第五章微生物的代谢与调控

第五章

微生物的代谢与调

节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]

在微生物生命的整个代谢过程中，指令系统是基因，作用系统是酶，调控系统是代谢产物，影响因素是外界环境。在细胞内各系统之间任何时候都处于相互统一、矛盾、协调和制约之中，是一个完美的自控体系。

第一节微生物能量代谢能量代谢是一切生物代谢的核心问题能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）生物氧化方式

①物质中加氧；

②化合物脱氢；

③失去电子，如Fe2＋离子失去电子变成Fe3＋离子。

根据最终电子受体(氢受体)分为：有氧呼吸、无氧呼吸与发酵一、微生物的呼吸作用生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物（一）底物脱氢的4条途径多数微生物是化能异养型菌，葡萄糖是微生物最好的碳源和能源，可通过4条代谢途径，EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径完成脱氢反应，并伴随还原力[H]和能量的产生。

1.EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnaspathway)生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，这是多数微生物共有的基本代谢途径。

通过EMP途径，1分子葡萄糖经10步反应转变成2分子丙酮酸，产生2分子ATP和2分子NADH2。其总反应式为：

C6H1206+2NAD+2ADP+2Pi——→2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP+2H20

在EMP途径终反应中，2NADH2在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，而在无氧条件下，则可将丙酮酸还原成乳酸，或将丙酮酸脱羧成乙醛，后者还原为乙醇。

EMP途径的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成两个三碳化合。2个3-磷酸甘油醛经磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发在不同的微生物中可进行多种发酵.(2)HMP途径(HexoseMonophosphatePathway))

能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物而并非产能的代谢途径。

HMP途径可概括为三个阶段

①葡萄糖分子通过几步反应产生5-磷酸核酮糖和CO2；②5-磷酸核酮糖发生同分异构化而分别产生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖；

③磷酸戊糖在没有氧参与的条件下，发生碳架重排，产生了磷酸己糖和3-磷酸甘油醛，

后者可通过以下两种方式进行代谢。

一种产物是进入EMP途径生成丙酮酸，

另一种产物是通过二磷酸果糖醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为磷酸己糖。HMP途径。

HMP途径一次循环需要6分子葡萄糖同时参与，有5分子6-磷酸己糖再生，用去1分子葡萄糖，产生大量NADPH2形式的还原力。其总反应式为：

6-磷酸葡萄糖+2NADP+H20——→5/66-磷酸葡萄糖+2NADPH2+C02+Pi3ED途径(Enrner-DoudoroffPathway)又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸(KDPG)裂解途径。它是少数缺乏完整EMP途径的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。

在ED途径中，6-磷酸葡萄糖首先脱氢产生6-磷酸葡萄糖酸，继而在脱水酶生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖（KDPG）然后在KDPG醛缩酶的作用下，产生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。

然后3-磷酸甘油醛进入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NADPH2和NADH2。ED途径的特点：①葡萄糖经快速反应获得丙酮酸(仅4步反应)；②6碳的关键中间代谢产物是KDPG；③特征性酶是KDPG醛缩酶；④特征性反应是KDPG裂解生成丙酮酸和3-磷酸甘油醛；⑤产能效率低，1分子葡萄糖经ED途径分解只产生1分子ATP

ED途径在G―菌中分布较广，

特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存在，如嗜糖假单胞菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌、林氏假单胞菌和运动发酵单胞菌等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，以满足微生物对还原力、能量和不同中间代谢产物的需要。

通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。

在ED途径中所产生的丙酮酸对微好氧菌(如运动发酵单胞菌)来说，可脱羧生成乙醛，乙醛进一步被还原为乙醇。此种由ED途径发酵产生乙醇的过程与酵母菌经EMP途径生产乙醇不同，称为细菌酒精发酵。

不同细菌进行乙醇发酵的途径也各不相同。

TCA循环除了产生提供大量能量,还有以下功能:

①

TCA循环中的中间代谢产物是一些重要的细胞物质如各种氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂类等生物合成前体物，这存在于各种生物体中的重要生物化学反应，它在多数异养微生物的氧化代谢中起关键作用.例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物质；4.三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle)②

