微生物學第七章微生物的代謝

代謝概論代謝（metabolism）：細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]當前1頁，總共81頁。一、概述

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）1、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）功能：產(chǎn)能（ATP）、還原力、小分子代謝產(chǎn)物等。第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程當前2頁，總共81頁。生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機物異養(yǎng)微生物利用有機物生物氧化能量微生物直接利用儲存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中當前3頁，總共81頁。2、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能

通常是化能自養(yǎng)型細菌，一般是好氧菌。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們的碳源。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于無機電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機物脫下的氫(電子)直接進入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。代謝特點1）無機底物脫下的氫（電子）從相應位置直接進入呼吸鏈2）存在多種呼吸鏈3）產(chǎn)能效率低；4）生長緩慢，產(chǎn)細胞率低。當前4頁，總共81頁。3、光能自養(yǎng)或異養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝

指具有捕捉光能并將它用于合成ATP和產(chǎn)生NADH或NADPH的微生物。分為不產(chǎn)氧光合微生物和產(chǎn)氧光合微生物。前者利用還原態(tài)無機物H2S，H2或有機物作還原C02的氫供體以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解產(chǎn)物H+和電子形成還原力(NADPH+H+)當前5頁，總共81頁。二、葡萄糖降解代謝途徑（EMP、HMP、ED、PK途徑等。）

1）EMP途徑（糖酵解途徑、二磷酸己糖途徑）

葡萄糖

丙酮酸有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無氧：還原一些代謝產(chǎn)物，(專性厭氧微生物)產(chǎn)能的唯一途徑。

產(chǎn)能：底物磷酸化產(chǎn)能：（1）1，3—二P--甘油酸3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10步反應當前6頁，總共81頁。分為兩個階段：1、1個分子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個分子NADPH+H+，3個分子CO2和3個分子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。2）HMP途徑（磷酸戊糖途徑、旁路途徑）當前7頁，總共81頁。6-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，進入TCA途徑b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。總反應式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點：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)各種不同長度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖）d、單獨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。當前8頁，總共81頁。

3）ED途徑

——2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假單胞菌

過程：（4步反應）1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶特點:

a、步驟簡單b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。當前9頁，總共81頁。4）磷酸酮解酶途徑a、磷酸戊糖酮解酶途徑（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）PK途徑G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙酸丙酮酸乳酸1G乳酸+乙酸+1ATP

+NADPH+H+當前10頁，總共81頁。

G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途徑——又稱HK途徑（兩歧雙歧桿菌）

4-磷酸-赤蘚糖+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

當前11頁，總共81頁。

1、定義

廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝的一種生產(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：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)能率低；4）產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。三、發(fā)酵（fermentantion）當前12頁，總共81頁。2、發(fā)酵類型1）乙醇發(fā)酵

a、酵母型乙醇發(fā)酵

i、酵母一型發(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)細菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）ii、加入NaHSO4(酵母二型發(fā)酵)NaHSO4+乙醛磺化羥乙醛（難溶）ⅲ、弱堿性（pH7.5）(酵母三型發(fā)酵)2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應）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適量（3%）

當前13頁，總共81頁。b、細菌型乙醇發(fā)酵

(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)

同型酒精發(fā)酵

1G2丙酮酸

代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，發(fā)酵周期短等。缺點是生長pH較高，較易染雜菌，并且對乙醇的耐受力較酵母菌低.

（ED）2乙醇+

1ATP異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細菌）應用于酒精工業(yè)中

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸酶）乙醛乙醇甲酸+乙酰--CoA無丙酮酸脫羧酶而有乙醛脫氫酶當前14頁，總共81頁。2）乳酸發(fā)酵

同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等）——EMP途徑（丙酮酸

乳酸）

異型乳酸發(fā)酵（PK途徑）腸膜明串株菌（HK、

PK）（丙酮酸乳酸、乙醇、乙酸）產(chǎn)能：1ATP或2.5ATP

雙歧發(fā)酵兩岐雙歧桿菌（PK、HK）產(chǎn)能：2G5ATP即1G2.5ATP

當前15頁，總共81頁。3)混合酸、丁二醇發(fā)酵a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?；敢胰┟摎涿敢宜峒っ敢掖济摎涿敢宜嵋掖糆.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗：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

當前16頁，總共81頁。b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)（乙酰乳酸脫羧酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個重要的鑒定反應：1、V．P．實驗2、甲基紅（M.R）反應產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗（+），甲基紅（-）

