22.3: Metabolism ya Prokaryotic

Ujuzi wa Kuendeleza

• Kutambua macronutrients zinazohitajika kwa prokaryotes, na kueleza umuhimu wao
• Eleza njia ambazo prokaryotes hupata nishati na kaboni kwa michakato ya maisha
• Eleza majukumu ya prokaryotes katika mzunguko wa kaboni na nitrojeni

Prokaryotes ni viumbe tofauti vya kimetaboliki. Kuna mazingira mengi tofauti duniani yenye vyanzo mbalimbali vya nishati na kaboni, na hali ya kutofautiana. Prokaryotes wameweza kuishi katika kila mazingira kwa kutumia vyanzo vyovyote vya nishati na kaboni vinavyopatikana. Prokaryotes hujaza niches nyingi duniani, ikiwa ni pamoja na kushiriki katika mizunguko ya virutubisho kama vile mizunguko ya nitrojeni na kaboni, kuoza viumbe wafu, na kustawi ndani ya viumbe hai, ikiwa ni pamoja na binadamu. Mazingira mengi sana ambayo prokaryotes huchukua inawezekana kwa sababu wana michakato tofauti ya metabolic.

Mahitaji ya Prokaryotes

Mazingira na mazingira mbalimbali duniani yana hali mbalimbali katika suala la joto, virutubisho vinavyopatikana, asidi, salinity, na vyanzo vya nishati. Prokaryotes ni vifaa vizuri sana kufanya maisha yao nje ya aina kubwa ya virutubisho na hali. Kuishi, prokaryotes wanahitaji chanzo cha nishati, chanzo cha kaboni, na virutubisho vingine vya ziada.

Macronutrients

Viini kimsingi ni mkusanyiko ulioandaliwa vizuri wa macromolecules na maji. Kumbuka kwamba macromolecules huzalishwa na upolimishaji wa vitengo vidogo vinavyoitwa monomers. Kwa seli kujenga molekuli zote zinazohitajika ili kuendeleza maisha, zinahitaji vitu fulani, kwa pamoja huitwa virutubisho. Wakati prokaryotes inakua katika asili, hupata virutubisho vyao kutoka kwenye mazingira. Virutubisho ambazo zinahitajika kwa kiasi kikubwa huitwa macronutrients, wakati wale wanaohitajika kwa kiasi kidogo au kufuatilia huitwa micronutrients. Wachache tu wa mambo ni kuchukuliwa macronutrients-carbon, hidrojeni, oksijeni, nitrojeni, fosforasi, na sulfuri. (Mnemonic kwa kukumbuka mambo haya ni kifupi CHONPS.)

Kwa nini macronutrients hizi zinahitajika kwa kiasi kikubwa? Wao ni sehemu ya misombo ya kikaboni katika seli, ikiwa ni pamoja na maji. Kaboni ni kipengele kikubwa katika macromolecules zote: wanga, protini, asidi nucleic, lipids, na misombo mingine mingi. Carbon akaunti kwa asilimia 50 ya muundo wa seli. Nitrogen inawakilisha asilimia 12 ya jumla ya uzito kavu wa seli ya kawaida na ni sehemu ya protini, asidi nucleic, na sehemu nyingine za seli. Nitrojeni nyingi zinazopatikana katika asili ni ama nitrojeni ya anga (N ₂) au aina nyingine isokaboni. Nitrojeni ya diatomiki (N ₂), hata hivyo, inaweza kubadilishwa kuwa fomu ya kikaboni tu na viumbe fulani, vinavyoitwa viumbe vya kutengeneza nitrojeni. Wote hidrojeni na oksijeni ni sehemu ya misombo mingi ya kikaboni na ya maji. Phosphorus inahitajika na viumbe vyote kwa ajili ya awali ya nucleotides na phospholipids. Sulfuri ni sehemu ya muundo wa baadhi ya asidi amino kama vile cysteine na methionine, na pia iko katika vitamini kadhaa na coenzymes. Macronutrients nyingine muhimu ni potasiamu (K), magnesiamu (Mg), kalsiamu (Ca), na sodiamu (Na). Ingawa mambo haya yanahitajika kwa kiasi kidogo, ni muhimu sana kwa muundo na kazi ya kiini cha prokaryotic.

