微生物的新陈代谢

第六章微生物的新陈代谢复杂有机分子分解代谢酶系合成代谢酶系简单有机分子+ATP+还原力[H]新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。新陈代谢=分解代谢+合成代谢分解代谢：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、腺苷三磷酸（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。讲授内容第一节微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能二、自养微生物产ATP和产还原力第二节分解代谢和合成代谢的联系一、两用代谢途径二、代谢物回补顺序第三节微生物独特的合成代谢一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的生物合成第一节微生物的能量代谢有机物化能异养菌光能营养菌化能自养菌ATP日光（光能）还原态无机物最初能源一、化能异养微生物的生物氧化生物氧化功能：ATP、[H]、小分子代谢物生物氧化形式：加氧、脱氢、失电子生物氧化过程：脱氢、递氢、受氢生物氧化类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵微生物氧化的形式生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化的方式：①和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的过程一般包括三个环节：①底物脱氢（或脱电子）（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氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径1、EMP途径2、HMP3、ED4、TCA一、化能异养微生物的生物氧化（一）底物脱氢的4条途径EMP途径：糖酵解途径HMP途径：戊糖磷酸途径ED途径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸KDPG途径TCA循环：三羧酸循环途径（一）底物脱氢的4条途径1.EMP途径：糖酵解途径（10步反应）2ATP2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP耗能阶段产能阶段C6为葡萄糖，C3为3-磷酸-甘油醛C6C3EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。HMP途径（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸途径、戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA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重要中间代谢物的代谢途径。2.HMP途径---6-磷酸葡萄糖酸途径HMP途径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子通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（epimerization）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没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途径的总反应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。3.ED途径(KDPG途径)-----4步反应ED途径（Entner-Doudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在嗜糖假单胞菌Pseudomonassaccharophila中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。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，在其他生物中还没有发现。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。ED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如PseudomonasZymomonas等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物——KDPG。ED途径的特点葡萄糖经转化为KDPG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。关键中间代谢物KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。特征酶是KDPG醛缩酶.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.由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。4.TCA循环-----分解代谢和合成代谢的枢纽又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一种循环方式的反应顺序，绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。TCA循环的重要特点1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。一、化能异养微生物的生物氧化（二）递氢与受氢★经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;无氧呼吸——最终电子受体是无机氧化物，如NO3-、SO42-1.呼吸-------完全电子呼吸链呼吸（respiration是最普遍和最重要的生物氧化方式，特点是底物脱氢后，经完整的呼吸链又称电子传递链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。由于呼吸必须在有氧条件下进行，因此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。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不同的氢传递体（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。电子传递与氧化呼吸链定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的电子传递体主要包括FMN、CoQ、细胞色素b、c1、c、a、a３和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：MH2→→→NADFMNC0Qb(-0.32v)(0.0v)C1Caa3O2H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，电子的传递方向是：NADHO2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。呼吸链的功能：一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP——这就是电子产能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。ATP的结构和生成能源物质：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等ATP又叫三磷酸腺苷，其结构式是：A—P～P～P它是一种含有高能磷酸键的有机化合物，它的大量化学能就储存在高能磷酸键中。ATP是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不高。人体预存的ATP能量只能维持15秒，跑完100m后就全部用完，不足的继续通过呼吸作用等合成ATP。ATP的生成方式:光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化｛｛光合磷酸化:利用光能合成ATP的反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如H2、H2S等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应。氧化磷酸化生成ATP的方式有两种：底物水平磷酸化——不需氧电子传递磷酸化——需氧底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能连接的磷酸可以转给ADP，产生ATP分子。在微生物代谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。在电子传递磷酸化中，通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。电子传递磷酸化其机制很多，目前仍在继续研究中。至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出的化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。2.无氧呼吸-------部分电子呼吸链ADP+PiATP硝酸盐呼吸（反硝化）、硫酸盐呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸等又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。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（个别是有机物延胡索酸）受氢。无氧呼吸的几个类型（受体）硝酸盐还原细菌在厌氧条件下以NO3-作电子受体C6H12O6＋6H2O6CO2＋24[H](脱H酶）24[H]+4NO32N2+12H2O（硝酸还原酶）E硫酸盐细菌以SO42-为受体2CH3CHOHCOOH+H2SO42CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S+能量严格厌氧的大多数产甲烷细菌以CO2为受体4H2+CO2CH4+2H2O+能量3.发酵----无氧条件下含意较多：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED和PK途径。发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。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、及乙酸发酵等发酵作用①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵丙酮酸发酵C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶①酵母菌的乙醇发酵：※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生。②细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED脱羧NADH2还原P106与酵母发酵的不同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：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸①同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum②异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2③双歧发酵：6-磷酸果糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛2乳酸2乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH2ATP2ADP2乙酸4ADP4ATP-2H-CO2ADPATP乙酰磷酸乙酸ADPATP双歧杆菌Bifidobacteria通过HMP发酵葡萄糖的途径：2分子葡萄糖产生3分子乙酸、2分子乳酸二、自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化（二）光能微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化CO2-----作为能量顺呼吸链--------ATP--------------部分作为无机供氢体逆呼吸链-----[H]---[CH2O]NH4+NO2-H2SSH2Fe2+H2HS-NH4、S2-、SO32-S2O3-、S0、Fe2+NO2-NADFPQCyt.cc1Cyt.a.aa3O2ATPATPATP无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链的部位，正向产生ATP，逆向消耗ATP产生还原力[H]化能自养菌一般都是好氧菌由于化能自养微生物产能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，因此他们的产能效率、生长速度、生长得率都很低。例如硝化细菌包括亚硝化细菌或氨氧化细菌：NH3------NO2-硝化细菌或亚硝酸细菌：NO2-------N03-都是氧化作用NH3+O2+2H++2e---------NH2OH+H2ONH2OH+H2O---------------HNO2+4H++4e-NO2-+H2O----亚硝酸氧化酶-----NO3-+2H++2e-以上[H]都来自于水在NO2-氧化为NO3-的过程中，氧来自水分子而非空气。当NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e时，由于NO2-的氧化还原电位很高，故H+和e只能从与其相当的Cyt．a1部位进入呼吸链。2H++2e如果顺着呼吸链传递至O2，仅能产生1个ATP。而对CO2还原所需要的大量还原力[H]则是通过H+　+e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成。因此硝化细菌的能量效率、生长速度和细胞产率很低，在硝化作用旺盛的土壤中，只能找到很少量的硝化细菌菌体。（二）光能营养微生物产能和[H]光合磷酸化(photophosphorylation)利用光能合成ATP的反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质，主要是光合微生物：藻类、蓝细菌、光合细菌（紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。光合色素：叶绿素chl、细菌叶绿素（菌绿素）Bchl、类胡萝卜素、藻胆素光合磷酸化的实质就是将光能转化为化学能的过程，具体过程为当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子后，被激活，释放一个电子（氧化），释放的电子进入电子传递系统，在电子传递过程中释放能量，产生ATP。环式光合磷酸化非环式光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光合作用（1）环式光合磷酸化Cyclicphotophosphorylation光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP，这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中，吸收光量子而被激活的细菌叶绿素释放出高能电子，于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电子顺序通过铁氧还蛋白、辅酶Q、细胞色素b和f，再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶Q将电子传递给细胞色素f的过程中，造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧。（2）非环式光合磷酸化高等植物和蓝细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水，以提供细胞合成的还原能力。它们含有两种类型的反应中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。