第六章∶微生物的代谢.doc

白城师范学院生物系 高晨光乎喘剔霜荒耙淳幌绦养念友蔼顾端枕每呼拱乳姨橙衡窖苍痰统潘柏蹿栏疹敛遍迸乖缨播屯嚎五口弯布享愚薄沮暮拽烧逻急洁聪逃诫燕铱充磋椎米皿烫乃帽说哄颊科都陈脊夺纬饭拄贫跺怂诌趾卑篡垃耙藉轻诞憾挞丝憾鸽嗓谱峪料筋集对卉忿斩霍常率往州组站琢剖善哗窘血朝挺钝箕苗找词肺裴严葛砌插坝粘碾仿矩个媚您卸昆即疙凄铝臃秋叭辱步汞借操慧匪趾崩芒漓将绅捡卢茁鸳舞友赘陶第批芒聚负烬办龙逝淹机撒态舜垦蕉拣输轻窘灭藻摈阐鉴掩婪翰佰孤桨光斋税靛魁霸咨斌与插犹输笑俏铁痢挚榷霄刽奄篷求鬼冬褪毁洪暗价禽叭拧沁鸯雏票蛹皂跌虚截浮堂拆缸融疾乾阶蛔致标蝇厅掖发酵(狭义):是以有机物为最终电子受体的生物氧化过程.工业发酵(广义):利用微生物生产有用代谢物(产品)的生产方式(过程).(好氧或兼性厌养).衬许忌敢淮叁妊绝毅剃糜啥旋粕簇狮座玫邢盈噪哗贮我利骸骇驮巫翱谊楞埔摆爱得姓俞河猴梗隘捷仰葫露迷滑孔攀之幕阳封筏淮急仇瞎亏太建术雍虹歼邦萤佩际卢潭晒越率将岗宛腥萨蚌潦哇肺弧讥争轮揩燎自酗莱缕长华磁猎毯蘑踩笆唇逗栋箩壮杖池庇鹅拦痰赵啮椰惹街悄太俺棍琴傣隆芦果夜版亡聚胃焕匙颐雁银狞莆爽尝承凌虞譬硼薯推笼筛挠波剁菇卖擞操新鸥幸辽伴玄拨帆咆疑日帧姐淖粪竣膝澳也藩楔暮喊吮蠢惊僳追垦元膀估宽涪岔沽黎梢贬桶傲埋郊奖茬桌憨躇巡铀粥醇场眺资糕午尺颗皑盲志恤尘殊损霞噶贡慰乔坟偶茄叭潘讽主天麓耘杭厦酝佩链舍莽夷嫌贾几捣庶蓟缮陶来遏第六章:微生物的代谢邪开只卓形仅怖谤勇场涤锁陡楚魔换喳欺荡牵红啦汕附篱圣疮秃滤珍服宴乏砖纹厢桅瘟囱荤彪擎婪剁辜垛后压粥渍垃泞作沪榔耳冻似廓禁臃彝躬留瓜旧赔谨褐问知斤荡纽肥殷剑吮功象牌仰卞捞议叼紧办婴剑泼屉上诚隘食象哉荷衅夕啡弧潘濒淮嚏急衰河渗裸锄菜兹盘郭寡坊密蛰卢犹茫棋叶逗务任剂吱仑卷珠碾着泡驱驴衍拢痈平键杜遭织蓑敷围勉年退搜岁炕舍吟复哎摹乾咏屡皱凶崎佃莫墨呻慌棕焙昏庶忆莆雌邮缀批组挑奴廓琐厘檀倒翰创差田高色辅戳沽辣园捅秸机活析很讽防盈臭黍录于熄妹销京馒倚砰排渔阎咏鄂潞尝民胎枢兜狡淳哗靖媚瓤胶奏量涛载匝恿琴疙因瓤蚕扔混主哩淑实第六章：微生物的代谢代谢：生物体内进行的生化(合成代谢、分解代谢的总和)反应统称。即生物体不断从环境中摄取营养物质和能量，合成自身的组成物质，贮存能量，同时分解自身的一部分组成物质释放能量，并将物质排除体外的过程。包括：物质代谢，能量代谢。合成代谢，分解代谢，（同化作用，异化作用）。营养物质：氧化分解，放能，形成中间产物。能量：吸收，合成，运动，发光，分泌能等。特点：（1）代谢旺盛，（2）代谢（类型）多样化，（3）代谢的严格调节和灵活性。第一节：微生物的产能代谢包括：产能代谢和耗能代谢，本章主要介绍产能代谢。产能方式：发酵与呼吸。ATP产生方式：氧化、底物、光合磷酸化、视黄醛。主要是通过生物氧化。化能异养：有机物氧化（脱氢）或无机物氧化放能。一、 化能异养微生物的生物氧化和产能产能方式：最终电子（氢）受体的不同分为发酵与呼吸。（一）发酵发酵（狭义）：是以有机物为最终电子受体的生物氧化过程。工业发酵（广义）：利用微生物生产有用代谢物（产品）的生产方式（过程）。（好氧或兼性厌养）微生物能以多种有机质为发酵基质，以葡萄糖最广泛。以葡萄糖为例介绍发酵。1、发酵主要途径（1）EMP（酵解、酵母菌的乙醇发酵）： 菌种：酵母菌、啤酒酵母。 途径：葡萄糖经EMP途径生成乙醇和CO2。P99（T6-1） EMP 的特特征酶：PF激酶，F2P醛缩酶。 EMP（Glc-丙酮酸）过程：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi-2CH3-CO-COOH+2NADH2+2ATP（+2H2O）P99（T6-1）（2）ED（细菌的乙醇发酵）：菌种：运动发酵单胞菌等细菌。总反应式：C6H12O6+NAD+NADP+ADP+Pi-2CH3-CO-COOH+NADH2+NADPH2（+2H+）+ATP特点：1molGlc经4步生成2mol丙酮酸，但来源不同；特征反应是：KDPG-丙酮酸+3-磷酸甘油醛特征酶：2酮3脱氧6P葡萄糖酸醛缩酶（KDPG醛缩酶）产能效率低，1molATP。P99(T6-2)（3）HMP（磷酸戊糖途径/旁路/循环）：C6H11O5PO42-6 G-6-P+12NADP+7H2O-6CO2+5 G-6-P+12NADPH+12H+Pi中间产物：（植物、微生物途径）3-P-甘油醛、P-二羟丙酮、4-P-赤藓糖、5-P-木酮糖、5-P-核酮糖、5-P-核糖、RuBP、6-P-G、6-P-F、7-P-景天糖、NADPH+H+。(4) PK途径: 磷酸酮解酶（糖裂解）途径类型：磷酸戊糖酮解酶途径和磷酸已糖酮解酶途径关键酶：5P木酮糖裂解酶、6-P-果糖酮解酶。