Definition: Hvad er kemosyntetiske bakterier?

I det væsentlige inkluderer kemosyntetiske bakterier en gruppe autotrofiske bakterier, der bruger kemisk energi til at producere deres egen mad. Ligesom fotosyntetiske bakterier har kemosyntetiske bakterier brug for en kuldekilde (f.eks. Kuldioxid) såvel som en energikilde for at fremstille deres egen mad.

For det meste, disse bakterier er aerobe og er derfor afhængige af ilt for at fuldføre denne proces med succes. Imidlertid er nogle arter (f.eks. Sulphuricurvum kujiense) blevet forbundet med anaerob kemosyntese.

På grund af deres evne til at fremstille deres egen mad ved hjælp af kemisk energi er disse organismer i stand til at overleve i en række forskellige levesteder / miljøer (herunder barske miljøer med ekstreme forhold) som fritlevende organismer eller i forbindelse med andre organismer (gennem symbiose med andre organismer).

* I modsætning til fotosyntese, som er almindelig i eukaryote organismer og cyanobakterier, er kemosyntetiske reaktioner hovedsagelig udført af prokaryote mikroorganismer (især bakterier og arkæer)

Eksempler på kemosyntetiske bakterier inkluderer :

• Venenivibrio stagnispumantis
• Beggiatoa
• T. neapolitanus
• T. novellus
• ferrooxidans

Typer af Kemosyntetiske bakterier

Som nævnt tillader kemosyntese forskellige typer bakterier (kemosyntetiske bakterier) at overleve uden at stole på lysenergi eller andre organismer til mad. Her stammer den energi, der bruges til fremstilling af fødevarematerialer, fra en række uorganiske kemikalier (og dermed forskellige kemiske reaktioner). Af denne grund er der forskellige typer kemosyntetiske bakterier baseret på den type forbindelser, de bruger som energikilde.

* Nogle kemosyntetiske bakterier lever i solrige omgivelser og udsættes derfor for sollys. De stoler imidlertid ikke på sollys som energikilde

Svovlbakterier – Disse bakterier (fx Paracoccus) oxiderer sådanne svovlforbindelser som hydrogensulfid (sulfider) thiosulfater og uorganisk svovl osv. Afhængig af organismen eller typen af svovlforbindelse, der anvendes, finder oxidationsprocessen sted i flere trin. I nogle af organismerne opbevares for eksempel uorganisk svovl, indtil de er nødvendige til brug.

Kvælstofbakterier – Opdelt i tre grupper, der inkluderer nitrificerende bakterier , denitrifierende bakterier og kvælstoffikserende bakterier. I tilfælde af nitrificerende bakterier oxideres ammoniak først til hydroxylamin i cytoplasmaet (af ammoniummonooxygenase). Hydroxylaminen oxideres derefter til dannelse af nitrit i periplasmen ved hjælp af hydroxylaminoxidoreduktase. Denne proces producerer en proton (en proton for hvert ammoniummolekyle). Sammenlignet med nitrificerende bakterier oxiderer denitrifierende bakterier nitratforbindelser som en energikilde.

Methanobakterier / metanbakterier – Selvom nogle forskere har antydet, at nogle bakterier bruger metan som kilde af energi til kemosyntese, er dette især almindeligt blandt kemosyntetiske arkebakterier.

Brintbakterier – Sådanne bakterier som Hydrogenovibrio marinus og Helicobacter pylori oxiderer brint som en energikilde under mikroaerofile forhold. For det meste har disse bakterier vist sig at være anaerobe og trives derfor i områder med meget lidt eller intet ilt. Dette skyldes stort set det faktum, at det enzym, der anvendes til oxidationsformål (Hydrogenase), fungerer effektivt under anaerobe forhold.

Jernbakterier – Acidithiobacillus ferrooxidans og Leptospirillum ferrooxidans er nogle af de bakterier, der oxiderer jern. Denne proces har vist sig at forekomme under forskellige betingelser afhængigt af organismen (fx lav pH og oxis-anoxisk).

