微生物的代謝工業(yè)微生物學

關于微生物的代謝工業(yè)微生物學第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日第一節(jié)代謝概論

簡稱代謝（metabolism），是營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學變化的總稱

代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]一、新陳代謝

第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

能量是使自然界中各種活動得以進行的一種能力，所有的物理和化學過程都是能量應用或轉(zhuǎn)移的結(jié)果。

二、能量

微生物代謝過程中的能量來源主要為有機物的氧化（分解代謝）、無機物的氧化、光。

能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日最初能源有機物還原態(tài)無機物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物通用能源（ATP）光有機物氧化無機物氧化第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

氧化還原反應是電子從一個供體（還原劑）轉(zhuǎn)移至一個電子受體（氧化劑）的反應。在生物化學中，氧化還原通常不僅僅只是轉(zhuǎn)移電子，有時也轉(zhuǎn)移氫原子，因為在細胞氧化中，電子和質(zhì)子可以同時失去，這就相當于失去氫原子。三、氧化還原反應

氧化還原對E0′（氧化還原電勢）2H+

＋2e－

——→H2Fe3+

＋e－

——→Fe2+NAD(P)+

＋H+

＋e－

——→NAD(P)HS＋2H+

＋2e－

——→H2SFAD＋2H+

＋2e－

——→FADH2Cytb(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)Cytc(Fe3+)＋e－

——→Cytb(Fe2+)NO3－＋2H+

＋2e－

——→NO2－＋H2ONO2－＋8H+

＋6e－

——→NH4

＋2H2OFe3+

＋e－

——→Fe2+O2

＋4H+

＋4e－

——→4H2O－0.42－0.42－0.32－0.274－0.180.0750.2540.4210.440.7710.815第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日三磷酸腺苷（ATP）在細胞代謝的能量流通中扮演著“能量貨幣”的重要角色，它作為能量的載體參與代謝途徑中能量的儲存、釋放和轉(zhuǎn)移。四、ATP及產(chǎn)生ATP的三種磷酸化反應

生物體具有三種磷酸化方式產(chǎn)生ATP：

1底物水平磷酸化

高能磷酸基團直接從磷酸化合物（底物）轉(zhuǎn)移到ADP而形成ATP。2氧化磷酸化電子通過一系列電子載體（NAD+等）被轉(zhuǎn)給分子氧或其他有機分子時發(fā)生磷酸化而產(chǎn)生ATP。3光合磷酸化光合磷酸化只存在于能進行光合作用的細胞中。把所捕獲到的光能通過電子傳遞鏈轉(zhuǎn)化為以ATP和NADH形式儲存的化學能。第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第二節(jié)糖代謝多糖和二糖不能直接透過微生物的細胞膜進入細胞。一般需要微生物分泌胞外酶將其水解成單糖才能進入細胞被利用。一、糖的分解代謝和產(chǎn)能

1.多糖和二糖的分解(1)淀粉的分解：淀粉酶、糖化酶、普魯蘭酶等(2)纖維素和半纖維素的分解天然纖維素C1酶

短鏈纖維素Cx酶

纖維寡糖纖維二糖葡萄糖β-葡萄糖糖苷酶

葡萄糖半纖維素可以通過木聚糖酶等復合酶水解成單糖。第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日(3)果膠的分解

果膠由半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵形成的直鏈狀高分子化合物。果膠酶主要有三種：果膠裂解酶、果膠甲酯水解酶和果膠聚半乳糖醛酸酶。(4)二糖的分解蔗糖、麥芽糖、乳糖、纖維二糖等能被微生物分解利用。微生物分解利用二糖有兩種方式：一是水解酶將其水解為單糖;

另一種是由相應的磷酸化酶將其分解。第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）蔗糖的分解許多微生物細胞能夠分泌蔗糖水解酶：蔗糖+H2O蔗糖水解酶葡萄糖＋果糖在嗜糖假單胞菌中由蔗糖磷酸化酶催化蔗糖磷酸化反應：蔗糖+H3PO4

蔗糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋果糖2）麥芽糖的分解麥芽糖+H2O麥芽糖水解酶2葡萄糖麥芽糖+H3PO4

麥芽糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖3）乳糖的分解乳糖+H2Oβ-半乳糖苷酶葡萄糖+半乳糖4）纖維二糖的分解纖維二糖是在纖維二糖磷酸化酶的催化下分解的。纖維二糖+H3PO4

纖維二糖磷酸化酶葡萄糖-1-磷酸＋葡萄糖第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.單糖的分解和產(chǎn)能

葡萄糖作為典型的生物氧化底物其分解的主要途徑包括：EMP途徑、ED途徑、TCA循環(huán)、HMP途徑。每條途徑既有產(chǎn)生多種形式小分子中間代謝物以供合成反應作原料的功能，又有脫氫、產(chǎn)能的功能。(1)葡萄糖的分解和產(chǎn)能(2)呼吸和發(fā)酵

