第六章 微生物代謝

第六章微生物的代謝新陳代謝：發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。

新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產生簡單分子、腺苷三磷酸（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形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。代謝概論復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]第一節(jié)微生物的能量代謝研究能量代謝的根本目的，是要追蹤生物如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能利用的通用能源－－ATP。一、ATP的結構及其生成腺嘌呤核苷三磷酸ATP→ADP+Pi或ATP→AMP+PPiH2CH9腺苷-5′-磷酸AMPADPATPOOHOH1′2′3′4′5′NNNNHPO-O‖~PO-O‖~O—OO—PO-O‖HO—NH2（一）底物水平磷酸化

底物分子中的能量直接以高能鍵傳給ADP生成ATP，這個過程稱為底物水平磷酸化。（二）氧化磷酸化

在結構完整的線粒體中氧化與磷酸化緊密耦聯(lián)在一起，氧化釋放的能量用于ATP合成，這個過程就是氧化磷酸化。

化學滲透學說（三）光合磷酸化

由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程稱為光合磷酸化。二、微生物的氧化方式

貯存在生物體內葡萄糖等有機物中的化學潛能，經上述4條途徑脫氫后，通過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終可與氧、無機或有機氧化物等氫受體相結合而釋放出其中的能量。根據遞氫特點尤其是受氫體性質的不同，可把生物氧化區(qū)分為呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵3種類型。

1、有氧呼吸有氧呼吸:又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產能方式。特點：底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力［H］形式存在）經完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產生了水并釋放出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相偶聯(lián)并產生ATP的作用。呼吸鏈（電子傳遞鏈）2、無氧呼吸無氧呼吸：又稱厭氧呼吸，指一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的、產能效率較低的特殊呼吸。特點：底物按常規(guī)途徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，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能反應。

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸

有機物呼吸甘氨酸呼吸：甘氨酸乙酸

氧化三甲胺呼吸：氧化三甲胺三甲胺有關“鬼火”的生物學解釋

在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質時，經常會發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳墓封口不嚴時，這種氣體就很易逸出。農村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會發(fā)出綠幽幽的光。長期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。3、發(fā)酵（fermentation）發(fā)酵：指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產生的還原力[H]未經呼吸鏈傳遞而直接交某一內源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產能的一類低效能生物氧化反應。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)酵途徑：（典型）

ADP+Pi→ATP

葡萄糖為底物：葡萄糖乳酸+乙醇+CO2+H2O

2ADP+Pi→2ATP

核糖為底物：核糖乳酸+乙酸+H2O2.異型乳酸發(fā)酵雙歧桿菌途徑：PK途徑2）通過HMP途徑的發(fā)酵——異型乳酸發(fā)酵類型途徑產物/1葡萄糖產能/1葡萄糖菌種代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdelbruckii德氏乳桿菌糞鏈球菌Streptococcusfaecalis異型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides腸膜明串球菌1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis短乳桿菌1乳酸1.5乙酸2.5ATPBifidobacteriumbifidum兩歧雙歧桿菌3）通過ED途徑進行的發(fā)酵細菌酒精發(fā)酵:通過將葡萄糖不同碳原子進行14C標記測定，三條途徑乙醇上碳原子來源不同：1.酵母的同型酒精發(fā)酵（EMP）1，2；5，6；2.細菌的同型酒精發(fā)酵（ED）2，3；5，6；3.細菌的異型酒精發(fā)酵（HMP或PK）2，3。

4）由氨基酸發(fā)酵產物—Stickland反應

這種以一種氨基酸作底物脫氫（即氫供體），而以另一種氨基酸作氫受體而實現(xiàn)生物氧化產能的獨特發(fā)酵類型，稱為Stickland反應。此反應的產能效率很低，每分子氨基酸僅產1個ATP。

