Biologie

Leben - Energie, Kohlenstoff und Elektronen

Energie , Kohlenstoff und Elektronen

Organismen gewinnen Energie durch zwei allgemeine Methoden: durch Licht oder durch chemische Oxidation. Produktive Organismen, genanntAutotrophe , Umwandlung von Licht oder Chemikalien in energiereiche organische Verbindungen, beginnend mit energiearmem Kohlendioxid (CO 2 ). Diese Autotrophen liefern Energie für die anderen Organismen, dieHeterotrophe . Heterotrophe sind Organismen, die ihre Energie durch den kontrollierten Abbau bereits vorhandener organischer Moleküle oder Lebensmittel gewinnen . Menschen sind wie die meisten anderen Tiere, Pilze , Protisten und Bakterien Heterotrophe.

Autotrophe Organismen sind häufig Primärproduzenten in ihren Ökosystemen. Sie beziehen ihre nützliche freie Energie aus anderen Quellen als Nahrungsmitteln: entweder aus der Energie des Sonnenlichts (Photoautotrophen) oder aus oxidativen chemischen Reaktionen (Chemoautotrophen ). Die letztere Art des Stoffwechsels bezieht sich auf Lebensformen, die anorganische Materialien ( Ammoniak [NH 3 ], Methan [CH 4 ] oder Schwefelwasserstoff [H 2 S]) in Kombination mit Sauerstoff zur Erzeugung ihrer Energie verwenden. Nur einige Bakterien können Energie gewinnen, indem sie anorganische Chemikalien „verbrennen“.

Grünpflanzen sind typische Photoautotrophen. Pflanzen absorbieren Sonnenlicht, um es zu erzeugenATP und Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen. Zu brechen , auf den nach unten Wassermolekül , H 2 O , in Wasserstoff und Sauerstoff erfordert viel Energie. Der Wasserstoff aus Wasser wird dann in den „Dunkelreaktionen“ mit Kohlendioxid, CO 2, kombiniert . Das Ergebnis ist die Produktion von energiereichen organischen Molekülen wie Zuckern, Aminosäuren und Nukleotiden. Der Sauerstoff wird zum Gas O 2 , das als Abfall zurück in die Atmosphäre freigesetzt wird. Tiere, die streng sind Heterotrophe können nicht mit ein paar Salzen wie Pflanzen von Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser leben. Sie müssen den Luftsauerstoff einatmen. Tiere kombinieren Sauerstoff chemisch mit Wasserstoffatomen, die sie aus ihrer Nahrung entfernen, dh aus organischen Materialien wie Zucker , Protein und Aminosäuren. Tiere setzen Wasser als Abfallprodukt aus der Sauerstoffatmung frei. Tiere verwenden wie alle Heterotrophen organische Materialien als einzige Kohlenstoffquelle. Diese Umwandlung von Kohlenstoff liefert ein Beispiel für einen Aspekt eines ökologischen Kreislaufs, in dem ein erforderliches Element durch verschiedene Arten von Organismen fließt, wenn es seinen Oxidationszustand von CO 2 zu (CH 2 O) n ändertund zurück zu CO 2 .

Stoffwechselzyklen im Allgemeinen - die Extraktion von nützlicher Energie und Lebensmittelmolekülen aus Umweltquellen durch Organismen - können in Bezug auf beschrieben werden Oxidations-Reduktions-Reaktionen . Im Fall von Sauerstoff Atmung , Sauerstoffmoleküle aus der Luft akzeptieren Elektronen letztlich ausGlukose oder Aminosäuren. Der Sauerstoff, der eine große Affinität zu Elektronen aufweist, wird als Elektronenakzeptor bezeichnet, während die Glucose oder andere Zucker- oder organische Moleküle ein Elektronendonor sind. Die Tieratmung ist der Prototyp von Oxidations-Reduktions-Reaktionen, aber sicherlich beinhalten nicht alle Oxidations-Reduktions-Reaktionen (oder „Redox-Reaktionen“, wie sie oft genannt werden) Sauerstoff. Viele andere anorganische Verbindungen werden auf Zellebene geatmet oder „geatmet“ . Biologische Elektronenakzeptoren umfassen neben Sauerstoff Nitrat , Nitrit , Sulfat , Carbonat , elementaren Schwefel und Methanol. Biologische Elektronendonoren (außer Zucker und Aminosäuren) umfassen Wasserstoff, Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak, Nitrit), Sulfid und Methan . Damit Akzeptor-Donor-Transformationen zur Verfügung stehenChemoautotrophen undHeterotrophe über längere Zeiträume, ökologische Zyklen sind erforderlich. Für geologisch kurze Zeiträume können Organismen von einem begrenzten Materialvorrat leben. Für eine langfristige Fortdauer des Lebens muss jedoch ein dynamischer Stoffkreislauf mit komplementären Arten von Organismen vorherrschen. Wenn Leben auf anderen Planeten existiert, müssen die erforderlichen Elemente und flüssiges Wasser zirkulieren. Eine Suche nach solchen Transformationen bietet eine Methode zum Erfassen von außerirdischem Leben .

