新編微生物的代謝

1.糖合成能量起源

二、糖合成代謝

包含：化能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)和光能營(yíng)養(yǎng)微生物生物氧化和產(chǎn)能

（1）化能異養(yǎng)型微生物生物氧化和產(chǎn)能

糖分解代謝所產(chǎn)生能量都能夠用于糖生物合成，本節(jié)第一部分已經(jīng)介紹過(guò)。另外，一些化能異養(yǎng)微生物（如Closterdiumsporogenes

生孢梭菌）能利用一些氨基酸同時(shí)看成碳源、氮源和能源。新編微生物的代謝第1頁(yè)Stickland反應(yīng)產(chǎn)能機(jī)制是經(jīng)過(guò)部分氨基酸（如丙氨酸）氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸）還原相偶聯(lián)發(fā)酵過(guò)程而產(chǎn)生能量。一個(gè)氨基酸作氫供體和以另一個(gè)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(gè)ATP。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能——Stickland反應(yīng)

作為氫供體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。新編微生物的代謝第2頁(yè)（2）化能自養(yǎng)型微生物生物氧化和產(chǎn)能化能自養(yǎng)型微生物中，其ATP是經(jīng)過(guò)氧化還原態(tài)無(wú)機(jī)物產(chǎn)生，其NAD(P)H2是經(jīng)過(guò)消耗ATP將無(wú)機(jī)氫（H++e）逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生。能量代謝特點(diǎn)：無(wú)機(jī)底物脫下氫直接進(jìn)入呼吸鏈，經(jīng)過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)能；（少數(shù)菌在無(wú)機(jī)硫化物存在時(shí)，能部分經(jīng)過(guò)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；因?yàn)閺闹虚g進(jìn)入呼吸鏈，所以產(chǎn)能效率低，菌體生長(zhǎng)遲緩，細(xì)胞產(chǎn)率低。脫氫酶或氧化還原酶催化無(wú)機(jī)底物脫氫或脫電子；化能自養(yǎng)型微生物均為細(xì)菌，且絕大多數(shù)為好氧菌新編微生物的代謝第3頁(yè)亞硝酸氧化

Nitorbacter（硝化桿菌屬）以亞硝酸作為能源，將NO2－氧化為NO3－取得能量，用同位素18O分析試驗(yàn)證實(shí)，在NO2－氧化為NO3－過(guò)程中，氧來(lái)自水分子而非空氣。NO2－

+H2O——→H2O

NO2－

——→NO3－

+2H++2e新編微生物的代謝第4頁(yè)硝化細(xì)菌：無(wú)機(jī)底物氧化自由能反應(yīng)⊿G0’kcal/mole2Fe2++2H++?O2→2Fe3++H2O－11.2NO2－

+?O2→NO3－

－17.4H2+?O2→H2O－56.6NH4++1?O2→NO2－

+H2O+2H+－65.0S0+?O2+H2O→H2SO4

－118.5S2O32－

+2O2+H2O→2SO42－

+2H+

－223.7硫細(xì)菌：氧化亞鐵硫桿菌：氫細(xì)菌：亞硝化細(xì)菌：新編微生物的代謝第5頁(yè)區(qū)分：無(wú)氧呼吸（化能異養(yǎng)型）無(wú)機(jī)物氧化（化能自養(yǎng)型）同都包括無(wú)機(jī)物異電子供體（底物）有機(jī)物還原型無(wú)機(jī)物電子受體氧化型無(wú)機(jī)物（主）O2過(guò)程電子傳遞鏈有機(jī)物脫氫無(wú)機(jī)物電子傳遞鏈無(wú)機(jī)物脫氫O或氧化舉例反硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌新編微生物的代謝第6頁(yè)光合作用是地球上最主要生物過(guò)程之一。光合作用分成兩部分：

