2.1　能量代謝原理

代謝是各種反應的整合，通過這些反應細胞利用基質以獲得能量和化學建筑單位，提供生存、生長、繁殖和代謝產物合成所需的化合物和能源。這一節的重點放在對所有活細胞所必需的基礎代謝過程及其調節。如能量的偶合機制，細胞調節碳流的機制。由微生物催化的所有反應必須遵循熱力學與動力學的基本原理。

從能量的來源可將生物分為兩類：光養生物（phototrophs）和化能營養生物（chemotrophs）。前者直接從陽光獲得能量；后者（除無機化能營養生物外）利用光養生物已合成的富能化合物獲得化學能，見圖2-1。

異養生物（heterotrophs）與自養生物（autotrophs）的區別在于前者以有機物作為碳源，而后者細胞中的碳大多來自CO2的固定。微生物還可以按所用氫的給體的類型分類：用有機化合物的稱為有機營養菌（organotrophs）；用無機化合物的，如H2、H2S等，稱為無機營養菌（lithotrophs）。無機電子的來源有：H2、H2O、H2S、NH3、S、和Fe。表2-1列舉了按無機電子來源的微生物分類。

注：進一步分類涉及已列舉菌的組合，例如光能利用異養菌、化能營養異養菌、光能利用自養菌和化能營養自養菌。

異養生物的基本代謝包括分解代謝和組成代謝兩個方面。凡能釋放能量的物質（包括營養和細胞物質）的分解過程，稱為分解代謝（catabolism）；需吸收能量的合成過程，稱為組成（合成）代謝（anabolism）。這兩種代謝合稱新陳代謝（基礎代謝）。在分解代謝反應中有機物被降解，最終被降解為CO2和水，一方面提供組成代謝所需的還原力（又稱還原當量，如NADH2、NADPH2、FADH2），另一方面生成許多小分子的前體代謝物以及氮、硫和磷等。這些燃燒反應所提供的能量和代謝產物又被用于各種細胞活動，包括生物合成（組成代謝）、機械功（泳動）和滲透或電功（運輸），見圖2-2。

值得注意的是，代謝途徑并不像圖2-2那樣嚴格區分為分解代謝或組成代謝。有些途徑，如酵解、磷酸戊糖循環和三羧酸循環途徑均具有這兩方面的功能，宜稱為兩性（amphiobolic）途徑。

2.1.1　能量代謝的熱力學

微生物細胞中進行的所有生物化學反應，均服從熱力學的基本規律。典型的熱力學可定義為在封閉系統中的平衡統計學。相反，活細胞是一開放的、永不平衡的系統；重要的是生命的進程是不可逆的；平衡的反應是不能調節的。那么，能否應用熱力學來了解活細胞的原理？實際上，通過引入“不平衡”或“不可逆”熱力學可以克服其中若干限制。Westerfoff等曾成功地分析一些遠離平衡的生化系統，包括進出物料流系統。

任何系統的能量變化都屬于熱力學的范疇。熱力學的主要任務是闡明系統從一種狀態轉變為另一種狀態的能量變化。能量的變化可用各種方式表示，但最有用的是自由能的變化，它提供了一種在常溫和常壓下預測反應的可行性和反應方向的有效方法。研究能量交換和傳遞機制離不開熱力學的三條基本定律。

2.1.1.1　熱力學第一定律和熱焓

每一分子或系統均具有一內在的能（E），此值只取決于其當時的狀態。通過在其周圍的熱的得失或與環境進行功的交換會改變系統的狀態。熱力學的第一定律是能量守恒的原理：在任何過程中系統加上其周圍的總能量保持恒定，即自然界的總能量守恒。若給予一系統一定的熱量（Q），必然表現在系統內在能量的變化（ΔE）和系統對環境所做的功（W）。

Q=ΔE+W　　（2-1）

式中，ΔE=E（產物）-E（反應物）。

但熱量的輸入，往往會使系統的體積發生變化（ΔV），而壓力（p）保持不變，這意味著對環境做了功：

Q=ΔE+pΔV+W′或Q-W′=ΔE+pΔV　　（2-2）

因生化反應一般在大氣壓下，而不在恒體積下進行，這里引進一種熱力學參數ΔH（熱函量變化又稱熱焓）來表示熱的交換：

ΔHP=Q-W′或ΔHP=ΔEP+pΔV　　（2-3）

在恒壓下ΔHP是系統吸收的熱，可用量熱器測量。但量熱器是一種恒體積的裝置，只能測出ΔEP值。須設法將式（2-3）的最后一項計算出來。已知任何溫度下pΔV=nRT。式中n為分子數目，R為氣體常數［8.314（J/mol）/K］。由此可得：

