第七章 - 微生物的新陈代谢11

第七章

微生物的新陈代谢目的和要求：本章重点掌握化能异养型、化能自养型、光能营养性微生物能量、还原力产生方式和过程，理解有关微生物分解代谢与合成代谢的联系，了解微生物独特的合成代谢途径，掌握代谢调节的方法。重点、难点：（1）化能异养型产能和还原力的方式及过程（呼吸、无氧呼吸、发酵）（2）自养微生物的代谢过程（产能、还原力）（3）放氧和非放氧型光合磷酸化产能方式（4）微生物特有的固氮合成代谢及微生物的代谢调控。第一节代谢概论新陈代谢（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]根据代谢过程中产生的代谢产物在机体内作用的不同：初级代谢次级代谢初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程初级代谢产物：包括：小分子前体物质、能量代谢和代谢调节中起作用的物质次级代谢：指某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作为前体，通过复杂的次级代谢途径合成一些结构复杂的对微生物自身没有明确功能产物的代谢类型。次级代谢产物：包括：抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。第二节微生物的能量代谢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）一、生物氧化生物氧化就是发生在活细胞内的一切产能性氧化还原反应的总称生物氧化与燃烧的比较一、化能异养微生物的生物氧化和产能某物质与氧结合脱氢脱电子三种产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物1）生物氧化的形式包括：2）生物氧化的功能为：3）生物氧化的类型：生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸无氧呼吸4）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）1、底物脱氢（以葡萄糖为例）底物脱氢的途径（1）EMP途径：又称糖酵解途径（2）HMP：又称己糖-磷酸途径（3）ED：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径（4）TCA：TCA循环，即三羧酸循环（一）EMP途径EMP途径的生理功能1.供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力2.是连接其他几个重要代谢途径的桥梁3.为生物合成提供多种中间代谢物4.通过逆向反应可进行多糖合成若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。EMP途径要点四个产物去向：

丙酮酸：进入TCA循环；还原产乳酸、乙醇等；

ATP：营养物吸收和合成反应；

NADH+H+：借氧化磷酸化产能。五个重要的酶：磷酸果糖激酶(3)，果糖二磷酸醛缩酶(4)，3-磷酸甘油醛脱氢酶(6)，磷酸甘油酸激酶(7)，烯醇化酶(9)。十个反应步骤。（二）HMP途径(戊糖磷酸途径)

（HexoseMonophophatePathway）特点:葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADP+H+形式的还原力以及多种重要代谢产物。6C6H12O6+12NADP++6H2O→→5C6H12O6+(12NADPH+12H+)

+6CO2+PiHMP途径的简图及总反应式HMP途径的重要意义1.供应合成原料：为核酸、核苷酸、FAD（FMN）、NAD(P)+、和CoA等的生物合成提供戊糖－磷酸；途径中的赤藓糖－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）的原料。2.产还原力：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。3.连接EMP途径：与EMP途径（在果糖-1，6-二磷酸果糖和甘油醛-3-磷酸处）连接，可为生物合成提供更多的戊糖。4.扩大碳源利用范围：为微生物利用C3－C7多种碳源提供了必要的代谢途径。5.作为固定CO2的中介：6.通过HMP途径可提供许多重要的发酵产物如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸等。又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。ED途径只在微生物中发现。ED途径

1葡萄糖

6-磷酸-葡萄糖

6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖酸-脱水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶细菌：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。ED途径过程：（4步反应）ED途径的简图ED途径的特点1.产能快:2.ED途径的特征酶：是KDPG醛缩酶.3.反应步骤简单，产能效率低：4.此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.细菌酒精发酵：运动发酵单胞菌细菌酒精发酵优点：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，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低（四）三羧酸循环

又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。TCA循环的重要特点1）氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转；（关键酶：丙酮酸脱氢酶）2）每分子丙酮酸可产4个NADH、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，产能效率极高；3）TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产紧密相关。葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率p113产能形式

EMPHMPEDEMP+TCA

ATP底物水平

GTP

2

1

22NADH+H+

2

1

2+8NADPH+H+

12

1FADH2

2净产ATP

8

35

7

36-38其他途径:

如：PK途径（磷酸酮解酶途径）

1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+

PK途径（磷酸酮解酶途径）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

+NADPH+H+

a、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

磷酸己糖酮解酶途径—

又称HK途径（两歧双歧杆菌）1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

G6-磷酸-果糖

b、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

二、递氢、受氢和ATP的产生★根据递氢特点尤其是受氢体性质的不同把微生物能量代谢分为：呼吸作用和发酵作用两大类.★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸

无氧呼吸概念:底物脱氢后，经完整呼吸链传递，最终被外源分子氧作为最终电子(或氢)受体，产生了水并释放出ATP形式的能量。是最普遍、最重要的生物氧化方式。1、有氧呼吸

特点：必须在有氧条件下进行，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，逐级传递，最后传递给氧。

电子传递或氧化呼吸链定义：位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体内膜上由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢传递体功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原电势的分子氧或其他有机物、无机物，并使他们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2氧化态 还原态还原态 氧化态 氧化态 还原态还原态 醌 氧化态氧化态 还原态

脱氢酶NAD FADH2 H2ONADH2 FAD 1/2O2

+2H+低能水平高氧化还原势FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸链高能水平低氧化还原势氧化磷酸化：在呼吸链的递氢和受氢（即氧化）过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。氧化磷酸化形成ATP的机制：化学渗透学说ATP酶概念：

又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化方式。特点：底物经常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应过程。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸类型2、无氧呼吸无氧呼吸的类型

无机盐呼吸

硝酸盐呼吸：NO3-NO2-,NO,N2硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：SH2S碳酸盐呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸☆广义含义：指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物或其他产品一类生产方式。狭义含义：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以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。3、发酵作用特点：

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。底物水平磷酸化：

是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。☆发酵内涵：在EMP、HMP、ED、TCA途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+产生，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。常见的发酵种类：1.由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵乙醇发酵，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2.通过PK、HK途径的发酵异型乳酸发酵3.通过ED途径进行的发酵细菌的酒精发酵V.P.实验Enterobacteraerogenes能产生3-羟基丁酮在碱性条件下可氧化为二乙酰，二乙酰可与含胍基的氨基酸反应产生特征性的红色反应即V.P.+而与Enterobacteraerogenes近缘的E.coli呈V.P.-发酵类型1）乙醇发酵

a、酵母型乙醇发酵1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

条件：pH3.5~4.5,厌氧菌种：酿酒酵母

i、加入NaHSO3NaHSO3+乙醛

磺化羟乙醛（难溶）

ii、弱碱性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油——甘油发酵（EMP）---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）

2）乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为：同型乳酸发酵：（经EMP途径）保加利亚乳杆菌异型乳酸发酵：（经PK、HK途径）

肠膜明串珠菌两歧双歧杆菌

3）氨基酸的发酵产能（stickland反应）定义：一种氨基酸作底物脱氢与另种氨基酸作为氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型

氢供体（氧化）氨基酸：

Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等

氢受体（还原）氨基酸：

Gly、Pro、Arg、Met、Leu、羟脯氨酸等。呼吸、无氧呼吸和发酵的比较：p123

二、自养微生物产ATP和还原力CO2CH2O细胞物质化能自养微生物的生物氧化光能自养微生物的光合磷酸化ATP[H]Calvin循环乙酰CoA途径还原性TCA途径羟基丙酸途径（一）化能自养微生物（chemoautotrophs）

顺呼吸链传递

CO2NH4+,NO2-,H2S,SATP(最初能源)

耗[H]产ATP

逆呼吸链传递

S,H2,Fe2+NAD(P)H2（无机氢供体）

耗ATP产[H][CH2O]还原CO2时ATP和[H]的来源无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位它的能量代谢主要有3个特点：1）无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；2）呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；3）产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。通过氧化无机物取得能量，并以CO2为唯一或主要碳源1.硝化细菌:亚硝化细菌

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化细菌

NO2-+1/2O2→NO3-+18.1Kcal硝化细菌的能量代谢（二）光能营养微生物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1）循环式光合磷酸化

④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行特点：①电子传递途径属循环方式代表菌：厌氧的光合细菌可用于污水净化2）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PS

Ⅱ2个光合系统特点：①有氧条件下进行代表菌：蓝细菌及藻类、植物等3）嗜盐菌紫膜的光合作用一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或菌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主要由细菌视紫红质组成。能进行光合作用。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。第二节分解代谢和合成代谢的联系连接分解代谢和合成代谢的重要中间代谢物一、两用代谢途径：凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。如EMP、HMP、TCA等。比如：①丙酮酸可以逆EMP途径合成葡萄糖——葡糖异生作用②TCA循环可以对丙酮酸、乙酰-CoA进行彻底氧化，同时实际上也产生琥珀酰-CoA、草酰乙酸和α-酮戊二酸等重要中间物，它们是合成氨基酸、卟啉等的中间代谢物。注意：

（1）在两用代谢途径中，合成与分解并非是简单的完全逆转，中间有些反应是由不同的酶催化（2）合成代谢与分解代谢步骤中含有不同的中间代谢物（3）在真核生物中，分解代谢和合成代谢在不同的分隔区域内分别进行2代谢物回补顺序（代谢物补偿途径、添补途径）指补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的