22.3: Прокаріотичний метаболізм

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1954

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Визначте макроелементи, необхідні прокаріотів, і поясніть їх важливість
Опишіть способи, за допомогою яких прокаріоти отримують енергію і вуглець для життєвих процесів
Охарактеризуйте ролі прокаріотів у вуглецевому та азотному циклах

Прокаріоти - метаболічно різноманітні організми. На Землі існує багато різних середовищ з різними джерелами енергії та вуглецю та змінними умовами. Прокаріоти змогли жити в кожному середовищі, використовуючи будь-які джерела енергії та вуглецю. Прокаріоти заповнюють багато ніш на Землі, включаючи участь у циклах поживних речовин, таких як цикли азоту та вуглецю, розкладають мертві організми та процвітають всередині живих організмів, включаючи людей. Дуже широкий спектр середовищ, які займають прокаріоти, можливий, оскільки вони мають різноманітні обмінні процеси.

потреби прокаріотів

Різноманітні середовища та екосистеми на Землі мають широкий спектр умов з точки зору температури, доступних поживних речовин, кислотності, солоності та джерел енергії. Прокаріоти дуже добре обладнані, щоб зробити своє життя з величезного масиву поживних речовин і умов. Щоб жити, прокаріоти потребують джерела енергії, джерела вуглецю і деяких додаткових поживних речовин.

Макроелементи

Клітини по суті є добре організованою асамблеєю макромолекул і води. Нагадаємо, що макромолекули виробляються шляхом полімеризації менших одиниць, званих мономерами. Для того, щоб клітини могли побудувати всі молекули, необхідні для підтримки життя, їм потрібні певні речовини, які в сукупності називаються поживними речовинами. Коли прокаріоти ростуть в природі, вони отримують свої поживні речовини з навколишнього середовища. Поживні речовини, які потрібні у великих кількостях, називаються макроелементами, тоді як ті, які потрібні в меншій або слідовій кількості, називаються мікроелементами. Просто жменька елементів вважаються макроелементами - вуглець, водень, кисень, азот, фосфор і сірка. (Мнемоніка для запам'ятовування цих елементів - абревіатура CHONPS.)

Навіщо потрібні ці макроелементи у великих кількостях? Вони є компонентами органічних сполук в клітині, в тому числі і води. Вуглець є основним елементом у всіх макромолекулах: вуглеводах, білках, нуклеїнових кислотах, ліпідах і багатьох інших сполуках. На частку вуглецю припадає близько 50 відсотків складу клітини. Азот становить 12 відсотків від загальної сухої маси типової клітини і є компонентом білків, нуклеїнових кислот та інших складових клітин. Більшість азоту, наявного в природі, є або атмосферним азотом (N ₂), або іншою неорганічною формою. Двоатомний (N ₂) азот, однак, може бути перетворений в органічну форму лише певними організмами, званими азотфіксуючими організмами. І водень, і кисень входять до складу багатьох органічних сполук і води. Фосфор необхідний всім організмам для синтезу нуклеотидів і фосфоліпідів. Сірка входить до складу деяких амінокислот, таких як цистеїн і метіонін, а також присутня в декількох вітамінами і коферментами. Іншими важливими макроелементами є калій (K), магній (Mg), кальцій (Ca) та натрій (Na). Хоча ці елементи потрібні в менших кількостях, вони дуже важливі для будови і функції прокаріотичної клітини.

Мікроелементи

Крім цих макроелементів, прокаріоти вимагають різних металевих елементів в невеликих кількостях. До них відносять мікроелементи або мікроелементи. Наприклад, залізо необхідно для функції цитохромів, що беруть участь в електронно-транспортних реакціях. Деякі прокаріоти потребують інших елементів - таких як бор (B), хром (Cr) та марганець (Mn) - насамперед як ферментні кофактори.

Шляхи, за допомогою яких прокаріоти отримують енергію

Прокаріоти можуть використовувати різні джерела енергії для збирання макромолекул з менших молекул. Фототрофи (або фототрофні організми) отримують свою енергію від сонячного світла. Хемотрофи (або хемосинтезирующие організми) отримують свою енергію з хімічних сполук. Хемотрофи, які можуть використовувати органічні сполуки як джерела енергії, називаються хемоорганотрофами. Ті, які також можуть використовувати неорганічні сполуки як джерела енергії, називаються хемолітотрофами.

