第六章微生物的代谢

第六章第六章微生物的代谢微生物的代谢代谢旺盛；多样化；代谢的灵活性和严格的调控。本章重点：能量代谢及微生物特有的合成代谢以及代谢的调节。微生物代谢的特点：微生物代谢的特点：第一节第一节多样化的能量代谢多样化的能量代谢l能量代谢的主要任务：将外界环境中各种形式的最初能源转换成能直接利用的ATP。以生物氧化实现。l生物氧化：生物体能量代谢中的基本生化反应。通过物质的生物氧化产生大量的ATP供生命活动需要。异养微生物的产能代谢异养微生物的产能代谢葡萄糖是最常用的生物氧化基质，有氧或无氧条件下产能，基本发酵途径有发酵和呼吸。(一)发酵（Fermentation）广义：工业上用微生物生产有用代谢产物的过程。狭义：微生物在厌氧条件下以其自身内部的某些有机物作为末端氢受体进行的氧化还原过程。特点：胞质中底物水平磷酸化合成ATP,葡萄糖氧化不彻底，伴有多种发酵产物形成（有用代谢产物），大部分能量依然留在发酵产物中，产能效率低。Glu在厌氧条件下分解产能的途径主要有EMP途径、HMP途径、ED途径和PK途径。EMP途径（糖酵解途径或已糖二磷酸途径），极大多M共有的一条基本代谢途径，亦是专性厌氧M产物的唯一途径。HMP途径（戊糖磷酸途径），主要提供生物合成所需的大量还原力（NADPH+H+）和各种不同长度的碳架原料；ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径），替代途径；PK途径即磷酸酮解酶途径，没有EMP、HMP和ED途径的细菌通过PK途径分解Glu，如肠膜状明串珠菌、双歧双歧杆菌。1.1.发酵途径发酵途径2.2.发酵类型（按发酵产物的种类分）发酵类型（按发酵产物的种类分）(1)按M的种类分好氧性发酵：发酵过程必须不断地通入一定量的无菌空气。厌氧性发酵：不常供给空气.固体发酵：如白酒、酱、醋等。液体发酵：当前发酵工业中的主要方法。如啤酒发酵。（（22）按）按mediummedium的状态分：的状态分：两种：酵母型和细菌型。研究最早，最清楚是Yeast型。Yeast，兼性厌氧M（缺O2时兼性乙醇发酵，积累乙醇）。有氧存在则抑制发酵，但菌体仍能大量繁殖。此现象最初由Pasteur发现，故称“Pasteur效应”。自我调节。代表菌是酿酒酵母。工业发酵生产酒精、啤酒或发面时要注意采取隔绝或排除O2的措施。((一一))乙醇发酵乙醇发酵途径：先EMP途径将Glu分解为丙酮酸（pyr），在丙酮酸脱羧E的催化下脱羧生成乙醛，以乙醛为氢受体接受来自NADH+H+的氢生成乙醇。发酵产物会随发酵条件的不同而改变，当medium中加入NaHSO3（3%）时，乙醇发酵变为甘油发酵。只有少数细菌（如运动发酵单胞菌）进行细菌型乙醇发酵，它通过ED途径分解Glu为pyr，然后脱羧生成乙醇。产能更少，只1个ATP，故利用ED途径的M不多。许多乳酸菌、肠道菌和一些高温细菌，也能发酵Glu经pyr产乙醇，但其醛前体是乙酰-CoA，由乙醛脱氢酶还原乙酰-CoA为乙醛，进一步生成乙醇。乙醇发酵小结乙醇发酵小结代表菌是乳酸菌：发酵Glu成乳酸。两种类型：同型乳酸发酵和异型发酵。同型由Glu经EMP途径生成pyr，直接作为H受体被NADH+H+还原，全部生成乳酸。异型乳酸发酵，终产物除乳酸外，还有乙醇（或乙酸）和CO2等。它们只能依靠HMP（或PK）途径分解Glu，产能较低。双歧双歧杆菌进行一种经PK途径但产物稍有不同（有乙酸）的异型乳酸发酵称双歧发酵。（二）乳酸发酵（二）乳酸发酵混合酸发酵：一些肠道菌发酵Glu产乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、CO2和H2等产物。（三）混合酸（三）混合酸((mixedacid)mixedacid)发酵和丁二醇发酵发酵和丁二醇发酵发酵罐，密闭的深罐式容器。大规模分批液体深层发酵：发酵抗生素、有机酸、氨基酸等现代发酵工业的主要发酵形式。主要阶段：种子培养和发酵（原料的预处理、灭菌；原始菌种的扩大培养，先进入种子罐，再进入发酵罐进行一级、二级发酵；产品的提取、检测和获得成品。发酵：M，有氧或无氧条件下，制备微生物菌体或其代谢产物的过程。微生物工业：将传统发酵与现代新技术结合的现代化发酵技术。发酵工程分为发酵和提取两部分，发酵是M的反应过程，提取则是后处理。发酵的一般过程发酵的一般过程发酵罐的构造发酵罐的构造近年来，发酵工程已成为生物工程四大技术的核心，其特点：发酵工程与化学工程更紧密结合。发酵法生产抗生素，化学法变构，高疗效衍生物。发展了酶，整细胞和细胞器的固定化技术，简化工艺，节约设备，提高产品质量，降低生产成本，发酵趋于管道化，连续化，自动化。遗传工程技术的应用，使定向育种逐成可能。计算机的自控仪表的应用，提高发酵水平发酵工程的特点发酵工程的特点典型微生物发酵工艺流程图典型微生物发酵工艺流程图由由葡萄糖生产谷氨酸的代谢途径葡萄糖生产谷氨酸的代谢途径（二）呼吸（（二）呼吸（respirationrespiration））呼吸：指Glu或其他有机基质脱下的电子（H）经一系列载体最终传递给分子氧或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。这是大多M的产能方式，基质在氧化过程中释放的H不是直接交给有机物或O2，而是通过呼吸链交给电子受体。这是别于发酵的最大区别点。有氧呼吸：分子氧（O2）作为最终电子受体。无氧呼吸：O2以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体。呼吸链，又“电子传递链”。从Glu或其他氧化型化合物上脱下的H经一系列（H）电子传递体定向有序地传递的系统。原粒⊕M的呼吸链杂cm上，而真核M的呼吸链在线″内膜上，氧化磷酸化：呼吸链在递H过程中释放出的能量与ADP磷酸化相耦联产生ATP的过程。用“化学—渗透学说”说明。从NADH→FMN→CQ→b→c1→c→a→a3→铁硫Pr→O2细胞包素呼吸链呼吸链１．定义：Glu（有机氧化物）在有氧条件下通过有氧呼吸彻底氧化成为CO2和H2O并产生ATP的过程。TCA循环和电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。①Glu2pyr+2ATP+2NADH+H+②2pyr与CoA结合2乙酸CoA+2NADH+H+胞质、线粒体基质③乙酰-CoA进入TCA循环（线粒体）上述过程脱下的H直接给O2，生成H2O，形成8个NADH+H+，2个NADPH+H+，2个FAD.H2。同时通过呼吸链的氧化磷酸化生成了4个ATP，通过底物水平磷酸化产生4个ATP，共38个ATP。有氧呼吸（有氧呼吸（aerobicrespirationaerobicrespiration））有氧呼吸的特点：有氧呼吸的特点：需O2，耗O2（可兼性厌O2的M），在有O2时进行产能。既有脱H酶，又有氧化酶。通过呼吸链递H，受H体是O2呼吸底物是：有机物（化能异养M），无机物（化能自养M）底物彻底氧化、产能高（36个真核/38个原核ATP），递H体进入线″要耗12个ATP。又“厌氧呼吸”。指在厌氧条件下，厌氧或兼性厌氧M以外源无机氧化物（NO3—，NO2—，SO42—，CO2，Fe3+等）或有机氧化物（延胡素酸等）作为末端H受体的呼吸，产能效率低，图示如下：无氧呼吸（1）硝酸盐呼吸（硝酸盐还原，反硝化作用）反硝化B，还原成为NO2—，再成NO,N2O好处：利于N循环，松土；消除NO3-对水质的污染害处：N肥的损失（NO3-），降低土壤肥力（N2逸出）(2)硫酸盐呼吸：又“反硫酸化作用”。氧化态硫化物作H受体，。此类菌在厌氧下产H2S，引起土壤中、水中H2S过量，作物烂根、烂苗。（3）碳酸盐呼吸又“（甲烷发酵）碳酸盐还原”产甲烷菌存在于泥沼`污泥`、食草动物盲肠`瘤胃`粪便等厌氧环境中。在污水的厌氧处理中，由于产甲烷菌的活动产生大量甲烷，称为沼气发酵。无氧呼吸的种类无氧呼吸的种类二、光合细菌的能量代谢自养M对CO2固定，Kerbs循环将光能→化学能，光为原始能源，利用CO2（光能自养）或有机碳化合物（光能异养）作为C源，通过光合磷酸化产ATP的过程。光合细菌有3种类型的光合作用：1）依靠菌绿素的光合作用2）依靠叶绿素的光合作用3）依靠菌视紫红质的光合作用合细菌的能量代谢以CO2为主要或唯一C源，从还原态无机物（NH4+，N2O－、H2S、H2、S、Fe2+等）的生物氧化获能及还原力[H]，称化能自养M，多为好氧菌。无机物氧化与ATP的产生相耦联。三、化能自养M的生物氧化与产能氢细菌：以作为能源，在中生长。硝化细菌：利用还原性无机氮化合物进行蔬菜，如NO2－→NO3－（可利用N肥）硫细菌：利用H2S，S2O32－，S等无机硫化合物进行自养生长→SO42－。（硫杆菌属）铁细菌：能利用Fe2+并使Fe2+→Fe3+，产能。细菌沥滤：某些氧化亚铁硫杆菌将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐从低品位矿中浸出。细菌冶金进行无机物氧化的生理类群：M特有的合成代谢有固氮作用；一些结构大分子（如肽聚糖）的合成；细胞贮藏物（如聚β-羟丁酸）的合成一些次生代谢产物（如抗生素）的合成。§6-3微生物特有的合成代谢途径一、固氮作用空气中N2约80%，一般生物不能利用，而固氮M能利用N2。固氮作用：固氮微生物、固氮酶系、催化N2还原形成氨的过程。固氮微生物种类：自生固N，联合固N。共生固N：豆科植物的根瘤菌，直接利用空气中的N2固定为氨，再转为NO3－（可利用氮肥）。不须施N肥。花生、大豆有根瘤菌者产量高。与满江红（浮萍）共生的鱼腥藻。稻田养萍可以增产。细菌肥料（根瘤菌、其他固氮菌及土壤其他有益微生物的混合制剂，能增加土壤肥力。）固N过程（N2→NH3）需消耗能和还原力，以ATP形式提供能量，固定1molN2分子需耗18～28mol/l的ATP；还原力以NAD（P）H+H+或Fd·2H形式提供能量和还原力由有氧呼吸、无氧呼吸、发酵或光合作用提供。固N作用需要由双组分的固N酶复合体催化。组分Ι是固氮酶，为铁钼蛋白，是固N的活性中心，起结合、活化，还原N2的作用；组分Ⅱ是固氮还原酶，为铁蛋白，其功能是将e传递到组分Ι（一）固N机理固N酶对O2极其敏感，严格厌氧的微环境。固N需Mg2+的存在。固N酶对N2不专一，它也可还原其他化合物。固N酶还原乙炔的反应灵敏度高，测定简便（C2H2→C2H4，用气相色谱分析释放的乙烯）乙炔还原法成为当今固N研究中测定纯酶制剂固N活力和天然固N系统固N活力的一种常规方法。固N酶严格的调节控制。在富NH3的环境中或过量NH3时，固氮酶合成受阻。终产物阻遏，避免能量和养料浪费的方法之一。氨“关闭”效应。过量的NH3通过使固N酶发生共价修饰而导致酶失活；当氨再次受限量时，被共价修饰的酶又复性。粗调：固N酶合成的调节结合合成代谢的调控细调：固N酶活性的调节2、固N酶的调节好氧菌的矛盾：需氧但又须防止氧伤害其固N酶。机理主要有:固N菌属保护固N酶的机理：如呼吸保护，较强的呼吸强度迅速耗取固N部位周围的氧；构象保护，如褐球固氮菌的Fe-S蛋白Ⅱ氧分压高时与固N酶结合，失去固氮能力；氧分压低时Fe-S蛋白与固氮酶解离，恢复固氮。蓝细菌保护固N酶的机理：在异形胞中进行固N，适应在有氧下固氮。异形胞因其壁厚且缺乏氧光合系统Ⅱ而保持高度无氧或还原状态。没有异形胞的蓝细菌将光合作用与固N作用分开。根瘤菌保护固N的机理：根瘤菌周围有围膜包围，膜上有一种能与02发生可逆性结合的蛋白——豆血红蛋白，它与02的亲合力极强，调节根瘤中膜内氧浓度。３.好氧固N菌防止氧伤害其固N酶的机理肽聚糖生物合成分在细胞质中，细胞膜上以及细胞膜外合成3个阶段。（以金黄色葡萄球菌的肽聚糖合成为例，合成步骤多，合成部位几经转移）细胞质中合成胞璧酸五肽（与载体UDP相结合）细胞膜上由N-乙酰胞壁酸·五肽与N-乙酰葡萄糖胺合成肽聚糖单体——双糖肽亚单位。有细菌萜醇的脂质载体参与已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中并交联形成肽聚糖（转糖基作用，形成β-1,4-糖苷键，转肽酶的转肽作用为青霉素所抑制。二肽聚糖的合成高效、经济，有条不紊，代谢调节既严格，又灵活。两种代谢调节方式：酶合成调节（粗调）：即调节酶的合成量。通过诱导或阻断来进行。酶活力调节（细调）：调节已有酶的活力。通过激活或抑制来进行。