Metabolismul bacterian—aerob și anaerob

Metabolismul energetic bacterian reprezintă setul de căi prin care bacteriile extrag energie din nutrienți și o conservă sub formă de ATP și forță proton-motrice. Bacteriile sunt diverse din punct de vedere metabolic: unele necesită oxigen ca acceptor terminal de electroni (respirație aerobă), altele utilizează acceptori alternativi sau deloc (respirație anaerobă și fermentație), iar multe pot comuta între moduri în funcție de disponibilitatea oxigenului.

Definition

Metabolismul bacterian cuprinde reacțiile catabolice și anabolice ale celulelor bacteriene; metabolismul aerob utilizează oxigenul ca acceptor terminal de electroni, în timp ce metabolismul anaerob conservă energia fără oxigen, fie prin respirație pe acceptori alternativi, fie prin fermentație.

Scope

Acest subiect acoperă principalele strategii de producere a energiei de către bacterii — respirația aerobă, respirația anaerobă cu acceptori terminali de electroni alternativi și fermentația — împreună cu clasificarea bacteriilor în funcție de relația lor cu oxigenul și reglarea care permite celulelor să selecteze cea mai favorabilă cale. Este un subiect de referință în fiziologia microbiană și nu oferă îndrumări clinice.

Core questions

• Cum conservă bacteriile energia prin respirație și fermentație?
• Ce distinge respirația aerobă de cea anaerobă?
• Cum sunt clasificate bacteriile în funcție de relația lor cu oxigenul?
• Cum reglează celulele calea energetică pe care o utilizează?

Key concepts

• Respirație versus fermentație
• Acceptori terminali de electroni (oxigen, nitrat, sulfat, fumarat)
• Lanțul de transport al electronilor și forța proton-motrice
• Aerobi obligatorii, anaerobi obligatorii, anaerobi facultativi și microaerofili
• Represia catabolită a carbonului
• Controlul redox al expresiei genice

Mechanisms

În respirație, electronii de la un donator trec în jos pe un lanț de transport al electronilor către un acceptor terminal, generând o forță proton-motrice care determină sinteza de ATP; respirația aerobă utilizează oxigenul, în timp ce respirația anaerobă utilizează acceptori precum nitratul, sulfatul sau fumaratul (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). În fermentație, nu se utilizează un acceptor extern de electroni, iar ATP-ul este generat prin fosforilare la nivel de substrat, moleculele organice servind drept receptori interni de electroni. Bacteriile detectează oxigenul și starea redox și ajustează expresia genică în consecință (Bauer et al., 1999), și consumă preferențial cea mai favorabilă sursă de carbon prin intermediul represiunii catabolită a carbonului (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Nevoia de oxigen a unei bacterii ajută la explicarea locului în care crește în organism și a modului în care este recuperată în laborator, iar metabolismul anaerob este caracteristic organismelor găsite în locuri cu puțin oxigen. Produșii de fermentație sunt, de asemenea, utilizați pentru a distinge bacteriile în identificarea diagnostică. Acest subiect descrie aceste principii metabolice pentru înțelegere și nu constituie o bază pentru deciziile de tratament.

History

Recunoașterea faptului că bacteriile pot trăi cu sau fără oxigen datează din studiile lui Louis Pasteur din secolul al XIX-lea privind fermentația și distincția sa între viața aerobă și cea anaerobă. Secolul al XX-lea a clarificat baza chimiosmotică a conservării energiei și diversitatea acceptorilor terminali de electroni utilizați de bacterii, iar lucrările ulterioare au detaliat modul în care celulele detectează oxigenul și starea redox pentru a-și regla metabolismul (Bauer et al., 1999) și modul în care prioritizează nutrienții prin intermediul represiunii catabolită (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Care este diferența dintre respirația aerobă și cea anaerobă la bacterii?

Ambele utilizează un lanț de transport al electronilor pentru a conserva energia, dar respirația aerobă folosește oxigenul ca acceptor final de electroni, în timp ce respirația anaerobă folosește acceptori alternativi precum nitratul, sulfatul sau fumaratul.

Cum diferă fermentația de respirație?

Fermentația generează ATP prin fosforilare la nivel de substrat, fără un acceptor extern de electroni sau un lanț de transport al electronilor, utilizând molecule organice ca receptori interni de electroni, deci produce mult mai puțină energie decât respirația.