เมแทบอลิซึมและการผลิตพลังงานของเชื้อรา

เชื้อราเป็นสิ่งมีชีวิตเคโมออร์กาโนเฮเทอโรโทรฟ (chemoorganoheterotrophs): พวกมันได้รับคาร์บอนและพลังงานโดยการดูดซับสารอาหารอินทรีย์ หลั่งเอนไซม์เพื่อย่อยสลายสารตั้งต้นที่ซับซ้อนภายนอกเซลล์และนำผลิตภัณฑ์ที่ได้ไปใช้ พลังงานถูกสกัดผ่านกระบวนการไกลโคไลซิส (glycolysis), วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (tricarboxylic acid cycle) และการสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน (oxidative phosphorylation) และเชื้อราหลายชนิดสามารถเปลี่ยนไปมาระหว่างการหมัก (fermentation) และการหายใจ (respiration) รวมถึงระหว่างแหล่งคาร์บอนที่แตกต่างกัน นอกเหนือจากเมแทบอลิซึมพลังงานหลักแล้ว เชื้อรายังผลิตสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิ (secondary metabolites) จำนวนมาก ซึ่งบางชนิดมีความสำคัญทางการแพทย์

Definition

เมแทบอลิซึมและการผลิตพลังงานของเชื้อรา หมายถึง วิถีชีวเคมีที่เชื้อราในฐานะเฮเทอโรโทรฟแบบดูดซึม (absorptive heterotrophs) ได้รับคาร์บอนและสารอาหารอื่น ๆ และสร้าง ATP รวมถึงการย่อยอาหารนอกเซลล์, ไกลโคไลซิส, วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก, การสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน, การหมัก, และความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมที่ช่วยให้เชื้อราสามารถใช้ประโยชน์จากสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่เชื้อราได้รับและประมวลผลคาร์บอนและพลังงาน: การย่อยอาหารนอกเซลล์และการดูดซึมสารอาหาร, เมแทบอลิซึมคาร์บอนกลาง (ไกลโคไลซิส, วัฏจักร TCA, การสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน), ความยืดหยุ่นในการหมักหรือหายใจและการใช้แหล่งคาร์บอนทางเลือก, และการควบคุมเมแทบอลิซึมปฐมภูมิเทียบกับทุติยภูมิ นี่คือชีววิทยาอ้างอิงและไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เชื้อราได้รับคาร์บอนและสารอาหารอื่น ๆ ได้อย่างไร?
• ATP ถูกสร้างขึ้นผ่านการหมักเทียบกับการหายใจได้อย่างไร?
• เชื้อราสามารถสลับแหล่งคาร์บอนและโหมดเมแทบอลิซึมได้อย่างยืดหยุ่นเพียงใด?
• การผลิตสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิถูกควบคุมอย่างไร?

Key concepts

• เฮเทอโรโทรฟแบบดูดซึม
• เอนไซม์นอกเซลล์และการย่อยอาหาร
• ไกลโคไลซิส
• วัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก (TCA)
• การสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน
• การหมักเทียบกับการหายใจ
• ความยืดหยุ่นของแหล่งคาร์บอน (การปรับตัวทางเมแทบอลิซึม)
• เมแทบอลิซึมปฐมภูมิเทียบกับทุติยภูมิ