在生物體中，葡萄糖經(jīng)上述的多種途徑分解后，產(chǎn)生NAD(P)H+H+經(jīng)過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結(jié)合，以釋放其化學潛能。根據(jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質(zhì)的不同，可以把生物氧化區(qū)分成有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵三種類型。第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日有氧呼吸：底物分解產(chǎn)生的氫，經(jīng)完整的呼吸鏈（RCrespirarorychain，又稱電子傳遞鏈ETCelectrontransportchain）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）的過程。無氧呼吸：底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產(chǎn)能反應。

發(fā)酵：在無氧條件下，底物脫氫后不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接將其交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應

。

生物氧化第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日1)有氧呼吸（aerobicrespiration)

指從葡萄糖或其它有機基質(zhì)脫下的電子（氫）經(jīng)過一系列電子載體最終傳遞給外源分子氧并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。以氧氣以外的氧化型化合物作為最終電子受體有氧呼吸（aerobicrespiration）：無氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的產(chǎn)能方式。有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日A.電子傳遞鏈：由一系列按氧化還原電位由低到高順序排列起來的氫(電子)傳遞體組成。原核生物呼吸鏈在細胞膜上，真核生物的呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜但呼吸鏈的主要成分是類似的。兩個功能：1）傳遞氫或電子；2）儲存氫或電子傳遞過程釋放的能量，用于合成ATP；又稱“呼吸鏈”當一對電子通過呼吸鏈從NADH傳遞至O2的過程中，釋放自由能的部位有三處即產(chǎn)生3ATP，P/O=3。NAD(P)FPFe.SCoQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3

O2ATPATPATP第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日原核生物呼吸鏈的特點:多樣化除了葡萄糖或其它有機基質(zhì)外，H2、S、Fe2+、NH4+、NO-2等都可用作電子供體；除了O2外，可用作電子受體的還有NO-3、NO-2、NO-、SO42-、S2-、CO32-，甚至延胡索酸、甘氨酸、二甲亞砜和氧化三甲亞胺等有機物。具有各類型細胞色素，如a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶，不僅有細胞色素a1、a2、a3、d、o等，還有H2O2酶和過氧化物酶；呼吸鏈組分與含量多變，隨氧氣的供應、生長階段、基本營養(yǎng)供應、Fe2+、SO42-濃度等變化而改變；不僅有一般呼吸鏈，還有分支呼吸鏈；電子傳遞方式多樣化，在細菌中可經(jīng)CoQ傳遞給細胞色素，也可不經(jīng)CoQ傳遞給細胞色素。第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日B.氧化磷酸化作用的化學滲透假說化學偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學滲透假說

位于細胞膜或線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈組分在傳遞來自基質(zhì)的氫時，在將電子傳遞給下一個電子載體的同時把質(zhì)子從膜內(nèi)泵到膜外，因而造成了膜內(nèi)外兩側(cè)的質(zhì)子梯度和電位梯度，由此產(chǎn)生質(zhì)子動勢，這種動勢蘊藏著電子傳遞過程中所釋放的能量。在質(zhì)子動勢的驅(qū)動下，質(zhì)子通過跨膜的ATP合酶從膜外回到膜內(nèi)，并釋放能量驅(qū)使ADP磷酸化生成ATP?；瘜W滲透假說：第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日電子從NAD+進入呼吸鏈傳遞至O2時，只有3處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生3分子ATP；NAD呼吸鏈的P/O=3；電子從FAD+進入呼吸鏈傳遞至O2時，只有2處釋放出足夠的能量能與ADP磷酸化相偶聯(lián)，產(chǎn)生2分子ATP，F(xiàn)AD呼吸鏈的P/O=2；

具有抑制電子傳遞、能量轉(zhuǎn)移和解偶聯(lián)作用的物質(zhì)都會阻止氧化磷酸化。抑制電子傳遞：KCN、NaN3、CO等；解偶聯(lián)劑：2,4-二硝基苯酚，短桿菌肽等P/O：表示當一對電子通過呼吸鏈傳遞至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，即表示呼吸鏈氧化磷酸化效率。第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日由于葡萄糖在有氧呼吸中產(chǎn)生的能量要高于發(fā)酵中產(chǎn)生的能量，即微生物在有氧呼吸過程中,利用較少的糖而能獲得厭氧條件下相同量的ATP。釀酒酵母等既可利用發(fā)酵產(chǎn)能，又可利用呼吸產(chǎn)能的兼性厭氧微生物，在有氧條件下終止厭氧發(fā)酵而轉(zhuǎn)向有氧呼吸，這種呼吸抑制發(fā)酵(或氧抑制糖酵解)的現(xiàn)象稱為巴斯德效應（Pasteureffect）。由此降低了葡萄糖的消耗，并抑制了乙醇的產(chǎn)生。C、巴斯德效應第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日2）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

呼吸鏈末端的氫或電子受體是外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。無機物：NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、S、CO2有機物：延胡索酸（fumarate）等根據(jù)末端氫（電子）受體的不同，無氧呼吸分為多種類型：A.硝酸鹽呼吸B.硫酸鹽呼吸C.硫呼吸D.鐵呼吸E.碳酸鹽呼吸F.延胡索酸呼吸

某些厭氧和兼性厭氧微生物(極大多數(shù)是細菌)在無氧條件下，通過電子傳遞鏈遞電子，通過氧化磷酸化而產(chǎn)能的代謝.氫或電子受體第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日A.硝酸鹽呼吸以硝酸鹽作為最終電子受體的生物學過程，又稱“反硝化作用”只能接收2個電子，產(chǎn)能效率低；NO2-對細胞有毒有些菌可將NO2-進一步將其還原成N2第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

能進行硝酸鹽呼吸的細菌被稱為硝酸鹽還原細菌（又稱反硝化細菌），主要生活在土壤和水環(huán)境中，如地衣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、依氏螺菌、脫氮副球菌、脫氮硫桿菌和生絲微菌屬中的一些成員等。大腸桿菌也是一種反硝化細菌，但它只能將NO3-還原成NO2-

。第二，反硝化作用：指NO3-被還原成NO2-，再逐步還原成NO、N2O和N2的過程，稱“異化性硝酸鹽還原”，僅局限于原核生物。第一，同化性硝酸鹽還原。很多細菌、真菌及植物將NO3-還原成NH3，為生長提供氮源。硝酸鹽在微生物生命活動中主要具有兩種功能：

第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日

能進行硝酸鹽呼吸的都是一些兼性厭氧微生物即反硝化細菌，專性厭氧微生物無法進行硝酸鹽呼吸。但只有在無氧條件下，才能誘導出反硝化作用所需要的硝酸鹽還原酶A和亞硝酸還原酶。有氧時其細胞膜上的硝酸鹽還原酶合成被阻，細胞進行有氧呼吸。大腸桿菌(a)有氧呼吸；(b)硝酸鹽呼吸：電子受體是硝酸根離子第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日反硝化作用的生態(tài)學作用：硝酸鹽還原細菌進行厭氧呼吸土壤及水環(huán)境好氧性機體的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境害：土壤中植物能利用的氮（NO3-）還原成氮氣而消失，從而降低了土壤的肥力。防止措施：松土，排除過多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。利：反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用硝酸鹽易溶解于水，常通過水從土壤流入水域中。如果沒有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會導致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日B.硫酸鹽呼吸

進行硫酸鹽呼吸的細菌稱“硫酸鹽還原細菌”，包括脫硫弧菌屬、脫硫單胞菌屬、脫硫球菌屬、脫硫腸狀菌屬、脫硫八疊球菌屬等。它們都是嚴格厭氧的古生菌。

極大多數(shù)為專性化能異養(yǎng)型，利用有機酸（乳酸、丙酮酸、延胡索酸和蘋果酸等）、脂肪酸（乙酸和甲酸）和醇類（乙醇）等有機質(zhì)生長。少數(shù)為混合營養(yǎng)型生長，在有適宜有機碳源和能源時以化能異養(yǎng)生活，若無適宜有機物時也能以H2、CO2進行自養(yǎng)生長。

經(jīng)呼吸鏈傳遞的氫交給硫酸鹽（末端氫受體）的一種厭氧呼吸。硫酸鹽還原的最終產(chǎn)物是H2S。第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日C.硫呼吸

元素硫作為無氧呼吸的最終氫受體，最終硫被異化性還原形成H2S的過程。兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙饕?硫還原菌屬、脫硫單胞菌屬CH3COOH+2H2O+4S2CO2+4H2S例如，利用乙酸為電子供體：第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日

某些兼性厭氧細菌可將延胡索酸還原成琥珀酸，即以延胡索酸為最終電子受體，而琥珀酸是還原產(chǎn)物。

以CO2或碳酸鹽作為呼吸鏈的末端氫受體的無氧呼吸。根據(jù)其還原產(chǎn)物的不同，可分為兩種類型，一類是產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷的碳酸鹽呼吸，另一類為產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)生乙酸的碳酸鹽呼吸。D.碳酸鹽呼吸（carbnaterespiration）

無氧呼吸鏈的末端氫受體是Fe3+，這方面的研究目前僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌中有報道。F.鐵呼吸（ironrespiration）G.延胡索酸呼吸（fumaraterespiration）

近年來，又發(fā)現(xiàn)了幾種類似于延胡索酸呼吸的無氧呼吸，它們都以有機氧化物作為無氧環(huán)境下呼吸鏈的末端氫受體，包括甘氨酸（還原成乙酸）、二甲基亞砜（還原成二甲基硫化物），氧化三甲基胺（還原成三甲基胺）等。

第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日

在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質(zhì)時，經(jīng)常會發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳墓封口不嚴時，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會發(fā)出綠幽幽的光。長期以來人們無法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱之為“鬼火”。無氧呼吸對“鬼火”的生物學解釋第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日

厭氧呼吸的產(chǎn)能較有氧呼吸少，但比發(fā)酵多，它使微生物在沒有氧的情況下仍然可以通過電子傳遞和氧化磷酸化來產(chǎn)生ATP，因此對很多微生物是非常重要的。除氧以外的多種物質(zhì)可被各種微生物用作最終電子受體，充分體現(xiàn)了微生物代謝類型的多樣性。第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日

狹義的“發(fā)酵”:指在能量代謝或生物氧化中，在無氧條件下，底物（有機物）氧化釋放的氫（或電子）不經(jīng)呼吸鏈傳遞，而直接交給某種未完全氧化的中間產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能過程。

廣義的“發(fā)酵”，指利用微生物生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一種生產(chǎn)方式。3）發(fā)酵（fermentation）底物氧化不徹底，產(chǎn)能水平低；積累各種中間代謝產(chǎn)物不可缺少的途徑。特點:底物水平磷酸化產(chǎn)生ATP實質(zhì):第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日發(fā)酵作用的兩個共同點NADH被氧化成NAD+；電子受體通常是丙酮酸或它的衍生物；

由于沒有外源電子受體，NADH不能通過電子傳遞鏈氧化。通過利用丙酮酸或它的衍生物作為電子（或氫）受體，以實現(xiàn)NADH再氧化成NAD+

，以實現(xiàn)甘油醛-3-磷酸的氧化，使酵解作用不被中斷。第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3-P-甘油醛丙酮酸乳酸葡萄糖糖酵解作用發(fā)酵途徑第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日A.乳酸發(fā)酵能發(fā)酵葡萄糖生成乳酸的微生物，稱為“乳酸菌”根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵分為：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)物只有乳酸產(chǎn)物除了乳酸，還有乙醇（或乙酸）和CO2等第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日由于菌體內(nèi)酶系不同，乳酸菌的代謝途徑分三種類型：同型乳酸發(fā)酵途徑：德氏乳桿菌，植物乳桿菌

EMP乳酸脫氫酶

葡萄糖

2丙酮酸

2乳酸

+2ATP

NADH+H+NAD+異型乳酸發(fā)酵途徑：腸膜明串珠菌，短乳桿菌

HMP葡萄糖乳酸+乙醇+CO2+ATP雙歧途徑：雙歧桿菌

HK和PK葡萄糖乳酸+1.5乙酸

+2.5ATP雙歧桿菌沒有醛縮酶，也沒有葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，不能通過EMP途徑，但含有磷酸解酮酶類，這是雙歧途徑的關鍵酶。如HMP循環(huán)一樣，由6-磷酸葡萄糖酸形成5-磷酸核糖，經(jīng)表異構(gòu)化產(chǎn)生5-磷酸木酮糖，然后由磷酸戊糖酮解酶（PK）裂解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日（磷酸解酮酶）（磷酸解酮酶）（轉(zhuǎn)酮酶）第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日B.乙醇發(fā)酵

多種微生物（如酵母菌，根霉，曲霉，某些細菌）能通過稱為乙醇發(fā)酵的過程，將糖轉(zhuǎn)變成乙醇和CO2

乙醇發(fā)酵也分為同型乙醇發(fā)酵（homoalcholicfermentation）和異型乙醇發(fā)酵（heteroalcoholicfermentation）兩類。

第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日同型乙醇發(fā)酵（homoalcholicfermentation）

釀酒酵母能夠通過EMP途徑進行同型酒精發(fā)酵，即由EMP途徑代謝產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)過脫羧放出CO2，同時生成乙醛，乙醛接受糖酵解過程中釋放的NADH+H+被還原成乙醇。這是一個低效的產(chǎn)能過程，大量能量仍然貯存于乙醇中，其總反應為：葡萄糖＋2ADP+2Pi2乙醇+2CO2+2ATP

運動發(fā)酵單胞菌能通過ED途徑進行同型乙醇發(fā)酵，但只產(chǎn)生1個ATP。葡萄糖＋ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日優(yōu)點：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度高。缺點：對乙醇耐受力低（7%，酵母8%~10%）；pH較高（細菌約pH5，酵母菌為pH3），易染菌。

缺乏完整EMP途徑的少數(shù)細菌（假單胞菌，根瘤菌，農(nóng)桿菌，糞腸球菌）利用ED途徑替代EMP途徑產(chǎn)能。細菌進行的同型酒精發(fā)酵特點第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日細菌進行的異型酒精發(fā)酵特點

一些細菌能夠通過HMP途徑進行異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)生乳酸、乙醇和CO2等，我們也可以稱其為異型乙醇發(fā)酵，例如Leuconostocmesenteroides（腸膜明串珠菌）進行的異型乙醇發(fā)酵總反應式為：葡萄糖＋ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日根據(jù)在不同條件下代謝產(chǎn)物的不同，可將酵母菌利用葡萄糖進行的發(fā)酵分為三種類型：一型發(fā)酵：pH3.5~4.5及厭氧條件下，進行正常的酒精發(fā)酵二型發(fā)酵（同型甘油發(fā)酵）：存在亞適量亞硫酸氫鈉（3%）時，生成甘油三型發(fā)酵：弱堿性（pH7.6）厭氧條件下，生成甘油、乙醇、乙酸和CO2

該條件下乙醛不能作為正常的氫受體，于是，2分子乙醛發(fā)生歧化反應，分別氧化和還原生成1分子乙酸和1分子乙醇，即為異型甘油發(fā)酵。C.甘油發(fā)酵（酵母菌）第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日微生物學與第一次世界大戰(zhàn)德國：（CarlNeuberg）丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羥基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亞硫酸氫鈉（pH7）Saccharomycescerevisiae厭氧發(fā)酵（磺化羥基乙醛）亞硫酸氫鈉可與乙醛反應生成難溶的磺化羥基乙醛。此時，乙醛不能作為氫受體，所以不能形成乙醇，迫使磷酸二羥丙酮替代乙醛作為氫受體，生成磷酸甘油，并進一步水解脫磷酸而生成甘油第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日D.混合酸發(fā)酵

甲基紅反應(M.R）陽性

葡萄糖

EMPPEP羧化酶蘋果酸脫氫酶

PEP

草酰乙酸琥珀酸

乳酸脫氫酶

丙酮酸

乳酸

丙酮酸甲酸裂解酶乙醛脫氫酶

甲酸乙酰CoA乙醛

甲酸氫解酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；敢掖济摎涿?/p>

乙醇CO2H2

乙酰-磷酸乙酸激酶

乙酸大腸桿菌發(fā)酵葡萄糖在產(chǎn)酸（pH<4.5）的同時產(chǎn)氣第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日不同微生物發(fā)酵產(chǎn)物的不同，也是細菌分類鑒定的重要依據(jù)。大腸桿菌：

丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，甲酸在酸性條件下可進一步裂解生成H2和CO2產(chǎn)酸產(chǎn)氣志賀氏菌：

丙酮酸裂解生成乙酰CoA與甲酸，但不能使甲酸裂解產(chǎn)生H2和CO2產(chǎn)酸不產(chǎn)氣第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日E.丁二醇發(fā)酵丁二醇發(fā)酵的中間產(chǎn)物3-羥基丁酮是V.P試驗的物質(zhì)基礎

一些微生物能發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生大量的2,3-丁二醇和少量乳酸、乙醇、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，被稱為2,3-丁二醇發(fā)酵。第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日F.丁酸發(fā)酵丁酸梭狀芽孢桿菌能夠發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生丁酸，稱為丁酸發(fā)酵。

丙酮酸首先被脫去CO2生成乙酰CoA和H2，乙酰CoA能夠在縮合后逐步還原成丁酸。第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日G.丙酮、丁醇發(fā)酵

在丙酮丁醇梭狀芽孢桿菌(Clostridumacetobutylium)中，丙酮酸經(jīng)過一系列的脫縮和縮合等過程而轉(zhuǎn)變?yōu)楸?、丁醇，稱為丙酮丁醇發(fā)酵。第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日化能異養(yǎng)微生物利用葡萄糖生物氧化3種類型比較產(chǎn)能方式有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵微生物好氧菌兼性厭氧菌兼性厭氧菌厭氧菌兼性厭氧菌厭氧菌電子受體O2外源無機氧化物（少數(shù)有機氧化物）更氧化的有機中間代謝物底物有機物有機物有機物酶類脫氫酶氧化還原酶脫氫酶特殊氧化還原酶脫氫酶產(chǎn)ATP方式呼吸鏈（氧化磷酸化）呼吸鏈（氧化磷酸化）直接產(chǎn)生（底物水平磷酸化）產(chǎn)能效率高居中低第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.糖合成的能量來源

二、糖的合成代謝

包括：化能異養(yǎng)型、化能自養(yǎng)和光能營養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能

（1）化能異養(yǎng)型微生物的生物氧化和產(chǎn)能

糖的分解代謝所產(chǎn)生的能量都可以用于糖的生物合成，本節(jié)第一部分已經(jīng)介紹過。此外，某些化能異養(yǎng)微生物（如Closterdiumsporogenes

生孢梭菌）能利用一些氨基酸同時當作碳源、氮源和能源。第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日Stickland反應產(chǎn)能機制是通過部分氨基酸（如丙氨酸）的氧化與另一些氨基酸（如甘氨酸）的還原相偶聯(lián)的發(fā)酵過程而產(chǎn)生能量的。一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體。產(chǎn)能效率很低，每分子氨基酸僅產(chǎn)1個ATP。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能——Stickland反應

作為氫供體的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、絲氨酸、組氨酸和色氨酸等。作為氫受體的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸、鳥氨酸、精氨酸和色氨酸等。第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）化能自養(yǎng)型微生物的生物氧化和產(chǎn)能

