1、第五章微生物代谢第五章微生物代谢 微生物代谢微生物代谢 是指微生物细胞所进行的一切化学反应和物理是指微生物细胞所进行的一切化学反应和物理作用。作用。分解代谢分解代谢 是将大分子降解成小分子，并通常伴随着能量释是将大分子降解成小分子，并通常伴随着能量释放的过程。放的过程。合成代谢合成代谢 是指导致细胞分子和结构合成的任何反应，它是是指导致细胞分子和结构合成的任何反应，它是分子构建和成键过程，需要消耗能量，是将小分子物质合成较大分子构建和成键过程，需要消耗能量，是将小分子物质合成较大和较复杂分子的过程。和较复杂分子的过程。相关概念相关概念微生物分解代谢与合成代谢相互关系微生物分解代谢与合成代谢相互
2、关系 微生物产能代谢（微生物产能代谢（fueling reactionsfueling reactions）微生物获得生物合成所需的前体代谢物、能量和还原力，微生物获得生物合成所需的前体代谢物、能量和还原力，并提供微生物细胞生命活动所需要能量的代谢过程。并提供微生物细胞生命活动所需要能量的代谢过程。微生物产能代谢特点微生物产能代谢特点 产能代谢的多样性，微生物作为一个类群能够通过氧化有产能代谢的多样性，微生物作为一个类群能够通过氧化有机化合物、或氧化无机化合物、或通过俘获光能获得能量和还机化合物、或氧化无机化合物、或通过俘获光能获得能量和还原力。原力。化能异养作用、化能自养作用和光合作用化能异
3、养作用、化能自养作用和光合作用微生物产能代谢的本质微生物产能代谢的本质有机物有机物最初能源最初能源日光日光 通用能源通用能源(ATP)还原态无机物还原态无机物化能自养菌化能自养菌化能异养菌化能异养菌光能营养菌光能营养菌 异养微生物利用有机物通过分解代谢途径（即生物氧化）异养微生物利用有机物通过分解代谢途径（即生物氧化）进行产能代谢。进行产能代谢。在化能异养微生物的分解代谢途径中，能源有机物可以在在化能异养微生物的分解代谢途径中，能源有机物可以在有氧或厌氧条件下经有氧或厌氧条件下经脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢三个阶段三个阶段合成合成ATPATP、产生还
4、原力、产生还原力HH和小分子中间代谢物。和小分子中间代谢物。呼吸作用呼吸作用 呼吸电子传递链呼吸电子传递链有有无无无氧呼吸无氧呼吸有氧呼吸有氧呼吸发酵作用发酵作用最终电子受体最终电子受体氧氧非氧非氧化能异养作用化能异养作用 有氧呼吸有氧呼吸是一系列将葡萄糖转化为是一系列将葡萄糖转化为CO2并放出能量的反应，并放出能量的反应，它依赖于自由氧作为电子和氢的最终受体，使用呼吸链细胞色它依赖于自由氧作为电子和氢的最终受体，使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢），产生大量的素系统传递电子（氢），产生大量的ATP。有氧呼吸是许多细菌、真菌、原生动物和动植物的特征，有氧呼吸是许多细菌、真菌、原生动物和动植物的
5、特征，因而与动植物一样，有着共同的代谢途径，如因而与动植物一样，有着共同的代谢途径，如糖酵解途径、磷糖酵解途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环酸戊糖途径、三羧酸循环和和呼吸电子传递链呼吸电子传递链途径，这些共同的途径，这些共同的代谢途径构成了所谓的中心产能代谢（代谢途径构成了所谓的中心产能代谢（Central Fueling Metabolism）。）。（1 1）中心产能代谢中心产能代谢 糖酵解途径 磷酸戊糖途径 三羧酸循环 呼吸电子传递链途径EMP途径途径nEMP途径途径是多种微生物所具有的代谢途径，其产是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但其生理功能极其重要能效率虽低，但其生理功能极其
6、重要：n 供应供应ATP形式的能量和形式的能量和NADH2形式的还原力；形式的还原力；n 是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（羧酸循环（TCA）、）、HMP途径和途径和ED途径等；途径等；n 微生物合成提供多种中间代谢物；微生物合成提供多种中间代谢物；n 通过逆向反应进行多糖合成。通过逆向反应进行多糖合成。HMP途径途径 HMPHMP途径途径在微生物生命活动中有着极其重要的在微生物生命活动中有着极其重要的意义意义，具体表现在：，具体表现在：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)NAD(P)+、FAD(FMN
7、)FAD(FMN)和和CoACoA等的生物合成提供戊糖等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖磷酸；途径中的赤藓糖-4-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料；色氨酸和组氨酸）的原料；产还原力：产还原力：产生大量的产生大量的NADPHNADPH2 2形式的还原力，不仅可形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需；大量能量之需；作为固定的作为固定的COCO2 2中介：中介：是光能自养微生物和化能是光能自养微生物和化能自
