微生物學(xué)第六章微生物的代謝

代謝概論代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]當(dāng)前1頁，總共82頁。一、概述

葡萄糖降解代謝途徑生物氧化：

發(fā)酵作用產(chǎn)能過程呼吸作用（有氧或無氧呼吸）1、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能過程：脫氫（或電子）遞氫（或電子）受氫（或電子）功能：產(chǎn)能（ATP）、還原力、小分子代謝產(chǎn)物等。第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝

——將最初能源轉(zhuǎn)換成通用的ATP過程當(dāng)前2頁，總共82頁。生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或脫電子三種生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物自養(yǎng)微生物利用無機(jī)物異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物生物氧化能量微生物直接利用儲(chǔ)存在高能化合物（如ATP）中以熱的形式被釋放到環(huán)境中當(dāng)前3頁，總共82頁。2、化能自養(yǎng)微生物的生物氧化與產(chǎn)能

通常是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，一般是好氧菌。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們的碳源。其產(chǎn)能的途徑主要也是借助于無機(jī)電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機(jī)物脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。代謝特點(diǎn)

1）無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置直接進(jìn)入呼吸鏈

2）存在多種呼吸鏈

3）產(chǎn)能效率低；

4）生長緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低。當(dāng)前4頁，總共82頁。3、光能自養(yǎng)或異氧微生物的產(chǎn)能代謝

指具有捕捉光能并將它用于合成ATP和產(chǎn)生NADH或NADPH的微生物。分為不產(chǎn)氧光合微生物和產(chǎn)氧光合微生物。前者利用還原態(tài)無機(jī)物H2S，H2或有機(jī)物作還原C02的氫供體以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解產(chǎn)物H’和電子形成還原力(NADPH+H’)當(dāng)前5頁，總共82頁。二、葡萄糖降解代謝途徑（EMP、HMP、ED、PK途徑等。）

1）EMP途徑（糖酵解途徑、三磷酸己糖途徑）

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(yīng)當(dāng)前6頁，總共82頁。分為兩個(gè)階段：1、3個(gè)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(gè)分子NADPH+H+，3個(gè)分子CO2和3個(gè)分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)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）當(dāng)前7頁，總共82頁。6-磷酸果糖出路：可被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成丙酮酸，進(jìn)入TCA途徑

b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑?？偡磻?yīng)式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點(diǎn)：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(dú)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。當(dāng)前8頁，總共82頁。

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

過程：（4步反應(yīng)）

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醛縮酶特點(diǎn):

a、步驟簡單

b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶

細(xì)菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等。當(dāng)前9頁，總共82頁。4）PK途徑（磷酸酮解酶途徑）a、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+當(dāng)前10頁，總共82頁。

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

當(dāng)前11頁，總共82頁。

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(nèi)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(diǎn)：

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。三、發(fā)酵（fermentantion）當(dāng)前12頁，總共82頁。2、發(fā)酵類型1）乙醇發(fā)酵

a、酵母型乙醇發(fā)酵

1G2丙酮酸2乙醛+CO22乙醇+2ATP

條件：pH3.5~4.5,厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細(xì)菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）

i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羥乙醛（難溶）

ii、弱堿性（pH7.5）

2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應(yīng)）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘——甘油發(fā)酵（EMP）---亞硫酸氫鈉必須控制亞適量（3%）

當(dāng)前13頁，總共82頁。b、細(xì)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(zhuǎn)化率高，發(fā)酵周期短等。缺點(diǎn)是生長pH較高，較易染雜菌，并且對(duì)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(xì)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當(dāng)前14頁，總共82頁。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

當(dāng)前15頁，總共82頁。3)混合酸、丁二醇發(fā)酵a混合酸發(fā)酵：

——腸道菌（E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脫氫酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；敢胰┟摎涿敢宜峒っ敢掖济摎涿敢宜嵋掖糆.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗(yàn)：