光反應(yīng)：捕捉光能并轉(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)（位于真核生物葉綠體基質(zhì)中，原核生物羧酶體）（3）光能營(yíng)養(yǎng)微生物生物氧化和產(chǎn)能新編微生物的代謝第7頁(yè)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)椋?.7，由它逐出電子經(jīng)過(guò)類似呼吸鏈傳遞，經(jīng)Bph（脫鎂菌綠素）、輔酶Q、Cytb/c1、FeS、Cytc2循環(huán)傳遞，最終重新由菌綠素接收，其間建立質(zhì)子動(dòng)勢(shì)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)+接收電子，產(chǎn)生可用于還原CO2NAD(P)H+H+。新編微生物的代謝第8頁(yè)①電子傳遞路徑屬循環(huán)式；②產(chǎn)ATP和NAD(P)H+H+分別進(jìn)行；③NAD(P)H+H+中[H]是來(lái)自H2S等無(wú)機(jī)氫供體；④無(wú)O2產(chǎn)生。循環(huán)光合磷酸化特點(diǎn)：這種不產(chǎn)氧循環(huán)式光合磷酸化，只存在于原核生物（光合細(xì)菌）中。新編微生物的代謝第9頁(yè)各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌光合作用屬非循環(huán)光合磷酸化2）非循環(huán)光合磷酸化該光合磷酸化過(guò)程中，有氧氣放出，其起源是H2O光解，整個(gè)過(guò)程中，電子須經(jīng)過(guò)PSII和PSI兩個(gè)系統(tǒng)接力傳遞，傳遞體包含PSII系統(tǒng)中Phea（褐藻素）、Q（醌）、Cytbf、Pc（質(zhì)體藍(lán)素），在Cytbf和Pc間產(chǎn)生1個(gè)ATP；還包含PSI系統(tǒng)中FeS（非血紅素鐵硫蛋白）、Fd（鐵氧還蛋白），最終由NADP+接收電子，產(chǎn)生可用于還原CO2NADPH+H+。

新編微生物的代謝第10頁(yè)①電子傳遞路徑屬非循環(huán)式；②在有氧條件下進(jìn)行；③有兩個(gè)光合系統(tǒng)，其中色素系統(tǒng)I（PSI）含葉綠素a，能夠吸收利用紅光，反應(yīng)中心吸收光波為“P700”，色素系統(tǒng)II（PSII）含葉綠素b，能夠吸收利用藍(lán)光，反應(yīng)中心吸收光波為“P680”；④反應(yīng)中同時(shí)有ATP（產(chǎn)自PSII）、NAD(P)H+H+（產(chǎn)自PSI）和O2產(chǎn)生；⑤NAD(P)H+H+中[H]是來(lái)自H2O分子光解后H+和電子。非循環(huán)光合磷酸化特點(diǎn)：新編微生物的代謝第11頁(yè)3）嗜鹽菌紫膜光合作用一個(gè)只有嗜鹽菌才有，無(wú)葉綠素或細(xì)菌葉綠素參加獨(dú)特光合作用。嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.5~5.0mol/LNaCl）環(huán)境中才能生長(zhǎng)古細(xì)菌。嗜鹽菌可經(jīng)過(guò)兩條路徑獲取能量：有氧條件下氧化磷酸化路徑；

無(wú)氧條件下紫膜光合磷酸化路徑。嗜鹽菌在無(wú)氧條件下，利用光能所造成紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象改變，將質(zhì)子不停驅(qū)至膜外，從而在膜兩側(cè)建立一個(gè)質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，推進(jìn)ATP酶合成ATP。新編微生物的代謝第12頁(yè)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呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5mm）獨(dú)立分布，其總面積約占細(xì)胞膜二分之一，主要由細(xì)菌視紫紅質(zhì)組成。

試驗(yàn)發(fā)覺(jué)，在波長(zhǎng)為550-600nm光照下，嗜鹽菌ATP合成速率最高，而這一波長(zhǎng)范圍恰好與細(xì)菌視紫紅質(zhì)吸收光譜相一致。新編微生物的代謝第13頁(yè)無(wú)O2條件下進(jìn)行；不產(chǎn)O2；最簡(jiǎn)單光合磷酸化反應(yīng)；無(wú)葉綠素和細(xì)菌葉綠素，光合色素是紫膜上視紫紅質(zhì)。嗜鹽菌紫膜光合作用特點(diǎn)：新編微生物的代謝第14頁(yè)

生物合成三要素（簡(jiǎn)單小分子，ATP，NADPH）怎樣取得？

氧化磷酸化：好氧菌，兼性厭氧菌

ATP

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

HMP：化能異養(yǎng)型

NADPH

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)菌簡(jiǎn)單小分子有機(jī)物

異養(yǎng)型：從環(huán)境中吸收

自養(yǎng)型：同化CO2新編微生物的代謝第15頁(yè)2.單糖合成不論自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物，合成單糖路徑都是經(jīng)過(guò)EMP路徑逆行來(lái)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。用于合成葡萄糖前體物質(zhì)能夠來(lái)自以下幾個(gè)方面：（1）自養(yǎng)微生物CO2固定

1）Calvin循環(huán)（Calvincycle）

2）厭氧乙酰-輔酶A路徑

3）還原性TCA循環(huán)路徑

4）羥基丙酸路徑

（2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖底物

新編微生物的代謝第16頁(yè)（1）自養(yǎng)微生物CO2固定

1）Calvin循環(huán)（Calvincycle）

2）厭氧乙酰-輔酶A路徑

3）還原性TCA循環(huán)路徑

4）羥基丙酸路徑

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(gè)階段：①羧化反應(yīng)（核酮糖-1,5-二磷酸經(jīng)過(guò)核酮糖羧化酶將CO2固定，轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)甘油酸-3-磷酸，重復(fù)3次，產(chǎn)生6個(gè)C3化合物）②還原反應(yīng)（甘油酸-3-磷酸被還原成甘油醛-3-磷酸）③CO2受體再生（1個(gè)甘油醛-3-磷酸逆EMP路徑生成葡萄糖，其余5個(gè)再生出3個(gè)核酮糖-1,5-二磷酸分子，方便重新接收CO2分子）。自養(yǎng)微生物CO2還原路徑：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)丙酮酸合成酶催化由乙酰-CoA接收第3個(gè)CO2分子生成丙酮酸，用于合成各種有機(jī)物。CO2經(jīng)過(guò)琥珀酰-CoA還原性羧化生成

-酮戊二酸而被固定少數(shù)綠色硫細(xì)菌以H2或H2S作為電子供體進(jìn)行一個(gè)CO2固定機(jī)制。經(jīng)過(guò)羥基丙酸路徑將2個(gè)CO2分子轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜岫M(jìn)入糖合成路徑。新編微生物的代謝第17頁(yè)（2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖底物

碳源路徑產(chǎn)物乙酸乙醛酸循環(huán)草酰乙酸乙醇酸、草酸、甘氨酸甘油酸路徑甘油醛-3-磷酸乳酸氧化丙酮酸谷氨酸、天冬氨酸脫氨基α-酮戊二酸、草酰乙酸亮氨酸降解丙酮酸微生物可經(jīng)過(guò)各種路徑生成葡萄糖前體物質(zhì)，包含：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、甘油醛-3-磷酸等。新編微生物的代謝第18頁(yè)3.多糖合成微生物中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。雜多糖是由不一樣單糖分子聚合而成，如肽聚糖、脂多糖等。微生物多糖合成特點(diǎn)：①不需要模板，而是由轉(zhuǎn)移酶特異性來(lái)決定亞單位在多聚鏈上次序。②合成開始階段需要引物，引物通常由小片斷多糖充當(dāng)。③多糖合成時(shí)，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(zhǎng)。新編微生物的代謝第19頁(yè)多糖合成舉例：細(xì)菌細(xì)胞壁多糖（肽聚糖）生物合成整個(gè)肽聚糖合成過(guò)程步驟快要20步，簡(jiǎn)單分為五個(gè)階段。1）由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺-UDP2）由N-乙酰葡糖胺-UDP合成N-乙酰胞壁酸-UDP3）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。在細(xì)胞質(zhì)中合成4）肽聚糖單體合成和連接。親水性化合物UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽在穿過(guò)細(xì)胞膜時(shí)需要載體幫助，即細(xì)菌萜醇（bactoprenol）類脂載體。該過(guò)程可被萬(wàn)古霉素和桿菌肽阻斷。在細(xì)胞膜上合成5）肽聚糖交聯(lián)。一條肽鏈第4個(gè)氨基酸羧基與另一條肽鏈第3個(gè)氨基酸自由氨基之間以肽鍵方式連接。交聯(lián)過(guò)程是由轉(zhuǎn)肽酶催化，在轉(zhuǎn)肽同時(shí)，肽尾上第5個(gè)氨基酸釋放出來(lái)。轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)肽作用可被青霉素所抑制。在細(xì)胞膜外合成新編微生物的代謝第20頁(yè)第三節(jié)氨基酸和蛋白質(zhì)代謝

