微生物的新陈代谢专题知识讲座

新陈代谢：发生在活细胞中各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）总和。 新陈代谢=分解代谢+合成代谢

分解代谢：指复杂有机物分子经过分解代谢酶系催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式能量和还原力作用。

合成代谢：指在合成代谢酶系催化下，由简单小分子、ATP形式能量和还原力一起合成复杂大分子过程。微生物的新陈代谢专题知识讲座第1页讲授内容第一节微生物能量代谢一、化能异养微生物生物氧化和产能二、自养微生物产ATP和产还原力第二节分解代谢和合成代谢联络一、两用代谢路径二、代谢物回补次序第三节微生物独特合成代谢一、自养微生物CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖生物合成微生物的新陈代谢专题知识讲座第2页第一节微生物能量代谢有机物化能异养菌光能营养菌化能自养菌ATP日光（光能）还原态无机物最初能源微生物的新陈代谢专题知识讲座第3页一、化能异养微生物生物氧化生物氧化功效：ATP、[H]、小分子代谢物生物氧化形式：加氧、脱氢、失电子生物氧化过程：脱氢、递氢、受氢

生物氧化类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵微生物的新陈代谢专题知识讲座第4页微生物氧化形式生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量化学反应。氧化过程中能产生大量能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化方式：①和氧直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去电子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脱氢或氢传递:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2微生物的新陈代谢专题知识讲座第5页生物氧化过程普通包含三个步骤：①底物脱氢（或脱电子）（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）③氢受体接收氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢路径1、EMP路径2、HMP3、ED4、TCA微生物的新陈代谢专题知识讲座第6页一、化能异养微生物生物氧化（一）底物脱氢4条路径

EMP路径：糖酵解路径

HMP路径：戊糖磷酸路径

ED路径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸KDPG路径

TCA循环：三羧酸循环路径微生物的新陈代谢专题知识讲座第7页（一）底物脱氢4条路径

1.EMP路径：糖酵解路径（10步反应）2ATP2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP耗能阶段产能阶段C6为葡萄糖，C3为3-磷酸-甘油醛C6C3微生物的新陈代谢专题知识讲座第8页

EMP路径是绝大多数生物所共有基本代谢路径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所含有代谢路径。在有氧条件下，EMP路径与TCA路径连接，并经过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其深入代谢后所产生乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第9页

HMP路径（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸路径、戊糖磷酸路径、Warburg-Dickens路径或磷酸葡萄糖酸路径。这是一条葡萄糖不经EMP路径和TCA路径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH＋H+形式还原力和各种主要中间代谢物代谢路径。

2.HMP路径---6-磷酸葡萄糖酸路径微生物的新陈代谢专题知识讲座第10页

HMP路径可概括成三个阶段：①葡萄糖分子经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化（epimerization）而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各种戊糖磷酸在没有氧参加条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可经过以下两种方式深入代谢：其一为经过EMP路径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为经过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶作用而转化为己糖磷酸。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第11页6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP路径总反应微生物的新陈代谢专题知识讲座第12页HMP路径主要意义为核苷酸和核酸生物合成提供戊糖-磷酸。产生大量NADPH2，首先为脂肪酸、固醇等物质合成提供还原力，另方面可经过呼吸链产生大量能量。与EMP路径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，能够调剂戊糖供需关系。路径中赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。路径中存在3~7碳糖，使含有该路径微生物所能利用利用碳源谱更为更为广泛。经过该路径可产生许各种主要发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第13页3.ED路径(KDPG路径)-----4步反应ED路径（Entner-Doudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解路径。此路径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在嗜糖假单胞菌Pseudomonassaccharophila中发觉，接着许多学者证实它在细菌中广泛存在。ED路径是少数缺乏完整EMP路径微生物所含有一个替换路径，在其它生物中还没有发觉。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速取得由EMP路径须经10步才能取得丙酮酸。微生物的新陈代谢专题知识讲座第14页ED路径是少数EMP路径不完整细菌比如PseudomonasZymomonas等所特有利用葡萄糖替换路径，其特点是利用葡萄糖反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，为EMP路径之半），反应中有一个6碳关键中间代谢物——KDPG。微生物的新陈代谢专题知识讲座第15页ED路径特点葡萄糖经转化为KDPG

后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP路径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。关键中间代谢物KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。特征酶是KDPG醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低.

