Первичные группы питания
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( сентябрь 2010 г. ) |
Первичные группы питания — группы организмов , разделенные по способу питания по источникам энергии и углерода, необходимым 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 О 2 при аэробном дыхании или нитрат ( NO −
3 ), сульфат ( SO 2−
4 ) или фумарат при анаэробном дыхании, или различные интермедиаты метаболизма при брожении.
Первичные источники энергии
[ редактировать ]Фототрофы поглощают свет фоторецепторами и преобразуют его в химическую энергию.
Хемотрофы выделяют химическую энергию.
Освобожденная энергия сохраняется в виде потенциальной энергии в АТФ , углеводах или белках . В конце концов, энергия используется для жизненных процессов, таких как движение, рост и размножение.
Растения и некоторые бактерии могут чередовать фототрофию и хемотрофию в зависимости от наличия света.
Первичные источники восстанавливающих эквивалентов
[ редактировать ]Органотрофы используют органические соединения в качестве доноров электронов и водорода .
Литотрофы используют неорганические соединения в качестве доноров электронов/водорода.
Электроны восстанавливающих или атомы водорода от эквивалентов (доноров электронов) необходимы как фототрофам, так и хемотрофам в окислительно-восстановительных реакциях , передающих энергию в анаболических процессах синтеза АТФ (у гетеротрофов) или биосинтеза (у автотрофов). Доноры электронов или водорода поглощаются из окружающей среды.
Органотрофные организмы часто также являются гетеротрофными, используя органические соединения в качестве источников как электронов, так и углерода. Точно так же 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 наличия возможных доноров.
органические или неорганические вещества (например, кислород), используемые в качестве акцепторов электронов, необходимых в катаболических процессах аэробного или анаэробного дыхания и ферментации Здесь не учитываются .
Например, растения являются литотрофами, потому что они используют воду в качестве донора электронов для цепи переноса электронов через тилакоидную мембрану. Животные являются органотрофами, поскольку используют органические соединения в качестве доноров электронов для синтеза АТФ (растения тоже делают это, но это не учитывается). Оба используют кислород при дыхании в качестве акцептора электронов, но этот признак не используется для определения их как литотрофов.
Первичные источники углерода
[ редактировать ]Гетеротрофы метаболизируют органические соединения с получением углерода для роста и развития.
Автотрофы используют углекислый газ (CO 2 ) в качестве источника углерода.
Энергия и углерод
[ редактировать ]
| Источник энергии | Свет | фото- | -троф | ||
| Молекулы | химио- | ||||
| Донор электронов | Органические соединения | орган- | |||
| Неорганические соединения | член- | ||||
| Источник углерода | Органические соединения | гетеро- | |||
| Углекислый газ | авто- | ||||
Хемоорганогетеротрофный — это организм , организм для роста и развития необходимы органические субстраты которому для получения углерода , а энергию он получает за счет разложения органических соединений. Эту группу организмов можно подразделить в зависимости от того, какой органический субстрат и соединение они используют. Разрушители являются примерами хемоорганогетеротрофов, которые получают углерод и электроны или водород из мертвого органического вещества. Травоядные и плотоядные животные 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 клеточного функционирования, 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 . Важным отличием этой группы является то, что хемоорганотрофы окисляют только органические соединения, тогда как хемолитотрофы вместо этого используют окисление неорганических соединений в качестве источника энергии. [3]
Таблица первичного метаболизма
[ редактировать ]В следующей таблице приведены некоторые примеры для каждой пищевой группы: [4] [5] [6] [7]
| Энергия источник | Электрон/ атом водорода донор | Источник углерода | Имя | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| Солнечный свет Фото- | Органический -орган- | Органический -гетеротроф | Фото органогетеротроф | Некоторые бактерии: Rhodobacter , Heliobacterium , некоторые зеленые несерные бактерии. [8] |
| Углекислый газ -автотроф | Фото органо- автотроф | Некоторые археи ( Haloarchaea ) осуществляют аноксигенный фотосинтез и фиксируют атмосферный углерод. | ||
| Неорганический -члены- * | Органический -гетеротроф | Фото литогетеротрофа | Пурпурные несерные бактерии | |
| Углекислый газ -автотроф | Фото лито- автотроф | Некоторые бактерии ( цианобактерии ), некоторые эукариоты ( эукариотические водоросли , наземные растения ). Фотосинтез . | ||
| Ломать Химическая Соединения Химио- | Органический -орган- | Органический -гетеротроф | Хемоорганогетеротроф | Хищные , паразитические и сапрофитные прокариоты. Некоторые эукариоты (гетеротрофные протисты , грибы , животные ) |
| Углекислый газ -автотроф | Хемоорганоавтотроф | Некоторые археи ( анаэробные метанотрофные археи ). [9] Хемосинтез , синтетически автотрофные Escherichia coli. бактерии [10] и дрожжи Pichia Pastoris . [11] | ||
| Неорганический -члены- * | Органический -гетеротроф | Хемолитогетеротроф | Некоторые бактерии ( Oceanithermus profundus ) [12] | |
| Углекислый газ -автотроф | Хемолито - автотроф | Некоторые бактерии ( Nitrobacter ), некоторые археи ( Methanobacteria ). Хемосинтез . |
*Некоторые авторы используют -гидро-, когда источником является вода.
