微生物代謝與調(diào)控

1、微生物的代謝及其調(diào)控- 22 -微生物的代謝及其調(diào)控摘要：新陳代謝是生命現(xiàn)象的最基本特征，研究微生物代謝規(guī)律及其調(diào)控機(jī)理，可以實現(xiàn)微生物的生產(chǎn)利益，從而為人類服務(wù)。本文介紹了微生物的代謝概念、類型及其調(diào)控機(jī)理。關(guān)鍵詞：微生物；代謝；調(diào)控機(jī)理Microbial metabolic and regulation mechanismAbstract: Metabolism is the most basic characteristic of the phenomena of life. Research on microbial metabolic regularity and regulatio

2、n mechanism, may realize the microbial production interests, thus serving the society. The paper introduced the concept of microbial metabolic, types and its regulation mechanism. Keywords: microbial; metabolic; regulation mechanism微生物是一群生物學(xué)上進(jìn)化地位較低的簡單生物。其類群十分龐雜，包括不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒和類病毒，原核類的細(xì)菌、放線茵、藍(lán)細(xì)菌、立克汰氏體、

3、衣原體和枝原體，以及屬于真核類的酵母菌、霉菌、原生動物和顯微藻類等。由于肉限難以分辨直徑小于1mm以下物體的細(xì)節(jié)，故人們必須借助顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察微生物的形態(tài)及測量它們的大小。1. 微生物的代謝新陳代謝簡稱代謝，是微生物生命活動的基本特征之一，是微生物生理學(xué)的核心，它包括微生物體內(nèi)所進(jìn)行的全部化學(xué)反應(yīng)的總和。一個微生物細(xì)胞就是一個新陳代謝的整體，其中配備著復(fù)雜、多樣的結(jié)構(gòu)成分和酶系，協(xié)調(diào)地進(jìn)行著同化和異化過程，表現(xiàn)了包括營養(yǎng)、合成、呼吸、生長、繁殖等各種生命現(xiàn)象。微生物從外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)，在同化作用中合成新的細(xì)胞物質(zhì)，貯存能量，建立生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；同時在異化過程中通過呼吸作用，不斷

4、地在體內(nèi)分解和氧化一些細(xì)胞物質(zhì)和從界口吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，釋放能量，供同化作用和機(jī)體運(yùn)動的需要，并生成一些中間產(chǎn)物用為合成細(xì)胞物質(zhì)的基礎(chǔ)原料。最后不能被利用的代謝產(chǎn)物，則貯存體內(nèi)或排泄體外。在這種代謝中，既有物質(zhì)代謝，也有能量代謝。同化作用和異化作用在生活細(xì)胞中是相反相成的，生命現(xiàn)象就是這種矛盾的對立統(tǒng)一1。1.1微生物能量代謝微生物的生長繁殖要正常進(jìn)行，需吸收營養(yǎng)物合成細(xì)胞組分。然而，合成細(xì)胞組分及維持生命活動都需要能量，這些能量都是依賴微生物產(chǎn)能代謝提供。微生物能量的來源不外乎是化能或光能，然而微生物利用達(dá)些能源的方式卻是多種多樣的。在種類繁多的微生物世界里，絕大多數(shù)是屬于化能異養(yǎng)微生物。不同

5、的微生物產(chǎn)生能量的方式有所不同，各種能量形式都需要轉(zhuǎn)換為一切生命活動都能使用的通用能源ATP后，才能被生物細(xì)胞直接利用。ATP是機(jī)體內(nèi)最重要的高能化合物。1.1.1 呼吸作用與產(chǎn)能代謝2微生物呼吸作用的本質(zhì)是氧化與還原的統(tǒng)一過程，這過程中有能量的產(chǎn)生和能量轉(zhuǎn)移。微生物的呼吸類型有三類：發(fā)酵、好氧呼吸和無氧呼吸。這三者都是氧化還原反應(yīng)，即在化學(xué)反應(yīng)中一種物質(zhì)失去電子被氧化，另一種物質(zhì)得到電子被還原。微生物的產(chǎn)能代謝是通過這三種呼吸作用來實現(xiàn)的，從中獲取其維持生命活動需要的能量。（1）生物能量的轉(zhuǎn)移中心ATP微生物能量來源有多種，產(chǎn)生的能量形式也有多種，如電能、化學(xué)能、機(jī)械能、光能等。微生物所產(chǎn)生

6、的能量中，有一部分變?yōu)闊嵘l(fā)掉，有一部分供合成反應(yīng)和其他生命活動所需，另有一部分被貯存在ATP（三磷酸腺苷）中，以備生長、運(yùn)動及其他活動用。ATP結(jié)構(gòu)如圖1所示。ATP中的磷酸基團(tuán)可以依次移去，主成腺二磷(ADP)、腺一磷(AMP)。分子中的兩個高能磷酸鍵在水解時會放出大量的自由能。反過來，在形成這種高能磷酸健時又可將反應(yīng)過程中釋放的能量貯藏于其中。ATP是生物能量的主要傳遞者。圖1 ATP結(jié)構(gòu)化能微生物分解有機(jī)物所釋放的化學(xué)能，光能微生物利用光合色素所捕獲的太陽輻射能，不管何種方式獲得的能量，都得轉(zhuǎn)換成ATP形式的能量。當(dāng)需要這些能量時再水解ATP，讓能量釋放出來。ATP中的能量可用于物質(zhì)分

7、解，也可用于生物合成，還可用于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。由此可見ATP對于微生物的生命活動具有重大意義。（2）ATP 的產(chǎn)生方式ATP是在發(fā)酵、好氧呼吸及無氧呼吸中生成的。其生成的具體方式有以下三種：a）底物（基質(zhì)）水平磷酸化 厭氧微生物和兼性厭氧微生物在基質(zhì)氧化過程中，產(chǎn)生一種含有高自由能的中間體，如發(fā)酵中產(chǎn)生含高能鍵的1,3-二磷酸甘油酸。這一中間體將高能鍵（）交給ADP，是ADP磷酸化而生成ATP。如圖2所示。圖2 底物水平磷酸化b）氧化磷酸化 在化能異養(yǎng)微生物中，由底物脫氫產(chǎn)生的高能電子通過電子傳遞鏈（呼吸鏈）傳遞，在逐步降低能量的同時把能量轉(zhuǎn)移給ADP，以生成ATP。好氧呼吸電子傳遞體系如圖3

8、所示。圖3好氧呼吸電子傳遞體系c）光合磷酸化 在進(jìn)行光合作用的生物中，光合色素（葉綠素、菌綠素）吸收光能， 產(chǎn)生高能電子，高能電子沿電子傳遞鏈傳遞，在降低能量的同時把能量轉(zhuǎn)移給ADP，以產(chǎn)生ATP，或轉(zhuǎn)移給NADP以產(chǎn)生NADPH2（還原力）。1.1.2 微生物產(chǎn)能呼吸作用類型（1）發(fā)酵最終電子受體(或最終受氫體)是氧化過程的中間產(chǎn)物，為簡單的有機(jī)物。在無外在電子受體時，微生物能氧體些有機(jī)物。有機(jī)物氧化僅發(fā)生部分氧化，以其中閻代謝產(chǎn)物(即分子內(nèi)有機(jī)物)為最終電子受體，其產(chǎn)物為低分手有機(jī)物，解放少量能量；其余的能量保留在最終產(chǎn)物中。以葡萄糖的酵解說明：葡萄糖逐步分解稱為糖酵解。糖酵解途徑幾乎是所