ΔHP=ΔEP+nRT　　（2-4）

這說明每一種化學反應完成后所產生的熱和參與反應的分子數量存在定量的關系。例如，葡萄糖燃燒所發出的熱會使量熱器的夾層升溫，升高多少取決于夾層水量和燃燒的葡萄糖物質的量。用此法測得ΔEP=-2815.8kJ/mol葡萄糖（式中負號表示放能反應）。熱的產生是由于復雜有機分子具有一能量高的構型，當把它降解為簡單穩定產物，如CO2和水時，熱便釋放出來。若發酵過程的目的是為了獲得微生物細胞，就要選擇那些完全被微生物利用的養分。因養分的完全利用可獲得最大限度的熱焓或能，生物可利用這種能來合成細胞和驅動各種需能活動。微生物利用養分進行生長的這類自發的物理或化學變化所具有的方向性是熱力學第一定律所不能解釋的。要預測這種反應是否會自發進行或何時進行，還需借助于熱力學第二定律和第三定律。

2.1.1.2　熱力學第二定律、第三定律和熵

第二定律闡明自然界中熵的總量是增加的。第三定律指出在絕對零度下所有物質的熵為零。向一機械提供熱能Q，會使系統溫度由T1變成T2（T1>T2），則機械所做的功（W）為：

　　 （2-5） 　　

從式（2-5）可見，在任一溫度下，成為無效能的那一項必然取決于T2與Q/T1的乘積。Q/T1就是這個體系的熵，常用S表示。故S是一體系的全部能量中所不能做有效功的度量。熵也代表一個系統的紊亂程度。實際上，任一化學體系在溫度T下工作時也服從式（2-6）：

G=H-TS　　（2-6）

式中，G是體系的自由能，即做出有效功的那一部分能量；H是體系中的全部熱能（熱焓）。除T外，無法測量這些變量的絕對值。但當體系從原有狀態改變為另一狀態時，可用G′=H′-S′表示，這樣變化前后之差便可用式（2-7）表達：

ΔG=ΔH-TΔS　　（2-7）

式（2-7）指出，一體系在恒溫恒壓下從一狀態變為另一狀態必然伴隨自由能的變化。因ΔG是一體系所能做的功的度量，由它決定反應有無可能進行。因自由能值高，反應體系潛在不穩定，在適合條件下便有可能自發地向自由能低的方向變化。故從不穩定的高化學能化合物變為較穩定的低化學能化合物時必然會釋放能，這在熱力學上是可行的。欲知自由能的測定方法請參閱本書第二版第55頁。

Akinterinwa等［1］將用于產能的分解代謝過程稱為燃燒（加燃料）過程。此反應過程主要將源自基質的能量轉換成更容易被生物利用的、用于驅動組成代謝的生物能。此能量的得率取決于被降解的基質，且可用Gibbs自由能的變化ΔG來量化此轉換過程：

ΔG=G產物-G反應物　　（2-8）

對化學反應的G的估算可運用基質的標準Gibbs自由能（G′0）進行。G′0是定義在T=298K（25℃）和pH=7，初始基質濃度為1mol/L的標準條件下測定。反應的G′0與實際G的關系為：

ΔG=ΔG′0+RTlnQ　　（2-9）

式中，Q是質量作用比率，定義為產物活性與反應物活性之比，在稀溶液的情況下常用產物濃度與反應物濃度之比估算［2］；R是氣體常數［=8.314（J/mol）/K］；T是熱力學溫度，K。

若反應處于平衡狀態，ΔG=0，則：

ΔG′0=RTlnKeq　　（2-10）

式中，Keq是平衡常數。

分解代謝過程的特征是高能基團的轉移反應，這是基質分解時釋放出的能量通過此反應以生物高能化合物的形式保存。這些高能基團的轉移方式是通過磷酸化、酰基、合或氧化還原（redox）反應進行的。

磷酸化反應是用于啟動分解過程，因其生成的基質衍生物不會擴散到細胞外，同時將基質保留在胞內也無需花費能量。將基質磷酸化可以使其活性提高，更容易被代謝［2］。典型的例子是糖酵解的起步，葡萄糖被磷酸化成6-磷酸葡萄糖，其反應如下：

