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。 复杂分子（有机物）会器简单小分子+AP+[时 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 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. 有机物化能异并微生物 最初胞源 还原态无机精化能自养橙生物 日光光奖答养散生的 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： 多辅类化合物 回一{禁( 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。 (I)EMP途径（图S一1）
50第5章微生物代 惠特糖A四 葡 生花经中限 NADH+H' 子二顺甘 3磷酸甘治般 性 2-瑞酸甘袖酸 图5-1EMP途径 EMP途径的总反应式为： C.H2O+2NAD+2ADP+2Pi-2CH COCOOH+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， (2HMP途径（图5-2）。HMP途径的总反应式为： 6葡糖-6-磷酸+12NADP+6H,0→5葡糖-6-磷酸+12 NADPH+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5一3）.ED途径总反应式为： CHO6+ADP+Pi+NADP'+NAD-2CH:COCOOH-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菩代途径 产能效率低，为微生物所特有。 (④WD途径（唤酸解酮酵途径（图5-4）。包括磷酸戊糖解酮酶途径(PK途径)和磷酸己糖 解嗣酶途径HK途径)
51第5章微生物代 3×葡糖-6- 30 ,3X6-酸葡酸 木酮糖-5@ 转酮醇酶《特征) 甘注-3-它 景天庚酮糖-7~@ 果糟-6-® 赤辞糖-4@”木南箱-5-仓 转醇酶（特征酶） 果精-6-D 甘油-3-@ 果糖-1,6-2 图5-2HMP途径 碰被接 葡榜-6-⑧ 与EMP相接 NADPH 与EP相连接 明- (KDPG) |KDPG磁缩酶（特征薛） 甘解-3-® 丙明酸 2ATP NADH+H" 、EMP途径 图5-3ED途径
52第5章微生物代 果糖-6-①· 果糖-6-@ 醉酸己格解酮酸（关健酶） 乙税磷酸 甘油酸-3-⑧景天酮糖7-⑩ D-城 一D-木酮精一D木糖 一+一L一酮糖-5-它一L-核南一L-何拉伯糖 2、磷酸戊糖额刚酶（关键 2甘油整-3®2乙酰裤酸 丙雨酸 2乙酸 2乳酸 整个途径表示的是腾酸己解酮途径(HK 径)，虚线框表示酶酸戊解钢酶途径(PK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食品的变质和离烂（适常的念： 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)乙醇发酵 葡萄糖 运动发酵单慰 酵母南 天氧发酵单胞凿 (Zymomonas anaerobia) 丙酮酸 (2)乳酸发酵
53第5章微生物代 葡萄糖 同型军酸发酵 异型乳酸发酵 HMP 肠莫状明珠茵 锦氏乳杆菌 保加利亚乳杆蓝 丙酸 乙醇或乙酸 乳 乳酸 乙醇或乙酸 (3)由丙酮酸开始的其他发酵过程（图5一5） 混合酸发球 2NADE+H 2NAD 4丙雨酸 乙酰辅酶A 乙醛 乙醇 ·乙酸 2C02+22 2,3丁牌发翻一00： 能孔一∠- NADI'H NAD 丙酸一一 2,3-丁二游 丙酸发解 co, +丁尊 厅酸发牌 AD'+HNAD广NAD+H NAD 、乙酰乙酸辅醇A 一丁酰辅酶A 丁酸 NADH'+H NAD ,异丙融 图5-5由丙酮酸开始的其他发醇过程 (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 1,3一二磷酸甘油酸和磺酸烯醇式丙陶酸，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 乎吸过程中 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 (aerobic respiration)),以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸((anaerobic )。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
54第5章微生物代 2NADH+2H的 2NADH+2 H 202 2乙酰凡 6 NADH+6 H" 4002 (2 FADH 6 10 NADH+10H 2A计 电子 >34ATP≤ ,6翻+2r ZAN 电子传游裤 图5一6原核楼生物的有氧呼吸 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NO:、NO:、S042:一、S,02:·C02 或廷胡索酸(fumarates)等外源受体。 无氧呼吸的主要类型： 硝酸盐呼吸（反硝化作用）：NO,→NO,NO,N,O,N, 就酸盐呼吸：S0→s0,S,0g,5,0,HS 无机盐呼吸 就呼吸：S→H3S 楼呼贤，Fe3◆Fe* 碳酸盐呼爱：产乙酸细菌，C0,HC00°一CH,C00H 无氧呼吸 和甲烧第，C0、,HC00”+CH。 ,延胡索酸呼吸：延胡索酸→晚珀酸 有机物职吸 甘氨酸呼吸：甘氯酸→乙酸。 二甲基亚飘：二甲基亚职一二甲基硫化物 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但由于部分能是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
