微生物的能量代謝

微生物的能量代謝微生物的能量代謝微生物的能量代謝V:1.0精細整理，僅供參考微生物的能量代謝日期：20xx年X月微生物的能量代謝微生物進行生命活動需要能量，這些能量的來源主要是化學能和光能。那么自然界的能量是怎樣轉(zhuǎn)變成微生物可利用的形式能量是如何被利用的這些都是微生物能量代謝的基本問題。

一、細胞中的氧化還原反應(yīng)與能量產(chǎn)生物質(zhì)失去電子稱為氧化，含有氫的物質(zhì)在失去電子的同時伴隨著脫氫或加氧。物質(zhì)獲得電子稱為原，在獲得電子的同時可能伴隨著加氫或脫氧?？梢娧趸瓦€原是兩個相反而偶聯(lián)的反應(yīng)，二者不能分開獨立完成，即一物質(zhì)的氧化必然伴隨著另一物質(zhì)的還原，稱為氧化還原反應(yīng)，可以表示為：AH2→2H++2e+A（氧化)B+2H++2e→BH2(還原）AH2+B←→A+BH2（氧化還原)在氧化還原反應(yīng)中，凡是失去電子的物質(zhì)稱為電子供體；得到電子的物質(zhì)稱為電子受體。如還伴隨有氫的轉(zhuǎn)移時則稱為供氫體和受氫體。上式中AH2就是電子供體(或供氫體)，B是電子受體(或受氫體)。實際上，生物體內(nèi)發(fā)生的許多反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)。生物氧化是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)逐步分解并放出能量的過程。其中有機化合物的氧化還原反應(yīng)是生物氧化的主要形式，在此過程中都包含有氫和電子的轉(zhuǎn)移，稱為脫氫作用。各種基質(zhì)給出電子而被氧化和接受電子而被還原的趨勢是不同的，這種趨勢稱為基質(zhì)的還原勢(reductionpotential)，用E0'，表示，以伏(V)或毫伏(mV)為單位。在電化學上還原勢以基質(zhì)H2作參比而測定，因而各種物質(zhì)的還原勢可以相互比較。按規(guī)定還原劑(電子供體)寫在反應(yīng)式的左邊。在pH：7時，氫和氧的還原勢分別為：2H++2e→H2E0'=-421mV1/2O2+2H++2e-→H2OE0'=+816mV在細胞內(nèi)進行的氧化還原反應(yīng)中，電子從最初供體轉(zhuǎn)移到最終受體，一般都需經(jīng)由中間載體(電子傳遞體)全反應(yīng)過程的凈能量變化決定于最初供體和最終受體之間還原勢之差。表2-3列出了生物的一些常見氧化還原系統(tǒng)中電子載體的標準電位E0'值。在分解代謝中，電子供體一般就是指能源，當電子供體與電子受體偶聯(lián)起來發(fā)生氧化還原反應(yīng)時能釋放出能量，兩個相偶聯(lián)(氧化一還原分子對，或稱O--R對)的反應(yīng)之間還原勢相差愈大，釋放的能量就愈多。中間電子載體有兩類：一類是游離的，一類是牢固地結(jié)合在細胞膜中的輔酶上。表中所列輔酶NAD+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NADP+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)就是細胞中常見的游離電子載體，它們是氫原子載體，能攜帶一個質(zhì)子和兩個電子，在反應(yīng)中另一個質(zhì)子(H+)來自溶液。NAD++2e-+2H+產(chǎn)生NADH+H+，為簡略起見一般將NADH+H+書寫為NADH。盡管NAD+和NADP+具有相同還原勢(—320mV)，但在細胞中前者直接用于產(chǎn)能反應(yīng)(分解代謝)，后者主要用于合成反應(yīng)。二、高能化合物和ATP的合成基質(zhì)通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔铮┘毎糜谧鞴?。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C表示，生化反應(yīng)中自由能的變化表示為△GO'，負值說明反應(yīng)中有自由能釋放，并且反應(yīng)能自發(fā)進行，這時稱為產(chǎn)能反應(yīng)；正值說明反應(yīng)不能自發(fā)進行，需外界能量，稱為吸能反應(yīng)。生物學中表示能量的單位最常用的是千卡(kcal)和千焦耳(kJ)，lkcal等于4．184kJ。如果沒有高能化合物則在一般氧化作用中會以放熱的方式而浪費能量。(一)細胞中的高能化合物許多高能化合物最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。高能磷酸化合物水解時釋放的自由能大于—29．3kJ／mol。例如，葡萄糖-6—磷酸水解時僅放出—12．5kJ／mol自由能，而磷酸烯醇丙酮酸可釋放—61．9kJ／mol自由能，幾乎為前者的5倍，所以葡萄糖—6—磷酸(磷酸酯)不算高能化合物，而磷酸烯醇丙酮酸(磷酸酐)則是。表2-4列舉了細胞中常見的高能磷酸化合物。上列諸化合物中，ATP是最常見的高能磷酸化合物，在生物新陳代謝中起重要作用。(二)細胞合成ATP的途徑ATP含3個磷酸基，其中2個磷酸以高能健(符號～代表)相聯(lián)。當細胞需要能量時，ATP末端磷酸基水解，產(chǎn)生一分子ADP、一分子無機磷酸(P1)并釋放能量。ATP的化學結(jié)構(gòu)式如圖2-1所示。微生物產(chǎn)生ATP有3種方式，即底物水平磷酸化、呼吸鏈(或氧化)磷酸化和光合磷酸化。1．底物水平磷酸化這種磷酸化的特點即在底物氧化過程中生成含高能磷酸鍵的化合物,通過相應(yīng)酶的作用將此高能磷酸根轉(zhuǎn)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(fā)生，其通式可寫成：X~P+ADP→X+ATP碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白質(zhì)、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。圖2-2為底物水平磷酸化常見過程的簡化圖式。甘油醛—3—磷酸被磷酸化，并氧化成1，3-二磷酸甘油酸，這一高能磷酸化合物將其C-1磷酸傳給ADP而產(chǎn)生ATP。