Введение
Биохимические пути, используемые микробами для удовлетворения энергетических потребностей Микробный метаболизм - это средство, с помощью которого микробы получают энергию и питательные вещества (например, углерод), необходимые им для жизни и размножения. Микробы используют множество различных типов метаболических стратегий, и виды часто могут быть дифференцированы друг от друга на основе метаболических характеристик. Специфические метаболические свойства микроба являются основными факторами, определяющими его экологическую нишу, и часто позволяют этому микробу быть полезным в промышленных процессах или отвечать за биогеохимические циклы.
Microbial metabolism is the means by which a microbe obtains the energy and nutrients (e. g. carbon) it needs to live and reproduce. Microbes use many different types of metabolic strategies and species can often be differentiated from each other based on metabolic characteristics. The specific metabolic properties of a microbe are the major factors in determining that microbe's ecological niche, and often allow for that microbe to be useful in industrial processes or responsible for biogeochemical cycles.
Гетеротрофный микробиологический обмен
Некоторые микробы гетеротрофны (точнее, химиоорганогетеротрофны), используя органические соединения как источники углерода, так и энергии. Гетеротрофные микробы живут питательными веществами, которые они выкапывают из живых хозяев (как комменсалы или паразиты) или находят в мертвых органических веществах всех видов (сапрофаги). Микробный метаболизм является основным фактором распада организма всех организмов после смерти. Многие эукариотические микроорганизмы являются гетеротрофными путем хищничества или паразитизма, свойства, также обнаруженные в некоторых бактериях, таких как Bdellovibrio (внутриклеточный паразит других бактерий, вызывающий смерть своих жертв) и Myxobacteria, таких как Myxococcus (хищники других бактерий, которые убиваются и используются совместными роями многих одиночных клеток Myxobacteria). Большинство патогенных бактерий можно рассматривать как гетеротрофные паразиты человека или других эукариотических видов, на которые они влияют. Гетеротрофные микробы чрезвычайно распространены в природе и отвечают за распад крупных органических полимеров, таких как целлюлоза, хитин или лигнин, которые обычно не усваиваются более крупными животными. Обычно для окислительного распада крупных полимеров на углекислый газ (минерализация) требуется несколько различных организмов, причем один разлагает полимер на его составляющие мономеры, другой способен использовать мономеры и выделять более простые отходы в качестве побочных продуктов, а третий способен использовать выделенные отходы. Существует много вариаций этой темы, поскольку разные организмы способны разлагать разные полимеры и секретировать разные отходы. Некоторые организмы способны даже разрушать более непокорные соединения, такие как нефтяные соединения или пестициды, что делает их полезными в биоремедиации. Биохимически прокариотический гетеротрофический метаболизм гораздо более универсален, чем у эукариотических организмов, хотя многие прокариоты разделяют самые основные метаболические модели с эукариотами, например, используя гликолиз (также называемый путем EMP) для метаболизма сахара и цикла лимонной кислоты для разложения ацетата, вырабатывая энергию в виде АТФ и уменьшая энергию в виде НАДГ или хинолов. Эти основные пути хорошо сохранились, потому что они также участвуют в биосинтезе многих сохранившихся строительных блоков, необходимых для роста клеток (иногда в обратном направлении). Однако многие бактерии и археи используют альтернативные метаболические пути, отличные от гликолиза и цикла лимонной кислоты. Хорошо изученным примером является метаболизм сахара через кето-дезоксифосфоглюконатный путь (также называемый ED-путем) у Pseudomonas. Кроме того, существует третий альтернативный катаболический путь сахара, используемый некоторыми бактериями, - пентозофосфатный путь. Метаболическое разнообразие и способность прокариотов использовать большое разнообразие органических соединений возникает из гораздо более глубокой эволюционной истории и разнообразия прокариотов по сравнению с эукариотами. Также стоит отметить, что митохондрия, небольшая мембрана, связанная с внутриклеточной органеллой, которая является местом эукариотического кислорода, использующего энергетический метаболизм, возникла из эндосимбиоза бактерии, связанной с обязательной внутриклеточной рикетсией, а также с связанными с растениями ризобиями или агробактериями. Поэтому неудивительно, что все митрохондриальные эукариоты имеют общие метаболические свойства с этими псевдомонадотами. Большинство микробов дышат (используют цепочку транспортировки электронов), хотя кислород - не единственный терминальный приемник электронов, который может быть использован. Как обсуждается ниже, использование терминальных электронных акцепторов, отличных от кислорода, имеет важные биогеохимические последствия.
