第5章 微生物代谢
第五章 微生物的代谢
为混合酸发酵。
EMP
葡萄糖
乳酸、乙酸、甲酸 丙酮酸 乙醇 、CO2 、H2 琥珀酸
五 丙酮-丁醇发酵
——严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产 品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）
——丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum
2丙酮酸 2乙酰-CoA
缩合
乙酰-乙酰 CoA
• 为细胞生命活动提供ATP 和 NADH • 是连接其它几个重要代谢途径的桥梁 • 为生物合成提供多种中间代谢物
2. HM途径（磷酸戊糖支路， 单磷酸己糖途径)
ATP 12NADPH+H+ 36ATP 35ATP
6C6
6C5
经过系列反应后合成己糖 6CO2
5C6
C6为己糖或己糖磷酸;C5为核酮糖-5-磷酸;打方框的为终产物; NADPH+H+必须先由转氢酶将其上的氢转到NAD+上并变成 NADPH+H+后,才能进入呼吸链产ATP;
NADH + H+ NAD+
•异型乳酸发酵途径：肠膜明串珠菌，短乳杆菌
PK/ HK
葡萄糖
乳酸 + 乙醇 + CO2 + 1ATP
•双岐发酵途径：双岐杆菌
PK/ HK 葡萄糖 乳酸 + 乙酸 + CO2 + 2.5ATP
三 丙酸发酵（丙酸细菌，厌氧菌）
葡萄糖
EMP
丙酮酸
丙酸
乳酸
四 混合酸发酵
由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称
生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境
胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡
第五章 微生物的代谢
（三）半纤维素的分解 半纤维素也是植物细胞壁的重要组成成分，在植
物体内的含量很高，仅次于纤维素，半纤维素是由戊 糖（主要是木糖和阿拉伯糖）和己糖（主要是半乳糖 和甘露糖）缩合而成的聚合物，有些种类植物在组成 半纤维素的亚基中，还有糖醛酸（主要是半乳糖醛酸 和葡萄糖醛酸）。
半纤维素比纤维素容易分解，能够分解它的微生 物种类也比较多，例如细菌中的噬纤维菌，梭菌中的 某些种类，真菌中的曲霉、青霉、木霉等的某些种类。 半纤维素在相应酶的作用下，分解为相应的单糖。
•反应步骤简单，产能效率低.
• 此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连 接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不 同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌 氧时进行乙醇发酵.
ED途径的总反应
•
• •
ATP
• • •
ATP
C6H12O6
ADP
KDPG
2ATP NADH2 NADPH2 2丙酮酸
HMP途径的重要意义
•为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
•产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提 供还原力，另一方面可通在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可 以调剂戊糖供需关系。
•途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、 碱基合成、及多糖合成。
醛再氧化成有机酸，最后按脂肪酸β-氧化的方
式分解，为机体生长提供必要的能量与小分子 化合物。
（二）脱氨作用 脱氨基主要有氧化脱氨基（大肠杆菌等参与）、水解
脱氨基（酵母菌等参与）和还原脱氨基（大肠杆菌等参 与）三种方式。 1.氧化脱氨基 CH3CHNH2COOH+1/2O2→CH3COCOOH+NH3 2.水解脱氨基 RCHNH2COOH+H2O→RCH2OH+CO2+NH3 3.还原脱氨基 HOOCCH2CHNH2COOH→HOOCCH=CHCOOH+ NH3
5.2.2微生物的代谢
结论：体积越小，相对表面积越大
微生物代谢的特点
资料2
大肠杆菌每小时分解的糖是自身重量的 2000倍。 乳酸杆菌每小时产生的乳酸是自身重量 的1000-10000倍。
产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比大豆 强100倍，比食用牛强10万倍。
结论： 微生物的代谢异常旺盛
一、微生物的代谢产物
初级代谢产物
中间产物Ⅱ
甲硫氨酸
苏氨酸
赖氨酸
思考：
1、 赖氨酸是必需氨基酸吗？有什么用途？ 2.黄色短杆菌合成赖氨酸的代谢调节属于哪种调节 方式？ 天冬氨酸 3. 天冬氨酸激酶的活性在什么条 天冬氨酸激酶 件下才会被抑制？怎样解除？ 中间产物Ⅰ 4、合成苏氨酸需要什么条件？ 中间产物Ⅱ 5、怎样才能抑制苏氨 高丝氨酸 酸的合成？ 脱氢酶 高丝氨酸 6、改变微生物的遗传 特性可采用哪些方法？ 甲硫氨酸 苏氨酸、赖氨酸
