微生物的新陈代谢

null第五章 微生物的新陈代谢（5个学时）第五章 微生物的新陈代谢（5个学时）教学目的：通过本章的课堂教学，使学生了解微生物代谢类型的特点及多样性。（第二节分解代谢和合成代谢的联系和第四节微生物的代谢调节与发酵生产不做。） 教学内容：微生物的能量代谢、自养微生物的生物氧化和产能化能、微生物独特代谢途径举例 教学提示：重点发酵、生物固氮、肽聚糖的生物合成第五章 微生物的新陈代谢第五章 微生物的新陈代谢新陈代谢（metabolism）简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源。通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)的总和。 第五章 微生物的新陈代谢第五章 微生物的新陈代谢分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(一般以腺苷三磷酸即ATP形式存在)和还原力(reducing power, 或称还原当量，一般以[H]来表示)的作用； 合成代谢又称同化作用，它与分解代谢正好相反，是指在合成酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。两者间的关系为： 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢 由于一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物体如何把外界环境中多种形式的最初能源（primary energy sources）转换成对一切生命活动都能利用的通用能源(universal energy sources)-ATP的。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢对微生物而言，它们可利用的能源不外乎是有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类，因此，研究其能量代谢机制，实质上就是追踪这三大类最初能源是如何一步步地转化并释放出ATP的具体生化反应过程，即：第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化(biological oxidation)就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。生物氧化与有机物的非生物氧化即燃烧有着若干相同点和不同点，相同点是两者的总效应都是通过底物的氧化反应而释放其中的化学潜能，不同点很多，见表5-1。 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能 概括地说，生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种； 生物氧化的过程可分为脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)3个阶段； 生物氧化的功能有产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物3种； 生物氧化的类型则包括了呼吸、无氧呼吸和发酵3种。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 这里以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在生物氧化的脱氢阶段中，可通过4条代谢途径完成其脱氢反应，并伴随还原力[H]和能量的产生。若在兼用代谢途径(见第二节)的协助下，这4条代谢途径还有小分子中间代谢物的产生。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnas pathway) 又称糖酵解途径(gIycolysis)或己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway)，是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。它以1分子葡萄糖为底物，约经10步反应而产生2分子丙酮酸、2分子NADH+H+和2分子ATP的过程。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．EMP途径(Embden-Meyerhof-Parnas pathway) 在其终产物中，2NADH+H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP（氧化磷酸化），而在无氧条件下，则可把丙酮酸还原成乳酸（乳酸发酵），或把丙酮酸的脱羧产物-乙醛还原成乙醇（酒精发酵）（底物水平的磷酸化）。 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．EMP途径意义 EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但生理功能极其重要： ①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力；②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环(丙酮酸)、HMP途径（1,6-二磷酸-果糖和三磷酸甘油醛）和ED途径（6-磷酸-葡萄糖）等；③为生物合成提供多种中间代谢物；④通过逆向反应可进行多糖合成。若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 2．HMP途径(hexose monophosphate pathway) 又称己糖-磷酸途径、己糖-磷酸支路、戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）、磷酸葡萄糖途径（phosphogluconate pathway）或WD途径（Warburg-Dickens pathway）。其特点是葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADH+H+形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．HMP途径(hexose monophosphate pathway) HMP途径可概括为3个阶段：①萄萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③几种戊糖磷酸在无氧参与的条件下发生碳架重排，产生了已糖磷酸和丙糖磷酸，后者既可通过EMP途径转化成丙酮酸而进入TCA循环进行彻底氧化，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．