工业微生物 第5章 微生物的代谢及调控.ppt

工业微生物工业微生物第五章第五章 微生物的代谢及调控微生物的代谢及调控 微生物代谢是微生物活细胞中各种生化反应的总称。微生物的代谢分为物质代谢和能量代谢。物质代谢包括分解代谢和合成代谢。能量代谢包括产能代谢和耗能代谢。分解代谢指复杂的有机物分子在分解酶系作用下形成简单分子、ATP和还原力(用NAD(P)H表示)的过程；合成代谢指简单小分子、ATP和还原力在合成代谢酶催化下合成复杂生物大分子的过程，二者之间的关系为：第五章第五章 微生物的代谢及调控微生物的代谢及调控第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢一切生命活动都是耗能反应，因此，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，这就是产能代谢。对于微生物而言，微生物利用的最初能源主要是有机物、日光辐射能和还原态无机物三大类。如下图所示：第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 一、生物氧化一、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。在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，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。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或无机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 二、异养微生物的生物氧化与二、异养微生物的生物氧化与产产能能产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。异养微生物将有机物氧化，根据氧化还原反应中电子受体的不同，可将微生物细胞内发生的生物氧化反应分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和厌氧呼吸两种方式。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢（一）发酵(fermentation)广义的发酵是指利用好氧或厌氧性微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。这里介绍的是生物体能量代谢中的狭义发酵概念，是指微生物细胞将有机物底物氧化释放的电子或脱下的氢原子直接交给某种中间代谢物，同时释放能量并产生各种不同的发酵产物。在发酵条件下有机化合物只是底物水平磷酸化获取能量，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发酵过程中的中间代谢物，即不需要外界提供电子受体或受氢体。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢发酵的种类有很多，发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖的降解主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 1.EMP途径（双磷酸己糖降解途径）EMP（Embden-Meyerhof-Parnas pathway）途径又称为糖酵解，是生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程。该途径大致可分为两个阶段（图5-1）。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：3-磷酸-甘油醛。第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。酵母菌是通过EMP途径发酵生成乙醇的。在发酵过程中，酵母菌将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使NAD+再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为酵母的一型发酵，酵母的二型发酵、三型发酵见甘油发酵。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 2.HMP途径（单磷酸己糖裂解途径）HMP途径（图5-2）是从6-磷酸葡萄糖酸开始的，即在单磷酸己糖基础上开始降解的，故称为单磷酸己糖途径。HMP途径与EMP途径有着密切的关系，因为HMP途径中的3-磷酸甘油醛可以进入EMP，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。HMP途径的一个循环的最终结果是一分子6-磷酸葡萄糖转变成一分子3-磷酸甘油醛，三分子CO2和六分子NADPH。一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力（NADPH）和中间代谢产物。如5-磷酸核酮糖是合成核酸、某些辅酶及组氨酸的原料；第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 NADPH是合成脂肪酸、类固醇和谷氨酸的供氢体。另外，HMP途径中产生的5-磷酸核酮糖，还可以转化为1，5-二磷酸核酮糖，在羧化酶作用下固定CO2，对于光能自养菌、化能自养菌具有重要意义（见卡尔文循环）。许多微生物中往往同时存在EMP和HMP途径，单独具有EMP或HMP途径的微生物较少见。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 3.ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖裂解途径）ED（Entner-Doudoroff pathway）途径是在研究嗜糖假单胞菌时发现的。在ED途径中，6-磷酸葡萄糖首先脱氢产生6-磷酸葡萄糖酸，接着在脱水酶和醛缩酶的作用下，产生一分子3-磷酸甘油醛和一分子丙酮酸。