微生物的代谢

第七章微生物的代谢第一节微生物的能量代谢第二节微生物特有的合成代谢途径第三节微生物次级代谢与次级代谢产物第四节微生物代谢与生产实践代谢概论代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]一、概述葡萄糖降解代谢途径生物氧化：发酵作用产能过程呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。第一节微生物的产能代谢——将最初能源转换成通用的ATP过程生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中2、化能自养微生物的生物氧化与产能通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。代谢特点1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链2）存在多种呼吸链3）产能效率低；4）生长缓慢，产细胞率低。3、光能自养或异氧微生物的产能代谢指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物。前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H’和电子形成还原力(NADPH+H’)二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED、PK途径等。）1）EMP途径（糖酵解途径、三磷酸己糖途径）葡萄糖丙酮酸有氧：EMP途径与TCA途径连接；无氧：还原一些代谢产物，(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能（底物磷酸化产能：（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10步反应分为两个阶段：1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。2）HMP途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。甘油醛-3-磷酸出路：a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA途径b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。总反应式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi特点：a、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成，b、产大量的NADPH+H+还原力；c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖）d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。3）ED途径——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假单胞过程：（4步反应）1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶特点:a、步骤简单b、产能效率低：1ATPc、关键中间产物KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。4）PK途径（磷酸酮解酶途径）a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌）G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸1G乳酸+乙醇+1ATP+NADPH+H+G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌）4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP1、定义广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢（电子）受体的产能过程特点：1）通过底物水平磷酸化产ATP；2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；3）产能率低；4）产多种发酵产物。三、发酵（fermentantion）2、发酵类型1）乙醇发酵a、酵母型乙醇发酵1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP条件：pH3.5~4.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羟乙醛（难溶）ii、弱碱性（pH7.5）2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘——甘油发酵（EMP）---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）b、细菌型乙醇发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)同型酒精发酵1G2丙酮酸代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.（ED）乙醇+1ATP异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸+乙酰--CoA无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶2）乳酸发酵同型乳酸发酵（德氏乳杆菌、植物乳杆菌等）——EMP途径（丙酮酸乳酸）异型乳酸发酵（PK途径）肠膜明串株菌（PK）产能：1ATP双歧双歧杆菌（PK、HK）产能：2G5ATP即1G2.5ATP3)混合酸、丁二醇发酵a混合酸发酵：——肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙酸乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：E.coli、产气肠杆菌甲酸CO2+H2（甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G不产气。CO2+H2b丁二醇发酵（2，3--丁二醇发酵）——肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应：1、V．P．实验2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：4）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(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮+CO2（CoA转移酶）丁醇缩合5）氨基酸的发酵产能（stickland反应）发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等。特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）氢供体（氧化）氨基酸：Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氢受体（还原）氨基酸：Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。氧化丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3还原四、呼吸（respiration）——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aerobicrespiration）无氧呼吸（anaerobicrespiration）1有氧呼吸原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上真核微生物：线粒体内膜上2个产能的环节：Kreb循环、电子传递。TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。（1）TCA循环柠檬酸循环或Krebs循环TCA的补充途径I乙醛酸循环（TCA循环支路）（异柠檬酸裂合酶）（乙酰--CoA合成酶）（苹果酸合成酶）乙酰-CoA异柠檬酸琥珀酸+乙醛酸乙酸苹果酸Ii丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法Iii厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA中间产物方式（2）电子传递链1）电子传递链载体:NADH脱氢酶黄素蛋白辅酶Q（CoQ）铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。2）原核微生物电子传递链特点：最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；电子供体：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等；含各种类型细胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyta1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变存在分支呼吸链：细菌的电子传递链更短并P／O比更低，在电子传递链的几个位置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。E.coli（缺氧）CoQcyt.b556cyt.ocyt.b558cyt.d（抗氰化物）细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧供应充足的条件下工作；细胞色素d分支对氧有很高的亲和性，因此在氧供应不足的情况下起作用。电子传递多样：CoQcyt.也可不经过此途径。3）氧化磷酸化产能机制——化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说化学渗透学说---英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出的。该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体环或特定的质子泵的作用，驱动泵的能量来自电子传递。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子动势Protonmotiveforce,PMF)是ATP合成的原动力。当质子动势驱动被转移至膜间空键的质子返回线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。质子推动力（Δp）取决于跨膜的质子浓度（ΔpH）和内膜两侧的电位差（Δψ）。特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用特点：a有其完整的呼吸系统；b只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等c兼性厌氧细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2无氧呼吸（厌氧呼吸）硝酸盐作用同化性硝酸盐作用：NO3-NH3-NR-NH2异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体NO3-NO2NON2ON2反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）——厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；d、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2SH2Se、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作为氢供体或电子供体；f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）硫呼吸（硫还原）——以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）——以CO2、HCO3-为末端电子受体产甲烷菌—利用H2作电子供体（能源）、CO2为受体，产物CH4；产乙酸细菌—H2/CO2进行无氧呼吸，产物为乙酸。其他类型无氧呼吸——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末端电子受体的无氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。利用Desulfotomaculumauripig