第6章微生物的代谢

1、本章重点：本章重点：本章难点：本章难点：1.化能异养微生物的能量代谢化能异养微生物的能量代谢2.肽聚糖的合成肽聚糖的合成1.发酵、有氧呼吸、无氧呼吸的区别发酵、有氧呼吸、无氧呼吸的区别第五章第五章 微生物的代谢微生物的代谢 3.生物固氮生物固氮新陈代谢：新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。 新陈代谢新陈代谢 = 分解代谢分解代谢 + 合成代谢合成代谢复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPATPHH+ 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形能量代谢的中心任务，是

2、生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATPATP。 这就是产能代谢。这就是产能代谢。最初最初能源能源有机物有机物还原态无机物还原态无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源（ATPATP）第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢生物氧化的过程：一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能底物脱氢底物脱氢( (电子电子) )氢氢( (电子电子) )的传递的传递最终氢受体接受氢最终氢受体接受氢(电子电子

3、)EMP途径HMP途径ED 途径TCA途径微生物的能量代谢微生物的能量代谢（一）脱氢（一）脱氢1 1、EMPEMP途径途径耗能阶段耗能阶段产能阶段产能阶段2NADH+H+2丙酮酸丙酮酸4ATP2ATPC62C32ATP微生物的能量代谢2 2、HMPHMP途径途径6C6ATP35ATP36ATP12NADPH+H+6CO25C66C5经呼吸链经呼吸链经一系列复杂反应后经一系列复杂反应后重新合成己糖重新合成己糖微生物的能量代谢3 3、EDED途径途径6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸与与EMP途径连接途径连接(与与HMP途径连接途径连接)激酶激酶氧化酶氧化酶脱水酶脱水酶醛缩酶醛缩酶 ATP ADPNADP

4、+ NADPH22-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸丙酮酸丙酮酸3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛EMP途径途径葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖总反应式：总反应式：C6H12O6 + ADP + Pi + NADP+ + NAD+2CH3COCOOH + ATP + NADPH + H+ + NADH + H+ ATP有氧时经呼吸链6ATP 无氧时 进行发酵2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATPC6H12O6KDPG反应简式：反应简式：微生物的能量代谢n特征反应：KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；n特征酶：KDPG醛缩酶；n产物：两分子丙酮酸来历不同；n

5、产能低：1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP；n菌种：主要存在于PseudomonasED途径的特点：微生物的能量代谢微生物的能量代谢4 4、TCATCA循环循环C3 CH3COCoA4NADH+4H+12ATPFADH22ATPGTP（底物水平）（底物水平）ATP3CO2呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链在物质代谢中的地位：枢纽位置在物质代谢中的地位：枢纽位置工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸和谷氨酸经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH2等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以

6、释放其化学潜能。（二）递氢和受氢微生物的能量代谢生物氧化生物氧化发酵作用：不经呼吸链，没有外源电子受体发酵作用：不经呼吸链，没有外源电子受体呼吸作用呼吸作用有氧呼吸：有氧呼吸：经呼吸链，最终电子受体是经呼吸链，最终电子受体是O O2 2无氧呼吸：经部分呼吸链，最终电子受体无氧呼吸：经部分呼吸链，最终电子受体 是是O O2 2以外的无机氧化物，以外的无机氧化物，如如NONO3 3- -、SOSO4 42-2-等等. .概念概念: :是以分子氧作为最终电子是以分子氧作为最终电子( (或氢或氢) )受体的氧化过程；受体的氧化过程；是是最普遍、最重要的生物氧化方式。最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：

7、途径：EMP,TCA循环循环特点：特点：必须经过电子传递链传递必须经过电子传递链传递 由此可见，由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。要的产能环节。1. 有氧呼吸（aerobic respiration）微生物的能量代谢电子传递与呼吸链电子传递与呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。传递顺序。部位部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。膜上。成员：成员：电子传递链中的电子传递体主要包括电子传

8、递链中的电子传递体主要包括FMN、CoQ、细、细胞色素胞色素b、c1、c、a、a3和一些铁硫蛋白。和一些铁硫蛋白。微生物的能量代谢微生物的能量代谢ATPATP生生成成方方式式氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化电子传递磷酸化光合磷酸化光合磷酸化微生物的能量代谢ATPATP产生方式：产生方式：微生物的能量代谢2. 无氧呼吸（无氧呼吸（anaerobic respiration） 指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。微生物的能量代谢无氧呼吸硝酸盐呼吸无机盐呼吸有机物呼吸硫酸盐呼吸硫呼吸铁呼吸碳酸盐呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸

9、无氧呼吸的类型无氧呼吸的类型反硝化作用反硝化细菌微生物的能量代谢3. 发酵 (Fermentation)发酵工业发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物上，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。来生产有用代谢产物的一类生产方式。生物氧化生物氧化中，发酵是指无氧条件下，底物脱氢后中，发酵是指无氧条件下，底物脱氢后 所产生的还原力不经过呼吸链传递而所产生的还原力不经过呼吸链传递而 直接交给一内源氧化性中间代谢产物直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。的一类低效产能反应。 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNA

10、DH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。（1 1）乙醇发酵）乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：微生物的能量代谢2乙醇乙醇细菌的乙醇发酵（细菌的乙醇发酵（ED途径）途径）葡萄糖葡萄糖KDPG3-3-磷磷酸甘酸甘油醛油醛乙乙醇醇乙乙醛醛丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸微生物的能量代谢 乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。产生乳酸，称为乳酸发酵。 同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径） 异型乳酸发酵：

11、（经异型乳酸发酵：（经HMPHMP途径）途径）（2 2）乳酸发酵）乳酸发酵微生物的能量代谢葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2( 1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸） 2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus delbruckii Lactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点微生物的能量代谢异型乳酸发酵：异型乳酸发酵：葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙

12、酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ATP 2ADP-2H-CO2微生物的能量代谢Leuconostoc mesenteroides类型途径产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii异型HMP1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides异型HMP1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillus brevis同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较微生物的能量代谢(3)混合酸发酵n菌种：埃希氏菌属、沙门氏菌属、志贺氏菌属n特点：产生各种有机酸，使培养液pH降

13、低；n途径：EMPn大肠菌群在进行混合酸发酵的同时，会产生气体,所以发酵葡萄糖产酸产气：HCOOHCO2 H2甲酸氢解酶甲酸氢解酶微生物的能量代谢(4)丁二醇发酵n菌种：肠杆菌属、沙雷氏菌属、欧文氏菌属；n产物：2，3丁二醇、更多H2和CO2微生物的能量代谢相关试验相关试验n糖发酵试验：细菌对各种糖的分解能力及代谢产物不同，可借以鉴别细菌。细菌分解糖产酸用符号“+”表示；细菌分解糖产酸又产气，用符号“ ”表示；细菌不能分解糖时用符号“-”表示。细菌的糖发酵试验结果见 微生物的能量代谢n甲基红试验(methyl red test,MR)：细菌使丙酮：细菌使丙酮酸脱羧后形成中性产物，甲基红指示剂呈

14、桔黄色酸脱羧后形成中性产物，甲基红指示剂呈桔黄色，为甲基红试验阴性；细菌分解糖产生丙酮酸，为甲基红试验阴性；细菌分解糖产生丙酮酸，培养液呈酸性培养液呈酸性pH5.4pH5.4，指示剂甲基红呈红色，称，指示剂甲基红呈红色，称甲基红试验阳性甲基红试验阳性. . 微生物的能量代谢nVP试验(Voges-Proskauer test,VP)：细菌能使：细菌能使丙酮酸脱羧、氧化（在碱性溶液中）生成二乙酰丙酮酸脱羧、氧化（在碱性溶液中）生成二乙酰，后者可与含胍基的化合物反应，生成红色化合，后者可与含胍基的化合物反应，生成红色化合物称为物称为VPVP试验阳性。试验阳性。微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能

15、量代谢（一）、化能自养微生物的类型1、铁细菌、铁细菌2Fe2+2Fe3+Cytc1/2O2CoQNAD+NADH + H+2e-ATP-ATP化能自养微生物的能量代谢问题1为什么Fe2+的电子只能从Cytc进入呼吸链？ Fe3+氧化性较强，只有氧化态的Cytc才能氧化Fe2+得到Fe3+化能自养微生物的能量代谢问题2每产生1分子NADH + H+ ，需消耗多少Fe2+ ？6分子化能自养微生物的能量代谢2、硫细菌、硫细菌 硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多聚硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。 俄国著名微生物学家Win

16、ogradsky的杰出贡献：发现化能无机自养型微生物硫细菌。土壤微生物学的奠基人化能自养微生物的能量代谢S2-SS0SS2O32-SO42-SO32-硫化物-巯基复合物e-2e-呼吸链Cytb呼吸链Cytc化能自养微生物的能量代谢问题3地下金属管道为何容易腐蚀？好氧的硫细菌H2S H2SO4厌氧的硫酸盐还原细菌SO42- H2S 化能自养微生物的能量代谢问题4 中国古代劳动人民的伟大贡献之一湿法冶金与化能自养微生物之间有何关系？化能自养微生物的能量代谢低品位铜矿CuSO4SCuFeSO4Fe屑浸矿剂氧化亚铁硫杆菌氧化硫硫杆菌细菌冶金的具体过程化能自养微生物的能量代谢浸矿浸矿剂H2SO4、Fe2

