第五章 微生物代謝ok

第五章微生物的新陳代謝新陳代謝：推動(dòng)生物一切生命活動(dòng)的動(dòng)力源。泛指發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。新陳代謝=分解代謝+合成代謝分解代謝：指復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程。復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]一切生命活動(dòng)都是耗能反應(yīng)，因此，能量代謝是一切生物代謝的核心問(wèn)題。能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源------ATP。這就是產(chǎn)能代謝。最初能源有機(jī)物還原態(tài)無(wú)機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營(yíng)養(yǎng)微生物通用能源（ATP）第一節(jié)微生物的能量代謝生物氧化的概念生物氧化就是發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能生物氧化特點(diǎn)？燃燒與生物氧化的比較比較項(xiàng)目燃燒生物氧化反應(yīng)步驟一步式快速反應(yīng)順序嚴(yán)格的系列反應(yīng)條件激烈由酶催化，條件溫和產(chǎn)能形式熱、光大部分為ATP能量利用率低高（一）、底物脫氫的4條途徑：形式：與氧結(jié)合，脫氫，失去電子過(guò)程：脫氫，遞氫，受氫功能：產(chǎn)能（ATP），產(chǎn)還原力[H]，產(chǎn)小分子中間代謝物類型：呼吸，無(wú)氧呼吸，發(fā)酵1、糖酵解途徑

（Embden-Meyerhof-Parnas

pathway，簡(jiǎn)稱EMP途徑）以1分子葡萄糖為底物，約經(jīng)過(guò)10步反應(yīng)而產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過(guò)程?？偡磻?yīng)：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi=2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O

兩個(gè)階段、三種產(chǎn)物、10個(gè)反應(yīng)步驟。糖酵解的能量計(jì)算若糖原的一個(gè)葡萄糖單位分解生成2個(gè)丙酮酸，則產(chǎn)生3個(gè)ATPEMP途徑的生理功能：①供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力；②基本代謝途徑，是連接其它幾個(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為生物合成提供多種中間代謝物；④通過(guò)逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成。⑤EMP途徑有氧與TCA相連，無(wú)氧丙酮酸被還原為乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等發(fā)酵產(chǎn)物，對(duì)人類的生產(chǎn)實(shí)踐有重要的意義。

2、HMP途徑

（Hexosemonophosphatepathway，又稱PPP途徑或磷酸戊糖途徑）（1）特點(diǎn)：葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化并能產(chǎn)生大量NADPH2形式的還原力和多種重要中間產(chǎn)物的代謝途徑。

3×6-磷酸葡萄糖3×6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯3×6-磷酸葡萄糖酸3×5-磷酸核酮糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖5-磷酸木酮糖7-磷酸景天糖3-磷酸甘油醛4-磷酸赤癬糖6-磷酸果糖3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖NADP+NADPH+H+NADP+NADPH+H+3CO21、供應(yīng)合成原料。2、產(chǎn)還原力。3、作為固定CO2的中介。4、擴(kuò)大碳源利用范圍。5、連接碳源利用范圍。多數(shù)微生物同時(shí)存在EMP和HMP途徑，只有HMP途徑而無(wú)EMP途徑的微生物極少：弱氧化醋桿菌、氧化葡萄桿菌。（3）HMP途徑的重要意義3、ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑微生物所特有G經(jīng)四步反應(yīng)快速獲得丙酮酸。ED途徑特點(diǎn)：特征性反應(yīng)：KDPG裂解丙酮酸與3磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛縮酶產(chǎn)能效率低下。可用于酒精發(fā)酵。ED途徑的特點(diǎn)是：4、TCA循環(huán)又稱三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)。

是指由丙酮酸經(jīng)過(guò)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(guò)程。在各種好氧微生物中都存在。

FADH2NADHNADHGTPNADHCO2CO2TCA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)(因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1個(gè)GTP，總共相當(dāng)于15個(gè)ATP，因此產(chǎn)能效率極高；③TCA位于一切分解代謝和合成代謝中的樞紐地位，不僅可為微生物的生物合成提供各種碳架原料．而且還與人類的發(fā)酵生產(chǎn)(如檸檬酸、蘋果酸、谷氛酸、延胡素酸和琥珀酸等)緊密相關(guān)。每個(gè)丙酮酸分子徹底氧化可產(chǎn)生15個(gè)ATP，故一個(gè)葡萄糖分子經(jīng)EMP、TCA后產(chǎn)生能量：

總計(jì)38個(gè)ATP

真核生物NADH2進(jìn)入線粒體時(shí)需經(jīng)過(guò)磷酸甘油穿梭系統(tǒng)，消耗2個(gè)ATP故只產(chǎn)生36個(gè)ATP。（二）、遞氫和受氫

有機(jī)物中的化學(xué)能經(jīng)脫氫后，通過(guò)呼吸鏈等方式傳遞，最終與氧、有機(jī)或無(wú)機(jī)物等氫受體結(jié)合而釋放出其中的能量。根據(jù)遞氫特點(diǎn)和受氫體性質(zhì)不同，可分為發(fā)酵作用有氧呼吸（呼吸）無(wú)氧呼吸分析受氫體特點(diǎn)有氧呼吸以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程。厭氧呼吸以無(wú)機(jī)氧化物作為最終電子受體的生物氧化過(guò)程。發(fā)酵以有機(jī)物為底物，以其中間代謝產(chǎn)物作為其電子受體的生物氧化過(guò)程。1、呼吸（respiration)

1、呼吸作用（respiration，有氧呼吸）最普遍和最重要的生物氧化方式，底物氧化脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧按受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（部分轉(zhuǎn)移到ATP中，部分以熱能的方式散失）。特點(diǎn)：有氧，氧化徹底，產(chǎn)能多微生物類群：好氧菌或兼性厭氧菌。大多數(shù)細(xì)菌、全部真菌和原生動(dòng)物（化能異養(yǎng)）氫細(xì)菌、硫細(xì)菌、硝化細(xì)菌分別利用氫、含硫無(wú)機(jī)物、氨或亞硝酸作為底物。呼吸鏈（respiratorychain,RC）.

電子傳遞鏈（electrontransportchain,ETC）定義：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還原勢(shì)呈梯度差的、鏈狀排列的氫傳遞體。功能：把氫或電子從低氧化還原勢(shì)的化合物處傳遞給高氧化還原勢(shì)的分子氧或其他無(wú)機(jī)、有機(jī)氧化物，并使它們還原。成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FP、CoQ、細(xì)胞色素b、c、a、a３和一些鐵硫旦白。電子傳遞次序：NAD（P），F(xiàn)P（黃素蛋白），F(xiàn)eS(鐵硫蛋白)，輔酶Q，Cytb，Cytc，Cyta，Cyta3氧化磷酸化：氧化磷酸化又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的遞氫(或電子)和受氫過(guò)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(guò)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。呼吸鏈氧化磷酸化效率的高低可用P／O比：(即每消耗1mol氧原子所產(chǎn)生的ATPmol數(shù))來(lái)作定量表示。化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)通過(guò)呼吸鏈有關(guān)酶系的作用，可將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞到膜的外側(cè)，從而造成了膜兩側(cè)質(zhì)子分布不均勻，此即質(zhì)子動(dòng)勢(shì)(質(zhì)子動(dòng)力，PH梯度)△μH+的由來(lái)，也是合成ATP的能量來(lái)源：通過(guò)ATP酶的逆反應(yīng)可把質(zhì)子從膜的外側(cè)重新輸回到膜的內(nèi)側(cè)，于是在消除質(zhì)子功勢(shì)的同時(shí)合成了ATP。氫傳遞體和電子傳遞體是間隔交替排列的，催化反應(yīng)是定向的電子傳遞復(fù)合體起質(zhì)子泵的作用，將H+從線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)到外膜線粒體內(nèi)膜對(duì)質(zhì)子是不透性強(qiáng)大的質(zhì)子流進(jìn)入線粒體F1-F0-ATP復(fù)合物時(shí)，釋放的自由能推動(dòng)ATP合成內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈2、無(wú)氧呼吸（厭氧呼吸）

是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。

無(wú)機(jī)氧化物NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-或CO2等或延胡索酸。（以無(wú)機(jī)氧化物代替分子氧作為最終氫受體的生物氧化。

）厭氧和兼性厭氧菌無(wú)氧呼吸的類型沼氣建立沼氣池的基本條件？硝酸鹽兩種功能:1)同化性硝酸鹽還原作用：有氧或無(wú)氧條件下所進(jìn)行的利用硝酸鹽作為氮源營(yíng)養(yǎng)物。a、硝酸鹽呼吸(反硝化作用)：2）異化性硝酸鹽還原作用：在無(wú)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氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N20、N2的過(guò)程，稱為異化性硝酸鹽還原作用，反硝化作用。又稱硝酸鹽呼吸。b．硫酸鹽呼吸：由硫酸鹽還原細(xì)菌（或稱反硫化細(xì)菌）把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽而將硫酸鹽還原成H2S的過(guò)程。

脫硫弧菌Desulfovibriosp.

c．硫呼吸：以無(wú)機(jī)硫作為無(wú)氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S。d．碳酸鹽呼吸：是一類以CO2或重碳酸鹽作為無(wú)氧呼吸鏈的末端氫受體的無(wú)氧呼吸。如甲烷桿菌Methanobacterium

e．延胡索酸呼吸：兼性厭氧，將延胡索酸還原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作為微生物的一般發(fā)酵產(chǎn)物來(lái)考慮。實(shí)際上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最終電子受體，而琥珀酸是還原產(chǎn)物。如：變形桿菌屬Proteus

f甘氨酸呼吸：甘氨酸作為呼吸鏈末端氫受體而被還原為乙酸。g氧化三甲銨呼吸：氧化三甲銨作為呼吸鏈末端氫受體而被還原為三甲基胺。3、發(fā)酵

在生物氧化中發(fā)酵是指無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。微生物類群：主要的厭氧菌，有些兼性菌關(guān)于同型發(fā)酵與異型發(fā)酵同型發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物為單一產(chǎn)物。異型發(fā)酵：發(fā)酵產(chǎn)物為多種產(chǎn)物。常見(jiàn)有乳酸發(fā)酵與酒精發(fā)酵乳酸發(fā)酵類型途徑產(chǎn)物/1G產(chǎn)能/1G同型EMP2乳酸2ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP1乳酸，1乙酸，1CO22ATP1乳酸，1.5乙酸2.5ATP酒精發(fā)酵類型途徑產(chǎn)物/1G產(chǎn)能/1G同型EMP2乙醇，2CO22ATPED2乙醇，2CO21ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATPStickland反應(yīng)氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能的發(fā)酵方式以一種氨基酸作底物脫氫（氫供體），以另一種氨基酸作氫受體而實(shí)現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類型。產(chǎn)能效率低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1ATP。巴斯德效應(yīng)（Pasteur）在厭氧條件下,向高速發(fā)酵的培養(yǎng)基中通入氧氣,則葡萄糖消耗減少,抑制發(fā)酵產(chǎn)物積累的現(xiàn)象稱為巴斯德效應(yīng)。即呼吸抑制發(fā)酵的作用。酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)酒精時(shí)若通入氧氣，則發(fā)酵作用下降，停止產(chǎn)生酒精而進(jìn)行呼吸作用，葡萄糖利用速度大大降低，酒精生成被抑制。即發(fā)酵制酒時(shí)不能有氧存在。

發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)——底物水平磷酸化物質(zhì)在生物氧化過(guò)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。二、自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能和產(chǎn)還原力化能自養(yǎng)微生物：從氧化磷酸化所獲得的能量中，花費(fèi)一大部分ATP以逆呼吸鏈傳遞的方式把無(wú)機(jī)氫（H＋＋e-）轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原力[H]；光能自養(yǎng)微生物：ATP是通過(guò)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，而還原力[H]則是直接或間接利用這些途徑產(chǎn)生的。