8、养微生物固定自养微生物固定COCO2 2的重要中介；的重要中介；扩大碳源利用范围：扩大碳源利用范围：微生物利用微生物利用C C3 3C C7 7多种碳源多种碳源提供了必要的代谢途径；提供了必要的代谢途径；连接连接EMPEMP途径：途径：通过与通过与EMPEMP途径的连接，微生物途径的连接，微生物合成提供更多的戊糖。合成提供更多的戊糖。从微生物发酵生产的角度来看，通过从微生物发酵生产的角度来看，通过HMPHMP途径可途径可提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。是指由丙酮酸经过一是指由丙酮
9、酸经过一系列循环式反应而彻系列循环式反应而彻底氧化、脱羧、形成底氧化、脱羧、形成COCO2 2、H H2 2O O和和NADHNADH2 2的过的过程。程。TCA循环循环TCA循环循环TCATCA循环的特点：循环的特点：氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（转（NADNAD+和和 FADFAD 再生时需氧再生时需氧）；）；每分子丙酮酸可产每分子丙酮酸可产4 4个个NADHNADHH H+、1个个FADHFADH2 2 和和GTPGTP，总共相当于总共相当于1515个个ATPATP，因此产能效率极高；因此产能效率极高；TCATCA位于一切分解
10、代谢和合成代谢中的枢纽地位，位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发酵生产紧密相关。的发酵生产紧密相关。不同的脱氢途径不同的脱氢途径ATPATPATP细细胞胞色色素素系系统统泛醌泛醌铁硫蛋白铁硫蛋白NADNAD或或NADPNADPFADFAD或或FMNFMN电电子子传传递递链链氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）又称又称电子传递链磷酸化电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或递电子）是指呼吸链的递氢（或递电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生和受氢过程与磷酸化反应相偶联并
11、产生ATPATP的作用。递氢、受氢的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动势再推动ATPATP酶合成酶合成ATPATP。中心产能代谢总反应式中心产能代谢总反应式C6H12O6 +6H2O6CO22ADP+2Pi2ATP12NAD12NADH212H2O6H2O36ADP+36Pi36ATP6O2EMPTCA呼吸链呼吸链（2 2）替代产能途径）替代产能途径 脱氧酮糖酸途径脱氧酮糖酸途径(enter-(enter-doudoroffdoudoroff，ED)ED)大多数细菌有糖酵解和磷大多数细菌有糖酵解和
12、磷酸戊糖途径，只有少数微生酸戊糖途径，只有少数微生物利用物利用EDED途径代替糖酵解途径代替糖酵解途径产能。途径产能。存在于假单胞菌、根瘤菌、固存在于假单胞菌、根瘤菌、固氮菌、农杆菌和运动发酵单胞菌氮菌、农杆菌和运动发酵单胞菌中。中。特点：特点：a a、步骤简单步骤简单 b b、产能效率低：产能效率低：1 1 ATP/1 ATP/1 GluGlu c c、关键中间产物关键中间产物 KDPGKDPG，特征特征酶：酶：KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶 磷酸酮解酶途径磷酸酮解酶途径（phosphoketolasephosphoketolase pathway,PK)pathway,PK)葡萄糖葡萄糖 +
13、ADP+Pi+ADP+Pi+4NAD4NAD+丙酮酸丙酮酸 +乙酸乙酸+CO+CO2 2+ATP+4 NADH+4HATP+4 NADH+4H 主 要 存 在 于 膜 明 串 菌 科主 要 存 在 于 膜 明 串 菌 科（LeuconostocaceaeLeuconostocaceae）一些菌）一些菌中。没有中。没有EMPEMP、HMPHMP、EDED途径的途径的细菌通过细菌通过PKPK途径分解葡萄糖。途径分解葡萄糖。在有在有O O2 2条件下形成的丙酮酸进入条件下形成的丙酮酸进入三羧酸循环，无氧条件下进行三羧酸循环，无氧条件下进行异型乳酸发酵异型乳酸发酵 2.2.无氧呼吸无氧呼吸 无氧呼吸（