55第5章微生物代诗 3)氧化遗移化，在越壁解和三羚酸循环过程中，形成的NADP日和FADH,通衬申了 传递系纺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若及质子动 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挂出膜外，造成质子动势，当质 由膜外返回到膜内时，通过F-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)一FP(黄素蛋白)一F心·s(铁硫蛋白) +CoO(辅顶O)+Cytb-Cvtc+Cvta+Cta3 7。白差微生物生物氧化 ()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茵。电 子供体是NH4:、HS、F2和H,等，还原力的获得是逆呼吸链的方向进行传递，同时需要 消耗能最（图5一7八。 卡尔文循环 人逆呼吸链方向产生还力，消耗能图 H> HS N:O5S Fe2 NO: D FP Cyt al aa3 02NO} tb ATP TP 呼吸地子传，产生能 图5一7无机化合衡物氧化，氢成电子进人呼吸链的部位 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 「数的氧化：亚硝化细萄：NH,一→NO:+4e 破化细销：N0,N0+2e- 化能无机自养{蔬的氧化：HS、5、3,0、S0→S0,+n2。 铁的氧化：e2+→F。++。 氢的氧化：日，+2日*+28 (2)光能自养。光合作用是指将光能转变成化学能并固定C02: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 中被用来还原或周定C02,合成细胞物质 光反应的实质是叶绿客分子吸收光量子，在被活后放出申子申子在由子传递系 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 是通过电子传超系统产生ATP, 。,产氧其一排环式光合磷酸化 光能营养型生物{ 不产氧（仅源核生物有）： (①光合细菌一环式光合磷酸化 ②绿硫细菌的非环式光合扇酸化
56第5章微生物代 ③嗜盐细菌的光合磷酸化：一种只有嗜盐才有的，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祝紫红质吸收光能后，在膜内外建立 质子浓度差 8.C0,的固定。将空气中的C0,同化、成细胞质的过程.称为C02:的固定作用 CO,是自养微生物的惟一碳源，异养微生物也能利用C0:作为铺助的碳源。微生物有两 种同化C02,的方式。自养式：C02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CO被固定在某种有机酸上(TCA循环中间产物，此外， 在脂肪酸及核背酸的合成中，也有固定C0,的反应 自养微生物同化C02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，周 定CO2的途径主要有以下3条： 1卡尔文循环徐名。又称还原我接遗酸循环。或核酮就一路酸徐名。存在干绿色抽物 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，核御糖二磷 酸羧化酶和磷酸核酮糖激南是这条途径的特有酶。卡尔文循环可分为3个阶段： ①C02的固定（羧化反应） ②被固定C02的还原（还原反应）： 哲的酸3牌履巴ADp ③C02受体的再生。 接丽糖-小瞬酸一 ATP ADP →被阴糖-1,5-二磷酸 磷敬核丽紫涤 (2)还原性三羧酸循环途径。存在于一些古生菌（热变形菌属、疏化叶茵属）以及绿菌属利 脱疏闲属中。C02的固定通过逆向的三羧酸循环途径进行（图5一8），多数酶与正向三羧酸 各种细胞物质 己糖-⊙ 丙⊙ 延胡酸 华果酸 琥珀酸 式丙图 - 草酰乙酸 丙酸 co. 裂合酶 x-酮皮二酸 co]- 柠橙酸 异柠檬酸一 图5-8因定C0,的还原性三酸循环途径
57第5章微生物代诗 循环途径相同，只有依赖于AP的柠檬酸裂合酶是个例外，催化正向三羧酸循环途径的此 北融是柠檬酸合強 (3)乙酰辅南A途径。非循环式C02的固定机制存在于甲烷产生菌、硫酸还原菌和在 发醇过程中将C02转变为乙酸的细菌（产乙酸细菌）中（图5一9）。 甲著来源CO2一甲酰四氨叶酸一·甲基四氨叶酸一→甲基-维生素B。 稚基来源Co匀 一氧化碳脱氢能 乙酸。 乙酰辅醇A 丙南酸一内附酸合皮 Co. 图5-9固定C0的乙酰辅酶A途径 9.肽聚糖的合成。Staphylococcos aureus肽聚糖合成的3个阶段如图S一l0所示. 1)细胞质中的合成」 壁引物 菊药暗 团 V-7 ☑-UDP 壁引物 网81，回回 L-AI (M-UDP) ①GD 式D A 壁引物 囱网你14回回 细宽中合成 细胞质中合成 8 網鬼膜外合成 5-0肽聚糖的合成 ①葡萄糖一N-乙酰葡糖胺-UDP(G-UDP)一N乙酰胞壁酸.UDPM-UDP) ②M-UDP·"Park"核苷酸，即UDPN一乙酰胞壁酸五肽 (2)细胞膜中的合成。“Pak”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一丙氨 酸一D一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的过程称为生物周氨
58第5章微生物代 (1)固氨微生物和固氮体系。共生固氮系→共生固氨微生物 白牛固氨系→白生固氨微牛物 联合周氮系一自生周氨微生物 ①共生固氢体系 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： a)与装些植物共生 ②自生固氮体系。 a.好氧自生固氮M(Azotobacter,Azotomonas,ete): b.厌氧自生周氢M(Clostrldium: 大多数光合M(蓝细菌 光合细菌) ③联合固氮体系。不生成共生周氨特殊结构，有较强的寄主专一性雀辞固氮菌 (Azotobacteraspali)与雀稗根系形成联合， (2)固氮机制。 N,+8e°+8H+nATP医美每，2NH,+H+nADP+n 固氨反应的必要条件：ATP,。一、H+及其较体，固氮酵：N2,Mg2+厌氧环境 ①固氨酶包括两种组分。组分I(PI):真正的固氨酵，又称钼铁蛋白MoFe),由4个亚 基组成。组分Ⅱ(P2):实际上是一种同氨酶还原酶，又称铁蛋白(F),由两个亚基组成。 aP1、2单独存在时，都没有活性，只有形成复合体后才有固氨酸活性： b.不同来源的P1、P2具有互补作用，说明不同来源的固氨酶其结构与功能是基本相同 的： 心.对氧气敏感，不可逆失活，P2比P1更敏感。2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l0mn。不同米源的固氨酶对氧有不同的敏感性。 ②好氧性周氨菌其固氨酶的抗氧机制。 a呼吸保护作用：强的呼吸作用迅速消耗周氨部分周围的氧气 b. 构象保护：构象改变 使得氧气敏感部位隐藏起来： 心.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.微牛物在一定的牛长时期.以初级代谢立物为前体.合成一些对微生物自身牛合活动 明确生理能的物后的计积 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、微素 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： )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， 与阳离子吸收有关的(铁色素om和f 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
