微生物的新陈代谢微生物的能量代谢

微生物的新陈代谢微生物的能量代谢第1页/共116页微生物的新陈代谢第2页/共116页

新陈代谢（metabolism）简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和，即：新陈代谢＝分解代谢＋合成代谢第3页/共116页分解代谢又称异化作用，是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量（一般以腺苷三磷酸即ATP形式存在）和还原力（reducingpower，或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用。合成代谢又称同化作用，是指在合成酶系的催化下，由简单分子、ATP形式的能量和还原力一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。第4页/共116页复杂分子（有机物）

分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的统一性和明显的多样性。第5页/共116页第6页/共116页Energy–yieldingnutrientsCarbohydratesFatsProteinsCatabolismEnergy–poorendproductsCO2,H2O,NH3CellmacromoleculesProteins,Polysaccharides,Lipids,NucleicacidsPrecursormoleculesAminoacids,Sugars,Fattyacids,NitrogenousbasesAnabolismATP第7页/共116页第8页/共116页RelationshipbetweenEnergyandMetabolism

第9页/共116页根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体的作用不同，可分为：初级代谢次级代谢第10页/共116页初级代谢：把营养物质转变成细胞的结构物质，或对机体具生理活性的物质，或为机体生长提供能量的物质的一类代谢类型。初级代谢对生命活动是必须的，它存在于一切生物体内。第11页/共116页①供机体进行生物合成的各种小分子前体物、单体和多聚体物质，例如丙酮酸、各种氨基酸、核苷酸等。②在能量代谢和代谢调节中起作用的各种物质，例如ATP。初级代谢的产物称为初级代谢产物，具体包括：第12页/共116页次级代谢：微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长时期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。次级代谢并不普遍存在于生物界，也不存在于整个生长时期，即次级代谢并非生命活动所必须的。但次级代谢产物对人类是很重要的，例如抗生素、生长刺激素、色素、生物碱等。第13页/共116页第一节微生物的产能代谢第14页/共116页一切生命活动都是耗能反应，能量代谢就成了新陈代谢中的核心问题。研究能量代谢的根本目的，是追踪生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源（primaryenergysources）转换成对一切生命活动都能利用的通用能源（universalenergysource）------ATP。第15页/共116页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）第16页/共116页一、化能异养微生物的生物氧化生物氧化（biologicaloxidation）：就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。第17页/共116页生物氧化与燃烧的比较第18页/共116页三个形式(被氧化的形式)生物氧化的“三、三”与氧化合失去电子脱氢基质底物脱氢递氢受体受氢产能产[H]产小分子中间代谢物H2+1/2O2H2OCH3CHOHCOOHCH3COCOOH+2H++2eFe2+Fe3++e三个阶段(形成能量阶段)三个产物(生物氧化功能)生物合成三要素第19页/共116页生物氧化的类型无氧呼吸发酵呼吸第20页/共116页A发酵作用（fermentation）微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物发酵作用不需要外界提供电子受体糖的发酵，有机酸的发酵，氨基酸的发酵广义的发酵泛指一切利用微生物进行生产的过程，多指传统的与实际生产有关的工业化生产多是好氧过程第21页/共116页在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。发酵（fermentation）第22页/共116页1.发酵途径发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径.2.发酵类型

在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢。在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。根据发酵产物不同，发酵的类型主要有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵等。第23页/共116页EMPpathwayHMPpathwayEDHK(PK)糖酵解（Glycolysis)第24页/共116页1.EMP途径（Embdem-Meyerhof-ParnasPathway）EMP途径又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexosediphosphatepathway），是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。第25页/共116页在总反应中，可概括成两个阶段(耗能和产能)、三种产物(NADH＋H+、丙酮酸和ATP)和10个反应步骤。1分子葡萄糖为底物10步反应2分子丙酮酸2分子ATP第26页/共116页EMP途径的总反应式为：C6H12O6＋2NAD+＋2ADP＋2Pi→2CH3COCOOH＋2NADH＋2H+＋2ATP＋2H2O第27页/共116页在其终产物中，2NADH＋H+在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP；在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物——乙醛还原成乙醇。第28页/共116页

