第三章 微生物营养与物质运输

1、微生物六大营养要素

碳源、氮源、能源、水、生长因子、无机盐

2、微生物五种营养物质的运输方式

单纯扩散、促进扩散、主动运输、基团转移、膜泡运输

3、五种营养物质的运输方式的异同

单纯扩散：这种形式不需要能量，是以物质在细胞内外的浓度差为动力，即基于分子的热运动而进行的物质运输过程。当外界的营养物质的浓度高于细胞内该物质的浓度时，通过扩散作用使物质进入细胞内

促进扩散：是顺浓度梯度，将外界物质运入细胞内，不需要能量。与被动运输不同的是，这种形式需要一种存在于膜上的载体蛋白参与运输。

主动运输：是营养物质逆浓度差和膜电位差运送到细胞膜内的过程。主动运输过程不仅像促进扩散一样需要载体蛋白，而且还需要能量。

基团转移 ：许多原核生物还可以通过基团转移来吸收营养物质。在这一过程中营养物质在通过细胞膜的转移时发生化学变化。这种运输方式也需要能量，类似主动运输。

膜泡运输：小分子物质的跨膜运输主要通过载体实现，大分子和颗粒物质的运输则主要通过膜泡运输。

第五章自养微生物的生物氧化

1、光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程。

2、环式光和磷酸化与非环式的异同：

环式光合磷酸化：是存在于光合细菌中的一种原始产能机制，可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧，是非放氧型光合作用。

环式光和磷酸化：高等植物和蓝细菌与其他光合细菌不同，它们可以裂解水，以提供细胞合成的还原能力。

它们含有光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。

特点是不仅产生ATP，而且还产生NADP（H）和释放氧气，是放氧型光合作用

第四章、异氧微生物的生物氧化

（一）EMP 途径

因葡萄糖是以1,6-二磷酸果糖(FDP)开始降解的，故又称双磷酸己糖途径（ HDP ），这条途径包括十个独立又彼此连续的反应。

其总反应是：

C6H12O6+2(ADP＋Pi+NAD+)→2CHCOCOOH+2(ATP+NADH+H+)

葡萄糖经EMP途径生成两分子丙酮酸，同时产生两个ATP，整个反应受ADP、Pi和NAD＋含量的控制。

丙酮醛支路

对于大肠杆菌，嗜糖假单胞菌以及其它好氧菌，在葡萄糖培养基中无机磷浓度较低时， 3-磷酸甘油醛脱氢酶活性下降，将迫使3-磷酸甘油醛较变成磷酸二羟丙酮，再经丙酮醛，乳糖生成丙酮酸。

EMP 途径的特点是：

① 葡萄糖的分解是从 1,6 －二磷酸果糖开始的，

② 整个途径仅在第1,3,10步反应是不可逆的，

③ EMP 途径中的特征酶是1,6－二磷酸果糖醛缩酶 ,

④ 整个途径不消耗分子氧，

⑤ EMP 途径的有关酶系位于细胞质中。 葡萄糖经 EMP 途径生成两分子丙酮酸，同时产生两个 ATP ，整个反应受 ADP 、 Pi 、

NAD+含量的控制。

绝大多数微生物都有 EMP 途径，包括：

① 厌氧细菌：大部分厌氧细菌具有 EMP 途径，如梭菌，螺旋菌等，

② 兼性好氧细菌

③ 专性好氧细菌

④ 酵母菌进行酒精发酵也是利用了 EMP 途径。

EMP 的生理功能是：为菌体提供生理活动的 ATP 、 NADH ，其中间产物为菌体合成提供碳骨架，在一定条件下可沿 EMP 途径逆转合成多糖。

（二）HMP途径

这条途径是从 6 －磷酸葡萄糖酸( 6 PG)开始分解的，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，简称为 HMP 途径。

HMP 途径可分为两个阶段：

第一阶段为氧化阶段：从 6 －磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解，氧化脱羧生成 5 －磷酸核酮糖和二氧化碳 。

