食品微生物學(xué)：07 第四章 微生物代謝

第四章微生物代謝微生物代謝

是指微生物細(xì)胞所進(jìn)行的一切化學(xué)反應(yīng)和物理作用。分解代謝是將大分子降解成小分子，并通常伴隨著能量釋放的過程。合成代謝是指導(dǎo)致細(xì)胞分子和結(jié)構(gòu)合成的任何反應(yīng)，它是分子構(gòu)建和成鍵過程，需要消耗能量，是將小分子物質(zhì)合成較大和較復(fù)雜分子的過程。相關(guān)概念微生物分解代謝與合成代謝相互關(guān)系第一節(jié)微生物的能量代謝一、化能異養(yǎng)作用二、化能自養(yǎng)作用三、光合作用

微生物產(chǎn)能代謝（fuelingreactions）微生物獲得生物合成所需的前體代謝物、能量和還原力，并提供微生物細(xì)胞生命活動(dòng)所需要能量的代謝過程。

微生物產(chǎn)能代謝特點(diǎn)產(chǎn)能代謝的多樣性，微生物作為一個(gè)類群能夠通過氧化有機(jī)化合物、或氧化無機(jī)化合物、或通過俘獲光能獲得能量和還原力。

化能異養(yǎng)作用、化能自養(yǎng)作用和光合作用微生物產(chǎn)能代謝的本質(zhì) 有機(jī)物最初能源 日光 通用能源(ATP) 還原態(tài)無機(jī)物化能自養(yǎng)菌化能異養(yǎng)菌光能營(yíng)養(yǎng)菌異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物通過分解代謝途徑（即生物氧化）進(jìn)行產(chǎn)能代謝。在化能異養(yǎng)微生物的分解代謝途徑中，能源有機(jī)物可以在有氧或厭氧條件下經(jīng)脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫三個(gè)階段合成ATP、產(chǎn)生還原力[H]和小分子中間代謝物。呼吸作用

呼吸電子傳遞鏈有無無氧呼吸有氧呼吸發(fā)酵作用最終電子受體氧非氧化能異養(yǎng)作用一、化能異養(yǎng)作用

有氧呼吸是一系列將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CO2并放出能量的反應(yīng)，它依賴于自由氧作為電子和氫的最終受體，使用呼吸鏈細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子（氫），產(chǎn)生大量的ATP。有氧呼吸是許多細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和動(dòng)植物的特征，因而與動(dòng)植物一樣，有著共同的代謝途徑，如糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、三羧酸循環(huán)和呼吸電子傳遞鏈途徑，這些共同的代謝途徑構(gòu)成了所謂的中心產(chǎn)能代謝（CentralFuelingMetabolism）。1.有氧呼吸（1）中心產(chǎn)能代謝①糖酵解途徑②磷酸戊糖途徑③三羧酸循環(huán)④呼吸電子傳遞鏈途徑EMP途徑的總反應(yīng)式為：C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH

＋2H+＋2ATP＋2H2OEMP途徑EMP途徑是多種微生物所具有的代謝途徑，其產(chǎn)能效率雖低，但其生理功能極其重要：①供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力；②是連接其他幾個(gè)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微生物合成提供多種中間代謝物；④通過逆向反應(yīng)進(jìn)行多糖合成。

從微生物發(fā)酵生產(chǎn)的角度來看，EMP途徑與乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)系密切。HMP途徑的總反應(yīng)式為：6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH

＋12Pi＋12H+＋6CO2

HMP途徑30ATP29ATP

HMP途徑在微生物生命活動(dòng)中有著極其重要的意義，具體表現(xiàn)在：①供應(yīng)合成原料：為核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途徑中的赤蘚糖-4-磷酸是合成芳香族、雜環(huán)族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸）的原料；②產(chǎn)還原力：產(chǎn)生大量的NADPH2形式的還原力，不僅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，還可供通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量之需；③作為固定的CO2中介：是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的重要中介；④擴(kuò)大碳源利用范圍：微生物利用C3～C7多種碳源提供了必要的代謝途徑；⑤連接EMP途徑：通過與EMP途徑的連接，微生物合成提供更多的戊糖。從微生物發(fā)酵生產(chǎn)的角度來看，通過HMP途徑可提供許多重要的發(fā)酵產(chǎn)物，例如核苷酸、氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。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。TCA循環(huán)TCA循環(huán)整個(gè)TCA循環(huán)的總反應(yīng)式為：丙酮酸＋4NAD+＋FAD＋GDP＋Pi＋3H2O→3CO2＋FADH2

