Algemene Microbiologie

Chemolithotrofie

Chemolithotrofie is de oxidatie van anorganische chemicaliën voor de opwekking van energie. Het proces kan gebruik maken van oxidatieve fosforylering, net als aërobe en anaërobe ademhaling, maar nu is de stof die wordt geoxideerd (de elektronendonor) een anorganische verbinding. De elektronen worden doorgegeven aan dragers binnen de elektronentransportketen, waarbij een proton-motorkracht wordt gegenereerd die wordt gebruikt om ATP te genereren met behulp van ATP-synthase.

Elektronendonoren

Chemolithotrofen gebruiken een verscheidenheid van anorganische verbindingen als elektronendonoren, met als meest voorkomende stoffen waterstofgas, zwavelverbindingen (zoals sulfide en zwavel), stikstofverbindingen (zoals ammonium en nitriet), en ijzerijzer.

• Waterstofoxidanten – deze organismen oxideren waterstofgas (H2) met behulp van een hydrogenase-enzym. Er bestaan zowel aërobe als anaërobe waterstofoxidanten, waarbij de aërobe organismen uiteindelijk zuurstof tot water reduceren.
• Zwaveloxidanten – als groep zijn deze organismen in staat een grote verscheidenheid aan gereduceerde en gedeeltelijk gereduceerde zwavelverbindingen te oxideren, zoals waterstofsulfide (H2S), elementaire zwavel (S0), thiosulfaat (S2O32-), en sulfiet (SO32-). Sulfaat (SO42-) is vaak een bijproduct van de oxidatie. Vaak gebeurt de oxidatie stapsgewijs met behulp van het enzym sulfietoxidase.
• Stikstofoxidanten – de oxidatie van ammoniak (NH3) wordt uitgevoerd als een tweestapsproces door nitrificerende microben, waarbij één groep ammoniak oxideert tot nitriet (NO2-) en de tweede groep het nitriet oxideert tot nitraat (NO3-). Het hele proces staat bekend als nitrificatie en wordt uitgevoerd door kleine groepen aërobe bacteriën en archaea, die vaak samenleven in de bodem of in watersystemen.
• IJzeroxidanten – deze organismen oxideren ijzerhoudend ijzer (Fe2+) tot ferri-ijzer (Fe3+). Aangezien Fe2+ zo’n positief standaardreductiepotentiaal heeft, is de bio-energetica niet bijzonder gunstig, zelfs niet bij gebruik van zuurstof als uiteindelijke elektronenacceptor. De situatie wordt voor deze organismen bemoeilijkt door het feit dat Fe2+ spontaan oxideert tot Fe3+ in aanwezigheid van zuurstof; de organismen moeten het voor hun eigen doeleinden gebruiken voordat dat gebeurt.

Elektronenacceptoren

Chemolithotrofie kan aëroob of anaëroob plaatsvinden. Net als bij beide vormen van ademhaling is de beste elektronenacceptor zuurstof, om de grootste afstand tussen de elektronendonor en de elektronenacceptor te creëren. Door het gebruik van een niet-zuurstof-acceptor kunnen chemolithotrofen een grotere diversiteit vertonen en in een breder scala van omgevingen leven, hoewel zij energieproductie opofferen.

Hoeveelheid gegenereerd ATP

Net zoals zowel de elektronendonoren als -acceptoren sterk kunnen variëren voor deze groep organismen, zal de hoeveelheid gegenereerd ATP voor hun inspanningen ook sterk variëren. Zij zullen niet zoveel ATP maken als een organisme dat aërobe ademhaling toepast, aangezien de grootste ΔE0′ wordt gevonden met glucose als elektrondonor en zuurstof als elektronenacceptor. Maar hoeveel minder dan 32 moleculen ATP hangt sterk af van de feitelijke donor en acceptor die worden gebruikt. Hoe kleiner de afstand tussen de twee, hoe minder ATP er zal worden gevormd.

Chemolithoautotrofen vs chemolithoheterotrofen

De meeste chemolithotrofen zijn autotrofen (chemolithoautotrofen), waarbij ze atmosferisch kooldioxide fixeren om de organische verbindingen samen te stellen die ze nodig hebben. Deze organismen hebben zowel ATP als reductiekracht (d.w.z. NADH/NADPH) nodig om de geoxideerde molecule CO2 uiteindelijk om te zetten in een sterk gereduceerde organische verbinding, zoals glucose. Als een chemolithoautotroof een elektronendonor gebruikt met een hoger redoxpotentiaal dan NAD+/NADP, moet hij een omgekeerde elektronenstroom gebruiken om elektronen terug te stuwen in de elektronentoren. Dit is energetisch ongunstig voor de cel, omdat energie wordt verbruikt van de proton-motorkracht om elektronen in omgekeerde richting door de ETC terug te stuwen.

Sommige microben zijn chemolithoheterotrofen, die een anorganische chemische stof gebruiken voor hun energie- en elektronenbehoeften, maar voor hun koolstofbehoeften afhankelijk zijn van organische chemische stoffen in de omgeving. Deze organismen worden ook wel mixotrofen genoemd, omdat zij zowel anorganische als organische chemische verbindingen nodig hebben voor hun groei en voortplanting.

Stikstofmetabolisme

De stikstofcyclus geeft de verschillende manieren weer waarop stikstof, een essentieel element voor het leven, door organismen voor verschillende doeleinden wordt gebruikt en omgezet. Een groot deel van de chemische omzettingen wordt uitgevoerd door microben als onderdeel van hun metabolisme, waarbij ze andere organismen een waardevolle dienst bewijzen door hen te voorzien van een alternatieve chemische vorm van het element.