9、有具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生物歷共有的主要代謝途徑，又稱為EMP途徑或E-M途徑(Embdem. Meyerhof-Parnas)。具體內(nèi)容在微生物物質(zhì)代謝中詳細(xì)論述。（2）有氧呼吸當(dāng)環(huán)境中存在足量的分子氧時，好氧微生物能將底物徹底氧化分解為H2O和CO2，同時產(chǎn)生大量的能量。葡萄糖的有氧呼吸過程可分為3個階段。第I階段，葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解形成中間產(chǎn)物丙酮酸，同時產(chǎn)生ATP和NADH+H+；第II階段，丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系的作用下生成乙酰CoA，并釋放CO2和NADH+H+；第III階段，乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生大量的ATP、CO2、NADH+H+和FADH2。具體內(nèi)容在微生物物質(zhì)代謝中詳細(xì)

10、論述。好氧呼吸能否進(jìn)行，取決于氧的濃度能否達(dá)到0.2%（大氣含氧量21%濃度的1%），O2濃度低于0.2%，好氧呼吸不能發(fā)生。（3）無氧呼吸在電子傳遞體系中，氧化NADH2時的最終電子受體不是氧氣，而是氧氣以外的無機(jī)化合物中的氧原子，例如，NO2-、NO3-、SO42-、CO3-及CO2等。無氧呼吸的氧化底物一般為無機(jī)物例如，葡萄糖、乙酸和乳酸等。它們被氧化為CO2，有ATP生成。具體內(nèi)容詳見1.1.3節(jié)。一個有機(jī)化合物完全氧化時產(chǎn)生的能量比其發(fā)酵作用大的多，例如，1mol葡萄糖完全氧化能釋放出2.9×106J的能量，而酵母菌利用葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵時，糖的發(fā)酵作用只能釋放大約十分之一

11、的能量（2.3×105J），其中9.6×104J儲存在ATP中，多余的能以熱的形式散失，而大部分能量仍儲存在酒精中。發(fā)酵作用是通過底物水平磷酸化合成ATP的；底物水平磷酸化也在呼吸作用中存在，但在呼吸作用中，更多的ATP是通過氧化磷酸化產(chǎn)生的。因而，每摩爾底物通過呼吸代謝產(chǎn)生的ATP比發(fā)酵代謝大的多。產(chǎn)能效率比：有氧呼吸 > 無氧呼吸 > 發(fā)酵。各種微生物都能進(jìn)行發(fā)酵模式的生物氧化，除進(jìn)行無氧呼吸的厭氧微生物外，發(fā)酵作用是許多厭氧微生物取得能量的唯一方式。好氧微生物在進(jìn)行有氧呼吸的過程中也要經(jīng)過發(fā)酵階段，但在這種情況下，有機(jī)化合物的利用速度要比無氧時慢。無論是發(fā)

12、酵作用還是呼吸作用，在氧化時都是先使輔酶NAD（P）還原成NAD（P）H（有少數(shù)是把脫氫酶的輔基，如FAD或FMN還原），但NADH上的電子和氫的去路不同，發(fā)酵時，電子轉(zhuǎn)移給代謝中間物，形成發(fā)酵產(chǎn)物；呼吸時通過電子傳遞鏈將電子傳遞給外源最終電子受體。1.1.3 能量來自無機(jī)物的代謝少數(shù)細(xì)菌（化能自養(yǎng)型）可以從氧化無機(jī)物中獲得能量，同化合成細(xì)胞物質(zhì)，根據(jù)氧化無機(jī)物的種類，可將無機(jī)化能細(xì)菌分為氫細(xì)菌、硝化細(xì)菌、硫化細(xì)菌、鐵細(xì)菌。（1）氨的氧化NH3同亞硝酸（NO2-）是可以用作能源的最普通的無機(jī)氮化合物，能被硝化細(xì)菌所氧化，硝化細(xì)菌可分為兩個亞群：亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個

13、階段，先由亞硝化細(xì)菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細(xì)菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是通過這兩類細(xì)菌依次進(jìn)行的。硝化細(xì)菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細(xì)菌，以分子氧為最終電子受體，且大多數(shù)是專性無機(jī)營養(yǎng)型。它們的細(xì)胞都具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，這有利于增加細(xì)胞的代謝能力。硝化細(xì)菌無芽抱，多數(shù)為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在l0h以上，分布非常廣泛。（2）硫的氧化硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細(xì)胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)產(chǎn)生四個ATP。亞硫酸鹽的氧

14、化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細(xì)胞色素c還原酶和末端細(xì)胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生一個ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化的途徑，每氧化一分子SO42-產(chǎn)生動5個ATP。（3）鐵的氧化從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵的氧化，對于少數(shù)細(xì)菌來說也是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但從這種氧化中只有少量的能量可以被利用。在低pH環(huán)境中這種菌能利用亞鐵氧化時放出的能量生長。在該菌的呼吸鏈中發(fā)現(xiàn)了一種含銅蛋白質(zhì)，它與幾種細(xì)胞色素c和一種細(xì)胞色素a1氧化酶構(gòu)成電子傳遞鏈。在電子傳遞到氧的過程中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)有質(zhì)子消耗，從而驅(qū)動用ATP的合成。（4）氫的氧化 氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)茵。它們能利用分子氫氧化

15、產(chǎn)生的能量同化CO2，也能利用其他有機(jī)物生長。氫細(xì)菌的細(xì)胞膜上有泛醌、維生素K2及細(xì)胞色素等呼吸鏈組分。在該菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生了ATP。在多數(shù)氫細(xì)菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶。一種是位于壁膜間隙或結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應(yīng)：H2 2H+ + 2e-該酶在氧化氫并通過電子傳遞系統(tǒng)傳遞電子的過程中，可驅(qū)動質(zhì)子的跨膜運(yùn)輸，形成跨膜質(zhì)子梯度為ATP的合成提供動力；另種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD+還原的反應(yīng)。所生成的NADH主要用于CO2的還原。1.1.4 能量來自光能的代謝光合作用是自然界一個極其重要

16、的生物學(xué)過程，除高等植物外，還有光合微生物如藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌，光合作用本質(zhì)是指生物將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并以穩(wěn)定形式貯藏的過程，前者指光反應(yīng)階段，后者指暗反應(yīng)階段。光合作用產(chǎn)能的實質(zhì)是光合生物將光能（輻射能）轉(zhuǎn)化為ATP（化學(xué)能）。（1）循環(huán)光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）循環(huán)光合磷酸化是一種存在于厭氧光合細(xì)菌中的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)，是在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的，由于它是一種在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，故稱循環(huán)光合磷酸化。其特點(diǎn)是：在光能的驅(qū)動下，電子從菌綠素分子上逐出后，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到茵綠素，其間

