微生物发生分解作用的表达式

微生物同其他生物一样都是具有生命的，新陈代谢作用贯穿于它们生命活动的始终，新陈代谢作用包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化作用）。微生物细胞直接同生活环境接触，微生物不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，即同化作用，这是其生长、发育的物质基础；同时，又把衰老的细胞物质和从外界吸收的营养物质进行分解变成简单物质，并产生一些中间产物作为合成细胞物质的基础原料，最终将不能利用的废物排出体外，一部分能量以热量的形式散发，这便是异化作用。在上述物质代谢的过程中伴随着能量代谢的进行，在物质的分解过程中，伴随着能量的释放，这些能量一部分以热的形式散失，一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷（ATP）中，这些能量主要用于维持微生物的生理活动或供合成代谢需要。　根据微生物代谢过程中产生的代谢产物在微生物体内的作用不同，又可将代谢分成初级代谢与次级代谢两种类型。初级代谢是指能使营养物质转换成细胞结构物质、维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。初级代谢的产物成为初级代谢产物。次级代谢是指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢。如一些微生物积累发酵产物的代谢过程（抗生素、毒素、色素等）。　微生物的代谢作用是由微生物体内一系列有一定次序的、连续性的生物化学反应所组成，这些生化反应在生物体内可以在常温、常压和pH中性条件下极其迅速地进行，这是由于生物体内存在着多种多样的酶和酶系，绝大多数的生化反应是在特定酶催化下进行的。　同化作用和异化作用它们两者既是矛盾的，又是统一的，微生物同其它生物一样，新陈代谢作用是它最基本的生命过程，也是其它一切生命现象的基础。 2.1 微生物的能量代谢　微生物在生命活动中需要能量，它主要是通过生物氧化而获得能量。所谓生物氧化就是指细胞内一切代谢物所进行的氧化作用。它们在氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内，供需要时用。 2.1.1 微生物的呼吸（生物氧化）类型　根据在底物进行氧化时，脱下的氢和电子受体的不同，微生物的呼吸可以分为三个类型，即：好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵。 ⑴ 好氧呼吸(aerobic respiration)　以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程，称为好氧呼吸。许多异养微生物在有氧条件下，以有机物作为呼吸底物，通过呼吸而获得能量。以葡萄糖为例，通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水，生成38个ATP，化学反应式为： C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6CO2+6H2O+38ATP ⑵ 厌氧呼吸(anaerobic respiration)　以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，称为厌氧呼吸。能起这种作用的化合物有硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐。这是少数微生物的呼吸过程。例如脱氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸盐还原成亚硝酸盐（故称反硝化作用），反应式如下： C6H12O6+12NO3– →6CO2+6H2O+12NO2–+429000卡 ⑶ 发酵作用(fermentation)　如果电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程称为发酵作用。在发酵过程中，有机物既是被氧化了基质，又是最终的电子受体，但是由于氧化不彻底，所以产能比较少。酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵，只释放2.26×105J热量，其中只有9.6×104J贮存于ATP中，其余又以热的形式丧失，反应式如下： C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP 2.1.2 生物氧化链　微生物从呼吸底物脱下的氢和电子向最终电子受体的传递过程中，要经过一系列的中间传递体，并有顺序地进行，它们相互“连控”如同链条一样，故称为呼吸链（生物氧化链）。它主要由脱氢酶、辅酶Q和细胞色素等组分组成。它主要存在于真核生物的线粒体中；在原核生物中，则和细胞膜、中间体结合在一起。它的功能是传递氢和电子，同时将电子传递过程中释放的能量合成ATP。 2.1.3 ATP的产生　生物氧化的结果不仅使许多还原型辅酶Ⅰ得到了再生，而且更重要的是为生物体的生命活动获得了能量。