此路径可与EMP路径、HMP路径和TCA循环相连接，可相互协调以满足微生物对能量、还原力和不一样中间代谢物需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵.微生物的新陈代谢专题知识讲座第16页由表可见，在微生物细胞中，有同时存在多条路径来降解葡萄糖，有只有一个。在某一详细条件下，拥有多条路径某种微生物终究经何种路径代谢，对发酵产物影响很大。微生物的新陈代谢专题知识讲座第17页4.TCA循环-----分解代谢和合成代谢枢纽又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一个循环方式反应次序，绝大多数异养微生物氧化性（呼吸）代谢中起着关键性作用。在真核微生物中，TCA循环反应在线粒体内进行，其中大多数酶定位在线粒体基质中；在原核生物比如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上。微生物的新陈代谢专题知识讲座第18页丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子乙酰CoA可产生12分子ATP，草酰乙酸参加反应而本身并不消耗。微生物的新陈代谢专题知识讲座第19页TCA循环主要特点1、循环一次结果是乙酰CoA乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中一些中间产物是一些主要物质生物合成前体；5、生物体提供能量主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要代谢路径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第20页一、化能异养微生物生物氧化（二）递氢与受氢★经上述脱氢路径生成NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶经过呼吸链等方式进行递氢，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★依据递氢尤其是受氢过程中氢受体性质不一样,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类.发酵作用：没有任何外援最终电子受体生物氧化模式呼吸作用：有外援最终电子受体生物氧化模式；★呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2;

无氧呼吸——最终电子受体是无机氧化物，如NO3-、SO42-

微生物的新陈代谢专题知识讲座第21页微生物的新陈代谢专题知识讲座第22页1.呼吸-------完全电子呼吸链呼吸（respiration是最普遍和最主要生物氧化方式，特点是底物脱氢后，经完整呼吸链又称电子传递链递氢，最终由分子氧接收氢并产生水和释放能量（ATP）。因为呼吸必须在有氧条件下进行，所以又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸链是指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势不一样氢传递体（或电子传递体）组成一组链状传递次序，它能把氢或电子从低氧化还原势化合物处传递给高氧化还原势无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子传递过程中，经过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式能量。微生物的新陈代谢专题知识讲座第23页电子传递与氧化呼吸链定义：由一系列氧化还原势不一样氢传递体组成一组链状传递次序。在氢或电子传递过程中，经过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式能量。部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上组员：电子传递是从NAD到O2，电子传递链中电子传递体主要包含FMN、CoQ、细胞色素b、c1、c、a、a３和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子次序，按照它们氧化还原电势大小排列，电子传递次序如下：微生物的新陈代谢专题知识讲座第24页MH2→→

→

NAD FMN C0Q b(-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中NAD+/NADHE0’值最小，而O2/H2OE0’值最大，所以，电子传递方向是：NADH O2上式表明还原型辅酶氧化，氧消耗，水生成。NADH+H+和FADH2氧化，都有大量自由能释放。证实它们均带电子对，都含有高转移势能，它推进电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。微生物的新陈代谢专题知识讲座第25页呼吸链功效：一是传递电子；二是将电子传递过程中释放能量合成ATP——这就是电子产能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。微生物的新陈代谢专题知识讲座第26页ATP结构和生成能源物质：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等

