第五章 微生物的代谢

1第五章微生物的新陈代谢内容提要本章介绍微生物的新陈代谢以能量代谢为中心讲解不同营养类型的微生物的能量代谢机制择要介绍微生物所特有的、重要的和有代表性的合成代谢途径微生物代谢调节在发酵生产中的应用重点内容：微生物合成代谢和分解代谢的方式及发酵和呼吸的概念；难点内容：微生物代谢的方式和途径。2代谢概论代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应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]原文链接：/content/110/9/3369.abstract?sid=77af1f91-f537-4c13-a1ce-64dff61f6581

4第一节微生物的能量代谢能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源——ATP。

有机物最初能源 日光 通用能源 还原态无机物化能自养菌化能异养菌光能营养菌5一、化能异养微生物的生物氧化与产能

葡萄糖降解代谢途径生物氧化：

发酵作用产能过程呼吸作用（有氧或无氧呼吸）生物氧化的概念:过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）微生物的能量代谢

——将最初能源转换成通用的ATP过程6生物氧化的功能为：产能（ATP）、还原力[H]和小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中7微生物氧化的形式

①和氧的直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢的传递:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种8（一）底物脱氢的4条途径9（一）EMP途径葡萄糖的酵解作用

(又称：Embden-Meyerhof-Parnas

途径，简称：EMP途

径)活化移位

氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖异构酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶10EMP途径关键步骤1.葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.3-磷酸甘油醛→丙酮酸总反应式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATP

CoA↓丙酮酸脱氢酶

乙酰CoA，进入TCA11EMP途径的特点基本代谢途径，产能效率低，生理功能极其重要供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力产能（底物磷酸化产能）（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP连接多个重要代谢途径有氧：EMP途径与TCA途径连接；无氧：还原一些代谢产物，丙酮酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物（乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等）

(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。提供多种中间代谢产物作为合成代谢的原料逆向反应可以合成多糖12（二）HMP途径(戊糖磷酸途径)

（HexoseMonophophatePathway）13分为两个阶段：1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH2，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。146-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。甘油醛-3-磷酸出路：

a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA途径

b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。总反应式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特点：a

、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成，b、产大量的NADPH+H+还原力；c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖）d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存

e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。

15又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。1952年在嗜糖假单胞菌（Pseudomonassaccharophila）中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。

ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，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。（三）ED途径16ED途径

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（与EMP途径连接）

~~氧化酶

(与HMP途径连接)

EMP途径3-磷酸-甘油醛~~脱水酶

2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途径丙酮酸~~醛缩酶

有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵

ED途径17ED途径的特点特点:

a、步骤简单

b、产能效率低：1ATPc、关键中间产物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶

细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,脓杆菌,运动发酵单胞菌等。此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA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TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.18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醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵 ATP有氧时经呼吸链

6ATP

无氧时进行发酵

2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPGED途径的总反应192021TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。22TCA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、生物体提供能量的主要形式；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。23二、递氢、受氢和ATP的产生★根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;

无氧呼吸——最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等.2425呼吸作用（respiration）

——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aerobicrespiration）无氧呼吸（anaerobicrespiration）

26呼吸链的功能：一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP——这就是电子传递磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。27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FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸链28呼吸链在传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。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29一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。它分别在三个位置，各产生一个ATP。如图4－1所示，第一个ATP大约在辅酶1和黄素蛋白之间；第二个ATP大约在细胞色素b和cl之间；第三个ATP大约在细胞色素c和a之间。电子传递磷酸化举例30概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸.无机氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等。如：以硝酸钾为电子受体进行无氧呼吸时，可释放出1796.14KJ自由能。2、无氧呼吸31特点：

a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；

b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）

c产能效率低。(1)硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用特点：

a有其完整的呼吸系统；

b只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等

c兼性厌氧

细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。无氧呼吸（厌氧呼吸）32硝酸盐呼吸同化性硝酸盐作用：