Шляхи, якими прокаріоти отримують вуглець

Прокаріоти можуть використовувати не тільки різні джерела енергії, але і різні джерела вуглецевих сполук. Нагадаємо, що організми, які здатні фіксувати неорганічний вуглець, називаються автотрофами. Автотрофні прокаріоти синтезують органічні молекули з вуглекислого газу. На відміну від них гетеротрофні прокаріоти отримують вуглець з органічних сполук. Щоб зробити картину більш складною, можна поєднувати терміни, які описують, як прокаріоти отримують енергію і вуглець. Таким чином, фотоавтотрофи використовують енергію від сонячного світла, а вуглець - з вуглекислого газу і води, тоді як хемогетеротрофи отримують енергію і вуглець з органічного хімічного джерела. Хемолітоавтотрофи отримують свою енергію з неорганічних сполук, і вони будують свої складні молекули з вуглекислого газу. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює джерела вуглецю і енергії в прокаріотів.

**Таблиця\(\PageIndex{1}\):** Вуглець і джерела енергії в прокаріотів
Джерела енергії			Джерела вуглецю
Світло	Хімічні речовини		Вуглекислий газ	Органічні сполуки
Фототрофи	Хемотрофи		Автотрофи	гетеротрофи
	Органічні хімічні речовини	Неорганічні хімічні речовини
	Хімоорганотрофи	Хемолітотрофи

Роль прокаріотів в екосистемах

Прокаріоти повсюдно поширені: немає ніш або екосистеми, в якій їх немає. Прокаріоти грають багато ролей в оточенні, яке вони займають. Роль, яку вони відіграють у циклах вуглецю та азоту, є життєво важливою для життя на Землі.

Прокаріоти і вуглецевий цикл

Вуглець є одним з найважливіших макроелементів, а прокаріоти відіграють важливу роль у вуглецевому циклі (рис.\(\PageIndex{1}\)). Вуглець циклічно проходить через основні водосховища Землі: сушу, атмосферу, водне середовище, відкладення та гірські породи та біомасу. Рух вуглецю відбувається за допомогою вуглекислого газу, який видаляється з атмосфери наземними рослинами та морськими прокаріотами, і повертається в атмосферу через дихання хемоорганотрофних організмів, включаючи прокаріотів, грибів та тварин. Хоча найбільший резервуар вуглецю в наземних екосистемах знаходиться в гірських породах та відкладеннях, цей вуглець недоступний.

Велика кількість доступного вуглецю міститься в наземних рослинях. Рослини, які є виробниками, використовують вуглекислий газ з повітря для синтезу вуглецевих сполук. Пов'язане з цим, одним дуже значним джерелом вуглецевих сполук є гумус, який представляє собою суміш органічних матеріалів з мертвих рослин і прокаріотів, які чинили опір розкладанню. Споживачі, такі як тварини, використовують органічні сполуки, що генеруються виробниками, і виділяють вуглекислий газ в атмосферу. Потім бактерії і гриби, в сукупності звані розкладачами, здійснюють розпад (розкладання) рослин і тварин і їх органічних сполук. Найважливішим фактором вуглекислого газу в атмосферу є мікробне розкладання мертвого матеріалу (мертвих тварин, рослин і гумусу), які піддаються диханню.

У водних середовищах та їх аноксичних відкладеннях відбувається ще один вуглецевий цикл. В даному випадку цикл заснований на одновуглецевих сполуках. У аноксичних відкладах прокаріоти, переважно архей, виробляють метан (СН ₄). Цей метан рухається в зону над осадом, яка багатша киснем і підтримує бактерії, звані окислювачами метану, які окислюють метан до вуглекислого газу, який потім повертається в атмосферу.

Ця ілюстрація показує роль бактерій у вуглецевому циклі. Бактерії розщеплюють органічний вуглець, який виділяється у вигляді вуглекислого газу в атмосферу. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Прокаріоти відіграють значну роль у безперервному переміщенні вуглецю через біосферу. (кредит: модифікація роботи Джона М. Еванса та Говарда Перлмана, USGS)

Прокаріоти і цикл азоту

Азот є дуже важливим елементом для життя, оскільки він входить до складу білків і нуклеїнових кислот. Це макроелемент, і в природі він переробляється з органічних сполук на аміак, іони амонію, нітрат, нітрит і азотний газ безліччю процесів, багато з яких здійснюються тільки прокаріотами. Як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\), прокаріоти є ключовими для циклу азоту. Найбільшим басейном азоту, доступним в наземній екосистемі, є газоподібний азот з повітря, але цей азот непридатний для використання рослинами, які є первинними виробниками. Газоподібний азот перетворюється або «закріплюється» в більш легкодоступні форми, такі як аміак за допомогою процесу фіксації азоту. Аміак може бути використаний рослинами або перетворений в інші форми.

