第三章 细菌的代谢
一、教学大纲要求
（1）细菌的化学组成，细菌的物理性状。
（2）概念：合成代谢、分解代谢、中间代谢、发酵、呼吸、有氧呼吸、厌氧呼吸、酶合成的调节、组成酶、诱导酶、分解代谢物阻遏、末端代谢物阻遏、酶活性的调节、酶活性的激活、酶活性的抑制；细菌对葡萄糖的降解代谢过程（发酵、需氧呼吸、厌氧呼吸）。
（3）细菌的合成代谢产物（热原质、毒素和侵袭性酶类、色素、抗生素、细菌素、维生素）及其在医学上的意义。
（4）细菌代谢的调节（包括酶合成的调节和酶活性的调节）
二、教材内容精要
（一）细菌的细胞化学
1．细菌的化学组成主要有：水、无机盐、蛋白质、糖类、脂类和核酸等，其中水占细胞总重量的75％～90％。细菌尚含有一些原核细胞型微生物所特有的化学成分，如肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等。
2．细菌的物理性状表现为：带电现象，革兰阳性菌等电点（pI）为2～3，革兰阴性菌为4～5，故在近中性或弱碱性环境中，细菌均带负电荷；细菌为半透明体，菌悬液呈混浊状态，菌数越多浊度越大；细菌体积微小，相对表面积大，新陈代谢旺盛，繁殖迅速；细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐类，渗透压高，一般革兰阳性菌的渗透压高达20～25个大气压，革兰阴性菌为5～6个大气压，细菌所处一般环境相对低渗，但有坚韧细胞壁保护不致崩裂；细菌的细胞壁和细胞膜均具有半渗透性，有利于吸收营养和排除代谢产物。
（二）细菌的代谢
细菌新陈代谢的特点是代谢旺盛和代谢类型多样化，代谢类型主要有分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）；细菌的代谢过程以胞外酶水解外环境中的大分子营养物质开始，产生亚单位分子（单糖、短肽、脂肪酸），经主动或被动转运机制进入胞质内。这些亚单位分子在一系列酶的催化作用下，经过一种或多种途径转变为共同通用的中间产物丙酮酸；再从丙酮酸进一步分解产生能量或合成新的碳水化合物、氨基酸、脂类和核酸。在上述过程中，底物分解和转化为能量的过程称为分解代谢；所产生的能量用于细胞组分的合成称为合成代谢；将两者紧密结合在一起称为中间代谢。
1．细菌的能量代谢
细菌能量代谢活动中主要涉及ATP形式的化学能，细菌的有机物分解或无机物氧化过程中释放的能量通过底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP。
细菌能量代谢的基本生化反应是生物氧化，生物氧化的方式包括加氧、脱氢和脱电子反应，细菌则以脱氢或氢的传递更为常见。以有机物为受氢体的称为发酵（fermentation），以无机物为受氢体的称为呼吸(respiration)，其中以分子氧为受氢体的是有氧呼吸，以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体的是厌氧呼吸。需氧呼吸在有氧条件下进行，厌氧呼吸和发酵必须在无氧条件下进行。
细菌合成细胞组分和获得能量的基质（生物氧化底物）主要为糖类，其中最主要、最广泛的是葡萄糖。各种多聚糖和寡糖首先降解为相应的单糖，葡萄糖以外的单糖，多数也是先转化为葡萄糖或其磷酸化合物，再进一步降解。因此，葡萄糖的降解代谢无疑是细菌代谢中最重要的内容，现以葡萄糖为例，简述细菌的能量代谢。
（1）发酵 细菌通过发酵方式获得能量主要有三种途径：①EMP（Enbden-Meyerhof-Parnas）途径,又称糖酵解途径（glycolytic pathways）或己糖二磷酸途径。这是大多数细菌共有的基本代谢途径，专性厌氧菌产能的唯一途径，除少数细菌外，所有发酵糖类的微生物几乎完全依赖此反应获得能量。反应最终的受氢体为未彻底氧化的中间代谢产物，产生能量远比需氧呼吸少。1分子葡萄糖可生成2分子丙酮酸，产生2分子ATP和2分子NADH+H+，但通过此途径不能提供合成嘌呤、嘧啶、核苷酸所需的最重要前体——核糖5-磷酸。②磷酸戊糖途径，又称己糖单磷酸（hexose monophosphate pathway，HMP）途径，是EMP途径的分支，由己糖生成戊糖的循环途径。