Como procariontes obtêm energia e nutrientes. Quimiotróficos e fototróficos. Heterotróficos e autotróficos.

Pontos Principais:

  • Alguns procariontes são fototróficos e obtêm energia do sol. Outros são quimiotróficos e obtêm energia dos compostos químicos.
  • Alguns procariontes são autotróficos e fixam o carbono a partir do CO2\text {CO}_2. Outros são heterotróficos e obtêm carbono a partir de compostos orgânicos de outros organismos.
  • Procariontes podem realizar metabolismo aeróbio (requer oxigênio) ou anaeróbio (não requer oxigênio), e alguns podem alternar entre esses processos.
  • Alguns procariontes possuem enzimas e vias especiais que permitem que eles metabolizem compostos contendo nitrogênio ou enxofre.
  • Os procariontes desempenham papéis-chave na ciclagem de nutrientes através dos ecossistemas.

Introdução

No nosso esquema de alimentação, possuímos uma variedade consideravelmente limitada de maneiras para se alimentar. Temos apenas que escolher entre comer legumes ou tomar sorvete (podemos também comer ambos em quantidades saudáveis!). Portanto, é muito improvável que precisemos da fotossíntese para se alimentar. Também é improvável que tomemos no café da manhã sulfeto de hidrogênio, composto responsável pelo "cheiro de ovo podre".
Os procariontes (bactérias e arqueias) possuem estratégias nutricionais muito mais diversas que os humanos - isto é, diversas maneiras de obtenção de carbono fixo (moléculas de combustível) e energia. Algumas espécies consomem material orgânico como plantas e animais mortos. Outros vivem às custas de compostos inorgânicos das rochas. Uma bactéria, a Thiobacillus concretivorans, consome ácido sulfúrico capaz de derreter metal!1^1
Neste artigo, conheceremos mais de perto algumas maneiras pelas quais os procariontes obtêm e metabolizam os alimentos, e como eles podem influenciar a ciclagem de nutrientes.

Modos de nutrição

Todas as formas de vida da terra necessitam de energia e carbono fixado (carbono incorporado em moléculas orgânicas) para sintetizar as macromoléculas que compõem suas células. Isso se aplica aos humanos, plantas, fungos, e também às bactérias. Os organismos vivos podem ser categorizados pelas formas de obtenção de energia e carbono.
Primeiro vamos categorizar os organismos pelo modo de obtenção do carbono fixado:
  • Organismos que fixam carbono a partir do dióxido de carbono (CO2 \text{CO}_2) ou outro composto inorgânico são chamados de autotróficos.
  • Organismos que obtêm carbono fixado a partir de compostos orgânicos sintetizados por outros organismos (alimentando-se deles ou de seus produtos) são chamados de heterotróficos.
Agora vamos categorizar organismos pelo modo de obtenção de energia:
  • Organismos que usam a luz (principalmente do sol) como fonte de energia são chamados de fototróficos.
  • Organismos que utilizam compostos químicos como fonte de energia são chamados de quimiotróficos.
Podemos dividir os procariontes (e outros organismos) em quatro categorias baseadas em suas fontes de energia e carbono:
Modo de nutriçãoFonte de energiaFonte de carbono
FotoautotróficoLuzDióxido de carbono (ou compostos semelhantes)
FotoheterotróficoLuzCompostos orgânicos
QuimioautotróficoCompostos químicos (normalmente inorgânicos)Dióxido de carbono (ou compostos semelhantes)
QuimioheterotróficoCompostos químicos (normalmente orgânicos)Componentes orgânicos
Somos mais familiarizados com os seres fotoautotróficos, como as plantas, e quimiotróficos, como os seres humanos e outros animais. Os procariontes se enquadram nestas duas categorias, mas também nas duas categorias menos familiares (fotoheterótroficas e quimioautotróficas), às quais não pertencem a plantas e animais.2,3^{2,3}

Respiração aeróbia e anaeróbia

Outro aspecto metabólico em que os procariontes diferem dos humanos (além de serem muito mais diversificados que a gente) é a necessidade de oxigênio. O oxigênio é necessário para alguns, é tóxico para outros e ainda, facultativo para outros mais, dependendo da sua disponibilidade.
  • Os procariontes que necessitam de O2\text{O}_2 para metabolizar são chamados de aeróbios obrigatórios. Os seres humanos também são aeróbios obrigatórios (quem já trancou a respiração por muito tempo sabe disso).
  • Os procariontes que não toleram O2\text O_2 e só realizam metabolismo anaeróbio são chamados de anaeróbios obrigatórios. A C. botulinum, bactéria que causa o botulismo (um tipo de intoxicação alimentar) quando cresce em comida enlatada, é um anaeróbio obrigatório – e por isso ela se multiplica tão bem dentro de latas seladas.4^4
  • Os anaeróbio facultativos usam o metabolismo aeróbico quando o O2\text O_2 está presente, mas mudam para o metabolismo anaeróbico se ele está ausente. As bactérias que causam infecções estafilo e strepto são exemplos de anaeróbios facultativos.5^5

Metabolismo do enxofre e nitrogênio

Algumas espécies de bactérias e archaea possuem vias metabólicas que permitem que elas metabolizem nitrogênio e enxofre de maneiras incapazes aos eucariontes. Em alguns casos, elas usam moléculas que contêm nitrogênio ou enxofre para obter energia, mas em outros casos, elas gastam energia para converter essas moléculas em outras.

