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1、第一节 代谢概论代谢（metalsolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。一般可将分解代谢分为三个阶段（图5-1）：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2；第三阶段是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2,并产生ATP、NADH及FA
2、DH2。第二和第三阶段产生的ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，产生大量的ATP。图5-1 分解代谢的三个阶段 合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物（图5-2）或环境中的小分子营养物质。在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。微生物产生和利用能量及其与代谢的关系见图5-3。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促反应构成的，前
3、一步反应的产物是后续反应的底物。细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，来保证整个代谢途径的协调性与完整性，从而使细胞 的生命活动得以正常进行。图5-2 合成代谢示意图图5-3 能量与代谢关系示意图 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，还会产生一些次级代谢产物，这些次级代谢产物除了有利于这些微生物的生存外，还与人类的生产与生活密切相关，也是微生物学的一个重要研究领域。第二节 微生物产能代谢一 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
4、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，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。二异养微生物的生物氧化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。1. 发酵发酵(fermentation)是指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，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。在发酵条件下有机化合
5、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。肠内酵母感染导致醉酒据报道，一些日本人因酵母感染而导致酒精中毒。这些人其实根本没有饮用任何酒精饮料，却经常呈醉酒状态。检查结果表明，生长在这些人肠道内的酵母菌能进行酒精发酵，所制造出来的酒精足以让人大醉。经过抗生素治疗，这些人很快恢复了健康。发酵的种类有很多，可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。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis），主要分为四种途径：EMP途径、HM
6、P途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。(1)EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）整个EMP途径大致可分为两个阶段（如图5-4）。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。在EMP途径的第一阶段，葡萄糖在消耗ATP的情况下被磷酸化，形成葡萄糖-6-磷酸。初始的磷酸化能增加分子的反应活性。葡萄糖-6-磷酸再转化为果糖-6-磷酸，然后再次被磷酸化，形成一个重要的中间产物：果糖-1，6-二磷酸。醛缩酶催化果糖-1，6-二磷酸裂解成两个三碳化合物：3-磷酸甘油醛
7、及磷酸二羟丙酮。至此，还未发生氧化还原反应，所有的反应均不涉及电子转移。在第二阶段，3-磷酸甘油醛转化为1，3-二磷酸甘油醛的过程是氧化反应，辅酶NAD+接受氢原子，形成NADH。同时，每个3-磷酸甘油醛都接受无机磷酸被磷酸化。与己糖磷酸的有机磷酸键不同，二磷酸甘油醛中的两个磷酸键，属于高能磷酸键，在1，3二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸及后续的磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的反应过程中，发生ATP的合成反应。在糖酵解过程中，有两分子的ATP用于糖的磷酸化，但合成出四个分子的ATP，因此，每氧化一个分子的葡萄糖净得两分子ATP。在两分子的1，3-二磷酸甘油醛的合成过程中，两分子NAD+被还原为N
8、ADH。然而，细胞中的NAD+供应是有限的，假如所有的NAD+都转变成NADH，葡萄糖的氧化就得停止。因为三磷酸甘油醛的氧化反应只有在NAD+存在时才能进行。这一路障可以通过将丙酮酸进一步还原，使NADH氧化重新成为NAD+而得以克服。例如在酵母细胞中，丙酮酸被还原成为乙醇，并伴有CO2的释放；而在乳酸菌细胞中，丙酮酸被还原成乳酸。对于原核生物细胞，丙酮酸的还原途径是多种多样的，但有一点是一致的：NADH必须重新被氧化成NAD+，使得酵解过程中的产能反应得以进行。在任何产能过程中，氧化必须与还原相平衡。每除去一个电子都必须有一个电子受体。在此情况下，NAD+在一个酶促反应中的还原与它在另一反应
9、中的氧化相偶联，反应终产物也是处于氧化还原平衡中。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。图5-4 EMP途径（2）HMP途径 HMP途径（图5-5）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
10、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；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。虽然这条途径中产生的NADPH可经呼吸链氧化产能，一摩尔葡萄糖经HMP途径最终可得到35摩尔ATP，但这不是代谢中的主要方式。因此不能把HMP途径看作是产生ATP的有效机制。大多数好氧和兼性厌氧微生物中都有HMP途径，而且在同一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。图5-5
11、HMP途径（3）ED途径ED途径是在研究嗜糖假单胞菌（Pseudomonas saccharophila）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（如图5-6）。ED途径在细菌中，尤其是在革兰氏阴性菌中分布较广，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株较多存在。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得ATP的厌氧菌而言，ED途径不如EMP途径经
12、济图5-6 ED途径（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称为PK途径（如图5-7），把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径（如图5-8）。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，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，能进行乙醇发酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌。根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型：在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经EMP途径降解为两分子丙酮酸
13、，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；但当环境中存在亚硫酸氢钠时，它可与乙醛反应生成难溶的磺化羟基乙醛。由于乙醛和亚硫酸盐结合而不能作为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。-磷酸甘油进一步水解脱磷酸而生成甘油，称为酵母的二型发酵；在弱碱性条件下（pH 7.6），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，称为酵母的三型发酵。这种发酵方式不
14、能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。 图5-7 磷酸戊糖解酮酶（PK）途径图5-8 磷酸己糖解酮酶（HK）途径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（Zymomonas mobilis）和厌氧发酵单胞菌（Zymomonas anaerobia）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（Sarcina ventriculi）和肠杆菌（Enterobacteriaceae）则是利用EMP途径进行乙醇发酵。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
15、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（Leuconostoc mesenteroides）中，利用HK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。双歧发酵是两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bif
16、idum）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-磷酸丁糖，及3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。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。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。某些专性厌氧菌，如梭菌属（Clostridium）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、真杆菌属（Eubacterium）和梭杆菌属（Fusobacterium），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，接着在丙酮酸-铁氧还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮。某些肠杆菌，如埃希氏菌属（Escher
