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1、微生物的代謝：生命的化學交叉路,本章摘要,細胞不斷進行井然有序、涵蓋其所有化學與能量的活動與事務，稱為代謝酵素是代謝不可或缺的參與者，負責趨動細胞反應酵素是蛋白質催化劑，藉由降低能量需求，加速化學反應的進行酵素具有特殊的形狀，以利對單一形態分子，稱為受質(substract)的作用酵素一部分的特性來自其輔助因子，例如維生素，它們對環境因子頗為敏感酵素具有將物質合成、消化、氧化還原和轉化成其他物質的活性酵素受到數種機轉的調控，這些機轉改變酵素的結構或合成生命系統的能量來自化學物質之原子結構的作用與變化細胞能量學(cell energetics)是能量的釋放，促成鍵結形成在氧化還原反應中，電子的能
2、量會由一個分子轉移至另一個分子,電子會從受質，例如葡萄糖，轉移到輔攜帶子，最後保存於高能腺酸三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)之中。細胞由燃料物質獲取能量的路徑，包括糖解作用(glycolysis)、三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)和電子傳遞(electron transport)。有氧呼吸利用的分子是葡萄糖和氧，產物是 CO2、H2O 和ATP。微生物多依循替代路徑進行代謝，例如發酵和無氧呼吸。細胞利用相連路徑管理其代謝產物，這些路徑具有多種功能，並且朝著1個以上的方向前進。,8.1微生物的代謝,代謝(Metabolism)一詞，源自
3、希臘文的metaballein，其意為改變，係指細胞所有的化學反應和生理運作合成代謝(Anabolism)，有時也稱為生物合成(biosynthesis)，是任何結果為合成細胞分子和結構的過程，它是細胞物質的建構和鍵結形成的過程，將小分子結合形成較大分子，通常需要輸入能量,分解代謝(Catabolism)則與合成代謝相反或互補，分解代謝反應為解構過程，它們破壞鍵結，將大分子轉變成為較小的組成成分，並且通常會產生能量代謝是一種自我調控的過程，目的在維持細胞的穩定度(圖8.1),8.1.1酵素：催化生物的化學反應,微生物細胞可以視為一間微小的工廠，由一些基本建構物質、一種能量來源、和一份執行其代謝
4、反應網絡的“藍圖”所組成。但生物的化學反應，即使具有高度的組織性和複雜性，若沒有一種特殊類型的蛋白質，稱為酵素有些分子由於具有極大的能量，在某個時間點上，甚至沒有酵素存在情況下，反應即能自然發生，只是速率極為緩慢(圖8.2)酵素的其他主要特性整理於表8.1,酵素如何作用？當化學反應發生時，反應物會藉由鍵結的形成或斷裂，轉變成為產物反應啟動的阻力可以藉由(1)增加熱能(加熱)，以增加分子速度；(2)增加反應物濃度；或(3)加入催化劑，予以克服在分子層級上，酵素是藉由提供反應物分子(稱為受質)結合部位、進行各項交互作用，而促進反應的發生,酵素的結構所有酵素的主要結構是蛋白質簡單型酵素只含蛋白質結合
5、型酵素則包含蛋白質與非蛋白質分子,原酶：專一性與活化部位原酶分子的複雜程度分為1級、2級、3級及更大酵素的4級結構(圖8.4)受質結合的確切位置是一道裂縫或凹槽，稱為活化部位、或催化部位，1個酵素可能有1到多個這種活化部位,酵素-受質的交互作用當一個反應將要發生時，必須先在活化部位形成暫時性酵素受質結合體，結合的過程可有幾種不同的解釋(圖8.5),輔助因子：支援酵素的運作金屬輔助因子，包括鐵、銅、鎂、錳、鋅、鈷、硒和其他許多的金屬，都參與酵素與受質之間精密的互動金屬可以活化酵素，使活化部位與受質靠近，及直接參與酵素受質複合體的化學反應輔酶的功能大多是將化學基從一個受質分子移除，再將它加在另一個