人工控制黄色短杆菌的代谢过程生产赖氨酸
天冬氨酸
人工诱变的 菌种不能产生 高丝氨酸 脱氢酶
天冬氨酸激酶
中间产物Ⅰ
高丝氨酸
中间产物Ⅱ
不能合成
甲硫氨酸 苏氨酸
可以大 量积累
赖氨酸
人工控制谷氨酸棒状杆菌生产谷氨酸
葡萄糖
中间产物
α-酮戊二酸
谷氨酸脱氢酶 抑制 NH4+ 谷氨酸
在谷氨酸的生 产过程中，可采用 一定的手段改变谷 氨酸棒状杆菌 细胞膜 __ 的透性 ______，使谷氨酸 能迅速排放到细胞 外面，从而解除了 谷氨酸 谷氨酸对 ________ 脱氢酶 _______的抑制作用， 提高谷氨酸的产量。
结束！
控制措施
具体方式
改变微生物遗传特性 诱变处理，选择符合生产要求的菌种 溶解氧 控 制 发 酵 条 件 PH值
微生物学(第五章-微生物的新陈代谢)
“微生物学”练习题第五章-微生物的新陈代谢一、名词解释发酵、光合色素、光合单位、次级代谢、次级代谢产物、同型乳酸发酵、异型乳酸发酵、合成代谢、分解代谢、有氧呼吸、无氧呼吸、呼吸作用二、选择题1、新陈代谢研究中的核心问题是（）。
A、分解代谢B、合成代谢C、能量代谢D、物质代谢2、驱动光合作用反应的能量来自（）。
A、氧化还原反应B、日光C、ATP分子D、乙酰CoA分子3、微生物光合作用的中间产物是（）。
A、氨基酸和蛋白质B、氧气和葡萄糖分子C、丙酮酸分子D、糖原4、不产氧光合作用产生ATP是通过（）。
A、非循环光合磷酸化B、循环光合磷酸化C、氧化磷酸化D、底物水平磷酸化5、发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能机制是（）。
A、非循环光合磷酸化B、循环光合磷酸化C、氧化磷酸化D、底物水平磷酸化6、合成代谢是微生物细胞中的一个过程，其作用是（）。
A、合成分子及细胞结构B、在电子载体间传递电子C、微生物细胞分解大分子为小分子D、糖酵解和三羧酸循环是关键的中间过程7、营硝酸盐呼吸的细菌，都是一类（）。
A、专性好氧菌B、兼性厌氧菌C、专性厌氧菌D、耐养性厌氧菌8、下列代谢方式中，能量获得最有效的方式是（）。
A、发酵B、有氧呼吸C、无氧呼吸D、化能自养9、下列哪些描述不符合次级代谢及其产物（）。
A、次级代谢的生理意义不象初级代谢那样明确B、次级代谢产物的合成不受细胞的严密控制C、发生在指数生长后期和稳定期D、质粒与次级代谢的关系密切10、光能自养型微生物的能量来源是（）。
A、葡萄糖B、日光C、CO2D、碳酸盐11、非循环光合磷酸化中，还原力NADPH2的〔H〕来自于（）。
A、H2SB、H2O的光解C、H2CO3D、有机物12、微生物产生次生代谢产物的最佳时期是（）。
A、适应期B、对数期C、稳定期D、衰亡期13、下列说法不正确的是（）。
A、初级代谢产物是微生物必须的物质B、次级代谢产物并非是微生物必须的物质C、次级代谢可以在微生物的代谢调节下产生D、初级代谢产物的合成无需代谢调节14、在细菌细胞中，能量代谢的场所是（）。
第五章 微生物工程的代谢调节和代谢工程
二、酶活性的调节
代谢调节是指在代谢途径水平上酶活性 和酶合成的调节。 酶活性调节： 激活剂→酶激活作用； 抑制剂→酶抑制作用； 可以是外源物，也可是自身代谢物。
1、酶激活作用与抑制作用
微生物代谢中，普遍存在酶既有激活作 用又有抑制作用的现象。 如：天门冬氨酸转氨甲酰酶受ATP激活， 受CTP抑制（终产物）。 大肠杆菌糖代谢过程中，许多酶都有 激活剂和抑制剂（表5-1）。共同控制糖 代谢。
酶的共价修饰。
生产目的：高浓度地积累人们所期望的产物。 办法：①育种，得到根本改变代谢的基因突变株；
②控制微生物培养条件，影响其代谢过程。 代谢工程：利用基因工程技术，扩展和构建、连接，形 成新的代谢流。（也称途径工程）
一、微生物的代谢类型和自我调节
1.代谢类型：分解代谢和合成代谢。 相互关联，相互制约。 细胞优先合成异化可维持更快生长的化合物 的酶。利用完后，再合成下一个酶。 2.微生物自我调节部位： ①细胞膜的屏障作用（多数亲水分子）和通道； ②控制通量，调节酶量和改变酶分子活性； ③限制基质的有形接近，可存在于不同细胞 器各个代谢库中，其酶量差别大。
价连接物（腺苷酰基）。
五、能荷调节
细胞的能荷计算式：
[ATP]+1/2[ADP] 能荷=—————————— [ATP]+ [ADP]+[AMP]
能荷高时，ATP的酶合成系统受抑制， ATP消耗酶系统被活化。 呈抑制与活化的中间状态的能荷大约是 0.85，此时两种酶系统达到平衡。
六、代谢调控
根据代谢调节理论,通过改变发酵工艺条 件(温度、PH、风量、培养基组成)和菌 种遗传特性，达到改变菌体内的代谢平 衡，过量产生所需产物的目的。 1.发酵条件的控制 2.改变细胞透性 3.菌种遗传特性的改变
10-12 第五章 微生物的代谢
1、生物氧化的形式：
包括脱氢或脱电子
①失电子：
Fe2+ → Fe3+ + e CH3-CHO
②化合物脱氢、递氢: CH3-CH2-OH
NAD NADH2
2、生物氧化的过程： 脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三 个阶段
3、生物氧化的功能： 产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物
德国： （Carl Neuberg）
目前甘油生产中使用的微生物 Dunaliella aslina（一种嗜盐藻类） 生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境
胞内积累高浓度的甘油使细胞的渗透压保持平衡
由EMP途径中丙酮酸出发的发酵
②同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸
丙酮酸
NADH2
乳酸
同型乳酸发酵菌株有： 德氏乳杆菌(L.delbruckii)、嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)、植物乳杆菌 (L.plantarum)、干酪乳杆菌(L.casei)、粪链球菌(Streptococcus faecalis)
（5）Stickland反应
氨基酸同时为碳源、氮源和能源 以一种氨基酸为H供体，而另一种氨基酸为H受体来实现 生物氧化产能的发酵类型。
3乙酸
丙氨酸
+
2甘氨酸
3NH3
CO2 ATP
Stickland反应特点：
部分氨基酸的氧化与另一些氨基酸的还原相偶联； 产能效率低，1ATP/1G。
各途经的相互关系
H2O
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
丙酮酸
~~醛缩酶
（KDPG）
有氧时与TCA循环连接 无氧时进行细菌乙醇发酵
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。
5第五章 代谢调控育种
⑷利用营养缺陷型回复突变株或条件突变株的方法， 解除终产物对关键酶的调节；
⑸应用遗传工程技术，创造理想微生物（即构建目 的工程菌株）。
此外，发酵条件如pH值、NH3的供应、溶氧水平、 营养浓度控制及表面活性剂的使用等也非常重要。
一. 切断支路代谢
1. 营养缺陷突变株的应用
营养缺陷型即菌株发生基因突变，合成途径中某一 步骤发生缺陷，丧失了合成某些物质的能力，必须在 培养基中添加该营养物质才能生长。
第五章 微生物 代谢控制育种
第一节 代谢控制育种的基础
代谢控制发酵理论的建立
代谢控制发酵理论最开始是应用于氨基酸高产菌株 的选育中；随后，核苷类物质发酵生产菌也以代谢控 制理论去选育，并奋起直追成为后起之秀。
随着研究的深入，代谢控制发酵理论的作用，已由 野生型菌株的发酵向高度人为控制的发酵转移，由依 赖于微生物分解代谢的发酵向依赖于生物合成代谢的 发酵，即向代谢产物大量积累的发酵转移。
一个菌株经过突变和回复突变后，某一结构基因 编码的酶会经历失活→恢复活性的过程，但酶的调节 部位的结构常常并没有恢复。所以经过此过程后，该 酶的反馈抑制被解除或削弱。因此可以利用营养缺陷 型的回复突变来获得解除反馈抑制从而提高产量的菌 株。
例如，先将金霉素生产菌绿链霉菌诱变成蛋氨酸 缺陷型，然后再回复突变成原养型，结果其中有85% 的回复突变株的金霉素产量提高了1.2~3.2倍。
通过选育某些营养缺陷型或结构类似物抗性突变株 以及克隆某些关键酶的基因，也可以使目的产物前体 的合成增加，从而有利于目的产物的大量积累。
1. 在分支合成途径中，切断控制共用酶的非目的终 产物的分支合成途径，增多目的产物的前体，使目的 产物的产量提高。
在谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、黄色短杆菌、 大肠杆菌等微生物中，Lys、Thr、Met的合成关键酶是 天冬氨酸激酶，该酶受Lys、Thr的协同反馈抑制，即 天冬氨酸激酶在Lys或Thr单独存在时不受抑制，仅当 两者同时过量时才引起抑制作用。因此，在Thr限量培 养时，即使Lys过剩，也能进行由天冬氨酸生成天冬酰 磷酸的反应（即第一步反应）。
第五章 代谢调控
末端代谢产物阻遏在微生物代谢调节中有 着重要的作用，它保证了细胞内各种物质维持 适当的浓度。当微生物已合成了足量的产物， 或外界加入该物质后，就停止有关酶的合成。 而缺乏该物质时，又开始合成有关的酶。
2.2 分解代谢物对酶合成的阻遏
当细胞内同时存在两种可利用底 物(碳源或氮源)时，利用快的底物会阻 遏与利用慢的底物有关的酶合成。现 在知道，这种阻遏并不是由于快速利 用底物直接作用的结果，而是由这种 底物分解过程中产生的中间代谢物引 起的，所以称为分解代谢物阻遏。
培养基中加入精氨酸阻遏精氨酸合成酶系的合成
大肠杆菌的甲硫氨酸是由高丝氨酸经胱硫醚 和高半胱氨酸合成的，在仅含葡萄糖和无机盐 的培养基中，大肠杆菌细胞含有将高丝氨酸转 化为甲硫氨酸的三种酶，但当培养基中加入甲 硫氨酸时，这三种酶消失。
甲硫氨酸反馈阻遏大肠杆菌的蛋氨酸合成酶的合成 (R)：表示反馈阻遏
｛ • 酶活性
对酶活性的前馈 对酶活性的反馈
四. 次级代谢与次级代谢调节
