微生物的代谢重点

微生物的代谢重点第1页/共62页第五章微生物的新陈代谢第2页/共62页代谢概论代谢（metabolism）：推动一切生命活动的动力源，细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢分解代谢(catabolism)异化作用合成代谢(anabolism)同化作用复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]新陈代谢的本质既存在高度的统一性，又存在明显的多样性。第3页/共62页第4页/共62页微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图第5页/共62页一、概述

葡萄糖降解代谢途径生物氧化：

发酵作用产能过程呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能第一节微生物的产能代谢

——将最初能源转换成通用的ATP过程第6页/共62页生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物自养微生物利用无机物异养微生物利用有机物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中生物氧化的过程：脱氢、递氢和受氢三种第7页/共62页2、化能自养微生物的生物氧化与产能

通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。利用固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。代谢特点

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。第8页/共62页3、光能自养或异氧微生物的产能代谢

指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物。前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H’和电子形成还原力(NADPH+H’)

（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）第9页/共62页二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED等。）

1）EMP途径（糖酵解途径、己糖二磷酸途径）葡萄糖丙酮酸有氧：EMP途径与TCA途径连接；产生6ATP

无氧：还原一些代谢产物，

(专性厌氧微生物)产能的唯一途径。

10步反应丙酮酸乳酸：无氧乙醛——乙醇：无氧与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水第10页/共62页第11页/共62页分为两个阶段：1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛（中间产物：核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸）。2）HMP途径（戊糖磷酸途径、己糖一磷酸途径）第12页/共62页第13页/共62页HMP途径的总反应6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++6CO2+Pi6C6ATP12NADPH+H+6C56CO2经呼吸链36ATP5C635ATP重新合成己糖第14页/共62页特点：a

、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成，b、产大量的NADPH+H+还原力；c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖）d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存

e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。第15页/共62页

3）ED（KDPG）途径

——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径

1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假单胞菌

过程：（4步反应）

1葡萄糖

6-磷酸-葡萄糖

6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱氢酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶特点:

a、步骤简单

b、产能效率低：1ATPc、关键中间产物KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶

细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。第16页/共62页

ATP

有氧时经呼吸链

6ATP

无氧时进行发酵2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸

ATP C6H12O6KDPGED途径的总反应C6H12O6+ADP+Pi

+NADP++NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+第17页/共62页第18页/共62页

1、定义

广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。

狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢产物作为最终氢（电子）受体的产能过程

特点：

1）通过底物水平磷酸化产ATP；

2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；

3）产能率低；

4）产多种发酵产物。三、发酵（fermentantion）第19页/共62页2、发酵类型1）乙醇发酵

a、酵母型乙醇发酵

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

条件：pH3.5~4.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）

i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羟乙醛（难溶）甘油

ii、弱碱性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油——甘油发酵（EMP）第20页/共62页b、细菌型乙醇发酵

(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)

同型酒精发酵：ED途径G+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP

异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）：HMP途径

G+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP

第21页/共62页2）乳酸发酵

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）

G+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATP

异型乳酸发酵:除乳酸外还有乙醇、乙酸、CO2

肠膜明串株菌产能：1ATP

双歧杆菌（HMP）

产能：2G5ATP即1G2.5ATP

第22页/共62页3)混合酸、丁二醇发酵a混合酸发酵：

——肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙酸乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：

E.coli、产气肠杆菌

甲酸CO2+H2

（甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G不产气。CO2+H2

第23页/共62页b丁二醇发酵（2，3--丁二醇发酵）

——

肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应：

1、V．P．实验2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）

E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：第24页/共62页

4）氨基酸的发酵产能（stickland反应）stickland反应：以一种氨基酸作底物脱氢，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双酶梭菌等。特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）

第25页/共62页氧化

丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3还原CH3CHNH2COOH+2CH2NH2CH2NH2ADP+PiATP3CH3COOH+3NH3+CO2(丙氨酸)供体(甘氨酸)受体(乙酸)第26页/共62页四、呼吸（respiration）

——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢经过系列载体最终传递给外源O2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（aerobicrespiration）

无氧呼吸（anaerobicrespiration）

1有氧呼吸

原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上真核微生物：线粒体内膜上

2个产能的环节：TCA循环、电子传递。第27页/共62页第28页/共62页TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。

第29页/共62页（2）电子传递链1）电子传递链载体:NAD(P)H脱氢酶黄素蛋白(FP)

铁-硫蛋白辅酶Q（CoQ）细胞色素类蛋白在线粒体内膜中以5个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。

第30页/共62页2）氧化磷酸化产能机制

——化学渗透假说化学渗透学说---英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出的。在氧化磷酸化过程中,通过呼吸链有关酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内侧传递到膜的外侧,从而造成了膜两侧质子分布不均匀,此即质子动势的由来,也是合成ATP的能量来源.通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新回到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP.

