1、1微生物的代謝微生物代謝包括微生物物質代謝和能量代謝。1.1微生物物質代謝微生物物質代謝是指發生在微生物活細胞中的各種分解代謝與合成代謝的總和。1.1.1分解代謝分解代謝是指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產生能量。般可將分解代謝分為TP。三個階段：第一階段是將蛋白質、多糖及脂類等大分子營養物質降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質；第二階段是將第一階段產物進一步降解成更為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進入三羧酸循環的某些中間產物，在這個階段會產生一些ATP、NADH及FADH2；第三階段是通過三羧酸循環將第二階段產物完全降解生成CO2，并產生ATP、NADH及FADH2。第二

2、和第三階段產生的ATP、NADH及FADH2通過電子傳遞鏈被氧化，可產生大量的ATP。1.1.1.1大分子有機物的分解（1）淀粉的分解淀粉是許多種微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直鏈淀粉和支鏈淀粉之分。一般天然淀粉中，直鏈淀粉約占20，支鏈淀粉約占80。直鏈淀粉為一l、4糖苷鍵組成的直鏈分子；支鏈淀粉只是在支點處由1、6糖苷鍵連接而成。微生物對淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化進行的。淀粉酶是一類水解淀粉糖苷鍵酶的總稱。它的種類很多，作用方式及產物也不盡相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括淀粉酶、糖化酶、異淀粉酶）。以液化型淀粉酶為例，這種酶可以任意分解淀粉的。-l、4糖

3、苷鍵，而不能分解-1、6糖苷鍵。淀粉經該酶作用以后，黏度很快下降，液化后變為糊精，最終產物為糊精、麥芽糖和少量葡萄糖。由于這種酶能使淀粉表現為液化，淀粉黏度急速下降，故稱液化淀粉酶；又由于生成的麥芽糖在光學上是型，所以又稱為“淀粉酶。（2）纖維素的分解纖維素是葡萄糖由1，4糖苷鍵組成的大分子化合物。它廣泛存在于自然界，是植物細胞壁的主要組成成分。人和大部分動物均不能消化纖維素。但是很多微生物，如木霉、青霉、某些放線茵和細菌均能分解利用纖維素，原因是它們能產生纖維素酶。纖維素酶是一類纖維素水解酶的總稱。它由C1酶、Cx酶和-葡萄糖苷酶組成。纖維素在C1酶和Cx酶共同作用下，被水解成纖維二糖，再經

4、過葡萄糖苷酶作用，最終變為葡萄糖。（3）蛋白質的分解蛋白質是由氨基酸組成的分子巨大、結構復雜的化合物。它們不能直接進入細胞。微生物利用蛋白質，首先分泌蛋白酶至體外，將蛋白質分解為大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物，然后再進入細胞。蛋白質的分類蛋白酶的種類很多，有100多種。目前比較常用的蛋白酶分類方法有以下幾種：按照水解蛋白質的方式，可分為內肽酶和端肽酶兩大類。按照蛋白酶的來源，可分為動物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶。按照蛋白酶在生物體內所在的位置，可分為胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶和菠蘿蛋白酶等。按照蛋白酶作用的最適pH，可分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶。根據蛋白酶的活性中心

5、和最適作用pH，可分為絲氨酸蛋白酶、巰基蛋白酶、金屬蛋白酶和酸性蛋白酶。產生蛋白酶的菌種很多，細菌、放線菌、霉菌等均有。不同的菌種可以生產不同的蛋白酶，如黑曲留主要生產酸性蛋白酶，短小芽孢桿菌生產堿性蛋白酶。不同的菌種也可生產功能相同的蛋白酶，同一個菌種也可產生多種性質不同的蛋白酶。（4）氨基酸的分解微生物對氨基酸的分解，主要是脫氨作用和脫羧基作用。a.脫氨作用脫氨方式隨微生物種類、氨基酸種類以及環境條件的不同而不同。氧化脫氨：這種脫氨方式須存有氧氣參加的條件下進行，專性厭氧菌不能進行氧化脫氨。微生物催化氧化脫氨的酶有兩類：一類是氨基酸氧化酶，以FAD或FMN為輔基；另一類是氨基酸脫氫酶，以N

