高中生物競賽：第五章 微生物的代謝和發(fā)酵課件

第五章微生物的代謝和發(fā)酵第一節(jié)代謝概論第二節(jié)微生物分解代謝新陳代謝：發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。 新陳代謝=分解代謝+合成代謝

分解代謝：指復雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。

合成代謝：指在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和還原力一起合成復雜的大分子的過程。第一節(jié)代謝概論按物質轉化方式分：分解代謝：指細胞將大分子物質降解成小分子物質，并在這個過程中產(chǎn)生能量。合成代謝：是指細胞利用簡單的小分子物質合成復雜大分子過程。在這個過程中要消耗能量。物質代謝：物質在體內轉化的過程。能量代謝：伴隨物質轉化而發(fā)生的能量形式相互轉化。

第二節(jié)微生物產(chǎn)能代謝最初能源有機物還原態(tài)無機物日光通用能源（ATP）一切生命活動都是耗能反應，因此，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換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP。這就是產(chǎn)能代謝。化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營養(yǎng)微生物一、生物氧化生物氧化就是發(fā)生在或細胞內的一切產(chǎn)能性氧化反應的總稱。生物氧化與燃燒的比較生物氧化的過程一般包括三個環(huán)節(jié)：

①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱作電子供體或供氫體）

②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）

③最后氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）

生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝物異養(yǎng)微生物利用有機物，自養(yǎng)微生物則利用無機物，通過生物氧化來進行產(chǎn)能代謝。在生物氧化過程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過能量轉換儲存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環(huán)境中。二、異養(yǎng)微生物的生物氧化發(fā)酵呼吸有氧呼吸厭氧呼吸生物氧化反應發(fā)酵作用：沒有任何外源的最終電子受體的生物氧化模式；呼吸作用：有外源的最終電子受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是O2以外的無機氧化物，如NO3-、SO42-等。葡萄糖被降解成丙酮酸的過程被稱為糖酵解。糖酵解是發(fā)酵的基礎，主要有4種途徑。EMP途徑HMP途徑ED途徑磷酸解酮酶途徑葡萄糖降解代謝途徑（EMP、HMP、ED、PK途徑等。）

1）EMP途徑（二磷酸己糖途徑）

葡萄糖

丙酮酸有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無氧：還原一些代謝產(chǎn)物，(專性厭氧微生物)產(chǎn)能的唯一途徑。產(chǎn)能（底物磷酸化產(chǎn)能：（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10步反應ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:預備性反應bb:氧化還原反應底物水平磷酸化底物水平磷酸化EMP途徑（Embden-Meyerhofpathway）葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸在其終產(chǎn)物中，2NADH+H+在有氧條件下，可經(jīng)呼吸鏈的氧化磷酸化反應產(chǎn)生6ATP；在無氧條件下，則可還原丙酮酸產(chǎn)生乳酸或還原丙酮酸的脫羧產(chǎn)物——乙醛還原成乙醇。EMP途徑總反應式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATPCoA↓丙酮酸脫氫酶

乙酰CoA，

進入TCAEMP途徑意義：為細胞生命活動提供ATP和NADH，中間產(chǎn)物可為微生物的合成代謝提供碳骨架分為兩個階段：1、3個分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個分子NADPH+H+，3個分子CO2和3個分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在轉酮酶和轉醛酶催化下使部分碳鏈進行相互轉換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。2）HMP途徑（磷酸戊糖途徑、旁路途徑）6-磷酸果糖出路：可被轉變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。甘油醛-3-磷酸出路：a、經(jīng)EMP途徑，轉化成丙酮酸，進入TCA途徑b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑?？偡磻剑?6-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點：a、不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無ATP生成，b、產(chǎn)大量的NADPH+H+還原力；c、產(chǎn)各種不同長度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖）d、單獨HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存

e、HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑。HMP途徑的重要意義產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質的合成提供還原力，另方面可通過呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調劑戊糖供需關系。為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用的碳源譜更為更為廣泛。通過該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細胞代謝活動對其中間產(chǎn)物的需要量相關。

