1、第六章第六章 微生物的代谢微生物的代谢本章提要本章提要第一节第一节 代谢概论代谢概论第二节第二节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢第三节第三节 微生物耗能代谢微生物耗能代谢第四节第四节 微生物代谢的调节微生物代谢的调节第五章第五章 微生物次级代谢与次级代谢产物微生物次级代谢与次级代谢产物第一节第一节 代谢概论代谢概论新陈代谢新陈代谢(metabolism)metabolism)1 1、按活细胞内进行的化学反应分按活细胞内进行的化学反应分：分解代谢分解代谢(catabolism)catabolism)大分子大分子 小分子（能量，细胞组分的前体）小分子（能量，细胞组分的前体）合成代谢合成代谢(an
2、abolism)anabolism)小分子小分子 大分子（酶，结构组分等）大分子（酶，结构组分等）I IIIIIIIIIII分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段 2 2、按物质转化方式分、按物质转化方式分：物质代谢物质代谢 物质在体内转化的过程。物质在体内转化的过程。能量代谢能量代谢 伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。伴随物质转化而发生的能量形式相互转化。3 3、按代谢产物在机体中作用不同分、按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢初级代谢 提供能量、前体、结构物质等的代谢类型提供能量、前体、结构物质等的代谢类型;产物对机体有生理活性。产物对机体有生理活性。次级代谢次级代谢 在一定生长阶段出
3、现的代谢类型；在一定生长阶段出现的代谢类型；其产物其产物 抗生素、色素、激素、生物碱等。抗生素、色素、激素、生物碱等。第二节第二节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢 光能光能 化学能化学能 光能光能 能源能源 有机物氧化有机物氧化 化学能化学能 无机物氧化无机物氧化最初能源最初能源有机物有机物日光日光还原态的无机物还原态的无机物通用能源通用能源ATPATPF F1 1-F-F0 0ATPATP酶（腺苷三磷酸合成酶）酶（腺苷三磷酸合成酶）合成合成ATPATP机制机制F F1 1-F-F0 0ATPATP酶酶：分子马达。能量转化的核心酶。：分子马达。能量转化的核心酶。膜内侧的膜内侧的F F1 1和
4、膜中的和膜中的F F0 0结构域。结构域。“类车轮类车轮”结构结构由由9 9个亚基组成。个亚基组成。可以象可以象“车轮车轮”一样旋转。一样旋转。旋转动力来自质子跨膜运输（膜外旋转动力来自质子跨膜运输（膜外 到膜内）。到膜内）。旋转过程中结合旋转过程中结合ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。F F1 1-F-F0 0ATPATP酶（分子马达）与酶（分子马达）与ATPATP合成合成关系示意图关系示意图3333膜膜内内膜外膜外电子传递过程中能量电子传递过程中能量(ATP)ATP)产生机制产生机制米切尔的化学渗透偶联假说米切尔的化学渗透偶联假说（1961，P.Mitchell）1978Nob
5、el 奖奖F0F1ATP膜膜膜内膜内膜外膜外2H+ADP+PiATP+H2O建立膜内外质子浓度建立膜内外质子浓度差（差（H H+)。借助质子势。借助质子势的推动将能量蕴藏在的推动将能量蕴藏在质子势中。质子势中。一一 光能光能（一）光合微生物的种类（一）光合微生物的种类（二）微生物的光合磷酸化作用（二）微生物的光合磷酸化作用（三）进行光合磷酸化微生物的特点（三）进行光合磷酸化微生物的特点 通过通过光合磷酸化光合磷酸化将光能转变成化学能。将光能转变成化学能。（一）光合微生物的种类（一）光合微生物的种类 1 1、自养型、自养型：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等；：蓝细菌、红硫菌、绿硫菌等；2 2、异养或兼性
6、、异养或兼性：红螺菌、嗜盐菌等。：红螺菌、嗜盐菌等。有光、无氧时有光、无氧时-光合磷酸化光合磷酸化嗜盐菌获能途径嗜盐菌获能途径 有氧时有氧时-氧化磷酸化氧化磷酸化 （二）微生物的光合磷酸化作用（二）微生物的光合磷酸化作用 （photophosphorylation）指光能转化为化学能的过程。有指光能转化为化学能的过程。有3 3种。种。（三）进行光合磷酸化微生物的特点（三）进行光合磷酸化微生物的特点1 1 细菌内含光合色素细菌内含光合色素2 2 具光合单位具光合单位3 3 光合磷酸化光合磷酸化1 1、细菌内含光合色素、细菌内含光合色素 光合生物特有，是光合作用关键物质。光合生物特有，是光合作用关
