第 六 章 微生物的代谢.ppt

1、第 六 章 微生物的代谢,山东教育学院生物科学与技术系 微生物学课程组,第 六 章 微生物的代谢,教学目标与要求： 要求掌握微生物代谢的特点、微生物发酵和呼吸的概念及其主要类型； 掌握微生物的生命活动过程中的物质与能量的转换机理,进而理解微生物呼吸与发酵的实质；重点掌握化能异养微生物的产能方式；了解细菌的光合作用和化能自养微生物的产能方式； 了解微生物对有机物的分解代谢、了解生物固氮作用和生物的代谢活动在人类生活及生产中的应用,理解微生物的代谢调节。,微生物的生命活动过程中的物质与能量的转换机理和微生物特有的合成代谢途径是本章的难点。,各种类型的微生物细胞，通过单纯扩散、促进扩散（易化扩散）、

2、主动运输和基团转位等方式，将各种营养物质由外界环境摄入微生物细胞中。当营养物质进入微生物细胞后，要面临着一系列的化学变化。,微生物细胞将要面临的这一系列的化学变化即为：微生物的代谢。,代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。,分解代谢酶系,复 杂 分 子 （有机物）,简单分子,+ ATP,+ H,合成代谢酶系,代谢,分解代谢(catabolism),合成代谢(anabolism),第六章 微生物的代谢,分解代谢物质代谢合成代谢 微生物代谢产能代谢能量代谢耗能代谢,大分子物质的降解,淀粉、脂肪、蛋白质、果胶质等,胞外酶的作用,葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等,分解代谢（catabo

3、lism）,分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。,合成代谢（anabolism）,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。 合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。 在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。 这些能量用于： 1 合成代谢 2 微生物的运动和运输 3 热和光 无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,第一节 微生物对有机物的分解代谢,有机化合物是异养微生物的供氢体。许多有机化合物包括大分子的多

4、糖、蛋白质、核酸、类脂以及碳氢化合物、芳香族化合物等，都可被不同类型的异养微生物所分解利用。但大分子化合物不能透过细胞质膜，它们必须被微生物所产生的胞外酶水解成为组成它们的小分子单体后，才能被微生物吸收利用。,一、含碳有机物（多糖）的分解代谢,这类有机物包括：淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质、木素和芳香族化合物等。 （一）淀粉的分解代谢 植物淀粉包括直链和支链，是葡萄糖多聚物。直链淀粉是由许多葡萄糖单体以-1.4葡萄糖苷键所聚合的大分子；支链淀粉是由-1.6糖苷键形成侧链。（在一般淀粉中，直链淀粉的含量约为80%，支链淀粉为20%）。,淀粉能被多种微生物分解，微生物分解淀粉的酶类很多，作用方式各

5、异，作用后的产物也不同。 主要的淀粉酶有以下几类：,1. -淀粉酶（液化型淀粉酶）：,它可以从直链淀粉的内部任意切割-1.4糖苷键，最终的产物是麦芽糖和少量的葡萄糖，二者的比例约为6：1。-淀粉酶不能水解-1.6糖苷键，以及靠近-1.6糖苷键的-1.4糖苷键，但可越过此键，在分支点的较远位直链内部水解-1.4糖苷键，因此淀粉水解的产物是麦芽糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有-1.6糖苷键的小分子糊精（寡糖）。由于-淀粉酶可在淀粉的内部任意切割，所以使淀粉的粘滞度很快降低，表现为液化，故称为液化酶。一些细菌（枯草）、放线菌、霉菌均能产生-淀粉酶。此外，发芽的种子、动物的胰脏、唾液中都含有此酶。,

6、2糖化型淀粉酶：这是一类酶的总称。 其共同特点是可以将淀粉水解成麦芽糖或葡萄糖。这类酶至少有三种：, -淀粉酶（淀粉-1.4-麦芽糖苷酶）：它是从直链淀粉的外端（非还原端）开始作用于-1.4糖苷键，每次水解出一个麦芽糖分子，可将直链淀粉彻底水解成麦芽糖。因为被-淀粉酶所打断的键发生改变，结果是形成-麦芽糖即麦芽糖的还原碳是-构型的。 -淀粉酶也不能水解-1.6糖苷键，而且也不能越过此键起作用。因此，当遇到支链淀粉分支点上-1.6键时，就停止作用，于是就留下分子较大的极限糊精。故-淀粉酶的水解产物是麦芽糖和大分子的极限糊精。, 淀粉-1.4-葡萄糖苷酶：,此酶也是从淀粉分子的非还原末端开始，依次