EMP途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但其生理功能极其重要：①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力；②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径等；③微生物合成提供多种中间代谢物；④通过逆向反应进行多糖合成。从微生物发酵生产的角度来看，EMP途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。第29页/共116页2.HMP途径（hexosemonophosphatepathway）HMP途径即已糖—磷酸途径、己糖—磷酸支路（shunt）、戊糖磷酸途径（pentosephosphatepathway）、磷酸葡萄糖酸途径（phosphogluconatepathway）或WD途径（Warburg-Dickenspathway）。第30页/共116页1.氧化阶段：6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核糖2.非氧化阶段：磷酸戊糖分子重排第31页/共116页HMP途径的总反应式为：6葡糖-6-磷酸＋12NADP+＋6H2O→5葡糖-6-磷酸＋12NADPH＋12H+＋12CO2＋Pi

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HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义，具体表现在：①供应合成原料：为核酸、核苷酸、NAD(P)+、FAD(FMN)和CoA等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料；②产还原力：产生大量的NADPH2形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需；第33页/共116页③作为固定的CO2中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介；④扩大碳源利用范围：微生物利用C3～C7多种碳源提供了必要的代谢途径；⑤连接EMP途径：通过与EMP途径的连接，微生物合成提供更多的戊糖。从微生物发酵生产的角度来看，通过HMP途径可提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。第34页/共116页3.ED途径（Entner-Doudoroffpathway）ED途径又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。最早由Entner和Doudoroff两人（1952）在Pseudomonassaccharophila（嗜糖假单胞菌）中发现，故名。这是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。第35页/共116页ED途径特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。第36页/共116页ED途径的总反应式为：C6H12O6＋ADP＋Pi＋NADP+＋NAD+→2CH3COCOOH＋ATP＋NADPH＋H+＋NADH＋H+

第37页/共116页4、磷酸解酮酶途径

磷酸解酮酶途径是明串珠菌等进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径，该途径的特征是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同又分为PK和HK途径。第38页/共116页PKpathwayPK

1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+第39页/共116页

G6-磷酸-果糖磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌）

4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

第40页/共116页不同的微生物通过发酵作用，积累的代谢产物是不一样的。根据主要代谢产物将微生物发酵分为以下几个类型。微生物的发酵类型第41页/共116页①乙醇发酵②

乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤丁二醇发酵⑥丁酸型发酵第42页/共116页①乙醇发酵酒精发酵是最古老的一种发酵，它在化工、医药及食品行业的用途广泛。第43页/共116页酵母菌只有在pH3.5～4.5（弱酸性）和厌氧条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为酵母菌的第一型发酵。酵母菌的第一型发酵第44页/共116页葡萄糖2×丙酮酸EMP途径丙酮酸脱羧酶2×乙醛2×CO2乙醇脱氢酶2×乙醇NAD+NADH2NADH2NAD+关键酶1分子2分子第45页/共116页如果将发酵过程的pH值控制在微碱性（pH7.6左右）和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵－→甘油发酵，得到的产物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2

