第1章 微生物代謝

第一章微生物的代謝代謝控制發(fā)酵課程授課教師：張俠E-mail：zhangxia79@第一節(jié)微生物的代謝體系

代謝（Metabolism）是細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱，也就是發(fā)生在微生物細胞內(nèi)各種生物化學(xué)反應(yīng)的總稱。(catabolism)(anabolism)分解代謝合成代謝

合成代謝與分解代謝在生物體中耦聯(lián)進行，它們之間既有明顯差別，但又緊密相關(guān)。分解代謝為合成代謝提供所需要的能量和原料，而合成代謝則是分解代謝的基礎(chǔ)。在代謝過程中，微生物通過分解代謝產(chǎn)生化學(xué)能，光合微生物還可將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，這些能量除用于合成代謝外，還可用于微生物的運動和運輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去。

初級代謝和次級代謝初級代謝：能使營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)物質(zhì)、具生理活性物質(zhì)或提供生長能量的一類代謝。產(chǎn)物有小分子前體物、單體、多聚體等生命必需物質(zhì)；次級代謝：某些微生物在一定生長時期出現(xiàn)的一類代謝。產(chǎn)物有抗生素、酶抑制劑、毒素、甾體化合物等，與生命活動無關(guān)，不參與細胞結(jié)構(gòu)，也不是酶活性必需，但對人類有用。二者關(guān)系：先初后次，初級形成期也是生長期，只有大量生長，才能積累產(chǎn)物。第二節(jié)微生物產(chǎn)能與耗能代謝

一、能量轉(zhuǎn)換

ATP是能量轉(zhuǎn)換的樞紐物質(zhì)1.底物水平磷酸化（SubstrateLevelPhosphorylation）——不需氧通過轉(zhuǎn)移底物在生物氧化過程中形成的高能化合物的高能磷酸鍵，直接形成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。特點：底物在生物氧化中脫下的電子或氫不經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞，而是通過酶促反應(yīng)直接交給底物自身的氧化產(chǎn)物，同時將釋放出的能量(一般通過高能磷酸鍵)交給ADP，形成ATP。底物水平磷酸化是微生物在發(fā)酵中產(chǎn)生ATP的唯一方式，在呼吸過程雖也存在，但處于次要地位。底物在生物氧化過程中放出的電子通過電子傳遞鏈傳到氧或其他氧化物(如NO3-1)，同時形成ATP的過程稱為氧化磷酸化或電子傳遞磷酸化。其核心為電子傳遞鏈（ETC,electrontransportchain)，或稱為呼吸鏈（RC,respiratorychain）。ETC由若干個氫和電子傳遞體按氧化還原電位高低順序排列而成，相當于一段由有機物分子連接而成的“生物導(dǎo)線”，電子在該導(dǎo)線上流動，產(chǎn)生ATP。組成ETC的成員主要有醌及醌衍生物、細胞色素、鐵硫蛋白及黃素蛋白4類化合物。

2.氧化磷酸化（OxidatirePhosphorylation）——需氧二、微生物的產(chǎn)能代謝

（一）化能異養(yǎng)微生物的生物氧化

1、發(fā)酵發(fā)酵(fermentation)是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。在發(fā)酵條件下有機化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過程的氧化是與有機物的還原耦聯(lián)在一起的。被還原的有機物來自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。發(fā)酵的種類有很多，其底物有碳水化合物、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。葡萄糖是異養(yǎng)微生物的主要碳源和能源，可直接進入糖代謝途徑被降解成小分子物質(zhì)——丙酮酸。主要分為四種途徑：（1）EMP途徑：糖酵解途徑（2）HMP途徑：戊糖磷酸途徑（3）ED途徑：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑（4）PK途徑：磷酸解酮酶途徑（1）EMP途徑主要生理功能是：1、提供ATP和NADH2、中間產(chǎn)物又可提供微生物合成代謝的碳骨架3、可逆轉(zhuǎn)合成多糖無氧條件下，該途徑產(chǎn)能效率很低，但多種中間代謝物不僅可為合成反應(yīng)提供原材料，而且起鏈接許多有關(guān)代謝途徑的作用，可用于多種發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)。（2）HMP途徑

