Definiție: Ce sunt bacteriile chemosintetice?

În esență, bacteriile chemosintetice includ un grup de bacterii autotrofe care folosesc energia chimică pentru a-și produce propriile alimente. La fel ca bacteriile fotosintetice, bacteriile chemosintetice au nevoie de o sursă de carbon (de exemplu, dioxid de carbon), precum și de o sursă de energie pentru a-și fabrica propriile alimente.

În cea mai mare parte, aceste bacterii sunt aerobe și, prin urmare, se bazează pe oxigen pentru a finaliza cu succes acest proces. Cu toate acestea, unele specii (de exemplu Sulfuricurvum kujiense) au fost asociate cu chemosinteza anaerobă.

Datorită capacității lor de a-și fabrica propriile alimente folosind energie chimică, aceste organisme sunt capabile să supraviețuiește într-o varietate de habitate / medii (inclusiv medii dure cu condiții extreme) ca organisme cu viață liberă sau în asociere cu alte organisme (prin simbioză cu alte organisme).

* Spre deosebire de fotosinteza care este comună în organismele eucariote și cianobacterii, reacțiile chemosintetice sunt efectuate în cea mai mare parte de microorganisme procariote (în special bacterii și arhee)

Exemplele de bacterii chemosintetice includ :

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

Tipuri de Bacteriile chemosintetice

După cum s-a menționat, chemosinteza permite supraviețuirii diferitelor tipuri de bacterii (bacteriile chemosintetice) fără a se baza pe alimentarea luminii sau a altor organisme. Aici, energia utilizată pentru fabricarea materialelor alimentare este derivată dintr-o varietate de substanțe chimice anorganice (și, prin urmare, diferite reacții chimice). Din acest motiv, există diferite tipuri de bacterii chemosintetice pe baza tipului de compuși pe care îi folosesc ca sursă de energie.

* Unele bacterii chemosintetice trăiesc în medii însorite și, prin urmare, sunt expuse la lumina soarelui. Cu toate acestea, nu se bazează pe lumina soarelui ca sursă de energie

Bacterii de sulf – Aceste bacterii (de exemplu, Paracoccus) oxidează compuși de sulf precum hidrogen sulfurat (sulfuri) tiosulfați și sulf anorganic etc. În funcție de organism sau de tipul de compus de sulf utilizat, procesul de oxidare are loc în mai multe etape. În unele dintre organisme, de exemplu, sulful anorganic va fi stocat până când acestea sunt necesare pentru utilizare.

Bacterii azotate – împărțite în trei grupe care includ bacterii nitrificante , bacterii denitrifiante și bacterii fixatoare de azot. În cazul bacteriilor nitrificante, amoniacul este mai întâi oxidat în hidroxilamină în citoplasmă (de monooxigenază de amoniu). Hidroxilamina este apoi oxidată pentru a produce nitriți în periplasmă de hidroxilamină oxidoreductază. Acest proces produce un proton (un proton pentru fiecare moleculă de amoniu). În comparație cu bacteriile nitrificante, bacteriile denitrifiante oxidează compușii nitrați ca sursă de energie.

Metanobacterii / bacterii metanice – Deși unii oameni de știință au sugerat că unele bacterii folosesc metanul ca sursă de energie pentru chemosinteză, acest lucru este deosebit de frecvent în rândul arheobacteriilor chemosintetice.

Bacterii de hidrogen – bacterii precum Hydrogenovibrio marinus și Helicobacter pylori oxidează hidrogenul ca sursă de energie în condiții microaerofile. În cea mai mare parte, aceste bacterii s-au dovedit a fi anaerobe și, prin urmare, prosperă în zone cu foarte puțin sau deloc oxigen. Acest lucru se datorează în mare măsură faptului că enzima utilizată în scopuri de oxidare (Hidrogenaza) funcționează eficient în condiții anaerobe.

Bacteriile fierului – Acidithiobacillus ferrooxidans și Leptospirillum ferrooxidans sunt unele dintre bacteriile care oxidează fierul. S-a demonstrat că acest proces are loc în condiții diferite, în funcție de organism (de exemplu, pH scăzut și oxic-anoxic).

