微生物的代谢与发酵

微生物的代谢与发酵第一页，共一百二十一页，2022年，8月28日主要内容：●微生物独特的能量代谢●微生物独特的合成途径●发酵与代谢调节第二页，共一百二十一页，2022年，8月28日§1.微生物能量代谢一、化能异养微生物的生物氧化和产能第三页，共一百二十一页，2022年，8月28日●生物氧化的主要途径和类型途径：脱氢、递氢和受氢类型(受氢体不同）：----(好氧）呼吸----无氧呼吸----发酵第四页，共一百二十一页，2022年，8月28日（一）底物脱氢的主要途径第五页，共一百二十一页，2022年，8月28日生物共有的三个主流产能途径（EMP、HMP、TCA）1、糖酵解途径（EMP）第六页，共一百二十一页，2022年，8月28日2、磷酸戊糖途径（HMP）第七页，共一百二十一页，2022年，8月28日3、三羧酸循环（TCA）丙酮酸3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+ATP第八页，共一百二十一页，2022年，8月28日4、ED途径（糖酵解替代途径）●微生物独特产能途径第九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●ED途径概貌第十页，共一百二十一页，2022年，8月28日●总反应式：C6H12O6+Pi+NADP++NAD+→2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+特点：1）KDPG裂解关键反应2）特征酶：KDPG醛缩酶3）2丙酮酸分别来自KDPG裂解和3-磷甘油醛的转化4）产能较低（1molATP+NADPH+NADH/1molGlucose）第十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日●生物学意义1）EMP途径的替代途径2)协调EMP、HMP、TCA途径3）进行细菌酒精发酵2010年，中国生物乙醇500万吨,成本低于3000元/吨

第十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日●酒精发酵途径:酵母菌:葡萄糖→1,6-二磷酸果糖→3-磷酸甘油醛、磷酸二羟丙酮→→丙酮酸→乙醛→2乙醇细菌：葡萄糖→

6-磷酸葡糖酸→KDPG→丙酮酸(3-磷酸甘油醛→丙酮酸)→乙醛→2乙醇第十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日●细菌酒精发酵

代谢速率高、转化率高、副产物少、发酵温度较高；但pH较高、较易染菌、耐乙醇能力较低。第十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日建议读物：第十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日第十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日·（二）递氢和受氢

●依据受氢体性质不同，生物氧化分为：呼吸(有氧呼吸）、无氧呼吸和发酵三种类型。

第十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日1、呼吸●好氧M产能方式●呼吸链最终受氢体（O2）原核生物P/O较低第十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日2、无氧呼吸

又称厌氧呼吸，一类呼吸链末端受氢体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。主要微生物类群：----反硝化细菌----反硫化细菌----甲烷细菌----某些兼性厌氧菌第十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●无机氧化物为受氢体第二十页，共一百二十一页，2022年，8月28日●有机氧化物为受氢体第二十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日NO3●无氧呼吸[如：硝酸盐(呼吸)异化还原]在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物无氧呼吸时利用硝酸盐为受氢体还原为亚硝酸、NO,N2O或氮气的过程。第二十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日●硝酸盐异化还原特点---某些兼性厌氧微生物在无氧时，利用硝酸盐为受氢体的产能方式，产能较低；---还原形成的亚硝酸盐通常会进一步还原为N2；---对卫生、环保、农业（肥力）的影响与利用第二十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日●反硝化作用：微生物在厌氧呼吸中把硝酸盐或亚硝酸还原为气态氮(氮气)的过程。

（注意：不同于硝酸盐异化还原）●硝酸盐同化还原硝酸盐为微生物吸收还原为氨态氮的过程。第二十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日DentrificationTheformationofgaseousnitrogenorgaseousnitrogenoxidesfromnitrateornitritebymicroorganisms.第二十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日●硫酸盐呼吸：在无氧条件下，某些厌氧或兼性厌氧微生物无氧呼吸时利用硫酸盐为受氢体还原为H2S的过程。APS：

