8: الأيض الميكروبي
- Page ID
- 194728
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
على مدار تاريخ الأرض، كان التمثيل الغذائي الميكروبي قوة دافعة وراء تطوير وصيانة المحيط الحيوي للكوكب. تعتمد الكائنات حقيقية النواة مثل النباتات والحيوانات عادةً على الجزيئات العضوية للطاقة والنمو والتكاثر. من ناحية أخرى، يمكن لبدائيات النواة استقلاب مجموعة واسعة من المواد العضوية وغير العضوية، من الجزيئات العضوية المعقدة مثل السليلوز إلى الجزيئات غير العضوية والأيونات مثل النيتروجين الجوي (N 2) والهيدروجين الجزيئي (H 2) والكبريتيد (S 2−) وأيونات المنغنيز (II) (Mn 2+) والحديد الحديدي (Fe 2+) والحديد الحديدي (Fe 3+)، على سبيل المثال لا الحصر. من خلال استقلاب هذه المواد، تقوم الميكروبات بتحويلها كيميائيًا إلى أشكال أخرى. في بعض الحالات، ينتج الأيض الميكروبي مواد كيميائية يمكن أن تكون ضارة للكائنات الحية الأخرى؛ وفي حالات أخرى، ينتج مواد ضرورية لعملية التمثيل الغذائي وبقاء أشكال الحياة الأخرى (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
- 8.1: الطاقة والمادة والإنزيمات
- تحدث العمليات الخلوية مثل بناء أو تكسير الجزيئات المعقدة من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية المتدرجة والمترابطة التي تسمى مسارات التمثيل الغذائي. يشير مصطلح الأيض إلى مسارات التمثيل الغذائي الإندرونية التي تشارك في التخليق الحيوي، وتحويل كتل البناء الجزيئية البسيطة إلى جزيئات أكثر تعقيدًا، ويغذيها استخدام الطاقة الخلوية.
- 8.2: هدم الكربوهيدرات
- تحلل السكر هو الخطوة الأولى في تكسير الجلوكوز، مما يؤدي إلى تكوين ATP، الذي ينتج عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة؛ NADH؛ وجزيئين من البيروفات. لا يستخدم تحلل السكر الأكسجين ولا يعتمد على الأكسجين. بعد تحلل السكر، يتم نزع الكربوكسيل من البيروفات ثلاثي الكربون لتشكيل مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون، إلى جانب تكوين NADH. ترتبط مجموعة الأسيتيل بمركب حامل كبير يسمى الإنزيم المساعد A.
- 8.3: التنفس الخلوي
- يبدأ التنفس الخلوي عندما تنتقل الإلكترونات من NADH و FADH - من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية إلى مستقبل إلكتروني غير عضوي نهائي (إما أكسجين في التنفس الهوائي أو جزيئات غير عضوية غير أكسجين في التنفس اللاهوائي). تتم عمليات نقل الإلكترون هذه في الجزء الداخلي من غشاء الخلية للخلايا بدائية النواة أو في مجمعات بروتينية متخصصة في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا للخلايا حقيقية النواة.
- 8.4: التخمير
- يستخدم التخمير جزيئًا عضويًا كمستقبل إلكتروني نهائي لتجديد NADمن NADH بحيث يمكن أن يستمر تحلل السكر. لا يتضمن التخمير نظام نقل الإلكترون، ولا يتم تصنيع ATP من خلال عملية التخمير مباشرة. تنتج أجهزة التخمير القليل جدًا من ATP - جزيئان من ATP فقط لكل جزيء جلوكوز أثناء تحلل السكر. تم استخدام عمليات التخمير الميكروبي لإنتاج الأطعمة والأدوية، ولتحديد الميكروبات.
- 8.5: هدم الدهون والبروتينات
- بشكل جماعي، تمتلك الميكروبات القدرة على تحلل مجموعة متنوعة من مصادر الكربون إلى جانب الكربوهيدرات، بما في ذلك الدهون والبروتينات. ترتبط المسارات التقويضية لجميع هذه الجزيئات في النهاية بتحلل السكر ودورة كريبس. يمكن أن تتحلل عدة أنواع من الدهون ميكروبيًا. تتحلل الدهون الثلاثية عن طريق الليباز خارج الخلية، مما يؤدي إلى إطلاق الأحماض الدهنية من العمود الفقري للجلسرين. تتحلل الفوسفوليبيدات بواسطة الفوسفوليباز، مما يؤدي إلى إطلاق الأحماض الدهنية ومجموعات الرأس الفوسفورية.
- 8.6: التمثيل الضوئي وأهمية الضوء
- تعتمد الكائنات غير المتجانسة التي تتراوح من E. coli إلى البشر على الطاقة الكيميائية الموجودة أساسًا في جزيئات الكربوهيدرات. يتم إنتاج العديد من هذه الكربوهيدرات عن طريق التمثيل الضوئي، وهي العملية البيوكيميائية التي تقوم من خلالها الكائنات ذات التغذية الضوئية بتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية. على الرغم من أن التمثيل الضوئي يرتبط بشكل شائع بالنباتات، إلا أن التمثيل الضوئي الميكروبي هو أيضًا مورد مهم للطاقة الكيميائية، مما يغذي العديد من النظم البيئية المتنوعة.
- 8.7: الدورات البيوجيوكيميائية
- تتدفق الطاقة بشكل مباشر عبر النظم البيئية، وتدخل كضوء الشمس للصور الضوئية أو كجزيئات غير عضوية للأوتوتروفات الكيميائية. تتخذ العناصر الستة الأكثر شيوعًا المرتبطة بالجزيئات العضوية - الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت - مجموعة متنوعة من الأشكال الكيميائية وقد توجد لفترات طويلة في الغلاف الجوي أو على الأرض أو في الماء أو تحت سطح الأرض.
الصورة المصغرة: يتم تلخيص دورة كريبس، المعروفة أيضًا باسم دورة حمض الستريك، هنا. لاحظ أن الأسيتيل ثنائي الكربون الوارد ينتج المخرجات الرئيسية لكل دورة لجزيئين من ثاني أكسيد الكربون وثلاثة NADH وواحد من FADH 2 وجزيئات ATP (أو GTP) المصنوعة عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة. يلزم دورتان من دورة كريبس لمعالجة كل الكربون من جزيء جلوكوز واحد. (CC بحلول 4.0؛ OpenStax)