3）ED途徑

——2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假單胞菌

過程：（4步反應）1葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶ED途徑ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來證明存在于多種細菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。特點:

a、步驟簡單b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關鍵中間產(chǎn)物KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶細菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運動發(fā)酵單胞菌等。ED途徑ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現(xiàn)的。ED途徑過程：葡萄糖→→→KDPGKDPG醛縮酶甘油醛-3-磷酸丙酮酸EMP丙酮酸→

ED途徑結果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1NADH。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟。ED途徑的特點葡萄糖經(jīng)轉化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉化成為丙酮酸。結果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應是關鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶。反應步驟簡單，產(chǎn)能效率低。此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵。4)磷酸酮解途徑存在于某些細菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細菌中。進行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠將磷酸己糖裂解為2個三碳糖。磷酸酮解酶途徑有兩種：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑a.PK途徑（磷酸戊糖酮解酶途徑）（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+磷酸戊糖酮解途徑的特點:①分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當于EMP途徑的一半;②幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2。

G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途徑——又稱HK途徑（兩歧雙歧桿菌）

4-磷酸-赤蘚糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

磷酸己糖酮解途徑的特點：①有兩個磷酸酮解酶參加反應；②在沒有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉變?yōu)槿樗幔灰阴Ａ姿嵘梢宜岬姆磻獎t與ADP生成ATP的反應相偶聯(lián)；③每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；④許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。（五）三羧酸循環(huán)又稱TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的呼吸代謝中起關鍵作用。其中大多數(shù)酶在真核生物中存在于線粒體基質中，在細菌中存在于細胞質中；只有琥珀酸脫氫酶是結合于細胞膜或線粒體膜上。主要產(chǎn)物：C3CH3CO~CoA4NADH+4HFADH2GTP3CO2呼吸鏈呼吸鏈（底物水平）12ATP2ATPATP在物質代謝中的地位：樞紐位置工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)物：檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸TCA循環(huán)的重要特點1、循環(huán)一次的結果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質三大物質轉化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過呼吸鏈等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結合，以釋放其化學潛能?！锔鶕?jù)遞氫特別是受氫過程中氫受體性質的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類。發(fā)酵作用：沒有任何外源的最終電子受體的生物氧化模式；呼吸作用：有外源的最終電子受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是O2以外的無機氧化物，如NO3-、SO42-等。呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵示意圖C6H12O6-[H]A-[H]B-[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2-[H]（發(fā)酵產(chǎn)物：乙醇、CO2乳酸等）脫氫遞氫受氫經(jīng)呼吸鏈①呼吸②無氧呼吸③發(fā)酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH4概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給一內源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類生產(chǎn)方式。1、發(fā)酵作用

1、定義廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝一種生產(chǎn)方式。狹義：厭氧條件下，以自身內部某些中間代謝產(chǎn)物作為最終氫（電子）受體的產(chǎn)能過程特點：1）通過底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；2）葡萄糖氧化不徹底，大部分能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；3）產(chǎn)能率低；4）產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵（fermentantion）

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。a.酵母菌的乙醇發(fā)酵（Ⅰ型發(fā)酵）：1）酒精發(fā)酵b.Ⅱ型發(fā)酵：當環(huán)境中存在亞硫酸氫鈉時，它先與乙醛反應生成難溶的磺化羥基乙醛，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成α—磷酸甘油，最后生成甘油的過程。其最終產(chǎn)物是甘油Ⅲ型發(fā)酵：當發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時也由磷酸二羥丙酮擔任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源通風對酵母代謝的影響通風（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時間細胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失現(xiàn)象：巴斯德效應(ThePasteureffect)b、細菌型乙醇發(fā)酵

(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)

同型酒精發(fā)酵

1G2丙酮酸

代謝速率高，產(chǎn)物轉化率高，發(fā)酵周期短等。缺點是生長pH較高，較易染雜菌，并且對乙醇的耐受力較酵母菌低.

