微生物的代謝

第七章微生物的代謝

（MicrobialMetabolism）1內(nèi)容微生物的能量（ATP的結(jié)構(gòu)、ATP的生成*＃、微生物的氧化方式*、能量的利用）微生物的分解代謝（幾糖*、丙酮酸*＃、多糖、蛋白質(zhì)、脂肪及其他）微生物的合成代謝（無機養(yǎng)料同化*、前體物質(zhì)及其大分子的合成、細(xì)胞壁的合成、次生代謝*）2第一節(jié)微生物的能量energy3微生物的分解代謝和合成代謝

伴隨能量的生成和釋放41.（自由能、自由能變、吸能反應(yīng)、放能反應(yīng)）2.高能化合物：無論是吸能反應(yīng)還是放能反應(yīng)都需要一個能攜帶和轉(zhuǎn)移能量的化合物，在生物體內(nèi)，這種化合物叫高能化合物。ATPRCO～SCoA5一.ATP的結(jié)構(gòu)腺苷三磷酸：A－P～P～PATP<=>ADP磷酸化作用：ADP可以接受其他高能磷酸化合物轉(zhuǎn)移來～P，再生成ATP，這個作用稱為磷酸化作用。ATP是能量轉(zhuǎn)移中心6二.ATP的生成*＃

通過磷酸化作用一）底物水平磷酸化（Substratelevelphosphorylation）二）氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation

）三）光合磷酸化（Photophosphorylation

）7一）底物水平磷酸化1.概念：在某種化合物氧化的過程中，可以生成一種含高能磷酸鍵的化合物，此化合物通過相應(yīng)的酶作用，將高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，生成ATP。2.特點：不經(jīng)電子傳遞鏈，電子直接在兩種化合物間轉(zhuǎn)移X～P+ADP

→ATP+X8二）氧化磷酸化（或電子傳遞磷酸化）1.概念：在底物氧化過程中，脫掉的氫經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧化合生成水，并且偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP的過程。2.特點：質(zhì)子和電子向終端電子受體轉(zhuǎn)移時，需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個傳遞體都是一個氧化還原系統(tǒng)。傳遞中逐步釋放能量，并生成ATP。9傳遞體：各種輔酶和輔基真核微生物－－在線粒體內(nèi)膜原核微生物－－在細(xì)胞質(zhì)膜上如：真核生物和G-細(xì)菌中的泛醌（ubiquinone,UQ或CoQ

）UQ

UQH(CoQ

CoQH)10氧化磷酸化中電子傳遞與磷酸化的偶聯(lián)113.電子傳遞磷酸化的效率：P/O每消耗一個氧原子所形成的ATP的數(shù)目真核微生物P/O＝3細(xì)菌P/O<1（效率低）12三）光合磷酸化1.概念：將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能的過程，即光合色素電子傳遞與高能磷酸鍵偶聯(lián)的過程。2.特點：依靠光合色素不同生物有差別131）藍(lán)細(xì)菌光合色素為葉綠素（chlorophyll）還原CO2所需的e-來自H2O的光解；并有O2的釋放屬于非環(huán)式光合磷酸化（Z鏈傳遞），有兩個光反應(yīng)系統(tǒng)（I和II），產(chǎn)生ATP和NADPH+H+鐵氧還蛋白NADPH+H+NADP+葉綠素（系統(tǒng)I）光質(zhì)體藍(lán)素細(xì)胞色素f細(xì)胞色素b質(zhì)體醌葉綠素（系統(tǒng)II）光

e-

e-

e-

e-

e-

e-H2O1/2O2+H+

ATPADP+Pi142）光合細(xì)菌光合色素為細(xì)菌葉綠素（bacteriochlorophyll

）還原CO2所需的e-來自還原態(tài)的無機S、氫或有機物；沒有O2的釋放屬于環(huán)式光合磷酸化，產(chǎn)生ATP鐵氧還蛋白細(xì)胞色素b細(xì)胞色素c光菌綠素輔酶Q

e-

e-

e-

e-

e-ADP+PiATP153）極端嗜鹽古菌光合色素為細(xì)菌紫膜質(zhì)（bacteriorhodopsin）視黃醛+蛋白質(zhì)無電子傳遞鏈，視黃醛借助光能泵出H+，形成H+梯度，當(dāng)H+通過H+-ATP酶返回時，合成ATP16三.微生物的氧化方式根據(jù)終端電子受體的性質(zhì)：一）有氧呼吸（aerobicrespiration）二）發(fā)酵作用（fermentation）三）無氧呼吸（anaerobicrespiration）17一）有氧呼吸1.概念：化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終交給氧，并生成水。2.特點：有氧參加氧化徹底產(chǎn)能量多1G+O2

→CO2+H2O+688kcal見于需氧菌、兼性厭氧菌18二）發(fā)酵作用1.概念：化合物氧化時脫下的氫和電子經(jīng)某些輔酶和輔基的傳遞交給另一有機物，最終產(chǎn)生一種還原性產(chǎn)物的作用。2.特點：不需氧參加（呼吸抑制發(fā)酵，巴斯德效應(yīng)）氧化不徹底產(chǎn)能量少

1G+有機受體→CH3CH2OH+54kcal見于兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙?還原性產(chǎn)物19三）無氧呼吸1.概念：化合物氧化時脫下的氫和電子經(jīng)一系列電子傳遞體，最終交給無機氧化物的作用。

NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等2.特點：無氧參加氧化較徹底產(chǎn)能量少

1G+NO3-→CO2+H2O+29kcal+NO2-見于專性或兼性厭氧菌20四.能量的利用一）生物合成二）其他生命活動三）生物發(fā)光四）生物熱21第二節(jié)微生物的分解代謝catabolism22一.己糖的分解一）糖酵解（glycolysis）葡萄糖降解生成丙酮酸的過程Embden-Meyerhof-Parnaspathway,EMP途徑C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+H++2ATP許多需氧菌、兼性厭氧菌和專性厭氧菌都具有該途徑（古菌除外）23EMP途徑24糖酵解的生理功能：1）ATP→能量

2）磷酸化中間產(chǎn)物→脂類等合成

3）丙酮酸→氨基酸等合成4）NADH+H+→有氧呼吸時生成ATP，無氧發(fā)酵時提供還原力25二）己糖單磷酸途徑（hexose

monophosphatepathway,HMP途徑）在己糖單磷酸基礎(chǔ)上開始分解由于葡萄糖降解產(chǎn)生5碳糖，又稱戊糖磷酸途徑6G-6-P

+6H2O+12NADP+→6CO2+12NADPH+12H++H3PO4+5G-6-P大多數(shù)需氧菌、兼性厭氧菌都具有該途徑26HMP途徑27HMP途徑的生理功能：1）為生物合成提供不同長度的碳骨架 2）產(chǎn)生NADPH，提供能量或還原力3）5-P核酮糖→1,5-2P核酮糖,自養(yǎng)菌固定CO228三）ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）葡萄糖降解生成丙酮酸和3-P甘油醛的途徑ED途徑：僅在G-

細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)如嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）修飾過的ED途徑：極端嗜鹽古菌、極端嗜熱古菌29ED途徑：1葡萄糖→2丙酮酸1ATP2NAD(P)H30二.丙酮酸代謝的多樣性一）乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇脫氫酶發(fā)生條件：只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO

2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶311.酵母菌（在pH3.5-4.5，厭氧時）的乙醇發(fā)酵

脫羧酶乙醇脫氫酶丙酮酸乙醛乙醇通過EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

2.細(xì)菌(Zymomonas

mobilis)的乙醇發(fā)酵通過ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：

C6H12O6+ADP+Pi2C2H5OH+2CO2+ATP3.細(xì)菌(Leuconostoc

mesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi

乳酸+乙醇+CO2+ATP32二）丁二醇發(fā)酵腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、歐文氏菌屬的一些菌有