NO3-

NH3-NR-NH2

异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体

NO3-NO2NON2ON2

反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。

氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶亚硝酸还原酶硝酸盐还原酶33

（２）硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）

——厌氧时，SO42-

、SO32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程。特点：

a、严格厌氧；

b、大多为古细菌

c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；

d、最终产物为H2S；

SO42-

SO32-SO2SH2Se、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作为氢供体或电子供体；

f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）

34（３）硫呼吸（硫还原）

——

以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum（氧化乙醇脱硫单胞菌）还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污35其他类型无氧呼吸（４）铁呼吸

——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末端电子受体的无氧呼吸。（５）碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）

——以CO2、HCO3-

为末端电子受体产甲烷菌

—

利用H2作电子供体（能源）、CO2为受体，产物CH4；产乙酸细菌

—H2/CO2

进行无氧呼吸，产物为乙酸。（６）延胡索酸呼吸

——延胡索酸琥珀酸+1ATP。“鬼火”的生物学解释36

定义

广义：利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢（电子）受体的产能过程

特点：

1）通过底物水平磷酸化产ATP；

2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；

3）产能效率低；

4）产多种发酵产物。3、发酵（fermentantion）37①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵（1）丙酮酸的发酵产物38①酵母型乙醇发酵

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

条件：pH3.5~4.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）

i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羟乙醛（难溶）

ii、弱碱性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油——甘油发酵（EMP）---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）

39概念：有氧条件下，发酵作用受抑制的现象（或氧对发酵的抑制现象）。意义：合理利用能源通风对酵母代谢的影响通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）酒精生成量耗糖量/单位时间细胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效应(ThePasteureffect)现象：40葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸②同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum概念菌种途径特点41③混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。

葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2

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+2HpH﹤6.242混合酸发酵：

——肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙酸乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：

E.coli、产气肠杆菌

甲酸CO2+H2

（甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G不产气。CO2+H2

43④2,3-丁二醇发酵

葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸

二乙酰

3-羟基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。EMP44丁二醇发酵（2，3--丁二醇发酵）

——

肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应：

1、V．P．实验2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）

E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：45（2）通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵（HMP途径）异型乳酸发酵的“经典”途径肠膜明串株菌（

HMP

）产能：1ATP

异型乳酸发酵的双歧杆菌途径双歧杆菌（HMP

、HK）

产能：2G5ATP即1G2.5ATP46①异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H概念菌种途径特点-CO247②双歧发酵：双歧杆菌通过HMP途径发酵葡萄糖的途径特点：每分子葡萄糖产3分子乙酸、2分子乳酸、5分子ATP48磷酸己糖酮解途径2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途径同EMP乙酸激酶4950（4）氨基酸的发酵产能（stickland反应）发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等。特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）氢供体（氧化）氨基酸：

Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、

Try等。氢受体（还原）氨基酸：

Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。

51氧化

丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3还原5253二、自养微生物产ATP和产还原力化能无机自养型微生物光能自养型微生物两类自养微生物固定CO2的条件和途径P119图5-18化能自养型微生物还原CO2时ATP和[H]的来源

P120图5-1954(一）化能自养微生物：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。

产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2＋)。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。最重要反应：

CO2

还原成[CH20]水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分

——大量耗能、耗还原力的过程。5556（一）化能自养微生物能对无机物进行氧化而获得能量的微生物，称作化能无机自养型微生物。ATP和[H]来源：通过氧化无机底物如NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等而获得。产能途径：借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应。传递方式：逆呼吸链最初能源及无机氢供体57

化能自养细菌的能量代谢特点：

①无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。②电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。③产能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能异养细菌的低。④生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链。581硝化细菌

能氧化氮的化能无机营养型细菌，杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，在细胞质中有非常发达的内膜复合体。

将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。

a、亚硝化细菌

NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化细菌NO2-+H2O

亚硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子ATP)592氢细菌（氧化氢细菌）

能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自养菌主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。

