微生物学微生物的代谢

关于微生物学微生物的代谢第一页，共七十六页，2022年，8月28日关于新陈代谢（metabolism）概念生物体从环境中摄取对自身有用的营养物质，同时排出对自身无用的物质的过程。

新陈代谢=分解代谢+合成代谢第二页，共七十六页，2022年，8月28日分解代谢：在分解代谢酶系的催化作用下，复杂的有机物分子分解产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（还原当量，[H]）。

合成代谢：在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式的还原力一起合成复杂的大分子的过程。

第三页，共七十六页，2022年，8月28日代谢类型物质代谢分解代谢合成代谢能量代谢第四页，共七十六页，2022年，8月28日第一节微生物的能量代谢

有机物（化能异养菌）最初能源日光（光能营养菌）ATP

还原态无机物（化能自养菌）第五页，共七十六页，2022年，8月28日一、生物氧化与产能

生物氧化：有机物在活细胞内分解成为小分子物质并伴随能量产生的过程。形式：与氧结合，脱氢，失去电子过程：脱氢，递氢，受氢功能：产能（ATP），产还原力[H]，产小分子中间代谢物类型：呼吸，无氧呼吸，发酵第六页，共七十六页，2022年，8月28日底物脱氢的途径1、EMP途径又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径。过程：一分子葡萄糖经十步反应，最终产生2分子ATP，2分子丙酮酸和2分子NADH2。耗能阶段产能阶段2NADH2C62C32丙酮酸

2ATP4ATP2ATP第七页，共七十六页，2022年，8月28日EMP途径意义：提供ATP与还原力连接其它代谢途径的桥梁为生物合成提供中间代谢物逆向反应可进行多糖合成第八页，共七十六页，2022年，8月28日2、HMP途径又称已糖一磷酸途径，戊糖磷酸途径特点：葡萄糖不经EMP和TCA而彻底氧化，并能大量产生能量及还原力和中间代谢产物。

ATP12NADPH236ATP35ATP6C66C55C66CO2

第九页，共七十六页，2022年，8月28日HMP途径意义：提供合成原料，尤其是核酸原料产还原力固定CO2的中介扩大碳源利用范围连接EMP途径第十页，共七十六页，2022年，8月28日3、ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途径微生物所特有G经四步反应快速获得丙酮酸。