①非自發的/吸能的半反應：

　　 （2-11） 　　

②自發的/放能的半反應：

　　 （2-12） 　　

式中，Pi是無機磷酸鹽，其總的反應為：

　　 （2-13） 　　

從分解代謝釋放出來的能量被有效地通過氧化還原反應與磷酸化反應保存于一些高能化合物的化學鍵上，如煙酰胺腺苷二核苷酸（NADH）、磷酸煙酰胺腺苷二核苷酸（NADPH）與腺苷三磷酸。

在糖酵解的能量釋放步驟，即3-磷酸甘油醛被轉化為3-磷酸甘油酸里此反應是通過基質水平磷酸化供給ATP的典型例子。其總的反應過程如下：

3-磷酸甘油醛+ADP+Pi+NAD3-磷酸甘油酸+ATP+NADH+H+　ΔG′0=-12.5kJ/mol

2.1.2　能量的產生與偶合

2.1.2.1　能量的產生

生物體中的重要氧化還原反應對2018/8/24重要。它們本質上是電子從一分子轉移到另一分子的反應。氧化一般定義為電子的失去；還原是電子的獲得。分子氫的氧化可用下式表示：

如用氧作為電子受體，可生成兩種產物：

最簡便的方法是將這些氧化還原反應用電子給體和受體來表述。在碳源的氧化過程中碳源給出電子而被氧化，氧化劑接受電子而被還原。微生物能從眾多的氧化還原反應中獲得生長過程所需的能量，電子給體和受體在代謝過程中起極為重要的作用。可被氧化的基質有固定的氧化還原電位，它們位于電極電位標度的下端；而電子受體或最終電子受體的電位位于標度的上端，見圖2-3。

微生物擁有一些氧化還原系統或電子載體系統，可逐步把電子從低傳到高的氧化還原系統。這種把高的潛在能量逐級還原的辦法是通過一系列相互偶合的反應，如呼吸鏈來實現的，見圖2-4。呼吸鏈的重要性在于它能把每一步取得的自由能轉換為化學能而加以保存，以供給合成代謝或其他活動對能量的需求。

2.1.2.2　高能化合物

在代謝期間高能中間體化合物能自發地轉移特殊的化學基團（磷酸基或酰基）到其他化合物中，因而被稱為具有高“基團轉移”勢能。要有效利用分解代謝釋放出來的能，就必須將這些能量通過一些高能化合物以高能鍵的形式儲存起來，這些化合物又稱為能量載體，如一些帶有磷酸根的衍生物［腺苷三磷酸（ATP）、尿苷三磷酸（UTP）、酰基磷酸或無機多磷酸］、羧酸衍生物、乙酰CoA。在這些能量載體中最重要的是ATP。ATP是由腺苷單磷酸（AMP）通過酐鍵與另外兩個磷酸根連接而成的含有兩個高能磷酸鍵的化合物。ATP的磷酸鍵的能量比AMP要高出1倍以上，可將其磷酸根連同鍵能一起轉給一些中間代謝產物，使之成為活化型。

ATP和其他高能化合物的水解形成強的負ΔG（通常比-25kJ/mol還要負）［2］，并常與吸能反應偶合。ATP水解所得的自由能如下：

ATP以外的其他高能化合物也在細胞能量轉換中起相當重要的作用。其特點是，當它們轉化時會釋放出大量能量。所謂高能是指反應時能量轉移至少在29.29kJ/mol以上的水平。因此，從熱力學角度看，ATP、GTP、UTP和其他類似物都可等同看待。高能化合物不限于核苷三磷酸，還有酰基磷酸酯、烯酰磷酸酯、硫酯、磷酸胍和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）。ATP以外的高能化合物只用于特定的代謝反應。例如，CTP主要用于脂質的合成，UTP用于復雜的多糖（糖原、纖維素）的合成。

2.1.2.3　能量的偶合

能量偶合作用是指一種能量上可行的反應推動另一種在能量上不可行的反應進行的過程。這種作用在生命活動中特別重要，它使代謝作用產生的化學能有效儲存、利用。吸能與放能反應可通過兩種方式偶合：一種是有能量轉移的偶合反應；另一種是不出現真正能量轉移的偶合反應。

