微生物代謝與調(diào)控

第七章微生物代謝與調(diào)控1.新陳代謝是生命現(xiàn)象最基本的運動形式新陳代謝=分解代謝+合成代謝第一節(jié)微生物代謝的多樣性▼物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化的過程.通常情況下細胞內(nèi)物質(zhì)代謝具有相對的穩(wěn)定性．微生物細胞內(nèi)具有一整套可塑性極強和極精確的代謝調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保證上千萬種酶能正確無誤、有條不紊地進行極其復(fù)雜的生化反應(yīng)．按代謝產(chǎn)物在機體中作用的不同可分為：a.初級代謝

分解代謝體系:大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、糖、脂類等物質(zhì)的降解產(chǎn)物：5-磷酸核糖和丙酮酸等,同時獲得能量.

素材性合成體系:小分子物質(zhì)的合成.產(chǎn)物為氨基酸、核苷酸.結(jié)構(gòu)性合成體系:小分子產(chǎn)物裝配大分子.產(chǎn)物為蛋白質(zhì)、核酸、多糖、類脂等.b.次級代謝：合成對維持自身生長發(fā)育和繁殖沒有特別關(guān)系的蛋白質(zhì)、酶以及由這些酶催化生成的物質(zhì)，如抗生素、生長素、生物堿色素、毒素以及甾體物質(zhì)。一切生命活動都是耗能反應(yīng)，因此，能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務(wù)是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源---ATP。這就是產(chǎn)能代謝。最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）▼能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生的能量形式的相互轉(zhuǎn)化.微生物產(chǎn)能代謝往往與生物氧化密切相關(guān).生物氧化是發(fā)生在活細胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總和。一、微生物生物氧化的類型和產(chǎn)能特點：（1）溫和條件下一系列酶按次序催化多步式梯級反應(yīng)；（2）所產(chǎn)生的能量分段逐級釋放；（3）一部分以高能鍵形式貯藏在ATP分子內(nèi)，供需時使用一部分以熱能的形式散失。生物氧化分類：

外界最終電子受體有呼吸無發(fā)酵O2有氧呼吸非O2

無氧呼吸

1.有氧呼吸：底物脫氫經(jīng)電子傳遞鏈傳遞，最終被外援分子氧接受，產(chǎn)生水并釋放能量（ATP）。有氧呼吸特點：（1）遞氫和受氫必須有氧；（2）產(chǎn)能高效；（3）好氧微生物和兼性厭氧微生物的氧化方式。有氧呼吸形式：（1）典型有氧呼吸：底物逐步徹底被氧化，能量釋放與磷酸化過程相偶聯(lián)，產(chǎn)能多；（2）非典型有氧呼吸：底物脫下的氫和電子在氧化酶的作用下直接交給氧，產(chǎn)生了脫氫的底物和

H2O2，產(chǎn)能不與磷酸化過程相偶聯(lián)，產(chǎn)能少；2.無氧呼吸：指一類呼吸鏈末端的氫受體為非氧以外外源氧化物在無氧條件下進行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。特點：底物脫氫后經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應(yīng)。3.發(fā)酵：指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力（H）未經(jīng)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源中間代謝產(chǎn)物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的一類生物氧化反應(yīng)。特點：（1）以有機化合物為電子供體（被氧化）和受體（被還原）；（2）氧化不徹底，產(chǎn)能靠底物水平磷酸化，少；（3）生成還原性產(chǎn)物（貯存部分能量）；（4）是厭氧微生物取得能量的唯一方式。產(chǎn)能效率比：有氧呼吸>無氧呼吸>發(fā)酵生物氧化的功能：產(chǎn)能(ATP)產(chǎn)還原力【H】小分子中間代謝物一般包括三個環(huán)節(jié)：①底物脫氫作用（或脫電子，該底物稱電子供體或供氫體）②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③氫受體接受氫（或電子，最終電子受體或最終氫受體）生物氧化的過程工業(yè)上使用的微生物多數(shù)屬于化能異養(yǎng)型。糖為最重要和最普遍的碳源和能源。糖類作為氧化基質(zhì)，通過各種降解方式形成構(gòu)建菌體成份的中間代謝產(chǎn)物，同時伴隨能量的產(chǎn)生。可利用糖：多、雙、單糖。