2ATPATPATPNADH26ATPGKDPGNADPH22丙酮酸2酒精第十一页，共七十六页，2022年，8月28日ED途径特点：特征性反应：KDPG裂解丙酮酸与3磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛缩酶产能效率低下。可用于酒精发酵。第十二页，共七十六页，2022年，8月28日4、TCA循环三羧酸循环或Krebs循环或柠檬酸循环以2C为底物，十步循环产能及还原力1分子2C产3NADH2，1FADH2，1GTP第十三页，共七十六页，2022年，8月28日TCA循环特点：氧不直接参与，但有氧下进行大量产能位于分解和合成代谢的中心，联结其它代谢。第十四页，共七十六页，2022年，8月28日递氢和受氢有机物中的化学能经脱氢后，通过呼吸链等方式传递，最终与氧、有机或无机物等氢受体结合而释放出其中的能量。根据递氢特点和受氢体性质不同，将生物氧化分为有氧呼吸，无氧呼吸和发酵三类型。第十五页，共七十六页，2022年，8月28日有氧呼吸以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程。厌氧呼吸以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。发酵以有机物为底物，以其中间代谢产物作为其电子受体的生物氧化过程。第十六页，共七十六页，2022年，8月28日1、呼吸作用（respiration，有氧呼吸）最普遍和最重要的生物氧化方式，底物氧化脱氢后，经完整的呼吸链（又称电子传递链）递氢，最终由分子氧按受氢并产生水和释放能量（部分转移到ATP中，部分以热能的方式散失）。特点：有氧，氧化彻底，产能多第十七页，共七十六页，2022年，8月28日微生物类群：好氧菌或兼性厌氧菌。大多数细菌、全部真菌和原生动物（化能异养）氢细菌、硫细菌、硝化细菌分别利用氢、含硫无机物、氨或亚硝酸作为底物。第十八页，共七十六页，2022年，8月28日2、厌氧呼吸（anaerobicrespiration，无氧呼吸）化合物氧化脱下的氢和电子经一系列电子传递体最终交给无机氧化物的作用。氢和电子受体是NO3－，NO2－，SO4－，CO２等。厌氧呼吸的最终产物是水，CO2，生成ATP和较低还原力的无机物。生成的能量低于有氧呼吸。微生物类群：厌氧菌和兼性厌氧菌，如反硝化细菌，反硫化细菌，甲烷菌。第十九页，共七十六页，2022年，8月28日无机盐呼吸硝酸盐呼吸硫酸盐呼吸硫呼吸铁呼吸碳酸盐呼吸第二十页，共七十六页，2022年，8月28日有机物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸第二十一页，共七十六页，2022年，8月28日3、发酵作用（fermentation，发酵）指在无氧条件下，底物脱氢后产生的还原力[H]不经过呼吸链而直接交给某一内源性中间代谢产物的一类低效产能反应。微生物类群：主要的厌氧菌，有些兼性菌第二十二页，共七十六页，2022年，8月28日关于同型发酵与异型发酵同型发酵：发酵产物为单一产物。异型发酵：发酵产物为多种产物。常见有乳酸发酵与酒精发酵第二十三页，共七十六页，2022年，8月28日乳酸发酵类型途径产物/1G产能/1G同型EMP2乳酸2ATP异型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP1乳酸，1乙酸，1CO22ATP1乳酸，1.5乙酸2.5ATP第二十四页，共七十六页，2022年，8月28日酒精发酵类型途径产物/1G产能/1G同型EMP2乙醇，2CO22ATPED2乙醇，2CO21ATP异型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP第二十五页，共七十六页，2022年，8月28日Stickland反应氨基酸发酵产能的发酵方式以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），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。产能效率低，每分子氨基酸仅产1ATP。第二十六页，共七十六页，2022年，8月28日巴斯德效应（Pasteur）主要进行发酵作用的菌在有氧存在则会发生呼吸抑制发酵的现象。酵母菌发酵生产酒精时若通入氧气，则发酵作用下降，停止产生酒精而进行呼吸作用，葡萄糖利用速度大大降低，酒精生成被抑制。即发酵制酒时不能有氧存在。第二十七页，共七十六页，2022年，8月28日二、自养微生物产ATP和还原力化能自养微生物：通过氧化无机底物获得ATP与[H]来还原CO2。产能途径主要借助于呼吸链的氧化磷酸化，因此化能自养菌一般都是好氧菌。如硝化细菌。第二十八页，共七十六页，2022年，8月28日光能营养微生物真核生物：藻类及其它绿色植物产氧原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌不产氧古生菌：嗜盐菌第二十九页，共七十六页，2022年，8月28日产能与还原力方式1、循环光合磷酸化存在于光合细菌中的原始光合作用机制。电子传递途径属循环方式产能与产还原力分别进行还原力来自无机氢供体不产氧第三十页，共七十六页，2022年，8月28日2、非循环光合磷酸化电子传递途径属非循环方式有氧条件下进行有PSI和PSII两个光合系统产能与产还原力同时进行产氧第三十一页，共七十六页，2022年，8月28日3、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成光介导ATP合成无氧条件需紫膜蛋白紫膜：由细菌视紫红质蛋白和类脂组成，能进行独特的光合作用。细菌视紫红质以视黄醛为辅基。第三十二页，共七十六页，2022年，8月28日第二节物质代谢物质代谢小分子物质有机物还原力有机物

ATP

分解代谢合成代谢第三十三页，共七十六页，2022年，8月28日分解代谢糖代谢蛋白质代谢脂肪代谢核酸代谢第三十四页，共七十六页，2022年，8月28日糖代谢1、淀粉的分解

