If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Dacă sunteţi în spatele unui filtru de web, vă rugăm să vă asiguraţi că domeniile *. kastatic.org şi *. kasandbox.org sunt deblocate.

Conţinutul principal

Metabolismul procariot

Cum obțin procariote energie și nutrienți. Chimiotrofe și fototrofe. Heterotrofe și autotrofe.

Puncte cheie:

  • Unele procariote sunt fototrofe, luând energie de la soare. Altele sunt chemotrofe, luând energie din compuși chimici.
  • Unele procariote sunt autotrofe, asimilând carbon din CO2. Altele sunt heterotrofe, luând carbon din compuși organici ai altor organisme.
  • Procariotele pot efectua metabolism aerob (ce necesită oxigen) sau anaerob (fără bază de oxigen) și unele pot schimba între aceste moduri.
  • Unele procariote au enzime speciale și căi ce le permit să metabolizeze compuși ce conțin nitrogen sau sulfur.
  • Procariotele au un rol cheie în ciclul nutrienților prin ecosisteme.

Introducere

În esență, tu și eu avem destul de limitate modalitățile în care să ne hrănim. Am putea să decidem între legume și înghețată (și, sperăm, ajungem să ne bucurăm de ambele în cantități sănătoase!). Totuși, nu prea este posibil ca noi să fotosintetizăm. De asemenea, este improbabil ca noi să mâncăm sulfat de hidrogen, compusul responsabil pentru "mirosul de ou putrezit", pentru micul dejun.
Procariotele (bacteria și archaea) sunt mult mai diverse decât oamenii în ceea ce privește strategiile nutriționale - adică, modalitățile în care ele obțin carbon fix (molecule de combustibil) și energie. Unele specii consumă materiale organice ca plante moarte sau animale. Altele trăiesc din compuși anorganici din pietre. O bacterie, Thiobacillus concretivorans, consumă acid sulfuric ce topește metale!1
În acest articol, ne vom uita mai de aproape la multele modalități în care procariotele obțin și metabolizează mâncarea și cum pot influența ciclul nutrienților.

Moduri nutriționale

Toate formele de viață de pe Pamânt au nevoie de energie și carbon fix (carbon incorporat în moleculele organice) pentru a construi macromolecule care alcătuiesc celulele lor. Aceasta se aplică și la oameni, plante, fungi și, desigur, procariote. Organismele vii pot fi clasificate după felul în care obțin energie și carbon.
În primul rând, putem clasifica organismele după locul de unde ele iau carbon fix (utilizabil):
  • Organismele care fixează carbonul din dioxidul de carbon(CO2) sau alți compuși anorganici se numesc autotrofe.
  • Organismele care iau carbon fix din compuși organici produși de alte organisme (prin consumul de organisme sau produsele derivate) se numesc heterotrofe.
În plus, putem clasifica organismele în funcție de sursele de unde iau energie:
  • Organismele care utilizează lumina (în principal soarele) ca sursă de energie se numesc fototrofe.
  • Organismele care folosesc chimicale ca sursă de energie se numesc chemotrofe.
Putem împărți procariotele (și alte organisme) în patru categorii diferite în funcție de energie și sursele de carbon:
Modul nutriționalSursa de energieSursa de Carbon
FotoautotrofLuminăDioxid de Carbon(sau compuși asemănători)
FotoheterotrofiLuminăCompuși organici
ChemoautotrofiCompuși chimiciDioxid de Carbon (sau compuși asemănători)
ChemoheterotrofiCompuși chimiciCompuși organici
Tindem să fim destul de familiarizați cu fotoautotrofele, cum ar fi plantele și chemoheterotrofele, cum ar fi oamenii și animalele. Speciile de procariote se clasifică în două categorii, asemeni celor două categorii mai puțin familiare (fotoheterotrofe și chemoautotrofe) la care plantele și animalele nu aparțin.2,3

Respirația aerobă și anaerobă

Altă zonă metabolică în care procariotele diferă de oameni (și sunt mult mai diverse decât noi!) este nevoia lor de oxigen. Unele au nevoie de el, altele sunt otrăvite de el, iar altele îl pot lua sau îl pot lăsa, în funcție de disponibilitate.
  • Procariotele care au nevoie de O2 pentru a metaboliza se numesc aerobe obligate. Oamenii sunt și ei aerobe obligate (după cum ai aflat dacă ai încercat să iți ții respirația pentru prea mult timp).
  • Procariotele care nu pot tolera O2 și doar efectuează metabolism anaerob se numesc anaerobe obligate. C. botulinum, bacteria care cauzează botulism (o formă de intoxicație alimentară) când crește în mâncarea la conservă, este o anaerobă obligată - și de aceea se multiplică bine înăuntrul conservelor sigilate.4
  • Anaerobele facultative folosesc metabolism aerob când este prezent O2, dar îl înlocuiesc cu metabolism anaerob în caz că este absent. Bacteriile care cauzează stafilococ și infecții cu stafilococ sunt exemple de anaerobe facultative.5
Credit imagine: "Clostridium botulinum," by the U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), public domain.

Metabolismul sulfului și azotului

Unele bacterii și archaea au căi metabolice care le permit să metabolizeze azot și sulfur, spre deosebire de eucariote, care nu le au. În unele cazuri, ele folosesc azot- sau sulf- ce conțin molecule pentru a obține energie, dar în alte cazuri, utilizează energie pentru a converti aceste molecule de la o formă la alta.

