Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 23

Урок 2: Метаболизъм и екология на прокариотите

Метаболизъм на прокариотите

Класна стая на Google

Как прокариотите получават енергия и хранителни вещества. Хемотропизъм и фототропизъм. Хетеротрофи и автотрофи.

Ключови точки:

Някои прокариоти са фототрофи, получаващи енергия от слънцето. Други са хемотрофи, получаващи енергия от химични съединения.
Някои прокариоти са автотрофи, фиксиращи въглерод от ${CO}_{2}$ ‍. Други са хетеротрофи, получаващи въглерод от органични съединения на други организми.
Прокариотите може да извършват аеробен (с участие на кислород) или анаеробен (без участие на кислород) метаболизъм и някои могат да преминават между тези метаболитни режими.
Някои прокариоти имат специални ензими и пътища, които им позволяват да метаболизират съединения, които съдържат азот или сяра.

Прокариотите играят ключова роля в цикъла на хранителните вещества в екосистемите.

Въведение

Най-общо погледнато, ти и аз имаме доста ограничен диапазон начини да се нахраним. Може да имаме възможност да избираме между зеленчуци и сладолед (и, да се надяваме, ще се насладим и на двете в здравословни количества!). Но не е много вероятно да имаме шанс да фотосинтезираме. Също е невероятно да ядем водороден сулфид, съединението, отговорно за "миризмата на развалени яйца", за закуска.

Прокариотите (бактерии и синьо-зелени водорасли) за разлика от хората имат много по-голямо разнообразие от хранителни стратегии – тоест начини, по които получават фиксиран въглерод (горивни молекули) и енергия. Някои видове консумират органична материя като мъртви растения и животни. Други преживяват от неорганични съединения в скалите. Една бактерия, Thiobacillus concretivorans, консумира топящата метал сярна киселина!

^{1}

В тази статия ще разгледаме по-отблизо многото начини, по които прокариотите получават и метаболизират храна, и как те могат да повлияят на цикъла на хранителните вещества.

Хранителни режими

Всички форми на живот на Земята имат нужда от енергия и фиксиран въглерод (въглерод, участващ в органични молекули), за да изградят макромолекулите, които изграждат техните клетки. Това се отнася за хората, растенията, гъбите и, разбира се, прокариотите. Живите организми могат да бъдат категоризирани по това как получават енергия и въглерод.

Първо, можем да категоризираме организмите по това откъде получават фиксиран (годен за използваме) въглерод:

Организми, които фиксират въглерод от въглероден диоксид ( ${CO}_{2}$ ‍) или други неорганични съединения, са наречени автотрофи.
Организми, които получават фиксиран въглерод от органични съединения, изградени от други организми (или чрез изяждане на организмите, или чрез техните странични продукти), са наречени хетеротрофи.

В допълнение, можем да категоризираме организмите по това откъде получават енергията си:

Организми, които използват светлина (предимно Слънцето) като източник на енергия, са наречени фототрофи.
Организми, които използват химикали като източник на енергия, са наречени хемотрофи.

Можем да разделим прокариотите (и други организми) на четири различни категории въз основа на източниците им на енергия и въглерод:

Хранителен режим	Източник на енергия	Източник на въглерод
Фотоавтотроф	Светлина	Въглероден диоксид (или свързани съединения)
Фотохетеротроф	Светлина	Органична материя
Хемоавтотроф	Химични съединения	Въглероден диоксид (или свързани съединения)
Хемохетеротроф	Химични съединения	Органична материя

По принцип сме доста запознати с фотоавтотрофите, каквито са растенията, и хемохетеротрофите, каквито са хората и други животни. Прокариотните видове попадат в тези две категории, кактo и в двете по-малко познати категории (фотохетеротрофи и хемоавтотрофи), към които растенията и животните не принадлежат.

^{2, 3}

Аеробно и анаеробно дишане

Друга метаболитна област, в която прокариотите се различават от хората (и са много по-разнообразни от нас!), е нуждата им от кислород. Някои имат нужда от него, някои биват отровени от него, а някои могат да го използват или не в зависимост от наличността.

