第五章 微生物的代謝

1第五章微生物的新陳代謝內(nèi)容提要本章介紹微生物的新陳代謝以能量代謝為中心講解不同營(yíng)養(yǎng)類型的微生物的能量代謝機(jī)制擇要介紹微生物所特有的、重要的和有代表性的合成代謝途徑微生物代謝調(diào)節(jié)在發(fā)酵生產(chǎn)中的應(yīng)用重點(diǎn)內(nèi)容：微生物合成代謝和分解代謝的方式及發(fā)酵和呼吸的概念；難點(diǎn)內(nèi)容：微生物代謝的方式和途徑。2代謝概論代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]原文鏈接：/content/110/9/3369.abstract?sid=77af1f91-f537-4c13-a1ce-64dff61f6581

4第一節(jié)微生物的能量代謝能量代謝是新陳代謝中的核心問題。中心任務(wù)：把外界環(huán)境中的各種初級(jí)能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的能源——ATP。

有機(jī)物最初能源 日光 通用能源 還原態(tài)無機(jī)物化能自養(yǎng)菌化能異養(yǎng)菌光能營(yíng)養(yǎng)菌5一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能

葡萄糖降解代謝途徑生物氧化：

發(fā)酵作用產(chǎn)能過程呼吸作用（有氧或無氧呼吸）生物氧化的概念:過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）微生物的能量代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程6生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、還原力[H]和小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物生物氧化能量微生物直接利用儲(chǔ)存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中7微生物氧化的形式

①和氧的直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去電子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脫氫或氫的傳遞:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種8（一）底物脫氫的4條途徑9（一）EMP途徑葡萄糖的酵解作用

(又稱：Embden-Meyerhof-Parnas

途徑，簡(jiǎn)稱：EMP途

徑)活化移位

氧化磷酸化葡萄糖激活的方式己糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛縮酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶磷酸甘油酸激酶甘油酸變位酶烯醇酶丙酮酸激酶10EMP途徑關(guān)鍵步驟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→丙酮酸總反應(yīng)式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATP

CoA↓丙酮酸脫氫酶

乙酰CoA，進(jìn)入TCA11EMP途徑的特點(diǎn)基本代謝途徑，產(chǎn)能效率低，生理功能極其重要供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力產(chǎn)能（底物磷酸化產(chǎn)能）（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP連接多個(gè)重要代謝途徑有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無氧：還原一些代謝產(chǎn)物，丙酮酸及其進(jìn)一步代謝產(chǎn)物乙醛被還原成各種發(fā)酵產(chǎn)物（乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等）

(專性厭氧微生物)產(chǎn)能的唯一途徑。提供多種中間代謝產(chǎn)物作為合成代謝的原料逆向反應(yīng)可以合成多糖12（二）HMP途徑(戊糖磷酸途徑)

（HexoseMonophophatePathway）13分為兩個(gè)階段：1、3個(gè)分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個(gè)分子NADPH2，3個(gè)分子CO2和3個(gè)分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成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：可被轉(zhuǎn)變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。甘油醛-3-磷酸出路：

a、經(jīng)EMP途徑，轉(zhuǎn)化成丙酮酸，進(jìn)入TCA途徑

b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。總反應(yīng)式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點(diǎn)：a

、不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無ATP生成，b、產(chǎn)大量的NADPH+H+還原力；c、產(chǎn)各種不同長(zhǎng)度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖）d、單獨(dú)HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存

e、HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑。

15又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在嗜糖假單胞菌（Pseudomonassaccharophila）中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。

ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。（三）ED途徑16ED途徑

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（與EMP途徑連接）

~~氧化酶

(與HMP途徑連接)

EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途徑丙酮酸~~醛縮酶

有氧時(shí)與TCA環(huán)連接無氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵

ED途徑17ED途徑的特點(diǎn)特點(diǎn):

a、步驟簡(jiǎn)單

b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶

細(xì)菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,膿桿菌,運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等。此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵.18關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脫水酶，KDPG醛縮酶相關(guān)的發(fā)酵生產(chǎn)：細(xì)菌酒精發(fā)酵 ATP有氧時(shí)經(jīng)呼吸鏈