有關(guān)過程將在第二節(jié)詳細闡述。2．氧化磷酸化通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP的過程稱為電子傳遞水平磷酸化或氧化磷酸化。這種磷酸化的特點是當由物質(zhì)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子和電子向最終電子受體轉(zhuǎn)移時需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個傳遞體都是一個氧化還原系統(tǒng)。這一系列氫和電子傳遞體在不同生物中大同小異，構(gòu)成一條鏈，稱其為呼吸鏈。流動的電子通過呼吸鏈時逐步釋放出能量，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地、又是不對稱地排列在真核微生物的線粒體內(nèi)膜上，或排列在原核微生物的細胞質(zhì)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，呼吸鏈中最重要的中間電子傳遞體成員是泛醌(CoQ)和細胞色素系統(tǒng)。泛醌及其衍生物是一類分子量較小的酯溶性氫載體。在電子傳遞鏈中，由于其結(jié)構(gòu)上的改變起氧化還原劑的作用(圖2-3)。存在于微生物中的主要是泛醌和萘醌。細胞色素都是含有鐵卟啉基團的電子傳遞蛋白，有多種，以細胞色素a、b和c等表示，并有a1、a2…b1、b2……等之分。在所有真核生物的線粒體中發(fā)現(xiàn)的細胞色素類型是相同的，而細菌所含的細胞色素類型有很大差異。例如，大腸桿菌有細胞色素a1、a2、b1和o；枯草芽胞桿菌含有細胞色素a、a3、b、c和c1。以英文小寫字母區(qū)別的各種細胞色素，其轉(zhuǎn)移電子的順序并非按字母順序進行，而是cyt．b→cyt．c→cyt．a(chǎn)。呼吸鏈的最末端細胞色素a稱為細胞色素氧化酶(cytochromeoxidase)，它將電子轉(zhuǎn)移給氧分子。電子傳遞水平磷酸化是經(jīng)由呼吸鏈進行的。底物氧化時脫下的氫和電子首先交給NAD+生成NADH+H+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)，或交給NADP+生成NADPH+H+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)，后者經(jīng)過轉(zhuǎn)氫酶的作用也可以將氫轉(zhuǎn)給NAD+生成NADPH+H+。也有的底物將脫下的氫和電子交給FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)或FMN(黃素單核苷酸)生成FADH2或FMNH2。然后NADH+H+或FADH2以及其它還原型載體上的氫原子以質(zhì)子和電子的形式進入呼吸鏈，順序傳遞至最終電子受體，同時偶聯(lián)有ATP的產(chǎn)生。圖2-4表示一條呼吸鏈的作用過程。電子傳遞磷酸化的效率通常用P／O來表示，P／O代表每消耗一個氧原子所形成的ATP數(shù)。真核生物如酵母菌為3，而細菌大約只可達到1。3．光合磷酸化光合磷酸化是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能的過程。在這種轉(zhuǎn)化過程中光合色素起著重要作用。微生物中藍細菌、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所不同。(1)藍細菌。藍細菌進行光合作用是靠葉綠素。和高等植物一樣，藍細菌在光合作用中還原C02的電子是來自水的光解，并有氧的釋放，把這類光合作用稱為放氧型光合作用。屬非環(huán)式光合磷酸化(圖2-5)，其特點是有由光合色素組成的I與Ⅱ兩個光反應(yīng)系統(tǒng)。藍細菌中的非環(huán)式電子傳遞，不但能產(chǎn)生ATP，而且還能提供NADPH+H+。系統(tǒng)I的光合色素為葉綠素P700，它吸收光能后釋放電子，電子通過鐵還蛋白將NADP+還原為NADPH+H+。系統(tǒng)Ⅱ的P680吸收光能后釋放電子，經(jīng)質(zhì)體醌(一種醌類衍生物)、細胞色素b、細胞色素f、質(zhì)體藍素等傳遞體，最后將電子交給系統(tǒng)I的P700。系統(tǒng)Ⅱ失去的電子以水的光解所放出的電子來補充。在整個電子傳遞過程中有ATP產(chǎn)生。(2)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(yīng)色素，它也具有鎂卟啉環(huán)的中心結(jié)構(gòu)，但側(cè)鏈不同于葉綠素，目前已發(fā)現(xiàn)有a，b，c，d和e5種。綠硫細菌的光反應(yīng)中心色素主要是細菌葉綠素c，d和e。而在紫細菌中光反應(yīng)中心色素主要為細菌葉綠素a。光合細菌在光合作用中還原C02的電子是來自還原型無機硫、氫或有機物，沒有氧氣的釋放，稱為非放氧型光合作用。其光合磷酸化的方式為環(huán)式光合磷酸化(圖2—6)。首先，細菌葉綠素吸收光能處于激發(fā)狀態(tài)，放出高能電子。電子通過鐵氧還蛋白、COQ、細胞色素b和細胞色素c的電子傳遞系統(tǒng)，最后返回細菌葉綠素。在電子傳遞過程中產(chǎn)生ATP。(3)嗜鹽細菌。其光合系統(tǒng)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(zhì)膜中的細菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin)，它是由視黃醛以烯醇式堿基與蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基通過共價鍵相連而構(gòu)成。當光照時，視黃醛放出H+到細胞膜外，失去H+的視黃醛又從細胞質(zhì)內(nèi)獲得H+，在光照下又被排出。如此反復(fù)進行，形成膜內(nèi)外質(zhì)子梯度，當膜外的H+通過膜中的H+-ATP酶返回時，合成ATP。所以細菌視紫紅質(zhì)具有光驅(qū)動質(zhì)子泵的作用。