多糖雙、單糖葡萄糖降解途徑（單糖降解途徑）主要方式：

EMP、HMP、ED、PK、直接氧化、

TCA、乙醛酸循環(huán)途徑二、工業(yè)微生物重要的分解代謝途徑及產(chǎn)物（一）化能異養(yǎng)微生物的生物氧化底物脫氫的途徑

1.葡萄糖酵解作用

Embden

-

Meyerhof

-

Parnas

途徑，簡稱：EMP途徑)EMP途徑特點：葡萄糖分子經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6-二磷酸果糖后，在醛縮酶的催化下，裂解成兩個三碳化合物分子，即磷酸二羥丙酮和3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被進一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。EMP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◆

逆向反應(yīng)可合成多糖。工業(yè)生產(chǎn)上EMP途徑與乙醇乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的發(fā)酵生產(chǎn)關(guān)系密切.EMP途徑是許多微生物所具有的代謝途徑，其產(chǎn)能效率雖低，但具有重要的生理功能:◆

供應(yīng)能量-ATP和還原力-NADH.厭氧微生物往往以此途徑作為獲得能量的唯一方式.◆

其它重要代謝途徑的橋梁，包括三羧酸循環(huán)（TCA）、HMP途徑和ED途徑等.◆

提供多種中間代謝物,為微生物的合成代謝提供碳骨架.葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2，磷酸戊糖進一步代謝有兩種結(jié)局：①磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮-轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。稱為不完全HMP途徑。②由六個葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2和水），稱完全HMP途徑。2.HMP途徑-單磷酸己糖途徑（HexoseMonophophatePathway）

-

磷酸戊糖途徑

（PentosePhophatePathway

）HMP途徑可概括成三個階段：①葡萄糖分子通過幾步氧化反應(yīng)產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸

和CO2；②核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構(gòu)化或表異構(gòu)化而分別產(chǎn)生

核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各種戊糖磷酸在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產(chǎn)生了己糖磷酸和丙糖磷酸。丙糖磷酸可通過兩種方式進一步代謝：一為通過EMP途徑轉(zhuǎn)化成丙酮酸再進入TCA循環(huán)進行徹底氧化；另一為通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉(zhuǎn)化為己糖磷酸。HMP途徑關(guān)鍵步驟1.葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮糖

↓

5-磷酸核糖→參與核酸生成3.5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(進入EMP）

耗能階段C62C3

產(chǎn)能階段

4ATP2ATP2C32丙酮酸

2NADH2C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2H++2ATP+2H2O

不完全HMP途徑的總反應(yīng)6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi完全HMP途徑的總反應(yīng)HMP途徑的意義★為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸?！锂a(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量?！锱cEMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。★途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成?！锿緩街写嬖?-7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用的碳源譜更為更為廣泛?！锿ㄟ^該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物，如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。N.Entner和M.Doudoroff

在研究嗜糖假單胞菌時發(fā)現(xiàn)的一種途徑，又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣,如嗜糖假單胞菌）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，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。3.ED途徑（N.Entner和M.Doudoroff）ED途徑的特點★葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，

3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP?！顴D途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED

途徑的特征酶是KDPG醛縮酶.★反應(yīng)步驟簡單，產(chǎn)能效率低.★

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)以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵.ED途徑的總反應(yīng)

ATP

C6H12O6

ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸

6ATP2乙醇

(有氧時經(jīng)過呼吸鏈)（無氧時進行細菌乙醇發(fā)酵）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)：細菌酒精發(fā)酵優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點：pH5，較易染菌；細菌對乙醇耐受力低。由表可見，在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經(jīng)何種途徑代謝，對發(fā)酵產(chǎn)物影響很大。4.磷酸酮縮酶途徑與戊糖利用

（PhosphoketolasePathway，

PK途徑）PPK途徑(1)磷酸戊糖酮縮酶途徑

(Phospho-Pentose-ketolasePathway)

PPK途徑特點:①5-磷酸木酮糖是戊糖代謝的關(guān)鍵中間代謝物;②磷酸戊糖酮縮酶是PPK途徑的關(guān)鍵酶，所催化的磷酸戊糖2，3碳鍵裂解是關(guān)鍵步驟。

(2)磷酸己糖酮縮酶途徑(Phospho-hexose-ketolasePathway)PHK途徑特點:該途徑有兩步反應(yīng)是由磷酸酮縮酶所催化的，第一步是由6-磷酸果糖酮縮酶將6-磷酸果糖分解為乙酰磷酸和4-磷酸赤蘚糖，另一步是5-磷酸木酮糖酮縮酶將5-磷酸木酮糖分解為3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸.

