《微生物基》课件-单元六 微生物的代谢及调节

微生物学基础单元六微生物的代谢及调节

１新陈代谢新陈代谢概念：✔生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程；

✔细胞内发生的各种化学反应总称；

✔分为分解代谢和合成代谢，；新陈代谢特点：✔在温和条件下进行(由酶催化)；

✔反应步骤繁多，但相互配合、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性；

✔对内外环境具有高度的调节功能和适应功能；一、微生物的代谢概述

项目一微生物的代谢新陈代谢=分解代谢+合成代谢

２分解代谢、合成代谢分解代谢概念：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、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力[H]的作用；

合成代谢概念：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力

[H]一起合成复杂的大分子的过程。一、微生物的代谢概述

注：→还原力[H]：还原能力强的物质，包括NADH2(还原型辅酶Ⅰ)、NADPH2(还原型辅酶Ⅱ)、FADH2(黄素腺嘌呤二核苷酸)；

３物质代谢、能量代谢新陈代谢还可分为：物质代谢、能量代谢；它们的关系如图：一、微生物的代谢概述

4初级代谢、次级代谢按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢、次级代谢；初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；

产物：氨基酸、核苷酸等；次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；

产物：抗生素、色素、激素、生物碱等。一、微生物的代谢概述

１能量代谢概述能量代谢是新陈代谢中的核心问题；能量代谢中心任务：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；微生物三类最初能源：有机物、日光、还原态无机物。二、微生物的能量代谢

ATP结构

２生物氧化与产能生物氧化定义：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称，能量分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用；生物氧化的三种方式：和氧的直接化合：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O失去电子：Fe2+→Fe3++e–化合物脱氢：二、微生物的能量代谢

２生物氧化与产能生物氧化的三个功能：产能(ATP)；产还原力[H]；产小分子中间代谢物；二、微生物的能量代谢

例：

２生物氧化与产能生物氧化的过程（三个环节）：脱氢：底物脱氢（或脱电子）作用，该底物称作电子供体或供氢体；递氢：氢（或电子）的传递，需中间传递体，如NAD、FAD等；受氢：最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）。二、微生物的能量代谢

３化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的底物生物氧化时脱氢、递氢、受氢过程：底物生物氧化时脱氢的四种方式：EMP途径；HMP途径；ED途径；TCA途径；二、微生物的能量代谢

３化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的底物生物氧化时脱氢、递氢、受氢过程：底物生物氧化时递氢：经上述四种脱氢途径生成的还原力[H]NADH2、NADPH2、FADＨ2等还原型辅酶通过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢；底物生物氧化时受氢：还原力[H]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，生成ATP；有氧呼吸：最终由分子氧受氢；无氧呼吸：最终由无机氧化物（如NO3-、SO42-等）受氢；发酵：还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物。二、微生物的能量代谢

３化能异养微生物的生物氧化和产能底物生物氧化时脱氢、递氢、受氢关系图：二、微生物的能量代谢

４脱氢方式一：EMP途径EMP途径定义：✔又称糖酵解途径，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径；

✔是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应；EMP的生物学意义：✔是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径；

✔通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的能量；

✔形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架；

✔为糖异生提供基本途径。二、微生物的能量代谢

４脱氢方式一：EMP途径EMP途径步骤：二、微生物的能量代谢

４脱氢方式一：EMP途径EMP途径详细步骤：

４脱氢方式一：EMP途径EMP途径反应总步骤：共10步；EMP途径反应简式：

EMP途径总反应式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATP二、微生物的能量代谢

５脱氢方式二：HMP途径HMP途径定义：✔由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水），称完全HMP途径；

✔HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生12个NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。二、微生物的能量代谢

５脱氢方式二：HMP途径HMP途径详细步骤：如图

５脱氢方式二：HMP途径HMP途径反应简式：HMP途径总反应式：

6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH2+6CO2+Pi

二、微生物的能量代谢

５脱氢方式二：HMP途径HMP途径的生物学意义：为核苷酸和核酸的合成提供戊糖磷酸；赤藓糖-4-磷酸用于芳香族氨基酸的合成；产大量还原力：NADPH2；扩大微生物碳源利用范围：C3~C7；连接EMP途径：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸；产生许多重要发酵产物：核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸。二、微生物的能量代谢

