第十四單元-第五章微生物代謝(一)

第五章

微生物的代謝本章內(nèi)容第一節(jié)代謝概論第二節(jié)糖代謝第三節(jié)氨基酸和蛋白質(zhì)代謝

第四節(jié)脂類代謝

第五節(jié)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)

第一節(jié)代謝概論簡(jiǎn)稱代謝（metabolism），是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化的總稱。代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]一、新陳代謝

能量是使自然界中各種活動(dòng)得以進(jìn)行的一種能力，所有的物理和化學(xué)過程都是能量應(yīng)用或轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

二、能量

微生物代謝過程中的能量來源主要為有機(jī)物的氧化（分解代謝）、無機(jī)物的氧化、光。最初能源有機(jī)物還原態(tài)無機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營(yíng)養(yǎng)微生物通用能源（ATP）光有機(jī)物氧化無機(jī)物氧化氧化還原反應(yīng)是電子從一個(gè)供體（還原劑）轉(zhuǎn)移至一個(gè)電子受體（氧化劑）的反應(yīng)。在生物化學(xué)中，氧化還原通常不僅僅只是轉(zhuǎn)移電子，有時(shí)也轉(zhuǎn)移氫原子，因?yàn)樵诩?xì)胞氧化中，電子和質(zhì)子可以同時(shí)失去，這就相當(dāng)于失去氫原子。三、氧化還原反應(yīng)

氧化還原對(duì)E0′（氧化還原電勢(shì)）2H+＋2e－

——→H2Fe3+＋e－——→Fe2+NAD(P)+

＋H+

＋e－

——→NAD(P)HS＋2H+＋2e－

——→H2SFAD＋2H+＋2e－——→FADH2Cytb(Fe3+)＋e－——→Cytb(Fe2+)Cytc(Fe3+)＋e－——→Cytb(Fe2+)NO3－＋2H+

＋2e－

——→NO2－＋H2ONO2－＋8H+

＋6e－

——→NH4

＋2H2OFe3+＋e－——→Fe2+O2

＋4H+

＋4e－

——→4H2O－0.42－0.42－0.32－0.274－0.180.0750.2540.4210.440.7710.815能量代謝是一切生物代謝的核心問題。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(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源------ATP。三磷酸腺苷（ATP）在細(xì)胞代謝的能量流通中扮演著“能量貨幣”的重要角色，它作為能量的載體參與代謝途徑中能量的儲(chǔ)存、釋放和轉(zhuǎn)移。四、ATP及產(chǎn)生ATP的三種磷酸化反應(yīng)

生物體具有三種磷酸化方式產(chǎn)生ATP：

1底物水平磷酸化

高能磷酸基團(tuán)直接從磷酸化合物（底物）轉(zhuǎn)移到ADP而形成ATP。2氧化磷酸化電子通過一系列電子載體（NAD+等）被轉(zhuǎn)給分子氧或其他有機(jī)分子時(shí)發(fā)生磷酸化而產(chǎn)生ATP。3光合磷酸化光合磷酸化只存在于能進(jìn)行光合作用的細(xì)胞中。把所捕獲到的光能通過電子傳遞鏈轉(zhuǎn)化為以ATP和NADH形式儲(chǔ)存的化學(xué)能。第二節(jié)糖代謝多糖和二糖不能直接透過微生物的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。一般需要微生物分泌胞外酶將其水解成單糖才能進(jìn)入細(xì)胞被利用。一、糖的分解代謝和產(chǎn)能

1.多糖和二糖的分解(1)淀粉的分解：淀粉酶(α-1,4

)、糖化酶、普魯蘭酶（α-1,6

）等(2)纖維素和半纖維素的分解天然纖維素C1酶

短鏈纖維素Cx酶

纖維寡糖纖維二糖葡萄糖β-葡萄糖糖苷酶

葡萄糖半纖維素可以通過木聚糖酶等復(fù)合酶水解成單糖。(3)果膠的分解果膠由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵形成的直鏈狀高分子化合物。果膠酶主要有三種：果膠裂解酶、果膠甲酯水解酶和果膠聚半乳糖醛酸酶。(4)二糖的分解蔗糖、麥芽糖、乳糖、纖維二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有兩種方式：一是水解酶將其水解為單糖;另一種是由相應(yīng)的磷酸化酶將其分解。1）蔗糖的分解許多微生物細(xì)胞能夠分泌蔗糖水解酶：蔗糖+H2O蔗糖水解酶葡萄糖＋果糖在嗜糖假單胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反應(yīng)：蔗糖+H3PO4

蔗糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋果糖2）麥芽糖的分解麥芽糖+H2O麥芽糖水解酶2葡萄糖麥芽糖+H3PO4

麥芽糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖3）乳糖的分解乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖4）纖維二糖的分解纖維二糖是在纖維二糖磷酸化酶的催化下分解的。纖維二糖+H3PO4

纖維二糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖2.單糖的分解和產(chǎn)能葡萄糖作為典型的生物氧化底物其分解的主要途徑包括：EMP途徑、ED途徑、TCA循環(huán)、HMP途徑。每條途徑既有產(chǎn)生多種形式小分子中間代謝物以供合成反應(yīng)作原料的功能，又有脫氫、產(chǎn)能的功能。(1)葡萄糖的分解和產(chǎn)能(2)呼吸和發(fā)酵在生物體中，葡萄糖經(jīng)上述的多種途徑分解后，產(chǎn)生NAD(P)H+H+經(jīng)過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型。2.單糖的分解和產(chǎn)能(1)葡萄糖的分解和產(chǎn)能有氧呼吸：底物分解產(chǎn)生的氫，經(jīng)完整的呼吸鏈（RCrespirarorychain，又稱電子傳遞鏈ETCelectrontransportchain）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）的過程。無氧呼吸：底物按常規(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(jī)物或有機(jī)物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。

發(fā)酵：在無氧條件下，底物脫氫后不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接將其交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的—類低效產(chǎn)能反應(yīng)

。

生物氧化1)有氧呼吸（aerobicrespiration)