E.coli、產(chǎn)氣腸桿菌

甲酸CO2+H2

（甲酸氫解酶、H+）志賀氏菌無此酶，故發(fā)酵G不產(chǎn)氣。CO2+H2

當(dāng)前16頁，總共82頁。b丁二醇發(fā)酵（2，3--丁二醇發(fā)酵）

——

腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質(zhì)（乙酰乳酸脫氫酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個(gè)重要的鑒定反應(yīng)：

1、V．P．實(shí)驗(yàn)2、甲基紅（M.R）反應(yīng)產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗(yàn)（+），甲基紅（-）

E.coli：V.P.試驗(yàn)（-），甲基紅（+）V.P.試驗(yàn)的原理：當(dāng)前17頁，總共82頁。4）丙酮-丁醇發(fā)酵

——嚴(yán)格厭氧菌進(jìn)行的唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）

——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮

+CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇縮合當(dāng)前18頁，總共82頁。

5）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點(diǎn)：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。

當(dāng)前19頁，總共82頁。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還原當(dāng)前20頁，總共82頁。四、呼吸（respiration）

——從葡萄糖或其他有機(jī)物質(zhì)脫下的電子或氫經(jīng)過系列載體最終傳遞給外源O2或其他氧化型化合物并產(chǎn)生較多ATP的生物氧化過程。有氧呼吸（aerobicrespiration）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

1有氧呼吸

原核微生物：胞質(zhì)中，僅琥珀酸脫氫酶在膜上真核微生物：線粒體內(nèi)膜上

2個(gè)產(chǎn)能的環(huán)節(jié)：Kreb循環(huán)、電子傳遞。當(dāng)前21頁，總共82頁。TCA循環(huán)的生理意義：（1）為細(xì)胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑。（3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐。

（1）TCA循環(huán)檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)

當(dāng)前22頁，總共82頁。TCA的補(bǔ)充途徑

I乙醛酸循環(huán)（TCA循環(huán)支路）

（異檸檬酸裂合酶）（乙酰--CoA合成酶）（蘋果酸合成酶）乙酰-CoA異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙酸蘋果酸Ii丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法Iii厭氧、兼性厭氧微生物獲得TCA中間產(chǎn)物方式當(dāng)前23頁，總共82頁。（2）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(xì)胞色素類蛋白在線粒體內(nèi)膜中以4個(gè)載體復(fù)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(jī)、有機(jī)氧化物逐級(jí)排列。

當(dāng)前24頁，總共82頁。2）原核微生物電子傳遞鏈特點(diǎn)：最終電子受體多樣：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；電子供體：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有機(jī)質(zhì)等；含各種類型細(xì)胞色素：

a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：

cyta1、a2、a3、d、o，H2O2酶、過氧化物酶；呼吸鏈組分多變存在分支呼吸鏈：細(xì)菌的電子傳遞鏈更短并P／O比更低，在電子傳遞鏈的幾個(gè)位置進(jìn)入鏈和通過幾個(gè)位置的末端氧化酶而離開鏈。

E.coli（缺氧）CoQcyt.b556cyt.ocyt.b558cyt.d（抗氰化物）細(xì)胞色素0分支對(duì)氧親和性低，是一種質(zhì)子泵，在氧供應(yīng)充足的條件下工作；細(xì)胞色素d分支對(duì)氧有很高的親和性，因此在氧供應(yīng)不足的情況下起作用。

