Acetogenese
Acetogenese<ref group="a" name="aceto" /> ist eine spezielle Form des Energiestoffwechsels und zwar der anaeroben Atmung, die auf dem reduktiven Acetyl-CoA-Weg (Wood-Ljungdahl-Weg) basiert<ref name="pro4" />. Kohlenstoffdioxid (CO2) fungiert dabei als Elektronenakzeptor und übernimmt somit die Funktion als Oxidationsmittel, die O2 bei der aeroben Atmung hat. Als Endprodukt dieser „CO2-Atmung“<ref group="a" name="carbo" /><ref name="Fuchs461" /> wird (meist<ref name="eubac" />) ausschließlich Essigsäure ausgeschieden. In Abgrenzung zu anderen mikrobiellen anaeroben Prozessen, bei denen Essigsäure nicht als Hauptprodukt gebildet wird<ref group="a" name="acetogaer" />, bezeichnet man diesen Prozess auch als Homoacetogenese.<ref name="Ragsdale" />
Ein gärender Anaerobier (F), der ATP ausschließlich durch Substratkettenphosphorylierung (SP) gewinnt, scheidet organische Gärprodukte (OP), aus, die von einem acetogenen Bakterium (AB) heterotroph zu H2 und CO2 vergoren werden. Diese Produkte werden durch den Wood-Ljungdahl-Weg (WL) zu Essigsäure kondensiert. Acetogene Bakterien können aber auch H2 und CO2 von außen aufnehmen und verarbeiten
Sie konkurrieren dabei mit obligat autotrophen Archaeen (M1), die Methanogenese betreiben. Acetoclastische, Essigsäure „spaltende“ Methanogene stehen dagegen in Syntrophie zu den Acetogenen. Sie verschieben das Gleichgewicht 4 H2 + 2 CO2 ↔ CH3-COOH nach rechts, indem sie das Endprodukt Essigsäure entfernen und CO2 recyceln.
Als Reduktionsmittel dient beim Acetyl-CoA-Weg elementarer Wasserstoff (H2). Er stammt, ebenso wie CO2, aus einer Reihe von Gärungsprozessen. Diese können in den acetogenen Bakterien selbst stattfinden. Sie können durchweg heterotroph organisches Material zu H2/CO2 vergären und so die Reaktionspartner für den Acetyl-CoA-Weg bilden. Der Gesamtprozess aus Gärung und Acetogenese wird dann als Homoacetatgärung bezeichnet<ref name="Fuchs435" />. Die beiden Gase H2 <ref name="fried" /><ref name="das" /> und CO2 werden aber auch durch andere gärende Organismen gebildet und ausgeschieden. Sie ermöglichen damit acetogenen Bakterien ein lithoautotrophes Wachstum.
Die exergone Redoxreaktion 4 H2 + 2 CO2 → CH3-COOH liefert nur so wenig Energie (ΔG0’ = -111 kJ/mol<ref name="Fuchs435" />), dass man von „Autotrophie am thermodynamischen Limit“<ref name="limit" /> sprechen kann. Das zum Wachstum nötige ATP wird auch bei der Acetogenese nach dem Chemiosmotischen Prinzip durch eine ATP-Synthase gebildet.<ref name="Fuchs461" /><ref name="Biegel" />
Ökologische Stellung und Vorkommen
Als anaerobe Atmung findet Acetogenese ausschließlich in Lebensräumen statt, in denen kein Sauerstoff (O2) zur Oxidation toten organischen Materials zur Verfügung steht. Der anaerobe Abbau geschieht schrittweise durch ganz unterschiedliche Mikroorganismen, die Abbauprodukte ausscheiden, welche dann anderen anaeroben Organismen als Nahrungsquelle dienen. Am Ende dieser Nahrungskette<ref name="Fuchs461" /> stehen Lebewesen, die selbst dann noch wachsen können, wenn kein organisches Material mehr zur Verfügung steht. Dazu sind sie in der Lage, weil sie anorganisches CO2 zum Aufbau von Zellmaterial assimilieren können. Sie sind autotroph und zudem lithotroph, da sie anorganisches H2 zur Reduktion von CO2 verwenden.