次级代谢是相对于初级代谢而言的， 所谓初级代谢是一类普遍存在于生物中 的代谢类型，是与生物生存有关的，涉 及能量产生和能量消耗的代谢类型。初 级代谢产物如单糖、核苷酸、脂肪酸等 单体，以及由它们组成的各种大分于聚 合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂类等。
调节酶的抑制剂通常是代谢终产物或其结构类 似物，作用是抑制酶的活性。效应物的作用是 可逆的，一旦效应物浓度降低，酶活性就会恢 复。调节酶常常是催化分支代谢途径一系列反 应中第一个反应的酶，这样就避免了不必要的 能量浪费。
综上，微生物代谢的调节方式包括以下几点：
｛ • 酶合成
酶合成的诱导 末端产物对酶合成的阻遏 分解代谢产物对酶合成的阻遏
第五章 代谢调控
微生物的代谢调节
变构效应：调节物或效应物与酶分子的别构中 心结合后，诱导或稳定住该分子的某种构象， 因结合后的该亚基形状即改变――并可促使其 他亚基的结合部位发生变化，从而导致酶活性 中心与底物的结合受到影响，调节酶的反应速 度及代谢过程。
➢变构效应有2种情况：
（1） 同促效应，调节物即底物，一般有2个以 上底物结合中心，其调节作用取决于被占据 的底物结合中心数。
▪ 由两种酶控制的逆单向反应：即在一个“可逆”反应中，其中 一种酶催化正反应，而另一种酶则催化逆反应。
葡萄糖+ATP 己糖激酶 6-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄糖+H2O 6-磷酸葡萄糖酯酶 葡萄糖+Pi
4、代谢速度的调控
▪ 在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性 和酶量来控制代谢物的流量。
▪ 细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用而 实现的，也就是说，细胞内各种酶类的活性 都处在受控制的状态下，必须根据细胞对能 量以及对合成某些组分的要求而进行各种酶 促反应，并可随时减慢或加速某一物质（氨 基酸等）的合成。
➢也有负协同效应的别构酶， 底物与酶分子结合后，构象 的变化使后续分子与酶的亲 和性降低――负协调性。
可以用Rs来判断三类酶：
典型的米氏类型酶 Rs＝81 正协同别构酶 Rs<81 负协同别构酶 Rs>81
3.变构作用机制的分子模型
①协调模型（齐变、对称模型）
➢ 变构酶存在两种构象状态，，即R状态（催化状态或松弛态） 和T状态（抑制状态或紧张态），在两种状态间有一个平衡， 添加底物、激活剂或抑制剂可以使R状态和T状态两种构象状态 的平衡发生移动，底物和激活剂对R状态亲和性大，当激活剂 与酶的一个亚基结合后，所有亚基都变成易于与底物结合的活 化型，结果提高了酶的活性，反之，抑制剂与酶结合后变成抑 制型，使酶活性降低或消失。
第5章_代谢_答案（dwn）
第五章 微生物的代谢一、填空题1、微生物的4种糖酵解途径中， 是存在于大多数生物体内的一条主流代谢途径； 是存在于某些缺乏完整EMP 途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有； 是产生4碳、5碳等中间产物，为生物合成提供多种前体物质的途径。
EMP ED HMP2、同型乳酸发酵是指葡萄糖经 途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH 还原为乳酸。
异型乳酸发酵经 途径分解葡萄糖。
代谢终产物除乳酸外，还有 。
EMP HMP 乙醇或乙酸3、代谢是细胞内发生的全部生化反应的总称，主要是由______和______两个过程组成。
微生物的分解代谢是指______在细胞内降解成______，并______能量的过程；合成代谢是指利用______在细胞内合成______，并______能量的过程。
分解代谢 合成代谢 大分子物质 小分子物质 产生 小分子物质 大分子物质 消耗4、产能代谢中，化能微生物通过 磷酸化和 磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存在ATP 等高能分子中；光合微生物则通过 磷酸化将光能转变成为化学能储存在A TP 中。
磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程中。
底物水平 氧化 光合 底物水平5、呼吸作用与发酵作用的根本区别是呼吸作用中电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给 系统，逐步释放出能量后再交给 。
电子传递 最终电子受体6、光合作用是指将光能转变成化学能并固定C02的过程。
光合作用的过程可分成两部分：在______中光能被捕获并被转变成化学能，然后在______中还原或固定C02合成细胞物质。
光反应 暗反应7、无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是外源电子受体，像22322423、C O O 、S 、SO 、NO NO ----等 ，或 等有机化合物。
无机化合物，延胡索酸8、化能自养微生物氧化 而获得能量和还原力。