指從葡萄糖或其它有機(jī)基質(zhì)脫下的電子（氫）經(jīng)過一系列電子載體最終傳遞給外源分子氧并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。以氧氣以外的氧化型化合物作為最終電子受體有氧呼吸（aerobicrespiration）：無氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的產(chǎn)能方式。有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別A.電子傳遞鏈：由一系列按氧化還原電位由低到高順序排列起來的氫(電子)傳遞體組成。原核生物呼吸鏈在細(xì)胞膜上，真核生物的呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜但呼吸鏈的主要成分是類似的。兩個(gè)功能：1）傳遞氫或電子；2）儲(chǔ)存氫或電子傳遞過程釋放的能量，用于合成ATP；又稱“呼吸鏈”當(dāng)一對(duì)電子通過呼吸鏈從NADH傳遞至O2的過程中，釋放自由能的部位有三處即產(chǎn)生3ATP，P/O=3。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP原核生物呼吸鏈的特點(diǎn):多樣化1.除了葡萄糖或其它有機(jī)基質(zhì)外，H2、S、Fe2+、NH4+、NO-2等都可用作電子供體；2.除了O2外，可用作電子受體的還有NO-3、NO-2、NO-、SO42-、S2-、CO32-，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亞砜和氧化三甲亞胺等有機(jī)物；3.各類型細(xì)胞色素，如a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；4.末端氧化酶，不僅有細(xì)胞色素a1、a2、a3、d、o等，還有H2O2酶和過氧化物酶；5.呼吸鏈組分與含量多變，隨氧氣的供應(yīng)、生長(zhǎng)階段、基本營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、Fe2+、SO42-濃度等變化而改變；6.不僅有一般呼吸鏈，還有分支呼吸鏈；7.電子傳遞方式多樣化，在細(xì)菌中可經(jīng)CoQ傳遞給細(xì)胞色素，也可不經(jīng)CoQ傳遞給細(xì)胞色素。B.氧化磷酸化作用的化學(xué)滲透假說化學(xué)偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學(xué)滲透假說位于細(xì)胞膜或線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈組分在傳遞來自基質(zhì)的氫時(shí)，在將電子傳遞給下一個(gè)電子載體的同時(shí)把質(zhì)子從膜內(nèi)泵到膜外，因而造成了膜內(nèi)外兩側(cè)的質(zhì)子梯度和電位梯度，由此產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，這種動(dòng)勢(shì)蘊(yùn)藏著電子傳遞過程中所釋放的能量。在質(zhì)子動(dòng)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，質(zhì)子通過跨膜的ATP合酶從膜外回到膜內(nèi)，并釋放能量驅(qū)使ADP磷酸化生成ATP?；瘜W(xué)滲透假說：電子從NAD+進(jìn)入呼吸鏈傳遞至O2時(shí)，只有3處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生3分子ATP；NAD呼吸鏈的P/O=3；電子從FAD+進(jìn)入呼吸鏈傳遞至O2時(shí)，只有2處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生2分子ATP，F(xiàn)AD呼吸鏈的P/O=2；P/O：表示當(dāng)一對(duì)電子通過呼吸鏈傳遞至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，即表示呼吸鏈氧化磷酸化效率。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP具有抑制電子傳遞、能量轉(zhuǎn)移和解偶聯(lián)作用的物質(zhì)都會(huì)阻止氧化磷酸化。抑制電子傳遞：KCN、NaN3、CO等；解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚，短桿菌肽等由于葡萄糖在有氧呼吸中產(chǎn)生的能量要高于發(fā)酵中產(chǎn)生的能量，即微生物在有氧呼吸過程中，利用較少的糖而能獲得厭氧條件下相同量的ATP。釀酒酵母等既可利用發(fā)酵產(chǎn)能，又可利用呼吸產(chǎn)能的兼性厭氧微生物，在有氧條件下終止厭氧發(fā)酵而轉(zhuǎn)向有氧呼吸，這種呼吸抑制發(fā)酵(或氧抑制糖酵解)的現(xiàn)象稱為巴斯德效應(yīng)（Pasteureffect）。由此降低了葡萄糖的消耗，并抑制了乙醇的產(chǎn)生。C、巴斯德效應(yīng)2）無氧呼吸（anaerobicrespiration）呼吸鏈末端的氫或電子受體是外源無機(jī)氧化物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）的生物氧化。無機(jī)物：NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、S、CO2有機(jī)物：延胡索酸（fumarate）等根據(jù)末端氫（電子）受體的不同，無氧呼吸分為多種類型：A.硝酸鹽呼吸B.硫酸鹽呼吸C.硫呼吸D.鐵呼吸E.碳酸鹽呼吸F.延胡索酸呼吸某些厭氧和兼性厭氧微生物(極大多數(shù)是細(xì)菌)在無氧條件下，通過電子傳遞鏈遞電子，通過氧化磷酸化而產(chǎn)能的代謝。氫或電子受體A.硝酸鹽呼吸以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學(xué)過程，又稱“反硝化作用”只能接收2個(gè)電子，產(chǎn)能效率低；NO2-對(duì)細(xì)胞有毒有些菌可將NO2-進(jìn)一步將其還原成N2硝化作用是指異養(yǎng)微生物進(jìn)行氨化作用產(chǎn)生的氨，被硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌氧化成亞硝酸，再氧化成硝酸的過程。能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱為硝酸鹽還原細(xì)菌（又稱反硝化細(xì)菌），主要生活在土壤和水環(huán)境中，如地衣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、依氏螺菌、脫氮副球菌、脫氮硫桿菌和生絲微菌屬中的一些成員等。大腸桿菌也是一種反硝化細(xì)菌，但它只能將NO3-還原成NO2-。第二，反硝化作用：指NO3-被還原成NO2-，再逐步還原成NO、N2O和N2的過程，稱“異化性硝酸鹽還原”，僅局限于原核生物。第一，同化性硝酸鹽還原。很多細(xì)菌、真菌及植物將NO3-還原成NH3，為生長(zhǎng)提供氮源。硝酸鹽在微生物生命活動(dòng)中主要具有兩種功能：

