Definición: ¿Qué son las bacterias quimiosintéticas?

Esencialmente, las bacterias quimiosintéticas incluyen un grupo de bacterias autótrofas que utilizan energía química para producir sus propios alimentos. Al igual que las bacterias fotosintéticas, las bacterias quimiosintéticas necesitan una fuente de carbono (p. Ej., Dióxido de carbono), así como una fuente de energía para fabricar sus propios alimentos.

En su mayor parte, estas bacterias son aeróbicas y, por lo tanto, dependen del oxígeno para completar este proceso con éxito. Sin embargo, algunas especies (p. Ej., Sulfuricurvum kujiense) se han asociado con la quimiosíntesis anaeróbica.

Debido a su capacidad para fabricar sus propios alimentos utilizando energía química, estos organismos pueden producir sobreviven en una variedad de hábitats / entornos (incluidos entornos hostiles con condiciones extremas) como organismos de vida libre o en asociación con otros organismos (mediante simbiosis con otros organismos).

* A diferencia de la fotosíntesis, que es común en organismos eucariotas y cianobacterias, las reacciones quimiosintéticas son llevado a cabo principalmente por microorganismos procariotas (en particular bacterias y arqueas)

Ejemplos de bacterias quimiosintéticas incluyen :

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

Tipos de Bacterias quimiosintéticas

Como se mencionó, la quimiosíntesis permite que diferentes tipos de bacterias (bacterias quimiosintéticas) sobrevivan sin depender de la energía de la luz u otros organismos para alimentarse. Aquí, la energía utilizada para fabricar materiales alimenticios se deriva de una variedad de productos químicos inorgánicos (y por lo tanto, diferentes reacciones químicas). Por esta razón, existen diferentes tipos de bacterias quimiosintéticas según el tipo de compuestos que utilizan como fuente de energía.

* Algunas bacterias quimiosintéticas viven en ambientes soleados y, por lo tanto, están expuestas a la luz solar. Sin embargo, no dependen de la luz solar como fuente de energía

Bacterias de azufre: estas bacterias (por ejemplo, Paracoccus) oxidan compuestos de azufre tales como sulfuro de hidrógeno (sulfuros), tiosulfatos y azufre inorgánico, etc. Dependiendo del organismo o del tipo de compuesto de azufre que se utilice, el proceso de oxidación tiene lugar en varias etapas. En algunos de los organismos, por ejemplo, el azufre inorgánico se almacenará hasta que sea necesario para su uso.

Bacterias nitrogenadas: divididas en tres grupos que incluyen bacterias nitrificantes , bacterias desnitrificantes y bacterias fijadoras de nitrógeno. En el caso de las bacterias nitrificantes, el amoníaco se oxida primero a hidroxilamina en el citoplasma (mediante la monooxigenasa de amonio). Luego, la hidroxilamina se oxida para producir nitrito en el periplasma mediante hidroxilamina oxidorreductasa. Este proceso produce un protón (un protón por cada molécula de amonio). En comparación con las bacterias nitrificantes, las bacterias desnitrificantes oxidan los compuestos de nitrato como fuente de energía.

Metanobacterias / bacterias metano: aunque algunos científicos han sugerido que algunas bacterias utilizan metano como fuente de energía para la quimiosíntesis, esto es particularmente común entre las arqueobacterias quimiosintéticas.

Bacterias de hidrógeno: bacterias como Hydrogenovibrio marinus y Helicobacter pylori oxidan el hidrógeno como fuente de energía en condiciones microaerofílicas. En su mayor parte, se ha demostrado que estas bacterias son anaeróbicas y, por lo tanto, prosperan en áreas con muy poco o ningún oxígeno. Esto se debe en gran parte al hecho de que la enzima utilizada con fines de oxidación (hidrogenasa) funciona eficazmente en condiciones anaeróbicas.

Bacterias del hierro: Acidithiobacillus ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans son algunas de las bacterias que oxidan el hierro. Se ha demostrado que este proceso se produce en diferentes condiciones según el organismo (por ejemplo, pH bajo y anóxico-óxicos).

