2.1　能量代谢原理

代谢是各种反应的整合，通过这些反应细胞利用基质以获得能量和化学建筑单位，提供生存、生长、繁殖和代谢产物合成所需的化合物和能源。这一节的重点放在对所有活细胞所必需的基础代谢过程及其调节。如能量的偶合机制，细胞调节碳流的机制。由微生物催化的所有反应必须遵循热力学与动力学的基本原理。

从能量的来源可将生物分为两类：光养生物（phototrophs）和化能营养生物（chemotrophs）。前者直接从阳光获得能量；后者（除无机化能营养生物外）利用光养生物已合成的富能化合物获得化学能，见图2-1。

异养生物（heterotrophs）与自养生物（autotrophs）的区别在于前者以有机物作为碳源，而后者细胞中的碳大多来自CO2的固定。微生物还可以按所用氢的给体的类型分类：用有机化合物的称为有机营养菌（organotrophs）；用无机化合物的，如H2、H2S等，称为无机营养菌（lithotrophs）。无机电子的来源有：H2、H2O、H2S、NH3、S、和Fe。表2-1列举了按无机电子来源的微生物分类。

注：进一步分类涉及已列举菌的组合，例如光能利用异养菌、化能营养异养菌、光能利用自养菌和化能营养自养菌。

异养生物的基本代谢包括分解代谢和组成代谢两个方面。凡能释放能量的物质（包括营养和细胞物质）的分解过程，称为分解代谢（catabolism）；需吸收能量的合成过程，称为组成（合成）代谢（anabolism）。这两种代谢合称新陈代谢（基础代谢）。在分解代谢反应中有机物被降解，最终被降解为CO2和水，一方面提供组成代谢所需的还原力（又称还原当量，如NADH2、NADPH2、FADH2），另一方面生成许多小分子的前体代谢物以及氮、硫和磷等。这些燃烧反应所提供的能量和代谢产物又被用于各种细胞活动，包括生物合成（组成代谢）、机械功（泳动）和渗透或电功（运输），见图2-2。

值得注意的是，代谢途径并不像图2-2那样严格区分为分解代谢或组成代谢。有些途径，如酵解、磷酸戊糖循环和三羧酸循环途径均具有这两方面的功能，宜称为两性（amphiobolic）途径。

2.1.1　能量代谢的热力学

微生物细胞中进行的所有生物化学反应，均服从热力学的基本规律。典型的热力学可定义为在封闭系统中的平衡统计学。相反，活细胞是一开放的、永不平衡的系统；重要的是生命的进程是不可逆的；平衡的反应是不能调节的。那么，能否应用热力学来了解活细胞的原理？实际上，通过引入“不平衡”或“不可逆”热力学可以克服其中若干限制。Westerfoff等曾成功地分析一些远离平衡的生化系统，包括进出物料流系统。

任何系统的能量变化都属于热力学的范畴。热力学的主要任务是阐明系统从一种状态转变为另一种状态的能量变化。能量的变化可用各种方式表示，但最有用的是自由能的变化，它提供了一种在常温和常压下预测反应的可行性和反应方向的有效方法。研究能量交换和传递机制离不开热力学的三条基本定律。

2.1.1.1　热力学第一定律和热焓

每一分子或系统均具有一内在的能（E），此值只取决于其当时的状态。通过在其周围的热的得失或与环境进行功的交换会改变系统的状态。热力学的第一定律是能量守恒的原理：在任何过程中系统加上其周围的总能量保持恒定，即自然界的总能量守恒。若给予一系统一定的热量（Q），必然表现在系统内在能量的变化（ΔE）和系统对环境所做的功（W）。

Q=ΔE+W　　（2-1）

式中，ΔE=E（产物）-E（反应物）。

但热量的输入，往往会使系统的体积发生变化（ΔV），而压力（p）保持不变，这意味着对环境做了功：

Q=ΔE+pΔV+W′或Q-W′=ΔE+pΔV　　（2-2）

因生化反应一般在大气压下，而不在恒体积下进行，这里引进一种热力学参数ΔH（热函量变化又称热焓）来表示热的交换：

ΔHP=Q-W′或ΔHP=ΔEP+pΔV　　（2-3）

在恒压下ΔHP是系统吸收的热，可用量热器测量。但量热器是一种恒体积的装置，只能测出ΔEP值。须设法将式（2-3）的最后一项计算出来。已知任何温度下pΔV=nRT。式中n为分子数目，R为气体常数［8.314（J/mol）/K］。由此可得：

