第四章微生物的营养与代谢调控

第四章微生物的营养与代谢调控4.4微生物的能量代谢4.5微生物的分解代谢4.6微生物的合成代谢4.7微生物的代谢调节能量代谢：微生物在进行生命活动过程中，营养物质进入细胞前后，都需要在酶的作用下进行物质的分解或合成，即分解代谢和合成代谢。在这些代谢过程中，同时进行着能量的释放和吸收，即为能量代谢。微生物细胞的能量来自营养物质和细胞物质的氧化分解，即分解代谢。在生化反应中，能量在反应物和产物之间变化，表现在耗能和产能反应。能量从产能反应到耗能反应的转移，需要通过携带和转移的载体（高能化合物（ATP）和酰基辅酶A）来完成。。4.4微生物的能量代谢4.4.1呼吸作用呼吸作用：微生物细胞在酶的参与下特有的一类产能氧化还原反应的统称。生物体的氧化在失去电子的同时伴随着脱氢和氢的转移，其中供给电子和质子的称为供氢体，接受电子和质子的称为受氢体。微生物细胞内的氧化有三种方式：(1)氧的加入如：葡萄糖氧化为二氧化碳和水

C６H１２O６＋６Ｏ２６ＣＯ２＋６Ｈ２Ｏ(2)化合物的脱氢如：酒精脱氢成为乙醛ＣＨ３ＣＨ２ＯＨＣＨ３ＣＨＯ＋Ｈ２

(3)失去电子如：两价铁失去电子成为三价铁Ｆｅ２＋Ｆｅ３＋＋ｅ

微生物细胞内的氧化还原反应，大多数是氧的加入或脱氢，实质上是电子的转移，同时释放出能量，其中一部分转移到ATP中，另一部分以热的形式散出。

脱氢作用基质氧化的基质＋２Ｈ＋＋２ｅ－

脱氢酶

受氢体＋２Ｈ＋＋２ｅ－还原的受氢体＋能量（ATP和热量）4.4.1呼吸作用呼吸类型对微生物来说，受氢体可以是分子态的O2，也可以是无机氧化物或简单的有机物，从而产生三种不同的呼吸类型：有氧呼吸厌氧呼吸发酵4.4.1呼吸作用1、有氧呼吸：

以分子态氧作为呼吸作用的氢和电子最终受体的呼吸类型。如：好氧微生物／需氧微生物的呼吸。好氧微生物体内具有较完善的呼吸酶系，他们的呼吸作用主要是借脱氢酶和氧化酶来进行的。脱氢酶能使一定基质内的氢游离出来，通过细胞色素的传递作用，将氢传递给氧；氧化酶使分子态的氧活化，从而活化了氧接受氢，结合成水。4.4.1呼吸作用

许多异养微生物在有氧条件下，以有机物作为呼吸底物，通过呼吸而获得能量。以葡萄糖为例，通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水，生成38个ATP，化学反应式为：4.4.1呼吸作用微生物在进行好氧呼吸时能氧化有机物生成二氧化碳和水，同时释放出能量。好氧微生物具有过氧化氢酶或过氧化物酶，可以将在有氧呼吸时产生的有害于微生物的过氧化氢及时解除。三羧酸循环（TCA循环）三羧酸循环是绝大多数好氧性和兼性厌氧异养微生物所共有的有氧呼吸的途径。循环是从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸开始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后进一步彻底氧化的过程。

三羧酸循环也称柠檬酸循环三羧酸循环（TCA）2、厌氧呼吸是指在无氧的条件下，微生物以无机氧化物中的氧作为氢和电子受体的呼吸作用。无机氧化物可以是硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐或二氧化碳等无机物。它们代替分子态氧作为最终电子和质子的受体。最终产物也是CO２和水，并伴有磷酸化作用生成ATP和还原的无机物。但因最终电子受体为无机氧化物，一部分能量转移给它们，所以生成的能量低于有氧呼吸。这是专性厌氧微生物的呼吸。4.4.1呼吸作用专性厌氧微生物：环境中的游离氧对其具有抑制作用。在厌氧呼吸中，只有脱氢酶参加，基质中的氢被活化，从基质中脱下来的氢经辅酶传递给氧以外的物质，使其还原。无/厌氧呼吸有以下特点：不需要分子态的氧，而需要无机氧化物中的氧若无机氧化物充分，基质能彻底氧化，产物也较彻底产生CO２和水，释放能量较多，但是低于有氧呼吸。3、发酵作用发酵作用是指化合物氧化时脱下的氢和电子经某些辅酶或酶的辅基(常见的NAD.NADP.FAD)传递交给另一有机物，最终产生一种还原性产物的作用。因此，这种氧化不彻底，只释放出一部分自由能，而且由底物水平磷酸化生成ATP；在氧化过程中不需要分子氧，所以没有分子氧参加。4.4.1呼吸作用巴斯德效应例如，在利用酵母菌发酵生产酒精时若通入O２，则酵母菌的发酵作用下降，停止产生酒精而进行呼吸作用，葡萄糖的利用速度大大降低，酒精生成被抑制。这种现象首先由Pasteur发现，因此称巴斯德效应。在发酵制酒时不能有氧存在。

