微生物学微生物的代谢

微生物学微生物的代谢第一页，共八十三页，2022年，8月28日最初能源有机物日光还原态的无机物化能自养菌光能营养菌化能异养菌ATP（通用能源）第一节微生物的能量代谢第二页，共八十三页，2022年，8月28日一、化能异养微生物的生物氧化

经历脱H（或电子）、递H（或电子）和受H（或电子）3个阶段，并产生ATP，[H]，小分子中间产物，可根据氢受体不同分为发酵、有氧呼吸和无氧呼吸。第三页，共八十三页，2022年，8月28日（一）、底物脱氢的方式EMP途径HMP途径（戊糖磷酸途径）ED途径-替代途径TCA循环第四页，共八十三页，2022年，8月28日EMP途径第五页，共八十三页，2022年，8月28日HMP途径（TK为转羟乙醛酶，TA为转二羟丙酮基酶）30C第六页，共八十三页，2022年，8月28日ED途径第七页，共八十三页，2022年，8月28日TCA循环第八页，共八十三页，2022年，8月28日1.特点以底物水平磷酸化产能，产能少；无电子传递链；存在于厌氧或兼性厌氧菌中。（二）、发酵(fermentation)第九页，共八十三页，2022年，8月28日2.发酵类型（1）乙醇发酵①菌株类型：酵母菌和细菌。葡萄糖2丙酮酸2乙醛2乙醇脱羧酶EMP:酵母菌,八叠球菌,肠杆菌；ED：运动发酵单孢菌，厌氧发酵单孢菌乙醇、乳酸、丙酸、混合酸、丁酸发酵等。乙醇脱氢酶第十页，共八十三页，2022年，8月28日②注：乙醇发酵对条件变化非常敏感。如通气、培养基组成及pH对产物有影响。厌氧→好氧，葡萄糖分解速度降低，乙醇停止生成，有氧呼吸抑制发酵→巴斯德效应。返回厌氧条件，正常进行。第十一页，共八十三页，2022年，8月28日Ⅰ型发酵：弱酸，乙醛为氢受体，1个葡萄糖→2个乙醇+2CO2;Ⅱ型发酵：加适量NaHSO3,磷酸二羟丙酮为氢受体→大量甘油和少量乙醇。Ⅲ型发酵：pH弱碱性(pH7.6),2乙醛分子发生歧化反应，1个被氧化→乙酸，1个被还原→乙醇，氢受体为磷酸二羟丙酮→甘油。产物：大量甘油+少量乙醇、乙酸和CO2。第十二页，共八十三页，2022年，8月28日

糖化(淀粉→葡萄糖)发酵(葡萄糖→乙醇)蒸馏(乙醇+杂醇油+酒糟)储藏勾兑白酒的制作第十三页，共八十三页，2022年，8月28日勾兑蒸酒→品尝→分析优缺点→按比例混合→成品酒,包括勾兑基础酒和调味2个过程。储藏原因：有刺激和辛辣味，不柔和。过程反应杂质（丙烯酸、H2S和硫醇等）挥发→品质变好，体积变小。氧化、还原、酯化和缩合等化学反应→减少刺激性。第十四页，共八十三页，2022年，8月28日红葡萄糖酒酿造葡萄破碎，（加入SO2，杀菌、溶解色素等）

接酵母浸渍和部分发酵（5周）榨汁、去除皮渣去酵母葡萄酒在橡木桶中陈酿罐装葡萄汁和皮苹果酸→乳酸发酵过滤和净化混合调配第十五页，共八十三页，2022年，8月28日第十六页，共八十三页，2022年，8月28日啤酒的酿造润湿大麦和发芽分解可溶性糖类的酶释放干燥和压碎（酶活性增强，麦芽糖、糊精和蛋白质释放被分解）加酒花，在酿造罐中加热杀灭杂菌；酶灭活；酒花的风味化；除酒花，得麦芽汁加酵母发酵前期：好氧后期：厌氧酒精发酵储藏包装为成品煮糊化糖化过滤巴氏灭菌过滤除杂装瓶第十七页，共八十三页，2022年，8月28日（2）乳酸发酵严格厌氧，有同型和异型之分。①同型乳酸发酵（德氏乳杆菌，EMP途径）葡萄糖2丙酮酸2乳酸乳酸脱氢酶系EMP途径②

