การนำเข้าและขนส่งสารอาหารของแบคทีเรีย
การนำเข้าสารอาหารของแบคทีเรียคือกระบวนการที่เซลล์เคลื่อนย้ายไอออน น้ำตาล กรดอะมิโน และสารละลายอื่น ๆ ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ โดยต้านทานต่อสิ่งกีดขวางของเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากเยื่อหุ้มไซโตพลาสซึมส่วนใหญ่ไม่สามารถซึมผ่านโมเลกุลที่มีขั้วและมีประจุได้ แบคทีเรียจึงอาศัยระบบขนส่งเฉพาะ ซึ่งรวมถึงช่องทาง ตัวขนส่งทุติยภูมิ ปั๊มที่ขับเคลื่อนด้วย ATP และระบบการเคลื่อนย้ายแบบกลุ่ม เพื่อรวบรวมสารอาหารที่จำเป็น
Definition
การขนส่งทางชีวภาพในแบคทีเรียคือการเคลื่อนที่ของสารละลายข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยมีโปรตีนเยื่อหุ้มเป็นตัวกลาง ซึ่งรวมถึงการแพร่แบบไม่ใช้พลังงาน, การแพร่แบบอำนวยความสะดวก, การขนส่งแบบใช้พลังงานที่ขับเคลื่อนด้วย ATP หรือความต่างศักย์ของไอออน, และการเคลื่อนย้ายแบบกลุ่ม ซึ่งมีการปรับเปลี่ยนทางเคมีของสารตั้งต้นระหว่างการนำเข้า
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมประเภทหลักของการขนส่งของแบคทีเรีย: การแพร่แบบไม่ใช้พลังงานและการแพร่แบบอำนวยความสะดวก, การขนส่งแบบใช้พลังงานปฐมภูมิ (เช่น ตัวขนส่ง ABC), การขนส่งแบบใช้พลังงานทุติยภูมิที่ขับเคลื่อนด้วยความต่างศักย์ของไอออน, และการเคลื่อนย้ายแบบกลุ่มโดยระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรส (phosphotransferase system) รวมถึงบทบาทของการซึมผ่านของเยื่อหุ้มชั้นนอกในแบคทีเรียแกรมลบ เป็นหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาของจุลินทรีย์และไม่มีคำแนะนำทางคลินิก
Core questions
- แบคทีเรียเคลื่อนย้ายสารอาหารข้ามเยื่อหุ้มที่ไม่สามารถซึมผ่านได้อย่างไร?
- อะไรคือความแตกต่างระหว่างการขนส่งแบบใช้พลังงานกับการแพร่แบบไม่ใช้พลังงานและการแพร่แบบอำนวยความสะดวก?
- ระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรสเชื่อมโยงการนำเข้ากับการฟอสโฟรีเลชันได้อย่างไร?
- เยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรียแกรมลบจำกัดและเลือกสิ่งที่เข้าสู่เซลล์ได้อย่างไร?
Key concepts
- การแพร่แบบไม่ใช้พลังงานและการแพร่แบบอำนวยความสะดวก
- การขนส่งแบบใช้พลังงานปฐมภูมิและตัวขนส่ง ABC
- การขนส่งแบบใช้พลังงานทุติยภูมิ (ซิมพอร์ตและแอนติพอร์ต)
- แรงขับเคลื่อนโปรตอน (Proton motive force) ในฐานะแรงขับเคลื่อน
- การเคลื่อนย้ายแบบกลุ่มและระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรส (PTS)
- พอรินของเยื่อหุ้มชั้นนอกและการซึมผ่านแบบเลือกสรร
- การดูดซึมธาตุเหล็กโดยอาศัยไซเดอโรฟอร์ (Siderophore-mediated iron acquisition)
Mechanisms
