微生物學(xué)課件6

第五章

微生物的代謝

Cncnc-micro

代謝概論微生物產(chǎn)能代謝耗能代謝微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)內(nèi)容提要代謝概論Cncnc-micro代謝(metabolism)是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。分解代謝合成代謝分解代謝（catabolism）Cncnc-micro分解代謝指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。一般可將分解代謝分為三個(gè)階段：寺地蛋白質(zhì)多糖脂類氨基酸單糖甘油，脂肪酸丙酮酸/乙酰輔酶ACO2，H20，能量（三羧酸循環(huán)）合成代謝（anabolism）Cncnc-micro合成代謝指細(xì)胞利用小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程，并在這個(gè)過程中消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營養(yǎng)物質(zhì)。寺地Cncnc-micro在代謝過程中，微生物通過分解作用（光合作用）產(chǎn)生化學(xué)能。地這些能量用于：1合成代謝2微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸3熱和光無論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶反應(yīng)構(gòu)成的，前一部反應(yīng)的產(chǎn)物是后續(xù)反應(yīng)的底物。細(xì)胞能有效調(diào)節(jié)相關(guān)的反應(yīng)，生命活動(dòng)得以正常進(jìn)行。某些微生物還會(huì)產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)除有利于微生物生存外，還與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)。Cncnc-micro微生物產(chǎn)能代謝—生物氧化異養(yǎng)微生物的生物氧化自養(yǎng)微生物的生物氧化生物氧化過程中的能量轉(zhuǎn)化Cncnc-micro異養(yǎng)微生物的生物氧化發(fā)酵呼吸作用什么是發(fā)酵發(fā)酵過程中底物脫氫的途徑發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活發(fā)酵是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵（fermentation）底物脫氫的四種途徑EMP途徑HMP途徑ED途徑磷酸解酮酶途徑

EMP途徑（Embden-Meyerhofpathway）葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:預(yù)備性反應(yīng)bb:氧化還原反應(yīng)EMP途徑意義：為細(xì)胞生命活動(dòng)提供ATP和NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOHC=OH-C-OHH-C-OHDCH2OP

CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖C=OH-C-OHH-C-OHH-C-OPHCH2OHH-C-OHH-

C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OPHCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HMP途徑從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開始降解的故稱為單磷酸已糖途徑。HMP途徑與EMP途徑有著密切的關(guān)系，HMP途徑中的3-磷酸-甘油醛可以進(jìn)入EMP途徑，—磷酸戊糖支路。HMP途徑的一個(gè)循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個(gè)CO2、6個(gè)NADPH。一般認(rèn)為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量還原力（NADPH）和中間代謝產(chǎn)物。HMP途徑ED途徑ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的。ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨(dú)存在ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟(jì)。Cncnc-microED途徑過程：葡萄糖→

→

→KDPG甘油醛-3-磷酸丙酮酸→丙酮酸EMPKDPG醛縮酶呼吸作用根據(jù)反應(yīng)中氫受體不同分為兩種類型Cncnc-micro有氧呼吸無氧呼吸以分子氧為最終受體的生物氧化C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobicrespiration）發(fā)酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸除糖酵解過程外，還包括三羧循還和電子傳遞鏈兩部分反應(yīng)電子傳遞遞氫體遞氫體-H2還原態(tài)細(xì)胞色素-H2氧化態(tài)細(xì)胞色素1/2O2H2O脫氫酶氧化酶2H+NADFADQ細(xì)胞色素bca1a3基質(zhì)-H2基質(zhì)F0F1ATP膜膜內(nèi)膜外2H+ADP+PiATP+H2O電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說（1961，P.Mitchell）1978Nobel獎(jiǎng)ADP+Pi膜內(nèi)膜外ATPH+H+H2OaATPbH+H+cH+H+ADP電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機(jī)制構(gòu)象變化偶聯(lián)假說（1997，P.Boyer）1997Nobel獎(jiǎng)氧化磷酸化有氧呼吸特點(diǎn)基質(zhì)氧化徹底生成CO2和H2O，（少數(shù)氧化不徹底，生成小分子量的有機(jī)物，如醋酸發(fā)酵）。E系完全，分脫氫E和氧化E兩種E系。產(chǎn)能量多，一分子G凈產(chǎn)38個(gè)ATPCncnc-micro無氧呼吸（anaerobicrespiration）以無機(jī)物為最終電子受體的生物氧化過程

硝酸鹽呼吸

碳酸鹽呼吸

硫酸鹽呼吸Cncnc-micro硝酸鹽呼吸（反硝化作用）NON2亞硝酸還原細(xì)菌2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3基質(zhì)-H2基質(zhì)輔酶輔酶-H2脫氫酶NO2-NO3-硝酸鹽還原細(xì)菌一系列酶硫酸鹽呼吸（反硫化作用）有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有機(jī)物為氧化基質(zhì)（H2或有機(jī)物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個(gè)H，使硫酸鹽還原為H2S。

