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1、关于微生物的新陈代谢(2)第1页，讲稿共125张，创作于星期日新陈代谢新陈代谢简称代谢简称代谢(metabolism)(metabolism)，是活细胞内发生的各种化学，是活细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。复杂分子复杂分子简单分子简单分子+ATP+H分解代谢酶系分解代谢酶系 复杂分子复杂分子简单分子简单分子+ATP+H（有机物有机物)合成代谢酶系合成代谢酶系微生物代谢特点：微生物代谢特点：1、代谢旺盛（强度高转化能力强）、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。、代谢类型多。第2页，讲稿共125张，创作于星期日在代谢过程中，微生物
2、通过分解作用（或光合作在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作用）产生用）产生ATP形式的化学能。形式的化学能。这些能量用于：这些能量用于：1、合成代谢合成代谢 ；2、微生物的运动和、微生物的运动和运输；运输；3 、热和光、热和光无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除某些微生物还会产生一些
3、次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。切相关。第3页，讲稿共125张，创作于星期日第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢第二节第二节 分解代谢和合成代谢的联系分解代谢和合成代谢的联系第三节第三节 微生物独特合成代谢途径举例微生物独特合成代谢途径举例第四节第四节 微生物的代谢调控与发酵生产微生物的代谢调控与发酵生产第4页，讲稿共125张，创作于星期日第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢化能异养微生物的化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化和产能自养微生物的自养微生物的生物氧化和产能生物氧化和产能第5页，讲稿共
4、125张，创作于星期日一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式：生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程生物氧化的过程：脱氢（或脱氢（或e-）、递氢（或）、递氢（或e-）、受氢（或）、受氢（或e-）。）。生物氧化的功能：生物氧化的功能：产能（产能（ATP）、产还原力）、产还原力H、产小分子中间、产小分子中间 代谢物。代谢物。生物氧化的类型：生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。呼吸、无氧呼吸、发酵。第6页，讲稿共125张，创作于星期日（一）底物脱氢的四条途径（一）底物脱氢的四条途径 以以葡葡萄萄糖糖
5、作作为为生生物物氧氧化化的的典典型型底底物物，在在生生物物氧氧化化的的脱脱氢氢阶阶段段中中，可可通通过过四四条条途途径径完完成成其其脱脱氢氢反反应应，并并伴伴随随还还原原力力H和能量的产生。和能量的产生。第7页，讲稿共125张，创作于星期日1 EMP途径途径（Embden-Meyerhofpathway，糖酵解途径，己糖二磷酸途径糖酵解途径，己糖二磷酸途径）葡萄糖葡萄糖葡糖葡糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油醛
6、甘油醛-3-磷酸磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:耗能反应耗能反应bb:氧化还原反应氧化还原反应EMP途径意义：途径意义：为细胞生命活动提为细胞生命活动提供供ATP 和和 NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化第8页，讲稿共125张，创作于星期日（1）EMP途径的主要反应途径的主要反应EMP途径的简图途径的简图C6为葡萄糖，为葡萄糖，C3为甘油醛为甘油醛-3-磷酸磷酸EMP途径的总反应途径的总反应:C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H20 第9页，讲稿共125张
7、，创作于星期日（2）EMP终产物的去向：终产物的去向：1）有有氧氧条条件件：2NADH+H+经经呼呼吸吸链链的的氧氧化化磷磷酸酸化化反反应应产产生生6ATP；2）无氧条件：发酵）无氧条件：发酵 丙酮酸还原成乳酸；丙酮酸还原成乳酸；酵酵母母菌菌（酿酿酒酒酵酵母母）的的酒酒精精发发酵酵：丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧为为乙乙醛醛，乙乙醛醛还还原为乙醇。原为乙醇。（3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义途径在微生物生命活动中的重要意义 1）供应）供应ATP形式的能量和还原力（形式的能量和还原力（NADH2）；）；2）是连接其他几个重要代谢的桥梁（）是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED 途径）
