微生物代谢
微生物代谢涵盖了微生物获取能量和碳的多种方式，从熟悉的呼吸作用和发酵作用，到几乎只存在于原核生物中的化能无机营养和光合作用。
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Definition
微生物代谢是指微生物从环境中获取能量和构建模块的所有生化过程的总和，包括节约能量的分解代谢反应和构建细胞物质的合成代谢反应。
Scope
该领域涵盖了能量守恒的生物能量学原理，包括底物水平磷酸化和氧化磷酸化以及质子动力；有氧呼吸和利用替代电子受体（如硝酸盐、硫酸盐或二氧化碳）的厌氧呼吸的多样性；发酵途径；化能无机营养，其中无机化合物作为能源；自养碳固定；以及几种形式的微生物光合作用。它确立了微生物是代谢最多样化的生物，也是生物地球化学循环的驱动者。
Sub-topics
Core questions
- 微生物可以利用哪些能量和碳源？
- 呼吸作用、发酵作用和光合作用过程中能量是如何保存的？
- 哪些电子供体和受体定义了主要的代谢方式？
- 微生物代谢多样性如何驱动自然界中的元素循环？
Key theories
- 化学渗透理论
- 细胞通过利用电子传递将质子泵出膜外来保存能量，产生质子动力，从而驱动ATP合成；这统一了微生物生命活动中呼吸作用和光合作用的能量学。
- 原核生物的代谢多样性
- 原核生物共同利用了极其广泛的能量和碳源，包括无机电子供体和多种电子受体，这赋予了它们真核生物所不具备的代谢能力，并在生物地球化学循环中发挥核心作用。
Mechanisms
分解代谢途径通过底物水平磷酸化或通过电子传递来从底物中提取能量，电子传递会产生质子动力，由ATP合酶利用。电子供体（有机或无机）和末端电子受体（氧气或替代物，如硝酸盐、硫酸盐或二氧化碳）的性质决定了代谢模式。自养生物利用光能或化学氧化产生的能量固定无机碳，而发酵生物则在没有外部电子受体的情况下保存能量。
Clinical relevance
微生物代谢的多样性是全球碳、氮和硫循环的基础，支持工业发酵和生物燃料生产，并解释了微生物如何在其他生命无法进入的环境中茁壮成长，使代谢成为环境微生物学和应用微生物学的基础。
History
微生物代谢的研究始于19世纪维诺格拉茨基（Winogradsky）对化能无机营养的发现和范尼尔（van Niel）对光合作用的比较研究，直到20世纪60年代彼得·米切尔（Peter Mitchell）的化学渗透理论，该理论为跨越代谢谱系的能量守恒提供了一个统一的机制。
Key figures
- Peter Mitchell
- Sergei Winogradsky
- Cornelis van Niel
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Seminal works
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Frequently asked questions
- 为什么微生物被认为是代谢最多样化的生物？
- 微生物能够利用异常广泛的能量来源，包括光、有机化合物和无机化学物质，并且能够利用许多不同的电子受体进行呼吸。其中一些能力，例如化能无机营养和几种形式的厌氧呼吸，仅存在于原核生物中。
- 什么是质子动力？
- 质子动力是跨膜的质子电化学梯度，由电子传递产生。细胞利用它来驱动ATP合成、运输和运动，它在呼吸作用和光合作用的能量守恒中起着核心作用。