微生物的代谢工业微生物学

关于微生物的代谢工业微生物学第一页，共七十九页，2022年，8月28日第一节代谢概论

简称代谢（metabolism），是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称

代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]一、新陈代谢

第二页，共七十九页，2022年，8月28日

能量是使自然界中各种活动得以进行的一种能力，所有的物理和化学过程都是能量应用或转移的结果。

二、能量

微生物代谢过程中的能量来源主要为有机物的氧化（分解代谢）、无机物的氧化、光。

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------ATP。第三页，共七十九页，2022年，8月28日最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP）光有机物氧化无机物氧化第四页，共七十九页，2022年，8月28日

氧化还原反应是电子从一个供体（还原剂）转移至一个电子受体（氧化剂）的反应。在生物化学中，氧化还原通常不仅仅只是转移电子，有时也转移氢原子，因为在细胞氧化中，电子和质子可以同时失去，这就相当于失去氢原子。三、氧化还原反应

氧化还原对E0´（氧化还原电势）2H+

＋2e－

——→H2Fe3+

＋e－

——→Fe2+NAD(P)+

＋H+

＋e－

——→NAD(P)HS＋2H+

＋2e－

——→H2SFAD＋2H+

＋2e－

——→FADH2Cytb(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)Cytc(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)NO3－＋2H+

＋2e－

——→NO2－＋H2ONO2－＋8H+

＋6e－

——→NH4

＋2H2OFe3+

＋e－

——→Fe2+O2

＋4H+

＋4e－

——→4H2O－0.42－0.42－0.32－0.274－0.180.0750.2540.4210.440.7710.815第五页，共七十九页，2022年，8月28日三磷酸腺苷（ATP）在细胞代谢的能量流通中扮演着“能量货币”的重要角色，它作为能量的载体参与代谢途径中能量的储存、释放和转移。四、ATP及产生ATP的三种磷酸化反应

生物体具有三种磷酸化方式产生ATP：

1底物水平磷酸化

高能磷酸基团直接从磷酸化合物（底物）转移到ADP而形成ATP。2氧化磷酸化电子通过一系列电子载体（NAD+等）被转给分子氧或其他有机分子时发生磷酸化而产生ATP。3光合磷酸化光合磷酸化只存在于能进行光合作用的细胞中。把所捕获到的光能通过电子传递链转化为以ATP和NADH形式储存的化学能。第六页，共七十九页，2022年，8月28日第二节糖代谢多糖和二糖不能直接透过微生物的细胞膜进入细胞。一般需要微生物分泌胞外酶将其水解成单糖才能进入细胞被利用。一、糖的分解代谢和产能

1.多糖和二糖的分解(1)淀粉的分解：淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等(2)纤维素和半纤维素的分解天然纤维素C1酶

短链纤维素Cx酶

纤维寡糖纤维二糖葡萄糖β-葡萄糖糖苷酶

葡萄糖半纤维素可以通过木聚糖酶等复合酶水解成单糖。第七页，共七十九页，2022年，8月28日(3)果胶的分解

果胶由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷键形成的直链状高分子化合物。果胶酶主要有三种：果胶裂解酶、果胶甲酯水解酶和果胶聚半乳糖醛酸酶。(4)二糖的分解蔗糖、麦芽糖、乳糖、纤维二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有两种方式：一是水解酶将其水解为单糖;

另一种是由相应的磷酸化酶将其分解。第八页，共七十九页，2022年，8月28日1）蔗糖的分解许多微生物细胞能够分泌蔗糖水解酶：蔗糖+H2O蔗糖水解酶葡萄糖＋果糖在嗜糖假单胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反应：蔗糖+H3PO4

蔗糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋果糖2）麦芽糖的分解麦芽糖+H2O麦芽糖水解酶2葡萄糖麦芽糖+H3PO4

麦芽糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖3）乳糖的分解乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖4）纤维二糖的分解纤维二糖是在纤维二糖磷酸化酶的催化下分解的。纤维二糖+H3PO4

纤维二糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖第九页，共七十九页，2022年，8月28日2.单糖的分解和产能

葡萄糖作为典型的生物氧化底物其分解的主要途径包括：EMP途径、ED途径、TCA循环、HMP途径。每条途径既有产生多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能，又有脱氢、产能的功能。(1)葡萄糖的分解和产能(2)呼吸和发酵

