微生物的代谢

　微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称为新陈代谢。

　　代谢作用是生物体维持生命活动过程中的一切生化反应的总称。它是生命活动的最基本特征。代谢作用包括分解代谢(异化作用)和合成代谢(同化作用)。分解代谢是指生物体将各种营养物质和细胞物质降解成简单的产物，即由大分子物质降解成小分子物质并产生能量的过程。合成代谢是指将分解代谢所提供的或从环境中所吸收的小分子物质合成大分子物质的过程。分解代谢为合成代谢提供原料和能量，而合成代谢又为分解代谢提供物质基础，两者相互对立而又统一，在生物体内偶联着进行，使生命繁衍不息。

（一）微生物的酶：

　　生物体内的化学反应几乎都要依靠酶的催化才能进行。酶是由生物细胞合成的，以蛋白质为主要成分的生物化学反应催化剂。从化学组成来看，可分为简单蛋白和结合蛋白两种酶。根据酶在细胞中的活动部位，也可将酶分为胞外酶和胞内酶两种。

　　酶作为生化反应的催化剂和其他的催化剂一样，能显著改变反应的速度，但不能改变反应的平衡点。酶有以下几个特点：催化反应的效率高、具有高度的专一性、容易失活、活性受调节控制等。

（二）微生物的能量代谢：

　　所有生物进行生命活动都需要能量，因此，能量代谢成了新陈代谢中的核心问题。

　　自然界中的能量以多种形式存在，但生物只能利用光能或化学能，而光能也必须在一定的生物体（光合生物）内转化成化学能后，才能被生物利用。

　　一个化学反应只有在一定条件下，当有能量放出时才能自由地进行，即自由能的变化为负值时，反应才能进行，这种反应称为放能反应；如果产物的自由能大于反应物的自由能时，必须供给能量才能进行反应，称为吸能反应。

　　在生物体内，吸能反应所需要的能量是由放能反应来供给的，两者是偶联进行的。其中的能量载体主要是ATP。ATP是腺嘌呤核甘三磷酸（简称腺三磷）的缩写， ATP的生成和利用是微生物能量代谢的核心。在生物体内，ATP主要由ADP的磷酸化生成。生成ATP的过程需要供应能量，能量来自光能或化能。

　　以光能生成ATP的过程称为光合磷酸化作用，这种转变需要光和色素作媒介。

　　利用化合物氧化过程中释放的能量进行磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化作用，它为一切生物所共有，微生物的氧化作用可根据最终电子受体的性质不同而分为：呼吸作用、无氧呼吸作用和发酵作用。

　　ATP主要用于供应合成细胞物质（包括贮藏物质）所需的能量。此外，细胞对营养物质的吸收，鞭毛菌的运动，发光细菌的发光等所消耗的能量也要由ATP供给。组成细胞的物质主要是蛋白质、核酸、类脂和多糖，合成这些物质都需要ATP。

（三）微生物的物质代谢：

　　微生物代谢的基本过程，可分为两大类，即分解代谢和合成代谢 。

1．微生物的分解代谢：

　　微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物质分解为小分子的可溶性物质，并有能量转变过程，这种物质转变称为分解代谢。大多数微生物都能分解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。

　　糖的分解：

　　糖类是异养微生物的主要碳素来源和能量来源，包括各种多糖、双糖和单糖。多糖必须在细胞外由相应的胞外酶水解，才能被吸收利用；双糖和单糖被微生物吸收后，立即进入分解途径，被降解成简单的含碳化合物，同时释放能量，供应细胞合成所需的碳源和能源。

　　蛋白质及氨基酸的分解：

　　细菌分解蛋白质的酶有两类，一类为蛋白酶，另一类为肽酶，前者为胞外酶，能将蛋白质分解为多肽和二肽。肽类可进入微生物细胞中，肽酶为胞内酶，将进入细胞内的肽水解为游离的氨基酸，供菌体利用。

　　微生物对氨基酸的分解方式很多，主要为脱氨作用和脱羧作用。不同细菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外，还有其他物质产生。如大肠杆菌、枯草杆菌水解含硫氨基酸有H2S产生；大肠杆菌、变形杆菌水解色氨酸，可形成吲哚。有些细菌则不能，因此这些特性可用于细菌的鉴定。

　　脂肪的分解：

　　脂肪是脂肪酸和甘油的结合物。某些微生物能产生脂肪酶，将脂肪水解为甘油和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物摄入细胞内，进行代谢。

2．微生物的合成代谢

　　微生物的细胞物质主要是由蛋白质、核酸、碳水化合物和类脂等组成。合成这些大分子有机化合物需要大量能量和原料。能量来自营养物质的分解，至于原料，可以是微生物从外界吸收的小分子化合物，但更多的是从营养物质分解中获得。从这里可以看到分解作用与合成作用之间相互依赖的紧密关系，由于它们相互依赖、偶联进行，微生物才能具有旺盛的生命活动和正常的生长繁殖。因而在自然界中得以生存和发展。微生物种类很多，合成途径也比较复杂和多种多样。

（四）微生物代谢的调节

　　微生物在正常的生命活动中，不断地从外界吸收营养物质，然后进行一系列的分解与合成反应，以获得建造自身的物质和能量。这些生化反应通常是十分复杂而又非常迅速。在正常情况下，这些反应非常协调地进行，并且具有适应外界环境变化的本领，这一切是依靠微生物的调节系统来实现的。

　　由于代谢过程中几乎所有的生化反应都是通过酶的催化实现的，因此代谢调节实际是控制酶的数量和活性的变化。

　　酶数量的控制主要是通过对酶合成途径的调控系统来实现。有诱导和阻遏两种调控方式，前者诱发酶的合成，后者阻止酶的合成。

　　酶活性的调节是通过改变酶结构本身的构象来实现的。调节方式有激活和抑制两种。

　　激活作用常见于分解代谢途径中前体对参与后面反应的酶进行激活，促使它们反应速度加快。抑制作用常见于合成代谢的末端产物对合成反应的关键酶进行反馈抑制，以减慢或中止生物合成。

　　目前利用代谢调节理论已经用来指导实际工作和进行微生物发酵的生产控制。主要措施有：控制发酵条件和改变微生物菌种的遗传特性等。