《微生物营养与代谢》

1、微生物营养与代谢 第3章 微生物营养与代谢 3.2.1 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 3.2.2 微生物的分解代谢微生物的分解代谢 3.2.3 微生物发酵的代谢途经微生物发酵的代谢途经 3.2.4 微生物独特的合成代谢微生物独特的合成代谢-肽聚糖的生物合成肽聚糖的生物合成 3.2 微生物的代谢微生物的代谢 微生物营养与代谢 第3章 微生物营养与代谢 w新陈代谢 生物体进行的所有化学反应和物理 反应的总和。 w微生物的代谢作用包括: 合成代谢和分解代谢，或称同化作用和 异化作用。 3.2 微生物的代谢微生物的代谢 微生物营养与代谢 w合成代谢 在合成酶系的催化 下，由简单的小分子、 ATP和

2、还原力H(还原型 辅酶)一起合成复杂的 生物的大分子的过程。 w分解代谢 指复杂的有机分 子通过分解代谢酶系 的催化产生简单分子、 能量(ATP)、和还原 力H的过程。 微生物营养与代谢 分解代谢的三个阶段 w 将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂 肪酸等小分子物质。 w 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、 及能进入TCA循环的中间产物。 w 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将 前面形成的还原力（NADH2二氢烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ） 通过呼吸链氧化、 同时形成大量的ATP。 微生物营养与代谢 合成代谢和分解代谢的关系 复杂分子 简单分子+ATP+H (还原型辅酶) (有机

3、物) 分解代谢酶系 合成代谢酶系 微生物营养与代谢 初级代谢和次级代谢 w初级代谢： 能使营养物质转变成 机体的结构物质、或对 机体具有生理活性作用 的物质或为生长提供能 量的一类代谢类型。 w初级代谢产物 w次级代谢： 存在于某些生物中, 并在它们一定生长时 期内出现的代谢类型。 w次级代谢产物： 抗生素、生长刺激素、 生物碱、色素等 微生物营养与代谢 3.2.1 微生物的能量代谢 w新陈代谢中的核心问题： 能量代谢 w能量代谢的中心任务： 是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转 换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。 w生物体能量代谢的实质： 是ATP和酰基辅酶A、酰基磷酸等的生成和利

4、 用问题。即ATP的生成和利用的问题。 微生物营养与代谢 3.2.1.1微生物的呼吸(生物氧化)类型 根据反应中氢受体不同分为两种类型 Microbiology No Image 有氧呼吸 无氧呼吸 微生物营养与代谢 3.2.1.1微生物的呼吸 1.有氧呼吸有氧呼吸 aerobic respiration 以分子氧作为最终 电子（和氢）受体的生物 氧化作用，称为有氧呼吸。 w除糖酵解过程外，还包括 三羧酸循环和电子传递链 两部分反应 w需氧和兼性厌氧微生物在 有氧条件下进行有氧呼吸。 w化能异氧菌： w化能自养菌： w有氧呼吸中还存在两种形式： 一种是彻底氧化；如发酵面食的制 作即利用了微生物

5、的有氧呼吸 另一种是非典型的，底物被直接氧 化。 w有氧呼吸特点： 基质氧化彻底生成CO 2和H2O， （少数氧化不彻底，生成小分子量 的有机物，如 醋酸发酵）。 E系完全，分脱氢E和氧化E两种E 系。 产能量多，一分子G(葡萄糖)净产 38个ATP 微生物营养与代谢 2.2.无氧呼吸无氧呼吸anaerobic respirationanaerobic respiration 指以无机氧化物指以无机氧化物 （如（如NONO3 3- -硝酸根 ，NONO2 2- -二氧化氮 ， SOSO4 4- -，S S2 2O O3 3- -硫代硫酸根或或COCO2 2等）等） 代替分子氧作为最终电代替分子

