Definizione: cosa sono i batteri chemiosintetici?

Essenzialmente, i batteri chemiosintetici includono un gruppo di batteri autotrofi che utilizzano l’energia chimica per produrre il proprio cibo. Come i batteri fotosintetici, i batteri chemiosintetici necessitano di una fonte di carbonio (ad es. Anidride carbonica) e di una fonte di energia per produrre il proprio cibo.

Per la maggior parte, questi batteri sono aerobici e quindi fanno affidamento sull’ossigeno per completare con successo questo processo. Tuttavia, alcune specie (ad esempio Sulfuricurvum kujiense) sono state associate alla chemiosintesi anaerobica.

A causa della loro capacità di produrre il proprio cibo utilizzando energia chimica, questi organismi sono in grado di sopravvivere in una varietà di habitat / ambienti (inclusi ambienti difficili con condizioni estreme) come organismi a vita libera o in associazione con altri organismi (attraverso la simbiosi con altri organismi).

* A differenza della fotosintesi, comune negli organismi eucariotici e nei cianobatteri, le reazioni chemiosintetiche sono principalmente effettuato da microrganismi procarioti (in particolare batteri e archei)

Esempi di batteri chemiosintetici includono :

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

Tipi di Batteri chemiosintetici

Come accennato, la chemiosintesi consente a diversi tipi di batteri (batteri chemiosintetici) di sopravvivere senza fare affidamento sull’energia luminosa o altri organismi per il cibo. Qui, l’energia utilizzata per produrre materiali alimentari deriva da una varietà di sostanze chimiche inorganiche (e quindi da diverse reazioni chimiche). Per questo motivo esistono diversi tipi di batteri chemiosintetici in base al tipo di composti che usano come fonte di energia.

* Alcuni batteri chemiosintetici vivono in ambienti soleggiati e sono quindi esposti alla luce solare. Tuttavia, non si basano sulla luce solare come fonte di energia

Batteri dello zolfo: questi batteri (es. Paracoccus) ossidano composti solforati come idrogeno solforato (solfuri) tiosolfati e zolfo inorganico ecc. A seconda dell’organismo o del tipo di composto di zolfo utilizzato, il processo di ossidazione avviene in più fasi. In alcuni organismi, ad esempio, lo zolfo inorganico verrà immagazzinato fino a quando non sarà necessario per l’uso.

Batteri azotati: suddivisi in tre gruppi che includono batteri nitrificanti , batteri denitrificanti e batteri che fissano l’azoto. Nel caso dei batteri nitrificanti, l’ammoniaca viene prima ossidata a idrossilammina nel citoplasma (dalla monoossigenasi di ammonio). L’idrossilammina viene quindi ossidata per produrre nitriti nel periplasma dall’idrossilammina ossidoreduttasi. Questo processo produce un protone (un protone per ogni molecola di ammonio). Rispetto ai batteri nitrificanti, i batteri denitrificanti ossidano i composti nitrati come fonte di energia.

Metanobatteri / batteri del metano – Sebbene alcuni scienziati abbiano suggerito che alcuni batteri utilizzino il metano come fonte di energia per la chemiosintesi, questo è particolarmente comune tra gli archeobatteri chemiosintetici.

Batteri dell’idrogeno – Batteri come Hydrogenovibrio marinus e Helicobacter pylori ossidano l’idrogeno come fonte di energia in condizioni microaerofile. Per la maggior parte, questi batteri hanno dimostrato di essere anaerobici e quindi prosperano in aree con pochissimo o nessun ossigeno. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che l’enzima utilizzato per scopi di ossidazione (idrogenasi) funziona efficacemente in condizioni anaerobiche.

Batteri del ferro – Acidithiobacillus ferrooxidans e Leptospirillum ferrooxidans sono alcuni dei batteri che ossidano il ferro. È stato dimostrato che questo processo avviene in condizioni differenti a seconda dell’organismo (es. PH basso e anossico-anossico).

