Information

6.9: Einführung in den prokaryotischen Stoffwechsel - Biologie

6.9: Einführung in den prokaryotischen Stoffwechsel - Biologie



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Was Sie lernen werden: Identifizieren Sie den Stoffwechselbedarf von Prokaryoten

Prokaryonten sind metabolisch vielfältige Organismen. Die sehr breite Palette von Umgebungen, die Prokaryonten besetzen, ist möglich, weil sie verschiedene Stoffwechselprozesse haben.


6.4 Prokaryontische Zellteilung

Prokaryonten wie Bakterien vermehren sich durch binäre Spaltung. Für einzellige Organismen ist die Zellteilung die einzige Methode, um neue Individuen hervorzubringen. Sowohl in prokaryontischen als auch in eukaryontischen Zellen ist das Ergebnis der Zellreproduktion ein Paar von Tochterzellen, die genetisch mit der Elternzelle identisch sind. Bei einzelligen Organismen sind Tochterzellen Individuen.

Um das Ergebnis identischer Tochterzellen zu erzielen, sind einige Schritte unerlässlich. Die genomische DNA muss repliziert und dann in die Tochterzellen aufgeteilt werden, der zytoplasmatische Inhalt muss ebenfalls aufgeteilt werden, um beiden neuen Zellen die Maschinerie zu geben, um das Leben zu erhalten. In Bakterienzellen besteht das Genom aus einem einzigen, zirkulären DNA-Chromosom, daher wird der Prozess der Zellteilung vereinfacht. Eine Mitose ist unnötig, da kein Zellkern oder mehrere Chromosomen vorhanden sind. Diese Art der Zellteilung wird als binäre Spaltung bezeichnet.

Zellteilung

Der Zellteilungsprozess von Prokaryoten, auch binäre Spaltung genannt, ist ein weniger komplizierter und viel schnellerer Prozess als die Zellteilung bei Eukaryoten. Aufgrund der Geschwindigkeit der bakteriellen Zellteilung können Bakterienpopulationen sehr schnell wachsen. Das einzelne, zirkuläre DNA-Chromosom von Bakterien ist nicht in einem Zellkern eingeschlossen, sondern nimmt einen bestimmten Ort, das Nukleoid, innerhalb der Zelle ein. Wie bei Eukaryoten ist die DNA des Nukleoids mit Proteinen verbunden, die dabei helfen, das Molekül in eine kompakte Größe zu packen. Die Verpackungsproteine ​​von Bakterien sind jedoch mit einigen der Proteine ​​verwandt, die an der Chromosomenverdichtung von Eukaryoten beteiligt sind.

Der Startpunkt der Replikation, der Ursprung , liegt nahe der Bindungsstelle des Chromosoms an die Plasmamembran (Abbildung 6.9). Die Replikation der DNA ist bidirektional – sie bewegt sich auf beiden Strängen der DNA-Schleife gleichzeitig vom Ursprung weg. Wenn die neuen Doppelstränge gebildet werden, bewegt sich jeder Ursprungspunkt von der Zellwandanhaftung weg zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle. Wenn sich die Zelle verlängert, hilft die wachsende Membran beim Transport der Chromosomen. Nachdem die Chromosomen den Mittelpunkt der verlängerten Zelle geklärt haben, beginnt die zytoplasmatische Trennung. Zwischen den Nukleoiden bildet sich von der Peripherie zum Zellzentrum hin ein Septum. Wenn die neuen Zellwände vorhanden sind, trennen sich die Tochterzellen.

Evolution-Verbindung

Mitotischer Spindelapparat

Das genaue Timing und die Bildung der mitotischen Spindel sind entscheidend für den Erfolg der eukaryotischen Zellteilung. Prokaryontische Zellen hingegen durchlaufen keine Mitose und benötigen daher keine Mitosespindel. Das FtsZ-Protein, das eine so wichtige Rolle bei der prokaryotischen Zytokinese spielt, ist jedoch strukturell und funktionell Tubulin sehr ähnlich, dem Baustein der Mikrotubuli, aus denen die für Eukaryoten notwendigen mitotischen Spindelfasern bestehen. Die Bildung eines Rings aus sich wiederholenden Einheiten eines Proteins namens FtsZ steuert die Verteilung zwischen den Nukleoiden in Prokaryonten. Die Bildung des FtsZ-Rings löst die Ansammlung anderer Proteine ​​aus, die zusammenarbeiten, um neue Membran- und Zellwandmaterialien an die Stelle zu rekrutieren. FtsZ-Proteine ​​können Filamente, Ringe und andere dreidimensionale Strukturen bilden, die der Art und Weise ähneln, wie Tubulin Mikrotubuli, Zentriolen und verschiedene Zytoskelettkomponenten bildet. Darüber hinaus verwenden sowohl FtsZ als auch Tubulin dieselbe Energiequelle, GTP (Guanosintriphosphat), um komplexe Strukturen schnell aufzubauen und zu zerlegen.

FtsZ und Tubulin sind ein Beispiel für Homologie, Strukturen, die aus den gleichen evolutionären Ursprüngen stammen. In diesem Beispiel wird angenommen, dass FtsZ dem Vorfahrenprotein sowohl des modernen FtsZ als auch des Tubulins ähnlich ist. Während beide Proteine ​​in existierenden Organismen gefunden werden, hat sich die Tubulinfunktion seit der Evolution von seinem FtsZ-ähnlichen prokaryotischen Ursprung enorm weiterentwickelt und diversifiziert. Ein Überblick über die Zellteilungsmaschinerie in heutigen einzelligen Eukaryoten zeigt entscheidende Zwischenschritte zur komplexen mitotischen Maschinerie mehrzelliger Eukaryoten (Tabelle 6.1).


22.3 Prokaryotischer Stoffwechsel

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Was sind Beispiele für den Makronährstoffbedarf von Prokaryoten und welche Bedeutung haben sie?
  • Wie gewinnen Prokaryonten freie Energie und Kohlenstoff für Lebensprozesse?
  • Welche Rolle spielen Prokaryonten im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf?

Anschluss für AP ® Kurse

Da Prokaryonten metabolisch vielfältige Organismen sind, können sie in vielen verschiedenen Umgebungen mit einer breiten Palette von Energie- und Kohlenstoffquellen gedeihen. Einige sind Zersetzer, die für den Nährstoffkreislauf in Ökosystemen unerlässlich sind, zum Beispiel Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe. (Später werden wir die Rolle dieser Kreisläufe in Ökosystemen genauer untersuchen.) Viele Bakterien gehen symbiotische Beziehungen mit anderen Organismen ein, zum Beispiel leben stickstofffixierende Bakterien auf den Wurzeln von Hülsenfrüchten. Andere Bakterien sind Krankheitserreger oder Parasiten.

Wie alle Zellen benötigen Prokaryonten Makronährstoffe (einschließlich Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel) und Mikronährstoffe, wie zum Beispiel metallische Elemente für das Wachstum und die Enzymfunktion.

