Primární skupiny výživy - Primary nutritional groups

Primární skupiny výživy jsou skupiny organismy, rozdělené ve vztahu k výživovému režimu podle zdrojů energie a uhlíku potřebných pro život, růst a reprodukci. Zdrojem energie může být světlo nebo chemické sloučeniny; zdroje uhlíku mohou být organického nebo anorganického původu.[1]

Podmínky aerobní dýchání, anaerobní dýchání a kvašení (fosforylace na úrovni substrátu ) neodkazují na primární skupiny výživy, ale jednoduše odrážejí odlišné použití možných akceptorů elektronů v konkrétních organismech, jako je O2 v aerobním dýchání nebo dusičnan (NE3−), síran (TAK42−) nebo fumarát v anaerobním dýchání nebo různé metabolické meziprodukty ve fermentaci.

Primární zdroje energie

Zjednodušený vývojový diagram pro určení, zda je organismus autotrofní, heterotrofní nebo podtyp.

Fototrofy absorbovat světlo dovnitř fotoreceptory a přeměnit ji na chemickou energii.
Chemotrofy uvolnění energie vazby z chemické sloučeniny.[2]

Uvolněná energie je uložena jako potenciální energie v ATP, sacharidy nebo bílkoviny. Energie se nakonec použije pro životní procesy, jako je pohyb, růst a reprodukce.

Rostliny a některé bakterie se mohou střídat mezi fototrofií a chemotrofií, v závislosti na dostupnosti světla.

Primární zdroje snižování ekvivalentů

Organotrofy používat organické sloučeniny jako dárci elektronů / vodíku.
Litotrofy používat anorganické sloučeniny jako donory elektronů / vodíku.

The elektrony nebo atomy vodíku z snižování ekvivalentů (dárci elektronů) jsou potřební jak fototrofy, tak chemotrofy v redukčně-oxidační reakce které přenášejí energii v anabolických procesech ATP syntéza (v heterotrofech) nebo biosyntéza (v autotrofech). Dárci elektronů nebo vodíku jsou přijímáni z prostředí.

Organotrofní organismy jsou často také heterotrofní a používají organické sloučeniny jako zdroje elektronů i uhlíku. Podobně jsou lithotrofní organismy také často autotrofní a využívají anorganické zdroje elektronů a CO2 jako jejich anorganický zdroj uhlíku.

Některé lithotrofní bakterie mohou využívat různé zdroje elektronů, v závislosti na dostupnosti možných dárců.

Organické nebo anorganické látky (např. Kyslík) používané jako akceptory elektronů potřebné v katabolických procesech aerobních nebo anaerobních dýchání a kvašení zde nejsou brány v úvahu.

Například rostliny jsou lithotrofy, protože používají vodu jako svého donora elektronů pro biosyntézu. Zvířata jsou organotrofní, protože používají organické sloučeniny jako donory elektronů k syntéze ATP (rostliny to také dělají, ale toto se nebere v úvahu). Oba používají kyslík v dýchání jako akceptor elektronů a hlavní zdroj energie,[2] ale tento znak se nepoužívá k jejich definování jako litotrofů.

Primární zdroje uhlíku

Heterotrofy metabolizovat organické sloučeniny k získání uhlíku pro růst a vývoj.
Autotrofy použití oxid uhličitý (CO.)2) jako jejich zdroj uhlíku.

Energie a uhlík

Žlutá houba
Klasifikace organismů na základě jejich metabolismu
Zdroj energieSvětlofotografie- -trof
Molekulychemoterapie-
Dárce elektronůOrganické sloučeniny organo- 
Anorganické sloučeninylitho-
Zdroj uhlíkuOrganické sloučeniny hetero-
Oxid uhličitýauto-

A chemoorganoheterotrofní organismus je ten, který vyžaduje organické substráty získat jeho uhlík pro růst a rozvoj, a která získává svoji energii rozkladem, často an oxidace,[2] organické sloučeniny. Tuto skupinu organismů lze dále rozdělit podle toho, jaký druh organického substrátu a sloučeniny používají. Rozkladače jsou příklady chemoorganoheterotrofů, které získávají uhlík a elektrony nebo vodík z mrtvé organické hmoty. Býložravci a masožravci jsou příklady organismů, které získávají uhlík a elektrony nebo vodík ze živé organické hmoty.

Chemoorganotrofy jsou organismy které používají chemické vazby v organické sloučeniny nebo O.2[2] jako jejich zdroj energie a získávají elektrony nebo vodík z organických sloučenin, včetně cukrů (tj. glukóza ), tuky a bílkoviny.[3] Chemoheterotrofy také získávají atomy uhlíku, které potřebují pro buněčnou funkci, z těchto organických sloučenin.

