Получение энергии литотрофами

Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды – файл n1.doc

Получение энергии литотрофами
приобрести
Голубовская Э.К. Биологические основы очистки воды
скачать (14194 kb.)Доступные файлы (1):

n1.doc14194kb.08.07.2012 16:53скачать

Каждый организм находится в тесном контакте с окружающей средой. Одни вещества он поглощает, другие выделяет, постоянно поддерживая этот обмен.

Даже в спорах микроорганизмов, цистах простейших продолжаются процессы обмена, хотя и слабо выраженные. Обмен веществ состоит из двух противоположных процессов: усвоения веществ организмом и уподобления их веществам своего тела—с одной стороны, и разрушения соединений, входящих в состав тела, и удаления продуктов распада из организма—с другой.

Первый процесс связан с синтетическими реакциями, он протекает с поглощением энергии и называется ассимиляцией. Второй связан с реакциями распада, он обычно сопровождается высвобождением энергии и называется диссимиляцией. Ассимиляцию иначе назы­вают конструктивным, или пластическим обменом, а диссимиляцию—энергетическим обменом.

Организмы, способные синтезировать необходимые им органические соединения самостоятельно, используя для этого углекислоту, называются автотрофами. К ним относятся зеленые растения и некоторые бактерии. В противоположность автотрофам организмы, строящие свое тело из готовых органических веществ, называются гетеротрофами.

К ним относятся все животные, непигментированные растения (например, грибы), подавляющее большинство бактерий. Для осуществления процессов биосинтеза и обеспечения жизнедеятельности организмам необходима энергия. Основной источник энергии на Земле—солнечная радиация.

Организмы, способ­ные превращать световую энергию в энергию химических связей АТФ, называются фотосинтетиками, или фототрофами, так как это превращение осуществляется в процессе фотосинтеза. Подавляющее большинство нефотосинтезирующих организмов добывают энергию в процессе окисления органических соединений, синтезированных фототрофами.

Таким образом, фотосинтезирующие организмы обеспечивают энергией не только себя, но служат источником энергии для многих других. Исключение составляют некоторые микроорганизмы, получающие необходимую им энергию в процессах окисления неорганических соединений. Они называются хемосинтетиками, или хемотрофами, а процесс—хемосинтезом.

Внутриклеточные паразиты (вирусы) не способны сами получать энергию. Для них источником энергии служит организм хозяина. Таким образом, источником энергии может служить: 1. Фотохимическая реакция для фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофных организмов, получающих энергию путем окисления органических соединений, синтезированных фототрофами.

  1. Химическая реакция—для некоторых бактерий.
  2. Живой организм—для внутриклеточных паразитов.

Энергия, выделившаяся при фотохимических и химических реакциях, расходуется на образование макроэргических связей (гл. II и III).

Таким образом энергия запасается организмом и передается от одного организма другому, например, при поедании растений животными.

Согласно законам термодинамики, энергия заново не создается и не исчезает. Она только переходит из одной формы в другую.

При превращении энергии часть ее рассеивается, и поэтому с каждым переходом количество энергии в системе сокращается. По этой причине гетеротрофы, окисляя органическое вещество, могут использовать только часть энергии, запасенной фото- и хемотрофами. Энергия может передаваться от одних организмов другим в виде потенциальной химической энергии органических веществ до тех пор, пока весь углерод органических соединений не будет окислен до СО2, т. е. пока не исчерпается весь запас их энергии.

Каждое органическое вещество можно охарактеризовать тем количеством энергии, которое в нем заключено или тем количеством кислорода, которое потребуется для полного окисления данно­го вещества. Для полного окисления 1 г углеводов требуется 1,2 г кислорода, 1 г белков—1,6 г, 1 г жиров—2,7 г кислорода. Выделение энергии в окислительных процессах связано с потерей окисляемыми соединениями электронов. В зависимости от того, какой элемент или соединение является донором электрона, организмы делятся на литотрофов, использующих неорганический источник электрона, и органотрофов, использующих органические доноры электронов. Литотрофы получают энергию в процессах фото- и, хемосинтеза. В процессе фотосинтеза источником энергии служит солнечный свет, донором электронов—водород неорганических соединений, воды или сероводорода. Фотосинтезирующие литотрофные организмы называют фотолитотрофами. Уравнение фотосинтеза в общем виде может быть представлено формулой: Где А—донор водорода. У фотосинтезирующих пурпурных серобактерий в качестве донора водорода выступает сероводород, у растений—вода. Это уравнение не отражает всей сложности процесса фотосинтеза. В настоящее время фотосинтез растений хорошо изучен. Он осуществляется с помощью зеленого пигмента хлорофилла. Строение хлорофилла имеет много общего со строением гема, являющегося активной группой цитохромов, каталазы и других ферментов, но в отличие от них в состав хлорофилла вместо железа входит магний. Строение молекулы хлорофилла благодаря чередованию одинарных и двойных связей, расположенных по кольцу, обусловливает его активность. В молекуле хлорофилла есть электроны, не связанные с определенным атомом, а принадлежащие целиком молекуле. Такие электроны особенно легко приходят в возбужденное состояние под действием световых лучей. Как известно, свет состоит из элементарных частиц—фотонов и вместе с тем имеет волновую природу. Энергия каждого фотона обратно пропорцио­нальна длине его волны, т. е. наибольшей энергией обладают фотоны коротковолновой части спектра (рентгеновские и ультрафиолетовые лучи), а наименьшей—инфракрасные лучи и радиоволны. Получая энергию, электрон возбуждается и переходит на другую орбиту, характеризующуюся более высоким энергетическим уровнем. Заняв высокий энергетический уровень, электрон может перейти на более низкий, т. е. вернуться на первоначальную орбиту. Если это происходит, то энергия выделяется в виде света, и наблюдается люминесценция. При переходе электрона с орбиты на орбиту часть энергии рассеивается, и поэтому наблюдаемое свечение (люминесценция) имеет большую длину волны, чем поглощенные лучи. В клетках зеленых растений электрон, выбитый квантом света со своей орбиты, вместе с воспринятой им энергией улавливается цепью ферментов. В передаче электронов участвуют флавоноиды, цитохромы, железосодержащий белок ферредоксин и многие ферменты. В результате передачи электрона по цепи он снова возвращается к хлорофиллу, который, потеряв электрон, приобрел положительный заряд и тем самым стал возможным акцептором электронов. По пути электрона к хлорофиллу часть его энергии дважды расходуется на присоединение фосфорной кислоты к АДФ. В результате образуются две молекулы АТФ. Этот процесс носит название фотосинтетического фосфорилирования (рис. 26).

