1、第五章第五章 微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢（新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞中的各种简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢分解代谢（catabolismcatabolism）和和合成代谢（合成代谢（anabolismanabolism）的总的总和和分解代谢分解代谢 是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（简单分子、腺苷三磷酸（ATPATP）形式的）形式的能量和还原力能量和还原力（或称还原当量，一般用（或称还原当量，一般用HH来表示）来表示）的作用；的作用；合成代谢合成代谢初级
2、代谢：初级代谢：营养物质转变为机体的结构物质或对营养物质转变为机体的结构物质或对机体具有生理活性作用的物质或为机体生长提供机体具有生理活性作用的物质或为机体生长提供能量的一类代谢类型。能量的一类代谢类型。次级代谢：次级代谢：存在于某些生物中并在它们的一定生存在于某些生物中并在它们的一定生长时期出现的一类代谢类型。长时期出现的一类代谢类型。第一节第一节 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的核心问题能量代谢是新陈代谢的核心问题最初能源最初能源有机物有机物化能异养菌化能异养菌日日 光光光能营养菌光能营养菌无机物无机物化能自养菌化能自养菌通用能源通用能源（ATP）一、化能异养微生物的生
3、物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或生物氧化的过程可分脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段电子）和受氢（或电子）三个阶段生物氧化的功能则有产能（生物氧化的功能则有产能（ATPATP）、产还原力）、产还原力HH和产小分子中间代谢物三种和产小分子中间代谢物三种 （有氧（有氧)呼吸呼吸生物氧化的类型：生物氧化的类型：无氧呼吸无氧呼吸 发酵发酵（一）、底物脱氢的四条主要途径（一）、底物脱氢的四条主要途径 每条途径既有脱氢、产能的功能，又
4、有产多种形每条途径既有脱氢、产能的功能，又有产多种形式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能式小分子中间代谢物以供合成反应作原料的功能 HMP1.EMP途径（途径（Embdem-Meyerhof-Parnas Pathway）EMPEMP途径又称糖酵解途径（途径又称糖酵解途径（glycolysisglycolysis）或己糖）或己糖二磷酸途径（二磷酸途径（hexosediphosphatehexosediphosphate pathway pathway）可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（NADHNADHH H+、丙酮酸和、丙酮酸和ATPATP
5、）和）和1010个反应步骤个反应步骤 己糖激酶己糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶果糖二磷酸醛缩酶果糖二磷酸醛缩酶丙糖磷酸丙糖磷酸异构酶异构酶甘油醛甘油醛-3-磷磷酸脱氢酶酸脱氢酶磷酸甘油磷酸甘油酸激酶酸激酶磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶变位酶烯醇烯醇酶酶丙酮酸激丙酮酸激酶酶磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮EMP途径途径 2NADH2NADHH H+在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反在有氧条件下可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生应产生6ATP6ATP，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或，在无氧条件下，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物还原丙酮酸的脱羧产物乙醛而产生乙醇乙
6、醛而产生乙醇 底物水平磷酸化底物水平磷酸化是指底物在氧化过程中产生某些比是指底物在氧化过程中产生某些比ATPATP水解时放出更水解时放出更多自由能的高能化合物中间体，这种高能化合物多自由能的高能化合物中间体，这种高能化合物可以将键能交给可以将键能交给ADPADP使之磷酸化，产生使之磷酸化，产生ATPATP。EMPEMP途径：途径：1 1，3-3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸生理功能与特点生理功能与特点F 供应供应ATPATP形式的能量和形式的能量和NADHNADH2 2形式的还原力；形式的还原力；F 连接其他几个重要代谢途径的桥梁；连接其他几个重要代谢途径的桥梁；
