VL Allgemeine Mikrobiologie: Ausgewählte Prokaryoten I
SS 2003 ©Bert Engelen
Vorlesung: Allgemeine Mikrobiologie
Ausgewählte Prokaryoten I
Organotrophe Organismen
Bert Engelen
www.icbm.de/pmbio
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Ausgewählte Prokaryoten?
Abb.: Fritsche (1999)
Ernährungsweise
Substrate
Lebensbedingungen
Stoffwechselprozesse
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z.B.Escherichia coli
Enterobacteriaceae
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Ausgewählte Prokaryoten
Bsp.: Escherichia coli
- aerobe Atmung
- Denitrifikation
- gemischte Säure-Gärung
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Familie: Enterobacteriaceae
Escherichia coli, Salmonella, Klebsiella, Proteus, Yersinia
- wachsen aerob und fakultativ anaerob
- fermentieren Glucose, reduzieren Nitrat zu Nitrit (Ausnahmen)
- Oxydase-Reaktion ist negativ
- bewegliche Stäbchen (Ausnahmen)
- gramnegativ
- weit verbreitet (hauptsächlich im Darm von Mensch und Tier)
durch Ausscheidungen Umwelt kontaminiert (Wasser, Boden, Pflanzen, Lebensmitteln Luft)
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E. coli ist:
- einfach zu kultivieren (Verdopplungszeit: 20 Minuten)
- generell nicht pathogen (Ausnahme: Toxin-produzierende Stämme)
- etwa 50% aller Durchfallerkrankungen von Reiseisenden
- das „Haustierchen“ der Genetiker
- in vielen Fällen Produktionsstamm zur Enzymproduktion
Was gibt es über E. coli zu erzählen?
-der best verstandene Organismus
- Bsp.: Escherichia coli and Salmonella,
Cellular and molecular biology
F. C. Neidhard (ed.) ca. 2.800 Seiten
E. coli wurde 1885 von Theodor Escherich, einem deutschen Mikrobiologen entdeckt
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"Once we understand the biology of Escherichia coli, we will
understand the biology of an elephant". Jacque Monod
Nobelpreisträger (1965) – Enzymregulation (Jacob-Monod model)
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Plasmide codieren für:
- Adhäsion, Zuckervergärung, Colicin-, Hämolysin-, Enterotoxin-Bildung
- Resistenz gegen Antibiotika, Schwermetalle und Ultraviolett-Licht
0,5
µm
Abb.: Neidhard (ed., 1987)
- stäbchenförmig (1,5 x 4 µm)
- meist beweglich (peritriche Begeißelung)
- z.T. unbewegliche Stämme,
- einige bilden Polysaccharidkapsel
- z.T. Fimbrien, konjugative Pili
Escherichia coli
- natürlicher Bewohner des hinteren Abschnitts des Darmtraktes
- ungefähr 1 % der bakteriellen Darmflora
Indikatorkeim für fäkale Kontamination
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1. Aerobe Atmung <CH2O> + O2 CO2 + H2O
Möglichkeiten der Dissimilation bei E. coli
Glucose
2 Pyruvat
GTP
NADH
ATP
NADH
FADH2
ATPCO2, NADH
CO2
Reduktions-äquivalente
2 e-NADH
NAD+
H+
O2
H2O
Atmungskette
freie Energie wird zur ATP–Bildung benutzt
e- schrittweise über steigendesRedoxpotential zu O2 transportiert
Protonen-Gradient
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Glucose
Pyruvat
TCC
GTP
NADH
ATP
NADH
NADPHFADH2
ATPCO2
CO2
2. Anaerobe Atmung
Möglichkeiten der Dissimilation bei E. coli
2 e-NADH
NAD+
H+
NO3-
NO2-
H2O
Protonen-Gradient
Spezialfall der Denitrifikation: Nitrat-Nitrit-Atmung
! Anhäufung von Nitrit im Medium (oder Blut)
Bei nitratreicher Nahrung:
Cyanose bei Säuglingen (Methämoglobin)
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Denitrifikation
- liefert 90% der Energie der Oxidation von O2
2 NO3- + 2 H+ + 10 [H] N2 + 6 H2O
Ein Ausflug in den Stickstoffkreislauf
Abb.: Cypionka (2003)
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Nitrat-Ammonifikation
- geringere freie Energie als bei Umsetzung zu N2
NO3- + 2 H+ + 8 [H] NH4 + 3 H2O
Ein Ausflug in den Stickstoffkreislauf
Abb.: Cypionka (2003)
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Gewinn an freier Energie (∆G0’)
Eo’ [mV]
Aerobe Atmung O2/H2O +820 ∆G0’ = -2870 kJ/mol Glucose
Denitrifikation NO3-/N2 +751 ∆G0’ = -2715 kJ/mol Glucose
Nitrat-Ammonifikation NO3-/NH4 +363 ∆G0’ = -1800 kJ/mol Glucose
NADH/NAD+ - 320
FADH/FAD + - 220 Energiegewinn
je nach:
Anzahl der übertragenen Elektronen
Differenz der Redoxpotenziale (Eo’)
Stichwort: “Nernstsche Gleichung”
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Was kann E. coli noch?