（ED）乙醇+

1ATP

異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細菌）

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸

+乙酰--CoA無丙酮酸脫羧酶而有乙醛脫氫酶

2）乳酸發(fā)酵

同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等）——EMP途徑（丙酮酸乳酸）

異型乳酸發(fā)酵（PK途徑）腸膜明串株菌（PK）產(chǎn)能：1ATP

雙歧雙歧桿菌（PK、HK）產(chǎn)能：2G5ATP即1G2.5ATP

葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）

2乳酸2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP同型乳酸發(fā)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異型乳酸發(fā)酵（腸膜明串珠菌）：

G6-磷酸-果糖兩歧雙歧桿菌的異型乳酸發(fā)酵

4-磷酸-赤蘚糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

3）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點：氨基酸的氧化與另一些氨基酸還原相偶聯(lián)；產(chǎn)能效率低（1ATP）氫供體（氧化）氨基酸：

Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、

Try等。氫受體（還原）氨基酸：

Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羥脯氨酸等。

氧化

丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3還原2.呼吸作用有氧呼吸（aerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體無氧呼吸（anaerobicrespiration）：以氧化型化合物作為最終電子受體

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。2.呼吸作用呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：概念：是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化。過程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)。特點：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不與氧的還原作用直接偶聯(lián)，而是底物在氧化過程中釋放的電子先通過電子傳遞鏈（由各種電子傳遞體，如NAD,FAD,輔酶Q和各種細胞色素組成）最后才傳遞到氧。

由此可見，

TCA循環(huán)與電子傳遞是有氧呼吸中兩個主要的產(chǎn)能環(huán)節(jié)。(1)有氧呼吸(1)有氧呼吸糖酵解作用有氧無氧葡萄糖丙酮酸發(fā)酵三羧酸循環(huán)各種發(fā)酵產(chǎn)物被徹底氧化生成CO2和水，釋放大量能量。定義：由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過程中，通過與氧化磷酸化反應發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內膜上。成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN、CoQ、細胞色素b、c1、c、a、a３和一些鐵硫蛋白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢大小排列，電子傳遞次序如下：電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞鏈1）電子傳遞鏈載體:NADH脫氫酶黃素蛋白輔酶Q（CoQ）鐵-硫蛋白及細胞色素類蛋白在線粒體內膜中以4個載體復合物的形式從低氧化還原勢的化合物到高氧化還原勢的分子氧或其他無機、有機氧化物逐級排列。

MH2→→

→NAD FMN C0Q b

(-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O

(+0.26)

(+0.28)(+0.82v)呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，電子的傳遞方向是：NADH O2上式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對，都具有高的轉移勢能，它推動電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化還原勢氧化態(tài)

還原態(tài)還原態(tài)

氧化態(tài)

氧化態(tài)

還原態(tài)還原態(tài)

氧化態(tài)氧化態(tài) 還原態(tài)

醌

脫氫酶NAD FMNH2 H2ONADH2 FMN 1/2O2

+2H+低能水平高氧化還原勢 Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸鏈（2）無氧呼吸概念：以無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸。無機氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等。在無氧呼吸過程中，電子供體和受體之間也需要細胞色素等中間電子遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，可產(chǎn)生較多能量，但不如有氧呼吸產(chǎn)生的能量多。某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下進行無氧呼吸；無氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無機物，或延胡索酸（fumarate）等有機物。無氧呼吸也需要細胞色素等電子傳遞體，并在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動。能進行硝酸鹽呼吸的細菌被稱為硝酸還鹽原細菌，主要生活在土壤和水環(huán)境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽還原細菌被認為是一種兼性厭氧菌，無氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時進行厭氧呼吸，而有氧時其細胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，細胞進行有氧呼吸。硝酸鹽呼吸同化性硝酸鹽作用：