7、F 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；F 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；F 整个整个EMPEMP途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄途径的产能效率是很低的，即每一个葡萄糖分子仅净产糖分子仅净产2 2个个ATPATP。2 2、HMPHMP途径途径(hexosemonophosphate(hexosemonophosphate pathway)pathway)已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径途径.(.(碳架重排途径碳架重排途径)这是一条葡萄糖不经这是一条葡萄糖不经EMPEMP途径和途径和TCATCA途途径而得到
8、彻底氧化，并能产生大量径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPHNADPHH H+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。谢途径。无氧参与无氧参与HMPHMP途径途径总式总式6 ATP 12NADPH+H+呼吸链呼吸链 36ATP 35ATP6C6 6C5 5C6 6CO2HMPHMP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；产生大量的产生大量的NADPHNADPH2 2形式的还原剂；形式的还原剂；通过通过EMPEMP途径与本途径在果糖途径与本途径在果糖-1-1，6-6-二磷酸和甘油二磷酸和
9、甘油醛醛-3-3-磷酸处的连接来加以调剂对戊糖的需要；磷酸处的连接来加以调剂对戊糖的需要；作为自养微生物固定作为自养微生物固定COCO2 2的中介（的中介（CalvinCalvin循环）；循环）；由于在反应中存在着由于在反应中存在着C C3 3C C7 7的各种糖，使具有的各种糖，使具有HMPHMP途径的微生物的碳源利用范围更广；途径的微生物的碳源利用范围更广；通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核通过本途径而产生的重要发酵产物很多，例如核苷酸、若干氨基酸。苷酸、若干氨基酸。3 3、EDED途径（途径（Entner-DoudoroffEntner-Doudoroff pathway pat
10、hway）又称为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。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。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。在在EDED途径中的关键反应是途径中的关键反应是2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷磷酸葡萄糖酸酸葡萄糖酸的裂解的裂解 。EDED途径利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效途径利用葡萄糖的反应步骤简单，产能效率低（率低（1 1分子葡萄糖仅产分子葡萄糖仅产1 1分子分子ATPATP，仅为，仅为EMPEMP途径途径之半），之半），反应中有一个反应中有一个6 6碳的关
11、键中间代谢物碳的关键中间代谢物KDPG KDPG（2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸），磷酸葡萄糖酸），两分两分子丙酮酸来源不同。子丙酮酸来源不同。所产生的丙酮酸对微好氧菌可脱羧成乙醛，所产生的丙酮酸对微好氧菌可脱羧成乙醛，乙醛进一步被乙醛进一步被NADHNADH2 2还原为乙醇，称作还原为乙醇，称作细菌酒精发细菌酒精发酵。酵。EDED途径途径细菌酒精发酵细菌酒精发酵优点：l代谢速率高；l产物转化率高；l菌体生成量少；l代谢副产物少；l发酵温度高；l不定期供氧。缺点：l生长pH较高，易污染杂菌；l对乙醇的耐受力较低。意义：意义：EDED途径是少数缺途径是少数缺乏完整乏完整EM
12、PEMP途径的微生途径的微生物所具有的一种替代物所具有的一种替代途径；途径；通过与通过与EMPEMP途径、途径、HMPHMP途径和途径和TCATCA循环等循环等代谢途径相连，相互代谢途径相连，相互协调满足微生物对能协调满足微生物对能量、还原力和不同中量、还原力和不同中间代谢物的需要。间代谢物的需要。4 4、三羧酸循环（、三羧酸循环（tricarboxylicacidtricarboxylicacid cycle cycle）又称又称TCATCA循环循环 它在绝大多数异养微生物的氧化性（呼吸）代谢它在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中起着关键性的作用 在原核生物例如细菌中
13、，大多数在原核生物例如细菌中，大多数TCATCA循环酶都存循环酶都存在于细胞质内。在于细胞质内。TCA循环的特点循环的特点l 必须在有氧条件下进行；l 产能效率极高（15ATP）；l 位于分解代谢和合成代谢的枢纽地位。（二）、递氢和受氢（二）、递氢和受氢 根据递氢特别是受氢过程中根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质氢受体性质的不同，的不同，可以把生物氧化区分成可以把生物氧化区分成呼吸（有氧呼吸）、呼吸（有氧呼吸）、无氧呼无氧呼吸吸和和发酵发酵三种类型三种类型 1、呼吸（、呼吸（respiration）最普遍和最重要的生物氧化方式 其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的其特点是底物按常规方式脱氢后
