Przemiana materii - to całokształt reakcji chemicznych w organizmie
Żywy organizm zawiera olbrzymią ilość różnych chemicznych substancji reagujących ze sobą. Organizmy jedne substancje wykorzystują, a inne - wydalają. My wdychamy tlen i wykorzystujemy go do utleniania substancji organicznych, natomiast wydychamy dwutlenek węgla, który przy tym powstaje. Rośliny są zdatne do tworzenia substancji organicznych z dwutlenku węgla i wody, a produktem ubocznym tego procesu jest tlen, który wydziela się do atmosfery. Potrafią również pochłaniać azotany (sole kwasu azotowego), które potem redukują się do grup aminowych aminokwasów, które wejdą w skład białek. W organizmach zwierząt białka roślinne znów rozszczepiają się do aminokwasów, a z tych aminokwasów zwierzęta „budują” własne białka. Sacharoza, którą my spożywamy z poranną herbatą, rozszczepia się do fruktozy i glukozy. Ostatnia może być skierowana bezpośrednio do mózgowia w celu „spalania” lub może dostać się do wątroby, gdzie wejdzie w skład polimeru - glikogenu magazynowanego na przyszłość. Całokształt wszystkich tych oraz innych reakcji chemicznych zachodzących w organizmie, nazywamy metabolizmem1.
Drogi metaboliczne - to rozgałęziona sieć reakcji
Reakcje zachodzące w organizmie są dość różnorodne. Na ryc. 15.1 podano schemat metabolizmu człowieka.
Poznawszy schemat wszystkich procesów chemicznych zachodzących w organizmie, można zauważyć, że bardzo często reakcje łączą się w kolejności, które mogą być dwóch rodzajów: liniowe i cykliczne (ryc. 15.2). Takie kolejności reakcji chemicznych nazywają się drogą metaboliczną. U nich sub-strat (początkowy komponent drogi metabolicznej, S) przekształca się na produkt drogi metabolicznej (P) poprzez substancje przejściowe (I). Zwykle substancje przejściowe nie pełnią żadnych funkcji biologicznych i ich stężenie w organizmie jest nieznaczne. Tu warto przypomnieć ważną właściwość metabolizmu: przekształcenie substratu na biologicznie aktywny produkt prawie nigdy nie odbywa się jednoetapowo, a tylko przez łańcuszek substancji pośrednich.
Drogi metaboliczne można klasyfikować na różne sposoby, na przykład według funkcji. Rozpatrzmy podstawowe funkcje dróg metabolicznych w organizmie zwierzęcym.
A. Rozszczepianie cząsteczek pokarmu z wytworzeniem małych cząsteczek - uniwersalnych monomerów.
B. Synteza dużych i złożonych cząsteczek z uniwersalnych monomerów i monomerów z substancji nieorganicznych.
C. Rozszczepianie uniwersalnych monomerów do nieorganicznych substancji w celu otrzymania energii.
D. Kształtowanie małotoksycznych produktów przemiany i neutralizacja trucizn.
Drogi metaboliczne, które należą do grupy B, często nazywane są anabolizmem, a te, które należą do grupy C - katabolizmem. Wyraźnego podziału na anabolizm i katabolizm nie istnieje, dlatego te terminy, mimo że są wykorzystywane w literaturze naukowej, można uważać za przestarzałe.
Pod względem ogólnej organizacji metabolizmu żywe organizmy bardzo się różnią, dlatego dalej rozglądniemy podstawowe typy metabolizmu organizmów żywych.
Auto- i heterotrofy - to dwa sposoby odżywiania w przyrodzie
Wszystkie żywe organizmy są zbudowane z substancji organicznych. Wiadomo nawet, że większość substancji organicznych w atmosferze Ziemi i za granicami biosfery (ropa naftowa, gaz ziemny i głębinowe hydraty gazowe) ma pochodzenie organiczne. Inaczej mówiąc, żywe organizmy - to podstawowi producenci substancji organicznych w biosferze. Jednak nie wszystkie żywe organizmy potrafią syntezować substancje organiczne z nieorganicznych. Niektóre organizmy muszą wchłaniać inne substancje organiczne do zapewnienia swego zapotrzebowania na substraty do syntezy. Organizmy, które są zdolne do syntezowania substancji organicznych z nieorganicznych (z dwutlenku węgła) nazywają się autotrofami, a te, które powinny pochłaniać już gotowe substancje organiczne - heterotrofami. Do autotrofów należy wiele przedstawicieli sinic i zielonych roślin, a do heterotrofów - grzyby i zwierzęta.
Foto- i chemotrofy różnią się pod względem wykorzystywania źródła energii
Wszystkim organizmom do zapewnienia czynności życiowych niezbędna jest energia. Jednak źródła tej energii są różne. Mogą to być chemiczne reakcje substancji, wchłanianych przez organizmy. Takie organizmy nazywają się chemotrofami. A inne organizmy są zdolne do wykorzystywania światła słonecznego jako źródła energii. Takie organizmy nazywają się fototrofami.