Вследствие диссоциации воды в клетке всегда содержится некоторое количество ионов Н+ и ОН-. Часть возбужденных электронов захватывается ионами водорода, которые при этом превращаются в атомы. Свободные атомы водорода в химическом отношении весьма активны, они присоединяются к первичной дегидрогеназе НАДФ (с. 49). НАДФ при этом переходит в восстановленную форму НАДФ·Н2.

На этот процесс также расходуется часть энергии фотонов, воспринятой электроном. Таким образом, в результате возбуждения электронов фотонами в клетке образуется АТФ и НАДФ·Н2. Оставшиеся без противоиона ионы ОН- отдают свой электрон (есть основания полагать, что за счет этого электрона происходит восстановление хлорофилла) и превращаются в радикал ОН.

Радикалы реагируют между собой:

Следовательно, выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород образуется из воды, а не из углекислоты. Это было подтверждено экспериментально в опытах с мечеными атомами 18О.

Процессы образования АТФ, НАДФ·Н2 и выделения кислорода происходят на свету. Усвоение клеткой углекислого газа и синтез из него органических веществ может протекать и в темноте. Это показали Арнон и его сотрудники. Они облучали изолированные хлоропласты светом в отсутствие углекислого газа, но в присутствии АДФ и НАДФ.

При этом в хлоропластах накапливались АТФ и НАДФ·Н2 и выделялся кислород. Затем из хлоропластов были выделены ферменты, АТФ, НАДФ·Н2 и в темноте, в присутствии СО2, наблюдался синтез углеводов. В других опытах к фотосинтезирующим ферментам были добавлены АТФ и НАДФ·Н2, выделенные из животных клеток. При этом также наблюдался синтез углеводов.

Таким образом, ученым удалось показать единство процессов биосинтеза у растений и животных.

Механизм ассимиляции молекулы СО2 был открыт М. Кальвином в экспериментах с радиоактивным углеродом 14С. М. Кальвин доказал, что в процессе фотосинтеза СО2 присоединяется к органическому соединению рибулозодифосфату, который при этом превращается в две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Процесс носит циклический характер (рис. 27). В результате ряда превращений из фосфоглицериновой кислоты образуется гексоза фруктозодифосфат, которая используется на построение крахмала и образование рибулозодифосфата.

Фиксация углекислоты протекает с поглощением энергии, накопленной в световую стадию. Энергия черпается из АТФ, которая при этом переходит в АДФ. Водород НАДФ·Н2 расходуется на восстановление фосфоглицериновой кислоты.

В процессе ассимиляции углекислоты на восстановление одной молекулы СО2 расходуется 3 молекулы АТФ и 4 атома водорода. При этом в среднем затрачивается 5—6 квантов энергии. На площади 1 м2 зеленых листьев в течение 1 ч синтезируется примерно 1 г органического вещества и выделяется около 1,7 г кислорода. Фотосинтез свойствен и некоторым бактериям.

В процессе хемосинтеза получают энергию лишь некоторые группы бактерий: нитрифицирующие, сероокисляющие, водородные и железобактерии. Выделившуюся при хемосинтезе энергию микроорганизмы используют в процессах конструктивного обмена.

Процессы обмена веществ у хемосинтезирующих бактерий имеют много общего с процессами у фотосинтезирующих.

Ассимиляция углекислоты идет у них, по-видимому, тоже путем присоединения СО2 к молекуле рибулозодифосфата, а выделившаяся энергия запасается в макроэргических связях АТФ.

