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第六章微生物的代谢本章内容第一节代谢概论第二节微生物的产能代谢第三节大分子物质的分解代谢第四节分解代谢和合成代谢间的联系第五节微生物独特合成代谢途径第六节微生物的代谢调控与发酵生产多糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌胞外酶将其水解成双糖或单糖才能进入细胞被利用。一、多糖和二糖的分解(1)淀粉的分解：淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等(2)纤维素和半纤维素的分解天然纤维素C1酶短链纤维素Cx酶纤维二糖β-葡萄糖苷酶葡萄糖半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。第三节大分子物质的分解代谢(3)果胶的分解果胶由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键形成的直链状高分子化合物。果胶酶主要有三种：果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖醛酸酶。(4)二糖的分解蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有两种方式：一是水解酶将其水解为单糖;另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。1）蔗糖的分解许多微生物细胞能够分泌蔗糖水解酶：蔗糖+H2O蔗糖水解酶葡萄糖＋果糖在嗜糖假单胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反应：蔗糖+H3PO4蔗糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋果糖2）麦芽糖的分解麦芽糖+H2O麦芽糖水解酶2葡萄糖麦芽糖+H3PO4麦芽糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖3）乳糖的分解乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖4）纤维二糖的分解纤维二糖可在纤维二糖磷酸化酶的催化下分解：纤维二糖+H3PO4纤维二糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖二、油脂的分解通过脂酶将油脂分解成甘油和脂肪酸。1、甘油的利用：直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮2、脂肪酸的利用：经-氧化途径产生乙酰CoA后被利用脂肪酸的-氧化途径RHS-CoA1、氨基酸的直接利用;2、氨基酸的脱氨分解;3、氨基酸的脱羧分解；三、蛋白质的分解通过蛋白酶将蛋白质分解成肽，并可继续分解成氨基酸。氨基酸的利用：第四节分解代谢和合成代谢间的联系能量代谢分解代谢合成代谢消耗能量简单小分子复杂大分子物质代谢复杂大分子简单小分子释放能量分解代谢和合成代谢的关系分解代谢和合成代谢关系的特点：分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物有12种；在长期的进化中，生物体通过两用代谢途径和代谢回补顺序使生物体有条不紊地正常运转；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（amphibolicpathway）。EMP、HMP和TCA循环等都是重要的两用途径。例如：葡糖异生作用（gluconeogenesis）。①在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。②在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行；原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。两用代谢途径的特点：二、代谢物回补顺序作用：当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。代谢物回补顺序（anapleroticsequence），又称代谢物补偿途径或添补途径（replenishmentpathway），是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。不同的微生物种类或同种微生物在不同碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。乙醛酸循环（glyoxylatecycle）：又称乙醛酸支路（glyoxylateshunt），是TCA循环的一条回补途径，可使TCA循环不仅具有高效产能功能，而且还兼有可为许多重要生物合成反应提供有关中间代谢物的功能，例如草酰乙酸可合成天冬氨酸，α－酮戊二酸可合成谷氨酸，琥珀酸可合成叶卟啉等。在乙醛酸循环中有两个关键酶——它们可使丙酮酸和乙酸等化合物合成4C二羧酸，以保证微生物正常生物合成的需要。异柠檬酸裂合酶（isocitratelyase，ICL）苹果酸合酶（malatesynthase，MS）乙醛酸循环的总反应式：2丙酮酸→琥珀酸＋2CO2乙醛酸循环中的两个关键反应：乙醛酸异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶乙醛酸循环示意图具有乙醛酸循环的微生物，普遍是好氧菌，例如可用乙酸作唯一碳源生长的一些细菌，包括Acetobacter（醋杆菌属）、Azotobacter（固氮菌属）、E.coli、Enterobacteraerogenes（产气肠杆菌）、Paracoccusdenitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonasfluorescens（荧光假单胞菌）、Rhodospirillum（红螺菌属）等；真菌中的Saccharomyces（酵母属）、Aspergillusniger（黑曲霉）、Penicillium（青霉属）等。自养微生物的CO2固定生物固氮细胞壁肽聚糖的合成微生物次生代谢物的合成第五节微生物独特合成代谢途径一、自养微生物的CO2固定各种自养微生物在其氧化磷酸化和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中固定CO2的4条途径：Calvin循环厌氧乙酰－CoA途径逆向TCA循环途径羟基丙酸途径（一）Calvin循环（Calvincycle）Calvin循环又称Calvin-Benson循环、Calvin-Bassham循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环。这一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（ribulosebiphosphatecarboxylase，简称RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶（phosphoribulokinase）是本途径中两种特有的酶。