Метаболизм бактерий — аэробный и анаэробный

Энергетический метаболизм бактерий — это совокупность метаболических путей, посредством которых бактерии извлекают энергию из питательных веществ и запасают ее в виде АТФ и протон-движущей силы. Бактерии метаболически разнообразны: некоторые требуют кислород в качестве конечного акцептора электронов (аэробное дыхание), другие используют альтернативные акцепторы или не используют их вовсе (анаэробное дыхание и ферментация), а многие могут переключаться между режимами в зависимости от доступности кислорода.

Definition

Метаболизм бактерий включает катаболические и анаболические реакции бактериальных клеток; аэробный метаболизм использует кислород в качестве конечного акцептора электронов, тогда как анаэробный метаболизм запасает энергию без кислорода, либо посредством дыхания с альтернативными акцепторами, либо посредством ферментации.

Scope

Эта тема охватывает основные стратегии получения энергии бактериями — аэробное дыхание, анаэробное дыхание с альтернативными акцепторами электронов и ферментацию, а также классификацию бактерий по их отношению к кислороду и регуляцию, позволяющую клеткам выбирать наиболее благоприятный путь. Это справочная тема по микробной физиологии, не содержащая клинических рекомендаций.

Core questions

• Как бактерии запасают энергию посредством дыхания и ферментации?
• Что отличает аэробное дыхание от анаэробного?
• Как классифицируются бактерии по их отношению к кислороду?
• Как клетки регулируют выбор энергетического пути?

Key concepts

• Дыхание против ферментации
• Конечные акцепторы электронов (кислород, нитрат, сульфат, фумарат)
• Цепь переноса электронов и протон-движущая сила
• Облигатные аэробы, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы и микроаэрофилы
• Катаболитная репрессия углерода
• Редокс-контроль экспрессии генов

Mechanisms

При дыхании электроны от донора проходят по цепи переноса электронов к конечному акцептору, генерируя протон-движущую силу, которая обеспечивает синтез АТФ; аэробное дыхание использует кислород, тогда как анаэробное дыхание использует такие акцепторы, как нитрат, сульфат или фумарат (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). При ферментации внешний акцептор электронов не используется, и АТФ генерируется путем субстратного фосфорилирования, при этом органические молекулы служат внутренними акцепторами электронов. Бактерии воспринимают кислород и окислительно-восстановительное состояние и соответствующим образом регулируют экспрессию генов (Bauer et al., 1999), а также преимущественно потребляют наиболее благоприятный источник углерода посредством катаболитной репрессии углерода (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Потребность бактерий в кислороде помогает объяснить, где в организме они растут и как их выделяют в лаборатории, а анаэробный метаболизм характерен для организмов, обнаруживаемых в местах с низким содержанием кислорода. Продукты ферментации также используются для дифференциации бактерий при диагностической идентификации. Эта тема описывает данные метаболические принципы для понимания и не является основой для принятия решений о лечении.

History

Признание того, что бактерии могут жить с кислородом или без него, восходит к исследованиям ферментации Луи Пастера в XIX веке и его различению аэробной и анаэробной жизни. В XX веке была уточнена хемиосмотическая основа сохранения энергии и разнообразие конечных акцепторов электронов, используемых бактериями, а более поздние работы подробно описали, как клетки воспринимают кислород и окислительно-восстановительное состояние для регуляции своего метаболизма (Bauer et al., 1999) и как они приоритизируют питательные вещества посредством катаболитной репрессии (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

В чем разница между аэробным и анаэробным дыханием у бактерий?

Оба процесса используют цепь переноса электронов для сохранения энергии, но аэробное дыхание использует кислород в качестве конечного акцептора электронов, тогда как анаэробное дыхание использует альтернативные акцепторы, такие как нитрат, сульфат или фумарат.

Чем ферментация отличается от дыхания?

Ферментация генерирует АТФ путем субстратного фосфорилирования без внешнего акцептора электронов или цепи переноса электронов, используя органические молекулы в качестве внутренних акцепторов электронов, поэтому она дает значительно меньше энергии, чем дыхание.