1、1Microbiology第五章 微生物的新陈代谢 2第五章 微生物的新陈代谢 n新陈代谢简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。 3第一节 微生物的能量代谢 4一、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 生物氧化生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。氧化反应的总称。(一一) 底物脱氢的四种途径底物脱氢的四种途径61. EMP途径途径 糖酵解途径糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量酮酸的过程，此
2、过程中伴有少量ATP的生成。的生成。 这一过程是在这一过程是在细胞质中进行细胞质中进行，不需要氧气不需要氧气，每一反，每一反应步骤基本都由特异的应步骤基本都由特异的酶催化酶催化。 有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成进入三羧酸循环，生成CO2和和H2O。糖酵解总共包括。糖酵解总共包括10个个连续步骤，均由对应的酶催化。连续步骤，均由对应的酶催化。 总反应为：葡萄糖总反应为：葡萄糖+2ATP + 2Pi+2NAD+ 2丙酮酸丙酮酸+4ATP+2NADH+2H+2H2O78910（1）葡萄糖磷酸化）葡萄糖磷酸化 葡萄糖氧化是放能
3、反应，但葡萄糖是较稳定的化合葡萄糖氧化是放能反应，但葡萄糖是较稳定的化合物，要使之放能就必须给与活化能来推动此反应，即物，要使之放能就必须给与活化能来推动此反应，即必须先使葡萄糖从稳定状态变为活跃状态，活化一个必须先使葡萄糖从稳定状态变为活跃状态，活化一个葡萄糖需要消耗葡萄糖需要消耗1个个ATP，一个，一个ATP放出一个高能磷酸放出一个高能磷酸键，大约放出键，大约放出30.5kj自由能，大部分变为热量而散失，自由能，大部分变为热量而散失，小部分使磷酸与葡萄糖结合生成小部分使磷酸与葡萄糖结合生成葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸。己糖己糖激酶激酶。 （2）葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸重排生成重排生成果糖果
4、糖-6-磷酸磷酸。葡萄糖磷葡萄糖磷酸异构酶酸异构酶。11（3）生成）生成果糖果糖-1、6-二磷酸二磷酸。磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶。（ 4）果糖果糖-1、6-二磷酸二磷酸断裂成断裂成3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛和和磷酸磷酸二羟丙酮二羟丙酮，醛缩酶醛缩酶。 （5）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮很快转变为很快转变为3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛。丙糖丙糖磷酸异构酶磷酸异构酶。（6）3-磷酸甘油醛氧化生成磷酸甘油醛氧化生成1、3-二磷酸甘油酸，释二磷酸甘油酸，释放出两个电子和一个放出两个电子和一个H+, 传递给电子受体传递给电子受体NAD+,生生成成NADH+ H+,并且将能量转移到高能磷酸键中。并且将能量转移到高能
5、磷酸键中。3-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶。12（7）不稳定的）不稳定的1、3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸失去高能磷酸键，失去高能磷酸键，生成生成3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸，能量转移到，能量转移到ATP中，一个中，一个1、3-二二磷酸甘油酸生成一个磷酸甘油酸生成一个ATP。磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶。底物水底物水平磷酸化平磷酸化 。（8）3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸重排生成重排生成2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸。磷酸甘磷酸甘油酸变位酶油酸变位酶。 （9）2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸脱水生成脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸PEP。烯醇化酶烯醇化酶。 （10）PEP将磷酸基团转移给将磷酸基团转移给ADP生
6、成生成ATP,同时形同时形成成丙酮酸丙酮酸。丙酮酸激酶丙酮酸激酶。底物水平磷酸化底物水平磷酸化。132. HMP途径途径 又称己糖一磷酸途径、己糖一磷酸支路、戊糖磷又称己糖一磷酸途径、己糖一磷酸支路、戊糖磷酸途径。磷酸葡萄糖酸途径或酸途径。磷酸葡萄糖酸途径或WD途径。途径。 其特点是葡萄糖不经其特点是葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环而得循环而得到彻底氧化，并能到彻底氧化，并能产生大量产生大量NADPH+H形式的还原形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。力以及多种重要中间代谢产物。总反应式为：总反应式为：6葡糖葡糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O 5葡糖葡糖-6-磷酸磷酸+12NAD