Lehrerunterstützung

Drei Mechanismen – schnelle Reproduktion, genetische Rekombination und Mutation – führen zu der umfangreichen genetischen Variation, die in prokaryotischen Populationen gefunden wird. Diese genetische Vielfalt spiegelt sich in den weitreichenden Ernährungs- und Stoffwechselanpassungen von Prokaryonten wider. Wie für alle Organismen können Prokaryonten nach ihren Nährstoff- und Stoffwechselbedürfnissen organisiert werden oder wie sie die Energie und den Kohlenstoff erhalten, die für die Herstellung der organischen Moleküle erforderlich sind, die die Bausteine ​​der Zellen sind. Die Ernährungsvielfalt von Prokaryoten ist größer als die von Eukaryoten. Während alle bei Eukaryoten beobachteten Ernährungsmodi auch bei Prokaryoten beobachtet werden, gibt es einige Ernährungsmodi, die für prokaryotische Populationen einzigartig sind. Diese Modi umfassen Chemoautotrophie und Photoheterotropie.

Die präsentierten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen Konzepte, die in Big Idea 2 des AP ® Biology Curriculum Framework skizziert sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten AP ® -Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® -Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Unterrichtsaktivitäten und AP ® -Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben wissenschaftlichen Praktiken.

Große Idee 2 Biologische Systeme nutzen freie Energie und molekulare Bausteine, um zu wachsen, sich zu reproduzieren und eine dynamische Homöostase aufrechtzuerhalten.
Beständiges Verständnis 2.A Wachstum, Reproduktion und Erhaltung lebender Systeme erfordern freie Energie und Materie.
Grundlegendes Wissen 2.A.2 Prokaryonten haben mehrere Strategien zur Energiegewinnung entwickelt, und die Photosynthese entwickelte sich zuerst in Prokaryonten und war für die Produktion einer sauerstoffreichen Atmosphäre verantwortlich.
Wissenschaftliche Praxis 1.4 Die Studierenden können anhand von Darstellungen und Modellen Situationen analysieren oder Probleme qualitativ und quantitativ lösen.
Wissenschaftliche Praxis 3.1 Der Student kann wissenschaftliche Fragen stellen.
Lernziel 2.4 Der Student ist in der Lage, anhand von Darstellungen wissenschaftliche Fragen zu stellen, welche Mechanismen und Strukturmerkmale es Organismen ermöglichen, freie Energie einzufangen, zu speichern und zu nutzen.
Beständiges Verständnis 2.A Wachstum, Reproduktion und Erhaltung lebender Systeme erfordern freie Energie und Materie.
Grundlegendes Wissen 2.A.2 Prokaryonten haben mehrere Strategien zur Energiegewinnung entwickelt, und die Photosynthese entwickelte sich zuerst in Prokaryonten und war für die Produktion einer sauerstoffreichen Atmosphäre verantwortlich.
Wissenschaftliche Praxis 6.2 Der Student kann Erklärungen von Phänomenen aufbauen, die auf Beweisen basieren, die durch wissenschaftliche Praktiken gewonnen wurden.
Lernziel 2.5 Der Student ist in der Lage, Erklärungen zu den Mechanismen und strukturellen Merkmalen von Zellen zu erstellen, die es Organismen ermöglichen, freie Energie einzufangen, zu speichern oder zu nutzen.

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 4.7][APLO 4.10][APLO 4.23][APLO 2.28]

Bedürfnisse von Prokaryoten

Die vielfältigen Umgebungen und Ökosysteme auf der Erde haben ein breites Spektrum an Bedingungen in Bezug auf Temperatur, verfügbare Nährstoffe, Säure, Salzgehalt und Energiequellen. Prokaryoten sind sehr gut gerüstet, um von einer Vielzahl von Nährstoffen und Bedingungen zu leben. Zum Leben brauchen Prokaryonten eine Energiequelle, eine Kohlenstoffquelle und einige zusätzliche Nährstoffe.

Makronährstoffe

Zellen sind im Wesentlichen eine gut organisierte Ansammlung von Makromolekülen und Wasser. Denken Sie daran, dass Makromoleküle durch die Polymerisation kleinerer Einheiten, die als Monomere bezeichnet werden, hergestellt werden. Damit Zellen alle Moleküle aufbauen können, die zum Erhalt des Lebens erforderlich sind, benötigen sie bestimmte Substanzen, die zusammenfassend als . bezeichnet werden Nährstoffe. Wenn Prokaryonten in der Natur wachsen, beziehen sie ihre Nährstoffe aus der Umwelt. Nährstoffe, die in großen Mengen benötigt werden, werden Makronährstoffe genannt, während Nährstoffe, die in geringeren Mengen oder Spuren benötigt werden, als Mikronährstoffe bezeichnet werden. Nur eine Handvoll Elemente gelten als Makronährstoffe – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. (Eine Gedächtnisstütze zum Erinnern an diese Elemente ist das Akronym CHONPS.)

Warum werden diese Makronährstoffe in großen Mengen benötigt? Sie sind die Bestandteile organischer Verbindungen in Zellen, einschließlich Wasser. Kohlenstoff ist das Hauptelement in allen Makromolekülen: Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren, Lipide und viele andere Verbindungen. Kohlenstoff macht etwa 50 Prozent der Zusammensetzung der Zelle aus. Stickstoff macht 12 Prozent des Gesamttrockengewichts einer typischen Zelle aus und ist ein Bestandteil von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen Zellbestandteilen. Der meiste in der Natur verfügbare Stickstoff ist entweder atmosphärischer Stickstoff (N2) oder eine andere anorganische Form. Zweiatomig (N2) kann Stickstoff jedoch nur von bestimmten Organismen, sogenannten stickstofffixierenden Organismen, in eine organische Form umgewandelt werden. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff sind Bestandteil vieler organischer Verbindungen und des Wassers. Phosphor wird von allen Organismen für die Synthese von Nukleotiden und Phospholipiden benötigt. Schwefel ist Teil der Struktur einiger Aminosäuren wie Cystein und Methionin und kommt auch in mehreren Vitaminen und Coenzymen vor. Andere wichtige Makronährstoffe sind Kalium (K), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) und Natrium (Na). Obwohl diese Elemente in geringeren Mengen benötigt werden, sind sie für den Aufbau und die Funktion der prokaryontischen Zelle sehr wichtig.

Mikronährstoffe

Neben diesen Makronährstoffen benötigen Prokaryonten verschiedene metallische Elemente in geringen Mengen. Diese werden als Mikronährstoffe oder Spurenelemente bezeichnet. Eisen ist beispielsweise für die Funktion der Cytochrome notwendig, die an Elektronentransportreaktionen beteiligt sind. Einige Prokaryonten benötigen andere Elemente – wie Bor (B), Chrom (Cr) und Mangan (Mn) – hauptsächlich als Enzym-Cofaktoren.

Wie Prokaryoten Energie gewinnen

Prokaryoten können verschiedene Energiequellen nutzen, um Makromoleküle aus kleineren Molekülen zusammenzusetzen. Phototrophen (oder phototrophe Organismen) beziehen ihre Energie aus Sonnenlicht. Chemotrophien (oder chemosynthetische Organismen) beziehen ihre Energie aus chemischen Verbindungen. Chemotrophe, die organische Verbindungen als Energiequellen nutzen können, werden Chemoorganotrophe genannt. Diejenigen, die auch anorganische Verbindungen als Energiequellen verwenden können, werden als Chemolithotrophe bezeichnet.

