第五章-微生物的新陳代謝課件

目的：掌握不同微生物能量代謝的特點；了解微生物代謝的調(diào)節(jié)。重點：產(chǎn)能代謝，生物固氮和肽聚糖的合成。難點：生物固氮機制。第五章微生物的新陳代謝關(guān)于新陳代謝的幾個概念新陳代謝（Metabolism）發(fā)生在活細胞中的各種分解代謝和合成代謝的總和。合成代謝(Anabolism)(同化作用)在合成酶系催化作用下，由簡單小分子、ATP形式的能量和[H]形式的還原力一起合成復(fù)雜大分子的過程。分解代謝(Catabolism)(異化作用)復(fù)雜的有機物分子通過分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡單小分子、ATP形式的能量和還原力的過程。主要內(nèi)容第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)微生物獨特合成代謝途徑第三節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)和發(fā)酵生產(chǎn)主要內(nèi)容：一化能異養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝二化能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝三光合自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝第一節(jié)微生物的能量代謝能量代謝的目的：生物體把外界環(huán)境中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）。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ATP一化能異養(yǎng)微生物的生物氧化生物氧化（biologicaloxidation）在活細胞中的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱。氧化的形式包括：得氧、脫氫和失去電子。過程包括脫氫(電子)、遞氫(電子)和受氫(電子)3個階段。功能：產(chǎn)ATP，[H]，小分子中間代謝產(chǎn)物。類型：有氧呼吸、無氧呼吸和發(fā)酵。底物脫電子的四種方式以葡萄糖為例EMP途徑（占大多數(shù),又稱糖酵解途徑）葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相當于8個ATP）HMP途徑（戊糖磷酸途徑）葡萄糖通過該途徑被徹底氧化，產(chǎn)生ADPH+H+及多種中間代謝產(chǎn)物。ED途徑是存在于某些缺乏EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，葡萄糖經(jīng)4步反應(yīng)后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。TCA循環(huán)丙酮酸經(jīng)10步反應(yīng)徹底氧化、脫羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2EMP途徑(Embden-MyerhpfPathway)總式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+2H2OC6→→→2C3

→→→→→2NADH+H+丙酮酸4ATP→2ATP→耗能階段產(chǎn)能階段2ATPEMP

途徑的意義EMP途徑的生理學(xué)功能①為合成代謝供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力②為合成代謝提供多種中間代謝產(chǎn)物③連接三羧酸循環(huán)（TCA）、HMP途徑和ED途徑的橋梁④通過逆向反應(yīng)可進行多糖合成EMP途徑與人類的關(guān)系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的發(fā)酵HMP途徑：Pentosephosphatepathway，舊稱HMP途徑(Hexosemonophasphatepathway)，此途徑存在于大多數(shù)生物體內(nèi)。C7C4C5C5C5C6C3C6C36C6→→→6C5

→→→

→5C6→經(jīng)一系列復(fù)雜反應(yīng)后→重新合成己糖12NADPH6CO2

→

→

→經(jīng)呼吸鏈36ATP1ATP

→35ATP總反應(yīng)式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+PiHMP途徑的意義微生物生命活動：1.供應(yīng)合成原料提供戊糖磷酸：參與核酸、NAD+、NADP+、FAD、CoA等合成；赤蘚糖-4-磷酸：合成芳香族氨基酸2.產(chǎn)還原力：NADPH23.作為固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸4.擴大碳源利用范圍：C3~C75.連接EMP途徑：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸生產(chǎn)實踐—可提供重要發(fā)酵產(chǎn)物核苷酸氨基酸輔酶乳酸多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌都存在HMP途徑，而且通常與EMP途徑同時存在。只有HMP而無EMP途徑的微生物較少，如弱氧化醋桿菌等。ED途徑（N.EntnerandM.Doudorroff)

