微生物的能量代谢课件

第五章微生物的新陈代谢代谢概论代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]内容提要第一节微生物的能量代谢第二节分解代谢与合成代谢的关系第三节微生物独特合成代谢途径举例第四节微生物代谢调节与发酵生产一、概述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

研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源—ATP的过程。微生物可利用的最初能源有哪些？能量代谢的目的？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通用能源ATP最初能源有机物日光还原态无机物化能异养型光能营养型化能自养型生物氧化特点细胞内的酶促反应氧化反应放能逐段进行放出能量一部分以化学能形式储存于能量载体中真核生物氧化在线粒体中进行原核生物在细胞膜上进行1.化能异养微生物的生物氧化与产能形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）结果：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。生物氧化底物脱氢EMP途径HMP途径ED途径TCA循环递氢与受氢呼吸无氧呼吸发酵（一）底物脱氢的四条主要途径

生物体内葡萄糖作为生物氧化的典型底物，主要分为四种途径脱氢：

1.EMP途径：主要产物、特点、意义

2.HMP途径：主要产物、特点、意义

3.ED途径：主要产物、特点、意义

4.TCA循环：主要产物、特点、意义1.EMP途径(糖酵解途径)EMP途径:大致分为两个阶段。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸EMP途径的意义

绝大多数生物所共有的基本代谢途径。产能效率低，生理功能重要。EMP途径的生理功能：为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。在有氧条件下，EMP-TCA两途径接通,并通过后者将丙酮酸彻底氧化,形成CO2、H2O及ATP。无氧时，丙酮酸或丙酮酸的脱羧产物乙醛被还原，形成乳酸或乙醇等发酵产物。EMP途径与人类的关系：乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇发酵。2.HMP途径（磷酸戊糖途径)

HMP途径可分为氧化阶段和非氧化阶段。该途径的重要之处在于能为微生物生长提供能量和各种不同长度的碳架,用于细胞物质合成。6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核酮糖5-磷酸-核糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤藓糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOH

C=O

H-C-OHH-C-OHDCH2OP

CH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖

C=O

H-C-OHH-C-OHH-C-OP

HCH2OH

H-C-OHH-

C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖

C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OP

HCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HMP途径HMP途径的三个阶段从6-磷酸-葡萄糖开始，通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和二氧化碳。核酮糖-5-磷酸发生结构变化形成核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。几种戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，丙糖磷酸可通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化；也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。HMP途径的主要产物从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的，故称为单磷酸已糖途径。HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径。——磷酸戊糖支路

HMP途径HMP途径在微生物生命活动中的重大意义①为核苷酸和核酸的生物合成提供磷酸戌糖;②产生大量NADPH2形式的还原力，它不仅用于合成脂肪酸、固醇等重要的细胞物质，而且可通过呼吸链产生大量能量。EMP和TCA循环不具备此种功能。故凡有HMP途径的微生物，有氧时不依赖TCA循环获得产能所需NADH2;

③反应中产生的4-磷酸赤藓糖可用于合成芳香族氨基酸(苯丙氨基酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸);④由于反应中存在C3～C7多种糖,使具有HMP途径的微生物的碳源范围更广。如戌糖可用作碳源。3.ED途径

ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的另一条分解葡萄糖形成丙酮酸和3-磷酸甘油醛的途径。少数EMP途径不完整的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。1分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP、1分子NADPH和1分子NADH。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在。ED途径简图ED途径的特点葡萄糖只经过4步反应就可获得EMP需10步反应才能得到的丙酮酸特征性反应：反应中有1个关键中间产物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸

KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛缩酶终产物两分子丙酮酸的来历不同KDPG直接裂解产生由3-磷酸甘油醛经EMP途径产生产能效率低

1molATP/1molGlucoseED途径的意义

ED途径可与EMP、HMP和TCA等相连接，因此可相互协调，以满足微生物对能量、还原力和各种中间代谢产物的需求。细菌酒精发酵：运动发酵单胞菌（Zymomonas

mobilis），微好氧从丙酮酸到乙醇。具有ED途径的细菌在G-细菌中分布广泛，如假单胞菌属、根瘤菌、固氮菌，很少有革兰氏阳性细菌有这条途径。4.TCA循环三羧酸循环：指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成二氧化碳、水和NADH2的过程TCA循环在生物界中的分布:广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应。好氧微生物。真核微生物：线粒体基质。