＋GTP

＋4(NADH＋H+)10ATPTCA循環(huán)的特點(diǎn)：①

氧雖不直接參與其中反應(yīng)，但必須在有氧條件下運(yùn)轉(zhuǎn)（NAD+和

FAD

再生時(shí)需氧）；②

每分子丙酮酸可產(chǎn)4個(gè)NADH＋H+、1個(gè)FADH2

和GTP，總共相當(dāng)于13個(gè)ATP，因此產(chǎn)能效率極高；③

TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，可為微生物的生物合成提供各種碳架原料，還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)緊密相關(guān)。不同的脫氫途徑ATPATPATP細(xì)胞色素系統(tǒng)泛醌鐵硫蛋白NAD或NADPFAD或FMN電子傳遞鏈氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫（或遞電子）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(dòng)勢(shì)，進(jìn)而質(zhì)子動(dòng)勢(shì)再推動(dòng)ATP酶合成ATP。中心產(chǎn)能代謝總反應(yīng)式C6H12O6+6H2O6CO22ADP+2Pi2ATP12NAD12NADH212H2O6H2O30ADP+30Pi30ATP6O2EMPTCA呼吸鏈（2）替代產(chǎn)能途徑①脫氧酮糖酸途徑(enter-doudoroff，ED)大多數(shù)細(xì)菌有糖酵解和磷酸戊糖途徑，只有少數(shù)微生物利用ED途徑代替糖酵解途徑產(chǎn)能。

存在于假單胞菌、根瘤菌、固氮菌、農(nóng)桿菌和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌中。特點(diǎn)：

a、步驟簡(jiǎn)單

b、產(chǎn)能效率低：1ATP/1Gluc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶②磷酸酮解酶途徑（phosphoketolasepathway,PK)葡萄糖+ADP+Pi+4NAD+→丙酮酸+乙酸+CO2+ATP+4NADH+4H＋

主要存在于膜明串菌科（Leuconostocaceae）一些菌中。沒有EMP、HMP、ED途徑的細(xì)菌通過PK途徑分解葡萄糖。在有O2條件下形成的丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，無氧條件下進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵2.發(fā)酵作用狹義概念：發(fā)酵作用是指在缺氧的條件下，葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用，并以其中間代謝產(chǎn)物作為電子（氫）的最終受體，不經(jīng)過呼吸電子傳遞鏈直接接受電子，還原生成發(fā)酵產(chǎn)物，僅通過底物水平磷酸化產(chǎn)生少量的ATP。廣義概念：利用微生物的作用來大規(guī)模生產(chǎn)各種產(chǎn)品的工業(yè)過程被稱為發(fā)酵，盡管工業(yè)發(fā)酵甚至發(fā)生在有氧條件下，如抗生素、激素、維生素和氨基酸的生產(chǎn)。（1）乙醇發(fā)酵①酵母型乙醇發(fā)酵酵母菌（Saccharomyces

cerevisiae）解淀粉歐文氏菌（Erwinia

amylovora）②細(xì)菌型乙醇發(fā)酵發(fā)酵單胞菌（Zymomonas

mobilis）嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）

乙醇發(fā)酵的計(jì)量C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量4644MW:酵母菌的發(fā)酵類型第一型發(fā)酵

酵母菌只有在pH3.5～4.5（弱酸性）和厭氧條件下才能進(jìn)行正常的酒精發(fā)酵，稱之為酵母菌的第一型發(fā)酵。第二型發(fā)酵

酵母菌在亞適量的NaHSO3（3％）作用下可進(jìn)行酵母菌的第二型發(fā)酵生成甘油和少量乙醇。第三型發(fā)酵

將發(fā)酵過程的pH值控制在微堿性（pH7.6左右）和厭氧條件下，酵母的乙醇發(fā)酵－→甘油發(fā)酵，得到的產(chǎn)物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2。巴斯德效應(yīng)乙醇發(fā)酵需在厭氧條件下進(jìn)行。如果變成好氧條件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度減慢——巴斯德效應(yīng)。在好氧條件下

：(1)丙酮酸脫羧酶失活，丙酮酸脫氫酶系作用，進(jìn)入TCA循環(huán)。(2)高含量的ATP及檸檬酸別構(gòu)抑制磷酸果糖激酶活性，減慢葡萄糖酵解速度。原因在好氧條件下

