微生物的新陳代謝

關于微生物的新陳代謝第1頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

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2頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三講授內容第一節(jié)微生物的能量代謝一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化和產能二、自養(yǎng)微生物產ATP和產還原力第二節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系一、兩用代謝途徑二、代謝物回補順序第三節(jié)微生物獨特的合成代謝一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖的生物合成第3頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)微生物的能量代謝有機物化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌ATP日光（光能）還原態(tài)無機物最初能源第4頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化生物氧化功能：ATP、[H]、小分子代謝物生物氧化形式：加氧、脫氫、失電子生物氧化過程：脫氫、遞氫、受氫

生物氧化類型：有氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵第5頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三微生物氧化的形式生物氧化作用：細胞內代謝物以氧化作用釋放（產生）能量的化學反應。氧化過程中能產生大量的能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內，供需時使用。生物氧化的方式：①和氧的直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去電子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脫氫或氫的傳遞:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2第6頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三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）（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氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）底物脫氫的途徑1、EMP途徑2、HMP3、ED4、TCA第7頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化（一）底物脫氫的4條途徑

EMP途徑：糖酵解途徑

HMP途徑：戊糖磷酸途徑

ED途徑：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸KDPG途徑

TCA循環(huán)：三羧酸循環(huán)途徑第8頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（一）底物脫氫的4條途徑

1.EMP途徑：糖酵解途徑（10步反應）2ATP2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP耗能階段產能階段C6為葡萄糖，C3為3-磷酸-甘油醛C6C3第9頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

EMP途徑是絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細菌所具有的代謝途徑。在有氧條件下，EMP途徑與TCA途徑連接，并通過后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H20。在無氧條件下，丙酮酸或其進一步代謝后所產生的乙醛等產物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產物。

第10頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

HMP途徑（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸途徑、戊糖磷酸途徑、Warburg-Dickens途徑或磷酸葡萄糖酸途徑。這是一條葡萄糖不經EMP途徑和TCA途徑而得到徹底氧化，并能產生大量NADPH＋H+形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。

2.HMP途徑---6-磷酸葡萄糖酸途徑第11頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

HMP途徑可概括成三個階段：①葡萄糖分子通過幾步氧化反應產生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構化或表異構化（epimerization）而分別產生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各種戊糖磷酸在沒有氧參與的條件下發(fā)生碳架重排，產生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通過以下兩種方式進一步代謝：其一為通過EMP途徑轉化成丙酮酸再進入TCA循環(huán)進行徹底氧化，另一為通過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶的作用而轉化為己糖磷酸。

第12頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途徑的總反應第13頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。產生大量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。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利用的碳源譜更為更為廣泛。通過該途徑可產生許多種重要的發(fā)酵產物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。第14頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三3.ED途徑(KDPG途徑)-----4步反應ED途徑（Entner-Doudoroffpathway）又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。此途徑最早（1952）由Entner和Doudoroff兩人在嗜糖假單胞菌Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，接著許多學者證明它在細菌中廣泛存在。ED途徑是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物所具有的一種替代途徑，在其他生物中還沒有發(fā)現(xiàn)。其特點是葡萄糖只經過4步反應即可快速獲得由EMP途徑須經10步才能獲得的丙酮酸。第15頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三ED途徑是少數(shù)EMP途徑不完整的細菌例如PseudomonasZymomonas等所特有的利用葡萄糖的替代途徑，其特點是利用葡萄糖的反應步驟簡單，產能效率低（1分子葡萄糖僅產1分子ATP，為EMP途徑之半），反應中有一個6碳的關鍵中間代謝物——KDPG。第16頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三ED途徑的特點葡萄糖經轉化為KDPG

后，經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EMP途徑轉化成為丙酮酸。結果是1分子葡萄糖產生2分子丙酮酸，1分子ATP。關鍵中間代謝物KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。特征酶是KDPG醛縮酶.反應步驟簡單，產能效率低.

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.第17頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三由表可見，在微生物細胞中，有的同時存在多條途徑來降解葡萄糖，有的只有一種。在某一具體條件下，擁有多條途徑的某種微生物究竟經何種途徑代謝，對發(fā)酵產物影響很大。第18頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三4.TCA循環(huán)-----分解代謝和合成代謝的樞紐又稱三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。這是一種循環(huán)方式的反應順序，絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的氧化性（呼吸）代謝中起著關鍵性的作用。在真核微生物中，TCA循環(huán)的反應在線粒體內進行，其中的大多數(shù)酶定位在線粒體的基質中；在原核生物例如細菌中，大多數(shù)酶都存在于細胞質內。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細菌中都是結合在膜上的。第19頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應而本身并不消耗。第20頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三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)酵生產所需產品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。第21頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三一、化能異養(yǎng)微生物的生物氧化（二）遞氫與受氫★經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★根據(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：沒有任何外援的最終電子受體的生物氧化模式呼吸作用：有外援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——最終電子受體是無機氧化物，如NO3-、SO42-

第22頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第23頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三1.呼吸-------完全電子呼吸鏈呼吸（respiration是最普遍和最重要的生物氧化方式，特點是底物脫氫后，經完整的呼吸鏈又稱電子傳遞鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產生水和釋放能量（ATP）。由于呼吸必須在有氧條件下進行，因此又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸鏈是指位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體膜上的由一系列氧化還原勢不同的氫傳遞體（或電子傳遞體）組成的一組鏈狀傳遞順序，它能把氫或電子從低氧化還原勢的化合物處傳遞給高氧化還原勢無機、有機氧化物，并使它們還原。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)，就可產生ATP形式的能量。第24頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：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和一些鐵硫旦白。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：第25頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三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。第26頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三呼吸鏈的功能：一是傳遞電子；二是將電子傳遞過程中釋放的能量合成ATP——這就是電子產能磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。第27頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三ATP的結構和生成能源物質：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等

ATP又叫三磷酸腺苷，其結構式是：A—P～P～P

它是一種含有高能磷酸鍵的有機化合物，它的大量化學能就儲存在高能磷酸鍵中。

ATP是生命活動能量的直接來源，但本身在體內含量并不高。人體預存的ATP能量只能維持15秒，跑完100m后就全部用完，不足的繼續(xù)通過呼吸作用等合成ATP。ATP的生成方式:光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化｛｛第28頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應.光合磷酸化作用將光能轉變成化學能,以用于從二氧化碳合成細胞物質.主要是光合微生物。光合微生物:藻類、藍細菌、光合細菌（包括紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。細菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍細菌具有葉綠素、能進行水的裂解進行產氧的光合作用外，其他細菌沒有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無機物（如H2、H2S等）或簡單有機物，進行不產氧的光合作用。第29頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三氧化磷酸化：利用化合物氧化過程中釋放的能量生成ATP的反應。氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種：底物水平磷酸化——不需氧電子傳遞磷酸化——需氧底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個化合物通過相應的酶作用把高能鍵磷酸根轉移給ADP，使其生成ATP。這種類型的氧化磷酸化方式在生物代謝過程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細胞質內第30頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三底物水平磷酸化舉例：由于脫掉一個水分子，2一磷酸甘油酸的低能酯鍵轉變?yōu)?一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇鍵。這種高能連接的磷酸可以轉給ADP，產生ATP分子。在微生物代謝活動中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物質外，還有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。第31頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

在電子傳遞磷酸化中，通過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。電子傳遞磷酸化其機制很多，目前仍在繼續(xù)研究中。至今能獲得多數(shù)學者接受的是1978年諾貝爾獎獲得者英國學者P．Mitchell在1961年所提出的化學滲透學說（chemiosmotichypothesis）。第32頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三主要觀點：在氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質子從膜的內側傳遞至外側，從而造成了質子在膜兩側分布的不均衡，即形成了質子梯度差（又稱質子動勢、pH梯度等）。這個梯度差就是產生ATP的能量來源，因為它可通過ATP酶的逆反應，把質子從膜的外側再輸回到內側，結果一方面消除了質子梯度差，同時就合成了ATP。第33頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三2.無氧呼吸-------部分電子呼吸鏈ADP+PiATP硝酸鹽呼吸（反硝化）、硫酸鹽呼吸、鐵呼吸、碳酸鹽呼吸等又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）的生物氧化。這是一類在無氧條件下進行的產能效率較低的特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物（個別是有機物延胡索酸）受氫。第34頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三無氧呼吸的幾個類型（受體）硝酸鹽還原細菌在厭氧條件下以NO3-作電子受體C6H12O6＋6H2O6CO2＋24[H](脫H酶）24[H]+4NO32N2+12H2O（硝酸還原酶）E硫酸鹽細菌以SO42-為受體2CH3CHOHCOOH+H2SO42CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S+能量嚴格厭氧的大多數(shù)產甲烷細菌以CO2為受體4H2+CO2CH4+2H2O+能量第35頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三3.發(fā)酵----無氧條件下含意較多：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產生的還原力不經過呼吸鏈傳遞而直接交給內源氧化性中間代謝產物的一類低效產能反應。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有用代謝產物的一類生產方式第36頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。發(fā)酵類型：在上述途徑中均有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產生，但產生的量并不多，如不及時氧化再生，糖的分解產能將會中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過程中形成的各種中間產物為氫（電子）受體來接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產生了各種各樣的發(fā)酵產物。根據(jù)發(fā)酵產物的種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等發(fā)酵作用第37頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸發(fā)酵第38頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌的乙醇發(fā)酵：※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。第39頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三②細菌的乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌等途徑：ED脫羧NADH2還原P106與酵母發(fā)酵的不同第40頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三乳酸發(fā)酵乳酸細菌能利用葡萄糖及其他相應的可發(fā)酵的糖產生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經EMP途徑）異型乳酸發(fā)酵：（經HMP途徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經HK途徑—磷酸己糖解酮酶途徑）第41頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖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①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum第42頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三②異型乳酸發(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第43頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三③雙歧發(fā)酵：6-磷酸果糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛2乳酸2乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH2ATP2ADP2乙酸4ADP4ATP-2H-CO2ADPATP乙酰磷酸乙酸ADPATP雙歧桿菌Bifidobacteria通過HMP發(fā)酵葡萄糖的途徑：2分子葡萄糖產生3分子乙酸、2分子乳酸第44頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第45頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第46頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三二、自養(yǎng)微生物的生物氧化（一）化能自養(yǎng)微生物的生物氧化（二）光能微生物的生物氧化第47頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（一）化能自養(yǎng)微生物的生物氧化一些微生物可以從氧化無機物獲得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們在無機能源氧化過程中通過氧化磷酸化產生ATP。氨的氧化硫的氧化鐵的氧化氫的氧化第48頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三CO2-----作為能量順呼吸鏈--------ATP---------

-----部分作為無機供氫體逆呼吸鏈-----[H]---

[CH2O]NH4+NO2-H2SSH2Fe2+第49頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

H2HS-

NH4

、S2-、SO32-S2O3-

、S0

、Fe2+

NO2-

NAD

FPQ

Cyt.cc1

Cyt.a.aa3

O2ATPATPATP

無機底物脫氫后，氫或電子進入呼吸鏈的部位，正向產生ATP，逆向消耗ATP產生還原力[H]第50頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌由于化能自養(yǎng)微生物產能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，因此他們的產能效率、生長速度、生長得率都很低。例如硝化細菌包括亞硝化細菌或氨氧化細菌：NH3------NO2-硝化細菌或亞硝酸細菌：NO2-------N03-都是氧化作用

NH3+O2+2H++2e---------NH2OH+H2ONH2OH+H2O---------------HNO2+4H++4e-

NO2-+H2O----亞硝酸氧化酶-----NO3-+2H++2e-

以上[H]都來自于水第51頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三在NO2-氧化為NO3-的過程中，氧來自水分子而非空氣。當NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e時，由于NO2-的氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當?shù)腃yt．a1部位進入呼吸鏈。2H++2e如果順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產生1個ATP。而對CO2還原所需要的大量還原力[H]則是通過H+

+e的逆呼吸鏈傳遞并消耗大量ATP后才能形成。因此硝化細菌的能量效率、生長速度和細胞產率很低，在硝化作用旺盛的土壤中，只能找到很少量的硝化細菌菌體。第52頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（二）光能營養(yǎng)微生物產能和[H]光合磷酸化(photophosphorylation)

利用光能合成ATP的反應.光合磷酸化作用將光能轉變成化學能,以用于從二氧化碳合成細胞物質，主要是光合微生物：藻類、藍細菌、光合細菌（紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。

第53頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

光合色素：葉綠素chl、細菌葉綠素（菌綠素）Bchl、類胡蘿卜素、藻膽素

光合磷酸化的實質就是將光能轉化為化學能的過程，具體過程為當一個葉綠素（菌綠素）分子吸收光量子后，被激活，釋放一個電子（氧化），釋放的電子進入電子傳遞系統(tǒng)，在電子傳遞過程中釋放能量，產生ATP。環(huán)式光合磷酸化非環(huán)式光合磷酸化嗜鹽菌紫膜的光合作用第54頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（1）環(huán)式光合磷酸化Cyclicphotophosphorylation光合細菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產生ATP，這類細菌主要包括紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌。在光合細菌中，吸收光量子而被激活的細菌葉綠素釋放出高能電子，于是這個細菌葉綠素分子即帶有正電荷。所釋放出來的高能電子順序通過鐵氧還蛋白、輔酶Q、細胞色素b和f，再返回到帶正電荷的細菌葉綠素分子。在輔酶Q將電子傳遞給細胞色素f的過程中，造成了質子的跨膜移動，為ATP的合成提供了能量。在這個電子循環(huán)傳遞過程中，光能轉變?yōu)榛瘜W能，故稱環(huán)式光合磷酸化。環(huán)式光合磷酸化可在厭氧條件下進行，產物只有ATP，無NADP(H)，也不產生分子氧。第55頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（2）非環(huán)式光合磷酸化

高等植物和藍細菌與光合細菌不同，它們可以裂解水，以提供細胞合成的還原能力。它們含有兩種類型的反應中心，連同天線色素、初級電子受體和供體一起構成了光合系統(tǒng)Ⅰ和光合系統(tǒng)Ⅱ，這兩個系統(tǒng)偶聯(lián)，進行非環(huán)式光合磷酸化。在光合系統(tǒng)Ⅰ中，葉綠素分子P700吸收光于后被激活，釋放出一個高能電子。這個高能電子傳遞給鐵氧還蛋白(Fd)，并使之被還原。還原的鐵氧還蛋白在Fd：NADP+還原酶的作用下，將NADP+還原為NADPH。在光合系統(tǒng)Ⅱ中，葉綠素分子P680吸收光子后，釋放出一個高能電子。先傳遞給輔酶Q，再經過一系列電子傳遞體，最后傳遞給系統(tǒng)Ⅰ，使P700還原。失去電子的P680，靠水的光解產生的電子來補充。高能電子從輔酶Q到光合系統(tǒng)Ⅰ的過程巾，可推動ATP的合成。第56頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（3）嗜鹽菌紫膜的光合作用

這是近年來才揭示的只有嗜鹽菌才有的無葉綠素或菌綠素參與的獨特光合作用。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（archaebacteria）。它們廣泛分布在鹽湖、曬鹽場或鹽腌海產品上，常見的咸魚上的紫紅斑塊就是嗜鹽菌的細胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽桿菌）等。第57頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

嗜鹽菌因細胞內含類胡蘿卜素而使細胞呈紅色、桔黃色或黃色。它們的細胞膜可分成紅色與紫色兩部分，前者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，后者則十分特殊，在膜上呈斑片狀（直徑約0.5μm）獨立分布，其總面積約占細胞膜面積的一半，這就是能進行獨特光合作用的紫膜。含量占紫膜75％的是一種稱作細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）的蛋白質，它與人眼視網膜上柱狀細胞中所含的一種蛋白質—視紫紅質（rhodopsin）十分相似，兩者都以紫色的視黃醛（retinal）作輔基。第58頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三

近年來，人們對視紫紅質的功能作了研究并獲得了重大的發(fā)現(xiàn)。嗜鹽菌可以生長在光照和氧都具備的條件下，但不能生長在兩者都不存在的情況下。這就說明，嗜鹽菌至少可通過兩條途徑獲取能量，一條是有氧存在下的氧化磷酸化途徑，另一條是有光存在下的某種光合磷酸化途徑。實驗還發(fā)現(xiàn)，在波長為550～600nm的光照下，其ATP合成速率最高，而這一波長范圍恰與細菌視紫紅質的吸收光譜相一致。

目前認為，細菌視紫紅質與葉綠素相象，在光量子的驅動下，具有質子泵的作用，這時它將產生的H+推出細胞膜外，使紫膜內外造成一個質子梯度差。根據(jù)化學滲透學說，這一質子動勢在驅使H+通過ATP合成酶進入膜內而得到平衡時，就可合成細胞的通用能源ATP。

第59頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三主要特點：不經過電子傳遞，直接產生ATP第60頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三意義：嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功能的發(fā)現(xiàn)，使在經典的葉綠素和菌綠素所進行光合磷酸化之外又增添了一種新的光合作用類型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最簡單的光合磷酸化反應，這是研究化學滲透作用的一個極好的實驗模型，對它的研究正在大力開展。對其機制的揭示，將是生物學基本理論中的又一項重大突破，并無疑會對人類的生產實踐例如太陽能的利用和海水的淡化等帶來巨大的推動力。第61頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)分解代謝和合成代謝的關系分解代謝與合成代謝兩者聯(lián)系緊密，互不可分。

第62頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三一、兩用代謝途徑

凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的途徑，稱為兩用代謝途徑。EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等都是重要的兩用代謝途徑。第63頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三二、代謝回補順序

又稱代謝補償途徑或填補途徑。

指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝產物的那些反應。（生物合成中所消耗的中間產物若得不到補充，循環(huán)就會中斷。）通過這種機制，一旦重要產能途徑中的某種關鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成原料而抽走時，仍可保證能量代謝的正常進行。

不同種類的微生物或同種微生物在不同的碳源條件下，有不同的代謝回補順序。

第64頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三主要圍繞EMP途徑中的PEP和TCA循環(huán)中的OA這兩種關鍵性中間代謝物來進行的?；匮a途徑與EMP途徑和TCA循環(huán)有關的回補順序約有10條。第65頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三某些微生物所特有的代謝回補順序。是TCA循環(huán)的一條回補途徑。能夠利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉變?yōu)橐阴oA。然后乙酰CoA在異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶的作用下進入乙醛酸循環(huán)。

乙醛酸循環(huán)的主要反應：

異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸蘋果酸琥珀酸+乙酸→→→異檸檬酸凈反應：2乙酸蘋果酸乙醛酸循環(huán)（乙醛酸支路）第66頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三乙醛酸循環(huán)具有乙醛酸循環(huán)的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸為唯一碳源的一些細菌：醋桿菌屬、固氮菌屬、產氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌、和紅螺菌屬等；真菌中的酵母菌屬、青霉屬和黑曲霉等。第67頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物結構大分子——肽聚糖的生物合成四、微生物次生代謝物的合成第68頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三一、自養(yǎng)微生物的CO2固定

各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途徑有4條。兩類自養(yǎng)生物固定CO2的條件和途徑第69頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三二、生物固氮

生物固氮作用：將大氣中分子態(tài)氮通過微生物固氮酶的催化而還原成氨的過程。大氣中90%以上的分子態(tài)氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上僅次于光合作用的生物化學反應。（一）固氮微生物

80余屬，全部為原核生物（包括古生菌），主要包括細菌、放線菌和藍細菌。

根據(jù)固氮微生物與高等植物及其他生物的關系，可將它們分為以下3類：

1、自生固氮微生物

2、共生固氮微生物

3、聯(lián)合固氮微生物第70頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三1、自生固氮菌

獨立生活狀況下能夠固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能獨立地進行固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組成自身蛋白質。自生固氮微生物的固氮效率較低，每消耗1克葡萄糖大約只能固定10~20毫克氮。第71頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三2、共生固氮菌