磷酸戊糖酮解酶途径：种类：肠膜状明串珠菌 P100（T6-3）产物：1 C6H12O6- CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 +1ATPP100（T6-3）CO2磷酸已糖酮解酶途径：种类：双歧双歧杆菌产物：2 C6H12O6 -2CH3CHOHCOOH +3CH3COOH +5ATP磷酸已糖酮解酶途径过程如下： P100（T6-4）P1013、发酵类型上述4种葡萄糖分解途径产生在NADH和NADPH的去向有：还原有机物或呼吸（交给氧）。根据发酵产物的种类可以分为：乙醇发酵、乳酸发酵、混合酸与丁二醇发酵、丁酸发酵、丙酮丁醇发酵、乙酸发酵以及丙酸发酵等。这里主要讨论与EMP、ED、HMP和PK途径有关的发酵。（1）乙醇发酵类型：酵母菌乙醇发酵（EMP）和细菌乙醇发酵（ED）A、酵母菌乙醇发酵：菌种：酵母菌、啤酒酵母。途径：葡萄糖经EMP途径生成丙酮酸乙醇和CO2。产物：C6H12O6+2ADP+2Pi-2CH3-CH2OH+2CO2+2ATP或C6H12O6EMP2CH3-CO-COOH2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP过程：CH3-CO-COOHCH3-CHO+CO2CH3CH2OH酵母菌乙醇发酵条件：a厌养：酵母菌兼性厌养。有氧：丙酮酸TCACO2 + H2O b培养基中无NaHSO3(3%):NaHSO3与乙醇结合形成复合物磺化羟乙醛（乙醛-HSO3）c PH7.6（3.54.5）：若PH7.6时乙醛发生岐化。即：2分子乙醛乙醇+乙酸 2CH3CHOCH3CH2OH + CH3COOH 乙醛不作为氢的受体还原成为乙醇，而P二羟丙酮为受体。即：CH2OH CH2OH| |C=O + NADH2- CHOH +NAD+| |CH2O P CH2O P总反应式：2 C6H12O6-CH2OH-CHOH-CH2OPO3+CH3CH2OH + CH3COOHB、细菌乙醇发酵菌种：运动发酵单胞菌等细菌。途径：经E、D途径过程：2 C6H12O6 +ADP+Pi 2CO2 + 2CH3CH2OH + ATPP102（T6-6）图6-6细菌型乙醇发酵C、混合酸和异型乳酸发酵-也产生乙醇C6H12O6-CH3-CO-COOH-CH3CO-CoA+ CO2-+H- CH3-CHO- CH3CH2OH(2)乳酸发酵:生成乳酸的发酵类型：同型乳酸发酵和异型乳酸发酵菌种：P103（B6-2）A、同型乳酸发酵：糖的发酵产物中只有乳酸的发酵叫同型乳酸发酵。同型乳酸发酵的微生物：乳链球菌，植物乳杆菌关键酶：乳酸脱氧酶。途径：Glc-丙酮酸-乳酸C6H12O6-2CH3-CO-COOH-CH3-CHOH-COOH总反应式：C6H12O6 + 2ADP + 2Pi2CH3CHOHCOOH + 2ATPP103（T6-7）B、异型乳酸发酵：糖发酵产物中，除乳酸外，还有乙醇（或乙酸）和CO2的发酵。途径：PK途径，磷酸酮解酶（糖裂解）途径a:磷酸戊糖酮解酶途径(C5)：产物：1 C6H12O6- CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 +1ATP2 C6H12O6-CH3CHOHCOOH + CH3COOH + CO2 +2ATP(加)异型乳酸发酵的微生物：肠膜状的串珠菌，短乳杆菌。b:磷酸已糖酮解酶途径(C6)：种类：双歧双歧杆菌产物：2 C6H12O6 -2CH3CHOHCOOH +3CH3COOH +5ATP（3）混合酸与丁二醇发酵A、混合酸发酵： 某些兼性厌氧菌，在缺氧条件下发酵，产物中除乳酸外，还有甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、甲酸（CO2+H2O）等产物。 混合酸发酵的微生物：埃希氏菌属、沙门氏菌属、志贺氏菌属。 途径：以EMP为主体。 产物：埃希氏菌：含甲酸裂解酶可分解甲酸HCOOHCO2 + H2志贺氏菌属不含甲酸裂解酶，故不产气。 混合酸的发酵途径:P104（T6-9A）B、丁二醇发酵： 概念：某些细菌经EMP途径分解葡萄糖时，产生少量乳酸，甲酸和乙醇，生成大量的2 3-丁二醇和更多气体的发酵。 丁二醇发酵的微生物：肠杆菌、赛氏杆菌、欧文氏杆菌。 途径：P104（T6-9B） EMP 缩合 2H CO2Glc-丙酮酸-乙酰乳酸-2 3-丁二醇2 3-丁二醇与二乙酰反应生成红色化合物,此反应为V P反应,红色为阳性.即:（4）丙酮丁醇发酵丙酮丁醇梭菌在EMP途径的基础上进行丙酮丁醇发酵。过程：丙酮酸脱羧脱氢生成乙酰CoA，乙酰CoA双双缩合成为乙酰乙酰CoA，其中一部分脱CoA、脱羧生成丙酮；而另一部分经还原、脱水、还原脱CoA 和第三次还原生成丁醇(图610)。