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微生物營養代謝與能量

微生物之營養

微生物需藉攝取營養物質作為碳源及能量源，而經代謝作用所產生之能量運用於新細胞合成與支持生命。各種微生物生長繁殖所需之營養物成分則與本身之組成化合物相似，除此主要營殖所需之營養物成分則與本身之組成化合物相似，除此主要營養成分外，尚需一些微量元素，例如Mg、Zn、Cu等。

一、細胞組成

（一）主要成分

醣類(Carbohydrate)        
       
1.5~36%

蛋白質(Protein)                                40~80%

脂質(Lipid)                                      0.4~39%

核蛋白(Nucleoprotein)                        微量

（二）微量成分

乙醇、色素(Pigment)、微生素(Vitamin)、臘質(Wax)等

二、元素需求

不同微生物之各種元素需求與其本身組成元素比例相近，各類微生物之元素組成比例如下：

好氧細菌               
C₅H₇O₂N
        C/N=5

厭氧細菌               
C₅H₉O₃N
        C/N=5

真　　菌               
C₁₀H₇O₆N            
C/N=10（真菌適合高碳氮比）

藻    　類               
C₅H₈O₂N
       

三、能量來源

細胞代謝產能與電子供給者有密切關係，自營代謝電子供給者為無鹽類，異營代謝則為有機物。

代謝酵素系統

       
　微生物之代謝作用需藉由一連串的酵素作用，才能分解氧化獲得能量維持生命及繁殖後代。

一、酵素(Enzyme)之定義

酵素又稱作脢，為一種複合蛋白質，由脢蛋白(Apoenzyme)及輔脢(Coenzyme)構成。

（一）脢蛋白：又稱脢本體，具有一定化學結構的蛋白質，決定化學反應發生的位置(site)。單獨存在不具活性，分子量大，無透析性。

（二）輔脢：單獨存在亦不具活性，通常為分子量小之維生素、核酸等有機分子，具透析性。依反應功能，可區分三種常見的輔脢。

１．DAN⁺、FAD及FMN等一負責氫及電子之轉移

（１）DAN⁺(Nicotinaminde
Adenine Dinucleotide)

菸鹼醯氨腺嘌呤隻核甘酸－接受１H⁺、2e^-成為NADH。

（２）FAD(Flavin Adenine
Dinucleotide)

黃素腺嘌呤雙核甘酸－接受２H⁺、2e^-成為FADH₂。

（３）FMN(Flavin
Mononucleotide)

黃素單核甘酸－接受2H₊、2e_-成為FMNH₂。

２．ATP、GTP－儲存能量，供應細胞活動之能量。

ATP(Adenosin
Triphosphate)

腺嘌呤核甘三磷酸鹽－具高能磷酸鍵，攜帶能量。

ATP→ADP+Pi（磷酸根）→AMP+2Pi

(高能)                              　（低能）

GTP(Guanosin
Triphosphate)

鳥糞嘌呤核甘三磷酸鹽－具高能磷酸鍵，攜帶能量。

３．CoA－促進分子內C-C鍵之斷裂

CoA(Coenzyme A)輔脢A－可攜帶醯基(acyl-)成為醯基輔脢，常見者為乙醯基輔脢(Acetyl-CoA)。

二、酵素之分類：

（一）胞外脢(Exoenzyme)

由細胞內分泌送至細胞外，主要為分解細胞外大分子有機物質（如蛋白質、澱粉及脂肪），促使水解成可溶性小分子物質，以利通過細胞膜，而被攝取。

（二）胞內脢(Endoenzyme)