7、以葡萄糖为单位逐步作用于淀粉分子中的-1.4糖苷键，生成葡萄糖，此酶也不能水解-1.6糖苷键，但可越过此键，在分支的直链内部继续水解-1.4糖苷键，因此，此酶作用于直链淀粉后的作用产物几乎全部是葡萄糖，作用于支链淀粉水解的产物有葡萄糖与带有-1.6糖苷键的寡糖。此酶也分解麦芽糖。根霉与曲霉普遍能合成与分泌此酶。, 淀粉-1.6-葡萄糖苷酶 （异淀粉酶又称极限糊精酶）：,此酶专门分解淀粉分子的-1.6糖苷键，生成葡萄糖，它能水解-淀粉酶和-淀粉酶作用淀粉后的产物极限糊精。黑曲霉和米曲霉能产生和分泌此酶。 淀粉在上述四类酶的共同作用下能完全水解为葡萄糖。,微生物的淀粉酶可用于酿酒、纺织工业织物脱浆

8、、以及代替酸水解法生产葡萄糖等。各种类型的淀粉酶可用工业方法利用微生物来生产。,（二）纤维素与半纤维素的分解代谢,纤维素是植物细胞壁的主要成分，是世界上最丰富的碳水化合物，它也是由葡萄糖通过糖苷键连接而成的大分子化合物，它与淀粉不同的是，葡萄糖通过-1.4-糖苷键连接起来，而且分子量更大，更不溶于水，均不能直接被人和动物消化，但它可以被许多真菌如大型真菌和小型真菌中的木霉、青霉、曲霉、根霉等以及放线菌与细菌中的一些种分解与利用。细菌中常见的纤维素分解菌有粘细菌、梭状芽孢杆菌、瘤胃细菌等。,能利用纤维素生长的微生物具有纤维素酶。,纤维素酶也是一群作用于纤维素的酶的总称，又有纤维素酶复合物之称。包

9、括C1酶、CX酶（CX1酶、CX2酶两种）和纤维二糖酶（即-葡萄糖苷酶）等类型。 C1酶主要是作用于天然纤维素，使之转变成水合非结晶纤维素；CX1酶是一种内断型的纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子内部作用于-1.4-糖苷键，生成纤维糊精与纤维二糖；,CX2酶则是一种外断型纤维素酶，它从水合非结晶纤维素分子的非还原性末端作用于-1.4-糖苷键，逐步一个个地切断-1.4-糖苷键生成葡萄糖；,纤维二糖酶则是作用于纤维二糖，生成葡萄糖 。,（三）果胶质的分解代谢,果胶质是构成高等植物细胞间质的主要物质。它主要是由D-半乳糖醛酸通过-1.4糖苷键连接起来的直链高分子化合物，其分子中大部分羧基形成了甲基酯

10、；不含甲基酯的果胶质称为果胶酸。 天然果胶质是一种水不溶性的物质，通常被称为原果胶。在原果胶酶的作用下，被转化成水可溶性的果胶；再进一步被果胶甲酯水解酶催化去掉甲酯基团，生成果胶酸，最后被果胶酸酶水解，切断-1.4糖苷键，生成半乳糖醛酸。半乳糖醛酸最后进入糖代谢途径被分解放出能量，可见分解果胶的酶也是一个多酶复合物。,（四）几丁质的分解代谢,几丁质是一种由N-乙酰葡萄糖胺通过-1.4-糖苷键连接起来，又不易分解的含氮多糖类物质。它是真菌细胞壁和昆虫体壁的组成成分，一般的生物都不能分解利用，只有某些细菌（如溶几丁质芽孢杆菌）和放线菌（链霉菌属、诺卡氏菌属中的种类）能分解利用它，进行生长。这些微生

11、物能合成与分泌几丁质酶，使其水解成几丁二糖，再通过几丁二糖酶进一步水解成N-乙酰葡萄糖胺。,二、蛋白质和氨基酸的分解代谢,蛋白质及其不同程度的降解产物通常是作为微生物的氮源物质或作为生长因子，但在某些条件下，这些物质也可作为某些机体的能源物质。含氮有机物通过微生物分解产生氨的过程称为氨化作用。氨化作用在提供植物营养上有重要作用。氨基酸脱氨以后，转变成不含氮的有机物，然后，进一步被氧化放出能量。,（一）蛋白质的分解代谢,蛋白质,肽,肽酶,蛋白酶,氨基酸,相应AA酶,氧化脱氨,还原脱氨,水解脱氨,直接脱氨,土壤中含有的蛋白质物质，主要靠蛋白质分解菌分解，生成简单的含氮化合物，再供植物与微生物利用。

