1、微生物的代谢重点医学知识2微生物的代谢重点医学知识微生微生物产物产生和生和利用利用能量能量及其及其与代与代谢的谢的关系关系图图3微生物的代谢重点医学知识 葡萄糖降解代谢途径生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢 将最初能源转换成通用的ATP过程4微生物的代谢重点医学知识生物氧化的生物氧化的形式形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的生物氧化的功能功能为：为：产能（产能（ATP）、产还原力）、产还原力HH和产小分子中间代谢物和产小分子中间代谢物自养微生物利用
2、自养微生物利用无机物无机物异养微生物利用异养微生物利用有机物有机物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如储存在高能化合物（如ATP）中）中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中生物氧化的生物氧化的过程过程：脱氢、递氢和受氢三种：脱氢、递氢和受氢三种5微生物的代谢重点医学知识2、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。利用固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。代谢特点 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置 直接进入
3、呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低；4）生长缓慢，产细胞率低。6微生物的代谢重点医学知识3、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物。前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H和电子形成还原力(NADPH+H)（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酸磷酸）7微生物的代谢重点医学知识10 步反应乙醛乙醇：无氧与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水8微生物的代谢重点医学知识9微生物的代谢重点医学知识
4、分为两个阶段：1、3个分子6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+HNADPH+H+，3个分子COCO2 2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛（中间产物：核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸）。2）HMP 途径（戊糖戊糖磷酸途径磷酸途径、己糖一磷酸途径、己糖一磷酸途径）10微生物的代谢重点医学知识11微生物的代谢重点医学知识6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O
5、5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi6C6ATP12NADPH+H+6C56CO2经呼吸链经呼吸链36ATP5C635ATP重新合成己糖重新合成己糖12微生物的代谢重点医学知识13微生物的代谢重点医学知识 3）ED（KDPG）途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff：嗜糖假单胞嗜糖假单胞菌菌 过程：（4步反应）1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱氢酶3-磷酸-甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶醛缩酶特点:a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG
6、，特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。14微生物的代谢重点医学知识 ATP C6H12O6 KDPGC6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+15微生物的代谢重点医学知识16微生物的代谢重点医学知识三、发酵（fermentantion）17微生物的代谢重点医学知识2、发酵类型1）乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛+CO2 2 乙醇+2 ATP 条件：pH 3.54.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）i、加入NaHSO4 N
7、aHSO4+乙醛 磺化羟乙醛（难溶）甘油甘油 ii、弱碱性（pH 7.5）2 乙醛 1 乙酸+1 乙醇 （歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油甘油发酵（EMP）18微生物的代谢重点医学知识异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）：HMP途径G+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP 19微生物的代谢重点医学知识 2）乳酸发酵乳酸发酵 同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等）EMP途径（丙酮酸 乳酸）G+2ADP+2Pi 2乳酸+2ATP 异型乳酸发酵:除乳酸外还有乙醇、乙酸、CO2 肠膜明串株菌 产能：1ATP 双歧杆菌（HMP）产能：2G 5 ATP即 1G 2.5
8、ATP 20微生物的代谢重点医学知识3)混合酸、丁二醇发酵a 混合酸发酵：肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1 G丙酮酸乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 乙酰-CoA+甲酸甲酸丙酮酸甲酸解酶丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸丙酸PEP羧化酶羧化酶磷酸转乙酰基酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乙酸乙酸 乙醇乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2+H2 （甲酸氢解酶甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。CO2+H2 21微生物的代谢重点医学知识b b 丁二醇发酵（丁二醇发酵（2 2，3-3-丁二醇发酵
9、）丁二醇发酵）肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（乙酰乳酸脱氢酶）（OHOH-、O O2 2）中性丁二醇丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应：1、VP实验 2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：22微生物的代谢重点医学知识 4）氨基酸的发酵产能（stickland反应）stickland反应：以一种氨基酸作底物脱氢，而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类型。发酵菌体：生孢梭菌生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。特点：氨基酸
10、的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）23微生物的代谢重点医学知识氧化 丙氨酸丙酮酸-NH3NADNAD+NADHNADH乙酰-CoANADNAD+NADHNADH乙酸乙酸 +ATPATP甘氨酸乙酸乙酸甘氨酸-NH3还原CH3CHNH2COOH+2CH2NH2CH2NH2ADP+Pi ATP3CH3COOH+3NH3+CO2(丙氨酸丙氨酸)供体供体(甘氨酸甘氨酸)受体受体(乙酸乙酸)24微生物的代谢重点医学知识四、呼吸（respiration）从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aer