NO3-

NH3-NR-NH2

異化性硝酸鹽作用：無氧條件下，利用NO3-為最終氫受體

NO3-NO2-NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮氣而消失，降低土壤的肥力；2）反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶有關“鬼火”的生物學解釋在無氧條件下，某些微生物在沒有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時，可以磷酸鹽代替，其結果是生成磷化氫（PH3），一種易燃氣體。當有機物腐敗變質時，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”。

硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）

——厭氧時，SO42-

、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。

特點：

a、嚴格厭氧；

b、大多為古細菌

c、極大多專性化能異氧型，少數(shù)混合型；

d、最終產(chǎn)物為H2S；

SO42-

SO32-SO2SH2Se、利用有機質（有機酸、脂肪酸、醇類）作為氫供體或電子供體；

f、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等）

硫呼吸（硫還原）

——

以元素S作為唯一的末端電子受體。電子供體：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸鹽呼吸（碳酸鹽還原）

——以CO2、HCO3-

為末端電子受體產(chǎn)甲烷菌

—

利用H2作電子供體（能源）、CO2為受體，產(chǎn)物CH4；產(chǎn)乙酸細菌

—H2/CO2

進行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

其他類型無氧呼吸

延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厭氧條件下生長一些還原硫細菌。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。二、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化和產(chǎn)能特點：生物氧化也包括脫氫、遞氫和受氫三個階段；是通過氧化某些還原性的無機底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+

等）獲得能量；絕大多數(shù)是好氧菌；無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系；呼吸鏈的組分多樣化；產(chǎn)能效率低；NAD←→FP←→COQ←→Cyt.c.c1←→Cyt.a1.aa3→O2Cyt.bH2NO2-S2O3-Fe2+ATPATPATPNH4+S2-SO32-無機底物脫氫后電子進入呼吸鏈的部位NH3、亞硝酸（NO2-）等無機氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細菌用作能源。將氨氧化為亞硝酸并獲得能量將亞硝氧化為硝酸并獲得能量1、氨的氧化亞硝化細菌：硝化細菌：這兩類細菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。這類細菌在自然界的氮素循環(huán)中也起者重要的作用，在自然界中分布非常廣泛。硝化細菌

亞硝化細菌代時12-20h

硝化細菌代時8-16h

a、亞硝化細菌

NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-也稱氨氧化細菌(產(chǎn)生1分子ATP)生物氧化過程—硝化細菌為例NO2-NO3-NADH2FPCyt.bCyt.cCyt.a1Cyt.aa3

-ATP-ATP-ATP+ATP1/2O2H2O

2H++2e-

2H++2e-NH3+O2

H2O?NO2-

為什么化能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能效率、生長速率和細胞產(chǎn)率都很低？硝化細菌和反硝化細菌的比較硝化細菌反硝化細菌化能自養(yǎng)微生物化能異養(yǎng)微生物好氧微生物兼性厭氧微生物有氧條件下利用氨或亞硝酸鹽作主要生存能源，形成亞硝酸或硝酸無氧條件下利用硝酸鹽作氫受體，將其還原成NON2在自然界的物質合成過程中起重要作用在自然界的氮素循環(huán)中發(fā)揮作用2、硫的氧化

——利用H2S、S、S2O32-等無機硫化物進行自養(yǎng)生長,主要指化能自氧型硫細菌

無色化能自養(yǎng)硫細菌：硫桿菌屬，硫化葉菌（古菌）有色光能自養(yǎng)硫細菌：紫色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色硫細菌硫細菌（硫氧化細菌）大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng)cyt.c部位進入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或cyt.b水平進入。

嗜酸型硫細菌能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)。3鐵細菌多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低。

定義：能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能的細菌被稱為鐵細菌或鐵氧化細菌。包括亞鐵桿菌屬、嘉利翁氏菌屬、纖發(fā)菌屬、泉發(fā)菌屬和球衣菌屬的成員。

有些氧化亞鐵硫桿菌和硫化葉菌的一些成員，除了能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)，所以它們既是硫細菌，也是鐵細菌。大多數(shù)鐵細菌為專性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)的。大多數(shù)鐵細菌還是嗜酸性的。鐵氧化細菌呼吸鏈的氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑

細菌瀝濾

——利用嗜酸性氧化鐵和硫細菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過程。又稱細菌浸出或細菌冶金。原理：a、浸礦劑的生成

2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2—2Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出

CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2—CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、鐵屑置換CuSO4中的銅

CuSO4+Fe—FeSO4+Cu

——適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出率達70%~80%。

4、氫細菌（氧化氫細菌）

能利用氫作為能源的細菌組成的生理類群稱氫細菌或氫氧化細菌。兼性化能自養(yǎng)菌主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。

無機物呼吸反應及其產(chǎn)能三、光能營養(yǎng)型生物的生物氧化和產(chǎn)能通過光能進行營養(yǎng)的生物光能營養(yǎng)型生物產(chǎn)氧不產(chǎn)氧真核生物：藻類、綠色植物原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌—循環(huán)光合磷酸化古生菌：嗜鹽菌—紫膜光合作用非循環(huán)光合磷酸化存在于光合細菌（著色菌屬、紅假單胞菌屬、紅螺菌屬、綠菌屬和綠彎菌屬）中的原始光合作用機制；在光能驅動下，電子從菌綠素分子逐出，通過循環(huán)式的電子傳遞途徑產(chǎn)生ATP；在厭氧條件下進行，不產(chǎn)氧；產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進行；還原力[H]來自H2S等無機氫供體，在逆電子流、耗能的情況下產(chǎn)生；循環(huán)光合磷酸化

循環(huán)光合磷酸化的途徑光驅使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素。產(chǎn)ATP和還原力分別進行.紫色細菌循環(huán)光合磷酸化過程

非循環(huán)光合磷酸化是各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的產(chǎn)能方式；電子的傳遞途徑是非循環(huán)式的；在有氧條件下進行，能產(chǎn)生氧氣；有兩個光合系統(tǒng)；PSI：含葉綠素a，吸收光波為P700，有利于紅光吸收；PSⅡ：含葉綠素b，吸收光波為P680，有利于藍光吸收；反應中可同時產(chǎn)ATP、還原力[H]和氧氣；藍細菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程外源電子供體——H2S等無機物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點：只有一個光合系統(tǒng)，光合作用釋放的電子僅用于NAD+還原NADH，但電子傳遞不形成環(huán)式回路。綠硫細菌和綠色細菌比較項目非循環(huán)光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化生物體植物、藻類、藍細菌光合細菌葉綠素類型葉綠素a等細菌葉綠素a等PSI有有PSII有無氧的產(chǎn)生有無還原力[H]來自水的光解來自H2S等無機氫供體兩種光合作用比較嗜鹽菌紫膜的光合作用嗜鹽菌特有的無葉綠素或菌綠素參與的獨特光合作用；嗜鹽菌的細胞膜制備物可分離出紅色和紫色兩個組分；紅膜：在有氧條件下可進行氧化磷酸化產(chǎn)能；主要成分為類胡蘿卜素、細胞色素和黃素蛋白等；紫膜：在缺氧條件下，能利用光能的介導獲得能量；主要成分為細菌視紫紅質和類脂；細菌視紫紅質的功能與葉綠素相似，能吸收光能，并在光量子的驅動下起著質子泵的作用；ATP合成機理：細菌視紫紅質吸收光，構型改變，質子泵到膜外，膜內外形成質子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動力，驅動ATP酶合成ATP。1、固氮微生物的種類

一些特殊類群的原核生物能夠將分子態(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉化為各種細胞物質。微生物利用其固氮酶系催化大氣中的分子氮還原成氨的過程稱為固氮作用。

自生固氮菌：獨立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等）共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式

聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能固氮的微生物。根際—芽孢桿菌屬；葉面—固氮菌屬。固氮作用固氮機制1）固氮反應的條件

aATP的供應：

b還原力[H]及其載體氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。

c固氮酶

組分I：真正“固氮酶”，又稱鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）組分II：

固氮酶還原酶，不含鉬，又稱鐵蛋白、固氮鐵氧還蛋白（AzoFd）特性：對氧極為敏感；需有Mg2+的存在；專一性：除N2外，可還原其他一些化合物

C2H2—C2H4；

2H+—H2

；

N2O—N2；HCN—CH4+NH3

（乙炔反應：可用來測知酶活）d還原底物N2：

NH3存在時會抑制固氮作用。

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

a、固氮酶的形成

e—組分II—組分II（e）—Mg—ATP

組分I+N2—I—N2

b、固氮階段

N2*—2NH3+H2

即75%還原力用來還原N2，25%的還原力以H2形式浪費固氮生化過程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復合物）固氮生化途徑好氧性固氮菌的防氧機制

固N酶遇氧不可逆失活（組分I，半衰期10’；組分II，45”喪失一半活性）

（1）自身固N菌

a呼吸保護固N菌科的固N菌以極強的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。b構象保護高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N活性但能防止氧損傷的特殊構象。構象保護的蛋白質——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結合，構象變化，喪失固N能力；氧濃度降低，蛋白自酶上解離藍細菌保護固N酶機制a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細胞）

I、厚壁，物理屏障；II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氧酶、氫酶活性高；III、SOD活性很高；IV、呼吸強度高

b非異形胞藍細菌固N酶的保護

——缺乏獨特的防止氧對固N酶的損傷機制。

I、固N、光合作用在時間上分隔開——織線藍菌屬（黑暗：固N；光照：光合作用）II、形成束狀群體（束毛藍菌屬），利于固N酶在微氧環(huán)境下固NIII、提高胞內過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍菌屬）I、豆科植物的共生菌——以類菌體形式存在于根瘤中類菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結合（高時結合，低時釋放）

豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血紅素有根瘤菌基因編碼。II、非豆科植物共生菌——含植物血紅蛋白（功能相似豆血紅蛋白）Frankin放線菌：營養(yǎng)菌絲末端膨大的泡囊類似異形胞。

根瘤菌保護固N酶機制

第三節(jié)微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物初級代謝：次級代謝：一類與生物生存有關的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。產(chǎn)物：單糖、核苷酸、氨基酸、蛋白質、脂肪酸、多糖等。異常：生長停止、甚至死亡。某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型。產(chǎn)物：抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。特點：通常在生長的后期合成，不是代謝所必須的。

初級代謝系統(tǒng)、代謝途徑和初級代謝產(chǎn)物在各類生物中基本相同。它是一類普遍存在于各類生物中的一種基本代謝類型。次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。1、存在范圍及產(chǎn)物類型不同2、對產(chǎn)生者自身的重要性不同

初級代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物，蛋白質、核酸、多糖、脂類等通常都是機體生存必不可少的物質，只要在這些物質的合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止、重則導致機體發(fā)生突變或死亡。

次級代謝產(chǎn)物對于產(chǎn)生者本身來說，不是機體生存所必需的物質，即使在次級代謝的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙。不會導致機體生長的停止或死亡，至多只是影響機體合成某種次級代謝產(chǎn)物的能力。3、同微生物生長過程的關系明顯不同初級代謝自始至終存在于一切生活的機體中，同機體的生長過程呈平行關系；次級代謝則是在機體生長的一定時期內（通常是微生物的對數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現(xiàn)為機體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個不同的時期。4、對環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性?。催z傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止。第四節(jié) 微生物的代謝調控一微生物代謝過程中的自我調節(jié)二酶活性的調節(jié)三酶合成的調節(jié)

一、酶活性的調節(jié)通過改變現(xiàn)成的酶分子活性來調節(jié)新陳代謝的速率的方式。是酶分子水平上的調節(jié)，屬于精細的調節(jié)。（一）調節(jié)方式：包括兩個方面1、酶活性的激活：在代謝途徑中后面的反應可被較前面的反應產(chǎn)物所促進的現(xiàn)象；常見于分解代謝途徑。