2025年微生物代谢笔记.doc

第六章 微生物生理學(二)—微生物的代謝
第一节 代謝概论
一.概念:
代謝:即新陈代謝（Metabolism）,是指发生在活的微生物细胞中的多种分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和.
二.代謝的分类:
按物质转化方式分：
分解代謝：指复杂的有机物分子通過度解代謝酶系的催化，产生简朴分子、三磷酸腺苷（ATP）形式的能量和還原力的作用。
合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由简朴小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成复杂的大分子的過程。
按代謝产物在机体中作用不一样分：
物质代謝：物质在体内转化的過程.
能量代謝：伴随物质转化而发生的能量形式互相转化.
三.代謝的特點:
(1)代謝旺盛.
(2)代謝极為多样化.
(3)代謝具有严格的调整性和灵活性.
能量代謝是新陈代謝中的关键問題。
第二节 微生物的产能代謝
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無机物并释放出能量的過程称為生物氧化.
生物氧化的過程
一般包括三個环节：①底物脱氢(或脱電子)作用(该底物称作電子供体或供氢体)
②氢(或電子)的传递(需中间传递体，如NAD、FAD等)
③最终氢受体接受氢(或電子)(最终電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電子直接交給底物自身未完全氧化的某种中间产物，同步释放能量并产生不一样的代謝产物。
2.发酵的途径:
葡萄糖的酵解作用
(1).EMP途径
總反应式
C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特點：基本代謝途径，产能效率低，提供多种中间代謝物作為合成代謝原料，有氧時与TCA连接，無氧時丙酮酸及其深入代謝产物乙醛被還原成多种发酵产物，与发酵工业有亲密关系。
关键环节：
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)（Hexose Monophophate Pathway）HMP是一条葡萄糖不經EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的還原力和多种中间代謝产物的代謝途径。
HMP途径的總反应
C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O
HMP途径降解葡萄糖的三個阶段
①葡萄糖通過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上述多种戊糖磷酸在無氧参与的状况下发生碳架重排，产生已糖磷酸和丙糖磷酸。
HMP途径的重要意义
①為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
②产生大量NADPH2，首先為脂肪酸、固醇等物质的合成提供還原力，另首先可通過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运用运用的碳源谱更為更為广泛。
⑥通過该途径可产生許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途径在總的能量代謝中占一定比例，且与细胞代謝活動對其中间产物的需要量有关。
(3)ED途径：又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。
ED途径的特點：
①葡萄糖經转化為2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸後，經脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛， 3-磷酸甘油醛再經EMP途径转化成為丙酮酸。成果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。
②ED途径的特性反应是关键中间代謝物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特性酶是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對能量、還原力和不一样中间代謝物的需要。好氧時与TCA循环相连，厌氧時進行乙醇发酵.
長处：代謝速率高，产物转化率高，菌体生成少，代謝副产物少，发酵温度较高，不必然期供氧。
缺陷：pH5，较易染菌；细菌對乙醇耐受力低
(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某些细菌中。
進行磷酸酮解途径的微生物缺乏醛缩酶，因此它不可以将磷酸已糖裂解為2個三碳糖。
磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（PK）途径、磷酸已糖酮解途径（HK）途径。
磷酸已糖酮解途径的特點：
①有两個磷酸酮解酶参与反应；
②在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解為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為乳酸；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許多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采用此方式。
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時）可進行乙醇发酵。
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，還存在有其他有机物分子的发酵
(2)乳酸发酵
乳酸细菌能运用葡萄糖及其他對应的可发酵的糖产生乳酸，称為乳酸发酵。
由于菌种不一样，代謝途径不一样，生成的产物有所不一样，将乳酸发酵又分為同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。
同型乳酸发酵：通過EMP途径仅产生乳酸的发酵（經EMP途径）
异型乳酸发酵：通過HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、乙酸等有机化合物的发酵（經HMP途径）
应用:酸奶的制作,果汁发酵,醫药上的应用,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、甲基紅（M.R）试验
产酸产气试验： Escherichia与Shigella在运用葡萄糖進行发酵時，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同步产气，後者则因無此酶，不具有产气的能力。
甲基紅试验：大肠杆菌与产气气杆菌在运用葡萄糖進行发酵時，前者可产生大量的混合酸，後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紅试剂時，前者呈紅色，後者呈黄色。
鉴别肠道细菌的V.P试验
IMViC试验：包括吲哚（I）、甲基紅（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐运用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状拾分相近的肠杆菌属的细菌鉴别開来。

吲哚试验
甲基紅试验
V.P.试验
柠檬酸盐运用
大肠杆菌
+
+
-
-
产气杆菌
-
-
+
+
（二）呼吸
(一)概念:是指從葡萄糖或其他有机质脱下的電子(氢) 通過一系列载体最终传递給外源分子氧或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化過程.