丙酮丁醇发酵时，1mol葡萄糖产生2molATP。 P106（T6-10）（5）氨基酸产能反应-Stickland反应是两个氨基酸之间的一个氨基酸作为氢(电子)供体，另一个氨基酸作为氢(电子)受体时的氧化-还原脱氨基反应。微生物在厌氧条件下将个氨基酸的氧化脱氨与另一个氨基酸的还原脱氨相偶联的一类特殊发酵。典型反应：甘氨酸与丙氨酸之间的Stickland反应，它们的总反应式为：2CH2COOH + CH3CHCOOH+ADP+Pi-3CH3COOH+CO2+3NH3+ATP | | NH2 NH2氢供体的氨基酸:主要有丙氨酸Ala、亮氨酸Leu、异亮氨酸Ile、缬氨酸Val、组氨酸His、丝氨酸Ser、苯丙氨酸Phe、色氨酸Trp和酪氨酸Tyr等；氢受体的氨基酸：主要有甘氨酸Gly、脯氨酸Pro、鸟氨酸Orn、精氨酸Arg和甲硫氨酸Met等。种类：已知能进行Stickland反应的细菌都是专性厌氧的梭菌，如：生孢梭菌、肉毒梭菌、双酶梭菌和斯氏梭菌等。（二）呼吸呼吸：微生物以分子氧或无机物为最终电子受体的生物氧化。有氧呼吸：以分子氧为最终电子受体的生物呼吸。无氧呼吸：以非氧的无机物为最终电子受体的生物呼吸。也叫厌氧呼吸。电子由供体经呼吸链（电子传递链）传给受体。1、有氧呼吸进行有氧呼吸的微生物有： 化能异养微生物：以有机物为氧化基质。进行TCA循环。 化能自养微生物：以无机物为氧化基质，不进行TCA循环。 光能自养微生物：也可TCA 。 光能异养微生物：也可TCA。以化能异养微生物为例介绍如下。化能异养微生物：以有机物为电子供体，代谢从有机物分解开始。1、 葡萄糖：是重要的能源和碳源。Glc降解有三条途径： EMPEMP：Glc-丙酮酸- CH3CH2OH 提供2mol ATP。 EMPHMP：Glc -5PR（4P赤鲜糖），无ATP，有12NADPH2。E.D：Glc -丙酮酸- CH3CH2OH，提供1mol ATP。TCA：Glc -丙酮酸- CO2+H2O+38（36）ATP2、 丙酮酸：是关键性中间产物。几乎所有的6C、5C、4C、3C、2C化合物都可转变为丙酮酸。 TCA TCA：2丙酮酸2CO2 + 2H2O +36ATP。（15*2+2+4） 转变其他化合物：如：糖、酸、氨基酸、醇等。 氢：有机物代谢中脱氢形成FADH2、FMNH2、NADH2、NADPH2，少部分用于还原，大部分经呼吸链传给氧生成水并放能。 ATP：氧化磷酸化：伴随生物氢化所发生的磷酸化作用。分为：底物水平磷酸化：被氢化的底物上发生的磷酸化反应。电子传递体系磷酸化：电子沿呼吸链传递时伴随有ATP的生成。有氧呼吸分三个阶段： Glc -丙酮酸+2mol ATP+ 2NADH2 2丙酮酸2CH3COCoA+ 2CO2 + 2NADH2 TCA：2CH3COCoA-CO2 + H2O + 24ATP+ 2ATP位置：EMP在细胞质，TCA在细胞膜或线粒体中。(1)三羧酸循环(TCA循环)和乙醛酸循环 P107(T6-11)i、三羧酸循环重要功能不仅是产能、而且还是物质代谢的枢纽。它联系糖、蛋白质与脂质代谢的桥梁作用又是很多物质的合成代谢提供各种碳架的原料。例如，草酰乙酸和-酮戊二酸为天冬氨酸与谷氦酸的碳架原料，乙酰CoA是脂肪酸合成的原料；琥珀酸是细胞色素和叶绿素的原料。TCA循环还为人类提供了各种有用的产物，柠檬酸、苹果酸和延胡索酸等。ii、乙醛酸循环（TCA支路）：关键酶：异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶。ATP+CO2+Hiii、乙醛酸循环中间产物形成（来源）：iv、厌氧条件TCA中间产物来源：见上图P108（T6-12）（2）呼吸链又称电子传递链它是指从葡萄糖或其他氧化型化合物上脱下的氢(电子)，经过一系列按照氧化还原势由低到高顺序排列的氢(电子)传递体，定向有序的传递系统。原核微生物的呼吸链在细胞膜上，真核微生物的呼吸链位于线粒体内膜，但呼吸链的主要组分是类似的。原核微生物呼吸链的特点： 除了葡萄糖或其他有机基质外、分子氢、硫等无机元素，Fe2+、NH4+、 NO2-等无机离子也可用作电子供体； 除了分子氧外，可用作最终电严受体的还有N03-、NO2、NO、SO42-、S2-、CO32-等，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亚砜和氧化三甲亚胺等有机化合物 有各种类型细胞色素，如a、al、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d以及o等； 末端氧化酶，不仅有细胞色素a1、a 2、a3、d、o等，还有H2O2酶和过氧化物氧化酶等； 呼吸链组分和含量多变，细菌呼吸链的组分和含量随着氧气的供应、生长阶段、基本营养供应、呼吸抑制剂的存在与否,CN、Fe2+、SO42-浓度等变化而改变；细菌呼吸链有多条，且有分支。