第七章-微生物的代谢

第七章微生物的代谢（Microbialmetabolism）第一节微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源—ATP的过程。最初能源有机物日光还原态无机物通用能源ATP化能异养型光能营养型化能自养型ATP的结构一、化能异养微生物的生物氧化和产能1.生物氧化的定义发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。燃烧生物体外的氧化2.生物氧化的形式：加氧、脱氢或失去电子；3.生物氧化的过程：脱氢、递氢、受氢4.生物氧化的结果:产ATP、还原力[H]和小分子代谢产物（一）底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径1.EMP途径(糖酵解途径或己糖二磷酸途径)C6H12O62NADH22ATP2丙酮酸己糖激酶（1）磷酸己糖异构酶（2）磷酸果糖激酶（3）醛缩酶（4）磷酸丙糖异构酶（5）3-磷酸甘油醛脱氢酶（6）磷酸甘油酸激酶（7）磷酸甘油变位酶（8）稀醇化酶（9）丙酮酸激酶（10）1）是大多数生物所共有的基本代谢途径;2）有氧和无氧条件下都能进行;有氧条件下，该途径与TCA途径连接;无氧条件下，丙酮酸被还原，形成乳酸等发酵产物;3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点(如磷酸二羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢；特点2.HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)6C6H12O66CO235ATP5葡糖-6-磷酸1）是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻底氧化产能、产还原力[H]和许多中间代谢产物的途径；2）进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗一分子的葡萄糖；3）能产生大量的还原力[H]（12个NADPH2）；是合成脂肪酸、固醇等物质所需；也可通过呼吸链产生大量能量；4）反应中有C3-C7各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；5）能产生多种重要的中间代谢产物（如核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等）。特点3.ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径)2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸C6H12O6NADH21ATP2丙酮酸NADPH2少数细菌（如假单胞菌、根瘤菌和土壤杆菌等）因缺少某些完整EMP途径的一种替代途径，为微生物所特有；反应步骤简单，通过四步反应可快速获得2分子的丙酮酸；产能效率低，1分子的葡萄糖仅产1个ATP；可与EMP、HMP和TCA循环等各种代谢途径相连接，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；反应中有一个特征性酶—KDPG醛缩酶；特点4.TCA循环(三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环)1.丙酮酸脱氢酶复合体2.柠檬酸合成酶3.顺乌头酸酶4.顺乌头酸酶5.异柠檬酸脱氢酶6.-酮戊二酸脱氢酶7.琥珀酰COA8.琥珀酸脱氢酶9.延胡索酸酶10.苹果酸脱氢酶1丙酮酸3CO215ATPTCA循环由10步酶促反应组成；产能效率极高，是细胞产生ATP的主要场所；在微生物代谢中占有枢纽的地位；提供生物合成所用碳架的重要来源；与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；特点TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位四种脱氢途径的比较EMP途径：许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡萄糖经10步反应产生2分子丙酮酸、2分子[H]和2个ATP；该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；HMP途径：可与EMP途径或ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途径：少数细菌以该途径代替EMP途径。1分子葡萄糖经4步反应产生2分子丙酮酸、2分子[H]和1个ATP；TCA循环：有氧条件下，丙酮酸经TCA循环进一步代谢产能或用于合成。（二）递氢—电子传递链电子传递链是指位于膜（原核生物在细胞质内膜，真核微生物在线粒体内膜）上，由一系列氧化还原势呈梯度差的，链状排列的电子传递体组成；一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；原核生物和真核生物的电子传递链组成不同，但二者的功能相似；电子传递链的主要组分及传递顺序：NAD(P)→FP→Fe•S→COQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3（三）受氢经多种途径脱氢和递氢后，最终与氢受体结合并释放其中的能量。根据受氢体性质的不同，可把生物氧化分为呼吸、无氧呼吸和发酵；1.呼吸（有氧呼吸）是一种最普遍和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，经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，释放能量；递氢和受氢必须在有氧条件下进行，是一种高效产能方式；高能水平（低氧化还原势）低能水平（高氧化还原势）典型的呼吸链现在普遍接受的观点是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P.Mitchell于1961年提出的化学渗透学说该学说认为生物的通用能源-ATP是由跨膜的质子梯度差（质子动势）而产生的；产生ATP的机制？头部颈部基部ATP酶和ATP的合成是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；2.无氧呼吸（厌氧呼吸）比较各类无机盐呼吸的特点根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型无机盐呼吸硝酸盐呼吸硫酸盐呼吸硫呼吸铁呼吸碳酸盐呼吸有机物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸指在无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]，不经过呼吸链传递，而直接交给某一内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是专性厌氧菌或兼性厌氧菌;其产能都是通过底物水平磷酸化反应，产能效率低;能形成高能磷酸键的产物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA3.发酵发酵类型1.通过EMP途径进行的发酵同型酒精、乳酸发酵•凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过HMP途径进行的发酵异型乳酸发酵•凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;3.