電子傳遞多樣：CoQcyt.也可不經(jīng)過此途徑。

當(dāng)前25頁，總共82頁。3）氧化磷酸化產(chǎn)能機(jī)制

——化學(xué)偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透學(xué)說---英國生物化學(xué)家Peter．Mitchell于1961年提出的。該假說認(rèn)為電子傳遞鏈的組成導(dǎo)致質(zhì)子從線粒體的基質(zhì)向外移動(dòng)，電子向內(nèi)傳遞。質(zhì)子傳遞可能是由于載體環(huán)或特定的質(zhì)子泵的作用，驅(qū)動(dòng)泵的能量來自電子傳遞。來自被氧化底物上的一對(duì)電子沿傳遞鏈轉(zhuǎn)移時(shí)所產(chǎn)生的跨膜的電化學(xué)梯度（即質(zhì)子動(dòng)勢Protonmotiveforce,PMF)是ATP合成的原動(dòng)力。當(dāng)質(zhì)子動(dòng)勢驅(qū)動(dòng)被轉(zhuǎn)移至膜間空鍵的質(zhì)子返回線粒體基質(zhì)中時(shí)，所釋放的能量推動(dòng)ADP磷酸化生成ATP。質(zhì)子推動(dòng)力（Δp）取決于跨膜的質(zhì)子濃度（ΔpH）和內(nèi)膜兩側(cè)的電位差（Δψ）。

當(dāng)前26頁，總共82頁。

特點(diǎn)：

a常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)部分呼吸鏈傳遞；

b氫受體：氧化態(tài)無機(jī)物（個(gè)別：延胡索酸）

c產(chǎn)能效率低。硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點(diǎn)：

a有其完整的呼吸系統(tǒng)；

b只有在無氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需的硝酸鹽還原酶A亞硝酸還原酶等

c兼性厭氧

細(xì)菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。2無氧呼吸（厭氧呼吸）當(dāng)前27頁，總共82頁。硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：

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-NO2NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮?dú)舛?，降低土壤的肥力?）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當(dāng)前28頁，總共82頁。

硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）

——厭氧時(shí)，SO42-

、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過程。特點(diǎn)：

a、嚴(yán)格厭氧；

b、大多為古細(xì)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(jī)質(zhì)（有機(jī)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）

當(dāng)前29頁，總共82頁。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(xì)菌

—H2/CO2

進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

當(dāng)前30頁，總共82頁。其他類型無氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機(jī)氧化物等作為末端電子受體的無氧呼吸。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(xì)菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum還原AsO43-生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）作用：生物礦化和微生物清污當(dāng)前31頁，總共82頁。第二節(jié)微生物特有的合成代謝途徑一、細(xì)菌的光合作用

真核生物：藻類及其他綠色植物

產(chǎn)氧原核生物：藍(lán)細(xì)菌光能營養(yǎng)型生物不產(chǎn)氧（僅原核生物有）：光合細(xì)菌1、光合細(xì)菌類群1）產(chǎn)氧光合細(xì)菌——好氧菌各種綠色植物、藻類藍(lán)細(xì)菌：專性光能自養(yǎng)。

(H2S環(huán)境中，只利用光合系統(tǒng)I進(jìn)行不產(chǎn)氧作用)。當(dāng)前32頁，總共82頁。2）不產(chǎn)氧光合細(xì)菌a、紫色細(xì)菌

——只含菌綠素a或b。紫硫細(xì)菌（著色菌科）（舊稱紅硫菌科）含紫色類胡蘿卜素，菌體較大。S沉積胞內(nèi)。氫供體：H2S、H2

或有機(jī)物。

H2SSSO42-

；少數(shù)暗環(huán)境以S2O32-作為電子供體。氧化鐵紫硫細(xì)菌（Chromatium屬）利用FeS,或Fe2+氧化產(chǎn)生Fe(OH)3沉淀當(dāng)前33頁，總共82頁。紫色非硫細(xì)菌（紅螺菌科）：舊認(rèn)為不能利用硫化物作為電子供體；現(xiàn)知大多數(shù)亦能利用硫化物，但濃度不能高。b、綠色細(xì)菌（綠硫細(xì)菌）含較多的菌綠素c、d或e，少量a。電子供體：硫化物或元素硫，S沉積胞外（類似紫色非硫細(xì)菌）；暗環(huán)境中不進(jìn)行呼吸代謝，還可同化乙酸、丙酸、乳酸等簡單有機(jī)物。當(dāng)前34頁，總共82頁。2、細(xì)菌光合色素

