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Aerobe Atmung und Abbau
Organismus des TagesPseudomonas 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
• 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
1367
220
1808
91
8
4
9
13
1124
25
n = published species
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
FMN
1) NADH-Dehydrogenase
NADH + H+
NAD+
2e- + 2H+
[4Fe4S]
[2Fe2S]2e-
4 H+
4 H+
Q
2 H+
QH2
2 H+
2 H+
3) Ubichinol-Cytochrom-C-oxidoreduktase
Cyt-C ox/red
[FexSx]
2 H+
2 H+
Cyt b Cyt c1
2e-
Cyt a/a3
[3 Cu]
2e-
½ O22 H+
2 H+H2O
4) Cytochrom-C-oxidase
2) Succinat dehydrogenase
CN-, CO, N3
-
Antimycin A
z.B. Amytal
Cytoplasma
Periplasma
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 Membranender Mitochondrien und vieler Bakterien
a)NADH + H+
NAD+
NADH-Dehydrogenase IFMN FeS
Ubichinol-Cytochrom-c-OxidoreduktaseCyt bc1 FeS
Cytochrom-c-OxidaseCyt aa3 Cu
Q
Cyt c
O2
4 H+
2 H+
2 H+
2 H+
Grundschemata der Elektronentransportkette in Paracoccus denitrificans
Substrat-2H-Q-Reduktase
Ubichinol-Cytochrom-c-OxidoreduktaseCyt bc1 FeS
Cytochrom-c-OxidaseCyt aa3 Cu
Cytochrom-c-OxidaseCyt o
Substrat
Q
Cyt c
O2 O2
Chinol-Oxidase
Cyt c
Cyt o
O2
b)
4 H+
2 H+
2 H+
2 H+
4 H+
2 H+
2 H+
2 H+
Grundschemata der Elektronentransportkette in Escherichia coli
Substrat-2H-Q-Reduktase
Substrat
O2 O2
Chinol-Oxidase
Cyt bCu
Cyt o
c)
Q
Chinol-Oxidase
Cyt b
Cyt d
4 H+
2 H+
2 H+
2 H+
4 H+
2 H+
2 H+
2 H+
Geringe Affinität für O2, KM ca. 3 µM Hohe Affinität für O2, KM ca. 0,1 µM
NADH + H+
NAD+
NADH-DehydrogenaseFMN FeS
Ubichinol-Cytochrom-c-OxidoreduktaseCyt bc1 FeS
Cytochrom-c-OxidaseCyt aa3 Cu
Q
Cyt c
O2
Substrat-2H-Q-Reduktase
Ubichinol-Cytochrom-c-OxidoreduktaseCyt bc1 FeS
Cytochrom-c-OxidaseCyt aa3 Cu
Cytochrom-c-OxidaseCyt o
Substrat
Q
Cyt c
O2 O2
Chinol-Oxidase
Cyt c
Cyt o
O2
Substrat-2H-Q-Reduktase
Substrat
O2 O2
Chinol-Oxidase
Cyt bCu
Cyt o
Q
Chinol-Oxidase
Cyt b
Cyt d
Grundschemata der Elektronentransportkette in den Membranender Mitochondrien und vieler Bakterien
a) Mitochondrien und viele Bakterien b) Paracoccus denitrificans c) E. coli
Berechnung der freien Enthalpie mit realen Konzentrationen
C2H3O2- + SO4
2- ↔ 2 HCO3- + HS-
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 SO4
2-
Tabellen austeilen mit freien Bildungsenthalpien
Berechnung mit realen Konzentrationen
• Angenommene Reaktion mit aA + bB ↔ pP + qQ• ∆G0‘ für Acetatoxidation mit Sulfat ist?
– C2H3O2- + SO4
2- ↔ 2 HCO3- + HS-
– Produkte minus Edukte– = 2 x (- 586,85) + (+ 12,05) – (- 369,41 + (- 744,63))
= - 1161,2 + 1114,04 = - 47,16 kJ/mol
• ∆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?)
Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden:
1) Acetat 10 mM, 1 mM HS-,
10 mM Bicarbonat, 10 mM Sulfat
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
C2H3O2-+ 2 O2 ↔ 2 HCO3
- + H+
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
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
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
Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden (geschlossenes Gefäß):
1) Acetat 10mM, 23 % O2,
10 mM Bicarbonat, pH 7,0
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
• ∆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 %
Ausgangswerte die wir normalerweise für Kultivierung verwenden (geschlossenes Gefäß):
2) Acetat 0,1 mM, 1 % O2,
10 mM Bicarbonat, pH 7,0
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
OH
OH
H
H
OH
OH
O2
XH2X XH2
X
Benzolcis-1,2-Dihydro-
1,2-dihyroxy-benzol
Brenz-Catechin (Catechol)
Dioxygenase Dehydrogenase
OH
OH
OH
Phenol Brenzcatechin (Catechol)
O2 + XH2 H2O + X
Monooxygenase
Konvergente Abbauwege
Athracen
lyklA CHOH COOH CH2 CHNH2 COOH
Alkylbenzol Mandelat Phenylalanin
Naphthalin Benzoat Benzol Phenol Biphenyl
COOH OH
Phenanthren
Salicylat Brenzcatechin Anthranilat Tryptophan
COOH
OH
OH
OH
COOH
NH2
HN
Zu Protocatechuat führenden Abbauwege aromatischer Verbindungen
CH3
COOH
COOH
COOH
COOH
COOH
OH
COOH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
Alkyl
COOH
OH
OCH3
C
OH
3
OCH3
C3
O
On
Toluat
4-Hydroxy-benzoat
Alkylphenol
Shikimat Lignin
VanillatProtocatechuat3- Hydroxy-benzoat
Benzoat
O
O
OH
OH
C
C
OH
OH
O2
Dioxygenase
Brenzcatechin cis, cis- Muconat
ortho-Spaltung des aromatischen Ringes
Meta-Spaltung des aromatischen Ringes
OH
OHCOOH
CHO
OH
HOOC OH
OH
COOH OH
COOHCHO
Brenzcatechin 2-Hydroxy-muconat-
semialdehyd
Protocatechuat 2-Hydroxy-4-caroxymuconat-
semialdehyd
Metapyrocatechase(Catechol-2,3-Dioxygenase)
Protocatechuat-4,5-Dioxygenase
Ortho-Spaltung des aromatischen Ringes und 3-Oxoadipat-WegOH
OH
COOH
COOH
OCOOH
C O
OCOOH
C O OC
COOHO
HOOC
COOH
COOH
HOOC
OH
OH
HOOC
O COOH
COOH
O CO~SCoA
COOH
CO2
Brenz-catechin
cis,cis-Muconat
Mucono-lacton
4-Oxoadipat-enollacton
Proto-catechuat
3-Carboxy-cis,cis-muconat
4-Carboxy-muconolacton
3-Oxoadipat 3-Oxoadipyl-CoA
CoA
Succinat
Acetyl~CoA
CoA
Succinyl~CoA
1. Pyrocatechase
2. Muconat-Cycloisomerase
3. Muconolacton-Isomerase
4. Protocatechuat-3,4-Dioxygenase
5. 3-Carboxymuconat-
Cycloisomerase
6. 4-Carboxymuconolacton-
Decarboxylase
7. 4-Oxyoadipatenollacton-Hydrolase
8. 3-Oxoadipat-Succinyl-CoA-Transferase
9. 3-Oxoadipyl-CoA-Thiolase
1
2
3
4
5
6
78
9
Proposed pathway for the degradation of naphthalene
H
OHOH
H
HO
OH
OCOOHOH
OHHOOC
O
OH O
OH
OH
CHO
OH
COOH
OH
COOHOH
OH
OH
O2
2H+ + 2e-2H+ + 2e-
O2
H2O
CH3COCOOH
P fluorescens
RING FISSION
RING FISSION
Naphthalene cis – Naphthalene dihydrodiol
cis - o - Hydroxybenzal-pyruvic acid
1,2 - Dihydroxynaphthalene
Salicylic acid
Salicylaldehyde
Gentisic acid
Catechol
COOH
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