《微生物与免疫基础》教学课件-第五章-微生物的代谢

主讲人：秦玉丽

信阳农专第五章微生物的代谢主讲人：秦玉丽第五章微生物的代谢1第五章微生物的代谢知识目标：了解微生物代谢的定义和类型、微生物代谢的特点掌握微生物代谢和呼吸类型掌握化能异养微生物的生物氧化与产能了解微生物代谢的调节能力目标：了解细菌鉴定中常用的主要生理生化反应试验法及其原理第五章微生物的代谢知识目标：2第一节代谢概论一、微生物代谢的定义

广义的代谢是指生命体进行的一切化学反应。微生物代谢是微生物活细胞中各种生化反应的总称。微生物的代谢（metabolism）分为物质代谢和能量代谢。物质代谢包括分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)。能量代谢包括产能代谢和耗能代谢。第一节代谢概论一、微生物代谢的定义3

分解代谢（catabolism）又称异化作用，是指复杂的有机物大分子物质通过分解代谢酶系的催化降解成简单小分子物质、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用，为产能过程。

合成代谢（anabolism）又称同化作用，与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，细胞利用小分子物质、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。

分解代谢（catabolism）又称异化作用，4分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：→简单分子+ATP+[H]分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：→简5二、微生物代谢的特点

微生物的代谢与其他生物有许多相同之处和相异之处。微生物代谢的特点是代谢旺盛，代谢类型多样，代谢调节的严格性和灵活性，自我调节能力强，易于人工控制，从而使微生物在自然界物质循环和生态系统中起着十分重要的作用。二、微生物代谢的特点

微生物的代谢与其他生物6第二节微生物对自然界有机物质的分解一、纤维素的分解

分解纤维素的微生物有：细菌、放线菌、真菌。其中分解能力较强的微生物主要是真菌，如木霉（Trichoderma）、根霉（Rhizopus）、黑曲霉及青霉（Penicillium）等，由于霉菌产纤维酶的能力较强，培养简单，一般作为纤维素酶生产菌。第二节微生物对自然界有机物质的分解一、纤维素的分解7分解纤维素的酶有两类：细胞表面酶和外酶。

纤维素在微生物分泌的纤维素酶的作用下将维生素分解成纤维二糖，纤维二糖在纤维二糖酶的作用下水解成葡萄糖。纤维素酶也是由许多密切相关酶组成的酶系。该酶系由酶Ⅰ（E1）、酶Ⅱ（E2）和酶Ⅲ（E3）3种类型的酶组成。分解纤维素的酶有两类：细胞表面酶和外酶。纤维素8E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—1，4糖苷键，产物为寡糖；E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖；E3为β－葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—19E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—1，4糖苷键，产物为寡糖；E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖；E3为β－葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—110E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—1，4糖苷键，产物为寡糖；E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖；E3为β－葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—111E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—1，4糖苷键，产物为寡糖；E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖；E3为β－葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的β—112E1和E2的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制，E3活性受葡萄糖反馈抑制。在适宜条件下，纤维素在E1、E2及E3的联合作用下完全水解，产生大量葡萄糖，纤维素酶的作用模式如下所示。天然纤维素水合非结晶纤维素纤维二糖+葡萄糖葡萄糖E1E2E3E1和E2的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制，E313二、淀粉的分解和糖发酵淀粉在植物种子中含量很高，分为直链淀粉与支链淀粉两种。直链淀粉是由250～300个葡萄糖分子通过-1,4糖苷键连接而成的线性大分子聚合物，分子量约60000，通常卷曲为螺旋形。支链淀粉是由1300个以上的葡糖通过-1,4和-1,6糖苷键连接而成的大分子聚合物，分子量大于20万。二、淀粉的分解和糖发酵141.-淀粉酶(-amlase)-淀粉酶又称液化型淀粉酶。在适宜条件下，该酶能从淀粉分子内部不规则切断-1,4糖苷键，但不能切断-1,6及邻近-1,6糖苷键的-1,4糖苷键，难于切断淀粉分子两端的-1,4糖苷键。因此，-淀粉酶催化直链淀粉分解的产物为寡糖与麦芽糖的混合物，催化支链淀粉分解的产物为带有-1,6糖苷键的糊精、麦芽糖和葡萄糖。1.-淀粉酶(-amlase)152.-淀粉酶-淀粉酶作用于淀粉的-1,4糖苷键，从淀粉分子非还原性末端开始，以麦芽糖为单位切断-1,4糖苷键，不能切断-1,6糖苷键，也不能越过-1,6糖苷键去切断分子中间的-1,4糖苷键，故该酶作用于淀粉的产物为麦芽糖，带分支侧链的寡糖及界限糊精。该酶催化淀粉降解形成的产物麦芽糖在光学构型上为-型，故称之-淀粉酶；2.-淀粉酶163.糖化酶与异淀粉酶糖化酶从淀粉分子的非还原性末端以葡萄糖为单位水解-1,4糖苷键，产物为葡萄糖；不能水解-1，6糖苷键。异淀粉酶能水解-1,6糖苷键。微生物产生的淀粉酶中，细菌产生的主要是-淀粉酶，霉菌产生的主要为异淀粉酶。3.糖化酶与异淀粉酶17三、果胶质的分解果胶质是构成植物细胞间质的组分，含量虽然不多，但也是植物的重要组成分，果胶质由半乳糖醛酸单体聚合而成。聚合态半乳糖醛酸称为果胶酸，果胶酸羧基甲基化的产物称果胶，果胶又分为可溶性果胶与不溶性果胶（又称原果胶）。三、果胶质的分解18果胶质能被多种细菌和真菌分解。细菌中的厌气性蚀果胶梭菌和费新尼亚梭菌，如好气性浸麻芽孢杆菌等均能分解果胶质。果胶分解过程如下：原果胶(不溶解)可溶性果胶可溶果胶+水果胶酸+甲醇果胶酸+水半乳糖醛酸果胶质能被多种细菌和真菌分解。细菌中的厌气性蚀果胶19四、木质素和芳香族化合物的分解木质素是植物木质化组织的重要成分，禾本科秸秆含木质素20%左右，木质素的化学结构不十分清楚。据现有研究，木质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物（苯丙烷、松柏醇等）氧化缩合而成的，是难分解的物质，一般不彻底分解，而是形成中间产物积累。四、木质素和芳香族化合物的分解20能分解木质素的微生物主要是担子菌纲的一些种类，如干朽菌（Merulius）、多孔菌（Polyporus）及伞菌（Agaricus）等属的一些种。木质素在土壤中分解缓慢。好气条件下的分解速度较快。真菌分解木质素的能力较细菌强。能分解木质素的微生物主要是担子菌纲的一些种类，如干21五、蛋白质和氨基酸的分解1.蛋白质的分解

