Ana içerik

Konu: Biyoloji Kütüphanesi > Ünite 23

Ders 2: Prokaryotların Metabolizmaları ve Ekoloji

Prokaryot Metabolizması

Prokaryotlar enerji ve besini nasıl elde ederler? Kemotrof ve fototroflar. Heterotrof ve ototroflar.

Önemli noktalar:

Bazı prokaryotlar fototroftur yani enerjilerini güneşten alırar. Diğerleri ise kemotroftur yani enerjilerini kimyasal bileşiklerden alırlar.
Bazı prokaryotlar, karbonu ${CO}_{2}$ ‍'den sabitleyen ototroflardır. Bazıları da karbonu diğer organizmaların organik bileşiklerinden alan heterotroflardır.
Prokaryotların aerobik (oksijene ihtiyaç duyan) veya anaerobik (oksijene dayalı olmayan) metabolizmaları olabilir ve bazıları bu ikisi arasında geçiş yapabilir.
Bazı prokaryotlar, azot ya da sülfür içeren karışımları metabolize etmelerini sağlayan özel enzimlere ve yollara sahiptirler.
Prokaryotlar, ekosistemler içindeki besin zincirlerinde önemli roller oynarlar.

Giriş

Genel anlamda, senin ve benim kendimizi beslemek için oldukça sınırlı sayıda yolumuz olduğunu söyleyebiliriz. Sebzeler ve dondurma arasında karar verme şansımız olabilir (ikisinin de sağlıklı miktarlarda zevkini çıkarabilmenin umuduyla!). Ancak, fotosentez yapmamız çok olası değil. Ya da kahvaltı için "çürük yumurta kokusundan" sorumlu hidrojen sülfür bileşiğini yememiz de pek olası değil.

Prokaryotlar (bakteri ve arkelar) beslenme stratejileri bakımından insanlardan çok daha çeşitli yollara sahiplerdir; bu, aynı zamanda onların sabit karbon (yakıt molekülleri) ve enerji elde etme yollarıdır. Bazı türler ölü bitkiler ve hayvanlar gibi organik maddeler tüketirler. Diğerleri kayalardaki inorganik bileşikler sayesinde hayatlarını sürdürürler. Thiobacillus concretivorans isimli bir bakteri, metalleri eritebilen sülfürik asit tüketir!

^{1}

Bu makalede, prokaryotların yemeklerini elde etme ve metabolize etmelerinin ve besin zincirini nasıl etkileyebildiklerinin birçok yolunu daha yakından inceleyeceğiz.

Beslenme modları

Dünyadaki tüm yaşam formları, hücrelerini oluşturan makromolekülleri oluşturmak için enerjiye ve sabit karbona (organik moleküllere dahil edilen karbon) ihtiyaç duyarlar. Bu insanlar, bitkiler, mantarlar ve elbette prokaryotlar için de geçerlidir. Yaşayan organizmalar, enerji ve karbonu nasıl sağladıklarına göre sınıflandırılabilirler.

Organizmaları ilk olarak sabit (kullanılabilir) karbonu nereden aldıklarına göre sınıflandırabiliriz:

Karbonu, karbondioksitten ( ${CO}_{2}$ ‍) ya da başka inorganik bileşiklerden sabitleyen organizmalar ototroflar olarak adlandırılırlar.
Diğer organizmalar tarafından yapılan organik bileşiklerden (organizmaları veya yan ürünlerini yiyerek) sabit karbon alan organizmalara heterotrof adı verilir.

Organizmaları ayrıca enerjiyi nereden aldıklarına göre de sınıflandırabiliriz:

Enerji kaynağı olarak ışık (genellikle güneş) kullanan organizmalar fototroflar olarak adlandırılırlar.
Enerji kaynağı olarak kimyasalları kullanan organizmalar kemotroflar olarak adlandırılırlar.

Prokaryotları (ve diğer organizmaları) enerji ve karbon kaynaklarına göre dört farklı gruba ayırabiliriz:

Beslenme modu	Enerji kaynağı	Karbon kaynağı
Fotoototrof	Işık	Karbondioksit (veya ilgili bileşikler)
Fotoheterotrof	Işık	Organik bileşikler
Kemoototrof	Kimyasal Bileşikler	Karbondioksit (veya ilgili bileşikler)
Kemoheterotrof	Kimyasal Bileşikler	Organik Bileşikler

Bitkiler gibi fotoototrofları ve insanlar ya da diğer hayvanlar gibi kemoheterotrofları yakından tanıyoruz. Prokaryot türleri, hem bu kategorilere hem de bitkilerin veya hayvanların bulunmadığı, diğer kateogorilere göre daha az bilinen iki kategoriye aittirler (fotoheterotroflar ve kemoototroflar).

