Microbiologia

Arqueas: o que são, tipos, características – Archaeas

Arqueas: o que são, tipos, características – Archaeas
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As Arqueas também conhecidas como Archaeas é um vasto grupo de microrganismos pouco conhecidos . Eles formam um dos três Domínios da vida – os outros dois são Bactéria e Eukarya. Todas as arqueas são organismos unicelulares. Eles têm células procarióticas, mas acredita-se que estejam mais intimamente relacionados aos eucariotos do que às bactérias. arqueas tem muitas características que compartilham com bactérias e eucariotas. Eles também têm muitos recursos exclusivos.

ESTRUTURA DE ARQUEAS

As arqueas são estruturalmente muito diversas e há exceções para a maioria dos recursos gerais de células que descrevo aqui.

Como arqueas são organismos procarióticos, eles são feitos de apenas uma célula que não possui um núcleo e organelos verdadeiros. Eles são geralmente de tamanho e forma semelhantes às células das bactérias. Outras semelhanças físicas que compartilham com as bactérias incluem um único anel de DNA , uma parede celular (quase sempre) e, muitas vezes, a presença de flagelos.

Ao contrário das bactérias, as arqueas não são afetadas pelos antibióticos. Suas paredes celulares são estruturalmente diferentes das bactérias e não são vulneráveis ​​ao ataque de antibióticos.

As células de arqueas têm membranas únicas. As membranas de bactérias e células eucarióticas são feitas de compostos chamados fosfolipídios . Esses fosfolipídios têm caudas não ramificadas. Membranas arqueais são feitas de lipídios ramificados. A presença de lipídios ramificados altera grandemente a estrutura das membranas das células arqueárias.

ONDE ESTÃO AS ARQUEAS?

arqueas foram originalmente encontrados apenas em ambientes extremos , onde são mais comumente estudados. Hoje eles são conhecidos por viver em muitos ambientes que consideramos hospitaleiros, como lagos , solos, zonas úmidas e oceanos.

Muitos arqueas são extremófilos, ou seja, amantes de condições extremas. Diferentes grupos prosperam em diferentes condições extremas, como fontes termais, lagos salgados ou ambientes altamente ácidos.

arqueas que vivem em condições extremamente salgadas são conhecidas como halófilos extremos – amantes do sal. Halófilos extremos são encontrados em lugares como o Mar Morto, o Grande Lago Salgado e o Lago Assal, que têm concentrações de sal muito mais altas que a água do oceano.

Outros organismos morrem em condições extremamente salgadas. Altas concentrações de sal retiram a água das células e fazem com que morram de desidratação. Os halófilos extremos evoluíram adaptações para evitar que suas células perdessem muita água.

arqueas que são encontrados em ambientes extremamente quentes são conhecidos como termófilos extremos. A maioria dos organismos morre em condições extremamente quentes porque o calor danifica a forma e a estrutura do DNA e das proteínas encontradas em suas células. Termófilos extremos lutam para crescer e sobreviver em temperaturas moderadas, mas são conhecidos por viver em ambientes com temperatura superior a 100 ℃.

Acidófilos são organismos que amam condições altamente ácidas, como nossos estômagos e piscinas sulfúricas. Os acidófilos têm vários métodos para se proteger das condições altamente ácidas. Mudanças estruturais nas membranas celulares podem impedir a entrada de ácido nas células. Canais na membrana de sua célula podem ser usados ​​para bombear íons de hidrogênio para fora da célula para manter o pH dentro da célula.

METANOGÊNICOS

Os metanogênicos são um grupo de arqueas que produzem gás metano como parte de seu metabolismo. Eles são microorganismos anaeróbicos que usam dióxido de carbono e hidrogênio para produzir energia. O metano é produzido como um subproduto.

Metanogênicos são arqueas anaeróbica e são envenenados por oxigênio. Eles são comumente encontrados no solo das zonas úmidas, onde todo o oxigênio foi esgotado por outros microorganismos.

Eles também são encontrados nas entranhas de alguns animais , como ovelhas e gado. Metanogênicos encontrados nas entranhas dos animais ajudam na digestão dos alimentos. Os metanogênicos também são usados ​​para tratar o esgoto.