Общая заключительная часть - троф происходит от древнегреческого τροφή трофḗ «питание».
Миксотрофы
[ редактировать ]Некоторые, обычно одноклеточные, организмы могут переключаться между различными режимами метаболизма, например между фотоавтотрофией, фотогетеротрофией и хемогетеротрофией у Chroococcales . [13] Rhodopseudomonas palustris или без него – еще один пример – может расти с кислородом , используя в качестве энергии свет, неорганические или органические соединения. [14] Такие миксотрофные организмы могут доминировать в своей среде обитания из-за их способности использовать больше ресурсов, чем фотоавтотрофные или органогетеротрофные организмы. [15]
Примеры
[ редактировать ]В природе могут существовать всевозможные комбинации, но некоторые из них встречаются чаще других. Например, большинство растений являются фотолитоавтотрофами , поскольку используют свет в качестве источника энергии, воду в качестве донора электронов и CO 2 в качестве источника углерода. Все животные и грибы хемоорганогетеротрофны , поскольку 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 одним способом питания. Например, некоторые водоросли на свету живут фотоавтотрофно, а в темноте переходят к хемоорганогетеротрофии. Даже высшие растения сохраняли ночью способность гетеротрофно дышать за счет крахмала, который днем синтезировался фототрофно.
Прокариоты демонстрируют большое разнообразие категорий питания . [16] Например, цианобактерии и многие пурпурные серобактерии 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 в качестве источников углерода. [8] [16] Многие бактерии являются хемоорганогетеротрофами , использующими органические молекулы в качестве энергии, источников электронов/водорода и углерода. [8] Некоторые бактерии ограничены только одной группой питания, тогда как другие действуют факультативно и переключаются с одного режима на другой в зависимости от доступных источников питательных веществ. [16] Сероокисляющие , железо- и анаммокс- бактерии, а также метаногены являются хемолитоавтотрофами , использующими неорганическую энергию, источники электронов и углерода. Хемолитогетеротрофы встречаются редко, поскольку гетеротрофия предполагает наличие органических субстратов, которые также могут служить легкими источниками электронов, что делает литотрофию ненужной. Фотоорганоавтотрофы встречаются редко, поскольку их органический источник электронов/водородов может стать легким источником углерода, что приводит к гетеротрофии.
Усилия синтетической биологии позволили преобразовать трофический режим двух модельных микроорганизмов от гетеротрофии к хемоорганоавтотрофии:
- Escherichia coli была создана с помощью генной инженерии , а затем эволюционировала в лаборатории , чтобы использовать CO 2 в качестве единственного источника углерода, а одноуглеродную молекулу формиата - в качестве источника электронов. [10]
- Метилотрофные были генетически дрожжи Pichia Pastoris модифицированы так, чтобы использовать CO 2 в качестве источника углерода вместо метанола , при этом последний оставался источником электронов для клеток. [11]
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]- ^ Эйлер А. (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместного распространения миксотрофных бактерий в верхних слоях океана: последствия и последствия» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (12): 7431–7. Бибкод : 2006ApEnM..72.7431E . дои : 10.1128/АЕМ.01559-06 . ПМК 1694265 . ПМИД 17028233 .
Таблица 1: Определения метаболических стратегий для получения углерода и энергии
- ^ Тодар К. (2009). «Онлайн-учебник по бактериологии Тодара» . Питание и рост бактерий . Проверено 19 апреля 2014 г.
- ^ Келли Д.П., Мейсон Дж., Вуд А. (1987). «Энергетический обмен у хемолитотрофов». Ван Версевельд Х.В., Дуин Дж.А. (ред.). Рост микроорганизмов на соединениях C1 . Спрингер. стр. 186–7. дои : 10.1007/978-94-009-3539-6_23 . ISBN 978-94-010-8082-8 .