Durante la quimiosíntesis, las bacterias quimiosintéticas, al no ser fotosintéticas, dependen de la energía producida por la oxidación de estos compuestos. (inorgánico) para fabricar alimentos (azúcares), mientras que las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten el gas nitrógeno en nitrato. Todos estos procesos sirven para producir un protón que se utiliza en la fijación de dióxido de carbono.

Normalmente, estas reacciones ocurren en el citoplasma en presencia de enzimas respiratorias unidas a la membrana. Por ejemplo, en el caso de la oxidación del hidrógeno, las hidrogenasas de NiFe del grupo 1, que se encuentran en el citoplasma, catalizan la reacción para producir 2 electrones y protones (hidrógeno con carga positiva) a partir de una molécula de hidrógeno (H2 < > 2H + y 2e-). Estos electrones luego se canalizan al grupo de quinonas en la cadena de transporte de electrones.

En el caso del sulfuro de hidrógeno, el compuesto se oxida para liberar electrones e iones de hidrógeno (conocidos como protones dado que están separados del compuesto y los electrones y ganan una carga positiva). Los productos de esta reacción son, por tanto, azufre, electrones y protones. Los electrones y protones luego ingresan a la cadena de transporte de electrones (en la membrana).

Cuando los electrones ingresan a esta cadena, los protones son bombeados fuera de la celda. Los electrones, por otro lado, son aceptados por el oxígeno y atraen a los protones (iones de hidrógeno) formando así moléculas de agua. A través de una enzima conocida como ATP sintasa, los protones que se habían bombeado previamente fuera de la célula se canalizan de regreso a la célula y su energía (energía cinética) se almacena como ATP y se utiliza para la síntesis de azúcar.

Asimilación de carbono en bacterias quimiosintéticas (fijación)

Dependiendo del tipo de bacteria, su hábitat y la fuente de carbono, existen varias vías metabólicas utilizadas para la fijación.

Algunas de las vías más comunes incluyen:

Ciclo de Calvin-Benson: en este ciclo, la enzima RuBisCo (ribulosa 1, 5-bisfosfato carboxilasa / oxigenasa ) facilita la adición de dióxido de carbono molecular a la ribulosa 1, 5-bisfosfato. Este proceso genera un compuesto de seis carbonos que, a su vez, se convierte en dos moléculas de 3-PGA (3-fosfoglicerato). Este proceso se conoce como fijación de carbono dado que implica la conversión de dióxido de carbono en moléculas orgánicas.

A través de la energía almacenada en ATP y NADPH (generada a través del proceso de oxidación), el compuesto de carbono (3-PGA) se convierte nuevamente en otro compuesto de carbono para formar G3P (Gliceraldehído 3-fosfato) en la fase de reducción. A medida que una de estas moléculas abandona la cadena de Calvin (para formar la molécula de carbohidrato / azúcar), la otra participa en la generación de RuBP.

Ciclo inverso de Krebs: en comparación con el ciclo de Calvin, la fijación de carbono en los resultados del ciclo inverso de Krebs en la producción de piruvato. También conocido como el ciclo reductor del ácido tricarboxílico, este ciclo comienza con la fijación de dos moléculas de dióxido de carbono. Da como resultado la producción de acetil coenzima A (acetil-CoA) que a su vez se carboxila de forma reductora para producir piruvato. El piruvato producido a través del proceso se utiliza para la síntesis de los materiales celulares orgánicos.

Algunos de los otros procesos utilizados por estas bacterias incluyen:

· Bicicleta de 3-hidroxipropionato: también conocida como ciclo del 3-hidroxipropionato, esta vía fija el dióxido de carbono para formar Malil-CoA en presencia de acetil-CoA y propionil-CoA carboxilasas. Esto luego se divide para producir acetil-CoA y glioxilato. En última instancia, la vía da como resultado la producción de piruvato que se utiliza para sintetizar diversos materiales orgánicos requeridos por la célula.

