Физиология и метаболизм бактерий

Физиология и метаболизм бактерий — это изучение того, как бактериальные клетки получают энергию и питательные вещества, растут и делятся, а также регулируют свою внутреннюю химию для выживания в меняющихся условиях. Это функциональное ядро бактериологии, связывающее структуру бактериальной клетки с химическими реакциями, которые поддерживают ее жизнедеятельность, и с такими поведенческими проявлениями, как образование биопленок, возникающими при реакции популяций клеток на окружающую среду.

Definition

Бактериальные физиологические явления включают процессы и функции, посредством которых бактериальные клетки генерируют энергию, синтезируют клеточный материал, регулируют свое внутреннее состояние, растут и реагируют на окружающую среду.

Scope

Эта область знакомит читателя с основными функциональными аспектами жизни бактерий: ростом и его кинетикой, аэробным и анаэробным энергетическим метаболизмом, поглощением и транспортом питательных веществ через клеточную оболочку, реакциями на стресс окружающей среды и социальным поведением при образовании биопленок. Эти темы рассматриваются как справочные в микробиологии, а их клиническая значимость описывается, а не представляется в качестве руководства по диагностике или лечению.

Sub-topics

• Образование бактериальных биопленок
• Рост бактерий и кинетика роста
• Метаболизм бактерий — аэробный и анаэробный
• Поглощение и транспорт питательных веществ бактериями
• Реакции бактерий на стресс окружающей среды

Core questions

• Как бактерии извлекают энергию из окружающей среды в аэробных и анаэробных условиях?
• Что определяет скорость и пределы роста бактерий?
• Как клетки перемещают питательные вещества через бактериальную клеточную оболочку?
• Как бактерии воспринимают и переживают стресс окружающей среды?
• Как и почему бактерии организуются в биопленочные сообщества?

Key concepts

• Кривая роста бактерий и кинетика роста
• Хемиосмос и протон-движущая сила
• Аэробное дыхание, анаэробное дыхание и ферментация
• Мембранный транспорт и фосфотрансферазная система
• Катаболитная репрессия и метаболическая регуляция
• Стрессовые реакции и общий стрессовый регулон
• Кворум-сенсинг и образование биопленок

Mechanisms

Бактериальные клетки связывают катаболизм, высвобождающий энергию из питательных веществ, с анаболизмом, строящим клеточный материал, используя АТФ и протон-движущую силу в качестве энергетических валют. В аэробных условиях кислород служит конечным акцептором электронов; в анаэробных условиях клетки используют альтернативные акцепторы или полагаются на ферментацию (Madigan et al., 2018). Питательные вещества переносятся через клеточную оболочку транспортными системами, а доступность энергии и скорость роста координируются посредством регуляторных сетей. При ухудшении условий специализированные стрессовые реакции перепрограммируют клетку, а межклеточная сигнализация, такая как кворум-сенсинг, может привести популяцию к кооперативному, прикрепленному к поверхности состоянию биопленки (Miller & Bassler, 2001).

Clinical relevance

Физиология бактерий лежит в основе многих особенностей поведения инфекций: скорость роста организмов влияет на скорость развития заболевания, анаэробный метаболизм определяет, какие организмы процветают в инфицированных местах, транспорт через клеточную оболочку регулирует поступление молекул в клетку, а образование биопленок связано с персистирующими и связанными с медицинскими устройствами инфекциями. Эта область описывает эти функциональные принципы для понимания; она не является источником диагностических или терапевтических инструкций.

History

Количественное изучение физиологии бактерий сформировалось в середине XX века, когда работа Жака Моно по росту бактериальных культур заложила математическую основу зависимости скорости роста от концентрации питательных веществ (Monod, 1949). В последующие десятилетия было получено молекулярное понимание бактериальной клеточной оболочки и ее проницаемости (Nikaido & Vaara, 1985), а с 1990-х годов признание межклеточной сигнализации и биопленок расширило область исследований от отдельных клеток до бактериальных сообществ (Miller & Bassler, 2001).

Key figures

• Jacques Monod
• Hiroshi Nikaido
• Bonnie Bassler

Seminal works

• monod-1949
• nikaido-1985
• miller-bassler-2001

Frequently asked questions

Что изучает физиология бактерий?

Она изучает, как бактериальные клетки получают энергию и питательные вещества, растут и делятся, регулируют свою внутреннюю химию и реагируют на окружающую среду, связывая структуру клетки с ее функцией.

Почему метаболизм бактерий важен в медицине?

Метаболические и физиологические особенности определяют, где и как быстро растут бактерии, какие условия они переносят, а также такое поведение, как образование биопленок, связанное с персистирующими инфекциями, что помогает объяснить, как протекают инфекции.