６脱氢方式三：ED途径ED途径的概念：✔又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径；

✔是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径；

✔葡萄糖只需４步反应即可获得丙酮酸；二、微生物的能量代谢

６脱氢方式三：ED途径ED途径详细步骤：如图二、微生物的能量代谢

６脱氢方式三：ED途径ED途径反应简式：ED途径总反应式：

葡萄糖+NAD++NADP+Pi+ADP→2丙酮酸+NADH2+NADPH2+ATP二、微生物的能量代谢

６脱氢方式三：ED途径ED途径的生物学特点：ED途径的特征反应是2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；特征性酶：KDPG醛缩酶；ED途径中的两分子丙酮酸来历不同，一分子由2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另一分子由磷酸甘油醛经EMP途径转化而来；1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP；好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行细菌乙醇发酵。二、微生物的能量代谢

７脱氢方式四：TCA循环TCA循环概念：✔又称为柠檬酸循环（citricacidcycle）、三羧酸循环或Krebs循环（英1953年获得诺贝尔生理学医学奖）；

✔是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最终代谢通路，又是三者代谢联系的枢纽；

✔丙酮酸先脱羧生成乙酰CoA,生成１分子NADH2和１分子CO2，再进入三

羧酸循环；

✔是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，首先由乙酰辅酶A

（C2）与草酰乙酸（C4）缩合生成含有3个羧基的柠檬酸（C6），经过4

次脱氢（3分子NADH2和1分子FADH2），1次底物水平磷酸化，最终生成2

分子CO2，并且重新生成草酰乙酸的循环反应过程。二、微生物的能量代谢

７脱氢方式四：TCA循环TCA循环详细步骤：

７脱氢方式四：TCA循环TCA循环反应简式：TCA循环总反应式：从丙酮酸进入循环：

丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP从乙酰-CoA进入循环：

乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP二、微生物的能量代谢

７脱氢方式四：TCA循环TCA循环在微生物代谢中的枢纽地位：二、微生物的能量代谢

８葡萄糖经四种脱氢途径后的产能效率产能效率比较：二、微生物的能量代谢

产能形式EMPHMPEDEMP+TCA

ATPGTP2122(2ATP)NADH+H+2(=6ATP)1(=3ATP)2+8*(=30ATP)NADPH+H+12(=36ATP)1(=3ATP)FADH22(=4ATP)净产ATP835**736~38****在TCA循环的异柠檬酸至-酮戊二酸反应中，有的微生物产生的是NADPH+H+；**在葡萄糖转变为葡糖-6-磷酸过程中消耗1ATP；***真核生物的呼吸链组分在线粒体膜上，NADH+H+进入线粒体要消耗2ATP。

９化能异养微生物－－递氢和受氢底物生物氧化时递氢：经上述四种脱氢途径生成的还原力NADH2、NADPH2、FADH2等还原型辅酶通过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢；底物生物氧化时受氢：还原力最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能，生成ATP；根据受氢体的不同，可分为：有氧呼吸：最终由分子氧受氢；无氧呼吸：最终由无机氧化物（如NO3-、SO42-等）受氢；发酵：还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物。

10递氢和受氢--有氧呼吸递氢：经上述四种脱氢途径生成的还原力NADH2、NADPH2、FADH2等还原型辅酶通过呼吸链（或称电子传递链）等方式进行递氢；受氢方式之一---有氧呼吸：递氢后最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）；

11递氢和受氢--呼吸链（或电子传递链）呼吸链（或称电子传递链）概念：✔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；

✔它能把氢或电子从低氧化还原电位的化合物处传递给高氧化还原电位的物质（分子氧、无机或有机氧化物），使它们还原；

✔在氢或电子传递过程种，与氧化磷酸化反应发生偶联，生成能量（ATP）。呼吸链的主要成分：

11递氢和受氢--呼吸链（或电子传递链）典型呼吸链（或称电子传递链）：

11递氢和受氢--呼吸链（或电子传递链）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;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；真核生物和原核生物呼吸链的比较：

12递氢和受氢--无氧呼吸无氧呼吸

：✔指从葡萄糖或其它有机基质脱下的氢（电子）经过电子传递链最终由外源无机氧化物（少数为有机氧化物延胡索酸）受氢，不是氧分子来受氢；

✔是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸；

✔根据呼吸链末端最终氢受体的不同，无氧呼吸可分为：

12递氢和受氢--无氧呼吸无氧呼吸-硝酸盐呼吸

：✔以硝酸盐作为最终电子受体，又称“反硝化”作用;

