Definisjon: Hva er kjemosyntetiske bakterier?

I hovedsak inkluderer kjemosyntetiske bakterier en gruppe autotrofiske bakterier som bruker kjemisk energi til å produsere sin egen mat. I likhet med fotosyntetiske bakterier trenger kjemosyntetiske bakterier en karbonkilde (f.eks. Karbondioksid) samt en energikilde for å kunne produsere sin egen mat.

For det meste, disse bakteriene er aerobe og er derfor avhengige av oksygen for å fullføre denne prosessen. Noen arter (f.eks. Sulphuricurvum kujiense) har imidlertid blitt assosiert med anaerob kjemosyntese.

På grunn av deres evne til å produsere sin egen mat ved hjelp av kjemisk energi, er disse organismer i stand til å overleve i en rekke habitater / miljøer (inkludert tøffe miljøer med ekstreme forhold) som fritlevende organismer eller i forbindelse med andre organismer (gjennom symbiose med andre organismer).

* I motsetning til fotosyntese som er vanlig i eukaryote organismer og cyanobakterier, er kjemosyntetiske reaksjoner hovedsakelig utført av prokaryote mikroorganismer (spesielt bakterier og archaea)

Eksempler på kjemosyntetiske bakterier inkluderer :

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

Typer av Kjemosyntetiske bakterier

Som nevnt tillater kjemosyntese forskjellige typer bakterier (kjemosyntetiske bakterier) å overleve uten å stole på lysenergi eller andre organismer for mat. Her er energien som brukes til å produsere matvarer avledet fra en rekke uorganiske kjemikalier (og dermed forskjellige kjemiske reaksjoner). Av denne grunn er det forskjellige typer kjemosyntetiske bakterier basert på typen forbindelser de bruker som energikilde.

* Noen kjemosyntetiske bakterier lever i solrike omgivelser og utsettes derfor for sollys. Imidlertid stoler de ikke på sollys som en energikilde

Svovelbakterier – Disse bakteriene (f.eks. Paracoccus) oksyderer slike svovelforbindelser som hydrogensulfid (sulfider) tiosulfater og uorganisk svovel etc. Avhengig av organismen eller typen svovelforbindelse som brukes, finner oksidasjonsprosessen sted i flere trinn. I noen av organismene vil for eksempel uorganisk svovel lagres til de er nødvendige for bruk.

Nitrogenbakterier – Inndelt i tre grupper som inkluderer nitrifiserende bakterier , denitrifiserende bakterier og nitrogenfikserende bakterier. Når det gjelder nitrifiserende bakterier, blir ammoniakk først oksidert til hydroksylamin i cytoplasmaet (av ammoniummonooxygenase). Hydroksylaminen blir deretter oksidert for å produsere nitritt i periplasmaet av hydroksylaminoksydoreduktase. Denne prosessen produserer et proton (ett proton for hvert ammoniummolekyl). Sammenlignet med nitrifiserende bakterier oksiderer denitrifiserende bakterier nitratforbindelser som en energikilde.

Metanobakterier / metanbakterier – Selv om noen forskere har antydet at noen bakterier bruker metan som kilde av energi for kjemosyntese, er dette spesielt vanlig blant kjemosyntetiske arkebakterier.

Hydrogenbakterier – Slike bakterier som Hydrogenovibrio marinus og Helicobacter pylori oksyderer hydrogen som en energikilde under mikroaerofile forhold. For det meste har disse bakteriene vist seg å være anaerobe og trives derfor i områder med svært lite eller ingen oksygen. Dette skyldes i stor grad at enzymet som brukes til oksidasjonsformål (Hydrogenase) fungerer effektivt under anaerobe forhold.

Jernbakterier – Acidithiobacillus ferrooxidans og Leptospirillum ferrooxidans er noen av bakteriene som oksyderer jern. Denne prosessen har vist seg å forekomme under forskjellige betingelser, avhengig av organismen (f.eks. Lav pH og oksisk-anoksisk).

