微生物第七章

微生物的營養(yǎng)和代謝第七章微生物的代謝微生物的營養(yǎng)和代謝一、概念：代謝(metabolism)是細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個過程組成。分解代謝是指細胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，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(zhì)合成復雜大分子的過程，在這個過程中要消耗能量。微生物的營養(yǎng)和代謝二、分解代謝的三個階段：第一階段是將蛋白質(zhì)、多糖及脂類等大分子營養(yǎng)物質(zhì)降解成為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)；第二階段是將第一階段產(chǎn)物進一步降解成更為簡單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進入三羧酸循環(huán)的某些中間產(chǎn)物，在這個階段會產(chǎn)生一些ATP、NADH及FADH2；微生物的營養(yǎng)和代謝第三階段是通過三羧酸循環(huán)將第二階段產(chǎn)物完全降解生成CO2，并產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2。

第二和第三階段產(chǎn)生的ATP、NADH及FADH2通過電子傳遞鏈被氧化，可產(chǎn)生大量的ATP。微生物的營養(yǎng)和代謝微生物的營養(yǎng)和代謝合成代謝所利用的小分子物質(zhì)源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境。在代謝過程中，微生物通過分解代謝產(chǎn)生化學能，光合微生物還可將光能轉(zhuǎn)換成化學能，這些能量用于合成代謝、微生物的運動和運輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去。微生物產(chǎn)生和利用能量及其與代謝的關(guān)系圖微生物的營養(yǎng)和代謝三、生物氧化:

分解代謝實際上是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，這個過程也稱為生物氧化，是一個產(chǎn)能代謝過程。

四、異養(yǎng)微生物的生物氧化:

根據(jù)氧化還原反應中電子受體的不同可分成發(fā)酵和呼吸，而呼吸又分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種方式。微生物的營養(yǎng)和代謝1.發(fā)酵(fermentation)是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解(glycolysis)，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑

。ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑）

存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有，在革蘭氏陰性菌中分布較廣。葡萄糖只經(jīng)過四步反應即可形成丙酮酸。ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在。ED途徑結(jié)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NADPH2、1分NADH。微生物的營養(yǎng)和代謝丙酮酸代謝的多樣性

在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進一步代謝。在無氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會積累不同的代謝產(chǎn)物。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**微生物的營養(yǎng)和代謝⑴目前發(fā)現(xiàn)多種微生物可以發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙醇，能進行乙醇發(fā)酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細菌。

不同的細菌進行乙醇發(fā)酵時，其發(fā)酵途徑也各不相同。如運動發(fā)酵單胞菌(Zymomonas

mobilis)和厭氧發(fā)酵單胞菌(Zymomonasanaerobia)是利用ED途徑分解葡萄糖為丙酮酸，最后得到乙醇，對于某些生長在極端酸性條件下的嚴格厭氧菌，如胃八疊球菌(arcina

ventriculi)和腸桿菌(Enterobacteriaceae)則是利用EMP途徑進行乙醇發(fā)酵。微生物的營養(yǎng)和代謝根據(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：在酵母菌的乙醇發(fā)酵中，酵母菌可將葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為兩分子丙酮酸，然后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD+再生，發(fā)酵終產(chǎn)物為乙醇，這種發(fā)酵類型稱為酵母的一型發(fā)酵；微生物的營養(yǎng)和代謝當存在亞硫酸氫鈉時，乙醛不能作為NADH的受氫體，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油，再生成甘油，稱為酵母的二型發(fā)酵；在弱堿性(pH7.6)時，兩個乙醛分子間會發(fā)生歧化反應，分別生成乙醇和乙酸，氫受體則是磷酸二羥丙酮，發(fā)酵終產(chǎn)物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發(fā)酵。這種發(fā)酵方式不能產(chǎn)生能量，只能在非生長的情況下才進行。微生物的營養(yǎng)和代謝⑵乳酸發(fā)酵：許多細菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細菌稱為乳酸細菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵的過程是：葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產(chǎn)物主要有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。微生物的營養(yǎng)和代謝在異型乳酸發(fā)酵中，葡萄糖首先經(jīng)PK途徑分解，發(fā)酵終產(chǎn)物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。在腸膜明串珠菌(Leuconostoc

mesen-teroides)中，利用HK途徑分解葡萄糖，產(chǎn)生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進一步轉(zhuǎn)化為乳酸，乙酰磷酸經(jīng)兩次還原變?yōu)橐掖?；當發(fā)酵戊糖時，則是利用PK途徑，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。微生物的營養(yǎng)和代謝雙歧發(fā)酵是兩歧雙歧桿菌(bifidobacterium

bifidum)發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乳酸的一條途徑。此反應中有兩種磷酸酮糖酶參加反應，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分別催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解產(chǎn)生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。⑶丙酸發(fā)酵在無氧條件下，丙酸細菌將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酸的過程稱為丙酸發(fā)酵。丙酸發(fā)酵的產(chǎn)物除了丙酸外，還有乙酸。引起丙酸發(fā)酵的丙酸細菌多見于動物腸道及乳制品中，常見的丙酸細菌有付氏丙酸細菌、薛氏丙酸細菌、乳酪丙酸細菌等。丙酸細菌除了能利用葡萄糖外，還可利用甘油和乳酸進行丙酸發(fā)酵。⑷丁酸發(fā)酵在無氧條件下，由嚴格厭氧的梭狀芽孢桿菌屬中的丁酸細菌所進行的一類發(fā)酵，其發(fā)酵特點是產(chǎn)物中都有丁酸。不同丁酸細菌的最終發(fā)酵產(chǎn)物除了有丁酸外，還可分別產(chǎn)生乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、異丙醇等。丁酸細菌可分為下列幾個類群：丁酸梭菌群、果膠丁酸梭菌群、纖維丁酸梭菌群等。⑸混合酸及丁二醇發(fā)酵能夠進行混合酸發(fā)酵的微生物主要是一些腸道細菌，例如大腸桿菌、志賀氏菌、產(chǎn)氣桿菌等。它們在無氧條件下可把葡萄糖發(fā)酵為乙酸、乳酸、琥珀酸等多種有機酸，所以稱為混合酸發(fā)酵。產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗、甲基紅試驗鑒別腸道細菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣

甲基紅（M.R）試驗產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗：

Escherichia與Shigella在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時產(chǎn)氣，后者則因無此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。甲基紅試驗：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進行發(fā)酵時，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時，前者呈紅色，后者呈黃色。大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH﹤4.5產(chǎn)氣桿菌：pH﹥4.5產(chǎn)氣桿菌在無氧條件下進行發(fā)酵葡萄糖時，除將一部分丙酮酸按混合酸發(fā)酵的類型進行外，大部分丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥基丁酮，再還原為2,3-丁二醇。稱為丁二醇發(fā)酵。3-羥基丁酮在堿性條件下易被氧化為二乙酰，可與精氨酸反應，形成紅色化合物——V.P.試驗。鑒別腸道細菌的V.P.試驗鑒別原理

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物-CO2微生物的營養(yǎng)和代謝2.呼吸作用：微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：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。若以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸(aerobicrespiration)。若以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無氧呼吸(anaerobicrespiration)。微生物的營養(yǎng)和代謝有氧呼吸過程中，丙酮酸進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle，簡稱TCA循環(huán))，被徹底氧化生成CO2和水，同時釋放大量能量。微生物的營養(yǎng)和代謝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，而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等這類外源受體。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。但僅部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。五、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(zhì)，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。氨的氧化硫的氧化鐵的氧化氫的氧化微生物的營養(yǎng)和代謝氨的氧化NH3和NO2-是可以用作能源的最普通的無機氮化合物，能被硝化細菌所氧化。硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。微生物的營養(yǎng)和代謝硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性細菌，以分子氧為最終電子受體，且大多數(shù)是專性無機營養(yǎng)型。它們的細胞都具有復雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，這有利于增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽孢，多數(shù)為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在10h以上，分布非常廣泛。微生物的營養(yǎng)和代謝硫的氧化硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)產(chǎn)生四個ATP。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細胞色素c還原酶和末端細胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生一個ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化一分子SO32-產(chǎn)生2.5個ATP。微生物的營養(yǎng)和代謝鐵的氧化從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵的氧化，對于少數(shù)細菌來說也是一種產(chǎn)能反應。亞鐵的氧化僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus

ferrooxidans)中進行了較為詳細的研究。在低pH環(huán)境中這種菌能利用亞鐵氧化時放出的能量生長。微生物的營養(yǎng)和代謝氫的氧化氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素K2及細胞色素等呼吸鏈組分。在氫細菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生ATP。微生物的營養(yǎng)和代謝在多數(shù)氫細菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶。一種是位于壁膜間隙或結(jié)合在細胞質(zhì)膜上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應：該酶在氧化氫并通過電子傳遞系統(tǒng)傳遞電子的過程中，可驅(qū)動質(zhì)子的跨膜運輸，形成跨膜質(zhì)子梯度為ATP的合成提供動力；另一種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD+還原的反應。所生成的NADH主要用于CO2的還原。微生物的營養(yǎng)和代謝六、能量轉(zhuǎn)換：在產(chǎn)能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質(zhì)氧化而釋放的能量儲存于ATP等高能分子中，對光合微生物而言，則可通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存于ATP中。

光合作用：光合磷酸化微生物ATP的產(chǎn)生

底物磷酸化

生物氧化

氧化磷酸化

微生物的營養(yǎng)和代謝1.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程中。微生物的營養(yǎng)和代謝例如，在EMP途徑中，1，3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中都分別偶聯(lián)著一分子ATP的形成；在三羧酸循環(huán)過程中，琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r偶聯(lián)著一分子GTP的形成。微生物的營養(yǎng)和代謝2.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH和FADH2可通過位于線粒體內(nèi)膜和細菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產(chǎn)生ATP的方式稱為氧化磷酸化。一分子NADH和FADH2可分別產(chǎn)生3個和2個ATP。3.光合磷酸化光合磷酸化是指光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能的過程。當一個葉綠素分子吸收光量子時，葉綠素性質(zhì)上即被激活，導致葉綠素(或細菌葉綠素)釋放一個電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動力。微生物的營養(yǎng)和代謝光合磷酸化(photophosphorylation)光合作用，實質(zhì)是通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變成化學能，以用于從CO2合成細胞物質(zhì)。行光合作用的生物體除了綠色植物外，還包括光合微生物，如藻類、藍細菌和光合細菌(包括紫色細菌、綠色細菌、嗜鹽菌等)。它們利用光能維持生命，同時也為其他生物(如動物和異養(yǎng)微生物)提供了賴以生存的有機物。微生物的營養(yǎng)和代謝環(huán)式光合磷酸化

光合細菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)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。環(huán)式光合磷酸化可在厭氧條件下進行，產(chǎn)物只有ATP，無NADP(H)，也不產(chǎn)生分子氧。非環(huán)式光合磷酸化

高等植物和藍細菌進行非環(huán)式光合磷酸化。七、微生物對氧氣需求的類型自然界的微生物對氧的需求各不相同，這主要由它們的呼吸方式?jīng)Q定的。根據(jù)對氧氣的需求不同，可把自然界微生物分為五種類型：（1）好氧性微生物它們以有氧呼吸的方式獲得能量。多數(shù)霉菌、放線菌、某些細菌等。（2）厭氧性微生物