Durante la chemiosintesi, i batteri chemiosintetici, essendo non fotosintetici, devono fare affidamento sull’energia prodotta dall’ossidazione di questi composti (inorganico) per produrre cibo (zuccheri) mentre i batteri che fissano l’azoto convertono l’azoto gassoso in nitrato. Tutti questi processi servono a produrre un protone utilizzato nella fissazione dell’anidride carbonica.

Normalmente, queste reazioni si verificano nel citoplasma in presenza di enzimi respiratori legati alla membrana. Ad esempio, nel caso dell’ossidazione dell’idrogeno, le idrogenasi NiFe del gruppo 1, presenti nel citoplasma, catalizzano la reazione per produrre 2 elettroni e protoni (idrogeno con una carica positiva) da una molecola di idrogeno (H2 < > 2H + e 2e-). Questi elettroni vengono quindi convogliati al pool di chinoni nella catena di trasporto degli elettroni.

Nel caso dell’idrogeno solforato, il composto subisce l’ossidazione per rilasciare elettroni e ioni idrogeno (indicati come protoni dato che sono separati dal composto e dagli elettroni e guadagna una carica positiva). I prodotti di questa reazione sono quindi zolfo, elettroni e protoni. Elettroni e protoni entrano quindi nella catena di trasporto degli elettroni (sulla membrana).

Quando gli elettroni entrano in questa catena, i protoni vengono pompati fuori dalla cellula. Gli elettroni, d’altra parte, sono accettati dall’ossigeno e attraggono i protoni (ioni idrogeno) formando così molecole d’acqua. Attraverso un enzima noto come ATP sintasi, i protoni che erano stati precedentemente pompati fuori dalla cellula vengono convogliati indietro alla cellula con la loro energia (energia cinetica) immagazzinata come ATP e utilizzata per la sintesi dello zucchero.

Assimilazione del carbonio nei batteri chemiosintetici (fissazione)

A seconda del tipo di batteri, del loro habitat e della fonte di carbonio, ci sono una serie di vie metaboliche utilizzate per la fissazione.

Alcuni dei percorsi più comuni includono:

Ciclo di Calvin-Benson – In questo ciclo, l’enzima RuBisCo (ribulosio 1, 5-bisfosfato carbossilasi / ossigenasi ) facilita l’aggiunta di anidride carbonica molecolare al ribulosio 1, 5-bisfosfato. Questo processo genera un composto a sei atomi di carbonio che viene, a sua volta, convertito in due molecole di 3-PGA (3-fosfoglicerato). Questo processo è indicato come fissazione del carbonio dato che comporta la conversione dell’anidride carbonica in molecole organiche.

Attraverso l’energia immagazzinata in ATP e NADPH (generata attraverso il processo di ossidazione), il composto di carbonio (3-PGA) viene nuovamente convertito in un altro composto di carbonio per formare G3P (Gliceraldeide 3-fosfato) in fase di riduzione. Quando una di queste molecole lascia la catena di Calvin (per formare la molecola di carboidrati / zucchero), l’altra è coinvolta nella generazione di RuBP.

Ciclo inverso di Krebs – Rispetto al ciclo di Calvin, la fissazione del carbonio nei risultati del ciclo inverso di Krebs nella produzione di piruvato. Conosciuto anche come ciclo riduttivo dell’acido tricarbossilico, questo ciclo inizia con la fissazione di due molecole di anidride carbonica. Risulta nella produzione di acetil coenzima A (acetil-CoA) che è a sua volta carbossilato riduttivamente per produrre piruvato. Il piruvato prodotto attraverso il processo viene quindi utilizzato per la sintesi dei materiali cellulari organici.

Alcuni degli altri processi utilizzati da questi batteri includono:

· Bicicletta 3-idrossipropionato: noto anche come ciclo 3-idrossipropionato, questo percorso fissa l’anidride carbonica alla formazione Malil-CoA in presenza di carbossilasi acetil-CoA e propionil-CoA. Questo viene quindi suddiviso per produrre acetil-CoA e gliossilato. In definitiva, il percorso si traduce nella produzione di piruvato che viene utilizzato per sintetizzare vari materiali organici richiesti dalla cellula.

