微生物的代谢与调节

1、第五章第五章 微生物的代谢与调节微生物的代谢与调节w新陈代谢： 生物体进行的所有化学反应和物理反应的总和。w微生物的代谢作用包括: 合成代谢和分解代谢，或称同化作用和异化作用。w合成代谢 在合成酶系的催化下，由简单的小分子、ATP和还原力H一起合成复杂的生物的大分子的过程。w分解代谢 指复杂的有机分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量(ATP)、和还原力H的过程。分解代谢的三个阶段w 将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。w 进一步降解成为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸、及能进入TCA循环的中间产物。w 将第二阶段的产物完全降解生成CO2 ， 并将前面形成的还原力（NADH

2、2）通过呼吸吸链氧化、 同时形成大量的ATP。合成代谢和分解代谢的关系复杂分子 简单分子+ATP+H (有机物)分解代谢酶系合成代谢酶系初级代谢和次级代谢w初级代谢： 能使营养物质转变成机体的结构物质、或对机体具有生理活性作用的物质或为生长提供能量的一类代谢类型。w初级代谢产物w次级代谢： 存在于某些生物中,并在它们一定生长时期内出现的代谢类型。w次级代谢产物： 抗生素、生长刺激素、生物碱、色素等第一节 微生物的能量代谢w新陈代谢中的核心问题： 能量代谢w能量代谢的中心任务： 是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。w生物体能量代谢的实质： 是ATP和酰

3、基辅酶A、酰基磷酸等的生成和利用问题。即ATP的生成和利用的问题。 化能异养菌有机物光能营养菌日 光通用能源化能自氧菌无机物*最初能源(ATP)能源的转化一一. .化能异养微生物的化能异养微生物的生物氧化和产能大分子物质的分解代谢大分子物质的分解代谢1、多糖的分解 淀粉 l 由各种胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麦芽糖）后被吸收利用 n a a-淀粉酶：淀粉酶：枯草杆菌，米曲霉 n b b-淀粉酶淀粉酶 ：巨大芽孢杆菌 n 葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶 ：黑曲霉 n 异淀粉酶异淀粉酶 纤维素 l 由复合的纤维素酶催化产生葡萄糖后被微生物吸收利用2、油脂的分解 通过脂酶将油脂分解成甘油和脂肪酸 甘油的利用

4、l 直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮 脂肪酸的利用 l 经经 -氧化途径产生乙酰氧化途径产生乙酰CoA后被利用后被利用 三、蛋白质的分解 通过蛋白酶将蛋白质分解成肽，并可继续分解成氨基酸 1、氨基酸的直接利用 2、氨基酸的脱氨分解利用 3、氨基酸的脱羧分解比较项目燃烧生物氧化步骤一步式快速反应多步式梯级反应条件激烈温和催化剂无酶产能形式热、光大部分为 ATP能量利用率 低高生物氧化与普通氧化反应的区别一一. .化能异养微生物的化能异养微生物的生物氧化和产能微生物生物氧化的产能模式w生物氧化的过程： 脱氢（或电子） 递氢（或电子） 受氢（或电子）w生物

5、氧化的方式： 按照是否有最终外源电子受体可分为呼吸和发酵。w发酵发酵 没有任何外源的最终电子受体的生物氧化模式。w呼吸呼吸 有外源的最终电子受体的生物氧化模式。 呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸。（一）底物脱氢的四条途径（一）底物脱氢的四条途径葡萄糖糖（单葡萄糖糖（单糖）的降解糖）的降解w 葡萄糖 丙酮酸 途径-EMP、HMP、ED、PKw丙酮酸丙酮酸 ？产物？产物 进行各种发酵，一般以产物来命名。 如：丙酮酸 二氧化碳无氧条件下三羧酸循环有氧条件下底物脱氢的四种途径EMP途径HMP途径ED途径磷酸解酮酶途径 EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-

6、6-磷酸果糖-1，6- 二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+ NADH+H+aa :耗能阶段bb :产能阶段 EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH；桥梁；中间代谢产物；逆向合成多糖；与发酵产物有关。底物水平磷酸化底物水平磷酸化6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤藓糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOO

7、H C=O H-C-OHH-C-OHD CH2OP CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖 C=O H-C-OHH-C-OHH-C-OP HCH2OH H-C-OHH- C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖 C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OP HCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HMP途 径无氧进入EMP或形成己糖磷酸HMP（WD）途径从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。HMP途径与EMP途径有着密切

8、的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径， 磷酸戊糖支路。HMP途径的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HMP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；为自养微生物固定CO2的中介；扩大碳源利用范围；生产中可提供核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸等发酵产物。HMP途径不经EMP和TCA途径，将葡萄糖彻底氧化。多数微生物、动物、植物存在HMP，常与EMP 同存。wED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径，KDPG）ED途径ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的，还有荧光、铜绿、

9、林氏、真氧产碱菌，ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广，几种真菌有。是 EMP途径不完全的替代途径。ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在，丙酮酸有氧进TCA，无氧脱羧为乙醛，进一步还原为乙醇ED途径不如EMP途径经济，产能少。ED途径过程：葡萄糖 KDPG 甘油醛-3-磷酸丙酮酸丙酮酸EMPKDPG醛缩酶4、磷酸解酮酶途径 （1）磷酸戊糖解酮酶途径-PK （2）磷酸己糖解酮酶途径-HK 如：肠膜明串珠菌利用HK 途径将葡萄糖分解为乳酸和乙酸，利用PK途径将戊糖分解为乳酸和乙醇。5、TCA循

10、环糖酵解途径的产物中葡萄糖碳原子的分布糖酵解途径的产物中葡萄糖碳原子的分布（二）递氢和受氢w贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述4条途径脱氢后，通过呼吸链（或电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。w根据递氢特点及氢受体性质，把生物氧化区分为：呼吸和发酵两种类型。w109图5-111、呼吸作用根据反应中氢受体不同分为两种类型Microbiology有氧呼吸无氧呼吸1、呼吸作用、呼吸作用 （1）有氧呼吸）有氧呼吸 aerobic respiration 以分子氧作为最终电子（和氢）受体的生物氧化作用，称为有氧呼吸。w除糖酵解过程外，还包

11、括三羧酸循环和电子传递链两部分反应w需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行有氧呼吸。w化能异氧菌：w化能自养菌：w有氧呼吸中还存在两种形式： 一种是彻底氧化；如发酵面食的制作即利用了微生物的有氧呼吸 另一种是非典型的，底物被直接氧化。w有氧呼吸特点： 基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。 E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。 产能量多，一分子G净产38个ATP氧化磷酸化电子传递递氢体递氢体-H2还原态细胞色素-H2氧化态细胞色素1/2O2H2O脱氢酶氧化酶2H+NAD FAD Q细胞色素bca1a3基质-H2基质呼吸链respiratory c

12、hain电子传递连 electron transport chainw呼吸链： 由一系列氧化还原电势从低到高呈梯度差的链状排列的氢（或电子）传递体组成，其功能是把氢或电子传递。w呼吸链的位置w呼吸链传递电子的结果化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis)wP.Mitchell 1961年提出w 认为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的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，即形成质子动势。通过ATP酶的逆反应可把质子从膜外侧重新输回到膜内侧，同时合成ATP。F0F1ATP膜膜内膜外2H +ADP+ PiATP+H2O电子传递过

13、程中能量(ATP)产生机制化学渗透学说（1961，P.Mitchell） 1978Nobel 奖ADP+Pi膜内膜外ATPH+H+H2OaATPbH+H+cH+H+ADP电子传递过程中能量(ATP)产生机制构象变化偶联假说（1997，P.Boyer） 1997 Nobel 奖氧 化磷酸化释放能量与磷酸化过程相偶联 38ADT+38Pi 38ATPC6H12O6+6O2 6CO2+6H2O释放能量不与磷酸化过程相偶联C6H12O6+H2O+O2 C6H12O7+H2O2青霉氧化酶（2 2）无氧呼吸）无氧呼吸anaerobic respirationanaerobic respiration 指以