在生物体中，葡萄糖经上述的多种途径分解后，产生NAD(P)H+H+经过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同，可以把生物氧化区分成有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。第十页，共七十九页，2022年，8月28日有氧呼吸：底物分解产生的氢，经完整的呼吸链（RCrespirarorychain，又称电子传递链ETCelectrontransportchain）递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）的过程。无氧呼吸：底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。

发酵：在无氧条件下，底物脱氢后不经过呼吸链传递而直接将其交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应

。

生物氧化第十一页，共七十九页，2022年，8月28日1)有氧呼吸（aerobicrespiration)

指从葡萄糖或其它有机基质脱下的电子（氢）经过一系列电子载体最终传递给外源分子氧并产生较多ATP的生物氧化过程。以氧气以外的氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。有氧呼吸和无氧呼吸的区别第十二页，共七十九页，2022年，8月28日A.电子传递链：由一系列按氧化还原电位由低到高顺序排列起来的氢(电子)传递体组成。原核生物呼吸链在细胞膜上，真核生物的呼吸链位于线粒体内膜但呼吸链的主要成分是类似的。两个功能：1）传递氢或电子；2）储存氢或电子传递过程释放的能量，用于合成ATP；又称“呼吸链”当一对电子通过呼吸链从NADH传递至O2的过程中，释放自由能的部位有三处即产生3ATP，P/O=3。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP第十三页，共七十九页，2022年，8月28日原核生物呼吸链的特点:多样化除了葡萄糖或其它有机基质外，H2、S、Fe2+、NH4+、NO-2等都可用作电子供体；除了O2外，可用作电子受体的还有NO-3、NO-2、NO-、SO42-、S2-、CO32-，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亚砜和氧化三甲亚胺等有机物。具有各类型细胞色素，如a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶，不仅有细胞色素a1、a2、a3、d、o等，还有H2O2酶和过氧化物酶；呼吸链组分与含量多变，随氧气的供应、生长阶段、基本营养供应、Fe2+、SO42-浓度等变化而改变；不仅有一般呼吸链，还有分支呼吸链；电子传递方式多样化，在细菌中可经CoQ传递给细胞色素，也可不经CoQ传递给细胞色素。第十四页，共七十九页，2022年，8月28日B.氧化磷酸化作用的化学渗透假说化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说

位于细胞膜或线粒体内膜的呼吸链组分在传递来自基质的氢时，在将电子传递给下一个电子载体的同时把质子从膜内泵到膜外，因而造成了膜内外两侧的质子梯度和电位梯度，由此产生质子动势，这种动势蕴藏着电子传递过程中所释放的能量。在质子动势的驱动下，质子通过跨膜的ATP合酶从膜外回到膜内，并释放能量驱使ADP磷酸化生成ATP。化学渗透假说：第十五页，共七十九页，2022年，8月28日电子从NAD+进入呼吸链传递至O2时，只有3处释放出足够的能量能与ADP磷酸化相偶联，产生3分子ATP；NAD呼吸链的P/O=3；电子从FAD+进入呼吸链传递至O2时，只有2处释放出足够的能量能与ADP磷酸化相偶联，产生2分子ATP，FAD呼吸链的P/O=2；

具有抑制电子传递、能量转移和解偶联作用的物质都会阻止氧化磷酸化。抑制电子传递：KCN、NaN3、CO等；解偶联剂：2,4-二硝基苯酚，短杆菌肽等P/O：表示当一对电子通过呼吸链传递至O2所产生的ATP分子数，即表示呼吸链氧化磷酸化效率。第十六页，共七十九页，2022年，8月28日由于葡萄糖在有氧呼吸中产生的能量要高于发酵中产生的能量，即微生物在有氧呼吸过程中,利用较少的糖而能获得厌氧条件下相同量的ATP。酿酒酵母等既可利用发酵产能，又可利用呼吸产能的兼性厌氧微生物，在有氧条件下终止厌氧发酵而转向有氧呼吸，这种呼吸抑制发酵(或氧抑制糖酵解)的现象称为巴斯德效应（Pasteureffect）。由此降低了葡萄糖的消耗，并抑制了乙醇的产生。C、巴斯德效应第十七页，共七十九页，2022年，8月28日2）无氧呼吸（anaerobicrespiration）

