版第四章代谢ppt课件

第四章 微生物的生理 本章就微生物的酶、营养以及微生物的代谢作了 论述。酶是生物催化剂，微生物的一切生命活动都 离不开酶。营养物质的吸收、分解和合成等一系列 过程都是在酶的作用下进行的。新陈代谢(metabolism）是 微生物进行分解代谢（catabolism）和合成代谢（ anabolism）的总和。因为一切生命活动都是耗能反应，因 此，能量代谢就成了新陈代谢的核心问题。微生物的能量 代谢是通过三种主要途径来实现的：发酵 、好氧呼吸和无 氧呼吸。 内容提示 第一节第一节 微生物的酶微生物的酶 第二节第二节 微生物的营养微生物的营养 第三节第三节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 第一节第一节 微生物的酶微生物的酶 酶的定义： u较早的：酶是生物体内合成的一种具有催化 性能的蛋白质，它是生物催化剂。（后来又发 现核酶） u现在的：由细胞产生的、能在体内或体外起 催化作用的一类具有活性和特殊构象的生物大 分子，包括蛋白类酶和核酸类酶。 一、酶的基本概念一、酶的基本概念 1.酶的组成 u 单成分酶：只含蛋白质； u 全酶：由蛋白质和非蛋白质成分组成。全酶有3 种形式： 酶蛋白非蛋白质小分子有机物 ; 如:多种脱氢酶类 酶蛋白非蛋白质小分子有机物金属离子; 如:丙酮 酸脱氢酶 酶蛋白金属离子 ;细胞色素氧化酶 二、酶的组成二、酶的组成( (只讨论蛋白质类酶）只讨论蛋白质类酶） 通常把酶蛋白以外的辅助因子分为辅酶和辅基 ： u与酶蛋白结合紧的，称为辅基， u结合不紧的，称为辅酶。 l作用：传递电子、原子和化学基团；金属离子 还可以起激活剂的作用。 A.A.酰基供体酰基供体 B.B.酰基受体酰基受体 辅酶辅酶A A的转酰基作用的转酰基作用 H2O O2- NADHNADH 2 2 NAD 2H+ FAD FADH2 Fe S 2Fe2+ 2Fe3+ 细胞色素 b- c1 - c-aa3 CoQH2 CoQ 1 2O 2 O2-H2O OO 2 2 OO2- 2- 细胞色素细胞色素 氧化酶氧化酶 ATP ATPATP 好氧呼吸中的电子传递体系：好氧呼吸中的电子传递体系： AHAH 2 2 A A NAD 1.1.氨基酸氨基酸 酶蛋白是由氨基酸组成的。在生物体中的蛋白质，由酶蛋白是由氨基酸组成的。在生物体中的蛋白质，由2020种氨种氨 基酸组成：基酸组成： AlaAla（丙氨酸）（丙氨酸） ArgArg（精氨酸）（精氨酸） AsnAsn（天冬酰胺（天冬酰胺 ） AspAsp（天冬氨酸）（天冬氨酸） CysCys（半胱氨酸（半胱氨酸 ） GlnGln（谷氨酰胺（谷氨酰胺 ) ) Glu Glu（谷氨酸）（谷氨酸） GlyGly（甘氨酸）（甘氨酸） HisHis（组氨酸）（组氨酸） IleIle（异亮氨酸（异亮氨酸 * * ） LeuLeu（亮氨酸（亮氨酸* * ） ） LysLys（赖氨酸（赖氨酸* * ） ） MetMet（甲硫氨酸（甲硫氨酸 * * ） PhePhe（苯丙氨酸（苯丙氨酸 * * ） ProPro（脯氨酸）（脯氨酸） SerSer（丝氨酸（丝氨酸 * * ） ThrThr（苏氨酸）（苏氨酸） TrpTrp（色氨酸（色氨酸* * ） ） TyrTyr（酪氨酸）（酪氨酸） ValVal（缬氨酸）（缬氨酸） * *为必需氨基酸；组氨酸为半必需氨基酸；其余为非必需氨基酸。为必需氨基酸；组氨酸为半必需氨基酸；其余为非必需氨基酸。 三、酶蛋白的结构 2. 2. 肽键肽键 uu 氨基酸之间的肽键：氨基酸之间的肽键：- NH - CO - NH - CO uu uu氢键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力及金属键等氢键、盐键、酯键、疏水键、范德华引力及金属键等 相连接，形成蛋白质的空间结构。相连接，形成蛋白质的空间结构。 一个五肽的结构一个五肽的结构 二级结构（氢键） 四级结构 一级结构 酶蛋白的结构图 三级结构（氢键、盐键、疏水键 ） 二硫化物质 酶蛋白的结构图 3.3.酶蛋白的结构酶蛋白的结构 一级结构一级结构 （primary structure primary structure ） n n一级结构是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的一级结构是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的 ，各种氨基酸按遗传密码的顺序通过肽键连接起来。，各种氨基酸按遗传密码的顺序通过肽键连接起来。 uu 二级结构（二级结构（secondary structuresecondary structure） 二级结构是指多肽链借助于二级结构是指多肽链借助于氢键氢键形成的初形成的初 级空间结构，主要有：级空间结构，主要有： 螺旋（最常见、几乎都是右手螺旋）、螺旋（最常见、几乎都是右手螺旋）、 折叠、折叠、转角等几种形式。转角等几种形式。 它们是构成蛋白质高级结构的基本要素（图它们是构成蛋白质高级结构的基本要素（图4-14-1 ）。）。 四种不同的螺旋 两种主要类型的转角 在平行（a）和反平行（b） 折叠片中氢键的排列 反向折叠 (a)弯曲的氢键排列 (b)线线形的氢键排列 反向折叠层 三级结构（三级结构（tertiary structuretertiary structure） uu三级结构主要针对球状蛋白质而言的，是指整三级结构主要针对球状蛋白质而言的，是指整 条多肽链由二级结构元件构建成的总三维结构。