Med.hro.nl/kamse/EASMHS01K/2013-2014 Microscopische helpers en sluipmoordenaars EASMHS01K Med.hro.nl/kamse/EASMHS01K/2013-2014 Presentatie titel Rotterdam, 00 januari 2007 Rotterdam, november 2013

Voedings-typen Energiebron Koolstof (C) -bron Zuurstof Licht fototroof Anorganische verbinding(en) chemo-lithotroof Organische verbinding(en) chemo-organotroof Koolstof (C) -bron CO2 autotroof Organische verbinding heterotroof Zuurstof Kan alleen leven met O2 obligaat aeroob Gaat dood door O2 obligaat anaeroob Kan zowel met- als zonder O2 facultatief anaeroob Deze termen moet je uit je hoofd kennen !

Organisch: Van biologisch (levend) materiaal Ten minste één koolstof- en één waterstof atoom Bijvoorbeeld: melkzuur Maar NIET zoutzuur (HCl)

Voeding CO2 Zuurstof Water Energie metabolisme in een cel met zuurstof voeding wordt geoxideerd Glucose is een suiker (druivensuiker, of dextrose) dat bijna alle organismen als energiebron kunnen gebruiken. Heel veel organismen zetten allerlei suikers eerst om in glucose. De energie uit glucose zit in electronen. Het verwijderen van een electron uit een molecuul heet oxideren. Het electron wordt met allerlei tussenstappen overgebracht naar een acceptor. Die uiteindelijke acceptor in onze eigen cellen is zuurstof (daarom moet je ademhalen !). Zuurstof neemt dus een electron op en dat heet reduceren. Zuurstof wordt gereduceert. e-acceptor wordt gereduceerd Zuurstof Water

Verbranding van voeding met zuurstof Eiwitcomplex Van electron dragers H+ Cyt c Q    V FADH2 FAD NAD+ NADH (drager van electronen uit voeding) Electronen transport keten 2 H+ + 1/2O2 H2O ADP + P i ATP synthase ATP 1 Via tussenstappen wordt de energie van elektronen gebruikt om H+ ionen (ook wel protonen genoemd) naar de buitenkant van de membraan te pompen. Bij bacteriën gebeurt dat bij de celmembraan, in onze cellen (en die van dieren en schimmels) gebeurt dat in de membraan van de mitochondriën. Hierdoor ontstaat een stuwmeer van protonen die door verschillende natuurkundige krachten ‘graag weer terug naa binnen willen’, maar dat niet zomaar kunnen omdat een celmembraan geen geladen moleculen doorlaat. Dat stuwmeer heet de protonen gradiënt. Alle dieren kunnen alleen zuurstof als uiteindelijke (terminale) electron acceptor gebruiken. Er zijn echter veel bacterie soorten die hele andere chemische moleculen hiervoor kunnen gebruiken, of die de electronen ook kunnen halen uit anorganische stoffen zoals verbindingen van stikstof, metalen of zwavel. Zuurstof is echter de meest efficiente en levert de meeste energie per electron op. Deze groep van eiwitten die deze overdracht naar zuurstof of een ander molecuul en daarmee de vorming van een protonen gradiënt mogelijk maken, noemen we de cellulaire ademhalingsketen.

Energie in protonengradiënt drijft ook transport van moleculen over de membraan en rotatie van flagel HLO BML

Electronen transportketen = cellulaire ademhaling Eukaryoten (gisten en andere schimmels): mitochondriën Glucose CYTOSOL e– 2 ATP Met eindacceptor (bijv. zuurstof): cellulaire ademhaling Pyruvaat Zonder eindacceptor: Fermentatie voor regeneratie van NAD+ (tussen-drager die nodig is voor Glucose afbraak tot pyruvaat Electronen transportketen = cellulaire ademhaling e– Alcohol Organisch Zuur CO2 Sommige bacterie soorten hebben geen ademhalingsketen. Die halen slechts enkele electronen uit voeding die niet gebruikt worden om energie uit te halen. Hun energie komt uitsluiten uit de energie die uit de eerste splitsing van glucose vrijkomt. Echter, de enkele electronen die hierbij vrijkomen moet de cel kwijt. Sterker nog, de splitsingreactie die het beetje chemische energie oplevert kàn alleen plaatsvinden als de vrijkomende electronen door een ander molecuul worden opgevangen. Dat doet de cel door één of enkele stoffen om te zetten (te reduceren) waarbij drie type bijproducten gevormd kunnen worden: alcoholen, organische zuren en/of koolzuurgas (CO2). Dat heet fermentatie. Sommige bacterien en veel gisten hebben èn een cellulaire adenhalingsketen, ze kunnen in afwezigheid van zuurstof fermenteren. De tekening hierboven laat zien hoe dit werkt in eengistcel (je ziet een mitochondrion en dat heeft een bacterie niet. Bij een bacterie is de ademhalingsketen (als hij die heeft) in de celmembraan). 34 ATP

