Роль кислорода в жизни живых организмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

анаэробный дыхание органический субстрат

Введение

1. Роль кислорода в жизни живых организмов

2. Кислород в воздухе

3. Анаэробные организмы

4. Анаэробное дыхание

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В процессе обмена веществ для большинства представителей животного мира значительную роль играет кислород. Он участвует в дыхании. Дыхание является одним из основных процессов обмена веществ живого организма. Для жизнедеятельности организмов, т. е. для их развития, размножения и роста, а также для синтеза различных органических соединений, входящих в состав клетки, необходимо много энергии. Организмы удовлетворяют свою потребность в энергии благодаря процессам дыхания.

Дыхание - это физиологический процесс, обеспечивающий нормальное течение метаболизма (обмена веществ и энергии) живых организмов и способствующий поддержанию гомеостаза (постоянства внутренней среды), получая из окружающей среды кислород (О2) и отводя в окружающую среду в газообразном состоянии некоторую часть продуктов метаболизма организма (СО2, H2O и другие).

При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление - отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород. По способу дыхания организмы делятся на 2 группы: анаэробы, могут обходиться без кислорода, и аэробы, не могут обойтись без кислорода.

1. Роль кислорода в жизни живых организмов

В процессе обмена веществ для большинства представителей животного мира значительную роль играет кислород. Он участвует в дыхании -- цепочке химических реакций, по характеру своему напоминающих горение. Высокомолекулярные энергоемкие соединения, например углеводы, под воздействием кислорода переходят в низкомолекулярные, бедные энергией -- такие, как двуокись углерода и вода. При этом часть энергии высвобождается. Процесс дыхания по начальным и конечным его продуктам можно представить формулой C₆H₁₂O₆+6O₂ > 6CO₂+6H₂O+674 ккал, при этом на окисление 180 г (1 моль = грамм-молекула) глюкозы требуется 192 г кислорода, расходующегося затем на образование 264 г углекислого газа и 108 г воды.

Таким образом, при дыхании кислород постепенно перерабатывается в другой газ -- углекислый. Только тогда, когда возможен процесс, высвобождающий энергию, организм может удовлетворять свою потребность в кислороде и освобождаться от двуокиси углерода. Постоянный газовый обмен со средой имеет для животных первостепенное значение, так как создание запасов кислорода в организме невозможно. Если окружающая среда бедна кислородом, наступает сначала одышка, удушье, а затем и смерть. Все живые существа в природе, за исключением немногих микроорганизмов, при дыхании потребляют кислород. Дыхание -- одна из основных функций живого организма. Оно основано на поглощении кислорода из окружающей среды и возвращении в нее углекислого газа. У небольших животных организмов, например дождевых червей, у которых отношение поверхности тела к их объему достаточно велико, дыхание совершается через покровы. Обязательным условием этого простейшего вида дыхания является постоянная влажность кожи. Кислород воздуха, растворяясь в жидкости, смачивающей кожу, проникает в организм путем диффузии. У животных организмов с более энергичной жизнедеятельностью газовый обмен с внешней средой совершается через специальные органы дыхания. У большинства насекомых таким органом служат трахеи -- система тонких трубок-капилляров, выходящих на поверхность кожи парными отверстиями -- дыхальцами. Внутри эти трубки разветвляются, проникая во все части тела. При дыхании насекомого создается как бы всасывание и выталкивание газов из трахей, что обеспечивает постоянный приток кислорода в организм. Дыхание у рыб осуществляется при помощи жабер, обладающих сильно развитой поверхностью. Жабры состоят из выростов, густо оплетенных кровеносными сосудами. Снаружи жабры защищены жаберными крышками. Рыбы всасывают воду через ротовое отверстие и, омывая жабры, выталкивают ее наружу из-под жаберных крышек. Растворенный в воде кислород диффузией проникает через тонкие пленки выростов жабер и, поглощаясь кровью, разносится по всему организму. Происходит окисление клеток. Образующийся углекислый газ захватывается кровью и через жабры уходит в воду. Потребление кислорода человеком и большинством животных на земле происходит через легкие и частично через кожу. Человек начинает потреблять кислород с первого момента своего появления на свет. Первый вдох у новорожденного обычно происходит самопроизвольно, но иногда его приходится вызывать искусственно. Шлепком по телу младенца вызывают соответствующее раздражение дыхательных органов, которые после первого вдоха не прекращают своей работы до конца жизни.

