8: מטבוליזם מיקרוביאלי
- Page ID
- 209087
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ, חילוף החומרים המיקרוביאלי היווה כוח מניע מאחורי הפיתוח והתחזוקה של הביוספרה של כדור הארץ. אורגניזמים אוקריוטיים כגון צמחים ובעלי חיים תלויים בדרך כלל במולקולות אורגניות לאנרגיה, צמיחה ורבייה. פרוקריוטים, לעומת זאת, יכולים לחילוף חומרים של מגוון רחב של חומרים אורגניים כמו גם אנאורגניים, ממולקולות אורגניות מורכבות כמו תאית ועד מולקולות אנאורגניות ויונים כגון חנקן אטמוספרי (N 2), מימן מולקולרי (H 2), גופרתי (S 2 −), יוני מנגן (II) (Mn 2+), ברזל ברזל (Fe 2+) וברזל ברזל (Fe 3+), אם להזכיר כמה. על ידי חילוף חומרים כאלה, חיידקים ממירים אותם כימית לצורות אחרות. במקרים מסוימים, מטבוליזם מיקרוביאלי מייצר כימיקלים שעלולים להזיק לאורגניזמים אחרים; באחרים, הוא מייצר חומרים החיוניים לחילוף החומרים ולהישרדות של צורות חיים אחרות (איור\(\PageIndex{1}\)).
- 8.1: אנרגיה, חומר ואנזימים
- תהליכים תאיים כגון בנייה או פירוק של מולקולות מורכבות מתרחשים באמצעות סדרות של תגובות כימיות מחוברות זו לזו הנקראות מסלולים מטבוליים. המונח אנבוליזם מתייחס לאותם מסלולים מטבוליים אנדרגוניים המעורבים בביוסינתזה, הממירים אבני בניין מולקולריות פשוטות למולקולות מורכבות יותר, ומונעים על ידי שימוש באנרגיה תאית.
- 8.2: קטבוליזם של פחמימות
- גליקוליזה היא השלב הראשון בפירוק הגלוקוז, וכתוצאה מכך נוצר ATP, המיוצר על ידי זרחון ברמת המצע; NADH; ושתי מולקולות פירובט. הגליקוליזה אינה משתמשת בחמצן ואינה תלויה בחמצן. לאחר הגליקוליזה, פירובט בעל שלושה פחמנים עובר דה-קרבוקסילציה ליצירת קבוצת אצטיל דו-פחמנית, יחד עם היווצרות NADH. קבוצת האצטיל מחוברת לתרכובת נשא גדולה הנקראת קואנזים A.
- 8.3: נשימה סלולרית
- הנשימה התאית מתחילה כאשר אלקטרונים מועברים מ- NADH ו- FADH₂ - דרך סדרה של תגובות כימיות למקבל אלקטרונים אנאורגני סופי (או חמצן בנשימה אירובית או מולקולות אנאורגניות שאינן חמצן בנשימה אנאירובית). העברות אלקטרונים אלה מתרחשות בחלק הפנימי של קרום התא של תאים פרוקריוטים או במתחמי חלבון מיוחדים בקרום הפנימי של המיטוכונדריה של תאים אוקריוטיים.
- 8.4: תסיסה
- התסיסה משתמשת במולקולה אורגנית כמקבל אלקטרונים סופי כדי ליצור מחדש NADמ- NADH כך שהגליקוליזה תוכל להמשיך. התסיסה אינה כרוכה במערכת הובלת אלקטרונים, ולא נוצר ATP על ידי תהליך התסיסה ישירות. תוססים מייצרים מעט מאוד ATP - רק שתי מולקולות ATP לכל מולקולת גלוקוז במהלך הגליקוליזה. תהליכי תסיסה מיקרוביאליים שימשו לייצור מזון ותרופות, ולזיהוי חיידקים.
- 8.5: קטבוליזם של ליפידים וחלבונים
- ביחד, לחיידקים יש את היכולת לפרק מגוון רחב של מקורות פחמן מלבד פחמימות, כולל שומנים וחלבונים. המסלולים הקטבוליים של כל המולקולות הללו מתחברים בסופו של דבר לגליקוליזה ולמחזור קרבס. מספר סוגים של שומנים יכולים להתפרק מיקרוביאלית. הטריגליצרידים מתפרקים על ידי ליפאזות חוץ -תאיות, ומשחררות חומצות שומן מעמוד השדרה של הגליצרול. פוספוליפידים מתפרקים על ידי פוספוליפאזים, ומשחררים חומצות שומן וקבוצות ראש זרחניות.
- 8.6: פוטוסינתזה וחשיבות האור
- אורגניזמים הטרוטרופיים הנעים בין אי - קולי לבני אדם מסתמכים על האנרגיה הכימית המצויה בעיקר במולקולות פחמימות. רבות מהפחמימות הללו מיוצרות על ידי פוטוסינתזה, התהליך הביוכימי שבו אורגניזמים פוטוטרופיים ממירים אנרגיית שמש (אור שמש) לאנרגיה כימית. למרות שפוטוסינתזה קשורה לרוב לצמחים, פוטוסינתזה מיקרוביאלית היא גם ספקית משמעותית של אנרגיה כימית, המזינה מערכות אקולוגיות רבות ומגוונות.
- 8.7: מחזורים ביוגיאוכימיים
- אנרגיה זורמת בכיוון דרך מערכות אקולוגיות, נכנסת כאור שמש לפוטוטרופים או כמולקולות אנאורגניות לכימואוטוטרופים. ששת היסודות הנפוצים ביותר הקשורים למולקולות אורגניות - פחמן, מימן, חנקן, חמצן, זרחן וגופרית - לובשים מגוון צורות כימיות ועשויים להתקיים לתקופות ארוכות באטמוספירה, ביבשה, במים או מתחת לפני כדור הארץ.
תמונה ממוזערת: מחזור קרבס, המכונה גם מחזור חומצת לימון, מסוכם כאן. שימו לב שאצטיל דו-פחמני נכנס מביא לתפוקות העיקריות לכל סיבוב של שתי CO 2, שלוש NADH, אחת FADH 2 ומולקולות ATP (או GTP) המיוצרות על ידי זרחון ברמת המצע. שני סיבובים של מחזור קרבס נדרשים לעיבוד כל הפחמן ממולקולת גלוקוז אחת. (CC על ידי 4.0; אופנסטקס)