微生物学[第五章微生物的代谢]山东大学期末考试知识点复习

山东大学期末考试知识点复习第五章微生物的代谢一、要点提示1．代谢(metabolism)是生物体内所进行的全部生化反应的总称。包括分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)。分解代谢是指大分子物质在细胞内降解成小分子物质，并产生能量的过程，也称为生物氧化，或产能代谢；合成代谢是指利用小分子物质在细胞内合成复杂大分子物质，并消耗能量的过程，也称为生物合成，或耗能代谢，小分子物质来源于分解代谢的中间产物或细胞外的小分子营养物质。代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的。细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，以保证整个代谢途径的协调性与完整性。2．异养微生物利用各类有机化合物进行生物氧化产生能量。糖类是微生物重要的能源和碳源。葡萄糖和果糖通常被异养微生物优先利用。微生物利用葡萄糖产生能量主要经过发酵和呼吸两种代谢过程，两者有相同的初始阶段，即葡萄糖降解成丙酮酸的糖酵解(glycolysis)过程。微生物中主要存在4种糖酵解途径：EMP途径、HMP途径、ED途径和WD途径。呼吸作用主要经过糖酵解、三羧酸循环和电子传递链3个阶段产生能量；发酵首先经过糖酵解过程，随后根据微生物的类型，经丙酮酸转化成一种或多种不同的产物。与呼吸不同的是发酵过程只在糖酵解时产生能量，相对较少。3．自养微生物的生物氧化分成两大类：以氧化无机物获得能量固定CO2而生长的微生物为化能自养微生物，主要有4类：H2、NH4+、H2S和Fe2+的氧化；利用光能固定CO2而生长的微生物为光能自养微生物，主要分为两类：非放氧型光合作用和放氧型光合作用。4．微生物通过底物水平磷酸化(发酵和呼吸)、氧化磷酸化(呼吸)把化学能转换成ATP；通过光合磷酸化把光能转换成ATP；这些能量用于合成代谢及其他耗能过程，如：运动、营养物质运输及发光等，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。山东大学期末考试知识点复习5．合成代谢是利用分解代谢的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂大分子，最后产生新的细胞个体。微生物细胞的生物合成除了具有动、植物相同的生物合成途径外，还具有特殊的合成代谢类型，如某些CO2固定途径、肽聚糖生物合成，生物固氮作用等。6．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。微生物在一定的生长时期(指数生长期后期到稳定期)，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作用的物质的过程，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。7．微生物代谢的调节主要是通过对酶的调节来实现的，包括酶活性的调节和酶合成的调节。酶活性调节的方式主要有：变构效应、共价修饰、寡聚酶的解聚和聚合、蛋白酶水解激活等。酶合成的调节发生在基因水平上，主要有酶合成阻遏、酶合成诱导、酶的降解物阻遏等方式。现代发酵工业以代谢控制发酵理论为指导，应用基因突变来改造微生物的调节系统，实现代谢调控的人工控制。二、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，逐步分解并释放能量的过程，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最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源ATP。山东大学期末考试知识点复习糖酵解(glycolysis)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)。山东大学期末考试知识点复习EMP途径的总反应式为：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2OEMP途径生理功能：提供ATP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++6H2O→5葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+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。山东大学期末考试知识点复习(3)ED途径(图5-3)。ED途径总反应式为：C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+ATP+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。山东大学期末考试知识点复习(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)。山东大学期末考试知识点复习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。山东大学期末考试知识点复习(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ATP或GTP的生成，这种产生ATP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，山东大学期末考试知识点复习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(aerobicrespiration)，以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸(anaerobicrespiration)。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。山东大学期末考试知识点复习②无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2或延胡索酸(fumarate)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ATP酶合成ATP。氧化磷酸化形成ATP的机制目前可用化学渗透学说解释，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-F0ATP酶偶联，合成ATP。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，还原力的获得是逆山东大学期末考试知识点复习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ATP。山东大学期末考试知识点复习8．CO2的固定。将空气中的CO2同化成细胞物质的过程，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：山东大学期末考试知识点复习(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ATP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)。山东大学期末考试知识点复习9．肽聚糖的合成。Staphylococcusaureus肽聚糖合成的3个阶段如图5-10所示。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。山东大学期末考试知识点复习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；P1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；山东大学期末考试知识点复习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