Forschende der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Marburg und der Universität Stockholm haben einen faszinierenden Mechanismus der Zellatmung entschlüsselt, der den Ursprung der Einatmung von Sauerstoff in der Evolution beleuchtet. Laut puk.uni-frankfurt.de wurde untersucht, wie bestimmte Bakterien Kohlendioxid und Wasserstoff zur Bildung von Essigsäure nutzen. Dieser biochemische Prozess stellt einen frühen Stoffwechselweg dar, der in der Evolution während einer Zeit entstand, als die Erdatmosphäre noch keinen Sauerstoff enthielt.

Die Untersuchung zeigt, dass diese Mikroben CO2 aus ihrer Umgebung entfernen und damit als wichtige Verbündete im Kampf gegen den Klimawandel gelten. Während Tiere und Pflanzen Sauerstoff inhalieren, um ATP zu erzeugen – eine Energiequelle für essentielle Körperfunktionen – haben diese frühen Organismen möglicherweise eine spezielle Form der Atmung entwickelt. In sauerstofffreien Ökosystemen „veratmen“ die Ur-Mikroben CO2 und Wasserstoff, um Essigsäure zu produzieren.

Der Rnf-Komplex als Schlüsselmechanismus

Ein signifikanter Teil der Studie fokussiert sich auf den Rnf-Komplex, ein Konglomerat aus verschiedenen Proteinen, das entscheidend für die ATP-Produktion ist. Vice versa war bislang unklar, wie dieser Prozess genau abläuft. Der Bericht hebt hervor, dass während der Reaktion von CO2 mit Wasserstoff Elektronen vom Wasserstoff auf das Kohlenstoffatom übertragen werden. Der Rnf-Komplex facilitiert diesen Elektronenfluss und ermöglicht damit die Freisetzung von Natrium-Ionen, die die ATP-Produktion ankurbeln.

Das einzigartige Verhalten dieses Komplexes wurde mithilfe von Kryo-Elektronenmikroskopie und molekulardynamischen Simulationen untersucht. Eine zentrale Rolle spielen dabei auch Cluster aus Eisen- und Schwefelatomen innerhalb des Rnf-Komplexes. Die Anwendung dieser Erkenntnisse könnte in der Industrie revolutionäre Ansätze zur CO2-Reduktion sowie die Entwicklung neuer Medikamente gegen Krankheitserreger ermöglichen, die ähnliche Atmungsenzyme nutzen.

Die Bedeutung der Atmung

Der Mechanismus der Atmung, der in der Studie beleuchtet wird, bietet einen interessanten Perspektivwechsel auf die evolutionären Ursprünge des Gasaustausches zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid. Laut pmc.ncbi.nlm.nih.gov ist Atmung ein komplexer Prozess, der durch zwei Hauptsysteme – das Herz-Kreislauf-System und das Atmungssystem – kontrolliert wird. Diese Systeme arbeiten zusammen, um Sauerstoff zu den Geweben zu transportieren und Kohlendioxid aus dem Körper zu entfernen.

Wesentliche Teilfunktionen der Atmung umfassen die Ventilation, den pulmonalen Gasaustausch, den Transport von O2 und CO2 im Blut sowie die Regulation der Atmung. Der Mechanismus der Lunge als Luftpumpe und die damit verbundene Druckregulation während der Inspiration und Exspiration spielen eine entscheidende Rolle im Gasaustausch und sind essenziell für die Beibehaltung der physiologischen Funktionen des Organismus.

Die Ergebnisse der aktuellen Forschung könnten einen tiefen Einblick in die evolutionären Mechanismen der Atmung bringen und gleichzeitig die Bedeutung von Mikroben in der heutigen Welt unterstreichen. Es wird spannend sein zu beobachten, welche praktischen Anwendungen die Wissenschaftler aus diesen neu entdeckten Prozessen ableiten werden.