6 微生物代謝二

1、第六章微生物的代謝包括：化能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)和光能營養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能 二、糖的合成代謝1. 糖合成的能量來源（1）化能異養(yǎng)型微生物的生物氧化和產(chǎn)能糖的分解代謝所產(chǎn)生的能量都可以用于糖的生物合成，本節(jié)第一部分已經(jīng)介紹過。 此外，某些化能異養(yǎng)微生物（如Closterdium sporogenes 生孢梭菌）能利用一些氨基酸同時當(dāng)作碳源、氮源和能源。 氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能Stickland反應(yīng)Stickland反應(yīng)產(chǎn)能機(jī)制是通過部分氨基酸（如丙氨酸）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵過程而產(chǎn)生能量的。一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體。產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個AT

2、P。作為氫供體的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、組氨酸和色氨酸等。作為氫受體的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、鳥氨酸、精氨酸和色氨酸等。無機(jī)底物脫下的氫直接進(jìn)入呼吸鏈，通過氧化磷酸化產(chǎn)能；（少數(shù)菌在無機(jī)硫化物存在時，能部分通過底物磷酸化產(chǎn)能） 氫或電子可從多處進(jìn)入呼吸鏈，所以，呼吸鏈多樣；由于從中間進(jìn)入呼吸鏈，因此產(chǎn)能效率低，菌體生長緩慢，細(xì)胞產(chǎn)率低?；茏责B(yǎng)型微生物中，其ATP是通過氧化還原態(tài)無機(jī)物產(chǎn)生的，其NAD(P)H2是通過消耗ATP將無機(jī)氫（H+e）逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生的。（2）化能自養(yǎng)型微生物的生物氧化和產(chǎn)能化能自養(yǎng)型微生物均為細(xì)菌，且絕大多數(shù)為好

3、氧菌 能量代謝特點： 脫氫酶或氧化還原酶催化無機(jī)底物脫氫或脫電子；亞硝酸的氧化Nitorbacter（硝化桿菌屬）以亞硝酸作為能源，將NO2氧化為NO3獲得能量，用同位素18O分析實驗證明，在NO2氧化為NO3過程中，氧來自水分子而非空氣。NO2 + H2O H2O NO2 NO3 + 2H+ + 2e氧化亞鐵硫桿菌： 硝化細(xì)菌： 氫細(xì)菌： 亞硝化細(xì)菌： 硫細(xì)菌： 無機(jī)底物氧化的自由能反應(yīng)G0kcal/mole2Fe2+ + 2H+ + O2 2Fe3+ + H2O11.2NO2 + O2 NO317.4H2 + O2 H2O56.6NH4+ + 1O2 NO2 + H2O + 2H+65.0

4、S0 + O2 + H2O H2SO4118.5S2O32 + 2O2 + H2O 2SO42 + 2H+223.7區(qū)別：無氧呼吸（化能異養(yǎng)型）無機(jī)物氧化（化能自養(yǎng)型）同都涉及無機(jī)物異電子供體（底物）有機(jī)物還原型無機(jī)物電子受體氧化型無機(jī)物（主）O2過程有機(jī)物電子傳遞鏈脫氫無機(jī)物無機(jī)物電子傳遞鏈脫 氫 或氧化O舉例反硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌（3）光能營養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能光合作用是地球上最重要的生物過程之一。光合作用分成兩部分：光反應(yīng)：捕獲光能并轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，提供ATP和NADPH 。（位于真核生物葉綠體類囊體膜，原核生物的內(nèi)膜系統(tǒng)） 暗反應(yīng)：還原或固定CO2并合成細(xì)胞物質(zhì)（位于真核生物的葉綠體基質(zhì)

