微生物知识讲座

第一节微生物产能代谢第四节微生物次级代谢与次级代谢产物第二节耗能代谢第三节微生物代谢调整部分自学√√重点掌握微生物各种产能路径（方式）基本特点（ATP和还原力产生特点）微生物在代谢上多样性初级代谢、次级代谢概念及二者间关系微生物知识讲座第1页第一节微生物产能代谢一切生命活动都是耗能反应，所以，能量代谢是一切生物代谢关键问题。能量代谢中心任务，是生物体怎样把外界环境中各种形式最初能源转换成对一切生命活动都能使用通用能源------ATP。这就是产能代谢。微生物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营养微生物通用能源（ATP）微生物知识讲座第2页第一节微生物产能代谢化能营养：生物氧化光能营养：光合作用一、生物氧化二、异养微生物生物氧化三、自养微生物生物氧化四、光合微生物光合磷酸化本节内容：化能营养光能营养微生物知识讲座第3页第一节微生物产能代谢一.生物氧化生物氧化就是发生在细胞内一切产能性氧化反应总称生物氧化与燃烧比较（参见p102）微生物知识讲座第4页第一节微生物产能代谢

一.生物氧化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、代谢废物等形式被释放到环境中

（P102第一大段）生物氧化形式：某物质与氧结合、脱氢*或脱电子*生物氧化功效：

产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物微生物知识讲座第5页第一节微生物产能代谢二、异养微生物生物氧化生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸1.发酵(fermentation)（参见P102）ATP形成方式：化能营养型底物水平磷酸化氧化磷酸化微生物知识讲座第6页第一节微生物产能代谢二、异养微生物生物氧化1.发酵(fermentation)有机物氧化释放电子直接交给本身未完全氧化某种中间产物，同时释放能量并产生各种不一样代谢产物。有机化合物只是部分地被氧化，所以，只释放出一小部分能量。发酵过程氧化是与有机物还原偶联在一起。被还原有机物来自于初始发酵分解代谢，即不需要外界提供电子受体。

（P102第3大段）微生物知识讲座第7页一、异养微生物生物氧化1.发酵(fermentation)

（P102倒数第2大段）发酵种类有很多，可发酵底物有碳水化合物、有机酸氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为主要。糖酵解是发酵基础主要有四种路径：EMP路径、HMP路径、ED路径、磷酸解酮酶路径。有机溶剂丙酮和丁醇需求增加：丙酮：用于生产人造橡胶；丁醇：用于生产无烟火药；当初常规生产方法：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吨丙酮英国：丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（1915），每100吨谷物能够生产出12吨丙酮和24吨丁醇。微生物知识讲座第8页一、异养微生物生物氧化1.发酵(fermentation)不一样微生物发酵产物不一样，也是细菌分类判定主要依据。大肠杆菌：丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可深入裂解生成H2和CO2产酸产气（参见“微生物学试验”P119-123）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产酸不产气微生物知识讲座第9页一、异养微生物生物氧化1.发酵(fermentation)大肠杆菌：产气气杆菌：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（“微生物学试验”P121）ED路径HMP路径磷酸解酮酶路径微生物知识讲座第10页ED路径

