第五章 微生物的代谢（教学版）.ppt

1、第五章 微生物的代谢 代谢的概念 在生物体内所进行的生物化学反应统称为 代谢。 代谢既有分解代谢又有合成代谢，既有产 能代谢又有耗能代谢。 有机体是一个统一的整体，各种代谢之间 互相联系，又互相制约，并能进行精细的 自我调节。 代谢既是生命的基础，又是生命的主要表 现形式。代谢停止，生命也就结束了。 第一节 微生物对自然界有机物的分解 微生物能分解自然界中各种有机物，包括 那些极难分解或有毒的物质，如纤维素、 木质素、果胶质、芳香烃类化合物、农药 和氰化物。 微生物的这一特点对自然界的物质循环和 环境保护具有重要意义。 一、纤维素的分解 纤维素是葡萄糖以1，4糖苷键连接的聚 合物，一般分子含有

2、20000100000个 葡萄糖单位。 木霉、青霉、曲霉、毛霉等真菌有很强的 分解纤维素的能力；一些细菌和多种放线 菌也都有分解纤维素的能力。纤维素的分 解过程是由纤维素酶催化完成的。 一、纤维素的分解 纤维素酶是一种多酶复合物，可分为三群： C1：将天然纤维素降解为多糖，一种微生物 能分泌一种以上的C1酶。 CX：不能水解纤维素，但能水解纤维素降解 的多糖，又称1，4 葡聚糖酶，可分为两 种类型：内切酶和外切酶，将多糖继续降解 为葡萄糖、纤维二糖、寡糖。 葡萄糖苷酶：葡萄糖苷酶：将纤维二糖、寡糖水解成葡 萄糖。 纤维素的结构 纤维素酶的作用示意图 二、淀粉的分解 直链淀粉是葡萄糖通过1，4糖

3、苷键连接 的线状聚合物，约有300400个葡萄糖单位 组成，支链淀粉通过1，6糖苷键与直链 连接，约有1300个以上的葡萄糖单位。 淀粉结构 淀粉酶的种类 许多微生物能产生淀粉酶，淀粉酶有四种：许多微生物能产生淀粉酶，淀粉酶有四种： -淀粉酶，又称液化酶，在淀粉内部只切割1，4糖苷 键，不作用于1，6糖苷键和邻近的1，4糖苷键及 淀粉两端的1，4糖苷键，最终产物是糊精、寡糖、麦 芽糖 、葡萄糖等。 -淀粉酶，自淀粉的非还原端起以麦芽糖为单位切割 1，4糖苷键，最终产物是极限糊精、寡糖、麦芽糖。 异淀粉酶，专门水解1，6糖苷键，产物是直链淀粉。 葡萄糖淀粉酶，又称糖化淀粉酶，自淀粉的非还原端起以

4、 葡萄糖为单位切割1，4糖苷键，产物是葡萄糖和糊精。 淀粉在上述酶的作用下水解成葡萄糖。 工业上多用枯草芽孢杆菌和黑曲霉生产淀粉酶，用根 霉生产糖化淀粉酶。 细菌主要产生-淀粉酶。 霉菌主要产生异淀粉酶和糖化淀粉酶。 工业上常用枯草杆菌和黑曲酶生产-淀粉酶， 用根霉生产糖化淀粉酶。 淀粉酶的种类 三、果胶质的分解 果胶质约占植物组织干重的1%，是植物细 胞间的物质。果胶质的化学成分是半乳糖 醛酸的聚合物。 果胶质分三类： 原果胶：植物细胞壁中非溶性成分 果胶：水溶性聚半乳糖醛酸 果胶酸：不含甲基的聚半乳糖醛酸 三、果胶质的分解 分解果胶质的酶主要有三类： 果胶酯酶：脱甲基 果胶水解酶：两种，聚

5、甲基半乳糖醛酸酶和 聚半乳糖醛酸酶 果胶质裂解酶：裂解果胶或果胶酸为单体、 二聚体、三聚体等。 四、木质素及芳香族化合物的分解 木质素的成分复杂，其中含有苯的衍生物， 很难分解，以担子菌纲的真菌分解能力最 强。 极毛杆菌、分枝杆菌、节杆菌、诺卡氏菌 能分解芳香族化合物。微生物分解芳香族 化合物时会产生共同的中间产物双酚化 合物，可用于工业废水的处理 五、蛋白质的分解 蛋白质在蛋白酶和肽酶的作用下降解为氨基 酸。 蛋白酶 肽酶 蛋白质 肽 氨基酸 一般真菌比细菌易水解蛋白质。 蛋白酶都是胞外酶，肽酶有胞外酶也有胞内 酶。 微生物只有生长量较多时才能分泌蛋白酶。 六、氨基酸的分解 微生物分解氨基酸