(二)分类:
1.有氧呼吸
概念:是以分子氧作為最终電子(或氢)受体的氧化過程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。
特點：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的還原作用直接偶联，而是底物在氧化過程中释放的電子先通過電子传递链（由多种電子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和多种细胞色素构成）最终才传递到氧。
2.無氧呼吸
概念：指在厌氧条件下,厌氧或兼性厌氧微生物以外源無机氧化物或有机氧化物中的氧作為最终電子(氢)受体是发生的一类产能效率低的特殊呼吸。
特點：在無氧呼吸過程中，電子供体和受体之间也需要细胞色素等中间電子递体，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為重要或唯一的碳源,從還原态無机化合物生物氧化获得能量,同化合成细胞物质,此类细菌称為化能自养微生物.
(二)氧化类型:以化能自养微生物生長過程中的能源為根据,可以分為:
1、氨的氧化
NH3、亚硝酸（NO2-）等無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為亚硝酸并获得能量，硝化细菌将亚硝酸氧化為硝酸并获得能量，這两类细菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，防止亚硝酸积累所产生的毒害作用。
此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（sulfur bacteria）可以运用一种或多种還原态或部分還原态的硫化合物（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。硫细菌在進行還原态硫物质的氧化時會产酸（重要是硫酸），因此它們的生長會明显地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境中生長。
3、铁的氧化
以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）為例：從亚铁到高铁状态的铁的氧化，對于少数细菌来說也是一种产能反应，但從這种氧化中只有少許的能量可以被运用。因此该菌的生長會导致形成大量的Fe3+（Fe(OH)3）。
应用:细菌沥滤.
4、氢的氧化
氢是微生物细胞代謝中的常見代謝产物，诸多细菌都能通過對氢的氧化获得生長所需要的能量。能以氢為電子供体，以O2為電子受体，以CO2為唯一碳源進行生長的细菌被称為氢细菌：氢细菌都是某些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它們能运用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能运用其他有机物生長。
三.光能微生物的能量代謝
(一)光和细菌:以光能作為能源,运用CO2 或有机碳化合物作為碳源,通過電子传递产生ATP.
1.类群:(1)产氧的光合细菌. (2)不产氧的光合细菌.
2.细菌進行光合作用的基础：光合色素.
3.细菌光合作用：使之光合细菌依托菌绿素.叶绿素及菌视紫紅质将光能转变成為ATP形式的化學能的過程.
4.细菌光合作用分类: (1)依托菌绿素的光合作用. (2)依托叶绿素的光合作用. (3)依托菌视紫紅质的光合作用.
第三节 微生物的耗能代謝
一.细胞物质的合成:
(一)CO2的固定:将空气中的CO2同化成為细胞物质的過程称為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、還原性三羧酸循环、乙酰-CoA途径
(二)生物固氮:
1.概念:微生物将氮還原為氨的過程称為生物固氮.能進行生物固氮的微生物叫固氮微生物.
2.意义:減少污染、运用氮气等。
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、還原力及其载体、固氮酶、還原底物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。
固氮菌中對固氮酶的保护：
(1)自生固氮菌的保护:呼吸保护作用、构象保护作用；
(2)藍细菌固氮酶的保护：還原性异形胞；
(3)根瘤菌的抗氧保护。
(三)肽聚糖的合成:
合成過程：依发生部位提成三個阶段：
细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸；
细胞膜阶段：合成肽聚糖單体；
细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖；
二.其他的耗能反应
1.运動 2.运送. 3.生物发光.

