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Grundlagen der Physiologie
Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren
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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
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Lithotrophe Prozesse Elektronen- Oxidiertes Prozess
donator Endprodukt (Beispiel) H H Wasserstoffoxidation (z.B. Knallgasbakterien) CH4 *) CO2 Methanoxidation (Oxygenase!) O2! (Methylo- spez. Methanotrophe Bakterien) H2S SO Sulfurikation (Thiobacillus oder phototrophe Schwefelbakterien) Fe2+ Fe3+ Eisenoxidation (Gallionella) N NO unbekannt (nur über Umwege) NH4+ NO Nitrifikation durch zwei Bakterien NH4+ NO2- Nitrosomonas (Oxygenase!) O2! NO2- NO Nitrobacter H2O O Oxygene Photosynthese (Cyanobakterien, Chloroplasten) *)Mehrere Pfeile deuten auf mehrstufige Prozesse.
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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.
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Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)
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Prozesse und Kreisläufe in einem Sediment
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Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen photropher Organismus
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Lichtgetriebene Protonenpumpe bei Halobacterium (einem Archaeon)
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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
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Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)
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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]
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