7、键物质。叶绿素（叶绿素（chlchl）或细菌叶绿素（或细菌叶绿素（BchlBchl）类胡萝卜素类胡萝卜素 藻胆素藻胆素 嗜盐菌具有菌视紫质、菌绿质。嗜盐菌具有菌视紫质、菌绿质。叶绿素叶绿素几种类胡萝卜素的辅助色素几种类胡萝卜素的辅助色素（Accessory PigmentAccessory Pigment）褐藻素褐藻素-胡萝卜素胡萝卜素藻兰素藻兰素类胡萝卜素不直接参与光合反应。其作用：类胡萝卜素不直接参与光合反应。其作用：把捕获的光能高效传给细菌叶绿素，进行把捕获的光能高效传给细菌叶绿素，进行光合磷酸化作用。光合磷酸化作用。做为叶绿素所催化的光氧化反应的淬灭剂。做为叶绿素所催化的光氧化反应的淬
8、灭剂。在细胞能量代谢上起辅助作用。在细胞能量代谢上起辅助作用。2 2、具光合单位、具光合单位有光合色素和电子传递系统的有光合色素和电子传递系统的存在位点存在位点。光合色素分布于光合色素分布于光合系统光合系统光合系统光合系统每个光合系统即是每个光合系统即是1 1个光合单位。个光合单位。如：如：蓝细菌蓝细菌类囊体类囊体 红螺菌、红硫菌红螺菌、红硫菌在细胞膜内壁形成单位膜组成的在细胞膜内壁形成单位膜组成的 光合单位。光合单位。光合细菌中，光照越强，光合单位越多。光合细菌中，光照越强，光合单位越多。光捕获复合体光捕获复合体（含菌绿素、类胡萝卜素）（含菌绿素、类胡萝卜素）反应中心复合体反应中心复合体1
9、1个光合单位个光合单位 3 3 光合磷酸化光合磷酸化 环式光合磷酸化环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化 嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用 当当1 1个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子时，个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子时，叶绿素被激活，导致叶绿素释放叶绿素被激活，导致叶绿素释放1 1个电子而个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量。步释放能量。将光能转化为化学能。将光能转化为化学能。代代 表表 微微 生生 物物光合作用部位光合作用部位光合作用特点光合作用特点原核生物的红螺菌属、绿菌属、红假原核生物的红螺菌属、绿菌属、红假
10、单胞菌属。厌氧菌。单胞菌属。厌氧菌。菌绿素菌绿素光反应和暗反应光反应和暗反应组成组成,只有一个只有一个光反应系统，不放氧。光反应系统，不放氧。环式光合磷酸化环式光合磷酸化是一种原始产能机制。电子循环式传递，形成回路。是一种原始产能机制。电子循环式传递，形成回路。铁氧环蛋白铁氧环蛋白泛醌泛醌Cyt.bCyt.CADP+PiATPe-e-e-e-e-菌绿素菌绿素+菌绿素菌绿素环式光合磷酸化的光反应hvhv环式光合磷酸化的暗反应环式光合磷酸化的暗反应光能转变的化学能光能转变的化学能CO2有机物有机物ATPNADH2只有一个光合系统（光合单位），有光反应和暗反应只有一个光合系统（光合单位），有光反应和
11、暗反应环式光合磷酸化特点环式光合磷酸化特点 不放氧气。不放氧气。不产还原剂不产还原剂NADH2，固定固定CO2所需所需NADH2来自电子来自电子传递传递非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化代代 表表 微微 生生 物物光合作用部位光合作用部位光合作用特点光合作用特点蓝细菌蓝细菌叶绿素叶绿素光合系统光合系统和光合系统和光合系统偶联偶联。产氧气。产氧气。电子传递途径不形成环式回路电子传递途径不形成环式回路非环式光合磷酸化非环式光合磷酸化FdFpe-e-e-Cyt.be-PQ(质体醌质体醌)e-Fe.SADP+PiATPe-叶绿素叶绿素a 叶绿素叶绿素a+e-叶绿素叶绿素b 叶绿素叶绿素b+H201/20
12、2Mn2+2H+e-ADP+PiATPCyt.CNADPH+H+非环式光合磷酸化特点非环式光合磷酸化特点两个光合系统，即光合单位（叶绿素两个光合系统，即光合单位（叶绿素a、叶绿素叶绿素b）放氧气。放氧气。产还原剂产还原剂NADHNADH2 2，产产ATPATP。嗜盐菌紫膜的光合作用嗜盐菌紫膜的光合作用ATP酶酶紫紫 膜膜H+H+H+-+-H+ADP+PiATP紫膜具有质紫膜具有质子泵作用。子泵作用。光量子驱动光量子驱动又叫紫膜光合磷酸化又叫紫膜光合磷酸化最简单的光合磷酸化最简单的光合磷酸化微生物的光合磷酸化微生物的光合磷酸化 二二 化学能化学能(一一)化能异养型微生物产能代谢化能异养型微生物产
13、能代谢(二二)化能自养型微生物产能代谢化能自养型微生物产能代谢 生物氧化生物氧化：物质在生物体内进行的一系列连续：物质在生物体内进行的一系列连续的氧化还原反应的氧化还原反应,逐步分解并逐步分解并释放能量释放能量的过程的过程,基质基质脱下的脱下的氢和电子氢和电子经载体经载体传递传递最终交给最终交给受体受体的生物的生物学过程学过程。(一一)化能异养型微生物产能代谢化能异养型微生物产能代谢根据最终电子受体的不同分类根据最终电子受体的不同分类发酵发酵呼吸作用呼吸作用有氧呼吸有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸异养微生物的产能代谢的方式异养微生物的产能代谢的方式1.发酵发酵(fermentation)ferment