Wie Prokaryoten Kohlenstoff gewinnen

Prokaryonten können nicht nur verschiedene Energiequellen nutzen, sondern auch verschiedene Quellen von Kohlenstoffverbindungen. Denken Sie daran, dass Organismen, die anorganischen Kohlenstoff binden können, als Autotrophe bezeichnet werden. Autotrophe Prokaryonten synthetisieren organische Moleküle aus Kohlendioxid. Im Gegensatz dazu gewinnen heterotrophe Prokaryonten Kohlenstoff aus organischen Verbindungen. Um das Bild komplexer zu machen, können die Begriffe, die beschreiben, wie Prokaryonten Energie und Kohlenstoff gewinnen, kombiniert werden. So verwenden Photoautotrophe Energie aus Sonnenlicht und Kohlenstoff aus Kohlendioxid und Wasser, während Chemoheterotrophe Energie und Kohlenstoff aus einer organisch-chemischen Quelle beziehen. Chemolitoautotrophe beziehen ihre Energie aus anorganischen Verbindungen und bauen ihre komplexen Moleküle aus Kohlendioxid auf. Die folgende Tabelle (Tabelle 22.3) fasst Kohlenstoff- und Energiequellen in Prokaryonten zusammen.

Energiequellen Kohlenstoffquellen
Hell Chemikalien Kohlendioxid Organische Verbindungen
Phototrophen Chemotrophien Autotrophe Heterotrophe
Organische Chemikalien Anorganische Chemikalien
Chemo-Organotrophe Chemolithotrophen

Rolle von Prokaryoten in Ökosystemen

Prokaryoten sind allgegenwärtig: Es gibt keine Nische oder kein Ökosystem, in dem sie nicht vorkommen. Prokaryoten spielen viele Rollen in der Umgebung, die sie besetzen. Ihre Rolle im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung.

Prokaryonten und der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff ist einer der wichtigsten Makronährstoffe und Prokaryonten spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf (Abbildung 22.18). Kohlenstoff wird durch die wichtigsten Reservoirs der Erde zirkuliert: Land, Atmosphäre, Gewässer, Sedimente und Gesteine ​​sowie Biomasse. Die Bewegung von Kohlenstoff erfolgt über Kohlendioxid, das von Landpflanzen und marinen Prokaryoten aus der Atmosphäre entfernt wird und über die Atmung chemoorganotropher Organismen, einschließlich Prokaryoten, Pilzen und Tieren, in die Atmosphäre zurückgeführt wird. Obwohl sich der größte Kohlenstoffspeicher in terrestrischen Ökosystemen in Gesteinen und Sedimenten befindet, ist dieser Kohlenstoff nicht ohne weiteres verfügbar.

In Landpflanzen findet sich eine große Menge an verfügbarem Kohlenstoff. Pflanzen, die Produzenten sind, verwenden Kohlendioxid aus der Luft, um Kohlenstoffverbindungen zu synthetisieren. In diesem Zusammenhang ist Humus eine sehr bedeutende Quelle für Kohlenstoffverbindungen, eine Mischung aus organischen Materialien aus abgestorbenen Pflanzen und Prokaryonten, die der Zersetzung widerstanden haben. Verbraucher wie Tiere verwenden organische Verbindungen, die von den Erzeugern erzeugt werden, und geben Kohlendioxid an die Atmosphäre ab. Dann Bakterien und Pilze, zusammenfassend genannt Zersetzer, den Abbau (Zersetzung) von Pflanzen und Tieren und deren organischen Verbindungen durchführen. Der wichtigste Beitrag von Kohlendioxid in die Atmosphäre ist die mikrobielle Zersetzung von totem Material (tote Tiere, Pflanzen und Humus), das der Atmung unterliegt.

In wässrigen Umgebungen und ihren anoxischen Sedimenten findet ein weiterer Kohlenstoffkreislauf statt. In diesem Fall basiert der Kreislauf auf Ein-Kohlenstoff-Verbindungen. In anoxischen Sedimenten produzieren Prokaryoten, meist Archaeen, Methan (CH4). Dieses Methan bewegt sich in die sauerstoffreichere Zone über dem Sediment und unterstützt Bakterien, sogenannte Methanoxidierer, die Methan zu Kohlendioxid oxidieren, das dann in die Atmosphäre zurückkehrt.

Prokaryonten und der Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist ein sehr wichtiges Element für das Leben, da er Bestandteil von Proteinen und Nukleinsäuren ist. Es ist ein Makronährstoff und wird in der Natur durch unzählige Prozesse, von denen viele nur von Prokaryonten durchgeführt werden, aus organischen Verbindungen zu Ammoniak, Ammoniumionen, Nitrat, Nitrit und Stickstoffgas recycelt. Wie in Abbildung 22.19 dargestellt, sind Prokaryonten der Schlüssel zum Stickstoffkreislauf. Der größte verfügbare Stickstoffvorrat im terrestrischen Ökosystem ist gasförmiger Stickstoff aus der Luft, aber dieser Stickstoff ist für Pflanzen, die Primärproduzenten sind, nicht nutzbar. Gasförmiger Stickstoff wird durch den Prozess von . in leichter verfügbare Formen wie Ammoniak umgewandelt oder „fixiert“. Stickstoff-Fixierung. Ammoniak kann von Pflanzen verwendet oder in andere Formen umgewandelt werden.

Eine weitere Ammoniakquelle ist Ammonifikation, der Prozess, bei dem Ammoniak bei der Zersetzung stickstoffhaltiger organischer Verbindungen freigesetzt wird. In die Atmosphäre freigesetztes Ammoniak macht jedoch nur 15 Prozent des gesamten freigesetzten Stickstoffs aus, der Rest ist als N2 und N2O. Ammoniak wird von einigen Prokaryoten anaerob abgebaut, wobei N2 als Endprodukt. Nitrifikation ist die Umwandlung von Ammonium in Nitrit und Nitrat. Die Nitrifikation in Böden erfolgt durch Bakterien der Gattungen Nitrosomas, Nitrobacter, und Nitrospira. Die Bakterien führen den umgekehrten Prozess durch, die Reduktion von Nitrat aus den Böden zu gasförmigen Verbindungen wie N2O, NEIN und N2, ein Prozess namens Denitrifikation.


Einführung

Praktisch jede Aufgabe, die von lebenden Organismen ausgeführt wird, erfordert Energie. Organismen benötigen Energie, um schwere Arbeit zu verrichten und Sport zu treiben, aber auch der Mensch verbraucht beim Denken und sogar beim Schlafen viel Energie. Die lebenden Zellen jedes Organismus verbrauchen ständig Energie. Organismen importieren Nährstoffe und andere Moleküle. Sie metabolisieren (abbauen) und synthetisieren möglicherweise zu neuen Molekülen. Bei Bedarf verändern sich Moleküle, bewegen sich in der Zelle und verteilen sich auf den gesamten Organismus. Zum Beispiel werden die großen Proteine, aus denen Muskeln bestehen, aktiv aus kleineren Molekülen aufgebaut. Komplexe Kohlenhydrate werden in Einfachzucker zerlegt, die die Zelle zur Energiegewinnung nutzt. So wie Energie sowohl für den Bau als auch für den Abriss eines Gebäudes benötigt wird, wird Energie benötigt, um Moleküle zu synthetisieren und abzubauen. Darüber hinaus transportieren Signalmoleküle wie Hormone und Neurotransmitter zwischen den Zellen. Zellen nehmen Bakterien und Viren auf und bauen sie ab. Zellen müssen auch Abfall und Giftstoffe exportieren, um gesund zu bleiben, und viele Zellen müssen schwimmen oder umliegendes Material durch die schlagende Bewegung zellulärer Anhängsel wie Flimmerhärchen und Flagellen bewegen.

