Homoacetogenese Bakterielle Photosynthese. Organismus des Tages Clostridium tetani Das Ende der...

HomoacetogeneseBakterielle Photosynthese

Organismus des TagesClostridium 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 tetaniPhylum: 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

2 CH3COCOOH

2 Pyruvat + 2 NADH

?2 CH3COOH + 2 CO2

?

4 H

ADP + Pi

ATP

1 Glucose zu 3 Acetat?

1 Glucose

2 CH3COCOOH

2 Pyruvat + 2 NADH

2 CH3COOH + 2 CO2

4 H

ADP + Pi

ATP

1 Glucose zu 3 Acetat?

CH3COOH

2 CO2

C6H12O6 → 3 CH3COOH4 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 inorganicTerminal electron acceptors (e.g. sulfate and iron).

Reaction C is catalyzed exclusively by acetogens.Shaded: Reactions facilitated by acetogens and other fermentative microorganismsThick arrows: Reactions A-C in which acetogens participateArrow 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 WegsAcetyl-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.0033439http://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.0033439http://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.0033439http://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

2 CO2

Acetat

H2

[H]

NAD+

NADH

Fd2-red

Fdox

ETP

Katabolismus: Produkt ist AcetatAnabolismus: Produkt ist Acetyl-CoA (kostet ein ATP)

Energiemetabolismus der Nicht-Cytochromabhängigen Homoacetogenen

1) Alle Schritte auf Ferredoxin ausgerichtet- Ferredoxingewinnung auch durch Bifurkation

1) Acetat wird produziert um NAD+ zu regenerieren

2) 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 TagesChloroflexus aurantiacus

Phylogenie von Chloroflexus

• Domäne: Bakterien• Phylum: Chloroflexi• Ordnung: Chloroflexales• Familie: Chloroflexaceae• Genus: Chloroflexus•  andere Genera:

– Chloronema– Roseiflexus   

The uncultured majority

• Black: 12 original Phyla (Woese 1987)many pure cultures

• White: 14 new phyla since 1987some isolates

• Gray: 26 candidate phylano isolates

Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)

What are they all doing ?

1205

1367220

1808

91

8

4

913

1124

25

n = published species

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:

1)Energiegewinnung

2)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