1、化能自養(yǎng)型微生物化能自養(yǎng)型微生物還原CO2所需要的ATP和還原力[H]是通過(guò)氧化無(wú)機(jī)底物，例如NH4＋、NO2－、H2S、S、H2和Fe2+等而獲得的。產(chǎn)能的途徑：借助于經(jīng)過(guò)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)?；茏责B(yǎng)型微生物一般都是好氧菌。

無(wú)機(jī)底物不僅可作為最初能源產(chǎn)生ATP，且其中有些底物(如NH4+、H2S和H2)還可作為無(wú)機(jī)氫供體。

化能自養(yǎng)型微生物能量代謝的特點(diǎn)：①無(wú)機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系，即由脫氫酶或氧化還原酶催化的無(wú)機(jī)底物脫氫或脫電子后，可直接進(jìn)入呼吸鏈傳遞，這與異養(yǎng)微生物對(duì)葡萄糖等有機(jī)底物的氧化要經(jīng)過(guò)多條途徑逐級(jí)脫氫明顯不同；②呼吸鏈的組分更加多樣化，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比一般要低于化能異養(yǎng)型微生物。2、光能營(yíng)養(yǎng)型微生物產(chǎn)能與還原力方式1、循環(huán)光合磷酸化存在于光合細(xì)菌中的原始光合作用機(jī)制。電子傳遞途徑屬循環(huán)方式產(chǎn)能與產(chǎn)還原力分別進(jìn)行還原力來(lái)自外源氫供體（H2S\H2\有機(jī)物）不產(chǎn)氧2、非循環(huán)光合磷酸化各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。特點(diǎn)：①電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；②在有氧條件下進(jìn)行；③有PSI和PSⅡ2個(gè)光合系統(tǒng)。④反應(yīng)同時(shí)產(chǎn)ATP、還原力、氧氣。3、嗜鹽菌紫膜的光介導(dǎo)ATP合成嗜鹽菌在無(wú)氧條件下，利用光能所造成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(gè)質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，再由它來(lái)錐動(dòng)ATP酶合成ATP，此即光介導(dǎo)ATP合成。嗜鹽菌紫膜的光合作用紫膜的光合磷酸化是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)第二節(jié)分解代謝與合成代謝的關(guān)系一、兩用代謝途徑兩用代謝途徑：凡在分解代謝和合成代謝中均有功能的代謝途徑EMPHMPTCA糖異生作用合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)常包含不同的代謝中間產(chǎn)物真核生物中，分解代謝和合成代謝一般在不同的分割區(qū)域內(nèi)分別進(jìn)行。原核生物中，反應(yīng)的控制大多在簡(jiǎn)單的酶分子水平上進(jìn)行。二、代謝回補(bǔ)順序☆生物合成中所消耗的中間產(chǎn)物若得不到補(bǔ)充，循環(huán)就會(huì)中斷代謝回補(bǔ)順序：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反應(yīng)☆回補(bǔ)方式：①通過(guò)某些化合物的CO2固定作用②一些轉(zhuǎn)氨基酶所催化的反應(yīng)也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸③通過(guò)乙醛酸循環(huán)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

自養(yǎng)微生物的生物氧化所產(chǎn)生的能量主要用于CO2的固定，至今了解的CO2固定的途徑有4條：Calvin循環(huán)、厭氧乙酰－CoA途徑、逆向TCA循環(huán)途徑羥基丙酸途徑。

(1)卡爾文循環(huán)(Calvincycle)

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)。

是光能自養(yǎng)微生物和化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑。在光能自養(yǎng)生物中，此反應(yīng)不需要光，可在黑暗條件下進(jìn)行，故稱暗反應(yīng)。

兩種特有酶：核酮糖二磷酸羧化酶（簡(jiǎn)稱RuBisCO)和磷酸核酮糖激酶。

3個(gè)階段：

①羧化反應(yīng)：3個(gè)核酮糖－1，5－二磷酸(Ru-1,5-P)通過(guò)核酮糖磷酸羧化酶將3分子CO2固定，并形成6個(gè)3－磷酸甘