第6章 微生物的代谢

第六

章

微生物的代谢通过本章的学习，要求掌握：1、微生物代谢类型的特点及多样性。2、合成代谢所需小分子化合物及能量、还原力产生。3、微生物细胞中特有的合成代谢。重点：1、微生物的产能方式。2、微生物细胞中特殊的合成代谢（分子N固定，肽聚糖合成）。难点：微生物所具有的特殊合成代谢：1、分子态N的固定过程及固N酶的特性。2、肽聚糖的合成过程。新陈代谢（metabolism）简称代谢，是细胞内发生的各种化学反应的总称分解代谢复杂分子（有机物）小分子+ATP

+[H]合成代谢物质代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)能量代谢产能代谢耗能代谢第一节微生物产能代谢一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。这就是产能代谢。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）一．生物氧化生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物化能自养微生物利用无机物化能异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中（一）化能自养微生物的生物氧化氢细菌：

H2＋1／2O2—→H2O＋56.7千卡铁细菌：2Fe++＋1／4O2＋2H+—→2Fe+++＋1／2H2O＋10.6千卡

好气性的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。无机物氧化释放出的电子靠电子传递磷酸化或者是基质水平磷酸化产生能量ATP。

硝化细菌

亚硝化细菌在氧化NH4+—→NO2时获得能量供细胞生长NH4+＋11／2O2—→NO2-＋H2O＋2H+＋64.7千卡硝化细菌在氧化NO2-—→NO3-时获得能量供细胞生长NO2-＋1／2O2—→NO3-＋18.5千卡

硫化细菌

硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。S＋3／2O2＋H2O—→SO4=＋2H+＋139.8千卡S=＋2O2—→SO4=＋189.9千卡生物氧化反应呼吸有氧呼吸（二）化能异养微生物的生物氧化发酵厌氧呼吸1、呼吸作用（respiration）呼吸作用：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释放出能量的过程。（1）有氧呼吸（aerobicrespiration）又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是化合物氧化脱下的氢和电子经完整的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。能进行有氧呼吸的微生物都是好氧菌和兼性厌氧菌。（2）无氧呼吸(anaerobicrespiration)某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸也叫厌氧呼吸，最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物。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。由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌：兼性厌氧无氧时，进行厌氧呼吸（环境中存在硝酸盐时）；有氧时，细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，进行有氧呼吸。2、发酵(fermentation)发酵：是指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的代谢产物。呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：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（氧或无机氧化物）。巴斯德效应：对于主要进行发酵作用的微生物，若有氧存在时，则会发生呼吸作用抑制发酵，这种现象称为巴斯德效应。不同的微生物进行乙醇发酵的途径和产物不同，主要有酵母菌的乙醇发酵和细菌的乙醇发酵。酵母菌的乙醇发酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP接合单胞菌的乙醇发酵：C6H12O6——→2CH3CH2OH+2CO2+ATP上述两种微生物进行的乙醇发酵都产生ATP，但酵母菌产能多，细菌产能少。ATP的产生是靠基质水平磷酸化生成的。

1、乙醇发酵同型乳酸发酵：指发酵产物只有单一的乳酸德氏乳杆菌：C6H12O6――——→2乳酸+2ATP异型乳酸发酵：指发酵产物除乳酸外，还有其它的化合物。肠膜状明串珠菌：葡萄糖———→1乳酸+1乙醇+1CO2+1ATP双岐杆菌：

