Основные группы питания - Primary nutritional groups

Основные группы питания группы организмы, разделенных в зависимости от режима питания по источникам 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]

Условия аэробного дыхания, 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, например O2 при аэробном дыхании, или нитрат (НЕТ3−), сульфат (ТАК42−) или фумарат при анаэробном дыхании, или различные промежуточные продукты метаболизма при ферментации.

Первичные источники энергии

Упрощенная блок-схема для определения того, является ли организм автотроф, гетеротроф или подтип.

Фототрофы поглощать свет в фоторецепторы и преобразовать ее в химическую энергию.
Хемотрофы релиз энергия связи из химические соединения.[2]

Освободившаяся энергия сохраняется в виде потенциальная энергия в АТФ, углеводы, или же белки. В конце концов, энергия используется для таких жизненных процессов, как движение, рост и размножение.

Растения и некоторые бактерии могут чередовать фототрофию и хемотрофию в зависимости от наличия света.

Первичные источники восстанавливающих эквивалентов

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

В электроны или атомы водорода из уменьшающие эквиваленты (доноры электронов) необходимы как фототрофам, так и хемотрофам в восстановительно-окислительные реакции которые передают энергию в анаболических процессах Синтез АТФ (у гетеротрофов) или биосинтез (в автотрофах). 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 CO.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 аэробных или анаэробных дыхание и ферментация 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 знак не используется для определения их как литотрофов.

Первичные источники углерода

Гетеротрофы метаболизировать органические соединения для получения углерода для роста и развития.
Автотрофы использовать углекислый газ (CO2) в качестве источника углерода.

Энергия и углерод

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

А хемоорганогетеротрофный организм тот, который требует органических субстраты получить его углерод для роста и развития, и который получает свою энергию от разложения, часто 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 организмы которые используют химические связи в органические соединения или O2[2] в качестве источника энергии и получать электроны или водород из органических соединений, включая сахара (т.е. глюкоза ), жиры и белки.[3] Хемогетеротрофы также получают из этих органических соединений атомы углерода, которые им необходимы для функционирования клеток.

Все животные являются хемогетеротрофами (то есть они окисляют химические соединения как источник энергии и углерода), а также грибы, простейшие, и немного бактерии. Важное различие между этой группой состоит в том, что хемоорганотрофы окисляют только органические соединения, в то время как хемолитотрофы вместо этого используйте окисление неорганические соединения как источник энергии.[4]

Таблица первичного метаболизма

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

Энергия
источник		Электрон /
H-атом
донор		Источник углеродаИмяПримеры
Солнечный свет
Фото-		Органический
-органо-		Органический
-гетеротроф		ФотоорганогетеротрофНекоторые бактерии: Родобактер, Heliobacterium, немного зеленые несернистые бактерии[9]
Углекислый газ
-автотроф		Фотоорганоавтотроф
Неорганический
-лито- *		Органический
-гетеротроф		ФотолитогетеротрофФиолетовые бактерии, не содержащие серы
Углекислый газ
-автотроф		ФотолитоавтотрофНекоторые бактерии (цианобактерии ), некоторые эукариоты (эукариотические водоросли, наземные растения ). Фотосинтез.
Нарушение
Химическая
Соединения
Химио-		Органический
-органо-		Органический
-гетеротроф		ХимиотерапияорганогетеротрофХищный, паразитический, и сапрофитный прокариоты. Некоторые эукариоты (гетеротрофные протисты, грибы, животные )
Углекислый газ
-автотроф		ХимиотерапияорганоавтотрофНекоторые археи (анаэробные метанотрофные археи ).[10] Хемосинтез, синтетически автотрофный кишечная палочка бактерии[11] и Pichia pastoris дрожжи.[12]
Неорганический
-лито-*		Органический
-гетеротроф		ХимиотерапиялитогетеротрофНекоторые бактерии (Oceanithermus profundus)[13]
Углекислый газ
-автотроф		ХимиотерапиялитоавтотрофНекоторые бактерии (Нитробактер ), некоторые археи (Метанобактерии ). Хемосинтез.
  • Некоторые авторы используют -гидро- когда источником является вода.

Миксотрофы

Некоторые, обычно одноклеточные, организмы могут переключаться между разными метаболическими режимами, например, между фотоавтотрофией, фотогетеротрофией и хемогетеротрофией в Chroococcales[14]Такой миксотрофный организмы могут доминировать в своих среда обитания из-за их способности использовать больше ресурсов, чем фотоавтотрофные или органогетеротрофные организмы.[15]

Примеры

В природе могут существовать всевозможные комбинации, но одни встречаются чаще, чем другие. Например, большинство растений фотолитоавтотрофный, поскольку они используют свет как источник энергии, воду как донор электронов, а CO2 как источник углерода. Все животные и грибы хемоорганогетеротрофный, поскольку они используют химические источники энергии (органические вещества и O2)[2] и органические молекулы как доноры электронов / водорода и источники углерода. Однако некоторые эукариотические микроорганизмы не ограничиваются только 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 показать большое разнообразие категории питания.[16] Например, цианобактерии и много фиолетовые серные бактерии возможно фотолитоавтотрофный, используя свет для получения энергии, H2O или сульфид в качестве доноров электронов / водорода и CO2 как источник углерода, тогда как зеленые несернистые бактерии возможно фотоорганогетеротрофныйс использованием органических молекул как доноров электронов / водорода, так и источников углерода.[9][16] Многие бактерии хемоорганогетеротрофный, используя органические молекулы в качестве источников энергии, электронов / водорода и углерода.[9] Некоторые бактерии ограничены только одной пищевой группой, тогда как другие факультативный и переключаться с одного режима на другой в зависимости от доступных источников питательных веществ.[16] Сероокисляющий, утюг, и анаммокс бактерии, а также метаногены находятся хемолитоавтотрофы, используя неорганическую энергию, источники электронов и углерода. Хемолитогетеротрофы редки, 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.