6、AD或NDP作為氫載體。氧化脫氨生成的酮酸一般不積累，而被微生物繼續轉化成羥酸或醇，如丙氨酸氧化脫氨生成丙酮酸，丙酮酸可借TA循環而繼續氧化，化學反應式如下：還原脫氨：還原脫氨在無氧條件下進行，生成飽和脂肪酸。能進行還原脫氨的微生物是專性厭氧菌和兼性厭氧菌。腐敗的蛋白質中常分離到飽和脂肪酸便是由相應的氨基酸生成，如梭狀芽抱桿菌可使丙氨酸還原脫氨成丙酸，化學反應式如下：水解脫氨：不同氨基酸經水解脫氨生成不同的產物。同種氨基酸水解之后也可形成不同的產物氨酸水解之后可形成乳酸，也可形成乙醇，化學反應式如下：減飽和脫氨：氨基酸在脫氨的同時，其、鍵減飽和，結果生成不飽和酸，如天冬氨酸減飽和脫氨生成延胡素

7、酸。脫水脫氨：含羥基的氨基酸在脫水過程中脫氨、如絲氨酸脫水后，經氨基丙烯酸、亞氨基丙酸，再水解脫氨成丙酮酸，化學反應如下：b.脫羧基作用氨基酸脫羧多見于腐敗細菌和真菌中。不同氨基酸在相應氨基酸脫羧酌的作用下，催化氨基酸脫按生成有機膠和二氧化碳。1.1.1.2己糖的降解a.EMP途徑糖的酵解是各種發酵的基礎，發酵作用是酵解過程的發展。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。許多微生物能進行該途徑的反應。事實上，它存在于大多數活細胞中。EMP途徑包括10個獨立的，但又是連續的反應，其順序及所需的酶見圖2。糖酵解中的酶催化六碳

8、葡萄糖裂解生成兩個三碳糖，這些糖然后進一步被氧化釋放能量，同時進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生兩分子的ATP。因此，葡萄糖經EMP途徑降解成丙酮酸的總反應式為：C6H12O62NAD+2Pi2ADP 2CH3COCOOH2NADH2H+2ATP2H2O反應中所生成NADH必須重新氧化為NAD后才能繼續不斷地推動全部反應。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生。在無氧的條件下，如以乙醛作為受氫體，即是酒精發酵；如以丙酮酸作為受氫體，即是乳酸發酵。在有氧情況下，NADH經呼吸鏈氧化，同時丙酮酸進入三羧酸循環。圖

9、1-1 EMP途徑簡圖EMP途徑10步反應詳述如下：（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌種通過不同方式實現這步反應。在酵母茵、真菌和許多假單胞茁等好氧細菌中，通過需要Mg+和ATP的己糖激酶來實現（此反應在細胞內為不可逆反應）；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移酶系統在葡萄糖進入細胞之時即完成了磷酸化。（2）葡糖-6-磷酸經磷酸己糖異構酶異構成果糖-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

10、細胞內催化的反應是不可逆的。（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也很重要。另外，二羥丙酮磷酸在糖代謝和脂類代謝中還是一個重要的連接點，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酶的作用下轉化成甘油醛-3-磷酸。雖然在反應（4）中產生等分子的丙糖磷酸，但二羥丙酮磷酸只有轉化為甘油醛-3-磷酸后才能進一步代謝下去。因此，己糖分子至此實際上已生成了2分子甘油醛-

11、3-磷酸。此后的代謝反應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生1,3-二磷酸甘油酸。此反應中的酶是一種依賴NAD+的含硫醇酶，它能把無機磷酸結合到反應產物上。這一氧化反應由于產生一個高能磷酸化合物和一個NADH+H+，所以從產能和產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移到ADP分子上，產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ATP的一個實例。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸

12、甘油酸變位酶的作用下轉變為2-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下經脫水反應而產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生了丙酮酸，這時，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基團轉移到ADP上，產生了本途徑的第二個ATP，這是借底物水平磷酸化而產生ATP的又一個例子。由上可知在無氧條件下，整個EMP途徑的產能效率是很低的，即每一個葡萄糖分子僅凈產2個ATP，但其中產生的多種中間代謝物不僅可為合成反應提供原材料，而且起著連接許多有關代謝途徑的作用。從微生物發酵生產的角度來看，EMP途徑

13、與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要發酵產物的生產有著密切的關系。EMP途徑是多種微生物所具有的代謝途徑，其產能效率雖低，但生理功能極其重要：供應ATP形式的能量和NADH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（TCA）、HMP途徑和ED途徑等；為生物合成提供多種中間代謝物；通過逆向反應可進行多糖合成。若從EMP途徑與人類生產實踐的關系來看，則它與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發酵生產關系密切。b.PP途徑除了通過EMP途徑氧化葡萄糖外，大多數微生物還有一條徹底分解葡萄糖為CO2和水的途徑，即是葡萄糖在轉化成6-

