第五章 微生物的新陈代谢

生物体进行的化学反应统称新陈代谢(metabolism)，简称代谢，包括分解代谢(catabolism) 和合成代谢(anabolism)。分解代谢又称异化作用，指复杂的有机分子通过分解代谢的酶系催化产生简单分子、能量[ATP]、和还原力[H]的作用。合成代谢又称同化作用，指在合成酶系的催化下，由简单小分子、ATP和[H]共同合成复杂的生物大分子的过程。 

第一节     微生物的能量代谢

生物氧化，发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。

三种形式：某物质与氧结合、脱氢和失电子；三个阶段：脱氢（电子）、递氢（电子）和受氢（电子）；三种功能：产能、还原力和小分子中间代谢物；三种类型：(有氧)呼吸、无氧呼吸和发酵。

一化能异养微生物的产能方式

（一）底物脱氢的四条主要途径

1.EMP途径

又称糖酵解途径(glycolysis)，是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。以1分子C₆H₁₂O₆为底物，经过10步反应产生2分子丙酮酸、2分子NADHH₂和2分子ATP的过程。

2. HMP途径

即己糖一磷酸途径，磷酸戊糖途径等。特点是葡萄糖不经过EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产生大量NADH₂ 形式的还原力及多种重要中间代谢产物。

3. ED途径（Entner-Doudoroff pathway）  

又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）途径，是少数缺乏完整EMP途径细菌的一种替代途径，为细菌特有。

1分子葡萄糖经ED途径最后产生2分子丙酮酸，及净得各1分子的ATP、NADPH₂和NADH₂(参考P105图)，总反应式为：C₆H₁₂O₆ + ADP + Pi + NADP⁺ + NAD⁺ →2CH₃COCOOH + ATP + NADPH₂ + NADH₂

ED 途径特点：①KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。②KDPG醛缩酶是ED途径特有的酶。③ED途径最终产物，即2分子丙酮酸，来历不同。一分子是由KDPG直接裂解产生，另g一分子是由3-磷酸甘油醛经EMP途径获得。④1mol葡萄糖经ED途径只产生1 mol ATP，从产能效率言，ED途径不如EMP途径。

运动发酵单胞菌等微好氧菌可将丙酮酸脱羧成乙醛，乙醛又可进一步被NADH₂还原为乙醇；经ED途径发酵生产乙醇的方法称细菌酒精发酵。

4. TCA循环

即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环，是指在有氧条件下丙酮酸经过一系列循环式反应而被彻底氧化、脱羧，产生CO₂、H₂O和NADH₂的过程(参考P107图)。

葡萄糖经上述脱氢途径后的产能效率比较(参考P109表，理解)

（二）递氢和受氢

葡萄糖等有机物通过不同途径脱氢后，经呼吸链(respiratory chain，RC)又称电子传递链(electron transport chain，ETC)等方式进行递氢，最终可与O₂、无机或有机氧化物等氢受体结合而释放其中能量。

根据递氢特点及受氢体性质不同，将生物氧化分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型。

呼吸链氧化磷酸化效率的高低用P/O比（即每消耗1mol氧原子所产生ATP的mol数）作定量表示。典型RC中，2[H] 从NADH₂传递至O₂的过程中，有三处能与磷酸化反应（ADP+Pi→ATP）相偶联，即产生3分子ATP。(参考P111图)

1.呼吸（respiration）

即有氧呼吸或好氧呼吸。底物脱氢后，[H]经完整的RC传递，最终由O₂受氢、产生H₂O并释放ATP形式的能量，是一种高效的产能方式。

2.无氧呼吸

又称厌氧呼吸，是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的，由外源无机氧化物(少数为有机氧化物)作为RC未端氢受体的生物氧化。特点是底物脱氢后，经部分RC递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢。

