Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Основные пищевые группы - это группы организмов , разделенные в зависимости от режима питания в зависимости от источников энергии и углерода, необходимых для жизни, роста и воспроизводства. 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 основным пищевым группам, а просто отражают различное использование возможных акцепторов электронов в определенных организмах, таких как O 2 при аэробном дыхании или нитрат (NO 3 - ), сульфат (SO 4 2- ) или фумарат при анаэробном дыхании или различные промежуточные продукты метаболизма при ферментации.

Первичные источники энергии [ править ]

Упрощенная блок-схема для определения того, является ли организм автотрофом , гетеротрофом или подтипом.

Фототрофы поглощают свет фоторецепторами и преобразуют его в химическую энергию.
Хемотрофы выделяют энергию связи из химических соединений . [2]

Высвободившаяся энергия сохраняется в виде потенциальной энергии в АТФ , углеводах или белках . В конце концов, энергия используется для таких жизненных процессов, как движение, рост и размножение.

В зависимости от наличия света растения и некоторые бактерии могут чередовать фототрофию и хемотрофию.

Основные источники восстановительных эквивалентов [ править ]

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

Эти электроны или атомы водорода из восстановительных эквивалентов (доноры электронов) необходимы обе фототрофов и хемотрофы в реакциях окислительно-восстановительных , что передача энергии в анаболических процессах синтеза АТФ (в гетеротрофных) или биосинтеза (в автотрофов). Доноры электронов или водорода извлекаются из окружающей среды.

Органотрофные организмы часто также гетеротрофны, они используют органические соединения в качестве источников электронов и углерода. Точно так же литотрофные организмы часто также автотрофны, используя неорганические источники электронов и СО 2 в качестве источника неорганического 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, необходимые 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 биосинтеза. Животные являются органотрофами, потому что они используют органические соединения в качестве доноров электронов для синтеза АТФ (растения тоже это делают, но это не принимается во внимание). Оба используют кислород при дыхании в качестве акцептора электронов и основного источника энергии [2], но этот признак не используется для определения их как литотрофов.

Первичные источники углерода [ править ]

Гетеротрофы метаболизируют органические соединения, чтобы получить углерод для роста и развития.
Автотрофы используют углекислый газ (CO 2 ) в качестве источника углерода.

Энергия и углерод [ править ]

Желтый грибок
Классификация организмов на основе их метаболизма
Энергетический ресурсСветФото- -троф
Молекулыхимио-
Донор электроновОрганические соединения органо- 
Неорганические соединениялито-
Источник углеродаОрганические соединения гетеро-
Углекислый газавто-

Chemoorganoheterotrophic организм является тот , который требует органических субстратов , чтобы получить его углерода для роста и развития, и который получает энергию от разложения, часто в окисление , [2] органического соединения. Эта группа организмов может быть далее подразделена в зависимости от того, какой органический субстрат и какое соединение они используют. Разложители 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 химические связи в органических соединениях или O 2 [2] в качестве источника энергии и получают электроны или водород из органических соединений, включая сахара (например, глюкозу ), жиры и белки. [3] Хемогетеротрофы также получают из этих органических соединений атомы углерода, которые им необходимы для функционирования клетки.

Все животные являются хемогетеротрофами (то есть они окисляют химические соединения в качестве источника энергии и углерода), как и грибы , простейшие и некоторые бактерии . Важное различие между этой группой состоит в том, что хемоорганотрофы окисляют только органические соединения, тогда как хемолитотрофы вместо этого используют окисление неорганических соединений в качестве источника энергии. [4]

Таблица первичного метаболизма [ править ]

В следующей таблице приведены примеры для каждой группы питания: [5] [6] [7] [8]