14、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上開始降解，故稱單磷酸己糖途徑，簡稱PP途徑，舊稱HMP途徑。又因為所生成的磷酸戊糖可重新組成磷酸己糖，形成循環反應，所以又常稱為磷酸戊糖途徑，見圖1-2。圖1-2 HMP途徑簡圖PP途徑比EMP途徑復雜，可以獲得很多產物，如C3、C5、C7等磷酸糖酯。該途徑主要特點是葡萄糖直接脫氫和脫羧，不必先經三碳糖的階段；另一特點是只有NADP參與反應。PP途徑在微生物生命活動中意義重大：供應5-磷酸核糖，以合成嘌呤和嘧啶核苷酸，最后合成核酸、輔酶等；提供大量的還原力NADPHH，除了部分被轉氫酶催化變為NADHH，再進入呼吸鏈氧化，

15、可生成大量的ATP外，主要還是作為細胞合成脂肪酸、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；磷酸戊糖循環的功能對于光能和化能自養菌具有重要作用，這兩類微生物細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-磷酸核糖轉變而來；生成的6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等可進入EMP途徑，進而代謝為丙酮酸，這樣PP途徑與EMP途徑相聯系。因此，PP途徑在物質代謝中很重要，在大多數好氧和兼性厭氧微生物中都有這條途徑。PP途徑與EMP途徑、TCA循環可以同時存在于一細胞內，只有少數細菌以PP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

16、胞菌。c.ED途徑N. Entner和M. Doudorff在對嗜糖假單胞菌的研究時發現，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1-3。3-磷酸甘油醛轉入EMP途徑后半部分可轉化為丙酮酸，因而ED途徑的總反應式為：C6H12O6NADNADPPiADP 2CH3COCOOHNADHNADPH2HATPED途徑是少數EMP途徑不完整的細菌例如Pseudomnas spp.(一些假單胞菌)和Zymomonas spp.(一

17、些發酵單胞菌)等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，其特點是利用葡萄糖的反應步驟簡單，產能效率低(1分子葡萄糖僅產1分子ATP，僅為EMP途徑之半)，反應中有一個6碳的關鍵中間代謝物肋PG。由于ED途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環等各種代謝途徑相連接，因此可以相互協調，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，在四途徑中所產生的丙酮酸對Zymomonas mobilis(運動發酵單胞菌)這類微好氧茵來說，可脫羧成乙醛，乙醛進一步被NADH2還原為乙醇。這種經ED途徑發酵產生乙醇的過

18、程與傳統的由酵母菌通過EMP途徑生產乙醇不同，因此稱作細菌酒精發酵。圖1-3 ED途徑簡圖d. TCA 循環好氧微生物在有氧情況下，通過三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，簡稱TCA循環）完全氧化，生成各種生物合成的中間體、CO2和水，同時產生大量的還原力（NADPH2、NADH2和FADH2），這些還原力通過電子傳遞鏈生成ATP。這是一個廣泛存在于各種生物體中的重要生物化學反應，在各種好氧微生物中普遍存在。葡萄糖經EMP途徑降解為丙酮酸后，丙酮酸不能直接進入三羧酸循環。在有氧情況下，丙酮酸需要失去1分子的CO2，降解成乙酰CoA，此反應分五步由丙酮酸脫氫酶復合物催化

19、完成。這一反應本身并非是三羧酸循環的一部分，但它是所有糖類經丙酮酸進入三羧酸循環所必須經過的。三羧酸循環也叫檸檬酸循環（citric acid cycle）或Krebs循環（the Krebs cycle）。在三羧酸循環中，通過一系列的生化反應途徑，儲存在乙酰CoA中大量潛在的化學能被逐步釋放出來。在這個循環中，通過一系列氧化和還原反應把化學潛能以電子的形式轉移到電子載體（主要是NAD）上。丙酮酸的衍生物被氧化，輔酶被還原。三羧酸循環在3C化合物丙酮酸脫羧后，形成NADHH，并產生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化反應，6C化合物經過5

20、C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的乙酰CoA分子。整個三羧酸循環的總反應式為：丙酮酸4NADFADGDPPi3H2O3CO24（NADHH）FADH2GTP三羧酸循環不僅為機體提供大量的能量，而且三羧酸循環的中間產物是細胞進行生物合成的原料，它們是合成反應的起點成分。例如-酮戊二酸和草酰乙酸分別可合成谷氨酸族和天冬氨酸族氨基酸；琥珀酰CoA可作為卟啉環的前體；檸檬酸作為脂肪酸生物合成中線粒體內乙酰CoA的前體等。因此，三羧酸循環位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位。總反應如圖1-4。圖1-4 TCA循環1.1.2合成代謝微生物的合成代謝就是微生物將簡單的無機物或

