Metabolizm bakteryjny – tlenowy i beztlenowy

Metabolizm energetyczny bakterii to zbiór szlaków, za pomocą których bakterie pozyskują energię z substancji odżywczych i magazynują ją w postaci ATP oraz siły protonomotorycznej. Bakterie są zróżnicowane metabolicznie: niektóre wymagają tlenu jako terminalnego akceptora elektronów (oddych anie tlenowe), inne wykorzystują alternatywne akceptory lub nie wykorzystują ich wcale (oddych anie beztlenowe i fermentacja), a wiele z nich może przełączać się między trybami w zależności od dostępności tlenu.

Definition

Metabolizm bakteryjny obejmuje reakcje kataboliczne i anaboliczne komórek bakteryjnych; metabolizm tlenowy wykorzystuje tlen jako terminalny akceptor elektronów, podczas gdy metabolizm beztlenowy pozyskuje energię bez tlenu, albo poprzez oddychanie na alternatywnych akceptorach, albo poprzez fermentację.

Scope

Temat ten obejmuje główne strategie bakterii służące pozyskiwaniu energii – oddychanie tlenowe, oddychanie beztlenowe z alternatywnymi akceptorami elektronów i fermentację – wraz z klasyfikacją bakterii według ich stosunku do tlenu oraz regulacją pozwalającą komórkom wybrać najbardziej korzystny szlak. Jest to temat referencyjny z zakresu fizjologii drobnoustrojów i nie zawiera wskazówek klinicznych.

Core questions

• Jak bakterie pozyskują energię poprzez oddychanie i fermentację?
• Czym różni się oddychanie tlenowe od beztlenowego?
• Jak klasyfikuje się bakterie według ich stosunku do tlenu?
• Jak komórki regulują, który szlak energetyczny wykorzystują?

Key concepts

• Oddychanie a fermentacja
• Terminalne akceptory elektronów (tlen, azotan, siarczan, fumar an)
• Łańcuch transportu elektronów i siła protonomotoryczna
• Obligatoryjne tlenowce, obligatoryjne beztlenowce, fakultatywne beztlenowce i mikroaerofile
• Represja katabolitu węglowodanowego
• Regulacja ekspresji genów przez redoks

Mechanisms

W procesie oddychania elektrony od donora przechodzą przez łańcuch transportu elektronów do terminalnego akceptora, generując siłę protonomotoryczną napędzającą syntezę ATP; oddychanie tlenowe wykorzystuje tlen, podczas gdy oddychanie beztlenowe wykorzystuje akceptory takie jak azotan, siarczan lub fumar an (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). W fermentacji nie stosuje się zewnętrznego akceptora elektronów, a ATP jest generowany przez fosforylację na poziomie substratu, przy czym cząsteczki organiczne służą jako wewnętrzne „zlewki” elektronów. Bakterie wyczuwają tlen i stan redoks oraz odpowiednio dostosowują ekspresję genów (Bauer et al., 1999), a także preferencyjnie zużywają najbardziej korzystne źródło węgla poprzez represję katabolitu węglowodanowego (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Wymagania tlenowe bakterii pomagają wyjaśnić, gdzie w organizmie rosną i jak są odzyskiwane w laboratorium, a metabolizm beztlenowy jest charakterystyczny dla organizmów występujących w miejscach o małej zawartości tlenu. Produkty fermentacji są również wykorzystywane do rozróżniania bakterii w identyfikacji diagnostycznej. Temat ten opisuje te zasady metaboliczne do zrozumienia i nie stanowi podstawy do podejmowania decyzji terapeutycznych.

History

Uznanie, że bakterie mogą żyć z tlenem lub bez niego, sięga dziewiętnastowiecznych badań Louisa Pasteura nad fermentacją i jego rozróżnienia między życiem tlenowym a beztlenowym. Wiek XX wyjaśnił chemiosmotyczne podstawy konserwacji energii i różnorodność terminalnych akceptorów elektronów wykorzystywanych przez bakterie, a późniejsze prace szczegółowo opisały, jak komórki wyczuwają tlen i stan redoks w celu regulacji metabolizmu (Bauer et al., 1999) oraz jak priorytetyzują składniki odżywcze poprzez represję katabolitu (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Jaka jest różnica między oddychaniem tlenowym a beztlenowym u bakterii?

Oba procesy wykorzystują łańcuch transportu elektronów do konserwacji energii, ale oddychanie tlenowe wykorzystuje tlen jako ostateczny akceptor elektronów, podczas gdy oddychanie beztlenowe wykorzystuje alternatywne akceptory, takie jak azotan, siarczan lub fumar an.

Czym fermentacja różni się od oddychania?

Fermentacja generuje ATP poprzez fosforylację na poziomie substratu bez zewnętrznego akceptora elektronów lub łańcucha transportu elektronów, wykorzystując cząsteczki organiczne jako wewnętrzne „zlewki” elektronów, co skutkuje znacznie mniejszym uzyskiem energii niż w przypadku oddychania.