TCA环是糖类有氧降解的主要途径，也是脂肪、蛋白质降解的必经途径。例如脂肪酸经β-氧化途径生成乙酰CoA可进入TCA环彻底氧化成CO2和H20；如丙氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸等经脱氨基作用后，可分别形成丙酮酸、草酰乙酸、α-酮戊二酸等，它们都可进入TCA环被彻底氧化。

TCA环实际上是微生物细胞内各类物质的合成和分解代谢的中心枢纽。应用用诱变育种等方法阻止某一代谢支路的进行，就必然异常积累某些中间产物。据此，发酵工业上已筛选出优良生产菌株进行柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、谷氨酸、苹果酸等的发酵。例如，利用黑曲霉生产柠檬酸时，由于菌体内顺乌头酸水解酶的活力极低，可积累大量柠檬酸。(二)递氢和受氢1.

有氧呼吸(aerobicrespiration）有氧呼吸是氧化底物时，以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程。

脱氢酶使基质脱氢，

通过细胞色素C将电子和氢传递给氧，

氧化酶使分子状态的氧活化，成为氢受体，最终产物为二氧化碳和水。(1)有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。有氧呼吸：

电子传递链；

氧分子；

(最终电子受体)呼吸作用2.呼吸作用(电子传递与氧化)

糖酵解和三羧酸循环形成的NADH和FADH2

在EMP和TCA途径中，脱下的氢或释放出的电子经过电子传递链的传递作用，最后传递到O2，

需氧菌和兼性菌在有氧条件下可以进行有氧呼吸，同时释放大量的能量。总反应式为：

C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi——→6CO2+6H2O+38ATP

在电子传递过程中有ATP生成。

电子传递链电子传递系统具两种功能：一是从电子供体接受电子(氢)并传递给电子受体；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP，(又称氧化磷酸化)。

一分子葡萄糖通过有氧呼吸彻底氧化时，可产生38分子ATP。

其中包含底物水平磷酸化合成，但大部分由电子传递磷酸化合成。

2.无氧呼吸(anaerobicrespiration)无氧呼吸是指无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。

以无机氧化物(如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等)为最终电子受体，由氧化态的无机物受氢(电子)，并伴随氧化磷酸化作用产生ATP。产生的能量较少。

有少数微生物(厌氧菌和兼性厌氧菌)

（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；无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。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。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。(1)硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。(2).硫酸盐呼吸(sulfaterespiration)

呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体，这是一种异化性的硫酸盐还原作用。

微生物可在无氧条件下借呼吸链的电子传递磷酸化而获得能量。硫酸盐还原的最终产物是H2S，自然界中H2S的大多数由这一反应产生。

(这与化能自养菌的反应不同，因为是氧化有机质)

硫酸盐还原菌都是专性厌氧细菌。

(3)碳酸盐呼吸(carbonaterespiration)

碳酸盐呼吸有两种类型:一种是产甲烷细菌的碳酸盐呼吸，另一种是产乙酸细菌的碳酸盐呼吸，

均以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体。它们均是一些专性厌氧菌。3.发酵(fermentation)在无氧条件下，最终电子受体是未被彻底氧化的中间产物。即有机物既是被的基质，又作为最终电子受体，基质未被彻底氧化的中间产物。

由于发酵作用对有机物的氧化不彻底，发酵结果是积累有机物，且产生能量较少。

“发酵”在这里是指不需氧的产能代谢。(2)．广义的发酵概念

在有氧或无氧条件下，利用好氧或兼性厌氧、厌氧微生物的新陈代谢活动，将有机物氧化转化为有用的代谢产物，从而获得发酵产品和工业原料的过程。

1.发酵(fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给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。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偶联在一起的。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。呼吸作用与发酵作用的根本区别：

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。(1)

有EMP途径中丙酮酸出发的发酵、

在厌氧条件

有EMP途径(糖酵解途径)、

HMP途径(磷酸戊糖支路)、

ED途径、PK或HK途径(磷酸解酮酶途径)等。

①乙醇发酵②乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤丁二醇发酵⑥丁酸型发酵

a.酒精发酵

a.