7、PH+12H+ 14HMP途径简图途径简图nC6为已糖或已糖磷酸，为已糖或已糖磷酸，C5为核酮糖为核酮糖-5-磷酸，打方框者为磷酸，打方框者为本途径中的直接产物；本途径中的直接产物；NADPH+H+必须先由转氢酶将其必须先由转氢酶将其上的氢转移到上的氢转移到NAD+上并变成上并变成NADH+H+后，才能进入呼后，才能进入呼吸链产吸链产ATP。15(1) 葡萄糖分子通过几步氧化反应产生葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸和和CO2(2) 核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸发生结构变化形成发生结构变化形成核糖核糖-5-磷酸磷酸和和木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸(3) 通过通过EMP途径转化
8、成丙酮酸而进入途径转化成丙酮酸而进入TCA循环循环进行彻底氧化进行彻底氧化HMP途径可概括为途径可概括为3个阶段个阶段16HMP途径在微生物生命活动中意义重大，主要有：途径在微生物生命活动中意义重大，主要有：. 供应合成原料供应合成原料 为核酸、核苷酸、为核酸、核苷酸、NAD（P）+、FAD（FMN）和和CoA等生物合成提供戊糖等生物合成提供戊糖-磷酸；磷酸； 途径中的赤藓糖途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料。酸）的原料。. 产还原力产还原力 产生大量产生大量NADPH形式的
9、还原力，不仅可供脂形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可通过呼吸链肪酸、固醇等生物合成之需，还可通过呼吸链产生大量能量。产生大量能量。17. 作为固定作为固定CO2的中介的中介是光能自养微生物和化能自养微生物固定是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的的重要中介（重要中介（HMP途径中的核酮糖途径中的核酮糖-5-磷酸在羧化酶磷酸在羧化酶的催化下可固定的催化下可固定CO2并形成核酮糖并形成核酮糖-1，5-二磷二磷酸。）酸。）. 扩大碳源利用范围扩大碳源利用范围为微生物利用为微生物利用C3C7多种碳源提供了必要的途径。多种碳源提供了必要的途径。. 连接连接EMP途径途径通过与通
10、过与EMP途径的连接（在果糖途径的连接（在果糖-1，6-二磷酸和二磷酸和甘油醛甘油醛-3-磷酸处）可为生物合成提供更多的戊糖。磷酸处）可为生物合成提供更多的戊糖。3. ED途径途径 ED途径途径又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。）裂解途径。 19521952年在年在嗜糖假单孢菌嗜糖假单孢菌Pseudomonas saccharophila中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。菌中分布较广）。 EDED途径可不依赖于途径可不依赖于EMPEMP和和HMPHMP途径而单独存在，是
11、途径而单独存在，是少数缺乏完整少数缺乏完整EMPEMP途径的微生物的一种替代途径，未途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。发现存在于其它生物中。ED途径过程：途径过程：葡萄糖葡萄糖 KDPG KDPG醛缩酶甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸EMP丙酮酸丙酮酸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分子分子ATP，1分子分子NADPH、1NADHED途径在革兰氏阴性菌中分布较广途径在革兰氏阴性菌中分布较广 ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP与与HMP而单独存在而单独存在 ED途径不如途径不如EMP途径经
12、济。途径经济。20ED途径简图21 ED途径的反应细节途径的反应细节 6-PG脱水酶脱水酶: 6-磷磷酸葡萄糖酸脱水酶酸葡萄糖酸脱水酶ED途径的特点：途径的特点：关键反应：关键反应：2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：催化的酶：6-磷酸葡萄糖酸脱水酶，磷酸葡萄糖酸脱水酶，KDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产：相关的发酵生产：细菌酒精发酵细菌酒精发酵优点：优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐
13、受力低。较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。23 具有一特征性反应具有一特征性反应KDPG裂解为丙酮酸和裂解为丙酮酸和3-磷磷酸甘油醛；酸甘油醛； 存在一特征性酶存在一特征性酶KDPG醛缩酶；醛缩酶； 其终产物其终产物2分子丙酮酸的来历不同，其一由分子丙酮酸的来历不同，其一由KDPG直接裂解形成，另一则由直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经磷酸甘油醛经EMP途径转途径转化而来；化而来； 产能效率低（产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。葡萄糖）。 此途径可与此途径可与EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连接，可循环相连接，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互相
14、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。好氧时与的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。ED途径的特点：途径的特点：244. TCA循环循环 n即三羧酸循环。即三羧酸循环。n是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成化、脱羧，形成CO2、H2O和和NADH2的过程。的过程。nTCA循环的总反应式：循环的总反应式：丙酮酸丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O 3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP 25TCA循环的产物循环的产物 丙酮酸在进入三羧丙酮酸在进入三羧酸循环
15、之酸循环之先要脱羧生成先要脱羧生成乙酰乙酰CoACoA，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酸再进入三羧酸循环。三羧酸循环。循环的结果是循环的结果是乙酰乙酰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。27TCA循环的特点有：循环的特点有： 氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下 运转（因运转（因NAD+和和FAD再生时需氧）；再生
16、时需氧）； 每分子丙酮酸可产每分子丙酮酸可产4个个NADH+H+、1个个FADH2和和一个一个GTP，总共相当于，总共相当于15个个ATP，因此产能效率极，因此产能效率极高；高； TCA位于一个分解代谢和合成代谢的枢纽地位，位于一个分解代谢和合成代谢的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产（如柠檬酸、苹果酸、谷氨且还与人类的发酵生产（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸、延胡索酸和琥珀酸等）紧密相关。酸、延胡索酸和琥珀酸等）紧密相关。 28TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地
17、位29(二二) 递氢与受氢递氢与受氢 n贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学能，经上贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学能，经上述述4条途径脱氢后，通过呼吸链（或电子传递链）等方条途径脱氢后，通过呼吸链（或电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。结合而释放出其中的能量。 301. 呼吸呼吸 n又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的产能方式，其特点是底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力氢（常以还原
18、力H形式存在）经完整的呼吸链又称电形式存在）经完整的呼吸链又称电子传递链（子传递链（ETC）传递，最终被外源分子氧接受，产）传递，最终被外源分子氧接受，产生了水并释放出生了水并释放出ATP形式的能量。这是一种递氢和受形式的能量。这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。高效产能方式。31n呼吸链呼吸链是指位于原核生物是指位于原核生物细胞膜细胞膜上或真核生物上或真核生物线粒体线粒体膜内的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列膜内的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子）传递体，把氢或电子从低氧化还原势
19、的氢（或电子）传递体，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分子氧或其他的化合物处逐级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使他们还原。无机、有机氧化物，并使他们还原。n在氢或电子的传递过程中，通过与在氢或电子的传递过程中，通过与氧化磷酸化氧化磷酸化反应相反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了ATP的合的合成。成。32n不论在真核生物或是原核生物中，呼吸链的主要组分不论在真核生物或是原核生物中，呼吸链的主要组分都是类似的，氢或电子的传递顺序一般为：都是类似的，氢或电子的传递顺序一般为：nNAD(P)FPFeSCoQ(
20、Q)Cyt bCyt cCyt aCyt a3 黄素蛋白 铁硫蛋白 辅酶n氧化磷酸化又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氧化磷酸化又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。的作用。 33典型的呼吸链典型的呼吸链 粗线粗线表示氢或电子通表示氢或电子通路；注意在琥珀酸脱氢路；注意在琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸为反丁烯酶催化琥珀酸为反丁烯二酸的过程中，由于该二酸的过程中，由于该酶的辅基是酶的辅基是FAD，故，故可直接越过可直接越过FP进入呼进入呼吸链氧化吸链氧化342. 无氧呼吸无氧呼吸 又称厌氧呼吸，指一
21、类呼吸链末端的又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外氢受体为外源无机氧化物源无机氧化物（少数为（少数为有机氧化物有机氧化物）的生物氧化。）的生物氧化。 特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递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或有机物受氢，并完成氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。氧化磷酸化产能反应。35 根据呼吸链末端受氢体的不同，可把无氧呼吸分成以根据呼吸链末端受氢体的不同，可把无氧呼吸分成以下多种类型。下多种类型。36 37(1) 硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸 又称反硝化作用。硝酸盐在微生物生命活动中具有又称反硝化作用。硝酸盐在微
22、生物生命活动中具有两种功能两种功能 。 在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源营养物，称为源营养物，称为同化性硝酸盐还原作用同化性硝酸盐还原作用； 在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、作为呼吸链的最终氢受体，把它还原成亚硝酸、NO、N2O直至直至N2的过程，称为的过程，称为异化性硝酸盐还原作用异化性硝酸盐还原作用，又称硝酸盐呼吸或又称硝酸盐呼吸或反硝化作用反硝化作用。 38(2) 硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸 是一类称作硫酸盐还原细菌（或反硫化细菌）的是一类称作硫酸
23、盐还原细菌（或反硫化细菌）的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末端氢受体是底物脱氢后，经呼吸链递氢，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作用相偶硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化作用相偶联而获得联而获得ATP。硫酸盐呼吸的最终产物是。硫酸盐呼吸的最终产物是H2S。 39(3) 硫呼吸硫呼吸 以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生的生物氧化作用。物氧化作用。 (4) 铁呼吸铁呼吸 在某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌中发现，其呼吸在某些专性厌氧菌和兼性厌氧
24、菌中发现，其呼吸链末端的氢受体是链末端的氢受体是Fe3+。40(5) 碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸 是一类以是一类以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同而分为两类：的无氧呼吸。根据其还原产物不同而分为两类： 其一是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，其一是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸， 其二是产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。其二是产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。 (6) 延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸 在延胡索酸呼吸中，琥珀酸是末端氢受体延胡在延胡索酸呼吸中，琥珀酸是末端氢受体延胡索酸的还原产物。索酸的还原产物。413. 发酵发酵 广义的发酵广义的发酵，
25、最早是从会不断冒泡并产生有益产，最早是从会不断冒泡并产生有益产品的一些自然现象开始的；目前泛指任何利用好品的一些自然现象开始的；目前泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。饮料的一类生产方式。 狭义发酵狭义发酵，它指在无氧等外源氢受体的条件下，它指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底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链而直接未经呼吸链而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平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的一类生物氧化反应。磷酸化产能的一类生物氧化反应。42(1) 由由
26、EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸是丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在途径的关键产物，由它出发，在不同微生物中可进入不同的发酵途径，如不同微生物中可进入不同的发酵途径，如同型酒精同型酒精发酵发酵、同型乳酸发酵同型乳酸发酵、混合酸发酵混合酸发酵、2，3-丁二醇丁二醇发酵发酵、丁酸型发酵丁酸型发酵等。等。43由丙酮酸出发的由丙酮酸出发的6条发酵途径及其相应代谢产物条发酵途径及其相应代谢产物 C6H12O62CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌
27、氧的条件下发生以及厌氧的条件下发生酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵： 当发酵液处在当发酵液处在碱性碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。酵。 原因为：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因为：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成分子乙醛间发生歧化反应，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+ 此时也由此时也由磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮担任受氢体接受担任受氢体接受3-3-磷酸甘油醛脱磷酸甘
28、油醛脱下的氢而生成下的氢而生成 - -磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经 - -磷酸甘油酯酶催化，磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。生成甘油。2葡萄糖 2甘油+乙醇+乙酸+2CO246(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，还产生凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵，称等多种产物的发酵，称异型乳异型乳酸发酵酸发酵 异型乳酸发酵的异型乳酸发酵的“经典经典”途径途径 异型乳酸发酵的双歧杆菌途径异型乳酸发酵的双歧杆菌途径 47L.mesenteroides的的“经典经典”异异型乳酸发酵途径型乳酸发
29、酵途径49(3) 通过通过ED途径进行的发酵途径进行的发酵 指细菌酒精发酵指细菌酒精发酵50(4) 由氨基酸发酵产能由氨基酸发酵产能Stickland反应反应 1934年年L.H.Stickland发现少数厌氧梭菌能利用发现少数厌氧梭菌能利用一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，经深入研究一些氨基酸兼作碳源、氮源和能源，经深入研究发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）发现其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶的氧化与一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的独特发酵方式。这种以一种氨基酸作为底物联的独特发酵方式。这种以一种氨基酸作为底物脱氢（即氢供体），
30、而以另一种氨基酸作为氢受脱氢（即氢供体），而以另一种氨基酸作为氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为体而实现生物氧化产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。此反应的产能效率很低，每分子反应。此反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产氨基酸仅产1个个ATP。 51Stickland反应反应的机制的机制52 在在Stickland反应中，反应中， 作为作为氢供体氢供体者有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬者有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等，氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等， 作为作为氢受体氢受体者主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、者主要有甘氨酸、脯氨
31、酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。 53(5) 发酵中的产能反应发酵中的产能反应 底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸键的产物。底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸键的产物。54二、自养微生物产二、自养微生物产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：化能无机自养型微生物化能无机自养型微生物光能自养型微生物光能自养型微生物55两类自养微生物固定两类自养微生物固定CO2的条件和途径的条件和途径56(一一) 化能自养微生物化能自养微生物 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A
32、TP和和H是通过是通过氧化无机底物而获得的。其产能的途径主要也是借助于氧化无机底物而获得的。其产能的途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，化能自养菌一般化能自养菌一般都是好氧菌都是好氧菌。 这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。殊呼吸。 57 与异养微生物相比，化能自养微生物的能量代谢主要有与异养微生物相比，化能自养微生物的能量代谢主要有3个特点：个特点： 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，
33、可直接或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同； 呼吸链的组分更为多样化呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分，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。 585960硝化细菌硝化细菌 硝化细菌是广泛分布于土壤和水体中的化能自养微硝化细菌是广泛分布于土壤和水体中的化能自养微生物，从生理类型来看，分为两类：生物，
34、从生理类型来看，分为两类：亚硝化细菌亚硝化细菌或或氨氧化细菌氨氧化细菌，可把，可把NH3氧化成氧化成NO2-；硝化细菌硝化细菌或或亚硝酸氧化细菌亚硝酸氧化细菌，可把，可把NO2-氧化成氧化成NO3-61亚硝化细菌在氧化氨时的质子、电子流向和亚硝化细菌在氧化氨时的质子、电子流向和ATP合成合成62光能营养型生物真核生物：藻类及其它绿色植物原核生物：蓝细菌（仅原核生物有）：光合细菌产氧不产氧(二二) 光能营养微生物光能营养微生物 641. 循环光合磷酸化循环光合磷酸化 一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制，一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制，可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸可在光