再加上H+-ATP酶就構(gòu)成了最簡單的光合磷酸化體系(圖2-7)。三、微生物細胞中能量的釋放和利用根據(jù)最終電子受體性質(zhì)的不同，微生物產(chǎn)生能量的方式有3種，即發(fā)酵、有氧呼吸和無氧呼吸。(一)發(fā)酵作用(fermentation)在生理上，發(fā)酵作用是不需要分子態(tài)氧(02)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(zhì)的有機物質(zhì)只是部分碳原子被氧化，所形成的某些中間產(chǎn)物又作為受氫體接受氫而形成新的產(chǎn)物。酒精發(fā)酵和乳酸發(fā)酵就是這類作用的典型代表。發(fā)酵產(chǎn)生ATP的機制主要是底物水平的磷酸化，即由底物氧化而產(chǎn)生的高能磷酸鍵被轉(zhuǎn)移到ADP分子上形成ATP。微生物的發(fā)酵作用最常見于糖類的厭氧降解作用中，特別是葡萄糖的代謝。而一般工業(yè)發(fā)酵的含義則較廣泛，凡是利用微生物進行生產(chǎn)的過程，無論是在有氧條件下還是無氧條件下，統(tǒng)稱為發(fā)酵。發(fā)酵是厭氧微生物在生長過程中獲能的一種主要方式。但這種氧化不徹底，只釋放出一部分能量，大部分能量仍貯存在有機物中。例如，酵母菌利用葡萄糖進行酒精發(fā)酵時，一分子萄萄糖僅釋放出225．7kJ的能量，其中約有62．7kJ貯存在ATP中，其余能量(225．7-62．7=163kJ)以熱散失，而大部分能量仍貯存在產(chǎn)物酒精中。有些兼性厭氧菌在無氧條件下也能進行發(fā)酵作用，這時若通人氧氣則會發(fā)生呼吸作用對發(fā)酵作用的抑制，這一現(xiàn)象首先是由巴斯德發(fā)現(xiàn)的，稱為巴斯德效應(yīng)。在利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精時若通人02，則發(fā)酵作用減慢，表現(xiàn)為酒精的產(chǎn)量下降。(二)有氧呼吸(respiration)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貯存在有機物中的大量能量。其中一部分轉(zhuǎn)移到ATP中，另一部分則以熱的形式散出。例如，一分子葡萄糖在有氧條件下完全氧化成CO2和H20時可放出2875．810的自由能，其中約有1254kj貯存在ATP中，其余以熱的形式散出，，因此，有氧呼吸的特點是必須有氧氣參加，底物氧化徹底，產(chǎn)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生物氧化方式?；墚愷B(yǎng)微生物以有機物如葡萄糖、淀粉、纖維素等作為呼吸底物；而化能自養(yǎng)菌是以無機物作為呼吸底物，如氫細菌、硫細菌和硝化細菌分別利用氫氣、含硫無機物(H2S，S，S203-)、氨或亞硝酸等作為被氧化的底物。底物氧化時脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終將它們交給分子氧生成水，同時釋放出大量的能量，完成了有氧呼吸過程。(三)無氧呼吸(anaerobicrespiration)化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)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參加，而是以無機氧化物如N03-、N02-、S042-、S203-或C02等代替分子氧作為最終電子受體。與有氧呼吸相同的是，無氧呼吸過程中底物氧化脫下的氫和電子也經(jīng)過細胞色素等一系列中間傳遞體,并伴隨有磷酸化作用產(chǎn)生ATP，底物也可被徹底氧化。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(zhuǎn)移給它們，因此生成的能量不如有氧呼吸多。例如，一分子葡萄糖以KN03作為最終電子受體進行無氧呼吸時僅放出1793．2kJ的自由能，其余能量則轉(zhuǎn)移于所生成的N02-中。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(也稱為脫氮作用)、脫硫作用和甲烷發(fā)酵作用等。(四)能量的消耗微生物進行的一切生理活動需要消耗能量，生長時需要消耗能量，不生長時因維持生命狀態(tài)也需要消耗能量。微生物產(chǎn)生的能量主要用于以下幾個方面：1．生物合成消耗能量微生物合成的ATP主要用于蛋白質(zhì)、核酸、脂類和多糖等各種細胞物質(zhì)和各種貯藏物質(zhì)的合成，使微生物得以生長和繁殖。并且細胞內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)等大分子是處于不停的降解與合成狀態(tài)的，用于這些大分子再生和轉(zhuǎn)換的能量稱為維持能量。2．一些其他生命活動消耗能量微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的主動吸收、維持細胞滲透壓、鞭毛運動、原生質(zhì)流動以及細胞核分裂過程中染色體的分離等都需要消耗能量。3．生物發(fā)光消耗能量到目前為止，在細菌、真菌和藻類中都發(fā)現(xiàn)有可發(fā)光的菌種存在。生物發(fā)光現(xiàn)象實質(zhì)上是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^程。該過程必須具備有發(fā)光素和發(fā)光素酶。4．有些ATP以熱的形式散失在需要ATP的合成反應(yīng)中，ATP水解時釋放出的能量并非完全被利用，有些是以熱的形式散失了。例如在進行微生物培養(yǎng)時，常表現(xiàn)出培養(yǎng)物自升溫現(xiàn)象。因此，在發(fā)酵工業(yè)上常需降溫設(shè)備來解決這個問題。微生物的分解代謝復(fù)雜的有機物質(zhì)，通過一系列分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生能量(ATP)和小分子物質(zhì)的過程稱為分解代謝。微生物可利用的有機物營養(yǎng)種類很多，不同有機物的分解途徑各異。