微生物的代谢及其调控

1、1微生物的代谢微生物代谢包括微生物物质代谢和能量代谢。1.1微生物物质代谢微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。1.1.1分解代谢分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。般可将分解代谢分为TP。三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二

2、和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。1.1.1.1大分子有机物的分解（1）淀粉的分解淀粉是许多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。一般天然淀粉中，直链淀粉约占20，支链淀粉约占80。直链淀粉为一l、4糖苷键组成的直链分子；支链淀粉只是在支点处由1、6糖苷键连接而成。微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。它的种类很多，作用方式及产物也不尽相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。以液化型淀粉酶为例，这种酶可以任意分解淀粉的。-l、4糖

3、苷键，而不能分解-1、6糖苷键。淀粉经该酶作用以后，黏度很快下降，液化后变为糊精，最终产物为糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。由于这种酶能使淀粉表现为液化，淀粉黏度急速下降，故称液化淀粉酶；又由于生成的麦芽糖在光学上是型，所以又称为“淀粉酶。（2）纤维素的分解纤维素是葡萄糖由1，4糖苷键组成的大分子化合物。它广泛存在于自然界，是植物细胞壁的主要组成成分。人和大部分动物均不能消化纤维素。但是很多微生物，如木霉、青霉、某些放线茵和细菌均能分解利用纤维素，原因是它们能产生纤维素酶。纤维素酶是一类纤维素水解酶的总称。它由C1酶、Cx酶和-葡萄糖苷酶组成。纤维素在C1酶和Cx酶共同作用下，被水解成纤维二糖，再经

4、过葡萄糖苷酶作用，最终变为葡萄糖。（3）蛋白质的分解蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大、结构复杂的化合物。它们不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将蛋白质分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物，然后再进入细胞。蛋白质的分类蛋白酶的种类很多，有100多种。目前比较常用的蛋白酶分类方法有以下几种：按照水解蛋白质的方式，可分为内肽酶和端肽酶两大类。按照蛋白酶的来源，可分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶。按照蛋白酶在生物体内所在的位置，可分为胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶等。按照蛋白酶作用的最适pH，可分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。根据蛋白酶的活性中心

5、和最适作用pH，可分为丝氨酸蛋白酶、巯基蛋白酶、金属蛋白酶和酸性蛋白酶。产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等均有。不同的菌种可以生产不同的蛋白酶，如黑曲留主要生产酸性蛋白酶，短小芽孢杆菌生产碱性蛋白酶。不同的菌种也可生产功能相同的蛋白酶，同一个菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶。（4）氨基酸的分解微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。a.脱氨作用脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同而不同。氧化脱氨：这种脱氨方式须存有氧气参加的条件下进行，专性厌氧菌不能进行氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类是氨基酸氧化酶，以FAD或FMN为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以N

6、AD或NDP作为氢载体。氧化脱氨生成的酮酸一般不积累，而被微生物继续转化成羟酸或醇，如丙氨酸氧化脱氨生成丙酮酸，丙酮酸可借TA循环而继续氧化，化学反应式如下：还原脱氨：还原脱氨在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸。能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。腐败的蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成，如梭状芽抱杆菌可使丙氨酸还原脱氨成丙酸，化学反应式如下：水解脱氨：不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物氨酸水解之后可形成乳酸，也可形成乙醇，化学反应式如下：减饱和脱氨：氨基酸在脱氨的同时，其、键减饱和，结果生成不饱和酸，如天冬氨酸减饱和脱氨生成延胡素

7、酸。脱水脱氨：含羟基的氨基酸在脱水过程中脱氨、如丝氨酸脱水后，经氨基丙烯酸、亚氨基丙酸，再水解脱氨成丙酮酸，化学反应如下：b.脱羧基作用氨基酸脱羧多见于腐败细菌和真菌中。不同氨基酸在相应氨基酸脱羧酌的作用下，催化氨基酸脱按生成有机胶和二氧化碳。1.1.1.2己糖的降解a.EMP途径糖的酵解是各种发酵的基础，发酵作用是酵解过程的发展。EMP途径又称糖酵解，或双磷酸己糖降解途径。这是氧化葡萄糖产生丙酮酸的过程，它通常是碳水化合物分解过程的第一阶段。许多微生物能进行该途径的反应。事实上，它存在于大多数活细胞中。EMP途径包括10个独立的，但又是连续的反应，其顺序及所需的酶见图2。糖酵解中的酶催化六碳