virutubisho vidogo

Mbali na macronutrients hizi, prokaryotes zinahitaji vipengele mbalimbali vya metali kwa kiasi kidogo. Hizi hujulikana kama micronutrients au kufuatilia vipengele. Kwa mfano, chuma ni muhimu kwa kazi ya cytochromes zinazohusika katika athari za usafiri wa elektroni. Baadhi ya prokaryotes zinahitaji mambo mengine—kama vile boroni (B), chromium (Cr), na manganese (Mn) —hasa kama cofactors enzyme.

Njia ambazo Prokaryotes hupata Nishati

Prokaryotes inaweza kutumia vyanzo mbalimbali vya nishati kukusanyika macromolecules kutoka molekuli ndogo. Phototrophs (au viumbe vya phototrophic) hupata nishati zao kutoka jua. Chemotrophs (au viumbe vya chemosynthetic) hupata nishati zao kutoka kwa misombo ya kemikali. Chemotrophs ambazo zinaweza kutumia misombo ya kikaboni kama vyanzo vya nishati huitwa chemoorganotrophs. Wale ambao wanaweza pia kutumia misombo isokaboni kama vyanzo vya nishati huitwa chemolitotrophs.

Njia ambazo Prokaryotes hupata Carbon

Prokaryotes sio tu inaweza kutumia vyanzo tofauti vya nishati lakini pia vyanzo tofauti vya misombo ya kaboni. Kumbuka kwamba viumbe vinavyoweza kurekebisha kaboni isokaboni huitwa autotrophs. Prokaryotes ya autotrophic huunganisha molekuli za kikaboni kutoka kwa dioksidi kaboni. Kwa upande mwingine, prokaryotes ya heterotrophic hupata kaboni kutoka kwa misombo ya kikaboni. Ili kufanya picha kuwa ngumu zaidi, maneno ambayo yanaelezea jinsi prokaryotes kupata nishati na kaboni inaweza kuunganishwa. Hivyo, photoautotrophs hutumia nishati kutoka jua, na kaboni kutoka dioksidi kaboni na maji, ambapo chemoheterotrophs hupata nishati na kaboni kutoka chanzo cha kemikali kikaboni. Chemolitoautotrophs hupata nishati zao kutoka kwa misombo isiyo ya kawaida, na hujenga molekuli zao tata kutoka kwa dioksidi kaboni. \(\PageIndex{1}\)Jedwali linafupisha vyanzo vya kaboni na nishati katika prokaryotes.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Vyanzo vya kaboni na Nishati katika Prokaryotes

Vyanzo vya nishati			Vyanzo vya kaboni
Mwanga	Kemikali		Dioksidi kaboni	Misombo ya kikaboni
Photototrophs	Chemotrophs		Autotrophs	Heterotrophs
	Kemikali za kimwili	Kemikali isiyo na kawaida
	Chemo-organotrophs	Chemolithotrophs

Jukumu la Prokaryotes katika Mazingira

Prokaryotes ni ubiquitous: Hakuna niche au mazingira ambayo haipo. Prokaryotes hufanya majukumu mengi katika mazingira wanayofanya. Majukumu wanayocheza katika mizunguko ya kaboni na nitrojeni ni muhimu kwa maisha duniani.

Prokaryotes na Mzunguko wa Carbon

Carbon ni moja ya macronutrients muhimu zaidi, na prokaryotes hufanya jukumu muhimu katika mzunguko wa kaboni (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Carbon inazunguka kupitia mabwawa makubwa ya Dunia: ardhi, angahewa, mazingira ya majini, sediments na miamba, na majani. Mwendo wa kaboni ni kupitia dioksidi kaboni, ambayo huondolewa kutoka angahewa na mimea ya ardhi na prokaryotes ya baharini, na inarudishwa angahewa kupitia kupumua kwa viumbe chemoorganotrophic, ikiwa ni pamoja na prokaryotes, fungi, na wanyama. Ingawa hifadhi kubwa ya kaboni katika mazingira ya duniani iko katika miamba na sediments, kaboni hiyo haipatikani kwa urahisi.