E.coli：V.P.試驗（-），甲基紅（+）V.P.試驗的原理：當前17頁，總共81頁。4）丙酮-丁醇發(fā)酵

——嚴格厭氧菌進行的唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮

+CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇縮合當前18頁，總共81頁。

5）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點：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。

當前19頁，總共81頁。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還原當前20頁，總共81頁。四、呼吸（respiration）——從葡萄糖或其他有機物質(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）

1有氧呼吸

原核微生物：胞質(zhì)中，僅琥珀酸脫氫酶在膜上真核微生物：線粒體內(nèi)膜上2個產(chǎn)能的環(huán)節(jié)：Kreb循環(huán)、電子傳遞。當前21頁，總共81頁。TCA循環(huán)的生理意義：（1）為細胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細胞內(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。

（1）TCA循環(huán)檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)

當前22頁，總共81頁。TCA的補充途徑

I乙醛酸循環(huán)（TCA循環(huán)支路）

（異檸檬酸裂合酶）（乙酰--CoA合成酶）（蘋果酸合成酶）乙酰-CoA異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙酸蘋果酸Ii丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法Iii厭氧、兼性厭氧微生物獲得TCA中間產(chǎn)物方式------通過TCA的逆過程當前23頁，總共81頁。（2）電子傳遞鏈1）電子傳遞鏈載體:NADH脫氫酶黃素蛋白輔酶Q（CoQ）鐵-硫蛋白及細胞色素類蛋白在線粒體內(nèi)膜中以4個載體復合物的形式從低氧化還原勢的化合物到高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物逐級排列。

當前24頁，總共81頁。2）原核微生物電子傳遞鏈特點：最終電子受體多樣：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；電子供體：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有機質(zhì)等；含各種類型細胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyta1、a2、a3、d、o，H2O2酶、過氧化物酶；呼吸鏈組分、含量多變，存在分支呼吸鏈：

E.coli（缺氧）CoQcyt.b556cyt.ocyt.b558cyt.d（抗氰化物）細胞色素0分支對氧親和性低，是一種質(zhì)子泵，在氧供應充足的條件下工作；細胞色素d分支對氧有很高的親和性，因此在氧供應不足的情況下起作用。

電子傳遞多樣：CoQcyt.也可不經(jīng)過此途徑。

當前25頁，總共81頁。3）氧化磷酸化產(chǎn)能機制

——化學偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學滲透假說化學滲透學說---英國生物化學家Peter．Mitchell于1961年提出的。該假說認為電子傳遞鏈的組成導致質(zhì)子從線粒體的基質(zhì)向外移動，電子向內(nèi)傳遞。質(zhì)子傳遞可能是由于載體環(huán)或特定的質(zhì)子泵的作用，驅(qū)動泵的能量來自電子傳遞。來自被氧化底物上的一對電子沿傳遞鏈轉(zhuǎn)移時所產(chǎn)生的跨膜的電化學梯度（即質(zhì)子動勢Protonmotiveforce,PMF)是ATP合成的原動力。當質(zhì)子動勢驅(qū)動被轉(zhuǎn)移至膜間空鍵的質(zhì)子返回線粒體基質(zhì)中時，所釋放的能量推動ADP磷酸化生成ATP。質(zhì)子推動力（Δp）取決于跨膜的質(zhì)子濃度（ΔpH）和內(nèi)膜兩側(cè)的電位差（Δψ）。

當前26頁，總共81頁。特點：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)無機物（個別：延胡索酸）c產(chǎn)能效率低。硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點：a有其完整的呼吸系統(tǒng)；b只有在無氧條件下，才能誘導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

細菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2無氧呼吸（厭氧呼吸）當前27頁，總共81頁。硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：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-）還原成氮氣而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶當前28頁，總共81頁。

硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）——厭氧時，SO42-、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。特點：

a、嚴格厭氧；b、大多為古細菌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-SO2SH2S（爛秧、腐蝕、除污）e、利用有機質(zhì)（有機酸、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）

當前29頁，總共81頁。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)乙酸細菌—H2/CO2進行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

當前30頁，總共81頁。其他類型無氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機氧化物等作為末端電子受體的無氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厭氧條件下生長一些還原細菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum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當前31頁，總共81頁。第二節(jié)微生物特有的合成代謝途徑一、細菌的光合作用

真核生物：藻類及其他綠色植物

產(chǎn)氧原核生物：藍細菌光能營養(yǎng)型生物不產(chǎn)氧（僅原核生物有）：光合細菌當前32頁，總共81頁。1、細菌光合色素1）葉綠素（chlorophyll）：680、440nm2）菌綠素——a、b、c、d、e、g。a：與葉綠素a基本相似；850nm處。b：最大吸收波長840~1030。