Источник энергии		Электрон /
Н-атом
донора		Источник углеродаИмяПримеры
Солнечный свет
Фото-		Органические
-органо-		Органический -
гетеротроф		Фото органо- гетеротрофНекоторые бактерии: Rhodobacter , Heliobacterium , некоторые зеленые несернистые бактерии [9]
Двуокись углерода
-автотроф		Фото органо автотроф
Неорганический
-лито- *		Органический -
гетеротроф		Фото лито гетеротрофФиолетовые бактерии, не содержащие серы
Двуокись углерода
-автотроф		Фото лито автотрофНекоторые бактерии ( цианобактерии ), некоторые эукариоты ( эукариотические водоросли , наземные растения ). Фотосинтез .
Разрушение
химических
соединений
Химио-		Органические
-органо-		Органический -
гетеротроф		Химио органо гетеротрофХищные , паразитические и сапрофитные прокариоты. Некоторые эукариоты (гетеротрофные протисты , грибы , животные )
Двуокись углерода
-автотроф		Химиотерапия органо автотрофНекоторые археи ( анаэробные метанотрофные археи ). [10] Хемосинтез , синтетически автотрофные бактерии Escherichia coli [11] и дрожжи Pichia pastoris . [12]
Неорганический
-лито- *		Органический -
гетеротроф		Химио Лихо гетеротрофНекоторые бактерии ( Oceanithermus profundus ) [13]
Двуокись углерода
-автотроф		Хемо- лито- автотрофНекоторые бактерии ( Nitrobacter ), некоторые археи ( Methanobacteria ). Хемосинтез .
  • Некоторые авторы используют -hydro-, когда источником является вода.

Общая финальная часть -троф происходит от древнегреческого τροφή trophḗ «питание».

Миксотрофы [ править ]

Некоторые, обычно одноклеточные, организмы могут переключаться между различными метаболическими режимами, например, между фотоавтотрофией, фотогетеротрофией и хемогетеротрофией у Chroococcales [14]. Такие миксотрофные организмы могут доминировать в своей среде обитания из-за их способности использовать больше ресурсов, чем фотоавтотрофные или органо-гетеротрофные организмы. [15]

Примеры [ править ]

В природе могут существовать всевозможные комбинации, но одни встречаются чаще, чем другие. Например, большинство растений являются фотолитоавтотрофными , поскольку они 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 химические источники энергии (органические вещества и O 2 ) [2]и органические молекулы как доноры электронов / водорода и источники углерода. Однако некоторые эукариотические микроорганизмы не ограничиваются одним режимом питания. Например, некоторые водоросли живут фотоавтотрофно на свету, но переходят к хемоорганогетеротрофии в темноте. Даже высшие растения сохраняли способность гетеротрофно дышать ночью на крахмале, который синтезировался 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 не содержащие серы бактерии могут быть фотоорганогетеротрофными , используя органические молекулы как доноры электронов / водорода и источники углерода. [9] [16] Многие бактерии являются хемоорганогетеротрофными и используют органические молекулы в качестве источников энергии, электронов / водорода и углерода. [9]Некоторые бактерии ограничены только одной пищевой группой, тогда как другие являются факультативными и переключаются с одного режима на другой в зависимости от доступных источников питательных веществ. [16] Сера-оксидант , железа , и анаммокс бактерия, а также метаногены являются chemolithoautotrophs , используя неорганическую энергию, электрон, и источники углерода. Хемолитогетеротрофы встречаются редко, потому что гетеротрофия подразумевает наличие органических субстратов, которые также могут служить легкими источниками электронов, делая литотрофию ненужной. Фотоорганоавтотрофы необычны, поскольку их органический источник электронов / водорода может обеспечить легкий источник углерода, что приводит к гетеротрофии.

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

  • Escherichia coli была генетически сконструирована, а затем разработана в лаборатории, чтобы использовать CO 2 в качестве единственного источника углерода,а в качестве источника электронов- одноуглеродную молекулу формиата . [11]
  • Метилотрофных Pichia pastoris дрожжи генной инженерии для использования CO 2 в качестве источника углерода вместо метанола , а второй оставался источник электронов для клеток. [12]

См. Также [ править ]

  • Автотрофный
  • Хемосинтез
  • Хемотрофный
  • Гетеротрофный
  • Литотрофный
  • Метаболизм
  • Миксотрофный
  • Органотрофный
  • Фототрофный