Under kjemosyntese må kjemosyntetiske bakterier, som ikke er fotosyntetiske, stole på energi produsert ved oksidasjon av disse forbindelsene (uorganisk) for å produsere mat (sukker) mens nitrogenfikserende bakterier omdanner nitrogengass til nitrat. Alle disse prosessene tjener til å produsere en proton som brukes i karbondioksidfiksering.

Normalt forekommer disse reaksjonene i cytoplasmaet i nærvær av membranbundne respiratoriske enzymer. For eksempel, når det gjelder hydrogenoksidasjon, katalyserer gruppe 1 NiFe-hydrogenaser, funnet i cytoplasmaet, reaksjonen til å produsere 2 elektroner og protoner (hydrogen med en positiv ladning) fra et hydrogenmolekyl (H2 < > 2H + og 2e-). Disse elektronene kanaliseres deretter til kinonbassenget i elektrontransportkjeden.

Når det gjelder hydrogensulfid, gjennomgår forbindelsen oksidasjon for å frigjøre elektroner og hydrogenioner (referert til som protoner gitt at de er atskilt fra forbindelsen og elektronene og får en positiv ladning). Produktene av denne reaksjonen er derfor svovel, elektroner så vel som protoner. Elektroner og protoner kommer deretter inn i elektrontransportkjeden (ved membranen).

Når elektroner kommer inn i denne kjeden, pumpes protoner ut av cellen. Elektroner aksepteres derimot av oksygen og tiltrekker seg protonene (hydrogenioner) og danner derved vannmolekyler. Gjennom et enzym kjent som ATP-syntase, blir protoner som tidligere har blitt pumpet ut av cellen, kanalisert tilbake til cellen med sin energi (kinetisk energi) lagret som ATP og brukes til sukkersyntese.

Karbonassimilering i kjemosyntetiske bakterier (fiksering)

Avhengig av typen bakterier, deres habitat og karbonkilde, er det en rekke metabolske veier som brukes til fiksering.

Noen av de vanligste banene inkluderer:

Calvin-Benson syklus – I denne syklusen er enzymet RuBisCo (ribulose 1, 5-bisfosfat karboksylase / oksygenase ) muliggjør tilsetning av molekylært karbondioksid til ribulose 1, 5-bisfosfat. Denne prosessen genererer en seks-karbonforbindelse som i sin tur omdannes til to molekyler av 3-PGA (3-fosfoglyserat). Denne prosessen er referert til som karbonfiksering gitt at den involverer omdannelse av karbondioksid til organiske molekyler.

Gjennom energien lagret i ATP og NADPH (generert gjennom oksidasjonsprosessen) omdannes karbonforbindelsen (3-PGA) til en annen karbonforbindelse for å danne G3P (Glyseraldehyd 3-fosfat) i reduksjonsfasen. Når et av disse molekylene forlater Calvin-kjeden (for å danne karbohydratmolekylet / sukkeret), er den andre involvert i genereringen av RuBP.

Krebs Reverse Cycle – Sammenlignet med Calvin-syklusen, resulterer karbonfiksering i Krebs Reverse Cycle i produksjonen av pyruvat. Også kjent som Reductive Tricarboxylic Acid Cycle, denne syklusen starter med fiksering av to molekyler karbondioksid. Det resulterer i produksjon av acetylkoenzym A (acetyl-CoA) som igjen er reduktivt karboksylert for å produsere pyruvat. Pyruvat produsert gjennom prosessen brukes deretter til syntese av organiske cellematerialer.

Noen av de andre prosessene som brukes av disse bakteriene inkluderer:

· 3-hydroksypropionat sykkel – Også kjent som 3-hydroksypropionat syklus, denne veien fikser karbondioksid for å danne Malyl-CoA i nærvær av acetyl-CoA og propionyl-CoA karboksylaser. Dette blir deretter delt for å produsere acetyl-CoA og glyoksylat. Til slutt resulterer banen i produksjonen av pyruvat som brukes til å syntetisere forskjellige organiske materialer som kreves av cellen.

· Reduktiv acetyl-CoA-vei – I denne veien er to molekyler karbondioksid fiksert for å danne acetyl-CoA. Vanligvis fungerer hydrogen som elektrondonor i denne reaksjonen, hvor karbondioksid er elektronakseptoren.