例外，琥珀酸脱氢酶结合于膜上。原核微生物：细胞质。TCA循环简图主要产物TCA循环的总反应式起始于丙酮酸丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP起始于乙酰CoA乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3（NADH+H+）+FADH2+CoA+GTPTCA循环的特点氧气的作用氧气不直接参与NAD+和FAD的再生需要氧气产能效率每分子丙酮酸产生15ATP分解与合成代谢的枢纽地位碳架原料发酵工业TCA循环的枢纽地位葡萄糖不同脱氢途径的产能效率(二)递氢和受氢贮存在葡萄糖等有机物中的化学能，经多种途径脱氢后，经呼吸链（或电子传递链）等方式递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸以可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。底物脱氢的途径及其与递氢受氢关系底物脱氢后，脱下的氢经过完整的呼吸链传递，最终被外源氧接受，产生水并释放能量，称为有氧呼吸。底物脱氢后，脱下的氢经过完整的呼吸链传递，最终氧化态的无机物或有机物接受，称为无氧呼吸。底物脱氢后，脱下的氢未经过呼吸链传递，直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物磷酸化产能，称为发酵。呼吸链（Respiratorychain）电子传递链ETC

位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上、由一系列氧化还原电势呈梯度差的、链状排列的氢传递体（或电子传递体），它们按照氧化还原电势升高的顺序排列起来典型的呼吸链：（原核、真核）NAD(P)→FP→FeS→CoQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a3真核生物中呼吸链比较典型，原核生物中呼吸链各具体组分有很大变化，尤其是细胞色素系统。典型的呼吸链呼吸、无氧呼吸和发酵示意图什么是呼吸（有氧呼吸，AerobicRespriation）

一种最普遍和最重要的生物氧化方式。以分子氧为最终电子（和氢）受体的氧化作用，即有机物脱氢后，经完整呼吸链（电子传递链）递氢，最终以分子氧作为受氢体产生水，释放ATP形式的能量，最终产物为CO2葡萄糖在有氧条件下经EMP、TCA循环生成CO2C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O（一）有氧呼吸氧化磷酸化电子传递磷酸化

指将来自电子传递链的能量用于合成ATP的过程。氧化磷酸化形成ATP的机制化学渗透学说（Chemiosmotichypothesis）ATP酶构象假说（旋转催化假说）byBoyerandWalkerin1994（二）无氧呼吸某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸、厌氧呼吸（AnaerobicRespiration）

呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2）（少数为有机氧化物如延胡索酸）的生物氧化无氧呼吸的特点

无氧条件、产能效率低无氧呼吸的类型：根据呼吸链末端的氢受体无机盐呼吸有机物呼吸仅部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。无氧呼吸的主要类型硝酸盐呼吸反硝化作用，以无机物硝酸盐为最终电子受体的无氧呼吸类型；硝酸盐的两个作用：同化性硝酸盐还原作用：以硝酸盐作为氮源。异化性硝酸盐还原作用：（硝酸盐呼吸、反硝化作用）。

在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受氢体，将其还原成亚硝酸、NO、N2O直至N2的过程.

反硝化作用对农业生产有害。硝态氮肥施入稻田后会因反硝化大量损失。进行硝酸盐呼吸的微生物：兼性厌氧微生物，反硝化细菌硫酸盐呼吸

严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在无氧条件下获取能量的方式。特点:底物脱氢以后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得ATP。

最终还原产物：硫化氢，

H2S在稻田含量过高会造成烂秧。碳酸盐呼吸什么是碳酸盐呼吸？一类以二氧化碳或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。碳酸盐呼吸微生物产甲烷菌：产生甲烷产乙酸细菌：产生乙酸延胡索酸呼吸以有机物延胡索酸为最终电子受体，将其还原成琥珀酸的生物氧化进行延胡索酸呼吸的微生物：兼性厌氧细菌如大肠杆菌、沙门氏菌等。(三)发酵（Fermentation）广义发酵：任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式。狭义发酵：在无氧气等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力[H]未经过呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的生物氧化反应。微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量。氢供体与氢受体（内源性中间代谢产物）均为有机物。还原力[H]不经过呼吸链传递。产能方式：底物水平磷酸化反应。

发酵的特点四类发酵：可发酵的底物有很多，如糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。

由EMP途径中丙酮酸进行的发酵通过HMP途径进行的异型乳酸发酵通过ED途径进行的发酵由氨基酸发酵产能

从EMP途径丙酮酸出发的发酵按微生物发酵葡萄糖所获得的主要产物的种类，可将发酵分为不同类型，在发酵工业上有重要价值。酒精发酵（酿酒酵母）同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）：产物只有乳酸。丙酸发酵（丙酸杆菌）混合酸发酵（大肠杆菌）2，3-丁二醇发酵（产气肠杆菌）丁酸发酵（丁酸梭菌）

