微生物的新陈代谢

微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢第1页第五章微生物新陈代谢新陈代谢（metabolism）简称代谢，是推进生物一切生命活动动力源。通常泛指发生在活细胞中各种分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)总和。微生物的新陈代谢第2页第五章微生物新陈代谢分解代谢又称异化作用，是指复杂有机分子经过分解代谢酶系催化产生简单分子、能量(普通以腺苷三磷酸即ATP形式存在)和还原力(reducingpower,或称还原当量，普通以[H]来表示)作用；合成代谢又称同化作用，它与分解代谢恰好相反，是指在合成酶系催化下，由简单小分子、ATP形式能量和[H]形式还原力一起，共同合成复杂生物大分子过程。二者间关系为：微生物的新陈代谢第3页第一节微生物能量代谢

因为一切生命活动都是耗能反应，所以，能量代谢就成了新陈代谢中关键问题。研究能量代谢根本目标，是要追踪生物体怎样把外界环境中各种形式最初能源（primaryenergysources）转换成对一切生命活动都能利用通用能源(universalenergysources)-ATP。微生物的新陈代谢第4页第一节微生物能量代谢对微生物而言，它们可利用能源不外乎是有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类，所以，研究其能量代谢机制，实质上就是追踪这三大类最初能源是怎样一步步地转化并释放出ATP详细生化反应过程，即：微生物的新陈代谢第5页第一节微生物能量代谢一、化能异养微生物生物氧化和产能生物氧化(biologicaloxidation)就是发生在活细胞内一系列产能性氧化反应总称。生物氧化与有机物非生物氧化即燃烧有着若干相同点和不一样点，相同点是二者总效应都是经过底物氧化反应而释放其中化学潜能，不一样点很多，见表5-1。微生物的新陈代谢第6页第一节微生物能量代谢一、化能异养微生物生物氧化和产能概括地说，生物氧化形式包含某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种；生物氧化过程可分为脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)3个阶段；生物氧化功效有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物3种；生物氧化类型则包含了呼吸、无氧呼吸和发酵3种。微生物的新陈代谢第7页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径这里以葡萄糖作为生物氧化经典底物，它在生物氧化脱氢阶段中，可经过4条代谢路径完成其脱氢反应，并伴随还原力[H]和能量产生。若在兼用代谢路径(见第二节)帮助下，这4条代谢路径还有小分子中间代谢物产生。微生物的新陈代谢第8页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．EMP路径(Embden-Meyerhof-Parnaspathway)又称糖酵解路径(gIycolysis)或己糖二磷酸路径(hexosediphosphatepathway)，是绝大多数生物所共有一条主流代谢路径。它以1分子葡萄糖为底物，约经10步反应而产生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP过程。微生物的新陈代谢第9页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．EMP路径(Embden-Meyerhof-Parnaspathway)在其终产物中，2NADH+H+在有氧条件下可经呼吸链氧化磷酸化反应产生6ATP（氧化磷酸化），而在无氧条件下，则可把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵），或把丙酮酸脱羧产物-乙醛还原成乙醇（酒精发酵）（底物水平磷酸化）。