异型乳酸发酵有经典异型和双歧发酵。经典异型：经典途径，肠膜明串珠菌。双岐发酵：HMP途径，双歧杆菌。第十八页，共八十三页，2022年，8月28日经典途径HMP途径（双歧杆菌）第十九页，共八十三页，2022年，8月28日鲜奶净化(除异物、白血球)脂肪含量标准化（加脱脂乳）配料（加蔗糖、脱脂奶粉）过滤除杂预热；均质；灭菌；冷却（43-45℃）接种分装发酵40-43℃，3-6h迅速冷却（10℃）冷藏和后熟乳酸菌(嗜热乳链球菌,保加利亚乳杆菌,双歧乳杆菌)第二十页，共八十三页，2022年，8月28日

青贮饲料秸杆,青草+乳酸菌（可利用亚硝酸盐）→抑菌(乳酸，pH4.0)+增加营养（维生素+氨基酸）。做法：大池子，无氧贮存。第二十一页，共八十三页，2022年，8月28日（3）混酸发酵某些肠道细菌（如E.coli），发酵葡萄糖产甲酸、乙酸、乳酸等和乙醇。菌不同，产物不同→鉴定。例：E.coli糖发酵试验

E.coli甲基红试验（MR试验）第二十二页，共八十三页，2022年，8月28日E.coli糖发酵试验产有机酸+甲酸氢解酶（分解甲酸→CO2和H2）。弱碱性培养液+溴甲酚紫(6.8-5.2,紫-黄)，放入小倒管。小倒管内有气体（产气）紫色黄色（产酸）表明：阳性。第二十三页，共八十三页，2022年，8月28日甲基红试验（MR试验）产酸→pH4.2以下→加甲基红(6.0-4.4,黄-红)→颜色变化→阳性。第二十四页，共八十三页，2022年，8月28日（4）丁二醇发酵-V.P.试验鉴定菌种，区分产气杆菌（阳性）和E.coli（阴性）。丁二醇发酵产3-羟基丁酮→碱性条件被氧化→二乙酰→与蛋白胨中精氨酸上的胍基结合→形成红色的化合物。第二十五页，共八十三页，2022年，8月28日（三）、有氧呼吸1.特点有电子传递链(呼吸链)；氧化彻底，产能多；底物水平磷酸化+氧化磷酸化。第二十六页，共八十三页，2022年，8月28日2.过程葡萄糖2丙酮酸2乙酰CoA2ATP+2NADH22NADH2+2CO2呼吸链6CO2+6H2O36或38ATPTCA6NADH2+2FADH24CO2+2CoA+2GTP注：NADH2

（被氧化）：3ATPGTP（被转化）：1ATPFADH2（被氧化）

：2ATP第二十七页，共八十三页，2022年，8月28日（四）、无氧呼吸1.特点电子和H受体：NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、延胡索酸等能量分级释放，有磷酸化作用产能少2.鬼火（PH3）第二十八页，共八十三页，2022年，8月28日3.类型硝酸盐呼吸，硫酸盐呼吸，硫呼吸、铁呼吸、延胡索酸呼吸（略），碳酸盐呼吸。（1）硝酸盐呼吸①反硝化细菌（兼性厌氧，如地衣芽孢杆菌、铜绿假单胞菌等），还原NO3-成NO2-、N2O、N2等。②影响有利：消除水体N富集；有害：N损失，污染环境（NO和N2O）。第二十九页，共八十三页，2022年，8月28日（2）硫酸盐呼吸反硫化细菌（严格厌氧，如巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等）还原SO42-成H2S。影响有利：水中S→H2S，避免S聚集。有害：土壤S损失；水稻烂根；饮用水污染;金属管道腐蚀。第三十页，共八十三页，2022年，8月28日（3）碳酸盐呼吸CO2或重碳酸盐为H受体。产甲烷细菌(专性厌氧菌，古生菌)，利用H2还原CO2，以CO2为电子受体产ATP和CH4；产乙酸菌进行呼吸，产物为乙酸。产沼气；肥料(沼气渣)。第三十一页，共八十三页，2022年，8月28日1.化能自养菌好氧，氧化磷酸化。2.产能方式（1）硝化作用（氨的氧化）