14、ation)（1 1）发酵概念）发酵概念（2 2）工业发酵概念）工业发酵概念（3 3）发酵产能途径）发酵产能途径（4 4）重要的发酵类型）重要的发酵类型 （1 1）发酵发酵:在细胞内发生的一种氧化还原反应。在细胞内发生的一种氧化还原反应。有机物放出的电子直接有机物放出的电子直接交给底物交给底物本身未完全氧化的本身未完全氧化的某种某种中间代谢产物（有机物）中间代谢产物（有机物），同时，同时放出能量放出能量和产和产生生各种不同的中间代谢产物各种不同的中间代谢产物。无外源电子受体无外源电子受体。（P P102102）（2 2）工业发酵工业发酵:利用好氧或厌氧微生物，通过利用好氧或厌氧微生物，通过物质
15、的分解与合成两个代谢过程将某些物质转变成物质的分解与合成两个代谢过程将某些物质转变成某些有用代谢产物的一类某些有用代谢产物的一类生产方式生产方式。（3 3）发酵产能途径）发酵产能途径EMPEMP途径途径（Embdem-Meyerhof pathwayEmbdem-Meyerhof pathway）（）（glycolytic pathwayglycolytic pathway）HMHM途径途径（hexose monophosphate pathwayhexose monophosphate pathway）（pentose phosphatepathwaypentose phosphatepat
16、hway）EDED途径途径（Entner-Doudoroff pathwayEntner-Doudoroff pathway）磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径 发酵的种类很多，可发酵的底物有糖类、有机发酵的种类很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、氨基酸等。微生物发酵酸、氨基酸等。微生物发酵葡萄糖葡萄糖最为重要。最为重要。1)1)EMPEMP:（Embden-Meyerhof pathwayEmbden-Meyerhof pathway）又称又称糖酵解途径糖酵解途径（glycolysis)glycolysis)或或 己糖二磷酸途径己糖二磷酸途径(hexosed iphosphate pathway)h
17、exosed iphosphate pathway)MicrobesMicrobes：好氧、厌氧、兼性微生物。好氧、厌氧、兼性微生物。特征酶特征酶：1 1，66二磷酸果糖醛缩酶二磷酸果糖醛缩酶 产产 能能：2 2个个ATP,2ATP,2个个NADHNADH。第一阶段：第一阶段：葡萄糖葡萄糖 2 2分子甘油醛分子甘油醛-3-3-磷酸磷酸 未发生氧化还原反应。预备性反应。未发生氧化还原反应。预备性反应。2 2分子分子ATPATP用于糖的磷酸化。用于糖的磷酸化。第二阶段：第二阶段：甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸 丙酮酸丙酮酸发生氧化还原反应。产生发生氧化还原反应。产生4 4分子分子ATPATP。总净
18、产生总净产生2 2分子分子ATPATP。作用作用提供提供ATPATP和和NADHNADH；提供碳骨架提供碳骨架；逆转合成多糖。逆转合成多糖。大多数微生物共大多数微生物共有的有的基本代谢途基本代谢途径，与发酵主要径，与发酵主要生产有密切关系。生产有密切关系。EMPEMP途径途径2 22 22 22 2 2)2)HM:HM:(hexose monophosphate pathway)(hexose monophosphate pathway)单磷酸己糖途径单磷酸己糖途径,又称又称Warburg-DickensWarburg-Dickens途径途径 或磷酸葡萄糖酸途径）。是一条不经或磷酸葡萄糖酸途径
19、）。是一条不经EMPEMP途径途径、TCA TCA循环而将葡萄糖彻底氧化的途径。循环而将葡萄糖彻底氧化的途径。（从葡萄糖（从葡萄糖-6-磷酸开始）磷酸开始）MicrobesMicrobes：好氧、厌氧、兼性微生物。好氧、厌氧、兼性微生物。特征酶特征酶：转羟乙醛酶和转二羟丙酮酶（：转羟乙醛酶和转二羟丙酮酶（P P104104)产产 能能：6 6个个NADPHNADPH(还原力还原力)1 1个个NADHNADH。1 1分子葡萄糖分子葡萄糖-6-6-磷酸磷酸1 1分子甘油醛分子甘油醛-3-3-磷酸磷酸3 3分子分子COCO2 26 6分子分子NADPHNADPH不是产不是产能途径能途径磷酸葡萄糖酸磷