呼吸链末端的氢或电子受体是外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。无机物：NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、S、CO2有机物：延胡索酸（fumarate）等根据末端氢（电子）受体的不同，无氧呼吸分为多种类型：A.硝酸盐呼吸B.硫酸盐呼吸C.硫呼吸D.铁呼吸E.碳酸盐呼吸F.延胡索酸呼吸

某些厌氧和兼性厌氧微生物(极大多数是细菌)在无氧条件下，通过电子传递链递电子，通过氧化磷酸化而产能的代谢.氢或电子受体第十八页，共七十九页，2022年，8月28日A.硝酸盐呼吸以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，又称“反硝化作用”只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2第十九页，共七十九页，2022年，8月28日

能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌（又称反硝化细菌），主要生活在土壤和水环境中，如地衣芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、依氏螺菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌和生丝微菌属中的一些成员等。大肠杆菌也是一种反硝化细菌，但它只能将NO3-还原成NO2-

。第二，反硝化作用：指NO3-被还原成NO2-，再逐步还原成NO、N2O和N2的过程，称“异化性硝酸盐还原”，仅局限于原核生物。第一，同化性硝酸盐还原。很多细菌、真菌及植物将NO3-还原成NH3，为生长提供氮源。硝酸盐在微生物生命活动中主要具有两种功能：

第二十页，共七十九页，2022年，8月28日

能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物即反硝化细菌，专性厌氧微生物无法进行硝酸盐呼吸。但只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需要的硝酸盐还原酶A和亚硝酸还原酶。有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶合成被阻，细胞进行有氧呼吸。大肠杆菌(a)有氧呼吸；(b)硝酸盐呼吸：电子受体是硝酸根离子第二十一页，共七十九页，2022年，8月28日反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境害：土壤中植物能利用的氮（NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。防止措施：松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。利：反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐易溶解于水，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。第二十二页，共七十九页，2022年，8月28日B.硫酸盐呼吸

进行硫酸盐呼吸的细菌称“硫酸盐还原细菌”，包括脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫肠状菌属、脱硫八叠球菌属等。它们都是严格厌氧的古生菌。

极大多数为专性化能异养型，利用有机酸（乳酸、丙酮酸、延胡索酸和苹果酸等）、脂肪酸（乙酸和甲酸）和醇类（乙醇）等有机质生长。少数为混合营养型生长，在有适宜有机碳源和能源时以化能异养生活，若无适宜有机物时也能以H2、CO2进行自养生长。

经呼吸链传递的氢交给硫酸盐（末端氢受体）的一种厌氧呼吸。硫酸盐还原的最终产物是H2S。第二十三页，共七十九页，2022年，8月28日C.硫呼吸

元素硫作为无氧呼吸的最终氢受体，最终硫被异化性还原形成H2S的过程。兼性或专性厌氧菌主要:硫还原菌属、脱硫单胞菌属CH3COOH+2H2O+4S2CO2+4H2S例如，利用乙酸为电子供体：第二十四页，共七十九页，2022年，8月28日

某些兼性厌氧细菌可将延胡索酸还原成琥珀酸，即以延胡索酸为最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。

以CO2或碳酸盐作为呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物的不同，可分为两种类型，一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。D.碳酸盐呼吸（carbnaterespiration）

无氧呼吸链的末端氢受体是Fe3+，这方面的研究目前仅在嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌中有报道。F.铁呼吸（ironrespiration）G.延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）

近年来，又发现了几种类似于延胡索酸呼吸的无氧呼吸，它们都以有机氧化物作为无氧环境下呼吸链的末端氢受体，包括甘氨酸（还原成乙酸）、二甲基亚砜（还原成二甲基硫化物），氧化三甲基胺（还原成三甲基胺）等。

第二十五页，共七十九页，2022年，8月28日

在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作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。农村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”。无氧呼吸对“鬼火”的生物学解释第二十六页，共七十九页，2022年，8月28日

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。第二十七页，共七十九页，2022年，8月28日

狭义的“发酵”:指在能量代谢或生物氧化中，在无氧条件下，底物（有机物）氧化释放的氢（或电子）不经呼吸链传递，而直接交给某种未完全氧化的中间产物的一类低效产能过程。