2×葡萄糖————→2乳酸+3乙酸+5ATP（P.K为磷酸戊糖解酮酶，H.K为磷酸已糖解酮酶）2、乳酸发酵3、丁酸发酵4、丙酮丁醇发酵

丁酸梭状芽孢杆菌（Clostridiumbutyricum）可以发酵葡萄糖得到丁酸4C6H12O62乙酸＋3丁酸＋8CO2＋8H2＋10ATP

每mol葡萄糖在发酵中大约产2.5个ATP丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）在发酵葡萄糖经丙酮酸到丁酸中，当丁酸和乙酸大量积累时会使pH下降至4.0，这时导致丁酸进一步还原为丁醇，微生物利用还原丁酸为丁醇的酶还原乙酸为乙醇。并还产生丙酮。葡萄糖丁醇＋丙酮＋乙酸＋乙醇＋H2＋CO2＋ATP不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气化能营养型光能营养型底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化光合磷酸化ATP的产生二、能量的转换1、底物水平磷酸化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。例如，在EMP途径中，1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成2、电子传递水平磷酸化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的方式又称为呼吸水平磷酸化。

NADH电子传递链:（1）、环式光合磷酸化

④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行特点：①电子传递途径属循环方式

3、光合磷酸化

（2）、非环式光合磷酸化

④还原力来自H2O的光解③同时产生还原力、ATP和O2②有PSⅠ和PS

Ⅱ2个光合系统特点：①有氧条件下进行（3）、嗜盐菌紫膜的光合作用一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。嗜盐菌细胞膜红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）主要含细胞色素和黄素蛋白等用于电子传递磷酸化的呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。实验发现，在波长为550-600nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应，细菌视紫红质具有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度差；膜外质子通过膜上的ATP合成酶进入膜内，平衡膜内外质子梯度差时合成ATP

。第二节微生物的分解代谢自然界中的微生物绝大多数是化能异养型的微生物，这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过微生物细胞中的酶进行分解代谢产生能量ATP、小分子有机物和还原力。.微生物进行合成代谢的前体物ATP是合成代谢所必需的能量的主要源泉一、大分子有机物的降解不含氮有机物的降解：

淀粉的降解：淀粉－－→葡萄糖纤维素的降解：纤维素－－→葡萄糖半纤维素的降解：半纤维素－－→单糖+糖醛酸果胶质的降解：果胶－－→半乳糖醛酸+甲醇木质素的降解木质素的化学结构较复杂，它是由许多芳香族亚基缩合而成的聚合物。木质素―――→乙酸+琥珀酸含N有机物的降解：

蛋白质的降解蛋白质―→多肽―→AA―→CO2+NH4

几丁质的降解几丁质―→寡聚糖――→N-乙酰葡萄糖胺→乙酸+葡萄糖胺――→葡萄糖+NH3

尿素的降解尿素+2H2O―→（NH4）2CO3―→2NH3+CO2＋H2O含磷有机物的降解：

卵磷脂―――→甘油―→P-甘油―→EMP

脂肪酸―→乙酰COA―→TCA

胆碱―→NH3+CO2+有机酸磷酸核酸――→核苷酸―――→磷酸+核苷―→嘌呤+嘧啶卵磷脂酶

核酸酶核苷酸酶含S有机物的降解：

胱氨酸+3H2O+1/2O2→2乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解

油脂―――→脂肪酸－－－→乙酰COA→TCA

甘油＋Pi－－→P－甘油→EMP

烃类物质的降解

甲烷是最简单的烃类物质，能被甲基营养菌作C源利用。脂肪酶二、已糖的降解多糖类大分子有机物降解最终产生单糖，其中以葡萄糖为主。微生物降解葡萄糖除为微生物提供生长所需要的能量外，还为合成代谢提供小分子化合物作C架和还原力NADH2或NADPH2。

己糖降解到丙酮酸的途径EMP途径（Embden－MyerhofPathway）

PP途径Pentosephosphatepathway,旧称HMP途径(Hexose

monophasphatepathway），此途径存在于大多数生物体内。ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径

这一途径主要局限于接合单胞菌属的一些细菌。

葡萄糖+NAD++NADP++Pi+ADP→2丙酮酸＋NADH+NADPH+2H++ATPED途径为该类细菌的合成代谢提供：能量：ATP还原力：NADH2+NADPH2