ΔHP=ΔEP+nRT　　（2-4）

这说明每一种化学反应完成后所产生的热和参与反应的分子数量存在定量的关系。例如，葡萄糖燃烧所发出的热会使量热器的夹层升温，升高多少取决于夹层水量和燃烧的葡萄糖物质的量。用此法测得ΔEP=-2815.8kJ/mol葡萄糖（式中负号表示放能反应）。热的产生是由于复杂有机分子具有一能量高的构型，当把它降解为简单稳定产物，如CO2和水时，热便释放出来。若发酵过程的目的是为了获得微生物细胞，就要选择那些完全被微生物利用的养分。因养分的完全利用可获得最大限度的热焓或能，生物可利用这种能来合成细胞和驱动各种需能活动。微生物利用养分进行生长的这类自发的物理或化学变化所具有的方向性是热力学第一定律所不能解释的。要预测这种反应是否会自发进行或何时进行，还需借助于热力学第二定律和第三定律。

2.1.1.2　热力学第二定律、第三定律和熵

第二定律阐明自然界中熵的总量是增加的。第三定律指出在绝对零度下所有物质的熵为零。向一机械提供热能Q，会使系统温度由T1变成T2（T1>T2），则机械所做的功（W）为：

　　 （2-5） 　　

从式（2-5）可见，在任一温度下，成为无效能的那一项必然取决于T2与Q/T1的乘积。Q/T1就是这个体系的熵，常用S表示。故S是一体系的全部能量中所不能做有效功的度量。熵也代表一个系统的紊乱程度。实际上，任一化学体系在温度T下工作时也服从式（2-6）：

G=H-TS　　（2-6）

式中，G是体系的自由能，即做出有效功的那一部分能量；H是体系中的全部热能（热焓）。除T外，无法测量这些变量的绝对值。但当体系从原有状态改变为另一状态时，可用G′=H′-S′表示，这样变化前后之差便可用式（2-7）表达：

ΔG=ΔH-TΔS　　（2-7）

式（2-7）指出，一体系在恒温恒压下从一状态变为另一状态必然伴随自由能的变化。因ΔG是一体系所能做的功的度量，由它决定反应有无可能进行。因自由能值高，反应体系潜在不稳定，在适合条件下便有可能自发地向自由能低的方向变化。故从不稳定的高化学能化合物变为较稳定的低化学能化合物时必然会释放能，这在热力学上是可行的。欲知自由能的测定方法请参阅本书第二版第55页。

Akinterinwa等［1］将用于产能的分解代谢过程称为燃烧（加燃料）过程。此反应过程主要将源自基质的能量转换成更容易被生物利用的、用于驱动组成代谢的生物能。此能量的得率取决于被降解的基质，且可用Gibbs自由能的变化ΔG来量化此转换过程：

ΔG=G产物-G反应物　　（2-8）

对化学反应的G的估算可运用基质的标准Gibbs自由能（G′0）进行。G′0是定义在T=298K（25℃）和pH=7，初始基质浓度为1mol/L的标准条件下测定。反应的G′0与实际G的关系为：

ΔG=ΔG′0+RTlnQ　　（2-9）

式中，Q是质量作用比率，定义为产物活性与反应物活性之比，在稀溶液的情况下常用产物浓度与反应物浓度之比估算［2］；R是气体常数［=8.314（J/mol）/K］；T是热力学温度，K。

若反应处于平衡状态，ΔG=0，则：

ΔG′0=RTlnKeq　　（2-10）

式中，Keq是平衡常数。

分解代谢过程的特征是高能基团的转移反应，这是基质分解时释放出的能量通过此反应以生物高能化合物的形式保存。这些高能基团的转移方式是通过磷酸化、酰基、合或氧化还原（redox）反应进行的。

磷酸化反应是用于启动分解过程，因其生成的基质衍生物不会扩散到细胞外，同时将基质保留在胞内也无需花费能量。将基质磷酸化可以使其活性提高，更容易被代谢［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，其反应如下：