（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸路径，KDPG路径）微生物特有路径存在于一些缺乏完整EMP路径微生物中一个替换路径含有ED路径细菌嗜糖假单孢Pseudomonassaccharophila铜绿假单孢P.aeruginosa荧光假单孢P.fluorescens林氏假单孢P.lindneri运动发酵单孢菌Zymomonasmobilis真养产碱菌Alcaligeneseutrophus微生物知识讲座第11页3KDPG醛缩酶特征反应特征酶终产物－2分子丙酮酸起源不一样产能效率低微生物知识讲座第12页细菌酒精发酵运动发酵单孢菌（Zymomonasmobilis）微生物知识讲座第13页细菌酒精发酵特点代谢速率高，产物转化率高菌体生成少，代谢副产物少发酵温度较高无须定时供氧生长pH较高：细菌pH5，酵母菌pH3易染菌对乙醇耐受力较低：细菌7％，酵母菌8～10％细菌酒精发酵缺点微生物知识讲座第14页二、异养微生物生物氧化2.呼吸作用以氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体（参见P107）微生物在降解底物过程中，将释放出电子交给NAD（P）+FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体从而生成水或其它还原型产物并释放出能量过程，称为呼吸作用。呼吸作用与发酵作用根本区分：电子载体不是将电子直接传递给底物降解中间产物，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。微生物知识讲座第15页二、异养微生物生物氧化2.呼吸作用(1)有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。经过电子在电子传递链上传递造成氢离子外排，建立能化膜，形成ATP产生（氧化磷酸化）。微生物知识讲座第16页二、异养微生物生物氧化2.呼吸作用（2）无氧呼吸一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多能量用于生命活动。因为部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成能量不如有氧呼吸产生多。（P109倒数第1段）微生物知识讲座第17页2.呼吸作用（2）无氧呼吸硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为硝酸盐异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；有些菌可将NO2-深入将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：（参见P109）微生物知识讲座第18页2.呼吸作用（2）无氧呼吸硝酸盐还原细菌：兼性厌氧无氧时，进行厌氧呼吸（环境中存在硝酸盐时）；有氧时，细胞膜上硝酸盐还原酶活性被抑制，进行有氧呼吸。能进行硝酸盐呼吸细菌被称为硝酸盐还原细菌，主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。微生物知识讲座第19页2.呼吸作用（2）无氧呼吸反硝化作用生态学作用：硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境好氧性机体呼吸作用氧被消耗而造成局部厌氧环境土壤中植物能利用氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，从而降低了土壤肥力。松土，排除过多水分，保证土壤中有良好通气条件。反硝化作用在氮素循环中主要作用硝酸盐是一个轻易溶解于水物质，通常经过水从土壤流入水域中。假如没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会造成水质变坏与地球上氮素循环中止。微生物知识讲座第20页2.呼吸作用（2）无氧呼吸其它厌氧呼吸：硫酸盐呼吸硫呼吸碳酸盐呼吸产甲烷菌产生甲烷乙酸细菌将碳酸盐还原成乙酸微生物知识讲座第21页2.呼吸作用（2）无氧呼吸相关“鬼火”生物学解释（参见P110）在无氧条件下，一些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用最终电子受体时，能够磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3）一个易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽光。长久以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。微生物知识讲座第22页2.呼吸作用（2）无氧呼吸产能：有氧呼吸>厌氧呼吸>发酵微生物在无氧情况下依然能够经过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，所以对很多微生物是非常主要。除氧以外各种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分表达了微生物

代谢类型多样性。微生物知识讲座第23页第一节微生物产能代谢三．自养微生物生物氧化化能无机营养型：从无机物氧化取得能量这些微生物普通能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质自养微生物从对无机物生物氧化过程中取得生长所需要能量微生物普通都是：化能无机自养型微生物（参见p110）微生物知识讲座第24页复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]自养微生物合成代谢：将CO2先还原成[CH2O]水平简单有机物，然后再深入合成复杂细胞成份化能异养微生物：ATP和还原力均来自对有机物生物氧化化能自养微生物：无机物氧化过程中主要经过氧化磷酸化产生ATP假如作为电子供体无机物氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化过程中产生还原力，但大多数情况下都需要经过电子逆向传递，以消耗ATP为代价取得还原力。微生物知识讲座第25页三．自养微生物生物氧化1、硫氧化（参见p110）

硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一个或各种还原态或部分还原态硫化合物（包含硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。（P110倒数第2大段）俄国著名微生物学家Winogradsky出色贡献：化能无机自养型微生物发觉：氧化无机物取得能量；没有光和叶绿素条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）微生物知识讲座第26页三．自养微生物生物氧化1、硫氧化（参见p110）硫细菌（sulfurbacteria）能够利用一个或各种还原态或部分还原态硫化合物（包含硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。（P110倒数第2大段）俄国著名微生物学家Winogradsky出色贡献：化能无机自养型微生物发觉：1887,SergeiWinogradskystudiesBeggiatoaandestablishestheconceptofautotrophy

chemosyntheticautotroph

OR

chemolithotrophy

（化能自养微生物）微生物知识讲座第27页3、细胞质和内含物2）贮藏物(reservematerials)：⑤硫粒（sulfurglobules）一些化能自养菌经过氧化还原性硫化物如H2S，硫代硫酸盐等产能。环境中硫素丰富时，胞内以折光性很强硫粒形式积累硫元素。环境中还原性硫缺乏时硫粒被细菌重新利用。硫细菌在进行还原态硫物质氧化时会产酸（主要是硫酸）所以它们生长会显著地造成环境pH下降，有些硫细菌能够在很酸环境，比如在pH低于1环境中生长。硫细菌需要经过电子逆呼吸链传递来生成还原力。微生物知识讲座第28页三．自养微生物生物氧化2、氨氧化（参见P110倒数第3大段）NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物能够被一些化能自养细菌用作能源19世纪以前，人们把硝酸盐看作是化学作用产物，即空气中氧和氨经土壤催化形成。1862年L.巴斯德首先指出硝酸盐形成可能是微生物作用结果。1877年，德国化学家T.施勒辛和A.明茨用消毒土壤方法，证实了氨被氧化为硝酸确实是生物学过程。1891年，SergeiWinogradsky用无机盐培养基成功地取得了硝化细菌纯培养，最终证实了硝化作用是由两群化能自养细菌进行。

微生物知识讲座第29页三．自养微生物生物氧化2、氨氧化（参见P110倒数第3大段）NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物能够被一些化能自养细菌用作能源亚硝化细菌：硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸盐并取得能量将亚硝酸氧化为硝酸盐并取得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，防止亚硝酸积累所产生毒害作用。这类细菌在自然界氮素循环中也起者主要作用，在自然界中分布非常广泛。微生物知识讲座第30页三．自养微生物生物氧化2、氨氧化NH3、NO2-氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生能量较少，而且进行合成代谢所需要还原力需消耗ATP进行电子逆呼吸链传递来产生，所以这类细菌生长迟缓，平均代时在10h以上。

铁氧化从亚铁到高铁状态铁氧化，对于少数细菌来说也是一个产能反应，但从这种氧化中只有少许能量能够被利用。所以该菌生长会造成形成大量Fe3+（Fe(OH)3）微生物知识讲座第31页三．自养微生物生物氧化3、铁氧化（参见P107第一大段）

能“吃”铁细菌最早发觉于1905年，德国德里斯顿大量自来水管被阻塞了，拆修时发觉管内沉积了大量铁末。科学家在显微镜下从铁末中找到了一个微小细菌，这种细菌能分解铁化合物，并把分解出来铁质“吃下去”。这些“贪吃”细菌因“暴食”而死，铁末沉积在管内。该类菌分布广泛，在富含铁水中尤为普遍。这种细菌能把水中溶解亚铁氧化成高铁形式，沉积于菌体内或菌体周围，并从中取得能量同化CO2

进行自养生活，它们常在水管内壁附着生长，形成结瘤，所以它们不但能造成机械堵塞，而且还能形成氧差电池腐蚀管道，并出现“红水”，恶化水质。微生物知识讲座第32页3、铁氧化（参见P107）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+）很轻易被氧气氧化成为高价铁（Fe3+）；氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）