然后3-磷酸甘油醛进入EMP途径转变成丙酮酸。一分子葡萄糖经ED途径最后生成两分子丙酮酸，一分子ATP，一分子NADPH和NADH（图5-3）。ED途径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。该途径的特征酶为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸醛缩酶（KDPG醛缩酶），催化KDPG裂解为3-磷酸甘油醛和丙酮酸。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 ED途径也可用来发酵生产乙醇，该方法称为细菌酒精发酵。对于不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。如运动发酵单胞菌和厌氧发酵单胞菌是利用ED途径分解葡萄糖为丙酮酸，最后得到乙醇；对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌和肠杆菌则是利用EMP途径进行乙醇发酵。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 4.磷酸解酮酶途径 磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的途径称为PK途径，PK途径有两种形式：一种是利用葡萄糖，产物是乳酸、乙醇和CO2（图5-4-a），另一种是利用核糖（图5-4-b），产物是乳酸和乙酸，其共同点是途径中都有磷酸戊糖解酮酶起作用。把具有磷酸己糖解酮酶的途径叫HK途径，又称双歧杆菌途径（如图5-5），产物是乳酸和乙酸，其特征是由磷酸己糖解酮酶和磷酸戊糖解酮酶共同起作用。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢图5-4a磷酸戊糖酮酶（PK）途径第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢图5-4b磷酸戊糖酮酶（PK）途径第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢图5-5磷酸己糖解酮酶（HK）途径许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物的不同，乳酸发酵有三种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵。同型乳酸发酵的过程是：葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。在异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经PK途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。在肠膜明串珠菌中，当发酵葡萄糖时，利用PK途径分解葡萄糖，产生3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸，其中3-磷酸甘油醛进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用PK途径，磷酸解酮糖酶催化5-P-木酮糖裂解生成乙酰磷酸和3-P-甘油醛。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 双歧发酵是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。此反应中有两种磷酸酮糖酶参加反应，即6-磷酸果糖磷酸酮糖酶和5-磷酸木酮糖磷酸酮糖酶分别催化6-磷酸果糖和5-磷酸木酮糖裂解产生乙酰磷酸和4-磷酸赤藓糖，及3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 5.其他发酵途径 （1）甘油发酵途径 甘油通常由酵母菌在不同条件下发酵生成，即酵母的二型发酵与三型发酵。酵母的二型发酵：当环境中存在亚硫酸氢钠时，它可与乙醛反应生成难溶的结晶状亚硫酸钠加成物，这样使乙醛不能作为NADH2的受氢体，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成-磷酸甘油。-磷酸甘油在磷酯酶的催化下进一步水解脱磷酸生成甘油。因此该方法又称亚硫酸盐法甘油发酵。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢酵母的三型发酵：在弱碱性条件下（pH7.6），乙醛因得不到足够的氢而积累，两个乙醛分子间会发生歧化反应，一分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另一个则作为还原剂被氧化为乙酸。氢受体则由磷酸二羟丙酮担任。发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸，这种发酵方式又称为碱法甘油发酵。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （2）丙酸发酵途径 许多厌氧菌可进行丙酸发酵。葡萄糖经EMP途径分解为两个丙酮酸后，再被转化为丙酸（如下图所示）。少数丙酸细菌还能将乳酸（或利用葡萄糖分解而产生的乳酸）转变为丙酸。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （3）丙酮-丁醇发酵途径 某些专性厌氧菌，如梭菌属、丁酸弧菌属、真杆菌属和梭杆菌属，能进行丁酸与丙酮-丁醇发酵。在发酵过程中，葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A，然后经一系列变化生成丁酰辅酶A及丁醛，丁醛作为受氢体被还原生成丁醇，生成物中还有丙酮、乙醇。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 某些肠杆菌，如埃希氏菌属、沙门氏菌属和志贺氏菌属中的一些菌，能够利用葡萄糖进行混合酸发酵。