Бактеріальний метаболізм — аеробний та анаеробний

Бактеріальний енергетичний метаболізм — це сукупність шляхів, якими бактерії вилучають енергію з поживних речовин і зберігають її у вигляді АТФ та протонорушійної сили. Бактерії метаболічно різноманітні: деякі потребують кисню як кінцевого акцептора електронів (аеробне дихання), інші використовують альтернативні акцептори або взагалі жодного (анаеробне дихання та ферментація), і багато хто може перемикатися між режимами залежно від наявності кисню.

Definition

Бактеріальний метаболізм охоплює катаболічні та анаболічні реакції бактеріальних клітин; аеробний метаболізм використовує кисень як кінцевий акцептор електронів, тоді як анаеробний метаболізм зберігає енергію без кисню, або шляхом дихання на альтернативних акцепторах, або шляхом ферментації.

Scope

Ця тема охоплює основні енергозберігаючі стратегії бактерій — аеробне дихання, анаеробне дихання з альтернативними акцепторами електронів та ферментацію — разом із класифікацією бактерій за їхнім ставленням до кисню та регуляцією, що дозволяє клітинам обирати найсприятливіший шлях. Це довідкова тема з мікробної фізіології, яка не надає клінічних рекомендацій.

Core questions

• Як бактерії зберігають енергію шляхом дихання та ферментації?
• Що відрізняє аеробне дихання від анаеробного?
• Як класифікують бактерії за їхнім ставленням до кисню?
• Як клітини регулюють, який енергетичний шлях вони використовують?

Key concepts

• Дихання проти ферментації
• Кінцеві акцептори електронів (кисень, нітрат, сульфат, фумарат)
• Ланцюг транспорту електронів та протонорушійна сила
• Облігатні аероби, облігатні анаероби, факультативні анаероби та мікроаерофіли
• Вуглеводнарепресія
• Регуляція експресії генів окисно-відновним станом

Mechanisms

При диханні електрони від донора проходять по ланцюгу транспорту електронів до кінцевого акцептора, генеруючи протонорушійну силу, яка зумовлює синтез АТФ; аеробне дихання використовує кисень, тоді як анаеробне дихання використовує такі акцептори, як нітрат, сульфат або фумарат (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). При ферментації зовнішній акцептор електронів не використовується, а АТФ генерується шляхом субстрат-рівневого фосфорилювання, причому органічні молекули слугують внутрішніми акцепторами електронів. Бактерії відчувають кисень та окисно-відновний стан і відповідно коригують експресію генів (Bauer et al., 1999), а також віддають перевагу найсприятливішому джерелу вуглецю через вуглеводнурепресію (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Потреба бактерії в кисні допомагає пояснити, де в організмі вона росте і як її виділяють у лабораторії, а анаеробний метаболізм є характерним для організмів, що знаходяться в місцях з низьким вмістом кисню. Продукти ферментації також використовуються для розрізнення бактерій при діагностичній ідентифікації. Ця тема описує ці метаболічні принципи для розуміння і не є основою для прийняття рішень щодо лікування.

History

Усвідомлення того, що бактерії можуть жити з киснем або без нього, сягає досліджень ферментації Луї Пастера в дев'ятнадцятому столітті та його розрізнення між аеробним і анаеробним життям. Двадцяте століття прояснило хеміосмотичну основу збереження енергії та різноманітність кінцевих акцепторів електронів, що використовуються бактеріями, а пізніші роботи деталізували, як клітини відчувають кисень та окисно-відновний стан для регуляції свого метаболізму (Bauer et al., 1999) та як вони пріоритезують поживні речовини через репресію катаболітів (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Яка різниця між аеробним та анаеробним диханням у бактерій?

Обидва використовують ланцюг транспорту електронів для збереження енергії, але аеробне дихання використовує кисень як кінцевий акцептор електронів, тоді як анаеробне дихання використовує альтернативні акцептори, такі як нітрат, сульфат або фумарат.

Чим ферментація відрізняється від дихання?

Ферментація генерує АТФ шляхом субстрат-рівневого фосфорилювання без зовнішнього акцептора електронів або ланцюга транспорту електронів, використовуючи органічні молекули як внутрішні акцептори електронів, тому вона дає значно менше енергії, ніж дихання.