为何要在酸性环境下生活？能利用亚铁进行氧化产能细菌通常也能够氧化硫化物产能，所以确保细菌生活低pH环境（产生大量硫酸）氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）在富含FeS2煤矿中繁殖，产生大量硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重环境污染。它生长只需要FeS2及空气中O2和CO2，所以要预防其破坏性大量繁殖唯一可行方法是封闭矿山，使环境恢复到原来无氧状态。微生物知识讲座第33页三．自养微生物生物氧化4、氢氧化（参见P111第1大段）氢是微生物细胞代谢中常见代谢产物，很多细菌都能经过对氢氧化取得生长所需要能量。能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长细菌被称为氢细菌：氢氧化可经过电子和氢离子在呼吸链上传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要还原力（P111第1大段）。氢细菌：革兰氏阴性兼性化能自养菌。

能利用分子氢，也能利用其它有机物获取能量进行生长。氢氧化可同时产生ATP和NADH（还原力）微生物知识讲座第34页第一节微生物产能代谢四．光合微生物光合磷酸化（参见P111）化能营养型光能营养型底物水平磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化能量转换经过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中微生物知识讲座第35页光合磷酸化（photophosphorylation）光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类及其它绿色植物原核生物：蓝细菌（仅原核生物有）：光合细菌光能转变为化学能过程：

当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，造成其释放一个电子而被氧化，释放出电子在电子传递系统中传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化基本动力。光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是经过电子传递系统产生ATP微生物知识讲座第36页第四章微生物营养微生物营养类型1．光能无机自养型（光能自养型）能以CO2为唯一或主要碳源；进行光合作用获取生长所需要能量；以无机物如H2、H2S、H2O、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质；藻类及蓝细菌等和植物一样，以水为电子供体（供氢体），进行产氧型光合作用，合成细胞物质。红硫细菌，以H2S为电子供体，产生细胞物质，并伴随硫元素产生。CO2+2H2S光能光合色素[CH2O]+2S+H2O微生物知识讲座第37页第四章微生物营养微生物营养类型2．光能有机异养型（光能异养型）不能以CO2为主要或唯一碳源；以有机物作为供氢体，利用光能将CO2还原为细胞物质；在生长时大多数需要外源生长因子；比如，红螺菌属中一些细菌能利用异丙醇作为供氢体，将CO2还原成细胞物质，同时积累丙酮。CHOH+CO2H3CH3C2光能光合色素2CH3C0CH3+[CH2O]+H2O微生物知识讲座第38页（参见p114倒数第3段）光合磷酸化（photophosphorylation）（1）环式光合磷酸化光合细菌主要经过环式光合磷酸化作用产生ATP不是利用H2O，而是利用还原态H2、H2S等作为还原CO2氢供体，进行不产氧光合作用；电子传递过程中造成了质子跨膜移动，为ATP合成提供了能量。经过电子逆向传递产生还原力；细菌叶绿素含有和高等植物中叶绿素相类似化学结构，二者区分在于侧链基团不一样，以及由此而造成光吸收特征差异。不产氧光合作用反应中心为P870一个光合单位由一个光捕捉复合体和一个反应中心复合体组成微生物知识讲座第39页（参见p116图5-13）光合磷酸化（photophosphorylation）（2）非环式光合磷酸化绿色细菌非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）NAD++H2S+ADP+PiNADPH+H++ATP+Shvchl产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）非环式光合磷酸化反应式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2微生物知识讲座第40页（3）嗜盐菌紫膜光合作用专性好氧盐杆菌属（Halobacterium）古生菌，却生活在含氧极少饱和盐水中，它们细胞中气泡显著，其作用被认为是使菌体浮于盐水表面，以确保细胞更靠近空气。有些厌氧性光合细菌利用气泡集中在水下10-30米深处，这么既能吸收适宜光线和营养进行光和作用，又能够防止直接与氧接触。蓝细菌生长时依靠细胞内气泡而漂浮于湖水表面，并随风聚集成块，常使湖内出现“水花”。一个只有极端嗜盐古菌才有，无叶绿素或细菌叶绿素参加独特光合作用。四种生理类型微生物在不一样光照和氧下ATP合成微生物知识讲座第41页光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜光合作用一个只有极端嗜盐古菌才有，无叶绿素或细菌叶绿素参加独特光合作用。嗜盐菌细胞膜红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）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在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜二分之一，主要由细菌视紫红质组成。试验发觉，在波长为550-600nm光照下，嗜盐菌ATP合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质吸收光谱相一致。（参见p116）微生物知识讲座第42页光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜光合作用（参见p116）细菌视紫红质是一个蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含一个视紫红质蛋白十分相同，含有质子泵功效，在光量子驱动至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度，当膜外H+经过膜上ATP合成酶进入膜内时合成ATP。紫膜光合磷酸化是迄今为止所发觉最简单光合磷酸化反应微生物知识讲座第43页第四节微生物次级代谢与次级代谢产物重点:初级代谢、次级代谢概念及二者间关系微生物知识讲座第44页第四节微生物次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢与次级代谢产物生物生存直接相关，包括产能代谢和耗能代谢普遍存在于一切生物中。初级代谢：微生物从外界吸收各种营养物质，经过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需物质和能量过程，称为初级代谢。（p129第2大段）（参见P129）微生物知识讲座第45页第四节微生物次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢与次级代谢产物（参见p129）