14、无氧呼吸（anearairanearair respiration respiration），又称厌氧呼吸：是又称厌氧呼吸：是指某些细菌在厌氧条件下，以含氧化合物替代自由氧作为最终指某些细菌在厌氧条件下，以含氧化合物替代自由氧作为最终电子受体，仍使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢）的呼吸电子受体，仍使用呼吸链细胞色素系统传递电子（氢）的呼吸作用。作用。特点：特点：无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物的特殊呼吸作用；无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物的特殊呼吸作用；具有与好氧呼吸同样的中心代谢途径（具有与好氧呼吸同样的中心代谢途径（EMPEMP，HMP,TCAHMP,TCA循环循环和呼吸链）；和呼吸链
15、）；不以分子氧作最终电子受体，而是以不以分子氧作最终电子受体，而是以NONO3 3-、SOSO4 42-2-、COCO3 32-2-、及、及延胡索酸等含氧化合物作为最终电子受体。延胡索酸等含氧化合物作为最终电子受体。硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸土壤及水环境土壤及水环境好氧性有机体的呼吸作用好氧性有机体的呼吸作用氧被消耗而造成局部的厌氧环境氧被消耗而造成局部的厌氧环境土壤中植物能利用的氮土壤中植物能利用的氮（硝酸盐（硝酸盐NO3-）还原成还原成氮气而消失，从而降低氮气而消失，从而降低了土壤的肥力。了土壤的肥力。松土，排除过多的水分，保松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好
16、的通气条件。证土壤中有良好的通气条件。反硝化作用在氮素循环中的重要作用反硝化作用在氮素循环中的重要作用硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常硝酸盐是一种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝通过水从土壤流入水域中。如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断。质变坏与地球上氮素循环的中断。（2 2）硫酸盐呼吸，又称硫酸盐还原）硫酸盐呼吸，又称硫酸盐还原(sulfate reduction)(sulfate reduction)微生物在严格厌氧条件下以硫酸盐微生物在严格厌氧条件下以硫酸盐(SO(SO4 42-
17、2-)作为末端电子受体的作为末端电子受体的一类特殊呼吸作用。一类特殊呼吸作用。亚硫酸盐亚硫酸盐(SO(SO3 32-2-)、硫代硫酸盐、硫代硫酸盐(S(S2 2O O3 32-2-)或其他氧化态硫化合物也可或其他氧化态硫化合物也可作为电子受体。作为电子受体。硫酸盐还原细菌硫酸盐还原细菌(sulfate reducing bacteria):(sulfate reducing bacteria):厌氧古生菌，脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫菌属、厌氧古生菌，脱硫弧菌属、脱硫单胞菌属、脱硫球菌属、脱硫菌属、脱硫叶菌属、脱硫肠状菌属等。脱硫叶菌属、脱硫肠状菌属等。硫酸盐呼吸在自然界的硫素循
18、环以及促进厌氧环境有机物循环硫酸盐呼吸在自然界的硫素循环以及促进厌氧环境有机物循环及农业生产中具有重要作用。及农业生产中具有重要作用。硫酸盐呼吸细菌的电子传递和能量产生途径硫酸盐呼吸细菌的电子传递和能量产生途径 HmcHmc，一种细胞色素复合物，一种细胞色素复合物(cytochromecytochrome comlexcomlex)；APS,APS,磷酸腺苷硫酸磷酸腺苷硫酸(adenosine(adenosine phosphosulfatephosphosulfate)。（3 3）硫呼吸）硫呼吸 以无机硫作为呼吸链末端氢受体而获得生长所需能量的以无机硫作为呼吸链末端氢受体而获得生长所需能量的
19、一类无氧呼吸作用。一类无氧呼吸作用。硫呼吸细菌硫呼吸细菌：兼性或专性厌氧细菌。：兼性或专性厌氧细菌。例：氧 化 乙 酸 脱 硫 单 胞 菌例：氧 化 乙 酸 脱 硫 单 胞 菌(D e s u l f u r o m o n a sD e s u l f u r o m o n a s acetoxidansacetoxidans)，能在厌氧条件下通过氧化乙酸为，能在厌氧条件下通过氧化乙酸为COCO2 2和还原元和还原元素硫为素硫为H H2 2S S的偶联反应而生长：的偶联反应而生长：CH3COOH+2H2O+4S 2CO2+4H2S （4 4）碳酸盐呼吸，又称碳酸盐还原）碳酸盐呼吸，又称碳酸