6、受質分子上，因此，它是化學基的暫時攜帶者(圖8.6),酵素功能的分類酵素是根據其特性，予以分類和命名酵素作用部位和調控酵素有幾種運作的型式。外分解酵素(exoenzyme)在細胞內初合成之後，會被送出細胞，在細胞外分解(水解)食物大分子，或有害化學物質就酵素在細胞內的存在情形，各種酵素的產量或製造速率並不相同，有些稱為組成酵素定的數量,合成與水解反應生長中的細胞具有旺盛的活力，能不斷合成蛋白質、DNA和RNA；形成貯存聚合物合成反應也稱為縮合反應，一般都需要消耗ATP，而且每形成一個鍵，必定會釋放出一個水分子由於鍵的斷裂需要水，消化通常稱為水解反應(圖8.8b),酵素的轉移反應酵素趨動的另一種
7、反應，是簡單加入或移除功能基，這對細胞整個資源節約的策略極為重要有些參與氧化(失去電子)和還原(獲得電子)反應的原子或化合物，本身極容易失去、或獲得電子，失去電子的化合物稱做被氧化，獲得電子的化合物則稱做被還原,微生物酵素在疾病的角色許多病原體會分泌特有的胞外分解酵素，幫助它們逃避宿主的防禦，或是協助它們在組織中繁殖。由於這些酵素與致病力有關，它們被稱為毒性因子或毒素,酵素對環境的敏感程度環境對酵素活性具有高度的影響力，一般而言，酵素只有在其棲息場所的溫度、pH和滲透壓等條件下才能運作。當這些正常條件改變時，酵素的化性就會變得不穩定。低溫會抑制催化反應，高溫則會造成原酶的變性,8.1.2酵素活
8、性和代謝路徑的調控,代謝反應是在一個有系統、受到高度調控的模式下進行，以便能充分利用營養素，產生最大的能量代謝的調控機轉，主是由一個精密的監測和平衡系統，負責調控酵素,代謝路徑很少有代謝反應僅包括一個動作或步驟，代謝經常會以多步驟系統、或路徑的形態進行，每一個步驟都有一個酵素負責催化單獨一個反應可用不同的方式呈現，端視其目的而定(圖8.9),酵素作用的直接調控競爭抑制在競爭抑制中，與受質結構相似的分子，可能會佔據酵素的活化部位(圖8.10)回饋調控回饋一詞是借自工程學的用語，在該領域中，回饋是指某系統的產物回到系統，用以保持系統恆定的過程,酵素合成的調控酵素的更新是根據細胞需求來調控，此一系統
9、的機轉，本質上屬遺傳性酵素阻遏(Enzyme repression)是停止代謝路徑中某酵素的合成，當酵素的終產物過量時，負責更新這些酵素的遺傳裝置會自動受到抑制(圖8.11),本章重點1,代謝包含細胞內所有的生化反應，是一種自我調控的複合系統，由含有數千項化學反應之相互依存的代謝過程所組成。合成代謝是需要能量的代謝反應，能將小分子合成大分子分解代謝是能量釋放的代謝反應，將大分子分解成小分子酵素是蛋白質，藉由酵素受質複合體的形成，催化所有生化反應。酵素與受質結合會產生鍵結生成和斷裂反應，依其參與的路徑而定。有些酵素會利用輔助因子作為攜帶子或活化子酵素是根據催化反應的種類予以分類和命名為有效發揮功
10、能，酵素需要特定的溫度、pH和滲透壓等條件酵素活性可藉由回饋抑制、誘發和阻遏作用進行調控，以對受質和終產物濃度，及其他環境因子做出適當的反應,8.2能量的獲得與運用,能量平常會以各種不同的形式存在：(1)熱能，來自分子運動(2)輻射能(光波)，來自可見光或其他光線(3)電能，來自電子流動(4)機械能，來自物理位置的改變(5)原子能，來自原子核的反應(6)化學能,8.2.1細胞能量學,8.2.2生物氧化與還原反應的深入探討,電子攜帶子：分子梭電子攜帶子如梭一般，不斷地負載和卸載，重複接受和釋放電子與氫，以促進氧化還原反應的能量轉移,8.2.3腺苷酸三磷酸：代謝貨幣,ATP被喻為代謝貨幣，因為細胞