第一型发酵酵母菌在无氧和酸性条件下(pH3.5～4.5)，

经过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，丙酮酸再由丙酮酸脱羧酶作用形成乙醛和CO2，乙醛作为NADH2的氢受体，在乙醇脱氢酶的作用下还原为乙醇。酒精发酵(fermentation)丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（pH7）Saccharomycescerevisiae厌氧发酵（磺化羟基乙醛）②同型乳酸发酵葡萄糖经乳酸菌的EMP途径，发酵产物只有乳酸的称同型乳酸发酵

进行同型乳酸发酵的微生物，如乳酸乳球菌乳酸亚种、乳酸乳球菌乳脂亚种、嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种(旧称保加利亚乳杆菌)、嗜酸乳杆菌等。

乳酸发酵广泛应用于食品:泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青贮饲料等都是利用乳酸发酵的发酵制品。

由于乳酸菌的代谢活动，积累乳酸，酸化环境，抑制其他微生物的生长，能使蔬菜、牛奶、青贮饲料等得以保存。

近代工业多以淀粉为原料，经糖化和德氏乳酸杆菌(L.delbrueckii)进行乳酸发酵生产纯乳酸。

.混合酸发酵能积累多种有机酸的葡萄糖发酵称为混合酸发酵，又称甲酸发酵。

大多数肠道细菌，如大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、产气肠杆菌等均能进行混合酸发酵。

先经EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，在不同酶的作用下丙酮酸分别转变成甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、CO2和H2等。

CH3COCOOH+CoASH——→CH3COSCoA+HCOOH

丙酮酸甲酸

肠道细菌的混合酸发酵特性对鉴定菌种有实际意义大肠杆菌在厌氧条件下可合成甲酸氢解酶，在酸性条件下(pH<6.2)将由丙酮酸裂解产生的甲酸分解为CO2和H2，故大肠杆菌能发酵葡萄糖产酸又产气；

而志贺氏菌因无此酶，发酵葡萄糖只产酸而不产气。

在菌种鉴定的生化反应试验中，可通过葡萄糖发酵试验将是否产酸产气的细菌区别开来。

混合发酵(fermentation)不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气1.发酵(fermentation)大肠杆菌：产气气杆菌：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产气肠杆菌也能进行混合酸发酵，不过分解葡萄糖产生的丙酮酸又可缩合、脱羧生成乙酰甲基甲醇(3-羟基丁酮)，后者还原成2,3-丁二醇。

乙酰甲基甲醇在碱性环境中易被氧化成二乙酰，二乙酰与蛋白胨中的精氨酸的胍基作用，生成红色化合物。

故产气肠杆菌V.P(VogesProskauertest)试验阳性。若加入-萘酚和少量肌酸或肌酐可促进此反应进行。

而大肠杆菌无此反应，V.P试验阴性，故可与产气肠杆菌区别。大肠杆菌发酵葡萄糖，由于产酸较多pH降至4.2以下，发酵液中加入甲基红指示剂呈红色；

产气肠杆菌发酵葡萄糖，由于产酸少，加入甲基红指示剂，发酵液呈橙黄色，这就是甲基红试验。

在食品卫生检验时常以大肠杆菌、产气肠杆菌等的存在作为粪便污染食品指示菌，故甲基红试验、V.P试验均是肠道细菌常用的鉴定方法(2)．通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵

①异型乳酸发酵的经典途径某些乳酸细菌进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。

该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。

根据解酮酶的不同，

将具有磷酸戊糖解酮酶的途径叫PK途径，

具有磷酸己糖解酮酶的途径叫HK途径。(略)异型乳酸发酵发酵后除生成乳酸外，还有乙醇(或乙酸)和CO2等多种发酵产物。

一些短乳杆菌(Lactibacillusbrevis)、发酵乳杆菌(L.fermentum)、两歧双歧杆菌(Bifidobacteriumbifidum)、肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)、乳脂明串珠菌(L.cremoris)、根霉(Rhizopus)等进行异型乳酸发酵。