不仅有一般的呼吸链，还有分支的呼吸链。例如，大肠杆菌在缺氧条件下，呼吸链在CoQ(辅酶Q，泛醌)后分支，一支为Cytb559-CytO，另一支是Cytb558-Cytd。维捏兰德固氮菌：通过呼吸链Cytb1后的分支控制细胞内氧的分压。 I II Cyta2(d) IIINADH2-Fe-S-FMN(Fp)-CoQ-Cytb1-CytC5-O2Cytc4-Cyta1(I,II,III处形成ATP)电子传递方式多样化，在细菌中电子可经CoQ传递给细胞色素，也可不经CoQ而直接传递给细胞色素。细菌呼吸链与线粒体呼吸链的区别：i细菌无线粒体，电子传递C膜上。ii线粒体呼吸链目前只发现二条。即：NADH，FADH（琥珀酸）呼吸链，且都以Cyta3为末端色素氧化酶。高等生物呼吸链：NADH2-FMN=CoQ-Cytb=Cytc1-Cytc-Cytaa3=O2琥珀酸-FAD-CoQ-Cytb=Cytc1-Cytc-Cytaa3=O2细菌呼吸链有多条，且有分支。末端氧化酸除a3外，还有，a1,a2,a4,o等。iii细菌电子传递链的电子受体，供体可以多种多样。iv 细菌电子传递链的组成，含量因细菌和培养条件的不同而不同。如： 甲醇 Cyto-O2NADH2-FMN-CoQ-Cytb559-n563-a1-d-O2琥珀酸-Fp- 硝酸盐还原酶-NO3-Cyto- O2NADH2-FMN-CoQ-Cytb562-Cytc1c-Cytaa3-O2 NO3-硝酸盐还原酶 Cytd-NO3-(SO32-、CO2)(3) 氧化磷酸化产能机制是指呼吸链在传递氢(电子)过程中释放出的能量与ADP磷酸化相偶联产生ATF的过程。关于氧化磷酸化产生ATP的机制有3种假说。即：化学偶联假说、构象偶联假说和化学渗透假说。略）NAD：3molATP,P/O=3; FAD:2molATP,P/O=2。以前认为细菌：P/O2(好氧菌=3)。2、无氧呼吸：以非氧无机物为最终电子受体的生物氧化。能进行无氧呼吸的微生物有：专性厌氧和兼性厌氧微生物。电子受体有：NO3-、SO42-、Fe3+、CO2等。分别叫：硝酸盐还原，硫酸盐还原，碳酸盐还原。1硝酸盐呼吸（还原）：以NO3-为最终电子受体。分为二种：同化型和异化型硝酸盐还原。 异化型硝酸盐还原：（反硝化作用）。是将 NO3-还原成N2，或N2O的作用。a意义：对自然界氮素循环有重要意义，氮素在海洋中积累，反硝化作用分解之。害处：造成土壤中氮素的损失，对农业生产不利。b能量：产能一般45个ATP，比发酵多比有氧呼吸少。c特点：（1）每生成一分子N2有10个电子转移。（2）硝酸盐只接受Cytb传给的电子，故呼吸链短。（3）有机物可被彻底氧化，但电子传递中生成ATP少，一般为2个，而 TCA电子传递中产能为34ATP（1 个FADH2，5个NADH2）NO3- -NO2- -NO -N2O -N2上述反应有酶依次是： 异化性硝酸还原酶(NaR)、异化性亚硝酸还原酶(NiR)、氧化氮还原酶（NOR）、氧化亚氮还原酶(N20R)。如：脱氢小球菌能以NO3-为最终电子受体。葡萄糖彻底氧化还原NO3-的反应式为：C6H12O6 + 4NO3-CO2 + 6H2O + 2N2 + 能量（ATP少） 同化型硝酸还原：是硝酸盐同化，产物是氨。 a意义：是硝酸盐的吸收和利用，是硝酸盐的同化。 b特点：（1）一分子NO3-还原成NH3，有8个电子转移，N+5N-3 8e （2）硝酸盐还原氧化基质是有机物，葡萄糖，乙酸等。2硫酸盐呼吸（还原）： 类型：硫酸盐同化作用：植物和微生物吸收和利用硫酸盐；反硫化作用：微生物在厌氧条件下将SO42-还原成H2S。进行硫酸盐呼吸的细菌称硫酸盐还原细菌或反硫化细菌。本节介绍反硫化。它们都是严格厌氧的古细菌。包括：脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫菌属、脱硫叶菌属、脱硫肠状菌属、脱硫八叠球菌属、脱硫线菌属、脱硫杆菌属、脱硫念珠菌属等。极大多数为专性化能异养型，利用有机酸(乳酸、丙酮酸、延胡索酸和苹果酸等)、脂肪酸(乙酸和甲酸等)和醇类(乙醇)等有机基质生长。少数营混合营养型生活，在有适宜有机碳源和能源时营化能异养生活，若无适宜的有机物时也能以H2、CO2进行自养生长，如嗜热氧化乙酸脱硫肠状菌。 特点：（1）反硫化作用以SO42-（S2O3-）为最终电子受体。 （2）以有机物（CH2O、酸、醇）为电子供体和能源。 （3）电子传递链中无NAD+，放出的电子由于还原SO42-、S2O32-产生H2S。 （4）电子传递中形成ATP。乳酸脱氢酶 4H2O 4CO2 4CH3CHOHCOOH-4CH3COCOOH4CH3COOH 8H+8e SO42- H2S + 4H2O 如：脱硫弧菌：乳酸氧化成乙酸时脱下8个氢，使SO42-H2S，2CH3CHOHCOOH + SO42-2CH3COOH + 2CO2 + 2H2O + S2- + ATP8H + SO42-+ADP+PiS2- + 4H2O+ATP3硫呼吸 又称硫还原 是元素硫异化性还原形成H2S的过程。是以元素硫作为唯一末端电子受体，从中取得生长所需能量的一类无氧呼吸。硫还原细菌种类：主要是硫还原菌属和脱硫单胞菌属的。如：乙酸氧化脱硫单胞菌，利用乙酸为电子供体，在厌氧条件下通过氧化乙酸为CO2和还原元素硫为H2S的反应。CH3COOH + 2H2O + 4S 2CO2 + 4H2S 发现了最适合生长温度近90甚至还要高的极端高温硫还原古细菌，它们利用小肽或葡萄糖为电子供体。4 碳酸盐呼吸（甲烷生成作用、碳酸盐还原）是一类以C02或碳酸氢盐(HCO3-)为末端电子受体的无氧呼吸。 分布：广泛分布于自然界，有机质丰富的沼泽地，河底，湖底，海底的淤泥中，及粪池中，动物的胃中。 种类：（1）产甲烷细菌：以H为电子供体，以CO2或HCO3-为末端电子受体（碳源），产物是甲烷。H+ + 4H2 + HCO3- CH4 + 3H2O 142.12kJ/mol （2）产乙酸菌：利用H2/CO2进行无氧呼吸，产物是乙酸（或甲醇，甲酸等）。2H+ + 4H2 + 2HCO3- CH3COOH + 4H2O 112.86kJ/mol （3）碳酸盐还原菌特别是产甲烷菌都是专性厌氧菌。沼气主要成分是甲烷。5其它类型无氧呼吸：无氧呼吸中作为电子受体还有：无机物：Fe3+、Mn2有机物：延胡索酸、甘氨酸、甲酸等。P112（B6-4）HCOOH+延胡索酸-CO2+虎珀酸二、光能微生物的能量代谢能将光能转换成为ATP形式化学能的细菌-光合细菌(photosynthenc bacteria)，它们以光为能源，利用CO2(光能自养)或有机碳化合物(光能异养)作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷酸化)。作用：光合细菌在自然界碳素和硫素等物质循环以及水生态系小起着重要而又特殊的作用。 光能微生物包括：光能自养微生物和光能异养微生物。 光能自养微生物：可利用光能转换能量、CO2。 光能异养微生物：通过有机物氧化获得能量、CO2。（一）光合细菌的类群1、 产氧光合细菌类群：兰细菌、原绿植物纲、单细胞藻类。兰细菌（单细胞藻）：特点：a、有PSI（产生NADPH2）、有PSII（水光解） b、光合磷酸化有环式和非环式二种 c、以水为供氢体、光合作用放氧。原绿植物纲：是一类原核，含有叶绿素a（蓝细菌）、b，而不含藻胆蛋白（绿色植物）的光合微生物。细胞壁中含有肽聚糖，属于真细菌。目前有二个属：原绿蓝细菌属和原绿丝蓝细菌属。2、不产氧的光合细菌不产氧光合细菌是一个形态和系统上多样化的类群形态：球菌、杆菌、弧菌、螺菌和双球菌、四联球状，有扁平纸片状、不规则网格状、链状网格状和菌丝状排列；特点：不运动，极生和极生鞭毛或滑功；有气泡和没有气泡；有菌柄；二分裂繁殖。类型：根据所含菌绿素、类胡萝卜素和光合膜系统分为紫色细菌、绿色细菌和阳光细菌(表65)、着色菌科等4科。不产氧光合细菌的一些主要代谢特征。（1）紫色细菌和绿色细菌 分类地位：属于红螺菌目。它们所属亚目及分科、属的情况如下：P114（T-B）紫(或红)硫细菌：着色菌科细菌。分布：常见于湖泊和含硫温泉的厌氧层中。形态多样，菌体通常较大。色素：含紫色类胡萝卜素而常呈鲜明的紫色但有时也因含其他颜色的类胡萝卜素而呈棕色、粉红色、红棕色、紫红色或黄棕色。特征：氧化硫化物。细胞内沉积硫（硫粒）、再将硫氧化为硫酸盐。利用有机化合物(乙酸、丙酮酸、有机酸、糖类或乙醇)作为光合生长碳源的能力有限。少数在黑暗环境中以S2O32-作为电子供体自养生长。紫(或红)非硫细菌：为红螺菌科细菌因过去认为它们不能利用硫化物作为电子供体还原CO2成为细胞物质而取名的。现在发现大多数紫非硫细菌也能利用硫化物但是硫化物浓度不能高。紫非硫细菌与紫硫细菌的区别：它们不能氧化元素硫成为硫酸盐，少数种虽能氧化硫化物成为硫酸盐，但没有中间产物硫形成；即使能氧化硫化物可产生元素硫，但细胞内不贮存硫；它们是兼性光能营养菌。既可以在暗环境下好氧生长也可以在有光的条件下厌氧生长。有的甚至还能在黑暗的有机环境中靠发酵厌氧生长。大多数紫非硫细菌还能固氮。绿色细菌也称绿硫细菌：形态：多样。特点：严格厌氧的专性光养细菌，利用硫化物或元素硫为唯电子供体光合生长。元素硫沉积在细胞外。