เมแทบอลิซึมของแบคทีเรีย—แบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน

เมแทบอลิซึมพลังงานของแบคทีเรียคือชุดของวิถีที่แบคทีเรียใช้ในการสกัดพลังงานจากสารอาหารและเก็บรักษาไว้ในรูปของ ATP และแรงขับเคลื่อนโปรตอน แบคทีเรียมีความหลากหลายทางเมแทบอลิซึม: บางชนิดต้องการออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย (การหายใจแบบใช้ออกซิเจน) บางชนิดใช้ตัวรับอื่นหรือไม่มีเลย (การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนและการหมัก) และหลายชนิดสามารถปรับเปลี่ยนรูปแบบได้ขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจน

Definition

เมแทบอลิซึมของแบคทีเรียครอบคลุมปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมและแอแนบอลิซึมของเซลล์แบคทีเรีย; เมแทบอลิซึมแบบใช้ออกซิเจนใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ในขณะที่เมแทบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะเก็บรักษาพลังงานโดยไม่ใช้ออกซิเจน ไม่ว่าจะผ่านการหายใจโดยใช้ตัวรับทางเลือกหรือผ่านการหมัก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลยุทธ์หลักในการสร้างพลังงานของแบคทีเรีย ได้แก่ การหายใจแบบใช้ออกซิเจน การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนโดยใช้ตัวรับอิเล็กตรอนทางเลือก และการหมัก รวมถึงการจำแนกแบคทีเรียตามความสัมพันธ์กับออกซิเจนและการควบคุมที่ช่วยให้เซลล์เลือกวิถีที่เหมาะสมที่สุด นี่คือหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาจุลินทรีย์และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• แบคทีเรียเก็บรักษาพลังงานผ่านการหายใจและการหมักได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน?
• แบคทีเรียถูกจำแนกตามความสัมพันธ์กับออกซิเจนได้อย่างไร?
• เซลล์ควบคุมวิถีพลังงานที่ใช้ได้อย่างไร?

Key concepts

• การหายใจกับการหมัก
• ตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย (ออกซิเจน, ไนเตรต, ซัลเฟต, ฟูมาเรต)
• สายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนและแรงขับเคลื่อนโปรตอน
• สิ่งมีชีวิตที่ต้องใช้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัด, สิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัด, สิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจนแบบเลือกได้, และจุลชีพที่ต้องการออกซิเจนน้อย
• การยับยั้งแคแทบอไลต์คาร์บอน
• การควบคุมการแสดงออกของยีนด้วยรีดอกซ์

Mechanisms

ในการหายใจ อิเล็กตรอนจากตัวให้อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านสายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนไปยังตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ซึ่งสร้างแรงขับเคลื่อนโปรตอนที่ขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP; การหายใจแบบใช้ออกซิเจนใช้ออกซิเจน ในขณะที่การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้ตัวรับเช่น ไนเตรต ซัลเฟต หรือฟูมาเรต (Madigan et al., 2018; White et al., 2017) ในการหมัก ไม่มีการใช้ตัวรับอิเล็กตรอนภายนอก และ ATP ถูกสร้างขึ้นโดยการฟอสโฟรีเลชันระดับซับสเตรต โดยมีโมเลกุลอินทรีย์ทำหน้าที่เป็นแหล่งรับอิเล็กตรอนภายใน แบคทีเรียรับรู้ออกซิเจนและสถานะรีดอกซ์และปรับการแสดงออกของยีนตามนั้น (Bauer et al., 1999) และพวกมันมักจะบริโภคแหล่งคาร์บอนที่เหมาะสมที่สุดผ่านการยับยั้งแคแทบอไลต์คาร์บอน (Görke & Stülke, 2008)

Clinical relevance

ความต้องการออกซิเจนของแบคทีเรียช่วยอธิบายว่ามันเติบโตที่ใดในร่างกายและจะแยกเชื้อได้อย่างไรในห้องปฏิบัติการ และเมแทบอลิซึมแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นลักษณะเฉพาะของสิ่งมีชีวิตที่พบในบริเวณที่มีออกซิเจนน้อย ผลิตภัณฑ์จากการหมักยังใช้ในการจำแนกแบคทีเรียในการวินิจฉัย หัวข้อนี้อธิบายหลักการเมแทบอลิซึมเหล่านี้เพื่อความเข้าใจและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการรักษา

History

การรับรู้ว่าแบคทีเรียสามารถมีชีวิตอยู่ได้โดยมีหรือไม่มีออกซิเจนนั้นย้อนไปถึงการศึกษาการหมักของหลุยส์ ปาสเตอร์ในศตวรรษที่สิบเก้า และการแยกแยะระหว่างสิ่งมีชีวิตแบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน ศตวรรษที่ยี่สิบได้ชี้แจงพื้นฐานเคมีออสโมติกของการเก็บรักษาพลังงานและความหลากหลายของตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่แบคทีเรียใช้ และงานวิจัยต่อมาได้ให้รายละเอียดว่าเซลล์รับรู้ออกซิเจนและสถานะรีดอกซ์เพื่อควบคุมเมแทบอลิซึมของพวกมันได้อย่างไร (Bauer et al., 1999) และจัดลำดับความสำคัญของสารอาหารผ่านการยับยั้งแคแทบอไลต์ได้อย่างไร (Görke & Stülke, 2008)

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

อะไรคือความแตกต่างระหว่างการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนในแบคทีเรีย?

ทั้งสองแบบใช้สายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนเพื่อเก็บรักษาพลังงาน แต่การหายใจแบบใช้ออกซิเจนใช้ออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้าย ในขณะที่การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนใช้ตัวรับทางเลือก เช่น ไนเตรต ซัลเฟต หรือฟูมาเรต

การหมักแตกต่างจากการหายใจอย่างไร?

การหมักสร้าง ATP โดยการฟอสโฟรีเลชันระดับซับสเตรตโดยไม่มีตัวรับอิเล็กตรอนภายนอกหรือสายโซ่ขนส่งอิเล็กตรอน โดยใช้โมเลกุลอินทรีย์เป็นแหล่งรับอิเล็กตรอนภายใน ดังนั้นจึงให้พลังงานน้อยกว่าการหายใจมาก