Chemotrofia
Chemotrofia (dosłownie „odżywianie chemiczne”, por. trofeum ) opisuje typ metaboliczny wszystkich żywych istot, które pozyskują energię do swojego metabolizmu z reakcji chemicznych substancji, które wchłaniają ze środowiska. Żywe istoty z takim metabolizmem energetycznym nazywane są chemotrofami . Alternatywą jest fototrofia , w której jako źródło energii wykorzystywane jest światło.
Pierwsze formy życia i pierwotny przodek, od którego wywodzą się dziś wszystkie żywe istoty, były prawdopodobnie chemotroficzne. Organizmy fototroficzne rozwinęły się dopiero później.
Trójfosforan adenozyny (ATP)
Wszystkie znane żywe organizmy potrzebują energii poprzez rozkład (hydrolizę) adenozynotrójfosforanu (ATP) do adenozynodifosforanu (ADP) lub adenozynomonofosforanu (AMP).
ATP może powstawać poprzez dostarczające energię reakcje redoks . Zaabsorbowane reduktory lub utworzone z nich katabolicznie donory elektronów reagują z zewnętrznymi akceptorami elektronów. Reakcje te są w większości katalizowane przez enzymy znajdujące się na biomembranach . Tam, zgodnie z zasadą chemiosmotyczną, ATP jest tworzony przez syntazę ATP (ryc. 1, po prawej).
ATP może również powstawać poprzez fermentacje , w których ATP powstaje wewnątrz komórki poprzez chemiczną konwersję substancji organicznych ( fosforylacja łańcucha substratu ( SKP ), rys. 1, dolny środek).
Wykorzystanie materii organicznej
Transport i fermentacja błonowa na przykładzie bakterii kwasu mlekowego
SKP = fosforylacja łańcucha substratu
Organizmy chemotroficzne, które wykorzystują substancje organiczne wchłaniane z zewnątrz, często muszą zużywać energię w postaci ATP, aby przetransportować substancje dostarczające energię do wnętrza komórki ( transport aktywny ). W metabolizmie bakterii kwasu mlekowego , przedstawionym w uproszczeniu na ryc. 1, cukier jest transportowany z zewnątrz do wnętrza komórki zużywając energię. Cukier jest estryfikowany fosforanem. W tej bakterii pochłonięty dostawca energii jest następnie rozkładany poprzez fosforylację łańcucha substratu ( SCP ). Pozwala to na regenerację ATP z ADP .
Produktem końcowym jest kwas mlekowy, który jest transportowany z komórki przez białko transportowe. Tworzy to elektrochemiczny gradient pH, który bakteria może wykorzystać. Przy użyciu enzymu syntazy ATP , dalsze ATP można uzyskać, gdy wypompowane na zewnątrz jony H + wpłyną z powrotem do wnętrza komórki.
Bakterie kwasu mlekowego są jednymi z nielicznych organizmów, które do wytworzenia energii potrzebują tylko jednej substancji. Z reguły wymagane są co najmniej dwie substancje, a mianowicie środek redukujący i środek utleniający.
Utlenianie substancji organicznych
Zwierzęta są chemotroficzne i mogą czerpać energię ze spożywanych substancji organicznych, takich jak cukry. Ale ponieważ utleniają one substancje organiczne za pomocą O 2 , ich zysk energetyczny jest znacznie wyższy niż w przypadku ich fermentacji. Utlenianie NADH powstałego w wyniku utleniania substancji organicznych zachodzi u zwierząt na błonie mitochondrialnej w łańcuchu oddechowym . Tutaj syntaza ATP dostarcza wymaganego ATP zgodnie z zasadą sprzężenia chemiosmotycznego .
Środek utleniający tlen nie muszą być transportowane przez błonę mitochondrialną, zużywając energii, ponieważ O 2 może swobodnie dyfundować przez biomembranowo jako naładowanej, małe cząsteczki. Niektóre anaerobowe organizmy chemotrophic użyciu środków utleniających pod beztlenowych warunkach, to znaczy przy braku O 2 , który musi być transportowany do wnętrza komórki za pomocą energii. Takie środki utleniające są słabszymi środkami utleniającymi niż O 2 , w wyniku czego mniej niż ATP utworzone w przypadku utleniania z O 2 .
Liczba utleniaczy wykorzystywanych przez organizmy chemotroficzne jest ograniczona. Natomiast liczba substancji organicznych, które są utleniane (tlenowo lub beztlenowo) przez te organizmy, jest ogromna. Obejmuje prawie całe spektrum wszystkich substancji wytwarzanych organicznie ( dogmat o nieomylności biologicznej ) i niemało ksenobiotyków .
Stosowanie substancji nieorganicznych
Nawet w organizmach, które wykorzystują substancje nieorganiczne z małymi cząsteczkami do generowania energii, dostarczające energię reakcje redoks zachodzą na biomembranie z utworzeniem elektrochemicznego gradientu protonów, który napędza syntazę ATP. Gradient protonów jest często generowany przez utlenianie nieorganicznych środków redukujących na zewnątrz membrany i redukcję środków utleniających po wewnętrznej stronie membrany (patrz rysunek). Wiele z tych organizmów wykorzystuje również inne środki utleniające o niższym potencjale redoks zamiast tlenu , tak że molowa wydajność ATP jest niższa.
Chemoautotrofia i chemoheterotrofia
Organizmy chemotroficzne, które wykorzystują tylko substancje nieorganiczne do generowania energii, mogą zwykle pokrywać swoje zapotrzebowanie na węgiel z CO 2 ( autotrofia ). Wtedy mówi się o chemoautotrofii . Takie organizmy można znaleźć tylko wśród bakterii i archeonów .
Z reguły organizmy chemoautotroficzne wykorzystują nieorganiczne donory elektronów do redukcji CO 2 . To zastosowanie jest znane jako litotrofia, aw tych organizmach jako chemolitoautotrofia.
Eukarionty , o ile nie przeprowadzają fotosyntezy , pokrywają swoje zapotrzebowanie na węgiel heterotroficznie ze związków organicznych. Są chemoheterotroficzne .
literatura
- Albert L. Lehninger: Zasady biochemii : Walter de Gruyter, Berlin, Nowy Jork 1987, ISBN 3-11-008988-2
- Rudolf K. Thauer, Kurt Jungermann, Karl Decker: Oszczędzanie energii w chemotroficznych bakteriach beztlenowych . W: Recenzje bakteriologiczne . Vol. 41, nr 1, 1977, s. 100-180.
Zobacz też
Indywidualne dowody
- ^ Wpis dotyczący chemotrofii. W: Rompp Online . Georg Thieme Verlag, dostęp 8 lipca 2015 r.
- ↑ Otto R i in.: Potencjał elektryczny wywołany wypływem mleczanu w pęcherzykach błonowych Streptococcus cremoris 1982 J. Bact. 149,2 s. 733-738.
- ↑ G. Gottschalk: Metabolizm bakteryjny. Wydanie II. Springer, Nowy Jork 1986, s. 223f.