其主要功能是为生物合成提供前体（提供合成核酸、核苷酸所需的戊糖磷酸）和还原能（NADPH+H+），反应获得的12分子NADPH+H+可供进一步利用，产能效果仅为EMP途径的一半，且不能直接产生最重要的代谢中间物丙酮酸，所以不是产能的主要途径。③ED（Entner-Doudoroff pathway）途径，是细菌厌氧降解糖类的又一途径，也称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。它可直接产生丙酮酸而独立于EMP和HMP，是少数缺乏EMP途径微生物所具有的一条替代途径，其他生物中尚未被发现。通过ED途径，每个葡萄糖可产生2个ATP以及NADPH2和NADH2各一，其产生的能量相似于HMP仅为EMP途径的一半。
（2）需氧呼吸 需氧呼吸是需氧生物将底物完全氧化获得能量的主要方式，它是以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程；需氧呼吸是一个很复杂的过程，有许多酶的参与并需要通过一系列生化反应才完成；需氧呼吸可获得大量的能量（ATP），并产生许多中间代谢产物供生物合成各种细胞物质。1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，生成CO2、H2O，并产生38分子ATP。需氧呼吸中，葡萄糖经过EMP途径生成丙酮酸，后者脱羧产生乙酰辅酶A后进入三羧酸循环彻底氧化，然后将脱出的氢进入电子传递链进行氧化磷酸化，最终以分子氧作为受氢体。需氧菌和兼性厌氧菌进行需氧呼吸。
（3）厌氧呼吸 专性厌氧菌没有需氧电子传递链和完整的三羧酸循环，1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只
能产生2分子ATP，最终以外源的无机氧化物（CO2、SO42-、NO3-）作为受氢体的一类产能效率低的特殊呼吸。
2．细菌的代谢产物
（1）分解代谢产物和生化反应
1）糖的分解 营养物质中的多糖类物质，先经细菌分泌的胞外酶作用，分解为单糖（葡萄糖），再被吸收利用。葡萄糖是许多细菌的良好碳源和能源，对多糖 单糖 丙酮酸的分解过程，各菌基本相同，对丙酮酸的进一步代谢则因酶系、对氧气的需求不同而有所不同。需氧菌可将丙酮酸氧化脱羧后进入三羧酸循环，产生大量能量和中间代谢产物，为合成代谢提供必要的前体，最终可将葡萄糖彻底氧化为二氧化碳和水。厌氧菌则发酵丙酮酸，产生各种酸类、酮类、醛类、醇类等代谢产物。
2）蛋白质和氨基酸的分解 细菌分泌的胞外酶先将复杂的蛋白质分解为短肽，吸收入菌细胞，再由胞内酶将短肽分解为氨基酸。能分解蛋白质的细菌很少，而蛋白酶专一性又很强，因此分解蛋白质能力的有无有助于鉴别细菌。能分解氨基酸的细菌较多，其分解能力也各不相同，主要通过脱氨、脱羧两种方式来实现。
由于细菌所具有的酶系统各不相同，对营养物质的分解能力亦不一致，因而其代谢产物不同。根据此特点，利用生化试验的方法来检测细菌对各种基质的代谢作用及其代谢产物，从而鉴别细菌的反应称为细菌的生化反应（biochemical reaction）。
（2）合成代谢产物及其在医学上的意义
1）热原质(pyrogen) 是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热反应的物质。产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌，热原质即其细胞壁的脂多糖。热原质耐高温，用吸附剂和特殊石棉滤板可除去液体中大部分热原质，蒸馏法效果最好。因此，在制备和使用注射药品过程中应严格遵守无菌操作，防止细菌污染。
2）毒素与侵袭性酶类 细菌产生外毒素和内毒素两类毒素，外毒素（exotoxin）是多数革兰阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释放到菌体外的蛋白质；内毒素（endotoxin）是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来。外毒素毒性强于内毒素。
某些细菌可产生具有侵袭性的酶，能损伤机体组织，促使细菌的侵袭和扩散。毒素和侵袭性酶类是细菌重要的致病物质。
3）色素 细菌的色素有两类，一类为水溶性，能弥散到培养基或周围组织，如铜绿假单胞菌产生的色素使培养基或感染的脓汁呈绿色。另一类为脂溶性，不溶于水，只存在于菌体，使菌落显色而培养基颜色不变，如金黄色葡萄球菌的色素。
