Bakterie chemosyntetyczne – definicja, przykłady, ścieżki i procesy
Definicja: Co to są bakterie chemosyntetyczne?
Zasadniczo bakterie chemosyntetyczne obejmują grupę bakterii autotroficznych, które wykorzystują energię chemiczną do produkcji własnej żywności. Podobnie jak bakterie fotosyntetyczne, bakterie chemosyntetyczne potrzebują źródła węgla (np. Dwutlenku węgla), a także źródła energii do wytwarzania własnej żywności.
W większości przypadków bakterie te są tlenowe i dlatego do pomyślnego zakończenia tego procesu potrzebują tlenu. Jednak niektóre gatunki (np. Sulfuricurvum kujiense) są związane z chemosyntezą beztlenową.
Ze względu na zdolność do wytwarzania własnej żywności przy użyciu energii chemicznej organizmy te są w stanie przetrwać w różnych siedliskach / środowiskach (w tym w surowych środowiskach o ekstremalnych warunkach) jako organizmy wolno żyjące lub w połączeniu z innymi organizmami (poprzez symbiozę z innymi organizmami).
* W przeciwieństwie do fotosyntezy, która jest powszechna w organizmach eukariotycznych i cyjanobakteriach, reakcje chemosyntetyczne są głównie przez mikroorganizmy prokariotyczne (szczególnie bakterie i archeony)
Przykłady bakterii chemosyntetycznych obejmują :
- Venenivibrio stagnispumantis
- Beggiatoa
- T. neapolitanus
- T. novellus
- ferrooxidans
Rodzaje Bakterie chemosyntetyczne
Jak już wspomniano, chemosynteza pozwala przetrwać różnym typom bakterii (bakteriom chemosyntetycznym) bez polegania na energii świetlnej lub innych organizmach w żywności. Tutaj energia używana do produkcji materiałów spożywczych pochodzi z różnych nieorganicznych chemikaliów (a zatem z różnych reakcji chemicznych). Z tego powodu istnieją różne typy bakterii chemosyntetycznych w zależności od rodzaju związków, których używają jako źródła energii.
* Niektóre bakterie chemosyntetyczne żyją w słonecznym otoczeniu i dlatego są narażone na działanie promieni słonecznych. Jednak nie wykorzystują światła słonecznego jako źródła energii
Bakterie siarkowe – te bakterie (np. Paracoccus) utleniają takie związki siarki jak siarkowodór (siarczki) tiosiarczany i nieorganiczna siarka itp. W zależności od organizmu lub rodzaju stosowanego związku siarki proces utleniania przebiega w kilku etapach. Na przykład w niektórych organizmach siarka nieorganiczna będzie przechowywana do momentu, gdy będą potrzebne do użycia.
Bakterie azotowe – podzielone na trzy grupy, które obejmują bakterie nitryfikacyjne , bakterie denitryfikacyjne i bakterie wiążące azot. W przypadku bakterii nitryfikacyjnych amoniak jest najpierw utleniany do hydroksyloaminy w cytoplazmie (przez monooksygenazę amonową). Hydroksyloamina jest następnie utleniana w celu wytworzenia azotynu w peryplazmie przez oksydoreduktazę hydroksyloaminy. W tym procesie powstaje proton (jeden proton na każdą cząsteczkę amonu). W porównaniu z bakteriami nitryfikacyjnymi, bakterie denitryfikacyjne utleniają związki azotanowe jako źródło energii.
Metanobakterie / bakterie metanowe – chociaż niektórzy naukowcy sugerują, że niektóre bakterie wykorzystują metan jako źródło energii do chemosyntezy, jest to szczególnie powszechne wśród archebakterii chemosyntetycznych.
Bakterie wodorowe – takie bakterie jak Hydrogenovibrio marinus i Helicobacter pylori utleniają wodór jako źródło energii w warunkach mikroaerofilnych. W większości wykazano, że bakterie te są beztlenowe i dlatego rozwijają się na obszarach o bardzo małej lub zerowej zawartości tlenu. Wynika to w dużej mierze z faktu, że enzym używany do utleniania (hydrogenazy) działa skutecznie w warunkach beztlenowych.
Bakterie żelaza – Acidithiobacillus ferrooxidans i Leptospirillum ferrooxidans to tylko niektóre z bakterii utleniających żelazo. Wykazano, że proces ten zachodzi w różnych warunkach w zależności od organizmu (np. Niskie pH i tlenowo-anoksyczny).