6、有脱氨和脱羧两种基本方式，分 别由脱氨酶类和脱羧酶类所催化，脱氨和脱羧不能 在同一条件下同时进行。 1、脱氨作用：大肠杆菌、变形杆菌、枯草杆菌等能 使氨基酸脱氨，生成氨、丙酮酸等产物。 2、脱羧作用：多见于腐败细菌和真菌。脱羧酶具有 很高的专一性，一元氨基酸脱羧生成一元胺，二元 氨基酸脱羧生成二元胺。二元胺统称为尸碱，有毒， 这是腐败的食物不宜食用的原因之一。 吲哚试验 有些细菌，如大肠杆 菌和变形杆菌，具有 色氨酸酶，能分解蛋 白胨中的色氨酸产生 吲哚，吲哚与对二甲 基氨基苯甲醛结合生 成红色的玫瑰吲哚。 红色为阳性反应，本 实验主要用于肠杆菌 科细菌的鉴定。 七、农药的分解 农药的滥用造成

7、环境、水质、土壤的污染。已发 现许多种微生物能分解农药，如无色杆菌属、土 壤杆菌属、节杆菌属、棒状杆菌属、黄杆菌属、 诺卡氏菌属、假单胞菌属、曲霉属、木霉属、青 霉属的微生物都能分解多种农药。 微生物分解农药的速率首先取决于农药的化学结 构，如氯丹、DDT、狄氏剂都是氯代烃类，降解 需要11年、3年、5年，而对硫磷和马拉硫磷这两 种有机农药，降解时间分别为3周和1周。 第二节 异养微生物的产能代谢 发酵与呼吸 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 能量代谢是新陈代谢中的核心问题。能量代谢是新陈代谢中的核心问题。 中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成

8、对一切生命活动都能使用的能源对一切生命活动都能使用的能源ATP。 有机物 最初能源日光通用能源 无机物 化能自养菌 化能异养菌 光能营养型菌 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）能量的：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，分段释放，并以高化学反应。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 + 6H2O 失去电子：

9、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-CHO NADNADH2 生物氧化的作用生物氧化的作用： 产能产能(ATP) 产还原力产还原力【H】 小分子中间代谢物小分子中间代谢物 概念：概念：以有机物为最终电子受体的生物氧化过程，是在无以有机物为最终电子受体的生物氧化过程，是在无 氧条件下进行的生物氧化过程。氧条件下进行的生物氧化过程。 发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解，葡萄糖的产能途径葡萄糖在厌氧条件下分解，葡萄糖的产能途径 主要有主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。 在发酵工业上，发酵是指任何利用

10、厌氧或好氧微生物来生在发酵工业上，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产方式。产有用代谢产物的一类生产方式。 一、发酵一、发酵 C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH NAD NADH2 -2CO2 EMP 2ATP 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 （一）酵母菌的乙醇发酵：（一）酵母菌的乙醇发酵： 概念：概念：酵母菌将葡萄糖经 EMP途径转化成乙醇、 CO2的过程。 菌种：菌种：酵母菌 途径：途径：EMP途径 过程：过程：葡萄糖经EMP途 径生成丙酮酸，在丙酮酸 脱羧酶的催化下脱羧生成 乙醛，在乙醇脱氢酶的作 用下还原成乙醇。1分子 葡萄糖发酵生

11、成2分子乙 醇，2分子CO2，净增2 分子ATP。 发生条件：发生条件：厌氧、培养基 中无NaHSO3、 pH7.6 特征酶：特征酶：磷酸果糖激酶和果 糖二磷酸醛缩酶 当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵甘油发酵。 原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发分子乙醛间发 生歧化反应，生成生歧化反应，生成1分子乙醇和分子乙醇和1分子乙酸；分子乙酸； CH3CHO+H2O+NAD+ CH3COOH+NADH+H+ CH3CHO+NADH+H+ CH3CH2OH+ NAD+

12、 此时由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成磷酸甘油醛脱下的氢而生成 - 磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经 -磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。 当培养基中含有当培养基中含有NaHSO3时，时， NaHSO3与乙醇结合生成复合物。与乙醇结合生成复合物。 此外，由于酵母是兼性厌氧菌，在有氧条件下丙酮酸进入此外，由于酵母是兼性厌氧菌，在有氧条件下丙酮酸进入TCA循环，循环， 生成生成CO2和水，其结果是糖的利用率低，乙醇的生成量减少或没有。和水，其结果是糖的利用率低，乙醇的生成量减少或没有。 2葡萄糖葡萄糖 2甘油甘油+乙醇乙

13、醇+乙酸乙酸+2CO2 概念：有氧条件下，呼吸抑制发酵的现象（或氧概念：有氧条件下，呼吸抑制发酵的现象（或氧 对发酵的抑制现象）叫做巴斯德效应对发酵的抑制现象）叫做巴斯德效应。 意义：控制发酵条件的重要意义。如反应条件：意义：控制发酵条件的重要意义。如反应条件： 厌氧、培养基中无NaHSO3、 pH7.6 通风对酵母代谢的影响通风对酵母代谢的影响 通风（有氧呼吸通风（有氧呼吸）缺氧（发酵）缺氧（发酵） 酒精生成量酒精生成量 耗糖量耗糖量/单位时间单位时间 细胞的繁殖细胞的繁殖 低（接近零）低（接近零） 少少 旺盛旺盛 高高 多多 很弱至消失很弱至消失 巴斯德效应巴斯德效应(The Pasteu