8、葡萄糖裂解生成两个三碳糖，这些糖然后进一步被氧化释放能量，同时进行原子的重排而形成了两分子丙酮酸。糖酵解期间NAD被还原成NADH，并且通过底物水平磷酸化作用净产生两分子的ATP。因此，葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸的总反应式为：C6H12O62NAD+2Pi2ADP 2CH3COCOOH2NADH2H+2ATP2H2O反应中所生成NADH必须重新氧化为NAD后才能继续不断地推动全部反应。糖酵解过程不需要氧的参与，它能够在无氧或有氧的条件下发生。在无氧的条件下，如以乙醛作为受氢体，即是酒精发酵；如以丙酮酸作为受氢体，即是乳酸发酵。在有氧情况下，NADH经呼吸链氧化，同时丙酮酸进入三羧酸循环。图

9、1-1 EMP途径简图EMP途径10步反应详述如下：（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌种通过不同方式实现这步反应。在酵母茵、真菌和许多假单胞茁等好氧细菌中，通过需要Mg+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧茵中，可借磷酸烯醇式丙酮酸磷酸转移酶系统在葡萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。（3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1,6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活

10、细胞内催化的反应是不可逆的。（4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用(g1uconeogenesis)即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。另外，二羟丙酮磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。虽然在反应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-

11、3-磷酸。此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1,3-二磷酸甘油酸。此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH+H+，所以从产能和产还原力的角度来看都是十分重要的。（7）l,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。此酶是一种依赖Mg2+的酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸

12、甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径

13、与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系。EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要：供应ATP形式的能量和NADH形式的还原力，厌氧微生物是以此途径作为获得能量的唯一方式；是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径等；为生物合成提供多种中间代谢物；通过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。b.PP途径除了通过EMP途径氧化葡萄糖外，大多数微生物还有一条彻底分解葡萄糖为CO2和水的途径，即是葡萄糖在转化成6-

14、磷酸葡萄糖酸后就分解为CO2和5-磷酸核酮糖，也就是在单磷酸己糖的基础上开始降解，故称单磷酸己糖途径，简称PP途径，旧称HMP途径。又因为所生成的磷酸戊糖可重新组成磷酸己糖，形成循环反应，所以又常称为磷酸戊糖途径，见图1-2。图1-2 HMP途径简图PP途径比EMP途径复杂，可以获得很多产物，如C3、C5、C7等磷酸糖酯。该途径主要特点是葡萄糖直接脱氢和脱羧，不必先经三碳糖的阶段；另一特点是只有NADP参与反应。PP途径在微生物生命活动中意义重大：供应5-磷酸核糖，以合成嘌呤和嘧啶核苷酸，最后合成核酸、辅酶等；提供大量的还原力NADPHH，除了部分被转氢酶催化变为NADHH，再进入呼吸链氧化，

15、可生成大量的ATP外，主要还是作为细胞合成脂肪酸、胆固醇、谷氨酸等需氢的一种重要来源；途径中的4-磷酸赤藓糖是合成芳香族氨基酸的前体；磷酸戊糖循环的功能对于光能和化能自养菌具有重要作用，这两类微生物细胞中的含碳成分都是由CO2和1,5-二磷酸核酮糖缩合而成，而后者是由5-磷酸核糖转变而来；生成的6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等可进入EMP途径，进而代谢为丙酮酸，这样PP途径与EMP途径相联系。因此，PP途径在物质代谢中很重要，在大多数好氧和兼性厌氧微生物中都有这条途径。PP途径与EMP途径、TCA循环可以同时存在于一细胞内，只有少数细菌以PP途径作为有氧分解的唯一途径，例如弱氧化醋杆菌和氧化醋单

16、胞菌。c.ED途径N. Entner和M. Doudorff在对嗜糖假单胞菌的研究时发现，该菌缺少6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶，从葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖酸之后不氧化脱羧，而是在脱水酶作用下脱水，生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸，后者由脱氧酮糖醛缩酶催化裂解成为3-磷酸甘油醛和丙酮酸，这就是ED途径，如图1-3。3-磷酸甘油醛转入EMP途径后半部分可转化为丙酮酸，因而ED途径的总反应式为：C6H12O6NADNADPPiADP 2CH3COCOOHNADHNADPH2HATPED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomnas spp.(一些假单胞菌)和Zymomonas spp.(一

17、些发酵单胞菌)等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低(1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半)，反应中有一个6碳的关键中间代谢物肋PG。由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，因此可以相互协调，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要，广泛分布在细菌尤其是革兰氏阴性菌中。例如，通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。此外，在四途径中所产生的丙酮酸对Zymomonas mobilis(运动发酵单胞菌)这类微好氧茵来说，可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵产生乙醇的过

18、程与传统的由酵母菌通过EMP途径生产乙醇不同，因此称作细菌酒精发酵。图1-3 ED途径简图d. TCA 循环好氧微生物在有氧情况下，通过三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环）完全氧化，生成各种生物合成的中间体、CO2和水，同时产生大量的还原力（NADPH2、NADH2和FADH2），这些还原力通过电子传递链生成ATP。这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸后，丙酮酸不能直接进入三羧酸循环。在有氧情况下，丙酮酸需要失去1分子的CO2，降解成乙酰CoA，此反应分五步由丙酮酸脱氢酶复合物催化

19、完成。这一反应本身并非是三羧酸循环的一部分，但它是所有糖类经丙酮酸进入三羧酸循环所必须经过的。三羧酸循环也叫柠檬酸循环（citric acid cycle）或Krebs循环（the Krebs cycle）。在三羧酸循环中，通过一系列的生化反应途径，储存在乙酰CoA中大量潜在的化学能被逐步释放出来。在这个循环中，通过一系列氧化和还原反应把化学潜能以电子的形式转移到电子载体（主要是NAD）上。丙酮酸的衍生物被氧化，辅酶被还原。三羧酸循环在3C化合物丙酮酸脱羧后，形成NADHH，并产生2C化合物乙酰CoA，由它与4C化合物草酰乙酸缩合形成6C化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应，6C化合物经过5

20、C化合物又重新回到4C化合物草酰乙酸，再由它接受来自下一个循环的乙酰CoA分子。整个三羧酸循环的总反应式为：丙酮酸4NADFADGDPPi3H2O3CO24（NADHH）FADH2GTP三羧酸循环不仅为机体提供大量的能量，而且三羧酸循环的中间产物是细胞进行生物合成的原料，它们是合成反应的起点成分。例如-酮戊二酸和草酰乙酸分别可合成谷氨酸族和天冬氨酸族氨基酸；琥珀酰CoA可作为卟啉环的前体；柠檬酸作为脂肪酸生物合成中线粒体内乙酰CoA的前体等。因此，三羧酸循环位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位。总反应如图1-4。图1-4 TCA循环1.1.2合成代谢微生物的合成代谢就是微生物将简单的无机物或

21、者有机物用体内的各种酶促反应合成大分子即菌体物质的过程。总体来说，可以概括为三个阶段：产生三要素能量、还原力、小分子化合物；合成前体物氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸；合成大分子蛋白质、核酸、脂肪、多糖。（1） 大分子前体物的合成a. 单糖的合成异养微生物所需要的各种单糖及其衍生物通常是直接从其生活的环境中吸收并衍生而来，也可以利用简单的有机物合成。自养微生物所需要的单糖则需要通过同化CO2合成。单糖的合成和互变都要消耗能量，能量都来自ATP的水解。无论自养微生物还是异养微生物，其合成单糖的途径一般都是通过EMP途径逆行合成6磷酸葡萄糖，然后再转化成其他糖。单糖合成的中心环节是葡萄糖的合成