20、盐还原 这是一类以这是一类以COCO2 2或碳酸盐或碳酸盐(HCO(HCO3 3-)作为呼吸链最终氢受体的无作为呼吸链最终氢受体的无氧呼吸。氧呼吸。根据还原产物不同分为两类：根据还原产物不同分为两类：专性厌氧的产甲烷菌专性厌氧的产甲烷菌 (methanogensmethanogens，methane-producing methane-producing bacteria)bacteria)，利用，利用H H2 2作为电子供体，以作为电子供体，以COCO2 2作为末端电子受体，产作为末端电子受体，产物为甲烷。物为甲烷。专性厌氧的乙酸菌专性厌氧的乙酸菌，利用，利用H H2 2COCO2 2进行无
21、氧呼吸产生乙酸。进行无氧呼吸产生乙酸。甲烷形成过程的总反应式：甲烷形成过程的总反应式：CO2+4H2 CH4+2H2O+1ATP甲烷呋喃甲烷呋喃(MF(MF）：又称）：又称COCO2 2还原因子。还原因子。甲烷蝶呤（甲烷蝶呤（MPMP）：又称）：又称F F342342因子，是一种含蝶呤因子，是一种含蝶呤环的产甲烷辅酶。环的产甲烷辅酶。辅酶辅酶M M（CoMCoM）：）：2-2-巯基乙烷磺酸，甲烷的载体巯基乙烷磺酸，甲烷的载体-。辅酶辅酶B B（CoBCoB）：）：7-7-巯基庚酰基丝氨酸磷酸，甲巯基庚酰基丝氨酸磷酸，甲基还原酶的电子供体。基还原酶的电子供体。辅酶辅酶F F430430（F F4
22、30430）：含四氢吡咯结构的化合物，作）：含四氢吡咯结构的化合物，作用与用与CoMCoM相似。相似。辅酶辅酶F F420420（F F420420）：黄素单核苷酸衍生物，提供）：黄素单核苷酸衍生物，提供双电子。双电子。甲烷菌的产甲烷作用与碳酸盐呼吸甲烷菌的产甲烷作用与碳酸盐呼吸 一些氧化还原反应的电势一些氧化还原反应的电势 3.3.发酵作用发酵作用狭义概念：狭义概念：发酵作用是指在缺氧的条件下，葡萄糖或其他碳发酵作用是指在缺氧的条件下，葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用，并以其水化合物的不完全氧化作用，并以其中间代谢产物中间代谢产物作为电子作为电子（氢）的最终受体，不经过呼吸电子传递链直
23、接接受电子，还（氢）的最终受体，不经过呼吸电子传递链直接接受电子，还原生成发酵产物，仅通过原生成发酵产物，仅通过底物水平磷酸化底物水平磷酸化产生少量的产生少量的ATPATP。广义概念：广义概念：利用微生物的作用来大规模生产各种产品的工业利用微生物的作用来大规模生产各种产品的工业过程被称为发酵，尽管工业发酵甚至发生在有氧条件下，如抗过程被称为发酵，尽管工业发酵甚至发生在有氧条件下，如抗生素、激素、维生素和氨基酸的生产。生素、激素、维生素和氨基酸的生产。（1 1）乙醇发酵）乙醇发酵 酵母型乙醇发酵酵母型乙醇发酵酵母菌酵母菌（SaccharomycesSaccharomyces cerevisiae
24、cerevisiae）解淀粉欧文氏菌解淀粉欧文氏菌（ErwiniaErwinia amylovoraamylovora）细菌型乙醇发酵细菌型乙醇发酵发酵单胞菌发酵单胞菌（ZymomonasZymomonas mobilismobilis）嗜糖假单胞菌嗜糖假单胞菌（Pseudomonas Pseudomonas saccharophilasaccharophila）乙醇发酵的计量乙醇发酵的计量4644MW:酵母菌的发酵类型酵母菌的发酵类型n第一型发酵第一型发酵酵母菌只有在酵母菌只有在pH3.54.5（弱酸性）和厌氧条件下才能进（弱酸性）和厌氧条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为酵母菌的第一型发酵
25、。行正常的酒精发酵，称之为酵母菌的第一型发酵。n第二型发酵第二型发酵酵母菌在亚适量的酵母菌在亚适量的NaHSONaHSO3 3（3 3）作用下可进行酵母菌的）作用下可进行酵母菌的第二型发酵生成甘油和少量乙醇。第二型发酵生成甘油和少量乙醇。n第三型发酵第三型发酵将发酵过程的将发酵过程的pHpH值控制在微碱性（值控制在微碱性（pH7.6pH7.6左右）和厌氧条左右）和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵件下，酵母的乙醇发酵甘油发酵，得到的产物主要是甘油发酵，得到的产物主要是甘油、少量的乙醇、乙酸和甘油、少量的乙醇、乙酸和COCO2 2。巴斯德效应巴斯德效应 乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变成好氧乙醇发酵需
26、在厌氧条件下进行。如果变成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度减慢条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度减慢巴斯德效应巴斯德效应。在好氧条件下在好氧条件下：(1)(1)丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，进入进入TCA循环。循环。(2)(2)高含量的高含量的ATP及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激酶活性，减慢葡萄糖酵解速度酶活性，减慢葡萄糖酵解速度。原原因因在好氧条件下在好氧条件下：(1)(1)丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，进入进入TCA循环。循环。(2)(2)高含量的高含量的ATP及