产能：2H2+O2

—2H2O

合成代谢反应：

2H2+CO2

—[CH2O]+H2O。60

氢细菌的自氧作用

第一步：产能反应，氧化4分子H。产生1分子ATP；

第二步：合成代谢反应，用所产生的ATP还原C02构成细胞物质[CH2O]和生长。在Ralstoniaeutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvincycle

提供还原力NADH。613硫细菌（硫氧化细菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经cyt.c部位进入呼吸链；而脱氮硫杆菌从FP或cyt.b水平进入。

嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。62（二）光能营养微生物微生物的光合作用

真核生物：藻类及其他绿色植物

产氧原核生物：蓝细菌光能营养型生物不产氧（仅原核生物有）真细菌：光合细菌

古生菌：嗜盐菌63（二）光能营养微生物1.循环光合磷酸化：光合细菌的原始光合作用，在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应，是不产氧光合作用。特点：电子传递途径属循环方式，即光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；产能和产还原力分别进行还原力来自H2S等无机氢供体不产生氧64光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.紫色细菌循环光合磷酸化过程

65外源电子供体——H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。绿硫细菌和绿色细菌662.非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和蓝细菌共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点：电子的传递途径属非循环式的在有氧条件下进行有PSⅠ和PSⅡ两个光合系统反应中可同时产ATP（产自PSⅡ）、还原力（产自PSⅠ）和O2（产自PSⅡ）还原力NADPH2中的[H]来自H2O分子的光解产物H+和电子67

2非循环光合磷酸化

当光反应中心I的叶绿素P700吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(还原力)，而不是返回氧化型P700。光合系统II将电子提供给氧化型P700，并产生ATP。光合系统II天线色素吸收光能并激发P680放出电子，然后还原脱镁叶绿素a(脱镁叶绿素a是2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)，经过由质体醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和质体蓝素(plastocyanin，PC)组成的电子传递链到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680从水氧化成02过程中得到电子。在光系统Ⅱ中，电子由PQ经Cyt.b传递给Cyt.f时与ADP磷酸化偶联产生ATP。68蓝细菌等的产氧光合作用——非循环光合磷酸化过程693.嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成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，此即光介导ATP合成。紫膜：由细菌视紫红质和类脂组成。嗜盐菌紫膜光合磷酸化：迄今发现的最简单的光合磷酸化反应，是验证化学渗透学说的绝好实验模型。703依靠菌视紫红质的光合作用无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。

——极端嗜盐古细菌

菌视紫红质：

以“视黄醛”（紫色）为辅基。与叶绿素相似，具质子泵作用。与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡萝卜素）内。

71ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。72第三节 微生物独特合成代谢举例主要内容：一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖生物合成73一、自养微生物的CO2固定（一）Calvin循环又称Calvin-Benson循环、Calvin-Bassham循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环，是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。绿色植物、蓝细菌、多数光合细菌，硫细菌、铁细菌、硝化细菌等。6个1,5-二磷酸核酮糖在核酮糖二磷酸羧化酶作用下将6分子CO2固定，形成2分子甘油醛－3－磷酸。74Calvin循环的过程羧化反应还原反应受体再生激酶羧化酶75Calvin循环的总反应6CO2+18ATP+12NAD（P）H2——→C6H12O6+18ADP+18Pi十12NAD（P）+ΔG0‘＝+114千卡／摩尔＝476.86千焦/摩尔76（二）厌氧乙酰-CoA途径活性乙酸途径，这个体系与还原羧酸循环不同，不需要ATP，光合细菌也有可能利用这个体系把CO2换成乙酸。途径见P131图5-3177（三）逆向TCA循环还原性TCA循环，途径见P132图5-32是在光合细菌、绿硫细菌中发现的。还原三羧酸循环的第—步反应是将乙酰CoA还原羧化为丙酮酸，后者在丙酮酸羧化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，随即被羧化为草酰乙酸，草酰乙酸经一系列反应转化为琥珀酰CoA，再被还原羧化为а-酮戊二酸。а-酮戊二酸转化为柠檬酸后，裂解成乙酸和草酰乙酸。乙酸经乙酰-CoA，从而合成酶催化生成乙酰CoA，从而完成循环反应。每循环—次，可固定四分子CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗三分子ATP、两分子NAD(P)H和—分子FADH2。78（四）羟基丙酸途径少数绿色硫细菌Chloroflexus(绿弯菌属）在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的CO2固定机制。通过羟基丙酸途径，把2个CO2转变为草酰乙酸。总反应式：2CO2+4[H]+3ATP关键步骤：羟基丙酸的产生，P133图5-33草酰乙酸79（一）固氮微生物的种类

