Хемосинтез. Значение хемосинтеза
В некоторых экосистемах Земли при недостатке солнечного света важную роль в создании первичной продукции играет хемосинтез – синтез органических соединений из неорганических с использованием энергии окисления неорганических веществ.
Хемосинтез открыт российским микробиологом-почвоведом С.Н. Виноградским в 1887г. При хемосинтезе для восстановления СО2 используется энергия окисления неорганических веществ с помощью кислорода (аэробные хемоавтотрофы) или нитратов (анаэробные хемоавтотрофы). К хемоавтотрофам относятся многие прокариоты: железобактерии (Fe +2 окисляется до Fe +3 ), бесцветные серобактерии (H2S окисляется до S, а S – до SO4 2– ), нитрифицирующие бактерии (NH3 окисляется до NO2 – , а NO2 – – доNO3 – ).
Основное значение хемосинтеза заключается в том, что он обеспечивает круговорот важнейших элементов с переменной степенью окисления: железа, серы, азота и других. Круговороту веществ способствует и обратный процесс – анаэробное дыхание с участием неорганических окислителей: окисление органических веществ с помощьюSO4 2– (сульфаты восстанавливаются до серы у анаэробных сульфатредуцирующих бактерий), NO3 – (нитраты восстанавливаются до N2 или NH3 анаэробными денитрифицирующими бактериями), трехвалентного железа (Fe +3 восстанавливается до Fe +2 анаэробными железобактериями).
В живом организме оба процесса протекают параллельно и неотделимо друг от друга. В ходе пластического обмена поглощается часть энергии, выделяемой в результате энергетического обмена. В ходе энергетического обмена распадаются те вещества, образовавшиеся во время пластического обмена. Энергия, которая высвобождается при энергетическом обмене, обеспечивает жизнедеятельность организма.
Вывод: обмен веществ состоит из двух противоположных, но неотделимых процессов – ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена)
Мембрана как универсальный компонент субклеточных и клеточных систем. Структура биомембран.
Кле́точная мембра́на (или цитолемма, или плазмалемма, или плазматическая мембрана) отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулируют обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки —компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды.
Клеточная стенка, если таковая у клетки имеется (обычно есть у растительных клеток), покрывает клеточную мембрану.
Клеточная мембрана представляет собой двойной слой (бислой) молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой так называемые сложные липиды — фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную («головка») игидрофобную («хвост») часть. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь, агидрофильные — наружу. Мембраны — структуры инвариабельные, весьма сходные у разных организмов. Некоторое исключение составляют, пожалуй, археи, у которых мембраны образованы глицерином и терпеноидными спиртами. Толщина мембраны составляет 7—8 нм.
Биологическая мембрана включает и различные белки: интегральные (пронизывающие мембрану насквозь), полуинтегральные (погруженные одним концом во внешний или внутренний липидный слой), поверхностные (расположенные на внешней или прилегающие к внутренней сторонам мембраны). Некоторые белки являются точками контакта клеточной мембраны сцитоскелетом внутри клетки, и клеточной стенкой (если она есть) снаружи. Некоторые из интегральных белков выполняют функцию ионных каналов, различных транспортеров и рецепторов.
Структура и состав биомембран
Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются.
Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, переход отдельной молекулы из одного слоя в другой (так называемый флип-флоп) затруднён.
Это замкнутые одиночные или связанные друг с другом участки цитоплазмы, отделённые от гиалоплазмы мембранами. К одномембранным органеллам относятся эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, пероксисомы; к двумембранным — ядро, митохондрии, пластиды. Строение мембран различных органелл отличается по составу липидов и мембранных белков.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
Характеристики хемосинтеза: какие вещества образуются, роль и значение
По способу получения энергии все живые организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Первые из них питаются уже готовыми органическими веществами, а вторые синтезируют органические соединения из неорганических. Для обеспечения процессов биосинтеза большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света (фотосинтетики, фототрофы). Значительно меньшая группа относится к хемосинтетикам (хемотрофам).
Что такое хемосинтез
Хемосинтез – самый древний способ питания, который появился значительно раньше фотосинтеза. При нем получение энергии живыми организмами происходит за счет химической реакции окисления неорганических веществ.
Хемосинтез рассматривается в биологии как уникальное явление. Хемотрофы ни напрямую, ни косвенно не зависят от солнечного света. Единственным исключением являются нитрофицирующие бактерии, так как они окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических соединений.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Автором открытия явления хемосинтеза (1887 г.) является известный русский микробиолог Виноградский С. Н. Ему удалось выделить из почвы некоторые микроорганизмы, которые для построения органических соединений используют углекислый газ, а энергию получают в результате химических реакций по окислению молекулярного водорода, неорганических соединений сурьмы, железа, азота или серы. Это совершенно иной тип живых организмов, которые Виноградский назвал «хемолитоавтотрофными», а тип их жизнедеятельности – «минеральным дыханием». В настоящее время этот процесс называется хемосинтезом.