第二阶段为非氧化阶段：是磷酸戊糖之间的基团转移，缩合（分子重排）使 6 －磷酸己糖再生。

HMP 途径有以下特点：

① HMP 途径是从 6 －磷酸葡萄糖脱羧开始降解的，与 EMP 途径（在双磷酸己糖基础上开始降解）是不同的；

② 该途径中有两种特征酶：转酮酶（ TK ）和转醛酶（ TA ) ，

③ HMP 途径一般只产生 NADPH ，不产生 NADH ，

④ HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。

HMP 途径有以下功能：

① 为生物合成提供多种碳骨架， 5 －磷酸核糖（ R5P ）可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步可合成核酸， 5 －磷酸核糖也是合成辅酶[ NA D（ P ）、 FAD（FMN）、 CoA ］的原料， 4 －磷酸赤藓糖是合成芳香族氨基酸的前体。

② 为生物合成提供还原力。 HMP 途径中产生的 NADPH 在生物体内有以下作用：

NADPH 是合成脂肪酸，类固醇、谷氨酸的供氢体； NADPH 是维持细胞中谷胱甘肽（ GSH ）正常含量所必须的； NADPH 在特异的转氢酶作用下可变为 NADH ，再经呼吸链氧化产能。

一摩尔葡萄糖经 HMP 途径最终氧化可得到 35 摩尔 ATP 。必须指出，这种转化在代谢中，一般不是主要方式。因此不应把葡萄糖经HMP 途径看成是产生 ATP 有意义的机制，即

HMP 途径主要作用是为生物合成提供还原力而不是氧化供能。

③ HMP 途径中的 5－磷酸核酮糖（ Ru5P ）可以转化为 1 , 5 －二磷酸核酮糖（ RuDP ) ，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌，化能自养菌则具有重要意义。

在同一微生物细胞里同时具有HMP和EMP途径，着微生物种类及环境条件不同，各条途径所占的比例也不同。如酵母菌对葡萄糖利用时，87%走EMP，而13%走HMP，青霉菌77%经HMP途径，而23%走EMP途径，等等。

（三）ED途径

又称2-酮- 3 -脱氧-6 -磷酸葡萄糖酸裂解途径。这条途径是Entner和Doudoroff，在研究嗜糖假单胞菌时发现的。ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。其反应步骤简单，产能效率低。该途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环等各种代谢途径相连接，可以相互协调，满足微生物对能量，还原力和不同代谢物的需要。

ED 途径的特点是：

1 . ED 途径的特征反应是 2-酮- 3 -脱氧-6 -磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解为丙酮酸和 3 -磷酸甘油醛。

2 . ED 途径的特征酶是 2 -酮- 3 -脱氧-6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶。

3 . ED 途径中两分子丙酮酸来历不同，一分子是由 2 -酮- 3 -脱氧- 6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子丙酮酸是由磷酸甘油醛经 EMP 途径转化而来。

4 . 1 摩尔葡萄糖经 ED 途径只产生 1 摩尔 ATP 。

表：EMP、HMP、ED途径的比较

途径 EMP HMP ED

特征酶 1,6-二磷酸

果糖醛缩酶(FDA) 转酮酶(KT )和转醛酶(KA ) 2-酮- 3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶(KDPGA)

产生ATP数目 2 1 1

还原辅酶 NADH NADPH NADPH(NADH)

由此可见，EMP途径不能独立于HMP途径，HMP途径一般是与EMP并存的，而ED 途径可不依赖于EMP和HMP途径，而独立存在。

（四）WD途径

该途径是由 Warburg、Dickens、 Horecker 等人发现的，故称 WD 途径。因该途径中的特征酶是磷酸解酮酶，所以又称磷酸解酮酶途径。根据磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫 PK 途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫 HK 途径。

（五）葡萄糖直接氧化途径

前面介绍的四种代谢途径都是在葡萄糖先经磷酸化后进行降解的。而有些细菌如，假单胞杆菌属、气杆菌属和醋杆菌属，不具备己糖激酶，但具有葡萄糖氧化酶，能利用空气中的氧，把葡萄糖直接氧化成葡萄糖酸再经磷酸化进行降解。