21、者有機物用體內的各種酶促反應合成大分子即菌體物質的過程。總體來說，可以概括為三個階段：產生三要素能量、還原力、小分子化合物；合成前體物氨基酸、單糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸；合成大分子蛋白質、核酸、脂肪、多糖。（1） 大分子前體物的合成a. 單糖的合成異養微生物所需要的各種單糖及其衍生物通常是直接從其生活的環境中吸收并衍生而來，也可以利用簡單的有機物合成。自養微生物所需要的單糖則需要通過同化CO2合成。單糖的合成和互變都要消耗能量，能量都來自ATP的水解。無論自養微生物還是異養微生物，其合成單糖的途徑一般都是通過EMP途徑逆行合成6磷酸葡萄糖，然后再轉化成其他糖。單糖合成的中心環節是葡萄糖的合成

22、；但自養微生物與異養微生物合成葡萄糖的前體來源不同。自養微生物主要通過卡爾文循環同化CO2，產生3磷酸甘油醛，再通過EMP途徑的逆轉形成葡萄糖。自養微生物也可以通過還原性三羧酸循環同化CO2，得到草酰乙酸或乙酰輔酶A進一步產生丙酮酸，之后再進一步合成磷酸己糖。自養微生物還可以通過厭氧乙酰輔酶A途徑固定CO2，形成丙酮酸，丙酮酸逆EMP途徑生成1，6-二磷酸果糖，再在1，6-二磷酸果糖兩的作用下生成6-磷酸果糖 。異養微生物可利用乙酸為碳源經乙醛酸循環產生草酰乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸為碳源時通過甘油酸途徑生成3-磷酸甘油醛；以乳酸為碳源時，可直接氧化成丙酮酸；將生糖氨基酸脫去氨基后也可作為

23、合成葡萄糖的前體。具體合成過程見圖1-5.圖1-5 單糖的合成b. 氨基酸的合成絕大多數微生物能自行從頭合成用于蛋白質合成的20種氨基酸。且微生物中20種氨基酸的合成途徑，已經得到透徹研究。氨基酸碳架來自新陳代謝的中間化合物。如丙酮酸、-酮戊二酸、草酞乙酸或延胡索酸、4-磷酸赤癬糖、5-磷酸核糖等；而氨基則通過直接氨基化或轉氨反應而導入。無機氮只有通過氨才能滲入有機化合物，分子氮通過固氮作用還原成氨。硝酸和亞硝酸則通過同化作用還原為氨。合成氨基酸的方式有三種：氨基化作用：它是指-酮酸與氨反應形成相應的氨基酸，是微生物同化氨的主要途徑：如氨與-酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的作用下，以還原輔酶為供氫體，

24、通過氨基化反應合成谷氨酸。轉氨基作用：這是指在轉氨酶催化下，使一種氨基酸的氨基轉移給酮酸，形成新的氨基酸的過程。它普通存在于各種微生物體內，可消耗過多的氨基酸，得到某些缺少的氨基酸。前體轉化：氨基酸還可以通過糖代謝的中間產物，經系列生化反應合成。如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等通過一個復雜的莽草酸途行合成。磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤癬糖經若干步驟合成莽草酸，莽草酸又經幾步反應合成分枝酸，由此分別合成苯丙氨酸、酪氨酸以及色氨酸。（2） 大分子有機物質的生物合成a. 核酸的生物合成·DNA的生物合成DNA合成按半保留復制方式開始于特殊的起點，單向或雙向進行，相對分子質量小的環狀DNA可以滾

25、環式復制，DNA復制需要DNA聚合酶、RNA聚合酶、解鏈蛋白、解螺旋蛋白、多核苦酸連接酶和RNA引物等。DNA開始合成時需要RNA聚合酶在DNA上辨認起始點，再由解鏈蛋白使DNA雙鏈分開，由解螺旋蛋白迅速解旋。DNA雙鏈打開后，在RNA聚合酶的作用下合成RNA片段(約50100個核苷酸長度)作為引物，先在DNA聚合酶的作用下，分別以兩條DNA鏈為模板從5至3，在引物上合成10002000個核苷酸的DNA片段(岡崎片段)，再由DNA聚合酶I水解除去RNA引物，由多核苷酸連接酶將片段連成DNA長鏈，見圖1-6。圖1-6 DNA的合成·RNA的合成DNA指導下的RNA合成(轉錄)：在RNA