^{2, 3}

Aerobik ve anaerobik solunum

Prokaryotların insanlara göre farklı olduğu (ki bizden çok daha çeşitliler!) bir metabolik alan da oksijen ihtiyaçlarıdır. Bazılarının oksijene ihtiyacı vardır, oksijen bazılarını zehirler ve bazıları da bulabilmelerine bağlı olarak oksijeni kullanabilir ya da kullanmayabilirler.

Metabolizmalaştırmak için $O_{2}$ ‍'ye ihtiyaç duyan prokaryotlara zorunlu oksijencil adı verilir. İnsanlar da zorunlu oksijencildir (nefesinizi çok uzun süre tutmaya çalıştığınızda anlamış olabileceğiniz üzere).
$O_{2}$ ‍'yi tolere edemeyen ve sadece anaerobik metabolizma gerçekleştiren prokaryotlara zorunlu oksijensizler adı verilir. C. botulinum (konserve gıdada çoğaldığında botulizme (bir tür gıda zehirlenmesi) neden olan bakteri) zorunlu oksijensizdir: dış ortamla ilişkisi olmayan konservelerin içinde hızlı bir şekilde çoğalmalarının sebebi de budur. $^{4}$ ‍
Fakültatif anaeroblar $O_{2}$ ‍ mevcut olduğunda aerobik metabolizmayı, oksijen olmayan ortamda anaerobik metabolizmayı kullanırlar. Stafilokok ve streptokok enfeksiyonlarına neden olan bakteriler, fakültatif anaeroblara örnektir.

Sülfür ve azot metabolizması

Bazı bakterilerin ve arkelerin, ökaryotların yapamayacağı yollarla azotu ve sülfürü metabolizmalaştırmalarını sağlayan metabolik yolakları vardır. Bazı durumlarda, enerji elde etmek için azot ya da sülfür içeren moleküller kullanırlar ancak bazı durumlarda da bu molekülleri bir formdan diğerine dönüştürmek için enerji harcarlar.

Sülfür metabolizması

Sülfür metabolize eden prokaryotların bazı etkileyici örnekleri derin deniz ekosistemlerinde bulunur. Örneğin, belli prokaryotik türler sıcak hidrotermal menfezlerin borularından hidrojen sülfürü (

H_{2} S

) oksitleyebilirler. İnorganik karbonu sudan şekere ve diğer organik moleküllere sabitlemek için kemosentez adı verilen bir işlemde açığa çıkan enerjiyi kullanırlar.

^{6}

Sülfür metabolizması yapan prokaryotlar, derin deniz habitatlarındaki (en küçük ışık ışınının bile fotosentezi desteklemek için ulaşamadığı yerlerde) besin zincirlerinin temelini oluştururlar. Sülfür metabolizörleri, okyanus yüzeyinin binlerce metre altındaki solucanlar, yengeçler ve karidesler de dahil olmak üzere birçok organizma topluluklarını destekler.

Azot metabolizması

Azot metabolizmalaştıran prokaryotlar arasında azot sabitleyiciler, azotlayıcılar ve azot gidericiler bulunur. Bu prokaryotlar, azot bileşiklerini bir kimyasal formdan diğerine dönüştürerek azot döngüsünde önemli roller oynarlar.

Azot sabitleyici prokaryotlar, atmosferik azotu (

N_{2}

), bitkilerin ve diğer organizmaların organik moleküllere dahil edebileceği amonyağa (

t e x t {N H}_{3}

) dönüştürürler (“sabitlerler”). Baklagil ailesindeki bezelye gibi bazı bitki türleri, azot sabitleyici bakterilerle karşılıklı yararlı ilişkiler (mutualizm) kurarlar. Bitkiler bakterileri kök nodülleri denilen yapılarda barındırıp beslerken, bakteriler de bitkinin köklerine sabit azot sağlarlar.

