理学环境微生物微生物代谢

1、会计学1理学环境微生物微生物代谢理学环境微生物微生物代谢2代谢（代谢（metabolism）：）：细胞内发生的各种化学反应的总称。细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢代谢分解代谢分解代谢 (catabolism)合成代谢合成代谢 (anabolism)分解代谢分解代谢复复 杂杂 分分 子子（有机物）（有机物）简单分子简单分子ATPH合成代谢合成代谢+34Adenine (blue)Ribose (black)Triphosphate (red)5Structures of the oxidized forms of nicotinamide-derivedelectron carriers.

2、Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) are prominent carriers of high-energy electrons. In NAD, R=H; in NADP, R=PO32-脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶6Structure of the oxidized form of flavin adenine dinucleotide (FAD). This electron carrier consists of a flavin mono

3、nucleotide (FMN) unit (shown in blue) and an AMP unit (shown in black).7一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能 微生物的生物氧化本质是氧化还原反应，这过程中微生物的生物氧化本质是氧化还原反应，这过程中有有能量能量的产生和转移、的产生和转移、还原力还原力H的产生、的产生、小分子中小分子中间代谢物间代谢物的产生。的产生。 微生物产生各种能量如电能、化学能、机械能、光微生物产生各种能量如电能、化学能、机械能、光能等。在所产生的能量中，一部分变为热量丧失，一能等。在所产生的能量中，一部分变为热量丧失，一部分供给合成反

4、应和生命活动，另一部分贮存在部分供给合成反应和生命活动，另一部分贮存在ATP中。中。 微生物的能源主要包括有机物、无机物和日光，能微生物的能源主要包括有机物、无机物和日光，能量代谢的主要内容就是研究微生物如何利用这三类能量代谢的主要内容就是研究微生物如何利用这三类能源转化为源转化为ATP的。的。8ATP的生成方式有：的生成方式有：1、基质（底物）水平磷酸化、基质（底物）水平磷酸化：厌氧或兼性厌氧微生物在基：厌氧或兼性厌氧微生物在基质氧化过程中，产生一个含有高能键的中间物，将高能键质氧化过程中，产生一个含有高能键的中间物，将高能键转移到转移到ADP，成为，成为ATP，如，如1，3-二磷酸甘油酸和

5、磷酸烯醇二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。式丙酮酸。2、氧化磷酸化：、氧化磷酸化：是主要的能量来源。氧化磷酸化作用是将是主要的能量来源。氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移形成高能生物氧化过程中释放出的自由能转移形成高能ATP的作用的作用，能量的转移通过电子传递链实现，能量的转移通过电子传递链实现，ATP的生成基于与电的生成基于与电子传递相偶联的磷酸化作用。子传递相偶联的磷酸化作用。 氧化磷酸化的全过程可表示为：氧化磷酸化的全过程可表示为： NADH + H+ +3ADP + 3Pi +1/2O2 NAD+ + 4H2O + 3ATP9电子传递链电子传递链：由：由NAD或或NADP

6、、FAD或或FMN、辅酶、辅酶Q、细、细胞色素胞色素b、c、a、a3组成。组成。 电子传递链的位置，原核生物中电子传递链与细胞质膜电子传递链的位置，原核生物中电子传递链与细胞质膜相连，真核微生物在线粒体上。相连，真核微生物在线粒体上。 基本功能基本功能：a、接受电子供体释放出的电子，电子沿各组、接受电子供体释放出的电子，电子沿各组分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；b、合成、合成ATP。10电子受体电子受体电子供体电子供体11123、光合磷酸化、光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生电

7、子，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。的过程叫光合磷酸化。 非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化：光照后，激发态叶绿素分子从：光照后，激发态叶绿素分子从H2O得到电子传递给得到电子传递给NADP+，经过电子传递链后产生，经过电子传递链后产生ATP：2H2O + 2NADP+ + 2ADP + 2Pi 2NADPH + 2H+ + 2ATP + O2 环式光合磷酸化环式光合磷酸化中电子循环流动，整个过程中只有中电子循环流动，整个过程中只有ATP的产生不伴随的产生不伴随NADPH的生成，不产生的生成，不产生O2。13 产能（产能（ATP）生物氧化的功能：生物氧化的功能： 产还原力产还原力H