6ATP

無氧時(shí)進(jìn)行發(fā)酵

2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸 ATP C6H12O6 KDPGED途徑的總反應(yīng)192021TCA循環(huán)的生理意義：（1）為細(xì)胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑。（3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐。22TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。23二、遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.發(fā)酵作用：沒有任何外援的最終電子受體的生物氧化模式；呼吸作用：有外援的最終電子受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是O2以外的無機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-等.2425呼吸作用（respiration）

——從葡萄糖或其他有機(jī)物質(zhì)脫下的電子或氫經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源O2或其他氧化型化合物并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。有氧呼吸（aerobicrespiration）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

26呼吸鏈的功能：一是傳遞電子；二是將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP——這就是電子傳遞磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。27自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化還原勢(shì)氧化態(tài) 還原態(tài)還原態(tài) 氧化態(tài) 氧化態(tài) 還原態(tài)還原態(tài) 醌 氧化態(tài)氧化態(tài) 還原態(tài)

脫氫酶NAD FADH2 H2ONADH2 FAD 1/2O2

+2H+低能水平高氧化還原勢(shì)FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸鏈28呼吸鏈在傳遞氫或電子的過程中，通過與氧化磷酸化作用的偶聯(lián)，產(chǎn)生生物的通用能源——ATP。目前獲得多數(shù)學(xué)者接受的是化學(xué)滲透學(xué)說。主要觀點(diǎn)：在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，從而造成了質(zhì)子在膜兩側(cè)分布的不均衡，即形成了質(zhì)子梯度差（又稱質(zhì)子動(dòng)勢(shì)、pH梯度等）。這個(gè)梯度差就是產(chǎn)生ATP的能量來源，因?yàn)樗赏ㄟ^ATP酶的逆反應(yīng)，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時(shí)就合成了ATP。氧化磷酸化產(chǎn)能機(jī)制29一個(gè)NAD分子，通過呼吸鏈進(jìn)行氧化，可以產(chǎn)生3個(gè)ATP分子。它分別在三個(gè)位置，各產(chǎn)生一個(gè)ATP。如圖4－1所示，第一個(gè)ATP大約在輔酶1和黃素蛋白之間；第二個(gè)ATP大約在細(xì)胞色素b和cl之間；第三個(gè)ATP大約在細(xì)胞色素c和a之間。電子傳遞磷酸化舉例30概念：以無機(jī)氧化物中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進(jìn)行無氧呼吸.無機(jī)氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等。如：以硝酸鉀為電子受體進(jìn)行無氧呼吸時(shí)，可釋放出1796.14KJ自由能。2、無氧呼吸31特點(diǎn)：

a常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)部分呼吸鏈傳遞；

b氫受體：氧化態(tài)無機(jī)物（個(gè)別：延胡索酸）

c產(chǎn)能效率低。(1)硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點(diǎn)：

a有其完整的呼吸系統(tǒng)；

b只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需的硝酸鹽還原酶A亞硝酸還原酶等

c兼性厭氧

細(xì)菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。無氧呼吸（厭氧呼吸）32硝酸鹽呼吸同化性硝酸鹽作用：

NO3-

NH3-NR-NH2

異化性硝酸鹽作用：無氧條件下，利用NO3-為最終氫受體

NO3-NO2NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮?dú)舛В档屯寥赖姆柿Γ?）反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶亞硝酸還原酶硝酸鹽還原酶33

