Homoacetogenese Bakterielle Photosynthese

Organismus des Tages Clostridium tetani Das Ende der Gemeinde von St. Kilda Ende des 19ten Jahrhunderts Zeitungsreport über die Krankheit der 8 Tage (Neugeborene) und die verfluchten Inseln Aufgedeckt durch Reverend Angus Fiddes Abreiben der Nabelschnur mit Öl Hilfe von Lord Lister, Lehrstuhl für Chirurgie in Glasgow, Einsatz von Karbolsäure Hilfe für St. Kilda zu spät, letzten 35 Bewohner 1930 evakuiert Heute ca. 800.000 tote Säuglinge durch Neugeborenentetanus Heute noch ein Dorf im Sudan mit 1-2 % Säuglingssterblichkeit durch C. tetani

Clostridium tetani Phylum: Firmicutes Klasse: Clostridia Ordnung: Clostridiales Familie: Clostridiaceae Gattung Clostridium Spezies: Clostridium tetani

Clostridium tetani Erstbeschreibung 1884 von Arthur Nicolaier aus Göttingen Gram-positiv Endosporen bildend Reservoir ist Erdreich sowie Rinderkot Wundstarrkrampf (Tetanus), Tetanospasmin und Tetanolysin sind die zweitstärksten Gifte nach Butulinustoxin Zerstört die Kontraktionshemmer in den Nervenbahnen – Dauerkrämpfe Durch Impfmüdigkeit wieder Zunahme

Homoacetogenese Gilt als erster autotropher Prozess auf der Erde Kombiniert ATP Produktion mit CO2-Fixierung Ist weit verbreitet in 19 verschiedenen Genera Ist auch mengenmäßig ein wichtiger Prozess im Globalen C-Zyklus Ersten beiden Acetogenen waren Clostridium aceticum und Moorella thermoacetica (orginär Clostrium thermoaceticum) Die Schlüsselreaktionen sind: C6H12O6 → 3 CH3COOH

1 Glucose zu 3 Acetat? 1 Glucose 2 CH3COCOOH 2 Pyruvat + 2 NADH ? 4 H ADP + Pi 4 H ATP 2 CH3COOH + 2 CO2 ?

1 Glucose zu 3 Acetat? 1 Glucose 2 CH3COCOOH 2 Pyruvat + 2 NADH 2 CO2 ADP + Pi 4 H ATP 2 CH3COOH + 2 CO2 CH3COOH C6H12O6 → 3 CH3COOH 4 H2 + 2 CO2 → 3 CH3COOH + 2 H2O

Frage: wieviel Energie gewinne ich aus der Reduktion von CO2 zu Acetat mit Wasserstoff als Elektronendonor?

Frage: wieviel Energie gewinne ich aus der Reduktion von CO2 zu Acetat? 4 H2 + 2 CO2 → CH3COO- + H+ + 2 H2O 4 x 0 + 2 x -394,4 → -369,4 + 2 x – 237,2 ∆G0‘ =– 369,4 – 474,8 – 39,9 - (-788,8) =– 884,1 +788,8 = - 95,3 kJ/mol (Methanogenese ∆G0‘ = - 135,6 kJ/mol) Wir haben aber nicht 1 Bar Wasserstoffpartialdruck in der Natur!! Bei 250 Pa H2 (0,025 Bar) ist Schluss  nicht kompetitiv mit Methanogenen! Gesamtenergiegewinn ist nur 0,5-1 ATP

Allgemeines Schema des Kohlenstoffflusses Flow of carbon in habitats deficient in inorganic Terminal electron acceptors (e.g. sulfate and iron). Reaction C is catalyzed exclusively by acetogens. Shaded: Reactions facilitated by acetogens and other fermentative microorganisms Thick arrows: Reactions A-C in which acetogens participate Arrow size does not correlate quantitatively with carbon flow. Based in part on the 3-stage model of McInerney & Bryant (1981)

Generelles Stoffwechselschema der Acetogenen

2 Typen von Homoacetogenen Cytochrom-enthaltende die auch Quinone haben Diese könnten einen Protonengradienten aufbauen Sie enthalten eine normale protonenabhängige ATPase Nicht Cytochrom enthaltende keine Membranproteine im Wood-Ljungdahl Pathway  kein Membranpotential aufbaubar Natrium-abhängige ATPase

Funktionsweise des Wood-Ljungdahl Wegs Acetyl-CoA Synthase/ CO-Dehydrogenase Weg

Reaktionen des reduktiven Acetyl-CoA Weges

Der primitivste chemiosmotische Weg der Energiegewinnung

The only energy conserving step in non-cytochrome containing Homoacetogens: Figure 4. Subunit composition and model of the methylene-THF reductase of A. woodii. Poehlein A, Schmidt S, Kaster A-K, Goenrich M, et al. (2012) An Ancient Pathway Combining Carbon Dioxide Fixation with the Generation and Utilization of a Sodium Ion Gradient for ATP Synthesis. PLoS ONE 7(3): e33439. doi:10.1371/journal.pone.0033439 http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0033439

First difficulty: Overcome the first energy barrier in the electron pathway: Figure 2. Genetic organization and subunit composition of the [FeFe]-hydrogenase of A. woodii. Poehlein A, Schmidt S, Kaster A-K, Goenrich M, et al. (2012) An Ancient Pathway Combining Carbon Dioxide Fixation with the Generation and Utilization of a Sodium Ion Gradient for ATP Synthesis. PLoS ONE 7(3): e33439. doi:10.1371/journal.pone.0033439 http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0033439

Second difficulty: Overcome the first barrier in the carbon pathway: Figure 3. Subunit composition of the formate dehydrogenase of A. woodii. Poehlein A, Schmidt S, Kaster A-K, Goenrich M, et al. (2012) An Ancient Pathway Combining Carbon Dioxide Fixation with the Generation and Utilization of a Sodium Ion Gradient for ATP Synthesis. PLoS ONE 7(3): e33439. doi:10.1371/journal.pone.0033439 http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0033439

Figure 5. A quantitative bioenergetic model for acetogenesis from H2+CO2.