14、无机氧化物指以无机氧化物（如（如NONO3 3- -，NONO2 2- -，SOSO4 4- -，S S2 2O O3 3- -或或COCO2 2等）代替分等）代替分子氧作为最终电子受体子氧作为最终电子受体的生物氧化作用。的生物氧化作用。w一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下有无氧呼吸w无氧呼吸产生的ATP比有氧呼吸少。硝酸盐呼吸（反硝化作用）NON2亚硝酸还原细菌2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3基质-H2 基质辅酶辅酶-H2脱氢酶NO2-NO3-硝酸盐还原细菌一系列酶硫酸盐呼吸（sulfate respiration）反硫化作用 有些硫酸盐还原菌（反硫化细菌）

15、如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G)将底物脱下的氢经呼吸链传递给硫酸盐，使硫酸盐还原成H2S，并在递氢中与氧化磷酸化作用偶联而得ATP。反硫化细菌以次获得能量。w反硫化细菌为严格厌氧菌，如脱硫脱硫弧菌。 乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。 SO428H 4H2OS2 碳酸盐呼吸（甲烷生成作用） 能在氢等物质的氧化过程中，以CO2、 、重碳酸盐为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。据还原产物不同分为，产甲烷菌将CO2、 、重碳酸盐还原成甲烷，产乙酸菌将CO2、 、重碳酸盐还原成乙酸。 专性厌氧菌。CO2+4H2CH4+2H2O+ATP甲烷细菌特点

16、： 产甲烷细菌细胞壁不含肽聚糖 产甲烷DNA分子量比一般细菌少23倍 产甲烷细菌tRNA分子中的JC的T被U取代。 产甲烷细菌起始tRNA所携带的AA为甲硫氨 酸， 一般细菌为甲基甲硫氨酸。 无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。 Microbiologyw硫呼吸（sulphur respiration）：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。兼性或专性厌氧菌。w铁呼吸（iron respiration ）：兼性或专性厌氧菌（异养、自养、某些真菌）w最终电子受体为有机物：延胡索酸呼吸 延胡索酸+2H 琥珀酸 兼性厌氧菌。如埃希氏菌属、沙门氏菌属。 还有类似的以有机氧化物作无氧环境下

17、呼吸链的末端氢受体的例子，如甘氨酸（还原为乙酸）、二甲基亚砜（DMSO，还原为二甲基硫化物）、氧化三甲基胺（三甲基胺）。w无机物氧化：细菌：氢细菌、铁细菌、硫化细菌、硝酸盐细菌能源物质:氢气、 铁、硫或硫化物,氨或亚硝酸盐例：硫化细菌S2-+2H2O SO42-+189.9千卡S+3/2 O2+H2O SO42-+2H+139.8千卡2 2、发酵作用（、发酵作用（fermentation)fermentation)w（狭义的）在没有外源最（狭义的）在没有外源最终电子受体时，底物脱氢终电子受体时，底物脱氢后所产生的后所产生的HH不经呼吸链不经呼吸链传递而直接交某一内源性传递而直接交某一内源性中间

18、代谢物的一类生物氧中间代谢物的一类生物氧化作用叫发酵作用。化作用叫发酵作用。w电子供体和电子受体： 都是有机化合物的生物氧化作用。w通过底物水平磷酸化并提供ATP。 w发酵过程释放的能量：w各种微生物都能进行发酵模式的生物氧化，除进行无氧呼吸的厌氧微生物外，发酵作用是许多厌氧微生物取得能量的唯一方式。w需氧微生物在进行有氧呼吸的过程中也要经过发酵阶段，但在这种情况下，糖的利用速度要比无氧时慢。呼吸作用与发酵作用的比较w相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，形成NADH和FADH。w不同点： NADH和FADH上的电子和氢的去路不同。 消耗1分子葡萄糖产生的ATP数量不同。

19、发酵类型很多，这里只介绍与EMP、HMP、ED途径有关的几类重要发酵类型（1）由EMP途径的丙酮酸出发的发酵酵母酒精发酵正型乳酸发酵谢氏丙酸杆菌的丙酸发酵大肠杆菌进行的混合酸发酵，pH6.2产酸不产气丙酮酸甲酸裂解酶丙酮酸脱羧酶乳酸脱氢酶两分子丙酮酸缩合产气肠杆菌的2，3-丁二醇发酵 碱，氧化为二乙酰 与胍基成红色，V.P试验丁酸、丁醇、丙酮丁醇羧菌的丁酸型发酵（厌氧菌）硫解酶丙酮酸脱氢酶乙酰甲基甲酸大肠杆菌：VP阴性，M-R阳性（产酸pH4，甲基红黄变红）产气肠杆菌： VP阳性，M-R阴性pH5.3乙醇发酵酵母菌乙醇发酵:C6H12O6+2ADP 2C2H5OH+2ATP+2CO2+2H2O

20、极酸条件下的严格厌养菌如胃八叠球菌和肠杆菌也可通过EMP进行乙醇发酵（丙酮酸甲酸裂解酶而不是丙酮酸脱羧酶）。酵母酒精发酵酵母乙醇发酵的类型 条件条件 受氢体受氢体 ATP 主要产物主要产物 正常（脱羧） 乙醛 2 乙醇（同型酒精发酵，酵母一型发酵） 加亚硫酸氢钠 磷酸二羟丙酮 甘油（酵母二型发酵） pH7.6碱性条件 磷酸二羟丙酮 甘油、 乙醇 、乙酸（酵母三型发酵） 注意： 代谢的途径、条件、受氢体和产物的不同。 乳酸发酵 有三种类型： 同型、异型乳酸发酵，双歧发酵（途径不同） 一些能利用葡萄糖产酸的细菌称乳酸细菌。 乳酸脱氢酶 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产

21、酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵同型乳酸发酵途径3.混合酸发酵混合酸发酵 微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生物学过程。4.丁二醇发酵丁二醇发酵 微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少量的乳酸 、乙酸、二氧化碳、氢气等产物的代谢过程。区分大肠杆菌和产气杆菌的方法区分大肠杆菌和产气杆菌的方法wVoges-proskauer试验试验（V.P反应）反应） 将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，于37培养24小时，加入与培养基等量的VP试剂，置37保温30分钟，呈红色者为阳性，不呈红色者为阴性。 w VP反应结果： 产气杆菌为阳性,大肠杆菌 的为阴性w甲基红试

22、验（甲基红试验（M.R.反反应）应） 将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37培养48小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂, 呈红色者为阳性, 不呈红色者为阴性。wMR反应的结果： 大肠杆菌为阳性，产气杆菌为阴性5.丁酸发酵丁酸发酵 CoASH CoASH丙酮酸 乙酰辅酶A 乙酰乙酰辅酶A 乙酸 乙酰辅酶A 丁酰辅酶A 丁酸6.丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵 丙酮丁醇梭状芽孢杆菌 丙酮酸 乙酰辅酶A 乙酰乙酰辅酶A 丙酮 乙酰乙酸丙酮酸 丁酸 丁醛 丁醇 7.多元醇发酵多元醇发酵 ( 高渗酵母) 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖EMPHMP磷酸丙糖5-磷酸核酮糖乙醇+二氧化碳甘油D-阿拉伯糖醇（2）由HMP途径

23、的丙酮酸出发的发酵w异型乳酸发酵：葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵。w 经典：肠膜明串珠菌、发酵乳杆菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸+乙酸（或乙醇）乙酸（或乙醇）+CO2（Hk） 戊糖戊糖 乳酸乳酸+乙酸乙酸+H2O（PK）w双歧发酵途径：是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途径。2葡萄糖产2乳酸、3乙酸和5ATP途径：同型是EMP；异型是HMP异型乳酸发酵的经典途径（3）由ED途径的丙酮酸出发的发酵细菌酒精发酵(ED，运动单胞菌):C6H12O6+ADP 2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O 丙酮酸脱羧酶厌氧（4）氨基酸发酵产能-sticklan