27、柠檬酸别构抑制磷酸果糖激及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激酶活性，减慢葡萄糖酵解速度酶活性，减慢葡萄糖酵解速度。原原因因（2 2）乳酸发酵）乳酸发酵 同型乳酸发酵同型乳酸发酵经经EMPEMP途径途径发酵终产物只有发酵终产物只有乳酸乳酸如乳酸球菌如乳酸球菌(LactococcusLactococcus lactislactis)植物乳杆菌植物乳杆菌(Lactobacillus Lactobacillus plantarumplantarum)。异型乳酸发酵异型乳酸发酵依靠依靠PKPK途径途径发酵终产物发酵终产物乳酸、乙醇乳酸、乙醇 和和COCO2 2。短乳杆菌短乳杆菌(Lactobacillus Lac
28、tobacillus brerisbreris)肠膜状明串珠菌肠膜状明串珠菌(LeuconostocLeuconostoc mesenteroidesmesenteroides)。凡葡萄糖发酵后只产生凡葡萄糖发酵后只产生2 2分子乳酸的发酵，称分子乳酸的发酵，称同型乳酸发酵同型乳酸发酵（homolactic fermentation）。）。凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和COCO2 2等多种产物的发酵称等多种产物的发酵称异型乳酸发酵异型乳酸发酵（heterolactic fermentation）。英国：英国：有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：有机溶
29、剂丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：用于生产人造橡胶；丙酮：用于生产人造橡胶；丁醇：用于生产无烟火丁醇：用于生产无烟火药；药；当时的常规生产方法：当时的常规生产方法：对木材进行干热分解对木材进行干热分解大约大约80到到100吨桦树、吨桦树、山毛榉、或枫木生产山毛榉、或枫木生产1 1吨吨丙酮丙酮严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品。严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3 3：6 6：1 1）丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌(Clostridium Clostridium acetobutyricumacetobutyricum)2
30、2丙酮酸丙酮酸2 2乙酰乙酰-CoACoA乙酰乙酰-乙酰乙酰 CoACoA丙酮丙酮+CO2（CoA转移酶）转移酶）丁醇丁醇丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（19151915），每），每100100吨谷物可以吨谷物可以生产出生产出1212吨丙酮和吨丙酮和2424吨的丁醇。吨的丁醇。以以大肠杆菌大肠杆菌为代表的一类肠道菌，例如，为代表的一类肠道菌，例如，埃希埃希氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌等，发酵产物主要是等，发酵产物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和COCO2 2、H H2 2，所以所以称为称为混合酸发酵混
31、合酸发酵。产气肠杆菌、枯草杆菌产气肠杆菌、枯草杆菌等发酵产物主要是丁等发酵产物主要是丁二醇，所以称之为二醇，所以称之为丁二醇发酵丁二醇发酵。大肠杆菌：大肠杆菌：不同微生物发酵产物的不同，是细菌分类鉴定的重要依据。不同微生物发酵产物的不同，是细菌分类鉴定的重要依据。肠道菌肠道菌E.coli、志贺氏菌（、志贺氏菌（Shigilla）丙酮酸裂解生成乙酰丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成可进一步裂解生成H2和和CO2产酸产气产酸产气志贺氏菌：志贺氏菌：丙酮酸裂解生成乙酰丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，但不能使甲酸裂解与甲酸，但不能使甲酸裂解产生产生