广义的“发酵”，指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。3）发酵（fermentation）底物氧化不彻底，产能水平低；积累各种中间代谢产物不可缺少的途径。特点:底物水平磷酸化产生ATP实质:第二十八页，共七十九页，2022年，8月28日发酵作用的两个共同点NADH被氧化成NAD+；电子受体通常是丙酮酸或它的衍生物；

由于没有外源电子受体，NADH不能通过电子传递链氧化。通过利用丙酮酸或它的衍生物作为电子（或氢）受体，以实现NADH再氧化成NAD+

，以实现甘油醛-3-磷酸的氧化，使酵解作用不被中断。第二十九页，共七十九页，2022年，8月28日3-P-甘油醛丙酮酸乳酸葡萄糖糖酵解作用发酵途径第三十页，共七十九页，2022年，8月28日A.乳酸发酵能发酵葡萄糖生成乳酸的微生物，称为“乳酸菌”根据发酵产物的不同，乳酸发酵分为：同型乳酸发酵异型乳酸发酵产物只有乳酸产物除了乳酸，还有乙醇（或乙酸）和CO2等第三十一页，共七十九页，2022年，8月28日由于菌体内酶系不同，乳酸菌的代谢途径分三种类型：同型乳酸发酵途径：德氏乳杆菌，植物乳杆菌

EMP乳酸脱氢酶

葡萄糖

2丙酮酸

2乳酸

+2ATP

NADH+H+NAD+异型乳酸发酵途径：肠膜明串珠菌，短乳杆菌

HMP葡萄糖乳酸+乙醇+CO2+ATP双歧途径：双歧杆菌

HK和PK葡萄糖乳酸+1.5乙酸

+2.5ATP双歧杆菌没有醛缩酶，也没有葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，不能通过EMP途径，但含有磷酸解酮酶类，这是双歧途径的关键酶。如HMP循环一样，由6-磷酸葡萄糖酸形成5-磷酸核糖，经表异构化产生5-磷酸木酮糖，然后由磷酸戊糖酮解酶（PK）裂解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸第三十二页，共七十九页，2022年，8月28日第三十三页，共七十九页，2022年，8月28日（磷酸解酮酶）（磷酸解酮酶）（转酮酶）第三十四页，共七十九页，2022年，8月28日B.乙醇发酵

多种微生物（如酵母菌，根霉，曲霉，某些细菌）能通过称为乙醇发酵的过程，将糖转变成乙醇和CO2

乙醇发酵也分为同型乙醇发酵（homoalcholicfermentation）和异型乙醇发酵（heteroalcoholicfermentation）两类。

第三十五页，共七十九页，2022年，8月28日同型乙醇发酵（homoalcholicfermentation）

酿酒酵母能够通过EMP途径进行同型酒精发酵，即由EMP途径代谢产生的丙酮酸经过脱羧放出CO2，同时生成乙醛，乙醛接受糖酵解过程中释放的NADH+H+被还原成乙醇。这是一个低效的产能过程，大量能量仍然贮存于乙醇中，其总反应为：葡萄糖＋2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP

运动发酵单胞菌能通过ED途径进行同型乙醇发酵，但只产生1个ATP。葡萄糖＋ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸第三十六页，共七十九页，2022年，8月28日优点：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：对乙醇耐受力低（7%，酵母8%~10%）；pH较高（细菌约pH5，酵母菌为pH3），易染菌。

缺乏完整EMP途径的少数细菌（假单胞菌，根瘤菌，农杆菌，粪肠球菌）利用ED途径替代EMP途径产能。细菌进行的同型酒精发酵特点第三十七页，共七十九页，2022年，8月28日细菌进行的异型酒精发酵特点

一些细菌能够通过HMP途径进行异型乳酸发酵产生乳酸、乙醇和CO2等，我们也可以称其为异型乙醇发酵，例如Leuconostocmesenteroides（肠膜明串珠菌）进行的异型乙醇发酵总反应式为：葡萄糖＋ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP第三十八页，共七十九页，2022年，8月28日根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为三种类型：一型发酵：pH3.5~4.5及厌氧条件下，进行正常的酒精发酵二型发酵（同型甘油发酵）：存在亚适量亚硫酸氢钠（3%）时，生成甘油三型发酵：弱碱性（pH7.6）厌氧条件下，生成甘油、乙醇、乙酸和CO2