能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的都是一些兼性厭氧微生物即反硝化細(xì)菌，專性厭氧微生物無法進(jìn)行硝酸鹽呼吸。但只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需要的硝酸鹽還原酶A和亞硝酸還原酶。有氧時(shí)其細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶合成被阻，細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸。大腸桿菌(a)有氧呼吸；(b)硝酸鹽呼吸：電子受體是硝酸根離子反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用：硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機(jī)體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境害：土壤中植物能利用的氮（NO3-）還原成氮?dú)舛?，從而降低了土壤的肥力。防止措施：松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。利：反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽易溶解于水，常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。B.硫酸鹽呼吸進(jìn)行硫酸鹽呼吸的細(xì)菌稱“硫酸鹽還原細(xì)菌”，包括脫硫弧菌屬、脫硫單胞菌屬、脫硫球菌屬、脫硫腸狀菌屬、脫硫八疊球菌屬等。它們都是嚴(yán)格厭氧的古生菌。極大多數(shù)為專性化能異養(yǎng)型，利用有機(jī)酸（乳酸、丙酮酸、延胡索酸和蘋果酸等）、脂肪酸（乙酸和甲酸）和醇類（乙醇）等有機(jī)質(zhì)生長(zhǎng)。少數(shù)營(yíng)混合營(yíng)養(yǎng)型生長(zhǎng)，在有適宜有機(jī)碳源和能源時(shí)營(yíng)化能異養(yǎng)生活，若無適宜有機(jī)物時(shí)也能以H2、CO2進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng)。經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽（末端氫受體）的一種厭氧呼吸。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S。

C.硫呼吸元素硫作為無氧呼吸的最終氫受體，最終硫被異化性還原形成H2S的過程。兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙饕?硫還原菌屬、脫硫單胞菌屬CH3COOH+2H2O+4S2CO2+4H2S例如，利用乙酸為電子供體：某些兼性厭氧細(xì)菌可將延胡索酸還原成琥珀酸，即以延胡索酸為最終電子受體，而琥珀酸是還原產(chǎn)物。以CO2或碳酸鹽作為呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。D.碳酸鹽呼吸（carbnaterespiration）無氧呼吸鏈的末端氫受體是Fe3+，這方面的研究目前僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌中有報(bào)道。F.鐵呼吸（ironrespiration）G.延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）近年來，又發(fā)現(xiàn)了幾種類似于延胡索酸呼吸的無氧呼吸，它們都以有機(jī)氧化物作為無氧環(huán)境下呼吸鏈的末端氫受體，包括甘氨酸（還原成乙酸）、二甲基亞砜（還原成二甲基硫化物），氧化三甲基胺（還原成三甲基胺）等。

在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作呼吸作用的最終電子受體時(shí)，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃?xì)怏w。當(dāng)有機(jī)物腐敗變質(zhì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳?zāi)狗饪诓粐?yán)時(shí)，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會(huì)發(fā)出綠幽幽的光。長(zhǎng)期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。無氧呼吸對(duì)“鬼火”的生物學(xué)解釋

厭氧呼吸的產(chǎn)能較有氧呼吸少，但比發(fā)酵多，它使微生物在沒有氧的情況下仍然可以通過電子傳遞和氧化磷酸化來產(chǎn)生ATP，因此對(duì)很多微生物是非常重要的。除氧以外的多種物質(zhì)可被各種微生物用作最終電子受體，充分體現(xiàn)了微生物代謝類型的多樣性。狹義的“發(fā)酵”:指在能量代謝或生物氧化中，在無氧條件下，底物（有機(jī)物）氧化釋放的氫（或電子）不經(jīng)呼吸鏈傳遞，而直接交給某種未完全氧化的中間產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能過程。廣義的“發(fā)酵”，指利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一種生產(chǎn)方式。3）發(fā)酵（fermentation）底物氧化不徹底，產(chǎn)能水平低；積累各種中間代謝產(chǎn)物不可缺少的途徑。特點(diǎn):底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP實(shí)質(zhì):丙酮酸或它的衍生物電子受體:3-P-甘油醛丙酮酸乳酸葡萄糖糖酵解作用發(fā)酵途徑A.乳酸發(fā)酵能發(fā)酵葡萄糖生成乳酸的微生物，稱為“乳酸菌”根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵分為：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸產(chǎn)物除了乳酸，還有乙醇（或乙酸）和CO2等由于菌體內(nèi)酶系不同，乳酸菌的代謝途徑分三種類型：同型乳酸發(fā)酵途徑：德氏乳桿菌，植物乳桿菌

EMP乳酸脫氫酶

葡萄糖

2丙酮酸

2乳酸

+2ATP

NADH+H+NAD+異型乳酸發(fā)酵途徑：腸膜明串珠菌，短乳桿菌