โมเลกุลขนาดเล็กที่ไม่มีประจุสามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ได้ด้วยการแพร่ แต่สารอาหารส่วนใหญ่ต้องการตัวขนส่งเฉพาะ ตัวขนส่งแบบใช้พลังงานปฐมภูมิ เช่น ระบบ ABC จะไฮโดรไลซ์ ATP เพื่อปั๊มสารละลายต้านความต่างศักย์ ในขณะที่ตัวขนส่งทุติยภูมิจะเชื่อมโยงการเคลื่อนที่ของสารละลายเข้ากับแรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton motive force) หรือความต่างศักย์ของไอออนอื่น ๆ (Madigan et al., 2018; White et al., 2017) ในการเคลื่อนย้ายแบบกลุ่ม ระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรสจะฟอสโฟรีเลทน้ำตาลเมื่อเข้าสู่เซลล์ ซึ่งเป็นการดักจับและกระตุ้นน้ำตาลไปพร้อมกัน และระบบเดียวกันนี้มีส่วนร่วมในการควบคุมเมแทบอลิซึม (Deutscher et al., 2006) ในแบคทีเรียแกรมลบ เยื่อหุ้มชั้นนอกจะสร้างสิ่งกีดขวางเพิ่มเติม ซึ่งพอริน (porins) และคุณสมบัติการซึมผ่านของเยื่อหุ้มชั้นนอกจะกำหนดว่าโมเลกุลใดจะไปถึงเยื่อหุ้มชั้นในได้ (Nikaido & Vaara, 1985)
Clinical relevance
ระบบขนส่งกำหนดว่าโมเลกุล รวมถึงสารต้านแบคทีเรียบางชนิด จะเข้าสู่หรือถูกขับออกจากเซลล์แบคทีเรียได้อย่างไร และการซึมผ่านของเยื่อหุ้มชั้นนอกเป็นปัจจัยหนึ่งในความต้านทานโดยธรรมชาติของแบคทีเรียแกรมลบ การขนส่งเพื่อการดูดซึมธาตุเหล็กยังเกี่ยวข้องกับวิธีการที่แบคทีเรียได้รับสารอาหารที่หายากจากโฮสต์ หัวข้อนี้อธิบายหลักการขนส่งเพื่อความเข้าใจและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการรักษา
History
ความเข้าใจเกี่ยวกับการขนส่งของแบคทีเรียก้าวหน้าขึ้นจากการศึกษาในศตวรรษที่ 20 เกี่ยวกับวิธีการที่เซลล์รวบรวมสารอาหาร รวมถึงการค้นพบระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรสว่าเป็นเส้นทางที่เชื่อมโยงการนำเข้าน้ำตาลเข้ากับการฟอสโฟรีเลชัน ซึ่งต่อมาแสดงให้เห็นว่าเป็นศูนย์กลางของการควบคุมเมแทบอลิซึม (Deutscher et al., 2006) การศึกษาเกี่ยวกับเยื่อหุ้มแกรมลบได้ชี้แจงว่าเยื่อหุ้มชั้นนอกและพอรินของมันควบคุมการซึมผ่านและการเลือกสรรได้อย่างไร (Nikaido & Vaara, 1985) ซึ่งทำให้การขนส่งเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดว่าแบคทีเรียสามารถใช้อะไรได้บ้างและอะไรที่สามารถเข้าถึงเซลล์ได้
Key figures
- Hiroshi Nikaido
- Josef Deutscher
- Pieter Postma
Related topics
Seminal works
- deutscher-2006
- nikaido-1985
Frequently asked questions
- ทำไมแบคทีเรียจึงต้องการระบบขนส่งแทนที่จะเป็นการแพร่แบบธรรมดา?
- เยื่อหุ้มไซโตพลาสซึมไม่สามารถซึมผ่านสารละลายที่มีขั้วและมีประจุส่วนใหญ่ได้ และสารอาหารมักจะมีความเข้มข้นต่ำ ดังนั้นแบคทีเรียจึงใช้ตัวขนส่งเฉพาะเพื่อนำเข้าและรวบรวมโมเลกุลที่จำเป็นได้อย่างเลือกสรร
- ระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรสคืออะไร?
- ระบบฟอสโฟทรานสเฟอเรสเป็นเส้นทางการเคลื่อนย้ายแบบกลุ่มที่นำเข้าน้ำตาลบางชนิดพร้อมกับการฟอสโฟรีเลชัน ดังนั้นน้ำตาลจึงถูกปรับเปลี่ยนทางเคมีเมื่อเข้าสู่เซลล์ นอกจากนี้ยังมีบทบาทอย่างกว้างขวางในการควบคุมเมแทบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรตในแบคทีเรีย