沈萍第五章微生物代谢修改

提要第一节微生物产能代谢第二节耗能代谢第三节微生物代谢的调节第四节次生代谢产物本文档共85页；当前第1页；编辑于星期二\2点42分代谢（metabolism)：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子＋ATP+[H]本文档共85页；当前第2页；编辑于星期二\2点42分第一节微生物产能代谢本文档共85页；当前第3页；编辑于星期二\2点42分提要一、异养微生物的生物氧化1、发酵2、呼吸作用二、自养微生物的生物氧化三、能量转换1、底物水平磷酸化2、氧化磷酸化3、光合磷酸化本文档共85页；当前第4页；编辑于星期二\2点42分新陈代谢中的核心问题：能量代谢能量代谢的中心任务：如何把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。生物体能量代谢的实质：ATP的生成和利用微生物代谢的特点：多样性、适应性、可控性本文档共85页；当前第5页；编辑于星期二\2点42分分解代谢实际上是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，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。释放的能量直接利用贮存在高能化合物以热的形式释放本文档共85页；当前第6页；编辑于星期二\2点42分生物氧化的过程

脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）生物氧化的功能：

产能（ATP）、产还原力、产小分子中间代谢物生物氧化的类型：

发酵、呼吸（有氧呼吸和无氧呼吸）生物能的产生方式：

底物水平磷酸化，电子传递氧化磷酸化

光合磷酸化

本文档共85页；当前第7页；编辑于星期二\2点42分生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物本文档共85页；当前第8页；编辑于星期二\2点42分糖酵解的4条途径葡萄糖丙酮酸EMP途径HM途径ED途径磷酸解酮酶途径（PK/HK)本文档共85页；当前第9页；编辑于星期二\2点42分

定义

广义：利用微生物生产有用代谢物一种生产方式。

狭义：微生物将有机物氧化释放的电子直接交给底物的某种未完全氧化的中间产物，同时释放能量并产生各种代谢产物。特点：1）通过底物水平磷酸化产ATP；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；3）产能率低；4）产多种发酵产物。1、发酵（fermentation）本文档共85页；当前第10页；编辑于星期二\2点42分（1）本文档共85页；当前第11页；编辑于星期二\2点42分磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶本文档共85页；当前第12页；编辑于星期二\2点42分2、HMP途径（己糖－磷酸途径等）：HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。本文档共85页；当前第13页；编辑于星期二\2点42分总反应式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi本文档共85页；当前第14页；编辑于星期二\2点42分HMP途径的重要意义产生大量NADPH，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另一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。途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能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。本文档共85页；当前第15页；编辑于星期二\2点42分 ATP有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时进行发酵 2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPG3、ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径）是微生物特有的途径，在革兰阴性菌中分布较广。1分子葡萄糖2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH、1分子NADH产能效率低本文档共85页；当前第16页；编辑于星期二\2点42分微生物种类：细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。特征性酶：KDPG醛缩酶净产能：

1molG-----1molATP本文档共85页；当前第17页；编辑于星期二\2点42分（4）PK/HK途径特征性酶：磷酸解酮酶

C5C6磷酸甘油醛－－－－－乳酸+2H2O+2ATP乙酰磷酸－－－－－－乙酸赤藓糖－4－磷酸－－－－－乳酸乙酰磷酸－－－－－－乙酸PKHK本文档共85页；当前第18页；编辑于星期二\2点42分PK途径磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌）G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸1G乳酸+乙醇+1ATP

+CO2+H2O本文档共85页；当前第19页；编辑于星期二\2点42分

G6-磷酸-果糖磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌）

4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

本文档共85页；当前第20页；编辑于星期二\2点42分不同微生物中葡萄糖降解途径的分布

微生物EMP（%）HMP（%）ED（%）酿酒酵母8812－产朊假丝酵母66～8119～34－灰色链霉菌973－产黄青霉7723－大肠杆菌7228－铜绿假单胞菌－2971嗜糖假单胞菌－－100枯草芽孢杆菌7426－氧化葡糖杆菌－100－真养产碱菌－－100运动发酵单胞菌－－100藤黄八叠球菌7030－本文档共85页；当前第21页；编辑于星期二\2点42分丙酮酸的进一步代谢（自学，了解）本文档共85页；当前第22页；编辑于星期二\2点42分2、呼吸

呼吸是指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较多能量的过程。以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸。以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸称为无氧呼吸。

本文档共85页；当前第23页；编辑于星期二\2点42分a、有氧呼吸（respiration)最普遍、最重要的生物氧化或产能方式除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环（TCA）和电子传递链两部分反应。分解代谢和合成代谢中的枢纽地位（p108图5-6）本文档共85页；当前第24页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第25页；编辑于星期二\2点42分电子传递氧化磷酸化：在生物氧化中所生成NADH，NADPH和FADH可通过位于线粒体内膜和细胞质膜上呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的方式。本文档共85页；当前第26页；编辑于星期二\2点42分b、无氧呼吸（anaerobicrespiration)在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以N03-、N02-、S042-、

S2032-、C02等外源无机氧化物或有机氧化物（延胡索酸等）作为最终电子受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。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。根据呼吸链末端的氢受体不同，无氧呼吸有以下类型：（1）硝酸盐呼吸（2）硫酸盐呼吸（3）硫呼吸（4）铁呼吸（5）碳酸盐呼吸（6）延胡索酸呼吸（7）甘氨酸（8）氧化三甲胺p112表本文档共85页；当前第27页；编辑于星期二\2点42分

a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；

b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用特点：a有其完整的呼吸系统；b只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的硝酸盐还原酶和亚硝酸还原酶等c兼性厌氧

细菌：铜绿假单胞菌、地衣芽孢杆菌等。无氧呼吸（厌氧呼吸）特点：本文档共85页；当前第28页；编辑于星期二\2点42分硝酸盐呼吸：NO3-NO2-,NO,N2无机盐呼吸

硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：S0S-2

碳酸盐呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸p112-p113本文档共85页；当前第29页；编辑于星期二\2点42分二、自养微生物的生物氧化（自学）本文档共85页；当前第30页；编辑于星期二\2点42分三、能量转换本文档共85页；当前第31页；编辑于星期二\2点42分生物氧化过程中，产生一些高能键化合物，这些化合物可以直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式本文档共85页；当前第32页；编辑于星期二\2点42分生物氧化过程中，形成NADH或者FADH2，通过线粒体内膜或细菌质膜上的电子传递系统将电子传给氧或者其他氧化型物质，该过程偶联ATP的合成，这种产生ATP的方式本文档共85页；当前第33页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第34页；编辑于星期二\2点42分（1）、细菌光合色素1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm2）菌绿素——a、b、c、d、e、g。a：与叶绿素a基本相似；850nm处。b：最大吸收波长840~1030。

3）辅助色素：提高光利用率类胡萝卜素：

藻胆素：篮细菌独有藻红素（550nm）、藻蓝素（620~640nm）

藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。

本文档共85页；当前第35页；编辑于星期二\2点42分（2）细菌光合作用1）循环光合磷酸化

细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。特点：a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；b、产ATP和还原力[H]分别进行，还原力来自H2S等无机物；c、不产氧（O2）。本文档共85页；当前第36页；编辑于星期二\2点42分光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.紫色细菌循环光合磷酸化过程

本文档共85页；当前第37页；编辑于星期二\2点42分

2）非循环光合磷酸化

特点：a、电子传递非循环式；b、在有氧的条件下进行；c、存在两个光合系统d、ATP、还原力、O2同时产生

当光反应中心I的叶绿素P700吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(还原力)，而不是返回氧化型P700。光合系统II将电子提供给氧化型P700，并产生ATP。

光合系统II天线色素吸收光能并激发P680放出电子，然后还原脱镁叶绿素a(脱镁叶绿素a是2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)，经过由质体醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和质体蓝素(plastocyanin，PC)组成的电子传递链到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680从水氧化成02过程中得到电子。在光系统Ⅱ中，电子由PQ经Cyt.b传递给Cyt.f时与ADP磷酸化偶联产生ATP。本文档共85页；当前第38页；编辑于星期二\2点42分蓝细菌等的产氧光合作用——非循环光合磷酸化过程本文档共85页；当前第39页；编辑于星期二\2点42分3）依靠菌视紫红质的光合作用无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。——极端嗜盐古细菌

菌视紫红质：

以“视黄醛”（紫色）为辅基。与叶绿素相似，具质子泵作用。与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡萝卜素）内。

本文档共85页；当前第40页；编辑于星期二\2点42分ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。本文档共85页；当前第41页；编辑于星期二\2点42分第二节

耗能代谢本文档共85页；当前第42页；编辑于星期二\2点42分提要合成代谢与分解代谢的关系物质的合成：回补途径（二碳化合物的同化）CO2的固定生物固氮糖类的合成（自学）氨基酸、核苷酸的合成（自学）其他耗能反应（自学）本文档共85页；当前第43页；编辑于星期二\2点42分重点内容什么是回补途径？固定CO2有哪几条途径？本文档共85页；当前第44页；编辑于星期二\2点42分一.细胞物质的合成合成代谢：

ATP、NADPH、小分子起始物分解代谢与合成代谢的区别：*可能有相同的步骤，但至少有一酶促反应不同；

*生物合成方向不可逆

*调节机制－－末端产物抑制本文档共85页；当前第45页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第46页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第47页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第48页；编辑于星期二\2点42分回补途径（见课本3.二碳化合物的同化）本文档共85页；当前第49页；编辑于星期二\2点42分乙醛酸循环甘油酸循环底物乙酸乙醇酸、草酸、甘氨酸生成物草酰乙酸琥珀酸甘油酸两条主要回补途径本文档共85页；当前第50页；编辑于星期二\2点42分（1）卡尔文循环

