第六章微生物代谢

第六章 微生物代谢,本章目录,第一节 微生物代谢概论,第二节 微生物产能代谢,第三节 微生物特有的合成代谢途径,第四节 微生物代谢与生产实践,第一节 微生物代谢概论,要点提示：,一、分解代谢,二、合成代谢,三、分解代谢和合成代谢相互关系,微生物代谢,是指微生物细胞所进行的一切化学反应和物理作用。,分解代谢,又称降解反应，是将大分子降解成小分子，并通常伴随着能量释放的过程。,合成代谢,又称生物合成，是指导致细胞分子和结构合成的任何反应，它是分子构建和成键过程，需要消耗能量，是将小分子物质合成较大和较复杂分子的过程。,相关概念,微生物分解代谢与合成代谢相互关系,第二节 微生物产能代谢,要点提示：,一、化能异养作用,二、无机化能自养作用,三、光合作用,微生物产能代谢（,fueling reactions,）,微生物获得生物合成所需的前体代谢物、能量和还原力，并提供微生物细胞生命活动所需要能量的代谢过程。,微生物产能代谢特点,产能代谢的多样性，微生物作为一个类群能够通过氧化有机化合物、或氧化无机化合物、或通过俘获光能获得能量和还原力。,化能异养作用、化能自养作用和光合作用,一、化能异养作用,异养微生物利用有机物通过分解代谢途径（即生物氧化）进行产能代谢。,在化能异养微生物的分解代谢途径中，能源有机物可以在有氧或厌氧条件下经,脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢三个阶段,合成,ATP,、产生还原力,H,和小分子中间代谢物。,呼吸作用,呼吸电子传递链,最终电子受体,有,无,无氧呼吸,有氧呼吸,发酵作用,氧,非氧,化能异养作用,1.,有氧呼吸,有氧呼吸是一系列将葡萄糖转化为,CO,2,并放出能量的反应，它依赖于自由氧作为电子和氢的最终受体，使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢），产生大量的,ATP,。,有氧呼吸是许多细菌、真菌、原生动物和动植物的特征，因而与动植物一样，有着共同的代谢途径，如糖酵解途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环和呼吸电子传递链途径，这些共同的代谢途径构成了所谓的中心产能代谢（,Central Fueling Metabolism,）。,（,1,）,中心产能代谢,糖酵解途径,磷酸戊糖途径,三羧酸循环,呼吸电子传递链途径,（,2,）替代产能途径,脱氧酮糖酸途径,(enter-,doudoroff,，,ED),大多数细菌有糖酵解和磷,酸戊糖途径，只有少数微生,物利用,ED,途径代替糖酵解,途径产能。,存在于假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、农杆菌和运动发酵单胞菌中。,特点：,a,、,步骤简单,b,、,产能效率低：1,ATP,c,、,关键中间产物,KDPG,，,特征酶：,KDPG,醛缩酶,磷酸酮解酶途径,（,phosphoketolase,pathway, PK),葡萄糖,+ ADP + Pi + 4NAD,+,丙酮酸,+,乙酸,+CO,2,+ ATP+4 NADH+4H,主要存在于膜明串菌科（,Leuconostocaceae,）一些菌中。没有,EMP,、,HMP,、,ED,途径的细菌通过,PK,途径分解葡萄糖。在有,O,2,条件下形成的丙酮酸进入三羧酸循环，无氧条件下进行异型乳酸发酵,2.,无氧呼吸,无氧呼吸（,anearair,respiration,）,，,又称厌氧呼吸：是指某些细菌在厌氧条件下，以含氧化合物替代自由氧作为最终电子受体，仍使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢）的呼吸作用。,特点：,无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物的特殊呼吸作用；,具有与好氧呼吸同样的中心代谢途径（,EMP,，,HMP, TCA,循环和呼吸链）；,不以分子氧作最终电子受体，而是以,NO,3,-,、,SO,4,2-,、,CO,2,2-,、及延胡索酸等含氧化合物作为最终电子受体。,（,1,）硝酸盐呼吸,又称反硝化作用：是指在无氧条件下，某些兼性厌氧菌以硝酸盐作为呼吸链最终氢受体，先由硝酸盐还原酶催化产生亚硝酸盐,NO,2,-,，然后再逐步被还原成,NO,、,N,2,O,和,N,2,的过程。