1、第六章微生物代謝，概述，新陳代謝，簡(jiǎn)稱新陳代謝，是指活細(xì)胞中發(fā)生的分解代謝和合成代謝的總和。分解代謝，也稱為異化，是指復(fù)雜的有機(jī)分子在分解代謝酶的催化下產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、能量和還原力的行為。合成代謝，又稱同化作用，是指在合成酶系統(tǒng)的催化下，由簡(jiǎn)單的小分子、三磷酸腺苷能量和還原力合成復(fù)雜生物大分子的過程。在代謝過程中，微生物通過分解代謝產(chǎn)生化學(xué)能，光合微生物也可以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這種能量不僅可用于合成代謝，還可用于微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸，一些能量以光和熱的形式釋放到環(huán)境中。6.1微生物的能量代謝，以及微生物的生命活動(dòng)需要消耗的能量。微生物可以將外部環(huán)境中各種形式的初始能量轉(zhuǎn)化為可用于所有生命活動(dòng)的宇

2、宙能量三磷酸腺苷。微生物最初可用的能源是有機(jī)物、陽光和還原無機(jī)物。對(duì)能量代謝機(jī)制的研究，實(shí)質(zhì)上是跟蹤這三種初始能量是如何逐步轉(zhuǎn)化和釋放三磷酸腺苷的。6.1.1異養(yǎng)微生物的生物氧化：物質(zhì)在生物體中經(jīng)歷一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，并逐漸分解和釋放能量的過程。生物氧化過程可分為三個(gè)階段：脫氫(電子)、氫轉(zhuǎn)移(電子)和氫接收(電子)。生物氧化的功能：生產(chǎn)力、還原力和小分子中間產(chǎn)物。6.1.1.1底物脫氫的四種主要途徑，1。電磁脈沖途徑(Emdem-Meyerhof-Parnas途徑)或糖酵解途徑是大多數(shù)生物體共有的一種主流代謝途徑。1分子葡萄糖，經(jīng)過10步反應(yīng)，產(chǎn)生2分子丙酮酸、2分子NADH2(還原型

3、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)和2分子三磷酸腺苷。EMP途徑的一般反應(yīng)式為c6h 12o 62 nad 2ap 2ch 2ch 3co oh2 nad 2h2 atp2h2o，其生理功能為：(1)以atp形式提供能量，以NADH2形式還原能量。(2)連接其他重要代謝途徑的橋梁(TCA、HMP、埃德)。(3)為生物合成提供多種中間代謝物。(4)通過逆反應(yīng)合成單糖和多糖。2.HMP途徑，也稱為戊糖磷酸途徑，其特征在于葡萄糖被完全氧化而沒有EMP途徑和TCA循環(huán)，并能以NADPH2(還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)和許多重要中間代謝物的形式產(chǎn)生大量還原力。HMP的一般表達(dá)是：6 6-磷酸葡萄糖12NADP

4、6H2O 5 6-磷酸葡萄糖12nadph26co2pi。HMP途徑在微生物生命活動(dòng)中的意義：(1)為核酸、核苷酸、芳香和雜環(huán)氨基酸的合成提供原料。(2)它以NADPH2的形式產(chǎn)生大量還原力，一方面可以通過呼吸鏈產(chǎn)生大量能量，另一方面可以用于有機(jī)合成。(3)它是光自養(yǎng)和化學(xué)自養(yǎng)微生物固定二氧化碳的介質(zhì)(5-磷酸核酮糖在羧化酶的作用下可以固定二氧化碳形成1，5-rubp)。(4)擴(kuò)大碳源的利用范圍(為微生物利用三碳糖-七碳糖提供必要的代謝途徑)。(5)通過與EMP途徑(在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處)連接，可以為微生物提供更多的戊糖。也被稱為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDP

5、G)裂解途徑，是存在于一些缺乏完整EMP途徑的微生物中的代謝途徑，并且是微生物特有的。其特點(diǎn)是葡萄糖只需經(jīng)過四個(gè)反應(yīng)就可以得到丙酮酸，丙酮酸可以通過電磁脈沖途徑形成。反應(yīng)通式為：c 6 h12 o 6 ADP pi NADP 2 ch 3 oooh ATP NADPH 2 nad H2，3。ed途徑，ed途徑在微生物生命活動(dòng)中的重要意義，它為具有不完全EMP途徑的微生物提供能量。它可以與電磁脈沖途徑、HMP途徑、TCA循環(huán)等代謝途徑相聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)，滿足微生物對(duì)能量、還原力和中間代謝產(chǎn)物的需求。這種方法可用于工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)酒精。通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法被稱為細(xì)菌酒精發(fā)酵。三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))

6、是由德國(guó)學(xué)者克雷布斯提出的。它是指丙酮酸通過一系列循環(huán)反應(yīng)完全氧化和脫羧形成CO2、H2O和NADH2的過程。TCA循環(huán)是廣泛存在于各種生物體中的一種重要的生化反應(yīng)。在真核生物(包括微生物)中，TCA循環(huán)發(fā)生在線粒體中，而在原核生物中，TCA循環(huán)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜中。TCA循環(huán)在微生物生命活動(dòng)中的意義：(1)完全氧化為微生物生長(zhǎng)提供了大量能量。(2)它位于所有分解代謝和合成代謝的中心，為有機(jī)物的合成提供了大量的原料。(3)工業(yè)原料如檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸和谷氨酸可以通過這種方法在工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)。6.1.1.2氫的輸送和氫的接收，將化學(xué)能儲(chǔ)存在生物體中的有機(jī)物質(zhì)如葡萄糖中，經(jīng)過上述各種途徑脫氫

7、后，通過呼吸鏈輸送氫，最后與氫受體(氧、無機(jī)物質(zhì)或有機(jī)物質(zhì))結(jié)合釋放其化學(xué)勢(shì)。根據(jù)氫傳遞過程中氫受體的不同性質(zhì)，特別是氫的接收，生物氧化可以分為三種類型：好氧呼吸、厭氧呼吸和發(fā)酵。1.有氧呼吸是最常見和最重要的生物氧化模式之一，其特征是底物脫氫、氫通過呼吸鏈或電子傳遞鏈轉(zhuǎn)移，最后氫被分子氧接受并產(chǎn)生水和能量釋放。呼吸鏈，也稱電子傳遞鏈，是指一系列位于原核生物細(xì)胞膜或真核生物線粒體膜上的氫(或電子)遞質(zhì)，以氧化還原電位梯度差排列成鏈。其功能是將氫或電子從低氧化還原電位的化合物逐步轉(zhuǎn)移到分子氧或其他具有高氧化還原電位的無機(jī)和有機(jī)氧化物中，并將其還原。在氫或電子轉(zhuǎn)移過程中，它與氧化磷酸化反應(yīng)耦合，促

8、進(jìn)能量?jī)?chǔ)存物質(zhì)三磷酸腺苷的合成。氧化磷酸化，又稱電子傳遞鏈磷酸化，是指呼吸鏈的氫轉(zhuǎn)移(或電子)和氫接受過程與磷酸化反應(yīng)的耦合，產(chǎn)生三磷酸腺苷。厭氧呼吸，又稱厭氧呼吸，是一種生物氧化反應(yīng)，其中呼吸鏈末端的氫受體是外源無機(jī)化合物或有機(jī)化合物。其特征在于在底物脫氫后，氫通過呼吸鏈轉(zhuǎn)移，最后氧化無機(jī)或有機(jī)物質(zhì)(如富馬酸等。)接收氫，氧化磷酸化生產(chǎn)率反應(yīng)完成。這是一種在厭氧條件下生產(chǎn)率低的特殊呼吸。根據(jù)呼吸鏈末端最終氫受體的不同，厭氧呼吸可分為無機(jī)鹽呼吸和有機(jī)物呼吸。硝酸鹽呼吸(反硝化作用): O3-NO2-，一氧化氮，一氧化二氮，N2。代表：地衣芽孢桿菌等。硫酸鹽呼吸： so42-so32-，s3o6

9、2-，s2o32-，H2S。代表：硫酸鹽還原菌脫硫弧菌(脫硫弧菌，硫呼吸作用):S。代表：乙酰氧基脫硫溴菌，鐵呼吸：Fe3Fe2一些專性或兼性厭氧菌。碳酸鹽呼吸：co2或hco3-CH4或ch3cooh。代表：產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)乙酸菌(富馬酸呼吸作用):富馬酸琥珀酸。代表：埃希氏菌，琥珀弧菌，3。發(fā)酵。在發(fā)酵工業(yè)中，發(fā)酵是指使用需氧或厭氧微生物產(chǎn)生有用代謝物的任何生產(chǎn)模式；在生物氧化或能量代謝中，發(fā)酵僅指一種低效率的生產(chǎn)力反應(yīng)，其中底物脫氫后產(chǎn)生的還原力H在厭氧條件下不經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接轉(zhuǎn)移到內(nèi)源性氧化中間代謝物，從而實(shí)現(xiàn)底物水平的磷酸化生產(chǎn)力。1.丙酮酸在EMP途徑中的發(fā)酵丙酮酸EMP途徑的關(guān)鍵產(chǎn)

10、物，從丙酮酸開始，可以在不同的微生物中進(jìn)入不同的發(fā)酵途徑，如同型酒精發(fā)酵、同型乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵等。2.HMP的異乳酸發(fā)酵。異乳酸發(fā)酵是在葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇(乙酸)和CO2的發(fā)酵。相反，只產(chǎn)生兩個(gè)乳酸分子的發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵、3和發(fā)酵類型、3。發(fā)酵細(xì)菌通過發(fā)酵途徑的“均醇發(fā)酵”:運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等。通過勃起功能障礙途徑。4.氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)力Stickland反應(yīng)是一種獨(dú)特的發(fā)酵類型(如丙氨酸、甘氨酸)，一種氨基酸作為氫供體，另一種氨基酸作為氫受體。6.1.2自養(yǎng)微生物的生物氧化、生產(chǎn)力和CO2固定。自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物的根本區(qū)別在于自養(yǎng)微生物的生物合成是二氧化碳

11、的還原，而異養(yǎng)微生物是有機(jī)碳的直接還原。6.1.2.1的生物氧化和生產(chǎn)力1?；瘜W(xué)自養(yǎng)微生物減少二氧化碳所需的三磷酸腺苷和氫是通過氧化無機(jī)底物如NH4、NO2-、H2S、S0、H2和Fe 2獲得的。它的生產(chǎn)方式也是通過呼吸鏈的氧化磷酸化。硝化細(xì)菌的能量代謝：硝化細(xì)菌的能量代謝硫細(xì)菌：硫桿菌，硝化細(xì)菌的能量代謝。循環(huán)光合磷酸化，光合細(xì)菌(紅酵母)中存在的一種原始光合作用機(jī)制。其特征如下：(1)電子傳遞途徑屬于循環(huán)模式。在光能的驅(qū)動(dòng)下，電子從細(xì)菌素分子中排出，然后通過呼吸鏈轉(zhuǎn)移回細(xì)菌素，在此期間產(chǎn)生三磷酸腺苷。(2)生產(chǎn)能力(可承諾量)和生產(chǎn)與削減能力(可承諾量)是分開進(jìn)行的。(3)還原能力來自無機(jī)