W zależności od źródła energii i substancji organicznych można wyodrębnić różne typy metabolizmu, podane w tabeli 15.1 i na rycinie 15.3. Zwierzęta, grzyby, część pierwotniaków (na przykład pełzak, zarodziec malarii) i bakterii, niektóre rośliny-pasożyty nie są zdolne do samodzielnego syntezowania substancji organicznych z dwutlenku węgla. Jako źródło energii one wykorzystują reakcje chemiczne pochłoniętych cząsteczek (na przykład, „spalanie” cząsteczek pokarmu tlenem). Takie organizmy nazywane są chemoheterotrofami. Rośliny zielone, glony, sinice potrafią przyswajać energię Słońca i syntezować substancje organiczne z dwutlenku węgla i wody. Takie organizmy są fotoautotrofami.
Rye. 15.3. Różnorodność organizmów o różnych sposobach odżywiania
A. Typowy chemoheterotrof w naturalnym środowisku życia. B. Łuskiewnik - roślina-pasożyt, che-moheterotrof. C. Typowy fotoautotrof. D. Bakteria Nitrosomonas, chemoautotrof. E. Bakteria Chlo-roflexi, fotoheterotrof. F. Klejnotka miksotrof.
Fotoautotrofy i chemoheterotrofy - to dwie najbardziej rozpowszechnione wśród istot żywych strategie metaboliczne. Jednak spotykają się bardziej niezwykłe połączenia. Na przykład niektóre glebowe bakterie zdolne są do otrzymywania energii w procesie utleniania związków amonowych do azotynów i azotanów i przy tym syntezowania substancji organicznych z dwutlenku węgla. A więc te bakterie są chemoautotrofa-mi. Jeszcze dziwniejszy metabolizm mają bakterie typu Chloroflexi: one wykorzystują energię światła słonecznego, jednak zmuszone są pochłaniać organikę z otaczającego środowiska. Są więc przykładem bakterii fotoheterotroficznych.
Tabela 15.1. Klasyfikacja organizmów ze względu na źródło energii i substancji
|
Autotrofy |
Heterotrofy |
|
|
Fototrofy |
Fotoautotrofy (większość roślin i glonów) |
Fotoheterotrofy (bakterie typu Chloroflexi) |
|
Chemotrofy |
Chemoautotrofy niektóre bakterie glebowe) |
Chemoheterotrofy (zwierzęta i grzyby) |
Warto zaznaczyć, że ta klasyfikacja nie jest absolutna: w zależności od warunków środowiska zewnętrznego niektóre organizmy potrafią zmieniać swoją strategię metaboliczną. Klejnotka na świetle potrafi syntezować substancje organiczne z dwutlenku węgla, zachowując się jak fotoautotrof, lecz w ciemnościach zmuszona jest do pochłaniania substancji organicznych ze środowiska jako chemoheterotrof. Takie żywe organizmy nazywają się miksotrofami.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
W procesach fotosyntezy i oddychania biorą udział gazy
2
Drogi metaboliczne, które zwykle zaliczamy do anabolizmu powiązane są z A rozszczepieniem cząsteczek jedzenia
В syntezą dużych i złożonych cząsteczek z uniwersalnych monomerów C reakcjami, które sprzyjają gromadzeniu się energii w komórce D tworzeniem małotoksycznych produktów przemiany materii E powstaniem substancji nieorganicznych z uniwersalnych monomerów
з
Do heterotrofów z podanych niżej organizmów należą
4
Niektóre bakterie glebowe zdolne są do przyswajania energii, utleniając związki amoniaku do azotynów i azotanów i przy tym syntezowania substancji organicznych z dwutlenku węgla. One są
A fototrofami В fotoheterotrofami C chemoheterotrofami
D chemoautotrofami E miksotrofami
5
Zawłotnia jest zdolna do fotosyntezy na świetle i oprócz tego do wchłaniania substancji organicznych całą powierzchnią ciała. Opierając się na to, można wyciągnąć wnioski, że zawłotnia - to
A fototrof В fotoheterotrof C chemoheterotrof
D chemoautotrof E miksotrof
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego bez przemiany materii życie jest niemożliwe?
Na jakie rodzaje można podzielić drogi metaboliczne zachodzące w organizmie? Jaka zasada jest przyjęta za podstawę przytoczonego systemu? Jak jeszcze można klasyfikować drogi metaboliczne?
8
Na czym polega zasadnicza różnica między autotrofami i heterotrofami? Przytocz przykłady organizmów, które należą do tych grup. Wyznacz charakterystyczne cechy ich budowy, uwarunkowane typem odżywiania.
9
Podaj charakterystykę różnorodności typów odżywiania organizmów. Na podstawie czego wyodrębnia się te typy? Przytocz przykłady organizmów należących do każdej z wymienionych przez ciebie grup.
10
Niektóre organizmy odżywiają się miksotrofowo. Co to oznacza? Jakim wymaganiom muszą odpowiadać takie organizmy?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Na czym polegają wady i zalety liniowych i cyklicznych dróg meta-bolicznych? W jakich przypadkach organizmowi wygodniej jest stosować jedne, a w jakich -drugie?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
12
Rośliny i zwierzęta niby przedstawiają dwa światy: autotrofów i heterotrofów. Jednak, jak zwykle bywa w żywej przyrodzie, są wyjątki. Przytocz przykłady i podaj opis ich biologii.
13
Być miksotrofami jest wygodnie: w obecności światła - one są syte, w obecności gotowych substancji organicznych - mają zapewniony pokarm. Dlaczego więc tak mało organizmów odżywia się miksotrofowo?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow