1、1第五章 微生物的代谢微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地微生物在生长发育和繁殖过程中，需要不断地从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系从外界环境中摄取营养物质，在体内经过一系列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，列的生化反应，转变成能量和构成细胞的物质，并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称并排出不需要的产物。这一系列的生化过程称为新陈代谢。为新陈代谢。微生物的代谢微生物的代谢(metabolism)(metabolism)是指发生在微生物是指发生在微生物细胞中的分解代谢细胞中的分解代谢(catabolism)(catabolism)与合成代谢与合成代谢(anabolism)(a
2、nabolism)的总和。的总和。2 分解代谢（分解代谢（catabolismcatabolism）指细胞将大分子）指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。产生能量。合成代谢（合成代谢（anabolismanabolism）指细胞利用小分子）指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。程中消耗能量。3在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能，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，这些能量光合微生物还可将光能转化成化学能，这些能量用于：用于：
3、1.1.合成代谢；合成代谢；2.2.微生物的运动和运输；微生物的运动和运输；3.3.热和光。热和光。无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一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。续反应的底物。细胞能有效调节相关的酶促反应，使生命活动得以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。正常进行。某些微生物在代谢过程中，除了产生其生命活动所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
4、些物质除有利于微生物生存，还与人代谢产物。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。类生产生活密切相关。4一、生物氧化一、生物氧化二、异养微生物的生物氧化二、异养微生物的生物氧化三、自养微生物的生物氧化三、自养微生物的生物氧化四、能量转换四、能量转换第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢5一、生物氧化 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续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。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
5、释放的能量可被微生物直接利用，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也可通过能量转换贮存在高能化合物(如如ATPATP）中，）中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。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。机物，通过生物氧化来进行产能代谢。6 生物氧化的形式：生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢和失去电子某物质与氧结
6、合、脱氢和失去电子3 3种。种。生物氧化的过程：生物氧化的过程：脱氢脱氢（或电子）（或电子）、递氢、递氢（或电子）（或电子）和受氢和受氢（或电子）（或电子）生物氧化的功能：生物氧化的功能：产能（产能（ATPATP）、产还原力、产小分子中间代谢物）、产还原力、产小分子中间代谢物 生物氧化的类型：生物氧化的类型：发酵、呼吸（有氧呼吸和无氧呼吸）发酵、呼吸（有氧呼吸和无氧呼吸）7二、异养微生物的生物氧化 异养微生物氧化有机物的方式，根据氧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，而呼吸又可分为有酵和呼吸两种类型，而呼吸又可
7、分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。氧呼吸和无氧呼吸两种方式。89（一）发酵（一）发酵（fermentation)fermentation)广义的广义的“发酵发酵”是指利用微生物生产有用代谢产是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式；物的一种生产方式；狭义的狭义的“发酵发酵”是指在无外源电子受体的条件下，是指在无外源电子受体的条件下，微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底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代谢产物的过程。量并产生各种不同代谢产物的过程。在发酵条件下有机化合物只是部分地
8、被氧化，因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。供电子受体。10在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。称为发酵。发酵（发酵（fermentation）111.1.发酵途径发酵途径 发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖发
9、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，主要分为四种途丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为四种途径：径：EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径、途径、EDED途径、磷酸解酮途径、磷酸解酮酶途径酶途径.2.2.发酵类型发酵类型 在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一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。根据发酵丙酮酸后会积累不同的代谢产