Anualmente, os metanogênicos liberam cerca de dois bilhões de toneladas de metano na atmosfera. O metano é um gás de efeito estufa envolvido no aquecimento global e na mudança climática. As concentrações de metano estão aumentando cerca de 1% a cada ano, em parte devido às atividades humanas que envolvem metanogênese, como a pecuária e a produção de arroz.

Veja também:

GRUPOS DIFERENTES DE ARQUEAS

Muito pouco é conhecido sobre a árvore evolucionária do Domínio arqueas. Atualmente, ele é separado em quatro grupos evolutivos que provavelmente mudam à medida que descobrimos mais sobre esses organismos microscópicos. Os quatro clados atuais de arqueas são os Korarchaeotes, Euryarchaeotes, Crenarchaeotes e Nanoarchaeotes.

EURYARCHAEOTES

Euryarchaeotes são um dos grupos mais conhecidos de arqueas. Inclui uma gama de halófilos extremos (amantes do sal) e todos os metanogéneos. Alguns desses halófilos extremos são usados ​​na produção comercial de sal para ajudar a acelerar a evaporação das lagoas de água salgada.

Alguns euryarchaeotes têm uma maneira única de usar a energia da luz para produzir comida. Em vez de usar os pigmentos bem conhecidos, como a clorofila a , alguns euryarchaeotes usam uma combinação de uma proteína e um pigmento chamado retinal para capturar a energia da luz. O retinal é também uma molécula chave envolvida na visão dos animais.

CRENARCHAEOTES

Crenarchaeotes e euryarchaeotes são os dois grupos mais conhecidos de arqueas. Este grupo inclui a maioria dos termófilos conhecidos (amantes do calor). Eles geralmente vivem em ambientes quentes ou ácidos. Por exemplo, eles podem ser encontrados em fontes altamente ácidas de enxofre quente em temperaturas acima de 75 ℃.

KORARCHAEOTES

Os primeiros korarchaeotes foram descobertos em uma primavera quente em 1996 no Parque Nacional de Yellowstone. Desde então, eles foram descobertos em todo o mundo, mas até agora apenas em fontes termais e fontes hidrotermais de mar profundo .

NANOARQUEOTES

Nanoarchaeotes são as arqueas descobertas mais recentemente. Eles foram descobertos pela primeira vez em 2002 na Islândia. Os nanoarchaeotes são alguns dos menores organismos do mundo. Eles são parasitas que crescem ligados a uma célula crenarchaeote.

Desde 2002, eles foram descobertos em vários lugares ao redor do mundo, incluindo a Sibéria, o Parque Nacional de Yellowstone e as profundezas do Oceano Pacífico.

Archaea é um domínio de microrganismos unicelulares. Eles não têm núcleo celular ou qualquer outra organela dentro de suas células.

No passado, Archaea era classificada como um grupo incomum de bactérias e denominada archaebacteria, mas como as Archaea têm uma história evolutiva independente e manifestam numerosas diferenças em sua bioquímica de outras formas de vida, elas agora são classificadas como um domínio separado nos três. sistema de domínio.

Neste sistema, os três ramos primários da descendência evolutiva são os Archaea, Eukarya e Bacteria. As arquéias são divididas em quatro filos reconhecidos, embora outros filos possam existir. Destes grupos, a Crenarchaeota e a Euryarchaeota são estudadas mais intensivamente. Classificar o arquea é um pouco desafiador, já que a grande maioria nunca foi estudada,

Archaea replicam assexuadamente em um processo conhecido como fissão binária. Archaea consegue uma mobilidade de natação através de um ou mais flagelos semelhantes a cauda. Muitos archaeanos são extremófilos, alcançando ampla tolerância ambiental à temperatura, salinidade e até ambientes radioativos.

Acredita-se que as arquéias sejam significativas no ciclo geoquímico global, uma vez que elas compreendem cerca de 20% da biomassa mundial; no entanto, muito pouco se sabe sobre o domínio, especialmente as variedades bentônicas marinhas e de profundidade.

Evolução

Os primeiros fósseis de células procariotas prováveis ​​foram datados em aproximadamente 3,5 bilhões de anos antes dos dias atuais, tornando-os algumas das formas de vida mais primitivas e antigas da Terra; no entanto, os procariontes geralmente não possuem morfologias distintas, portanto formas fósseis não podem ser usadas para identificá-las como archaea.

Em vez disso, fósseis químicos de lipídios únicos contêm maior informação, uma vez que tais compostos não ocorrem em outros organismos.