6、氧作为最终电 子受体的生物氧化作用。子受体的生物氧化作用。 w一些厌氧微生物和兼性 厌氧微生物在无氧条件 下有无氧呼吸 w无氧呼吸产生的ATP比 有氧呼吸少。 微生物营养与代谢 3.3.发酵作用（发酵作用（fermentation)fermentation) w发酵:微生物在无氧条件下，酶 促降解糖分子产生能量的过程。 w发酵作用: w（狭义的）在没有外源最终电子 受体时，底物脱氢后所产生的 H(还原型辅酶)不经呼吸链 传递而直接交某一内源性中间代 谢物的一类生物氧化作用叫发酵 作用。 w电子供体和电子受体： 都是有机化合物的生物氧化 作用。 w通过底物水平磷酸化并提供ATP。 w发酵过程释放

7、的能量： w各种微生物都能进行发酵模 式的生物氧化，除进行无氧 呼吸的厌氧微生物外，发酵 作用是许多厌氧微生物取得 能量的唯一方式。 w需氧微生物在进行有氧呼吸 的过程中也要经过发酵阶段， 但在这种情况下，糖的利用 速度要比无氧时慢。 微生物营养与代谢 呼吸作用与发酵作用的比较 w相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合， 形成NADH(还原型辅酶)。和FADH(还原型黄素二核苷酸 )。 w不同点： NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。 消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。 发酵类型很多，这里只介绍与EMP (糖酵解途径) 、 HMP(戊糖磷酸途径)、ED途径有关的几类

8、重要发酵类型 微生物营养与代谢 w氧化磷酸化:是物质在体内氧化时释放的能量供给 ADP与无机磷合成ATP的偶联反应。是通过呼吸链产 生ATP的过程称为电子传递水平磷酸化或氧化磷酸化。 w呼吸链是由一系列的递氢反应和递电子反应按一定 的顺序排列所组成的连续反应体系，它将代谢物脱 下的成对氢原子交给氧生成水，同时有ATP生成。 实际上呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能， 呼吸链中的递氢体和递电子体就是能传递氢原子或 电子的载体，由于氢原子可以看作是由质子和核外 电子组成的，所以递氢体也是递电子体，递氢体和 递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅因子。 微生物营养与代谢 3.2.1.3 ATP的产生

9、wATP可通过多种细胞途径产生。最典型的如在线粒体中通过 氧化磷酸化由ATP合成酶合成，或者在植物的叶绿体中通过 光合作用合成。ATP合成的主要能源为葡萄糖和脂肪酸。 w每分子葡萄糖先在细胞质基质中由酶催化产生2分子丙酮酸 （C3H4O3)同时产生2分子ATP和4个还原性氢，产生的能量可 以使2分子ADP(二磷酸腺苷)与Pi(磷酸)结合生成ATP(腺苷三 磷酸)。最终在线粒体中通过三羧酸循环（或称柠檬酸循环） 产生最多38分子ATP。其大致过程是：在线粒体基质中第一 步产生的2分子丙酮酸与6分子水结合在酶的催化下产生6分 子二氧化碳，20个还原性氢，产生能量可以使2分子ADP与Pi 结合生成A

10、TP。最终前两步产生的24个还原性氢与6分子氧气 在线粒体内膜结合在酶的催化下产生12个水分子，放出大量 能量，产生能量可以使34分子ADP与Pi结合生成ATP。有氧呼 吸三个步骤可以使1分子葡萄糖分解产生38个ATP，三步中的 酶是不同的酶。 微生物营养与代谢 w此外无氧呼吸也可以产生ATP，其第一步与有氧呼 吸相同，第二步为前一步产生的2分子丙酮酸与4个 还原性氢的作用下产生2分子乳酸（C3H6O3)或者 产生2分子酒精和2分子二氧化碳，这一过程不释放 能量，可见无氧呼吸中大多数能量都保存在有机物 中而浪费。 微生物营养与代谢 Microbiology No Image 底物水平磷酸化(s

11、ubstrate level phosphorylation) 底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。 物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物 而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。这种产生 ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。 微生物营养与代谢 底物水平磷酸化特点 w底物水平磷酸化指高能化合物的放能水解作用或与 基团转移相偶联的ATP合成作用。不包括光合磷酸化 或呼吸链中氧化磷酸化的ATP生成过程。例如：糖酵 解途径中产生的高能磷酸化合物甘油酸-1，3-二磷 酸和烯醇式磷酸丙酮酸在酶的作用下，高能磷酸基 团转移到ADP分子上生成ATP。又如三羧酸循环中产