17、產(chǎn)生了ATP；產(chǎn)ATP與產(chǎn)還原力H分別進(jìn)行；還原力來自H2S等的無機(jī)氫供體；不產(chǎn)生氧。循環(huán)光合磷酸化的過程是：菌綠素分子在光照下被光量子所激發(fā)并逐出電子，這時菌綠素分子帶正電荷。被逐出的電子經(jīng)鐵氧還蛋白、泛酮、細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素f組成的類似于呼吸鏈的電子傳遞鏈傳遞后，重新返回帶正電荷的茵綠素分子。這是一個完整的循環(huán)過程，在此過程中的Cyt. b與Cyt. f間有ATP的合成。其整個過程及其與Calvin循環(huán)間的聯(lián)系。（2）非循環(huán)光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）這是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。其特點(diǎn)是：電子的傳遞途

18、徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有兩個光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)I（含葉綠素a）可以利用紅光，色素系統(tǒng)II（含葉綠素b）可利用藍(lán)光；反應(yīng)中同時有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)II）、還原力H（產(chǎn)自系統(tǒng)I）和O2產(chǎn)生；還原力NADPH2中的H是來自H2O分子光解后的H+和e-。非循環(huán)光合磷酸化的過程是：H2O通過光解作用產(chǎn)生了1/2O2+2H+2e-，其中的電子經(jīng)過兩個電子傳遞系統(tǒng)(I和II)接連傳遞，最終將電子傳遞給NADP+接受，于是產(chǎn)生了NADPH+H+，為還原CO2提供了還原力，同時，在電子傳遞過程中還有兩處發(fā)生光合磷酸化反應(yīng)，產(chǎn)生供CO2還原用的ATP。在兩個傳遞系統(tǒng)中，系統(tǒng)I有O2和ATP產(chǎn)生，系

19、統(tǒng)I則有NADPH2和ATP產(chǎn)生。（3）嗜鹽細(xì)菌的光合作用嗜鹽的鹽球菌屬和鹽桿菌數(shù)等細(xì)菌屬于古細(xì)菌，是生理學(xué)上具有高度特異性的類群。它們的細(xì)菌膜上有紫色斑塊，其中存在著細(xì)菌視紫菌，在光照下促使膜的內(nèi)外兩側(cè)形成質(zhì)子梯度，導(dǎo)致膜電化學(xué)梯度的建立，這種電化學(xué)梯度的平衡化同時也驅(qū)動了ATP的產(chǎn)生。因而嗜鹽細(xì)菌的紫膜構(gòu)成了一種特殊的光合磷酸化，經(jīng)光照得到的能量補(bǔ)充了從底物有氧氧化作用得到的能量。嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功能的發(fā)現(xiàn)，使在經(jīng)典的葉綠累和菌綠累所進(jìn)行光臺磷酸化之外又增添了一種新的光合作用類型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最簡單的光合磷酸化反應(yīng)，這是研究化學(xué)滲透作用的一個極好的實驗?zāi)Ｐ?，對它的研?/p>

20、正在大力開展。對其機(jī)制的揭示，將是生物學(xué)基本理論中的又一項重大突破，并無疑會對人類的生產(chǎn)實踐例如太陽能的利用和海水的淡化等帶來巨大的推動力。1.2 微生物物質(zhì)代謝代謝是微生物生命活動的基本特征之一，是微生物生理學(xué)的核心，它包括微生物體內(nèi)所進(jìn)行的全部化學(xué)反應(yīng)的總和。微生物的代謝作用包括分解代謝和合成代謝：分解代謝：有機(jī)物分解為簡單物質(zhì)并產(chǎn)生能量的過程；合成代謝：消耗能量以生成一系列細(xì)胞自身大分子過程。分解代謝與合成代謝兩者在細(xì)胞內(nèi)是偶聯(lián)的。無論是合成代謝還是分解代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶促反應(yīng)構(gòu)成的，前一步反應(yīng)的產(chǎn)物是后續(xù)反應(yīng)的底物。而且，合成代謝與分解代謝在生物體中偶聯(lián)進(jìn)行，分解代謝為

21、合成代謝提供所需要的能量、中間產(chǎn)物和還原力，而合成代謝則是分解代謝的基礎(chǔ)，提供酶、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生長繁殖。微生物可通過氧化還原反應(yīng)或光合作用產(chǎn)生能量，同時又通過生物合成作用利用這些能量來制造生物體的必需物質(zhì)，在代謝活動中存在著明顯的多樣性。微生物細(xì)胞通過各種方式有效地調(diào)節(jié)相關(guān)的酶促反應(yīng)，來保證整個代謝途經(jīng)的協(xié)調(diào)性與完整性，從而使微生物細(xì)胞的生命活動得以正常進(jìn)行。1.2.1 物質(zhì)分解代謝微生物是環(huán)境中的巨大消費(fèi)者，能將環(huán)境中的有機(jī)物無機(jī)化，從而獲得生存所需的能量、碳源以及氮源。幾乎所有能造成環(huán)境污染的有機(jī)物都能被微生物所分解、利用。所謂難降解，往往只是能降解該有機(jī)物的菌種較少，有機(jī)物的降解速度較慢而

22、已，并非絕對不可降解。常見的包括大分子的降解、二糖的分解、單糖的分解、脂肪和脂肪酸的分解、含氮化合物的分解、其它有機(jī)物和內(nèi)源性代謝物的分解。1.2.1.1糖類分解代謝糖類是微生物最重要和最普遍的碳源和能源?？衫玫奶穷惏ǘ嗵?、雙糖和單糖。淀粉、纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)和幾丁質(zhì)等多糖可被不同的微生物所利用，但必須被微生物分泌的相應(yīng)的胞外酶水解成單糖或雙糖后，才能被細(xì)胞所吸收。葡萄糖和果糖是化能異氧微生物的主要碳源及能源，戊糖是經(jīng)轉(zhuǎn)化后中途進(jìn)入葡萄糖降解途徑的。糖以外的其它有機(jī)化合物（包括醇、醛、有機(jī)酸、氨基酸、烴類、芳香族有機(jī)化合物）的代謝也都是經(jīng)轉(zhuǎn)化后進(jìn)入葡萄糖降解途徑的。因此，化能異氧型微

23、生物進(jìn)行分解代謝的最基本的途徑就是葡萄糖降解的途徑，或稱單糖降解途徑。微生物降解葡萄糖的方式很多，遠(yuǎn)比高等生物復(fù)雜，其降解途徑及最終產(chǎn)物因微生物種類和發(fā)酵條件而異。（1）淀粉的分解淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質(zhì)。淀粉有兩類，一類是通過1,4糖苷鍵將葡萄糖連接形成的直鏈淀粉；另一類是在直鏈淀粉基礎(chǔ)上又產(chǎn)生由1，6糖苷鍵連接起來產(chǎn)生分支的支鏈淀粉。一般情況下，淀粉在自然界中很容易被降解成葡萄糖。催化淀粉降解成葡萄糖的酶實際上是一類密切相關(guān)的酶的總稱。包括：-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶和異淀粉酶四種。淀粉的降解途徑為：淀粉 糊精 麥芽糖（雙糖） 葡萄糖淀粉在此四種酶的作用下，最后被降解

