第七章 微生物代謝

第七章

微生物的代謝新陳代謝（metabolism）簡稱代謝，泛指發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝(anabolism)的總和分解代謝酶系復(fù)雜分子（有機物）簡單分子+ATP+[H]合成代謝酶系微生物的生長需要能量對能進行光合作用的微生物來說，能量可來自于光能，通過光合磷酸化轉(zhuǎn)化為ATP，以供它們利用。對不能進行光合作用的微生物來說，能量則來自于生物氧化作用，通過氧化磷酸化或底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP。第一節(jié)微生物的能量代謝能量代謝是新陳代謝的核心問題生物氧化生物氧化就是物質(zhì)在活細胞內(nèi)的一系列氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過程。產(chǎn)能（ATP）生物氧化的功能：產(chǎn)還原力[H]

產(chǎn)小分子中間代謝物呼吸生物氧化的類型：無氧呼吸發(fā)酵一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能底物脫氫的4條途徑及其與遞氫、受氫的聯(lián)系葡萄糖經(jīng)不同脫氫途徑后的產(chǎn)能效率的特點和差別遞氫和受氫1、呼吸（respiration）又稱好氧呼吸，是一種最普遍又最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式，其特點是底物常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫經(jīng)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(chǎn)生了水并釋放出ATP形式的能量。2、無氧呼吸（anaerobicrespiration）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的生物氧化。特點是底物經(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)。硝酸鹽呼吸：以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學過程，也稱為異化性硝酸鹽還原作用（Dissimilative）。（1）硝酸鹽呼吸（2）硫酸鹽呼吸硫酸鹽呼吸：是一類稱作硫酸鹽還原細菌的嚴格厭氧菌在無氧條件下獲取能量的方式，其特點是底物脫氫后，經(jīng)呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫的過程中與氧化磷酸化相偶聯(lián)而獲得ATP。（3）硫呼吸硫呼吸：以無機硫作為呼吸鏈的最終氫受體產(chǎn)生H2S的生物氧化作用（4）鐵呼吸鐵呼吸：呼吸鏈的末端受體是Fe3+。（5）碳酸鹽呼吸碳酸鹽呼吸：呼吸鏈的末端氫受體是CO2或重碳酸鹽。（6）延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸：呼吸鏈的末端氫受體是延胡索酸，琥珀酸是還原產(chǎn)物。3、發(fā)酵（fermentation）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)呼吸鏈傳遞而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵酵母型乙醇發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丁二醇發(fā)酵酒精發(fā)酵是釀酒工業(yè)的基礎(chǔ)，它與釀造白酒，果酒，啤酒以及酒精的生產(chǎn)等有密切關(guān)系。進行酒精發(fā)酵的微生物主要是酵母菌，如啤酒酵母(Saccharomyces

cerevisiae)等，此外還有少數(shù)細菌如發(fā)酵單胞菌(Zymononas

mobilis)，嗜糖假單胞菌(PseudomonasSaccharophila)，解淀粉歐文氏菌(Eruinia

amylovora)等也能進行酒精發(fā)酵。(1)乙醇發(fā)酵：乙醇發(fā)酵：酵母型乙醇發(fā)酵——EMP途徑，如釀酒酵母、胃八疊球菌等。細菌型乙醇發(fā)酵——ED途徑，如運動發(fā)酵單胞菌等。第一型發(fā)酵：酵母菌在無氧條件下，將葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解為2分子丙酮酸，然后在酒精發(fā)酵的關(guān)鍵酶——丙酮酸脫羧酶的作用下脫羧生成乙醛和CO2，最后乙醛被還原為乙醇。

2CH3COCOOH2CO2

(EMP途徑)2CH3CHONADH2NADC6H12O62CH3CH2OH總反應(yīng)式：C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CH2OH+2CO2+2ATP酵母菌進行乙醇發(fā)酵時，根據(jù)控制的發(fā)酵條件不同，形成的發(fā)酵產(chǎn)物有根本的差別，我們將酵母菌的乙醇發(fā)酵分為三型：第一型發(fā)酵，第二型和第三型發(fā)酵。第二型發(fā)酵：是在發(fā)酵過程中加入亞硫酸氫鈉，亞硫酸氫鈉和乙醛起加成作用，生成難溶的結(jié)晶狀亞硫酸氫鈉加成物－－磺化羥乙醛：

OHNaHSO3+CH3CHOCH3-C-OHOS2Na由于乙醛和亞硫氫鈉發(fā)生了加成作用，致使乙醛不能作為受氫體，而迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體生成