12、在食品工业中，传统的酱制品，如酱油、豆豉、腐乳等的制作也都是利用了微生物对蛋白质的分解作用。,（二）氨基酸的分解代谢,微生物对氨基酸的分解主要是脱氨作用和脱羧作用。1脱氨作用： 脱氨作用因微生物的种类不同、分解条件不同以及氨基酸的不同，会有不同的分解方式与产物。通常情况下，脱氨作用可分为氧化脱氨、还原脱氨、直接脱氨、水解脱氨和氧化-还原偶联脱氨（Stickland史提克兰得反应）等脱氨方式。,（1）氧化脱氨,这种脱氨方式只有在有氧的条件下才能进行，专性厌氧菌没有这种脱氨作用。所谓氧化脱氨，是指在酶催化下，氨基酸在氧化脱氨的同时释放游离氨的过程。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一是以FAN或FMN

13、为辅基的氨基酸氧化酶；另一类是氨基酸脱氢酶，以NAD或NADP作为氢的载体，转给分子氧。其反应的通式：2RCHNH2COOHO2 - 2RCOCOOH 2NH3,如：CH3CHNH2COOH1/2O2 - CH3COCOOH NH3,丙氨酸脱氢酶,-酮酸一般不积累，而继续被微生物转化成羟酸或醇;所脱下的氨具有高度的还原势，伴随着氨基酸的脱氨反应，发生电子传递磷酸化，生成ATP，可供微生物生长所需的能量，另一方面也可为微生物生长提供氮源。,（2）还原脱氨,还原脱氨作用是指在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸的过程。能够进行该过程的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。其通式为：RCHNH2COOH 2H2

14、 - RCH2COOH NH3 在腐败蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成。如梭状芽孢杆菌可使甘氨酸还原成乙酸；使丙氨酸还原为丙酸；使天冬氨酸还原脱氨为琥珀酸。,COOHCH2CHNH2COOH2H2 - HOOCCH2CH2COOHNH3,（3）直接脱氨,氨基酸直接脱氨，在脱氨的同时，其、键减饱和，结果生成不饱和脂肪酸，其通式为：R-CH2-CHNH2-COOH- R-CH=CH-COOH NH3 如天冬氨酸在天冬氨酸裂解酶的催化下直接脱氨生成反丁烯二酸（延胡索酸） COOHCH2CHNH2COOH-HOOCCH=CHCOOH,（4）水解脱氨,氨基酸经水解脱氨生成羟酸。其通式为：

15、RCHNH2COOH H2O - RCHOHCOOH NH3 CH3CHNH2COOH（丙氨酸） H2O - CH3CHOHCOOH（乳酸） NH3 有的氨基酸在水解脱氨的同时又脱羧，结果生成少一碳原子的醇类。如：丙氨酸,CH3CHNH2COOH H2O - CH3CH2OH CO2 NH3通式：RCHNH2COOH H2O - RCH2OH CO2 NH3,（4）水解脱氨,不同的氨基酸经水解可生成不同的产物，同种水解后也可形成不同的产物。在食品工业中，有许多水解脱氨的实例。如粪链球菌使精氨酸水解脱氨生成瓜氨酸；大肠杆菌、变形杆菌、枯草杆菌和酵母菌等水解半胱氨酸生成丙酮酸、NH3和H2S；大肠

16、杆菌和变形杆菌等水解色氨酸生成吲哚、丙酮酸和NH3，当加入对二甲基氨基苯甲醛试剂时，试剂与吲哚反应生成红色的玫瑰吲哚，利用此反应可进行菌种鉴定。,（5）氧化-还原偶联脱氮（Stickland反应）,在某些梭菌和酵母菌中存在由两种氨基酸参与的脱氨反应，其中一种是进行氧化脱氢，脱下的氢去还原另一种氨基酸，使其发生还原脱氨，两者偶联进行氧化还原脱氮。其反应通式如下： RCHNH2COOH RCHNH2COOH H2O - RCOCOOHRCH2COOH 2NH3 并不是任何两种氨基酸之间都能进行这种反应,有些氨基酸只能作供氢体,另一些氨基酸也只能作受氢体。如丙氨酸与甘氨酸之间的反应。,1脱氨作用,氨