：(1)丙酮酸脫羧酶失活，丙酮酸脫氫酶系作用，進(jìn)入TCA循環(huán)。(2)高含量的ATP及檸檬酸別構(gòu)抑制磷酸果糖激酶活性，減慢葡萄糖酵解速度。原因（2）乳酸發(fā)酵①同型乳酸發(fā)酵經(jīng)EMP途徑發(fā)酵終產(chǎn)物只有乳酸如乳酸球菌(Lactococcus

lactis)植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)。②異型乳酸發(fā)酵依靠PK途徑發(fā)酵終產(chǎn)物乳酸、乙醇和CO2。短乳桿菌(Lactobacillusbreris)腸膜狀明串珠菌(Leuconostoc

mesenteroides)。

凡葡萄糖發(fā)酵后只產(chǎn)生2分子乳酸的發(fā)酵，稱同型乳酸發(fā)酵（homolacticfermentation）。

凡葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵稱異型乳酸發(fā)酵（heterolacticfermentation）。（3）丙酮---丁醇發(fā)酵英國(guó)：有機(jī)溶劑丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：用于生產(chǎn)人造橡膠；丁醇：用于生產(chǎn)無煙火藥；當(dāng)時(shí)的常規(guī)生產(chǎn)方法：對(duì)木材進(jìn)行干熱分解大約80到100噸樺樹、山毛櫸、或楓木生產(chǎn)1噸丙酮嚴(yán)格厭氧菌進(jìn)行的唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）

——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰--CoA乙酰--乙酰CoA丙酮

+CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇丙酮丁醇羧菌發(fā)酵生產(chǎn)丙酮、丁醇（1915），每100噸谷物可以生產(chǎn)出12噸丙酮和24噸的丁醇。

以大腸桿菌為代表的一類腸道菌，例如，埃希氏菌、志賀氏菌、沙門氏菌等，發(fā)酵產(chǎn)物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有機(jī)酸和CO2、H2，所以稱為混合酸發(fā)酵。

產(chǎn)氣腸桿菌、枯草桿菌等發(fā)酵產(chǎn)物主要是丁二醇，所以稱之為丁二醇發(fā)酵。（4）混合酸發(fā)酵與丁二醇發(fā)酵大腸桿菌：不同微生物發(fā)酵產(chǎn)物的不同，是細(xì)菌分類鑒定的重要依據(jù)。腸道菌E.coli、志賀氏菌（Shigilla）丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可進(jìn)一步裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣發(fā)酵中的某些獨(dú)特代謝產(chǎn)物是鑒定相應(yīng)菌種時(shí)的重要生化指標(biāo)V.P.試驗(yàn)V.P.試驗(yàn)陰性甲基紅試驗(yàn)陽(yáng)性大腸桿菌：產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗(yàn)陽(yáng)性甲基紅試驗(yàn)陰性產(chǎn)氣腸桿菌產(chǎn)生的3-羥基丁酮在堿性條件下氧化為二乙酰，與精氨酸上的胍基反應(yīng)形成紅色化合物。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。二、無機(jī)化能自養(yǎng)作用

一些微生物能夠以無機(jī)物作為能源，通過無機(jī)電子供體的氧化，從無機(jī)底物上脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈而到達(dá)最終電子受體O2，并通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，這種生物氧化與產(chǎn)能方式被稱為化能自養(yǎng)作用。

①無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置直接進(jìn)入呼吸鏈②存在多種呼吸鏈

③產(chǎn)能效率低

④生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低代謝特點(diǎn)CO2+[H]+ATP

[CH2O]

CO2

還原成[CH2O]簡(jiǎn)單有機(jī)物，進(jìn)一步合成復(fù)雜細(xì)胞成分大量耗能、耗還原力的過程。1、氨的氧化

根據(jù)氧化無機(jī)化合物種類

硝化細(xì)菌

硫細(xì)菌

鐵細(xì)菌

氫細(xì)菌2、硫的氧化3、鐵的氧化4、氫的氧化

1.硝化細(xì)菌土壤中的氨被氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用(nitrification)氨氧化細(xì)菌(ammonia-oxidizingbacteria)：將氨氧化成亞硝酸鹽亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)和亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)

NH3+O2＋NADH+H＋→NH2OH+H2O＋FNAD＋(無能量產(chǎn)生)NH2OH+O2→NO2－+H2O+H＋(產(chǎn)生1分子ATP)亞硝酸氧化細(xì)菌：氧化亞硝酸鹽生成硝酸鹽硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化刺菌屬(Nitrospina)和硝化球菌屬(Nitrococcus)

2NO2—＋O2→2NO3－(產(chǎn)生1分子ATP)硝化菌對(duì)亞硝酸的氧化作用和電子傳遞鏈(NOR：亞硝酸氧化還原酶)

又稱氧化氫細(xì)菌(hydrogenoxidizingbacteria)，是一類利用氫作為能源的細(xì)菌類群，主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。2.氫細(xì)菌3.硫的氧化硫細(xì)菌（sulfurbacteria）能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng)Cyt.c

