微生物的代謝及其調(diào)控

1、微生物的代謝及其調(diào)控微生物的代謝，指微生物在存活期間的代謝活動(dòng)。微生物在代謝過程中，會(huì)產(chǎn)生多種多樣的代謝產(chǎn)物。根據(jù)代謝產(chǎn)物與微生物生長(zhǎng)繁殖的關(guān)系，可以分為初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物兩類。 初級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物通過代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的、自身生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，次級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對(duì)該微生物無明顯生理功能，或并非是微生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。微生物通過代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的、自身生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、多糖。脂類、維生素等。在不同種類的微生物細(xì)胞中，初級(jí)代謝產(chǎn)物的種類基本相同。此外，初級(jí)代謝產(chǎn)物的合成在不停地進(jìn)行著，任何一種產(chǎn)物的合成發(fā)生障

2、礙都會(huì)影響微生物正常的生命活動(dòng)，甚至導(dǎo)致死亡。次級(jí)代謝產(chǎn)物是指微生物生長(zhǎng)到一定階段才產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、對(duì)該微生物無明顯生理功能，或并非是微生物生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，如抗生素。毒素、激素、色素等。不同種類的微生物所產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物不相同，它們可能積累在細(xì)胞內(nèi)，也可能排到外環(huán)境中。其中，抗生素是一類具有特異性抑菌和殺菌作用的有機(jī)化合物，種類很多，常用的有鏈霉素、青霉素、紅霉素和四環(huán)素等?？傊@些代謝產(chǎn)物都是在微生物細(xì)胞的調(diào)節(jié)下，有步驟地產(chǎn)生的。從物質(zhì)代謝過程中可知，酶在細(xì)胞內(nèi)是分隔著分布的。代謝上有關(guān)的酶，常常組成一個(gè)酶體系，分布在細(xì)胞的某一組分中，例如,糖酵解酶系和糖元合成、分解酶系

3、存在于胞液中；三羧酸循環(huán)酶系和脂肪酸-氧化酶系定位于線粒體；核酸合成的酶系則絕大部分集中在細(xì)胞核內(nèi)。這樣的酶的隔離分布為代謝調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件，使某些調(diào)節(jié)因素可以較為專一地影響某一細(xì)胞組分中的酶的活性，而不致影響其他組分中的酶的活性，從而保證了整體反應(yīng)的有序性。一些代謝物或離子在各細(xì)胞組分間的穿梭移動(dòng)也可以改變細(xì)胞中某些組分的代謝速度。微生物的分解代謝微生物在生命活動(dòng)中，能將復(fù)雜的大分子物質(zhì)分解為小分子的可溶性物質(zhì)，并有能量轉(zhuǎn)變過程，這種物質(zhì)轉(zhuǎn)變稱為分解代謝。大多數(shù)微生物都能分解糖和蛋白質(zhì)，少數(shù)微生物能分解脂類。糖類是異養(yǎng)微生物的主要碳素來源和能量來源，包括各種多糖、雙糖和單糖。多糖必須在細(xì)胞

4、外由相應(yīng)的胞外酶水解，才能被吸收利用；雙糖和單糖被微生物吸收后，立即進(jìn)入分解途徑，被降解成簡(jiǎn)單的含碳化合物，同時(shí)釋放能量，供應(yīng)細(xì)胞合成所需的碳源和能源。細(xì)菌分解蛋白質(zhì)的酶有兩類，一類為蛋白酶，另一類為肽酶，前者為胞外酶，能將蛋白質(zhì)分解為多肽和二肽。肽類可進(jìn)入微生物細(xì)胞中，肽酶為胞內(nèi)酶，將進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的肽水解為游離的氨基酸，供菌體利用。微生物對(duì)氨基酸的分解方式很多，主要為脫氨作用和脫羧作用，不同細(xì)菌水解不同氨基酸除生成氨基酸外，還有其他物質(zhì)產(chǎn)生。如大腸桿菌、枯草桿菌水解含硫氨基酸有H2S產(chǎn)生；大腸桿菌、變形桿菌水解色氨酸，可形成吲哚。有些細(xì)菌則不能，因此這些特性可用于細(xì)菌的鑒定。脂肪是脂肪酸和甘油

5、的結(jié)合物。某些微生物能產(chǎn)生脂肪酶，將脂肪水解為甘油和脂肪酸。甘油和脂肪酸可被微生物攝入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)行代謝。微生物的合成代謝微生物的細(xì)胞物質(zhì)主要是由蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物和類脂等組成。合成這些大分子有機(jī)化合物需要大量能量和原料。能量來自營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解，至于原料，可以是微生物從外界吸收的小分子化合物，但更多的是從營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解中獲得。從這里可以看到分解作用與合成作用之間相互依賴的緊密關(guān)系，由于它們相互依賴、偶聯(lián)進(jìn)行，微生物才能具有旺盛的生命活動(dòng)和正常的生長(zhǎng)繁殖。因而在自然界中得以生存和發(fā)展。微生物種類很多，合成途徑也比較復(fù)雜和多種多樣。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 微生物中固

