Bacteriële metabolisme—aerobe en anaerobe

Bacterieel energiemetabolisme is de reeks paden waarmee bacteriën energie uit nutriënten onttrekken en deze opslaan als ATP en de proton-motive force. Bacteriën zijn metabolisch divers: sommigen hebben zuurstof nodig als terminale elektronenacceptor (aërobe ademhaling), anderen gebruiken alternatieve acceptoren of helemaal geen (anaërobe ademhaling en fermentatie), en velen kunnen schakelen tussen modi afhankelijk van de zuurstofbeschikbaarheid.

Definition

Bacterieel metabolisme omvat de katabole en anabole reacties van bacteriële cellen; aërobe metabolisme gebruikt zuurstof als terminale elektronenacceptor, terwijl anaërobe metabolisme energie conserveert zonder zuurstof, hetzij door ademhaling op alternatieve acceptoren of door fermentatie.

Scope

Dit onderwerp behandelt de belangrijkste energie-producerende strategieën van bacteriën—aërobe ademhaling, anaërobe ademhaling met alternatieve elektronenacceptoren en fermentatie—samen met de classificatie van bacteriën op basis van hun relatie tot zuurstof en de regulatie die cellen in staat stelt het meest gunstige pad te selecteren. Het is een referentietopic in de microbiële fysiologie en biedt geen klinische richtlijnen.

Core questions

• Hoe conserveren bacteriën energie door middel van ademhaling en fermentatie?
• Wat onderscheidt aërobe van anaërobe ademhaling?
• Hoe worden bacteriën geclassificeerd op basis van hun relatie tot zuurstof?
• Hoe reguleren cellen welk energiepad ze gebruiken?

Key concepts

• Ademhaling versus fermentatie
• Terminale elektronenacceptoren (zuurstof, nitraat, sulfaat, fumarate)
• Elektronentransportketen en de proton-motive force
• Obligate aeroben, obligate anaeroben, facultatieve anaeroben en microaerofielen
• Koolstofcatabolietrepressie
• Redoxcontrole van genexpressie

Mechanisms

Bij ademhaling passeren elektronen van een donor via een elektronentransportketen naar een terminale acceptor, wat een proton-motive force genereert die ATP-synthese aandrijft; aërobe ademhaling gebruikt zuurstof, terwijl anaërobe ademhaling acceptoren zoals nitraat, sulfaat of fumarate gebruikt (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Bij fermentatie wordt geen externe elektronenacceptor gebruikt en wordt ATP gegenereerd door substraatniveau fosforylering, waarbij organische moleculen dienen als interne elektronsinks. Bacteriën detecteren zuurstof en redoxstatus en passen genexpressie dienovereenkomstig aan (Bauer et al., 1999), en ze consumeren bij voorkeur de meest gunstige koolstofbron via koolstofcatabolietrepressie (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Een zuurstofvereiste van een bacterie helpt verklaren waar in het lichaam het groeit en hoe het in het laboratorium wordt verkregen, en anaërobe metabolisme is kenmerkend voor organismen die zich bevinden op locaties met weinig zuurstof. Fermentatieproducten worden ook gebruikt om bacteriën te onderscheiden bij diagnostische identificatie. Dit onderwerp beschrijft deze metabolische principes voor begrip en is geen basis voor behandelbeslissingen.

History

De erkenning dat bacteriën met of zonder zuurstof kunnen leven, dateert uit Louis Pasteur's negentiende-eeuwse studies van fermentatie en zijn onderscheid tussen aëroob en anaëroob leven. De twintigste eeuw verduidelijkte de chemiosmotische basis van energieconservering en de diversiteit van terminale elektronenacceptoren gebruikt door bacteriën, en later werk detailleerde hoe cellen zuurstof en redoxstatus waarnemen om hun metabolisme te reguleren (Bauer et al., 1999) en hoe ze nutriënten prioriteren via catabolietrepressie (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Wat is het verschil tussen aërobe en anaërobe ademhaling bij bacteriën?

Beide gebruiken een elektronentransportketen om energie te conserveren, maar aërobe ademhaling gebruikt zuurstof als de finale elektronenacceptor, terwijl anaërobe ademhaling alternatieve acceptoren gebruikt zoals nitraat, sulfaat of fumarate.

Hoe verschilt fermentatie van ademhaling?

Fermentatie genereert ATP door substraatniveau fosforylering zonder externe elektronenacceptor of elektronentransportketen, waarbij organische moleculen dienen als interne elektronsinks, dus het levert veel minder energie op dan ademhaling.