ATP又叫三磷酸腺苷，其结构式是：A—P～P～P

它是一个含有高能磷酸键有机化合物，它大量化学能就储存在高能磷酸键中。

ATP是生命活动能量直接起源，但本身在体内含量并不高。人体预存ATP能量只能维持15秒，跑完100m后就全部用完，不足继续经过呼吸作用等合成ATP。ATP生成方式:光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化｛｛微生物的新陈代谢专题知识讲座第27页光合磷酸化:利用光能合成ATP反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包含紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌光合作用与高等植物不一样是，除蓝细菌含有叶绿素、能进行水裂解进行产氧光合作用外，其它细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其它光合色素，只能裂解无机物（如H2、H2S等）或简单有机物，进行不产氧光合作用。微生物的新陈代谢专题知识讲座第28页氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放能量生成ATP反应。氧化磷酸化生成ATP方式有两种：底物水平磷酸化——不需氧电子传递磷酸化——需氧底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一个含高能磷酸键化合物，这个化合物经过对应酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。这种类型氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化酶存在于细胞质内微生物的新陈代谢专题知识讲座第29页底物水平磷酸化举例：因为脱掉一个水分子，2一磷酸甘油酸低能酯键转变为2一磷酸烯醇丙酮酸中高能烯醇键。这种高能连接磷酸能够转给ADP，产生ATP分子。在微生物代谢活动中，主要高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第30页

在电子传递磷酸化中，经过呼吸链传递电子，将氧化过程中释放能量和ADP磷酸化偶联起来，形成ATP。电子传递磷酸化其机制很多，当前仍在继续研究中。至今能取得多数学者接收是1978年诺贝尔奖取得者英国学者P．Mitchell在1961年所提出化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。微生物的新陈代谢专题知识讲座第31页主要观点：在氧化磷酸化过程中，经过呼吸链酶系作用，将底物分子上质子从膜内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP能量起源，因为它可经过ATP酶逆反应，把质子从膜外侧再输回到内侧，结果首先消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。微生物的新陈代谢专题知识讲座第32页2.无氧呼吸-------部分电子呼吸链ADP+PiATP硝酸盐呼吸（反硝化）、硫酸盐呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸等又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）生物氧化。这是一类在无氧条件下进行产能效率较低特殊呼吸。其特点是底物按常规路径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。微生物的新陈代谢专题知识讲座第33页无氧呼吸几个类型（受体）硝酸盐还原细菌在厌氧条件下以NO3-作电子受体C6H12O6＋6H2O6CO2＋24[H](脱H酶）24[H]+4NO32N2+12H2O（硝酸还原酶）E硫酸盐细菌以SO42-为受体2CH3CHOHCOOH+H2SO42CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S+能量严格厌氧大多数产甲烷细菌以CO2为受体4H2+CO2CH4+2H2O+能量微生物的新陈代谢专题知识讲座第34页3.发酵----无氧条件下含意较多：在生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生还原力不经过呼吸链传递而直接交给内源氧化性中间代谢产物一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物一类生产方式微生物的新陈代谢专题知识讲座第35页发酵路径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖产能路径主要有EMP、HMP、ED和PK路径。发酵类型：在上述路径中都有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生量并不多，如不及时氧化再生，糖分解产能将会中止，这么微生物就以葡萄糖分解过程中形成各种中间产物为氢（电子）受体来接收NADH+H+和NADPH+H+氢（电子），于是产生了各种各样发酵产物。依据发酵产物种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等发酵作用微生物的新陈代谢专题知识讲座第36页①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵丙酮酸发酵微生物的新陈代谢专题知识讲座第37页

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶①酵母菌乙醇发酵：※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧条件下发生。微生物的新陈代谢专题知识讲座第38页②细菌乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等路径：ED脱羧NADH2还原P106与酵母发酵不一样微生物的新陈代谢专题知识讲座第39页乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其它对应可发酵糖产生乳酸，称为乳酸发酵。因为菌种不一样，代谢路径不一样，生成产物有所不一样，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP路径）异型乳酸发酵：（经HMP路径）双歧杆菌发酵:（经HK路径—磷酸己糖解酮酶路径）微生物的新陈代谢专题知识讲座第40页葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸①同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum微生物的新陈代谢专题知识讲座第41页②异型乳酸发酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2微生物的新陈代谢专题知识讲座第42页③双歧发酵：6-磷酸果糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛2乳酸2乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH2ATP2ADP2乙酸4ADP4ATP-2H-CO2ADPATP乙酰磷酸乙酸ADPATP双歧杆菌Bifidobacteria经过HMP发酵葡萄糖路径：2分子葡萄糖产生3分子乙酸、2分子乳酸微生物的新陈代谢专题知识讲座第43页微生物的新陈代谢专题知识讲座第44页微生物的新陈代谢专题知识讲座第45页二、自养微生物生物氧化（一）化能自养微生物生物氧化（二）光能微生物生物氧化微生物的新陈代谢专题知识讲座第46页（一）化能自养微生物生物氧化一些微生物能够从氧化无机物取得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中经过氧化磷酸化产生ATP。氨氧化硫氧化铁氧化氢氧化微生物的新陈代谢专题知识讲座第47页CO2-----作为能量顺呼吸链--------ATP---------