在光合系统Ⅰ中，叶绿素分子P700吸收光于后被激活，释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd)，并使之被还原。还原的铁氧还蛋白在Fd：NADP+还原酶的作用下，将NADP+还原为NADPH。在光合系统Ⅱ中，叶绿素分子P680吸收光子后，释放出一个高能电子。先传递给辅酶Q，再经过一系列电子传递体，最后传递给系统Ⅰ，使P700还原。失去电子的P680，靠水的光解产生的电子来补充。高能电子从辅酶Q到光合系统Ⅰ的过程巾，可推动ATP的合成。（3）嗜盐菌紫膜的光合作用这是近年来才揭示的只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5～5.0mol／LNaCl）环境中才能生长的古细菌（archaebacteria）。它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（盐生盐杆菌）和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。嗜盐菌因细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。它们的细胞膜可分成红色与紫色两部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约0.5μm）独立分布，其总面积约占细胞膜面积的一半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。含量占紫膜75％的是一种称作细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质—视紫红质（rhodopsin）十分相似，两者都以紫色的视黄醛（retinal）作辅基。近年来，人们对视紫红质的功能作了研究并获得了重大的发现。嗜盐菌可以生长在光照和氧都具备的条件下，但不能生长在两者都不存在的情况下。这就说明，嗜盐菌至少可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。实验还发现，在波长为550～600nm的光照下，其ATP合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。目前认为，细菌视紫红质与叶绿素相象，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，这时它将产生的H+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+　通过ATP合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP。主要特点：不经过电子传递，直接产生ATP意义：嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。第二节分解代谢和合成代谢的关系分解代谢与合成代谢两者联系紧密，互不可分。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途径，称为两用代谢途径。EMP途径、HMP途径和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。二、代谢回补顺序又称代谢补偿途径或填补途径。指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的那些反应。（生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断。）通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳源条件下，有不同的代谢回补顺序。主要围绕EMP途径中的PEP和TCA循环中的OA这两种关键性中间代谢物来进行的。回补途径与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。某些微生物所特有的代谢回补顺序。是TCA循环的一条回补途径。能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸苹果酸琥珀酸+乙酸→→→异柠檬酸净反应：2乙酸苹果酸乙醛酸循环（乙醛酸支路）乙醛酸循环具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸为唯一碳源的一些细菌：醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌、和红螺菌属等；真菌中的酵母菌属、青霉属和黑曲霉等。第三节微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物结构大分子——肽聚糖的生物合成四、微生物次生代谢物的合成一、自养微生物的CO2固定各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。两类自养生物固定CO2的条件和途径二、生物固氮生物固氮作用：将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。（一）固氮微生物80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：1、自生固氮微生物2、共生固氮微生物3、联合固氮微生物1、自生固氮菌独立生活状况下能够固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大约只能固定10~20毫克氮。2、共生固氮菌与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，及时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。3、联合固氮菌联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。通常在水域环境中，共生性固氮系统不常见。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。1、生物固氮反应的6要素固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物—N2镁离子严格的厌氧微环境（二）固氮的生化机制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：固二氮酶还原酶（dinitrogenasereductase）（组份Ⅱ）：是一种只含铁的蛋白。ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-Fd.2e-Fd(Fe4S4)2FeMoCo.2e-FeMoCo2NH3N22、固氮的生化途径氧障呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型的固二氮酶还原酶的Fe提供1个e，变为还原型2）还原型的固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合，改变构象3）固二氮酶在Mo上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶-ATP-Mg结合，形成完整的固氮酶4）电子转移，形成氧化型固二氮酶还原酶，同时形成ADP5）连续6次，固二氮酶放出2个NH3N2分子经固氮酶的催化而还原成NH3后，就可与相应的酮酸结合，形成各种氨基酸。（三）好氧菌固氮酶避害机制固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。1、好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护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，保护固氮酶。（2）构象保护在高氧分压条件下，Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。2、蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制蓝细菌光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高⑴分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。