stringtranslate.com

Основные группы питания

Первичные пищевые группы — это группы организмов , разделенные по способу питания в соответствии с источниками энергии и углерода, необходимыми для жизни, роста и размножения. Источниками энергии могут быть свет или химические соединения; источники углерода могут быть органического или неорганического происхождения. [1]

Термины аэробное дыхание , анаэробное дыхание и ферментация ( фосфорилирование на уровне субстрата ) не относятся к первичным группам питания, а просто отражают различное использование возможных акцепторов электронов в конкретных организмах, таких как O2 в аэробном дыхании или нитрат ( NO−
3), сульфат ( SO2−
4) или фумарат при анаэробном дыхании, или различные промежуточные продукты метаболизма при брожении.

Первичные источники энергии

Фототрофы поглощают свет в фоторецепторах и преобразуют его в химическую энергию.
Хемотрофы выделяют химическую энергию.

Освобожденная энергия хранится в виде потенциальной энергии в АТФ , углеводах или белках . В конечном итоге энергия используется для жизненных процессов, таких как движение, рост и размножение.

Растения и некоторые бактерии могут чередовать фототрофию и хемотрофию в зависимости от доступности света.

Первичные источники восстановительных эквивалентов

Органотрофы используют органические соединения в качестве доноров электронов/водорода .
Литотрофы используют неорганические соединения в качестве доноров электронов/водорода.

Электроны или атомы водорода из восстановительных эквивалентов (доноров электронов) необходимы как фототрофам, так и хемотрофам в окислительно -восстановительных реакциях , которые передают энергию в анаболических процессах синтеза АТФ (у гетеротрофов) или биосинтеза (у автотрофов). Доноры электронов или водорода берутся из окружающей среды.

Органотрофные организмы часто также являются гетеротрофными, используя органические соединения в качестве источников как электронов, так и углерода. Аналогично, литотрофные организмы часто также являются автотрофными, используя неорганические источники электронов и CO 2 в качестве неорганического источника углерода.

Некоторые литотрофные бактерии могут использовать различные источники электронов в зависимости от доступности возможных доноров.

Органические или неорганические вещества (например, кислород), используемые в качестве акцепторов электронов, необходимых в катаболических процессах аэробного или анаэробного дыхания и брожения, здесь не учитываются.

Например, растения являются литотрофами, поскольку они используют воду в качестве донора электронов для цепи переноса электронов через тилакоидную мембрану. Животные являются органотрофами, поскольку они используют органические соединения в качестве доноров электронов для синтеза АТФ (растения также делают это, но это не принимается во внимание). Оба используют кислород в дыхании в качестве акцептора электронов, но этот признак не используется для определения их как литотрофов.

Первичные источники углерода

Гетеротрофы метаболизируют органические соединения, чтобы получить углерод для роста и развития.
Автотрофы используют углекислый газ (CO2 ) в качестве источника углерода.

Энергия и углерод

Желтый грибок

Хемоорганогетеротрофный организм — это организм, которому требуются органические субстраты для получения углерода для роста и развития, и который получает энергию от разложения органического соединения. Эту группу организмов можно далее подразделить в зависимости от того, какой органический субстрат и соединение они используют. Редуценты являются примерами хемоорганогетеротрофов , которые получают углерод и электроны или водород из мертвого органического вещества. Травоядные и плотоядные являются примерами организмов, которые получают углерод и электроны или водород из живого органического вещества.

Хемоорганотрофы — это организмы , которые используют химическую энергию органических соединений в качестве источника энергии и получают электроны или водород из органических соединений, включая сахара (т. е. глюкозу ), жиры и белки. [2] Хемогетеротрофы также получают атомы углерода, необходимые им для функционирования клеток, из этих органических соединений.

Все животные являются хемогетеротрофами (то есть они окисляют химические соединения в качестве источника энергии и углерода), как и грибы , простейшие и некоторые бактерии . Важное отличие этой группы заключается в том, что хемоорганотрофы окисляют только органические соединения, тогда как хемолитотрофы вместо этого используют окисление неорганических соединений в качестве источника энергии. [3]

Таблица первичного метаболизма

В следующей таблице приведены некоторые примеры для каждой группы питательных веществ: [4] [5] [6] [7]

*Некоторые авторы используют -гидро-, когда источником является вода.