Bier is gefermenteerd suiker door gist

(a) Alcohol fermentatie Fig. 9-18a 2 ADP + 2 P 2 ATP i Glucose Glycolyse 2 Pyruvaat 2 NAD+ 2 NADH 2 CO2 + 2 H+ 2 Acetaldehyde 2 Ethanol (a) Alcohol fermentatie

(a) Alcohol fermentatie Fig. 9-18a 2 ADP + 2 P 2 ATP i Glucose Glycolyse 2 Pyruvaat 2 NAD+ 2 NADH 2 CO2 + 2 H+ 2 Acetaldehyde 2 Ethanol (a) Alcohol fermentatie

Voedings-typen Gist Energiebron Koolstof (C) -bron Zuurstof Licht fototroof Anorganische verbinding(en) chemo-lithotroof Organische verbinding(en) chemo-organotroof Koolstof (C) -bron CO2 autotroof Organische verbinding heterotroof Zuurstof Kan alleen leven met O2 obligaat aeroob Gaat dood door O2 obligaat anaeroob Kan zowel met- als zonder O2 facultatief anaeroob Deze termen moet je uit je hoofd kennen !

Bier is gefermenteerd suiker door gist Waterslot om CO2 te laten ontsnappen maar zuurstof en ongewenste microorganismen “buiten” te houden

Voedings-typen Bacteriën Energiebron Licht fototroof Anorganische verbinding(en) chemo-lithotroof Organische verbinding(en) chemo-organotroof Koolstof (C) -bron CO2 autotroof Organische verbinding heterotroof Zuurstof Kan alleen leven met O2 obligaat aeroob Gaat dood door O2 obligaat anaeroob Kan zowel met- als zonder O2 facultatief anaeroob Deze termen moet je uit je hoofd kennen !

Fermentatie versus cellulaire ademhaling in bacteriën

Bacteriën in je koelkast Volle Melk Lactobacillus bulgaricus Streptococcus thermophilus Yoghurt Karnemelk Magere Melk

(b) Lactaat (melkzuur) fermentatie 2 ADP + 2 P 2 ATP i Glucose Glycolysis 2 NAD+ 2 NADH + 2 H+ 2 Pyruvaat 2 Lactaat (b) Lactaat (melkzuur) fermentatie

Voedings-typen Melkzuur bacteriën Energiebron Licht fototroof Anorganische verbinding(en) chemo-lithotroof Organische verbinding(en) chemo-organotroof Koolstof (C) -bron CO2 autotroof Organische verbinding heterotroof Zuurstof Kan alleen leven met O2 obligaat aeroob Gaat dood door O2 obligaat anaeroob Kan zowel met- als zonder O2 facultatief anaeroob Deze termen moet je uit je hoofd kennen !

Sojasaus is ook een fermentatie-product Soja bonen, graan en zout Schimmel Aspergillus oryzae en soyae en Gist Saccharomyces En Bacterie Lactobacillus

Tempeh is ook een fermentatie-product Soja bonen, Schimmel Rhizopus oligosporus

Favoriete Penicillium soorten Penicillium roqueforti Blauw zijn sporen in de kaas: Roquefort, Stilton, Danish blue Penicillium camembertii Witte buitenkant is mycelium: Brie Camembert

Verbranding van voeding ZONDER zuurstof Eiwitcomplex Van electron dragers H+ Cyt c Q    V FADH2 FAD NAD+ NADH (drager van electronen uit voeding) Electronen transport keten 2 H+ + 1/2O2 H2O ADP + P i ATP synthase ATP 1 Via tussenstappen wordt de energie van elektronen gebruikt om H+ ionen (ook wel protonen genoemd) naar de buitenkant van de membraan te pompen. Bij bacteriën gebeurt dat bij de celmembraan, in onze cellen (en die van dieren en schimmels) gebeurt dat in de membraan van de mitochondriën. Hierdoor ontstaat een stuwmeer van protonen die door verschillende natuurkundige krachten ‘graag weer terug naa binnen willen’, maar dat niet zomaar kunnen omdat een celmembraan geen geladen moleculen doorlaat. Dat stuwmeer heet de protonen gradiënt. Alle dieren kunnen alleen zuurstof als uiteindelijke (terminale) electron acceptor gebruiken. Er zijn echter veel bacterie soorten die hele andere chemische moleculen hiervoor kunnen gebruiken, of die de electronen ook kunnen halen uit anorganische stoffen zoals verbindingen van stikstof, metalen of zwavel. Zuurstof is echter de meest efficiente en levert de meeste energie per electron op. Deze groep van eiwitten die deze overdracht naar zuurstof of een ander molecuul en daarmee de vorming van een protonen gradiënt mogelijk maken, noemen we de cellulaire ademhalingsketen. Deze reductie van een ander molecuul dan zuurstof = anaerobe ademhaling