ATP的产生就是电子从起始的电子供体经过呼吸链至最终电子受体的结果。　ATP是生物体内能量的主要传递者。当微生物获得能量后，都是先将它们转换成ATP。当需要能量时，ATP分子上的高能键水解，重新释放出能量。这些能量在体内很好地和起催化作用的酶产生偶然作用，既可利用，又可重新贮存。在pH为7.0的情况下，ATP的自由能变化△G是-3×104J，这种分子既比较稳定，又能比较容易引起反应，是微生物体内理想的能量传递者。因此ATP对于微生物的生命活动具有重大的意义。　利用光能合成ATP的反应，称为光合磷酸化。利用生物氧化过程中释放的能量，合成ATP的反应，称为氧化磷酸化，生物体内氧化磷酸化是普遍存在的，有机物降解反应和生成物合成反应通过氧化还原而偶联起来，使能量得到产生、保存和释放。 微生物通过氧化磷酸化生成ATP的方式有两种： ⑴ 底物水平磷酸化　在底物水平磷酸化中，异化作用的中间产物的高能磷酸转移给ADP，形成ATP，如下述反应： 磷酸烯醇丙酮酸 + ADP 丙酮酸 + ATP ⑵ 电子传递磷酸化　在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子,将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。它分别在三个位置，各产生一个ATP。第1个ATP大约在辅酶Ⅰ和黄素蛋白之间；第2个ATP大约在细胞色素b和c1之间；在第3个ATP大约在细胞色素c和a之间。如图3-2所示。 ⑶ 光合磷酸化的能量转换　光能是一种辐射能，它能被微生物直接利用，只有当光能被光合生物的光合色素吸收并转变成化学能——ATP 以后，才能用于微生物的代谢或其它生理活动。可见光能转换是光合生物获得能量的一种主要方式。　光合色素是光合生物所特有的物质，它在光能转换过程中起着重要作用，光合色素由主要色素和辅助色素构成，主要色素是叶绿素或细菌叶绿素；辅助色素是类胡萝卜素和藻胆素。光合色素存在于一定的细胞器或细胞结构中，主要色素在它存在的部位里构成光反应中心，并能吸收光和捕捉光能，使自己处于激发态而逐出电子。辅助色素在细胞内只能捕捉光能并将捕捉到的光能传递给主要色素。光反应中心的叶绿素通过吸收光能逐出电子而使自己处于氧化态，逐出的电子通过铁氧还蛋白、泛醌、细胞色素b与细胞色素c组成的电子传递链再返回叶绿素本身，使叶绿素分子回复到原来的状态，在电子传递过程中产生能量转化（光能）—→化学能）。这种由光能引起叶绿素分子逐出电子，并通过电子传递来产生ATP的方式称为光合磷酸化。 2.2 微生物的分解代谢　地球上最丰富的有机物是纤维素，半纤维素，淀粉等糖类物质，自然界中微生物赖以生存的主要也是糖类物质，人们培养微生物，进行食品加工和工业发酵等也是以糖类物质为主要的碳源和能源物质。因此，微生物的糖代谢是微生物代谢的一个重要方面，掌握这方面的知识，对于认识自然界不同的微生物类群，以及搞好微生物的培养利用都是重要的基础知识。 2.2.1 微生物糖代谢的途径　微生物糖代谢的主要途径有：EMP途径（Embden-Meverhef-Parnus Pathway），HMP途径（Hexose-Mono-Phosphate Pathway），E.D途径（Entner-Doudorof Pathway），Pk途径（Phosphoketolase pathway），等四种。 ⑴ EMP途径　EMP途径也称已糖双磷酸降解途径或糖酵解途径。这个途径的特点是当葡萄糖转化成1.6-二磷酸果糖后，在果糖二磷酸醛缩酶作用下，裂解为两 个3C化合物，再由此转化为2分子丙酮酸。EMP途径的过程由以下10个连续反应组成： (己糖激酶) 1） 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP （磷酸己糖异构酶） 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 （醛缩酶） 4） 1,6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 （磷酸丙糖异构酶） 5） 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 （3-磷酸甘油醛脱氢酶） 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 （磷酸甘油酸变位酶） 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 总反应途径为（图3-3）： 总反应式为： C6H12O6＋2NAD+2(ADP+Pi)→2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2　EMP 途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，它开始时消耗 ATP，后来又产生ATP，总计起来，每分子葡萄糖通过EMP途径净合成2分子ATP，产能水平较低。　EMP 途径是生物体内6－磷酸葡萄糖转变为丙酮酸的最普遍的反应过程，许多微生物都具有EMP途径。