能量的产生是通过 、形式，电子受体通常是O 2，还原力的获得是 的方向进行传递， 能量。
05、微生物代谢
不经 呼吸链
发酵
有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的递氢与受氢
在递氢、受氢中，根据氢受体性质的不同，异养微生物的 生物氧化可分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三类。
有氧呼吸、无氧呼吸、发酵的特点比较
生物氧化 递氢方式 的类型 末端氢受体 对O2的 要求 有氧 无氧 无氧 产能 效率 高 较低
有氧呼吸 完整呼吸链 外源性分子氧 递 氢
氧化磷酸化产能
有氧呼吸
无氧呼吸 有 机 物 氧 化 (化能异养型微生物) 底物磷酸化产能：发酵 无 机 物 氧 化：氧化磷酸化产能 (化能自养型微生物) 有氧呼吸 无氧呼吸
3、还原力[ H ]的来源
化能异养型微生物：有机物氧化脱氢产生
化能自养型微生物：无机物氧化后通过消耗ATP的 逆呼吸链电子传递产生
部分呼吸链 外源性无机氧 无氧呼吸 递 氢 化物(或有机物) 发酵
不经呼吸链, 内源性中间 直接受氢 代谢有机物
很低
只有 底物磷酸化
1、有氧呼吸（aerobic respiration）
有氧呼吸：底物脱氢后，经完整呼吸链传递，最终 被作为末端氢受体的外源性分子氧接受 产生水并释放能量的生物氧化过程。
（1）硝酸盐呼吸（反硝化作用）
硝酸盐呼吸：以NO3-作为末端氢受体的无氧呼吸。
末端氢受体： NO3末端氢受体的还原产物：（N02[H] 呼吸链 ATP N03N02-
N0
N20
N20
） N2
N0
N2 + H2O
进行硝酸盐呼吸的细菌：反硝化细菌（硝酸盐还原菌） 反硝化细菌属于兼氧菌，有氧时进行有氧呼吸， 无氧时进行硝酸盐呼吸，如：地衣芽孢杆菌。 硝酸盐还原 同化性硝酸盐还原：以N03- 作为氮源。不属于硝酸盐呼吸。
第5章微生物的新陈代谢
EMP途径 HMP途径
ED途径 TCA循环
EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或
己糖二磷酸途径（hexose diphosphate pathway），
是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。
1分子葡萄糖为底物
在总反应中，可概括成
两个阶段 (耗能和产能)、 三种产物 (NADH＋H+、丙酮酸和ATP)
② 产还原力：产生大量的NADPH2形式的还原力，不仅可
供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生 大量能量之需；
③ 作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能 自养微生物固定CO2的重要中介；
④ 扩大碳源利用范围：微生物利用C3～C7多种碳源
提供了必要的代谢途径； ⑤ 连接EMP途径：通过与EMP途径的连接，微生物 合成提供更多的戊糖。
这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成 的生物氧化作用，是一种高效产能方式。
又称电子传递链（ electron transport chain，ETC）， 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（或电 子）传递体。
低氧化还原势的化合物
氢或电子 逐 级 传 递
通过与氧化磷酸化反应相偶联
跨膜质子动势
推动了ATP的合成
高氧化还原势化合物
Eg.分子氧或其他无机、有机氧化物
（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD） 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP） （2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 和黄素单核苷酸（FMN） （3）铁硫蛋白（Fe-S） （4）泛醌（辅酶Q） （5）细胞色素系统
化能异养微生物
最 初 能 源
有机物
化能自养微生物
环境微生物第05章 微生物代谢
9
电子供体
电子受体
10
11
3、光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出 电子，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。
非循环式光合磷酸化：光照后，激发态叶绿素分子从H2O 得到电子传递给NADP+，经过电子传递链后产生ATP： 2H2O + 2NADP+ + 2ADP + 2Pi → 2NADPH + 2H+ + 2ATP + O2
环式光合磷酸化中电子循环流动，整个过程中只有ATP 的产生不伴随NADPH的生成，不产生O2。
12
二、化能异养微生物的生物氧化与产能代谢
产能（ATP） 生物氧化的功能： 产还原力[H] 产小分子中间代谢物
好氧呼吸 生物氧化的三种类型： 厌氧呼吸 发酵
13
1.好氧呼吸