與其它生物形成共生體，在共生體內進行固氮的微生物。只有在與其他生物緊密地生活在一起的情況下，才能固氮或才能有效地固氮；并將固氮產物氨，通過根瘤細胞酶系統(tǒng)的作用，及時運送給植物體各部，直接為共生體提供氮源。共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多，每消耗

1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。第72頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三3、聯(lián)合固氮菌

聯(lián)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在的一種簡單共生現(xiàn)象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。這些固氮微生物僅存在于相應植物的根際，不形成根瘤，但有較強的專一性，固氮效率比在自生條件下高。

通常在水域環(huán)境中，共生性固氮系統(tǒng)不常見。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍細菌的作用，在無氧區(qū)主要是梭菌的作用。第73頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三1、生物固氮反應的6要素固氮酶ATP的供應還原力及其傳遞載體還原底物—N2鎂離子嚴格的厭氧微環(huán)境（二）固氮的生化機制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮總反應：第74頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三固二氮酶還原酶（dinitrogenasereductase）（組份Ⅱ）：是一種只含鐵的蛋白。第75頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-

Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N22、固氮的生化途徑氧障呼吸無氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型的固二氮酶還原酶的Fe提供1個e，變?yōu)檫€原型2）還原型的固二氮酶還原酶與ATP-Mg結合，改變構象3）固二氮酶在Mo上與分子氮結合，并與固二氮酶還原酶-ATP-Mg結合，形成完整的固氮酶4）電子轉移，形成氧化型固二氮酶還原酶，同時形成ADP5）連續(xù)6次，固二氮酶放出2個NH3第76頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三N2分子經固氮酶的催化而還原成NH3后，就可與相應的酮酸結合，形成各種氨基酸。第77頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（三）好氧菌固氮酶避害機制

固氮酶的兩個蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快導致不可逆的失活。固氮生化反應都必須受活細胞中各種“氧障”的嚴密保護。大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長期進化過程中，已進化出適合在不同條件下保護固氮酶免受氧害的機制。

1、好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制（1）呼吸保護固氮菌科的菌種能以極強的呼吸作用迅速將周圍環(huán)境中的氧消耗掉，使細胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，保護固氮酶。（2）構象保護在高氧分壓條件下，Azotobactervinelandii（維涅蘭德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一個無固氮活性但能防止氧害的特殊構象。第78頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三2、藍細菌固氮酶的抗氧保護機制藍細菌光照下會因光合作用放出的氧而使細胞內氧濃度急劇增高⑴分化出特殊的還原性異形胞：缺乏產氧光合系統(tǒng)Ⅱ，脫氫酶和氫化酶的活性高，維持很強的還原態(tài)；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸強度高，可消耗過多的氧。⑵非異形胞藍細菌固氮酶的保護:能通過將固氮作用與光合作用進行時間上的分隔來達到；通過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下的細胞失去能產氧的光合系統(tǒng)II，以便于進行固氮反應；通過提高過氧化物酶和SOD的活性來除去有毒過氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧保護機制只有當嚴格控制在微好氧條件下時，才能固氮；根瘤菌還能在根毛皮層細胞內迅速分裂繁殖，隨后分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強固氮活性的類菌體。許多類菌體被包在一層類菌體周膜中，膜的內外有能與O2結合的豆血紅蛋白。第79頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三三、肽聚糖的合成

合成特點：①合成機制復雜，步驟多（20步），且合成部位幾經轉移②合成過程中須要有能夠轉運與控制肽聚糖結構元件的載體（UDP和細菌萜醇）參與。合成過程：依發(fā)生部位分成三個階段：細胞質階段：合成派克（Park）核苷酸細胞膜階段：合成肽聚糖單體細胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖結構第80頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸 N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi第一階段：細胞質內合成Park核苷酸注：UDP，尿嘧啶二磷酸，糖的載體第81頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第二階段：肽聚糖單體的合成G-M-P-P-類脂