Die oben aufgeführten zellulären Prozesse benötigen eine stetige Energiezufuhr. Woher und in welcher Form kommt diese Energie? Wie gewinnen lebende Zellen Energie und wie nutzen sie diese? In diesem Kapitel werden verschiedene Energieformen und die physikalischen Gesetze diskutiert, die die Energieübertragung bestimmen. In diesem Kapitel wird auch beschrieben, wie Zellen Energie verbrauchen und wieder auffüllen und wie chemische Reaktionen in der Zelle mit großer Effizienz ablaufen.

Als Amazon-Partner verdienen wir an qualifizierten Käufen.

Möchten Sie dieses Buch zitieren, teilen oder ändern? Dieses Buch ist Creative Commons Attribution License 4.0 und Sie müssen OpenStax zuordnen.

    Wenn Sie dieses Buch ganz oder teilweise in einem gedruckten Format weitergeben, müssen Sie auf jeder physischen Seite die folgende Namensnennung angeben:

  • Verwenden Sie die folgenden Informationen, um ein Zitat zu generieren. Wir empfehlen die Verwendung eines Zitationstools wie dieses.
    • Autoren: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Herausgeber/Website: OpenStax
    • Buchtitel: Biologie 2e
    • Erscheinungsdatum: 28.03.2018
    • Ort: Houston, Texas
    • Buch-URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • Abschnitts-URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-introduction

    © 7. Januar 2021 OpenStax. Von OpenStax produzierte Lehrbuchinhalte sind unter einer Creative Commons Attribution License 4.0-Lizenz lizenziert. Der OpenStax-Name, das OpenStax-Logo, die OpenStax-Buchcover, der OpenStax CNX-Name und das OpenStax CNX-Logo unterliegen nicht der Creative Commons-Lizenz und dürfen ohne vorherige und ausdrückliche schriftliche Zustimmung der Rice University nicht reproduziert werden.


    Prokaryotische versus eukaryotische Genexpression

    Um zu verstehen, wie die Genexpression reguliert wird, müssen wir zunächst verstehen, wie ein Gen in einer Zelle zu einem funktionellen Protein wird. Der Prozess läuft sowohl in prokaryontischen als auch in eukaryontischen Zellen ab, nur auf leicht unterschiedliche Weise.

    Da prokaryontischen Organismen ein Zellkern fehlt, laufen die Prozesse der Transkription und Translation fast gleichzeitig ab. Wenn das Protein nicht mehr benötigt wird, stoppt die Transkription. Daher ist die primäre Methode, um zu kontrollieren, welcher Typ und wie viel Protein in einer prokaryontischen Zelle exprimiert wird, die Regulation der DNA-Transkription in RNA. Alle nachfolgenden Schritte erfolgen automatisch. Wenn mehr Protein benötigt wird, findet mehr Transkription statt. Daher liegt die Kontrolle der Genexpression in prokaryontischen Zellen fast vollständig auf Transkriptionsebene.

    Das erste Beispiel für eine solche Kontrolle wurde mit E. coli in den 1950er und 1960er Jahren von französischen Forschern und heißt der lac Operon. Die lac Operon ist ein DNA-Abschnitt mit drei benachbarten Genen, die für Proteine ​​kodieren, die an der Aufnahme und dem Stoffwechsel von Laktose beteiligt sind, einer Nahrungsquelle für E. coli. Wenn in der Umgebung des Bakteriums keine Laktose vorhanden ist, lac Gene werden in kleinen Mengen transkribiert. Wenn Laktose vorhanden ist, werden die Gene transkribiert und das Bakterium kann die Laktose als Nahrungsquelle nutzen. Das Operon enthält auch eine Promotorsequenz, an die die RNA-Polymerase bindet, um die Transkription zwischen dem Promotor zu beginnen, und die drei Gene sind eine Region, die als Operator bezeichnet wird. Wenn keine Lactose vorhanden ist, bindet ein Protein, das als Repressor bekannt ist, an den Operator und verhindert, außer in seltenen Fällen, die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor. Somit wird nur sehr wenig von den Proteinprodukten der drei Gene hergestellt. Wenn Laktose vorhanden ist, bindet ein Endprodukt des Laktosestoffwechsels an das Repressorprotein und verhindert dessen Bindung an den Operator. Dadurch kann die RNA-Polymerase an den Promotor binden und die drei Gene frei transkribieren, wodurch der Organismus die Laktose verstoffwechseln kann.

    Im Gegensatz dazu haben eukaryotische Zellen intrazelluläre Organellen und sind viel komplexer. Denken Sie daran, dass in eukaryontischen Zellen die DNA im Zellkern enthalten ist und dort in mRNA transkribiert wird. Die neu synthetisierte mRNA wird dann aus dem Zellkern in das Zytoplasma transportiert, wo Ribosomen die mRNA in Protein übersetzen. Die Prozesse der Transkription und Translation sind physikalisch durch die Kernmembran getrennt. Die Transkription erfolgt nur innerhalb des Zellkerns und die Translation findet nur außerhalb des Zellkerns im Zytoplasma statt. Die Regulation der Genexpression kann in allen Phasen des Prozesses erfolgen (Abbildung 1). Eine Regulation kann auftreten, wenn die DNA abgewickelt und von Nukleosomen gelöst wird, um Transkriptionsfaktoren zu binden ( epigenetische Ebene), wenn die RNA transkribiert wird (transkriptionelle Ebene), wenn RNA prozessiert und nach der Transkription in das Zytoplasma exportiert wird (posttranskriptionelle Ebene) , wenn die RNA in Protein übersetzt wird (translationale Ebene) oder nachdem das Protein hergestellt wurde (posttranslationale Ebene).

    Abbildung 1: Die eukaryotische Genexpression wird während der Transkription und der RNA-Prozessierung, die im Zellkern stattfindet, sowie während der Proteintranslation, die im Zytoplasma stattfindet, reguliert. Eine weitere Regulation kann durch posttranslationale Modifikationen von Proteinen erfolgen.

    Die Unterschiede in der Regulation der Genexpression zwischen Prokaryoten und Eukaryoten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

    • Die RNA-Transkription erfolgt vor der Proteintranslation und findet im Zellkern statt. Die RNA-Translation zu Protein erfolgt im Zytoplasma.
    • Die RNA-Nachbearbeitung umfasst das Hinzufügen einer 5′-Kappe, einen Poly-A-Schwanz und das Ausschneiden von Introns und das Spleißen von Exons.

    Kapitel 6 – Einführung in die Stoffwechselziele

    1. Unterscheiden Sie zwischen Vergrößerung und Auflösungsvermögen.

    2. Beschreiben Sie die Prinzipien, Vorteile und Grenzen des Lichtmikroskops, Transmissionselektronenmikroskops und Rasterelektronenmikroskops.

    3. Beschreiben Sie die wichtigsten Schritte der Zellfraktionierung und erklären Sie, warum dies eine nützliche Technik ist.

    Ein Panoramablick auf die Zelle

    4. Unterscheiden Sie zwischen prokaryontischen und eukaryontischen Zellen.

    5. Erklären Sie, warum es sowohl Ober- als auch Untergrenzen für die Zellengröße gibt.

    6. Erklären Sie die Vorteile der Kompartimentierung in eukaryontischen Zellen.

    Der Kern und die Ribosomen

    7. Beschreiben Sie die Struktur und Funktion der Kernhülle, einschließlich der Rolle des Porenkomplexes.

    8. Erklären Sie kurz, wie der Zellkern die Proteinsynthese im Zytoplasma steuert.

    9. Erklären Sie, wie der Nukleolus zur Proteinsynthese beiträgt.

    10. Beschreiben Sie die Struktur und Funktion eines eukaryontischen Ribosoms.

    11. Unterscheiden Sie zwischen freien und gebundenen Ribosomen hinsichtlich Ort und Funktion.

    Das Endomembransystem

    12. Listen Sie die Komponenten des Endomembransystems auf und beschreiben Sie die Struktur und Funktionen jeder Komponente.