2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑微生物特有與EMP途徑相連與EMP途徑相連有O2時與TCA相連無O2時進行酒精發(fā)酵特點：特征性反應(yīng):KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG酶終產(chǎn)物2分子丙酮酸的來歷不同：KDPG直接裂解和3-磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來。產(chǎn)能效率底：1molATP/1molGlucose反應(yīng)式：葡萄糖+NAD++NADP+Pi+ADP→2丙酮酸+NADH+H++NADPH+H++ATP具有ED途徑的微生物（EMP途徑不完整的細菌所特有）Pseudomonassaccharophila(嗜糖假單胞桿菌)Ps.aeruginosa(銅綠假單胞桿菌)Ps.fluorescens(熒光假單胞桿菌)Ps.lindneri(林氏假單胞菌)Z.mobilis(運動發(fā)酵單胞菌)Alcaligenseutrophus(真氧產(chǎn)堿菌)丙酮酸的代謝的多樣性EMP途徑，不完全的HMP途徑，ED途徑都可以產(chǎn)生丙酮酸，生成的丙酮酸：進入TCA循環(huán)進一步氧化分解，產(chǎn)生還原力NADPH2，ATP和合成代謝所需要的小分子C架發(fā)酵作用Fermatation：細菌酒精發(fā)酵林氏發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌、運動發(fā)酵單胞菌等（微生物好氧菌），經(jīng)ED途徑，發(fā)酵葡萄糖生成丙酮酸，脫羧成乙醛，進一步被NADH2還原為乙醇的代謝。

TCA循環(huán)（Krebs循環(huán)）C2C6C6C6C5C4C4C4C4C4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(jié)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(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。C3→→→CH3CO~CoA→FADH24NADH+H+1GTP3CO2呼吸鏈12ATP呼吸鏈2ATP1ATP底物水平從丙酮酸進入循環(huán)：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP15個ATP從乙酰-CoA進入循環(huán)：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP12個ATP（1）循環(huán)一次的結(jié)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(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；（3）為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)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(zhì)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。TCA循環(huán)的重要特點產(chǎn)能形式EMPHMPEDEMP+TCAATPGTP2122(2ATP)NADH+H+2(=6ATP)1(=3ATP)2+8*(=30ATP)NADPH+H+12(=36ATP)1(=3ATP)FADH22(=4ATP)凈產(chǎn)ATP835**736~38***葡萄糖經(jīng)不同途徑后的產(chǎn)能效率*在TCA循環(huán)的異檸檬酸至-酮戊二酸反應(yīng)中，有的微生物產(chǎn)生的是NADPH+H+**在葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸過程中消耗1ATP***真核生物的呼吸鏈組分在線粒體膜上，NADH+H+進入線粒體要消耗2ATP。經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FADH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(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。遞氫和受氫ATP的產(chǎn)生生物氧化的三種類型根據(jù)受氫體性質(zhì)的不同，生物氧化可分為三種類型：呼吸無氧呼吸發(fā)酵廣義發(fā)酵任何利用微生物來生產(chǎn)大量菌體或有用代謝產(chǎn)物或食品飲料的一類生產(chǎn)方式狹義發(fā)酵在無氧等外源受氫體（外源最終電子受體）條件下，底物脫氫以后產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)過呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源中間代謝產(chǎn)物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的生物氧化反應(yīng)。C6H12O6