一、蛋白質(zhì)分解

外源蛋白質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)，總是先經(jīng)過(guò)水解作用變?yōu)樾》肿影被?，然后再被吸收。?xì)胞內(nèi)每種蛋白質(zhì)都有自己存活時(shí)間，短到幾分鐘，長(zhǎng)到幾周。這種降解有兩個(gè)主要功效：

排除不正常蛋白質(zhì)；

經(jīng)過(guò)排除累積過(guò)多酶和蛋白，使細(xì)胞代謝秩序井然。二、氨基酸分解微生物經(jīng)過(guò)三種方式分解氨基酸：脫氨、脫羧和轉(zhuǎn)氨。新編微生物的代謝第21頁(yè)三、氨基酸合成1.氨起源

4種：①直接從外界環(huán)境吸收；②體內(nèi)含氮化合物分解；③硝酸鹽還原；④生物固氮作用。以下主要介紹原核生物特有生物固氮作用：生物固氮是指分子氮經(jīng)過(guò)固氮微生物固氮酶系催化而形成氨過(guò)程。（1）固氮生物種類迄今已知固氮生物都屬于原核微生物，包含兩大類：其一：能獨(dú)立生存自生固氮微生物，包含細(xì)菌、放線菌類微生物和藍(lán)藻等；其二：與其它植物共生共生固氮微生物，如根瘤菌。新編微生物的代謝第22頁(yè)（2）生物固氮機(jī)制1）固氮反應(yīng)總式為：N2+6e+6H++12ATP——→2NH3+12ADP+12Pi2）固氮反應(yīng)必要條件：①ATP和NAD（P）H+H+供給，②底物N2，③鎂離子，④固氮酶固氮酶測(cè)定：乙炔還原法。固氮酶除了能催化N2→NH3反應(yīng)外，還能催化包含C2H2→C2H4反應(yīng)。固氮酶厭氧微環(huán)境：固氮酶兩個(gè)蛋白組分對(duì)氧是極端敏感，而且一旦接觸氧就很快造成不可逆失活。大多數(shù)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。

固氮菌發(fā)展出各種機(jī)制來(lái)處理其既需要氧又須預(yù)防氧對(duì)固氮酶損傷矛盾：呼吸保護(hù)、構(gòu)象保護(hù)、藍(lán)細(xì)菌異形胞、豆血紅蛋白、不一樣時(shí)間進(jìn)行固氮作用與光合作用，等。

新編微生物的代謝第23頁(yè)3）固氮反應(yīng)生成NH3去向：NH3經(jīng)過(guò)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。

2.硫起源來(lái)自于環(huán)境中硫酸鹽，但氧化態(tài)無(wú)機(jī)硫要經(jīng)過(guò)一系列還原反應(yīng)，才能用于生物合成。3.氨基酸碳骨架起源來(lái)自糖代謝產(chǎn)生中間產(chǎn)物。4.氨基酸合成路徑微生物體內(nèi)合成氨基酸主要經(jīng)過(guò)三類路徑：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α-酮酸經(jīng)氨基化作用合成氨基酸稱為初生氨基酸新編微生物的代謝第24頁(yè)第四節(jié)脂類代謝