Энергетически процесс хемосинтеза малоэффективен. По этой причине хемосинтезирующим бактериям для обеспечения энергией реакции присоединения одной молекулы углекислоты приходится окислять несколько десятков молекул субстрата. Процессы получения энергии различными видами литотрофных микроорганизмов могут протекать как в присутствии кислорода (аэробные условия), так и в его отсутствие (анаэробные условия). В аэробных условиях осуществляют процессы окисления железобактерии, нитрифицирующие, водородные и большинство тионовых бактерий. Акцептором электронов у них выступает кислород. В отсутствие молекулярного кислорода акцепторами электронов могут быть неорганические соединения, такие как углекислота. Процесс, в котором окисление осуществляется за счет связанного кислорода, носит название анаэробного дыхания. Примером анаэробного дыхания может служить окисление водорода метановыми бактериями. При анаэробном дыхании, так же как при других окислительных процессах, имеет место окислительное фосфорилирование, т. е. образование АТФ. Анаэробное дыхание свойственно и литотрофам, и органотрофам. Органотрофные бактерии, так же как литотрофные, могут быть разделены на фото- и хемоорганотрофов. Фотоорганотрофы представляют собой весьма ограниченную группу несерных пурпурных бактерий. К хемоорганотрофам относится подавляющее большинство микроорганизмов. У хемоорганотрофов различают следующие способы получения энергии. Дыхание—конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород; конечными продуктами реакции—углекислота и вода. Неполное окисление—акцептором электронов также служит молекулярный кислород, но процесс заканчивается образованием неполностью окисленных продуктов. Пример неполного окисления—окисление уксуснокислыми бактериями этанола в уксусную кислоту и сорбита в сорбозу. Анаэробное дыхание—акцептором электронов служит связанный кислород органических и неорганических соединений. Окисление органических соединений может быть как полным, так и неполным. Брожение—процесс сопряженного окисления-восстановления одних и тех же молекул субстрата. Акцепторы электронов—промежуточные продукты реакции. В результате брожения образуются органические кислоты, спирты, кетоны и другие соединения, Во всех перечисленных процессах выделившаяся энергия запасается в макроэргических связях АТФ. Ассимиляция и диссимиляция тесно связаны между собой и обычно протекают сопряжено. Для ассимиляции необходима энергия, которая выделяется при распаде, а процесс диссимиляции невозможен без ферментов, вырабатывающихся при синтезе. Обновление компонентов клетки происходит постоянно. Даже при отсутствии роста молекулы все время расщепляются и синтезируются вновь. Применение современных методов исследования и особенно эксперименты с мечеными атомами позволили установить, что промежуточные продукты, образующиеся при расщеплении, во многих случаях служат сырьем для построения новых соединений. Пировиноградная кислота, рибоза, ацетилкофермент. А в процессах синтеза играют не меньшую роль, чем в процессах расщепления. Но из этого не следует, что на любом этапе процесс распада может пойти в обратном направлении и превратиться в процесс синтеза. Большей частью синтез и распад отличаются одним или несколькими этапами. Вследствие этого процесс становится необратимым и обеспечивается большая надежность регулирования процессов синтеза и расщепления. Направление реакции обычно зависит от соотношения исходных и конечных продуктов реакции в системе. В клетке многие процессы конденсирования молекул протекают с выделением воды. Вода в клетке содержится в избытке и в качестве конечного продукта реакции она должна бы препятствовать процессам синтеза. В действительности реакции, сопряженные с образованием ангидридных связей, идут по пути, исключающему образование воды. Примером служит образование сахарозы из глюкозы и фруктозы, которое принято выражать в виде уравнения: На самом деле глюкоза или один из сахаров активируются, принимая остаток фосфата от АТФ: АТФ+глюкоза— ?АДФ+глюкозо-1-фосфат. В активированном состоянии глюкозо-фосфат способен вступать в другую реакцию с фруктозой: Вода в этой реакции не выделяется и, следовательно, не мешает ее течению. На этом же принципе основано образование пептидных связей белков, эфирных связей в жирах и нуклеиновых кислотах, связей между моносахаридами в полисахаридах. Реакции протекают с потреблением энергии, заключенной в АТФ. Этапы синтеза и расщепления контролируются специальными ферментами, причем каждый этап—своим ферментом. У гетеротрофных организмов образующиеся в процессе диссимиляции простые органические соединения используются при ассимиляции и таким образом энергетический и конструктивный обмены у них неразрывно связаны. У автотрофов процессы ассимиляции и диссимиляции также протекают параллельно друг другу, но в них используются различные вещества.
Глава IV. Получение энергии микроорганизмами

Источник: http://www.nashaucheba.ru/v20728/%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%B1%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%8D.%D0%BA._%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B_%D0%BE%D1%87%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BA%D0%B8_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B?page=5

Получение энергии литотрофами: Литотрофы получают энергию в процессах фото- и, хемосинтеза. В

Получение энергии литотрофами
Литотрофы получают энергию в процессах фото- и, хемосинтеза. В процессе фотосинтеза источником энергии служит солнечный свет, донором электронов—водород неорганических соединений, воды или сероводорода. Фотосинтезирующие литотрофные организмы называют фотолитотрофами. Уравнение фотосинтеза в общем виде может быть представлено формулой:

Рисунок

Где А—донор водорода.

У фотосинтезирующих пурпурных серобактерий в качестве донора водорода выступает сероводород, у растений—вода.