,主要有铜绿假单胞菌,(,Pseudomonas,aeruginosa,),、地衣芽孢杆菌（,Bacillus,licheniformis,）、脱氮副球菌,(,paracoccus,denitrificans,),等兼性厌氧菌。,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,NO,3,-,）,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，又称硫酸盐还原,(sulfate reduction),微生物在严格厌氧条件下以硫酸盐,(SO,4,2-,),作为末端电子受体的一类特殊呼吸作用。,亚硫酸盐,(SO,3,2-,),、硫代硫酸盐,(S,2,O,3,2-,),或其他氧化态硫化合物也可作为电子受体。,硫酸盐还原细菌,(sulfate reducing bacteria):,厌氧古生菌，脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫菌属、脱硫叶菌属、脱硫肠状菌属等。,硫酸盐呼吸在自然界的硫素循环以及促进厌氧环境有机物循环及农业生产中具有重要作用。,硫酸盐呼吸细菌的电子传递和能量产生途径,Hmc,，一种细胞色素复合物,(,cytochrome,comlex,),；,APS,磷酸腺苷硫酸,(adenosine,phosphosulfate,),。,（,3,）硫呼吸,以无机硫作为呼吸链末端氢受体而获得生长所需能量的一类无氧呼吸作用。,硫呼吸细菌,：兼性或专性厌氧细菌。,例：氧化乙酸脱硫单胞菌,(,Desulfuromonas,acetoxidans,),，能在厌氧条件下通过氧化乙酸为,CO,2,和还原元素硫为,H,2,S,的偶联反应而生长：,CH,3,COOH+2 H,2,O+4 S 2 CO,2,+4 H,2,S,。,（,4,）碳酸盐呼吸，又称碳酸盐还原,这是一类以,CO,2,或碳酸盐,(HCO,3,-,),作为呼吸链最终氢受体的无氧呼吸。,根据还原产物不同分为两类：,专性厌氧的产甲烷菌,(,methanogens,，,methane-producing bacteria),，利用,H,2,作为电子供体，以,CO,2,作为末端电子受体，产物为甲烷。,专性厌氧的乙酸菌，利用,H,2,CO,2,进行无氧呼吸产生乙酸。,甲烷形成过程的总反应式：,CO,2,+4H,2,CH,4,+2H,2,O+1ATP,甲烷呋喃,(MF,）：又称,CO,2,还原因子。,甲烷蝶呤（,MP,）：又称,F,342,因子，是一种含蝶呤环的产甲烷辅酶。,辅酶,M,（,CoM,）：,2-,巯基乙烷磺酸，甲烷的载体,-,。,辅酶,B,（,CoB,）：,7-,巯基庚酰基丝氨酸磷酸，甲基还原酶的电子供体。,辅酶,F,430,（,F,430,）：含四氢吡咯结构的化合物，作用与,CoM,相似。,辅酶,F,420,（,F,420,）：黄素单核苷酸衍生物，提供双电子。,甲烷菌的产甲烷作用与碳酸盐呼吸,一些氧化还原反应的电势,3.,发酵作用,狭义概念：,发酵作用是指在缺氧的条件下，葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用，并以其不完全分解产物作为电子（氢）的最终受体，不经过呼吸电子传递链直接接受电子，还原生成发酵产物，仅通过底物水平磷酸化产生少量的,ATP,。,广义概念：,利用微生物的作用来大规模生产各种产品的工业过程被称为发酵，尽管工业发酵甚至发生在有氧条件下，如抗生素、激素、维生素和氨基酸的生产。,（,1,）乙醇发酵,酵母型乙醇发酵,酵母菌,（,Saccharomyces,cerevisiae,）,解淀粉欧文氏菌（,Erwinia,amylovora,）,细菌型乙醇发酵,发酵单胞菌（,Zymomonas,mobilis,）,嗜糖假单胞菌（,Pseudomonas,saccharophila,）,（,2,）乳酸发酵,同型乳酸发酵,经,EMP,途径,发酵终产物只有乳酸,如乳酸球菌,(,Lactococcus,lactis,),植物乳杆菌,(,Lactobacillus,plantarum,),。,异型乳酸发酵,依靠,PK,途径,发酵终产物乳酸、乙醇 和,CO,2,。,短乳杆菌,(,Lactobacillus,breris,),肠膜状明串珠菌,(,Leuconostoc,mesenteroides,),。