通过ED途径进行的发酵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氢供体，而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。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个ATP；Stickland反应机制氧化磷酸化—在呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生ATP；底物水平的磷酸化—通过形成含高能磷酸键的底物产能；光合磷酸化—通过光能产生ATP的磷酸化反应；ATP的产生途径二、化能自养微生物的生物氧化和产能特点：生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；是通过氧化某些还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+等）获得能量；绝大多数是好氧菌；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化；产能效率低；NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1.aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位生物氧化过程—硝化细菌为例NO2-NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3-ATP-ATP-ATP+ATP1/2O2H2O2H++2e-2H++2e-NH3+O2H2O•NO2-为什么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌反硝化细菌化能自养微生物化能异养微生物好氧微生物兼性厌氧微生物有氧条件下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸无氧条件下利用硝酸盐作氢受体，将其还原成NON2在自然界的物质合成过程中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用无机物呼吸反应及其产能三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌—循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌—紫膜光合作用非循环光合磷酸化存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；产ATP和还原力[H]分别进行；还原力[H]来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；循环光合磷酸化循环光合磷酸化的途径ATP循环光合磷酸化途径非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；电子的传递途径是非循环式的；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；PSI：含叶绿素a，吸收光波为P700，有利于红光吸收；PSⅡ：含叶绿素b，吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；反应中可同时产ATP、还原力[H]和氧气；蓝细菌的产氧光合作用比较项目非循环光合磷酸化循环光合磷酸化生物体植物、藻类、蓝细菌光合细菌叶绿素类型叶绿素a等细菌叶绿素a等PSI有有PSII有无氧的产生有无还原力[H]来自水的光解来自H2S等无机氢供体两种光合作用比较嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌特有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用；嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出红色和紫色两个组分；红膜：在有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；•主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；紫膜：在缺氧条件下，能利用光能的介导获得能量；•主要成分为细菌视紫红质和类脂；•细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；第二节微生物的合成代谢一、糖类的生物合成微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有从简单化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的单糖、多糖等。单糖很少以游离形式存在一般多糖或多聚糖及少量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。1、单糖的生物合成合成单糖的途径是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单糖合成的中心环节。自养微生物合成葡萄糖的前体来源：通过卡尔文循环可产生甘油醛-3-磷酸，通过还原的核酸环可得到草酸乙酸或乙酰辅酶A。异养微生物合成葡萄糖的前体来源：利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成甘油醛-3-磷酸；利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸；可将糖氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前体。2、多糖的生物合成微生物细胞内所含的多聚糖包括同多糖单（由相同的单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素等）和杂多糖（由不同的单糖分子聚合而成，如肽聚糖）。多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核苷糖为起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸键水解中得到。二、脂肪酸的生物合成微生物利用乙酰CoA与二氧化碳等物质合成脂肪酸。（合成必须借助对热、对酸稳定的酰基载体蛋白ACP）乙酰CoA先与二氧化碳羧化反应生成丙二酰CoA，再经过转移酶作用转到ACP上，生成丙二酰-ACP。脂肪酸链周期性的延长，每一周期增加2个由丙二酰CoA提供的碳原子，并释放一个二氧化碳。三、氨基酸和核苷酸的生物合成1、氨基酸的生物合成对于不能从环境中获得的氨基酸需要其他途径合成。氨基酸的合成包括各氨基酸碳骨架的合成和氨基的合成。碳骨架来自糖代谢的中间产物；氨来自于外界环境、体内含氮化合物的分解、固氮作用合成、硝酸还原作用合成；同时微生物从环境中吸收硫酸盐经过一系列的还原反应作为硫的供体。氨基酸合成的主要方式：（1）氨基化作用：α-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸，这是氨基酸同化的主要途径。能直接吸收氨合成氨基酸的α-酮酸只有α-酮戊二酸和丙酮酸；延胡索酸通过双键打开连接α-氨基；谷氨酸通过酰胺键生成谷氨酰胺。（2）通过转氨基作用：在转氨酶作用下使一种氨基酸的氨基转移给酮酸形成新的氨基酸，是氨基酸合成代谢和分解代谢中极重要的反应，普遍存在于微生物体中，可以消耗含量过剩的氨基酸，得到含量较少的氨基酸。（3）由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸指20种氨基酸可以通过糖代谢的中间产物经一系列的反应