Ферментация
Ферментация - это специфический тип гетеротрофного метаболизма, который использует органический углерод вместо кислорода в качестве терминального электронного акцептора. Это означает, что эти организмы не используют цепочку транспортировки электронов для окисления NADH, и поэтому должны иметь альтернативный метод использования этой уменьшающей мощности и поддержания поставок для правильного функционирования нормальных метаболических путей (например, гликолиз). Поскольку кислород не требуется, ферментирующие организмы являются анаэробными. Многие организмы могут использовать ферментацию в анаэробных условиях и аэробное дыхание при наличии кислорода. Эти организмы являются факультативными анаэробами. Чтобы избежать избыточного производства NADH, обязательно ферментирующие организмы обычно не имеют полного цикла лимонной кислоты. Вместо использования АТФ-синтазы, как при дыхании, АТФ в ферментирующих организмах вырабатывается фосфорилированием на уровне субстрата, когда фосфатная группа переносится из органического соединения с высокой энергией в АДФ для образования АТФ. В результате необходимости производства высокоэнергетических фосфатов, содержащих органические соединения (обычно в форме эфиров коэнзима А), ферментирующие организмы используют NADH и другие кофакторы для получения многих различных сокращенных метаболических побочных продуктов, часто включая водородный газ. Эти сокращенные органические соединения, как правило, представляют собой небольшие органические кислоты и спирты, полученные из пирувата, конечного продукта гликолиза. Примерами являются этанол, ацетат, лактат и бутират. Ферментирующие организмы очень важны в промышленном отношении и используются для производства многих различных видов пищевых продуктов. Различные конечные продукты метаболизма, производимые каждым конкретным видом бактерий, отвечают за различные вкусы и свойства каждого продукта питания. Не все ферментирующие организмы используют фосфорилирование на уровне субстрата. Вместо этого некоторые организмы способны соединять окисление низкоэнергетических органических соединений непосредственно с образованием движущей силы протона или движущей силы натрия и, следовательно, синтеза АТФ. Примерами этих необычных форм ферментации являются сукцинатное брожение Propionigenium modestum и оксалатное брожение Oxalobacter formigenes. Эти реакции дают очень низкую энергию. Люди и другие высшие животные также используют ферментацию для получения лактата из избытка NADH, хотя это не является основной формой метаболизма, как в ферментирующих микроорганизмах.
Метилтрофия
Метилотрофия относится к способности организма использовать соединения С1 в качестве источников энергии. Эти соединения включают метанол, метиламины, формальдегид и формат. Для метаболизма также могут использоваться несколько других менее распространенных субстратов, у всех из которых отсутствуют углеродные связи. Примерами метилотрофов являются бактерии Methylomonas и Methylobacter. Метанотрофы - это специфический тип метилотрофов, которые также способны использовать метан в качестве источника углерода, последовательно окисляя его до метанола (CH3OH), формальдегида (CH2O), формата и углекислого газа, первоначально используя фермент метанмонооксигеназа. Поскольку для этого процесса требуется кислород, все (обычные) метанотрофы являются обязательными аэробами. Во время этих окислений образуется уменьшающая сила в виде хинонов и NADH для получения движущей силы протонов и, следовательно, генерации АТФ. Метилотрофы и метанотрофы не считаются автотрофными, поскольку они способны включить часть окисленного метана (или других метаболитов) в клеточный углерод до его полного окисления (на уровне формальдегида), используя либо сериновый путь (Methylosinus, Methylocystis), либо рибулозомонофосфатный путь (Methylococcus), в зависимости от вида метилотрофа. Помимо аэробной метилтрофии, метан может также окисляться анаэробным путем. Это происходит благодаря консорциуму сульфат-редуцирующих бактерий и родственников метаногенных архей, работающих синтрофически (см. ниже). В настоящее время мало что известно о биохимии и экологии этого процесса. Метаногенез - это биологическое производство метана. Это осуществляется метаногенными, строго анаэробными археями, такими как Methanococcus, Methanocaldococcus, Methanobacterium, Methanothermus, Methanosarcina, Methanosaeta и Methanopyrus. Биохимия метаногенеза уникальна в своей природе в использовании ряда необычных кофакторов для последовательного уменьшения метаногенных субстратов до метана, таких как кофермент M и метанофуран. Эти кофакторы отвечают (среди прочего) за создание градиента протонов через внешнюю мембрану, тем самым стимулируя синтез АТФ. Происходит