Skip to main content
Global

22.3: מטבוליזם פרוקריוטי

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    206326

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • זהה את המקרו-נוטריינטים הדרושים לפרוקריוטים, והסבר את חשיבותם
    • תאר את הדרכים שבהן פרוקריוטים מקבלים אנרגיה ופחמן לתהליכי חיים
    • תאר את תפקידי הפרוקריוטים במחזורי הפחמן והחנקן

    פרוקריוטים הם אורגניזמים מגוונים מבחינה מטבולית. ישנן סביבות רבות ושונות על פני כדור הארץ עם מקורות אנרגיה ופחמן שונים ותנאים משתנים. פרוקריוטים הצליחו לחיות בכל סביבה על ידי שימוש בכל מקורות האנרגיה והפחמן הזמינים. פרוקריוטים ממלאים נישות רבות על פני כדור הארץ, כולל מעורבות במחזורי תזונה כגון מחזורי חנקן ופחמן, פירוק אורגניזמים מתים ושגשוג בתוך אורגניזמים חיים, כולל בני אדם. המגוון הרחב מאוד של סביבות שפרוקריוטים תופסים אפשרי מכיוון שיש להן תהליכים מטבוליים מגוונים.

    צרכים של פרוקריוטים

    לסביבות ולמערכות האקולוגיות המגוונות על פני כדור הארץ יש מגוון רחב של תנאים מבחינת טמפרטורה, חומרים מזינים זמינים, חומציות, מליחות ומקורות אנרגיה. פרוקריוטים מצוידים היטב כדי להתפרנס ממגוון עצום של חומרים מזינים ותנאים. כדי לחיות, פרוקריוטים זקוקים למקור אנרגיה, מקור לפחמן וכמה חומרים מזינים נוספים.

    מקרונוטריינטים

    תאים הם בעצם מכלול מאורגן היטב של מקרומולקולות ומים. נזכיר כי מקרומולקולות מיוצרות על ידי פילמור של יחידות קטנות יותר הנקראות מונומרים. כדי שתאים יבנו את כל המולקולות הנדרשות לקיום חיים, הם זקוקים לחומרים מסוימים, הנקראים ביחד חומרים מזינים. כאשר פרוקריוטים גדלים בטבע, הם משיגים את חומרי המזון שלהם מהסביבה. חומרים מזינים הנדרשים בכמויות גדולות נקראים מקרונוטריינטים, ואילו אלו הנדרשים בכמויות קטנות יותר או עקבות נקראים מיקרו-נוטריינטים. רק קומץ יסודות נחשבים למקרו-נוטריינטים - פחמן, מימן, חמצן, חנקן, זרחן וגופרית. (זיכרון לזכירת אלמנטים אלה הוא ראשי התיבות CHONPS.)

    מדוע יש צורך במקרו-נוטריינטים אלה בכמויות גדולות? הם המרכיבים של תרכובות אורגניות בתאים, כולל מים. פחמן הוא המרכיב העיקרי בכל המקרומולקולות: פחמימות, חלבונים, חומצות גרעין, שומנים ותרכובות רבות אחרות. פחמן מהווה כ -50 אחוז מהרכב התא. חנקן מייצג 12 אחוז מהמשקל היבש הכולל של תא טיפוסי והוא מרכיב של חלבונים, חומצות גרעין ומרכיבי תאים אחרים. רוב החנקן הזמין בטבע הוא חנקן אטמוספרי (N 2) או צורה אנאורגנית אחרת. חנקן דיאטומי (N 2), לעומת זאת, ניתן להמיר לצורה אורגנית רק על ידי אורגניזמים מסוימים, הנקראים אורגניזמים מקבעים חנקן. גם מימן וגם חמצן הם חלק מתרכובות אורגניות רבות וממים. זרחן נדרש על ידי כל האורגניזמים לסינתזה של נוקלאוטידים ופוספוליפידים. גופרית היא חלק מהמבנה של כמה חומצות אמינו כמו ציסטאין ומתיונין, והיא קיימת גם בכמה ויטמינים וקואנזימים. מקרונוטריינטים חשובים נוספים הם אשלגן (K), מגנזיום (Mg), סידן (Ca) ונתרן (Na). למרות שאלמנטים אלה נדרשים בכמויות קטנות יותר, הם חשובים מאוד למבנה ולתפקוד התא הפרוקריוטי.

    מיקרו-נוטריינטים

    בנוסף למקרו-נוטריינטים אלה, פרוקריוטים דורשים אלמנטים מתכתיים שונים בכמויות קטנות. אלה מכונים מיקרו-תזונה או יסודות קורט. לדוגמה, ברזל נחוץ לתפקוד הציטוכרומים המעורבים בתגובות הובלת אלקטרונים. חלק מהפרוקריוטים דורשים אלמנטים אחרים - כגון בורון (B), כרום (Cr) ומנגן (Mn) - בעיקר כקופקטורים של אנזים.

    הדרכים שבהן פרוקריוטים משיגים אנרגיה

    פרוקריוטים יכולים להשתמש במקורות אנרגיה שונים כדי להרכיב מקרומולקולות ממולקולות קטנות יותר. פוטוטרופים (או אורגניזמים פוטוטרופיים) משיגים את האנרגיה שלהם מאור השמש. כימוטרופים (או אורגניזמים כימוסינתטיים) משיגים את האנרגיה שלהם מתרכובות כימיות. כימוטרופים שיכולים להשתמש בתרכובות אורגניות כמקורות אנרגיה נקראים כימואורגנוטרופים. אלה שיכולים להשתמש גם בתרכובות אנאורגניות כמקורות אנרגיה נקראים כימוליטוטרופים.

    הדרכים שבהן פרוקריוטים משיגים פחמן

    פרוקריוטים לא רק יכולים להשתמש במקורות אנרגיה שונים אלא גם במקורות שונים של תרכובות פחמן. נזכיר כי אורגניזמים המסוגלים לתקן פחמן אנאורגני נקראים אוטוטרופים. פרוקריוטים אוטוטרופיים מסנתזים מולקולות אורגניות מפחמן דו חמצני. לעומת זאת, פרוקריוטים הטרוטרופיים משיגים פחמן מתרכובות אורגניות. כדי להפוך את התמונה למורכבת יותר, ניתן לשלב את המונחים המתארים כיצד פרוקריוטים משיגים אנרגיה ופחמן. לפיכך, פוטואוטוטרופים משתמשים באנרגיה מאור השמש, ובפחמן מפחמן דו חמצני ומים, ואילו כימוהטרוטרופים משיגים אנרגיה ופחמן ממקור כימי אורגני. כימוליטואוטוטרופים משיגים את האנרגיה שלהם מתרכובות אנאורגניות, והם בונים את המולקולות המורכבות שלהם מפחמן דו חמצני. הטבלה \(\PageIndex{1}\) מסכמת פחמן ומקורות אנרגיה בפרוקריוטים.

    טבלה\(\PageIndex{1}\): מקורות פחמן ואנרגיה בפרוקריוטים
    מקורות אנרגיה מקורות פחמן
    אור כימיקלים פחמן דו חמצני תרכובות אורגניות
    פוטוטרופים כימוטרופים אוטוטרופים הטרוטרופים
      כימיקלים אורגניים כימיקלים אנאורגניים    
      כימו-אורגנוטרופים כימוליתוטרופים    

    תפקידם של פרוקריוטים במערכות אקולוגיות

    פרוקריוטים נמצאים בכל מקום: אין נישה או מערכת אקולוגית שבה הם אינם קיימים. פרוקריוטים ממלאים תפקידים רבים בסביבות שהם תופסים. התפקידים שהם ממלאים במחזורי הפחמן והחנקן חיוניים לחיים על פני כדור הארץ.

    פרוקריוטים ומחזור הפחמן

    פחמן הוא אחד המקרו-נוטריינטים החשובים ביותר, ולפרוקריוטים תפקיד חשוב במחזור הפחמן (איור). \(\PageIndex{1}\) פחמן מועבר דרך המאגרים העיקריים של כדור הארץ: אדמה, האטמוספירה, סביבות מימיות, משקעים וסלעים וביומסה. תנועת הפחמן היא באמצעות פחמן דו חמצני, המוסר מהאטמוספירה על ידי צמחי יבשה ופרוקריוטים ימיים, ומוחזר לאטמוספירה באמצעות נשימה של אורגניזמים כימואורגנוטרופיים, כולל פרוקריוטים, פטריות ובעלי חיים. למרות שמאגר הפחמן הגדול ביותר במערכות אקולוגיות יבשתיות נמצא בסלעים ובמשקעים, פחמן זה אינו זמין.

