第1章 微生物代谢

第一章微生物的代谢代谢控制发酵课程授课教师：张侠E-mail：zhangxia79@第一节微生物的代谢体系

代谢（Metabolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，也就是发生在微生物细胞内各种生物化学反应的总称。(catabolism)(anabolism)分解代谢合成代谢

合成代谢与分解代谢在生物体中耦联进行，它们之间既有明显差别，但又紧密相关。分解代谢为合成代谢提供所需要的能量和原料，而合成代谢则是分解代谢的基础。在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。

初级代谢和次级代谢初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质；次级代谢：某些微生物在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。第二节微生物产能与耗能代谢

一、能量转换

ATP是能量转换的枢纽物质1.底物水平磷酸化（SubstrateLevelPhosphorylation）——不需氧通过转移底物在生物氧化过程中形成的高能化合物的高能磷酸键，直接形成ATP的过程称为底物水平磷酸化。特点：底物在生物氧化中脱下的电子或氢不经过电子传递链传递，而是通过酶促反应直接交给底物自身的氧化产物，同时将释放出的能量(一般通过高能磷酸键)交给ADP，形成ATP。底物水平磷酸化是微生物在发酵中产生ATP的唯一方式，在呼吸过程虽也存在，但处于次要地位。底物在生物氧化过程中放出的电子通过电子传递链传到氧或其他氧化物(如NO3-1)，同时形成ATP的过程称为氧化磷酸化或电子传递磷酸化。其核心为电子传递链（ETC,electrontransportchain)，或称为呼吸链（RC,respiratorychain）。ETC由若干个氢和电子传递体按氧化还原电位高低顺序排列而成，相当于一段由有机物分子连接而成的“生物导线”，电子在该导线上流动，产生ATP。组成ETC的成员主要有醌及醌衍生物、细胞色素、铁硫蛋白及黄素蛋白4类化合物。

2.氧化磷酸化（OxidatirePhosphorylation）——需氧二、微生物的产能代谢

（一）化能异养微生物的生物氧化

1、发酵发酵(fermentation)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。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原耦联在一起的。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。发酵的种类有很多，其底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。葡萄糖是异养微生物的主要碳源和能源，可直接进入糖代谢途径被降解成小分子物质——丙酮酸。主要分为四种途径：（1）EMP途径：糖酵解途径（2）HMP途径：戊糖磷酸途径（3）ED途径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径（4）PK途径：磷酸解酮酶途径（1）EMP途径主要生理功能是：1、提供ATP和NADH2、中间产物又可提供微生物合成代谢的碳骨架3、可逆转合成多糖无氧条件下，该途径产能效率很低，但多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起链接许多有关代谢途径的作用，可用于多种发酵产品的生产。（2）HMP途径

从葡萄糖-6-P开始，即单磷酸己糖基础上开始降解，故亦称为单磷酸己糖途径，磷酸戊糖支路（HMP途径中3-P-甘油醛可以进入EMP途径）。HMP途径的总反应可用下图表示：戊糖磷酸途径的概况一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力NADPH和中间代谢产物，如核酮糖-5-P是合成核酸、某些辅酶及组氨酸的原料；NADPH是合成脂肪酸、类固醇和谷氨酸的供氢体。另外，核酮糖-5-P还可以转化为核酮糖-1,5-二磷酸，在羧化酶作用下固定CO2，对于光能自养菌、化能自养菌具有重要意义。HMP途径是戊糖代谢的主要途径，其生理意义：①为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；②产生大量的NADPH，一方面参与脂肪酸、固醇等细胞物质的合成，另一方面可通过呼吸链产生大量的能量；③四碳糖（赤藓糖）可用于芳香族氨基酸的合成；④在反应中存在3~7碳糖，使具有该途径的微生物的碳源谱更广泛；⑤通过该途径可产生许多发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等。单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存（3）ED途径

ED途径是1952年在研究嗜糖假单胞菌（PseudomonasSaccharophila）时发现的。在ED途径中，葡萄糖-6-P首先脱氢产生6-P-葡萄糖酸，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生甘油醛-3-P和丙酮酸，然后甘油醛-3-P进入EMP途径转变成丙酮酸。1分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸，1分子ATP，1分子NADPH和NADH。ED途径可不依赖于EMP、HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化类的ATP的厌养菌而言，ED途径不如EMP途径经济。

ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如假单胞菌和发酵单胞菌等所特有的利用葡萄糖的替代途径，包括铜绿、荧光假单胞菌，根瘤菌，固氮菌，农杆菌，运动发酵假单胞菌等。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。在不同的微生物中，EMP、HMP和ED途径在己糖分解代谢中的重要性是有明显差别的。在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。（4）磷酸解酮酶途径

磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。没有EMP、HMP、ED途径的细菌通过PK途径分解葡萄糖，产物有乙酸、乳酸等。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。根据解酮酶不同：具有磷酸戊糖解酮酶的称PK途径，肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌；具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径，双歧杆菌。在无氧条件下，以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物作为受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢，于是产生了各种各样的发酵产物。由EMP途径中丙酮酸出发的发酵pH小于7.5（一般控制在3.5—4.5）乙醇发酵特点：发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍有有机物；酶体系不完全，只有脱氢酶，没有氧化酶；产生能量少。②通过ED途径进行的乙醇发酵（细菌的乙醇发酵）参与微生物：运动发酵假单胞菌同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸，产生2分子ATP；异型乳酸发酵（通过HMP途径或PK途径）：发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。表同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较肠杆菌属（产气杆菌）在发酵葡萄糖时，只有一小部分按混合酸发酵的类型进行外，大部分丙酮酸先通过两个分子的缩合成为乙酰乳酸，再脱羧成为3-羟基丁酮，然后再还原为2，3-丁二醇。2、呼吸作用

微生物在降解底物过程中，将释放出电子传给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，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程称为呼吸作用。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。其中，以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸（aerobicrespiration），以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸（anaerobicrespiration）。许多不能被发酵的有机化合物能够通过呼吸作用被分解，是因为在进行呼吸作用的生物电子传递系统中发生了NADH的再氧化和ATP的生成。因此，只要生物体内有一种能将电子从该化合物转移给NAD+的酶存在，而且该化合物的氧化水平低于CO2即可。能通过呼吸作用进行分解的有机物包括某些碳水化合物、脂肪酸、许多醇类。但对人造化合物，如PVC、PP等，微生物的呼吸作用具有显著抗性，可在环境中积累，造成有害的生态影响。

（1）有氧呼吸根据原核生物与真核生物不同，葡萄糖完全氧化总共可获得30或32个ATP。（2）无氧呼吸

某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸，如铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等这类外源受体。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有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。但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。

（二）化能自养微生物（以无机物CO2为唯一或主要碳源）的生物氧化

化能自养菌是一类从无机物的氧化中得到能量(ATP)和还原力(NADH2或NADPH2)，再通过卡尔文循环同化CO2的微生物。专性化能自养菌不吸收利用有机物，故不能像异养细菌通过糖酵解和TCA产能。研究证明，某些专性自养菌缺乏一些关键酶，它们的EMP、ED不完全，TCA也存在缺陷：缺乏由TCA中间产物C6或C5产生C4化合物的机制。尽管如此，这些菌却有HMP途径，能沟通糖类进入TCA，并像厌氧微生物那样，能通过有缺陷的TCA获得生物合成所需中间产物。专性化能自养菌氧化无机物时，将产生的电子通过ETC传给氧，其产能过程需要氧，故所有专性化能自养菌都是好氧的。（二）化能自养微生物的能量代谢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。化能自养菌的分类和一般特征1、硝化细菌的能量代谢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。硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性菌，以分子氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。

2、硫细菌的能量代谢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。H2S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生4个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成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1个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化1分子SO42-产生2.5个ATP。（三）光能自养菌的能量代谢光能微生物可从阳光中获取能量，通过光合磷酸化产能，即能将光能转变成ATP形式的化学能。光能转变为化学能的过程——光合磷酸化（Photophosphorylation）当一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。1、循环（环式）光合磷酸化2、非循环（非环式）光合磷酸化

（1）依赖于菌绿素的光合作用——循环光合磷酸化（cyclic-photophosphorylation）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，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，称循环光合磷酸化。这类细菌包括紫色硫细菌/非硫细菌、绿色硫细菌/非硫细菌。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产物只有ATP，无NADP（H）；③还原力来自H2S等的无机氢供体；④不产生氧。ATP（2）依赖于叶绿素的光合作用——