20、酸葡萄糖酸转酮酶转酮酶转醛酶转醛酶 3)3)ED:ED:（Entner-Doudoroff pathpay Entner-Doudoroff pathpay）又称又称2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-P-P-葡萄糖酸葡萄糖酸（KDPGKDPG）途径途径,是少数是少数EMEM（1010步）途径不完整的细菌（如一些假单步）途径不完整的细菌（如一些假单 胞菌等）特有的利用胞菌等）特有的利用G G的替代途径，其特点是步骤简的替代途径，其特点是步骤简 单（单（4 4步）、产能效率低，开发工业步）、产能效率低，开发工业细菌酒精发细菌酒精发 酵。酵。MicrobesMicrobes：好氧、微好氧微生物
21、。好氧、微好氧微生物。特征酶特征酶：2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-P-P-葡萄糖酸醛缩酶葡萄糖酸醛缩酶 产产 能能：1 1个个ATP,1ATP,1个个NADPHNADPH，1 1个个NADHNADH。革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌中广泛存在。中广泛存在。固氮菌固氮菌存在较多。存在较多。2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-P-P-葡萄糖酸葡萄糖酸NADHNADH参与参与发酵过程发酵过程中的再次中的再次氧化氧化EMP、HM、ED途径比较途径比较 *以上以上3 3个途径均为个途径均为：葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 区别：区别：1 1）微生物；）微生物；2 2）特征酶；）特征酶；3 3）产能；）
22、产能；4）磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径具特征性磷酸解酮酶具特征性磷酸解酮酶磷酸戊糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶PKPK途径途径磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶HKHK途径途径是是明串珠菌明串珠菌在进行异型乳糖发酵在进行异型乳糖发酵过程中分解过程中分解己糖己糖和和戊糖戊糖的途径。的途径。（4）重要的发酵类型）重要的发酵类型（葡萄糖发酵）（葡萄糖发酵）1 1）特点）特点：多样性：多样性 2 2）意义）意义：发酵可得到多种产物；发酵可得到多种产物；鉴定菌种。鉴定菌种。3 3）类型）类型：乙醇发酵乙醇发酵 乳酸发酵乳酸发酵 丁酸发酵丁酸发酵 混合酸发酵混合酸发酵 A A重要的发酵类型之一重要的发酵类型之一乙醇发酵
23、乙醇发酵a)a)酵母菌的乙醇发酵（酵母菌的乙醇发酵（2 2ATP ATP）厌氧厌氧EMP EMP 丙酮酸丙酮酸 乙醛乙醛 乙醇乙醇 b)b)异型乙醇发酵异型乙醇发酵:(如肠膜明串珠菌如肠膜明串珠菌)HM HM 丙酮酸丙酮酸 乙醇乙醇+乳酸乳酸+COCO2 2+ATP+ATPc)c)同型乙醇发酵同型乙醇发酵:（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇（运动发酵单胞菌）产物仅乙醇 ED(ED(厌氧厌氧)丙酮酸丙酮酸 乙醇乙醇+COCO2 2+ATP+ATP 区别区别：微生物不同；途径不同；：微生物不同；途径不同；产能不同。产能不同。酵母菌乙醇发酵酵母菌乙醇发酵葡萄糖葡萄糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛1，3二磷酸甘油酸
24、二磷酸甘油酸2NAD2NADH2丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶乙醛乙醛乙醇乙醇ATPCO2产能量少（产能量少（2 2个个ATP)ATP)，大部分储存在乙醇中。大部分储存在乙醇中。电子受体：电子受体：乙醛（代谢的中间产物）乙醛（代谢的中间产物）在乙醇发酵中的巴斯德效应在乙醇发酵中的巴斯德效应:概念概念：有氧条件下，：有氧条件下，乙醇发酵乙醇发酵和和糖酵解糖酵解受受抑制抑制的现的现 象。象。分子氧分子氧对葡萄糖分解代谢产生抑制。对葡萄糖分解代谢产生抑制。意义意义：微生物机体内的自我调节机制微生物机体内的自我调节机制 （通气、（通气、pHpH，培养基、亚硫酸氢钠）。培养基、亚硫酸氢钠）。微生物合理利用能源
25、。微生物合理利用能源。获得大量菌体获得大量菌体,要通气要通气;获得大量乙醇获得大量乙醇,要厌氧。要厌氧。（啤酒、酒精生产）（啤酒、酒精生产）B B 重要的发酵类型之二重要的发酵类型之二乳酸发酵乳酸发酵厌氧条件下，乳酸菌进行。厌氧条件下，乳酸菌进行。同一微生物同一微生物,利用不同底物利用不同底物,可进行不同形式的可进行不同形式的 乳酸发酵。乳酸发酵。不同微生物不同微生物,可进行不同形式的乳酸发酵。可进行不同形式的乳酸发酵。乳酸菌有乳酸菌有：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串：乳杆菌、芽孢杆菌、链球菌、明串 珠菌、双歧杆菌等。珠菌、双歧杆菌等。a a）同型乳酸发酵）同型乳酸发酵：EMPEMP，产物仅乳