8、 产小分子中间代谢物产小分子中间代谢物二、化能异养微生物的生物氧化与产能代谢二、化能异养微生物的生物氧化与产能代谢 好氧呼吸好氧呼吸生物氧化的三种类型：生物氧化的三种类型：厌氧呼吸厌氧呼吸 发酵发酵142.厌氧呼吸3.发酵作用电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程。不彻底氧化，放能最少。以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，如NO2-、 NO3-、 SO42-、 CO32-及CO2等。不需要氧气，放能多。15(一一) 葡萄糖代谢途径葡萄糖代谢途径(EMP、HMP、ED、PK途径等途径等)1、EMP途径途径2、HMP途径途径3、ED途径途径4、磷酸酮解途径（、磷酸

9、酮解途径（Phosphoketolase pathway)生物体内生物体内葡萄糖降解成丙酮酸葡萄糖降解成丙酮酸的过程的过程16 1. EMP途径（途径（Embden-Meyerhof-Parnas Pathway）即即糖酵解糖酵解 (Glycolysis) 途径，指在细胞质中分解葡萄糖生成途径，指在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成进入三羧酸循环，生成CO2

10、和和H2O。 176碳阶段碳阶段无氧化还原反应无氧化还原反应无无ATP生成生成耗能耗能3碳阶段碳阶段氧化还原反应氧化还原反应合成合成ATP产能产能186碳阶段碳阶段无氧化还原反应无氧化还原反应无无ATP生成生成耗能耗能193碳阶段碳阶段氧化还原反应氧化还原反应合成合成ATP产能产能2021 EMP途径反应总反应式：途径反应总反应式：C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2ATP + 2NADH + 2H+2H2OC62C3耗能阶段耗能阶段产能阶段产能阶段2ATP4ATP2ATP还原力还原力2NADH + H+2 丙酮酸丙酮酸22EMP途径的生理功能

11、途径的生理功能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；连接其它代谢途径（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。23 丙酮酸丙酮酸是各种微生物糖酵解的产物，是各种微生物糖酵解的产物，如果进一步发酵，可形成多种产物。因如果进一步发酵，可形成多种产物。因此，有可将发酵分为很多类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸发酵此，有可将发酵分为很多类型：如乙醇发酵；混合酸发酵等。其中，混合酸发酵是多数大肠杆菌的特征。是多数大肠杆菌的特征。24 2. HMP途径（途径

12、（戊糖磷酸途径）戊糖磷酸途径） (Hexose Monophosphate Pathway)Pentose Phosphate Pathway2526HMPHMP途径：途径：葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮磷酸戊糖经转酮转醛酶系催转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途

13、径的一些酶，进一步转化途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸，称为为丙酮酸，称为不完全不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），称和水），称完完全全HMPHMP途径。途径。27HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2 ；核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产

14、生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。HMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段281. 葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2. 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3. 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMP296 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi30为核苷酸和核酸的生物合成提供戊

15、糖-磷酸；产生大量NADPH，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量；与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系；途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成；途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛；通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等；HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。313. ED途径途径又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG

16、）裂解途径。）裂解途径。1952年在年在Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中中发现，后来证明存在于多种细菌中（革（革兰氏阴性菌中分布较广）兰氏阴性菌中分布较广）。 ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独存在，途径而单独存在，是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。32 ATP ADP NADP+ NADPH2葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸 激酶激酶 （与与EMP途径连接途径连接） 氧化酶氧化酶 (

17、与与HMP途径连接途径连接) EMP途径途径 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 脱水酶脱水酶 2-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 醛缩酶醛缩酶 有氧时与有氧时与TCA连接连接 无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵 33ED途径途径特征性化合物特征性化合物： （KDPG） 2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸特征性酶特征性酶：KDPG醛缩酶醛缩酶特征性反应特征性反应：KDPG裂解为丙裂解为丙酮酸和酮酸和3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛代谢产物代谢产物：2 丙酮酸丙酮酸 1 ATP 1 NADH 1 NADPHGlycolytic pathway34反应步骤简单，产

18、能效率低反应步骤简单，产能效率低；此途径可与此途径可与EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。乙醇发酵。354.磷酸酮解途径磷酸酮解途径Phosphoketolase pathway，PK途径途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为进行磷酸酮解途径的

19、微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种： 磷酸戊糖酮解途径（磷酸戊糖酮解途径（PK）途径）途径 磷酸己糖酮解途径（磷酸己糖酮解途径（HK）途径）途径 36磷酸戊糖酮解磷酸戊糖酮解核酮糖 5-P木酮糖 5-P磷酸戊糖酮解酶异构化作用ATP、NADH的产生？37分解分解1分子葡萄糖只产生分子葡萄糖只产生1分子分子ATP，相当于，相当于EMP途径的一半途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO238 2葡萄糖葡萄糖 2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸6-磷酸果糖磷酸果糖 6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤

20、藓糖赤藓糖 乙酰磷酸乙酰磷酸2木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸2甘油醛甘油醛 -3-磷酸磷酸 2乙酰磷酸乙酰磷酸2乳酸乳酸2乙酸乙酸乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶39v概念：概念：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物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直接交给脱氢后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的一类低效产能反应。在一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来，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

21、式。生产有用代谢产物的一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有能途径主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v发酵类型：发酵类型：根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。发酵、及乙酸发酵等。(二二) 发酵作用发酵作用40酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物（一）乙醇发酵（一）乙醇发酵411. 乙醇发酵乙醇发酵 Ethan

22、ol fermentationPyruvate + NADHEthanol + NAD+ + CO2Ethanol a metabolic end productToxic to cellsProvides reoxidation of NADH to NADCarbon lost42 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶概念概念菌种菌种途径途径特点特点发生条件发生条件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。43当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇

23、发酵会改为当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发甘油发酵酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分分子乙醛间发生歧化反应，生成子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和分子乙醇和1分子乙酸；分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+ 此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下磷酸甘油醛脱下的氢而生成的氢而生成 -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经 -磷酸甘油酯酶催化，生磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。

24、成甘油。2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO24445v酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6+2ADP+2Pi 2C+2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸

25、乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATPv细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATP脱羧酶脱羧酶脱氢酶脱氢酶同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵的发酵46优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成少 代谢副产物少；发酵温度高；缺点：PH=5较易染菌；耐乙醇力较酵母低47乳酸细菌能利用葡

26、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。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵: : （经（经PKPK途径途径磷酸己糖解酮酶途磷酸己糖解酮酶途径径） 2. 乳酸发酵乳酸发酵 48葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛

27、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2NAD+ 2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点49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酰磷酸NAD+ NADHNAD+ NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H概念概念菌种菌种途径途径特点特点-CO2HMP 途径50类型途径 产物产能/葡萄糖

28、菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii异型HMP 1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较51v概念概念：埃希埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属等通过属等通过EMP途径将葡萄糖途径将葡萄糖转变成琥珀酸转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、乙醇、乙酸、H2和和CO2等等多种代谢产物多种代谢产物，含有多种有，含有多种有机酸，故称为机酸，故称为混合酸发酵。混合酸发酵。v发酵途径：发酵途径： 葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸 草酰乙酸草酰

29、乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH6.23. 混合酸发酵混合酸发酵 52 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇CO2 H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：概念：肠杆菌肠杆菌、沙雷氏菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属和欧文氏菌属中的一些细菌中的一些细菌具有

30、具有 -乙酰乳乙酰乳酸合成酶酸合成酶系而系而进行丁二醇发进行丁二醇发酵。酵。发酵途径：发酵途径：EMP4. 2,3-丁二酸发酵丁二酸发酵 53鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基蛋白胨中精氨酸的胍基结合）（与培养基蛋白胨中精氨酸的胍基结合）红色化合物红色化合物-CO254v产酸产气试验：产酸产气试验： Escherichia与与Shigella在利用葡萄糖进在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者

31、则因无此酶，不具有产气的能力。，后者则因无此酶，不具有产气的能力。v甲基红试验甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌： pH4.555甲基红试验甲基红试验: 甲基红是甲基红是pH指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸较多，较多，pH可低至可低至4.2，

32、用甲基红指示剂可显示出来，而丁，用甲基红指示剂可显示出来，而丁二醇是中性化合物，反应阴性。二醇是中性化合物，反应阴性。阳性阳性阴性阴性对照对照大肠杆菌：大肠杆菌：+产气杆菌：产气杆菌：-56（三）好氧呼吸（三）好氧呼吸 当存在外在的最终电子受体当存在外在的最终电子受体分子氧分子氧时，底物可时，底物可全部氧化成二氧化碳和水，产生全部氧化成二氧化碳和水，产生ATP，这一氧化作用称，这一氧化作用称为好氧呼吸（或呼吸作用）。为好氧呼吸（或呼吸作用）。 在好氧呼吸过程中，底物在氧化过程中释放的电子在好氧呼吸过程中，底物在氧化过程中释放的电子转移给转移给NAD，NAD还原成还原成NADH2，电子转移到电子

33、传，电子转移到电子传递链最终传递给递链最终传递给O2，生成，生成H2O。 在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：a、经、经EMP途径酵解，形成中间产物途径酵解，形成中间产物丙酮酸丙酮酸；b、丙酮酸通过、丙酮酸通过TCA循环彻底氧化。循环彻底氧化。57TCA循环：也称柠檬酸循环。由丙酮酸乙酰化形成循环：也称柠檬酸循环。由丙酮酸乙酰化形成乙酰乙酰CoA，乙酰，乙酰CoA进入三羧酸循环，被彻底氧化为进入三羧酸循环，被彻底氧化为CO2、H2O。乙酰。乙酰CoA是一个重要的中间产物，它的乙酰基与草是一个重要的中间产物，它的乙酰基与草酰乙酸结合生成柠檬酸。

34、酰乙酸结合生成柠檬酸。58Overview of the citric acid cycle. The citric acid cycle oxidizes two-carbon units, producing two molecules of CO2, one molecule of GTP, and high energy electrons in the form of NADH and FADH2.59 1mol丙酮酸经丙酮酸经TCA产生产生3molCO2。 好氧呼吸中好氧呼吸中1mol 葡萄葡萄糖分子氧化分解可得到糖分子氧化分解可得到38mol ATP（4NAD3+1FAD2+1G

35、TP2+2ATP+1NADP3），利用，利用能量的效率大约是能量的效率大约是42%，其余的能量以热的形式散发掉。，其余的能量以热的形式散发掉。60葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别61好氧呼吸：好氧呼吸：外源性呼吸外源性呼吸微生物利用外界供给的能源进行呼吸；微生物利用外界供给的能源进行呼吸；内源性呼吸内源性呼吸利用自身内部贮存的能源物质（如多糖、脂肪、利用自身内部贮存的能源物质（如多糖、脂肪、PHB等）进行呼吸，等）进行呼吸，呼吸速度取决于细胞的原有营养水平。呼吸速度取决于细胞的原有营养水平。 好氧呼吸能否进行取决于氧的体积分数是否达到好氧

36、呼吸能否进行取决于氧的体积分数是否达到0.2%，低于此不能进行。，低于此不能进行。62（四）厌氧呼吸（四）厌氧呼吸厌氧呼吸中最终电子受体不是氧而是厌氧呼吸中最终电子受体不是氧而是无机化合物无机化合物如如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及及CO2等。氧化底物是有机物如葡萄糖、乙酸、乳酸，被氧化为等。氧化底物是有机物如葡萄糖、乙酸、乳酸，被氧化为CO2，产生，产生ATP。氧化态有机物如氧化态有机物如延胡索酸延胡索酸可作为最终电子受体。可作为最终电子受体。631、以以NO3-作为最终电子受体作为最终电子受体 供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是供氢体可以是葡萄糖、乙酸、甲醇等有

37、机物，也可以是H2和和NH3。NO3-接受电子后变成接受电子后变成NO2-、N2的过程叫脱氮作用，的过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或也叫反硝化作用或硝酸盐还原作用硝酸盐还原作用，能进行硝酸盐还原的细，能进行硝酸盐还原的细菌通常称为硝酸盐还原细菌菌通常称为硝酸盐还原细菌.脱氮作用分两步：a、NO3- NO2-（硝酸还原酶）；b、NO2- N2 有机物生物氧化时产生的有机物生物氧化时产生的NADH2、FADH2中的中的H2通过通过硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给NO3-、NO2-、NO、N2O使相应化学物质还原。由于使相应化学物质还原。由于NO2-/ NO3-氧化还