5、中，原核生物的羧酶體） 1）循環(huán)光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化是指電子從菌綠素分子逐出后循環(huán)一周仍返回菌綠素。其反應(yīng)中心的吸收光波為“P870”。菌綠素受日光照射后成為激發(fā)態(tài)，氧化還原電位由+0.5變?yōu)?.7，由它逐出的電子通過類似呼吸鏈的傳遞，經(jīng)Bph（脫鎂菌綠素）、輔酶Q、Cyt b/c1、FeS、Cyt c2的循環(huán)傳遞，最終重新由菌綠素接受，其間建立質(zhì)子動勢并產(chǎn)生1分子ATP。當(dāng)外源氫供體（H2S、H2、Fe2+等）提供電子,沿呼吸鏈鏈逆向傳遞，由NAD(P)+接受電子，產(chǎn)生可用于還原CO2的NAD(P)H+H+。循環(huán)光合磷酸化特點：電子傳遞途徑屬循環(huán)式的；產(chǎn)ATP和NAD(P)H+H+分別進(jìn)

6、行；NAD(P)H+H+中的H是來自H2S等無機(jī)氫供體；無O2產(chǎn)生。這種不產(chǎn)氧的循環(huán)式的光合磷酸化，只存在于原核生物（光合細(xì)菌）中。 2）非循環(huán)光合磷酸化各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌的光合作用屬非循環(huán)光合磷酸化該光合磷酸化過程中，有氧氣放出，其來源是H2O的光解，整個過程中，電子須經(jīng)過PSII和PS I兩個系統(tǒng)接力傳遞，傳遞體包括PSII系統(tǒng)中的Phea（褐藻素）、Q（醌）、Cyt bf、Pc（藍(lán)素），在Cyt bf和Pc間產(chǎn)生1 個ATP；還包括PS I 系統(tǒng)中的FeS（非血紅素鐵硫蛋白）、Fd（鐵氧還蛋白），最終由NADP+接受電子，產(chǎn)生可用于還原CO2的NADPH+H+。非循環(huán)光合磷酸化特

7、點：電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有兩個光合系統(tǒng)，其中色素系統(tǒng)I（PS I）含葉綠素a， 可以吸收利用紅光，反應(yīng)中心的吸收光波為“P700”， 色素系統(tǒng)II（PSII）含葉綠素b，可以吸收利用藍(lán)光， 反應(yīng)中心的吸收光波為“P680” ；反應(yīng)中同時有ATP（產(chǎn)自PSII）、NAD(P)H+H+ （產(chǎn)自PS I）和O2 產(chǎn)生；NAD(P)H+H+中的H是來自H2O分子光解后的H+和電子。 3）嗜鹽菌紫膜的光合作用一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細(xì)菌葉綠素參與的獨特的光合作用。嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.55.0mol/L NaCl）環(huán)境中才能生長的古細(xì)菌。嗜鹽菌可通過兩條途徑獲取能

8、量： 有氧條件下的氧化磷酸化途徑；無氧條件下的紫膜光合磷酸化途徑。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)像的變化，將質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜的兩側(cè)建立一個質(zhì)子動勢，推動ATP酶合成ATP。嗜鹽菌細(xì)胞膜紅色部分（紅膜）紫色部分（紫膜）主要含細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5 mm）獨立分布，其總面積約占細(xì)胞膜的一半，主要由細(xì)菌視紫紅質(zhì)組成。實驗發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600 nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細(xì)菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。嗜鹽菌紫膜的光合作用特點：無O2條件下進(jìn)行； 不產(chǎn)O2；最簡單的光合磷酸

