第五章微生物代谢

第五章微生物的代谢,概述,代谢（metabolism）是微生物细胞与外界环境不断进行物质交换的过程，是细胞内各种化学反应的总和。代谢=物质代谢+能量代谢物质代谢和能量代谢是不能割离开的！,分解代谢+合成代谢,产能代谢+耗能代谢,大分子小分子分解代谢产生能量代谢能量代谢物质代谢消耗能量合成代谢小分子大分子,代谢的相互关系,按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢是微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生产维持生命活动所需要的物质和能量的过程。产物包括：糖类、氨基酸、脂肪酸、蛋白质、核酸等。次级代谢是微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些非生命活动所必需的代谢物质。例如：抗生素、毒素、激素、色素、维生素等。,其他的分类方式,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。,能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。这就是产能代谢。,最初能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能微生物,通用能源（ATP）,第一节微生物的产能代谢,生物氧化是发生在活细胞内的一系列产能性的氧化反应的总和，即物质在细胞内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程。能量以高能键形式贮藏在ATP分子内。P102,一、异养微生物的生物氧化,绝大多数微生物是化能异养型，它们通过降解有机化合物来获得能量。化能异养型微生物进行能量代谢的最基本途径是葡萄糖降解。葡萄糖降解主要分为EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。,生物氧化过程中，发酵和呼吸都是先将葡萄糖降解为丙酮酸。,糖酵解的4种途径,糖酵解生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解。EMP途径HM途径ED途径磷酸解酮酶途径,EMP途径又称糖酵解途径。它是以1分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在整个反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADH+H+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。,EMP途径,NADH+H+为还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又称还原辅酶，有时用NADH2来表示。,EMP途径是绝大多数微生物的基本代谢途径。产能效率低，1分子葡萄糖净产2个ATP。EMP途径提供多种中间代谢产物，为合成代谢提供原料。在一定条件下可以逆向合成多糖。在有氧条件下，EMP途径与TCA循环（三羧酸循环）连接，通过TCA循环把丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。在无氧条件下，丙酮酸转变成各种发酵产物，与发酵工业密切相关。例如，酵母菌将丙酮酸还原成乙醇；乳酸菌将丙酮酸还原成乳酸。,EMP途径的特点,1.发酵,在发酵工业上，是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。在能量代谢中，发酵是指微生物在无氧条件下，将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量，并产生各种不同的代谢产物。发酵条件下，有机物只是部分氧化，释放能量少。,无氧条件下，丙酮酸的去向,乙醇等乳酸等丙酸混合酸,发酵产物,2.呼吸,呼吸微生物在底物降解过程中，释放出的电子经电子传递系统传给氧或外源电子受体，从而产生水或其他还原型产物，并释放出大量能量的过程，称为呼吸作用。以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸，以氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸。呼吸和发酵的区别：发酵是将电子传递给代谢途径中的中间产物；呼吸作用中，电子经电子传递系统交给外源电子受体（O2、NO3、SO42）。,（1）有氧呼吸,有氧呼吸过程中，丙酮酸经三羧酸循环（TCA循环）被完全氧化成二氧化碳；脱下的电子经电子传递链（呼吸链）的作用，与氧分子接合生产水；并且产生大量的ATP。（丙酮酸经TCA循环彻底氧化后可形成15分子的ATP）葡萄糖丙酮酸二氧化碳+水一分子葡萄糖经糖酵解和有氧呼吸后，可彻底分解成二氧化碳和水，并产生36或38个ATP。P109,（2）无氧呼吸,无氧呼吸是厌氧和兼性微生物在无氧条件下进行的呼吸作用。无氧呼吸过程中，电子经电子传递链交给NO3、NO2、SO42、S2O42、二氧化碳等含氧化合物。无氧呼吸时，电子传递链比呼吸链（有氧呼吸电子传递链）短，释放的能量也比有氧呼吸时少。,二、自养微生物的生物氧化,从无机物的氧化获得能量，以无机物为电子供体。一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质。,1.氨的氧化,NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源。亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量,作用：1、将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。2、在自然界的氮素循环中也起着重要的作用，在自然界中分布非常广泛。,2.硫的氧化,硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多聚硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。,3.铁的氧化氧化亚铁硫杆菌,亚铁（Fe2+）只有在酸性条件（pH低于3.0）下才能保持可溶解性和化学稳定；当pH大于4.5，亚铁（Fe2+）很容易被氧气氧化成为高价铁（Fe3+）。,第二节耗能代谢,一、细胞物质合成CO2固定、生物固氮、二碳化合物同化、糖类合成、氨基酸合成、核苷酸合成二、其他耗能反应运动、运输、生物发光,共生固氮菌（根瘤菌）,第三节分解代谢和合成代谢,物质代谢（新陈代谢）=分解代谢+合成代谢分解代谢是复杂的营养物质分解成简单化合物并释放出能量的过程。合成代谢是细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子物质的过程，需要消耗能量。,一、分解代谢,糖类物质是异养微生物的主要碳素来源和能量来源，包括各种多糖（淀粉、纤维素、半纤维素、果胶等）、双糖和单糖。大分子糖类物质必须由相应的酶类分解为双糖、单糖后才能进入微生物的分解代谢。例如，各种淀粉酶（-淀粉酶、-淀粉酶、糖化酶等）可将淀粉水解成葡萄糖。,（一）糖类物质的分解,多糖单糖丙酮酸H2O、CO2,（二）蛋白质和氨基酸的分解,蛋白质短肽氨基酸,蛋白酶,肽酶,脱羧作用,脱氨作用,（三）脂肪类物质的分解,一般情况下，微生物首先利用环境中容易利用的营养物质（结构简单、分子量小的）；当环境中只有脂肪类物质时，微生物才分解利用脂肪来生长和获取能量。微生物分解和利用脂肪一般比较缓慢。脂肪酸被彻底氧化后可以产生大量的能量，例如：1分子16C的饱和脂肪酸被彻底氧化时可获得130个ATP。,（四）与分解代谢有关的生化试验,不同种类的微生物能产生不同的酶类，因此，不同的微生物能够利用的营养物质是不同的。即使是针对相同的营养物质，不同的微生物有不同的利用方法（导致最终产物不同）。人为的设计一些培养基和检测方法，可以比较方便的了解微生物的生理过程。,1.糖类发酵实验,培养基：葡萄糖发酵管、乳糖发酵管等指示剂：溴甲酚紫原理：糖类有机酸，pH，指示剂由紫变黄有机酸气体方法：糖发酵管观察结果,接种，培养,35，1824h,葡萄糖发酵管配方：牛肉膏3g蛋白胨10gNaCl5g葡萄糖5g溴甲酚紫溶液0.1ml蒸馏水1000ml,1.糖类发酵实验,结果判断和表示方法黄色/无气体A或+黄色/有气体AG或+紫色N或,2.甲基红试验（MR试验）,培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）指示剂：甲基红原理：糖类丙酮酸有机酸，pH指示剂变色，黄红方法：结果判断和表示方法红色+橙黄色,2.甲基红试验（MR试验）,3.枸橼酸盐利用试验,培养基：枸橼酸盐培养基指示剂：溴麝香草酚蓝（BTB）原理：枸橼酸盐碳酸盐，pH指示剂变色，绿色蓝色结果判断和表示方法培养基颜色变蓝+培养基颜色不变（绿）,又称柠檬酸钠，在食品、饮料工业中用作风味剂、稳定剂；在医药工业中用作抗血凝剂、化痰药和利尿药。,枸橼酸盐培养基配方：枸橼酸钠2gNaCl5g磷酸二氢铵1gMgSO40.2g磷酸氢二钾1g溴麝香草酚兰溶液3ml琼脂20g蒸馏水1000ml,枸橼酸盐利用试验,4.吲哚试验（靛基质试验）,培养基：蛋白胨水培养基试剂：靛基质试剂原理：色氨酸吲哚+靛基质试剂玫瑰吲哚（红色）结果判断和表示方法变红+“不变色”,对二氨基苯甲醛,蛋白胨水培养基配方：胰蛋白胨20gNaCl5g蒸馏水1000ml,4.吲哚试验,5.VP试验,培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）试剂：VP试剂（VP甲液和VP乙液）原理：结果判断和表示方法：培养基颜色变红+培养基颜色不变（或变棕色）,葡萄糖,红色化合物,二乙酰,丙酮酸,乙酰甲基甲醇,胍基,碱性,O2,+,5.VP试验,注意：若滴加甲液和乙液后没有变色，不能马上判断结果为阴性。乙酰甲基甲醇在碱性条件下被氧化需要一段时间。再放入培养箱培养24h以后，判断结果。,IMViC试验,大肠产气I吲哚+M甲基红+ViVP+C枸橼酸盐+,吲哚,甲基红,VP,枸橼酸盐,IMViC试验,大肠杆菌,产气杆菌,6.硫化氢试验,原理：含硫氨基酸H2S+Fe2+FeS+Pb2+PbS,黑色沉淀,7.尿素酶试验,培养基：尿素培养基（pH6.8）指示剂：酚红原理：尿素NH3，pH指示剂变色：桔黄色红色结果判断和表示方法培养基颜色变红+培养基颜色不变（桔黄）,尿素培养基配方：蛋白胨1gNaCl5g葡萄糖1g磷酸二氢钾2g尿素终浓度2%酚红溶液3ml蒸馏水1000ml,7.尿素酶试验,8.复合生化试验,动力靛基质尿素酶试验MIU克氏双糖铁培养基试验KIA,动力靛基质尿素酶试验MIU,MIU培养基配方：胰蛋白胨10gNaCl5g葡萄糖1g磷酸二氢钾2g尿素终浓度2%酚红溶液2ml琼脂3g蒸馏水1000ml,动力靛基质尿素酶试验MIU,结果判断模糊+清晰红色+无变化红色+无变化,看穿刺线,加靛基质试剂,看培养基颜色,克氏双糖铁培养基试验KIA,培养基配方：蛋白胨20g乳糖10g牛肉膏3g葡萄糖1g酵母膏3g硫酸亚铁铵0.3gNaCl5g硫代硫酸钠0.5g酚红溶液6ml琼脂粉13g蒸馏水1000ml,可以观察四种生化结果：是否利用葡萄糖是否利用乳糖是否