第22章原核生物:細菌と古細菌
22.3 Prokaryotic Metabolism22.3 原核生物の代謝
Learning Objectives学習目標
By the end of this section, you will be able to do the following:
この節を終えると、次のことができるようになる。
- Identify the macronutrients needed by prokaryotes, and explain their importance原核生物が必要とする多量栄養素を挙げ、その重要性を説明する。
- Describe the ways in which prokaryotes get energy and carbon for life processes原核生物が生命活動に必要なエネルギーと炭素を得る方法を説明する。
- Describe the roles of prokaryotes in the carbon and nitrogen cycles炭素循環と窒素循環における原核生物の役割を説明する。
Prokaryotes are metabolically diverse organisms. In many cases, a prokaryote may be placed into a species clade by its defining metabolic features: Can it metabolize lactose? Can it grow on citrate? Does it produce H2S? Does it ferment carbohydrates to produce acid and gas? Can it grow under anaerobic conditions? Since metabolism and metabolites are the product of enzyme pathways, and enzymes are encoded in genes, the metabolic capabilities of a prokaryote are a reflection of its genome. There are many different environments on Earth with various energy and carbon sources, and variable conditions to which prokaryotes may be able to adapt. Prokaryotes have been able to live in every environment from deep-water volcanic vents to Antarctic ice by using whatever energy and carbon sources are available. Prokaryotes fill many niches on Earth, including involvement in nitrogen and carbon cycles, photosynthetic production of oxygen, decomposition of dead organisms, and thriving as parasitic, commensal, or mutualistic organisms inside multicellular organisms, including humans. The very broad range of environments that prokaryotes occupy is possible because they have diverse metabolic processes.
英語のヒント
原核生物は、代謝が多様な生物である。多くの場合、特徴的な代謝の性質によって、種のクレードへ位置づけられる。乳糖を代謝できるか。クエン酸を使って成長できるか。H2Sを作るか。炭水化物を発酵して酸とガスを生むか。嫌気条件で成長できるか、といった性質である。代謝と代謝産物は酵素経路の産物であり、酵素は遺伝子にコードされるため、原核生物の代謝能力は、そのゲノムを反映する。地球には、さまざまなエネルギー源と炭素源をもち、原核生物が適応しうる多様な条件の環境がある。原核生物は、利用できるエネルギー源と炭素源を使うことで、深海の火山性噴出孔から南極の氷まで、あらゆる環境で生きてきた。地球上で多くのニッチを占め、窒素循環や炭素循環、光合成による酸素の産生、死んだ生物の分解に関わる。また、ヒトを含む多細胞生物の体内で、寄生、片利共生、相利共生する生物として繁栄する。原核生物が非常に幅広い環境を占められるのは、多様な代謝過程をもつためである。
Needs of Prokaryotes原核生物が必要とするもの
The diverse environments and ecosystems on Earth have a wide range of conditions in terms of temperature, available nutrients, acidity, salinity, oxygen availability, and energy sources. Prokaryotes are very well equipped to make their living out of a vast array of nutrients and environmental conditions. To live, prokaryotes need a source of energy, a source of carbon, and some additional nutrients.
英語のヒント
地球の多様な環境と生態系には、温度、利用できる栄養分、酸性度、塩分、酸素の利用可能性、エネルギー源の点で、幅広い条件がある。原核生物は、非常に多くの栄養分や環境条件を利用して暮らせるよう、よく備わっている。生きるためには、エネルギー源、炭素源、そしていくつかの追加の栄養分が必要である。
Macronutrients多量栄養素
Cells are essentially a well-organized assemblage of macromolecules and water. Recall that macromolecules are produced by the polymerization of smaller units called monomers. For cells to build all of the molecules required to sustain life, they need certain substances, collectively called nutrients. When prokaryotes grow in nature, they must obtain their nutrients from the environment. Nutrients that are required in large amounts are called macronutrients, whereas those required in smaller or trace amounts are called micronutrients. Just a handful of elements are considered macronutrients—carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, and sulfur. (A mnemonic for remembering these elements is the acronym CHONPS.)
英語のヒント
細胞は、本質的には高分子と水がよく組織化された集合体である。高分子は、モノマーと呼ばれる小さな単位が重合して作られることを思い出してほしい。生命を維持するのに必要な分子をすべて作るため、細胞には、まとめて栄養素と呼ばれる特定の物質が必要となる。自然界で成長する原核生物は、環境から栄養素を得なければならない。大量に必要な栄養素は多量栄養素、少量またはごく微量だけ必要なものは微量栄養素と呼ばれる。多量栄養素とされる元素はわずかで、炭素、水素、酸素、窒素、リン、硫黄である。これらを覚える語呂合わせとして、頭字語CHONPSがある。
Why are these macronutrients needed in large amounts? They are the components of organic compounds in cells, including water. Carbon is the major element in all macromolecules: carbohydrates, proteins, nucleic acids, lipids, and many other compounds. Carbon accounts for about 50 percent of the composition of the cell. In contrast, nitrogen represents only 12 percent of the total dry weight of a typical cell. Nitrogen is a component of proteins, nucleic acids, and other cell constituents. Most of the nitrogen available in nature is either atmospheric nitrogen (N2) or another inorganic form. Diatomic (N2) nitrogen, however, can be converted into an organic form only by certain microorganisms, called nitrogen-fixing organisms. Both hydrogen and oxygen are part of many organic compounds and of water. Phosphorus is required by all organisms for the synthesis of nucleotides and phospholipids. Sulfur is part of the structure of some amino acids such as cysteine and methionine, and is also present in several vitamins and coenzymes. Other important macronutrients are potassium (K), magnesium (Mg), calcium (Ca), and sodium (Na). Although these elements are required in smaller amounts, they are very important for the structure and function of the prokaryotic cell.