9、化反應(yīng)；無葉綠素和細(xì)菌葉綠素，光合色素是紫膜上的視紫紅質(zhì)。生物合成三要素（簡單小分子， ATP，NADPH） 如何獲得？ATP氧化磷酸化：好氧菌，兼性厭氧菌底物水平磷酸化：厭氧菌，兼性厭氧菌光合磷酸化：光合微生物NADPHHMP：化能異養(yǎng)型耗ATP逆電子鏈傳遞：化能自養(yǎng)型，紫色和綠色光合細(xì)菌光合作用（非循環(huán)光合磷酸化）：藍(lán)細(xì)菌異養(yǎng)型：從環(huán)境中吸取自養(yǎng)型：同化CO2簡單小分子有機(jī)物2. 單糖的合成無論自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物，合成單糖的途徑都是通過EMP途徑的逆行來合成葡萄糖-6-磷酸，然后再轉(zhuǎn)化為其它單糖或合成二糖和多糖。用于合成葡萄糖的前體物質(zhì)可以來自以下幾個方面：1）Calvin循環(huán)（Ca

10、lvin cycle） 2）厭氧乙酰-輔酶A途徑3） 還原性TCA循環(huán)途徑4） 羥基丙酸途徑 （1）自養(yǎng)微生物的CO2固定 （2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖的底物3）還原性TCA循環(huán)途徑2）厭氧乙酰-輔酶A途徑CO2通過琥珀酰-CoA的還原性羧化生成a-酮戊二酸而被固定酸合成酶催化由乙酸，用于合成各種有機(jī)物。酰-CoA接受第3個CO2分子生成自養(yǎng)微生物的CO2還原途徑：1分子CO2被還原成甲醇水平，另一分子CO2被還原成CO，二者合成產(chǎn)生乙酰-CoA，經(jīng)4）羥基丙酸途徑少數(shù)綠色硫細(xì)菌以H2或H2S作為電子供體進(jìn)行的一種CO2固定機(jī)制。通過羥基丙酸途徑將2個CO2分子轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜岫M(jìn)入糖的合成途徑

11、。 （1）自養(yǎng)微生物的CO2固定1）Calvin循環(huán)（Calvin cycle）循環(huán)中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循環(huán)分三個階段：羧化反應(yīng) （核酮糖-1,5-二磷酸通過核酮糖羧化酶將CO2固定，轉(zhuǎn)變?yōu)?個甘油酸-3-磷酸，重復(fù)3次，產(chǎn)生6個C3化合物 ）還原反應(yīng)（甘油酸-3-磷酸被還原成甘油醛-3-磷酸 ）CO2受體的再生 （1個甘油醛-3-磷酸逆EMP途徑生成葡萄糖，其余5 個再生出3個核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子 ）。碳源途徑產(chǎn)物乙酸乙醛酸循環(huán)草酰乙酸乙醇酸、草酸、甘氨酸甘油酸途徑甘油醛-3-磷酸乳酸氧化酸谷氨酸、天冬氨酸脫氨基-酮戊二酸、草酰乙酸亮氨酸降解

12、酸 （2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖的底物不需要模板，而是由轉(zhuǎn)移酶的特異性來決定亞單位在多聚鏈上的次序。合成的開始階段需要引物，引物通常由小片斷多糖充當(dāng)。多糖合成時，由糖核苷酸作為糖基載體，將單糖分子轉(zhuǎn)移到受體分子上，使多糖鏈逐步加長。3. 多糖的合成微生物中的多糖可分為同型多糖和雜多糖。同型多糖是由相同單糖分子聚合而成，如糖原、纖維素、甲殼素等。雜多糖是由不同單糖分子聚合而成，如肽聚糖、脂多糖等。微生物多糖合成的特點：4）肽聚糖單體的合成和連接。親水性化合物UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽在穿過細(xì)胞膜時需要載體的幫助，即細(xì)菌萜醇（bactoprenol）的類脂載體。該過程可被萬古霉素和桿菌肽阻斷。5

13、）肽聚糖的交聯(lián)。一條肽鏈的第4個氨基酸的羧基與另一條肽鏈的第3個氨基酸的自由氨基之間以肽鍵的方式連接。交聯(lián)過程是由轉(zhuǎn)肽酶催化的，在轉(zhuǎn)肽的同時，肽尾上的第5個氨基酸釋放出來。轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用可被青霉素所抑制。3）由N-乙酰胞壁酸-UDP合成“Park”核苷酸（即：UDP-N-乙酰胞 壁酸五肽）。該步可被環(huán)絲氨酸所抑制。2）由N-乙酰葡糖胺-UDP合成N-乙酰胞壁酸-UDP1）由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺-UDP在細(xì)胞質(zhì)中合成多糖合成舉例：細(xì)菌細(xì)胞壁多糖（肽聚糖）的生物合成整個肽聚糖合成過程的步驟將近20步，簡單分為五個階段。在細(xì)胞膜上合成在細(xì)胞膜外合成第三節(jié) 氨基酸和蛋白質(zhì)代謝外源蛋白質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)，

14、總是先經(jīng)過水解作用變?yōu)樾》肿拥陌被?，然后再被吸收。?xì)胞內(nèi)每種蛋白質(zhì)都有自己的存活時間，短到幾分鐘，長到幾周。這種降解有兩個重要功能：j排除不正常的蛋白質(zhì)；k通過排除累積過多的酶和蛋白，使細(xì)胞代謝秩序井然。 一、蛋白質(zhì)的分解解 微生物通過三種方式分解氨基酸：脫氨、脫羧和轉(zhuǎn)氨。 二、氨基酸的分 三、氨基酸的合成1. 氨的來源4種：直接從外界環(huán)境吸收；體內(nèi)含氮化合物的分解；硝酸鹽還原；生物固氮作用。生物固氮是指分子氮通過固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的過程。 以下主要介紹原核生物特有的生物固氮作用： （1）固氮生物的種類迄今已知的固氮生物都屬于原核微生物，包括兩大類： 其一：能獨立生存的自生固氮

15、微生物，包括細(xì)菌、放線菌類微生物和藍(lán)藻等；其二：與其它植物共生的共生固氮微生物，如 根瘤菌。固氮酶的測定：乙炔還原法。固氮酶除了能催化N2 NH3的反應(yīng)外，還能催化包括C2H2 C2H4反應(yīng)。大多數(shù)的固氮菌都是好氧菌，它們需要利用氧氣進(jìn)行呼吸和產(chǎn)生能量。 （2）生物固氮的機(jī)制固氮酶鎂離子，2）固氮反應(yīng)的必要條件：ATP和NAD（P）H+H+的供應(yīng)，底物N2，1）固氮反應(yīng)的總式為：N2 + 6e + 6H+ + 12ATP 2NH3 + 12ADP + 12Pi固氮菌發(fā)展出多種機(jī)制來解決其既需要氧又須防止氧對固氮酶損傷的矛盾：呼吸保護(hù)、構(gòu)象保護(hù)、藍(lán)細(xì)菌異形胞、豆血紅蛋白、不同時間進(jìn)行固氮作用與光

16、合作用，等。3）固氮反應(yīng)生成NH3的去向：NH3通過谷胺酰胺合成酶將谷氨酸轉(zhuǎn)氨合成谷氨酰胺，進(jìn)而進(jìn)入生物代謝。來自于環(huán)境中的硫酸鹽，但氧化態(tài)的無機(jī)硫要經(jīng)過一系列還原反應(yīng)，才能用于生物合成。2. 硫的來源3. 氨基酸碳骨架的來源來自糖代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。4. 氨基酸合成的途徑微生物體內(nèi)合成氨基酸主要通過三類途徑：氨基化作用、轉(zhuǎn)氨基作用和由初生氨基酸合成次生氨基酸。由-酮酸經(jīng)氨基化作用合成的氨基酸稱為初生氨基酸第四節(jié)脂類代謝 一、脂類的分解脂類物質(zhì)是微生物獲取能量的重要來源之一，其中具代表意義的是甘油三酯。甘油三酯被微生物分解為脂肪酸和甘油， 脂肪酸和甘油又都能夠在進(jìn)一步的分解代謝中釋放能量，脂肪

