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第七章 微生物的代谢
重点与难点剖析

一、 代谢的概念
1、代谢是细胞内发生的所有化学反应的总称，包括分解代谢和合成代谢，分解代谢产生能量，合成代谢消耗能量。
2、生物氧化：生物体内发生的一切氧化还原反应。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。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。
3、异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。
二、异养微生物产能代谢
发酵
生物氧化 有氧呼吸
呼吸 无氧呼吸
1、发酵：有机物氧化释放的电子直接交给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。
发酵过程中有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原相偶联。被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）。糖酵解是发酵的基础，主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。
主要发酵类型
（1）酵母菌乙醇发酵的三种类型
一型发酵：
Glucose Pyr Alcohol
二型发酵：当环境中存在NaHSO4，与乙醛结合，而不能受氢，不能形成乙醇。
磷酸二羟丙酮 a-磷酸甘油 甘油
三型发酵：在碱性条件下，乙醛发生歧化反应
产物：乙醇、乙酸和甘油。
（2）乳酸发酵
同型乳酸发酵（EMP途径）：
葡萄糖 丙酮酸 乳酸
异型乳酸发酵（PK或HK 途径，肠膜状明串珠菌）
葡萄糖 乳酸 + 乙酸或乙醇（HK 途径）
戊糖 乳酸 + 乙酸（PK途径）
两歧双歧途径（ PK+HK 途径，两歧双歧途杆菌）
葡萄糖 乳酸 + 乙酸 （Hk 和PK途径）
（3）氨基酸发酵产能（Stickland 反应）
在少数厌氧梭菌如Clostridium sporogenes, 能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，其机制是通过部分氨基酸的氧化和另一些氨基酸的还原向偶联，这种以一种氨基酸做氢供体和以另一种氨基酸做氢受体而发生的产能的独特发酵类型，称为Stickland 反应。
作为氢供体的氨基酸：Ala; Leu, Ile, Val, Phe, Ser, His, trp
作为氢受体的氨基酸：Gly, Pro, Ori, OH-Pro, Arg, trp.
发酵中能量产生
发酵仅是专性厌氧菌和兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化方式，产能是以底物水平磷酸化形式。
底物水平磷酸化形式：在发酵过程中形成高能磷酸键化合物，将其高能磷酸根交给ADP而生成ATP的过程.
2、呼吸作用：微生物在降解底物过程中，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，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。 包括
有氧呼吸（aerobic respiration）：以分子氧作为最终电子受体。
无氧呼吸（anaerobic respiration）：以氧化型化合物作为最终电子受体。
(1) 有氧呼吸：葡萄糖经EMP途径和TAC循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。
TCA循环：电子传递系统：由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系。NADH、FADH以及其他还原性载体上的氢原子，以质子和电子的形式在其上进行定向传递，其组成酶系是定向有序不对称的排列在细菌的细胞质膜上或真核生物的线粒体膜上。
电子传递系统有两种功能：从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体；二是合成ATP，并把电子传递过程中释放的部分能量保存起来。
（2）无氧呼吸：无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。
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。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。
硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用。有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用。硝酸盐还原菌的反硝化作用对农业生产及地球物质循环都具有重要意义。
1）反硝化作用可使土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力，对农业生产不利。克服反硝化作用的有效方法之一是松土，保持土壤的疏松状态，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件（此时菌行有氧呼吸）。
2）反硝化作用在氮素循环中也有重要作用。硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏，与地球上氮素循环的中断。
三、自养微生物的生物氧化
将CO2先还原成[CH2O]水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。化能自养微生物所需的无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP。
如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得还原力。
1、氨的氧化：NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源。
亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量。
硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量。
这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。
NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长缓慢，平均代时在10h以上。
2、 硫的氧化：硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（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。
硫细菌在进行还原态硫的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。
与硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。
3、铁的氧化：以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）为例：从亚铁到高铁状态的铁氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+ （Fe(OH)3）。
氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。
4、氢的氧化：氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量。
能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌：
氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要的还原力。氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。
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。
四．能量转换
1、底物水平磷酸化
物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。
2、氧化磷酸化
物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH通过位于线粒体和细菌膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化性物质,在这个过程中偶连ATP的生成.
3、光合磷酸化
当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其释放一个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。
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。

