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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