-----部分作为无机供氢体逆呼吸链-----[H]---

[CH2O]NH4+NO2-H2SSH2Fe2+微生物的新陈代谢专题知识讲座第48页

H2HS-

NH4

、S2-、SO32-S2O3-

、S0

、Fe2+

NO2-

NAD

FPQ

Cyt.cc1

Cyt.a.aa3

O2ATPATPATP

无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链部位，正向产生ATP，逆向消耗ATP产生还原力[H]微生物的新陈代谢专题知识讲座第49页化能自养菌普通都是好氧菌因为化能自养微生物产能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，所以他们产能效率、生长速度、生长得率都很低。比如硝化细菌包含亚硝化细菌或氨氧化细菌：NH3------NO2-硝化细菌或亚硝酸细菌：NO2-------N03-都是氧化作用

NH3+O2+2H++2e---------NH2OH+H2ONH2OH+H2O---------------HNO2+4H++4e-

NO2-+H2O----亚硝酸氧化酶-----NO3-+2H++2e-

以上[H]都来自于水微生物的新陈代谢专题知识讲座第50页在NO2-氧化为NO3-过程中，氧来自水分子而非空气。当NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e时，因为NO2-氧化还原电位很高，故H+和e只能从与其相当Cyt．a1部位进入呼吸链。2H++2e假如顺着呼吸链传递至O2，仅能产生1个ATP。而对CO2还原所需要大量还原力[H]则是经过H+

+e逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成。所以硝化细菌能量效率、生长速度和细胞产率很低，在硝化作用旺盛土壤中，只能找到极少许硝化细菌菌体。微生物的新陈代谢专题知识讲座第51页（二）光能营养微生物产能和[H]光合磷酸化(photophosphorylation)

利用光能合成ATP反应.光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从二氧化碳合成细胞物质，主要是光合微生物：藻类、蓝细菌、光合细菌（紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第52页

光合色素：叶绿素chl、细菌叶绿素（菌绿素）Bchl、类胡萝卜素、藻胆素

光合磷酸化实质就是将光能转化为化学能过程，详细过程为当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子后，被激活，释放一个电子（氧化），释放电子进入电子传递系统，在电子传递过程中释放能量，产生ATP。环式光合磷酸化非环式光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合作用微生物的新陈代谢专题知识讲座第53页（1）环式光合磷酸化Cyclicphotophosphorylation光合细菌主要经过环式光合磷酸化作用产生ATP，这类细菌主要包含紫色硫细菌、绿色硫细菌、紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。在光合细菌中，吸收光量子而被激活细菌叶绿素释放出高能电子，于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来高能电子次序经过铁氧还蛋白、辅酶Q、细胞色素b和f，再返回到带正电荷细菌叶绿素分子。在辅酶Q将电子传递给细胞色素f过程中，造成了质子跨膜移动，为ATP合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有ATP，无NADP(H)，也不产生分子氧。微生物的新陈代谢专题知识讲座第54页（2）非环式光合磷酸化

高等植物和蓝细菌与光合细菌不一样，它们能够裂解水，以提供细胞合成还原能力。它们含有两种类型反应中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起组成了光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。在光合系统Ⅰ中，叶绿素分子P700吸收光于后被激活，释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd)，并使之被还原。还原铁氧还蛋白在Fd：NADP+还原酶作用下，将NADP+还原为NADPH。在光合系统Ⅱ中，叶绿素分子P680吸收光子后，释放出一个高能电子。先传递给辅酶Q，再经过一系列电子传递体，最终传递给系统Ⅰ，使P700还原。失去电子P680，靠水光解产生电子来补充。高能电子从辅酶Q到光合系统Ⅰ过程巾，可推进ATP合成。微生物的新陈代谢专题知识讲座第55页（3）嗜盐菌紫膜光合作用