先通过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，然后由不同的酶系将丙酮酸转化成不同的产物，如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和氢气，还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；而肠杆菌、欧文氏菌属中的一些细菌，能将丙酮酸转变成乙酰乳酸，乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。由于这类肠道菌还具有丙酮酸-甲酸裂解酶，乳酸脱氢酶等，所以其终产物还有甲酸、乳酸、乙醇等。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （二）呼吸作用 上面所述发酵过程是在无氧等外源受氢体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链而直接交给中间代谢物接受，实现底物水平磷酸化并产生很少的能量。然而，如果有氧或其他外源电子受体存在时，底物分子可被完全氧化为CO2和水，且在此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程。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第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。其中，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 respiration）。呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，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。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 1.有氧呼吸 葡萄糖经过糖酵解作用形成丙酮酸，在发酵过程中，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，丙酮酸进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，简称TCA循环），被彻底氧化生成CO2和水，同时释放大量能量（图5-6）。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 对于每个经TCA循环而被氧化的丙酮酸分子来讲，在整个氧化过程中共释放出三个分子的CO2。一个是在乙酰辅酶A形成过程中，一个是在异柠檬酸的脱羧时产生的，另一个是在a-酮戊二酸的脱羧过程中。与发酵过程相一致，TCA循环中间产物氧化时所释放出的电子通常先传递给含辅酶NAD+的酶分子。然而，NADH的氧化方式在发酵及呼吸作用中是不同的。在呼吸过程中，NADH中的电子不是传递给中间产物，如丙酮酸，而是通过电子传递系统传递给氧分子或其他最终电子受体，因此，在呼吸过程中，因有外源电子受体的存在，葡萄糖可以被完全氧化成CO2，从而可产生比发酵过程更多的能量。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 在糖酵解和三羧酸循环过程中形成的NADH和FADH2通过电子传递系统被氧化，最终形成ATP为微生物的生命活动提供能量。电子传递系统是由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系。NADH、FADH2以及其他还原型载体上的氢原子，以质子和电子的形式在其上进行定向传递；其组成酶系是定向有序的，又是不对称地排列在原核微生物的细胞质膜上或是在真核微生物的线粒体内膜上。这些系统具有两种基本功能：一是从电子供体接受电子并将电子传递给电子受体；二是通过合成ATP把在电子传递过程中释放的一部分能量保存起来。电子传递系统中的氧化还原酶包括：NADH脱氢酶、黄素蛋白、铁硫蛋白、醌及其衍生物、细胞色素。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 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。无氧呼吸是指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数是有机氧化物）的生物氧化。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是像NO3-、SO42-、S、CO2等这类外源受体（图5-7）。在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，生成磷化氢（PH3）的一种易燃气体，在夜晚发出绿幽幽的光，这就是人们常称之的“鬼火”。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢图5-7无氧呼吸 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。但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。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 三、自养微生物的生物氧化与三、自养微生物的生物氧化与产产能能一些能利用光或氧化无机物获得能量，以二氧化碳或碳酸盐为碳源生长并具有特殊生物合成能力的微生物称为自养微生物。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （一）光能自养微生物的生物氧化和产能 光能自养微生物具有叶绿素、细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆色素等光合色素，能以二氧化碳作为唯一或主要碳源进行光合作用。