可將由外界攝入細胞內之物質更進一步代謝分解及轉移，同時伴隨大量能量之產生，以供細胞使用。

三、酵素之特性

（一）專一性

特定之酵素通常只能催化一種特定的生化反應，勿無法催化他種反應。

（二）循環性

在催化作用的過程中，本身只與受質暫時結合而促進其作用，並不滅少或改變，故可循環反覆的斷續作用。

（三）限制性

不能促使某種作用發生，也不能影響作用的方向，只能促進已發生的作用加速進行。

（四）系統性

各種酵素系統在細胞內各有一定的位置，可同時進行不同之化學反應，不相妨礙。

（五）敏感性

酵素主要的成分為蛋白質，故凡能影響蛋白質的因素都會影響酵素作用，例如pH、溫度、重金屬等。

（六）保護性

有些酵素在細胞內呈不活動的狀態，須在特殊條件的才能發生作用。

四、酵素動力反應(Enzyme
Kinetics)

Michaelis and Menten反應模式

酵素與基質之反應

         
k₁   
k₃

　　　→　　→

E+S      ES   
E+生成物(P)

      ←    ←

         
k₂    k₄

        E:酵素(enzyme)

        S:基質(substrate)

        k₁:合成ES之速率常數

        k₂:解離ES成生E及S之速率常數

        k₃:轉換ES成生成物之速率常數

        k₄:生成物形成ES之速率常數

當反應在穩定狀態時d[ES]/dt=0，即ES形成速率=ES消除速率

k₁[E][S]+k₄[E][P]=k₂[ES]+k₃[ES]

整理得

〔E〕           　k₂+k₃

──　＝　────

〔ES〕       
k₁[S]+k₄[P]

假設k₄[P]<<k₁[S]，且[E]_T=[E]+[ES]

則得

                        [E].[S]

[ES]=　─────────

               
[(K₂+K₃)/K₁]+[S]

若反應速率R與[ES]生成量成正比，則當所有酵素均以ES型態出現時（即[E]T=[ES]），可得最大反應速率，Rmax。

令km=(k₂+k₃)/k₁，可得Michaelis-Menten方程式，Km稱為半速常數（half –velocity
constant）或Michaelis-Menten常數。

        Rmax[S]

R=　────

        Km+[S]

Km值愈低，表示酵素與基質之親和力愈大。

１．[S]>>Km時（高基質濃度時）

        R≒Rmax，屬零次反應

２．[S]<<km時（低基質濃度時）

               
Rmax

R=　───．[S]=K¹[S]，屬一次反應

        Km

代謝作用分類

一、依微生物對營養來源的不同予以分類如下：

（一）碳源

有機碳　　　→異營性Heterotrophs

無機碳(CO₂) →自營性Autotrophs

（二）能量源

化學反應（氧化還原）→化學合作性Chemotrophs

日    光               
　→光合成性Phototrophs

（三）電子供給者

有機物    →Organotrophs

無機物    →Lithotrophs

二、依據微生物代謝生存方式，可區分為四大類

（一）光合自營性菌(photoautotrophs)

（二）光合異營性菌(photoheterotrophs)

（三）化學自營性菌(chemoautotrophs)

（四）化學異營性菌(chemoheterotrophs)

光合成性代謝

一、光合自營性(photoautotrophs)微生物代謝作用

以日光能為能量源，CO₂為合成細胞之碳源。可區分成：

（一）真核光合自營性(Eucaryotic
photoautotrophs):

綠藻(green algae)。

（二）原核光合自營性(procaryotic
photoautotrophs):

藍綠藻(blue-green algae)及光合細菌(photosynthetic
bacteria)

二、光合作用之種類

（一）有氧光合作用：藍綠藻與藻類之光合成反應

藍綠藻色素－葉綠藻ａ、葫蘿蔔素、phycobilin、phycoerthrin等。

藻　類色素－葉綠素ａ、ｂ、ｃ、ｄ及類葫蘿蔔素、藻青素等。

       
　以H₂O為電子之供給者，產生O₂，故呈好氧狀態。

１．光反應：產生能量及還原力

當光合色素接受光能時，其中一部分原子，因受光能的激動而釋出電子，立即分別引發兩種不同的化學反應。

（１）產生能量：促使ADP轉變成含有更多化學能的ATP。

（２）水之光解：產生游離的氧氣，同時也釋出水中之氫原子，並連同原有的電子，繼續參與還原含碳化合物之反應。

　日　光

12H₂O+18ADP+12NADP　→

       
           