11、可以賺得、開戶、儲蓄、花掉和兌換ATP是能量暫時性的貯存場所，它建立能量的分解代謝與細胞其他需要能量的活動之間的連接橋樑,ATP的分子結構ATP分子可分為3部分，含氮鹽基(adenine)、五碳糖(核糖)和三個磷酸根(圖8.15)ATP在代謝的角色含有ATP參與的細胞反應錯綜複雜，且必須處於平衡狀態，ATP的消耗必須伴隨ATP的再生，在細胞內形成周而復始的循環ATP也會被用來製造分解代謝所需要的分子,透過逆向進行ATP的消耗步驟，即可生成ATP在異營生物中，再生高能磷酸根的能量挹注來自某些分解代謝的步驟，在這些步驟中，營養素例如醣類，會被分解產生能量。當受質或電子攜帶子將高能磷酸根加到ADP上
12、，即形成ATP,本章重點2,所有的代謝過程需要不斷輸入、並且消耗某種可用形式的能量。化學能是細胞進行代謝過程的貨幣，它在細胞代謝中以多種不同的形態存在化學能是經由分解代謝反應，從營養素分子的電子獲得。它可被用於細胞的生物合成、運動、膜傳輸與生長等功能能量是藉由氧化還原反應，自營養素分子萃取而來。物質成對的氧化還原反應，會相互傳送電子和氫，作為提供者的物質失去電子，變成氧化狀態，作為接受者的物質則獲得電子，變成還原狀態ATP為細胞的能量分子，提供合成代謝反應可利用的游離能量，並可藉由三種磷酸化過程：受質磷酸化、氧化磷酸化、和(某些生物)光磷酸化，不斷再生,8.3.1分解代謝：營養素分解與能量釋放
13、的總覽,許多生物的燃料分解代謝主要是透過三條路徑進行：(1)糖解作用(glycolysis)，也稱為Embden-Meyerhof-Parnas(EMP)路徑；(2)三羧酸循環(TCA)，或稱為檸檬酸循環或克氏循環；及(3)呼吸鏈(電子傳遞和氧化磷酸化作用)每一段路徑對葡萄糖的不同產物負責某些特定的作用，這些路徑在有氧呼吸的連接關係顯示於圖8.18，其反應則整理在表8.3,8.3.2微生物的能量策略,微生物是根據氧氣的需求予以分類，這項需求直接與能量釋放的機轉有關，它仰賴游離氧作為電子和氫的最終接受者，產生大量ATP兼性或耐氧性厭氧菌只能利用糖解作用，進行葡萄糖的部分氧化或發酵,有氧呼吸有氧呼
14、吸為一系列的酵素催化反應，其中電子由燃料分子微生物的有氧呼吸可以歸納成下列方程式：葡萄糖,(1)葡萄糖的氧化步驟(2)其所含的輔酶攜帶子和最終電子接受者(3)何處與如何產生ATP(4)何處產生二氧化碳(5)何處需要氧(6)何處產生水,葡萄糖：構成醣類的化合物是氫與電子的優良提供者利用酵素反應，將氫從這些化合物取出，並且移出電子，作能量傳遞鏈之用,糖解作用：初始路徑糖解作用無氧過程，藉由數個透過酵素作用的反應步驟，將葡萄糖分解成丙酮酸糖解作用的步驟糖解作用，或稱為EMP路徑，含有9個直線步驟，由葡萄糖開始，至丙酮酸為止(圖8.19),8.3.3丙酮酸重要代謝物質,丙酮酸在一些代謝路徑佔有重要的地
15、位，不同種類的生物，利用丙酮酸的方式不盡相同(圖8.20)在專性好氧生物和某些厭氧生物中，丙酮酸會進入TCA循環，經過進一步處理，釋放出能量。兼性厭氧生物則採行發酵代謝，丙酮酸被還原成酸或其他產物,8.3.4三羧酸循環碳與能量的轉輪,酮酸仍屬高能物質，含有一些氫和電子，可以萃取出來，用以趨動ATP的合成，但這個部分只能在呼吸作用的第2和第3期進行，將丙酮酸完全轉化成 CO2和H2O(請參照圖8.18),丙酮酸的處理要將糖解作用的路徑與三羧酸循環連接起來，須先將丙酮酸轉化成為該循環的初始化合物(圖8.21)。這個步驟是呼吸期的第1個氧化還原反應，並且釋放第一個二氧化碳分子。它包含許多酵素和輔酶A
16、，後者參與丙酮酸的去氫反應(氧化)，NAD轉化成NADH的還原反應，及丙酮酸變成2碳醯基的脫羧反應,反應所形成的NADH，會送入電子傳遞鏈中，用以產生ATP；這是TCA 5次去氫反應的其中一次，也是有氧呼吸中較大的一次ATP輸出乙醯基會被送入三羧酸循環，與四碳草醋酸(oxaloacetate)分子形成檸檬酸,TCA循環的步驟三羧酸循環一共有8個步驟，由形成檸檬酸開始，至草醋酸(oxaloacetic acid)結束(圖8.21)(1)每個受質和產物的碳數目(#C)；(2)產生 的反應；(3)電子攜帶子NAD和FAD參與的反應；及(4)合成ATP的地點,TCA循環的反應：草醋酸(oxaloace
