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1、六章节微生物新陈代谢 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（和合成代谢（anabolism）的的总和。总和。新陈代谢新陈代谢=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢 分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作
2、用。形式的能量和还原力的作用。合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程。合成复杂的大分子的过程。讲授内容讲授内容第一节 微生物的能量代谢 一、化能异养微生物的生物氧化和产能 二、自养微生物产ATP和产还原力第二节 分解代谢和合成代谢的联系 一、两用代谢途径 二、代谢物回补顺序第三节 微生物独特的合成代谢 一、自养微生物的CO2固定 二、生物固氮 三、肽聚糖的生物合成第一节 微生物的能量代谢有 机 物 化能异养菌 光能营养菌化能自养菌ATP日 光（光能）还原态无机物
3、最初能源一、化能异养微生物的生物氧化 生物氧化功能：ATP、H、小分子代谢物 生物氧化形式：加氧、脱氢、失电子 生物氧化过程：脱氢、递氢、受氢 生物氧化类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵微生物氧化的形式微生物氧化的形式生物氧化作用生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。分子内，供需时使用。生物氧化的方式生物氧化的方式：和氧的直接化合：和氧的直接化合：C6H12O6+6O2 6CO2+
4、6H2O 失去电子：失去电子：Fe2+Fe3+e-化合物脱氢或氢的传递化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OH CH3-CHONADNADH2生物氧化的过程生物氧化的过程一般包括三个环节：一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）底物脱氢（或脱电子）（该底物称作电子供体或供氢体）（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递氢（或电子）的传递（需中间传递体，如（需中间传递体，如NAD、FAD等）等）氢受体接受氢（或电子）（氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）最终电子受体或最终氢受体）底物脱氢的途径底物脱氢的途径 1、EMP途径途径 2、HMP 3、ED 4、TCA一、化能异养微生
5、物的生物氧化一、化能异养微生物的生物氧化（一）底物脱氢的4条途径 EMP途径：糖酵解途径 HMP 途径：戊糖磷酸途径 ED途径：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸KDPG途径 TCA循环：三羧酸循环途径（一）底物脱氢的4条途径 1.EMP途径：糖酵解途径（10步反应）2ATP 2NADH+H+2丙酮酸丙酮酸4ATP 2ATP耗能阶段产能阶段C6为葡萄糖，C3为3-磷酸-甘油醛C6C3 EMP途径是绝大多数生物所共有的基本代谢途径，因而也是酵母菌、真菌和多数细菌所具有的代谢途径。在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H20。在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢
6、后所产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或乙醇等发酵产物。HMP途径（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸途径、戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPHH+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。2.HMP途径-6-磷酸葡萄糖酸途径 HMP途径可概括成三个阶段：葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化（epimerization）而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；上述各种戊糖磷酸在没有氧参与的
7、条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸。6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+PiHMP途径的总反应途径的总反应HMP途径的重要意义途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。磷酸。产产生生大大量量NADPH2，一一方方面面为为脂脂肪肪酸酸、固固醇醇等等物物质质的的合合成成提提供还原力，另方面可通
8、过呼吸链产生大量的能量。供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与与EMP途途径径在在果果糖糖-1，6-二二磷磷酸酸和和甘甘油油醛醛-3-磷磷酸酸处处连连接接，可可以调剂戊糖供需关系。以调剂戊糖供需关系。途途径径中中的的赤赤藓藓糖糖、景景天天庚庚酮酮糖糖等等可可用用于于芳芳香香族族氨氨基基酸酸合合成成、碱基合成、及多糖合成。碱基合成、及多糖合成。途途径径中中存存在在37碳碳的的糖糖，使使具具有有该该途途径径微微生生物物的的所所能能利利用用利利用的碳源谱更为更为广泛。用的碳源谱更为更为广泛。通通过过该该途途径径可可产产生生许许多多种种重重要要的的发发酵酵产产物物。如如核核苷苷酸酸、若若干干氨
9、基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。3.ED途径(KDPG途径)-4步反应 ED途径（Entner-Doudoroffpathway）又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在嗜糖假单胞菌Pseudomonas saccharophila中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有的一种替代途径，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙酮酸。ED途径是少数EMP途径不完整的细菌
10、例如Pseudomonas Zymomonas等所特有的利用葡萄糖的替代途径，其特点是利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（1分子葡萄糖仅产1分子ATP，为EMP途径之半），反应中有一个6碳的关键中间代谢物KDPG。ED途径的特点途径的特点葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为KDPG 后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛再经再经EMP途径途径转化成为丙酮酸。结果是转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄分子葡萄糖产生糖产生2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1分子分子ATP。关键中间代谢物关键中间代谢物KDPG裂解为丙酮
11、酸和裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油磷酸甘油醛。特征酶是醛。特征酶是KDPG醛缩酶醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径此途径可与可与EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。同中间代谢物的需要。好氧时与好氧时与TCA循环相连，厌循环相连，厌氧时进行乙醇发酵氧时进行乙醇发酵.由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。4.TCA循环-分解代谢
12、和合成代谢的枢纽 又称三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环。这是一种循环方式的反应顺序，绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢中起着关键性的作用。在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；在原核生物例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。TCA循环的重要特点循环的重要
13、特点1、循环一次的结果是乙酰循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为的乙酰基被氧化为2分子分子CO2,并并重新生成重新生成1分子草酰乙酸；分子草酰乙酸；2、整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还还原为原为NADH+H+，另一步为另一步为FAD还原；还原；3、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。4、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；5、生物体提供能量的主要形式；、生物体提供能量的主要形式；6、为人类利用生物发酵生产所需产品提供主
14、要的代谢途径。如为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸发酵；柠檬酸发酵；Glu发酵等。发酵等。一、化能异养微生物的生物氧化（二）递氢与受氢经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还等还原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体原型辅酶通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能根据根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微把微生物能量代谢分为生物能量代谢分为呼吸作用呼吸作用和和发酵作用发酵作用两大类两大类.发酵作用
15、：发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式没有任何外援的最终电子受体的生物氧化模式呼吸作用：呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物氧化模式；有外援的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：呼吸作用又可分为两类：有氧呼吸有氧呼吸最终电子受体是分子氧最终电子受体是分子氧O2;无氧呼吸无氧呼吸最终电子受体是无机氧化物，如最终电子受体是无机氧化物，如NO3-、SO42-1.呼吸-完全电子呼吸链 呼吸（respiration是最普遍和最重要的生物氧化方式，特点是底物脱氢后，经完整的呼吸链又称电子传递链递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和释放能量（ATP）。由于呼吸必须在有氧条件下进行，因
16、此又称有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势不同的氢传递体（或电子传递体）组成的一组链状传递顺序，它能把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递给高氧化还原势无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链定义：定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过一组链状传递顺序。在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产
17、生与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能形式的能量。量。部位：部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上线粒体内膜上成员：成员：电子传递是从电子传递是从NAD到到O2，电子传递链中的电，电子传递链中的电子传递体主要包括子传递体主要包括FMN 、CoQ、细胞色素、细胞色素b、c 1、c、a、a和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的和一些铁硫旦白。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递顺序，按照它们的氧化还原电势大小排列，电子传递次序如次序如下：下：MH2 NAD FMN C0Q b (-0.32v)(
18、0.0v)C1C a a3 O2H2O (+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸链中呼吸链中NAD+/NADH的的E0值最小，而值最小，而O2/H2O的的E0值最值最大，所以，电子的传递方向是：大，所以，电子的传递方向是：NADH O2上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。上式表明还原型辅酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和和FADH2的氧化，都有大量的自由能释放。证的氧化，都有大量的自由能释放。证明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从明它们均带电子对，都具有高的转移势能，它推动电子从还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子氧。还原型辅酶顺坡而下，直至转移到分子
19、氧。电子传递伴随电子传递伴随ADP磷酸化成磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼全过程，故又称为氧化呼吸链。吸链。呼吸链的功能：呼吸链的功能：一是传递电子；二是将电子传递过程一是传递电子；二是将电子传递过程中释放的能量合成中释放的能量合成ATP这就是电子产这就是电子产能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。能磷酸化作用（或称氧化磷酸化作用）。ATPATP的结构和生成的结构和生成能源物质：三磷酸腺苷（能源物质：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、）、肌糖元、脂肪等脂肪等 ATP又叫三磷酸腺苷，其结构式是：又叫三磷酸腺苷，其结构式是：APPP它是一种含有高能磷酸键的有机化合物，
20、它的大量化学能它是一种含有高能磷酸键的有机化合物，它的大量化学能就储存在高能磷酸键中。就储存在高能磷酸键中。ATP是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不是生命活动能量的直接来源，但本身在体内含量并不高。人体预存的高。人体预存的ATP能量只能维持能量只能维持15秒，跑完秒，跑完100m后就全后就全部用完，不足的继续通过呼吸作用等合成部用完，不足的继续通过呼吸作用等合成ATP。ATPATP的生成方式的生成方式:光合磷酸化光合磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递磷酸化电子传递磷酸化光合磷酸化光合磷酸化:利用光能合成利用光能合成ATPATP的反应的反应.光合磷酸化作用
21、将光能转变成化学能光合磷酸化作用将光能转变成化学能,以用于从以用于从二氧化碳合成细胞物质二氧化碳合成细胞物质.主要是光合微生物。主要是光合微生物。光合微生物光合微生物:藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫藻类、蓝细菌、光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。色细菌、绿色细菌和嗜盐菌等）。细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细细菌的光合作用与高等植物不同的是，除蓝细菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光菌具有叶绿素、能进行水的裂解进行产氧的光合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素合作用外，其他细菌没有叶绿素，只有菌绿素或其他光合色素，只能裂解无机物（如或其他光合色素，只能裂解无机物（如H
22、H2 2、H H2 2S S等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。等）或简单有机物，进行不产氧的光合作用。氧化磷酸化：氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生利用化合物氧化过程中释放的能量生成成ATPATP的反应。的反应。氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成ATPATP的方式有两种：的方式有两种：底物水平磷酸化底物水平磷酸化不需氧不需氧电子传递磷酸化电子传递磷酸化需氧需氧底物水平磷酸化底物水平磷酸化：底底物物水水平平磷磷酸酸化化是是在在某某种种化化合合物物氧氧化化过过程程中中可可生生成成一一种种含含高高能能磷磷酸酸键键的的化化合合物物，这这个个化化合合物物通通过过相相应应的酶作用把高能键磷酸根转
23、移给的酶作用把高能键磷酸根转移给ADPADP，使其生成，使其生成ATPATP。这这种种类类型型的的氧氧化化磷磷酸酸化化方方式式在在生生物物代代谢谢过过程程中中较较为为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内底物水平磷酸化举例：底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，由于脱掉一个水分子，2 2一磷酸甘油酸的低能酯键转一磷酸甘油酸的低能酯键转变为变为2 2一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能一磷酸烯醇丙酮酸中的高能烯醇键。这种高能连接的磷酸可以转给连接的磷酸可以转给ADPADP，产生，产生ATPATP分子。在微生物代分子。在微生物代谢活动中，重要的高
24、能磷酸化合物除上述一些物质外，谢活动中，重要的高能磷酸化合物除上述一些物质外，还有还有1 1，3 3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。在在电电子子传传递递磷磷酸酸化化中中，通通过过呼呼吸吸链链传传递递电电子子，将将氧氧化化过过程程中中释释放放的的能能量量和和ADPADP的的磷磷酸酸化化偶偶联联起起来来，形成形成ATPATP。电子传递磷酸化电子传递磷酸化 其机制很多，目前仍在继续研究中。至今能获得多数学者接受的是1978年诺贝尔奖获得者英国学者PMitchell在1961年所提出的化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）。主要观点：在氧化磷酸化过程中，通
25、过呼吸链主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的能量的能量来源，因为它可通过来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了质子梯度差，同时就合成了ATP。2.无氧呼吸-部
26、分电子呼吸链ADP+Pi ATP硝酸盐呼吸（反硝化）、硫酸盐呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸等又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。无氧呼吸的几个类型（受体）硝酸盐还原细菌在厌氧条件下以NO3-作电子受体C6H12O66H2O 6CO224H(脱H酶）24H+4NO3 2N2 +12H2O（硝酸还原酶）E硫酸盐细菌以SO42-为受体2CH3CHOHCOOH+H2SO4 2CH3COOH+2CO2+2H2O+H
27、2S+能量严格厌氧的大多数产甲烷细菌以CO2为受体4H2+CO2 CH4+2H2O+能量3.发酵发酵-无氧条件下无氧条件下 含意较多：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给内源氧化性中间代谢产物的一而直接交给内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。类低效产能反应。在在发酵工业上发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式产方式v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能葡萄糖
28、在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有途径主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v发酵类型：发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，产生，但产生的量并不多，如不及时氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样如不及时氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受为氢（电子）受体来接受NADH+H+和和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产
29、物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等酸发酵等发酵作用发酵作用酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸发酵丙酮酸发酵 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-
30、3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇 乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED脱羧NADH2还原P106与酵母发酵的不同乳酸发酵乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。发酵。同型乳酸发酵
31、：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经HKHK途径途径磷酸己糖解酮酶途径磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸 2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP 2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum异型乳酸发酵：异型乳酸发酵：葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3
32、-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATP ADP乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA2ADP 2ATP-2H-CO2双歧发酵：双歧发酵：6-磷酸磷酸果糖果糖5-磷酸核磷酸核糖糖5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛2乳酸乳酸2乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH2ATP 2ADP2乙酸乙酸4ADP 4ATP-2H-CO2ADP ATP乙酰磷酸乙酰磷酸乙酸乙酸ADP ATP双歧杆菌Bifidobacteria通过HMP发酵葡萄糖的途径：2分子葡萄糖产生3分子乙酸、2分子乳酸二、自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化（一）
33、化能自养微生物的生物氧化（二）光能微生物的生物氧化（二）光能微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化一些微生物可以从氧化无机物无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类细菌称为化能自养微生物。它们在无机能源氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP。氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化 CO2 -作为能量顺呼吸链-ATP-部分作为无机供氢体逆呼吸链-H-CH2ONH4+NO2-H2SSH2Fe2+H2 HS-NH4、S2-、SO32-S2O3-、S0、Fe2+NO2-NAD FP Q Cyt.cc1 Cyt.a.aa3 O2 ATP ATP ATP 无机底物脱氢后，氢或电子
34、进入呼吸链的部位，正向产生ATP，逆向消耗ATP产生还原力H化能自养菌一般都是好氧菌 由于化能自养微生物产能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，因此他们的产能效率、生长速度、生长得率都很低。例如 硝化细菌 包括亚硝化细菌或氨氧化细菌：NH3-NO2-硝化细菌或亚硝酸细菌：NO2-N03-都是氧化作用 NH3 +O2+2H+2e-NH2OH+H2O NH2OH+H2O-HNO2+4H+4e-NO2-+H2O-亚硝酸氧化酶-NO3-+2H+2e-以上H都来自于水 在NO2-氧化为NO3-的过程中，氧来自水分子而非空气。当NO2-+H2OH2ONO2-NO3-+2H+2e时，由于NO2-的氧化还
35、原电位很高，故H+和e只能从与其相当的Cyta1部位进入呼吸链。2H+2e如果顺着呼吸链传递至O2，仅能产生1个ATP。而对CO2还原所需要的大量还原力H则是通过H+e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成。因此硝化细菌的能量效率、生长速度和细胞产率很低，在硝化作用旺盛的土壤中，只能找到很少量的硝化细菌菌体。（二）光能营养微生物产能和H光合磷酸化光合磷酸化(photophosphorylation)(photophosphorylation)利用光能合成利用光能合成ATPATP的反应的反应.光合磷酸化作用将光合磷酸化作用将光能光能转变成转变成化学能化学能,以用以用于从二氧化碳合成细胞物质，主
36、要是光合微生于从二氧化碳合成细胞物质，主要是光合微生物：藻类、物：藻类、蓝细菌蓝细菌、光合细菌光合细菌（紫色细菌、绿（紫色细菌、绿色细菌和色细菌和嗜盐菌嗜盐菌等）。等）。光合色素光合色素：叶绿素chl、细菌叶绿素（菌绿素）Bchl、类胡萝卜素、藻胆素 光合磷酸化的实质就是将光合磷酸化的实质就是将光能光能转化为化学能的过转化为化学能的过程，具体过程为当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收程，具体过程为当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子后，被激活，光量子后，被激活，释放一个电子释放一个电子（氧化），释放（氧化），释放的电子进入电子传递系统，在电子传递过程中释放的电子进入电子传递系统，在电子传递过程中释放
37、能量，产生能量，产生ATPATP。环式光合磷酸化环式光合磷酸化非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用（1 1）环式光合磷酸化）环式光合磷酸化Cyclic photophosphorylation光合细菌光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生主要通过环式光合磷酸化作用产生ATPATP，这类细菌，这类细菌主要包括主要包括紫色硫细菌紫色硫细菌、绿色硫细菌绿色硫细菌、紫色非硫细菌紫色非硫细菌和和绿色绿色非硫细菌非硫细菌。在光合细菌中，吸收光量子而被激活的。在光合细菌中，吸收光量子而被激活的细菌叶细菌叶绿素绿素释放出高能电子，于是这个细菌叶绿素分子即带有正释放出高能电子
38、，于是这个细菌叶绿素分子即带有正电荷。所释放出来的高能电子顺序通过铁氧还蛋白、辅酶电荷。所释放出来的高能电子顺序通过铁氧还蛋白、辅酶Q Q、细胞色素细胞色素b b和和f f，再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在，再返回到带正电荷的细菌叶绿素分子。在辅酶辅酶Q Q将电子传递给细胞色素将电子传递给细胞色素f f的过程中，造成了质子的跨的过程中，造成了质子的跨膜移动，为膜移动，为ATPATP的合成提供了能量。在这个电子循环传递过的合成提供了能量。在这个电子循环传递过程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。环式光程中，光能转变为化学能，故称环式光合磷酸化。环式光合磷酸化可在合磷酸化可在厌氧条件厌氧
39、条件下进行，产物只有下进行，产物只有ATPATP，无，无NADP(H)NADP(H)，也不产生，也不产生分子氧分子氧。（2 2）非环式光合磷酸化）非环式光合磷酸化 高等植物植物和蓝细菌蓝细菌与光合细菌不同，它们可以裂解水裂解水，以提供细胞合成的还原能力以提供细胞合成的还原能力。它们含有两种类型两种类型的反应中心，连同天线色素、初级电子受体和供体一起构成了光合系统光合系统和光合系统和光合系统，这两个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。在光合系统中，叶绿素分子P700吸收光于后被激活，释放出一个高能电子。这个高能电子传递给铁氧还蛋白(Fd)，并使之被还原。还原的铁氧还蛋白在Fd：NADP+还原酶的作用
40、下，将NADP+还原为NADPH。在光合系统中，叶绿素分子P680吸收光子后，释放出一个高能电子。先传递给辅酶Q，再经过一系列电子传递体，最后传递给系统，使P700还原。失去电子的P680，靠水的光解产生的电子来补充。高能电子从辅酶Q到光合系统的过程巾，可推动ATP的合成。（3）嗜盐菌紫膜的光合作用）嗜盐菌紫膜的光合作用 这是近年来才揭示的只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.55.0molL NaCl）环境中才能生长的古细菌（archaebacteria）。它们广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。主要代表有
41、Halobacteriumhalobium（盐生盐杆菌）和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。嗜盐菌因细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、嗜盐菌因细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。它们的细胞膜可分成桔黄色或黄色。它们的细胞膜可分成红色红色与与紫色紫色两两部分，前者主要含部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白细胞色素和黄素蛋白等用于氧化等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈磷酸化的呼吸链载体，后者则十分特殊，在膜上呈斑片状（直径约斑片状（直径约0.5m）独立分布，其总面积约占）独立分布，其总面积约占细胞膜面积的一半，这就是能进行独特光合作用的细胞膜面积的一半，这就是
