微生物的代謝

第七章微生物的代謝

（MicrobialMetabolism）1內(nèi)容微生物的能量（ATP的結構、ATP的生成*＃、微生物的氧化方式*、能量的利用）微生物的分解代謝（幾糖*、丙酮酸*＃、多糖、蛋白質(zhì)、脂肪及其他）微生物的合成代謝（無機養(yǎng)料同化*、前體物質(zhì)及其大分子的合成、細胞壁的合成、次生代謝*）2第一節(jié)微生物的能量energy3微生物的分解代謝和合成代謝

伴隨能量的生成和釋放41.（自由能、自由能變、吸能反應、放能反應）2.高能化合物：無論是吸能反應還是放能反應都需要一個能攜帶和轉移能量的化合物，在生物體內(nèi)，這種化合物叫高能化合物。ATPRCO～SCoA5一.ATP的結構腺苷三磷酸：A－P～P～PATP<=>ADP磷酸化作用：ADP可以接受其他高能磷酸化合物轉移來～P，再生成ATP，這個作用稱為磷酸化作用。ATP是能量轉移中心6二.ATP的生成*＃

通過磷酸化作用一）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：在某種化合物氧化的過程中，可以生成一種含高能磷酸鍵的化合物，此化合物通過相應的酶作用，將高能磷酸根轉移給ADP，生成ATP。2.特點：不經(jīng)電子傳遞鏈，電子直接在兩種化合物間轉移X～P+ADP

→ATP+X8二）氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化）1.概念：在底物氧化過程中，脫掉的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧化合生成水，并且偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP的過程。2.特點：質(zhì)子和電子向終端電子受體轉移時，需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個傳遞體都是一個氧化還原系統(tǒng)。傳遞中逐步釋放能量，并生成ATP。9傳遞體：各種輔酶和輔基真核微生物－－在線粒體內(nèi)膜原核微生物－－在細胞質(zhì)膜上如：真核生物和G-細菌中的泛醌（ubiquinone,UQ或CoQ

）UQ

UQH(CoQ

CoQH)10氧化磷酸化中電子傳遞與磷酸化的偶聯(lián)113.電子傳遞磷酸化的效率：P/O每消耗一個氧原子所形成的ATP的數(shù)目真核微生物P/O＝3細菌P/O<1（效率低）12三）光合磷酸化1.概念：將光能轉變成化學能的過程，即光合色素電子傳遞與高能磷酸鍵偶聯(lián)的過程。2.特點：依靠光合色素不同生物有差別131）藍細菌光合色素為葉綠素（chlorophyll）還原CO2所需的e-來自H2O的光解；并有O2的釋放屬于非環(huán)式光合磷酸化（Z鏈傳遞），有兩個光反應系統(tǒng)（I和II），產(chǎn)生ATP和NADPH+H+鐵氧還蛋白NADPH+H+NADP+葉綠素（系統(tǒng)I）光質(zhì)體藍素細胞色素f細胞色素b質(zhì)體醌葉綠素（系統(tǒng)II）光

e-

e-

e-

e-

e-

e-H2O1/2O2+H+

ATPADP+Pi142）光合細菌光合色素為細菌葉綠素（bacteriochlorophyll

）還原CO2所需的e-來自還原態(tài)的無機S、氫或有機物；沒有O2的釋放屬于環(huán)式光合磷酸化，產(chǎn)生ATP鐵氧還蛋白細胞色素b細胞色素c光菌綠素輔酶Q

e-

e-

e-

e-

e-ADP+PiATP153）極端嗜鹽古菌光合色素為細菌紫膜質(zhì)（bacteriorhodopsin）視黃醛+蛋白質(zhì)無電子傳遞鏈，視黃醛借助光能泵出H+，形成H+梯度，當H+通過H+-ATP酶返回時，合成ATP16三.微生物的氧化方式根據(jù)終端電子受體的性質(zhì)：一）有氧呼吸（aerobicrespiration）二）發(fā)酵作用（fermentation）三）無氧呼吸（anaerobicrespiration）17一）有氧呼吸1.概念：化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終交給氧，并生成水。2.特點：有氧參加氧化徹底產(chǎn)能量多1G+O2

→CO2+H2O+688kcal見于需氧菌、兼性厭氧菌18二）發(fā)酵作用1.概念：化合物氧化時脫下的氫和電子經(jīng)某些輔酶和輔基的傳遞交給另一有機物，最終產(chǎn)生一種還原性產(chǎn)物的作用。2.特點：不需氧參加（呼吸抑制發(fā)酵，巴斯德效應）氧化不徹底產(chǎn)能量少

1G+有機受體→CH3CH2OH+54kcal見于兼性或專性厭氧菌+還原性產(chǎn)物19三）無氧呼吸1.概念：化合物氧化時脫下的氫和電子經(jīng)一系列電子傳遞體，最終交給無機氧化物的作用。

NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等2.特點：無氧參加氧化較徹底產(chǎn)能量少

1G+NO3-→CO2+H2O+29kcal+NO2-見于專性或兼性厭氧菌20四.能量的利用一）生物合成二）其他生命活動三）生物發(fā)光四）生物熱21第二節(jié)微生物的分解代謝catabolism22一.己糖的分解一）糖酵解（glycolysis）葡萄糖降解生成丙酮酸的過程Embden-Meyerhof-Parnaspathway,EMP途徑C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+H++2ATP許多需氧菌、兼性厭氧菌和專性厭氧菌都具有該途徑（古菌除外）23EMP途徑24糖酵解的生理功能：1）ATP→能量

2）磷酸化中間產(chǎn)物→脂類等合成

3）丙酮酸→氨基酸等合成4）NADH+H+→有氧呼吸時生成ATP，無氧發(fā)酵時提供還原力25二）己糖單磷酸途徑（hexose

monophosphatepathway,HMP途徑）在己糖單磷酸基礎上開始分解由于葡萄糖降解產(chǎn)生5碳糖，又稱戊糖磷酸途徑6G-6-P

+6H2O+12NADP+→6CO2+12NADPH+12H++H3PO4+5G-6-P大多數(shù)需氧菌、兼性厭氧菌都具有該途徑26HMP途徑27HMP途徑的生理功能：1）為生物合成提供不同長度的碳骨架 2）產(chǎn)生NADPH，提供能量或還原力3）5-P核酮糖→1,5-2P核酮糖,自養(yǎng)菌固定CO228三）ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）葡萄糖降解生成丙酮酸和3-P甘油醛的途徑ED途徑：僅在G-

細菌中發(fā)現(xiàn)如嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）修飾過的ED途徑：極端嗜鹽古菌、極端嗜熱古菌29ED途徑：1葡萄糖→2丙酮酸1ATP2NAD(P)H30二.丙酮酸代謝的多樣性一）乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇脫氫酶發(fā)生條件：只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO

2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶311.酵母菌（在pH3.5-4.5，厭氧時）的乙醇發(fā)酵

脫羧酶乙醇脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

2.細菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應如下：

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

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應如下：葡萄糖+ADP+Pi

乳酸+乙醇+CO2+ATP32二）丁二醇發(fā)酵腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、歐文氏菌屬的一些菌有

-乙酰乳酸合成酶系進行丁二醇發(fā)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-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2

-乙酰乳酸合成酶

-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶EMP33三）乳酸發(fā)酵菌種不同，代謝途徑不同，產(chǎn)物有所不同1.同型乳酸發(fā)酵（通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸）2.異型乳酸發(fā)酵（通過HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機化合物）（磷酸己糖解酮酶途徑,Phosphoketolase

Pathway

）341.同型乳酸發(fā)酵乳桿菌屬（Lactococcus）鏈球菌屬（

Streptococcus

）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP工業(yè)：乳酸農(nóng)業(yè)：青貯飼料食品：酸奶、泡菜352.異型乳酸發(fā)酵乳桿菌屬（Lactococcus）鏈球菌屬（

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）丁酸發(fā)酵梭菌屬葡萄糖→丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A→丁酰輔酶A→丁酸伴隨乙酸、CO2、H2和ATP的生成37五）混合酸發(fā)酵埃希氏菌屬、沙門氏菌屬、志賀氏菌屬的一些菌經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生多種有機酸、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脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.238①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵不同微生物利用丙酮酸形成的產(chǎn)物39鑒別腸道細菌的V.P.試驗鑒別原理：腸桿菌屬、沙雷氏菌屬等在堿性條件下產(chǎn)生的二乙?？膳c精氨酸的胍基結合，形成紅色的化合物

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結合）紅色化合物-CO2堿性條件40鑒別腸道細菌的M.R試驗鑒別原理：埃希氏菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。41六）三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle,TCA循環(huán)）1.乙酰輔酶A的生成CH3COCOOH

+CoASH

+NAD+→CH3CO~SCoA+NADH+H+

+CO22.三羧酸循環(huán)CH3CO~SCoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi→2CO2

+CoASH+3NADH+3H++FADH2

+ATP3.呼吸鏈3NADH+3H++FADH2

→呼吸鏈→11ATP42三羧酸循環(huán)C、能量問：1mol葡萄糖完全氧化產(chǎn)生多少ATP？43TCA在代謝中的作用1）產(chǎn)生大量ATP1葡萄糖→38/36ATP2）是糖代謝與氨基酸、脂肪酸代謝等的橋梁44三.多糖分解一）淀粉：葡萄糖聚合物，

