第五章微生物的新陳代謝

第五章微生物的新陳代謝

新陳代謝簡稱代謝(metabolism)，是活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反響的總稱。包括分解代謝和合成代謝。復(fù)雜分子簡單分子+ATP+［H］分解代謝酶系復(fù)雜分子簡單分子+ATP+［H］〔有機(jī)物)合成代謝酶系微生物代謝特點(diǎn)：1、代謝旺盛〔強(qiáng)度高轉(zhuǎn)化才干強(qiáng)〕2、代謝類型多。在代謝過程中，微生物經(jīng)過分解作用〔或光協(xié)作用〕產(chǎn)生ATP方式的化學(xué)能。這些能量用于：1、合成代謝；2、微生物的運(yùn)動和運(yùn)輸；3、熱和光無論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列延續(xù)的酶反響構(gòu)成的，前一部反響的產(chǎn)物是后續(xù)反響的底物。細(xì)胞能有效調(diào)理相關(guān)的反響，生命活動得以正常進(jìn)展。某些微生物還會產(chǎn)生一些次級代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)除有利于微生物生存外，還與人類消費(fèi)生活密切相關(guān)。第六章微生物的新陳代謝第一節(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)絡(luò)第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例第四節(jié)微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵消費(fèi)第一節(jié)微生物的能量代謝化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能自養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能

生物氧化的方式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫、失去電子。生物氧化的過程：脫氫〔或e-〕、遞氫〔或e-〕、受氫〔或e-〕。生物氧化的功能：產(chǎn)能〔ATP〕、產(chǎn)復(fù)原力［H］、產(chǎn)小分子中間代謝物。生物氧化的類型：呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵?！惨弧车孜锩摎涞乃臈l途徑以葡萄糖作為生物氧化的典型底物，在生物氧化的脫氫階段中，可經(jīng)過四條途徑完成其脫氫反響，并伴隨復(fù)原力［H］和能量的產(chǎn)生。1EMP途徑〔Embden-Meyerhofpathway，糖酵解途徑，己糖二磷酸途徑〕葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:耗能反響bb:氧化復(fù)原反響EMP途徑意義：為細(xì)胞生命活動提供ATP和NADH底物程度磷酸化底物程度磷酸化〔1〕EMP途徑的主要反響

EMP途徑的簡圖C6為葡萄糖，C3為甘油醛-3-磷酸EMP途徑的總反響:C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H20〔2〕EMP終產(chǎn)物的去向：

1〕有氧條件：2NADH+H+經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反響產(chǎn)生6ATP；2〕無氧條件：發(fā)酵①丙酮酸復(fù)原成乳酸；②酵母菌〔釀酒酵母〕的酒精發(fā)酵：丙酮酸脫羧為乙醛，乙醛復(fù)原為乙醇?！?〕EMP途徑在微生物生命活動中的重要意義1〕供應(yīng)ATP方式的能量和復(fù)原力〔NADH2〕；2〕是銜接其他幾個重要代謝的橋梁〔TCA、HMP、ED途徑〕3〕為生物合成提供多種中間代謝物；4〕經(jīng)過逆向反響可進(jìn)展多糖合成?！?〕消費(fèi)實際意義與乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的發(fā)酵消費(fèi)關(guān)系親密。2、HMP途徑〔戊糖磷酸途徑、

磷酸葡萄糖酸途徑等〕

葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，并產(chǎn)生大量NADPH+H+方式的復(fù)原力及多種重要中間代謝產(chǎn)物。從6-磷酸-葡萄糖開場，即在單磷酸已糖根底上開場降解的故稱為單磷酸已糖途徑。HMP途徑與EMP途徑有著親密的關(guān)系，HMP途徑中的3-磷酸-甘油醛可以進(jìn)入EMP途徑，—磷酸戊糖支路。HMP途徑的一個循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個CO2、6個NADPH2。普通以為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量復(fù)原力〔NADPH2〕和中間代謝產(chǎn)物。HMP途徑〔1〕HMP途徑的主要反響

HMP途徑的簡圖C6為葡萄糖，C5為核酮糖-5-磷酸〔2〕HMP途徑的三個階段

1〕葡萄糖分子經(jīng)過三步反響產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2；oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOHC=OH-C-OHH-C-OHDCH2OP

CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖2〕核酮糖-5-磷酸同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化為核糖-5-磷酸和木糖-5-磷酸；

3〕無氧參與條件下，幾種戊糖發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸。C=OH-C-OHH-C-OHH-C-OPHCH2OHH-C-OHH-C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OPHCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛丙糖磷酸可經(jīng)過EMP途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)，也可經(jīng)過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的

作用轉(zhuǎn)化為己糖磷酸。

〔3〕HMP途徑在微生物生命活動中的重要意義①供應(yīng)合成原料：提供戊糖-P、赤蘚糖-P；②產(chǎn)復(fù)原力：產(chǎn)生12NADPH2；③作為固定CO2的中介：自養(yǎng)微生物CO2的中介〔核酮糖-5-P在羧化酶的催化下固定CO2并構(gòu)成核酮糖-1,5-二磷酸〕；④擴(kuò)展碳源利用范圍：為微生物利用C3～C7多種碳源提供了必要的代謝途徑；⑤銜接EMP途徑：為生物合成提供更多的戊糖。〔4〕消費(fèi)實際意義

可提供許多重要的發(fā)酵產(chǎn)物〔核苷酸、氨基酸、輔酶、乳酸等〕。在多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌中普遍存在HMP途徑，且常與EMP途徑同在。只需少數(shù)微生物如弱氧化醋桿菌、氧化葡糖桿菌、氧化醋單胞菌只需HMP途徑，而無EMP途徑。3、ED途徑〔2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑〕

存在于某些缺乏完好EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有，在革蘭氏陰性菌中分布較廣。葡萄糖只經(jīng)過四步反響即可構(gòu)成丙酮酸。ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨(dú)存在。ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH2、1分NADH。〔1〕

ED

途

徑

的

主

要

反

應(yīng)

〔2〕ED途徑特點(diǎn)

1〕KDPG〔2-酮-3-脫氧-6-P-葡萄糖酸〕裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛；2〕存在KDPG醛縮酶；3〕兩分子丙酮酸來歷不同；4〕產(chǎn)能效率低〔1molATP/1mol葡萄糖〕。5〕可與EMP、HMP、TCA循環(huán)等代謝途徑相連，可相互協(xié)調(diào)、滿足微生物對能量、復(fù)原力和不同中間代謝產(chǎn)物的需求。〔3〕細(xì)菌的酒精發(fā)酵〔好氧菌——運(yùn)動發(fā)酵單胞菌〕丙酮酸脫羧為乙醛，被NADH復(fù)原為乙醇。具有ED途徑的細(xì)菌有嗜糖假單胞菌、銅綠假單胞菌、熒光假單胞菌、林氏假單胞菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌等。4、TCA循環(huán)〔三羧酸循環(huán)、檸檬酸循環(huán)〕

丙酮酸經(jīng)過一系列循環(huán)式反響而徹底氧化脫羧，構(gòu)成CO2、H2O和NADH2的過程。在各種好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在線粒體〔基質(zhì)〕內(nèi)進(jìn)展；在原核生物中，在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)展。只需琥珀酸脫氫酶，在線粒體或原核細(xì)胞中都是結(jié)合在膜上。〔1〕TCA循環(huán)的主要反響C3GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，將其末端磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP?？偡错懯綖椋阂阴?CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反響而本身并不耗費(fèi)?！?〕TCA循環(huán)的特點(diǎn)

1〕氧雖不直接參與反響，但必需在有氧的條件下進(jìn)展〔NAD+和FAD再生時需氧〕；2〕每分子丙酮酸可產(chǎn)4NADH2、1FADH2、1GTP，共相當(dāng)于15ATP，產(chǎn)能效率極高。3〕位于一切分解代謝和合成代謝的樞紐位置，可為微生物的生物合成提供各種碳架原料。〔3〕消費(fèi)實際意義與發(fā)酵消費(fèi)嚴(yán)密相關(guān)〔檸檬酸、蘋果酸、谷氨酸、延胡索酸、琥珀酸等〕。5、葡萄糖經(jīng)不同脫氫途徑后的產(chǎn)能效率

〔二〕遞氫和受氫葡萄糖經(jīng)四條途徑脫下的氫，經(jīng)過呼吸鏈〔電子傳送鏈〕等方式傳送，最終與氧、無機(jī)物或有機(jī)物等氫受體結(jié)合并釋放出其中的能量。根據(jù)遞氫特點(diǎn)尤其是氫受體性質(zhì)的不同，可把生物氧化分為：呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵三種類型。呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵表示圖C6H12O6-[H]A-[H][H]B-[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2-[H]〔發(fā)酵產(chǎn)物：乙醇、乳酸等〕CO2脫氫遞氫受氫經(jīng)呼吸鏈①呼吸②無氧呼吸③發(fā)酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH41、呼吸〔好氧呼吸〕遞氫和受氫都必需在有氧條件下完成的一種高效產(chǎn)能生物氧化作用?！?〕特點(diǎn)1〕底物脫下的氫〔［H］〕經(jīng)完好的呼吸鏈傳送；2〕外源分子氧受氫；3〕產(chǎn)生水并釋放出ATP方式的能量。產(chǎn)能量多，一分子G凈產(chǎn)38個ATP.4)基質(zhì)徹底氧化生成CO2和H2O。〔2〕呼吸鏈1〕位于原核生物細(xì)胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化復(fù)原勢呈梯度差的、鏈狀陳列的氫或電子的傳送體。2〕功能：把氫或電子從低氧化復(fù)原勢的化合物處逐級傳送到高氧化復(fù)原勢的O2或其他無機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們復(fù)原。典型的呼吸鏈不論是真核生物還是原核生物，呼吸鏈的主要組分都是類似的。3〕氧化磷酸化