6、定CO2的途徑有4條：Calvin循環(huán)、厭氧乙酰-CoA途徑、逆向TCA循環(huán) 和羥基丙酸途徑。Calvin循環(huán)是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途徑的兩種特有酶。本循環(huán)分三個(gè)階段： 羧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、 CO2受體的再生。二、厭氧乙酰- CoA途徑非循環(huán)式，主要存在于一些化能自養(yǎng)細(xì)菌中，如產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。三、逆向TCA循環(huán)又稱還原性TCA循環(huán)，通過逆向TCA循環(huán)固定CO2 ，存在于綠色 硫細(xì)菌中。四、羥基丙酸途徑少數(shù)綠色硫細(xì)菌在以H2或H2S作電子供體進(jìn)行自養(yǎng)生活時(shí)所特有的一種固定CO2的機(jī)制。固氮的生化機(jī)制 生物固氮反應(yīng)的6要素 A

7、TP、還原力H及其傳遞載體、固氮酶、還原底物氮?dú)狻?鎂離子、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境 固氮酶：含有兩種成分，固二氮酶（組分）和固二氮酶還原酶 （組分），組分是真正的固氮酶，稱鉬鐵蛋白，功能是絡(luò)合、 活化和還原N2，組分又稱鐵蛋白，實(shí)質(zhì)是固二氮酶還原酶，功 能是傳遞電子到組分上。測(cè)定固氮酶活力采用乙炔還原法，基于固氮酶能催化乙炔還原成乙烯的反應(yīng)： C2H2-C2H4。固氮的生化途徑好氧菌固氮酶避氧害機(jī)制好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制分為呼吸保護(hù)：固氮菌科的菌種能以極強(qiáng)的呼吸作用將周圍環(huán)境中的氧消耗和構(gòu)象保護(hù)：高氧分壓下，固氮酶能形成一個(gè)無固氮活性但能防止氧害的特殊構(gòu)象。藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制超氧化物歧

8、化酶活性很高，有解除氧毒害的功能、呼吸強(qiáng)度高。非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù) 時(shí)間上分隔、失去產(chǎn)氧的光合系統(tǒng)。提高超氧化物歧化酶活性等。豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)機(jī)制 根瘤菌固氮時(shí)，分化為固氮活性很強(qiáng)的類菌體，類菌體被包在類 菌體周膜中，此膜的內(nèi)外都存在著一種獨(dú)特的豆血紅蛋白質(zhì)，豆血紅蛋白通過氧化態(tài)和還原態(tài)間的變化可發(fā)揮緩沖劑的作用，借以使氧維持在低而恒定的水平上。微生物細(xì)胞不同的微生物種類利用不同的物質(zhì)，通過不同的途徑將其轉(zhuǎn)化為微生物自身所需要的能源ATP與生物氧化生物氧化是發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。微生物呼吸作用的本質(zhì)是氧化與還原的統(tǒng)一的過程，這過程中有能量的產(chǎn)生和能量的轉(zhuǎn)移

9、。生物氧化還原過程不同于一般的化學(xué)氧化還原過程，有以下幾個(gè)差別：在酶的作用下，常溫常壓的溫和條件；復(fù)雜有機(jī)物被氧化成二氧化碳、水和其他簡(jiǎn)單的物質(zhì)；產(chǎn)生能量供給生物（合成、生命活動(dòng)、熱能）；多步反應(yīng)，產(chǎn)生許多中間產(chǎn)物；同時(shí)吸收和同化各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。微生物的呼吸將底物氧化分解產(chǎn)生能量，同時(shí)，微生物將能量用于細(xì)胞組分的合成，在這兩者之間存在能量轉(zhuǎn)移的中心ATP。微生物生長(zhǎng)代謝所需要的直接能源物質(zhì)是ATP，有機(jī)物中的能量只有轉(zhuǎn)移到ATP中才能被微生物所利用。ATP水解釋放的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電能，勢(shì)能等各種形式的能量，并用于微生物進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)，ATP在微生物的生長(zhǎng)代謝中發(fā)揮著重要的作用。 生物氧化的

