بیوانرژتیک میکروبی

بیوانرژتیک میکروبی مطالعه چگونگی جذب، ذخیره و استفاده از انرژی توسط میکروب‌ها است که بر مبنای واحدهای جهانی ATP و نیروی محرکه پروتونی متمرکز است.

Definition

بیوانرژتیک میکروبی شاخه‌ای از فیزیولوژی میکروبی است که به ترمودینامیک و مکانیسم‌های جذب و حفظ انرژی، به ویژه تولید و استفاده از ATP و نیروی محرکه پروتونی می‌پردازد.

Scope

این موضوع شامل انرژی آزاد و واکنش‌های ردوکس در زیست‌شناسی؛ حامل‌های الکترون و زنجیره انتقال الکترون؛ تولید نیروی محرکه پروتونی و استفاده از آن توسط ATP سنتاز؛ فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا در مقابل فسفوریلاسیون اکسیداتیو؛ و محدودیت‌های انرژی‌زایی است که استراتژی‌های متابولیکی ممکن را تعیین می‌کنند. این مبحث اساس ترمودینامیکی و مکانیکی برای درک تمام متابولیسم میکروبی را فراهم می‌کند.

Core questions

• چگونه واکنش‌های ردوکس انرژی را آزاد می‌کنند که سلول‌ها می‌توانند آن را جذب کنند؟
• نیروی محرکه پروتونی چگونه تولید و استفاده می‌شود؟
• چه چیزی فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا را از فسفوریلاسیون اکسیداتیو متمایز می‌کند؟
• چه محدودیت‌های ترمودینامیکی استراتژی‌های انرژی میکروبی را محدود می‌کنند؟

Key concepts

• انرژی آزاد و پتانسیل ردوکس
• حامل‌های الکترون و زنجیره انتقال الکترون
• نیروی محرکه پروتونی
• ATP سنتاز
• فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا در مقابل فسفوریلاسیون اکسیداتیو

Key theories

جفت‌شدگی شیمی‌اسمتیک

انتقال الکترون، پروتون‌ها را از عرض یک غشاء پمپ می‌کند تا یک گرادیان الکتروشیمیایی، یعنی نیروی محرکه پروتونی، ایجاد کند که جریان بازگشتی آن از طریق ATP سنتاز، تشکیل ATP را به حرکت در می‌آورد و جریان الکترون را به حفظ انرژی پیوند می‌زند.

Mechanisms

واکنش‌های تولیدکننده انرژی، الکترون‌ها را از دهنده به پذیرنده‌هایی با پتانسیل کاهش بالاتر منتقل می‌کنند و انرژی آزاد را آزاد می‌سازند. در متابولیسم تنفسی، این انرژی باعث پمپ شدن پروتون‌ها از عرض یک غشاء می‌شود و نیروی محرکه پروتونی را ایجاد می‌کند که از یک گرادیان بار و یک گرادیان pH تشکیل شده است. نیروی محرکه پروتونی، ATP سنتاز را برای ساخت ATP به حرکت در می‌آورد و همچنین باعث انتقال و حرکت می‌شود، در حالی که متابولیسم تخمیری به جای آن به فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا متکی است.

Clinical relevance

اصول بیوانرژتیک توضیح می‌دهد که چگونه میکروب‌های متنوع انرژی را از محیط خود استخراج می‌کنند و چرا برخی ترکیبات ضدمیکروبی با فروپاشی نیروی محرکه پروتونی عمل می‌کنند، که این امر انرژی‌زایی بنیادی را به بقا و کنترل میکروبی مرتبط می‌سازد.

History

پیتر میچل فرضیه شیمی‌اسمز را در سال 1961 پیشنهاد کرد و آن را در طول دهه بعدی توسعه داد، که ایده‌های قبلی در مورد یک واسطه شیمیایی پرانرژی را رد کرد و به عنوان توضیح یکپارچه حفظ انرژی بیولوژیکی شناخته شد.

Key figures

• Peter Mitchell
• Jennifer Moyle

Seminal works

• mitchell1966
• madigan2018

Frequently asked questions

تفاوت بین فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا و فسفوریلاسیون اکسیداتیو چیست؟

فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا ATP را مستقیماً با انتقال یک گروه فسفات از یک واسطه پرانرژی تشکیل می‌دهد، در حالی که فسفوریلاسیون اکسیداتیو از نیروی محرکه پروتونی تولید شده توسط انتقال الکترون برای به حرکت درآوردن ATP سنتاز استفاده می‌کند. بیشتر سلول‌های تنفس‌کننده از هر دو استفاده می‌کنند، اما سلول‌های تخمیرکننده به فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا متکی هستند.