Найдите значение слова -troph в Викисловаре, бесплатном словаре.

Распространенная конечная часть -troph происходит от древнегреческого τροφή trophḗ «питание».

Миксотрофы

Некоторые, обычно одноклеточные, организмы могут переключаться между различными метаболическими режимами, например, между фотоавтотрофией, фотогетеротрофией и хемогетеротрофией у Chroococcales . [13] Rhodopseudomonas palustris — другой пример — может расти как с кислородом , так и без него , использовать свет, неорганические или органические соединения для получения энергии. [14] Такие миксотрофные организмы могут доминировать в своей среде обитания из-за их способности использовать больше ресурсов, чем фотоавтотрофные или органогетеротрофные организмы. [15]

Примеры

В природе могут существовать всевозможные комбинации, но некоторые из них более распространены, чем другие. Например, большинство растений являются фотолитоавтотрофными , поскольку они используют свет в качестве источника энергии, воду в качестве донора электронов и CO2 в качестве источника углерода. Все животные и грибы являются хемоорганогетеротрофными , поскольку они используют органические вещества как в качестве источников химической энергии, так и в качестве доноров электронов/водорода и источников углерода. Однако некоторые эукариотические микроорганизмы не ограничиваются только одним режимом питания. Например, некоторые водоросли живут фотоавтотрофно на свету, но переходят на хемоорганогетеротрофность в темноте. Даже высшие растения сохранили свою способность дышать гетеротрофно крахмалом ночью, который был синтезирован фототрофно в течение дня.

Прокариоты демонстрируют большое разнообразие категорий питания . [16] Например, цианобактерии и многие пурпурные серные бактерии могут быть фотолитоавтотрофными , используя свет для получения энергии, H 2 O или сульфид в качестве доноров электронов/водорода и CO 2 в качестве источника углерода, тогда как зеленые несерные бактерии могут быть фотоорганогетеротрофными , используя органические молекулы как в качестве доноров электронов/водорода, так и источников углерода. [8] [16] Многие бактерии являются хемоорганогетеротрофными , используя органические молекулы в качестве источников энергии, электронов/водорода и углерода. [8] Некоторые бактерии ограничены только одной группой питания, тогда как другие являются факультативными и переключаются с одного режима на другой в зависимости от доступных источников питательных веществ. [16] Сероокисляющие , железные и анаммокс- бактерии, а также метаногены являются хемолитоавтотрофными , использующими неорганическую энергию, электроны и источники углерода. Хемолитогетеротрофы редки, поскольку гетеротрофия подразумевает наличие органических субстратов, которые также могут служить легкими источниками электронов, что делает литотрофию ненужной. Фотоорганоавтотрофы редки, поскольку их органический источник электронов/водородов обеспечил бы легкий источник углерода, что приводит к гетеротрофии.

Усилия синтетической биологии позволили трансформировать трофический режим двух модельных микроорганизмов из гетеротрофного в хемоорганоавтотрофный:

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Eiler A (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхнем слое океана: последствия и последствия». Applied and Environmental Microbiology . 72 (12): 7431–7. Bibcode :2006ApEnM..72.7431E. doi :10.1128/AEM.01559-06. PMC  1694265 . PMID  17028233. Таблица 1: Определения метаболических стратегий для получения углерода и энергии
  2. ^ Todar K (2009). "Todar's Online Textbook of Bacteriology". Питание и рост бактерий . Получено 2014-04-19 .
  3. ^ Келли DP, Мейсон J, Вуд A (1987). «Энергетический метаболизм у хемолитотрофов». В van Verseveld HW, Duine JA (ред.). Микробный рост на соединениях C1 . Springer. стр. 186–7. doi :10.1007/978-94-009-3539-6_23. ISBN 978-94-010-8082-8.
  4. ^ Lwoff A, Van Niel CB, Ryan TF, Tatum EL (1946). «Номенклатура типов питания микроорганизмов» (PDF) . Симпозиумы по количественной биологии в Колд-Спринг-Харбор . 11 (5-е изд.): 302–3.
  5. ^ Эндрюс Дж. Х. (1991). Сравнительная экология микроорганизмов и макроорганизмов. Springer. стр. 68. ISBN 978-0-387-97439-2.
  6. ^ Yafremava LS, Wielgos M, Thomas S, Nasir A, Wang M, Mittenthal JE, Caetano-Anollés G (2013). «Общая структура стратегий персистентности для биологических систем помогает объяснить домены жизни». Frontiers in Genetics . 4 : 16. doi : 10.3389/fgene.2013.00016 . PMC 3580334. PMID  23443991 . 
  7. ^ Маргулис Л. , Маккханн Х.И., Олендзенски Л., ред. (1993). Иллюстрированный глоссарий Protoctista: словарь водорослей, апикомплексов, инфузорий, фораминифер, микроспор, водных плесеней, слизевиков и других протоктистов. Jones & Bartlett Learning. стр. xxv. ISBN 978-0-86720-081-2.
  8. ^ abc Morris, J. et al. (2019). «Биология: как устроена жизнь», 3-е издание, WH Freeman. ISBN 978-1319017637 
  9. ^ Kellermann MY, Wegener G, Elvert M, Yoshinaga MY, Lin YS, Holler T и др. (ноябрь 2012 г.). «Автотрофия как преобладающий способ фиксации углерода в анаэробных метан-окисляющих микробных сообществах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (47): 19321–6. Bibcode : 2012PNAS..10919321K. doi : 10.1073/pnas.1208795109 . PMC 3511159. PMID  23129626 . 
  10. ^ ab Gleizer S, Ben-Nissan R, Bar-On YM, Antonovsky N, Noor E, Zohar Y и др. (ноябрь 2019 г.). «Преобразование Escherichia coli в генерацию всего углерода биомассы из CO2». Cell . 179 (6): 1255–1263.e12. doi :10.1016/j.cell.2019.11.009. PMC 6904909 . PMID  31778652. 
  11. ^ ab Gassler T, Sauer M, Gasser B, Egermeier M, Troyer C, Causon T, et al. (декабрь 2019 г.). «Промышленные дрожжи Pichia pastoris преобразуются из гетеротрофа в автотроф, способный расти на CO2». Nature Biotechnology . 38 (2): 210–6. doi :10.1038/s41587-019-0363-0. PMC 7008030 . PMID  31844294. 
  12. ^ Мирошниченко ML, L'Haridon S, Jeanthon C, Антипов AN, Кострикина NA, Tindall BJ, et al. (Май 2003). "Oceanithermus profundus gen. nov., sp. nov., термофильная, микроаэрофильная, факультативно хемолитогетеротрофная бактерия из глубоководного гидротермального источника". Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 53 (Pt 3): 747–52. doi : 10.1099/ijs.0.02367-0 . PMID  12807196.
  13. ^ Rippka R (март 1972). «Фотогетеротрофия и хемогетеротрофия среди одноклеточных сине-зеленых водорослей». Архив микробиологии . 87 (1): 93–98. doi :10.1007/BF00424781. S2CID  155161.
  14. ^ Ли, Мэйцзе; Нин, Пэн; Сан, И; Ло, Цзе; Ян, Цзяньмин (2022). «Характеристики и применение Rhodopseudomonas palustris в качестве фабрики микробных клеток». Frontiers in Bioengineering and Biotechnology . 10 : 897003. doi : 10.3389/fbioe.2022.897003 . ISSN  2296-4185. PMC 9133744. PMID  35646843 . 
  15. ^ Eiler A (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхнем слое океана: выводы и последствия». Applied and Environmental Microbiology . 72 (12): 7431–7. Bibcode : 2006ApEnM..72.7431E. doi : 10.1128/AEM.01559-06. PMC 1694265. PMID  17028233 . 
  16. ^ abc Tang KH, Tang YJ, Blankenship RE (2011). "Пути метаболизма углерода у фототрофных бактерий и их более широкие эволюционные последствия". Front Microbiol . 2 : 165. doi : 10.3389/fmicb.2011.00165 . PMC 3149686. PMID  21866228 .