微生物生理学复习大纲

第三章微生物营养与物质运输
1、微生物六大营养要素
碳源、氮源、能源、水、生长因子、无机盐
2、微生物五种营养物质的运输方式
单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转移、膜泡运输
3、五种营养物质的运输方式的异同
单纯扩散：这种形式不需要能量，是以物质在细胞内外的浓度差为动力，即基于分子的热运动而进行的物质运输过程。

当外界的营养物质的浓度高于细胞内该物质的浓度时，通过扩散作用使物质进入细胞内
促进扩散：是顺浓度梯度，将外界物质运入细胞内，不需要能量。

与被动运输不同的是，这种形式需要一种存在于膜上的载体蛋白参与运输。

主动运输：是营养物质逆浓度差和膜电位差运送到细胞膜内的过程。

主动运输过程不仅像促进扩散一样需要载体蛋白，而且还需要能量。

基团转移：许多原核生物还可以通过基团转移来吸收营养物质。

在这一过程中营养物质在通过细胞膜的转移时发生化学变化。

这种运输方式也需要能量，类似主动运输。

膜泡运输：小分子物质的跨膜运输主要通过载体实现，大分子和颗粒物质的运输则主要通过膜泡运输。

第五章自养微生物的生物氧化
1、光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。

2、环式光和磷酸化与非环式的异同：
环式光合磷酸化：是存在于光合细菌中的一种原始产能机制，可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧，是非放氧型光合作用。

环式光和磷酸化：高等植物和蓝细菌与其他光合细菌不同，它们可以裂解水，以提供细胞合成的还原能力。

它们含有光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。

特点是不仅产生ATP，而且还产生NADP（H）和释放氧气，是放氧型光合作用
第四章、异氧微生物的生物氧化
（一）EMP 途径
因葡萄糖是以1,6-二磷酸果糖(FDP)开始降解的，故又称双磷酸己糖途径（HDP ），这条途径包括十个独立又彼此连续的反应。

其总反应是：
C6H12O6+2(ADP＋Pi+NAD+)→2CHCOCOOH+2(A TP+NADH+H+)
葡萄糖经EMP途径生成两分子丙酮酸，同时产生两个A TP，整个反应受ADP、Pi和NAD ＋含量的控制。

丙酮醛支路
对于大肠杆菌，嗜糖假单胞菌以及其它好氧菌，在葡萄糖培养基中无机磷浓度较低时，3-磷酸甘油醛脱氢酶活性下降，将迫使3-磷酸甘油醛较变成磷酸二羟丙酮，再经丙酮醛，乳糖生成丙酮酸。

EMP 途径的特点是：
①葡萄糖的分解是从1,6 －二磷酸果糖开始的，
②整个途径仅在第1,3,10步反应是不可逆的，
③EMP 途径中的特征酶是1,6－二磷酸果糖醛缩酶,
④整个途径不消耗分子氧，
⑤EMP 途径的有关酶系位于细胞质中。

葡萄糖经EMP 途径生成两分子丙酮酸，同时产生两个ATP ，整个反应受ADP 、Pi 、NAD+含量的控制。

绝大多数微生物都有EMP 途径，包括：
①厌氧细菌：大部分厌氧细菌具有EMP 途径，如梭菌，螺旋菌等，
②兼性好氧细菌
③专性好氧细菌
④酵母菌进行酒精发酵也是利用了EMP 途径。

EMP 的生理功能是：为菌体提供生理活动的ATP 、NADH ，其中间产物为菌体合成提供碳骨架，在一定条件下可沿EMP 途径逆转合成多糖。

（二）HMP途径
这条途径是从 6 －磷酸葡萄糖酸( 6 PG)开始分解的，即在单磷酸己糖基础上开始降解的，故称为单磷酸己糖途径，简称为HMP 途径。

HMP 途径可分为两个阶段：
第一阶段为氧化阶段：从 6 －磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解，氧化脱羧生成 5 －磷酸核酮糖和二氧化碳。

第二阶段为非氧化阶段：是磷酸戊糖之间的基团转移，缩合（分子重排）使 6 －磷酸己糖再生。

HMP 途径有以下特点：
①HMP 途径是从 6 －磷酸葡萄糖脱羧开始降解的，与EMP 途径（在双磷酸己糖基础上开始降解）是不同的；
②该途径中有两种特征酶：转酮酶（TK ）和转醛酶（T A ) ，
③HMP 途径一般只产生NADPH ，不产生NADH ，
④HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。

HMP 途径有以下功能：
①为生物合成提供多种碳骨架，5 －磷酸核糖（R5P）可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步可合成核酸， 5 －磷酸核糖也是合成辅酶[ NA D（P ）、FAD（FMN）、CoA］的原料， 4 －磷酸赤藓糖是合成芳香族氨基酸的前体。

②为生物合成提供还原力。

HMP 途径中产生的NADPH 在生物体内有以下作用：NADPH 是合成脂肪酸，类固醇、谷氨酸的供氢体；NADPH 是维持细胞中谷胱甘肽（GSH ）正常含量所必须的；NADPH 在特异的转氢酶作用下可变为NADH ，再经呼吸链氧化产能。

一摩尔葡萄糖经HMP 途径最终氧化可得到35 摩尔A TP 。

必须指出，这种转化在代谢中，一般不是主要方式。

因此不应把葡萄糖经HMP 途径看成是产生A TP 有意义的机制，即HMP 途径主要作用是为生物合成提供还原力而不是氧化供能。

③HMP 途径中的5－磷酸核酮糖（Ru5P ）可以转化为 1 , 5 －二磷酸核酮糖（RuDP ) ，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌，化能自养菌则具有重要意义。

在同一微生物细胞里同时具有HMP和EMP途径，着微生物种类及环境条件不同，各条途径所占的比例也不同。

如酵母菌对葡萄糖利用时，87%走EMP，而13%走HMP，青霉菌77%经HMP途径，而23%走EMP途径，等等。

（三）ED途径
又称2-酮- 3 -脱氧-6 -磷酸葡萄糖酸裂解途径。

这条途径是Entner和Doudoroff，在研究嗜糖假单胞菌时发现的。

ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径。

其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。

其反应步骤简单，产能效率低。

该途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，可以相互协调，满足微生物对能量，还原力和不同代谢物的需要。

ED 途径的特点是：
1 . ED 途径的特征反应是2-酮- 3 -脱氧-6 -磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和 3 -磷酸甘油醛。

2 . ED 途径的特征酶是 2 -酮-
3 -脱氧-6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶。

3 . ED 途径中两分子丙酮酸来历不同，一分子是由 2 -酮- 3 -脱氧- 6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子丙酮酸是由磷酸甘油醛经EMP 途径转化而来。

4 . 1 摩尔葡萄糖经ED 途径只产生 1 摩尔ATP 。

表：EMP、HMP、ED途径的比较
由此可见，EMP途径不能独立于HMP途径，HMP途径一般是与EMP并存的，而ED 途径可不依赖于EMP和HMP途径，而独立存在。

（四）WD途径
该途径是由Warburg、Dickens、Horecker 等人发现的，故称WD 途径。

因该途径中的特征酶是磷酸解酮酶，所以又称磷酸解酮酶途径。

根据磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫PK 途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK 途径。

（五）葡萄糖直接氧化途径
前面介绍的四种代谢途径都是在葡萄糖先经磷酸化后进行降解的。

而有些细菌如，假单胞杆菌属、气杆菌属和醋杆菌属，不具备己糖激酶，但具有葡萄糖氧化酶，能利用空气中的氧，把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸再经磷酸化进行降解。

呼吸链
呼吸链是指NADH 、FADH2以及其它还原型载体上的氢原子，以质子和电子的形式在一系列载体上进行定向有序的传递系统。

简而言之，由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系称为呼吸链。

呼吸链的酶系是定向有序，又是不对称地排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核微生物的细胞质膜上。

2、呼吸链（电子传递系统）
是由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系。

在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种—— NAD+、NADP+ 和FAD。

NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链。

所以呼吸链有两条：
1. NAD+
NAD+是水溶性的，与酶蛋白可逆结合而往返于线粒体基质与内膜之间（但不能透过内膜）。

在线粒体的基质中，NAD+接受代谢物上脱下的氢，生成NADH；然后与酶蛋白脱离，扩散至线粒体内膜的内表面，将氢(电子)传递给下一个电子传递体，自身又再生成NAD+，返回线粒体基质继续参与代谢物的脱氢反应。

2. 黄素蛋白 (FP)
黄素蛋白是指以黄素核苷酸(FAD 或FMN)为辅基的酶。

所以，黄素蛋白有两种，分别以FAD 及FMN 作为辅基。

FP 分布在线粒体的内膜上。

它的辅基FAD 或FMN 与蛋白质部分结合得很牢固，有的甚至是共价连结。

FP 在呼吸链中作为双电子传递体。

3. 铁硫蛋白
铁硫蛋白含铁原子(非血红素的铁)和硫原子(对酸不稳定的硫)，两者一般以等摩尔存在，构成2Fe-2S 簇、4Fe-4S 簇，称为铁硫中心，常用符号“Fe -S”表示。

铁硫中心通过Fe 与蛋白质的半胱氨酸残基连接。

铁硫中心只有1个Fe 起氧化还原反应，在氧化型（Fe3+）和还原型（Fe2+）之间转变。

4. 辅酶Q (CoQ)
辅酶Q 属于醌类，由于它广泛存在于生物系统中，所以又叫泛醌(UQ)。

辅酶Q 是呼吸链中唯一的非蛋白质组分。

它分子小，且呈脂溶性，可以在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散，往返于比较固定的蛋白质类的电子传递体之间进行电子传递。

5. 细胞色素 (Cyt)
细胞色素是以铁卟啉(血红素)为辅基的蛋白质，因为有颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。

细胞色素通过辅基中的铁离子价的可逆变化进行电子传递。

它在呼吸链中作为单电子传递体。

呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。

第七章 微生物代谢调节
第一节 代谢调节的部位
微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节。

代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。

代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。

第一节 代谢调节的部位
细胞膜（细胞器膜）
酶本身
酶与底物的相对位置及间隔状况
（1）细胞膜
①膜的脂质的分子结构，以及环境条件对膜脂质理化性质的影响
②膜蛋白质的绝对数量及其活性的调节
③跨膜的电化学梯度以及A TP 、ADP 、AMP 体系及无机磷浓度对溶质输送的调节 ④细胞壁结构的部分破坏或变形，间接影响到膜对溶质的通透性
（2）酶本身
调节酶的生成量，增加或减少关键酶的合成速度或降解速度
改变已有酶分子的活性，抑制或激活 NADH FMN Fe-S CoQ Cytb Fe-S Cytc 1
Cytc 3 O FAD
（3）酶与底物的相对位置及间隔状况
代谢活动只能在特定的部位进行，即代谢活动是区域化的
实质是控制酶与底物的接触，使各个反应有序进行
代谢通道控制作用，即通过控制酶与底物的相对位置来控制代谢途径活性的方式
如呼吸的酶系集中在细胞质膜上，与蛋白质合成有关的酶系则位于核蛋白体上，分解大分子的水解酶，在革兰氏阴性菌是位于壁膜间隙中，革兰氏阳性菌是将这些水解酶类分泌于胞外关键酶
关键酶催化的反应具有以下特点：
①速度最慢，它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶
②催化单向反应不可逆或非平衡反应，它的活性决定整个代谢途径的方向
③这类酶活性除受底物控制外，还受多种代谢物或效应剂的调节
二、微生物代谢调节分类
代谢途径区域化
原核微生物细胞：虽然没有复杂的具有膜结构的细胞器，但也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系集中在某一区域，以保证这一代谢途径酶促反应的顺利进行，避免了其他途径的干扰；
真核微生物细胞：各种酶系被细胞器隔离分布，使其代谢活动只能在特定的部位上进行，如与呼吸产能有关的酶系集中于线粒体内膜上，DNA合成的某些酶位于细胞核里。