17、tate;4C)，與乙醯基輔酶的乙醯基(2C)反應，形成檸檬酸(citrate;6C)，並且釋放出輔酶A，使它可以其他乙醯基結合檸檬酸轉化為其異構物，異檸檬酸(isocitrate;6C)，作為下一步脫羧和去氫作用的受質,異檸檬酸受到含NAD或NADP的酵素複合體的活化，產生NADH或NADPH，釋放出一個二氧化碳，及一個 酮戊二酸 酮戊二酸為再進行最後一次的脫羧反應，此為另一項輔酶A參與的氧化還原反應，產生NADH，以及一高能化合物，琥珀酸輔酶A(4C),琥珀酸輔酶A是TCA循環中，受質層次磷酸化的一項來源琥珀酸隨後進行脫水反應，此時電子和 的接受者是黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，催化酵素為
18、琥珀去氫酶(succinyl dehydrogenase)，位於細菌細胞膜和真核細胞粒線體的脊部,延胡索酸加入水分子(稱為水合)，產生蘋果酸(malate;4C)蘋果酸脫水(伴隨NADH形成)，產生草醋酸,8.3.5呼吸鏈：電子傳遞和氧化磷酸化反應,能量鏈，這是電子和氫最終的處理程序，即製造ATP的主要場所電子傳遞系統(ETS)是由特殊的氧化還原攜帶子組成，它們能從糖解反應與TCA循環所產生的還原態攜帶子(NADH,)獲得電子，並且以井然有序的方式連續傳遞呼吸鏈所具有的高度區隔結構，對其功能相當重要，請看圖8.22，電子傳遞的攜帶子和酵素嵌入真核生物粒線體的內膜，細菌的相關結構則位於細胞膜上,
19、電子傳遞鏈的組件：能量階梯大部分好氧生物呼吸鏈電子攜帶子的順序為(1)NADH去氫酶，它會與鄰近的攜帶子形成複合體；這些攜帶子為(2)單核苷酸黃素(flavin mononucleotide,FMN)；(3)輔酶Q；(4)細胞色素b；(5)細胞色素；(6)細胞色素c；及(7)細胞色素a和a3，兩者結合成複合體,糖解作用與TCA循環產生之NADH，傳送至第1個攜帶子後，即啟動6個傳遞步驟，隨著一次又一次的氧化還原變化，還原物的能量將會逐漸降低。所釋放出來的能量，會由位於脊部、與ETS攜帶子緊密結合之ATP合成複合體獲得與利用。每1個進入電子傳遞鏈的NADH，會產生3個ATP(圖8.23),ATP
20、的形成與化學滲透理論電子傳遞的攜帶子在傳送電子時，會主動將氫離子(質子)打到粒線體的外部區間。這個過程會產生氫離子的濃度梯度，稱為質子動力PMF會在外膜區間和內膜區間造成電荷差，前者帶正電荷，後者帶負電荷(圖8.24),氧化磷酸化的ATP產量15個ATP(每電子對)所以 ATPs，每個葡萄糖2個ATP(每電子對)所以 ATPs(每個葡萄糖),8.3.6有氧呼吸的總結,ATP的總產量為40：4個來自糖解作用，2個來自TCA循環，34個來自電子傳遞鏈。然而，由於糖解初期消耗2個ATP，殘餘的最大數目為38個ATPTCA循環期間產生6個二氧化碳分子電子傳遞期間消耗6個氧分子電子傳遞會產生6個水分子，
21、糖解作用產生2個水分子，但TCA會用到2個水分子，因此水分子的淨產量為6,最終步驟氧接受電子，由細胞色素 aa3，稱為細胞色素氧化酶(cytochrome oxidase)催化氧化酶試驗(請參照圖18.29)可以偵測細胞色素，並可協助鑑定奈瑟氏球菌(Neisseria)和假單胞菌(Pseudomonas)屬的細菌，及桿菌(Bacillus)屬的某些菌種,分解代謝的替代路徑某些細菌依循不同的醣類分解代謝路徑，磷酸葡萄酸根(phosphogluconate)提供厭氧條件下氧化葡萄糖和其他六碳糖、釋出ATP、產生大量NADPH、及代謝五碳糖的路徑,8.3.7無氧呼吸,本章重點3,生物能量學以細胞生產