12、 生的高能硫酯化合物琥珀酰辅酶A在酶的作用下水解 成琥珀酸，同时使GDP磷酸化为GTP，GTP再与ADP作 用生成ATP。这些都是底物水平磷酸化的实例。底物 水平磷酸化没有共同的作用机制。 微生物营养与代谢 Microbiology No Image 光合磷酸化( photophosphorylation) 嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用 非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化 环式光合磷酸化环式光合磷酸化 微生物营养与代谢 代 表 微 生 物 光合作用部位 光合作用特点 红螺菌科、红硫菌科、绿硫菌科， 不产氧光合作用 菌绿素 由光反应和暗反应组成,只有 一个光反应系统不放氧。 Micro

13、biology No Image 环式光合磷酸化环式光合磷酸化cyclic photophosphorylation 微生物营养与代谢 环式光合磷酸化的暗反应 2 光能转变的化学能 CO2 有机物 ATP NADH2 Microbiology No Image 二氢烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 微生物营养与代谢 w光合细菌的循环光合磷酸化产能反应的特点： 电子传递方式属循环式，只有一个光反应系 统，有光反应和暗反应，其间产生ATP。 产能与产还原力分别进行 还原力来自H2S或有机供氢体，不是水 不产氧 微生物营养与代谢 非环式光合磷酸化特点非环式光合磷酸化特点 两个光反应系统 产还原剂NADH2还原型

14、辅酶I(光合系统)，产 ATP和O2（光合系统） Microbiology No Image 电子传递属非循环式的 在有氧条件下进行 微生物营养与代谢 嗜盐菌紫膜光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合磷酸化 w嗜盐菌：有氧时氧化磷酸化获能。 O2浓度低时（无氧），若光适宜，能合 成紫膜，并利用光能造成的紫膜蛋白上视黄 醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外， 从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来 推动ATP酶合成ATP，即为光介导ATP合成机 制（紫膜光合磷酸化）。 微生物营养与代谢 电子传递磷酸化电子传递磷酸化 w 在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电 子,将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化 偶联起

15、来，形成ATP。一个NAD(氧化型辅酶)， 通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。 它分别在三个位置，各产生一个ATP。第1个 ATP大约在辅酶和黄素蛋白之间；第2个 ATP大约在细胞色素b和c1之间；第3个ATP 大约在细胞色素c和a之间。 微生物营养与代谢 3.2.2 微生物的分解代谢 w微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物 质分解为小分子的可溶性物质，并有能量转 变过程，这种物质转变称为分解代谢。大多 数微生物都能分解糖和蛋白质，少数微生物 能分解脂类。 微生物营养与代谢 3.2.2.1 微生物的糖代谢途径微生物的糖代谢途径 EMP途径途径(糖酵解途径糖酵解途径): 大致分为两个

16、阶段。大致分为两个阶段。 第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备 阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷磷 酸。酸。 第二阶段发生氧化还原反应，合成第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙并形成两分子的丙 酮酸。酮酸。 微生物营养与代谢 3.2.2.1 微生物的糖代谢途径微生物的糖代谢途径 EMP途径途径(糖酵解途径)可为微生物的生可为微生物的生 理活动提供理活动提供ATP和和NADH2(二氢烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸)，其中间产物又可为微生，其中间产物又可为微生

17、 物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条 件下可逆转合成多糖。件下可逆转合成多糖。 微生物营养与代谢 3.2.2.1 微生物的糖代谢途径微生物的糖代谢途径 又称TCA循环、Krebs(徳裔英国科学家克雷布斯) 循环或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼 吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物 中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质 中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体 膜上。 微生物营养与代谢 （一）微生物的糖代谢途径（一）微生物的糖代谢途径 三、微生物的分解代谢三、微生物的分解代谢 微生物营养与代谢 3.2.2.1 微生物的糖代谢途径微生物的糖代谢

18、途径 TCATCA循环的重要特点循环的重要特点 1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重 新生成1分子草酰乙酸； 2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将(氧化型辅酶I) NAD+还原为(还原型辅酶I) NADH+H+，另一步为FAD(还原型黄素二核苷酸)还 原； 3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。 4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体； 5、生物体提供能量的主要形式； 6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵等。 微生物营养与代谢 EMP途径 （Embden-Meyerhof pathway） 葡萄糖 葡糖-