蛋白质是许多氨基酸通过肽键连接而成的大分子聚合物，不能直接进入微生物细胞。在蛋白酶与肽酶作用下，蛋白质水解为肽及氨基酸，氨基酸直接进入细胞后参与细胞内的一系列脱羧、脱氨等复杂的生化反应。氨基酸主要作为微生物生长的氮源，在碳、能源不足时也可用作碳源与能源物质。五、蛋白质和氨基酸的分解22蛋白酶是一种胞外酶。不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催化才能降解。如明胶、酪蛋白、胶原蛋白和角蛋白分别由明胶蛋白酶、酪蛋白酶、胶原蛋白酶及角蛋白酶水解。微生物不同，分解利用蛋白质的能力不同。真菌分解蛋白质的能力较细菌强，且能利用天然蛋白质。大多数细菌不能利用天然蛋白质，只能利用某些变性蛋白及蛋白胨、肽等蛋白质的降解产物，这与大多数细菌能合成肽酶有关。蛋白酶是一种胞外酶。不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催23微生物分解蛋白质可以分为两个阶段：第一个阶段：多肽

蛋白质氨基酸第二个阶段：在酶的作用下，使氨基酸进一步分解。微生物分解蛋白质可以分为两个阶段：第一个阶段：多肽蛋白质242.氨基酸的分解氨基酸通常是被微生物直接用于合成细胞物质，但在厌氧与缺少碳源的条件下，也能被某些细菌用作能源和碳源。微生物分解利用氨基酸主要是通过脱氨作用和脱羧作用。2.氨基酸的分解25（1）脱氨作用脱氨的方式主要有氧化脱氨基（如大肠杆菌）、还原脱氨基（如梭状芽孢杆菌）、水解脱氨基（如酵母菌）、氧化－还原脱氨基（如某些梭菌）4种。（1）脱氨作用26①氧化脱氨基作用（普遍存在于动、植物中）在有氧作用下，氨基酸进行氧化脱氨作用，产物是-酮酸和氨（每消耗1分子氧，产生2分子-酮酸和2分子氨）。CH3CHNH2COOH+1/2O2

CH3COCOOH+NH3丙氨酸丙酮酸①氧化脱氨基作用（普遍存在于动、植物中）在有氧27②还原脱氨基在无氧条件下，氨基酸在氢化酶的参与下以还原方式脱氨生成有机酸和氨。HOOCCH2CHNH2COOHHOOCCH=CHCOOH+NH3天冬氨酸丁烯二酸②还原脱氨基在无氧条件下，氨基酸在氢化酶的参与下28

③水解脱氨基在无氧条件下，氨基酸在水解酶的参与下被水解生成羟酸和氨。CH3CHNH2COOH+H2OCH3CHOHCOOH+NH3

丙氨酸

乳酸

羟酸脱羧生成一元醇，或氨基酸在水解过程中同时伴随有脱羧过程，生成一元醇、氨和二氧化碳。CH3CHNH2COOH+H2O

CH3CH2OH+CO2+NH3丙氨酸

乙醇

③水解脱氨基在无氧条件下，氨基酸在水解酶的参与下29有些微生物如大肠杆菌、变形杆菌等使色氨酸水解脱氨基生成吲哚、丙酮酸和氨，当吲哚与对二甲基氨基苯甲醛试剂反应则生成红色的玫瑰吲哚。大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等能水解胱氨酸或半胱氨酸生成硫化氢，在培养基中加入硫酸亚铁或醋酸铅等重金属盐，接种细菌经培养后则出现黑色的硫化铁或硫化铅，为硫化氢反应阳性。这两个反应常用于细菌的鉴定。

有些微生物如大肠杆菌、变形杆菌等使色氨酸水解脱氨30④氧化－还原脱氨基反应当培养基中的碳源物质与能源物质缺乏时，某些梭菌在厌氧条件下通过此反应获得能量。在这一反应中，一种氨基酸作为供氢体氧化脱氨，另一种氨基酸作为受氢体还原脱氨，生成相应的有机酸、－酮酸、NH3，并放出能量。根据实验表明，作供氢体的氨基酸有丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸等，作受氢体的有甘氨酸、脯氨酸和鸟氨酸等。④氧化－还原脱氨基反应当培养基中的碳源物质与能源31（2）氨基酸的脱羧基作用

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酶的作用下，催化氨基酸脱羧生成有机胺和二氧化碳：R-CHNH2COOHR-CH2NH2+CO2氨基酸脱羧酶具有高度专一性，几乎是一种脱羧酶只分解一种氨基酸。利用这一特性可以通过微量测压计测定放出CO2的量分析某一氨基酸的含量和测定脱羧酶的活力。

（2）氨基酸的脱羧基作用R-CHNH2COOHR-CH232六、有机农药的分解农药在土壤中的降解降解包括光化学降解、化学降解和微生物降解等。农药进入土壤后，土壤微生物也会利用这些有机农药为能源，通过脱卤、脱烃、氧化、还原、环裂解和缩合等作用进行降解作用，使各种有机农药彻底分解成CO2，最后消失。土壤中脱氨的微生物种类很多，好气性大芽孢杆菌、枯草杆菌，厌气性的如腐败梭菌。此外还有细菌、放线菌、真菌。六、有机农药的分解33第三节微生物的产能代谢能量代谢的中心任务是生物体如何把外界环境中多种形式的最初能量转换成对一切生命活动都能使用的通用能源－ATP。微生物可利用的最初能源有有机物、日光和还原态无机物三大类，这三类最初能源的转化释放ATP的过程可以简单表示如下：第三节微生物的产能代谢34《微生物与免疫基础》教学课件-第五章-微生物的代谢35一、异养微生物的产能代谢

生物氧化是发生在活细胞内的一系列产能性氧反应的总称。生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子；生物氧化的过程可分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能、产还原力和产小分子中间代谢物三种。异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸以可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。一、异养微生物的产能代谢36（一）发酵（fermentation）广义的“发酵”是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式，如醋酸发酵，柠檬酸发酵等。狭义的“发酵”是指在厌氧条件下微生物细胞内发生的一种氧化还原反应，是在无外源电子受体的条件下，微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程。