несколько типов метаногенеза, отличающихся окислением исходных соединений. Некоторые метаногены редукционируют углекислый газ в метан с помощью электронов (чаще всего) из газообразного водорода химиолитично-автотрофным путем. Эти метаногены часто встречаются в среде, содержащей ферментирующие организмы. Тесное соединение метаногенов и ферментативных бактерий можно считать синтрофическим (см. ниже), потому что метаногены, которые зависят от ферментаторов для водорода, снимают ингибирование обратной связи ферментаторов путем накопления избыточного водорода, который в противном случае ингибировал бы их рост. Этот тип синтрофических отношений известен как межвидовая передача водорода. Вторая группа метаногенов использует метанол (CH3OH) в качестве субстрата для метаногенеза. Они являются химиоорганотрофными, но все еще автотрофными при использовании в качестве единственного источника углерода. Биохимия этого процесса сильно отличается от биохимии углекислого газа, восстанавливающего метаногены. Наконец, третья группа метаногенов производит как метан, так и углекислый газ из ацетата, а ацетат расщепляется между двумя углеродами. Эти ацетат-кливирующие организмы являются единственными химиоорганогетеротрофными метаногенами. Все автотрофные метаногены используют вариацию редуктивного пути ацетил-КоА для фиксации и получения клеточного углерода.
Methanothermus, Methanosarcina, Methanosaeta and Methanopyrus. The biochemistry of methanogenesis is unique in nature in its use of a number of unusual cofactors to sequentially reduce methanogenic substrates to methane, such as coenzyme M and methanofuran. These cofactors are responsible (among other things) for the establishment of a proton gradient across the outer membrane thereby driving ATP synthesis. Several types of methanogenesis occur, differing in the starting compounds oxidized. Some methanogens reduce carbon dioxide to methane using electrons (most often) from hydrogen gas chemolithoautotrophically. These methanogens can often be found in environments containing fermentative organisms. The tight association of methanogens and fermentative bacteria can be considered to be syntrophic (see below) because the methanogens, which rely on the fermentors for hydrogen, relieve feedback inhibition of the fermentors by the build up of excess hydrogen that would otherwise inhibit their growth. This type of syntrophic relationship is specifically known as interspecies hydrogen transfer. A second group of methanogens use methanol (CH3OH) as a substrate for methanogenesis. These are chemoorganotrophic, but still autotrophic in using as only carbon source. The biochemistry of this process is quite different from that of the carbon dioxide reducing methanogens. Lastly, a third group of methanogens produce both methane and carbon dioxide from acetate with the acetate being split between the two carbons. These acetate cleaving organisms are the only chemoorganoheterotrophic methanogens. All autotrophic methanogens use a variation of the reductive acetyl CoA pathway to fix and obtain cellular carbon.
Синтрофия
Синтрофия в контексте микробного метаболизма относится к спариванию нескольких видов для достижения химической реакции, которая сама по себе была бы энергетически неблагоприятной. Наиболее изученным примером этого процесса является окисление ферментативных конечных продуктов (таких как ацетат, этанол и бутират) такими организмами, как Syntrophomonas. Окисление бутирата в ацетат и газообразный водород энергетически неблагоприятно. Однако, когда присутствует гидрогенотрофный (использующий водород) метаноген, использование водородного газа значительно снизит концентрацию водорода (до 10−5 атм) и, таким образом, сместит равновесие реакции окисления бутирата при стандартных условиях (ΔGo) в нестандартные условия (ΔG). Поскольку концентрация одного продукта снижается, реакция "притягивается" к продуктам и смещается к чистым энергетически благоприятным условиям (для окисления бутирата: ΔGo = +48,2 кДж/моль, но ΔG' = 8,9 кДж/моль при 10−5 атм водорода и даже ниже, если также изначально полученный ацетат дополнительно метаболизируется метаногенными веществами). И наоборот, доступная свободная энергия от метаногенеза снижается с ΔGo= 131 кДж/моль при стандартных условиях до ΔG' = 17 кДж/моль при 10−5 атм водорода. Это пример внутривидового переноса водорода. Таким образом, низкоэнергетические источники углерода могут быть использованы консорциумом организмов для дальнейшей деградации и в конечном итоге минерализации этих соединений. Эти реакции помогают предотвратить избыточную задержку углерода в геологических масштабах времени, высвобождая его обратно в биосферу в полезных формах, таких как метан и газы.