条多肽链由二级结构元件构建成的总三维结构。 uu蛋白质特定的空间构象是由氢键、离子键、疏蛋白质特定的空间构象是由氢键、离子键、疏 水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用 力。有些蛋白质还涉及二硫键。力。有些蛋白质还涉及二硫键。 胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构 溶菌酶分子的三级结构 磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的 三级结构 丙酮酸激酶磷酸丙糖异构酶 四级结构四级结构 uu 亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础亚基是由一条或几条多肽链在三级结构基础 上形成的小单位。上形成的小单位。N N多肽链多肽链亚基亚基 uu 四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作 用等次级键结合成为有序排列的特定的空间用等次级键结合成为有序排列的特定的空间 结构。四级结构不是所有的蛋白质都具有。结构。四级结构不是所有的蛋白质都具有。 uu N N亚基亚基四级结构四级结构 四、酶的活性中心四、酶的活性中心 uu 酶的活性中心：酶蛋白分子中与底物结合，并起催化 作用的小部分氨基酸微区。 u 活性中心可分为结合部位和催化部位。 牛胰核糖核酸酶的活性中心 1按照酶所催化的化学反应类型分类 这是国际上的标准分法，国际酶学委员会根据各种 酶所催化反应的类型，把酶划分为6大类：即氧化还原 酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合 成（连接）酶类。 （1）氧化还原酶（氧化还原反应） AH2 + B A + BH2 还可进一步分为氧化酶和脱氢酶。 u氧化酶把氢传递给O2,生成过氧化氢或水。 u脱氢酶催化底物脱氢，氢由NAD+接受。 五、酶的分类与命名 （一）酶的分类 （2 2）转移酶类（底物的基团转移到另一有机物上）转移酶类（底物的基团转移到另一有机物上） AR + B A + BRAR + B A + BR R R可以是氨基、醛基、酮基、磷酸基等。可以是氨基、醛基、酮基、磷酸基等。 （3 3）水解酶类）水解酶类( (大分子有机物水解大分子有机物水解) ) AB + HOH AOH + BH AB + HOH AOH + BH （4 4）裂解酶类（有机物裂解成小分子物质）裂解酶类（有机物裂解成小分子物质） AB A+BAB A+B （5 5）异构酶类（同分异构体之间的转化）异构酶类（同分异构体之间的转化） A AA A （6 6）合成酶类（底物的合成反应，需要能量）合成酶类（底物的合成反应，需要能量） A+B + A+B + n n ATP AB +ATP AB + n n ADP + ADP + n n PiPi 六大类酶分别用1、2、3、4、5、6来表示， 被作用的基团或键的性质，将每一大类分为若干亚类， 每一亚类又按顺序编为亚亚类。因此每个酶赋予一个学名 （系统名）和一个编号，同时推荐一个习惯名。 每一个酶的编号由四个阿拉伯数字组成，如乳酸脱氢酶，编号 为EC1.1.1.27。EC是国际生物化学学会酶学委员会的缩写； u 第一个1表示该酶属于氧化还原酶类； u 第二个1表示属于第一亚类，作用于底物的CHOH 基，催化醇 的氧化； u 第三个1表示属于第一亚类中的第一亚亚类，表明受氢体是 NAD+ ； u 第四个数字为序号。 2按酶作用的部位划分 u胞外酶： u胞内酶： u表面酶：与细胞膜结合，活性中心位于细 胞的外表面。 3按酶作用的底物划分 可把酶分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维 素酶、核糖核苷酶等，水解酶类（属于习惯 性的分类法）。 4按照酶在生物体内存在的状况划分 u 固有酶，也称为组成酶无论培养基中有无它们 的底物，这种酶都能形成。 u 诱导酶，也称为适应酶（adaptive emzyme ），只有在培养基中存在其底物（或相似物）时 才能形成。如在E.coli中的利用乳糖的酶就是适 应酶。 （二）酶的命名（二）酶的命名 1.1.习惯命名法习惯命名法 习惯命名比较简单，直观，但缺乏系统性，由习惯命名比较简单，直观，但缺乏系统性，由 于应用历史较长，现在还被继续使用。于应用历史较长，现在还被继续使用。 2.2.国际系统命名法国际系统命名法 国际系统命名法的原则是以酶所催化的国际系统命名法的原则是以酶所催化的整体反整体反 应为基础的应为基础的，规定每种酶的名称应当明确表明，规定每种酶的名称应当明确表明酶的酶的 底物及催化反应的性质底物及催化反应的性质。（表。（表4-34-3） 例如习惯名称为醇脱氢酶的系统名称为：例如习惯名称为醇脱氢酶的系统名称为： 醇醇: :NADNAD + + 氧化还原酶。氧化还原酶。 1 1酶具有一般催化剂的共性酶具有一般催化剂的共性 酶积极参与生物化学反应，加快反应速率，但酶积极参与生物化学反应，加快反应速率，但 不能改变反应平衡点，在反应前后无变化。