（一）发酵（fermentation）371.发酵的途径发酵的种类有很多，可供微生物发酵的有机物质有糖类、有机酸、氨基酸等，多糖转化为单糖才能用于发酵，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解。微生物中能进行厌氧生活的主要是细菌，葡萄糖在细菌细胞中的厌氧分解途径主要有4种：己糖双磷酸降解或糖酵解（EMP）途径、己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环（HMP）途径、2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（ED）途径、磷酸解酮酶（PK）途径。1.发酵的途径38许多细菌可发酵葡萄糖，形成各种代谢产物。对某种微生物来说，其细胞内葡萄糖的厌氧分解以某一途径为主，另一途径为辅，少数微生物仅有一条途径（见表5-1）。PK途径目前仅发现于肠膜明串珠菌和双岐杆菌细胞中，其余3条途径比较广泛地存在于微生物之中，4条途径的特征性酶和产生的ATP数量不同（见表5-2）。许多细菌可发酵葡萄糖，形成各种代谢产物。对某种微39表5-1EMP、HMP和ED三条途径的分布微生物在微生物中分布的百分数(%)EMPHMPED酿酒酵母产朊假丝酵母灰色链霉菌（Streptomycesgriseus）产黄青霉（Penicillumchrysogenum）大肠杆菌枯草杆菌藤黄八叠球菌铜绿假单胞菌氧化醋单胞菌（Acetomonasoxydans）运动发酵单胞菌嗜糖假单胞菌（Pseudomonassaccharophila）8866-819777727470----1219-3432328263029100---------71-100100表5-1EMP、HMP和ED三条途径的分布微生物在微生物中40表5-2葡萄糖降解为丙酮酸时各途径的特点特征EMPHMPEDPK特征性酶1,6-二磷酸果糖醛缩酶转酮醇酶转醛醇酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶磷酸酮糖裂解酶首先放出的CO2来自葡萄糖的碳原子位数3,4111或不放出产生的ATP数21表5-2葡萄糖降解为丙酮酸时各途径的特点特征EMPHMPE41知识窗肠内酵母菌感染导致醉酒据报道，一些日本人因酵母菌感染而导致酒精中毒。其实这些人根本没有饮用任何酒精饮料，却经常呈醉酒状态。检查结果表明，生长在这些人肠道内的酵母菌能进行酒精发酵，它们制造出来的酒精足以让人大醉。经过抗生素治疗，这些人很快恢复了健康。知识窗肠内酵母菌感染导致醉酒42（1）EMP途径（Embden-Meyerhof-ParnasPathway）EMP途径是指在不需要氧的条件下，1分子葡萄糖经转化成1,6-二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在其反应过程中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH+H+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。EMP途径的简式可见图5-1。（1）EMP途径（Embden-Meyerhof-Parna432NADH+H+2丙酮酸2ATP4ATP耗能阶段产能阶段C62C32ATP图5-1EMP途径简式（C6为葡萄糖，C3为甘油醛-3-磷酸，方框表示终产物）2NADH+H+2丙酮酸2ATP4ATP耗能阶段产能阶段C644EMP途径的反应过程分为10步：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。在酵母菌、真菌和许多假单胞菌中，通过需要Mg2+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菌中，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。EMP途径的反应过程分为10步：45②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，因此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+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。②葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-46

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。④果糖-1,6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，47⑤二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。虽然在上步反应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-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。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48⑥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DAN+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应物上。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。⑦1,3-二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。⑥甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催49⑧3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。⑨2-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。⑧3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为50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。如发酵工业中乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇及丁二醇等重要产品的发酵生产与EMP途径密切相关。由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很51（2）HMP途径（HexosemonophosphatePathway）HMP途径是微生物细胞中存在的另一条重要的糖分解途径，这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。该途径的重要之处在于能为微生物生长提供能量和各种不同长度的碳架，用于细胞物质合成。HMP途径的总反应简图如图5-2所示。（2）HMP途径（Hexosemonophosphate5236ATP35ATP12NADPH+H+6C56CO26C4ATP5C4图5-2HMP途径的主要产物（C6为己糖或己糖磷酸，C5为核酮酸-5-磷酸，方框为本途径的直接产物；NADPH+H+必须先由转氢酶将其上的氢转到NAD+上并产生NDAH+H+后，才能进入呼吸）36ATP35ATP12NADPH+H+6C56CO26C453HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢。HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通过几54HMP途径在微生物生命活中的有着非常重要的作用：①为核苷酸和核酸的生物合成提供戌糖－磷酸。②产生大量NADPH2形式的还原剂，它不仅用于合成脂肪酸、固醇等重要的细胞物质，而且可通过呼吸链产生大量能量，而EMP和TCA循环不具备此种功能。故凡有HMP途径的微生物，有氧时不依赖TCA循环获得产能所需NADH2。HMP途径在微生物生命活中的有着非常重要的作用55

③反应中产生的4-磷酸赤藓糖可用于合成芳香族氨基酸（苯丙氨基酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）。 ④由于反应中存在C3～C7多种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源范围更广。如戌糖可用作碳源。 ⑤如果微生物对戊糖的需要超过HMP途径的正常供应量时，可通过EMP途径与本途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂。 ⑥通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 ③反应中产生的4-磷酸赤藓糖可用于合成芳香族氨基酸（56（3）ED途径（Entner-DoudoroffPathway）ED途径是在细菌中发现的另一条分解葡萄糖形成丙酮酸和3-磷酸甘油醛的途径。它是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径。其特点是葡萄糖只经过5步反应就可获得EMP需10步反应才能得到的丙酮酸；产能效率低（1分子葡萄糖仅形成1ATP）；反应中有1个关键中间产物KDPG。（3）ED途径（Entner-DoudoroffPathw57ED途径的总反应简图见图5-3。在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖酸的裂解，关键酶为KDPG醛缩酶。2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATP6ATP2乙醇无氧时进行发酵有氧时经呼吸链C6H12O6ATPKDPG图5-3ED途径的主要产物（KDPG为2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖酸，方框为直接终产物）ED途径的总反应简图见图5-3。在ED途径中的关键反应是2-58ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomonasspp.（一些假单胞菌）和Zymomonasspp.（一些发酵单胞菌）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－KDPG。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，因此可相互协调，以满足微生物对能量、还原力和各种中间代谢产物的需求ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Ps59（4）PK途径该葡萄糖分解途径就目前所知仅存在于肠膜明串珠菌和双歧杆菌中，分解产物为乳酸、CO2、乙醇或乙酸（图5—4）。这两种细菌基本不具有EMP、HMP和ED途径。（4）PK途径60 PK途径的特征性酶为5-磷酸木酮糖裂解酶（肠膜明串珠菌）或6-磷酸果糖裂解酶（双歧杆菌）。它们催化5-磷酸木酮糖裂解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，或催化6-磷酸果糖裂解为4-磷酸赤藓糖与乙酰磷酸。在肠膜明串珠菌中，1分子葡萄糖经PK途径产生1分子乳酸和1分子乙醇，放出1CO2；在双歧杆菌中，2分子葡萄糖经PK途径形成3分子乙醇和2分子乳酸。 PK途径的特征性酶为5-磷酸木酮糖裂解酶（肠膜明串珠菌）或61

葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMP、HMP、ED及PK途径形成多种中间代谢物。在不同的微生物细胞中及不同的环境条件下，这些中间代谢物进一步转化，形成各种不同的发酵产物。2.发酵途径 按微生物发酵葡萄糖所获得的主要产物种类，可将发酵分为不同类型：酵母菌的乙醇发酵与甘油发酵，细菌的丁酸发酵、丙酮—丁醇发酵、混合酸发酵及丁二醇发酵等。 葡萄糖在微生物细胞中进行厌氧分解时，通过EMP、HMP、E62（1）乙醇发酵 在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会累积不同的代谢物。能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。在发酵过程中，酵母菌利用EMP途径将葡萄糖分解为2分子丙酮酸，然后在丙酮酸脱羧酶催化下脱羧生成乙醛和CO2，乙醛接受糖酵解中产生的NADH+H+的氢，在乙醇脱氢酶作用下被还原为乙醇（1）乙醇发酵63 丙酮酸脱羧酶是乙醇发酵的关键性酶。该酶主要存在于酵母菌细胞中，它以焦磷酸硫胺素（TPP）为辅基，催化丙酮酸脱羧形成乙醛。 正常的乙醇发酵在弱酸性条件下进行，称为Ⅰ型发酵。

如果在发酵培养基中加入适量亚硫酸氢钠，NaHSO3与乙醛结合形成复合物，封闭了乙醛，使它不能用作受氢体。磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，形成-磷酸甘油，在-磷酸甘油酯酶的催化下，脱去磷酸，生成甘油，该发酵称为Ⅱ型发酵 丙酮酸脱羧酶是乙醇发酵的关键性酶。该酶主要存在于酵母菌细胞64（2）乳酸发酵 乳酸发酵指某些细菌在厌氧条件下利用葡萄糖生成乳酸及少量其它产物的过程。能进行乳酸发酵的细菌被称为乳酸菌。常见的乳酸菌有乳杆菌、乳链球菌、明串珠菌及双歧杆菌等。乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。（2）乳酸发酵65 ①同型乳酸发酵葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属（Streptococcus）的多数细菌通过同型乳酸发酵途径产生乳酸。 ①同型乳酸发酵葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在66 ②异型乳酸发酵葡萄糖经PK途径分解，发酵形成的产物除乳酸外还有乙醇和乙酸。肠膜明串珠菌和双歧杆菌所进行的乳酸发酵属于异型乳酸发酵（图5—4）。异型乳酸发酵途径的特点是有磷酸酮糖裂解反应。途径中葡萄糖经6-磷酸葡萄糖酸生成5-磷酸核酮糖，再经异构作用生成5-磷酸木酮糖。后者经磷酸酮糖裂解反应生成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。3-磷酸甘油醛进一步转变成丙酮酸后可以通过还原丙酮酸生成乳酸，而乙酰磷酸则还原为乙醇。 ②异型乳酸发酵葡萄糖经PK途径分解，发酵形成的产物除乳67 乳酸脱氢酶是乳酸发酵的关键酶。在Mg2+存在及1,6-二磷酸果糖浓度高时，乳链球菌、双歧杆菌细胞中乳酸脱氢酶活性高。当培养基葡萄糖限量时，乳酸菌细胞内1,6-二磷酸果糖浓度低，仅形成少量乳酸；在氮源限量的培养基中，乳酸菌细胞内，1,6-二磷酸果糖浓度高，形成大量乳酸。 乳酸脱氢酶是乳酸发酵的关键酶。在Mg2+存在及1,6-二磷68 ③双歧发酵这是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加发应，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分别催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解产生乙酸磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酸磷酸。 ③双歧发酵这是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径69（3）丙酸发酵 许多厌氧菌可进行丙酸发酵。葡萄糖经EMP途径分解为2个丙酮酸后，再被转化为丙酸。少数丙酸细菌还能将乳酸（或利用葡萄糖分解而产生的乳酸）转变为丙酸。（3）丙酸发酵70（4）丁酸与丙酮-丁醇发酵

丁酸发酵细菌为专性厌氧细菌，它们属于梭菌、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、真杆菌属（Eubacterium）和梭杆菌属（Fusobacterium）中的一些细菌。梭菌利用EMP将葡萄糖分解为丙酮酸，再经过一系列反应生成丁酸。葡萄糖经过与丁酸发酵相同的途径形成乙酰CoA，再进一步转化为丁醇与丙酮。（4）丁酸与丙酮-丁醇发酵71（5）混合酸与丁二醇发酵 埃希氏菌属（Fscherichia）、沙门氏菌属（Salmonella）和志贺氏菌属（Shigella）等肠细菌中的一些细菌，能利用葡萄糖进行混合酸发酵：葡萄糖经EMP途径分解为丙酮酸，该酸在不同酶催化下进一步转化为乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和H2，部分磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）固定1CO2后转化为琥珀酸。肠杆菌属（Enterobacter）和沙雷氏菌属（Serratia）中的一些细菌，能利用葡萄糖进行丁二醇发酵：形成大量丁二醇和气体，产生少量酸。在混合酸和丁二醇发酵中，除琥珀酸由PEP转化而来外，其余发酵产物均由丙酮酸衍变而成（表5－3）。（5）混合酸与丁二醇发酵72表5—3混合酸发酵与丁二醇发酵的产物产物产物大肠杆菌的混合酸发酵（mol/100mol葡萄糖）产气肠杆菌（Enterobacteraerogenes）的丁二醇发酵（mol/100mol葡萄糖）甲酸乙酸琥珀酸乙醇2,3-丁二醇CO2H2乳酸2.436.510.749.80.388.075.079.517.00.5-69.566.4172.035.42.9表5—3混合酸发酵与丁二醇发酵的产物产物产物大肠杆菌的混73（二）呼吸 呼吸是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。呼吸是指微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)＋、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并逐步释放化学能，形成ATP的过程。其特点为氢受体来自细胞外部，氢通过呼吸链进行传递。其中，以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸，以氧以外的其他氧化型化合物（NO3-，SO42-，HCO3-）作为最终电子受体的呼吸称为无氧呼吸。（二）呼吸74 呼吸与发酵的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体 呼吸与发酵的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物751.有氧呼吸（aerobicrespiration） 简称呼吸是一种最普遍、最重要的生物氧化或产能方式。除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应。在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环（TCA）被彻底氧化成水和CO2，同时释放出大量能量，一分子葡萄糖净产38个ATP。其特点是底物按常规方式（EMP,HMP及TCA等）所脱之氢经完整呼吸链传递，最终由O2接受氢形成水并释放能量（ATP）