Stikstoffixatie

Stikstoffixatie beschrijft de omzetting van het relatief inerte dinitrogeengas (N2) in ammoniak (NH3), een veel bruikbaardere vorm van stikstof voor de meeste levensvormen. Het proces wordt uitgevoerd door diazotrofen, een beperkt aantal bacteriën en archaea die door hun capaciteiten kunnen groeien zonder een externe bron van gefixeerde stikstof. Stikstoffixatie is een essentieel proces voor de organismen op aarde, aangezien stikstof een noodzakelijk bestanddeel is van diverse organische moleculen, zoals aminozuren en nucleotiden. Planten, dieren en andere organismen zijn afhankelijk van bacteriën en archaea om stikstof in een vaste vorm te leveren, aangezien er geen eukaryoot bekend is die stikstof kan vastleggen.

Stikstoffixatie is een extreem energie- en elektronenintensief proces, om de drievoudige binding in N2 te verbreken en deze te reduceren tot NH3. Er is een bepaald enzym voor nodig, nitrogenase, dat door O2 wordt geïnactiveerd. Stikstoffixatie moet dus plaatsvinden in een anaërobe omgeving. Aërobe stikstoffixerende organismen moeten speciale omstandigheden of regelingen bedenken om hun enzym te beschermen. Stikstoffixerende organismen kunnen onafhankelijk bestaan of paren met een gastheerplant:

1. Symbiotische stikstoffixerende organismen: deze bacteriën paren met een plant om deze een omgeving te bieden die geschikt is voor de werking van hun nitrogenase-enzym. De bacteriën leven in het weefsel van de plant, vaak in wortelknolletjes, fixeren stikstof en delen de resultaten. De plant levert zowel de locatie om stikstof vast te leggen als extra voedingsstoffen om het energiebelastende proces van stikstofbinding te ondersteunen. Er is aangetoond dat de bacterie en de gastheer chemische herkenningssignalen uitwisselen die de relatie vergemakkelijken. Een van de bekendste bacteriën in deze categorie is Rhizobium, die een partnerschap aangaat met planten van de peulvruchtenfamilie (klaver, sojabonen, luzerne, enz.).
2. Vrijlevende stikstoffixerende organismen: deze organismen, zowel bacteriën als archaea, fixeren stikstof voor eigen gebruik, dat uiteindelijk wordt gedeeld wanneer het organisme sterft of wordt opgegeten. Vrijlevende stikstoffixerende organismen die anaeroob groeien, hoeven zich geen zorgen te maken over speciale aanpassingen voor hun nitrogenase-enzym. Aërobe organismen moeten zich wel aanpassen. Cyanobacteriën, een meercellige bacterie, maken gespecialiseerde cellen, heterocysten genaamd, waarin stikstoffixatie plaatsvindt. Aangezien cyanobacteriën zuurstof produceren als onderdeel van hun fotosynthese, ontstaat er binnen de heterocyst een zuurstofarme versie, waardoor de nitrogenase actief kan blijven. De heterocysten delen de gefixeerde stikstof met de omringende cellen, terwijl de omringende cellen extra voedingsstoffen leveren aan de heterocysten.

Assimilatie

Assimilatie is een reductief proces waarbij een anorganische vorm van stikstof wordt gereduceerd tot organische stikstofverbindingen zoals aminozuren en nucleotiden, waardoor cellulaire groei en reproductie mogelijk worden. Alleen de hoeveelheid die de cel nodig heeft, wordt gereduceerd. Ammoniakassimilatie treedt op wanneer het ammoniak (NH3)/ammoniumion (NH4+) dat tijdens de stikstoffixatie wordt gevormd, wordt opgenomen in het stikstofgehalte van de cel. Assimilatieve nitraatreductie is een reductie van nitraat tot cellulaire stikstof, in een meerstapsproces waarbij nitraat wordt gereduceerd tot nitriet, vervolgens tot ammoniak en tenslotte tot organische stikstof.

Nitrificatie

Zoals hierboven vermeld, wordt nitrificatie uitgevoerd door chemolithotrofen die een gereduceerde of gedeeltelijk gereduceerde vorm van stikstof als elektrondonor gebruiken om energie te verkrijgen. ATP wordt verkregen door het proces van oxidatieve fosforylering, waarbij gebruik wordt gemaakt van een ETC, PMF, en ATP synthase.

Denitrificatie

Denitrificatie verwijst naar de reductie van NO3- tot gasvormige stikstofverbindingen, zoals N2. Denitrificerende microben voeren een anaërobe ademhaling uit, waarbij NO3- wordt gebruikt als een alternatieve uiteindelijke elektronenacceptor voor O2. Dit is een vorm van dissimilatoire nitraatreductie waarbij het nitraat wordt gereduceerd met het oog op energiebehoud en niet met het doel organische verbindingen te maken. Dit levert grote hoeveelheden overtollige bijproducten op, wat resulteert in het verlies van stikstof uit het plaatselijke milieu naar de atmosfeer.

Anammox

Anammox of anaërobe ammoniakoxidatie wordt uitgevoerd door, vrij recent ontdekte, mariene bacteriën die stikstofverbindingen gebruiken als zowel elektronenacceptor als elektronendonor. Ammoniak wordt anaëroob geoxideerd als de elektronendonor, terwijl nitriet wordt gebruikt als de elektronacceptor, waarbij dinitrogeen gas ontstaat als bijproduct. De reacties vinden plaats in het anammoxosoom, een gespecialiseerde cytoplasmatische structuur die 50-70% van het totale celvolume uitmaakt. Net als denitrificatie verwijdert de anammox-reactie vaste stikstof uit een lokaal milieu, waarbij het vrijkomt in de atmosfeer.