不能改变反应平衡点，在反应前后无变化。 2 2酶的催化作用具有专一性酶的催化作用具有专一性 uu 被酶作用的物质称为底物或基质。 一种酶只能作用于一种物质或一类物质，或者说只 能催化一种或一类化学反应。两种主要类型：结构 专一性和立体异构专一性。 六、酶的催化特性六、酶的催化特性 uu结构专一性可以分为绝对专一性（只作用于一种底结构专一性可以分为绝对专一性（只作用于一种底 物）和相对专一性（作用结构近似的一类底物）物）和相对专一性（作用结构近似的一类底物） uu立体异构专一性：旋光异构专一性和几何异构专一立体异构专一性：旋光异构专一性和几何异构专一 性性 有关酶作用专一性的几种假说有关酶作用专一性的几种假说 锁钥假说：酶与底物在结构上的互补性。 三点附着假说 ：底物的基团与酶活性中心的有 关基团只有三点都匹配时，酶才能作用于这个底物。 诱导楔合假说 而诱导楔合假说则说明酶分子与底物分子接近时，酶蛋 白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化 表现出“柔性” 。 3 3酶的催化作用条件温和酶的催化作用条件温和 酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中酶只需在常温、常压和近中性的水溶液中 进行催化反应（相当于生物体内环境）。进行催化反应（相当于生物体内环境）。 4 4酶对环境条件极为敏感酶对环境条件极为敏感 酶是由细胞产生的生物大分子，高温、强酶是由细胞产生的生物大分子，高温、强 酸、强碱、重金属离子等会使酶丧失活性酸、强碱、重金属离子等会使酶丧失活性, ,容易容易 变性。变性。 5 5酶具有极高的催化效率酶具有极高的催化效率 如过氧化氢酶的催化效率比铁离子如过氧化氢酶的催化效率比铁离子FeFe3+ 3+（一 （一 般催化剂）要高般催化剂）要高101010 10倍。 倍。 原因：降低反应的能阈，从而降低反应的活化能原因：降低反应的能阈，从而降低反应的活化能 。 （一）米（一）米- -曼公式曼公式 酶反应机理酶反应机理( (反应动力学反应动力学) )中间产物学说中间产物学说Michaelis Michaelis HPr; 酶酶I I，酶，酶II II 第三节第三节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 （一）生物氧化的概念（一）生物氧化的概念 uu 微生物的生物氧化（微生物的生物氧化（biological biological oxidationoxidation） 本质是氧化与还原的统一过程，是指发生在活细胞内本质是氧化与还原的统一过程，是指发生在活细胞内 的一系列的一系列氧化性氧化性的总称。的总称。 uu 这过程中有这过程中有能量的产生和转移能量的产生和转移；有还原力；有还原力HH的的 产生；小分子中间代谢产物产生。产生；小分子中间代谢产物产生。 一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能 第三节第三节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 uu生物氧化的本质是氧化与还原的统一过程。生物氧化的本质是氧化与还原的统一过程。 uu其本质都是氧化还原反应，即在化学反应中一种其本质都是氧化还原反应，即在化学反应中一种 物质失去电子（氢）而被氧化，另一种物质得到电物质失去电子（氢）而被氧化，另一种物质得到电 子（氢）而被还原，微生物从中获得生命活动需要子（氢）而被还原，微生物从中获得生命活动需要 的能量。的能量。 uu 一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能 生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程：生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程： uu在酶的作用下，常温常压的温和条件；在酶的作用下，常温常压的温和条件； uu复杂有机物被氧化成二氧化碳、水和其他简单的物复杂有机物被氧化成二氧化碳、水和其他简单的物 质；质； uu产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）；产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）； uu多步反应，产生许多中间产物；多步反应，产生许多中间产物； uu同时吸收和同化各种营养物质。同时吸收和同化各种营养物质。 能量能量 （二）生物能量的转移中心（二）生物能量的转移中心ATPATP n n 微生物产能和用能之间存在能量转移的中心，即微生物产能和用能之间存在能量转移的中心，即 ATPATP。 n n 微生物（包括各种生物）的能量的产生和转移大微生物（包括各种生物）的能量的产生和转移大 多数是通过多数是通过ATPATP进行的。进行的。 热能散失热能散失 运动、物质运输、发光运动、物质运输、发光 形成高能化合物如形成高能化合物如ATPATP 细胞的能量循环 ATP是能量库 ATP(腺苷三磷酸)的分子结构式 1.ATP1.ATP的化学组成、功能的化学组成、功能 核糖核糖 2.2.生成生成ATPATP的方式的方式 （1 1）基质基质( (底物底物) )水平磷酸化：水平磷酸化：微生物在基质氧微生物在基质氧 化过程中，产生一种含高自由能的中间体，如化过程中，产生一种含高自由能的中间体，如1 1，3 3 - -二磷酸甘油酸。这一中间体将能量二磷酸甘油酸。这一中间体将能量ADPADP，使，使ADPADP 磷酸化磷酸化而生成而生成ATPATP。此过程中底物的氧化与磷酸化。此过程中底物的氧化与磷酸化 反应相偶联并生成反应相偶联并生成ATPATP，称为底物水平磷酸化。，称为底物水平磷酸化。 （2 2）氧化磷酸化：氧化磷酸化：微生物在氧化底物后产生的电微生物在氧化底物后产生的电 子（或氢），通过子（或氢），通过电子传递体系传递电子传递体系传递，并产生，并产生ATPATP 的过程叫氧化磷酸化。的过程叫氧化磷酸化。 （3 3）光合磷酸化：光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫光引起叶绿素、菌绿素或菌紫 素逐出电子，通过素逐出电子，通过电子传递电子传递产生产生ATPATP的过程叫光合的过程叫光合 磷酸化。磷酸化。 根据根据最终电子受体（或最终受氢体）最终电子受体（或最终受氢体）的不同，可划分的不同，可划分 为为3 3种类型：种类型： n n 发酵 发酵以分解过程中的中间代谢产物以分解过程中的中间代谢产物( (低分子有机低分子有机 物物) )为最终电子受体为最终电子受体 n n 好氧呼吸（有氧呼吸） 好氧呼吸（有氧呼吸）以以O O 2 2 为最终电子受体为最终电子受体 n n 无氧呼吸 无氧呼吸以除以除O O 2 2 外的无机化合物，如外的无机化合物，如NONO 2 2 - - 、NONO 3 3 - - 、SOSO 4 4 2-2-、 、COCO 3 3 2-2-及 及COCO 2 2 等作为最终电子受体等作为最终电子受体 二、生物氧化的类型二、生物氧化的类型 （一）发酵（一）发酵 n n发酵是指在无外在电子受体时，底物脱氢后发酵是指在无外在电子受体时，底物脱氢后 所产生的还原力所产生的还原力HH不经呼吸链传递而直接交不经呼吸链传递而直接交 给给某一内源性中间产物接受某一内源性中间产物接受，以实现底物水平以实现底物水平 磷酸化产能的一类生物氧化反应。磷酸化产能的一类生物氧化反应。 n n根据产物不同有不同的发酵类型：根据产物不同有不同的发酵类型： 乙醇发酵，乳酸同型发酵，乳酸异型发酵，混乙醇发酵，乳酸同型发酵，乳酸异型发酵，混 合酸发酵，丁二醇发酵等。合酸发酵，丁二醇发酵等。 1.1.乙醇发酵乙醇发酵 以葡萄糖的乙醇发酵为例，可分为两大步骤。以葡萄糖的乙醇发酵为例，可分为两大步骤。 a.a.不涉及氧化还原反应的预备性反应：不涉及氧化还原反应的预备性反应： 葡萄糖（葡萄糖（C C 6 6H H 1212 O O6 6 ）3-3-磷酸甘油醛；磷酸甘油醛； b.b.涉及氧化还原的反应：涉及氧化还原的反应： 丙酮酸（到此步称为糖酵解）丙酮酸（到此步称为糖酵解）乙醛（乙醛（CHCH 3 3 CHOCHO） （二氧化碳）（二氧化碳）乙醇（乙醇（CHCH 3 3 CHCH 2 2 OHOH），总反应为：），总反应为： C C 6 6H H 1212 O O6 6 2Pi2Pi2ADP2CH2ADP2CH 3 3 CHCH 2 2 OH + 2COOH + 2CO 2 2 2ATP2ATP 生成生成乙醇乙醇糖糖 酵酵 解解 （1 1）糖酵解：）糖酵解： uu糖酵解（糖酵解（glycolysisglycolysis）最古老、最原始获取能量）最古老、最原始获取能量 的一种方式的一种方式( (底物水平磷酸化）。底物水平磷酸化）。 uu糖酵解途径几乎是糖酵解途径几乎是所有具细胞结构的生物所共有所有具细胞结构的生物所共有 的主要代谢途径。的主要代谢途径。 C C6 6H H 1212 O O6 6 +2NAD+2NAD + + +2Pi+2ADP2CH+2Pi+2ADP2CH 3 3 COCOOH+2NADH+2HCOCOOH+2NADH+2H + + +2ATP+2ATP （2 2）生成乙醇）生成乙醇: : 糖酵解中产生的糖酵解中产生的2NADH+2H2NADH+2H + + 把乙醛还原为乙醇。把乙醛还原为乙醇。 从丙酮酸开始，通过各种微生物不同的发酵 从丙酮酸开始，通过各种微生物不同的发酵 作用，产生各种不同的产物。如：混合酸发酵、作用，产生各种不同的产物。如：混合酸发酵、 丁二醇发酵、丙酸发酵等。丁二醇发酵、丙酸发酵等。 乙醇发酵的能量利用效率为： 乙醇发酵的能量利用效率为： 发酵类型发酵类型 产物产物 微生物微生物 乙醇发酵乙醇发酵 乙醇、乙醇、COCO 2 2 酵母菌属（酵母菌属（SaccharomycesSaccharomyces） 乳酸同型发酵乳酸同型发酵 乳酸乳酸 乳酸细菌属（乳酸细菌属（LactobacillusLactobacillus） 乳酸异型发酵乳酸异型发酵 乳酸、乙醇、乙酸、乳酸、乙醇、乙酸、COCO 2 2 明串珠菌属（明串珠菌属（LeuconostocLeuconostoc） 混合酸发酵混合酸发酵 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、 大肠埃希氏菌大肠埃希氏菌( (Escherichia coliEscherichia coli) ) CO CO 2 2 、H H 2 2 丁二醇发酵丁二醇发酵 丁二醇、乳酸、乙酸、丁二醇、乳酸、乙酸、 