部位進(jìn)入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或Cyt.b水平進(jìn)入。硫桿菌對(duì)還原性硫化物的氧化作用和電子傳遞鏈4.鐵細(xì)菌嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（Acidithiobacillus

ferrooxidans）Fe2+的氧化作用和電子傳遞鏈能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能的細(xì)菌被稱為鐵細(xì)菌(ironbacteria)或鐵氧化細(xì)菌(ironoxidizingbacteria)。多數(shù)為專性化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性化能自養(yǎng)，產(chǎn)能低。微生物捕捉光能并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程稱為光合作用。

微生物進(jìn)行的光合作用占地球上光合作用的50%以上。

微生物光合作用多樣性：三、光合作用不產(chǎn)氧光合作用(anoxygenicphotosynthesis)產(chǎn)氧光合作用(oxygenicphotosynthesis)嗜鹽菌紫膜的光合作用紫硫細(xì)菌的循環(huán)光合磷酸化過程1.不產(chǎn)氧光合作用(循環(huán)光合磷酸化)不產(chǎn)氧光合微生物類群：綠細(xì)菌（綠色硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌）紫細(xì)菌（紫色硫細(xì)菌和紫色非硫細(xì)菌)分類上在紅螺菌目（Rhodospirillales）特點(diǎn)：①光合色素－菌綠素；②缺少光合系統(tǒng)II；③不以水為電子供體，不產(chǎn)氧；④循環(huán)光合磷酸化產(chǎn)生ATP；⑤產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進(jìn)行；⑥均為厭氧菌。

這是一類典型的水生細(xì)菌，廣泛分布于缺氧的深層淡水或海水中。

紅螺菌目的光合細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)所含的菌綠素和類胡蘿卜素的量和比例不同，可使菌體呈現(xiàn)出紅、橙、藍(lán)綠、紫紅、紫或褐等不同顏色。

可利用有毒的H2S或污水中的有機(jī)物（脂肪酸、醇類等）作還原CO2時(shí)的氫供體，用于污水凈化；產(chǎn)生的菌體可作餌料、飼料或食品添加劑等。2.產(chǎn)氧光合作用(非循環(huán)光合磷酸化)產(chǎn)氧光合微生物主要有藍(lán)細(xì)菌和微藻兩大類群。該類光合微生物含有葉綠素a,利用非循環(huán)光合磷酸化反應(yīng)產(chǎn)生ATP，以水作為最終電子受體獲得NADPH，在水氧化的同時(shí)產(chǎn)生O2，因而被稱為產(chǎn)氧光合作用。特點(diǎn)：①光合色素為葉綠素；②電子傳遞非循環(huán)式；③存在PSII和PSI兩個(gè)光合系統(tǒng);④ATP、還原力[H]、O2同時(shí)產(chǎn)生；⑤有氧進(jìn)行。

3.嗜鹽菌紫膜的光合作用某些極端嗜鹽古生菌不含葉綠素或菌綠素，依靠其特有的菌視紫紅質(zhì)在光驅(qū)動(dòng)下合成ATP，這種無葉綠素或菌綠素參與的特殊光合磷酸化反應(yīng)，是迄今為止最簡(jiǎn)單的光合作用。光合作用部位:細(xì)胞膜上的紫膜區(qū)域光合作用分子：菌視紫紅質(zhì)蛋白，以“視黃醛”（紫色）為輔基也有作者認(rèn)為嗜鹽菌不含有葉綠素或細(xì)菌葉綠素，因而不能算作是一種光合作用，而將之稱作光介導(dǎo)ATP合成作用（Light-mediatedATPsynthesis）。

嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.5～5.0mol／LNaCl）環(huán)境中才能正常生長(zhǎng)的古細(xì)菌（archaebacteria），廣泛分布在鹽湖、曬鹽場(chǎng)或鹽腌海產(chǎn)品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細(xì)胞群。主要代表有Halobacterium

halobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽桿菌）等。

H.halobium是一種能運(yùn)動(dòng)的桿菌，因其細(xì)胞內(nèi)含類胡蘿卜素而使細(xì)胞呈紅色、桔黃色或黃色。該菌細(xì)胞膜的制備物中可分離出紅色與紫色兩個(gè)組份，前者主要含紅色類胡蘿卜素、細(xì)胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化反應(yīng)的呼吸鏈載體成分，一般稱為“紅膜”；