1）葉綠素（chlorophyll）：680、440nm2）菌綠素——a、b、c、d、e、g。

a：與葉綠素a基本相似；850nm處。

b：最大吸收波長840~1030。

3）輔助色素：提高光利用率類胡蘿卜素：

藻膽素：籃細(xì)菌獨(dú)有藻紅素（550nm）、藻藍(lán)素（620~640nm）

藻膽蛋白：與蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合的藻膽素。

當(dāng)前35頁，總共82頁。3、細(xì)菌光合作用1）循環(huán)光合磷酸化

細(xì)菌葉綠素將捕獲的光能傳輸給其反應(yīng)中心葉綠素P870，P870吸收光能并被激發(fā)，使它的還原電勢變得很負(fù)，被逐出的電子經(jīng)過由脫鎂菌綠素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、細(xì)胞色素b和c組成的電子傳遞鏈傳遞返回到細(xì)菌葉綠素P870，同時(shí)造成了質(zhì)子的跨膜移動(dòng)，提供能量用于合成ATP。特點(diǎn)：

a、光驅(qū)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；

b、產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進(jìn)行，還原力來自H2S等無機(jī)物；

c、不產(chǎn)氧（O2）。當(dāng)前36頁，總共82頁。光驅(qū)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(jìn)行.紫色細(xì)菌循環(huán)光合磷酸化過程

當(dāng)前37頁，總共82頁。外源電子供體——H2S等無機(jī)物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點(diǎn)：只有一個(gè)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(xì)菌和綠色細(xì)菌當(dāng)前38頁，總共82頁。

2）非循環(huán)光合磷酸化

特點(diǎn)：

a、電子傳遞非循環(huán)式；

b、在有氧的條件下進(jìn)行；

c、存在兩個(gè)光合系統(tǒng)

d、ATP、還原力、O2同時(shí)產(chǎn)生

當(dāng)光反應(yīng)中心I的葉綠素P700吸收光量子能量后釋放的電子，經(jīng)過黃素蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)傳遞給NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(還原力)，而不是返回氧化型P700。光合系統(tǒng)II將電子提供給氧化型P700，并產(chǎn)生ATP。

光合系統(tǒng)II天線色素吸收光能并激發(fā)P680放出電子，然后還原脫鎂葉綠素a(脫鎂葉綠素a是2個(gè)氫原子取代中心鎂原子的葉綠素a)，經(jīng)過由質(zhì)體醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和質(zhì)體藍(lán)素(plastocyanin，PC)組成的電子傳遞鏈到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680從水氧化成02過程中得到電子。在光系統(tǒng)Ⅱ中，電子由PQ經(jīng)Cyt.b傳遞給Cyt.f時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。當(dāng)前39頁，總共82頁。藍(lán)細(xì)菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過程當(dāng)前40頁，總共82頁。3）依靠菌視紫紅質(zhì)的光合作用無葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特的光合作用，是迄今為止最簡單的光合磷酸化反應(yīng)。

——極端嗜鹽古細(xì)菌

菌視紫紅質(zhì)：

以“視黃醛”（紫色）為輔基。與葉綠素相似，具質(zhì)子泵作用。與膜脂共同構(gòu)成紫膜；埋于紅色細(xì)胞膜（類胡蘿卜素）內(nèi)。

當(dāng)前41頁，總共82頁。ATP合成機(jī)理：視黃醛吸收光，構(gòu)型改變，質(zhì)子泵到膜外，膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)ATP酶合成ATP。當(dāng)前42頁，總共82頁。二、細(xì)菌化能自養(yǎng)作用

化能無機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌：通常是化能自養(yǎng)型細(xì)菌，一般是好氧菌。

產(chǎn)能的途徑主要是借助于無機(jī)電子供體(能源物質(zhì))的氧化，從無機(jī)物脫下-的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。最普通的電子供體是氫、還原型氮化合物、還原型硫化合物和亞鐵離子(Fe2＋)。利用卡爾文循環(huán)固定C02作為它們的碳源。最重要反應(yīng)：