（２）硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）

——厭氧時(shí)，SO42-

、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。特點(diǎn)：

a、嚴(yán)格厭氧；

b、大多為古細(xì)菌

c、極大多專性化能異氧型，少數(shù)混合型；

d、最終產(chǎn)物為H2S；

SO42-

SO32-SO2SH2Se、利用有機(jī)質(zhì)（有機(jī)酸、脂肪酸、醇類）作為氫供體或電子供體；

f、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等）

34（３）硫呼吸（硫還原）

——

以元素S作為唯一的末端電子受體。電子供體：乙酸、小肽、葡萄糖等被砷、硒化合物污染的土壤中，厭氧條件下生長(zhǎng)一些還原硫細(xì)菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum（氧化乙醇脫硫單胞菌）還原AsO43-生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）作用：生物礦化和微生物清污35其他類型無氧呼吸（４）鐵呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機(jī)氧化物等作為末端電子受體的無氧呼吸。（５）碳酸鹽呼吸（碳酸鹽還原）

——以CO2、HCO3-

為末端電子受體產(chǎn)甲烷菌

—

利用H2作電子供體（能源）、CO2為受體，產(chǎn)物CH4；產(chǎn)乙酸細(xì)菌

—H2/CO2

進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。（６）延胡索酸呼吸

——延胡索酸琥珀酸+1ATP?！肮砘稹钡纳飳W(xué)解釋36

定義

廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一種生產(chǎn)方式狹義：厭氧條件下，以自身內(nèi)部某些中間代謝產(chǎn)物作為最終氫（電子）受體的產(chǎn)能過程

特點(diǎn)：

1）通過底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；

2）葡萄糖氧化不徹底，大部分能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；

3）產(chǎn)能效率低；

4）產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。3、發(fā)酵（fermentantion）37①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵（1）丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物38①酵母型乙醇發(fā)酵

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

條件：pH3.5~4.5,厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細(xì)菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）

i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羥乙醛（難溶）

ii、弱堿性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應(yīng)）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘油——甘油發(fā)酵（EMP）---亞硫酸氫鈉必須控制亞適量（3%）

39概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時(shí)間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)現(xiàn)象：40葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸②同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum概念菌種途徑特點(diǎn)41③混合酸發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱為混合酸發(fā)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脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.242混合酸發(fā)酵：

——腸道菌（E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脫氫酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰基酶乙醛脫氫酶乙酸激酶乙醇脫氫酶乙酸乙醇E.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗(yàn)：

E.coli、產(chǎn)氣腸桿菌

甲酸CO2+H2

（甲酸氫解酶、H+）志賀氏菌無此酶，故發(fā)酵G不產(chǎn)氣。CO2+H2

43④2,3-丁二醇發(fā)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-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。EMP44丁二醇發(fā)酵（2，3--丁二醇發(fā)酵）

——

腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質(zhì)（乙酰乳酸脫氫酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個(gè)重要的鑒定反應(yīng)：

1、V．P．實(shí)驗(yàn)2、甲基紅（M.R）反應(yīng)產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗(yàn)（+），甲基紅（-）

E.coli：V.P.試驗(yàn)（-），甲基紅（+）V.P.試驗(yàn)的原理：45（2）通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵（HMP途徑）異型乳酸發(fā)酵的“經(jīng)典”途徑腸膜明串株菌（

HMP

）產(chǎn)能：1ATP

異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑雙歧桿菌（HMP

、HK）

產(chǎn)能：2G5ATP即1G2.5ATP46①異型乳酸發(fā)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概念菌種途徑特點(diǎn)-CO247②雙歧發(fā)酵：雙歧桿菌通過HMP途徑發(fā)酵葡萄糖的途徑特點(diǎn)：每分子葡萄糖產(chǎn)3分子乙酸、2分子乳酸、5分子ATP48磷酸己糖酮解途徑2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸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途徑同EMP乙酸激酶4950（4）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點(diǎn)：氨基酸的氧化與另一些氨基酸還原相偶聯(lián)；產(chǎn)能效率低（1ATP）氫供體（氧化）氨基酸：

Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、

Try等。氫受體（還原）氨基酸：

Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羥脯氨酸等。

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還原5253二、自養(yǎng)微生物產(chǎn)ATP和產(chǎn)還原力化能無機(jī)自養(yǎng)型微生物光能自養(yǎng)型微生物兩類自養(yǎng)微生物固定CO2的條件和途徑P119圖5-18化能自養(yǎng)型微生物還原CO2時(shí)ATP和[H]的來源

P120圖5-1954(一）化能自養(yǎng)微生物：通常是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，一般是好氧菌。

產(chǎn)能的途徑主要是借助于無機(jī)電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機(jī)物脫下-的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。最普通的電子供體是氫、還原型氮化合物、還原型硫化合物和亞鐵離子(Fe2＋)。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們的碳源。最重要反應(yīng)：

CO2

還原成[CH20]水平的簡(jiǎn)單有機(jī)物，進(jìn)一步合成復(fù)雜細(xì)胞成分

——大量耗能、耗還原力的過程。5556（一）化能自養(yǎng)微生物能對(duì)無機(jī)物進(jìn)行氧化而獲得能量的微生物，稱作化能無機(jī)自養(yǎng)型微生物。ATP和[H]來源：通過氧化無機(jī)底物如NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等而獲得。產(chǎn)能途徑：借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)。傳遞方式：逆呼吸鏈最初能源及無機(jī)氫供體57

化能自養(yǎng)細(xì)菌的能量代謝特點(diǎn)：

①無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置直接進(jìn)入呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能。②電子可從多處進(jìn)入呼吸鏈，所以呼吸鏈有多種多樣。③產(chǎn)能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能異養(yǎng)細(xì)菌的低。④生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低。有以下特點(diǎn)：無機(jī)底物上脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈。581硝化細(xì)菌

能氧化氮的化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌，桿狀、橢圓形、球形、螺旋形或裂片狀，且它們可能有極生或周生鞭毛。好氧、沒有芽孢的革蘭氏陰性有機(jī)體，在細(xì)胞質(zhì)中有非常發(fā)達(dá)的內(nèi)膜復(fù)合體。

將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。

a、亞硝化細(xì)菌

NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細(xì)菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根據(jù)它們氧化無機(jī)化合物的不同也稱氨氧化細(xì)菌(產(chǎn)生1分子ATP)592氫細(xì)菌（氧化氫細(xì)菌）

能利用氫作為能源的細(xì)菌組成的生理類群稱氫細(xì)菌或氫氧化細(xì)菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自養(yǎng)菌主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。

產(chǎn)能：2H2+O2

—2H2O

合成代謝反應(yīng)：

2H2+CO2

—[CH2O]+H2O。60

氫細(xì)菌的自氧作用

第一步：產(chǎn)能反應(yīng)，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

第二步：合成代謝反應(yīng)，用所產(chǎn)生的ATP還原C02構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)[CH2O]和生長(zhǎng)。在Ralstoniaeutropha中存在兩種氫酶，一種膜結(jié)合氫酶涉及質(zhì)子動(dòng)勢(shì)而細(xì)胞質(zhì)中的氫酶為Calvincycle

提供還原力NADH。613硫細(xì)菌（硫氧化細(xì)菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等無機(jī)硫化物進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng),主要指化能自氧型硫細(xì)菌大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng)cyt.c部位進(jìn)入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或cyt.b水平進(jìn)入。

嗜酸型硫細(xì)菌能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)。62（二）光能營(yíng)養(yǎng)微生物微生物的光合作用

真核生物：藻類及其他綠色植物

產(chǎn)氧原核生物：藍(lán)細(xì)菌光能營(yíng)養(yǎng)型生物不產(chǎn)氧（僅原核生物有）真細(xì)菌：光合細(xì)菌

古生菌：嗜鹽菌63（二）光能營(yíng)養(yǎng)微生物1.循環(huán)光合磷酸化：光合細(xì)菌的原始光合作用，在光能驅(qū)動(dòng)下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)，是不產(chǎn)氧光合作用。特點(diǎn)：電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素；產(chǎn)能和產(chǎn)還原力分別進(jìn)行還原力來自H2S等無機(jī)氫供體不產(chǎn)生氧64光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素產(chǎn)ATP和還原力分別進(jìn)行.紫色細(xì)菌循環(huán)光合磷酸化過程

65外源電子供體——H2S等無機(jī)物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點(diǎn)：只有一個(gè)光合系統(tǒng)，光合作用釋放的電子僅用于NAD+還原NADH，但電子傳遞不形成環(huán)式回路。綠硫細(xì)菌和綠色細(xì)菌662.非循環(huán)光合磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。特點(diǎn)：電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的在有氧條件下進(jìn)行有PSⅠ和PSⅡ兩個(gè)光合系統(tǒng)反應(yīng)中可同時(shí)產(chǎn)ATP（產(chǎn)自PSⅡ）、還原力（產(chǎn)自PSⅠ）和O2（產(chǎn)自PSⅡ）還原力NADPH2中的[H]來自H2O分子的光解產(chǎn)物H+和電子67

2非循環(huán)光合磷酸化

當(dāng)光反應(yīng)中心I的葉綠素P700吸收光量子能量后釋放的電子，經(jīng)過黃素蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)傳遞給NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(還原力)，而不是返回氧化型P700。光合系統(tǒng)II將電子提供給氧化型P700，并產(chǎn)生ATP。光合系統(tǒng)II天線色素吸收光能并激發(fā)P680放出電子，然后還原脫鎂葉綠素a(脫鎂葉綠素a是2個(gè)氫原子取代中心鎂原子的葉綠素a)，經(jīng)過由質(zhì)體醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和質(zhì)體藍(lán)素(plastocyanin，PC)組成的電子傳遞鏈到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680從水氧化成02過程中得到電子。在光系統(tǒng)Ⅱ中，電子由PQ經(jīng)Cyt.b傳遞給Cyt.f時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。68藍(lán)細(xì)菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程693.嗜鹽菌紫膜的光介導(dǎo)ATP合成嗜鹽菌在無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)象的變化，可使質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜兩側(cè)建立一個(gè)質(zhì)子動(dòng)勢(shì)，再由它來推動(dòng)ATP酶合成ATP，此即光介導(dǎo)ATP合成。紫膜：由細(xì)菌視紫紅質(zhì)和類脂組成。嗜鹽菌紫膜光合磷酸化：迄今發(fā)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)，是驗(yàn)證化學(xué)滲透學(xué)說的絕好實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?03依靠菌視紫紅質(zhì)的光合作用無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特的光合作用，是迄今為止最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)。

——極端嗜鹽古細(xì)菌

菌視紫紅質(zhì)：

以“視黃醛”（紫色）為輔基。與葉綠素相似，具質(zhì)子泵作用。與膜脂共同構(gòu)成紫膜；埋于紅色細(xì)胞膜（類胡蘿卜素）內(nèi)。

71ATP合成機(jī)理：視黃醛吸收光，構(gòu)型改變，質(zhì)子泵到膜外，膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)ATP酶合成ATP。72第三節(jié) 微生物獨(dú)特合成代謝舉例主要內(nèi)容：一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖生物合成73一、自養(yǎng)微生物的CO2固定（一）Calvin循環(huán)又稱Calvin-Benson循環(huán)、Calvin-Bassham循環(huán)、核酮糖二磷酸途徑或還原性戊糖磷酸循環(huán)，是光能自養(yǎng)生物和化能自養(yǎng)生物固定CO2的主要途徑。綠色植物、藍(lán)細(xì)菌、多數(shù)光合細(xì)菌，硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌等。6個(gè)1,5-二磷酸核酮糖在核酮糖二磷酸羧化酶作用下將6分子CO2固定，形成2分子甘油醛－3－磷酸。74Calvin循環(huán)的過程羧化反應(yīng)還原反應(yīng)受體再生激酶羧化酶75Calvin循環(huán)的總反應(yīng)6CO2+18ATP+12NAD（P）H2——→C6H12O6+18ADP+18Pi十12NAD（P）+ΔG0‘＝+114千卡／摩爾＝476.86千焦/摩爾76（二）厭氧乙酰-CoA途徑活性乙酸途徑，這個(gè)體系與還原羧酸循環(huán)不同，不需要ATP，光合細(xì)菌也有可能利用這個(gè)體系把CO2換成乙酸。途徑見P131圖5-3177（三）逆向TCA循環(huán)還原性TCA循環(huán)，途徑見P132圖5-32是在光合細(xì)菌、綠硫細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的。還原三羧酸循環(huán)的第—步反應(yīng)是將乙酰CoA還原羧化為丙酮酸，后者在丙酮酸羧化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，隨即被羧化為草酰乙酸，草酰乙酸經(jīng)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為琥珀酰CoA，再被還原羧化為а-酮戊二酸。а-酮戊二酸轉(zhuǎn)化為檸檬酸后，裂解成乙酸和草酰乙酸。乙酸經(jīng)乙酰-CoA，從而合成酶催化生成乙酰CoA，從而完成循環(huán)反應(yīng)。每循環(huán)—次，可固定四分子CO2，合成一分子草酰乙酸，消耗三分子ATP、兩分子NAD(P)H和—分子FADH2。78（四）羥基丙酸途徑少數(shù)綠色硫細(xì)菌Chloroflexus(綠彎菌屬）在以H2或H2S作電子供體進(jìn)行自養(yǎng)生活時(shí)所特有的CO2固定機(jī)制。通過羥基丙酸途徑，把2個(gè)CO2轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜帷？偡磻?yīng)式：2CO2+4[H]+3ATP關(guān)鍵步驟：羥基丙酸的產(chǎn)生，P133圖5-33草酰乙酸79（一）固氮微生物的種類

一些特殊類群的原核生物能夠?qū)⒎肿討B(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉(zhuǎn)化為各種細(xì)胞物質(zhì)。微生物利用其固氮酶系催化大氣中的分子氮還原成氨的過程稱為固氮作用。

自生固氮菌：獨(dú)立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等）共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)物腸道等處才能固氮的微生物。根際—芽孢桿菌屬；葉面—固氮菌屬。二、生物固氮作用80（二）固氮的生化機(jī)制2、固氮反應(yīng)的條件

aATP的供應(yīng)：

1molN2

—10~15ATPb還原力[H]及其載體氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。

c固氮酶

組分I：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）81組分II：

固氮酶還原酶，不含鉬，又稱鐵蛋白、固氮鐵氧還蛋白（AzoFd）特性：對(duì)氧極為敏感；需有Mg2+的存在；專一性：除N2外，可還原其他一些化合物

C2H2

—C2H4；

2H+

—H2

；

N2O—N2；HCN—CH4+NH3

（乙炔反應(yīng)：可用來測(cè)知酶活）d還原底物N2：

NH3存在時(shí)會(huì)抑制固氮作用。82

N2+8[H]

+（16~24）ATP—2NH3+H2+（16~24）ADP+18~24Pi即75%還原力用來還原N2，25%的還原力以H2形式浪費(fèi)3、固氮生化途徑4H+

+4eH283固氮的生化途徑84(1)好氧性自生固氮菌的抗氧保護(hù)機(jī)制

呼吸保護(hù)；構(gòu)象保護(hù)。(2)藍(lán)細(xì)菌固N(yùn)酶的抗氧保護(hù)機(jī)制

a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細(xì)胞）

I、厚壁，物理屏障；

II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氧酶、氫酶活性高；

III、SOD活性很高；

IV、呼吸強(qiáng)度高

b非異形胞藍(lán)細(xì)菌固N(yùn)酶的保護(hù)

——缺乏獨(dú)特的防止氧對(duì)固N(yùn)酶的損傷機(jī)制。

I、固N(yùn)、光合作用在時(shí)間上分隔開

——

織線藍(lán)菌屬（黑暗：固N(yùn)；光照：光合作用）

II、形成束狀群體（束毛藍(lán)菌屬），利于固N(yùn)酶在微氧環(huán)境下固N(yùn)

