Хемоавтотрофы

Все процессы питания управляются ферментативными реакциями. По типу питания организмы разделяются на автотрофные, вырабатывающие органические вещества из простых неорганических соединений при воздействии солнечной или химической энергии (растения и некоторые бактерии) и гетеротрофные, использующие для питания готовую органику (в основном животные, а также ряд микроорганизмов и грибов).

Особенности автотрофного питания.

К основным

процессам автотрофного питания относятся фотосинтез и хемосинтез.

а)

Фотоавтотрофы.

Это организмы, содержащие пигменты,

избирательно поглощающие видимый свет. Пигментами называются высокомолекулярные природно-окрашенные соединения (хлорофиллы и каротиноиды), свойства которых более подробно описаны.

В клетках растений они вместе с ферментами, катализирующими фотосинтез, находятся в мембранах хлоропластов – органеллах цитоплазмы. Общее

уравнение фотосинтеза можно записать в виде:

cвет

6CO2 + 6H2O + F = C6H12O6 + 6O2 + F,

(2)

где F – фермент карбоксил

аза.

Данное уравнение отражает следующие особенности фотосинтеза: вода за счет солнечной энергии распадается внутри клетки на кислород и водород. К водороду присоединяется СО2 в процессе ферментативной реакции карбоксилирования, результатом которой является образование углеводов (глюкозы – C6H12O6), а кислород выделяется в окружающую среду. Эта реакция необычайно важна для поддержания жизни на Земле, так как она является основным источником кислорода.

Скорость фотосинтеза у растений уменьшают различные ингибиторы промышленного и антропогенного происхождения. Для их контроля в БСС используют фотосинтезирующие пигменты растений. Другим примером фотосинтезирующей реакции, перерабатывающей вредный для млекопитающих сероводород, является реакция его разложения фотосинтезирующими серобактериями (зелеными или пурпурными по окраске). Солнечное излучение поглощается пигментом бактериохлорофиллом, и обусловливает протекание следующей реакции:

свет

СO2 + H2S + F ––> Углеводы + 2S + H2O + F,

(3)

где F– фермент дегидроген

аза, катализирующий отщепление водорода от H2S, в результате чего сероводород распадается на водород и серу. Часть водорода расходуется на синтез углеводов, часть – на синтез воды. Вместо кислорода, выделяющегося при фотосинтезе у растений, при реакции поглощения СО2 образуются вода и сера.

Свойство ферментов таких бактерий отщеплять водород от химических соединений ученые сегодня пытаются использовать для биофотолиза воды, т. е. разложения ее на водород и кислород в целях создания солнечных водородных топливных элементов.

б) Хемоавтотрофы.

Эти организмы используют СО2 как источник углерода, но получают энергию не от Солнца, а с помощью окислительных реакций.

Например, нитрифицирующие бактерии получают энергию за счет окисления соединений азота: аммиака до нитритов (4), а затем до нитратов , которые поглощаются растениями.

2NH3 + 3O2 + F = 2HNO2 + 2H2O+ F + энергия,

(4)

где F– фермент нитрогеназа.

Азот очень важен для плодородия почвы, но внесенный в виде химических веществ, он плохо усваивается растениями. Нитрифицирующие бактерии являются природными преобразователями азота из неорганической формы в органическую. Бактерии-нитрификаторы также выполняют в природе важную роль переработчиков аммиака, образующегося при разложении отмершей органики и различных выделений животных.

Активность фермента данной реакции может подавляться загрязнениями окружающей среды. Поэтому очень важно иметь возможность биосенсорной оценки его активности.

Железобактерии получают энергию в результате окисления соединений железа (Fe2+ ® Fe3+ + энергия), а бесцветные серобактерии – серы до сульфатов (S ® + энергия), усваиваемых растениями.

Хемотрофы выживают в условиях отсутствия солнечного освещения за счет переработки неорганических веществ. Поэтому их используют при утилизации бытовых и промышленных отходов.

Типы гетеротрофного питания.

Голозойный

тип питания свойственен человеку и большинству животных.

Пища в виде сложных органических соединений вводится внутрь тела, где она подвергается расщеплению на небольшие молекулы, которые могут усваиваться организмом или выводиться из него. Особенностью подобного питания является наличие цепей ферментативных реакций для расщепления пищи и промежуточных продуктов. Реакции регулируются кислотностью внутренней среды организма.

Общая схема (по Грину и др. [12]) переваривания пищи (углеводов, белков и жиров)

* Включают ферменты, отщепляющие аминокислоты от полипептидов: