环境微生物之代谢

1. 代谢的概念

代谢是环境微生物细胞内发生的各种化学反应的总称。

新陈代谢=分解代谢+合成代谢，即新陈代谢是发生在环境微生物活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。

2. 环境微生物的代谢类型

(1)按物质转化方式分：

分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸(ATP)形式的能量和还原力的作用。如蛋白质形成氨基酸，多糖形成单糖，脂类形成甘油和脂肪酸。

合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。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或环境中的小分子营养物质。

(2)按代谢产物在机体中作用分：

初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型，其产物为氨基酸、核苷酸、酶或辅酶等。

次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型，其产物为抗生素、色素、激素、生物碱、毒素或维生素等。

(3)按代谢的目的分：

物质代谢：物质在体内转化的过程。

能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。

3. 环境微生物的能量代谢

(1)能量代谢：能量代谢是新陈代谢中的核心问题。其中心任务就是将外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动均能使用的通用能源形式—ATP。

ATP合成的途径：

底物水平磷酸化：酶的作用将高能磷酸根转给ADP形成ATP或GTP。

氧化磷酸化：呼吸链。

光合磷酸化：蓝细菌-非环式、光合细菌-环式、嗜盐细菌-色素蛋白。

(2)环境微生物生物氧化的“三”：

(3)环境微生物的发酵：

发酵是指在无氧条件下，有机物氧化产能的过程。在该氧化过程中释放的电子不通过电子传递链，而是直接交给本身未完全氧化的某种中间产物，使之还原成各种不同的有机代谢产物。

在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。

环境微生物发酵的特点：

氧化不彻底。

放能少。

电子不经电子传递链传递，与底物水平磷酸化相偶联，部分能量可被环境微生物利用。

各种环境微生物都能进行发酵。

环境微生物发酵的类型：

乙醇发酵：在酵母菌的乙醇发酵里，葡萄糖经过糖酵解作用产生两个丙酮酸，丙酮酸再经脱羧、放出CO2生成乙醛，乙醛接受糖酵解过程中放出的氢而被还原成乙醇。因此在乙醇发酵过程中，一个葡萄糖最终转变成两个乙醇，放出两个CO2，同时净产生两个ATP。

当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因是该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱氢而生成ɑ-磷酸甘油，后者经ɑ-磷酸甘油酯酶催化生成甘油。

乳酸发酵：指乳酸细菌将葡萄糖分解产生的丙酮酸还原成乳酸的生物学过程。这时丙酮酸也是直接接受糖酵解过程中脱下的氢，使之还原成乳酸。

混合酸发酵：许多微生物还能通过发酵将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H₂和CO₂等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。

巴斯德效应：

在有氧条件下，发酵作用受抑制的现象(或氧对发酵的抑制现象)。

克雷布特效应：

即使在有氧的条件下，较高的糖浓度抑制酵母的呼吸作用，使之进行发酵作用产生乙醇，这种因糖浓度的提高而引起的呼吸作用减弱的现象。

环境微生物发酵的途径：

葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP、HMP、ED途径。

EMP途径：

反应式：

EMP途径关键步骤：

葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)。

1, 6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛。

3-磷酸甘油醛→丙酮酸。

EMP途径生理功能：

EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常见途径。

多数微生物具有EMP途径，存在于环境微生物的所有主要类群中。

产生能量ATP、还原力NADH和多种中间产物。

连接其它代谢途经(ED、HM、TCA)的桥梁。

与多种发酵产品生产密切相关。

逆向可合成糖类物质。

HMP途径：

狭义：葡萄糖-6-磷酸→甘油醛-3-磷酸+3CO₂+6NADPH

广义：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H₂O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO₂+Pi

HMP途径特点：

从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的，故称为单磷酸已糖途径。

HM途径与EMP途径密切联系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可进入EMP途径，即磷酸戊糖支路。

HM途径一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO₂、6个NADPH。

一般认为HM途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力(NADPH)和中间代谢产物。

仅有HM途径的环境微生物种类非常少，一般与EMP途径同时存在于环境微生物的代谢过程中。

ED(KDPG)途径：

ED(KDPG)途径特点：

步骤简单。

产能效率低，仅1ATP。

关键中间产物为KDPG，特征酶为KDPG醛缩酶。

ED(KDPG)途径环境微生物种类：铜绿、荧光假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、农杆菌、运动发酵单胞菌等。

(4)环境微生物的有氧呼吸：

呼吸是大多数微生物用来产生能量(ATP)的一种方式。与发酵相比，基质在氧化过程中放出的电子不是直接交给有机物，而是通过一系列电子载体最终交给电子受体。

根据呼吸中电子最终受体的性质不同，可以将呼吸分为好氧呼吸与厌氧呼吸两种类型。其中以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸。有氧呼吸有2个产能的环节：TCA循环、电子传递。

TCA循环：

三羧酸循环(TCA循环)是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先由乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，经过4次脱氢，2次脱羧，生成四分子还原当量和2分子CO₂，重新生成草酰乙酸。

因在该循环中主要的中间代谢物是含有三个羧基的柠檬酸，所以得名三羧酸循环，又称为柠檬酸循环。

TCA循环的生理意义：

为细胞提供能量。

三羧酸循环是环境微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。

三羧酸循环是三大营养素(糖类、脂类、氨基酸)的最终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽。

电子传递链：

电子传递链是一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统。所有组成成分都嵌合于线粒体内膜或叶绿体类囊体膜或其他生物膜中，而且按顺序分段组成分离的复合物，在复合物内各载体成分的物理排列也符合电子流动的方向。其中线粒体中的电子传递链是伴随着营养物质的氧化放能，又称作呼吸链。

电子传递链载体：

NAD(P)H脱氢酶

黄素蛋白(FP)

铁-硫蛋白

辅酶Q(CoQ)

细胞色素类蛋白

在线粒体内膜中以5个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。

氧化磷酸化产能机制-化学渗透假说：

由英国生物化学家Peter Mitchell于1961年提出。在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均，即质子动势，也是合成ATP的能量来源。通过ATP酶的逆反应可将质子从膜的外侧重新回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合成了ATP。

质子推动力(Δp)取决于跨膜的质子浓度(ΔpH)和内膜两侧的电位差(Δψ)。

(5)环境微生物的无氧呼吸：

在无氧呼吸里，作为最终电子受体的物质有NO3-、SO42-或CO2等无机物，或有延胡索酸等有机物。

硝酸盐还原(反硝化作用)：

以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称为硝酸盐呼吸：NO₃^-+2H++2e^-→NO₂^-+H₂O

能使硝酸盐还原的细菌通常称为硝酸盐还原细菌。

许多硝酸盐还原细菌在厌氧呼吸过程中，能使硝酸盐逐步还原成N₂，这种由硝酸盐逐步还原成分子氮的过程称反硝化作用。反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮(NO₃^-)的消失，从而降低土壤肥力，对农业生产不利。克服反硝化作用的有效方法之一是松土，保持土壤的疏松状态，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件等。

硫酸盐还原(反硫化作用)：

硫酸盐还原细菌如脱硫弧菌能以有机物作为氧化的基质，氧化放出的电子可以使SO₄^2-逐步还原成H₂S。这类细菌通常是以乳酸作为氧化的基质，但氧化不彻底，最终积累有机物质-乙酸，并放出H₂S。

碳酸盐还原(甲烷生成)：

产甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，以CO₂作为最终的电子受体，通过厌氧呼吸最终使CO₂还原成甲烷，这就是通常所说的甲烷发酵。但在产甲烷细菌的甲烷发酵中，电子传递方式与产能方式等还有待进一步研究。

有关“鬼火”的微生物学解释：

在无氧条件下，某些环境微生物在无氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成一种易燃气体磷化氢(PH₃)。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，该气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。在古代，人们无法正确地理解该现象，遂将其称为“鬼火”。

(6)环境微生物独有的代谢-固氮作用：

固氮作用是指固氮微生物依靠其固氮酶系催化分子氮还原形成氨的作用过程。

固氮作用是地球上仅次于光合作用的第二个重要的生物合成反应。

固氮微生物种类：

据目前研究，仅有一些原核微生物能固氮。固氮微生物种类有：能独立固氮的自生固氮菌、须与其他生物共生才能固氮的共生固氮菌以及需要生活在植物根际、叶面或动物肠道等才能固氮的联合固氮菌。

固氮要素：

ATP的供应：N₂还原成2NH₃时消耗大量ATP(N₂:ATP=1:18-24)。

还原力[H]及其传递载体，还原力以NAD(P)H+H⁺的形式提供。电子载体有铁氧还蛋白(Fd)黄素氧还蛋白(Fld)。

固氮酶：复合蛋白，由固二氮酶和固二氮还原酶两种蛋白构成。

还原底物：N₂。

镁离子。

严格的厌氧微环境。

固氮机制：

还原分子氮成氨的作用由双组分固氮酶复合体催化。组分I为固氮酶，组分Ⅱ为固氮酶还原酶。组分I和组分Ⅱ都含有铁，但组分I还含有钼，所以组分I为铁钼蛋白，组分Ⅱ为铁蛋白。

固氮的总反应式为：

N₂+8H++8e^-+(18-24)ATP→2NH₃+H₂+(18-24)ADP+(18-24)Pi

好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制：

呼吸保护：固氮菌属的许多细菌以其较强的呼吸强度迅速耗去固氮部位周围的氧，以使固氮酶处于无氧的微环境中而免受氧的伤害。

构象保护：有的固氮菌有一种起着构象保护功能的蛋白质-Fe-S蛋白质Ⅱ，在氧分压增高时，它与固氮酶结合，此时，固氮酶构象发生改变并丧失固氮活力；一旦氧浓度降低，该蛋白便自酶分子上解离，固氮酶恢复原有的构象和固氮能力。

蓝细菌保护固氮酶的机制：

进行产氧光合作用的蓝细菌普遍有固氮酶能力，其具有独特的保护固氮酶机制。分化有异形胞的丝状蓝细菌在异形胞中进行固氮作用。异形胞是部分蓝细菌适应于有氧条件下进行固氮作用的特殊细胞。它有很厚的细胞壁，缺乏氧光合系统Ⅱ，有高的脱氢酶和氢酶活力，这些特性使异形胞保持高度的无氧或还原状态，固氮酶不会受氧的伤害。此外，异形胞还有很高的超氧化物歧化酶活力，有解除氧毒害的功能；其呼吸强度也高于邻近的营养细胞。

根瘤菌保护固氮酶的机制：

与豆科植物共生的根瘤菌以类菌体形式生活在豆科植物根瘤中，根瘤不仅提供根瘤菌以良好的营养环境，还为根瘤菌固氮酶提供免受氧伤害的场所。类菌体周围有类菌体周膜包着，膜上有一种能与氧发生可逆性结合的蛋白-豆血红蛋白，它与氧的亲和力极强，起着调节根瘤中膜内氧浓度的功能，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。

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