酵母的酒精发酵过程发酵作用的特点：（1）有机物氧化不彻底，生成一些氧化程度较低的有机物；（2）不需要电子传递体系，微生物本身缺少氧化酶系；（3）产生的能量比较少，每一摩尔的葡萄糖只能产生238.65KJ的能量，其中有一小部分生成了2摩尔的ATP，它只经过糖酵解途径进行底物水平的磷酸化。发酵作用有几个重要的生化途径：（１）EMP途径（又称糖酵解）是指在不需要氧条件下一分子葡萄糖经转化成1，6—二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的过程。在EMP途径中生成的几种磷酸化中间产物在脂类等其它物质合成中起着重要作用，终产物丙酮酸与氨基酸及其它多种物质的合成有关，所以丙酮酸是生物代谢的中心产物。可为微生物的生理活动提供ATP和NADH.在微生物中许多需氧菌、兼性需氧菌和厌氧菌都具有这条分解葡萄糖的途径。（１）EMP途径（又称糖酵解）(２)HMP途径

HMP途径是从6—磷酸葡萄糖开始的，即在单磷酸己糖基础上开始降解的，由葡萄糖降解产生五碳糖，又称为戊糖磷酸途径(图4-ll)。这是一条由葡萄糖降解产生五碳糖的主要途径，所以与核酸的合成密切相关。此外，还产生四碳糖和七碳糖，与芳香族氨基酸合成有关。4.4.2微生物细胞ATP的生成和利用1、ATP的生成ATP是腺嘌呤核苷三磷酸(简称三磷酸腺苷)，是微生物体内最重要的高能磷酸化合物，每1molATP水解时，可放出30.56kJ能量。还有其他高能磷酸化合物，如1，3-二磷酸甘油酸、乙酰磷酸，但这些高能磷酸化合物只能作为∽P的供体，将∽P转给ADP(二磷酸腺苷)生成ATP，再由ATP释放出能量。（1）光合磷酸化具有光合色素的细菌，如蓝细菌、绿硫细菌、紫硫细菌，ATP的产生是一种将光能转为化学能的过程。这种转变需要光合色素作为媒介，微生物细胞的光合色素的电子受到光量子的激发，吸收光量子的能量，使电子具有较高的电位势能，电子通过中间传递体的传递释放出能量，使∽P加在ADP上生成ATP的。（2）氧化磷酸化

微生物体利用化合物氧化过程释放的能量，将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为氧化磷酸化。氧化磷酸化又分为：（1）底物水平磷酸化（2）电子传递磷酸化。A、底物水平磷酸化是指在被氧化的底物水平上发生的磷酸化作用，即底物在被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，这些高能磷酸化合物将高能磷酸根∽P直接转给ADP，生成ATP。X~P+ADPX+ATP（2）氧化磷酸化B、电子传递磷酸化物质在生物氧化过程中形成的NADH2和FADH2可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其它氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式称为电子传递磷酸化。一系列电子传递体在不同生物中有其自己一定的排列顺序，构成一条链，称为呼吸链。（2）氧化磷酸化电子传递磷酸化（2）氧化磷酸化2、ATP的利用（１）ATP主要用于供应合成细胞物质(包括贮藏物质)所需的能量，（２）细胞对营养物质的吸收、鞭毛的运动、细菌的滑动、发光细菌的发光等所消耗的能量均要由ATP供给。（３）组成微生物细胞的物质主要是蛋白质、核酸、类脂和多糖，合成这些物质都需要ATP提供能量。当微生物细胞无论进行哪一种生理活动时都是由ATP将其高能磷酸键断裂，将末端磷酸根∽P放出，ATP变为ADP从而获得所需要的能量。4.5微生物的分解代谢微生物的分解代谢，是细胞内碳水化合物，脂肪、蛋白质经过氧化分解释放出能量的过程。是通过呼吸作用来实现的。由于不同的微生物具有的呼吸类型不一样，呼吸作用的基质不同，因此，它们分解代谢的产物也就多种多样了。1、碳水化合物的分解碳水化合物的种类繁多，多数糖能被微生物加以分解利用。大分子的糖要经过微生物产生的胞外酶分解成小分子的糖类才能被吸收入细胞内，经过一系列的分解，一部分供给细胞组成有机物质的碳架，另一部分转变成呼吸作用的氧化分解产物并放出能量。多糖双糖单糖丙酮酸有机酸、醛、醇、二氧化碳和水碳水化合物的分解（糖的分解）主要是通过４种途径：EMP、HMP、ED、PK。2、丙酮酸代谢