22、；但自养微生物与异养微生物合成葡萄糖的前体来源不同。自养微生物主要通过卡尔文循环同化CO2，产生3磷酸甘油醛，再通过EMP途径的逆转形成葡萄糖。自养微生物也可以通过还原性三羧酸循环同化CO2，得到草酰乙酸或乙酰辅酶A进一步产生丙酮酸，之后再进一步合成磷酸己糖。自养微生物还可以通过厌氧乙酰辅酶A途径固定CO2，形成丙酮酸，丙酮酸逆EMP途径生成1，6-二磷酸果糖，再在1，6-二磷酸果糖两的作用下生成6-磷酸果糖 。异养微生物可利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酰乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成3-磷酸甘油醛；以乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸；将生糖氨基酸脱去氨基后也可作为

23、合成葡萄糖的前体。具体合成过程见图1-5.图1-5 单糖的合成b. 氨基酸的合成绝大多数微生物能自行从头合成用于蛋白质合成的20种氨基酸。且微生物中20种氨基酸的合成途径，已经得到透彻研究。氨基酸碳架来自新陈代谢的中间化合物。如丙酮酸、-酮戊二酸、草酞乙酸或延胡索酸、4-磷酸赤癣糖、5-磷酸核糖等；而氨基则通过直接氨基化或转氨反应而导入。无机氮只有通过氨才能渗入有机化合物，分子氮通过固氮作用还原成氨。硝酸和亚硝酸则通过同化作用还原为氨。合成氨基酸的方式有三种：氨基化作用：它是指-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸，是微生物同化氨的主要途径：如氨与-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的作用下，以还原辅酶为供氢体，

24、通过氨基化反应合成谷氨酸。转氨基作用：这是指在转氨酶催化下，使一种氨基酸的氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸的过程。它普通存在于各种微生物体内，可消耗过多的氨基酸，得到某些缺少的氨基酸。前体转化：氨基酸还可以通过糖代谢的中间产物，经系列生化反应合成。如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等通过一个复杂的莽草酸途行合成。磷酸烯醇式丙酮酸和4-磷酸赤癣糖经若干步骤合成莽草酸，莽草酸又经几步反应合成分枝酸，由此分别合成苯丙氨酸、酪氨酸以及色氨酸。（2） 大分子有机物质的生物合成a. 核酸的生物合成·DNA的生物合成DNA合成按半保留复制方式开始于特殊的起点，单向或双向进行，相对分子质量小的环状DNA可以滚

25、环式复制，DNA复制需要DNA聚合酶、RNA聚合酶、解链蛋白、解螺旋蛋白、多核苦酸连接酶和RNA引物等。DNA开始合成时需要RNA聚合酶在DNA上辨认起始点，再由解链蛋白使DNA双链分开，由解螺旋蛋白迅速解旋。DNA双链打开后，在RNA聚合酶的作用下合成RNA片段(约50100个核苷酸长度)作为引物，先在DNA聚合酶的作用下，分别以两条DNA链为模板从5至3，在引物上合成10002000个核苷酸的DNA片段(冈崎片段)，再由DNA聚合酶I水解除去RNA引物，由多核苷酸连接酶将片段连成DNA长链，见图1-6。图1-6 DNA的合成·RNA的合成DNA指导下的RNA合成(转录)：在RNA

26、聚合酶的催化下，4种核苷三磷酸聚合成与模板DNA互补的RNA。依赖DNA的RNA生物合成有4种功能不同的核糖核酸；转移RNA、信使RNA、核蛋白体RNA和(噬菌体RNA)。RNA指导下的RNA的合成(RNA复制)：由依赖RNA的RNA聚合酶催化，以病毒RNA为模板，4种核苷三磷酸为原料合成病毒RNA。合成过程见图1-7。b. 蛋白质的合成蛋白质生物合成的机制较复杂，大约需要200种生物大分子，其中包括tRNA、mRNA、核糖体、可溶性蛋白质因子等参加。蛋白质合成的过程大致分为3个阶段：（1）氢基酸的激活。每一种氨基酸均须由特异性的活化酶体系激活变为活化型的氨酰tRNA后才能用于合成蛋白质，这类

