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Aerobe Atmung und Abbau. Organismus des Tages Pseudomonas aeruginosa Systematik KlasseKlasse: GammaproteobacteriaGammaproteobacteria OrdnungOrdnung: PseudomonadalesPseudomonadales.

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Präsentation zum Thema: "Aerobe Atmung und Abbau. Organismus des Tages Pseudomonas aeruginosa Systematik KlasseKlasse: GammaproteobacteriaGammaproteobacteria OrdnungOrdnung: PseudomonadalesPseudomonadales."—  Präsentation transkript:

1 Aerobe Atmung und Abbau

2 Organismus des Tages Pseudomonas aeruginosa Systematik KlasseKlasse: GammaproteobacteriaGammaproteobacteria OrdnungOrdnung: PseudomonadalesPseudomonadales FamilieFamilie: PseudomonadaceaePseudomonadaceae GattungGattung: PseudomonasPseudomonas ArtArt: Pseudomonas aeruginosa Aerugo: griechisch Grünspan, -Glänzt auf Agar metallisch-grün -Speziesname bezieht sich auf die blau-grüne Färbung des Eiters in Wunden

3 The uncultured majority Black: 12 original Phyla (Woese 1987) many pure cultures White: 14 new phyla since 1987 some isolates Gray: 26 candidate phyla no isolates Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003) Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004) What are they all doing ? n = published species

4 Eigenschaften Aerobes Bakterium, teilweise anaerob Ein bedeutender nosokomialer Keim. Definition: Unter einer nosokomialen Infektion (Krankenhausinfektion) wird jede durch Mikroorganismen hervorgerufene Infektion verstanden, die im zeitlichen Zusammenhang (48 h) mit einem Krankenhausaufenthalt oder einem Aufenthalt in einer anderen medizinischen Einrichtung steht, unabhängig davon, ob Krankheitssymptome bestehen oder nicht. Nosokomien hießen die Räumlichkeiten in den Heilstätten im alten Griechenland (z.B. in Epidauros), in denen Patienten mittels eines Heilschlafes behandelt wurden.Mikroorganismen Epidauros Wächst in und verwertet Detergenzien Es verursacht z. B. nach Verbrennungen auf Wunden Infektionen, bei zystischer Fibrose oft Pneumonien, v. a. bei Immunsupprimierten und AIDS-Patienten.zystischer FibrosePneumonien Harnwegsinfekte, Enterocolitis, Meningitis. Zur Hämolyse fähig und produziert Toxine.Hämolyse In der Tiermedizin ist P. aeruginosa an lokalen eitrigen Infektionskrankheiten beteiligt; der Speziesname bezieht sich auf die blau-grüne Färbung des Eiters.

5 P. aeruginosa ist besonders häufig bei Cystic Fibrosis Patienten CF-Patienten: Defekt in Chlorid Kanälen Wenig Flüssigkeit und geringe Effizienz, Organismen auszuhusten Chronische Infektionen über Jahrzehnte –P.ae. Biofilme schützen sich gegen Entzündungsreaktionen. Ev. Rolle von Homoserinlactonen zur Imunrepression –Schutz gegen Antibiotika –Hohe Resistenzraten und Mutatorstämme

6 Eigenschaften Degradation of n-alkanes in diesel oil by Pseudomonas aeruginosa strain WatG (WatG) was verified in soil microcosms. bioavailability of phenanthrene (PHE) enhanced in the presence of rhamnolipid biosurfactant and/or a biosurfactant-producing bacterium, Pseudomonas aeruginosa ATCC Kann Detergentien wie SDS abbauen others

7 Generelle Darstellung der aeroben Atmungskette FMN 1) NADH- Dehydrogenase NADH + H + NAD + 2e - + 2H + [4Fe4S] [2Fe2S] 2e - 4 H + Q 2 H + QH 2 2 H + 3) Ubichinol- Cytochrom-C- oxidoreduktase Cyt-C ox/red [FexSx] 2 H + Cyt b Cyt c 1 2e - Cyt a/a 3 [3 Cu] 2e - ½ O 2 2 H + H2OH2O 4) Cytochrom- C-oxidase 2) Succinat dehydrogenase CN -, CO, N 3 - Antimycin A z.B. Amytal Cytoplasma Periplasma