17、(SO4)3将低品位铜矿变成CuSO4 浸矿剂再生置换Fe屑置换出Cu 由好氧的氧化亚铁硫杆菌将Fe2+氧化成Fe3+，氧化硫硫杆菌将S氧化成H2SO4。化能自养微生物的能量代谢3、氢细菌、氢细菌4、硝化细菌、硝化细菌自学（二）、化能自养微生物能量代谢的特点（二）、化能自养微生物能量代谢的特点 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，可直接进入呼吸链传递；，可直接进入呼吸链传递；呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分

18、直接进入呼吸链；组分直接进入呼吸链；产能效率即产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。比一般要低于化能异养微生物。化能自养微生物的能量代谢第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 所谓合成作用就是微生物将简单的无机物或者有机物用体内的各种酶促反应合成生成大分子即菌体物质的过程。 微生物的合成代谢可以概括为三个阶段 产生三要素：能量、还原力、小分子化合物产生三要素：能量、还原力、小分子化合物合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖三要素的产生三要素的产生ATP

19、ATP的产生：的产生：发酵作用 呼吸作用 无机物氧化 光合磷酸化NADHNADH2 2 （或或NADPHNADPH2 2）的产生的产生 : : 光能自养菌： 非环式光合磷酸化可产 NADPH2。 ATP 化能自养菌产化能自养菌产NADPHNADPH2 2 : : 是在消耗是在消耗 ATP ATP 的情况的情况下通过反向电子传递产生。下通过反向电子传递产生。 化能异养菌产还原力： 葡萄糖 2 NADH2 + 2ATP + 2丙酮酸 葡萄糖 NADH2 + NADPH2 + ATP + 2丙酮酸 葡萄糖 2NADPH2 + 5-P 核酮糖 + CO2 葡萄糖 6NADPH2 + NADH2 +丙酮

20、酸 + 3CO2 丙酮酸3 NADPH2 + NADH2 + FADH2 + GTP + 3CO2EMPEDHMP不完全HMPTCAn小分子碳架化合物的产生小分子碳架化合物的产生 前体物的合成前体物的合成 要合成大分子有机物首先要有前体物，前体物是微生物利用分解代谢中所获得的小分子C架、ATP 和NADPH2合成的。前体物主要有： 单糖 氨基酸 氨基糖 核苷酸 脂肪酸 A.Calvin循环(植物、蓝细菌和化能自养细菌) B.活性乙酸途径 C.还原三羧酸循环（光合细菌） D.羟基丙酸途径一、一、CO2的固定的固定（一）自养微生物（一）自养微生物CO2的固定的固定CalvinCalvin循环循环核

21、酮糖二磷酸羧化酶核酮糖二磷酸羧化酶磷酸核酮糖激酶磷酸核酮糖激酶Calvin循环活性乙酸途经活性乙酸途经四氢叶酸四氢叶酸甲基四氢叶酸甲基四氢叶酸还原三羧酸循环还原三羧酸循环羥基丙酸途径羥基丙酸途径 异养微生物的碳源只有少量来自CO2，异养微生物主要靠生成四碳二羧酸来补充TCA循环的中间产物。 磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+ CO2 草酰乙酸+Pi 丙酮酸 + CO2 + ATP 草酰乙酸+Pi 丙酮酸 + CO2+NADH+H+ 苹果酸+NAD+PEP羧化酶羧化酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶苹果酸酶苹果酸酶 （二）异养微生物对（二）异养微生物对CO2的固定的固定 一些固N微生物能将分子氮固定为 NH3

22、，再通过酶的作用转变为氨基酸。二、生物固氮二、生物固氮（一）固氮微生物 1、自生固氮菌，如Azotobacter 2、共生固氮菌，如Rhizobium 3、联合固氮菌，如Azospirillum（二）固氮的生化反应N2+8e-+8H+nATP固氮酶固氮酶2NH3+H2+nATP+nPi（三）固氮的必要条件（1）ATP的供应（2）还原力及其载体（3）固氮酶）固氮酶（4）Mg2+（5）N2（6）严格厌氧环境固氮酶的底物多样性固氮酶的组成固氮酶的氧敏感性固氮酶的互补性（四）固氮过程的电子传递1、氨关闭效应2、电子传递抑制剂3、竞争性抑制（五）固氮酶的防氧保护（六）固氮过程的抑制1、呼吸保护和构象保护