27、酶称为氨酰tRNA合成酶。（2）肽链合成的起动和肽链的延长。蛋白质合成的起始过程很复杂，主要有3种起始团十(IFl，2，3)参与反应。起始完成即进入延长阶段，有3个延长因子(Tu、Ts、GTP)参与反应。他分三步：氨酰tRNA与核糖体的结合反应，转肽反应，核糖体的移位反应。（3）肽链合成的终止和释放。肽链的合成终止于mRNA上的终止密码于UAA、UAG和UGA，终止反应需要Rl、R2和R3辅助因子。合成过程见图1-8。图1-8 蛋白质合成过程c. 多糖的合成微生物的多糖与多糖衍生物都是由单糖或单糖衍生物通过糖苷化作用合成的。微生物的多糖种类很多，如纤维素、几丁质、多聚葡萄糖、多聚甘露糖、肽聚糖

28、、脂多糖等，它们的结构十分复杂，分子大小、合成途径都各不相同。在此以金黄色葡萄球菌细胞壁肽聚糖的合成途径为例，简单阐述肽聚糖的生物合成过程。构成肽聚糖骨架的生物合成和装配过程可分为3个阶段，如图1-9。肽聚糖生物合成的第一阶段在细胞质中进行。出葡萄糖逐步合成UDPN乙酰葡萄糖胺(UDPGNAc)和UDPN乙酰胞壁酸(UDPMuNAc)；再由N乙酰细胞壁酸合成A乙酰胞壁酸五肽，是将氨基酸逐个加到UDPA乙酰胞壁酸上的。D环丝氨酸可使丙氨酸消旋酶失活，阻止L丙氨酸变为D丙氨酸，导致N乙酰胞壁酸三肽积累，最终导致细胞壁裂解。肽聚糖生物合成的第二阶段包括N乙酰葡萄糖胺与N乙酰胞壁酸五肽的结合生成肽聚糖

29、单体和类脂载体的再生。这一阶段在细胞质膜k上进行。类脂载体C55类异戊二烯醇通过两个磷酸基与N乙酰胞壁酸分子相连，N乙酰葡萄糖胺从UDPN乙酸葡萄糖胺转到UDPN乙酰胞壁酸上。双糖五肽亚单位在细胞膜内表面合成后，由于类脂载体的结合，使亲水分广转变成亲脂分。使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜转移到膜外，同时释放出载体C55类脂。它在焦磷酸化酶的作用，水解脱磷酸，回复原状，又重新作载体。肽聚糠生物合成的第三阶段在细胞壁中进行。新合成的肽聚糖单体被运送到现有细胞壁生长点，肽聚糖单体与现有的细胞壁残余分子间先发生转糖基作用，使多糖链横向延伸1个双糖单位。再通过转肽酶的转肽作用，使前后两条多糖链的甲肽尾五

30、甘氨酸肽的游离氨基与乙肽尾的第四个氨基酸的羧基结合形成一个肽键，使多糖间发生交联，这一步反应称为转肽作用。这时，乙肽尾从原有的五肽变成正常肽聚糖分子中的四肽尾了。图1-9 多糖的合成1.2微生物能量代谢微生物进行生命活动需要能量，这些能量主要包括化学能和光能。微生物从外界环境中失去营养物质，在体内经过一系列的反应，转变为自身细胞物质，以维持其正常生长和繁殖，这一过程即新陈代谢，简称代谢。1.2.1 生物氧化有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳和水，并且释放出大量的能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）,又称细胞呼吸或组织呼吸。生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本

