微生物的代谢

第七章微生物的代谢

（MicrobialMetabolism）1内容微生物的能量（ATP的结构、ATP的生成*＃、微生物的氧化方式*、能量的利用）微生物的分解代谢（几糖*、丙酮酸*＃、多糖、蛋白质、脂肪及其他）微生物的合成代谢（无机养料同化*、前体物质及其大分子的合成、细胞壁的合成、次生代谢*）2第一节微生物的能量energy3微生物的分解代谢和合成代谢

伴随能量的生成和释放41.（自由能、自由能变、吸能反应、放能反应）2.高能化合物：无论是吸能反应还是放能反应都需要一个能携带和转移能量的化合物，在生物体内，这种化合物叫高能化合物。ATPRCO～SCoA5一.ATP的结构腺苷三磷酸：A－P～P～PATP<=>ADP磷酸化作用：ADP可以接受其他高能磷酸化合物转移来～P，再生成ATP，这个作用称为磷酸化作用。ATP是能量转移中心6二.ATP的生成*＃

通过磷酸化作用一）底物水平磷酸化（Substratelevelphosphorylation）二）氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation

）三）光合磷酸化（Photophosphorylation

）7一）底物水平磷酸化1.概念：在某种化合物氧化的过程中，可以生成一种含高能磷酸键的化合物，此化合物通过相应的酶作用，将高能磷酸根转移给ADP，生成ATP。2.特点：不经电子传递链，电子直接在两种化合物间转移X～P+ADP

→ATP+X8二）氧化磷酸化（或电子传递磷酸化）1.概念：在底物氧化过程中，脱掉的氢经呼吸链传递给氧化合生成水，并且偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。2.特点：质子和电子向终端电子受体转移时，需经过一系列的氢和电子传递体，每个传递体都是一个氧化还原系统。传递中逐步释放能量，并生成ATP。9传递体：各种辅酶和辅基真核微生物－－在线粒体内膜原核微生物－－在细胞质膜上如：真核生物和G-细菌中的泛醌（ubiquinone,UQ或CoQ

）UQ

UQH(CoQ

CoQH)10氧化磷酸化中电子传递与磷酸化的偶联113.电子传递磷酸化的效率：P/O每消耗一个氧原子所形成的ATP的数目真核微生物P/O＝3细菌P/O<1（效率低）12三）光合磷酸化1.概念：将光能转变成化学能的过程，即光合色素电子传递与高能磷酸键偶联的过程。2.特点：依靠光合色素不同生物有差别131）蓝细菌光合色素为叶绿素（chlorophyll）还原CO2所需的e-来自H2O的光解；并有O2的释放属于非环式光合磷酸化（Z链传递），有两个光反应系统（I和II），产生ATP和NADPH+H+铁氧还蛋白NADPH+H+NADP+叶绿素（系统I）光质体蓝素细胞色素f细胞色素b质体醌叶绿素（系统II）光

e-

e-

e-

e-

e-

e-H2O1/2O2+H+

ATPADP+Pi142）光合细菌光合色素为细菌叶绿素（bacteriochlorophyll

）还原CO2所需的e-来自还原态的无机S、氢或有机物；没有O2的释放属于环式光合磷酸化，产生ATP铁氧还蛋白细胞色素b细胞色素c光菌绿素辅酶Q

e-

e-

e-

e-

e-ADP+PiATP153）极端嗜盐古菌光合色素为细菌紫膜质（bacteriorhodopsin）视黄醛+蛋白质无电子传递链，视黄醛借助光能泵出H+，形成H+梯度，当H+通过H+-ATP酶返回时，合成ATP16三.微生物的氧化方式根据终端电子受体的性质：一）有氧呼吸（aerobicrespiration）二）发酵作用（fermentation）三）无氧呼吸（anaerobicrespiration）17一）有氧呼吸1.概念：化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终交给氧，并生成水。2.特点：有氧参加氧化彻底产能量多1G+O2

→CO2+H2O+688kcal见于需氧菌、兼性厌氧菌18二）发酵作用1.概念：化合物氧化时脱下的氢和电子经某些辅酶和辅基的传递交给另一有机物，最终产生一种还原性产物的作用。2.特点：不需氧参加（呼吸抑制发酵，巴斯德效应）氧化不彻底产能量少

1G+有机受体→CH3CH2OH+54kcal见于兼性或专性厌氧菌+还原性产物19三）无氧呼吸1.概念：化合物氧化时脱下的氢和电子经一系列电子传递体，最终交给无机氧化物的作用。

NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等2.特点：无氧参加氧化较彻底产能量少

1G+NO3-→CO2+H2O+29kcal+NO2-见于专性或兼性厌氧菌20四.能量的利用一）生物合成二）其他生命活动三）生物发光四）生物热21第二节微生物的分解代谢catabolism22一.己糖的分解一）糖酵解（glycolysis）葡萄糖降解生成丙酮酸的过程Embden-Meyerhof-Parnaspathway,EMP途径C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+H++2ATP许多需氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌都具有该途径（古菌除外）23EMP途径24糖酵解的生理功能：1）ATP→能量

2）磷酸化中间产物→脂类等合成

3）丙酮酸→氨基酸等合成4）NADH+H+→有氧呼吸时生成ATP，无氧发酵时提供还原力25二）己糖单磷酸途径（hexose

monophosphatepathway,HMP途径）在己糖单磷酸基础上开始分解由于葡萄糖降解产生5碳糖，又称戊糖磷酸途径6G-6-P

+6H2O+12NADP+→6CO2+12NADPH+12H++H3PO4+5G-6-P大多数需氧菌、兼性厌氧菌都具有该途径26HMP途径27HMP途径的生理功能：1）为生物合成提供不同长度的碳骨架 2）产生NADPH，提供能量或还原力3）5-P核酮糖→1,5-2P核酮糖,自养菌固定CO228三）ED途径（Entner-Doudoroffpathway）葡萄糖降解生成丙酮酸和3-P甘油醛的途径ED途径：仅在G-

细菌中发现如嗜糖假单胞菌（Pseudomonassaccharophila）修饰过的ED途径：极端嗜盐古菌、极端嗜热古菌29ED途径：1葡萄糖→2丙酮酸1ATP2NAD(P)H30二.丙酮酸代谢的多样性一）乙醇发酵酵母菌乙醇脱氢酶发生条件：只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO

2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶311.酵母菌（在pH3.5-4.5，厌氧时）的乙醇发酵

脱羧酶乙醇脱氢酶丙酮酸乙醛乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

2.细菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇，总反应如下：

C6H12O6+ADP+Pi2C2H5OH+2CO2+ATP3.细菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇发酵通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi

乳酸+乙醇+CO2+ATP32二）丁二醇发酵肠杆菌属、沙雷氏菌属、欧文氏菌属的一些菌有

-乙酰乳酸合成酶系进行丁二醇发酵。葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇

-乙酰乳酸

二乙酰

3-羟基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2

-乙酰乳酸合成酶

-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶EMP33三）乳酸发酵菌种不同，代谢途径不同，产物有所不同1.同型乳酸发酵（通过EMP途径仅产生乳酸）2.异型乳酸发酵（通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物）（磷酸己糖解酮酶途径,Phosphoketolase

Pathway

）341.同型乳酸发酵乳杆菌属（Lactococcus）链球菌属（

Streptococcus

）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP工业：乳酸农业：青贮饲料食品：酸奶、泡菜352.异型乳酸发酵乳杆菌属（Lactococcus）链球菌属（

Streptococcus

）葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO236四）丁酸发酵梭菌属葡萄糖→丙酮酸→乙酰辅酶A→乙酰乙酰辅酶A→丁酰辅酶A→丁酸伴随乙酸、CO2、H2和ATP的生成37五）混合酸发酵埃希氏菌属、沙门氏菌属、志贺氏菌属的一些菌经EMP途径产生多种有机酸、H2和CO2等葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH﹤6.238①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵不同微生物利用丙酮酸形成的产物39鉴别肠道细菌的V.P.试验鉴别原理：肠杆菌属、沙雷氏菌属等在碱性条件下产生的二乙酰可与精氨酸的胍基结合，形成红色的化合物

缩合脱羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

2,3-丁二醇二乙酰

（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物-CO2碱性条件40鉴别肠道细菌的M.R试验鉴别原理：埃希氏菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。41六）三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle,TCA循环）1.乙酰辅酶A的生成CH3COCOOH

+CoASH

+NAD+→CH3CO~SCoA+NADH+H+

+CO22.三羧酸循环CH3CO~SCoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi→2CO2

+CoASH+3NADH+3H++FADH2

+ATP3.呼吸链3NADH+3H++FADH2

→呼吸链→11ATP42三羧酸循环C、能量问：1mol葡萄糖完全氧化产生多少ATP？43TCA在代谢中的作用1）产生大量ATP1葡萄糖→38/36ATP2）是糖代谢与氨基酸、脂肪酸代谢等的桥梁44三.多糖分解一）淀粉：葡萄糖聚合物，