腺苷酰磷酸第二十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日第二十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日总结：●无氧呼吸是厌氧和兼性厌氧微生物的一种产能反应，不同于好氧呼吸，底物脱下的氢经呼吸链传递给无机氧化物或有机氧化物；产能较少。●硝酸盐异化还原由兼性微生物进行的无氧呼吸，为硝酸盐还原为亚硝酸或氮气的过程。●反硝化作用：厌氧呼吸中硝酸盐还原为氮气的过程。●自然界中进行无氧呼吸的主要方式还包括硫酸盐呼吸、硫呼吸、碳酸盐呼吸、铁呼吸等。第二十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日3、发酵（fermentation）

●定义广义：利用微生物生产有用代谢产物的一类生产方式。狭义：在无氧条件下，底物脱下氢未经呼吸链而直接交给某一内源性中间代谢物，以实现底物水平磷酸化的生物氧化反应。第二十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●发酵示意图3-P甘油醛丙酮酸乳酸1,3-二磷甘油酸第三十页，共一百二十一页，2022年，8月28日

产能反应（底物水平磷酸化）第三十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵

（乙醇发酵、乳酸（同型）发酵、丙酸发酵）第三十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日

混合酸发酵（甲酸、乙酸、乙醇、CO2、H2）第三十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日2,3丁二醇发酵第三十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日丁酸发酵(丁酸；丙酮、丁醇；异丙醇等）第三十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日V.P.试验：某些微生物利用丙酮酸产生乙酰甲基甲醇，在碱性条件下脱氢形成二乙酰，与胍基化合物产生红色反应，可用于某些细菌的鉴定。第三十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日（2）通过HMP途径的发酵◆异型乳酸发酵

（产物：乳酸、乙醇、CO2等）A.异型乳酸发酵经典途径（磷酸转酮酶途径）葡萄糖为原料:第三十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日核糖为原料:

产物为乳酸,乙酸,H20,ATP第三十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日B.异型乳酸发酵双歧杆菌途径(主要部分)关键酶：木酮糖磷酸转酮酶第三十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日乙酸来源:第四十页，共一百二十一页，2022年，8月28日第四十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日（3）通过ED途径的发酵（细菌酒精发酵）（4）氨基酸发酵产能（Stickland反应)●丙氨酸氧化与甘氨酸还原的偶联

（丙酮酸+2甘氨酸3乙酸+ATP）第四十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日总结：●发酵为厌氧或兼性厌氧微生物在无氧下的底物水平磷酸化的产能反应；●主要途径包括经EMP、HMP、ED途径和Stickland反应的发酵；如经EMP的6条发酵途径、VP反应；HMP的异型乳酸发酵；氨基酸氧化与还原偶联的发酵●发酵具有重要的生物学意义及在微生物学实践中的应用价值。第四十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、自养微生物产ATP和产还原力(一)化能自养微生物第四十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日●ATP和NADPH的产生

E°’-0.32-0.0600.260.280.82第四十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日---化能自养菌多数为好氧微生物，通过呼吸链传递电子和氢获得能量；---化能自养菌氧化的无机物氧还电位一般较高(能量水平较低)，故P/O值较低；---化能自养菌可通过消耗ATP逆呼吸链的方式获得还原力[H]。第四十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日●硝化细菌的硝化作用硝化作用：氨态氮经硝化细菌的氧化，转为硝酸态氮的过程。亚硝化细菌：NH3+O2HNO2+2H++2e-硝化细菌：HNO2+H2ONO3

-+2H++2e-第四十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日●亚硝化细菌的产能反应第四十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日

硝化作用：●还原性无机物氧化直接与呼吸链相联。其过程比异养菌（经EMP/TCA等）简单。●呼吸链的组分简单，多样化；氢或电子直接进入。●产能效率（P/O）比异养菌低(无机物能量水平低)。

2、化能自养菌氧化产能的特点：第四十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日

（二）光能营养微生物1非循环光合磷酸化-------产氧光合作用第五十页，共一百二十一页，2022年，8月28日产氧光合微生物（蓝绿澡）特点：1）电子传递非循环2）有氧下进行（光解水产氧）3）PSI和PSII两个光合系统4）反应中可同时产生ATP和NADPH5）H+质子来源于水的光解第五十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.循环光合磷酸化1)电子传递循环方式2)产ATP和NAD(P)H分别进行3)不光解水、不产氧（仅有PSI）4）还原力的H+质子来自H2S、H2无机或有机物

