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Aerobe Atmung und Abbau
Organismus des Tages
Pseudomonas aeruginosa
Systematik
Klasse: Gammaproteobacteria
Ordnung: Pseudomonadales
Familie: Pseudomonadaceae
Gattung: Pseudomonas
Art: Pseudomonas aeruginosa
Aerugo: griechisch Grünspan,
-Glänzt auf Agar metallisch-grün
-Speziesname bezieht sich auf die blau-grüne Färbung des Eiters in Wunden
The uncultured majority
13
9
1205
4
n = published species
1367
8
220
•
Black: 12 original Phyla
(Woese 1987)
many pure cultures
•
White: 14 new phyla since 1987
some isolates
•
Gray: 26 candidate phyla
no isolates
1808
91
 What are they all doing ?
24
11
25
Rappé & Giovannoni (Annu Rev Microbiol, 2003)
Keller & Zengler (Nat Rev Microbiol, 2004)
Eigenschaften
• Aerobes Bakterium, teilweise anaerob
• Ein bedeutender nosokomialer Keim.
• Definition: Unter einer nosokomialen Infektion (Krankenhausinfektion)
wird jede durch Mikroorganismen hervorgerufene Infektion verstanden,
die im zeitlichen Zusammenhang (48 h) mit einem
Krankenhausaufenthalt oder einem Aufenthalt in einer anderen
medizinischen Einrichtung steht, unabhängig davon, ob
Krankheitssymptome bestehen oder nicht. „Nosokomien“ hießen die
Räumlichkeiten in den Heilstätten im alten Griechenland (z.B. in
Epidauros), in denen Patienten mittels eines Heilschlafes behandelt
wurden.
• Wächst in und verwertet Detergenzien
• Es verursacht z. B. nach Verbrennungen auf Wunden Infektionen,
• bei zystischer Fibrose oft Pneumonien, v. a. bei Immunsupprimierten
und AIDS-Patienten.
• Harnwegsinfekte, Enterocolitis, Meningitis.
• Zur Hämolyse fähig und produziert Toxine.
• In der Tiermedizin ist P. aeruginosa an lokalen eitrigen
Infektionskrankheiten beteiligt; der Speziesname bezieht sich auf die
blau-grüne Färbung des Eiters.
P. aeruginosa ist besonders häufig
bei Cystic Fibrosis Patienten
• CF-Patienten: Defekt in Chlorid Kanälen
• Wenig Flüssigkeit und geringe Effizienz,
Organismen auszuhusten
• Chronische Infektionen über Jahrzehnte
– P.ae. Biofilme schützen sich gegen
Entzündungsreaktionen. Ev. Rolle von
Homoserinlactonen zur Imunrepression
– Schutz gegen Antibiotika
– Hohe Resistenzraten und Mutatorstämme
Eigenschaften
• Degradation of n-alkanes in diesel oil by
Pseudomonas aeruginosa strain WatG (WatG) was
verified in soil microcosms.
• bioavailability of phenanthrene (PHE) enhanced in
the presence of rhamnolipid biosurfactant and/or a
biosurfactant-producing bacterium, Pseudomonas
aeruginosa ATCC 9027.