CO2還原成[CH20]水平的簡單有機(jī)物，進(jìn)一步合成復(fù)雜細(xì)胞成分

——大量耗能、耗還原力的過程。當(dāng)前43頁，總共82頁。

化能自養(yǎng)細(xì)菌的能量代謝特點(diǎn)：

①無機(jī)底物脫下的氫（電子）從相應(yīng)位置直接進(jìn)入呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能。②電子可從多處進(jìn)入呼吸鏈，所以呼吸鏈有多種多樣。③產(chǎn)能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能異養(yǎng)細(xì)菌的低。④生長緩慢，產(chǎn)細(xì)胞率低。有以下特點(diǎn)：無機(jī)底物上脫下的氫(電子)直接進(jìn)入呼吸鏈。當(dāng)前44頁，總共82頁。1硝化細(xì)菌

能氧化氮的化能無機(jī)營養(yǎng)型細(xì)菌

桿狀、橢圓形、球形、螺旋形或裂片狀，且它們可能有極生或周生鞭毛。

好氧、沒有芽孢的革蘭氏陰性有機(jī)體，在細(xì)胞質(zhì)中有非常發(fā)達(dá)的內(nèi)膜復(fù)合體。

將氨氧化成硝酸鹽的過程稱為硝化作用。

a、亞硝化細(xì)菌

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

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根據(jù)它們氧化無機(jī)化合物的不同也稱氨氧化細(xì)菌(產(chǎn)生1分子ATP)當(dāng)前45頁，總共82頁。2氫細(xì)菌（氧化氫細(xì)菌）

能利用氫作為能源的細(xì)菌組成的生理類群稱氫細(xì)菌或氫氧化細(xì)菌(hydrogenoxidizingbacteria)。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。

產(chǎn)能：2H2+O2

—2H2O

合成代謝反應(yīng)：

2H2+CO2

—[CH2O]+H2O。

當(dāng)前46頁，總共82頁。

氫細(xì)菌的自氧作用

第一步：產(chǎn)能反應(yīng)，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

第二步：合成代謝反應(yīng)，用所產(chǎn)生的ATP還原C02構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)[CH2O]和生長。在Ralstoniaeutropha中存在兩種氫酶，一種膜結(jié)合氫酶涉及質(zhì)子動(dòng)勢而細(xì)胞質(zhì)中的氫酶為Calvincycle

提供還原力NADH。當(dāng)前47頁，總共82頁。3硫細(xì)菌（硫氧化細(xì)菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等無機(jī)硫化物進(jìn)行自養(yǎng)生長,主要指化能自氧型硫細(xì)菌大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng)cyt.c部位進(jìn)入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或cyt.b水平進(jìn)入。

嗜酸型硫細(xì)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＋)。當(dāng)前48頁，總共82頁。當(dāng)前49頁，總共82頁。產(chǎn)能途徑第一階段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化為SO32－第二階段，形成的SO32－進(jìn)一步氧化為SO42－和產(chǎn)能。1、由細(xì)胞色素－亞硫酸氧化酶將SO32－直接氧化成為SO42－，并通過電子傳遞磷酸化產(chǎn)能，普遍存在于硫桿菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosinephosphosulfate，APS)途徑。在這條途徑中，亞硫酸與腺苷單磷酸反應(yīng)放出2個(gè)電子生成一種高能分子APS，放出的電子經(jīng)細(xì)胞電子傳遞鏈的氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－產(chǎn)生1．5分子ATP。當(dāng)前50頁，總共82頁。4鐵細(xì)菌和細(xì)菌瀝濾

(1)鐵細(xì)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(xì)菌被稱為鐵細(xì)菌(ironbacteria)或鐵氧化細(xì)菌(ironoxidizingbacteria)。包括亞鐵桿菌屬(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌屬(Gallionella)、纖發(fā)菌屬(Leptothrix)、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)和球衣菌屬(Sphaerotilus)的成員。有些氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusfrrooxidans)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(xì)菌，也是鐵細(xì)菌。大多數(shù)鐵細(xì)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(xì)菌還是嗜酸性的。鐵細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率也相當(dāng)?shù)彤?dāng)前51頁，總共82頁。鐵氧化細(xì)菌呼吸鏈的氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑當(dāng)前52頁，總共82頁。