    13. Vergleichen Sie die Struktur und Funktionen von glattem und rauem ER.

    14. Erklären Sie die Bedeutung der cis- und trans-Seite des Golgi-Apparats.

    15. Beschreiben Sie das zisternale Reifungsmodell der Golgi-Funktion.

    16. Beschreiben Sie drei Beispiele für die intrazelluläre Verdauung durch Lysosomen.

    17. Nennen Sie drei verschiedene Arten von Vakuolen und geben Sie die jeweilige Funktion an.

    Andere membranöse Organellen

    18. Beschreiben Sie kurz die Energieumwandlungen der Mitochondrien und Chloroplasten.

    19. Beschreiben Sie die Struktur eines Mitochondriums und erklären Sie die Bedeutung der Kompartimentierung für die Mitochondrienfunktion.

    20. Unterscheiden Sie zwischen Amyloplasten, Chromoplasten und Chloroplasten.

    21. Identifizieren Sie die drei funktionellen Kompartimente eines Chloroplasten. Erklären Sie die Bedeutung der Kompartimentierung in der Chloroplastenfunktion.

    22. Beschreiben Sie die Beweise dafür, dass Mitochondrien und Chloroplasten halbautonome Organellen sind.

    23. Erklären Sie die Rolle von Peroxisomen in eukaryotischen Zellen.

    24. Beschreiben Sie die Funktionen des Zytoskeletts.

    25. Vergleichen Sie die Struktur, Monomere und Funktionen von Mikrotubuli, Mikrofilamenten und Zwischenfilamenten.

    26. Erklären Sie, wie die Ultrastruktur von Zilien und Geißeln mit ihren Funktionen zusammenhängt.

    Zelloberflächen und Verbindungen

    27. Beschreiben Sie die Grundstruktur einer Pflanzenzellwand.

    28. Beschreiben Sie die Struktur und nennen Sie vier Funktionen der extrazellulären Matrix in tierischen Zellen.

    29. Erklären Sie, wie die extrazelluläre Matrix wirken kann, um Veränderungen innerhalb und außerhalb der Zelle zu integrieren.


    Bedürfnisse von Prokaryoten

    Die vielfältigen Umgebungen und Ökosysteme auf der Erde haben ein breites Spektrum an Bedingungen in Bezug auf Temperatur, verfügbare Nährstoffe, Säuregehalt, Salzgehalt, Sauerstoffverfügbarkeit und Energiequellen. Prokaryoten sind sehr gut gerüstet, um von einer Vielzahl von Nährstoffen und Umweltbedingungen zu leben. Prokaryoten brauchen zum Leben eine Energiequelle, eine Kohlenstoffquelle und einige zusätzliche Nährstoffe.

    Makronährstoffe

    Zellen sind im Wesentlichen eine gut organisierte Ansammlung von Makromolekülen und Wasser. Denken Sie daran, dass Makromoleküle durch die Polymerisation kleinerer Einheiten, die als Monomere bezeichnet werden, hergestellt werden. Damit Zellen alle lebensnotwendigen Moleküle aufbauen können, benötigen sie bestimmte Substanzen, die zusammen als Nährstoffe bezeichnet werden. Wenn Prokaryonten in der Natur wachsen, müssen sie ihre Nährstoffe aus der Umwelt beziehen. Nährstoffe, die in großen Mengen benötigt werden, nennt man Makronährstoffe, während diejenigen, die in kleineren oder Spurenmengen benötigt werden, als Mikronährstoffe. Nur eine Handvoll Elemente gelten als Makronährstoffe – Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. (Eine Gedächtnisstütze zum Erinnern an diese Elemente ist das Akronym CHONPS.)

    Warum werden diese Makronährstoffe in großen Mengen benötigt? Sie sind die Bestandteile organischer Verbindungen in Zellen, einschließlich Wasser. Kohlenstoff ist das Hauptelement in allen Makromolekülen: Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren, Lipide und viele andere Verbindungen. Kohlenstoff macht etwa 50 Prozent der Zusammensetzung der Zelle aus. Im Gegensatz dazu macht Stickstoff nur 12 Prozent des Gesamttrockengewichts einer typischen Zelle aus. Stickstoff ist ein Bestandteil von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen Zellbestandteilen. Der meiste in der Natur verfügbare Stickstoff ist entweder atmosphärischer Stickstoff (N2) oder eine andere anorganische Form. Zweiatomig (N2) kann Stickstoff jedoch nur von bestimmten Mikroorganismen, sogenannten stickstofffixierenden Organismen, in eine organische Form umgewandelt werden. Sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff sind Bestandteil vieler organischer Verbindungen und des Wassers. Phosphor wird von allen Organismen für die Synthese von Nukleotiden und Phospholipiden benötigt. Schwefel ist Teil der Struktur einiger Aminosäuren wie Cystein und Methionin und kommt auch in mehreren Vitaminen und Coenzymen vor. Andere wichtige Makronährstoffe sind Kalium (K), Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) und Natrium (Na). Obwohl diese Elemente in geringeren Mengen benötigt werden, sind sie für den Aufbau und die Funktion der prokaryontischen Zelle sehr wichtig.

    Mikronährstoffe

    Neben diesen Makronährstoffen benötigen Prokaryonten verschiedene metallische Elemente in geringen Mengen. Diese werden als Mikronährstoffe oder Spurenelemente bezeichnet. Eisen ist beispielsweise für die Funktion der Cytochrome notwendig, die an Elektronentransportreaktionen beteiligt sind. Einige Prokaryonten benötigen andere Elemente – wie Bor (B), Chrom (Cr) und Mangan (Mn) – hauptsächlich als Enzym-Cofaktoren.

    Wie Prokaryoten Energie gewinnen

    Prokaryoten werden sowohl nach ihrer Energiegewinnung als auch nach der Kohlenstoffquelle klassifiziert, die sie zur Herstellung organischer Moleküle verwenden. Diese Kategorien sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Prokaryoten können verschiedene Energiequellen verwenden, um das für die Biosynthese und andere zelluläre Aktivitäten benötigte ATP zu erzeugen. Phototrophe (oder phototrophe Organismen) beziehen ihre Energie aus Sonnenlicht. Phototrophe fangen die Energie des Lichts mit Chlorophyllen oder in einigen Fällen mit bakteriellem Rhodopsin ein. (Rhodopsin-verwendende Phototrophe sind seltsamerweise phototroph, aber nicht photosynthetische, da sie keinen Kohlenstoff binden.) Chemotrophe (oder chemosynthetische Organismen) beziehen ihre Energie aus chemischen Verbindungen. Chemotrophe, die organische Verbindungen als Energiequellen nutzen können, werden Chemoorganotrophe genannt. Diejenigen, die anorganische Verbindungen wie Schwefel- oder Eisenverbindungen als Energiequellen verwenden können, werden als Chemolithotrophe bezeichnet.

