细菌代谢——有氧与无氧

细菌能量代谢是指细菌从营养物质中提取能量并将其以ATP和质子动力形式储存的一系列途径。细菌代谢多样：有些需要氧气作为最终电子受体（有氧呼吸），有些则使用替代受体或完全不使用（无氧呼吸和发酵），许多细菌还能根据氧气供应情况在不同模式之间切换。

Definition

细菌代谢包括细菌细胞的分解代谢和合成代谢反应；有氧代谢使用氧气作为最终电子受体，而无氧代谢则在无氧条件下通过替代受体呼吸或发酵来保存能量。

Scope

本主题涵盖细菌主要的产能量策略——有氧呼吸、使用替代电子受体的无氧呼吸以及发酵——以及根据细菌与氧气的关系进行的分类，以及使细胞能够选择最有利途径的调控机制。这是一个微生物生理学的参考主题，不提供临床指导。

Core questions

• 细菌如何通过呼吸和发酵保存能量？
• 有氧呼吸和无氧呼吸有何区别？
• 细菌如何根据其与氧气的关系进行分类？
• 细胞如何调节其使用的能量途径？

Key concepts

• 呼吸与发酵
• 最终电子受体（氧气、硝酸盐、硫酸盐、富马酸盐）
• 电子传递链和质子动力
• 专性好氧菌、专性厌氧菌、兼性厌氧菌和微好氧菌
• 碳分解代谢物阻遏
• 基因表达的氧化还原控制

Mechanisms

在呼吸作用中，电子从供体沿着电子传递链传递到最终受体，产生驱动ATP合成的质子动力；有氧呼吸使用氧气，而无氧呼吸则使用硝酸盐、硫酸盐或富马酸盐等受体（Madigan et al., 2018; White et al., 2017）。在发酵作用中，不使用外部电子受体，ATP通过底物水平磷酸化产生，有机分子充当内部电子库。细菌感知氧气和氧化还原状态并相应调整基因表达（Bauer et al., 1999），并通过碳分解代谢物阻遏优先消耗最有利的碳源（Görke & Stülke, 2008）。

Clinical relevance

细菌对氧气的需求有助于解释其在体内何处生长以及如何在实验室中回收，无氧代谢是存在于氧气稀少部位的生物体的特征。发酵产物也用于诊断鉴定细菌。本主题描述这些代谢原理是为了理解，而非作为治疗决策的依据。

History

细菌可以在有氧或无氧条件下生存的认识可追溯到路易·巴斯德十九世纪对发酵的研究以及他对有氧和无氧生命的区分。二十世纪阐明了能量守恒的化学渗透基础以及细菌使用的各种最终电子受体，后来的研究详细说明了细胞如何感知氧气和氧化还原状态以调节其代谢（Bauer et al., 1999），以及它们如何通过分解代谢物阻遏优先利用营养物质（Görke & Stülke, 2008）。

Key figures

• Carl Bauer
• Boris Görke
• Jörg Stülke

Seminal works

• bauer-1999
• gorke-stulke-2008

Frequently asked questions

细菌的有氧呼吸和无氧呼吸有什么区别？

两者都使用电子传递链来保存能量，但有氧呼吸使用氧气作为最终电子受体，而无氧呼吸则使用硝酸盐、硫酸盐或富马酸盐等替代受体。

发酵与呼吸有何不同？

发酵通过底物水平磷酸化产生ATP，不使用外部电子受体或电子传递链，而是利用有机分子作为内部电子库，因此其产生的能量远低于呼吸作用。