第七章 - 微生物的新陳代謝11

第七章

微生物的新陳代謝目的和要求：本章重點掌握化能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)型、光能營養(yǎng)性微生物能量、還原力產(chǎn)生方式和過程，理解有關(guān)微生物分解代謝與合成代謝的聯(lián)系，了解微生物獨特的合成代謝途徑，掌握代謝調(diào)節(jié)的方法。重點、難點：（1）化能異養(yǎng)型產(chǎn)能和還原力的方式及過程（呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵）（2）自養(yǎng)微生物的代謝過程（產(chǎn)能、還原力）（3）放氧和非放氧型光合磷酸化產(chǎn)能方式（4）微生物特有的固氮合成代謝及微生物的代謝調(diào)控。第一節(jié)代謝概論新陳代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]根據(jù)代謝過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物在機體內(nèi)作用的不同：初級代謝次級代謝初級代謝：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)和能量的過程初級代謝產(chǎn)物：包括：小分子前體物質(zhì)、能量代謝和代謝調(diào)節(jié)中起作用的物質(zhì)次級代謝：指某些微生物生長到穩(wěn)定期前后，以結(jié)構(gòu)簡單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的初生代謝物作為前體，通過復(fù)雜的次級代謝途徑合成一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對微生物自身沒有明確功能產(chǎn)物的代謝類型。次級代謝產(chǎn)物：包括：抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。第二節(jié)微生物的能量代謝能量代謝的中心任務(wù)是：生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）一、生物氧化生物氧化就是發(fā)生在活細胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化還原反應(yīng)的總稱生物氧化與燃燒的比較一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能某物質(zhì)與氧結(jié)合脫氫脫電子三種產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物1）生物氧化的形式包括：2）生物氧化的功能為：3）生物氧化的類型：生物氧化反應(yīng)發(fā)酵呼吸有氧呼吸無氧呼吸4）生物氧化的過程一般包括三個環(huán)節(jié)：①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體）②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③最后氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）1、底物脫氫（以葡萄糖為例）底物脫氫的途徑（1）EMP途徑：又稱糖酵解途徑（2）HMP：又稱己糖-磷酸途徑（3）ED：又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑（4）TCA：TCA循環(huán)，即三羧酸循環(huán)（一）EMP途徑EMP途徑的生理功能1.供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力2.是連接其他幾個重要代謝途徑的橋梁3.為生物合成提供多種中間代謝物4.通過逆向反應(yīng)可進行多糖合成若從EMP途徑與人類生產(chǎn)實踐的關(guān)系來看，則它與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)系密切。EMP途徑要點四個產(chǎn)物去向：

丙酮酸：進入TCA循環(huán)；還原產(chǎn)乳酸、乙醇等；

ATP：營養(yǎng)物吸收和合成反應(yīng)；

NADH+H+：借氧化磷酸化產(chǎn)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(yīng)步驟。（二）HMP途徑(戊糖磷酸途徑)

（HexoseMonophophatePathway）特點: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代謝產(chǎn)物。6C6H12O6+12NADP++6H2O→→5C6H12O6+(12NADPH+12H+)

+6CO2+PiHMP途徑的簡圖及總反應(yīng)式HMP途徑的重要意義1.供應(yīng)合成原料：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(chǎn)還原力：產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。3.連接EMP途徑：與EMP途徑（在果糖-1，6-二磷酸果糖和甘油醛-3-磷酸處）連接，可為生物合成提供更多的戊糖。4.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。5.作為固定CO2的中介：6.通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產(chǎn)物如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸等。又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑只在微生物中發(fā)現(xiàn)。ED途徑

1葡萄糖

6-磷酸-葡萄糖

6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖酸-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(nóng)桿菌,

運動發(fā)酵單胞菌等。ED途徑過程：（4步反應(yīng)）ED途徑的簡圖ED途徑的特點1.產(chǎn)能快:2.ED途徑的特征酶：是KDPG醛縮酶.3.反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低：4.此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(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。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵.細菌酒精發(fā)酵：運動發(fā)酵單胞菌細菌酒精發(fā)酵優(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)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低（四）三羧酸循環(huán)

