微生物發生分解作用的表達式

微生物同其他生物壹樣都是具有生命的，新陳代謝作用貫穿於它們生命活動的始終，新陳代謝作用包括合成代謝（同化作用）和分解代謝（異化作用）。微生物細胞直接同生活環境接觸，微生物不停地從外界環境吸收適當的營養物質，在細胞內合成新的細胞物質和貯藏物質，並儲存能量，即同化作用，這是其生長、發育的物質基礎；同時，又把衰老的細胞物質和從外界吸收的營養物質進行分解變成簡單物質，並產生壹些中間產物作為合成細胞物質的基礎原料，最終將不能利用的廢物排出體外，壹部分能量以熱量的形式散發，這便是異化作用。在上述物質代謝的過程中伴隨著能量代謝的進行，在物質的分解過程中，伴隨著能量的釋放，這些能量壹部分以熱的形式散失，壹部分以高能磷酸鍵的形式貯存在三磷酸腺苷（ATP）中，這些能量主要用於維持微生物的生理活動或供合成代謝需要。　根據微生物代謝過程中產生的代謝產物在微生物體內的作用不同，又可將代謝分成初級代謝與次級代謝兩種類型。初級代謝是指能使營養物質轉換成細胞結構物質、維持微生物正常生命活動的生理活性物質或能量的代謝。初級代謝的產物成為初級代謝產物。次級代謝是指某些微生物進行的非細胞結構物質和維持其正常生命活動的非必須物質的代謝。如壹些微生物積累發酵產物的代謝過程（抗生素、毒素、色素等）。　微生物的代謝作用是由微生物體內壹系列有壹定次序的、連續性的生物化學反應所組成，這些生化反應在生物體內可以在常溫、常壓和pH中性條件下極其迅速地進行，這是由於生物體內存在著多種多樣的酶和酶系，絕大多數的生化反應是在特定酶催化下進行的。　同化作用和異化作用它們兩者既是矛盾的，又是統壹的，微生物同其它生物壹樣，新陳代謝作用是它最基本的生命過程，也是其它壹切生命現象的基礎。 2.1 微生物的能量代謝　微生物在生命活動中需要能量，它主要是通過生物氧化而獲得能量。所謂生物氧化就是指細胞內壹切代謝物所進行的氧化作用。它們在氧化過程中能產生大量的能量，分段釋放，並以高能磷酸鍵形式儲藏在ATP分子內，供需要時用。 2.1.1 微生物的呼吸（生物氧化）類型　根據在底物進行氧化時，脫下的氫和電子受體的不同，微生物的呼吸可以分為三個類型，即：好氧呼吸、厭氧呼吸、發酵。 ⑴ 好氧呼吸(aerobic respiration)　以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為好氧呼吸。許多異養微生物在有氧條件下，以有機物作為呼吸底物，通過呼吸而獲得能量。以葡萄糖為例，通過EMP途徑和TCA循環被徹底氧化成二氧化碳和水，生成38個ATP，化學反應式為： C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6CO2+6H2O+38ATP ⑵ 厭氧呼吸(anaerobic respiration)　以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程，稱為厭氧呼吸。能起這種作用的化合物有硫酸鹽、硝酸鹽和碳酸鹽。這是少數微生物的呼吸過程。例如脫氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸鹽還原成亞硝酸鹽（故稱反硝化作用），反應式如下： C6H12O6+12NO3– →6CO2+6H2O+12NO2–+429000卡 ⑶ 發酵作用(fermentation)　如果電子供體是有機化合物，而最終電子受體也是有機化合物的生物氧化過程稱為發酵作用。在發酵過程中，有機物既是被氧化了基質，又是最終的電子受體，但是由於氧化不徹底，所以產能比較少。酵母菌利用葡萄糖進行酒精發酵，只釋放2.26×105J熱量，其中只有9.6×104J貯存於ATP中，其余又以熱的形式喪失，反應式如下： C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP 2.1.2 生物氧化鏈　微生物從呼吸底物脫下的氫和電子向最終電子受體的傳遞過程中，要經過壹系列的中間傳遞體，並有順序地進行，它們相互“連控”如同鏈條壹樣，故稱為呼吸鏈（生物氧化鏈）。