8、途径）3）为生物合成提供多种中间代谢物；）为生物合成提供多种中间代谢物；4）通过逆向反应可进行多糖合成。）通过逆向反应可进行多糖合成。（4）生产实践意义）生产实践意义 与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵生产关系密切。与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵生产关系密切。第10页，讲稿共125张，创作于星期日2、HMP途径（途径（戊糖磷酸途径、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径等磷酸葡萄糖酸途径等）葡萄糖不经葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产循环而得到彻底氧化，并产生大量生大量NADPH+H+形式的还原力及多种重要中间代谢产形式的还原力及多种重要中间代谢产物。物。第11页，
9、讲稿共125张，创作于星期日从从6-6-磷酸磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。称为单磷酸已糖途径。HMP途径与途径与EMP途径有着密切的关系，途径有着密切的关系，HMP途径中的途径中的3-磷酸磷酸-甘油醛可以进入甘油醛可以进入EMP途径，途径，磷酸戊糖支路。磷酸戊糖支路。HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸磷酸转变成一分子甘油醛转变成一分子甘油醛-3-磷酸、磷酸、3个个CO2、6个个NADPH2。一般认为一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供途径不
10、是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（大量还原力（NADPH2）和中间代谢产物。）和中间代谢产物。HMP途径途径第12页，讲稿共125张，创作于星期日（1 1）HMP途径的主要反应途径的主要反应 HMP途径的简图途径的简图C6为葡萄糖，为葡萄糖，C5为核酮糖为核酮糖-5-磷酸磷酸第13页，讲稿共125张，创作于星期日（2）HMP途径的三个阶段途径的三个阶段1）葡葡萄萄糖糖分分子子经经过过三三步步反反应应产产生生核核酮酮糖糖-5-磷磷酸酸和和CO2；oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOHC=OH-C-OHH-C-OHDCH2OPCH2OHoOHOHCH2OPOHHOAT
11、P ADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡糖酸葡糖酸6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖5-磷酸磷酸-核酮糖核酮糖第14页，讲稿共125张，创作于星期日2）核酮糖）核酮糖-5-磷酸同分异构化或表异构化为核糖磷酸同分异构化或表异构化为核糖-5-磷酸磷酸和木糖和木糖-5-磷酸；磷酸；3）无无氧氧参参与与条条件件下下，几几种种戊戊糖糖发发生生碳碳架架重重排排，产产生生己糖磷酸和丙糖磷酸。己糖磷酸和丙糖磷酸。C=OH-C-OHH-C-OHH-C-OPHCH2OHH-C-OHH-C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖C=OHO-C-HH-C-O
12、HH-C-OPHCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖5-磷酸磷酸-核糖核糖5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖6-磷酸磷酸-景天庚酮糖景天庚酮糖6-磷酸磷酸-果糖果糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖6-磷酸磷酸-果糖果糖3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛第15页，讲稿共125张，创作于星期日丙糖磷酸可通过丙糖磷酸可通过EMP途径转化为丙酮酸进入途径转化为丙酮酸进入TCA循环，也可通循环，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用转化为己糖磷酸。作用转化为己糖磷酸。（3）HMP
13、途径在微生物生命活动中的重要意义途径在微生物生命活动中的重要意义供应合成原料：提供戊糖供应合成原料：提供戊糖-P、赤藓糖、赤藓糖-P；产还原力：产生产还原力：产生12NADPH2；作作为为固固定定CO2的的中中介介：自自养养微微生生物物CO2的的中中介介（核核酮酮糖糖-5-P在羧化酶的催化下固定在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖并形成核酮糖-15-二磷酸）；二磷酸）；扩扩大大碳碳源源利利用用范范围围：为为微微生生物物利利用用C3C7多多种种碳碳源源提提供供了必要的代谢途径；了必要的代谢途径；连接连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。途径：为生物合成提供更多的戊糖。第16页，讲稿共125
14、张，创作于星期日（4 4）生产实践意义）生产实践意义 可可提提供供许许多多重重要要的的发发酵酵产产物物（核核苷苷酸酸、氨氨基基酸酸、辅辅酶、乳酸等）。酶、乳酸等）。在多数好氧菌和兼性厌氧菌中普遍存在在多数好氧菌和兼性厌氧菌中普遍存在HMP途径，途径，且常与且常与EMP途径同在。只有少数微生物如弱氧化途径同在。只有少数微生物如弱氧化醋杆菌、氧化葡糖杆菌、氧化醋单胞菌只有醋杆菌、氧化葡糖杆菌、氧化醋单胞菌只有HMP途径，而无途径，而无EMP途径。途径。第17页，讲稿共125张，创作于星期日3、ED途径（途径（2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径）磷酸葡萄糖酸途径）存存在在于于某某些些缺缺乏
15、乏完完整整EMP途途径径的的微微生生物物中中的的一一种种替替代代途途径径，为为微生物所特有，在革兰氏阴性菌中分布较广。微生物所特有，在革兰氏阴性菌中分布较广。葡葡萄萄糖糖只只经经过过四四步步反反应应即即可可形形成成丙丙酮酮酸酸。ED途途径径可可不不依依赖赖于于EMP与与HMP而单独存在。而单独存在。ED途径结果：一分子葡萄糖经途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成途径最后生成2分子丙酮酸、分子丙酮酸、1分分子子ATP，1分子分子NADPH2、1分分NADH。第18页，讲稿共125张，创作于星期日（1）ED途途径径的的主主要要反反应应 第19页，讲稿共125张，创作于星期日（2）ED途径特点途
16、径特点1）KDPG（2-酮酮-3-脱脱氧氧-6-P-葡葡萄萄糖糖酸酸）裂裂解为丙酮酸和解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；磷酸甘油醛；2）存在）存在KDPG醛缩酶；醛缩酶；3）两分子丙酮酸来历不同；）两分子丙酮酸来历不同；4）产能效率低（）产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。葡萄糖）。5）可与）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途循环等代谢途径相连，可相互协调、满足微生物对能径相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。量、还原力和不同中间代谢产物的需要。（3）细菌的酒精发酵）细菌的酒精发酵（好氧菌好氧菌运动发酵单胞菌运动发酵单胞菌）丙酮酸脱羧为乙醛，被丙酮酸脱羧为
17、乙醛，被NADH还原为乙醇。还原为乙醇。具有具有EDED途径的细菌有嗜糖假单胞菌、铜绿假单胞菌、荧光途径的细菌有嗜糖假单胞菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、林氏假单胞菌、真养产碱菌等。假单胞菌、林氏假单胞菌、真养产碱菌等。第20页，讲稿共125张，创作于星期日4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞
18、质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。（1）TCA循环的主要反应循环的主要反应C3GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成生成ATP。总反应式为：总反应式为：乙酰乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP第21页，讲稿共125张，创作于星期日 丙酮酸在进入三羧酸循环丙酮酸在进入三羧酸循环之之先要脱羧生成先要脱羧生成乙酰乙酰CoACoA，
19、乙酰乙酰CoACoA和和草酰乙酸缩合成柠檬草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰循环的结果是乙酰CoACoA被彻底氧化成被彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，每氧化每氧化1 1分子的乙酰分子的乙酰CoACoA可产生可产生1212分子的分子的ATPATP，草草酰乙酸参与反应而本身酰乙酸参与反应而本身并不消耗。并不消耗。第22页，讲稿共125张，创作于星期日（2）TCA循环的特点循环的特点1）氧氧虽虽不不直直接接参参与与反反应应，但但必必须须在在有有氧氧的的条条件件下下进进行行（NAD+和和FAD再生时需氧）；再生时需氧）；2）每每分分子子丙丙酮酮酸
20、酸可可产产4 NADH2、1 FADH2、1 GTP，共相当于共相当于15 ATP，产能效率极高。，产能效率极高。3）位位于于一一切切分分解解代代谢谢和和合合成成代代谢谢的的枢枢纽纽地地位位，可可为为微微生生物的生物合成提供各种碳架原料。物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义）生产实践意义与与发发酵酵生生产产紧紧密密相相关关（柠柠檬檬酸酸、苹苹果果酸酸、谷谷氨氨 酸酸、延胡索酸、琥珀酸等）。延胡索酸、琥珀酸等）。第23页，讲稿共125张，创作于星期日第24页，讲稿共125张，创作于星期日5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率第25页，讲稿共125张，创
21、作于星期日（二）递氢和受氢（二）递氢和受氢 葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受 体结合并释放出其中的能量。体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼呼吸、无氧呼吸、发酵吸、无氧呼吸、发酵三种类型。三种类型。第26页，讲稿共125张，创作于星期日呼吸、无氧呼吸和发酵示意图呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6-HA-HHB-HCA、B或或CAH2，BH2
22、或CH2-H（发酵产物：乙醇、（发酵产物：乙醇、乳酸等）乳酸等）CO2脱氢脱氢递氢递氢受氢受氢经呼吸链经呼吸链呼吸呼吸无氧无氧呼吸呼吸发酵发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH4第27页，讲稿共125张，创作于星期日1 1、呼吸（好氧呼吸）、呼吸（好氧呼吸）递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。生物氧化作用。（1）特点）特点1）底物脱下的氢（）底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递；）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出）产生水并释放出ATP形式的能量。
23、产能量多，一分子形式的能量。产能量多，一分子G净产净产38个个ATP.4)基质彻底氧化生成基质彻底氧化生成CO2和和H2O。（2）呼吸链）呼吸链1）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）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呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。们还原。第28页，讲稿共125张，创作于星期
24、日典型的呼吸链典型的呼吸链不论是真核生物不论是真核生物还是原核生物，还是原核生物，呼吸链的主要组呼吸链的主要组分都是类似的。分都是类似的。第29页，讲稿共125张，创作于星期日3）氧化磷酸化）氧化磷酸化呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化反应呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化反应相偶联并产生相偶联并产生ATP的作用。的作用。4）氧化磷酸化的机制）氧化磷酸化的机制化学渗透学说化学渗透学说 呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生生物的通用能源作用的偶联，产生生物的通用能源ATP。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说
25、。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。第30页，讲稿共125张，创作于星期日主要观点：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传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即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不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。梯度等）。这个梯度差就是产生这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可通过的能量来源，因为它可通过ATP酶的逆反酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，
26、应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了同时就合成了ATP。氧化磷酸化产能机制第31页，讲稿共125张，创作于星期日5）呼吸链氧化磷酸化的效率）呼吸链氧化磷酸化的效率 每消耗每消耗1 mol氧原子所产生的氧原子所产生的ATPmol数。数。用用P/O作定量表示。作定量表示。从从NAD（P）H2进入呼吸链进入呼吸链2H产生产生3ATP，从，从FADH2进入呼吸链进入呼吸链2H产生产生2ATP。原核生物呼吸链的原核生物呼吸链的P/O一般比真核细胞线粒体的低。一般比真核细胞线粒体的低。第32页，讲稿共125张，创作于星期日2 2、无氧呼吸（厌氧呼吸）、无氧呼吸（厌氧呼
27、吸）某些厌氧和兼性厌氧微生物某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、呼吸在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（物）的生物氧化。产能效率较低（不如有氧呼吸产生的不如有氧呼吸产生的多）多）。（1）特点）特点 1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有等无机物，或延胡索酸等有机物）机物）；3）氧化磷酸化产能
28、。）氧化磷酸化产能。第33页，讲稿共125张，创作于星期日（2）无氧呼吸的类型）无氧呼吸的类型根据呼吸链末端根据呼吸链末端氢受体的不同，氢受体的不同，把无氧呼吸分成把无氧呼吸分成以下类型：以下类型：第34页，讲稿共125张，创作于星期日1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、N2O直至直至N2的过的过程。程。反硝化细菌：反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地能进行硝酸
29、盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、造成土壤氮肥损失、NO和和N2O会污染环境。会污染环境。第35页，讲稿共125张，创作于星期日2）硫酸盐呼吸）硫酸盐呼吸严格厌氧菌严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最终的，最终的还原产物是还原产物是H2S。硫酸盐
30、还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。第36页，讲稿共125张，创作于星期日3）硫呼吸）硫呼吸 兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。的生物氧化作用。4）铁呼吸）铁呼吸 某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是养细菌和某些