HMP途径(hexose monophosphate pathway) HMP途径在微生物生命活动中意义重大，主要有： ①供应合成原料：为核酸、核昔酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸)的原料。 ②产还原力：产生大量NADPH2形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需。 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．HMP途径(hexose monophosphate pathway) HMP途径在微生物生命活动中意义重大，主要有： ③作为固定CO2的中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介(HMP途径中的核酮糖-5-磷酸在羧化酶的催化下可固定CO2并形成核酮糖-1，5-磷酸。详见后面Calvin循环)。 ④扩大碳源利用范围：为微生物利用C3-C7多种碳源提供了必要的代谢途径。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．HMP途径(hexose monophosphate pathway) HMP途径在微生物生命活动中意义重大，主要有： ⑤连接EMP途径：通过与EMP途径的连接(在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处)，可为生物合成提供更多的戊糖。 若从人类的生产实践来说，通过HMP这择可提供许多重要的发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（通过异型发酵）等。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 1．HMP途径(hexose monophosphate pathway) 在多数好氧菌和兼性厌氧菌中都存在HMP途径，而且通常还与EMP途径同时存在。只有HMP途径而无EMP途径的微生物很少，例如Acetobacter suboxydans（弱氧化醋杆菌）、 Gluconobacter oxydans（氧化葡糖杆菌）、 Acetomonas oxydans（氧化醋单胞菌）第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 3．ED途径(Entner-Doudoroff pathway) 又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径。 因最初由N. Entner和M. Doudoroff 两人(1952年) 在Pseudomonas saccharophila(嗜糖假单胞菌)中发现，故名。这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，为微生物所特有。特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步反应才能形成的丙酮酸。ED途径ED途径ED途径的关键反应ED途径的关键反应ED途径的特点ED途径的特点①具有一特征性反应—KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛； ②存在一特征性酶—KDPG醛缩酶； ③其终产物2分子丙酮酸的来历不同，其一由 KDPG直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经EMP途径转化而来； ④产能效率低（1mol ATP/ 1mol葡萄糖） ED途径的意义ED途径的意义ED途径是少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。由于它可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等代谢途径相联，故可相互协调，满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；ED途径的意义ED途径的意义该途径中所产生的丙酮酸对Zymomonas mobilis（运动发酵单胞菌）这类微好氧菌(microaerobes)来说，可脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被NADH2还原为乙醇。这种经ED途径发酵生产乙醇的方法称为细菌酒精发酵(Bacterial alcoholic fermatation)，它与酵母菌通过EMP途径形成乙醇的机制不同。ED途径的意义ED途径的意义近年来、细菌酒精发酵已可用于工业生产，并比传统的酵母酒精发酵有较多的优点，包括代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，以及不必定期供氧等。其缺点则是生长pH较高(细菌约pH 5，酵母菌为pH 3)，较易染杂菌．并且对乙醇的耐受力较酵母菌低(细菌约耐7%乙醇，酵母面为8%-10%)。ED途径的意义ED途径的意义具有ED途径的细菌有 Pseudomonas sacchorophila (嗜糖假单胞菌) Ps. aeruginosa (铜绿假单胞菌)、 Ps.fluoreecens (荧光假单胞菌)、 Ps.lindneri (林氏假单胞菌)、 Z．Mobilis (运动发酵单胞菌) Alcaligenes eutrophus (真养产碱菌)等。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 4．TCA循环（tricarboxylic acid cycle） 即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环（citric acid cycle）, 由诺贝尔奖获得者（1953年）、德国学者H.A.Krebs于1937年提出。是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 4．TCA循环（tricarboxylic acid cycle） 在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位于线粒体的基质中；在原核生物中，大多数酶位于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上的。 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（一）底物脱氢的4条途径 4．