第5章 微生物代谢.docx

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第5章微生物代谢

第5章微生物代谢

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，逐步分解井释放能量的过程，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量初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源ATP。

3．异养微生物生物氧化是利用有机物质进行的产能代谢的过程。

如糖类化合物的生物氧化过程总结为：

糖酵解（slycolysis）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）。

EMP途径的总反应式为：

C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O

EMP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++6H20→5葡糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6C02+Pi

HMP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。

（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。

（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）。

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。

（1）乙醇发酵。

（2）乳酸发酵。

（3）由丙酮酸开始的其他发酵过程（图5—5）。

（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，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（anaerobicresplration）。

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。

②无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-；、NO2-；、SO42-：

—、S2O32-：

·、CO2或廷胡索酸（fumarates）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的机制目前可甩化学渗透学说解释，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-FoATP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。

①光合细菌→环式光合磷酸化

②绿硫细菌的非环式光合磷酸化

③嗜盐细菌的光合磷酸化：

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。

是目前所知的最简单的光合磷酸化。

嗜盐细菌紫膜上的细菌视紫红质吸收光能后，在膜内外建立质子浓度差。

8．CO2的固定。

将空气中的CO2同化、、成细胞质的过程，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：

①CO2的固定（羧化反应）。

②被固定CO2的还原（还原反应）。

③CO2受体的再生。

（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）。

9．肽聚糖的合成。

Staphylococcosaureus肽聚糖合成的3个阶段如图5—10所示。

（1）细胞质中的合成。

①葡萄糖→N-乙酰葡糖胺-UDP（G-UDP）→N-乙酰胞壁酸-UDP（M-UDP）

②M-UDP→"Park"核苷酸，即UDP—N—乙酰胞壁酸五肽

（2）细胞膜中的合成。

“Park”核苷酸肽聚糖单体分子。

（3）细胞膜外的合成。

青霉素抑制转肽酵。

青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D—丙氨酸—D—丙氨酸的结构类似物，两者竞争转肽酶的活力中心。

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。

（1）固氮微生物和固氮体系。

共生固氮系→共生固氮微生物

自生固氮系→自生固氮微生物

联合固氮系→自生固氮微生物

①共生固氮体系。

a．根瘤菌（Rhizobium）与豆科植物共生；

b．弗兰克氏菌（Frankia）与非豆科树木共生；

c.蓝细菌（cyanobacteria）与某些植物共生；

d.蓝细菌与某些真菌共生。

②自生固氮体系。

a．好氧自生固氮M（Azotobacter，Azotomonas，etc）；

b．厌氧自生固氮M（Clostrldium）；

c．兼性厌氧自生固氮M（Bacillus，Klebsiella，etc）；

d．大多数光合M（蓝细菌，光合细菌）。

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雀稗固氮菌（Azotobacteraspali）与雀稗根系形成联合。

（2）固氮机制。

固氮反应的必要条件：

ATP，e—、H+及其载体，固氮酶；N2，Mg2+厌氧环境。

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；PI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；

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。

某些次级代谢产物对于产生微生物具有特殊的意义，如与阳离子吸收有关的sideramines（铁色素ferrichrome和ferrioxamines），某些化合物在生物竞争中可以抑制其他的生物，还有的与孢于的启动形成有关。

（2）次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体。

比如糖酵解过程中的乙酰辅酶A是合成四环素、红霉素的前体。

（3）次缎代谢一般发生在菌体指数生长后期或稳定期，也会受到环境条件的影响。

（4）次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关，两种完全不同来源的微生物可以产生同一种次级代谢产物。

（5）质粒与次级代谢的关系密切，控制着多种抗生素的合成。

（6）次级代谢产物通常都是限定在某些特定微生物中生成，因此与现代发酵产业密切相关。

（7）次级代谢产物的合成通常被细胞严密控制，有些调控机制和次级代谢一样，包括细胞的腺苷酸能值EC和碳代谢阻遏。

支持细胞大量生长的碳源，可能会变成阻遏物，例如：

葡萄糖抑制某些抗生素包括青霉素和氯霉素的产生。

除此之外，其他的次级代谢产物的调控机制如下：

①非核糖体肽合成。

一般地，蛋白质合成包括基因转录成mRNA，然后被核糖体翻译成多肽，但是，几种小肽（如一些抗生素）的合成通过一种改变的机制，独立于mRNA和核糖体，肽的合成通过肽合成酵催化进行，有时称为抗生素合成酶系，在菌体生长的指数期之后开始合成。

这些酶胜过mRNA，作为模板进行肽的合成。

例如：

芽孢菌（Bacillusbrevis）产生的抗生素短杆菌肽s，是两个五肽二聚物组成，每一个二聚物由4种活性氨基酸（氨酰基衍生物）组成，另外一种氨基酸是L—苯基丙氨酸，被短杆菌肽合成酶Ⅱ活化后变成D型后，转移给短杆菌肽合成酶I，和其他活性氨基酸连接组成五肽，两个五肽二聚体结合形成有活性的环状短杆菌肽s分子。

相似的肽合成酶在抗真菌化合物合成中也有发现，如白菌素（echinoeandin）是曲霉菌（Aspergillusnidulans）产生的一种环状脂肽，环孢霉素（cyclosporin）是Tolypocladiuminfiatum产生的一种十一肽。