31、质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。主要具有以下几个特点： （1）在细胞内，温和的环境中经酶催化逐步进行。 （2）能量逐步释放。一部分以热能形式散发，以维持体温，一部分以化学能形式储存供生命活动能量之需（约40%）。 （3）生物氧化生成的水是代谢物脱下的氢和氧结合产生，水也是直接参与生物氧化反应，CO2由有机酸脱羧产生。（4） 生物氧化的速率由细胞自动调节。在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。1、 细胞中的氧化还原反应与能量产生 物质失去电子称为氧化，含有氢的物质在失去电子的同时伴随着脱氢或加氢。物质获得电子称为

32、还原，在获得电子的同时可能伴随着加氢或者脱氢。可见氧化和还原是两个相反而偶联的反应，即一物质的氧化必然伴随着另一物质的还原，称为氧化还原反应，可以表示为 在分解代谢中，电子供体一般指能源，当电子供体与电子受体偶联起来发生氧化还原反应时能释放出能量，两个相偶联（氧化-还原分子对，或称O-R对）的反应之间还原势相差愈大，释放的能量就愈多。2、 高能化合物和ATP的合成 基质通过氧化还原反应产生的能量可以转变成高能化合物，供细胞用于做功。高能化合物是在水解过程中能够释放大量自由能的有机物分子。自由能以G表示，生化反应中自由能的变化表示为G，负值说明反应中有自由能释放，反应能自发进行，这是称为产能反应

33、；正值说明不能自发反应，需外界能量，称为吸能反应。（1） 细胞中的高能化合物 许多高能化合物至少含有一个高能磷酸键。有些化合物虽具有磷酸键，但所含能量不够高，不算高能化合物。（2） 细胞合成ATP的途径 ATP含有三个磷酸基，其中2个磷酸以高能键（符号表示）相连。当细胞需要能量时，ATP末端磷酸基水解，产生一分子ADP，一分子无机磷酸（Pi）并释放能量。ATP的化学结构式如图1-10所示：图1-10 ATP的结构和高能磷酸键微生物产生ATP有3种方式，即底物水平磷酸化，呼吸链（氧化）磷酸化和光合磷酸化。（1） 底物水平磷酸化 特点是：底物在氧化的过程中生成含高能磷酸键的化合物，通过相应酶的作用

34、将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中普遍发生，其通式： X P+ADP X+ATP碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白质、类脂和核酸也可用作能源。碳水化合物在氧化过程中可以提供大量电子。底物水平磷酸化常见过程的简化图见图1-11示。图1-11 底物水平磷酸化简图（2） 氧化磷酸化 通过呼吸链产生ATP的过程称为电子水平磷酸化或氧化磷酸化。这种磷酸化的特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列的氢和电子传递体，每个电子传递都是一个氧化还原过程。这一系列氢和电子传递体在不同生物中大同小异，构成一条电子传递链，称为呼吸链。流动的电子

35、通过呼吸链时逐步放出能量，该能量可使ADP生成ATP。在呼吸链中，氢和电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，呼吸链的这些酶系定向有序的，又不是对称的排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核微生物的细胞质膜上。原核生物和真核生物呼吸链含有类似的基本的氧化还原载体，就目前所知，呼吸链中主要的中间电子传递体成员是泛醌（CoQ）和细胞色素系统。（3） 光和磷酸化光合磷酸化是光能转化为化学能的过程。在这种转化中光和色素起着重要作用。微生物中的蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有不同。进行光合磷酸化的细菌分为三类：蓝细菌、光合细菌、嗜盐细菌。蓝细菌进行光合作用是依靠叶绿素。和高等植

36、物一样，蓝细菌在光合作用中还原CO2的电子是来自水的光解，并有氧的释放，并把这类光合作用称为放氧型光合作用，属非环式光合磷酸化，其特点是有由光合色素组成的与两个光反应系统。光合细菌：光合细菌包括紫细菌和绿细菌，它们是在厌氧条件下靠细菌叶绿素进行光合作用。细菌叶绿素是光合细菌的光反应色素，它也是具有镁卟啉环的中心结构，但侧链不同于叶绿素，目前已发现有a、b、c、d、e等5种。绿硫细菌的光反应中心色素主要是细菌叶绿素c、d和e。嗜盐细菌：其光合系统较一般光合细菌更简单，它不含细菌叶绿素，也不存在电子传递链，只具有唯一的色素蛋白，这就是存在于质膜中的细菌视紫红质构成，它是由视黄醛以烯醇式碱基与蛋白质