（不产氧光合微生物：光合细菌）第五十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日CytC2偶联质子跨膜形成质子梯度第五十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日

●光合细菌(红螺菌目)

Bacteriathatcontainbacteriochlorophyllsandcanuselightasanenergysource.Whengrowingunderilluminationtheorganismareanaerobicanddonotevolveo2duringphotosynthesis.somearealsocapableofgrowinginthedarkbyrespiringwithoxygen.第五十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日区别：1）菌绿素类型2）电子供体3）硫粒积累特征

光合细菌：红螺菌科、着色菌科、绿菌科、绿弯菌科第五十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日●光合细菌（不产氧光合微生物）----光合作用器第五十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日●光合细菌培养物第五十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日3、紫膜光合磷酸化

（不产氧光合微生物）紫膜：在低氧时，某些嗜盐菌的细胞膜合成含有菌视紫红质，因颜色呈紫色，故称为紫膜。（视紫红质：视黄醛+视蛋白）第五十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日紫膜：75％蛋白（菌视紫红质）25％脂类第五十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●紫膜光合磷酸化

通过视黄醛分子光介导的异构化建立膜电位而进行的光合磷酸化。第六十页，共一百二十一页，2022年，8月28日建议读物：第六十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日建议读物：第六十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日§2分解代谢和合成代谢的关系●两用代谢途径●代谢物回补顺序能补充两用代谢途径中因合成而消耗的中间产物的那些反应。第六十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日第六十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日●乙醛酸循环第六十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日●生物学意义1）TCA循环中4C化合物的补偿2）乙酸为唯一C源微生物的重要代谢途径3）高效的琥珀酸形成途径

第六十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日§3微生物独特合成途径一.自养微生物的CO2固定●Calvin循环●厌氧乙酰—COA途径●逆向TCA循环●羟基丙酸途径第六十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日●Calvin循环（略）6CO2通过Calvin循环产生果糖-6-磷酸2)核酮糖二磷酸羧化酶、磷酸核酮糖激酶为特征性酶3）自养菌（生物）固定CO2的主要途径第六十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日●厌氧乙酰-辅酶A途径第六十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●主要特征：1）分别合成甲基和羧基，后经乙酰-COA合成终产物乙酸、丙酮酸2）CO脱氢酶为关键酶；THF、B12等一碳载体参加4）某些专性厌氧的化能自养菌固定CO2

的主要途径（自养同型乙酸细菌、甲烷细菌）第七十页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、生物固氮大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。生物固氮：130×106吨工业固氮：50×106吨第七十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日（一）固氮微生物1.自生固氮菌（Aztobacteria）第七十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日●蓝藻(念珠藻:Nostic)第七十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日

2.共生固氮菌

（豆科植物）Rhizobium（非豆科植物）第七十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日●地衣：子囊菌＋蓝藻3.联合固氮必须生长在植物根际、叶面或动物肠道等处才能更好地固氮的微生物。●Frankia

第七十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日●Azotospirillium第七十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日第七十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日二、固氮的生化机制

N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi1.生物固氮要素●ATP(1:18)●还原力和传递载体：NADPHFd、Fld●还原底物（N2）●Mg++●厌氧微环境●固氮酶第七十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日●固氮酶第七十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●FeMoCo(固氮酶活性中心）第八十页，共一百二十一页，2022年，8月28日●固氮酶生物学特性1）还原N2、H+、C2H2等生物活性2）由固氮酶（组分I；钼铁蛋白；固二氮酶）和固氮酶还原酶（组分II；铁蛋白；固二氮酶还原酶）共同组成时才具有生物活性3）氧不可逆失活作用第八十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日2.活力测定—乙炔还原法第八十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日3固氮的生化途径N2+8[H]+18~24ATP→2NH3+H2+18-24ADP+18~24Pi第八十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日●氨的去路

第八十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日4.固氮酶的产氢反应（2H+→H2）

固氮酶2H+---------------------→H2氢化酶第八十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日（三）固氮酶避氧机制1.好气性自生固氮菌：----呼吸保护----构象保护2.蓝藻：----还原性异形胞----其它第八十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日3.根瘤菌：----形成豆血红蛋白（存在于类菌体周膜内外）第八十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日●根瘤第八十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日

