© Heribert Cypionka SS 2003, www.icbm.de/pmbio
Grundlagen der Physiologie
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Lithotrophie - Verwertung anorganischer Elektronendonatoren
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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
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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.
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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.
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Heterotropher (A) und lithoautotropher Aerobier (B)
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Prozesse und Kreisläufe in einem Sediment
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Organotropher (C) und lithotropher (D) anoxygen photropher Organismus
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Lichtgetriebene Protonenpumpe bei Halobacterium (einem Archaeon)
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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
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Oxygen photropher Organismus (Legende auch für die vorherigen Bilder)
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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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