✔反应式：

✔只能接收2个电子，产能效率低；✔有些菌可将NO2－进一步将其还原成N2；反应式：

✔能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物（反硝化细菌），如地衣芽孢杆菌；

✔反硝化细菌具有完整的呼吸链，只有在无氧的条件下，才能诱导出硝酸盐还原酶Ａ和亚硝酸还原酶。

12递氢和受氢--无氧呼吸无氧呼吸-硫酸盐呼吸：✔经呼吸链传递的氢交给末端氢受体硫酸盐的一种厌氧呼吸，硫酸盐还原的最终产物是H2S；

✔进行硫酸盐呼吸的细菌称“硫酸盐还原细菌”，或称“反硫化细菌”，是专性厌氧细菌，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。

12递氢和受氢--无氧呼吸无氧呼吸-硫呼吸：✔元素硫作为无氧呼吸的最终氢受体，最终硫被还原形成H2S；

✔只有氧化乙酸脱硫单胞菌能进行此种呼吸；

✔反应式（利用乙酸为电子供体）：CH3COOH+2H2O+4S2CO2+4H2S无氧呼吸-碳酸盐呼吸：✔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，一类是产甲烷菌的碳酸盐呼吸，另一类为产乙酸细菌的碳酸盐呼吸；无氧呼吸-延胡索酸呼吸：✔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。

12递氢和受氢--无氧呼吸无氧呼吸对微生物的作用：✔无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。

13不经传递链的受氢方式--发酵发酵的定义：广义的“发酵”：指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式；狭义的“发酵”：

指在能量代谢或生物氧化中，在无氧条件下，底物脱氢氧化后所产生的还原力氢[H]（或电子）不经呼吸链传递，而直接交给某种一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能过程；本质：底物水平磷酸化产生ATP；特点: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。

13不经传递链的受氢方式--发酵发酵的类型：从EMP途径中产生的丙酮酸出发的发酵；通过HMP途径的发酵；通过ED途径的发酵；氨基酸发酵产能。

13发酵之一--从EMP途径中产生的丙酮酸出发的发酵从EMP途径中产生的丙酮酸出发的发酵：（还原力直接给了某些中间产物）

①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵（只有乳酸１种产物）③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3--丁二醇发酵⑥丁酸发酵

13发酵之二--通过HMP途径的发酵通过HMP途径的发酵：✔又称异型乳酸发酵（葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇或乙酸、CO2等），区别于从EMP途径出发的同型乳酸发酵（只有乳酸１种产物）；

✔异型乳酸发酵总反应式：

葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+H2O+ATP

核糖+２ADP+２Pi乳酸+乙酸+2H2O

+2ATP

13发酵之二--通过HMP途径的发酵通过HMP途径的发酵具体反应步骤（异型乳酸发酵）：

14异型乳酸发酵和同型乳酸发酵比较通过HMP途径的异型乳酸发酵和EMP途径的同型乳酸发酵比较：

15发酵之三--通过ED途径的发酵概念：指细菌通过ED途径的同型酒精发酵，下图红圈处；反应式：葡萄糖+ADP+Pi

2乙醇+2CO2+ATP

16乙醇发酵的三个类型比较乙醇发酵也分为同型乙醇发酵和异型乙醇发酵两类

；三种类型比较：

17发酵之四--氨基酸发酵产能概念：✔少数厌氧梭菌例如生孢梭菌能利用一些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，通过

部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式；

✔这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称为Stickland反应;

✔该反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。

１自养微生物的生物氧化、产能和CO2的固定概述：✔所有微生物的生物氧化本质是相同的，即都包括脱氢、传递氢和接受氢三个阶段，且与磷酸化反应相偶联，产通用能源－ATP；

✔自养型微生物最重要的反应就是把CO2先还原成[CH2O]水平的简单有机物，再进一步合成复杂的细胞成分，需大量耗能和耗还原力[H]；

✔化能自养型微生物ATP是通过还原态无机物经过生物氧化产生的，还原力[H]则是通过耗ATP的无机氢（H++e)的逆呼吸链传递而产生的；

✔光能自养型微生物其ATP和[H]都是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化、紫膜的光合磷酸化而获得的。二、微生物的能量代谢

