Метаболические процессы в живых организмах

Совокупность всех химических реакций протекающих в живом организме, называется метаболизмом. Значение метаболизма состоит в создании необходимых организму веществ и обеспечении его энергией. Выделяют две составные части метаболизма — катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) — совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии.

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) ~ понятие, противоположное катаболизму — совокупность реакций синтеза сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

Энергетический обмен. По отношению к свободному кислороду организмы делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные формы.

Аэробы (аблигатные аэробы) — организмы, способные жить только в кислородной среде (животные, растения, некоторые бактерии и грибы).

Анаэробы (облигатные анаэробы) — организмы, не способные жить в кислородной среде (некоторые бактерии).

Факультативные формы (факультативные анаэробы) — организмы, способные жить как в присутствии кислорода, так и без него (некоторые бактерии и грибы).

У облигатных аэробов и факультативных анаэробов в присутствии кислорода катаболизм протекает в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате органические вещества распадаются до неорганических соединений. У облигатных анаэробов и факультативных анаэробов при недостатке кислорода катаболизм протекает в два первых этапа: подготовительный и бескислородный. В результате образуются промежуточные органические соединения еще богатые энергией.

Химические вещества необходимы для построения тела, энергия — для осуществления процессов жизнедеятельности.

По источнику энергии живые организмы делятся на фототрофов и хемотрофов. Фототрофы используют световую энергию (энергию солнечного излучения). Хемотрофы используют химическую энергию (энергию связей химических соединений), которая выделяется при окислении химических соединений.

По источнику углерода живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы используют неорганический источник углерода (диоксид углерода). Гетеротрофы используют органические источники углерода (органические вещества).

По типу окисляемого субстрата живые организмы делятся на литотрофов и органотросров. Литотрофы окисляют неорганические соединения (Н₂0, H₂S, S, Н₂ и др.). Органотрофы окисляют органические соединения. Комбинации этих классификаций формирует разные группы живых организмов (табл. 10 и 11).

С экологических позиций наиболее важно охарактеризовать следующие группы организмов.

Автотрофы (автотрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (растения и некоторые бактерии). Иначе говоря, это организмы, способные создавать органические вещества из неорганических — углекислого газа, воды, минеральных солей.

В зависимости от источника энергии автотрофы делятся на фотоавтотрофов и хемоавтогрофов. Фототрофы — организмы, использующие для биосинтеза световую энергию (растения, цианобактерии). Хемотрофы ─ организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений (хемотрофные бактерии: водородные, нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии и др.).

 

Таблица 10

Классификация организмов по источнику энергии и источнику углерода

Тип организмов	Источник энергии	Источник углерода	Примеры
Фотоавтотрофы	Свет	Диоксид углерода	Растения, зеленые бактерии, цианобактерии
Фотогетеротрофы	Свет	Органические соединения	Некоторые пурпурные бактерии
Хемоавтотрофы	Реакция окисления	Диоксид углерода	Хемосинтезирующие бактерии
Хемогетеротрофы	Реакция окисления	Органические соединения	Животные, грибы, большинство бактерий

 

Гетеротрофы (гетеротрофные организмы) — организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения (животные, грибы и большинство бактерий).

По способу получения пищи гетеротрофы делятся на фаготрофов (голозоев) и осмотрофов. Фаготрофы (голозои) заглатывают твердые куски пищи (животные), осмотрофы поглощают органические вещества из растворов непосредственно через клеточные стенки (грибы, большинство бактерий).

По состоянию источника пищи гетеротрофы делятся на биотрофов и сапротрсфов. Биотрофы питаются живыми организмами. К ним относятся зоофаги (питаются животными) и фитофаги (питаются растениями), в том числе паразиты. Сапротрофы используют в качестве пищи органические вещества мертвых тел или выделения (экскременты) животных. К ним принадлежат сапротрофные бактерии, сапротрофные грибы, сапротрофные растения (сапрофиты), сапротрофные животные (сапрофаги). Среди них встречаются детритофаги (питаются детритом), некрофаги (питаются трупами животных), копрофаги (питаются экскрементами) и др.

 

Таблица 11

Классификация организмов по источнику энергии и типу окисляемого субстрата

Тип	Источник энергии	Тип окисляемого субстрата	Примеры
Фотолитотрофы	Свет	Неорганические соединения (Н2О, H2S, S)	бактерии, цианобактерии
Фотоорганотрофы	Свет	Органические соединения	Некоторые пурпурные бактерии
Хемолитотрофы	Реакция окисления	Неорганические соединения (Н2, S, H2S, NH3, Fe2+)	Хемосинтезирующие бактерии
Хемоорганотрофы	Реакция окисления	Органические соединения	Животные, грибы, большинство бактерий

 

Некоторые живые существа в зависимости от условий обитания способны и к автотрофному, и к гетеротрофному питанию. Организмы со смешенным типом питания называются миксотрофами. Миксотрофы — организмы, которые могут, как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).

Пластический обмен. Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул:

─ органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) — простые органические молекул (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) — макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. В процессе фото- и хемосинтеза, происходит образование простых органических соединений, из которых в дальнейшем синтезируются макромолекулы:

─ неорганические вещества (СО₂, Н₂О) — простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахариды) — макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Рассмотрим наиболее важные с точки зрения экологии метаболические процессы пластического обмена — фотосинтез и хемосинтез.

Фотосинтез (фотоавтотрофия) — синтез органических соединений из неорганических за счет энергии света. Суммарное уравнение фотосинтеза:

Hv = 6СО₂ + 6Н₂О ─» С₆Н₁₂О₆ + 12О₂.

Фотосинтез протекает при участии фотосинтезирующих пигментов, обладающих уникальным свойством преобразования энергии солнечного света в энергию химической связи в виде АТФ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

В процессе фотосинтеза, кроме моносахаридов (глюкоза и др.) синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, благодаря фотосинтезу растения обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

Хемосинтез (хемоавтотрофия) — процесс синтеза органических соединений из неорганических (СО₂ и др.) за счет химической энергии окисления неорганических веществ (серы, водорода, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие, водородные, железобактерии, серобактерии и др. Они окисляют соединения азота, железа, серы и других элементов. Все хемосинтетики являются облигатными аэробами, так как используют кислород воздуха.

Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота.

Высвобождающаяся в ходе реакций окисления энергия запасается бактериями в виде молекул АТФ и используется для синтеза органических соединений. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере. Они участвуют в очистке сточных вод, способствуют накоплению в почве минеральных веществ, повышают плодородие почвы.