5.TCA循環(huán)丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。NAD+NADH+H+NAD+NADH+H+FAD+FADH2NAD+NADH+H+StageⅠStageⅡStageⅢ

LargeBiomoleculesBuilding-BlockMoleculesCommondegradationProductSimple,Smallandproductsof三羧酸循環(huán)的樞紐位置TCA循環(huán)的重要特點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。遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能?！锔鶕?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－最終電子受體是無機氧化物，如NO3-、SO42-概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑?！畎l(fā)酵類型：根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。1.發(fā)酵作用①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)酵丙酮酸的發(fā)酵產(chǎn)物

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNAD2NADH+H+-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：※乙醇發(fā)酵條件:pH3.5~4.5和厭氧環(huán)境。A、乙醇發(fā)酵酵母的一型發(fā)酵丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（或pH7）Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛）酵母的二型發(fā)酵★當發(fā)酵液在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2酵母的三型發(fā)酵微生物發(fā)酵的一般工藝示意圖發(fā)酵階段指微生物菌種在適宜的培養(yǎng)液內(nèi)，在一定的培養(yǎng)條件下，微生物生長繁殖，生物合成所需產(chǎn)物的過程。（1）菌種菌種制備的整個過程要保持嚴格的無菌狀態(tài)。（2）孢子制備需氧發(fā)酵制備孢子一般是在搖瓶內(nèi)進行。所用的培養(yǎng)基要含有生長因子和微量元素，且碳源或氮源不宜過多，從而保證生產(chǎn)大量的孢子。此外，還要嚴格控制培養(yǎng)基的pH、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時間等條件。（3）種子制備種子制備是使有限數(shù)量的孢子萌發(fā)、生長、繁殖產(chǎn)生足夠量的菌絲體供發(fā)酵培養(yǎng)所用。在種子罐內(nèi)微生物菌絲大量生長、繁殖，因而縮短了下一步發(fā)酵罐內(nèi)菌絲生長的時間。微生物發(fā)酵的一般工藝提取階段對發(fā)酵液中的產(chǎn)物通過一系列物理、化學(xué)方法進行分離、提取及精制(如下圖所示),才能得到合乎規(guī)定的純品。（1）發(fā)酵液預(yù)處理多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)品如抗生素存在于發(fā)酵液內(nèi)，有些存在于菌絲內(nèi)。發(fā)酵液預(yù)處理包括除去發(fā)酵液內(nèi)的雜質(zhì)離子（Ca2+、Mg2+、Fe3+等）以及蛋白質(zhì)，并利用板框壓濾機，使菌絲與濾液分開，便于進一步提取。（2）提取與精制目前常用的提取方法有吸附法、溶媒萃取法、離子交換法和沉淀法。（3）成品檢驗根據(jù)藥典標準進行檢測，檢測的項目根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)而定。如抗生素一般進行效價測定、毒性試驗、無菌試驗、熱原質(zhì)試驗、水分測定。（4）成品分裝

固液分離發(fā)酵液細胞離心、過濾發(fā)酵液胞外產(chǎn)物？廢水處理否產(chǎn)物為細胞？是干燥終產(chǎn)品

胞內(nèi)產(chǎn)物？否否廢物利用是細胞破碎與提取破碎：化學(xué)法、酶法、物理法提?。核蛴袡C溶劑的萃取固液分離是分離與濃縮萃取、蒸餾、鹽析、離子交換與吸附、蒸發(fā)、反滲透、超濾純化成型最終產(chǎn)品層析、結(jié)晶電泳等結(jié)晶、噴霧干燥、無菌過濾凍干等廢物利用發(fā)酵產(chǎn)品的分離純化工藝簡圖影響微生物發(fā)酵的因素

培養(yǎng)基成分、pH值、溫度、含氧量、泡沫（空氣通入后經(jīng)攪拌形成大量泡沫，應(yīng)及時用消沫劑消除）及雜菌和噬菌體的污染等。它們互相影響，互相制約，對每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)嚴格要求。尤其要注意無菌操作，防止雜菌和噬菌體的污染。概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。本質(zhì)：巴斯德效應(yīng)的本質(zhì)是能荷調(diào)節(jié)。意義：合理利用能源通風對酵母代謝的影響通風（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失

巴斯德效應(yīng)(ThePasteurEffect)及其本質(zhì)現(xiàn)象：三磷酸腺苷(ATP)是為許多反應(yīng)提供能量的高能磷酸化物,細胞中的ATP、ADP和AMP含量處于相對平衡的狀態(tài)—細胞中的能量狀態(tài).能荷（EnergyCharge）,EC