己糖是各種多糖的主要單位，是代謝作用的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一、己糖的分解對于大多數(shù)異養(yǎng)型微生物來說，己糖是最重要的碳源和能源，也是微生物細胞壁、莢膜和貯藏物的主要組成成分，尤其是葡萄糖和果糖，可以直接進人糖代謝途徑逐步分解成各種中間代謝產(chǎn)物，并釋放出能量。(一)糖酵解和三羧酸循環(huán)葡萄糖在有氧條件下的分解過程主要經(jīng)過4個階段。即：①糖酵解一②生成乙酰輔酶A—+③三羧酸循環(huán)一④進入呼吸鏈產(chǎn)能。許多好氧微生物都是通過這條途徑將葡萄糖徹底氧化為C02和H20，并獲得能量。糖酵解(glycolysis)從字面上理解即糖發(fā)酵裂解的意思。糖酵解可以通過不同途徑，最一般的是EM途徑(Embden-MeyerhofPathway)，也稱己糖二磷酸途徑。這條途徑是生物界所共有的，在微生物中廣泛存在于許多好氧菌、兼性好氧菌和厭氧菌中。1．糖酵解的EM途徑是指在不需要氧的條件下一分子葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6-二磷酸果糖后,在醛縮酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的過程。葡萄糖經(jīng)EM途徑降解成丙酮酸的總反應(yīng)式為：C6H12O6+2NAD++2pi+2ADP→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP反應(yīng)過程如圖2-8所示，包括許多步驟。葡萄糖首先經(jīng)過二次磷酸化轉(zhuǎn)變成1，6-二磷酸果糖。后者在EM途徑的特征酶1，6-二磷酸果糖醛縮酶的作用下分解成2個三碳化合物，即3—磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮，其中磷酸二羥丙酮也可轉(zhuǎn)變?yōu)?，磷酸甘油醛。因此，由1，6-二磷酸果糖生成2分子3—磷酸甘油醛。在此基礎(chǔ)上脫氫和磷酸化生成2分子丙酮酸、2個NADH和4個ATP。由于在前面葡萄糖磷酸化時用去2個ATP，所以凈得2個ATP。至此糖酵解反應(yīng)完成。EM途徑在反應(yīng)過程中生成的幾種磷酸化中間產(chǎn)物及終產(chǎn)物丙酮酸在合成代謝中起著重要作用，并且為微生物提供生理活動所需的ATP和NADH。其中NADH生成后不能積存，必須重新氧化為NAD。在進行有氧呼吸時NADH經(jīng)呼吸鏈氧化，同時由電子轉(zhuǎn)移磷酸化生成ATP。在發(fā)酵時NADH將分子中的氫交給有機物使之還原，本身則氧化為NAD+，這時NADH并非為微生物提供能量，而是提供還原力。2．乙酰輔酶A的生成丙酮酸在丙酮酸脫氫酶系的催化下氧化脫羧、脫氫生成乙酰輔酶A。其反應(yīng)式為：丙酮酸脫氫酶系CH3COCOOH+CoSH+NAD+-----------------→CH3CO~SCoA+NADH+H++CO2丙酮酸輔酶A乙酰輔酶A丙酮酸脫氫酶系由3種酶組成：丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙?；负投淞蛐了崦摎涿?。該酶系在一些兼性好氧菌如大腸桿菌中，只在有氧時才合成，無氧時不合成。在無氧條件下即使是已合成的丙酮酸脫氫酶系，其活性也被抑制。3．三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle，TCA循環(huán))這個循環(huán)是從乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合形成檸檬酸開始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后進一步徹底氧化的過程。其總反應(yīng)式為：乙酰CoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+pi→2CO2+CoA+3NADH+3H++FADH2+ATP反應(yīng)步驟見圖2-9所示。該循環(huán)的主要特點是：①在循環(huán)中生成一系列二羧酸和三羧酸化合物，最后又再生出草酰乙酸。其結(jié)果是乙酰輔酶A被分解成C02、NADH和FADH2。②乙酰輔酶A是脂肪酸合成的原料，TCA循環(huán)中的二羧酸和三羧酸中間化合物也為生物合成提供原料，它們與氨基酸、嘌呤和嘧啶等的合成有密切關(guān)系。因此，三羧酸循環(huán)是糖、蛋白質(zhì)和脂肪酸等代謝的橋梁。③反應(yīng)過程中由底物水平磷酸化生成1個ATP。此外所生成的NADH和FADH2都可進入呼吸鏈進行有氧呼吸作用產(chǎn)生大量能量。因此，盡管分子氧不直接參與TCA循環(huán)，但TCA循環(huán)必須在有氧條件下才能進行。4．進入呼吸鏈產(chǎn)能在這一步驟中，三羧酸循環(huán)中生成的NADH和FADH2進入呼吸鏈，將H‘和電子交給02生成水并生成能量，也形成諸種代謝終產(chǎn)物。經(jīng)過糖酵解和TCA循環(huán)等4個階段，在理想條件下，1分子葡萄糖被徹底氧化為H20和CO2，可共計產(chǎn)生38個ATP(在真核生物中只產(chǎn)生36個ATP)。其中包括在EM途徑中生成8個ATP；由2分子丙酮酸生成乙酰輔酶A時生成6個ATP；由2分子乙酰輔酶A通過TCA循環(huán)至呼吸鏈完成共生成24個ATP(表2-5)。(二)糖降解的其它途徑1.磷酸戊糖途徑(pentosephosphatepathway，PP途徑)它是從6-磷酸葡萄糖酸開始分解，即在單磷酸己糖基礎(chǔ)上進行的降解作用。PP途徑重要特點是在作用過程中形成五碳糖分子，故稱為磷酸戊糖途徑。反應(yīng)步驟見圖2-10。PP途徑可分為兩個階段。第一階段為氧化階段：從6-磷酸葡萄糖開始，經(jīng)過脫氫、水解，氧化脫羧生成5—磷酸核酮糖和二氧化碳。第二階段為非氧化階段：是磷酸戊糖之間的基團轉(zhuǎn)移、縮合(分子重排)生成一系列7碳、4碳、3碳化合物，最后使6-磷酸己糖再生。PP途徑的另一重要特征是產(chǎn)生NADPH，它比NADH多一個磷酸基，連接于腺苷分子的核糖環(huán)上。