气杆菌属（气杆菌属（AerobacterAerobacter） 乙醇、乙醇、 COCO 2 2 、H H 2 2 丁酸发酵丁酸发酵 丁酸、乙酸、丁酸、乙酸、COCO 2 2 、H H 2 2 丁酸梭菌丁酸梭菌( (Clostridium butylicumClostridium butylicum) ) 丙酮丙酮- -丁醇发酵丁醇发酵 丁醇、丙酮、乙醇丁醇、丙酮、乙醇 梭菌属（梭菌属（ClostridiumClostridium） 丙酸发酵丙酸发酵 丙酸丙酸 丙酸杆菌属丙酸杆菌属( (Propionibacterium)Propionibacterium) 不同的发酵类型及其有关微生物不同的发酵类型及其有关微生物 混合酸发酵混合酸发酵 v概念：埃希氏 菌、沙门氏菌、 志贺氏菌属的一 些菌通过EMP途 径将葡萄糖转变 成琥珀酸、乳酸 、甲酸、乙醇、 乙酸、H2和CO2 等多种代谢产物 ，由于代谢产物 中含有多种有机 酸，故将其称为 混合酸发酵。 v发酵途径： 葡萄糖 琥珀酸 草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮 乳酸 丙酮酸 乙醛 乙酰 CoA 甲酸 乙醇 乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸 丙酮酸甲酸裂解酶 乳酸脱氢酶 甲酸-氢裂解酶 磷酸转乙酰酶 乙酸激酶 PEP羧化酶 乙醛脱氢酶 +2H pH 6. 2 产气 产酸 2,32,3丁二醇发酵：丁二醇发酵： 丙酮酸丙酮酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 2,32,3丁二醇丁二醇 缩合、脱羧 应用在实验上有V-P试验（Voges-Proskaner test) 和甲基红试验(Methyl red test) 产气杆菌可将丙酮酸经缩合、脱羧生成乙酰 甲基甲醇，然后进一步还原成2,3丁二醇 还原 V-PV-P试验（试验（Voges-Proskaner testVoges-Proskaner test ）：）： 如：产气肠杆菌为如：产气肠杆菌为V-PV-P反应阳性反应阳性 大肠杆菌为大肠杆菌为V-PV-P反应阴性反应阴性 乙酰甲基 甲醇在碱 性条件下 易氧化成 二乙酰， 后者与蛋 白胨中精 氨酸的胍 基反应生 成红色化 合物。 VP试验 产气肠杆菌 葡萄糖 丙酮酸 脱羧 KOH + 乙酰甲基甲醇 氧化 培养基中胍基+ 二乙酰 红色化合物（+） 大肠杆菌杆菌不能生成乙酰甲基甲醇（） 甲基红试验 分解 产生 脱羧 产气杆菌 葡萄糖 丙酮酸 中性丁二 醇,培养液pH7.4, 甲基红指示剂呈桔黄色, 甲基红试验阴性。甲基红pH5.3以上为黄色；pH4以 下为红色 大肠杆菌 葡萄糖 混合酸,培养 液pH4.5, 甲基红指示剂呈红色,甲基红试验 阳性.。 甲基红试验:甲基红是pH指示剂，由于大肠埃希氏菌 产酸较多，pH可低至4.2，用甲基红指示剂可显示出 来，而丁二醇是中性化合物，反应阴性。 阳 性 阴 性 对 照 大肠杆菌：+ 产气杆菌：- （二）好氧呼吸（有氧呼吸）（二）好氧呼吸（有氧呼吸） 好氧呼吸（好氧呼吸（aerobic respirationaerobic respiration）是有外在最终电）是有外在最终电 子受体（子受体（O O 2 2 ）存在时，对底物（能源）的氧化。它是一种）存在时，对底物（能源）的氧化。它是一种 最普遍和最重要最普遍和最重要的生物氧化方式。的生物氧化方式。 以葡萄糖为例，葡萄糖的好氧呼吸分两阶段： 以葡萄糖为例，葡萄糖的好氧呼吸分两阶段： 经经EMPEMP（糖酵解）途径（糖酵解）途径 丙酮酸；丙酮酸； 三羧酸循环（三羧酸循环（TCATCA）: :三羧酸循环是丙酮酸有氧氧化过三羧酸循环是丙酮酸有氧氧化过 程的一系列步骤的总称。程的一系列步骤的总称。 好氧呼吸总反应式： 好氧呼吸总反应式： C C 6 6H H 1212 O O 6 6 6O6O2 2 38ADP 38ADP 38Pi 6CO38Pi 6CO2 2 6H6H 2 2 O O 38ATP38ATP 1.1.三羧酸循环三羧酸循环 淀粉、蛋白质和脂肪水解与三羧酸循环和乙醛酸循环的关系 乙酰化乙酰化 2.2.电子传递体系（呼吸链）电子传递体系（呼吸链） uu底物氧化释放的电子底物氧化释放的电子给给NADNAD + + （使之成为（使之成为NADH + H +NADH + H + ）电子传递体系（呼吸链）电子传递体系（呼吸链）分子氧分子氧O O 2 2 。 uu呼吸链：由呼吸链：由NADNAD或或NADPNADP、FADFAD或或FMNFMN、辅酶、辅酶Q Q、细胞色素、细胞色素 等组成。其功能是传递电子和产生等组成。其功能是传递电子和产生ATPATP。 uu在好氧呼吸中，底物脱氢，通过电子传递体系（呼吸在好氧呼吸中，底物脱氢，通过电子传递体系（呼吸 链），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中，链），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中， 产生产生ATPATP（称为氧化磷酸化）。（称为氧化磷酸化）。 uu存在于原核生物的质膜和真核生物的线粒体。存在于原核生物的质膜和真核生物的线粒体。 