第六章微生物的代谢

第六章微生物的代谢代谢概论代谢〔metabolism〕：细胞内发生的各种化学反响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]一、酶的概念1.酶与一般催化剂的相同点可以加快反响速度,而本身在反响前后没有结构和性质上的改变,只能催化热力学上允许进行的化学反响,而不能实现热力学上不能进行的反响;只能缩短反响到达平衡的时间,而不改变反响的平衡点2.酶与一般催化剂的区别高效性专一性易失活

是活细胞的组成成分,由活细胞自身合成的,并能在细胞内或细胞外起催化作用的一种催化剂.或者说酶是活体细胞产生的,在细胞内外均能起催化作用的一类特蛋白质.第一节微生物的酶和酶促反响酶作用的专一性结构专一性立体异构专一性族（基团）专一性绝对专一性酶作用的专一性族专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。绝对专一性：只能作用于某一底物。二、酶的分类与命名习惯命名法1、绝大多数酶依据其底物来命名，如催化水解淀粉的称为淀粉酶；催化水解蛋白质的称为蛋白酶；催化水解核酸的酶称为核酸酶；2、某些酶根据其所催化的反响性质来命名，如水解酶催化底物分子水解，转氨酶催化一种化合物上的氨基转移至另一化合物上。3、有的酶结合上述两个原那么来命名，例如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反响的酶。4、在这些命名的根底上有时还加上酶的来源或酶的其他特点，如胃蛋白酶及胰蛋白酶；碱性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等。国际系统命名法EC为EnzymeCommision(酶学委员会)之缩写1〕氧化复原酶〔oxido-reducases〕2〕转移酶〔transferases〕3〕水解酶〔hydrolases〕4〕裂解酶〔lyases〕5〕异构酶〔isomerases〕6〕合成酶〔ligases〕氧化-复原酶催化氧化-复原反响。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反响(1)氧化复原酶Oxidoreductase转移酶催化基团转移反响，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反响。(2)转移酶Transferase水解酶催化底物的加水分解反响。包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反响：(3)水解酶hydrolase裂解酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反响及其逆反响。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反响。(4)裂解酶Lyase异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反响。(5)异构酶Isomerase合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反响。这类反响必须与ATP分解反响相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===A-B+ADP+Pi例如，丙酮酸羧化酶催化的反响:丙酮酸+CO2草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase

三.酶的化学组成与重要辅酶

1.酶的化学组成

(1)单纯酶:完全由蛋白质组成

(2)结合酶:酶蛋白和非蛋白(辅酶或辅基)

2、酶的活性中心

酶的活性中心是指酶蛋白分子中,由必需基团所组成的,具有一定空间结构的活性区域.

活性中心内,必需基团有两种：结合基团与催化基团

结合基团与底物起结合作用,特定的底物靠此部位结合到酶分子上。催化基团催化化学反响,底物的某种化学键在此部位上被打断或在此部位上形成新的化学键,从而发生一定的化学变化.

四.酶作用的根本原理

1.酶的催化作用与分子活化能

2.中间产物学说

3.锁钥学说4.诱导契合学说活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活

化态所需要的自由能〔kJ/mol)回本章目录锁钥学说诱导契合学说

五.酶促反响动力学〔一〕酶的反响速率及初速度概念在反响开始的一段时间，产物生成量与时间几乎成正比，但随着时间的增加，产物生成量与时间就不再成正比关系了，这可以从酶反响的进程曲线来说明。〔二〕底物浓度对酶促反响速度的影响解释上述现象，比较合理的是“中间产物〞假说。即：酶与底物先络合成一个中间产物〔过渡态〕，然后此络合物再进一步分解，成为产物和游离态酶。1.中间产物学说2.米-门方程〔Michaelis－Menten〕3.讨论1〕Km值的物理意义，即Km值是当酶反响速度达最大反响速度一半时的底物浓度，它的单位是mol/L，与底物浓度的单位一样；2〕Km是酶的特征性物理常数，它与酶的性质和它所催化的底物种类有关，而与酶浓度无关；3〕同一种酶假设有几种底物就有几个Km值；4〕1/Km大小可以反映酶与底物的亲和力,其值越大,说明亲和力越大,反响速度越快；5〕Km与Ksk2>>k3时，Km≈k2/k1=Ks6〕Vm是酶的理论最大反响速度，也是一个动力学常数，也可作为酶的特征性常数。〔三〕pH对酶反响速度的影响酶的最适pH:在这一pH下，反响速度可到达最大pH影响酶活力的原因可能有以下几个方面：1、过酸、过碱会影响酶蛋白的构象，甚至使酶变性而失活。2、当pH改变不很剧烈时，酶虽不变性，但活力受影响。因为pH会影响底物分子的解离状态〔影响程度取决于底物分子中与酶结合的那些功能基的PK值〕；也会影响酶分子的解离状态，最适pH与酶活力中心结合底物的基团及参与催化的基团的pK值有关，往往只有一种解离状态最有利于与底物结合，在此pH下酶活力最高；也可能影响到中间产物ES的解离状态。总之，都影响到ES的形成，从而降低酶活性。3、pH影响分子中另一些基因的解离，这些基团的离子化状态与酶的专一性及酶分子中活力中心的构象有关。〔四〕温度对酶反响速度的影响每一种酶，在一定条件下，只有在某一个温度下才表现出最大活力，这个温度称为该酶作用的最适温度。温度对酶促反响速度的影响：1.当温度升高时，反响速度加快,与一般化学反响一样。2.随温度升高而使酶逐步变性，即通过减少有活性的酶而降低酶的反响速度。酶反响的最适温度就是这两种过程平衡的结果，在低于最适温度时，前一种效应为主，在高于最适温度时，那么后一效应为主，因而酶活性迅速丧失，反响速度很快下降。大局部酶在60℃以上变性，少数酶能耐受较高的温度，如牛胰核糖核酸酶加热到100℃仍不失活。五、酶浓度对酶反响速度的影响在酶促反响中，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，那么反响速度与酶浓度成正比。

