微生物学：第六章微生物代谢第一节

1、第六章 微生物代谢第一节 微生物代谢概论 微生物代谢是指微生物细胞所进行的一切化学反应和物理作用。 分解代谢又称降解反应，是将大分子降解成小分子，并通常伴随着能量释放的过程。 合成代谢又称生物合成，是指导致细胞分子和结构合成的任何反应，它是分子构建和成键过程，需要消耗能量，是将小分子物质合成较大和较复杂分子的过程。第二节 微生物的产能代谢 微生物产能代谢（fueling reactions） 微生物获得生物合成所需的前体代谢物、能量和还原力，并提供微生物细胞生命活动所需要能量的代谢过程，称作。 微生物产能代谢特点 它的产能代谢的多样性，微生物作为一个类群能够通过氧化有机化合物、或氧化无机化合物

2、、或通过俘获光能获得能量和还原力，据此可分为化能异养作用、化能自养作用和光合作用。 一、化能异养作用异养微生物利用有机物通过分解代谢途径（即生物氧化）进行产能代谢。 在化能异养微生物的分解代谢途径中，能源有机物可以在有氧或厌氧条件下经脱氢（或电子）、递氢（或电子）、和受氢三个阶段合成ATP、产生还原力H和小分子中间代谢物。 氧有氧呼吸 非氧无氧呼吸 无发酵作用有呼吸作用 呼吸电子传递链最终电子受体呼吸作用葡萄糖或其他有机基质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源的氧气或其他氧化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸厌氧呼吸氢受体：氧气氢受体：氧化型化合物 （一）有氧呼吸有氧呼吸是一

3、系列将葡萄糖转化为CO2并放出能量的反应，它依赖于自由氧作为电子和氢的最终受体，使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢），产生大量的ATP。 有氧呼吸是许多细菌、真菌、原生动物和动植物的特征，因而与动植物一样，有着共同的代谢途径，如糖酵解途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环和呼吸电子传递链途径，这些共同的代谢途径构成了所谓的中心产能代谢（Central Fueling Metabolism）。 1、中心产能代谢呼吸电子传递链大多数细菌有糖酵解和磷酸戊糖途径，只有少数微生物利用ED途径代替糖酵解途径产能。 ED途径存在于假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、农杆菌和运动发酵单胞菌中。2、替代产能途径脱氧酮糖酸途径特点

4、： a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 (二) 无氧呼吸无氧呼吸（anearair respiration），又称厌氧呼吸：是指某些细菌在厌氧条件下，以含氧化合物替代自由氧作为最终电子受体，仍使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢）的呼吸作用。特点无氧条件，厌氧或兼性厌氧微生物进行的特殊呼吸作用；具有与好氧呼吸同样的中心代谢途径（EMP，HMP, TCA循环和呼吸链）；不以分子氧作最终电子受体，而是以NO3-、SO42-、CO22-、及延胡索酸等含氧化合物作为最终电子受体。 1、硝酸盐呼吸，又称反硝化作用：是指在无氧条件下，某些兼性厌氧菌以

5、硝酸盐作为呼吸链最终氢受体，先由硝酸盐还原酶催化产生亚硝酸盐NO2-，然后再逐步被还原成NO、N2O和N2的过程。主要有铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、脱氮副球菌(paracoccus denitrificans)等，这些菌为兼性厌氧菌。 反硝化作用是生物圈的氮循环中的重要组成部分，对农业生产及地球物质循环有很大影响。 反硝化作用的生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力

6、。松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。2、硫酸盐呼吸，又称硫酸盐还原(sulfate reduction)：是指微生物在严格厌氧条件下以硫酸盐(SO42-)作为末端电子受体的一类特殊呼吸。在这个过程中从底物脱下的氢，经呼吸链传递至硫酸盐形成最终产物H2S，并在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联产生ATP。亚硫酸盐(SO32-)、硫代硫酸盐(S2O32-)或其他氧化态硫化合物也可作为电子受体。进行硫酸盐呼吸的细菌称硫

7、酸盐还原细菌(sulfate reducing bacteria)或反硫化细菌，它们是严格厌氧的古生菌，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、脱硫肠状菌属等。硫酸盐呼吸在自然界的硫素循环以及促进厌氧环境有机物循环及农业生产中具有重要作用。3、硫呼吸：以无机硫作为呼吸链末端氢受体而获得生长所需能量的一类无氧呼吸。能进行硫呼吸的都是兼性或专性厌氧细菌，如氧化乙酸脱硫单胞菌(Desulfuromonas acetoxidans)，能在厌氧条件下通过氧化乙酸为CO2和还原元素硫为H2S的偶联反应而生长：CH3COOH+2 H2O+4 S 2 CO2+4 H2S。4、碳酸盐呼