→2CO2+2C2H5OH（一）發(fā)酵(fermentation)發(fā)酵的特點微生物部分氧化有機物獲得發(fā)酵產(chǎn)物，釋放少量能量；氫供體與氫受體(內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物)均為有機物還原力[H]不經(jīng)過呼吸鏈傳遞；產(chǎn)能方式：底物水平磷酸化反應(yīng)。底物磷酸化：指在發(fā)酵過程中往往伴隨著高能化合物生成，如EMP途徑中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶聯(lián)ATP和GTP的產(chǎn)生。發(fā)酵產(chǎn)能是厭氧和兼性好氧菌獲取能量的主要方式。多糖轉(zhuǎn)化為單糖才能用于發(fā)酵。微生物直接發(fā)酵的碳源物質(zhì)主要是葡萄糖和其它單糖，以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。和底物脫氫的途徑有關(guān)的和稱為Stickland反應(yīng)的四類重要發(fā)酵由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵通過HMP途徑的發(fā)酵通過ED途徑進行的發(fā)酵Stickland反應(yīng)由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵由葡萄糖經(jīng)EMP途徑形成丙酮酸，進一步降解形成各種發(fā)酵產(chǎn)物（同型）酒精發(fā)酵（釀酒酵母）同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌）丙酸發(fā)酵（丙酸桿菌）混合酸發(fā)酵（大腸桿菌）2,3-丁二醇發(fā)酵（產(chǎn)氣腸桿菌）丁酸發(fā)酵（丁酸梭菌）由丙酮酸出發(fā)的6條發(fā)酵途徑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)酵方框內(nèi)為發(fā)酵產(chǎn)物由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵的意義工業(yè)發(fā)酵:大規(guī)模生產(chǎn)這些代謝產(chǎn)物；菌種鑒定:發(fā)酵中的某些獨特代謝產(chǎn)物是鑒定相應(yīng)菌種的重要生化指標。V.P.實驗（Vogos-Prouskauer

test）產(chǎn)氣腸桿菌(E.aerogenes)產(chǎn)生乙酰甲基甲醇，堿性條件下氧化成雙乙酰，與含有胍基的精氨酸反應(yīng)，產(chǎn)生特征性的紅色反應(yīng)（呈V.P.陽性），而E.coli

(與產(chǎn)氣腸桿菌近緣)呈V.P.陰性，故極易區(qū)別兩菌。通過HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵（Heterolacticfermentation

）凡是葡萄糖經(jīng)過發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和二氧化碳等多種產(chǎn)物的發(fā)酵進行異型乳酸發(fā)酵的微生物異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑L.mesenteroides(腸膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳桿菌)、L.fermentum(發(fā)酵乳桿菌)等異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑Bifidobacteriumbifidum異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸外，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和二氧化碳等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑特點：2分子葡萄糖產(chǎn)生2分子乳酸，3分子乙酸，5分子ATP同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵的比較ED途徑的發(fā)酵—細菌酒精發(fā)酵林氏發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌、運動發(fā)酵單胞菌等（微生物好氧菌），經(jīng)ED途徑，發(fā)酵葡萄糖生成丙酮酸，脫羧成乙醛，進一步被NADH2還原為乙醇的代謝。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能—Stickland反應(yīng)什么是Stickland反應(yīng)？以一種氨基酸作底物脫氫（氫供體），以另一種氨基酸作氫受體實現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨特發(fā)酵類型。氫供體氨基酸丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、色氨酸、絲氨酸等氫受體氨基酸甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鳥氨酸以丙氨酸和甘氨酸為例：丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi→3乙酸+3NH3+CO2進行Stickland反應(yīng)的微生物C.sporogenes（生胞梭菌）C.botulinum（肉毒梭菌）C.sticklandii（斯氏梭菌）該反應(yīng)效率很低，一個分子的Aa只產(chǎn)生1個ATP。注：stickland反應(yīng)對生長在厭氧和蛋白質(zhì)豐富環(huán)境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作為碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。和發(fā)酵產(chǎn)物有關(guān)的重要的發(fā)酵類型

