微生物的代谢及其调控

11微生物的代谢微生物代谢包括微生物物质代谢和能量代谢。1.1微生物物质代谢微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。1.1.1分解代谢分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。—般可将分解代谢分为TP。三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。1.1.1.1大分子有机物的分解（1）淀粉的分解淀粉是许多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。一般天然淀粉中，直链淀粉约占20％，支链淀粉约占80％。直链淀粉为α一l、4糖苷键组成的直链分子；支链淀粉只是在支点处由α—1、6糖苷键连接而成。微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。它的种类很多，作用方式及产物也不尽相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括β—淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。以液化型淀粉酶为例，这种酶可以任意分解淀粉的。α-l、4糖苷键，而不能分解α-1、6糖苷键。淀粉经该酶作用以后，黏度很快下降，液化后变为糊精，最终产物为糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。由于这种酶能使淀粉表现为液化，淀粉2黏度急速下降，故称液化淀粉酶；又由于生成的麦芽糖在光学上是α型，所以又称为“α—淀粉酶。（2）纤维素的分解纤维素是葡萄糖由β—1，4糖苷键组成的大分子化合物。它广泛存在于自然界，是植物细胞壁的主要组成成分。人和大部分动物均不能消化纤维素。但是很多微生物，如木霉、青霉、某些放线茵和细菌均能分解利用纤维素，原因是它们能产生纤维素酶。纤维素酶是一类纤维素水解酶的总称。它由C1酶、Cx酶和β-葡萄糖苷酶组成。纤维素在C1酶和Cx酶共同作用下，被水解成纤维二糖，再经过β—葡萄糖苷酶作用，最终变为葡萄糖。（3）蛋白质的分解蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大、结构复杂的化合物。它们不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将蛋白质分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物，然后再进入细胞。蛋白质的分类蛋白酶的种类很多，有100多种。目前比较常用的蛋白酶分类方法有以下几种：①按照水解蛋白质的方式，可分为内肽酶和端肽酶两大类。②按照蛋白酶的来源，可分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶。③按照蛋白酶在生物体内所在的位置，可分为胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶等。④按照蛋白酶作用的最适pH，可分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。⑤根据蛋白酶的活性中心和最适作用pH，可分为丝氨酸蛋白酶、巯基蛋白酶、金属蛋白酶和酸性蛋白酶。产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等均有。不同的菌种可以生产不同的蛋白酶，如黑曲留主要生产酸性蛋白酶，短小芽孢杆菌生产碱性蛋白酶。不同的菌种也可生产功能相同的蛋白酶，同一个菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶。（4）氨基酸的分解微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。a.脱氨作用3脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同而不同。①氧化脱氨：这种脱氨方式须存有氧气参加的条件下进行，专性厌氧菌不能进行氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类是氨基酸氧化酶，以FAD或FMN为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以NAD或NＡDP作为氢载体。氧化脱氨生成的酮酸一般不积累，而被微生物继续转化成羟酸或醇，如丙氨酸氧化脱氨生成丙酮酸，丙酮酸可借TＣA循环而继续氧化，化学反应式如下：②还原脱氨：还原脱氨在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸。能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。腐败的蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成，如梭状芽抱杆菌可使丙氨酸还原脱氨成丙酸，化学反应式如下：③水解脱氨：不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物氨酸水解之后可形成乳酸，也可形成乙醇，化学反应式如下：④减饱和脱氨：氨基酸在脱氨的同时，其α、β键减饱和，结果生成不饱和酸，如天冬氨酸减饱和脱氨生成延胡素酸。⑤脱水脱氨：含羟基的氨基酸在脱水过程中脱氨、如丝氨酸脱水后，经α－氨基丙烯酸、α－亚氨基丙酸，再水解脱氨成丙酮酸，化学反应如下：4b.脱羧基作用氨基酸脱羧多见于腐败细菌和真菌中。不同氨基酸在相应氨基酸脱羧酌的作用下，催化氨基酸脱按生成有机胶和二氧化碳。1.1.1.2己糖的降解a.EMP途径糖的酵解是各种发酵的基础，发酵作用是酵解过程的发展。EMP途径又称糖酵解，或双磷酸己糖降解途径。这是氧化葡萄糖产生丙酮酸的过程，它通常是碳水化合物分解过程的第一阶段。许多微生物能进行该途径的反应。事实上，它存在于大多数活细胞中。EMP途径包括10个独立的，但又是连续的反应，其顺序及所需的酶见图2。糖酵解中的酶催化六碳葡萄糖裂解生成两个三碳糖，这些糖然后进一步被氧化释放能量，同时进行原子的重排而形成了两分子丙酮酸。糖酵解期间NAD＋被还原成NADH，并且通过底物水平磷酸化作用净产生两分子的ATP。因此，葡萄糖经EMP途径降解成丙酮酸的总反应式为：C6H12O6＋2NAD+＋2Pi＋2ADP→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H++2ATP＋2H2O反应中所生成NADH必须重新氧化为NAD后才能继续不断地推动全部反应。糖酵解过程不需要氧的参与，它能够在无氧或有氧的条件下发生。在无氧的条件下，如以乙醛作为受氢体，即是酒精发酵；如以丙酮酸作为受氢体，即是乳酸发酵。在有氧情况下，NADH经呼吸链氧化，同时丙酮酸进入三羧酸循环。5图1-1EMP途径简图EMP途径10步反应详述如下：（1）葡萄糖形成葡糖-6-磷酸。不同菌种通过不同方式实现这步反应。在酵母茵、真菌和许多假单胞茁等好氧细菌中，通过需要Mg+和ATP的己糖激酶来实现（此反应在细胞内为不可逆反应）；在大肠杆菌和链球菌等兼性厌氧茵中，可借磷酸烯醇式丙酮酸—磷酸转移酶系统在葡萄糖进入细胞之时即完成了磷酸化。（2）葡糖-6-磷酸经磷酸己糖异构酶异构成果糖-6-磷酸。（3）果糖-6-磷酸通过磷酸果糖激酶催化成果糖-1,6-二磷酸。磷酸果糖激酶是EMP途径中的一个关键酶，故它的存在就意味着该微生物具有EMP途径。与己糖激酶相似的是，磷酸果糖激酶也需要ATP和Mg2+，且在活细胞内催化的反应是不可逆的。（4）果糖-1，6-二磷酸在果糖二磷酸醛缩酶的催化下，分裂成二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两个丙糖磷酸分子。果糖二磷酸醛缩酶不但在葡萄糖降解中十分重要，而且对葡糖异生作用(g1uconeogenesis)即对由非碳水化合物前体逆向合成己糖的反应也很重要。另外，二羟丙酮磷酸在糖代谢和脂类代谢中还是一个重要的连接点，因为它可被还原成甘油磷酸而用于脂类的合成中。（5）二羟丙酮磷酸在丙糖磷酸异构酶的作用下转化成甘油醛-3-磷酸。虽然在反6应（4）中产生等分子的丙糖磷酸，但二羟丙酮磷酸只有转化为甘油醛-3-磷酸后才能进一步代谢下去。因此，己糖分子至此实际上已生成了2分子甘油醛-3-磷酸。此后的代谢反应在所有能代谢葡萄糖的微生物中都没有什么不同了。（6）甘油醛-3-磷酸在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下产生1,3-二磷酸甘油酸。此反应中的酶是一种依赖NAD+的含硫醇酶，它能把无机磷酸结合到反应产物上。这一氧化反应由于产生一个高能磷酸化合物和一个NADH+H+，所以从产能和产还原力的角度来看都是十分重要的。（7）l,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下形成3-磷酸甘油酸。此酶是一种依赖Mg2+的酶，它催化1,3-二磷酸甘油酸C-1位置上的高能磷酸基转移到ADP分子上，产生了本途径中的第一个ATP。这是借底物水平磷酸化作用而产ATP的一个实例。