zellen wandern in selbst geschaffenen Röhren im marinen Sediment nach oben und unten zur Aufnahme von H2S oder Nitrat.  Schwefeloxida琀椀on: Riesenbakterium Thiomargarita namibienis Riesenvakuole mit Nitrat als Elektronenakzeptor Oxida琀椀on von H2S zu S0 und Sulfat und anaerobe NO3—Atmung Schwefel in Granula gespeichert, genutzt wenn H2S nicht verfügbar Elektronendonator: H2S or So (Granula) Elektronenakzeptor: NO3- (Vakuole) H2S So (granula) e- 31 (vacuoles) NO3- NO2- Quelle: https://www.mpi-bremen.de/Schwefelbakterien.html http://www.pmbio.icbm.de/mikrobiologischer-garten/de/deantwort038.htm  Chemolithotrophie: Schwefeloxida琀椀on 3 Wege zur Schwefeloxidation Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Schwefeloxida琀椀on und Sulfatreduk琀椀on im Schwefel-Kreislauf SO42- H2S S0 Dissimilatorische Sulfatreduktion = Sulfatatmung Assimilatorische Sulfatreduktion = S-Einbau in Cys, Met  Schwefeloxidierer und Sulfatreduzierer als Endosymbionten Darmloser mariner Wurm (2-3 cm lang) Olavius algarvensis lebt in den Mi琀琀elmeer- sedimenten, in 5-15 cm Tiefe Proteobakterien in der Ku琀椀kula sind Endosymbionten und versorgen den Wurm g-Proteobakterien (green) d d-Proteobakterien (red) g Olavius symbionts NATURE 443: 950-955 (2006) NATURE 411: 298-302 (2001)  Schwefelkreislauf der Endosymbionten Sulfuroxidation Sulfatreduktion NATURE 443: 950-955 (2006) Schwefeloxidierer als Endosymbionten von Ri昀琀ia pachyp琀椀la Ri昀琀ia-Endosymbionten Ri昀琀ia-Symbionten leben in Bacteriozytenepithel des Trophosoms, erhalten H2S, O2 und CO2 durch Blutgefäße vom Wurm Schwefeloxidierer als Endosymbionten von Ri昀琀ia pachyp琀椀la Ri昀琀ia pachyp琀椀la Röhrenwürmer ohne Verdauungstrakt leben an Hydrothermalen Quellen (Black Smokern) in 3000 Meter Tiefe in Symbiose mit Schwefeloxidierenden Bakterien (Endosymbionten)  Zusammenfassung: Chemolithotrophie Chemolithotrophe oxidieren anorganische Elektronendonatoren, sind meist aerob (manche nutzen Nitratatmung) und autotroph Elektronen werden in Atmungske琀琀e eingespeist, Energie durch Elektronen- Transportphosphorylierung (PMF, ATP-synthase) Elektronen meist auf Stufe Chinon und Cytochrome eingespeist, NAD(P)H- Synthese durch rückläu昀椀gen Elektronentransport erzeugt Elektronendonatoren sind NH4+, NO2- (Nitri昀椀ka琀椀on), Fe2+-oxida琀椀on (Acid mine drainage), H2-oxida琀椀on (Knallgasbakterien mit Hydrogenasen), H2S oder S0 (Sulfur bacteria-Thiomargarita, Thioploca, Beggiatoa) und Endosymbionten von Würmern Olavius, Ri昀琀ia) ohne Verdauungstrakt Chemolithotrophe spielen große Rolle im N-,S- und Fe-Kreislauf ! Ökologische Bedeutung: Nitri昀椀ka琀椀on Abwasserau昀戀ereitung Fe-oxida琀椀on in Kohleminen führt zur Acid mine drainage Schwefeloxida琀椀on in Endosymbionten Autotrophie: CO2-Fixierung im Calvin-Zyklus Rubisco  Autotrophie: CO2-Fixierung im Reduk琀椀ven (Reversen) TCA-Zyklus Reduk琀椀ver (Reverser) TCA-Zyklus  Phototrophic lifestyles Anoxygenic and oxygenic photosynthesis Photosynthese  Phototrophe Mikroorganismen Photoautotrophie Photoheterotrophie Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  The anoxygenic and oxygenic phototrophs Oxygene Phototrophe produzieren Sauersto昀昀 und nutzen Lichtenergie für die Wasserspaltung (Cyanobacterien, Chloroplasten) Anoxgene Purpurbakterien produzieren keinen O2 und nutzen andere Elektronendonatoren (H2S, S0, Fe2+) für Produk琀椀on der Reduk琀椀onskra昀琀 (NADH) zur CO2-Fixierung Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson The principle of photosynthesis  Oxygenic and anoxigenic phototrophs anoxygenic oxygenic anoxygenic  Anoxygenic phototrophs: Purpurbakterien und Grüne Nicht-Schwefelbakterien (PSII) Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien (PSI) Cyanobakterien, Algen Nicht-Schwefelpurpur- Bakterien (Rhodobacter) Schwefel- Purpurbakterien (Chroma琀椀um) Grüne Schwefelbakterien (Chlorobium) Flaches Gewässer mit Schwefelpurpurbakterien  Anoxygenic phototrophs: Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II- Chinon-Typ Phototrophe Bakterien Schwefelpurpurbakterien an warmer Quelle Purpurbakterien Nicht-Schwefelpurpurbakterien  Anoxygenic phototrophs: Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ Chlorobiacea  Pigmente: Chlorophyll und Bacteriochlorophyll Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Antennenkomplexe und Reaktionszentren Chorophyll  Anoxygenic phototrophs Purpurbakterien (Rhodobacter), Grüne Schwefelbakterien (Chlorobi), Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Chloroflexi), Heliobakterien meistens anaerobe nur eines der beiden Photosysteme: PS I oder II Licht löst ein Elektron aus dem PS (Oxidation), dieses fliesst zyklisch durch die Elektronentransportkette zurück zum PS (Reduktion). Protonengradient aufgebaut für ATP-Synthese Elektronen für NAD(P)+-Reduktion kommen aus alternativen Elektronendonatoren (H2, H2S, S, H2S2O3, Fe2+, Gärprodukte, Aromaten)  Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson  Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012) Purpurbakterien und Grüne Nichtschwefelbakterien Photosystem II: Chinon-typ  Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ FeS Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012)  Grüne Schwefelbakterien und Heliobakterien Photosystem I: FeS-cluster-Typ FeS Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012)  Energiefluß bei anoxygenen Phototrophen PS-II (Chinon) PS-I (FeS) PS-I (FeS) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Oxygenic phototrophs: Cyanobacteria  Oxygenic photosynthesis nur bei Cyanobacterien (+Algen und P昀氀anzen) fast immer aerob (Atmung) nutzen sowohl PS I als auch PS II Elektronendonor ist Wasser PS II wird durch Licht oxidiert, entzieht Wasser Elektronen (H2O -> O2) und schickt sie über Elektronentransportke琀琀e zum PS I, dann Reduk琀椀on von NADP+ (-> NADPH) NADPH dient der CO2 Fixierung  Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Aus: Michael T. Madigan, John M. Martinko u.a.; Brock Mikrobiologie,13th edition (2013), Pearson Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Oxygenic photosynthesis Cyanobakterien (PS-II und PS-I) Slonczewski, Foster, Mikrobiologie, 2nd edition, Springer (2012) Summary phototrophic bacteria  Zusammenfassung: Phototrophie Phototrophie nutzt Lichtenergie zum Au昀戀au von PMF und zur ATP-synthese Licht regt Pigmente (Chrlorophyll, Bacteriochlorophyll) an, spaltet Elektron ab, welches über Elektronentransportke琀琀e transpor琀椀ert wird und dann zurückkehrt ins PS (anoxygene) oder auf NADP übertragen wird (oxygene) Anoxygene Phototrophe: Purpurbakterien, Grüne Schwefelbakterien (Chlorobi), Grüne Nicht-Schwefelbakterien (Chloro昀氀exi), Heliobakterien meistens anaerobe nur eines der beiden Photosysteme: PS I oder PSII Licht löst ein Elektron aus dem PS (Oxida琀椀on), dieses 昀氀iesst zyklisch durch die Elektronentransportke琀琀e zurück zum PS (Reduk琀椀on). Protonengradient aufgebaut für ATP-Synthese Elektronen für NAD(P)+-Reduk琀椀on kommen aus alterna琀椀ven Elektronendonatoren (H2, H2S, S, H2S2O3, Fe2+, Gärprodukte, Aromaten) Oxygene Phototrophie: Cyanobacterien (+Algen und P昀氀anzen) fast immer aerob (Atmung) nutzen beide Photosysteme: (PS I und PS II) Elektronendonor ist Wasser PS II wird durch Licht oxidiert, entzieht Wasser Elektronen (H2O -> O2) und schickt sie über Elektronentransportke琀琀e zum PS I, dann Reduk琀椀on von NADP+ (-> NADPH) NADPH dient der CO2 Fixierung Bacteriorhodopsin: lichtgetriebene Protonenpumpe der Halobakterien Microbial Life 2e, Sinauer Associates (2007)