    Energie produzierende Wege können entweder aerob sein, mit Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor, oder anaerob, mit einfachen anorganischen Verbindungen oder organischen Molekülen als terminaler Elektronenakzeptor. Da Prokaryonten fast eine Milliarde Jahre lang auf der Erde lebten, bevor die Photosynthese erhebliche Mengen an Sauerstoff für die aerobe Atmung produzierte, sind viele Arten von Bakterien und Archaeen anaerob und ihre Stoffwechselaktivitäten sind in den unten diskutierten Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen wichtig.

    Wie Prokaryoten Kohlenstoff gewinnen

    Prokaryonten können nicht nur verschiedene Energiequellen nutzen, sondern auch verschiedene Quellen von Kohlenstoffverbindungen. Autotrophe Prokaryonten synthetisieren organische Moleküle aus Kohlendioxid. Im Gegensatz dazu gewinnen heterotrophe Prokaryonten Kohlenstoff aus organischen Verbindungen. Um das Bild komplexer zu machen, können die Begriffe, die beschreiben, wie Prokaryonten Energie und Kohlenstoff gewinnen, kombiniert werden. So verwenden Photoautotrophe Energie aus Sonnenlicht und Kohlenstoff aus Kohlendioxid und Wasser, während Chemoheterotrophe sowohl Energie als auch Kohlenstoff aus einer organisch-chemischen Quelle beziehen. Chemolithoautotrophe beziehen ihre Energie aus anorganischen Verbindungen und bauen ihre komplexen Moleküle aus Kohlendioxid auf. Schließlich sind Prokaryonten, die ihre Energie aus Licht beziehen, ihren Kohlenstoff jedoch aus organischen Verbindungen, photoheterotrophe. Die folgende Tabelle (Tabelle 1) fasst Kohlenstoff- und Energiequellen in Prokaryonten zusammen.

    Tabelle 1: Kohlenstoff- und Energiequellen in Prokaryoten
    Energiequelle Elektronenquelle Kohlenstoffquelle Ernährungstyp
    Hell
    (phototroph)
    Organisches Material
    (organotrop)
    Organisches Material
    (heterotrop)
    Photoorganoheterotroph
    Kohlendioxid
    (autotroph)
    Anorganisches Material
    (lithotrop)
    Organisches Material
    (heterotrop)
    Kohlendioxid
    (autotroph)
    Photolithoautotroph
    Chemikalien
    (chemotrop)
    Organisches Material
    (organotrop)
    Organisches Material
    (heterotrop)
    Chemoorganoheterotrophe
    Kohlendioxid
    (autotroph)
    Anorganisches Material
    (lithotrop)
    Organisches Material
    (heterotrop)
    Chemolithoheterotrophe
    Kohlendioxid
    (autotroph)
    Chemolithoautotroph


    Zellteilung

    Der Zellteilungsprozess von Prokaryoten, auch binäre Spaltung genannt, ist weniger kompliziert und viel schnellerer Prozess als die Zellteilung bei Eukaryoten. Aufgrund der Geschwindigkeit der bakteriellen Zellteilung können Bakterienpopulationen sehr schnell wachsen. Das einzelne, zirkuläre DNA-Chromosom von Bakterien ist nicht in einem Zellkern eingeschlossen, sondern nimmt einen bestimmten Ort, das Nukleoid, innerhalb der Zelle ein. Wie bei Eukaryoten ist die DNA des Nukleoids mit Proteinen verbunden, die dabei helfen, das Molekül in eine kompakte Größe zu packen. Die Verpackungsproteine ​​von Bakterien sind jedoch mit einigen der Proteine ​​verwandt, die an der Chromosomenverdichtung von Eukaryoten beteiligt sind.

    Der Startpunkt der Replikation, der Ursprung, liegt nahe der Bindungsstelle des Chromosoms an die Plasmamembran (Abbildung 6.9). Die Replikation der DNA ist bidirektional – sie bewegt sich auf beiden Strängen der DNA-Schleife gleichzeitig vom Ursprung weg. Wenn die neuen Doppelstränge gebildet werden, bewegt sich jeder Ursprungspunkt von der Zellwandanhaftung weg zu den gegenüberliegenden Enden der Zelle. Wenn sich die Zelle verlängert, hilft die wachsende Membran beim Transport der Chromosomen. Nachdem die Chromosomen den Mittelpunkt der verlängerten Zelle geklärt haben, beginnt die zytoplasmatische Trennung. Zwischen den Nukleoiden bildet sich von der Peripherie zum Zellzentrum hin ein Septum. Wenn die neuen Zellwände vorhanden sind, trennen sich die Tochterzellen.

    Abbildung 6.9 Die binäre Spaltung eines Bakteriums wird in fünf Schritten skizziert. (Credit: Änderung der Arbeit von „Mcstrother“/Wikimedia Commons)

    Evolution in Aktion

    Mitotischer Spindelapparat

    Das genaue Timing und die Bildung der mitotischen Spindel ist entscheidend für den Erfolg der eukaryotischen Zellteilung. Prokaryontische Zellen hingegen durchlaufen keine Mitose und benötigen daher keine Mitosespindel. Das FtsZ-Protein, das eine so wichtige Rolle bei der prokaryotischen Zytokinese spielt, ist jedoch strukturell und funktionell Tubulin sehr ähnlich, dem Baustein der Mikrotubuli, die die für Eukaryoten notwendigen mitotischen Spindelfasern bilden. Die Bildung eines Rings aus sich wiederholenden Einheiten eines Proteins namens FtsZ steuert die Verteilung zwischen den Nukleoiden in Prokaryonten. Die Bildung des FtsZ-Rings löst die Ansammlung anderer Proteine ​​aus, die zusammenarbeiten, um neue Membran- und Zellwandmaterialien an die Stelle zu rekrutieren. FtsZ-Proteine ​​können Filamente, Ringe und andere dreidimensionale Strukturen bilden, die der Art und Weise ähneln, wie Tubulin Mikrotubuli, Zentriolen und verschiedene Zytoskelettkomponenten bildet. Darüber hinaus verwenden sowohl FtsZ als auch Tubulin dieselbe Energiequelle, GTP (Guanosintriphosphat), um komplexe Strukturen schnell aufzubauen und zu zerlegen.

    FtsZ und Tubulin sind ein Beispiel für Homologie, Strukturen, die aus den gleichen evolutionären Ursprüngen stammen. In diesem Beispiel wird angenommen, dass FtsZ dem Vorfahrenprotein sowohl des modernen FtsZ als auch des Tubulins ähnlich ist. Während beide Proteine ​​in existierenden Organismen vorkommen, hat sich die Tubulinfunktion seit der Evolution von seinem FtsZ-ähnlichen prokaryotischen Ursprung enorm weiterentwickelt und diversifiziert. Eine Untersuchung der Zellteilungsmaschinerie in heutigen einzelligen Eukaryoten zeigt entscheidende Zwischenschritte zur komplexen mitotischen Maschinerie mehrzelliger Eukaryoten.

    Die mitotischen Spindelfasern von Eukaryoten bestehen aus Mikrotubuli. Mikrotubuli sind Polymere des Proteins Tubulin. The FtsZ protein active in prokaryote cell division is very similar to tubulin in the structures it can form and its energy source. Single-celled eukaryotes (such as yeast) display possible intermediary steps between FtsZ activity during binary fission in prokaryotes and the mitotic spindle in multicellular eukaryotes, during which the nucleus breaks down and is reformed.