呼吸链

呼吸链是指 NADH 、FADH2以及其它还原型载体上的氢原子，以质子和电子的形式在一系列载体上进行定向有序的传递系统。

简而言之，由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系称为呼吸链。呼吸链的酶系是定向有序，又是不对称地排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核微生物的细胞质膜上。

2、呼吸链（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。

 在生物细胞中，接受代谢物上脱下的氢(或电子)的载体有三种 —— NAD+、NADP+

和 FAD。

 NADPH不进入呼吸链合成ATP，而是作为生物合成的还原剂；只有NADH和FADH2进入呼吸链。所以呼吸链有两条：

1. NAD+

NAD+是水溶性的，与酶蛋白可逆结合而往返于线粒体基质与内膜之间（但不能透过内膜）。

在线粒体的基质中，NAD+接受代谢物上脱下的氢，生成NADH；然后与酶蛋白脱离，扩散至线粒体内膜的内表面，将氢(电子)传递给下一个电子传递体，自身又再生成 NAD+，返回线粒体基质继续参与代谢物的脱氢反应。 2. 黄素蛋白 (FP)

黄素蛋白是指以黄素核苷酸(FAD或FMN)为辅基的酶。所以，黄素蛋白有两种，分别以FAD及FMN作为辅基。

FP分布在线粒体的内膜上。它的辅基FAD或FMN与蛋白质部分结合得很牢固，有的甚至是共价连结。

FP在呼吸链中作为双电子传递体。

3. 铁硫蛋白

铁硫蛋白含铁原子(非血红素的铁)和硫原子(对酸不稳定的硫)，两者一般以等摩尔存在，构成2Fe-2S簇、4Fe-4S簇，称为铁硫中心，常用符号“Fe-S”表示。铁硫中心通过Fe与蛋白质的半胱氨酸残基连接。

铁硫中心只有1个Fe起氧化还原反应，在氧化型（Fe3+）和还原型（Fe2+）之间转变。

4. 辅酶Q (CoQ)

辅酶Q属于醌类，由于它广泛存在于生物系统中，所以又叫泛醌(UQ)。

辅酶Q是呼吸链中唯一的非蛋白质组分。它分子小，且呈脂溶性，可以在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散，往返于比较固定的蛋白质类的电子传递体之间进行电子传递。

5. 细胞色素 (Cyt)

细胞色素是以铁卟啉(血红素)为辅基的蛋白质，因为有颜色，又广泛存在于生物细胞中，故称为细胞色素。

细胞色素通过辅基中的铁离子价的可逆变化进行电子传递。它在呼吸链中作为单电子传递体。

呼吸链中的电子传递有着严格的方向和顺序，即电子从氧化还原电位较低的传递体依次通过氧化还原电位较高的传递体逐步流向氧分子。

第七章 微生物代谢调节

第一节 代谢调节的部位

微生物代谢调节是指对微生物自身各种代谢途径方向的控制和代谢反应速度的调节。

代谢反应方向的控制是控制代谢走何种途径，即解决代谢何种产物的问题。

代谢反应速度的调节是控制代谢反应快慢，即解决代谢多少产物的问题。

第一节 代谢调节的部位

细胞膜（细胞器膜）

酶本身

酶与底物的相对位置及间隔状况

（1）细胞膜

①膜的脂质的分子结构，以及环境条件对膜脂质理化性质的影响

②膜蛋白质的绝对数量及其活性的调节

③跨膜的电化学梯度以及ATP、ADP、AMP体系及无机磷浓度对溶质输送的调节

④细胞壁结构的部分破坏或变形，间接影响到膜对溶质的通透性

（2）酶本身

调节酶的生成量，增加或减少关键酶的合成速度或降解速度

改变已有酶分子的活性，抑制或激活 NADH FMN Fe-S CoQ Cytb Fe-S Cytc1 Cytc Cytaa3 O2 FAD