बैक्टीरिया का चयापचय—वायवीय और अवायवीय

बैक्टीरिया का ऊर्जा चयापचय उन मार्गों का समूह है जिनके द्वारा बैक्टीरिया पोषक तत्वों से ऊर्जा निकालते हैं और इसे एटीपी (ATP) तथा प्रोटॉन प्रेरक बल (proton motive force) के रूप में संरक्षित करते हैं। बैक्टीरिया चयापचय की दृष्टि से विविध होते हैं: कुछ को अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है (वायवीय श्वसन), अन्य वैकल्पिक स्वीकर्ता का उपयोग करते हैं या बिल्कुल नहीं करते (अवायवीय श्वसन और किण्वन), और कई ऑक्सीजन की उपलब्धता के आधार पर तरीकों के बीच स्विच कर सकते हैं।

Definition

बैक्टीरिया का चयापचय बैक्टीरियल कोशिकाओं की अपचयी (catabolic) और उपचयी (anabolic) प्रतिक्रियाओं को समाहित करता है; वायवीय चयापचय ऑक्सीजन को अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में उपयोग करता है, जबकि अवायवीय चयापचय ऑक्सीजन के बिना ऊर्जा का संरक्षण करता है, या तो वैकल्पिक स्वीकर्ता पर श्वसन के माध्यम से या किण्वन के माध्यम से।

Scope

यह विषय बैक्टीरिया की प्रमुख ऊर्जा-उत्पादक रणनीतियों—वायवीय श्वसन, वैकल्पिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के साथ अवायवीय श्वसन, और किण्वन—के साथ-साथ ऑक्सीजन संबंध द्वारा बैक्टीरिया का वर्गीकरण और वह विनियमन जो कोशिकाओं को सबसे अनुकूल मार्ग चुनने देता है, को शामिल करता है। यह सूक्ष्मजीव शरीर विज्ञान में एक संदर्भ विषय है और नैदानिक मार्गदर्शन नहीं देता है।

Core questions

• बैक्टीरिया श्वसन और किण्वन के माध्यम से ऊर्जा का संरक्षण कैसे करते हैं?
• वायवीय और अवायवीय श्वसन में क्या अंतर है?
• ऑक्सीजन से उनके संबंध के आधार पर बैक्टीरिया को कैसे वर्गीकृत किया जाता है?
• कोशिकाएं किस ऊर्जा मार्ग का उपयोग करती हैं, इसे कैसे विनियमित करती हैं?

Key concepts

• श्वसन बनाम किण्वन
• अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (ऑक्सीजन, नाइट्रेट, सल्फेट, फ्यूमरेट)
• इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला और प्रोटॉन प्रेरक बल
• अनिवार्य वायवीय (obligate aerobes), अनिवार्य अवायवीय (obligate anaerobes), वैकल्पिक अवायवीय (facultative anaerobes), और सूक्ष्मवायवीय (microaerophiles)
• कार्बन कैटाबोलाइट दमन
• जीन अभिव्यक्ति का रेडॉक्स नियंत्रण

Mechanisms

श्वसन में, एक दाता से इलेक्ट्रॉन एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से होते हुए एक अंतिम स्वीकर्ता तक जाते हैं, जिससे एक प्रोटॉन प्रेरक बल उत्पन्न होता है जो एटीपी संश्लेषण को संचालित करता है; वायवीय श्वसन ऑक्सीजन का उपयोग करता है, जबकि अवायवीय श्वसन नाइट्रेट, सल्फेट, या फ्यूमरेट (Madigan et al., 2018; White et al., 2017) जैसे स्वीकर्ता का उपयोग करता है। किण्वन में, कोई बाहरी इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता का उपयोग नहीं किया जाता है और एटीपी का उत्पादन सब्सट्रेट-स्तर फॉस्फोराइलेशन (substrate-level phosphorylation) द्वारा होता है, जिसमें कार्बनिक अणु आंतरिक इलेक्ट्रॉन सिंक के रूप में कार्य करते हैं। बैक्टीरिया ऑक्सीजन और रेडॉक्स स्थिति को समझते हैं और तदनुसार जीन अभिव्यक्ति को समायोजित करते हैं (Bauer et al., 1999), और वे कार्बन कैटाबोलाइट दमन (carbon catabolite repression) के माध्यम से सबसे अनुकूल कार्बन स्रोत का प्राथमिकता से उपभोग करते हैं (Görke & Stülke, 2008)।

Clinical relevance

एक बैक्टीरिया की ऑक्सीजन आवश्यकता यह समझाने में मदद करती है कि वह शरीर में कहाँ बढ़ता है और प्रयोगशाला में उसे कैसे प्राप्त किया जाता है, और अवायवीय चयापचय उन जीवों की विशेषता है जो कम ऑक्सीजन वाले स्थानों पर पाए जाते हैं। किण्वन उत्पादों का उपयोग नैदानिक पहचान में बैक्टीरिया को अलग करने के लिए भी किया जाता है। यह विषय समझने के लिए इन चयापचय सिद्धांतों का वर्णन करता है और उपचार निर्णयों का आधार नहीं है।

History

यह पहचान कि बैक्टीरिया ऑक्सीजन के साथ या उसके बिना जीवित रह सकते हैं, लुई पाश्चर के उन्नीसवीं सदी के किण्वन के अध्ययन और वायवीय तथा अवायवीय जीवन के बीच उनके अंतर से संबंधित है। बीसवीं सदी ने ऊर्जा संरक्षण के कीमियोस्मोटिक (chemiosmotic) आधार और बैक्टीरिया द्वारा उपयोग किए जाने वाले अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता की विविधता को स्पष्ट किया, और बाद के काम ने विस्तार से बताया कि कोशिकाएं अपने चयापचय को विनियमित करने के लिए ऑक्सीजन और रेडॉक्स स्थिति को कैसे समझती हैं (Bauer et al., 1999) और वे कैटाबोलाइट दमन (catabolite repression) के माध्यम से पोषक तत्वों को कैसे प्राथमिकता देती हैं (Görke & Stülke, 2008)।

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

बैक्टीरिया में वायवीय और अवायवीय श्वसन में क्या अंतर है?

दोनों ऊर्जा के संरक्षण के लिए एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला का उपयोग करते हैं, लेकिन वायवीय श्वसन अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में ऑक्सीजन का उपयोग करता है, जबकि अवायवीय श्वसन नाइट्रेट, सल्फेट, या फ्यूमरेट जैसे वैकल्पिक स्वीकर्ता का उपयोग करता है।

किण्वन श्वसन से कैसे भिन्न है?

किण्वन एक बाहरी इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता या इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के बिना सब्सट्रेट-स्तर फॉस्फोराइलेशन द्वारा एटीपी उत्पन्न करता है, जिसमें कार्बनिक अणु आंतरिक इलेक्ट्रॉन सिंक के रूप में कार्य करते हैं, इसलिए यह श्वसन की तुलना में बहुत कम ऊर्जा उत्पन्न करता है।