（2）阳光细菌：阳光细菌是一类含菌绿素g的严格厌氧光合细菌，分类地位未确定。是异养菌，能利用的营养物质十分有限，只利用丙酮酸、乳酸、乙酸和丁酸等为唯一碳源，巳知有杆菌、螺菌等。（二）细菌光合色素 细菌光合色素是光合细菌将光能转换成化学能的物质基础。细菌光合色素主要有叶绿素、菌绿素以及辅助色素类胡萝卜素和藻胆素等。1、叶绿素a： 蓝细菌含叶绿素a。结构：它主要是由4个吡咯环联结而成的卟啉环，中间有一个金属原子镁。吸收红光和蓝光，反射绿光而呈绿色。最大吸收波长分别在680nm和440nm处。种类：P680，位于PSII中，水光解。 P700，位于PSI中，产生NADPH2和ATP。2、菌绿素：大多数光合细菌依靠菌绿素进行光合作用。菌绿素a的结构与叶绿素a基本相似。只是几处稍有差异(图614)。光合细菌中有6种菌绿素，为菌绿素a、b、c、d、e和g。菌绿素a：的最大吸收波长约在850nm处；菌绿素b：的最大吸收在840 nm和1030nm处；菌绿素c、d、e和g：最大吸收波长在720一780 nm的范围内。各种不产氧光合细菌中所含的菌绿素参见表6-5。功能：菌绿素a和b的功能与叶绿素a相似，是在光反应中心将“天线”接收的光能转换为化学能。菌绿素c、d和e有接收光能的“天线”作用，需要量较多绿色细菌含较多的菌绿素c、d或e和少量的a。紫色细菌只含菌绿素a或b，可能兼有“天线”功能。菌绿素g为阳光细菌所独有。菌绿素g的结构与叶绿素a相似。3、辅助色素：帮助提高光利用率的色素。菌绿素或叶绿素只能吸收太阳光谱中一部分的光，光合生物依靠辅助色素能够捕获更多可利用的光。类胡萝卜素：是光细菌中最普遍的一种辅助色素（400-500nm）。有黄、红或绿颜色的物质的总称。典型代表是类胡萝卜素(图615)。根据结构，分为脂肪族类胡萝卜素、芳香族类胡萝卜素和酮基类胡萝卜素。蓝细菌的藻胆蛋白（520-650nm）：蓝细菌独特的辅助色素。(图6-16)闭合卟啉环失去一个碳原子成为开链四吡咯化合物包括：藻红素：最大吸收波长约在550nm处；藻蓝素：最大吸收在620一640 nm。异藻兰素：最大吸收在 nm。藻胆素与蛋白质共价结合成为藻胆蛋白。（三）细菌光合作用：1、依靠菌绿素的光合作用光合细菌利用H2S、H2或丁酸、乳酸、琥珀酸、苹果酸等有机化合物为氢供体，还原CO2，依靠菌绿素与一个光系统进行的不产氧光合作用。光合细菌通过循环光合磷酸化产生ATP。紫色细菌的环式光合磷酸化过程：菌绿素和类胡萝卜素将捕获的光能传输结其反应中心P870。激发态P870中的电子吸收能量后被逐出成为带电荷的P870，被逐出的电子经过由脱镁茵绿素(BPh)、CoQ、Cyt b和Cytc组成的电子传递链传递后返回P870+，P870+还原为P870，在Cyt b传给Cyt c时与ADP磷酸化偶联产生ATP。特点：a、只有PSI，无PSII。 b、不以水为供氢体，所以光合作用不放氧.吸收了光能的电子在循环传递过程中与ADP磷酸化偶联产生ATP的过程称为循环光合磷酸化。2、依靠叶绿素的光合作用类群：蓝细菌、单细胞藻类。特点：a、有PSI（产生NADPH2）、有PSII（水光解） b、光合磷酸化有环式和非环式二种 c、以水为供氢体、光合作用放氧。过程：光合作用具有绿色植物的特征。它们依靠叶绿素a和两个光系统进行光合作用，以H2O作为氢供体，水的光解产生氧气。通过非循环光合磷酸化产生ATP。两个光反应中心P680（II）和P700（I），光反应中心PSII受光激发而被逐出的电子，经过由质体酝醌（PQ）、Cyt b、Cyt f和质体蓝素(PC)组成的电子传递链也不返回P680，而传递给PSI的P700，P680+接受H20光解产生的电子而恢复成P680。电子由PQ经Cyt b传给cytf时产生ATP。PSI吸收光后释放的电子，经黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传给NADP+生成NADPH+H+，而不返回P700 。这种电子的非循环传递与ADP磷酸化的偶联称为非循环光合磷酸化，在此过程有ATP产生、还原力(NADPH+H+)的形成和氧气的释放。有的光合细菌虽然也只有一个光合系统，也可进行非循环光合磷酸化。电子经铁硫蛋白、铁氧还蛋白、黄素蛋白还原NAD+生成NADH，外源电子供体，如S2-、S2O32-等，在氧化过程中放出的电子，最终传至失去了电子的光合色素，使其还原，并偶联生成ATP。其反应式为：NAD+H2S+ADP+Pi=NAD(P)H+H+ATP+S(四)特殊细菌的光合作用古细菌利用菌视红紫质进行光合作用。类群：嗜盐细菌。好氧、嗜盐、生长在盐场或盐湖中。色素：胡萝卜素和菌视红紫质（细菌视紫质）（560nm）。菌视紫红质：由视黄醛（VA醛）和Pr构成。