⑵非异形胞蓝细菌固氮酶的保护:能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应；通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜的内外有能与O2结合的豆血红蛋白。三、肽聚糖的合成合成特点：①合成机制复杂，步骤多（20步），且合成部位几经转移②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。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结构葡萄糖葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸ATPADPGlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPHNADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi第一阶段：细胞质内合成Park核苷酸注：UDP，尿嘧啶二磷酸，糖的载体第二阶段：肽聚糖单体的合成G-M-P-P-类脂M-P-P-类脂UDPUDP-G②UDP①UDP-MP-类脂Pi⑤P-P-类脂杆菌肽④万古霉素5甘氨酰-tRNA③5tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G-M-P-P-类脂第三阶段：交联作用肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁的合成，但是它们的作用位点和作用机制是不同的。①-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂而死亡。②杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。（一）次生代谢物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。多与人类的医药生产和保健密切相关。四、微生物次生代谢物的合成1、次生代谢物分子结构复杂、代谢途径独特、在生长后期合成、产量较低、生理功能不很明确（尤其是抗生素）、其合成一般受质粒控制；2、形态构造和生活史越复杂的微生物（如放线菌和丝状真菌），其次生代谢物的种类也就越多；3、次生代谢物的种类极多，如抗生素，色素，毒素，生物碱，信息素，动、植物生长促进剂以及生物药物素等；4、次生代谢物的化学结构复杂，分属多种类型如内酯、大环内酯、多烯类、多炔类、多肽类、四环类和氨基糖类等；5、合成途径复杂，以各种初生代谢途径，如糖代谢、TCA循环、脂肪代谢、氨基酸代谢以及萜烯、甾体化合物代谢等为次生代谢途径的基础。（二）次生代谢的特点次生代谢途径于初生代谢途径的联系（三）微生物次生代谢物合成途径1、糖代谢延伸途径由糖类转化、聚合产生的多糖类、糖苷类和核酸类化合物，进一步转化而形成核苷类、糖苷类和糖衍生物类抗生素；2、莽草酸延伸途径由莽草酸分支途径产生氯霉素等；3、氨基酸延伸途径由各种氨基酸衍生、聚合形成多种含氨基酸的抗生素，如多肽类抗生素、β-内酰胺类抗生素、D-环丝氨酸和杀腺癌菌素等；4、乙酸延伸途径分2条支路：（1）乙酸经缩合后形成聚酮酐，进而合成大环内酯类、四环素类、灰黄霉素类抗生素和黄曲霉毒素；（2）经甲羟戊酸合成异戊二烯类，进一步合成重要的植物生长刺激素——赤霉素或真菌毒素——隐杯伞素等。第四节微生物的代谢调控与发酵生产本节提要：微生物代谢过程中的自我调节酶活性的调节酶合成的调节代谢调控理论的应用微生物代谢过程中的自我调节☆微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：组成酶（constitutiveenzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducibleenzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。酶活性的调节通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式：包括两个方面：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。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进2、酶活性的抑制：包括：竞争性抑制和反馈抑制。概念：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。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除1.直线式代谢途径中的反馈抑制：苏氨酸脱氨酶苏氨酸α-酮丁酸异亮氨酸反馈抑制其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成2.分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。（二）反馈抑制的类型（1）同功酶调节——isoenzyme定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：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。举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节（2）协同反馈抑制—concertedfeedbackinhibition定义：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。举例：谷氨酸棒杆菌（Corynebacteriumglutamicum）多粘芽孢杆菌（Bacilluspolymyxa）天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。（3）合作反馈抑制——cooperativefeedbackinhibition定义：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。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。（4）积累反馈抑制——cumulativefeedbackinhibition定义：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。Try16%CTP14%氨甲酰磷酸13%AMP41%……积累反馈抑制——E.coli谷氨酰胺合成酶的调节（5）顺序反馈抑制——sequentialfeedbackinhibition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。举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节(三)酶活力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。活性位点:与底物结合变构位点:与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合与激活剂结合,构象变化,促进与底物结合小结能量代谢是生物新陈代谢的核心化能异养微生物的生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个阶段，依据受体的不同将生物氧化分为三种：呼吸、无氧呼吸和发酵化能自养微生物利用无机物氧化获得ATP，产能少，生长得率极低。自养微生物通过光合磷酸化获得ATP，包括循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化和紫膜光合磷酸化三种。微生物具有固氮作用细菌细胞壁肽聚糖的合成机制复杂，涉及部位多。复习题比较有氧呼吸、无氧呼吸、发酵的异同什么是生物固氮？它对生物圈的繁荣发展有何重要意义？固氮微生物有哪几类？固氮过程需要那些条件？试述肽聚糖的生物合成过程。试从狭义和广义两方面来说明发酵的概念什么是循环光合磷酸化？什么是非循环光合磷酸化在化能异养微生物的生物氧化中，底物脱氢和产能途径主要有那几条？什么叫派克核苷酸？它在肽聚糖合成中处于什么地位？青霉素为何只能抑制代谢旺盛的细菌？其抑菌机制如何？