在糖酵解过程中生成的丙酮酸在无氧条件下可以进一步分解代谢，获得不同的代谢产物。（1）乙醇发酵多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，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。根据在不同条件下代谢产物的不同。（2）乳酸发酵许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。由于菌种不同，在代谢途径上也有差别，有些菌种其代谢产物除乳酸外还有其它产物。（3）丙酸发酵葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后，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。（4）丁酸发酵这是由专性厌氧的梭状芽孢杆菌所进行的一种发酵，因产物中有丁酸，故称为丁酸发酵。丁酸发酵的代表菌为丁酸梭菌。3、蛋白质和氨基酸的分解代谢蛋白质是大分子化合物，不能直接进入微生物细胞，必须经过微生物的胞外酶水解成多肽和氨基酸才能被吸收进入细胞。进入细胞后的简单含氮化合物再继续分解或合成，以供细胞质的组成，同时并向细胞外排出一些含氮物质。蛋白质在有氧环境下的分解叫腐化，结果生成最简单的化合物如二氧化碳、氢、氨等。蛋白质在缺氧的环境中被分解叫腐败，产生分解不完全的中间产物，如氨基酸、有机酸。微生物分解蛋白质的一般过程如下:

蛋白质蛋白胨多肽氨基酸有机酸、靛基质、硫化氢、氨、氢、二氧化碳。大多数微生物利用氨基酸主要供作合成菌体的氮源，但氨基酸脱氨后也可以作为碳源和能源。由于微生物分解氨基酸的能力不同，因此分解的产物也有所不同。４、脂肪和脂肪酸的分解代谢脂肪在微生物脂肪水解酶的作用下变为脂肪酸和甘油，许多微生物将甘油脱氢变成丙酮酸，按照糖代谢方式进入三羧酸循环，脂肪酸能通过β氧化产生乙酰COA，从而也进入三羧酸循环，它们最终能分解生成CO2和H2O。脂肪的分解代谢也像糖的有氧分解代谢一样可释放出大量的能量。4.6微生物的合成代谢微生物从体外吸收各种营养物质，在细胞内各种酶的催化下，通过复杂的转化与组成，合成各种分子结构复杂的有机物质，如蛋白质、脂类、多糖类、核酸等，用以构成细胞的各个部分，为个体生长、发育、繁殖提供物质基础，这个过程就是微生物的合成代谢。在合成代谢中，除了从营养吸收过程中取得简单的无机或有机物质外，还必须有还原剂(NADH２或NADPH２)以及能量(ATP)．1、碳水化合物微生物吸收有机碳化物或由二氧化碳合成的碳水化合物在细胞内经过一系列的转化，以各种单糖、有机酸、醛、醇等形成各种复杂的有机碳化物，如糖缩聚成淀粉、纤维素、几丁质、肝糖等，以及由糖、醛和有机酸缩聚成糖醛酸和果胶物质：有的成为细胞壁的构成物质;有的成为细胞内的贮藏物质(如肝糖粒、淀粉粒);有的形成细胞的荚膜和粘液层(如多聚糖、糖醛酸)。2、脂类物质微生物将有机酸(如脂肪酸)或无机酸(磷酸、硫酸)与醇类(如丙三醇)合成各种脂类物质，主要与蛋白质组合成脂蛋白,成为细胞质的基本组成成分，或者参与质膜的结构。一些细菌、酵母菌、霉菌细胞内合成的脂类物质，常以油脂滴（脂肪粒）作为贮藏物质存在于原生质中。3、氨基酸和蛋白质微生物吸收的氮素营养经转化形成氨或胺化物后与有机酸化合成氨基酸，各种微生物按照自身固有的遗传信息，再合成多肽，进而合成各种的蛋白质。如在谷氨酸脱氢酶的催化下，氨加在α—酮戊二酸上可形成谷氨酸，进一步参与其他蛋白质的形成。4、核苷酸及核酸核苷酸是由核糖、碱基(嘌呤或嘧啶)和磷酸组成的。核酸是由核苷酸大量聚合而成的大分子化合物。微生物细胞中的核糖有两种形式:核糖及脱氧核糖，因而就能合成核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。DNA是生物体的遗传物质基础，主要存在于细胞核内，具有传递遗传信息的功能。RNA则能作为遗传信息、氨基酸的运载工具和核糖体的组成成分，进行蛋白质和酶的合成。5、次生代谢产物微生物在合成代谢过程中，除合成上述复杂的细胞物质外，还生成一些分子结构比较复杂的物质，累积于细胞内或者分泌于细胞之外，它们对产生菌的生理功能还不清楚。由于这些物质独立于细胞结构之外，微生物生活所必需，也不是酶活性所必需的物质，它们是微生物细胞正常代谢途径不通畅时增加了支路代谢而产生的物质，往往在微生物生长停止后期才开始合成。这些物质叫做微生物的次生代谢产物。

