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Prokaryoten-Stoffwechsel

Wie alle Lebewesen benötigen Prokaryoten Energie und Kohlenstoff. Diesen Bedarf decken sie auf unterschiedliche Weise. Tatsächlich gibt es bei Prokaryonten so gut wie alle möglichen Arten des Stoffwechsels. Sie können Energie aus Licht (Foto) oder aus chemischen Verbindungen (Chemo) gewinnen. Sie können Kohlenstoff aus Kohlendioxid (autotroph) oder aus anderen Lebewesen (heterotroph) gewinnen. Die meisten Prokaryoten sind chemoheterotroph. Sie sind auf andere Organismen angewiesen, um sowohl Energie als auch Kohlenstoff zu erhalten. Viele bauen organische Abfälle und die Überreste toter Organismen ab. Sie spielen eine wichtige Rolle als Zersetzer und tragen zur Wiederverwertung von Kohlenstoff und Stickstoff bei. Photoautotrophe Organismen sind wichtige Produzenten. Sie sind besonders wichtig in aquatischen Ökosystemen.

Klassifizierung von Prokaryoten auf der Grundlage des Stoffwechsels

Zwei Hauptnahrungsbedürfnisse können zur Gruppierung von Prokaryoten verwendet werden. Diese sind (1) der Kohlenstoff-Stoffwechsel, ihre Kohlenstoffquelle für den Aufbau organischer Moleküle innerhalb der Zellen, und (2) der Energiestoffwechsel, ihre Energiequelle für das Wachstum.

In Bezug auf den Kohlenstoffstoffwechsel werden Prokaryonten entweder als heterotroph oder autotroph klassifiziert:

• Heterotrophe Organismen verwenden organische Verbindungen, die in der Regel von anderen Organismen stammen, als Kohlenstoffquellen.
• Autotrophe Organismen verwenden Kohlendioxid (CO2) als ihre einzige oder ihre Hauptquelle für Kohlenstoff. Viele autotrophe Bakterien sind photosynthetisch und beziehen ihren Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre. Dieser Prozess, bei dem anorganischer Kohlenstoff aufgenommen und in organische Zuckermoleküle umgewandelt wird, ist als Kohlenstofffixierung bekannt.

Der Energiestoffwechsel bei Prokaryonten wird als einer der folgenden klassifiziert:

• Phototrophe Organismen fangen Lichtenergie von der Sonne ein und wandeln sie in ihren Zellen in chemische Energie um.
• Chemotrophe Organismen bauen entweder organische oder anorganische Moleküle ab, um Energie für die Zelle zu liefern. Einige chemotrophe Organismen können ihre organischen energieliefernden Moleküle auch als Kohlenstofflieferanten verwenden, was sie zu chemoheterotrophen Organismen machen würde.

Organismen werden dann wie folgt klassifiziert:

• Photoheterotrophe Organismen sind Organismen, die Lichtenergie einfangen, um sie in ihren Zellen in chemische Energie umzuwandeln, aber sie erhalten Kohlenstoff aus organischen Quellen (anderen Organismen). Beispiele sind Purpurbakterien ohne Schwefel, grüne Bakterien ohne Schwefel und Heliobakterien.
• Chemoheterotrophe sind Organismen, die ihre Energie- und Kohlenstoffquelle aus organischen Quellen beziehen. Chemoheterotrophe Organismen müssen organische Bausteine verbrauchen, die sie nicht selbst herstellen können. Die meisten von ihnen beziehen ihre Energie aus organischen Molekülen wie Zuckern. Diese Ernährungsweise ist bei Eukaryoten, einschließlich des Menschen, sehr verbreitet.
• Photoautotrophe Zellen sind Zellen, die Lichtenergie einfangen und Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle nutzen. Es gibt viele photoautotrophe Prokaryonten, zu denen auch Cyanobakterien gehören. Photoautotrophe Prokaryonten verwenden ähnliche Verbindungen wie Pflanzen, um Lichtenergie einzufangen.
• Chemoautotrophe Zellen sind Zellen, die anorganische Moleküle abbauen, um Energie für die Zelle zu liefern, und Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle verwenden. Zu den Chemoautotrophen gehören Prokaryoten, die Schwefelwasserstoff (H2S, das nach faulen Eiern riechende Gas) und Ammoniak (NH4) abbauen. Nitrosomonas, eine Art von Bodenbakterium, oxidiert NH4+ zu Nitrit (NO2-). Bei dieser Reaktion wird Energie freigesetzt, die die Bakterien nutzen. Viele chemoautotrophe Bakterien leben auch in extremen Umgebungen wie Tiefseequellen (Extremophile).

Abbildung 1. Dieses Flussdiagramm hilft bei der Bestimmung, ob eine Art autotroph oder heterotroph, phototroph oder chemotroph ist. Die Frage „Obtain carbon elsewhere?“ fragt zum Beispiel, ob die Kohlenstoffquelle ein anderer Organismus ist. Wenn die Antwort „ja“ lautet, ist der Organismus heterotroph. Lautet die Antwort „nein“, ist der Organismus autotroph.

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