代谢流向的调控
微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡。

代谢速度的调控
（1）酶合成的调节（粗调）
（2）酶活性的调节（细调）
细胞透性的调节
细胞质膜的透性直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化。

酶的诱导和阻遏调节方式（实例）
诱导：如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能产生淀粉酶。

曲霉只有生长在蔗糖培养基中才产生蔗糖酶；酵母菌在有氧时才合成细胞色素，在无氧时，细胞色素的合成则停止，当再置于有氧环境中，细胞色素又开始合成。

诱导酶只有在诱导剂存在时才生成，当除去诱导剂后，酶的合成便停止了。

由于酶诱导生成的调节，使得微生物只有在需要时才合成某种酶，不需要时便不合成，这对微生物新陈代谢是十分经济有利的。

阻遏:分解代谢产物阻遏
Monod于1942年研究枯草杆菌在有葡萄糖和阿拉伯糖的培养基中生长时，首先发现了二次生长的现象。

凡是快速被利用的基质都可阻止对其他基质的利用，只有当快速利用的基质被消耗之后，才开始利用第二种基质，而表现出二次生长。

发生二次生长的原因，是由于利用葡萄糖的酶系是固有的，而利用乳糖（或阿拉伯糖、半乳糖）的酶系是诱导生成的。

在有葡萄糖的情况下，阻遏了利用乳糖的酶系的合成。

因而只有当葡萄糖被利用完之后，乳糖才能诱导能利用它的酶系合成，由于合成新酶系需要一定的时间，所以在二次生长之间出现了一段停滞期
末端代谢产物阻遏：这种现象在氨基酸、维生素和核苷酸等合成途径中普遍存在
●第八章、微生物的次级代谢及其调节
●次级代谢：微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长期），以初级代谢产物为前
体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质过程。

●（一）根据产物的作用分类
●1、抗生素：是指由细菌、霉菌或其它微生物在繁殖过程中产生的，具有在低浓度
下有选择地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的功能的一类次级产物。

以青霉素类、头孢菌素类、四环素类、氨基糖苷类及大环内酯类最常用。

●2、激素：微生物产生的一些可以刺激动、植物生长或性器官发育的一类次级物质。

例如赤霉菌产生的赤霉素。

●3、维生素：是指在特定条件下，微生物产生的远远超过自身需要量的那些维生素，
例如丙酸细菌产生维生素B12;分枝杆菌产生吡哆素和烟酰胺;假单胞菌产生生物素;
以及霉菌产生的核黄素和β-胡萝卜素等。

●4、生物碱：大部分生物碱是由植物产生的碱性含氮有机物。

麦角菌可以产生麦角
菌生物碱。

●5、色素：是一类本身具有颜色并能使其他物质着色的高分子有机物质。

不少微生
物在代谢过程中产生各种有色的产物。

例如由黏质赛氏杆菌产生灵菌红素，在细胞内积累，使菌落呈红色。

有的微生物将产生的色素分泌到细胞外，使培养基呈现颜色。

●6、毒素：是指生物在代谢过程中产生的有害物质。

大部分细菌产生的毒素是蛋白
质类的物质。

●破伤风梭菌产生的破伤风毒素；白喉杆菌产生的白喉毒素；肉毒梭菌产生的肉毒素
及苏云金杆菌产生的伴胞晶体等。

●放线菌，真菌也产生毒素。

例如黄曲霉产生的黄曲霉毒素。

●担子菌产生的各种蘑菇毒素等。

（二）根据产物的合成途径分类
●1、与糖代谢有关的类型
●以糖或糖代谢产物为前体合成次级代谢产物：
●①直接由葡萄糖合成次级代谢产物:其结构在次级代谢过程中被修饰了。

