第四章 微生物的代谢3

第四

章

微生物的代谢2新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢(anabolism)的总和、分解代谢酶系复杂分子（有机物）简单分子+ATP

+[H]合成代谢酶系3第一节微生物的产能代谢产能代谢是指物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程最初能源有机物化能异养菌日光光能营养菌无机物化能自养菌通用能源（ATP）能量代谢是新陈代谢的核心问题4（一）化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种；生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应；生物氧化的过程有脱氢（或电子）、递氢（或电子）、和受氢（或电子）3个阶段。5产能（ATP）生物氧化的功能：产还原力[H]

产小分子中间代谢物呼吸生物氧化的类型：无氧呼吸发酵6发酵（fermentation）是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。定义：7一、发酵（将葡萄糖降解为丙酮酸）糖酵解(四种途径)1、EMP途径2、HMP途径3、ED途径4、磷酸解酮酶生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解81、EMP途径第一阶段只是生成两分子的主要中间代谢产物：3-磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮。此阶段的反应并不涉及电子转移；

第二阶段发生氧化还原反应，释放能量合成ATP，同时形成两分子的丙酮酸。

9EMP途径提供ATP和NADH102、HMP（戊糖磷酸途径）大多数好氧和兼性厌氧菌都存在HM途径，且往往与EMP途径同时存在。11HMP途径的重要意义

为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关123、ED途径13①2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。②

2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶是ED途径特有的酶。③

ED途径中最终产物，即2分子丙酮酸，其来历不同。1分子是由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另1分子是由磷酸甘油醛经EMP途径获得。这2个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一与第四位碳原子。④

1mol葡萄糖经ED途径只产生1molATP，从产能效率看，ED途径不如EMP途径。ED途径的特点是：这条途径是在研究嗜糖假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED途径。144.磷酸解酮酶途径明串珠菌进行异型乳酸发酵过程中分解己糖（HK）和戊糖(PK)的途径15酵母菌发酵葡萄糖产生乙醇一型发酵：终产物为乙醇二型发酵：生成甘油三型发酵：终产物为甘油、乙醇、乙酸乳酸菌发酵葡萄糖产生乳酸同型发酵：通过EMP途径仅产生乳酸的发酵异型发酵：通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵双歧发酵：双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸16由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵:乙醇发酵（一型发酵）、同型乳酸发酵、丙酸发酵、2,3-丁二醇发酵、混合酸发酵、丁酸型发酵通过HMP途径的发酵:异型乳酸发酵通过ED途径进行的发酵：细菌的酒精发酵（异型酒精发酵）常见的发酵种类：17葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactis乳链球菌Lactobacillusplantarum植物乳杆菌18三、HMP途径—异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后除了主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵。菌株有：肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌、两歧双歧杆菌等。经典途径双歧杆菌途径利用葡萄糖：乳酸、乙醇、CO2、H2O利用核糖：乳酸、乙酸、H2O利用果糖：乳酸、乙酸、甘露醇、CO2利用葡萄糖：乙酸、乳酸19葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO220双歧发酵：磷酸己糖解酮途径2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊同EMP逆HMP途径4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸乙酸激酶21同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdebruckii异型HMP(WD)1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides异型HMP(WD)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis22酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵~脱羧酶~脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇细菌(Zymomonasmobilis)的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP细菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇发酵通过WD途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP酒精（乙醇）发酵23②细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED24混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH﹤6.225鉴别肠道细菌的试验产酸产气试验：

Escherichia与Shigella在

利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。26鉴别肠道细菌的V.P试验鉴别原理

缩合

脱羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

碱性条件二乙酰

（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物27大肠杆菌：产气杆菌：V.P.试验阳性甲基红试验阴性V.P.试验阴性甲基红试验阳性28（二）递氢和受氢29（三）电子传递与氧化呼吸链一、电子传递过程电子传递过程包括电子从还原型辅酶上通过一系列按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径，所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子形式脱下，其电子沿着一系列的电子载体转移，最后转移到分子氧。质子和离子型氧结合成水。在电子传递过程中释放出的大量自由能则使ADP磷酸化成ATP。/swhx/elearning/xxzc/player.asp?file=7.swf&name=%BA%F4%CE%FC%C1%B430MH2NADFMNC0Qb(-0.32v)(0.0v)C1Caa3O2H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，电子的传递方向是从NADHＯ２。电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程又称为氧化呼吸链。31电子传递部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体内膜上，在原核细胞发生在质膜上。成员：呼吸链电子载体主要有：NAD+、黄素蛋白、辅酶Q、铁硫蛋白、铜原子、细胞色素等。