14、，经完整的呼吸链（又称电子传递链）递氢，最终由分子氧呼吸链（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。接受氢并产生水和释放能量。呼吸链呼吸链定义：定义：是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒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呈梯度差的、链体膜上的、由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢（或电子）传递体。状排列的氢（或电子）传递体。功能：功能：l 把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递到高把氢或电子从低氧化还原势的化合物处传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。并使它们还原。l
15、 在氢或电子的传递过程中，在氢或电子的传递过程中，通过与通过与氧化磷酸化氧化磷酸化反反应相偶联，就可产生应相偶联，就可产生ATPATP形式的能量。形式的能量。氧化磷酸化氧化磷酸化 又称电子传递磷酸化：呼吸链的递氢（或电又称电子传递磷酸化：呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶连并产生子）和受氢过程与磷酸化反应相偶连并产生ATPATP的的作用。作用。氧化磷酸化产生氧化磷酸化产生ATP的机制的机制 化学渗透学说化学渗透学说化学渗透学说（化学渗透学说（chemiosmoticchemiosmotic hypothesis hypothesis）形成质子梯度差形成质子梯度差 通过呼吸链酶系的
16、作用，将底物分子上的质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子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜的两侧分布的不均衡，的两侧分布的不均衡，这种梯度差是产生这种梯度差是产生ATPATP能量能量的来源的来源；ATP能量的产生能量的产生 可通过可通过ATPATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧酶的逆反应，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，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ATPATP。呼吸链的组成呼吸链的组成 组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，组成呼吸链的氢或电子的载体，除醌类外，都是一些含有辅酶或
17、辅基的酶。都是一些含有辅酶或辅基的酶。每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其每种辅酶或辅基在氧化与还原条件下，都有其特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定特定的吸收光谱值，因此可通过分光光度计来确定呼吸链的组分及其所处的状态。呼吸链的组分及其所处的状态。呼吸链的主要组分都是类似的，一般为NADNAD（P P）FP FeFP FeS CoQ Cyt b CytS CoQ Cyt b Cyt c c Cyt a Cyt Cyt a Cyt a a3 3 NADNAD和和NADPNADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADNAD）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
18、磷酸（NADPNADP）某些脱氢酶含有某些脱氢酶含有NADNAD+或或NADPNADP+形式的辅酶，能形式的辅酶，能从还原性底物上移出从还原性底物上移出1 1个氢离子（质子）和个氢离子（质子）和2 2个电个电子，而变成还原态的子，而变成还原态的NADNAD（P P）H+HH+H+。FADFAD和和FMNFMN 黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FADFAD）黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（FMNFMN）FADFAD和和FMNFMN是一类称为黄素蛋白（是一类称为黄素蛋白（FPflavoproteinFPflavoprotein）的脱氢酶的辅基的脱氢酶的辅基 FADFAD（FMN FMN）+2H
19、 =FADH+2H =FADH2 2（FMNHFMNH2 2）Fe-SFe-S 铁硫蛋白（铁硫蛋白（Fe-SFe-S）这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫的这类小分子蛋白的辅基是其分子中含铁硫的中心部分；中心部分；铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，铁硫蛋白存在于呼吸链的几种酶复合体中，参与膜上的参与膜上的电子传递电子传递；在呼吸链中的在呼吸链中的“2Fe+2S”2Fe+2S”中心每次仅能传递中心每次仅能传递一个电子。一个电子。泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q Q）一类脂溶性的氢载体；一类脂溶性的氢载体；广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上