-乙酰乳酸合成酶系進行丁二醇發(fā)酵。葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇

-乙酰乳酸

二乙酰

3-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2

-乙酰乳酸合成酶

-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶EMP33三）乳酸發(fā)酵菌種不同，代謝途徑不同，產(chǎn)物有所不同1.同型乳酸發(fā)酵（通過EMP途徑僅產(chǎn)生乳酸）2.異型乳酸發(fā)酵（通過HMP(PK)途徑產(chǎn)生乳酸、乙醇、乙酸等有機化合物）（磷酸己糖解酮酶途徑,Phosphoketolase

Pathway

）341.同型乳酸發(fā)酵乳桿菌屬（Lactococcus）鏈球菌屬（

Streptococcus

）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP工業(yè)：乳酸農(nóng)業(yè)：青貯飼料食品：酸奶、泡菜352.異型乳酸發(fā)酵乳桿菌屬（Lactococcus）鏈球菌屬（

Streptococcus

）葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO236四）丁酸發(fā)酵梭菌屬葡萄糖→丙酮酸→乙酰輔酶A→乙酰乙酰輔酶A→丁酰輔酶A→丁酸伴隨乙酸、CO2、H2和ATP的生成37五）混合酸發(fā)酵埃希氏菌屬、沙門氏菌屬、志賀氏菌屬的一些菌經(jīng)EMP途徑產(chǎn)生多種有機酸、H2和CO2等葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA

甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.238①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵不同微生物利用丙酮酸形成的產(chǎn)物39鑒別腸道細(xì)菌的V.P.試驗鑒別原理：腸桿菌屬、沙雷氏菌屬等在堿性條件下產(chǎn)生的二乙?？膳c精氨酸的胍基結(jié)合，形成紅色的化合物

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物-CO2堿性條件40鑒別腸道細(xì)菌的M.R試驗鑒別原理：埃希氏菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。41六）三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle,TCA循環(huán)）1.乙酰輔酶A的生成CH3COCOOH

+CoASH

+NAD+→CH3CO~SCoA+NADH+H+

+CO22.三羧酸循環(huán)CH3CO~SCoA+3H2O+3NAD++FAD+ADP+Pi→2CO2

+CoASH+3NADH+3H++FADH2

+ATP3.呼吸鏈3NADH+3H++FADH2

→呼吸鏈→11ATP42三羧酸循環(huán)C、能量問：1mol葡萄糖完全氧化產(chǎn)生多少ATP？43TCA在代謝中的作用1）產(chǎn)生大量ATP1葡萄糖→38/36ATP2）是糖代謝與氨基酸、脂肪酸代謝等的橋梁44三.多糖分解一）淀粉：葡萄糖聚合物，

-1,4、-1,6

4種淀粉酶二）纖維素：葡萄糖聚合物，β-1,4

纖維素酶、纖維二糖酶三）幾丁質(zhì)：N-乙酰氨基葡萄糖聚合物，β-1,4

幾丁質(zhì)酶、幾丁二糖酶四）果膠質(zhì)甲基半乳糖醛酸的聚合物+鈣原果膠質(zhì)酶、果膠酶、果膠酸酶45四.蛋白質(zhì)的分解蛋白質(zhì)：肽、氨基酸的聚合物蛋白酶、肽酶、脫氨酶、脫羧酶46五.脂肪和其他有機物的分解脂肪：脂酶等脂烴：羧化酶等芳烴：加氧酶等產(chǎn)物進入糖酵解、TCA循環(huán)或β-氧化47第三節(jié)微生物的合成代謝anabolism48微生物的合成代謝（同化作用）：從簡單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜的大分子物質(zhì)的過程。合成代謝三要素：小分子前體物質(zhì)、能量、還原力49一.無機養(yǎng)料的同化一）CO2的同化將空氣中的CO2同化為細(xì)胞有機物的過程1.自養(yǎng)微生物對CO2的固定自養(yǎng)微生物的唯一碳源6CO2+6H2O+12NADPH→C6H12O6+12NADP+CO2