22、、利用和轉移能量的觀點描述代謝反應分解代謝路徑經由三條路徑釋放能量：糖解作用、三羧酸循環、和呼吸電子傳遞系統細胞呼吸是以電子最終接受者來稱呼，有氧呼吸係指 為氫的最後接受者，無氧呼吸係指其他種類分子為氫的最後接受者。若氫的最後接受者是有機分子，此厭氧過程稱為發酵醣類為理想的細胞能量來源，因為它們是氫(電子)的優良提供者醣解反應為一分解代謝過程，它能將葡萄糖氧化，轉化為2個丙酮酸分子，淨得2個ATP。此過程也稱為受質磷酸化反應三羧酸循環代謝3碳丙酮酸，產生3個 分子，所釋放出來的電子，被傳遞至氧化還原攜帶子，以產生大量的能量電子傳遞鏈藉由連續發生氧化還原反應，通稱為氧化磷酸化反應，產生能量。每個
23、葡萄糖分子分解代謝後，能生36個ATP,8.3.8發酵反應的重要性,在丙酮酸代謝的所有結局中，以發酵的變異性最大。就技術層面來說，發酵是葡萄糖或其他醣類不完全氧化，它以有機化合物作為電子的最終接受者，並且產生少量ATP是提高糖解作用的速率，達成快速生長的目的,發酵的產物 發酵產物可以分成兩大類：酒精和有機酸(圖8.25)酒精發酵發生在酵母菌的菌種，其代謝路徑是將丙酮酸轉變成乙醇酸發酵路徑的變異性極大(請參照圖8.25)，乳酸菌將丙酮酸發酵的方式，與人類相同還原成乳酸,8.4.1細胞的精簡之道不浪費、不匱乏,能同時在分解代謝與合成代謝發揮功能的系統，其特性稱為雙向性若我們仔細觀察一些代謝路徑的分
24、支點和交叉點，就能更加明瞭中間代謝雙向特性的重要(圖8.27)葡萄糖分解代謝路徑為一相當熱鬧的“代謝市場”,細胞建構元件的雙向來源3-磷酸甘油醛可以離開糖解作用，轉化成胺基酸、醣類和三酸甘油(脂質)合成的先驅物質當葡萄糖供應不足時，它是多種代謝中間物質合成葡萄糖的起點，此過程稱為糖質新生此有氧代謝過程，稱為 氧化反應，可以供給大量的能量。六碳脂肪酸的氧化反應，可以產生50個ATP，相較之下，六碳葡萄糖僅能產生38個ATP,醣類分解代謝所產生的兩種代謝物，草醋酸和 酮戊二酸是某些胺基酸合成的必要中間物質。它們經過胺化(amination)，於碳骨架加上氨基，形成胺基酸(圖8.28a)。然後這些核
25、心胺基酸，可再用來合成其他胺基酸。胺基酸和醣類可藉由轉胺作用(transamination)相互變換,在醣類消耗期間，生物會藉由去胺作用(deamination)(移除胺基)將胺基酸轉化成為TCA循環的中間物質，因而可從蛋白質獲取能量。去氨作用會產生含氮廢物，例如銨離子或尿素(圖8.28c),大分子的形成單糖、胺基酸、脂肪酸、氮基和維生素為建構各式大分子和細胞胞器的元件共有兩個可能來源可以營養素的形式進入細胞，或是經由各式細胞代謝路徑合成,胺基酸、蛋白質合成與核酸合成細胞大部分的構造都是由蛋白質組成，蛋白質也是酵素、細胞膜、細胞壁和細胞附器的重要組成成分DNA和RNA是細胞延續遺傳特性和蛋白質
26、合成方向的重要物質,醣類的生物合成單糖，則是細菌細胞壁合成的重要物質肽糖為含有壁酸(muramic acid)與葡萄糖胺(glucosamine)結合而成的聚合體醣類(去氧核糖、核酸)也是核酸的必需建構單元多醣體是細胞表面結構最主要的組成成分,本章重點4,“中間代謝”是指利用中間代謝化合物，將合成與分解反應連結起來的代謝路徑雙向性化合物是位於中間代謝“交叉路”的化合物，它們不只參與分解代謝路徑，也是生物合成路徑的先驅分子生物合成路徑所用的建構單元分子有兩個來源：環境和細胞自己的分解路徑。微生物利用ATP和其菌種的特殊化酵素，從這些單體建造大分子蛋白質為所有細胞的必須大分子，因為它們的功用為構造組成物質、酵素和細胞附器醣類可以做為能量來源、細胞壁組成物質及核酸的組成成分,
