微生物代谢

微生物代谢

第三章：微生物代谢

广义的代谢--生命体进行的一切化学反应。

代谢分为能量代谢和物质代谢，分解代谢和合成代谢。

分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。

合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）

二者关系

初级和次级代谢

依据代谢产物在微生物中作用不同，又有初级代谢和次级代谢。

初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。

次级代谢：某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。

二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。

第1节：微生物能量代谢

微生物对能量利用：

有机物——化能异养菌

日光——光能营养菌通用能源

还原态无机物——化能自养菌A TP

只有ATP和酰基辅酶A起偶联作用，其他高能化合物只作为〜P 供体。

生物氧化过程分为：脱氢、递氢、受氢三个阶段。

生物氧化功能：产能（A TP）、产还原力[H]、产小分子中间代谢物。

以下主要讲述化能异养微生物的生物氧化和产能。

一、底物（基质）脱氢的四条主要途径

以葡萄糖作为典型底物

1、EMP途径（糖酵解途径）

有氧时，与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。

无氧时，丙酮酸进一步代谢成有关产物。

2、HMP途径（己糖-磷酸途径）

产生大量NADPH2和多种重要中间代谢物。

3、ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径KDPG

是少数缺乏完整EMP的微生物具有的一种替代途径，细菌酒精发酵经ED进行。

4、TCA循环（三羧酸循环）

真核在线粒体中，原核在细胞质中。

TCA在代谢中占有重要枢纽地位

四种途径产能比较：

二、递氢和受氢

根据递氢特别是最终氢受体不同划分

1、发酵（分子内呼吸）

无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力不经呼吸链而直接传递给某一中间代谢物的低效产能反应。在此过程中，有机物是氧化基质，又是最终氢受体，且是未彻底氧化产物，结果仍积累有机物，产能少。

在发酵过程中，借底物水平磷酸化合成ATP，是合成A TP唯一方式。

X〜P + ADP ATP + X

高能化合物：1 ，3- 二磷酸甘油酸、乙酰磷酸、氨甲酰磷酸、PEP、酰基辅酶A。2、有氧呼吸（呼吸作用）

底物脱氢后，经完整的呼吸链（电子传递链）递氢，以分子氧作为最终氢受体，产生水和放出能量。

在电子传递过程中，通过与氧化磷酸化反应偶联，产生A TP，称氧化磷酸化。

1）呼吸链组成与顺序：

2）真核与原核生物呼吸链比较：

位置、组成

3、无氧呼吸（厌氧呼吸）

以无机氧化物代替分子氧作为最终氢受体的生物氧化。

氧化磷酸化合成A TP，但有些能量转移到最终受体，产能不多。

依据最终氢受体不同，分成多种类型。

1）硝酸盐还原作用（反硝化作用）

由硝酸盐逐步还原成分子氮的过程。使土壤N损失，肥力下降。属异化性硝酸盐还原。2）硫酸盐还原作用（异化性）

通常以乳酸为基质，积累乙酸，以SO42-为最终氢受体。脱硫弧菌Desulfovibrio sp.

3)甲烷发酵作用

产甲烷菌以二氧化碳为最终氢受体。如甲烷杆菌Methanobacterium

四、不同呼吸类型微生物

与分子氧的不同关系

1、好氧微生物aerobic有氧条件下生长，进行有氧呼吸。

2、厌氧微生物anaerobic不需分子氧，进行无氧呼吸或发酵。

专性厌氧菌—只能在无氧条件下生长，分子氧对其有害。主要梭菌、产甲烷细菌、脱硫弧菌。

耐气厌氧菌（aerotolerant)—无论有氧无氧，都进行发酵，分子氧无害。如乳酸菌。

3、兼性厌氧微生物facultative anaerobic

有氧与无氧条件下均能生长，但以不同氧化方式获得能量。

如酵母菌、一些肠道菌、反硝化细菌。

酵母菌酒精发酵时通入氧气，发酵减慢，停止产生乙醇，葡萄糖消耗速率下降，氧对发酵的这种抑制现象称为巴斯德效应。

4、微好氧微生物microaerophilic

在氧浓度较低条件下生长，进行有氧呼吸。

氧的危害

O2 + e →O2—超氧化物自由基——有一些酶可解除危害。

五、不同发酵类型

对G发酵产物不同划分，糖的无氧降解。

（一）乙醇发酵：EMP 脱羧酶脱氢酶

1.酵母无氧条件：G →丙酮酸→乙醛→乙醇

此属正常形式，称Ⅰ型发酵，亦称同型酒精发酵

2.若有亚硫酸酸氢钠存在，与乙醛结合，而使磷酸二羟丙酮作为受氢体。

磷酸二羟丙酮→α-磷酸甘油→甘油

此称为Ⅱ型发酵，但仍有乙醇产生。

3．碱性条件下（PH7.6），乙醛分子间歧化反应

一分子乙醛→乙酸（氧化）

一分子乙醛→乙醇（还原）

还有磷酸二羟丙酮→甘油

4．细菌同型酒精发酵，ED途径进行，产生2分子乙醇。

5．细菌异型酒精发酵，通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸。

总反应式如下：

G+2ADP+2Pi →2乙醇+2 CO2+2A TP

G+HSO3- →甘油+乙醛•HSO3-+CO2

2G →2甘油+乙酸+乙醇+CO2

G+ADP+Pi →2乙醇+2 CO2+A TP

G+ADP+Pi →乳酸+乙醇+CO2+ATP

（二）乳酸发酵

发酵产物中只有乳酸，经EMP途径，称为同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）。

发酵产物中除乳酸外，还有其他，如乙醇、CO2等称异型乳酸发酵。经HMP 途径。如肠膜状明串珠菌Leuconostoc mesenteroides 总反应式：

同型：G+2ADP+2Pi →2乳酸+2ATP

异型：G+ADP+Pi →1乳酸+乙醇+CO2+A TP