Прокариоти, които имат нужда от $O_{2}$ ‍ за метаболизма си, са наречени задължителни аероби. Хората също са задължителни аероби (както ще откриеш, ако опиташ да задържиш дъха си за твърде дълго).
Тези прокариоти извършват аеробно клетъчно дишане, процес, който използва електрон-транспортна верига, за да извлекат енергия от горивни молекули. Кислородът е необходим, понеже той е крайният електрон акцептор в края на електрон-транспортната верига.
Прокариоти, които не могат да толерират $O_{2}$ ‍, и извършват само анаеробен метаболизъм, са наречени задължителни анаероби. C. botulinum, бактерията, която причинява ботулизъм (вид хранително натравяне), когато се развие в консервираната храна, е задължителен анаероб – което е причината да се размножава добре във вътрешността на затворени буркани. $^{4}$ ‍
Тези прокариоти може да използват ферментация – процес, който преобразува пирувата или в млечна киселина, или в етанол. Алтернативно, те може да извършват анаеробно дишане – клетъчно дишане, което използва некислородна молекула (като нитрат или сулфат) като краен електрон акцептор в електрон-транспортната верига.
Факултативните анаероби използват аеробен метаболизъм, когато $O_{2}$ ‍ е наличен, но преминават към анаеробен метаболизъм, ако отсъства. Бактериите, които причиняват стафилококови и стрептококови инфекции, са примери за факултативни анаероби. $^{5}$ ‍

Серен и азотен метаболизъм

Някои бактерии и археи имат метаболитни пътища, които им позволяват да метаболизират азот и сяра по начини, по които еукариотите не могат. В някои случаи те използват азот- и сяра-съдържащи молекули, за да получат енергия, но в други случаи изразходват енергия, за да преобразуват тези молекули от един вид в друг.

Метаболизъм на сярата

Някои удивителни примери за сяра-метаболизиращи прокариоти се срещат в екосистемите в дълбоките води на моретата. Например определени прокариотни видове могат да окислят сероводорода (

H_{2} S

) от горещи хидротермални отдушници. Те използват енергията, освободена при този процес, за да фиксират неорганичния въглерод от водата в захари и други органични молекули в процес, наречен хемосинтеза.

^{6}

Сяро-метаболизиращите прокариоти образуват основата на хранителните вериги в техните местообитания в дълбоки води (където дори най-малкият лъч светлина не може да достигне, за да поддържа фотосинтеза). Метаболизаторите на сяра поддържат цели общества организми, включително червеи, раци и скариди, на хиляди метри под океанската повърхност.

^{7}

Метаболизъм на азота

Азот-метаболизиращите прокариоти включват фиксатори на азот, нитрификатори и денитрификатори. Те играят ключови роли в цикъла на азота, като преобразуват азотни съединения от един химичен вид в друг.

Азот-фиксиращите прокариоти преобразуват ("фиксират") атмосферен азот (

N_{2}

) в амоняк (

{NH}_{3}

), който растенията и други организми могат да включат в органични молекули. Някои растителни видове от семейство бобови, например грахът, образуват взаимоизгодни зависимости (мутуализми) с азот-фиксиращи бактерии. Растенията дават дом и храна на бактериите в структури, наречени коренови грудки, а бактериите предоставят фиксиран азот на корените.

Други прокариоти в почвата, наречени нитрифициращи бактерии, преобразуват амоняка в други видове съединения (нитрати и нитрити), които също могат да бъдат абсорбирани от растенията. Денитрифициращите прокариоти правят приблизително обратното, преобразувайки нитрати в

N_{2}

газ.

Биогеохимични цикли

Постоянното рециклиране на химични елементи е жизнено важно за функционирането на екосистемите. В биогеохимичните цикли на Земята химичните елементи биват преобразувани между различни форми в повтарящ се цикъл.

Чрез разнообразния си метаболизъм прокариотите играят важни роли в много глобални цикли. Тук ще разгледаме по-отблизо тяхната функция в два от тези цикъла: на азота и на въглерода.

Кръговрат на азота

Както видяхме в предишния раздел, азотфиксиращите прокариоти преобразуват ("фиксират") атмосферен азот (

N_{2}

) в амоняк (

{NH}_{3}

). Растенията и други организми могат после да използват амоняка, за да изградят аминокиселини и нуклеотиди.

Други прокариоти в почвата, нитрифициращите бактерии, преобразуват амоняк в други видове съединения (нитрати и нитрити), които също могат да бъдат асборбирани от растенията. Денитрифициращите прокариоти, които преобразуват нитратите в

N_{2}

, "преместват" азотни атоми от почвата обратно в атмосферата.

Изображението по-долу показва опростена версия на кръговрата на азота, подчертавайки ролята на прокариотите.

_Изображение, модифицирано от "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 3.0._

Кръговрат на въглерода

Прокариотите са важни участници и в кръговрата на въглерода. Фотосинтезиращите прокариоти като цианобактериите, използват светлинна енергия, за да усвояват

{CO}_{2}

от атмосферата и да го фиксират в органични молекули. Това е същият основен процес, протичаш във фотосинтезиращите растения.

Прокариотните редуценти, от друга страна, преместват въглерод в противоположната посока. Когато те разграждат мъртви органични материали (от живели преди това растения и животни), те връщат

{CO}_{2}

в атмосферата чрез процеса клетъчно дишане. Редуцирането освобождава също така и разнообразни други елементи и неорганични молекули за повторна употреба.