10、形式為加氧、脫氫、失去電子；生物氧化的功能為產(chǎn)能（ATP），產(chǎn)還原力H，產(chǎn)小分子中間代謝產(chǎn)物。生物氧化包括三個(gè)過程：底物脫氫（或脫電子）；氫（或電子）的傳遞；氫受體接受氫（或電子）。根據(jù)最終電子受體的不同，可以將生物氧化分為發(fā)酵，有氧呼吸和無氧呼吸。無論是哪一種類型，其本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng)，即在化學(xué)反應(yīng)中一種物質(zhì)失去電子被氧化，另一種物質(zhì)得到電子被還原，微生物從中獲得生命活動(dòng)所需要的能量。 ATP是在發(fā)酵、好氧呼吸及無氧呼吸中生成的。ATP生成的有如下三種方式：氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化）即通過生物氧化作用，將食物分子中存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成生物能，即將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成ATP分子的高能磷酸鍵，然后再

11、通過ATP分子磷酸鍵的分解釋放能量，為生物體提供所需的能量。質(zhì)子和電子向終端電子受體轉(zhuǎn)移時(shí)，需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個(gè)傳遞體都是一個(gè)氧化還原系統(tǒng)，傳遞中逐步釋放能量，并生成ATP。傳遞體指各種輔酶和輔基，真核微生物的傳遞體在線粒體內(nèi)膜上，原核微生物的傳遞體在細(xì)胞質(zhì)膜上底物水平磷酸化：在基質(zhì)氧化過程中，產(chǎn)生一種含高能自由能的中間體，這一中間體將高能鍵交給ADP，使其磷酸化生成ATP。 其特點(diǎn)：不經(jīng)電子傳遞鏈，電子直接在兩種化合物間轉(zhuǎn)移XP + ADP ATP + X 光合磷酸化：通過光合作用，將光能（主要是太陽(yáng)能）轉(zhuǎn)換成ATP的高能磷酸鍵，再利用ATP的能量合成糖類物質(zhì)。 真核細(xì)胞的氧化

12、磷酸化主要在線粒體膜上進(jìn)行；原核細(xì)胞的氧化磷酸化則是在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行；光合磷酸化主要在葉綠體膜上進(jìn)行；底物水平磷酸化主要在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。ADP是能量的載體，ATP是能量庫(kù)；ATP含高能磷酸鍵(PO4)， 它水解釋放出高能鍵，每一個(gè)高能鍵含31.4kJ的能量。ATP只是一種短期的貯能物質(zhì)，若要長(zhǎng)期貯能，還需轉(zhuǎn)換形式；如果有過剩的ATP，大多數(shù)微生物會(huì)將其能量轉(zhuǎn)化到儲(chǔ)能物中去，如PHB（聚羥基丁酸）、異染粒、淀粉、肝糖、糖原及硫粒等，以備缺乏營(yíng)養(yǎng)時(shí)用。 在微生物體系中，能量的釋放、ATP的生成都是通過生物氧化實(shí)現(xiàn)的。 由上述可知，根據(jù)最終電子受體（或最終受氫體），生物氧化可劃分為3種類型： 發(fā)酵，

13、以分解過程中的中間代謝產(chǎn)物(低分子有機(jī)物)為最終電子受體；好氧呼吸，以O(shè)2為最終電子受體；無氧呼吸，以除O2外的無機(jī)化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作為最終電子受體。發(fā)酵發(fā)酵是在無外在電子受體時(shí)，微生物氧化一些有機(jī)物。有機(jī)物僅發(fā)生部分氧化，以它的中間代謝產(chǎn)物（即分子內(nèi)的低分子有機(jī)物）為最終電子受體，釋放少量能量，其余的能量保留在最終產(chǎn)物中，即在無氧條件下，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內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。發(fā)酵底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以葡萄糖酵解最重要。EMP途徑 EMP途徑分為兩個(gè)階段，如圖1-5所示： 第一階段

14、是無氧化還原反應(yīng)和能量釋放的準(zhǔn)備階段，生成兩分子的中間代謝產(chǎn)物甘油醛-3-磷酸。 第二階段發(fā)生氧化還原反應(yīng)，合成ATP和形成兩分子的丙酮酸。 EMP途徑為微生物的生理活動(dòng)提供ATP和NADH，其中間產(chǎn)物為微生物的合成代謝提供碳骨架，在一定條件下可逆轉(zhuǎn)合成多糖。其總反應(yīng)式為：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP2丙酮酸+2NADH+2H+2ATP+2H2O葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。 磷酸戊糖進(jìn)一步代謝有兩種結(jié)果。 磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙

15、酮酸，稱為不完全HMP途徑。- 8 - 由六個(gè)葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個(gè)葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2和水），稱完全HMP途徑。HMP是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)途徑而得到徹底氧化，并能產(chǎn)生大量NADPH+H+形式的還原力和多種中間代謝產(chǎn)物的代謝途徑第一階段葡萄糖經(jīng)過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2。第二階段核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。第三階段上述各種戊糖磷酸在無氧參與的情況下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生己糖磷酸和丙糖磷酸。ED途徑 ED途徑存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣，特別是假單胞菌和固氮菌的某些菌株較多存在）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)