因它们缺乏EMP途径中的关键性酶——果糖二磷酸醛缩酶和异构酶，其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。磷酸解酮酶途径

某些乳酸细菌进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。

该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。

根据解酮酶的不同，

将具有磷酸戊糖解酮酶的途径叫PK途径，

具有磷酸己糖解酮酶的途径叫HK途径。(略)②异型乳酸发酵的双歧途径两歧双歧乳酸杆菌(Bifidobacteriumbifidum)、双叉乳酸杆菌(Lactobacillusbifidum)等双歧杆菌对葡萄糖的代谢也可归入异型乳酸发酵，但与其他乳酸菌异型发酵不同。

它们通过HK途径将2分子葡萄糖发酵产生2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为：

C6H12O6+5ADP+5Pi———→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP两歧双歧乳酸杆菌(Bifidobacteriumbifidum)、双叉乳酸杆菌(Lactobacillusbifidum)等双歧杆菌对葡萄糖的代谢也可归入异型乳酸发酵，但与其他乳酸菌异型发酵不同。

它们通过HK途径将2分子葡萄糖发酵产生2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为：

C6H12O6+5ADP+5Pi———→2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP双歧途径(3)通过ED途径进行的发酵它是少数缺乏完整EMP途径的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。

◆在Stickland反应中，一种氨基酸作为氢供体氧化脱氨，另一种氨基酸作为氢受体还原脱氨，生成相应的有机酸、

-酮酸和氨。◆这是氧化脱氨与还原脱氨相偶联的特殊发酵。丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸等为氢供体。甘氨酸、羟脯氨酸、脯氨酸和鸟氨酸等为氢受体。例如：CH3CHNH2COOH+2

CH2NH2COOH→3CH3COOH+3NH3+CO2

丙氨酸甘氨酸乙酸

(氢供体)(氢受体)（4）由氨基酸发酵产能---Stickland反应(5)发酵中的产能反应底物磷酸化（自学）四、自养微生物的生物氧化

在化能无机营养型的微生物中，其所需能量ATP是通过还原态无机物经过生物氧化产生的，

还原力[H]是通过耗ATP的无机氢(H++e)逆呼吸链传递而产生；

在光能自养微生物中，其ATP和还原力[H]都是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或通过紫膜光合磷酸化而获得。1.化能自养微生物的生物氧化

氧化无机物获得能量，对自然界的物质转化起重要作用。

它们分别属于氢细菌、硫细菌、铁细菌和硝化细菌。

第二节微生物产能代谢三．自养微生物的生物氧化化能无机营养型：从无机物的氧化获得能量以无机物为电子供体这些微生物一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质自养微生物从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需要能量的微生物一般都是：化能无机自养型微生物复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]自养微生物的合成代谢：

将CO2先还原成[CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。化能异养微生物：ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化化能自养微生物：无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得还原力。硝化细菌氨的氧化是由硝化细菌完成。

硝化细菌是一些专性好氧的G+菌，大多数是专性无机营养型。

硝化细菌有两种，一是亚硝酸细菌，

另一则硝酸细菌。

这些细菌在自然界的氮素循环中起重要作用。它们使自然界中的氨氧化为亚硝酸，进一步转化成硝酸，被称为硝化作用。

亚硝酸细菌利用氨氧化成亚硝酸的过程中放出的能量，使CO2还原成有机物，这类细菌形成的亚硝酸对生物是有毒的。亚硝酸细菌：NH4++3/2O2———→NO2-+H2O+2H++270.7kJ

硝酸细菌利用亚硝酸氧化成硝酸的氧化过程中释放的能量来同化CO2。

硝酸细菌：NO2-+1/2O2———→NO3-+77.4kJ

硝化细菌NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源亚硝化细菌：硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量将亚硝氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。氨的氧化亚硝化细菌：硝化细菌：三．自养微生物的生物氧化氨的氧化NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长缓慢，平均代时在10h以上。非循环磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