上述成正比的关系是有条件的，一是底物浓度足够大，二是使用的酶必须是纯酶制剂或不含抑制剂、激活剂或失活剂的粗酶制剂。六、激活剂对酶反响速度的影响酶反响体系中可因参加某些无机离子使酶的活性增加,这类物质称为激活剂.激活剂可按分子的大小分为以下三类：1、无机离子，包括金属离子、阴离子和氢离子；2、中等大小有机分子，主要包括某些复原剂和金属螯合剂；3、少数具有蛋白质性质的大分子物质；这类激活剂是指可对某些无活性的酶原起作用的酶。即可将无活性的酶原激活成有活性的酶。七、抑制剂对酶反响速度的影响凡能降低酶的活性甚至使酶完全丧失活性的物质,称为酶的抑制剂。抑制作用分为二种类型：

不可逆抑制作用可逆抑制作用可逆抑制作用竞争性抑制、非竞争性抑制第二节化能异养型微生物的产能代谢—发酵与呼吸生物氧化的功能为：产能〔ATP〕、产复原力[H]和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物〔如ATP〕中以热的形式被释放到环境中微生物产能代谢的本质1.生物氧化生物体内的物质经过一系列连续的氧化复原反响分解并释放能量的过程。A—H2A辅酶辅酶-H2受氢体受氢体-H2脱氢酶氧化酶生物氧化根本过程2.高能键化合物高能键化合物的共性：高能键的形成和断开可逆，沟通了微生物两个代谢类型——光能光能营养型微生物化能营养型微生物化学能耗能代谢合成代谢和分解代谢ATPADP3.微生物的呼吸作用类型有氧呼吸：无氧呼吸：发酵：类型共同点：氧化复原反响区别点：电子最终受体氧化基质电子最终交给无机氧化物的氧化过程

不需要氧分子作电子受体的氧化作用〔酒精发酵、乳酸发酵等〕〔供、受体都为有机物〕以分子氧作最终电子受体无机物氧化：H＋，F＋，NH3等1、定义广义：利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢〔电子〕受体的产能过程特点：1〕通过底物水平磷酸化产ATP；2〕葡萄糖氧化不彻底，大局部能量存在于发酵产物中；3〕产能率低；4〕产多种发酵产物。一、发酵〔fermentantion〕糖酵解〔EMP)途径第一阶段:葡萄糖经磷酸化生成6-磷酸果糖(1)葡萄糖+ATP己糖激酶

6-磷酸葡萄糖+ADP(2)6-磷酸果糖磷酸己糖异构酶6-磷酸果糖(3)6-磷酸果糖

磷酸果糖激酶1,6-二磷酸果糖第二阶段:1,6-二磷酸果糖分解为两分子的丙糖(4)1,6-二磷酸果糖醛缩酶3-磷酸甘油醛+磷酸二羟基丙酮(5)磷酸二羟基丙酮磷酸甘油异构酶3-磷酸甘油醛10步反响第三阶段:3-磷酸甘油醛经氧化复原反响生成丙酮酸(6)3-磷酸甘油醛+NADH+H3PO43-磷酸脱氢酶1,3-二磷酸甘油酸(EMP途径中第一个氧化复原反响)(7)1,3-二磷酸甘油酸+ADP磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸(EMP途径第一个产生ATP)(8)3-磷酸甘油酸变位酶2-磷酸甘油酸(9)2-磷酸甘油酸烯醇化酶(脱去一分子水)烯醇式磷酸丙酮酸(10)烯醇式磷酸丙酮酸+ADP丙酮酸激酶丙酮酸+ATP10步反响葡萄糖＋2ADP＋2NAD＋＋2Pi————2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O葡萄糖丙酮酸有氧：EMP途径与TCA途径连接；