呼吸鏈的遞氫〔電子〕和受氫〔電子〕與磷酸化反響相偶聯(lián)并產(chǎn)生ATP的作用。4〕氧化磷酸化的機(jī)制——化學(xué)浸透學(xué)說呼吸鏈在傳送氫或電子的過程中，經(jīng)過與氧化磷酸化作用的偶聯(lián)，產(chǎn)生生物的通用能源——ATP。目前獲得多數(shù)學(xué)者接受的是化學(xué)浸透學(xué)說。主要觀念：在氧化磷酸化過程中，經(jīng)過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳送至外側(cè)，從而呵斥了質(zhì)子在膜兩側(cè)分布的不平衡，即構(gòu)成了質(zhì)子梯度差〔又稱質(zhì)子動勢、pH梯度等〕。這個梯度差就是產(chǎn)生ATP的能量來源，由于它可經(jīng)過ATP酶的逆反響，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時就合成了ATP。氧化磷酸化產(chǎn)能機(jī)制5〕呼吸鏈氧化磷酸化的效率

每耗費(fèi)1mol氧原子所產(chǎn)生的ATPmol數(shù)。用P/O作定量表示。從NAD〔P〕H2進(jìn)入呼吸鏈[2H]產(chǎn)生3ATP，從FADH2進(jìn)入呼吸鏈[2H]產(chǎn)生2ATP。原核生物呼吸鏈的P/O普通比真核細(xì)胞線粒體的低。2、無氧呼吸〔厭氧呼吸〕某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)展的、呼吸鏈末端的氫受體為外源無機(jī)氧化物〔少數(shù)為有機(jī)氧化物〕的生物氧化。產(chǎn)能效率較低〔不如有氧呼吸產(chǎn)生的多〕?！?〕特點(diǎn)1〕底物按常規(guī)脫下的氫經(jīng)部分呼吸鏈傳送；2〕最終由氧化態(tài)的無機(jī)物或有機(jī)物受氫〔NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機(jī)物，或延胡索酸等有機(jī)物〕；3〕氧化磷酸化產(chǎn)能?！?〕無氧呼吸的類型

根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，把無氧呼吸分成以下類型：1〕硝酸鹽呼吸〔反硝化作用、異化性硝酸鹽復(fù)原作用〕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受體，并把它復(fù)原為NO2-、NO、N2O直至N2的過程。反硝化細(xì)菌：能進(jìn)展硝酸鹽呼吸的兼性厭氧菌。如：地衣芽孢桿菌、脫氮副球菌、脫氮硫桿菌等。呵斥土壤氮肥損失、NO和N2O會污染環(huán)境。2〕硫酸鹽呼吸嚴(yán)厲厭氧菌——硫酸鹽復(fù)原細(xì)菌〔反硫化細(xì)菌〕在厭氧條件下獲取能量的方式。底物脫氫后，經(jīng)呼吸鏈傳送，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP，最終的復(fù)原產(chǎn)物是H2S。硫酸鹽復(fù)原細(xì)菌：脫硫脫硫弧菌、宏大脫硫弧菌、致黑脫硫腸狀菌等。硫酸鹽呼吸及其有害產(chǎn)物對植物根系不利。3〕硫呼吸兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙惭趸宜崦摿騿伟骋詿o機(jī)硫作為呼吸鏈的最終氫受體并產(chǎn)生H2S的生物氧化作用。4〕鐵呼吸某些兼性厭氧或?qū)Ｐ詤捬醯幕墚愷B(yǎng)細(xì)菌、化能自養(yǎng)細(xì)菌和某些真菌所進(jìn)展的呼吸鏈末端氫受體是Fe3+的無氧呼吸。5〕碳酸鹽呼吸以CO2或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其復(fù)原產(chǎn)物不同分成兩類：①產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)消費(fèi)生甲烷；②產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生乙酸。CO2+4H2CH4+2H2O+ATP6〕延胡索酸呼吸一些兼性厭氧菌所進(jìn)展的復(fù)原延胡索酸〔最終氫受體〕為琥珀酸的厭氧呼吸。如：埃希氏菌屬、變形桿菌屬、沙門氏菌屬、克氏桿菌屬、丙酸桿菌屬、產(chǎn)琥珀酸弧菌等。此外還有以：甘氨酸、二甲基亞砜、氧化三甲基胺等有機(jī)氧化物為呼吸鏈末端氫受體的無氧呼吸。廣義的發(fā)酵：泛指任何利用好氧性或厭氧性微生物消費(fèi)有用代謝產(chǎn)物或食品、飲料的一類消費(fèi)方式。狹義的發(fā)酵：在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的復(fù)原力［H］未經(jīng)呼吸鏈傳送而直接交某一內(nèi)源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物程度磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反響。3、發(fā)酵〔fermentation〕底物程度磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物程度磷酸化既存在于發(fā)酵過程中也存在于呼吸過程中。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。這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物程度磷酸化。

發(fā)酵類型很多，可發(fā)酵的底物有碳水化合物、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要?！?〕由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵〔2〕經(jīng)過HMP途徑的發(fā)酵〔3〕經(jīng)過ED進(jìn)展的發(fā)酵——細(xì)菌酒精發(fā)酵〔4〕由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能——Stickland反響GEMP2丙酮酸2乙醛2乙醇丙酮酸脫羧酶C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋2ATP〔1〕由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵

1〕酵母菌的同型乙醇發(fā)酵參與微生物：釀酒酵母2〕乳酸發(fā)酵—同型乳酸發(fā)酵指乳酸菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸復(fù)原成乳酸的過程進(jìn)展乳酸發(fā)酵的都是細(xì)菌。如德氏乳桿菌、嗜酸乳菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌等。

乳酸發(fā)酵的兩種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵

細(xì)菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。如：牛奶變酸，消費(fèi)酸奶，漬酸菜，泡菜，青貯飼料等。同型乳酸發(fā)酵在糖的發(fā)酵中，產(chǎn)物只需乳酸的發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵。GPEPC3H6O3過程：進(jìn)展同型乳酸發(fā)酵的細(xì)菌：德氏乳桿菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌等。[H]反響式：C6H12O6+2ADP+Pi2C3H6O3+2ATP3〕丙酸發(fā)酵謝氏丙酸桿菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸轉(zhuǎn)化為丙酸的過程。丙酮酸某些細(xì)菌經(jīng)過發(fā)酵將G變成琥珀酸，乳酸、甲酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物。由于代謝產(chǎn)物中含多種有機(jī)酸，因此將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。大多數(shù)腸桿菌如大腸桿菌等均能進(jìn)展混合酸發(fā)酵。4〕混合酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵——用于細(xì)菌分類鑒定

甲基紅反響：檢驗E.coli經(jīng)EMP途徑的混合酸發(fā)酵。甲基紅指示劑pH4.2紅色,pH6.3橙黃色。產(chǎn)酸使指示劑變色。5〕2，3-丁二醇發(fā)酵產(chǎn)氣腸桿菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸轉(zhuǎn)化為2，3-丁二醇的過程。。V.P反響——細(xì)菌的鑒定：〔3－羥基丁酮〕6〕丁酸型發(fā)酵由多種厭氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮丁醇梭菌所進(jìn)展的將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸轉(zhuǎn)化為丁醇、丙酮的過程。〔2〕經(jīng)過HMP途徑的發(fā)酵——異型乳酸發(fā)酵凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸外，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。腸膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳桿菌和兩歧雙歧桿菌進(jìn)展異型乳酸發(fā)酵。1〕

異

型

乳

酸

發(fā)

酵

的

經(jīng)

典

途

徑2〕

異

型

乳

酸

發(fā)

酵

的

雙

歧

桿

菌

途

徑3〕同型乳酸發(fā)酵與兩種異型乳酸發(fā)酵的比較〔3〕經(jīng)過ED途徑進(jìn)展的乙醇發(fā)酵——細(xì)菌的乙醇發(fā)酵參與微生物：運(yùn)動發(fā)酵單孢菌發(fā)酵途徑：ED途徑反響式：C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATPGED2丙酮酸2乙醛2乙醇丙酮酸脫羧酶[H]

