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第五章微生物的代谢与调节,细胞内发生的各种化学反应的总称,代谢,分解代谢(catabolism),合成代谢(anabolism),复杂分子 (有机物),分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,在微生物生命的整个代谢过程中,指令系统是基因,作用系统是酶,调控系统是代谢产物,影响因素是外界环境。在细胞内各系统之间任何时候都处于相互统一、矛盾、协调和制约之中,是一个完美的自控体系。,第一节 微生物能量代谢,能量代谢是一切生物代谢的核心问题,能量代谢的中心任务,是生物体如何把外界环境中的多种形式的 最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源 (ATP),生物氧化方式 物质中加氧;化合物脱氢;失去电子,如Fe2离子失去电子变成Fe3离子。根据最终电子受体(氢受体) 分为: 有氧呼吸、无氧呼吸与发酵,一、微生物的呼吸作用,生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种,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,(一) 底物脱氢的4条途径,多数微生物是化能异养型菌,葡萄糖是微生物最好的碳源和能源, 可通过4条代谢途径,EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径完成脱氢反应,并伴随还原力H和能量的产生。,1. EMP途径(Embden -Meyerhof -Parnas pathway),生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解,这是多数微生物共有的基本代谢途径。通过EMP途径,1分子葡萄糖经10步反应转变成2分子丙酮酸,产生2分子ATP和2分子NADH2。其总反应式为: C6H1206+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP+2H20,在EMP途径终反应中, 2NADH2在有氧条件下,可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6 ATP,而在无氧条件下,则可将丙酮酸还原成乳酸,或将丙酮酸脱羧成乙醛,后者还原为乙醇。 EMP途径的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶,它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成两个三碳化合。 2个3-磷酸甘油醛经磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。 丙酮酸是EMP途径的关键产物,由它出发在不同的微生物中可进行多种发酵.,(2)HMP途径(Hexose Monophosphate Pathway),能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物而并非产能的代谢途径。HMP途径可概括为三个阶段葡萄糖分子通过几步反应产生5-磷酸核酮糖和CO2; 5-磷酸核酮糖发生同分异构化而分别产生5-磷酸核糖和5-磷酸木酮糖;磷酸戊糖在没有氧参与的条件下,发生碳架重排,产生了磷酸己糖和3-磷酸甘油醛,,后者可通过以下两种方式进行代谢。一种产物是进入EMP 途径生成丙酮酸,另一种产物是通过二磷酸果糖醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为磷酸己糖。HMP途径。HMP途径一次循环需要6分子葡萄糖同时参与,有5分子6-磷酸己糖再生,用去1分子葡萄糖,产生大量NADPH2形式的还原力。其总反应式为:6-磷酸葡萄糖+2NADP+H205/6 6-磷酸葡萄糖+2NADPH2+ C02+Pi,3 ED途径(Enrner-Doudoroff Pathway) 又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸(KDPG)裂解途径。,它是少数缺乏完整EMP途径的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。在ED途径中,6-磷酸葡萄糖首先脱氢产生6-磷酸葡萄糖酸,继而在脱水酶生成2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖(KDPG)然后在KDPG醛缩酶的作用下,产生1分子3-磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。然后3-磷酸甘油醛进入EMP途径转变成丙酮酸。1分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH2和NADH2。,ED途径的特点: 葡萄糖经快速反应获得丙酮酸(仅4 步反应); 6碳的关键中间代谢产物是KDPG; 特征性酶是 KDPG醛缩酶; 特征性反应是KDPG裂解生成丙酮酸和3-磷酸甘油醛; 产能效率低,1分子葡萄糖经ED途径分解只产生1分子ATP ED途径在G菌中分布较广,特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存在,如嗜糖假单胞菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌、林氏假单胞菌和运动发酵单胞菌等,ED途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接,因此,可以相互协调,以满足微生物对还原力、能量和不同中间代谢产物的需要。 通过与HMP途径连接可获得必要的戊糖和NADPH2等。在ED途径中所产生的丙酮酸对微好氧菌(如运动发酵单胞菌)来说,可脱羧生成乙醛,乙醛进一步被还原为乙醇。此种由ED途径发酵产生乙醇的过程与酵母菌经EMP途径生产乙醇不同,称为细菌酒精发酵。不同细菌进行乙醇发酵的途径也各不相同。,TCA循环除了产生提供大量能量,还有以下功能:TCA 循环中的中间代谢产物是一些重要的细胞物质 如各种氨基酸、嘌呤、嘧啶和脂类等生物合成前体物, 这存在于各种生物体中的重要生物化学反应,它在多数异养微生物的氧化代谢中起关键作用. 例如乙酰CoA是脂肪酸合成的起始物质;,4. 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle), TCA环是糖类有氧降解的主要途径,也是脂肪、蛋白质降解的必经途径。 例如脂肪酸经-氧化途径生成乙酰CoA可进入TCA环彻底氧化成CO2和H20; 如丙氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸等经脱氨基作用后,可分别形成丙酮酸、草酰乙酸、-酮戊二酸等,它们都可进入TCA环被彻底氧化。 TCA环实际上是微生物细胞内各类物质的合成和分解代谢的中心枢纽。,应 用,用诱变育种等方法阻止某一代谢支路的进行,就必然异常积累某些中间产物。 据此,发酵工业上已筛选出优良生产菌株进行柠檬酸、异柠檬酸、-酮戊二酸、谷氨酸、苹果酸等的发酵。