26、聚合酶的催化下，4種核苷三磷酸聚合成與模板DNA互補的RNA。依賴DNA的RNA生物合成有4種功能不同的核糖核酸；轉移RNA、信使RNA、核蛋白體RNA和(噬菌體RNA)。RNA指導下的RNA的合成(RNA復制)：由依賴RNA的RNA聚合酶催化，以病毒RNA為模板，4種核苷三磷酸為原料合成病毒RNA。合成過程見圖1-7。b. 蛋白質的合成蛋白質生物合成的機制較復雜，大約需要200種生物大分子，其中包括tRNA、mRNA、核糖體、可溶性蛋白質因子等參加。蛋白質合成的過程大致分為3個階段：（1）氫基酸的激活。每一種氨基酸均須由特異性的活化酶體系激活變為活化型的氨酰tRNA后才能用于合成蛋白質，這類

27、酶稱為氨酰tRNA合成酶。（2）肽鏈合成的起動和肽鏈的延長。蛋白質合成的起始過程很復雜，主要有3種起始團十(IFl，2，3)參與反應。起始完成即進入延長階段，有3個延長因子(Tu、Ts、GTP)參與反應。他分三步：氨酰tRNA與核糖體的結合反應，轉肽反應，核糖體的移位反應。（3）肽鏈合成的終止和釋放。肽鏈的合成終止于mRNA上的終止密碼于UAA、UAG和UGA，終止反應需要Rl、R2和R3輔助因子。合成過程見圖1-8。圖1-8 蛋白質合成過程c. 多糖的合成微生物的多糖與多糖衍生物都是由單糖或單糖衍生物通過糖苷化作用合成的。微生物的多糖種類很多，如纖維素、幾丁質、多聚葡萄糖、多聚甘露糖、肽聚糖

28、、脂多糖等，它們的結構十分復雜，分子大小、合成途徑都各不相同。在此以金黃色葡萄球菌細胞壁肽聚糖的合成途徑為例，簡單闡述肽聚糖的生物合成過程。構成肽聚糖骨架的生物合成和裝配過程可分為3個階段，如圖1-9。肽聚糖生物合成的第一階段在細胞質中進行。出葡萄糖逐步合成UDPN乙酰葡萄糖胺(UDPGNAc)和UDPN乙酰胞壁酸(UDPMuNAc)；再由N乙酰細胞壁酸合成A乙酰胞壁酸五肽，是將氨基酸逐個加到UDPA乙酰胞壁酸上的。D環絲氨酸可使丙氨酸消旋酶失活，阻止L丙氨酸變為D丙氨酸，導致N乙酰胞壁酸三肽積累，最終導致細胞壁裂解。肽聚糖生物合成的第二階段包括N乙酰葡萄糖胺與N乙酰胞壁酸五肽的結合生成肽聚糖

29、單體和類脂載體的再生。這一階段在細胞質膜k上進行。類脂載體C55類異戊二烯醇通過兩個磷酸基與N乙酰胞壁酸分子相連，N乙酰葡萄糖胺從UDPN乙酸葡萄糖胺轉到UDPN乙酰胞壁酸上。雙糖五肽亞單位在細胞膜內表面合成后，由于類脂載體的結合，使親水分廣轉變成親脂分。使它能順利通過疏水性很強的細胞膜轉移到膜外，同時釋放出載體C55類脂。它在焦磷酸化酶的作用，水解脫磷酸，回復原狀，又重新作載體。肽聚糠生物合成的第三階段在細胞壁中進行。新合成的肽聚糖單體被運送到現有細胞壁生長點，肽聚糖單體與現有的細胞壁殘余分子間先發生轉糖基作用，使多糖鏈橫向延伸1個雙糖單位。再通過轉肽酶的轉肽作用，使前后兩條多糖鏈的甲肽尾五

30、甘氨酸肽的游離氨基與乙肽尾的第四個氨基酸的羧基結合形成一個肽鍵，使多糖間發生交聯，這一步反應稱為轉肽作用。這時，乙肽尾從原有的五肽變成正常肽聚糖分子中的四肽尾了。圖1-9 多糖的合成1.2微生物能量代謝微生物進行生命活動需要能量，這些能量主要包括化學能和光能。微生物從外界環境中失去營養物質，在體內經過一系列的反應，轉變為自身細胞物質，以維持其正常生長和繁殖，這一過程即新陳代謝，簡稱代謝。1.2.1 生物氧化有機物質在生物體細胞內氧化分解產生二氧化碳和水，并且釋放出大量的能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation）,又稱細胞呼吸或組織呼吸。生物氧化和有機物質體外燃燒在化學本