這兩種輔酶的功能不同，NADH產(chǎn)生于氧化反應(yīng)中用于ATP形成，而NADPH是生物合成作用的還原劑。大多數(shù)好氧和兼性好氧微生物中都具有PP途徑。而且在同一微生物中往往同時存在PP和EM途徑，二者在不同菌種中所占比例不同。如酵母菌對葡萄糖的利用，其中87％是走EM途徑，剩余13％則走PP途徑；青霉77％走PP途徑，而23％走EM途徑。2．ED途徑(Entner-Doudoroffpathway)這是在細菌中分解葡萄糖生成丙酮酸與3-磷酸甘油醛的另一途徑。能利用這條途徑的微生物遠不如EM途徑和PP途徑那樣普遍，主要是假單胞菌屬的一些細菌。在分解葡萄糖的過程中，首先是將葡萄糖轉(zhuǎn)變成6-磷酸葡萄糖，再氧化為磷酸葡萄糖酸，進一步轉(zhuǎn)變成2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸，后者可裂解生成丙酮酸和3·磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛可進人EM途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸(圖2-11)。這條途徑的產(chǎn)能水平較低，1分子葡萄糖分解為2分子丙酮酸時，只凈得1分子ATP和2分子NADH。3．磷酸酮糖酶途徑這是一條磷酸戊糖途徑(PP途徑)的支路，作用過程中磷酸酮糖酶是關(guān)鍵性的酶，它從磷酸戊糖和己糖中裂解出乙酰磷酸。盡管反應(yīng)產(chǎn)物類似乎葡萄糖降解的刪途徑，但有不同酶系參與作用，形成不同中間產(chǎn)物。磷酸酮糖酶催化木酮糖—5—磷酸的磷酸化和裂解產(chǎn)生甘油醛—3—磷酸和乙酰磷酸。甘油醛-3-磷酸經(jīng)由糖酵解的PP途徑或EM途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楸幔⒑铣?分子ATP。1分子ATP已用于葡萄糖的初始磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸，故這一途徑中基質(zhì)水平的磷酸化凈產(chǎn)生的ATP僅1分子。但此途徑還形成NADPH+H+和中間產(chǎn)物木酮糖—5-磷酸，它是進入戊糖代謝的起點。這一途徑迄今只在某些原核生物中發(fā)現(xiàn)，它的能效也不如EM途徑，然而它使具備這一途徑的微生物利用不同的基質(zhì)，形成的NADPH+H+和中間產(chǎn)物，可作為合成其它化合物的前體。二、丙酮酸代謝的多樣性由葡萄糖降解至丙酮酸后，丙酮酸的進一步代謝去向視不同的微生物和環(huán)境條件而異。在有氧條件下通過三羧酸循環(huán)徹底氧化成C02，生成的NADH+H+和FADH2進入呼吸鏈將H+和電子交給最終受體分子氧生成水，獲得能量。在無氧條件下一些微生物可以進行發(fā)酵作用將丙酮酸轉(zhuǎn)化為各種發(fā)酵產(chǎn)物。微生物所進行的各種發(fā)酵，常常是以它們的終產(chǎn)物命名，如酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵等。由于發(fā)酵過程中有機物不完全降解，并且一般只有底物水平磷酸化作用，因而其產(chǎn)能水平低。(一)酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵是丙酮酸在無氧條件下生成乙醇的過程，典型的酒精發(fā)酵是指由酵母菌，尤其是釀酒酵母所進行的產(chǎn)生乙醇的過程。其產(chǎn)物是乙醇和二氧化碳，生成途徑是葡萄糖經(jīng)EM途徑降解為2分子丙酮酸，然后在脫羧酶的作用下生成乙醛和C02，乙醛接受糖酵解中產(chǎn)生的NADH+H+的氫，在乙醇脫氫酶的作用下還原成乙醇。這樣在厭氧條件下，每分子葡萄糖經(jīng)酵母菌酒精發(fā)酵后產(chǎn)生2分子乙醇、2分子C02和2分子ATP。某些細菌也能進行酒精發(fā)酵，其產(chǎn)物也是乙醇和二氧化碳，但它們的乙醇生成途徑不同于酵母菌，是經(jīng)過ED途徑。由于細菌的酒精發(fā)酵與酵母菌的酒精發(fā)酵由葡萄糖分解成乙醇的途徑完全不同，所以產(chǎn)能水平也不相同，前者較后者少一半：(二)乳酸發(fā)酵許多細菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，產(chǎn)生乳酸的這類細菌通常稱為乳酸細菌。乳酸發(fā)酵有同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵之分。它們在菌種、發(fā)酵途徑、產(chǎn)物和產(chǎn)能水平上均不相同。乳桿菌屬(Lactobacillus)、鏈球菌屬(Streptococcus)的多數(shù)細菌通過同型乳酸發(fā)酵途徑產(chǎn)生乳酸。同型乳酸發(fā)酵的過程是：葡萄糖經(jīng)EM途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下被NADH+H+還原為乳酸,其結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子乳酸和2分子ATP。其總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi→2CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+2ATP腸膜狀明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)等細菌進行異型乳酸發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵途徑的特點是有磷酸酮糖裂解反應(yīng)。途徑中葡萄糖經(jīng)6-磷酸葡萄糖酸生成5-磷酸核酮糖，再經(jīng)異構(gòu)作用生成5-磷酸木酮糖。后者經(jīng)磷酸酮糖裂解反應(yīng)生成3—磷酸甘油醛和乙酰磷酸。3—磷酸甘油醛進一步轉(zhuǎn)變成丙酮酸后可以通過還原丙酮酸生成乳酸，而乙酰磷酸則還原為乙醇。