,（,3,） 丙酮,-,丁醇发酵,英国：,有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：,丙酮：用于生产人造橡胶；,丁醇：用于生产无烟火,药；,当时的常规生产方法：,对木材进行干热分解,大约,80,到,100,吨桦树、,山毛榉、或枫木生产,1,吨,丙,酮,严格厌氧菌进行的 唯一能大规模生产的发酵产品。,（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例,3,：,6,：,1,）,丙酮丁醇梭菌,(,Clostridium,acetobutyricum,),2,丙酮酸,2,乙酰,-,CoA,乙酰,-,乙酰,CoA,丙酮,+ CO2,（,CoA,转移酶）,丁醇,丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（,1915,），每,100,吨谷物可以,生产出,12,吨丙酮和,24,吨的丁醇。,（,4,）混合酸发酵,产酸产气实验,大肠杆菌：,不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。,肠道菌,E.coli,、志贺氏菌（,Shigilla,）,丙酮酸裂解生成乙酰,CoA,与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成,H,2,和,CO,2,产酸产气,志贺氏菌：,丙酮酸裂解生成乙酰,CoA,与甲酸，但不能使甲酸裂解产生,H,2,和,CO,2,产酸不产气,大肠杆菌：,产气肠杆菌：,V.P.,试验阳性,甲基红试验阴性,V.P.,试验阴性,甲基红试验阳性,（,5,）丁二醇发酵（,2,，,3-,-,丁二醇发酵）,产气杆菌,二、无机化能自养作用,一些微生物能够以无机物作为能源，通过无机电子供体的氧化，从无机底物上脱下的氢,(,电子,),直接进入呼吸链而到达最终电子受体,O,2,，并通过氧化磷酸化产生,ATP,，这种生物氧化与产能方式被称为化能自养作用。,无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链, 存在多种呼吸链,产能效率低,生长缓慢，产细胞率低,代谢特点,CO,2,+ H ,+ATP, CH,2,O ,CO,2,还原成,CH,2,O,简单有机物，进一步合成复杂细胞成分,大量耗能、耗还原力的过程。,1,、 氨的氧化,根据氧化无机化合物种类,硝化细菌,硫细菌,铁细菌,氢细菌,2,、 硫的氧化,3,、铁的氧化,4,、 氢的氧化,1.,硝化细菌,土壤中的氨被氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用,(nitrification),氨氧化细菌,(ammonia-oxidizing bacteria),：将氨氧化成亚硝酸盐,亚硝化单胞菌属,(,Nitrosomonas,),、亚硝化球菌属,(,Nitrosococcus,),和亚硝化螺菌属,(,Nitrosospira,),NH,3,+O,2,NADH+H,NH,2,OH+H,2,O,FNAD,(,无能量产生,),NH,2,OH+O,2,NO,2,+H,2,O+H,(,产生,1,分子,ATP),亚硝酸氧化细菌：氧化亚硝酸盐生成硝酸盐,硝化杆菌属,(,Nitrobacter,),、硝化刺菌属,(,Nitrospina,),和硝化球菌属,(,Nitrococcus,),2 NO,2,O,2,2 NO,3,(,产生,1,分子,ATP),硝化菌对亚硝酸的氧化作用和电子传递链,(NOR,：亚硝酸氧化还原酶,),又称氧化氢细菌,(hydrogen oxidizing bacteria),，是一类利用氢作为能源的细菌类群，主要有假单胞菌属、产碱杆菌属,(,Alcaligenes,),、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属,(,Flavobacterium,),、水螺菌属,(,Aquaspirillum,),、分支杆菌属,(Mycobacterium),和诺卡氏菌属,(,Nocardia,),等。,氧化,4,分子,H,2,产生,1,分子,ATP,2.,氢细菌,3.,硫的氧化,硫细菌（,sulfur bacteria,）,能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。