NH3或亚硝酸(NO2-)被氧化产能。①硝化类细菌

专性好氧，包括硝化和亚硝化细菌，互生。二、化能自养菌产能第三十二页，共八十三页，2022年，8月28日②过程NH3+O2+2H++2e亚硝化菌HNO2+4H++4e+ATPNO2-+H2O硝化菌NO3-+2H++2e+ATP③影响有利：氨→硝酸→提供氮素营养。有害：硝酸盐溶解性比铵盐强，易流失→降低肥料利用率→水体富营养化。

第三十三页，共八十三页，2022年，8月28日（2）硫化作用硫化物被硫细菌氧化产H2SO4和能量。影响产生SO42-→植物直接吸收；解除H2S毒害和除臭使土壤酸化，促进难溶S素的有效化，作物酸害。（3）铁的氧化亚铁氧化→高铁状态+能量，如氧化亚铁硫杆菌（存在于酸性环境中）。第三十四页，共八十三页，2022年，8月28日三、光合自养微生物的光合磷酸化

叶绿素或菌绿素被光量子激活，释放电子，电子传递，释放能量，合成ATP和[H]。(一)、光合微生物（蓝细菌，光合细菌，嗜盐细菌）1.光合细菌：水生菌，原核生物。含菌绿素、类胡罗卜素，比例不同→颜色不同。所有光合生物都有类胡萝卜素（捕获光能，传递给菌绿素）。2.嗜盐细菌在高浓度的饱和盐溶液(3.5～5.0mol/lNaCl)中生存。第三十五页，共八十三页，2022年，8月28日（二）、光合磷酸化1.循环光合磷酸化（1）如紫硫细菌、绿硫细菌等。（2）是厌氧光合细菌通过光驱动下的电子循环式传递，在传递中产ATP。

第三十六页，共八十三页，2022年，8月28日BchlP870红光或紫外光激发态菌绿素QBCytbc1Cytc2e-环式光合磷酸化Bphe-e-NAD(P)NAD(P)H2e-ATPADP+Pi外源电子供体H2S,Fe2+，单质硫外源H2,H2S，有机物消耗ATP逆电子传递QAQ库第三十七页，共八十三页，2022年，8月28日注：产ATP和还原力[H]（外源H供体是H2S，H2及有机物）。产ATP和还原力[H]分开进行，不产O2。还原力（NADPH2）是反向e传递产生的。

反向e传递:将e从低能量(高电位)向高能量(低电位)传递，消耗能量。H供体是H2S，H2和有机物（脂肪酸、醇类），而不能利用H2O作为H供体→净化污水中的H2S和有机物，菌体可做饲料、食品添加剂等。第三十八页，共八十三页，2022年，8月28日2.非循环光合磷酸化

同时产生ATP、[H]和O2，H供体是H2O。

蓝细菌、藻类及各种绿色植物。

（1）有两个光反应系统系统Ⅰ:产生还原力。系统Ⅱ:产生ATP。（2）具体过程第三十九页，共八十三页，2022年，8月28日ChlP700ChlP680Fe·S-PrFdNADPH2NADPQBPce-

PhH2O2e-+2H++1/2O2Mn2+

e-

系统Ⅰ系统Ⅱ红光蓝光QAQ库cytbf注：Ph为褐藻素，Pc为质体蓝素，Fd为铁氧还蛋白ATP第四十页，共八十三页，2022年，8月28日3.紫膜光合磷酸化（1）嗜盐菌，无叶绿素和菌绿素参与，是目前最简单的光合磷酸化。（2）O2多时，嗜盐菌以氧化磷酸化产能，少时，光照下合成紫膜→光合磷酸化。（3）嗜盐菌细胞膜红膜：含细胞色素、黄素蛋白和类胡萝卜素，参与氧化磷酸化；紫膜：进行光合磷酸化。含细菌视紫红质，与人眼视网膜柱状cell的视紫红质蛋白相似，都有视黄醛。第四十一页，共八十三页，2022年，8月28日紫膜光合磷酸化第四十二页，共八十三页，2022年，8月28日四、能量消耗1.合成耗能