11、obic respiration）无氧呼吸（anaerobic respiration）1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：TCA 循环、电子传递。25微生物的代谢重点医学知识26微生物的代谢重点医学知识27微生物的代谢重点医学知识（2）电子传递链1）电子传递链载体:NAD(P)H脱氢酶 黄素蛋白(FP)铁-硫蛋白 辅酶Q（CoQ）细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以5个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。28微生物的代谢重点医学知识2）氧化磷酸化产能机制 化学渗透假说化学渗透学
12、说-英国生物化学家PeterMitchell于1961年提出的。在氧化磷酸化过程中,通过呼吸链有关酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内侧传递到膜的外侧,从而造成了膜两侧质子分布不均匀,此即质子动势的由来,也是合成ATP的能量来源.通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新回到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP.质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。29微生物的代谢重点医学知识 特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点：a 有其完整的呼吸系统；b 只
13、有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A、亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2 无氧呼吸（厌氧呼吸）30微生物的代谢重点医学知识 亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 31微生物的代谢重点医学知识 硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电 子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌 c、极大多数为专性化能异氧型，少数为混合型；d、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供
14、体或电子供体；f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）32微生物的代谢重点医学知识33微生物的代谢重点医学知识利用微生物还原利用微生物还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污作用：生物矿化和微生物清污34微生物的代谢重点医学知识第二节 微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌光能营养型生物 不产氧（仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。(H2S环境中，只利用光合系统进行不产氧作用)。35微生物的代谢重点医学知识
15、2）不产氧光合细菌a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。紫硫细菌（着色菌科）（紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大，沉积胞内。氢供体：H2S、H2 或 有机物。H2S S SO42-；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+2+氧化产生Fe(OH)3沉淀36微生物的代谢重点医学知识2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。a：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。b：最大吸收波长8401030。3）辅助色素：提高光利用率 类胡
16、萝卜素：藻胆素：蓝细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm）藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。37微生物的代谢重点医学知识3、细菌光合作用1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素，吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。特点：a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物；c、不产
17、氧（O2）。38微生物的代谢重点医学知识39微生物的代谢重点医学知识二、细菌化能自养作用细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。固定C02作为它们的碳源。最重要反应：CO2 还原成CH20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。40微生物的代谢重点医学知识氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H+4e-b、硝化细菌NO2-+H2O 亚硝酸氧化酶NO
18、3-+2H+2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子ATP)41微生物的代谢重点医学知识42微生物的代谢重点医学知识43微生物的代谢重点医学知识产能途径第一阶段，H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为SO32第二阶段，形成的SO32进一步氧化为SO42和产能。1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将SO32直接氧化成为SO42，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催
19、化，每氧化1分子SO32产生1.5分子ATP。44微生物的代谢重点医学知识45微生物的代谢重点医学知识1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用固氮作用。自生固氮菌自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。三、固氮作用47微生物的代谢重点医学知识48微生物的代谢重点医学知识49微生物的代谢重点医学知识 N2+2e+6
20、H+（18 24）ATP 2NH3+H2+（18 24）ADP+18 24 Pi 固氮阶段 N2*2NH3+H2 即 75%还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费2）固氮生化过程50微生物的代谢重点医学知识51微生物的代谢重点医学知识52微生物的代谢重点医学知识一、微生物代谢产物的利用利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。按照积累产物类型：初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶；次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。按照发酵类型：自然发酵：酒精、乳酸等，代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等；中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；第四节第四节 微生物代谢与生产实践微生物代谢与生产实践 53微生物的代谢重点医学知识发酵条件的控制人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品:1）培养条件：温度、pH值、渗透压的控制；2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长因子、无机离子等；3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等。54微生物的代谢重点医学知识55微生物的代谢重点医学知识56微生物的代谢重点医学知识57微生物的代谢重点医学知识58微生物的代谢重点医学知识59微生物的代谢重点医学知识60微生物的代谢重点医学知识
