Oddychanie u bakterii

Bakterie oddychają za pomocą dwóch różnych sposobów. Jest to oddychanie beztlenowe lub tlenowe.

Oddychanie beztlenowe

Oddychanie beztlenowe (anareobowe) jest bardziej pierwotnym procesem. Wytworzyło się bowiem w okresie, kiedy nie było w atmosferze tlenu cząsteczkowego. Pierwsze prokarioty musiały więc wykorzystać dostępne środki.
Oddychanie beztlenowe, nazywane również fermentacją, zachodzi bezpośrednio w cytoplazmie komórki prokariotycznej. Organizmy zdolne do przeprowadzenia tego procesu noszą miano: anaeroby, a prościej zwane są organizmami beztlenowymi.
Fermentacja polega na utlenieniu (rozkładzie) cukrów, a w jej wyniku wydzielana jest energia (Rys. 1.).

Rys. 1. Uproszczony schemat oddychania beztlenowego.

W zależności od organizmu, produktem końcowym reakcji mogą być różne związki:

• etanol, np. u Sarcina, mowa wówczas o fermentacji alkoholowej (częściej przeprowadzana przez drożdże niż przez bakterie),
• kwas mlekowy, np. u rodzaju Lactobacillus, jest to fermentacja mlekowa,
• inne.

Oddychanie beztlenowe jest jednak procesem mało wydajnym. Z tego względu, gdy w atmosferze pojawił się tlen cząsteczkowy, niektóre z prokariotów rozwinęły tlenowy sposób oddychania. Nazywane są one areobami, czyli organizmami tlenowymi. 

Oddychanie tlenowe

Podczas oddychania areobowego dochodzi do całkowitego utleniania węglowodanów do dwutlenku węgla i wody (Rys. 2.). Uwalniana ilość energii znacznie przewyższa tę otrzymywaną podczas oddychania beztlenowego. Z tego względu większość współczesnych prokariotów to tlenowce. Początkowe etapy oddychania tlenowego są podobne do tych, które występują w oddychaniu anaerobowym i zachodzą w cytoplazmie bakterii, natomiast końcowe stadia oddychania tlenowego odbywają się na błonie komórkowej, w jej pofałdowaniach zwanych mezosomami. 

Rys. 2. Uproszczony schemat oddychania tlenowego.

Procesy podobne

Szczególnym procesem jest fermentacja octowa, która kiedyś niesłusznie zaliczana była do rodzai oddychania beztlenowego. Uznawana jest ona za proces pośredni między oddychaniem beztlenowym a tlenowym. Wynika to z faktu, iż w fermentacji tej produktami są kwas octowy oraz woda (ta druga, jak w przypadku oddychania beztlenowego). Jednakże fermentacji octowej, mimo jej produktów, nie można zaliczyć do oddychania beztlenowego, ponieważ jednym z substratów reakcji jest tlen cząsteczkowy, a drugim alkohol etylowy. Ostatecznie, ze względu na to, proces nazwano pseudofermentacją.

Rys. 3. Uproszczony schemat fermentacji octowej.

Innym, charakterystycznym tylko dla niektórych prokariotów procesem jest wiązanie azotu cząsteczkowego. Przyswajanie azotu z atmosfery jest niezwykłą rzadkością, mimo że wszystkie organizmy potrzebują tego pierwiastka, np. do wbudowywania go w aminokwasy. Umiejętność ta jest złożonym, biochemicznym procesem, który wymaga dużych nakładów energii. Do organizmów, które wiążą azot cząsteczkowy należą bakterie glebowe: będące symbiontami roślinnymi Rhizobium, beztlenowe Clostridium pseudomonas, tlenowe Azotobacter oraz sinice wodne, np. Nostoc, czy Gleocapsa. 

Rys. 4. Heterocysta (oznaczona strzałką)
pośród innych komórek
 w koloni Cyanobacterium Anabaena.
Fragment zdjęcia autorstwa Shun-ichi Fukushima i Shigeki Ehira.

Sinice, które potrafią asymilować wolny azot najczęściej żyją w koloniach i wówczas wyłącznie niektóre komórki przeznaczone są do przeprowadzania tego procesu. Komórki takie, właściwie wyspecjalizowane nazwane zostały heterocystami i różnią się nieco wyglądem od reszty organizmów w koloni. 

Ze względu na wiązanie azotu atmosferycznego, organizmy prokariotyczne zdolne do przeprowadzenia tego procesu, mogą żyć w środowiskach glebowych, bądź wodnych, bardzo ubogich w ten pierwiastek. Natomiast obumierając, stają się one dla pozostałych organizmów źródłem przyswajalnego azotu, zapewniając tym samym obieg wspomnianego pierwiastka w środowisku. 

Opracowanie: 

Źródło:
The Ser/Thr Kinase PknH Is Essential for Maintaining Heterocyst Pattern in the Cyanobacterium Anabaena sp. Strain PCC 7120 (2018) Shun-ichi Fukushima and Shigeki Ehira Life 2018, 8(3)
Balesrstet J, Sabath K (2001) Podstawy ewolucjonizmu. Operon. 

Photos Selected by freepik and by biostrefa.net