14、r effect ) 现象：现象： （二）细菌的乙醇发酵（二）细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖 2-酮酮-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 2CO2 2H 2H +ATP 2ATP 概念：概念：运动发酵单 胞菌等细菌经E.D途 径进行乙醇发酵的 过程。 菌种：菌种：运动发酵单 胞菌等细菌 途径：途径：E.D 过程：过程： 1 分子葡萄糖经E.D 途径进行乙醇发酵， 生成2分子乙醇，2 分子CO2，净增1分 子ATP。 特征酶：特征酶：2-酮3-脱 氧-6-磷酸葡萄糖酸 醛缩酶 v酵母菌（在酵母菌（在pH

15、3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵 脱羧酶脱羧酶 脱氢酶脱氢酶 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为： C C6 6H H12 12O O6 6+2ADP+2Pi 2C +2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP v细菌细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵 通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇乙醇+2CO2+ATP 细菌细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙

16、醇发酵的乙醇发酵 通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi 乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATP 同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精 发酵发酵 异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物 分子的发酵分子的发酵 （三）乳酸发酵（三）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。乳酸，称为乳酸发酵。 由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有

17、所不同，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 歧杆菌发酵。歧杆菌发酵。 同型乳酸发酵：经同型乳酸发酵：经EMPEMP途径，产物只有乳糖的发酵。途径，产物只有乳糖的发酵。 异型乳酸发酵异型乳酸发酵：经经HMPHMP途径，产物除乳糖外，还有途径，产物除乳糖外，还有CO2CO2、 乙醇（或乙酸）的发酵。乙醇（或乙酸）的发酵。 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-

18、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+ 2NADH 4ATP 4ADP 2ATP 2ADP Lactococcus lactis Lactobacillus plantarum 概念：概念：产物只有乳糖的发酵 菌种：菌种：德氏乳杆菌、粪链球菌 途径：途径：EMP 过程：过程：葡萄糖沿着EMP途径生成丙酮酸， 在乳酸脱氢酶的催化下还原成乳糖。 特征酶：特征酶：乳酸脱氢酶 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-磷酸磷酸 甘油醛甘油醛 乳酸乳酸 乙

19、酰磷酸乙酰磷酸 NAD+ NADH NAD+ NADH ATP ADP 乙醇乙醇 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 2ADP 2ATP -2H 概念：概念：产物除乳酸外还有CO2、乙醇或乙酸的发酵 菌种：菌种：肠膜状明串珠菌、短杆菌等。 途径：途径：PK 特征酶：特征酶：5-磷酸木酮糖裂解酶 过程：过程：1 分子葡萄糖生成1 分子乳酸、1 分子乙醇或乙酸，1 分子CO2，净 增1 分子ATP,生成乙酸时增2分子ATP. -CO2 （四）混合酸发酵（四）混合酸发酵 概念概念：在缺氧条件下在缺氧条件下 进行发酵，生成除乳进行发酵，生成除乳 酸外还有琥珀酸、乙酸外还有琥珀酸、乙 酸、乙醇、甲酸、酸、乙醇、甲

20、酸、 H2 和和CO2等的发酵过程等的发酵过程 菌种：菌种：埃希氏菌、沙埃希氏菌、沙 门氏菌、志贺氏菌属门氏菌、志贺氏菌属 的一些兼性厌氧菌的一些兼性厌氧菌 途径：途径：EMP 过程：将葡萄糖转变过程：将葡萄糖转变 成琥珀酸、乳酸、甲成琥珀酸、乳酸、甲 酸、乙醇、乙酸等多酸、乙醇、乙酸等多 种代谢产物。其中埃种代谢产物。其中埃 希氏菌有甲酸氢裂解希氏菌有甲酸氢裂解 酶，可将甲酸分解为酶，可将甲酸分解为 H2和和CO2而产气，志而产气，志 贺氏菌没有甲酸氢裂贺氏菌没有甲酸氢裂 解酶，故不产气。可解酶，故不产气。可 通过产酸产气试验把通过产酸产气试验把 一些不产酸不产气的一些不产酸不产气的 细菌区

21、分开来。细菌区分开来。 葡萄糖葡萄糖 琥泊酸琥泊酸 草酰乙酸草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰 CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰磷酸乙酰磷酸 CO2 H2 乙酸乙酸 丙酮酸甲酸裂解酶 乳酸脱氢酶 甲酸-氢裂解酶 磷酸转乙酰酶 乙酸激酶 PEP羧化酶 乙醛脱氢酶 +2H pH6.2 （五）（五）2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵 葡萄糖葡萄糖 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙酰乙酰CoA 甲酸甲酸 乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸 二乙酰二乙酰 3-羟基丁酮羟基丁酮 2,3-丁二醇丁二醇 CO2 H2 -乙酰乳酸合成酶 -乙酰乳酸脱羧酶 2,3-丁二醇

