Microbiologie deel IIBacteriële diversiteit

Handboek: Brock ‘Biology of Microorganisms’9° Edition of 10° EditionMadigan-Martinko-ParkerISBN 0-13-085264-3 (9) of ISBN 0-13-049147-0 (10)

Paul De Vos

8° verdieping Hoogbouw lokaal 802

Maandagnamiddag 14 tot 15 uur (bij voorkeur)op afspraak Paul.devos@rug.ac.be

Inleiding

Ø Situering van de cursusØHoofdstukken om te kennenØAlgemene inleiding

•Bacteriologie•Virologie •Mycologie•Eéncelligen (Parasieten - Algen)

Microbiologie

1. Situering van de cursus

Voedselproductie, voedselbederfBioremediëringBeschermen-aantasten van oppervlaktenMineralisatieproces (C, S en N cyclus)Pathogenen voor mens, dier en plantSymbiosen

Bacteriologie

Waar komen bacteriën voor?Overal = alle biotopen

Rol?Zeer divers

14/03/03 Microbiologie 2 5

Rhizosfeer >StikstoffixatieHuid: beschermingCel >>> mitochondriën

>> chloroplasten>> endosymbionten

>>>>>> Metabolische diversiteit

Verwantschappen gebaseerd op 16S rDNA &hierop gebaseerde systematiek

>>>>>> Evolutieve diversiteit

Hoofdstukken om te kennen (onderlijnd) en om te lezen (cursief)cursief aangegeven hoofdstukken worden beschouwd als reeds verworven kennis!

Opgelet: Op het einde van de lessenreeks wordt de inhoudstabel aangepast!!!!!Brock 10° editie

Hoofdstuk 11 : lezen is achtergrond kennis voor de inleidingsles – appendix 1

Hoofdstuk 12 : Prokaryotic diversity: bacteria

I The phylogeny of the bacteria: overzichtsfiguur natuurlijk niet van buiten kennen

II Phylum 1: the Proteobacteria

•12.2 Purple phototrophic bacteria•12.6 Methanotrophs and methylotrophs: verschillen en algemeenheden•12.7 Pseudomonas and pseudomonads – niet indeling van het boek•12.8 Acetic acid bacteria•12.11 Enteric bacteria•12.17 Gliding Myxobacteria

III Phylum 2: the gram positive bacteria•12.19 Nonsporulating, low GC, Gram Positive bacteria: lactic acid bacteria and relatives•12.20 Endosporeforming, low GC, Gram-positive bacteria: Bacillus, clostridia and relatives•12.22 High GC, Gram-positive bacteria: coryneform and propionic acid bacteria•12.23 High GC, Gram-positive bacteria:Mycobacterium•12.23 Filamentous high GC, Gram-positive bacteria: streptomyces and other actinmycetes

X Phylum 9: green sulfur bacteria•12.32 Chlorobium and other green sulfur bacteria

XIII Phylum 12: the green nonsulfur bacteria

•12.35 Chloroflexus and Heliothrix

IV Phylum 3: Cyanobacteria•12.25 Cyanobacteria•12.26 Prochlorophytes and Chloroplasts

Hoofdstuk 13: the Archaea

•13.1 Phylogenetic overview of the Archaea (grote groepen)•13.2 Energy conservation and autotrophy in Archae

I Phylogeny and general metabolism

II Phylum Euryarchaeota

II Phylum Euryarchaeota

III Phylum Crenarchaeota

•Lezen en grote indelingen

•Lezen en grote indelingen

•Lezen en opvallende kenmerken

Hoofdstuk 17: metabolische diversiteit

• 17.1 Photosynthesis•17.2 The role of chlorophyll and bacteriochlorophyll in photosynthesis•17.3 Carotenoids and phycobilinsns•17.4 Anoxygenic photosynthesis (verschil met oxigene fotosynthese)•17.5 Oxygenic photosynthesis•17.6 Autotrophic CO2 fixation (Calvin cycle)•17.7Autotrophic CO2 fixation: reverse citric Acid Cycle and the hydroxypropiatate

pathway.