CO2固定，固氮，糖类、蛋白质和核酸的合成。2.主动运输和膜泡运输耗能3.细胞运动真核生物鞭毛有ATP酶，细菌鞭毛无该酶。4.发光：发光细菌（如明亮发光杆菌）。第四十三页，共八十三页，2022年，8月28日发光细菌第四十四页，共八十三页，2022年，8月28日第二节微生物独特合成代谢途径一、CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的合成四、次生代谢（略）第四十五页，共八十三页，2022年，8月28日一、自养微生物的CO2固定Calvin循环、厌氧乙酰－COA途径、逆向TCA循环和羟基丙酸途径。Calvin循环代表：植物、蓝细菌、光合细菌、硫细菌、铁细菌、硝化细菌。两种关键酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。第四十六页，共八十三页，2022年，8月28日第四十七页，共八十三页，2022年，8月28日二、生物固氮（一）、固氮微生物-全为原核微生物。1.自生固氮菌:如圆褐固氮菌。2.共生固氮菌:形成特殊的结构，如根瘤菌。3.联合固氮菌:必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等,

不形成特殊结构。（生脂固氮螺菌）第四十八页，共八十三页，2022年，8月28日豌豆根瘤苜蓿根瘤圆褐固氮菌根瘤菌第四十九页，共八十三页，2022年，8月28日（二）、生物固氮的条件1.提供ATP2.还原力[H]及其传递体：铁氧还蛋白(Fd)或黄素氧还蛋白(Fld)3.固氮酶：固二氮酶（组分Ⅰ，含铁和钼，络合、活化和还原N2）和固二氮酶还原酶（组分Ⅱ，含铁，传递电子到组分Ⅰ

上）组成，两者在一起时才具有固氮作用。4.还原底物：N2

5.镁离子6.严格的厌氧环境第五十页，共八十三页，2022年，8月28日（三）、固氮的生化机制呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H2ATPFd(Fld)HN二NHN三NH2N-NH2

2NH3

固二氮酶还原酶组分II固二氮酶组分

IADP+PiMg2+氧障形成氨基酸注：总共需要8个电子，固氮过程中，固氮酶将25％的H还原为H2第五十一页，共八十三页，2022年，8月28日固氮酶对氧极端敏感；组分I（钼铁蛋白）：活性半衰期10min；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；但大多数固氮菌都是好氧菌；

如何解决需氧和防止氧损伤固氮酶的矛盾？思考?第五十二页，共八十三页，2022年，8月28日（四）、避氧害机制1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（2）呼吸保护：固氮菌科加强呼吸→低氧状态。（1）构象保护：褐球固氮菌固氮酶变构→无固氮活性，防止氧害。第五十三页，共八十三页，2022年，8月28日2.蓝细菌的抗氧保护机制（1）产生异形胞少产氧光合系统Ⅱ，有SOD，解除氧毒害。（2）非异形胞蓝细菌固氮和光合作用时间分开群体中央的厌氧环境→失去产氧光合系统Ⅱ→固氮。提高SOD和过氧化物酶的活性。第五十四页，共八十三页，2022年，8月28日3.豆科植物根瘤菌抗氧保护机制形成类菌体：类菌体周膜；膜内外有豆血红蛋白→Fe3+和Fe2+的变化→O2浓度低且稳定。第五十五页，共八十三页，2022年，8月28日三、肽聚糖的生物合成（一）在细胞质中的合成1.由葡萄糖合成NAG和NAM2.由NAM合成“Park核苷酸”第五十六页，共八十三页，2022年，8月28日葡萄糖-6-磷酸葡萄糖ATPADP果糖-6-磷酸GlnGlu葡糖胺-6-磷酸N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰葡糖胺-1-磷酸UDPGUTPPP磷酸烯醇丙酮酸Pi缩合反应NADPHNADP+还原反应UDPM由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸第五十七页，共八十三页，2022年，8月28日第五十八页，共八十三页，2022年，8月28日

细胞膜上，Park-核苷酸+NAG+肽尾→肽聚糖单体→被细菌萜醇(类脂载体)运送到膜外细胞壁生长点处。（二）在细胞膜中合成G第五十九页，共八十三页，2022年，8月28日（三）在细胞膜外的合成