1.有氧呼吸（aerobicrespiration）76 在有氧呼吸中，葡萄糖彻底分解为CO2和H2O，形成大量ATP。该分解过程分为两个阶段，在第1阶段，葡萄糖分解为2分子丙酮酸，由EMP、HMP和ED途径完成；第2阶段，丙酮酸通过三羧酸循环（图5—5）彻底分解，形成CO2和H2O，产生大量ATP。 在有氧呼吸中，葡萄糖彻底分解为CO2和H2O，形成大量AT77图5—5三羧酸循环（虚线表示可用于各种生物合成的中间代谢物）图5—5三羧酸循环（虚线表示可用于各种生物合成的中间代谢物78 三羧酸循环（tricarboxylicacidcyle，TCA）也称柠檬酸循环，是绝大多数异养微生物在有氧条件下彻底分解丙酮酸等有机底物的重要方式，是微生物物质代谢的枢纽，它将微生物的分解代谢和合成代谢连为一体。TCA循环的主要反应产物为CO2和ATP（图5—6）,但有一些重要的工业发酵产品如谷氨酸和柠檬酸，也是通过TCA循环生产的。 三羧酸循环（tricarboxylicacidcyle7912ATP2ATP3CO2ATPC3

CH3CO~CoA

4NADH+4H+

FADH2

GTP（底物水平）

图5—6TCA循环的主要产物（C3为丙酮酸，方框内为终产物）12ATP2ATP3CO2ATPC3CH3CO~CoA480 2.无氧呼吸（anaerobicrespiration） 无氧呼吸也称厌氧呼吸，是指在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等外源无机氧化物或有机氧化物（延胡索酸等）作为最终电子受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。 2.无氧呼吸（anaerobicrespiration）81按呼吸链末端的外源氢受体不同，无氧呼吸分为多种类型：（1）无机盐呼吸：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸以及碳酸盐呼吸。（2）延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）。按呼吸链末端的外源氢受体不同，无氧呼吸分为多种类型：82 ①硝酸盐呼吸(nitraterespiration) 硝酸盐呼吸又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能：一是NO3-作为微生物的氮源营养物；二是在无氧时NO3-作为呼吸链的最终氢受体。有些细菌能以NO3-为最终氢受体，这些细菌称为反硝化细菌或硝酸盐还原菌。如地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌及铜绿假单胞菌等均能进行反硝化作用。

①硝酸盐呼吸(nitraterespiration)83 ②硫酸盐呼吸(sulfaterespiration) 呼吸链末端氢受体为硫酸根的无氧呼吸。能进行硫酸盐呼吸的细菌称为硫酸盐还原细菌或反硫化细菌。该类细菌把呼吸链传递的氢交给SO42-，形成SO32-、S3O62-、S2O32-及H2S。因为SO42-可以接受呼吸链传递的氢，使得氢沿呼吸链的传递能正常进行，保证了微生物在无氧条件下可借助呼吸链的电子传递磷酸化获得能量。 ②硫酸盐呼吸(sulfaterespiration)84 ③硫呼吸(sulphurrespiration) 无机硫(S)作为呼吸链终端氢受体的无氧呼吸。在硫呼吸中，元素硫被还原为H2S。氧化乙酸脱硫单胞菌(Desulfuromonasacetoxidans)能进行硫呼吸。 ③硫呼吸(sulphurrespiration)85 ④碳酸盐呼吸(carbonaterespiration) 以CO2或HCO3-作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据还原产物将碳酸盐呼吸分为两类：产甲烷碳酸盐呼吸与产乙酸碳酸盐呼吸。在碳酸盐呼吸中，产生甲烷和乙酸的细菌分别称为产甲烷细菌和产乙酸细菌。 ④碳酸盐呼吸(carbonaterespiration)86 ⑤延胡索酸呼吸(fumaraterespiration) 呼吸链末端氢受体为延胡索酸的无氧呼吸。还原产物为琥珀酸。琥珀酸也能在以丙酮酸为底物的厌氧发酵中产生，但其前体为草酰乙酸，而不是延胡索酸，形成中也没有呼吸链传递氢过程。 ⑤延胡索酸呼吸(fumaraterespiration)87二、自养微生物的生物氧化 一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。二、自养微生物的生物氧化881．氨的氧化 NH3同亚硝酸(NO2-)是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。

氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。1．氨的氧化892．硫的氧化 硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐)作能源。硫细菌分为光能自养型和化能自养型。 亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，—是直接氧化成SO42-的途径，由亚硫酸盐--细胞色素c还原酶和末端细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化的途径，每氧化一分子SO42-产生动5个ATP。

2．硫的氧化903．铁的氧化

能将Fe2+氧化为Fe3+，并利用氧化过程产生的ATP和还原力同化CO2进行自养生长的细菌称为铁细菌。硫杆菌属中的氧化亚铁硫杆菌不仅能氧化元素硫和还原性硫化物，还具有铁细菌的生理功能。亚铁杆菌(Ferrobacillus)等属中有许多菌属于铁细菌。铁细菌：2Fe2++1/2O2+2H+→2Fe3+3．铁的氧化铁细菌：2Fe2++1/2O2+2H+→2F914．氢的氧化 氢细菌都是—些呈革兰氏阴性的兼性化能自养茵。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。大多数氢细菌为革兰氏阳性菌、好氧，少数厌氧或兼性厌氧。在化能自养菌中，氢细菌生长速度最快，细胞得率高。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生了ATP。

4．氢的氧化92三、能量转换 在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP高能分子中，对光全微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。三、能量转换931．底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）

物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程中。1．底物水平磷酸化（substratelevelphos942．氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷酸化。一分子NADH和FADH2可分别产生3个和2个ATP。2．氧化磷酸化（oxidativephosphorylat953．光合磷酸化（photophosphorylation）

光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，以用于从CO2合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等）。它们利用光能维持生命，同时也为其他生物（如动物和异养微生物）提供了赖以生存的有机物。3．光合磷酸化（photophosphorylation）96（1）光合色素 光合色素是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶绿素(chl)或细菌叶绿素(Bchl)，类胡萝卜素和藻胆素。

