05代謝-本科必修課-食品微生物

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)精品課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物學(xué)課程山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院第五章

微生物的新陳代謝基本概念新陳代謝：是指發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝和合成代謝的總和。分解代謝：指復(fù)雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、ATP形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和[H]形式的還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過程。第一節(jié)微生物的能量代謝一切生命活動都是耗能反應(yīng)，故能量代謝是新陳代謝的核心內(nèi)容。一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能生物氧化(biologicaloxidation)是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。生物氧化的形式3種：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫、失去電子生物氧化的過程3階段：脫氫(或電子)、遞氫(或電子)、受氫(或電子)生物氧化的功能3種：產(chǎn)能(ATP)、產(chǎn)還原力[H]、產(chǎn)小分子中間代謝物生物氧化的類型3種：呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵（一）底物脫氫的4條途徑1.EMP途徑

大多數(shù)生物的主流代謝途徑。它以1分子葡萄糖為底物，經(jīng)過10步反應(yīng)而產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP的過程。

2階段、3種產(chǎn)物和10個反應(yīng)AEMP途徑反應(yīng)步驟EMP途徑的特點

2分子丙酮酸、2分子NADH+和H+2分子ATPEMP途徑的意義

①提供能量和還原力；②連接其它代謝途徑的橋梁；③提供生物合成的中間產(chǎn)物；④逆向合成多糖。2.HMP途徑

己糖—磷酸途徑、己糖—磷酸支路、戊糖磷酸途徑、磷酸葡萄糖酸途徑葡萄糖不經(jīng)過EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADP+H+形式的還原力以及多種重要中間代謝物。HMP途徑的簡圖和總反應(yīng)式反應(yīng)3階段HMP途徑特點

12NADPH，6CO2

HMP途徑的生物意義

①供應(yīng)合成原料

②產(chǎn)還原力

③固定二氧化碳的中介

④擴大碳源利用范圍

⑤連接EMP途徑3.ED途徑

2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖途徑存在于某些缺乏EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有，特點是葡萄糖只經(jīng)過4步反應(yīng)即可快速獲得丙酮酸。（2）反應(yīng)步驟：ED途徑的生物意義

ED途徑發(fā)酵生產(chǎn)乙醇——細(xì)菌酒精發(fā)酵，不同于酵母菌通過EMP途徑形成乙醇的機制。優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度高，不必定期供氧等。缺點：生長PH高（細(xì)菌PH5，酵母菌PH3），易染雜菌，對乙醇耐受力低（細(xì)菌7％，酵母菌8％～10％）等。4.TCA循環(huán)即三羧酸循環(huán)，又稱Krebs循環(huán)、檸檬酸循環(huán)。場所：線粒體（真核微生物）細(xì)胞質(zhì)（原核生物）反應(yīng)步驟TCA循環(huán)的生物意義（二)遞氫和受氫貯藏在生物體內(nèi)葡萄糖等有機物中的化學(xué)潛能，經(jīng)過上述4條途徑脫氫后，通過呼吸鏈（電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終可與氧、無機物、有機物等氫受體相結(jié)合而釋放出其中的能量。

生物氧化的3種類型：呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵。1.呼吸（respiration）（1）幾個概念

呼吸：底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）的過程。由于呼吸必須在有氧的條件下進行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸鏈：指位于原核生物細(xì)胞膜上或真核生物線粒體上的由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體（或電子傳遞體）組成的一組鏈狀傳遞順序，它能把氫和電子從低氧化還原勢的化合物處傳遞給高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物，并使它們還原。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶鏈，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。氧化磷酸化：又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或電子）和受氫過程與磷酸化反應(yīng)相偶鏈并產(chǎn)生ATP的作用。遞氫、受氫即氧化過程造成了跨膜的質(zhì)子梯度差即質(zhì)子動勢，進而質(zhì)子動勢再推動ATP酶合成ATP。（2）微生物中最重要的呼吸鏈組分

①煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP）②黃素腺嘌呤（FAD）和黃素單核苷酸（FMN）③鐵硫蛋白（Fe-S）④泛醌（輔酶Q）：傳遞[H]⑤細(xì)胞色素系統(tǒng)（3）在呼吸鏈中電子或氫的傳遞順序

NAD（P）—FAD—Fe-S—CoQ—Cyt.b—Cyt.c—Cyt.a—Cyt.a3典型的呼吸鏈呼吸鏈中有三處能提供合成ATP所需的足夠能量；P/O比的高低表示呼吸鏈氧化磷酸化效率的高低。細(xì)胞膜上的呼吸鏈（4）原核微生物細(xì)胞膜上的呼吸鏈與真核微生物的區(qū)別氧還載體的取代性強；氧還載體的數(shù)量可增可減；有分支呼吸鏈存在。2.無氧呼吸（anaerobicrespiration）（1）無氧呼吸又稱厭氧呼吸，是指一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化，是一種在無氧條件下進行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。（2）特點底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。（3）無氧呼吸類型3.發(fā)酵（fementation）

發(fā)酵：在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。

工業(yè)上的發(fā)酵是指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝物的一類生產(chǎn)方式。（1）由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵（2）通過HMP途徑的發(fā)酵—異型乳酸發(fā)酵①異型乳酸發(fā)酵的“經(jīng)典”途徑（下圖）②異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑（P117圖）核糖異型乳酸發(fā)酵的“經(jīng)典”途徑（3）通過ED途徑進行的發(fā)酵