I Photosynthetic way of life

II Chemolitrophy: energy from oxidation and reduction of inorganic electron donors

•17.8 Inorganic electron donors and energetics•17.9 Hydrogen oxidation•17.10 Oxidation of reduced sulfur compounds

•17.11 Iron oxidation•17.12 Nitrification and anamox

III The anaerobic way of life

•17.13 Anaerobic respiration•17.14 Nitrate reduction and denitrification process•17.15 Sulfate reduction•17.16 Acetogenesis•17.17 Methanogenesis•17.18 Ferric iron, manganese, chlorate and organic electron acceptors•17.19 Fermentations: energetics and redox considerations•17.20 Fermentation diversity•17.20 Syntrophy

IV Hydroncarbon oxidation and the role of O2

in thecatabolism of organic compounds•17.22 Molecular oxygen as reactant in biochemical processes

•17.23 Hydrocarbon oxidation•17.24 Methanotrophy and methylotrophy

•17.25 Hexose, pentose and polysaccharide utilisation•17.26 Organic acid metabolism•17.27 Lipids as microbial nutrients

V Nitrogen fixation

•17.28 Nitrogenase and the process of nitrogen fixation•17.29 Genetics and regulation of nitrogen fixation

Hoofdstuk 19: microbial habitats

IV Carbon and oxygen cycles

V Other key nutrient cycles

•19.9 The carbon cycle (carbon reservoirs, importance of photosynthesisDecompostion)•19.20 Synthrophy and methanogenesis

•19.12 The nitrogen cycle•19.13 The sulfur cycle•19.14 The iron cycle

Brock, editie 9

Hoofdstuk 4Nutrition and metabolism

•4.1 – 4.13: worden in 1° les herhaald doch is basis kennis•4.14 An overview of alternate mode of energy generation

Hoofdstuk 13Prokaryotic diversity: bacteria

Kingdom I: Proteobacteria

•13.1 Purple phototrophic bacteria•13.5 Methanotrophs and methylotrophs: verschillen en algemeenheden•13.6 Pseudomonas and pseudomonads – andere indeling dan in het boek•13.7 Acetic acid bacteria•13.10 Enteric bacteria•13.16 Gliding myxobacteria

Kingdom 2: gram positive bacteria

•13.18 Nonsporulating, low GC, Gram positive bacteria•13.19 Endospore-forming, low GC, Gram positive bacteria•13.21 High GC, Gram positive bacteria: Coryneform and propionic acid bacteria•13.22 High GC, Gram-positive bacteria: Mycobacterium•13.22 Filamentous, high GC, Gram-positive bacteria the actinomycetes

Kingdom III: Cyanobacteria, Prochlorophytes and chloroplastsS

•13.24 Cyanobacteria•13.25 Prochlorophytes and chloroplasts

Kingdom VII: Green sulfur bacteria

Kingdom X: Green nonsulfur bacteria

•13.29 Chlorobium and other Green sulfur bacteria

•13.32 Chloroflexus and Heliothrix

Hoofdstuk 16

Het mineralisatieproces in de natuur

-16.13: The carbon cycle

-16.14: Ecology of synthrophy and methanogenesis

-16.16: The nitrogen cycle

-16.17: The sulfur cycle

-16.18: The Iron cycle

Hoofdstuk 14

Archaea

-Grote indeling kennen met enkele bijhorende triviale kenmerken en namen (bv weten waar de methanogenen worden ingedeeld).

-Aanpassing van Archaea aan extreme omstandigheden van temperatuur en zoutconcentraties.

Verwantschappen gebaseerd op 16S rDNA sequentie

Indeling van bacteria gebaseerd op16S rDNA sequentie

1° les: inleiding

Bacteriële classificatie dient zo dicht mogelijk de natuurlijkeverwantschap van de bacteriën te reflecteren

16S 3’ 16S 5’23S 3’

SSU LSU

SSU LSU

Ribosoom

SSU

LSU

Ribosome

Bacteria Archaea yeast

Phylogeny of the living worldThe 3 domains of life

Animals

Plants

Slimemolds

Entamoebae

Ciliates

Flagellates

DiplomonadsMicrosporidia

Trichomonads

Bacteria Archaea Eukarya

Green non-S

Thermotogales

Flavobacteria

CyanobacteriaProteobacteria Crenarchaeota

Euryarchaeota

rRNA

Korarchaeota

Aquifex

from Woese; Madigan et al. (1997)

Gram +

Fungi

Hoofdstuk 4 (ed 9) Metabolisme

Verandering in vrije energie van een reactie ∆G° is de verandering bij 1 atmosfeer en 1 M concentratie terwijl ∆G°'

verandering in vrije energie is onder voorwaarde van 1 atmosfeer, 1M concentratie en bij pH 7. Dit zijn dus fysiologische omstandigheden.