项目一微生物的代谢

１自养微生物的生物氧化、产能和CO2的固定二、微生物的能量代谢

自养微生物的CO2固定：所需ATP和还原力[H]的来源如下图：

２化能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

能量来源：无机物脱氢产生的无机氢（H++e)顺呼吸链传递并与磷酸化反应偶联产ATP；常见种类：✔硝化细菌（亚硝化细菌、硝化细菌）✔硫化细菌✔铁细菌✔氢细菌

２化能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

化能自养微生物还原CO2成[CH2O]时的ATP、还原力[H]的来源：

２化能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

无机底物脱氢后H++e进入呼吸链的部位：顺呼吸链传递产生ATP；

逆呼吸链传递耗ATP产生还原力[H]；化能自养微生物能量代谢特点：无机底物的氧化直接和呼吸链相偶联；呼吸链组分多样，H++e可以从任一组分进入呼吸链；产能效率比化能异养微生物低。

２化能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

化能自养菌的硝化作用和化能异养菌的反硝化作用比较：硝化作用反硝化作用由化能自养菌所进行的生物氧化作用由化能异养菌所进行的还原作用由硝化细菌所进行的有氧呼吸由反硝化菌群所进行的无氧呼吸好氧菌厌氧或兼性厌氧菌有氧的条件下进行的氧化反应无氧的条件下进行还原反应以分子氧为H++e呼吸链末端受体以N03-为呼吸链末端H++e受体从无机物的氧化中获得能量，产能效率低，只有1分子ATP从有机物的氧化中得到能量，可产生２分子ATP还原力的形成是在耗能的情况下，通过反向电子传递而形成NADH2还原力NADH2的形成是通过有机物的生物氧化，不需要耗能

３光能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

光能自养微生物的生物氧化、产能概括：

３光能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

光合细菌（红螺菌目）的循环光合磷酸化特点：

✔它们不能利用H2O作为还原CO2的氢供体，只能利用还原态的H2S、H2或有机物作为氢供体，在厌氧条件下进行，不产氧；

✔在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP;

✔产ATP与产还原力［H］分别进行；

✔还原力［H］来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；

３光能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

光合细菌（红螺菌目）的循环光合磷酸化特点：

３光能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

蓝细菌、藻类及绿色植物的非循环光合磷酸化特点：

✔利用光能产生ATP的磷酸化反应，电子的传递途径属非循环式的；

✔在有氧条件下进行；

✔有两个光合系统，其中的色素系统Ⅰ(含叶绿素a)可以利用红光，色素系统Ⅱ(含叶绿素b)可利用蓝光；

✔可同时产还原力［H］、O2和ATP，还原力NADPH2中的［H］是来自H2O分子光解后的H＋和e－。

３光能自养微生物的生物氧化、产能二、微生物的能量代谢

嗜盐菌紫膜的光合作用特点：

✔古细菌，细胞膜制备物上含红色和紫色两部分；

✔红膜：主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；在有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；

✔紫膜：主要成分为细菌视紫红质和类脂；功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；在缺氧条件下，可进行光合作用产能；

４微生物生产ATP的方式二、微生物的能量代谢

微生物生产ATP的方式概括：光合磷酸化：利用光能合成ATP的反应；氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应；底物水平磷酸化：在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，该化合物通过酶的作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。电子传递磷酸化：通过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。

５自养微生物的CO2固定与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

各种自养微生物在生物氧化后所取得的能量主要用于CO2固定；CO2固定的途径包括：✔卡尔文循环（Calvincycle）；

✔厌氧乙酰－辅酶Ａ途径；✔还原性TCA循环途径；

５自养微生物的CO2固定与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

CO2固定的途径--卡尔文循环（Calvincycle）：含三个阶段第一阶段→羧化反应：3个核酮糖－15二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2固定，并转变成6个3-磷酸甘油酸分子；第二阶段→还原反应：3-磷酸甘油酸还原成3-磷酸甘油醛（通过逆向EMP途径产生）；第三阶段→CO2受体的再生：1个3-磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄糖，其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖－1,5二磷酸分子。卡尔文循环的总反应式（以生产一个葡萄糖分子来计算）：

6CO2+12NAD(P)H2+18ATPC6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi

５自养微生物的CO2固定与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

CO2固定的途径--卡尔文循环（Calvincycle）：精简的循环图（以产氧光能自养菌为例）

５自养微生物的CO2固定与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

CO2固定的途径--厌氧乙酰－辅酶Ａ途径：产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等细菌在厌氧条件对二氧化碳进行固定的一条途径；

５自养微生物的CO2固定与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

CO2固定的途径--还原性TCA循环途径：

✔通过逆向TCA循环固定CO2；存在于少数光合细菌中；

✔每循环一次可固定三个CO2、消耗４个ATP。

６微生物的固氮作用与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

生物固氮作用定义：分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程；固氮作用的三类微生物：自生固氮菌：指一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的微生物；共生固氮菌：指必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物；联合固氮菌：指必须生活在植物根际，叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。

６微生物的固氮作用与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

固氮作用的三类微生物：自生固氮菌、共生固氮菌、联合固氮菌具体类属

６微生物的固氮作用与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

固氮作用的机理：固氮反应的必要条件包括

✔ATP的供应：固氮1mol氮气消耗10~15molATP；

✔还原力［H］为NADPH2；电子载体：铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白；

✔还原底物N2(有NH3存在时会抑制固氮作用)；

✔镁离子：固氮酶等的辅助因子；

✔严格的厌氧微环境：有氧，固氮酶失活；

✔固氮酶：

６微生物的固氮作用与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

固氮过程：固氮反应总式(考虑固氮酶的氢酶活性)：

N2+8H++8e-+16ATP2NH3+H2+16ADP+16Pi固氮反应总式(不考虑氢酶活性)：

N2+6H++6e-+12ATP2NH3+12ADP+12Pi

６微生物的固氮作用与生物氧化产能二、微生物的能量代谢

固氮体系厌氧环境的产生：好氧性自生固氮菌的保护机制：✔呼吸保护：固氮菌以较强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉；✔构象保护：有氧时固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象；蓝细菌固氮酶的保护：✔分化出特殊的还原性异形胞：胞外有较厚的糖脂膜，防止氧气进入；✔利用时间差：解决固氮酶厌氧和光合放氧的矛盾，即在黑暗下固氮，在光照下进行光合作用,如织线蓝细菌属；

✔提高细胞内SOD和过氧化物酶活性：消除有毒过氧化物，保护固氮酶活性,如粘球粘细菌属；根瘤菌固氮酶的抗氧保护：

✔豆科植物共生根瘤菌：膜外存在与氧亲和力极强的豆血红蛋白；✔非豆科植物共生根瘤菌：膜外存在与氧亲和力极强的植物血红蛋白；

１微生物的初级代谢和次级代谢三、微生物的次级代谢

项目一微生物的代谢初级代谢概念：✔通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所需要的物质和能量的过程；

✔产物有：糖、氨基酸、脂肪酸、核苷酸以及由这些化合物聚合而成的高分子化合物（如多糖、蛋白质、酯类和核酸等）；次级代谢概念：✔指微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长期），以初级代谢产物为前体，合成一些对生命活动没有明确功能的物质的过程；