三、微生物结构大分子---肽聚糖的合成第八十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日(一)细胞质中的合成1）N-乙酰葡萄糖胺-UDP、N-乙酰胞壁酸-UDP

葡萄糖→N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸（Gln、乙酰-COA）↙N-乙酰葡萄糖胺-UDP→N-乙酰胞壁酸-UDP

第九十页，共一百二十一页，2022年，8月28日

2）由N-乙酰胞壁酸合成“park”核苷酸●park”核苷酸：即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，细菌细胞壁合成的重要中间体，由N-乙酰胞壁酸和氨基酸（丙氨酸、谷氨酸等）和载体UDP在细胞质中合成形成。第九十一页，共一百二十一页，2022年，8月28日●“park”核苷酸的合成1）在UDP－M的基础上合成；2）UDP为载体3）环丝氨酸抑制D-Ala--D-Ala的合成第九十二页，共一百二十一页，2022年，8月28日(二)在细胞膜中的合成：产物：肽聚糖单体（双糖肽亚单位）载体：细菌萜醇：

（C55类异戊二烯醇组成的类脂载体）第九十三页，共一百二十一页，2022年，8月28日

●肽聚糖单体合成途径第九十四页，共一百二十一页，2022年，8月28日(三)膜外的组装●自溶素作用第九十五页，共一百二十一页，2022年，8月28日

●膜外组装：转糖基化作用；转肽作用

青霉素：与转肽酶结合；万古霉素：与Ala-Ala结合第九十六页，共一百二十一页，2022年，8月28日Carbapenem:碳青霉素烯第九十七页，共一百二十一页，2022年，8月28日●主要反应过程回顾第九十八页，共一百二十一页，2022年，8月28日●药物设计的意义(肽聚糖合成的抑制)----青霉素：竞争性抑制转肽酶活性中心----环丝氨酸：抑制Park核苷酸5肽的合成----万古霉素:与肽聚糖五肽的D-Ala-D-Ala结合，抑制转肽酶作用----杆菌肽：抑制细菌萜醇的去磷酸化

第九十九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●青霉素抗菌机制青霉素结构与肽聚糖单体五肽末端‘D-Ala-D-Ala’相似，竞争性地与转肽酶结合，阻碍了肽聚糖单体间肽桥的交联，引起细菌渗透性溶菌（osmoticlysis)死亡。第一百页，共一百二十一页，2022年，8月28日四、微生物次生代谢产物的合成●次生代谢产物在微生物生长的稳定期前后，由初生代谢物为前体，通过复杂的代谢途径合成的各种结构复杂的化学物质。第一百零一页，共一百二十一页，2022年，8月28日●次级代谢特点：1）初级代谢产物为前体2）一般生长后期产生3）对产生者功能不明确4）代谢途径独特第一百零二页，共一百二十一页，2022年，8月28日第一百零三页，共一百二十一页，2022年，8月28日建议读物:

第一百零四页，共一百二十一页，2022年，8月28日次生代谢产物及相关基因的推断:第一百零五页，共一百二十一页，2022年，8月28日§4微生物的代谢调节与发酵生产主要调控方式：1）通道控制作用2）酶数量的控制3）酶活性的激活和抑制第一百零六页，共一百二十一页，2022年，8月28日一、微生物的代谢调节(一）酶合成的调节（数量的控制）●组成酶:细胞中经常以较高浓度存在的酶。●诱导酶：只有当其分解底物或有关的诱导物存在时才会合成的酶。第一百零七页，共一百二十一页，2022年，8月28日根据调节基因产物作用划分:负转录调控调节基因产物是阻遏蛋白,阻止结构基因的转录。II.正转录调控调节基因的产物是激活蛋白，促进结构基因的转录。第一百零八页，共一百二十一页，2022年，8月28日

●基因调控系统

操纵子

调节基因

启动基因，操纵基因

结构基因

(二)原核生物基因调控的基本方式●操纵子:细菌基因表达调控的基本单位,包括结构基因、操纵基因和启动基因。第一百零九页，共一百二十一页，2022年，8月28日●乳糖操纵子转录的负控制