31、真菌所进行的呼吸链末端氢受体是Fe3+的无氧呼吸。的无氧呼吸。第37页，讲稿共125张，创作于星期日5）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸 以以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。呼吸。根据其还原产物不同分成两类：根据其还原产物不同分成两类：产甲烷菌产生产生甲烷；产甲烷菌产生产生甲烷；产乙酸细菌产生乙酸。产乙酸细菌产生乙酸。CO2+4H2CH4+2H2O+ATP第38页，讲稿共125张，创作于星期日6 6）延胡索酸呼吸）延胡索酸呼吸一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、受
32、体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。菌属、产琥珀酸弧菌等。此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。第39页，讲稿共125张，创作于星期日广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱
33、狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。的一类生物氧化反应。3 3、发酵、发酵（fermentation）第40页，讲稿共125张，创作于星期日底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联这些化合物可直接偶联ATP或或GT
34、P的合成。这种产生的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。第41页，讲稿共125张，创作于星期日发酵类型很多发酵类型很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。（1）由）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵（2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵（3）通过）通过ED进行的发酵进行的发酵细菌酒精发酵细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能）由氨基酸发酵产能Stickland反应反应第42页，讲稿共125张，创作于星期
35、日GEMP2丙酮酸丙酮酸 2乙醛乙醛 2乙醇乙醇丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶C6H12O62C2H5OH2CO22ATP （1）由）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵1）酵母菌的同型乙醇发酵）酵母菌的同型乙醇发酵参与微生物：酿酒酵母参与微生物：酿酒酵母第43页，讲稿共125张，创作于星期日2 2）乳酸发酵）乳酸发酵 同型乳酸发酵同型乳酸发酵指乳酸菌将指乳酸菌将G分解产生的分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程 进行乳酸发酵的都是细菌。如德氏乳杆菌、嗜酸乳菌、植进行乳酸发酵的都是细菌。如德氏乳杆菌、嗜酸乳菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。物乳杆菌、干酪乳杆菌等。
36、乳酸发酵的两种类型：乳酸发酵的两种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵同型乳酸发酵、异型乳酸发酵 细菌积累乳酸的过程细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。如：牛是典型的乳酸发酵。如：牛奶变酸，奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料等。生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料等。第44页，讲稿共125张，创作于星期日同型乳酸发酵同型乳酸发酵在糖的发酵中在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵。产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵。GPEPC3H6O3过过 程：程：进行同型乳酸发酵的细菌：德氏乳杆菌、进行同型乳酸发酵的细菌：德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪
37、乳杆菌等。H反应式反应式：C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP第45页，讲稿共125张，创作于星期日3）丙酸发酵）丙酸发酵谢氏丙酸杆菌谢氏丙酸杆菌将将G分解产生的丙酮酸逐渐转分解产生的丙酮酸逐渐转化为丙酸的过程。化为丙酸的过程。丙酮酸丙酮酸第46页，讲稿共125张，创作于星期日 某某些些细细菌菌通通过过发发酵酵将将G变变成成琥琥珀珀酸酸，乳乳酸酸、甲甲酸酸、H2和和CO2等多种代谢产物。等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵 称为混合酸发酵。称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。大多数肠杆菌