(2)細(xì)菌瀝濾

——利用嗜酸性氧化鐵和硫細(xì)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(zhuǎn)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(xì)菌浸出或細(xì)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(dá)70%~80%。

當(dāng)前53頁，總共82頁。1、固氮微生物的種類

一些特殊類群的原核生物能夠?qū)⒎肿討B(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉(zhuǎn)化為各種細(xì)胞物質(zhì)。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(dú)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(dòng)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。三、固氮作用當(dāng)前54頁，總共82頁。2、固氮機(jī)制1）固氮反應(yīng)的條件

aATP的供應(yīng)：

1molN2—10~15ATPb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）當(dāng)前55頁，總共82頁。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(duì)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(yīng)：可用來測知酶活）d還原低物N2：

NH3存在時(shí)會(huì)抑制固氮作用。當(dāng)前56頁，總共82頁。

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(fèi)2）固氮生化過程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復(fù)合物）當(dāng)前57頁，總共82頁。固氮生化途徑當(dāng)前58頁，總共82頁。3、好氧性固氮菌的防氧機(jī)制

固N(yùn)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(yùn)菌

a呼吸保護(hù)固N(yùn)菌科的固N(yùn)菌以極強(qiáng)的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。

b構(gòu)象保護(hù)高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無固N(yùn)活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象。構(gòu)象保護(hù)的蛋白質(zhì)——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結(jié)合，構(gòu)象變化，喪失固N(yùn)能力；

氧濃度降低，蛋白自酶上解離當(dāng)前59頁，總共82頁。(2)藍(lán)細(xì)菌保護(hù)固N(yùn)酶機(jī)制

a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細(xì)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(qiáng)度高

b非異形胞藍(lán)細(xì)菌固N(yùn)酶的保護(hù)

——缺乏獨(dú)特的防止氧對(duì)固N(yùn)酶的損傷機(jī)制。

I、固N(yùn)、光合作用在時(shí)間上分隔開

——織線藍(lán)菌屬（黑暗：固N(yùn)；光照：光合作用）

II、形成束狀群體（束毛藍(lán)菌屬），利于固N(yùn)酶在微氧環(huán)境下固N(yùn)

III、提高胞內(nèi)過氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍(lán)菌屬）當(dāng)前60頁，總共82頁。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(jié)合（高時(shí)結(jié)合，低時(shí)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。

c根瘤菌保護(hù)固N(yùn)酶機(jī)制

當(dāng)前61頁，總共82頁。四、肽聚糖的合成

1

在細(xì)胞質(zhì)中的合成——UDP-胞壁酸5肽

aG—G-UDP，M--UDPG——6-P-果糖—6-P-葡糖胺——N-乙酸葡糖胺-1-磷酸

—

N-乙酰葡糖胺-UDP—N-乙酰胞壁酸-UDP

bM合成“Park”核苷酸（UDP-M-5肽）

UDP作為糖載體

D-Val-D-Val為環(huán)絲氨酸（惡唑霉素）阻斷；

當(dāng)前62頁，總共82頁。N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸親水性化合物當(dāng)前63頁，總共82頁。

——肽聚糖單體亞單位的合成

載體：細(xì)菌萜醇（類脂載體）

——C55類異戊二烯醇（含11個(gè)異戊二烯單位）穿膜的同時(shí)與G結(jié)合，接上肽橋，此外，類脂載體還參與胞外多糖、脂多糖的合成（磷壁酸、纖維素、幾丁質(zhì)、甘露聚糖等）萬古霉素，桿菌肽所抑制這些反應(yīng)