M-P-P-類脂

UDPUDP-G ②

UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素

5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂第82頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第三階段：交聯(lián)作用第83頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三肽聚糖的生物合成與某些抗生素的作用機制一些抗生素能抑制細菌細胞壁的合成，但是它們的作用位點和作用機制是不同的。①-內酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸的結構類似物，兩者相互競爭轉肽酶的活性中心。當轉肽酶與青霉素結合后，雙糖肽間的肽橋無法交聯(lián)，這樣的肽聚糖就缺乏應有的強度，結果形成細胞壁缺損的細胞，在不利的滲透壓環(huán)境中極易破裂而死亡。②桿菌肽：能與十一異戊烯焦磷酸絡合，因此抑制焦磷酸酶的作用，這樣也就阻止了十一異戊烯磷酸糖基載體的再生，從而使細胞壁（肽聚糖）的合成受阻。第84頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三（一）次生代謝物

某些微生物生長到穩(wěn)定期前后，以結構簡單、代謝途徑明確、產量較大的初生代謝物前體，通過復雜的次生代謝途徑所合成的各種結構復雜的化學物。多與人類的醫(yī)藥生產和保健密切相關。四、微生物次生代謝物的合成第85頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三1、次生代謝物分子結構復雜、代謝途徑獨特、在生長后期合成、產量較低、生理功能不很明確（尤其是抗生素）、其合成一般受質?？刂?；

2、形態(tài)構造和生活史越復雜的微生物（如放線菌和絲狀真菌），其次生代謝物的種類也就越多；

3、次生代謝物的種類極多，如抗生素，色素，毒素，生物堿，信息素，動、植物生長促進劑以及生物藥物素等；

4、次生代謝物的化學結構復雜，分屬多種類型如內酯、大環(huán)內酯、多烯類、多炔類、多肽類、四環(huán)類和氨基糖類等；

5、合成途徑復雜，以各種初生代謝途徑，如糖代謝、TCA循環(huán)、脂肪代謝、氨基酸代謝以及萜烯、甾體化合物代謝等為次生代謝途徑的基礎。（二）次生代謝的特點第86頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三次生代謝途徑于初生代謝途徑的聯(lián)系（三）微生物次生代謝物合成途徑

1、糖代謝延伸途徑

由糖類轉化、聚合產生的多糖類、糖苷類和核酸類化合物，進一步轉化而形成核苷類、糖苷類和糖衍生物類抗生素；

2、莽草酸延伸途徑

由莽草酸分支途徑產生氯霉素等；

3、氨基酸延伸途徑

由各種氨基酸衍生、聚合形成多種含氨基酸的抗生素，如多肽類抗生素、β-內酰胺類抗生素、D-環(huán)絲氨酸和殺腺癌菌素等；

4、乙酸延伸途徑

分2條支路：

（1）乙酸經縮合后形成聚酮酐，進而合成大環(huán)內酯類、四環(huán)素類、灰黃霉素類抗生素和黃曲霉毒素；

（2）經甲羥戊酸合成異戊二烯類，進一步合成重要的植物生長刺激素——赤霉素或真菌毒素——隱杯傘素等。第87頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié) 微生物的代謝調控與發(fā)酵生產本節(jié)提要：微生物代謝過程中的自我調節(jié)酶活性的調節(jié)酶合成的調節(jié)代謝調控理論的應用第88頁，講稿共100頁，2023年5月2日，星期三微生物代謝過程中的自我調節(jié)☆微生物代謝調節(jié)系統(tǒng)的特點：精確、可塑性強，細胞水平的代謝調節(jié)能力超過高等生物。成因：細胞體積小，所處環(huán)境多變。舉例：大腸桿菌細胞中存在2500種蛋白質，其中上千種是催化正常新陳代謝的酶。每個細菌細胞的體積只能容納10萬個蛋白質分子，所以每種酶平均分配不到100個分子。如何解決合成與使用效率的經濟關系？解決方式：組成酶（constitutiveenzyme）經常以高濃度存在，其它酶都是誘導酶（inducibleenzyme