31、質上是相同的，遵循氧化還原反應的一般規律，所耗的氧量、最終產物和釋放的能量均相同。主要具有以下幾個特點： （1）在細胞內，溫和的環境中經酶催化逐步進行。 （2）能量逐步釋放。一部分以熱能形式散發，以維持體溫，一部分以化學能形式儲存供生命活動能量之需（約40%）。 （3）生物氧化生成的水是代謝物脫下的氫和氧結合產生，水也是直接參與生物氧化反應，CO2由有機酸脫羧產生。（4） 生物氧化的速率由細胞自動調節。在真核生物細胞內，生物氧化都是在線粒體內進行，原核生物則在細胞膜上進行。1、 細胞中的氧化還原反應與能量產生 物質失去電子稱為氧化，含有氫的物質在失去電子的同時伴隨著脫氫或加氫。物質獲得電子稱為

32、還原，在獲得電子的同時可能伴隨著加氫或者脫氫。可見氧化和還原是兩個相反而偶聯的反應，即一物質的氧化必然伴隨著另一物質的還原，稱為氧化還原反應，可以表示為 在分解代謝中，電子供體一般指能源，當電子供體與電子受體偶聯起來發生氧化還原反應時能釋放出能量，兩個相偶聯（氧化-還原分子對，或稱O-R對）的反應之間還原勢相差愈大，釋放的能量就愈多。2、 高能化合物和ATP的合成 基質通過氧化還原反應產生的能量可以轉變成高能化合物，供細胞用于做功。高能化合物是在水解過程中能夠釋放大量自由能的有機物分子。自由能以G表示，生化反應中自由能的變化表示為G，負值說明反應中有自由能釋放，反應能自發進行，這是稱為產能反應

33、；正值說明不能自發反應，需外界能量，稱為吸能反應。（1） 細胞中的高能化合物 許多高能化合物至少含有一個高能磷酸鍵。有些化合物雖具有磷酸鍵，但所含能量不夠高，不算高能化合物。（2） 細胞合成ATP的途徑 ATP含有三個磷酸基，其中2個磷酸以高能鍵（符號表示）相連。當細胞需要能量時，ATP末端磷酸基水解，產生一分子ADP，一分子無機磷酸（Pi）并釋放能量。ATP的化學結構式如圖1-10所示：圖1-10 ATP的結構和高能磷酸鍵微生物產生ATP有3種方式，即底物水平磷酸化，呼吸鏈（氧化）磷酸化和光合磷酸化。（1） 底物水平磷酸化 特點是：底物在氧化的過程中生成含高能磷酸鍵的化合物，通過相應酶的作用

34、將此高能磷酸根轉移給ADP生成ATP。這種類型的氧化磷酸化方式在生物代謝過程中普遍發生，其通式： X P+ADP X+ATP碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白質、類脂和核酸也可用作能源。碳水化合物在氧化過程中可以提供大量電子。底物水平磷酸化常見過程的簡化圖見圖1-11示。圖1-11 底物水平磷酸化簡圖（2） 氧化磷酸化 通過呼吸鏈產生ATP的過程稱為電子水平磷酸化或氧化磷酸化。這種磷酸化的特點是當由物質氧化產生的質子和電子向最終電子受體轉移時需經過一系列的氫和電子傳遞體，每個電子傳遞都是一個氧化還原過程。這一系列氫和電子傳遞體在不同生物中大同小異，構成一條電子傳遞鏈，稱為呼吸鏈。流動的電子

35、通過呼吸鏈時逐步放出能量，該能量可使ADP生成ATP。在呼吸鏈中，氫和電子傳遞體主要由各種輔酶和輔基組成，呼吸鏈的這些酶系定向有序的，又不是對稱的排列在真核微生物的線粒體內膜上，或排列在原核微生物的細胞質膜上。原核生物和真核生物呼吸鏈含有類似的基本的氧化還原載體，就目前所知，呼吸鏈中主要的中間電子傳遞體成員是泛醌（CoQ）和細胞色素系統。（3） 光和磷酸化光合磷酸化是光能轉化為化學能的過程。在這種轉化中光和色素起著重要作用。微生物中的藍細菌、光合細菌以及嗜鹽細菌的光合色素的光合磷酸化特點均有不同。進行光合磷酸化的細菌分為三類：藍細菌、光合細菌、嗜鹽細菌。藍細菌進行光合作用是依靠葉綠素。和高等植