În timpul chemosintezei, bacteriile chemosintetice, fiind ne-fotosintetice, trebuie să se bazeze pe energia produsă prin oxidarea acestor compuși (anorganice) pentru a produce alimente (zaharuri) în timp ce bacteriile fixatoare de azot transformă azotul gazos în azotat. Toate aceste procese servesc la producerea unui proton utilizat în fixarea dioxidului de carbon.

În mod normal, aceste reacții apar în citoplasmă în prezența enzimelor respiratorii legate de membrană. De exemplu, în cazul oxidării hidrogenului, hidrogenazele NiFe din grupa 1, găsite în citoplasmă, catalizează reacția pentru a produce 2 electroni și protoni (hidrogen cu sarcină pozitivă) dintr-o moleculă de hidrogen (H2 < > 2H + și 2e-). Acești electroni sunt apoi canalizați către rezerva de chinone din lanțul de transport al electronilor.

În cazul hidrogenului sulfurat, compusul suferă oxidare pentru a elibera electroni și ioni de hidrogen (denumiți protoni, având în vedere că sunt separați de compus și electroni și câștigă o sarcină pozitivă). Produsele acestei reacții sunt, prin urmare, sulf, electroni, precum și protoni. Electronii și protonii intră apoi în lanțul de transport al electronilor (la nivelul membranei).

Pe măsură ce electronii intră în acest lanț, protonii sunt pompați din celulă. Pe de altă parte, electronii sunt acceptați de oxigen și atrag protonii (ioni de hidrogen) formând astfel molecule de apă. Printr-o enzimă cunoscută sub numele de ATP sintază, protonii care au fost pompați anterior din celulă sunt canalizați înapoi către celulă cu energia lor (energia cinetică) este stocată ca ATP și este utilizată pentru sinteza zahărului.

Asimilarea carbonului în bacteriile chemosintetice (fixare)

În funcție de tipul bacteriilor, habitatul lor și sursa de carbon, există o serie de căi metabolice utilizate pentru fixare.

Unele dintre cele mai frecvente căi includ:

Ciclul Calvin-Benson – În acest ciclu, enzima RuBisCo (ribuloză 1, 5-bisfosfat carboxilază / oxigenază ) facilitează adăugarea de dioxid de carbon molecular la ribuloza 1, 5-bisfosfat. Acest proces generează un compus cu șase atomi de carbon care este, la rândul său, transformat în două molecule de 3-PGA (3-fosfoglicerat). Acest proces este denumit fixare a carbonului, dat fiind faptul că implică conversia dioxidului de carbon în molecule organice.

Prin energia stocată în ATP și NADPH (generată prin procesul de oxidare), compusul carbonic (3-PGA) este din nou transformat într-un alt compus carbonic pentru a forma G3P (Gliceraldehidă 3-fosfat) în faza de reducere. Pe măsură ce una dintre aceste molecule părăsește lanțul Calvin (pentru a forma molecula de carbohidrați / zahăr), cealaltă este implicată în generarea de RuBP.

Ciclul invers Krebs – Comparativ cu ciclul Calvin, fixarea carbonului în rezultatele ciclului invers Krebs în producerea piruvatului. Cunoscut și sub numele de Ciclul Reductiv al Acidului Tricarboxilic, acest ciclu începe cu fixarea a două molecule de dioxid de carbon. Rezultă în producerea acetil coenzimei A (acetil-CoA) care este la rândul său redusă carboxilată pentru a produce piruvat. Piruvatul produs prin proces este apoi utilizat pentru sinteza materialelor organice ale celulei.

Unele dintre celelalte procese utilizate de aceste bacterii includ:

· Bicicletă 3-hidroxipropionat – Cunoscută și sub numele de ciclul 3-hidroxipropionat, această cale fixează dioxidul de carbon pentru a se forma Malil-CoA în prezența acetil-CoA și propionil-CoA carboxilaze. Acesta este apoi împărțit pentru a produce acetil-CoA și glioxilat. În cele din urmă, calea are ca rezultat producerea piruvatului care este utilizat pentru sintetizarea diferitelor materiale organice solicitate de celulă.

· Calea reductivă a acetil-CoA – În această cale, sunt fixate două molecule de dioxid de carbon pentru a forma acetil-CoA. De obicei, hidrogenul acționează ca donator de electroni în această reacție, dioxidul de carbon fiind acceptorul de electroni.

