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Quimiossíntese

Em bioquímica, quimiossíntese é a conversão biológica de um ou mais compostos contendo carbono (geralmente dióxido de carbono ou metano) e nutrientes em matéria orgânica utilizando a oxidação de compostos inorgânicos (como o gás hidrogénio, sulfureto de hidrogénio) ou iões ferrosos como fonte de energia, em vez de utilizar a energia da luz solar como na fotossíntese. Os organismos quimioautotróficos, que obtêm carbono do dióxido de carbono por quimiossíntese, são filogeneticamente diversos e incluem taxa abundantes e biogeoquimicamente importantes, como as gammaproteobacterias oxidantes de enxofre e as epsilonproteobacterias, as Aquificae, as arqueias metanogénicas e as bactérias neutrofílicas oxidantes de ferro.

A bactéria Venenivibrio stagnispumantis obtém energia através da oxidação do gás hidrogénio.
Ferro bacteriano.

Muitos microrganismos em regiões escuras do oceano utilizam a quimiossíntese para produzir biomassa a partir de moléculas simples de carbono. Duas classes destes organismos podem ser distinguidas. Nos raros locais onde as moléculas de hidrogénio gasoso (H2) estão disponíveis, a energia gerada na reação entre o CO2 e o H2 (levando à produção de metano, CH4) pode ser suficientemente grande para impulsionar a produção de biomassa. Em alternativa, na maioria dos ambientes oceânicos, a energia para a quimiossíntese deriva de reações em que substâncias como o sulfureto de hidrogénio ou a amoníaco são oxidadas. Isto pode ocorrer na ausência ou na presença de oxigénio.

Muitos microrganismos quimiossintéticos são comidos por outros organismos nas cadeias alimentares oceânicas, e as associações simbióticas entre quimiossintetizadores e heterótrofos respiratórios são bastante comuns. Grandes populações de animais podem ser sustentadas alimentando-se da produção secundária quimiossintética de organismos que vivem em fontes hidrotermais, emanações frias, carcaças de baleias, águas isoladas de grutas e clatratos de metano.

Foi colocada a hipótese de que a quimiossíntese anaeróbia poderia sustentar a vida sob a superfície de Marte, a lua de Júpiter Europa e outros planetas.[1] A quimiossíntese foi também o primeiro tipo de metabolismo a evoluir na Terra, abrindo caminho para o desenvolvimento posterior da fotossíntese e da respiração celular.

Processo de quimiossíntese de sulfureto de hidrogénio

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Vários microrganismos e até, simbioticamente, alguns animais podem utilizar sulfureto de hidrogénio na sua quimiossíntese. O verme tubular gigante Riftia pachyptila utiliza bactérias que vivem no seu trofossoma para fixar dióxido de carbono (utilizando sulfureto de hidrogénio, oxigénio[2] ou nitrato como fontes de eletrões e energia) e produzem açúcares e aminoácidos.[3] Algumas reações produzem enxofre:

quimiossíntese de ácido sulfídrico:[4]
18H2S + 6CO2 + 3O2 → C6H12O6 (hidrato de carbono) + 12H2O + 18S

A quimiossíntese de ácido sulfídrico, em vez de libertar gás oxigénio ao fixar dióxido de carbono como na fotossíntese, produz glóbulos de enxofre sólidos no processo. Nas bactérias que podem viver como quimioautótrofos, como as bactérias do enxofre roxo,[5] Glóbulos de enxofre amarelos são visíveis no seu citoplasma.

Descoberta

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O verme tubular gigante Riftia pachyptila tem um órgão que contém bactérias quimiossintéticas em vez de vísceras.

Em 1890, Sergei Winogradsky propôs um novo tipo de processo denominado "inorgoxidação". Esta descoberta sugeriu que alguns micróbios poderiam viver apenas de matéria inorgânica e foi feita durante a sua pesquisa fisiológica na década de 1880 em Estrasburgo e Zurique sobre bactérias de enxofre, ferro e azoto.

Em 1897, Wilhelm Pfeffer cunhou o termo "quimiossíntese" para a produção de energia pela oxidação de substâncias inorgânicas, em associação com a assimilação de dióxido de carbono autotrófico, que hoje seria designado por quimiolitoautotrofia. Mais tarde, o significado do termo seria alargado para incluir também os quimioorganoautótrofos, que são organismos que utilizam substratos orgânicos energéticos para assimilar dióxido de carbono.[6] Assim, a quimiossíntese pode ser considerada sinónimo de quimioautotrofia.

O termo menos restritivo "quimiotrofia" foi introduzido na década de 40 por André Lwoff para a produção de energia por oxidação de dadores de eletrões, orgânicos ou inorgânicos, associados à auto ou heterotrofia.[7][8]

Fontes hidrotermais

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A sugestão de Winogradsky foi confirmada quase 90 anos mais tarde, quando as fontes hidrotermais oceânicas foram estudadas na década de 1970. Estas fontes termais e as estranhas criaturas descobertas pelo Alvin, o primeiro submarino de águas profundas da história, foram descobertas em 1977 no Rifte das Galápagos. Mais ou menos na mesma altura, a então estudante de pós-graduação Colleen Cavanaugh propôs a existência de bactérias quimiossintéticas que oxidavam os sulfuretos ou enxofre elementar como explicação para a sobrevivência dos vermes tubulares que viviam perto de chaminés. Mais tarde, Cavanaugh conseguiu confirmar que este era o método pelo qual estes vermes prosperavam e é geralmente creditado por confirmar a existência na natureza de ecossistemas baseados na quimiossíntese.[9]

Uma série televisiva de 2004 apresentada por Bill Nye mencionou a quimiossíntese como uma das 100 maiores descobertas científicas de sempre.[10][11]

A quimiossíntese divide-se em duas etapas:

  1. A formação do NADPH e de ATP, usando a energia fornecida por determinadas reações químicas de oxirredução que ocorrem no meio;
  2. A segunda fase é igual à fase química da fotossíntese, redução de dióxido de carbono, o que conduz à síntese de substâncias orgânicas.