直链淀粉（葡萄糖以α－１，4糖苷键相连）支链淀粉（主要也以α-1，4糖苷键相连，分支处葡萄糖以β－１，6糖苷键相连）水解酶：α-淀粉酶（在α-1，4糖苷键处切断）；β-淀粉酶；葡萄糖淀粉酶一般先降解成为糊精，最后分解成为G。第三十五页，共七十六页，2022年，8月28日2、纤维素的分解

是葡萄糖分子以β-1，4糖苷键相连的长链在纤维素酶（一些真菌和细菌），纤维二糖酶等作用下，最后分解成葡萄糖。第三十六页，共七十六页，2022年，8月28日3、几丁质的分解

N-乙酰氨基葡萄糖以β-1，4键相连的大分子化合物，不易分解。在几丁质酶作用下，最后分解成N-乙酰氨基葡萄糖4、果胶质的分解在原果胶酶、果胶酶、果胶酸酶等作用下，最后分解成半乳糖醛酸。第三十七页，共七十六页，2022年，8月28日蛋白质代谢蛋白质的分解

真菌分解蛋白质的能力大于细菌；蛋白质水解酶作用下分解成多肽和氨基酸。多肽在肽酶（氨肽酶和羧肽酶）的作用下进一步分解成氨基酸。第三十八页，共七十六页，2022年，8月28日氨基酸的分解多数微生物都能分解氨基酸，氨基酸的分解主要有脱氨酶作用下的脱氨和脱羧酶作用下的脱羧两种分解方式。第三十九页，共七十六页，2022年，8月28日1、脱氨作用：一般氨基酸分解产生酮酸（如丙酮酸）和氨，酮酸进入产能的呼吸途径，被进一步氧化产生能量。氨则参与合成作用，如重新合成其它氨基酸（如与α-酮戊二酸反应生成谷氨酸），或把氨排泄出去。第四十页，共七十六页，2022年，8月28日ⅰ、氧化脱氨：（需氧微生物，氨基酸氧化酶和氨基酸脱氢酶）如CH3CHNH2COOH+1/2O2→CH3COCOOH+NH3ⅱ、还原脱氨（厌氧微生物中存在，氢化酶）如：HOOCCH2CHNH2COOH+2H→HOOCCH2CH2COOH+NH3第四十一页，共七十六页，2022年，8月28日ⅲ、脱水脱氨:

（大肠杆菌,酵母菌，含羧基的氨基酸中，脱水酶）如：CH2OHCHNH2COOH→CH3COCOOH+NH3ⅳ、水解脱氨：（一些真菌和细菌中,水解酶）RCHNH2COOH+H2O→RCHOHCOOH(羟酸)+NH3第四十二页，共七十六页，2022年，8月28日ⅴ、氧化还原脱氨：某些厌氧菌（如酵母菌和梭菌），使一对氨基酸一个脱羧，另一个氨基酸脱氨——Stickland反应。第四十三页，共七十六页，2022年，8月28日2、脱羧基作用：某些细菌和真菌，氨基酸脱羧酶，专一性很高,一般一种氨基酸一种脱羧酶，而且只对L-型氨基酸起作用，辅酶是磷酸吡哆醛。RCHNH2COOH→RCH2NH2（胺）+CO2

第四十四页，共七十六页，2022年，8月28日组氨酸脱羧形成组胺（histamine）又称组织胺，有降低血压的作用，还是胃液分泌的刺激剂。酪氨酸脱羧形成的酪胺（tyramine）有升高血压的作用。绝大多数胺类对动物有毒。但体内有胺氧化酶，能将胺氧化成醛和氨，醛进一步氧化成脂肪酸，氨则可合成尿素等，又可形成新的氨基酸。第四十五页，共七十六页，2022年，8月28日脂肪代谢脂肪的分解

