第六章 微生物代谢笔记

第六章微生物生理学(二)—微生物的代谢第一节代谢概论一.概念:代谢:即新陈代谢（Metabolism）,是指发生在活的微生物细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和.二.代谢的分类:按物质转化方式分：分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、三磷酸腺苷（ATP）形式的能量和还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。按代谢产物在机体中作用不同分：物质代谢：物质在体内转化的过程.能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化.三.代谢的特点:(1)代谢旺盛.(2)代谢极为多样化.(3)代谢具有严格的调节性和灵活性.能量代谢是新陈代谢中的核心问题。第二节微生物的产能代谢生物氧化:是指有机分子(物质)在机体内氧化分解成二氧化碳和水等无机物并释放出能量的过程称为生物氧化.生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢(或脱电子)作用(该底物称作电子供体或供氢体)②氢(或电子)的传递(需中间传递体，如NAD、FAD等)③最后氢受体接受氢(或电子)(最终电子受体或最终氢受体)一.化能异养微生物的生物氧化 (一).发酵:1.概念: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不同的代谢产物。2.发酵的途径:葡萄糖的酵解作用(1).EMP途径总反应式C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物作为合成代谢原料，有氧时与TCA连接，无氧时丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与发酵工业有密切关系。关键步骤：①葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)；②1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛；③3-磷酸甘油醛→丙酮酸（2）HMP途径(戊糖磷酸途径)（HexoseMonophophatePathway）HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。HMP途径的总反应C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2OHMP途径降解葡萄糖的三个阶段①葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2。②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。③上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。HMP途径的重要意义①为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。②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 方面可通过呼吸链产生大量的能量。③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。④该途径中的赤藓糖、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。⑤该途径中存在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。⑥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。⑦HMP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。(3)ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。ED途径的特点：①葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。②ED途径的特征反应是关键中间代谢物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。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶.③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.优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低(4)磷酸酮解酶(PK)途径：存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（PK）途径、 磷酸己糖酮解途径（HK）途径。磷酸己糖酮解途径的特点：①有两个磷酸酮解酶参加反应；②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；③每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；④许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。3.发酵的类型及其应用:根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵及乙酸发酵等。(1)乙醇发酵酵母菌（在pH3.5-4.5时）可进行乙醇发酵。同型酒精发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵(2)乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：通过EMP途径仅产生乳酸的发酵（经EMP途径）异型乳酸发酵：通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵（经HMP途径）应用:酸奶的制作,果汁发酵,医药上的应用,泡菜的制作,⑶混合酸发酵⑷2,3-丁二醇发酵鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验产酸产气试验：Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。 甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。鉴别肠道细菌的V.P试验IMViC试验：包括吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。 吲哚试验甲基红试验V.P.试验柠檬酸盐利用大肠杆菌++--产气杆菌--++（二）呼吸(一)概念:是指从葡萄糖或其他有机质脱下的电子(氢)经过一系列载体最终传递给外源分子氧或其它氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程.(二)分类:1.有氧呼吸概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。特点：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。2.无氧呼吸概念：指在厌氧条件下,厌氧或兼性厌氧微生物以外源无机氧化物或有机氧化物中的氧作为最终电子(氢)受体是发生的一类产能效率低的特殊呼吸。特点：在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，可产生较多能量，但不如有氧呼吸产生的能量多。二.化能自养微生物的生物氧化(一)化能自养微生物:以CO2为主要或唯一的碳源,从还原态无机化合物生物氧化获得能量,同化合成细胞物质,这类细菌称为化能自养微生物.(二)氧化类型:以化能自养微生物生长过程中的能源为依据,可以分为:1、氨的氧化 NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源。亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸并获得能量，硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量，这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。2、硫的氧化硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境中生长。3、铁的氧化以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）为例：从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+（Fe(OH)3）。应用:细菌沥滤.4、氢的氧化氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量。能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌：氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。三.光能微生物的能量代谢(一)光和细菌:以光能作为能源,利用CO2或有机碳化合物作为碳源,通过电子传递产生ATP.1.类群:(1)产氧的光合细菌.(2)不产氧的光合细菌.2.细菌进行光合作用的基础：光合色素.3.细菌光合作用：使之光合细菌依靠菌绿素.叶绿素及菌视紫红质将光能转变成为ATP形式的化学能的过程.4.细菌光合作用分类:(1)依靠菌绿素的光合作用.(2)依靠叶绿素的光合作用.(3)依靠菌视紫红质的光合作用. 第三节微生物的耗能代谢一.细胞物质的合成:(一)CO2的固定:将空气中的CO2同化成为细胞物质的过程称为CO2的固定.同化方式:自养式、异养式.自养微生物固定CO2的途径:卡尔文循环、还原性三羧酸循环、乙酰-CoA途径(二)生物固氮:1.概念:微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮.能进行生物固氮的微生物叫固氮微生物.2.意义:减少污染、利用氮气等。3.固氮微生物:自生固氮菌、共生固氮菌、联合固氮菌。4.固氮机制：固氮的必要条件：ATP供应、还原力及其载体、固氮酶、还原底物N2、镁离子、严格的厌氧微环境。固氮酶：固氮酶活的测定、固氮的生化机制。固氮菌中对固氮酶的保护：(1)自生固氮菌的保护:呼吸保护作用、构象保护作用；(2)蓝细菌固氮酶的保护：还原性异形胞；(3)根瘤菌的抗氧保护。(三)肽聚糖的合成:合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸；细胞膜阶段：合成肽聚糖单体；细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖；二.其他的耗能反应1.运动2.运输.3.生物发光. 第四节微生物代谢的调节一、酶合成的调节通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。（一）酶合成调节的类型1.诱导(induction)：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。诱导作用的类型：协同诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，使底物迅速分解,主要存在于短的代谢途径中。顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。2.阻遏（repression）：是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象,从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型：①终产物阻遏（end-productrepression）：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏.这种现象常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。例如:过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。②分解代谢物阻遏（cataboliterepression）：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。（二）酶合成调节的机制操纵子学说概述：1、操纵子（operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操作子和启动子。2、诱导物（inducer）与辅阻遏物（corepressor）诱导物——是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因的结合促进转录进行）； 3.阻遏物（repressor）和阻遏物蛋白aporepresseor）阻遏物:能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白阻遏物蛋白:只能再有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。正调节：转录过程依赖于调节蛋白的存在。负调节：转录过程不依赖于调节蛋白的存在。二、酶活性的调节是一定数量的酶,通过改变现成的酶分子构象或结构来调节其催化反应的速率。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式：1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。凡使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；反馈抑制——主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。反馈抑制的类型：直线式代谢途径中的反馈抑制(谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成)、分支代谢途径中的反馈抑制。分支代谢途径中的反馈抑制类型：(1)同功酶调节(isoenzyme)：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。,某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。（2）协同反馈抑制（concertedfeedbackinhibition）：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。（3）合作反馈抑制（cooperativefeedbackinhibition）：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。（4）积累反馈抑制(cumulativefeedbackinhibition)：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。 （5）顺序反馈抑制(equentialfeedbackinhibition):一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。（6）平衡合成在黄色短杆菌（Brevibacteriumflavus）中天冬氨酸的合成（7）代谢互锁:表面完全不相关的两条途径之间的调节。这种作用一般在高浓度下才显示，且为部分抑制。（8）优先合成:在分支合成途径中，分支点后的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶对底物的Km值（即对底物的亲和力）不同，故两条支路的一条优先合成。(二)酶活性调节的机制变构酶理论：变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。