* De verandering van vrije energie van een chemische of biochemische reactie

∆∆G 0 = Σ ∆Σ ∆G 0 f (producten) - Σ ∆Σ ∆G 0 f (reagentia)

* Voor energetische reacties waarbij protonen betrokken zijn en waarbij dus van standaard voorwaarden overgeschakeld wordt naar

fysiologische voorwaarden (pH 7) wordt de verandering van vrije energei gegeven als volgt

∆∆G 0 ' = ∆∆G 0 + m ∆∆G'f(H+)

Hierbij is m het netto aantal protonen van de reactie (m is bv negatief wanneer meer protonen worden verbruikt dan dat er gevormd worden).

De vrije enegie van de vorming van één proton ∆∆G'f(H+) bij pH 7 is - 39.87 kJ bij 25°C

* Er bestaat ook een effect op de verandering van vrije energie (∆G) van een reactie in functie van de verhouding van de concentraties van de reagentia/de reactieproducten.

Bioenergetica Appendix 1

Redoxpotentiaal

Reductie potentialen worden bij conventie geschreven alsoxidans + ne --> reductans

dus als een reductie waarbij n het aantal electronen is dat wordt getransfereerd.

De standaard potentiaal van een waterstof electrode (E0)2H+ + 2e --> H2

bij 25 °C en 1atm is 0.0V bij definitie bij pH 0 E0' is de standaard reductiepotentiaal bij pH 7 (-0.42V)

* Relatie tussen redoxpotentiaal en vrije energie∆∆G 0 ' = -nF ∆∆E0'

∆∆E0’ = E0’ Electron acceptor - E0’ Electron donor

Dus: hoe groter het verschil in redoxpotential is tussen de electronen acceptor en de electronen donor, hoe hoger het energetisch potentieel van de reactie is (∆∆G 0 ' meer negatief)

Fig.4.7Fig.4.7

waarbij n het aantal electronen is dat is getransfereerd, F is de constante van Faraday (96.48 kJ per volt) en ∆E0' is dan de verandering (verschil) in redox potentiaal tussen het electronen accepterend koppel en het electronen gevend koppel.

* Evenwichtsconstante, K, van de reactieaA + Bb ⇔ cC + dD,

= K

Waarbij A,B,C en D de reactantia en de producten voor stellen en a,b,c en d het aantal moleculen van elk. De haken duiden op de concentratie. Dit is enkel geldig indien de reactie in evenwicht is.

* De relatie tussen evenwichtsconstante K, en de verandering van vrije energie bij een constante temperatuur en druk.

∆G = ∆G 0 + RT lnK

Waarbij R een constante is (8.29 J/mol/K) en T de absolute temperatuur.

*Twee componenten kunnen altijd in een redox reactie reageren op voorwaarde dat ze in een geschikte concentratie aanwezig zijn ook al is de standaard redoxpotentiaal ongunstig.

Bv. stel dat de gereduceerde vorm van A normaal electronen donor is voor de geoxideerde vorm van B. Als echter de gereduceerde vorm van A slechts in een zeer lage concentratie aanwezig is en de gereduceerde vorm van B echter in een zeer hoge concentratie, dan kan de gereduceerde vorm van B optreden als electronen donor.

