第十四单元-第五章微生物代谢(一)

第五章

微生物的代谢本章内容第一节代谢概论第二节糖代谢第三节氨基酸和蛋白质代谢

第四节脂类代谢

第五节微生物的代谢调控与发酵生产

第一节代谢概论简称代谢（metabolism），是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]一、新陈代谢

能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力，所有的物理和化学过程都是能量应用或转移的结果。

二、能量

微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化（分解代谢）、无机物的氧化、光。最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）光有机物氧化无机物氧化氧化还原反应是电子从一个供体（还原剂）转移至一个电子受体（氧化剂）的反应。在生物化学中，氧化还原通常不仅仅只是转移电子，有时也转移氢原子，因为在细胞氧化中，电子和质子可以同时失去，这就相当于失去氢原子。三、氧化还原反应

氧化还原对E0´（氧化还原电势）2H+＋2e－

——→H2Fe3+＋e－——→Fe2+NAD(P)+

＋H+

＋e－

——→NAD(P)HS＋2H+＋2e－

——→H2SFAD＋2H+＋2e－——→FADH2Cytb(Fe3+)＋e－——→Cytb(Fe2+)Cytc(Fe3+)＋e－——→Cytb(Fe2+)NO3－＋2H+

＋2e－

——→NO2－＋H2ONO2－＋8H+

＋6e－

——→NH4

＋2H2OFe3+＋e－——→Fe2+O2

＋4H+

＋4e－

——→4H2O－0.42－0.42－0.32－0.274－0.180.0750.2540.4210.440.7710.815能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。三磷酸腺苷（ATP）在细胞代谢的能量流通中扮演着“能量货币”的重要角色，它作为能量的载体参与代谢途径中能量的储存、释放和转移。四、ATP及产生ATP的三种磷酸化反应

生物体具有三种磷酸化方式产生ATP：

1底物水平磷酸化

高能磷酸基团直接从磷酸化合物（底物）转移到ADP而形成ATP。2氧化磷酸化电子通过一系列电子载体（NAD+等）被转给分子氧或其他有机分子时发生磷酸化而产生ATP。3光合磷酸化光合磷酸化只存在于能进行光合作用的细胞中。把所捕获到的光能通过电子传递链转化为以ATP和NADH形式储存的化学能。第二节糖代谢多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。一、糖的分解代谢和产能

1.多糖和二糖的分解(1)淀粉的分解：淀粉酶(α-1,4

)、糖化酶、普鲁兰酶（α-1,6

）等(2)纤维素和半纤维素的分解天然纤维素C1酶

短链纤维素Cx酶

纤维寡糖纤维二糖葡萄糖β-葡萄糖糖苷酶

葡萄糖半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。(3)果胶的分解果胶由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键形成的直链状高分子化合物。果胶酶主要有三种：果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖醛酸酶。(4)二糖的分解蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有两种方式：一是水解酶将其水解为单糖;另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。1）蔗糖的分解许多微生物细胞能够分泌蔗糖水解酶：蔗糖+H2O蔗糖水解酶葡萄糖＋果糖在嗜糖假单胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反应：蔗糖+H3PO4

蔗糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋果糖2）麦芽糖的分解麦芽糖+H2O麦芽糖水解酶2葡萄糖麦芽糖+H3PO4

麦芽糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖3）乳糖的分解乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖4）纤维二糖的分解纤维二糖是在纤维二糖磷酸化酶的催化下分解的。纤维二糖+H3PO4

纤维二糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖2.单糖的分解和产能葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括：EMP途径、ED途径、TCA循环、HMP途径。每条途径既有产生多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能，又有脱氢、产能的功能。(1)葡萄糖的分解和产能(2)呼吸和发酵在生物体中，葡萄糖经上述的多种途径分解后，产生NAD(P)H+H+经过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。2.单糖的分解和产能(1)葡萄糖的分解和产能有氧呼吸：底物分解产生的氢，经完整的呼吸链（RCrespirarorychain，又称电子传递链ETCelectrontransportchain）递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）的过程。无氧呼吸：底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。

发酵：在无氧条件下，底物脱氢后不经过呼吸链传递而直接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的—类低效产能反应

。

生物氧化1)有氧呼吸（aerobicrespiration)

指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子（氢）经过一系列电子载体最终传递给外源分子氧并产生较多ATP的生物氧化过程。以氧气以外的氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。有氧呼吸和无氧呼吸的区别A.电子传递链：由一系列按氧化还原电位由低到高顺序排列起来的氢(电子)传递体组成。原核生物呼吸链在细胞膜上，真核生物的呼吸链位于线粒体内膜但呼吸链的主要成分是类似的。两个功能：1）传递氢或电子；2）储存氢或电子传递过程释放的能量，用于合成ATP；又称“呼吸链”当一对电子通过呼吸链从NADH传递至O2的过程中，释放自由能的部位有三处即产生3ATP，P/O=3。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP原核生物呼吸链的特点:多样化1.除了葡萄糖或其它有机基质外，H2、S、Fe2+、NH4+、NO-2等都可用作电子供体；2.除了O2外，可用作电子受体的还有NO-3、NO-2、NO-、SO42-、S2-、CO32-，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亚砜和氧化三甲亚胺等有机物；3.各类型细胞色素，如a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；4.末端氧化酶，不仅有细胞色素a1、a2、a3、d、o等，还有H2O2酶和过氧化物酶；5.呼吸链组分与含量多变，随氧气的供应、生长阶段、基本营养供应、Fe2+、SO42-浓度等变化而改变；6.不仅有一般呼吸链，还有分支呼吸链；7.电子传递方式多样化，在细菌中可经CoQ传递给细胞色素，也可不经CoQ传递给细胞色素。B.氧化磷酸化作用的化学渗透假说化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说位于细胞膜或线粒体内膜的呼吸链组分在传递来自基质的氢时，在将电子传递给下一个电子载体的同时把质子从膜内泵到膜外，因而造成了膜内外两侧的质子梯度和电位梯度，由此产生质子动势，这种动势蕴藏着电子传递过程中所释放的能量。在质子动势的驱动下，质子通过跨膜的ATP合酶从膜外回到膜内，并释放能量驱使ADP磷酸化生成ATP。化学渗透假说：电子从NAD+进入呼吸链传递至O2时，只有3处释放出足够的能量能与ADP磷酸化相偶联，产生3分子ATP；NAD呼吸链的P/O=3；电子从FAD+进入呼吸链传递至O2时，只有2处释放出足够的能量能与ADP磷酸化相偶联，产生2分子ATP，FAD呼吸链的P/O=2；P/O：表示当一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP分子数，即表示呼吸链氧化磷酸化效率。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP具有抑制电子传递、能量转移和解偶联作用的物质都会阻止氧化磷酸化。抑制电子传递：KCN、NaN3、CO等；解偶联剂：2,4-二硝基苯酚，短杆菌肽等由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要高于发酵中产生的能量，即微生物在有氧呼吸过程中，利用较少的糖而能获得厌氧条件下相同量的ATP。酿酒酵母等既可利用发酵产能，又可利用呼吸产能的兼性厌氧微生物，在有氧条件下终止厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵(或氧抑制糖酵解)的现象称为巴斯德效应（Pasteureffect）。由此降低了葡萄糖的消耗，并抑制了乙醇的产生。C、巴斯德效应2）无氧呼吸（anaerobicrespiration）呼吸链末端的氢或电子受体是外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。无机物：NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、S、CO2有机物：延胡索酸（fumarate）等根据末端氢（电子）受体的不同，无氧呼吸分为多种类型：A.硝酸盐呼吸B.硫酸盐呼吸C.硫呼吸D.铁呼吸E.碳酸盐呼吸F.延胡索酸呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物(极大多数是细菌)在无氧条件下，通过电子传递链递电子，通过氧化磷酸化而产能的代谢。氢或电子受体A.硝酸盐呼吸以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，又称“反硝化作用”只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2硝化作用是指异养微生物进行氨化作用产生的氨，被硝化细菌、亚硝化细菌氧化成亚硝酸，再氧化成硝酸的过程。能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌（又称反硝化细菌），主要生活在土壤和水环境中，如地衣芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、依氏螺菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌和生丝微菌属中的一些成员等。大肠杆菌也是一种反硝化细菌，但它只能将NO3-还原成NO2-。第二，反硝化作用：指NO3-被还原成NO2-，再逐步还原成NO、N2O和N2的过程，称“异化性硝酸盐还原”，仅局限于原核生物。第一，同化性硝酸盐还原。很多细菌、真菌及植物将NO3-还原成NH3，为生长提供氮源。硝酸盐在微生物生命活动中主要具有两种功能：