降解產(chǎn)物為乙醇（乙醇發(fā)酵）酵母菌和細菌可進行乙醇發(fā)酵。葡萄糖2丙酮酸2乙醛2乙醇脫羧酶酵母菌，八疊球菌的乙醇發(fā)酵：EMP運動發(fā)酵單孢菌和厭氧發(fā)酵單孢菌乙醇發(fā)酵：ED應(yīng)用：釀酒乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵等乙醇脫氫酶注：酵母菌乙醇發(fā)酵中，發(fā)酵條件對發(fā)酵過程與產(chǎn)物影響很大。如發(fā)酵過程中的通氣狀況、培養(yǎng)基組成及pH控制均對發(fā)酵終產(chǎn)物產(chǎn)生影響。乙醇發(fā)酵是一種厭氧發(fā)酵,如將厭氧條件改為好氧條件，葡萄糖分解速度降低，乙醇生成停止，這種有氧呼吸抑制發(fā)酵的現(xiàn)象稱為巴斯德效應(yīng)。當重新返回厭氧條件時，葡萄糖分解加速，伴隨大量乙醇產(chǎn)生。酵母菌利用葡萄糖進行發(fā)酵的三種類型Ⅰ型發(fā)酵：即正常的乙醇發(fā)酵，在弱酸性條件下進行，1分子葡萄糖經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生2分子乙醇和2CO2;Ⅱ型發(fā)酵：乙醇發(fā)酵中，在發(fā)酵培養(yǎng)基中加入適量NaHSO3,發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)楦视桶l(fā)酵，形成大量甘油和少量乙醇。Ⅲ型發(fā)酵：乙醇發(fā)酵中，將發(fā)酵液pH改成弱堿性(pH7.6),發(fā)酵主產(chǎn)物為甘油,伴隨產(chǎn)生少量乙醇、乙酸和CO2。（二）有氧呼吸（aerobicrespiration）是一種最普遍又重要的生物氧化或產(chǎn)能方式。1特點有電子傳遞鏈(呼吸鏈)；因氧化徹底，產(chǎn)能多；最終電子受體是分子態(tài)的氧；能量的產(chǎn)生，有底物水平磷酸化，也有電子傳遞水平磷酸化。2過程葡萄糖經(jīng)過糖酵解（EMP途徑）作用形成的丙酮酸，丙酮酸進入三羧酸循環(huán)(簡稱TCA循環(huán))，被徹底氧化生成CO2和水，同時釋放大量能量。

過程圖G2丙酮酸2乙酰CoA2ATP+2NADH22NADH2+2CO2呼吸鏈6CO2+6H2O36或38ATPTCA6NADH2+2FADH24CO2+2CoA+2GTP注：NADH2（被氧化）：3ATPGTP（被轉(zhuǎn)化）：1ATPFADH2（被氧化）：2ATP（三）無氧呼吸（anaerobicrespiration）

電子受體為氧化態(tài)的外源無機鹽類，少數(shù)為有機氧化物。1特點：電子受體為NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、延胡索酸（有機物）等在能量分級釋放過程中伴隨有磷酸化作用生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多鬼火（磷化氫）注：無氧呼吸和有氧呼吸一樣需要細胞色素等電子傳遞體，在能量分級釋放過程中伴隨著磷酸化作用，也能產(chǎn)生很多能量，但只有部分能量隨電子（或H）傳遞給氧化物，而且受體的氧化還原電位差都小于氧氣，使得生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生得多。無氧呼吸中電子的傳遞方向：NAD(P)→FP（黃素蛋白）→Fe.S蛋白→CoQ→Cytb→Cytc→Cyta→Cyta3。無氧呼吸的主要類型2.1硝酸鹽呼吸（反硝化作用或脫氮作用）反硝化細菌（兼性厭氧微生物，如地衣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、脫氮硫桿菌等）以硝酸鹽作為最終氫受體，NO3-還原成NO2-、N2O、N2等的過程。對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：可消除水域中N素的富集（赤潮和水華）；有害：N素損失，污染環(huán)境（NO和N2O）2.2

硫酸鹽呼吸（反硫化作用）反硫化細菌（嚴格厭氧菌，如巨大脫硫弧菌、致黑脫硫腸狀菌等）以SO42-為最終氫受體，使SO42-還原成H2S，并產(chǎn)生ATP。對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：水域中，使S素以H2S的形式返回大氣，避免S素大量聚集。有害：導(dǎo)致土壤硫素損失；引起水稻爛根；金屬管道的腐蝕；飲用水的污染。