以分子态的氧作为最终电子受体的生物氧化过程。 彻底氧化，放能最多。
7
ATP的生成方式有： 1、基质（底物）水平磷酸化：厌氧或兼性厌氧微生物在基 质氧化过程中，产生一个含有高能键的中间物，将高能键 转移到ADP，成为ATP，如1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇 式丙酮酸。 2、氧化磷酸化：是主要的能量来源。氧化磷酸化作用是将 生物氧化过程中释放出的自由能转移形成高能ATP的作用， 能量的转移通过电子传递链实现，ATP的生成基于与电子 传递相偶联的磷酸化作用。 氧化磷酸化的全过程可表示为： NADH + H+ +3ADP + 3Pi +1/2O2
29
HMP途径的重要意义
为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸； 产生大量NADPH，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还 原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量； 与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调 剂戊糖供需关系； 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱 基合成、及多糖合成； 途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用 的碳源谱更为更为广泛； 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨 基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等； HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对 其中间产物的需要量相关。
南开大学微生物-第五章_代谢
3、微生物无氧条件下发酵产能与发酵产物
乙醇
乳酸
EMP
HM
Glc
2ATP＋2Pyr
ED
PK
加氢源
氨基酸 蛋白质 核苷酸 核酸 维生素等
Calvin循环、还原性TCA循环 断裂TCA循环、EMP、HMP等
第三节 微生物特有的代谢
一、微生物固氮
生物固氮：在常温常压下由生物固氮酶催化，将大气中 的N2还原为NH3 的生化过程。
＋
固氮酶
N2 ＋ NAD(P)H＋ ATP
NH3 ＋ NAD(P)H ＋ ADP ＋ Pi
蓝细菌有两个光合系统 光合系统1环式光合磷酸化产ATP 光合系统1和2进行非环式光合磷酸化产生ATP 、 NAD（P)H 光合系统2进行水光解释放氧。
5、嗜盐菌紫膜的光合磷酸化产生ATP
紫膜中视紫红质蛋白辅基视黄醛分子光诱导顺、反式变化
(膜外) H+
顺式 X=N+
Pro
反式 X=N+--Pro
X=N
丙酸 甲酸、乙酸、乳酸 丁二酸 丙酮、丁醇
酿酒酵母 乳酸细菌 丙酸杆菌
E.coli 产气肠杆菌 丙－丁酸菌
Ⅰ型发酵：Glc EMP 丙酮酸 脱羧 乙醛 H＋ e－
乙醇＋2ATP
Ⅱ型发酵：Glc
难溶黄化羟基乙醛
丙酮酸 乙醛·亚硫酸氢钠 P－二羟丙酮 脱磷 甘油＋2ATP
H＋ e－
Ⅲ型发酵：Glc
丙酮酸
第五章 微生物的代谢
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第5章微生物代谢重点难点剖析1．代谢是生物体内所进行的全部生化反应。
包括分解代谢和合成代谢。
2．分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解井释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。
能量代谢的中心任务，是生物体把外界环境中的多种形式的量初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源A TP。
3．异养微生物生物氧化是利用有机物质进行的产能代谢的过程。
如糖类化合物的生物氧化过程总结为：糖酵解(slycolysis)的4种途径EMP途径HMP途径ED途径WD途径4．微生物糖酵解的4种途径。
(1)EMP途径(图5—1)。
EMP途径的总反应式为：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2A TP+2H2OEMP途径生理功能：提供A TP和还原力NADH；为生物合成提供多种中间产物；连接其他代谢途径如脂肪酸的合成；通过逆反应进行糖原的异生。
‘(2)HMP途径(图5-2)。
HMP途径的总反应式为：6葡糖-6-磷酸+12NADP++6H20→5葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6C02+PiHMP途径的生理功能：产生三碳、四碳、五碳、六碳和七碳糖的碳骨架等中间产物；产生还原力NADH+H+，为生物合成提供多种前体物质。
(3)ED途径(图5—3)。
