第六章　微生物的代謝

1、第六章 微生物的代謝代 謝物質(zhì)代謝：合成代謝、分解代謝能量代謝：產(chǎn)能代謝、耗能代謝代謝產(chǎn)物作用：初級代謝、次級代謝第一節(jié) 微生物對有機物的分解 外界環(huán)境中相對分子質(zhì)量較小的有機物能被微生物直接吸收，而相對分子質(zhì)量較大的有機物必須經(jīng)過微生物分解為相對分子質(zhì)量較小的有機物，才能被微生物吸收。 一、不含氮有機物的分解 較為重要的不含氮有機物中的淀粉、纖維素、半纖維素、果膠物質(zhì)、木素和芳香族化合物等能被微生物分解。（一）淀粉的分解 淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質(zhì)。淀粉有兩類，一類是由-1,4-糖苷鍵將葡萄糖連接而成的直鏈淀粉；另一類是在直鏈淀粉基礎(chǔ)上，又產(chǎn)生由-1,6-糖苷鍵連接起來產(chǎn)

2、生了分支的支鏈淀粉。一般在自然淀粉中，直鏈淀粉約占10%20%，支鏈淀粉約占80%90%。在以淀粉作為生長碳源與能源的微生物中，它們能利用本身合成并分泌到胞外的淀粉酶，將淀粉水解生成雙糖與單糖后，被微生物吸收，然后再被分解與利用。分解淀粉的酶種類較多，而且作用方式各異，目前按作用方式與特點可將淀粉酶分為幾種類型。1.液化型淀粉酶（又稱-淀粉酶）此酶作用的結(jié)果是產(chǎn)生麥芽糖、含有6個葡萄糖單位的寡糖和帶有支鏈的寡糖。由于它作用的結(jié)果使原來淀粉溶液的黏度下降，并且產(chǎn)物的構(gòu)型是-構(gòu)型，故稱為液化型淀粉酶或稱-淀粉酶。在微生物中，許多細菌、放線菌和霉菌均能產(chǎn)生液化型淀粉酶，而且還可以通過工業(yè)發(fā)酵的方式來

3、生產(chǎn)淀粉酶，枯草桿菌通常用作-淀粉酶的生產(chǎn)菌株。2.糖化型淀粉酶 這是一類酶的總稱。它們的一個共同特點是可以將淀粉水解成麥芽糖或葡萄糖，故名糖化型淀粉酶。目前已知這類酶至少包括下述三種：淀粉-1,4-麥芽糖苷酶（又稱-淀粉酶）。故此酶作用于淀粉后的產(chǎn)物是麥芽糖與極限糊精；淀粉-1,4-葡萄糖苷酶。此酶作用于直鏈淀粉后的產(chǎn)物幾乎全是葡萄糖，作用于支鏈淀粉后的產(chǎn)物有葡萄糖與帶有-1,6-糖苷鍵的寡糖。根霉與曲霉普遍都能合成與分泌此酶；淀粉-1,6-糖苷酶（又稱異淀粉酶）。此酶專門作用于淀粉分子中的-1,6-糖苷鍵，生成葡萄糖。 淀粉在上述四類酶的共同作用下，將淀粉完全水解成葡萄糖。目前已能利用微生

4、物生產(chǎn)淀粉酶使之用于棉織物的淀粉脫漿，以及用酶法來代替酸水解法生產(chǎn)葡萄糖。（二）纖維素的分解纖維素是一種由葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的大分子化合物。它的相對分子質(zhì)量更大，更不溶于水，均不能直接被人和動物消化，但它可以被許多真菌包括木霉、青霉、曲霉、根霉以及放線菌與細菌中的一些種分解與利用。細菌中常見的纖維素分解菌有黏細菌、梭狀芽孢桿菌、瘤胃細菌、產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、丁酸弧菌等。 （三）半纖維素的分解 半纖維素也是植物細胞壁的重要組成成分，在植物體內(nèi)的含量很高，僅次于纖維素，半纖維素是由戊糖（主要是木糖和阿拉伯糖）和己糖（主要是半乳糖和甘露糖）縮合而成的聚合物，有些種類植物在組成半纖維素的亞基中，還有

5、糖醛酸（主要是半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸）。 半纖維素比纖維素容易分解，能夠分解它的微生物種類也比較多，例如細菌中的噬纖維菌，梭菌中的某些種類，真菌中的曲霉、青霉、木霉等的某些種類。半纖維素在相應(yīng)酶的作用下，分解為相應(yīng)的單糖。二、含氮有機物的分解 在被微生物分解利用的含氮有機物中，較為重要的有蛋白質(zhì)、殼多糖和尿素。這些有機物經(jīng)過分解都產(chǎn)生氨。凡含氮有機物通過微生物分解產(chǎn)生氨的作用稱為氨化作用（ammonification）。氨化作用在提供植物營養(yǎng)上有重要作用。 蛋白質(zhì)的分解 蛋白質(zhì)是由許多氨基酸通過肽鍵連接起來的大分子化合物，許多微生物可以通過胞外蛋白水解酶催化，將它們分解成短肽，短肽在肽酶的作用

6、下進一步被分解成氨基酸。 蛋白酶對其作用基質(zhì)有一定的專一性，不同蛋白質(zhì)被不同的蛋白酶所分解?？莶輻U菌能合成明膠酶與酪蛋白酶，因而它們能水解明膠與酪蛋白，大腸桿菌不產(chǎn)生這兩種酶，故不能水解這兩種蛋白質(zhì)。 肽酶是一類作用于肽的酶，它使肽轉(zhuǎn)變成氨基酸。 微生物對蛋白質(zhì)的分解作用與人類的關(guān)系極為密切。土壤中含有的蛋白質(zhì)物質(zhì)，主要靠蛋白質(zhì)分解菌分解，生成簡單的含氮化合物，再供植物與微生物利用。在食品工業(yè)中，傳統(tǒng)的醬制品，如醬油，豆豉、腐乳等的制作也都利用了微生物對蛋白質(zhì)的分解作用。另一方面，微生物對蛋白質(zhì)作用也對人類產(chǎn)生有害的作用，如食物的腐敗、傷口的感染、化膿等。目前已能利用枯草桿菌、棲土曲霉、放線菌

7、等微生物來生產(chǎn)蛋白酶，用它來進行皮革脫毛、蠶絲脫膠等，滿足皮革、紡織等領(lǐng)域工業(yè)的需要。 （一）脫羧作用 許多微生物細胞體內(nèi)通常都具有氨基酸脫羧酶，它可以催化氨基酸脫羧生成有機胺，有機胺在胺氧化酶的作用下，放出氨生成相應(yīng)的醛，醛再氧化成有機酸，最后按脂肪酸-氧化的方式分解，為機體生長提供必要的能量與小分子化合物。 （二）脫氨作用 脫氨基主要有氧化脫氨基（大腸桿菌等參與）、水解脫氨基（酵母菌等參與）和還原脫氨基（大腸桿菌等參與）三種方式。1.氧化脫氨基 CH3CHNH2COOH+1/2O2CH3COCOOH+NH32.水解脫氨基 RCHNH2COOH+H2ORCH2OH+CO2+NH33.還原脫氨

8、基 HOOCCH2CHNH2COOHHOOCCH=CHCOOH+NH3第二節(jié) 微生物的主要產(chǎn)能方式 微生物不同，其產(chǎn)能方式也不同。和其他生物一樣，微生物機體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)基本上都是一些氧化還原反應(yīng)，即在反應(yīng)過程中，一部分物質(zhì)被氧化，另外一部分物質(zhì)被還原，在這個反應(yīng)過程中伴隨有電子的轉(zhuǎn)移。根據(jù)電子的最終受體不同，可將微生物的產(chǎn)能方式分為發(fā)酵與呼吸兩種主要方式，另外還有些自養(yǎng)微生物與光合微生物可以通過無機物氧化與光能轉(zhuǎn)換即光合磷酸化的方式獲得能量。一、發(fā)酵 發(fā)酵是厭氧微生物在生長過程中獲得能量的一種主要方式。在發(fā)酵過程中，有機物質(zhì)既是被氧化的基質(zhì)，又是氧化還原反應(yīng)過程中的電子最終受體，并且這種作