Frage?
Was tun, wenn kein Elektronenakzeptor
für die Atmungskette vorhanden ist?
Antwort!
Gärung!
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Das generelle Prinzip einer Gärung
Bezeichnung der Gärungen nach ihren charakteristischen Endprodukten
Alkohol (Ethanol) Milchsäure
Buttersäure Propionsäure
Gemisch verschiedener Säuren
Energiekonservierung nicht durch:
- chemiosmotische Mechanismen (Protonen-Gradient)
sondern durch:
- Substrat-Phosphorylierung
ATP-Ausbeute und Wachstumsertrag gering!
Bsp.: Alkoholische Gärung: wenig Biomasse, viel Alkohol
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Das generelle Prinzip einer Gärung
reduzierte Produkte
Organisches Substrat
[H]
ATP
Abbau
Intermediate
oxidierte Produkte
Energiekonservierung nicht :
- chemiosmotisch (Protonen-Gradient)
sondern:
- Substrat-Phosphorylierung
Glucose
2 Pyruvat
GTP
NADH
ATP
NADH
FADH2
ATPCO2, NADH
CO2
Reduktions-äquivalente
Atmungskette
Protonengradient
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3. Gemischte Säure-Gärung
Ethanol CH3-CH2OH
Succinat COOH-CH2-CH2-COOH
Lactat CH3-CHOH-COOH
Acetat CH3-COOH
Formiat HCOOH
Wasserstoff H2
Kohlendioxid CO2
GlucoseGlykolyse
Pyruvat Lactat
Acetyl~CoA
Formiat
+
Ethanol
Acetat
CO2
H2
CO2
Succinat
Möglichkeiten der Dissimilation bei E. coli
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z.B.Lactobacillus sp.
Lactobacteriaceae
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Ausgewählte Prokaryoten
Bsp.: Lactobacillus sp.
- homofermentative und
heterofermentative
Milchsäure-GärungPhoto: M. Dykstra, R. Barrangou, R. Sanozky-Dawes, and T. R. Klaenhammer
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Aus dem mikrobiologischen Garten:
www.mikrobiologischer-garten.de
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Natürliches Vorkommen:
- Milch und Milchprodukte, Fruchtsäfte,
Pflanzenprodukte, Darm, Schleimhaut
- spielen besondere Rolle für die
Herstellung von Sauermilchprodukten
oder auch: Sauerkraut und Salami
Lactobacteriaceae (Milchsäurebakterien)
- Gram-positive Stäbchen oder Kokken
- obligate Gärer (besitzen keine Atmungskette)
- Katalase-negativ (häufig aerotolerant)
www.mikrobiologischer-garten.de
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Lactobacteriaceae geordnet nach:
Form (Kokken oder Stäbchen) und Gärtyp
Homofermentativ
Kokken Stäbchen
Lactococcus LactobacillusL. lactis L. plantarumL. casei L. bulgaricus
L. acidophilusEnterococcusE. faecalis
StreptococcusS. thermophilusS. salivariusS. mutansS. pyogenes
hauptsächlich Lactat
Heterofermentativ
Kokken Stäbchen
Leuconostoc LactobacillusL. mesenteroides L. brevisL. dextranicum L. kandleri
verschiedene Gärprodukte
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Die homofermentative Milchsäuregärung
Glucose 2 Pyruvat
2 NADH2 NAD+
ATP6
COOH
C O
CH3
Lactat-Dehydrogenase2 Lactat
COOH
HC OH
CH3
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Die heterofermentative Milchsäuregärung
Abb.: Schlegel. (1992)
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Die heterofermentative Milchsäuregärung
Abb.: Schlegel. (1992)
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Der „Alleskönner“Shewanella
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Ausgewählte Prokaryoten
Bsp.: Shewanella spec.