19、6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖-1，6- 二磷酸 1，3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸 ATP ADP ATP ADP ADP ATP ADP ATP NAD+ NADH+H+ a a :耗能阶段 b b :产能阶段 EMP途径意义： 为细胞生命活动提供 ATP 和 NADH；桥梁 ；中间代谢产物；逆 向合成多糖；与发酵 产物有关。 底物水平磷酸化 底物水平磷酸化 微生物营养与代谢 2.HMP途径途径 (戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径) w wHMP途径途径(戊糖磷酸途径)降解葡萄糖的三个阶段降解葡萄糖的三个阶段 w葡萄糖经过几

20、步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和 CO2 核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而 分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸 上述各种戊 糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己 糖磷酸和丙糖磷酸。 微生物营养与代谢 wHMPHMP途径途径(戊糖磷酸途径)的重要意义的重要意义 w 为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 w 产生大量NADPH2(还原型辅酶II)，一方面为脂肪酸、固醇等物 质的合成提供还原力,另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 w与EMP途径(糖酵解途径)在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处 连接，可以调剂戊糖供需关系。 w途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族

21、氨基酸合成、 碱基合成、及多糖合成。 w途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用的 碳源谱更为更为广泛。 w通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干 氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 wHMP途径(戊糖磷酸途径)在总的能量代谢中占一定比例，且与细 胞代谢活动对其 中间产物的需要量相关。 微生物营养与代谢 6-磷酸-葡萄糖 5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖 5-磷酸-木酮糖 6-磷酸-景天庚酮糖 6-磷酸-果糖 6-磷酸-葡萄糖 3-磷酸-甘油醛 4-磷酸-赤藓糖 6-磷酸-果糖 3-磷酸-甘油醛 o OH OH CH2OH OH HO o OH CH2OP OH H

22、O COOH C=O H-C-OH H-C-OH D CH2OP CH2OH o OH OH CH2OP OH HO ATPADPNAD(P)+ NADH+H+ NAD(P)+ NADH+H+ 葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖 C=O H-C-OH H-C-OH H-C-OP H CH2OH H-C-OH H- C=O H-C-OH H-C-OH CH2OP 5-磷酸-核酮糖 C=O HO-C-H H-C-OH H-C-OP H CH2OH 5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖 HMP 途 径 无氧 进入EMP或形成己糖磷酸 微生物营养与代谢 3.ED(Entner-Doudo

23、roff恩特纳-杜多罗夫 )途径 w这条途径是Entner(安特纳)和doudoroff(杜德洛夫)在研究 嗜糖假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED途径。这条途 径的关键是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸的3,3裂解,分解为3- 磷酸甘油醛和丙酮酸。3-磷酸甘油醛可进入EMP途径转变成 丙酮酸。在极端嗜热古菌和极端嗜盐古菌中，葡萄糖的分解 是靠经过修饰的ED途径而进行的，而且其初期的中间产物不 经过磷酸化。 wED途径(恩特纳-杜多罗夫)的产能水平较低。1分子的葡萄糖分解为2分 子丙酮酸时，只净得1分子ATP和2分子NADH。 微生物营养与代谢 wED途径(恩特纳-杜多罗夫)（2-酮-3-脱

24、氧-6-磷酸葡糖酸途径，KDPG） 微生物营养与代谢 4、PK（磷酸解酮酶）途径 （1）磷酸戊糖解酮酶途径-PK （2）磷酸己糖解酮酶途径-HK 如：肠膜明串珠菌利用HK 途径将葡萄糖 分解为乳酸和乙酸，利用PK途径将戊糖分解 为乳酸和乙醇。 微生物营养与代谢 w多糖的分解。我们在这里说的糖，并不只是 平常所说的有甜味的糖，主要指的是淀粉、 纤维素、半纤维素以及果胶质、几丁质等， 它们是由许多简单的糖化合物分子聚合在一 起形成的。 微生物营养与代谢 w淀粉的分解是由微生物产生的淀粉酶催化完 成的，因为淀粉是由许多葡萄糖分子聚合而 成的，所以最终把淀粉分解，产生葡萄糖、 麦芽糖等。 微生物营养与