Die CO2-Assimilation ist ein energetisch aufwendiger Prozess. Die Organismen am Ende der anaeroben Nahrungskette sind chemotroph. Das heißt, dass sie Energie nicht durch Licht, sondern aus chemischen Reaktionen gewinnen. Am Ende der anaeroben Atmungskette stehen zur Energiegewinnung nur noch die beiden Reaktionspartner zur Verfügung, die zur CO2-Assimilation dienen: CO2 und H2.
Diese beiden Verbindungen sind die Lebensgrundlage von zwei ganz unterschiedlichen Gruppen von Organismen: Acetogene Bakterien und Methanogene Archaeen.
| Merkmal | Acetogene | Methanogene |
|---|---|---|
| Endprodukt | Essigsäure | Methan |
| Energie liefernde Reaktion bei autotrophem Wachstum | 4 H2 + 2 CO2 → CH3-COOH + 2H2O, ΔG0’ ca. -100 kJ/mol | 4 H2 + CO2 → CH4 + 2H2O, ΔG0’ca. -130 kJ/mol |
| Alternative Substrate | Acetogene sind definitionsgemäß autotroph, einige können auch Kohlenstoffmonoxid nutzen. Sie können aber in der Regel auch heterotroph eine Vielzahl organischer Verbindungen verwerten. Das geschieht nicht nur durch Gärung, sondern auch durch Nutzung von Methylgruppen im Wood-Ljungdahl-Weg. | Manche Methanogene können niedermolekulare Methylverbindungen und Kohlenstoffmonoxid nutzen. Essigsäure ist Substrat bei allen acetoklastischen Methanogenen (Methanosarcina), die teilweise nur mit diesem Substrat wachsen können. Ameisensäure wird von vielen Methanogenen verwertet. |
| Elektronenakzeptoren der anaeroben Atmung | CO2 dient meist nur als Elektronenakzeptor in Abwesenheit stärkerer Oxidationsmittel wie Nitrat, Nitrit, Thiosulfat, Fumarat, Pyruvat und Acetaldehyd. Von einigen (hydrogenogenen) Acetogenen kann selbst H+ als Elektronenakzeptor genutzt werden, wenn z. B. Methanogene die Konzentration von H2 und CO2 sehr niedrig halten. | nur CO2 |
| Vorkommen | Acetogene kommen ausschließlich bei Bakterien, meist Firmicutes der Klasse Clostridia, aber auch bei Acidobakterien und Spirochaeten in mehr als 20 Gattungen vor. Oft sind acetogene mit nicht acetogenen Bakterien eng verwandt.<ref name="pro9-45">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> | Methanogene gehören ausschließlich zu Archaeen des ReichsMethanobacteriati (früher „Euryarchaeota“ i. w. S.). Diese gliedern sich Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanocellales, Methanosarcinales und Methanopyrales, nebst einigen klar abgegrenzten nicht methanogenen Clustern. |
Zusammenfassend unterscheiden sich acetogene Bakterien von methanogenen Archaeen darin, dass letztere durch ihre obligate „CO2-Atmung“ als Spezialisten auf das unterste Ende der anaeroben Nahrungskette fixiert sind. Die acetogene „CO2-Atmung“ ist dagegen eine zusätzliche Option von Organismen, die vielen taxonomischen Gruppen angehören. Häufig tritt sie nur unter bestimmten Wachstumsbedingungen auf. So kommt es, dass Acetogenese immer wieder bei Bakterien nachgewiesen wird, die vorger als nicht-acetogen gegolten haben.<ref name="dorsch" />
Acetogene Bakterien finden sich in vielen anaeroben Biotopen.
