Chuyển hóa vi sinh vật
Chuyển hóa vi sinh vật bao gồm sự đa dạng phi thường của các cách thức mà vi sinh vật thu nhận năng lượng và carbon, từ hô hấp và lên men quen thuộc đến hóa tự dưỡng và quang hợp, những quá trình gần như chỉ có ở sinh vật nhân sơ.
Definition
Chuyển hóa vi sinh vật là tổng thể các quá trình sinh hóa mà qua đó vi sinh vật thu nhận năng lượng và các khối xây dựng từ môi trường của chúng, bao gồm các phản ứng dị hóa bảo tồn năng lượng và các phản ứng đồng hóa xây dựng vật chất tế bào.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các nguyên tắc năng lượng sinh học về bảo tồn năng lượng, bao gồm phosphoryl hóa mức cơ chất và phosphoryl hóa oxy hóa, cùng với lực vận động proton; hô hấp hiếu khí và sự đa dạng của hô hấp kỵ khí sử dụng các chất nhận điện tử thay thế; các con đường lên men; hóa tự dưỡng, trong đó các hợp chất vô cơ đóng vai trò là nguồn năng lượng; cố định carbon tự dưỡng; và một số dạng quang hợp của vi sinh vật. Nó khẳng định vi sinh vật là những sinh vật có khả năng chuyển hóa linh hoạt nhất và là động lực của các chu trình sinh địa hóa.
Sub-topics
Core questions
- Những nguồn năng lượng và carbon nào mà vi sinh vật có thể khai thác?
- Năng lượng được bảo tồn như thế nào trong quá trình hô hấp, lên men và quang hợp?
- Những chất cho và nhận điện tử nào xác định các lối sống chuyển hóa chính?
- Sự đa dạng chuyển hóa của vi sinh vật thúc đẩy chu trình nguyên tố trong tự nhiên như thế nào?
Key theories
- Lý thuyết hóa thẩm thấu
- Các tế bào bảo tồn năng lượng bằng cách sử dụng vận chuyển điện tử để bơm proton qua màng, tạo ra một lực vận động proton thúc đẩy tổng hợp ATP; điều này thống nhất năng lượng của hô hấp và quang hợp trên các lối sống vi sinh vật.
- Sự đa dạng chuyển hóa của sinh vật nhân sơ
- Sinh vật nhân sơ tổng hợp khai thác một phạm vi rộng lớn các nguồn năng lượng và carbon, bao gồm các chất cho điện tử vô cơ và các chất nhận điện tử đa dạng, mang lại cho chúng khả năng chuyển hóa không có ở sinh vật nhân chuẩn và vai trò trung tâm trong các chu trình sinh địa hóa.
Mechanisms
Các con đường dị hóa chiết xuất năng lượng từ cơ chất bằng cách phosphoryl hóa mức cơ chất hoặc bằng vận chuyển điện tử tạo ra lực vận động proton được sử dụng bởi ATP synthase. Bản chất của chất cho điện tử (hữu cơ hoặc vô cơ) và chất nhận điện tử cuối cùng (oxy hoặc các chất thay thế như nitrat, sulfat, hoặc carbon dioxide) xác định phương thức chuyển hóa. Sinh vật tự dưỡng cố định carbon vô cơ bằng cách sử dụng năng lượng từ ánh sáng hoặc quá trình oxy hóa hóa học, trong khi sinh vật lên men bảo tồn năng lượng mà không cần chất nhận điện tử bên ngoài.
Clinical relevance
Sự linh hoạt chuyển hóa của vi sinh vật là nền tảng cho chu trình toàn cầu của carbon, nitơ và lưu huỳnh, hỗ trợ quá trình lên men công nghiệp và sản xuất nhiên liệu sinh học, đồng thời giải thích cách vi sinh vật phát triển mạnh trong môi trường mà các dạng sống khác không thể tiếp cận, biến chuyển hóa thành nền tảng cho cả vi sinh vật học môi trường và ứng dụng.
History
Nghiên cứu về chuyển hóa vi sinh vật phát triển từ khám phá hóa tự dưỡng của Winogradsky vào thế kỷ 19 và các nghiên cứu so sánh về quang hợp của van Niel đến lý thuyết hóa thẩm thấu của Peter Mitchell vào những năm 1960, cung cấp cơ chế thống nhất để bảo tồn năng lượng trên toàn bộ phổ chuyển hóa.
Key figures
- Peter Mitchell
- Sergei Winogradsky
- Cornelis van Niel
Related topics
Seminal works
- madigan2018
- willey2020
- mitchell1966
Frequently asked questions
- Tại sao vi sinh vật được coi là những sinh vật có khả năng chuyển hóa đa dạng nhất?
- Vi sinh vật có thể sử dụng một phạm vi nguồn năng lượng đặc biệt rộng, bao gồm ánh sáng, các hợp chất hữu cơ và hóa chất vô cơ, và có thể hô hấp bằng cách sử dụng nhiều chất nhận điện tử khác nhau. Một số khả năng này, như hóa tự dưỡng và một số dạng hô hấp kỵ khí, chỉ được tìm thấy ở sinh vật nhân sơ.
- Lực vận động proton là gì?
- Lực vận động proton là một gradient điện hóa của proton qua màng, được tạo ra bởi vận chuyển điện tử. Các tế bào sử dụng nó để thúc đẩy tổng hợp ATP, vận chuyển và vận động, và nó là trung tâm của việc bảo tồn năng lượng trong hô hấp và quang hợp.