2細(xì)胞膜中的合成當(dāng)前64頁，總共82頁?！癙ark”核苷酸合成肽聚糖單體細(xì)胞膜上細(xì)胞質(zhì)雙糖肽位于細(xì)胞膜外細(xì)胞壁生長點(diǎn)處當(dāng)前65頁，總共82頁。3膜外的合成

a、多糖鏈的伸長（橫向連接）：

肽糖單體+引物（6~8肽糖單位）—多糖鏈橫向延伸1雙糖單位。

b、相鄰多糖鏈相聯(lián)（縱向連接）：

2D-Val—M-4肽+D-Val—甲肽尾五甘氨酸肽的游離—NH與乙肽尾

D-Val（第4個(gè)氨基酸）游離COOH轉(zhuǎn)肽作用：

青霉素所抑制。青霉素為D-Val-D-Val結(jié)構(gòu)類似物，競爭轉(zhuǎn)肽酶轉(zhuǎn)糖基（形成-1，4糖苷鍵）當(dāng)前66頁，總共82頁。轉(zhuǎn)糖基作用和轉(zhuǎn)肽作用當(dāng)前67頁，總共82頁。

第三節(jié)微生物次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物一、次級(jí)代謝與次級(jí)代謝產(chǎn)物

一般將微生物通過代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的自身繁殖所必需的物質(zhì)和能量的過程，稱為初級(jí)代謝,該過程所產(chǎn)生的產(chǎn)物即為初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶等。

次級(jí)代謝是指微生物在一定的生長時(shí)期，以初級(jí)代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對(duì)于該微生物沒有明顯的生理功能且非其生長和繁殖所必需的物質(zhì)的過程。這一過程的產(chǎn)物，即為次級(jí)代謝產(chǎn)物，如抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。當(dāng)前68頁，總共82頁。

次級(jí)代謝與初級(jí)代謝關(guān)系密切，初級(jí)代謝的關(guān)鍵性中間產(chǎn)物往往是次級(jí)代謝的前體，比如糖降解過程中的乙酰-CoA是合成四環(huán)素、紅霉素的前體；一般菌體的次級(jí)代謝在對(duì)數(shù)生長后期或穩(wěn)定期間進(jìn)行，受環(huán)境條件的影響；

次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成，因菌株不同而異，但與分類地位無關(guān)；與次級(jí)代謝的關(guān)系密切的質(zhì)粒則控制著多種抗生素的合成。

次級(jí)代謝產(chǎn)物在微生物生命活動(dòng)過程中的產(chǎn)生極其微量，對(duì)微生物本身的生命活動(dòng)沒有明顯作用，當(dāng)次級(jí)代謝途徑被阻斷時(shí)，菌體生長繁殖仍不會(huì)受到影響，因此，它們沒有一般性的生理功能，也不是生物體生長繁殖的必需物質(zhì)，但對(duì)其它生物體往往具有不同的生理活性作用，因此，人們利用這些具有各種生理活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物生產(chǎn)具有應(yīng)用價(jià)值的藥物。當(dāng)前69頁，總共82頁。二、次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)1．初級(jí)代謝對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)次級(jí)代謝與初級(jí)代謝類似，它在調(diào)節(jié)過程中也有酶活性的激活和抑制及酶合成的誘導(dǎo)和阻遏。2．含氮化合物對(duì)次級(jí)代謝的調(diào)節(jié)作用菌體內(nèi)的谷氨酰胺合成酶(GS)的水平與抗生素的產(chǎn)量間呈正相關(guān)性，丙氨酸脫氫酶(ADH)水平與利福霉素SV合成則呈負(fù)的相關(guān)性，而ADH和GS同化氨途徑受培養(yǎng)基中氨濃度的調(diào)節(jié)，因此，氨濃度的調(diào)節(jié)影響抗生素的產(chǎn)量。

3．誘導(dǎo)作用及產(chǎn)物的反饋抑制當(dāng)前70頁，總共82頁。一、微生物代謝產(chǎn)物的利用利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的眾多代謝產(chǎn)物生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品。按照積累產(chǎn)物類型：

