Bakteriális anyagcsere – aerob és anaerob

A bakteriális energia-anyagcsere azon folyamatok összessége, amelyek révén a baktériumok a tápanyagokból energiát nyernek, és azt ATP és protonerő formájában raktározzák. A baktériumok anyagcsere szempontjából rendkívül változatosak: némelyikük oxigént igényel terminális elektronakceptorként (aerob légzés), mások alternatív akceptorokat használnak, vagy egyáltalán nem (anaerob légzés és fermentáció), és sokuk képes az üzemmódok között váltani az oxigén elérhetőségétől függően.

Definition

A bakteriális anyagcsere magában foglalja a baktériumsejtek katabolikus és anabolikus reakcióit; az aerob anyagcsere oxigént használ terminális elektronakceptorként, míg az anaerob anyagcsere oxigén nélkül raktároz energiát, akár alternatív akceptorokon végzett légzéssel, akár fermentációval.

Scope

Ez a téma a baktériumok fő energia-nyerő stratégiáit – az aerob légzést, az alternatív elektronakceptorokkal végzett anaerob légzést és a fermentációt – tárgyalja, továbbá a baktériumok oxigénkapcsolattal való osztályozását és azt a szabályozást, amely lehetővé teszi a sejtek számára a legkedvezőbb út kiválasztását. Ez egy referenciatéma a mikrobiális fiziológiában, és nem ad klinikai útmutatást.

Core questions

• Hogyan raktároznak energiát a baktériumok légzéssel és fermentációval?
• Mi különbözteti meg az aerobot az anaerob légzéstől?
• Hogyan osztályozzák a baktériumokat az oxigénhez való viszonyuk alapján?
• Hogyan szabályozzák a sejtek, hogy melyik energiaútvonalat használják?

Key concepts

• Légzés kontra fermentáció
• Terminális elektronakceptorok (oxigén, nitrát, szulfát, fumarát)
• Elektron transzport lánc és a protonerő
• Obligát aerobok, obligát anaerobok, fakultatív anaerobok és mikroaerofilek
• Szén-katabolit represszió
• Génexpresszió redox-szabályozása

Mechanisms

Légzés során az elektronok egy donortól egy elektron transzport láncon keresztül egy terminális akceptorhoz jutnak, protonerőt generálva, amely ATP-szintézist hajt végre; az aerob légzés oxigént használ, míg az anaerob légzés olyan akceptorokat használ, mint a nitrát, szulfát vagy fumarát (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Fermentáció során nem használunk külső elektronakceptort, és az ATP szubsztrátszintű foszforilációval keletkezik, szerves molekulák pedig belső elektronnyelőként szolgálnak. A baktériumok érzékelik az oxigént és a redox állapotot, és ennek megfelelően módosítják a génexpressziót (Bauer et al., 1999), és a legkedvezőbb szénforrást részesítik előnyben a szén-katabolit represszión keresztül (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

A baktérium oxigénigénye segít megmagyarázni, hogy a test melyik részén növekszik, és hogyan lehet laboratóriumban kimutatni, az anaerob anyagcsere pedig jellemző a kevés oxigénnel rendelkező helyeken található szervezeteket. A fermentációs termékeket a diagnosztikai azonosítás során a baktériumok megkülönböztetésére is használják. Ez a téma ezeket az anyagcsere-elveket ismerteti a megértéshez, és nem alapja a kezelési döntéseknek.

History

Annak felismerése, hogy a baktériumok oxigénnel vagy anélkül is képesek élni, Louis Pasteur tizenkilencedik századi fermentációs tanulmányaihoz és az aerob és anaerob élet közötti különbségtételhez nyúlik vissza. A huszadik század tisztázta az energiaraktározás kemioozmotikus alapjait és a baktériumok által használt terminális elektronakceptorok sokféleségét, a későbbi munkák pedig részletezték, hogyan érzékelik a sejtek az oxigént és a redox állapotot anyagcseréjük szabályozására (Bauer et al., 1999), és hogyan részesítik előnyben a tápanyagokat a katabolit represszión keresztül (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Mi a különbség az aerob és anaerob légzés között baktériumokban?

Mindkettő elektron transzport láncot használ az energia raktározására, de az aerob légzés oxigént használ végső elektronakceptorként, míg az anaerob légzés alternatív akceptorokat, például nitrátot, szulfátot vagy fumarátot használ.

Miben különbözik a fermentáció a légzéstől?

A fermentáció ATP-t generál szubsztrátszintű foszforilációval, külső elektronakceptor vagy elektron transzport lánc nélkül, szerves molekulákat használva belső elektronnyelőként, így sokkal kevesebb energiát termel, mint a légzés.