Поглощение кислорода.

У мелких животных клетки, предназначенные для поглощения кислорода, находятся почти на поверхности тела, и газовый обмен происходит через кожу. Для животных больших размеров такой способ дыхания становится недостаточным. Тогда «газообменные поверхности» сменяются специальными органами дыхания. Наземные животные имеют сложные дыхательные системы, в которых огромные площади предназначены для обмена кислорода и углекислого газа, -- это, например, трахеи, по которым у насекомых воздух поступает к местам его поглощения в тканях. Многие наземные животные имеют развитые легкие с особыми многочисленными пузырьками, благодаря которым общая поверхность легких во много раз превышает поверхность тела животного. То же самое мы видим и в жабрах, органах дыхания животных, обитающих в воде. Здесь дыхательная поверхность увеличивается за счет особых пластинок, которые омывает вода. Транспортировку газа к местам его потребления в тканях и обратно к органам дыхания осуществляет кровеносная система.

Транспортировка кислорода.

Кровь взрослого организма содержит около литра кислорода, связанного в красных кровяных тельцах -- гемоглобине. С помощью гемоглобина кислород поступает в ткани, где он усваивается. Высвобождение кислорода происходит тогда, когда его концентрация в среде становится недостаточной. Так содержание кислорода в тканях поддерживается кровью. Кровь, обедненная кислородом, возвращается к органам дыхания, где в условиях низкого парциального давления атмосферного кислорода в ней происходит окисление гемоглобина. Обмен углекислого газа происходит приблизительно так же, только двуокись углерода содержится в основном в плазме крови и в меньшей степени в красных кровяных тельцах в виде гидрокарбоната натрия или калия. Таким образом, обменные свойства гемоглобина заключаются не только в регулировании содержания кислорода, но и в поддержании соответствующих концентраций углекислого газа. Это означает, что повышение содержания двуокиси углерода в воздухе или в воде должно сопровождаться соответствующим повышением концентрации кислорода, так как между обоими газами должно сохраняться определенное равновесие.

2. Кислород в воздухе

Наземные животные поглощают кислород из воздуха и в воздух же выделяют углекислый газ. В среднем в воздухе содержится 21% (по объему) кислорода -- это намного больше, чем в воде, где его не более 1% (по объему). Данные цифры позволяют предположить, что различное содержание кислорода в этих двух средах имеет экологические последствия. Благодаря движению воздушных масс происходит постоянное перемешивание воздуха, и содержание кислорода и углекислого газа обычно выравнивается. Снижение концентрации кислорода на больших высотах происходит параллельно со снижением давления воздуха. В высокогорных областях содержание кислорода в воздухе служит границей распространения многих видов животных. Людям, поднимающимся высоко в горы, необходимо поддерживать нужное количество кислорода при помощи специальных устройств -- кислородных аппаратов.

На низких и средних высотах может также наблюдаться непродолжительное изменение соотношения кислорода и углекислого газа в воздухе. Например, в не потерявших листву лесах в безветренные ночи содержание двуокиси углерода может возрасти даже в десять раз, что происходит за счет процесса дыхания. Но на областях распространения животных это не сказывается, так как потом за счет дневного фотосинтеза все снова приходит в норму. Доказано, что в распространении видов животных, обитающих на поверхности суши, кислород не играет решающей роли. Но приходится сомневаться, всегда ли так будет. Данные о загрязнении воздушного пространства в промышленных центрах привели к необходимости интенсивного исследования газов окружающей среды. Стало известно, что содержание углекислого газа, составляющее обычно только 0,03% (по объему), может возрасти в безветренные дни над большими городами в десятки раз. Эта двуокись углерода является одним из выделяющихся в большом количестве конечных продуктов сгорания угля и нефти. Количество двуокиси углерода в пространстве распределяется при этом так: 36% приходится на области ассимиляции и на заселенные животными пространства, 14 -- на океаны и около 50% содержится в атмосфере, где количество углекислого газа наиболее постоянно.

