第六章 微生物的代

第六章微生物的代謝

（Microbialmetabolism）第一節(jié)微生物的能量代謝微生物可利用的最初能源有哪些？

研究能量代謝的實(shí)質(zhì)就是追蹤微生物可利用的最初能源是如何轉(zhuǎn)化并釋放出一切生命活動的通用能源—ATP的過程。最初能源有機(jī)物日光還原態(tài)無機(jī)物通用能源ATP化能異養(yǎng)型光能營養(yǎng)型化能自養(yǎng)型ATP的結(jié)構(gòu)引自沈萍，2003一、化能異養(yǎng)微生物的

生物氧化和產(chǎn)能1.生物氧化的定義發(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。燃燒生物體外的氧化引自周德慶，2003

2.生物氧化的形式：加氧、脫氫或失去電子；

3.生物氧化的過程：脫氫、遞氫、受氫

4.生物氧化的結(jié)果:

產(chǎn)ATP、還原力[H]和小分子代謝產(chǎn)物（一）底物脫氫的四條途徑底物脫氫的四條途徑1.EMP途徑(糖酵解途徑或己糖二磷酸途徑)

C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸己糖激酶（1）磷酸己糖異構(gòu)酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛縮酶（4）磷酸丙糖異構(gòu)酶（5）3-磷酸甘油醛脫氫酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油變位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10）引自周德慶，20031）是大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑;2）有氧和無氧條件下都能進(jìn)行;有氧條件下，該途徑與TCA途徑連接;無氧條件下，丙酮酸被還原，形成乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物;3）該途徑是糖代謝和脂類代謝的連接點(diǎn)(如磷酸二羥丙酮可還原成甘油，進(jìn)入脂類代謝

；特點(diǎn)2.HMP途徑(己糖一磷酸途徑、戊糖磷酸途徑)6C6H12O66CO235ATP5葡糖-6-磷酸引自周德慶，20031）是一條葡萄糖不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而徹底氧化產(chǎn)能、產(chǎn)還原力[H]和許多中間代謝產(chǎn)物的途徑；2）進(jìn)行一次周轉(zhuǎn)需要六分子的葡萄糖同時(shí)參與，但實(shí)際只消耗一分子的葡萄糖；3）能產(chǎn)生大量的還原力[H]（12個NADPH2）；是合成脂肪酸、固醇等物質(zhì)所需；也可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量；4）反應(yīng)中有C3-C7各種糖，使微生物可利用的碳源范圍廣；5）能產(chǎn)生多種重要的中間代謝產(chǎn)物（如核苷酸、多種氨基酸、輔酶和乳酸等）。特點(diǎn)3.ED途徑(2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑)2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2引自周德慶，2003少數(shù)細(xì)菌（如假單胞菌、根瘤菌和土壤桿菌等）因缺少某些完整EMP途徑的一種替代途徑，為微生物所特有；反應(yīng)步驟簡單，通過四步反應(yīng)可快速獲得2分子的丙酮酸；產(chǎn)能效率低，1分子的葡萄糖僅產(chǎn)1個ATP；可與EMP、HMP和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝產(chǎn)物的需要；反應(yīng)中有一個特征性酶—KDPG醛縮酶；

特點(diǎn)4.TCA循環(huán)(三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán))1.丙酮酸脫氫酶復(fù)合體2.檸檬酸合成酶3.順烏頭酸酶4.順烏頭酸酶5.異檸檬酸脫氫酶6.-酮戊二酸脫氫酶7.琥珀酰COA8.琥珀酸脫氫酶9.延胡索酸酶10.蘋果酸脫氫酶1丙酮酸3CO215ATP引自周德慶，2003TCA循環(huán)由10步酶促反應(yīng)組成；產(chǎn)能效率極高，是細(xì)胞產(chǎn)生ATP的主要場所；在微生物代謝中占有樞紐的地位；提供生物合成所用碳架的重要來源；與微生物大量發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)密切相關(guān)（如檸檬酸、蘋果酸、谷氨酸等）；

特點(diǎn)TCA循環(huán)在微生物分解代謝和合成代謝中的樞紐地位引自周德慶，2003四種脫氫途徑的比較EMP途徑：許多微生物都利用該途徑對糖類進(jìn)行分解代謝。1分子葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和2個ATP；該途徑定位在微生物細(xì)胞質(zhì)中，有氧和無氧都能進(jìn)行；HMP途徑：可與EMP途徑或ED途徑同時(shí)存在，也能在有氧和無氧條件下發(fā)生。許多微生物通過該途徑產(chǎn)能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途徑：少數(shù)細(xì)菌以該途徑代替EMP途徑。1分子葡萄糖經(jīng)4步反應(yīng)產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子[H]和1個ATP；TCA循環(huán)：有氧條件下，丙酮酸經(jīng)TCA循環(huán)進(jìn)一步代謝產(chǎn)能或用于合成。（二）遞氫—電子傳遞鏈電子傳遞鏈?zhǔn)侵肝挥谀ぃㄔ松镌诩?xì)胞質(zhì)內(nèi)膜，真核微生物在線粒體內(nèi)膜）上，由一系列氧化還原勢呈梯度差的，鏈狀排列的電子傳遞體組成；一個化合物的氧化還原勢是其對電子親和力的量度；原核生物和真核生物的電子傳遞鏈組成不同，但二者的功能相似；電子傳遞鏈的主要組分及傳遞順序：NAD(P)→FP→Fe?S→COQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（三）受氫經(jīng)多種途徑脫氫和遞氫后，最終與氫受體結(jié)合并釋放其中的能量。根據(jù)受氫體性質(zhì)的不同，可把生物氧化分為呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵；1.呼吸（有氧呼吸）是一種最普遍和最重要的生物氧化或產(chǎn)能方式；其特點(diǎn)是底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，釋放能量；遞氫和受氫必須在有氧條件下進(jìn)行，是一種高效產(chǎn)能方式；

高能水平（低氧化還原勢）

低能水平（高氧化還原勢）典型的呼吸鏈引自周德慶，2003現(xiàn)在普遍接受的觀點(diǎn)是1978年諾貝爾獎獲得者英國學(xué)者P.Mitchell于1961年提出的化學(xué)滲透學(xué)說(P110);該學(xué)說認(rèn)為生物的通用能源-ATP是由跨膜的質(zhì)子梯度差（質(zhì)子動勢）而產(chǎn)生的；產(chǎn)生ATP的機(jī)制？引自周德慶，2003頭部頸部基部ATP酶和ATP的合成引自周德慶，2003是一類在無氧條件下進(jìn)行的、產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸；其特點(diǎn)是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機(jī)物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）受氫，并完成產(chǎn)能反應(yīng)；2.無氧呼吸（厭氧呼吸）比較各類無機(jī)鹽呼吸的特點(diǎn)根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，可把無氧呼吸分成多種類型無機(jī)鹽呼吸硝酸鹽呼吸硫酸鹽呼吸硫呼吸鐵呼吸碳酸鹽呼吸有機(jī)物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸3.發(fā)酵指在無氧的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]，不經(jīng)過呼吸鏈傳遞，而直接交給某一內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)；能進(jìn)行發(fā)酵的微生物是專性厭氧菌或兼性厭氧菌;其產(chǎn)能都是通過底物水平磷酸化反應(yīng)，產(chǎn)能效率低;能形成高能磷酸鍵的產(chǎn)物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA發(fā)酵類型1.通過EMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵同型酒精、乳酸發(fā)酵凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后只產(chǎn)生一種代謝產(chǎn)物的發(fā)酵;2.通過HMP途徑進(jìn)行的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生兩種以上代謝產(chǎn)物的發(fā)酵;3.通過ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵細(xì)菌酒精發(fā)酵(P106)4.由氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能—Stickland反應(yīng)少數(shù)厭氧梭菌以一種氨基酸作氫供體，而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。此反應(yīng)的產(chǎn)能效率極低，每分子氨基酸僅產(chǎn)一個ATP；Stickland反應(yīng)機(jī)制引自周德慶，2003氧化磷酸化—在呼吸鏈的遞氫和受氫過程中與磷酸化反應(yīng)相偶聯(lián)產(chǎn)生ATP；底物水平的磷酸化—

通過形成含高能磷酸鍵的底物產(chǎn)能；光合磷酸化—通過光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)；ATP的產(chǎn)生途徑二、化能自養(yǎng)微生物的

生物氧化和產(chǎn)能特點(diǎn)：生物氧化也包括脫氫、遞氫和受氫三個階段；是通過氧化某些還原性的無機(jī)底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+

等）獲得能量；絕大多數(shù)是好氧菌；無機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系；呼吸鏈的組分多樣化；產(chǎn)能效率低；

NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1.aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-無機(jī)底物脫氫后電子進(jìn)入呼吸鏈的部位生物氧化過程—硝化細(xì)菌為例