1肽聚糖单体被运送。

2细胞分泌自溶素→解开肽聚糖网→引物。

3肽聚糖单体+引物→转糖基作用和转肽作用。第六十页，共八十三页，2022年，8月28日第六十一页，共八十三页，2022年，8月28日作业:1.肽聚糖合成有哪三个阶段，各个阶段的终产物是什么？2.哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？第六十二页，共八十三页，2022年，8月28日第三节微生物的代谢调控与发酵一、酶合成调节（一）诱导分解代谢，底物或中间代谢产物诱导。1.类型协同诱导：同时或几乎同时，分解速度快。顺序诱导：按顺序诱导，分解速度慢。2.诱导酶和组成酶第六十三页，共八十三页，2022年，8月28日（二）阻遏1.终产物阻遏合成途径，终产物过量积累，如色氨酸操纵子。如:细胞合成氨基酸、嘌呤、嘧啶。2.分解代谢产物阻遏葡萄糖效应-乳糖操纵子。第六十四页，共八十三页，2022年，8月28日（三）大肠杆菌的乳糖操纵子（lacoperon)I基因→阻遏物；Z基因→-半乳糖苷酶;Y基因→-半乳糖苷透通酶;A基因→-半乳糖苷转乙酰基酶。第六十五页，共八十三页，2022年，8月28日第六十六页，共八十三页，2022年，8月28日第六十七页，共八十三页，2022年，8月28日转乙酰基酶调节基因RCAP-cAMP操纵基因OlacZlacYlacA结构基因RNA聚合酶CAP：分解代谢物激活蛋白；cAMP受体蛋白别乳糖Β-半乳糖苷酶透酶启动基因P诱导物（乳糖）存在，葡萄糖不存在时第六十八页，共八十三页，2022年，8月28日Β-半乳糖苷酶渗透酶转乙酰基酶CAPRNA聚合酶CRP：cAMP受体蛋白乳糖调解基因RCAP-cAMP操纵基因OlacZlacYlacA结构基因XATPcAMP葡萄糖启动基因P诱导物（乳糖）和阻遏物（葡萄糖）共同存在第六十九页，共八十三页，2022年，8月28日

（二）、色氨酸操纵子阻遏蛋白不能与操纵基因结合，结构基因表达调节基因操纵基因结构基因mRNA酶蛋白调节基因操纵基因结构基因辅阻遏物trptrp与阻遏蛋白结合→构象变化→与操纵基因结合→结构基因不能表达。第七十页，共八十三页，2022年，8月28日二、酶活性调节（更精确、更快）1.激活：中间代谢产物或前体激活。2.抑制：产物抑制，大多为反馈抑制。3.机制（变构酶理论）酶有两个部位，活力部位（与底物结合，催化中心）；变构部位或调节中心。过量Aa+变构部位，构象变化→底物不结合；Aa浓度下降→与变构部位解离→活力部位恢复→终产物重新合成。第七十一页，共八十三页，2022年，8月28日三、代谢调节的应用从代谢途径、生理、基因调控进行调节。（一）应用营养缺陷型解除反馈抑制如Lys发酵：谷氨酸棒杆菌高丝氨酸缺陷型。第七十二页，共八十三页，2022年，8月28日营养缺陷型解除反馈调节进行Lys发酵天冬氨酸天冬氨酸磷酸天冬氨酸半醛高丝氨酸苏氨酸甲硫氨酸赖氨酸AKHSDH反馈阻遏反馈抑制AK：天冬氨酸激酶HSDH：高丝氨酸脱氢酶第七十三页，共八十三页，2022年，8月28日（二）抗反馈调节突变株对反馈抑制不敏感或对阻遏有抗性或都有。如黄色短杆菌抗α-氨基-β-羟基戊酸（AHV，苏氨酸的结构类似物）突变株（高丝氨酸脱氢酶不受苏氨酸的反馈抑制）积累苏氨酸。黄色短杆菌合成苏氨酸第七十四页，共八十三页，2022年，8月28日抗反馈控制突变株类型：终产物结构类似物抗性突变株和营养缺陷型回复突变株。目标产物结构类似物赖氨酸S-（2氨基乙基）-L半胱氨酸-(AEC)苏氨酸-氨基--羟基戊酸（AHV)异亮氨酸乙硫氨酸精氨酸D-精氨酸苯丙氨酸对氟苯丙氨酸第七十五页，共八十三页，2022年，8月28日一般来说，先选合适的营养缺陷型(其他代谢途径产物)，然后选抗性突变株→产量提高。如黄色短杆菌蛋氨酸缺陷株→抗AHV菌株→提高苏氨酸产量。黄色短杆菌合