26、酸，产物仅乳酸，2 2个个ATPATP。b b）异型乳酸发酵异型乳酸发酵 ：HMHM、EDED，产物除乳酸还有乙醇或产物除乳酸还有乙醇或 乙酸、乙酸、COCO2 2，1 1或或2 2个个ATPATP。葡萄糖葡萄糖3磷酸甘油醛磷酸甘油醛2NAD2NADH21，3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸ATPCO2丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶产能量少（产能量少（2 2个个ATP)ATP)，大部分储存在乳酸中。大部分储存在乳酸中。最终电子受体：最终电子受体：丙酮酸丙酮酸微生物：微生物：乳链球菌、植物乳杆菌乳链球菌、植物乳杆菌同型乳酸发酵同型乳酸发酵 （EMPEMP）异型乳酸发酵（异型乳酸发酵（HMHM）
27、不同微生物利用不同物质不同微生物利用不同物质,其产物、产能不同。如：其产物、产能不同。如：葡萄糖葡萄糖乳酸、乙醇、乳酸、乙醇、COCO2 2 核核 糖糖乳酸、乙酸乳酸、乙酸 果果 糖糖乳酸、乙酸、乳酸、乙酸、COCO2 2 C C 重要的发酵类型之三重要的发酵类型之三丁酸发酵丁酸发酵专性厌氧菌。不同菌，通过专性厌氧菌。不同菌，通过EMPEMP途径，产物不同，可分为：途径，产物不同，可分为：a a）丁酸发酵丁酸发酵：丁酸梭菌丁酸梭菌丁酸丁酸 b b）丙酮丙酮-丁醇发酵丁醇发酵：丙酮丙酮-丁醇梭状芽孢杆菌丁醇梭状芽孢杆菌 丙酮、丁醇丙酮、丁醇 c c）丁醇丁醇-异丙醇发酵异丙醇发酵：丁酸梭菌丁酸梭
28、菌丙酮还原为异丙醇丙酮还原为异丙醇D D 重要的发酵类型之四重要的发酵类型之四混合酸发酵混合酸发酵肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵肠细菌将葡萄糖转化成多种有机酸的发酵。EMPEMP 丙酮酸丙酮酸 乳酸、乙酸、琥珀酸、乳酸、乙酸、琥珀酸、甲酸甲酸、乙醇、乙醇、丁醇、丁醇、2,3-2,3-丁二醇丁二醇、丙酮、丙酮、COCO2 2 、H H2 2等。等。a a）甲酸形成与肠杆菌甲酸形成与肠杆菌(E.coliE.coli)乙酰辅酶乙酰辅酶A A 丙酮酸丙酮酸 甲酸甲酸(甲酸解氢酶甲酸解氢酶)COCO2 2+H+H2 2 大肠杆菌有甲酸解氢酶，大肠杆菌有甲酸解氢酶，发酵葡萄糖发酵葡萄糖产酸产气产酸产
29、气；肠道病原菌肠道病原菌（伤寒、痢疾）（伤寒、痢疾）无甲酸解氢酶无甲酸解氢酶，所以，所以 发酵葡萄糖发酵葡萄糖只产酸不产气只产酸不产气。糖糖发发酵酵实实验验葡萄糖葡萄糖b b）2,32,3丁二醇发酵丁二醇发酵 产气肠杆菌产气肠杆菌可将丙酮酸经缩合、脱羧生成可将丙酮酸经缩合、脱羧生成乙酰甲基甲乙酰甲基甲醇醇，然后进一步还原成，然后进一步还原成2,32,3丁二醇丁二醇。缩合、脱羧缩合、脱羧 还原还原丙酮酸丙酮酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 2,32,3丁二醇丁二醇 应用在实验上：应用在实验上：V-PV-P试验（试验（Voges-Proskaner test)Voges-Proskaner test)
30、（检测（检测2,32,3丁二醇发酵）丁二醇发酵）甲基红试验甲基红试验(Methyl red test)Methyl red test)（检测甲酸产生）（检测甲酸产生）V-PV-P试验试验（Voges-Proskaner test Voges-Proskaner test）如如：产气肠杆菌为伏：产气肠杆菌为伏普反应阳性普反应阳性 大肠杆菌为伏大肠杆菌为伏普反应阴性普反应阴性 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇在在碱性碱性条件下易氧化成条件下易氧化成二二 乙酰乙酰，后者与蛋白胨中，后者与蛋白胨中精氨酸的胍基精氨酸的胍基反应反应 生成生成红色化合物。红色化合物。甲基红试验甲基红试验（Methyl red te
31、stMethyl red test）某些细菌在糖代谢过程中，将培养基中的糖先分解某些细菌在糖代谢过程中，将培养基中的糖先分解为丙酮酸，再将其分解为为丙酮酸，再将其分解为甲酸甲酸、乙酸、乳酸等，使培养、乙酸、乳酸等，使培养基基pHpH下降，可使下降，可使甲基红甲基红指示剂指示剂由由桔黄色桔黄色变为变为红色红色，即甲，即甲基红基红阳性反应阳性反应。*甲基红甲基红pH5.3pH5.3以上为以上为黄色黄色；pH4pH4以下为以下为红色红色。如：大肠杆菌为阳性反应。如：大肠杆菌为阳性反应。产气肠杆菌为阴性反应。产气肠杆菌为阴性反应。糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵
32、则是 糖酵解过程的发展。糖酵解过程的发展。发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的 氧化过程不彻底。氧化过程不彻底。基质是被氧化的，基质的中间产物同时又是基质是被氧化的，基质的中间产物同时又是 电子受体。电子受体。2 呼吸作用呼吸作用化能异养型微生物产能方式化能异养型微生物产能方式：好氧或兼性厌氧微：好氧或兼性厌氧微生物通过氧化作用分解葡萄糖等，生物通过氧化作用分解葡萄糖等，放出电子放出电子，该电子，该电子经经电子传递链电子传递链传递给氧气传递给氧气或或其它氧化型无机物其它氧化型无机物，生成，生成水或还原型产物，并伴随能量放出的生物学作用。水或还原型产物，并
33、伴随能量放出的生物学作用。电子受体是氧气电子受体是氧气有氧呼吸有氧呼吸(aerobio respiation)aerobio respiation)电子受体是无机物电子受体是无机物无氧呼吸无氧呼吸(anaerobio respiation)anaerobio respiation)有氧呼吸有氧呼吸(1)(1)EMP EMP TCA TCA 呼吸链呼吸链 生成生成COCO2 2，H H2 2O O，3838个个ATPATP，1010个个NADHNADH，2 2个个FADHFADH2 2。(2)(2)HM HM TCA TCA 呼吸链呼吸链 生成生成 生成生成COCO2 2，H H2 2O O，3
34、535个个ATPATP，1212个个NADPH NADPH。三羧酸三羧酸TCATCA循环图示循环图示有氧呼吸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶AGTPGDP+Pi三羧酸三羧酸循循 环环有氧呼吸以以呼吸基质是葡萄糖为例说明呼吸基质是葡萄糖为例说明v 两个特点两个特点葡萄糖彻底氧化葡萄糖彻底氧化产能量大产能量大葡萄糖葡萄糖糖酵解糖酵解丙酮酸丙酮酸三羧酸循环三羧酸循环CO2、NADHNADO2H+、e-H2O呼吸链呼吸链NAD+NAD+大量大量ATPATP（383
35、8个）个）NADFAD辅酶辅酶Q细胞色素细胞色素b、c、a有氧呼吸呼吸链（电子传递系统）呼吸链（电子传递系统）作用：作用：从电子供体接受电子并将从电子供体接受电子并将电子传递电子传递给电子受体；给电子受体；通过通过合成合成ATPATP把在电子传递过程中释放的一部分把在电子传递过程中释放的一部分 能量保存起来。能量保存起来。原核微生物的呼吸链原核微生物的呼吸链位于位于细胞膜细胞膜上，有氧呼吸在细胞上，有氧呼吸在细胞 膜上进行。膜上进行。真核微生物的呼吸链真核微生物的呼吸链在在线粒体膜线粒体膜上，有氧呼吸在线粒上，有氧呼吸在线粒 体中进行体中进行。有氧呼吸有氧呼吸线粒体的电子传递链线粒体的电子传递
36、链有氧呼吸1/21/2O O2 2H H2 2O OH H+线粒体电子传递链上的有氧传递线粒体电子传递链上的有氧传递有氧呼吸1/21/2O O2 2H H2 2O OH H+3 3H H+ADPADP+Pi+PiATPATP3 3H H+合成合成ATPATP，一部分能量储存起来。一部分能量储存起来。有氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸 1)1)硝酸盐还原硝酸盐还原反硝化作用。反硝化作用。电子受体电子受体NONO3 3-、NONO2 2-2)2)硫酸盐还原。硫酸盐还原。电子受体电子受体SOSO4 4 2-2-、S S2 2O O3 3 2-2-3)3)专性厌氧甲烷菌专性厌氧甲烷菌。电子受体。电子受体COCO
37、2 2 有机物有机物 电子流向电子流向 NONO3 3-、SOSO4 4 2-2-、COCO2 2等等 最终电子受体最终电子受体氧化型的无机物氧化型的无机物1 1）硝酸盐还原）硝酸盐还原反硝化作用反硝化作用 兼性厌氧微生物（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺菌等）。兼性厌氧微生物（粪产碱杆菌、地衣、芽孢杆菌、螺菌等）。异化还原（反硝化作用）：无异化还原（反硝化作用）：无O O2 2、硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 NONO3 3_ _ NONO2 2_ _ NO NO N N2 2O O N N2 2 同化还原（反硝化作用）：有或无同化还原（反硝化作用）：有或无O O2 2、硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 N