英語のヒント
なぜ、これらの多量栄養素は大量に必要なのだろうか。水も含め、細胞内の有機化合物の構成要素だからである。炭素は、炭水化物、タンパク質、核酸、脂質など、あらゆる高分子や、多くのほかの化合物の主要元素である。細胞の組成の約50%を占める。対照的に、窒素は典型的な細胞の全乾燥重量のわずか12%である。窒素は、タンパク質、核酸、ほかの細胞成分を構成する。自然界で利用できる窒素の大部分は、大気中の窒素N2か、ほかの無機物の形をしている。しかし、二原子分子の窒素N2を有機物の形へ変換できるのは、窒素固定生物と呼ばれる特定の微生物だけである。水素と酸素は、どちらも多くの有機化合物と水の一部である。リンは、すべての生物がヌクレオチドとリン脂質を合成するために必要とする。硫黄は、システインやメチオニンなど一部のアミノ酸の構造に含まれ、いくつかのビタミンや補酵素にも存在する。ほかの重要な多量栄養素には、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ナトリウム(Na)がある。これらは必要量こそ少ないが、原核細胞の構造と機能にとって非常に重要である。
Micronutrients微量栄養素
In addition to these macronutrients, prokaryotes require various metallic elements in small amounts. These are referred to as micronutrients or trace elements. For example, iron is necessary for the function of the cytochromes involved in electron-transport reactions. Some prokaryotes require other elements—such as boron (B), chromium (Cr), and manganese (Mn)—primarily as enzyme cofactors.
英語のヒント
これらの多量栄養素に加え、原核生物はさまざまな金属元素を少量必要とする。これらは、微量栄養素または微量元素と呼ばれる。たとえば鉄は、電子伝達反応に関わるシトクロムの機能に必要である。一部の原核生物は、ホウ素(B)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)など、ほかの元素を、主に酵素の補因子として必要とする。
The Ways in Which Prokaryotes Obtain Energy原核生物のエネルギー獲得方法
Prokaryotes are classified both by the way they obtain energy, and by the carbon source they use for producing organic molecules. These categories are summarized in Table 22.3. Prokaryotes can use different sources of energy to generate the ATP needed for biosynthesis and other cellular activities. Phototrophs (or phototrophic organisms) obtain their energy from sunlight. Phototrophs trap the energy of light using chlorophylls, or in a few cases, bacterial rhodopsin. (Rhodopsin-using phototrophs, oddly, are phototrophic, but not photosynthetic, since they do not fix carbon.) Chemotrophs (or chemosynthetic organisms) obtain their energy from chemical compounds. Chemotrophs that can use organic compounds as energy sources are called chemoorganotrophs. Those that can use inorganic compounds, like sulfur or iron compounds, as energy sources are called chemolithotrophs.
英語のヒント
原核生物は、エネルギーの得方と、有機分子の産生に使う炭素源の両方によって分類される。その分類を表22.3にまとめる。原核生物は、異なるエネルギー源を使い、生合成やほかの細胞活動に必要なATPを作れる。光栄養生物は、太陽光からエネルギーを得る。クロロフィル、または少数の例では細菌のロドプシンを使い、光エネルギーを捕らえる。ロドプシンを使う光栄養生物は、奇妙なことに、光栄養ではあるが炭素を固定しないため、光合成を行うわけではない。化学栄養生物、または化学合成生物は、化合物からエネルギーを得る。エネルギー源として有機化合物を使える化学栄養生物は、化学有機栄養生物と呼ばれる。硫黄や鉄の化合物など、無機化合物をエネルギー源にできるものは、化学無機栄養生物と呼ばれる。
Energy-producing pathways may be either aerobic, using oxygen as the terminal electron acceptor, or anaerobic, using either simple inorganic compounds or organic molecules as the terminal electron acceptor. Since prokaryotes lived on Earth for nearly a billion years before photosynthesis produced significant amounts of oxygen for aerobic respiration, many species of both Bacteria and Archaea are anaerobic and their metabolic activities are important in the carbon and nitrogen cycles discussed below.
英語のヒント
エネルギーを生み出す経路には、酸素を最終電子受容体に使う好気性のものと、単純な無機化合物や有機分子を最終電子受容体に使う嫌気性のものがある。光合成が好気呼吸に十分な量の酸素を作るようになるまでに、原核生物は10億年近く地球上で暮らしていた。そのため、細菌にも古細菌にも嫌気性の種が多く、その代謝活動は、以下で述べる炭素循環や窒素循環で重要な役割を果たす。