例如，曲霉
属产生的曲酸、蛤蟆菌产生的毒碱，放线菌产生的链霉素以及大环内酯抗生素中的糖苷等。

●②由预苯酸合成芳香族次级代谢产物:例如放线菌产生的氯霉素、新霉素等。

●③由磷酸戊糖合成次级代谢产物:磷酸戊糖首先合成重要的初级代谢产物核苷类物
质，进一步合成次级代谢产物，如狭霉素、嘌呤霉素、抗溃疡间型霉素、杀稻瘟菌素S等
2、与脂肪代谢有关的类型
●①以脂肪酸为前体，经过几次脱氢、β-氧化之后，生成比原来脂肪酸碳数少的聚乙
炔脂肪酸。

●②次级代谢产物的合成不经过脂肪酸，而从丙酮酸开始生成乙酰CoA，再在羧化酶
催化下生成丙二酰CoA。

在次级代谢中所生成的丙二酰CoA等链中的羰基不被还原，而生成聚酮或β-多酮次甲基链。

由此进一步生成不同的次级代谢产物。

例如四环素等抗生素类。

3、与聚酯酰类化合物有关的类型
●这类化合物均以活性酯酰作为前体，通过聚合作用形成。

与聚酯酰类化合物有关的
次级代谢产物，主要是由霉菌产生。

●例如烟曲霉素、赤霉素、梭链孢酸及由八个异戊二烯单位聚合成的β-胡萝卜素等
4、与TCA循环有关的类型
●一类是从TCA循环得到的中间产物进一步合成次级产物，例如由α-酮戊二酸还原
生成戊烯酸；由乌头酸脱羧生成衣康酸。

●另一类是由乙酸得到的有机酸与TCA循环上的中间产物缩合生成次级产物。

担子
菌产生的松炯酸是由十八烷酸的α-亚甲基与草酰乙酸的羰基缩合而成。

5、与氨基酸代谢有关的类型
●①由一个氨基酸形成的次级代谢产物，如放线菌产生的环丝氨酸、氮丝氨酸；担子
菌由色氨酸合成口蘑氨酸、二甲基-4-羟色胺磷酸以及靛蓝等。

●②由二个氨基酸形成的曲霉酸、支霉黏毒。

半胱氨酸和缬氨酸以另外的缩合方式形
成6-氨基青霉素烷酸。

●③由三个以上氨基酸合成的次级产物，氨基酸之间多以肽键结合成直链状，例如镰
刀菌产生的恩镰孢菌素。

二、次级代谢产物的生物合成
第一步，前体聚合
第二步，结构修饰
第三步，是不同组分的装配
次级代谢产物的生源：
生源是指次级代谢产物分子构建单位的来源，一般次级代谢产物的生源都是直接或间接的来自于微生物代谢过程中产生的一些中间产物和初级代谢产物。

1、聚酮体
2、甲羟戊酸
3、糖类和氨基糖
4、不常见氨基酸
5、环多醇和氨基环多醇
6、非核酸的嘌呤碱和嘧啶碱的生物合成
7、吩噁嗪酮
8、莽草酸
三、次级代谢的特点：
1.次级代谢的产生与微生物的生长不呈平行关系
2.次级代谢产物的生物合成以初级代谢产物为前体，并受初级代谢的调节
3.次级代谢酶系对底物要求的专一性不强
4.次级代谢产物种类繁多，结构特殊
5.次级代谢酶在细胞中具有特定的位置和结构
6．次级代谢产物的合成过程由多基因控制
7.次级代谢产物的合成对环境因素特别敏感
8.菌种与次级代谢的结构之间没有明确的分类学上的内在联系
9．刺激代谢产物的合成与菌体的形态变化有一定的关联。