24、d反应wstickland反应是以一种氨基酸作底物脱氢（即氢供体），而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。w产能效率低，1分子氨基酸只产1ATP。w少数厌氧梭菌，如肉毒梭菌w氢供体：苯丙氨酸、丙氨酸、组氨酸、色氨酸等w氢受体：甘氨酸、脯氨酸、色氨酸等（5）.发酵产物的类型及其发酵特点发酵产物的类型及其发酵特点w发酵类型： 偶联型、 部分偶联型、非偶联型；w划分的依据： 发酵产物形成的速度和菌体生长速度之间的关系。 .与生长偶联型产物的合成与生长偶联型产物的合成w菌体类： 菌体增加与碳源利用平行，且两者之间存定量关系。如酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌的培养。w糖类厌氧发酵 代谢产

25、物的积累与菌体增长平行，且与消耗碳源之间有准量关系。如酒精与乳酸发酵。酵母、酒精与乳酸发酵酵母、酒精与乳酸发酵.中间型产物合成中间型产物合成(部分偶联）部分偶联）w发酵特点 菌体生长速度减低或停止后产物较快合成。（生长也可能有第二个高峰。） 产量与碳源的消耗无准量关系，但产物往往是菌体氧化代谢的主流产物，所以产量一般均高。 如丙酮丁醇发酵，柠檬酸发酵。 丙酮丁醇、柠檬酸发酵丙酮丁醇、柠檬酸发酵.与生长不偶联型产物的合成与生长不偶联型产物的合成w发酵特点： 菌体生长速度减低或停止后产物较快合成。 产量与碳源的消耗无准量关系，产量远低于消耗碳源的量，如抗生素和维生素的合成核黄素和链霉素发酵实验七

26、合成培养基中不同葡萄糖浓度、NH4Cl浓度、pH对大肠杆菌生长的影响w大肠杆菌培养基： 葡萄糖5g， （NH4）H2PO41g， MgSO47H2O 0.2g, K2HPO41g, NaCl 5g, 水1000ml, pH 7.07.2wNH4Cl浓度:将培养基中（NH4）H2PO41g改为KH2PO4 1g, NH4Cl分别为0.1, 0.5, 0.9, 1.3, 1.7 g/1000mlw葡萄糖浓度: 1, 3, 5, 7, 9 g/1000mlwpH分别为5, 6, 7, 8, 9w配置培养基、调pH，灭菌，接种，培养、结果检测、结果分析二、自养微生物产ATP和产还原力wATP和还原力产

27、生: 化能无机自养型微生物：从氧化磷酸化获得能量，并花费一大部分ATP逆呼吸链传递的方式把无机氢转变为还原力H。 光能自养型微生物： ATP是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力H则是直接或间接利用这些途径产生的wATP和还原力去向： 主要用于CO2固定，主要通过Calvin循环，乙酰-CoA途径，还原性TCA途径，羟基丙酸途径固定CO2 。氨的氧化氨的氧化硫的氧化硫的氧化铁的氧化铁的氧化氢的氧化氢的氧化（一）化能自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化 Microbiology 无机底物不仅为最初能源，有的可为无机氢供体。无机底物不仅为最初能源，有的

28、可为无机氢供体。硝化细菌的能量代谢（硝化细菌的能量代谢（氨的氧化氨的氧化）NH3 NO2亚硝酸菌NO2 NO3硝 酸 菌NH3+1.5 O2 NO2 +H2O + H+ + 65.1 NO2-+0.5O2 NO3 + 18.1NO2- + H2ONO3 - + 2H2e -细胞色素a 1细胞色素a30.5O2+2H+H2O硝化细菌分两类：亚硝化细菌或氨氧化细菌或亚硝酸细菌硝化细菌分两类：亚硝化细菌或氨氧化细菌或亚硝酸细菌；硝化细菌或亚硝酸氧化细菌或硝酸菌；硝化细菌或亚硝酸氧化细菌或硝酸菌硫细菌的硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）能量代谢（硫的氧化）H2S + 0.5 O2 S + H2O + 能量