Under kemosyntese er kemosyntetiske bakterier, som ikke er fotosyntetiske, nødt til at stole på energi produceret ved oxidation af disse forbindelser (uorganisk) for at fremstille mad (sukker), mens kvælstoffikserende bakterier omdanner kvælstofgas til nitrat. Alle disse processer tjener til at producere en proton, der anvendes i kuldioxidfiksering.

Normalt forekommer disse reaktioner i cytoplasmaet i nærværelse af membranbundne respiratoriske enzymer. For eksempel i tilfælde af hydrogenoxidering katalyserer gruppe 1 NiFe-hydrogenaser, der findes i cytoplasmaet, reaktionen til at producere 2 elektroner og protoner (hydrogen med en positiv ladning) fra et hydrogenmolekyle (H2 < > 2H + og 2e-). Disse elektroner kanaliseres derefter til kinonbassinet i elektrontransportkæden.

I tilfælde af hydrogensulfid gennemgår forbindelsen oxidation for at frigive elektroner og hydrogenioner (kaldet protoner, forudsat at de er adskilt fra forbindelsen og elektroner og forstærkning en positiv ladning). Produkterne fra denne reaktion er derfor svovl, elektroner såvel som protoner. Elektroner og protoner kommer derefter ind i elektrontransportkæden (ved membranen).

Når elektroner kommer ind i denne kæde, pumpes protoner ud af cellen. Elektroner accepteres derimod af ilt og tiltrækker protoner (hydrogenioner) og danner derved vandmolekyler. Gennem et enzym kendt som ATP-syntase lagres protoner, der tidligere var blevet pumpet ud af cellen, tilbage til cellen med deres energi (kinetisk energi) lagres som ATP og bruges til sukkersyntese.

Carbonassimilation i kemosyntetiske bakterier (fiksering)

Afhængigt af typen af bakterier, deres habitat og kulstofkilde er der en række metaboliske veje, der anvendes til fiksering.

Nogle af de mest almindelige veje inkluderer:

Calvin-Benson-cyklus – I denne cyklus er enzymet RuBisCo (ribulose 1, 5-bisphosphat-carboxylase / oxygenase ) letter tilsætningen af molekylært carbondioxid til ribulose 1, 5-bisphosphat. Denne proces genererer en seks-carbonforbindelse, der omdannes til to molekyler af 3-PGA (3-phosphoglycerat). Denne proces kaldes kulstoffiksering, da den involverer omdannelse af kuldioxid til organiske molekyler.

Via energien lagret i ATP og NADPH (genereret gennem oxidationsprocessen) omdannes carbonforbindelsen (3-PGA) igen til en anden carbonforbindelse til dannelse af G3P (Glyceraldehyd-3-phosphat) i reduktionsfasen. Da et af disse molekyler forlader Calvin-kæden (for at danne kulhydratmolekylet / sukkeret), er den anden involveret i dannelsen af RuBP.

Krebs-omvendt cyklus – Sammenlignet med Calvin-cyklusen resulterer kulstoffiksering i Krebs-omvendt cyklus i produktionen af pyruvat. Også kendt som den reduktive tricarboxylsyre-cyklus, denne cyklus starter med fiksering af to molekyler kuldioxid. Det resulterer i produktion af acetylcoenzym A (acetyl-CoA), der igen reduktivt carboxyleres til dannelse af pyruvat. Det pyruvat, der produceres gennem processen, anvendes derefter til syntesen af de organiske cellematerialer.

Nogle af de andre processer, der bruges af disse bakterier, inkluderer:

· 3-Hydroxypropionate Cykel – Også kendt som 3-hydroxypropionat-cyklussen, denne vej fastgør kuldioxid til dannelse Malyl-CoA i nærvær af acetyl-CoA og propionyl-CoA carboxylaser. Dette opdeles derefter for at producere acetyl-CoA og glyoxylat. I sidste ende resulterer stien i produktionen af pyruvat, der anvendes til syntetisering af forskellige organiske materialer, der kræves af cellen.

· Reduktiv acetyl-CoA-vej – I denne vej er to molekyler af kuldioxid fast til dannelse af acetyl-CoA. Typisk fungerer brint som elektrondonoren i denne reaktion, hvor kuldioxid er elektronacceptoren.

