Definition: Vad är kemosyntetiska bakterier?

I huvudsak innefattar kemosyntetiska bakterier en grupp autotrofa bakterier som använder kemisk energi för att producera sin egen mat. Liksom fotosyntetiska bakterier behöver kemosyntetiska bakterier en kolkälla (t.ex. koldioxid) samt en energikälla för att tillverka sin egen mat.

För det mesta, dessa bakterier är aeroba och förlitar sig därför på syre för att slutföra processen framgångsrikt. Vissa arter (t.ex. Sulphuricurvum kujiense) har dock associerats med anaerob kemosyntes.

På grund av sin förmåga att tillverka sin egen mat med kemisk energi kan dessa organismer överleva i en mängd olika livsmiljöer (inklusive tuffa miljöer med extrema förhållanden) som levande organismer eller i förening med andra organismer (genom symbios med andra organismer).

* Till skillnad från fotosyntes som är vanligt i eukaryota organismer och cyanobakterier är kemosyntetiska reaktioner utförs mestadels av prokaryota mikroorganismer (särskilt bakterier och archaea)

Exempel på kemosyntetiska bakterier inkluderar :

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

Typer av Kemosyntetiska bakterier

Som nämnts tillåter kemosyntes olika typer av bakterier (kemosyntetiska bakterier) att överleva utan att förlita sig på ljusenergi eller andra organismer för mat. Här härrör energin som används för att tillverka livsmedelsmaterial från en mängd olika oorganiska kemikalier (och därmed olika kemiska reaktioner). Av denna anledning finns det olika typer av kemosyntetiska bakterier baserat på vilken typ av föreningar de använder som energikälla.

* Vissa kemosyntetiska bakterier lever i soliga miljöer och utsätts därför för solljus. De förlitar sig dock inte på solljus som en energikälla

Svavelbakterier – Dessa bakterier (t.ex. Paracoccus) oxiderar sådana svavelföreningar som vätesulfid (sulfider) tiosulfater och oorganiskt svavel etc. Beroende på organismen eller typen av svavelförening som används, sker oxidationsprocessen i flera steg. I vissa av organismerna kommer till exempel oorganiskt svavel att lagras tills de krävs för användning.

Kvävebakterier – Uppdelad i tre grupper som inkluderar nitrifierande bakterier , denitrifierande bakterier och kvävebindande bakterier. När det gäller nitrifierande bakterier oxideras ammoniak först till hydroxylamin i cytoplasman (av ammoniummonooxygenas). Hydroxylaminen oxideras sedan för att producera nitrit i periplasman genom hydroxylaminoxidasoreduktas. Denna process producerar en proton (en proton för varje molekyl ammonium). Jämfört med nitrifierande bakterier oxiderar denitrifierande bakterier nitratföreningar som en energikälla.

Metanobakterier / metanbakterier – Även om vissa forskare har föreslagit att vissa bakterier använder metan som källa av energi för kemosyntes är detta särskilt vanligt bland kemosyntetiska arkebakterier.

Vätebakterier – Sådana bakterier som Hydrogenovibrio marinus och Helicobacter pylori oxiderar väte som energikälla under mikroaerofila förhållanden. För det mesta har dessa bakterier visats vara anaeroba och trivs därför i områden med väldigt lite eller inget syre. Detta beror till stor del på det faktum att enzymet som används för oxidationsändamål (Hydrogenas) fungerar effektivt under anaeroba förhållanden.

Järnbakterier – Acidithiobacillus ferrooxidans och Leptospirillum ferrooxidans är några av de bakterier som oxiderar järn. Denna process har visat sig förekomma under olika betingelser beroende på organismen (t.ex. lågt pH och oxisk-anoxisk).

Under kemosyntes måste kemosyntetiska bakterier, som inte är fotosyntetiska, förlita sig på energi som produceras genom oxidation av dessa föreningar (oorganisk) för att tillverka mat (sockerarter) medan kvävebindande bakterier omvandlar kvävgas till nitrat. Alla dessa processer tjänar till att producera en proton som används vid koldioxidfixering.