III、提高胞內(nèi)過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍(lán)菌屬）85微生物特有的結(jié)構(gòu)大分子：細(xì)菌：肽聚糖、磷壁酸、脂多糖、各種莢膜成分等真菌：葡聚糖、甘露聚糖、纖維素、幾丁質(zhì)等肽聚糖：絕大多數(shù)原核微生物細(xì)胞壁所含有的獨(dú)特成分；在細(xì)菌的生命活動(dòng)中有重要功能，尤其是許多重要抗生素如青霉素、頭孢霉素、萬古霉素、環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）和桿菌肽等呈現(xiàn)其選擇毒力（selectivetoxicity）的物質(zhì)基礎(chǔ)，是在抗生素治療上有特別意義的物質(zhì)。合成特點(diǎn)：①合成機(jī)制復(fù)雜，步驟多，且合成部位幾經(jīng)轉(zhuǎn)移；②合成過程中須要有能夠轉(zhuǎn)運(yùn)與控制肽聚糖結(jié)構(gòu)元件的載體（UDP和細(xì)菌萜醇）參與。合成過程：依發(fā)生部位分成三個(gè)階段：細(xì)胞質(zhì)階段：合成派克（Park）核苷酸細(xì)胞膜階段：合成肽聚糖單體細(xì)胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖三、微生物結(jié)構(gòu)大分子——肽聚糖的合成8687“Park”核苷酸的合成88

——肽聚糖單體亞單位的合成

載體：細(xì)菌萜醇（類脂載體）

——C55類異戊二烯醇（含11個(gè)異戊二烯單位）穿膜的同時(shí)與G結(jié)合，接上肽橋，此外，類脂載體還參與胞外多糖、脂多糖的合成（磷壁酸、纖維素、幾丁質(zhì)、甘露聚糖等）萬古霉素，桿菌肽所抑制這些反應(yīng)

2細(xì)胞膜中的合成89肽聚糖單體的合成——細(xì)菌萜醇細(xì)菌萜醇（bactoprenol）：又稱類脂載體；運(yùn)載“Park”核苷酸進(jìn)入細(xì)胞膜，連接N-乙酰葡糖胺和甘氨酸五肽“橋”，最后將肽聚糖單體送入細(xì)胞膜外的細(xì)胞壁生長(zhǎng)點(diǎn)處。結(jié)構(gòu)式：

CH3 CH3 CH3 CH3C=CHCH2(CH2C=CHCH2)9CH2C=CHCH2―OH功能：除肽聚糖合成外還參與微生物多種細(xì)胞外多糖和脂多糖的生物合成，如：細(xì)菌的磷壁酸、脂多糖， 細(xì)菌和真菌的纖維素， 真菌的幾丁質(zhì)和甘露聚糖等。90肽聚糖單體的合成G-M-P-P-類脂M-P-P-類脂 UDPUDP-G ②UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素 5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂雙糖肽位于細(xì)胞膜外細(xì)胞壁生長(zhǎng)點(diǎn)處細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞膜上91（三）膜外的合成

第一步——多糖鏈的伸長(zhǎng)（橫向連接）：

肽糖單體+引物（6~8肽糖單位）—多糖鏈橫向延伸1雙糖單位。第二步——相鄰多糖鏈相聯(lián)（縱向連接）：

2D-Val—M-4肽+D-Val

—甲肽尾五甘氨酸肽的游離—NH與乙肽尾

D-Val（第4個(gè)氨基酸）游離COOH轉(zhuǎn)肽作用：

青霉素所抑制。青霉素為D-Val-D-Val結(jié)構(gòu)類似物，競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)糖基（形成-1，4糖苷鍵）92轉(zhuǎn)糖基作用和轉(zhuǎn)肽作用9394思考題一．選擇題：1、Lactobacillus