酵母菌的酒精发酵是一种应用与研究最早、发酵机制清楚的发酵类型。在发酵过程中，酵母菌利用EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，然后在丙酮酸脱羧酶催化下脱羧形成乙醛，乙醛在乙醇脱氢酶作用下被还原为乙醇。酵母菌的同型酒精发酵GEMP

2丙酮酸

2乙醛

2乙醇丙酮酸脱羧酶同型乳酸发酵葡萄糖经EMP途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被NADH还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。发酵过程中能使80%～90%糖转化成乳酸，仅很少量其它产物，可称为同型乳酸发酵。如保加利亚乳杆菌、乳链球菌。通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵。进行异型乳酸发酵的微生物异型乳酸发酵的经典途径

L.mesenteroides异型乳酸发酵的双歧途径

Bifidobacterium

bifidum氨基酸发酵产能什么是Stickland反应？以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另外一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型

产能效率低：1ATP/1氨基酸生孢梭菌C.sporogenes

氨基酸兼作碳源、氮源和能源有氧呼吸、无氧呼吸与发酵的比较呼吸类型

有氧呼吸无氧呼吸发酵氧化基质有机物有机物

有机物

最终电子受体O2

无机氧化物、延胡索酸

氧化型中间代谢产物醛、酮等

产物CO2、H2OCO2、H2O、NO2、N2

还原型中间代谢产物醇、酸

产能多

次之少

电子传递链完整

不完整

无，底物水平磷酸化

呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。二、

自养微生物ATP和还原力的产生化能自养：能对无机物进行氧化而获得能量的微生物。光能自养：能利用日光辐射能的微生物。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

还原CO2需要的ATP和还原力[H]，通过氧化无机底物来实现。绝大多数化能自养菌是好氧菌，如硝化细菌。能量代谢主要特点：

①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系。②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链。③产能效率即P／O比一般要比异养微生物低。（一）化能自养微生物化能自养的机理

硝化细菌:可以将NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物作为能源。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。上述两类细菌常伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。（二）光能营养微生物

主要类群与其产能代谢

1．光合细菌——循环光合磷酸化；

2．蓝细菌——非循环光合磷酸化；

3．嗜盐细菌——嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成。

一种存在于厌氧光合细菌中的利用日光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称光合磷酸化。这类细菌主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。1.循环光合磷酸化光合细菌不产氧循环光合磷酸化1）光合细菌主要通过循环式光合磷酸化作用产生ATP；2）不能利用H2O，而是利用还原态的H2、H2S等作为还原CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；3）电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量；4）通过电子的逆向传递产生还原力。

特点举例说明：绿硫细菌、红硫细菌和红螺细菌等，都是能够进行光合作用的细菌。这些细菌都是球状、杆状或弧状的小型细菌，并且大多数都不能够运动。这些细菌的菌体内含有类似于绿色植物体内叶绿素那样的光合色素（菌绿素和类胡萝卜素），因而使菌体呈现红、橙、蓝、绿、紫色等不同颜色。应用：污水净化＆水产养殖。

是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点：（1）电子的传递途径属非循环式的；（2）在有氧条件下进行；（3）有两个光合系统；（4）反应中同时有ATP（产自系统1）还原力和氧气产生；（5）还原力NADPH2

中的[H]是来自H2O分子光解后的H+和e-。2.非循环光合磷酸化蓝细菌产氧

非循环光合磷酸化第二节分解代谢和合成代谢间的联系

分解代谢的功能在于保证正常合成代谢的进行，而合成代谢又反过来为分解代谢创造了更好的条件，两者相互联系，促进了生物个体的生长繁殖和种族的繁荣发展。分解代谢和合成代谢的联接则是靠中间代谢产物和一些关键酶。

微生物是如何协调解决分解代谢和合成代谢的呢？两用代谢途径和代谢回补顺序！1两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称两用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径。①在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。②在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物。③在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行，原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。2代谢物回补顺序

所谓回补顺序，又称补偿途径或添补途径，就是指能补充两用代谢途径中因合成代谢，而消耗的中间代谢物的反应。这样，一旦当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，通过代谢物回补顺序，仍可保证能量代谢的正常进行。第三节微生物独特合成代谢途径举例1.生物固氮2.自养微生物CO2的固定3.肽聚糖的合成4.微生物次生代谢产物的合成生物固氮

