Способность к хемосинтезу: какие процессы происходят в клетках бактерий

Водородные бактерии

В основном распространяется в почве. Водород, образующийся при анаэробном разложении органического вещества микроорганизмами, окисляется.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Эта реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Значение в молекулярной нанотехнологии

Хотя термин «хемосинтез» в биологии чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать в более широком смысле для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. И наоборот, механическое манипулирование молекулами для управления их реакциями называется «механосинтез».

Сходства и различия с фотосинтезом

Давайте теперь проанализируем, в чем сходство между хемосинтезом и фотосинтезом, и в чем разница между ними.

Сходство:

• И хемосинтез, и фотосинтез — это типы автотрофного питания, когда организм отделяет органическое от неорганического вещества.
• Энергия этой реакции хранится в трифосфорной аденозиновой кислоте (сокращенно АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Разница между фотосинтезом и хемосинтезом:

• У них другой источник энергии и, следовательно, разные окислительно-восстановительные реакции. В хемосинтезе основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
• Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и растений.
• Во время хемосинтеза бактериальные клетки не содержат хлорофилла; во время фотосинтеза, наоборот, содержат его.
• Источником углерода для синтеза органических веществ при хемосинтезе может быть не только диоксид углерода, но также оксид углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Типы Хемосинтетических Бактерий

Серные бактерии

Приведенный выше пример уравнения хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.

Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S) и, таким образом, образуют твердую элементарную серу в виде отходов (12S).

Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют элементарную серу или более сложные соединения серы вместо элементарного сероводорода в качестве источников топлива.

Металлические ионные бактерии

Самым известным типом бактерий, использующих ионы металлов для хемосинтеза, являются железобактерии.

Железные бактерии могут представлять проблему для водных систем в богатой железом среде, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде и образуют нерастворимые комки железа, которые могут испачкать и даже засорить водопроводные системы.

Однако железобактерии — не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!

Азот Бактерии

Азотные бактерии — это все бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. Хотя все эти бактерии используют электроны соединений азота для создания органических соединений, они могут по-разному влиять на свою экосистему в зависимости от соединений, которые они используют.

Азотные бактерии можно разделить на три класса:

1. Нитрифицирующие бактерии:

Нитрифицирующие бактерии растут на почвах, содержащих аммиак. Аммиак — это неорганическое соединение азота, которое токсично для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превращать в полезное вещество.

Нитрифицирующие бактерии берут электроны у аммиака и превращают аммиак в нитрит и, в конечном итоге, в нитрат. Нитраты необходимы для многих экосистем, поскольку они необходимы большинству растений для производства незаменимых аминокислот.

Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия превращает аммиак в нитрит, а другой вид бактерий превращает этот нитрит в нитрат.

Нитрифицирующие бактерии могут превратить другие враждебные почвы в питательную среду для растений, а затем и для животных.

2. Денитрифицирующие бактерии:

Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они расщепляют эти соединения до форм, которые растения и животные не могут использовать.

Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть большой проблемой для растений и животных — большинству видов растений нужны нитраты в почве, чтобы производить белки, необходимые для них самих и животных, которые их едят.

Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченному росту растений.

3. Азотфиксирующие бактерии:

Эти бактерии очень полезны для экосистем, включая сельское хозяйство человека. Они могут преобразовывать газообразный азот, который составляет большую часть нашей атмосферы, в нитраты, которые растения могут использовать для производства необходимых белков.

Исторически проблемы плодородия и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных земель.

Многие культуры научились поддерживать плодородие почвы за счет чередования азотсодержащих культур с азотфиксирующими культурами.

Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они находятся в симбиотических отношениях с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут колониями вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.

На изображении ниже показаны корни «азотфиксирующего растения» — обратите внимание на круглые клубеньки, которые на самом деле являются колониями азотфиксирующих хемосинтетических бактерий:

Современные удобрения часто состоят из искусственных нитратов, точно так же, как те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.

Methanobacteria

Метанобактерии — это на самом деле археи, но ученые начали их изучать задолго до того, как полностью осознали разницу между археями и «настоящими бактериями».

И археи, и настоящие бактерии — одноклеточные прокариоты, а это значит, что под микроскопом они очень похожи. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними есть важные химические различия: археи используют множество химических соединений и обладают множеством генов, которых нет в царстве бактерий.

Одна из способностей архей, которых нет у «настоящих бактерий», — это метаболический процесс, в результате которого образуется метан. Только бактерии архей могут объединять углекислый газ и водород с образованием метана.

Метанобактерии обитают в самых разных средах, включая ваше собственное тело! Метанобактерии встречаются на дне океана, в болотах и ​​заболоченных территориях, в желудке коров и даже в желудке человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, с образованием метана и энергии.