32、H2和和CO2产酸不产气产酸不产气l发酵中的某些独特代谢产物是鉴定相应菌种时的重要生化指标V.P.试验试验V.P.试验阴性试验阴性甲基红试验阳性甲基红试验阳性大肠杆菌：大肠杆菌：产气肠杆菌：产气肠杆菌：V.P.试验阳性试验阳性甲基红试验阴性甲基红试验阴性产气肠杆菌产生的产气肠杆菌产生的3-羟基丁酮羟基丁酮在碱性条件下氧化为在碱性条件下氧化为二乙酰，与精氨酸上的胍基反应形成二乙酰，与精氨酸上的胍基反应形成红色化合物红色化合物。呼吸作用与发酵作用的根本区别：呼吸作用与发酵作用的根本区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步
33、释放出中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。能量后再交给最终电子受体。二、无机化能自养作用二、无机化能自养作用 一些微生物能够以无机物作为能源，通过无机电子供体的一些微生物能够以无机物作为能源，通过无机电子供体的氧化，从无机底物上脱下的氢氧化，从无机底物上脱下的氢(电子电子)直接进入呼吸链而到达最直接进入呼吸链而到达最终电子受体终电子受体O O2 2，并通过氧化磷酸化产生，并通过氧化磷酸化产生ATPATP，这种生物氧化与，这种生物氧化与产能方式被称为化能自养作用。产能方式被称为化能自养作用。无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链无机底物脱下的氢（电子）从
34、相应位置直接进入呼吸链 存在多种呼吸链存在多种呼吸链 产能效率低产能效率低 生长缓慢，产细胞率低生长缓慢，产细胞率低代谢特点代谢特点CO2+H+ATP CH2O CO2 还原成还原成CH2O 简单有机物，进一步合成复杂细胞成分简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。大量耗能、耗还原力的过程。1、氨的氧化氨的氧化 根据氧化无机化合物种类根据氧化无机化合物种类 硝化细菌硝化细菌 硫细菌硫细菌 铁细菌铁细菌 氢细菌氢细菌2、硫的氧化硫的氧化3、铁的氧化、铁的氧化 4、氢的氧化氢的氧化 土壤中的氨被氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用土壤中的氨被氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用 (nit
35、rification)(nitrification)氨氧化细菌氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria)(ammonia-oxidizing bacteria)：将氨氧化成亚硝酸：将氨氧化成亚硝酸盐盐 亚 硝 化 单 胞 菌 属亚 硝 化 单 胞 菌 属(N i t r o s o m o n a sN i t r o s o m o n a s)、亚 硝 化 球 菌 属、亚 硝 化 球 菌 属(NitrosococcusNitrosococcus)和亚硝化螺菌属和亚硝化螺菌属(NitrosospiraNitrosospira)NH3+O2NADH+HNH2OH+H2O
36、FNAD(无能量产生)NH2OH+O2NO2+H2O+H(产生1分子ATP)亚硝酸氧化细菌：氧化亚硝酸盐生成硝酸盐亚硝酸氧化细菌：氧化亚硝酸盐生成硝酸盐 硝化杆菌属硝化杆菌属(NitrobacterNitrobacter)、硝化刺菌属、硝化刺菌属(NitrospinaNitrospina)和硝化球和硝化球菌属菌属(NitrococcusNitrococcus)2 NO2O22 NO3(产生1分子ATP)硝化菌对亚硝酸的氧化作用和电子传递链硝化菌对亚硝酸的氧化作用和电子传递链(NOR(NOR：亚硝酸氧化还原酶：亚硝酸氧化还原酶)又称氧化氢细菌又称氧化氢细菌(hydrogen oxidizing
37、bacteria)(hydrogen oxidizing bacteria)，是一类利，是一类利用氢作为能源的细菌类群，主要有假单胞菌属、产碱杆菌属用氢作为能源的细菌类群，主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(A l c a l i g e n e sA l c a l i g e n e s)、副 球 菌 属、芽 孢 杆 菌 属、黄 杆 菌 属、副 球 菌 属、芽 孢 杆 菌 属、黄 杆 菌 属(FlavobacteriumFlavobacterium)、水螺菌属、水螺菌属(AquaspirillumAquaspirillum)、分支杆菌属、分支杆菌属(Mycobacterium)(Mycobact
38、erium)和诺卡氏菌属和诺卡氏菌属(NocardiaNocardia)等。等。3.3.硫的氧化硫的氧化 硫细菌（硫细菌（sulfur bacteriasulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。大多数硫杆菌，脱下的大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经）经 Cyt.c 部位进入呼吸链；部位进入呼吸链；而脱氮硫杆菌从而脱氮硫杆菌从FP或或 Cyt.b水平进入。水平进入。硫杆菌对还原性硫化物的氧化作