В наш век содержание двуокиси углерода в атмосфере возросло на 15%, и если ее увеличение будет происходить и дальше такими же темпами, то можно ожидать, что к 2000 году количество углекислого газа в атмосфере удвоится. Можно себе представить, что означают эти процессы в поглощении кислорода. Так, при сгорании 100 л бензина расходуется количество кислорода, достаточное для дыхания одного человека в течение года. По последним данным, один гектар соснового леса дает в год около 30 т кислорода -- столько, сколько требуется в год для дыхания девятнадцати человек. Гектар лиственного леса выделяет около 16, а гектар сельскохозяйственных угодий -- от 3 до 10 т кислорода в год. К 1980 году потеря лесных угодий в Федеративной Республике Германии составила 500 тыс. гектаров, в то время как кислород в ней потребляли дополнительно свыше десяти миллионов человек. Соотношение между углекислым газом и кислородом в атмосфере значительно изменено, и мы уже стоим на пороге, выводящем нас за пределы тех условий, в которых возможно существование человека.

3. Анаэробные организмы

Анаэробы -- организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Анаэробы -- это обширная группа организмов, как микро-, так и макроуровня:

* Анаэробные микроорганизмы -- обширная группа прокариотов и некоторые простейшие.

* Микроорганизмы -- грибы, водоросли и растения и некоторые животные.

Помимо этого анаэробное окисление глюкозы играет важную роль в работе поперечно-полосатой мускулатуре животных и человека (особенно в состоянии тканевой гипоксии).

Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Анаэробное дыхание -- совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов при использовании в качестве конечного акцептора протонов не кислорода, а других веществ (например, нитратов) и относится к процессам энергетического обмена (катаболизм, диссимиляция), которые характеризуются окислением углеводов, липидов и аминокислот до низкомолекулярных соединений.

Классификация анаэробов:

Согласно устоявшейся в микробиологии классификации, различают:

* Факультативные анаэробы.

* Капнеистические анаэробы и микроаэрофилы.

* Аэротолерантные анаэробы.

* Умеренно-строгие анаэробы.

* Облигатные анаэробы.

Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то его условно относят к факультативным анаэробам. До 1991 года в микробиологии выделяли класс капнеистических анаэробов, требовавших пониженной концентрации кислорода и повышенной концентрации углекислоты (Бруцеллы бычьего типа -- B. abortus).

Умеренно-строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2. Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии.

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O2 гибнут -- например, представители рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio,Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде. К облигатным анаэробам относятся некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и инфузории.

Биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O2других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.

Осуществляется прокариотами (в редких случаях -- и эукариотами) в анаэробных условиях. При этомфакультативные анаэробы используют акцепторы электронов с высоким окислительно-восстановительным потенциалом (NO3?, NO2?, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид и т. д.), у них это дыхание конкурирует сэнергетически более выгодным аэробным и подавляется кислородом. Акцепторы с низким окислительно-восстановительным потенциалом (сера, SO42?, CO2) применяются только строгими анаэробами, гибнущими при появлении в среде кислорода. В корневых системах многих растений при гипоксии и аноксии, вызванных затоплением посевов в результате длительных дождей или весенних паводков, развивается анаэробное дыхание с использованием в качестве акцепторов электронов альтернативных кислороду соединений, например нитратов. Установлено, что растения, произрастающие на полях, удобренных нитратными соединениями, переносят переувлажнение почвы и сопутствующую ему гипоксию лучше, нежели такие же растения без нитратной подкормки.

Механизмы окисления органических субстратов при анаэробном дыхании, как правило, аналогичны механизмам окисления при аэробном дыхании. Исключением является использование в качестве исходного субстрата ароматических соединений. Обычные пути их катаболизма требуют молекулярного кислорода уже на первых стадиях, в анаэробных условиях осуществляются иные процессы, например, восстановительная деароматизация бензоил-КоА у Thauera aromatica с затратой энергии АТФ. Некоторые субстраты (например, лигнин) при анаэробном дыхании не могут использоваться.