小分子C架：6-P葡萄糖3-P甘油酸

P-烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸的代谢的多样性

EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：①进入TCA（Tricarboxylicacidcycle）循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架。②发酵作用FermatatiomTCA循环：第三节微生物的合成代谢合成代谢就是微生物将简单的无机物或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。微生物的合成代谢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、多糖一、三要素的产生ATP的产生

NADH2（或NADPH2）的产生

化能自养菌化能自养菌产NADPH2是在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生。光能自养菌

非环式光合磷酸化可产NADPH2。进行环式光合磷酸化时，可以在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生NADPH2。

化能异养菌葡萄糖――→2NADH2+2ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→NADH2+NADPH2+ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→2NADPH2+5-P核酮糖+CO2

3葡萄糖―――――→6NADPH2+NADH2+丙酮酸+3CO2

丙酮酸――→NADPH2+3NADH2+FADH2+GTP+3CO2EMPEDHMP不完全HMPTCA用于细胞合成的NADH2要先转变为NADPH2：NADH2+NADPNADPH2+NAD转氢酶小分子碳架化合物的产生：

二前体物的合成合成大分子有机物首先要有前体物，前体物是微生物利用分解代谢中所获得的小分子C架、ATP和NADPH2合成的。前体物主要有：①

单糖

②

氨基酸

③

氨基糖

④

核苷酸

⑤

脂肪酸CO2的固定1）自养微生物CO2的固定①CalvinCycle(植物、蓝细菌和化能自养细菌)②还原三羧酸循环（光合细菌）③还原单羧酸循环（Clostridiumkluyveri）2）异养微生物CO2的固定少量碳源来自CO2：磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+CO2→草酰乙酸乙酰辅酶A+CO2+ATP→丙二酰辅酶A+ADP+Pi无机养料的同化硝酸盐还原1）硝酸盐同化还原：见于大多数细菌、丝状真菌和酵母NO3－→NO2－→NH3→有机氮-NH22）以NO3-为电子受体的无氧呼吸-硝酸盐异化还原C6H12O6+12NO3-→6CO2+6H2O+12NO2-→→N2分子态氮的同化

固氮菌作用：一些固N微生物能将分子氮固定为NH3,再通过转氨酶作用转变为氨基酸。

固N酶谷氨合成酶6H2+N2―→2NH3――→谷氨酸+有机酸→AA单糖的生物合成对于异养型微生物来说单糖通常是外源性单糖通过互变产生的。大分子前体物的合成氨基酸的合成主要有以下几个过程：①由α-酮酸经氨基化作用生成氨基酸a.还原氨基化；b.直接氨基化；c.酰氨化。②由转氨作用形成氨基酸③从头合成——由初生氨基酸合成次生氨基酸④D-氨基酸，由消旋酶或D-氨基酸转氨酶催化产生氨基酸的合成氨基酸的生物合成谱系前体物产物3-磷酸甘油酸SerCys丝氨酸族Gly丙酮酸Ala丙氨酸族ValLeu4-磷酸赤藓糖+PEPTrp芳香氨基酸族PheTyr-酮戊二酸GluGln谷氨酸族Pro

OrnCitArgLys(fungi)草酰乙酸AspLys(bacteria)天冬氨酸族

ThrIleMetAsn5-磷酸核糖焦磷酸+ATPHisOHOOHOHCH2OPHOD-葡萄酸胺-6-磷酸ON-甲基-L-葡萄糖胺NH2OHHONH2OHCH2OHOOHOHHOD-葡萄糖POOHOHHOCH2OOHD-葡萄糖-6-磷酸α-酮戊二酸异构化去磷酸甲基化OOHOHCH2OHONH2L-葡萄糖胺HOOOHOHCH2OHNHL-葡萄糖胺-6-磷酸谷氨酸HCH3CH2OP氨基已糖的合成嘌呤核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成脱氧核糖核酸的生物合成脂肪酸的生物合成