12、氫供體，如H2S。(4)不產(chǎn)生氧氣。非循環(huán)光磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌利用光能產(chǎn)生三磷酸腺苷的一種常見磷酸化反應(yīng)。其特征如下：(1)電子的傳輸路徑是非循環(huán)的。(2)在有氧條件下。(3)有兩個(gè)分別含有葉綠素a和葉綠素b的光合系統(tǒng)；(4)在反應(yīng)中可以同時(shí)產(chǎn)生能量三磷酸腺苷、還原力氫和氧；(5)NADPH 2中的還原能H來自H2O分子和電子的光解。紫膜嗜鹽菌是一種只能在高鹽環(huán)境中正常生長(zhǎng)的古細(xì)菌。在厭氧條件下，由于光能引起紫色膜蛋白上類視黃醇的構(gòu)象變化，嗜鹽菌可以使質(zhì)子不斷轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜外，從而在細(xì)胞膜兩側(cè)建立質(zhì)子動(dòng)能，促進(jìn)ATPase合成三磷酸腺苷，也稱為光介導(dǎo)的三磷酸腺苷合成。6.2分解代

13、謝和合成代謝之間的關(guān)系密切相關(guān)，不可分割。有12種中間代謝物連接分解代謝和合成代謝。微生物利用雙重目的代謝途徑和代謝物補(bǔ)充來維持分解代謝和合成代謝之間的平衡。兩用代謝途徑：一種具有分解代謝和合成代謝功能的代謝途徑。電磁脈沖、HMP循環(huán)和TCA循環(huán)都是重要的兩用代謝途徑。例如，葡萄糖可以通過電磁脈沖途徑分解成兩種丙酮酸，相反，兩種丙酮酸也可以通過電磁脈沖途徑的逆轉(zhuǎn)合成一種葡萄糖；酮戊二酸是TCA循環(huán)產(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)物，是合成谷氨酸的原料。代謝物補(bǔ)充序列，也稱為代謝物補(bǔ)償途徑，是指在雙重目的代謝途徑中，能夠補(bǔ)充合成代謝所消耗的中間代謝物的反應(yīng)。通過這種機(jī)制，一旦重要的生產(chǎn)力途徑中的關(guān)鍵中間代謝物必

14、須被用作生物合成原料并被抽走，它仍然可以確保能量代謝的正常進(jìn)行。不同的微生物有不同的代謝物補(bǔ)充序列。有10條與EMP途徑和TCA循環(huán)相關(guān)的互補(bǔ)途徑，可以補(bǔ)充EMP途徑中的磷酸烯醇式丙酮酸和TCA循環(huán)中的草酰乙酸。6.3.1自養(yǎng)微生物固定CO2有四種途徑：卡爾文循環(huán)、厭氧乙酰輔酶a途徑、反向TCA循環(huán)途徑和羥基丙酸途徑。1.卡爾文循環(huán)也稱為核酮糖二磷酸途徑或還原戊糖磷酸途徑。該反應(yīng)是光合自養(yǎng)生物(綠色植物、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌)和化學(xué)自養(yǎng)生物(硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌和硝化細(xì)菌)固定CO2的主要方式。卡爾文循環(huán)可分為三個(gè)階段：羧化反應(yīng)、還原反應(yīng)和CO2受體再生。6.3微生物獨(dú)特的合成代謝途徑，2。厭氧乙酰輔酶

15、a途徑，也稱為活化乙酸途徑，存在于化學(xué)自養(yǎng)細(xì)菌如產(chǎn)乙酸細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌中。3.還原TCA循環(huán)：它存在于綠色硫細(xì)菌中，CO2固定是通過反向TCA循環(huán)進(jìn)行的。4-羥基丙酸途徑：以H2或H2S為電子供體的幾種綠色硫細(xì)菌自養(yǎng)生活中獨(dú)特的CO2固定機(jī)制。6.3.2生物固氮是指通過微生物固氮酶的催化作用將大氣中的分子氮還原為氨的過程。自然界中只有原核生物有固定氮的能力。6.3.2.1固氮微生物的種類目前，已知的固氮微生物屬于原核生物和古細(xì)菌，它們主要屬于固氮菌、根瘤菌、紅酵母、甲鈷菌、藍(lán)細(xì)菌、芽孢桿菌和梭狀芽孢桿菌的一些菌株。1.自體固氮細(xì)菌：能夠獨(dú)立固氮的微生物。2.共生固氮細(xì)菌：只有與其他生物共存時(shí)才能固氮的微生物。3.復(fù)