第五章 微生物代謝ok

第五章微生物的新陳代謝新陳代謝：推動生物一切生命活動的動力源。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。新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]一切生命活動都是耗能反應(yīng)，因此，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)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。這就是產(chǎn)能代謝。最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）第一節(jié)微生物的能量代謝生物氧化的概念生物氧化就是發(fā)生在活細胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能生物氧化特點？燃燒與生物氧化的比較比較項目燃燒生物氧化反應(yīng)步驟一步式快速反應(yīng)順序嚴格的系列反應(yīng)條件激烈由酶催化，條件溫和產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高（一）、底物脫氫的4條途徑：形式：與氧結(jié)合，脫氫，失去電子過程：脫氫，遞氫，受氫功能：產(chǎn)能（ATP），產(chǎn)還原力[H]，產(chǎn)小分子中間代謝物類型：呼吸，無氧呼吸，發(fā)酵1、糖酵解途徑

（Embden-Meyerhof-Parnas

pathway，簡稱EMP途徑）以1分子葡萄糖為底物，約經(jīng)過10步反應(yīng)而產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過程?？偡磻?yīng)：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi=2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O

兩個階段、三種產(chǎn)物、10個反應(yīng)步驟。糖酵解的能量計算若糖原的一個葡萄糖單位分解生成2個丙酮酸，則產(chǎn)生3個ATPEMP途徑的生理功能：①供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力；②基本代謝途徑，是連接其它幾個重要代謝途徑的橋梁，包括三羧酸循環(huán)(TCA)、HMP途徑和ED途徑等；③為生物合成提供多種中間代謝物；④通過逆向反應(yīng)可進行多糖合成。⑤EMP途徑有氧與TCA相連，無氧丙酮酸被還原為乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等發(fā)酵產(chǎn)物，對人類的生產(chǎn)實踐有重要的意義。

2、HMP途徑

（Hexosemonophosphatepathway，又稱PPP途徑或磷酸戊糖途徑）（1）特點：葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化并能產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力和多種重要中間產(chǎn)物的代謝途徑。

3×6-磷酸葡萄糖3×6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯3×6-磷酸葡萄糖酸3×5-磷酸核酮糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天糖3-磷酸甘油醛4-磷酸赤癬糖6-磷酸果糖3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖NADP+NADPH+H+NADP+NADPH+H+3CO21、供應(yīng)合成原料。2、產(chǎn)還原力。3、作為固定CO2的中介。4、擴大碳源利用范圍。5、連接碳源利用范圍。多數(shù)微生物同時存在EMP和HMP途徑，只有HMP途徑而無EMP途徑的微生物極少：弱氧化醋桿菌、氧化葡萄桿菌。（3）HMP途徑的重要意義3、ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑微生物所特有G經(jīng)四步反應(yīng)快速獲得丙酮酸。ED途徑特點：特征性反應(yīng)：KDPG裂解丙酮酸與3磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛縮酶產(chǎn)能效率低下?？捎糜诰凭l(fā)酵。ED途徑的特點是：4、TCA循環(huán)又稱三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)。

是指由丙酮酸經(jīng)過一系列循環(huán)式反應(yīng)而徹底氧化、脫羧，形成CO2、H2O和NADH2的過程。在各種好氧微生物中都存在。

FADH2NADHNADHGTPNADHCO2CO2TCA循環(huán)的特點①氧雖不直接參與其中反應(yīng)，但必須在有氧條件下運轉(zhuǎn)(因NAD+和FAD再生時需氧)；②每分子丙酮酸可產(chǎn)4個NADH+H+、1個FADH2和1個GTP，總共相當于15個ATP，因此產(chǎn)能效率極高；③TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，不僅可為微生物的生物合成提供各種碳架原料．而且還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)(如檸檬酸、蘋果酸、谷氛酸、延胡素酸和琥珀酸等)緊密相關(guān)。每個丙酮酸分子徹底氧化可產(chǎn)生15個ATP，故一個葡萄糖分子經(jīng)EMP、TCA后產(chǎn)生能量：

總計38個ATP

真核生物NADH2進入線粒體時需經(jīng)過磷酸甘油穿梭系統(tǒng)，消耗2個ATP故只產(chǎn)生36個ATP。（二）、遞氫和受氫

有機物中的化學能經(jīng)脫氫后，通過呼吸鏈等方式傳遞，最終與氧、有機或無機物等氫受體結(jié)合而釋放出其中的能量。根據(jù)遞氫特點和受氫體性質(zhì)不同，可分為發(fā)酵作用有氧呼吸（呼吸）無氧呼吸分析受氫體特點有氧呼吸以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程。厭氧呼吸以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程。發(fā)酵以有機物為底物，以其中間代謝產(chǎn)物作為其電子受體的生物氧化過程。1、呼吸（respiration)

1、呼吸作用（respiration，有氧呼吸）最普遍和最重要的生物氧化方式，底物氧化脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧按受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（部分轉(zhuǎn)移到ATP中，部分以熱能的方式散失）。特點：有氧，氧化徹底，產(chǎn)能多微生物類群：好氧菌或兼性厭氧菌。大多數(shù)細菌、全部真菌和原生動物（化能異養(yǎng)）氫細菌、硫細菌、硝化細菌分別利用氫、含硫無機物、氨或亞硝酸作為底物。呼吸鏈（respiratorychain,RC）.

電子傳遞鏈（electrontransportchain,ETC）定義：位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化還原勢呈梯度差的、鏈狀排列的氫傳遞體。功能：把氫或電子從低氧化還原勢的化合物處傳遞給高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物，并使它們還原。成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FP、CoQ、細胞色素b、c、a、a３和一些鐵硫旦白。電子傳遞次序：NAD（P），F(xiàn)P（黃素蛋白），F(xiàn)eS(鐵硫蛋白)，輔酶Q，Cytb，Cytc，Cyta，Cyta3氧化磷酸化：氧化磷酸化又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫(或電子)和受氫過程與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。遞氫、受氫即氧化過程造成了跨膜的質(zhì)子梯度差即質(zhì)子動勢，進而質(zhì)子動勢再推動ATP酶合成ATP。呼吸鏈氧化磷酸化效率的高低可用P／O比：(即每消耗1mol氧原子所產(chǎn)生的ATPmol數(shù))來作定量表示。化學滲透學說通過呼吸鏈有關(guān)酶系的作用，可將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞到膜的外側(cè)，從而造成了膜兩側(cè)質(zhì)子分布不均勻，此即質(zhì)子動勢(質(zhì)子動力，PH梯度)△μH+的由來，也是合成ATP的能量來源：通過ATP酶的逆反應(yīng)可把質(zhì)子從膜的外側(cè)重新輸回到膜的內(nèi)側(cè)，于是在消除質(zhì)子功勢的同時合成了ATP。氫傳遞體和電子傳遞體是間隔交替排列的，催化反應(yīng)是定向的電子傳遞復合體起質(zhì)子泵的作用，將H+從線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)到外膜線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子是不透性強大的質(zhì)子流進入線粒體F1-F0-ATP復合物時，釋放的自由能推動ATP合成內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈2、無氧呼吸（厭氧呼吸）

是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。

無機氧化物NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-或CO2等或延胡索酸。（以無機氧化物代替分子氧作為最終氫受體的生物氧化。

）厭氧和兼性厭氧菌無氧呼吸的類型沼氣建立沼氣池的基本條件？硝酸鹽兩種功能:1)同化性硝酸鹽還原作用：有氧或無氧條件下所進行的利用硝酸鹽作為氮源營養(yǎng)物。a、硝酸鹽呼吸(反硝化作用)：2）異化性硝酸鹽還原作用：在無氧條件下，某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N20、N2的過程，稱為異化性硝酸鹽還原作用，反硝化作用。又稱硝酸鹽呼吸。b．硫酸鹽呼吸：由硫酸鹽還原細菌（或稱反硫化細菌）把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽而將硫酸鹽還原成H2S的過程。

脫硫弧菌Desulfovibriosp.

c．硫呼吸：以無機硫作為無氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S。d．碳酸鹽呼吸：是一類以CO2或重碳酸鹽作為無氧呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。如甲烷桿菌Methanobacterium

e．延胡索酸呼吸：兼性厭氧，將延胡索酸還原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作為微生物的一般發(fā)酵產(chǎn)物來考慮。實際上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最終電子受體，而琥珀酸是還原產(chǎn)物。如：變形桿菌屬Proteus

f甘氨酸呼吸：甘氨酸作為呼吸鏈末端氫受體而被還原為乙酸。g氧化三甲銨呼吸：氧化三甲銨作為呼吸鏈末端氫受體而被還原為三甲基胺。3、發(fā)酵

在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。微生物類群：主要的厭氧菌，有些兼性菌關(guān)于同型發(fā)酵與異型發(fā)酵同型發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物為單一產(chǎn)物。異型發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物為多種產(chǎn)物。常見有乳酸發(fā)酵與酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵類型途徑產(chǎn)物/1G產(chǎn)能/1G同型EMP2乳酸2ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP1乳酸，1乙酸，1CO22ATP1乳酸，1.5乙酸2.5ATP酒精發(fā)酵類型途徑產(chǎn)物/1G產(chǎn)能/1G同型EMP2乙醇，2CO22ATPED2乙醇，2CO21ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATPStickland反應(yīng)氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能的發(fā)酵方式以一種氨基酸作底物脫氫（氫供體），以另一種氨基酸作氫受體而實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型。產(chǎn)能效率低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1ATP。巴斯德效應(yīng)（Pasteur）在厭氧條件下,向高速發(fā)酵的培養(yǎng)基中通入氧氣,則葡萄糖消耗減少,抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累的現(xiàn)象稱為巴斯德效應(yīng)。即呼吸抑制發(fā)酵的作用。酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精時若通入氧氣，則發(fā)酵作用下降，停止產(chǎn)生酒精而進行呼吸作用，葡萄糖利用速度大大降低，酒精生成被抑制。即發(fā)酵制酒時不能有氧存在。

發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)——底物水平磷酸化物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。二、自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能和產(chǎn)還原力化能自養(yǎng)微生物：從氧化磷酸化所獲得的能量中，花費一大部分ATP以逆呼吸鏈傳遞的方式把無機氫（H＋＋e-）轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原力[H]；光能自養(yǎng)微生物：ATP是通過循環(huán)光合磷酸化、非循環(huán)光合磷酸化或紫膜光合磷酸化產(chǎn)生的，而還原力[H]則是直接或間接利用這些途徑產(chǎn)生的。

1、化能自養(yǎng)型微生物化能自養(yǎng)型微生物還原CO2所需要的ATP和還原力[H]是通過氧化無機底物，例如NH4＋、NO2－、H2S、S、H2和Fe2+等而獲得的。產(chǎn)能的途徑：借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)?；茏责B(yǎng)型微生物一般都是好氧菌。

無機底物不僅可作為最初能源產(chǎn)生ATP，且其中有些底物(如NH4+、H2S和H2)還可作為無機氫供體。

化能自養(yǎng)型微生物能量代謝的特點：①無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系，即由脫氫酶或氧化還原酶催化的無機底物脫氫或脫電子后，可直接進入呼吸鏈傳遞，這與異養(yǎng)微生物對葡萄糖等有機底物的氧化要經(jīng)過多條途徑逐級脫氫明顯不同；②呼吸鏈的組分更加多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進入呼吸鏈；③產(chǎn)能效率即P/O比一般要低于化能異養(yǎng)型微生物。2、光能營養(yǎng)型微生物產(chǎn)能與還原力方式1、循環(huán)光合磷酸化存在于光合細菌中的原始光合作用機制。電子傳遞途徑屬循環(huán)方式產(chǎn)能與產(chǎn)還原力分別進行還原力來自外源氫供體（H2S\H2\有機物）不產(chǎn)氧2、非循環(huán)光合磷酸化各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。特點：①電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；②在有氧條件下進行；③有PSI和PSⅡ2個光合系統(tǒng)。④反應(yīng)同時產(chǎn)ATP、還原力、氧氣。3、嗜鹽菌紫膜的光介導ATP合成嗜鹽菌在無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象的變化，可使質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜兩側(cè)建立一個質(zhì)子動勢，再由它來錐動ATP酶合成ATP，此即光介導ATP合成。嗜鹽菌紫膜的光合作用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)分解代謝與合成代謝的關(guān)系一、兩用代謝途徑兩用代謝途徑：凡在分解代謝和合成代謝中均有功能的代謝途徑EMPHMPTCA糖異生作用合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)常包含不同的代謝中間產(chǎn)物真核生物中，分解代謝和合成代謝一般在不同的分割區(qū)域內(nèi)分別進行。原核生物中，反應(yīng)的控制大多在簡單的酶分子水平上進行。二、代謝回補順序☆生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補充，循環(huán)就會中斷代謝回補順序：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反應(yīng)☆回補方式：①通過某些化合物的CO2固定作用②一些轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應(yīng)也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸③通過乙醛酸循環(huán)第三節(jié)：微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定

自養(yǎng)微生物的生物氧化所產(chǎn)生的能量主要用于CO2的固定，至今了解的CO2固定的途徑有4條：Calvin循環(huán)、厭氧乙酰－CoA途徑、逆向TCA循環(huán)途徑羥基丙酸途徑。

(1)卡爾文循環(huán)(Calvincycle)

又稱Calvin－Benson循環(huán)、Calvin－Bassham循環(huán)、核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)。

是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑。在光能自養(yǎng)生物中，此反應(yīng)不需要光，可在黑暗條件下進行，故稱暗反應(yīng)。

兩種特有酶：核酮糖二磷酸羧化酶（簡稱RuBisCO)和磷酸核酮糖激酶。

3個階段：

①羧化反應(yīng)：3個核酮糖－1，5－二磷酸(Ru-1,5-P)通過核酮糖磷酸羧化酶將3分子CO2固定，并形成6個3－磷酸甘