光合作用是自然界一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变成化学能，用于合成细胞物质。进行光合作用的生物体除了绿色植物外，还包括光合微生物，如藻类、蓝细菌和光合细菌(包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌等)。它们利用光能维持生命，同时也为其他生物(如动物和异养微生物)提供了赖以生存的有机物。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （二）化能自养微生物的生物氧化和产能能从无机物氧化中获得能量，以二氧化碳或碳酸盐作为碳源的微生物称为化能自养微生物。化能自养微生物是好氧菌，对自然界物质转化起重要的作用，主要有硝化细菌、硫化细菌、氢细菌和铁细菌等。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 1.氨的氧化（硝化作用）NH3和亚硝酸(NO2-)是可以用作能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化，硝化细菌可分为两个亚群：亚硝酸细菌和硝酸细菌。亚硝酸细菌有亚硝酸极毛杆菌、亚硝酸球菌、亚硝酸螺菌等。硝酸细菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属等。硝化细菌将氨氧化，释放能量并同化CO2合成细胞物质。氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝酸细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝酸细菌将亚硝酸氧化为硝酸。由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的（如下图所示）。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 2.硫的氧化（硫化作用）硫细菌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，最后生成H2SO4的过程。H2S首先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生四个ATP，亚硫酸盐的氧化可直接氧化成SO42-。硫细菌是指引起硫化作用的微生物的总称，有硫杆菌属、贝氏硫细菌、绿紫硫细菌等。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 3.氢的氧化 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶，它能够催化以下反应：第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中，可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度，为ATP的合成提供动力；另一种是可溶性氢化酶，它能催化氢的氧化，而使NAD+还原的反应。所生成的NADH主要用于CO2的还原。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 4.铁的氧化 从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。例如嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌在低pH环境中能利用亚铁氧化时放出的能量获得生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质(rusticyanin)，它与几种细胞色素c和一种细胞色素a1氧化酶构成电子传递链。在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动ATP的合成。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 营养物质的分解与细胞物质的合成是微生物生命活动的两个主要方面。微生物或从物质氧化或从光能转换过程中获得能量，主要用于营养物质的吸收、细胞物质的合成与代谢产物的合成和分泌、机体的运动、生命的维持，还有一部分能量用于发光与产生热。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 能量、还原力与小分子前体碳架物质是细胞物质合成的三要素。微生物细胞物质合成中的还原力主要是指 NADH和 NADPH。微生物在发酵与呼吸过程中都可产生这两种物质。小分子前体碳架物质通常指糖代谢过程中产生的中间体碳架物质，指不同个数碳原子的磷酸糖（如磷酸丙糖、磷酸四碳糖、磷酸五碳糖、磷酸六碳糖等）、有机酸（如 a-酮戊二酸、草酰乙酸、琥珀酸等）和乙酰 CoA 等。这些小分子前体碳架物质主要是通过 EMP、HMP 和 TCA 循环等途径产生，然后又在酶的作用下通过一系列反应合成氨基酸、核苷酸、蛋白质、核酸、多糖等细胞物质，使细胞得以生长与繁殖。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 一、一、COCO2 2的固定的固定 CO2是自养微生物的主要碳源，异养微生物也能利用CO2作为辅助的碳源。将空气中的CO2同化成细胞物质的过程，称为CO2的固定作用。微生物有两种同化CO2的方式，一类是自养式，另一类为异养式。在自养式中，CO2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。在异养式中，CO2被固定在某种有机酸上。因此异养微生物即使能同化CO2，最终却必须靠吸收有机碳化合物生存。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 自养微生物同化CO2所需要的能量来自光能或无机物 氧化所得的化学能，固定CO2的途径主要有以下三条：1.卡尔文循环（Calvin cycle）这个途径存在于所有化能自养微生物和大部分光合细菌中。