因此，異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外，尚有乙醇和C02，并且只產(chǎn)生1分子ATP，相當于同型乳酸發(fā)酵的一半。乳酸發(fā)酵在工業(yè)上用于生產(chǎn)乳酸，在農(nóng)業(yè)上用于青貯飼料的發(fā)酵。此外，在食品加工上也有廣泛應(yīng)用。制作青貯飼料、腌泡菜和漬酸菜的原理是人為地創(chuàng)造缺氧條件以抑制好氧性腐敗微生物的生長，促使乳酸細菌利用植物中的可溶性養(yǎng)分進行乳酸發(fā)酵，產(chǎn)生乳酸。由于產(chǎn)生乳酸后使pH下降，因此，可通過乳酸發(fā)酵抑制其它微生物的活動。并且無論腌泡菜、漬酸菜或青貯飼料都不會降低營養(yǎng)價值，而能使之提高。這是因為乳酸細菌既無分解纖維素的酶，又無水解蛋白質(zhì)的酶。因此，它們不會破壞植物細胞，也不會使蛋白質(zhì)降解。因而乳酸在飼料青貯過程中起到了防腐、增加飼料風味和促進牲畜食欲的作用。(三)丁酸發(fā)酵這是由專性厭氧的梭狀芽孢桿菌所進行的一種發(fā)酵，因產(chǎn)物中有丁酸，故稱為丁酸發(fā)酵。丁酸發(fā)酵的代表菌為丁酸梭菌(C．butyricurn)。其具體步驟為：葡萄糖經(jīng)EM途徑產(chǎn)生丙酮酸，由丙酮酸進一步生成乙酰輔酶A、H2和C02。其中乙酰輔酶A既可以由2分子縮合成乙酰乙酰輔酶A后還原成丁酰輔酶A并進而轉(zhuǎn)化成丁酸，也可以生成乙酰磷酸，這是一個高能化合物，它可以將磷酸交給ADP生成乙酸和ATP，因此，在丁酸發(fā)酵產(chǎn)物中有丁酸、乙酸、C02和H2。在微生物中許多發(fā)酵類型都與丙酮酸代謝有關(guān)，形成丙酮酸代謝的多樣性。其中有些發(fā)酵類型只為某種菌所特有，具有特殊性，常用于微生物分類上鑒別和區(qū)分菌種。例如大腸桿菌的混合酸發(fā)酵，丙酸細菌的丙酸發(fā)酵，產(chǎn)氣氣桿菌的2，3-丁二醇發(fā)酵等。圖2-12是不同微生物利用丙酮酸轉(zhuǎn)化成各種發(fā)酵產(chǎn)物的一些例子。微生物的合成代謝微生物的合成代謝(也稱同化作用)是指從簡單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜的大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類等化合物。合成作用必須具備三要素，即小分子前體物質(zhì)、能量和還原力。這三要素主要是從分解代謝(也稱異化作用)中獲得。所以，細胞中分解代謝與合成代謝是密切相關(guān)的，分解反應(yīng)常常并不進行到底，有些中間產(chǎn)物根據(jù)微生物的需要而轉(zhuǎn)入合成途徑。微生物的分解代謝和合成代謝的總和即為新陳代謝。盡管分解反應(yīng)和合成反應(yīng)有著密切的相互聯(lián)系或有著共同的中間代謝產(chǎn)物，但合成代謝決不是分解代謝的簡單逆轉(zhuǎn)。它們的區(qū)別主要表現(xiàn)在：①酶系不同。在合成代謝中作用的酶和分解代謝中作用的酶不相同。②分解代謝是產(chǎn)能反應(yīng)，而合成代謝是耗能反應(yīng)。③在真核生物中合成代謝和分解代謝發(fā)生在不同的細胞區(qū)域內(nèi)；而原核生物細胞結(jié)構(gòu)上沒有分區(qū)，分解和合成主要是由不同的酶來催化完成。一、無機養(yǎng)料的同化任何營養(yǎng)型微生物都需要無機養(yǎng)料，主要吸收C02，無機鹽離子(如硝酸和硫酸離子)，有的微生物也能同化元素分子(如N2)。(一)二氧化碳的同化C02是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用C02作為補償?shù)奶荚?。將空氣中的C02同化成為細胞有機物的過程稱為C02的同化，也叫作C02的固定。1．自養(yǎng)微生物對C02的固定C02固定作用的總反應(yīng)是：ATP6CO2+12NADPH——→C6H12O6+12NADP+酶具體反應(yīng)過程中有的步驟與糖酵解共同，有的則與磷酸戊糖途徑相同。由6分子C02產(chǎn)生1分子葡萄糖需要對6分子五碳糖核酮糖1，5--'磷酸(ribulosel，5-bisphosphate)進行羧化，形成不穩(wěn)定的6碳中間化合物，它隨即裂解，產(chǎn)生12分子3—磷酸甘油酸，其中2個分子依次作用，最終形成葡萄糖。其它10分子3—磷酸甘油酸用于再產(chǎn)生6分子核酮糖1，5—二磷酸，整個反應(yīng)過程是循環(huán)的，稱為卡爾文循環(huán)(圖2-13)。在卡爾文循環(huán)中磷酸核酮糖激酶(phosphoribulokinase)和核酮糖二磷酸羧化酶(1ibulosediphosphatecarboxylase)是兩個關(guān)鍵性酶，前者推動磷酸化，后者進行羧化，生化反應(yīng)在羧化體(carboxysomes)中進行。并非所有自養(yǎng)微生物同化C02都通過卡爾文循環(huán)，綠色光合細菌(Chlorobium)缺乏關(guān)鍵的核酮糖二磷酸羧化酶，它同化C02時是利用TCA循環(huán)的反向還原作用，對磷酸烯醇丙酮酸、琥珀酸-CoA和。-酮戊二酸進行羧化。這一系列反應(yīng)必須有還原劑鐵氧還蛋白(ferredoxin)存在，而且要加入ATP。C02的這種同化途徑也存在于嚴格厭氧的異養(yǎng)細菌中。異養(yǎng)微生物對C02的固定盡管化能異養(yǎng)生物碳源只有很少量來自C02，但它是必要的，在添補反應(yīng)(anapleroticreaction)中起重要作用，這一反應(yīng)在代謝過程中補充關(guān)鍵性中間物質(zhì)。在TCA循環(huán)中。—酮戊二酸和草酰乙酸可以不斷排出用以合成一些有機物的碳架，如果沒有草酰乙酸的補充，則TCA循環(huán)就會中斷。所以許多異養(yǎng)生物具有磷酸烯醇丙酮酸(PEP)羧化酶，固定C02，形成草酰乙酸(圖2-14)。在脂肪酸的合成中，C02可由乙酰輔酶A羧化酶催化形成丙二酰-CoA(malonylCoA)而被同化。(二)硝酸鹽的同化還原硝酸鹽是一種高度氧化狀態(tài)的無機氮源，它首先要被還原為氨才能同化為有機氮化物，稱為硝酸鹽的同化還原作用，這時氮原子的態(tài)價從+5轉(zhuǎn)變?yōu)椤?。