37、的赖氨酸残基通过共价键相连而构成。1.2.2 生物氧化的类型微生物在进行生命活动的过程中需要消耗能量。这些能量来自物质的氧化。在物质氧化的过程中，根据最终电子受体性质不同，微生物产生能量的方式有3种，即发酵、有氧呼吸和无氧呼吸。如表1-1表1-1 微生物的三种产能方式呼吸类型发酵最终电子受体最终产物氧化过程的中间产物，是简单的有机醇，有机酸，甲烷，CO2，能量酵母菌、乳酸杆菌好氧呼吸最终电子受体最终产物O2CO2，H2O，能量霉菌、放线菌、枯草杆菌无氧呼吸最终电子受体最终产物NO3-，SO42-，CO32-，CO2CH4，H20，H2S，N2，NH3， 能量反硝化细菌、硫杆菌、产甲烷菌微生物的

38、呼吸类型的比较，如图表1-2：图1-2 微生物呼吸类型比较呼吸类型最终电子受体参与反应的酶及电子传递体系最终产物释放总能量好氧呼吸O2脱氢酶、脱羧酶、细胞色素氧化酶、NAD、FAD、辅酶QNO3- CO2 H2O SO42- CO32- ATP S Fe3+2876KJ乙醇发酵中间代谢产物脱氢酶、脱羧酶、乙醛还原酶、NAD低分子有机物、ATP、CO2238.3KJ无氧呼吸NO3-，SO42-，CO32-，CO2脱氢酶、脱羧酶、硝酸盐还原酶、硫酸盐还原酶、NADNH4+、CO2H2O ATP H2S CH4 、琥珀酸反硝化：1756KJ反硫化：1126KJ 此外，微生物的呼吸类型又可以分为：外源

39、呼吸和内源呼吸两种。利用外源营养物的生物氧化作用进行生命活动时称为外源呼吸，在外源营养严重缺乏时候，微生物不能利用外界营养物质，不得不利用自身的物质细胞物质，这种内源呼吸只能维持微生物短暂的生命活动。（1） 发酵作用 在生理上，发酵作用是不需要分子态氧（O2）作电子受体的氧化作用，为厌氧代谢，在此过程中电子供体和受体都是有机物分子。作为基质的有机物只是部分碳原子被氧化，所形成的某些中间产物又作为受氢体接受氢而形成的新的产物。酒精发酵和乳酸发酵是这种作用的典型代表。发酵产生ATP的机制主要是底物水平的磷酸化，即有底物氧化而产生的高能磷酸键被转移到ADP分子上形成ATP。（2） 有氧呼吸 有氧呼吸

40、即呼吸作用，是指微生物氧化底物时以分子氧作为最终电子受体的氧化作用。通过有氧呼吸可将有机物彻底氧化并释放出储存在有机物中的大量能量，其中一部分转移到ATP中，另一部分则以热的形式散出。有氧呼吸的特点是必须有氧气参加，底物氧化彻底，产能量大。有氧呼吸是需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行的呼吸类型和生物氧化方式。（3） 无氧呼吸 化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终交给无机氧化物的过程称为无氧呼吸。与有氧呼吸不同的是，在这个过程中并没有分子氧的参与，而是以无机氧化物，如;NO3- NO2- SO42- S2O32- CO2 等代替分子氧作为最终电子受体。与有氧呼吸相同的是，无氧呼吸过程中底