8、吸，又称碳酸盐还原。这是一类以CO2或碳酸盐(HCO3-)作为呼吸链最终氢受体的无氧呼吸。根据还原产物不同而分两类：一类是专性厌氧的产甲烷菌 (methanogens，methane-producing bacteria)，它们利用H2作为电子供体，以CO2作为末端电子受体，产物为甲烷。另一类是专性厌氧的乙酸菌，它们利用H2CO2进行无氧呼吸产生乙酸。 （三）发酵作用 狭义概念：发酵作用是指在缺氧的条件下，葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用，并以其不完全分解产物作为电子（氢）的最终受体，不经过呼吸电子传递链直接接受电子，还原生成发酵产物，仅通过底物水平磷酸化产生少量的ATP。 广义概念：利

9、用微生物的作用来大规模生产各种产品的工业过程被称为发酵，尽管工业发酵甚至发生在有氧条件下，如抗生素、激素、维生素和氨基酸的生产。1、乙醇发酵微生物学与第一次世界大战德国：（Carl Neuberg）磷酸二羟基丙酮NADHNAD+ 磷酸甘油 甘油丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇3%的亚硫酸氢钠 （pH7）Saccharomyces cerevisiae厌氧发酵 (pH 3.54.5)（磺化羟基乙醛） (难溶)GEMP 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP （EMP）1、 乙醇发酵a、酵母型乙醇发酵1. 发酵(fermentation)解淀粉欧文氏菌（Erwinia

10、 amylovora） 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）厌氧发酵 (pH 3.54.5) 少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）（ED）乙醇+ 1ATP（丙酮酸甲酸解酶）乙醇甲酸 + 乙酰- CoAb、细菌型乙醇发酵 同型酒精发酵 1 G1 G2 丙酮酸异型酒精发酵2 丙酮酸乙醛 2、乳酸发酵a.同型乳酸发酵（德氏乳杆菌、植物乳杆菌等） EMP途径（丙酮酸 乳酸）b.异型乳酸发酵（PK途径）肠膜明串株菌（PK途径） 产能 ：1ATP 双歧双歧杆菌（PK） 产能：2G 5 ATP 即 1G 2.5ATP1. 发酵(fermentation)乳酸葡萄糖6磷酸葡萄糖6磷

11、酸葡萄糖酸5磷酸核酮糖5磷酸木酮糖ATPADPNAD+NADH+H+NAD+NADH+H+CO25磷酸木酮糖裂解酶3磷酸甘油醛乙酰磷酸乳酸乙醛乙醇NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+2ADP2ATP磷酸丙糖代谢丙酮酸葡萄糖6磷酸葡萄糖6磷酸果糖ATPADP3磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮NAD+NADH+H+1，6二磷酸果糖ATPADP1，3二磷酸甘油酸3磷酸甘油酸2磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸ADPATPADPATPNADH+H+ NAD+同型乳酸发酵：德氏乳杆菌植物乳杆菌（EMP途径）产能 ：2ATP异型乳酸发酵：肠膜明串珠菌（PK途径）产能 ：1ATP c.异型乳酸发酵的双歧杆菌途径3、

12、丙酮-丁醇发酵英国：有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：用于生产人造橡胶；丁醇：用于生产无烟火药；当时的常规生产方法：对木材进行干热分解大约80到100吨桦树、山毛榉、或枫木生产1吨丙酮1. 发酵(fermentation)英国：（Chaim Weizmann）丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（1915），每100吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇。 严格厌氧菌进行的 唯一能大规模生产的发酵产品。 （丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1） 丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰 CoA丙酮 + CO2（CoA转移酶）丁醇1.