微生物的新陈代谢第10页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．EMP路径意义EMP路径是各种微生物所含有代谢路径，其产能效率虽低，但生理功效极其主要：①供给ATP形式能量和NADH2形式还原力；②是连接其它几个主要代谢路径桥梁，包含三羧酸循环(丙酮酸)、HMP路径（1,6-二磷酸-果糖和三磷酸甘油醛）和ED路径（6-磷酸-葡萄糖）等；③为生物合成提供各种中间代谢物；④经过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP路径与人类生产实践关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等发酵生产关系亲密。微生物的新陈代谢第11页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径2．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)又称己糖-磷酸路径、己糖-磷酸支路、戊糖磷酸路径（pentosephosphatepathway）、磷酸葡萄糖路径（phosphogluconatepathway）或WD路径（Warburg-Dickenspathway）。其特点是葡萄糖不经EMP路径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADH+H+形式还原力以及各种主要中间代谢产物。微生物的新陈代谢第12页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)HMP路径可概括为3个阶段：①萄萄糖分子经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生结构改变形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③几个戊糖磷酸在无氧参加条件下发生碳架重排，产生了已糖磷酸和丙糖磷酸，后者既可经过EMP路径转化成丙酮酸而进入TCA循环进行彻底氧化，也可经过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶作用而转化为己糖磷酸。微生物的新陈代谢第13页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)HMP路径在微生物生命活动中意义重大，主要有：①供给合成原料：为核酸、核昔酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等生物合成提供戊糖-磷酸；路径中赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸)原料。②产还原力：产生大量NADPH2形式还原力，不但可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供经过呼吸链产生大量能量之需。微生物的新陈代谢第14页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)HMP路径在微生物生命活动中意义重大，主要有：③作为固定CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2主要中介(HMP路径中核酮糖-5-磷酸在羧化酶催化下可固定CO2并形成核酮糖-1，5-磷酸。详见后面Calvin循环)。④扩充碳源利用范围：为微生物利用C3-C7各种碳源提供了必要代谢路径。微生物的新陈代谢第15页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)HMP路径在微生物生命活动中意义重大，主要有：⑤连接EMP路径：经过与EMP路径连接(在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处)，可为生物合成提供更多戊糖。若从人类生产实践来说，经过HMP这择可提供许多主要发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（经过异型发酵）等。微生物的新陈代谢第16页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径1．HMP路径(hexosemonophosphatepathway)在多数好氧菌和兼性厌氧菌中都存在HMP路径，而且通常还与EMP路径同时存在。只有HMP路径而无EMP路径微生物极少，比如Acetobactersuboxydans（弱氧化醋杆菌）、Gluconobacteroxydans（氧化葡糖杆菌）、Acetomonasoxydans（氧化醋单胞菌）微生物的新陈代谢第17页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径3．ED路径(Entner-Doudoroffpathway)又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）路径。因最初由N.Entner和M.Doudoroff两人(1952年)在Pseudomonassaccharophila(嗜糖假单胞菌)中发觉，故名。这是存在于一些缺乏完整EMP路径微生物中一个替换路径，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速取得由EMP路径须经10步反应才能形成丙酮酸。微生物的新陈代谢第18页ED路径微生物的新陈代谢第19页ED路径关键反应2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸微生物的新陈代谢第20页ED路径特点①含有一特征性反应—KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；②存在一特征性酶—KDPG醛缩酶；③其终产物2分子丙酮酸来历不一样，其一由KDPG直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经EMP路径转化而来；④产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）微生物的新陈代谢第21页ED路径意义ED路径是少数EMP路径不完整细菌所特有利用葡萄糖替换路径。因为它可与EMP路径、HMP路径和TCA循环等代谢路径相联，故可相互协调，满足微生物对能量、还原力和不一样中间代谢产物需要；微生物的新陈代谢第22页ED路径意义该路径中所产生丙酮酸对Zymomonasmobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌(microaerobes)来说，可脱羧成乙醛，乙醛又可深入被NADH2还原为乙醇。这种经ED路径发酵生产乙醇方法称为细菌酒精发酵(Bacterialalcoholicfermatation)，它与酵母菌经过EMP路径形成乙醇机制不一样。微生物的新陈代谢第23页ED路径意义多年来、细菌酒精发酵已可用于工业生产，并比传统酵母酒精发酵有较多优点，包含代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，以及无须定时供氧等。其缺点则是生长pH较高(细菌约pH5，酵母菌为pH3)，较易染杂菌．而且对乙醇耐受力较酵母菌低(细菌约耐7%乙醇，酵母面为8%-10%)。微生物的新陈代谢第24页ED路径意义含有ED路径细菌有Pseudomonassacchorophila(嗜糖假单胞菌)Ps.aeruginosa(铜绿假单胞菌)、Ps.fluoreecens(荧光假单胞菌)、Ps.lindneri(林氏假单胞菌)、Z．Mobilis(运动发酵单胞菌)Alcaligeneseutrophus(真养产碱菌)等。微生物的新陈代谢第25页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径4．TCA循环（tricarboxylicacidcycle）