能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，专性厌氧微生物无法进行硝酸盐呼吸。但只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的硝酸盐还原酶A和亚硝酸还原酶。有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶合成被阻，细胞进行有氧呼吸。大肠杆菌(a)有氧呼吸；(b)硝酸盐呼吸：电子受体是硝酸根离子反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境害：土壤中植物能利用的氮（NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。防止措施：松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。利：反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐易溶解于水，常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。B.硫酸盐呼吸进行硫酸盐呼吸的细菌称“硫酸盐还原细菌”，包括脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫八叠球菌属等。它们都是严格厌氧的古生菌。极大多数为专性化能异养型，利用有机酸（乳酸、丙酮酸、延胡索酸和苹果酸等）、脂肪酸（乙酸和甲酸）和醇类（乙醇）等有机质生长。少数营混合营养型生长，在有适宜有机碳源和能源时营化能异养生活，若无适宜有机物时也能以H2、CO2进行自养生长。经呼吸链传递的氢交给硫酸盐（末端氢受体）的一种厌氧呼吸。硫酸盐还原的最终产物是H2S。

C.硫呼吸元素硫作为无氧呼吸的最终氢受体，最终硫被异化性还原形成H2S的过程。兼性或专性厌氧菌主要:硫还原菌属、脱硫单胞菌属CH3COOH+2H2O+4S2CO2+4H2S例如，利用乙酸为电子供体：某些兼性厌氧细菌可将延胡索酸还原成琥珀酸，即以延胡索酸为最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。以CO2或碳酸盐作为呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。D.碳酸盐呼吸（carbnaterespiration）无氧呼吸链的末端氢受体是Fe3+，这方面的研究目前仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌中有报道。F.铁呼吸（ironrespiration）G.延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）近年来，又发现了几种类似于延胡索酸呼吸的无氧呼吸，它们都以有机氧化物作为无氧环境下呼吸链的末端氢受体，包括甘氨酸（还原成乙酸）、二甲基亚砜（还原成二甲基硫化物），氧化三甲基胺（还原成三甲基胺）等。

在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。无氧呼吸对“鬼火”的生物学解释

厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。狭义的“发酵”:指在能量代谢或生物氧化中，在无氧条件下，底物（有机物）氧化释放的氢（或电子）不经呼吸链传递，而直接交给某种未完全氧化的中间产物的一类低效产能过程。广义的“发酵”，指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。3）发酵（fermentation）底物氧化不彻底，产能水平低；积累各种中间代谢产物不可缺少的途径。特点:底物水平磷酸化产生ATP实质:丙酮酸或它的衍生物电子受体:3-P-甘油醛丙酮酸乳酸葡萄糖糖酵解作用发酵途径A.乳酸发酵能发酵葡萄糖生成乳酸的微生物，称为“乳酸菌”根据发酵产物的不同，乳酸发酵分为：同型乳酸发酵异型乳酸发酵产物只有乳酸产物除了乳酸，还有乙醇（或乙酸）和CO2等由于菌体内酶系不同，乳酸菌的代谢途径分三种类型：同型乳酸发酵途径：德氏乳杆菌，植物乳杆菌

EMP乳酸脱氢酶

葡萄糖

2丙酮酸

2乳酸

+2ATP

NADH+H+NAD+异型乳酸发酵途径：肠膜明串珠菌，短乳杆菌