微生物代谢

第六章微生物的代谢一、概述代谢（新陈代谢）：指发生在活细胞内的各种化学反应的总称，包括能量代谢与物质代谢。产能、耗能、分解、合成分解代谢酶系复杂分子简单分子+ATP+还原力合成代谢酶系(NADPH+H+,NADH+H+)二、能量代谢一切生命活动都要利用能量，能量代谢的关键是产能代谢，即如何把环境中的最初能源转化为生命通用能源——ATP。最初能源类型：日光（光能营养型）有机物（化能异养型）→ATP还原态的无机物（化能自养型）能量转换的三种方式在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等高能分子中；对光合微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中。1.化能异养微生物的产能代谢微生物通过生物氧化来进行产能代谢。产能代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，也是一个分解代谢过程。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物如ATP中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。⑴生物氧化的概念、功能发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称；产能、产还原力、产小分子中间代谢物⑵生物氧化的三种方式某物质与氧结合、脱氢、失去电子氢供（受）体、电子供（受）体不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物。⑶生物氧化的过程：脱氢（脱电子）、递氢、受氢三阶段①底物（葡萄糖）脱氢的过程葡萄糖→丙酮酸有四条途径：EMP、HMP、ED和磷酸解酮酶途径丙酮酸进一步代谢因微生物种类而异：有氧脱氢则通过TCAcycle无氧发酵则有多种途径②递氢和受氢根据递氢特别是最终受氢体不同划分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三类型：有氧呼吸（最终受氢体是氧气）P136-140无氧呼吸（最终受氢体是无机氧化物或某些有机物）发酵（以底物本身未完全氧化的某种中间产物作为最终受氢体）③发酵P129-136概念：在无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间产物的一类低效产能反应。在发酵条件下有机物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。发酵类型A、乙醇发酵——发酵葡萄糖产生乙醇能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。酵母菌利用葡萄糖进行的乙醇发酵须经过EMP途径，随后分为三种类型：酵母的一型乙醇发酵：P130-132G+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP酵母的二型乙醇发酵：环境中存在亚硫酸氢钠G+HSO3-→甘油+乙醛HSO3-+CO2酵母的三型乙醇发酵：弱碱性条件pH7.62G→2甘油+乙酸+乙醇+CO2细菌的乙醇发酵途径：运动发酵单胞菌和厌氧发酵单胞菌是利用ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，最后得到乙醇，称为细菌同型酒精发酵：G+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌和肠杆菌则是利用EMP途径进行乙醇发酵，称为细菌异型酒精发酵：G+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATPB、乳酸发酵许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物的不同，乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。双歧发酵是双歧杆菌(bifidobacteriium)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。C、其它发酵类型见P132-136有两个重要的鉴定反应：VP反应和甲基红（M.R）反应产气杆菌在发酵葡萄糖时，除一小部分按混合酸发酵外（产生乳酸，甲酸，乙醇，CO2，H2），大部分丙酮酸两分子缩合成乙酰乳酸，再脱羧为3-羟基丁酮，进一步还原为丁二醇，碱性条件下可氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨中精氨酸上的胍基起作用，生成红色化合物，我们就称V.P.反应阳性；而大肠杆菌、伤寒杆菌，发酵葡萄糖时不产生3-羟基丁酮，当然也就不能产生红色化合物，V.P.反应阴性。进行混合酸发酵的微生物（大肠杆菌，伤寒杆菌）因产酸较多，使pH值低于4.2，此时甲基红指示剂（4.4红-6.0黄）可显示红色称为甲基红试验阳性；而产气杆菌发酵时主要产物为中性的丁二醇，所以pH值较高，甲基红指示剂仍呈黄色，我们就称为甲基红试验阴性。发酵产能方式：底物水平磷酸化微生物发酵用途：获得代谢能，人类可大规模生产这些发酵产物、鉴定菌种等2.化能自养微生物的产能代谢（生物氧化）其生物氧化的本质与化能异养型相同，但氧化底物不同、类型多而复杂，它们通过氧化无机物获能，并同化CO2合成细胞物质；在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。