ED途径总反应式为：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+A TP+NADH+NADPH+2H+ED途径的生理功能：是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，产能效率低，为微生物所特有。
(4)WD途径(磷酸解酮酶途径)(图5-4)。
包括磷酸戊糖解酮酶途径(PK途径)和磷酸己糖解酮酶途径(HK途径)。
5．发酵作用及产能方式。
发酵的定义有下面列举的多种理解方式，但是从微生物代谢的角度来定义发酵，是下面的第⑤种：①生产酒精饮料和牛奶发酵产品的过程(通常的概念)；②食品的变质和腐烂(通常的概念)；③大规模的微生物工业化生产(工业上的定义)；④厌氧条件下的能量释放过程(有一定的科学性)；⑤是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物的过程。
(1)乙醇发酵。
(2)乳酸发酵。
（3）由丙酮酸开始的其他发酵过程(图5—5)。
(4)底物水平磷酸化。
发酵过程中往往伴随着一些高能化合物的生成，如EMP途径中的1，3—二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸，这些高能化合物可以直接偶联A TP或GTP的生成，这种产生A TP等高能化合物的方式称为底物水平磷酸化。
底物水平磷酸化可以存在于发酵过程中，也可以存在于呼吸过程中，但产生能量相对较少。
6．呼吸作用及产能方式。
微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。
以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration)，以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸(anaerobic resplration)。
呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。
(1)有氧呼吸(图5-6)。
(2)无氧呼吸。
①某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。
②无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-；、NO2-；、SO42-：—、S2O32-：·、CO2或廷胡索酸(fumarates)等外源受体。
无氧呼吸的主要类型：③无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动.④但由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。
(3)氧化磷酸化。
在糖酵解和三羧酸循环过程中，形成的NAD(P)H和FADH2，通过电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化性化合物，过程中造成了跨膜的质子梯度差及质子动势，质子动势再推动A TP酶合成A TP。
氧化磷酸化形成A TP的机制目前可甩化学渗透学说解释，其中心思想是：电子在传递过程中导致膜内的质子排出膜外，造成质子动势，当质子由膜外返回到膜内时，通过F1-FoA TP酶偶联，合成A TP。
一般电子传递系统的组成及电子传递方向为：NAD(P)→FP(黄素蛋白)→Fe·s(铁硫蛋白)→CoQ(辅酶Q)→Cytb→Cytc→Cyta→Cyta3。
7．自养微生物生物氧化(1)化能无机自养。
化能自养微生物氧化无机物获得能量和还原力。
能量的产生是通过电子传递链的氧化磷酸化形式，电子受体通常是O2。
，因此，化能自养菌一般为好氧菌。
电子供体是NH4+；、H2S、Fe2+和H2等，还原力的获得是逆呼吸链的方向进行传递，同时需要消耗能量(图5—7)。
化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢，但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养微生物之间并不存在生存竞争。
(2)光能自养。
光合作用是指将光能转变成化学能并固定CO2：的过程。
光合作用的过程可分成光反应和暗反应两部分。
在光反应中光能被捕获并被转变成化学能，然后在暗反应中被用来还原或固定CO2，合成细胞物质。
光反应的实质是叶绿素分子吸收光量子，在被激活后释放出电子，电子在电子传递系统中传递并逐渐释放出能量，这个过程又称作光合磷酸化。
光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生A TP。
①光合细菌→环式光合磷酸化②绿硫细菌的非环式光合磷酸化③嗜盐细菌的光合磷酸化：一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。
是目前所知的最简单的光合磷酸化。
嗜盐细菌紫膜上的细菌视紫红质吸收光能后，在膜内外建立质子浓度差。
