微生物的代谢

新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。复杂分子（有机物）分解代谢酶系合解代谢酶系简单分子+ATP+H第五章微生物的新陈代谢第一页，共八十六页。第一节微生物的能量代谢

一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。

能量代谢的中心任务是?最初能源有机物还原态无机物日光通用能源（ATP）化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物第二页，共八十六页。一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应第三页，共八十六页。一、化能异养微生物的生物氧化和产能表5-1有机物生物氧化与燃烧的比较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能量利用率低高第四页，共八十六页。生物氧化的形式:物质与氧结合、脱氢脱电子三种

生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力[H]产小分子中间代谢物发酵呼吸厌氧呼吸生物氧化类型脱氢递氢受氢生物氧化过程第五页，共八十六页。一、化能异养微生物的生物氧化和产能（一）底物脱氢的四种途径1、EMP途径2、HMP途径3、ED途径4、TCA循环第六页，共八十六页。（一）底物脱氢的4种途径第七页，共八十六页。1.糖酵解/EMP途径（Embden-Meyerhof-parnaspathway）葡萄糖2C32ATP2ATP4ATP2丙酮酸2NADH+H+产能阶段耗能阶段图5-3EMP途径的简图——大多数生物共有的主流代谢途径第八页，共八十六页。EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP和NADH2是连接其它几个重要代谢途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应可进行多糖合成与乙醇、乳酸等的发酵生产关系密切第九页，共八十六页。2.HMP途径（hexosemonophosphatepathway）35ATP图5-4HMP途径的简图6C56CO236ATP6C65C612NADPH+H+ATP经一系列复杂反应后重新合成己糖经呼吸链第十页，共八十六页。HMP途径的重要意义为核苷酸和核酸等的生物合成提供戊糖-磷酸产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、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固定二氧化碳的中介：光/化能自养微生物第十一页，共八十六页。途径中存在3~7碳的糖，使具有该途径的微生物所能利用的碳源谱更为广泛与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。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。第十二页，共八十六页。3.ED途径发现：1952年嗜糖假单孢菌

存在：多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）特点：可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径第十三页，共八十六页。3.ED途径

图5-5ED途径简图葡萄糖→→KDPG2丙酮酸2ATPNADH+H+NADPH+H+ATPATP6ATP2乙醇有氧时经呼吸链无氧时进行发酵第十四页，共八十六页。关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶3.ED途径的关键酶（见P106图5-6）第十五页，共八十六页。ED途径的特点具有特征性反应——KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶终产物2分子丙酮酸来历不同一是KDPG裂解形成，一是EMP途径反应步骤简单，产能效率低第十六页，共八十六页。ED途径的特点此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，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TCA循环相连厌氧时进行乙醇发酵第十七页，共八十六页。相关的发酵生产：细菌酒精发酵丙酮酸乙醛乙醇优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧缺点：pH5，易染菌；细菌对乙醇耐受力低3.ED途径的应用NADH2还原脱羧第十八页，共八十六页。4.TCA循环好氧微生物中普遍存在大多数酶的存在位置：真核生物线粒体基质细菌细胞质例外：琥珀酸脱氢酶结合于细胞膜或线粒体膜上C3CH3CO~CoA呼吸链NADH+4H+FADH2GTP3CO2呼吸链（底物水平）12ATP2ATPATP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、琥珀酸和谷氨酸第十九页，共八十六页。丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。图5-9TCA循环图第二十页，共八十六页。TCA循环的重要特点1、循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5、生物体供能的主要形式；产能效率高；必须在有氧条件下6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。见p108图5-9第二十一页，共八十六页。表5-2葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率产能形式EMPHMPEDEMP+TCA底物水平NADH+H+NADPH+H+FADH222(6A)12(36A)11(3A)1(3A)22(2A)2+8(30A)2(4A)净产ATP835736~38ATPGTP(6A)，表示相当于6个ATP第二十二页，共八十六页。（二）递氢和受氢★★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把生物氧化分为呼吸、无氧呼吸和发酵第二十三页，共八十六页。图5-13呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6-[H]A-[H][H]B-[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2-[H]（发酵产物：乙醇、乳酸等）CO2脱氢递氢受氢经呼吸链①呼吸②无氧呼吸③发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH4第二十四页，共八十六页。概念：是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化。过程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。途径：EMP,TCA循环。特点：在好氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。