Ще одним джерелом аміаку є амоніфікація, процес, за допомогою якого аміак виділяється при розкладанні азотовмісних органічних сполук. Однак аміак, що виділяється в атмосферу, становить лише 15 відсотків загального виділеного азоту; решта - як N ₂ та N ₂ O. Аміак катаболізується деякими прокаріотами анаеробно, отримуючи N ₂ як кінцевий продукт. Нітрифікація - це перетворення амонію в нітрит і нітрат. Нітрифікація в грунтах здійснюється бактеріями, що належать до пологів Nitrosomas, Nitrobacter і Nitrospira. Бактерії виконують зворотний процес, зменшення нітрату з ґрунтів до газоподібних сполук, таких як N ₂ O, NO та N ₂, процес, званий денітрифікацією.

Мистецтво З'єднання

На цій ілюстрації показано роль бактерій у циклі азоту. Азотофіксуючі бактерії в кореневих бульбах бобових перетворюють азотний газ, або N2, в органічний азот, що міститься в рослині. Азотофіксуючі ґрунтові бактерії виробляють іон амонію, або NH4 +. Розкладачі, включаючи бактерії та гриби, розкладають органічні речовини, також виділяючи NH4 +. Нітрифікація - це процес, за допомогою якого нітрифікуючі бактерії виробляють нітрити (NO2-) та нітрати (NO3-). Нітрати засвоюються то рослинами, то тваринами, то розкладачами. Денітрифікуючі бактерії перетворюють нітрати в газ азоту, завершуючи цикл. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Прокаріоти відіграють ключову роль у циклі азоту. (кредит: Агентство з охорони навколишнього середовища)

Яке з наведених нижче тверджень про цикл азоту є помилковим?

Азотофіксуючі бактерії існують на кореневих бульбочках бобових культур і в грунті.
Денітрифікуючі бактерії перетворюють нітрати (\(\ce{NO_3^-}\)) в газ азоту (\(\ce{N_2}\)).
Амоніфікація - це процес, за допомогою якого іон амонію (\(\ce{NH_4^+}\)) звільняється з розкладаються органічних сполук.
Нітрифікація - це процес, за допомогою якого нітрити (\(\ce{NO_2^-}\)) перетворюються в іон амонію (\(\ce{NH_4^+}\)).

Резюме

Прокаріоти є найбільш метаболічно різноманітними організмами; вони процвітають у багатьох різних середовищах з різною енергією вуглецю та джерелами вуглецю, змінною температурою, рН, тиском та доступністю води. Поживні речовини, необхідні у великій кількості, називаються макроелементами, тоді як ті, які потрібні в мікроелементах, називаються мікроелементами або мікроелементами. Макроелементи включають C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca і Na. Крім цих макроелементів, прокаріоти вимагають різних металевих елементів для росту і функції ферментів. Прокаріоти використовують різні джерела енергії для збирання макромолекул з менших молекул. Фототрофи отримують свою енергію від сонячного світла, тоді як хемотрофи отримують енергію з хімічних сполук.

Прокаріоти відіграють роль у циклах вуглецю та азоту. Вуглець повертається в атмосферу диханням тварин та інших хемоорганотрофних організмів. Споживачі використовують органічні сполуки, що утворюються виробниками, і виділяють вуглекислий газ в атмосферу. Найважливішим фактором вуглекислого газу в атмосферу є мікробне розкладання мертвого матеріалу. Азот переробляється в природі з органічних сполук до аміаку, іонів амонію, нітритів, нітратів та азоту. Газоподібний азот перетворюється в аміак за допомогою азотфіксації. Аміак анаеробно катаболізується деякими прокаріотами, отримуючи N ₂ як кінцевий продукт. Нітрифікація - це перетворення амонію в нітрит. Нітрифікація в грунтах здійснюється бактеріями. Денітрифікація також проводиться бактеріями і перетворює нітрати з ґрунтів в газоподібні сполуки азоту, такі як N ₂ O, NO та N ₂.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Яке з наступних тверджень про цикл азоту є помилковим?

Азотофіксуючі бактерії існують на кореневих бульбочках бобових культур і в грунті.
Денітрифікуючі бактерії перетворюють нітрати (NO ₃ ^-) в газ азоту (N ₂).
Амоніфікація - це процес, за допомогою якого іон амонію (NH ₄ ⁺) звільняється з розкладаються органічних сполук.
Нітрифікація - це процес, за допомогою якого нітрити (NO ₂ ^-) перетворюються в іон амонію (NH ₄ ⁺).

Відповідь: D

Глосарій

амоніфікація: процес, за допомогою якого виділяється аміак при розкладанні азотовмісних органічних сполук

хемотроф: організм, який отримує енергію з хімічних сполук

декомпозитор: організм, який здійснює розкладання мертвих організмів

денітрифікація: перетворення нітрату з ґрунту в газоподібні сполуки азоту, такі як N ₂ O, NO і N ₂

нітрифікація: перетворення амонію в нітрит і нітрат в ґрунтах

фіксація азоту: процес, за допомогою якого газоподібний азот перетворюється або «закріплюється» у більш легкодоступні форми, такі як аміак