Grundlagen der Physiologie Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren www.icbm.de/pmbio

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) H2  H+ Wasserstoffoxidation (z.B. Knallgasbakterien) CH4 *) CO2 Methanoxidation (Oxygenase!) O2! (Methylo- spez. Methanotrophe Bakterien) H2S  SO42- Sulfurikation (Thiobacillus oder phototrophe Schwefelbakterien) Fe2+  Fe3+ Eisenoxidation (Gallionella) N2  NO3- unbekannt (nur über Umwege) NH4+  NO3- Nitrifikation durch zwei Bakterien NH4+  NO2- Nitrosomonas (Oxygenase!) O2! NO2-  NO3- Nitrobacter H2O  O2 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, NH3): 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 bc1-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 c1, (12) Cytochrom c2

Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)

Biologische Reaktionen von molekularem Sauerstoff  Photosynthetische Wasserspaltung Lichtenergie 2 H2O  O2 + 4 [H]  Oxidase-Reaktionen (O2 reduziert zu Wasser oder Wasserstoffperoxid) Cytochrom-Oxidase O2 + 4 [H]  2 H2O  Oxygenase-Reaktionen (O2 eingebaut in schwer angreifbares Molekül, z.B. CH4, NH3, Alkane, Aromaten) Mono-Oxygenase (1 O zu Wasser reduziert, 1 O in Substrat-Molekül) Di-Oxygenase (beide O in Substrat-Molekül)  Toxische O2-Spezies Superoxid-Radikal (O2-), Wasserstoff-Peroxid (H2O2), Hydroxyl-Radikal (HO), gebildet durch Reaktion von O2 mit reduzierenden Verbindungen (unvollständige O2-Reduktion)  Entgiftung durch Superoxid-Dismutase, Katalase bzw. chem. Reaktionen [ Ozon (O3) nicht biologisch produziert, sondern aus Stickoxiden und O2 unter UV-Einwirkung gebildet]