H2O O2- NAD+ NADH+H+ 2H+ FAD FADH2 Fe S 2Fe2+ 2Fe3+ 细胞色素 b- c1 - c-aa3 CoQH2 CoQ 1 2O 2 O2-H2O OO 2 2 OO2- 2- 细胞色素细胞色素 氧化酶氧化酶 ATP ATPATP 好氧呼吸中的电子传递体系好氧呼吸中的电子传递体系 电子传递体系（呼吸链）电子传递体系（呼吸链） 3. 3. 产能效率产能效率 a.a.葡萄糖酵解为丙酮酸经葡萄糖酵解为丙酮酸经EMPEMP途径途径产生：产生： 2mol(NADH+H2mol(NADH+H + +) ) 3=6mol 3=6mol ATPATP，底物水平磷酸化，底物水平磷酸化 产生产生2molATP,2molATP,共产生共产生8 molATP8 molATP b.三羧酸循环三羧酸循环反应: CH3COCOOH+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4(NADH+HNADH+H + + )+ + FADH2+GTP 底物水平磷酸化： 1molGDPPi GTP 1mol ATP 电子传递磷酸化（氧化磷酸化）4mol(NADH+HNADH+H + +) ) 3=12mol ATP 15mol ATP FADH22 = 2mol ATP 因为1mol丙酮酸产生15molATP，所以1mol葡萄糖酵解共产生30molATP, 则：1mol葡萄糖完全氧化总共产生38 mol ATP。 好氧呼吸的能量利用率约为42%（1193 kJ / 2876 kJ100%） 4.4.乙醛酸循环乙醛酸循环 uu 乙醛酸循环可以从异柠檬酸进入，乙醛酸循环可以从异柠檬酸进入， uu将其裂解为乙醛酸和琥珀酸，将其裂解为乙醛酸和琥珀酸， uu琥珀酸可进入三羧酸循环，琥珀酸可进入三羧酸循环， uu乙醛酸乙酰化后形成苹果酸也可进入三羧酸循环乙醛酸乙酰化后形成苹果酸也可进入三羧酸循环 。 uu由此弥补一些中间产物的不足，有时也把乙醛酸由此弥补一些中间产物的不足，有时也把乙醛酸 循环循环称为称为TCATCA循环的支路。循环的支路。 5 5、好氧性呼吸的外源性呼吸和内源性呼吸、好氧性呼吸的外源性呼吸和内源性呼吸 外源性呼吸：正常情况下，微生物利用外界供外源性呼吸：正常情况下，微生物利用外界供 给的能源进行呼吸。给的能源进行呼吸。 内源性呼吸：外界没有供给能源时，利用自身内源性呼吸：外界没有供给能源时，利用自身 内部贮存的能源物质进行呼吸。内部贮存的能源物质进行呼吸。 （三）无氧呼吸（三）无氧呼吸( (分子外的无氧呼吸分子外的无氧呼吸) ) n n 无氧呼吸又称无氧呼吸又称厌氧呼吸，厌氧呼吸，电子传递体系末端的电子传递体系末端的 受氢体受氢体为为外源无机氧化物。外源无机氧化物。 n n这是一类在无氧下进行的特殊呼吸。这是一类在无氧下进行的特殊呼吸。 n n其特点是底物脱氢后，经部分电子传递体系递氢其特点是底物脱氢后，经部分电子传递体系递氢 ，最终由氧化态的无机物（个别为有机物）受氢。，最终由氧化态的无机物（个别为有机物）受氢。 （三）无氧呼吸（三）无氧呼吸( (分子外的无氧呼吸分子外的无氧呼吸) ) 根据呼吸链末端的最终受氢体的不同，可将无氧呼吸根据呼吸链末端的最终受氢体的不同，可将无氧呼吸 分成：分成： uu硝酸盐呼吸（硝酸盐呼吸（NONO 3 3 - - NO NO 2 2 - - 、NONO、N N 2 2 O O）、）、 uu硫酸盐呼吸（硫酸盐呼吸（SOSO 4 4 2-2-SO SO 3 3 2-2-、 、H H 2 2 S S）、）、 uu碳酸盐呼吸（碳酸盐呼吸（COCO 2 2 、HCOHCO 3 3 - - CH CH 3 3 COOH COOH 、CHCH 4 4 ） uu延胡索酸呼吸（延胡索酸延胡索酸呼吸（延胡索酸琥珀酸）等多种类型。琥珀酸）等多种类型。 1 .1 .硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸反硝化作用：反硝化作用： uu以以NONO 3 3 - - 为最终电子受体的情况：为最终电子受体的情况： 0.5C0.5C 6 6H H 1212 O O 6 6 + + 2HNO2HNO 3 3 3CO3CO2 2 + + N N2 2 + + 3H3H 2 2 O O + + 2H+2H+能量能量 释放总能量为释放总能量为1756kJ 1756kJ , ,氧化磷酸化仅得到氧化磷酸化仅得到2mol 2mol ATPATP 。 uu上述过程被称为上述过程被称为脱氮作用脱氮作用或或反硝化作用或硝酸盐反硝化作用或硝酸盐 还原作用。还原作用。 兼性厌氧微生物兼性厌氧微生物（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺 菌等）菌等） 异化还原异化还原（反硝化作用）：（反硝化作用）： NONO 3 3 NO NO2 2 _ _ NO N NO N 2 2 O NO N 2 2 同化还原：同化还原： NONO3 3 _ _ NO NO 2 2 _ _ NH NH 2 2 OH NHOH NH 3 3 无O2 有或无O2 硝酸盐还原酶 硝酸盐还原酶 2. 2. 硫酸盐还原：硫酸盐还原： 硫酸盐还原菌（硫酸盐还原菌（SRBSRB，脱硫弧菌、脱硫单孢菌属，脱硫弧菌、脱硫单孢菌属 ）在厌氧条件下进行）在厌氧条件下进行, ,受氢体是硫酸盐。受氢体是硫酸盐。 硫酸盐还原酶起重要作用硫酸盐还原酶起重要作用 3. 