Kiasi kikubwa cha kaboni inapatikana katika mimea ya ardhi. Mimea, ambayo ni wazalishaji, hutumia dioksidi kaboni kutoka hewa ili kuunganisha misombo ya kaboni. Kuhusiana na hili, chanzo kimoja muhimu sana cha misombo ya kaboni ni humus, ambayo ni mchanganyiko wa vifaa vya kikaboni kutoka kwa mimea iliyokufa na prokaryotes ambazo zimepinga kuharibika. Wateja kama vile wanyama hutumia misombo ya kikaboni yanayotokana na wazalishaji na kutolewa dioksidi kaboni kwa angahewa. Kisha, bakteria na fungi, kwa pamoja huitwa decomposers, hufanya kuvunjika (kuharibika) kwa mimea na wanyama na misombo yao ya kikaboni. Mchangiaji muhimu zaidi wa dioksidi kaboni kwa anga ni utengano wa microbial wa nyenzo zilizokufa (wanyama waliokufa, mimea, na humus) ambazo hupumua.

Katika mazingira yenye maji na sediments zao za anoxic, kuna mzunguko mwingine wa kaboni unafanyika. Katika kesi hiyo, mzunguko unategemea misombo moja ya kaboni. Katika sediments ya anoxic, prokaryotes, hasa archaea, huzalisha methane (CH ₄). Methane hii inahamia katika ukanda juu ya sediment, ambayo ni tajiri katika oksijeni na inasaidia bakteria inayoitwa vioksidishaji vya methane vinavyooksidisha methane kwa dioksidi kaboni, halafu inarudi angahewa.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Prokaryotes ina jukumu kubwa katika kuendelea kusonga kaboni kupitia biosphere. (mikopo: mabadiliko ya kazi na John M. Evans na Howard Perlman, USGS)

Prokaryotes na Mzunguko wa Nitrojeni

Nitrojeni ni elementi muhimu sana kwa maisha kwa sababu ni sehemu ya protini na asidi nucleic. Ni macronutrient, na kwa asili, ni recycled kutoka misombo ya kikaboni kwa amonia, ions amonia, nitrati, nitriti, na gesi ya nitrojeni na taratibu elfu kumi, wengi ambao hufanyika tu na prokaryotes. Kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\), prokaryotes ni muhimu kwa mzunguko wa nitrojeni. Bwawa kubwa la nitrojeni inapatikana katika mazingira ya duniani ni nitrojeni ya gesi kutoka hewa, lakini nitrojeni hii haitumiki na mimea, ambayo ni wazalishaji wa msingi. Nitrojeni ya gesi ni kubadilishwa, au “fasta” katika aina urahisi zaidi kama vile amonia kupitia mchakato wa naitrojeni fixation. Amonia inaweza kutumika na mimea au kubadilishwa kuwa aina nyingine.

Chanzo kingine cha amonia ni amonia, mchakato ambao amonia hutolewa wakati wa kuharibika kwa misombo ya kikaboni yenye nitrojeni. Amonia iliyotolewa kwa anga, hata hivyo, inawakilisha asilimia 15 tu ya nitrojeni jumla iliyotolewa; wengine ni kama N ₂ na N ₂ O. Amonia ni catabolized anaerobically na baadhi prokaryotes, kujitoa N ₂ kama bidhaa ya mwisho. Nitrification ni uongofu wa amonia kwa nitriti na nitrate. Nitrification katika udongo unafanywa na bakteria ya genera Nitrosomas, Nitrobacter, na Nitrospira. Bakteria hufanya mchakato wa reverse, kupunguza nitrati kutoka kwenye udongo hadi misombo ya gesi kama N ₂ O, NO, na N ₂, mchakato unaoitwa denitrification.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Prokaryotes ina jukumu muhimu katika mzunguko wa nitrojeni. (mikopo: Shirika la Ulinzi wa Mazingira)

Ni ipi kati ya taarifa zifuatazo kuhusu mzunguko wa nitrojeni ni uongo?