Аэробы -- микробы, хорошо развивающиеся лишь при свободном доступе кислорода и растущие, как правило, на поверхности питательных сред. Среди аэробов различают также микроаэрофилы, нуждающиеся лишь в небольшом количестве кислорода, и факультативные аэробы, которые могут расти и без доступа воздуха.

Аэробы [от греч. aer -- воздух и b(ios) -- жизнь] -- организмы, обладающие аэробным типом дыхания, то есть способностью жить и развиваться только при наличии в воздухе свободного кислорода. Аэробы используют в качестве источника для жизнедеятельности клеток энергию, высвобождающуюся при окислении органических соединений до CO2 и H2O в присутствии молекулярного кислорода. К аэробам относятся все высшие организмы (животные и растения), а также большая группа микроорганизмов.

По отношению аэробов к кислороду их делят на облигатные (безусловные), или аэрофилы, которые не могут развиваться в отсутствии свободного кислорода, и факультативные (условные), способные развиваться при пониженном содержании кислорода в окружающей среде. Группа облигатных А. включает ряд микроорганизмов-сапрофитов, обитающих в почве, водоемах и воздухе и принимающих активное участие в круговороте веществ в природе. Сюда относятся бактерии, дыхание которых осуществляется через непосредственное окисление метана (Вас. methanicus и др.), сероводорода (Sulfomonas denitrificans и др.), водорода (Вас. hydrogenes), азота (Nitrosomonas, Nitrobacter), железа (Ferri bacterium). Из патогенных микроорганизмов к облигатным аэробам относятся представители родов Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella и др. Микобактерии туберкулеза, возбудители туляремии и холеры требуют для своего существования повышенного содержания кислорода. К факультативным А. принадлежат плесени, грибки, актиномицеты, а также патогенные бактерии из родов Salmonella, Shigella, Escherichia и др. Диапазон колебаний концентрации кислорода, при которой могут существовать А., очень широк: максимальное парциальное давление кислорода для некоторых А. составляет 15--20 атм., а минимальное --0,1--0,5 атм. А. могут довольствоваться относительно небольшим запасом кислорода и способны развиваться в довольно глубоких слоях почвы.

4. Анаэробное дыхание

Аэробное дыхание - процесс освобождения заключенной в органических веществах энергии для жизнедеятельности организма, при котором в качестве окислителя веществ используется свободный кислород воздуха или кислород, растворенный в воде. Аэробное дыхание ведут животные и растения, а также микроорганизмы.

Появление аэробного дыхания в процессе эволюции.

Кислородная среда является достаточно агрессивной по отношению к микроорганизму. Умеренно-строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным O2, однако не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2. Если организм не способен «переключиться» с анаэробного типа дыхания на аэробный, но не гибнет в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэротолерантных анаэробов. Например, молочнокислые и многие маслянокислые бактерии.

Облигатные анаэробы в присутствии молекулярного кислорода O2 гибнут - например, представители рода бактерий и архей: Bacteroides, Fusobacterium, Butyrivibrio, Methanobacterium). Такие анаэробы постоянно живут в лишенной кислорода среде.

Поэтому, когда среда всей планеты много миллионов лет тому назад стала накапливать в себе большое количество молекулярного кислорода, большинство микроорганизмов погибло. Только малая часть смогла приспособиться и начать использовать кислород для дыхания, что дало им большое преимущество. А анаэробы остались развиваться в почве и бескислородных средах.