23、2、异形胞保护3、类菌体周膜中的豆血红蛋白保护多糖生物合成的三个特点： 无模板 起始阶段需要引物 糖核苷酸为糖基载体 在原核微生物细胞中，细胞壁中有二种特殊的化合物即肽聚糖，磷壁酸，它是细菌细胞壁的组成成分。 三、肽聚糖的合成三、肽聚糖的合成概念： 所谓次生代谢是微生物在一定的生长期（通常是在生长的后期或者稳定生长期）里合成一些对微生物本身没有明显作用的物质的代谢过程。它是微生物在正常代谢途径不畅通时，增强了一些支路代谢的结果。四、微生物的次级代谢四、微生物的次级代谢 内容初级代谢产物次级代谢产物不 同点生长繁殖是否必需产生阶段种的特异性分布举例相同点微生物代谢产物比较微生物代谢产物比较是是否

24、否一直产生一直产生生长到一定阶段产生生长到一定阶段产生否否是是细胞内细胞内细胞内或外细胞内或外氨基酸、核苷酸、氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生多糖、脂类、维生素等素等抗生素、毒素、抗生素、毒素、激素、色素激素、色素均在微生物细胞的调节下，有步骤产生均在微生物细胞的调节下，有步骤产生特点：（1）次级代谢以初级代谢为前提，并且受初级代谢的调节。（2）次级代谢一般在菌体生长后期发生。（3）次级代谢中酶专一性低。（4）次级代谢的菌株有特异性。（5）次级代谢与染色体外遗传有关。次级代谢产物包括： 抗生素 、激素、毒素、色素、维生素、生物碱、信息素等 抗生素抗生素 抗生素是对它种微生物有抑制或者杀伤作用的

25、一大类次生代谢产物。 -内酰胺类抗生素 氨基环醇类抗生素 大环内酯类抗生素 四环类抗生素 糖肽类抗生素 烯大环内酯类抗生素 聚醚类抗生素 核苷类抗生素 安莎环类抗生素 蒽环类抗生素生长刺激素生长刺激素 这是一类刺激植物生长的生理活性物质。如镰刀菌产生的赤霉素就是这类物质的典型代表，赤霉素目前用于杂交水稻制种中，它可刺激稻穗伸长后便于授粉。 毒素毒素 是某些微生物在一定的条件下产生的对动植物和人有毒害的化合物。毒素大多数是蛋白质，如白喉杆菌产生的白喉毒素，破伤风梭菌在厌氧条件下产生的破伤风毒素，苏云金杆菌产生的能杀虫的苏云金素。 维生素维生素 这是指某些微生物在特定的条件下产生的大大超过本身需要

26、量的那种维生素，如酵母菌产生的B族维生素，醋酸菌合成维生素C，某些霉菌积累维生素B2 。 色素色素 一些微生物在代谢过程中产生的有色次生代谢产物，这些产物积累在细胞内或者分泌于细胞外。如灵杆菌产生的花青素使菌落呈红色。红曲霉产生的红曲素不仅使菌体呈紫色，并分泌于体外，在食品上用作着色剂。 产红色色素的塞产红色色素的塞氏杆菌氏杆菌天兰色链霉菌天兰色链霉菌产生可溶性的产生可溶性的蓝色色素蓝色色素微生物代谢调节微生物代谢调节的主要方式的主要方式酶合成的调节酶合成的调节酶活性的调节酶活性的调节第五节第五节 微生物的代谢调节与应用微生物的代谢调节与应用微生物的生命活动受什么调节微生物的生命活动受什么调节

27、实例实例1：大肠杆菌合成异亮氨酸的调节。大肠杆菌合成异亮氨酸的调节。苏氨酸苏氨酸苏氨酸脱氢酶苏氨酸脱氢酶a酮丁酸酮丁酸异亮氨酸异亮氨酸 当异亮氨酸积累过量，会抑制苏氨酸脱氢酶的活性，异亮当异亮氨酸积累过量，会抑制苏氨酸脱氢酶的活性，异亮氨酸合成停止。氨酸合成停止。实例实例2：亮白曲霉通常不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但亮白曲霉通常不能合成蔗糖酶，所以不能利用蔗糖，但如果在培养基内加入蔗糖，一段时间后，可以合成蔗糖酶，并利如果在培养基内加入蔗糖，一段时间后，可以合成蔗糖酶，并利用蔗糖。用蔗糖。实例实例1，通过调节酶的，通过调节酶的 ，控制代谢过程；控制代谢过程；实例实例2.，通过调节酶的，通过调节酶的 ，控制代谢过程控制代谢过程分析讨论分析讨论：合成合成活活 性性. .酶合成的调节：酶合成的调节：组成酶与诱导酶的区别组成酶与诱导酶的区别组成酶是微生物细胞内一直存在的酶，它们的合成组成酶