TCA循环(tricarboxylic acid cycle) 一般认为真正的TCA循环起始于2C化合物乙酰-CoA与4C化合物草酰乙酸间的缩合。但从产能的角度来看，通常都把丙酮酸进入TCA循环前的“入门反应”(gateway step)—脱羧作用所产生的NADH+H+也计入，这时，若每个丙酮酸分于经本循环彻底 氧化并与呼吸链的氧化磷酸化相偶联，就可高效地产生15个ATP分子。TCA循环TCA循环TCA循环TCA循环 从图5-8可知，TCA循环共分10步：3C化合物丙酮酸脱羧后，形成NADH+H+，并产生2C化合物乙酰-CoA，由它与4C化合物草酰乙酸缩合形成6C化合物柠檬酸。通过一系列氧化和转化反应， 6C化合物经过5 C化合物阶段又重新回到4C化合物-草酰乙酸，再由它接受来自下一个循环的乙酰-CoA分子。整个TCA循环的总反应式为： 丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+) +FADH2+GTP 若认为TCA循环起始于乙酰-CoA分子，则总反应式为： 乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+ 3(NADH+H+) +FADH2+CoA+GTP TCA循环的特点TCA循环的特点①氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转(因NAD+和FAD再生时需氧)； ②每分子丙酮酸可产4个NADH+H+、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高； ③TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产(如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等)紧密相关(图5-9)4种主要脱氢途径在产能效率方面的特点和差异4种主要脱氢途径在产能效率方面的特点和差异第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢（二）递氢和受氢 贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述4条途径脱氢后，通过呼吸链(或称电子传递链)等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体（hydrogen acceptor）相结合而释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是受氢体性质不同，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型(图5-11)，现分别加以说明。 1、呼吸（respiration）1、呼吸（respiration）又称好氧呼吸(aerobic respiration)，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物经常规方式脱氢后，脱下的氢(常以还原力[H]形式存在)经完整的呼吸链（respiration chain，RC）又称电子传递链(electron transport chain，ETC)传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用．是一种高效产能方式。 1、呼吸（respiration）1、呼吸（respiration）呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢(或电子)传递体，其功能是把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的分于氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了ATP的合成。1、呼吸（respiration）1、呼吸（respiration）组成呼吸链中传递氢或电子载体的物质，除醌类是非蛋白质类和铁硫蛋白不是酶外，其余都是一些含有辅酶或辅基的酶，其中的辅酶如NAD+或NADP+，辅基如FAD、FMN和血红素等。 不论在真核生物或是原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的(详见图5-12)，氢或电子的传递顺序一般为： NAD(P) → FP(黄素蛋白) →Fe·S(铁流蛋白) →CoQ(辅酶Q) → Cyt b → Cyt c → Cyt a → Cyt a3 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢(或电子)和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动ATP酶合成ATP。 氧化磷酸化形成ATP的机制目前已研究得较清楚了，其中成就最大并获得学术界普遍认同的是化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)，它由英国学者P.Mitchell(1978年诺贝尔奖获得者)于1961年提出.化学渗透学说化学渗透学说该学说认为，在氧化磷酸化过程中．通过呼吸链有关酶系的作用．可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势(质于动力，pH梯度)△μH+的由来，也是合成ATP的能量来源，通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合成了ATP。氧化磷酸化氧化磷酸化从图5-12中可以看出，在典型的呼吸链中，只有3处能提供合成ATP所需的足够能量。因此，在2[H]从NADH2传递至O2的过程中，只有3处能与磷酸化反应(ADP+Pi→ATP)发生偶联，亦即只有3分子磷酸(Pi)参与ATP合成。呼吸链氧化磷酸化效率的高低可用P/O比(即每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数)来作定量表示。 例如，以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2[H]产生3ATP，故P/O=3，而以琥珀酸为底物时，由于琥珀酸脱氢酶的辅基是黄素蛋白(FP)，因此只能从FP水平进入呼吸链，故2[H]只能获得2个ATP，其P/O=2。原核生物呼吸链的P/O比一般较真核细胞线粒体的低。 2、无氧呼吸2、无氧呼吸又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物(少数为有机氧化物)的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物 按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。