微生物第五章总结

第五章 微生物的新陈代谢
新陈代谢：是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶的催化产生简单分子，能量和还原力的作用。合成代谢又称同化作用，它与分解代谢正好相反，是指在合成酶系的催化下，由简单小分子，ATP形式的能量和【H】形式的还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。
第一节 微生物的能量代谢
研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物体如何把外界环境中许多形式的最初能源转换成对一切生命活动都能利用的通用能源——ATP的。
一， 化能异养微生物的生化氧化和产能
生物氧化：就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化的形式包括某物质与氧结合，脱氢和失去电子3种，生物氧化的过程可分脱氢（或电子），递氢（或电子）3个阶段；生物氧化的功能有产能（ATP），产还原力【H】和产小分子中间代谢物3种；而生物氧化的类型则包括了呼吸，无氧呼吸和发酵3种。
（一） 底物脱氢的4条途径（以葡萄糖作为生物氧化的典型底物）
1. EMP途径：又称糖酵解途径或己糖二磷酸途径。可概括为两个阶段（耗能和产能），3种产物和10个反应。简图见P103
EMP途径的总反应式为：C6H12O6+2NAD﹢+2ADP+2Pi——→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O,其中产物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，则可把丙酮酸还原成乳酸，或把丙酮酸的脱羧产物——乙醛还原成乙醇。
EMP重要的生理功能：（1）供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力（2）是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA），HMP途径和ED途径（3）为生物合成提供多种中间代谢（4）通过逆向反应可进行多糖合成
2. HMP途径：又称己糖一酸途径，己糖一磷酸支路，戊糖磷酸途径，磷酸葡萄糖酸途径或WD途径。特点是：葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，产生大量的NADPH+H+形式的还原力以及多种重要的中间代谢产物。
HMP途径的总反应式：6葡糖—6—磷酸+12NADP++6H2O——→5葡糖—6—磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi见图P104
HMP途径在微生物生命中的重大意义：（1）提供合成原料（2）产还原力（3）作为固定CO2的中介（4）扩大碳源利用范围（5）连接EMP途径
3. ED途径：又称2—酮—3—脱氧—6—磷酸葡糖酸（KDPC）途径见图P105。特点：葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步反应才能形成的丙酮酸。
ED途径总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+——→2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+详见P105
ED 途径特点：（1）具有

一特征性反应——KDPG裂解为丙酮酸和3—磷酸甘油醛（2）存在一特征性酶——KDPG醛缩酶（3）其终产物2分子丙酮酸的来历不同其一由KDPG直接裂解形成，另一则由3—磷酸甘油醛经EMP途径转化而来（4）产能效率低
4. TCA循环：即三羧酸循环，又称Krebe循环或柠檬酸循环。是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化，脱羧形成CO2，H2O和NADH2的过程。
TCA循环总反应式：（1）丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O——→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP。
若认为TCA循环起始于乙酰—CoA则总反应为：（2）乙酰—CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O——→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP
TCA特点：（1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧条件下运转（2）每分子丙酮酸可产4个NADH+H+,一个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高（3）TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位。
（二） 递氢和受氢
根据递氢特点尤其是受氢体性质的不同，可把生物氧化区分为呼吸，无氧呼吸和发酵3中类型。
1. 呼吸：又称好氧呼吸，特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的呼吸链又称电子传递链传递，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，链状排列的氢传递体，其功能是把氢或电子从低氧还原势的化合物处逐级传递道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。
氧化磷酸化：又称电子传递链磷酸化，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AYTP的作用。
2. 无氧呼吸：又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。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或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。
根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分为以下几种：（1）硝酸盐呼气：又称反硝化作用。分两种，其一是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用，另一是在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，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，又称硝酸盐呼吸或硝化作用。（2）硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式。特点是：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。（3）硫呼吸（4）铁呼吸（5）碳酸盐呼吸（6）延胡索酸呼吸
3. 发酵：有两个涵义

，一，泛指任何利用好氧性或厌氧微生物来产生有用代谢产物或食品，饮料的一类生产方式。狭义的指，在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。
（1） 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 见图P114（2）通过HMP途径的发酵——异型乳酸发：凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇，已算和CO2等多种产物的发酵。可细分两条发酵途径：<1>异型乳酸发酵的“经典”途径：以L.mesenteroides为代表，它在利用葡萄糖时，发酵产物为乳酸，乙醇和CO2，并产生1H2O和1ATP；利用核糖时的产物为乳酸，乙酸，2H2O和2ATP；利用果糖时则为乳酸，乙酸，CO2和甘露醇<2>异型乳酸发酵的双歧杆菌途径：特点是2分子葡萄糖可产生3分子乙酸，2分子乳酸和5分子ATP（3）通过ED途径进行的发酵（4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应（5）佛教中的产能反应
二， 自养微生物产ATP和产还原力
自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：一类是能对无机物进行氧化而获得能量的微生物，称作化能无机自养型微生物，另一类是能利用日光辐射能的微生物，称作光能自养型微生物。两种根本的区别在于，前者生物合成的起点是建立在对氧化程度极高的CO2进行还原的基础上，而后者的起点则建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。
（一） 化能自养型微生物
化能自养型微生物还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机底物，例如NH4+，NO2-，H2S，H2，Fe2+等获得。一般是好氧菌。
与异养微生物相比，化能自养微生物的能量代谢主要右臂3个特点：<1>无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系<2>呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链<3>产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。
化能自养型微生物中硝化细菌为例子加以说明
硝化细菌：从生理类型看，可分为两类，其一称亚硝化细菌或氨氧化细菌，可把NH3氧化成NO2-；另一类则称硝化细菌或亚硝酸氧化细菌，可把NO2-氧化为NO3-。反应式为：<1>
NH3+O2+2H++2e+ 氨单加氧酶
—————→ NH2OH+H2O
（在细胞膜上）
<2>
NH2OH+H2O 羟胺氧还酶
—————→ HNO2+4H++4e-
（在周质上）
<3>
NO2-+H2O 亚硝酸氧化酶
—————→ NO3-+2H++2e-
（在细胞膜上）
（二） 光能营养微生物
1. 循环光合磷酸化 一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制，因可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。特点是：（1）电子传递途径属循环方式（2）产能与产还原力分别进行（3）