Neben Energie benötigen alle Lebensformen Kohlenstoffquellen . Autotrophe Organismen (chemosynthetische und photosynthetische Bakterien, Algenund Pflanzen) leiten dieses wesentliche Element aus Kohlendioxid ab. Heterotrophe verwenden vorgeformte organische Verbindungen als Kohlenstoffquelle. Bei Autotrophen sind viele Zelltypen nicht auf Licht angewiesen, um ATP zu erzeugen. diejenigen, die ohne Licht auskommen, sind die chemoautotrophen Bakterien, einschließlich der Methanogene, Ammoniakoxidationsmittel, Sulfidoxidationsmittel, Wasserstoffoxidationsmittel und einige andere undurchsichtige andere. In der Tat haben sich mindestens fünf völlig unterschiedliche Stoffwechselwege entwickelt, um Kohlendioxidgas zu verwenden. Einer ist der oben beschriebene Sauerstoffweg, der von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien genutzt wird: die Calvin-Benson-Dunkelreaktionen. Andere, dunkelere Wege umfassen Phosphoenolpyruvat (PEP) -, Succinat- und Methanogenwege. Sie alle müssen energiearmes Kohlendioxid in die energiereiche Kohlenstoff-Wasserstoff- Verbindung bringenStoffwechsel von Organismen. Alles Leben auf der Erde hängt von diesen autotrophen Reaktionen ab, die mit Kohlendioxid oder einem gleichwertigen Produkt beginnen. Equivalents als Kohlenstoffquellen in autotrophen Stoffwechsel umfasst das Carbonat - Ion , Bicarbonat - Ion und Kohlenmonoxid . Wie üblich in Bezug auf Stoffwechsel- Variation und Virtuosität, die Bakterien Repertoire ist weitaus vielfältiger als die von Eukaryonten -Das ist, Pflanzen, Tiere und anderer Zellen mit Kernen zusammengesetzt Organismen. Im Allgemeinen sind kernhaltige Organismen, Eukaryoten, entwederPhotolithoautotrophe (dh Algen und Pflanzen), die Energie aus Licht oder Mineralien gewinnen, oder Chemo-Organoheterotrophe (Tiere, Pilze und die meisten Protisten), die Energie und Kohlenstoff aus vorgeformten organischen Verbindungen (Lebensmitteln) gewinnen.

ATP

Alle biologischen ATP-Elektronentransferreaktionen führen zur Nettoproduktion von ATP Moleküle . Zwei der drei Phosphate (PO 4 ) dieses Moleküls werden durch energiereiche Bindungen gehalten, die ausreichend stabil sind, um lange Zeit in der Zelle zu überleben, aber nicht so stark, dass die Zelle diese Bindungen nicht nutzen kannEnergie bei Bedarf. ATP und ähnliche Moleküle (wie Guanosintriphosphat [GTP]) haben einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und dreiPhosphate . Soweit bekannt, sind solche Moleküle die allgemeine und einzigartige Energiewährung lebender Systeme auf der Erde.

No metabolic process occurs in a single step. The ordinary six-carbon sugar, glucose, does not oxidize to carbon dioxide and water in living cells in the same way that glucose in air burns. Any release of energy by burning would be too sudden and too concentrated in a small volume to happen safely inside the tiny cell. Instead, glucose is broken down at ambient (i.e., relatively cool) temperatures by a series of successive and coordinated steps. Each step is mediated by a particular and specific enzyme. In most cells that metabolize glucose, the sugar first breaks down in a set of steps that occur in the absence of oxygen. The total number of such steps in plants, animals, fungi, and protists (see below Hypotheses of origins) is about 11. Other organisms, primarily bacteria and obscure protists and fungi, are anaerobes: they do not utilize molecular oxygen in their metabolism. In anaerobes, glucose metabolism stops at compounds such as ethanol or lactic acid. Aerobic organisms, including all animals, carry the oxidation of glucose farther. They rapidly use anaerobic glucose breakdown products such as lactic acid, ethanol, or acetate with Krebs-cycle intermediates in the mitochondria. Aerobic oxidation of glucose requires an additional 60 enzyme-catalyzed steps. The anaerobic breakdown of glucose uses enzymes suspended freely in solution in the cells. The aerobic steps occur on enzymes localized in mitochondria, the “power packs” of cells where oxygen gas is used to make the energy compound ATP. The complete aerobic breakdown of sugar to carbon dioxide and water is about 10 times more efficient than the anaerobic in that 10 times as many ATP molecules are produced. (See metabolism.)