硫呼吸（專性或兼性厭氧菌）以無機硫為呼吸鏈最終電子受體并產(chǎn)生H2S的作用。是兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙?。鐵呼吸（專性或兼性厭氧菌）

末端電子受體為Fe3+，在專性或兼性厭氧菌中存在。延胡索酸呼吸（兼性厭氧菌）

以延胡索酸為末端電子受體，生成琥珀酸。碳酸鹽呼吸:

是CO2或碳酸鹽作為呼吸鏈末端H受體。產(chǎn)甲烷菌的碳酸鹽呼吸是產(chǎn)甲烷細菌(專性厭氧菌，古生菌)在厭氧條件下，利用H2還原CO2產(chǎn)生細胞物質(zhì)，能利用CO2作為電子受體產(chǎn)生ATP和CH4。對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響：產(chǎn)沼氣；肥料：沼氣渣。注：沼氣的產(chǎn)生并不只是產(chǎn)甲烷菌參與，還有一些發(fā)酵性細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的參與，并且具有階段性。有氧呼吸、無氧呼吸與發(fā)酵的比較呼吸類型有氧呼吸無氧呼吸發(fā)酵氧化基質(zhì)有機物有機物有機物最終電子受體O2無機氧化物、延胡索酸氧化型中間代謝產(chǎn)物醛、酮等產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2ONO2、N2還原型中間代謝產(chǎn)物醇、酸產(chǎn)能多次之少電子傳遞鏈完整不完整無，底物水平磷酸化三種氧化產(chǎn)能方式的比較發(fā)酵有氧呼吸無氧呼吸最終電子受體有機物分子氧無機氧化物電子傳遞鏈無有有產(chǎn)能量少多較多氧化磷酸化底物水平底物水平、電子傳遞水平底物水平、電子傳遞水平1化能自養(yǎng)微生物一般為好氧菌，能在氧化無機物過程中，通過電子傳遞鏈氧化磷酸化獲得能量，電子受體O2，通過逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生還原力，消耗能量。2產(chǎn)能方式硝化作用硫化作用鐵的氧化氫的氧化二化能自養(yǎng)微生物產(chǎn)能方式化能自養(yǎng)的機理2.1硝化作用（氨的氧化）

NH3或亞硝酸(NO2-)被硝化細菌氧化產(chǎn)生能量。硝化細菌包括硝化細菌和亞硝化細菌。硝化細菌的特點：

專性好氧,

G＋，無芽孢，分布廣泛，對氧化基質(zhì)有嚴格的專一性；亞硝化細菌和硝化細菌是互生菌；嚴格的專性化能自養(yǎng)，且大多數(shù)是專性無機營養(yǎng)型，不能在有機培養(yǎng)基上生長。

硝化作用對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：氨氧化為硝酸以及大量的硝態(tài)氮化肥為作物生長提供氮素營養(yǎng)，有利于產(chǎn)量提高。有害：但硝酸鹽的溶解性強（比銨鹽強），易隨雨水流入江、河、湖、海中，它不僅大大降低肥料的利用率（硝酸鹽氮肥一般是40%），而且會引起水體的富營養(yǎng)化，進而導(dǎo)致“水華”或“赤潮”等嚴重污染危害（大面積發(fā)生就很難治理）。

過程：NH3亞硝化菌NO2-+ATPNO2-硝化菌NO3-+ATP2.2

硫化作用硫化合物(包括硫化物、單質(zhì)硫、硫代硫酸鹽、硫酸鹽和亞硫酸鹽)

被硫細菌能夠利用產(chǎn)生能量最后生成H2SO4的過程。對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響產(chǎn)生SO42-，作為植物直接吸收的S素物質(zhì)；解除H2S毒害和除臭使土壤的微域環(huán)境酸化，促進難溶S素的有效化，但同時可能導(dǎo)致作物酸害。2.3鐵的氧化少數(shù)細菌能將亞鐵氧化到高鐵狀態(tài)并產(chǎn)生能量的反應(yīng)，如氧化亞鐵硫桿菌。氧化亞鐵硫桿菌存在于酸性環(huán)境中，因為亞鐵僅在酸性條件下是穩(wěn)定的。2.4氫的氧化(氫細菌)