• Kann Detergentien wie SDS abbauen
• others
• Generelle Darstellung der aeroben
Atmungskette
Antimycin A
1) NADHDehydrogenase
2) Succinat
dehydrogenase
4 H+ z.B. Amytal
2 H+
3) UbichinolCytochrom-Coxidoreduktase
2 H+
2e-
[2Fe2S]
Q
QH2
[4Fe4S]
4 H+
NADH
+ H+
Periplasma
Cyt-C
ox/red
2 H+
½ O2
Cyt a/a3
2e-
FMN
4) CytochromC-oxidase
Cyt b
Cyt c1
[FexSx]
2e[3 Cu]
2 H+
NAD+
2e- + 2H+
2 H+
2 H+
CN-,
CO, N3-
H2O 2 H+
Cytoplasma
Alternative aerobe Atmungsketten
1) Bei niedrigen O2-Partialdrücken
Feinanpassung
•
•
•
•
Keine Cytochrom-c-Oxidase (Endoxidase, Oxidase
negativ)
Kein Cytochrom bc1 complex
Chinoloxidasen oxidieren direkt das Ubichinon entweder
mit (Häm 0) oder ohne (Häm d) Protonenpumpe
NADH-Dehydrogenase II Expression (keine
Protonenpumpe) anstatt NADH-DH I
Grundschemata der Elektronentransportkette in den Membranen
der Mitochondrien und vieler Bakterien
a)
NADH + H+
NAD+
NADH-Dehydrogenase I
FMN
FeS
Q
Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Cyt bc1
FeS
4 H+
2 H+
2 H+
Cyt c
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt aa3 Cu
O2
2 H+
Grundschemata der Elektronentransportkette in Paracoccus denitrificans
Substrat
b)
Substrat-2H-QReduktase
4 H+
4 H+
Q
2 H+
2 H+
2 H+
ChinolOxidase 2 H+
Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Cyt bc1
FeS
Cyt c
Cyt c
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt o
O2
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt aa3 Cu
O2
Cyt o
2 H+
2 H+
O2
Grundschemata der Elektronentransportkette in Escherichia coli
Substrat
c)
4 H+
Substrat-2H-QReduktase
4 H+
2 H+
Q
2 H+
2 H+
ChinolOxidase
ChinolOxidase
Cyt b
Cu
Cyt o
Cyt b
2 H+
O2
Geringe Affinität für O2, KM ca. 3 µM
2 H+
Cyt d
2 H+
O2
Hohe Affinität für O2, KM ca. 0,1 µM
Grundschemata der Elektronentransportkette in den Membranen
der Mitochondrien und vieler Bakterien
a) Mitochondrien und
c) E. coli
viele Bakterien
b) Paracoccus denitrificans
NADH + H+
Substrat
Substrat
NAD+
NADH-Dehydrogenase
FMN
FeS
Q
Q
Q
Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Cyt bc1
FeS
Substrat-2H-QReduktase
Substrat-2H-QReduktase
Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Cyt bc1
FeS
Cyt c
Cyt c
Cyt c
ChinolOxidase
Cyt o
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt aa3 Cu
O2
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt o
O2
ChinolOxidase
ChinolOxidase
Cyt b
Cu
Cyt o
Cyt b
O2
O2
Cyt d
Cytochrom-c-Oxidase
Cyt aa3 Cu
O2
O2
Berechnung der freien Enthalpie
mit realen Konzentrationen
1) Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie einer Reaktion unter
Standardbedingungen (alle Reaktanden in 1 M Konzentration, 300 K und
pH = 7 ergibt ∆G0‘
2) Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie unter realen Konzentrationen
Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ (T= 300 K)
∆G = ∆G0‘ + RT ln (cP)p x (cQ)q
(cA)a x (cB)b
Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für Acetat und SO42Tabellen austeilen mit freien Bildungsenthalpien
C2H3O2- + SO42- ↔ 2 HCO3- + HS-
Berechnung mit realen
Konzentrationen
•
•
•
•
Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ
Ausgangswerte die wir
∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sulfat ist?
normalerweise für Kultivierung
– C2H3O2- + SO42- ↔ 2 HCO3- + HSverwenden:
– Produkte minus Edukte
– = 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63))
= - 1161,2 + 1114,04
1) Acetat 10 mM, 1 mM HS-,
= - 47,16 kJ/mol
10 mM Bicarbonat, 10 mM
Sulfat
∆G = ∆G0‘ + RT ln (cP)p x (cQ)q
(cA)a x (cB)b
1) ∆G = - 47,16 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,010 HCO3-)2 x (0,001 HS-)1
(0,010 Acetat)1 x (0,010 Sulfat)1
•
•
•
= - 47,16 kJ/mol + 5,75 kJ/mol log 0,001 = - 47,16 kJ/mol – 17,25 kJ/mol
= - 47,16 kJ/mol – 17,25 kJ/mol = - 64,41 kJ/mol (Wieviel ATP entspricht das?)
Merke!
• Tabellenwerte sind schon auf wässrige
Lösungen berechnet. D.h. für Wasser wird
nicht 55,5 M eingesetzt sondern 1.
• Das gleiche gilt für Protonen, solange wir
mit den G0‘ Werten für pH 7.0 rechnen.
• Bei Gasen wird wegen der geringen
Löslichkeit der Partialdruck angegeben.
