Chapter 2 Bioenergetics of extreme halophiles

Skulachev, Vladimir P.

doi:10.1016/s0167-7306(08)60251-3

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“…However, only halobacteria can synthesize purple membranes and use light as an additional energy source. It has been proposed that respiration was the primary energy-transducing mechanism of halobacteria and that the light-driven ion pumps might reflect later adaptations to low oxygen tension (513), an inevitable consequence of the extremely high salinity of their natural habitat.…”

Section: Aerobiosis and Other Respiration Forms In Archaeamentioning

confidence: 99%

Bioenergetics of the Archaea

Schäfer

Engelhard

Müller³

1999

Microbiol Mol Biol Rev

265

147

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SUMMARY In the late 1970s, on the basis of rRNA phylogeny, Archaea (archaebacteria) was identified as a distinct domain of life besides Bacteria (eubacteria) and Eucarya. Though forming a separate domain, archaea display an enormous diversity of lifestyles and metabolic capabilities. Many archaeal species are adapted to extreme environments with respect to salinity, temperatures around the boiling point of water, and/or extremely alkaline or acidic pH. This has posed the challenge of studying the molecular and mechanistic bases on which these organisms can cope with such adverse conditions. This review considers our cumulative knowledge on archaeal mechanisms of primary energy conservation, in relationship to those of bacteria and eucarya. Although the universal principle of chemiosmotic energy conservation also holds for Archaea, distinct features have been discovered with respect to novel ion-transducing, membrane-residing protein complexes and the use of novel cofactors in bioenergetics of methanogenesis. From aerobically respiring archaea, unusual electron-transporting supercomplexes could be isolated and functionally resolved, and a proposal on the organization of archaeal electron transport chains has been presented. The unique functions of archaeal rhodopsins as sensory systems and as proton or chloride pumps have been elucidated on the basis of recent structural information on the atomic scale. Whereas components of methanogenesis and of phototrophic energy transduction in halobacteria appear to be unique to archaea, respiratory complexes and the ATP synthase exhibit some chimeric features with respect to their evolutionary origin. Nevertheless, archaeal ATP synthases are to be considered distinct members of this family of secondary energy transducers. A major challenge to future investigations is the development of archaeal genetic transformation systems, in order to gain access to the regulation of bioenergetic systems and to overproducers of archaeal membrane proteins as a prerequisite for their crystallization.

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Section: Aerobiosis and Other Respiration Forms In Archaeamentioning

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Bioenergetics of the Archaea

Schäfer

Engelhard

Müller³

1999

Microbiol Mol Biol Rev

265

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Leben im Salz — Halophile Archaea

Bickel‐Sandkötter

Ufer

Steinert

et al. 1995

Biologie in unserer Zeit

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Der größte Teil des Wassers auf diesem Planeten ist Meerwasser, welches eine relativ konstante Zusammensetzung anorganischer Salze enthält. In hypersalinen Gewässern dagegen sind höhere Salzkonzentrationen als im normalen Meerwasser vorhanden. Überall dort, wo die Verdunstungsrate großer ist als der Wasserzufluß, in küstennahen Regionen der Meere, zum Beispiel in flachen Lagunen, aber auch in einigen großen Inlandseen, wie zum Beispiel dem Great Salt Lake in Utah, liegen zwar ähnliche Verhältnisse der anorganischen Ionen untereinander, aber insgesamt höhere Konzentrationen als im durchschnittlichen Meerwasser vor. Hier handelt es sich um die thalassohalinen (griechisch: thalassos = Meer) Standorte, entstanden durch Wasserverlust, ohne daß das Löslichkeitsprodukt für eine Komponente der Salze überschritten wird. Die Gesamtsalinität eines thalassohalinen Gewässers kann von 3,4 % (Gewicht pro Volumen) in normalem Meerwasser bis zu 49 % schwanken. In Salzgewinnungsteichen fällt Natriumchlorid (NaCl) ab etwa 37 % aus, während die leichter löslichen Magnesium‐(MgCl2) und Kaliumchloride (KCl) sich in der Lösung anreichern. Ab diesem Punkt entspricht das Wasser nicht mehr dem Begriff „thalassohalin”︁, da sich die Salzverhältnisse ändern. Je höher die Salzkonzentration ist, desto mehr verschwinden höhere Lebensformen. Sie werden durch angepaßte Mikroorganismen ersetzt. Bis zu einer Salinität von 7,5 % findet man noch einige salztolerante Fische, ab 13 % ist kein Fisch mehr in der Lage zu überleben. Die einzigen makroskopischen Organismen, die im Bereich von 10–30 % relativem Salzgehalt vorkommen, sind das Salinenkrebschen Artemia salina und die Larve der Salzfliege Ephydra speciae Das Phytoplankton besteht in diesem Bereich hauptsächlich aus der einzelligen, photosynthetisch aktiven Grünalgengattung Dunaliella. In den Salinenbecken schließlich, im Präzipitationsbereich von NaCl, findet man fast ausschließlich Halobakterien [14].

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The Order Halobacteriales

Oren¹

2006

The Prokaryotes

107

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Chapter 2 Bioenergetics of extreme halophiles

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Bioenergetics of the Archaea

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Leben im Salz — Halophile Archaea

The Order Halobacteriales

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