（1）光合色素97（2）光合单位

以往将在光合作用过程中还原一分子CO2所需的叶绿素分子数称为光合单位。后来通过分析紫色细菌载色体的结构，获得了对光合单位的进一步认识。光合色素分布于两个“系统”，分别称为“光合系统I”和“光合系统II”。每个系统即为一个光合单位。这两个系统中的光合色素的成分和比例不同。一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成。

（2）光合单位98（3）光合磷酸化 光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。当—个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素（或细菌叶绿素）释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。（3）光合磷酸化99①环式光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）

一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，其特点是：①在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；②产ATP与还原力[H]分别进行；③还原力来自H2S等的无机氢供体；④不产生氧。①环式光合磷酸化（cyclicphotophosphory100②非环式光合磷酸化（noncyclicphotophosphorylation）

通过光驱动的电子在ETC上单向流动形成ATP、NADPH2和O2的过程称为非循环光合磷酸化。这是蓝细菌、藻类及各种绿色植物利用光能产生ATP的共同途径。该途径有4个特点：①电子在ETC上单向传递，不形成循环；②有两个光合系统；③反应中同时产生ATP（产自光合系统Ⅱ）、还原力NADPH2（产自光合系统Ⅰ）和O23种产物；④NADPH2中的[H]来自H2O光解释放的H+和e。②非环式光合磷酸化（noncyclicphotophosp101第四节微生物的合成代谢一、糖类的生物合成 微生物在生长过程中，除了有分解糖类得能量代谢外，还不断地从简单化合物合成糖类，以构成细胞生长所需要地单糖、多糖等。单糖在微生物中很少以游离形式存在，一般以多糖或多聚体的形式，或是以少量的糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。单糖和多糖的合成对自养和异氧微生物的生命活动十分重要。第四节微生物的合成代谢102（一）单糖的生物合成

无论自养微生物还是异氧微生物，其合成单糖的途径一般都是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷酸，然后在转化为其他的糖。因此单糖合成的中心环节是葡萄糖的合成。但自养和异养微生物合成葡萄糖的（碳源）前体并不相同，途径也不同。生物合成反应中所需的己糖可从外界环境获得或用非糖前体物来合成。主要的合成途径见图5-8。（一）单糖的生物合成103ATP葡萄糖葡糖-6-磷酸能量代谢磷酸烯醇式丙酮酸TCA循环草酰乙酸葡萄糖异生糖酵解葡糖-1-磷酸5-磷酸核酮糖5-磷酸核糖戊糖途径嘌呤和嘧啶碱核糖核酸RNANADP+NADPH脱氧核糖核酸DNAUD-葡萄糖（尿嘧啶葡糖二磷酸）UTP细胞壁（肽聚糖）多糖生物合成图5-8己糖代谢中的主要反应ATP葡萄糖葡糖-6-磷酸能量代谢磷酸烯醇式丙酮酸TCA循环104（二）多糖的合成 微生物细胞内所含的多糖是一种多聚物，包括同多糖和杂多糖。同多糖是由相同单糖分子聚合而成的糖类，如糖原、纤维素等。杂多糖是由不同单糖分子聚合而成的糖类，如肽聚糖。多糖的合成通常是以核苷二磷酸糖（如尿苷二磷酸葡萄糖）作为起始物，逐步加到多糖链的末端，使糖链延长，反应过程见图5-9。（二）多糖的合成105UDP-N-乙酰葡萄糖胺UDP-N-乙酰胞壁酸PFPPiNADPH2NADP+图5-9多糖合成中糖链的延长

UDP-N-乙酰葡萄糖胺UDP-N-乙酰胞壁酸PFP106

原核微生物细胞壁的重要组分是肽聚糖，它是一种异型多糖。肽聚糖的单体是在细胞内合成的，然后通过膜，在膜外合成肽聚糖，聚合作用所需的酶位于细胞膜上。肽聚糖的合成，比同型多糖的合成要复杂得多。各类细菌合成肽聚糖的过程基本相同，一般可以分为下面几个步骤： 原核微生物细胞壁的重要组分是肽聚糖，它是一种异型多糖。肽聚107（1）由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸（2）肽聚糖亚单位—二肽合成（3）肽聚糖亚单位转接到细胞壁的生长点上（4）通过转肽反应形成完整的肽聚糖分子（1）由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸108二、脂肪酸的生物合成 已发现在细菌中有几十种脂肪酸，但每一种细菌一般只含有几种脂肪酸。大多数细菌的脂肪酸含有偶数碳原子，脂肪酸链长度在C14~C18之间。在脂肪酸合成过程中，一种对热与酸都稳定的酰基载体蛋白（ACP-SH）参与了脂肪酸合成的全过程。丙酮酸代谢进人三羧酸循环的第一个产物是乙酰CoA，乙酰CoA和其他酰基CoA和酰基载体蛋白反应产生CoA和酰基-S-ACP，进人脂肪酸合成途径。

二、脂肪酸的生物合成109三、氨基酸和核苷酸的生物合成1.氨的同化和氨基酸的合成 氨同化途径是先合成谷氨酸（或谷氨酰胺）、丙氨酸和天冬氨酸，然后由这几种氨基酸作为氨基供体，合成其他氨基酸。例如氨与-酮戊二酸结合，形成谷氨酸。反应式如下：

-酮戊二酸+NH4++NADH+H+→L-谷氨酸+NAD+-酮戊二酸+NH4++NADPH+H+→L-谷氨酸+NADP+三、氨基酸和核苷酸的生物合成-酮戊二酸+NH4++1102.核苷酸的合成核苷酸在生物体内主要用来合成核酸和参与某些酶的组成，它由碱基、核糖和磷酸三部分组成。核糖部分是从1-焦磷酸-5-磷酸核糖（PRPP）产生，后者又是从糖代谢的HMP途径产生：HMP途径5-磷酸核糖5-磷酸核糖+ATPPRPP+AMP2.核苷酸的合成111 PRPP经过一系列酶的催化合成作用产生次黄嘌呤核苷酸（IMP），再产生腺嘌呤核苷酸和鸟嘌呤核苷酸： PRPP经过一系列酶的催化合成作用产生次黄嘌呤核苷酸（I112嘧啶核苷酸也是从PRPP产生的，首先是：天冬氨酸+氨甲基磷酸嘧啶碱嘧啶碱+PRPP磷酸乳清核苷酸（IMP）再从OMP产生尿嘧啶和胞嘧啶：OMP→UMP→UDP→UTP→CTP以上是构成四种主要核糖核苷酸（ATP，GTP，UTP，CTP）的简要途径。