后者則在膜上呈斑片狀（直徑約0.5μm）獨(dú)立分布，其總面積約占細(xì)胞膜的50％，這就是能進(jìn)行獨(dú)特光合作用的紫膜（purplemembrane）。紫膜由稱作細(xì)菌視紫紅質(zhì)（細(xì)菌紫膜質(zhì)，bacteriorhodopsin）的蛋白質(zhì)（占75％）和類脂（占25％）組成，蛋白質(zhì)與人眼視網(wǎng)膜上柱狀細(xì)胞中所含的一種功能相似的蛋白——視紫紅質(zhì)（rhodopsin）十分相似，兩者都以紫色的視黃醛作輔基。嗜鹽菌紫膜光合磷酸化（photophosphorylationbypurplemembrane）是迄今所知道的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)。細(xì)菌的視紫紅質(zhì)的功能與葉綠素相似，能吸收光能，并在光量子的驅(qū)動(dòng)下起著質(zhì)子泵的作用，將反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)子一一逐出細(xì)胞膜外，從而使紫膜內(nèi)外形成一個(gè)質(zhì)子梯度差。根據(jù)“化學(xué)滲透學(xué)說”，此質(zhì)子動(dòng)式在驅(qū)使H+通過ATP酶的孔道進(jìn)入膜內(nèi)以達(dá)到質(zhì)子平衡時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生ATP。嗜鹽菌紫膜光合作用機(jī)理第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系

分解代謝與合成代謝在生物體內(nèi)是偶聯(lián)進(jìn)行的，它們之間的關(guān)系是對(duì)立統(tǒng)一的。分解代謝與合成代謝的關(guān)系圖一、兩用代謝途徑

凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑，稱為兩用代謝途徑（amphibolicpathway）。EMP、HMP和TCA循環(huán)等都是重要的兩用途徑。①在兩用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)?？赡娣磻?yīng)兩個(gè)方向的酶不同。②在分解代謝與合成代謝途徑的相應(yīng)代謝步驟中，包含了完全不同的中間代謝物。③在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在細(xì)胞的不同區(qū)域中分隔進(jìn)行；原核生物因其細(xì)胞結(jié)構(gòu)上的間隔程度低，故反應(yīng)的控制主要在簡(jiǎn)單的酶分子水平上進(jìn)行。二、代謝物回補(bǔ)順序作用：當(dāng)重要產(chǎn)能途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成的原料而抽走時(shí)，仍可保證能量代謝的正常進(jìn)行。代謝物回補(bǔ)順序（anapleroticsequence），又稱代謝物補(bǔ)償途徑或添補(bǔ)途徑（replenishmentpathway），是指能補(bǔ)充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的那些反應(yīng)。

不同的微生物種類或同種微生物在不同碳源下，有不同的代謝物回補(bǔ)順序。與EMP途徑和TCA循環(huán)有關(guān)的回補(bǔ)順序約有10條。PEP:磷酸烯醇式丙酮酸草酰乙酸乙醛酸循環(huán)（glyoxylatecycle）：又稱乙醛酸支路（glyoxylateshunt），是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑，可使TCA循環(huán)不僅具有高效產(chǎn)能功能，而且還兼有可為許多重要生物合成反應(yīng)提供有關(guān)中間代謝物的功能，Eg.草酰乙酸可合成天冬氨酸，α－酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成葉卟啉等。在乙醛酸循環(huán)中有兩個(gè)關(guān)鍵酶——它們可使丙酮酸和乙酸等化合物合成4C二羧酸，以保證微生物正常生物合成的需要。異檸檬酸裂合酶（isocitrate

lyase，ICL）蘋果酸合酶（malate

synthase，MS）乙醛酸循環(huán)的總反應(yīng)式：2丙酮酸→琥珀酸＋2CO2乙醛酸循環(huán)中的兩個(gè)關(guān)鍵反應(yīng)：異檸檬酸琥珀酸乙醛酸+乙酰輔酶A蘋果酸具有乙醛酸循環(huán)的微生物，普遍是好氧菌，例如可用乙酸作唯一碳源生長(zhǎng)的一些細(xì)菌，包括Acetobacter（醋桿菌屬）、Azotobacter（固氮菌屬）、E.coli、Enterobacteraerogenes（產(chǎn)氣腸桿菌）、Paracoccusdenitrificans（脫氮副球菌）、Pseudomonasfluorescens（熒光假單胞菌）、Rhodospirillum（紅螺菌屬）等；真菌中的Saccharomyces（酵母屬）、Aspergillusniger（黑曲霉）、Penicillium（青霉屬）等。第三節(jié)微生物特有的合成代謝途徑一、自養(yǎng)微生物的CO2固定作用