通過氧化氫獲得能量。

H細菌

G-，兼性化能自氧菌，利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同化CO2，也能利用其它有機物生長。

三光合自養(yǎng)微生物的光合磷酸化(一)光合微生物類群藍細菌，光合細菌，嗜鹽細菌1光合細菌：均為原核生物，紅螺菌目。1.1所含色素菌綠素和類胡羅卜素，兩種比例不同，使菌體呈紅橙、綠、紫及褐等不同顏色。光合細菌為典型水生菌，廣泛分布于深層(缺氧)淡水與海水中。注：光合色素可分為三類：葉綠素(chl)或細菌葉綠素（Bchl），類胡蘿卜素和藻膽素。但所有光合生物都有類胡蘿卜素，其有捕獲光能的作用，能把吸收的光能高效地傳給細菌葉綠素（或葉綠素）。1.2光合細菌分類根據(jù)所含細菌葉綠素（Bchl）種類不同分三類:綠硫細菌:含Bchlc.d.e.

以H2S,H2為供H體,還原CO2。紅硫細菌:含Bchla.b.

以H2S為供H體.紅螺菌:含Bchla.b.

以有機物為供H體,有些以H2,H2S為供H體.2嗜鹽細菌兼性光能菌，屬嗜鹽菌科(Halobacteriaceae)的鹽桿菌屬(Halobacterium)。嗜鹽細菌在生理上具有高度特異性：能在高濃度的飽和鹽溶液(3.5～5.0mol/LNaCl)中棲息，細胞酶在2mol/L的鹽濃度中才能保持活性與穩(wěn)定性。

光合磷酸化的實質(zhì)就是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)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(chǎn)生ATP。

按照光合磷酸化中電子的流動路線及ATP形成方式，可分為：環(huán)式光合磷酸化(原始、電子的循環(huán)傳遞)非環(huán)式光合磷酸化（電子傳遞非環(huán)式）嗜鹽菌紫膜的光合作用（嗜鹽菌紫膜光合磷酸化）（二）光合磷酸化分類1循環(huán)光合磷酸化1.1紫硫細菌、綠硫細菌、紫色非硫細菌、綠色非硫細菌。1.2

是厭氧光合細菌通過光驅(qū)動下的電子循環(huán)式傳遞，在傳遞過程中形成ATP的過程。

1.3循環(huán)光和磷酸化的特點：電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即在光能驅(qū)動下，電子從菌綠素上逐出，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP;在供應(yīng)ATP的條件下，可以產(chǎn)生還原力。產(chǎn)ATP和還原力[H]分開進行，不產(chǎn)O2。還原力（NADPH2）來自H2S等無機氫供體，是反向電子傳遞產(chǎn)生的。

反向電子傳遞:是逆著電子傳遞系統(tǒng)，將e從低能量(高電位)向高能量(低電位)傳遞。此過程消耗能量。反向e傳遞用的e來源于菌體外的一些物質(zhì)如H2S,Fe2+，其它硫化物等.BchlP870紅光或紫外光激發(fā)態(tài)菌綠素QBCytbc1Cytc2e-環(huán)式光合磷酸化Bphe-e-NAD(P)NAD(P)H2e-ATPADP+Pi外源電子供體外源H2消耗ATP逆電子傳遞QAQ庫2非循環(huán)光合磷酸化

同時產(chǎn)生ATP、[H]和O2，[H]來源于H2O。

藍細菌、藻類及各種綠色植物

2.1有兩個光反應(yīng)系統(tǒng)系統(tǒng)Ⅰ:產(chǎn)生還原力。系統(tǒng)Ⅱ:產(chǎn)生ATP。2.2

具體過程非循環(huán)光合磷酸化特點：電子傳遞的途徑屬于非循環(huán)式的；在有氧條件下進行；有PSⅠ和PSⅡ兩個光合系統(tǒng)：有PSⅠ含有葉綠素a，反應(yīng)中心的吸收光波為P700，有利于紅光吸收，PSⅡ含有葉綠素b,反應(yīng)中心的吸收光波為P680，有利于藍光吸收；反應(yīng)中可同時產(chǎn)生ATP、還原力[H]和O2；還原力NADPH2中的[H]來自H2O分子的的光解產(chǎn)物H+和電子。ChlP700ChlP680Fe·S-PrFdNADPH2NADPQBPce-

PhH2O2e-+2H++1/2O2Mn2+

e-

系統(tǒng)Ⅰ系統(tǒng)Ⅱ紅光藍光QAQ庫cytbf注：Ph為褐藻素，Pc為質(zhì)體藍素，F(xiàn)d為鐵氧還蛋白ATP總結(jié):水光解后產(chǎn)生的電子并產(chǎn)生O2，經(jīng)系統(tǒng)Ⅱ、Ⅰ傳遞給NADP，在提供[H]的條件下，生成NADPH2，在傳遞過程中生成ATP.反應(yīng)式：2NADP++2ADP+2Pi+2H2O2NADPH2+2ATP+O23紫膜光合磷酸化嗜鹽菌在無葉綠素和菌綠素參與下，利用吸收光能產(chǎn)生ATP的過程，是目前所知道的最簡單的光合磷酸化。嗜鹽菌細胞膜分為紅膜與紫膜兩部分。紅膜：主要成分為細胞色素、黃素蛋白和類胡蘿卜素，進行經(jīng)典的電子傳遞磷酸化；紫膜：進行光合磷酸化。含有細菌視紫紅質(zhì)，與人眼視網(wǎng)膜上柱狀cell中所含的視紫紅質(zhì)蛋白相似，都含有紫色物質(zhì)視黃醛。紫膜光合磷酸化的機理光量子驅(qū)動下，細菌視紫紅質(zhì)在將反應(yīng)中產(chǎn)生的H+排至細胞膜外，使紫膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度；該梯度差驅(qū)使H+通過膜上的ATP合成酶中的孔道進入膜內(nèi)，平衡膜內(nèi)外質(zhì)子差額，并產(chǎn)生ATP。注：環(huán)境中O2濃度高時，嗜鹽菌以光合磷酸化產(chǎn)能，濃度很低時，可以在光照條件下合成紫膜，通過紫膜光合磷酸化合成ATP。

紫膜光合磷酸化主要特點：不經(jīng)過電子傳遞，直接產(chǎn)生ATP意義：嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功能的發(fā)現(xiàn)，使在經(jīng)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(yīng)，這是研究化學(xué)滲透作用的一個極好的實驗?zāi)Ｐ?，對它的研究正在大力開展。對其機制的揭示，將是生物學(xué)基本理論中的又一項重大突破，并無疑會對人類的生產(chǎn)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。四能量消耗主要用于合成細胞物質(zhì)與代謝產(chǎn)物，還用于維持生命、生物發(fā)光或放出生物熱。

1合成耗能大分子細胞物質(zhì)合成及代謝產(chǎn)物合成消耗的總能量。如CO2的固定，生物固氮，糖類、蛋白質(zhì)和核酸的合成。2主動運輸和膜泡運輸耗能3細胞運動真核生物中鞭毛和纖毛都具有ATP酶（可水解ATP產(chǎn)生能量）。但目前尚未在細菌鞭毛中發(fā)現(xiàn)該酶。4發(fā)光：發(fā)光細菌能將細胞內(nèi)貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。

分解代謝與合成代謝的功能及相互聯(lián)系因乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)：在異檸檬酸裂解酶的催化下,異檸檬酸被直接分解為乙醛酸,乙醛酸又在乙酰輔酶A參與下,由蘋果酸合成酶催化生成蘋果酸,蘋果酸再氧化脫氫生成草酰乙酸的過程.