饱和脂肪酸的生物合成脂类物质的合成：聚β羟基丁酸的生物合成主要围绕EMP途径中的PEP和TCA循环中的OA这两种关键性中间代谢物来进行的。三、回补途径与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。某些微生物所特有的代谢回补顺序。是TCA循环的一条回补途径。能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。

乙醛酸循环（乙醛酸支路）凡能利用乙酸为唯一碳源或能源的微生物，都证明存在着乙醛酸循环。这类微生物的种类很多，如细菌中的醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌和红螺菌属等，真菌中的酵母属、黑曲霉和青霉属等。关键酶与关键反应总反应第四节微生物独特的合成代谢途径一、生物固氮

微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类自生固氮菌共生固氮菌联合固氮菌a.自生固氮菌一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物自生固氮菌好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、假单脃菌属等b.共生固氮菌必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物共生固氮菌非豆科：弗兰克氏菌属等满江红：满江红与鱼腥蓝细菌等共生根瘤豆科植物：根瘤菌属等植物地衣：真菌和藻类组合的复合有机体，鱼腥蓝细菌属等地衣满江红鱼腥藻c.联合固氮菌必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物联合固氮菌根际：生脂固氮螺菌芽胞杆菌属等叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等1.固氮反应的条件：6要素ATP

还原力[H]及其载体固氮酶

镁离子

厌氧微环境

底物N2

(1)ATP的供应①固氮过程需要消耗大量的能量：由于N2分子中存在3个共价键，其结构极端稳固，要打开就得花费巨大能量。②固氮酶对ATP具有高度专一性：其它高能磷酸化合物不能参与固氮反应。③ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化产生：ATP来源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低，共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。

(2)还原力[H]及其载体①Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。②Fld：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。(3)固氮酶

①结构1)固氮酶（钼铁蛋白）钼铁蛋白由二个α大亚基和二个β小亚基组成，分子量为220~250KD，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，24~32个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个[4Fe4S]（4铁4硫原子簇）组成，（它通过半胱氨酸—SH巯基与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。2)固氮酶还原酶（铁蛋白）：由两个大小相同的亚基构成，分子量为60KD左右，每分子含1个[4Fe4S]原子簇，不含钼原子，[4Fe4S]原子簇即为铁蛋白的活性中心——电子活化中心。②固氮酶的特性1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白：铁蛋白=1：2，单独存在时均不表现出固氮活性。2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合，但亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。3)对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失活。（氧不可逆破坏固氮酶组分的结构，铁蛋白比钼铁蛋白敏感，厌氧菌比好氧菌敏感；铁蛋白在0~4℃下易失活。）4)底物多样性：固氮酶是多功能的氧化还原酶，可还原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三键的多样类型的底物如叠氮化合物、氧化亚氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯、H+等。(4)还原性底物N2_——是固氮酶唯一具有生理意义的底物(5)镁离子用来形成Mg+-ATP复合物。Mg+-ATP与[Fe]（固二氮酶还原酶中的Fe原子）结合，使[Fe]构型改变，降低氧化还原电位，[Fe]red（固二氮酶还原酶中的Fe原子的还原态）、[Mg+-ATP]2、[MoFe]（固二氮酶）形成复合体,[Mg+-ATP]才水解，推动电子从[Fe]传至[MoFe]。[Mg+-ATP]的结合与水解是协同的，并调控着单向电子流。(6)严格的厌氧微环境

2.固氮过程严格的厌氧微环境2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：固氮过程中的电子传递产物去向：分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，并与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和其它有关化合物。自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。3.好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制

固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。（1）好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮酶。构象保护在高氧分压条件下，Azotobacter

vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。（2）蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制蓝细菌光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高⑴分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。⑵非异形胞蓝细菌固氮酶的保护:能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到(黑暗下固氮，光照下进行光合作用)

；通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应；通过提高POD和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。（3）豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制

1）纯培养时，只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；

2）根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状