anaerobe Respiration Flashcards
anaerobe Respiration
= Atmungsvorgänge (Elektronentransportphophorylierung) ohne molekularer Sauerstoff
-> Elektronen werden am Ende der Atmungskette auf alternative oxidierte Aktzeptoren übertragen
Generelles Prinzip
Atmungskette bei anaerobe Bedingungen:
o Startet mit einer NADH- Dehydrogenase, die e- auf den Chinonpol überträgt
o Im Gegensatz zur aeroben Atmung kommt nach der Übertragung eine Nitrat-
Reduktase ins Spiel, die e- auf Nitrat als terminalen Elektronenaktzeptor
überträgt, woraus Nitrit (NO2-) entsteht (eignet sich auch als Elektronenaktzeptor)
- Bei der aeroben Atmung ist die Potentialdifferenz größer als bei der anaeroben Atmung -> Energieausbeuten sind bei anaerober Atmung kleiner
2 Wege zur Veratmung von Nitrit
-> Bei beiden wird Nitrat zunächst durch eine Nitrat-Reduktase zu Nitrit umgewandelt
Nitrat-Reduktion
Denitrifikation
Nitrat-Ammonifikation (=Reduktion)
Nitrit wird in einem 6 Elektronenschritt durch Multihelm c-Nitritreduktasen zum Ammonium (= vollständig reduzierter Stickstoff) umgesetzt
Denitrifikation
o Antiporter bringt Nitrat nach Innen und Nitrit nach außen, weil die Nitrit-Reduktion
außerhalb des Cytoplasmamembran und die Nitrat-Reduktion an der
cytoplasmatischen Seite der Membran stattfindet
o Nitrit wird zunächst durch eine Nitrit-Reduktase zu Stickstoffmonooxid reduziert
(NO), welches schnell weiter umgesetzt wird, da die Produzenten NO nicht vertragen
o NO-Reduktase setzt zwei Moleküle NO zum Distickstoffmonoxid (N2O) um
o Aus N2O entsteht durch Distickstoffmonoxidreduktase elementarer Stickstoff N2
o Elektronendonatoren (ED):
- NADH-Hdyrogenase schleust die e- in die Atmungskette
- Cytochrom c (cyt cred) ist ED für Nitrit-Reduktasen, für manche NO- Reduktasen
und für N2O-Reduktase
- red. Chinone werden als ED für den Umsatz der jeweiligen
N- Verbindungen genutzt (bei NO-Reduktase und N2O-Reduktase)
o Enzyme, die diese Reaktion katalysieren: Nitrit-Reduktase. , Nitrat- Reduktase, NO-Reduktase und N2O-Reduktase
o Denitrifikation erzeugt ein Protonenpotential, dass ATPase als treibende Kraft nutzt
o Die meisten Denitrifikanten sind fakultative Anaerobier, d.h. sie betreiben in Gegenwart von O eine aerobe Atmung und schalten in Abwesenheit von
O bei Verfügbarkeit von oxidierten N- Bindungen auf die Denitrifikation um
Biologischer Stickstoffkreislauf (anareober und aerober Teil)
Anaerober Teil
- NO3- (=Nitrat) wird zu NO2- (=Nitrit) umgewandelt, welches nachdem es zu
NO und N2O umgesetzt wurde zu molekularem Stickstoff (N2) verarbeitet
wird und N2 wird zu NH4+ umgesetzt
- Anammox wandelt NO3- in einem Organismus über NO direkt zu NH4+ um,
wobei als auch N2H4 entsteht, welches zu N2 umgewandelt wird
Aerober Teil
- NH4+ wird durch Nitrifikation erst zu NH2OH und anschließend zu NO2-,
welches dann zu NO3-
- Bei Umwandlung von NH2OH zu NO2- entsteht u.a. N2O, welches anaerob verwendet werden kann
Veratmung von TAMO
TAMO = Trimethylamioxid
o Ist ein Osmolyt, welches man in Meerestieren findet
o Osmolyte sind Substanzen, die hoher Konzentration von zellulären Stoffwechsel
toleriert werden und die die Aufgabe haben den hohen osmotischen Drucken in der
Umgebung Stand zu halten
o In Fischen hat TAMO eine weitere Funktion: es dient der Stabilisierung von
Proteinen, die bei Vorkommen in großen Meerestiefen ansonsten denaturieren würden
o TMAO-Reduktasen sind unter Bakterien weit verbreitet, sie erlauben es TAMO als terminalen e- Aktzeptor in der Atmungskette zu benutzen
o TAMO wird dabei zu den flüchtigen Trimethylamin umgesetzt
o E0‘ der Reaktion ist +130 mV -> diese TAMO ist als Elektronenaktzeptor geeignet
Sowohl DMSO und TAMO sind e- Endaktzeptoren bei Anareobien (Alternativen zu O in aeroben)
Veratmung von DMSO und Bedeutung des DMSP-Stoffwechsels
DMSO = Dimethylsulfoxid
o DMSO kann reduktiv durch DMSO- Reduktase zu Dimethylsulfid umgesetzt werden, E0‘ = +160 mV
- DMSP wird von Phytoplankton im S- Stoffwechsel gebildet und fungiert als Osmolyt
- Absterbende Organismen setzten DMSP frei, welches unterschiedlich abgebaut werden kann
- Wichtige Wege: die über Spaltung Dimethylsulfid freisetzen (z.B. der oben)
- Dimethylsulfid ist ein flüchtiges Molekül, dass teilweise aus dem Ozean
entweicht
Herkunft von DMSO in der Natur
- Ausgangspunkt der Entstehung ist ein Osmolyt, das unter marinen Phytoplankton weit verbreitete Dimethylsulfoniopropionat (DMSP)