受體，卡爾文循環(huán)（Calvincycle）ATP酶50小分子？能量？還原力？3個階段？2個關(guān)鍵酶？6×6×12×12×12×10×2×E2E1512.異養(yǎng)微生物對CO2的固定異養(yǎng)微生物的補償碳源，少量，但必要原因：TCA的中間產(chǎn)物常被用作生物合成的原料而損耗。添補反應(yīng)：異養(yǎng)微生物主要依靠CO2的固定生成四碳二羧酸化合物，來補充TCA循環(huán)的中間產(chǎn)物，這個發(fā)應(yīng)叫添補反應(yīng)（anapleroticreaction）。如：丙酮酸+CO2+ATP→草酰乙酸+ADP+Pi52二）NO3-的同化還原硝酸鹽的同化還原：微生物吸收硝酸鹽，逐步還原成NH3并用于細(xì)胞物質(zhì)合成的還原方式。硝酸鹽的異化還原：硝酸鹽作為厭氧呼吸終端電子受體，被還原成N2和其他氣態(tài)氮而釋放到胞外。I：NO3-+NADPH+H+

→NO2-+H2O+NADP+II：NO2-→NH2OH→NH3（各級還原酶）NADPH+H+NADPH+H+NADP+NADP+53三）N2的同化還原（生物固氮）微生物將分子態(tài)氮（N2）還原為氨（NH3

）的作用固氮酶、電子、能量N2+8e-+8H++16ATP→2NH3+H2+16ADP+16Pi產(chǎn)能代謝→鐵氧還蛋白等→Fe蛋白→MoFe蛋白e-e-e-MgATP6H++N22NH3MgADP+Pi2H+H254固氮酶（nitrogenase）：還原酶，分子量大，一般含2種蛋白組分，即鉬鐵蛋白和鐵蛋白固氮酶的催化范圍寬：N2→2NH3

2H+

→H2

C2H2→

C2H4（間接測定固氮酶的活性）生物固氮耗能高：16ATP+8e-（12ATP）→28ATP只在沒有現(xiàn)成無機氮化物時才進行6e-2e-2e-55四）SO42-的同化還原硫酸鹽的同化還原：微生物吸收硫酸鹽，逐步還原成H2S并用于合成有機硫的還原方式。硫酸鹽的異化還原：硫酸鹽作為厭氧呼吸的終端電子受體，被活化是形成APS。I：同化還原活化：SO42-→磷酸腺苷磷酰硫酸PAPSII：PAPS→SO32-→H2SH2S+Ser→Cys

SerCys56二.前體物質(zhì)及其大分子的合成一）氨基酸的合成1）氨基化作用微生物經(jīng)硝酸鹽同化還原or生物固氮or直接吸收的NH3，使

-酮酸氨基化，生成相應(yīng)的氨基酸，稱為初生氨基酸2）轉(zhuǎn)氨基作用在轉(zhuǎn)氨酶的作用下，將一種氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移給酮酸，形成新的氨基酸，稱為次生氨基酸57二）蛋白質(zhì)的合成1.蛋白質(zhì)合成的條件1）模板：mRNA2）氨基酸攜帶者：tRNA3）合成場所：rRNA+Pr→核糖體（A位，P位）2.蛋白質(zhì)合成的過程1）起始起始密碼子AUG、GUG（酵母菌只是AUG）起始氨基酸：（甲酰）甲硫氨酰-tRNA，P位

起始因子582）延伸識別：密碼子決定相應(yīng)的AA-tRNA，A位轉(zhuǎn)肽：P位上的氨基酸或肽鏈轉(zhuǎn)移到A位點的AA上移位：核糖體沿mRNA向下移動一個密碼子，將A位點上帶有肽鏈的tRNA移到P位，A位空出延伸因子3）終止終止密碼子：UGA、UAA、UAG，無相應(yīng)AA肽鏈與連接它的最后一個tRNA斷開，釋放肽鏈終止因子59三）核苷酸的合成堿基、戊糖、磷酸嘌呤核苷酸，嘧啶核苷酸1）由小分子化合物起始合成

CO2、NH3、甲酸、天門冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰氨等2）吸收環(huán)境中現(xiàn)成的嘌呤、嘧啶或核苷而組成相應(yīng)的核苷酸核苷單磷酸→核苷二磷酸→核苷三磷酸→核酸60四）核酸的合成1.DNA的合成DNA雙鏈半保留復(fù)制，5’→3’，半不連續(xù)，引物，酶復(fù)制方