第五章 微生物的代谢.pdf

第五章微生物的代谢第五章微生物的代谢(Microbial Metabolism)代谢概论(Metabolism)微生物产能代谢耗能代谢微生物代谢的调节维;辄微生物次级代谢与次级代谢产物一、代谢概论(Metabolism)代谢(metabol ism)是细胞内发生的各种化学 反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabol ism)两个过程组成。微生物的代谢(metabolism)是指发生在 微生物细胞中的分解代谢(catabolism)与合成代谢(anabolism)的总和。分解代谢(catabolism)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。合成代谢(anabolism)指细胞利用小分 子物质合成复杂大分子的过程，并在这 个过程中消耗能量。在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能，光合微生物还可将光能转化成化学能，这些能量 用于：1.合成代谢；2.微生物的运动和运输；3.热和光。S无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一 系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后 续反应的底物。s 细胞能有效调节相关的酶促反应，使生命活动得以 正常进行。S某些微生物在代谢过程中，除了产生其生命活动所 必需的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次级 代谢产物。这些物质除有利于微生物生存，还与人 类生产生活密切相关。一、代谢概论(Metabolism)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 合匕旦 耳匕里。是指细胞利用简单的小分子 物质合成复杂大分子的过程，在这个 过程中要消耗能量。分解代谢的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 质降解成为氨基酸、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竣酸循环的 某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH 及 FAD为；第三阶段是通过三竣酸循环将第二阶段产物完全降 解生成C()2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FAD%通过电子 传递链被氧化，可产生大量的ATP。02分解代谢的三个阶段工4L、,r能量与代谢关系示意图第一节微幺物的产健代谢一、生物氧化二、异养微生物的生物氧化 三、自养微生物的生物氧化 四、能量转换生物耙化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。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利 用，也可通过能量转换贮存在高能化合物（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。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同 的，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。生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种。生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）生物氧化的功能：产能（ATP、产还原力、产小分子中间代 谢物 生物氧化的类型：发酵、呼吸（有氧呼吸和无氧呼吸）二、异本版金物的2物氧化异养微生物氧化有机物的方式，根据 氧化还原反应中电子受体的不同可分 成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可 分为看氧呼吸和无氧呼吸两种方式。，底能 下给放 件交释 条接时 的直同 体子，。受电物程 手的产士 电放间的 源释中物 外化科产 无氧某谢 在物的代 指机化同 是有氧不 射爆全命 小胞完爸 啜细未生 的物产 义生本并 狭微物量在发酵条件下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 是与有机物的还原偶联在一起的。被还原的宥机 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(fermentation)1.发酵途径发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖 类、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，主要分为四种途 径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮 酶途径.2.发酵类型在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一 步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解 丙酮酸后会积累不同的代谢产物。根据发酵 产物不同，发酵的类型主要有乙醇发酵、乳 酸发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵等。HMP途径（单磷酸己糖途径）意义提供还原力（NADPH：是合成脂肪酸、类固醇和谷氨酸的供氢体。提供中间代谢产物：如核酮糖-5-磷酸产能 EMP途径与HMP往往是同存的。(二)呼吸口去吸是微生物中最普遍和最重要的生物氧 化方式和主要的产能方式。