38、如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。4 4）混合酸发酵）混合酸发酵第47页，讲稿共125张，创作于星期日混合酸发酵混合酸发酵 用于细菌分类鉴定用于细菌分类鉴定甲基红反应甲基红反应：检验：检验E.coli 经经EMP途径的混合酸发酵。途径的混合酸发酵。甲基红指示剂甲基红指示剂pH4.2红色红色,pH6.3橙黄色。橙黄色。产酸使指示剂变色。产酸使指示剂变色。第48页，讲稿共125张，创作于星期日5）2，3-丁二醇发酵丁二醇发酵 产气肠杆菌产气肠杆菌将将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为分解产生的丙酮酸逐渐转化为2，3-丁二醇丁二醇的过程。的过程。V.P反应反应 细菌的鉴定：细菌的鉴定：（3羟基丁酮）羟基丁酮
39、）第49页，讲稿共125张，创作于星期日6）丁酸型发酵）丁酸型发酵 由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮丁醇由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮丁醇梭菌所进行的将梭菌所进行的将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为丁醇、分解产生的丙酮酸逐渐转化为丁醇、丙酮的过程。丙酮的过程。第50页，讲稿共125张，创作于星期日（2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵 凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和和CO2等多种产物的发酵。等多种产物的发酵。肠肠膜膜明明串串珠珠菌菌、乳乳脂脂明明串串珠珠菌菌、短短乳乳杆杆菌菌和
40、和两两歧歧双双歧歧杆菌进行异型乳酸发酵。杆菌进行异型乳酸发酵。第51页，讲稿共125张，创作于星期日1）异异型型乳乳酸酸发发酵酵的的经经典典途途径径第52页，讲稿共125张，创作于星期日2）异异型型乳乳酸酸发发酵酵的的双双歧歧杆杆菌菌途途径径第53页，讲稿共125张，创作于星期日3）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较第54页，讲稿共125张，创作于星期日（3）通过）通过ED途径进行的乙醇发酵途径进行的乙醇发酵 细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵参与微生物参与微生物：运动发酵单孢菌：运动发酵单孢菌发酵途径：发酵途径：ED途径途径反应式：反应式：C6H12O62C
41、2H5OH+2CO2+ATPGED2丙酮酸丙酮酸 2乙醛乙醛 2乙醇乙醇丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶H第55页，讲稿共125张，创作于星期日糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展解过程的发展 发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化过程不彻底过程不彻底 基质是被氧化的基质同时又是电子受体基质是被氧化的基质同时又是电子受体。第56页，讲稿共125张，创作于星期日（4 4）由氨基酸发酵产能）由氨基酸发酵产能Stickland反应反应少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以少数厌氧梭菌以一种氨
42、基酸作为底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1 ATP。氢供体：丙氢供体：丙AA、亮、亮AA、异亮、异亮AA、缬、缬AA、苯丙、苯丙AA、丝丝 AA、组、组AA、色、色AA等。等。氢受体：甘氢受体：甘AA、脯、脯AA、羟脯、羟脯AA、鸟、鸟AA、精、精AA、色色AA等。等。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。第57页，讲稿共125张，创作于星期日（5）发酵中的产能反应）发酵中
43、的产能反应 发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式。式。其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧化磷酸化相比其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧化磷酸化相比,产能效率极低。产能效率极低。底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物,如如:EMP途径中：途径中：1.3-二磷酸甘油酸、二磷酸甘油酸、PEP；异型乳酸发酵中：乙酰磷酸异型乳酸发酵中：乙酰磷酸 TCA循环中：琥珀酰循环中：琥珀酰-CoA等含高能磷酸键的产物。等含高能磷酸键的产物。在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙
44、酰磷酸经乙在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙酰磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。第58页，讲稿共125张，创作于星期日二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化（产（产ATP和产还原力）和产还原力）自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：1化能自养型微生物化能自养型微生物:氧化无机物而获得能量的微生物。氧化无机物而获得能量的微生物。化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费一大部分一大部分ATP以逆呼吸链传递的方