    Mitotic Spindle Evolution
    Bühne Structure of genetic material Division of nuclear material Separation of daughter cells
    Prokaryotes There is no nucleus. The single, circular chromosome exists in a region of cytoplasm called the nucleoid. Occurs through binary fission. As the chromosome is replicated, the two copies move to opposite ends of the cell by an unknown mechanism. FtsZ proteins assemble into a ring that pinches the cell in two.
    Some protists Linear chromosomes exist in the nucleus. Chromosomes attach to the nuclear envelope, which remains intact. The mitotic spindle passes through the envelope and elongates the cell. No centrioles exist. Microfilaments form a cleavage furrow that pinches the cell in two.
    Other protists Linear chromosomes exist in the nucleus. A mitotic spindle forms from the centrioles and passes through the nuclear membrane, which remains intact. Chromosomes attach to the mitotic spindle. The mitotic spindle separates the chromosomes and elongates the cell. Microfilaments form a cleavage furrow that pinches the cell in two.
    Animal cells Linear chromosomes exist in the nucleus. A mitotic spindle forms from the centrioles. The nuclear envelope dissolves.
    Chromosomes attach to the mitotic spindle, which separates them and elongates the cell.
    Microfilaments form a cleavage furrow that pinches the cell in two.


    112 Prokaryotic Metabolism

    Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

    • Identify the macronutrients needed by prokaryotes, and explain their importance
    • Describe the ways in which prokaryotes get energy and carbon for life processes
    • Describe the roles of prokaryotes in the carbon and nitrogen cycles

    Prokaryonten sind metabolisch vielfältige Organismen. In many cases, a prokaryote may be placed into a species clade by its defining metabolic features: Can it metabolize lactose? Can it grow on citrate? Does it produce H2S? Does it ferment carbohydrates to produce acid and gas? Can it grow under anaerobic conditions? Since metabolism and metabolites are the product of enzyme pathways, and enzymes are encoded in genes, the metabolic capabilities of a prokaryote are a reflection of its genome. There are many different environments on Earth with various energy and carbon sources, and variable conditions to which prokaryotes may be able to adapt. Prokaryotes have been able to live in every environment from deep-water volcanic vents to Antarctic ice by using whatever energy and carbon sources are available. Prokaryotes fill many niches on Earth, including involvement in nitrogen and carbon cycles, photosynthetic production of oxygen, decomposition of dead organisms, and thriving as parasitic, commensal, or mutualistic organisms inside multicellular organisms, including humans. The very broad range of environments that prokaryotes occupy is possible because they have diverse metabolic processes.

    Needs of Prokaryotes

    The diverse environments and ecosystems on Earth have a wide range of conditions in terms of temperature, available nutrients, acidity, salinity, oxygen availability, and energy sources. Prokaryotes are very well equipped to make their living out of a vast array of nutrients and environmental conditions. To live, prokaryotes need a source of energy, a source of carbon, and some additional nutrients.

    Macronutrients

    Cells are essentially a well-organized assemblage of macromolecules and water. Recall that macromolecules are produced by the polymerization of smaller units called monomers. For cells to build all of the molecules required to sustain life, they need certain substances, collectively called nutrients . When prokaryotes grow in nature, they must obtain their nutrients from the environment. Nutrients that are required in large amounts are called macronutrients, whereas those required in smaller or trace amounts are called micronutrients. Just a handful of elements are considered macronutrients—carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. (A mnemonic for remembering these elements is the acronym CHONPS.)

    Why are these macronutrients needed in large amounts? They are the components of organic compounds in cells, including water. Carbon is the major element in all macromolecules: carbohydrates, proteins, nucleic acids, lipids, and many other compounds. Carbon accounts for about 50 percent of the composition of the cell. In contrast, nitrogen represents only 12 percent of the total dry weight of a typical cell. Nitrogen is a component of proteins, nucleic acids, and other cell constituents. Most of the nitrogen available in nature is either atmospheric nitrogen (N2) or another inorganic form. Diatomic (N2) nitrogen, however, can be converted into an organic form only by certain microorganisms, called nitrogen-fixing organisms. Both hydrogen and oxygen are part of many organic compounds and of water. Phosphorus is required by all organisms for the synthesis of nucleotides and phospholipids. Sulfur is part of the structure of some amino acids such as cysteine and methionine, and is also present in several vitamins and coenzymes. Other important macronutrients are potassium (K), magnesium (Mg), calcium (Ca), and sodium (Na). Although these elements are required in smaller amounts, they are very important for the structure and function of the prokaryotic cell.

    Micronutrients

    In addition to these macronutrients, prokaryotes require various metallic elements in small amounts. These are referred to as micronutrients or trace elements. For example, iron is necessary for the function of the cytochromes involved in electron-transport reactions. Some prokaryotes require other elements—such as boron (B), chromium (Cr), and manganese (Mn)—primarily as enzyme cofactors.

    The Ways in Which Prokaryotes Obtain Energy

    Prokaryotes are classified both by the way they obtain energy, and by the carbon source they use for producing organic molecules. These categories are summarized in (Figure). Prokaryotes can use different sources of energy to generate the ATP needed for biosynthesis and other cellular activities. Phototrophs (or phototrophic organisms) obtain their energy from sunlight. Phototrophs trap the energy of light using chlorophylls, or in a few cases, bacterial rhodopsin. (Rhodopsin-using phototrophs, oddly, are phototrophic, but not photosynthetic, since they do not fix carbon.) Chemotrophs (or chemosynthetic organisms) obtain their energy from chemical compounds. Chemotrophs that can use organic compounds as energy sources are called chemoorganotrophs. Those that can use inorganic compounds, like sulfur or iron compounds, as energy sources are called chemolithotrophs.

    Energy-producing pathways may be either aerobic , using oxygen as the terminal electron acceptor, or anaerobic, using either simple inorganic compounds or organic molecules as the terminal electron acceptor. Since prokaryotes lived on Earth for nearly a billion years before photosynthesis produced significant amounts of oxygen for aerobic respiration, many species of both Bacteria and Archaea are anaerobic and their metabolic activities are important in the carbon and nitrogen cycles discussed below.

    The Ways in Which Prokaryotes Obtain Carbon

    Prokaryotes not only can use different sources of energy, but also different sources of carbon compounds. Autotrophic prokaryotes synthesize organic molecules from carbon dioxide. In contrast, heterotrophic prokaryotes obtain carbon from organic compounds. To make the picture more complex, the terms that describe how prokaryotes obtain energy and carbon can be combined. Thus, photoautotrophs use energy from sunlight, and carbon from carbon dioxide and water, whereas chemoheterotrophs obtain both energy and carbon from an organic chemical source. Chemolithoautotrophs obtain their energy from inorganic compounds, and they build their complex molecules from carbon dioxide. Finally, prokaryotes that get their energy from light, but their carbon from organic compounds, are photoheterotrophs. The table below ((Figure)) summarizes carbon and energy sources in prokaryotes.

    Carbon and Energy Sources in Prokaryotes
    Energy Sources Carbon Sources
    Hell Chemikalien Kohlendioxid Organische Verbindungen
    Phototrophen Chemotrophs Autotrophs Heterotrophs
    Organic chemicals Inorganic chemicals
    Chemo-organotrophs Chemolithotrophs

    Role of Prokaryotes in Ecosystems

    Prokaryotes are ubiquitous: There is no niche or ecosystem in which they are not present. Prokaryotes play many roles in the environments they occupy. The roles they play in the carbon and nitrogen cycles are vital to life on Earth. In addition, the current scientific consensus suggests that metabolically interactive prokaryotic communities may have been the basis for the emergence of eukaryotic cells.