Плюсы и минусы аэробного дыхания

Микроаэрофильный организм -- микроорганизм, требующий, в отличие от строгих анаэробов, для своего роста присутствия кислорода в атмосфере или питательной среде, но в пониженных концентрациях по сравнению с содержанием кислорода в обычном воздухе или в нормальных тканях организма хозяина (в отличие от аэробов, для роста которых необходимо нормальное содержание кислорода в атмосфере или питательной среде). Многие микроаэрофилы так же являются капнофилами, то есть им требуется повышенная концентрация углекислого газа. В лаборатории такие организмы легко культивируются в «свечной банке». «Свечная банка» это ёмкость, в которую перед запечатыванием воздухонепроницаемой крышкой вносят горящую свечу. Пламя свечи будет гореть до тех пор, пока не потухнет от недостатка кислорода, в результате чего в банке образуется атмосфера, насыщенная диоксидом углерода, с пониженным содержанием кислорода.

Многие, но не все, микроаэрофильные бактерии плохо переносят нормальные или повышенные концентрации кислорода в атмосфере, а также проявляют чувствительность к антибактериальным препаратам, действие которых имитирует действие атомарного кислорода (повышение образования свободных радикалов), а именно книтроимидазолам, в частности метронидазолу, тинидазолу.

Метаболизм.

Распространено представление, что облигатные анаэробы погибают в присутствии кислорода из-за отсутствия ферментов супероксиддисмутазы и каталазы, которые перерабатывают смертельный супероксид, образующийся в их клетках при наличии кислорода. Хотя в некоторых случаях это действительно так, тем не менее, у некоторых облигатных анаэробов была обнаружена активность вышеупомянутых ферментов, а в их геномах были найдены гены, ответственные за эти ферменты и родственные белки. К таким облигатным анаэробам относятся, например, Clostridium butyricum и Methanosarcina barkeri. И всё же эти организмы неспособны существовать в присутствии кислорода.

Имеется несколько других гипотез, объясняющих, почему строгие анаэробы чувствительны к кислороду:

1. Разлагаясь, кислород увеличивает окислительно-восстановительный потенциал среды, а высокий потенциал, в свою очередь, подавляет рост некоторых анаэробов. Например, метаногены растут при окислительно-восстановительном потенциале менее -0,3 V.

2. Сульфид является неотъемлемой составляющей некоторых ферментов, а молекулярный кислород окисляет сульфид додисульфида и тем самым нарушает активность фермента.

3. Рост может подавляться отсутствием доступных для биосинтеза электронов, так как все электроны идут на восстановление кислорода.

Наиболее вероятно, что чувствительность строгих анаэробов к кислороду обусловлена этими факторами в совокупности.

Вместо кислорода облигатные анаэробы используют альтернативные акцепторы электронов для клеточного дыхания, как то: сульфаты, нитраты, железо, марганец, ртуть, угарный газ (CO). Например, сульфатредуцирующие бактерии, в большом количестве обитающие в придонных морских отложениях, обусловливают запах тухлых яиц в этих местах из-за выделения сероводорода. Энергия, выделяющаяся при таких дыхательных процессах, меньше, чем при кислородном дыхании, и вышеперечисленные альтернативные акцепторы электронов не дают равное количество энергии.

Заключение

Всем живым организмам на нашей земле присущ такой биологический процесс, как дыхание. Кислород является основной составляющей воздуха, который в свою очередь используется живыми организмами во время этого процесса. По способу дыхания живые организмы делятся на два вида:

- анаэробы;

- аэробы.

Анаэробы в процессе своей жизнедеятельности могут обходиться без кислорода. Аэробы же наоборот, не могут обойтись без кислорода, они имеют к нему неограниченный доступ. Они могут жить и развиваться только при наличии в воздухе свободного кислорода.

Аэробное дыхание не является залогом успеха развития микроорганизма. У него есть свои недостатки: например, окислительный стресс; также для него требуется больше затрачивать энергию. Но, тем не менее, именно аэробное дыхание выиграло в процессе эволюции - практически все многоклеточные организмы являются аэробами, следовательно, аэробное дыхание - залог развития и преумножения жизни на Земле.

Список использованной литературы

1. Практикум по микробиологии. Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева; «Дрова», 2004.

2. Биология, 10 класс.

3. Ветеринарная экология. Д. Уразаев, В. Трухачев. «Колос», 2002.

4. Общая и ветеринарная экология. В.Н. Кисленко. «Колос», 2006.

Размещено на Allbest.ru