36、物一樣，藍細菌在光合作用中還原CO2的電子是來自水的光解，并有氧的釋放，并把這類光合作用稱為放氧型光合作用，屬非環式光合磷酸化，其特點是有由光合色素組成的與兩個光反應系統。光合細菌：光合細菌包括紫細菌和綠細菌，它們是在厭氧條件下靠細菌葉綠素進行光合作用。細菌葉綠素是光合細菌的光反應色素，它也是具有鎂卟啉環的中心結構，但側鏈不同于葉綠素，目前已發現有a、b、c、d、e等5種。綠硫細菌的光反應中心色素主要是細菌葉綠素c、d和e。嗜鹽細菌：其光合系統較一般光合細菌更簡單，它不含細菌葉綠素，也不存在電子傳遞鏈，只具有唯一的色素蛋白，這就是存在于質膜中的細菌視紫紅質構成，它是由視黃醛以烯醇式堿基與蛋白質

37、的賴氨酸殘基通過共價鍵相連而構成。1.2.2 生物氧化的類型微生物在進行生命活動的過程中需要消耗能量。這些能量來自物質的氧化。在物質氧化的過程中，根據最終電子受體性質不同，微生物產生能量的方式有3種，即發酵、有氧呼吸和無氧呼吸。如表1-1表1-1 微生物的三種產能方式呼吸類型發酵最終電子受體最終產物氧化過程的中間產物，是簡單的有機醇，有機酸，甲烷，CO2，能量酵母菌、乳酸桿菌好氧呼吸最終電子受體最終產物O2CO2，H2O，能量霉菌、放線菌、枯草桿菌無氧呼吸最終電子受體最終產物NO3-，SO42-，CO32-，CO2CH4，H20，H2S，N2，NH3， 能量反硝化細菌、硫桿菌、產甲烷菌微生物的

38、呼吸類型的比較，如圖表1-2：圖1-2 微生物呼吸類型比較呼吸類型最終電子受體參與反應的酶及電子傳遞體系最終產物釋放總能量好氧呼吸O2脫氫酶、脫羧酶、細胞色素氧化酶、NAD、FAD、輔酶QNO3- CO2 H2O SO42- CO32- ATP S Fe3+2876KJ乙醇發酵中間代謝產物脫氫酶、脫羧酶、乙醛還原酶、NAD低分子有機物、ATP、CO2238.3KJ無氧呼吸NO3-，SO42-，CO32-，CO2脫氫酶、脫羧酶、硝酸鹽還原酶、硫酸鹽還原酶、NADNH4+、CO2H2O ATP H2S CH4 、琥珀酸反硝化：1756KJ反硫化：1126KJ 此外，微生物的呼吸類型又可以分為：外源

39、呼吸和內源呼吸兩種。利用外源營養物的生物氧化作用進行生命活動時稱為外源呼吸，在外源營養嚴重缺乏時候，微生物不能利用外界營養物質，不得不利用自身的物質細胞物質，這種內源呼吸只能維持微生物短暫的生命活動。（1） 發酵作用 在生理上，發酵作用是不需要分子態氧（O2）作電子受體的氧化作用，為厭氧代謝，在此過程中電子供體和受體都是有機物分子。作為基質的有機物只是部分碳原子被氧化，所形成的某些中間產物又作為受氫體接受氫而形成的新的產物。酒精發酵和乳酸發酵是這種作用的典型代表。發酵產生ATP的機制主要是底物水平的磷酸化，即有底物氧化而產生的高能磷酸鍵被轉移到ADP分子上形成ATP。（2） 有氧呼吸 有氧呼吸

40、即呼吸作用，是指微生物氧化底物時以分子氧作為最終電子受體的氧化作用。通過有氧呼吸可將有機物徹底氧化并釋放出儲存在有機物中的大量能量，其中一部分轉移到ATP中，另一部分則以熱的形式散出。有氧呼吸的特點是必須有氧氣參加，底物氧化徹底，產能量大。有氧呼吸是需氧和兼性厭氧微生物在有氧條件下進行的呼吸類型和生物氧化方式。（3） 無氧呼吸 化合物氧化脫下的氫和電子經呼吸鏈傳遞，最終交給無機氧化物的過程稱為無氧呼吸。與有氧呼吸不同的是，在這個過程中并沒有分子氧的參與，而是以無機氧化物，如;NO3- NO2- SO42- S2O32- CO2 等代替分子氧作為最終電子受體。與有氧呼吸相同的是，無氧呼吸過程中底