NO2-

NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3

-ATP-ATP-ATP+ATP

1/2O2H2O

2H++2e-

2H++2e-NH3+O2

H2O?NO2-為什么化能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能效率、生長速率和細(xì)胞產(chǎn)率都很低？硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的比較硝化細(xì)菌反硝化細(xì)菌化能自養(yǎng)微生物化能異養(yǎng)微生物好氧微生物兼性厭氧微生物有氧條件下利用氨或亞硝酸鹽作主要生存能源，形成亞硝酸或硝酸無氧條件下利用硝酸鹽作氫受體，將其還原成NON2在自然界的物質(zhì)合成過程中起重要作用在自然界的氮素循環(huán)中發(fā)揮作用無機(jī)物呼吸反應(yīng)及其產(chǎn)能三、光能營養(yǎng)型生物的生物氧化和產(chǎn)能通過光能進(jìn)行營養(yǎng)的生物光能營養(yǎng)型生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核生物：藻類、綠色植物原核生物：藍(lán)細(xì)菌真細(xì)菌：光合細(xì)菌—循環(huán)光合磷酸化古生菌：嗜鹽菌—紫膜光合作用非循環(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；在光能驅(qū)動下，電子從菌綠素分子逐出，通過循環(huán)式的電子傳遞途徑產(chǎn)生ATP；在厭氧條件下進(jìn)行，不產(chǎn)氧；產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進(jìn)行；還原力[H]來自H2S等無機(jī)氫供體，在逆電子流、耗能的情況下產(chǎn)生；具體反應(yīng)途徑：P122循環(huán)光合磷酸化

循環(huán)光合磷酸化的途徑引自周德慶，2003ATP循環(huán)光合磷酸化途徑引自周德慶，2003非循環(huán)光合磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的產(chǎn)能方式；電子的傳遞途徑是非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行，能產(chǎn)生氧氣；有兩個光合系統(tǒng)；PSI：含葉綠素a，吸收光波為P700，有利于紅光吸收；PSⅡ：含葉綠素b，吸收光波為P680，有利于藍(lán)光吸收；反應(yīng)中可同時(shí)產(chǎn)ATP、還原力[H]和氧氣；產(chǎn)生具體反應(yīng)途徑：P124藍(lán)細(xì)菌的產(chǎn)氧光合作用引自周德慶，2003比較項(xiàng)目非循環(huán)光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化生物體植物、藻類、藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)菌葉綠素類型葉綠素a等細(xì)菌葉綠素a等PSI有有PSII有無氧的產(chǎn)生有無還原力[H]來自水的光解來自H2S等無機(jī)氫供體兩種光合作用比較嗜鹽菌紫膜的光合作用嗜鹽菌特有的無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特光合作用；嗜鹽菌的細(xì)胞膜制備物可分離出紅色和紫色兩個組分；紅膜：在有氧條件下可進(jìn)行氧化磷酸化產(chǎn)能；主要成分為類胡蘿卜素、細(xì)胞色素和黃素蛋白等；紫膜：在缺氧條件下，能利用光能的介導(dǎo)獲得能量；主要成分為細(xì)菌視紫紅質(zhì)和類脂；細(xì)菌視紫紅質(zhì)的功能與葉綠素相似，能吸收光能，并在光量子的驅(qū)動下起著質(zhì)子泵的作用；第二節(jié)分解代謝和合成代謝間的聯(lián)系能量代謝分解代謝合成代謝消耗能量簡單小分子

復(fù)雜分子物質(zhì)代謝復(fù)雜大分子

簡單小分子釋放能量分解代謝和合成代謝的關(guān)系引自周德慶，2003分解代謝與合成代謝的聯(lián)系緊密，互不可分；在長期的進(jìn)化中，生物體通過兩用代謝途徑和代謝回補(bǔ)順序使生物體有條不紊地正常運(yùn)轉(zhuǎn)；聯(lián)結(jié)分解代謝和合成代謝的重要中間代謝產(chǎn)物有12種（P126）；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；但合成途徑并非分解途徑的完全逆轉(zhuǎn)；分解代謝和合成代謝一般在不同的區(qū)域內(nèi)分別進(jìn)行；分解代謝和合成代謝的特點(diǎn)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)；不同的微生物或同種微生物在不同的碳源下有不同的代謝回補(bǔ)順序；與EMP和TCA循環(huán)有關(guān)的代謝回補(bǔ)順序約有10條，都圍繞著PEP和OA這兩種關(guān)鍵性的中間代謝產(chǎn)物來進(jìn)行；微生物特有的代謝回補(bǔ)順序—乙醛酸循環(huán)

它是TCA循環(huán)的一條回補(bǔ)途徑；此循環(huán)中有兩個關(guān)鍵酶：異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶具有乙醛酸循環(huán)的微生物普遍是好氧微生物；醋桿菌屬、固氮菌屬、產(chǎn)氣腸桿菌、酵母屬、青霉屬和黑曲霉等；二、代謝回補(bǔ)順序乙醛酸異檸檬酸裂合酶蘋果酸合成酶乙醛酸循環(huán)示意圖引自周德慶，200