即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环（citricacidcycle）,由诺贝尔奖取得者（1953年）、德国学者H.A.Krebs于1937年提出。是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2过程。这是一个广泛存在于各种生物体中主要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。微生物的新陈代谢第26页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径4．TCA循环（tricarboxylicacidcycle）在真核微生物中，TCA循环反应在线粒体内进行，其中大多数酶定位于线粒体基质中；在原核生物中，大多数酶位于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。

微生物的新陈代谢第27页第一节微生物能量代谢（一）底物脱氢4条路径4．TCA循环(tricarboxylicacidcycle)普通认为真正TCA循环起始于2C化合物乙酰-CoA与4C化合物草酰乙酸间缩合。但从产能角度来看，通常都把丙酮酸进入TCA循环前“入门反应”(gatewaystep)—脱羧作用所产生NADH+H+也计入，这时，若每个丙酮酸分于经本循环彻底氧化并与呼吸链氧化磷酸化相偶联，就可高效地产生15个ATP分子。微生物的新陈代谢第28页TCA循环微生物的新陈代谢第29页TCA循环从图5-8可知，TCA循环共分10步：3C化合物丙酮酸脱羧后，形成NADH+H+，并产生2C化合物乙酰-CoA，由它与4C化合物草酰乙酸缩合形成6C化合物柠檬酸。经过一系列氧化和转化反应，6C化合物经过5C化合物阶段又重新回到4C化合物-草酰乙酸，再由它接收来自下一个循环乙酰-CoA分子。整个TCA循环总反应式为：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP

若认为TCA循环起始于乙酰-CoA分子，则总反应式为：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP微生物的新陈代谢第30页TCA循环特点①氧虽不直接参加其中反应，但必须在有氧条件下运转(因NAD+和FAD再生时需氧)；②每分子丙酮酸可产4个NADH+H+、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，所以产能效率极高；③TCA位于一切分解代谢和合成代谢中枢纽地位，不但可为微生物生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类发酵生产(如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等)紧密相关(图5-9)微生物的新陈代谢第31页4种主要脱氢路径在产能效率方面特点和差异微生物的新陈代谢第32页第一节微生物能量代谢（二）递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中化学潜能，经上述4条路径脱氢后，经过呼吸链(或称电子传递链)等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体（hydrogenacceptor）相结合而释放出其中能量。依据递氢特点尤其是受氢体性质不一样，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型(图5-11)，现分别加以说明。微生物的新陈代谢第33页1、呼吸（respiration）又称好氧呼吸(aerobicrespiration)，是一个最普遍又最主要生物氧化或产能方式，其特点是底物经常规方式脱氢后，脱下氢(常以还原力[H]形式存在)经完整呼吸链（respirationchain，RC）又称电子传递链(electrontransportchain，ETC)传递，最终被外源分子氧接收，产生了水并释放出ATP形式能量。这是一个递氢和受氢都必须在有氧条件下完成生物氧化作用．是一个高效产能方式。

微生物的新陈代谢第34页1、呼吸（respiration）呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上、由一系列氧化还原势呈梯度差、链状排列氢(或电子)传递体，其功效是把氢或电子从低氧化还原势化合物处逐层传递到高氧化还原势分于氧或其它无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子传递过程中，经过与氧化磷酸化反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推进了ATP合成。微生物的新陈代谢第35页1、呼吸（respiration）组成呼吸链中传递氢或电子载体物质，除醌类是非蛋白质类和铁硫蛋白不是酶外，其余都是一些含有辅酶或辅基酶，其中辅酶如NAD+或NADP+，辅基如FAD、FMN和血红素等。不论在真核生物或是原核生物中，呼吸链主要组分都是类似(详见图5-12)，氢或电子传递次序普通为：