Это уравнение не отражает всей сложности процесса фотосинтеза. В настоящее время фотосинтез растений хорошо изучен. Он осуществляется с помощью зеленого пигмента хлорофилла. Строение хлорофилла имеет много общего со строением гема, являющегося активной группой цитохромов, каталазы и других ферментов, но в отличие от них в состав хлорофилла вместо железа входит магний.

Строение молекулы хлорофилла благодаря чередованию одинарных и двойных связей, расположенных по кольцу, обусловливает его активность. В молекуле хлорофилла есть электроны, не связанные с определенным атомом, а принадлежащие целиком молекуле. Такие электроны особенно легко приходят в возбужденное состояние под действием световых лучей.

Как известно, свет состоит из элементарных частиц—фотонов и вместе с тем имеет волновую природу. Энергия каждого фотона обратно пропорциональна длине его волны, т. е. наибольшей энергией обладают фотоны коротковолновой части спектра (рентгеновские и ультрафиолетовые лучи), а наименьшей—инфракрасные лучи и радиоволны.

Получая энергию, электрон возбуждается и переходит на другую орбиту, характеризующуюся более высоким энергетическим уровнем.

Заняв высокий энергетический уровень, электрон может перейти на более низкий, т. е. вернуться на первоначальную орбиту. Если это происходит, то энергия выделяется в виде света, и наблюдается люминесценция. При переходе электрона с орбиты на орбиту часть энергии рассеивается, и поэтому наблюдаемое свечение (люминесценция) имеет большую длину волны, чем поглощенные лучи.

В клетках зеленых растений электрон, выбитый квантом света со своей орбиты, вместе с воспринятой им энергией улавливается цепью ферментов.

В передаче электронов участвуют флавоноиды, цитохромы, железосодержащий белок ферредоксин и многие ферменты.

В результате передачи электрона по цепи он снова возвращается к хлорофиллу, который, потеряв электрон, приобрел положительный заряд и тем самым стал возможным акцептором электронов.

По пути электрона к хлорофиллу часть его энергии дважды расходуется на присоединение фосфорной кислоты к АДФ. В результате образуются две молекулы АТФ. Этот процесс носит название фотосинтетического фосфорилирования (рис. 26).

Рисунок

Вследствие диссоциации воды в клетке всегда содержится некоторое количество ионов Н+ и ОН-. Часть возбужденных электронов захватывается ионами водорода, которые при этом превращаются в атомы. Свободные атомы водорода в химическом отношении весьма активны, они присоединяются к первичной дегидрогеназе НАДФ (с. 49). НАДФ при этом переходит в восстановленную форму НАДФ·Н2.

На этот процесс также расходуется часть энергии фотонов, воспринятой электроном. Таким образом, в результате возбуждения электронов фотонами в клетке образуется АТФ и НАДФ·Н2. Оставшиеся без противоиона ионы ОН- отдают свой электрон (есть основания полагать, что за счет этого электрона происходит восстановление хлорофилла) и превращаются в радикал ОН.

Радикалы реагируют между собой:

Рисунок

Следовательно, выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород образуется из воды, а не из углекислоты. Это было подтверждено экспериментально в опытах с мечеными атомами 18О.

Процессы образования АТФ, НАДФ·Н2 и выделения кислорода происходят на свету. Усвоение клеткой углекислого газа и синтез из него органических веществ может протекать и в темноте. Это показали Арнон и его сотрудники. Они облучали изолированные хлоропласты светом в отсутствие углекислого газа, но в присутствии АДФ и НАДФ.

При этом в хлоропластах накапливались АТФ и НАДФ·Н2 и выделялся кислород. Затем из хлоропластов были выделены ферменты, АТФ, НАДФ·Н2 и в темноте, в присутствии СО2, наблюдался синтез углеводов. В других опытах к фотосинтезирующим ферментам были добавлены АТФ и НАДФ·Н2, выделенные из животных клеток. При этом также наблюдался синтез углеводов.

Таким образом, ученым удалось показать единство процессов биосинтеза у растений и животных.

Механизм ассимиляции молекулы СО2 был открыт М. Кальвином в экспериментах с радиоактивным углеродом 14С. М. Кальвин доказал, что в процессе фотосинтеза СО2 присоединяется к органическому соединению рибулозодифосфату, который при этом превращается в две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Рисунок

Процесс носит циклический характер (рис. 27). В результате ряда превращений из фосфоглицериновой кислоты образуется гексоза фруктозодифосфат, которая используется на построение крахмала и образование рибулозодифосфата.

Фиксация углекислоты протекает с поглощением энергии, накопленной в световую стадию. Энергия черпается из АТФ, которая при этом переходит в АДФ. Водород НАДФ·Н2 расходуется на восстановление фосфоглицериновой кислоты.

Рисунок

В процессе ассимиляции углекислоты на восстановление одной молекулы СО2 расходуется 3 молекулы АТФ и 4 атома водорода. При этом в среднем затрачивается 5—6 квантов энергии. На площади 1 м2 зеленых листьев в течение 1 ч синтезируется примерно 1 г органического вещества и выделяется около 1,7 г кислорода. Фотосинтез свойствен и некоторым бактериям.