酒精發(fā)酵三個類型，即通過EMP途徑的酵母酒精發(fā)酵、通過HMP途徑（異型乳酸發(fā)酵）的細(xì)菌酒精發(fā)酵和通過ED途徑的細(xì)菌酒精發(fā)酵。①酵母的“同型酒精發(fā)酵”：由Saccharomycescerevisiae（釀酒酵母）等通過EMP途徑進行。葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP②細(xì)菌的“同型酒精發(fā)酵”：由Zymomonasmobilis（運動發(fā)酵單胞菌）等通過ED途徑進行。葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP③細(xì)菌的“異型酒精發(fā)酵”：由Leuconostocmesenteroides等通過HMP途徑進行。葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP（4）由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能—Stickland反應(yīng)其產(chǎn)能機制是通過部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸等）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵方式。這種以一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體而產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型，稱為Stickland反應(yīng)。Stickland反應(yīng)的產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。（5）發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)產(chǎn)能效率低。底物水平磷酸化可形成多種含高能磷酸鍵的產(chǎn)物。二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力

自養(yǎng)微生物是以無機物為氫供體、以CO2為基本碳源的營養(yǎng)類型。自養(yǎng)微生物按其最初能源的的不同可分兩大類：化能自養(yǎng)型微生物和光能自養(yǎng)型微生物。（一）化能自養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物：還原CO2所需要的ATP和[H]是通過氧化無機底物而獲得，其產(chǎn)能途徑主要也是借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)，因此化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌。特點：①無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系。由脫氫酶或氧化還原酶催化的無機底物脫氫或脫電子后，直接進入呼吸鏈傳遞。這與異養(yǎng)微生物葡萄糖氧化要經(jīng)過EMP和TCA等途徑的復(fù)雜代謝過程不同。②呼吸鏈組分更為多樣化，氫或電子可從任一組分進入呼吸鏈。③產(chǎn)能效率即P／O比一般要比異養(yǎng)微生物更低。舉例：硝化細(xì)菌（二）光能自養(yǎng)微生物自然界中，能進行光能營養(yǎng)的生物及其光合作用特點：1.循環(huán)光合磷酸化代表：光合細(xì)菌特點：不產(chǎn)氧光合作用——菌綠素2.非循環(huán)光合磷酸化代表：各種綠色植物、藻類和藍細(xì)菌特點：產(chǎn)氧光合作用——葉綠素3.嗜鹽菌紫膜的光介導(dǎo)ATP合成代表：嗜鹽菌特點：紫膜光合磷酸化——視紫紅質(zhì)第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系分解代謝的功能在于保證正常合成代謝的進行，而合成代謝又反過來為分解代謝創(chuàng)造了更好的條件，兩者相互聯(lián)系，促進了生物個體的生長繁殖和種族的繁榮發(fā)展。一、兩用代謝途徑兩用代謝途徑（amphibolic

poathway）：凡在分解代謝和合成代謝中具有雙重功能的途徑，就稱兩用代謝途徑。舉例：EMP、HMP和TCA循環(huán)等二、代謝物回補順序代謝物回補順序（anapleroticsequence）指能補充兼用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的反應(yīng)。舉例：乙醛酸循環(huán)（glyoxylatecycle）第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定

Calvin循環(huán)（Calvincycle）厭氧乙酰-CoA途徑（anaerobicacytyl-CoApathway）逆向TCA循環(huán)（reverseTCAcycle）羥基丙酸途徑（hydroxypropionatepathway）Calvin循環(huán)二、生物固氮（biologicalnitrogenfixation）（一）固氮微生物（nitrogen-fixingorganisms,diazotrophs）自生固氮菌：固氮菌科共生固氮菌：根瘤菌科聯(lián)合固氮菌（二）固氮的生化機制1.生物固氮反應(yīng)的6要素①ATP的供應(yīng)：固定1molN2約要消耗10～15molATP②還原力[H]及其傳遞載體③固氮酶：固二氮酶（組分Ⅰ）和固二氮酶還原酶（組分Ⅱ）④還原底物——N2⑤鎂離子⑥嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境2.測定固氮酶活力的乙炔還原法3.固氮的生化途徑：N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18~24ADP+18~24Pi4.固氮酶的產(chǎn)氫反應(yīng)：在有N2條件下，固氮酶也總是只把75％的還原力[H]去還原N2，而把另外25％的[H]以形成H2的方式浪費掉了。

（三）好氧菌固氮酶避氧害機制1.好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制呼吸保護、構(gòu)象保護（耐氧蛋白）2.藍細(xì)菌固氮酶的抗氧保護機制異形胞、時間差（白天光合夜晚固氮）3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護機制根瘤菌以只能生長不能分裂的類菌體（bacteroids）形式存在于豆科植物的根瘤中。豆血紅蛋白就像一種緩沖劑，可在根瘤中調(diào)節(jié)氧的濃度，使它穩(wěn)定在對固氮酶最合適的范圍內(nèi)。三、微生物結(jié)構(gòu)大分子——肽聚糖的生物合成

微生物所特有的結(jié)構(gòu)大分子的種類很多，例如原核生物中的肽聚糖、磷壁酸、脂多糖以及各種莢膜成分等，真核生物中的葡聚糖、甘聚糖、纖維素和幾丁質(zhì)等。肽聚糖是絕大多數(shù)原核生物細(xì)胞壁所含有的獨特成分；是許多重要抗生素例如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力的物質(zhì)基礎(chǔ)。肽聚糖的合成機制復(fù)雜，并在細(xì)胞膜外進行最終裝配步驟。

肽聚糖合成三階段

在細(xì)胞質(zhì)中的合成：Park核苷酸在細(xì)胞膜中的合成：細(xì)菌萜醇運送在細(xì)胞膜外的合成：轉(zhuǎn)糖基作用、轉(zhuǎn)肽作用（青霉素抑制）四、微生物次生代謝物的合成

初級代謝：一類與生物生存有關(guān)的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質(zhì)，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝。

次級代謝：