38、原电位氧化还原电位较低，比较低，比H2O/1/2O2低得多，因此电子通过上述的电子传低得多，因此电子通过上述的电子传递链只能产生递链只能产生2个个ATP。642、以以SO42-为最终电子受体为最终电子受体 某些某些硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌如脱硫弧菌以有机物作为氧化的基如脱硫弧菌以有机物作为氧化的基质，释放的电子可使质，释放的电子可使SO42-还原为还原为H2S。硫酸盐还原菌不。硫酸盐还原菌不以葡萄糖而是其他细菌的发酵产物主要是乳酸为生物氧以葡萄糖而是其他细菌的发酵产物主要是乳酸为生物氧化基质，氧化不彻底，积累乙酸。化基质，氧化不彻底，积累乙酸。2CH3CHOHCOOH + 2H2O 2CH3C

39、OOH + CO2 + 8（H）SO42- + 8（H） S2- + 4H2O 当当SO42-还原为还原为H2S时，通过电子传递链产生时，通过电子传递链产生ATP，其，其呼吸链只有细胞色素呼吸链只有细胞色素C。65 3、以、以CO2和和CO为最终电子受体为最终电子受体碳酸盐还原（甲烷生碳酸盐还原（甲烷生成）成） 这是这是产甲烷细菌产甲烷细菌的特点。产甲烷细菌都能以的特点。产甲烷细菌都能以CO2为碳源为碳源，利用甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、，利用甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、H2等作为供氢体，将等作为供氢体，将CO2还原还原CH4。 CO2在甲酰在甲酰-MFR脱氢酶作用下获得脱氢酶作用下获得2个电子，首先

40、与个电子，首先与MFR反应生成甲酰反应生成甲酰-MFR，而后甲酰基转移到四氢甲烷喋，而后甲酰基转移到四氢甲烷喋呤，形成呤，形成CHO-H4MPT，第二步是水解脱氢得到，第二步是水解脱氢得到CH2=H4MPT，还原得到，还原得到CH3-H4MPT，在辅酶，在辅酶M参与下，参与下，甲基移到辅酶甲基移到辅酶M上形成上形成CH3-S-CoM，最后还原酶将甲基还，最后还原酶将甲基还原得到原得到CH4。6667三、微生物发光现象三、微生物发光现象明亮发光杆菌68发光细菌含有虫荧光素酶和长链脂肪族醛（如月桂醛）。发光细菌含有虫荧光素酶和长链脂肪族醛（如月桂醛）。发光过程包括电子传递和能量转移。发光过程包括电

41、子传递和能量转移。 发光细菌的发光过程是一种发光细菌的发光过程是一种光呼吸过程光呼吸过程，是电子传递链，是电子传递链上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，FMNH2充当反充当反应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光酶构造的酶构造的“修饰修饰”作用。萤光酶通过分子氧催化作用。萤光酶通过分子氧催化FMNH2和脂肪醛和脂肪醛(RCHO)的氧化，产生磷光。的氧化，产生磷光。69 发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量

42、氧。很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量氧。发光细菌对一些毒物很敏感。发光细菌对一些毒物很敏感。 外界条件和培养基成分外界条件和培养基成分pH，温度，氧浓度变化会，温度，氧浓度变化会影响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，影响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，抗生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，抗生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，故采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是故采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是可能的。可能的。 70Acute toxicity assay using bioluminescent bacteriaA simpl

43、e method for toxicity screeningViability assessment 7172一、产甲烷菌的合成代谢一、产甲烷菌的合成代谢 产甲烷菌利用产甲烷菌利用C1和和C2有机物产生有机物产生CO2、CH4，利用，利用其中间代谢产物和能量物质其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、合成蛋白质、多糖、脂肪、核酸等。脂肪、核酸等。 特点特点：1、产甲烷细胞需要、产甲烷细胞需要ATP较异养菌少，大约是一半较异养菌少，大约是一半2、产甲烷菌产能量低，以、产甲烷菌产能量低，以H2/CO2为基质产生为基质产生CH4131KJ，以乙酸为基质产生，以乙酸为基质产生CH432.5K