在脂肪酶作用下，脂肪分解成甘油和脂肪酸。甘油经EMP途径和TCA循环降解。脂肪酸被氧化（β-氧化过程），每次脱下2C，最终形成乙酰COA，进入TCA，最后形成CO2和H2O，并生成大量的ATP。(如软脂酸16:0，形成8个乙酰CoA，每分子乙酰CoA进入TCA产生12ATP，所以共形成96个ATP，加上β-氧化过程形成乙酰CoA净生成的33个，共净生成129个ATP)第四十六页，共七十六页，2022年，8月28日分解脂肪的微生物种类不多，真菌中的青霉菌、曲霉菌、白地霉和镰刀菌等，细菌中的假单胞菌、分枝杆菌和灵杆菌能致脂肪食品腐败。第四十七页，共七十六页，2022年，8月28日其它有机化合物分解

烃类（甲烷、乙烷、丙烷和其它高级烃类）分解：假单胞杆菌>分枝杆菌、棒状杆菌、假丝酵母其它酵母。苯等芳香族化合物：假单胞杆菌等细菌、曲霉菌和酵母菌等真菌，加氧酶的催化，氧化裂解苯环，产生一系列产物可以加入TCA，产生能量。烃类和石油类等资源丰富，利用某些能获得石油蛋白、烃类蛋白微生物和分解农药等有机有害物质的微生物意义重大。第四十八页，共七十六页，2022年，8月28日合成代谢糖的合成蛋白质的合成脂肪的合成核酸的合成第四十九页，共七十六页，2022年，8月28日分解代谢与合成代谢的联系两者联系紧密，互不可分维持正常生命活动所必须，缺一不可由中间代谢物来联结两种代谢，中间代谢物有12种。通过两用代谢途径和代谢回补顺序两种方式进行。第五十页，共七十六页，2022年，8月28日两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径称为两用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环都是重要的两用代谢途径。两用代谢途径中，分解与合成并不是简单互逆，途径中有不同的中间代谢物，真核生物中一般在不同的分隔区域分别进行。第五十一页，共七十六页，2022年，8月28日代谢回补顺序又称代谢物补偿途径或添补途径，指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。保证在重要产能途径中某些关键中间代谢物用于合成后，能量代谢能够正常进行。某些微生物所特有的乙醛酸循环。第五十二页，共七十六页，2022年，8月28日第三节微生物的合成代谢途径一切生物所共有的重要物质如蛋白质、核酸、糖类和脂类、维生素等的合成代谢知识是生物化学课程的重点讨论内容。需要小分子物质为原材料，能量，还原力（如NADH）。第五十三页，共七十六页，2022年，8月28日一、生物固氮指某些微生物通过其体内固氮酶系的作用将分子氮转变为氨的过程。

N2+6e-+6H++ATP→2NH3+ADP+Pi所有生物几乎都需要依赖固氮生物固定大气中的氮而生存，因而生物固氮对维持自然界的氮循环起着极为重要的作用。微生物的固氮量每年大约为2×1011Kg。第五十四页，共七十六页，2022年，8月28日固氮微生物的种类1886，M.W.Beijerinck分离到共生固氮的根瘤菌；现50多属100多种，都是原核生物。自生固氮菌：能独立进行固氮的微生物共生固氮菌：必须与它种生物共生在一起才能固氮的微生物联合固氮菌：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微生物。第五十五页，共七十六页，2022年，8月28日固氮反应的必要条件⑴ATP的供应⑵还原力[H]及其载体⑶固氮酶：铁蛋白（固二氮酶还原酶）、钼铁蛋白（固二氮酶）构成。⑷还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）⑸镁离子⑹严格的厌氧微环境第五十六页，共七十六页，2022年，8月28日固氮的生化途径Fd或Fld向铁蛋白铁原子提供1电子铁蛋白与ATP-Mg结合，构象改变分子氮与钼铁蛋白结合，并与铁蛋白复合物结合，组成完整的固氮酶电子从铁蛋白复合物转到钼铁蛋白铁原子上，ATP水解六次运转，钼铁蛋白释放2分子氨消耗8电子还原一分子氮（2电子转到氢）第五十七页，共七十六页，2022年，8月28日二、氨基酸的生物合成