從葡萄糖-6-P開始，即單磷酸己糖基礎(chǔ)上開始降解，故亦稱為單磷酸己糖途徑，磷酸戊糖支路（HMP途徑中3-P-甘油醛可以進入EMP途徑）。HMP途徑的總反應(yīng)可用下圖表示：戊糖磷酸途徑的概況一般認為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量的還原力NADPH和中間代謝產(chǎn)物，如核酮糖-5-P是合成核酸、某些輔酶及組氨酸的原料；NADPH是合成脂肪酸、類固醇和谷氨酸的供氫體。另外，核酮糖-5-P還可以轉(zhuǎn)化為核酮糖-1,5-二磷酸，在羧化酶作用下固定CO2，對于光能自養(yǎng)菌、化能自養(yǎng)菌具有重要意義。HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑，其生理意義：①為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；②產(chǎn)生大量的NADPH，一方面參與脂肪酸、固醇等細胞物質(zhì)的合成，另一方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量；③四碳糖（赤蘚糖）可用于芳香族氨基酸的合成；④在反應(yīng)中存在3~7碳糖，使具有該途徑的微生物的碳源譜更廣泛；⑤通過該途徑可產(chǎn)生許多發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等。單獨HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存（3）ED途徑

ED途徑是1952年在研究嗜糖假單胞菌（PseudomonasSaccharophila）時發(fā)現(xiàn)的。在ED途徑中，葡萄糖-6-P首先脫氫產(chǎn)生6-P-葡萄糖酸，接著在脫水酶和醛縮酶的作用下，產(chǎn)生甘油醛-3-P和丙酮酸，然后甘油醛-3-P進入EMP途徑轉(zhuǎn)變成丙酮酸。1分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸，1分子ATP，1分子NADPH和NADH。ED途徑可不依賴于EMP、HMP途徑而單獨存在，但對于靠底物水平磷酸化類的ATP的厭養(yǎng)菌而言，ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟。

ED途徑是少數(shù)EMP途徑不完整的細菌例如假單胞菌和發(fā)酵單胞菌等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，包括銅綠、熒光假單胞菌，根瘤菌，固氮菌，農(nóng)桿菌，運動發(fā)酵假單胞菌等。其特點是利用葡萄糖的反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低（1分子葡萄糖僅產(chǎn)1分子ATP，僅為EMP途徑之半），反應(yīng)中有一個6碳的關(guān)鍵中間代謝物——KDPG。由于ED途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，因此可以相互協(xié)調(diào)，以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。在不同的微生物中，EMP、HMP和ED途徑在己糖分解代謝中的重要性是有明顯差別的。在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。（4）磷酸解酮酶途徑

磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。沒有EMP、HMP、ED途徑的細菌通過PK途徑分解葡萄糖，產(chǎn)物有乙酸、乳酸等。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶。根據(jù)解酮酶不同：具有磷酸戊糖解酮酶的稱PK途徑，腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌；具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途徑，雙歧桿菌。在無氧條件下，以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物作為受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫，于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵pH小于7.5（一般控制在3.5—4.5）乙醇發(fā)酵特點：發(fā)酵基質(zhì)氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果仍有有機物；酶體系不完全，只有脫氫酶，沒有氧化酶；產(chǎn)生能量少。②通過ED途徑進行的乙醇發(fā)酵（細菌的乙醇發(fā)酵）參與微生物：運動發(fā)酵假單胞菌同型乳酸發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸，產(chǎn)生2分子ATP；異型乳酸發(fā)酵（通過HMP途徑或PK途徑）：發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇與CO2。表同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較腸桿菌屬（產(chǎn)氣桿菌）在發(fā)酵葡萄糖時，只有一小部分按混合酸發(fā)酵的類型進行外，大部分丙酮酸先通過兩個分子的縮合成為乙酰乳酸，再脫羧成為3-羥基丁酮，然后再還原為2，3-丁二醇。2、呼吸作用

微生物在降解底物過程中，將釋放出電子傳給NAD（P）+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程稱為呼吸作用。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。其中，以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸（aerobicrespiration），以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸（anaerobicrespiration）。許多不能被發(fā)酵的有機化合物能夠通過呼吸作用被分解，是因為在進行呼吸作用的生物電子傳遞系統(tǒng)中發(fā)生了NADH的再氧化和ATP的生成。因此，只要生物體內(nèi)有一種能將電子從該化合物轉(zhuǎn)移給NAD+的酶存在，而且該化合物的氧化水平低于CO2即可。能通過呼吸作用進行分解的有機物包括某些碳水化合物、脂肪酸、許多醇類。但對人造化合物，如PVC、PP等，微生物的呼吸作用具有顯著抗性，可在環(huán)境中積累，造成有害的生態(tài)影響。