SO42－＋8H4H2O＋S2－

Cncnc-micro碳酸鹽呼吸（甲烷生成作用）

甲烷細(xì)菌能在氫等物質(zhì)的氧化過程中，把CO2還原成甲烷，這就是碳酸鹽呼吸又稱甲烷生成作用。

CO2+4H2CH4+2H2O+ATPCncnc-micro甲烷細(xì)菌特點(diǎn)：產(chǎn)甲烷細(xì)菌細(xì)胞壁不含肽聚糖產(chǎn)甲烷DNA分子量比一般細(xì)菌少2－3倍產(chǎn)甲烷細(xì)菌tRNA分子中的JφC的T被U取代。

產(chǎn)甲烷細(xì)菌起始tRNA所攜帶的AA為甲硫氨gg酸，一般細(xì)菌為甲基甲硫氨酸。無芽孢、厭氧、氧化還原電位低。Cncnc-micro

各類發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活

（發(fā)酵小結(jié)）

工業(yè)概念在工業(yè)生產(chǎn)中常把好氧或兼性厭寺氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產(chǎn)品生有產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。Cncnc-micro微生物能以好多種有機(jī)物作為發(fā)酵基質(zhì)，但它以大都能轉(zhuǎn)化成葡萄糖或葡萄糖的中間代謝產(chǎn)物而被微生物利用。Cncnc-micro根據(jù)代謝產(chǎn)物和代謝途徑不同，有各種不同的人發(fā)酵類型，以下幾種發(fā)酵最重要研究得最清楚上區(qū)性

乙醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丙酮丁醇發(fā)酵GEMP

2丙酮酸2乙醛2乙醇丙酮酸脫羧酶Cncnc-microC6H12O62C2H5OH＋2CO2＋2ATP由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵

（酵母菌乙醇發(fā)酵）

參與微生物：酵母菌

3-p-甘油醛-H21，3-2P甘油酸2NAD2NADH2乙醇乙醛(受氫體)脫氫酶酵母菌乙醇發(fā)酵過程中氫由供體給受體的方式乙醇發(fā)酵特點(diǎn)發(fā)酵基質(zhì)氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果仍結(jié)果有機(jī)物酶體系不完全，只有脫氫E，沒有氧化酶。產(chǎn)生能量少，酵母乙醇發(fā)酵凈產(chǎn)2ATP，細(xì)菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解過程中脫下H使之還原成乙醇的過程。Cncnc-micro酵母菌乙醇發(fā)酵應(yīng)嚴(yán)格控制三個(gè)條件厭氧不含NaHSO3

PH小于7.6通過ED途徑進(jìn)行的乙醇發(fā)酵（細(xì)菌的乙醇發(fā)酵）參與微生物：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌發(fā)酵途徑：ED途徑反應(yīng)式：C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATPCncnc-micro乳酸發(fā)酵指乳酸菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸還原成乳酸的過程進(jìn)行乳酸發(fā)酵的都是細(xì)菌：如短乳桿菌，乳鏈球菌等細(xì)菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。我們熟悉的牛奶變酸，生產(chǎn)酸奶，漬酸菜，泡菜，青貯飼料都是乳酸發(fā)酵兩種類型：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵在糖的發(fā)酵中，產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵，青貯飼料中的乳鏈球菌發(fā)酵即為此類型。GPEPC3H6O3過

程：反應(yīng)式：C6H12O6+2ADP+Pi2C3H6O3+2ATP關(guān)鍵酶：乳酸脫氫酶2乳酸2丙酮酸+2ATP乳酸發(fā)酵過程中H由供體給受體的方式3-P-甘油醛-H21,3-2P甘油酸2NAD2NADH2異型乳酸發(fā)酵（通過HMP途徑）發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇與CO2。青貯飼料中短乳桿菌發(fā)酵即為異型乳酸發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵結(jié)果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。北方漬酸菜，南方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵。乳酸發(fā)酵細(xì)菌不破壞植物細(xì)胞，只利用植物分泌物生長繁殖。漬酸菜應(yīng)做好以下幾點(diǎn)

必須控制不被雜菌感染要?jiǎng)?chuàng)造適合乳酸發(fā)酸的厭氧環(huán)境條件要加些鹽，3—5%NaCl濃度為好缸要刷凈，并不要帶進(jìn)油污PH值3—4為宜某些細(xì)菌通過發(fā)酵將G變成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物。由于代謝產(chǎn)物中含多種有機(jī)酸，因此將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。大多數(shù)腸桿菌如大腸桿菌等均能進(jìn)行混合酸發(fā)酵。Cncnc-micro混合酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵——用于細(xì)菌分類鑒定

V.P反應(yīng)：反應(yīng)過程中產(chǎn)生紅色化合物甲基紅反應(yīng)

：產(chǎn)酸使指示劑變色Cncnc-microG二乙酰紅色化合物3-羥基丁酮V.P反應(yīng)甲基紅反應(yīng)E.aerogenesE.coli

糖酵解作用是各種發(fā)酵的基礎(chǔ)，而發(fā)酵則是糖酵解過程的發(fā)展發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機(jī)物，說明基質(zhì)的氧化過程不徹底基質(zhì)是被氧化的基質(zhì)同時(shí)又是電子受體。Cncnc-micro謝謝各位氨的氧化硫的氧化鐵的氧化氫的氧化自養(yǎng)微生物的生物氧化Cncnc-micro硝化細(xì)菌的能量代謝（氨的氧化）NH3NO2—亞硝酸菌NO2—