初級(jí)代謝產(chǎn)物，如氨基酸、核苷類，以及酶或輔酶；次級(jí)代謝產(chǎn)物，抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等。按照發(fā)酵類型：自然發(fā)酵：酒精、乳酸等，代謝控制發(fā)酵：終端產(chǎn)物，賴氨酸、鳥苷酸、腺苷酸等；中間產(chǎn)物，檸檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、高絲氨酸、肌苷酸、黃苷酸等；第四節(jié)微生物代謝與生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)前71頁，總共82頁。1．發(fā)酵條件的控制人們通過對(duì)微生物菌種營養(yǎng)和培養(yǎng)條件的控制生產(chǎn)所要的目的產(chǎn)品:1）培養(yǎng)條件：溫度、pH值、滲透壓的控制；2）營養(yǎng)成分的控制：葡萄糖濃度、碳氮比、生長因子、無機(jī)離子等；3）溶解氧的控制：通氣量，攪拌等。當(dāng)前72頁，總共82頁。2．代謝調(diào)節(jié)的控制（1）應(yīng)用營養(yǎng)缺陷型菌株以解除正常的反饋調(diào)節(jié)

賴氨酸發(fā)酵——（高絲氨酸缺陷型菌株）

在這個(gè)代謝工程的設(shè)計(jì)中，是利用阻斷分支途徑的高絲氨酸的合成，來解除(Lys+Thr)的反饋調(diào)節(jié)。即造成高絲氨酸缺陷型(Hser一)，就可解除末端產(chǎn)物對(duì)限速酶的反饋抑制。當(dāng)前73頁，總共82頁。選育細(xì)胞膜缺損突變株

——油酸缺陷型、甘油缺陷型，或生物素缺陷型

利用油酸缺陷型菌株，限量添加油酸，限制細(xì)胞膜磷脂中不飽和脂肪酸的合成而使細(xì)胞膜缺損，利于代謝產(chǎn)物滲漏而提高谷氨酸的產(chǎn)量。生物素缺陷型原理在脂肪酸生物合成途徑中，由乙酰輔酶A羧化成丙二酸單酰輔酶A的反應(yīng)是一個(gè)限速步驟，該反應(yīng)由乙酰輔酶A羧化酶系催化，包括生物素羧化酶，羧基轉(zhuǎn)移酶和生物素羧基載體蛋白CCP，并且需要生物素作輔酶。選育生物素營養(yǎng)缺陷型菌株，使細(xì)胞中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸的合成受阻，從而影響到磷脂的合成。在培養(yǎng)時(shí)限量添加生物素或含生物素的原料，可以控制膜的厚度來調(diào)節(jié)透性。當(dāng)前74頁，總共82頁。（2）應(yīng)用抗反饋調(diào)節(jié)的突變株解除反饋調(diào)節(jié)抗反饋調(diào)節(jié)突變菌株，就是指一種對(duì)反饋抑制不敏感或?qū)ψ瓒粲锌剐缘慕M成型菌株，或兼而有之的菌株。在這類菌株中，因其反饋抑制或阻遏已解除，或是反饋抑制和阻遏已同時(shí)解除，所以能分泌大量的末端代謝產(chǎn)物。如Corynebacteriumcrenatum(鈍齒棒桿菌)的抗α-氨基-β-羥基戊酸（AHV）菌株能積累積蘇氨酸。當(dāng)前75頁，總共82頁。3．微生物代謝與代謝工程

近年來，基因工程的不斷發(fā)展，也為微生物代謝在發(fā)酵生產(chǎn)的應(yīng)用提供了新的方法。

人們通過分子生物學(xué)技術(shù)和DNA重組技術(shù),可以定向地對(duì)細(xì)胞代謝途徑進(jìn)行修飾或引入新的反應(yīng)，以改進(jìn)產(chǎn)物的生成或改變細(xì)胞的代謝特性。但這些改進(jìn)都是與微生物的基因調(diào)控和代謝調(diào)控及生化工程相結(jié)合來實(shí)