✔产物有：抗生素、毒素、激素、色素、生物碱等。

１微生物的初级代谢和次级代谢三、微生物的次级代谢

次级代谢特点：✔一般不在生长期产生，而在生长后期产生；

✔种类繁多，结构特殊，含不常见的化学键：氨基糖、苯醌、香豆素、环氧化合物、离麦角生物碱、戊二酰胺、多烯、吡咯、喹啉、萜烯、四环类抗生素等；

✔一种微生物的次级代谢产物往往结构相似；不同种类的微生物也能产同种产物；

✔次级代谢产物的合成比生长对环境因素更敏感；

✔次级代谢产物的合成差错对细胞的生长无关紧要，而初级代谢产物的差错会导致致命的结果；

✔次级代谢产物的合成由多基因控制，基因不仅位于染色体上也位于质粒上；

✔催化次级代谢产物合成的酶专一性较弱。

２微生物次级代谢产物的种类三、微生物的次级代谢

按合成途径，次级代谢产物可分为：

２微生物次级代谢产物的种类三、微生物的次级代谢

按合成途径，次级代谢产物可分为：

１微生物生理生化反应概念及种类四、项目实训：微生物的生理生化反应

项目一微生物的代谢概念：用生化的方法来检测细菌对各种基质的代谢作用及代谢产物，借以鉴别细菌种类；生理生化反应主要种类：

２实训目的及用品四、项目实训：微生物的生理生化反应

实训目的：✔了解细菌分解碳水化合物的多样性；

✔能够利用常见的生理生化反应鉴定某些细菌；实训用品：

✔菌种：枯草芽孢杆菌，大肠杆菌，金黄色葡萄球菌，铜绿假单胞菌，普通变形杆菌，产气肠杆菌；

✔培养基：固体油脂培养基，固体淀粉培养基，葡萄糖发酵培养基试管，乳糖培养基试管各3支（内装有倒置德汉氏小管），蛋白胨水培养基，葡萄糖蛋白胨水培养基；

✔试剂：卢戈氏碘液，甲基红指示剂，V.P.实验用试剂等；

✔仪器和其他用品：无菌平板，无菌试管，接种环，试管架等。

３微生物生理生化反应－淀粉水解实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

实训原理：微生物对大分子物质淀粉不能直接利用，必须依靠产生的胞外酶将大分子物质分解后，才能被微生物利用。淀粉酶水解淀粉为小分子的糊精、双糖和单糖，淀粉遇碘液会产生蓝色，但细菌水解淀粉的区域，用碘液测定时，不再产生蓝色，表明细菌产生淀粉酶；操作步骤：（1）将固体淀粉培养基溶化后冷却至50℃左右，无菌操作制成平板；

（2）用记号笔在平板底部划成4个部分；（3）将枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌分别在不同的部分接种，在平板的反面分别在4个部分写上菌名；

（4）将平板倒置在37℃温箱中培养24h；（5）观察各种细菌的生长情况，打开平板盖子，滴入少量卢戈氏碘液于平板中，轻轻旋转平板，使碘液均匀铺满整个平板；注：如菌苔周围出现无色透明圈，说明淀粉已被水解，为阳性。根据透明圈的大小可初步判断该菌水解淀粉能力的强弱，即产生胞外淀粉酶活力的高低。

３微生物生理生化反应－淀粉水解实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

淀粉水解实验结果举例：菌名淀粉水解实验结果枯草芽孢杆菌＋大肠杆菌－金黄色葡萄球菌－铜绿假单胞菌＋（“+”表示阳性，“-”表示阴性）

４微生物生理生化反应－纤维素水解实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

纤维素水解实验原理：微生物对大分子物质纤维素不能直接利用，必须依靠产生的胞外酶将大分子物质分解后，才能被微生物利用。在液体培养基中滤纸条被分解发生断裂；在固体培养基上，细菌降解后可形成水解斑，表明细菌产生纤维素酶；操作步骤：(1)制备培养基：配制无机盐基础培养基，并分装于多支试管中，灭菌备用；在基础培养基的配方基础上加入0.8%的纤维素粉和1.5%琼脂配制培养基，灭菌后倒入平皿中凝固备用；

(2)标记：将试管标上细菌名称，并作空白对照；

(3)试管测试法：在试管培养基中，分别加入一条无菌的宽lcm长为5-7cm的滤纸条。测定好氧菌，滤纸条有部分在培养基外面;测厌氧菌，则纸条完全浸在培养基中。把所有试管包括对照在37℃恒温培养箱培养1周后观察，滤纸条分解或折断为阳性，没有变化为阴性；

(4)平皿测试法：用纤维素平板接种，同时接种不含纤维素的培养基作对照。均在37℃恒温培养箱培养一周后观察，菌落周围有透明圈为阳性，没有透明圈为阴性。

５微生物生理生化反应－油脂水解实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

油脂水解实验原理：脂肪水解后产生脂肪酸可改变培养基的pH，使pH降低，加入培养基的中性红指示剂会使培养基从淡红色转变为深红色，说明细胞外存在脂肪酶。操作步骤：（1）将熔化的固体油脂培养基冷却至50℃左右时，充分摇荡，使油脂均匀分布，无菌操作倒入平板，待凝；（2）用记号笔在平板底部划成4部分，分别在4部分表上菌名；

（3）用无菌操作将枯草芽孢杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌分别划十字线接种于平板的相对应部分的中心；