能荷表示細胞中的能量狀態(tài),能荷（EC）可用下式來表示：系統(tǒng)中只有ATP時，EC值為1；只有AMP時，EC值等于0。

EC=

ATP+ADP/2ATP+ADP+AMP能荷不僅能調(diào)節(jié)分解代謝形成ATP的酶活性，也能調(diào)節(jié)合成代謝利用ATP的酶的活性。細胞能荷對酶活性的調(diào)節(jié)檸檬酸和ATP都是磷酸果糖激酶活性的抑制劑，從而限制了葡萄糖的利用速度。有氧條件下，大量合成ATP，細胞能荷增加異檸檬酸脫氫酶受到ATP抑制，導(dǎo)致檸檬酸的積累在厭氧條件下，酵母菌無法通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP，細胞能荷較低。ADP和AMP激活磷酸果糖激酶，使利用葡萄糖生產(chǎn)酒精的速度加快。②細菌的乙醇發(fā)酵2CO2葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED利用運動發(fā)酵單胞菌等細菌生產(chǎn)酒精的優(yōu)缺點優(yōu)點：代謝速率高；產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高；菌體生成少;代謝副產(chǎn)物少；發(fā)酵溫度高；缺點：pH5較易染菌；耐乙醇力較酵母低B、乳酸發(fā)酵乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)PPK途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)PHK途徑）

①同型乳酸發(fā)酵2(1,3-二-磷酸甘油酸）磷酸二羥丙酮葡萄糖3-磷酸甘油醛2乳酸2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP乳酸乳球菌

（Lactococcuslactis）植物乳桿菌（Lactobacillusplantarum）②異型乳酸發(fā)酵——磷酸戊糖酮縮酶途徑PPK乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH乙酰CoA乙醛乙醇葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖ATPADP-CO2NADP+NADPHNADP+NADPH3-磷酸甘油醛乳酸

2ADP

2ATPNAD+NADH+H+丙酮酸NADH+H+NAD+③

雙歧發(fā)酵—

磷酸己糖酮縮酶途徑PHK

6-磷酸果糖4-磷酸-赤蘚糖2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶逆HMP途徑同EMP乙酸激酶2乙酰磷酸乙酰磷酸6-磷酸-果糖2葡萄糖

2葡萄糖-6-磷酸Lactobacillusdebruckii：德氏乳桿菌,是一種傳統(tǒng)酸奶中細菌，為益生菌Leuconostocmesenteroides

：腸膜明串珠菌Lactobacillusbrevis：短乳桿菌

C、混合酸發(fā)酵概念：大腸桿菌、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)物中含有多種有機酸，故將其稱為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ＰＥＰ羧化酶草酰乙酸琥珀酸乳酸脫氫酶乳酸甲酸Ｈ２ＣＯ２草酰ＣoA乙醛脫氫酶乙醛乙醇乙酰磷酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶甲酸－氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶乙醇脫氫酶D、2,3-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、沙門氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：EMP概念：以無機氧化物中的氧作為最終電子（和氫）受體的生物氧化作用。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行的呼吸.無機氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等。有機氧化物：延胡索酸。在無氧呼吸過程中，電子供體和受體之間也需要細胞色素等中間電子遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，可產(chǎn)生較多能量，但不如有氧呼吸產(chǎn)生的能量多。2、無氧呼吸（1）硝酸鹽呼吸（NitrateRespiration）以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學(xué)過程，也稱為硝酸鹽的異化作用。異化硝酸鹽還原：將NO2-還原成N2的過程稱為反硝化作用，又稱為脫氮作用。

NO2NON2ON2同化硝酸鹽還原：將硝酸鹽還原為NH4+的過程。

NO3-

NH3-NR-NH2特點：①具完整的呼吸系統(tǒng)②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、亞硝酸還原酶等③兼性厭氧細菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。硝酸鹽還原細菌被認為是一種兼性厭氧菌，無氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時進行厭氧呼吸，而有氧時其細胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，細胞進行有氧呼吸。

反硝化作用的意義：（1）脫氮作用使水中的低毒硝酸鹽濃度降低，變?yōu)闊o毒的氮氣排除，是有利的；

但土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失而降低了土壤的肥力,這是不利的——松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。（2）反硝化作用在維持地球上氮元素的良性循環(huán)方面具有重要的意義。硝酸鹽是一種容易溶解于水的物質(zhì)，通常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。研究表明：反硝化作用與土壤氧氣濃度呈負相關(guān)。（2）硫酸鹽呼吸（sulfaterespiration）

由硫酸鹽還原細菌，又稱反硫化細菌，把經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽這類末端氫受體的一種厭氧呼吸，這是一種異化性的硫酸鹽還原作用，硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S。通過這一過程，微生物就可在無氧條件下借助呼吸鏈的電子傳遞磷酸化而獲得能量。硫酸鹽呼吸的意義：硫酸鹽呼吸是自然界中硫元素循環(huán)中一個不可或缺少的環(huán)節(jié)。但是，硫酸鹽還原形成的主要產(chǎn)物之一硫化氫，不僅會污染大氣和水環(huán)境，而且還會造成埋藏的金屬管道與建筑構(gòu)件的腐蝕。