呼吸是指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，从而生成水或其他还原型产物并释放出 较多能量的过程。其中，以分子氧作为最终 电子受体的呼吸称为宥氧呼吸，以氧以外的 其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸 称为无氧呼吸。呼吸与发酵的根本区别在于：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(respiration)最普遍、最重要的生物氧化或产能方式除糖酵解过程外，还包括三竣酸循环和电子 传递链两部分反应。在发酵过程中，葡萄糖经过糖酵解作用形成 的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产 物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三竣 酸循环(TCA)被彻底氧化成水和CO?,同时 释放出大量能量。产能量多，一分子葡萄糖净产38个ATP。2、无氧呼吸 anaerobic respiration 在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以NO?一 N02-S042-S2032-CO2等外源无机氧化物或有机 氧化物（延胡索酸等）作为最终电子受体时发生的 一类产能效率低的特殊呼吸。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。无氧呼吸有以下类型：1 硝酸盐呼吸（2 硫酸盐呼吸；（3 硫呼吸 4 铁呼吸；（5 碳酸盐呼吸（6 延胡索酸呼吸以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通 常称为：硝酸盐呼吸：N03-+2H+2e-=NO2-+H9O反应生成的NO?-可以被分泌到胞外，也可以 进一步被还原成,这个过程称为反硝化作 用。反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮(NO3-)的消失，从而降低了土壤肥力，对农业生产 不利。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一些微生物可以从氧化无机物获得能 量，同化合成细胞物质，这类细菌称 为化能自养微生物。它们在无机能源 氧化过程中通过氧化磷酸化产生A。氨的氧化 硫的氧化 铁的氧化 氢的氧化氨的氧化N%和NO2-是可以用作能源的最普通的无机氮化合 物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚 群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝化 细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧 化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次 进行的。注：硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分 子氧为最终电子受体，且大多数是专性无机营养型。硫的氧化硫杆菌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。H2s首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成 SCV-的途径，由亚硫酸盐-细胞色素c还原酶和末端 细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺 昔硫酸的氧化途径，每氧化一分子S（V一产生2.5个 ATPo铁的氧化从亚铁到高铁状态的铁的氧化，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。亚铁的氧化仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆畲(Th i obac i I I us ferrooxidans)中进行了较为详细的研 究。在低pH环境中这种菌能利用亚铁氧化时放出的能 量生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质(rust i cyan i n),它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧 化酶构成电子传递链。在电子传递到氧的过程中细胞质内 有质子消耗，从而驱动ATP的合成。氢的氧化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002,也能利用其 他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醍、维生素K2及细胞色 素等呼吸链组分。在氢细菌中，电子直接从氢传递给电子传递系 统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。在产能代谢过程中，微生物通过底物水平 磷酸彳(substrate I eve I phosphoryI at i on)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylatk)n)W 某种物质氧化而释放的能量储存于ATP等 高能分子中，对光合微生物而言，则可 通过 2t&5MlL(photophosphorylationW 将光能转变为化学能储存于ATP中。底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)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，这种产生ATP等 高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中,也存在于呼吸作用过程中。