又稱TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的呼吸代謝中起關(guān)鍵作用。TCA循環(huán)的重要特點1）氧雖不直接參與其中反應(yīng)，但必須在有氧條件下運轉(zhuǎn)；（關(guān)鍵酶：丙酮酸脫氫酶）2）每分子丙酮酸可產(chǎn)4個NADH、1個FADH2和1個GTP，總共相當于15個ATP，產(chǎn)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(chǎn)緊密相關(guān)。葡萄糖經(jīng)不同脫氫途徑后的產(chǎn)能效率p113產(chǎn)能形式

EMPHMPEDEMP+TCA

ATP底物水平

GTP

2

1

22NADH+H+

2

1

2+8NADPH+H+

12

1FADH2

2凈產(chǎn)ATP

8

35

7

36-38其他途徑:

如：PK途徑（磷酸酮解酶途徑）

1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+

PK途徑（磷酸酮解酶途徑）乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸

1G乳酸+乙醇+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）

G5-磷酸-木酮糖

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

b、磷酸己糖酮解酶途徑——

又稱HK途徑（兩歧雙歧桿菌）

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

二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★根據(jù)遞氫特點尤其是受氫體性質(zhì)的不同把微生物能量代謝分為：呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.★呼吸作用又可分為兩類：有氧呼吸

無氧呼吸概念:底物脫氫后，經(jīng)完整呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧作為最終電子(或氫)受體，產(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。是最普遍、最重要的生物氧化方式。1、有氧呼吸

特點：必須在有氧條件下進行，底物的氧化作用不與氧的還原作用直接偶聯(lián)，逐級傳遞，最后傳遞給氧。

電子傳遞或氧化呼吸鏈定義：位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體內(nèi)膜上由一系列氧化還原勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫傳遞體功能是把氫或電子從低氧化還原勢的化合物處逐級傳遞到高氧化還原電勢的分子氧或其他有機物、無機物，并使他們還原。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2氧化態(tài) 還原態(tài)還原態(tài) 氧化態(tài) 氧化態(tài) 還原態(tài)還原態(tài) 醌 氧化態(tài)氧化態(tài) 還原態(tài)

脫氫酶NAD FADH2 H2ONADH2 FAD 1/2O2

+2H+低能水平高氧化還原勢FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸鏈高能水平低氧化還原勢氧化磷酸化：在呼吸鏈的遞氫和受氫（即氧化）過程與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。氧化磷酸化形成ATP的機制：化學(xué)滲透學(xué)說ATP酶概念：

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(shù)為有機氧化物）的生物氧化方式。特點：底物經(jīng)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)過程。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸類型2、無氧呼吸無氧呼吸的類型

無機鹽呼吸

硝酸鹽呼吸：NO3-NO2-,NO,N2硫酸鹽呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32-,H2S硫呼吸：SH2S碳酸鹽呼吸CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4

延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸☆廣義含義：指任何利用好氧或厭氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物或其他產(chǎn)品一類生產(chǎn)方式。狹義含義：是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)。3、發(fā)酵作用特點：

1）通過底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；

2）葡萄糖氧化不徹底，大部分能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；

3）產(chǎn)能率低；

4）產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。底物水平磷酸化：

是在某種化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個化合物通過相應(yīng)的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP?！畎l(fā)酵內(nèi)涵：在EMP、HMP、ED、TCA途徑中均有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，如不及時使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。常見的發(fā)酵種類：1.由EMP途徑中的丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵乙醇發(fā)酵，同型乳酸發(fā)酵，丙酸發(fā)酵，

2,3-丁二醇發(fā)酵，混合酸發(fā)酵，丁酸型發(fā)酵2.通過PK、HK途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵3.通過ED途徑進行的發(fā)酵細菌的酒精發(fā)酵V.P.實驗Enterobacteraerogenes能產(chǎn)生3-羥基丁酮在堿性條件下可氧化為二乙酰，二乙?？膳c含胍基的氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生特征性的紅色反應(yīng)即V.P.+而與Enterobacteraerogenes近緣的E.coli呈V.P.-發(fā)酵類型1）乙醇發(fā)酵

a、酵母型乙醇發(fā)酵1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

條件：pH3.5~4.5,厭氧菌種：釀酒酵母

i、加入NaHSO3NaHSO3+乙醛

磺化羥乙醛（難溶）

ii、弱堿性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應(yīng)）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘油——甘油發(fā)酵（EMP）---亞硫酸氫鈉必須控制亞適量（3%）