Для кого характерен такой тип питания
Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.
К хемотрофным организмам относятся:
- Тионовые бактерии. Обладают способностью окислять молекулярную серу, сульфиды, сульфиты и тиосульфаты до серной кислоты. Внутри клеток отложение серы не наблюдается. Практически все представители тионовых бактерий способны выживать в экстремально кислой среде с pH до 3 и менее. Они способны осуществлять окисление двухвалентного и металлического железа, выщелачивать из руд тяжелые металлы и выдерживать их высокие концентрации.
- Водородные бактерии. Энергию получают за счет окисления молекулярного водорода. Являются умеренными термофилами и способны выживать при температуре 50-60° С.
- Нитрифицирующие бактерии. Способны окислять остающийся в результате гниения аммиак до азотистой и азотной кислот. Последние вступают в реакции с минералами почвы, в результате которых образуются нитраты и нитриты.
- Серобактерии. Получают энергию за счет окисления сероводорода до молекулярной серы или сульфатов. В отличии от тионовых способны накапливать серу внутри своих клеток.
- Железобактерии. Их жизнедеятельность напрямую связана с реакцией окисления двухвалентного железа до трехвалентного.
Особенности процесса
Для синтеза органических соединений из неорганических и получения энергии бактерии-хемотрофы имеют специальный ферментный аппарат.
Нитрофицирующие азотофиксирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты, которая в дальнейшем вступает во взаимодействие с минералами почвы с образованием нитратов. Химический процесс протекает в две стадии:
Серобактерии получают энергию за счет реакции окисления сероводорода до молекулярной серы:
Если реакция протекает в условиях недостатка сероводорода, то молекулярная сера подвергается дальнейшему окислению:
Железобактерии преобразуют двухвалентное железо в трехвалентное:
Хемосинтетики являются типичными автотрофами, способными получать энергию при окислении неорганических веществ и использующими ее для синтеза органических соединений.
Образующаяся энергия накапливается в бактериальных клетках в виде молекул АТФ. Они в дальнейшем используются для образования из углекислого газа глюкозы и других органических веществ. Процесс аналогичен темновой фазе фотосинтеза и описывается следующим уравнением химической реакции:
\(6CO_2 + 24H+ + AТФ → C_6H_O_6 + 6H_2O\)
Отличие от фотосинтеза
И хемосинтез, и фотосинтез являются способами автотрофного питания. Их сходство заключается в образовании энергии, накоплении ее в виде молекул АТФ и последующем использовании для синтеза органических соединений.
Но эти два процесса имеют и свои различия. Хемосинтез характерен только для небольшой группы архей и бактерий. Если при фотосинтезе источником энергии выступают кванты света, то при хемосинтезе – энергия, выделяющаяся в ходе различных окислительно-восстановительных реакций. Признаком хемотрофиков является отсутствие хлорофилла, который обязательно присутствует у фототропиков.
При осуществлении синтеза органики фотосинтетики используют в качестве источника углерода исключительно углекислый газ. В отличии от них хемосинтетики способны усваивать углерод и из других соединений: уксусной кислоты, карбонатов, метанола, муравьиной кислоты, угарного газа.
Роль и значение в круговороте веществ
Процесс хемосинтеза играет огромную роль во многих экологических процессах:
- серобактерии образуют серные месторождения, а за счет образования серной кислоты выщелачивают руды, ускоряют разрушение горных пород; также находят применение на очистных сооружениях, очищая промышленные стоки от серы;
- нитрофицирующие бактерии осуществляют круговорот азота в биосфере, повышают урожайность сельскохозяйственных культур;
- железобактерии образуют отложения болотных железных руд;
- водородные бактерии окисляют водород, накапливающийся в почве результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в народном хозяйстве их используют для получения кормового и пищевого белка.
Насколько полезной была для вас статья?
Источник
Значение хемосинтез в природе
Хемотрофы, как и все автотрофные организмы, самостоятельно синтезируют необходимые органические вещества. От фототрофных зеленых растений их отличает полная независимость от солнечного света как источника энергии.
Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из СО 2 и Н 2 О. Этот процесс носит названия хемосинтеза.
Хемосинтез — образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы.
Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С.Н.Виноградский в 1887г. открыл процесс хемосинтеза.
Существует несколько видов хемосинтетических реакций:
1. Окисление аммиака до азотистой и азотной кислоты нитрифицирующими бактериями:
NH 3 -»HNO 2 -»HNO 3 + Q;
2. Превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:
3. Окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:
Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.
Роль хемосинтеза в природе.
Бактерии хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых, взаимодействуя с минеральными веществами почвы, образуют соли, которые являются важнейшим компонентом минерального питания высших растений.
Источник