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H2SSO42-

SO32-SO2SH2S

e、利用有機質(zhì)（有機酸、脂肪酸、醇類）f、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水）（3）碳酸鹽呼吸（CarbonateRespiration）

即碳酸鹽還原作用，是在厭氧條件下進行的，具有這類功能的微生物：一類為產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)物為甲烷；另一類為產(chǎn)乙酸菌，產(chǎn)物主要或全部是乙酸。（4）硫呼吸（SulphurRespiration）其過程為：無機硫作為無氧呼吸鏈的最終氫受體，結(jié)果硫被還原成H2S。（5）延胡索酸呼吸（FumarateRespiration）兼性厭氧，將延胡索酸還原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸的形式作為微生物的一般發(fā)酵產(chǎn)物來考慮。實際上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最終電子受體，而琥珀酸是還原產(chǎn)物。

2.2微生物特有的合成代謝途徑一、細菌的光合作用各種綠色植物、藻類；藍細菌：專性光能自養(yǎng)。真核生物：藻類及其他綠色植物

產(chǎn)氧

原核生物：藍細菌

不產(chǎn)氧（僅原核生物有）：光光能營養(yǎng)型微生物1、光合細菌類群1）產(chǎn)氧光合細菌——好氧菌氧化鐵紫硫細菌利用FeS,或Fe2+氧化產(chǎn)生成Fe(OH)3沉淀2）不產(chǎn)氧光合細菌紫硫細菌（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。a、紫色細菌——只含菌綠素a或b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。S沉積胞外。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。該菌只有一個光合系統(tǒng)，也進行非循環(huán)式光合磷酸化來合成ATP。b、綠色細菌（綠硫細菌）

1）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。2）輔助色素：類胡蘿卜素：捕獲光能，提高光利用率。藻膽素：藍細菌獨有藻紅素（550nm）、藻藍素（620-640nm）藻膽蛋白：與蛋白質(zhì)共價結(jié)合的藻膽素。2、細菌光合色素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(yīng)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)O2。3、細菌光合作用紫色細菌循環(huán)光合磷酸化過程

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.綠硫細菌和綠色細菌外源電子供體——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。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(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。藍細菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程

（二）自養(yǎng)微生物的生物氧化1、化能自養(yǎng)型化能自養(yǎng)菌還原CO2所需要的ATP和[H]是通過氧化無機底物來實現(xiàn)的。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于經(jīng)過呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)。因此，大多數(shù)化能自養(yǎng)菌是好氧菌。

化能自養(yǎng)微生物以無機物作為能源，一般產(chǎn)能效率低，生長慢，但從生態(tài)學(xué)角度看，它們所利用的能源物質(zhì)是一般化能異養(yǎng)生物所不能利用的，因此它們與產(chǎn)能效率高、生長快的化能異養(yǎng)微生物之間并不存在生存競爭。根據(jù)氧化無機化合物的不同可分為：

NH3、亞硝酸（NO2-）等無機氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細菌用作能源。亞硝化細菌（氨氧化細菌）：將氨氧化為亞硝酸并獲得能量硝化細菌：將亞硝基氧化為硝酸并獲得能量（1）硝化細菌這兩類細菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。這類細菌在自然界的氮素循環(huán)中也起者重要的作用，在自然界中分布非常廣泛。NH3+O2+2H+氨單加氧酶NH2OH+H2O羥氨氧化酶HNO2+4H+

+4e-產(chǎn)生一分子ATPNO2-+H2O亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-NO:亞硝酸鹽氧化酶（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。屬于兼性化能自養(yǎng)菌。主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬、水螺菌屬、分支桿菌屬和諾卡氏菌屬等。

包括產(chǎn)能反應(yīng)和合成反應(yīng)：

產(chǎn)能：2H2+O2

2H2O+ATP合成代謝反應(yīng)：2H2+CO2

[CH2O]+H2O在真氧產(chǎn)堿桿菌（Ralstoniaeutropha）中存在兩種氫酶，一種是膜結(jié)合氫酶，該酶與質(zhì)子電勢有關(guān)，而細胞質(zhì)中的氫酶為Calvincycle提供還原力NADH。氫細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)成細胞物質(zhì)[CH2O]和生長。

（3）硫細菌（硫氧化細菌）能利用H2S、S02、S2O3