The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes（原核生物的生理与生化）

引用

White, D., Drummond, J. T., & Fuqua, C. (2011). The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes (4th ed.). Oxford University Press.

章节概要

全书共23章，按生理学主题而不是按生物类群编排，出版社认为这种结构有助于凸显一般性原理。下面各节标题沿用书中的章名。第四版增加了两位合著者Drummond和Fuqua；出版社列出三个新章节（RNA与蛋白质合成、生物膜与结构化多细胞聚集体、细胞间通讯），以及两个贯穿全书的主题：能量学与分子机器。

第1–3章：结构与功能；生长与细胞分裂；染色体复制与染色体分配

开头几章先建立对细胞的整体认识。第1章讲系统发育与细胞结构。第2章依次讲生长的测量、生长生理、产量与动力学、稳态与连续培养，以及细胞分裂。第3章讲DNA复制、染色体分离与染色体分配。

第4–6章：膜生物能量学：质子势；电子传递；光合作用

能量学部分排在代谢途径之前。第4章从化学渗透学说和质子势讲起，包括质子势的测量、它所驱动的功，以及产生它的反应。第5章转向有氧呼吸与无氧呼吸，以及电子载体在线粒体和细菌中的组织方式。第6章讲光养原核生物（紫色细菌、绿硫细菌、蓝细菌）、光合色素和膜结构。

第7–10章：代谢途径的调节；细胞质中的生物能量学；中心代谢途径；脂类、核苷酸、氨基酸和烃类的代谢

这几章讲代谢的化学。第7章讨论酶的调节、动力学与共价修饰。第8章讨论高能分子、基团转移与底物水平磷酸化。第9章依次讲糖酵解、磷酸戊糖途径与Entner-Doudoroff途径、丙酮酸氧化、柠檬酸循环和乙醛酸循环。第10章讲脂类、核苷酸、氨基酸和脂肪烃的代谢。

第11–12章：RNA与蛋白质合成；细胞壁与荚膜的生物合成

第11章分两节：RNA合成和蛋白质合成。第12章讲肽聚糖、脂多糖、胞外多糖的合成与输出、果聚糖与葡聚糖的合成，以及糖原合成。

第13–15章：无机代谢；C1代谢；发酵

第13章讲硝酸盐与硫酸盐的同化和异化、固氮和化能无机营养。第14章讲二氧化碳固定系统，以及甲基营养菌利用C1化合物的生长。第15章从氧毒性和厌氧菌的能量保存入手，随后讲电子受体（电子汇）、厌氧食物链和各种发酵，包括丙酸、乙酸、乳酸、混合酸和丁酸发酵。

第16–18章：对环境胁迫的反应；溶质转运；蛋白质转运与分泌

第16章讨论pH的维持、渗透压、热激反应、DNA修复、SOS反应和氧化胁迫。第17章讲溶质摄取动力学、依赖能量的转运和药物外排。第18章讲Sec系统、信号识别颗粒、TAT系统、胞外蛋白分泌和周质蛋白折叠。

第19–20章：对环境信号的反应；趋化、光反应与趋氧性

第19章介绍双组分信号系统，并逐一讨论具体的调控系统，如Nar、Ntr和Pho调节子，以及对渗透压的反应、分解代谢物阻遏和毒力因子。第20章建立一个趋化模型，然后讲光反应与趋氧性。

第21–23章：微生物生物膜；细胞间通讯机制；细菌的发育

最后几章讨论多细胞行为：生物膜的性质、形成、调控与抑制（第21章），可扩散信号与接触依赖信号（第22章），以及黏细菌、柄杆菌的发育和枯草芽孢杆菌的芽孢形成（第23章）。

核心概念

第1–6章：细胞、生长与能量

• 质子势：跨膜的电化学梯度，把呼吸和光合作用与ATP合成、转运及其他功联系起来。
• 化学渗透学说：解释电子传递如何建立这一梯度。
• 生长生理与动力学：如何测量生长，以及如何描述产量与速率。