Azotlayıcı bakteriler olarak adlandırılan, topraktaki diğer prokaryotlar, amonyağı, bitkiler tarafından da emilebilen diğer bileşik türlerine (nitratlar ve nitritler) dönüştürür. Azot giderici prokaryotlar, nitratı

N_{2}

gazına dönüştürerek işlemin aşağı yukarı tersini yaparlar.

Biyojeokimyasal döngüler

Kimyasal elementlerin geri dönüşümünün sürekliliği, ekosistemlerin işleyişi için hayati öneme sahiptir. Dünyadaki biyojeokimyasal döngülerde, kimyasal elementler tekrarlanan bir döngüde çeşitli farklı formlara dönüştürülür.

Prokaryotlar çeşitli metabolizmaları sayesinde birçok küresel döngüde önemli roller oynarlarlar. Bu bölümde azor ve karbon döngülerindeki işlevlerini daha yakından inceleyeceğiz.

Azot döngüsü

Son bölümde gördüğümüz gibi, azot sabitleyici prokaryotlar atmosferik azotu (

t e x t N_{2}

) amonyağa (

{NH}_{3}

) dönüştürürler (“sabitlerler”). Bitkiler ve diğer organizmalar daha sonra bu amonyağı amino asitler ve nükleotitler gibi moleküller oluşturmak için kullanabilirler.

Toprakta yaşayan diğer prokaryotlardan olan azotlayıcı bakteriler, amonyağı, bitkiler tarafından da emilebilen diğer bileşik türlerine (nitratlar ve nitritler) dönüştürürler. Nitratları

N_{2}

'ye dönüştüren azot giderici prokaryotlar, azot atomlarını topraktan atmosfere geri taşırlar.

Aşağıdaki görsel, prokaryotların rollerine vurgu yaparak azot döngüsünün basitleştirilmiş bir versiyonunu gösteriyor.

_Görselin uyarlandığı kaynak: "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3,0). Uyarlanmış görsel CC BY-SA 3,0 lisanslıdır._

Karbon döngüsü

Prokaryotlar karbon döngüsü için de önemlidirler. Fotosentetik prokaryotlar, örneğin siyanobakteriler,

{CO}_{2}

'yi atmosferden almak ve organik moleküllere sabitlemek için ışık enerjisi kullanırlar. Bu fotosentetik bitkiler tarafından gerçekleştirilen temel işlemin aynısıdır.

Prokaryotik ayrıştırıcılar ise karbonu tam tersi yönde hareket ettirirler. Ölü organik maddeleri (daha önce yaşayan bitki ve hayvanlardan) parçaladıklarında,

{CO}_{2}

'yi hücresel solunum yolu ile atmosfere geri döndürürler. Ayrıştırma, çeşitli başka element ve inorganik molekülleri de yeniden kullanılabilmeleri için serbest bırakır.

Aşağıdaki görsel, prokaryotların rollerine vurgu yaparak karbon döngüsünün basitleştirilmiş bir versiyonunu gösteriyor.

Özellik

Bu makalenin uyarlandığı kaynak: "Prokaryotic metabolism," OpenStax College, Biology (CC BY 4.0). Orijinal makaleyi ücretsiz olarak bu adresten indirebilirsiniz: http://cnx.org/contents/47cb544e-2d71-4962-8d42-87f00bad4045@10.

Uyarlanmış makale CC-BY-NC-SA 4.0 lisansıyla lisanslanmıştır.

Alıntı yapılan çalışmalar

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.
Photoheterotroph. (17 Ocak 2016). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Mayıs 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. Campbell biology (10. baskı, sayfa 575). San Francisco, CA: Pearson.
Clostridium botulinum. (4 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 21 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.
Facultative anaerobic organism. (23 Aralık 2015). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Mayıs 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.
National Oceanic and Atmospheric Administration. (12 Şubat 2013). Chemosynthesis vs. photosynthesis. _Ocean explorer. Alıntı yapılan kaynak: http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.
Hydrothermal vent. (14 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Ek referanslar

Anaerobic respiration. (29 Şubat 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration.

Botulism. (14 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 21 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Botulism.

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.

Chemosynthesis. (2 Şubat 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemosynthesis.

Clostridium botulinum. (4 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 21 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.

Denitrifying bacteria. (2 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia:: https://en.wikipedia.org/wiki/Denitrifying_bacteria .

