浅谈微生物的代谢机制

【摘 要】微生物无处不在，无所不有，它涵盖了健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域，在我们的社会中扮演了一个重要的角色。因此，深入探究微生物的生理生化规律并研究其代谢机制是意义深远的。同时，自然的规律都是谐和简单的，将代谢回归为最根本元素间的反应，本文从代谢的基本类型入手，在这之中简要探索微生物代谢机制，并简单讨论了对其调控的方式。

【关键词】微生物；代谢；调控

1 微生物代谢概述

代谢是推动一切的动力源，通常是合成代谢与分解代谢的总和，即利用有机物、还原态无机物和光能，供给生命活动所需的能量。

按照不同的角度可以将代谢分为合成代谢与分解代谢、物质代谢与能量代谢、初级代谢与次级代谢等。不难发现，能量代谢转化寓于物质转化过程中，物质代谢必然伴有能量转化。分解代谢为合成代谢提供能量及原料，而合成代谢又为分解代谢提供物质基础。

这些代谢作用都是高度有序的，各个过程又相互制约相互作用。这种错综复杂代谢过程的相互协调，表现出生物体对其代谢具有调节控制的机能。这种代谢调节机制，是随着生物的进化而发展的。因为上述代谢都是相互联系的，故下文也将选择能量代谢，物质代谢和次级代谢作简要的介绍。

2.能量代谢

能量代谢是代谢的核心所在。简单来说，它是将外界环境的各种初级能源转换成ATP的过程。一般来说，微生物产能和耗能过程都是相对存在的，故本文只简单产能代谢，而不同环境和微生物的产能代谢方式各异。生物氧化是活细胞内一切产能反应的总称，下面主要介绍生物氧化。

2.1异养微生物的生物氧化

实际上，异养微生物生物氧化是细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的氧化还原反应。它有与氧直接化合、脱电子、合物脱氢或氢的传递三种方式。一般，它的过程包括以下三个阶段：

（1）底物脱氢(或脱电子)（该底物称作电子供体或供氢体）。底物脱氢主要以下四种途径：①EMP途径，即是在无氧条件下酶将葡萄糖降解成丙酮酸，并释放能量的过程。EMP途径提供了ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并可在合适条件下逆转合成多糖。②HMP途径，是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH2形式的还原剂和多种中间代谢产物的代谢途径。③ED途径。首先，葡萄糖-6-磷酸脱氢产生葡萄糖酸-6-磷酸，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生一个分子甘油醛-3-磷酸和一个分子丙酮酸，最后甘油醛-3-磷酸进入EMP途径转变成丙酮酸。④TCA循环。丙酮酸在进入三羧酸循环之前要脱羧生成乙酰CoA，而乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。

（2）氢(或电子)的传递（需中间传递体）。经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，需要的中间传递体如NAD、FAD等。

（3）最后氢受体接受氢或电子（最终电子受体或最终氢受体）。与氧、无机或有机物结合，释放其化学潜能。此时又可分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。本文不再赘述。

2.2 自养微生物的生物氧化

自养微生物的生物氧化包括化能自养和光能自养过程两种。①化能自养。化能自养微生物在一定条件下氧化无机能源并通过氧化磷酸化产生ATP，例如氨的氧化；②光能自养，光能自养微生物利用光能将大气中的二氧化碳和土壤中的水合成有机物。

3 物质代谢

微生物的物质代谢主要有糖，脂肪，氨基酸和核苷酸的代谢，下面作简单介绍。

（1）糖的代谢。糖作为贮能分子，可以被氧化产生大量能量。糖类代谢指糖类化合物的分解代谢和合成代谢。糖的分解代谢指低聚糖、多糖经过酶促降解，转化为小分子单糖，进而氧化分解成二氧化碳和水；糖的合成代谢指利用太阳能、二氧化碳和水合成葡萄糖并释放出氧气，再由葡萄糖进一步合成淀粉等多糖的过程。

（2）脂肪的代谢。脂类可参与能量的供应和贮藏，组成生物膜等细胞结构，并能形成其他活性分子。脂肪的合成代谢主要是指3-磷酸甘油的形成，脂肪酸的形成，3-磷酸甘油和脂酰CoA合成三酰甘油；脂肪的分解代谢指在脂肪酶的逐步水解下产生脂肪酸和甘油，再进行脂肪酸和甘油的水解，本文不再赘述。

（3）氨基酸的代谢。蛋白质可在多种蛋白酶和肽酶的催化下降解成为氨基酸，而氨基酸的代谢自然包括分解和合成代谢。其分解代谢指氨基酸通过脱氨作用和脱羧作用降解为氨，二氧化碳等中间代谢物的过程；其合成代谢指通过氨基化、转氨基作用和由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸。

（4）核苷酸的代谢。核苷酸不仅是核酸的基本成分，也是生命活动不可缺少的物质。它的分解代谢指核苷酸水解为核苷，因酶的不同分解产物各异，这个过程实质是碱基分解代谢，主要是嘌呤和嘧啶的降解；它的合成代谢途径包括由氨基酸，磷酸戊酸，二氧化碳和氨这些小分子合成的途径，碱基和核苷直接合成的途径。

4 次级代谢

次级代谢是相对于初级代谢而提出的一个概念。一般认为，次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。可见，次级代谢与初级代谢关系十分密切，但是次级代谢不像初级代谢那样有明确的生理功能，因为次级代谢途径即使被阻断，也不会影响微生物的生长繁殖。

5 微生物代谢调控

微生物代谢是相互联系的，各种途径之间均可通过一定条件进行调控。一般微生物代谢调控主要在三个水平上进行：酶水平，细胞水平和整体水平。显然，对于微生物来说，主要在于前两者。

（1）酶水平的调节。生物机体内各种代谢反应均是由酶驱动，因此可通过调节酶活性（通过底物的性质和浓度、环境因子和改变反馈机制等）和酶的含量（通过酶合成和抑制）来进行代谢调控。

（2）细胞水平的调节。这个调节主要是利用生物膜对代谢的调节作用，即是内膜系统对代谢途径的分隔，控制细胞核细胞器的物质运输，细胞膜的信号传导等，本文不再介绍。

微生物的各种代谢方式都是有序协调统一、相互交叉、相互渗透的，只有在充分理解和掌握微生物的代谢机制后，综合考虑环境，营养等制约因素，才能对其进行有效的调控。微生物的代谢机制研究涉及了多个学科，需要更多的研究人员投入大量的精力来做这个有难度却意义深远的工作。

参考文献：

[1]王国惠.环境工程微生物学[M].化学工业出版社,2005.

[2]袁勤生.现代酶学[M].华东理工大学出版社,2004.

[3]王金胜 王冬梅 吕淑霞.生物化学.[M]科学出版社,2007.

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