Berechnung der freien Enthalpie
mit realen Konzentrationen
1) Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie einer Reaktion unter
Standardbedingungen (alle Reaktanden in 1 M Konzentration, 300 K und
pH = 7 ergibt ∆G0‘
2) Bestimmen der Änderung der freien Enthalpie unter realen Konzentrationen
Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ
∆G = ∆G0‘ + RT ln (cP)p x (cQ)q
(cA)a x (cB)b
Hier Rechenbeispiel mit den freien Energien für Acetat und Sauerstoff
Tabellen austeilen mit freien Bildungsenthalpien
C2H3O2-+ 2 O2 ↔ 2 HCO3- + H+
Berechnung mit realen
Konzentrationen
•
•
•
•
Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ
∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sauerstoff ist?
– C2H3O2- + 2 O2 ↔ 2 HCO3- + H+
– Produkte minus Edukte
– = 2 x (- 586,85) + (- 39,9) – (- 369,4 – 2 x 0)
= - 1213,6 + 369,4
= - 844,2 kJ/mol
∆G = ∆G0‘ + RT ln (cP)p x (cQ)q
(cA)a x (cB)b
Ausgangswerte die wir
normalerweise für Kultivierung
verwenden (geschlossenes Gefäß):
1) Acetat 10mM, 23 % O2,
10 mM Bicarbonat, pH 7,0
1) ∆G = - 844,2 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,010 HCO3-)2
(0,010 Acetat)1 x (0,23 O2)2
•
•
•
•
•
= - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol log (10-2) - log (0,0529)
= - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (-2 + 1,28)
= - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (- 0,72)
= - 844,2 kJ/mol – 4,14 kJ/mol
= - 840,06 kJ/mol
Berechnung mit realen
Konzentrationen
•
•
•
•
Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ
∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sauerstoff ist?
– C2H3O2- + 2 O2 ↔ 2 HCO3- + H+
– Produkte minus Edukte
– = 2 x (- 586,85) + (- 39,9) – (- 369,4 - 0)
= - 1213,6 + 369,4
= - 844,2 kJ/mol
Ausgangswerte die wir
normalerweise für Kultivierung
verwenden (geschlossenes Gefäß):
2) Acetat 0,1 mM, 1 % O2,
10 mM Bicarbonat, pH 7,0
∆G = ∆G0‘ + RT ln (cP)p x (cQ)q
(cA)a x (cB)b
2) ∆G = - 844,2 kJ/mol + 2,5 kJ/mol 2,3 log (0,01 HCO3-)2
(0,0001 Acetat)1 x (0,01 O2)2
•
•
•
•
= - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (log 104)
= - 844,2 kJ/mol + 5,75 kJ/mol (4)
= - 844,2 kJ/mol + 23 kJ/mol
= - 821,2 kJ/mol
Gegenüber – 840,06 kJ/mol bei 23 %
Kurzes Rechenbeispiel wieviel Protonen über die Membran bei Acetat.
Denksportaufgabe Minigruppe
• Wieviele Protonen pumpt das
Mitochondrium pro Acetat über die
Membran?
• Wieviel Energie ergibt das und wieviel ist
das im Vergleich zur Standardenergie der
Reaktion? Was bedeuted das?
Warum alternative Wege der
aeroben Atmungskette?
1) Die Energetik alleine kann also nicht der
Grund sein, dass bei Sauerstoffmangel andere
Endoxidasen mit weniger Energiegewinn
genutzt werden.
2) Es ist die Affinität der Enzyme zum Sauerstoff,
die hier entscheidend wird.
3) Irgendwann wird der Sauerstofffluss limitierend
und die Konzentration wird zu klein um noch
vernünftige Kinetiken zu erlauben (Michaelis
Menten, Affinität)
Schutz vor Sauerstoff
•
•
•
•
•
Obligat aerobe Organismen
Fakultativ aerobe/fakultativ anaerobe
Microaerophil
Aerotolerante
Obligat anaerobe
Schutz vor Sauerstoff
• Catalase
2 H2O2 → 2 H2O + O2
• Superoxiddismutase
2 O2- + 2 H+ → H2O2 + O2
• Glutathion-Peroxidase
H2O2 + 2 GSH → GSSG + 2 H2O
R-OOH + 2 GSH → GSSG + ROH + H2O
Aerobe Biochemie von
Schadstoffabbau
•
•
•
•
Monooxygenasen Alkane
Dioxygenasen, Toluol, PAK
Ringspaltende Dioxygenasen,
Epoxyd-bildende Monoxygenase (Benzol)
Welche Schadstoffe sind wichtig?