9、為電子最終受體的有機物通常都是被氧化基質(zhì)不完全氧化的中間產(chǎn)物。這說明基質(zhì)在發(fā)酵過程中氧化不徹底，發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機物。 （一）乙醇發(fā)酵在酵母菌的乙醇發(fā)酵里，葡萄糖經(jīng)過糖酵解作用產(chǎn)生兩個丙酮酸，丙酮酸再經(jīng)脫羧、放出CO2生成乙醛，乙醛接受糖酵解過程中放出的氫而被還原成乙醇。因此在乙醇發(fā)酵過程中，一個葡萄糖最終轉(zhuǎn)變成兩個乙醇，放出兩個CO2，同時凈產(chǎn)生兩個ATP：（二）乳酸發(fā)酵 乳酸發(fā)酵是指乳酸細菌將葡萄糖分解產(chǎn)生的丙酮酸還原成乳酸的生物學(xué)過程。這時丙酮酸也是直接接受糖酵解過程中脫下的氫，使之還原成乳酸。（三）混合酸發(fā)酵 許多微生物還能通過發(fā)酵將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H

10、2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，因此，將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。二、呼吸 呼吸是大多數(shù)微生物用來產(chǎn)生能量（ATP）的一種方式。與發(fā)酵相比，基質(zhì)在氧化過程中放出的電子不是直接交給有機物，而是通過一系列電子載體最終交給電子受體的生物學(xué)過程稱為呼吸。根據(jù)呼吸中電子最終受體的性質(zhì)不同，可以將呼吸分為好氧呼吸與厭氧呼吸兩種類型。（一）有氧呼吸 以分子氧作為最終電子受體的呼吸稱為有氧呼吸。（二）厭氧呼吸 在厭氧呼吸里，作為最終電子受體的物質(zhì)有NO3-、SO42-或CO2等無機物，或有延胡索酸等有機物。1.硝酸鹽還原（反硝化作用） 以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學(xué)過程通常稱為硝酸鹽呼

11、吸:NO3-+2H+2e-NO2-+H2O 能使硝酸鹽還原的細菌通常稱為硝酸鹽還原細菌。 許多硝酸鹽還原細菌在厭氧呼吸過程中，能使硝酸鹽逐步還原成N2，這種由硝酸鹽逐步還原成分子氮的過程稱反硝化作用。反硝化作用會導(dǎo)致土壤中植物可利用氮（NO3-）的消失，從而降低了土壤肥力，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。克服反硝化作用的有效方法之一是松土，保持土壤的疏松狀態(tài)，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件等。2.硫酸鹽還原（反硫化作用） 硫酸鹽還原細菌如脫硫弧菌能以有機物作為氧化的基質(zhì)，氧化放出的電子可以使SO42-逐步還原成H2S。這類細菌通常是以乳酸作為氧化的基質(zhì)，但氧化不徹底，最終積累有機物質(zhì)-乙酸，并放出

12、H2S： 3.碳酸鹽還原（甲烷生成） 產(chǎn)甲烷細菌能在氫等物質(zhì)的氧化過程中，以CO2作為最終的電子受體，通過厭氧呼吸最終使CO2還原成甲烷，這就是通常所說的甲烷發(fā)酵。但在產(chǎn)甲烷細菌的甲烷發(fā)酵中，電子傳遞方式與產(chǎn)能方式等還有待進一步研究。 三、無機物氧化 自然界存在一類微生物，能以無機物作為氧化的基質(zhì)，并利用該物質(zhì)在氧化過程中放出的能量進行生長。這類微生物就是好氧型的化能自養(yǎng)微生物，它們分別屬于氫細菌、硫化細菌、硝化細菌和鐵細菌。四、光能轉(zhuǎn)換 光能是一種輻射能，它不能被微生物直接利用，只有當(dāng)光能通過光合生物的光合色素吸收與轉(zhuǎn)變成化學(xué)能ATP以后，才能用來支持生物的生長?？梢姽饽苻D(zhuǎn)換是光合生物獲得能

13、量的一種主要方式。 光合色素是光合生物所特有的物質(zhì)，它在光能轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。光合色素有主要色素和輔助色素。主要色素是葉綠素或細菌葉綠素，輔助色素有類胡蘿卜素與藻膽色素。 光合細菌有3種類型的光合作用：1.依靠菌綠素的光合作用，如紅螺菌，紅硫菌，綠硫菌等。2.依靠葉綠素的光合作用，如藍細菌。3.依靠菌視紫紅質(zhì)的光合作用，如鹽細菌。第三節(jié) 微生物固氮作用 空氣中的氮氣約占空氣總體積的四分之一，這種氮原子不能直接被動物、植物和大多數(shù)微生物利用，但當(dāng)它被還原成氨以后，可以被植物吸收和被微生物利用來作為生長的氮源。 一、固氮作用 固氮作用是地球上僅次于光合作用的第二個重要的生物合成反應(yīng)。但已知只