经卡尔文循环同化CO2的途径可划分为三个阶段（图5-11）：CO2的固定；被固定的CO2的还原；CO2受体的再生。卡尔文循环每循环一次，可将六分子CO2同化成一分子葡萄糖，其总反应式为：第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 2.还原性三羧酸循环固定CO2 这个途径（图5-12）是在光合细菌、绿硫细菌中发现的。还原羧酸环的第一步反应是将乙酰CoA还原羧化为丙酮酸，后者在丙酮酸羧化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，随即被羧化为草酰乙酸，草酰乙酸经一系列反应转化为琥珀酰CoA，再被还原羧化为酮戊二酸。酮戊二酸转化为柠檬酸后，裂解成乙酸和草酰乙酸。该途径正是三羧酸循环的逆过程，因此又称逆向TCA循环。乙酸经乙酰CoA合成酶催化生成乙酰CoA，从而完成循环反应。每循环一次，可固定四分子CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗三分子ATP、两分子NAD（P）H和一分子FADH2。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 3.厌氧乙酰-CoA途径 产甲烷菌、产乙酸菌与某些硫酸盐还原细菌不存在卡尔文循环，主要利用厌氧乙酰-CoA途径来固定CO2。在厌氧乙酰-CoA途径中，一分子CO2先被还原成甲醇水平（CH3-X），另一分子CO2则被一氧化碳脱氢酶还原成CO。然后CH3-X羧化产生乙酰-X，进而形成乙酰-CoA途径，再在丙酮酸合成酶的催化下，由乙酰-CoA接受第三个分子CO2而羧化成丙酮酸。丙酮酸就可通过已知的代谢途径去合成细胞所需要的各种有机物。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 二、生物固氮二、生物固氮 所有的生命都需要氮，氮的最终来源是无机氮。尽管大气中氮气的比例占了79%，但所有的动植物以及大多数微生物都不能利用分子态氮作为氮源。目前仅发现一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 具有固氮作用的微生物近五十个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌。目前尚未发现真核微生物具有固氮作用。根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类：自生固氮体系，共生固氮体系和联合固氮体系。好氧自生固氮菌以固氮菌属较为重要，固氮能力较强。厌氧自生固氮菌以巴氏固氮梭菌较为重要，但固氮能力较弱。共生固氮菌中最为人们所熟知的是根瘤菌，它与其所共生的豆科植物有严格的种属特异性。此外，弗兰克氏菌能与非豆科树木共生固氮。营联合固氮的固氮菌有雀稗固氮菌、产脂固氮螺菌等，它们在某些作物的根系粘质鞘内生长发育，并把所固定的氮供给植物，但并不形成类似根瘤的共生结构。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 固氮酶微生物之所以能够在常温常压条件下固氮，关键是靠固氮酶的催化作用。各类微生物进行固氮作用的基本反应式为：第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 固氮酶的结构比较复杂，由铁蛋白和钼铁蛋白两个组分组成。固氮作用是一个耗能反应，固氮反应必须在有固氮酶和ATP的参与下才能进行。每固定一摩尔氮大约需要21摩尔ATP，这些能量来自于氧化磷酸化或光能磷酸化。在体内进行固氮时，还需要一些特殊的电子传递体，其中主要的是铁氧还蛋白和含有FMN作为辅基的黄素氧还蛋白。铁氧还蛋白和黄素氧还蛋白的电子供体来自NADPH，受体是固氮酶。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 三、氨基酸的合成 在蛋白质中通常存在着20种氨基酸。对于那些不能从环境中获得几种或全部现成氨基酸的生物，就必须从另外的来源去合成它们。在氨基酸合成中，主要包含着两个方面的问题：各氨基酸碳骨架的合成以及氨基的结合。合成氨基酸的碳骨架来自糖代谢产生的中间产物，而氨有以下几种来源，一是直接从外界环境获得；二是通过体内含氮化合物的分解得到；三是通过固氮作用合成；四是由硝酸还原作用合成。另外，在合成含硫氨基酸时，还需要硫的供给。大多数微生物可从环境中吸收硫酸盐作为硫的供体，但由于硫酸盐中的硫是高度氧化状态的，而存在于氨基酸中的硫是还原状态的，所以无机硫要经过一系列的还原反应才能用于含硫氨基酸的合成。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 1.氨基化作用 氨基化作用是微生物同化氨的主要途径,指-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸。能直接吸收氨合成氨基酸的-酮酸只有-酮戊二酸和丙酮酸，如谷氨酸的合成就是-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下，以NAD（P）+为辅酶，通过氨基化反应合成的。此外，延胡索酸和谷氨酸虽不是-酮酸，但前者可通过双键打开而连接-氨基，后者则通过酰胺键生成谷氨酰胺，这是一个需要ATP的耗能反应。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 2.转氨基作用 转氨基作用是指在转氨酶催化下，使一种氨基酸的氨基转移给酮酸，形成新的氨基酸的过程。转氨基作用普遍存在于各种微生物体内，是氨基酸合成代谢和分解代谢中极为重要的反应。通过转氨基作用，微生物可以消耗一些含量过剩的氨基酸，以得到某些含量较少的氨基酸。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 3.前体转化 前体转化指20种氨基酸除了可以通过上述途径合成以外，还可通过糖代谢的中间产物，如3-磷酸甘油、4-磷酸赤藓糖、草酰乙酸、3-磷酸核糖焦磷酸等，经一系列的生化反应而合成氨基酸。第二节第二节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 生命活动的基础在于新陈代谢。