© Heribert Cypionka SS 2003, Grundlagen der Physiologie Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren

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Grundlagen der Physiologie

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Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren


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


Lithotrophe Prozesse

Elektronen- Oxidiertes Prozessdonator Endprodukt (Beispiel)

H2 H+ Wasserstoffoxidation (z.B. Knallgasbakterien)

CH4 *) CO2 Methanoxidation (Oxygenase!) O2! (Methylo- spez. Methanotrophe Bakterien)

H2S SO42- Sulfurikation (Thiobacillus oder

phototrophe Schwefelbakterien)Fe2+ Fe3+ Eisenoxidation (Gallionella)N2 NO3

- unbekannt (nur über Umwege)NH4

+ NO3- Nitrifikation durch zwei BakterienNH4

+ NO2- Nitrosomonas (Oxygenase!)

O2!NO2

- NO3- Nitrobacter

H2O O2 Oxygene Photosynthese (Cyanobakterien, Chloroplasten)

*)Mehrere Pfeile deuten auf mehrstufige Prozesse.


Prinzipieno Lithotrophie nur bei Prokaryonteno 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.


Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)


Prozesse und Kreisläufe in einem Sediment


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


Lichtgetriebene Protonenpumpe bei Halobacterium (einem Archaeon)



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


Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)


Biologische Reaktionen von molekularem Sauerstoff

Photosynthetische Wasserspaltung

Lichtenergie2 H2O O2 + 4 [H]

Oxidase-Reaktionen (O2 reduziert zu Wasser oder Wasserstoffperoxid)

Cytochrom-OxidaseO2 + 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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