兩個關(guān)鍵酶：異檸檬酸裂合酶（ICL）和蘋果酸合酶（MS）意義：1、乙醛酸循環(huán)特有的功能是實現(xiàn)了脂肪向糖類的轉(zhuǎn)變,而在三羧酸循環(huán)中是不能實現(xiàn)的.2、乙醛酸循環(huán)提高了生物體利用乙酰-CoA的能力。只要極少量的乙酰草酸做引物，乙醛酸循環(huán)就可以持續(xù)運行，不斷產(chǎn)生琥珀酸，為TCA回補四碳單位。第三節(jié)微生物獨特合成代謝途徑一自養(yǎng)微生物的CO2固定二生物固氮三肽聚糖的合成四、次生代謝（略）一、自養(yǎng)微生物的CO2固定（重點：關(guān)鍵酶和微生物代表種類）

Calvin循環(huán)、厭氧乙酰－COA途徑、逆向TCA循環(huán)和羥基丙酸途徑。

能源來源于光能或無機物氧化所得的化學(xué)能。（一）Calvin循環(huán)（光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)M固定CO2的主要途徑）代表：綠色植物、藍細菌、多數(shù)光合細菌、硫細菌、鐵細菌、硝化細菌。兩種關(guān)鍵酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。三個階段：羧化反應(yīng)、還原反應(yīng)和CO2受體的再生。(1)第1階段3分子CO2固定成3-磷酸甘油酸(2)第2階段3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸(3)第3階段從丙糖磷酸再生核酮糖-1，5-二磷酸（二）厭氧乙酰－COA途徑乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌。關(guān)鍵酶：CO脫氫酶，催化CO2還原為CO的反應(yīng)：CO2+H2=

CO+H2O厭氧乙酰－COA途徑乙酰COACH3-CO-XCO2CO2CH3-B12CO-X乙酸CO2丙酮酸CO脫氫酶（三）逆向TCA循環(huán)1在綠色硫細菌中存在。2以草酰乙酸為CO2受體，每循環(huán)一周摻入2個CO2分子，并還原成乙酰COA，然后再固定1個CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。3特殊酶：檸檬酸裂合酶。（四）羥基丙酸途徑1存在于少數(shù)綠色硫細菌中。2乙酰COA為起始物質(zhì)，經(jīng)過2次羧化，最后形成乙酰COA和乙醛酸，乙酰COA重新進入循環(huán)，乙醛酸最為合成細胞物質(zhì)的原料。3關(guān)鍵步驟：羥基丙酸的產(chǎn)生。二生物固氮

微生物通過固氮酶將N2轉(zhuǎn)變成為NH3的過程。生物固氮主要在三方面進行研究用實驗的方法提高主要農(nóng)作物的固氮能力。模擬固氮酶，使工業(yè)生產(chǎn)N肥在常溫、常壓下進行。選擇利用高效、優(yōu)質(zhì)的固氮微生物做為生物肥料（根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。（一）固氮微生物主要是原核微生物(細、放、藍等近50個屬)。1自生固氮菌:如圓褐固氮菌。2共生固氮菌:一般能形成特殊的結(jié)構(gòu)，如根瘤菌。3聯(lián)合固氮菌:必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處,一般不形成特殊結(jié)構(gòu)。（生脂固氮螺菌）圓褐固氮菌根瘤菌（二）生物固氮的條件1能量ATP的提供2還原力[H]及其傳遞體：[H]由鐵氧還蛋白(Fd)或黃素氧還蛋白(Fld)傳遞至固氮酶上。3固氮酶：固二氮酶（組分Ⅰ，含鐵和鉬）和固二氮酶還原酶（組分Ⅱ，含鐵）組成，兩者在一起時才具有固氮作用。另外，“替補固氮酶”。4還原底物：N2

5鎂離子6嚴格的厭氧微環(huán)境：固氮酶的高度氧敏感性。（三）固氮的生化機制呼吸無氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H2ATPFd(Fld)