次生代谢产物的种类1.抗生素2.生长刺激素3.毒素4.色素1.抗生素

许多微生物在其生命活动过程中产生一类次级代谢产物或人工衍生物，他们在低浓度时能抑制或杀死其他种类微生物的生命活动。把这类物质称为抗生素。如放线菌中的链霉菌产生的链霉素；产黄青霉产生的青霉素。除作医用、农用外，抗生素在食品工业防腐上也常常采用。2.生长刺激素是一类少量就可以提高生物生理活性的物质。如赤霉菌产生的赤霉素，少量就可以刺激作物的生长。3.毒素毒素是指某些微生物在代谢过程中产生的对生物细胞具有杀害作用的物质。能产生毒素的微生物，在细菌和霉菌中较多见。细菌产生的毒素可分为：外毒素和内毒素。

外毒素外毒素：是由细菌菌体内向菌体外分泌的一种有毒物质，毒力较强。大多数外毒素不耐热，70℃就可减弱或破坏毒力。一般由G＋菌产生。如肉毒杆菌分泌的肉毒毒素，金黄色葡萄球菌分泌的溶血毒素等。3.毒素

内毒素是存在于细菌菌体内，不分泌到菌体外，只是在菌体裂解时，毒素才是放出来。内毒素的毒力较外毒素弱，大多数内毒素较耐热，须加热到80～100℃１小时才能被破坏。如黄曲霉产生的有致癌性的黄曲霉素，毒蕈产生的毒蕈毒素、镰刀霉产生的镰刀霉毒素等。3.毒素4.色素微生物代谢过程中产生的有色物质，有的积累在细胞内，有的分泌在细胞外。色素分为水溶性色素和脂溶性色素两种。水溶性的色素常分泌出细胞，使培养基着上紫、红、黄、绿、褐、灰、黑等颜色。脂溶性的色素积累在细胞内，使菌体或孢子带上各种颜色。如霉菌的菌丝，孢子常呈现各种不同颜色。4.7微生物的代谢调控/节

（酶的合成和活性的调节）4.7.1酶活性调节

酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率（快、慢、停止）。这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化作出迅速反应。酶活性调节受多种因素影响：底物的性质和浓度、环境因子，以及其它酶的存在都有可能激活或抑制酶的活性。酶活性调节的方式主要有两种:

1、变构调节

2、酶分子的修饰调节4.7.1酶活性调节1、变构调节在某些重要的生化反应中，反应产物的积累往往会抑制催化这个反应的酶的活性，这是由于反应产物与酶活性中心的结合。在一个有多步反应组成的代谢途径中，末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶，这种酶通常被称为变构酶。

变构酶通常是某一代谢途径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。细菌细胞内的糖酵解和三羧酸循环的调控也是通过反馈抑制进行的。4.7.1酶活性调节2、修饰调节修饰调节是通过共价调节酶来实现的。共价调节酶通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。4.7.1酶活性调节以糖原磷酸化酶为例，磷酸化酶a是激活态，在磷酸化酶磷酸酯酶的催化下，磷酸化酶a发生水解而脱去磷酸，生成2分子磷酸化酶b.

磷酸化酶磷酸酯酶磷酸化酶a2磷酸化酶b+4H3PO42、修饰调节磷酸化酶b失活态，又可以在磷酸化酶b激酶的作用下，在每一亚基的一个特殊丝氨酸残基上发生磷酸化而转变为磷酸化酶a。

磷酸化酶b激酶2磷酸化酶b+4ATP磷酸化酶a+4ADP

Mg2+2、修饰调节4.7.2分支合成途径调节1、同工酶控制同工酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同、且控制特征也不同的一组酶。其特点是:在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一组同工酶，每一种代谢终产物只对一种同工酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行。ab2、协同反馈抑制在分支代谢途径中，几种末端产物同时都过量，才对途径中的第一个酶具有抑制作用。若某一末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用。a3、累积反馈抑制在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用，而且各种末端产物的抑制作用互不干扰。当各种末端产物同时过量时，它们的抑制作用是累加的。如果末端产物E单独过量时，抑制AB酶活性的20%，剩余酶活性为80%；如果末端产物G单独过量时抑制AB酶活性的50%；当E、G同时过量时，其抑制活性为:20%+(1-20%)x50%=60%.a4、顺序反馈抑制

分支代谢途径中的两个末端产物，不能直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是分别抑制分支点后的反应步骤，造成分支点上中间产物的积累，这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。当E积累则停止CD的反应，更多的C去合成G，使G过剩，又抑制了CF的反应，C就积累起来，C又反馈