29、能量MicrobiologyS+1.5 O2 + H2O SO4 +2H+ 能量能量氢细菌的氢细菌的 能量代谢（氢的氧化）能量代谢（氢的氧化）H2+0.5 O2 H2O + 能量用途:用于生产单细胞蛋白Microbiologyw化能自养微生物与异养微生物相比的能量代谢比的三个特点：脱氢酶或氧化还原酶催化无机底物脱氢或脱电子直接进入呼吸链，不需逐级脱氢，呼吸链组分更多样化，产能效率一般低于化能异养微生物。w因还原态的无机物氧化还原电位不同，在其氧化时，都必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链。所以化能自养微生物呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率（P/O比），如氧化1分子的氨，只产生2ATP。而固

30、定CO2要大量耗能。化能自养微生物产能效率、生长速率、生长得率都较低。（一）光能自养微生物的产能代谢（一）光能自养微生物的产能代谢w光能营养生物：藻类、植物、蓝细菌、光合光能营养生物：藻类、植物、蓝细菌、光合细菌、嗜盐菌细菌、嗜盐菌能量转化底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)光合磷酸化( photophosphorylation)MicrobiologyMicrobiology底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)底物水平磷酸化既存在于发酵过程中

31、也存在于呼吸过程中。物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。Microbiology光合磷酸化( photophosphorylation)嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化环式光合磷酸化环式光合磷酸化代 表 微 生 物光合作用部位光合作用特点红螺菌科、红硫菌科、绿硫菌科，不产氧光合作用菌绿素由光反应和暗反应组成,只有一个光反应系统不放氧。 Microbiology1、环式光合磷酸化环式光合磷酸化cyclic photophosphorylationCy

32、t.bc1e-e-e-e-QABphCyt.c2QBQ库e-P870*P870e-外源电子供体H2S等ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆电子传递环式光合磷酸化的光反应环式光合磷酸化的暗反应2光能转变的化学能CO2有机物ATPNADH2Microbiologyw光合细菌的循环光合磷酸化产能反应的特点： 电子传递方式属循环式，只有一个光反应系统，有光反应和暗反应，其间产生ATP。产能与产还原力分别进行还原力来自H2S或有机供氢体，不是水不产氧e-QAPhQBQ库FdFpe-e-e-Fe.SADP+PiATPe-叶绿素a 叶绿素a+e-叶绿素b 叶绿素b+H201/202Mn2

33、+2H+e-NADPH+H+Cyt.bc1ADP+PiATPPC2、非环式光合磷酸化non-cyclic photophosphorylation非环式光合磷酸化特点非环式光合磷酸化特点两个光反应系统产还原剂NADH2光合系统，产ATP和O2（光合系统）Microbiology电子传递属非循环式的在有氧条件下进行3、嗜盐菌紫膜光合磷酸化、嗜盐菌紫膜光合磷酸化w嗜盐菌：有氧时氧化磷酸化获能。嗜盐菌：有氧时氧化磷酸化获能。 O2浓度低时（无氧），若光适宜，浓度低时（无氧），若光适宜，能合成紫膜，并利用光能造成的紫膜蛋白上能合成紫膜，并利用光能造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至视

34、黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动由它来推动ATP酶合成酶合成ATP，即为光介导，即为光介导ATP合成机制（紫膜光合磷酸化）。合成机制（紫膜光合磷酸化）。紫膜光合磷酸化紫膜光合磷酸化（photophosphorylation by purple membrance）ATP酶紫 膜H+H+H+-+-细胞壁 红 膜 （类胡萝卜素等）H+ADP+PiATP（细菌视紫红质）PNH+N+PN PNH+P顺式膜外膜内紫膜反式H+H+紫膜光合磷酸化紫膜光合磷酸化H+ADP+PiATP第二节分解代谢和合成代谢的联系w两者密