3）輔助色素：提高光利用率類胡蘿卜素：

藻膽素：藍細菌特有藻紅素（550nm）、藻藍素（620~640nm）

藻膽蛋白：與蛋白質(zhì)共價結(jié)合的藻膽素。

當前33頁，總共81頁。2、光合細菌類群

1）產(chǎn)氧光合細菌——好氧菌

似各種綠色植物、藻類

藍細菌：專性光能自養(yǎng)。

依靠葉綠素，光解水，利用光系統(tǒng)I與Ⅱ進行產(chǎn)氧非循環(huán)式光合作用

。

-----------------------非環(huán)式光合磷酸化當前34頁，總共81頁。藍細菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程當前35頁，總共81頁。2）不產(chǎn)氧光合細菌a、紫色細菌——只含菌綠素a或b的厭氧菌。紫硫細菌（著色菌科）（舊稱紅硫菌科）含紫色類胡蘿卜素，菌體較大。S沉積胞內(nèi)。氫供體：H2S、H2或有機物。H2SSSO42-；少數(shù)暗環(huán)境以S2O32-作為電子供體。依靠菌綠素與一個光系統(tǒng)進行循環(huán)式不產(chǎn)氧光合作用氧化鐵紫硫細菌（Chromatium屬）利用FeS,或Fe2+氧化產(chǎn)生Fe(OH)3沉淀當前36頁，總共81頁。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和還原力分別進行.紫色細菌循環(huán)光合磷酸化過程

當前37頁，總共81頁。紫色非硫細菌（紅螺菌科）：舊認為不能利用硫化物作為電子供體；現(xiàn)知大多數(shù)亦能利用硫化物，但濃度不能高。--------------------------循環(huán)式光合磷酸化b、綠色細菌（綠硫細菌）含較多的菌綠素c、d或e，少量a。電子供體：硫化物或元素硫，S沉積胞外（類似紫色非硫細菌）；暗環(huán)境中不進行呼吸代謝，還可同化乙酸、丙酸、乳酸等簡單有機物。

H2S或Ｓ２Ｏ３２－環(huán)境中，依靠菌綠素，只利用一個光系統(tǒng)進行不產(chǎn)氧非循環(huán)式光合作用。當前38頁，總共81頁。外源電子供體——H2S等無機物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點：只有一個光合系統(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。綠硫細菌和綠色細菌當前39頁，總共81頁。3、細菌光合作用1）循環(huán)光合磷酸化

細菌葉綠素將捕獲的光能傳輸給其反應中心葉綠素P870，P870吸收光能并被激發(fā)，使它的還原電勢變得很負，被逐出的電子經(jīng)過由脫鎂菌綠素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、細胞色素b和c組成的電子傳遞鏈傳遞返回到細菌葉綠素P870，同時造成了質(zhì)子的跨膜移動，提供能量用于合成ATP。特點：a、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；b、產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進行，還原力來自H2S等無機物；c、不產(chǎn)氧（O2）。當前40頁，總共81頁。

2）非循環(huán)光合磷酸化

特點：a、電子傳遞非循環(huán)式；b、在有氧的條件下進行；c、存在兩個光合系統(tǒng)d、ATP、還原力、O2同時產(chǎn)生

當光反應中心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時與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。當前41頁，總共81頁。3）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特的光合作用，是迄今為止最簡單的光合磷酸化反應?！獦O端嗜鹽古細菌

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；埋于紅色細胞膜（類胡蘿卜素）內(nèi)。

當前42頁，總共81頁。ATP合成機理：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合成的原動力，驅(qū)動ATP酶合成ATP。當前43頁，總共81頁。二、細菌化能自養(yǎng)作用

化能無機營養(yǎng)型細菌：通常是化能自養(yǎng)型細菌，一般是好氧菌。

產(chǎn)能的途徑主要是借助于無機電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機物脫下-的氫(電子)直接進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：CO2還原成[CH20]水平的簡單有機物，進一步合成復雜細胞成分——大量耗能、耗還原力的過程。當前44頁，總共81頁。

化能自養(yǎng)細菌的能量代謝特點：

①無機底物脫下的氫（電子）從相應位置直接進入呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能。②電子可從多處進入呼吸鏈，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)細菌的低。④生長緩慢，產(chǎn)細胞率低。有以下特點：無機底物上脫下的氫(電子)直接進入呼吸鏈。當前45頁，總共81頁。1硝化細菌