45、式把无机氢（以逆呼吸链传递的方式把无机氢（H+e-）转）转变成还原力变成还原力H。2光能自养型微生物光能自养型微生物:能利用日光辐射的微生物。能利用日光辐射的微生物。在光能自养微生物中，在光能自养微生物中，ATP是通过循环光合磷酸化、非循环是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力H则是直接则是直接或间接利用这些途径产生的。或间接利用这些途径产生的。第59页，讲稿共125张，创作于星期日（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 化能自养微生物还原化能自养微生物还原CO2所需要的所需要的ATP和和H是通过氧
46、是通过氧化无机底物，例如化无机底物，例如NH+4、NO-2、H2S、S0、H2和和Fe2+等等而获得的。而获得的。1、产能方式、产能方式无机物氧化无机物氧化 通过氧化还原态的无机底物（脱通过氧化还原态的无机底物（脱H或或e-）实现的。借助）实现的。借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产ATP。化能自养菌一般都是好氧菌（以化能自养菌一般都是好氧菌（以O2为受氢体），极少厌为受氢体），极少厌氧菌。氧菌。第60页，讲稿共125张，创作于星期日 2、最初能源：、最初能源：NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和和Fe2+等无机底物不仅可作为最等无机底物不仅可作为最初能源产生初
47、能源产生ATP，而且其中有些底物还可作为无机氢供体。，而且其中有些底物还可作为无机氢供体。3、还原力、还原力H的产生：的产生：无机氢在充分提供无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原递的方式形成还原CO2的还原力的还原力H。化能自养微生物还原化能自养微生物还原CO2时时ATP和和H的来源的来源第61页，讲稿共125张，创作于星期日4、化能自养菌的呼吸链、化能自养菌的呼吸链还原态的无机物中，还原态的无机物中，H2的氧化还原电位比的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低些，对稍低些，其余都明显高于它。其余都明显高于它。各种无机底物进行氧化时
48、，必须按其相应的氧化还原势的位置进各种无机底物进行氧化时，必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链，由此化能自养菌呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率入呼吸链，由此化能自养菌呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率（P/O）。）。由于化能自养微生物产由于化能自养微生物产H以及固定以及固定CO2要大量耗要大量耗ATP，因此它们的产能，因此它们的产能效率、生长速率和生长得率都很低。效率、生长速率和生长得率都很低。第62页，讲稿共125张，创作于星期日5、化能自养微生物能量代谢的主要特点、化能自养微生物能量代谢的主要特点无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢
49、酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，可直接进入氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，可直接进入呼吸链传递；呼吸链传递；呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；直接进入呼吸链；产能效率即产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。比一般要低于化能异养微生物。第63页，讲稿共125张，创作于星期日6、硝化细菌的能量代谢、硝化细菌的能量代谢（1）硝化细菌）硝化细菌 广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养菌。广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养菌。从生理类型来看，硝化细菌分为两类：从生理类型来看，硝化细菌分为两类：1）亚硝化细菌（
50、氨氧化细菌）亚硝化细菌（氨氧化细菌）:可把可把NH3氧化成氧化成NO-2，Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属亚硝化单胞菌属)；2）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）:可把可把NO-2氧化为氧化为NO-3，Nitrobacter（硝化杆菌属）（硝化杆菌属）由亚硝化细菌引起的反应为：由亚硝化细菌引起的反应为：NH3 HNO2 氨单加氧酶氨单加氧酶 NH3+O2+2H+2e-NH2OH+H2O （在细胞膜上）（在细胞膜上）羟胺氧还酶羟胺氧还酶 NH2OH+H2O HNO2+4H+4e-（在周质上）（在周质上）第64页，讲稿共125张，创作于星期日亚亚硝硝化化细细菌菌在在氨氨氧