35、不可分，有12种中间代谢物联接，合成代谢消耗的分解代谢的中间代谢物由两用代谢途径和代谢回补顺序的方式补充。w乙醛酸循环为某些微生物所特有，异柠檬酸异柠檬酸裂合酶分解为乙醛酸和琥珀酸，乙醛酸在苹果酸合酶催化下与乙酰Co-A形成苹果酸。醋杆菌属、固氮菌属、产气杆菌属、荧光假单胞菌属、红螺菌属；酵母菌、青霉属、曲霉属。w自学第三节 微生物独特合成代谢途径一、自养微生物的CO2固定 自养微生物生物氧化获得的能量用于CO2固定。微生物中有四条途径。即： 1、Calvin循环：化能自养、光能自养微生物CO2固定主要途径。 2、厌氧乙酰-CoA途径：非循环式，产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌。3、还原性（逆

36、向）TCA途径 绿菌属的一些绿色硫细菌。4、羟基丙酸途径固定CO2 绿弯菌属的一些绿色硫细菌，在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时特有的固定CO2机制。Microbiology其他耗能反应运动运输发光二、生物固氮 生物固氮：大气氮经微生物固氮酶催化成氨的过程。原核。（一）固氮微生物：134，自生、共生、联合（二）固氮的生化机制 钼铁蛋白、铁蛋白 1、 生物固氮6要素：135 2、测定固氮酶活力的乙炔还原法 2H+ + 2e- H2 C2H2 C2H4(三）好氧菌固氮酶避氧害机制生物固氮（biological nitrogen fixation）固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成Microbiol

37、ogy固氮作用生化机制好氧菌固氮酶避氧害机制固氮微生物(nitrogen fixing organisms ,diazotrophs）Microbiology自生固氮菌好氧自生固氮菌固氮菌属 巴氏芽孢梭菌厌氧自生固氮菌兼性厌氧自生固氮菌联合固氮菌 根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物共生固氮菌满江红鱼腥藻根瘤植物豆科植物地衣根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌形态根瘤菌特点根瘤的形成感染性专一性有效性根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛弯曲松驰变软根瘤菌侵入根毛根瘤形成地衣满江红鱼星藻固氮的生化途径Microbiology固氮的生化机制生物固氮反应的6要素测定固氮酶活力的乙方法固氮酶的

38、产氢反应固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物 N2镁离子严格的厌氧微环境固二氮酶（dinitrogenase）（组份）固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）（组份）ATPADP+P电子来源丙 酮 酸(Fe4S4)2.2e- Fd.2e- Fd (Fe4S4)2 FeMoCo.2e- FeMoCo 2NH3N2固氮的生化途径（自生固氮菌）2NH3+H2+1824ADP+1824PiN2+8H+1824ATP氧障.N NMoMo + HMoNNMoFdFd.还原剂ADP+Pi Mg2+ATP-MgATP-MgATP Mg2+Mo Mo2NH3底物能量产物N N自生

39、固氮菌固氮的生化途径细节三、肽聚糖的生物合成第四节微生物的代谢调节 微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高度协调地进行及其复杂的新陈代谢反应。w代谢调节的方式： 调节细胞膜对营养物质的透性 调节酶的定位以限制它与相应底物的接触 调节代谢流*一一.物质代谢的相互关系物质代谢的相互关系 P306-308 微生物氨基酸与丙酮酸、乙酰辅酶A和TCL环中间产物的关系碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢途径之的关系二. 微生物代谢调节的部位1.原核微生物原核微生物 细胞膜， 酶， 酶与底物相对位置；2.真核微生物真核微生物 细胞膜与细胞器膜， 酶， 酶与底物的

40、相对位置及间隔状况；3.微生物酶的调节微生物酶的调节w对酶的产生和降解的调节w对已经存在的酶的活性的调节（1）酶合成的的调节酶合成的的调节组成酶： 是一类对环境不敏感的酶，这类酶在细胞内的合成量相对比较稳定。适应酶： 是一类对环境敏感的酶，它们响应环境条件而合成或终止合成。w酶合成调节机制 诱导和阻遏：操纵子假说 操纵子(启动基因、操纵基因、结构基因 ) 调节基因 效应物 调节蛋白适应酶又可分为诱导酶和阻遏酶酶w诱导酶诱导酶 只有当其分解底物或有关诱导物存在时才，会合成的酶。w机制 诱导物与一种调节基团编码的活性的阻遏物可逆地结合，从而解除后者对该酶结构基团的转录的阻塞。阻遏酶（阻遏酶的合成作