1.CO2的固定本文档共85页；当前第51页；编辑于星期二\2点42分（2)还原性TCA固定CO2区别：TCA------柠檬酸合酶还原性TCA－－柠檬酸裂解酶本文档共85页；当前第52页；编辑于星期二\2点42分本文档共85页；当前第53页；编辑于星期二\2点42分2、生物固氮概念：将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。（一）固氮微生物

80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。

根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：

1、自生固氮微生物2、共生固氮微生物3、联合固氮微生物本文档共85页；当前第54页；编辑于星期二\2点42分1、自生固氮菌

独立生活状况下能够固氮的微生物。本文档共85页；当前第55页；编辑于星期二\2点42分2、共生固氮菌

与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。

本文档共85页；当前第56页；编辑于星期二\2点42分根瘤菌的根瘤本文档共85页；当前第57页；编辑于星期二\2点42分3、联合固氮菌

这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。

本文档共85页；当前第58页；编辑于星期二\2点42分1、生物固氮反应的6要素固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物—N2镁离子严格的厌氧微环境（二）固氮的生化机制（自学）2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：本文档共85页；当前第59页；编辑于星期二\2点42分固二氮酶（dinitrogenase）（组份Ⅰ）：是还原氮气的活性中心。固氮酶除了能催化N2NH3，还可催化H＋H2、C2H2C2H4。固氮酶：是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。本文档共85页；当前第60页；编辑于星期二\2点42分反应细节呼吸无氧呼吸发酵光合作用ATPNADPH2Fd固二氮酶还原酶固二氮酶N22NH3ADP+Pi2H+H2脱H受H递H2、固氮的生化途径本文档共85页；当前第61页；编辑于星期二\2点42分第三节

微生物代谢的调节本文档共85页；当前第62页；编辑于星期二\2点42分微生物代谢调节的概念与内涵

微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节。代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。本文档共85页；当前第63页；编辑于星期二\2点42分

微生物细胞的代谢调节主要的两种类型：酶活性的调节

酶合成的调节在酶化学水平上发生的在遗传学水平上发生的本文档共85页；当前第64页；编辑于星期二\2点42分两种调节的对比酶合成的调节酶活性的调节不同点调节对象通过酶量的变化控制代谢速率控制酶活性，不涉及酶量变化调节效果相对缓慢快速、精细调节机制基因水平调节，调节控制酶合成代谢调节，它调节酶活性相同点细胞内两种方式同时存在，密切配合，高效、准确控制代谢的正常进行。本文档共85页；当前第65页；编辑于星期二\2点42分一、酶的活性调节酶活性调节是指对一定数量已存在的酶分子，通过对其分子构象或结构的改变来调节其催化的生物化学反应速率，这种调节能够最大限度的使微生物细胞对周围环境变化作出快速反应。回本章目录本文档共85页；当前第66页；编辑于星期二\2点42分Allostericregulation1、变构调节本文档共85页；当前第67页；编辑于星期二\2点42分Covalentmodification2、修饰调节本文档共85页；当前第68页；编辑于星期二\2点42分回本章目录同工酶协同反馈抑制积累反馈抑制顺序反馈抑制二、分支合成途径调节本文档共85页；当前第69页；编辑于星期二\2点42分反馈抑制类型直线式代谢途径分支代谢途径同工酶调节协同反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制反馈抑制：在某一代谢途径里，某个能引起限速反应的酶的活性又受某种代谢产物浓度的控制。这种通过代谢产物浓度来控制代谢产物合成的调节方式称为酶活性的反馈抑制。本文档共85页；当前第70页；编辑于星期二\2点42分直线式代谢途径A

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E 苏氨酸脱氨酶苏氨酸 α-酮丁酸 异亮氨酸 反馈抑制 其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成单一末端产物的抑制本文档共85页；当前第71页；编辑于星期二\2点42分在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。分支代谢途径的反馈抑制本文档共85页；当前第72页；编辑于星期二\2点42分同功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却有所不同的一组酶。特点：在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一组同功酶，每一种代谢终产物只对一种同功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。1、同功酶的调节本文档共85页；当前第73页；编辑于星期二\2点42分A

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EH同工酶的反馈抑制著名的例子是大肠杆菌天冬氨酸族氨基酸的合成。有三个天冬氨酸激酶催化途径的第一个反应，分别受赖氨酸，苏氨酸，甲硫氨酸的调节。本文档共85页；当前第74页；编辑于星期二\2点42分A

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EH2、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。例如，在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、甲硫氨酸和苏氨酸的途径中，终点产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天冬氨酸激酶。本文档共85页；当前第75页；编辑于星期二\2点42分A

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EH3、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