如：生孢梭菌用氨基酸作碳、氮、能源。以丙氨酸和甘氨酸間的發(fā)酵反應（Stickland反應）產能（產1ATP），它們的生化機制、總反應是：Stickland反應。丙氨酸被氧化成乙酸，甘氨酸被用來氧化丙氨酸降解過程中產生的NADH。此種發(fā)酵過程也產生一些ATP。5）發(fā)酵中的產能反應僅是專性或兼性厭氧菌在無氧條件下的一種生物氧化形式；其產能方式只是通過底物水平的磷酸化，產能效率很低。底物水平磷酸化可形成多種含高能磷酸鍵的產物，如乙酰磷酸等11種。發(fā)酵中很多反應可形成乙酰磷酸，并可經乙酸激酶催化，完成底物水平磷酸化產能：第二節(jié)微生物的分解代謝一、己糖的分解EMP途徑HMP途徑ED途徑WD途徑Stickland反應二、丙酮酸代謝的多樣性底物脫氫的4條主要途徑（以葡萄糖為例）HMP1、EMP途徑EMP途徑：又稱糖酵解途徑（glycolysis）或己糖二磷酸途徑，是絕大多數生物所共有的一條主流代謝途徑。專性厭氧微生物產能的唯一途徑。EMP途徑的生理功能：1）供應ATP形成的能量和NADH2形式的還原力；2）是連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁，包括TCA、HMP、ED途徑等；3）為生物合成提供多種中間代謝物；4）通過逆向反應可進行多糖合成。若從EMP途徑與人類生產實踐的關系來看，則它與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產關系密切。EMP途徑要點一個總反應式：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O兩個階段：

耗能階段

產能階段C62C32丙酮酸

-2ATP

+4ATP三種產物：丙酮酸（2）、ATP（4-2）、NADH+H+（2）EMP途徑要點四個產物去向：

丙酮酸：進入TCA循環(huán)；還原產乳酸、乙醇等；ATP：營養(yǎng)物吸收和合成反應；NADH+H+：借氧化磷酸化產能。五個重要的酶：磷酸果糖激酶(3)，果糖二磷酸醛縮酶(4)，3-磷酸甘油醛脫氫酶(6)，磷酸甘油酸激酶(7)，烯醇化酶(9)。十個反應步驟。

2、HMP途徑

（hexosemonophosphatepathway）

HMP途徑：又稱己糖一磷酸途徑、己糖一磷酸支路、戊糖磷酸途徑（pentosephosphatepathway）或磷酸葡萄糖酸途徑(phosphogluconatepathway)。特點：葡萄糖不經EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并能產生大量NADP＋H＋形式的還原力以及多種重要中間代謝產物。

HMP途徑要點一個總反應式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi兩種發(fā)生條件：有氧、無氧；三個階段：葡萄糖核酮糖-5-磷酸；戊糖異構；（重排）戊糖-磷酸己糖-磷酸+丙糖-磷酸。HMP途徑要點四種中間產物：（4、5碳）磷酸糖；甘油醛-3-磷酸；NADH+H+；CO2；五種產物去向：NADH+H+：借氧化磷酸化產能；甘油醛-3-磷酸：經EMP、TCA徹底氧化；生成（醛縮酶）己糖-磷酸；（4、5碳）磷酸糖：合成細胞壁；合成芳香氨基酸和核苷酸。六方面的意義。HMP途徑在微生物生命活動中的意義1）為核酸、核苷酸、FAD（FMN）、NAD(P)+、和CoA等的生物合成提供戊糖－磷酸；途徑中的赤蘚糖－4－磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸）的原料。2）產還原力：產生大量NADPH2形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可供通過呼吸鏈產生大量能量。3）擴大碳源利用范圍：為微生物利用C3－C7多種碳源提供了必要的代謝途徑。4)作為固定CO2的中介：是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介（HMP途徑中的核酮糖－5－磷酸可形成核酮糖－1，5－二磷酸，在羧化酶的催化下可固定CO2）。5）連接EMP途徑：通過與EMP途徑的連接（在果糖－1，6－二磷酸和甘油醛－3－磷酸處），可為生物合成提供更多的戊糖。6）通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產物，如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸等。HMP途徑在微生物生命活動中的意義3、ED途徑