8 Alternative aerobe Atmungsketten 1)Bei niedrigen O2-Partialdrücken Feinanpassung Keine Cytochrom-c-Oxidase (Endoxidase, Oxidase negativ) Kein Cytochrom bc1 complex Chinoloxidasen oxidieren direkt das Ubichinon entweder mit (Häm 0) oder ohne (Häm d) Protonenpumpe NADH-Dehydrogenase II Expression (keine Protonenpumpe) anstatt NADH-DH I

9 Grundschemata der Elektronentransportkette in den Membranen der Mitochondrien und vieler Bakterien a) NADH + H + NAD + NADH-Dehydrogenase I FMN FeS Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase Cyt bc 1 FeS Cytochrom-c-Oxidase Cyt aa 3 Cu Q Cyt c O2O2 4 H + 2 H +

10 Grundschemata der Elektronentransportkette in Paracoccus denitrificans Substrat-2H-Q- Reduktase Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase Cyt bc 1 FeS Cytochrom-c-Oxidase Cyt aa 3 Cu Cytochrom-c-Oxidase Cyt o Substrat Q Cyt c O2O2 O2O2 Chinol- Oxidase Cyt c Cyt o O2O2 b) 4 H + 2 H + 4 H + 2 H +

11 Grundschemata der Elektronentransportkette in Escherichia coli Substrat-2H-Q- Reduktase Substrat O2O2 O2O2 Chinol- Oxidase Cyt b Cu Cyt o c) Q Chinol- Oxidase Cyt b Cyt d 4 H + 2 H + 4 H + 2 H + Geringe Affinität für O 2, K M ca. 3 µMHohe Affinität für O 2, K M ca. 0,1 µM

12 NADH + H + NAD + NADH-Dehydrogenase FMN FeS Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase Cyt bc 1 FeS Cytochrom-c-Oxidase Cyt aa 3 Cu Q Cyt c O2O2 Substrat-2H-Q- Reduktase Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase Cyt bc 1 FeS Cytochrom-c-Oxidase Cyt aa 3 Cu Cytochrom-c-Oxidase Cyt o Substrat Q Cyt c O2O2 O2O2 Chinol- Oxidase Cyt c Cyt o O2O2 Substrat-2H-Q- Reduktase Substrat O2O2 O2O2 Chinol- Oxidase Cyt b Cu Cyt o Q Chinol- Oxidase Cyt b Cyt d Grundschemata der Elektronentransportkette in den Membranen der Mitochondrien und vieler Bakterien a)Mitochondrien und viele Bakterienb) Paracoccus denitrificans c) E. coli

13 Berechnung der freien Enthalpie mit realen Konzentrationen C 2 H 3 O SO HCO HS - 1)Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie einer Reaktion unter Standardbedingungen (alle Reaktanden in 1 M Konzentration, 300 K und pH = 7 ergibt G 0 2)Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie unter realen Konzentrationen Angenommene Reaktion mit aA + bB pP + qQ (T= 300 K) G = G0 + RT ln (c P ) p x (c Q ) q (c A ) a x (c B ) b Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für Acetat und SO 4 2- Tabellen austeilen mit freien Bildungsenthalpien

14 Berechnung mit realen Konzentrationen Angenommene Reaktion mit aA + bB pP + qQ G0 für Acetatoxidation mit Sulfat ist? –C 2 H 3 O SO HCO HS - –Produkte minus Edukte –= 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63)) = , ,04 = - 47,16 kJ/mol G = G0 + RT ln (cP) p x (cQ) q (cA) a x (cB) b 1) G = - 47,16 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,010 HCO3-) 2 x (0,001 HS-) 1 (0,010 Acetat) 1 x (0,010 Sulfat) 1 = - 47,16 kJ/mol + 5,75 kJ/mol log 0,001 = - 47,16 kJ/mol – 17,25 kJ/mol = - 47,16 kJ/mol – 17,25 kJ/mol = - 64,41 kJ/mol (Wieviel ATP entspricht das?) Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden: 1) Acetat 10 mM, 1 mM HS-, 10 mM Bicarbonat, 10 mM Sulfat