Аэробное дыхание
Аэробный метаболизм происходит у бактерий, архей и эукарий. Хотя большинство видов бактерий являются анаэробными, многие из них являются факультативными или обязательными аэробами. Большинство археальных видов живут в экстремальных условиях, которые часто являются высоко анаэробными. Однако существует несколько случаев аэробных архей, таких как Haiobacterium, Thermoplasma, Sulfolobus и Yymbaculum. Большинство известных эукариотов осуществляют аэробный метаболизм в пределах своих митохондрий, которые являются органеллами, имеющими симбиогенетическое происхождение от прокарий. Все аэробные организмы содержат оксидазы из суперсемейства цитохром-оксидаз, но некоторые представители Pseudomonadota (E. coli и Acetobacter) также могут использовать несвязанный цитохром bd комплекс в качестве терминальной респираторной оксидазы.
Анаэробное дыхание
В то время как аэробные организмы во время дыхания используют кислород в качестве терминального электронного приемника, анаэробные организмы используют другие электронные приемники. Эти неорганические соединения высвобождают меньше энергии в процессе клеточного дыхания, что приводит к более медленным темпам роста, чем у аэробов. Многие факультативные анаэробы могут использовать кислород или альтернативные терминальные электронные акцепторы для дыхания в зависимости от условий окружающей среды. Большинство дышащих анаэробов являются гетеротрофами, хотя некоторые живут автотрофически. Все процессы, описанные ниже, являются диссимилятивными, что означает, что они используются при производстве энергии, а не для обеспечения питательных веществ для клетки (ассимилятивные). Также известны ассимилятивные пути для многих форм анаэробного дыхания.
Денитрификация нитрат как приемник электронов
Денитрификация - это использование нитрата (NO3) в качестве терминального приемника электронов. Это широко распространенный процесс, который используется многими членами Pseudomonadota. Многие факультативные анаэробы используют денитрификацию, потому что нитраты, как и кислород, обладают высоким потенциалом редукции. Многие денатрифицирующие бактерии могут также использовать железо и некоторые органические электронные акцепторы. Денитрификация включает в себя поэтапное восстановление нитрата до нитрита (NO2), оксида азота (NO), оксида азота (N2O) и динитрогена ферментами нитрат-редуктаза, нитрит-редуктаза, оксид азота-редуктаза и оксид азота-редуктаза соответственно. Протоны переносятся через мембрану начальными редуктазами NADH, хинонами и оксидной азотной редуктазой для получения электрохимического градиента, критически важного для дыхания. Некоторые организмы (например, E. coli) производят только нитрат редуктазу и поэтому могут осуществлять только первое сокращение, приводящее к накоплению нитрита. Другие (например, Paracoccus denitrificans или Pseudomonas stutzeri) полностью снижают уровень нитратов. Полная деннитрификация является экологически значимым процессом, поскольку некоторые промежуточные продукты деннитрификации (оксид азота и оксид азота) являются важными парниковыми газами, которые вступают в реакцию с солнечным светом и озоном для получения азотной кислоты, компонента кислотных дождей. Денитрификация также важна в биологической очистке сточных вод, где она используется для уменьшения количества азота, выделяемого в окружающую среду, тем самым уменьшая эвтрофикацию. Денитрификацию можно определить с помощью теста на нитрат-редуктазу.
Сульфатная редукция сульфат как электронный приемник
Диссимиляторная сульфатная редукция - это относительно энергетически бедный процесс, используемый многими грам-отрицательными бактериями, обнаруженными в Thermodesulfobacteriota, грам-положительных организмах, относящихся к Desulfotomaculum или археону Archaeoglobus. Сульфид водорода (H2S) образуется в качестве конечного продукта метаболизма. Для сульфатной редукции необходимы доноры электронов и энергия.
Доноры электронов
Многие сульфатные редукторы являются органотрофными, используя углеродные соединения, такие как лактат и пируват (среди многих других), в качестве доноров электронов, в то время как другие являются литотрофными, используя водородный газ в качестве донора электронов. Некоторые необычные аутотрофные сульфат-редуцирующие бактерии (например, Desulfotignum phosphitoxidans) могут использовать фосфит (HPO3 ) в качестве донора электронов, в то время как другие (например, Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes, Desulfocapsa sulfoexigens) способны к диспропорционализации серы (разделению одного соединения на два разных соединения, в данном случае донора электронов и акцептора электронов) с использованием элементарной серы (S0), сульфита (SO32−) и тиосульфата для получения как сероводорода (H2S), так и сульфата (SO42−).