3. 碳酸盐呼吸：碳酸盐呼吸：专性厌氧甲烷菌进专性厌氧甲烷菌进行行 CHCH 3 3 CHCH 2 2 OH + COOH + CO 2 2 CH CH 3 3 COOH+COOH+CHCH 4 4 +ATP+ATP 4H4H2 2 + CO + CO2 2 CH CH 4 4 + 2H + 2H 2 2 OO 3H3H2 2 + CO CH + CO CH 4 4 + H + H 2 2 OO 受氢体是受氢体是COCO 2 2 供氢体：甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、甲胺、供氢体：甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、甲胺、H H 2 2 等等 uu跨膜电动势促进了跨膜电动势促进了ATPATP的合成。的合成。 uu释放的能量远低于好氧呼吸。释放的能量远低于好氧呼吸。 甲烷形成中的主要反应（参看甲烷形成中的主要反应（参看P153P153图图4-234-23）：）： COCO 2 2 被还原为甲酰基（被还原为甲酰基（MFMF为载体为载体) )， 转移到转移到THMPTHMP， 脱水和还原为脱水和还原为THMP=CHTHMP=CH 2 2 （F F420 420传递氢，）， 传递氢，）， 进一步还原为进一步还原为THMP-CHTHMP-CH 3 3 ， 甲基转移到甲基转移到CoMCoM上，上， 还原为甲烷（甲基还原酶、还原为甲烷（甲基还原酶、HS-HTPHS-HTP参与）并产生能参与）并产生能 量（由跨膜的电动势推动量（由跨膜的电动势推动ATPATP酶合成酶合成ATPATP）。）。 4. 4. 延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌） 延胡索酸琥珀酸 一些兼性厌氧菌有此方式。 无氧呼吸 无机盐呼吸 硝酸盐呼吸： 硫酸盐呼吸： 碳酸盐呼吸 NO3- NO2-、NO、N2O、N2 SO42-SO32-、H2S 产乙酸细菌 产甲烷菌 CH3COOH CO2、HCO3- CH4 CO2、HCO3- 延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）： 延胡索酸琥珀酸 生物氧生物氧 化类型化类型 最终电子受最终电子受 体体 参与反应的酶参与反应的酶 最终最终 产物产物 产产ATPATP 方式方式 释放总释放总 能量能量/kJ/kJ 乙醇乙醇 发酵发酵 中间代谢中间代谢 产物产物 脱氢酶、脱羧酶、脱氢酶、脱羧酶、 乙醇脱氢酶；辅酶乙醇脱氢酶；辅酶 ：NADNAD + + 等等 低分子低分子 有机物有机物 、COCO2 2、 、 ATPATP 底物水平磷底物水平磷 酸化酸化 238.3238.3 好氧好氧 呼吸呼吸 O O2 2 脱氢酶、脱羧酶、脱氢酶、脱羧酶、 NADNAD + + 、FADFAD、 辅酶辅酶Q Q、细胞色素等、细胞色素等 COCO2 2、 、 H H2 2O O 、ATP ATP 底物水平磷底物水平磷 酸化；氧化酸化；氧化 磷酸化磷酸化 28762876 无氧无氧 呼吸呼吸 NONO 3 3 - - 、 、NONO 2 2 - - SOSO 4 4 2- 2- 、 、 COCO 3 3 2- 2- 、 、 COCO 2 2 脱氢酶、脱羧酶、脱氢酶、脱羧酶、 硝酸还原酶、硫酸硝酸还原酶、硫酸 还原酶；辅酶：还原酶；辅酶： NADNAD + + 、细胞色素、细胞色素b b、 c c等等 COCO2 2、 、 H H2 2O O 、NH NH 3 3 、 N N2 2 、H H 2 2S S 、CHCH 4 4 、 ATPATP 底物水平磷底物水平磷 酸化；氧化酸化；氧化 磷酸化磷酸化 反硝化反硝化： 17561756 反硫化反硫化： 11251125 三、三种生物氧化类型比较（以葡萄糖为例） 四、其他代谢途径四、其他代谢途径 1 1、HMPHMP途径（磷酸己糖途径，磷酸戊糖支路）途径（磷酸己糖途径，磷酸戊糖支路） 6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi 大多数微生物兼有EMP途径和HMP途径。 产生还原力； 产生C3-C7的中间产物：为合成途径提供丰富的原 料。如5-磷酸核酮糖可以参与合成核酸、辅酶、组 氨酸。 HMPHMP途径的总反应途径的总反应 2 2、EDED途径途径 （又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解途径。 3 3 ED途径是少数EMP途径不完整的细菌如一些假 单胞菌特有的利用葡萄糖的替代途径。 葡萄糖 6-P-葡萄糖 6-P-葡萄糖酸 5 -P-核酮糖 5 -P-木酮糖 3 -P-甘油醛 丙酮酸 乙酰磷酸 乙酰CoA 乙醛 ATP ADP NAD+ NADH+H+ CO2 乳酸 乙醇 异构化作用 NAD+ NADH+H+ 磷酸戊糖酮解酶 CoA Pi 2ADP+Pi 2ATP 2H 2H 2H NAD+ NADH+H+ 3.3.磷酸戊酮糖裂解途磷酸戊酮糖裂解途 径（径（ PKPK途径）途径） 某些细菌如明串珠菌属和乳酸杆菌属的一些种类具 有。 反应过程：6-磷酸葡萄糖氧化生产6-磷酸葡萄糖 酸，6-磷酸葡萄糖酸进一步氧化脱羧生成磷酸戊糖 ，经酮解反应生成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，分别 转变为乙醇和乳酸酸。