第五章微生物的新陈代谢

第五章微生物的新陈代谢微生物从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的化学反应，转变为自身细胞物质，以维持其正常生长和繁殖，这一过程即新陈代谢，简称代谢，包括合成代谢和分解代谢。分解代谢酶系复杂分子简单分子+ATP+［H］（有机物）合成代谢酶系微生物代谢特点有两点1、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。第一节微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）、受氢（或电子）。生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力［H］、产小分子之间代谢物。生物氧化的类型|呼吸、无氧呼吸、发酵。（一）底物脱氢的四条途径以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，在生物氧化的脱氢阶段中，可通过四条途径完成其脱氢反应，并伴随还原力［H］和能量的产生。1、EMP途径（糖酵解途径、己糖二磷酸途径）（1）EMP途径的主要反应（1.3-二磷酸甘油酸）EMP途径的总反应:C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H20（2）EMP终产物的去向：1）有氧条件：2NADH+H+经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP；2）无氧条件：①丙酮酸还原成乳酸；②酵母菌（酿酒酵母）的酒精发酵：丙酮酸脱羧为乙醛，乙醛还原为乙醇。（3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义①供应ATP形式的能量和还原力（NADH2）；②是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED途径）③为生物合成提供多种中间代谢物；④通过逆向反应可进行多糖合成。（4）生产实践意义与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵产生关系密切。2、HMP途径（戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径、WD途径）葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产生大量NADPH+H+形式的还原力及多种重要中间代谢产物。（1）HMP途径的主要反应（2）HMP途径的三个阶段1）葡萄糖分子经过三步反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；2）核酮糖-5-磷酸同分异构化或表异构化为核糖-5-磷酸和木糖-5-磷酸；3）无氧参与条件下，几种戊糖发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。★丙糖磷酸可通过EMP途径转化为丙酮酸进入TCA循环，也可通过果糖二磷酸醛缩酶核果糖二磷酸酶的作用转化为己糖磷酸。（3）HMP途径在微生物生命活动中的重要意义①供应合成原料提供戊糖-P、赤藓糖-P；②产还原力：产生12NADPH2；③作为固定CO2的中介：是自养微生物CO2的中介（核酮糖-⑤-P在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖-15-二磷酸）；④扩大碳源利用范围：为微生物利用C3～C7多种碳源提供了必要的代谢途径；⑤连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。（4）生产实践意义可提供许多重要的发酵产物（核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等）。3、ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径）存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。葡萄糖只经过四步反应即可形成丙酮酸。（1）ED途径的主要反应（2）ED途径特点1）KDPG（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；2）存在KDPG醛缩酶；3）两分子丙酮酸来历不同；4）产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。5）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途径相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。（3）细菌的酒精发酵（为好氧菌——运动发酵单胞菌）丙酮酸——脱羧——乙醛——NADH还原——乙醇。4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。（1）TCA循环的主要反应总反应式为：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP。GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成ATP。（2）TCA循环的特点1）必须在有氧的条件下进行（NAD+和FAD再生时需氧）；2）每分子丙酮酸可产4NADH2、1FADH2、1GTP，共相当于15ATP，产能效率极高。3）位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸、琥珀酸等）。5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率（二）递氢和受氢葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。1、呼吸（好氧呼吸）递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。（1）特点1）底物脱下的氢（［H］）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出ATP形式的能量。（2）呼吸链1）位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。3）不论是真核生物还是原核生物，呼吸链的主要组分都是类似的。3）氧化磷酸化呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。4）氧化磷酸化的机制——化学渗透学说5）呼吸链氧化磷酸化的效率每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数。用P/O作定量表示。从NAD（P）H2进入呼吸链[2H]产生3ATP，从FADH2进入呼吸链[2H]产生2ATP。原核生物呼吸链的P/O一般比真核细胞线粒体的低。2、无氧呼吸（厌氧呼吸）在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。产能效率较低。（1）特点1）底物脱下的氢经部分呼吸链传递；2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢；3）氧化磷酸化产能。（2）无氧呼吸的类型根据呼吸链末端氢受体的不同，把无氧呼吸分成以下类型：1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、N2O直至N2的过程。反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、NO和N2O会污染环境。2）硫酸盐呼吸严格厌氧菌——硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最终的还原产物是H2S。硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。3）硫呼吸兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。）4）铁呼吸某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是Fe3+的无氧呼吸。5）碳酸盐呼吸以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同分成两类：①产甲烷菌产生产生甲烷；②产乙酸细菌产生乙酸。6）延胡索酸呼吸一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。3、发酵广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。发酵类型很多。（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵1）酵母菌同型酒精发酵：酿酒酵母。2）同型乳酸发酵：德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。3）丙酸发酵：谢氏丙酸杆菌。4）混合酸发酵：E.coli。5）2，3-丁二醇发酵：产气肠杆菌。6）丁酸型发酵：丙酮丁醇梭菌。（2）通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵。1）异型乳酸发酵的经典途径2）异型乳酸发酵的双歧杆菌途径3）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较（3）通过ED进行的发酵——细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1ATP。氢供体：丙AA、亮AA、异亮AA、缬AA、苯丙AA、丝AA、组AA、色AA等。氢受体：甘AA、脯AA、羟脯AA、鸟AA、精AA、色AA等。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。（5）发酵中的产能反应发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式。其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧化磷酸化相比,产能效率极低。底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物,然后在各种磷酸激酶的催化作用下就可产生ATP。如:①EMP途径中：1.3-二磷酸甘油酸、PEP；②HMP途径中：乙酰磷酸等含高能磷酸键的产物。乙酰磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能：（6）与发酵有关的鉴别反应1）VP反应2）甲基红试验E.coli经EMP途径的混合酸发酵，甲基红指示剂PH4.2～6.0红色,中性橙黄色。二、自养微生物的生物氧化、产ATP和产还原力自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：1．化能自养型微生物:氧化无机物而获得能量的微生物；化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费一大部分ATP以逆呼吸链传递的方式把无机氢（H++e-）转变成还原力[H]；2．光能自养型微生物:能利用日光辐射的微生物。在光能自养微生物中，ATP是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力[H]则是直接或间接利用这些途径产生的。（一）化能自养微生物化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和[H]是通过氧化无机底物，例如NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和Fe2+等而获得的。1、产能方式——无机物氧化通过氧化还原态的无机底物（脱H或e-）实现的。借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产ATP，化能自养菌一般都是好氧菌（以O2为受氢体），极少厌氧菌。2、最初能源：NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和Fe2+等无机底物不仅可作为最初能源产生ATP，而且其中有些底物还可作为无机氢供体。3、还原力[H]的产生：无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原CO2还原力[H]。4、化能自养菌的呼吸链：还原态的无机物中，H2的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低些，其余都明显高于它。因此，各种无机底物进行氧化时，必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链，由此化能自养菌呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率（P/O）。★由于化能自养微生物产[H]以及固定CO2要大量耗ATP，因此它们的产能效率、生长速率和生长得率都很低。5、化能自养微生物能量代谢的主要特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，可直接进入呼吸链传递；②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；③产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。6、硝化细菌的能量代谢（1）硝化细菌广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养菌。从生理类型来看，硝化细菌分为两类：1）亚硝化细菌（氨氧化细菌）:可把NH3氧化成NO-2，Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)；2）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）:可把NO-2氧化为NO-3，Nitrobacter（硝化杆菌