Энергия для сокращения
Все сульфат-редуцирующие организмы являются строго анаэробными. Поскольку сульфат энергетически стабилен, прежде чем он может быть метаболизирован, он должен сначала быть активирован аденолированием для образования АПС (аденозин-5 фосфосульфат), тем самым потребляя АТФ. Затем APS редуцируется ферментом APS редуктаза в сульфиты (SO32−) и AMP. В организмах, которые используют углеродные соединения в качестве доноров электронов, потребляемый АТФ объясняется ферментацией углеродного субстрата. Водород, вырабатываемый во время ферментации, на самом деле является движущей силой дыхания во время сульфатной редукции.
Ацетогенез диоксид углерода как приемник электронов
Ацетогенез - это тип микробного метаболизма, который использует водород в качестве донора электронов и углекислый газ в качестве акцептора электронов для получения ацетата, тех же доноров и акцепторов электронов, которые используются в метаногенезе (см. выше). Бактерии, которые могут автотрофически синтезировать ацетат, называются гомоацетогенами. Снижение содержания углекислого газа во всех гомоацетогенах происходит путем ацетил-КоА. Этот путь также используется для фиксации углерода автотрофными сульфат-редуцирующими бактериями и гидрогенотрофными метаногенами. Часто гомоацетогены также могут быть ферментативными, используя водород и углекислый газ, полученные в результате ферментации, для получения ацетата, который выделяется в качестве конечного продукта.
Химолитотрофия
Химолитотрофия - это тип метаболизма, при котором энергия получается от окисления неорганических соединений. Большинство хемолитрофных организмов также являются автотрофными. Химолитотрофия имеет две основные цели: генерация энергии (АТФ) и генерация редукционной мощности (НАДХ).
Окисление серы
Окисление серы включает в себя окисление соединений с пониженной содержанием серы (таких как сульфид H2S), неорганической серы (S) и тиосульфата для образования серной кислоты. Классическим примером окисляющей серу бактерии является Беггиатоа, микроорганизм, первоначально описанный Сергеем Виноградским, одним из основателей экологической микробиологии. Другой пример - паракокк. Окисление сульфида происходит поэтапно, и неорганическая серя хранится внутри или снаружи клетки до тех пор, пока она не понадобится. Этот двухэтапный процесс происходит потому, что энергетически сульфид является лучшим донором электронов, чем неорганическая серя или тиосульфат, что позволяет перемещать большее количество протонов через мембрану. Окисляющие серу организмы генерируют уменьшающую мощность для фиксации углекислого газа через цикл Кальвина с использованием обратного потока электронов, энергозатратного процесса, который толкает электроны против их термодинамического градиента для получения NADH. Биохимически соединения редуцированной серы превращаются в сульфиты (SO32−), а затем в сульфаты (SO42−) ферментом сульфитоксидазой. Однако некоторые организмы осуществляют такое же окисление, используя обратную систему редуктазы APS, используемую редуктивными бактериями сульфата (см. выше). Во всех случаях высвобождаемая энергия передается в цепочку электронного транспорта для производства АТФ и НАДГ. которые используют железо для производства NADH для автотрофной фиксации углекислого газа. Биохимически, аэробное окисление железа является очень энергетически бедным процессом, который требует большого количества железа, чтобы быть окисленным ферментом рустицианин, чтобы облегчить образование движущей силы протонов. Как и при окислении серы, обратный поток электронов должен использоваться для образования NADH, используемого для фиксации углекислого газа через цикл Кальвина.