17、基酸脱氨后的产物是有机酸，因不同的微生物和不同的环境条件进入不同的代谢途径，而生成不同的产物。如丙酮酸在有氧条件下进入TCA循环被氧化成CO2和H2O同时获得能量；在无氧条件下，则进行发酵作用，生成饱和脂肪酸或醇类。酮酸也可以作为氨基的受体重新生成氨基酸。,2脱羧作用,氨基酸的脱羧作用常见于许多腐败细菌和真菌中。不同的氨基酸由相对应的氨基酸脱羧酶催化脱羧，此种脱羧酶专一性很高，它通常以磷酸吡哆醛作为辅基，且大多数是诱导酶。氨基酸脱羧反应通式：,RCHNH2COOH - RCH2NH2 CO2,氨基酸脱羧酶,2脱羧作用,一元氨基酸脱羧，产物是一元胺；二元氨基酸脱羧，产物是二元胺。二元胺类物质也叫

18、尸胺，对人体有毒性。如食品中的肉类制品，当其中的蛋白质腐败时就生成二元胺类物质。如赖氨酸脱羧后生成尸胺，其反应为： H2N(CH2)4CHNH2COOH - H2N(CH2)4CH2NH2 氨基酸的脱羧作用在大肠杆菌、粪链球菌、腐败梭状芽孢杆菌以及曲霉中都已发现，但在葡萄球菌和假单胞菌中尚未见到。,第二节 微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢的核心问题,最初能源,有机物,化能异养菌,日 光,光能营养菌,无机物,化能自养菌,通用能源（ATP）,与其他生物一样微生物的能量代谢活动中所涉及的主要是ATP形式的化学能 .,微生物代谢的显著特点：（1）代谢旺盛； （2）代谢极为多样化； （3）代谢的严格

19、调节和灵活性。光能型微生物产能：光合磷酸作用产能 植物型（蓝细菌）：放氧性光合作用光合细菌：非放氧性光合作用化能异养型微生物产能：氧化磷酸化作用发酵型产能：（最终电子受体为有机物） 呼吸型产能：有氧呼吸和无氧呼吸 化能自养微生物产能：通过氧化无机氧化 物 (电子呼吸链产能)。,微生物代谢所需能量，绝大多数是通过生物氧化作用而获得的。,生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种,所谓生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应。,生物氧化的过程有脱氢（或电子）、递氢（或电子）、和受氢（或电子）3个阶段。,产能（ATP） 生物氧化的功能：产还原力H 产小分子中间代谢物,有氧呼吸 生物

20、氧化的类型： 无氧呼吸 发酵,在产能代谢中，微生物能以各种有机的和无机的氧化物作为生物氧化的基质。而其中以葡萄糖最为重要。它是异养微生物的主要碳源和能源，可直接进入糖代谢途径被降解成小分子物质-丙酮酸（降解途径有四条）.,异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,微生物获得能量的基质主要是糖类，通过糖的氧化或酵解释放能量，并以高能磷酸键的形式（ADP、ATP）储存能量。 微生物生物氧化的类型分为呼吸与发酵。在生物氧化过程中，微生物的营养物（如葡萄糖）经脱氢酶作用所脱下的氢，需经过一系列中间递氢体（如辅酶I、辅酶II、黄素蛋白

21、等）的传递转运，最后将氢交给受氢体。以无机物为受氢体的生物氧化过程，称为呼吸，其中以分子氧为受氢体的称有氧呼吸；而以无机化合物（如硝酸盐、硫酸盐）为受氢体的称无(厌)氧呼吸。生物氧化中以各种有机物为受氢体的称为发酵。,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,（一）底物脱氢的途径,葡萄糖降解成小分子物质有四条途径,1、EMP途径,2、ED途径,3、HMP途径,4、PK途径,TCA循环,无,无氧呼吸 发 酵,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,底物脱氢的途径及其与递氢、受氢的联系,1、EMP途径（糖酵解）,葡萄糖降解的四种途径,总反应式： ,1：葡萄糖经转化为1，6二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，裂解成

22、两个3C化合物，由此再转化成2分子丙酮酸。这条途径是生物界所共有。 2: 一、三和十步反应不可逆; 3: 不消耗氧,4: 对专性厌氧（无氧呼吸）微生物来说EMP途经是产能的唯一途径,EMP途径特点,5：两个ATP是通过基质（底物）水平磷酸化的方式产生(1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸时)，所谓基质水平磷酸化是指基质在氧化过程中产生某些含有比ATP水解时，放出更多自由能的高能化合物中间体，这种高能物质可以直接将键能交给ADP使之磷酸化，生成ATP。,6：有关酶系在细胞质中,EMP途径的生理功能：,1、为微生物的生理活动提供ATP、 NADH,2、中间产物为菌