Grundschema der Energiegewinnung und CO2-Fixierung ETP NAD+ Fd2-red [H] NADH Fdox Acetat Katabolismus: Produkt ist Acetat Anabolismus: Produkt ist Acetyl-CoA (kostet ein ATP)

Energiemetabolismus der Nicht-Cytochromabhängigen Homoacetogenen Alle Schritte auf Ferredoxin ausgerichtet Ferredoxingewinnung auch durch Bifurkation Acetat wird produziert um NAD+ zu regenerieren Energiegewinnung Natriumtransport am Rnf-Komplex Ferredoxin-Oxidation gekoppelt mit NAD+ Reduktion

Ökologie der Homoacetogenen Kommen überall vor in anoxischen Habitaten Darmbewohner auch Pansen (hier Methanos besser) Konkurieren mit Methanogenen Gewinnen gegen Methanos bei niedrigem pH <6,2 Gewinnen auch bei niedriger Temperatur z.B. Tundra Oft Sporenbildner und leben auch in gut belüfteten Böden (Mikronischen)

Mikroagregate

Physiologische Eigenschaften Können sehr viele verschiedene Substrate oxidieren CO, H2, Kohlehydrate, Karbonsäuren, Methoxygruppen von Aromaten (Ligninbausteine?), etc. Keine Polymere Nitrat, Nitrit (NH4+), DMSO, Thiosulfat, etc. Normalerweise strickt anaerob, aber aerotolerante Stämme

Organismus des Tages Chloroflexus aurantiacus

Phylogenie von Chloroflexus Domäne: Bakterien Phylum: Chloroflexi Ordnung: Chloroflexales Familie: Chloroflexaceae Genus: Chloroflexus  andere Genera: Chloronema Roseiflexus   

The uncultured majority 13 The uncultured majority 9 1205 4 n = published species 1367 220 8 Black: 12 original Phyla (Woese 1987) many pure cultures White: 14 new phyla since 1987 some isolates Gray: 26 candidate phyla no isolates 1808 91 What are they all doing ? 11 24 25 Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003) Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

Physiologische Eigenschaften von C. aurantiacus Thermophil (bis 70° C) Aerob, fakultativ anaerob Wächst: Photoautotroph über 3-Hydroxypropionatzyklus Photoorganotroph (wie Nichtschwefelpurpurbakterien) Chemoorganotroph (bei Lichtmangel) Anoxygene Photosynthese

Entnommen aus Fuchs et al., 2007

Photosynthese von C. aurantiacus Eigenschaften der grünen Schwefelbakterien (Chlorobi) Chlorosom Bacteriochlorophyl c Eigenschaften der Nichtschwefelpurpurbakterien Bacteriochlorophyl a Reaktionszentrum der Nichtschwefelpurpur? B880 Antennenkomplex

Schema des Photosyntheseapparates von Chloroflexus

Wo absorbieren welche Chlorophylle?

Schichtung im stratifizierten See

Erfolgreiche Jagd in der Sprungschicht

Es geht aber auch in einem Tümpel

Vergleich zu Chlorobi (grüne Schwefelbakterien) Ähnliche Photosynthese Aber keine reduzierten Schwefelverbindungen als Elektronendonor

Wichtigster Unterschied zu oxygener Photosynthese? Nur ein Photosystem Nicht genügend Energie um von Wasserspaltung (+ 1,2 V) zur Reduktion von NADH zu kommen (- 0,32V) Aufgaben der Photosynthese: Energiegewinnung Bereitstellen von Reduktionsäquivalenten (NAD(P)H)

Halobakterien

Habitate für Hyperhalophile Phototrophe halophile Einzeller färben das Wasser dieser Salzgewinnungsanlage. Je nach Salzgehalt dominieren bestimmte Arten in den einzelnen Becken.

Salzsee Bild aus Fuchs Seite 563

Saline

Spezielle phototrophe Energiegewinnung bei Halobakterien Bacteriorhodopsin Lichtgetriebene Protonenpumpe (ohne ETP) Integrales Membranprotein mit 7 Helices (Österheld, MPI Martinsried) Bildet eine quasikristalline Struktur in der Membran (Purpurmembran) Pigment Retinal ist kovalent gebunden

Halobacterium salinarum und Bacteriorhodopsin Geklaut vom Lehrstuhl für Biophysik Ruhr-Uni Bochum

Funktionsweise von Bacteriorhodopsin Anregung führt zu Konformationsänderung des Proteins pKa-Erhöhung der Lysin Schiffschen Base (Freigabe des Protons) Rückfaltung zum CP und erneute Protonierung