　葉綠素

       
           
6O₂+18ATP+12NADPH₂

２．暗反應：消耗能量合成有機物

由光反應送來的ATP與NADPH₂可提供固碳作用中所需之能量與還原力，此反應又稱為卡爾文循環(Calvin
cycle)

                                        　葉綠素

18ATP+12NADPH₂+6CO₂  　→

                                        　基　質

                        　C₆H₁₂O₆+18ADP+12NADP+6H₂O

綜合反應：

                               
日　光

        6CO₂+6H₂O    →　C₆H₁₂O₆+6O₂

                               
葉綠素

（二）無氧光合作用：細菌性光合反應

無氧光合作用為厭氣菌利用菌體葉綠素(bacteriochlorophyll)吸收光能且以H₂S或還原性有機物作為電子供給者，生成葡萄糖，但無O₂之釋出，而釋出硫S。自營性光合細菌包括：

１．綠硫菌：

以H2S為電子供給者，S顆粒貯存在細胞外，暗處無法生長，例如Chorobium

6CO₂+6H₂S+日光能　　→　C₆H₁₂O₆+6S

２．紫硫菌：

３．以H2S為電子供給者，S顆粒貯存在細胞內，暗處無法生長，例如Chromatium、Thiospirillum

6CO₂+6H₂S+日光能　　→　C₆H₁₂O₆+6S

三、光合異營性微生物代謝作用

（一）綠非硫菌(Green non-sulfur
bacteria)

雖少數菌種可利用H₂S作為電子供給者行光合自營性代謝，但在暗處即以有機物作為電子供給者行異營代謝。故屬兼性厭氧，兼性光合，例如Chloroflexaceae

（二）紫非硫菌(Purple non0sulfur
bacteria)

光合作用僅發生於有光存在之厭氧環境，若在黑暗處微氧情況即利用有機物作為電子接受者及碳源，屬兼性厭氧，兼性光合。

例如：Rhodospirillum、Rhodopseudomonos

化學合成代謝

一、化學自營性(Chenoautotrophs)微生物代謝作用

（一）絕對化學自營性細菌(obligately autotrophic
bacteria)

以CO₂為碳，氧化無機物獲得能源。屬一級生產生，可製造有機物，例如硝化菌、硫氧化菌、鐵細菌等。

（二）兼性化學自營性細菌(facultative chemoautrophic
bacteria)

以CO₂為碳源，可以利用無機或有機物為其能源，例如氫細菌hydrogenomonas能將氫氧化成水，而獲得能量。

二、化學異營性微生物代謝作用

以有機物基質獲得能量源及碳源

例如Aerobacter aerogenes（細菌）、真菌、原生動物

基質之代謝分解可以醣類（貯存式與結構式）、蛋白質及脂質三大類分別說明。

（一）醣類（碳水化合物）

１．貯存式醣類分解（澱粉、肝醣）

（１）水解作用

由多醣類、寡醣類、雙醣類分解為溶解性的單醣（如葡萄糖），以便進入細胞內，通常由胞外脢作用。

（２）醣解作用(Glycolysis)

將六碳醣藉能量及酵素作用分解成２個丙酮酸的過程，此程在有氧或無氧環境下均可進行，先耗能再產能，可淨產生２ATP。屬於基質磷酸化作用(Substrate level
phosphorylation)方式產能。

（３）醱酵作用

僅發生於無氧環境，其電子供給者及接受者均為有機物，產生能量少，一莫耳葡萄糖進行醱酵作用僅產生2ATP（醣解作用時所產生），故亦屬於基質磷酸化作用(Substrate level
phosphorylation)方式產能。