-磷酸甘油：

CH2OHCH2OHC=O+NADH2HCOH+NADCH2OPO3HCH2OPO3H2α-磷酸甘油在α-磷酸甘油磷酸酯酶催化下去磷酸而生成甘油。總反應(yīng)式為：

C6H12O6+NaHSO3甘油+磺化羥乙醛第三型發(fā)酵：是在發(fā)酵過程中，控制發(fā)酵液出在堿性條件，在堿性條件下進行使乙醛不能作為正常的受氫體，而是兩分子乙醛之間發(fā)生歧化反應(yīng)，即相互進行氧化還原反應(yīng)，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙醛被還原為乙醇：

CH3CHOCH3CHOH2ONADH2

NADCH3COOHCH3CH2OH這樣又迫使磷酸二羥丙酮作為受氫體而最終形成甘油。總反應(yīng)式為：

2C6H12O62甘油＋乙酸＋乙醇＋2CO2一些能夠產(chǎn)生大量乳酸的細菌稱為乳酸細菌。在乳酸發(fā)酵過程中，發(fā)酵產(chǎn)物中只有乳酸的稱為同型乳酸發(fā)酵；發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外，還有乙醇、乙酸及CO2等其它產(chǎn)物的，稱為異型乳酸發(fā)酵。(2)乳酸發(fā)酵：（一）同型乳酸發(fā)酵

引起同型乳酸發(fā)酵的乳酸細菌，稱為同型乳酸發(fā)酵菌，鏈球菌屬（Streptococcus）、乳酸桿菌屬（Lactobacillus）等。同型乳酸發(fā)酵的基質(zhì)主要是已糖，同型乳酸發(fā)酵菌發(fā)酵已糖是通過EMP途徑產(chǎn)生乳酸的。其發(fā)酵過程是葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸后，不經(jīng)脫羧，而是在乳酸脫氫酶的作用下，直接被還原為乳酸.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丙酮酸同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcus

lactisLactobacillusplantarum乳酸脫氫酶（二）異型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵基本都是通過磷酸解酮酶途徑（即PK途徑）進行的。而雙歧桿菌通過HMP途徑發(fā)酵葡萄糖，2分子葡萄糖產(chǎn)生3分子乙酸、2分子乳酸和5分子ATP。腸膜明串球菌（Leuconostos

mesentewides）、短乳桿菌（Lactabacillus

brevis）等是通過戊糖解酮酶途徑將1分子葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生1分子乳酸，1分子乙醇和1分子CO2，并且只產(chǎn)生1分子ATP。

乳酸發(fā)酵被廣泛地應(yīng)用于泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青貯飼料中，由于乳酸菌的發(fā)酵代謝，積累了乳酸，抑制其他微生物的生長，使蔬菜，牛奶及飼料得以保存。異型乳酸發(fā)酵：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-CO2（3）混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：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(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2（4）2,3-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-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細菌具有

-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP

腸桿菌特征，產(chǎn)物有甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有機酸，還有CO2、H2、少量2，3-丁二醇、乙酰甲基甲醇、甘油等。其中兩個重要的鑒定反應(yīng)：

1．V．P．實驗（Vagex-Proskauer）

產(chǎn)氣氣桿菌產(chǎn)2，3-丁二醇比較多，堿性條件下可氧化為二乙酰，再與肌酸或胍類衍生物縮合成紅色物質(zhì)，若加入α-萘酚、肌酸可促進反應(yīng)，此稱VP反應(yīng)。

大腸桿菌不產(chǎn)生或少產(chǎn)生2，3-丁二醇，VP反應(yīng)陰性。

紅色——V.P實驗陽性，用+表示；不變色——V.P實驗陰性，用-表示2．甲基紅（M.R）反應(yīng)

大腸桿菌產(chǎn)酸多，使pH降至4.2,甲基紅由黃變紅，反應(yīng)陽性。產(chǎn)氣氣桿菌產(chǎn)2，3-丁二醇，產(chǎn)酸少（pH5.3），甲基紅反應(yīng)陰性。

紅色——M.R實驗陽性，用+表示；不變色——M.R實驗陰性，用-表示3．另外，甲酸只在堿性環(huán)境下積累（pH7.3）,而pH6.2以下，不產(chǎn)甲酸，甲酸脫氫酶與氫化酶聯(lián)合作用下，HCOOH→CO2+H2。