· Percorso riduttivo dell’acetil-CoA – In questo percorso vengono fissate due molecole di anidride carbonica per formare acetil-CoA. Tipicamente, l’idrogeno agisce come donatore di elettroni in questa reazione con l’anidride carbonica che è l’accettore di elettroni.

· Ciclo dicarbossilato / 4-idrossibutirrato: questo ciclo è comune tra i batteri presenti negli anaerobici e habitat microaerobici (es. Desulfurococcales). Come il ciclo 3-idrossipropionato / 4-idrossibutirrato, questo ciclo converte il cetil-CoA e due molecole di carbonio in succinil-coenzima (CoA).Alcuni degli enzimi coinvolti in questo ciclo includono piruvato sintasi e fosfoenolpiruvato (PEP) carbossilasi.

Importanza dei batteri chemiosintetici

Essenzialmente, chemiosintesi si riferisce al processo attraverso il quale i batteri chemiosintetici elaborano il cibo utilizzando energia chimica. Pertanto, rispetto alla fotosintesi, questi organismi non dipendono dall’energia luminosa per la produzione. Questo li rende importanti produttori primari in vari habitat che contengono ossidanti come nitrati e solfati.

Negli ecosistemi di sorgenti di acque profonde, ad esempio, l’assenza di luce solare significa che la fotosintesi non può aver luogo. Tuttavia, a causa della capacità di alcuni batteri di produrre cibo attraverso la chemiosintesi, svolgono un ruolo importante come produttori in questo ecosistema.

Questo comportamento ha anche dimostrato di avvantaggiare altri organismi attraverso una relazione simbiotica. Ad esempio, in vari ambienti, è stato dimostrato che i batteri che fissano l’azoto formano relazioni simbiotiche a beneficio di una varietà di organismi (alghe, diatomee, legumi, spugne, ecc.). Qui sono in grado di convertire l’azoto (abbondante in natura) in forme utilizzabili.

Qui, questi batteri possono catalizzare l’azoto atmosferico per produrre ammoniaca (utilizzando un enzima noto come nitrogenasi) che viene poi utilizzato dalle piante per la sintesi di biomolecole azotate.

Una delle altre relazioni simbiotiche che hanno ricevuto un’attenzione significativa è quella tra vermi tubicoli (Riftia pachyptila) e batteri chemiosintetici nelle prese d’aria idrotermali. In questo ambiente, le temperature dell’acqua sono estremamente elevate a causa del calore geotermico. Inoltre, questi vermi vivono sul fondo del mare (ambiente privo di energia luminosa).

Nonostante le condizioni sfavorevoli in questo ambiente (temperature estremamente elevate e mancanza di luce), la disponibilità di idrogeno solforato consente ai batteri di effettuare la chemiosintesi.

Utilizzando un pennacchio simile a branchie altamente vascolarizzato, il verme è in grado di assorbire anidride carbonica disciolta, ossigeno e idrogeno solforato (l’emoglobina di questi organismi è in grado di legare ossigeno e solfuri) . Vengono quindi trasportati in cellule specializzate note come batteriociti, dove risiedono i batteri chemiosintetici.

Utilizzando il solfuro e l’ossigeno, i batteri producono energia (ATP) che viene poi utilizzata per convertire l’anidride carbonica in zuccheri. Questi zuccheri vengono poi utilizzati dal mollusco come fonte di cibo.

Tali relazioni simbiotiche sono state identificate anche con:

• Bivalvi solemyidi e lucinidi
• Achinoidi
• Protisti ciliaci
• Spugne marine
• Cozze

Alcune delle caratteristiche che sono state associate al simbionte (batteri chemiosintetici) includono:

· Avere una busta Gram-negativa

· Variare nella forma da piccoli endosimbionti coccoidi di circa 0,25 um di diametro a batteri chemiotrofici a forma di bastoncello relativamente grandi (circa 10 um di lunghezza)

· A seconda della specie possono essere endosimbionti o semplicemente attaccarsi alla superficie corporea degli ospiti

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Link

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