41、用） 分解代谢物阻遏分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。 末端产物阻遏末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。例如：葡萄糖对乳糖诱导酶的阻遏作用n半乳糖操纵子半乳糖操纵子（诱导） 3 ，5单磷酸腺苷酸 复合物cAMP-CRP激活启动子，RNA多聚酶才能与启动子结合。 葡萄糖能降低cAMP在胞内的浓度，因而阻遏了诱导酶的合成（2）酶活性的调节酶活性的调节w酶活性调节是指一定数量的酶，通过其分子构象或分子结构来调节其催化反应的速率。w影响酶活性的因素w酶活性的调节方式 变构调节 修饰调节w调节酶特点： 由两个或两

42、个以上亚基组成， 每个酶分子至少有一个具有活性中心和一个调节中心， 某些只由一条多肽链组成的酶则只存在催化部位和调节部位。变构酶变构酶 通常是某一代谢途径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。 它属于调节酶，有一个催化中心和一个调节中心。共价调节酶共价调节酶 通过修饰酶催化其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶活化或抑制。例如： 真核细胞中丙酮酸脱氢酶 磷酸化 去磷酸化 高活性状态 低活性状态 变构调节（激活和抑制）激活激活： + 激活剂 无活性形式 活性形式抑制抑制：底物酶酶（3）能荷对酶活力的调节）能荷对酶活力的调节 能荷是一个人为设定的、能表示

43、细胞能量状态的参数，它是产生或利用高能磷酸根的代谢途径的主要调节因素。巴斯德效应： 在有氧情况下，由于呼吸作用，酒精 产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。能荷能荷=ATP+1/2ADPATP+ADP+AMP 通氧ATP柠檬酸能荷异柠檬酸脱氢酶活性磷酸果糖激酶活性6磷酸葡萄糖基团移位吸收葡萄糖速率(4)阻尼阻尼(attenuation)氨基酸生物合成途径中的酶的合成受相应的氨基酰-tRNA浓度的控制当有过量的氨基酰-tRNA存在时，转录仍被引发，但在第一个结构基因被转录之前即终止转录。 阻遏控制的是转录的发动 阻尼控制的是结构基因的转录的终止(5)通过rRNA实现的调控 酶的转译受rRNA形成的

44、控制某一氨基酸缺乏PPGPP合成rRNA合成受阻核糖体水平低酶的转译减慢激活该氨基酸合成的操纵子、酶蛋白等4.微生物膜的调节微生物膜的调节w发酵工业上用的菌株对细胞膜透性的要求： 容许营养物质进入细胞， 对中间产物的透性不大， 目的产物形成后可以尽快透过细胞膜进入环境。w对膜本身的调节 谷氨酸发酵 菌株：生物素缺陷型（VH- ） 限量添加生物素 过量添加生物素，异柠檬酸裂合酶几乎没有活性。 饱和脂肪酸及其衍生物对生物素有拮抗作用w细胞壁对透性的影响限量添加青霉素 在对数期添加，能触发随后的谷氨酸的分泌。5. 微生物代谢调节模式微生物代谢调节模式分支合成途径调节w分支途径中的反馈抑制 协同反馈抑制 合作反馈抑制 累积反馈抑制 顺序反馈抑制 同功酶三三.代谢的人工控制及其发酵工业上的应用代谢的人工控制及其发酵工业上的应用w代谢的人工控制： 人为地打破微生物细胞内代谢的自动调节，使细胞的代谢朝人们所希望的方向进行。1.遗传学的方法遗传学的方法w应用特定的营养缺陷型菌株w应用抗反馈调节突变株，即结构类似物抗性突变株1、应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节核糖-5-磷酸肌苷酸 C.glutamicum的IMP合成途径和代谢调节核糖-5-磷酸 焦磷酸核糖胺-5-磷酸腺苷酸琥珀酸 腺苷酸 黄苷酸 鸟苷酸 1212131415谷氨酸棒杆菌中筛选谷氨酸棒杆菌中筛选Hser- 突变株