| Biotop | Organismus | Anmerkung |
|---|---|---|
| Boden | Clostridium aceticum | Erstes isoliertes acetogenes Bakterium (1936) |
| Kot, Kaninchen | Clostridium autoethanogenum | Produziert aus CO neben Essigsäure auch Ethanol |
| Darm, Säugetiere | Clostridium difficile | Acetogenese nur nachgewiesen bei Stämmen, die aus dem Pansen neugeborener Lämmer isoliert wurden. |
| Klärschlamm | Clostridium glycolicum | Acetogenese nachgewiesen bei einigen Stämmen. Ein Stamm ist aerotolerant bis zu 6 % O2 |
| Kot, Vögel | Clostridium ljungdahlii | Kann Nitrat als Elektronenakzeptor zu Ammoniak reduzieren. |
| Klärschlamm | Eubacterium limosum | Produziert bei Wachstum aus Kohlenstoffmonoxid auch Buttersäure |
| Boden | Moorella thermoacetica | Temperaturoptimum 55–60 °C |
| Vulkanische Quellen | Moorella thermoautotrophica | thermophil |
| Alkalische Gewässer | Natroniella | Halophile Bakterien, die zur Reduktion von CO2 nur organische Verbindungen nutzen können |
| Kot, Säugetiere | Ruminococcus | |
| Süßwassersediment | Holophaga foetida | Gehört nicht zu den Firmicutes, sondern zu den Acidobakterien |
| Termitenbau | Treponema primitia | Gehört nicht zu den Firmicutes, sondern Spirochaeten |
| Marines Sediment | Acetobacterium woodii | Stickstoff-Fixierer |
| Süßwassersediment | Sporomusa malonica |
Biochemie acetogener Bakterien
1 Acetyl-Coenzym A, 1a Acetylphosphat, 2 Tetrahydrofolat (THF), 2a Formyl-THF, 2b Methenyl-THF, 2c Methylen-THF, 2d Methyl-THF, AcKi Acetatkinase, CO-Dh CO-Dehydrogenase / Acetyl-CoA-Synthase, EBH Elektronenbifurkierende Hydrogenase, Fdox Ferredoxin, Fdred Ferredoxin 2−, FTCy Formyl-THF-Cyclohydrolase, FTS Formyl-THF-Synthetase, Gly Glycolyse, HDCR H2-abhängige CO2 -Reductase, MTDe Methylene-THF-Dehydrogenase, Mtra Methyltransferase, MTRed Methylene-THF-Reductase, PFdO Pyruvat:Fd-Oxidoreductase, Ptra Phosphotransacetylase, RNF Ferredoxin:NAD-Oxidoreductase (Rnf-Komplex)
Viele anaerobe Organismen fixieren CO2 mittels des Acetyl-CoA-Wegs, bei dem Coenzym A in „aktivierte Essigsäure“ (Acetyl-CoA) umgewandelt wird. Bei der Acetogenese wird das endergon produzierte Acetyl-CoA indes nicht nur zum Aufbau von Zellsubstanz, sondern vielmehr unter teilweiser Energierückgewinnung katabolisch umgesetzt.
In Abb. 3 sind die katabolischen Prozesse schematisch dargestellt. Bei der CO2 Fixierung wird bei zwei Reaktionen Energie verbraucht.
1. Die Reaktion von HCOOH mit THF (2) wird von der Formyl-THF-Synthetase (FTS) katalysiert und verbraucht ATP. Dieses wird im Prinzip durch die Acetat-Kinase (AcKi) bei der finalen Bildung von Essigsäure aus Acetylphosphat<ref>Acetylphosphat, Lexikon der Biologie; Acetylphosphat, Lexikon der Chemie. Auf spektrum.de.</ref> (1a) regeneriert. (Abb. 3, unten)
2. Bei der Fixierung des zweiten CO2 wird von der CO-Dehydrogenase / Acetyl-CoA-Synthase (CO-Dh) Ferredoxin (Fd) oxidiert, das beim heterotrophen Wachstum beispielsweise durch die Pyruvat:Fd-Oxidoreductase (PFdO) regeneriert wird. Beim lithoautotrophen Wachstum muss indes das Ferredoxin endergon mittels H2 regeneriert werden. Der Mechanismus wurde erst im zweiten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts aufgeklärt:
- H2 wird in den Gesamtprozess durch eine Elektronenbifurkierende Hydrogenase (EBH) eingespeist. Dieses cytosolische Enzym regeneriert Ferredoxin und NADH. Dabei wird im Zellinneren H+ freigesetzt, das aus der Zelle gelangen muss, damit sie nicht übersäuert. Die Hydrogenase regeneriert nach dem Prinzip der Elektronenbifurkation synchron mit Ferredoxin auch NADH aus NAD+.