微生物合成氨基酸几条途径：氨基化作用：酮酸+氨→氨基酸

α-酮戊二酸+NH3→谷氨基转氨作用：氨基从一个氨基酸转向另一个化合物谷氨酸+丙酮酸→α-酮戊二酸+丙氨酸天冬氨酸+α-酮戊二酸→草酰乙酸+谷氨酸由初生氨基酸合成次生氨基酸初生氨基酸：甘氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸次生氨基酸：由这三种初生AA形成的相应的其它氨基酸第五十八页，共七十六页，2022年，8月28日三、蛋白质的合成合成条件：需要模板链：mRNA

携带氨基酸者：tRNA

每种氨基酸都对应有一种以上的tRNA，它们都具有反密码子（tRNA的反密码子对应mRNA的密码子而言的），tRNA的功能是：专一性识别并运载某一氨基酸；识别mRNA上的密码子。第五十九页，共七十六页，2022年，8月28日蛋白质合成场所：核糖体

在原核细胞（细菌）中，核糖体可以游离形式存在，也可以与mRNA结形成串状的多核糖体。70S核糖体可以解离为50S和30S两个亚基。

30S亚基能单独与mRNA结合形成形成30S核糖体-mRNA复合体，该复合体又可与tRNA专一地结合，50S亚基不能专一地与mRNA结合，但可非专一地与tRNA结合，50S亚基上有两个结合位点：氨酰基位点（A位点）与肽酰基位点（P位点）。第六十页，共七十六页，2022年，8月28日蛋白质合成过程：

（一）起始密码子（起始信号）首先识别合成起始区域，起始密码子常是AUG，少数GUG，在起始密码子上游约有10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列（称为Shine-Dalgarno序列）第六十一页，共七十六页，2022年，8月28日（二）70S起始复合物的形成1、起始氨基酸和起始tRNA：原核细胞中多肽的合成从甲硫氨酸开始，以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA（简为fMet-tRNA）形式起始。2、70S起始复合物的形成大肠杆菌中，mRNA首先与核糖体的30S亚基结合，形成mRNA-30S-IF3复合物，该复合物再进一步与fMet-tRNA、GTP相结合，形成一个30S起始复合物：即30S核糖体-mRNA-fMet-tRNA第六十二页，共七十六页，2022年，8月28日30S起始物再与50S亚基结合，形成有生物学功能的70S起始复合物。fMet-tRNA占据核糖体的P位点，空着的A位点则准备接受另一个氨酰tRNA。为肽链的延伸作准备。

70S起始复合物中，tRNA上的反密码子要与mRNA上的起始密码子AUG（GUG）相配对，以保证读码无误。第六十三页，共七十六页，2022年，8月28日（三）肽链的延伸（1）一个新进入的氨酰-tRNA结合到70S核糖体的A位点（2）肽链的形成：肽酰基从P位点转移到A位点，同时形成新肽键。（3）移位：核糖体沿mRNA（5‘→3’）作相对移动。每次移动为一个密码子，移位的结果是原来A位点上的肽酰tRNA又回到P位点，原来P位点上的无负载的tRNA离开核糖体。第六十四页，共七十六页，2022年，8月28日（四）肽链合成的终止与释放对mRNA上的肽链终止密码子识别：UAA，UAG，UGA

第六十五页，共七十六页，2022年，8月28日四、核酸的合成RNA和DNA：由五碳糖、磷酸和碱基组成。DNA的碱基四种：A、T、C、G；RNA的碱基：A、U、C、G1、核苷酸的合成：

细胞内由小分子物质合成而来；吸收环境中现成的嘌呤和嘧啶及其核苷。第六十六页，共七十六页，