能氧化氮的化能無機營養(yǎng)型細菌

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體，在細胞質(zhì)中有非常發(fā)達的內(nèi)膜復合體。

將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。

a、亞硝化細菌NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根據(jù)它們氧化無機化合物的不同也稱氨氧化細菌(產(chǎn)生1分子ATP)當前46頁，總共81頁。2氫細菌（氧化氫細菌）

能利用氫作為能源的細菌組成的生理類群稱氫細菌或氫氧化細菌(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：

2H2+CO2—[CH2O]+H2O。

當前47頁，總共81頁。氫細菌的自氧作用

第一步：產(chǎn)能反應，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

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

提供還原力NADH。當前48頁，總共81頁。3硫細菌（硫氧化細菌）

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

嗜酸型硫細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＋)。當前49頁，總共81頁。當前50頁，總共81頁。產(chǎn)能途徑第一階段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化為SO32－第二階段，形成的SO32－進一步氧化為SO42－和產(chǎn)能。1、由細胞色素－亞硫酸氧化酶將SO32－直接氧化成為SO42－，并通過電子傳遞磷酸化產(chǎn)能，普遍存在于硫桿菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosinephosphosulfate，APS)途徑。在這條途徑中，亞硫酸與腺苷單磷酸反應放出2個電子生成一種高能分子APS，放出的電子經(jīng)細胞電子傳遞鏈的氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－產(chǎn)生2．5分子ATP。當前51頁，總共81頁。4鐵細菌和細菌瀝濾

(1)鐵細菌（多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低。）

定義：能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能的細菌被稱為鐵細菌(ironbacteria)或鐵氧化細菌(ironoxidizingbacteria)。包括亞鐵桿菌屬(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌屬(Gallionella)、纖發(fā)菌屬(Leptothrix)、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)和球衣菌屬(Sphaerotilus)的成員。有些氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusfrrooxidans)和硫化葉菌的一些成員，除了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＋)，所以它們既是硫細菌，也是鐵細菌。大多數(shù)鐵細菌為專性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)的。大多數(shù)鐵細菌還是嗜酸性的。鐵細菌的細胞產(chǎn)率也相當?shù)彤斍?2頁，總共81頁。鐵氧化細菌呼吸鏈的氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑當前53頁，總共81頁。

(2)細菌瀝濾——利用嗜酸性氧化鐵和硫細菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。又稱細菌浸出或細菌冶金。原理：a、浸礦劑的生成

2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2—2Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2—CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、鐵屑置換CuSO4中的銅CuSO4+Fe—FeSO4+Cu

——適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出率達70%~80%。

當前54頁，總共81頁。1、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。三、固氮作用當前55頁，總共81頁。2、固氮機制1）固氮反應的條件aATP的供應：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(雙組分固氮酶)

組分I：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）當前56頁，總共81頁。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：可用來測知酶活）d還原底物N2：NH3存在時會抑制固氮作用。當前57頁，總共81頁。

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

a、固氮酶的形成

e—組分II—組分II（e）—Mg—ATP

組分I+N2—I—N2

b、固氮階段

N2*—2NH3+H2即75%還原力用來還原N2，25%的還原力以H2形式浪費2）固氮生化過程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復合物）當前58頁，總共81頁。固氮生化途徑當前59頁，總共81頁。3、好氧性固氮菌的防氧機制固N酶遇氧不可逆失活（組分I，半衰期10’；組分II，45’喪失一半活性）

（1）自身固N菌

a呼吸保護固N菌科的固N菌以極強的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。b構(gòu)象保護高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象。構(gòu)象保護的蛋白質(zhì)——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結(jié)合，構(gòu)象變化，喪失固N能力；

氧濃度降低，蛋白自酶上解離當前60頁，總共81頁。(2)藍細菌保護固N酶機制

a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細胞）

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、呼吸強度高

b非異形胞藍細菌固N酶的保護

——缺乏獨特的防止氧對固N酶的損傷機制。

I、固N、光合作用在時間上分隔開——織線藍菌屬（黑暗：固N；光照：光合作用）II、形成束狀群體（束毛藍菌屬），利于固N酶在微氧環(huán)境下固NIII、提高胞內(nèi)過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍菌屬）當前61頁，總共81頁。I、豆科植物的共生菌——以類菌體形式存在于根瘤中類菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結(jié)合（高時結(jié)合，低時釋放）

豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血紅素由根瘤菌基因編碼。II、非豆科植物共生菌——含植物血紅蛋白（功能相似豆血紅蛋白）Frankin放線菌：營養(yǎng)菌絲末端膨大的泡囊類似異形胞。

c根瘤菌保護固N酶機制

當前62頁，總共81頁。四、肽聚糖的合成

1在細胞質(zhì)中的合成——UDP-胞壁酸5肽

（尿苷二磷酸）

aG—G-UDP，M--UDPG——6-P-果糖—6-P-葡糖胺——N-乙酸葡糖胺-1-磷酸—N-乙酰葡糖胺-UDP—N-乙酰胞壁酸-UDP（M--UDP）

bM合成“Park”核苷酸（UDP-M-5肽）UDP作為糖載體D-Val-D-Val為環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）阻斷；當前63頁，總共81頁。N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸親水性化合物當前64頁，總共81頁。

——肽聚糖單體亞單位的合成

載體：細菌萜醇（類脂載體）——C55類異戊二烯醇（含11個異戊二烯單位）穿膜的同時與G結(jié)合，接上肽橋，

——形成雙糖肽亞單位此外，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，桿菌肽抑制這些反應

2細胞膜中的合成當前65頁，總共81頁?！癙ark”核苷酸合成肽聚糖單體細胞膜上細胞質(zhì)雙糖肽位于細胞膜外細胞壁生長點處當前66頁，總共81頁。3膜外的合成

a、多糖鏈的伸長（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。b、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，競爭轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)糖基（形成-1，4糖苷鍵）當前67頁，總共81頁。轉(zhuǎn)糖基作用和轉(zhuǎn)肽作用當前68頁，總共81頁。第三節(jié)微生物代謝的調(diào)節(jié)一、酶活性調(diào)節(jié)（酶活性的激活和抑制）１、變構(gòu)調(diào)節(jié)２、修飾調(diào)節(jié)二、酶合成調(diào)節(jié)——例如大腸桿菌乳糖操縱子模型１、誘導協(xié)同誘導順序誘導２、阻遏終產(chǎn)物阻遏分解代謝產(chǎn)物阻遏

當前69頁，總共81頁。第四節(jié)微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物一、次級代謝與次級代謝產(chǎn)物

一般將微生物通過代謝活動所產(chǎn)生的自身繁殖所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級代謝,該過程所產(chǎn)生的產(chǎn)物即為初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。

次級代謝是指微生物在一定的生長時期，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對于該微生物沒有明顯的生理功能且非其生長和繁殖所必需的物質(zhì)的過程。這一過程的產(chǎn)物，即為次級代謝產(chǎn)物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。當前70頁，總共81頁。

次級代謝與初級代謝關(guān)系密切，初級代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級代謝的前體，比如糖降解過程中的乙酰-CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體；一般菌體的次級代謝在對數(shù)生長后期或穩(wěn)定期間進行，受環(huán)境條件的影響；

次級代謝產(chǎn)物的合成，因菌株不同而異，但與分類地位無關(guān)；與次級代謝的關(guān)系密切的質(zhì)粒則控制著多種抗生素的合成。

次級代謝產(chǎn)物在微生物生命活動過程中的產(chǎn)生極其微量，對微生物本身的生命活動沒有明顯作用，當次級代謝途徑被阻斷時，菌體生長繁殖仍不會受到影響，因此，它們沒有一般性的生理功能，也不是生物體生長繁殖的必需物質(zhì)，但對其它生物體往往具有不同的生理活性作用，因此，人們利用這些具有各種生理活性的次級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)具有應用價值的藥物。當前71頁，總共81頁。二、次級代謝的調(diào)節(jié)1．初級代謝對次級代謝的調(diào)節(jié)次級代謝與初級代謝類似，它在調(diào)節(jié)過程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的誘導和阻遏。2．含氮化合物對次級代謝的調(diào)節(jié)作用菌體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平與抗生素的產(chǎn)量間呈正相關(guān)性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利福霉素SV合成則呈負的相關(guān)性，而ADH和GS同化氨途徑受培養(yǎng)基中氨濃度的調(diào)節(jié)，因此，氨濃度的調(diào)節(jié)影響抗生素的產(chǎn)量。

3．誘導作用及產(chǎn)物的反饋抑制當前72頁，總共81頁。一、微生物代謝產(chǎn)物的利用利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的眾多代謝產(chǎn)物生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。按照積累產(chǎn)物類型：

初級代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶；次級代謝產(chǎn)物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。按照發(fā)酵類型：自然發(fā)酵：酒精、乳酸等，代謝控制發(fā)酵：終端產(chǎn)物，賴氨酸、鳥苷酸、腺苷酸等；