这是近年来才揭示只有嗜盐菌才有无叶绿素或菌绿素参加独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5～5.0mol／LNaCl）环境中才能生长古细菌（archaebacteria）。它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见咸鱼上紫红斑块就是嗜盐菌细胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（盐生盐杆菌）和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第56页

嗜盐菌因细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。它们细胞膜可分成红色与紫色两部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约0.5μm）独立分布，其总面积约占细胞膜面积二分之一，这就是能进行独特光合作用紫膜。含量占紫膜75％是一个称作细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含一个蛋白质—视紫红质（rhodopsin）十分相同，二者都以紫色视黄醛（retinal）作辅基。微生物的新陈代谢专题知识讲座第57页

近年来，人们对视紫红质功效作了研究并取得了重大发觉。嗜盐菌能够生长在光照和氧都具备条件下，但不能生长在二者都不存在情况下。这就说明，嗜盐菌最少可经过两条路径获取能量，一条是有氧存在下氧化磷酸化路径，另一条是有光存在下某种光合磷酸化路径。试验还发觉，在波长为550～600nm光照下，其ATP合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质吸收光谱相一致。

当前认为，细菌视紫红质与叶绿素相象，在光量子驱动下，含有质子泵作用，这时它将产生H+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。依据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+经过ATP合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞通用能源ATP。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第58页主要特点：不经过电子传递，直接产生ATP微生物的新陈代谢专题知识讲座第59页意义：嗜盐菌紫膜光合磷酸化功效发觉，使在经典叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一个新光合作用类型。紫膜光合磷酸化是迄今所知道最简单光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用一个极好试验模型，对它研究正在大力开展。对其机制揭示，将是生物学基本理论中又一项重大突破，并无疑会对人类生产实践比如太阳能利用和海水淡化等带来巨大推进力。微生物的新陈代谢专题知识讲座第60页第二节分解代谢和合成代谢关系分解代谢与合成代谢二者联络紧密，互不可分。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第61页一、两用代谢路径

凡在分解代谢和合成代谢中均含有功效路径，称为两用代谢路径。EMP路径、HMP路径和TCA循环等都是主要两用代谢路径。微生物的新陈代谢专题知识讲座第62页二、代谢回补次序

又称代谢赔偿路径或填补路径。

指能补充两用代谢路径中因合成代谢而消耗中间代谢产物那些反应。（生物合成中所消耗中间产物若得不到补充，循环就会中止。）经过这种机制，一旦主要产能路径中某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可确保能量代谢正常进行。

不一样种类微生物或同种微生物在不一样碳源条件下，有不一样代谢回补次序。

微生物的新陈代谢专题知识讲座第63页主要围绕EMP路径中PEP和TCA循环中OA这两种关键性中间代谢物来进行。回补路径与EMP路径和TCA循环相关回补次序约有10条。微生物的新陈代谢专题知识讲座第64页一些微生物所特有代谢回补次序。是TCA循环一条回补路径。能够利用乙酸微生物含有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶作用下进入乙醛酸循环。

乙醛酸循环主要反应：

异柠檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸苹果酸琥珀酸+乙酸→→→异柠檬酸净反应：2乙酸苹果酸乙醛酸循环（乙醛酸支路）微生物的新陈代谢专题知识讲座第65页乙醛酸循环含有乙醛酸循环微生物普遍是好氧菌。如以乙酸为唯一碳源一些细菌：醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌、和红螺菌属等；真菌中酵母菌属、青霉属和黑曲霉等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第66页第三节微生物独特合成代谢路径举例一、自养微生物CO2固定二、生物固氮三、微生物结构大分子——肽聚糖生物合成四、微生物次生代谢物合成微生物的新陈代谢专题知识讲座第67页一、自养微生物CO2固定

各种自养微生物在其生物氧化包含氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取能量主要用于CO2固定。在微生物中，至今已了解CO2固定路径有4条。两类自养生物固定CO2条件和路径微生物的新陈代谢专题知识讲座第68页二、生物固氮