35、能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应，其特点是：化产能反应，其特点是： 电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP； 产能（产能（ATP）与产还原力）与产还原力H分别进行；分别进行； 还原力来自还原力来自H2S等无机氢供体；等无机氢供体； 不产生氧。不产生氧。65循环光合磷酸化途径66 菌绿素受日光照射后形成激发态，由它逐出电子通菌绿素受日光照射后形成激发态，由它逐出电子通过类似呼吸链的传递即经脱镁菌
36、绿素、辅酶过类似呼吸链的传递即经脱镁菌绿素、辅酶Q、细胞色、细胞色素素bc1、铁硫蛋白和细胞色素、铁硫蛋白和细胞色素c2的循环式传递，重新被的循环式传递，重新被菌绿素接受，其间建立了菌绿素接受，其间建立了质子动势质子动势和产生了一个和产生了一个ATP。此循环还有另一个功能，即在供应此循环还有另一个功能，即在供应ATP条件下，能使条件下，能使外源氢供体（外源氢供体（H2S、H2、有机物）逆电子流产还原力，、有机物）逆电子流产还原力，并由此使光合磷酸化与固定并由此使光合磷酸化与固定CO2的的Calvin循环相联接。循环相联接。 具有循环光合磷酸化的生物，都是属于原核生物真具有循环光合磷酸化的生物，
37、都是属于原核生物真细菌中的细菌中的光合细菌光合细菌。都是厌氧菌都是厌氧菌，分类在，分类在红螺菌目红螺菌目，特点是进行不产氧光合作用，即不能利用特点是进行不产氧光合作用，即不能利用H2O作为还原作为还原CO2时的氢供体，而能利用还原态无机物（时的氢供体，而能利用还原态无机物（H2S、H2）或有机物作还原或有机物作还原CO2的氢供体。的氢供体。672. 非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化 这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生光能产生ATP的磷酸化反应。特点为：的磷酸化反应。特点为： 电子的传递途径属非循环式的；电子的传递途径属非循环式的； 在有
38、氧条件下进行；在有氧条件下进行； 有有PS和和PS2个光合系统，个光合系统，PS含叶绿素含叶绿素a,反应中心的吸收光波为反应中心的吸收光波为“P700”，有利于红光吸收，有利于红光吸收，PS含叶绿素含叶绿素b，反应中心的吸收光波为，反应中心的吸收光波为“P680”，有利于蓝光吸收；有利于蓝光吸收； 反应中可同时产反应中可同时产ATP（产自（产自PS）、还原力）、还原力H （产自（产自PS）和）和O2（产自（产自PS）；）； 还原力还原力NADPH2中的中的H来自来自H2O分子的光解产分子的光解产物物H+和电子。和电子。68非循环光合磷酸化途径693. 嗜盐菌紫膜的光介导嗜盐菌紫膜的光介导ATP
39、合成合成 嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而从而在膜两侧建立一个质子动势在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动，再由它来推动ATP酶合成酶合成ATP，此即光介导，此即光介导ATP合成。合成。 嗜盐菌是一类必须在高盐环境中才能正常生长的古嗜盐菌是一类必须在高盐环境中才能正常生长的古生菌，广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。生菌，广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。 红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等
40、用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分，一般称磷酸化反应的呼吸链载体成分，一般称“红膜红膜”。紫紫膜由称作细菌视紫红质的蛋白质（占膜由称作细菌视紫红质的蛋白质（占75%）和类脂）和类脂（占（占25%）组成）组成，前者与人眼视网膜上柱状细胞中所，前者与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种功能相似的蛋白含的一种功能相似的蛋白视紫红质十分相似，两视紫红质十分相似，两者都以者都以紫色的视黄醛紫色的视黄醛作辅基。作辅基。70n嗜盐菌的紫膜及其光合磷酸化示意图四能量转换四能量转换化能营养型化能营养型光能营养型光能营养型底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化通过通过光合磷酸化光合磷酸化将光能转变为将光能转
41、变为化学能储存于化学能储存于ATP中中1、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation） 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ATP或GTP的合成。2、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）3、光合磷酸化（photophosphorylation）ATP的的合合成成有氧无氧微微生生物物光照黑暗光照黑暗光光合合细细菌菌+绿绿藻藻+兼兼性性厌厌氧氧菌菌（E. coli）+盐盐生生盐盐杆杆菌菌+四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成 实验发现，在波长为550-600 nm的光照下，嗜盐菌ATP