它主要由脫氫酶、輔酶Q和細胞色素等組分組成。它主要存在於真核生物的線粒體中；在原核生物中，則和細胞膜、中間體結合在壹起。它的功能是傳遞氫和電子，同時將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP。 2.1.3 ATP的產生　生物氧化的結果不僅使許多還原型輔酶Ⅰ得到了再生，而且更重要的是為生物體的生命活動獲得了能量。ATP的產生就是電子從起始的電子供體經過呼吸鏈至最終電子受體的結果。　ATP是生物體內能量的主要傳遞者。當微生物獲得能量後，都是先將它們轉換成ATP。當需要能量時，ATP分子上的高能鍵水解，重新釋放出能量。這些能量在體內很好地和起催化作用的酶產生偶然作用，既可利用，又可重新貯存。在pH為7.0的情況下，ATP的自由能變化△G是-3×104J，這種分子既比較穩定，又能比較容易引起反應，是微生物體內理想的能量傳遞者。因此ATP對於微生物的生命活動具有重大的意義。　利用光能合成ATP的反應，稱為光合磷酸化。利用生物氧化過程中釋放的能量，合成ATP的反應，稱為氧化磷酸化，生物體內氧化磷酸化是普遍存在的，有機物降解反應和生成物合成反應通過氧化還原而偶聯起來，使能量得到產生、保存和釋放。 微生物通過氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種： ⑴ 底物水平磷酸化　在底物水平磷酸化中，異化作用的中間產物的高能磷酸轉移給ADP，形成ATP，如下述反應： 磷酸烯醇丙酮酸 + ADP 丙酮酸 + ATP ⑵ 電子傳遞磷酸化　在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子,將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯起來，形成ATP。壹個NAD分子，通過呼吸鏈進行氧化，可以產生3個ATP分子。它分別在三個位置，各產生壹個ATP。第1個ATP大約在輔酶Ⅰ和黃素蛋白之間；第2個ATP大約在細胞色素b和c1之間；在第3個ATP大約在細胞色素c和a之間。如圖3-2所示。 ⑶ 光合磷酸化的能量轉換　光能是壹種輻射能，它能被微生物直接利用，只有當光能被光合生物的光合色素吸收並轉變成化學能——ATP 以後，才能用於微生物的代謝或其它生理活動。可見光能轉換是光合生物獲得能量的壹種主要方式。　光合色素是光合生物所特有的物質，它在光能轉換過程中起著重要作用，光合色素由主要色素和輔助色素構成，主要色素是葉綠素或細菌葉綠素；輔助色素是類胡蘿蔔素和藻膽素。光合色素存在於壹定的細胞器或細胞結構中，主要色素在它存在的部位裏構成光反應中心，並能吸收光和捕捉光能，使自己處於激發態而逐出電子。輔助色素在細胞內只能捕捉光能並將捕捉到的光能傳遞給主要色素。光反應中心的葉綠素通過吸收光能逐出電子而使自己處於氧化態，逐出的電子通過鐵氧還蛋白、泛醌、細胞色素b與細胞色素c組成的電子傳遞鏈再返回葉綠素本身，使葉綠素分子回復到原來的狀態，在電子傳遞過程中產生能量轉化（光能）—→化學能）。這種由光能引起葉綠素分子逐出電子，並通過電子傳遞來產生ATP的方式稱為光合磷酸化。 2.2 微生物的分解代謝　地球上最豐富的有機物是纖維素，半纖維素，澱粉等糖類物質，自然界中微生物賴以生存的主要也是糖類物質，人們培養微生物，進行食品加工和工業發酵等也是以糖類物質為主要的碳源和能源物質。因此，微生物的糖代謝是微生物代謝的壹個重要方面，掌握這方面的知識，對於認識自然界不同的微生物類群，以及搞好微生物的培養利用都是重要的基礎知識。 