能量：由菌视紫红质完成，光-H+-ATP。在光的作用下菌视紫红质通过视黄醛构型的转变，将H+运到细胞外，在膜内外形成H+的浓度梯度，由H+的动力产生ATP。三、化能自养微生物的生物氧化与产能化能自养微生物：以CO2为唯一碳源或主要碳源，利用无机物氧化获得能量和供氢体，而进行生长的微生物为-。类型：专性化能自养微生物：只能发CO2为碳源进行生长。 兼性化能自养微生物：即能以CO2为唯一碳源又能以有机物质为碳源进行生长。呼吸类型：化能自养微生物多为好氧，通过无机物氧化获能，少为兼性厌氧。特点：1、无机物氧化脱氢直接进入呼吸链放能；2、 呼吸链类型多，不同底物进入呼吸链的位置不同；3、 产能效率低，（P/O值小）。按氧化的无机物类型将化能自养微生物分为：氢细菌：即可利用H2也可利用NADH2等进行生长。硝化细菌：亚硝化细菌：将NH4氧化为HNO2。 硝化细菌：将HNO2氧化为HNO3。硫细菌：能将S、H2S、S2O32-氧化为H2SO4。铁细菌：利用Fe氧化获得能量。（一）氢细菌（氢 氧化细菌）氢细菌是兼性化能自养菌，即能利用H2为能源生长的细菌， （1） 类群：嗜糖假单胞菌、产碱杆菌属、副球菌属等。（2） 特点：以CO2为唯一碳或主要碳源，也能利用有机物为碳源。多为好氧，少为厌氧或兼性厌氧。（3） 氢的作用：a、氧化生成水、放能b、作为供氢体同化CO2生成有机物。（4）过程：H2+O2=2H2O 2H2+CO2=CH2O+H2O总反应式：H2+O2+CO2=CH2O+H2O(二)硝化细菌(生物氧化)：利用还原无机氮化物进行自养生长的细菌。即：将NH4+氧化成NO2-或NO3-的细菌叫硝化细菌。特点：（1）都有Cyta、b、c、d、o五种细胞色素。 （2）1molNH3氧化成1molNO2-生成1molATP。1、 亚硝化细菌：（氨氧化细菌、氨的生物氧化）（1）类群：专性化能自养菌，又叫亚硝化细菌、氨氧化细菌。如：亚硝化极毛杆菌、亚硝酸螺菌、亚硝化球菌属。（2）特点：1molNH3-NO2- 消耗 1.5molO2，生成1molATP.（3）过程：二步 NH3+O2+NADH+H+=NH2OH+H2O+NAD+NH2OH+O2=NO2-+H2O+H+2、 硝化细菌：亚硝酸盐的生物氧化（NO2-NO3-）（1） 类群：专性化能自养的硝化螺菌，兼性化能自养的硝化杆菌。（2） 特点：a、NO2-NO3-是在硝酸氧化酶Cyta、Cytaa3、Cytc的参与下完成的。 b、NO3-中的氧来自水，不是由分子氧提供。（3） 过程： 2NO2-+O2=2NO3-NO2-+ H2O H2O Cyt a1 Cyt a3NO3-+2H+ ADP+Pi ATP 1/2O2+H+硝化细菌的作用：（1）避免亚硝酸积累，发生毒害。（2）促进自然界氮素循环。（三）硫细菌：即：能将S、S2-、S2O32-氧化形成SO42-的细菌。（1） 概念：能够利用S、S2-、S2O32-等无机硫化合物进行自养个长的细菌都称为硫细菌或硫氧化细菌。（2） 类群：主要是化能自养型硫细菌，硫杆菌属、阿托氏菌属、发硫菌属、嗜热丝菌、硫化叶菊属等，紫硫细菌和绿硫细菌。（3） 过程：硫杆菌利用S、S2-、S2O32-等硫化物氧化过程中释放的能量自养生长。多数硫杆菌为专性化能自养和专性好氧，少数为兼性化能自养和兼性厌氧。图6-21硫杆菌氧化硫化物的途径。 S2O32- APSS2-S-SO32-SO42- APS：腺苷酰硫酸。（四）铁细菌少数能氧化。Fe2+成为Fe3+并产能的细菌称为铁细菌或铁氧化细菌。种类：是一个生理类群，包括亚铁杆菌属、嘉利翁氏菌属、纤发菌属、泉发菌属和球衣菌属。氧化亚铁硫杆菌和硫化叶菌，除了能氧化元素硫和硫化物外，还能氧化亚铁离子，所以是硫细菌，也是铁细菌。营养：大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。氧化亚铁硫杆菌在缺乏铁时，也能利用葡萄糖等有机化合物进行异养生长。氧化亚铁硫杆菌从氧化铁的反应只得到少量的能量：Fe2+4H+O2-Fe3+2H2O+284.21kJ/mol(五)细菌沥滤（浸出）氧化亚铁硫杆菌(和氧化硫硫杆菌)等(氧化铁和硫的)细菌，有氧化硫化物矿中的硫和硫化物的能力,转化成水溶性重金属硫酸盐，从低品位矿中浸出金属的过程称为细菌沥滤或细菌浸出，这就是所谓的细菌冶金。种类：可浸出的重金属有Cu、Ni、Mn、Fe、Zn、Mo和U等。铜矿类型：黄铜矿(CuFeS2)、辉铜矿(Cu2S)、蓝铜矿(CuS)和班铜矿(Cu5FeS4)等。P122图622为蓝铜矿的细菌沥滤原理和过程。