41、物氧化脱下的氢和电子也经过细胞色素等一系列中间传递体，并伴随有磷酸化作用产生ATP，底物也被彻底氧化。但与有氧呼吸相比，因最终电子受体为无机氧化物，一部分能量转移给它们，因此生成的能量不如有氧呼吸的多。进行厌氧呼吸的微生物主要是厌氧菌和兼性厌氧菌，它们的活动可以造成反硝化作用，也成为脱氮作用、脱硫作用和甲烷发酵作用。1.3微生物代谢调控微生物的新陈代谢错综复杂，参与代谢的物质又多种多样，即使同一种物质也会有不同的代谢途径，而且各种物质的代谢之间存在着复杂的相互联系和相互影响。在长期的进化过程中，微生物建立了一套严密、精确、灵敏的代谢调节体系，能严格地控制代谢活动，使之有序而高效地运行，并能灵活

42、地适应外界环境，最经济地利用环境中的营养物。微生物的代谢调节具有多系统、多层次的特点，对于原核微生物而言，包括物质运输(吸收营养和排除代谢产物)利代谢反应的调控，后者主要是指酶的调控，包括酶的表达及酶的活性的调控。真核微生物的调控方式较为复杂，除了上述方式，还有酶的翻译、修饰水平的调控，以及转录、转录后加工等层次的调节等。1.3.1酶活性的调节通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的调节方式称为酶活性的调节。酶活性的调节方式直接，并且反应快，是发生在蛋白质水平上的调节。活性受到底物或产物(或其结构类似物)影响的酶称为调节酶。这种影响可以是激活、也可以是抑制酶的活性。1.3.1.1酶的激活1）前体激

43、活通常把底物对酶的影响称为前馈，产物对酶的影响称为反馈。前馈作用一般是对酶的活性起激活作用，在分解代谢中，后面的反应可被较前面反应的中间产物所促进。2）小分子离子激活金属离子如Mg2+、K+对于多种酶具有激活作用，如EMP途径中，磷酸果糖激酶的活性受到Mg2+的促进。3）补偿激活在相关代谢途径中，一条代谢途径中的中间产物的积累，可以刺激另外一条代谢途径的关键酶或其他酶的活性提高。如在精氨酸生物合成途径中，鸟氨酸的积累可以刺激氨甲酰磷酸合成酶的活性，从而促进精氨酸的合成。1.3.1.2 酶的抑制酶的抑制包括竞争性抑制和反馈抑制，在微生物代谢调节中更常见的是反馈抑制，尤其是末端产物对酶活性的反馈抑

44、制。酶的抑制机制可以用别构酶学说来解释：调节酶通常是别构酶，是催化代谢途径一系列反应中的关键酶。一般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。抑制过程的效应物称为抑制剂，调节酶的抑制剂通常是末端代谢产物或其结构类似物。抑制剂与调节亚基结合引起酶构象发生变化，使催化亚基的活性中心发生改变，酶的催化性能随之受到影响。效应物的作用是可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢复。酶活性也受到能荷的调节。能荷不仅能调节ATP合成体系的酶的活性，也能调节ATP利用体系的酶的活性。当能荷在0.71以上时，ATP合成体系的酶活性受到抑制，ATP利用体系的酶活性则急剧上升；能荷较低时，情况则相反。1.3.2 酶合成的

45、调节这是通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制，这类调节在基因转录水平上进行，对代谢活动的调节是间接的、也是缓慢的，它的优点是通过阻止酶的过量合成，能够节约生物合成的原料和能量。酶合成的调节主要有两种类型：酶的诱导和酶的阻遏。1.3.2.1酶的诱导1）顺序诱导第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第种酶的产物又可诱导第二种酶的合成依此类推合成系列的酶，再依次合成分解中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。2）同时诱导即加入一种诱导别后，微生物能同时或几乎同时合成几种酶，它主要存在于较短的代谢途径中、合成这些酶的基因由同一个操纵子所控制。1.3.2.2 酶的阻遏在某代谢这样中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏；可被阻遏的酶称为阻遏酶。阻遏的生理学功能是节约生物体内有限的养分和能量。酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。1）末端代谢产物阻遏由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的(反馈)阻遏称为末端代谢产物阻遏。通常发生在合成代谢中，特别是在氨基酸