2.2.1 微生物糖代謝的途徑　微生物糖代謝的主要途徑有：EMP途徑（Embden-Meverhef-Parnus Pathway），HMP途徑（Hexose-Mono-Phosphate Pathway），E.D途徑（Entner-Doudorof Pathway），Pk途徑（Phosphoketolase pathway），等四種。 ⑴ EMP途徑　EMP途徑也稱已糖雙磷酸降解途徑或糖酵解途徑。這個途徑的特點是當葡萄糖轉化成1.6-二磷酸果糖後，在果糖二磷酸醛縮酶作用下，裂解為兩 個3C化合物，再由此轉化為2分子丙酮酸。EMP途徑的過程由以下10個連續反應組成： (己糖激酶) 1） 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP （磷酸己糖異構酶） 2） 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 (磷酸己糖激酶) 3） 6-磷酸果糖 + ATP 1,6- 磷酸果糖 + ADP （醛縮酶） 4） 1,6-二磷酸果糖 磷酸二羥丙酮 + 3-磷酸甘油醛 （磷酸丙糖異構酶） 5） 磷酸二羥丙酮 3-磷酸甘油醛 （3-磷酸甘油醛脫氫酶） 6） 3-磷酸甘油醛 + NAD + H3PO4 1,3-二磷酸甘油酸 + NADH （3-磷酸甘油酸激酶） 7） 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP 3- 磷酸甘油酸 + ATP （磷酸甘油酸變位酶） 8） 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 （烯醇化酶） 9） 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 + H2O (丙酮酸激酶) 10） 磷酸烯醇式丙酮酸 +ADP 丙酮酸 + ATP 總反應途徑為（圖3-3）： 總反應式為： C6H12O6＋2NAD+2(ADP+Pi)→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2　EMP 途徑的關鍵酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛縮酶，它開始時消耗 ATP，後來又產生ATP，總計起來，每分子葡萄糖通過EMP途徑凈合成2分子ATP，產能水平較低。　EMP 途徑是生物體內6－磷酸葡萄糖轉變為丙酮酸的最普遍的反應過程，許多微生物都具有EMP途徑。但EMP途徑往往是和HMP途徑同時存在於同壹種微生物中，以EMP途徑作為壹唯壹降解途徑的微生物極少，只有在含有牛肉汁酵母膏復雜培養基上生長的同型乳酸細菌可以利用EMP作為唯壹降解途徑。EMP途徑的生理作用主要是為微生物代謝提供能量（即ATP），還原劑（即NADH2）及代謝的中間產物如丙酮酸等。　在EMP途徑的反應過程中所生成的NADH2不能積累，必須被重新氧化為NAD後，才能保證繼續不斷地推動全部反應的進行。NADH2重新氧化的方式，因不同的微生物和不同的條件而異。厭氧微生物及兼厭氧性微生物在無氧條件下，NADH2的受氫體可以是丙酮酸，如乳酸細菌所進行的乳酸發酵，也可以是丙酮酸的降解產物——乙醛，如酵母的酒精發酵等。好氧性微生物和在有氧條件下的兼厭氧性微生物經EMP途徑產生的丙酮酸進壹步通過三羧酸循環，被徹底氧化，生成CO2，氧化過程中脫下的氫和電子經電子傳遞鏈生成H2O和大量ATP。 圖3-3 EMP途徑　三羧酸循環，簡稱TCA環（Tricarboxylic Acid Cycle）。TCA環的總反應式為： CH3COSCoA+2O2+12(ADP+Pi)→2 CO2+ H2O +12ATP+ CoA　TCA 環產生能量的水平是很高的，每氧化壹分子乙酰CoA，可產生12分子ATP。 