Algumas pesquisas indicam que restos lipídicos arcaicos ou eucarióticos estão presentes em folhelhos tão antigos quanto 2,7 bilhões de anos. Tais lipídios foram identificados em formações pré-cambrianas, as primeiras das quais estão presentes no greenstone belt de Isua, na Groenlândia ocidental. Esta localidade possui os sedimentos mais antigos da Terra, com cerca de 3,8 bilhões de anos de idade.

Carl Woese foi o primeiro a postular que as bactérias, archaea e eucariotas representam linhas de descendência evolutivas separadas que divergiram em um ponto muito remoto no tempo de uma colônia ancestral de organismos.

Archaea e vírus provavelmente tiveram um relacionamento a partir de 2 bilhões de anos antes de hoje, alguns pesquisadores postulando que a co-evolução pode estar ocorrendo entre esses grupos em um tempo tão precoce.

Sugeriu-se ainda que o último ancestral comum das bactérias e archaea era um termófilo, aumentando a probabilidade de que as baixas temperaturas sejam realmente os ambientes extremos vistos de um ponto de vista arqueológico ancestral, e os organismos que podem tolerar condições de frio apareceram apenas mais tarde. tempo evolutivo.

Taxonomia

Não foi até 1977 que archaea foram reconhecidos como um domínio separado de procariontes através do trabalho de Woese e Fox. Até 1965, as principais técnicas de distinguir microorganismos eram o uso de funções morfológicas e metabólicas.

Woese e Fox culminaram em uma direção de pesquisa iniciada por uma série de pesquisadores iniciados no início dos anos 1960, nos quais a codificação genética de material de DNA era vista como uma técnica mais fundamental para o relacionamento com organismos.

No final do século 20, uma compreensão melhorada da significância e ubiquidade de arqueias surgiu usando a reação em cadeia da polimerase para detectar procariontes em amostras de água ou solo com base apenas em seu ácido nucléico.

O maior quebra-cabeça restante é se reconhecer espécies dentro do domínio de archaea. Embora os achados morfológicos e de DNA suportem o reconhecimento de espécies, não está claro que uma transferência significativa de genes seja proibida, aniquilando assim a validade das espécies.

Em qualquer caso, no presente tratamento, permitiremos a atribuição de espécies, se não por outra razão, a não seguir as designações de pesquisa publicadas e pela simplicidade da nomenclatura.

Morfologia geral

Archaea e bactérias são superficialmente similares em tamanho e forma, embora algumas espécies archaeas possuam formas geométricas notáveis, como as células planas e quadradas de alguns membros do gênero Haloquadra .

Apesar dessa semelhança visual com as bactérias, as arqueias possuem genes e várias vias metabólicas que estão mais relacionadas com as dos eucariotos: notadamente as enzimas envolvidas na transcrição e tradução de genes. Outros aspectos da bioquímica arcaica são únicos, como a ocorrência de lipídios éter dentro de suas membranas celulares.

Tal como acontece com as bactérias, archaea não tem membranas interiores ou organelas. As membranas celulares são tipicamente limitadas por uma parede celular e a mobilidade é alcançada usando uma ou mais estruturas da cauda flagelar.

Archaea mais se assemelham a bactérias gram-positivas. A maioria das arquéias exibe uma única membrana plasmática e parede celular, sem espaço periplasmático; no entanto, o Ignicoccus manifesta um periplasma notavelmente grande com vesículas ligadas à membrana, envolvido por uma membrana externa.

Alguns archaea agregam-se para produzir filamentos de células de até 200 nanômetros – essas formas são proeminentes nos biofilmes. O Thermococcus coalescens, por outro lado, tem células que podem se fundir na cultura para produzir células únicas de monstros.

O gênero Pyrodictium archaea forma uma complexa colônia multicelular que manifesta matrizes de delgados tubos ocos alongados denominados cânulas que se projetam da superfície celular e se conectam em uma densa aglomeração; essa forma saliente parece estimular a conexão ou troca de nutrientes com células vizinhas do mesmo gênero.

Crenarchaeota exibe um conjunto diversificado de geometrias: células lobadas de formato irregular, filamentos tipo agulha com menos de 500 nanômetros de seção transversal e hastes retangulares surpreendentes.

Essas morfologias estranhas são provavelmente produzidas tanto por suas paredes celulares quanto por um citoesqueleto procariótico. Proteínas associadas a elementos do citoesqueleto de outros organismos existem em archaea.