硝酸盐呼吸（denitrification） 硝酸盐呼吸（denitrification） 又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能，其一是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用（assimilative nitrate reduction）；另一是在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O直至N2的过程，称为异化性硝酸盐还原作用（dissimilative nitrate reduction），又称硝酸盐呼吸或反硝化作用。这两个还原过程的共同特点是硝酸盐都要通过一种含铂的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。 硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物-反硝化细菌，例如Bacillus licheniformis （地衣芽孢杆菌）、Paracoccus denitrificans（脱氮副球菌）、Pseudomonas aeruginosa (铜绿假单胞菌)和Thiobacillus denitrificans（脱氮硫杆菌）等。在通气不良的土壤中，反硝化作用会造成氮肥的损失，其中间产物NO和N2O还会污染环境，故应设法防止。硫酸盐呼吸（sulfate respiration）硫酸盐呼吸（sulfate respiration）是一类称作硫酸盐还原细菌(或反硫化细菌)的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸的最终还原产物是H2S。硫酸盐呼吸（salfate respiration）硫酸盐呼吸（salfate respiration）能进行硫酸盐呼吸的严格厌氧菌有Desulfovibrio desulfuricans(脱硫脱硫弧菌)，D.gigas(巨大脱硫弧菌)和Desulfotomaculum nigrificans(致黑脱硫肠状菌)等。在浸水或通气不良的土壤中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系生长十分不利（例如引起水稻秧苗的烂根等），故应设法防止。硫呼吸/铁呼吸硫呼吸/铁呼吸以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。能进行硫呼吸的都是一些兼性或专性厌氧菌，例如Desulfuromonas acetoxidans(氧化乙酸脱硫单胞菌)。 在某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌(包括化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌)中发现，其呼吸链末端的氢受体是Fe3+。碳酸盐呼吸（carbonate respiration）碳酸盐呼吸（carbonate respiration）是一类以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢 受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同而分两类：其一是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，其二是产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。它们都是一些专性厌氧菌。 延胡索酸呼吸（fumarate respiration）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）以往都把琥珀酸的形成看作是微生物所产生的一般中间代谢物，可是在延胡索酸呼吸中，琥珀酸却是末端氢受体延胡索酸的还原产物。能进行延胡索酸呼吸的微生物都是一些兼性厌氧菌，如Escherichia（埃希氏菌属）、Proteus（变形杆菌属）、Salmonella（沙门氏菌属）和Klebsiella（克氏杆菌属）等肠杆菌；一些厌氧菌如Bacteroides（拟杆菌属）、Propionibacterium（丙酸杆菌届）和Vibrio succinogenes（产琥珀酸弧菌）等也能进行延胡索酸呼吸。 延胡索酸呼吸（fumarate respiration）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）近年来，又发现厂几种类似于延胡索酸呼吸的无氧呼吸，它们都以有机氧化物作无氧环境下呼吸链的末端氢受体，包括甘氨酸(还原成乙酸)、二甲基亚矾[DMSO，还原成二甲基硫化物(dimethyl sulfide，DMS)]，以及氧化三甲基胺[trimethylamine ox16舶帅MiHe ox5de，还原成三甲基胺(N毗thyla加m)i等o 延胡索酸呼吸（fumarate respiration）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）近年来，又发现厂几种类似于延胡索酸呼吸的无氧呼吸，它们都以有机氧化物作无氧环境下呼吸链的末端氢受体，包括甘氨酸(还原成乙酸)、二甲基亚矾[DMSO，还原成二甲基硫化物(dimethyl sulfide，DMS)]，以及氧化三甲基胺[trimethylamine oxide，还原成三甲基胺(trimethylamine)等。 3、发酵（fermentation）3、发酵（fermentation）“发酵”有两个涵义：广义的发酵，最早是从会不断冒泡并产生有益产品的一些自然现象开始的；目前己泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。这里要介绍的仅是用于生物体能量代谢中的狭义发酵概念，它指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应，即： 第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢 化能异养微生物的生物氧化和产能 底物脱氢的4条途径 EMP途径、HMP途径、ED途径、TCA循环 递氢和受氢 呼吸、无氧呼吸和发酵 无氧呼吸：硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸、延胡索酸呼吸、甘氨酸呼吸、氧化三甲胺呼吸第一节 微生物的能量代谢第一节 微生物的能量代谢自养微生物产ATP和产还原力