42、的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。76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 n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代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。 77二、代谢物回补顺序 n所谓所谓代谢物回补顺序代谢物回补顺序，又称，又称代谢物补偿途径代谢物补偿途径或或添补途径添补途径，是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。谢物的那些反应。n原因：微生物在正常情况下，为进行生长、繁殖的需要，原因：微生物在正常情况下
43、，为进行生长、繁殖的需要，必须从各分解代谢途径中抽取大量中间代谢物以满足其必须从各分解代谢途径中抽取大量中间代谢物以满足其合成细胞基本物质合成细胞基本物质糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必造成了分解代肪酸和维生素等的需要。这样一来，势必造成了分解代谢不能正常运转并进而影响产能的严重后果，例如，在谢不能正常运转并进而影响产能的严重后果，例如，在TCA循环中，若因合成谷氨酸的需要而抽走了循环中，若因合成谷氨酸的需要而抽走了-酮戊二酮戊二酸，就会使酸，就会使TCA循环中断。循环中断。 78二、代谢物回补顺序n以以EMP和和TCA循循环为中心环
44、为中心的若干重的若干重要中间代要中间代谢物的回谢物的回补顺序补顺序79n微生物所特有的微生物所特有的乙醛酸循环乙醛酸循环，又称，又称乙醛酸支路乙醛酸支路。有两。有两个关键酶个关键酶异柠檬酸裂合酶（异柠檬酸裂合酶（ICL）和苹果酸合酶）和苹果酸合酶（MS）。）。 n乙醛酸循环的总反应为：乙醛酸循环的总反应为：2丙酮酸丙酮酸琥珀酸琥珀酸+2CO2 80乙醛酸循环简图81第三节 微生物独特合成代谢途径举例 n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和光合磷酸化中获取的能
45、量主要用于CO2的固定。的固定。其途径有四条：其途径有四条： Calvin循环循环 厌氧乙酰厌氧乙酰-CoA途径途径 逆向逆向TCA循环途径循环途径 羟基丙酸途径。羟基丙酸途径。 82(一) Calvin循环 n核酮糖二磷酸羧化酶核酮糖二磷酸羧化酶和和磷酸核酮糖激酶磷酸核酮糖激酶是本途径的两是本途径的两种特有的酶。种特有的酶。n利用利用Calvin循环进行循环进行CO2固定的生物包括固定的生物包括: 绿色植物、蓝细菌、多种光合细菌、绿色植物、蓝细菌、多种光合细菌、 硫细菌、铁细菌和硝化细菌。硫细菌、铁细菌和硝化细菌。 83n本循环分本循环分3个阶段：个阶段：(1) 羧化反应羧化反应(2) 还原
46、反应还原反应(3) CO2受体的再生受体的再生n以产生以产生1个葡萄糖分子来计算，则个葡萄糖分子来计算，则Calvin循环的总式为：循环的总式为： 6CO2+12NAD(P)H2+18ATP C6H12O6+12NAD(P)+18ADP+18Pi 84Calvin循环8586(二) 厌氧乙酰-CoA途径 n非循环式的非循环式的CO2固定固定;n利用厌氧乙酰利用厌氧乙酰-CoA途径进行途径进行CO2固定的生物包括固定的生物包括: 乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。总反应为：总反应为：4H2+2CO2 CH3COOH+2H2On反应中的关键酶是反应中的关键酶是CO脱氢
47、酶脱氢酶 87CO2的固定：厌氧乙酰的固定：厌氧乙酰-CoA途径途径甲基四氢叶酸甲基四氢叶酸88(三) 逆向TCA循环 n绿色硫细菌n特殊酶：依赖于ATP的柠檬酸裂合酶 89CO2的固定：逆向的固定：逆向TCA循环循环 90(四) 羟基丙酸途径 n少数绿色硫细菌在以少数绿色硫细菌在以H2或或H2S作电子供体进行自养生作电子供体进行自养生活时所特有的一种活时所特有的一种CO2固定机制。固定机制。n总反应是：总反应是： 2CO2+4H+3ATP 草酰乙酸草酰乙酸 关键步骤是羟基丙酸的产生。关键步骤是羟基丙酸的产生。 91CO2的固定：羟基丙酸途径的固定：羟基丙酸途径 92二 、生物固氮 n生物固氮
48、是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催生物固氮是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。固氮能力。n固氮微生物类型：固氮微生物类型： 自生固氮菌自生固氮菌 共生固氮菌共生固氮菌 联合固氮菌联合固氮菌 93(一) 固氮微生物 n1. 自生固氮菌自生固氮菌 94n2. 共生固氮菌共生固氮菌）豆科植物根瘤豆科植物根瘤96n3. 联合固氮菌联合固氮菌 97(二二) 固氮的生化机制固氮的生化机制 n1. 生物固氮反应的生物固氮反应的6要素要素(1) ATP的供应的供应N2还原成还原成2NH3时消耗大量时消耗
49、大量ATP（N2：ATP=1：18-24）(2) 还原力还原力H及其传递载体及其传递载体以以NAD（P）H+H+的形式提供。的形式提供。电子载体铁氧还蛋白（电子载体铁氧还蛋白（Fd）黄素氧还蛋白（）黄素氧还蛋白（Fld）(3) 固氮酶固氮酶复合蛋白复合蛋白,由由固二氮酶固二氮酶和和固二氮还原酶固二氮还原酶两种蛋白构成。两种蛋白构成。(4) 还原底物还原底物N2(5) 镁离子镁离子(6) 严格的厌氧微环境（详后）严格的厌氧微环境（详后） 98固氮酶两个组分的比较固氮酶两个组分的比较比较项目 固二氮酶（组分） 固二氮酶还原酶（组分） 蛋白亚基数 4（2大2小） 2（相同） 相对分子质量 22万左右
50、 6万左右 Fe原子数 30（24-32） 4 不稳态S原子数 28（20-32） 4 Mo原子数 2 0 Cys的SH基 32-34 12 活性中心 铁钼辅因子 电子活化中心（Fe4S4） 功能 络合、活化和还原N2 传递电子到组分上 对O2敏感性 较敏感 极敏感 99n2. 测定固氮酶活力的乙炔还原法测定固氮酶活力的乙炔还原法n催化催化 N2 NH3 2H+2e- H2 C2H2（乙炔）（乙炔） C2H4（乙烯）（乙烯）这两种气体量的微小变化也能用气相色谱仪检测出来。这两种气体量的微小变化也能用气相色谱仪检测出来。乙炔还原法灵敏度高，设备较简单、成本低廉，操乙炔还原法灵敏度高，设备较简单、