是靠__________產(chǎn)能。A.發(fā)酵B.呼吸C.光合作用2、自然界中的大多數(shù)微生物是靠_________產(chǎn)能。A.發(fā)酵B.呼吸C.光合磷酸化3、在原核微生物細(xì)胞中單糖主要靠__________途徑降解生成丙酮酸。A.EMPB.HMPC.ED4、在下列微生物中__________能進(jìn)行產(chǎn)氧的光合作用。A.鏈霉菌B.藍(lán)細(xì)菌C.紫硫細(xì)菌5、合成氨基酸的重要前體物α-酮戊二酸來自_________。A.EMP途徑。B.ED途徑C.TCA循環(huán)6、反硝化細(xì)菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)能時(shí),電子最后交給________。A.無機(jī)化合物中的氧B.O2C.中間產(chǎn)物7、參與肽聚糖生物合成的高能磷酸化合物是：A.ATPB.GTPC.UTP95二、判斷題

EMP途徑主要存在于厭氧生活的細(xì)菌中。()EMP途徑主要存在于好氧細(xì)菌中。()乳酸發(fā)酵和乙酸發(fā)酵都是在厭氧條件下進(jìn)行的。()一分子葡萄糖經(jīng)同型乳酸發(fā)酵可產(chǎn)2個(gè)ATP,經(jīng)異型乳酸發(fā)酵可產(chǎn)1個(gè)ATP。()一分子葡萄糖經(jīng)同型乳酸發(fā)酵可產(chǎn)1個(gè)ATP,經(jīng)異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)2個(gè)ATP。()丙酮丁醇發(fā)酵是在好氣條件下進(jìn)行的,該菌是一種梭狀芽孢桿菌。()UDP--G,UDP--M是合成肽聚糖的重要前體物,它們是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的。()組成肽聚糖的前體物UDP--G,UDP--M是在細(xì)胞膜上合成后運(yùn)到細(xì)胞壁上聯(lián)結(jié)的。()ED途徑存在于某些好氧生活的G-細(xì)菌中。()ED途徑主要存在于某些G-的厭氧菌中。()96丙酮丁醇細(xì)菌是一種梭狀芽孢桿菌,它在厭氧條件下進(jìn)行丙酮丁醇發(fā)酵產(chǎn)生丙酮和丁醇。()化能自養(yǎng)菌還原力的產(chǎn)生是在消耗ATP的情況下通過反向電子傳遞產(chǎn)生的。()德氏乳酸桿菌走EMP途徑進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵。()雙歧桿菌走HK途徑進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵。()Saccharomycescerevisiae

走EM途徑進(jìn)行酒精發(fā)酵。()Zymomonas

走ED途徑進(jìn)行酒精發(fā)酵。()97三．填空題：合成代謝是__________能代謝。分解代謝是_________能代謝。異養(yǎng)微生物合成代謝所需要的能量來自己糖降解的__________,__________,__________和__________。異養(yǎng)微生物合成代謝所需要的還原力來自己糖降解的__________,_________,__________和_________。在發(fā)酵過程中,葡萄糖首先通過__________途徑產(chǎn)生2個(gè)________。無氧呼吸是以__________作為最終電子受體。一分子葡萄糖經(jīng)有氧呼吸徹底氧化可產(chǎn)生__________個(gè)ATP。光合磷酸化有__________和__________兩種。98發(fā)酵是在__________條件下發(fā)生的。每一分子葡萄糖通過酵母菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵產(chǎn)生__________個(gè)ATP。同型乳酸發(fā)酵的產(chǎn)物有__________,__________。在合成代謝中,能量的直接來源是__________中的高能磷酸鍵的水解。微生物優(yōu)先利用的能源物質(zhì)是_________。微生物在進(jìn)行生命活動(dòng)過程中所消耗的能量有兩個(gè)來源,即__________和__________。自養(yǎng)微生物所需能量來自__________或_________。發(fā)酵的產(chǎn)能水平較__________呼吸作用的產(chǎn)能水平較__________。99大多微生物的產(chǎn)能方式是