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16 Merke! Tabellenwerte sind schon auf wässrige Lösungen berechnet. D.h. für Wasser wird nicht 55,5 M eingesetzt sondern 1. Das gleiche gilt für Protonen, solange wir mit den G 0 Werten für pH 7.0 rechnen. Bei Gasen wird wegen der geringen Löslichkeit der Partialdruck angegeben.

17 Berechnung der freien Enthalpie mit realen Konzentrationen C 2 H 3 O O 2 2 HCO H + 1)Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie einer Reaktion unter Standardbedingungen (alle Reaktanden in 1 M Konzentration, 300 K und pH = 7 ergibt G 0 2)Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie unter realen Konzentrationen Angenommene Reaktion mit aA + bB pP + qQ G = G0 + RT ln (c P ) p x (c Q ) q (c A ) a x (c B ) b Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für Acetat und Sauerstoff Tabellen austeilen mit freien Bildungsenthalpien

18 Berechnung mit realen Konzentrationen Angenommene Reaktion mit aA + bB pP + qQ G0 für Acetatoxidation mit Sauerstoff ist? –C 2 H 3 O O 2 2 HCO H + –Produkte minus Edukte –= 2 x (- 586,85) + (- 39,9) – (- 369,4 – 2 x 0) = , ,4 = - 844,2 kJ/mol G = G0 + RT ln (cP) p x (cQ) q (cA) a x (cB) b 1) G = - 844,2 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,010 HCO3-) 2 (0,010 Acetat) 1 x (0,23 O2) 2 = - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol log (10 -2 ) - log (0,0529) = - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (-2 + 1,28) = - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (- 0,72) = - 844,2 kJ/mol – 4,14 kJ/mol = - 840,06 kJ/mol Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden (geschlossenes Gefäß): 1) Acetat 10mM, 23 % O 2, 10 mM Bicarbonat, pH 7,0

19 Berechnung mit realen Konzentrationen Angenommene Reaktion mit aA + bB pP + qQ G0 für Acetatoxidation mit Sauerstoff ist? –C 2 H 3 O O 2 2 HCO H + –Produkte minus Edukte –= 2 x (- 586,85) + (- 39,9) – (- 369,4 - 0) = , ,4 = - 844,2 kJ/mol G = G0 + RT ln (cP) p x (cQ) q (cA) a x (cB) b 2) G = - 844,2 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,01 HCO3-) 2 (0,0001 Acetat) 1 x (0,01 O2) 2 = - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (log 10 4 ) = - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (4) = - 844,2 kJ/mol + 23 kJ/mol = - 821,2 kJ/molGegenüber – 840,06 kJ/mol bei 23 % Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden (geschlossenes Gefäß): 2) Acetat 0,1 mM, 1 % O 2, 10 mM Bicarbonat, pH 7,0 Kurzes Rechenbeispiel wieviel Protonen über die Membran bei Acetat.

20 Denksportaufgabe Minigruppe Wieviele Protonen pumpt das Mitochondrium pro Acetat über die Membran? Wieviel Energie ergibt das und wieviel ist das im Vergleich zur Standardenergie der Reaktion? Was bedeuted das?