氧化磷酸化(oxjdatjve phosphorylation)物质在生物氧化过程中形成的NADH和 FADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜 上的电子传递系统将电子传递给氧或其 他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP 的合成，这种产生ATP的方式称为氧化磷 酸化。分子NADH和FADH2可分别产生3个和2个 ATPo 光合磷酸化 photophosphorylation 光合作用是自然界一个极其重要的生物学过 程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化 学能，以用于从CO2合成细胞物质。行光合作用 的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生 物，如藻类、蓝细菌和光合细菌（包括紫色细 菌、绿色细菌、嗜盐菌等）。它们利用光能维持 生命，同时也为其他生物（如动物和异养微生物 提供了赖以生存的有机物。光合色素 光合单位 光合磷酸化 环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化光合色素光合色素是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶绿素(chi)或细菌叶绿 素(Bchl),类胡萝卜素和藻胆素。细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿 素相类似的化学结构，两者的区别在 于侧链基团的不同，以及由此而导致 的光吸收特性的差异。类胡萝卜素虽然不直接参加光合反应，但 它们有捕获光能的作用，能把吸收的光能 高效地传给细菌叶绿素（或叶绿素）。所 有光合生物都有类胡萝卜素。藻胆素因具有类似胆汁的颜色而得名，其 化学结构与叶绿素相似，都含有四个毗咯 环，但藻胆素没有长链植醇基，也没有镁 原子，而且四个毗咯环是直链的。光合单位光合色素分布于两个“系统”，分别称为“光合 系统I”和“光合系统II”。每个系统即为一个 光合单位，其光合色素的成分和比例不同。一 个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中 心复合体组成。光捕获复合体含有菌绿素和类 胡萝卜素，它们吸收一个光子后，引起波长最 长的菌绿素(P870)激活，从而传给反应中心，激发态的P870可释放出一个高能电子。光合磷酸化 光合磷酸化是指光能转变为化学能的过 程。当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素（或 细菌叶绿素）释放一个电子而被氧化，释 放出的电子在电子传递系统中的传递过 程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化 的基本动力。环式光合磷酸化与 非环式光合磷酸化光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用 产生ATP,这类细菌主要包括紫色硫细 菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色 非硫细菌。环式光合磷酸化可在厌氧条 件下进行，产物只有ATP,无NADP(H),也不产生分子氧。高等植物和蓝细菌进行非环式光合磷酸化。第二节耗能代谢细胞物质的合成 CO2的固定生物固氮二碳化合物的同化 糖类的合成 氨基酸的合成 核苦酸的合成其他耗能反应：运动、运输、生物发光生物固氮若把光合作用看作是地球上最重要的生 物化学反应的话，则生物固氮应当是地球上仅次于光合作用的第二个最重要的 生物化学反应。生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固 氮酶系的催化而形成氨的过程。氮微生物的种类自生固氮菌：能独立进行固氮的微生 物。如固氮单胞菌属、红螺菌属。共生固氮菌：必须与它种生物共生在一 起才能固氮的微生物。如根瘤菌属、地 衣等。联合固氮菌:必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生 物。如Bacillus、Azotobacter等。氮的生化机制 固氮反应条件 1.ATP 2.些原力 H 及其载体 固氮酶(nitrogenase)还原底物电 镁离子 厌氧条件 固氮酶：由铁蛋白和铝铁蛋白组成。固氮反应总式N2+6e+6H+12ATP2N4+12ADP+12P i第三节微生物代谢的调节物的调要种：生胞谢、壬的型 微细代节有类r酶合成的调节，调节的是酶分子 的合成量。酶活性调节，I调节的是已有 酶分子的活 性在遗传学水 平上发生的在酶化学水 平上发金的一、酶合成的调节根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为 两大类：一类是组成酶，它们的合成不 受环境条件的影响，它们的合成速度是 恒定的，且总是存在于细胞内。另一类 是，受环境条件影响，只有当环 境中存在某一类营养物舟，细胞才合成 能分解这类营养物的酶。以酶的合成系统为基础的酶量调 节,包括底物对酶合成系统的爱美 作用和产物对酶合成系统的阻遏作 甩。酶的诱导生成如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能 产生淀粉酶。诱导酶只有在诱导剂存在时才生成，当除去诱 导剂后，酶的合成便停止了。由于酶诱导生成的调节，使得微生物只有在需 要时才合成某种酶，不需要时便不合成，这对 微生物新陈代谢是十分经济有利的。酶生成的阻遏11.终产物阻 遏：这种现象 在氨基酸、维 生素和核普酸 手合成途径中 普遍存在。天门冬氨酸克兹哥隘-1蛋氨酸图：蛋氨酸反馈阻遏大肠杆 菌合成蛋氨酸的酶的生成酶生成的阻遏 2.分解代谢物阻遏&如：1942年研究大肠杆菌对各种不同混合 碳源的利用时发现，当葡萄糖存在时，细菌 不利用其他糖。