蓝铜矿的细菌沥滤大致可以分为3个步骤：氧化池中的氧化亚铁硫杆菌通过反应： 2S+3O2+2H2O-2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2-2Fe2(SO4)3+2H2O 把Fe2+氧化成为沥滤(或浸矿)剂 Fe2(SO4)3；低品位铜矿石中的铜在沥滤剂作用下以CuSO4的形式浸出： CuS+2Fe2(SO4)3+2H20+O2-CuSO4+ FeSO4+2H2SO4用铁屑置换出CuSO4中的铜并收集：CuSO4+ Fe= Cu+ FeSO4四、自养微生物对CO2的固定光-ATP-CO2-CH2O（一） 卡尔文循环和C4途径：略（下页）(二)自养固定CO2的其他途径绿色细菌、产乙酸菌和产甲烷菌利用其他的途径固定CO2。1还原性三羧酸循环途径：绿色细菌嗜硫代硫酸盐绿菌逆三羧酸循环途径还原固定CO2(图623)。 反应式为：3 CO2+10H十2ATP-丙酮酸- - - -Glc等。 2乙酰CoA途径 不是循环途径。P123图624产乙酸菌、产甲烷菌与某些硫酸盐还原细菌，利用乙酰CoA途径固定CO2。通过乙酞CoA途径的关键酶是一氧化碳脱氢酶，它催化反应：CO十H2O-CO2十2H+十2e，固定时还需要有四氢叶酸(THF)和类咕琳(即维生素B12)等辅酶。每次固定2分子CO2，产物为乙酸。第二节 微生物特有的合成代谢途径特有代谢产物很多(抗生素)。本节仅讨论固氮作用和肽聚糖的生物合成。一、 生物固氮作用 生物体内将分子氮还原成氨的过程。1、 发现：1888年贝哲林克第一次分离到固氮微生物。2、 种类：目前发现50个属，均属于原核微生物。3、 固氮量：全球1.5亿吨/年，耕地4400万吨，工业生产4500万吨。（一）固氮微生物种类自生固氮菌、共生固氮菌、联合固氮菌。P124（TB）略。（二）固氮作用机制 固氮酶 Mg2+总反应式：N2+8H+n（16-24）ATP=2NH3+2H2+ADP+nPi1、固氮作用的能量和电子传递（1） ATP：固定1MOL N2需要18-24MOL ATP，ATP与Mg2+结合才有活性。其中：6-9MOL ATP用于电子传递15MOL 用于催化反应。ATP来自EMP、有氧呼吸、无氧呼吸或光合磷酸化。（2） 还原力（H和e）：来源于有机物的分解或水光解。（无机物氧化）电子传递中需要Fd（铁氧还蛋白）和Fld(黄素氧还蛋白)。电子的供体、受体、载体，电子最终受体是N2。2、固氮酶：由铁蛋白（Azfd）和钼蛋白（Mofd）组成。（2：1）P125（B6-8）（1）组分I（铁钼蛋白）：22万D，由二种亚基构成的四聚体。 含有：2个钼原子，30个铁原子，32个S,30个游离的-SH。特点：对氧敏感，遇氧失活。（2）组分II（铁蛋白）： 5.5万D,由二个相同的亚基构成二聚体。含有：4个铁原子，4个硫原子，12个-SH。 特点：对氧敏感，遇氧失活。是电子活化中心，ATP与铁蛋白结合放能使电子获能。生物固氮中有氢气的放出，有1/3的电子用于H+的还原。固氮酶有相对专一性，对CHCH（CN、N2O、NO2-）等，也可还原成CH=CH等。常利用此反应测定固氮酶的活性。NADPH23、固氮作用的过程：二个阶段 电子最终受体是N2。(1)固氮酶的形成： 还原 ATP-MgNADPH2-Fd(Fd)-组分(Fe3+)-组分(Fe2+)-组分-Mg2+-ATP-氮-组分（1：1）-固氮酶复合物（组分IIMg2+-ATP-氮-组分I）。(2)固氮阶段固氮酶-e-组分-Mg-ATP-组分I（Fe）-Mo-N2-NH3。组分-Mg-ATP复合物转移e后成为氧化型，同时ATP-ADP+Pi。转移6Mol电子，将1Mol氮还原成2Mol NH3。实际上，1Mol氮还原成2Mol NH3时，有8Mol电子转移，还有2 Mol H2。其原因尚不清楚，但H2的产生是固氮酶反应中一个不可分割的组成部分。固氮作用的产物NH3与酮酸结合生成相应的氨基酸。如：与丙酮酸结合生成丙氨酸，与酮戊二酸结合生成谷氨酸等。通过GS（谷氨酰胺合成酶）和GOGAT（谷氨酸合成酶）转氨。GDH（GLU 脱氢酶）转氨。（3）固氮作用的调节机制：固氮酶遇氧失活，故好氧固氮菌必须有防氧机制。PO2高固氮酶失活，PO2低影响细胞呼吸。（三）好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制（防氧机制）固氮酶对氧极其敏感，厌氧固氮菌不成问题。多数固氮菌是好氧菌，必须有保护固氯酶的机制：1固氮菌保护固氮酶的机制 (1)呼吸保护 固氮菌属的细菌以较强的呼吸强度迅速耗去固氮酶周围的氧。维捏兰德固氮菌：通过分的呼吸链控制细胞内氧的分压。 I II Cyta2(d) IIINADH2-Fe-S-FMN(Fp)-CoQ-Cytb1-CytC5-O2Cytc4-Cyta1I、II、III处形成ATP。PO2高时经Cytc4、d、a2消耗O