糖酵解作用是各種發(fā)酵的根底，而發(fā)酵那么是糖酵解過程的開展發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機(jī)物，闡明基質(zhì)的氧化過程不徹底基質(zhì)是被氧化的基質(zhì)同時又是電子受體?！?〕由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能——Stickland反響少數(shù)厭氧梭菌以一種氨基酸作為底物脫氫〔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(dú)特發(fā)酵方式。產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1ATP。氫供體：丙AA、亮AA、異亮AA、纈AA、苯丙AA、絲AA、組AA、色AA等。氫受體：甘AA、脯AA、羥脯AA、鳥AA、精AA、色AA等。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌?！?〕發(fā)酵中的產(chǎn)能反響發(fā)酵是專性厭氧菌或兼性厭氧菌在無氧條件下的一種生物氧化方式。其產(chǎn)能機(jī)制都是底物程度的磷酸化反響，與氧化磷酸化相比,產(chǎn)能效率極低。底物程度磷酸化可構(gòu)成多種高能磷酸化合物,如:①EMP途徑中：1.3-二磷酸甘油酸、PEP；②異型乳酸發(fā)酵中：乙酰磷酸③TCA循環(huán)中：琥珀酰-CoA等含高能磷酸鍵的產(chǎn)物。在厭氧菌的發(fā)酵過程中有很多反響可構(gòu)成乙酰磷酸，乙酰磷酸經(jīng)乙酸激酶的催化，就能完成底物程度磷酸化產(chǎn)能。二、自養(yǎng)微生物的生物氧化〔產(chǎn)ATP和產(chǎn)復(fù)原力〕自養(yǎng)微生物按其最初能源的不同，可分為兩大類：1．化能自養(yǎng)型微生物:氧化無機(jī)物而獲得能量的微生物?；茏责B(yǎng)微生物必需從氧化磷酸化所獲得的能量中，破費(fèi)一大部分ATP以逆呼吸鏈傳送的方式把無機(jī)氫〔H++e-〕轉(zhuǎn)變成復(fù)原力[H]。2．光能自養(yǎng)型微生物:能利用日光輻射的微生物。在光能自養(yǎng)微生物中，ATP是經(jīng)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，而復(fù)原力[H]那么是直接或間接利用這些途徑產(chǎn)生的。〔一〕化能自養(yǎng)微生物的生物氧化化能自養(yǎng)微生物復(fù)原CO2所需求的ATP和[H]是經(jīng)過氧化無機(jī)底物，例如NH+4、NO-2、H2S、S0、H2和Fe2+等而獲得的。1、產(chǎn)能方式——無機(jī)物氧化經(jīng)過氧化復(fù)原態(tài)的無機(jī)底物〔脫H或e-〕實現(xiàn)的。借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反響產(chǎn)ATP?；茏责B(yǎng)菌普通都是好氧菌〔以O(shè)2為受氫體〕，極少厭氧菌。2、最初能源：NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和Fe2+等無機(jī)底物不僅可作為最初能源產(chǎn)生ATP，而且其中有些底物還可作為無機(jī)氫供體。3、復(fù)原力[H]的產(chǎn)生：無機(jī)氫在充分提供ATP能量的條件下，可經(jīng)過逆呼吸鏈傳送的方式構(gòu)成復(fù)原CO2的復(fù)原力[H]。化能自養(yǎng)微生物復(fù)原CO2時ATP和[H]的來源4、化能自養(yǎng)菌的呼吸鏈復(fù)原態(tài)的無機(jī)物中，H2的氧化復(fù)原電位比NAD+/NADH對稍低些，其他都明顯高于它。各種無機(jī)底物進(jìn)展氧化時，必需按其相應(yīng)的氧化復(fù)原勢的位置進(jìn)入呼吸鏈，由此化能自養(yǎng)菌呼吸鏈只具有很低的氧化磷酸化效率〔P/O〕。由于化能自養(yǎng)微生物產(chǎn)[H]以及固定CO2要大量耗ATP，因此它們的產(chǎn)能效率、生長速率和生長得率都很低。5、化能自養(yǎng)微生物能量代謝的主要特點(diǎn)①無機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)絡(luò)，即由脫氫酶或氧化復(fù)原酶催化的無機(jī)底物脫氫或電子后，可直接進(jìn)入呼吸鏈傳送；②呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進(jìn)入呼吸鏈；③產(chǎn)能效率即P/O比普通要低于化能異養(yǎng)微生物。6、硝化細(xì)菌的能量代謝〔1〕硝化細(xì)菌廣泛分布于各種土壤和水體中的化能自養(yǎng)菌。從生理類型來看，硝化細(xì)菌分為兩類：1〕亞硝化細(xì)菌〔氨氧化細(xì)菌〕:可把NH3氧化成NO-2，Nitrosomonas(亞硝化單胞菌屬)；2〕硝化細(xì)菌〔亞硝酸氧化細(xì)菌〕:可把NO-2氧化為NO-3，Nitrobacter〔硝化桿菌屬〕由亞硝化細(xì)菌引起的反響為：NH3HNO2氨單加氧酶①NH3+O2+2H++2e-NH2OH+H2O〔在細(xì)胞膜上〕羥胺氧還酶②NH2OH+H2OHNO2+4H++4e-〔在周質(zhì)上〕亞硝化細(xì)菌在氨氧化時的質(zhì)子、電子流向和ATP合成硝化細(xì)菌利用亞硝酸氧化酶和來自H2O的氧把NO2-氧化為NO3-，并引起電子流經(jīng)過很短的一段呼吸鏈而產(chǎn)生少量ATP。硝化細(xì)菌把亞硝酸氧化成硝酸時的質(zhì)子、電子流向和ATP合成〔二〕光能營養(yǎng)微生物——光合磷酸化