由此可见，

TCA循环与电子传递是好氧呼吸中两个主要的产能环节。1.呼吸第二十五页，共八十六页。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传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。部位：原核生物在细胞膜上，真核生物在线粒体内膜上。成员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中的电子传递体主要包括FMN、CoQ、细胞色素b、c1、

c、a、a３和一些铁硫蛋白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：呼吸链与电子传递第二十六页，共八十六页。FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化还原势氧化态

还原态还原态

氧化态

氧化态

还原态还原态

醌

氧化态氧化态 还原态

脱氢酶NAD FADH2 H2ONADH2 FAD 1/2O2

+2H+低能水平高氧化还原势图5-15典型的呼吸链第二十七页，共八十六页。呼吸链在递氢或电子的过程中通过与氧化磷酸化作用的偶联产生生物的通用能源——ATP氧化磷酸化:第二十八页，共八十六页。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。氧化磷酸化产能机制第二十九页，共八十六页。第三十页，共八十六页。第三十一页，共八十六页。ATP合成酶合成ATP的旋转催化假说头部：3个亚基，构象可变颈部基部ADP与Pi结合合成ATP释放ATPATP合成酶第三十二页，共八十六页。呼吸链氧化磷酸化效率高低怎么表示？用P/O表示：每消耗1摩尔氧原子所产生ATP摩尔数1、呼吸（好氧呼吸）呼吸链中有几处可以合成ATP？第三十三页，共八十六页。某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸无氧呼吸的最终电子受体是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。经过部分呼吸链递氢无氧呼吸的特点2、无氧呼吸（厌氧呼吸）概念：以外源无机氧化物作为呼吸链最终电子（或氢）受体的生物氧化；少数是有机氧化物。第三十四页，共八十六页。（1）硝酸盐呼吸

能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。

硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。第三十五页，共八十六页。土壤及水环境氧被消耗而造成局部的厌氧环境松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。反硝化作用的生态学作用：好氧性机体的呼吸作用硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸反硝化作用在氮素循环中的重要作用土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。第三十六页，共八十六页。(2)硫酸盐呼吸底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP。严格厌氧菌可引起植物根系病害第三十七页，共八十六页。

(3)硫呼吸以无机硫为呼吸链末端氢受体并产生H2S的无氧呼吸某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌第三十八页，共八十六页。

(4)铁呼吸以Fe3+为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌第三十九页，共八十六页。

(5)碳酸盐呼吸以CO2或重碳酸盐为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸产甲烷菌、产乙酸细菌（详见第八章）第四十页，共八十六页。

(6)延胡索酸呼吸兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形成作为微生物的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。第四十一页，共八十六页。有关“鬼火”的生物学解释在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。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，这种气体就很易逸出。古代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。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。第四十二页，共八十六页。

厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。第四十三页，共八十六页。水果汁等会不断冒泡并产生有益产品的一些自然现象看是的在发酵工业上，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。在生物氧化中发酵?3.发酵(fermentation)三个含义第四十四页，共八十六页。3.发酵(fermentation)底物-H底物中间代谢物中间代谢物-H2ATPADP+Pi无O2下（发酵产物）第四十五页，共八十六页。（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵（2）通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵（3）通过ED途径进行的发酵（4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应（5）发酵中的产能反应第四十六页，共八十六页。(1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵第四十七页，共八十六页。大肠杆菌：产气肠杆菌：V.P.试验阳性V.P.试验阴性第四十八页，共八十六页。（2）通过HMP途径的发酵