    Prokaryotes and the Carbon Cycle

    Carbon is one of the most important macronutrients, and prokaryotes play an important role in the carbon cycle ((Figure)). The carbon cycle traces the movement of carbon from inorganic to organic compounds and back again. Carbon is cycled through Earth’s major reservoirs: land, the atmosphere, aquatic environments, sediments and rocks, and biomass. In a way, the carbon cycle echoes the role of the “four elements” first proposed by the ancient Greek philosopher, Empedocles: fire, water, earth, and air. Carbon dioxide is removed from the atmosphere by land plants and marine prokaryotes, and is returned to the atmosphere via the respiration of chemoorganotrophic organisms, including prokaryotes, fungi, and animals. Although the largest carbon reservoir in terrestrial ecosystems is in rocks and sediments, that carbon is not readily available.

    Participants in the carbon cycle are roughly divided among producers, consumers, and decomposers of organic carbon compounds. Die primary producers of organic carbon compounds from CO2 are land plants and photosynthetic bacteria. A large amount of available carbon is found in living land plants. A related source of carbon compounds is humus, which is a mixture of organic materials from dead plants and prokaryotes that have resisted decomposition. (The term “humus,” by the way, is the root of the word “human.”) Consumers such as animals and other heterotrophs use organic compounds generated by producers and release carbon dioxide to the atmosphere. Other bacteria and fungi, collectively called decomposers , carry out the breakdown (decomposition) of plants and animals and their organic compounds. Most carbon dioxide in the atmosphere is derived from the respiration of microorganisms that decompose dead animals, plants, and humus.

    In aqueous environments and their anoxic sediments, there is another carbon cycle taking place. In this case, the cycle is based on one-carbon compounds. In anoxic sediments, prokaryotes, mostly archaea, produce methane (CH4). This methane moves into the zone above the sediment, which is richer in oxygen and supports bacteria called methane oxidizers that oxidize methane to carbon dioxide, which then returns to the atmosphere.


    Prokaryotes and the Nitrogen Cycle

    Nitrogen is a very important element for life because it is a major constituent of proteins and nucleic acids. It is a macronutrient, and in nature, it is recycled from organic compounds to ammonia, ammonium ions, nitrate, nitrite, and nitrogen gas by many processes, many of which are carried out only by prokaryotes. As illustrated in (Figure), prokaryotes are key to the nitrogen cycle. The largest pool of nitrogen available in the terrestrial ecosystem is gaseous nitrogen (N2) from the air, but this nitrogen is not usable by plants, which are primary producers. Gaseous nitrogen is transformed, or “fixed” into more readily available forms, such as ammonia (NH3), through the process of nitrogen fixation . Nitrogen-fixing bacteria include Azotobacter in soil and the ubiquitous photosynthetic cyanobacteria. Some nitrogen fixing bacteria, like Rhizobium, live in symbiotic relationships in the roots of legumes. Another source of ammonia is ammonification , the process by which ammonia is released during the decomposition of nitrogen-containing organic compounds. The ammonium ion is progressively oxidized by different species of bacteria in a process called nitrification. The nitrification process begins with the conversion of ammonium to nitrite (NO2 – ), and continues with the conversion of nitrite to nitrate. Nitrification in soils is carried out by bacteria belonging to the genera Nitrosomas, Nitrobacter, und
    Nitrospira
    . Most nitrogen in soil is in the form of ammonium (NH4 + ) or nitrate (NO3 – ). Ammonia and nitrate can be used by plants or converted to other forms.

    Ammonia released into the atmosphere, however, represents only 15 percent of the total nitrogen released the rest is as N2 and N2O (nitrous oxide). Ammonia is catabolized anaerobically by some prokaryotes, yielding N2 as the final product. Denitrifying bacteria reverse the process of nitrification, reducing the nitrate from soils to gaseous compounds such as N2O, NO, and N2.


    Which of the following statements about the nitrogen cycle is false?

    1. Nitrogen-fixing bacteria exist on the root nodules of legumes and in the soil.
    2. Denitrifying bacteria convert nitrates (NO3 – ) into nitrogen gas (N2).
    3. Ammonification is the process by which ammonium ion (NH4 + ) is released from decomposing organic compounds.
    4. Nitrification is the process by which nitrites (NO2 – ) are converted to ammonium ion (NH4 + ).

    Abschnittszusammenfassung

    As the oldest living inhabitants of Earth, prokaryotes are also the most metabolically diverse they flourish in many different environments with various energy and carbon sources, variable temperature, pH, pressure, oxygen and water availability. Nutrients required in large amounts are called macronutrients, whereas those required in trace amounts are called micronutrients or trace elements. Macronutrients include C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca, and Na. In addition to these macronutrients, prokaryotes require various metallic elements for growth and enzyme function. Prokaryotes use different sources of energy to assemble macromolecules from smaller molecules. Phototrophs obtain their energy from sunlight, whereas chemotrophs obtain energy from chemical compounds. Energy-producing pathways may be either aerobic or anaerobic.

    Prokaryotes play roles in the carbon and nitrogen cycles. Producers capture carbon dioxide from the atmosphere and convert it to organic compounds. Consumers (animals and other chemoorganotrophic organisms) use organic compounds generated by producers and release carbon dioxide into the atmosphere by respiration. Carbon dioxide is also returned to the atmosphere by the microbial decomposers of dead organisms. Nitrogen also cycles in and out of living organisms, from organic compounds to ammonia, ammonium ions, nitrite, nitrate, and nitrogen gas. Prokaryotes are essential for most of these conversions. Gaseous nitrogen is transformed into ammonia through nitrogen fixation. Ammonia is anaerobically catabolized by some prokaryotes, yielding N2 as the final product. Nitrification is the conversion of ammonium into nitrite. Nitrification in soils is carried out by bacteria. Denitrification is also performed by bacteria and transforms nitrate from soils into gaseous nitrogen compounds, such as N2O, NO, and N2.

    Fragen zur visuellen Verbindung

    (Figure) Which of the following statements about the nitrogen cycle is false?


    Prokaryotic Metabolism and Physiology

    Vast numbers of different prokaryotic microorganisms shape the biosphere, with diverse metabolic capabilities. Determination of genome sequences for a wide range of bacteria and archaea now requires an in-depth knowledge of prokaryotic metabolic function to give biochemical, physiological and ecological meaning to the genomic information. This new edition describes up-to-date knowledge of the key metabolic processes that occur under different conditions, and the cellular processes that determine prokaryotic roles in the environment, biotechnology and human health. Essential for students of microbiology, applied microbiology, biotechnology, genomics and systems biology, this advanced textbook covers prokaryotic structure, composition, nutrient transport, biosynthesis and growth. Newly characterised metabolic pathways are included, as well as the latest understanding of metabolic regulation and stress responses. Additionally, the link between energetics, growth and survival is discussed as well as the maintenance of genetic integrity by the bacterial immune system.

    • Relays significant new knowledge relating to the metabolism and physiology of prokaryotes under different conditions and environments, in a fully updated and expanded edition
    • Provides an overview of the key metabolic processes that determine the roles of bacteria and archaea in the environment, biotechnology and human health
    • Presents detailed accounts of topics ranging from metabolic stress responses and energy requirements for cell survival to bacterial immune systems and TCA cycles in cyanobacteria


    Schau das Video: Die Transkription - Proteinbiosynthese Teil 1 (August 2022).