什么是生物固氮？指分子氮（N2）通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨NH3的过程。

至今固氮微生物约80多属，均为原核微生物。自生固氮菌：独立进行固氮，种类繁多。共生固氮菌：与它种生物生活在一起才固氮。如根瘤菌属、弗兰克氏菌属、肠杆菌属。存在于豆科植物、杨梅树、苏铁的根部、白蚁肠道及满江红等。联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面、动物肠道等处才能固氮。固氮微生物的种类固氮的生化机制固氮作用的化学反应固氮反应必要条件（6要素）ATP供应，呼吸、无氧呼吸、发酵和光合作用提供还原力[H]和载体：NAD（P）H+H+、H2、丙酮酸等作为氢供体。固氮酶，组分Ⅰ钼铁蛋白、组分Ⅱ铁蛋白；底物专一性不强。镁离子。严格的厌氧环境。还原底物N2（NH3存在会抑制固氮作用）。有N2时固氮酶将75%还原力形成NH3，其余用于形成H2；缺N2时，固氮酶将H+全部还原成H2N2→NH3→NH4++α-酮酸→相应氨基酸→蛋白质等产物。固氮的生化途径生物固氮的研究方向仿生学：用化学合成法合成固氮酶在常温、常压下进行工业固氮。遗传学：用人工或生物方法将固氮基因转移到非豆科植物上进行固氮。2.自养微生物CO2的固定Calvin循环厌氧乙酰－CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径3.肽聚糖的生物合成

在细胞质中的合成

在细胞膜上的合成

在细胞膜外的合成次级代谢产物及特征(1)次级代谢产物是由微生物产生的，不参与微生物的生长和繁殖。(2)大多数次级代谢产物是基于菌种的特异性来完成的。(3)次级代谢产物发酵经历两个阶段，即营养增殖期和生产期。如在菌体活跃增殖阶段几乎不产生抗生素。接种一定时间后细胞停止生长，进入到恒定期才开始活跃地合成抗生素，称为生产期；4微生物次生代谢的合成(4)一般都同时产生结构上相类似的多种副组分。(5)生产能力受微量金属离子(Fe2+、Fe3+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Ni2+等)和磷酸盐等无机离子的影响。(6)在多数情况下，增加前体是有效的。总之，微生物次级代谢，其目的产物的生物合成途径取决于微生物的培养条件和菌种的特异性。第四节微生物的代谢调控与发酵生产

微生物有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以保证上千种酶能正确无误、有条不紊地进行极其复杂的新陈代谢反应。

微生物细胞的代谢调节方式：1.可调节营养物质透过细胞膜而进入细胞的能力；2.调节代谢流:其中以调节代谢流的方式最为重要，它包括两个方面，一是“粗调”，即调节酶的合成量，二是“细调”，即调节现成酶分子的催化活力，两者往往密切配合和协调，以达到最佳调节效果;3.利用微生物代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异菌株，可为发酵工业提供生产有关代谢产物的高产菌株。细胞膜的渗透性细胞膜透性正常，代谢物累积，反馈抑制或阻遏细胞膜透性改变，代谢产物不断透出细胞外，可防止反馈抑制或阻遏改变细胞膜渗透性的方法生理学方法遗传学方法1.1控制细胞膜的渗透性1、亚适量的生物素的调节

谷氨酸发酵EffectofBiotinlevelontheproductionofGlutamate生理学方法亚适量的生物素的调节机制控制生物素改变膜的成分,进而改变膜的透性、谷氨酸的分泌和反馈调节2.适量的青霉素机理

抑制细菌细胞壁肽聚糖合成中的转肽酶活性，肽聚糖结构中肽桥无法交联，造成细胞壁缺损，利于代谢产物的渗出。注意：低生物素、青霉素只对生长态（分裂）的细胞有效，对稳定期的细胞无作用。油酸：含有一个双键的C18不饱和脂肪酸，是细胞膜磷脂中的重要脂肪酸。油酸缺陷型因不能合成油酸而使细胞膜缺损，细胞膜的通透性加大。遗传学方法—细胞膜缺损突变2.1.1酶合成的调节

酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡能促进酶生物合成的现象，称为诱导。能阻碍酶生物合成的现象，则称为阻遏。2.1控制代谢流-酶量，酶活性1.诱导

诱导酶是细胞为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的一类酶。能促进诱导酶产生的物质称为诱导物，它可以是该酶的底物，也可以是难以代谢的底物类似物或是底物的前体物质。2．阻遏

在微生物的代谢过程中，当代谢