38、ONO3 3_ _ NO NO2 2_ _ NH NH2 2OH OH NHNH3 3 无氧呼吸 硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶（电子供体（电子供体NADHNADH、NADPHNADPH；MoMo，FMNFMN激活）激活）异化型硝酸盐还原酶异化型硝酸盐还原酶：诱导酶。位于：诱导酶。位于细胞膜上细胞膜上，氧氧阻阻遏其合成并抑制活性。遏其合成并抑制活性。同化型硝酸盐还原酶同化型硝酸盐还原酶：可溶性酶，位于：可溶性酶，位于细胞质细胞质中，好中，好氧、厌氧条件下氧、厌氧条件下氨氨能阻遏其合成。能阻遏其合成。无氧呼吸线粒体电子传递链上的无氧传递线粒体电子传递链上的无氧传递NONO2 2-NONO2 2）硫酸盐
39、还原）硫酸盐还原反硫化作用反硫化作用 硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌（脱硫弧菌、脱硫单孢菌属）在厌氧条（脱硫弧菌、脱硫单孢菌属）在厌氧条件下进行。硫酸盐还原酶起重要作用，在产能的同时，件下进行。硫酸盐还原酶起重要作用，在产能的同时，还要消耗能量。还要消耗能量。无氧呼吸 3 3）专性厌氧甲烷菌专性厌氧甲烷菌专性厌氧甲烷菌进行专性厌氧甲烷菌进行 COCO2 2 CH CH3 3CHCH2 2OH OH CH CH3 3COOH+COOH+CHCH4 4+ATP+ATP无氧呼吸(二二)化能自养型微生物产能代谢化能自养型微生物产能代谢 1 1、能量来源、能量来源 2 2、产能途径、产能途径 3 3、种类、种
40、类 4 4、特点、特点 5 5、方式、方式作最初能源：作最初能源：作无机氢供体作无机氢供体NHNH4 4+NONO2 2-H H2 2S SS SH H2 2FeFe2 2+顺呼吸链传递顺呼吸链传递耗耗 HH产产ATPATPATPATP逆呼吸链传递逆呼吸链传递耗耗ATPATP产产 HHNADNAD（P P）H H2 2COCO2 2 CHCH2 2OO化能自养微生物还原化能自养微生物还原COCO2 2时时ATPATP和和 HH的来源的来源1 1、能量来源、能量来源:氧化无机底物氧化无机底物2 2、产能途径、产能途径:经过呼吸链的氧化磷酸化反应。经过呼吸链的氧化磷酸化反应。3 3、种类、种类：氢
41、细菌、硝化细菌、硫细菌、铁细菌等。氢细菌、硝化细菌、硫细菌、铁细菌等。氧化磷酸化氧化磷酸化 物质在生物氧化过程中形成的物质在生物氧化过程中形成的NADHNADH和和 FADHFADH2 2通过电子传递系统传递给氧或其它氧化通过电子传递系统传递给氧或其它氧化型物质，在这个过程中偶联着型物质，在这个过程中偶联着ATPATP的合成。的合成。4 4、特点、特点 1 1）无机底物氧化直接与呼吸链相偶联无机底物氧化直接与呼吸链相偶联;2 2）呼吸链组分多样化呼吸链组分多样化,氢或电子从任一组分进入呼吸链氢或电子从任一组分进入呼吸链3 3）产能效率低于化能异养微生物产能效率低于化能异养微生物5 5、方式、方
42、式1 1）硝化作用硝化作用2 2）硫化作用硫化作用以硝化作用为例以硝化作用为例:在土壤或水中在土壤或水中氨态氮氨态氮经过化能自养菌的氧化经过化能自养菌的氧化,生生成成硝酸态氮硝酸态氮的过程。的过程。第一阶段第一阶段:亚硝化细菌把氨氧化为亚硝酸亚硝化细菌把氨氧化为亚硝酸 NHNH4 4+3/2O+3/2O2 2 NONO2 2-+2H+2H+H+H2 2O+148O+148千卡千卡 第二阶段第二阶段:硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸 NONO2 2-+O+O2 2 NONO3 3-+484+484千卡千卡硝化作用硝化作用特点特点:(1)(1)好氧；好氧；(2)(2)产能低；产
43、能低；(3)(3)这一类微生物在自然界中种类多。这一类微生物在自然界中种类多。作用较大，但生长速度较慢。作用较大，但生长速度较慢。第三节第三节 微生物的耗能代谢微生物的耗能代谢生物合成三要素生物合成三要素 1 1、ATPATP 2 2、还原力还原力 （NADPHNADPH）3 3、小分子物质、小分子物质一、一、自养微生物固定自养微生物固定COCO2 2的方式的方式二、二、生物固氮生物固氮三、三、肽聚糖的合成肽聚糖的合成一、自养微生物固定一、自养微生物固定COCO2 2的方式的方式将空气中的将空气中的COCO2 2同化为细胞物质的过程同化为细胞物质的过程COCO2 2的固定。的固定。在自养式中，
44、在自养式中，COCO2 2加在一个特殊的加在一个特殊的受体受体上，经循环反应使上，经循环反应使之之合成糖并重新生成该受体合成糖并重新生成该受体。COCO2 2是惟一碳源。是惟一碳源。在异养式中，在异养式中，COCO2 2被固定在某种被固定在某种有机酸有机酸上，同化上，同化COCO2 2的同时，的同时，最终靠最终靠吸收有机碳化合物生存吸收有机碳化合物生存。自养中，能量来源于光能或无机物氧化获得的化学能。自养中，能量来源于光能或无机物氧化获得的化学能。（一）卡尔文循环（一）卡尔文循环（Calvin cycleCalvin cycle）（二）还原性二）还原性TCATCA途径途径 (reductive