各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于CO2的固定。Calvin循環(huán)厭氧乙酰－CoA途徑Calvin循環(huán)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)。這一循環(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（ribulose

biphosphate

carboxylase，簡(jiǎn)稱RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶（phosphoribulokinase）是本途徑中兩種特有的酶。利用Calvin循環(huán)進(jìn)行CO2固定的生物包括綠色植物、藍(lán)細(xì)菌、多數(shù)光合細(xì)菌（光能自養(yǎng)型）和硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌等（化能自養(yǎng)型）。1.卡爾文循環(huán)（Calvincycle）卡爾文循環(huán)（Calvin-cycle）

每固定3CO2，產(chǎn)生1個(gè)甘油醛-3-P。如果以產(chǎn)生1個(gè)葡萄糖分子來計(jì)算，則Calvin循環(huán)的總式為：6CO2＋12NAD(P)H2＋18ATP--→C6H12O6＋12NAD(P)＋18ADP＋18Pi2.乙酰-CoA途徑（acetyl-CoApathway）

某些厭氧無機(jī)化能自養(yǎng)菌：硫酸鹽還原菌、產(chǎn)乙酸菌以及許多古生菌如產(chǎn)甲烷菌等將2CO2轉(zhuǎn)變成1乙酰-CoA關(guān)鍵酶是乙酰-CoA合成酶電子供體來源于H2

二、固氮作用

生物固氮(biologicalnitrogenfixation)是指微生物將大氣中的分子態(tài)氮還原成氨的過程。

已知只有原核生物和古生菌才有固氮作用貝杰林克(Beijerink)從豆科植物中第一個(gè)分離到根瘤菌1886年分離出Rhizobium(根瘤菌屬)1901年分離出Azotobacter(固氮菌屬)目前已發(fā)現(xiàn)的固氮微生物已多達(dá)80余屬（1992）僅在原核微生物確認(rèn)，有近50多個(gè)屬和100多種。（1）自生固氮菌：不依賴于其它生物而獨(dú)立進(jìn)行固氮作用。好氧自生固氮菌，如固氮菌屬，念珠藍(lán)細(xì)菌屬。厭氧自生固氮菌，如巴氏梭菌。（2）共生固氮菌：只有與它生物共生在一起時(shí)，才能夠進(jìn)行固氮作用。根瘤，共生固氮菌與植物共生形成的一種特殊固氮結(jié)構(gòu)，如與豆科植物共生的根瘤菌屬，非豆科植物共生的弗蘭氏菌屬。非根瘤，如魚腥藍(lán)細(xì)菌屬與滿江紅(一種水稻栽培中重要的水生蕨類植物)共生固氮。（3）聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)物腸道等處才能進(jìn)行固氮作用。如植物根際存在的一些芽孢桿菌屬，植物葉面存在的一些拜葉林克氏菌屬。1.固氮微生物根瘤菌侵入根毛根毛彎曲松馳變軟根瘤形成根瘤(Nodle)的形成微生物吲哚乙酸植物色氨酸分泌2.固氮作用機(jī)制關(guān)鍵酶：固氮酶固氮酶分子組成：鐵蛋白（Feprotein）和鉬鐵蛋白（MoFeprotein）兩種蛋白成分組成的復(fù)合體。鐵蛋白：僅含有鐵離子鉬鐵蛋白：含有鐵離子和鉬離子。鉬、鐵離子存在于一種稱作“MoFeCo”的輔助因子結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上固氮作用過程中的N2還原反應(yīng)就發(fā)生在這個(gè)鉬鐵中心。固氮酶活性需要Mg2+固氮酶對(duì)氧極為敏感，固氮作用必須在嚴(yán)格厭氧條件下進(jìn)行。固氮作用需要消耗ATP固氮作用需要消耗NAD(P)H+H+

固二氮酶還原酶（dinitrogenase

reductase）—鐵蛋白固二氮酶（dinitrogenase）—鉬鐵蛋白氨的去路

總反應(yīng)為：NH4++α-酮酸→相應(yīng)的氨基酸。例如，由丙酮酸形成丙氨酸，由α-酮戊二酸形成谷氨酸，由草酰乙酸形成天冬氨酸等。有了氨基酸后，就可進(jìn)一步合成蛋白質(zhì)和其他有關(guān)化合物了。好氧性自生固氮菌的保護(hù)機(jī)制藍(lán)細(xì)菌固氮酶的抗氧保護(hù)根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)

3.好氧固氮菌的避氧保護(hù)機(jī)制(1)好氧性自生固氮菌的保護(hù)機(jī)制呼吸保護(hù)