39、硫杆菌对还原性硫化物的氧化作用和电子传递链用和电子传递链 嗜酸氧化亚铁硫杆菌（嗜酸氧化亚铁硫杆菌（AcidithiobacillusAcidithiobacillus ferrooxidansferrooxidans）Fe Fe2+2+的氧化作用和电子传递链的氧化作用和电子传递链 能氧化能氧化FeFe2 2成为成为FeFe3 3并产能的细菌被称为铁细菌并产能的细菌被称为铁细菌(iron(iron bacteria)bacteria)或铁氧化细菌或铁氧化细菌(iron oxidizing bacteria)(iron oxidizing bacteria)。多数为专性化能自养，少数兼性化能自养，
40、产能低。多数为专性化能自养，少数兼性化能自养，产能低。微生物捕捉光能并将光能转化为化学能的过程称为光合作用。微生物捕捉光能并将光能转化为化学能的过程称为光合作用。微生物进行的光合作用占地球上光合作用的微生物进行的光合作用占地球上光合作用的50%50%以上。以上。微生物光合作用多样性：微生物光合作用多样性：三、光合作用三、光合作用不产氧光合作用不产氧光合作用(anoxygenicphotosynthesisanoxygenicphotosynthesis)产氧光合作用产氧光合作用(oxygenicphotosynthesisoxygenicphotosynthesis)嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌
41、紫膜的光合作用紫硫细菌的循环光合磷酸化过程紫硫细菌的循环光合磷酸化过程 1.1.不产氧光合作用不产氧光合作用(循环光合磷酸化循环光合磷酸化)不产氧光合微生物类群：不产氧光合微生物类群：绿细菌（绿色硫细菌和绿色非硫细菌）绿细菌（绿色硫细菌和绿色非硫细菌）紫细菌（紫色硫细菌和紫色非硫细菌紫细菌（紫色硫细菌和紫色非硫细菌)分类上在分类上在红螺菌目（红螺菌目（Rhodospirillales）特点：特点：光合色素菌绿素；光合色素菌绿素；缺少光合系统缺少光合系统IIII；不以水为电子供体，不产氧；不以水为电子供体，不产氧；循环光合磷酸化产生循环光合磷酸化产生ATPATP；产产ATPATP和还原力和还原力
42、HH分别进行；分别进行；均为厌氧菌。均为厌氧菌。这是一类典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深这是一类典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水中。层淡水或海水中。红螺菌目的光合细菌细胞内所含的红螺菌目的光合细菌细胞内所含的菌绿素菌绿素和和类胡类胡萝卜素萝卜素的量和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝的量和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等不同颜色。绿、紫红、紫或褐等不同颜色。可利用有毒的可利用有毒的H H2 2S S或污水中的有机物（脂肪酸、或污水中的有机物（脂肪酸、醇类等）作还原醇类等）作还原COCO2 2时的氢供体，用于污水净化；时的氢供体，用于污水净化；产生的菌体可作饵
43、料、饲料或食品添加剂等。产生的菌体可作饵料、饲料或食品添加剂等。2.2.产氧光合作用产氧光合作用(非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化)产氧光合微生物主要有蓝细菌和微藻两大类群。该类光产氧光合微生物主要有蓝细菌和微藻两大类群。该类光合微生物含有叶绿素合微生物含有叶绿素a,a,利用非循环光合磷酸化反应产生利用非循环光合磷酸化反应产生ATPATP，以水作为最终电子受体获得以水作为最终电子受体获得NADPHNADPH，在水氧化的同时产生，在水氧化的同时产生O O2 2，因而被称为产氧光合作用。因而被称为产氧光合作用。特点：特点：光合色素为叶绿素；光合色素为叶绿素；电子传递非循环式；电子传递非循环式；存在
44、存在PSII PSII 和和PSIPSI两两个光合系统个光合系统;ATPATP、还原力、还原力HH、O O2 2同时产生；同时产生；有氧进行。有氧进行。某些极端嗜盐古生菌不含叶绿素或菌绿素，依靠其特有的某些极端嗜盐古生菌不含叶绿素或菌绿素，依靠其特有的菌视紫红质在光驱动下合成菌视紫红质在光驱动下合成ATPATP，这种无叶绿素或菌绿素参与的，这种无叶绿素或菌绿素参与的特殊光合磷酸化反应，是迄今为止最简单的光合作用。特殊光合磷酸化反应，是迄今为止最简单的光合作用。光合作用部位光合作用部位:细胞膜上的紫膜区域细胞膜上的紫膜区域光合作用分子：光合作用分子：菌视紫红质蛋白菌视紫红质蛋白，以，以“视黄醛视