1. Bakteria ya kutengeneza nitrojeni zipo kwenye vidonda vya mizizi ya mboga na kwenye udongo.
2. Denitrifying bakteria kubadilisha nitrati (\(\ce{NO_3^-}\)) katika gesi nitrojeni (\(\ce{N_2}\)).
3. Ammonification ni mchakato ambao ion amonia (\(\ce{NH_4^+}\)) hutolewa kutokana na kuharibika misombo ya kikaboni.
4. Nitrification ni mchakato ambao nitrites (\(\ce{NO_2^-}\)) hubadilishwa kuwa ion ya amonia (\(\ce{NH_4^+}\)).

Muhtasari

Prokaryotes ni viumbe mbalimbali vya kimetaboliki; hustawi katika mazingira mengi tofauti na nishati mbalimbali za kaboni na vyanzo mbalimbali vya kaboni, joto la kutofautiana, pH, shinikizo, na upatikanaji wa maji. Virutubisho vinavyotakiwa kwa kiasi kikubwa huitwa macronutrients, wakati wale wanaohitajika kwa kiasi cha kufuatilia huitwa micronutrients au kufuatilia vipengele. Macronutrients ni pamoja na C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca, na Na. Mbali na macronutrients hizi, prokaryotes zinahitaji vipengele mbalimbali vya metali kwa ukuaji na kazi ya enzyme. Prokaryotes hutumia vyanzo mbalimbali vya nishati kukusanyika macromolecules kutoka molekuli ndogo. Phototrophs hupata nishati zao kutoka jua, wakati chemotrophs hupata nishati kutoka kwa misombo ya kemikali.

Prokaryotes hufanya majukumu katika mzunguko wa kaboni na nitrojeni. Carbon inarudi angahewa kwa kupumua kwa wanyama na viumbe vingine vya chemoorganotrophic. Wateja hutumia misombo ya kikaboni yanayotokana na wazalishaji na kutolewa dioksidi kaboni katika anga. Mchangiaji muhimu zaidi wa dioksidi kaboni kwa anga ni uharibifu wa microbial wa nyenzo zilizokufa. Nitrogen ni recycled katika asili kutoka misombo ya kikaboni kwa amonia, ions amonia, nitriti, nitriti, na gesi ya nitrojeni Nitrojeni ya gesi hubadilishwa kuwa amonia kupitia fixation ya nitrojeni. Amonia ni anaerobically catabolized na baadhi prokaryotes, kutoa N ₂ kama bidhaa ya mwisho. Nitrification ni uongofu wa amonia kuwa nitriti. Nitrification katika udongo unafanywa na bakteria. Denitrification pia hufanyika na bakteria na hubadilisha nitrate kutoka kwenye udongo ndani ya misombo ya gesi ya nitrojeni, kama vile N ₂ O, NO, na N ₂.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Ni ipi kati ya taarifa zifuatazo kuhusu mzunguko wa nitrojeni ni uongo?

1. Bakteria ya kutengeneza nitrojeni zipo kwenye vidonda vya mizizi ya mboga na kwenye udongo.
2. Denitrifying bakteria kubadilisha nitrati (NO ₃ ^-) katika gesi ya nitrojeni (N ₂).
3. Ammonification ni mchakato ambao ion ya amonia (NH ₄ ⁺) hutolewa kutokana na kuharibika misombo ya kikaboni.
4. Nitrification ni mchakato ambao nitrites (NO ₂ ^-) hubadilishwa kuwa ion ya amonia (NH ₄ ⁺).

Jibu

D

faharasa

amonia

mchakato ambao amonia ni huru wakati wa utengano wa misombo ya nitrojeni zenye kikaboni

chemotroph

viumbe vinavyopata nishati kutoka misombo ya kemikali

mucodoser

viumbe kwamba hubeba nje utengano wa viumbe wafu

kuondoa nitrification

mabadiliko ya nitrate kutoka udongo kwa misombo ya gesi nitrojeni kama vile N ₂ O, NO na N ₂

nitrification

uongofu wa amonia ndani ya nitriti na nitrate katika udongo

nitrojeni fixation

mchakato ambao nitrojeni gesi ni kubadilishwa, au “fasta” katika aina urahisi zaidi kama vile amonia