22、脱氢酶 概念：概念：分解葡萄糖时 产生少量乳糖、甲酸 和乙醇，而产生大量 的2，3-丁二醇和更 多的气体的过程。 菌种：菌种：肠杆菌、赛氏 杆菌、欧文氏菌属中的 一些细菌 途径：EMP 特征酶：特征酶：丙酮酸甲酸 裂解酶 EMP 鉴别肠道细菌的鉴别肠道细菌的V.P.试验试验 鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧 2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 3-羟丁酮（乙羟丁酮（乙 酰甲基甲醇）酰甲基甲醇） 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物红色化合物 此为此为V.P.试验的阳性反应试验的阳性反应 -CO2 鉴别肠道

23、细菌的产酸产气、甲基鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基 红（红（M.R）试验）试验 v产酸产气试验：产酸产气试验： 埃希杆菌属与志贺氏杆菌属在利用葡埃希杆菌属与志贺氏杆菌属在利用葡 萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同 时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。 v甲基红试验甲基红试验：大肠杆菌与产气杆菌在利用葡萄糖进行大肠杆菌与产气杆菌在利用葡萄糖进行 发酵时，前者可产生大量的混合酸，发酵时，前者可产生大量的混合酸，使使pH4.5 ，因此，因此 在发酵液中加入甲基红试剂时，呈红色；后者则产生大在发

24、酵液中加入甲基红试剂时，呈红色；后者则产生大 量的丁二醇，呈黄色。量的丁二醇，呈黄色。 大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5 产气杆菌： pH4.5 IMViC试验试验： 吲哚（吲哚（I）、甲基红（）、甲基红（M）、）、V.P.试验（试验（Vi）柠檬酸盐）柠檬酸盐 利用（利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十 分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。 吲哚试验吲哚试验甲基红试验甲基红试验V.P.试验试验柠檬酸盐柠檬酸盐 利用利用 大肠杆菌大肠杆菌+- 产气杆菌产气杆菌-+ 二、呼吸 呼吸呼吸：微生物以分子氧或无机物为最终电 子受

25、体的生物氧化过程称为呼吸。 有氧呼吸：有氧呼吸：以分子氧为最终电子受体的生物氧化 过程。 无氧呼吸：无氧呼吸：以无机化合物为最终电子受体的 生物 氧化过程。 电子传递与氧化呼吸链电子传递与氧化呼吸链 定义：定义：化能异养微生物的有氧呼吸以有机物作为电化能异养微生物的有氧呼吸以有机物作为电 子供体，葡萄糖经子供体，葡萄糖经EMP、HMP或或E.D途径降解，产途径降解，产 生的还原力，其中一部分用于物质的还原，另一部生的还原力，其中一部分用于物质的还原，另一部 分经电子传递链将分经电子传递链将氢或电子传递给分子氧生成水，氢或电子传递给分子氧生成水， 并同时生成并同时生成ATP。 部位部位：原核生物

26、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 Figure. 有氧呼吸有氧呼吸 16 葡萄糖代谢途径 1、EMP途径：途径：在无氧条件下葡萄糖被分解成丙 酮酸，同时释放出少量ATP的过程。 2、HMP途径：途径：由葡萄糖氧化生成5磷酸核糖， 参与核酸的合成；生成6磷酸果糖+3磷酸甘 油醛后进行入EMP代谢途径。 3、E.D途径：途径：将葡萄糖经过4步快速获得丙酮酸 的过程。 4、TCA循环：循环：是需氧生物体内普遍存在的代谢 途径，分布在线粒体 ，是三大营养素（糖类、脂 类、蛋白质）的最终代谢通路，也是三大营养素 代谢联系的枢纽。 葡萄糖经不

27、同代谢途径降解的产物和产能 代谢途径产物（分子数目/每分子葡萄糖）产能（分 子数/每分 子葡萄糖） 丙酮酸CO2NADPH+ H+ NADHH+ H+ EMP途径222ATP HMP途径612-1ATP E.D途径2111ATP EMP途径提供能量最多 HMP途径为耗能途径，但可提供最重要的中间产物5磷酸核糖和4 磷酸赤藓糖，这些分别是核糖和芳香族氨基酸的前体。 丙酮酸是一个关键的中间产物，几乎所有的六碳、五碳、四碳糖都要 先转化成丙酮酸，再进一步降解或合成其他物质。 所产生的还原力一部分经电子传递链的传递，最终将氢或电子传递给 分子氧生成水，并同时生成ATP。 细菌电子传递链的特点细菌电子传

28、递链的特点 细菌没有线粒体，电子传递只存在于细胞膜上 细菌电子传递链的组成与含量因细菌种类和培养条件 的不同而变化； 至今只发现两条线粒体的电子传递链，细菌的电子传 递链有分支链的存在； 细菌电子传递链的电子供体和受体可以多样，如可以 分子氧和NO3为最终氢受体。 概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受概念：以无机氧化物中的氧作为最终电子（和氢）受 体的氧化作用。、体的氧化作用。、 一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼 吸吸. . 无机氧化物：如无机氧化物：如NONO3 3- -、 NO NO2- -、SOSO4 42 2- -、

29、COCO3 32- 2-、 、CO2等，等， 分别称为硝酸盐还原、硫酸盐还原和碳酸盐还原。 （二）、无氧呼吸（二）、无氧呼吸 1、硝酸盐还原 1）异化型硝酸盐还原： 概念：微生物将硝酸盐还原成N2、N2O的作用称为 异化型硝酸盐还原，又叫反硝化作用。 意义：造成土壤氮素的损失，对农业不利，但在自 然界氮素循环中起着重要作用。能分解江河湖海 中的硝酸盐，从而保护水和海洋生物，同时完成 自然界的氮循环。 能够进行异化型硝酸盐还原的微生物主要有极毛杆 菌属和色杆菌属中的一些种以及某特殊的脱氮细 菌如脱氮硫杆菌。 2）同化型硝酸盐还原 概念：将硝酸盐还原成氨的作用。 意义：还原产物氨用于氨基酸、蛋白质

30、和 其他含氮物质的合成。大多数细菌、放线 菌和真菌都能进行同化型硝酸盐还原。 2、硫酸盐还原 概念：硫酸盐还原细菌以氢气或有机物为 氧化基质，大部分不能利用葡萄糖，最终 电子受体是SO42-、S2O32-，有机物氧化过 程中放出的电子用于SO42-、S2O32-的还原， 生成H2S，在电子传递的过程中伴随能量的 释放和ATP的生成。 意义：通过电子传递磷酸化生成ATP。 3、碳酸盐还原 概念：又称甲烷生成作用，甲烷细菌利用氢气、 甲酸、甲醇、乙酸来还原CO2并生成甲烷。甲烷 细菌是一类具有共同生理特性而形态不同的细菌， 都是专性厌氧菌 。因为这类细菌能利用H2和CO2 生长，有点类似自养细菌，

31、但又与自养细菌有所 不同，它们不仅可以将CO2同化为细胞物质，还 可以将CO2还原成甲烷。 产甲烷细菌电子传递的方式和产能方式有待进一 步研究。 第三节 自养微生物的产能代谢 一碳化合物：一碳化合物：只含有一个碳原子的化合物。 如CO2 、CH4、 CO 、CHOOH 、CH3OH 、 CH2O 一碳微生物：一碳微生物：能够利用一碳化合物如作为 主要碳源进行生长的微生物。 分类：分类：光能自养微生物 化能自养微生物 甲基营养型细菌 产甲烷细菌 一、光能自养微生物的产能代谢 （一）光能自养微生物的主要类群 光能自养微生物的比较 主要类群代表属特点 依赖叶绿素进行光 合作用 蓝细菌、单细胞藻 类

32、含有叶绿素a，类胡萝卜素和藻胆素， 有光反应系统、，和高等绿色植物 一样，进行放氧型的光合作用,并产生 ATP。 依赖细菌叶绿素进 行光合作用（光合 细菌） 红螺菌科、红硫细 菌科、绿硫细菌科 不含叶绿素，含细菌叶绿素a b c d e五 种和类胡萝卜素，只有光反应系统， 无光反应系统，所进行的光合作用为 非放氧型光合作用。 依赖细菌视紫质进 行光合作用(由维 生素A和蛋白质构 成) 嗜盐细菌含类胡萝卜素和细菌视紫质，在光的作 用下，细菌视紫质放出质子于细胞外， 从而在膜内外形成质子梯度，并借质子 的动力形成ATP。此类菌是一类专性好 氧、极端嗜盐的生物，生长在盐场或静 止的盐湖中。 （二）光

33、合细菌产能代谢 一、光合细菌产能代谢原理： 光能是一种辐射能，不能被生物直接利用，只有 当光能通过光合生物的光合色素吸收与转变成化 学能ATP以后，才能用来支持生物的生长。 光合色素存在于细胞的一定结构中，并在那里组 成光反应中心。光反应中心能吸收与捕捉光能， 使自已处于激发状态而逐出电子，电子经传递链 传递过程中逐级释放能量，并依随ATP的生成。 光合磷酸化的两种方式 二、光合磷酸化 光合磷酸化：光合磷酸化：光能引发光合色素分子逐出电子，并通过电 子传递来产生ATP的方式。 环式光合磷酸化：环式光合磷酸化：细菌叶绿素吸收光能被激活-释放电子- 经载体又回到细菌叶绿素分子上，在此过程中伴随AT

34、P的 产生，但不产生还原力。 非环式光合磷酸化：非环式光合磷酸化：细菌叶绿素吸收光能后释放高电位电 子，产生还原力，外源电子（ H2 、H2 S、琥珀酸等作为 供体）经电子传递链还原细菌叶绿素，在此过程中产生 ATP。 环式光合磷酸化是光合细菌产能的主要方式。环式光合磷酸化是光合细菌产能的主要方式。 二、化能自养微生物的产能代谢 化能自养微生物：从无机物氧化中获得能量，并以CO2为 主要碳源和唯一碳源进行生长的微生物。广泛分布于土壤 和水体中。 专性化能自养微生物：只能以CO2为碳源进行生长的化能 自养微生物，如氧化硫杆菌、产硫杆菌、脱氮硫杆菌等。 兼性化能自养微生物：既能以CO2为唯一碳源，

35、又能以有 机物为碳源进行生长的化能微生物，如氢细菌。 按化能自养微生物氧化无机物的种类，可将化能自养微生 物分为硝化细菌、氢细菌、硫细菌和铁细菌。 绝大多数的自养微生物是好氧微生物，但也有个别的兼性 厌氧的化能自养微生物，如脱氮硫杆菌通过无氧呼吸获得 能量。 （一）硝化细菌的生物氧化 硝化细菌：亚硝化细菌和硝化细菌的总称。 硝化作用：微生物先将氨氧化成NO2-，进一 步氧化成NO3-、 的作用。硝化作用包括亚硝 化和硝化两个阶段。 亚硝化细菌亚硝化细菌 2NH4+ +3O22NO2- +2H2O + 4H+132Kcal 硝化细菌硝化细菌 NO2- +1/2O2 NO3- +18.1 Kcal

36、 （二）氢细菌的生物氧化 氢细菌是兼性化能自养的革兰氏阴性细菌，主要 代表有嗜糖假单胞菌、敏捷氏假单胞菌、真养产 碱菌等。 在氢细菌的生长过程中，氢气有两个作用，一是 氧化成水，放出能量，二是作为供氢体，同化 CO2为有机物。 氢细菌含有两种氢酶，其中颗粒状氢酶，催化氢 气放出电子，经电子传递链传递给O2生成水并产 生ATP；可溶性氢酶，位于细胞质中，主要用于 产生还原力，用于生物合成。 （三）硫细菌的生物氧化 硫细菌是一群能在含硫无机物（如S、H2S、 S2O32-等）丰富的环境中生活的细菌，类型 多样。 硫杆菌属中的许多种是土壤和水体中最重 要的化能自养硫细菌，能氧化S、H2S、 S2O3

37、2-等形成硫酸，并伴随ATP的生成。 H2S + 1/2 O2 S +H2O + 50.1 Kcal S + 1 1/2 O2+H2O H2SO4+149.8 Kcal 第四节 生物固氮 生物固氮生物固氮生物体将分子氮转化成氨的作用，也就是将大 气中的氮气转化成氨的作用。 空气中有78%是氮气，但是绝大多数生物不能直接利用空 气中的氮气。生物固氮指某些微生物能利用体内的固氮酶 将空气中的氮气还原为氨，为植物生长提供氮素。 地球上结合态氮总量有70来源于生物固氮，每年全球微 生物固定的氮素量可达2亿t，约占全球作物需氮量的34， 相当于工业生产氮肥的3倍多。 因此，有效利用生物固定的氮素，减少氮

38、肥使用是缓解环 境污染，发展可持续性现代农业的一条重要途径。 一、固氮微生物 固氮菌都是原核微生物,约有50个属。 固氮微生物的分类： 自生固氮微生物能够独立地进行固氮。 如某些蓝细菌、某些芽孢杆菌、脱硫孤菌、 绿硫细菌、红螺菌等 共生固氮微生物通过与植物共生的方式进 行固氮。如根瘤菌 （一）、自生固氮微生物 包括好氧、微好氧、厌氧和兼性厌氧类群 有异养和自养两种类型。 异养型的自生固氮菌：需提供大量碳氮比率高的有机 物作为碳源和能源进行生长，在生长过程固氮，固 氮效率低，无明显增产效果。 自养型的自生固氮菌：无需提供有机物作为碳源，固 氮效率高，较受重视。 圆褐固氮菌是最常见的自生固氮菌，好

39、气，幼龄细胞 呈杆状，后变圆形，在琼脂培养基上菌落由无色透 明逐渐转为白色，进一步变为褐色或黑色，最适生 长温度为2530。 （二）共生固氮微生物根瘤菌 根瘤菌根瘤菌是与豆科植物共生，形成根瘤并固定 空气中的氮气供植物营养的一类杆状细菌。 这种共生体系具有很强的固氮能力。已知全 世界豆科植物近两万种。 根瘤菌：培养条件下呈杆状，革兰氏阴性， 有鞭毛，能运动，不形成芽孢。根瘤的形态 逐渐变化，呈X、Y、T形，称类菌体。 （二）共生固氮微生物根瘤菌 根瘤菌是通过豆科植物根毛、侧根杈口（如花生）或其他 部位吸附植物表面，使植物表面细胞壁变软，根瘤菌自变 软部位侵入，形成侵入线，随着根瘤菌的繁殖，侵入