（4）将平板倒置，37℃温箱中培养24h；（5）取出平板，观察菌苔颜色；注：如出现红色斑点，说明脂肪水解，为阳性反应。

５微生物生理生化反应－油脂水解实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

油脂水解实验结果举例：菌名油脂水解实验结果枯草芽孢杆菌－大肠杆菌－金黄色葡萄球菌－铜绿假单胞菌＋

６微生物生理生化反应－糖发酵实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

糖发酵实验原理：✔常用的鉴别反应，在肠道细菌的鉴定上尤为重要，绝大多数细菌都能利用糖类作为碳源，但在分解糖的能力上有很大的差异，有些细菌能分解糖产有机酸（如乳酸、醋酸、丙酸等）和气体（如氢气、加完、二氧化碳等），有些细菌只产酸不产气；

✔当发酵产酸时，培养基中指示剂（溴甲酚紫）可由紫色（pH6.8）转变为黄色（pH5.2）；气体的产生可由倒置的德汉氏小管中有无气泡来证明。

６微生物生理生化反应－糖发酵实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

糖发酵实验步骤：（1）用记号笔在各试管外壁上分别标明发酵培养基的名称和所接种的细菌菌名；（2）取葡萄糖发酵培养基试管3支，分别接入大肠杆菌、普通变形杆菌，第三支不接种，作为对照。另取乳糖发酵培养基试管3支，同样分别接入大肠杆菌、普通变形杆菌，第三支不接种，作为对照。在接种后，轻缓摇动试管，使其均匀，防止倒置的小管进入气泡；（3）将接过种和作为对照的6支试管均置37℃中培养24~48h；（4）观察各试管颜。

６微生物生理生化反应－糖发酵实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

糖发酵实验结果举例：糖类发酵大肠杆菌普通变形杆菌对照葡萄糖发酵＋＋－乳糖发酵＋－－（“+”表示产酸或产气，“-”表示不产酸、不产气）

７微生物生理生化反应－吲哚实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

吲哚实验原理：某些细菌可产生色氨酸酶，分解蛋白胨中的色氨酸产生吲哚和丙酮酸。对二甲基氨基苯甲醛遇吲哚形成玫瑰吲哚（红色）；但并非所有的微生物都具有分解色氨酸产生吲哚的能力。色氨酸水解反应：显色反应：

７微生物生理生化反应－吲哚实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

吲哚实验操作步骤：

（1）将大肠杆菌、产气肠杆菌分别接入2支蛋白胨水培养基中，置37℃培养48h；（2）向培养基内加入3~4滴乙醚，摇动数次，静置1min，待乙醚上升后，沿试管壁徐徐加入2滴吲哚试剂。在乙醚和培养物之间产生红色环状物为阳性反应。

８微生物生理生化反应－甲基红实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

甲基红实验原理：✔甲基红试验是用来检测由葡萄糖产生的有机酸，如甲酸、乙酸、乳酸等。当细菌代谢糖产生酸时，培养基就会变酸，使加入培养基中的甲基红指示剂由橙黄色（pH6.3）转变为红色（pH4.2），即甲基红反应。

✔尽管所有的肠道微生物都能发酵葡萄糖产生有机酸，但这个试验在区分大肠杆菌和产气肠杆菌上仍然是有价值的。这两个细菌在培养的早期均产生有机酸，但大肠杆菌在培养后期仍能维持酸性pH4，而产气肠杆菌则转化有机酸为非酸性末端产物，如乙醇、丙酮酸等，使pH升至大约6，因此，大肠杆菌为阳性，产气肠杆菌为阴性。

８微生物生理生化反应－甲基红实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

甲基红实验操作步骤：（1）将大肠杆菌、产气肠杆菌分别接入2支葡萄糖蛋白胨水培养基中，置37℃培养48h。（2）将1支葡萄糖蛋白胨水培养基培养物内加入甲基红试剂2滴，培养基变为红色者为阳性，变为黄色者为阴性。甲基红实验结果举例：

９微生物生理生化反应－细菌V.P.实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

细菌V.P.实验原理：某些细菌能从葡萄糖→丙酮酸→乙酰甲基甲醇→2，3-丁烯二醇，在有碱存在时氧化成二乙酰，后者和蛋白胨中氨基酸的胍基化合物起作用，产生粉红色的化合物。其反应式为∶