(photophosphorylation)光能營養(yǎng)生物及其光協(xié)作用特點(diǎn)：循環(huán)光合磷酸化非循環(huán)光合磷酸化嗜鹽菌紫膜的光協(xié)作用光能營養(yǎng)微生物的光協(xié)作用類型在光能自養(yǎng)微生物中，經(jīng)過：產(chǎn)生ATP，直接或間接利用這些途徑產(chǎn)生復(fù)原力[H]。1、循環(huán)光合磷酸化光合細(xì)菌中的原始光協(xié)作用機(jī)制，在光能驅(qū)動下能經(jīng)過電子的循環(huán)式傳送而完成磷酸化產(chǎn)能反響。特點(diǎn)：①電子傳送途徑屬循環(huán)方式：在光能驅(qū)動下，電子從菌綠素分子上逐出，經(jīng)過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間建立了質(zhì)子動勢并產(chǎn)生了1個ATP；②產(chǎn)能〔ATP〕與產(chǎn)復(fù)原力[H]分別進(jìn)展；③復(fù)原力來自H2S等無機(jī)氫供體；④不產(chǎn)生氧，即不能利用H2O作為復(fù)原CO2時的氫供體；⑤光合磷酸化與固定CO2的Calvin循環(huán)相聯(lián)接。Cyt.bc1e-e-e-e-循環(huán)光合磷酸化的光反響QABphCyt.c2QBQ庫e-P870*P870e-外源電子供體〔H2S、S0和Fe2+等〕ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆電子傳送〔耗能〕紅光或紅外線循環(huán)光合磷酸化產(chǎn)能的生物原核生物真細(xì)菌中的光合細(xì)菌，厭氧菌，分類位置——紅螺菌目。特點(diǎn)：①細(xì)胞內(nèi)含菌綠素和類胡蘿卜素，因量和比例的不同，呈現(xiàn)紅、橙、藍(lán)綠、紫紅、紫或褐等顏色；②典型的水生細(xì)菌，廣泛分布于缺氧的深層淡水或海水中；③可用于污水凈化；④菌體可作SCP。2、非循環(huán)光合磷酸化各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反響。特點(diǎn)：①電子的傳送途徑屬非循環(huán)式的，電子須經(jīng)PSII和PSI兩個系統(tǒng)接力傳送；②有PSI和PSII兩個光合系統(tǒng)，PSI含葉綠素a，反響中心的吸收光波為“P700〞，有利于紅光吸收，PSII含葉綠素b，反響中心的吸收光波為“P680〞，有利于藍(lán)光吸收；③在有氧條件下進(jìn)展；④反響中可同時產(chǎn)ATP〔來自PSII，Cytbf和Pc間產(chǎn)生1個ATP〕、復(fù)原力[H]〔產(chǎn)自PSI〕和O2〔產(chǎn)自PSII，H2O經(jīng)光解產(chǎn)生的1/2O2〕；⑤復(fù)原力NADPH2中的[H]來自H2O分子的光解產(chǎn)物H+和電子。e-QAPhQBQ庫FdFpe-e-e-Fe.SADP+PiATPe-葉綠素a葉綠素a+e-Ⅰ葉綠素b葉綠素b+ⅡH201/202Mn2+2H+e-NADPH+H+Cyt.bfADP+PiATPPC非循環(huán)式光合磷酸化P700P6803、嗜鹽菌紫膜的光借導(dǎo)ATP合成〔1〕嗜鹽菌紫膜嗜鹽菌：一類必需在高鹽〔3.5~5.0mol/LNaCl〕環(huán)境中才干生長的古細(xì)菌。細(xì)胞內(nèi)富含類胡蘿卜素而呈紅、橘黃、黃色。其細(xì)胞膜可分別出：①紅膜：紅色，含類胡蘿卜素、cyt、Fp等用于氧化磷酸化反響的呼吸鏈載體成分；②紫膜：由稱作細(xì)菌視紫紅質(zhì)的蛋白質(zhì)和類脂組成，能進(jìn)展獨(dú)特的光協(xié)作用。細(xì)菌視紫紅質(zhì)的功能與葉綠素類似，能吸收光能，并在光量子的驅(qū)動下起著質(zhì)子泵作用?！?〕光介導(dǎo)ATP合成