24、成葡萄糖。（2）纖維素的分解纖維素是一種由葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的大分子化合物，它的分子量比淀粉更大、更不溶于水，不能直接被人和動物消化，但它可被許多微生物分解利用。不少微生物能分泌纖維素酶分解纖維素，引起木材、紙張和棉織品的腐爛，造成經(jīng)濟(jì)損失，土壤微生物分解植物秸稈，則增加土壤肥力。能利用纖維素生長的微生物均具有纖維素酶。細(xì)菌的纖維素酶通常是結(jié)合在細(xì)胞壁上的“表面酶”，因而只有當(dāng)細(xì)菌直接與纖維素接觸時，才能分解纖維素。但是放線菌和霉菌的纖維素酶是胞外酶，便于提取，是目前所用的纖維素酶的主要來自真菌與防線菌。在植物細(xì)胞壁里，除了纖維素以外的多糖物質(zhì)還有半纖維素。與纖維素相比它們更容易被分解。

25、（3）果膠質(zhì)的分解果膠質(zhì)是構(gòu)成高等植物細(xì)胞間質(zhì)的主要物質(zhì)，由D-半乳糖醛酸通過-1，4糖苷鍵連起來的直鏈高分子化合物，其中大部分羧基形成了甲基酯。天然的果膠質(zhì)稱為原果膠，不含甲基酯的果膠質(zhì)稱為果膠酸。果膠質(zhì)在原果膠酶作用下轉(zhuǎn)化成水溶性的果膠，再進(jìn)一步被果膠甲酯水解酶催化去掉甲酯基團(tuán)，生成果膠酸，最后被果膠酸酶水解，切斷-1，4鍵，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸進(jìn)入單糖代謝途徑分解并放出能量。分解果膠質(zhì)的微生物主要是一些細(xì)菌和真菌。我國民間傳統(tǒng)采用的麻類植物漚浸脫膠技術(shù)就是利用了果膠分解菌分解果膠的能力。葡萄糖及乳糖等其他小分子糖類物質(zhì)的分解代謝途徑主要有以下方式：（1） EMP途徑糖的酵解是各種發(fā)

26、酵的基礎(chǔ)，發(fā)酵作用是酵解過程的發(fā)展。EMP途徑又稱糖酵解，或雙磷酸己糖降解途徑。這是氧化葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸的過程，它通常是碳水化合物分解過程的第一階段。許多微生物能進(jìn)行該途徑的反應(yīng)。事實上，它存在于大多數(shù)活細(xì)胞中。EMP途徑包括10個獨(dú)立的，但又是連續(xù)的反應(yīng)，其順序及所需的酶見圖4。糖酵解中的酶催化六碳葡萄糖裂解生成兩個三碳糖，這些糖然后進(jìn)一步被氧化釋放能量，同時進(jìn)行原子的重排而形成了兩分子丙酮酸。糖酵解期間NAD被還原成NADH，并且通過底物水平磷酸化作用凈產(chǎn)生兩分子的ATP。因此，葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解成丙酮酸的總反應(yīng)式為：C6H12O62NAD2Pi2ADP 2CH3COCOOH2NADH

27、22ATP2H2O反應(yīng)中所生成NADH2必須重新氧化為NAD后才能繼續(xù)不斷地推動全部反應(yīng)。糖酵解過程不需要氧的參與，它能夠在無氧或有氧的條件下發(fā)生。在無氧的條件下，如以乙醛作為受氫體，即是酒精發(fā)酵；如以丙酮酸作為受氫體，即是乳酸發(fā)酵。在有氧情況下，NADH2經(jīng)呼吸鏈氧化，同時丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)。 圖4 EMP途徑簡圖EMP途徑10步反應(yīng)詳述如下：（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌種通過不同方式實現(xiàn)這步反應(yīng)。在酵母茵、真菌和許多假單胞茁等好氧細(xì)菌中，通過需要Mg+和ATP的己糖激酶來實現(xiàn)（此反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)為不可逆反應(yīng)）；在大腸桿菌和鏈球菌等兼性厭氧茵中，可借磷酸烯醇式丙酮酸磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)在葡

28、萄糖進(jìn)入細(xì)胞之時即完成了磷酸化。 （2）葡糖-6-磷酸經(jīng)磷酸己糖異構(gòu)酶異構(gòu)成果糖-6-磷酸。 （3）果糖-6-磷酸通過磷酸果糖激酶催化成果糖-1,6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途徑中的一個關(guān)鍵酶，故它的存在就意味著該微生物具有EMP途徑。與己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活細(xì)胞內(nèi)催化的反應(yīng)是不可逆的。 （4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛縮酶的催化下，分裂成二羥丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸兩個丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛縮酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且對葡糖異生作用(g1uconeogenesis)即對由非碳水化合物前體逆向合成己糖的反應(yīng)也很重要。另外，二羥丙酮

29、磷酸在糖代謝和脂類代謝中還是一個重要的連接點(diǎn)，因為它可被還原成甘油磷酸而用于脂類的合成中。（5）二羥丙酮磷酸在丙糖磷酸異構(gòu)酶的作用下轉(zhuǎn)化成甘油醛-3-磷酸。雖然在反應(yīng)（4）中產(chǎn)生等分子的丙糖磷酸，但二羥丙酮磷酸只有轉(zhuǎn)化為甘油醛-3-磷酸后才能進(jìn)一步代謝下去。因此，己糖分子至此實際上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代謝反應(yīng)在所有能代謝葡萄糖的微生物中都沒有什么不同了。（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脫氫酶的催化下產(chǎn)生1,3-二磷酸甘油酸。此反應(yīng)中的酶是一種依賴NAD+的含硫醇酶，它能把無機(jī)磷酸結(jié)合到反應(yīng)產(chǎn)物上。這一氧化反應(yīng)由于產(chǎn)生一個高能磷酸化合物和一個NADH+H+，所以從產(chǎn)能和

30、產(chǎn)還原力的角度來看都是十分重要的。（7）l,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。此酶是一種依賴Mg2+的酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基轉(zhuǎn)移到ADP分子上，產(chǎn)生了本途徑中的第一個ATP。這是借底物水平磷酸化作用而產(chǎn)ATP的一個實例。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸變位酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下經(jīng)脫水反應(yīng)而產(chǎn)生含有一個高能磷酸鍵的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二價金屬離子作為激活劑。（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下產(chǎn)生了丙酮酸，這時，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到

