微生物的代謝

第五章微生物新陳代謝1第五章微生物的代謝

第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系

第三節(jié)微生物特有的合成代謝途徑

第四節(jié)微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物第五節(jié)微生物代謝與生產(chǎn)實踐2代謝概論代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]3一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）功能：產(chǎn)能（ATP）、還原力、小分子代謝產(chǎn)物等。第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程4生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機物異養(yǎng)微生物利用有機物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中5（一）底物脫氫的途徑6（一）EMP途徑7EMP途徑特點：葡萄糖分子經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6—二磷酸果糖后，在醛縮酶的催化下，裂解成兩個三碳化合物分子，即磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被進一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。892、HMP途徑10HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。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。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。11又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。3、ED途徑12ED途徑

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（與EMP途徑連接）

~~氧化酶

(與HMP途徑連接)

EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途徑丙酮酸~~醛縮酶

有氧時與TCA環(huán)連接無氧時進行細菌發(fā)酵13（五）TCA循環(huán)1415TCA循環(huán)的重要特點1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。16二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結(jié)合，以釋放其化學潛能?！锔鶕?jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(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.發(fā)酵作用：沒有任何外援的最終氫受體的生物氧化；呼吸作用：有外援的最終氫受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：

有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是O2以外的無機氧化物，如NO3-、SO42-等.17181、呼吸（respiration）

——從葡萄糖或其他有機物質(zhì)脫下的電子或氫經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源O2或其他氧化型化合物并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。有氧呼吸（aerobicrespiration）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

19自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化還原勢氧化態(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20

特點：

a常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)部分呼吸鏈傳遞；

b氫受體：氧化態(tài)無機物

c產(chǎn)能效率低。硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點：

a有其完整的呼吸系統(tǒng)；

b只有在無氧條件下，才能誘導出反硝化作用所需的硝酸鹽還原酶

c兼性厭氧

細菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2無氧呼吸（厭氧呼吸）21硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：

NO3-

NH3R-NH2

異化性硝酸鹽作用：無氧條件下，利用NO3-為最終氫受體

NO3-NO2NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶

22

硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）

——厭氧時，SO42-

、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。特點：

a、嚴格厭氧；

b、大多為古細菌

c、最終產(chǎn)物為H2S；

SO42-SO32-SO2SH2Sd、利用有機質(zhì)（有機酸、脂肪酸、醇類）作為氫供體或電子供體；

e、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等）

23硫呼吸（硫還原）

——

以元素S作為唯一的末端電子受體。電子供體：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸鹽呼吸（碳酸鹽還原）

——以CO2、HCO3-

為末端電子受體24其他類型無氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機氧化物等作為末端電子受體的無氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。25

定義

廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝一種生產(chǎn)方式。狹義：厭氧條件下，以自身內(nèi)部某些中間代謝產(chǎn)物作為最終氫（電子）受體的產(chǎn)能過程特點：

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。3、發(fā)酵（fermentantion）26①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)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物271）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

（EMP）28b、細菌型乙醇發(fā)酵

(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)

同型酒精發(fā)酵

1G2丙酮酸

代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，發(fā)酵周期短等。缺點是生長pH較高，較易染雜菌，并且對乙醇的耐受力較酵母菌低.

（EDorEMP）2乙醇+

1ATP

異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細菌）

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸

+乙酰--CoA292）乳酸發(fā)酵

同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等）

——EMP途徑（丙酮酸乳酸）異型乳酸發(fā)酵

3031第二節(jié)

分解代謝與合成代謝的聯(lián)系12種中間代謝物

葡萄糖-1-P葡萄糖-6-P二羥丙酮-P3-P-甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸由EMP途徑產(chǎn)生32第二節(jié)

分解代謝與合成代謝的聯(lián)系

核糖-5-P赤蘚糖-4-P由HMP途徑產(chǎn)生乙酰-COA草酰乙酸α-酮戊二酸琥珀酰-COA由TCA循環(huán)產(chǎn)生33一.兩用代謝途徑

合成細胞物質(zhì)

分解產(chǎn)能EMP途徑

TCA循環(huán)34二.代謝物回補途徑回補（10條途徑）

磷酸烯醇式丙酮酸

草酰乙酸35乙醛酸循環(huán)---回補途徑之一

乙醛酸檸檬酸草酰乙酸蘋果酸琥珀酸異檸檬酸乙酰COA乙酰COA36第三節(jié)微生物獨特代謝一.自養(yǎng)微生物CO2的固定1、Calvin循環(huán)2、厭氧乙酰-COA途徑3、逆向TCA循環(huán)4、羥基丙酸途徑

37卡爾文循環(huán)（Calvincycle）的三個階段羧化反應3個核酮糖-1,5-二磷酸通過核酮糖二磷酸羧化酶將3個CO2固定,并轉(zhuǎn)變成6個3-磷酸甘油酸分子。還原反應3-磷酸甘油酸還原成3-磷酸甘油醛（通過逆向EMP途徑產(chǎn)生）。