葡萄糖經EMP途徑和TCA 環徹底氧化成CO2和H2O的全部過程為： ① C6H12O6＋2NAD+2(ADP+Pi)→2 CH3COCOOH +2ATP+2 NADH2 2 NADH2+O2+6(ADP+Pi)→2NAD+2 H2O +6ATP ② 2 CH3COCOOH＋2NAD+2 CoA→2 CH3COSCoA +2 CO2+2 NADH2 2 NADH2+O2+6(ADP+Pi)→2NAD+2 H2O +6ATP ③ 2 H3COSCoA +4O2+24(ADP+Pi)→4 CO2+2 H2O +24ATP+2 CoA 總反應式： C6H12O6＋6O2+38(ADP+Pi)→6 CO2+6 H2O +38ATP　TCA循環的關鍵酶是檸檬酸合成酶，它催化草酰乙酰與乙酰CoA合成檸檬酸的反應。很多微生物中都存在這條循環途徑，它除了產生大量能量，作為微生物生命活動的主要能量來源以外，還有許多生理功能。特別是循環中的某些中間代謝產物是壹些重要的細胞物質，如各種氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂類等生物合成前體物，例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物質；α-酮成二酸可轉化為谷氨酸，草酰乙酸可轉化為天門冬氨酸，而且上述這些氨基酸還可轉變為其他氨基酸，並參與蛋白質的生物合成。另外，TCA環不僅是糖有氧降解的主要途徑，也是脂、蛋白質降解的必經途徑，例如脂肪酸經β-氧化途徑，變成乙酰CoA可進入TCA環徹底氧化成CO2和H2O；又如丙氨酸，天門冬氨酸，谷氨酸等經脫氨基作用後，可分別形成丙酮酸，草酰乙酸，α-酮戊二酸等，它們都可進入TCA環被徹底氧化。因此，TCA環實際上是微生物細胞內各類物質的合成和分解代謝的中心樞紐。　由於EMP途徑和TCA環研究得比較清楚，在發酵工業中得到了廣泛地應用。用壹種方法來阻止某壹階段的進行，就必然積累某些中間產物。根據這壹原理，工業上已篩選出壹些優良菌株，進行工業發酵，生產檸檬酸，異檸檬酸，α-酮戊二酸，蘋果酸等。例如利用黑曲黴生產檸檬酸時，由於菌體內順烏頭酸水解酶的活力特別低，使檸檬酸大量積累。 ⑵ HMP途徑　也稱已糖單磷降解途徑或磷酸戊糖循環。這個途徑的特點是當葡萄糖經壹次磷酸化脫氫生成6-磷酸葡萄糖酸後，在6-磷酸葡萄糖酸脫酶作用下，再次脫氫降解為1分子CO2和1分子磷酸戊糖。磷酸戊糖的進壹步代謝較復雜，由3分子磷酸已糖經脫氫脫羧生成的3分子磷酸戊糖, 3分子磷酸戊糖之間，在轉酮酶和轉醛酶的作用下，又生成2分子磷酸己糖和壹分子磷酸丙糖，磷酸丙糖再經EMP途徑的後半部反應轉為丙酮酸，這個反應過程稱為HMP途徑。反應步驟可分為以下十壹步反應： 己糖激酶 ① 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP 磷酸葡萄糖脫氫酶 ② 6-磷酸葡萄糖 + NADP 6-磷酸葡萄糖內酯 + NADPH2 內酯酶 ③ 6-磷酸葡萄糖內酯 + H2O 6-磷酸葡萄糖酸 磷酸葡萄糖酸脫氫酶 ④ 6-磷酸葡萄糖酸 + NADP 5-磷酸核酮糖+ NADPH2 + CO2 ⑤ 5-磷酸核酮糖 磷酸核糖異構酶 磷酸木酮糖表異構酶 5-磷酸核糖 5-磷酸木酮糖 ⑥ 轉酮酶 7-磷酸景天庚酮糖 + 3-磷酸甘油醛 轉醛酶 ⑦ 6-磷酸果糖 + 4-磷酸赤鮮糖 轉醛酶 ⑧ 4-磷酸赤鮮糖 + 5-磷酸木酮糖 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛 ⑨ 3-磷酸甘油醛 磷酸二羥丙酮 + 3-磷酸甘油醛 1,6-二磷酸果糖 磷酸酯酶 ⑩ 1,6-二磷酸果糖 6-磷酸果糖 + H3PO4 完全HMP途徑的總反應式為： 6-磷酸葡萄糖 + 7H2O + 12NADP 6CO2+ 12NADPH2+ H3PO4　不完全HMP途徑反應到（9）步反應為止。所生成的3-磷酸甘油醛經過EMP途徑的後半部分，轉化成丙酮酸。不完全HMP途徑的總反應式為： 6-磷酸葡萄糖 + 7H2O + 12NADP CH3COCOOH + 3CO2+ 6NADPH2+ ATP