8．CO2的固定。
将空气中的CO2同化、、成细胞质的过程，称为CO2：的固定作用。
CO2是自养微生物的惟一碳源，异养微生物也能利用CO2作为辅助的碳源。
微生物有两种同化CO2，的方式。
自养式：CO2加在一个特殊的受体上，经过循环反应，使之合成糖并重新生成该受体；异养式：主要是CO2被固定在某种有机酸上(TCA循环中间产物)，此外，在脂肪酸及核苷酸的合成中，也有固定CO2的反应。
自养微生物同化CO2需要大量能量，能量来自于光能或无机物氧化所得的化学能，固定CO2的途径主要有以下3条：(1)卡尔文循环途径。
又称还原戊糖磷酸循环，或核酮糖二磷酸途径。
存在于绿色植物、藻类、蓝细菌和几乎所有的自养型微生物，包括光能自养和化能自养微生物中，核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是这条途径的特有酶。
卡尔文循环可分为3个阶段：①CO2的固定(羧化反应)。
②被固定CO2的还原(还原反应)。
③CO2受体的再生。
(2)还原性三羧酸循环途径。
存在于一些古生菌(热变形菌属、硫化叶菌属)以及绿菌属和脱硫菌属中。
CO2的固定通过逆向的三羧酸循环途径进行(图5—8)，多数酶与正向三羧酸循环途径相同，只有依赖于A TP的柠檬酸裂合酶是个例外，催化正向三羧酸循环途径的此步酶是柠檬酸合酶。
(3）乙酰辅酶A途径。
非循环式CO2的固定机制存在于甲烷产生菌、硫酸还原菌和在发酵过程中将CO2转变为乙酸的细菌(产乙酸细菌)中(图5—9)。
9．肽聚糖的合成。
Staphylococcos aureus肽聚糖合成的3个阶段如图5—10所示。
(1)细胞质中的合成。
①葡萄糖→N-乙酰葡糖胺-UDP(G-UDP)→N-乙酰胞壁酸-UDP(M-UDP)②M-UDP→"Park"核苷酸，即UDP—N—乙酰胞壁酸五肽(2)细胞膜中的合成。
“Park”核苷酸肽聚糖单体分子。
(3)细胞膜外的合成。
青霉素抑制转肽酵。
青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D—丙氨酸—D—丙氨酸的结构类似物，两者竞争转肽酶的活力中心。
10．生物固氮。
空气中79％的N2，只有一部分微生物可以直接利用作为N源。
微生物将N2还原为NH3的过程称为生物固氮。
(1)固氮微生物和固氮体系。
共生固氮系→共生固氮微生物自生固氮系→自生固氮微生物联合固氮系→自生固氮微生物①共生固氮体系。
a．根瘤菌(Rhizobium)与豆科植物共生；b．弗兰克氏菌(Frankia)与非豆科树木共生；c.蓝细菌(cyanobacteria)与某些植物共生；d.蓝细菌与某些真菌共生。
②自生固氮体系。
a．好氧自生固氮M(Azotobacter，Azotomonas，etc)；b．厌氧自生固氮M(Clostrldium)；c．兼性厌氧自生固氮M(Bacillus，Klebsiella，etc)；d．大多数光合M(蓝细菌，光合细菌)。
③联合固氮体系。
不生成共生固氮特殊结构，有较强的寄主专一性雀稗固氮菌(Azotobacteraspali)与雀稗根系形成联合。
(2)固氮机制。
固氮反应的必要条件：A TP，e—、H+及其载体，固氮酶；N2，Mg2+厌氧环境。
①固氮酶包括两种组分。
组分I(P1)：真正的固氮酶，又称钼铁蛋白(MoFe)，由4个亚基组成。
组分Ⅱ(P2)：实际上是一种固氮酶还原酶，又称铁蛋白(Fe)，由两个亚基组成。
a.P1、P2单独存在时，都没有活性，只有形成复合体后才有固氮酶活性；b.不同来源的P1、P2具有互补作用，说明不同来源的固氮酶其结构与功能是基本相同的；c．对氧气敏感，不可逆失活，P2比P1更敏感。
P2在空气中暴露45s，即丧失一半活性；PI在空气中的半衰期也只有10min。
不同来源的固氮酶对氧有不同的敏感性。
②好氧性固氮菌其固氮酶的抗氧机制。
a.呼吸保护作用：强的呼吸作用迅速消耗固氮部分周围的氧气；b．构象保护：构象改变，使得氧气敏感部位隐藏起来；c．膜的分隔作用：蓝细菌的异形胞。
11．次级代谢与次级代谢产物。
微生物细胞从外界吸收营养物质，通过分解和合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。
相对于初级代谢而言，一般认为，微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物自身生命活动无明确生理功能的物质的过程，称为次级代谢。
这一过程形成的产物，即为次级代谢产物。
次级代谢产物大多是分子结构比较复杂的化合物。
根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素、色素及维生素等多种类别。
次级代谢有以下特点：(1)次级代谢的生理意义不像初级代谢那样明确，次级代谢途径某个环节发生障碍，致使不能合成某个次级代谢产物，而不影响菌体的生长繁殖。
某些次级代谢产物对于产生微生物具有特殊的意义，如与阳离子吸收有关的sideramines(铁色素ferrichrome和ferrioxamines)，某些化合物在生物竞争中可以抑制其他的生物，还有的与孢于的启动形成有关。