20、；的细胞膜上；在呼吸链中的功能是在呼吸链中的功能是传递氢传递氢；在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多在呼吸链中，醌类的含量比其他组分多10101515倍；倍；其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢（还原力氢（还原力HH）的作用，然后再将它们传递给细）的作用，然后再将它们传递给细胞色素系统。胞色素系统。细胞色素系统细胞色素系统 细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是细胞色素系统位于呼吸链的后端，它们的功能是传递电子传递电子而不是传递氢；而不是传递氢；它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质它们只从泛醌中接受电子，同时将同等数目的质子推到线粒
21、体膜（真核生物）或细胞膜（原核生子推到线粒体膜（真核生物）或细胞膜（原核生物）外的溶液中；物）外的溶液中；细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成细胞色素按其吸收光谱和氧还电位的差别可分成多种类型，如多种类型，如cyt.acyt.a，cyt.a3cyt.a3，cyt.bcyt.b，cyt.ccyt.c和和cyt.ocyt.o等；等；它们都有它们都有血红素血红素作为辅基，而血红素则通过其分作为辅基，而血红素则通过其分子中心子中心铁原子铁原子的价电荷的变化而传递电子；的价电荷的变化而传递电子；细胞色素细胞色素a a3 3即即细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，它是许多微生物，它是许多微生物的末端氧化酶
22、，能催化的末端氧化酶，能催化4 4个电子还原氧的反应，从个电子还原氧的反应，从而把氧分子激活。而把氧分子激活。P/O比（比（ATPmol/Omol）表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。表示呼吸链氧化磷酸化效率的高低。例：例：以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由以异柠檬酸或苹果酸为底物时，动物线粒体能由2H2H产生产生3ATP3ATP，P/OP/O比为比为3 3；以琥以琥珀珀酸为底物时，其脱氢酶辅基是酸为底物时，其脱氢酶辅基是FPFP，2H2H只产只产生生2ATP2ATP，P/OP/O比为比为2 2。ATP synthase原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主要特点原核生物细胞膜上的呼吸链有几个主
23、要特点（1）氧还载体的取代性强：如Cyt.a3可被Cyt.aa3、Cyt.o或Cyt.d所取代等；（2）氧还载体的数量可增可减，如E.coli的细胞色素就有9种以上；（3）有分支呼吸链的存在：呼吸链后端细胞色素系统中就有许多分支类型。2 2、无氧呼吸（、无氧呼吸（anaerobic respirationanaerobic respiration）又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。特点是底物经常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。硝酸盐呼吸（硝酸盐呼吸（nitraterespirationnitratere
24、spiration）NONO3 3-+2H+2H+2e+2e-NO NO2 2-+H+H2 2O NO N2 2 又称反硝化作用（又称反硝化作用（denitrificationdenitrification）能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物。能进行硝酸盐呼吸的都是一些兼性厌氧微生物。硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能 ：l一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用；一是在有氧或无氧条件下所进行的同化性硝酸盐还原作用；l二是在无氧条件下，微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢二是在无氧条件下，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
25、酸、受体，把它还原成亚硝酸、NONO、N N2 2O O、直至、直至N N2 2的过程，称为异化的过程，称为异化性硝酸盐还原作用，也称硝酸式盐呼吸。性硝酸盐还原作用，也称硝酸式盐呼吸。硫酸盐呼吸（硫酸盐呼吸（sulfaterespirationsulfaterespiration）把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸。受体的一种厌氧呼吸。这是一种异化性的硫酸盐还原作用。这是一种异化性的硫酸盐还原作用。硫酸盐还原的最终产物是硫酸盐还原的最终产物是H H2 2S S，自然界中的大，自然界中的大多数多数H H2 2S S是由这一反应产生的。是