13、 发酵(fermentation)第一次世界大战（1914-1918）爆发后，一名英籍犹太人查姆魏兹曼（Chaim Weizmann）助英国成功研制新型炸药无烟炸药，使在当时处于劣势的英国反败为胜。为答谢魏兹曼的功劳，当时的英国政府答应协助犹太人在巴勒斯坦复国，在1917年11月发表了贝尔福宣言（Balfour Declaration）：英国政府赞成在巴勒斯坦为犹太人设立民族乡土，为达成这一目的，将尽最妥善的努力。 以色列的首任总统1948年与杜鲁门的会谈对美国最终决定支持以色列建国发挥了关键作用4、混合酸发酵1. 发酵(fermentation)大肠杆菌：不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分

14、类鉴定的重要依据。肠道菌E.coli、沙氏菌（Salmonalla）、志贺氏菌（Shigilla）等）丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2产酸产气志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解产生H2和CO2产酸不产气大肠杆菌：产气肠杆菌：V.P.试验阳性甲基红试验阴性V.P.试验阴性甲基红试验阳性丁二醇发酵（2，3-丁二醇发酵）特点：5、氨基酸的发酵产能（stickland反应）氨基酸的氧化与还原相偶联； 产能效率低（1ATP）氢供体（氧化）氨基酸： Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氢受体（还原）氨

15、基酸： Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。 发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等1. 发酵(fermentation)二、化能自养作用一些微生物能够以无机物作为能源，通过无机电子供体的氧化，从无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链而到达最终电子受体O2，并通过氧化磷酸化产生ATP，这种生物氧化与产能方式被称为化能自养作用。 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低 4）生长缓慢，产细胞率低代谢特点CO2 + H +ATP CH2O CO2 还原成CH2O 简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过

16、程。俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：化能无机自养型微生物的发现：氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）1、 氨的氧化 2、 硫的氧化3、铁的氧化 4、 氢的氧化根据氧化无机化合物种类 硝化细菌 硫细菌 铁细菌 氢细菌 1.硝化细菌 土壤中的氨被氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用(nitrification)。 能氧化氨、亚硝酸盐一类还原含氮物的化能无机营养型细菌称为硝化细菌，这包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)和亚硝化螺菌属(Nitrosospira)，它们将氨氧化

17、成亚硝酸盐，故称氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria)；然后硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化刺菌属(Nitrospina)和硝化球菌属(Nitrococcus)则进一步氧化亚硝酸盐生成硝酸盐，故也称亚硝酸氧化细菌。 2.氢细菌 又称氧化氢细菌(hydrogen oxidizing bacteria)，是一类利用氢作为能源的细菌类群，主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardi

18、a)等。3、 硫的氧化硫细菌（sulfur bacteria）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、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经 Cyt.c 部位进入呼吸链； 而脱氮硫杆菌从FP或 Cyt.b水平进入。2、 硫的氧化利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。 4、铁细菌和细菌沥滤多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。细菌沥滤又称细菌浸出或细菌冶金适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出率达70% 80%铁氧化细菌呼吸链的

19、氧化磷酸化的产能途径原理： a、浸矿剂的生成 b、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出2S + 3O2 + 2H2O2H2SO44FeSO4 + 2H2SO4 + O22Fe2（SO4）3 + 2 H2OCuS + 2 Fe2(SO4)3 + 2H2O + O2CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4c、铁屑置换CuSO4中的铜FeSO4 + CuCuSO4 + Fe 微生物捕捉光能并将光能转化为化学能的过程称为光合作用。 光合作用是光能营养微生物产能的方式 微生物进行的光合作用占地球上光合作用的50%以上。 微生物光合作用呈现多样性：不产氧光合作用(anoxygenicphotosynth

20、esis)、产氧光合作用(oxygenicphotosynthesis)、嗜盐菌紫膜的光合作用。三、光合作用 光合细菌类群 1）产氧光合细菌 蓝细菌和微藻：专性光能自养 (H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。 2）不产氧光合细菌a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 bb、绿色细菌（绿硫细菌）含较多的菌绿素c、d 或 e ，少量 a3）极端嗜盐古细菌 不含叶绿素 a、盐生盐杆菌(Halobacterium halobium) b、红皮盐杆菌(H. cutirubrum) 1、不产氧光合作用 不产氧光合微生物主要包括绿细菌（含绿色硫细菌和绿色非硫细菌）和紫细菌（含紫色硫细菌和紫色非硫细菌)两个类群。 特点： 绿细菌和紫细菌含有细菌特有的叶绿素菌绿素（bacteriochlorophyll)，缺少光合系统II，光合作用过程中不以水为电子供体通过裂解产生O2，故称不产氧光合作用。光合细菌依靠菌绿素的光合作用系统，在光能驱动下通过电子的循环传递与ADP磷酸化偶联产生ATP，称为循环光合磷酸化作用。不产氧光合作用特点a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循 环，又回到菌绿素；b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2SH2等还原 态无机物或有机物；c、不产氧（O2）; 三、光能营养微生物d