Podczas chemosyntezy bakterie chemosyntetyczne, które nie są fotosyntetyzujące, muszą polegać na energii wytwarzanej przez utlenianie tych związków (nieorganiczne) w celu produkcji żywności (cukrów), podczas gdy bakterie wiążące azot przekształcają azot w azot. Wszystkie te procesy służą do wytworzenia protonu używanego do wiązania dwutlenku węgla.
Zwykle reakcje te zachodzą w cytoplazmie w obecności związanych z błoną enzymów oddechowych. Na przykład, w przypadku utleniania wodoru, hydrogenazy NiFe grupy 1, znajdujące się w cytoplazmie, katalizują reakcję w celu wytworzenia 2 elektronów i protonów (wodór z ładunkiem dodatnim) z cząsteczki wodoru (H2 < > 2H + i 2e-). Te elektrony są następnie kierowane do puli chinonów w łańcuchu transportu elektronów.
W przypadku siarkowodoru, związek ulega utlenieniu, aby uwolnić elektrony i jony wodoru (nazywane protonami, biorąc pod uwagę, że są oddzielone od związku i elektronów i zyskują) ładunek dodatni). Produktami tej reakcji są więc siarka, elektrony i protony. Elektrony i protony wchodzą następnie do łańcucha transportu elektronów (przy membranie).
Gdy elektrony wchodzą do tego łańcucha, protony są wypompowywane z komórki. Z drugiej strony elektrony są akceptowane przez tlen i przyciągają protony (jony wodoru), tworząc w ten sposób cząsteczki wody. Za pomocą enzymu znanego jako syntaza ATP protony, które zostały wcześniej wypompowane z komórki, są kierowane z powrotem do komórki, a ich energia (energia kinetyczna) jest przechowywana jako ATP i wykorzystywana do syntezy cukru.
Asymilacja węgla w bakteriach chemosyntetycznych (utrwalanie)
W zależności od rodzaju bakterii, ich siedliska i źródła węgla, istnieje wiele szlaków metabolicznych wykorzystywanych do wiązania.
Niektóre z najpopularniejszych ścieżek to:
Cykl Calvina-Bensona – w tym cyklu enzym RuBisCo (karboksylaza / oksygenaza rybulozy 1,5-bisfosforanu ) ułatwia dodanie cząsteczkowego dwutlenku węgla do 1,5-bisfosforanu rybulozy. W procesie tym powstaje sześciowęglowy związek, który z kolei przekształca się w dwie cząsteczki 3-PGA (3-fosfoglicerynianu). Proces ten nazywany jest wiązaniem węgla, ponieważ obejmuje przemianę dwutlenku węgla w cząsteczki organiczne.
Dzięki energii zmagazynowanej w ATP i NADPH (generowanej w procesie utleniania), związek węgla (3-PGA) jest ponownie przekształcany w inny związek węgla, tworząc G3P (3-fosforan aldehydu glicerynowego) w fazie redukcji. Ponieważ jedna z tych cząsteczek opuszcza łańcuch Calvina (tworząc cząsteczkę węglowodanu / cukier), druga bierze udział w tworzeniu RuBP.
Odwrócony cykl Krebsa – W porównaniu z cyklem Calvina, wiązanie węgla w wynikach odwróconego cyklu Krebsa w produkcji pirogronianu. Cykl ten, znany również jako cykl redukcyjny kwasów trójkarboksylowych, rozpoczyna się od wiązania dwóch cząsteczek dwutlenku węgla. Prowadzi to do produkcji acetylo-koenzymu A (acetylo-CoA), który z kolei jest redukcyjnie karboksylowany do pirogronianu. Pirogronian wytworzony w tym procesie jest następnie wykorzystywany do syntezy organicznych materiałów komórkowych.
Niektóre z innych procesów wykorzystywanych przez te bakterie obejmują:
· Rower 3-hydroksypropionianowy – znany również jako cykl 3-hydroksypropionianowy, ten szlak wiąże dwutlenek węgla w Malyl-CoA w obecności karboksylaz acetylo-CoA i propionylo-CoA. To jest następnie rozszczepiane w celu wytworzenia acetylo-CoA i glioksylanu. Ostatecznie szlak prowadzi do produkcji pirogronianu, który jest używany do syntezy różnych materiałów organicznych wymaganych przez komórkę.
· Redukcyjny szlak acetylo-CoA – na tym szlaku dwie cząsteczki dwutlenku węgla są unieruchomione tworząc acetylo-CoA. Zazwyczaj wodór pełni rolę donora elektronów w tej reakcji, a akceptorem elektronów jest dwutlenek węgla.