· Dikarboksylat / 4-hydroksybutyratsyklus – Denne syklusen er vanlig blant bakterier som finnes i anaerob og mikroaerobe habitater (f.eks. Desulfurococcales). I likhet med 3-hydroksypropionat / 4-hydroksybutyratsyklusen konverterer denne syklusen cetyl-CoA og to karbonmolekyler til succinyl-koenzym (CoA).Noen av enzymene som er involvert i denne syklusen inkluderer pyruvat-syntase og fosfoenolpyruvat (PEP) karboksylase.

Betydningen av kjemosyntetiske bakterier

I hovedsak refererer kjemosyntese til prosessen som kjemosyntetiske bakterier behandler mat ved bruk av kjemisk energi. Derfor, i forhold til fotosyntese, er disse organismer ikke avhengige av lysenergi for produksjon. Dette gjør dem til viktige hovedprodusenter i forskjellige habitater som inneholder slike oksidanter som nitrater og sulfater.

I dypvannsøkosystemer, for eksempel, betyr fravær av sollys at fotosyntese ikke kan finne sted. På grunn av noen bakteriers evne til å produsere mat gjennom kjemosyntese, spiller de imidlertid en viktig rolle som produsenter i dette økosystemet.

Denne oppførselen har også vist seg å være til fordel for andre organismer gjennom et symbiotisk forhold. For eksempel, i forskjellige miljøer, har nitrogenfikserende bakterier vist seg å danne symbiotiske forhold som gagner en rekke organismer (alger, kiselalger, belgfrukter, svamper osv.). Her er de i stand til å konvertere nitrogen (rikelig i naturen) til brukbare former.

Her kan disse bakteriene katalysere atmosfærisk nitrogen for å produsere ammoniakk (ved hjelp av et enzym kjent som nitrogenase) som deretter brukes av planter for syntese av nitrogenholdige biomolekyler.

Et av de andre symbiotiske forholdene som har fått betydelig oppmerksomhet, er mellom tubeworms (Riftia pachyptila) og kjemosyntetiske bakterier i hydrotermiske ventilasjoner. I dette miljøet er vanntemperaturen ekstremt høy på grunn av geotermisk varme. Dessuten lever disse ormene på havbunnen (miljø som mangler lysenergi).

Til tross for de ugunstige forholdene i dette miljøet (ekstremt høye temperaturer og mangel på lys), tillater tilgjengeligheten av hydrogensulfid bakterier å utføre kjemosyntese.

Ved hjelp av en sterkt vaskularisert gjellelignende skyv, er ormen i stand til å ta inn oppløst karbondioksid, oksygen og hydrogensulfid (hemoglobinet i disse organismer er i stand til å binde oksygen og sulfider) . De blir deretter transportert til spesialiserte celler kjent som bakteriocytter der kjemosyntetiske bakterier ligger.

Ved bruk av sulfid og oksygen produserer bakteriene energi (ATP) som deretter brukes til å omdanne karbondioksid til sukker. Disse sukkerne brukes deretter av mollusk som en matkilde.

Slike symbiotiske forhold har også blitt identifisert med:

• Solemyid og lucinide bivalves
• Achinoids
• Ciliate protister
• Marine svamper
• Blåskjell

Noen av egenskapene som er knyttet til symbiont (kjemosyntetiske bakterier) inkluderer:

· Ha en gramnegativ konvolutt

· Varier i form fra små koksoidendosymbionter med en diameter på ca. 0,25um til relativt store (ca. 10um i lengde) stavformede kjemotrofiske bakterier

· Avhengig av arten, de kan være endosymbionter eller bare feste seg til kroppsoverflaten til vertene

Retur fra kjemosyntetiske bakterier til MicroscopeMaster hjem

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

H. W. J annasch. (1985). Den kjemiske osyntetiske støtten til livet og det mikrobielle mangfoldet ved hydrotermiske dypvannsventiler.

Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosymbiose.

Zoran Minic og Premila D. Thongbam. (2011). Den biologiske hydrotermiske ventilen til dypvann som modell for å studere karbondioksidfangende enzymer.

Lenker

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