Energy made available to cells in the form of ATP is used in a variety of ways—for example, for motility. When an amoeba extends pseudopods or when a person walks, ATP molecules are tapped for their energy-rich phosphate bonds. ATP molecules are used for the synthesis of proteins that all cells require in their growth and division, amino acids, and five-carbon sugars of nucleic acids. Each synthetic process is controlled and enzymatically mediated. Each starts from an organic building-block compound available to the cell as food. The amino acid L-leucine, for example, is produced from pyruvic acid, which is itself the product of the anaerobic breakdown of glucose. Synthesis of L-leucine from pyruvic acid involves eight enzyme-mediated steps with an addition of acetic acid and water.

These exquisitely interlocked and controlled metabolic steps are not performed in a diffuse manner helter-skelter in the cell. Rather, a marvelously architectured cellular interior displays specialized regions visible at the electron-microscopic level. Particular chemical reactions are performed in association with specific structures. In aerobic eukaryotes the mitochondrion with its intricate cristate membrane (the folds in the membrane are called cristae) provides the site of pyruvate, acetate, and lactate metabolism. These molecules are transformed and passed on from one enzyme to another as through a conveyor belt in a factory. Similarly, in those eukaryotes capable of oxygenic photosynthesis (algae, plants), photosynthesis occurs only in an organelle (a cell part) called a chloroplast. Chlorophyll, carotenoids, and other pigments that absorb visible light, as well as the detailed enzymatic apparatus for the photosynthetic process, reside there.

Chloroplasts and mitochondria contain DNA. Moreover, this DNA has a sequence distribution that differs entirely from that of the nucleus and greatly resembles that of free-living photosynthetic and oxygen-respiring bacteria. The best explanation for these facts is that the ancestors to the oxygen-releasing chloroplasts and oxygen-respiring mitochondria were once free-living bacteria.

Diversity

Prokaryotes and eukaryotes

All life is composed of cells of one of two types: prokaryotes (those that lack a nucleus) or eukaryotes (those with a nucleus). Even in one-celled organisms this distinction is very clear.

All bacteria are prokaryotic, even though many, probably most, are multicelled in nature. The only other single-celled organisms that exist are fungi (one-celled fungi are called yeasts). All nucleated organisms (cells with nuclei and chromosomes in their cells) that are not animals, fungi, or plants are Protista. This huge group includes the unicellular or few-celled protists and their multicellular descendants. The large kingdom of Protista has 250,000 estimated species alive today. Some are very large, such as red algae and the kelp Macrocystis. One-celled protists include the familiar amoebas, paramecia, and euglenas as well as 50,000 less-familiar types. Scientifically speaking, no such thing as a one-celled animal exists. All animals and plants are by definition multicellular, since they all develop from multicellular embryos. Accordingly, all “protozoans” are now classified as single-celled Protista, not animals. Nor are there any one-celled plants. Organisms formerly called one-celled plants are algae and, as such, are now classified with Protista as well. If a mature organism is determined to be one-celled, then it must be either a bacterium (prokaryotic) or a fungus or protist (eukaryotic). All animals and plants develop from embryos that by definition combine two complementary sets of chromosomes (i.e., they are diploids at some stage in their development). They are all multicellular eukaryotes. But though there are no one-celled plants or animals, there are indeed myriad many-celled protists. Multicellularity evolved not only in the ancestors to the plants and the animals but also in the bacteria, the protists, and the fungi.

All eukaryotic cells undergo some form of mitosis, a sequence of cell division events that occurs after chromosomal DNA protein replication. Mitosis ensures that chromosomal DNA and protein are equally distributed to the offspring cells. Mitosis is the most distinctive activity of eukaryotic cells, which have nucleoprotein chromosomes in their nuclei and a membrane that separates the nucleus from the cytoplasm. In mitosis, mitochondria, which are usually present in the cytoplasm as well as in the chloroplasts of algae and plants, are smoothly distributed with the chromosomes to offspring cells. The Golgi apparatus and endoplasmic reticulum (ER), an intricately convoluted structure, serve to anchor many cytoplasmic enzymes excluded from mitochondria or chloroplasts. They also divide and are distributed in mitosis.

Nuclei, chromosomes, mitochondria, chloroplasts, ER, and nuclear membranes are all absent in prokaryotes. Prokaryotic cells, which include all the cyanobacteria (formerly called blue-green algae), are bacteria in every way. Division is nonmitotic in all prokaryotes. Bacteria lack nucleoprotein and a nuclear membrane, and, when chromosome stain is applied, only fuzz or nothing is seen. Whereas all eukaryotic cells have more than one chromosome and sometimes over a thousand, the genes of prokaryotic cells are organized into a single “chromoneme” or “genophore.” (The term bacterial chromosome, while still in use, is, technically speaking, inaccurate.) The genes may or may not be concentrated enough to be seen, but in any case bacterial DNA floats freely in the cytoplasm. Prokaryote cell organization is less complex than that of eukaryotes. The basic question of the evolution of prokaryotes into eukaryotes—often rated the second major evolutionary mystery, after the origin of life—is thought to involve a complex series of partnerships in which distinct strains of bacteria entered each others’ bodies, merged symbiotically, and traded genes.