微生物合成代谢与分解代谢的联系

第五章微生物的代谢和发酵•新陈代谢（metabolism）•简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和•分解代谢•是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用；合成代谢又称同化作用,与分解代谢相反,是指在合成酶的催化下,由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力共同合成复杂的生物大分子的过程。•新陈代谢=分解代谢+合成代谢微生物的能量代谢•新陈代谢中的核心问题就是能量代谢化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子三种生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段生物氧化的功能则有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物三种•化能异养微生物的生物氧化和产能底物脱氢的四条主要途径每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能HMPEMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）•EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway）•可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH＋H+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤己糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶丙糖磷酸异构酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶磷酸二羟丙酮EMP途径•2NADH＋H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物——乙醛而产生乙醇EMP途径p以1分子葡萄糖为底物p约经过10步反应p产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程•在其总反应中，可概括成p两个阶段（耗能和产能）p三种产物（NADH＋H+、丙酮酸和ATP）p10个反应步骤生理功能F供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力F连接其他几个重要代谢途径的桥梁F为生物合成提供多种中间代谢物F通过逆向反应可进行多糖合成F整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用HMP途径(hexosemonophosphatepathway)•已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径.•(碳架重排途径)•这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH＋H+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。无氧参与HMP途径•其净效应为：•总式为：产生的戊糖磷酸与还原力（NADPH＋H+）的比率为1∶26HMP途径的重要意义ﯼ为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸ﯼ产生大量的NADPH2形式的还原剂ﯼ通过EMP途径与本途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处的连接来加以调剂对戊糖的需要ﯼ作为自养微生物固定CO2的中介（Calvin循环）ﯼ由于在反应中存在着C3～C7的各种糖，使具有HMP途径的微生物的碳源利用范围更广ﯼ通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸ED途径（Entner-Doudoroffpathway）•ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现•特点是•葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸•在ED途径中的关键反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解•ED途径利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，仅为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸），两分子丙酮酸来源不同。••所产生的丙酮酸对微好氧菌可脱羧成乙醛，乙醛进一步被NADH2还原为乙醇，称作细菌酒精发酵ED途径三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle）•又称TCA循环•它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用•在原核生物例如细菌中，大多数TCA循环酶都存在于细胞质内。（二）递氢和受氢生物氧化可分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型1、呼吸是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经完整呼吸链（电子传递链）传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。呼吸链：是指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）传递体。功能：（1）把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。（2）通过与氧化磷酸化反应相偶联，就可产生ATP形式的能量。氧化磷酸化（电子传递磷酸化）：是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。化学渗透假说要点：a氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成质子在膜的两侧分布的不均衡，亦即形成了质子梯度差，这梯度差是产生ATP能量的来源。b通过ATP酶的作用，把质子从膜的外侧再运到膜的内侧时，一方面消除了质子梯度差，同时合成了ATP。2、无氧呼吸：又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。特点是底物按常规方式脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。（1）硝酸盐呼吸在有氧或无氧条件下微生物利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用。在无氧条件下，某些厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链末端氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O、直至N2的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，也称硝酸式盐呼吸。3、发酵：在生物氧化或能量代谢中，指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经过呼吸链的传递而直接交给某一内源性中间代谢产物的一类低能反应。（1）EMP途径中丙酮酸出发的发酵：酵母菌的酒精发酵、同型乳酸发酵（2）通过HMP途径的发酵：异型乳酸发酵（3）通过ED途径进行的发酵：细菌的酒精发酵（4）氨基酸发酵产能——Stickland反应少数厌氧梭菌如生孢梭菌能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，经深入研究后，发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式。这种以一种氨基酸作氢供体和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类型，称为Stickland反应。（5）发酵中的产能反应：产能机制是底物水平磷酸化，产能水平低底物水平磷酸化：指直接由一个代谢中间产物（例如磷酸烯醇式丙酮酸）上的磷酸基团转移到ADP分子上形成ATP。二、自养微生物产ATP和产还原力（一）化能自养微生物化能自养微生物的能量代谢特点：教材P120（二）光能营养微生物1、循环光合磷酸化：一种存在于厌氧光合细菌中的利用日光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称光合磷酸化。特点：（1）在光能的趋动下，电子从菌绿素分子逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；（2）产ATP与产还原力[H]分别进行；（3）还原力来自H2S等的无机氢供体；（4）不产生氧。2、非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点：（1）电子的传递途径属非循环式的；（2）在有氧条件下进行；（3）有两个光合系统（4）反应中同时有ATP（产自系统1）还原力和氧气产生（5）还原力NADPH2中的[H]是来自H2O分子光解后的H+和e-。每个光合系统即为一个光合单位，两个光合系统中光合色素的成分和比例不同，一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成。光捕获复合体含有菌绿素和类胡萝卜素，它们吸收一个光子后，引起波长最长的菌绿素（P870）激活，从而传递给反应中心，激发态的P870可释放出一个高能电子。在光合系统1中，叶绿素分子P700吸收光子后被激活，释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白（Fd），并使之还原。还原的铁氧还蛋白将NADP+还原为NADPH，用以还原P700的电子来源于光合系统2。在光合系统2中，叶绿素分子P680吸收光子后，释放出一个高能电子，后者先传递给辅酶Q，再传递给光合系统1，使P700还原，失去电子的P680，靠水的光解产生的电子来补充。3、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成在无氧条件下，利用光能所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，此即光介导ATP合成。第二节分解代谢和合成代谢的联系一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。二、代谢物回补顺序指补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间产物的那些反应。在EMP途径和TCA循环进行代谢物回补时，围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（OA）这两种关键性的中间代谢物来进行的。乙醛酸循环的意义：是TCA循环的一条回补途径，可使TCA循环具有高效产能功能，还可为许多重要生物合成提供有关中间代谢物的功能，同时对某些生长在以乙酸为唯一碳源的微生物来说，具有至关重要的作用。第三节微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的CO2固定微生物中固定CO2的途径有4条：Calvin循环、厌氧乙酰-CoA途径、逆向TCA循环和羟基丙酸途径。（一）Calvin循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途径的两种特有酶。本循环分三个阶段：羧化反应、还原反应、CO2受体的再生（二）厌氧乙酰-CoA途径非循环式，主要存在于一些化能自养细菌中，如产乙酸菌、产甲烷菌等。（三）逆向TCA循环又称还原性TCA循环，通过逆向TCA循环固定CO2，存在于绿色硫细菌中。（四）羟基丙酸途径少数绿色硫细菌在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种固定CO2的机制。二、生物固氮定义教材P133（一）固氮微生物包括三大类群：自生固氮菌（固氮菌属）、共生固氮菌（根瘤菌属）、联合固氮菌（肠杆菌属）（二）固氮的生化机制1、生物固氮反应的6要素ATP、还原力[H]及其传递载体、固氮酶、还原底物——氮气、镁离子、严格的厌氧环境固氮酶：含有两种成分，固二氮酶（组分Ⅰ）和固二氮酶还原酶（组分Ⅱ），组分Ⅰ是真正的固氮酶，称钼铁蛋白，功能是络合、活化和还原N2，组分Ⅱ又称铁蛋白，实质是固二氮酶还原酶，功能是传递电子到组分Ⅰ上2、测定固氮酶活力采用乙炔还原法，基于固氮酶能催化乙炔还原成乙烯的反应：C2H2-----C2H43、固氮的生化途径（三）好氧菌固氮酶避氧害机制1、好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护：固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用将周围环境中的氧消耗。（2）构象保护：高氧分压下，固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。2、蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制（1）分化出特殊的还原性异形胞异形胞：壁厚、缺乏产氧光合系统2、超氧化物歧化酶活性很高，有解除氧毒害的功能、呼吸强度高。（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护时间上分隔、失去产氧的光合系统2、提高超氧化物歧化酶活性等。3、豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制根瘤菌固氮时，分化为固氮活性很强的类菌体，类菌体被包在类菌体周膜中，此膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白质，豆血红蛋白通过氧化态和还原态间的变化可发挥缓冲剂的作用，借以使O2维持在低而恒定的水平上。三、微生物结构大分子——肽聚糖的生物合成2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸（二）在细胞膜中合成肽聚糖单体类脂载体：是一种含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，通过2个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相接，使糖的中间产物呈现很强的疏水性，从而使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜而转移到膜外