23、体合成提供碳架,3、在一定条件下，可沿EMP途径逆转合成多糖,反应中所生成的NADH2不能积存，必须被重氧化为NAD后，才能继续不断地推动全部反应。NADH2被重氧化的方式，因不同微生物和条件而异。在无氧条件下，NADH2的受氢体可以是丙酮酸本身（乳酸菌的乳酸发酵）；可以是丙酮酸的降解产物，如乙醛（酵母菌的酒精发酵）；也可以是无机的NO3（脱氮小球菌的无氧呼吸）等。在有氧条件下，NADH2即经呼吸链氧化，同时由电子传递链磷酸化生成ATP；丙酮酸则进入三羧酸循环被彻底氧化成CO2和水，并生成大量的ATP。,2、HMP途径-磷酸戊糖途径（旁路）为循环途径,HMP 途 径,从6-磷酸-葡萄糖开始，即

24、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途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸 转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供 大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。,HMP途径,生理功能： HMP途径主要是提供生物合成所需要的大量还原力（NADPHH+）和各种不同长度的碳架原料。如5-磷酸核（酮）糖、4-磷酸赤鲜糖等。该途径还与光能和化能自养微生物的合成代谢密切联系，途径中的5-磷酸核酮糖可以

25、转化为固定CO2时的CO2受体-1,5-二磷酸核酮糖. 特点是：有HMP途径的微生物细胞中往往同时存在EMP途径。单独具有HMP途径的微生物少见。,ED途径 又称2酮3脱氧6磷酸裂解（KDPG)途径,ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。,ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。,ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广 ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在 ED途径不如EMP途径经济。,（1）仅在细菌中（假单胞菌属）被发现； （2）葡萄糖经转化成2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-P甘油醛

26、。后者再经过EMP途径后半部分转化成丙酮酸。其结果和EMP途径一样，都自每分子葡萄糖产生两分子丙酮酸； 但2个丙酮酸的来历不同 （3）特征反应为：KDPG裂解为丙酮酸和3P甘油酸,（4）特征酶是：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸醛缩酶 （5）反应步骤简单，产能效率低产生能量的水平只有的EMP途 径 一半(1分子ATP)； （6）由此产生的乙醇发酵为细菌酒精,ED 途径特点：,4 磷酸解酮酶途径,这条途径是由Warburg、Dickens、Horecher等人发现的，又称WD途径，又因特征酶是磷酸解酮酶，所以又称磷酸解酮酶途迳。（有磷酸戊糖酮解酶PK途径和磷酸己糖酮解酶HK途径之分）,没有EM

27、P、ED、HMP途径的细菌通过PK途径分解葡萄糖。PK途径又有磷酸戊糖酮解酶途径和磷酸己糖酮解酶途径之分。肠膜状明串珠菌利用磷酸戊糖酮解酶途径分解葡萄糖；而双歧杆菌是利用磷酸己糖酮解酶途径分解葡萄糖。,4 磷酸解酮酶途径,磷酸戊糖酮解酶途径的关键反应为5-磷酸木酮糖裂解成乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛，关键酶是磷酸戊糖酮解酶，乙酰磷酸通过进一步反应生成乙酸，3-磷酸甘油醛经丙酮酸转化为乳酸。,1分子葡萄糖经磷酸戊糖酮解酶途径产生乳酸、乙酸、ATP、和NADH各1分子。,PK途径：,5P木酮糖,磷酸戊糖解酮酶,乙酰磷酸,3-磷酸甘油醛,乙酸,乳酸,2葡萄糖,HK途径：,5P木酮糖,乙酰磷酸,4-磷酸赤

28、鲜糖,在磷酸己糖酮解酶途径中，由磷酸解酮酶催化的反应有两步：1分子6-磷酸果糖由磷酸己糖酮解酶催化裂解为4-磷酸赤鲜糖和乙酰磷酸；另1分子6-磷酸果糖则与4-磷酸赤鲜糖反应生成2分子磷酸戊糖，而其中1分子5-磷酸核糖在磷酸戊糖酮解酶催化下分解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。,1分子葡萄糖经磷酸戊糖酮解酶途径产生乳酸、乙酸、ATP、和NADH各1分子。,1分子葡萄糖经磷酸己糖酮解酶途径生成1分子乳酸、1.5分子乙酸以及2.5分子ATP。,5、丙酮酸的代谢-产能方式,（1）有氧呼吸,（2）无氧呼吸,（3）发 酵,（1）有氧呼吸,A、TCA循环,TCA循环的重要功能不仅在于产能，而且还是物质代谢的枢纽。