Синтетическая биология усилия позволили трансформировать трофический режим двух модельные микроорганизмы от гетеротрофии к хемоорганоавтотрофии:

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Эйлер А. (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхнем слое океана: последствия и последствия». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (12): 7431–7. Дои:10.1128 / AEM.01559-06. ЧВК  1694265. PMID  17028233. Таблица 1: Определения метаболических стратегий для получения углерода и энергии
  2. ^ а б c d е Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород - это высокоэнергетическая молекула, питающая сложную многоклеточную жизнь: фундаментальные поправки к традиционной биоэнергетике» СКУД Омега 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
  3. ^ Тодар К (2009). "Интернет-учебник бактериологии Тодара". Питание и рост бактерий. Получено 2014-04-19.
  4. ^ Келли Д.П., Мейсон Дж, Вуд А (1987). «Энергетический метаболизм у хемолитотрофов». В van Verseveld HW, Duine JA (ред.). Рост микробов на соединениях C1. Дордрехт: Спрингер. С. 186–187. Дои:10.1007/978-94-009-3539-6_23. ISBN  978-94-010-8082-8.
  5. ^ Львофф А., Ван Нил CB, Райан Т.Ф., Татум Е.Л. (1946). «Номенклатура пищевых типов микроорганизмов» (PDF). Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии (5-е изд.). 11: 302–303.
  6. ^ Эндрюс Дж. Х. (1991). Сравнительная экология микроорганизмов и макроорганизмов. Берлин: Springer Verlag. п. 68. ISBN  978-0-387-97439-2.
  7. ^ Яфремава Л.С., Вилгос М., Томас С., Насир А., Ван М., Миттенталь Дж. Э., Каэтано-Аноллес Г. (2013). «Общая структура стратегий сохранения биологических систем помогает объяснить области жизни». Границы генетики. 4: 16. Дои:10.3389 / fgene.2013.00016. ЧВК  3580334. PMID  23443991.
  8. ^ Маргулис Л., Маккханн Х.И., Олендзенский Л., ред. (1993). Иллюстрированный глоссарий Protoctista: словарь водорослей, Apicomplexa, инфузорий, фораминифер, микроспор, водяных плесени, слизистых плесени и других протоктистов. Джонс и Бартлетт Обучение. стр. xxv. ISBN  978-0-86720-081-2.
  9. ^ а б c Моррис, Дж. И др. (2019). «Биология: как работает жизнь», 3-е издание, У. Х. Фриман. ISBN  978-1319017637
  10. ^ Келлерманн М.Ю., Вегенер Г., Элверт М., Йошинага М.Ю., Лин Ю.С., Холлер Т. и др. (Ноябрь 2012 г.). «Автотрофия как преобладающий способ фиксации углерода в анаэробных микробных сообществах, окисляющих метан». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (47): 19321–6. Bibcode:2012PNAS..10919321K. Дои:10.1073 / pnas.1208795109. ЧВК  3511159. PMID  23129626.
  11. ^ а б Глейзер С., Бен-Ниссан Р., Бар-Он Ю.М., Антоновский Н., Нур Э., Зохар Ю. и др. (Ноябрь 2019 г.). "2". Клетка. 179 (6): 1255–1263.e12. Дои:10.1016 / j.cell.2019.11.009. ЧВК  6904909. PMID  31778652.
  12. ^ а б Гасслер Т., Зауэр М., Гассер Б., Эгермайер М., Тройер С., Каусон Т. и др. (Декабрь 2019 г.). "2". Природа Биотехнологии. 38 (2): 210–216. Дои:10.1038 / s41587-019-0363-0. ЧВК  7008030. PMID  31844294.
  13. ^ Мирошниченко М.Л., Л'Харидон С., Жантон С., Антипов А.Н., Кострикина Н.А., Тиндалл Б.Дж. и др. (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. Дои:10.1099 / ijs.0.02367-0. PMID  12807196.
  14. ^ Риппка Р. (март 1972 г.). «Фотогетеротрофия и хемогетеротрофия одноклеточных сине-зеленых водорослей». Архив микробиологии. 87 (1): 93–98. Дои:10.1007 / BF00424781. S2CID  155161.
  15. ^ Эйлер А. (декабрь 2006 г.). «Доказательства повсеместности миксотрофных бактерий в верхнем слое океана: последствия и последствия». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (12): 7431–7. Дои:10.1128 / AEM.01559-06. ЧВК  1694265. PMID  17028233.
  16. ^ а б c Тан, К.-Х., Тан, Ю. Дж., Бланкеншип, Р. Э. (2011). «Пути метаболизма углерода у фототрофных бактерий и их более широкие эволюционные последствия» Границы микробиологии 2: Изобразительное искусство. 165. http://dx.doi.org/10.3389/micb.2011.00165