①非自发的/吸能的半反应：

　　 （2-11） 　　

②自发的/放能的半反应：

　　 （2-12） 　　

式中，Pi是无机磷酸盐，其总的反应为：

　　 （2-13） 　　

从分解代谢释放出来的能量被有效地通过氧化还原反应与磷酸化反应保存于一些高能化合物的化学键上，如烟酰胺腺苷二核苷酸（NADH）、磷酸烟酰胺腺苷二核苷酸（NADPH）与腺苷三磷酸。

在糖酵解的能量释放步骤，即3-磷酸甘油醛被转化为3-磷酸甘油酸里此反应是通过基质水平磷酸化供给ATP的典型例子。其总的反应过程如下：

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　能量的产生与偶合

2.1.2.1　能量的产生

生物体中的重要氧化还原反应对2018/8/24重要。它们本质上是电子从一分子转移到另一分子的反应。氧化一般定义为电子的失去；还原是电子的获得。分子氢的氧化可用下式表示：

如用氧作为电子受体，可生成两种产物：

最简便的方法是将这些氧化还原反应用电子给体和受体来表述。在碳源的氧化过程中碳源给出电子而被氧化，氧化剂接受电子而被还原。微生物能从众多的氧化还原反应中获得生长过程所需的能量，电子给体和受体在代谢过程中起极为重要的作用。可被氧化的基质有固定的氧化还原电位，它们位于电极电位标度的下端；而电子受体或最终电子受体的电位位于标度的上端，见图2-3。

微生物拥有一些氧化还原系统或电子载体系统，可逐步把电子从低传到高的氧化还原系统。这种把高的潜在能量逐级还原的办法是通过一系列相互偶合的反应，如呼吸链来实现的，见图2-4。呼吸链的重要性在于它能把每一步取得的自由能转换为化学能而加以保存，以供给合成代谢或其他活动对能量的需求。

2.1.2.2　高能化合物

在代谢期间高能中间体化合物能自发地转移特殊的化学基团（磷酸基或酰基）到其他化合物中，因而被称为具有高“基团转移”势能。要有效利用分解代谢释放出来的能，就必须将这些能量通过一些高能化合物以高能键的形式储存起来，这些化合物又称为能量载体，如一些带有磷酸根的衍生物［腺苷三磷酸（ATP）、尿苷三磷酸（UTP）、酰基磷酸或无机多磷酸］、羧酸衍生物、乙酰CoA。在这些能量载体中最重要的是ATP。ATP是由腺苷单磷酸（AMP）通过酐键与另外两个磷酸根连接而成的含有两个高能磷酸键的化合物。ATP的磷酸键的能量比AMP要高出1倍以上，可将其磷酸根连同键能一起转给一些中间代谢产物，使之成为活化型。

ATP和其他高能化合物的水解形成强的负ΔG（通常比-25kJ/mol还要负）［2］，并常与吸能反应偶合。ATP水解所得的自由能如下：

ATP以外的其他高能化合物也在细胞能量转换中起相当重要的作用。其特点是，当它们转化时会释放出大量能量。所谓高能是指反应时能量转移至少在29.29kJ/mol以上的水平。因此，从热力学角度看，ATP、GTP、UTP和其他类似物都可等同看待。高能化合物不限于核苷三磷酸，还有酰基磷酸酯、烯酰磷酸酯、硫酯、磷酸胍和烟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谢反应。例如，CTP主要用于脂质的合成，UTP用于复杂的多糖（糖原、纤维素）的合成。

2.1.2.3　能量的偶合

能量偶合作用是指一种能量上可行的反应推动另一种在能量上不可行的反应进行的过程。这种作用在生命活动中特别重要，它使代谢作用产生的化学能有效储存、利用。吸能与放能反应可通过两种方式偶合：一种是有能量转移的偶合反应；另一种是不出现真正能量转移的偶合反应。

分解代谢所产生的能可转换为ATP、还原型吡啶核苷酸和离子梯度。基本上存在3种水平的磷酸化作用以提供细胞所需的ATP。①基质水平的磷酸化：是指由可溶性酶催化的基团转移反应，最终导致ATP的生成。②电子输送磷酸化：这是由结合在膜上的酶所催化的氧化还原反应，如呼吸链所产生的ATP。③光合磷酸化：这也是由结合在膜上的酶所催化的将光能转换为ATP的反应。