ａ．酒精醱酵(有CO₂產生)

    　單糖→醣解→丙酮酸→乙醛→（還原）→乙醇

ｂ．乳酸醱酵（無CO₂產生）

    　單糖→醣解→丙酮酸→（還原）→乳酸

２．結構式醣類分解（纖維素之分解）

纖維素(cellulose)屬非分支狀聚合物之多醣類，其聚合單元為葡萄糖，而每聚合單元之間以β-1,4連結，故造成微生物之難分解性。自然界僅有少數細菌及真菌可進行分解利用，常見之細菌有Clostridium，Myxobacteria及Actinomycetes等菌屬，其厭氧分解步驟如下：

（１）水解作用

具有cellulase胞外脢之特殊細菌，將cellulase擴散至細胞外，將纖維素多醣類水解成小分子之雙醣類(cellobiose)，然後進入細胞內，再分解成葡萄糖(Glucose)單體。

       
    水    解       
    進入細胞

cellulose  　→    cellobiose 
  　→       
Glucose

   
        胞外脢       
    細　胞　膜

（２）醣解作用

        EMP pathway 2ATP

Glucose　　→       
        2Pyruvate（丙酮酸）

       
　2NAD+    2NADH

（３）厭氧分解

　CoASH

                　Pyruvate　　→                           
CO₂+H₂(g)+Acetyl-CoA

                                　H₃PO₄                                  ATP

                　Acetyl-CoA　→Acetyl-Phosphate　　→乙酸

                                       
CoASH

（二）蛋白質之分解

微生物分解蛋白質需先藉胞外脢分解成胜太或胺基酸等小分子物質，才能進入細胞內，然後在細胞內進行脫羧、脫胺及轉胺等降解作用，其產物有延胡索酸、草醋酸、α－酮基及戊二酸及各類碳水化合物等等，在好氧代謝時可直接或間接切入TCA循環，產生電子攜帶者，以利後續電子傳遞系統之能量產生。

       
Proteinase                  
    peptidase

蛋白質　　→         
polypeptides         
→         
peptide胜太

                        　（聚胜太）       
    aminoacid（胺基酸）

       
脫羧作用    acetyl-CoA、延胡索酸鹽、草醋酸鹽

→    脫胺作用→    α－酮基戊二酸鹽、琥珀酸鹽等中間代

       
轉胺作用    謝產物＋NH₃

       
  各類中間代謝產物則切入檸檬酸循環或其他代謝循環。

（三）脂質之分解

脂質烴酵素作用最初分解為甘油及脂肪酸，經代謝作用最終主要以丙酮酸、乙醯基輔脢等形式之代謝中間產物進入轉化作用。

β－氧化是藉由消耗ATP，接上CoASH與H₂O，反應過程生成FADH2及NADH電子攜帶者，最後轉變成為Acyl-CoA與Acetyl-CoA進入TCA循環。

                                       
Glycolysis

       
Lipidase                      
(E.M.P)

脂質　　→    甘　　油        　→    丙酮酸

                           
    β-oxidation    ↓

               
    脂肪酸　　　　→    Acetyl-CoA

                                       
↘    NADH、FADH₂

       
　產生Acetyl-CoA切入循環，繼續代謝

       
　產生NADH、FADH₂則進入電子傳遞鏈生成能量。

好氧代謝與厭氧代謝

一、好氧代謝分解

有機物經水解、醣解作用(醣類)、脫胺、脫羧、轉胺（蛋白質）、β氧化作用（脂質），產生乙醯基輔脢進入ＴＣＡ循環，在ＴＣＡ循環中產生CO₂、GTP及電子攜代者(NADH、FADH₂等)，然後進入好氧電子傳遞鏈生成更多之能量(ATP)及H₂O(以O₂為最終電子接受者)。

（一）TCA循環

又稱檸檬酸循環