Definição: O que são bactérias quimiossintéticas?

Essencialmente, as bactérias quimiossintéticas incluem um grupo de bactérias autotróficas que usam energia química para produzir seu próprio alimento. Assim como as bactérias fotossintéticas, as bactérias quimiossintéticas precisam de uma fonte de carbono (por exemplo, dióxido de carbono), bem como de uma fonte de energia para fabricar seus próprios alimentos.

Na maior parte, essas bactérias são aeróbicas e, portanto, dependem do oxigênio para concluir esse processo com sucesso. No entanto, algumas espécies (por exemplo, Sulfuricurvum kujiense) foram associadas à quimiossíntese anaeróbica.

Devido à sua capacidade de fabricar seus próprios alimentos usando energia química, esses organismos são capazes de sobreviver em uma variedade de habitats / ambientes (incluindo ambientes hostis com condições extremas) como organismos de vida livre ou em associação com outros organismos (por meio de simbiose com outros organismos).

* Ao contrário da fotossíntese, que é comum em organismos eucarióticos e cianobactérias, as reações quimiossintéticas são principalmente realizada por microrganismos procarióticos (particularmente bactérias e arqueas)

Exemplos de bactérias quimiossintéticas incluem :

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

Tipos de Bactérias quimiossintéticas

Como mencionado, a quimiossíntese permite que diferentes tipos de bactérias (bactérias quimiossintéticas) sobrevivam sem depender da energia da luz ou de outros organismos para se alimentar. Aqui, a energia usada para fabricar materiais alimentares é derivada de uma variedade de produtos químicos inorgânicos (e, portanto, de diferentes reações químicas). Por este motivo, existem diferentes tipos de bactérias quimiossintéticas com base no tipo de compostos que utilizam como fonte de energia.

* Algumas bactérias quimiossintéticas vivem em ambientes ensolarados e, portanto, estão expostas à luz solar. No entanto, eles não dependem da luz solar como fonte de energia

Bactérias do enxofre – Estas bactérias (por exemplo, Paracoccus) oxidam compostos de enxofre como sulfeto de hidrogênio (sulfetos), tiossulfatos e enxofre inorgânico, etc. Dependendo do organismo ou do tipo de composto de enxofre usado, o processo de oxidação ocorre em vários estágios. Em alguns dos organismos, por exemplo, o enxofre inorgânico será armazenado até que seja necessário para uso.

Bactéria do nitrogênio – Dividida em três grupos que incluem bactérias nitrificantes , bactérias desnitrificantes e bactérias fixadoras de nitrogênio. No caso das bactérias nitrificantes, a amônia é primeiro oxidada a hidroxilamina no citoplasma (pela monooxigenase de amônio). A hidroxilamina é então oxidada para produzir nitrito no periplasma pela hidroxilamina oxidoredutase. Este processo produz um próton (um próton para cada molécula de amônio). Em comparação com as bactérias nitrificantes, as bactérias desnitrificantes oxidam compostos de nitrato como fonte de energia.

Metanobactérias / bactérias metano – embora alguns cientistas tenham sugerido que algumas bactérias usam metano como fonte de energia para quimiossíntese, isso é particularmente comum entre arqueobactérias quimiossintéticas.

Bactérias de hidrogênio – bactérias como Hydrogenovibrio marinus e Helicobacter pylori oxidam hidrogênio como fonte de energia sob condições microaerofílicas. Na maioria das vezes, essas bactérias demonstraram ser anaeróbicas e, portanto, prosperam em áreas com muito pouco ou nenhum oxigênio. Isso se deve em grande parte ao fato de que a enzima usada para fins de oxidação (Hidrogenase) funciona com eficácia em condições anaeróbias.

Bactérias de ferro – Acidithiobacillus ferrooxidans e Leptospirillum ferrooxidans são algumas das bactérias que oxidam o ferro. Este processo demonstrou ocorrer sob diferentes condicionamentos, dependendo do organismo (por exemplo, baixo pH e óxico-anóxico).