一、脂類分解

二、脂類合成脂肪酸合成與β-氧化逆反應(yīng)很相象，碳鏈以每次增加兩個(gè)碳速度延伸，但脂肪酸合成與其分解是由不一樣路徑來(lái)完成，且過(guò)程發(fā)生場(chǎng)所及所包括?；d體、電子供體和受體、酶等都存在很多不一樣。脂類物質(zhì)是微生物獲取能量主要起源之一，其中具代表意義是甘油三酯。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深入分解代謝中釋放能量，脂肪酸分解主要經(jīng)過(guò)β-氧化路徑完成。新編微生物的代謝第25頁(yè)第五節(jié)微生物代謝調(diào)控與發(fā)酵生產(chǎn)

利用微生物代謝調(diào)控能力自然缺損或經(jīng)過(guò)人為方法取得突破代謝調(diào)控變異菌株，從而使有用目標(biāo)產(chǎn)物大量生成、積累發(fā)酵稱為代謝控制發(fā)酵。代謝控制發(fā)酵（metaboliccontrolfermentation）微生物細(xì)胞代謝調(diào)整方式很多，其中酶調(diào)整是代謝最本質(zhì)調(diào)整。酶調(diào)整包含兩個(gè)方面：經(jīng)過(guò)激活或抑制以改變細(xì)胞內(nèi)已經(jīng)有酶分子催化活力；調(diào)整酶分子合成或降解以改變酶分子含量。新編微生物的代謝第26頁(yè)調(diào)整酶活力比調(diào)整酶合成快速及時(shí)而且有效，包含酶活性激活和抑制兩個(gè)方面。酶活性激活系指在分解代謝路徑中，后面反應(yīng)可被較前面中間產(chǎn)物所促進(jìn)。酶活性抑制主要是反饋抑制（feedbackinhibition），它主要表現(xiàn)在某代謝路徑末端產(chǎn)物（即終產(chǎn)物）過(guò)量時(shí)，這個(gè)產(chǎn)物可反過(guò)來(lái)直接抑制該路徑中第一個(gè)酶活性，促使整個(gè)反應(yīng)過(guò)程減慢或停頓，從而防止末端產(chǎn)物過(guò)多累積。一、酶活力調(diào)整反饋抑制機(jī)制：受反饋抑制調(diào)整酶普通都是變構(gòu)酶（allostericenzyme），酶活力調(diào)整實(shí)質(zhì)就是對(duì)變構(gòu)酶變構(gòu)調(diào)整。新編微生物的代謝第27頁(yè)酶合成調(diào)整是一個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)整酶合成量進(jìn)而調(diào)整代謝速率調(diào)整機(jī)制，是基因水平上代謝調(diào)整。由代謝終產(chǎn)物抑制酶合成負(fù)反饋?zhàn)饔梅Q為反饋?zhàn)瓒簦╮epression）。促進(jìn)酶生物合成現(xiàn)象，稱誘導(dǎo)作用（induction）。二、酶合成調(diào)整酶合成調(diào)整機(jī)制：就是效應(yīng)物對(duì)操縱子調(diào)控。分解代謝物阻遏（cataboliterepression）：指細(xì)胞內(nèi)同時(shí)含有不一樣同類分解底物（如兩種碳源或兩種氮源），利用快那種分解底物在其分解過(guò)程中所產(chǎn)生中間代謝物或末端代謝物會(huì)阻遏利用慢底物相關(guān)酶合成現(xiàn)象。如葡萄糖分解代謝物阻遏乳糖操縱子現(xiàn)象，所以這種現(xiàn)象有時(shí)也稱為葡萄糖效應(yīng)。新編微生物的代謝第28頁(yè)代謝控制發(fā)酵基本思想就