- Absterbendes Phytoplankton setzt DMSP frei
- Es gibt mehrere Abbauwege für DMSP, u.a. einer der durch Spaltung von DMSP zu Acrylat und Dimethylsulfid führt
- Acrylat kann weiter abgebaut werden und wandert schließlich über Acetyl-
CoA in den Grundstoffwechsel - Dimethylsulfid kann entweder chemisch oder mikrobiell oxidiert werden, woraus DMSO entsteht
Veratmung von DMSO - Konsequenzen:
- Dimethylsulfid (DMS) kann an der Luft chemisch zu DMSO oder bis zum Sulfat (SO4^2-) oxidiert werden
- Diese beiden Substanzen haben die Funktion von
Kondensationskeimen für die Wolkenbildung - Wolken führen zur verstärkter Albedo (=Rückstrahlung der Erde) ->
klimatologische Effekte - Sulfat kann im Regen auch auf Landboden gelangen, wodurch Schwefel auf die Erdoberfläche zurück transportiert wird
- DMS spielt außerdem als chemischer Lockstoff bei der Anlockung von Tieren eine Rolle
Sulfat-Reduktion = Sulfat-Atmung
- Energieausbeuten der Sulfat-Reduktion ist klein (energetisch um die Null), so dass Organismen überhaupt keine Energiekonservierung betreiben können
- Transport von Sulfat über die Cytoplasmamembran in das Zellinnere erfolgt unter
Energieverbrauch mit einem Symporters - In der Zelle wird Sulfat unter ATP-Verbrauch zu Adenosinphophosulfat (APS) umgesetzt, dabei entsteht auch Pyrophosphat (PP)
- Das gebildete PP wird durch PPase in zwei Moleküle anorganisches Phosphat gespalten, um das GG der Reaktion in Richtung des APS zu verschieben
- Aktivierung des Sulfats zu APS verbraucht zwei energiereiche Verbindungen
- Sulfat im APS wird durch APS-Reduktase in einem Zwei-Elektronen-Schritt bis Sulfit reduziert, wobei AMP aus dem APS freigesetzt wird
- Aus AMP und einem zellulären ATP werden zwei Moleküle ADP (energetisch neutral)
- ATPase phospholiert die 2 ADP und die 2 Moleküle anorganisches Phosphat zu 2 ATP
- Dieser Prozess verbraucht 6 e- und hat zur Gewinnung von 2 energiereichen
Verbindungen, 2 energiereiche Verbindungen verbraucht -> keine zusätzliche
Energiekonservierung
Sulfatreduzenten (Desulfo…) werden nach der Art ihres C-Stoffwechsels eingeteilt in:
Unvollständige Oxidierer:
Oxidieren organische Säure über Pyruvat zu Acetyl-CoA und scheiden Acetat
(Essigsäure) aus
Vollständige Oxidierer:
- Oxidieren Fettsäuren, Kohlenwasserstoffe oder Aromaten über Acetyl-CoA
bis zum CO2
- besonders wichtig bei der Biomineralisation von organischen Verbindungen
Autotrophe
- Nutzen H2 als Energiequelle und fixieren CO2 über den Acetyl-CoA-Weg oder den reduktiven Tricarbonsäure-Zyklus
Wo kommt dann das Protonenpotential her?
PPasen erzeugen bei der Spaltung von dem Pyrophosphat ein Protonenpotential
Die meisten Sulfat-Reduzenten oxidieren organische Substanzen und übertragen die dabei anfallenden Elektronen auf Elektronencarrier, diese Elektronencarrier können
von Membranproteinkomplexe reoxidiert werden, welche dabei parallel ein
Protonenpotential über die Membran aufbauen können
Wieso wird APS gebildet, obwohl kein energetischer Vorteil daraus entsteht?
Das Sulfit/Sulfat-Paar hat einen E0‘ Wert von -520 mV -> Sulfat kann nicht so einfach zu Sulfit umgewandelt werden
Umsetzung des Sulfats zum APS hat einen E0‘ Wert von -60 mV -> Reduzierung von
Sulfat zu Sulfit über APS geht ohne Probleme
Acetogenese
Acetogene Bakterien = Acetat ist Stoffwechselendprodukt, alle sin Anaerobier
- Synthese der Essigsäure erfolgt über den Acetyl-CoA-Weg -> aus zwei CO2-Molekülen entsteht der Essigsäurerest
- CO-Dehydrogenase bildet einen Komplex mit Acetyl-CoA-Synthase, innerhalb dieses
Komplexes wandert das CO von einem aktiven Zentrum zu einem zweiten aktiven Zentrum
(beide mit Nickel-Ionen)
- In Acetyl-CoA-Synthase wird der Carbonylrest mit der Methylgruppe aus dem Methylzweig und einem CoA-Molekül verknüpft (Transfer der Methyl-Gruppe durch eine Transferase)
- Energie wird von der Reaktion gewonnen, bei der das Acetyl-CoA zu Essigsäure und ATP
umgewandelt wird -> Energiekonservierung durch Substratstufenphosphorylierung
- ein gewonnenes ATP wird bei der einleitenden Reaktion des Methylzweiges direkt wieder
verbraucht
- Aufbau eines Na- Potentials über die Cytoplasmamembran
innerhalb des Stoffwechselweges, ermöglicht den, in acetogenen Bakterien enthaltener,
natriumtranslozierender ATP-Synthasen, ATP zu synthetisieren