Normalt förekommer dessa reaktioner i cytoplasman i närvaro av membranbundna andningsenzymer. I fallet med väteoxidering katalyserar grupp 1 NiFe-hydrogenaser, som finns i cytoplasman, reaktionen för att producera 2 elektroner och protoner (väte med en positiv laddning) från en vätemolekyl (H2 < > 2H + och 2e-). Dessa elektroner kanaliseras sedan till kinonpoolen i elektrontransportkedjan.

När det gäller vätesulfid genomgår föreningen oxidation för att frigöra elektroner och vätejoner (kallas protoner med tanke på att de är separerade från föreningen och elektronerna och förstärker en positiv laddning). Produkterna av denna reaktion är därför svavel, elektroner såväl som protoner. Elektroner och protoner kommer sedan in i elektrontransportkedjan (vid membranet).

När elektroner kommer in i denna kedja pumpas protoner ut ur cellen. Elektroner, å andra sidan, accepteras av syre och lockar protonerna (vätejoner) och bildar därmed vattenmolekyler. Genom ett enzym som kallas ATP-syntas lagras protoner som tidigare pumpats ut ur cellen tillbaka till cellen med sin energi (kinetisk energi) som ATP och används för sockersyntes.

Kolassimilering i kemosyntetiska bakterier (fixering)

Beroende på typen av bakterier, deras livsmiljö och kolkälla finns det ett antal metaboliska vägar som används för fixering.

Några av de vanligaste vägarna inkluderar:

Calvin-Benson-cykel – I denna cykel är enzymet RuBisCo (ribulos 1, 5-bisfosfatkarboxylas / oxygenas ) underlättar tillsatsen av molekylär koldioxid till ribulos 1, 5-bisfosfat. Denna process genererar en sexkolförening som i sin tur omvandlas till två molekyler av 3-PGA (3-fosfoglycerat). Denna process kallas kolfixering med tanke på att den involverar omvandling av koldioxid till organiska molekyler.

Genom energin lagrad i ATP och NADPH (genererad genom oxidationsprocessen) omvandlas kolföreningen (3-PGA) åter till en annan kolförening för att bilda G3P (Glyceraldehyd-3-fosfat) i reduktionsfasen. När en av dessa molekyler lämnar Calvin-kedjan (för att bilda kolhydratmolekylen / sockret) är den andra inblandad i genereringen av RuBP.

Krebs omvänd cykel – Jämfört med Calvin-cykeln, resulterar kolfixering i Krebs omvänd cykel i produktionen av pyruvat. Även känd som den reducerande tricarboxylsyra-cykeln, börjar denna cykel med fixering av två koldioxidmolekyler. Det resulterar i produktion av acetylkoenzym A (acetyl-CoA) som i sin tur reduktivt karboxyleras för att producera pyruvat. Det pyruvat som framställs genom processen används sedan för syntes av organiska cellmaterial.

Några av de andra processerna som används av dessa bakterier inkluderar:

· 3-hydroxipropionatcykel – Även känd som 3-hydroxypropionatcykeln fixar denna väg koldioxid för att bilda Malyl-CoA i närvaro av acetyl-CoA och propionyl-CoA-karboxylaser. Detta delas sedan för att producera acetyl-CoA och glyoxylat. I slutändan resulterar vägen i produktionen av pyruvat som används för att syntetisera olika organiska material som krävs av cellen.

· Reduktiv acetyl-CoA-väg – I denna väg fixeras två molekyler koldioxid för att bilda acetyl-CoA. Vanligtvis fungerar väte som elektrondonator i denna reaktion med koldioxid som elektronacceptor.

