Organizmy wytwarzają swoje kopie. Na proces ten składają się produkcja biomasy(biosynteza) i praca (przetwarzanie i rozpraszanie energii). Aby te procesy zaszły, potrzebne jest źródło oraz musi istnieć potencjał redoks :donor i akceptor elektronów. Przepływ elektronów od donora do akceptora, albo równoważny przepływ protonów w przeciwnym kierunku niesie energię zdolną do wykonania pracy.

Substraty budulcowe - C (jako budulec / donor elektronów) ,H,O,S,N i inne pierwiastki utlenione lub zredukowane

Źródła elektronów -NH₃,H₂S,H₂O,H₂

Akceptory elektronów - O₂,HNO₃,H₂SO₄

Zapas substratów w biosferze jest skończony, w pewnym momencie dobór ewolucji poparł zwierzęta czerpiące energię z kwantów światła. Dzięki temu nastąpiło zamknięcie cykli obiegu pierwiastków. Od tego czasu (2mln lat) na Ziemi trwa nieprzerwany proces redoks.

Życie w biosferze objawia się jako ustawiczny, cykliczny proces utleniania i redukcji związków węgla, zasilany energią słoneczną.

Zredukowane związki węgla tworzą polimery organiczne (polisacharydy).Cząsteczki zredukowanych związków węgla zawierają więcej energii niż węgiel utlenowany, dlatego proc. redukcji wymaga dostarczenia energii. Energia ta jest zwracana przy utlenianiu związków organicznych i po odliczeniu nieuniknionego wzrostu entropii może być wykorzystana do zasilenia innych endogenicznych reakcji.

Tylko organizmy żywe potrafią wykorzystać źródła zewnętrzne do redukcji utlenionych (nieorganicznych) związków węgla i b. wydajnie (małe straty cieplne) zagospodarowują energię wyzwalaną przy utlenianiu.

Reakcje redoks - oddawanie elektronów przez reduktor dla utleniacza. Na proces redoks zawsze składają się dwie reakcje połówkowe, np. utlenienie wodoru i redukcji tlenu

2H₂+O₂=2H₂O

W reakcjach redoks utleniacze i reduktory mogą pełnić te same substancje, w zależności od tego, czy jej partner ma większy czy mniejszy potencjał redoks. Spotkanie dwóch cząsteczek różniących sie znaczenie potencjałem redoks - spontaniczna reakcja, wydzielenie się wolnej energii. Dostarczenie energii z zewnątrz umożliwia przeprowadzenie reakcji wbrew spontanicznemu kierunkowi.

Wartość potencjału zależy od stężenia substratów, temperatury oraz pH, dlatego podaje się go dla warunków standardowych. Dla reakcji biologicznych - 1M, temp.25˚C, pH = 7

Najwyższy potencjał utleniający ma wolny tlen, w stosunku do tlenu w związkach, najniższy - związki organiczne węgla w stosunku do utlenionego węgla w cząsteczce. Te dwie pary sprzężone w proces redoks - oddychanie tlenowe, dzięki dużej różnicy potencjałów dostarczają najwięcej wolnej energii.

Niewiele mniej energii uwalnia się podczas denitryfikacji - utlenienia się organicznego związku węgla i redukcja azotanu do azotu cząsteczkowego.

Utlenianie kosztem związku kosztem redukcji siarczanu - znacznie mniej energii.

Utlenianie następuje również podczas utleniania związków nieorganicznych tlenem, więcej podczas utleniania siarczków a mniej - grupy amonowej.

Fotosynteza roślin - wymaga dużego nakładu energii, która zostaje zakumulowana w postaci wysokiej różnicy potencjałów redoks produktów reakcji (organiczne zw. węgla i wolny tlen)

Fotosynteza bakterii - mniejszy potencjał redoks, redukcja CO₂ przy jednoczesnym utlenieniu siarkowodoru do siarki rodzimej.

W procesach biologicznych często zdarza się, że różne atomy tego samego pierwiastka ulegają utlenianiu i redukcji, np. związki węgla podczas fermentacji.

Biologicznych reakcjach chemosyntezy - redukcji ulegają atomy węgla, który jest ba wyższym stopniu utleniania w CO₂ niż w cząsteczkach cukru. Reduktorem (donorem elektronów) ulegającym utlenieniu może być H, związki azotu, S,Fe lub organiczne związki węgla.

W procesie oddychania - organiczne związki utleniają się do CO_2.

Znajomość potencjałów redoks pozwala określić, czy reakcja może przebiegać spontanicznie, z wydzieleniem energii swobodnej, ale nie informuje o szybkości danej reakcji. Jest bowiem ona ograniczona progiem aktywacji. Aby go przekroczyć, można dostarczyć ciepło, użyć katalizatorów (w układach biologicznych są to enzymy).

