代谢 生物氧化途径 生物固氮 肽聚糖合成

微生物的新陈代谢
代谢--生命体进行的一切化学反应。

代谢分为分解代谢和合成代谢。

分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。

合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）
微生物对能量利用：
有机物化能异养菌
日光光能营养菌→通用能源A TP
还原态无机物化能自养菌
只有A TP和酰基辅酶A起偶联作用，其他高能化合物只作为〜P供体。

生物氧化的形式包括：某物质与氧结合、脱氢、失去电子三种。

生物氧化过程分为：脱氢、递氢、受氢三个阶段。

生物氧化功能：产能（A TP）、产还原力[H]、产小分子中间代谢物。

生物氧化类型：呼吸、无氧呼吸和发酵。

底物（基质）脱氢的四条主要途径
以葡萄糖作为典型底物
1、EMP途径（糖酵解途径）
有氧时，与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。

无氧时，丙酮酸进一步代谢成有关产物。

EMP途径总反应为：
C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP→2CH3COCOOH（丙酮酸）+2NADH+2H+2ATP+2H2O。

EMP终产物的去向：
1）有氧条件：2NADH+H+经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6A TP；
2）无氧条件：
①丙酮酸还原成乳酸；
②酵母菌（酿酒酵母）的酒精发酵：丙酮酸脱羧为乙醛，乙醛还原为乙醇。

（3）EMP途径生理功能
①供应A TP形式的能量和还原力（NADH2）；
②是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED途径）
③为生物合成提供多种中间代谢物；
④通过逆向反应可进行多糖合成。

（4）生产实践意义
与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵产生关系密切。

2、HMP途径（己糖-磷酸途径）
产生大量NADPH2和多种重要中间代谢物。

HMP途径的总反应
6葡萄糖-6-磷酸+12NAD P++6H2O →5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi HMP途径的三个阶段
1）葡萄糖分子经过三步反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；
2）核酮糖-5-磷酸同分异构化或表异构化为核糖-5-磷酸和木糖-5-磷酸；
3）无氧参与条件下，几种戊糖发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。

HMP途径在微生物生命活动中的重要意义
①供应合成原料提供戊糖-P、赤藓糖-P；
②产还原力：产生12NADPH2；
③作为固定CO2的中介：是自养微生物CO2的中介（核酮糖-⑤-P在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖-15-二磷酸）；
④扩大碳源利用范围：为微生物利用C3～C7多种碳源提供了必要的代谢途径；
⑤连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。

（4）生产实践意义
可提供许多重要的发酵产物（核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等）。

3、ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径KDPG
是少数缺乏完整EMP的微生物具有的一种替代途径，细菌酒精发酵经ED进行。

ED途径总反应式
C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+ ED途径特点
1）KDPG（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；
2）存在KDPG醛缩酶；
3）两分子丙酮酸来历不同；
4）产能效率低（1molA TP/1mol葡萄糖）。

5）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途径相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。

4、TCA循环（三羧酸循环）
真核在线粒体中，原核在细胞质中。

TCA在代谢中占有重要枢纽地位
TCA循环的意义：
（1）生理意义：在一切分解代谢和合成代谢中占有枢纽地位，在动植物和微生物细胞中普遍存在，不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的最终途径，具有重要生理意义
（2）实践意义：与微生物大量发酵产物如柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和谷氨酸等的生产密切相关。

柠檬酸是葡萄糖经TCA循环形成的最有代表性的发酵产物。

葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率
TCA循环总反应式
丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP
若起始于乙酰-CoA
乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O—→2C O2+3（NADH+H+）+FADH2+GTP+CoA
自养微生物
自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：一类是能对无机物进行氧化而获得能量的微生物，化能无机自养型微生物；另一类是能利用日光辐射能的微生物，光能自养型微生物。

分解代谢和合成代谢的联系
两用代谢途径
凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。

EMP、HMP和TCA 循环都是重要的两用代谢途径。

代谢回补顺序：又称代谢物补偿途径或添补途径，是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。

生物固氮
生物固氮：是指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，生物界中只要原核生物才具有固氮能力。

固氮微生物（都是原核微生物）
①自生固氮菌：好氧、厌氧、兼性厌氧及各种营养类型。

②共生固氮菌：与豆科共生为根瘤菌，与非豆科共生是放线菌。

③联合固氮菌：根际、叶面微生物。

固氮机制
生物固氮反应的6要素：1.ATP的供应；N≡N分子中存在3个共价键，要把这种极端稳固的分子打开需费巨大能量。

固氮过程中把N2还原2NH3时消耗大量A TP（N2：A TP=1：18~24），由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化作用提供。

2．还原力[H]及其传递载体；固氮反应中需大量还原力（N2：[H]=1：8），以NAD（P）H+H+的形式提供。

3.固氮酶；固氮酶是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。

4.还原底物N；
5.镁离子；
6.严格的厌氧微环境。

总反应式：
N2+8[H]+16~24ATP→2NH3+H2+16~24ADP+16~24Pi
肽聚糖的生物合成
可分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段
(1) 在细胞质中合成
单糖组分在细胞质中合成(UDP是第一个载体)
1)由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸：
2)由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸：
(2)在细胞膜中的合成：
由“P”核苷酸合成肽聚糖亚单位的过程是在细胞膜上完成的，在细胞质内合成“P”核苷酸后，穿入细胞膜并进一步接上N-乙酰葡萄糖胺和甘氨酸五肽，即合成了肽聚糖亚单位。

这个肽聚糖亚单位通过一个类脂载体（十一异戊烯磷酸）携带到细胞膜外，进行肽聚糖合成。

UDP-NAM-五肽转至膜上，与一脂质载体（细菌萜醇-C55类异戊二烯醇）结合，释放出NAM-五肽焦磷脂，在膜内侧与UDP-NAG结合，构成肽聚糖亚单位。

细菌萜醇是第二个载体。

亚单位转移至细胞壁的生长点上（插入），万古霉素、杆菌肽抑制。

(3)在细胞膜外的合成
1)转糖基化作用：
2)转肽作用：
在细胞膜外侧，亚单位与引物相连（转糖基作用），再通过转肽酶作用，将亚单位末端的D-丙-D-丙拆开，第四个AA与另一亚单位的DAP之间交联，另一D-Ala释放。

抗生素青霉素的抑菌机制：
青霉素是肽聚糖亚单位五肽末端的D-丙氨酰胺-D-丙氨酸的类似物，两者可相互竞争转肽酶的活力中心。

转肽酶一旦被青霉素结合，前后2个肽聚糖单体间不能形成肽桥，肽聚糖缺乏机械强度，由此产生了原生质体或球状体之类的细胞壁缺损细菌。

青霉素的作用机制是抑制肽聚糖分子中肽桥的生物合成，对于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对处于生长停滞状态的休止细胞，却无抑制作用。

微生物的代谢调节与发酵生产
代谢调控在发酵工业中的应用
1.应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节
2.应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性
3. 控制细胞膜的渗透性。