31、ADP上，產(chǎn)生了本途徑的第二個ATP，這是借底物水平磷酸化而產(chǎn)生ATP的又一個例子。由上可知在無氧條件下，整個EMP途徑的產(chǎn)能效率是很低的，即每一個葡萄糖分子僅凈產(chǎn)2個ATP，但其中產(chǎn)生的多種中間代謝物不僅可為合成反應(yīng)提供原材料，而且起著連接許多有關(guān)代謝途徑的作用。從微生物發(fā)酵生產(chǎn)的角度來看，EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)有著密切的關(guān)系。EMP途徑是多種微生物所具有的代謝途徑，其產(chǎn)能效率雖低，但生理功能極其重要：供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力，厭氧微生物是以此途徑作為獲得能量的唯一方式；是連接其它幾個重要代謝途徑的橋梁，包括三羧酸循環(huán)（T

32、CA）、HMP途徑和ED途徑等；為生物合成提供多種中間代謝物；通過逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成。若從EMP途徑與人類生產(chǎn)實踐的關(guān)系來看，則它與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)系密切。（2）HMP途徑除了通過EMP途徑氧化葡萄糖外，大多數(shù)微生物還有一條徹底分解葡萄糖為CO2和水的途徑，即是葡萄糖在轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后就分解為CO2和5-磷酸核酮糖，也就是在單磷酸己糖的基礎(chǔ)上開始降解，故稱單磷酸己糖途徑，簡稱HMP途徑。又因為所生成的磷酸戊糖可重新組成磷酸己糖，形成循環(huán)反應(yīng)，所以又常稱為磷酸戊糖途徑，見圖5。HMP途徑基本過程可分為3個階段：葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生5-磷酸核酮糖和C

33、O2；5-磷酸核酮糖發(fā)生結(jié)構(gòu)變化形成5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖；幾種磷酸戊糖在無氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了磷酸己糖和磷酸丙糖，后者既可以通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸而進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行徹底氧化，也可通過醛縮酶的作用而轉(zhuǎn)化為磷酸己糖。圖5 HMP途徑簡圖 圖6 ED途徑簡圖HMP途徑的總反應(yīng)式為：G-6-P12NADP6H2O6CO212（NADPHH）PiHMP途徑比EMP途徑復(fù)雜，可以獲得很多產(chǎn)物，如C3、C5、C7等磷酸糖酯。該途徑主要特點(diǎn)是葡萄糖直接脫氫和脫羧，不必先經(jīng)三碳糖的階段；另一特點(diǎn)是只有NADP參與反應(yīng)。HMP途徑在微生物生命活動中意義重大：供應(yīng)5-磷酸核糖，以合成嘌呤

34、和嘧啶核苷酸，最后合成核酸、輔酶等；提供大量的還原力NADPHH，除了部分被轉(zhuǎn)氫酶催化變?yōu)镹ADHH，再進(jìn)入呼吸鏈氧化，可生成大量的ATP外，主要還是作為細(xì)胞合成脂肪酸、膽固醇、谷氨酸等需氫的一種重要來源；途徑中的4-磷酸赤蘚糖是合成芳香族氨基酸的前體；磷酸戊糖循環(huán)的功能對于光能和化能自養(yǎng)菌具有重要作用，這兩類微生物細(xì)胞中的含碳成分都是由CO2和1,5-二磷酸核酮糖縮合而成，而后者是由5-磷酸核糖轉(zhuǎn)變而來；生成的6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等可進(jìn)入EMP途徑，進(jìn)而代謝為丙酮酸，這樣HMP途徑與EMP途徑相聯(lián)系。因此，HMP途徑在物質(zhì)代謝中很重要，在大多數(shù)好氧和兼性厭氧微生物中都有這條途徑。HM

35、P途徑與EMP途徑、TCA循環(huán)可以同時存在于一細(xì)胞內(nèi)，只有少數(shù)細(xì)菌以HMP途徑作為有氧分解的唯一途徑，例如弱氧化醋桿菌和氧化醋單胞菌。（3）ED途徑N. Entner和M. Doudorff在對嗜糖假單胞菌的研究時發(fā)現(xiàn)，該菌缺少6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶，從葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖酸之后不氧化脫羧，而是在脫水酶作用下脫水，生成2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸，后者由脫氧酮糖醛縮酶催化裂解成為3-磷酸甘油醛和丙酮酸，這就是ED途徑，如圖6。3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)入EMP途徑后半部分可轉(zhuǎn)化為丙酮酸，因而ED途徑的總反應(yīng)式為：C6H12O6NADNADPPiADP 2CH3COCOOHNADHNADPH2H

36、ATPED途徑是少數(shù)EMP途徑不完整的細(xì)菌例如Pseudomnas spp.(一些假單胞菌)和Zymomonas spp.(一些發(fā)酵單胞菌)等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，其特點(diǎn)是利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低(1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，僅為EMP途徑之半)，反應(yīng)中有一個6碳的關(guān)鍵中間代謝物肋PG。由于ED途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，因此可以相互協(xié)調(diào)，以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要，廣泛分布在細(xì)菌尤其是革蘭氏陰性菌中。例如，通過與HMP途徑連接可獲得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在四途徑中所產(chǎn)生的丙酮酸對Zymomonas m

37、obilis(運(yùn)動發(fā)酵單胞菌)這類微好氧茵來說，可脫羧成乙醛，乙醛進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇。這種經(jīng)ED途徑發(fā)酵產(chǎn)生乙醇的過程與傳統(tǒng)的由酵母菌通過EMP途徑生產(chǎn)乙醇不同，因此稱作細(xì)菌酒精發(fā)酵。（4）PK途徑除了常見的EMP途徑、HMP途徑和ED途徑外，尚有兩個磷酸酮縮酶途徑是少數(shù)細(xì)菌所有的，簡稱PK途徑。例如異型乳酸發(fā)酵的乳酸桿菌、雙叉乳桿菌和雙歧桿菌等，因為該途徑的部分與HMP途徑相同，所以可認(rèn)為是HMP途徑的分叉。 磷酸戊糖酮縮酶途徑磷酸戊糖酮縮酶途徑是HMP途徑的變異途徑，簡稱PPK途徑。腸膜狀明串珠菌、短乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌等以及真菌中的根霉所進(jìn)行的異型乳酸發(fā)酵路線，總的反應(yīng)式為：葡萄

38、糖ADPPi乳酸乙醇CO2ATP戊糖2ADP2Pi乳酸乙酸2ATP 磷酸己糖酮縮酶途徑少數(shù)細(xì)菌缺少6-磷酸葡萄糖脫氫酶，不可能有HMP途徑又缺少果糖二磷酸醛縮酶，則也不可能有EMP途徑，在利用葡萄糖的途徑也不同于ED途徑或PPK途徑，而是走一條特殊的磷酸己糖酮縮酶途徑，簡稱PHK途徑。其特點(diǎn)是該途徑有兩步反應(yīng)是由磷酸酮縮酶所催化的，第一步是由6-磷酸果糖酮縮酶將6-磷酸果糖分解為乙酰磷酸和4-磷酸赤蘚糖，另一步是5-磷酸木酮糖酮縮酶將5-磷酸木酮糖分解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，在沒有氧化作用和脫氫作用的反應(yīng)參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酰磷酸和2分子3-磷酸甘油醛，后者在3-磷酸甘油醛脫

39、氫酶和乳酸脫氫酶參與下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗幔阴Ａ姿釀t與ATP的生成反應(yīng)相偶聯(lián)成為乙酸。從葡萄糖開始，總反應(yīng)式為：2葡萄糖5ADP5Pi2乳酸3乙酸5ATP（5） 葡萄糖直接氧化途徑上述四條途徑都是葡萄糖先磷酸化后才逐步被降解的。有些微生物如酵母屬、假單孢菌屬、氣桿菌屬和醋桿菌屬的某些菌，它們沒有己糖激酶，但有葡萄糖氧化酶，便直接將葡萄糖先氧化成葡萄糖酸，再磷酸化生成6-磷酸葡萄糖酸，假單孢菌中的6-磷酸葡萄糖酸經(jīng)6-PG脫水酶轉(zhuǎn)化為KDPG，按ED途徑進(jìn)一步降解；氣桿菌屬和醋桿菌屬以及另一些假單孢菌中的6-磷酸葡萄糖酸經(jīng)6-PG脫氫酶轉(zhuǎn)化為5-磷酸核酮糖，進(jìn)入HMP途徑。（6）TCA循環(huán)葡萄糖除了上面

40、幾種途徑降解，得到各種中間體的代謝產(chǎn)物外，好氧微生物在有氧情況下完全氧化，生成各種生物合成的中間體、CO2和水，同時產(chǎn)生大量的還原力（NADPH2、NADH2和FADH2），這些還原力通過電子傳遞鏈生成ATP，這就是TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)。TAC循環(huán)不僅為機(jī)體提供大量的能量，而且其中間產(chǎn)物是細(xì)胞進(jìn)行生物合成的原料，它們是合成反應(yīng)的起點(diǎn)成分。因此，TAC循環(huán)位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位。葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸后，丙酮酸不能直接進(jìn)入TAC循環(huán)。在有氧情況下，丙酮酸需要失去1分子的CO2，降解成乙酰CoA，此反應(yīng)分五步由丙酮酸脫氫酶復(fù)合物催化完成。這一反應(yīng)本身并非是TAC循環(huán)的一

41、部分，但它是所有糖類經(jīng)丙酮酸進(jìn)入TAC循環(huán)所必須經(jīng)過的。在TAC循環(huán)中，通過一系列的生化反應(yīng)途徑，儲存在乙酰CoA中大量潛在的化學(xué)能被逐步釋放出來。在這個循環(huán)中，通過一系列氧化和還原反應(yīng)把化學(xué)潛能以電子的形式轉(zhuǎn)移到電子載體（主要是NAD）上。丙酮酸的衍生物被氧化，輔酶被還原。TAC循環(huán)的主要化學(xué)反應(yīng)見圖7，3C化合物丙酮酸脫羧后，形成NADHH，并產(chǎn)生2C化合物乙酰CoA，由它與4C化合物草酰乙酸縮合形成6C化合物檸檬酸。通過一系列氧化和轉(zhuǎn)化反應(yīng)，6C化合物經(jīng)過5C化合物又重新回到4C化合物草酰乙酸，再由它接受來自下一個循環(huán)的乙酰CoA分子。整個TAC循環(huán)的總反應(yīng)式為：丙酮酸4NADFADGD

42、PPi3H2O 3CO24（NADHH）FADH2GTP圖7 TAC循環(huán)簡圖（7）DCA循環(huán)DCA循環(huán)，即乙醛酸循環(huán)，可以看作是TCA循環(huán)支路。DCA循環(huán)兩個關(guān)鍵酶是異檸檬酸裂解酶和蘋果酸合成酶。某些二碳化合物難通過上述途徑轉(zhuǎn)化生成乙酰CoA，因此，它們不能從乙酰CoA進(jìn)入TCA循環(huán)，如乙酸、乙醇酸、草酸等。乙酸通過乙酰CoA合成酶催化生成乙酰CoA；乙醇酸和草酸先轉(zhuǎn)化成乙醛酸，然后借助于乙醛酸循環(huán)徹底氧化成CO2和H2O，并生成2分子NADH2。DCA循環(huán)中，先在異檸檬酸裂解酶催化下異檸檬酸裂解為乙醛酸和琥珀酸，再在蘋果酸合成酶作用下將乙醛酸和乙酰CoA合成蘋果酸。DCA循環(huán)的生理功能是使微

43、生物可在乙酸為唯一的碳源基質(zhì)上生長；又可彌補(bǔ)TCA環(huán)中四碳化合物之不足；同時，在脂肪酸轉(zhuǎn)化為糖的過程中起齒輪作用。DCA循環(huán)的總反應(yīng)式為：2×乙酸2NAD蘋果酸2NADH2乙酰CoA乙醛酸2NAD蘋果酸2NADH21.2.1.2 脂類分解代謝脂類是微生物的碳源和能源，經(jīng)過降解可轉(zhuǎn)變成糖類代謝的個間物，然后按糖類分解方式代謝并釋放能量。脂肪是由甘油與長鏈脂肪酸組成的甘油三脂，其在脂酶的作用下分解的初始產(chǎn)物為甘油和脂肪酸。甘油可通過甘油激酶催化生成-磷酸甘油，然后經(jīng)氧化生成磷酸二羥丙酮進(jìn)入EMP途徑。脂肪酸通過脂酰CoA合成酶催化下形成脂酰CoA，脂酰CoA逐步分解生成乙酰CoA與丙酰C

44、oA。這些物質(zhì)最后進(jìn)入糖代謝途徑進(jìn)行分解，為微生物生長提供碳源物質(zhì)與能量。脂肪是自然界廣泛存在的重要的脂類物質(zhì)，它在脂酶的作用下可水解成甘油和脂肪酸，分解反應(yīng)式如下：（1）甘油的分解脂肪水解產(chǎn)生的甘油，可通過甘油激酶催化產(chǎn)生-磷酸甘油，這個反應(yīng)要消耗一分子的ATP，再經(jīng)-磷酸甘油脫氫酶催化生成磷酸二羥丙酮，再進(jìn)入EMP或HMP途徑進(jìn)行分解。（2）脂肪酸的分解組成脂肪的高級脂肪酸，主要是16C飽和脂肪酸(軟脂酸或稱棕擱酸)、18C飽和脂肪酸(硬脂酸)、18C不飽和一烯酸(油酸)、18C不飽和二烯酸(亞油酸)和18C不飽和三烯酸(亞麻酸)。關(guān)于微生物分解脂肪酸的研究已漸多，從研究真菌對于脂肪酸分解