40、线不 断伸长，逐渐进到根的皮层，刺激邻近皮层细胞分裂，形 成根瘤，根瘤菌从侵入线释放到皮层细胞中，立即被质膜 包围，形成泡囊，根瘤菌在泡囊中继续繁殖、膨大，成为 成熟的类菌体。平均每个大豆根瘤约有3.5万个含菌细胞， 每个细胞内含有10万个泡囊，平均每个泡囊有6个类菌体。 随着含菌细胞的形成，细胞内产生豆血红蛋白，此物质对 氧有很强的亲和力，因此为固氮作用创造了有利的厌氧环 境，此时根瘤成熟，开始固氮。 固氮的最适温度为30，最适pH为7.2-7.4，固氮强度与豆 血红蛋白含量成正比，土壤温度、氧分压、化合态氮的含 量也对固氮有明显影响。 （二）共生固氮微生物红萍鱼腥藻 红萍鱼腥藻：红萍鱼腥藻

41、：生长在水田或池塘中的小型浮水植物。 幼时呈绿色，生长迅速，常在水面上长成一片。 秋冬时节，它的叶内含有很多花青素，群体呈现 一片红色，所以叫做红萍，亦称 “满江红”。红 萍与蓝藻中的鱼腥藻（一种蓝细菌）共生，鱼腥 藻能固定大气中的氮气。因此，它可以作为水稻 的优良绿肥，也可作鱼类和家畜的饲料。1公顷养 殖面积每年可固氮313公斤。 二、固氮作用的机理 生物固氮的基本反应： 固氮酶 N2+6e-+6H+nATP 2NH3+nADP+nPi Mg2+ 生物固氮的四个条件： 固氮酶 能量、电子供体和受体 防氧保护机制 固氮产物氨的及时转移 （一）固氮酶 由铁蛋白和钼铁蛋白组成。 铁蛋白是活化电子的

42、中心，其与ATP结合后， ATP发生水解并释放能量，活化电子。 钼铁蛋白与铁蛋白结合生成固氮酶后才能 固氮。 钼铁蛋白与铁蛋白对氧敏感，遇氧易失活， 故需防氧。 （二）固氮作用的能量和电子 固定1g分子氮需1530g分子的ATP，ATP只 有与Mg2+结合生成复合物时才能起作用。 ATP的来源： 厌氧固氮菌的ATP来自于碳水化合物的发酵 好氧固氮菌的ATP来自于碳水化合物的呼吸 光合固氮菌的ATP来自于光合磷酸化 电子的来源：有机物的分解或水的光解 丙酮酸是重要的电子供体和能量来源 （三）、氧对固氮作用的影响 固氮酶遇氧就会不可逆的失活，因此好氧固氮菌 必须具有保护固氮酶的防氧机制，这是也生物

43、进 化的结果。 几个典型的防氧结构： 维涅兰德固氮菌：通过两个分支呼吸，降低氧的分 压，从而起到避氧的目的。 圆褐固氮菌：细胞外有一层很厚的粘性物质，可减 低氧向细胞内的扩散速率。 丝状固氮蓝细菌：在厚壁的异形胞中固氮，壁厚、 无光反应系统，不产生氧气。 （四）、固氮作用中的氨效应 氨是固氮作用的产物，但能阻抑固氮基因的转录， 中断固氮酶的合成，为防止这样的阻抑作用，需 将生成的氨转化为氨基酸，才能消除氨的阻抑作 用。 自生固氮菌通过自身的酶系完成从氨到氨基酸的 转化。 共生固氮菌如根瘤菌缺乏相应的酶系，不能直接 将氨转化成氨基酸，而是将氨转运到植物细胞中， 在植物细胞中通过谷氨酸脱氢酶催化，

44、转化成氨 基酸。 生物固氮机理示意图 自然界中氮的循环 第五节 微生物的合成代谢、能量消 耗和代谢调节 合成代谢：是指生物体将简单的无机物或 有机物经体内的各种反应合成高分子物质 或菌体结构物质的过程。 在合成代谢中，首先合成各种前体物质， 如核苷酸、氨基酸、单糖、脂肪酸、卟啉 类化合物等，然后再合成高分子的聚合物， 如蛋白质、核酸、多糖和脂类等。 一、微生物的合成代谢 （一）合成代谢的基本条件：（一）合成代谢的基本条件： 三个基本条件： 能量（ATP）、 简单的无机物或有机物、 还原力 NAD (P) H+H+ 1.微生物所需能量来自光能或化学能，这些能量都必须转化成ATP或 GTP、UTP