傷寒桿菌無甲酸脫氫酶，只產(chǎn)酸不產(chǎn)氣。

酸的產(chǎn)生可利用指示劑來指示。在配制培養(yǎng)基時可預(yù)先加入溴甲酚紫【pH5(黃)－pH7(紫)】紫色無氣泡，既不產(chǎn)酸也不產(chǎn)氣用-表示；黃色無氣泡，產(chǎn)酸不產(chǎn)氣，用+表示；黃色且有氣泡，產(chǎn)酸產(chǎn)氣，用0表示。（5）Stickland反應(yīng)以一種氨基酸作供氫體，以另一種氨基酸作為受氫體而實現(xiàn)產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型。CH3CHNH2COOHCH2NH2COOH+2ADP+PiATP3CH3COOH+3NH3+CO2丙氨酸甘氨酸乙酸概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風對酵母代謝的影響通風（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)現(xiàn)象：（一）化能自養(yǎng)微生物還原CO2所需要的ATP和[H]是通過氧化無機物而獲得的NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)硝化細菌、鐵細菌、硫細菌、氫細菌等屬于化能自養(yǎng)類型二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力（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：厭氧光合細菌古細菌：嗜鹽菌產(chǎn)能方式：不產(chǎn)氧型光合細菌——循環(huán)式光合磷酸化色素分子：菌綠素（Bchl）代表菌：紅螺菌目的真細菌，如紅螺菌屬、紅假單胞屬、綠菌屬等。產(chǎn)氧型光合細菌——非循環(huán)式色素：PSⅠ葉綠素a（P700）、PSⅡ葉綠素b（P680）代表菌：蘭細菌1.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ADP+PiATPe2.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，無葉綠素或細菌葉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在膜上呈斑片狀（直徑約0.5mm）獨立分布，其總面積約占細胞膜的一半，主要由細菌視紫紅質(zhì)組成。實驗發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。紫膜的光合磷酸化是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最簡單的光合磷酸化反應(yīng)第二節(jié)微生物獨特的合成代謝一、生物固氮

微生物將氮還原為氨的過程稱為生物固氮,固氮微生物的共同特點是:當環(huán)境中缺少化合態(tài)氮時才進行固氮作用。具有固氮作用的微生物近50個屬，包括細菌、放線菌和藍細菌A、自生固氮菌一類不依賴與它種生物共生而能獨立進行固氮的生物B.共生固氮菌必須與它種生物共生在一起才能進行固氮的生物c.聯(lián)合固氮菌必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能進行固氮的生物根據(jù)固氮微生物與高等植物以及其他生物的關(guān)系，可以把它們分為三大類1．固氮反應(yīng)的條件

ATP

還原力[H]及其載體固氮酶

鎂離子

厭氧微環(huán)境

底物N2固氮酶催化還原氮氣必須具備還原劑(H+和電子)、ATP、Mg2+，并且只有在無氧和排除氨效應(yīng)的條件下才能進行。固氮酶含有兩個金屬蛋白組分，即鉬鐵蛋白和鐵蛋白。固氮酶的活性中心為鉬鐵蛋白中所含的鐵鉬輔因子（FeMo—Co）固氮酶在催化過程中需要能量、氫和電子，另外還需要電子載體。固氮微生物中發(fā)現(xiàn)的電子載體主要有鐵氧還蛋白（Fd）和黃素氧還蛋白（F1d）兩種，它們可以把電子由電子供體傳遞給固氮酶2．固氮的生化途徑總反應(yīng)：N2+8[H]+18~24ATP2NH3+H2固氮酶形成階段固氮階段氧氣對固氮作用的影響及調(diào)節(jié)固氮酶對氧氣敏感，即使是從好氧性固氮菌中分離到的固氮酶也會因遇氧其而失活。好氧性固氮菌為了在生長過程中同時固氮，具備一套使固氮菌在整體上是處于好氧的環(huán)境，而在局部又是處于厭氧環(huán)境的防氧保護機制。 呼吸保護：好氣性自生固氮菌 組織保護：根瘤菌“豆血紅蛋白” 結(jié)構(gòu)保護：固氮蘭細菌“異形胞” 構(gòu)型保護：棕色固氮菌“2Fe—2S蛋白”二、肽聚糖的合成

肽聚糖是絕大數(shù)原核生物細胞壁所含有的獨特成分；它在細菌的生命活動中有著重要的功能。它是許多重要抗生素作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)反應(yīng)部位的不同可分成三個合成階段1.在細胞質(zhì)中的合成：在細胞質(zhì)中合成N-乙酰胞壁酸五肽（“Park”核苷酸）。

a.由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸b.由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸2.在細胞膜中