4）抗生素 某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质，称
为抗生素。抗生素大多数由放线菌和真菌产生，细菌产生的少，只有多粘菌素（polymyxin）、杆菌肽（bacitracin）等。
5）细菌素 某些细菌产生的一类具有抗菌作用的蛋白质称为细菌素（bactericin）。细菌素与抗生素不同的是作用范围狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用。细菌素在治疗上的应用价值已不被重视，但可用于细菌分型和流行病学调查。
6）维生素 细菌能合成某些维生素，除供自身需要外，还能分泌至周围环境中。例如人体肠道内的大肠埃希菌合成的B族维生素和维生素K可被人体吸收利用。
（三）细菌代谢的调节
所谓代谢调节是指细胞内的代谢途径和方向按照生物体自身的需要而改变的一种作用。由于细胞内每一种代谢反应几乎都是通过酶促作用，因此归根结底代谢调节就是调整代谢途径中某些酶的活性，包括调节酶的合成速率和酶的活性两个方面。
1．酶合成的调节
酶合成的调节是一种通过调节酶合成的量，并进而控制代谢速率或方向的调节机制。在细菌细胞中，它是发生在转录水平上的代谢调节，包括酶合成的诱导作用和阻遏作用。
（1）酶合成的诱导 根据微生物细胞中酶的合成与环境条件的关系，可将酶分为组成酶和诱导酶两类。组成酶是在正常培养条件下，不管存在何种底物都能“本能”地合成的酶类，它是细胞固有的酶类。诱导酶是指在诱导剂存在下才合成的酶类，它是细胞为适应环境需要，主要是底物的变化，而动用有关酶的“备用”基因合成的一类酶。诱导剂可以是酶的底物，也可以是底物的前体物质或底物的类似物。 （2）酶合成的阻遏 酶合成的阻遏现象与诱导合成有相似之处，但其效果相反。诱导结果是增加酶的合成，阻遏则是抑制酶的合成。阻遏作用有分解代谢物阻遏和末端代谢物阻遏两种类型。
1）分解代谢物阻遏 这是指当培养基中同时存在两种可被利用的分解底物（碳源或氮源）时，容易被利用的底物会阻止降解另一种底物的有关酶类的合成。
2）末端代谢物阻遏 是指由于某些代谢途径的末端代谢物过量积累所引起的该途径酶合成的阻遏。这样可以防止微生物细胞合成不必要的产物，避免原材料和能量的浪费。
2．酶活性的调节
酶活性的调节是指通过改变现有酶的活性来调节代谢速率，这是一种比较直接、快速的代谢调节方式。酶活性调节通常是改变酶结构本身的构象来实现的。调节的内容包括酶活性的激活和抑制两方面。
酶活性的激活通常出现在分解代谢途径中，前面反应的中间代谢产物可以促进较后反应的酶活性。酶活性的抑制主要是反馈抑制，它是指代谢途径的末端产物过量时能够反过来直接抑制该途径中第1个酶的活性，使反应中止或减慢，从而避免末端产物的过量累积。
并不是所有代谢途径都是直线式的反应，更多的代谢途径为分支代谢，其反馈抑制情况较为复杂。下面主要介绍分支代谢途径反馈抑制的几种类型。
（1）协同反馈调节 指在分支代谢途径中的几个末端产物同时积累过量时才能对共同途径的第1个酶的活性产生反馈抑制。假如只有一种末端产物过量，则不能引起反馈抑制。
（2）同工酶调节 同工酶是指催化的生化反应相同，但酶蛋白分子结构不同的一类酶。同工酶的主要功能在于代谢调节。在分支代谢途径中，如果在分支点以前存在一个较早的反应是由同工酶催化时，则几种末端产物往往分别对几种同工酶发生反馈抑制，这种调节方式称同工酶调节。
（3）累积反馈抑制 指分支代谢途径上每一末端产物按一定比例部分地抑制共同途径的某一种酶，而各个产物之间的抑制作用是互不干扰的。当几种末端产物共同存在时，他们的抑制作用是累加的。
（4）增效反馈抑制 指在分支代谢途径中任何一种末端产物单独过量时仅对共同途径某一种酶活性产生部分抑制作用；如果几种末端产物同时存在过量，则其抑制作用要超过各产物单独过量时的抑制总和。
（5）顺序反馈抑制 在研究枯草杆菌合成芳香族氨基酸时发现，分支途径的各个末端产物能分别抑制该分支途径后的第1种酶，于是造成分支途径前的中间物（分枝酸和预苯酸）积累，因而又对共同途径上第1种酶产生抑制作用。这种通过逐步有顺序的方式达到调节作用称为顺序反馈调节。
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