第六章微生物的代謝

第六章微生物的代謝代謝概論代謝〔metabolism〕：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反響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單小分子ATP[H]一、酶的概念1.酶與一般催化劑的相同點(diǎn)可以加快反響速度,而本身在反響前后沒有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的改變,只能催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反響,而不能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反響;只能縮短反響到達(dá)平衡的時(shí)間,而不改變反響的平衡點(diǎn)2.酶與一般催化劑的區(qū)別高效性專一性易失活

是活細(xì)胞的組成成分,由活細(xì)胞自身合成的,并能在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外起催化作用的一種催化劑.或者說酶是活體細(xì)胞產(chǎn)生的,在細(xì)胞內(nèi)外均能起催化作用的一類特蛋白質(zhì).第一節(jié)微生物的酶和酶促反響酶作用的專一性結(jié)構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性族（基團(tuán)）專一性絕對專一性酶作用的專一性族專一性：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。絕對專一性：只能作用于某一底物。二、酶的分類與命名習(xí)慣命名法1、絕大多數(shù)酶依據(jù)其底物來命名，如催化水解淀粉的稱為淀粉酶；催化水解蛋白質(zhì)的稱為蛋白酶；催化水解核酸的酶稱為核酸酶；2、某些酶根據(jù)其所催化的反響性質(zhì)來命名，如水解酶催化底物分子水解，轉(zhuǎn)氨酶催化一種化合物上的氨基轉(zhuǎn)移至另一化合物上。3、有的酶結(jié)合上述兩個(gè)原那么來命名，例如琥珀酸脫氫酶是催化琥珀酸脫氫反響的酶。4、在這些命名的根底上有時(shí)還加上酶的來源或酶的其他特點(diǎn)，如胃蛋白酶及胰蛋白酶；堿性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等。國際系統(tǒng)命名法EC為EnzymeCommision(酶學(xué)委員會(huì))之縮寫1〕氧化復(fù)原酶〔oxido-reducases〕2〕轉(zhuǎn)移酶〔transferases〕3〕水解酶〔hydrolases〕4〕裂解酶〔lyases〕5〕異構(gòu)酶〔isomerases〕6〕合成酶〔ligases〕氧化-復(fù)原酶催化氧化-復(fù)原反響。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反響(1)氧化復(fù)原酶Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反響。(2)轉(zhuǎn)移酶Transferase水解酶催化底物的加水分解反響。包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反響：(3)水解酶hydrolase裂解酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反響及其逆反響。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反響。(4)裂解酶Lyase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反響。(5)異構(gòu)酶Isomerase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反響。這類反響必須與ATP分解反響相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===A-B+ADP+Pi例如，丙酮酸羧化酶催化的反響:丙酮酸+CO2草酰乙酸(6)合成酶LigaseorSynthetase

三.酶的化學(xué)組成與重要輔酶

1.酶的化學(xué)組成

(1)單純酶:完全由蛋白質(zhì)組成

(2)結(jié)合酶:酶蛋白和非蛋白(輔酶或輔基)

2、酶的活性中心

酶的活性中心是指酶蛋白分子中,由必需基團(tuán)所組成的,具有一定空間結(jié)構(gòu)的活性區(qū)域.

活性中心內(nèi),必需基團(tuán)有兩種：結(jié)合基團(tuán)與催化基團(tuán)

結(jié)合基團(tuán)與底物起結(jié)合作用,特定的底物靠此部位結(jié)合到酶分子上。催化基團(tuán)催化化學(xué)反響,底物的某種化學(xué)鍵在此部位上被打斷或在此部位上形成新的化學(xué)鍵,從而發(fā)生一定的化學(xué)變化.

四.酶作用的根本原理

1.酶的催化作用與分子活化能

2.中間產(chǎn)物學(xué)說

3.鎖鑰學(xué)說4.誘導(dǎo)契合學(xué)說活化能：在一定溫度下，1摩爾底物全部進(jìn)入活

化態(tài)所需要的自由能〔kJ/mol)回本章目錄鎖鑰學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說

五.酶促反響動(dòng)力學(xué)〔一〕酶的反響速率及初速度概念在反響開始的一段時(shí)間，產(chǎn)物生成量與時(shí)間幾乎成正比，但隨著時(shí)間的增加，產(chǎn)物生成量與時(shí)間就不再成正比關(guān)系了，這可以從酶反響的進(jìn)程曲線來說明?！捕车孜餄舛葘γ复俜错懰俣鹊挠绊懡忉屔鲜霈F(xiàn)象，比較合理的是“中間產(chǎn)物〞假說。即：酶與底物先絡(luò)合成一個(gè)中間產(chǎn)物〔過渡態(tài)〕，然后此絡(luò)合物再進(jìn)一步分解，成為產(chǎn)物和游離態(tài)酶。1.中間產(chǎn)物學(xué)說2.米-門方程〔Michaelis－Menten〕3.討論1〕Km值的物理意義，即Km值是當(dāng)酶反響速度達(dá)最大反響速度一半時(shí)的底物濃度，它的單位是mol/L，與底物濃度的單位一樣；2〕Km是酶的特征性物理常數(shù)，它與酶的性質(zhì)和它所催化的底物種類有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)；3〕同一種酶假設(shè)有幾種底物就有幾個(gè)Km值；4〕1/Km大小可以反映酶與底物的親和力,其值越大,說明親和力越大,反響速度越快；5〕Km與Ksk2>>k3時(shí)，Km≈k2/k1=Ks6〕Vm是酶的理論最大反響速度，也是一個(gè)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，也可作為酶的特征性常數(shù)?！踩硃H對酶反響速度的影響酶的最適pH:在這一pH下，反響速度可到達(dá)最大pH影響酶活力的原因可能有以下幾個(gè)方面：1、過酸、過堿會(huì)影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性而失活。2、當(dāng)pH改變不很劇烈時(shí)，酶雖不變性，但活力受影響。因?yàn)閜H會(huì)影響底物分子的解離狀態(tài)〔影響程度取決于底物分子中與酶結(jié)合的那些功能基的PK值〕；也會(huì)影響酶分子的解離狀態(tài)，最適pH與酶活力中心結(jié)合底物的基團(tuán)及參與催化的基團(tuán)的pK值有關(guān)，往往只有一種解離狀態(tài)最有利于與底物結(jié)合，在此pH下酶活力最高；也可能影響到中間產(chǎn)物ES的解離狀態(tài)?？傊加绊懙紼S的形成，從而降低酶活性。3、pH影響分子中另一些基因的解離，這些基團(tuán)的離子化狀態(tài)與酶的專一性及酶分子中活力中心的構(gòu)象有關(guān)?！菜摹硿囟葘γ阜错懰俣鹊挠绊懨恳环N酶，在一定條件下，只有在某一個(gè)溫度下才表現(xiàn)出最大活力，這個(gè)溫度稱為該酶作用的最適溫度。溫度對酶促反響速度的影響：1.當(dāng)溫度升高時(shí)，反響速度加快,與一般化學(xué)反響一樣。2.隨溫度升高而使酶逐步變性，即通過減少有活性的酶而降低酶的反響速度。酶反響的最適溫度就是這兩種過程平衡的結(jié)果，在低于最適溫度時(shí)，前一種效應(yīng)為主，在高于最適溫度時(shí)，那么后一效應(yīng)為主，因而酶活性迅速喪失，反響速度很快下降。大局部酶在60℃以上變性，少數(shù)酶能耐受較高的溫度，如牛胰核糖核酸酶加熱到100℃仍不失活。五、酶濃度對酶反響速度的影響在酶促反響中，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和，那么反響速度與酶濃度成正比。

上述成正比的關(guān)系是有條件的，一是底物濃度足夠大，二是使用的酶必須是純酶制劑或不含抑制劑、激活劑或失活劑的粗酶制劑。六、激活劑對酶反響速度的影響酶反響體系中可因參加某些無機(jī)離子使酶的活性增加,這類物質(zhì)稱為激活劑.激活劑可按分子的大小分為以下三類：1、無機(jī)離子，包括金屬離子、陰離子和氫離子；2、中等大小有機(jī)分子，主要包括某些復(fù)原劑和金屬螯合劑；3、少數(shù)具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子物質(zhì)；這類激活劑是指可對某些無活性的酶原起作用的酶。即可將無活性的酶原激活成有活性的酶。七、抑制劑對酶反響速度的影響凡能降低酶的活性甚至使酶完全喪失活性的物質(zhì),稱為酶的抑制劑。抑制作用分為二種類型：

不可逆抑制作用可逆抑制作用可逆抑制作用競爭性抑制、非競爭性抑制第二節(jié)化能異養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝—發(fā)酵與呼吸生物氧化的功能為：產(chǎn)能〔ATP〕、產(chǎn)復(fù)原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物生物氧化能量微生物直接利用儲(chǔ)存在高能化合物〔如ATP〕中以熱的形式被釋放到環(huán)境中微生物產(chǎn)能代謝的本質(zhì)1.生物氧化生物體內(nèi)的物質(zhì)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化復(fù)原反響分解并釋放能量的過程。A—H2A輔酶輔酶-H2受氫體受氫體-H2脫氫酶氧化酶生物氧化根本過程2.高能鍵化合物高能鍵化合物的共性：高能鍵的形成和斷開可逆，溝通了微生物兩個(gè)代謝類型——光能光能營養(yǎng)型微生物化能營養(yǎng)型微生物化學(xué)能耗能代謝合成代謝和分解代謝ATPADP3.微生物的呼吸作用類型有氧呼吸：無氧呼吸：發(fā)酵：類型共同點(diǎn)：氧化復(fù)原反響區(qū)別點(diǎn)：電子最終受體氧化基質(zhì)電子最終交給無機(jī)氧化物的氧化過程

不需要氧分子作電子受體的氧化作用〔酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等〕〔供、受體都為有機(jī)物〕以分子氧作最終電子受體無機(jī)物氧化：H＋，F(xiàn)＋，NH3等1、定義廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一種生產(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(diǎn)：1〕通過底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；2〕葡萄糖氧化不徹底，大局部能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；3〕產(chǎn)能率低；4〕產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。一、發(fā)酵〔fermentantion〕糖酵解〔EMP)途徑第一階段:葡萄糖經(jīng)磷酸化生成6-磷酸果糖(1)葡萄糖+ATP己糖激酶

6-磷酸葡萄糖+ADP(2)6-磷酸果糖磷酸己糖異構(gòu)酶6-磷酸果糖(3)6-磷酸果糖

磷酸果糖激酶1,6-二磷酸果糖第二階段:1,6-二磷酸果糖分解為兩分子的丙糖(4)1,6-二磷酸果糖醛縮酶3-磷酸甘油醛+磷酸二羥基丙酮(5)磷酸二羥基丙酮磷酸甘油異構(gòu)酶3-磷酸甘油醛10步反響第三階段:3-磷酸甘油醛經(jīng)氧化復(fù)原反響生成丙酮酸(6)3-磷酸甘油醛+NADH+H3PO43-磷酸脫氫酶1,3-二磷酸甘油酸(EMP途徑中第一個(gè)氧化復(fù)原反響)(7)1,3-二磷酸甘油酸+ADP磷酸甘油酸激酶

3-磷酸甘油酸(EMP途徑第一個(gè)產(chǎn)生ATP)(8)3-磷酸甘油酸變位酶2-磷酸甘油酸(9)2-磷酸甘油酸烯醇化酶(脫去一分子水)烯醇式磷酸丙酮酸(10)烯醇式磷酸丙酮酸+ADP丙酮酸激酶丙酮酸+ATP10步反響葡萄糖＋2ADP＋2NAD＋＋2Pi————2丙酮酸＋2ATP＋2NADH＋2H＋＋2H2O葡萄糖丙酮酸有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；

無氧：復(fù)原一些代謝產(chǎn)物(專性厭氧微生物)產(chǎn)能的唯一途徑。產(chǎn)能〔底物磷酸化產(chǎn)能:底物在氧化過程中,因分子內(nèi)部能量重新分布形成了一種高能磷酸化合物,這種高能磷酸化合物的磷酸基團(tuán)和高能鍵可轉(zhuǎn)移到ADP上形成ATP)

〔1〕1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；

〔2〕PEP丙酮酸+ATP2、發(fā)酵類型1〕乙醇發(fā)酵a、酵母型乙醇發(fā)酵葡萄糖2乙醇+2CO2+2ATPb、細(xì)菌型乙醇發(fā)酵(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)葡萄糖乙醇+乙酸+2CO2+2H2+3ATP2〕丁酸發(fā)酵

2.5葡萄糖2丁酸+乙酸+5CO2+5H2+8ATP〔EMP〕3)混合酸發(fā)酵a混合酸發(fā)酵：——腸道菌〔E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等〕b丁二醇發(fā)酵〔2，3--丁二醇發(fā)酵〕——腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等4〕丙酸發(fā)酵1.5葡萄糖2丙酸+乙酸+CO2+ATP二、呼吸〔respiration〕——從葡萄糖或其他有機(jī)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〕1有氧呼吸原核微生物：胞質(zhì)中，僅琥珀酸脫氫酶在膜上

真核微生物：線粒體內(nèi)膜上

2個(gè)產(chǎn)能的環(huán)節(jié)：Kreb循環(huán)、電子傳遞。

三羧酸(TCA)循環(huán)三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))的生理意義：〔1〕為細(xì)胞提供能量;〔2〕三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑;

〔3〕三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐

特點(diǎn)：a.常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)局部呼吸鏈傳遞；b.氫受體：氧化態(tài)無機(jī)物〔個(gè)別：延胡索酸〕c.產(chǎn)能效率低。(1)硝酸鹽呼吸〔反硝化作用〕也稱異化型硝酸鹽復(fù)原特點(diǎn)：a.有其完整的呼吸系統(tǒng)；b.只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需的硝酸鹽復(fù)原酶A亞硝酸復(fù)原酶等c.兼性厭氧細(xì)菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2無氧呼吸〔厭氧呼吸〕硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：NO3-NH3-NR-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-〕復(fù)原成氮?dú)舛?，降低土壤的肥力?〕反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

(2)硫酸鹽呼吸(反硫化作用)也稱異化型硫酸鹽復(fù)原—厭氧時(shí)，SO42-、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。特點(diǎn)：a、嚴(yán)格厭氧；b、大多為古細(xì)菌c、極大多專性化能異氧型，少數(shù)混合型；d、最終產(chǎn)物為H2S；SO42-SO32-SO2SH2Se、利用有機(jī)質(zhì)〔有機(jī)酸、脂肪酸、醇類〕作為氫供體或電子供體；f、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境〔土壤、海水、污水等〕硫呼吸〔硫復(fù)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〔產(chǎn)甲烷作用)也稱異化型碳酸鹽復(fù)原——以CO2、HCO3-為末端電子受體產(chǎn)甲烷菌—利用H2作電子供體〔能源〕、CO2為受體，產(chǎn)物CH4；產(chǎn)乙酸細(xì)菌—H2/CO2進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

第三節(jié)化能自養(yǎng)型微生物的產(chǎn)能代謝

化能自養(yǎng)細(xì)菌能從無機(jī)物的氧化中得到能量。

能被化能自養(yǎng)細(xì)菌氧化并產(chǎn)生能量的無機(jī)物有氫,氨,亞硝酸,硫化氫,硫代硫酸鹽等。1氫細(xì)菌〔氧化氫細(xì)菌〕

能利用氫作為能源的細(xì)菌組成的生理類群稱氫細(xì)菌或氫氧化細(xì)菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自養(yǎng)菌產(chǎn)能：2H2+O2—2H2O

合成代謝反響：

2H2+CO2—[CH2O]+H2O。第一步：產(chǎn)能反響，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

第二步：合成代謝反響，用所產(chǎn)生的ATP復(fù)原C02構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)[CH2O]和生長。

氫細(xì)菌的自氧作用在Ralstoniaeutropha中存在兩種氫酶，一種膜結(jié)合氫酶涉及質(zhì)子動(dòng)勢而細(xì)胞質(zhì)中的氫酶為Calvincycle提供復(fù)原力NADH。1硝化細(xì)菌

能氧化氮的化能無機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌

將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。

a、亞硝化細(xì)菌NH3+O2+2H+

NH2OH+H2O

A氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細(xì)菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-也稱氨氧化細(xì)菌(產(chǎn)生1分子ATP)

3硫細(xì)菌〔硫氧化細(xì)菌〕——利用H2S、S02、S2O32-等無機(jī)硫化物進(jìn)行自養(yǎng)生長,主要指化能自氧型硫細(xì)菌。

嗜酸型硫細(xì)菌能氧化元素硫和復(fù)原性硫化物外,還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)。4鐵細(xì)菌和細(xì)菌瀝濾(1)鐵細(xì)菌〔多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低?！扯x：能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能的細(xì)菌被稱為鐵細(xì)菌或鐵氧化細(xì)菌(ironoxidizingbacteria)。

有些氧化亞鐵硫桿菌和硫化葉菌的一些成員，除了能氧化元素硫和復(fù)原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)，所以它們既是硫細(xì)菌，也是鐵細(xì)菌。

大多數(shù)鐵細(xì)菌為專性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)的。

大多數(shù)鐵細(xì)菌還是嗜酸性的。鐵細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率也相當(dāng)?shù)丸F細(xì)菌

鐵氧化細(xì)菌呼吸鏈的氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑細(xì)菌瀝濾——利用嗜酸性氧化鐵和硫細(xì)菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。又稱細(xì)菌浸出或細(xì)菌冶金。原理：a、浸礦劑的生成2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O22Fe2〔SO4〕3+2H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出CuS+2Fe2〔SO4〕3+2H2O+O2—CuSO4+4FeSO4+2H2SO4c、鐵屑置換CuSO4中的銅CuSO4+Fe—FeSO4+Cu——適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出率達(dá)70%~80%。

四．微生物的有機(jī)物質(zhì)代謝1.不含氮有機(jī)物的分解a.淀粉的分解b.芳香族化合物的分解c.脂類的分解2.含氮有機(jī)物的分解a.蛋白質(zhì)的分解b.尿素的分解五.代謝調(diào)節(jié)意義:首先使復(fù)雜的代謝活動(dòng)取得協(xié)調(diào),從而使微生物能及時(shí)地得到所需的代謝產(chǎn)物和停止生產(chǎn)過剩的代謝產(chǎn)物。實(shí)質(zhì):微生物與外界的物質(zhì)交換和能量交換.1.酶活性的調(diào)節(jié)-反響抑制作用機(jī)制

2.酶合成的調(diào)節(jié)-誘導(dǎo)和阻遏作用機(jī)制

通過調(diào)節(jié)酶的合成量進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝速率的調(diào)節(jié)機(jī)制，是基因水平上的調(diào)節(jié)，屬于粗放的調(diào)節(jié)，間