——酵母菌的第三型发酵。乙醇发酵所需的pH是弱酸性的，pH3.5～4.5。酵母菌的第三型发酵第46页/共116页葡萄糖丙酮酸EMP途径丙酮酸脱羧酶乙醛CO2磷酸甘油脱氢酶乙醇NAD+NADH2NADH2NAD+磷酸二羟丙酮乙酸3－P－甘油甘油EMP途径NAD+NADH2第47页/共116页在酵母菌的第三型发酵中没有ATP产生，所以这种发酵是在静息细胞中进行的。乙酸的产生会降低培养基的pH值，使酵母菌的第三型发酵重新回到正常的乙醇发酵，所以，如果产品需要的是甘油，一定要控制好pH。第48页/共116页酵母菌在亚适量的NaHSO3（3％）作用下可进行酵母菌的第二型发酵生成甘油。酵母菌的第二型发酵第49页/共116页葡萄糖丙酮酸EMP途径丙酮酸脱羧酶乙醛CO2磷酸甘油脱氢酶NAD+NADH2NADH2NAD+磷酸二羟丙酮3－P－甘油甘油EMP途径NAD+NADH2复合物NaHSO3第50页/共116页如果要利用酵母菌的第二型发酵来生产甘油，则培养基中的一定要亚适量NaHSO3（3％），大量的NaHSO3对酵母有毒害作用。第51页/共116页酵母菌的酒精发酵（均在厌氧条件下）第三型发酵——pH7.6左右（微碱性）第一型发酵——pH3.5～4.5（弱酸性）第二型发酵——亚适量NaHSO3（3％）甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2甘油和少量乙醇乙醇第52页/共116页通过酵母菌的三个类型发酵的分析，可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。工艺条件不同，发酵的产品性质和数量不同，其他类型的发酵也是如此。第53页/共116页②乳酸发酵乳酸发酵在工业上用于生产乳酸，在农业上用于青贮饲料的发酵，在食品加工业上也有广泛的应用。因此，乳酸是一种需求量很大的发酵产品。全世界每年乳酸的消费量为13～15万吨，我国的乳酸生产量11000吨。第54页/共116页乳酸生产现在主要是化学合成，但化学合成法生产的乳酸是DL－乳酸，发酵法生产的是L-乳酸。目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在9～10％，中试报道也达到12～14％，国外的产酸水平是18％。第55页/共116页乳酸发酵是由乳酸菌在严格厌氧的条件下进行的。乳酸菌是耐氧型的厌氧菌，G+，无芽孢，有杆菌、球菌等。乳酸菌生长过程中需要多种生长因子，可分解葡萄糖产生大量的乳酸。第56页/共116页葡萄糖2×丙酮酸EMP途径乳酸脱氢酶2×乳酸NAD+NADH2NAD+A.同型乳酸发酵第57页/共116页凡葡萄糖发酵后只产生2分子乳酸的发酵，称同型乳酸发酵（homolacticfermentation）。第58页/共116页葡萄糖乙酰磷酸PK途径乙醛乳酸脱氢酶乳酸NADH2NAD+3－P－甘油醛NAD+丙酮酸乙醇乙酸＋CO2B.异型乳酸发酵第59页/共116页第60页/共116页凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵异型乳酸发酵（heterolacticfermentation）。第61页/共116页这是一条在1960年代中后期才发现的双歧杆菌（Bifidobacteria）通过HMP发酵葡萄糖的新途径。C.双歧杆菌途径双歧发酵乙酰磷酸+丁糖-4-磷酸乙酰磷酸+甘油醛-3-磷酸第62页/共116页乳酸发酵对我们食品工业和酿酒工业来说十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生产均通过乳酸发酵。甚至在香肠的制作中也需乳酸菌的参与。但在酿酒工业中乳酸菌是一重大污染菌。第63页/共116页B呼吸作用微生物在降解底物过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经过电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或者其他还原性产物并释放能量的过程。有氧呼吸O2为最终电子受体无氧呼吸氧化型化合物为最终电子受体无氧呼吸与发酵作用？第64页/共116页呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。第65页/共116页是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力[H]形式存在）经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。（1）好氧呼吸（aerobicrespiration）第66页/共116页TCA循环（tricarboxylicacidcycle）三羧酸循环又称TCA循环、Krebs循环或柠檬酸循环（citricacidcycle），这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。第67页/共116页真核微生物，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；原核微生物，例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。第68页/共116页是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧、形成CO2、H2O和NADH2的过程。第69页/共116页整个TCA循环的总反应式为：丙酮酸＋4NAD+＋FAD＋GDP＋Pi＋3H2O→3CO2＋FADH2

＋GTP

＋4(NADH＋H+)第70页/共116页TCA循环的特点有：①氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（NAD+和

FAD

再生时需氧）；②每分子丙酮酸可产4个NADH＋H+、1个FADH2

和GTP，总共相当于15个ATP，因此产能效率极高；③

TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发酵生产紧密相关。第71页/共116页底物脱氢的四条途径以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，它在脱氢阶段主要可通过4条途径完成其脱氢反应，并伴随还原力[H]和能量的产生。第72页/共116页底物脱氢的四条途径EMP途径HMP途径ED途径TCA循环link1第73页/共116页第74页/共116页第75页/共116页递氢和受氢贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的4条途径脱氢后，经过呼吸链（或称电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体（hydrogenacceptor或receptor）相结合而释放出其中的能量。第76页/共116页又称电子传递链（electrontransportchain，ETC），是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子）传递体。呼吸链（respiratorychain，RC）第77页/共116页低氧化还原势的化合物高氧化还原势化合物Eg.分子氧或其他无机、有机氧化物通过与氧化磷酸化反应相偶联跨膜质子动势推动了ATP的合成氢或电子逐级传递第78页/共116页（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）（2）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）（3）铁硫蛋白（Fe-S）（4）泛醌（辅酶Q）（5）细胞色素系统递氢体或递电子体第79页/共116页NAD或NADPFAD或FMN铁硫蛋白泛醌细胞色素系统ATPATPATP第80页/共116页第81页/共116页（2）无氧呼吸（anaerobicrespiration）又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。特点是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。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。第82页/共116页根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分为下列几种类型：第83页/共116页①