,大多数硫杆菌，脱下的,H,+,（,e-,）经,Cyt.c,部位进入呼吸链；,而脱氮硫杆菌从,FP,或,Cyt.b,水平进入。,硫杆菌对还原性硫化物的氧化作用和电子传递链,4.,铁细菌,嗜酸氧化亚铁硫杆菌（,Acidithiobacillus,ferrooxidans,）,Fe,2+,的氧化作用和电子传递链,能氧化,Fe,2,成为,Fe,3,并产能的细菌被称为铁细菌,(iron bacteria),或铁氧化细菌,(iron oxidizing bacteria),。,多数为专性化能自养，少数兼性化能自养，产能低。,微生物捕捉光能并将光能转化为化学能的过程称为光合作用。,微生物进行的光合作用占地球上光合作用的,50%,以上。,微生物光合作用多样性：,三、光合作用,不产氧光合作用,(,anoxygenicphotosynthesis,),产氧光合作用,(,oxygenicphotosynthesis,),嗜盐菌紫膜的光合作用,紫硫细菌的循环光合磷酸化过程,1.,不产氧光合作用,不产氧光合微生物类群：,绿细菌（绿色硫细菌和绿色非硫细菌）,紫细菌（紫色硫细菌和紫色非硫细菌,),特点：,光合色素菌绿素；,缺少光合系统,II,；,不以水为电子供体，不产氧；,循环光合磷酸化产生,ATP,；,产,ATP,和还原力,H,分别进行；,均为厌氧菌。,2.,产氧光合作用,产氧光合微生物主要有蓝细菌和微藻两大类群。该类光合微生物含有叶绿素,a,利用非循环光合磷酸化反应产生,ATP,，以水作为最终电子受体获得,NADPH,，在水氧化的同时产生,O,2,，因而被称为产氧光合作用。,特点：,光合色素为叶绿素；,电子传递非循环式；,存在,PSII,和,PSI,两个光合系统,;,ATP,、还原力,H,、,O,2,同时产生；,有氧进行。,3.,嗜盐菌紫膜的光合作用,某些极端嗜盐古生菌不含叶绿素或菌绿素，依靠其特有的菌视紫红质在光驱动下合成,ATP,，这种无叶绿素或菌绿素参与的特殊光合磷酸化反应，是迄今为止最简单的光合作用。,光合作用部位,:,细胞膜上的紫膜区域,光合作用分子：,菌视紫红质蛋白,，以,“,视黄醛,”,（紫色）为辅基,也有作者认为嗜盐菌不含有叶绿素或细菌叶绿素，因而不能算作是一种光合作用，而将之称作光介导,ATP,合成作用（,Light-mediated ATP synthesis,）。,嗜盐菌紫膜光合作用机理,第三节 微生物特有的合成代谢途径,要点提示：,一、自养微生物的,CO2,固定作用,二、固氮作用,三、肽聚糖的合成,一、自养微生物的,CO,2,固定作用,1.,卡尔文循环（,Calvin-cycle,）,所有好氧化能自养细菌、紫细菌和蓝细菌，藻类,关键酶,磷酸核酮糖激酶（,phosphoribulokinase,）,核酮糖二磷酸羧化酶,(,ribulose-bisphosphate,carboxylase,),每固定,3CO,2,，产生,1,甘油醛,-3-P,2.,反向三羧酸循环（,reverse TCA cycle,）,关键酶,铁氧还蛋白（,ferredoxin,）,柠檬酸裂解酶（,citrate,lyase,）,绿色硫细菌、某些硫酸还原细菌以及许多古生菌,3.,乙酰,-,CoA,途径（,acetyl-,CoA,pathway,）,某些厌氧无机化能自养菌：硫酸盐还原菌、产乙酸菌以及许多古生菌如产甲烷菌等,将,2CO,2,转变成,1,乙酰,-,CoA,关键酶是乙酰,-,CoA,合成酶,电子供体来源于,H,2,4.,羟基丙酸循环,(,hydroxypropionic,acid cycle),绿色非硫菌固定,CO2,的唯一途径,将,2,分子,CO2,转变成,1,分子的乙醛酸,二、固氮作用,生物固氮,(,biological nitrogen fixation,),是指微生物将大气中的分子态氮还原成氨的过程。,1.,固氮微生物,仅在原核微生物确认，有近,50,多个属和,100,多种。,（,1,）,自生固氮菌,：不依赖于其它生物而独立进行固氮作用。,好氧自生固氮菌,，如固氮菌属，念珠蓝细菌属。,厌氧自生固氮菌,，如巴氏梭菌。,（,2,）,共生固氮菌,：只有与它生物共生在一起时，才能够进行固氮作用。,根瘤,，共生固氮菌与植物共生形成的一种特殊固氮结构，如与豆科植物共生的根瘤菌属，非豆科植物共生的弗兰氏菌属。,非根瘤,，如鱼腥蓝细菌属与满江红,(,一种水稻栽培中重要的水生蕨类植物,),共生固氮。