8: 微生物代谢

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纵观地球的历史，微生物代谢一直是地球生物圈发展和维护的推动力。植物和动物等真核生物通常依赖有机分子来获得能量、生长和繁殖。另一方面，原核生物可以代谢各种有机和无机物质，从纤维素等复杂的有机分子到无机分子和离子，例如大气氮（N ₂）、分子氢（H ₂）、硫化物（S ²⁻）、锰（II）离子（Mn ²⁺）、亚铁铁（Fe ²⁺）和铁铁（Fe ³⁺）等。通过代谢这些物质，微生物将它们化学转化为其他形式。在某些情况下，微生物代谢会产生可能对其他生物有害的化学物质；在其他情况下，它会产生对其他生命形式的新陈代谢和存活至关重要的物质（图\(\PageIndex{1}\)）。

橙色和棕色水路。根部特写镜头，上面有小结节。 — 图\(\PageIndex{1}\)：原核生物具有良好的新陈代谢多样性，对其他生命形式具有重要影响。酸性矿山排水（左）是一个严重的环境问题，原因是在采矿过程中向硫化物氧化细菌引入水和氧气。这些细菌会产生大量硫酸作为其新陈代谢的副产品，从而形成低pH值的环境，可以杀死许多水生动植物。另一方面，一些原核生物对其他生命形式至关重要。许多植物的根结节（右）含有固氮细菌，这些细菌将大气中的氮转化为氨气，为这些植物提供了可用的氮源。（左图：美国地质调查局哥伦比亚环境研究中心 D. Hardesty 对作品的修改；右图：Celmow SR、Clairmont L、Madsen LH 和 Guinel FC 对作品的修改）

8.1: 能量、物质和酶
细胞过程，例如复杂分子的生成或分解，是通过一系列称为代谢途径的逐步、相互关联的化学反应发生的。合成代谢一词是指那些参与生物合成的内能代谢途径，这些途径将简单的分子组成部分转化为更复杂的分子，并由细胞能量的使用提供动力。
8.2: 碳水化合物的分解代谢
糖酵解是葡萄糖分解的第一步，它会形成由底物级磷酸化、NADH 和两个丙酮酸分子产生的 ATP。糖酵解不使用氧气，也不依赖氧气。糖酵解后，三碳丙酮酸被脱羧形成双碳乙酰基，同时形成 NADH。乙酰基附着在一种叫做辅酶 A 的大型载体化合物上
8.3: 细胞呼吸
细胞呼吸始于电子从 NADH 和 FADH2 转移——通过一系列化学反应转移到最终的无机电子受体（有氧呼吸中的氧气或厌氧呼吸中的非氧无机分子）。这些电子转移发生在原核细胞细胞膜的内部或真核细胞线粒体内膜中的特殊蛋白质复合物中。
8.4: 发酵
发酵使用有机分子作为最终电子受体，从 NADH 中再生 NAD+，从而使糖酵解得以继续。发酵不涉及电子传输系统，发酵过程也不会直接产生 ATP。发酵罐产生的ATP很少，在糖酵解期间，每个葡萄糖分子只有两个ATP分子。微生物发酵过程已被用于食品和药品的生产以及微生物的鉴定。
8.5: 脂质和蛋白质的分解代谢
总的来说，微生物有能力降解除碳水化合物以外的各种碳源，包括脂质和蛋白质。所有这些分子的分解代谢途径最终与糖酵解和克雷布斯循环相关。几种类型的脂质可以被微生物降解。甘油三酯被细胞外脂肪酶降解，从甘油骨干中释放出脂肪酸。磷脂通过磷脂酶降解，释放脂肪酸和磷酸化头群。
8.6：光合作用和光的重要性
从大肠杆菌到人类的异养生物依赖主要存在于碳水化合物分子中的化学能。这些碳水化合物中有许多是由光合作用产生的，光合作用是光养生物将太阳能（阳光）转化为化学能的生化过程。尽管光合作用最常与植物有关，但微生物光合作用也是化学能的重要来源，为许多不同的生态系统提供了动力。
8.7: 生物地球化学循环
能量在生态系统中定向流动，作为阳光进入光养体，或作为无机分子进入 chemoautotrophs。与有机分子相关的六种最常见的元素——碳、氢、氮、氧、磷和硫——具有多种化学形态，可能在大气、陆地、水中或地表之下长期存在。
8.E：微生物代谢（练习）

缩略图：这里总结了克雷布斯循环，也称为柠檬酸循环。 _{请注意，传入的双碳乙酰每回合产生两个二氧化碳、三个 NADH、一个 FADH ₂ 和一个 ATP（或 GTP）分子通过底物级磷酸化产生的主要产量。} 处理来自一个葡萄糖分子的所有碳需要两圈克雷布斯循环。 (CC BY 4.0; OpenStax)