【正文】 微生物的能量代謝 微生物進(jìn)行生命活動(dòng)需要能量，這些能量的來(lái)源主要是化學(xué)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(xì)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(shí)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(shí)可能伴隨著加氫或脫氧?？梢娧趸瓦€原是兩個(gè)相反而偶聯(lián)的反應(yīng)，二者不能分開獨(dú)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(shí)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(shí)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(guò)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(guò)程。其中有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)是生物氧化的主要形式，在此過(guò)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(shì)是不同的，這種趨勢(shì)稱為基質(zhì)的還原勢(shì)(reductionpotential)，用E039。，表示，以伏(V)或毫伏(mV)為單位。在電化學(xué)上還原勢(shì)以基質(zhì)H2作參比而測(cè)定，因而各種物質(zhì)的還原勢(shì)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(shí)，氫和氧的還原勢(shì)分別為： 2H++2e→H2 E039。=421mV 1/2O2+2H++2e → H2O E039。=+816mV 在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)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(guò)程的凈能量變化決定于最初供體和最終受體之間還原勢(shì)之差。 表23列出了生物的一些常見氧化還原系統(tǒng)中電子載體的標(biāo)準(zhǔn)電位E039。值。在分解代謝中，電子供體一般就是指能源，當(dāng)電子供體與電子受體偶聯(lián)起來(lái)發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)能釋放出能量，兩個(gè)相偶聯(lián)(氧化一還原分子對(duì)，或稱OR對(duì))的反應(yīng)之間還原勢(shì)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(xì)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(xì)胞中常見的游離電子載體，它們是氫原子載體，能攜帶一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，在反應(yīng)中另一個(gè)質(zhì)子(H+)來(lái)自溶液。NAD+ +2e+2H+產(chǎn)生NADH+H+，為簡(jiǎn)略起見一般將NADH+H+書寫為NADH。盡管NAD+和NADP+具有相同還原勢(shì)(—320mV)，但在細(xì)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(guò)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芑衔?，供?xì)胞用于作功。高能化合物是在水解過(guò)程中能夠釋放大量自由能的有機(jī)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△GO39。，負(fù)值說(shuō)明反應(yīng)中有自由能釋放，并且反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，這時(shí)稱為產(chǎn)能反應(yīng)；正值說(shuō)明反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需外界能量，稱為吸能反應(yīng)。生物學(xué)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(huì)以放熱的方式而浪費(fèi)能量。 (一)細(xì)胞中的高能化合物 許多高能化合物最少含有一個(gè)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(shí)釋放的自由能大于—29．3kJ／mol。例如，葡萄糖6—磷酸水解時(shí)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24列舉了細(xì)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(xì)胞合成ATP的途徑 ATP含3個(gè)磷酸基，其中2個(gè)磷酸以高能健(符號(hào)～代表)相聯(lián)。當(dāng)細(xì)胞需要能量時(shí)，ATP末端磷酸基水解，產(chǎn)生一分子ADP、一分子無(wú)機(jī)磷酸(P1)并釋放能量。ATP的化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖21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(diǎn)即在底物氧化過(guò)程中生成含高能磷酸鍵的化合物,通過(guò)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(guò)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(guò)程中可以提供大量電子。圖22為底物水平磷酸化常見過(guò)程的簡(jiǎn)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C1磷酸傳給ADP而產(chǎn)生ATP。有關(guān)過(guò)程將在第二節(jié)詳細(xì)闡述。 2．氧化磷酸化 通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生ATP的過(guò)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(diǎn)是當(dāng)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(shí)需經(jīng)過(guò)一系列的氫和電子傳遞體，每個(gè)傳遞體都是一個(gè)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(dòng)的電子通過(guò)呼吸鏈時(shí)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(duì)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(xì)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(xì)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23)。存在于微生物中的主要是泛醌和萘醌。 細(xì)胞色素都是含有鐵卟啉基團(tuán)的電子傳遞蛋白，有多種，以細(xì)胞色素a、b和c等表示，并有aa2…bb2……等之分。在所有真核生物的線粒體中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞色素類型是相同的，而細(xì)菌所含的細(xì)胞色素類型有很大差異。例如，大腸桿菌有細(xì)胞色素aab1和o；枯草芽胞桿菌含有細(xì)胞色素a、ab、c和c1。以英文小寫字母區(qū)別的各種細(xì)胞色素，其轉(zhuǎn)移電子的順序并非按字母順序進(jìn)行，而是cyt．b→cyt．c→cyt．a(chǎn)。呼吸鏈的最末端細(xì)胞色素a稱為細(xì)胞色素氧化酶(cytochrome oxidase)，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(jìn)行的。底物氧化時(shí)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(guò)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(jìn)入呼吸鏈，順序傳遞至最終電子受體，同時(shí)偶聯(lián)有ATP的產(chǎn)生。圖24表示一條呼吸鏈的作用過(guò)程。電子傳遞磷酸化的效率通常用P／O來(lái)表示，P／O代表每消耗一個(gè)氧原子所形成的ATP數(shù)。真核生物如酵母菌為3，而細(xì)菌大約只可達(dá)到1。 3．光合磷酸化 光合磷酸化是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過(guò)程。在這種轉(zhuǎn)化過(guò)程中光合色素起著重要作用。微生物中藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌以及嗜鹽細(xì)菌的光合色素的光合磷酸化特點(diǎn)均有所不同。 (1)藍(lán)細(xì)菌。藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行光合作用是靠葉綠素。和高等植物一樣，藍(lán)細(xì)菌在光合作用中還原C02的電子是來(lái)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25)，其特點(diǎn)是有由光合色素組成的I與Ⅱ兩個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)。藍(lán)細(xì)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(guò)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(xì)胞色素b、細(xì)胞色素f、質(zhì)體藍(lán)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(lái)補(bǔ)充。在整個(gè)電子傳遞過(guò)程中有ATP產(chǎn)生。 (2)光合細(xì)菌。光合細(xì)菌包括紫細(xì)菌和綠細(xì)菌，它們是在厭氧條件下靠細(xì)菌葉綠素進(jìn)行光合作用。細(xì)菌葉綠素是光合細(xì)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(xì)菌的光反應(yīng)中心色素主要是細(xì)菌葉綠素c，d和e。而在紫細(xì)菌中光反應(yīng)中心色素主要為細(xì)菌葉綠素a。光合細(xì)菌在光合作用中還原C02的電子是來(lái)自還原型無(wú)機(jī)硫、氫或有機(jī)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(xì)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(guò)鐵氧還蛋白、COQ、細(xì)胞色