生物固氮作用：将大气中分子态氮经过微生物固氮酶催化而还原成氨过程。大气中90%以上分子态氮，都是由微生物固定成氮化物，生物固氮是地球上仅次于光合作用生物化学反应。（一）固氮微生物

80余属，全部为原核生物（包含古生菌），主要包含细菌、放线菌和蓝细菌。

依据固氮微生物与高等植物及其它生物关系，可将它们分为以下3类：

1、自生固氮微生物

2、共生固氮微生物

3、联合固氮微生物微生物的新陈代谢专题知识讲座第69页1、自生固氮菌

独立生活情况下能够固氮微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成本身蛋白质。自生固氮微生物固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大约只能固定10~20毫克氮。微生物的新陈代谢专题知识讲座第70页2、共生固氮菌

与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮微生物。只有在与其它生物紧密地生活在一起情况下，才能固氮或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，经过根瘤细胞酶系统作用，及时运输给植物体各部，直接为共生体提供氮源。共生体系固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗

1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。微生物的新陈代谢专题知识讲座第71页3、联合固氮菌

联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在一个简单共生现象。它既不一样于经典共生固氮作用，也不一样于自生固氮作用。这些固氮微生物仅存在于对应植物根际，不形成根瘤，但有较强专一性，固氮效率比在自生条件下高。

通常在水域环境中，共生性固氮系统不常见。大量氮主要靠自由生活微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌作用，在无氧区主要是梭菌作用。微生物的新陈代谢专题知识讲座第72页1、生物固氮反应6要素固氮酶ATP供给还原力及其传递载体还原底物—N2镁离子严格厌氧微环境（二）固氮生化机制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：微生物的新陈代谢专题知识讲座第73页固二氮酶还原酶（dinitrogenasereductase）（组份Ⅱ）：是一个只含铁蛋白。微生物的新陈代谢专题知识讲座第74页ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-

Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N22、固氮生化路径氧障呼吸无氧呼吸发酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型固二氮酶还原酶Fe提供1个e，变为还原型2）还原型固二氮酶还原酶与ATP-Mg结合，改变构象3）固二氮酶在Mo上与分子氮结合，并与固二氮酶还原酶-ATP-Mg结合，形成完整固氮酶4）电子转移，形成氧化型固二氮酶还原酶，同时形成ADP5）连续6次，固二氮酶放出2个NH3微生物的新陈代谢专题知识讲座第75页N2分子经固氮酶催化而还原成NH3后，就可与对应酮酸结合，形成各种氨基酸。微生物的新陈代谢专题知识讲座第76页（三）好氧菌固氮酶避害机制

固氮酶两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快造成不可逆失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长久进化过程中，已进化出适合在不一样条件下保护固氮酶免受氧害机制。

1、好氧性自生固氮菌抗氧保护机制（1）呼吸保护固氮菌科菌种能以极强呼吸作用快速将周围环境中氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮酶。（2）构象保护在高氧分压条件下，Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等固氮酶能形成一个无固氮活性但能预防氧害特殊构象。微生物的新陈代谢专题知识讲座第77页2、蓝细菌固氮酶抗氧保护机制蓝细菌光照下会因光合作用放出氧而使细胞内氧浓度急剧增高⑴分化出特殊还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶和氢化酶活性高，维持很强还原态；SOD活性高，解除氧毒害；呼吸强度高，可消耗过多氧。⑵非异形胞蓝细菌固氮酶保护:能经过将固氮作用与光合作用进行时间上分隔来到达；经过束状群体中央处于厌氧环境下细胞失去能产氧光合系统II，方便于进行固氮反应；经过提升过氧化物酶和SOD活性来除去有毒过氧化合物。3、豆科植物根瘤菌抗氧保护机制只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；根瘤菌还能在根毛皮层细胞内快速分裂繁殖，随即分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜内外有能与O2结合豆血红蛋白。微生物的新陈代谢专题知识讲座第78页三、肽聚糖合成