10、物。根据发酵产物不同，发酵的类型主要有乙醇发酵、乳产物不同，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。酸发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵等。12（二）呼吸（二）呼吸 呼吸是微生物中最普遍和最重要的生物氧呼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。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释放出的电子交给NAD(P)NAD(P)、FADFAD或或FMNFMN等电等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子子载体，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受体，从而生成水或其
11、他还原型产物并释放出较多能量的过程。其中，以分子氧作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有氧呼吸，以为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸，以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子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。受体的呼吸称为无氧呼吸。13 呼吸与发酵的根本区别在于：电子载体不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，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。后再交给最终电子受体。141 1、有氧呼吸（、有氧呼吸（respirat
12、ion)respiration)最普遍、最重要的生物氧化或产能方式最普遍、最重要的生物氧化或产能方式 除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应。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，丙酮酸进入三羧物，而在有氧呼吸过程中，丙酮酸进入三羧酸循环（酸循环（TCATCA）被彻底氧化成水和）被彻底氧化成水和COCO2 2，同时，同时释放出大量能量。释放出大量能量。产能量多，一分子葡萄糖净产产能量多，
13、一分子葡萄糖净产3838个个ATPATP。152 2、无氧呼吸（、无氧呼吸（anaerobic anaerobic respiration)respiration)在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以在厌氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物以N0N03-3-N0N02-2-、S0S04 42-2-、S S2 20 03 32-2-、C0C02 2等外源无机氧化物或有机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。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，并在能量无氧呼吸也需要细胞色素
14、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。的能量用于生命活动。无氧呼吸有以下类型：无氧呼吸有以下类型：（1 1）硝酸盐呼吸）硝酸盐呼吸 （2 2）硫酸盐呼吸；）硫酸盐呼吸；（3 3）硫呼吸）硫呼吸 （4 4）铁呼吸；）铁呼吸；（5 5）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸 （6 6）延胡索酸呼吸）延胡索酸呼吸16 以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称为：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：硝酸盐呼吸：NONO3-3-+2H+2H+2e-=NO+2e-=NO2-2-+H+H2 2O O 反应生成
15、的反应生成的NONO2-2-可以被分泌到胞外，也可以进一步可以被分泌到胞外，也可以进一步被还原成被还原成N N2 2，这个过程称为反硝化作用。，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反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮(NO(NO3-3-)的消的消失，从而降低了土壤肥力，对农业生产不利。如果失，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。质变坏与地球上氮素循环的中断。17三、自养微生物的生物氧化 自然界存在一类微生物，能以无机物作为氧化的基自然界存在一类微生物，能
16、以无机物作为氧化的基 质，并利用该物质在氧化过程中放出的能量进行生质，并利用该物质在氧化过程中放出的能量进行生 长。这类微生物就是好氧型的化能自养微生物，它长。这类微生物就是好氧型的化能自养微生物，它 们分别属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细们分别属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细 菌。这些细菌广泛分布在土壤和水域中，并对自然菌。这些细菌广泛分布在土壤和水域中，并对自然 界物质转化起着重要的作用。界物质转化起着重要的作用。微生物不同，用作微生物不同，用作 能源的无机物也不相同。例如氢细菌、铁细菌、硫能源的无机物也不相同。例如氢细菌、铁细菌、硫 化细菌和硝化细菌可分别利用氢气、铁、硫或硫化化
17、细菌和硝化细菌可分别利用氢气、铁、硫或硫化 物、氨或亚硝酸盐等无机物作为它们生长的能源物物、氨或亚硝酸盐等无机物作为它们生长的能源物 质。这些物质在氧化过程中放出的电子有的可以通质。这些物质在氧化过程中放出的电子有的可以通 过氧化水平磷酸化的方式产生过氧化水平磷酸化的方式产生ATPATP，有的则以底物，有的则以底物 水平磷酸化的方式产生水平磷酸化的方式产生ATPATP。18四、能量转换 在产能代谢过程中，微生物通过底物水在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化而释放的能量储存于而释放的能量储存于ATPATP高能分子中，对高能分子中，
18、对光合微生物而言，则可通过光合磷酸化光合微生物而言，则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于将光能转变为化学能储存于ATPATP中。中。19 在酶化学水在酶化学水平上发生的平上发生的在遗传学水在遗传学水平上发生的平上发生的20根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为根据酶合成的方式，细胞内的酶可分为两大类：一类是两大类：一类是，它们的合成不受，它们的合成不受环境条件的影响，它们的合成速度是恒定环境条件的影响，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，受环境条件影响，只有当环境中存在某一类营养物时，细胞才合成能分解这类某一