A quimiossíntese é realizada principalmente por bactérias, entre as quais as ferrobactérias, as sulfobactérias e as nitrobactérias. Cada uma dessas bactérias utiliza a energia de um mineral que oxida, compostos respectivamente de ferro, enxofre e nitrogénio.

Comparada à fotossíntese, a taxa da quimiossíntese apresenta uma fração minúscula de produção, mas é muito importante para o ciclo do nitrogênio, onde este elemento é fixado no solo ou nas plantas.

Em 1890, Winogradsky verificou que a oxidação do composto amoníaco existente no solo liberta energia. Partindo deste conhecimento verificou que bactérias do solo pudessem oxidar compostos azotados, utilizando a energia para reduzir o dióxido de carbono (CO2) e formar substâncias orgânicas. Essas bactérias foram designadas por bactérias nitrificantes ou ainda bactérias quimioautotróficos,

As bactérias nitricantes são seres quimiossintéticos porque utilizam a energia resultante da oxidação de compostos químicos, e autotróficos porque a fonte de carbono é um mineral.

As bactérias nitrificantes são geralmente encontradas livremente no solo ou associadas a plantas, formando nódulos radiculares. A biofixação se inicia com a assimilação no nitrogênio atmosférico, transformando-o em amônia, reagente oxidado pela nitrossomonas, resultando em nitrito e energia para a produção de substâncias orgânicas sustentáveis a esse gênero de bactérias. O nitrito liberado no solo e absorvido pela nitrobactéria também passa por oxidação, gerando energia química (destinada à produção de substâncias orgânicas) e nitrato (NO3-) (aproveitado pelas plantas na elaboração dos aminoácidos).

Existem bactérias ricas em H2S. Essas bactérias são capazes de incorporar o dióxido de carbono para a síntese de moléculas orgânicas, utilizando a energia química resultante da oxidação do sulfureto de hidrogénio. Essas bactérias são designadas por Sulfo-bactéria e quimioautotrófico. Apesar do processo quimiossintético representar uma pequena formação do processo de produção de compostos orgânicos , as bactérias quimiossintéticas desempenham actidades importantes na biosfera, nomeadamente na manutenção da fertilidade dos solos, através da sua intervenção na reciclagem de compostos azotados.

Grupos de Bactérias quimiossintetizantes

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  • sulfobacterias: que oxidam compostos do enxofre;
  • ferrobacterias: que oxidam compostos do ferro;
  • nitrobacterias: que oxidam compostos do nitrogênio;

Ver também

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Referências

  1. ↑ Julian Chela-Flores (2000): "Terrestrial microbes as candidates for survival on Mars and Europa", in: Seckbach, Joseph (ed.) Journey to Diverse Microbial Worlds: Adaptation to Exotic Environments, Springer, pp. 387–398. ISBN 0-7923-6020-6
  2. ↑ Schmidt-Rohr, Klaus (2020). «Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics». ACS Omega. 5 (5): 2221–2233. ISSN 2470-1343. PMC 7016920 . PMID 32064383. doi:10.1021/acsomega.9b03352 
  3. ↑ Biotechnology for Environmental Management and Resource Recovery. [S.l.]: Springer. 2013. p. 179. ISBN 978-81-322-0876-1 
  4. ↑ «Chemolithotrophy | Boundless Microbiology». courses.lumenlearning.com. Consultado em 11 de abril de 2020 
  5. ↑ The Purple Phototrophic Bacteria. Hunter, C. Neil. Dordrecht: Springer. 2009. ISBN 978-1-4020-8814-8. OCLC 304494953 
  6. ↑ Kellerman, M. Y.; et al. (2012). «Autotrophy as a predominant mode of carbon fixation in anaerobic methane-oxidizing microbial communities». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109 (47): 19321–19326. Bibcode:2012PNAS..10919321K. PMC 3511159 . PMID 23129626. doi:10.1073/pnas.1208795109 
  7. ↑ Kelly, D. P.; Wood, A. P. (2006). «The Chemolithotrophic Prokaryotes». The Prokaryotes. New York: Springer. pp. 441–456. ISBN 978-0-387-25492-0. doi:10.1007/0-387-30742-7_15 
  8. ↑ Schlegel, H. G. (1975). «Mechanisms of Chemo-Autotrophy» (PDF). In: Kinne, O. Marine Ecology. Vol. 2, Part I. [S.l.: s.n.] pp. 9–60. ISBN 0-471-48004-5 
  9. ↑ Cavenaugh, Colleen M.; et al. (1981). «Prokaryotic Cells in the Hydrothermal Vent Tube Worms Riftia Jones: Possible Chemoautotrophic Symbionts». 213 (4505). Science. pp. 340–342. PMID 17819907. doi:10.1126/science.213.4505.340 
  10. ↑ «100 Greatest Discoveries (2004–2005)». IMDb 
  11. ↑ «Greatest Discoveries». Science. Cópia arquivada em 19 de março de 2013  Watch the "Greatest Discoveries in Evolution" online.
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