第三章 微生物的代谢

第三章微生物的代谢第一节微生物代谢的研究方法第二节微生物的产能代谢第三节微生物的合成代谢第四节微生物的次级代谢第五节微生物的代谢调节

新陈代谢简称代谢，是微生物生命活动的基本特征之一，是微生物生理学的核心，它包括微生物体内所进行的全部化学反应的总和。

微生物的代谢作用包括分解代谢和合成代谢：分解代谢：有机物分解为简单物质并产生能量的过程。合成代谢：消耗能量以生成一系列细胞自身大分子过程。分解代谢与合成代谢两者在细胞内是偶联的。复杂有机物能量简单小分子

分解代谢

合成代谢

在研究代谢作用中，一般把具有明确的生理功能，对维持生命活动不可缺少的物质代谢过程，称为初级代谢，代谢产物称为初级代谢产物，如氨基酸，核苷酸，糖，脂肪酸和维生素等，而把些没有明确的生理功能，似乎并不是维持生命活动所必须的物质的代谢过程称为次级代谢，代谢产物称为次级代谢产物，如色素、抗生素，毒素，激素和生物碱等，尽管微生物代谢过程十分错综复杂，但体内的调控系统却能严格地控制着各种代谢过程，使之有条不紊。

微生物除了具有生物体的共有的代谢规律之外，还有自身的代谢特点，有如下几方面：a.微生物的代谢速率快，有的代时间仅20’；b.微生物种类繁多，各种微生物对营养要求与代谢方式均不相同，有的可以进行化能自养或异养，有的进行光能自养或异养，表现了代谢的多样性；c.微生物具有高度适应能力，当外界环境条件如培养基成分，PH及温度，供氧等发生改变时，微生物能改变自身的代谢方式，适应改变了的环境。微生物还具有易于人工控制的特点。在某些特殊因素（诱变因素）的作用下容易发生变异，这样微生物可作为研究生物体代谢规律的理想材料。

目前对微生物代谢的研究，已经历了分析微生物的营养和代谢途径的研究阶段，正在进行着代谢调节和代谢产物组建细胞器的研究阶段。这样使细胞代谢的研究从数量代谢（即蛋白质的变化）向着向量代谢（即空间变化）的水平发展，通过微生物代谢的研究，不但推动了微生物生理学的发展，而且也推动了整个生物科学的发展，同时，也促进了微生物工业的发展。第一节微生物代谢的研究方法一、静息细胞法二、同位素示踪法三、极谱分析法四、瓦勃格压力计法五、突变株的应用六、酶抑制剂法

研究微生物代谢的方法很多，采取哪种方法进行研究，要根据研究的目的作出选择。当研究微生物个体或群体对各种物质的分解和合成途径以及内外因子对代谢过程的影响时，应采用整体细胞为试验材料，或者用亚细胞组分、细胞内的酶进行研究。要研究某物质在微生物体内的变化过程及其与其它物质的关系时，常用同位素示踪法。近年来还利用极谱分析技术研究代谢过程中物质变化，研究呼吸作用使用瓦勃格压力计法等。一、静息细胞法

这是从整体细胞水平进行研究的方法。所谓静息细胞是将培养到一定阶段的菌体，收集在一起经洗涤之后，悬浮在生理盐水中继续培养一段时间，消耗其内源营养物质，使之是饥饿状态，如此获得的为静息细胞，加入已知物质，利用静息细胞内的酶系进行分解或合成作用，对所得产物进行分析，判断代谢过程。

利用静息细胞可以帮助发现新的生长素，硫辛酸就是这样被发现的，但这种方法使用的是完整细胞，难以了解物质代谢的中间过程。此外，由于细胞膜的存在，某些物质不能通过膜，会造成误差。二、同位素示踪法