（1）有氧呼吸根據(jù)原核生物與真核生物不同，葡萄糖完全氧化總共可獲得30或32個ATP。（2）無氧呼吸

某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸，如銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等這類外源受體。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。但由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。

（二）化能自養(yǎng)微生物（以無機物CO2為唯一或主要碳源）的生物氧化

化能自養(yǎng)菌是一類從無機物的氧化中得到能量(ATP)和還原力(NADH2或NADPH2)，再通過卡爾文循環(huán)同化CO2的微生物。專性化能自養(yǎng)菌不吸收利用有機物，故不能像異養(yǎng)細菌通過糖酵解和TCA產(chǎn)能。研究證明，某些專性自養(yǎng)菌缺乏一些關(guān)鍵酶，它們的EMP、ED不完全，TCA也存在缺陷：缺乏由TCA中間產(chǎn)物C6或C5產(chǎn)生C4化合物的機制。盡管如此，這些菌卻有HMP途徑，能溝通糖類進入TCA，并像厭氧微生物那樣，能通過有缺陷的TCA獲得生物合成所需中間產(chǎn)物。專性化能自養(yǎng)菌氧化無機物時，將產(chǎn)生的電子通過ETC傳給氧，其產(chǎn)能過程需要氧，故所有專性化能自養(yǎng)菌都是好氧的。（二）化能自養(yǎng)微生物的能量代謝一些微生物可以從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質(zhì)，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。化能自養(yǎng)菌的分類和一般特征1、硝化細菌的能量代謝氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，先由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸。由氨氧化為硝酸是通過這兩類細菌依次進行的。硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性菌，以分子氧為最終電子受體，且大多數(shù)是專性無機營養(yǎng)型。

2、硫細菌的能量代謝硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)產(chǎn)生4個ATP。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細胞色素C還原酶和末端細胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生1個ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化1分子SO42-產(chǎn)生2.5個ATP。（三）光能自養(yǎng)菌的能量代謝光能微生物可從陽光中獲取能量，通過光合磷酸化產(chǎn)能，即能將光能轉(zhuǎn)變成ATP形式的化學(xué)能。光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程——光合磷酸化（Photophosphorylation）當一個葉綠素分子吸收光量子時，葉綠素性質(zhì)上即被激活，導(dǎo)致葉綠素（或細菌葉綠素）釋放一個電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動力。1、循環(huán)（環(huán)式）光合磷酸化2、非循環(huán)（非環(huán)式）光合磷酸化

（1）依賴于菌綠素的光合作用——循環(huán)光合磷酸化（cyclic-photophosphorylation）一種存在于厭氧光合細菌中的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)，由于它是一種在光驅(qū)動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化，稱循環(huán)光合磷酸化。這類細菌包括紫色硫細菌/非硫細菌、綠色硫細菌/非硫細菌。其特點是：①在光能的驅(qū)動下，電子從菌綠素分子上逐出后，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP；②產(chǎn)物只有ATP，無NADP（H）；③還原力來自H2S等的無機氫供體；④不產(chǎn)生氧。ATP（2）依賴于葉綠素的光合作用——

非循環(huán)光合磷酸化（noncyclicphotophosphorylation）這是各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。其特點是：①電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；②在有氧條件下進行；③有兩個光合系統(tǒng)，其中的色素系統(tǒng)Ⅰ（含葉綠素a）可以利用紅光，色素系統(tǒng)Ⅱ（含葉綠素b）可利用藍光；④反應(yīng)中同時有ATP（產(chǎn)自系統(tǒng)Ⅱ）、還原力[H]（產(chǎn)自系統(tǒng)Ⅰ）和O2產(chǎn)生；⑤還原力NADPH中的[H]是來自H2O分子光解后的H+和e-。（3）兩種光合作用的異同點比較三、微生物的耗能代謝