指固氮菌以較強(qiáng)的呼吸作用迅速地將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細(xì)胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)．并以此來保護(hù)固氮菌不受氧的損傷。構(gòu)象保護(hù)當(dāng)固氮菌處于高氧分壓環(huán)境下時(shí)，其固氮菌能形成一個(gè)無固氮活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象．稱為構(gòu)象保護(hù)。在對(duì)維涅蘭德固氮菌和褐球固氮菌研究中，發(fā)現(xiàn)固氮酶的構(gòu)象保護(hù)是由于該酶與一個(gè)或幾個(gè)蛋白質(zhì)或磷脂等穩(wěn)定因子的結(jié)合而引起的。（2）藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù)機(jī)制分化出還原性異形胞異形胞的體積較營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞大，細(xì)胞外有一層由糖脂組成的片層式的較厚外膜，它具有阻止氧氣擴(kuò)散入細(xì)胞內(nèi)的物理屏障作用；異形胞內(nèi)缺乏產(chǎn)氧光合系統(tǒng)Ⅱ，加上脫氫酶和氫酶活性高，使異形胞能維持很強(qiáng)的還原態(tài)；其中超氧化物歧化酶（SOD）的活性很高，有解除氧毒害的功能；非異形胞藍(lán)細(xì)菌固氮酶的保護(hù)缺乏獨(dú)特的防止氧對(duì)固氮酶的損傷機(jī)制。采用時(shí)間上的分隔，如織線藍(lán)菌屬等；群體形態(tài)差異，如束毛藍(lán)菌屬；過氧化物酶和SOD的活力提高，如粘球藍(lán)菌屬等。（3）根瘤菌固氮酶的抗氧保護(hù)根瘤菌進(jìn)入宿主根部皮層細(xì)胞后，分化成膨大、形狀各異、無繁殖能力、具有很強(qiáng)固氮活性的細(xì)胞，稱類菌體。類菌體細(xì)胞外有一層類菌體周膜，維持良好的氧、氮和營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。此膜內(nèi)外存在獨(dú)特的豆血紅蛋白，是一種含鐵蛋白，由根瘤菌和豆科植物共同誘導(dǎo)合成。通過Fe3+和Fe2+間的變化起到緩沖作用，使游離氧維持在低而恒定的水平。

（結(jié)合O2：游離O2=10000:1）（1）快速消除所產(chǎn)生的氧：很多固氮菌利用較強(qiáng)呼吸強(qiáng)度迅速消耗固氮酶周圍的氧；豆科植物根瘤菌的類菌體周膜上存在一種能與氧發(fā)生可逆性結(jié)合的豆血紅蛋白，氧濃度高時(shí)與氧結(jié)合，氧濃度低時(shí)又可釋放出氧，從而既保證了類菌體生長(zhǎng)所需的氧，又不致對(duì)其固氮酶產(chǎn)生氧傷害。（2）在空間上進(jìn)行氧阻隔：如根瘤菌（Azobobacter

vinelandii）在高濃度氧氣存在時(shí)誘導(dǎo)菌體產(chǎn)生阻滯O2擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞的粘液層;許多藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生具有特殊保護(hù)結(jié)構(gòu)的細(xì)胞類型異形胞，將固氮酶分隔在其中；（3）在時(shí)間上進(jìn)行氧阻隔：如非異形胞藍(lán)細(xì)菌Plectomena，將固氮作用和光合作用分不同時(shí)間段進(jìn)行；（4）固氮酶構(gòu)像保護(hù)作用：如褐球固氮菌等，具有一種構(gòu)象保護(hù)蛋白質(zhì)，在氧分壓增高時(shí)，它與固氮酶結(jié)合，固氮酶構(gòu)象發(fā)生改變并喪失固氮活力;一旦氧濃度降低，該蛋白便從酶分子上解離，固氮酶恢復(fù)原有的構(gòu)象和固氮能力。固氮酶保護(hù)機(jī)制小結(jié)三、肽聚糖的合成（一）細(xì)胞質(zhì)中合成派克（Park）核苷酸（二）細(xì)胞膜上合成肽聚糖單體（三）細(xì)胞膜外交聯(lián)作用形成肽聚糖

是青霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）與桿菌肽等抗生素的靶物質(zhì)肽聚糖合成的三個(gè)階段（一）在細(xì)胞質(zhì)中合成

1．由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N—乙酰胞壁酸需尿嘧啶二磷酸（UDP）作為糖載體2．由N—乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸

(二)合成肽聚糖單體---雙糖肽亞單位在細(xì)胞膜上由N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖單體———雙糖肽亞單位。類脂為細(xì)菌萜醇載體。細(xì)菌萜醇細(xì)菌萜醇（bactoprenol）：又稱類脂載體；是一種由11個(gè)類異戊烯單位組成的C55