Obecnie w biosferze istnieje duża różnica potencjałów redoks wskutek nagromadzenia wielkiej ilości biomasy jednocześnie wolnego tlenu w atmosferze. Żywe organizmy biosfery odgrywają rolę katalizatorów, przyspieszających przebieg reakcji redoks. DZięki nim następuje ustawiczne utlenianie związków węgla, wiązanie azotu itd.

Organizmy żywe potrzebują 3 rodzajów substratów :

1. Strukturalnego - materiał do budowy własnego ciała (C,H,O,N,S)

2. Donora elektronów - utleniając dostarczy energii/umożliwi zredukowanie utlenionego substratu strukturalnego. Potrzebny do procesu biosyntezy (budowy biomasy) i uwalniania energii (oddychanie)

3. Utleniacza - akceptora elektronów

Redukcja asymilacyjna - służy do wbudowywania w nową biomasę zredukowanych związków C, siarki (-SH) i azotu (-NH₂). Małe ilości substratów, gromadzone przez organizm.

Redukcja dysymilacyjna - użycie jakiejś pary substratów w celu wykorzystania wydzielającej się enegrii. Substraty zużywane są masowo, a produkty wydalane.

Bakterie - wiele strategii metabolicznych w zależności od substratów dla poszczególnych procesów, głównie - heterotrofia - pobieranie gotowych związków organicznych i autotrofia - samodzielne produkownie materii organicznej w wyniku redukcji CO₂ lub węglanów.

Źródła węgla : CO₂ i związki organiczne

Źródła energii : utlenianie substratów i promieniownie słoneczne

Typy donorów elektronów :związki mineralne i związki organiczne

Typy akceptorów elektronów : tlen, różne związki nieorganiczne oraz związki węgla.

Największe znaczenie wśród kombinacji szlaków metabolicznych mają foto i chemolitoautotrofy oraz tlenowe i beztlenowe chemoorganoheterotrofy.

Heterotrofia, jako masowo przebiegająca reakcja chemiczna w prebiotycznej zawiesinie koloidalnej polegająca na endoenergicznym wytwarzaniu jednych związków kosztem energii uzyskanej podczas utlenienia innych związków organicznych lub nieorganicznych, poprzedzała zapewne powstawanie pierwszych organizmów.

Autotrofia - organizm sam dokonuje energochłonnej redukcji nieorganicznego węgla w celu wytworzenia związków organicznych, zużywanych następnie jako budulec lub paliwo. Pierwsze organizmy wykorzystywały energię z chemosyntezy (redukcja CO2 po utlenieniu związków mineralnych). Akceptorem elektronów może być wolny tlen albo utlenione substancje mineralne.

Bezbarwne bakterie siarkowe - donor elektronów to zredukowne związki siarki, utleniają się do siarczanu. Przedstawiciel: Thiobacillus

Bakterie nitryfikacyjne - w obecności tlenu utleniają amoniak oraz azotyny. Obligatoryjne autotrofy, pospolite. Silnie zakwaszają środowisko

Bakterie żelaziste - ulteniają żelazo z Fe⁺² na Fe⁺³ . Reakcja jest energetycznie mało wydajna, przerabiają więc dużo substratu. Wiele tych bakterii utlenia również siarkę.

Bakterie wodorowe - jako donor elektronów wykorzystują cząsteczkowy wodór, wytwarzany przez inne drobnoustroje w procesie fermentacji.

Metanotrofy - zużywają metan jako donor elektronów i jako jedyne źródło węgla. Wszystkie są tlenowcami i występują pospolicie na lądach i wodach, także w pobliżu złóż węglowodorów. Niektóre żyją jako symbionty zwierząt.

Fotoautotrofy - źródło energii = promieniowanie słoneczne. Niektóre mogą pobierać oprócz CO₂ również węgiel organiczny. Występują 2 typy fotosyntezy: tlenorodna (sinice, rośliny)gdzie donorem elektronów jest woda, rozłożona z wykorzystaniem energii świetlnej, uwalnia się wtedy tlen cząsteczkowy. Druga, beztlenowa, (bakterie zielone i purpurowe), za źródło energii bierze promieniowanie słoneczne, a donorem elektronów są obecne w środowisku zredukowane związki. Trzy grupy prowawdzą fotosyntezę beztlenową

1. Siarkowe bakterie purpurowe i zielone - beztlenowce, obligatoryjne fototrofami. Utleniają siarkę rodzimą, siarczki, tiosiarczan. Żyją w wodach beztlenowych, źródłach siarkowych itd.

2. Bakterie purpurowe i zielone - bezsiarkowe - chemo lub fototroficzne, dowolny donor elektronów - substrat organiczny, związki siarki, wodór. Najlepiej rozwijają się fotoheterotroficznie.

3. Heliobacteria - wykorzystują wyłącznie organiczne źródło węgla - jabłczan, mleczan