Нитрификация
Нитрификация - это процесс, при котором аммиак превращается в нитрат (NO3). Нитрификация является фактически результатом двух различных процессов: окисление аммиака в нитрит нитрозифицирующими бактериями (например, Nitrosomonas) и окисление нитрита в нитрат нитритоокисляющими бактериями (например, Nitrobacter). Оба этих процесса крайне энергетически бедны, что приводит к очень медленным темпам роста для обоих типов организмов. Биохимически окисление аммиака происходит путем пошагового окисления аммиака в гидроксиламины (NH2OH) ферментом аммиакомонооксигеназа в цитоплазме, за которым следует окисление гидроксиламина в нитриты ферментом гидроксиламиноксидоредуктазы в периплазме. Циклы электронов и протонов очень сложны, но в результате всего один протон перемещается через мембрану на молекулу окисленного аммиака. Окисление нитрита намного проще, при этом нитрит окисляется ферментом нитритоксидоредуктаза в сочетании с транслокацией протонов очень короткой цепочкой транспортировки электронов, что снова приводит к очень низким темпам роста этих организмов. Кислород необходим как при окислении аммиака, так и при окислении нитритов, а это означает, что нитрозифицирующие и окисляющие нитриты бактерии являются аэробными. Как и при окислении серы и железа, NADH для фиксации углекислого газа с использованием цикла Кальвина генерируется обратным потоком электронов, тем самым создавая дополнительную метаболическую нагрузку на уже энергонедостаточный процесс. В 2015 году две группы независимо друг от друга показали, что микробный род Нитроспира способен к полной нитрификации (Comammox).
Анамокс
Anammox - это анаэробный окисление аммиака, а организмы, ответственные за это, были обнаружены относительно недавно, в конце 1990-х годов. Эта форма метаболизма происходит у представителей Planctomycetota (например, "Candidatus Brocadia anammoxidans") и включает в себя соединение окисления аммиака с редукцией нитритов. Поскольку для этого процесса кислород не требуется, эти организмы являются строго анаэробами. Удивительно, но гидразин (ракетное топливо) образуется в качестве промежуточного продукта в процессе метаболизма анамокса. Чтобы справиться с высокой токсичностью гидразина, анамоксные бактерии содержат гидразин, содержащий внутриклеточные органеллы, называемые анамоксасомой, окруженные очень компактной (и необычной) липидной мембраной лестницы. Эти липиды уникальны по своей природе, как и использование гидразина в качестве промежуточного метаболического средства. Анамоксные организмы являются автотрофами, хотя механизм фиксации углекислого газа неясен. Благодаря этому свойству эти организмы могут использоваться для удаления азота в процессах очистки промышленных сточных вод. Также было показано, что анамокс широко распространен в анаэробных водных системах и, по предположениям, составляет примерно 50% производства азота в океане.
Окисление марганца
В июле 2020 года исследователи сообщили об открытии химиолитиоавтотрофной бактериальной культуры, которая питается металлическим марганцем после проведения несвязанных экспериментов и назвала его бактериальные виды Candidatus Manganitrophus noduliformans и Ramlibacter lithotrophicus.
Фототрофия
Многие микробы (фототрофы) способны использовать свет в качестве источника энергии для производства АТФ и органических соединений, таких как углеводы, липиды и белки. Из них водоросли особенно важны, потому что они кислородосодержащи, используя воду в качестве донора электронов для передачи электронов во время фотосинтеза. Фототрофные бактерии встречаются в класах "Cyanobacteria", Chlorobiota, Pseudomonadota, Chloroflexota и Bacillota. В дополнение к кислородному фотосинтезу, многие бактерии могут также фотосинтезировать анаэробным путем, обычно используя сульфид (H2S) в качестве донора электронов для производства сульфата. Неорганическая серя, тиосульфат и железо также могут использоваться некоторыми организмами. Филогенетически все кислородные фотосинтезирующие бактерии являются цианобактериями, в то время как безкислородные фотосинтезирующие бактерии относятся к фиолетовым бактериям (псевдомонадота), зеленым серным бактериям (например, хлоробиум), зеленым несерным бактериям (например, Chloroflexus) или гелиобактериям (низкий процент G + C грамположительных). В дополнение к этим организмам, некоторые микробы (например, Archaeon Halobacterium или бактерия Roseobacter, среди других) могут использовать свет для производства энергии с помощью фермента бактериоредопсина, световодящего протонного насоса. Однако не известно ни одной археи, которая осуществляла бы фотосинтез. Как и в случае с большим разнообразием фотосинтезирующих бактерий, существует множество различных механизмов, с помощью которых свет превращается в энергию для метаболизма. Все фотосинтезирующие организмы находятся в центрах фотосинтезирующих