В процессе хемосинтеза получают энергию лишь некоторые группы бактерий: нитрифицирующие, сероокисляющие, водородные и железобактерии. Выделившуюся при хемосинтезе энергию микроорганизмы используют в процессах конструктивного обмена.

Процессы обмена веществ у хемосинтезирующих бактерий имеют много общего с процессами у фотосинтезирующих.

Ассимиляция углекислоты идет у них, по-видимому, тоже путем присоединения СО2 к молекуле рибулозодифосфата, а выделившаяся энергия запасается в макроэргических связях АТФ.

Энергетически процесс хемосинтеза малоэффективен. По этой причине хемосинтезирующим бактериям для обеспечения энергией реакции присоединения одной молекулы углекислоты приходится окислять несколько десятков молекул субстрата.

Процессы получения энергии различными видами литотрофных микроорганизмов могут протекать как в присутствии кислорода (аэробные условия), так и в его отсутствие (анаэробные условия). В аэробных условиях осуществляют процессы окисления железобактерии, нитрифицирующие, водородные и большинство тионовых бактерий. Акцептором электронов у них выступает кислород.

В отсутствие молекулярного кислорода акцепторами электронов могут быть неорганические соединения, такие как углекислота. Процесс, в котором окисление осуществляется за счет связанного кислорода, носит название анаэробного дыхания. Примером анаэробного дыхания может служить окисление водорода метановыми бактериями.

Рисунок

При анаэробном дыхании, так же как при других окислительных процессах, имеет место окислительное фосфорилирование, т. е. образование АТФ. Анаэробное дыхание свойственно и литотрофам, и органотрофам.

Источник: https://bookucheba.com/pischevaya-promyishlennost-knigi/poluchenie-energii-litotrofami-24598.html

29. Энергетический метаболизм бактерий: способы получения. Определение понятий фототроф, хемотроф, органотроф, литотроф

Получение энергии литотрофами

Энергия в бактериальной клеткенакапливается в виде АТФ.

В зависимости от способа полученияэнергии бактерий делят на:

Хемотро́фы —организмы, получающие энергию врезультатехемосинтеза—окислительно-восстановительныхреакций, в которых они окисляютхимические соединения, богатые энергией(как неорганические — например,молекулярныйводород,серу,так и органические —углеводы,жиры,белки,парафиныиболее простые органические соединения).

Автотро́фы (др.-греч.αὐτός —сам+ τροφή —пища) —организмы, синтезирующиеорганическиевеществаизнеорганических.Автотрофы составляют первый ярусвпищевойпирамиде(первые звеньяпищевых цепей).

Именно они являютсяпервичнымипродуцентамиорганическоговещества вбиосфере,обеспечивая пищейгетеротрофов.Следует отметить, что иногда резкойграницы между автотрофами и гетеротрофамипровести не удаётся.

Например, одноклеточнаяводоросльэвгленазелёнаяна свету являетсяавтотрофом, а в темноте — гетеротрофом

Органотрофы—организмы, обладающие способностьюиспользовать в качестве доноровэлектронов органические вещества.

Литотрофы — организмы,для которых донорамиэлектронов,необходимых для многих клеточныхпроцессов, являютсянеорганическиевещества

Типы метаболизма зависят от способаполучения энергии, выделяют: окислительныйили дыхание, бродильный или ферментативный,смешанный.

Дыхание – процесс получения энергии вреакциях окисления-восстановления,сопряженных с окислительнымфосфорилированием, при которых донорамиэлектронов могут быть органические(органотрофы)и неорганические (Литотрофы) соединения,а акцептором – только неорганическиесоединения.

Брожение – процессполучения энергии, при котором отщепленныйот субстрата водород переносится наорганические соединения.

30. Типы дыхания. Дыхательная цепь. Окислительное фосфорилирование. Примеры

Дыхание(биологическоеокисление) у бактерий тесно связано спитанием и дает энергию для осуществленияфункций клетки. При этом в ходебиохимических реакций образуется АТФ- универсальный аккумулятор и переносчикхимической энергии у живых существ.Различают аэробный и анаэробный типыдыхания.

Микробы, окисляющие органическиесоединения с использованием кислородавоздуха (в качестве акцептора ионовН+), называют аэробами. В отличие от них,анаэробы получают энергию в ходеокислительно-восстановительных реакций,при которых акцептором Н+ является некислород, а нитрат или сульфат (вбескислородных условиях).

Многие микробы,имея полный набор дыхательных ферментов,могут существоватькак вкислородной, так и бескислородной среде- это факультативные (необязательные)анаэробы с нитратным типом ды­хания.Облигагные (обязательные) анаэробысуществуют лишь в строго анаэробныхусловиях, т.к. в аэробных условияхобразуются токсичные перекиси (Н2О2и др.

), которые не разрушаются из-заотсутствия у облигатных анаэробовфермента каталазы, для них характеренсульфатный тип дыха­ния. Необходимымиусловиями для культивирования микробовявляются:

  1. наличие подходящей по составу питательной среды;

  2. оптимальной (по содержанию О2 и др.) атмосферы над питательной средой;

Микробы, относимыек облигатным паразитам, наиболеетребовательны к условиям выращи­вания.