Flagelos

Os flagelos archaeais funcionam como suas contrapartes bacterianas, com hastes alongadas impulsionadas por motores rotatórios na base. Os próprios motores são alimentados pelo gradiente eletroquímico através da membrana.

No entanto, os flagelos arcaicos e bacterianos vieram de ancestrais diferentes. O flagelo bacteriano é oco e é montado por subunidades que sobem do poro central até a ponta do flagelo, enquanto os flagelos de arqueas são construídos a partir da adição de subunidades na base.

Membranas

As membranas de Archaea são construídas a partir de moléculas diferentes daquelas em outras formas de vida; essa morfologia demonstra a distância ancestral de bactérias e eucariotos. Para cada organismo, as membranas celulares são feitas de moléculas de fosfolipídios.

Estes fosfolípidos exibem uma parte polar que se dissolve em água (uma cabeça de fosfato) e uma parte não polar hidrofóbica (uma cauda lipídica) que é insolúvel em água. Essas extremidades dissimilares são conectadas por um grupo glicerol.

Na água, os fosfolipídios se agregam, com as cabeças voltadas para a água e as caudas voltadas para a direção oposta. A estrutura principal nas membranas celulares é uma dupla camada de fosfolipídios, muitas vezes denominada bicamada lipídica.

Esses fosfolipídios são distintos por vários motivos:

  • No caso de bactérias e eucariotos, as membranas consistem principalmente de lipídios de éster de glicol, mas archaea tem membranas feitas de glicerol-éter lipídios. As ligações éter são quimicamente mais estáveis ​​que as ligações éster, auxiliando as arqueias na sobrevivência a temperaturas extremas e em ambientes de pH extremos.
  • A estereoquímica do grupo glicerol é o inverso daquela encontrada em outros organismos. Isso implica que as arqueias usam enzimas totalmente diferentes para sintetizar fosfolipídios do que bactérias e eucariotos. Tais enzimas se desenvolveram em tempos geológicos muito antigos, sugerindo uma divisão prematura dos outros dois domínios.
  • Em algumas arquéias, a bicamada lipídica é substituída por uma monocamada, na qual as cadeias de duas moléculas fosfolipídicas independentes são fundidas em uma única molécula com duas cabeças polares. Essa fusão pode tornar suas membranas mais rígidas e mais capazes de resistir a ambientes agressivos. O ferroplasma é um exemplo – a sobrevivência desse organismo em seu habitat altamente ácido é estimulada por essa fusão de cauda. As caudas lipídicas Archea são quimicamente distintas de outros organismos.
  • Os lípidos Archaea baseiam-se na cadeia lateral do isopreno: são cadeias longas com cadeias laterais complexas e frequentemente anéis de ciclopropano ou ciclohexano. Embora os isoprenóides desempenhem um papel importante na bioquímica de muitos organismos, apenas os arqueídeos os utilizam para produzir fosfolipídios. Essas cadeias ramificadas podem ajudar as membranas arqueanas a vazar a altas temperaturas.

Metabolismo

Muitos caminhos metabólicos fundamentais são compartilhados entre todas as formas de vida. Como um caso em questão, archaea invoca uma forma modificada de glicólise e um ciclo completo ou parcial de ácido cítrico. Essas semelhanças com outros organismos refletem as origens arcaicas precoces, bem como a alta eficiência metabólica arqueana.

Uma vasta variedade de reações químicas é aplicada por archaea no apoio ao seu comportamento metabólico. Empregando uma série de fontes de energia, essas reações podem ser agrupadas em grupos nutricionais.

Em alguns casos, compostos inorgânicos (por exemplo, amônia e enxofre) fornecem a energia para arcaios conhecidos como litotróficos.

O outro conjunto de archaea emprega a energia do sol; embora não se envolva com a fotossíntese produtora de oxigênio, esse grupo arqueano é conhecido como os fototróficos. (Não se sabe que archaea usa a fotossíntese.) As archaea fototróficas usam a energia do sol para produzir energia química na forma de ATP.

Nas Halobactérias, bombas de íons ativadas por luz como bacteriorodopsina produzem gradientes iônicos bombeando íons para fora da célula através da membrana plasmática. A energia armazenada em tais gradientes eletroquímicos é subsequentemente convertida em ATP pela ATP sintase em um processo que é uma forma de fotofosforilação. A capacidade dessas bombas acionadas por luz de transportar íons através das membranas depende de alterações na estrutura de um cofator de retinol embutido no centro da proteína.