類異戊烯醇，運(yùn)載“Park”核苷酸進(jìn)入細(xì)胞膜，連接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“橋”，最后將肽聚糖單體送入細(xì)胞膜外的細(xì)胞壁生長(zhǎng)點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)式：

CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH功能：除肽聚糖合成外還參與微生物多種細(xì)胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：細(xì)菌的磷壁酸、脂多糖， 細(xì)菌和真菌的纖維素， 真菌的幾丁質(zhì)和甘露聚糖等。（三）在細(xì)胞膜外的合成細(xì)胞膜外必須有現(xiàn)成的細(xì)胞壁殘余（至少含有6～8個(gè)肽聚糖單體）作為引物。(β-1,4)β四、微生物次生代謝物的合成次生代謝物：微生物在生長(zhǎng)到穩(wěn)定期前后，以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、代謝途徑明確、產(chǎn)量較大的初生代謝產(chǎn)物為前體，通過復(fù)雜的次生代謝途徑所合成的各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。微生物次生代謝物的特點(diǎn)

1）分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

2）代謝途徑獨(dú)特；

3）在生長(zhǎng)后期合成；

4）產(chǎn)量較低；

5）生理功能不很明確，合成一般受質(zhì)粒控制；

6）形態(tài)構(gòu)造和生活史越復(fù)雜的微生物，它的次生代謝物的種類也就越多。第四節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)微生物的代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株解除正常的反饋調(diào)節(jié)應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)控制細(xì)胞膜的滲透性一、微生物的代謝調(diào)節(jié)

微生物有著一整套可塑性極強(qiáng)和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千種酶能正確無誤、有條不紊地進(jìn)行極其復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)。

通過代謝調(diào)節(jié)，微生物可最經(jīng)濟(jì)地利用其營(yíng)養(yǎng)物，合成出能滿足自己生長(zhǎng)、繁殖所需要的一切中間代謝物，并做到既不缺乏也不剩余任何代謝物的高效“經(jīng)濟(jì)核算”。1.組成酶與誘導(dǎo)酶組成酶：由“持家基因”合成，在微生物細(xì)胞中始終以高濃度表達(dá)，是維持微生物生命活動(dòng)所必需的酶。誘導(dǎo)酶：由“奢侈基因”合成，平時(shí)不表達(dá)，只有在其底物或誘導(dǎo)物存在的情況下才表達(dá)，不是維持微生物生命活動(dòng)所必需的酶。2.反饋抑制與前饋激活反饋抑制：在代謝反應(yīng)中，終產(chǎn)物可對(duì)反應(yīng)序列前面的酶產(chǎn)生抑制作用。前饋激活：在一反應(yīng)序列中，前身物可對(duì)后面的酶起激活作用，促使反應(yīng)向前進(jìn)行。糖原合成的前饋激活在糖原合成中，6-磷酸葡萄糖是糖原合成酶的變構(gòu)激活劑，因此可促進(jìn)糖原的合成。3.微生物細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)方式

1、調(diào)節(jié)代謝流。

2、通過酶的定位以限制它與相應(yīng)底物的接近。

3、調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)透過細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞的能力。

調(diào)節(jié)代謝流方式最重要，包括兩個(gè)方面，一是“粗調(diào)”，即調(diào)節(jié)酶的合成量；二是“細(xì)調(diào)”，即調(diào)節(jié)現(xiàn)成酶分子的催化活力。兩者往往密切配合和協(xié)調(diào)，以達(dá)到最佳調(diào)節(jié)效果。

4.酶合成的調(diào)控方式1、誘導(dǎo)2、阻遏1）終產(chǎn)物阻遏（色氨酸）2）分解代謝產(chǎn)物阻遏（葡萄糖效應(yīng)）3、酶合成調(diào)節(jié)機(jī)制1）協(xié)同誘導(dǎo)2）順序誘導(dǎo)（乳糖操縱子）1)乳糖操縱子的誘導(dǎo)調(diào)節(jié)機(jī)制2)乳糖操縱子的葡萄糖效應(yīng)分解代謝產(chǎn)物阻遏——葡萄糖效應(yīng)大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過短時(shí)間所以適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)。

這是由于葡萄糖的分解會(huì)消耗cAMP，啟動(dòng)子釋放cAMP-CAP蛋白，使Lac操縱子無法轉(zhuǎn)錄。直到葡萄糖耗盡之后，cAMP-CAP蛋白結(jié)合在啟動(dòng)子上，Lac操縱子