光能营养型生物 产氧 真核生物：藻类及其它绿色植物
原核生物：蓝细菌
不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌
（1）环式光合磷酸化 （不产氧型光合作用）
光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP。不是利用H2O，而是利用还原态的H2、H2S等作为还原CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。
（2）非环式光合磷酸化：产氧型光合作用，绿色植物、蓝细菌等以裂解水，提供细胞生长的还原能力。含有两种类型的反映中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统PI和PII，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。
非环式光合磷酸化的反应式：
2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2
（3）非环式光合磷酸化
绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）
NAD++H2S+ADP+Pi NADPH+H++ATP+S
（4）嗜盐菌紫膜的光合作用
一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。
嗜盐菌的细胞膜可分成红色和紫色二部分，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，后者在膜上呈斑片状独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。含量占紫膜75%是一种称为细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上的柱状细胞中所含的一种蛋白质—视紫红质（rhodpsin）十分相似，二者都以紫色的视黄醛（retinal）作为辅基。
目前认为，细菌视紫红质与叶绿素相似，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，产生质子的跨膜运输而形成ATP。嗜盐菌只有在环境中氧浓度很低和有光照的条件下才能合成紫膜。这时，通过正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，转而由紫膜的光合磷酸化来提供。 通过紫膜的光能转化而建立的质子梯度除了可驱动ATP合成，还可为嗜盐菌在高盐环境中建立跨膜的钠离子电化学梯度，并由此完成一系列的生理生化功能。
五、耗能代谢
1、合成代谢：微生物利用分解代谢产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质的过程。
合成代谢需要能量：ATP和质子动力。
中间产物：丙酮酸、乙酰辅酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛等。
合成小分子物质：糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等。
2、兼用代谢途径：微生物细胞在正常生长情况下，需要从分解代谢途径中取得大量中间代谢物才能满足其合成细胞物质的基本需要。对分解代谢来讲，需要回补中间代谢产物。在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，称兼用代谢途径。
（1）乙醛酸循环
用乙酸等2碳化合物合成草酰乙酸，以乙酸、乙醇、烃类或脂肪酸等为唯一碳源的微生物，其产生草酰乙酸的回补顺序是由乙醛酸循环完成。
乙醛酸循环中两种关键酶：异柠檬酸裂合酶、苹果酸合成酶。
该循环常与TCA同时存在，充分发挥TCA循环的产能功能和乙醛酸循环的中间代谢物回补功能。
（2）Calvin 循环，又称核酮糖二磷酸途径
除绿色植物、兰细菌和多数光合细菌，还包括好氧性化能自养微生物如硫细菌、铁细菌和硝化细菌，利用Calvin 循环，将CO2固定产生碳水化合物。
核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸核酮糖激酶是本途径的特有酶。
Calvin 循环包括：CO2的固定、被固定的CO2还原、CO2受体的再生三个阶段。
（3）生物固氮
微生物将N2还原成氨的过程，称为生物固氮。生物固氮是某些原核生物所特有。至今已研究过的有50多属和100多种。目前尚未发现真核生物具有固氮作用。
根据固氮微生物与植物及其他生物的关系，可分为三类：
自生固氮体系；共生固氮体系；联合固氮体系
①自生固氮体系
好氧自生固氮菌（Azotobateriaceac）
厌氧自生固氮菌（脱硫弧菌, Clostridium）
兼性厌氧自生固氮菌（Enterococcus）
大多数光合细菌（光合细菌、兰细菌）
②共生固氮体系 由两种生物形成的共生体共同将分子态氮还原为氨的过程。例如在根瘤菌与豆科植物的根形成的根瘤中将分子氮固定为NH3。
根瘤菌（Rhizobium）与豆科植物；弗兰克氏菌（Frankia）与非豆科树木共生；兰细菌与某些真菌---地衣； 肠杆菌与白蚁。
③联合固氮体系
不生成共生固氮特殊结构，有较强的寄主专一性，如雀稗固氮菌与雀稗根系
固氮反应的必要条件
1、ATP的供应，1molN2要消耗10~15mol ATP.
2、还原力[H]及载体：电子载体Fd or Fld传递钼铁蛋白。
3、固氮酶 有组分I—钼铁蛋白,真正的固氮酶,具有催化活性;组分II,铁蛋白,或固氮铁氧还蛋白,传递电子.固氮酶对氧气敏感。不同来源的铁蛋白和钼铁蛋白结合在一起具有固氮酶活性。
固氮酶的底物专一性不强，用乙炔还原生成乙烯来测量固氮酶活性。
4、还原低物N2，
5、镁离子。
6、严格的厌氧环境。
固氮的生化途径

（4）微生物结构大分子---肽聚糖的合成
根据肽聚糖合成的部位，可分成三个阶段：细胞质、细胞膜和细胞膜外。
（1）细胞内主要合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸，及park-N-乙酰胞壁酸。
（2）在细胞膜上的合成
由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体分子是在细胞膜上进行的。由于细胞膜疏水性，所以，耍把在细胞质中合成的亲水性化合物“Park”核苷酸穿入细胞膜并进一步接上N—乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后把肽聚糖单体(即双糖肽亚单位)插入到细胞膜外的细胞壁生长点处．必须通过一种称作细菌甾醇的类脂载体运送。
类脂载体是一种含有11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸分子相连，使糖的中间代谢物呈疏水
（3）细胞膜外
六、微生物次级代谢与次级代谢产物
1、初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，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。
2、次级代谢：某些生物为了避免在初级代谢过程中某种中间产物积累所造成的不利作用，而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。
通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，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、毒素及维生素等类型。
3、初级代谢与初级代谢的关系
1、存在范围及产物类型不同
2、对产生者自身的重要性不同
3、同微生物生长过程的关系明显不同
4、对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同
5、相关酶的专一性不同
6、某些机体内存在的二种既有联系又有区别的代谢类型