- aerobe Atmung
- Denitrifikation
- Schwefelreduktion
- Fe3+-Reduktion
- Mn4+-Reduktion
- versch. Gärungen Photo: Ken Nealson
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1 µm
Abb.: Nogi et al. (1998)
Bsp.: Shewanella violacea
Wieso finde ich den Stamm nicht?
Bsp.: Shewanella putrefaciens MacDonell and Colwell 1986, comb. nov.
oder auch:
Alteromonas putrefaciens
oder auch:
Pseudomonas putrefaciens
oder auch:
Achromobacter putrefaciens
Tip: List of Bacterial Names with Standing in Nomenclature http://www.bacterio.cict.fr/
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Nitrosomonas europaeaT
Shewanella algaeT
Shewanella amazonensisT
„Shewanella massilia“eigenes IsolatShewanella balticaT
Shewanella baltica OS155Shewanella baltica OS195
Shewanella putrefaciensT
Shewanella oneidensisT
Shewanella livingstonensisT
Shewanella frigidimarinaT
Shewanella baltica KT0246Shewanella japonicaT
Shewanella gelidimarinaT
Shewanella colwellianaT
Shewanella pealeanaT
Shewanella woodyiT
Shewanella hanedaiT
Shewanella benthicaT
Shewanella violaceaT
Photobacterium fischeriT
Escherichia coliT
Desulfovibrio desulfuricans ATCC27774
0,05
Zur Zeit kennt man folgende Shewanella-Arten:
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Wieso eigentlich „Alleskönner“?
z.B. Shewanella oneidensis MR-1 z.B.
- wächs aerob und anaerob
- „veratmet“ verschiedene Elektronenakzeptoren
- Nitrit, Nitrat, Thiosulfat, EisenIII, ManganIV, UranVI
Besonders die nahe Verwandschaft zu E. coli hat Vorteile:
- Untersuchung der Metallreduktion
- Techniken, die für E. coli entwickelt wurden funktionieren auch für Shewanella
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Glucose
Pyruvat
TCC
GTP
NADH
ATP
NADH
NADPHFADH2
ATPCO2
CO2
„Veratmung“ von alternativen Elektronenakzeptoren:
2 e-NADH
NAD+
H+
X
Xred.
Protonen-Gradient
Nitrit
Nitrat
Thiosulfat
EisenIII
ManganIV
UranVI
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Sulfat-Reduktion (dissimilatorisch)
SO42- + H+ + 8 [H] HS- + 4 H2O
Ein Ausflug in den Schwefelkreislauf
Sulfat ist ein energetisch schlechter Elektronenakzeptor:
- ungünstiges Redoxverhältnis
- Aktivierung von Sulfat durch ATP-Verbrauch
- hohe Sulfat-Reduktionsrate für Wachstum nötig
Adenosin-Phosphosulfat (APS)
Abb.: Fritsche (1999)
„aktiviertes“ Sulfat
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Sulfat-Reduktion (dissimilatorisch)
Ein Ausflug in den Schwefelkreislauf
Abb.: Fritsche (1999) mod.
Bsp.: Desulfovibrio sp.
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Metahnproduzierende Archaea
Methanosarcina sp.