Alguns archaea que habitam pântanos prosperam em ambientes anaeróbicos; De fato, essa forma primitiva de metabolismo pode ter impulsionado o primeiro organismo de vida livre. Esse metabolismo metanogênico depende do dióxido de carbono como um receptor de elétrons para oxidar o hidrogênio.

A metanogênese invoca uma gama de coenzimas exclusivas dessas archaeas, incluindo a coenzima M e o metanofurano. Às vezes, vários álcoois e ácido acético ou fórmico são empregados como aceptores de elétrons metanogênicos.

Essas reações são comuns em arquéias que vivem no intestino. O ácido acético também é decomposto em metano e dióxido de carbono por archaea acetotrófica. Estes acetotrofos são archaea na ordem Methanosarcinales, e são uma parte importante das comunidades de microrganismos ecológicos que produzem biogás.

O carbono atmosférico é outra fonte de entrada de energia para arquéias autotróficas que envolvem a fixação de carbono. Este processo envolve: (i) uma forma altamente modificada do ciclo de Calvin ou (ii) uma via metabólica denominada ciclo do 3-hidroxipropionato / 4-hidroxibutirato.

Reprodução

Não tendo núcleo celular, as arquéias não se reproduzem por mitose; em vez disso, eles procriam usando um processo chamado fissão binária.

Nesse processo de fissão binária, o DNA arqueal se replica, e os dois filamentos são separados à medida que a célula cresce. Em alguns casos, mais de dois cromossomos filhos podem ser criados e subsequentemente separados, em um processo chamado de múltipla fissão.

Os cromossomos de Archael replicam-se a partir de múltiplas origens de replicação, usando DNA polimerases que se assemelham a enzimas eucarióticas contrapartidas.

No entanto, as proteínas que direcionam a divisão celular, como a proteína FtsZ, que forma um anel em contração ao redor da célula, e os componentes do septo construídos ao longo do centro da célula, assemelham-se a suas semelhanças bacterianas.

Onyenwoke et al. demonstraram que archaea, diferentemente de muitas bactérias e eucariontes, não produzem esporos.

Pensou-se primeiro que a maioria das archaea eram extremófilos, existindo nos limites ambientais das faixas de fatores abióticos. Recentemente, verificou-se que existem numerosas arqueas vivendo em uma ampla gama de habitats e condições ambientais.

Algumas Haloarchaea sofrem comutação fenotípica e crescem como vários tipos de células diferentes, incluindo estruturas de paredes espessas que são altamente resistentes ao choque osmótico. Essas paredes espessas permitem a sobrevivência sob circunstâncias hipospasivas (baixo teor de sal), mas esses fenótipos alternativos não são estruturas reprodutivas reais – podem ajudar as arqueas a alcançar novos habitats.

De fato, alguns archaea prosperam em temperaturas extremas, geralmente acima de 100 graus C; por exemplo, eles ocorrem em gêiseres, fumantes negros e poços de petróleo.

Outros ambientes viáveis ​​incluem ambientes muito frios e meios altamente salinos, ácidos ou alcalinos. Por exemplo, Picrophilus torridus, um acidófilo arcaico extremo, prospera a um pH essencialmente igual a zero, equivalente a uma concentração 1,2 molar de ácido sulfúrico.

Archaea também são encontrados em ambientes muito frios http://www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaea.html do oceano, incluindo mares polares. Muitas archaea também ocorrem nos oceanos do mundo entre as comunidades de plâncton como parte do picoplâncton. Além disso, archaea inclui mesófilos que crescem em condições amenas, nos pântanos, esgotos, oceanos e solos.

Halófilos, incluindo o gênero Halobacterium, sobrevivem em ambientes hipersalinos, como lagos salgados, e podem superar suas contrapartes bacterianas com salinidades superiores a 20%. Os termófilos crescem melhor em temperaturas acima de 45ºC, em locais como fontes termais; As archaea hipertermofílicas crescem optimamente a temperaturas superiores a 80ºC. A cepa 166 do arqueano Methanopyrus kandleri sobrevive a 122ºC, a mais alta temperatura registrada para qualquer organismo.

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