葡萄糖效应是由葡萄糖的某 种分解代谢物引起的，这种代谢物阻遏了能 够产生该物质的酶的生成。机制酶诱导的操纵子模型酶阻遏的色氨酸操纵子模型二、酶活性的调节酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分 子结构的改变来调节其催化反应的速率:变构调节：在一个由多步反应组成的代谢途径中，末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶，这种 酶通常被称为变构酶。修饰调节：是通过共价调节酶来实现的。共价调节 酶通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的 共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从 则导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和 方向。以代谢途径和酶分子结构为基础的酶活调节，包括 底物对酶的激活和终产物对酶的反馈抑制。在某一代谢途径里，某个能引起起限 速反应的酶的活性又受某种代谢产物浓度 的控制，即代谢产物浓度高能抑制该酶的 活性，导致该产物不能继续合成，如果代 谢产物浓度降低，该酶的活性恢复，有利 于这种代谢产物的继续合成。这种通过代谢产物浓度来控制代谢卢 物合成的调节方式称为酶活性的反馈明 节。反馈抑制直线式代谢途径同功酶调节分支代谢途径 合作反馈抑制Y协同反馈抑制累加反馈邪I顺序反馈抑制直线式代谢途径A B-EL_J单一末端产物的抑制加页序反馈制分支代谢途径中的两个末端产物，不能 直接抑制代谢途径中的第一个酶，而是 分别抑制分支点后的反应步骤，造成分 支点上中间产物的积累，这种高浓度的 中间产物再反馈抑制第一个酶的活性。因此，只有当两个末端产物都过量时，才能对途径中的第一个酶起到抑制作 用。枯草芽施杆菌合成芳香族氨基酸的代谢 途径就采取这种方式进行调节。A用页序反馈上制同功酶的调节同功酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的 分子结构组成却有所不同的一组酶。其特点是：在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一 组同功酶，每一种代谢终产物只对一种同功酶具有反馈抑 制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反 应的进行。这种调节方式的著名的例子是大肠杆菌天门冬氨酸族氨基 酸的合成。有三个天门冬氨酸激酶催化途径的第一个反 应，分别受赖氨酸，苏氨酸，甲硫氨酸的调节。同工酶的反馈抑制累加反馈抑制在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都 能对共同途径中的第一个酶起抑制作用，而且各 种末端产物的抑制作用互不干扰。当各种末端产 物同时过量时，它们的抑制作用是累加的 累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成 酶的调节过程中发现的，该酶受8个最终产物的 积累反馈抑制。8个最终产物同时存在时，酶活 力完全被抑制。I累加反馈抑制协同反馈抑制在分支代谢途径中，几种末端产物同 时都过量，才对途径中的第一个酶具 有抑制作用。若某一末端产物单独过 量则对途径中的第一个酶无抑制作 用。例如，在多粘芽抱杆菌合成赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的途径中，终点产物 苏氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸 激酶。协同反馈抑制合作反馈抑制、I这种控制体系与协同反馈有类似的地 方，但是在这个体系中，终端产物还有 较弱的独立控制的作用。因此，当所有 的终端产物同时过剩时，会导致其抑制 的程度比这些终端产物各自单独时的总 和更大。合作反馈抑制机制：激活反馈抑制酶活性调节的机制目前主要是用酶的变构理论来解释。这种理论认为受最终代谢产物调节的酶是一种变构酶。这种酶分子上有两个中心：一个是与底财活性中,一个是与末端产物结合的调节中心（又称抑制中心）。当末端产物过量时，末端产物与调节 中心结合，导致酶分子构型发生改变，破坏了酶的活性 中心，因而酶的活性降低或丧失，反应停止；当末端产 物浓度降低时，同调节中心结合的末端产物被释放出 来，导致酶的活性中心形成，酶的活性恢复，反应进 行，合成代谢产物。这样通过末端代谢产物胞内浓度的 变化，控制变构酶的活性变化，调节代谢产物的合成。(1:做活作用调行中心近基温性中4激活制中心、开放”的产物12)抑制作用中心“关闭”底物Y-A不能生成ES中间检亚将 引起变构作用亚基上中心关闭工图1V3 变构调节因子勺变构酶亚基的作用三、微生物代谢调节的意义应用：利用微生物的代谢调控能力的 自然缺损或通过人为方法获得突破代谢 调控的变异株，生产积累有关代谢物。理想的工业微生物（生产菌种）对某种 代谢产物的合成往往不受控制系统的限 制，因此能合成比其自身生长的需求量 更多的代谢产物。第四节微生物次级代谢 与次级代谢产物初级代谢：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 的物质和能量的过程，称为次级代谢：是指微生物在一定的生长时期，以 初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生 命活动无明确功能的物质的过程。此过程形成 的产物即为次级代谢产物。次级代谢的调节1、初级代谢对次级代谢的调节 2、碳、氮代谢物的调节作用3、诱导作用及产物的反馈调节本章）卜弟能量代谢时微生物新陈代谢的核心生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3个 阶段，并按其最终氢受体的性质而分为 有氧呼吸、无氧呼吸和发酵3种。微生物的代谢调节主要有调节酶合成量 的酶诱导、阻遏机制和调节现成酶催化 活力的激活和反馈抑制两类。Homework:结合微生物学 谈谈生物固氮。ThankYou