The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes（原核生物的生理與生化）

引用

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

章節概要

全書共23章，按生理學主題而不是按生物類群編排，出版社認為這種結構有助於凸顯一般性原理。下面各節標題沿用書中的章名。第四版增加了兩位合著者Drummond和Fuqua；出版社列出三個新章節（RNA與蛋白質合成、生物膜與結構化多細胞聚集體、細胞間通訊），以及兩個貫穿全書的主題：能量學與分子機器。

第1–3章：結構與功能；生長與細胞分裂；染色體複製與染色體分配

開頭幾章先建立對細胞的整體認識。第1章講系統發育與細胞結構。第2章依次講生長的測量、生長生理、產量與動力學、穩態與連續培養，以及細胞分裂。第3章講DNA複製、染色體分離與染色體分配。

第4–6章：膜生物能量學：質子勢；電子傳遞；光合作用

能量學部分排在代謝途徑之前。第4章從化學滲透學說和質子勢講起，包括質子勢的測量、它所驅動的功，以及產生它的反應。第5章轉向有氧呼吸與無氧呼吸，以及電子載體線上粒體和細菌中的組織方式。第6章講光養原核生物（紫色細菌、綠硫細菌、藍細菌）、光合色素和膜結構。

第7–10章：代謝途徑的調節；細胞質中的生物能量學；中心代謝途徑；脂類、核苷酸、胺基酸和烴類的代謝

這幾章講代謝的化學。第7章討論酵素的調節、動力學與共價修飾。第8章討論高能分子、基團轉移與底物水平磷酸化。第9章依次講糖酵解、磷酸戊糖途徑與Entner-Doudoroff途徑、丙酮酸氧化、檸檬酸迴圈和乙醛酸迴圈。第10章講脂類、核苷酸、胺基酸和脂肪烴的代謝。

第11–12章：RNA與蛋白質合成；細胞壁與莢膜的生物合成

第11章分兩節：RNA合成和蛋白質合成。第12章講肽聚糖、脂多糖、胞外多糖的合成與輸出、果聚糖與葡聚糖的合成，以及糖原合成。

第13–15章：無機代謝；C1代謝；發酵

第13章講硝酸鹽與硫酸鹽的同化和異化、固氮和化能無機營養。第14章講二氧化碳固定系統，以及甲基營養菌利用C1化合物的生長。第15章從氧毒性和厭氧菌的能量儲存入手，隨後講電子受體（電子匯）、厭氧食物鏈和各種發酵，包括丙酸、乙酸、乳酸、混合酸和丁酸發酵。

第16–18章：對環境脅迫的反應；溶質轉運；蛋白質轉運與分泌

第16章討論pH的維持、滲透壓、熱激反應、DNA修復、SOS反應和氧化脅迫。第17章講溶質攝取動力學、依賴能量的轉運和藥物外排。第18章講Sec系統、訊號識別顆粒、TAT系統、胞外蛋白分泌和周質蛋白摺疊。

第19–20章：對環境訊號的反應；趨化、光反應與趨氧性

第19章介紹雙組分訊號系統，並逐一討論具體的調控系統，如Nar、Ntr和Pho調節子，以及對滲透壓的反應、分解代謝物阻遏和毒力因子。第20章建立一個趨化模型，然後講光反應與趨氧性。

第21–23章：微生物生物膜；細胞間通訊機制；細菌的發育

最後幾章討論多細胞行為：生物膜的性質、形成、調控與抑制（第21章），可擴散訊號與接觸依賴訊號（第22章），以及黏細菌、柄桿菌的發育和枯草芽孢桿菌的芽孢形成（第23章）。

核心概念

第1–6章：細胞、生長與能量

• 質子勢：跨膜的電化學梯度，把呼吸和光合作用與ATP合成、轉運及其他功聯絡起來。
• 化學滲透學說：解釋電子傳遞如何建立這一梯度。
• 生長生理與動力學：如何測量生長，以及如何描述產量與速率。