一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。

自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能固氮的微生物。根际—芽孢杆菌属；叶面—固氮菌属。二、生物固氮作用80（二）固氮的生化机制2、固氮反应的条件

aATP的供应：

1molN2

—10~15ATPb还原力[H]及其载体氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧还蛋白（Fld）。

c固氮酶

组分I：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd）81组分II：

固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮铁氧还蛋白（AzoFd）特性：对氧极为敏感；需有Mg2+的存在；专一性：除N2外，可还原其他一些化合物

C2H2

—C2H4；

2H+

—H2

；

N2O—N2；HCN—CH4+NH3

（乙炔反应：可用来测知酶活）d还原底物N2：

NH3存在时会抑制固氮作用。82

N2+8[H]

+（16~24）ATP—2NH3+H2+（16~24）ADP+18~24Pi即75%还原力用来还原N2，25%的还原力以H2形式浪费3、固氮生化途径4H+

+4eH283固氮的生化途径84(1)好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制

呼吸保护；构象保护。(2)蓝细菌固N酶的抗氧保护机制

a分化出特殊的还原性异形胞（——适宜固氮作用的细胞）

I、厚壁，物理屏障；

II、缺乏氧光合系统II，脱氧酶、氢酶活性高；

III、SOD活性很高；

IV、呼吸强度高

b非异形胞蓝细菌固N酶的保护

——缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制。

I、固N、光合作用在时间上分隔开

——

织线蓝菌属（黑暗：固N；光照：光合作用）

II、形成束状群体（束毛蓝菌属），利于固N酶在微氧环境下固N

III、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）85微生物特有的结构大分子：细菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各种荚膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纤维素、几丁质等肽聚糖：绝大多数原核微生物细胞壁所含有的独特成分；在细菌的生命活动中有重要功能，尤其是许多重要抗生素如青霉素、头孢霉素、万古霉素、环丝氨酸（恶唑霉素）和杆菌肽等呈现其选择毒力（selectivetoxicity）的物质基础，是在抗生素治疗上有特别意义的物质。合成特点：①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖三、微生物结构大分子——肽聚糖的合成8687“Park”核苷酸的合成88

——肽聚糖单体亚单位的合成

载体：细菌萜醇（类脂载体）

——C55类异戊二烯醇（含11个异戊二烯单位）穿膜的同时与G结合，接上肽桥，此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合成（磷壁酸、纤维素、几丁质、甘露聚糖等）万古霉素，杆菌肽所抑制这些反应

2细胞膜中的合成89肽聚糖单体的合成——细菌萜醇细菌萜醇（bactoprenol）：又称类脂载体；运载“Park”核苷酸进入细胞膜，连接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“桥”，最后将肽聚糖单体送入细胞膜外的细胞壁生长点处。结构式：

CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH功能：除肽聚糖合成外还参与微生物多种细胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：细菌的磷壁酸、脂多糖， 细菌和真菌的纤维素， 真菌的几丁质和甘露聚糖等。90肽聚糖单体的合成G-M-P-P-类脂M-P-P-类脂 UDPUDP-G ②UDP ①UDP-M