14、有一些原核微生物能固氮。固氮作用是指固氮微生物依靠其固氮酶系催化分子氮還原形成氨的作用過程。二、固氮微生物的種類 固氮微生物種類有：能獨立固氮的自生固氮菌、必須與其他生物共生才能固氮的共生固氮菌以及需要生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能固氮的聯(lián)合固氮菌。三、固氮機制 還原分子氮成氨的作用由雙組分固氮酶（dinitrogenase）復(fù)合體催化。組分I為固氮酶，組分為固氮酶還原酶。組分I和組分都含有鐵，但組分I還含有鉬，所以組分I為鐵鉬蛋白，組分為鐵蛋白。固氮的總反應(yīng)式為：N2+8H+8e-+（1824）ATP2NH3+H2+（1824）ADP+（1824）Pi四、好氧固氮菌防止氧傷害其固氮酶

15、的機制 好氧固氮菌是如何解決需氧但又必須防止氧傷害其固氮酶矛盾？已知有以下一些保護固氮酶免受氧傷害的機制：（一）固氮菌保護固氮酶的機制1.呼吸保護 固氮菌屬的許多細菌以其較強的呼吸強度迅速耗去固氮部位周圍的氧，以使固氮酶處于無氧的微環(huán)境中而免受氧的傷害。2.構(gòu)象保護 有的固氮菌有一種起著構(gòu)象保護功能的蛋白質(zhì)Fe-S蛋白質(zhì)，在氧分壓增高時，它與固氮酶結(jié)合，此時，固氮酶構(gòu)象發(fā)生改變并喪失固氮活力；一旦氧濃度降低，該蛋白便自酶分子上解離，固氮酶恢復(fù)原有的構(gòu)象和固氮能力。（二）藍細菌保護固氮酶的機制 進行產(chǎn)氧光合作用的藍細菌普遍有固氮酶能力，其具有獨特的保護固氮酶機制。分化有異形胞的絲狀藍細菌在異形胞

16、中進行固氮作用。異形胞是部分藍細菌適應(yīng)于有氧條件下進行固氮作用的特殊細胞。它有很厚的細胞壁，缺乏氧光合系統(tǒng)，有高的脫氫酶和氫酶活力，這些特性使異形胞保持高度的無氧或還原狀態(tài)，固氮酶不會受氧的傷害。此外，異形胞還有很高的超氧化物歧化酶活力，有解除氧毒害的功能；其呼吸強度也高于鄰近的營養(yǎng)細胞。（三）根瘤菌保護固氮酶的機制 與豆科植物共生的根瘤菌以類菌體（bacteroids）形式生活在豆科植物根瘤中，根瘤不僅提供根瘤菌以良好的營養(yǎng)環(huán)境，還為根瘤菌固氮酶提供免受氧傷害的場所。類菌體周圍有類菌體周膜(peribacteroid membrane,pmb)包著，膜上有一種能與氧發(fā)生可逆性結(jié)合的蛋白豆血紅

17、蛋白(leghaemoglobin,Lb)，它與氧的親和力極強，起著調(diào)節(jié)根瘤中膜內(nèi)氧濃度的功能，氧濃度高時與氧結(jié)合；氧濃度低時又可釋放出氧 ,從而既保證了類菌體生長所需的氧，又不致對其固氮酶產(chǎn)生氧傷害。第四節(jié) 微生物細胞物質(zhì)的合成 微生物的生長過程包括營養(yǎng)物質(zhì)的分解與細胞物質(zhì)的合成。營養(yǎng)物質(zhì)的分解過程除了為機體生長提供能量以外，還能為機體生長提供物質(zhì)合成所需要的還原力與小分子前體物。能量、還原力與小分子前體物通常又稱為細胞物質(zhì)合成的三要素。異養(yǎng)細菌細胞物質(zhì)合成 在細胞物質(zhì)合成過程中的化學(xué)反應(yīng)雖然不清楚有多少，但可以肯定有上千個，其中少數(shù)自發(fā)進行，但大多數(shù)由酶催化，一般來講在異養(yǎng)細菌中可以把這種合成過程分為三級。 第一級是降解反應(yīng)，有