-1,4、-1,6

4種淀粉酶二）纖維素：葡萄糖聚合物，β-1,4

纖維素酶、纖維二糖酶三）幾丁質(zhì)：N-乙酰氨基葡萄糖聚合物，β-1,4

幾丁質(zhì)酶、幾丁二糖酶四）果膠質(zhì)甲基半乳糖醛酸的聚合物+鈣原果膠質(zhì)酶、果膠酶、果膠酸酶45四.蛋白質(zhì)的分解蛋白質(zhì)：肽、氨基酸的聚合物蛋白酶、肽酶、脫氨酶、脫羧酶46五.脂肪和其他有機物的分解脂肪：脂酶等脂烴：羧化酶等芳烴：加氧酶等產(chǎn)物進入糖酵解、TCA循環(huán)或β-氧化47第三節(jié)微生物的合成代謝anabolism48微生物的合成代謝（同化作用）：從簡單的小分子物質(zhì)合成復雜的大分子物質(zhì)的過程。合成代謝三要素：小分子前體物質(zhì)、能量、還原力49一.無機養(yǎng)料的同化一）CO2的同化將空氣中的CO2同化為細胞有機物的過程1.自養(yǎng)微生物對CO2的固定自養(yǎng)微生物的唯一碳源6CO2+6H2O+12NADPH→C6H12O6+12NADP+CO2

受體，卡爾文循環(huán)（Calvincycle）ATP酶50小分子？能量？還原力？3個階段？2個關鍵酶？6×6×12×12×12×10×2×E2E1512.異養(yǎng)微生物對CO2的固定異養(yǎng)微生物的補償碳源，少量，但必要原因：TCA的中間產(chǎn)物常被用作生物合成的原料而損耗。添補反應：異養(yǎng)微生物主要依靠CO2的固定生成四碳二羧酸化合物，來補充TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物，這個發(fā)應叫添補反應（anapleroticreaction）。如：丙酮酸+CO2+ATP→草酰乙酸+ADP+Pi52二）NO3-的同化還原硝酸鹽的同化還原：微生物吸收硝酸鹽，逐步還原成NH3并用于細胞物質(zhì)合成的還原方式。硝酸鹽的異化還原：硝酸鹽作為厭氧呼吸終端電子受體，被還原成N2和其他氣態(tài)氮而釋放到胞外。I：NO3-+NADPH+H+

→NO2-+H2O+NADP+II：NO2-→NH2OH→NH3（各級還原酶）NADPH+H+NADPH+H+NADP+NADP+53三）N2的同化還原（生物固氮）微生物將分子態(tài)氮（N2）還原為氨（NH3

）的作用固氮酶、電子、能量N2+8e-+8H++16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi產(chǎn)能代謝→鐵氧還蛋白等→Fe蛋白→MoFe蛋白e-e-e-MgATP6H++N22NH3MgADP+Pi2H+H254固氮酶（nitrogenase）：還原酶，分子量大，一般含2種蛋白組分，即鉬鐵蛋白和鐵蛋白固氮酶的催化范圍寬：N2→2NH3

2H+

→H2

C2H2→

C2H4（間接測定固氮酶的活性）生物固氮耗能高：16ATP+8e-（12ATP）→28ATP只在沒有現(xiàn)成無機氮化物時才進行6e-2e-2e-55四）SO42-的同化還原硫酸鹽的同化還原：微生物吸收硫酸鹽，逐步還原成H2S并用于合成有機硫的還原方式。硫酸鹽的異化還原：硫酸鹽作為厭氧呼吸的終端電子受體，被活化是形成APS。I：同化還原活化：SO42-→磷酸腺苷磷酰硫酸PAPSII：PAPS→SO32-→H2SH2S+Ser→Cys

SerCys56二.前體物質(zhì)及其大分子的合成一）氨基酸的合成1）氨基化作用微生物經(jīng)硝酸鹽同化還原or生物固氮or直接吸收的NH3，使

-酮酸氨基化，生成相應的氨基酸，稱為初生氨基酸2）轉氨基作用在轉氨酶的作用下，將一種氨基酸的氨基轉移給酮酸，形成新的氨基酸，稱為次生氨基酸57二）蛋白質(zhì)的合成1.蛋白質(zhì)合成的條件1）模板：mRNA2）氨基酸攜帶者：tRNA3）合成場所：rRNA+Pr→核糖體（A位，P位）2.蛋白質(zhì)合成的過程1）起始起始密碼子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）延伸識別：密碼子決定相應的AA-tRNA，A位轉肽：P位上的氨基酸或肽鏈轉移到A位點的AA上移位：核糖體沿mRNA向下移動一個密碼子，將A位點上帶有肽鏈的tRNA移到P位，A位空出延伸因子3）終止終止密碼子：UGA、UAA、UAG，無相應AA肽鏈與連接它的最后一個tRNA斷開，釋放肽鏈終止因子59三）核苷酸的合成堿基、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、天門冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰氨等2）吸收環(huán)境中現(xiàn)成的嘌呤、嘧啶或核苷而組成相應的核苷酸核苷單磷酸→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雙鏈半保留復制，5’→3’，半不連續(xù)，引物，酶復制方