19、类营养物时，细胞才合成能分解这类营养物的酶。营养物的酶。21节节，包包括括底底物物对对酶酶合合成成系系统统的的诱诱导导作作用用和和产产物物对对酶酶合合成成系系统统的的阻阻遏遏作作用用。22如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能产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。生淀粉酶。诱导酶只有在诱导剂存在时才生成，当除去诱导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。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，这对微生时才合成某种酶，不需要时便不合成，这对微生物新陈代
20、谢是十分经济有利的。物新陈代谢是十分经济有利的。231.1.终产物阻遏：终产物阻遏：这种现象在氨基这种现象在氨基酸、维生素和核酸、维生素和核苷酸等合成途径苷酸等合成途径中普遍存在。中普遍存在。图：蛋氨酸反馈阻遏大肠杆菌合成蛋氨酸的酶的生成One more kiss 24 如：如：19421942年研究大肠杆菌对各种不同混合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
21、成。够产生该物质的酶的生成。2526 以代谢途径和酶分子结构为基础的以代谢途径和酶分子结构为基础的酶活调节酶活调节，包括底物对酶的包括底物对酶的激活激活和终和终产物对酶的产物对酶的反馈抑制反馈抑制。2728在某一代谢途径里，某个能引起起限速反应的酶在某一代谢途径里，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。复，有利于这种代谢产物的
22、继续合成。29 协同反馈抑制协同反馈抑制 3031分支代谢途径中的两个末端产物，不能直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。的第一个酶起到抑制作用。枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢
23、途径就采取这种方式进行调节。径就采取这种方式进行调节。3233同功酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的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。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，制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行应的进行。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这种调节方
24、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，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。分别受赖氨酸，苏氨酸，甲硫氨酸的调节。3435在分支代谢途径中，任何一种末端产物过量时都在分支代谢途径中，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，它们的物同时过量时，它们的。累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰
25、胺合成酶的调节过程中发现的，该酶受酶的调节过程中发现的，该酶受8 8个最终产物的个最终产物的积累反馈抑制。积累反馈抑制。8 8个最终产物同时存在时，酶活个最终产物同时存在时，酶活力完全被抑制。力完全被抑制。3637在分支代谢途径中，几种末端产物同在分支代谢途径中，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。对途径中的第一个酶无抑制作用。例如，在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、例如，在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、蛋氨酸和苏氨酸的途径中，终点产物苏蛋氨酸和苏氨酸的途径中，终点
26、产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸激酶。氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸激酶。3839 这种控制体系与协同反馈有类似的地方，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。些终端产物各自单独时的总和更大。4041酶活性调节的机制目前主要是用酶活性调节的机制目前主要是用来解释。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。这种理论认为受最终代谢产物调节的
27、酶是一种变构酶。这种酶分子上有两个中心：一个是与底物结合的活性中这种酶分子上有两个中心：一个是与底物结合的活性中心心(又称催化中心又称催化中心)，一个是与末端产物结合的调节中心，一个是与末端产物结合的调节中心(又称抑制中心又称抑制中心)。当末端产物过量时，末端产物与调节。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，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
28、酶的活性中心形成，酶的活性恢复，反应进行，合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。成代谢产物。这样通过末端代谢产物胞内浓度的变化，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。控制变构酶的活性变化，调节代谢产物的合成。4243利用微生物的代谢调控能力的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。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代谢产物的合成往往不受控制系统
29、的限制，因此能合成比其自身生长的需求量制，因此能合成比其自身生长的需求量更多的代谢产物。更多的代谢产物。44 能量代谢时微生物新陈代谢的核心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、递氢和受氢生物氧化必须经历脱氢、递氢和受氢3 3个阶个阶段，并按其最终氢受体的性质而分为有氧段，并按其最终氢受体的性质而分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵呼吸、无氧呼吸和发酵3 3种。种。微生物的代谢调节主要有调节酶合成量的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。的激活和反馈抑制两类。45复复习习1.1.在化能异养微生物的生物氧化中，其在化能异养微生物的生物氧化中，其基质脱氢和产能途径主要有哪几条？试基质脱氢和产能途径主要有哪几条？试比较各途径的主要特点。比较各途径的主要特点。2.2.试比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的试比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的异同点。异同点。3.3.微生物的调节代谢流的主要方式有哪微生物的调节代谢流的主要方式有哪两类？反馈抑制有哪几种类型？两类？反馈抑制有哪几种类型？46