Anorganische electron acceptors Reductie van sulfaat tot H2S Chemische reactie naar FeS (zwart)

Anorganische electron acceptors De bekendste zijn NO (denitrificerende bacteriën), SO (sulfaatreducerende bacteriën) en CO (methanogene bacteriën). Veel bacteriën die met NO kunnen ademhalen (waarbij N en N O ontstaan) kunnen dit ook met O [facultatief anaeroob]. Dit is niet het geval met sulfaatreducerende en methanogene bacteriën. Sulfaatreducerende bacteriën zijn strikt anaërobe bacteriën, die alleen maar met SO kunnen ademhalen en voor wie O zelfs giftig is. Diezelfde giftigheid geldt ook voor methanogene bacteriën die ademhalen met CO en daarbij CH vormen. Meer exotische stoffen waarmee bepaalde bacteriën kunnen ademhalen zijn metalen als ijzer, mangaan, arseen, selenium, chroom en zelfs uranium. Een groot verschil met elektronenacceptoren als O , NO ,SO en CO is echter dat deze laatste vier goed oplosbaar zijn in water, terwijl de metalen over het algemeen voorkomen als vaste stoffen. Bijvoorbeeld het geoxideerde ijzer dat in de vaste vormen hematiet (alfa-Fe O ) en goethiet (alfa-FeOOH) aanwezig is HLO BML

Fermentatie versus cellulaire ademhaling

Ammonium en nitriet als e-acceptors Anaeroob Organotroof Nitraat als e-donor Aeroob Autotroof Ammonium en nitriet als e-acceptors http://www.vob-ond.be/Biologielexicon/

Rioolwaterzuivering Stikstof wordt via een 2-staps proces omgezet: eerst wordt ammonium geoxideerd tot nitraat in de beluchte gedeelten van de zuivering. Dit proces wordt uitgevoerd door nitrificerende microorganismen. Deze organismen zijn autotroof en verwijderen dus ook een (klein) gedeelte van de CO2 uit afvalwater. Nitraat wordt vervolgens omgezet in stikstofgas (N2) via een ander microbieel proces: denitrificatie. Voor dit proces is een elektrondonor nodig: vaak organisch materiaal. Het organisch materiaal in feces is hiervoor bijzonder geschikt. Wikipedia, 5-1-2011

Biologische bodemsanering: gif als e-acceptor http://www.schooltv.nl/beeldbank/clip/20071126_evolutie06 http://www.soilpedia.nl/Wikipaginas/Biologische%20afbraak%20van%20verontreinigingen.aspx

Groene helpers!: micro algen Olie (vetzuren hieruit) uit de alg is bruikbaar als biobrandstof (biodiesel)

Electronen transportketen = cellulaire ademhaling Water Met energie uit zonlicht e– Electronen transportketen = cellulaire ademhaling e– ATP

Groene helpers!: micro algen

Groene helpers!: micro algen

Olie afbraak (bij verontreiniging)

Voedings-typen Energiebron Koolstof (C) -bron Zuurstof Licht fototroof Anorganische verbinding(en) chemo-lithotroof Organische verbinding(en) chemo-organotroof Koolstof (C) -bron CO2 autotroof Organische verbinding heterotroof Zuurstof Kan alleen leven met O2 obligaat aeroob Gaat dood door O2 obligaat anaeroob Kan zowel met- als zonder O2 facultatief anaeroob Deze termen moet je uit je hoofd kennen !

Mineralen, metalen Mineralen, metalen X wordt geoxideerd Energie metabolisme: anaerobe lithotrofe bacterie energie Mineralen, metalen Mineralen, metalen X wordt geoxideerd Y wordt gereduceerd Mineralen, metalen Mineralen, metalen

Anorganische energie-bronnen (electronen donor) HLO BML