Многие из них (из-за отсутствия илидефекта собственных метаболическихсистем) могут размножаться только вживых клетках (вирусы, риккетсии,хламидии).

Для их культивированиязаражают животных, куриные эмбрионыили растущие в искусственной средеклетки эукариотов (культуры ткани).Многие микробы растут на естественных(молоко, картофель и т.д.) или искус­ственныхпитательных средах.

Из Воробьева.Бактери,обладающиеокилительным метболизмом.,энергиюполучают путем дыхания. У них акцепторомэлектронов(или вородорода)являетсямолекулярный кислород. В этом случаепируват полностью окисляется в циклетрикарбоновых кислот до С2.

циклтрикарбоновых кислот выполняет функициипоставщика предшественников длябиоснтесинтетический процессов,так иатомов водорода,который в формевосстановленного НАД переносятся намолекулярный кислород через сериюпереносчиков,обладающих сложнойструкторно оормленной мультиферментнойсистемой-дыхательной цепью.

Дыхательнаяцепь у бактерий локалзована в ЦПМ и вовнутриклеточных структурах.

Переносчики,осуществляющиетранспорт воородора(электронов) намолекулярная кислоро относятся к 4классу дегидрогеназ,коферментам которыхявляются НАД, флавопротеныхиноны,цитохромы.Протоны(электроны)передвигаются отодного носителя к другому в направленииувеличивающегося окислительно-восстановительногопотенцала.

ЦТК=НАД(Н2)=флавопротеид=хинон=цитохромы=в=с=в=О2.

Среди бактериальныхцитохромов различают цитохромы в,с,а иа3.конечным этапом переноса электроновпо дыхательной цепи является восстановлениецитохромов+а3(цитохромоксидазы). Онаявляется конечной оксидазой,передающейэлектроны на кислород.

В процессепереноса электронов по цитохромамменяется валентность входящего в составжелезопорфрированной группы железа.Завершающийся перенос электроновреакцией.

Образующийся при окисленииФАД или хинонов протоны связывютсяионными 02- с образованием воды.

Образование АТФв дых.цепи связывают с хемоосмотическимпроцессом. Особая ориентация переносчиковЦПМ приводит к тому.,что передача Водородапроисходит с внутренней на внешнююповерхность мембаны,в результате чегосоздается градиент атомовводорода,проявляющийся в наличиимембранного потенциала. Энергиямембранног потенциала используетсядля синтеза локализованной в мембранеАТФазой АТФ.

В это время уэукаротов ферменты дыхателньой цепиимеют относиелньо постоянный состаы,убактерий встречаются вариации в составедыхтелньой цепи.

Так, у многих бактерйвместо убхинонов имеются нафтохиноны,составцитохромв может зависеть от условийроста бактерий.

У некоторхых бактерийцтохромы отсутствуют,и при контакте скислородом происходит непосредственныйперенос водорода на кислород с помощьюфлавпротеидов,.конечным продуктом прэтом оказываетя перекись водорода.

Помимо угеводовпрокариоты способны использовать другеиорганические соединения,в частностибелки в качестве источника энергии,окисляяз до углекислого газа и воды.

Аминокислоты ибелки так же могут выступать в качествеэнергетических ресурсов. Их использованиесвязано в перувю очередь с определеннымиферментативным преобразованиеямипдготовительного характера.

Белкивначале вне клетки расщепляютсяпротеолитическими фермантам на пептиды,которые поглощаютсяклеткой и расщепляютсяккнутрилеточными пептидазами доаминокислот.

Амикносиклоты могутиспользоваться в конструктыномметаболизме,а у аминоифицируюих бактерийслужить основным материалом вэнергетических процессах,при окислительномдезаминировании,в результате которогопроиходит выделение аммиака и превращениеамнокислоты в кетокислоту, котораячерез цикл трикарбоновых кислот вступаетв конструктвный метаболизм:

2R-CHNH2-COOH+O2=2R-CO-COOH+2NH3

Процесс аммонификацииизвестен как «гниение» при этом происходитнакопление продуктов,обладающихнепрятным специфических запахом,образующихсяпри этом первичных аминов.

Гнилостные бактерииосуществляют минирализация белка,разлагаяего до углекисл.газа,аммиака,сероводорода.К гнилостным бактериям относятProteus,Pseudomonas,bacciluscereus.

Источник: https://studfile.net/preview/5844884/page:14/

Принципы получения энергии в живых объектах

Получение энергии литотрофами

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы.

Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции.

По способу получения энергии все живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофные организмынеобходимый им углерод получают из СО2 атмосферы, из которого строят все углеродсодержащие компоненты.

Источником энергии служит солнечный свет, который улавливается в процессе фотосинтеза, поглощается специальными светочувствительными белками (хлорофилл зелёных растений).

К автотрофным организмам относятся: зелёные растения, сине-зелёные водоросли, зелёные и пурпурные бактерии.

Автотрофные организмы также используют различные способы получения энергии. По используемому источнику энергии автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов.

Фототрофы получают энергию для восстановления углекислого газа до органических соединений в виде света (растения и некоторые группы бактерий, прежде всего, цианобактерии).

Эти организмы являются основным источником органического вещества в биосфере.