该条件下乙醛不能作为正常的氢受体，于是，2分子乙醛发生歧化反应，分别氧化和还原生成1分子乙酸和1分子乙醇，即为异型甘油发酵。C.甘油发酵（酵母菌）第三十九页，共七十九页，2022年，8月28日微生物学与第一次世界大战德国：（CarlNeuberg）丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（pH7）Saccharomycescerevisiae厌氧发酵（磺化羟基乙醛）亚硫酸氢钠可与乙醛反应生成难溶的磺化羟基乙醛。此时，乙醛不能作为氢受体，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羟丙酮替代乙醛作为氢受体，生成磷酸甘油，并进一步水解脱磷酸而生成甘油第四十页，共七十九页，2022年，8月28日D.混合酸发酵

甲基红反应(M.R）阳性

葡萄糖

EMPPEP羧化酶苹果酸脱氢酶

PEP

草酰乙酸琥珀酸

乳酸脱氢酶

丙酮酸

乳酸

丙酮酸甲酸裂解酶乙醛脱氢酶

甲酸乙酰CoA乙醛

甲酸氢解酶磷酸转乙酰基酶乙醇脱氢酶

乙醇CO2H2

乙酰-磷酸乙酸激酶

乙酸大肠杆菌发酵葡萄糖在产酸（pH<4.5）的同时产气第四十一页，共七十九页，2022年，8月28日不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。大肠杆菌：

丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气志贺氏菌：

丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气第四十二页，共七十九页，2022年，8月28日E.丁二醇发酵丁二醇发酵的中间产物3-羟基丁酮是V.P试验的物质基础

一些微生物能发酵葡萄糖产生大量的2,3-丁二醇和少量乳酸、乙醇、H2和CO2等多种代谢产物，被称为2,3-丁二醇发酵。第四十三页，共七十九页，2022年，8月28日F.丁酸发酵丁酸梭状芽孢杆菌能够发酵葡萄糖产生丁酸，称为丁酸发酵。

丙酮酸首先被脱去CO2生成乙酰CoA和H2，乙酰CoA能够在缩合后逐步还原成丁酸。第四十四页，共七十九页，2022年，8月28日G.丙酮、丁醇发酵

在丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridumacetobutylium)中，丙酮酸经过一系列的脱缩和缩合等过程而转变为丙酮、丁醇，称为丙酮丁醇发酵。第四十五页，共七十九页，2022年，8月28日化能异养微生物利用葡萄糖生物氧化3种类型比较产能方式有氧呼吸无氧呼吸发酵微生物好氧菌兼性厌氧菌兼性厌氧菌厌氧菌兼性厌氧菌厌氧菌电子受体O2外源无机氧化物（少数有机氧化物）更氧化的有机中间代谢物底物有机物有机物有机物酶类脱氢酶氧化还原酶脱氢酶特殊氧化还原酶脱氢酶产ATP方式呼吸链（氧化磷酸化）呼吸链（氧化磷酸化）直接产生（底物水平磷酸化）产能效率高居中低第四十六页，共七十九页，2022年，8月28日1.糖合成的能量来源

二、糖的合成代谢

包括：化能异养型、化能自养和光能营养微生物的生物氧化和产能

（1）化能异养型微生物的生物氧化和产能

糖的分解代谢所产生的能量都可以用于糖的生物合成，本节第一部分已经介绍过。此外，某些化能异养微生物（如Closterdiumsporogenes

生孢梭菌）能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源。第四十七页，共七十九页，2022年，8月28日Stickland反应产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸）的还原相偶联的发酵过程而产生能量的。一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。氨基酸发酵产能——Stickland反应

作为氢供体的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等。作为氢受体的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。第四十八页，共七十九页，2022年，8月28日（2）化能自养型微生物的生物氧化和产能