只在嗜鹽菌中才有的無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光協(xié)作用。

當(dāng)環(huán)境中O2濃度很低時，嗜鹽菌無法利用氧化磷酸化來滿足其正常的能量需求，這時，假設(shè)光照條件適宜，它就能合成紫膜，并利用紫膜的光介導(dǎo)ATP合成機(jī)制獲得必要的能量。在無氧條件下，利用光能所呵斥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〔即梯度差〕，根據(jù)化學(xué)浸透學(xué)說，這一質(zhì)子動勢在驅(qū)動H+經(jīng)過ATP酶的孔道進(jìn)入膜內(nèi)以到達(dá)質(zhì)子平衡時，就會產(chǎn)生ATP。此即光介導(dǎo)ATP合成?！?〕光介導(dǎo)ATP合成——紫膜光合磷酸化〔photophosphorylationbypurplemembrance〕ATP酶紫膜H+H+H+-++++---細(xì)胞壁紅膜H+ADP+PiATPPNH+N+PNPNH+P順式膜外膜內(nèi)紫膜反式H+H++++++++———————紫膜上視黃醛分子的反響式H+ADP+PiATP能量轉(zhuǎn)化的方式——ATP構(gòu)成的方式底物程度磷酸化(substratelevelphosphorylation)氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)光合磷酸化(photophosphorylation)第二節(jié)分解代謝和合成代謝的關(guān)系分解代謝與合成代謝兩者聯(lián)絡(luò)嚴(yán)密，互不可分。一、兩用代謝途徑二、代謝回補(bǔ)順序又稱代謝補(bǔ)償途徑或填補(bǔ)途徑。指能補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成代謝而耗費(fèi)的中間代謝產(chǎn)物的那些反響?！采锖铣芍兴馁M(fèi)的中間產(chǎn)物假設(shè)得不到補(bǔ)充，循環(huán)就會中斷?！辰?jīng)過這種機(jī)制，一旦重要產(chǎn)能途徑中的某種關(guān)鍵中間代謝物必需被大量用作生物合成原料而抽走時，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)展。不同種類的微生物或同種微生物在不同的碳源條件下，有不同的代謝回補(bǔ)順序。凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的途徑，稱為兩用代謝途徑。EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等都是重要的兩用代謝途徑。主要圍繞EMP途徑中的PEP和TCA循環(huán)中的OA這兩種關(guān)鍵性中間代謝物來進(jìn)展的。回補(bǔ)途徑與EMP途徑和TCA循環(huán)有關(guān)的回補(bǔ)順序約有10條。以EMP和TCA循環(huán)為中心的假設(shè)干重要中間代謝物的回補(bǔ)順序某些微生物所特有的代謝回補(bǔ)順序。是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑?？梢岳靡宜岬奈⑸锞哂幸阴oA合成酶，它使乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA。然后乙酰CoA在異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶的作用下進(jìn)入乙醛酸循環(huán)。乙醛酸循環(huán)的主要反響：異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸蘋果酸琥珀酸+乙酸→→→異檸檬酸凈反響：2乙酸蘋果酸乙醛酸循環(huán)〔乙醛酸支路〕乙醛酸循環(huán)具有乙醛酸循環(huán)的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸為獨(dú)一碳源的一些細(xì)菌：醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn)氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌、和紅螺菌屬等；真菌中的酵母菌屬、青霉屬和黑曲霉等。第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物構(gòu)造大分子——肽聚糖的生物合成四、微生物次生代謝物的合成一、自養(yǎng)微生物的CO2固定各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途徑有4條。兩類自養(yǎng)生物固定CO2的條件和途徑二、生物固氮生物固氮作用：將大氣中分子態(tài)氮經(jīng)過微生物固氮酶的催化而復(fù)原成氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上僅次于光協(xié)作用的生物化學(xué)反響。〔一〕固氮微生物(nitrogen–fixingorganisms,diazotrophs〕80余屬，全部為原核生物〔包括古生菌〕，主要包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌。根據(jù)固氮微生物與高等植物及其他生物的關(guān)系，可將它們分為以下3類：1、自生固氮微生物2、共生固氮微生物3、結(jié)合固氮微生物1、自生固氮菌獨(dú)立生活情況下可以固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能獨(dú)立地進(jìn)展固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組本錢身蛋白質(zhì)。自生固氮微生物的固氮效率較低，每耗費(fèi)1克葡萄糖大約只能固定10~20毫克氮。2、共生固氮菌與其它生物構(gòu)成共生體，在共生體內(nèi)進(jìn)展固氮的微生物。