21 Warum alternative Wege der aeroben Atmungskette? 1)Die Energetik alleine kann also nicht der Grund sein, dass bei Sauerstoffmangel andere Endoxidasen mit weniger Energiegewinn genutzt werden. 2)Es ist die Affinität der Enzyme zum Sauerstoff, die hier entscheidend wird. 3)Irgendwann wird der Sauerstofffluss limitierend und die Konzentration wird zu klein um noch vernünftige Kinetiken zu erlauben (Michaelis Menten, Affinität)

22 Schutz vor Sauerstoff Obligat aerobe Organismen Fakultativ aerobe/fakultativ anaerobe Microaerophil Aerotolerante Obligat anaerobe

23 Schutz vor Sauerstoff Catalase 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 Superoxiddismutase 2 O H+ H 2 O 2 + O 2 Glutathion-Peroxidase H 2 O GSH GSSG + 2 H 2 O R-OOH + 2 GSH GSSG + ROH + H 2 O

24 Aerobe Biochemie von Schadstoffabbau Monooxygenasen Alkane Dioxygenasen, Toluol, PAK Ringspaltende Dioxygenasen, Epoxyd-bildende Monoxygenase (Benzol)

25 Welche Schadstoffe sind wichtig?

26 Biodegradation pathways, aerobic Oxygen is special because it is needed as electron acceptor and co-substrate Oxygenase reactions for alkanes and aromatic hydrocarbons

27 Aerobic degradation of alkanes

28 Benzol, Phenol Abbau OH OH H H OH OH O2O2 XH 2 X X Benzol cis-1,2-Dihydro- 1,2-dihyroxy- benzol Brenz- Catechin (Catechol) Dioxygenase Dehydrogenase OH OH OH Phenol Brenzcatechin (Catechol) O 2 + XH 2 H 2 O + X Monooxygenase

29 Konvergente Abbauwege Athracen lyklA CHOHCOOHCH 2 CHNH 2 COOH Alkylbenzol MandelatPhenylalanin Naphthalin Benzoat Benzol Phenol Biphenyl COOHOH Phenanthren SalicylatBrenzcatechin Anthranilat Tryptophan COOH OH OH OH COOH NH 2 H N

30 Zu Protocatechuat führenden Abbauwege aromatischer Verbindungen CH 3 COOH COOH COOH COOH COOH OH COOH OH OH OH OH OH OH OH Alkyl COOH OH OCH 3 C OH 3 OCH 3 C 3 O O n Toluat 4-Hydroxy- benzoat Alkylphenol Shikimat Lignin Vanillat Protocatechuat 3- Hydroxy- benzoat Benzoat

31 O O OH OH C C OH OH O2O2 Dioxygenase Brenzcatechin cis, cis- Muconat ortho-Spaltung des aromatischen Ringes

32 Meta-Spaltung des aromatischen Ringes OH OH COOH CHO OH HOOC OH OH COOHOH COOH CHO Brenzcatechin2-Hydroxy- muconat- semialdehyd Protocatechuat 2-Hydroxy- 4-caroxymuconat- semialdehyd Metapyrocatechase (Catechol-2,3-Dioxygenase) Protocatechuat- 4,5-Dioxygenase

33 Ortho-Spaltung des aromatischen Ringes und 3-Oxoadipat-Weg 1. Pyrocatechase 2. Muconat-Cycloisomerase 3. Muconolacton-Isomerase 4. Protocatechuat-3,4-Dioxygenase 5. 3-Carboxymuconat- Cycloisomerase 6. 4-Carboxymuconolacton- Decarboxylase 7. 4-Oxyoadipatenollacton-Hydrolase 8. 3-Oxoadipat-Succinyl-CoA-Transferase 9. 3-Oxoadipyl-CoA-Thiolase

34 Proposed pathway for the degradation of naphthalene H OH OH H HO OH O COOH OH OH HOOC O OH O OH OH CHO OH COOH OH COOHOH OH OH O2O2 2H + + 2e - O2O2 H2OH2O CH 3 COCOOH P fluorescens RING FISSION Naphthalene cis – Naphthalene dihydrodiol cis - o - Hydroxybenzal- pyruvic acid 1,2 - Dihydroxynaphthalene Salicylic acid Salicylaldehyde Gentisic acid Catechol COOH


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