 |
Метаболические процессы в живых организмах
|
|
|
|
Совокупность всех химических реакций протекающих в живом организме, называется метаболизмом. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.
Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.
Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) ~ понятие, противоположное катаболизму — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.
Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.
Энергетический обмен. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.
Аэробы (аблигатные аэробы) — организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).
Анаэробы (облигатные анаэробы) — организмы, не способные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).
Факультативные формы (факультативные анаэробы) — организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).
|
|
|
У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще богатые энергией.
Химические вещества необходимы для построения тела, энергия — для осуществления процессов жизнедеятельности.
По источнику энергии живые организмы делятся на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы используют световую энергию (энергию солнечного излучения). Хемотрофы используют химическую энергию (энергию связей химических соединений), которая выделяется при окислении химических соединений.
По источнику углерода живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы используют неорганический источник углерода (диоксид углерода). Гетеротрофы используют органические источники углерода (органические вещества).
По типу окисляемого субстрата живые организмы делятся на литотрофов и органотросров. Литотрофы окисляют неорганические соединения (Н20, H2S, S, Н2 и др.). Органотрофы окисляют органические соединения. Комбинации этих классификаций формирует разные группы живых организмов (табл. 10 и 11).
С экологических позиций наиболее важно охарактеризовать следующие группы организмов.
Автотрофы (автотрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических — углекислого газа, воды, минеральных солей.
|
|
|
В зависимости от источника энергии автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтогрофов. Фототрофы — организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии). Хемотрофы ─ организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.).
Таблица 10
Классификация организмов по источнику энергии и источнику углерода
| Тип организмов | Источник энергии | Источник углерода | Примеры |
| Фотоавтотрофы | Свет | Диоксид углерода | Растения, зеленые бактерии, цианобактерии |
| Фотогетеротрофы | Свет | Органические соединения | Некоторые пурпурные бактерии |
| Хемоавтотрофы | Реакция окисления | Диоксид углерода | Хемосинтезирующие бактерии |
| Хемогетеротрофы | Реакция окисления | Органические соединения | Животные, грибы, большинство бактерий |
Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий).
По способу получения пищи гетеротрофы делятся на фаготрофов (голозоев) и осмотрофов. Фаготрофы (голозои) заглатывают твердые куски пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).
По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов и сапротрсфов. Биотрофы питаются живыми организмами. К ним относятся зоофаги (питаются животными) и фитофаги (питаются растениями), в том числе паразиты. Сапротрофы используют в качестве пищи органические вещества мертвых тел или выделения (экскременты) животных. К ним принадлежат сапротрофные бактерии, сапротрофные грибы, сапротрофные растения (сапрофиты), сапротрофные животные (сапрофаги). Среди них встречаются детритофаги (питаются детритом), некрофаги (питаются трупами животных), копрофаги (питаются экскрементами) и др.
Таблица 11
Классификация организмов по источнику энергии и типу окисляемого субстрата
| Тип | Источник энергии | Тип окисляемого субстрата | Примеры |
| Фотолитотрофы | Свет | Неорганические соединения (Н2О, H2S, S) | бактерии, цианобактерии |
| Фотоорганотрофы | Свет | Органические соединения | Некоторые пурпурные бактерии |
| Хемолитотрофы | Реакция окисления | Неорганические соединения (Н2, S, H2S, NH3, Fe2+) | Хемосинтезирующие бактерии |
| Хемоорганотрофы | Реакция окисления | Органические соединения | Животные, грибы, большинство бактерий |
|
|
|
Некоторые живые существа в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Организмы со смешенным типом питания называются миксотрофами. Миксотрофы — организмы, которые могут, как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).
Пластический обмен. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:
─ органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) — простые органические молекул (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) — макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза, происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:
─ неорганические вещества (СО2, Н2О) — простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) — макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Рассмотрим наиболее важные с точки зрения экологии метаболические процессы пластического обмена — фотосинтез и хемосинтез.
Фотосинтез (фотоавтотрофия) — синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:
Hv = 6СО2 + 6Н2О ─» С6Н12О6 + 12О2.
Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.
|
|
|
В процессе фотосинтеза, кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.
Хемосинтез (хемоавтотрофия) — процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО2 и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).
К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха.
Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота.
Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.
|
|
|