· Dikarboxylat / 4-hydroxibutyratcykel – Denna cykel är vanlig bland bakterier som finns i anaerob och mikroaeroba livsmiljöer (t.ex. Desulfurococcales). Liksom 3-hydroxipropionat / 4-hydroxibutyratcykeln omvandlar denna cykel cetyl-CoA och två kolmolekyler till succinyl-coenzym (CoA).Några av de enzymer som är involverade i denna cykel inkluderar pyruvat-syntas och fosfoenolpyruvat (PEP) karboxylas.

Betydelsen av kemosyntetiska bakterier

I huvudsak avser kemosyntes den process genom vilken kemosyntetiska bakterier bearbetar mat med kemisk energi. Därför, jämfört med fotosyntes, är dessa organismer inte beroende av ljusenergi för produktion. Detta gör dem till viktiga huvudproducenter i olika livsmiljöer som innehåller sådana oxidanter som nitrater och sulfater.

Till exempel i djuphavsventilerade ekosystem innebär frånvaron av solljus att fotosyntes inte kan ske. Men på grund av vissa bakteriers förmåga att tillverka mat genom kemosyntes spelar de en viktig roll som producenter i detta ekosystem.

Detta beteende har också visat sig gynna andra organismer genom ett symbiotiskt förhållande. Till exempel har kvävebindande bakterier i olika miljöer visat sig bilda symbiotiska förhållanden som gynnar en mängd olika organismer (alger, kiselalger, baljväxter, svampar, etc). Här kan de omvandla kväve (rikligt i naturen) till användbara former.

Här kan dessa bakterier katalysera atmosfäriskt kväve för att producera ammoniak (med användning av ett enzym som kallas nitrogenas) som sedan används av växter för syntes av kvävebiomolekyler.

En av de andra symbiotiska förhållandena som har fått betydande uppmärksamhet är mellan tubmaskar (Riftia pachyptila) och kemosyntetiska bakterier i hydrotermiska ventiler. I denna miljö är vattentemperaturerna extremt höga på grund av geotermisk värme. Dessutom lever dessa maskar vid havsbotten (miljö som saknar ljusenergi).

Trots de ogynnsamma förhållandena i denna miljö (extremt höga temperaturer och brist på ljus) tillåter tillgängligheten av vätesulfid bakterier att utföra kemosyntes.

Med hjälp av en starkt vaskulariserad gälliknande plym kan masken ta upp löst koldioxid, syre och vätesulfid (hemoglobinet i dessa organismer kan binda syre och sulfider) . De transporteras sedan till specialiserade celler som kallas bakteriocyter där kemosyntetiska bakterier finns.

Med hjälp av sulfiden och syret producerar bakterierna energi (ATP) som sedan används för att omvandla koldioxid till socker. Dessa sockerarter används sedan av blötdjuret som matkälla.

Sådana symbiotiska förhållanden har också identifierats med:

• Solemyid och lucinid bivalves
• Achinoids
• Ciliate protister
• Marinsvampar
• Musslor

Några av de egenskaper som har associerats med symbiont (kemosyntetiska bakterier) inkluderar:

· Ha ett gramnegativt kuvert

· Variera i form från små kokos-endosymbioner med cirka 0,25 tum i diameter till relativt stora (cirka 10 tum i längd) stavformade kemotrofa bakterier

· Beroende på arten, de kan vara endosymbionter eller helt enkelt fästa vid kroppsytan hos värdarna

Återvänd från kemosyntetiska bakterier till MicroscopeMaster hem

Colleen M. Cavanaugh, Zoe P. Mckiness, Irene LG Newton och Frank J. Stewart. (2006). Marine Chemosynthetic Symbioses.

H. W. J annasch. (1985). Det kemiska osyntetiska stödet i livet och den mikrobiella mångfalden vid djuphavs-hydroterma ventiler.

Jennifer J. Wernegreen. (2013). Endosymbios.

Zoran Minic och Premila D. Thongbam. (2011). Den biologiska hydratermiska ventilen som en modell för att studera koldioxidfångande enzymer.

Länkar

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