Mechanisms

เชื้อรากินอาหารโดยการดูดซึม: พวกมันหลั่งเอนไซม์ไฮโดรไลติก (hydrolytic enzymes) ที่ย่อยสลายสารตั้งต้นภายนอกและจากนั้นนำเข้าผลิตภัณฑ์ที่ละลายน้ำได้ โครงสร้างคาร์บอนเข้าสู่เมแทบอลิซึมกลางผ่านไกลโคไลซิส ซึ่งสร้างไพรูเวต (pyruvate) ที่อาจถูกหมัก (เช่น เป็นเอทานอล) ภายใต้สภาวะการหมัก หรือถูกออกซิไดซ์ผ่านวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก โดยมีตัวรีดิวซ์ (reducing equivalents) ที่เกิดขึ้นส่งต่อไปยังการสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอนที่เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียเพื่อผลิต ATP เชื้อราหลายชนิดแสดงความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมที่โดดเด่น โดยสามารถสลับไปมาระหว่างการหมักและการหายใจ และปรับตัวเข้ากับแหล่งคาร์บอนทางเลือก เช่น ลิพิด (lipids) หรือกรดอะมิโน (amino acids) ซึ่งความยืดหยุ่นนี้สนับสนุนการตั้งรกรากในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย รวมถึงเนื้อเยื่อของโฮสต์ เมแทบอลิซึมทุติยภูมิ ซึ่งแตกแขนงมาจากวิถีปฐมภูมิ ถูกควบคุมอย่างเข้มงวดและให้สารประกอบตั้งแต่เม็ดสีไปจนถึงโมเลกุลออกฤทธิ์ทางชีวภาพ

Clinical relevance

ความยืดหยุ่นทางเมแทบอลิซึมช่วยให้เชื้อราปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมของโฮสต์ที่มีสารอาหารจำกัด และเมแทบอลิซึมกลางมีความเชื่อมโยงกับความต้านทานต่อความเครียดและความรุนแรงในสายพันธุ์ที่ก่อโรค เมแทบอลิซึมทุติยภูมิของเชื้อรายังเป็นแหล่งของสารประกอบที่มีความสำคัญทางการแพทย์ รวมถึงไมโคทอกซิน (mycotoxins) และโมเลกุลยาปฏิชีวนะบางชนิด ข้อมูลนี้อธิบายเมแทบอลิซึมในฐานะชีววิทยาอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ข้อความในที่นี้สรุปการทบทวนวรรณกรรมเชิงบรรยายเกี่ยวกับเมแทบอลิซึมและการก่อโรคของเชื้อราในปัจจุบัน ควบคู่ไปกับตำราชีววิทยาเชื้อรามาตรฐาน ซึ่งสะท้อนถึงความเข้าใจเชิงกลไกมากกว่าหลักฐานจากการทดลองทางคลินิก

History

การหมักของยีสต์เป็นหนึ่งในหัวข้อพื้นฐานของชีวเคมี และ Saccharomyces cerevisiae กลายเป็นแบบจำลองหลักสำหรับไกลโคไลซิสและการหายใจ งานวิจัยในศตวรรษที่ 20 ได้อธิบายการควบคุมการใช้คาร์บอนและความแตกต่างระหว่างเมแทบอลิซึมปฐมภูมิและทุติยภูมิ ในขณะที่การค้นพบเพนิซิลลินจากเชื้อราได้เน้นย้ำถึงความสำคัญทางการแพทย์ของสารเมแทบอไลต์ทุติยภูมิของเชื้อรา การวิจัยล่าสุดได้เชื่อมโยงการปรับตัวทางเมแทบอลิซึมกับการก่อโรคของเชื้อรา

Key figures

• Alistair J. P. Brown
• Axel A. Brakhage

Seminal works

• ene-2014
• brakhage-2012

Frequently asked questions

เชื้อรากินอาหารอย่างไร?

เชื้อราเป็นเฮเทอโรโทรฟแบบดูดซึม: พวกมันหลั่งเอนไซม์ที่ย่อยสลายสารอินทรีย์นอกเซลล์ จากนั้นดูดซับผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ที่ละลายน้ำได้เพื่อใช้เป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงาน

เชื้อราหมักหรือหายใจ?

เชื้อราหลายชนิดสามารถทำได้ทั้งสองอย่าง พวกมันสามารถหมักแหล่งคาร์บอน (เช่น เป็นเอทานอล) หรือออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ผ่านวัฏจักร TCA และการสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานจากการถ่ายทอดอิเล็กตรอน โดยสลับระหว่างโหมดต่างๆ ขึ้นอยู่กับสภาวะ เช่น ออกซิเจนและความพร้อมของสารอาหาร