• Археи — древняя линия прокариот. Современный анализ, который когда-то считался подтипом бактерий, показал, что археи — это совершенно другая линия, отличная от современных бактерий.
• бактерии — современное царство прокариот. Сегодня их иногда называют «эубактериями» или «настоящими бактериями», чтобы отличить их от архей.
• Электронная транспортная цепь — принцип, часто используемый клетками для сбора энергии из окружающей среды. Электроны проходят через серию белков, которые собирают энергию для производства жизненно важных молекул, таких как АТФ.

Тионовые бактерии

Тионовые прокариоты также являются хемосинтезирующими бактериями. Их источником энергии являются различные соединения серы. Этот тип бактерий превращает их в серную кислоту. Эта реакция сопровождается значительным снижением pH среды. Тионовые бактерии относятся к ацидофильной группе. К ним относятся организмы, способные выжить в условиях повышенной кислотности. Такие условия типичны для болот. Вместе с тиановыми в эту группу входят молочнокислые и уксусные бактерии, жгутики и коловратки.

Хемосинтез

Все живые организмы, как известно, делятся на автотрофов и гетеротрофов по способу получения энергии. Автотрофные организмы обладают способностью синтезировать органические соединения из неорганических. Для этого используются различные источники энергии.
Большинство автотрофных организмов относятся к фотосинтетикам.

Это группа организмов, которые могут использовать энергию солнечного света для поддержки биосинтетических процессов.

Но есть также группа организмов, которые используют энергию, которая выделяется при окислении органических соединений, для проведения реакций синтеза. Эта группа живых организмов называется хемотрофами или хемосинтетиками.

Что такое хемосинтез?

Определение 1

Хемосинтез — это вид питания, при котором органические соединения синтезируются из неорганических с использованием энергии химических реакций.

Организмы, которым свойственен хемосинтез

Что это за организмы, питание которых так непривычно для нас? Процесс хемосинтеза в живых организмах изучается давно. Честь открытия этого процесса принадлежит российскому микробиологу С.Н.

Виноградский. Именно он открыл процесс хемосинтеза в 1887 г. Некоторые группы бактерий относятся к хемосинтетикам: нитрифицирующие бактерии, железобактерии, бесцветные серные бактерии и др.

Нитрифицирующие бактерии в ходе биохимических реакций последовательно окисляют аммиак до нитритов и впоследствии до нитратов, серобактерии — сероводорода и других соединений серы до серной кислоты. Железные бактерии получают энергию за счет окисления двухвалентных соединений железа в трехвалентное железо.

Хемосинтетики играют важную роль в преобразовании химических элементов в биогеохимическом круговороте веществ.
Кроме того, большая часть процессов трансформации химических элементов в биосфере происходит только с участием живых организмов.

Механизм хемосинтеза

Рассмотрим механизм хемосинтеза более подробно. Бактерии, лишенные хлорофилла, также могут питаться автотрофами. То, как они получают энергию для своих реакций синтеза, коренным образом отличается от того, как у растительных клеток. Как уже упоминалось выше, этот вид обмена был открыт и описан русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 г.

Бактерии используют энергию химических реакций для синтеза. У них есть специальный ферментативный аппарат, который позволяет им преобразовывать энергию химических реакций в химическую энергию синтезируемых соединений.

Среди хемосинтетиков очень важны азотфиксирующие и нитрифицирующие бактерии. Они живут в почве и осуществляют окисление аммиака, который образуется при распаде органических остатков до азотной кислоты. Последний, вступая в реакцию с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в два этапа. Сначала аммиак окисляется до азотистой кислоты.

$ 2NH_3 + 3O_2 → 2HNO_2 + 2H_2O + 158 $ ккал

Затем азотистая кислота превращается в азотную кислоту.

$ 2HNO_2 + O2 → 2HNO_3 + 38 $ ккал

Сероводород окисляется в серобактериях.

$ 2H_2S + O2 → 2H_2O + 2S$

При определенных условиях (отсутствие сероводорода) образовавшаяся сера окисляется до серной кислоты.

$ 2S + 3_O2 + 2H_2O → 2H_2SO_4 + 115 $ ккал

Под действием железобактерий оксид железа превращается в оксид железа.

$ 4FeCO_3 + O_2 + 6H_2O → 4Fe (OH) _3 + 4CO_2 + 81 $ ккал

Наблюдение 1

Как видно из уравнений химических реакций, хемосинтетики являются типичными автотрофами, самостоятельно синтезирующими необходимые органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии, выделяющейся при окислительных процессах.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактеры, нитрозомонады, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах. Энергия получается за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому они играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при распаде белков. Окисление аммиака бактериями приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Эти две реакции не эквивалентны с точки зрения выделения энергии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты это всего около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, обеспечивающие плодородие почвы.

Хемосинтез, примеры хемосинтетических бактерий</