Изображението по-долу показва опростена версия на кръговрата на въглерода, подчертавайки ролята на прокариотите.

Източници

Тази статия е модифицирана от "Prokaryotic metabolism," by OpenStax College, Biology (CC BY 4.0). Изтегли оригиналната статия безплатно от http://cnx.org/contents/47cb544e-2d71-4962-8d42-87f00bad4045@10.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.
Photoheterotroph. (2016, January 17). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. In Campbell biology (10th ed., p. 575). San Francisco, CA: Pearson.
Clostridium botulinum. (2016, March 4). Retrieved March 21, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.
Facultative anaerobic organism. (2015, December 23). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.
National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, February 12). Chemosynthesis vs. photosynthesis. In _Ocean explorer. Retrieved from http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.
Hydrothermal vent. (2016, March 14). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Допълнителни препратки

Anaerobic respiration. (2016, February 29). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration.

Botulism. (2016, March 14). Retrieved March 21, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Botulism.

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.

Chemosynthesis. (2016, 2 February). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemosynthesis.

Clostridium botulinum. (2016, March 4). Retrieved March 21, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.

Denitrifying bacteria. (2016, March 2). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Denitrifying_bacteria .

Facultative anaerobic organism. (2015, December 23). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.

Hydrothermal vent. (2016, March 14). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Lindemann, W. C. and Glover, C. R. (1990). Nitrogen fixation by legumes. In College of agriculture and home economics. Retrieved from http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec10/lindemann.html.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, February 12). Chemosynthesis vs. photosynthesis. In _Ocean explorer. Retrieved from http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.

Nitrogen assimilation. (2016, February 8). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_assimilation.

Nitrogen-fixing bacteria. (2016, February 3). In Encyclopedia Britannica. Retrieved from http://www.britannica.com/science/nitrogen-fixing-bacteria.

Photoheterotroph. (2016, January 17). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Prokaryotes have exploited many metabolic possibilities. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 532). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. In Campbell biology (10th ed., pp. 575-576). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Prokaryotes play crucial roles in the biosphere. In Campbell biology (10th ed., pp. 581-582). San Francisco, CA: Pearson.

Simplified summary of microbial metabolism. (n.d.). In Lectures 1 & 2: The biosphere & carbon and energy metabolism. Retrieved from http://web.mit.edu/7.01x/7.014/documents/Carbon_and_energy_Lecture_Handout_000.pdf.

Sulfolobus. (2016, March 1). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfolobus.

Sulfur metabolism. (2016, February 20). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_metabolism.

Wilkins, D. and Gray-Wilson, N. (2016, March 23). Prokaryote nutrition and metabolism - Advanced. In CK-12 biology advanced concepts. Retrieved from http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/11.9/.

Провери знанията си!

Кое от следните твърдения за метаболитните стратегии на бактериите е вярно?

	Вярно	Грешно
Някои бактерии извършват процеса фотосинтеза и произвеждат кислород подобно на растенията.
Бактериите са винаги автотрофни, но може да получават енергия от светлинни или химични източници.
Някои хемосинтезиращи бактерии въвеждат енергия и фиксиран въглерод в съобщества, в които фотосинтезата не е възможна (като дълбоководни отдушници).
Някои бактерии живеят симбиотично в гостоприемниковия организъм и предоставят хранителни вещества на гостоприемника.

Някои бактерии синтезират собствени горивни молекули/фиксират собствения си въглерод (автотрофни), докато други взимат фиксиран кислород от околната среда (хетеротрофни).

Някои автотрофи използват светлинна енергия, за да синтезират собствени горивни молекули, докато други извличат енергия от химични източници.

Бактерии, които извличат енергия от химични източници и я използват, за да фиксират въглерод, се наричат хемосинтезиращи организми. Тези бактерии може да са жизненоважни за билогични съобщества, в които няма налична светлина, например като тези около дълбоководните отдушници. Те могат да образуват основата на хранителната верига (да действат като първични продуценти) в тези екосистеми.

Някои бактерии имат симбиотична (взаимно изгодна) връзка с други организми, като живеят в тези организми и им предоставят хранителни вещества.

Следните твърдения за метаболитните стратегии на бактериите са верни:

	Вярно	Грешно
Някои бактерии извършват процеса фотосинтеза и произвеждат кислород подобно на растенията.
Бактериите са винаги автотрофни, но може да получават енергия от светлинни или химични източници.
Някои хемосинтезиращи бактерии въвеждат енергия и фиксиран въглерод в съобщества, в които фотосинтезата не е възможна (като дълбоководни отдушници).
Някои бактерии живеят симбиотично в гостоприемниковия организъм и предоставят хранителни вещества на гостоприемника.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.