321、NAD+

即烟酰胺嘌呤二核苷酸，是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链。2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。333、辅酶Q：

是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。

4、铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有FeS、2Fe-2S和4Fe-4S三种类型345、铜原子：位于线粒体内膜的细胞色素氧化酶上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。

6、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。35葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别36根据脱氢后，递氢过程，尤其是受氢体的不同，生物氧化可分为下列三种类型：371、呼吸（respiration）又称好氧呼吸，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢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。是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式.38TCA循环392、无氧呼吸（anaerobicrespiration）又称厌氧呼吸，一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。40以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为异化性硝酸盐还原作用（Dissimilative）。（1）硝酸盐呼吸41（2）硫酸盐呼吸是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢的过程中与氧化磷酸化相偶联而获得ATP。（3）硫呼吸以无机硫作为呼吸链的最终氢受体产生H2S的生物氧化作用.42（4）铁呼吸呼吸链的末端受体是Fe3+。（5）碳酸盐呼吸吸链的末端氢受体是CO2或重碳酸盐。（6）延胡索酸呼吸呼吸链的末端氢受体是延胡索酸，琥珀酸是还原产物。43（二）、自养微生物生物氧化一些微生物可以氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，称为化能自养微生物。44化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和[H]是通过氧化无机物而获得的。NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等呼吸链的氧化磷酸化反应硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌等属于化能自养类型45能量转化一、底物水平磷酸化指在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部重新分布，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。例如甘油醛-3-磷酸脱氢，形成一个高能磷酸基团，在酶的催化下，将高能磷酸基团转给ADP，生成甘油酸-3-磷酸与ATP。46二、氧化磷酸化是指电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给分子氧生成水,并偶联ADP和Pi生成ATP的过程。它是需氧生物合成ATP的主要途径。电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程。

47化学渗透假说：1.NADH的氧化:其电子沿呼吸链的传递，造成H+被3个H+泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。

2.H+泵出:在膜间隙产生一高的H+浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H+的化学梯度和膜电势的总和。

3.H+通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP。48三、光合磷酸化光能营养微生物产氧不产氧真核生物：藻类及绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌491.环式光合磷酸化

③不产生氧②产物只有ATP特点：①电子传递途径属循环方式502.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PSⅡ两个光合系统特点：①有氧条件下进行513.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氧化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。52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53第二节耗能代谢一、CO2的固定将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2的固定固定CO2的途径主要有两条卡尔文循环还原性三羧酸循环（一）细胞物质的合成54二、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55a.自生固氮菌一类不依赖于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、縁假单脃菌属等56b.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：满江红鱼腥蓝细菌等根瘤豆科植物：根瘤菌属等植物地衣：鱼腥蓝细菌属等57c.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581．固氮反应的条件ATP还原力[H]及其载体固氮酶

镁离子

厌氧微环境

底物N2

592．固氮的生化途径总反应：N2+8[H]+18~24ATP2NH3+H260二、糖类的合成肽聚糖是绝大数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在细菌的生命活动中有着重要的功能。它是许多重要抗生素作用的物质基础。根据反应部位的不同可分成三个合成阶段611.在细胞质中的合成a.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸62b.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸632.在细胞膜中的合成643.在细胞膜外的合成65第三节微生物的代谢调节与发酵生产微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的调节类型酶合成调节酶活性调节调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的一.代谢调节661、变构调节此种调节控制作用是由变构酶来调节的。它是一种可以通过与效应物的作用，使自己构象发生改变，从而活性发生变化。其酶分子上除了有活性中心外，还有别构中心。调节物（或效应物）与酶分子中的别构中心（调节中心或控制中心）结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活动中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度及代谢过程。酶活性调节672、修饰调节

这种调控作用由共价调节酶起作用。共价调节酶的催化性质因受到一个小基团的共价修饰而发生显著变化，使其从有活性到无活性或相反。从而导致调节酶的活化或抑制，进而控制代谢的速度和方向681.同功酶调节定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，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。———某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。二、分支合成途径调节69举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节

702.协同反馈抑制定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。71举例：谷氨酸棒杆菌、多粘芽孢杆菌

天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。

723.累积反馈抑制定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。734.顺序反馈抑制——sequentialfeedbackinhibition一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节742.代谢调节的应用a.应用营养缺陷型菌株解除反馈调节以谷氨酸棒杆菌为出发菌株