嘧啶核苷酸也是从PRPP产生的，首先是：113 三种脱氧核糖核苷酸是从核糖核苷酸还原产生的： ADP→dADP→dATP GDP→dGDP→dGTP CDP→dCDP→dDTP 三种脱氧核糖核苷酸是从核糖核苷酸还原产生的：114 另外一种胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸（dTTP），则是从尿嘧啶核糖核苷酸（UTP）经过一系列复杂的过程产生的：

另外一种胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸（dTTP），则是从尿嘧啶核115第五节微生物的代谢调节

微生物细胞内的代谢调节主要通过酶合成量、酶活性及细胞膜透性的控制实现。主要有两种类型：1、酶合成的调节，在遗传学水平上发生的，调节的是酶分子的合成量。2、酶活性调节，在酶化学水平上发生的，调节的是已有酶分子的活性。第五节微生物的代谢调节116一、酶合成的调节 酶合成调节是通过控制酶的合成量调节代谢速率的调节机制。这是一种在基因表达水平上的调节。凡能促进酶生物合成的调节称为诱导，阻碍酶生物合成的调节称为阻遏。通过酶合成量调节代谢速率是一种间接而缓慢的方式，可称之为“粗调”，其优点是通过阻止酶的过量合成降低代谢速率，节约用于生物合成的原料和能量。一、酶合成的调节117（一）酶合成调节的类型1.诱导

根据酶合成与底物的关系将酶分为组成型与诱导型两类。组成酶是细胞固有的酶，其合成受相应基因控制，与底物、底物结构类似物及环境条件无关，它主要用于调节初级代谢。诱导酶是细胞为适应外来底物或底物结构类似物而临时合成的酶。（一）酶合成调节的类型118表5-4几种诱导酶的正常与高效诱导物酶正常底物类似底物的高效诱导物-半乳糖苷酶青霉素酶甘露糖链霉素酶乳糖苄基青霉素甘露糖异丙基--D-硫代半乳糖苷2，6一二甲氧基苄基青霉素—甲基甘露糖苷表5-4几种诱导酶的正常与高效诱导物酶正常底物类似底物的高1192.阻遏

在微生物的代谢过程中，当某途径的末端产物过量时，可通过阻碍该代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，彻底控制代谢和末端产物合成。阻遏作用有利于微生物从合成源头节省有限的养料与能量。阻遏分为末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。2.阻遏120（二）酶合成调节的机制1.酶合成的调节机制可用操纵子学说解释（1）操纵子

“操纵子”(operon)指的是1组功能相关的基因。它由启动基因(promoter)、操纵基因(operator)和结构基因(Structuralgene)3部分组成。（二）酶合成调节的机制121

启动基因是一种能被RNA多聚酶识别的碱基序列，该序列既是RNA聚合酶的结合部位，也是转录起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基序列，能与阻遏物(一种调节蛋白)相结合，以此决定结构基因的转录是否能进行；结构基因是决定某一多肽的DNA模板，可根据其上的碱基序列转录出对应的mRAN，再通过核糖体翻译合成相应的酶蛋白。 启动基因是一种能被RNA多聚酶识别的碱基序列，该序列既是122

操纵子分两类，一类为诱导型操纵子，另一类为阻遏型操纵子。在诱导物(一种效应物)存在时才发生转录、翻译，合成诱导酶的操纵子称为诱导型操纵子。在缺乏辅阻遏物(一种效应物)时才发生转录、翻译的操纵子称为阻遏型操纵子。阻遏型操纵子编码酶的合成，只有通过去阻遏作用才能启动。精氨酸、组氨酸和色氨酸合成的操纵子就属于阻遏型。 操纵子分两类，一类为诱导型操纵子，另一类为阻遏型操纵子。在123（2）调节基因用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般位于操纵子附近。（3）效应物效应物是一类低分子量的信号物质(如糖类及其衍生物，氨基酸及核苷酸等)，包括诱导物与辅阻遏物，它们可与调节蛋白结合，使之发生变构，提高或降低与操纵基因的结合能力。（2）调节基因用于编码组成型调节蛋白的基因。调节基因一般124（4）调节蛋白调节是一类变构蛋白，具有两个特殊位点。其一与操纵基因结合，其二与效应物结合。调节蛋白与效应物结合后会发生变构作用。通过变构，调节蛋白与操纵基因的结合力发生变化(提高或降低)。调节蛋白分为两种类型，一种称阻遏物，它能在没有诱导物时单独与操纵基因结合，另一种称阻遏物蛋白，它只能在辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。（4）调节蛋白调节是一类变构蛋白，具有两个特殊位点。其一125①乳糖操纵子的诱导机制

图5-11乳糖操纵子的调节示意图（包括底物的诱导和分解代谢物的阻遏）（P为启动基因；O为操纵基因；z、y、a为3个结构基因；R为调节基因；t为终止基因）①乳糖操纵子的诱导机制 图5-11乳糖操纵子的调节示意图126②色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制

色氨酸操纵子的阻遏是对合成代谢酶类进行正调节的例子。在合成代谢中，催化氨基酸等小分子末端产物合成的酶应随时存在于细胞内，因此，在细胞内这些酶的合成应经常处于消阻遏状态；相反，在分解代谢中的-半乳糖苷酶等则经常处于阻遏状态②色氨酸操纵子的末端产物阻遏机制127图5-12色氨酸终产物反馈阻遏调节图5-12色氨酸终产物反馈阻遏调节128二、酶活性的调节