（Entner-Doudoroffpathway）ED途徑:又稱2－酮－3－脫氧－6－磷酸葡糖酸(KDPG)途徑。ED反應中的關鍵反應

1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。ED途徑過程：（4步反應）

一個總反應式：C6H12O6+ADP+Pi+NAD++NADP+2CH3COCOOH+ATP+NADH+H++NADPH+H+兩個關鍵和特點：

關鍵反應：KDPG裂解為丙酮酸和3－磷酸甘油醛；

關鍵酶：KDPG醛縮酶；

特點：反應步驟簡單；產能效率低。三條途徑相連：EMP、HMP、TCAED途徑的特點ED途徑的特點四步反應獲丙酮酸：從葡萄糖獲丙酮酸僅需四步。2分子丙酮酸的來歷不同，其一由KDPG直接裂解形成；另一則由3－磷酸甘油醛經EMP途徑轉化而來。五個產物去向：

NADPH+H+：產能，產還原力；

ATP：合成反應；NADH+H+：產能；丙酮酸：1.有氧時進入TCA循環(huán)；2.經細菌酒精發(fā)酵產乙醇。4、TCA循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）TCA循環(huán):即三羧酸循環(huán)，又稱Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)(citricacidcycle)。特點：1）氧雖不直接參與其中反應，但必須在有氧條件下運轉；（關鍵酶：丙酮酸脫氫酶）2）每分子丙酮酸可產4個NADH、1個FADH2和1個GTP，總共相當于15個ATP，產能效率極高；3）TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，不僅可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，而且還與人類的發(fā)酵生產緊密相關。EMP途徑的總反應式為：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2OHMP途徑的總反應式為：6C6H12O6+12NADP++6H2O5C6H12O6+12NADPH+12H++6CO2+PiED途徑的總反應式為：C6H12O6+NAD++NADP++ADP+Pi2CH3COCOOH+ATP+NADH+H++NADPH+H+TCA循環(huán)的總反應式：CH3COCOOH＋4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP四條途徑總反應式的比較四條途徑產能效率比較5.WD途徑

PK途徑（磷酸酮解酶途徑）

1G乳酸+乙酸+1ATP

+NADPH+H+

a、磷酸戊糖酮解酶途徑（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+

乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙酰輔酶A丙酮酸乳酸G5-磷酸-木酮糖乙醇b.磷酸己糖酮解酶途徑—

又稱HK途徑（兩歧雙歧桿菌）1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

G6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖+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

6.Stickland反應二、丙酮酸代謝的多樣性（一）酒精發(fā)酵（二）乳酸發(fā)酵（三）丁酸發(fā)酵（四）混合酸發(fā)酵（五）醋酸發(fā)酵（六）檸檬酸發(fā)酵第三節(jié)微生物的合成代謝

一、無機養(yǎng)分的同化

（一）二氧化碳的同化（二）硝酸鹽的同化還原二、細胞結構大分子物質的合成

（一）肽聚糖的合成（二）氨基酸的合成三、微生物的次生代謝

（一）初級代謝和次級代謝（二）次級代謝產物的類型（一）二氧化碳的同化

1、卡爾文循環(huán)（Calvincycle）

Calvin循環(huán)又稱Calvin-Benson循環(huán)、核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)。這一循環(huán)是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。一個總反應式：6CO2＋12NAD(P)H2＋18ATPC6H12O6＋12NAD(P)+18ADP+18Pi兩個特有酶：磷酸核酮糖激酶，核酮糖羧化酶；三個階段：羧化反應，還原反應，CO2受體再生；四類生物的主要途徑：綠色植物，藍細菌，絕大多數光合細菌，全部好氧化能自養(yǎng)菌。2、厭氧乙?！o酶A途徑厭氧乙?！o酶A途徑：又稱活性乙酸途徑，出現(xiàn)在能利用氫的嚴格厭氧菌（產甲烷菌、硫酸鹽還原菌、產乙酸菌等）中，它們不存在卡爾文循環(huán)，由乙?！o酶A途徑固定CO2?？偡磻?H2+2CO2CH3COOH+2H2O關鍵酶：CO脫氫酶最終產物：丙酮酸、乙酸。3、還原性TCA途徑少數光合細菌（如嗜硫代硫酸鹽綠菌）的CO2通過琥珀?！狢o