29、它既起着联系糖、蛋白质、与脂肪代谢的桥梁作用，又为很多重要物质的合成代谢提供各种碳架的原料。为人类提供各种有用的产物如柠檬酸等。,5、TCA循环,葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别,（二）递氢和受氢,1、有氧呼吸（respiration）,又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能量。,A、电子传递链（呼吸链）,电子传递链存在于微生物细胞质膜或线粒体内膜上的由一系列氢和电子传递体组成的多酶氧化还原体系。 它是一种定向有序的、氧化还原电势按照有低到高顺

30、序排列的氢和电子的传递系统。,电子传递链,氧化磷酸化的机制：,中心思想：电子传递导致膜内外出现质子浓度差，从而将能量隐藏在质子势中，推动质子由膜外进入膜内，通过F1F0 ATP酶偶联，产生ATP。,化学渗透假说,ATP酶,膜外,膜内,ATP,1978 Nobel 奖,B 、氧化磷酸化,氧化磷酸化营养物质在生物氧化过程中形成的NAD(P)H和FADH2，通过电子传递链将氢和电子传递给氧或其他氧化型物质，同时偶联着ATP的形成，这种产生ATP的方式，即氧化磷酸化。,NAD(P)+ 呼吸链的氧化磷酸化产能效率比FAD+呼吸链的产能效率高；细菌中存在着多种呼吸链，一般好氧菌呼吸链的氧化磷酸化产能效率高

31、于兼性和厌氧菌。,C、底物（基质）水平磷酸化不经过电子传递链，而在营养物质的生物氧化过程中将高能磷酸键直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式即底物（基质）水平磷酸化。,有氧呼吸特点,基质氧化彻底 生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。 产能量多，一分子G净产38个ATP,2、无氧呼吸（anaerobic respiration）,又称厌氧呼吸，是指在厌氧条件下，厌氧或兼性厌氧菌,以外源无机氧化物（、NO2、SO4、 S2O32-、 CO2、Fe3+ 等）或有机物(延胡索酸等，罕见)作为呼吸链末端的氢

32、（电子）受体时，发生的一类产能效率低的特殊的生物氧化。,特点 是底物经常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化的产能反应。进行厌氧呼吸的微生物极大多数是细菌，据受体的种类不同而有多种类型。,硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物氧化过程。它是指NO3-被某些微生物还原为NO2-，再逐步还原为NO、N2O、N2的过程。 由于硝酸盐是逐级还原成气态产物而逸去的异化脱氮过程，也称为异化性硝酸盐还原作用（Dissimilative） 。,2、无氧呼吸（anaerobic respiration）,（1）硝酸盐呼吸：又称反硝化作用或称硝酸盐还原,反硝化作用

33、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。,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。,硝酸盐呼吸的特点：,（1）由反硝化菌群（兼性）所进行的无氧呼吸；,（2）缺氧或厌氧条件下进行反应；,（3）在一系列还原酶的催化下（完成）进行;,（4）由化能异氧菌所进行的还原反应；,（

34、5）以硝酸盐为呼吸链末端H和电子受体；,（6）从有机物氧化中得到能量；,（7）可产生2分子ATP；,（8）还原力NADH2的形成是通过有机物的生物氧化, 不需要消耗能量。,（2）硫酸盐呼吸又称硫酸盐还原（严格厌氧的古细菌）,硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧 条件下获取能量的方式，其特点 是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终氢的末端受体是硫酸盐，在递氢的过程中与氧化磷酸化相偶联而获得3ATP。SO428H 4H2OS2,（3）硫呼吸又称硫还原（高温厌氧古细菌）,硫呼吸：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体产生H2S的生物氧化作用。,2、无氧呼吸（anaerobic respirati

35、on）,（4）碳酸盐呼吸又称碳酸盐还原（专性厌氧-产生甲烷）,碳酸盐呼吸：甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。呼吸链的末端氢受体是CO2 或重碳酸盐。CO2+4H2 CH4+2H2O+ATP,（5）延胡索酸呼吸,延胡索酸呼吸：兼性厌氧菌，将延胡索酸还原成琥珀酸，呼吸链的末端氢受体是延胡索酸，琥珀酸是还原产物。,2、无氧呼吸（anaerobic respiration）,3、发酵（fermentation）,发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交给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一

36、类生物氧化反应 ( 氢和电子的受体是有机物 )。糖酵解是发酵的基础，主要通过EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径四种途径。,在上述葡萄糖降解的四条途径中，均有还原型氢供体-NADHH和NADHPHH产生。反应中所生成的还原力不能积存，必须被重氧化后，才能继续不断地推动全部反应。还原力被重氧化的方式，因不同微生物和条件而异。在有氧条件下，还原力即经呼吸链氧化，同时由电子传递链磷酸化生成ATP；丙酮酸 则进入三羧酸循环被彻底氧化成CO2和水，并生成大量的ATP。,在无氧条件下，便以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物作为氢（电子）受体，来接受NADHH和NADHPHH的氢（电子），于是产

37、生了各种各样的发酵产物。,(1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵, 酵母菌的酒精发酵:发酵产物为乙醇、CO2,产生2分子ATP,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件,PH小于7.5 （一般控制在3.54.5）,厌氧,不含NaHSO3, 通过ED途径进行的乙醇发酵 （细菌的乙醇发酵）,参与微生物 ：运动发酵假单胞菌 发酵途径：ED途径 反应式：C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+ATP,乙醇发酵特点：,发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍有有机物 ； 酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。 产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H使之还原成乙醇的过程

38、。, 乳酸发酵,指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程。 两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵 细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，腌渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵。 进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等 。, 同型乳酸发酵：发酵产物只有乳酸,产生2分子ATP,在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸 发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。,关键酶：乳酸脱氢酶,（2）异型乳酸发酵（通过HMP途径或PK ）,发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。 青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。 异型乳酸发酵结果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2

39、各1分子。 北方腌渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵 。 乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。,腌渍酸菜应做好以下几点,必须控制不被杂菌感染； 要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件； 要加适量的盐，35% NaCl浓度为好； 缸要刷净，并不要带进油污； PH值34为宜。, 混合酸发酵和丁二醇发酵,埃希氏菌属（大肠杆菌）、沙门氏菌属、志贺氏菌属等肠菌科的一些细菌发酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、CO2和H2等产物。因产物中有多种有机酸，故称混合酸发酵。,肠杆菌属（产气杆菌）在发酵葡萄糖时，只有一小部分按混合酸发酵的类型进行外，大部分丙酮酸先通过两个分子的缩合成为乙酰乳酸，

40、再脱羧成为3-羟基丁酮，然后再还原为2，3-丁二醇。,不同微生物发酵产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。,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,由于埃希氏菌大肠杆菌和肠杆菌属的产气杆菌在厌氧条件下细胞有甲酸氢解酶，它在酸性条件下催化甲酸裂解成CO2和H2，所以大肠杆菌和产气杆菌发酵葡萄糖时产酸、产气，而志贺氏菌没有甲酸氢解酶，故发酵葡萄糖时只产酸、不产气。,产酸产气实验:,这样我们通过产酸产气实验即可以将一些不产酸以及虽然产酸但不产气的细菌

41、（大肠杆菌和产气杆菌与志贺氏菌）区别开来。 （溴百里香酚蓝PH 6.07.8显黄-蓝色,德拉姆氏小导管收集气体）。,甲基红实验(M.R):产气杆菌在发酵葡萄糖时，只有一小部分按混合酸发酵的类型进行外，大部分丙酮酸先通过两个分子的缩合成为乙酰乳酸，再脱羧成为3-羟基丁酮，然后再还原为2，3-丁二醇。丁二醇是中性的，而大肠杆菌的产物中有多种有机酸，发酵液中PH很低（4.5）,甲基红实验(M.R)结果为大肠杆菌阳性（）, 产气杆菌甲基红实验(M.R)结果为阴性（）。,V.P实验:丁二醇发酵的中间产物-3-羟基丁酮是菌种鉴定的V.P实验的物质基础。3-羟基丁酮在碱性条件下被空气中的氧气氧化成（双）乙二

42、酰，它能与培养基成分蛋白胨中的精氨酸所含的胍基反应生成红色化合物。产气杆菌产生大量3-羟基丁酮，故V.P实验阳性（）；而大肠杆菌产生很少或不产生3-羟基丁酮，故V.P实验阴性（）。,大肠杆菌：,产气杆菌：,V.P.试验阳性 甲基红(M.R)试验阴性,V.P.试验阴性 甲基红(M.R)试验阳性,在饮水、食品的卫生学检验中对大肠杆菌和产气杆菌常用的鉴别指标：大肠杆菌 产气杆菌V.P实验 （） （）M.R实验 （） （） EMB培养基 紫黑色干燥的 湿润的灰棕色的具有金属光泽 大菌落的小菌落,（3）氨基酸的发酵产能-Stickland反应,以一种氨基酸作供氢(电子)体，以另一种氨基酸作为受氢(电子)