Metabolismul sulfului

Câteva exemple fascinante de procariote ce metabolizează sulf sunt găsite în ecosistemele de pe fundul mării. De exemplu, unele specii de procariote pot oxida hidrogen sulfurat (H2S) de la conductele de ventilație hidrotermale. Ele folosesc energia eliberată în acest proces pentru a fixa carbonul anorganic din apă în zaharuri și alte molecule organice într-un proces numit chemosinteza.6
Procariotele care metabolizează sulf se găsesc de obicei în ecosistemele aerisirilor hidrotermale de adâncime. Aerisirile hidrotermale eliberează apă încălzită geotermal, care este bogată în minerale dizolvate.
_Imagine: "Champagne vent white smokers.jpg," by NOAA (public domain)._
Procariotele ce metabolizează sulf formeză baza lanțurilor alimentare în habitatele lor de pe fundul mării (unde nici cea mai mică rază de soare nu poate ajunge să suporte fotosinteză). Metabolizatorii de sulf suportă comunități întregi de organisme, inclusiv viermi, crabi și creveți, mii de metri sub suprafața oceanului.7

Metabolismul azotului

Procariotele ce metabolizează azot includ agenți de fixare a azotului, nitrifianți și denitrifanți. Ele joacă un rol important în ciclul azotului prin transformarea compușilor de azot dintr-o formă chimică în alta.
Unele specii de plante din familia leguminoaselor au simbioze cu bacteriile fixataore de azot. Plantele adăpostesc bacteriile înăuntrul structurilor asemănătoare mingilor în rădăcinile lor, numite nodulii rădăcinii.
_Imagine modificată după "Nitrogen-fixing nodules in the roots of legumes..JPG," by Terraprima (CC BY-SA 3.0)._
Procariotele fixatoare de azot transformă (“fixează”) azot atmosferic (N2) în amoniu (NH3), pe care plantele și alte organisme le pot incorpora în molecule organice.. Unele specii de plante din familia leguminoaselor, cum ar fi mazărea, formează relații benefice reciproc (mutualism) cu bacterii fixatoare de azot. Plantele adăpostesc și hrănesc bacteriile în structuri celulare numite nodulii rădăcinii, iar bacteriile asigură azot fix rădăcinilor.
Alte procariote din sol, numite bacterii nitrificante, transformă amoniacul în alte tipuri de compuși (nitrați și nitriți), care pot fi de asemenea absorbiți de plante. Procariotele dentrificatoare fac mai mult sau mai puțin inversul, transformând nitrați în gaz N2.

Cicluri biogeochimice

Reciclarea constantă a elementelor chimice este vitală pentru funcționarea ecosistemelor. În ciclurile biogeochimice ale Pământului, elementele chimice sunt transformate printre alte forme diferite într-un ciclu continuu.
Datorită diversității metabolismului lor, procariotele joacă roluri importante în multe cicluri globale. Aici, ne vom uita mai aproape la funcția lor în două dintre aceste cazuri: ciclurile azotului și ale carbonului.

Ciclul azotului

Așa cum am văzut în ultima secțiune, procariotele care fixează azot transformă (“fixează”) azotul atmosferic (N2) în amoniac (NH3). Plantele și alte organisme pot folosi apoi amoniacul pentru a construi molecule cum ar fi aminoacizi și nucleotide.
Alte procariote din sol, bacteriile nitrificante, transformă amoniacul în alte tipuri de compuși (nitriți și nitrați), care pot fi de asemenea absorbiți de plante. Procariotele dentrificatoare, care transformă nitrații în N2, mută atomii de azot din sol înapoi în atmosferă.
Imaginea de mai jos prezintă o versiune simplificată a ciclului azotului, accentuând rolul procariotelor.
Procariotele joacă mai multe roluri în ciclul azotului. Bacteriile care fixează azot (în sol și înăuntrul nodulilor rădăcinilor unor plante) transformă gazul de azot din atmosferă în amoniac. Bacteriile nitrifcante transformă amoniacul în nitriți sau nitrați. Amoniacul, nitriții și nitrații sunt toate fixataore de azot și pot fi absorbite de plante. Bacteriile dentrificatoare transformă nitrații înapoi în gaz de azot.
_Imagine modificată după "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license._

Ciclul carbonului

Procariotele sunt de asemenea importante în ciclul carbonului. Procariotele fotosintetice, cum ar fi cianobacteriile, folosesc energia solară să elimine CO2 din atmosferă și să îl fixeze în molecule organice. Acesta este același proces de bază efectuat de plantele fotosintetice.
Decompunătorii procariotici, pe de altă parte, mută carbonul în direcția opusă. Cănd decompun material organic mort (de la plantele și animalele vii din trecut), ei inapoiază CO2 în atmosferă prin respirația celulară. Decompunerea de asemenea eliberează o varietate de alte elemente și molecule anorganice pentru reutilizare.
Imaginea de mai jos prezintă o versiune simplificată a ciclului carbonului, accentuând rolul procariotelor.
Procariotele joacă mai multe roluri în ciclul carbonului. Procariotele decompuse decompun materia organică moartă și elimină dioxid de carbon prin respirația celulară. Procariotele fotosintetice elimină dioxid de carbon atmosferic și îl fixează în zaharuri.
_Imagine modificată după "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license._

Verifică dacă ai înțeles!

  1. Care dintre următoarele afirmații despre strategiile metabolice ale bacteriilor sunt adevărate?
    Adevărat
    Fals
    Unele bacterii realizează fotosinteză și produc oxigen, asemănător plantelor.
    Bacteriile sunt mereu autotrofe, dar ele își pot lua energia de la lumină sau din surse chimice.
    Unele bacterii chemosintetice introduc energie și carbon fix în comunități unde fotosinteza nu este posibilă (de exemplu, gurile de adâncime).
    Unele bacterii trăiesc simbiotic înăuntrul unor organisme gazdă și asigură nutrienți gazdei.