第四节 微生物代謝的调整
一、酶合成的调整
通過调整酶的合成量進而调整代謝速率的调整机制是基因水平上的调整，属于粗放的调整，间接而缓慢。
（一）酶合成调整的类型
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謝途径中有关酶的過程。诱导作用的类型：
协同诱导：诱导物加入後，微生物能同步诱导出几种酶的合成，使底物迅速分解,重要存在于短的代謝途径中。
次序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代謝物的酶到达對复杂代謝途径的分段调整。
2.阻遏（repression）：
是阻碍代謝過程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的現象,從而更彻底地控制和減少末端产物的合成。
阻遏作用的类型：
①终产物阻遏（end-product repression）：由于终产物的過量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏.這种現象常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等這些重要构造元件生物合成的時候。
例如:過量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的許多酶的合成。
②分解代謝物阻遏（catabolite repression）：當微生物在具有两种可以分解底物的培养基中生長時，运用快的那种分解底物會阻遏运用慢的底物的有关酶的合成的現象。
（二）酶合成调整的机制
操纵子學說概述：
1、操纵子（operon）：是基因体現和控制的一种完整單元，其中包括构造基因，调整基因，操作子和启動子。
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；（与调整蛋白結合，克制其与操纵基因 的結合增進转录進行）；
3.阻遏物（repressor）和阻遏物蛋白aporepresseor）
阻遏物: 能在没有诱导物時与操纵基因結合的调整蛋白阻遏物蛋白:只能再有辅阻遏物存在時才能与操纵基因結合。
正调整：转录過程依赖于调整蛋白的存在。
负调整：转录過程不依赖于调整蛋白的存在。
二、酶活性的调整
是一定数量的酶,通過变化現成的酶分子构象或构造来调整其催化反应的速率。是酶分子水平上的调整，属于精细的调整。
（一）调整方式：
1、酶活性的激活：在代謝途径中背面的反应可被较前面的反应产物所增進的現象；常見于分解代謝途径。
2、酶活性的克制：包括：竞争性克制和反馈克制。
反馈：指反应链中某些中间代謝产物或终产物對该途径关键酶活性的影响。
凡使反应速度加紧的称正反馈； 凡使反应速度減慢的称负反馈（反馈克制）；
反馈克制——重要表目前某代謝途径的末端产物過量時可反過来直接克制该途径中第一种酶的活性。重要表目前氨基酸、核苷酸合成途径中。
反馈克制的类型：直线式代謝途径中的反馈克制(谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成)、分支代謝途径中的反馈克制。
分支代謝途径中的反馈克制类型：
(1)同功酶调整(isoenzyme)：在一种分支代謝途径中，假如在分支點此前的一种较早的反应是由几种同功酶催化時，则分支代謝的几种最终产物往往分别對這几种同功酶发生克制作用。,某一产物過量仅克制對应酶活，對其他产物没影响。
（2）协同反馈克制（concerted feedbackinhibition）：分支代謝途径中几种末端产物同步過量時才能克制共同途径中的第一种酶的一种反馈调整方式。
（3）合作反馈克制（cooperative feedbackinhibition）：两种末端产物同步存在時，共同的反馈克制作用不小于两者單独作用之和。
（4）积累反馈克制(cumulative feedbackinhibition)：每一分支途径末端产物按一定比例單独克制共同途径中前面的酶，因此當几种末端产物共同存在時它們的克制作用是积累的，各末端产物之间既無协同效应，亦無拮抗作用。
（5）次序反馈克制(equential feedbackinhibition):一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通過後者反馈克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（Brevibacterium flavus）中天冬氨酸的合成
（7）代謝互锁:表面完全不有关的两条途径之间的调整。這种作用一般在高浓度下才显示，且為部分克制。
（8）优先合成:在分支合成途径中，分支點後的两种酶竞争同一种底物，如AMP与GMP，Thr与Lys、Met，由于两种酶對底物的Km值（即對底物的亲和力）不一样，故两条支路的一条优先合成。
(二)酶活性调整的机制
变构酶理论： 变构酶為一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化影响酶活。其上具有两個以上立体专一性不一样的接受部位，一种是活性中心，另一种是调整中心。