· Cykl dikarboksylanu / 4-hydroksymaślanu – ten cykl jest powszechny wśród bakterii występujących w warunkach beztlenowych i siedliska mikroaerobowe (np. Desulfurococcales). Podobnie jak cykl 3-hydroksypropionian / 4-hydroksymaślan, cykl ten przekształca cetylo-CoA i dwie cząsteczki węgla w sukcynylo-koenzym (CoA).Niektóre enzymy zaangażowane w ten cykl obejmują syntazę pirogronianu i karboksylazę fosfoenolopirogronianu (PEP).
Znaczenie bakterii chemosyntetycznych
Zasadniczo chemosynteza odnosi się do procesu, w którym bakterie chemosyntetyczne przetwarzają żywność przy użyciu energii chemicznej. Dlatego w porównaniu do fotosyntezy organizmy te nie są zależne od energii świetlnej do produkcji. To sprawia, że są ważnymi pierwotnymi producentami w różnych siedliskach, które zawierają takie utleniacze, jak azotany i siarczany.
Na przykład w ekosystemach głębinowych brak światła słonecznego oznacza, że fotosynteza nie może mieć miejsca. Jednak ze względu na zdolność niektórych bakterii do wytwarzania żywności na drodze chemosyntezy, odgrywają one ważną rolę jako producenci w tym ekosystemie.
Wykazano również, że to zachowanie przynosi korzyści innym organizmom dzięki symbiotycznej relacji. Na przykład wykazano, że w różnych środowiskach bakterie wiążące azot tworzą związki symbiotyczne, które przynoszą korzyści różnym organizmom (glony, okrzemki, rośliny strączkowe, gąbki itp.). Tutaj są w stanie przekształcić azot (występujący w naturze) w użyteczne formy.
Tutaj bakterie te mogą katalizować azot atmosferyczny w celu wytworzenia amoniaku (przy użyciu enzymu znanego jako azotaza), który jest następnie używany przez rośliny do syntezy biocząsteczek azotowych.
Jedna z innych symbiotycznych relacji, na które zwrócono szczególną uwagę, dotyczy tęgowców (Riftia pachyptila) oraz bakterie chemosyntetyczne w kominach hydrotermalnych. W tym środowisku temperatura wody jest niezwykle wysoka z powodu ciepła geotermalnego. Ponadto te robaki żyją na dnie morza (środowisko pozbawione energii świetlnej).
Pomimo niesprzyjających warunków panujących w tym środowisku (ekstremalnie wysokie temperatury i brak światła), dostępność siarkowodoru umożliwia bakteriom przeprowadzenie chemosyntezy.
Używając silnie unaczynionego pióropusza przypominającego skrzela, robak jest w stanie wchłonąć rozpuszczony dwutlenek węgla, tlen i siarkowodór (hemoglobina tych organizmów jest w stanie wiązać tlen i siarczki) . Następnie są transportowane do wyspecjalizowanych komórek zwanych bakteriocytami, w których znajdują się bakterie chemosyntetyczne.
Wykorzystując siarczek i tlen, bakterie wytwarzają energię (ATP), która jest następnie wykorzystywana do przekształcania dwutlenku węgla w cukry. Te cukry są następnie wykorzystywane przez mięczaków jako źródło pożywienia.
Takie symbiotyczne relacje zostały również zidentyfikowane przez:
- małże solemyidów i lucinidae
- Achinoidy
- Protisty orzęskowe
- Gąbki morskie
- Małże
Niektóre cechy, które zostały powiązane z symbiont (bakterie chemosyntetyczne) obejmują:
· Posiadają otoczkę Gram-ujemną
· Różne kształty od małych endosymbiontów kokoidalnych o średnicy około 0,25um do stosunkowo dużych (około 10um długości) bakterii chemotroficznych w kształcie pałeczek
· W zależności od gatunku, mogą być endosymbiontami lub po prostu przyczepiać się do powierzchni ciała hostów
Powrót z Chemosynthetic Bacteria do strony głównej MicroscopeMaster
Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton i Frank J. Stewart. (2006). Morskie symbiozy chemosyntetyczne.
H. W. J annasch. (1985). Chemosyntetyczne wsparcie życia i różnorodności drobnoustrojów w głębinowych kominach hydrotermalnych.
Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosymbioza.
Zoran Minic i Premila D. Thongbam. (2011). Biologiczny głębinowy otwór hydrotermalny jako model do badania enzymów wychwytujących dwutlenek węgla.
Linki
https://ocw.mit.edu/high-school/biology/exam-prep/cellular-energetics/photosynthesis/chemosynthesis/