Biodegradation pathways,
aerobic
• Oxygen is special because it is needed as
electron acceptor and co-substrate
• Oxygenase reactions for alkanes and
aromatic hydrocarbons
Aerobic degradation of
alkanes
Benzol, Phenol Abbau
Dioxygenase
Dehydrogenase
H
O2
OH
OH
XH2
OH
X
H
Benzol
cis-1,2-Dihydro1,2-dihyroxybenzol
X
XH2
BrenzCatechin (Catechol)
Monooxygenase
OH
O2 + XH2
H2O + X
OH
OH
Phenol
OH
Brenzcatechin (Catechol)
Konvergente Abbauwege
Athrace n
CH 2 CHNH 2
CHOH COOH
Alkyl
M ande lat
Alkylbe nzol
Phenylalanin
COOH
Naphthalin
Benzoat
COOH
OH
Salicylat
Phe nanthre n
OH
Phe nol
Be nzol
OH
COOH
Biphe nyl
COOH
OH
Bre nzcate chin
NH 2
Anthranilat
N
H
Tryptophan
Zu Protocatechuat führenden Abbauwege aromatischer Verbindungen
CH3
Alkyl
COOH
COOH
COOH
OH
Toluat
Alkylphenol
HO
OH
COOH
OH
3- Hydroxybenzoat
Protocatechuat
C3
OCH
3
OH
Vanillat
n
Lignin
COOH
OH
OH
Benzoat
O
Shikimat
COOH
O
OH
OH
4-Hydroxybenzoat
COOH
C3
OCH3
OH
ortho-Spaltung des aromatischen Ringes
OH
O2
OH
Dioxygenase
Brenzcatechin
OH
C
O
C
O
OH
cis, cis- Muconat
Meta-Spaltung des aromatischen Ringes
OH
OH
COOH
CHO
OH
Brenzcatechin
HOOC
OH
OH
Protocatechuat
Metapyrocatechase
(Catechol-2,3-Dioxygenase)
2-Hydroxymuconatsemialdehyd
H OOC
OH
COOH
CHO
2-Hydroxy4-caroxymuconatsemialdehyd
Protocatechuat4,5-Dioxygenase
Ortho-Spaltung des aromatischen Ringes und 3-Oxoadipat-Weg
Brenzcatechin
OH
HOOC
OH
OH
4
OH
1
HOOC
COOH
cis,cisMuconat
COOH
Muconolacton
O
HOOC
COOH
C
O
4-Oxoadipatenollacton
3
O
O
4. Protocatechuat-3,4-Dioxygenase
COOH
3-Oxoadipat
Cycloisomerase
Succinat
Decarboxylase
7. 4-Oxyoadipatenollacton-Hydrolase
8. 3-Oxoadipat-Succinyl-CoA-Transferase
9. 3-Oxoadipyl-CoA-Thiolase
O
O
CO2
Acetyl~CoA
8
COOH
5. 3-Carboxymuconat-
6. 4-Carboxymuconolacton-
C
6
4-Carboxymuconolacton
7
2. Muconat-Cycloisomerase
3. Muconolacton-Isomerase
COOH
COOH
C
1. Pyrocatechase
O
3-Carboxycis,cis-muconat
COOH
5
2
COOH
Protocatechuat
O
CO~SCoA
CoA
COOH
CoA
3-OxoadipylCoA
9
Succinyl~CoA
Proposed pathway for the degradation of naphthalene
H
OH
O2
OH
OH
H
2H+ + 2e-
OH
OH
2H+ + 2ecis – Naphthalene
dihydrodiol
Naphthalene
HOOC
O
O2
1,2 - Dihydroxynaphthalene
HOOC
OH
OH
CH3COCOOH
Salicylaldehyde
O
H2O
HOOC
OH
O
CHO
cis - o - Hydroxybenzalpyruvic acid
OH
OH
RING FISSION
P fluorescens
HO
COOH
Gentisic acid
OH
OH
COOH
Salicylic acid
OH
Catechol
RING FISSION

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