NO3—硝酸菌NH3+1.5O2NO2—

+H2O+H++65.1NO2-+0.5O2NO3—

+18.1NO2-

+H2ONO3-

+2H2e-細(xì)胞色素a1細(xì)胞色素a30.5O2+2H+H2O硫細(xì)菌的能量代謝（硫的氧化）H2S+0.5O2S+H2O+能量Cncnc-microS+1.5O2+

H2OSO4—+2H++能量鐵的氧化Cncnc-micro

氫細(xì)菌的能量代謝（氫的氧化）H2+0.5O2H2O+能量用途:用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白Cncnc-micro單細(xì)胞蛋白單細(xì)胞蛋白種類生產(chǎn)所需原料單細(xì)胞蛋白用途單細(xì)胞蛋白特點(diǎn)細(xì)菌單細(xì)胞蛋白酵母單細(xì)胞蛋白單胞藻單細(xì)胞蛋白石油，天然氣，氫Cncnc-micro能量轉(zhuǎn)化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)光合磷酸化(photophosphorylation)Cncnc-microCncnc-micro底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中也存在于呼吸過程中。物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋果酸丙酮酸乙酰輔酶AGTPGDP+Pi三羧酸循環(huán)底物水平磷酸化發(fā)生在呼吸作用過程中

環(huán)式光合磷酸化非環(huán)式光合磷酸化

嗜鹽菌紫膜的光合作用Cncnc-micro光合磷酸化(photophosphorylation)環(huán)式光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）代表微生物光合作用部位光合作用特點(diǎn)紅螺菌科紅硫菌科綠硫菌科菌綠素由光反應(yīng)和暗反應(yīng)組成,只有一個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)不放氧。Cncnc-microCyt.bc1e-e-e-e-環(huán)式光合磷酸化的光反應(yīng)QABphCyt.c2QBQ庫e-P870*P870e-外源電子供體H2S等ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆電子傳遞環(huán)式光合磷酸化的暗反應(yīng)曲是是2光能轉(zhuǎn)變的化學(xué)能CO2有機(jī)物ATPNADH2Cncnc-micro只有一個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)，有光反應(yīng)和暗反應(yīng)環(huán)式光合磷酸化特點(diǎn)

不放氧Cncnc-micro消耗ATP不產(chǎn)還原劑NADH2，固定CO2所需NADH2來自電子傳遞e-QAPhQBQ庫FdFpe-e-e-Fe.SADP+PiATPe-葉綠素a

葉綠素a+e-Ⅰ葉綠素b

葉綠素b+ⅡH201/202Mn2+2H+e-NADPH+H+Cyt.bc1ADP+PiATPPC非環(huán)式光合磷酸化（non-cyclicphotophosphorylation）非環(huán)式光合磷酸化特點(diǎn)兩個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)還原劑NADH2，產(chǎn)ATP和O2Cncnc-micro電子傳遞屬非循環(huán)式的在有氧條件下進(jìn)行紫膜光合磷酸化（photophosphorylationbypurplemembrance）ATP酶紫膜H+H+H+-++++---細(xì)胞壁紅膜H+ADP+PiATPPNH+N+PNPNH+P順式膜外膜內(nèi)紫膜反式H+H++++++++———————紫膜光合磷酸化H+ADP+PiATPCncnc-micro耗能代謝細(xì)胞物質(zhì)的合成其他耗能反應(yīng)細(xì)胞物質(zhì)的合成CO2的固定生物固氮CO2的同化糖類的合成氨基酸的合成Cncnc-micro生物固氮（biologicalnitrogenfixation）固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成Cncnc-micro固氮作用生化機(jī)制好氧菌固氮酶避氧害機(jī)制固氮微生物(nitrogen–fixingorganisms,diazotrophs）Cncnc-micro自生固氮菌好氧自生固氮菌固氮菌屬巴氏芽孢梭菌厭氧自生固氮菌兼性厭氧自生固氮菌聯(lián)合固氮菌根際、葉面、動(dòng)物腸道等處的固氮微生物共生固氮菌滿江紅魚腥藻根瘤植物豆科植物地衣根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌形態(tài)根瘤菌特點(diǎn)根瘤的形成感染性專一性有效性根瘤(Nodle)的形成植物色氨酸分泌微生物吲哚乙酸根毛彎曲松馳變軟根瘤菌侵入根毛根瘤形成地衣滿江紅魚星藻固氮的生化途徑Cncnc-micro固氮的生化機(jī)制生物固氮反應(yīng)的6要素測(cè)定固氮酶活力的乙方法固氮酶的產(chǎn)氫反應(yīng)固氮酶ATP的供應(yīng)還原力及其傳遞載體還原底物—N2鎂離子嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境固二氮酶（dinitrogenase）（組份Ⅰ）固二氮酶還原酶（dinitrogenasereductase）（組份Ⅱ）ATPADP+P電子來源丙酮酸(