细胞的能势可用现存的ATP、ADP和AMP之间的比例来表示。Atkinson引入一种能荷的概念，将其定义为：

如一细胞的能量“满载”，其中的ATP是唯一的腺苷酸的话，则能荷等于1；如三种核苷酸的量相等，则细胞的能荷等于0.5。能荷的概念用处不大，但有助于监测一已知细胞生长期间的能量变化以及其酶活的相应变化。如一细胞生长旺盛，能荷值将是最低的；ATP合成出来后随即被迅速利用。在生长后期生长速率慢下来后ATP的比例相对升高，故能荷值上升。当细胞停止生长，所有ADP与AMP被转化成ATP后能荷达到最高值。

2.1.3　氧还电位和移动电子载体

2.1.3.1　氧还电位

一反应的氧还电位是一种电子授予能力的重要度量。具有低还原电位（通常为负值）的分子在半反应中会将其电子给予具高（正值）还原电位的分子。一般拥有高的负还原电位的分子是高效电子给体，而那些具高正还原电位的分子是高效电子受体。

标准氧还电位（E′0）与实际氧还电位（E）之间的关系是：

　　 （2-14） 　　

式中，n为每分子转移电子的数目；F为法拉第常数（F=96485C/mol）。

对于一氧还反应：

　　 （2-15） 　　

E′0与自由能变化（ΔG′0）成正比关系：

ΔG′0=-nFΔE′0（J）　　（2-16）

举分子氧被（较高的电位）FADH2还原的事例：

半反应：

　　 （2-17） 　　

　　 （2-18） 　　

总反应：

　　 （2-19） 　　

ΔG′0=-2×96485×1.035=-200（kJ）　　（2-20）

2.1.3.2　移动电子载体

酶催化的氧还反应是分解代谢过程的枢纽，使基质的化学能易于转换成细胞能量货币，从氧化反应获得的氢原子与电子由移动电子载体（苯醌、黄素蛋白、铁-硫蛋白、细胞色素与［NAD（P）+H+］）负责输送。用哪种移动电子载体于特定氧化反应，取决于还原电位和载体的化学结构。

（1）苯醌　苯醌在光合系统Ⅰ与Ⅱ、需氧与厌氧呼吸的电子传递链（ETC）上起电子受体的作用。这些亲水溶于脂质的电子载体可让氢与电子穿梭于结合在膜上的蛋白复合物中。在ETC中发现有三种苯醌：泛醌（辅酶Q，CoQ）、甲基萘醌（维生素K2）类和质体醌。由苯醌介入的电子穿梭过程如下：

　　 （2-21） 　　

（2）细胞色素　细胞色素在电子传递链中起催化氧还反应的作用。在自然界中它是普遍存在于植物、光合作用微生物、真核生物的线粒体内膜与内质网中。它们具有一种由4个卟啉（侧链取代的吡咯环）组成的含铁亚铁血红素辅基。此辅基紧密地连接与其相关的蛋白质上。细胞色素是一种单一的电子载体，其亚铁血红素中的铁离子价（Fe2+/Fe3+）在电子转移过程中进行变换。细胞色素存在5种不同类型的血红素：a，b，c，d与o。一种细胞色素可以携带一种以上的血红素基。例如，细菌细胞色素bo3，含有血红素b和o，下标3表示与O2结合的血红素。

（3）黄素蛋白与铁-硫蛋白　前者用于催化氧化磷酸化和光合磷酸化的氧还反应。它们采用黄素单核苷酸（FMN或核黄素-5′-磷酸）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）作为其辅酶与电子载体。黄素核苷酸被牢牢结合在黄素蛋白的辅基上。FAD与FMN可以接受一个或两个电子成为FADH2与FMNH2。硫-铁蛋白又称为铁氧还蛋白（ferrodox-ins），是一种电子载体的基团，含有1:1的硫化物离子与非血红素铁离子，以各种氧化状态的形式［Fe2S2］3+、［Fe4S4］3+存在。高电位的铁氧还蛋白可被逐步还原为低电位的铁氧还蛋白。

　　 （2-22）