44、J3、能利用外源、能利用外源ATP催化自身反应产生大量内源催化自身反应产生大量内源ATP合成代谢三要素合成代谢三要素小分子物质、还原力、小分子物质、还原力、ATP73二、生物固氮二、生物固氮 微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮 具有固氮作用的微生物近具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌 根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类 自生固氮菌自生固氮菌共生固氮菌共生固氮菌 联合固氮菌联合固氮菌 74a.自生固氮菌自生固氮菌一

45、类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物自自生生固固氮氮菌菌好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等75b.共生固氮菌共生固氮菌必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物共共生生固固氮氮菌菌非豆科：弗兰克氏菌属等非豆科：弗兰克氏菌属等满江红：满江红鱼腥满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等蓝细菌等根根瘤瘤豆科植物：根瘤菌属等

46、豆科植物：根瘤菌属等植植物物地衣：鱼腥蓝细菌属等地衣：鱼腥蓝细菌属等76c. 联合固氮菌联合固氮菌 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物联联合合固固氮氮菌菌根际根际：生脂固氮：生脂固氮 螺菌芽胞杆菌属等螺菌芽胞杆菌属等叶面叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等771固氮反应的条件固氮反应的条件 ATP 还原力还原力H及其载体及其载体 固氮酶固氮酶 镁离子镁离子 厌氧微环境厌氧微环境 底物底物N2 78三、化能自养型微生物的合成代谢三、

47、化能自养型微生物的合成代谢1、亚硝化细菌亚硝化细菌（氨氧化细菌）的合成代谢（氨氧化细菌）的合成代谢 NH4+氧化为羟胺，羟胺氧化为氧化为羟胺，羟胺氧化为NO2-。羟胺在脱氢。羟胺在脱氢酶作用下，释放两个电子，经电子传递后最终传给酶作用下，释放两个电子，经电子传递后最终传给O2，并产生能量：，并产生能量： NH4+ + 1.5O2 N O2- + 2H+ +H2O +271KJ 硝化细菌包括硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属硝化细菌包括硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝化球菌属。将。将NO2-氧化为氧化为NO3-。NO2-氧化为氧化为NO3-的氧来自的氧来自H2O，而不是而不是O2： NO2- + 1/

48、2O2 NO3- + H+ + 77.4KJ 2、硝化细菌硝化细菌的合成代谢的合成代谢793、 硫氧化细菌硫氧化细菌 硫细菌可以通过对无机硫、硫化硫细菌可以通过对无机硫、硫化氢及硫代硫酸盐的氧化而得到能量氢及硫代硫酸盐的氧化而得到能量。硫细菌分为光能自养和化能自养。硫细菌分为光能自养和化能自养，化能自养通常称为，化能自养通常称为无色硫细菌无色硫细菌以以区别光能自养硫细菌。区别光能自养硫细菌。 硫化氢先氧化为硫，硫再氧化为亚硫酸，再氧化为硫硫化氢先氧化为硫，硫再氧化为亚硫酸，再氧化为硫酸。硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分别被氧化：酸。硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分别被氧化： H2S + 2

49、O2 SO42- + 2H + 794.5KJ80 4、 铁氧化细菌铁氧化细菌铁细菌可以把铁细菌可以把Fe2+氧化为氧化为Fe3+，利用这个过程所产生，利用这个过程所产生的能量和还原力同化二氧化的能量和还原力同化二氧化碳进行自养生长，这类细菌碳进行自养生长，这类细菌有硫杆菌属、氧化亚铁杆菌有硫杆菌属、氧化亚铁杆菌、嘉利翁氏菌、纤发菌属等、嘉利翁氏菌、纤发菌属等。大部分是专性化能自养。大部分是专性化能自养。Fe2+ + 1/4O2 + H+ Fe3+ + 1/2H2O + 44.4 KJ81825、 氢氧化细菌氢氧化细菌 氢氧化细菌是一群将氢氧化细菌是一群将H2氧化成水，并从中获得能量，用于同化

