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Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht

Fotosynthese

Vergleicht man Chemo- und Fotosynthese so funktioniert die Chemosynthese „ohne Licht“. Während bei der Fotosynthese mithilfe der Lichtenergie Wasser gespalten wird und die daraus gewonnenen Elektronen zur Erzeugung von ATP und NADPH+H+ verwendet werden, passiert dies in der Chemosynthese ohne den Einfluss von Lichtenergie.

Bakterien wie z.B. Schwefelbakterien sind zur Chemosynthese befähigt. So finden sich chemosynthetisch aktive Lebewesen in Habitaten, die oftmals lichtarm sind.

Chemosynthetisch aktive Lebewesen sind, ebenso wie Fotosynthese betreibende Vertreter, autotroph. Das heißt, sie können aus anorganischen, mineralischen Verbindungen Biomasse aufbauen. Sie werden auch als chemolithoautotroph bezeichnet.

Energiespender bzw. Elektronendonatoren sind in der Regel: H2S, NH3, Methan, H2 oder Eisen.

Schwefelbakterien

In Sümpfen oder wo sich deutliche Schlammablagerungen findet, kann man Schwefelgeruch wahrnehmen. Dieser Geruch rührt von H2S, Schwefelwasserstoff her.

Schwefelbakterien nutzen diesen nicht gerade ungiftigen Stoff als Energiequelle!

2 H2S + O2  --->   S2 + H2O

Beispiel: das Bakterium Thiothrix:

H2S + 0,5 O2  --- >  S + H2O;

S + H2O +1,5 O2 -> SO42- +2 H+

 ∆G= -710 kJ/mol

Schwefel, der bei dieser Reaktion unter Sauerstoffverbrauch gebildet wird, kann abgegeben oder auch in den Schwefelbakterien ablagert werden.

Berühmt sich die Schwefelbakterien durch ihre Symbiose mit den Großen Röhrenwürmern (Riftia pachyptila)!

Schwefeloxidierende Bakterien

Eine der Schlüsselentdeckungen bei der Untersuchung der Chemosynthese ist die Symbiose der mund- und darmlosen Röhrenwürmer (Giant Tubeworm, Riftia pachyptila) mit schwefeloxidierenden Bakterien.

1981 wurde von Colleen Cavanaugh und Kollegen diese Zusammenarbeit von Schwefelbakterien und Großen Röhrenwürmern beschrieben. So besitzen die Röhrenwürmer kein Verdauungssystem. Die Frage stellt sich, wie sie an Nahrung herankommen. Man kann sich den Großen Röhrenwurm fast wie einen geschlossenen Sack vorstellen.

Das Habitat von Riftia sind „Black Smoker“, also unterseeische heiße Quellen mit Mineralstoff- und H2S-reichem Wasser. Der Röhrenwurm kann bis zu einem Meter lang werden. Charakteristisch ist ein rotes, kiemenartiges Büschel, welches aus der weißen Röhre ragt. Hier kommt es zur Aufnahme von Sauerstoff, CO2 und Schwefelwasserstoff.

Unterhalb des Büschels befindet sich ein Muskelring (Vestimentum), mit dem der Wurm in seiner Röhre verankert ist. Ein ganz besonderes Organ des Röhrenwurms ist das Trophosom. Hier finden sich Schwefelbakterien, die den Wurm versorgen.

Über die Aufnahme an den Kiemenbüscheln gelangen CO2, O2 und H2S in das Köperinnere. Die Schwefelbakterien werden mit H2S versorgt, die Röhrenwürmer erhalten die Energie aus diesem Prozess.

So leben die Bakterien im Trophosom des Röhrenwurms. Sie betreiben folgende zweistufige Oxidationsreaktionen:

2 H2S + O2 ----> 2 H2O + 2 S                           ∆G = –420 kJ/mol
2S + 2 H2O + 3 O2 ----> 2 SO42 + 4 H+          ∆G = –988 kJ/mol

Die freiwerdende Energie (DG) von insgesamt –1408 kJ/mol wird unter anderem für die Bildung von ATP und NADPH+H+ genutzt.
In einer zweiten Synthesestufe (Calvin-Zyklus) erfolgt die Bildung von Speicherstoffen.

Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Stoffwechsel

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

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  • Grundlagen des Stoffwechsels
    • Einleitung zu Grundlagen des Stoffwechsels
    • Grundlagen des Stoffwechsels (Allgemein)
    • Energieumwandlung
      • Einleitung zu Energieumwandlung
      • Wege der Energieumwandlung - Basiswissen Chemie
        • Einleitung zu Wege der Energieumwandlung - Basiswissen Chemie
        • Wasser - das Lebenselexier
        • Kohlenwasserstoffe und funktionelle Gruppen
          • Einleitung zu Kohlenwasserstoffe und funktionelle Gruppen
          • Charakteristischen Reaktionen
      • Zellen und Organellen des Stoffwechsels
    • Fließgleichgewicht und Regulation des Stoffwechsels
    • Stoffwechselregulation
  • Prozesse zur ATP-Gewinnung
    • Einleitung zu Prozesse zur ATP-Gewinnung
    • Enzymatik - Grundlage: Proteinwissen generell
      • Einleitung zu Enzymatik - Grundlage: Proteinwissen generell
      • Aufbau von Proteinen
      • Eigenschaften der Enzyme
        • Einleitung zu Eigenschaften der Enzyme
        • Schlüssel-Schloss-Prinzip
      • Ablauf der Enzymreaktion
      • Möglichkeiten der Enzymbeeinflussung
        • Einleitung zu Möglichkeiten der Enzymbeeinflussung
        • Biokatalysatoren: Einfluss von Temperatur, pH, Salzkonzentration
        • kompetetive Hemmung
        • nicht kompetitive Hemmung
        • allosterische Wechselwirkung
          • Einleitung zu allosterische Wechselwirkung
          • Schwermetalle und Enzymaktivität
      • Einfluss von Hitze auf Enzyme - Ein Experiment
        • Einleitung zu Einfluss von Hitze auf Enzyme - Ein Experiment
        • Beispiele für Enzymreaktionen - Urease
        • Beispiele für Enzymreaktionen - Katalase
      • Enzyme im Alltag
  • Fotosynthese
    • Einleitung zu Fotosynthese
    • Ort der Fotosynthese
      • Einleitung zu Ort der Fotosynthese
      • Chloroplasten: Organelle der Fotosynthese
        • Einleitung zu Chloroplasten: Organelle der Fotosynthese
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    • Primärreaktion der Fotosynthese
      • Einleitung zu Primärreaktion der Fotosynthese
      • Lichtsammelkomplexe
      • Frühe Experimente zur Fotosynthese
      • Experiment: Dünnschicht-Chromatographie (DC) der Blattfarbstoffe
      • Primärvorgänge der Fotosynthese
        • Einleitung zu Primärvorgänge der Fotosynthese
        • Wasserspaltung durch Licht
        • Elektronentransport und Fotophosphorylierung
      • Zyklische Fotophosphorylierung
      • Chemiosmose
        • Einleitung zu Chemiosmose
        • Redoxchemie
      • ATP-Synthase
      • Lichtreaktion auf einen Blick
        • Einleitung zu Lichtreaktion auf einen Blick
        • Lichtreaktion: Weiterverwendung der Endprodukte
    • Sekundärvorgänge der Fotosynthese
      • Einleitung zu Sekundärvorgänge der Fotosynthese
      • C-Körper-Schema des Calvin-Zyklus
      • Autoradiagraphie bringt Licht in die Dunkelreaktion
      • Katalyse: Enzymreaktion am Beispiel der Dunkelreaktion
    • Fotosynthese in Gleichungen
    • Aufklärung der Fotosynthese
    • Fotosynthese und Ökologie
      • Einleitung zu Fotosynthese und Ökologie
      • Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Außenfaktoren
        • Einleitung zu Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Außenfaktoren
        • Umweltfaktor Licht
        • Umweltfaktor Wasser
      • Fotosynthesevarianten: Anpassung an die Umwelt
      • CAM-Pflanzen
      • C4-Pflanzen
      • Fotosyntheseprodukte der Pflanze -> Bedeutung und Speicherung
      • Zusammenfassung: Fotosynthese
    • Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht
      • Einleitung zu Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht
      • autotrophe Assimilation am Beispiel nitrifizierender Bakterien
  • Stoffwechsel vielzelliger Tiere - Wo kommt die Glukose her?
    • Einleitung zu Stoffwechsel vielzelliger Tiere - Wo kommt die Glukose her?
    • Verdauung und Resorption - Verdauungssystem
    • Verdauung und Resorption - Fette
    • Verdauung und Resorption - Proteine und Kohlenhydrate
    • Berechnung des Energieumsatzes
    • Gesundheit und Nahrung
      • Einleitung zu Gesundheit und Nahrung
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      • Einleitung zu Blut- und Kreislauf
      • Blut das flüssige Organ
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    • äußere Atmung
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  • Zellatmung
    • Einleitung zu Zellatmung
    • Glykolyse
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    • Endoxidation - Atmungskette
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    • Gesamtsumme des Glukoseabbaus über die Vorgänge der Zellatmung
    • Zellatmung: Abhängigkeit von inneren und äußeren Faktoren
      • Einleitung zu Zellatmung: Abhängigkeit von inneren und äußeren Faktoren
      • Energiebilanz und Regulation der Atmung
      • Regulation des Stoffwechsels
      • Regulation der Phosphofruktokinase (PFK)
    • Pyruvat als Scheitelpunkt: mit oder ohne Sauerstoff?
      • Einleitung zu Pyruvat als Scheitelpunkt: mit oder ohne Sauerstoff?
      • Milchsäuregärung
      • alkoholische Gärung
        • Einleitung zu alkoholische Gärung
        • Experimente zur alkoholischen Gärung
      • heterotrophe Assimilation
    • Zusammenfassung: Zellatmung
      • Einleitung zu Zusammenfassung: Zellatmung
      • Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei diesen ATP-produzuierenden Prozessen
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