Metabolismo do enxofre

Alguns exemplos fascinantes de procariontes que metabolizam enxofre são encontrados em ecossistemas das profundezas do mar. Por exemplo, certas espécies de procariontes conseguem oxidar o sulfeto de hidrogênio (H2S\text H_2 \text S) de tubulações hidrotermais quentes. Elas usam a energia liberada nesse processo para fixar o carbono inorgânico da água em açúcares e outras moléculas orgânicas em um processo chamado quimiossíntese.6^6
Procariontes que metabolizam enxofre formam a base das cadeias alimentares dos habitats das profundezas do mar (onde nem o mais fino raio de luz consegue chegar para propiciar a fotossíntese). Os metabolizadores de enxofre mantêm comunidades inteiras de organismos, incluindo vermes, caranguejos e camarões, a milhares de metros abaixo da superfície do oceano.7^7

Metabolismo de nitrogênio

Procariontes que metabolizam nitrogênio incluem os fixadores de nitrogênio, nitrificantes, e denitrificantes. Eles têm papeis-chave no ciclo do nitrogênio, convertendo compostos nitrogenados de uma forma química para outra.
Procariontes fixadores de nitrogênio convertem (“fixam”) nitrogênio atmosférico (N2\text N_2) em amônia (NH3\text {NH}_3), a qual pode ser incorporada em moléculas orgânicas por plantas e outros organismos. Algumas espécies de plantas da família dos legumes, tais como as ervilhas, formam relações mutuamente benéficas (mutualismos) com bactérias fixadoras de nitrogênio. As plantas albergam e alimentam as bactérias em estruturas chamadas nódulos radiculares, e as bactérias promovem a fixação de nitrogênio nas raízes. Bactérias fixadoras de nitrogênio são ecologicamente importantes pois elas introduzem a maior parte do nitrogênio fixado nas cadeias alimentares.
Outros procariontes no solo, chamados bactérias nitrificantes, convertem a amônia em outros tipos de compostos (nitratos e nitritos), que podem também ser absorvidos pelas plantas. Procariontes desnitrificantes fazem mais ou menos o reverso, convertendo nitratos em gás N2\text N_2.

Ciclos biogeoquímicos

A constante reciclagem dos elementos químicos é vital para o funcionamento dos ecossistemas. Nos ciclos biogeoquímicos da Terra, elementos químicos são convertidos em várias formas diferentes em um ciclo repetitivo.
Em virtude de seus diversos metabolismos, procariontes desempenham papeis importantes em muitos ciclos globais. Aqui, examinaremos mais atentamente às suas funções em dois destes: os ciclos do nitrogênio e do carbono.

Ciclo do nitrogênio

Como vimos na última seção, procariontes fixadores de nitrogênio convertem ("fixam") nitrogênio atmosférico ( N_2) em amônia (NH3\text{NH}_3). Plantas e outros organismos podem usar a amônia para construir moléculas como aminoácidos e nucleotídeos.
Outros procariontes no solo, as bactérias nitrificantes, convertem a amônia em outros tipos de compostos (nitratos e nitritos), que podem também ser absorvidos pelas plantas. Os procariontes desnitrificantes, que convertem nitratos em N2\text N_2, deslocam os átomos de nitrogênio do solo de volta para a atmosfera.
A imagem abaixo mostra uma versão simplificada do ciclo do nitrogênio, enfatizando o papel dos procariontes.

Ciclo do carbono

Procariontes também são importantes no ciclo do carbono. Procariontes fotossintéticos , tais como cianobactérias, usam a energia da luz para remover CO2\text{CO}_2 da atmosfera e fixá-lo em moléculas orgânicas. Esse é o mesmo processo básico realizado pelas plantas fotossintéticas.
Decompositores procariontes, por outro lado, deslocam o carbono na direção oposta. Quando eles degradam matéria orgânica morta (de plantas e animais anteriormente vivos), eles retornam CO2\text{CO}_2 para a atmosfera via respiração celular. A decomposição também libera uma variedade de outros elementos e moléculas inorgânicas para reuso.
A imagem abaixo mostra uma versão simplificada do ciclo do carbono, enfatizando o papel dos procariontes.

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