45、黄醛”（紫色）为辅（紫色）为辅基基 也有作者认为嗜盐菌不含有叶绿素或细菌叶绿素，因而不也有作者认为嗜盐菌不含有叶绿素或细菌叶绿素，因而不能算作是一种光合作用，而将之称作光介导能算作是一种光合作用，而将之称作光介导ATP合成作用合成作用（Light-mediated ATP synthesis）。）。嗜盐菌是一类必须在高盐（嗜盐菌是一类必须在高盐（3.53.55.0mol5.0molLNaClLNaCl）环境中才能正常生长的环境中才能正常生长的古细菌古细菌（archaebacteria），广），广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫
46、红斑块就是嗜盐菌的细胞群。的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。主要代表有主要代表有Halobacterium halobium（盐生盐杆菌）盐生盐杆菌）和和H.cutirubrum（红皮盐杆菌）等。红皮盐杆菌）等。H.halobiumH.halobium是一种能运动的杆菌，因其细胞内含类是一种能运动的杆菌，因其细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。该菌细胞膜胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。该菌细胞膜的制备物中可分离出红色与紫色两个组份，前者主要含的制备物中可分离出红色与紫色两个组份，前者主要含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸等用于氧化
47、磷酸化反应的呼吸链载体成分，一般称为化反应的呼吸链载体成分，一般称为“红膜红膜”；后者则在膜上呈斑片状（直径约后者则在膜上呈斑片状（直径约0.5m0.5m）独立分布，独立分布，其总面积约占细胞膜的其总面积约占细胞膜的5050，这就是能进行独特光合作用，这就是能进行独特光合作用的的紫膜紫膜（purple membrane）。）。紫膜由称作紫膜由称作细菌视紫红质细菌视紫红质（细菌紫膜质细菌紫膜质，bacteriorhodopsin）的蛋白质（占的蛋白质（占7575）和类脂（占和类脂（占2525）组成，蛋白质与人眼视网膜上柱状细胞）组成，蛋白质与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种功能相似的蛋白中所含的
48、一种功能相似的蛋白视紫红质（视紫红质（rhodopsin）十分相似，两者都以紫色的视黄醛作辅基。十分相似，两者都以紫色的视黄醛作辅基。嗜盐菌紫膜光合磷酸化嗜盐菌紫膜光合磷酸化（photophosphorylation by purple membrane）是迄今所知道的最简单的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应。细菌的视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光反应。细菌的视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用，将反应中能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用，将反应中产生的质子一一逐出细胞膜外，从而使紫膜内外形成一产生的质子一一逐出细胞膜外，从而使紫膜内
49、外形成一个质子梯度差。根据个质子梯度差。根据“化学渗透学说化学渗透学说”，此质子动式在，此质子动式在驱使驱使H H+通过通过ATPATP酶的孔道进入膜内以达到质子平衡时，就酶的孔道进入膜内以达到质子平衡时，就会产生会产生ATPATP。嗜盐菌紫膜光合作用机理嗜盐菌紫膜光合作用机理第二节 分解代谢和合成代谢的联系 分解代谢与合成代谢在生物分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联进行的，它们之间的体内是偶联进行的，它们之间的关系是对立统一的。关系是对立统一的。分解代谢与合成代谢的关系图分解代谢与合成代谢的关系图一、两用代谢途径一、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，凡在分解代谢和合
50、成代谢中均具有功能的代谢途径，称为称为两用代谢途径两用代谢途径（amphibolic pathway）。）。在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。全逆转。可逆反应两个方向的酶不同。可逆反应两个方向的酶不同。在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，包含了包含了完全不同的中间代谢物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