50、二氧化碳氧化成水，并从中获得能量，用于同化二氧化碳的细菌。主要是好氧的兼性化能自养菌，少数是厌氧或兼性厌氧菌，的细菌。主要是好氧的兼性化能自养菌，少数是厌氧或兼性厌氧菌，G-。不仅能从氢的氧化中得到能量，还能利用有机物作为碳源和能源。不仅能从氢的氧化中得到能量，还能利用有机物作为碳源和能源。H2 + 1/2O2 H2O + 237.2 KJ83四、光合作用四、光合作用（一）藻类的光合作用和呼吸作用（一）藻类的光合作用和呼吸作用 绿色植物或光合细菌利用光能将二氧化碳转化成有机化合物的过程称为光合绿色植物或光合细菌利用光能将二氧化碳转化成有机化合物的过程称为光合作用。作用。 蓝细菌和真核藻类蓝细菌

51、和真核藻类在光照条件下，利用光合色素进行非环式光合磷酸化，从在光照条件下，利用光合色素进行非环式光合磷酸化，从水的光解中获得水的光解中获得H2，还原二氧化碳成，还原二氧化碳成CH2On，与植物的光合作用相同。，与植物的光合作用相同。84有氧条件下进行有PS和PS 2个光合系统同时产生还原力、ATP和O2还原力来自H2O的光解非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化 85电子传递途径属循电子传递途径属循环方式环方式产能与产还原力分产能与产还原力分别进行别进行还原力来自还原力来自H2S等等无机物无机物不产生氧不产生氧862、细菌的光合作用、细菌的光合作用（1）绿硫细菌绿硫细菌 专性厌氧、专性光能自养菌专性

52、厌氧、专性光能自养菌，细胞内不积累硫粒细胞内不积累硫粒CO2 + H2S CH2O + 2S +H2O （菌绿素）（菌绿素）87 （2） 红硫细菌红硫细菌 细胞呈红色或具有多量红色与黄细胞呈红色或具有多量红色与黄色类胡萝卜素，专性厌氧、专性无色类胡萝卜素，专性厌氧、专性无机营养菌，机营养菌，氧化氧化H2S并在体内积累硫并在体内积累硫粒粒。2CO2 + H2S + 2H2O 2CH2O + H2SO4 （菌紫质）（菌紫质）88（三）盐细菌的光合磷酸化（三）盐细菌的光合磷酸化 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用。无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用。 光合作用部位光合作用部位紫膜紫膜 光合作用色

53、素光合作用色素菌视紫红质菌视紫红质 机制：菌视紫红质吸收光能，引起构象变化，驱动质子转移到膜外，建立机制：菌视紫红质吸收光能，引起构象变化，驱动质子转移到膜外，建立质子梯度，质子回流推动质子梯度，质子回流推动ATP酶合成酶合成ATP。 （3） 氢单胞菌氢单胞菌CO2 + 2H2 CH2O + H2O （细菌叶绿素（细菌叶绿素-菌紫质）菌紫质）89 可分为三个阶段：可分为三个阶段：CO2的固定、被固定的的固定、被固定的CO2的还原、的还原、CO2受体的再生受体的再生（四）二氧化碳的固定（四）二氧化碳的固定卡尔文循环卡尔文循环1、羧化反应、羧化反应CO2的固定（特有的反应）的固定（特有的反应） C

54、O2 + 1，5-二磷酸核酮糖（二磷酸核酮糖（3RuBP） 23-磷酸甘油磷酸甘油酸（酸（PGA）反应由磷酸核酮糖羧化酶催化）反应由磷酸核酮糖羧化酶催化2、还原反应、还原反应被固定的被固定的CO2的还原的还原 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 + 12NADPH + H+ 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 + NADP+ + 12Pi3、CO2受体的再生受体的再生 CO2受体的再生过程的大部分反应与糖酵解途径和磷酸受体的再生过程的大部分反应与糖酵解途径和磷酸戊糖循环中的一些反应相同戊糖循环中的一些反应相同90Stage 1 is the fixation of carbon by the carboxylation of ribulose 1,5-bisphosphate. Stage 2 is the reduction of the fixed carbon to begin the synthesis of hexose. Stage 3 is the regeneratio