26、由这一反应产生的。例：脱硫弧菌例：脱硫弧菌 2 2乳酸乳酸+H+H2 2SO4 2SO4 2乙酸乙酸+2CO+2CO2 2+2H+2H2 2O+HO+H2 2S S 硫酸盐还原细菌往往是一些专性厌氧菌。硫酸盐还原细菌往往是一些专性厌氧菌。硫呼吸（硫呼吸（sulphurrespirationsulphurrespiration）一种无氧呼吸类型。一种无氧呼吸类型。其过程为：无机硫作为无氧呼吸链的最终氢其过程为：无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成受体，结果硫被还原成H H2 2S S。碳酸盐呼吸（碳酸盐呼吸（carbonate respirationcarbonate respira
27、tion）以以COCO2 2或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受或重碳酸盐作为无氧呼吸链的末端氢受体的无氧呼吸；体的无氧呼吸；l 一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸l 另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸延胡索酸呼吸（延胡索酸呼吸（fumaratefumarate respiration respiration）延胡索酸作为无氧呼吸链的末端氢受体，琥延胡索酸作为无氧呼吸链的末端氢受体，琥珀酸是延胡索酸的还原产物。珀酸是延胡索酸的还原产物。3、发酵（、发酵（fermentation）在发酵工业上在发酵工业上 发酵是指任何利用
28、好氧或厌氧微生物来生产发酵是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。有用代谢产物的一类生产方式。在生物氧化或能量代谢中在生物氧化或能量代谢中 发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产发酵仅是指在无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力生的还原力HH不经过呼吸链传递而直接交给某一不经过呼吸链传递而直接交给某一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。由由EMPEMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵 由酿酒酵母进行的酵母型酒精发酵由酿酒酵母进行的酵母型酒精发酵 由德氏乳杆菌等进行的同型乳酸发酵由德氏乳杆菌等进行的同型乳酸发酵 谢氏
29、丙酸杆菌进行的丙酸发酵谢氏丙酸杆菌进行的丙酸发酵 E Ecolicoli等进行的混合酸发酵等进行的混合酸发酵 产气肠杆菌等进行的产气肠杆菌等进行的2 2，3-3-丁二醇发酵丁二醇发酵 各种厌氧梭菌所进行的丁酸型发酵各种厌氧梭菌所进行的丁酸型发酵 大肠杆菌：产气气杆菌：V.P.试验阳性甲基红试验阴性V.P.试验阴性甲基红试验阳性通过通过HMPHMP途径的发酵途径的发酵 异型乳酸发酵异型乳酸发酵（heterolactic fermentation）凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和和COCO2 2等多种产物的发酵称异型乳酸发酵；等多种产物的发酵称异型乳酸
30、发酵；一些异型发酵乳酸杆菌因缺乏一些异型发酵乳酸杆菌因缺乏EMPEMP途径中的途径中的若干重要酶若干重要酶醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖醛缩酶和异构酶，因此其葡萄糖的降解完全依赖的降解完全依赖HMPHMP途径。途径。Leuconostoc mesenteroidsLeuconostoc mesenteroids（肠膜明串珠菌）（肠膜明串珠菌）的发酵途径的发酵途径经典途径：经典途径：l 葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和葡萄糖发酵产物为乳酸、乙醇和COCO2 2；l 核糖的发酵产物为乳酸和乙酸；核糖的发酵产物为乳酸和乙酸；l 果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、果糖的发酵产物为乳酸、乙酸、COCO2 2和甘露醇
31、。和甘露醇。核糖核糖双歧杆菌途径（双歧杆菌途径（Bifidobacterium bifidumBifidobacterium bifidum）双歧杆菌可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸双歧杆菌可把葡萄糖发酵为乳酸和乙酸（2 2葡萄糖葡萄糖22乳酸乳酸+3+3乙酸乙酸+5ATP+5ATP）乳酸发酵乳酸发酵 同型乳酸发酵反应式为：同型乳酸发酵反应式为：C6H12O62ADP2CH3CHOHCOOH2ATP 异型乳酸发酵反应式为：异型乳酸发酵反应式为：C6H12O2ADPCH3CHOHCOOHC2H5OHCO2ATP 同型乳酸发酵是将同型乳酸发酵是将1 1分子葡萄糖转化为分子葡萄糖转化为2 2分子乳酸，分子