{C}c.{D}d{A}a.{B}b

Oxidatie toestand of oxidatienummer* Oxidatietoestand v/e element in grondtoestand is 0 (H

2, O

2)

* De oxidatietoestand van een ion of een element is gelijk aan zijn lading: Na+ = +1; O-- = -2

* De som van de oxidatie toestand van alle atomen in een neutrale molecule is nul* Voor een ion is de som van de oxidatie toestand van alle atomen gelijk aan de lading van het ion* Voor componenten geldt over het algemeen: oxidatietoestand van O is -2 en van H is dit +1

* Voor koolstofverbindingen kan de oxidatietoestand van het C atoom meestal gemakkelijk berekend worden bv in glucose (C6H12O6) is de oxidatietoestand van C-atoom 0; in CO2 is de oxidatietoestand van C, +4

•Indien er meer dan één koolstofatoom aanwezig is, kan de oxatietoestand per C-atoom verschillen, voor berekeningen is het echter gebruikelijk om alle C atomen dezelfde oxidatietoestand toe te kennen

•* In alle oxidatie- reductie toestanden is er een evenwicht tussen geoxideerde en gereduceerde producten

Berekening van vrije energie opbrengsten van hypothetische reactie

Energie opbrengsten kunnen berekend worden ofwel uit de vormingsenergie van de reagentia en de reactieproducten ofwel uit de verschillen in redoxpotentiaal van de electron gevende en de electron accepterende deelreacties

Berekeningen uitgaande van vrije energie van vorming

Evenwicht van reacties: eerst nagaan of de gegeven oxidatie-reductie reactie in evenwicht is:

1. Het totaal aantal atomen van elke soort moet aan beide zijden van de vergelijking gelijk zijn

2. De totale ionen sterkte aan de linker zijde van de reactie moet gelijk zijn aan de totale ionensterkte aan de rechter zijde van de reactie

3. Er moet een oxidatie - reductie evenwicht zijn zodat alle electronen, afkomstig van één

component getransfereerd wordt naar een andere

Voorbeeld

Wat is de evenwichts reactie voor de oxidatie van H2S naar SO42- met O2?

Hoeveel electronen zijn er betrokken bij de overgang van H2S naar H2SO4?De oxidatietoestand van S in H2S is -2 (met H = +1)De oxidatietoestand van S in H2SO4 is +6 (met H = +1 en O = -2)

Dus deze oxidatie vergt dus een overdracht van 8 electronen

De oxidatietoestand van O in O2 is nul, maar in een verbinding is de oxidatietoestand van O echter -2 zodat er 4 O of 2O2 zullen nodig zijn om voldoende electronacceptor te hebbenDus weten we dat links er 1 H2S en 2O2 nodig is

1H2S + 2O2 -> SO42-

Om ook aan de rechter zijde de ionensterkte in evenwicht te krijgen zijn er nog twee positieve ladingen nodig

1H2S + 2O2 -> SO42- + 2H+

Voor de berekening kan men gebruik maken van de gegevens uit Tabel A1.1 pagina A-3 (achteraan in het boek). Men dient enkel de vormings energieen van de reagentia na optelling af te trekken van de som van de vormingenergieën van de reactie producten

(-27.87) + 0 -> (-744.6) + 2(-39.83)∆∆G 0 ' =-796.39 kJ/mol

∆∆G0'vanuit redoxpotentiaalverschillen

Beschouwen we opnieuw de reactie

1H2S + 2O2 -> SO42- + 2H+

Met de redoxkoppels (SO42-/H2S en O2-/O2 met respectievelijke redoxpotentialen -0.217 en +0.82 V) (Tabel A1.2 op pagina A-4).

Dit geeft een ∆∆E0' van 1.037 volt

Met de formule ∆∆G0' = - nF ∆∆E0' wordt dit∆∆G 0 ' = - nF (1.037 (1.037 V)) en F = 96.48 kJ/V en 8 electronen ∆∆G 0 ' = - 800.4 kJ/mol wat goed overeenkomt met de berekening uit de vormingsenergie

Energie conservering?

Omzetting van energie van een chemische reactie naar biochemische molecule die energiehuishouding regelt

Universeel in biologie: ATP

Hoe gaat dit in de praktijk??