例如,利用黑曲霉生产柠檬酸时,由于菌体内顺乌头酸水解酶的活力极低,可积累大量柠檬酸。,(二) 递氢和受氢,1. 有氧呼吸(aerobicrespiration) 有氧呼吸是氧化底物时,以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程。 脱氢酶使基质脱氢,通过细胞色素C将电子和氢传递给氧,氧化酶使分子状态的氧活化,成为氢受体,最终产物为二氧化碳和水。,(1) 有氧呼吸,葡萄糖,糖酵解作用,丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环,被彻底氧化生成CO2和水,释放大量能量。,有氧呼吸: 电子传递链; 氧分子; (最终电子受体),呼吸作用,2. 呼吸作用,(电子传递与氧化)糖酵解和三羧酸循环形成的NADH和FADH2 在EMP和TCA途径中,脱下的氢或释放出的电子经过电子传递链的传递作用,最后传递到O2,需氧菌和兼性菌在有氧条件下可以进行有氧呼吸,同时释放大量的能量。总反应式为:C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38Pi6CO2 + 6H2O + 38ATP在电子传递过程中有ATP生成。,电子传递链,电子传递系统具两种功能:,一是从电子供体接受电子(氢)并传递给电子受体; 二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP,(又称氧化磷酸化)。 一分子葡萄糖通过有氧呼吸彻底氧化时,可产生38分子ATP。其中包含底物水平磷酸化合成,但大部分由电子传递磷酸化合成。,2.无氧呼吸(anaerobic respiration),无氧呼吸是指无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。以无机氧化物(如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等)为最终电子受体,由氧化态的无机物受氢(电子),并伴随氧化磷酸化作用产生ATP。 产生的能量较少。 有少数微生物(厌氧菌和兼性厌氧菌),(2)无氧呼吸,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸;,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。,(1) 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(Dissimilative)。,只能接收2个电子,产能效率低;,NO2-对细胞有毒;,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:,能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸还盐原细菌,主要生活在 土壤和水环境中,如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。,硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌,无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧 呼吸,而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制,细胞进行有氧呼吸。,反硝化作用的生态学作用:,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,土壤及水环境,好氧性机体的呼吸作用,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,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。,松土,排除过多的水分,保 证土壤中有良好的通气条件。,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,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。,(2).硫酸盐呼吸(sulfate respiration),呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体,这是一种异化性的硫酸盐还原作用。 微生物可在无氧条件下借呼吸链的电子传递磷酸化而获得能量。硫酸盐还原的最终产物是H2S,自然界中H2S的大多数由这一反应产生。( 这与化能自养菌的反应不同,因为是氧化有机质)硫酸盐还原菌都是专性厌氧细菌。,(3) 碳酸盐呼吸(carbonaterespiration),碳酸盐呼吸有两种类型: 一种是产甲烷细菌的碳酸盐呼吸,另一种是产乙酸细菌的碳酸盐呼吸, 均以CO2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体。 它们均是一些专性厌氧菌。,3. 发酵(fermentation),在无氧条件下,最终电子受体是未被彻底氧化的中间产物。即有机物既是被 的基质,又作为最终电子受体,基质未被彻底氧化的中间产物。由于发酵作用对有机物的氧化不彻底,发酵结果是积累有机物,且产生能量较少。 “发酵”在这里是指不需氧的产能代谢。,(2) 广义的发酵概念,在有氧或无氧条件下,利用好氧或兼性厌氧、厌氧微生物的新陈代谢活动,将有机物氧化转化为有用的代谢产物,从而获得发酵产品和工业原料的过程。,1. 发酵(fermentation),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。,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。,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EMP途径中丙酮酸出发的发酵、,在厌氧条件 有EMP途径(糖酵解途径)、 HMP途径(磷酸戊糖支路)、 ED途径、PK或HK途径(磷酸解酮酶途径)等。, 乙醇发酵, 乳酸发酵, 丙酸发酵, 混合酸发酵, 丁二醇发酵, 丁酸型发酵,a. 酒精发酵,a. 第一型发酵 酵母菌在无氧和酸性条件下(pH3.54.5), 经过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸,丙酮酸再由丙酮酸脱羧酶作用形成乙醛和CO2,乙醛作为NADH2的氢受体,在乙醇脱氢酶的作用下还原为乙醇。,酒精发酵(fermentation),丙酮酸,CO2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羟基丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠(pH7),Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵,(磺化羟基乙醛), 同型乳酸发酵,葡萄糖经乳酸菌
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