32、乳酸，消耗能量少；消耗能量少；而异型乳酸发酵是将而异型乳酸发酵是将1 1分子葡萄糖转化为乳酸、乙醇分子葡萄糖转化为乳酸、乙醇及二氧化碳各及二氧化碳各1 1分子，因而消耗能量较多。分子，因而消耗能量较多。通过通过EDED途径进行的发酵途径进行的发酵 通过ED途径的发酵就是指细菌的酒精发酵。酒精发酵已有三个类型：l通过EMP途径的酵母酒精发酵；l通过HMP途径（异型乳酸发酵）的细菌酒精发酵；l通过ED途径的细菌酒精发酵。氨基酸发酵产能氨基酸发酵产能SticklandStickland反应反应 其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨酸等）的氧化与另一些氨基酸（如甘
33、氨酸等）的还原相的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式偶联的发酵方式 。这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基这种以一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基 酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称SticklandStickland反应。反应。SticklandStickland反应的产能效率很低，每分子氨反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产基酸仅产1 1个个ATP ATP。发酵中的产能反应发酵中的产能反应 仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下仅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，其产能方式只是通过底物的一种生物氧化形式，其产能方式
34、只是通过底物水平的磷酸化，因而产能效率很低。水平的磷酸化，因而产能效率很低。底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸的产底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸的产物。物。异养微生物和自养微生物生物氧化的本质是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶联。它们生命活动中最重要的反应就是把CO2先还原成CH2O水平的简单有机物，然后再进一步合成复杂的细胞成分，这是一个大量耗能和耗还原力H的过程。二、自养微生物产二、自养微生物产ATPATP和还原力和还原力（一）化能自养微生物（一）化能自养微生物还原还原CO2所需要的所需要的ATP和和H是通过氧化无机物而获得的是通过氧化无机物而获得的N
35、H4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等等呼吸链的氧化磷酸化反应呼吸链的氧化磷酸化反应硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自养类型等属于化能自养类型 绝大多数化能自养菌是好氧菌；少数可进行厌氧生活的化能自养菌，是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸。在所有还原态的无机物中，除了H2的氧化还原电位比NAD+NADH对较低外，其余都明显高于它。因此，在各种无机底物氧化时，都必须以其相应的位置进入呼吸链。化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点：l 无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；l 呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链；l 产能效率
36、即PO比一般要比异养微生物更低。1 1、硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）、硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）硝化细菌的能量代谢 NO2-NO3-中只涉及2个电子的传递,氧来自水分子而非空气。由于NO2-的氧化还原电位很高，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。对CO2还原需要的大量还原力H是通过H+e的逆呼吸链传递并消耗大量ATP后才能形成。2、硫细菌的能量代谢、硫细菌的能量代谢 硫杆菌一般并不存在底物水平的磷酸化；硫杆菌一般并不存在底物水平的磷酸化；S+OS+O2 2+H+H2 2O SOO SO4 42-2-+2H+2H+2e
37、+2e-氧化无机硫化物的主要方式是通过呼吸链的氧氧化无机硫化物的主要方式是通过呼吸链的氧化磷酸化途径。化磷酸化途径。呼吸链的组成基本上与线粒体相似呼吸链的组成基本上与线粒体相似 （二）光能营养微生物（二）光能营养微生物光合色素光合色素主要色素主要色素辅助色素辅助色素细菌叶绿素：光合细菌细菌叶绿素：光合细菌叶绿素：蓝细菌叶绿素：蓝细菌类胡萝卜素类胡萝卜素藻胆色素藻胆色素（二）光能营养微生物（二）光能营养微生物光能营养微生物光能营养微生物产氧产氧不产氧不产氧真核生物：藻类真核生物：藻类原核生物：蓝细菌原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌真细菌：光合细菌古细菌：嗜盐菌古细菌：嗜盐菌光合磷酸化(photo