产生几乎等量的乳酸、乙醇 和二氧化碳异型乳酸发酵 磷酸己糖解酮途磷酸己糖解酮途 径（径（HKHK途径）途径） 2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖 4-磷酸-赤藓糖 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 逆HMP途 径 同EMP 乙酸激酶 u发光细菌的发光过程是一种光呼吸过程，是电子传 递链上的一个侧支，萤光酶起催化作用。 u萤光酶通过分子氧催化FMNH2和脂肪醛(RCHO)的 氧化，发光。 u发光细菌含两种特殊的成分:(虫)荧光素酶和长链脂 肪族醛。 u 发光过程（下图）： 五、微生物的发光机制五、微生物的发光机制 发光细菌的电子流途径 NADH+H+的电子传递给FMN和（虫）荧光素 酶，使虫荧光素酶激活，长链脂肪族醛存在并 通入氧气就会发光，荧光素酶随即返回基态。 FMNHFMNH2 2 + RCHO +O + RCHO +O 2 2 FMN + H FMN + H 2 2 O + O + RCOOH + RCOOH + 光光 420-670nm420-670nm的可见光的可见光 细菌荧光素酶细菌荧光素酶 发光细菌监测毒性实验 u 发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧 含量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中 的微量氧。可在缺氧条件下培养一段时间，然 后通入空气。 uu 发光细菌监测发光细菌监测有毒物质有毒物质：抑制发光。：抑制发光。发光细菌 对一些毒物很敏感生物探测器。 uu 发光细菌的暗变异株发光细菌的暗变异株监测致突变物监测致突变物：暗变异株：暗变异株 回复发光能力回复发光能力 学生正在做发光细菌实验 发光细菌发光检测仪读取六组数据 发光细菌监测毒性实验 提示：提示： 异养微生物的生物氧化：异养微生物的生物氧化： 氧化有机物，产生能量。氧化有机物，产生能量。 化能自养型微生物的生物氧化：化能自养型微生物的生物氧化： 氧化无机物氧化无机物, ,借助电子传递体系产生能量。借助电子传递体系产生能量。 如：如：NHNH 4 4 + + + 1.5O + 1.5O 2 2 NO NO 2 2 - - + 2H + 2H + + +H +H 2 2 O +271KJO +271KJ NO2- + 1/2O2 NO3- + H+ + 77.4KJ H2S + 2O2 SO42- + 2H + 794.5KJ Fe2+ + 1/4O2 + H+ Fe3+ + 1/2H2O + 44.4 KJ 第四节第四节 微生物的合成代谢微生物的合成代谢 l l 能量来源：产甲烷菌利用能量来源：产甲烷菌利用C C 1 1 和和C C 2 2 有机物产生有机物产生CHCH 4 4 ，利用产甲烷过程中产生的，利用产甲烷过程中产生的ATPATP合成细胞物质。合成细胞物质。 特点： 产甲烷菌产能量低，以H 2 2 /CO 2 2 为基质产生CH 4 4 131KJ，； 产甲烷细胞需要ATP比其他异养菌少； 能够利用少量外源ATP起启动作用。 一、产甲烷菌的合成代谢一、产甲烷菌的合成代谢 合成代谢三要素小分子物质、还原力、ATP 产甲烷菌同化CO2和逆三羧酸循环合成细胞物质 嗜热自养甲烷杆菌; 巴氏甲烷八叠球菌 （一）亚硝化细菌（氨氧化细菌）的合成代谢 NH4+氧化为羟胺，羟胺氧化为NO2-。羟胺在脱 氢酶作用下，释放两个电子，经电子传递后最终传 给O2，并产生能量： NH4+ + 1.5O2 N O2- + 2H+ +H2O +271KJ CO2+4HCH2O+H2O（通过卡尔文循环固定CO2 ） 二、化能自养型微生物的合成代谢 （二）硝化细菌的合成代谢 硝化细菌包括硝化杆菌属、硝化刺菌属、硝 化球菌属。将NO2-氧化为NO3-。 NO2- + 1/2O2 NO3- + H+ + 77.4KJ CO2+4HCH2O+H2O （通过卡尔文循环固 定CO2） 二、化能自养型微生物的合成代谢 （三） 硫氧化细菌 硫细菌可以通过对无机硫、硫化氢及硫代硫酸盐 的氧化而得到能量。 硫细菌分为：光能自养和化能自养， 化能自养通常称为无色硫细菌以区别光能自养硫 细菌。 硫化氢先氧化为硫，硫再氧化为亚硫酸，再氧化 为硫酸。硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分 别被氧化： H2S + 2O2 SO42- + 2H + 794.5KJ CO2+4HCH2O+H2O （四） 铁氧化细菌 铁细菌可以把Fe2+氧化为Fe3+，所产生的能量和还 原力同化二氧化碳进行自养生长，包括氧化亚铁硫 杆菌、嘉利翁氏菌、纤发菌属等。大部分是专性化 能自养。 Fe2+ + 1/4O2 + H+ Fe3+ + 1/2H2O + 44.4 KJ CO2+4HCH2O+H2O（卡尔文循环） 5、 氢氧化细菌 u将H2氧化成水，并从中获得能量，用于同化二 氧化碳 u主要是好氧的兼性化能自养菌（利用氢或有机 物） ，少数是厌氧或兼性厌氧菌。 H2 + 1/2O2 H2O + 237.2 KJ 通过卡尔文循环固定二氧化碳或通过氢化酶