Facultative anaerobic organism. (23 Aralık 2015). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Mayıs 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.

Hydrothermal vent. (14 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Lindemann, W. C. and Glover, C. R. (1990). Nitrogen fixation by legumes. College of agriculture and home economics. Alıntı yapılan adres: http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec10/lindemann.html.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (12 Şubat 2013). Chemosynthesis vs. photosynthesis. _Ocean explorer. Alıntı yapılan adres: http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.

Nitrogen assimilation. (8 Şubat 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_assimilation.

Nitrogen-fixing bacteria. (3 Şubat 2016). Encyclopedia Britannica. Alıntı yapılan adres: http://www.britannica.com/science/nitrogen-fixing-bacteria.

Photoheterotroph. (17 Ocak 2016). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Mayıs 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H. ve Heller, H. C. (2003). Prokaryotes have exploited many metabolic possibilities. Life: The science of biology (7. baskı, sayfa 532). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. Campbell biology (10. baskı, sayfa 575-576). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Prokaryotes play crucial roles in the biosphere. Campbell biology (10. baskı, sayfa 581-582). San Francisco, CA: Pearson.

Simplified summary of microbial metabolism. Lectures 1 & 2: The biosphere & carbon and energy metabolism. Alıntı yapılan adres: http://web.mit.edu/7,01x/7,014/documents/Carbon_and_energy_Lecture_Handout_000.pdf.

Sulfolobus. (1 Mart 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfolobus.

Sulfur metabolism. (20 Şubat 2016). Alıntı yapılan tarih ve adres: 14 Mart 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_metabolism.

Wilkins, D. ve Gray-Wilson, N. (23 Mart 2016). Prokaryote nutrition and metabolism - Advanced. CK-12 biology advanced concepts. Alıntı yapılan kaynak: http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/11,9/.

Konuyu anlayıp anlamadığınızı kontrol edin!

Bakterilerin metabolitik stratejileri ile ilgili olan aşağıdaki ifadeleriden hangileri doğrudur?

	Doğru	Yanlış
Bazı bakteriler aynen bitkiler gibi, fotosentez yapar ve oksijen üretirler.
Bakteriler her zaman ototrofiktir yani ancak ışık veya kimyasal kaynaklardan enerji alabilirler.
Bazı kemosentetik bakteriler, fotosentezin mümkün olmadığı topluluklara enerji ve sabit karbon sağlamaktadırlar (örnek: derin deniz menfezleri).
Bazı bakteriler konak organizmaların içinde simbiyotik olarak yaşar ve konağına besin sağlarlar.

Bazı bakteriler kendi yakıt moleküllerini sentezlerken/kendi karbonlarını sabitlerken (ototrofik), diğerleri sabit karbonu çevrelerinden alırlar (heterotrofik).

Bazı ototroflar kendi yakıt moleküllerini sentezlemek için ışık enerjisi kullanırken diğerleri enerjilerini kimyasal kaynaklardan alırlar.

Kimyasal kaynaklardan enerji alan ve bu enerjiyi karbonu sabitlemek için kullanan bakterilere kemosentetik organizmalar adı verilir. Bu bakteriler, derin deniz menfezleri gibi ışık bulunmayan topluluklar için önemli olabilir. Bu ekosistemlerde gıda zincirinin temelini oluşturabilirler (birincil üreticiler olarak hareket edebilirler).

Bazı bakterilerin diğer organizmalarla simbiyotik (karşılıklı fayda sağlayan) ilişkileri vardır; bu bakteriler o organizmaların içinde yaşarlar ve onlara besin sağlarlar.

Bakterilerin metabolik stratejileri hakkında doğru olan ifadeler:

	Doğru	Yanlış
Bazı bakteriler aynen bitkiler gibi, fotosentez yapar ve oksijen üretirler.
Bakteriler her zaman ototrofiktir yani ancak ışık veya kimyasal kaynaklardan enerji alabilirler.
Bazı kemosentetik bakteriler, fotosentezin mümkün olmadığı topluluklara enerji ve sabit karbon sağlamaktadırlar (örnek: derin deniz menfezleri).
Bazı bakteriler konak organizmaların içinde simbiyotik olarak yaşar ve konağına besin sağlarlar.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

Henüz gönderi yok.

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.