45、的過程中看出，真菌分解脂肪酸的方式基本上和動植物組織分解脂肪酸的方式一致，也是通過氧化途徑。脂肪酸降解的氧化途徑包括以下五個步驟：（1）激活脂酸，生成脂酰CoA。 催化這一反應(yīng)的酶稱為脂酰CoA合成酶。RCH2CH2CH2COOH+ATP CoASH RCH2CH2CH2COSCoA AMP+PP（2）脂酰CoA在和位上脫氫生產(chǎn)烯脂酰CoA。催化此反應(yīng)的酶稱為脂酰CoA脫氫酶，其輔基是FAD。RCH2CH2CH2COSCoA FAD-酶 RCH2CH=CHCOSCoA FADH2-酶（3）烯脂酰CoA經(jīng)烯脂酰CoA水合酶催化，水合生成-羥基脂酰CoA。RCH2CH=CHCOSCoA + H2O

46、 RCH2CHOHCH2COSCoA（4）-羥基脂酰CoA脫氫生成-酮基脂酰CoA，此反應(yīng)由-羥基脂酰CoA脫氫酶催化，以NAD作為氫載體。RCH2CHOHCH2COSCoA + NAD RCH2COCH2COSCoA +NADH2（5）-酮基脂酰CoA經(jīng)硫解酶催化，生成乙酰CoA和少了2個碳原子的脂酰CoA。RCH2COCH2COSCoA + CoASH RCH2COSCoA +CH3COSCoA新生成的少了2C的脂酰CoA，再重復(fù)(2)-(5)的反應(yīng)，又生成乙酰CoA和少2C的脂酰coA。如此形成螺旋降解的途徑，最終都變成乙酰CoA。如果是奇數(shù)碳原子的脂肪酸(這種脂肪酸不普遍)，則除生成乙

47、酰CoA外，最后還要生成一個丙酰CoA。脂肪酸降解的最終產(chǎn)物乙醚CoA可進(jìn)入三羧酸環(huán)被徹底氧化成H2O和CO2，或進(jìn)入乙醛酸環(huán)合成糖類。脂肪酸的徹底氧化可以產(chǎn)生大量的能量。在真核生物中，1分子脂酰CoA每經(jīng)一次氧化，產(chǎn)生1分子乙酰CoA、1分子FADH2和1分子NADH2。乙酰CoA經(jīng)三羧酸環(huán)氧化可得12 ATP，F(xiàn)ADH2經(jīng)呼吸鏈氧化得2ATP，NADH2經(jīng)呼吸鏈氧化得3ATP，總計共得17 ATP除在一開始激活脂肪酸時消耗1 ATP外，可凈得16 ATP，但以后的每次重復(fù)氧化便不再有消耗，均獲得17 ATP。例如1分子16C的飽和脂肪酸被徹底氧化時可獲得130 （16+17×6+

48、12）ATP。可見，能量水平是很高的。1.2.1.3 蛋白質(zhì)和氨基酸分解代謝蛋白質(zhì)是許多氨基酸通過肽鍵連接起來的大分子聚合物，它可以被蛋白酶水解生成不同程度的降解產(chǎn)物。蛋白質(zhì)及其降解物是微少物生長的良好氮源，也可作為生長因子，有時還可作能源之用。（1）蛋白質(zhì)分解蛋白質(zhì)生化分解的第一步是通過蛋白質(zhì)水解酶的作用使蛋白質(zhì)水解成胨、肽。能產(chǎn)生蛋白酶的微生物，可以把蛋白質(zhì)逐漸水解成簡單的產(chǎn)物短肽。蛋白質(zhì)被蛋白酶降解成多肽或寡肽之后，在肽酶的作用下，可進(jìn)一步降解成氨基酸。（2）氨基酸分解微生物降解氨基酸有兩種基本方式：脫氨和脫羧。當(dāng)培養(yǎng)基的pH值偏堿時，進(jìn)行脫氨作用，偏酸時則進(jìn)行脫羧作用，因為微生物只有在

49、培養(yǎng)基的pH值高于氨基酸的等電點(diǎn)時，才生成脫氨酶；在pH值低于氨基酸的等電點(diǎn)時方生成脫羧酶。脫氨作用因不同氨基酸、不同條件和不同微生物而有不同的方式和產(chǎn)物。一般可分為氧化脫氨、還原脫氨、水解脫氨、減飽和脫氨等方式。氨基酸通過不同的氧化途徑氧化分解（脫氨后），主要形成5類產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)行下一步氧化分解，最后形成H2O和CO2。氨基酸氧化分解后形成進(jìn)入三羧酸循環(huán)的5類產(chǎn)物是：乙酰CoA、-酮戊二酸、琥珀酰CoA、延胡索酸和草酰乙酸。1.2.1.4 核酸分解代謝核酸是由許多核甘酸通過3,5-磷酸二酯鍵連接起來的大分子聚合物。雖然核酸一般不作為微生物生長的主要營養(yǎng)物質(zhì)，但在一定條件下，大多數(shù)微生

50、物在短期內(nèi)都可以通過核酸酶將胞內(nèi)的核酸降解或?qū)⑵渌锏暮怂崂纸庥?，以維持生命。另外，在生長過程中也能通過核酸酶作用使胞內(nèi)的核酸不斷地更新。核酸在核酸水解酶的作用下被水解生成寡核苷酸和單核苷酸。由于核苷酸有核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩種，因而核酸酶也有相應(yīng)的核糖核酸酶和脫氧核糖核酸酶兩種來催化它們的降解。按照核酸酶作用的特點(diǎn)，可分為內(nèi)切核酸酶和外切核酸每兩大類。前者從核酸鏈的內(nèi)部分解磷酸二酯鍵，使核酸分子由大變小，產(chǎn)生單核苷酸和寡核苷酸的混合物，其作用有專一性。后者從核酸鏈的一端（5末端或3末端）水解磷酸二酯鍵，每次通常只切下一個核苷酸。核酸經(jīng)過核酸酶水解作用生成各種單核苷酸，這些單核苷酸可

51、以通過酶的作用生成相應(yīng)的核苷三磷酸。1.2.1.5 四大物質(zhì)分解代謝總結(jié)糖類、脂肪（甘油、脂肪酸）、蛋白質(zhì)、核酸這四大物質(zhì)分解代謝之間相互聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)，小分子糖類分解代謝途徑主要為EMP、HMP、三羧酸循環(huán)等；脂肪水解生成甘油和脂肪酸，再經(jīng)一系列酶的作用分解為乙酰CoA，從而進(jìn)入EMP、HMP或者三羧酸循環(huán)；蛋白質(zhì)水解生成肽、胨，然后在肽酶作用下進(jìn)一步分解為氨基酸，氨基酸通過不同的氧化途徑氧化分解（脫氨后），主要形成5類產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)行下一步氧化分解，最后形成H2O和CO2。由此可見，糖類、脂肪（甘油、脂肪酸）、蛋白質(zhì)和氨基酸分解代謝都會進(jìn)入三羧酸循環(huán)，各大物質(zhì)分解后進(jìn)入三羧酸循環(huán)，促