化能自養(yǎng)型微生物中，其ATP是通過氧化還原態(tài)無機物產(chǎn)生的，其NAD(P)H2是通過消耗ATP將無機氫（H++e）逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生的。能量代謝特點：無機底物脫下的氫直接進入呼吸鏈，通過氧化磷酸化產(chǎn)能；（少數(shù)菌在無機硫化物存在時，能部分通過底物磷酸化產(chǎn)能）氫或電子可從多處進入呼吸鏈，所以，呼吸鏈多樣；由于從中間進入呼吸鏈，因此產(chǎn)能效率低，菌體生長緩慢，細胞產(chǎn)率低。脫氫酶或氧化還原酶催化無機底物脫氫或脫電子；化能自養(yǎng)型微生物均為細菌，且絕大多數(shù)為好氧菌第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

亞硝酸的氧化

Nitorbacter（硝化桿菌屬）以亞硝酸作為能源，將NO2－氧化為NO3－獲得能量，用同位素18O分析實驗證明，在NO2－氧化為NO3－過程中，氧來自水分子而非空氣。NO2－

+H2O——→H2ONO2－

——→NO3－

+2H++2e第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日硝化細菌：

無機底物氧化的自由能反應⊿G0’kcal/mole2Fe2++2H++?O2→2Fe3++H2O－11.2NO2－

+?O2→NO3－

－17.4H2+?O2→H2O－56.6NH4++1?O2→NO2－

+H2O+2H+－65.0S0+?O2+H2O→H2SO4

－118.5S2O32－

+2O2+H2O→2SO42－

+2H+

－223.7硫細菌：氧化亞鐵硫桿菌：氫細菌：亞硝化細菌：第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日區(qū)別：無氧呼吸（化能異養(yǎng)型）無機物氧化（化能自養(yǎng)型）同都涉及無機物異電子供體（底物）有機物還原型無機物電子受體氧化型無機物（主）O2過程

電子傳遞鏈有機物脫氫無機物

電子傳遞鏈無機物脫氫O或氧化舉例反硝化細菌硝化細菌第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日光合作用是地球上最重要的生物過程之一。光合作用分成兩部分：

光反應：捕獲光能并轉(zhuǎn)變成化學能，提供ATP和NADPH。（位于真核生物葉綠體類囊體膜，原核生物的內(nèi)膜系統(tǒng)）暗反應：還原或固定CO2并合成細胞物質(zhì)（位于真核生物的葉綠體基質(zhì)中，原核生物的羧酶體）（3）光能營養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日1）循環(huán)光合磷酸化

循環(huán)光合磷酸化是指電子從菌綠素分子逐出后循環(huán)一周仍返回菌綠素。其反應中心的吸收光波為“P870”。菌綠素受日光照射后成為激發(fā)態(tài)，氧化還原電位由+0.5變?yōu)椋?.7，由它逐出的電子通過類似呼吸鏈的傳遞，經(jīng)Bph（脫鎂菌綠素）、輔酶Q、Cytb/c1、FeS、Cytc2的循環(huán)傳遞，最終重新由菌綠素接受，其間建立質(zhì)子動勢并產(chǎn)生1分子ATP。當外源氫供體（H2S、H2、Fe2+等）提供電子,沿呼吸鏈鏈逆向傳遞，由NAD(P)+接受電子，產(chǎn)生可用于還原CO2的NAD(P)H+H+。第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日①電子傳遞途徑屬循環(huán)式的；②產(chǎn)ATP和NAD(P)H+H+分別進行；③NAD(P)H+H+中的[H]是來自H2S等無機氫供體；④無O2產(chǎn)生。循環(huán)光合磷酸化特點：

這種不產(chǎn)氧的循環(huán)式的光合磷酸化，只存在于原核生物（光合細菌）中。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日各種綠色植物、藻類和藍細菌的光合作用屬非循環(huán)光合磷酸化2）非循環(huán)光合磷酸化該光合磷酸化過程中，有氧氣放出，其來源是H2O的光解，整個過程中，電子須經(jīng)過PSII和PSI兩個系統(tǒng)接力傳遞，傳遞體包括PSII系統(tǒng)中的Phea（褐藻素）、Q（醌）、Cytbf、Pc（質(zhì)體藍素），在Cytbf和Pc間產(chǎn)生1個ATP；還包括PSI系統(tǒng)中的FeS（非血紅素鐵硫蛋白）、Fd（鐵氧還蛋白），最終由NADP+接受電子，產(chǎn)生可用于還原CO2的NADPH+H+。

第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日①電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；②在有氧條件下進行；③有兩個光合系統(tǒng)，其中色素系統(tǒng)I（PSI）含葉綠素a，可以吸收利用紅光，反應中心的吸收光波為“P700”，色素系統(tǒng)II（PSII）含葉綠素b，可以吸收利用藍光，反應中心的吸收光波為“P680”；④反應中同時有ATP（產(chǎn)自PSII）、NAD(P)H+H+

（產(chǎn)自PSI）和O2

產(chǎn)生；⑤NAD(P)H+H+中的[H]是來自H2O分子光解后的H+和電子。非循環(huán)光合磷酸化特點：第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）嗜鹽菌紫膜的光合作用

一種只有嗜鹽菌才有的，無葉綠素或細菌葉綠素參與的獨特的光合作用。

嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.5~5.0mol/LNaCl）環(huán)境中才能生長的古細菌。嗜鹽菌可通過兩條途徑獲取能量：有氧條件下的氧化磷酸化途徑；

無氧條件下的紫膜光合磷酸化途徑。嗜鹽菌在無氧條件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上視黃醛輔基構(gòu)像的變化，將質(zhì)子不斷驅(qū)至膜外，從而在膜的兩側(cè)建立一個質(zhì)子動勢，推動ATP酶合成ATP。第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日嗜鹽菌細胞膜紅色部分（紅膜）紫色部分（紫膜）主要含細胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸鏈載體在膜上呈斑片狀（直徑約0.5mm）獨立分布，其總面積約占細胞膜的一半，主要由細菌視紫紅質(zhì)組成。

實驗發(fā)現(xiàn)，在波長為550-600nm的光照下，嗜鹽菌ATP的合成速率最高，而這一波長范圍恰好與細菌視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

無O2條件下進行；不產(chǎn)O2；最簡單的光合磷酸化反應；無葉綠素和細菌葉綠素，光合色素是紫膜上的視紫紅質(zhì)。嗜鹽菌紫膜的光合作用特點：第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日

生物合成三要素（簡單小分子，ATP，NADPH）如何獲得？

氧化磷酸化：好氧菌，兼性厭氧菌

ATP

底物水平磷酸化：厭氧菌，兼性厭氧菌

光合磷酸化：光合微生物

HMP：化能異養(yǎng)型

NADPH

耗ATP逆電子鏈傳遞：化能自養(yǎng)型，紫色和綠色光合細菌

光合作用（非循環(huán)光合磷酸化）：藍細菌簡單小分子有機物

異養(yǎng)型：從環(huán)境中吸取

自養(yǎng)型：同化CO2第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日2.單糖的合成

無論自養(yǎng)微生物還是異養(yǎng)微生物，合成單糖的途徑都是通過EMP途徑的逆行來合成葡萄糖-6-磷酸，然后再轉(zhuǎn)化為其它單糖或合成二糖和多糖。用于合成葡萄糖的前體物質(zhì)可以來自以下幾個方面：（1）自養(yǎng)微生物的CO2固定

1）Calvin循環(huán)（Calvincycle）

2）厭氧乙酰-輔酶A途徑

3）還原性TCA循環(huán)途徑

4）羥基丙酸途徑

（2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖的底物

第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日（1）自養(yǎng)微生物的CO2固定

1）Calvin循環(huán)（Calvincycle）

2）厭氧乙酰-輔酶A途徑

3）還原性TCA循環(huán)途徑

4）羥基丙酸途徑

循環(huán)中特有酶：磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶。循環(huán)分三個階段：①羧化反應（核酮糖-1,5-二磷酸通過核酮糖羧化酶將CO2固定，轉(zhuǎn)變?yōu)?個甘油酸-3-磷酸，重復3次，產(chǎn)生6個C3化合物）②還原反應（甘油酸-3-磷酸被還原成甘油醛-3-磷酸）③CO2受體的再生（1個甘油醛-3-磷酸逆EMP途徑生成葡萄糖，其余5個再生出3個核酮糖-1,5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子）。

自養(yǎng)微生物的CO2還原途徑：1分子CO2被還原成甲醇水平，另一分子CO2被還原成CO，二者合成產(chǎn)生乙酰-CoA，經(jīng)丙酮酸合成酶催化由乙酰-CoA接受第3個CO2分子生成丙酮酸，用于合成各種有機物。CO2通過琥珀酰-CoA的還原性羧化生成-酮戊二酸而被固定少數(shù)綠色硫細菌以H2或H2S作為電子供體進行的一種CO2固定機制。通過羥基丙酸途徑將2個CO2分子轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜岫M入糖的合成途徑。第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）異養(yǎng)微生物用以合成單糖的底物

碳源途徑產(chǎn)物乙酸乙醛酸循環(huán)草酰乙酸乙醇酸、草酸、甘氨酸甘油酸途徑甘油醛-3-磷酸乳酸氧化丙酮酸谷氨酸、天冬氨酸脫氨基α-酮戊二酸、草酰乙酸亮氨酸降解丙酮酸