化能自养型微生物中，其ATP是通过氧化还原态无机物产生的，其NAD(P)H2是通过消耗ATP将无机氢（H++e）逆呼吸链传递产生的。能量代谢特点：无机底物脱下的氢直接进入呼吸链，通过氧化磷酸化产能；（少数菌在无机硫化物存在时，能部分通过底物磷酸化产能）氢或电子可从多处进入呼吸链，所以，呼吸链多样；由于从中间进入呼吸链，因此产能效率低，菌体生长缓慢，细胞产率低。脱氢酶或氧化还原酶催化无机底物脱氢或脱电子；化能自养型微生物均为细菌，且绝大多数为好氧菌第四十九页，共七十九页，2022年，8月28日

亚硝酸的氧化

Nitorbacter（硝化杆菌属）以亚硝酸作为能源，将NO2－氧化为NO3－获得能量，用同位素18O分析实验证明，在NO2－氧化为NO3－过程中，氧来自水分子而非空气。NO2－

+H2O——→H2ONO2－

——→NO3－

+2H++2e第五十页，共七十九页，2022年，8月28日硝化细菌：

无机底物氧化的自由能反应⊿G0’kcal/mole2Fe2++2H++½O2→2Fe3++H2O－11.2NO2－

+½O2→NO3－

－17.4H2+½O2→H2O－56.6NH4++1½O2→NO2－

+H2O+2H+－65.0S0+½O2+H2O→H2SO4

－118.5S2O32－

+2O2+H2O→2SO42－

+2H+

－223.7硫细菌：氧化亚铁硫杆菌：氢细菌：亚硝化细菌：第五十一页，共七十九页，2022年，8月28日区别：无氧呼吸（化能异养型）无机物氧化（化能自养型）同都涉及无机物异电子供体（底物）有机物还原型无机物电子受体氧化型无机物（主）O2过程

电子传递链有机物脱氢无机物

电子传递链无机物脱氢O或氧化举例反硝化细菌硝化细菌第五十二页，共七十九页，2022年，8月28日光合作用是地球上最重要的生物过程之一。光合作用分成两部分：

光反应：捕获光能并转变成化学能，提供ATP和NADPH。（位于真核生物叶绿体类囊体膜，原核生物的内膜系统）暗反应：还原或固定CO2并合成细胞物质（位于真核生物的叶绿体基质中，原核生物的羧酶体）（3）光能营养微生物的生物氧化和产能第五十三页，共七十九页，2022年，8月28日1）循环光合磷酸化

循环光合磷酸化是指电子从菌绿素分子逐出后循环一周仍返回菌绿素。其反应中心的吸收光波为“P870”。菌绿素受日光照射后成为激发态，氧化还原电位由+0.5变为－0.7，由它逐出的电子通过类似呼吸链的传递，经Bph（脱镁菌绿素）、辅酶Q、Cytb/c1、FeS、Cytc2的循环传递，最终重新由菌绿素接受，其间建立质子动势并产生1分子ATP。当外源氢供体（H2S、H2、Fe2+等）提供电子,沿呼吸链链逆向传递，由NAD(P)+接受电子，产生可用于还原CO2的NAD(P)H+H+。第五十四页，共七十九页，2022年，8月28日①电子传递途径属循环式的；②产ATP和NAD(P)H+H+分别进行；③NAD(P)H+H+中的[H]是来自H2S等无机氢供体；④无O2产生。循环光合磷酸化特点：

这种不产氧的循环式的光合磷酸化，只存在于原核生物（光合细菌）中。第五十五页，共七十九页，2022年，8月28日各种绿色植物、藻类和蓝细菌的光合作用属非循环光合磷酸化2）非循环光合磷酸化该光合磷酸化过程中，有氧气放出，其来源是H2O的光解，整个过程中，电子须经过PSII和PSI两个系统接力传递，传递体包括PSII系统中的Phea（褐藻素）、Q（醌）、Cytbf、Pc（质体蓝素），在Cytbf和Pc间产生1个ATP；还包括PSI系统中的FeS（非血红素铁硫蛋白）、Fd（铁氧还蛋白），最终由NADP+接受电子，产生可用于还原CO2的NADPH+H+。

第五十六页，共七十九页，2022年，8月28日①电子的传递途径属非循环式的；②在有氧条件下进行；③有两个光合系统，其中色素系统I（PSI）含叶绿素a，可以吸收利用红光，反应中心的吸收光波为“P700”，色素系统II（PSII）含叶绿素b，可以吸收利用蓝光，反应中心的吸收光波为“P680”；④反应中同时有ATP（产自PSII）、NAD(P)H+H+