52、進(jìn)三羧酸循環(huán)的正常進(jìn)行，不會因為缺少某一物質(zhì)而導(dǎo)致循環(huán)無法進(jìn)行，所以，糖類、脂類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解代謝之間相互影響、相互促進(jìn)，相互制約的。1.2.2 物質(zhì)合成代謝自養(yǎng)微生物具有強(qiáng)大的生物合成能力，尤其是嚴(yán)格的自養(yǎng)微生物，它們不需要任何有權(quán)物，只利用無機(jī)化合物就合成其全部的細(xì)胞物質(zhì)。異養(yǎng)微生物合成細(xì)胞物質(zhì)所需要各種小分子化合物來自有機(jī)化合物，至少碳源是如此。這些小分子化合物可以從外界供給，但更多的是靠分解營養(yǎng)物質(zhì)獲得的。各種分解代謝途徑中所產(chǎn)生的許多小分子化合物，可作為生物合成細(xì)胞物質(zhì)的前體，例如，EMP途徑中的3-磷酸甘油酸是合成甘氨酸、絲氫酸以及脂肪和卟啉衍生物的前體；磷酸烯醇丙酮酸和HM

53、P途徑中的4-磷酸赤蘚糖可共同組成芳香族氨基酸；丙酮酸是合成丙氨酸和分枝氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸）的前體。HMP途徑中的5-磷酸核糖是合成核苷酸和組氨酸的前體。TCA環(huán)中的乙醚-CoA是合成脂肋酸和萜烯類化合物所必需的；由-酮戊二酸可以生成谷氫酸，由谷氨酸又可合成谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸以及嘌呤核苷酸；草酰乙酸和延胡索酸是合成天門冬氨酸的前體，由天門冬氨酸又合成天門冬酰胺、精氫酸、蘇氨酸、蛋氫酸和嘧啶核苷酸；琥珀酰-CoA是合成卟琳衍生物的前體等等。微生物利用它們所合成的各種氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖類等，分別組成蛋白質(zhì)、核酸、脂肪和多糖等細(xì)胞物質(zhì)以及各種次生產(chǎn)物。微生物利用小分子化合

54、物合成各種細(xì)胞物質(zhì)初次生物質(zhì)都需要能量，并在各種有關(guān)的酶類催化下進(jìn)行。（1）CO2的固定CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源，異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為補(bǔ)助的碳源。將空氣中的CO2同化成細(xì)胞物質(zhì)的過程稱為CO2固定作用。其固定方式有自養(yǎng)型和異養(yǎng)型兩種。自養(yǎng)微生物包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)，固定CO2的途徑有三條（二磷酸核酮糖環(huán)，即卡爾文循環(huán)固定；還原三羧酸環(huán)；還原的單羧酸環(huán)）。異養(yǎng)型CO2固定：異養(yǎng)型CO2的固定主要是合成TCA環(huán)的中間產(chǎn)物。（2）生物固氮生物界中只有固氮微生物才能特大氣中的氮固定成氨。大氣中有將近3/4是氮?dú)?，根?jù)粗略估計，在自然界中，每年由微生物所固定的氮素約l億多噸，遠(yuǎn)比目前用化學(xué)

55、方法合成的氮肥的量要多，對增加土壤肥力起著很大的作用。有固氮能力的微生物主要是原核微生物，可分成兩大類：一類是和高等植物共生的稱為共生固氮菌；另一類是單獨(dú)生活的，稱為自生固氮菌。由N2固定為NH3是還原過程。 在還原之前N2分子要先經(jīng)活化變?yōu)閮蓚€N原子，才能進(jìn)行還原反應(yīng)。這就必須有固氮酶的作用。同時，固氮作用是耗能反應(yīng)，必須要有ATP提供能量。微生物在體內(nèi)進(jìn)行固氮時，還需要一些特殊的電子遞體，其中主要的是鐵氧還蛋白(fd)和合有FMN作為輔基的黃素氧還蛋白?；谝陨现R，固氮的生化途徑如圖8所示。圖8 固氮的生化途徑微生物由固氨作用、硝酸還原作用所生成的氨，或直接自外界吸收的氨，以及合氨化合物

56、分解時所放出的氨，部可以用來使酮酸氨基化，而形成相應(yīng)的氨基酸。（3）糖類的合成微生物在生長過程中，不僅有分解糖類的能量代謝，而且還不斷地從簡單化合物合成糖類，以構(gòu)成細(xì)胞生成所需要的單糖、多糖。無論是自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物其合成單糖的途徑都是通過EMP途徑的逆行而合成6-磷酸葡萄糖，然后再轉(zhuǎn)化為其它的糖或雙糖的及多糖。 單糖的合成對自養(yǎng)微生物而言，單糖的合成從CO2的吸收開始，某些異養(yǎng)微生物有時也吸收CO2的過程，需要通過一些特別途徑完成。兩個三碳糖可通過EMP途徑的逆反應(yīng)合成六碳糖。在HMP途徑中，有多種五碳糖轉(zhuǎn)變成六碳糖的方式。異養(yǎng)微生物一般直接從外界吸收單糖，特別是葡萄糖，在此基礎(chǔ)上在轉(zhuǎn)

57、變成其他單糖或合成多糖。 同型多糖的合成微生物細(xì)胞內(nèi)同型多糖的合成基本上有相同的途徑。合成起始時都需要一個寡聚糖作引物，然后單糖諑一添加在引物上使鏈延長。 異型多糖的合成主要包括透明質(zhì)酸的合成、碳聚糖的合成、脂多糖的合成、磷脂的合成。（4）脂類的合成脂類的合成包括脂肪酸，脂肪和磷脂，萜烯及其化合物的合成，其途徑與生化上一致。 脂肪的合成二分子脂酰-ACP和一分子-磷酸甘油，在脂酰轉(zhuǎn)移酶的作用下，生成-磷酸甘油二脂。-磷酸甘油二脂在磷酸酰酶的作用下脫磷酸，生成甘油二酯。甘油二酯在脂酰轉(zhuǎn)移酶的作用下，與另一分子脂酰-ACP反應(yīng)，生成甘油三酯。 磷脂的合成在合成磷脂前，磷脂酸先要與CTP反應(yīng)生成CDP-甘油二脂。CDP-甘油二酯與-磷酸甘油或絲氨酸反應(yīng)，通過磷酸二酯鍵形成各種磷脂。它與-磷酸甘油的反應(yīng)分兩步進(jìn)行，需要-磷酸甘油-CMP-磷脂酸轉(zhuǎn)移酶和磷脂酰甘油磷酸酯酶，先生成磷酸酰甘油-3-磷酸，然后脫磷酸為磷脂酰甘油。CDP-甘油二脂與絲氨酸的反應(yīng)由L-絲氨酸的-CMP-磷脂酰轉(zhuǎn)移酶催化，生成磷脂酰絲氨酸。（5）氨基酸的合成氨基酸的合成大致有三種方式：一是直接吸收氨合成氨基酸；二是通過轉(zhuǎn)氨基作用合成氨基酸；三是由糖代謝的中間產(chǎn)物為前體合成氨基酸。在由前體轉(zhuǎn)化為氨基酸的過程中，有時