NAD(P)→FP(黄素蛋白)→Fe·S(铁流蛋白)→CoQ(辅酶Q)→Cytb→Cyt

c→Cyta→Cyta3微生物的新陈代谢第36页氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链递氢(或电子)和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推进ATP酶合成ATP。氧化磷酸化形成ATP机制当前已研究得较清楚了，其中成就最大并取得学术界普遍认同是化学渗透学说(chemiosmotichypothesis)，它由英国学者P.Mitchell(1978年诺贝尔奖取得者)于1961年提出.微生物的新陈代谢第37页化学渗透学说该学说认为，在氧化磷酸化过程中．经过呼吸链相关酶系作用．可将底物分子上质子从膜内侧传递到膜外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势(质于动力，pH梯度)△μH+由来，也是合成ATP能量起源，经过ATP酶逆反应可把质子从膜外侧重新输回到膜内侧，于是在消除质子动势同时合成了ATP。微生物的新陈代谢第38页氧化磷酸化从图5-12中能够看出，在经典呼吸链中，只有3处能提供合成ATP所需足够能量。所以，在2[H]从NADH2传递至O2过程中，只有3处能与磷酸化反应(ADP+Pi→ATP)发生偶联，亦即只有3分子磷酸(Pi)参加ATP合成。呼吸链氧化磷酸化效率高低可用P/O比(即每消耗1mol氧原子所产生ATPmol数)来作定量表示。比如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2[H]产生3ATP，故P/O=3，而以琥珀酸为底物时，因为琥珀酸脱氢酶辅基是黄素蛋白(FP)，所以只能从FP水平进入呼吸链，故2[H]只能取得2个ATP，其P/O=2。原核生物呼吸链P/O比普通较真核细胞线粒体低。微生物的新陈代谢第39页2、无氧呼吸又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端氢受体为外源无机氧化物(少数为有机氧化物)生物氧化。这是一类在无氧条件下进行、产能效率较低特殊呼吸。其特点是底物按常规路径脱氢后，经个别呼吸链递氢，最终由氧化态无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。依据呼吸链末端氢受体不一样，可把无氧呼吸分成以下各种类型。微生物的新陈代谢第40页硝酸盐呼吸（denitrification）又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中含有两种功效，其一是在有氧或无氧条件下所进行利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用（assimilativenitratereduction）；另一是在无氧条件下，一些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O直至N2过程，称为异化性硝酸盐还原作用（dissimilativenitratereduction），又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。这两个还原过程共同特点是硝酸盐都要经过一个含铂硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。

微生物的新陈代谢第41页硝酸盐呼吸能进行硝酸盐呼吸都是一些兼性厌氧微生物-反硝化细菌，比如Bacilluslicheniformis

（地衣芽孢杆菌）、Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonasaeruginosa(铜绿假单胞菌)和Thiobacillusdenitrificans（脱氮硫杆菌）等。在通气不良土壤中，反硝化作用会造成氮肥损失，其中间产物NO和N2O还会污染环境，故应设法预防。微生物的新陈代谢第42页硫酸盐呼吸（sulfaterespiration）是一类称作硫酸盐还原细菌(或反硫化细菌)严格厌氧菌在无氧条件下获取能量方式，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，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而取得ATP。硫酸盐呼吸最终还原产物是H2S。微生物的新陈代谢第43页硫酸盐呼吸（salfaterespiration）能进行硫酸盐呼吸严格厌氧菌有Desulfovibriodesulfuricans(脱硫脱硫弧菌)，D.gigas(巨大脱硫弧菌)和Desulfotomaculumnigrificans(致黑脱硫肠状菌)等。在浸水或通气不良土壤中，厌氧微生物硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系生长十分不利（比如引发水稻秧苗烂根等），故应设法预防。微生物的新陈代谢第44页硫呼吸/铁呼吸以无机硫作为呼吸链最终氢受体并产生H2S生物氧化作用。能进行硫呼吸都是一些兼性或专性厌氧菌，比如Desulfuromonasacetoxidans(氧化乙酸脱硫单胞菌)。在一些专性厌氧菌和兼性厌氧菌(包含化能异养细菌、化能自养细菌和一些真菌)中发觉，其呼吸链末端氢受体是Fe3+。微生物的新陈代谢第45页碳酸盐呼吸（carbonaterespiration）是一类以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体无氧呼吸。依据其还原产物不一样而分两类：其一是产甲烷菌产生甲烷碳酸盐呼吸，其二是产乙酸细菌产生乙酸碳酸盐呼吸。它们都是一些专性厌氧菌。微生物的新陈代谢第46页延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）以往都把琥珀酸形成看作是微生物所产生普通中间代谢物，可是在延胡索酸呼吸中，琥珀酸却是末端氢受体延胡索酸还原产物。