但EMP途径往往是和HMP途径同时存在于同一种微生物中，以EMP途径作为一唯一降解途径的微生物极少，只有在含有牛肉汁酵母膏复杂培养基上生长的同型乳酸细菌可以利用EMP作为唯一降解途径。EMP途径的生理作用主要是为微生物代谢提供能量（即ATP），还原剂（即NADH2）及代谢的中间产物如丙酮酸等。　在EMP途径的反应过程中所生成的NADH2不能积累，必须被重新氧化为NAD后，才能保证继续不断地推动全部反应的进行。NADH2重新氧化的方式，因不同的微生物和不同的条件而异。厌氧微生物及兼厌氧性微生物在无氧条件下，NADH2的受氢体可以是丙酮酸，如乳酸细菌所进行的乳酸发酵，也可以是丙酮酸的降解产物——乙醛，如酵母的酒精发酵等。好氧性微生物和在有氧条件下的兼厌氧性微生物经EMP途径产生的丙酮酸进一步通过三羧酸循环，被彻底氧化，生成CO2，氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链生成H2O和大量ATP。 图3-3 EMP途径　三羧酸循环，简称TCA环（Tricarboxylic Acid Cycle）。TCA环的总反应式为： CH3COSCoA+2O2+12(ADP+Pi)→2 CO2+ H2O +12ATP+ CoA　TCA 环产生能量的水平是很高的，每氧化一分子乙酰CoA，可产生12分子ATP。 葡萄糖经EMP途径和TCA 环彻底氧化成CO2和H2O的全部过程为： 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 总反应式： C6H12O6＋6O2+38(ADP+Pi)→6 CO2+6 H2O +38ATP　TCA循环的关键酶是柠檬酸合成酶，它催化草酰乙酰与乙酰CoA合成柠檬酸的反应。很多微生物中都存在这条循环途径，它除了产生大量能量，作为微生物生命活动的主要能量来源以外，还有许多生理功能。特别是循环中的某些中间代谢产物是一些重要的细胞物质，如各种氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂类等生物合成前体物，例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物质；α-酮成二酸可转化为谷氨酸，草酰乙酸可转化为天门冬氨酸，而且上述这些氨基酸还可转变为其他氨基酸，并参与蛋白质的生物合成。另外，TCA环不仅是糖有氧降解的主要途径，也是脂、蛋白质降解的必经途径，例如脂肪酸经β-氧化途径，变成乙酰CoA可进入TCA环彻底氧化成CO2和H2O；又如丙氨酸，天门冬氨酸，谷氨酸等经脱氨基作用后，可分别形成丙酮酸，草酰乙酸，α-酮戊二酸等，它们都可进入TCA环被彻底氧化。因此，TCA环实际上是微生物细胞内各类物质的合成和分解代谢的中心枢纽。　由于EMP途径和TCA环研究得比较清楚，在发酵工业中得到了广泛地应用。用一种方法来阻止某一阶段的进行，就必然积累某些中间产物。根据这一原理，工业上已筛选出一些优良菌株，进行工业发酵，生产柠檬酸，异柠檬酸，α-酮戊二酸，苹果酸等。例如利用黑曲霉生产柠檬酸时，由于菌体内顺乌头酸水解酶的活力特别低，使柠檬酸大量积累。 ⑵ HMP途径　也称已糖单磷降解途径或磷酸戊糖循环。这个途径的特点是当葡萄糖经一次磷酸化脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱酶作用下，再次脱氢降解为1分子CO2和1分子磷酸戊糖。磷酸戊糖的进一步代谢较复杂，由3分子磷酸已糖经脱氢脱羧生成的3分子磷酸戊糖, 3分子磷酸戊糖之间，在转酮酶和转醛酶的作用下，又生成2分子磷酸己糖和一分子磷酸丙糖，磷酸丙糖再经EMP途径的后半部反应转为丙酮酸，这个反应过程称为HMP途径。反应步骤可分为以下十一步反应： 己糖激酶 ① 葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP 磷酸葡萄糖脱氢酶 ② 6-磷酸葡萄糖 + NADP 6-磷酸葡萄糖内酯 + NADPH2 内酯酶 ③ 6-磷酸葡萄糖内酯 + H2O 6-磷酸葡萄糖酸 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 ④ 6-磷酸葡萄糖酸 + NADP 5-磷酸核酮糖+ NADPH2 + CO2 ⑤ 5-磷酸核酮糖 磷酸核糖异构酶 磷酸木酮糖表异构酶 5-磷酸核糖 5-磷酸木酮糖 ⑥ 转酮酶 7-磷酸景天庚酮糖 + 3-磷酸甘油醛 转醛酶 ⑦ 6-磷酸果糖 + 4-磷酸赤鲜糖 转醛酶 ⑧ 4-磷酸赤鲜糖 + 5-磷酸木酮糖 6-磷酸果糖 + 3-磷酸甘油醛 ⑨ 3-磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 + 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途径的总反应式为： 6-磷酸葡萄糖 + 7H2O + 12NADP 6CO2+ 12NADPH2+ H3PO4　不完全HMP途径反应到（9）步反应为止。所生成的3-磷酸甘油醛经过EMP途径的后半部分，转化成丙酮酸。不完全HMP途径的总反应式为： 6-磷酸葡萄糖 + 7H2O + 12NADP CH3COCOOH + 3CO2+ 6NADPH2+ ATP