微生物通過發(fā)酵、呼吸和光合磷酸化獲得能量。所得能量或被細胞直接利用，或者形成ATP等高能化合物，或者使細胞膜處于充能狀態(tài)(即建立能化膜)。能化膜貯存的能量可用于細胞運動、物質(zhì)運輸，也可以通過驅(qū)動ATP酶合成ATP。微生物通過不同途徑合成的ATP主要用于細胞物質(zhì)與代謝產(chǎn)物的合成，其余部分用于維持生命、生物發(fā)光或以生物熱放出。合成耗能：物質(zhì)合成消耗的能量包括合成原料進入細胞時主動運輸、單體合成、大分子細胞物質(zhì)合成及代謝產(chǎn)物合成消耗的總能量。主動運輸耗能細胞運動：大多數(shù)可運動的原核生物是利用鞭毛運動的。在真核微生物中，鞭毛和纖毛均具有ATP酶，水解ATP產(chǎn)生自由能，稱為運動所需的動力。發(fā)光：在海洋和淡水水體中，有一些細菌能發(fā)光。在一定條件下，發(fā)光細菌能將細胞內(nèi)貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。目前國內(nèi)常用的3種發(fā)光細菌為：明亮發(fā)光桿菌、費氏弧菌、青?；【?。（一）合成代謝與分解代謝的關(guān)系

對糖類、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等主要細胞成分而言，合成代謝和分解代謝存在共同的中間代謝物。例如由分解代謝產(chǎn)生的丙酮酸、乙酰CoA、草酰乙酸、3-P甘油醛等化合物亦可作為合成反應(yīng)的起始物。（1）生物合成途徑中一個分子的生物合成途徑與它的分解代謝途徑通常是不同的，其中可能有相同的步驟，但導(dǎo)向一個分子的合成途徑與從該分子開始的降解途徑間至少有一個酶促反應(yīng)步驟是不同的。（2）需能的生物合成途徑與產(chǎn)能的ATP分解反應(yīng)相偶聯(lián)，因而生物合成方向是不可逆的。（3）調(diào)節(jié)生物合成的反應(yīng)與相當?shù)姆纸獯x途徑的調(diào)節(jié)機制無關(guān)，因為控制分解代謝途徑速率的調(diào)節(jié)酶，并不參與生物合成途徑。生物合成途徑主要是被它們的末端產(chǎn)物濃度所調(diào)節(jié)。（amphibolicpathway）1、①在兩用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)，即催化兩個方向中的同一反應(yīng)并不是總是用同一種酶來進行的。例如，葡萄糖合成中，有兩個酶與分解代謝時不同，即由果糖二磷酸酶（而不是磷酸果糖激酶）來催化果糖-1，6-二磷酸至果糖-6-磷酸的反應(yīng)，由葡萄糖-6-磷酸酶（而不是己糖激酶）來催化葡萄糖-6-磷酸至葡萄糖的反應(yīng)。②在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細胞的不同區(qū)域中分隔進行，即合成代謝一般在細胞質(zhì)中進行，而分解代謝則多在線粒體和微粒體中進行，這就有利于兩者可同時有條不紊地運轉(zhuǎn)。2、代謝回補順序（anapleroticsequence）指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝產(chǎn)物的那些反應(yīng)。與EMP途徑和TCA循環(huán)有關(guān)的回補順序約有10條。主要圍繞EMP途徑中的PEP和TCA循環(huán)中的OA這兩種關(guān)鍵性中間代謝物來進行。丙酮酸PEP（二）微生物獨特合成代謝途徑1、自養(yǎng)微生物的CO2固定2、生物固氮3、微生物結(jié)構(gòu)大分子——肽聚糖的合成4、微生物次級代謝物的合成1、CO2固定

CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源，異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為輔助的碳源。將空氣的CO2同化成細胞物質(zhì)過程，稱為CO2的固定作用。自養(yǎng)微生物將CO2加在一個特殊的受體上，經(jīng)過循環(huán)反應(yīng)，使之合成糖并重新生成該受體。在異養(yǎng)微生物中CO2被固定在某種有機酸上。因此異養(yǎng)微生物即使能同化CO2，最終卻必須靠吸收有機碳化合物生存。自養(yǎng)微生物同化CO2所需的能量來自光能或無機物氧化所得的化學(xué)能，固定CO2的途徑主要有以下三條：

（1）卡爾文循環(huán)（Calvincycle）

化能自養(yǎng)微生物和大部分光合細菌中

（2）逆向TCA循環(huán)（reverseTCAcycle）

在光合細菌、綠硫細菌中發(fā)現(xiàn)此途徑

每循環(huán)一次可固定4分子CO2，合成1分子草酸乙酰，消耗3