第7–15章：代謝

• 代謝途徑的調節：以酵素動力學、構象變化和共價修飾作為控制點。
• 基團轉移勢：比較生物合成中各種高能分子的一種方式。
• 中心代謝途徑：糖酵解及其變體、檸檬酸迴圈和乙醛酸迴圈。
• 化能無機營養與C1代謝：從無機化合物和一碳化合物獲得能量與碳。
• 發酵平衡：電子受體與厭氧食物鏈如何限制各種發酵。

第16–23章：反應、轉運與行為

• 脅迫反應：熱激、SOS反應和氧化脅迫。
• 雙組分訊號：把環境條件與基因表達變化聯絡起來的訊號系統。
• 趨化：定向運動背後的感知與適應機制。
• 生物膜與細胞間通訊：多細胞聚集體與細胞之間的訊號傳遞。
• 細菌的發育：柄桿菌、黏細菌和形成芽孢的芽孢桿菌中的分化。

評析

優點

• 按主題編排。 出版社稱這種以主題為綱的結構有助於理解生理與代謝的一般原理，書中也把代謝表述為細胞為了生長而必須解決的化學與物理問題。
• 先講能量學。 第4–6章先介紹質子勢，再進入各代謝途徑章節，因此後面的代謝可以放在細胞如何儲存能量的背景下理解。
• 對調節與行為的覆蓋廣。 第19–23章共五章，涵蓋訊號傳導、趨化、生物膜、細胞間通訊和發育，這些主題展示了細胞如何感知周圍環境並據此行動。
• 自帶學習輔助。 出版社說明，每章末尾有小結、思考題和大量指向研究文獻的參考文獻。

侷限

• 生物化學內容多。 各節標題相當細緻（僅第9章就有十六個編號小節，其中包括檸檬酸迴圈反應的化學），讀者需要紮實的生物化學基礎。
• 遺傳學只涉及一部分。 目錄列出了複製、分配、RNA與蛋白質合成，但沒有關於細菌遺傳分析、水平基因轉移或基因體學本身的章節；這些內容更適合在專門的細菌遺傳學教材中學習。
• 內容已顯陳舊。 本書出版於2011年，沒有反映之後關於生物膜和細胞間訊號等主題的研究，而出版社把這些主題列為本版新增內容。
• 不是多樣性概覽。 由於按主題編排，書中沒有逐個類群的巡禮。需要這種概覽的讀者應另備一本普通微生物學教材。

在課程中的定位

本書是微生物學閱讀清單中偏高階的生理學與生物化學教材。Money的《Microbiology: A Very Short Introduction》是簡短的入門，OpenStax的《Microbiology》和Tortora等人的《Microbiology: An Introduction》是一學期的入門教材，且偏重健康領域。Madigan等人的《Brock Biology of Microorganisms》是涵蓋細胞結構、代謝、遺傳、多樣性與生態的通用教材；讀者通常先學這樣的教材。

之後，White、Drummond和Fuqua把通用教材中的代謝與調節部分深入到研究層面，幫助讀者更深入地理解細胞的生理與生物化學。本書與Henkin和Peters的《Snyder and Champness Molecular Genetics of Bacteria》互補，後者是一本關於細菌遺傳分析與分子遺傳學的高階教材。兩本書合起來，既講細菌如何運作，也講如何研究和調控它們的基因。

如何使用本書

本書面向微生物學、生物化學或相關領域的大學高年級學生和研究生，也面向需要系統了解原核生物生理學的研究人員。實際的先修內容是一門普通微生物學課程和一門生物化學課程。

實用的讀法：

• 核心： 先讀第1–2章了解細胞與生長，再讀第4–9章了解能量學與中心代謝，後面的章節以這些內容為前提。
• 按興趣選讀： 第10–15章講生物合成、無機與C1代謝和發酵；第16–20章講脅迫、轉運與感知；第21–23章講多細胞行為。
• 利用章末材料。 每章讀完後做思考題，並順著參考文獻進入自己感興趣主題的原始文獻。