這一還原作用完全不同于以硝酸根作為電子最終受體的異化還原作用。硝酸鹽的異化還原是厭氧呼吸的產(chǎn)能方式，形成的終產(chǎn)物是N2和其它氣態(tài)氮而釋放到細胞外(見第九章)。而微生物吸收硝酸鹽逐步還原成氨用于細胞物質(zhì)合成的硝酸鹽還原方式，稱為硝酸鹽的同化還原。大多數(shù)細菌、絲狀真菌和少數(shù)酵母菌都能夠進行硝酸鹽的同化還原。同化型硝酸還原需經(jīng)過兩個階段。第一個階段是硝酸鹽還原成亞硝酸鹽：NO3-+NADPH+H+→NO2-+H2O+NADP+此反應(yīng)由同化型硝酸還原酶催化(區(qū)別于異化型硝酸還原中的異化型硝酸還原酶)，供氫體是NADPH+H+或NADH+H+。同化型硝酸還原酶是一種位于細胞質(zhì)中的可溶性酶，當微生物以氨作為氮源時，它的合成可被氨阻遏。第二階段是由亞硝酸還原成氨：其中，N02-被還原成羥胺(NH20H)的反應(yīng)是由亞硝酸還原酶催化的，該酶是一種含有金屬的蛋白。脈孢霉的亞硝酸還原酶中含有Cu和Pe。供氫體可以是NADPH+H+，也可以是NADH+H+。羥胺還原酶也是含有金屬的蛋白。棕色固氮菌(Azotobactervinelandii)的羥胺還原酶就含有Mn，供氫體是NADPH+H+或NADH+H+。(三)分子態(tài)氮的同化(生物固氮作用)微生物將分子態(tài)氮(N2)還原為氨(NH3)的作用稱為生物固氮作用?？偡磻?yīng)式為：N2+8e+nATP→2NH3+H2+nADP+nPi要實現(xiàn)上面的化學反應(yīng)必須具備固氮酶、電子供體、電子載體和能量條件。1.固氮酶固氮酶(nitrogenase)是氮氣還原的生物催化劑，它的分子量很大，一般都含有2種蛋白組分，即鉬鐵蛋白和鐵蛋白，前者是分子量為200—240kDa的α2β2型四聚體；后者是分子量約為57—72kDa的二聚體。鉬鐵蛋白含2個Mo原子，約30個Pe原子和數(shù)目略少的S離子，它們構(gòu)成2個鐵鉬輔因子(FeMoCo)和4個[Fe--4S]簇(P中心)；鐵蛋白有1個[Fe4S4(Cys)4]n+簇。只有當這兩個組分同時存在才構(gòu)成具有功能的固氮酶。在固氮菌(Azotobacter)細胞中還存在不含鉬的固氮酶，由釩代替了鉬的作用，稱為釩固氮酶?，F(xiàn)在已知固氮菌中還有第三種固氮酶，鉬釩都不存在，其作用由鐵來替代。固氮酶具有多種催化作用，除還原分子態(tài)氮外，還催化許多底物的還原作用，如H+—H2、C2H2→C2H4、[C≡N]→CH3+NH3、N20→H2等。乙炔(C2H2)還原：為乙烯(C2H4)的反應(yīng)被應(yīng)用于間接測量固氮酶的活性。理論計算：1分子N2還原形成2分子NH3需要6個電子，1分子C2H2還原形成1分子C2H4只需2個電子，為3：1，因而可以根據(jù)乙烯形成量來推算固氮產(chǎn)物的氮量。但是由于固氮生物特性不同和測定條件的差異，不能簡單地根據(jù)所測定的乙烯形成量都按3：1來計算固氮量，已知變化幅度在1．5：1到25：1之間。在有其它生物同時存在時，情況就更復(fù)雜，乙烯是植物和許多微生物的正常代謝產(chǎn)物，只是形成的機制不同。固氮酶對氧氣敏感，分子態(tài)氧可使其鈍化而失活，所以固氮酶的催化作用必須在無氧條件下進行。因而需氧性固氮微生物的生活條件和它的固氮條件是尖銳矛盾的，它們的細胞結(jié)構(gòu)和生理功能具備緩解這一矛盾的機制。2.氮分子的還原過程氮分子(N2)的還原需要氫和電子，其來源因不同固氮微生物而異。厭氧的巴氏梭菌靠丙酮酸裂解；光合細菌通過光合磷酸化獲得電子；好氧的固氮菌則是通過TCA循環(huán)等代謝產(chǎn)生NADPH作為氫和電子的供體；在共生的根瘤類菌體中,有大量貯藏物質(zhì)——聚β-羥基丁酸，它能為固氮作用提供電子。它們提供的電子經(jīng)由電子載體，主要是還原勢高的鐵氧還蛋白(Fd)和黃素氧還蛋白(Fid)，再將電子轉(zhuǎn)移給固氮酶的鐵蛋白，并同Mg２＋ATP結(jié)合，被還原了的鐵蛋白將電子轉(zhuǎn)移給鉬鐵蛋白，用于底物的還原作用，所以鐵蛋白也稱為氮氣酶的還原酶。而鉬鐵蛋白也稱為上氮氣酶(dinitrogenase)。整個催化過程可以用圖概括(圖2—15)。從圖2-15還可看出N2還原為NH3過程中2H+被還原為H2，有關(guān)實驗證明即使N2量在5.06625x106Pa，放H2作用也不可避免。所以氫是氮還原的競爭性抑制劑。下列兩個反應(yīng)同時進行。N2+6e-+6H+→2NH3+2ADP+12ADP+12Pi(1)2H+2e-+4ATP→H2+4ADP+4Pi(2)葡萄糖進行完全氧化磷酸化時每對電子產(chǎn)生3個ATP(ATP／2e-=3)。上列兩項反應(yīng)共需要28分子ATP，放氫損失的能量一般約占25％，同硝酸還原酶相比，固氮酶催化的是高耗能(ATP)的生化反應(yīng)，而且反應(yīng)慢(表2-6)。固氮微生物以N2作氮源時必須合成大量固氮酶，有時酶蛋白量可達細胞總蛋白量的30％。為節(jié)省能量消耗，固氮生物只是在沒有現(xiàn)成的無機氮化物作養(yǎng)料時才進行固氮作用，將N2還原為氨，它們具有一套復(fù)雜而高效的機制，來調(diào)節(jié)氮素的吸收和同化。目前的研究結(jié)果表明能夠進行固氮的都是原核微生物。已進行了廣泛深入研究的固氮菌有棕色固氮菌(Azotobactervinelandii，嚴格好氧固氮菌)、巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum，嚴格厭氧菌)、肺炎克氏桿菌(兼性厭氧菌)、深紅紅螺菌(一種光合固氮菌)和大豆根瘤菌(一種共生固氮菌)。(四)硫酸鹽的同化還原有機硫(存在于部分含硫氨基酸中)和B族維生素(生物素、硫辛酸、硫胺素)以及某些有機硫酸鹽是生物細胞的必要組分。大多數(shù)微生物能夠吸收無機硫酸鹽，在細胞內(nèi)還原合成有機。硫酸鹽的同化還原過程首先是ATP對硫酸根的活化，包括兩步反應(yīng)，合成磷酸腺苷磷酰硫酸(phosphoadenosinephosphosulfate)。ATP+SO42-→←腺苷磷酸硫酸酐+PPiATP+腺苷磷酸硫酸酐→←磷酸腺苷磷酰硫酸+ADP被活化了的硫酸以NADPH作為電子供體，隨后依次還原為亞硫酸(S03+—)和硫化氫(H2S)。