VL 6: Chemolithotrophie

Question 1

Chemolithoautotrophie

Answer 1

• Leistungen prokaryotischer Mikroorganismen, die für ihrern Energie und Baustoffwechsel anorgaanische Substanzen entweder ausschliesslich oder parallel zu organischen Substanten
• Chemo: Chem. Ox. Reaktionen genutzt um E zu gewinnen
• Litho: Quelle Reduktionskraft, Elektronen sind anorganische Substanzen, anorg. Substanzen werden genutzt
• Autotrophie: CO2 als C-Quelle

Question 2

Prinzip Chemolithotropher Stoffwechsel

Answer 2

• Atmungsketten
• Elektronendonator anorganischer Natur
• Sauerstoff/Nitrat als e-Akzeptor wird reduktiv zu Wasser/Stickstoff umgesetzt
• Aufbau eines Protonenpotentials
• ATP

Question 3

Beispiel Chemolithotrophie

Answer 3

• Oxidation v. Reduzierten Schwefel (Sulfid, in Form von Schwefelwasserstoff) zu oxidiertem Schwefel (Sulfat, in Form von Schwefelsäure)
  
  • 8 Elektronen Schritt (-2 zu +6)
  • 8 e- werden Freitag
• 8 e- in aerobe Atmungskettte für Elektronentransport-Phosphorylierung genutzt
• Wellenlinie Gewässer
• Schwefelwasserstoff stammt aus tiefem Gewässer
• Produkt Sulfat in tieferesn Schichten als Substrat für anaeroben Atmungsvorgang
• Schwefelkreislauf

Question 4

Energetische Aspekte

Answer 4

• Unterschiedliche anorganische Substrate ergeben bei ihrer Oxidation unterschiedliche Energieausbeuten
• Viel lithotrophe Organismen müsen beträchtliche Mengen an Substrat umsetzen, um geringe Mengen an Energie konservieren zu können für ihren Baustoffwechsel

Question 5

Die Energieausbeuten sind abhängig von

Answer 5

• Vom Redox-Potential der Substrat/Oxidationsproduktpaares
• Von der vorhandenen Stoffmenge und Löslichkeit der Substrate/Oxidationsprodukt
• Vom Redox-Potential der e- Überträger, die durch die substratoxidierenden Enzyme reduziert werden

Question 6

Messung von Redoxpotentialen

Answer 6

Question 7

Beispiel Redoxreaktion

Answer 7

Question 8

Zusammenhang zwischen Redoxpotential und freier Energie

Answer 8

Question 9

Redoxskala einiger Elektronendonatoren

Answer 9

Question 10

Oxidation von reduzierten Schwefelverbindungen

Answer 10

• Elektronen von Schwefelverbindungen münden in die Elektronentransportkette ein und
• treiben die protonenmotorische Kraft an;
• Elektronen von S2O32- und S0 treten auf der bene des Cytochroms c in den Prozess ein.
• NADH wird durch den reversen Elektronenfluss erzeugt.
• Unterschiedliche Schwefelverbindungen werden oxidiert
  
  • Sulfid
  • Thiosulfat
  • Elementarer Schwefel
• Unterschiedliche Mechanismen und Enzymsysteme
• Elektronen aus Oxidation an unterschiedlichen Position in Atmungskette einmünden
  
  • Membran versch. E-Überträger
  • Links nach rechts mit aufsteigendem Redoxpotential
• Elektronen aus schwefelverbindungen werden auf carrier übertragen mit positiverem Redoxpotential als NAD+/NADH-Paar
• Für Biosynthese ist NADH notwendig
• Reduktion von NAD+ zu NADH thermodynamisch nicht begünstigt
  
  • Reverser e-Fluss
  • Unter Energieaufwand muss Atmungskette rückwärts ablaufen
  • So dass e und E verbrauch zur Reduktion zu NADH genutzt wreden kann (nicht mehr für ATP Synthese nutzbar)
• Erklärt geringe E-Ausbeute trotz massiver Schwefelumsetzung in chemolithoautotrophen Organismen

Question 11

Oxidation von Molekularem Wasserstoff

Answer 11

• Knallgasreaktion
• Bioenergetik und Funktion der beiden Hydrogenasen arober Wasserstoffbakterien
• Bei Ralstonia eutropha, das zwei Hydrogenasen besitzt, ist die membrangebundene Form des Enzyms in die Energiegewinnung eingebunden, währen die lösliche cytoplasmatische Hydrogenase NADH für den Calvinzyklus erzeugt. Einige Wasserstoffbakterien verfügen nur über die membrangebundene Hydrogenase. In diesen Organismen verläuft die Bildung von Reduktionsenergie durch den reversen Elektronenfluss von Q zurück zu NAD+ und bildet NADH. Cyt, Cytochrom; Q, Chinon
• Kein rückläufiger Elektronentransport notwendig
• Metalloenzyme, mit mehr Fe-S-Zentren
• Membrangebundene Hydrogenase -> H Oxidation
• Cytoplasmatische Hydrogenase
  
  • Genet. Mutation -> langsames Wachstum

Question 12

Acidithiobacillus ferrooxidans Eisen-Oxidation

Answer 12

• Produziert in lithotrophen SW mit Schwefel auch Säure
• Wächst bei pH 1-2
• Thio: reduzierte Schwefelverbidnung oxidierbar
• Ferroxidans:
• Kann mit Atmungskette von außen starten
• Elektronen über mehrere Zwischenschritte zur Membran
• Rusticyanin: blaue Kupferzentren
• Verzweigung nach Rusticyanin
  
  • Weiterleitung über C-Typ Cytochrom
• pH-Homoöstase
• Vorkommen: in Mineralreichen Medien
• Auswirkung auf Umwelt nicht gut

Question 13

Kupfergewinnung (Kupferlaugungsprozess)

Answer 13

• Acidophile Metalloxidierer in Oxidationsbecken
  
  • Fe(II) –> Fe(III)
• Kupfererze können durch Sauerstoffabhängige und sauerstoffunabhängige Reaktionen unter Bildung löslichen Kupfers oxidieren
• Metallsulfid oxidierende Prokaryoten tragen erheblich zur Gewinnung elementarer Metalle in Erzlagerstätten bei; acidophile Prokaryoten verursachen die Versauerung in der Folge des Kohletagebaus

Question 14

Kohleabbau –> Propagationszyklus

Answer 14

• FeS2 (Pyrit) entsteht in Kohlelagerstätten
• Beim Kohleabbau tritt Pyrit mit O2 in Kontakt
• FeS2 +
• Beste Voraussetzung für Bakterien: oxidieren Fe2+ zu Fe3+
  
  • Saure Gewässer (pH 1-2) und Gelbfärbung durch Eisen à weitere Oxidation

Question 15

Nitrifikanten – Carboxysomen und intrazelluläre Membranen

Answer 15

• Carboxysomen: von einer Proteinhülle umgebene Partikel, die Rubisco (für Calvin-Zyklus) enthalten
• „Nitroso…“: Ammonium-Oxidierer (NH4+ à NO2-)
• “Nitro…”: Nitrit-Oxidierer (NO2- à NO3-)
• Intrazelluläre Einstülpungen der Cytoplasmamembran
  
  • Vergrößerung Oberfläche erlaubt höheren Stoffumsatz, dadurch, dass mehr Enzyme in Membran integriert warden können

Question 16

Ammonium-Oxidation

Answer 16