41、物氧化脫下的氫和電子也經過細胞色素等一系列中間傳遞體，并伴隨有磷酸化作用產生ATP，底物也被徹底氧化。但與有氧呼吸相比，因最終電子受體為無機氧化物，一部分能量轉移給它們，因此生成的能量不如有氧呼吸的多。進行厭氧呼吸的微生物主要是厭氧菌和兼性厭氧菌，它們的活動可以造成反硝化作用，也成為脫氮作用、脫硫作用和甲烷發酵作用。1.3微生物代謝調控微生物的新陳代謝錯綜復雜，參與代謝的物質又多種多樣，即使同一種物質也會有不同的代謝途徑，而且各種物質的代謝之間存在著復雜的相互聯系和相互影響。在長期的進化過程中，微生物建立了一套嚴密、精確、靈敏的代謝調節體系，能嚴格地控制代謝活動，使之有序而高效地運行，并能靈活

42、地適應外界環境，最經濟地利用環境中的營養物。微生物的代謝調節具有多系統、多層次的特點，對于原核微生物而言，包括物質運輸(吸收營養和排除代謝產物)利代謝反應的調控，后者主要是指酶的調控，包括酶的表達及酶的活性的調控。真核微生物的調控方式較為復雜，除了上述方式，還有酶的翻譯、修飾水平的調控，以及轉錄、轉錄后加工等層次的調節等。1.3.1酶活性的調節通過改變酶分子的活性來調節代謝速度的調節方式稱為酶活性的調節。酶活性的調節方式直接，并且反應快，是發生在蛋白質水平上的調節。活性受到底物或產物(或其結構類似物)影響的酶稱為調節酶。這種影響可以是激活、也可以是抑制酶的活性。1.3.1.1酶的激活1）前體激

43、活通常把底物對酶的影響稱為前饋，產物對酶的影響稱為反饋。前饋作用一般是對酶的活性起激活作用，在分解代謝中，后面的反應可被較前面反應的中間產物所促進。2）小分子離子激活金屬離子如Mg2+、K+對于多種酶具有激活作用，如EMP途徑中，磷酸果糖激酶的活性受到Mg2+的促進。3）補償激活在相關代謝途徑中，一條代謝途徑中的中間產物的積累，可以刺激另外一條代謝途徑的關鍵酶或其他酶的活性提高。如在精氨酸生物合成途徑中，鳥氨酸的積累可以刺激氨甲酰磷酸合成酶的活性，從而促進精氨酸的合成。1.3.1.2 酶的抑制酶的抑制包括競爭性抑制和反饋抑制，在微生物代謝調節中更常見的是反饋抑制，尤其是末端產物對酶活性的反饋抑

44、制。酶的抑制機制可以用別構酶學說來解釋：調節酶通常是別構酶，是催化代謝途徑一系列反應中的關鍵酶。一般具有多個亞基，包括催化亞基和調節亞基。抑制過程的效應物稱為抑制劑，調節酶的抑制劑通常是末端代謝產物或其結構類似物。抑制劑與調節亞基結合引起酶構象發生變化，使催化亞基的活性中心發生改變，酶的催化性能隨之受到影響。效應物的作用是可逆的，一旦效應物濃度降低，酶活性就會恢復。酶活性也受到能荷的調節。能荷不僅能調節ATP合成體系的酶的活性，也能調節ATP利用體系的酶的活性。當能荷在0.71以上時，ATP合成體系的酶活性受到抑制，ATP利用體系的酶活性則急劇上升；能荷較低時，情況則相反。1.3.2 酶合成的

45、調節這是通過調節酶合成的量來控制微生物代謝速度的調節機制，這類調節在基因轉錄水平上進行，對代謝活動的調節是間接的、也是緩慢的，它的優點是通過阻止酶的過量合成，能夠節約生物合成的原料和能量。酶合成的調節主要有兩種類型：酶的誘導和酶的阻遏。1.3.2.1酶的誘導1）順序誘導第一種酶的底物會誘導第一種酶的合成，第種酶的產物又可誘導第二種酶的合成依此類推合成系列的酶，再依次合成分解中間代謝物的酶，以達到對較復雜代謝途徑的分段調節。2）同時誘導即加入一種誘導別后，微生物能同時或幾乎同時合成幾種酶，它主要存在于較短的代謝途徑中、合成這些酶的基因由同一個操縱子所控制。1.3.2.2 酶的阻遏在某代謝這樣中，當末端產物過量時，微生物的調節體系就會阻止代謝途徑中包括關鍵酶在內的一系列酶的合成，從而徹底地控制代謝，減少末端產物生成，這種現象稱為酶合成的阻遏；可被阻遏的酶稱為阻遏酶。阻遏的生理學功能是節約生物體內有限的養分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代謝產物阻遏和分解代謝產物阻遏兩種類型。1）末端代謝產物阻遏由于某代謝途徑末端產物的過量積累而引起酶合成的(反饋)阻遏稱為末端代謝產物阻遏。通常發生在合成代謝中，特別是在氨基酸