非循环光合磷酸化（noncyclicphotophosphorylation）这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。其特点是：①电子的传递途径属非循环式的；②在有氧条件下进行；③有两个光合系统，其中的色素系统Ⅰ（含叶绿素a）可以利用红光，色素系统Ⅱ（含叶绿素b）可利用蓝光；④反应中同时有ATP（产自系统Ⅱ）、还原力[H]（产自系统Ⅰ）和O2产生；⑤还原力NADPH中的[H]是来自H2O分子光解后的H+和e-。（3）两种光合作用的异同点比较三、微生物的耗能代谢

微生物通过发酵、呼吸和光合磷酸化获得能量。所得能量或被细胞直接利用，或者形成ATP等高能化合物，或者使细胞膜处于充能状态(即建立能化膜)。能化膜贮存的能量可用于细胞运动、物质运输，也可以通过驱动ATP酶合成ATP。微生物通过不同途径合成的ATP主要用于细胞物质与代谢产物的合成，其余部分用于维持生命、生物发光或以生物热放出。合成耗能：物质合成消耗的能量包括合成原料进入细胞时主动运输、单体合成、大分子细胞物质合成及代谢产物合成消耗的总能量。主动运输耗能细胞运动：大多数可运动的原核生物是利用鞭毛运动的。在真核微生物中，鞭毛和纤毛均具有ATP酶，水解ATP产生自由能，称为运动所需的动力。发光：在海洋和淡水水体中，有一些细菌能发光。在一定条件下，发光细菌能将细胞内贮存的化学能转化为光能。目前国内常用的3种发光细菌为：明亮发光杆菌、费氏弧菌、青海弧菌。（一）合成代谢与分解代谢的关系

对糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等主要细胞成分而言，合成代谢和分解代谢存在共同的中间代谢物。例如由分解代谢产生的丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、3-P甘油醛等化合物亦可作为合成反应的起始物。（1）生物合成途径中一个分子的生物合成途径与它的分解代谢途径通常是不同的，其中可能有相同的步骤，但导向一个分子的合成途径与从该分子开始的降解途径间至少有一个酶促反应步骤是不同的。（2）需能的生物合成途径与产能的ATP分解反应相偶联，因而生物合成方向是不可逆的。（3）调节生物合成的反应与相当的分解代谢途径的调节机制无关，因为控制分解代谢途径速率的调节酶，并不参与生物合成途径。生物合成途径主要是被它们的末端产物浓度所调节。（amphibolicpathway）1、①在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转，即催化两个方向中的同一反应并不是总是用同一种酶来进行的。例如，葡萄糖合成中，有两个酶与分解代谢时不同，即由果糖二磷酸酶（而不是磷酸果糖激酶）来催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反应，由葡萄糖-6-磷酸酶（而不是己糖激酶）来催化葡萄糖-6-磷酸至葡萄糖的反应。②在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行，即合成代谢一般在细胞质中进行，而分解代谢则多在线粒体和微粒体中进行，这就有利于两者可同时有条不紊地运转。2、代谢回补顺序（anapleroticsequence）指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的那些反应。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。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。丙酮酸PEP（二）微生物独特合成代谢途径1、自养微生物的CO2固定2、生物固氮3、微生物结构大分子——肽聚糖的合成4、微生物次级代谢物的合成1、CO2固定

CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO2作为辅助的碳源。将空气的CO2同化成细胞物质过程，称为CO2的固定作用。自养微生物将CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体。在异养微生物中CO2被固定在某种有机酸上。因此异养微生物即使能同化CO2，最终却必须靠吸收有机碳化合物生存。自养微生物同化CO2所需的能量来自光能或无机物氧化所得的化学能，固定CO2的途径主要有以下三条：

（1）卡尔文循环（Calvincycle）

化能自养微生物和大部分光合细菌中

（2）逆向TCA循环（reverseTCAcycle）

在光合细菌、绿硫细菌中发现此途径

每循环一次可固定4分子CO2，合成1分子草酸乙酰，消耗3