Μεταβολισμός Βακτηρίων—Αερόβιος και Αναερόβιος

Ο ενεργειακός μεταβολισμός των βακτηρίων είναι το σύνολο των οδών μέσω των οποίων τα βακτήρια εξάγουν ενέργεια από θρεπτικά συστατικά και τη συντηρούν ως ATP και ως κινητική δύναμη πρωτονίων. Τα βακτήρια είναι μεταβολικά ποικιλόμορφα: ορισμένα απαιτούν οξυγόνο ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων (αερόβια αναπνοή), άλλα χρησιμοποιούν εναλλακτικούς δέκτες ή κανέναν (αναερόβια αναπνοή και ζύμωση), και πολλά μπορούν να αλλάζουν τρόπους λειτουργίας ανάλογα με τη διαθεσιμότητα οξυγόνου.

Definition

Ο μεταβολισμός των βακτηρίων περιλαμβάνει τις καταβολικές και αναβολικές αντιδράσεις των βακτηριακών κυττάρων· ο αερόβιος μεταβολισμός χρησιμοποιεί οξυγόνο ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων, ενώ ο αναερόβιος μεταβολισμός συντηρεί ενέργεια χωρίς οξυγόνο, είτε μέσω αναπνοής με εναλλακτικούς δέκτες είτε μέσω ζύμωσης.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τις κύριες στρατηγικές παραγωγής ενέργειας των βακτηρίων—αερόβια αναπνοή, αναερόβια αναπνοή με εναλλακτικούς δέκτες ηλεκτρονίων και ζύμωση—μαζί με την ταξινόμηση των βακτηρίων βάσει της σχέσης τους με το οξυγόνο και τη ρύθμιση που επιτρέπει στα κύτταρα να επιλέγουν την πλέον ευνοϊκή οδό. Αποτελεί θέμα αναφοράς στη μικροβιακή φυσιολογία και δεν παρέχει κλινική καθοδήγηση.

Core questions

• Πώς συντηρούν τα βακτήρια ενέργεια μέσω αναπνοής και ζύμωσης;
• Τι διακρίνει την αερόβια από την αναερόβια αναπνοή;
• Πώς ταξινομούνται τα βακτήρια βάσει της σχέσης τους με το οξυγόνο;
• Πώς ρυθμίζουν τα κύτταρα ποια ενεργειακή οδό χρησιμοποιούν;

Key concepts

• Αναπνοή έναντι ζύμωσης
• Τελικοί δέκτες ηλεκτρονίων (οξυγόνο, νιτρικά, θειικά, φουμαρικό)
• Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και κινητική δύναμη πρωτονίων
• Υποχρεωτικά αερόβια, υποχρεωτικά αναερόβια, προαιρετικά αναερόβια και μικροαερόφιλα
• Καταστολή άνθρακα-καταβολίτη
• Ρύθμιση γονιδιακής έκφρασης μέσω οξειδοαναγωγής

Mechanisms

Στην αναπνοή, τα ηλεκτρόνια από έναν δότη περνούν μέσω μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων σε έναν τελικό δέκτη, παράγοντας μια κινητική δύναμη πρωτονίων που οδηγεί τη σύνθεση ATP· η αερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί οξυγόνο, ενώ η αναερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί δέκτες όπως νιτρικά, θειικά ή φουμαρικό (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Στη ζύμωση, δεν χρησιμοποιείται εξωτερικός δέκτης ηλεκτρονίων και το ATP παράγεται με φωσφορυλίωση επιπέδου υποστρώματος, με οργανικές ενώσεις να χρησιμεύουν ως εσωτερικοί δέκτες ηλεκτρονίων. Τα βακτήρια ανιχνεύουν το οξυγόνο και την οξειδοαναγωγική κατάσταση και προσαρμόζουν τη γονιδιακή τους έκφραση αναλόγως (Bauer et al., 1999), και καταναλώνουν κατά προτίμηση την πλέον ευνοϊκή πηγή άνθρακα μέσω καταστολής άνθρακα-καταβολίτη (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Η απαίτηση ενός βακτηρίου για οξυγόνο βοηθά στην εξήγηση του πού στο σώμα αναπτύσσεται και πώς ανακτάται στο εργαστήριο, και ο αναερόβιος μεταβολισμός είναι χαρακτηριστικός οργανισμών που βρίσκονται σε θέσεις με λίγο οξυγόνο. Τα προϊόντα ζύμωσης χρησιμοποιούνται επίσης για τη διάκριση βακτηρίων στη διαγνωστική ταυτοποίηση. Αυτό το θέμα περιγράφει αυτές τις μεταβολικές αρχές για κατανόηση και δεν αποτελεί βάση για αποφάσεις θεραπείας.

History

Η αναγνώριση ότι τα βακτήρια μπορούν να ζουν με ή χωρίς οξυγόνο χρονολογείται από τις μελέτες του Louis Pasteur τον δέκατο ένατο αιώνα για τη ζύμωση και τη διάκρισή του μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας ζωής. Ο εικοστός αιώνας διευκρίνισε τη χημειωτική βάση της συντήρησης ενέργειας και την ποικιλομορφία των τελικών δεκτών ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια, και μεταγενέστερες εργασίες λεπτομέρειασαν πώς τα κύτταρα ανιχνεύουν το οξυγόνο και την οξειδοαναγωγική κατάσταση για να ρυθμίσουν τον μεταβολισμό τους (Bauer et al., 1999) και πώς ιεραρχούν τα θρεπτικά συστατικά μέσω καταστολής καταβολιτών (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας αναπνοής στα βακτήρια;

Και οι δύο χρησιμοποιούν αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων για τη συντήρηση ενέργειας, αλλά η αερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί οξυγόνο ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων, ενώ η αναερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί εναλλακτικούς δέκτες όπως νιτρικά, θειικά ή φουμαρικό.

Πώς διαφέρει η ζύμωση από την αναπνοή;

Η ζύμωση παράγει ATP με φωσφορυλίωση επιπέδου υποστρώματος χωρίς εξωτερικό δέκτη ηλεκτρονίων ή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, χρησιμοποιώντας οργανικές ενώσεις ως εσωτερικούς δέκτες ηλεκτρονίων, επομένως αποδίδει πολύ λιγότερη ενέργεια από την αναπνοή.