CO2受體的再生1個3-磷酸甘油醛通過EMP途徑的逆轉(zhuǎn)形成葡萄糖，其余5個分子經(jīng)復雜的反應再生出3個核酮糖-1,5-二磷酸分子。38Calvincycle39還原性三羧酸循環(huán)途徑4C40厭氧乙酰-CoA途徑41羥基丙酸途徑42Amphibolicpathway兩用代謝途徑

EMP、HMP和TCA循環(huán)Anapleroticsequence代謝物回補順序指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的那些反應

Glyoxylatecycle乙醛酸循環(huán)43Glyoxylatecycle乙醛酸循環(huán)441、固氮微生物的種類

一些特殊類群的原核生物能夠?qū)⒎肿討B(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉(zhuǎn)化為各種細胞物質(zhì)。微生物利用其固氮酶系催化大氣中的分子氮還原成氨的過程稱為固氮作用。

自生固氮菌：獨立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等）共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式聯(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固氮的微生物。根際—芽孢桿菌屬；葉面—固氮菌屬。二、固氮作用452、固氮機制1）固氮反應的條件

aATP的供應：

1molN2—10~15ATPb還原力[H]及其載體氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。

c固氮酶

組分I：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）46組分II：

固氮酶還原酶，不含鉬，又稱鐵蛋白、固氮鐵氧還蛋白（AzoFd）特性：對氧極為敏感；需有Mg2+的存在；專一性：除N2外，可還原其他一些化合物

C2H2—C2H4；

2H+—H2

；

N2O—N2；HCN—CH4+NH3

（乙炔反應：可用來測知酶活）d還原低物N2：

NH3存在時會抑制固氮作用。47

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

a、固氮酶的形成

e—組分II—組分II（e）—Mg—ATP

組分I+N2—I—N2

b、固氮階段

N2*—2NH3+H2

即75%還原力用來還原N2，25%的還原力以H2形式浪費2）固氮生化過程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復合物）

48固氮生化途徑493、好氧性固氮菌的防氧機制

固N酶遇氧不可逆失活（組分I，半衰期10’；組分II，45”喪失一半活性）

（1）自身固N菌

a呼吸保護固N菌科的固N菌以極強的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。

b構(gòu)象保護高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象。構(gòu)象保護的蛋白質(zhì)——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結(jié)合，構(gòu)象變化，喪失固N能力；

氧濃度降低，蛋白自酶上解離50(2)藍細菌保護固N酶機制

a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細胞）

I、厚壁，物理屏障；

II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氧酶、氫酶活性高；

III、SOD活性很高；

IV、呼吸強度高

b非異形胞藍細菌固N酶的保護

——缺乏獨特的防止氧對固N酶的損傷機制。

I、固N、光合作用在時間上分隔開

——織線藍菌屬（黑暗：固N；光照：光合作用）

II、形成束狀群體（束毛藍菌屬），利于固N酶在微氧環(huán)境下固N

III、提高胞內(nèi)過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍菌屬）51I、豆科植物的共生菌

——以類菌體形式存在于根瘤中

類菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結(jié)合（高時結(jié)合，低時釋放）

豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血紅素有根瘤菌基因編碼。

II、非豆科植物共生菌——含植物血紅蛋白（功能相似豆血紅蛋白）

Frankin放線菌：

營養(yǎng)菌絲末端膨大的泡囊類似異形胞。

c根瘤菌保護固N酶機制

52四、肽聚糖的合成

1

在細胞質(zhì)中的合成——UDP-胞壁酸5肽

aG—G-UDP，M--UDPG——6-P-果糖—6-P-葡糖胺——N-乙酸葡糖胺-1-磷酸

—

N-乙酰葡糖胺-UDP—N-乙酰胞壁酸-UDP

bM合成“Park”核苷酸（UDP-M-5肽）

UDP作為糖載體

D-Val-D-Val為環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）阻斷；

53N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸親水性化合物54

——肽聚糖單體亞單位的合成

載體：細菌萜醇（類脂載體）

——C55類異戊二烯醇（含11個異戊二烯單位）穿膜的同時與G結(jié)合，接上肽橋，此外，類脂載體還參與胞外多糖、脂多糖的合成（磷壁酸、纖維素、幾丁質(zhì)、甘露聚糖等）萬古霉素，桿菌肽所抑制這些反應

2細胞膜中的合成55“Park”核苷酸合成肽聚糖單體細胞膜上細胞質(zhì)雙糖肽位于細胞膜外細胞壁生長點處563膜外的合成

a、多糖鏈的伸長（橫向連接）：

肽糖單體+引物（6~8肽糖單位）—多糖鏈橫向延伸1雙糖單位。

b、相鄰多糖鏈相聯(lián)（縱向連接）：

2D-Val—M-4肽+D-Val—甲肽尾五甘氨酸肽的游離—NH與乙肽尾

D-Val（第4個氨基酸）游離COOH轉(zhuǎn)肽作用：

青霉素所抑制。青霉素為D-Val-D-Val結(jié)構(gòu)類似物，競爭轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)糖基（形成-1，4糖苷鍵）

57轉(zhuǎn)糖基作用和轉(zhuǎn)肽作用58一、微生物代謝產(chǎn)物的利用利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的眾多代謝產(chǎn)物生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。