· Vía reductora de acetil-CoA: en esta vía, se fijan dos moléculas de dióxido de carbono para formar acetil-CoA. Normalmente, el hidrógeno actúa como donador de electrones en esta reacción, siendo el dióxido de carbono el aceptor de electrones.

· Ciclo de dicarboxilato / 4-hidroxibutirato: este ciclo es común entre las bacterias que se encuentran en anaerobios y hábitats microaeróbicos (por ejemplo, Desulfurococcales). Al igual que el ciclo del 3-hidroxipropionato / 4-hidroxibutirato, este ciclo convierte cetil-CoA y dos moléculas de carbono en succinil-coenzima (CoA).Algunas de las enzimas involucradas en este ciclo incluyen la piruvato sintasa y la fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilasa.

Importancia de las bacterias quimiosintéticas

Esencialmente, la quimiosíntesis se refiere al proceso mediante el cual las bacterias quimiosintéticas procesan los alimentos utilizando energía química. Por lo tanto, en comparación con la fotosíntesis, estos organismos no dependen de la energía luminosa para su producción. Esto los convierte en importantes productores primarios en diversos hábitats que contienen oxidantes como nitratos y sulfatos.

En los ecosistemas de respiraderos de aguas profundas, por ejemplo, la ausencia de luz solar significa que la fotosíntesis no puede tener lugar. Sin embargo, debido a la capacidad de algunas bacterias para fabricar alimentos mediante quimiosíntesis, juegan un papel importante como productores en este ecosistema.

También se ha demostrado que este comportamiento beneficia a otros organismos a través de una relación simbiótica. Por ejemplo, en varios entornos, se ha demostrado que las bacterias fijadoras de nitrógeno forman relaciones simbióticas que benefician a una variedad de organismos (algas, diatomeas, legumbres, esponjas, etc.). Aquí, pueden convertir el nitrógeno (abundante en la naturaleza) en formas utilizables.

Aquí, estas bacterias pueden catalizar el nitrógeno atmosférico para producir amoníaco (utilizando una enzima conocida como nitrogenasa) que luego es utilizado por las plantas para la síntesis de biomoléculas nitrogenadas.

Una de las otras relaciones simbióticas que han recibido una atención significativa es entre gusanos tubícolas (Riftia pachyptila) y bacterias quimiosintéticas en respiraderos hidrotermales. En este entorno, las temperaturas del agua son extremadamente altas debido al calor geotérmico. Además, estos gusanos viven en el fondo marino (entorno que carece de energía lumínica).

A pesar de las condiciones desfavorables en este entorno (temperaturas extremadamente altas y falta de luz), la disponibilidad de sulfuro de hidrógeno permite que las bacterias realicen la quimiosíntesis.

Usando una pluma similar a una branquia altamente vascularizada, el gusano puede absorber dióxido de carbono, oxígeno y sulfuro de hidrógeno disueltos (la hemoglobina de estos organismos es capaz de unir oxígeno y sulfuros) . Luego se transportan a células especializadas conocidas como bacteriocitos donde residen las bacterias quimiosintéticas.

Usando el sulfuro y el oxígeno, las bacterias producen energía (ATP) que luego se usa para convertir el dióxido de carbono en azúcares. Estos azúcares son luego utilizados por el molusco como fuente de alimento.

Estas relaciones simbióticas también se han identificado con:

• Bivalvos solemidos y lucinidos
• Achinoides
• Protistas cilíndricos
• Esponjas marinas
• Mejillones

Algunas de las características que se han asociado con symbiont (bacterias quimiosintéticas) incluyen:

· Tienen una envoltura gramnegativa

· Varían en forma desde pequeños endosimbiontes cocoides de aproximadamente 0.25um de diámetro hasta bacterias quimiotróficas en forma de bastón relativamente grandes (aproximadamente 10um de longitud)

· Dependiendo de la especie, pueden ser endosimbiontes o simplemente adherirse a la superficie del cuerpo de los anfitriones

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Enlaces

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