（8）3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的作用下转变为2-磷酸甘油酸。（9）2-磷酸甘油酸在烯醇酶作用下经脱水反应而产生含有一个高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸。烯醇酶需要Mg2+、Mn2+或Zn2+等二价金属离子作为激活剂。（10）磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下产生了丙酮酸，这时，磷酸烯醇式丙酮酸分子上的磷酸基团转移到ADP上，产生了本途径的第二个ATP，这是借底物水平磷酸化而产生ATP的又一个例子。由上可知在无氧条件下，整个EMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产2个ATP，但其中产生的多种中间代谢物不仅可为合成反应提供原材料，而且起着连接许多有关代谢途径的作用。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇和丁二醇等大量重要发酵产物的生产有着密切的关系。EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要：①供应ATP形式的能量和NADH形式的还原力，厌氧微生物是以此途径作为获得能量的唯一方式；②是连接其它几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径等；③为生物合成提供多种中间代谢物；④通过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。b.PP途径7除了通过EMP途径氧化葡萄糖外，大多数微生物还有一条彻底分解葡萄糖为CO2和水的途径，即是葡萄糖在转化成6-磷酸葡萄糖酸后就分解为CO2和5-磷酸核酮糖，也就是在单磷酸己糖的基础上开始降解，故称单磷酸己糖途径，简称PP途径，旧称HMP途径。又因为所生成的磷酸戊糖可重新组成磷酸己糖，形成循环反应，所以又常称为磷酸戊糖途径，见图1-2。图1-2HMP途径简图PP途径比EMP途径复杂，可以获得很多产物，如C3、C5、C7等磷酸糖酯。该途径主要特点是葡萄糖直接脱氢和脱羧，不必先经三碳糖的阶段；另一特点是只有NADP参与反应。PP途径在微生物生命活动中意义重大：①供应5-磷酸核糖，以合成嘌呤和嘧啶核苷酸，最后合成核酸、辅酶等；②提供大量的还原力NADPH＋H＋，除了部分被转氢酶催化变为NADH＋H＋，再进入呼吸链氧化，可生成大量的ATP外，主要还是作为细胞合成脂肪酸、胆固醇、谷氨酸等需氢的一种重要来源；③途径中的4-磷酸赤藓糖是合成芳香族氨基酸的前体；④磷酸戊糖循环的功能对于光能和化能自养菌具有重要作用，这两类微生物细胞中的含碳成分都是由CO2和1,5-二磷酸核酮糖缩合而成，而后者是由5-磷酸核糖转变而来；⑤生成的6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等可进入EMP途径，进而代谢为丙酮酸，这样PP途径与EMP途径相联系。因此，PP途径在物质代谢中很重要，在大多数好氧和兼性厌氧微生物中都有这条途径。PP途径与EMP途径、TCA循环可以同时存在于一细胞内，只有8少数细菌以PP途径作为有氧分解的唯一途径，例如弱氧化醋杆菌和氧化醋单胞菌。c.ED途径N.Entner和M.Doudorff在对嗜糖假单胞菌的研究时发现，该菌缺少6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶，从葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖酸之后不氧化脱羧，而是在脱水酶作用下脱水，生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸，后者由脱氧酮糖醛缩酶催化裂解成为3-磷酸甘油醛和丙酮酸，这就是ED途径，如图1-3。3-磷酸甘油醛转入EMP途径后半部分可转化为丙酮酸，因而ED途径的总反应式为：C6H12O6＋NAD＋＋NADP＋＋Pi＋ADP→2CH3COCOOH＋NADH＋NADPH＋2H＋＋ATPED途径是少数EMP途径不完整的细菌例如Pseudomnasspp.(一些假单胞菌)和Zymomonasspp.(一些发酵单胞菌)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，仅为EMP途径之半)，反应中有一个6碳的关键中间代谢物——肋PG。由于ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接