-1,4、-1,6

4种淀粉酶二）纤维素：葡萄糖聚合物，β-1,4

纤维素酶、纤维二糖酶三）几丁质：N-乙酰氨基葡萄糖聚合物，β-1,4

几丁质酶、几丁二糖酶四）果胶质甲基半乳糖醛酸的聚合物+钙原果胶质酶、果胶酶、果胶酸酶45四.蛋白质的分解蛋白质：肽、氨基酸的聚合物蛋白酶、肽酶、脱氨酶、脱羧酶46五.脂肪和其他有机物的分解脂肪：脂酶等脂烃：羧化酶等芳烃：加氧酶等产物进入糖酵解、TCA循环或β-氧化47第三节微生物的合成代谢anabolism48微生物的合成代谢（同化作用）：从简单的小分子物质合成复杂的大分子物质的过程。合成代谢三要素：小分子前体物质、能量、还原力49一.无机养料的同化一）CO2的同化将空气中的CO2同化为细胞有机物的过程1.自养微生物对CO2的固定自养微生物的唯一碳源6CO2+6H2O+12NADPH→C6H12O6+12NADP+CO2

受体，卡尔文循环（Calvincycle）ATP酶50小分子？能量？还原力？3个阶段？2个关键酶？6×6×12×12×12×10×2×E2E1512.异养微生物对CO2的固定异养微生物的补偿碳源，少量，但必要原因：TCA的中间产物常被用作生物合成的原料而损耗。添补反应：异养微生物主要依靠CO2的固定生成四碳二羧酸化合物，来补充TCA循环的中间产物，这个发应叫添补反应（anapleroticreaction）。如：丙酮酸+CO2+ATP→草酰乙酸+ADP+Pi52二）NO3-的同化还原硝酸盐的同化还原：微生物吸收硝酸盐，逐步还原成NH3并用于细胞物质合成的还原方式。硝酸盐的异化还原：硝酸盐作为厌氧呼吸终端电子受体，被还原成N2和其他气态氮而释放到胞外。I：NO3-+NADPH+H+

→NO2-+H2O+NADP+II：NO2-→NH2OH→NH3（各级还原酶）NADPH+H+NADPH+H+NADP+NADP+53三）N2的同化还原（生物固氮）微生物将分子态氮（N2）还原为氨（NH3

）的作用固氮酶、电子、能量N2+8e-+8H++16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi产能代谢→铁氧还蛋白等→Fe蛋白→MoFe蛋白e-e-e-MgATP6H++N22NH3MgADP+Pi2H+H254固氮酶（nitrogenase）：还原酶，分子量大，一般含2种蛋白组分，即钼铁蛋白和铁蛋白固氮酶的催化范围宽：N2→2NH3

2H+

→H2

C2H2→

C2H4（间接测定固氮酶的活性）生物固氮耗能高：16ATP+8e-（12ATP）→28ATP只在没有现成无机氮化物时才进行6e-2e-2e-55四）SO42-的同化还原硫酸盐的同化还原：微生物吸收硫酸盐，逐步还原成H2S并用于合成有机硫的还原方式。硫酸盐的异化还原：硫酸盐作为厌氧呼吸的终端电子受体，被活化是形成APS。I：同化还原活化：SO42-→磷酸腺苷磷酰硫酸PAPSII：PAPS→SO32-→H2SH2S+Ser→Cys

SerCys56二.前体物质及其大分子的合成一）氨基酸的合成1）氨基化作用微生物经硝酸盐同化还原or生物固氮or直接吸收的NH3，使

-酮酸氨基化，生成相应的氨基酸，称为初生氨基酸2）转氨基作用在转氨酶的作用下，将一种氨基酸的氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸，称为次生氨基酸57二）蛋白质的合成1.蛋白质合成的条件1）模板：mRNA2）氨基酸携带者：tRNA3）合成场所：rRNA+Pr→核糖体（A位，P位）2.蛋白质合成的过程1）起始起始密码子AUG、GUG（酵母菌只是AUG）起始氨基酸：（甲酰）甲硫氨酰-tRNA，P位

起始因子582）延伸识别：密码子决定相应的AA-tRNA，A位转肽：P位上的氨基酸或肽链转移到A位点的AA上移位：核糖体沿mRNA向下移动一个密码子，将A位点上带有肽链的tRNA移到P位，A位空出延伸因子3）终止终止密码子：UGA、UAA、UAG，无相应AA肽链与连接它的最后一个tRNA断开，释放肽链终止因子59三）核苷酸的合成碱基、戊糖、磷酸嘌呤核苷酸，嘧啶核苷酸1）由小分子化合物起始合成

CO2、NH3、甲酸、天门冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰氨等2）吸收环境中现成的嘌呤、嘧啶或核苷而组成相应的核苷酸核苷单磷酸→核苷二磷酸→核苷三磷酸→核酸60四）核酸的合成1.DNA的合成DNA双链半保留复制，5’→3’，半不连续，引物，酶复制方