Другая группа автотрофов использует для своей жизнедеятельности энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ. Их называют хемотрофами. Представителями этой группы являются только бактерии. Каждый вид таких бактерий способен использовать только один источник энергии. Используемые ими вещества должны в достаточных количествах присутствовать в окружающей среде.

Открытие бактериального хемосинтеза принадлежит С.Н. Виноградскому. Он впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых организмов – серо-, железо- и нитрифицирующих бактерий и описал сущность процесса хемосинтеза.

Известны также бактерии-хемосинтетики, способные окислять метан, окись углерода, водород.

Гетеротрофные организмыполучают углерод в виде сложных соединений (белков, углеводов, липидов и др.), которые содержатся в пищевых продуктах. Энергию гетеротрофы получают в экзэргонических реакциях, которые происходят в митохондриях.

К гетеротрофным организмам относятся животные организмы, в том числе человек. Среди гетеротрофов есть такие, которые нуждаются лишь в одном или нескольких простых органических веществах.

Например, пекарские дрожжи могут жить, получая только глюкозу и минеральные соли, а кишечная палочка — только ацетат натрия (соль уксусной кислоты). Другие гетеротрофы не могут образовывать целый ряд необходимых им органических веществ.

Например, млекопитающие нуждаются в 10 незаменимых аминокислотах (фен, мет, лей, тре, три, иле, вал, лиз, арг, гис), ряде ненасыщенных жирных кислот и витаминов. В настоящее время гетеротрофы подразделяются на:

– органоавтотрофов (употребляющие органические вещества как источники энергии),

– литогетеротрофов (использующие органические вещества как источники углерода),

– органогетеротрофов (органические вещества служат для них источниками энергии и источниками углерода).

Энергетический обмен также различен у разных групп организмов. Гетеротрофные организмы получают энергию за счет окисления органических веществ, поступающих извне.

Хорошим окислителем является молекулярный кислород, при кислородном окислении выделяется много энергии. Однако кислород в силу своей реакционной способности повреждает важные вещества клетки (белки, липиды, ДНК) и поэтому токсичен.

По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на:

1. Анаэробы. Они способны жить в отсутствие кислорода, осуществляя реакции внутримолекулярного окисления и восстановления или используя в качестве окислителей другие вещества среды, например нитраты (так называемое нитратное дыхание).

2. Аэробы — большинство ныне живущих гетеротрофных организмов, которые осуществляют энергетический обмен, окисляя органические вещества молекулярным кислородом.

В клетках таких организмов обязательно существуют системы защиты от окисления клеточных структур кислородом.

Это, во-первых, ферменты, разрушающие активные формы кислорода (супероксиддисмутаза, каталаза), а во-вторых, антиоксиданты — молекулы, которые сами окисляются, нейтрализуя свободные радикалы.

Носители энергии

Макроэргические соединения– это вещества, содержащие богатые энергией связи. Макроэргическая связь обозначается символом ~ (знак «тильда»).

Понятие макроэргическая связь довольно условно и применяется для обозначения тех связей, которые гидролизуются в водной средес выделением значительной энергии. Так, гидролиз концевой фосфоангидридной связи АТФ (АТФ + Н2О → АДФ + Фн), ведет к освобождению 34,5 кДж/моль энергии).

Однако, если реакция протекает в неводной среде (например, в липидном слое мембран), то образование и разрушение АТФ протекает без больших затрат энергии.

Вещества, гидролиз которых, приводит к высвобождению более 21 кДж/моль (>5ккал) энергии относят к высокоэнергетическим (макроэргам), а вещества освобождающие меньшие количества энергии – к низкоэнергетическим.

К макроэргам относят: АТФ, другие трифосфаты нуклеозидов (ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ), аргининфосфат, креатинфосфат, ацетилфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват и др. К группе высокоэнергетических соединений относятся также тиоэфиры.

В то время как высокоэнергетические фосфорные соединения являются, в основном, промежуточными продуктами углеводного обмена, то тиоэфиры — это промежуточные продукты обмена жирных кислот. В природе основным тиосодержащим соединением является кофермент А (HS-CoA).

К низкоэнергетическим – глюкозо-6-фосфат, глюкозо-1-фосфат, глицерофосфат и другие (см. таблицу). Уникальная роль АТФ состоит в том, что она имеет промежуточное значение энергии гидролиза и выполняет роль связующего звена (разменной монеты) между высоко- и низкоэнергетическими соединениями.

АТФ с точки зрения химического строения представляет собой адениловый нуклеозид, связанный с тремя остатками фосфорной кислоты. Первый из них (α-остаток) связан сложноэфирной связью с пятым углеродным атомом пентозы. Это обычная связь.

Изменение свободной энергии реакции ΔGо′ не превышает 12,5 кДж/моль, как и у большинства связей в органических соединениях.

Второй фосфатный остаток (β) и третий (γ) связаны с α-остатком и друг с другом фосфоангидридными связями, у которых ΔGо′ (при рН 7, температуре 37о, концентрации реагентов 1М и избытке Mg2+) составляет (-30,6) кДж/моль (макроэргические связи).

Они легко гидролизуются с выделением энергии.