Durante a quimiossíntese, as bactérias quimiossintéticas, por não serem fotossintéticas, dependem da energia produzida pela oxidação desses compostos (inorgânico) para a fabricação de alimentos (açúcares), enquanto as bactérias fixadoras de nitrogênio convertem o gás nitrogênio em nitrato. Todos esses processos servem para produzir um próton usado na fixação do dióxido de carbono.

Normalmente, essas reações ocorrem no citoplasma na presença de enzimas respiratórias ligadas à membrana. Por exemplo, no caso da oxidação do hidrogênio, as hidrogenases NiFe do grupo 1, encontradas no citoplasma, catalisam a reação para produzir 2 elétrons e prótons (hidrogênio com carga positiva) a partir de uma molécula de hidrogênio (H2 < > 2H + e 2e-). Esses elétrons são então canalizados para o reservatório de quinonas na cadeia de transporte de elétrons.

No caso do sulfeto de hidrogênio, o composto sofre oxidação para liberar elétrons e íons de hidrogênio (referidos como prótons, visto que são separados do composto e dos elétrons e ganham uma carga positiva). Os produtos dessa reação são, portanto, enxofre, elétrons e prótons. Elétrons e prótons entram na cadeia de transporte de elétrons (na membrana).

Conforme os elétrons entram nesta cadeia, os prótons são bombeados para fora da célula. Os elétrons, por outro lado, são aceitos pelo oxigênio e atraem os prótons (íons de hidrogênio), formando moléculas de água. Por meio de uma enzima conhecida como ATP sintase, os prótons que foram previamente bombeados para fora da célula são canalizados de volta para a célula com sua energia (energia cinética) é armazenada como ATP e é usada para a síntese de açúcar.

Assimilação de carbono em bactérias quimiossintéticas (fixação)

Dependendo do tipo de bactéria, seu habitat e fonte de carbono, existem várias vias metabólicas usadas para a fixação.

Alguns dos caminhos mais comuns incluem:

Ciclo de Calvin-Benson – neste ciclo, a enzima RuBisCo (ribulose 1, 5-bisfosfato carboxilase / oxigenase ) facilita a adição de dióxido de carbono molecular a ribulose 1, 5-bifosfato. Esse processo gera um composto de seis carbonos que, por sua vez, é convertido em duas moléculas de 3-PGA (3-fosfoglicerato). Esse processo é denominado fixação de carbono, uma vez que envolve a conversão do dióxido de carbono em moléculas orgânicas.

Por meio da energia armazenada em ATP e NADPH (gerada pelo processo de oxidação), o composto de carbono (3-PGA) é novamente convertido em outro composto de carbono para formar G3P (Gliceraldeído 3-fosfato) na fase de redução. Como uma dessas moléculas deixa a cadeia de Calvin (para formar a molécula de carboidrato / açúcar), a outra está envolvida na geração de RuBP.

Ciclo reverso de Krebs – em comparação com o ciclo de Calvin, a fixação de carbono nos resultados do ciclo reverso de Krebs na produção de piruvato. Também conhecido como Ciclo do Ácido Tricarboxílico Redutivo, esse ciclo começa com a fixação de duas moléculas de dióxido de carbono. Resulta na produção de acetil coenzima A (acetil-CoA) que, por sua vez, é redutivamente carboxilada para produzir piruvato. O piruvato produzido através do processo é então usado para a síntese dos materiais celulares orgânicos.

Alguns dos outros processos usados por essas bactérias incluem:

· Bicicleta 3-hidroxipropionato – Também conhecido como o ciclo do 3-hidroxipropionato, esta via fixa o dióxido de carbono para formar Malil-CoA na presença de acetil-CoA e propionil-CoA carboxilases. Este é então dividido para produzir acetil-CoA e glioxilato. Em última análise, a via resulta na produção de piruvato, que é usado para sintetizar vários materiais orgânicos exigidos pela célula.

