Hấp thu và Vận chuyển Dinh dưỡng ở Vi khuẩn

Hấp thu dinh dưỡng ở vi khuẩn là quá trình các tế bào di chuyển ion, đường, axit amin và các chất hòa tan khác qua màng tế bào, vượt qua rào cản của màng. Vì màng tế bào chất phần lớn không thấm đối với các phân tử phân cực và tích điện, vi khuẩn dựa vào các hệ thống vận chuyển đặc hiệu—bao gồm kênh, chất vận chuyển thứ cấp, bơm điều khiển bằng ATP và hệ thống chuyển vị nhóm—để tập trung các chất dinh dưỡng cần thiết.

Definition

Vận chuyển sinh học ở vi khuẩn là sự di chuyển của các chất hòa tan qua màng tế bào được trung gian bởi các protein màng; nó bao gồm khuếch tán thụ động, khuếch tán tăng cường, vận chuyển chủ động được cung cấp năng lượng bởi ATP hoặc gradient ion, và chuyển vị nhóm, làm biến đổi hóa học cơ chất trong quá trình hấp thu.

Scope

Chủ đề này bao gồm các loại vận chuyển chính ở vi khuẩn: khuếch tán thụ động và khuếch tán tăng cường, vận chuyển chủ động sơ cấp (như chất vận chuyển ABC), vận chuyển chủ động thứ cấp được điều khiển bởi gradient ion, và chuyển vị nhóm bằng hệ thống phosphotransferase, cùng với vai trò của tính thấm màng ngoài ở vi khuẩn Gram âm. 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 di chuyển chất dinh dưỡng qua màng không thấm như thế nào?
• Điều gì phân biệt vận chuyển chủ động với khuếch tán thụ động và khuếch tán tăng cường?
• Hệ thống phosphotransferase ghép nối sự hấp thu với quá trình phosphoryl hóa như thế nào?
• Màng ngoài của vi khuẩn Gram âm giới hạn và chọn lọc những gì đi vào tế bào như thế nào?

Key concepts

• Khuếch tán thụ động và khuếch tán tăng cường
• Vận chuyển chủ động sơ cấp và chất vận chuyển ABC
• Vận chuyển chủ động thứ cấp (đồng vận chuyển và đối vận chuyển)
• Lực động proton như một động lực
• Chuyển vị nhóm và hệ thống phosphotransferase (PTS)
• Porin màng ngoài và tính thấm chọn lọc
• Thu nhận sắt qua trung gian siderophore

Mechanisms

Các phân tử nhỏ không tích điện có thể đi qua màng bằng cách khuếch tán, nhưng hầu hết các chất dinh dưỡng đòi hỏi các chất vận chuyển chuyên biệt. Các chất vận chuyển chủ động sơ cấp như hệ thống ABC thủy phân ATP để bơm các chất hòa tan ngược gradient, trong khi các chất vận chuyển thứ cấp ghép nối sự di chuyển của chất hòa tan với lực động proton hoặc các gradient ion khác (Madigan et al., 2018; White et al., 2017). Trong chuyển vị nhóm, hệ thống phosphotransferase phosphoryl hóa đường khi chúng đi vào, đồng thời giữ lại và kích hoạt chúng, và hệ thống tương tự cũng tham gia vào điều hòa trao đổi chất (Deutscher et al., 2006). Ở vi khuẩn Gram âm, màng ngoài tạo thành một rào cản bổ sung mà các porin và tính chất thấm của nó quyết định phân tử nào tiếp cận được màng trong (Nikaido & Vaara, 1985).

Clinical relevance

Các hệ thống vận chuyển quyết định cách các phân tử, bao gồm một số tác nhân kháng khuẩn, đi vào hoặc bị loại trừ khỏi tế bào vi khuẩn, và tính thấm của màng ngoài là một yếu tố trong khả năng kháng thuốc nội tại của vi khuẩn Gram âm. Vận chuyển thu nhận sắt cũng liên quan đến cách vi khuẩn thu nhận các chất dinh dưỡng khan hiếm từ vật chủ. Chủ đề này mô tả các nguyên tắc vận chuyển để hiểu biết và không phải là cơ sở cho các quyết định điều trị.

History

Sự hiểu biết về vận chuyển ở vi khuẩn đã tiến bộ thông qua các nghiên cứu vào thế kỷ XX về cách các tế bào tập trung chất dinh dưỡng, bao gồm việc phát hiện ra hệ thống phosphotransferase như một con đường ghép nối sự hấp thu đường với quá trình phosphoryl hóa, sau đó được chứng minh là trung tâm của điều hòa trao đổi chất (Deutscher et al., 2006). Công trình nghiên cứu về vỏ bọc Gram âm đã làm rõ cách màng ngoài và các porin của nó điều chỉnh tính thấm và tính chọn lọc (Nikaido & Vaara, 1985), thiết lập vận chuyển như một yếu tố quyết định chính về những gì vi khuẩn có thể sử dụng và những gì có thể tiếp cận tế bào.

Key figures

• Hiroshi Nikaido
• Josef Deutscher
• Pieter Postma

Seminal works

• deutscher-2006
• nikaido-1985

Frequently asked questions

Tại sao vi khuẩn cần hệ thống vận chuyển thay vì khuếch tán đơn giản?

Màng tế bào chất không thấm đối với hầu hết các chất hòa tan phân cực và tích điện, và chất dinh dưỡng thường có nồng độ thấp, vì vậy vi khuẩn sử dụng các chất vận chuyển đặc hiệu để chọn lọc đưa vào và tập trung các phân tử mà chúng cần.

Hệ thống phosphotransferase là gì?

Hệ thống phosphotransferase là một con đường chuyển vị nhóm nhập khẩu một số loại đường trong khi phosphoryl hóa chúng, do đó đường được biến đổi hóa học khi đi vào; nó cũng có vai trò rộng rãi trong việc điều hòa chuyển hóa carbohydrate của vi khuẩn.