,（,3,）,联合固氮菌,：必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮作用。如植物根际存在的一些芽孢杆菌属，植物叶面存在的一些拜叶林克氏菌属。,2.,固氮作用机制,关键酶：固氮酶,固氮酶分子组成：铁年蛋白（,Fe protein,）和钼铁蛋白（,MoFe,protein,）两种蛋白成分组成的复合体。,铁蛋白：仅含有铁离子,钼铁蛋白：含有铁离子和钼离子。钼、铁离子存在于一种称作,“,MoFeCo,”,的辅助因子结构中，实际上固氮作用过程中的,N,2,还原反应就发生在这个钼铁中心。,固氮酶活性需要有,Mg,2+,的存在。,固氮酶对氧极为敏感，固氮作用必须在严格厌氧条件下进行。,固氮作用需要消耗,ATP,。,固氮作用需要消耗,NAD(P)H+H,+,。,3.,好氧固氮菌的固氮酶保护机制,（,1,）快速消除所产生的氧，很多固氮菌利用较强呼吸强度迅速消耗固氮酶周围的氧；豆科植物根瘤菌的类菌体周膜上存在一种能与氧发生可逆性结合的豆血红蛋白，氧浓度高时与氧结合，氧浓度低时又可释放出氧，从而既保证了类菌体生长所需的氧，又不致对其固氮酶产生氧伤害。,（,2,）在空间上进行氧阻隔，如根瘤菌（,Azobobacter,vinelandii,）在高浓度氧气存在时诱导菌体产生阻滞,O,2,扩散进入细胞的粘液层,;,许多蓝细菌产生具有特殊保护结构的细胞类型异形胞，将固氮酶分隔在其中；,（,3,）在时间上进行氧阻隔，如非异形胞蓝细菌,Plectomena,将固氮作用和光合作用分不同时间段进行；,（,4,）固氮酶构像保护作用，如褐球固氮菌等，具有一种构象保护蛋白质，在氧分压增高时，它与固氮酶结合，固氮酶构象发生改变并丧失固氮活力,;,一旦氧浓度降低，该蛋白便从酶分子上解离，固氮酶恢复原有的构象和固氮能力。,三、肽聚糖的合成,第一阶段：在细胞质中；形成,UDP-NAM-,五肽，,”,Park,”,核苷酸。肽键形成过程没有,tRNA,和核糖体参与。,金黄色葡萄球菌的肽聚糖合成为例,第二阶段：细胞膜上，需类脂载体细菌萜醇参与（一种,55,碳醇，使肽聚糖成分移动穿过疏水性膜）。当,2,条多糖链间形成五甘氨酸肽桥时，通过甘氨酰,tRNA,加入甘氨酸时没有核糖体参与。,第三阶段：细胞膜的外表面，肽聚糖合成途径受青霉素抑制作用。,壁引物,第四节 微生物代谢与生产实践,要点提示：,一、微生物代谢产物的利用,二、微生物代谢功能的利用,三、微生物代谢与代谢工程,一、微生物代谢产物的利用,食品添加剂：如味精、肌苷酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、,b,-,胡萝卜素等；,药物：如抗生素、激素、生物碱、氨基酸及维生素等；,化工原料：如乳酸、乙醇、丙酮、正丁醇、异丙醇等；,酶制剂：如各种淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。,其目的不是为了直接获得某种微生物的代谢产物，而是利用微生物的代谢活动进行加工生产。,发酵食品的生产：如奶酪、酸奶、酱油、酿酒、豆腐乳、面包。,农业堆肥：,二、微生物代谢功能的利用,1.,微生物转化,微生物转化是指利用微生物体特殊的生化反应进行有机合成，以便改造、取代传统化工产品的化学合成技术，实现化学工业的原料消耗水资源消耗、能量消耗降低，污染物的排放和污染扩散减少。因此，有人把工业生物转化看着是,“,生物技术的第三次浪潮,”,。,柚皮苷,3,-,羟基柚皮苷,3,，,5,-,二羟基柚皮苷,哈氏木霉转化,清除,DPPH,自由基活性,（提高,62,倍！）,2.,微生物降解秸杆,提高草食动物秸秆消化率。英国,Aston,大学从秸秆堆中分离出,一种白腐真菌处理秸秆，可使秸秆的体外消化率从,19.63%,提高到,41.13%,。,3.,微生物冶金,氧化亚铁硫杆菌,(,Thiobacillus,ferooxidans,),的氧化作用可从,金矿石中除去硫、砷，浸提黄金，几乎能从中得到,100,的黄金,(,加,拿大,),，如果用化学方法浸提金的话，其得率不到,70,。,4.,生物降解,有机污染物的高效降解菌用于土壤环境污染修复。,通过,DNA,重组技术，定向地对细胞代谢途径（指某一特定生化反应）进行修饰或引入新的反应，以改进产物的生成或改变细胞的代谢性质，称为代谢工程。,例如：酿酒酵母木糖产乙醇代谢途径工程菌的构建。,毕赤酵母,细菌,酿酒酵母,三、微生物代谢与代谢工程,