利用Calvin循环进行CO2固定的生物包括绿色植物、蓝细菌、多数光合细菌（光能自养型）和硫细菌、铁细菌、硝化细菌等（化能自养型）。Calvin循环如果以产生1个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：6CO2＋12NAD(P)H2＋18ATP→C6H12O6＋12NAD(P)＋18ADP＋18Pi厌氧乙酰－CoA途径又称活性乙酸途径（anaerobicaceticacidpathway）。这种非循环式的CO2固定机制主要存在于一些产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养细菌中，整个反应的关键酶是CO脱氢酶。（二）厌氧乙酰－CoA途径（anaerobicacytyl-CoApathway）（三）逆向TCA循环一些绿色硫细菌固定CO2的方式；特殊酶为柠檬酸裂合酶。（四）羟基丙酸途径少数绿色硫细菌以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种CO2的固定机制；其关键步骤是羟基丙酸的产生；此类细菌无Calvin循环和逆向TCA循环途径。二、生物固氮生物固氮（biologicalnitrogenfixation）是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。自生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)独立进行固氮，种类繁多共生固氮菌(free-livingnitrogen-fixer)必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮联合固氮菌(associativenitrogen-fixer)必须生活在植物根际、叶面、动物肠道等处才能固氮。（一）固氮微生物的种类第三节微生物独特合成代谢途径自生固氮菌好氧化能异养：(Azotobacter)，拜叶林克氏菌属(Beijerinckia)化能自养：氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusferroxidans)光能自养：念珠蓝菌属(Nostoc)，鱼腥蓝菌属(Anabaena)兼性厌氧化能异养：克雷伯氏菌属(Klebsiella)，多粘芽孢杆菌(Bacilluspolymyxa)光能异养：红螺菌属(Rhodospirillum)，红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)厌氧化能异养：巴氏梭菌(Clostridiumpasteurianum)，脱硫弧菌属(Desulforibrio)光能自养：着色菌属(Chromatium)，绿假单胞菌属(Chloropseudomonas)1.自生固氮菌（free-livingnitrogen-fixer)自生固氮菌指一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的微生物。第三节微生物独特合成代谢途径2.共生固氮菌(symbioticnitrogen-fixer)共生固氮菌根瘤豆科植物：根瘤菌属(Rhizobium)，固氮根瘤菌属（Azorhizobium)非豆科植物：弗兰克氏菌属放线菌(Frankia)植物地衣：念珠蓝菌属(Nostoc)，鱼腥蓝菌属(Anabaena)满江红：满江红鱼腥蓝细菌(Anabaenaazollae)共生固氮菌指必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物。第三节微生物独特合成代谢途径3.联合固氮菌（associativenitrogen-fixer)联合固氮菌根际：雀稗固氮菌(Azotobacterpaspali)叶面：Beijerinckia,Azotobacter动物肠道：肠杆菌属(Enterobacter)（二）固氮的生化机制1.生物固氮反应的六大要素ATP的供应；还原力[H]及其传递载体；固氮酶；还原底物—N2；镁离子；严格的厌氧微环境；2.固氮的生化途径形成相应的氨基酸呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H2ATPFd(Fld)HN二NHN三NH2N-NH22NH3固二氮酶还原酶组分II固二氮酶组分IADP+PiMg2+氧障固氮酶对氧极端敏感；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；组分I（钼铁蛋白）：半衰期10min；但大多数固氮菌都是好氧菌；如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？固氮酶的厌氧微环境：（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；呼吸保护、构象保护2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制；分化出特殊的还原性异形胞;非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制；存在豆血红蛋白1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为呼吸保护。构象保护指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成1个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除去多余氧；若还有过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制（2）蓝细菌的固氮酶保护蓝细菌是放氧光合生物。在光照下，通过光合作用放氧使细胞内的氧浓度增高。该菌采用两种防氧措施保护固氮酶活性。一种为异形胞抗氧，另一种为非异形胞抗氧。非异形胞抗氧有多种形式：利用时间差解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用(织线蓝细菌属)；提高细胞内SOD和过氧化物酶活性，消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性(粘球粘细菌属)。异形胞为一种特化细胞，个体较营养细胞大，细胞外有一层由糖脂组成的较厚的外膜，该膜具有防止氧气扩散进入细胞的物理屏障功能；异形胞内缺少产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶与氢酶活性高，使异形胞内维持在很强的还原态；胞内超氧化物歧化酶SOD(Superoxidedismutase)活性很高，有解除氧毒害的功能；异形胞比相邻营养细胞的呼吸强度高2倍，可通过呼吸消耗过多的O2并产生固氮所需ATP。3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制（3）根瘤菌固氮酶的保护根瘤菌分为豆科根瘤菌与非豆科根瘤菌两种类型。豆科根瘤菌以只能生长不能分裂的类菌体(bacteroids)形式存在于豆科植物的根瘤中。许多类菌体被包裹在一层类菌体周膜中，膜内具有良好的氧、氮和营养条件。最重要的是在周膜内外存在着独特的豆血红蛋白(leghaemoglobin)。该蛋白具有极强的吸氧能力，可使近血红蛋白处的氧浓度比周围环境降低8