Všechno zvířata jsou chemoheterotrofy (což znamená, že oxidují chemické sloučeniny jako zdroj energie a uhlíku) houby, prvoky, a nějaký bakterie. Důležité rozlišení mezi touto skupinou je, že chemoorganotrofy oxidují pouze organické sloučeniny, zatímco chemolithotrophs místo toho použijte oxidaci anorganické sloučeniny jako zdroj energie.[4]

Tabulka primárního metabolismu

Následující tabulka uvádí některé příklady pro každou skupinu výživy:[5][6][7][8]

Energie
zdroj		Elektron/
Atom H
dárce		Zdroj uhlíkunázevPříklady
Sluneční světlo
Fotografie-		Organické
-organo-		Organické
-heterotrofní		FotografieorganoheterotrofníNěkteré bakterie: Rhodobacter, Heliobacterium, někteří zelené nesírové bakterie[9]
Oxid uhličitý
-autotrof		Fotografieorganoautotrofní
Anorganické
-litho- *		Organické
-heterotrofní		FotografielithoheterotrofníFialové nesírové bakterie
Oxid uhličitý
-autotrof		FotografielithoautotrofníNěkteré bakterie (sinice ), některé eukaryoty (eukaryotické řasy, suchozemské rostliny ). Fotosyntéza.
Lámání
Chemikálie
Sloučeniny
Chemoterapie-		Organické
-organo-		Organické
-heterotrofní		ChemoterapieorganoheterotrofníDravý, parazitický, a saprofytický prokaryoty. Některá eukaryota (heterotrofní protistů, houby, zvířata )
Oxid uhličitý
-autotrof		ChemoterapieorganoautotrofníNěkteré archaea (anaerobní methanotrofní archaea ).[10] Chemosyntéza, synteticky autotrofní Escherichia coli bakterie[11] a Pichia pastoris droždí.[12]
Anorganické
-litho-*		Organické
-heterotrofní		ChemoterapielithoheterotrofníNěkteré bakterie (Oceanithermus profundus)[13]
Oxid uhličitý
-autotrof		ChemoterapielithoautotrofníNěkteré bakterie (Nitrobacter ), některé archaea (Methanobakterie ). Chemosyntéza.
  • Někteří autoři používají -hydro- když je zdrojem voda.

Mixotrofy

Některé, obvykle jednobuněčné, organismy mohou přepínat mezi různými metabolickými režimy, například mezi fotoautotrofií, fotoheterotrofií a chemoheterotrofií v Chroococcales[14]Takový mixotrofní organismy mohou dominovat jejich místo výskytu, kvůli jejich schopnosti využívat více zdrojů než fotoautotrofní nebo organoheterotrofní organismy.[15]

Příklady

V přírodě mohou existovat nejrůznější kombinace, ale některé jsou častější než jiné. Například většina rostlin je fotolithoautotrofní, protože používají světlo jako zdroj energie, vodu jako donor elektronů a CO2 jako zdroj uhlíku. Všechna zvířata a houby jsou chemoorganoheterotrofní, protože využívají zdroje chemické energie (organické látky a O2)[2] a organické molekuly jako donory elektronů / vodíku a zdroje uhlíku. Některé eukaryotické mikroorganismy však nejsou omezeny pouze na jeden způsob výživy. Například některé řasy žijí fotoautotrofně ve světle, ale ve tmě přecházejí na chemoorganoheterotrofii. Dokonce i vyšší rostliny si udržely schopnost heterotrofně dýchat na škrobu v noci, který byl během dne fototrofně syntetizován.

Prokaryotes ukázat velkou rozmanitost kategorie výživy.[16] Například, sinice a mnoho fialové bakterie síry může být fotolithoautotrofní, pomocí světla pro energii, H2O nebo sulfid jako donory elektronů / vodíku a CO2 jako zdroj uhlíku, zatímco zelené nesírové bakterie může být fotoorganoheterotrofní, s použitím organických molekul jako donorů elektronů / vodíku a zdrojů uhlíku.[9][16] Mnoho bakterií je chemoorganoheterotrofní, využívající organické molekuly jako zdroje energie, elektronů / vodíku a uhlíku.[9] Některé bakterie jsou omezeny pouze na jednu skupinu výživy, zatímco jiné ano fakultativní a přepínat z jednoho režimu do druhého v závislosti na dostupných zdrojích živin.[16] Oxidující síru, žehlička, a anammox bakterie stejně jako methanogeny jsou chemolithoautotrophs, využívající zdroje anorganické energie, elektronů a uhlíku. Chemolithoheterotrofy jsou vzácné, protože heterotrofie implikuje dostupnost organických substrátů, které mohou také sloužit jako snadné zdroje elektronů, což činí litotrofii zbytečnou. Fotoorganoautotrofy jsou neobvyklé, protože jejich organický zdroj elektronů / vodíků by poskytoval snadný zdroj uhlíku, což by vedlo k heterotrofii.