43、体时的氧化-还原脱氨基反应.它是微生物在厌氧条件下,而实现产能的独特发酵类型。,CH3,CHNH2,COOH,CH2NH2,COOH,+ 2,ADP+Pi,ATP,3CH3COOH+3NH3+CO2,二 、化能自养微生物的生物氧化与产能,还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机物 而获得的,NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等,呼吸链的氧化磷酸化反应,硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自养类型,化能自养菌：以CO2为主要或唯一碳源,从还原无机化合物的生物氧化获得能量和还原力H的微生物称为化能自养微生物。,化能自养菌能量代谢的特点： 无机物底物上脱下的氢（电子）直接进入

44、呼吸链，通过氧化磷酸化产能； 由于电子可以从多处进入呼吸链，所以有多种多样的呼吸链； 产能效率通常要比化能异养细菌的低，由于产能效率低，所以化能自养细菌生长缓慢，细胞产率低。,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,自养微生物的合成代谢：将CO2先还原成CH2O水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分。,化能异养微生物：,ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化,化能自养微生物：,无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP,如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在 氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要 通过电子的逆向传递，以消耗ATP为

45、代价获得还原力。,1 氢的氧化,氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过 对氢的氧化获得生长所需要的能量。,氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要的还原力。,用途:用于生产单细胞蛋白 生产所需原料：石油，天然气，氢,1 氢的氧化 （氢细菌）,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的细菌被称为氢细菌： 氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。在有氢的条件下利用氢氧化时放出的能量同化CO2而生长,在无氢的有氧条件下，就利用有机物为能源生长。,硝化细菌:,能利用还原无机氮化合物进行自养生长的细菌称为硝化细菌。它可分为两个亚

46、群：亚硝化细菌和亚硝酸氧化细菌。亚硝化细菌使自然界中的氨氧化为亚硝酸；亚硝酸再被亚硝酸氧化细菌进一步氧化为硝酸的过程即为硝化作用。,2 氨的氧化 （硝化细菌的硝化作用）,NH3 亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源,亚硝化细菌：,将氨氧化为亚硝酸并获得能量,硝化细菌：,将亚硝氧化为硝酸并获得能量,2 氨的氧化 （硝化细菌的能量代谢）,这两类细菌往往伴生在一起，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。这类细菌在自然界的氮素循环中也起着重要的作用，在自然界中分布非常广泛。,NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能

47、量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力，需消耗ATP进行逆向电子呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长慢，平均代时在10h以上。,（O2） （O2） NH3 - NO2- - NO3-亚硝化细菌 亚硝酸氧化细菌,特点：,是由化能自养菌所进行的生物氧化反应；,由硝化细菌所进行的有氧呼吸；,在有氧的条件下进行的氧化反应；,以分子氧为氢（电子）的受体；,从无机物的氧化中得到能量，产能效率低, 只有1分子ATP；,还原力的形成是在耗能的情况下通过反向电子传递而形成NADH2 。,硝化作用与反硝化作用的不同点：,硝化作用 由化能自养菌所进行的生物氧化作用 NH3 （O2）NO2- （O2） NO3- 由硝化

48、细菌所进行的有氧呼吸 好氧菌 有氧的条件下进行氧化反应 以分子氧为H（电子）受体 从无机物的氧化中获得能量 产能效率低，只有1分子ATP 还原力的形成是在耗能的情况下 通过反向电子传递而形成NADH2,反硝化作用 由化能异养菌所进行的还原作用 NO3- NO2- NO N2O N2 由反硝化菌群所进行的无氧呼吸 厌氧或兼性厌氧菌 无氧的条件下进行还原反应 以NO3-为呼吸链末端H（电子）受体 从有机物的氧化中得到能量可产生2分子ATP 还原力NADH2的形成是通过有机物的生物氧化，不需要耗能,三、光能微生物的能量代谢,光能微生物可从阳光中获取能量，通过光合磷酸化产能。即能将光能转变成ATP形式的化学能。,光合作用过程比较复杂，已知所有的光合作用都包括两组紧密联系而又不相同的反应。其一为光反应，即光合色素吸收光能，并将光能转化为化学能的能量转换反应；另一为暗反应，是利用由光能转化而产生的化学能，是将CO2还原成有机物质的生物合成反应。,所谓光合磷酸化作用：是指光合细菌以光为能源，利用CO2（光能自养）或有机碳化合物（光能异养）作为碳源，通过电子传递链生成ATP的过程。,