酶活性调节指通过中间代谢产物或终产物改变已有酶分子的活性，进而控制代谢速率。酶活性调节分激活和抑制两种方式，调节效果迅速而灵敏。通过酶活性调节，微生物能迅速适应代谢环境的突然变化。酶激活指酶在特定物质作用下，从无活性变为有活性或活性提高的过程。二、酶活性的调节129（一）反馈抑制的类型1.直线代谢途径中的反馈抑制 直线代谢途径的反馈抑制较为简单，异亮氨酸合成的反馈抑制就是一例。在合成异亮氨酸时，因合成产物过多可抑制途径中第一个酶－苏氨酸脱氢酶的活性，从而使—酮丁酸及其后一系列中间代谢产物都无法合成，最终导致异亮氨酸合成的停止。（一）反馈抑制的类型1302.分支代谢途径中的反馈抑制 分支代谢途径中的反馈抑制较为复杂，主要有5种类型。（1）同功酶调节同功酶又称同工酶，指能催化同一生化反应但酶蛋白分子结构不同的一类酶。同功酶主要用于代谢调节。在1个分支代谢途径中，如果分支点以前的一个反应是由几个同功酶催化，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。如图5-13中A→B的反应由3个同功酶a、b、c催化，它们分别受最终产物E、H、G抑制，某一终产物过量时仅能抑制相应同功酶的活性，而不影响其他几种终产物的合成。2.分支代谢途径中的反馈抑制131图5-13同功酶调节示意图图5-13同功酶调节示意图132（2）协同反馈抑制指分支代谢途径中的几个终产物同时过量时才能抑制共同途径的第1个酶的调节方式(图5-14)。图5-14协同反馈抑制示意（2）协同反馈抑制指分支代谢途径中的几个终产物同时过量时133（3）协作反馈抑制也称增效反馈抑制，指两种终产物同时存在时的反馈抑制效果远大于一种终产物过量时的反馈抑制作用(图5-15)。 协作反馈抑制与协同反馈抑制相似，其特点是每个终产物都能独立地发挥较弱的反馈抑制作用。当其中1种终产物过量合成时，就会立即控制超量终产物分支点后的代谢。当所有终产物都过量合成时，才共同作用以增强抑制效果。（3）协作反馈抑制也称增效反馈抑制，指两种终产物同时存在134图5-15终产物D、F的协作反馈抑制图5-15终产物D、F的协作反馈抑制135（4）累积反馈抑制每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑制共同途径前端的酶；当几种终产物共同存在时，它们的抑制作用是累积的；各终产物之间无关(图5-16)。（5）顺序反馈抑制在分支代谢途径中，按一定顺序逐步进行的反馈抑制称为顺序反馈抑制。在图5-17中，E过量可抑制C→D，导致C浓度增高，促使反应向C→F→G方向进行，又造成另一终产物G浓度升高；G过量时抑制C→F，导致C浓度升高，进一步抑制A→B转化。60%ABCDEF60%20%G（4）累积反馈抑制每一分支途径的终产物按一定百分率单独抑136图5-16累积反馈抑制图5-16累积反馈抑制137(终产物E、G分别抑制总酶活的20%、50%，E、G同时存在时的抑制率为20%+(100-20)×50%=60%)图5-17顺序反馈抑制：（1）被C抑制；（2）被Y抑制；（3）被Z抑制(终产物E、G分别抑制总酶活的20%、50%，E、G同时存在138（二）反馈抑制的机理 酶活性调节的机理可用变构理论解释。该理论认为，酶是具有一定立体构型的蛋白质，变构酶是一种变构蛋白，它具有两个或两个以上立体专一性不同的位点。能与底物结合并有生化催化活性的位点称为活性中心，能与效应物(代谢终产物等)结合的变构位点称调节中心。酶与效应物结合引起活性中心的构型、性质及酶活性发生变化。能促进活性中心与底物结合，提高催化活性的效应物称活化剂；能减弱活性中心与底物结合，降低酶活性的效应物称为抑制剂。（二）反馈抑制的机理139图5-18变构酶的激活(左)与抑制(右)图5-18变构酶的激活(左)与抑制(右)140第六节微生物次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢与次级代谢产物（一）初级代谢与次级代谢 次级代谢是相对于初级代谢而言的，初级代谢（primarymetabolism）是一类主要发生在生长繁殖期的普遍存在于一切生物中的代谢类型，而次级代谢（secondarymetabolism）是某些生物为了避免在初级代谢过程中某种中间产物积累所造成不利作用或外环境因素胁迫而产生的一类有利于生存的代谢类型。第六节微生物次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢与次级代谢141（二）次级代谢产物的类型

目前就整体来说，对次级代谢产物的研究远远不及对初级代谢产物研究那样深人。与初级代谢产物相比，次级代谢产物无论在数量上还是在产物的类型上都要比初级代谢产物多得多和复杂得多。迄今对次级代谢产物分类还无统一的标准。根据次级代谢产物的结构特征与生理作用的研究，次级代谢产物可大致分为抗生素、生长刺激素、色素、生物碱与毒素等不同类型。（二）次级代谢产物的类型1421.抗生素

抗生素是对其他种类微生物或细胞能产生抑制或致死作用的一大类有机化合物。它是由生物合成或半合成的次级代谢产物。目前发现的抗生素已有10000多种，由点青霉产生的青霉素是上一世纪30年代发现的第一种抗生素。1.抗生素1432.生长刺激素

它是主要由植物和某些细菌、放线菌、真菌等微生物合成并能刺激植物生长的一类生理活性物质。如赤霉素就是由引起水稻恶苗病的藤仓赤霉（Gibberellafujikuroi）产生的一种不同类型赤霉素的混合物，是农业上广泛应用的植物生长刺激素，尤其在促进晚稻在寒露来临之前抽穗方面具有明显的作用。2.生长刺激素1443.色素是指由微生物在代谢中合成的积累在胞内或分泌于胞外的各种呈色次生代谢产物。例如灵杆菌和红色小球菌细胞中含有花青素类物质，使菌落出现红色。4.毒素对人和动植物细胞有毒杀作用的一些微生物次生代谢产物称为毒素。毒素大多是蛋白质类物质，例如毒性白喉棒状杆菌产生的白喉毒素、破伤风梭菌产生的破伤风毒素、肉毒梭菌产生的肉毒毒素等。3.色素是指由微生物在代谢中合成的积累在胞内或分泌于胞外1455.生物碱

虽然生物碱大部分由植物合成，但某些霉菌合成的生物碱如麦角生物碱，即属于次生代谢产物。麦角生物碱在临床上主要用来作为防止产后出血、治疗交感神经过敏、周期性偏头痛和降低血压等疾病的药物。5.生物碱146二、次级代谢的调节1.初级代谢对次级代谢的调节

次级代谢与初级代谢类似，它在调节过程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的诱导和阻遏。由于次级代谢一般以初级代谢产物为前体，因此次级代谢必然会受到初级代谢的调节。二、次级代谢的调节1472.碳、氮代谢物的调节作用

次级代谢产物一般在菌体对数生长后期或稳定期间合成，这是因为在菌体生长阶段，被快速利用的碳源的分解物阻遏了次级代谢酶系的合成。因此，只有在对数后朗或稳定期，这类碳源被消耗完之后，解除阻遏作用，次级代谢产物才能得以合成。2.碳、氮代谢物的调节作用1483．诱导作用及产物的反馈抑制

在次级代谢中也存在着诱导作用，例如，巴比妥虽不是利福霉素的前体，也不掺入利福霉素，但能促进将利福霉素SV转化为利福霉素B的能力。同时次级代谢产物的过量积累也能像初级代谢那样，反馈抑制其合成酶系。3．诱导作用及产物的反馈抑制149 此外，培养中的磷酸盐、溶解