硝酸盐呼吸（nitrate

respiration）又称反硝化作用（denitrification）②

硫酸盐呼吸（sulfaterespiration）③

硫呼吸（sulphurrespiration）④

铁呼吸（ironrespiration）⑤

碳酸盐呼吸（carbonaterespiration）⑥

延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）link2第84页/共116页第85页/共116页氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或递电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动ATP酶合成ATP。第86页/共116页第87页/共116页

呼吸作用有机物CO2O2(外在电子受体存在)(气态氧被还原为水)碳流电子流

发酵作用有机物发酵产物(如乙醇、乳酸等)内部氧化还原作用(无外在电子受体存在)(只有一小部分力量放出水)碳流电子流

无氧呼吸作用有机物CO2氧化态NO3-、SO42-、CO32-(还原为NO2-、SO32-、CH4)碳流电子流第88页/共116页二、自养微生物的生物氧化化能无机自养型微生物（无机物）光能自养型微生物（日光辐射能）生物合成起点是建立在对氧化程度极高的CO2进行还原（即CO2的固定）的基础上。异养微生物生物合成起点是建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。第89页/共116页第90页/共116页（一）化能自养微生物（chemoautotrophs）化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和[H]是通过氧化无机底物，例如，NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe2+等而获得的。其产能途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，化能自养菌一般都是好氧菌。第91页/共116页第92页/共116页化能自养微生物产能机制效率低、固定要大量耗能，因此他们的产能效率、生长速率和生长得率都很低。化能自养微生物的能量代谢的3个特点①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递；②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；③产能效率一般要低于化能异养微生物。第93页/共116页是广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养微生物。硝化细菌（nitrifyingbacteria）亚硝化细菌（氨氧化细菌）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）将NH4+氧化为NO2-并获得能量，Eg.Nitrosomonas（亚硝化单胞菌属）将NO2-氧化为NO3-并获得能量，

Eg.Nitrobacter（硝化杆菌属）生理类型第94页/共116页这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。第95页/共116页亚硝化细菌第96页/共116页硝化细菌第97页/共116页（二）光能营养微生物（phototrophs）自然界中能进行光能营养的生物及其光合作用特点是：光能营养型生物产氧不产氧古生菌：嗜盐菌真细菌：光合细菌（厌氧菌）原核生物：蓝细菌真核生物：藻类及其他绿色植物第98页/共116页1.循环光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）一种存在于光合细菌（photosyntheticbacteria）中的原始光合作用机制，可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。第99页/共116页第100页/共116页特点：①电子传递途径属循环方式，即在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；②产ATP与产还原力[H]分别进行；③还原力来自H2S等的无机氢供体；④不产生氧。第101页/共116页特点：进行不产氧光合作用（anoxygenicphotosynthesis），即不能利用H2O作为还原CO2时的氢供体，能利用还原态无机物（H2S、H2）或有机物作还原CO2的氢供体。具有循环光合磷酸化的生物，属于原核生物真细菌中的光合细菌，均是厌氧菌，分类上在红螺菌目（Rhodospirillales）。第102页/共116页这是一类典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水中。红螺菌目的光合细菌细胞内所含的菌绿素和类胡萝卜素的量和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等不同颜色。可利用有毒的H2S或污水中的有机物（脂肪酸、醇类等）作还原CO2时的氢供体，用于污水净化；产生的菌体可作饵料、饲料或食品添加剂等。第103页/共116页2.非循环光合磷酸化

（noncyclicphotophosphorylation）这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。第104页/共116页特点：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，其中的PSⅠ（含叶绿素a）可以利用红光，PSⅡ（含叶绿素b）可利用蓝光；④反应中同时有ATP（产自PSⅡ）、还原力[H]（产自PSⅠ）和O2（产自PSⅡ）产生；⑤还原力NADPH2中的[H]是来自H