38、phosphorylation)循环式光合磷酸化环式光合磷酸化 非非循环式光合磷酸化环式光合磷酸化 嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用光合磷酸化光合磷酸化:由光能引起叶绿素（菌绿素）分子逐出由光能引起叶绿素（菌绿素）分子逐出电子，并通过电子传递来产生电子，并通过电子传递来产生ATPATP的方式。的方式。循环光合磷酸化（循环光合磷酸化（Cyclic PhotophosphorylationCyclic Photophosphorylation）厌氧光合细菌是一群典型的水生菌，广泛地厌氧光合细菌是一群典型的水生菌，广泛地分布于深层（缺氧的）淡水或海水中分布于深层（缺氧的）淡水或海水中 循环光
39、合磷酸化循环光合磷酸化 一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的利用光能产生成的利用光能产生ATPATP的磷酸化反应。的磷酸化反应。特点是：在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；产ATP与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等的无机氢供体；不产生氧。非循环光合磷酸化(Noncyclic Photo phosphorylation)各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点是：电子的传递途径属非循环式的；在有氧条件下进行；有两个光合系统，其中的色素系统（含叶绿素a）可以利
40、用红光，色素系统（含叶绿素b）可利用蓝光；反应中同时有ATP（产自系统）、还原力H（产自系统）和O2产生；还原力NADPH2中的H是来自H2O分子光解后的H+和e-嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用 嗜盐菌广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品嗜盐菌广泛分布在盐湖、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。上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。参与的独特的光合作用。嗜盐菌嗜盐菌细胞膜细胞膜红色部分（红膜）红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）紫色部分（紫膜）主要含
41、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体酸化的呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径约在膜上呈斑片状（直径约0.5 m mm）独立分布，其）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。组成。嗜盐菌紫膜的光合作用 嗜盐菌可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧嗜盐菌可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。化磷酸化途径，另一条是有光存在下的某种光合磷酸化途径。细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）占紫膜75的是一种称作细菌视紫红质的蛋
42、白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质视紫红质（rhodopsin）十分相似。实验发现，在波长为实验发现，在波长为550-600 nm550-600 nm的光照下，嗜的光照下，嗜盐菌盐菌ATPATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。菌视紫红质的吸收光谱相一致。细菌视紫红质，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，将产生的H+推出细胞膜外，使紫膜内外造成一个质子梯度差驱使ATP合成酶合成ATP。紫膜的光合磷酸化发现的意义紫膜的光合磷酸化发现的意义能更深刻认识光合作用的机制；验证化学渗透学说的绝好实验模型；是生命科学领域基
43、础理论的重大突破。第二节第二节 分解代谢和合成代谢间的联系分解代谢和合成代谢间的联系 一、兼用代谢途径（amphibolic pathway）凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，就称兼用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环是重要的兼用代谢途径 注意：在兼用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转；在分解与合成代谢途径中，在相应的代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物；在真核生物中，合成代谢和分解代谢一般在细胞的不同区域中分隔进行。原核生物因其细胞结构上的间隔程度低，故反应的控制主要在简单的酶分子水平上进行。二、代谢物回补顺序（anaplerotic sequence）指能补充兼