——异型乳酸发酵异型乳酸发酵的经典途径异型乳酸发酵的双歧杆菌途径同型乳酸发酵（经EMP途径）第四十九页，共八十六页。2(1,3-二-磷酸甘油酸）

葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2乳酸2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP同型乳酸发酵第五十页，共八十六页。乳酸2ADP2ATP乙醇CO2葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醛乙酰CoA-2H通过HMP途径的发酵

——异型乳酸发酵的“经典”途径第五十一页，共八十六页。通过HMP途径的发酵

——异型乳酸发酵的双歧杆菌途径参见p117图5-162葡萄糖2乳酸2乙酸乙酸HMP途径ATP4ATP第五十二页，共八十六页。表5-3同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较2ATP1乳酸1乙酸1CO2HMP异型肠膜明串珠菌两岐双歧杆菌1ATP1乳酸1乙醇1CO2HMP异型德氏乳杆菌、粪链球菌2ATP2乳酸EMP同型菌种代表产能/1葡萄糖产物途径类型异型HMP2.5ATP1乳酸1.5乙酸短乳杆菌第五十三页，共八十六页。葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛

丙酮酸丙酮酸乙醇

乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED（3）细菌的酒精发酵第五十四页，共八十六页。（4）由氨基酸发酵产能——Stickland反应以一种氨基酸为氢供体，另一种氨基酸为氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型产能效率低，每分子氨基酸产一个ATP甘氨酸2丙氨酸+3乙酸+3NH3+CO2ADP+PiATPP118图5-17第五十五页，共八十六页。

在某种化合物氧化过程中生成一种含高能磷酸键的化合物，该化合物通过相应的酶把高能键磷酸转移给ADP，生成ATP。底物水平磷酸化（5）发酵中的产能反应第五十六页，共八十六页。底物水平磷酸化第五十七页，共八十六页。二、自养微生物产ATP和产还原力第五十八页，共八十六页。二．自养微生物产ATP和产还原力（一）化能自养微生物从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需能量的微生物第五十九页，共八十六页。第六十页，共八十六页。第六十一页，共八十六页。化能自养微生物能量代谢的特点呢？无机底物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递呼吸链组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链产能效率一般低于化能异养微生物生长速率、生长得率低第六十二页，共八十六页。NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可被某些化能自养细菌用作能源将氨氧化为亚硝酸并获得能量将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量亚硝化细菌：硝化细菌：1、硝化细菌第六十三页，共八十六页。

这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。1、硝化细菌第六十四页，共八十六页。pH大于4-5，Fe2+易被氧气氧化成Fe3+2.氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）第六十五页，共八十六页。（二）光能营养微生物（phototrophs）光能营养型生物真核生物：藻类及其它绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌（厌氧菌）产氧不产氧古生菌：嗜盐菌第六十六页，共八十六页。（二）光能营养微生物（phototrophs）循环光合磷酸化非循环光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成第六十七页，共八十六页。ATP1.循环光合磷酸化

④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行特点：①电子传递途径属循环方式第六十八页，共八十六页。1.循环光合磷酸化类群：光合细菌分类地位：见表5-7分布：缺氧的深层淡水或海水中第六十九页，共八十六页。1.循环光合磷酸化意义?可利用有毒的硫化氢或污水中的有机物（脂肪酸、醇类等）作还原CO2时的氢供体用于污水净化所产菌体可作饵料、饲料或食品添加剂第七十页，共八十六页。2.非环式光合磷酸化P124图5-24产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌、藻类）非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+＋2ADP＋2Pi+2H2O2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2第七十一页，共八十六页。2.非环式光合磷酸化

还原力来自H2O的光解同时产生还原力、ATP和O2有PSⅠ和PS

Ⅱ2两个光合系统特点：有氧条件下进行①电子传递途径非循环叶绿素aATP叶绿素b第七十二页，共八十六页。3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成在无氧条件下，嗜盐菌利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动ATP酶合成ATP，此即~。第七十三页，共八十六页。3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成嗜盐菌独有无叶绿素或菌绿素参与第七十四页，共八十六页。3.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成嗜盐菌细胞膜红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体斑片状（直径约0.5mm）独立分布总面积约占细胞膜的一半主要成分：细菌