Chuyển hóa vi khuẩn—Hiếu khí và Kỵ khí

Chuyển hóa năng lượng của vi khuẩn là tập hợp các con đường mà vi khuẩn chiết xuất năng lượng từ chất dinh dưỡng và bảo tồn nó dưới dạng ATP và lực vận động proton. Vi khuẩn đa dạng về mặt chuyển hóa: một số cần oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng (hô hấp hiếu khí), số khác sử dụng các chất nhận thay thế hoặc không sử dụng chất nhận nào cả (hô hấp kỵ khí và lên men), và nhiều loài có thể chuyển đổi giữa các chế độ tùy thuộc vào sự sẵn có của oxy.

Definition

Chuyển hóa vi khuẩn bao gồm các phản ứng dị hóa và đồng hóa của tế bào vi khuẩn; chuyển hóa hiếu khí sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng, trong khi chuyển hóa kỵ khí bảo tồn năng lượng mà không cần oxy, thông qua hô hấp trên các chất nhận thay thế hoặc thông qua lên men.

Scope

Chủ đề này bao gồm các chiến lược tạo năng lượng chính của vi khuẩn—hô hấp hiếu khí, hô hấp kỵ khí với các chất nhận điện tử thay thế, và lên men—cùng với việc phân loại vi khuẩn theo mối quan hệ của chúng với oxy và sự điều hòa cho phép tế bào chọn con đường thuận lợi nhất. Đây là một chủ đề tham khảo trong sinh lý học vi sinh vật và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Vi khuẩn bảo tồn năng lượng thông qua hô hấp và lên men như thế nào?
• Điều gì phân biệt hô hấp hiếu khí với hô hấp kỵ khí?
• Vi khuẩn được phân loại theo mối quan hệ của chúng với oxy như thế nào?
• Các tế bào điều hòa con đường năng lượng mà chúng sử dụng như thế nào?

Key concepts

• Hô hấp so với lên men
• Các chất nhận điện tử cuối cùng (oxy, nitrat, sulfat, fumarat)
• Chuỗi vận chuyển điện tử và lực vận động proton
• Vi khuẩn hiếu khí bắt buộc, vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, vi khuẩn kỵ khí tùy nghi và vi khuẩn vi hiếu khí
• Ức chế dị hóa carbon
• Kiểm soát oxy hóa khử của biểu hiện gen

Mechanisms

Trong hô hấp, các điện tử từ một chất cho đi qua chuỗi vận chuyển điện tử đến một chất nhận cuối cùng, tạo ra lực vận động proton thúc đẩy tổng hợp ATP; hô hấp hiếu khí sử dụng oxy, trong khi hô hấp kỵ khí sử dụng các chất nhận như nitrat, sulfat hoặc fumarat (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Trong lên men, không có chất nhận điện tử bên ngoài nào được sử dụng và ATP được tạo ra bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất, với các phân tử hữu cơ đóng vai trò là chất nhận điện tử nội bộ. Vi khuẩn cảm nhận oxy và trạng thái oxy hóa khử và điều chỉnh biểu hiện gen tương ứng (Bauer et al., 1999), và chúng ưu tiên tiêu thụ nguồn carbon thuận lợi nhất thông qua sự ức chế dị hóa carbon (Görke & Stülke, 2008).

Clinical relevance

Nhu cầu oxy của vi khuẩn giúp giải thích nơi chúng phát triển trong cơ thể và cách chúng được phục hồi trong phòng thí nghiệm, và chuyển hóa kỵ khí là đặc điểm của các sinh vật được tìm thấy ở những nơi có ít oxy. Các sản phẩm lên men cũng được sử dụng để phân biệt vi khuẩn trong chẩn đoán. Chủ đề này mô tả các nguyên tắc chuyển hóa này để hiểu biết và không phải là cơ sở cho các quyết định điều trị.

History

Sự công nhận rằng vi khuẩn có thể sống có hoặc không có oxy bắt nguồn từ các nghiên cứu về lên men của Louis Pasteur vào thế kỷ XIX và sự phân biệt của ông giữa sự sống hiếu khí và kỵ khí. Thế kỷ XX đã làm rõ cơ sở hóa thẩm thấu của sự bảo tồn năng lượng và sự đa dạng của các chất nhận điện tử cuối cùng được vi khuẩn sử dụng, và các công trình sau này đã mô tả chi tiết cách các tế bào cảm nhận oxy và trạng thái oxy hóa khử để điều hòa chuyển hóa của chúng (Bauer et al., 1999) và cách chúng ưu tiên chất dinh dưỡng thông qua sự ức chế dị hóa (Görke & Stülke, 2008).

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa hô hấp hiếu khí và kỵ khí ở vi khuẩn là gì?

Cả hai đều sử dụng chuỗi vận chuyển điện tử để bảo tồn năng lượng, nhưng hô hấp hiếu khí sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng, trong khi hô hấp kỵ khí sử dụng các chất nhận thay thế như nitrat, sulfat hoặc fumarat.

Lên men khác với hô hấp như thế nào?

Lên men tạo ra ATP bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất mà không cần chất nhận điện tử bên ngoài hoặc chuỗi vận chuyển điện tử, sử dụng các phân tử hữu cơ làm chất nhận điện tử nội bộ, do đó nó tạo ra ít năng lượng hơn nhiều so với hô hấp.