Bakteriemetabolism – aerob och anaerob

Bakteriers energimetabolism är de metaboliska vägar genom vilka bakterier utvinner energi från näringsämnen och bevarar den som ATP och den protongradient som driver ATP-syntes. Bakterier är metaboliskt mångsidiga: vissa kräver syre som den terminala elektronacceptorn (aerob respiration), andra använder alternativa acceptorer eller ingen alls (anaerob respiration och fermentering), och många kan växla mellan olika strategier beroende på syretillgång.

Definition

Bakteriemetabolism omfattar de katabola och anabola reaktioner som sker i bakterieceller; aerob metabolism använder syre som terminal elektronacceptor, medan anaerob metabolism bevarar energi utan syre, antingen genom respiration med alternativa acceptorer eller genom fermentering.

Scope

Detta ämnesområde täcker bakteriers huvudsakliga energialstrande strategier – aerob respiration, anaerob respiration med alternativa elektronacceptorer och fermentering – tillsammans med klassificeringen av bakterier utifrån deras syreberoende och den reglering som gör det möjligt för celler att välja den mest fördelaktiga metaboliska vägen. Det är ett referensämne inom mikrobiell fysiologi och ger ingen klinisk vägledning.

Core questions

• Hur bevarar bakterier energi genom respiration och fermentering?
• Vad skiljer aerob från anaerob respiration?
• Hur klassificeras bakterier utifrån deras relation till syre?
• Hur reglerar celler vilken energimetabolisk väg de använder?

Key concepts

• Respiration kontra fermentering
• Terminala elektronacceptorer (syre, nitrat, sulfat, fumarat)
• Elektrontransportkedja och protongradient
• Obligata aeroba, obligata anaeroba, fakultativa anaeroba och mikroaerofila organismer
• Kolhydratkatabolitrepresion
• Redoxkontroll av genuttryck

Mechanisms

Vid respiration passerar elektroner från en donator nedför en elektrontransportkedja till en terminal acceptor, vilket genererar en protongradient som driver ATP-syntes; aerob respiration använder syre, medan anaerob respiration använder acceptorer som nitrat, sulfat eller fumarat (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Vid fermentering används ingen extern elektronacceptor och ATP genereras genom substratnivåfosforylering, där organiska molekyler fungerar som interna elektronmottagare. Bakterier känner av syre- och redoxstatus och anpassar genuttrycket därefter (Bauer et al., 1999), och de föredrar att konsumera den mest fördelaktiga kolkällan genom kolhydratkatabolitrepresion (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

En bakteries syrebehov hjälper till att förklara var i kroppen den växer och hur den isoleras i laboratoriet, och anaerob metabolism är karakteristisk för organismer som återfinns på platser med lite syre. Fermenteringsprodukter används också för att skilja bakterier åt vid diagnostisk identifiering. Detta ämnesområde beskriver dessa metaboliska principer för förståelse och utgör inte en grund för behandlingsbeslut.

History

Insikten att bakterier kan leva med eller utan syre går tillbaka till Louis Pasteurs studier av fermentering på 1800-talet och hans distinktion mellan aerobt och anaerobt liv. 1900-talet klargjorde den kemiosmotiska grunden för energibevarande och mångfalden av terminala elektronacceptorer som används av bakterier, och senare arbete detaljerade hur celler känner av syre- och redoxstatus för att reglera sin metabolism (Bauer et al., 1999) och hur de prioriterar näringsämnen genom katabolitrepresion (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Vad är skillnaden mellan aerob och anaerob respiration hos bakterier?

Båda använder en elektrontransportkedja för att bevara energi, men aerob respiration använder syre som den slutliga elektronacceptorn, medan anaerob respiration använder alternativa acceptorer som nitrat, sulfat eller fumarat.

Hur skiljer sig fermentering från respiration?

Fermentering genererar ATP genom substratnivåfosforylering utan extern elektronacceptor eller elektrontransportkedja, och använder organiska molekyler som interna elektronmottagare, vilket ger mycket mindre energi än respiration.