· Via redutora de acetil-CoA – Nesta via, duas moléculas de dióxido de carbono são fixadas para formar acetil-CoA. Normalmente, o hidrogênio atua como o doador de elétrons nesta reação, sendo o dióxido de carbono o aceitador de elétrons.

· Ciclo de dicarboxilato / 4-hidroxibutirato – Este ciclo é comum entre bactérias encontradas em anaeróbicos e habitats microaeróbicos (por exemplo, Desulfurococcales). Como o ciclo de 3-hidroxipropionato / 4-hidroxibutirato, este ciclo converte cetil-CoA e duas moléculas de carbono em succinil-coenzima (CoA).Algumas das enzimas envolvidas neste ciclo incluem a piruvato sintase e a fosfoenolpiruvato (PEP) carboxilase.

Importância das bactérias quimiossintéticas

Essencialmente, a quimiossíntese se refere ao processo pelo qual as bactérias quimiossintéticas processam os alimentos usando energia química. Portanto, em comparação com a fotossíntese, esses organismos não são dependentes da energia luminosa para a produção. Isso os torna importantes produtores primários em vários habitats que contêm oxidantes como nitratos e sulfatos.

Em ecossistemas de águas profundas, por exemplo, a ausência de luz solar significa que a fotossíntese não pode ocorrer. No entanto, devido à capacidade de algumas bactérias de fabricar alimentos por meio da quimiossíntese, elas desempenham um papel importante como produtoras nesse ecossistema.

Esse comportamento também demonstrou beneficiar outros organismos por meio de uma relação simbiótica. Por exemplo, em vários ambientes, as bactérias fixadoras de nitrogênio demonstraram formar relações simbióticas que beneficiam uma variedade de organismos (algas, diatomáceas, leguminosas, esponjas, etc.). Aqui, eles são capazes de converter o nitrogênio (abundante na natureza) em formas utilizáveis.

Aqui, essas bactérias podem catalisar o nitrogênio atmosférico para produzir amônia (usando uma enzima conhecida como nitrogenase) que é então usada pelas plantas para a síntese de biomoléculas nitrogenadas.

Uma das outras relações simbióticas que receberam atenção significativa é entre vermes tubulares (Riftia pachyptila) e bactérias quimiossintéticas em fontes hidrotermais. Nesse ambiente, as temperaturas da água são extremamente altas devido ao calor geotérmico. Além disso, esses vermes vivem no fundo do mar (ambiente sem energia luminosa).

Apesar das condições desfavoráveis neste ambiente (temperaturas extremamente altas e falta de luz), a disponibilidade de sulfeto de hidrogênio permite que as bactérias realizem a quimiossíntese.

Usando uma pluma semelhante a guelras altamente vascularizada, o verme é capaz de absorver dióxido de carbono dissolvido, oxigênio e sulfeto de hidrogênio (a hemoglobina desses organismos é capaz de se ligar a oxigênio e sulfetos) . Eles são então transportados para células especializadas conhecidas como bacteriócitos, onde residem bactérias quimiossintéticas.

Usando o sulfeto e o oxigênio, as bactérias produzem energia (ATP) que é usada para converter o dióxido de carbono em açúcares. Esses açúcares são então usados pelo molusco como fonte de alimento.

Essas relações simbióticas também foram identificadas com:

• Solemyid e bivalves lucinídeos
• Achinóides
• Protistas ciliados
• Esponjas marinhas
• Mexilhões

Algumas das características que foram associadas ao simbiontes (bactérias quimiossintéticas) incluem:

· Ter um envelope Gram-negativo

· Variar na forma desde pequenos endossimbiontes cocóides de cerca de 0,25um de diâmetro a bactérias quimotróficas em bastonete relativamente grandes (cerca de 10um de comprimento)

· Dependendo da espécie, eles podem ser endossimbiontes ou simplesmente anexar à superfície corporal dos hospedeiros

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Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton e Frank J. Stewart. (2006). Simbioses quimiossintéticas marinhas.

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Links

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