还原力来自H2S等无机氢供体（4）不产生氧
2. 非循环光合磷酸化 这是各种绿色植物，藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点是：（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PS I和PS II个光合系统，PS I含叶绿素a，有利于红光吸收，PS II含叶绿素b，利用蓝光吸收。（4）反应中可同时产ATP，还原力H（5）还原力NADPH2中的H来自H2O分子光解产物H+和电子。
3. 嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成
嗜盐菌在无氧条件下，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，此即为光介导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。EMP，HMP和TCA循环都是重要的两用代谢途径。如：葡萄糖通过EMP途径可分解为2个丙酮酸，反之2个丙酮酸也可通过EMP途径的逆转而合成1个葡萄糖，此即葡糖异生作用。
三， 代谢物回补顺序 又称代谢物补偿途径或添补途径，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。
乙醛酸循环为例，又称乙醛酸支路，它是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。
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
在微生物中CO2固定途径有四条：
（一） 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。此循环是光能自养型生物固CO2的主要途径。核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖液激酶是本途径的两种特有的酶。本循环可分为3个阶段：（1）羧化反应（2）还原反应（3）CO2受体再生（反应式见书P130）。Calvin循环的总反应式：6CO2+12NAD(P)H2+18ATP——→C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi+6H2O
（二） 厌氧乙酰—CoA途径：又称活性乙酸途径，图见书P131，总反应式：4H2+CO2——→CH3COOH+2H2O
（三） 逆向TCA循环：又称还原性TCA循环。本循环起始于柠檬酸（6C化合物）的裂解产物草酰乙酸（4C），以它作CO2受体，每循环一周掺入2个CO2，并还原成可供各种生物合成用的乙酰—CoA（2C），由它再固定1分子CO2后，就可进一步形成丙酮酸，丙糖，己糖等一系列构成细胞所需要的重要合成原料。
（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CO2固定机制。把2个CO2分子转变成乙醛酸。本途径的总反应是：2CO2+4【H】+3ATP——→乙醛酸
二， 生物固氮
生物固

氮：是指大气中的分子氮通过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有固氮能力。
（一） 固氮微生物：最早发现的是共生的根瘤细菌和自身的固氮菌属。目前知道的固氮微生物分类有：固氮菌科，根瘤菌科，红螺菌目，甲基球菌科，蓝细菌等。固氮菌可以分为3类：自生固氮菌，共生固氮菌，联合固氮菌
（二） 固氮的生化机制
1. 生物固氮反应的6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. 测定固氮酶活力的乙炔还原法：已知固氮酶除了能催化N2——→NH3外，还可催化许多反应，包括C2H2（乙炔）——→C2H4，这两种气体量的微小变化也能用气相色谱仪检测出来。+
3. 固氮的生化途径 固氮总反应是：N2+8【H】+18-24ATP——→2NH3+H2+18-24ADP+18-24Pi
具体细节见书P136。
4. 固氮酶的产氢反应 固氮酶除了能催化N2——→NH3，还能催化2H++2e——→H2反应的氢化酶活性。
（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 指固氮菌科的菌种能以极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状态，借此保护固氮酶。
（2） 构象保护 在高氧分压条件下，某些细菌的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害得特殊构象，称为构象保护。
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（2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护
3. 豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制 根瘤菌在纯培养情况下，一般不固氮，只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮。侵入根毛并刺激内皮层细胞分裂繁殖，随后分化为膨大形状各异，不能繁殖但有很强的固氮活性的类菌体。
三，微生物结构大分子——肽聚糖的生物合成
（一） 在细胞质中的合成
1. 由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸
2. 由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸
（二） 在细胞膜中的合成 由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体是在细胞膜上进行的。
（三） 在细胞膜外的合成 详见书P141
四， 微生物次生代谢物的合成
微生物的次生代谢物事指某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单，代谢途径明确，产量较大的初生代谢物作前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化学物。
次生代谢物的种类极多有如，抗生素，色素，毒素，生物碱，信息素等
次生代谢物合成途径主要有四条：（1）糖代谢延伸途径（2）莽草酸延伸途径（3）氨基酸延伸途径（4）乙酸延伸途径
第四节 微生物的代谢调节与发酵生产
一， 微生物的代谢调节 代谢调节方

式很多，其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括粗调合细调两个方面，前者指调节酶合成量的诱导或阻遏机制，后者指调节现成酶催化活力的反馈抑制机制。代谢调节是指在代谢途径水平上对酶活性和酶合成的调节，目的是使微生物累积更多的为人类所需的有益代谢产物。
二，代谢调节在发酵工业中的应用
（一） 应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节
1. 赖氨酸发酵 2. 肌苷酸（IMP）的生产
（二） 应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节
抗反馈调节突变株：指一种对反馈调节抑制不敏感或对阻遏有抗性的组成型菌株或兼而有之的菌株。
（三） 控制细胞膜的渗透性
1. 通过生理学手段控制细胞膜的渗透性
2. 通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性