Metabolismo batterico: aerobico e anaerobico

Il metabolismo energetico batterico è l'insieme dei percorsi attraverso cui i batteri estraggono energia dai nutrienti e la conservano sotto forma di ATP e forza protonica. I batteri sono metabolicamente diversi: alcuni richiedono ossigeno come accettore terminale di elettroni (respirazione aerobica), altri utilizzano accettori alternativi o nessuno (respirazione anaerobica e fermentazione), e molti possono passare da una modalità all'altra a seconda della disponibilità di ossigeno.

Definition

Il metabolismo batterico comprende le reazioni cataboliche e anaboliche delle cellule batteriche; il metabolismo aerobico utilizza l'ossigeno come accettore terminale di elettroni, mentre il metabolismo anaerobico conserva energia senza ossigeno, sia attraverso la respirazione su accettori alternativi sia attraverso la fermentazione.

Scope

Questo argomento tratta le principali strategie batteriche per la produzione di energia—respirazione aerobica, respirazione anaerobica con accettori di elettroni alternativi e fermentazione—insieme alla classificazione dei batteri in base alla loro relazione con l'ossigeno e alla regolazione che consente alle cellule di selezionare il percorso più favorevole. È un argomento di riferimento nella fisiologia microbica e non fornisce indicazioni cliniche.

Core questions

• Come conservano energia i batteri attraverso la respirazione e la fermentazione?
• Cosa distingue la respirazione aerobica da quella anaerobica?
• Come vengono classificati i batteri in base alla loro relazione con l'ossigeno?
• Come regolano le cellule quale percorso energetico utilizzano?

Key concepts

• Respirazione contro fermentazione
• Accettori terminali di elettroni (ossigeno, nitrato, solfato, fumarato)
• Catena di trasporto degli elettroni e forza protonica
• Aerobi obbligati, anaerobi obbligati, anaerobi facoltativi e microaerofili
• Repressione catabolica del carbonio
• Controllo redox dell'espressione genica

Mechanisms

Nella respirazione, gli elettroni da un donatore passano lungo una catena di trasporto degli elettroni a un accettore terminale, generando una forza protonica che guida la sintesi di ATP; la respirazione aerobica utilizza l'ossigeno, mentre la respirazione anaerobica utilizza accettori come nitrato, solfato o fumarato (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Nella fermentazione, non viene utilizzato alcun accettore di elettroni esterno e l'ATP viene generato per fosforilazione a livello del substrato, con molecole organiche che fungono da dissipatori interni di elettroni. I batteri percepiscono l'ossigeno e lo stato redox e regolano l'espressione genica di conseguenza (Bauer et al., 1999), e consumano preferenzialmente la fonte di carbonio più favorevole attraverso la repressione catabolica del carbonio (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Il requisito di ossigeno di un batterio aiuta a spiegare dove nel corpo cresce e come viene recuperato in laboratorio, e il metabolismo anaerobico è caratteristico degli organismi che si trovano in siti con poco ossigeno. I prodotti della fermentazione vengono anche utilizzati per distinguere i batteri nell'identificazione diagnostica. Questo argomento descrive questi principi metabolici per la comprensione e non costituisce una base per decisioni terapeutiche.

History

Il riconoscimento che i batteri possono vivere con o senza ossigeno risale agli studi di Louis Pasteur nel XIX secolo sulla fermentazione e alla sua distinzione tra vita aerobica e anaerobica. Il XX secolo ha chiarito la base chimiosmotica della conservazione dell'energia e la diversità degli accettori terminali di elettroni utilizzati dai batteri, e lavori successivi hanno dettagliato come le cellule percepiscono l'ossigeno e lo stato redox per regolare il loro metabolismo (Bauer et al., 1999) e come danno priorità ai nutrienti attraverso la repressione catabolica (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Qual è la differenza tra respirazione aerobica e anaerobica nei batteri?

Entrambe utilizzano una catena di trasporto degli elettroni per conservare energia, ma la respirazione aerobica utilizza l'ossigeno come accettore finale di elettroni, mentre la respirazione anaerobica utilizza accettori alternativi come nitrato, solfato o fumarato.

In che modo la fermentazione è diversa dalla respirazione?

La fermentazione genera ATP per fosforilazione a livello del substrato senza un accettore di elettroni esterno o una catena di trasporto degli elettroni, utilizzando molecole organiche come dissipatori interni di elettroni, quindi produce molta meno energia della respirazione.