реакций внутри мембраны, которая может быть инвагинацией цитоплазматической мембраны (псевдомонадоты), тилакоидных мембран ("цианобактерии"), специализированных антенных структур, называемых хлоросомами (зеленые серные и несерные бактерии), или самой цитоплазматической мембраны (гелиобактерии). Различные фотосинтезирующие бактерии также содержат различные фотосинтезирующие пигменты, такие как хлорофилы и каротиноиды, что позволяет им использовать различные части электромагнитного спектра и, таким образом, населять различные ниши. Некоторые группы организмов содержат более специализированные структуры сбора света (например, фикобилисомы в цианобактериях и хлоросомы в зеленых серных и несерных бактериях), что позволяет повысить эффективность использования света. Биохимически, безкислородный фотосинтез сильно отличается от кислородного фотосинтеза. Цианобактерии (и, соответственно, хлоропласты) используют Z-схему электронного потока, в которой электроны в конечном итоге используются для образования NADH. Используются два разных реакционных центра (фотосистемы), и движущая сила протонов генерируется как с помощью циклического потока электронов, так и с помощью кубика хинонов. В безкислородных фотосинтезирующих бактериях поток электронов цикличен, при этом все электроны, используемые в фотосинтезе, в конечном итоге передаются обратно в единственный реакционный центр. Протонная движущая сила генерируется только с использованием кубика хинонов. В гелиобактериях, зеленых серных и зеленых несерных бактериях NADH образуется с использованием белка ферродоксина, энергетически благоприятной реакции. В фиолетовых бактериях NADH образуется путем обратного потока электронов из-за более низкого химического потенциала этого реакционного центра. Однако во всех случаях создается движущая сила протонов, которая используется для производства АТФ через АТФазу. Большинство фотосинтезирующих микробов являются автотрофными, фиксируя углекислый газ через цикл Кальвина. Некоторые фотосинтезирующие бактерии (например, Chloroflexus) являются фотогетеротрофами, что означает, что они используют органические углеродные соединения в качестве источника углерода для роста. Некоторые фотосинтезирующие организмы также фиксируют азот (см. ниже).
Фиксация азота
Азот - элемент, необходимый для роста всех биологических систем. Хотя динитроген чрезвычайно распространен (80% по объему) в атмосфере, он, как правило, биологически недоступен из-за его высокой энергии активации. Во всей природе только специализированные бактерии и археи способны фиксировать азот, преобразуя динитроген в аммиак, который легко усваивается всеми организмами. Эти прокариоты, следовательно, очень важны с экологической точки зрения и часто необходимы для выживания целых экосистем. Это особенно верно в океане, где цианобактерии, фиксирующие азот, часто являются единственными источниками фиксированного азота, а также в почвах, где существуют специализированные симбиозы между бобовыми и их партнерами по фиксированию азота, чтобы обеспечить азот, необходимый этим растениям для роста. Фиксация азота может быть обнаружена почти во всех бактериальных линиях и физиологических классах, но не является универсальным свойством. Поскольку фермент нитрогеназа, ответственный за фиксацию азота, очень чувствителен к кислороду, который будет необратимо ингибировать его, все организмы, фиксирующие азот, должны обладать каким-то механизмом, чтобы поддерживать низкую концентрацию кислорода. Примеры включают: образование гетероцистов (цианобактерии, например, Anabaena), где одна клетка не фотосинтезирует, а вместо этого фиксирует азот для своих соседей, которые, в свою очередь, обеспечивают ее энергией. Симбиоз корневых узлов (например, Rhizobium) с растениями, которые снабжают кислородом бактерии, связанные с молекулами анаэробного образа жизни легаемгоблина (например, Clostridium pasteurianum). очень быстрый метаболизм (например, Azotobacter vinelandii). Производство и активность азотгеназ очень сильно регулируются, как потому, что фиксация азота является чрезвычайно энергетически дорогостоящим процессом (1624 АТФ используются на фиксацию), так и из-за крайней чувствительности азотгеназы к кислороду.
heterocyst formation (cyanobacteria e. g. Anabaena) where one cell does not photosynthesize but instead fixes nitrogen for its neighbors which in turn provide it with energy
root nodule symbioses (e. g. Rhizobium) with plants that supply oxygen to the bacteria bound to molecules of leghaemoglobin
anaerobic lifestyle (e. g. Clostridium pasteurianum)
very fast metabolism (e. g. Azotobacter vinelandii)
The production and activity of nitrogenases is very highly regulated, both because nitrogen fixation is an extremely energetically expensive process (16–24 ATP are used per fixed) and due to the extreme sensitivity of the nitrogenase to oxygen.