· Dicarboxylat / 4-hydroxybutyratcyklus – Denne cyklus er almindelig blandt bakterier, der findes i anaerob og mikroaerobe levesteder (f.eks. Desulfurococcales). Ligesom 3-hydroxypropionat / 4-hydroxybutyrat-cyklussen konverterer denne cyklus cetyl-CoA og to molekyler kulstof til succinyl-coenzym (CoA).Nogle af de enzymer, der er involveret i denne cyklus, inkluderer pyruvat-syntase og phosphoenolpyruvat (PEP) -carboxylase.

Kemosyntetiske bakteriers betydning

I det væsentlige henviser kemosyntese til den proces, gennem hvilken kemosyntetiske bakterier behandler mad ved hjælp af kemisk energi. Derfor sammenlignet med fotosyntese er disse organismer ikke afhængige af lysenergi til produktion. Dette gør dem til vigtige primære producenter i forskellige levesteder, der indeholder sådanne oxidanter som nitrater og sulfater.

I dybhavsventilationsøkosystemer betyder f.eks. fraværet af sollys, at fotosyntese ikke kan finde sted. På grund af nogle bakteriers evne til at fremstille mad gennem kemosyntese spiller de imidlertid en vigtig rolle som producenter i dette økosystem.

Denne adfærd har også vist sig at gavne andre organismer gennem et symbiotisk forhold. For eksempel har det i forskellige miljøer vist sig, at kvælstoffikserende bakterier danner symbiotiske forhold, der gavner en række organismer (alger, kiselalger, bælgfrugter, svampe osv.). Her er de i stand til at omdanne kvælstof (rigeligt i naturen) til brugbare former.

Her kan disse bakterier katalysere atmosfærisk nitrogen til dannelse af ammoniak (ved hjælp af et enzym kendt som nitrogenase), som derefter bruges af planter til syntese af nitrogenholdige biomolekyler.

Et af de andre symbiotiske forhold, der har fået betydelig opmærksomhed, er mellem tuborme (Riftia pachyptila) og kemosyntetiske bakterier i hydrotermiske åbninger. I dette miljø er vandtemperaturer ekstremt høje på grund af geotermisk varme. Desuden lever disse orme på havbunden (miljø uden lysenergi).

På trods af de ugunstige forhold i dette miljø (ekstremt høje temperaturer og mangel på lys) tillader tilgængeligheden af hydrogensulfid bakterier at udføre kemosyntese.

Ved hjælp af en stærkt vaskulariseret gællelignende sky, er ormen i stand til at optage opløst kuldioxid, ilt og hydrogensulfid (hæmoglobinet i disse organismer er i stand til at binde ilt og sulfider) . De transporteres derefter til specialiserede celler kendt som bakteriocytter, hvor der findes kemosyntetiske bakterier.

Ved hjælp af sulfid og ilt producerer bakterierne energi (ATP), der derefter bruges til at omdanne kuldioxid til sukker. Disse sukkerarter bruges derefter af bløddyr som en fødekilde.

Sådanne symbiotiske forhold er også identificeret med:

• Solemyid- og lucinid-muslinger
• Achinoider
• Ciliate protister
• Marine svampe
• Muslinger

Nogle af de egenskaber, der er forbundet med symbiont (kemosyntetiske bakterier) inkluderer:

· Har en gramnegativ kuvert

· Varier i form fra små coccoid-endosymbionter på ca. 0,25um i diameter til relativt store (ca. 10um lange) stavformede kemotrofiske bakterier

· Afhængigt af arten, de kan være endosymbionter eller blot vedhæfte til kroppens overflade af værterne

Retur fra kemosyntetiske bakterier til MicroscopeMaster hjem

Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton og Frank J. Stewart. (2006). Marine kemosyntetiske symbioser.

H. W. J annasch. (1985). Den kemiske osyntetiske understøttelse af liv og den mikrobielle mangfoldighed ved dybhavs-hydrotermiske ventilationer.

Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosymbiose.

Zoran Minic og Premila D. Thongbam. (2011). Den biologiske dybhavshydrotermiske udluftning som model til undersøgelse af kuldioxidoptagelsesenzymer.

Links

https://ocw.mit.edu/high-school/biology/exam-prep/cellular-energetics/photosynthesis/chemosynthesis/