В клетке никогда не происходит прямого переносафосфатных групп от высокоэнергетического к низкоэнергетическому соединению, а также от высокоэнергетического донора фосфатной группы к высокоэнергетическому акцептору или от низкоэнергетического к низкоэнергетическому.

Почти все реакции переноса фосфатных групп идут с участием АТФ ↔ АДФ. Таким образом, функция системы АТФ↔АДФ состоит именно в том, что она служит посредником–переносчиком фосфатных групп от высокоэнергетических к низкоэнергетическим фосфатам по схеме:

Фосфоенолпируват +АДФ → АТФ + пируват (фермент – пируваткиназа)

Глюкоза + АТФ → АДФ + глюкозо-6-фосфат (фермент – гексокиназа или глюкокиназа).

Процесс синтеза АТФ из АДФ называется фосфорилированием. Выделяют субстратное и окислительное фосфорилирование.

При субстратном фосфорилировании для синтеза АТФ используется энергия непосредственно от окисляемого субстрата (например, отдельные реакции гликолиза).

Если на синтез АТФ используется энергия, выделяемая при транспорте е- в дыхательной (электрон-транспортной) цепи, то такое фосфорилирование называется окислительным.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник: https://zdamsam.ru/b30589.html

Способы питания. Автотрофное и гетеротрофное питание. Хемосинтез — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс)

Получение энергии литотрофами

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. По способу получения необходимых для жизнедеятельности органических веществ все клетки (и живые организмы) подразделяют на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы

Автотрофные организмы способны самостоятельно синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды только источник углерода (CO2), воду (H2O) и минеральные соли.

Автотрофы подразделяются на две группы: фотосинтетики (фототрофы) и хемосинтетики (хемотрофы).

Для фотосинтетиков источником энергии для реакций биосинтеза служит солнечный свет. К фототрофам относятся клетки зелёных растений, содержащие хлорофилл, и бактерии, способные к фотосинтезу (например, цианобактерии).

Хемосинтетики используют для синтеза органических веществ энергию, высвобождающуюся в ходе химических превращений неорганических соединений.

Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы.

Хемосинтетики — единственные организмы на Земле, не зависящие от энергии солнечного света. К ним относятся некоторые виды бактерий:

  • железобактерии  окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного:

          Fe2+\(→\)Fe3+ \(+\) E;

  • серобактерии  окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты:

          H2S+O2=2H2O+2S+E,

          H2S+O2=2H2SO4+E;

  • нитрифицирующие бактерии  окисляют аммиак до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты:

          NH3\(→\)HNO2\(→\)HNO3 \(+\) E.

Выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия переводится в энергию макроэргических связей АТФ  и только затем тратится на синтез органических соединений.

Роль хемосинтетиков велика, так как они являются непременным звеном природных круговоротов важнейших элементов: серы, азота, железа и др. Они разрушают горные породы, участвуют в образовании полезных ископаемых, применяются в очистке сточных вод (серобактерии). Нитрифицирующие бактерии обогащают почву нитритами и нитратами, в форме которых растениями усваивается азот.

Гетеротрофные организмы

Гетеротрофные организмы не могут самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических соединений и нуждаются в их постоянном поглощении извне. Питаясь пищей растительного и животного происхождения, они используют энергию, запасённую в органических соединениях, и строят из полученных веществ собственные белки, липиды, углеводы и другие биополимеры.

К гетеротрофам относятся животные, грибы и многие бактерии.

В зависимости от того, откуда гетеротрофные организмы получают питательные вещества, их делят на группы: сапрофиты, паразиты, голозои.

Сапрофиты (сапротрофы) питаются мёртвыми органическими остатками (бактерии гниения, брожения, молочнокислые бактерии, многие грибы).

Паразиты существуют только на живых организмах, нанося им вред (болезнетворные бактерии, грибы-паразиты растений, животных и человека; паразитические животные и растения).

Третья группа гетеротрофов — голозои. Голозойное питание включает три этапа: поедание, переваривание и всасывание переваренных веществ. Оно чаще наблюдается у многоклеточных животных, имеющих пищеварительную систему. Голозойно питающихся животных можно подразделить на плотоядных, растительноядных и всеядных.

Миксотрофные организмы

Существуют также организмы, способные использовать как автотрофный, так и гетеротрофный способы питания. Такие организмы называют миксотрофы. Это, например, эвглена зелёная, которая на свету является фототрофом, а в темноте — гетеротрофом.

Некоторые растения, например венерина мухоловка или росянка, способны пополнять нехватку азота ловлей и перевариванием насекомых.

Другие растения частично перешли к паразитическому образу жизни и могут получать органические вещества из организма хозяина при помощи особых видоизменений корней (омела, петров крест, повилика).

Полученные авто- или гетеротрофным путём органические вещества не могут непосредственно обеспечивать энергией процессы, происходящие в клетке. За счёт энергии химических связей этих веществ обязательно синтезируется универсальный источник энергии — АТФ.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.

Источник: https://www.yaklass.ru/p/biologia/obschie-biologicheskie-zakonomernosti/biokhimicheskie-protcessy-v-kletke-16037/pitanie-kletki-fotosintez-17332/re-8a88a42b-0c15-43a9-b3cf-0b71e66367ce

Book for ucheba
Добавить комментарий