（产自PSI）和O2

产生；⑤NAD(P)H+H+中的[H]是来自H2O分子光解后的H+和电子。非循环光合磷酸化特点：第五十七页，共七十九页，2022年，8月28日3）嗜盐菌紫膜的光合作用

一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。

嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5~5.0mol/LNaCl）环境中才能生长的古细菌。嗜盐菌可通过两条途径获取能量：有氧条件下的氧化磷酸化途径；

无氧条件下的紫膜光合磷酸化途径。嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构像的变化，将质子不断驱至膜外，从而在膜的两侧建立一个质子动势，推动ATP酶合成ATP。第五十八页，共七十九页，2022年，8月28日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在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。

实验发现，在波长为550-600nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。第五十九页，共七十九页，2022年，8月28日

无O2条件下进行；不产O2；最简单的光合磷酸化反应；无叶绿素和细菌叶绿素，光合色素是紫膜上的视紫红质。嗜盐菌紫膜的光合作用特点：第六十页，共七十九页，2022年，8月28日

生物合成三要素（简单小分子，ATP，NADPH）如何获得？

氧化磷酸化：好氧菌，兼性厌氧菌

ATP

底物水平磷酸化：厌氧菌，兼性厌氧菌

光合磷酸化：光合微生物

HMP：化能异养型

NADPH

耗ATP逆电子链传递：化能自养型，紫色和绿色光合细菌

光合作用（非循环光合磷酸化）：蓝细菌简单小分子有机物

异养型：从环境中吸取

自养型：同化CO2第六十一页，共七十九页，2022年，8月28日2.单糖的合成

无论自养微生物还是异养微生物，合成单糖的途径都是通过EMP途径的逆行来合成葡萄糖-6-磷酸，然后再转化为其它单糖或合成二糖和多糖。用于合成葡萄糖的前体物质可以来自以下几个方面：（1）自养微生物的CO2固定

1）Calvin循环（Calvincycle）

2）厌氧乙酰-辅酶A途径

3）还原性TCA循环途径

4）羟基丙酸途径

（2）异养微生物用以合成单糖的底物

第六十二页，共七十九页，2022年，8月28日（1）自养微生物的CO2固定

1）Calvin循环（Calvincycle）

2）厌氧乙酰-辅酶A途径

3）还原性TCA循环途径

4）羟基丙酸途径

循环中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循环分三个阶段：①羧化反应（核酮糖-1,5-二磷酸通过核酮糖羧化酶将CO2固定，转变为2个甘油酸-3-磷酸，重复3次，产生6个C3化合物）②还原反应（甘油酸-3-磷酸被还原成甘油醛-3-磷酸）③CO2受体的再生（1个甘油醛-3-磷酸逆EMP途径生成葡萄糖，其余5个再生出3个核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子）。

自养微生物的CO2还原途径：1分子CO2被还原成甲醇水平，另一分子CO2被还原成CO，二者合成产生乙酰-CoA，经丙酮酸合成酶催化由乙酰-CoA接受第3个CO2分子生成丙酮酸，用于合成各种有机物。CO2通过琥珀酰-CoA的还原性羧化生成-酮戊二酸而被固定少数绿色硫细菌以H2或H2S作为电子供体进行的一种CO2固定机制。通过羟基丙酸途径将2个CO2分子转变为草酰乙酸而进入糖的合成途径。第六十三页，共七十九页，2022年，8月28日（2）异养微生物用以合成单糖的底物