在這一生化反應(yīng)中硫原子的價態(tài)從硫酸中的+6變?yōu)镠2S中的-2。H2S加到絲氨酸上，產(chǎn)生半胱氨酸而成為有機硫。正如硝酸的同化還原和異化還原作用之間的區(qū)別一樣，硫酸鹽的同化還原也不同于異化還原。在異化還原時硫酸鹽作為厭氧呼吸中電子最終受體，硫酸鹽的活化是形成腺苷磷酸硫酸酐，而不是磷酸腺苷磷酰硫酸。二、大分子前體物質(zhì)的合成前體分子是細胞結(jié)構(gòu)組分的“建筑塊”或亞單位，包括糖、氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等。自養(yǎng)微生物所需的前體分子能夠全部由無機物合成；異養(yǎng)微生物往往是利用有機分子作能源時形成的基團進行合成作用。(一)碳水化合物的合成自養(yǎng)微生物所需的碳水化合物是C02經(jīng)卡爾文氏循環(huán)而合成，已如前述。大多數(shù)化能異養(yǎng)微生物利用葡萄糖等碳水化合物作為能源和形成氨基酸等簡單化合物的骨架。作為前體分子，細胞中最重要的是六碳糖(葡萄糖)和五碳糖(核糖和脫氧核糖)。當環(huán)境中沒有現(xiàn)存碳水化合物可供吸收利用時，異養(yǎng)生物能夠從其它前體分子合成葡萄糖。糖酵解過程的回轉(zhuǎn)可以形成已糖，稱為葡糖異生作用(glucoeogenesis)，需要消耗ATP和NADH，它是由非碳水化合物前體合成葡萄糖的過程。(二)氨基酸的合成微生物蛋白質(zhì)大多是生化反應(yīng)所需的酶類。因此，氨基酸作為蛋白質(zhì)和堿基的亞單位是非常重要的前體分子。蛋白質(zhì)中20種普通氨基酸的結(jié)構(gòu)已在前章中介紹過了。氨基酸的生物合成包括兩個方面，即碳架的合成和氨基結(jié)合的方式。合成氨基酸碳架的前體主要是糖酵解過程和TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物(圖2-16)。氨基可以在碳架形成后加上去，也可以在碳架分子形成過程的某中間步驟結(jié)合進去。L谷氨酸在各種氨基酸的合成中具有關(guān)鍵性作用，它是由TCA循環(huán)中α-酮戊二酸加氨而成，有兩條途徑。一條是谷氨酸脫氫酶催化的還原性加氨作用：另一條途徑是谷氨酰胺合成酶(CS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)共同催化，銨離子連接到L谷氨酸上先形成谷氨酰胺：GSL-谷氨酸+NH4++ATP----→L-谷氨酰胺+ADP+Pi然后GOGAT進行轉(zhuǎn)氨作用，將谷氨酰胺的一個氨基轉(zhuǎn)移給。α-酮戊二酸，于是形成2分子谷氨酸：GOGATL-谷氨酰胺+α-酮戊二酸+NADPH+H+----------→2L-谷氨酸+NADP+轉(zhuǎn)氨基作用是微生物細胞中形成各種氨基酸的重要生化反應(yīng)。氨基可以從任何氨基酸轉(zhuǎn)移到某個α-酮酸。上述谷氨酸形成的兩套酶系在許多微生物細胞中同時都具備。谷氨酸脫氫酶途徑在環(huán)境中氨的濃度高時起作用，而GS／GOGAT兩種酶相偶聯(lián)的催化途徑在環(huán)境中氨濃度低時起作用。(三)核苷酸的生物合成核苷酸是核酸(DNA和RNA)的建筑塊，也是一些輔酶的組分，如NAD、FAD和輔酶A，還是糖原等大分子生物合成中活化的中間物，環(huán)狀A(yù)MP還有代謝調(diào)節(jié)物的功能。核苷酸的結(jié)構(gòu)已在前面作了介紹，它的合成是很復(fù)雜的，其中C、H組分可以有不同來源，但戊糖磷酸來自5—磷酸核糖焦磷酸(5-phosphoribosylpyrophosphate，PRPP)。最重要的堿基是嘧啶和嘌呤。三、細胞結(jié)構(gòu)成分大分子物質(zhì)的合成微生物細胞中的蛋白質(zhì)、核酸和多糖等大分子占細胞干重50％以上，約有2／3的能量用于這些細胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的合成。盡管這些物質(zhì)的性質(zhì)不同，合成途徑也各異，但也有共同點。第一，都是通過脫水作用使單體縮合成多聚物；第二，這些反應(yīng)都是吸能的，包括單體的初始活化；第三，以活化的中間分子作為載體分子將單體加到聚合鏈上。(一)多糖的生物合成多糖是以單糖為亞單位的聚合物，由糖苷鍵(glycosidicbonds)相連接。以葡萄糖聚合物糖原的形成為例，它的關(guān)鍵中間產(chǎn)物是尿苷二磷酸葡萄糖(uridinediphosphoglucose，UDPG)。這一高能中間物是由葡萄糖-1-磷酸(G-1-P)和尿苷-3-磷酸(UTP)經(jīng)UDP---葡萄糖焦磷酸化酶催化而成。UDP-葡萄焦磷酸化酶UTP+G-1-P-----------------------→UDPG+PPi反應(yīng)中的G-1-P可經(jīng)G-6-P的糖酵解而形成，或由葡萄糖組成的多糖(如淀粉)的降解而來。UDPG起供體作用，將葡萄糖轉(zhuǎn)移給增長的糖原分子上。這一反應(yīng)中所需能量來自高能的UDPG的水解。轉(zhuǎn)葡基酶UDGP+（葡萄糖）n---------→（葡萄糖）n+1+UDP其它多糖的形成途徑基本類似，但活化核苷二磷酸糖的酶類依多糖和微生物不同而異。有些微生物糖原合成的高能供體不是UDF--葡萄糖，而是ADP--葡萄糖。葡聚糖(dextran)是一些細菌以蔗糖為養(yǎng)料時由葡萄糖亞單位形成的胞外多糖。不同于大多數(shù)多糖，它的合成不涉及核苷二磷酸糖，所需的能量來自連接葡萄糖和果糖的糖苷鍵，由葡聚糖蔗糖酶(dextmnsucrase)催化蔗糖的裂解，把果糖釋放出來，而將葡萄糖部分加到增長的葡聚糖受體分子上。葡聚糖是細菌莢膜的組分之一。葡聚糖蔗糖酶蔗糖+（葡萄糖）n--------------→（葡萄糖）n+1+果糖(二)肽聚糖的合成和細胞壁的增長肽聚糖是細菌的主要結(jié)構(gòu)大分子，在G+細菌細胞壁中占細胞干重的1／5。前章已介紹肽聚糖是氨基糖NAG和NAM與一短肽支鏈構(gòu)成的多聚物。氨基糖由糖酵解過程的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化而來。首先是