Syntetická biologie úsilí umožnilo transformaci trofického módu dvou modelové mikroorganismy od heterotrofie k chemoorganoautotrofii:

Viz také

Poznámky a odkazy

  1. ^ Eiler A (prosinec 2006). „Důkazy o všudypřítomnosti mixotrofních bakterií v horním oceánu: důsledky a důsledky“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 72 (12): 7431–7. doi:10.1128 / AEM.01559-06. PMC  1694265. PMID  17028233. Tabulka 1: Definice metabolických strategií k získání uhlíku a energie
  2. ^ A b C d E Schmidt-Rohr, K. (2020). „Kyslík je vysokoenergetická molekula pohánějící složitý mnohobuněčný život: základní opravy tradiční bioenergetiky“ ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  3. ^ Todar K (2009). „Todarova online učebnice bakteriologie“. Výživa a růst bakterií. Citováno 2014-04-19.
  4. ^ Kelly DP, Mason J, Wood A (1987). "Energetický metabolismus v chemolithotrofech". In van Verseveld HW, Duine JA (eds.). Mikrobiální růst na sloučeninách C1. Dordrecht: Springer. 186–187. doi:10.1007/978-94-009-3539-6_23. ISBN  978-94-010-8082-8.
  5. ^ Lwoff A, Van Niel CB, Ryan TF, Tatum EL (1946). „Názvosloví typů výživných mikroorganismů“ (PDF). Cold Spring Harbor Symposia o kvantitativní biologii (5. vydání). 11: 302–303.
  6. ^ Andrews JH (1991). Srovnávací ekologie mikroorganismů a makroorganismů. Berlín: Springer Verlag. p. 68. ISBN  978-0-387-97439-2.
  7. ^ Yafremava LS, Wielgos M, Thomas S, Nasir A, Wang M, Mittenthal JE, Caetano-Anollés G (2013). „Obecný rámec strategií perzistence pro biologické systémy pomáhá vysvětlit oblasti života“. Frontiers in Genetics. 4: 16. doi:10,3389 / fgene.2013.00016. PMC  3580334. PMID  23443991.
  8. ^ Margulis L, McKhann HI, Olendzenski L, eds. (1993). Ilustrovaný slovník Protoctista: Slovník řas, Apicomplexa, Ciliates, Foraminifera, Microspora, vodní formy, slizové formy a další protoctists. Jones & Bartlett Learning. str. xxv. ISBN  978-0-86720-081-2.
  9. ^ A b C Morris, J. a kol. (2019). „Biology: How Life Works“, 3. vydání, W. H. Freeman. ISBN  978-1319017637
  10. ^ Kellermann MY, Wegener G, Elvert M, Yoshinaga MY, Lin YS, Holler T a kol. (Listopad 2012). „Autotrofie jako převládající způsob fixace uhlíku v anaerobních mikrobiálních komunitách oxidujících metan“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 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, Antonovsky N, Noor E, Zohar Y a kol. (Listopad 2019). "2". Buňka. 179 (6): 1255–1263.e12. doi:10.1016 / j.cell.2019.11.009. PMC  6904909. PMID  31778652.
  12. ^ A b Gassler T, Sauer M, Gasser B, Egermeier M, Troyer C, Causon T a kol. (Prosinec 2019). "2". Přírodní biotechnologie. 38 (2): 210–216. doi:10.1038 / s41587-019-0363-0. PMC  7008030. PMID  31844294.
  13. ^ Miroshnichenko ML, L'Haridon S, Jeanthon C, Antipov AN, Kostrikina NA, Tindall BJ a kol. (Květen 2003). „Oceanithermus profundus gen. Nov., Sp. Nov., Termofilní, mikroaerofilní, fakultativně chemolithoheterotrofní bakterie z hlubinného hydrotermálního otvoru“. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 53 (Pt 3): 747–52. doi:10.1099 / ijs.0.02367-0. PMID  12807196.
  14. ^ Rippka R (březen 1972). "Fotoheterotrofie a chemoheterotrofie mezi jednobuněčnými modrozelenými řasami". Archiv mikrobiologie. 87 (1): 93–98. doi:10.1007 / BF00424781. S2CID  155161.
  15. ^ Eiler A (prosinec 2006). „Důkazy o všudypřítomnosti mixotrofních bakterií v horním oceánu: důsledky a důsledky“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 72 (12): 7431–7. doi:10.1128 / AEM.01559-06. PMC  1694265. PMID  17028233.
  16. ^ A b C Tang, K.-H., Tang, Y. J., Blankenship, R. E. (2011). „Uhlíkové metabolické dráhy ve fototrofních bakteriích a jejich širší evoluční důsledky“ Hranice v mikrobiologii 2: Umění. 165. http://dx.doi.org/10.3389/micb.2011.00165