只需在與其他生物嚴(yán)密地生活在一同的情況下，才干固氮或才干有效地固氮；并將固氮產(chǎn)物氨，經(jīng)過根瘤細(xì)胞酶系統(tǒng)的作用，及時運(yùn)送給植物體各部，直接為共生體提供氮源。共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多，每耗費(fèi)1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。根瘤菌的根瘤滿江紅魚星藻地衣3、結(jié)合固氮菌結(jié)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在的一種簡單共生景象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。這些固氮微生物僅存在于相應(yīng)植物的根際，不構(gòu)成根瘤，但有較強(qiáng)的專注性，固氮效率比在自生條件下高。通常在水域環(huán)境中，共生性固氮系統(tǒng)不常見。大量的氮主要靠自在生活的微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍(lán)細(xì)菌的作用，在無氧區(qū)主要是梭菌的作用。1、生物固氮反響的6要素固氮酶ATP的供應(yīng)復(fù)原力及其傳送載體復(fù)原底物—N2鎂離子嚴(yán)厲的厭氧微環(huán)境〔二〕固氮的生化機(jī)制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮總反響：固二氮酶〔dinitrogenase〕〔組份Ⅰ〕：是復(fù)原氮?dú)獾幕钚灾行摹９痰赋四艽呋疦2NH3，還可催化H＋H2、C2H2C2H4。固氮酶：是一種復(fù)合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶復(fù)原酶兩種相互分別的蛋白構(gòu)成。固二氮酶復(fù)原酶〔dinitrogenasereductase〕〔組份Ⅱ〕：是一種只含鐵的蛋白。ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-Fd.2e-Fd(Fe4S4)2FeMoCo.2e-FeMoCo2NH3N22、固氮的生化途徑2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP氧障呼吸無氧呼吸發(fā)酵光協(xié)作用NAD(P)H+H+N2分子經(jīng)固氮酶的催化而復(fù)原成NH3后，就可與相應(yīng)的酮酸結(jié)合，構(gòu)成各種氨基酸?！踩澈醚蹙痰副芎C(jī)制固氮酶的兩個蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快導(dǎo)致不可逆的失活。固氮生化反響都必需受活細(xì)胞中各種“氧障〞的嚴(yán)密維護(hù)。大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進(jìn)化過程中，已進(jìn)化出適宜在不同條件下維護(hù)固氮酶免受氧害的機(jī)制。1、好氧性自生固氮菌的抗氧維護(hù)機(jī)制〔1〕呼吸維護(hù)固氮菌科的菌種能以極強(qiáng)的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧耗費(fèi)掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧形狀，維護(hù)固氮酶?！?〕構(gòu)象維護(hù)在高氧分壓條件下，Azotobactervinelandii〔維涅蘭德固氮菌〕和A.chroococcum〔褐球固氮菌〕等的固氮酶能構(gòu)成一個無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。2、藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧維護(hù)機(jī)制藍(lán)細(xì)菌在光照下會因光協(xié)作用放出的氧而使細(xì)胞內(nèi)氧濃度急劇增高。⑴分化出特殊的復(fù)原性異形胞：缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)Ⅱ，脫氫酶和氫化酶的活性高，維持很強(qiáng)的復(fù)原態(tài)；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸強(qiáng)度高，可耗費(fèi)過多的氧。⑵非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的維護(hù)能經(jīng)過將固氮作用與光協(xié)作用進(jìn)展時間上的分隔來到達(dá)；經(jīng)過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細(xì)胞失去能產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)II，以便于進(jìn)展固氮反響；經(jīng)過提高過氧化物酶和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧維護(hù)機(jī)制只需當(dāng)嚴(yán)厲控制在微好氧條件下時，才干固氮；根瘤菌還能在根毛皮層細(xì)胞內(nèi)迅速分裂繁衍，隨后分化為膨大而外形各異、不能繁衍、但有很強(qiáng)固氮活性的類菌體。許多類菌體被包在一層類菌體周膜中，膜的內(nèi)外有能與O2結(jié)合的豆血紅蛋白。三、微生物構(gòu)造大分子——肽聚糖的生物合成肽聚糖的合成過程約有20步，根據(jù)它們反響部位的不同，可分成在細(xì)胞質(zhì)中、細(xì)胞膜上和細(xì)胞膜外3個合成階段?！惨弧吃诩?xì)胞質(zhì)中的合成1、由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park〞核苷酸“Park〞核苷酸即UDP(尿嘧啶二磷酸〕-N-乙酰胞壁酸五肽，合成過程如下：〔二〕在細(xì)胞膜中的合成由“Park〞核苷酸合成肽聚糖單體是在細(xì)胞膜上進(jìn)展的?！踩吃诩?xì)胞膜外的合成