同位素特别是放射性同位素，放射出射线，可以用仪器测定，此时，射线就是放射性同位素的特殊标记，根据射线的存在就能追踪它运动的途径，所以也叫示踪原子或标记原子。放线性原子容易辩认和寻找，又不改变原子的代谢性质，因此适用于研究物质参与新陈代谢的过程，例如在研究微生物的糖代谢中，糖降解中放出CO2用14C将糖不同位置的C进行标记，能了解释放的CO2来自糖的第几位碳，确定糖降解的途径。应用同位素示踪法研究代谢活动准确，简便而且灵敏，但放射性对人体有损害，使用时应注意防护。三、极谱分析法

极谱分析是一种特殊条件下的电解分析，通过电解测试代谢途径中的物质种类的浓度，本方法具有灵敏度高、重复性好，测定快速及样品用量少等特点。四、瓦勃格压力计法

本方法是利用瓦勃格氏呼吸计来研究微生物学代谢过程如呼吸、发酵，酶的活性等。五、突变株的应用

突变株大致可分为两类：营养缺陷型突变株和特异营养突变株。利用突变株，可观察微生物代谢的中断或抑制位的物质，从而繁代谢的整体途径，测得中断位前的物质积累。六、酶抑制剂法在研究微生物的代谢作用时，常常利用各种具有专一作用的抑制剂来推测代谢作用的过程。第二节微生物的产能代谢一、能量来自有机物二、能量来自无机物三、能量来自可见光

微生物进行的一切生理活动都要消耗能量，不但生长需要，当不生长而只是维持生命的状态时也需要能量。鞭毛的运动，原生质的流动，细胞或细胞核分裂过程中染色体的分离等所作的机械功都要消耗能量，另外维持细胞的渗透压，物质的跨膜运输也需要消耗能量，生物发热，发光等。那么微生物体内的能量从何而来，这是微生物生理学的最核心问题之一。

ATP的结构ATP的生成底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化1,3-二磷酸-甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶ADPATP底物水平磷酸化氧化磷酸化在化能异养微生物中，由底物脱氢产生的高能电子通过电子传递链（呼吸链）传递，在逐步降低能量的同时把能量转移给ADP，以生成ATP。在酵母中，一对电子通过呼吸链可以产生3个ATP，而在细菌中只产生1个。真核生物的电子传递链位于线粒体中，细菌中位于细胞膜或内膜上光合磷酸化

在进行光合作用的生物中，光合色素（叶绿素、菌绿素）吸收光能，产生高能电子，高能电子沿电子传递链传递，在降低能量的同时把能量转移给ADP，以产生ATP，或转移给NADP以产生NADPH2（还原力）。微生物的氧化方式有氧呼吸发酵无氧呼吸有氧呼吸最终电子受体为O2的生物氧化。电子传递链把化合物脱下的氢传递，最终交给O2，生成H2O。通过呼吸作用有机物被彻底氧化成CO2和H2O,并释放其中能量,一部分能量转移到ATP中,一部分以热的形式散失.进行有氧呼吸的微生物都是需氧菌和兼性厌氧菌。发酵发酵可分为狭义发酵和广义发酵。狭义发酵：生物氧化中最终电子受体无氧时以有机物为最终电子受体，不使用电子传递链，只发生基质水平磷酸化。广义发酵：在发酵工业常把利用微生物的生产过程称为广义发酵。3.3

类型 反应 丙酮酸来源 酒精发酵

2ADP2ATP

酵母葡萄糖

2CH3COCOOHEMP

2NAD2NADH2

2CH3CH2OH2CH3CHO

细菌葡萄糖2CH3COCOOHED

2NAD2NADH22CH3CH2OH2CH3CHO

不同的菌产生的特征性还原产物不同，因此可形成不同类型发酵：

类型反应丙酮酸来源乳酸发酵

同型乳酸发酵(德氏乳杆菌)

葡萄糖

CH3COCOOH

EMP2NAD2NADH2CH3CHOHCOOH

异型乳酸发酵(肠膜状明串珠菌)

葡萄糖+ADP乳酸+乙醇+CO2+ATP

HMP

丁酸发酵丁酸梭菌

丙酮酸乙酰辅酶A乙酰乙酰辅酶AEMP

丁酸、乙酸、H2+CO2

最终电子受体为无机氧化物的氧化过程。根据电子受体不同，又可分为不同类型：类别电子受体 产物 电子传递链上作用微生物特点最后一个酶 硝酸盐呼吸 NO3-NO2-、N2

硝酸盐还原酶 反硝化兼厌氧

NO、N2O

硫酸盐呼吸 SO42-SO32-、S2O32

硫酸盐还原酶 反硫化专性厌氧

H2S

硫呼吸 S0 HS-,S2-

反硫化兼性/专性厌氧

无氧呼吸类别电子受体产物电子传递链上作用微生物特点最后一个酶 铁呼吸 Fe3+

兼/专厌氧碳酸盐呼吸CO2、HCO3-CH4生成甲烷专性厌氧延胡索酸呼吸延胡索酸琥珀酸兼厌氧一、能量来自有机物1．大分子的降解2．二糖的分解3．单糖的分解4．脂肪和脂肪酸的分解5．含氮化合物的分解6．其它有机物的分解7．内源性代谢物的分解

微生物的分解代谢是一个生物氧化的过程，分三阶段即脱氢、递氢、受氢。脱氢递氢受氢1．大分子的降解

淀粉，纤维素，果胶，蛋白质，核酸等大分子化合物不能通过细胞质膜，它们需要微生物产生的胞外酶水解成小分子化合物，才能被微生物吸收利用，虽然这些大分子水解成单体时不产生可被利用的能量，但这一步骤是为小分子进一步氧化产能做准备的。2．二糖的分解

很多二糖能被微生物分解利用，如蔗糖，麦芽糖，乳糖；纤维二糖等，分解二糖的酶结合于细胞表面或存在于细胞内，结合于细胞壁上的水解酶，易水解利用二糖，位于细胞内的水解酶，其水解作用不仅受水解酶本身限制，还受细胞渗透酶系的限制。3．单糖的分解

按照单糖所含的C原子的数目可分丙糖、丁糖、戊糖、已糖、庚糖、辛糖、壬糖。其中已糖中的葡萄糖和果糖是异养微生物的良好碳源和能源，能真接进入糖代谢途径被分解。在单糖分解途径中葡萄分解为的丙酮酸的途径最为重要，这在微生物中至少有五种途径，但通常这么三种途径尤为重要，EMP途径（又称已糖二磷酸途径或酵解途径），HMP途径（又称磷酸戊糖途径），ED途径（又称已糖磷酸途径），请同学的自己复习普通微生物学。4．脂肪和脂肪酸的分解

脂肪和脂肪酸只能做为部分微生物的碳酸和能源。

5．含氮化合物的分解

含氮化合物主要包括蛋白质、核酸及水解产物如氨基酸、嘌呤、嘧啶等，这些物质通常不能被微生物直接吸收，而是将这两类物质先在胞外酶水解成小分子的氨基酸和碱类才能被细胞所吸收。6．其它有机物的分解

微生物可以利用烃类、芳香烃（苯）、一碳化合物（CO、CH4、CH3OH、CH3O、甲醚，甲胺），二碳化合物（乙酸，乙醇，乙醛，草酸）的氧化，获得能量。7．内源性代谢物的分解

内源性化生物是指微生物细胞内特种能量储藏物，包括碳水化合物（多聚葡萄糖、糖源），脂类（多聚β-羟基丁酸），多聚磷酸等。二、能量来自无机物

少数细菌可以从氧化无机物中获得能量，同化合成细胞物质，根据氧化无机物的种类，可将无机化能细菌分为氢细菌、硝化细菌、硫化细菌、铁细菌。

1．氢细菌

2．氨的氧化

3．硫的氧化

4．铁的氧化

1．氢细菌

氢细菌都是一些呈G-的兼性化能养自养菌，它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其它有机物进行生长。2．氨的氧化

氨的氧化可分两个阶段，先由亚硝酸细菌将氨氧化成亚硝酸，再由硝酸细菌将亚硝酸氧化为硝酸。3．硫的氧化

硫杆菌能利用硫作为能源而生长，其中多数硫杆菌是通过氧化硫代硫酸盐获得能量的。4．铁的氧化

铁的微生物转化通过两条途径，a.通过专一的微生物；b.通过非专一的微生物。三、能量来自可见光

光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，除高等植物外，还有光合微生物如藻类、蓝细菌和光合细菌，光合作用本质是指生物将光能转变为化学能，并以稳定形式贮藏的过程，前者指光反应阶段，后者指暗反应阶段。

1．紫色细菌的光能转化

2．绿色细菌的光能转化

3．蓝绿细菌的光能转化

4．嗜盐细菌的光能转化1．紫色细菌的光能转化其特点是：利用波长为870nm的光波；环式电子传递；在异养时一般不能直接还原NAD+为NADH。2．绿色细菌的光能转化其特点是：利用波长为840nm的光波；环式电子传递；通过FeS蛋白能直接还原NADH。3．蓝绿细菌的光能转化其特点是：非环式电子传递；不仅能产生ATP，还能提供NADH；光波较宽。4．嗜盐细菌的光能转化

这是一类好氧的极端嗜盐的生物，其光合系统较一般光合细菌更简单，它不含有叶绿素和常规的氧化还原载体。第三节微生物的合成代谢一、CO2的固定二、二碳化合物的同化三、糖类的合成四、脂类的合成五、生物固氮六、氨基酸的生物合成七、核苷酸的合成八、核酸的合成九、蛋白质的生物合成

在第二节中讨论了微生物如何将光能和化学能转变为生物能量的过程，这里阐明的是微生物利用这些能量合成细胞物质的过程。自养微生物具有巨大的生物合成能力，尤其是严格的自养微生物，它们不需要任何有机物，只利用无机物就能合成全部细胞物质，异养微生物合成细胞物质所需的小分子来自有机化合物，这些小分子物质可以从外界吸收，但更多的是靠分解营养物质获得。一、CO2的固定CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物也能利用CO2作为补助的碳源。将空气中的CO2同化成细胞物质的过程称为CO2固定作用。CO2的固定方式有自养型和异养型两种。1.自养型CO2固定：自养微生物包括光能自养和化能自养，固定CO2的途径有三条（二磷酸核酮糖环，即卡尔文循环固定；还原三羧酸环；还原的单羧酸环）。卡尔文循环固定CO2的过程可分为三个阶段：CO2的固定；被固定CO2的还原；CO2受体的再生。

2.异养型CO2固定：异养型CO2的固定主要是合成TCA环的中间产物。卡尔文循环的三个阶段示意图

二、二碳化合物的同化主要通过：乙醛酸循环：参与TCA途径，比较普遍地存在于好氧微生物。甘油酸途径：主要是补充TCA的中间产物。三、糖类的合成

无论是自养微生物还是异养微生物其合成单糖的途径都是通过EMP途径的逆行而合成6-磷酸葡萄糖，然后再转化为其它的糖或双糖的及多糖。

四、脂类的合成

脂类包括脂肪酸，脂肪和磷脂，萜烯及其化合物的合成，其途径与生化上一致。五、生物固氮

微生物将氮还原成氨的过程称为生物固氮，生物固氮作用是固氮微生物物一种特殊生理功能，现在已发现大约近50个属的微生物可以固氮，都属原核微生物。微生物的固氮体系有：自生固氮体系共生固氮体系联合固氮体系自生固氮体系能独立生活并固氮的微生物属于自生固氮微生物。常见的种类有：好气性异养固氮菌：圆褐固氮菌等；厌气性异养固氮菌：梭菌属某些种；兼性异养固氮菌：芽胞杆菌属某些种；光合固氮菌：红螺菌属；固氮蓝细菌：鱼腥藻、念珠藻等。共生固氮体系根瘤菌与豆科植物的共生固氮

根瘤菌固氮强度远比自生固氮体系高得多。根瘤菌的固氮作用与植物的生理状况有关。弗兰克氏菌与非豆科植物的共生固氮蓝细菌与植物的共生固氮联合固氮体系主要生活在植物根的粘质鞘套内或皮层细胞间的固氮菌，与植物有一定的专一性，单并不形成特定的共生结构，这种关系为联合固氮体系。常见种类：雀稗固氮菌、固氮螺菌、克氏杆菌、肠杆菌。固氮酶固氮微生物的固氮作用是微生物产生的固氮酶完成的。在以N2作氮源时，微生物必须合成大量固氮酶才能适宜于它的生长，有时固氮酶可达细胞总蛋白量的30%。固氮酶是氮气还原的生物催化剂，微生物可在常温常压条件下利用固氮酶将氮还原成氨。固氮酶的结构比较复杂，它的分子量很大，一般都含有2种蛋白组分，即钼铁蛋白和铁蛋白。两个组分单独存在时都没有固氮作用，只有当这两个组分同时存在才构成具有功能的固氮酶。铁蛋白被认为是活化电子的中心，也称为固氮酶的还原酶。而钼铁蛋白被认为是固氮酶的催化中心，是真正的固氮酶。固氮酶具有多种催化作用，除还原分子态氮为NH3外，还催化许多底物的还原作用。当固氮菌生活在缺N2条件下时，其固氮酶可将H+全部还原成H2；在有N2条件下，固氮酶也总是把75%的还原力去还原N2，而把另外25%的还原力以形成H2的方式浪费了。固氮酶对氧气敏感，分子态氧可使其钝化而失活，所以固氮酶的催化作用必须在无氧条件的低氧化还原电位下进行。不同类型的固氮细菌在细胞内都具有自己的防氧机制．根瘤菌的豆血红蛋白等以保证固氮作用的进行。固氮作用是高耗能的反应，为节省能量消耗，固氮生物只是在没有现成的无机氮化物作为营养物质时才进行固氮作用，将N2还原为氨。在固氮微生物细胞内，它们具有一套复杂而高效的机制，用来调节微生物自身对氮素的吸收和同化。固氮条件是：低的氧分压；ATP、电子供体、电子递体；快速的同化和转移NH3的系统。

目前国内在生物固氮方面的领军人物：

陈文新李季伦生物固氮研究的愿景：实现常温常压合成氨建立多种共生固氮体系六、氨基酸的生物合成氨的来源：直接从外界环境吸收；体内含氮化合物的分解；通过固氮作用合成；由硝酸还原作用生成。硫上来源：大多数微生物可以环境中吸收硫酸盐，并以此作为硫的供体。碳架的来源：来自糖代谢产生的中间产物。合成途径：氮基化作用；转氨作用；由初生氨基酸合成次生氨基酸。

第四节微生物的次级代谢一、次级代谢的类型二、次级代谢产物的生物合成三、次级代谢的特点四、次级代谢的生理功能一、次级代谢的类型次级代谢产物种类繁多，区分无统一标准，有的按照次级代产物的产生菌，有的根据次级代谢产物的结构或作用，有的根据次级代谢产物合成途径。1.根据产物合成途径可以分为四种类型，与糖代谢有关的类型，与脂肪酸代谢有关的类型，与萜烯和甾体化合物有关的类型，与TCA环有关的类型。2.根据产物作用可以区分为抗生素，激素，生物碱，毒素及维生素。二、次级代谢产物的生物合成合成过程可以概括为如下模式：营养物质（C、N、P、S等）前体次级代谢产物进入次级代谢质大约经过三个步骤：

第一步前体合成、第二步结构修饰、第三步不同组分的装配。1．青霉素和头孢菌素的生物合成；2．链霉素的生物合成；3．四环素族抗生素的生物合成，包括金霉素，土霉素，四环素等；4．赤霉素的生物合成；5．麦角碱的生物合成。三、次级代谢的特点1．次级代谢以初级代谢产物为前体，并受初级代谢的调节；2．