25、代谢 w纤维素的分解。纤维素是地球上最丰富的多 糖类化合物，是由许多葡萄糖分子聚合而成 的长链大分子。许多微生物能够分泌分解纤 维素的酶，土壤微生物产生的纤维素酶分解 农作物秸杆，最终产生葡萄糖。 微生物营养与代谢 w半纤维素的分解。半纤维素的结构与组成随 植物的种类或存在部位不同而异，微生物分 解半纤维素的酶也多种多样。半纤维素分解 后产生木糖、阿拉伯糖等等。 微生物营养与代谢 w果胶质的分解。果胶质是构成植物细胞间质 的主要物质，分解果胶的微生物主要是一些 细菌和真菌，分解果胶质后产生一些有机酸 和醇类化合物。 微生物营养与代谢 w1.蛋白质的分解。蛋白质是由氨基酸组成的 大分子量的化合物

26、，种类繁多。微生物中产 生的蛋白酶可将蛋白质分解为片段较小的肽， 然后再由肽酶将肽分解成为氨基酸。微生物 产生的蛋白酶大多数可以分泌到细胞外面， 称为胞外酶，但肽酶有胞外酶，也有不向外 分泌而只存在于细胞内的胞内酶。微生物也 能分解组成蛋白质的氨基酸，形成胺类和醇 类。 微生物营养与代谢 w微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和 脱羧基作用。 微生物营养与代谢 w1.脂肪的分解。微生物对脂肪的分解主要依 赖于脂肪酶的作用，产生甘油和脂肪酸。在 有氧条件下，脂肪酸可被彻底氧化，并释放 出大量能量。 微生物营养与代谢 w微生物分解脂肪酸主要是通过-氧化途径。 -氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在-碳原

27、 子上而得名。在氧化过程中，能产生大量的 能量，最终产物是乙酰辅酶。而乙酰辅酶A 是进入三羧酸循环的基本分子单元。 微生物营养与代谢 3.2.3 微生物发酵的代谢途径 w3.2.3.1 醋酸发酵 acetic fermentation w为氧化发酵之一。是指乙醇在醋酸菌的 作用下氧化成醋酸的过程。此外还有多种微 生物通过厌氧活动亦可将各种化合物形成醋 酸，但对此一般都不称其为醋酸发酵。人类 对食醋的制作和利用已有很长的历史了，然 而对醋酸菌的发现却只是前一个世纪的事情， 是1863年巴斯德（LPasteur）发现的。 微生物营养与代谢 3.2.3 微生物发酵的代谢途径 w关于柠檬酸发酵的机制虽

28、有多种理论，但目 前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的 关系。糖经糖酵解途径(EMP途径)，形成丙 酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱 羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸 。 w目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生 产菌。 微生物营养与代谢 3.2.3 微生物发酵的代谢途径 w3.2.3.3 乙醇发酵 w在厌氧条件下，微生物通过糖酵解途径（又 称途径）将葡萄糖转化为丙酮酸，丙酮 酸进一步脱羧形成乙醛，乙醛最终被还原成 乙醇的过程.乙醇发酵的主要代表菌为酵母菌 属，工业上主要用于酿酒和酒精生产。某些 细菌，如运动发酵单胞菌也可以进行乙醇发 酵。 微生物营养与代谢 酵母菌乙醇发酵: C

29、6H12O6+2ADP 2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O 极酸条件下的严格厌养菌如胃八叠球菌和肠杆菌也可通过EMP 进行乙醇发酵（丙酮酸甲酸裂解酶而不是丙酮酸脱羧酶）。 微生物营养与代谢 酵母乙醇发酵的类型 条件条件 受氢体受氢体 ATP 主要产物主要产物 正常（脱羧） 乙醛 2 乙醇（同型酒精发酵，酵母一型发酵） 加亚硫酸氢钠 磷酸二羟丙酮 甘油（酵母二型发酵） pH7.6碱性条件 磷酸二羟丙酮 甘油、 乙醇 、乙酸（酵母三型发酵） 注意： 代谢的途径、条件、受氢体和产物的不同。 微生物营养与代谢 3.2.3.4 乳酸发酵 同型乳酸发酵：通过EMP途径仅产生乳酸的发酵 异型乳酸发酵：通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有 机化合物的发酵 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸， 生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