- Das NADH wird von der Methylene-THF-Dehydrogenase (MTDe) verbraucht, ebenso von einer bifurkierenden Methylene-THF-Reductase (MTRed), die dabei Ferredoxin reduziert.
- Ein membranständiges Enzym, die Ferredoxin:NAD-Oxidoreductase (Rnf-Komplex, RNF) fungiert schließlich nach dem Chemiosmotischen Prinzip als Ionenpumpe. Es nutzt dabei die Potentialdifferenz zwischen Fdred/Fdox und NADH/NAD+. Der Rückstrom der Ionen treibt die ATP-Regenerierung durch eine Na+-getriebene ATP-Synthase an.
Anmerkungen
<references group="a"> <ref name="aceto"> Acetogenese leitet sich ab von lateinisch acētum = Essig und altgriechisch γένεσις genesis = Herkunft. Die bei der Acetogenese überwiegend entstehende Essigsäure steht je nach pH-Wert im Gleichgewicht mit ihrer korrespondierenden Base Acetat. </ref> <ref group="a" name="acetogaer"> Dazu zählen u. a. die Heterofermentative Milchsäuregärung, die Gemischte Säuregärung und die Propionsäuregärung. </ref> <ref group="a" name="carbo"> Die früher verwendete Bezeichnung Carbonatatmung ist irreführend, da Carbonate nicht direkt reduziert werden können, sondern vorher zu CO2 umgesetzt werden müssen. Zur Katalyse dieser Reaktion dient das Enzym Carboanhydrase, das auch von acetogenen Bakterien genutzt wird. (Siehe auch {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}{{#if:
| {{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Toter Link/archivebot
| Vorlage:Webarchiv/archiv-bot
}}
}}{{#invoke:TemplatePar|check
|all = title=
|opt = vauthors= author= author1= authorlink= author-link= author-link1= author1-link= author2= author3= author4= author5= author6= author7= author8= author9= editor= last= first= last1= first1= last2= first2= last3= first3= last4= first4= last5= first5= last6= first6= last7= first7= last8= first8= last9= first9= last10= first10= last11= first11= last12= first12= last13= first13= last14= first14= last15= first15= others= script-title= trans-title= date= year= volume= issue= number= series= page= pages= at= issn= arxiv= bibcode= doi= pmid= pmc= jstor= oclc= id= url= url-status= format= access-date= archive-date= archive-url= archivebot= offline= location= publisher= language= quote= work= journal= newspaper= magazine= periodical= name-list-style= url-access= doi-access= display-authors= via= s2cid= mr= type= citeseerx= accessdate= archivedate= archiveurl= coauthors= month= day= last16= first16= last17= first17= last18= first18= last19= first19= last20= first20= last21= first21= last22= first22= last23= first23= last24= first24= last25= first25= last26= first26= last27= first27= last28= first28= last29= first29= last30= first30= last31= first31=
|cat = Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Cite journal
|errNS = 0
|template = Vorlage:Cite journal
|format =
|preview = 1
}}Vorlage:Cite book/URL{{#if: | Vorlage:Cite book/Meldung }}{{#if: | Vorlage:Cite book/Meldung }}{{#if: FEMS Microbiology Reviews
|| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}{{#if: Vorlage:Cite book/ParamBool
| Vorlage:Cite book/Meldung
}}Vorlage:Cite book/Meldung2{{#ifexpr: 0{{#ifeq:^^|^^||+1}}{{#ifeq:^^|^^||+1}}{{#ifeq:Kerry S. Smith, James G. Ferry|^^||+1}}{{#ifeq:^^|^^||+1}} > 1
| Vorlage:Cite book/Meldung
}})
</ref> </references>
Einzelnachweise
<references> <ref name="Fuchs461"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="Fuchs435"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="Ragsdale"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="pro4"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="pro"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="fried"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="pro3"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="Biegel"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="dorsch"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="limit"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="das"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> <ref name="eubac"> {{#invoke:Vorlage:Literatur|f}} </ref> </references>