微生物代谢是指微生物用于获取能量、合成细胞组分和维持生存能力的多样化生化过程。细菌和古菌展现出远超植物和动物的非凡代谢多样性。
能量来源与分类
- 光养型：利用光能。蓝细菌和紫色硫细菌进行光合作用。
- 化养型：从化合物中获取能量。
- 化能无机养型：氧化无机化合物（H2、H2S、NH3、Fe2+）。
- 化能有机养型：氧化有机化合物（葡萄糖、脂肪酸、氨基酸）。
- 自养型：以CO2为碳源（如蓝细菌、硝化细菌）。
- 异养型：需要有机碳源（如大肠杆菌、芽孢杆菌、大多数病原菌）。
有氧呼吸
- 糖酵解（恩布登-迈耶霍夫-帕纳斯途径）：将葡萄糖（6C）转化为两分子丙酮酸（3C），每分子葡萄糖产生2 ATP和2 NADH。
- 柠檬酸循环（克雷布斯循环、TCA循环）：在线粒体基质中将乙酰辅酶A氧化为CO2，产生NADH、FADH2和GTP。
- 电子传递链（ETC）：位于细胞质膜。NADH和FADH2被氧化，电子通过复合体I-IV传递，O2作为最终电子受体。通过氧化磷酸化（质子动力驱动ATP合酶）生成ATP。
厌氧代谢
- 厌氧呼吸：使用替代电子受体，如硝酸盐（NO3- → NO2- → N2）、硫酸盐（SO42- → H2S）或碳酸盐（CO2 → CH4）。常见于反硝化细菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。
- 发酵：使用有机化合物同时作为电子供体和受体。无ETC或氧化磷酸化；仅通过底物水平磷酸化产生ATP。
- 常见发酵途径：同型乳酸发酵（乳杆菌、链球菌→乳酸）、酒精发酵（酵母→乙醇+CO2）、混合酸发酵（大肠杆菌→乳酸、乙酸、乙醇、CO2、H2）和丁二醇发酵（肠杆菌）。
- 发酵终产物工业上用于生产酸奶、奶酪、面包、啤酒、葡萄酒和生物燃料。
氮代谢
- 固氮作用：固氮酶复合物将N2转化为NH3。由固氮菌属、根瘤菌属（与豆科植物共生）和蓝细菌完成。
- 硝化作用：NH3氧化为NO2-（亚硝化单胞菌属）和NO2-氧化为NO3-（硝化杆菌属）。
- 反硝化作用：在厌氧条件下将NO3-还原为N2气体（假单胞菌属、副球菌属）。
- 同化性硝酸盐还原将NO3-转化为NH3，用于氨基酸和核苷酸的生物合成。
代谢调控
- 分解代谢物阻遏：葡萄糖是首选碳源；其存在会抑制代谢替代糖类的基因（如大肠杆菌的lac操纵子）。
- 反馈抑制：生物合成途径的终产物抑制该途径的第一个酶，防止过度产生。
- 双组分调控系统（如EnvZ/OmpR）感知环境变化并相应调整基因表达。