    כמות גדולה של פחמן זמין נמצאת בצמחי יבשה. צמחים, שהם יצרנים, משתמשים בפחמן דו חמצני מהאוויר כדי לסנתז תרכובות פחמן. בהקשר זה, מקור משמעותי מאוד לתרכובות פחמן הוא חומוס, שהוא תערובת של חומרים אורגניים מצמחים מתים ופרוקריוטים שהתנגדו לפירוק. צרכנים כמו בעלי חיים משתמשים בתרכובות אורגניות הנוצרות על ידי יצרנים ומשחררים פחמן דו חמצני לאטמוספירה. לאחר מכן, חיידקים ופטריות, הנקראים ביחד מפרקים, מבצעים פירוק (פירוק) של צמחים ובעלי חיים ותרכובותיהם האורגניות. התורם החשוב ביותר של פחמן דו חמצני לאטמוספירה הוא פירוק מיקרוביאלי של חומר מת (בעלי חיים מתים, צמחים וחומוס) העוברים נשימה.

    בסביבות מימיות ומשקעים אנוקסיים שלהם, מתרחש מחזור פחמן נוסף. במקרה זה, המחזור מבוסס על תרכובות פחמן אחד. במשקעים אנוקסיים, פרוקריוטים, בעיקר ארכאים, מייצרים מתאן (CH 4). מתאן זה נע לאזור שמעל המשקע, העשיר יותר בחמצן ותומך בחיידקים הנקראים מחמצני מתאן המחמצנים מתאן לפחמן דו חמצני, שחוזר אז לאטמוספירה.

    איור זה מראה את תפקידם של חיידקים במחזור הפחמן. חיידקים מפרקים פחמן אורגני, המשתחרר כפחמן דו חמצני לאטמוספירה.
    איור\(\PageIndex{1}\): לפרוקריוטים תפקיד משמעותי בהעברת פחמן ברציפות דרך הביוספרה. (קרדיט: שינוי עבודות מאת ג'ון מ 'אוונס והווארד פרלמן, USGS)

    פרוקריוטים ומחזור החנקן

    חנקן הוא מרכיב חשוב מאוד לחיים מכיוון שהוא חלק מחלבונים וחומצות גרעין. זהו חומר מזין, ובטבע הוא ממוחזר מתרכובות אורגניות לאמוניה, יוני אמוניום, חנקה, ניטריט וגז חנקן על ידי אינספור תהליכים, שרבים מהם מבוצעים רק על ידי פרוקריוטים. כפי שמודגם באיור\(\PageIndex{2}\), פרוקריוטים הם המפתח למחזור החנקן. מאגר החנקן הגדול ביותר הקיים במערכת האקולוגית היבשתית הוא חנקן גזי מהאוויר, אך חנקן זה אינו שמיש על ידי צמחים, שהם יצרנים ראשוניים. חנקן גזי הופך, או "מקובע" לצורות זמינות יותר כגון אמוניה בתהליך קיבוע החנקן. אמוניה יכולה לשמש צמחים או להמיר לצורות אחרות.

    מקור נוסף לאמוניה הוא אמוניפיקציה, התהליך בו משתחררת אמוניה במהלך פירוק תרכובות אורגניות המכילות חנקן. אמוניה המשתחררת לאטמוספירה, לעומת זאת, מייצגת רק 15 אחוז מסך החנקן המשתחרר; השאר הוא כמו N 2 ו- N 2 O. אמוניה מתמוטטת אנאירובית על ידי כמה פרוקריוטים, ומניבה N 2 כתוצר הסופי. ניטריפיקציה היא המרה של אמוניום לניטריט וחנקה. ניטריפיקציה בקרקעות מתבצעת על ידי חיידקים השייכים לסוגים ניטרוזומות, ניטרובקטר וניטרוספירה. החיידק מבצע את התהליך ההפוך, הפחתת החנקה מהקרקעות לתרכובות גזיות כמו N 2 O, NO ו- N 2, תהליך הנקרא דניטריפיקציה.

    חיבור אמנות

    איור זה מראה את תפקידם של חיידקים במחזור החנקן. חיידקים מקבעים חנקן בגושים שורשיים של קטניות ממירים גז חנקן, או N2, לחנקן אורגני המצוי בצמחים. חיידקי אדמה מקבעים חנקן מייצרים יון אמוניום, או NH4+. מפרקים, כולל חיידקים ופטריות, מפרקים חומר אורגני, ומשחררים גם NH4+. ניטריפיקציה היא התהליך שבו חיידקים מחנקים מייצרים ניטריטים (NO2-) וחנקות (NO3-). חנקות נטמעות על ידי צמחים, אחר כך בעלי חיים, ואז מפרקים. חיידקים מדניטרים ממירים חנקות לגז חנקן, ומשלימים את המחזור.
    איור\(\PageIndex{2}\): לפרוקריוטים תפקיד מפתח במחזור החנקן. (אשראי: הסוכנות להגנת הסביבה)

    איזה מהמשפטים הבאים לגבי מחזור החנקן שקרי?

