Grundlagen der Physiologie

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1 Grundlagen der Physiologie
Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren

2 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

3 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.

4 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.

5 Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)

6 Prozesse und Kreisläufe in einem Sediment

7 Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen photropher Organismus

8 Lichtgetriebene Protonenpumpe bei Halobacterium (einem Archaeon)

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10 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

11 Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)

12 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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