第7–15章：代谢

• 代谢途径的调节：以酶动力学、构象变化和共价修饰作为控制点。
• 基团转移势：比较生物合成中各种高能分子的一种方式。
• 中心代谢途径：糖酵解及其变体、柠檬酸循环和乙醛酸循环。
• 化能无机营养与C1代谢：从无机化合物和一碳化合物获得能量与碳。
• 发酵平衡：电子受体与厌氧食物链如何限制各种发酵。

第16–23章：反应、转运与行为

• 胁迫反应：热激、SOS反应和氧化胁迫。
• 双组分信号：把环境条件与基因表达变化联系起来的信号系统。
• 趋化：定向运动背后的感知与适应机制。
• 生物膜与细胞间通讯：多细胞聚集体与细胞之间的信号传递。
• 细菌的发育：柄杆菌、黏细菌和形成芽孢的芽孢杆菌中的分化。

评析

优点

• 按主题编排。 出版社称这种以主题为纲的结构有助于理解生理与代谢的一般原理，书中也把代谢表述为细胞为了生长而必须解决的化学与物理问题。
• 先讲能量学。 第4–6章先介绍质子势，再进入各代谢途径章节，因此后面的代谢可以放在细胞如何保存能量的背景下理解。
• 对调节与行为的覆盖广。 第19–23章共五章，涵盖信号传导、趋化、生物膜、细胞间通讯和发育，这些主题展示了细胞如何感知周围环境并据此行动。
• 自带学习辅助。 出版社说明，每章末尾有小结、思考题和大量指向研究文献的参考文献。

局限

• 生物化学内容多。 各节标题相当细致（仅第9章就有十六个编号小节，其中包括柠檬酸循环反应的化学），读者需要扎实的生物化学基础。
• 遗传学只涉及一部分。 目录列出了复制、分配、RNA与蛋白质合成，但没有关于细菌遗传分析、水平基因转移或基因组学本身的章节；这些内容更适合在专门的细菌遗传学教材中学习。
• 内容已显陈旧。 本书出版于2011年，没有反映之后关于生物膜和细胞间信号等主题的研究，而出版社把这些主题列为本版新增内容。
• 不是多样性概览。 由于按主题编排，书中没有逐个类群的巡礼。需要这种概览的读者应另备一本普通微生物学教材。

在课程中的定位

本书是微生物学阅读清单中偏高阶的生理学与生物化学教材。Money的《Microbiology: A Very Short Introduction》是简短的入门，OpenStax的《Microbiology》和Tortora等人的《Microbiology: An Introduction》是一学期的入门教材，且偏重健康领域。Madigan等人的《Brock Biology of Microorganisms》是涵盖细胞结构、代谢、遗传、多样性与生态的通用教材；读者通常先学这样的教材。

之后，White、Drummond和Fuqua把通用教材中的代谢与调节部分深入到研究层面，帮助读者更深入地理解细胞的生理与生物化学。本书与Henkin和Peters的《Snyder and Champness Molecular Genetics of Bacteria》互补，后者是一本关于细菌遗传分析与分子遗传学的高阶教材。两本书合起来，既讲细菌如何运作，也讲如何研究和调控它们的基因。

如何使用本书

本书面向微生物学、生物化学或相关领域的高年级本科生和研究生，也面向需要系统了解原核生物生理学的研究人员。实际的先修内容是一门普通微生物学课程和一门生物化学课程。

实用的读法：

• 核心： 先读第1–2章了解细胞与生长，再读第4–9章了解能量学与中心代谢，后面的章节以这些内容为前提。
• 按兴趣选读： 第10–15章讲生物合成、无机与C1代谢和发酵；第16–20章讲胁迫、转运与感知；第21–23章讲多细胞行为。
• 利用章末材料。 每章读完后做思考题，并顺着参考文献进入自己感兴趣主题的原始文献。