42、能进行独特光合作用的紫膜紫膜。含量占紫膜。含量占紫膜75的是一种称作的是一种称作细菌视紫红质细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它与人眼视网膜上）的蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质柱状细胞中所含的一种蛋白质视紫红质视紫红质（rhodopsin）十分相似，两者都以紫色的）十分相似，两者都以紫色的视黄醛视黄醛（retinal）作辅基。）作辅基。近年来，人们对视紫红质的功能作了研究并获得了重大近年来，人们对视紫红质的功能作了研究并获得了重大的发现。嗜盐菌可以生长在光照和氧都具备的条件下，但不的发现。嗜盐菌可以生长在光照和氧都具备的条件下，但不能生长在两者都不
43、存在的情况下。这就说明，嗜盐菌至少可能生长在两者都不存在的情况下。这就说明，嗜盐菌至少可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化氧化磷酸化途途径，另一条是有光存在下的某种径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化光合磷酸化途径。实验还发途径。实验还发现，在波长为现，在波长为550600nm的光照下，其的光照下，其ATP合成速率最高，合成速率最高，而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。而这一波长范围恰与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。目前认为，细菌目前认为，细菌视紫红质视紫红质与与叶绿素叶绿素相象，在光量子的相象，在光量子的驱动下，具有驱动下
44、，具有质子泵质子泵的作用，这时它将产生的的作用，这时它将产生的H+推出细胞推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使说，这一质子动势在驱使H+通过通过ATP合成酶进入膜内而合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP。主要特点：主要特点：不经过电子传递，直接产生ATP意义：意义：嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类
45、型。紫膜的光合磷酸化是迄今一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。力。第二节第二节 分解代谢和合成代谢的关系分解代谢和合成代谢的关系分解代谢与合成代谢两
46、者联系紧密，互不可分。分解代谢与合成代谢两者联系紧密，互不可分。一、两用代谢途径一、两用代谢途径 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的途凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的途径，称为两用代谢途径。径，称为两用代谢途径。EMP途径、途径、HMP途途径和径和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。循环等都是重要的两用代谢途径。二、代谢回补顺序二、代谢回补顺序 又称代谢补偿途径又称代谢补偿途径或或填补途径填补途径。指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的那些反应的中间代谢产物的那些反应。（生物合成中所消。（生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就
47、会中断。）耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断。）通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳源条件下，有不同的代谢回补顺序。源条件下，有不同的代谢回补顺序。主要围绕主要围绕EMP途径中的途径中的PEP和和TCA循环中的循环中的OA这两种关键性中间代谢物来进行的。这两种关键性中间代谢物来进行的。回补途径与与EMP途径和途径和TCA循
48、环有关的回补顺序约有循环有关的回补顺序约有10条。条。某些微生物所特有的代谢回补顺序。某些微生物所特有的代谢回补顺序。是是TCA循环循环的一条回补途径。的一条回补途径。能够利用乙酸的微生物具有乙酰能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙合成酶，它使乙酸转变为乙酰酸转变为乙酰CoA。然后乙酰。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶在异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸 乙醛酸乙醛酸+乙酸乙酸 苹果酸苹果酸 琥珀酸琥珀酸+乙酸乙酸 异柠檬酸异柠檬酸 净反应：
49、净反应：2乙酸乙酸 苹果酸苹果酸乙醛酸循环（乙醛酸支路）乙醛酸循环乙醛酸循环具有乙醛酸循环的微生物具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸普遍是好氧菌。如以乙酸为唯一碳源的一些细菌：为唯一碳源的一些细菌：醋杆菌属、固氮菌属、产醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌、和红螺荧光假单胞菌、和红螺菌属等；真菌中的酵母菌菌属等；真菌中的酵母菌属、青霉属和黑曲霉等。属、青霉属和黑曲霉等。第三节 微生物独特合成代谢途径举例一、自养微生物的一、自养微生物的CO2固定固定二、生物固氮二、生物固氮三、微生物结构大分子三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成肽聚糖的生物合成
50、四、微生物次生代谢物的合成四、微生物次生代谢物的合成一、自养微生物的一、自养微生物的CO2固定固定 各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的固定。在微生物中，至今已了解的的CO2固定的途径有固定的途径有4条。条。两类自养生物固定两类自养生物固定CO2的条件和途径的条件和途径二、生物固氮二、生物固氮 生物固氮作用：生物固氮作用：将大气中分子态氮通过微生物固氮酶将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。大气中的催化而还原成氨的过程。