化能自养微生物都属于好氧菌，有四类见P143-1463.光能微生物的产能代谢蓝细菌、光合细菌、嗜盐菌等通过光合磷酸化将光能转换成ATP。4.微生物的耗能代谢：合成细胞物质、用于其他生命活动、以热的形式散失。三、物质代谢中的分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量和还原力。一般可将分解代谢分为三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，该阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。1.多糖的分解⑴淀粉的分解：淀粉酶①液化型淀粉酶（又称α-淀粉酶）产生麦芽糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡糖。由于它作用的结果使原来淀粉溶液的黏度下降，并且产物的构型是α-构型，故称为液化型淀粉酶或称α-淀粉酶。许多细菌、放线菌和霉菌均能产生α-淀粉酶，而且还可以通过工业发酵的方式来生产淀粉酶，枯草杆菌通常用作α-淀粉酶的生产菌株。②糖化型淀粉酶（一类酶的总称）其共同特点是将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖，故名糖化型淀粉酶。目前已知这类酶至少包括下述三种：淀粉-1,4-麦芽糖苷酶（β-淀粉酶）此酶作用于淀粉后的产物是麦芽糖与极限糊精淀粉-1,4-葡萄糖苷酶此酶作用于直链淀粉后的产物几乎全是葡萄糖，作用于支链淀粉后的产物有葡萄糖与带有α-1,6-糖苷键的寡糖。根霉与曲霉普遍都能合成与分泌此酶；淀粉-1,6-糖苷酶（异淀粉酶）此酶专门作用于淀粉分子中的α-1,6-糖苷键，生成葡萄糖。淀粉在上述四类酶的共同作用下，被完全水解成葡萄糖。现利用微生物生产淀粉酶使之用于棉织物的淀粉脱浆，以及用酶法来代替酸水解法生产葡萄糖。⑵纤维素的分解纤维素可以被许多真菌（木霉、青霉、曲霉、根霉）以及放线菌与细菌中的一些种分解利用。常见的纤维素分解细菌有黏细菌、梭状芽孢杆菌、瘤胃细菌、产琥珀酸拟杆菌、丁酸弧菌等。纤维素的分解过程见书P125⑶果胶质和几丁质的分解→半乳糖醛酸和葡萄糖→生物氧化具体见P1262.含氮有机物的分解⑴蛋白质的分解通过微生物产生的胞外蛋白（水解）酶催化，将蛋白质分解成短肽，短肽在肽酶的作用下进一步被分解成氨基酸。不同微生物产生的蛋白酶不同，蛋白酶对其作用底物有一定的专一性。枯草杆菌能合成明胶酶与酪蛋白酶，因而它们能水解明胶与酪蛋白，大肠杆菌不产这两种酶，不能水解这两种蛋白质。目前已利用枯草杆菌、栖土曲霉、放线菌等微生物来生产蛋白酶，用它来进行皮革脱毛、蚕丝脱胶等，满足皮革、纺织等领域工业的需要。⑵氨基酸的分解脱羧作用→有机胺→醛→有机酸，最后按脂肪酸β-氧化的方式分解脱氨作用→糖代谢途径分解⑶核酸的分解3.脂肪的分解四、物质代谢中的合成代谢1.生物合成三要素能量、还原力、小分子前体物质⑴能量由ATP供给，ATP产生有三种方式：底物水平磷酸化，氧化磷酸化，光合磷酸化⑵还原力的产生：还原力主要指NADH2和NADPH2。但NADH2要先在转氢酶作用下转变成NADPH2才能用于合成代谢。NADP+NADH2→NADPH2+NADEMP与TCA产生的NADH2有3个去向：①供H体（中间产物还原成发酵产物）②通过呼吸链产生ATP；③转换成NADPH2用于细胞物质合成。NADPH2的产生途径有HMP途径：1G→2NADPH2+CO2+5-P-核酮糖光合细菌可通过非环式光合磷酸化方式产生NADPH2。⑶小分子前体物：通常指糖代谢过程中产生的中间代谢物⒉CO2的固定自养微生物依靠卡尔文循环或还原性三羧酸循环固定CO2形成各种细胞物质；异养微生物依靠PEP羧化酶，催化PEP固定CO2形成草酰乙酸3.微生物的固氮作用光合作用、生物固氮固氮微生物依靠其固氮酶系统催化分子态氮还原形成氨的作用过程。固氮生物都是一些原核微生物。⑴固氮微生物的种类自生固氮菌：能独立固氮共生固氮菌：必须与其他生物共生才能固氮联合固氮菌：需要生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能固氮⑵固氮反应的条件①ATP的供应固定1摩尔N2耗能18-24摩尔ATP②还原力的供应：NAD(P)H2③双组分固氮酶系统：组分I称为固氮酶，是一种铁钼蛋白，能利用得到的电子还原N2；组分Ⅱ称为还原酶，是一种铁蛋白，能传递电子到组分I上。④还原底物N2,NH3的存在抑制固氮作用⑤Mg+⑥严格的厌氧微环境固氮酶遇O2失活虽然多数固氮菌都是好氧菌，它们需要氧气进行呼吸产能，但是这些固氮菌在漫长的进化历程中发展出许多保护固氮酶免受氧伤害的机制——氧障。⑶生物固氮途径4.初、次级代谢及其产物微生物细胞中的主代谢称初级代谢，它为微生物细胞提供结构物质，决定微生物细胞的生存和发展，它是微生物不可缺少的代谢。初级代谢产生的产物称为初级代谢产物包括供机体进行生物合成的各种小分子前体物，单体与多聚体物质及在能量代谢和代谢调节中起作用的各种物质。微生物在次级代谢过程中产生的产物称次级代谢产物。包括：抗生素，毒素，生长剌激素，色素和维生素等。次级代谢并不影响微生物细胞的生存，它的代谢产物并不参与组成细胞的结构物质。次生代谢产物对细胞的生存来说是可有可无的。人类可利用微生物有益的次生代谢产物为人类的生产，生活服务。第5、6章复习题一名词解释1、发酵2、呼吸作用3、无氧呼吸4、有氧呼吸5、生物氧化6、初级代谢产物7、次级代谢产物二问答题1比较红螺菌与蓝细菌光合作用的异同。2简述固体培养基的配制和灭菌方法。3试比较营养物质进入微生物细胞的几种方式的基本特点。4试述划分微生物营养类型的依据，并各举一例微生物说明之。