P-类脂 Pi⑤

P-P-类脂杆菌肽④ 万古霉素 5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G-M-P-P-类脂双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处细胞质细胞膜上91（三）膜外的合成

第一步——多糖链的伸长（横向连接）：

肽糖单体+引物（6~8肽糖单位）—多糖链横向延伸1双糖单位。第二步——相邻多糖链相联（纵向连接）：

2D-Val—M-4肽+D-Val

—甲肽尾五甘氨酸肽的游离—NH与乙肽尾

D-Val（第4个氨基酸）游离COOH转肽作用：

青霉素所抑制。青霉素为D-Val-D-Val结构类似物，竞争转肽酶转糖基（形成-1，4糖苷键）92转糖基作用和转肽作用9394思考题一．选择题：1、Lactobacillus

是靠__________产能。A.发酵B.呼吸C.光合作用2、自然界中的大多数微生物是靠_________产能。A.发酵B.呼吸C.光合磷酸化3、在原核微生物细胞中单糖主要靠__________途径降解生成丙酮酸。A.EMPB.HMPC.ED4、在下列微生物中__________能进行产氧的光合作用。A.链霉菌B.蓝细菌C.紫硫细菌5、合成氨基酸的重要前体物α-酮戊二酸来自_________。A.EMP途径。B.ED途径C.TCA循环6、反硝化细菌进行无氧呼吸产能时,电子最后交给________。A.无机化合物中的氧B.O2C.中间产物7、参与肽聚糖生物合成的高能磷酸化合物是：A.ATPB.GTPC.UTP95二、判断题

EMP途径主要存在于厌氧生活的细菌中。()EMP途径主要存在于好氧细菌中。()乳酸发酵和乙酸发酵都是在厌氧条件下进行的。()一分子葡萄糖经同型乳酸发酵可产2个ATP,经异型乳酸发酵可产1个ATP。()一分子葡萄糖经同型乳酸发酵可产1个ATP,经异型乳酸发酵产2个ATP。()丙酮丁醇发酵是在好气条件下进行的,该菌是一种梭状芽孢杆菌。()UDP--G,UDP--M是合成肽聚糖的重要前体物,它们是在细胞质内合成的。()组成肽聚糖的前体物UDP--G,UDP--M是在细胞膜上合成后运到细胞壁上联结的。()ED途径存在于某些好氧生活的G-细菌中。()ED途径主要存在于某些G-的厌氧菌中。()96丙酮丁醇细菌是一种梭状芽孢杆菌,它在厌氧条件下进行丙酮丁醇发酵产生丙酮和丁醇。()化能自养菌还原力的产生是在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生的。()德氏乳酸杆菌走EMP途径进行同型乳酸发酵。()双歧杆菌走HK途径进行异型乳酸发酵。()Saccharomycescerevisiae

走EM途径进行酒精发酵。()Zymomonas

走ED途径进行酒精发酵。()97三．填空题：合成代谢是__________能代谢。分解代谢是_________能代谢。异养微生物合成代谢所需要的能量来自己糖降解的__________,__________,__________和__________。异养微生物合成代谢所需要的还原力来自己糖降解的__________,_________,__________和_________。在发酵过程中,葡萄糖首先通过__________途径产生2个________。无氧呼吸是以__________作为最终电子受体。一分子葡萄糖经有氧呼吸彻底氧化可产生__________个ATP。光合磷酸化有__________和__________两种。98发酵是在__________条件下发生的。每一分子葡萄糖通过酵母菌进行乙醇发酵产生__________个ATP。同型乳酸发酵的产物有__________,__________。在合成代谢中,能量的直接来源是__________中的高能磷酸键的水解。微生物优先利用的能源物质是_________。微生物在进行生命活动过程中所消耗的能量有两个来源,即__________和__________。自养微生物所需能量来自__________或_________。发酵的产能水平较__________呼吸作用的产能水平较__________。99大多微生物的产能方式是