    1. חיידקים מקבעים חנקן קיימים על גושי השורש של הקטניות ובאדמה.
    2. חיידקים דניטריפירים ממירים חנקות (\(\ce{NO_3^-}\)) לגז חנקן (). \(\ce{N_2}\)
    3. אמוניפיקציה היא התהליך שבו יון אמוניום (\(\ce{NH_4^+}\)) משתחרר מתרכובות אורגניות מתפרקות.
    4. ניטריפיקציה היא התהליך שבו ניטריטים (\(\ce{NO_2^-}\)) מומרים ליון אמוניום (). \(\ce{NH_4^+}\)

    סיכום

    פרוקריוטים הם האורגניזמים המגוונים ביותר מבחינה מטבולית; הם פורחים בסביבות רבות ושונות עם מקורות אנרגיה ופחמן שונים של פחמן, טמפרטורה משתנה, pH, לחץ וזמינות מים. חומרים מזינים הנדרשים בכמויות גדולות נקראים מקרונוטריינטים, ואילו אלו הנדרשים בכמויות קורט נקראים מיקרו-נוטריינטים או יסודות קורט. מקרונוטריינטים כוללים C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca ו- Na. בנוסף למקרו-נוטריינטים אלה, פרוקריוטים דורשים יסודות מתכתיים שונים לצמיחה ולתפקוד האנזים. פרוקריוטים משתמשים במקורות אנרגיה שונים כדי להרכיב מקרומולקולות ממולקולות קטנות יותר. פוטוטרופים משיגים את האנרגיה שלהם מאור השמש, ואילו כימוטרופים משיגים אנרגיה מתרכובות כימיות.

    פרוקריוטים ממלאים תפקידים במחזורי הפחמן והחנקן. פחמן מוחזר לאטמוספירה על ידי נשימה של בעלי חיים ואורגניזמים כימואורגנוטרופיים אחרים. הצרכנים משתמשים בתרכובות אורגניות הנוצרות על ידי יצרנים ומשחררים פחמן דו חמצני לאטמוספירה. התורם החשוב ביותר של פחמן דו חמצני לאטמוספירה הוא פירוק מיקרוביאלי של חומר מת. חנקן ממוחזר בטבע מתרכובות אורגניות לאמוניה, יוני אמוניום, ניטריט, חנקה וגז חנקן. חנקן גזי הופך לאמוניה באמצעות קיבוע חנקן. אמוניה מתמוטטת אנאירובית על ידי כמה פרוקריוטים, ומניבה N 2 כתוצר הסופי. ניטריפיקציה היא המרה של אמוניום לניטריט. ניטריפיקציה בקרקעות מתבצעת על ידי חיידקים. דניטריפיקציה מבוצעת גם על ידי חיידקים והופכת חנקה מקרקעות לתרכובות חנקן גזי, כגון N 2 O, NO ו- N 2.

    חיבורי אמנות

    איור\(\PageIndex{2}\): איזו מהמשפטים הבאים לגבי מחזור החנקן שגויה?

    1. חיידקים מקבעים חנקן קיימים על גושי השורש של הקטניות ובאדמה.
    2. חיידקים מדניטרים ממירים חנקות (NO 3 -) לגז חנקן (N 2).
    3. אמוניפיקציה היא התהליך שבו יון אמוניום (NH 4 +) משתחרר מתרכובות אורגניות מתפרקות.
    4. ניטריפיקציה היא התהליך שבו ניטריטים (NO 2 -) מומרים ליון אמוניום (NH 4 +).
    תשובה

    ד

    רשימת מילים

    אמוניפיקציה
    תהליך שבו אמוניה משתחררת במהלך הפירוק של תרכובות אורגניות המכילות חנקן
    כימוטרוף
    אורגניזם שמקבל אנרגיה מתרכובות כימיות
    מפרק
    אורגניזם שמבצע את הפירוק של אורגניזמים מתים
    דניטריפיקציה
    טרנספורמציה של חנקה מאדמה לתרכובות חנקן גזי כגון N 2 O, NO ו- N 2
    ניטריפיקציה
    המרה של אמוניום לניטריט וחנקה בקרקעות
    קיבוע חנקן
    תהליך שבו חנקן גזי הופך, או "קבוע" לצורות זמינות יותר כגון אמוניה