合成特点：①合成机制复杂，步骤多（20步），且合成部位几经转移②合成过程中须要有能够转运与控制肽聚糖结构元件载体（UDP和细菌萜醇）参加。合成过程：依发生部位分成三个阶段：细胞质阶段：合成派克（Park）核苷酸细胞膜阶段：合成肽聚糖单体细胞膜外阶段：交联作用形成肽聚糖结构微生物的新陈代谢专题知识讲座第79页葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸

N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi第一阶段：细胞质内合成Park核苷酸注：UDP，尿嘧啶二磷酸，糖载体微生物的新陈代谢专题知识讲座第80页第二阶段：肽聚糖单体合成G-M-P-P-类脂

M-P-P-类脂

UDPUDP-G ②

UDP ①UDP-M

P-类脂 Pi⑤

P-P-类脂杆菌肽④ 万古霉素

5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成处G-M-P-P-类脂微生物的新陈代谢专题知识讲座第81页第三阶段：交联作用微生物的新陈代谢专题知识讲座第82页肽聚糖生物合成与一些抗生素作用机制一些抗生素能抑制细菌细胞壁合成，不过它们作用位点和作用机制是不一样。①

-内酰胺类抗生素（青霉素、头孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸结构类似物，二者相互竞争转肽酶活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间肽桥无法交联，这么肽聚糖就缺乏应有强度，结果形成细胞壁缺损细胞，在不利渗透压环境中极易破裂而死亡。②杆菌肽：能与十一异戊烯焦磷酸络合，所以抑制焦磷酸酶作用，这么也就阻止了十一异戊烯磷酸糖基载体再生，从而使细胞壁（肽聚糖）合成受阻。微生物的新陈代谢专题知识讲座第83页（一）次生代谢物

一些微生物生长到稳定时前后，以结构简单、代谢路径明确、产量较大初生代谢物前体，经过复杂次生代谢路径所合成各种结构复杂化学物。多与人类医药生产和保健亲密相关。四、微生物次生代谢物合成微生物的新陈代谢专题知识讲座第84页1、次生代谢物分子结构复杂、代谢路径独特、在生长后期合成、产量较低、生理功效不很明确（尤其是抗生素）、其合成普通受质粒控制；

2、形态结构和生活史越复杂微生物（如放线菌和丝状真菌），其次生代谢物种类也就越多；

3、次生代谢物种类极多，如抗生素，色素，毒素，生物碱，信息素，动、植物生长促进剂以及生物药品素等；

4、次生代谢物化学结构复杂，分属各种类型如内酯、大环内酯、多烯类、多炔类、多肽类、四环类和氨基糖类等；

5、合成路径复杂，以各种初生代谢路径，如糖代谢、TCA循环、脂肪代谢、氨基酸代谢以及萜烯、甾体化合物代谢等为次生代谢路径基础。（二）次生代谢特点微生物的新陈代谢专题知识讲座第85页次生代谢路径于初生代谢路径联络（三）微生物次生代谢物合成路径

1、糖代谢延伸路径

由糖类转化、聚合产生多糖类、糖苷类和核酸类化合物，深入转化而形成核苷类、糖苷类和糖衍生物类抗生素；

2、莽草酸延伸路径

由莽草酸分支路径产生氯霉素等；

3、氨基酸延伸路径

由各种氨基酸衍生、聚合形成各种含氨基酸抗生素，如多肽类抗生素、β-内酰胺类抗生素、D-环丝氨酸和杀腺癌菌素等；

4、乙酸延伸路径

分2条支路：

（1）乙酸经缩合后形成聚酮酐，进而合成大环内酯类、四环素类、灰黄霉素类抗生素和黄曲霉毒素；

（2）经甲羟戊酸合成异戊二烯类，深入合成主要植物生长刺激素——赤霉素或真菌毒素——隐杯伞素等。微生物的新陈代谢专题知识讲座第86页第四节 微生物代谢调控与发酵生产本节提要：微生物代谢过程中自我调整酶活性调整酶合成调整代谢调控理论应用微生物的新陈代谢专题知识讲座第87页微生物代谢过程中自我调整☆微生物代谢调整系统特点：准确、可塑性强，细胞水平代谢调整能力超出高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种是催化正常新陈代谢酶。每个细菌细胞体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。怎样处理合成与使用效率经济关系？处理方式：组成酶（constitutiv