45、 tricarboxylic acid cycle)reductive tricarboxylic acid cycle)（一）卡尔文循环（一）卡尔文循环（Calvin cycleCalvin cycle）所有化能自养和大部分光合细菌所有化能自养和大部分光合细菌。以此将以此将COCO2 2同化成葡萄糖的过程同化成葡萄糖的过程:1 1、COCO2 2的固定的固定 2 2、被固定的被固定的COCO2 2的还原的还原 3 3、COCO2 2受体的再生受体的再生:关键酶关键酶5-5-P-P-核酮糖激酶核酮糖激酶 磷酸己糖磷酸己糖 CO CO2 2受体：受体：核酮糖核酮糖-1-1，5-5-二磷酸二磷酸
46、1 1次卡尔文循环可以将次卡尔文循环可以将6 6分子分子COCO2 2同化为同化为1 1分子葡分子葡萄糖萄糖核酮糖核酮糖-1-1，5-5-二磷酸二磷酸（受体）（受体）3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸1 1，3-3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸COCO2 2的固定的固定甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸被固定的被固定的COCO2 2的还原的还原CO2CO2受体的再生受体的再生核酮糖核酮糖-1-1，5-5-二磷酸羧化酶二磷酸羧化酶（二）（二）还原性还原性TCATCA途径固定途径固定COCO2 2(reductive tricarboxylic acid cycle)(reductive tricarboxyl
47、ic acid cycle)绿硫细菌固定或储存绿硫细菌固定或储存COCO2 2，为，为TCATCA逆反应。逆反应。COCO2 2 COCO2 2琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A A -酮戊二酸酮戊二酸 柠檬酸柠檬酸 草酰乙酸草酰乙酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A柠檬酸裂解酶柠檬酸裂解酶参与生物合成参与生物合成 每循环每循环1 1周掺入周掺入2 2个个COCO2 2，提供，提供参与生物合成的乙酰辅酶参与生物合成的乙酰辅酶A A。草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸柠檬酸草酰琥珀酸草酰琥珀酸-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酰辅酶琥珀酰辅酶A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶AGTPGDP+Pi三羧酸三羧酸
48、循循 环环异柠檬酸异柠檬酸参与生物合成参与生物合成二、生物固氮二、生物固氮（一）（一）固氮微生物固氮微生物（二）（二）固氮的生物化学固氮的生物化学1.工业固氮作用工业固氮作用 300300大气压大气压 N N2 2+3H+3H2 2 2NH 2NH3 3 300300铁触媒铁触媒2、生物固氮作用生物固氮作用 6 6NAD(P)H NAD(P)NAD(P)H NAD(P)+N=N N=N NHNH3 3 ATP MgATP Mg2+2+ADP+Pi ADP+PiN=N N=N NH NH3 3生物固氮生物固氮：微生物将氮气还原为氨的过程。：微生物将氮气还原为氨的过程。（一）固氮生物（一）固氮生物
49、 目前发现的都是原核微生物。细菌、放线菌、蓝细菌。目前发现的都是原核微生物。细菌、放线菌、蓝细菌。1 1、自生固氮菌、自生固氮菌 2 2、共生固氮菌、共生固氮菌 3 3、联合固氮菌、联合固氮菌 自生固氮菌自生固氮菌微生物单独生活固氮。微生物单独生活固氮。固氮菌属的固氮菌属的圆褐固氮菌（圆褐固氮菌（A.chroococumA.chroococum）（好氧，强）（好氧，强）固氮梭菌属的固氮梭菌属的巴氏梭菌（巴氏梭菌（C.pasteurianumC.pasteurianum）（厌氧、弱）（厌氧、弱）固氮蓝细菌固氮蓝细菌共生固氮菌共生固氮菌微生物和植物形微生物和植物形成成共生体共生体共生固氮共生固氮。
50、单独生活不固氮。单独生活不固氮。根瘤菌和豆科植物共生固氮根瘤菌和豆科植物共生固氮 弗兰克氏菌和非豆科木本植物共生固氮。弗兰克氏菌和非豆科木本植物共生固氮。鱼腥藻和红萍共生固氮。鱼腥藻和红萍共生固氮。联合固氮菌联合固氮菌有些自生固氮微生物在特定的有些自生固氮微生物在特定的植物根际植物根际环境中发展环境中发展比非根际土壤中旺盛，固氮微生物利用该处的能源比非根际土壤中旺盛，固氮微生物利用该处的能源生活。被称为联合固氮生活。被称为联合固氮。雀稗雀稗雀稗固氮菌（最先发现）雀稗固氮菌（最先发现）甘蔗甘蔗贝氏固氮菌贝氏固氮菌玉米、小麦玉米、小麦固氮刚螺菌固氮刚螺菌谷子谷子假单胞菌假单胞菌(二二)固氮的生物化