①硝酸盐呼吸  又称反硝化作用，无氧条件下微生物利用硝酸盐作为最终氢受体进行无氧呼吸的过程。

硝酸盐在微生物生命活动中的两种功能：

有氧或无氧条件下利用硝酸盐作为N源营养物，称同化性硝酸盐还原作用；无氧条件下，某些兼性厌氧菌利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，将其还原成亚硝酸、NO、N₂O直至N₂的过程，称异化性硝酸盐还原作用，即硝酸盐呼吸或反硝化作用或脱氮作用。

②硫酸盐呼吸  微生物利用硫酸盐作为最终氢受体进行无氧呼吸的过程。是一种异化性的硫酸盐还原作用，最终还原产物是H₂S。

3.发酵 (fermentation)

广义上泛指利用微生物生产食品、饮料、药物或饲料等的一类生产方式。生物氧化或能量代谢中狭义的概念，指无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化方式。(以内源性有机物作为电子受体的一类产能性生物氧化过程。)

一般根据主要发酵产物将发酵分成不同的类型，如酒精、乳酸、丙酸、2,3-丁二醇、混合酸发酵等等。

① 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵

酵母菌的酒精发酵：以S . cerevisiae为例，丙酮酸经过脱羧，放出CO₂，生成乙醛，乙醛接受酵解过程中产生的[H]而被还原成乙醇。因其主要产物是乙醇，又称酵母菌的同型酒精发酵。

乳酸菌的同型乳酸发酵：葡萄糖经过发酵后只生成乳酸一种产物的发酵称同型乳酸发酵。如德氏乳杆菌等，由EMP途径产生的丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下被还原成乳酸。

②通过HMP途径的异型乳酸发酵

葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO₂等多种产物的发酵称异型乳酸发酵。如肠膜状明串珠菌等, 因缺乏EMP途径中的若干重要酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖HMP途径。

③通过ED途径的细菌酒精发酵

运动发酵单胞菌，发酵葡萄糖后的产物与酵母菌通过EMP途径的产物相同，但产能效率不同。

④氨基酸发酵产能—Stickland反应

少数厌氧梭菌如生孢梭菌和肉毒梭菌等，能利用一些氨基酸同时作为C、N和能源，其产能机制是通过部分氨基酸（如Ala）的氧化和另一部分氨基酸（如Gly）的还原相偶联的独特发酵方式。

以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的发酵方式称Stickland反应。其产能效率低，每分子氨基酸仅产一分子ATP。

⑤发酵中的产能反应

发酵仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化方式，其产能机制均是底物水平磷酸化反应，产能效率极低。

二自养微生物的产能方式

自养微生物是指能以CO₂作为生长的主要或唯一C源的微生物。

（一）化能自养菌的产能方式—还原态无机物氧化（参P120图）

化能自养微生物能以还原态的无机物（NH₄⁺、NO₂^–、S、H₂S、H₂和Fe²⁺等）的氧化产能进行生长。其产能途径也是经过RC的氧化磷酸化反应，因此绝大多数化能自养菌都是好氧菌。

（与化能异养菌相比）化能自养菌能量代谢的特点：① 无机底物的氧化直接与RC发生联系；②RC组分的多样化，氢或电子可从任一组分直接进入RC；③产能效率即P/O比较低。

硝化细菌从生理类型上分为两类：

亚硝化细菌或氨氧化细菌，可将NH₃氧化成NO₂^–，包括亚硝化单胞菌属；

硝化细菌或亚硝酸氧化菌，可将NO₂^–氧化成NO₃^–，包括硝化杆菌属。

（二）光能营养菌的产能方式—光能转换

1.循环光合磷酸化（参P122图）

光合细菌利用光能产生ATP的过程，在光能的驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。

特点：①电子传递途径属循环方式；②产ATP与产[H]分别进行；③[H]来自H₂S等无机氢供体；④不产氧。

具有循环光合磷酸化的生物，都属于原核生物真细菌中的光合细菌，分类上主要归为红螺菌目中。

它们在厌氧条件下进行的不产氧光合作用可利用有毒的H₂S或污水中的有机物作为还原CO₂时的氢供体，在水产养殖净化水质上具有重要作用，所产生的菌体还可作为饵料。

2.非循环光合磷酸化（参P124图）

绿色植物、藻类和蓝细菌利用光能产生ATP的磷酸化反应。

特点：①电子传递途径属非循环式；②有氧条件下进行；③有PSⅠ和PSⅡ两个光合系统；④反应中可同时产ATP、[H]和O₂；⑤[H]来自类囊体基质中的H⁺和H₂O光解产生的电子。