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Ausgewählte Prokaryoten
Bsp.: Methanosarcina spec.
Methanbildung durch strikt anaerobe Archaea
- Reduktion von CO2 mit H2 zu CH4
- Spaltung von Acetat zu CO2 und CH4
- Carbonat-AtmungPhoto: Steffen Battenberg
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Pansenbiozönose:Abb.: Brock (2001)
- Vergärung von Glucose
(verschiedene Prokaryoten) und
- Eruktation von CO2 (65%) und Methan (35%)
„Volta-Experiment“Abb.: Brock (2001)
Entzünden von Sumpfgas
Vorkommen von Metanogenen Prokaryoten
- Reduktion von CO2 mit H2 zu CH4
(z.B. Methanobrevibacter ruminantium)
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Methanogenese durch Reduktion von CO2
Abb.: Fritsche (1999) mod.
Protonen-Gradiente-
Reduktion von CO2 mit H2 zu CH4
CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
- Bildung von H2 durch syntrophe Bakterien
- Aufbau eines Protonen-Gradienten
- Carbonat-Atmung
- Aktivierung des CO2 durch ATP
(Energieverbrauch)
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Methanogenese durch Spaltung von Acetat
Abb.: Fritsche (1999)
Spaltung von Acetat zu CO2 und CH4
CH3COO- + H2O CH4 + CH3O
- Wichtigster Prozess der Methanbildung
(Methanosarcina sp., Methanothrix sp.)
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Oder haben die vorgestellten Prozesseeine besondere Bedeutung in der Natur?
Ist das alles nur „biochemische Spielerei“?
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Verlauf des Stoffwechsels in der Pansenbiozönose
Abb.: Brock (2001)
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Abbau organischen MaterialsBsp.: Faulturm
Sekundäre Gärer
Acetat
Polymere
Fettsäuren, Succinat,Alkohole, Lactat
Formiat, H2,CO2, Methanol
Monomere
Primäre Gärer
CH4, CO2
Methanogene
CO2
Sulfatreduzierer
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Verschiedene Gärungen:
Keine Atmungskette, Substrat-Phosphorylierung, charakteristische Endprodukte
Homofermentative Milchsäure-Gärung Streptococcus thermophilus
Heterofermentative Milchsäure-Gärung Lactobacillus brevis, Leuconostoc mesenteroides
Gemische Säure-Gärung Escherichia coli
Buttersäure/ Butanol-Aceton-Gärung Clostridium acetobutylicum
Propionsäure-Gärung Propionibacterium freudenreichii
Alkoholische Gärung Saccharomyces cerevisiae
Vergärung von Aminosäuren Clostridium botulinum
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Idealisiertes Schema:
Abfolge der verschiedenen Elektronenakzeptoren im Sediment
SO42-
CH4
O2
NO3-
MnO2
Fe(III)
Eo’ [mV]
O2/H2O +820 Aerobe Atmung
NO3-/N2 +751 Denitrifikation
NO3-/NH4 +363 Nitratammonifikation
MnO2/Mn2+ +390 Manganreduktion
FeOOH +150 Eisenreduktion
SO42-/HS- - 218 Sulfatreduktion
So/HS- - 240 Schwefelreduktion
CO2/CH4 - 244 Methanogenese
NADH/NAD+ - 320
FADH/FAD + - 220
H+/H2 - 420
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Aerobe und anaerobe Atmungen:
Atmungskette, Protonengradient verschiedene Elektronenakzeptoren:
O2 aerobe Atmung Escherichia coli
NO3- Denitrifikation (zu N2), Nitratatmung Paracoccus denitrificans
NO3- Ammonifikation (zu NH4
+) Desulfovibrio desulfuricans
MnO2 Manganreduktion Shewanella algae
FeOOH Eisenreduktion Geobacter metallireducens
So Schwefelreduktion Desulfuromonas acetoxidans
SO42- Sulfatreduktion Desulfotomaculum australicum
CO2 Methanogenese (zu CH4) Methanosarcina methanica
CO2 Homoacetogenese (zu Acetat) Acetobacterium woodii
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