- ^ Львофф А., Ван Нил CB, Райан Т.Ф., Татум Э.Л. (1946). «Номенклатура пищевых типов микроорганизмов» (PDF) . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 11 (5-е изд.): 302–3.
- ^ Эндрюс Дж. Х. (1991). Сравнительная экология микроорганизмов и макроорганизмов . Спрингер. п. 68. ИСБН 978-0-387-97439-2 .
- ^ Яфремава Л.С., Вильгос М., Томас С., Насир А., Ван М., Миттенталь Дж.Е., Каэтано-Аноллес Г. (2013). «Общая основа стратегий устойчивости биологических систем помогает объяснить сферы жизни» . Границы генетики . 4 : 16. дои : 10.3389/fgene.2013.00016 . ПМЦ 3580334 . ПМИД 23443991 .
- ^ Маргулис Л. , МакХанн Х.И., Олендзенски Л., ред. (1993). Иллюстрированный словарь Protoctista: словарь водорослей, Apicomplexa, инфузорий, фораминифер, микроспоры, водяных плесеней, слизевиков и других протоктистов . Джонс и Бартлетт Обучение. стр. XXV. ISBN 978-0-86720-081-2 .
- ^ Jump up to: а б с Моррис Дж. и др. (2019). «Биология: как устроена жизнь», 3-е издание, WH Freeman. ISBN 978-1319017637
- ^ Келлерманн М.Ю., Вегенер Г., Элверт М., Ёсинага М.Ю., Лин Ю.С., Холлер Т. и др. (ноябрь 2012 г.). «Автотрофия как преобладающий способ фиксации углерода в анаэробных метанокисляющих микробных сообществах» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (47): 19321–6. Бибкод : 2012PNAS..10919321K . дои : 10.1073/pnas.1208795109 . ПМЦ 3511159 . ПМИД 23129626 .
- ^ Jump up to: а б Глейзер С., Бен-Ниссан Р., Бар-Он Ю.М., Антоновский Н., Нур Э., Зохар Ю. и др. (ноябрь 2019 г.). «Преобразование Escherichia coli для получения всего углерода биомассы из CO 2 » . Клетка . 179 (6): 1255–1263.e12. дои : 10.1016/j.cell.2019.11.009 . ПМК 6904909 . ПМИД 31778652 .
- ^ Jump up to: а б Гасслер Т., Зауэр М., Гассер Б., Эгермейер М., Тройер С., Каусон Т. и др. (декабрь 2019 г.). «Промышленные дрожжи Pichia Pastoris превращаются из гетеротрофа в автотрофа, способного расти на CO 2 » . Природная биотехнология . 38 (2): 210–6. дои : 10.1038/s41587-019-0363-0 . ПМК 7008030 . ПМИД 31844294 .
- ^ Мирошниченко М.Л., Л'Харидон С., Жантон С., Антипов АН, Кострикина Н.А., Тиндалл Б.Дж. и др. (май 2003 г.). « Oceanithermus profundus gen. nov., sp. nov., термофильная, микроаэрофильная, факультативно хемолитогетеротрофная бактерия из глубоководных гидротермальных источников» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 53 (Часть 3): 747–52. дои : 10.1099/ijs.0.02367-0 . ПМИД 12807196 .
- ^ Риппка Р. (март 1972 г.). «Фотогетеротрофия и хемогетеротрофия одноклеточных сине-зеленых водорослей». Архив микробиологии . 87 (1): 93–98. дои : 10.1007/BF00424781 . S2CID 155161 .
- ^ Ли, Мэйцзе; Нин, Пэн; Сунь, Йи; Ло, Цзе; Ян, Цзяньмин (2022). «Характеристики и применение Rhodopseudomonas palustris в качестве фабрики микробных клеток» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 10 : 897003. дои : 10.3389/fbioe.2022.897003 . ISSN 2296-4185 . ПМЦ 9133744 . PMID 35646843 .
- ^ Эйлер А. (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместного распространения миксотрофных бактерий в верхних слоях океана: последствия и последствия» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (12): 7431–7. Бибкод : 2006ApEnM..72.7431E . дои : 10.1128/АЕМ.01559-06 . ПМК 1694265 . ПМИД 17028233 .
- ^ Jump up to: а б с Тан К.Х., Тан Ю.Дж., Бланкеншип Р.Э. (2011). «Пути углеродного метаболизма у фототрофных бактерий и их более широкое эволюционное значение» . Передний микробиол . 2 : 165. дои : 10.3389/fmicb.2011.00165 . ПМК 3149686 . ПМИД 21866228 .