无氧：复原一些代谢产物(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能〔底物磷酸化产能:底物在氧化过程中,因分子内部能量重新分布形成了一种高能磷酸化合物,这种高能磷酸化合物的磷酸基团和高能键可转移到ADP上形成ATP)

〔1〕1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；

〔2〕PEP丙酮酸+ATP2、发酵类型1〕乙醇发酵a、酵母型乙醇发酵葡萄糖2乙醇+2CO2+2ATPb、细菌型乙醇发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)葡萄糖乙醇+乙酸+2CO2+2H2+3ATP2〕丁酸发酵

2.5葡萄糖2丁酸+乙酸+5CO2+5H2+8ATP〔EMP〕3)混合酸发酵a混合酸发酵：——肠道菌〔E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等〕b丁二醇发酵〔2，3--丁二醇发酵〕——肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等4〕丙酸发酵1.5葡萄糖2丙酸+乙酸+CO2+ATP二、呼吸〔respiration〕——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸〔aerobicrespiration〕无氧呼吸〔anaerobicrespiration〕1有氧呼吸原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上

真核微生物：线粒体内膜上

2个产能的环节：Kreb循环、电子传递。

三羧酸(TCA)循环三羧酸循环(TCA循环)的生理意义：〔1〕为细胞提供能量;〔2〕三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径;

〔3〕三羧酸循环是物质转化的枢纽

特点：a.常规途径脱下的氢，经局部呼吸链传递；b.氢受体：氧化态无机物〔个别：延胡索酸〕c.产能效率低。(1)硝酸盐呼吸〔反硝化作用〕也称异化型硝酸盐复原特点：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复原酶A亚硝酸复原酶等c.兼性厌氧细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2无氧呼吸〔厌氧呼吸〕硝酸盐作用同化性硝酸盐作用：NO3-NH3-NR-NH2异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体NO3-NO2NON2ON2反硝化意义：1〕使土壤中的氮〔硝酸盐NO3-〕复原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2〕反硝化作用在氮素循环中起重要作用。

(2)硫酸盐呼吸(反硫化作用)也称异化型硫酸盐复原—厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；d、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2SH2Se、利用有机质〔有机酸、脂肪酸、醇类〕作为氢供体或电子供体；f、环境：富含SO42-的厌氧环境〔土壤、海水、污水等〕硫呼吸〔硫复原〕——以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸盐呼吸〔产甲烷作用)也称异化型碳酸盐复原——以CO2、HCO3-为末端电子受体产甲烷菌—利用H2作电子供体〔能源〕、CO2为受体，产物CH4；产乙酸细菌—H2/CO2进行无氧呼吸，产物为乙酸。

第三节化能自养型微生物的产能代谢

化能自养细菌能从无机物的氧化中得到能量。

能被化能自养细菌氧化并产生能量的无机物有氢,氨,亚硝酸,硫化氢,硫代硫酸盐等。1氢细菌〔氧化氢细菌〕

能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自养菌产能：2H2+O2—2H2O

合成代谢反响：

2H2+CO2—[CH2O]+H2O。第一步：产能反响，氧化4分子H。产生1分子ATP；

第二步：合成代谢反响，用所产生的ATP复原C02构成细胞物质[CH2O]和生长。

氢细菌的自氧作用在Ralstoniaeutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvincycle提供复原力NADH。1硝化细菌

能氧化氮的化能无机营养型细菌

将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。

a、亚硝化细菌NH3+O2+2H+

NH2OH+H2O

A氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化细菌NO2-+H2O

亚硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-也称氨氧化细菌(产生1分子ATP)

3硫细菌〔硫氧化细菌〕——利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌。

嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和复原性硫化物外,还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。4铁细菌和细菌沥滤(1)铁细菌〔多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。〕定义：能氧化Fe2＋成为Fe3＋并产能的细菌被称为铁细菌或铁氧化细菌(ironoxidizingbacteria)。

有些氧化亚铁硫杆菌和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和复原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。

大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。

大多数铁细菌还是嗜酸性的。铁细菌的细胞产率也相当低铁细菌

铁氧化细菌呼吸链的氧化磷酸化的产能途径细菌沥滤——利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O22Fe2〔SO4〕3+2H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出CuS+2Fe2〔SO4〕3+2H2O+O2—CuSO4+4FeSO4+2H2SO4c、铁屑置换CuSO4中的铜CuSO4+Fe—FeSO4+Cu——适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出率达70%~80%。

四．微生物的有机物质代谢1.不含氮有机物的分解a.淀粉的分解b.芳香族化合物的分解c.脂类的分解2.含氮有机物的分解a.蛋白质的分解b.尿素的分解五.代谢调节意义:首先使复杂的代谢活动取得协调,从而使微生物能及时地得到所需的代谢产物和停止生产过剩的代谢产物。实质:微生物与外界的物质交换和能量交换.1.酶活性的调节-反响抑制作用机制

2.酶合成的调节-诱导和阻遏作用机制

通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间