一些微生物、植物一个适应生存方式

次级代谢：由次级代谢合成，大多是分子结构比较复杂化合物。有些人把超出生理需求过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物，依据其作用，可分为：抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。（p129第2大段）次级代谢产物：为防止中间产物积累所造成不利作用一类有利于生存代谢类型相对于初级代谢而提出一个概念。指微生物在一定生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物生命活动无明确功效物质过程。（p129第2大段）微生物知识讲座第46页一、次级代谢与次级代谢产物（参见p129）初级代谢与次级代谢关系：初级代谢：普遍存在于各类生物中一个基本代谢类型1、存在范围及产物类型不一样象病毒这类非细胞生物即使不具备完整初级代谢系统，但它们仍含有部分初级代谢系统和含有利用宿主代谢系统完成本身初级代谢过程能力。次级代谢：只存在于一些生物（如植物和一些微生物）中；代谢路径和代谢产物因生物和培养条件不一样而不一样；微生物知识讲座第47页比如一些青霉、芽胞杆菌和黑曲霉在一定条件下能够分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。不一样微生物可产生不一样次级代谢产物相同微生物在不一样条件下产生不一样次级代谢产物用于青霉菌二种培养基：Raulin培养基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04%、硫酸镁0.027%硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005%Czapek——Dox培养基：葡萄糖5%、硝酸纳0.2%、磷酸氢二钾0.1%、氯化钾0.05%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.001%灰黄青霉在Czapek——Dox培养基上培养时能够合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvicacid）；Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M锌离子Czapek——Dox培养基里培养时合成主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸，但在含0.5×10-6M锌离子Czapek——Dox培养基里培养时不合成6-氨基水杨酸，但能够合成大量龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。产黄青霉在在Raulin中培养时能够合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培养则不产青霉酸。微生物知识讲座第48页每种类型次级代谢产物往往是一群化学结构非常相同不一样成份混合物。不一样微生物可产生不一样次级代谢产物次级代谢产物少数初级代谢过程关键中间产物（前体）骨架碳原子数量和排列上微小改变（如氧、氮、氯、硫等元素加入）或产物氧化水平上微小改变各种各样次级代谢产物例：已知新霉素有4种；杆菌肽、多粘菌素分别有有10各种；放线菌素有20各种；微生物知识讲座第49页一、次级代谢与次级代谢产物（参见P126）初级代谢与次级代谢关系：1、存在范围及产物类型不一样2、对产生者本身主要性不一样初级代谢产物：机体生存必不可少物质次级代谢产物：不是机体生存所必需物质在次级代谢某个步骤上发生障碍，不会造成机体生长停顿或死亡，至多只是影响机体