Примечания и ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Eiler A (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхних слоях океана: последствия и последствия» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (12): 7431–7. DOI : 10,1128 / AEM.01559-06 . PMC  1694265 . PMID  17028233 . Таблица 1: Определения метаболических стратегий для получения углерода и энергии
  2. ^ а б в г д Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород высокоэнергетической Молекулы Powering комплекса многоклеточный: Основные поправки к традиционной биоэнергетике» ACS Omega 5 :. 2221-2233 http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  3. ^ Тодора K (2009). "Интернет-учебник по бактериологии Тодара" . Питание и рост бактерий . Проверено 19 апреля 2014 .
  4. Перейти ↑ Kelly DP, Mason J, Wood A (1987). «Энергетический метаболизм у хемолитотрофов». В van Verseveld HW, Duine JA (ред.). Рост микробов на соединениях C1 . Дордрехт: Спрингер. С. 186–187. DOI : 10.1007 / 978-94-009-3539-6_23 . ISBN 978-94-010-8082-8.
  5. ^ Lwoff A, Ван Ниль CB, Райан TF, Татум EL (1946). «Номенклатура типов питания микроорганизмов» (PDF) . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбора по количественной биологии (5-е изд.). 11 : 302–303.
  6. ^ Эндрюс JH (1991). Сравнительная экология микроорганизмов и макроорганизмов . Берлин: Springer Verlag. п. 68. ISBN 978-0-387-97439-2.
  7. ^ Yafremava LS, Wielgos M, S Thomas, Насир A, Ван М, Mittenthal JE, Каэтано-Anollés G (2013). «Общая структура стратегий сохранения биологических систем помогает объяснить области жизни» . Границы генетики . 4 : 16. DOI : 10,3389 / fgene.2013.00016 . PMC 3580334 . PMID 23443991 .  
  8. ^ Маргулис L, Маккхэнн HI, Olendzenski L, ред. (1993). Иллюстрированный глоссарий Protoctista: словарь водорослей, Apicomplexa, инфузорий, фораминифер, Microspora, водяных форм, слизистых форм и других протоктистов . Джонс и Бартлетт Обучение. стр. xxv. ISBN 978-0-86720-081-2.
  9. ^ a b c Моррис, Дж. и др. (2019). «Биология: как работает жизнь», 3-е издание, WH Freeman. ISBN 978-1319017637 
  10. ^ 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 метанокисляющих 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 .  
  11. ^ a b Gleizer S, Ben-Nissan R, Bar-On YM, Антоновский N, Noor E, Zohar Y и др. (Ноябрь 2019 г.). «2» . Cell . 179 (6): 1255–1263.e12. DOI : 10.1016 / j.cell.2019.11.009 . PMC 6904909 . PMID 31778652 .  
  12. ^ a b Гасслер Т., Зауэр М., Гассер Б., Эгермайер М., Тройер С., Каусон Т. и др. (Декабрь 2019 г.). «2» . Природа Биотехнологии . 38 (2): 210–216. DOI : 10.1038 / s41587-019-0363-0 . PMC 7008030 . PMID 31844294 .  
  13. ^ Мирошниченко ML, L'Haridon S, Jeanthon C, Antipov AN, Kostrikina NA, Tindall BJ, et al. (Май 2003 г.). «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 . 
  14. ^ Rippka R (март 1972). «Фотогетеротрофия и хемогетеротрофия одноклеточных сине-зеленых водорослей». Архив микробиологии . 87 (1): 93–98. DOI : 10.1007 / BF00424781 . S2CID 155161 . 
  15. Перейти ↑ Eiler A (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхних слоях океана: последствия и последствия» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (12): 7431–7. DOI : 10,1128 / AEM.01559-06 . PMC 1694265 . PMID 17028233 .  
  16. ^ a b c Тан, К.-Х., Тан, Ю.Дж., Бланкеншип, RE (2011). «Пути метаболизма углерода в фототрофных бактериях и их более широкое эволюционное значение» Границы микробиологии 2 : Искусство. 165. http://dx.doi.org/10.3389/micb.2011.00165