44、用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。当重要产能途径中的关键中间代谢物必须被大量用作生物合成的原料时，仍可保证能量代谢的正常进行。与EMP和TCA循环有关的回补顺序约有10条，它们都围绕着回补EMP途径中的磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（oxaloacetate，OA）这两种关键性中间代谢物。乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）用乙酸等2碳化合物作碳源合成OA；此回补顺序主要是通过两种独特酶来实现的：异柠檬酸裂合酶异柠檬酸裂合酶和苹果酸合酶苹果酸合酶 异柠檬酸裂合酶（isocitratelyase）催化异柠檬酸裂解成
45、琥珀酸和乙醛酸的反应：乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）乙醛酸循环（glyoxy-latecycle）苹果酸合酶，它催化2个2碳化合物乙酰-CoA和乙醛酸缩合为苹果酸的反应：微生物所特有的合成代谢类型的种类很多，例如生物固氮，细胞壁肽聚糖、各种结构大分子、细胞贮藏物和很多次生代谢产物的生物合成等。第三节 微生物独特合成代谢途径举例固定的途径：lCalvin循环l厌氧乙酰辅酶A途径l还原性三羧酸循环途径l羟基丙酸途径一、自养微生物的CO2固定（一）、（一）、CalvinCalvin循环（循环（CalvincycleCalvincycle）又称为核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖循环。这一途
46、径是光能自养生物和化能自养生物生物固定CO2的主要途径。磷酸核酮糖激酶和核酮糖羧化酶是本途径的特有酶。（2）还原反应 3-磷酸甘油酸上羟基还原成醛基的反应。这种转化是经过逆向EMP途径进行的形成1个甘油醛-3-磷酸分子需要消耗6个ATP和6个NAD（P）H2Calvin循环的整个过程可分三个阶段：（1）羧化反应（3）CO2受体的再生 净产的1个甘油醛-3-磷酸，并可进一步通过EMP途径的逆转而形成葡萄糖分子。其余5个甘油醛-3-磷酸分子经过复杂的反应并消耗3个ATP后，最终再生出3个核酮糖-1，5-二磷酸分子，以便重新接受CO2分子。Calvin循环的总式为：Calvin循环产物的代谢（二）、
47、厌氧乙酰-辅酶A途径 又称为活性乙酸途径。一些能利用氢的严格厌氧菌包括产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌中发现的新的自养CO2还原途径（三）、还原性TCA循环途径 又称为逆向TCA循环。存在于绿色硫细菌中，CO2固定是通过逆向TCA循环进行的。与与TCATCA循环不同的地方：柠檬酸裂解为乙酰循环不同的地方：柠檬酸裂解为乙酰CoACoA和和草酰乙酸的酶是裂合酶。草酰乙酸的酶是裂合酶。通过对以上三类自养微生物通过对以上三类自养微生物COCO2 2固定的比较后，固定的比较后，发现厌氧发现厌氧COCO2 2固定要比好氧固定要比好氧COCO2 2固定更为经济有效。固定更为经济有效。例如，例如，3molCO
48、3molCO2 2经厌氧的乙酰经厌氧的乙酰-辅酶辅酶A A途径合成途径合成1mol1mol甘油醛甘油醛-3-3-磷酸只需要消耗磷酸只需要消耗3molATP3molATP；通过还原性通过还原性TCATCA循环途径相应地需要循环途径相应地需要5molATP5molATP；而通过而通过CalvinCalvin循循环则需要环则需要9molATP9molATP。（四）、羟基丙酸途径 少数绿色硫细菌在以H2或H2S作电子供体时所特有的CO2固定机制 关键步骤是羟基丙酸的产生总反应式：2CO2+4H+3ATP 乙醛酸二、生物固氮 如果把光合作用看作是地球上最重要的生物化学反应的话，则生物固氮应当是地球上仅次
49、于光合作用的第二个最重要的生物化学反应。生物固氮是指分子氮通过固氮微生物固氮酶系的催化而形成氨的过程。（一）、固氮微生物(nitrogen fixing organisms,diazotrophs）l自生固氮菌l共生固氮菌l联合固氮菌固氮生物都是原核微生物和古生菌类自生固氮菌 一类不依赖一类不依赖与它种生物与它种生物共生而能独共生而能独立进行固氮立进行固氮的生物的生物自生固氮菌自生固氮菌共生固氮菌共生固氮菌 必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物联合固氮菌联合固氮菌 必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的生物必须生活在植物根际、叶面或
50、动物肠道等处才能进行固氮的生物联联合合固固氮氮菌菌根际根际：生脂固氮螺菌、芽胞杆菌属等：生脂固氮螺菌、芽胞杆菌属等叶面叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等（二）、固氮的生化机制生物固氮反应的6要素固氮酶ATP的供应还原力及其传递载体还原底物 N2镁离子严格的厌氧微环境能量：ATP还原力H及其载体 固氮过程所需要的大量还原力H或电子由NAD（P）H2所提供。它们由电子载体铁氧还蛋白（Fd，ferredoxin）或黄素氧还蛋白（Fld，flavodoxin）传递至铁蛋白。固氮酶（nitrogenase）含有两种