分解代謝所產生的能可轉換為ATP、還原型吡啶核苷酸和離子梯度。基本上存在3種水平的磷酸化作用以提供細胞所需的ATP。①基質水平的磷酸化：是指由可溶性酶催化的基團轉移反應，最終導致ATP的生成。②電子輸送磷酸化：這是由結合在膜上的酶所催化的氧化還原反應，如呼吸鏈所產生的ATP。③光合磷酸化：這也是由結合在膜上的酶所催化的將光能轉換為ATP的反應。

細胞的能勢可用現存的ATP、ADP和AMP之間的比例來表示。Atkinson引入一種能荷的概念，將其定義為：

如一細胞的能量“滿載”，其中的ATP是唯一的腺苷酸的話，則能荷等于1；如三種核苷酸的量相等，則細胞的能荷等于0.5。能荷的概念用處不大，但有助于監測一已知細胞生長期間的能量變化以及其酶活的相應變化。如一細胞生長旺盛，能荷值將是最低的；ATP合成出來后隨即被迅速利用。在生長后期生長速率慢下來后ATP的比例相對升高，故能荷值上升。當細胞停止生長，所有ADP與AMP被轉化成ATP后能荷達到最高值。

2.1.3　氧還電位和移動電子載體

2.1.3.1　氧還電位

一反應的氧還電位是一種電子授予能力的重要度量。具有低還原電位（通常為負值）的分子在半反應中會將其電子給予具高（正值）還原電位的分子。一般擁有高的負還原電位的分子是高效電子給體，而那些具高正還原電位的分子是高效電子受體。

標準氧還電位（E′0）與實際氧還電位（E）之間的關系是：

　　 （2-14） 　　

式中，n為每分子轉移電子的數目；F為法拉第常數（F=96485C/mol）。

對于一氧還反應：

　　 （2-15） 　　

E′0與自由能變化（ΔG′0）成正比關系：

ΔG′0=-nFΔE′0（J）　　（2-16）

舉分子氧被（較高的電位）FADH2還原的事例：

半反應：

　　 （2-17） 　　

　　 （2-18） 　　

總反應：

　　 （2-19） 　　

ΔG′0=-2×96485×1.035=-200（kJ）　　（2-20）

2.1.3.2　移動電子載體

酶催化的氧還反應是分解代謝過程的樞紐，使基質的化學能易于轉換成細胞能量貨幣，從氧化反應獲得的氫原子與電子由移動電子載體（苯醌、黃素蛋白、鐵-硫蛋白、細胞色素與［NAD（P）+H+］）負責輸送。用哪種移動電子載體于特定氧化反應，取決于還原電位和載體的化學結構。

（1）苯醌　苯醌在光合系統Ⅰ與Ⅱ、需氧與厭氧呼吸的電子傳遞鏈（ETC）上起電子受體的作用。這些親水溶于脂質的電子載體可讓氫與電子穿梭于結合在膜上的蛋白復合物中。在ETC中發現有三種苯醌：泛醌（輔酶Q，CoQ）、甲基萘醌（維生素K2）類和質體醌。由苯醌介入的電子穿梭過程如下：

　　 （2-21） 　　

（2）細胞色素　細胞色素在電子傳遞鏈中起催化氧還反應的作用。在自然界中它是普遍存在于植物、光合作用微生物、真核生物的線粒體內膜與內質網中。它們具有一種由4個卟啉（側鏈取代的吡咯環）組成的含鐵亞鐵血紅素輔基。此輔基緊密地連接與其相關的蛋白質上。細胞色素是一種單一的電子載體，其亞鐵血紅素中的鐵離子價（Fe2+/Fe3+）在電子轉移過程中進行變換。細胞色素存在5種不同類型的血紅素：a，b，c，d與o。一種細胞色素可以攜帶一種以上的血紅素基。例如，細菌細胞色素bo3，含有血紅素b和o，下標3表示與O2結合的血紅素。

（3）黃素蛋白與鐵-硫蛋白　前者用于催化氧化磷酸化和光合磷酸化的氧還反應。它們采用黃素單核苷酸（FMN或核黃素-5′-磷酸）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）作為其輔酶與電子載體。黃素核苷酸被牢牢結合在黃素蛋白的輔基上。FAD與FMN可以接受一個或兩個電子成為FADH2與FMNH2。硫-鐵蛋白又稱為鐵氧還蛋白（ferrodox-ins），是一種電子載體的基團，含有1:1的硫化物離子與非血紅素鐵離子，以各種氧化狀態的形式［Fe2S2］3+、［Fe4S4］3+存在。高電位的鐵氧還蛋白可被逐步還原為低電位的鐵氧還蛋白。

　　 （2-22）