环孢霉素合成酶是一种高相对分子质量的单链多肽，相对分子质量为1．7x106。

①自动调整。

链霉菌产生的一种小分子“A因子”，类似于激素这样的自动调节化合物。

可以刺激次级代谢产物的合成。

“A因子”控制链霉素的生物合成、链霉素抗性和孢子形成，其有效影响的浓度是1xl0-9moL/L、

③终端产物调节。

和初级代谢一样，某些次级代谢的终端产物具有反馈抑制作用。

如抗生素氯霉素抑制氯霉素合成途径中的酰基胺合成酶。

①诱导作用。

有几种抗生素的产生可以被加在发酵培养基中的诱导物诱导产生，很多的诱导物是初级代谢产物，如甲硫氨酸诱导Acremoniumchrysogenum产生头孢菌素；Clavicepspurpurea指数生长期的培养基中加入L—色氨酸或其类似物，会诱导麦角碱的合成。

⑤氮和磷调节。

易代谢氮源，如氨，对青霉素的产生有抑制作用。

其他抗生素，如杀念珠菌素、链霉素、四环素的产生可以被大于10mmoL/L的磷酸盐抑制。

Immol／L的磷酸盐浓度对于抗生素的产生没有抑制作用，这个现象可能与细胞能值EC的变化直接受磷酸盐变化的影响有关，高的磷酸盐浓度增加ATP的形成，提高了细胞的能值EC。

某些情况下，ATP可以看作是次级代谢产物中，生物合成相关主要酶类合成的辅助阻遏物。

12，微生物的代谢调节。

生物体中的各种代谢都是由酶驱动的，酶有两种功能：

生物催化剂，催化各种反应；调节和控制代谢的速度、方向和途径。

活的细胞中，代谢过程可以随着环境条件的改变而变化，调节表现在两种方式：

一种非常迅速的机制，在几秒或几分钟内，通过改变单个酶分子催化的活性而实现；另外一种比较慢的机制，在几个小时或者几天内，通过改变酶合成的比率，增加或减少酶分子数量而实现。

（1）酶活性调节。

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，这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化作出迅速、及时地反应。

这是微生物在饥饿情况下的一种经济调节方式，可通过改变代谢途径中一个或几个酶的活性影响代谢途径中各中间化合物的流量。

以图5—11表示的分支代谢途径来说明几种酶活性的反馈抑制原理。

①顺序反馈抑制（sequentialfeedbackinhibition）。

催化第一步反应只有一种酶a，其产物抑制体现在中间产物c，而不是终端产物。

酶d的产物抑制体现在产物P；酶8的产物抑制体现在产物J，它们的抑制方式一样，都是产物对分支途径的第一种酶的抑制。

产物c累积后，就会导致对酶a的抑制。

②协同反馈抑制（concertedfeedbaekinhibition）。

酶a有两个变构结合位点，每一个位点对应一个终端产物，只有一个终端产物结合在变构位点上时，酶的活性不受影响，当两个终端产物都结合在变构位点时，酶就被抑制。

③同工酶（isofunctionalenzyme）。

细胞合成了两种酶a和a’，同时催化反应A，两种同工酶分别被特异性的终端产物抑制。

同工酶a和a’被认为是和后面的分支途径的第一个酶d和g物理偶联的，例如a和d偶联，a’和g偶联。

产物J的积累，将会造成酶a’的产物抑制，随后立即发生酶g的减少，结果是反应向获得产物F的方向进行。

④组合激活和抑制（combinedactlvationandinhibition）。

某些情况下，一个生物合成中间体进入两个完全独立的代谢途径。

如氨基甲酰磷酸盐是精氨酸和嘧啶生物合成的中间代谢产物，氨基甲酰磷酸盐合成酶被尿嘧啶核苷单磷酸变构抑制，被鸟氨酸变构激活。

（2）酶合成调节。

酶合成阻遏（repressionofenzymesynthesis）：

DNA分子上每一个操纵元都产生一个阻遏蛋白，在合成过程中，阻遏蛋白不能结合在操纵于部位上，然而，辅阻遏物可以与阻遏蛋白结合，改变了阻遇蛋白的构象，使之可以与操纵子部位结合。

这样mRNA的合成终止，蛋白质合成不能发生。

酶合成诱导（inductionofenzymesynthesis）：

调节基因产生的阻遏蛋白可以与操纵元上的操纵子部位结合，因此关闭了mRNA的转录，阻止了蛋白质的合成。

当培养基中加入诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合，阻止了阻遏蛋白与操纵子部位的结合，操纵子开放，基因转录发生。

必须强调的是，不是细胞中所有的酶都可以发生阻遏或诱导，大量的酶蛋白在没有底物时也在不断地产生，这些酶称为组成型酶。

酶的代谢物阻遏（enzymecataboliterepression）是另外一种阻遏方式。

在生物体同时利用两种或两种以上的能源，其中一种能源可以非常容易地被代谢，当这种能源耗尽时，酶阻遏即被解除。

又被称为碳代谢阻遏（carboncataboliterepression）。

其机制包括降解物激活蛋白（CAP）或cAMP受体蛋白（CRP）和cAMP。

代谢阻遏在生长曲线测定时，称为二次生长（diauxlegrowth）（图，5—12）。

当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，不久在乳糖的诱导下β—半乳糖苷酶开始合成，细菌开始利用乳糖。

分解葡萄糖的酶是组成型酶，葡萄糖分解产物抑制腺苷酸环化酶活性，并活化磷酸二酯酶，因而降低了cAMP的浓度，使得乳糖分解代谢的基因不能转录。

调节基因的产物是CAP，它与cAMP结合后活化，结合在乳糖操纵元的启动子部位，促进转录的进行。

13．微生物代谢调节在工业发酵中的应用。

为了大量积累某种代谢产物，就必须打破微生物细胞原有的平衡状态，这就需要对细胞的代谢途径进行功利性修饰。

现代发酵工业通过以代谢控制发酵理论为指导，应用基因突变如营养缺陷突变株、反馈调节突变株、细胞膜透性突变株来改造微生物的调节系统，实现代谢调控的人工控制。