2）乳酸發(fā)酵乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為：同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）保加利亞乳桿菌異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)PK、HK途徑）

腸膜明串珠菌兩歧雙歧桿菌

3）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）定義：一種氨基酸作底物脫氫與另種氨基酸作為氫受體實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型

氫供體（氧化）氨基酸：

Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等

氫受體（還原）氨基酸：

Gly、Pro、Arg、Met、Leu、羥脯氨酸等。呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵的比較：p123

二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和還原力CO2CH2O細胞物質(zhì)化能自養(yǎng)微生物的生物氧化光能自養(yǎng)微生物的光合磷酸化ATP[H]Calvin循環(huán)乙酰CoA途徑還原性TCA途徑羥基丙酸途徑（一）化能自養(yǎng)微生物（chemoautotrophs）

順呼吸鏈傳遞

CO2NH4+,NO2-,H2S,SATP(最初能源)

耗[H]產(chǎn)ATP

逆呼吸鏈傳遞

S,H2,Fe2+NAD(P)H2（無機氫供體）

耗ATP產(chǎn)[H][CH2O]還原CO2時ATP和[H]的來源無機底物脫氫后電子進入呼吸鏈的部位它的能量代謝主要有3個特點：1）無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系這與異養(yǎng)微生物對葡萄糖等有機底物的氧化要經(jīng)過多條途徑逐級脫氫明顯不同；2）呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進入呼吸鏈；3）產(chǎn)能效率即P/O比一般要低于化能異養(yǎng)微生物。通過氧化無機物取得能量，并以CO2為唯一或主要碳源1.硝化細菌:亞硝化細菌

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H++132Kcal硝化細菌

NO2-+1/2O2→NO3-+18.1Kcal硝化細菌的能量代謝（二）光能營養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核生物：藻類及綠色植物原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌古細菌：嗜鹽菌1）循環(huán)式光合磷酸化

④不產(chǎn)生氧③還原力來自H2S等無機物②產(chǎn)能與產(chǎn)還原力分別進行特點：①電子傳遞途徑屬循環(huán)方式代表菌：厭氧的光合細菌可用于污水凈化2）非環(huán)式光合磷酸化

④還原力來自H2O的光解③同時產(chǎn)生還原力、ATP和O2②有PSⅠ和PS

Ⅱ2個光合系統(tǒng)特點：①有氧條件下進行代表菌：藍細菌及藻類、植物等3）嗜鹽菌紫膜的光合作用一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或菌綠素參與的獨特的光合作用。嗜鹽菌細胞膜紅色部分（紅膜）紫色部分（紫膜）主要含細胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體主要由細菌視紫紅質(zhì)組成。能進行光合作用。ATP合成機理：視黃醛吸收光，構(gòu)型改變，質(zhì)子泵到膜外，膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動力，驅(qū)動ATP酶合成ATP。第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系連接分解代謝和合成代謝的重要中間代謝物一、兩用代謝途徑：凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑。如EMP、HMP、TCA等。比如：①丙酮酸可以逆EMP途徑合成葡萄糖——葡糖異生作用②TCA循環(huán)可以對丙酮酸、乙酰-CoA進行徹底氧化，同時實際上也產(chǎn)生琥珀酰-CoA、草酰乙酸和α-酮戊二酸等重要中間物，它們是合成氨基酸、卟啉等的中間代謝物。注意：

（1）在兩用代謝途徑中，合成與分解并非是簡單的完全逆轉(zhuǎn)，中間有些反應(yīng)是由不同的酶催化（2）合成代謝與分解代謝步驟中含有不同的中間代謝物（3）在真核生物中，分解代謝和合成代謝在不同的分隔區(qū)域內(nèi)分別進行2代謝物回補順序（代謝物補償途徑、添補途徑）指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