微生物可通過各種途徑生成葡萄糖的前體物質(zhì)，包括：丙酮酸、草酰乙酸、磷酸烯醇式丙酮酸、甘油醛-3-磷酸等。第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日3.多糖的合成微生物中的多糖可分為同型多糖和雜多糖。同型多糖是由相同單糖分子聚合而成，如糖原、纖維素、甲殼素等。雜多糖是由不同單糖分子聚合而成，如肽聚糖、脂多糖等。微生物多糖合成的特點：①不需要模板，而是由轉(zhuǎn)移酶的特異性來決定亞單位在多聚鏈上的次序。②合成的開始階段需要引物，引物通常由小片斷多糖充當。③多糖合成時，由糖核苷酸作為糖基載體，將單糖分子轉(zhuǎn)移到受體分子上，使多糖鏈逐步加長。第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日多糖合成舉例：細菌細胞壁多糖（肽聚糖）的生物合成整個肽聚糖合成過程的步驟將近20步，簡單分為五個階段。1）由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺-UDP2）由N-乙酰葡糖胺-UDP合成N-乙酰胞壁酸-UDP3）由N-乙酰胞壁酸-UDP合成“Park”核苷酸（即：UDP-N-乙酰胞壁酸五肽）。該步可被環(huán)絲氨酸所抑制。在細胞質(zhì)中合成4）肽聚糖單體的合成和連接。親水性化合物UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽在穿過細胞膜時需要載體的幫助，即細菌萜醇（bactoprenol）的類脂載體。該過程可被萬古霉素和桿菌肽阻斷。在細胞膜上合成5）肽聚糖的交聯(lián)。一條肽鏈的第4個氨基酸的羧基與另一條肽鏈的第3個氨基酸的自由氨基之間以肽鍵的方式連接。交聯(lián)過程是由轉(zhuǎn)肽酶催化的，在轉(zhuǎn)肽的同時，肽尾上的第5個氨基酸釋放出來。轉(zhuǎn)肽酶的轉(zhuǎn)肽作用可被青霉素所抑制。在細胞膜外合成第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日第三節(jié)氨基酸和蛋白質(zhì)代謝

一、蛋白質(zhì)的分解

外源蛋白質(zhì)進入體內(nèi)，總是先經(jīng)過水解作用變?yōu)樾》肿拥陌被?，然后再被吸收?/p>

細胞內(nèi)每種蛋白質(zhì)都有自己的存活時間，短到幾分鐘，長到幾周。這種降解有兩個重要功能：排除不正常的蛋白質(zhì)；通過排除累積過多的酶和蛋白，使細胞代謝秩序井然。二、氨基酸的分解微生物通過三種方式分解氨基酸：脫氨、脫羧和轉(zhuǎn)氨。第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日三、氨基酸的合成1.氨的來源

4種：①直接從外界環(huán)境吸收；②體內(nèi)含氮化合物的分解；③硝酸鹽還原；④生物固氮作用。以下主要介紹原核生物特有的生物固氮作用：

生物固氮是指分子氮通過固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的過程。（1）固氮生物的種類迄今已知的固氮生物都屬于原核微生物，包括兩大類：其一：能獨立生存的自生固氮微生物，包括細菌、放線菌類微生物和藍藻等；其二：與其它植物共生的共生固氮微生物，如根瘤菌。第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日（2）生物固氮的機制1）固氮反應的總式為：

N2+6e+6H++12ATP——→2NH3+12ADP+12Pi2）固氮反應的必要條件：①ATP和NAD（P）H+H+的供應，②底物N2，③鎂離子，④固氮酶固氮酶的測定：乙炔還原法。固氮酶除了能催化N2→NH3的反應外，還能催化包括C2H2→C2H4反應。

固氮酶的厭氧微環(huán)境：固氮酶的兩個蛋白組分對氧是極端敏感的，而且一旦接觸氧就很快導致不可逆失活。大多數(shù)的固氮菌都是好氧菌，它們需要利用氧氣進行呼吸和產(chǎn)生能量。

固氮菌發(fā)展出多種機制來解決其既需要氧又須防止氧對固氮酶損傷的矛盾：呼吸保護、構(gòu)象保護、藍細菌異形胞、豆血紅蛋白、不同時間進行固氮作用與光合作用，等。

第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日3）固氮反應生成NH3的去向：NH3通過谷胺酰胺合成酶將谷氨酸轉(zhuǎn)氨合成谷氨酰胺，進而進入生物代謝。2.硫的來源

來自于環(huán)境中的硫酸鹽，但氧化態(tài)的無機硫要經(jīng)過一系列還原反應，才能用于生物合成。3.氨基酸碳骨架的來源

來自糖代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。4.氨基酸合成的途徑

微生物體內(nèi)合成氨基酸主要通過三類途徑：氨基化作用、轉(zhuǎn)氨基作用和由初生氨基酸合成次生氨基酸。由α-酮酸經(jīng)氨基化作用合成的氨基酸稱為初生氨基酸第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日

第四節(jié)脂類代謝

一、脂類的分解

二、脂類的合成

脂肪酸的合成與β-氧化的逆反應很相象，碳鏈以每次增加兩個碳的速度延伸，但脂肪酸的合成與其分解是