质子推动力（Δp）取决于跨膜的质子浓度（ΔpH）和内膜两侧的电位差（Δψ）。

第31页/共62页

特点：

a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；

b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）

c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用特点：

a有其完整的呼吸系统；

b只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作用所需的硝酸盐还原酶A、亚硝酸还原酶等

c兼性厌氧

细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2无氧呼吸（厌氧呼吸）第32页/共62页同化性硝酸盐作用：作为氮源营养物

NO3-

NH3-NR-NH2

异化性硝酸盐作用：还原无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体

NO3-NO2NON2ON2

反硝化意义：1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。

亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐呼吸（反硝化作用）第33页/共62页

硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）

——厌氧时，SO42-

、SO32-、S2O32-等为末端电子受体的呼吸过程。

特点：

a、严格厌氧；

b、大多为古细菌

c、极大多数为专性化能异氧型，少数为混合型；

d、最终产物为H2S；

SO42-

SO32-SO2SH2Se、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作为氢供体或电子供体；

f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）

第34页/共62页硫呼吸（硫还原）

——

以元素S作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等最终产物为H2S，一般为厌氧菌。氧化乙酸脱硫单胞菌碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）

——以CO2、HCO3-

为末端电子受体产甲烷菌

—

利用H2作电子供体（能源）、CO2为受体，产物CH4；产乙酸细菌

—H2/CO2

进行无氧呼吸，产物为乙酸。

第35页/共62页其他类型无氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末端电子受体的无氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。利用微生物还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污第36页/共62页第二节微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用

真核生物：藻类及其他绿色植物

产氧原核生物：蓝细菌光能营养型生物不产氧（仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌——好氧菌各种绿色植物、藻类蓝细菌：专性光能自养。

(H2S环境中，只利用光合系统进行不产氧作用)。第37页/共62页2）不产氧光合细菌a、紫色细菌

——只含菌绿素a或b。紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大，沉积胞内。氢供体：H2S、H2

或有机物。

H2SSSO42-

；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+氧化产生Fe(OH)3沉淀第38页/共62页2、细菌光合色素

1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm2）菌绿素——a、b、c、d、e、g。

a：与叶绿素a基本相似；850nm处。

b：最大吸收波长840~1030。

3）辅助色素：提高光利用率类胡萝卜素：

藻胆素：蓝细菌独有藻红素（550nm）、藻蓝素（620~640nm）

藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。

第39页/共62页3、细菌光合作用1）循环光合磷酸化

细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素，吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。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H2S等无机物；

c、不产氧（O2）。第40页/共62页

2）非循环光合磷酸化

特点：

a、电子传递非循环式；

b、在有氧的条件下进行；

c、ATP、还原力、O2同时产生

当光反应中心的叶绿素吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(还原力)，而不是返回氧化型。

第41页/共62页二、细菌化能自养作用

化能无机营养型细菌：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。

产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2＋)。固定C02作为它们的碳源。最重要反应：

CO2

还原成[CH20]水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分

——大量耗能、耗还原力的过程。第42页/共62页1硝化细菌

能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。

好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。

a、亚硝化细菌

NH3+O2+2H+NH2OH+H2O氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化细菌NO2-+H2O

亚硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子ATP)第43页/共62页2氢细菌（氧化氢细菌）

能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自养菌主要有假单胞菌属、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(Nocardia)等。

产能：2H2+O2

—2H2O

合成代谢反应：

2H2+CO2

—[CH2O]+H2O。

第44页/共62页3硫细菌（硫氧化细菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌

嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。第45页/共62页产能途径第一阶段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化为SO32－第二阶段，形成的SO32－进一步氧化为SO42－和产能。1、由细胞色素－亚硫酸氧化酶将SO32－直接氧化成为SO42－，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosinephosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－产生1.5分子ATP。第46页/共62页4铁细菌和细菌沥滤

(1)铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。）

定义：能氧化Fe2＋成为Fe3＋并产能的细菌被称为铁细菌(ironbacteria)或铁氧化细菌(ironoxidizingbacteria)。包括亚铁杆菌属(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌属(Gallionella)、纤发菌属(Leptothrix)、泉发菌属(Crenothrix)和球衣菌属(Sphaerotilus)的成员。有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillusfrrooxidans)和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。大多数铁细菌还是嗜酸性的。铁细菌的细胞产率也相当低第47页/共62页

(2)细菌沥滤

——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。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成

2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2—2Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出

CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2—CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、铁屑置换CuSO4中的铜

CuSO4+Fe—FeSO4+Cu

——适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出率达70%~80%。

第48页/共62页1、固氮微生物的种类

一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。

自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能固氮的微生物。根际—芽孢杆菌属；叶面—固氮菌属。三、固氮作用第49页/共62页2、固氮机制1）固氮反应的条件

aATP的供应：

1molN2

—10~15ATPb还原力[H]及其载体氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧还蛋白（Fld）。

c固氮酶

组分I：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd）第50页/共62页组分II：

固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮铁氧还蛋白（AzoFd）特性：对氧极为敏感；需有Mg2+的存在；专一性：除N2外，可还原其他一些化合物

C2H2

—C2H4；

2H+

—H2

；

N2O—N2；HCN—CH4+NH3

（乙炔反应：可用来测知酶活）d还原底物N2：

NH3存在时会抑制固氮作用。第51页/共62页

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

固氮阶段

N2*—2NH3+H2

即75%还原力用来还原N2，25%的还原力以H2形式浪费2）固氮生化过程第52页/共62页

第三节微生物次级代谢与次级代谢产物次级代谢与次级代谢产物

一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。

次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。第53页/共62页

次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响；

次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。

次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能，也不是生物体生长繁殖的必需物质，但对其它生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。第54页/共62页一、微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型：

初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶；次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。按照发酵类型：自然发酵：酒精、乳酸等，代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等；中间产物，柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；第四节微生物