17、酸的分解主要通過-氧化途徑完成。脂肪酸的合成與-氧化的逆反應(yīng)很相象，碳鏈以每次增加兩個碳的速度延伸，但脂肪酸的合成與其分解是由不同的途徑來完成的，且過程發(fā)生的場所及所涉及的?；d體、電子供體和受體、酶等都存在很多不同。 二、脂類的合成微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式很多，其中酶的調(diào)節(jié)是代謝最本質(zhì)的調(diào)節(jié)。酶的調(diào)節(jié)包括兩個方面：通過激活或抑制以改變細(xì)胞內(nèi)已有酶分子的催化活力； 調(diào)節(jié)酶分子的合成或降解以改變酶分子的含量。第五節(jié) 微生物的代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)代謝控制發(fā)酵（metabolic control fermentation）利用微生物代謝調(diào)控能力的自然缺損或通過人為方法獲得突破代謝調(diào)控的變異菌株，從而使

18、有用目的產(chǎn)物大量生成、積累的發(fā)酵稱為代謝控制發(fā)酵。 一、酶活力的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)酶活力比調(diào)節(jié)酶的合成迅速及時而且有效，包括酶活性的激活和抑制兩個方面。酶活性的激活系指在分解代謝途徑中，后面的反應(yīng)可被較前面的中間產(chǎn)物所促進(jìn)。反饋抑制的機(jī)制：受反饋抑制調(diào)節(jié)的酶一般都是變構(gòu)酶（ allosteric enzyme），酶活力調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是對變構(gòu)酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)。酶活性的抑制主要是反饋抑制（feedback inhibition）， 它主要表現(xiàn)在某代謝途徑的末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過量時， 這個產(chǎn)物可反過來直接抑制該途徑中第一個酶的活性，促使整個反應(yīng)過程減慢或停止，從而避免末端產(chǎn)物的過多累積。 二、酶合成的調(diào)節(jié)酶合成的

19、調(diào)節(jié)是一種通過調(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，是基因水平上的代謝調(diào)節(jié)。由代謝終產(chǎn)物抑制酶合成的負(fù)反饋作用稱為反饋阻遏（repression）。促進(jìn)酶生物合成的現(xiàn)象，稱誘導(dǎo)作用（induction）。酶合成調(diào)節(jié)的機(jī)制：就是效應(yīng)物對操縱子的調(diào)控。分解代謝物阻遏（catabolite repression）：指細(xì)胞內(nèi)同時具有不同的同類分解底物（如兩種碳源或兩種氮源）， 利用快的那種分解底物在其分解過程中所產(chǎn)生的中間代謝物或末端代謝物會阻遏利用慢的底物的有關(guān)酶合成的現(xiàn)象。如葡萄糖分解代謝物阻遏乳糖操縱子的現(xiàn)象 ，因此這種現(xiàn)象有時也稱為葡萄糖效應(yīng)。 三、代謝調(diào)控在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用代謝控制發(fā)酵的基本思想就是要打破微生物自身的代謝調(diào)節(jié)控制機(jī)制，使其能夠大量積累某種代謝產(chǎn)物。具體的措施包括以下幾方面：1. 解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié) （1）選育代謝拮抗物抗性突變株 （2）選育營養(yǎng)缺陷型突變株 （3）選育營養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株 （4）選育滲漏缺陷型突變株（4）利用基因工程技術(shù)將前體物合成酶基因克隆到多拷貝載體上，使其大量擴(kuò)增，從而加快前體物的合成。2. 增加前體物濃度 （1）增強(qiáng)前體物合成酶活性，使前體物合成量增加。 （2）解除代謝途徑中對前體物合成酶的各種反饋抑制和阻遏。（3）切斷支路代謝。在分支代謝途徑中，將目標(biāo)代謝物途徑之外的其它分支途徑切斷，使分支點的代謝中間物只用于合成目