碳源途径产物乙酸乙醛酸循环草酰乙酸乙醇酸、草酸、甘氨酸甘油酸途径甘油醛-3-磷酸乳酸氧化丙酮酸谷氨酸、天冬氨酸脱氨基α-酮戊二酸、草酰乙酸亮氨酸降解丙酮酸

微生物可通过各种途径生成葡萄糖的前体物质，包括：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、甘油醛-3-磷酸等。第六十四页，共七十九页，2022年，8月28日3.多糖的合成微生物中的多糖可分为同型多糖和杂多糖。同型多糖是由相同单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素、甲壳素等。杂多糖是由不同单糖分子聚合而成，如肽聚糖、脂多糖等。微生物多糖合成的特点：①不需要模板，而是由转移酶的特异性来决定亚单位在多聚链上的次序。②合成的开始阶段需要引物，引物通常由小片断多糖充当。③多糖合成时，由糖核苷酸作为糖基载体，将单糖分子转移到受体分子上，使多糖链逐步加长。第六十五页，共七十九页，2022年，8月28日多糖合成举例：细菌细胞壁多糖（肽聚糖）的生物合成整个肽聚糖合成过程的步骤将近20步，简单分为五个阶段。1）由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺-UDP2）由N-乙酰葡糖胺-UDP合成N-乙酰胞壁酸-UDP3）由N-乙酰胞壁酸-UDP合成“Park”核苷酸（即：UDP-N-乙酰胞壁酸五肽）。该步可被环丝氨酸所抑制。在细胞质中合成4）肽聚糖单体的合成和连接。亲水性化合物UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽在穿过细胞膜时需要载体的帮助，即细菌萜醇（bactoprenol）的类脂载体。该过程可被万古霉素和杆菌肽阻断。在细胞膜上合成5）肽聚糖的交联。一条肽链的第4个氨基酸的羧基与另一条肽链的第3个氨基酸的自由氨基之间以肽键的方式连接。交联过程是由转肽酶催化的，在转肽的同时，肽尾上的第5个氨基酸释放出来。转肽酶的转肽作用可被青霉素所抑制。在细胞膜外合成第六十六页，共七十九页，2022年，8月28日第三节氨基酸和蛋白质代谢

一、蛋白质的分解

外源蛋白质进入体内，总是先经过水解作用变为小分子的氨基酸，然后再被吸收。

细胞内每种蛋白质都有自己的存活时间，短到几分钟，长到几周。这种降解有两个重要功能：排除不正常的蛋白质；通过排除累积过多的酶和蛋白，使细胞代谢秩序井然。二、氨基酸的分解微生物通过三种方式分解氨基酸：脱氨、脱羧和转氨。第六十七页，共七十九页，2022年，8月28日三、氨基酸的合成1.氨的来源

4种：①直接从外界环境吸收；②体内含氮化合物的分解；③硝酸盐还原；④生物固氮作用。以下主要介绍原核生物特有的生物固氮作用：

生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。（1）固氮生物的种类迄今已知的固氮生物都属于原核微生物，包括两大类：其一：能独立生存的自生固氮微生物，包括细菌、放线菌类微生物和蓝藻等；其二：与其它植物共生的共生固氮微生物，如根瘤菌。第六十八页，共七十九页，2022年，8月28日（2）生物固氮的机制1）固氮反应的总式为：

N2+6e+6H++12ATP——→2NH3+12ADP+12Pi2）固氮反应的必要条件：①ATP和NAD（P）H+H+的供应，②底物N2，③镁离子，④固氮酶固氮酶的测定：乙炔还原法。固氮酶除了能催化N2→NH3的反应外，还能催化包括C2H2→C2H4反应。

固氮酶的厌氧微环境：固氮酶的两个蛋白组分对氧是极端敏感的，而且一旦接触氧就很快导致不可逆失活。大多数的固氮菌都是好氧菌，它们需要利用氧气进行呼吸和产生能量。

固氮菌发展出多种机制来解决其既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾：呼吸保护、构象保护、蓝细菌异形胞、豆血红蛋白、不同时间进行固氮作用与光合作用，等。

第六十九页，共七十九页，2022年，8月28日3）固氮反应生成NH3的去向：NH3通过谷胺酰胺合成酶将谷氨酸转氨合成谷氨酰胺，进而进入生物代谢。2.硫的来源

来自于环境中的硫酸盐，但氧化态的无机硫要经过一系列还原反应，才能用于生物合成。3.氨基酸碳骨架的来源

来自糖代谢产生的中间产物。4.氨基酸合成的途径

微生物体内合成氨基酸主要通过三类途径：氨基化作用、转氨基作用和由初生氨基酸合成次生氨基酸。由α-酮酸经氨基化作用合成的氨基酸称为初生氨基酸第七十页，共七十九页，2022年，8月28日

第四节脂类代谢

一、脂类的分解

二、脂类的合成

脂肪酸的合成与β-氧化的逆反应很相象，碳链以每次增加两个碳的速度延伸，但脂肪酸的合成与其分解是