3.嗜盐菌紫膜的光合磷酸化

嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，使质子不断驱动到细胞膜外，在膜两侧建立质子动势，从而推动ATP合成酶合成ATP（参P125图）。

 

第二节  微生物独特合成代谢途径举例

一 生物固氮 (biological nitrogen fixation)

大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。

（一）固氮微生物

自1886年M.Beijerinck分离到共生固氮的根瘤菌后，目前已发现100多属固氮生物，都是原核生物。

1.自生固氮菌  是一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的微生物。如固氮菌属(Azotobacter)等。

2.共生固氮菌  必须与它种生物共生在一起才能固氮的微生物。如豆科植物与根瘤菌属(Rhizobium)、非豆科植物与放线菌中的弗兰克氏菌属(Frankia)形成的根瘤等。

3.联合固氮菌  必须生活在植物根际、叶面或动物肠道处才能固氮的微生物。如生活在植物根际的固氮螺菌属(Azospirillum)，动物肠道中的肠杆菌属(Enterobacter)等。

（二）固氮的生化机制    

1.生物固氮反应的六要素

i. ATP的供应 ii. 还原力[H]及其载体  iii. 固氮酶 ⅳ 还原底物—N2   ⅴ 镁离子　　ⅵ 严格的厌氧微环境

2. 固氮的生化途径（参P126图，了解）

二肽聚糖的生物合成

肽聚糖是绝大多数原核生物细胞壁所含有的独特成分，在细菌生命活动中具有重要作用，也是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素等呈现选择毒力的物质基础。

肽聚糖是一种异型多糖，其单体是在细胞质中合成的，然后通过膜，在膜外合成肽聚糖。各类细菌合成肽聚糖的过程基本相同，以G+菌金黄色葡萄球菌)为例，整个肽聚糖的合成过程约有20步，根据反应部位的不同，可分为在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段（参P139－142图）。

由于青霉素是肽聚糖单体五肽尾未端D-丙氨酰-D-丙氨酰的结构类似物，两者可互相竞争转肽酶的活力中心，因此，这步反应可被青霉素所抑制。因而青霉素对正处于生长阶段的细菌来说会导致细胞壁的渗透性裂解，使细胞死亡，但对于处于静息的细胞无抑制和杀灭作用。

 

本章思考题：

1.名词解释： ED途径、呼吸链、氧化磷酸化、呼吸、无氧呼吸、硝酸盐呼吸、反硝化作用、硫酸盐呼吸、发酵(狭义)、Stickland反应、循环光合磷酸化、生物固氮、Park核苷酸、

2.生物氧化的概念、形式、阶段、功能和类型分别如何？

3.测定微生物生长繁殖的常用方法有哪些？

4.从营养和能量的角度简述硝酸盐在微生物生命活动中的功能。

5.比较同型乳酸发酵和异型乳酸发酵的特点。

6.比较酵母菌和细菌酒精发酵的特点。

7.比较硝化细菌和反硝化细菌能量代谢的差异。

8.相对于化能异养菌，化能自养菌生长繁殖速度为什么较慢？其能量代谢有何特点？

9.举例说明微生物光能转换包括哪三种类型？

10.固氮微生物包括哪几种生态类型？生物固氮反应包括哪六种基本要素？

11.为什么青霉素对生长旺盛的细菌具有较明显的抑制作用，而对生长停滞状态的细胞则无作用？