Bakterieller Stoffwechsel – aerob und anaerob

Der bakterielle Energiestoffwechsel umfasst die Stoffwechselwege, über die Bakterien Energie aus Nährstoffen gewinnen und als ATP sowie Protonenmotivkraft speichern. Bakterien sind metabolisch vielfältig: Einige benötigen Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor (aerobe Atmung), andere nutzen alternative Akzeptoren oder gar keine (anaerobe Atmung und Fermentation), und viele können je nach Sauerstoffverfügbarkeit zwischen den Modi wechseln.

Definition

Der bakterielle Stoffwechsel umfasst die katabolischen und anabolischen Reaktionen von Bakterienzellen; der aerobe Stoffwechsel verwendet Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor, während der anaerobe Stoffwechsel Energie ohne Sauerstoff konserviert, entweder durch Atmung an alternativen Akzeptoren oder durch Fermentation.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten energieliefernden Strategien von Bakterien – aerobe Atmung, anaerobe Atmung mit alternativen Elektronenakzeptoren und Fermentation – zusammen mit der Klassifizierung von Bakterien nach ihrer Sauerstoffbeziehung und der Regulation, die es Zellen ermöglicht, den günstigsten Stoffwechselweg zu wählen. Es handelt sich um ein Referenzthema der mikrobiellen Physiologie und gibt keine klinische Anleitung.

Core questions

• Wie konservieren Bakterien Energie durch Atmung und Fermentation?
• Was unterscheidet die aerobe von der anaeroben Atmung?
• Wie werden Bakterien nach ihrer Beziehung zu Sauerstoff klassifiziert?
• Wie regulieren Zellen, welchen Energieweg sie nutzen?

Key concepts

• Atmung versus Fermentation
• Terminale Elektronenakzeptoren (Sauerstoff, Nitrat, Sulfat, Fumarat)
• Elektronentransportkette und die Protonenmotivkraft
• Obligate Aerobier, obligate Anaerobier, fakultative Anaerobier und Mikroaerophile
• Katabolitrepression
• Redoxkontrolle der Genexpression

Mechanisms

Bei der Atmung gelangen Elektronen von einem Donor über eine Elektronentransportkette zu einem terminalen Akzeptor, wodurch eine Protonenmotivkraft erzeugt wird, die die ATP-Synthese antreibt; die aerobe Atmung verwendet Sauerstoff, während die anaerobe Atmung Akzeptoren wie Nitrat, Sulfat oder Fumarat nutzt (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Bei der Fermentation wird kein externer Elektronenakzeptor verwendet, und ATP wird durch Substratkettenphosphorylierung erzeugt, wobei organische Moleküle als interne Elektronensenken dienen. Bakterien nehmen Sauerstoff und den Redoxzustand wahr und passen die Genexpression entsprechend an (Bauer et al., 1999), und sie verbrauchen die günstigste Kohlenstoffquelle bevorzugt durch Katabolitrepression (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Der Sauerstoffbedarf eines Bakteriums hilft zu erklären, wo im Körper es wächst und wie es im Labor isoliert wird, und der anaerobe Stoffwechsel ist charakteristisch für Organismen, die an Orten mit wenig Sauerstoff vorkommen. Fermentationsprodukte werden auch zur Unterscheidung von Bakterien bei der diagnostischen Identifizierung verwendet. Dieses Thema beschreibt diese Stoffwechselprinzipien zum Verständnis und ist keine Grundlage für Behandlungsentscheidungen.

History

Die Erkenntnis, dass Bakterien mit oder ohne Sauerstoff leben können, geht auf Louis Pasteurs Studien zur Fermentation im 19. Jahrhundert und seine Unterscheidung zwischen aerobem und anaerobem Leben zurück. Das 20. Jahrhundert klärte die chemiosmotische Grundlage der Energieerhaltung und die Vielfalt der von Bakterien verwendeten terminalen Elektronenakzeptoren, und spätere Arbeiten beschrieben detailliert, wie Zellen Sauerstoff und den Redoxzustand wahrnehmen, um ihren Stoffwechsel zu regulieren (Bauer et al., 1999), und wie sie Nährstoffe durch Katabolitrepression priorisieren (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen aerober und anaerober Atmung bei Bakterien?

Beide nutzen eine Elektronentransportkette zur Energiekonservierung, aber die aerobe Atmung verwendet Sauerstoff als finalen Elektronenakzeptor, während die anaerobe Atmung alternative Akzeptoren wie Nitrat, Sulfat oder Fumarat nutzt.

Wie unterscheidet sich die Fermentation von der Atmung?

Die Fermentation erzeugt ATP durch Substratkettenphosphorylierung ohne externen Elektronenakzeptor oder Elektronentransportkette, wobei organische Moleküle als interne Elektronensenken dienen, sodass sie weitaus weniger Energie liefert als die Atmung.