· Ciclu Dicarboxilat / 4-Hidroxibutirat – Acest ciclu este frecvent în rândul bacteriilor care se găsesc în anaerobi și habitate microaerobe (de exemplu Desulfurococcales). La fel ca ciclul 3-hidroxipropionat / 4-hidroxibutirat, acest ciclu transformă cetil-CoA și două molecule de carbon în succinil-coenzimă (CoA).Unele dintre enzimele implicate în acest ciclu includ piruvat sintază și fosfoenolpiruvat (PEP) carboxilază.

Importanța bacteriilor chemosintetice

În esență, chemosinteza se referă la procesul prin care bacteriile chemosintetice procesează alimentele folosind energia chimică. Prin urmare, comparativ cu fotosinteza, aceste organisme nu sunt dependente de energia luminii pentru producție. Acest lucru îi face să fie producători primari importanți în diferite habitate care conțin oxidanți precum nitrați și sulfați.

În ecosistemele de adâncime, de exemplu, absența soarelui înseamnă că fotosinteza nu poate avea loc. Cu toate acestea, datorită capacității unor bacterii de a produce alimente prin chemosinteză, acestea joacă un rol important ca producători în acest ecosistem.

Acest comportament sa dovedit, de asemenea, în beneficiul altor organisme printr-o relație simbioză. De exemplu, în diferite medii, bacteriile care fixează azotul s-au dovedit a forma relații simbiotice care beneficiază de o varietate de organisme (alge, diatomee, leguminoase, bureți, etc.). Aici, ei sunt capabili să transforme azotul (abundent în natură) în forme utilizabile.

Aici, aceste bacterii pot cataliza azotul atmosferic pentru a produce amoniac (folosind o enzimă cunoscută sub numele de nitrogenază) care este apoi utilizată de plante pentru sinteza biomoleculelor azotate.

Una dintre celelalte relații simbiotice care au beneficiat de o atenție semnificativă este între viermi (Riftia pachyptila) și bacterii chemosintetice în orificiile hidrotermale. În acest mediu, temperaturile apei sunt extrem de ridicate datorită căldurii geotermale. Mai mult, acești viermi trăiesc la fundul mării (mediu lipsit de energie luminoasă).

În ciuda condițiilor nefavorabile din acest mediu (temperaturi extrem de ridicate și lipsă de lumină), disponibilitatea hidrogenului sulfurat permite bacteriilor să efectueze chemosinteza.

Folosind un panou de tip branhial foarte vascularizat, viermele este capabil să ia dioxid de carbon dizolvat, oxigen și hidrogen sulfurat (hemoglobina acestor organisme este capabilă să lege oxigenul și sulfurile) . Acestea sunt apoi transportate către celule specializate cunoscute sub numele de bacteriocite în care locuiesc bacteriile chemosintetice.

Folosind sulfura și oxigenul, bacteriile produc energie (ATP) care este apoi utilizată pentru a converti dioxidul de carbon în zaharuri. Aceste zaharuri sunt apoi utilizate de moluște ca sursă de hrană.

Astfel de relații simbiotice au fost identificate și cu:

• Bivalvi solemidi și lucinizi
• Achinoizi
• Protiliști ciliați
• Burete marini
• midii

Unele dintre caracteristicile care au fost asociate cu simbiontul (bacteriile chemosintetice) include:

· Au un plic Gram negativ

· Variază în formă de la mici endosimbioni de coccoid de aproximativ 0,25um în diametru până la bacterii chemotrofice în formă de tije relativ mari (aproximativ 10um în lungime)

· pot fi endosimbioni sau pur și simplu se atașează la suprafața corpului gazdelor

Revenire de la bacteriile chemosintetice la MicroscopeMaster acasă

Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton și Frank J. Stewart. (2006). Simbioze chemosintetice marine.

H. W. J annasch. (1985). Suportul chimic osintetic al vieții și diversitatea microbiană la orificiile hidrotermale de adâncime.

Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosimbioză.

Zoran Minic și Premila D. Thongbam. (2011). Ventilația hidrotermală biologică de mare adâncă ca model pentru studierea enzimelor de captare a dioxidului de carbon.

Linkuri

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