微生物细胞内各种代谢反应错综复杂，各个反应过程之间是相互制约，相互协调的，可随环境条件的变化而迅速改变代谢反应速度。微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的，因为任何代谢途径都是一系列酶促反应构成的。微生物细胞的代谢调节主要有两种类型，一类是酶活性调节，调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的；另一类是酶合成的调节，调节的是酶分子的合成量，这是在遗传学水平上发生的。在细胞内这两种方式协调进行。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 一、酶活性调节 酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率。这种调节方式可以使微生物细胞对环境变化做出迅速地反应。酶活性调节受多种因素影响，底物的性质和浓度，环境因子，以及其他酶的存在都有可能激活或控制酶的活性。酶活性调节的方式主要有两种：变构调节和酶分子的修饰调节。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （一）变构调节 在某些重要的生化反应中，反应产物的积累往往会抑制催化这个反应的酶的活性，这是由于反应产物与酶的结合抑制了底物与酶活性中心的结合。在一个由多步反应组成的代谢途径中，末端产物通常会反馈抑制该途径的第一个酶，这种酶通常被称为变构酶（allosteric enzyme）。例如，合成异亮氨酸的第一个酶是苏氨酸脱氨酶，这种酶被其末端产物异亮氨酸反馈抑制。变构酶通常是某一代谢途径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。细菌细胞内的酵解过程和三羧酸循环的调控也是通过反馈抑制进行的。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （二）修饰调节 修饰调节是通过共价调节酶来实现的。共价调节酶通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶的活化或抑制，以控制代谢的速度和方向。修饰调节是体内重要的调节方式，目前已知有多种类型的可逆共价调节蛋白：磷酸化/去磷酸化；乙酰化/去乙酰化；腺苷酰化/去腺苷酰化；尿苷酰化/去尿苷酰化；甲基化/去甲基化；S-S/SH相互转变等。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 酶促共价修饰与酶的变构调节不同，酶促共价修饰对酶活性调节是酶分子共价键发生了改变，即酶的一级结构发生了变化。而在别构调节中，酶分子只是单纯的构象变化。在酶分子发生磷酸化等修饰反应时，一般每个亚基消耗一分子ATP，比新合成一个酶分子所耗的能量要少得多。因此，这是一种体内较经济的代谢调节方式。另外，酶促共价修饰对调节信号具放大效应，其催化效率比别构酶调节要高。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 二、分支合成途径调节 不分支的生物合成途径中的第一个酶受末端产物的抑制，而在有两种或两种以上的末端产物的分支代谢途径中，调节方式较为复杂。其共同特点是每个分支途径的末端产物控制分支点后的第一个酶，同时每个末端产物又对整个途径的第一个酶有部分的抑制作用，分支代谢的反馈调节方式有多种。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 图5-14酶的反馈调节模式 （一）同工酶 同工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。同工酶对分支途径的反馈调节模式见图5-14a，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工酶，每一种代谢终产物只对一种同工酶具有反馈抑制作用，只有当几种终产物同时过量时，才能完全阻止反应的进行。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酸的合成。有三个天门冬氨酸激酶催化途径的第一个反应，这三个同工酶分别受赖氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸的调节。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （二）协同反馈抑制 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不产生或产生很小的抑制作用（图5-14b）。例如，在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸、甲硫氨酸和苏氨酸的途径中，终点产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸激酶。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （三）累积反馈抑制 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，它们的抑制作用是累加的（图5-14c）。如果末端产物Y单独过量时，抑制AB酶活性的40%，则剩余酶活性为60%，如果末端产物Z单独过量时，抑制AB酶活性的25%，当YZ同时过量时，则经联合作用后，抑制活性为：40%+（1-40%）25%=55%。累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现的，该酶受8个最终产物的积累反馈抑制。每一种产物都能单独的起作用，但只有联合作用才显现出累积的效果。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （四）顺序反馈抑制 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，才能对途径中的第一个酶起到抑制作用（图5-14d）。枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途径就是采取这种方式进行调节。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 三、酶合成的调节酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导，而能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。与上述调节酶活性的反馈抑制相比，其优点是通过阻止酶的过量合成，有利于节约生物合成的原料和能量，其调节方式有两种。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节（一）诱导 根据酶的生成是否与环境中所存在的该酶底物或其有关物的关系，可把酶划分成组成酶和诱导酶两类。组成酶是细胞固有的酶类，其合成是在相应的基因控制下进行的，它不因分解底物或其结构类似物的存在而受影响，例如EMP途径的有关酶类。诱导酶则是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶，例如大肠杆菌在含乳糖培养基中所产生的-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。例如能诱导-半乳糖苷酶的物质除了其正常底物乳糖外，不能被其利用的异丙基-D-硫代半乳糖苷也可诱导，且其诱导效果要比乳糖高。酶的诱导合成又可分为两种，一种称同时诱导，即当诱导物加入后，微生物能同时或几乎同时诱导几种酶的合成，它主要存在于短的代谢途径中。例如将乳糖加入大肠杆菌培养基中后，即可同时诱导出-半乳糖苷透性酶、-半乳糖苷酶和-半乳糖苷转乙酰酶的合成；另一种则称顺序诱导，即先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。（二）阻遏 在微生物的代谢过程中，当代谢途径中某些未端产物过量时，除可用前述的反馈抑制的方式来抑制该途径中关键酶的活性以减少未端产物的生成外，还可通过阻遏作用来阻碍代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的生物合成，从而更彻底地控制代谢和减少未端产物的合成。阻遏作用有利于生物体节省有限的养料和能量。阻遏的类型主要有未端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 1.末端产物阻遏 指由某代谢途径未端产物的过量累积而引起的阻遏。对直线式反应途径来说，未端产物阻遏的情况较为简单，即产物作用于代谢途径中的各种酶，使之合成受阻遏止，例如精氨酸的生物合成途径。对分支代谢途径来说，情况较为复杂。每种未端产物仅专一地阻遏合成它的那条分支途径的酶。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 2.分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。例如有人将大肠杆菌培养在含乳糖和葡萄糖的培养基上，发现该菌可优先利用葡萄糖，并于葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，这就产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次生长现象”，其原因是葡萄糖的存在阻遏了分解乳糖酶系的合成，这一现象称葡萄糖效应。由于这类现象在其他代谢中普遍存在，后来人们把类似葡萄糖效应的阻遏统称为分解代谢物阻遏。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 四、微生物代谢调节在工业中的应用 （一）赖氨酸发酵 赖氨酸是一种重要的必需氨基酸，由于大多数谷物蛋白缺少这种氨基酸，因此它是重要的营养添加剂，在食品、医药和畜牧业上需求量很大。赖氨酸发酵以天冬氨酸为原料，通过分支代谢途径合成出赖氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸，如图5-15所示，在代谢过程中，一方面由于赖氨酸对天冬氨酸激酶（AK）有反馈抑制作用，另一方面，由于天冬氨酸除用于合成赖氨酸外，还要作为合成甲硫氨酸和苏氨酸的原料，因此，在正常细胞内，就难以累计较高浓度的赖氨酸。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 为了解除正常的代谢调节以获得赖氨酸的高产菌株，工业上选育了谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株作为赖氨酸的发酵菌种。由于它不能合成高丝氨酸脱氢酶（HDSH），故不能合成高丝氨酸，也不能产生苏氨酸和甲硫氨酸，但要保证培养基内有苏氨酸和甲硫氨酸，不然就不能生长。只要保持低水平的苏氨酸补充量，而且由于缺乏HDSH，则苏氨酸在细胞内的浓度便会受到限制，天冬氨酸激酶就可以避开反馈抑制作用，代谢流便会流向赖氨酸支路上来。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 （二）肌苷酸（IMP）的生产肌苷酸是一种重要的呈味核苷酸，它是嘌呤核苷酸生物合成过程中的一个中间代谢物。C.glutamicum的IMP代谢途径见图5-16，该分支代谢过程中，产生AMP和GMP，这势必影响到肌苷酸的生产。因此如果选育一个发生在IMP转化为AMP或GMP的几步反应中的营养缺陷型菌株，才可能积累IMP。利用谷氨酸棒杆菌的腺嘌呤营养缺陷菌株发酵，有利于IMP的积累，该菌不能合成腺苷酸琥珀酸合成酶，在培养基中补充适量的AMP就可累积IMP。第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 第三节第三节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节 一、次级代谢与次级代谢产物 一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程，