متابولیسم باکتریایی—هوازی و بی‌هوازی

متابولیسم انرژی باکتریایی مجموعه‌ای از مسیرهایی است که باکتری‌ها از طریق آن‌ها انرژی را از مواد مغذی استخراج کرده و آن را به صورت ATP و نیروی محرکه پروتونی ذخیره می‌کنند. باکتری‌ها از نظر متابولیکی متنوع هستند: برخی به اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون نیاز دارند (تنفس هوازی)، برخی دیگر از پذیرنده‌های جایگزین یا هیچ پذیرنده‌ای استفاده نمی‌کنند (تنفس بی‌هوازی و تخمیر)، و بسیاری از آن‌ها می‌توانند بسته به در دسترس بودن اکسیژن بین حالت‌های مختلف جابجا شوند.

Definition

متابولیسم باکتریایی شامل واکنش‌های کاتابولیک و آنابولیک سلول‌های باکتریایی است؛ متابولیسم هوازی از اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می‌کند، در حالی که متابولیسم بی‌هوازی انرژی را بدون اکسیژن، یا از طریق تنفس بر روی پذیرنده‌های جایگزین یا از طریق تخمیر، ذخیره می‌کند.

Scope

این موضوع راهبردهای اصلی تولید انرژی در باکتری‌ها—تنفس هوازی، تنفس بی‌هوازی با پذیرنده‌های الکترون جایگزین، و تخمیر—را به همراه طبقه‌بندی باکتری‌ها بر اساس رابطه آن‌ها با اکسیژن و تنظیماتی که به سلول‌ها اجازه می‌دهد مطلوب‌ترین مسیر را انتخاب کنند، پوشش می‌دهد. این یک موضوع مرجع در فیزیولوژی میکروبی است و راهنمایی بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• باکتری‌ها چگونه انرژی را از طریق تنفس و تخمیر ذخیره می‌کنند؟
• چه چیزی تنفس هوازی را از تنفس بی‌هوازی متمایز می‌کند؟
• باکتری‌ها چگونه بر اساس رابطه خود با اکسیژن طبقه‌بندی می‌شوند؟
• سلول‌ها چگونه تنظیم می‌کنند که از کدام مسیر انرژی استفاده کنند؟

Key concepts

• تنفس در مقابل تخمیر
• پذیرنده‌های نهایی الکترون (اکسیژن، نیترات، سولفات، فومارات)
• زنجیره انتقال الکترون و نیروی محرکه پروتونی
• هوازی‌های اجباری، بی‌هوازی‌های اجباری، بی‌هوازی‌های اختیاری، و میکروآئروفیل‌ها
• سرکوب کاتابولیت کربن
• کنترل ردوکس بیان ژن

Mechanisms

در تنفس، الکترون‌ها از یک دهنده از طریق زنجیره انتقال الکترون به یک پذیرنده نهایی منتقل می‌شوند و نیروی محرکه پروتونی ایجاد می‌کنند که سنتز ATP را به حرکت در می‌آورد؛ تنفس هوازی از اکسیژن استفاده می‌کند، در حالی که تنفس بی‌هوازی از پذیرنده‌هایی مانند نیترات، سولفات یا فومارات استفاده می‌کند (Madigan و همکاران، 2018؛ White و همکاران، 2017). در تخمیر، هیچ پذیرنده الکترون خارجی استفاده نمی‌شود و ATP از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا تولید می‌شود، با مولکول‌های آلی که به عنوان گیرنده‌های الکترون داخلی عمل می‌کنند. باکتری‌ها اکسیژن و وضعیت ردوکس را حس می‌کنند و بیان ژن را بر این اساس تنظیم می‌کنند (Bauer و همکاران، 1999)، و آن‌ها ترجیحاً مطلوب‌ترین منبع کربن را از طریق سرکوب کاتابولیت کربن مصرف می‌کنند (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

نیاز باکتری به اکسیژن به توضیح این که در کجای بدن رشد می‌کند و چگونه در آزمایشگاه بازیابی می‌شود کمک می‌کند، و متابولیسم بی‌هوازی مشخصه ارگانیسم‌هایی است که در مکان‌هایی با اکسیژن کم یافت می‌شوند. محصولات تخمیر نیز برای تمایز باکتری‌ها در شناسایی تشخیصی استفاده می‌شوند. این موضوع این اصول متابولیکی را برای درک توضیح می‌دهد و مبنایی برای تصمیم‌گیری‌های درمانی نیست.

History

شناخت این که باکتری‌ها می‌توانند با یا بدون اکسیژن زندگی کنند به مطالعات لوئی پاستور در قرن نوزدهم در مورد تخمیر و تمایز او بین زندگی هوازی و بی‌هوازی بازمی‌گردد. قرن بیستم اساس شیمی‌اسمتیک ذخیره انرژی و تنوع پذیرنده‌های نهایی الکترون مورد استفاده توسط باکتری‌ها را روشن کرد، و کارهای بعدی به تفصیل نشان داد که چگونه سلول‌ها اکسیژن و وضعیت ردوکس را برای تنظیم متابولیسم خود حس می‌کنند (Bauer و همکاران، 1999) و چگونه آن‌ها مواد مغذی را از طریق سرکوب کاتابولیت اولویت‌بندی می‌کنند (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

تفاوت بین تنفس هوازی و بی‌هوازی در باکتری‌ها چیست؟

هر دو از زنجیره انتقال الکترون برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند، اما تنفس هوازی از اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده می‌کند، در حالی که تنفس بی‌هوازی از پذیرنده‌های جایگزین مانند نیترات، سولفات یا فومارات استفاده می‌کند.

تخمیر چه تفاوتی با تنفس دارد؟

تخمیر ATP را از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا بدون پذیرنده الکترون خارجی یا زنجیره انتقال الکترون تولید می‌کند و از مولکول‌های آلی به عنوان گیرنده‌های الکترون داخلی استفاده می‌کند، بنابراین انرژی بسیار کمتری نسبت به تنفس تولید می‌کند.