Algemeen twee manieren:

1. Substraats gebonden fosforylatie

2. Energetiseren van de membraan:oxidatieve fosforylatie

Proton motive forceATP-aseWerkt in beide richtingen

Aantal ATP /afbraak GSubstraats-gebonden:2 (Glyc) + 2 CAC

NADH +H = Oxidat.Glycolyse: 2NADH: 8 (CAC)FADH: 2 (CAC)

Bacteria

Cyanobacteria& planten

Licht wordt uitgezonden in quanta (fotonen)De energie van die fotonen: vgl van Planck

E = h.νν = = h.c/λλh, de constante van Planck (6.626 x 10-34 J.s)νν, de frequentie van de straling,c, de snelheid van het licht (2.998 108 m/s in vacuum)λλ, de golflengtevarierend in zichtbaar licht van 400 tot 700 nm. Rood licht met een golflengte van 700 nm heeft dan een energie van 171 kJ per einstein (een einstein komt

overeen met een mol fotonen).

•Hoe wordt licht energie gecapteerd?

Moleculen hebben, zoals atomen, verschillende quantum toestanden met verschillende energie inhouden.

Absorptie van licht door een molecule gaat meestal gepaard met de verschuiving van een electron naar een orbitaal van hogere energie inhoud. Een molecule kan echter slechts energie absorberen van een bepaalde golflengte omdat volgens de wet van energie conservering de geabsorbeerde energie precies moet evereenkomen met het energie verschil (verhoging) van de betreffende molecule.

De hoeveelheid energie die geabsorbeerd wordt door een bepaalde substantie wordt gegeven door de wet van Lambert-Beer (of Beer-Lambert)

A = log Io/I = ε.ε.C..l

A de absorptie

Io & I : intensiteiten van invallend en doorlatend licht

C: de molaire concentratie van het staal

ε: ε: is de molaire extinctie coëfficient.

Dit betekent dat een plot van A tov λλ niets anders dan het absorptiespectrum voorstelt voor een molecule.

Aangezien de chlorofylmoleculen in hoge mate geconjugeerde moleculen zijn, zullen ze juist veel licht absorberen.

De kleine verschillen in chemische formule van de verschillende chlorofylen hebben toch een groot effect op het absorptie spectrum.

Chlorophyl

Chlorophyll a

Bacterio-chlorophyll a

Chemische verschillen leiden tot absorptie verschil

430

680

360805 870

Verschillendepigmenten

Absorptie bij verschillendegolflengten

Ecologischebetekenis

Diversiteit van fotosynthetische bacteriën

Purple phototrophic bacteria

Green bacteria

Green non sulfur bacteria

Green sulfur bacteria

Purple sulfur bacteria

Purple non sulfur bacteria

Fig.15.5Fig.15.5bb

Puper-sulfurbacteria

PurperNon-sulfur

Chlorosoom

Greenbacteria

Niet alle chlorophyl= reactiecentrum

LH centra geassocieerdmet eiwitten

Hulppigmenten

Rol?

Cyanobacteria

Phycobiliprotein

Phycoerythrin

Phycocyanin

Allophycocyanin

Phycobilin

Phycobilisome

Anoxigene fotosynthese

Speciaal paar bact.Chlorophyll

Accesory bact.Chlorophyl

Bacteropheophytin

Quinone

H

M

L

ATP

Reverseelectron flow

Anoxigene fotosynthese

Fig.15.18Fig.15.18

Oxygene fotosynthese

Donker reacties

Calvin cyclus

Alternatieven

Carboxysomen

Overzicht stoechiometrie van Calvin cyclus

Chlorobium

Fig.15.24bFig.15.24b

Cloroflexus

Phylogeny of the living worldThe 3 domains of life

Animals

Plants

Slimemolds

Entamoebae

Ciliates

Flagellates

DiplomonadsMicrosporidia

Trichomonads

Bacteria Archaea Eukarya

Green non-S

Thermotogales

Flavobacteria

CyanobacteriaProteobacteria Crenarchaeota

Euryarchaeota

rRNA

Korarchaeota

Aquifex

from Woese; Madigan et al. (1997)

Gram +

Fungi

Proteobacteria(purple bacteria)

Gram +

ChlamydiaeGreen non-S

Aquifex/Hydrogenobacter

Thermotogales

Flavobacteria /Bacteroides

Planctomycetes

Deinococci

Spirochetes

high G+C

low G+C

16S rRNAfrom Brock’s Biology of Microorganisms (1997)

Green S