９微生物生理生化反应－细菌V.P.实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

细菌V.P.实验操作步骤：（1）制备培养基：按要求制备葡萄糖蛋白胨水培养基，然后各装入5mL到20mL试管中灭菌备用；

（2）接种：将大肠杆菌和产气肠杆菌分别接种于装有葡萄糖蛋白胨水培养基的培养液中，置37℃培养48h；（3）结果观察：取培养液1mL加入无菌的小试管中，加1mL40%NaOH和0.5mLα-萘酚，用力振荡，在37℃恒温培养箱中保温15~30min后观察其颜色变化；如培养液为红色则V.P.试验为阳性，黄色为V.P.试验阴性。

10微生物生理生化反应－柠檬酸盐实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

柠檬酸盐实验原理：✔细菌利用柠檬酸盐的能力不同，如各种肠道细菌可利用柠檬酸为碳源，而大肠埃希菌则不能利用，故能否利用柠檬酸盐是一项鉴别性特征；

✔培养基中含有柠模酸钠时，如微生物能将柠檬酸分解为CO2，则培养基中由于有游离钠离子呈碱性，使培养基中酚红指示剂由淡粉红色变为玫瑰红色以识别之。

10微生物生理生化反应－柠檬酸盐实验四、项目实训：微生物的生理生化反应

柠檬酸盐实验操作步骤：

（1）制备培养基：按要求制备柠檬酸盐培养基，灭菌制备斜面备用；

（2）接种：将试验菌大肠杆菌和产气肠杆菌分别在斜面上划线接种，置于37℃恒温培养箱中培养48h。

（3）结果观察：若该菌能利用柠檬酸盐，则可在此斜面上生长并将培养基由原来的淡粉红色变为玫瑰红色，此为阳性，颜色不变者为阴性。

１酶的概念和催化特点一、酶活性的调节

项目二微生物代谢的调节概念：催化功能的生物大分子，主要都是蛋白质酶；酶催化特点：✔高效性：比化学催化剂高107－1013倍；

✔专一性：绝对专一(只催化一种底物)；相对专一(催化一类底物)；立体异构专一(只催化立体异构体分子中的一个)；

✔反应条件温和：常温、常压、中性的pH；

✔酶的活性、酶的合成受到调节。

２酶的分类一、酶活性的调节

酶的分类：按酶的组成分类：单体酶（一个活性多肽）、寡聚酶（多个亚基）、多酶复合体（多种酶彼此嵌合）；按酶的催化性质分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、合成酶；按酶的结构分类：1.简单蛋白酶：活性取决于本身，如淀粉酶；2.结合蛋白酶：全酶=酶蛋白+辅助因子（多为金属离子）

３酶的活性部位一、酶活性的调节

酶的活性部位：即酶的活性中心，与酶活力直接相关的区域，酶分子中能与底物特异性的结合并催化底物转化为产物的区域；活性部位包括：结合基团部位、催化基团部位；

４微生物代谢调节的特点一、酶活性的调节

微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物；成因：细胞体积小，所处环境多变；微生物细胞代谢是通过控制酶的作用来实现的，分为酶合成的调节（调节酶分子的合成量）和酶活性调节（调节酶分子的活性）两种。

５酶活性调节概述一、酶活性的调节

酶活性调节概念：✔通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式；

✔是酶分子水平上的调节，属于精细的调节；调节方式：酶活性的激活、酶活性的抑制

✔酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径；如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进；

✔酶活性的抑制：主要指反馈抑制，当某代谢途径的末端产物（即终产物）过量时，该产物反过来直接抑制该途径中第一个酶（关键酶）的活性，使整个反应过程减慢或停止，从而避免末端产物的过多积累；

✔特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。

５酶活性调节概述一、酶活性的调节

酶活性调节分类：

６酶活性调节－直线式代谢途径中的反馈抑制一、酶活性的调节

直线式代谢途径中的反馈抑制：最简单的反馈抑制类型；

７酶活性调节－分支代谢途径中的反馈抑制一、酶活性的调节

分支代谢途径中的反馈抑制：情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式：同工酶调节协同反馈抑制合作反馈抑制累积反馈抑制顺序反馈抑制

８酶活性调节－同工酶调节一、酶活性的调节

同工酶调节：✔催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶；

✔意义：某一产物过量仅抑制相应酶活性，对其他产物没影响。

９酶活性调节－协同反馈抑制一、酶活性的调节

协同反馈抑制：✔分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式；

✔如：天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。

10酶活性调节－合作反馈抑