45、,才能被微生物利用。 2.微生物在合成代谢中需要简单的无机物质，如CO2、NO3-、SO42- 等，这些物质在菌体外呈高氧化状态，在菌体内被还原后才能用于 物质的合成。微生物合成代谢中需要的简单有机物绝大部分来自糖 的中间代谢产物，如磷酸已糖、磷酸戊糖、丙酮酸等。 3.微生物合成代谢中必需的还原力，主要是还原型的烟酰胺腺嘌呤二 核苷酸(NADH+H+) 和还原型的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （NADPH+H+) 。在异养微生物中，还原力主要来自有机物的氧化， 自养微生物产生还原力的方式多种多样。在微生物细胞中所生成的 NADH+H+经转氢酶转化成NADPH+H+，才能用于合成代谢。 （二）自养微

46、生物单糖的生物合成 异养微生物所需的各种单糖及其衍生物一般都可 以从培养基中的糖衍生得到，而自养微生物所需 的单糖则需通过同化CO2来合成。 自养微生物同化CO2途径两条： 1、卡尔文环（二磷酸核酮糖环）：3分子CO2合成 一分子3-磷酸甘油醛，消耗9分子ATP和6分子 NADPH+H+，2分子3-磷酸甘油醛又生成1 分子乙 糖，完成一次固碳。循环运行六次，生成一分 子的葡萄糖。 在此循环过程中，5-磷酸核酮糖激酶和1，5-二磷酸 核酮糖羧化酶是卡尔文环的关键酶。 卡尔文环的固碳过程 反应场所为叶绿体内的基质。循环可分为三个阶段: 羧化、 还原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物会将吸收到的一 分

47、子二氧化碳通过一种叫二磷酸核酮糖羧化酶的作用整合 到一个五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位 碳原子上。此过程称为二氧化碳的固定。这一步反应的意 义是，把原本并不活泼的二氧化碳分子活化，使之随后能 被还原。但这种六碳化合物极不稳定，会立刻分解为两分 子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者被在光反应中生成的 NADPH+H还原，此过程需要消耗ATP。产物是3-磷酸丙 糖。经过一系列复杂的生化反应，一个碳原子将会被用于 合成葡萄糖而离开循环。剩下的五个碳原子经一些列变化， 最后在生成一个1，5-二磷酸核酮糖，循环重新开始。循 环运行六次，生成一分子的葡萄糖。 自养微生物同化CO2途径两条

48、： 2、乙酰COA环：光合细菌通过乙酰COA将4 分子的CO2合成1分子草酰乙酸和乙酰COA。 丙酮酸合成酶和-酮戊二酸合成酶是乙酰 COA环的特征酶。 （三）肽聚糖的生物合成（三）肽聚糖的生物合成 单糖：按碳原子数目，单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖、 已糖，如葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等。 多糖：是由糖苷键结合的糖链，至少要超过10个以上的单糖 组成的高分子碳水化合物。 单糖先通过糖苷化作用先转化成核苷二磷酸糖或磷酸糖后再 用于双糖、寡糖和多糖的合成。 肽聚糖是原核生物细胞壁中所特有的成分，其合成过程分为 六个阶段。 概念：肽聚糖是由概念：肽聚糖是由 N乙酰胞壁酸（乙酰胞壁酸（NAM）

49、和）和N乙乙 酰葡萄糖胺（酰葡萄糖胺（NAG）以及短肽链）以及短肽链 （主要是四肽）聚合而成的具有多（主要是四肽）聚合而成的具有多 层网状结构的大分子聚合物。层网状结构的大分子聚合物。 细胞壁的基本骨架肽聚糖（共有成分） 以金黄色葡萄球菌的肽聚糖合成过程为例 第一阶段，由葡萄糖经6步反应合成尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺 （UDP-G）； 第二阶段，由UDP-G经8步反应合成UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽（UDP- M-五肽）； 第三阶段， UDP-M-五肽与细胞膜上的脂类载体（P-C55类脂）结合生 成五肽-M-P-P-C55类脂，再与UDP-G反应，生成G-M-P-P-C55 ，此 反应在细胞

50、膜内进行； 五肽五肽-（甘（甘）5 第四阶段， G-M-P-P-C55 类脂由细胞膜内转移到细胞膜外 五肽五肽-（甘（甘）5 第五阶段，转糖苷化作用，在细胞膜外进行，所生成的P-P-C55类脂在焦磷酸 化酶的作用下，放出一个分子磷酸同时使脂类载体P-C55类脂得到再生。 第六阶段，转肽作用，在细胞壁上进行，五个甘氨酸残基组成的肽桥与相邻多 糖链上的五肽反应，五肽失去一个D-丙氨酸后通过肽键与甘氨酸残基相连，使 多糖之间发生交联。 （四）脂类物质的生物合成 脂类：油、脂肪、类脂的总称，脂肪是由 甘油和脂肪酸组成的三酰甘油酯 ，其中甘 油的分子比较简单，而脂肪酸的种类和长 短却不相同，脂肪酸包括饱