1、第五章第五章 微生物代谢微生物代谢ATP1代谢（代谢（metabolism）：）：细胞内发生的各种化学反应的总称。细胞内发生的各种化学反应的总称。代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)分解代谢分解代谢复复杂杂分分子子（有机物）（有机物）简单分子简单分子ATPH合成代谢合成代谢+23Adenine(blue)Ribose(black)Triphosphate(red)4Structures of the oxidized forms of nicotinamide-derivedelectron carriers.Nicotinamide aden
2、ine dinucleotide(NAD)and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate(NADP)are prominent carriers of high-energy electrons.In NAD,R=H;in NADP,R=PO32-脱氢酶辅酶脱氢酶辅酶5Structure of the oxidized form of flavin adenine dinucleotide(FAD).This electron carrier consists of a flavin mononucleotide(FMN)unit(shown i
3、n blue)and an AMP unit(shown in black).6一、微生物的生物氧化和产能一、微生物的生物氧化和产能微微生生物物的的生生物物氧氧化化本本质质是是氧氧化化还还原原反反应应，这这过过程程中中有有能能量量的的产产生生和和转转移移、还还原原力力H的的产产生生、小小分分子子中中间间代谢物代谢物的产生。的产生。微微生生物物产产生生各各种种能能量量如如电电能能、化化学学能能、机机械械能能、光光能能等等。在在所所产产生生的的能能量量中中，一一部部分分变变为为热热量量丧丧失失，一一部部分分供供给给合合成成反反应应和和生生命命活活动动，另另一一部部分分贮贮存存在在ATP中。中。微微
4、生生物物的的能能源源主主要要包包括括有有机机物物、无无机机物物和和日日光光，能能量量代代谢谢的的主主要要内内容容就就是是研研究究微微生生物物如如何何利利用用这这三三类类能能源转化为源转化为ATP的。的。7ATP的生成方式有：的生成方式有：1、基基质质（底底物物）水水平平磷磷酸酸化化：厌厌氧氧或或兼兼性性厌厌氧氧微微生生物物在在基基质质氧氧化化过过程程中中，产产生生一一个个含含有有高高能能键键的的中中间间物物，将将高高能能键键转转移移到到ADP，成成为为ATP，如如1，3-二二磷磷酸酸甘甘油油酸酸和和磷磷酸酸烯烯醇醇式丙酮酸。式丙酮酸。2、氧氧化化磷磷酸酸化化：是是主主要要的的能能量量来来源源。
5、氧氧化化磷磷酸酸化化作作用用是是将将生生物物氧氧化化过过程程中中释释放放出出的的自自由由能能转转移移形形成成高高能能ATP的的作作用用，能能量量的的转转移移通通过过电电子子传传递递链链实实现现，ATP的的生生成成基基于于与与电电子子传递相偶联的磷酸化作用。传递相偶联的磷酸化作用。氧化磷酸化的全过程可表示为：氧化磷酸化的全过程可表示为：NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+4H2O+3ATP8电电子子传传递递链链：由由NAD或或NADP、FAD或或FMN、辅辅酶酶Q、细细胞色素胞色素b、c、a、a3组成。组成。电电子子传传递递链链的的位位置置，原原核核生生物物中中电电子子传传递递链链
6、与与细细胞胞质质膜膜相连，真核微生物在线粒体上。相连，真核微生物在线粒体上。基基本本功功能能：a、接接受受电电子子供供体体释释放放出出的的电电子子，电电子子沿沿各各组组分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；分传递，最后由细胞色素氧化酶将电子传给氧；b、合成合成ATP。9电子受体电子受体电子供体电子供体10113、光光合合磷磷酸酸化化：光光引引起起叶叶绿绿素素、菌菌绿绿素素或或菌菌紫紫素素逐逐出出电子，通过电子传递产生电子，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。的过程叫光合磷酸化。非循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化：光照后，激发态叶绿素分子从：光照后，激发态叶绿素分子从H2O得到电子传
7、递给得到电子传递给NADP+，经过电子传递链后产生经过电子传递链后产生ATP：2H2O+2NADP+2ADP+2Pi2NADPH+2H+2ATP+O2环式光合磷酸化环式光合磷酸化中电子循环流动，整个过程中只有中电子循环流动，整个过程中只有ATP的产生不伴随的产生不伴随NADPH的生成，不产生的生成，不产生O2。12产能（产能（ATP）生物氧化的功能：生物氧化的功能：产还原力产还原力H产小分子中间代谢物产小分子中间代谢物二、化能异养微生物的生物氧化与产能代谢二、化能异养微生物的生物氧化与产能代谢好氧呼吸好氧呼吸生物氧化的三种类型：生物氧化的三种类型：厌氧呼吸厌氧呼吸发酵发酵131.好氧呼吸以分子
8、态的氧作为最终电子受体的生物氧化过程。彻底氧化，放能最多。2.厌氧呼吸3.发酵作用电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程。不彻底氧化，放能最少。以无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等。不需要氧气，放能多。14(一一)葡萄糖代谢途径葡萄糖代谢途径(EMP、HMP、ED、PK途径等途径等)1、EMP途径途径2、HMP途径途径3、ED途径途径4、磷酸酮解途径（、磷酸酮解途径（Phosphoketolasepathway)生物体内生物体内葡萄糖降解成丙酮酸葡萄糖降解成丙酮酸的过程的过程151.EMP途径（途径（Emb
9、den-Meyerhof-Parnas Pathway）即糖酵解即糖酵解(Glycolysis)途径，指在细胞质中分解葡萄糖生途径，指在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰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。166碳阶段碳阶段无氧化还原反应无氧化还原反应无无ATP生成生成耗能耗能3碳阶段碳阶段氧化还原反应氧化还原反应合成合成ATP产能产能176碳阶段碳阶段
10、无氧化还原反应无氧化还原反应无无ATP生成生成耗能耗能183碳阶段碳阶段氧化还原反应氧化还原反应合成合成ATP产能产能1920EMP途径反应总反应式：途径反应总反应式：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2ATP+2NADH+2H+2H2OC62C3耗能阶段耗能阶段产能阶段产能阶段2ATP4ATP2ATP还原力还原力2NADH+H+2丙酮酸丙酮酸21EMP途径的生理功能途径的生理功能EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常见途径；多数微生物具有EMP途径，存在于微生物的所有主要类群中；产生能量ATP、还原力NADH和多种中间产物；连接其它代谢途径（ED，HM，TCA）的桥
11、梁；与多种发酵产品生产密切相关；逆向可合成糖类物质。22丙丙酮酮酸酸是是各各种种微微生生物物糖糖酵酵解解的的产产物物，如如果果进进一一步步发发酵酵，可可形形成成多多种种产产物物。因因此此，有有可可将将发发酵酵分分为为很很多多类类型型：如如乙乙醇醇发发酵酵；混混合合酸酸发发酵酵等等。其其中中，混混合合酸酸发发酵是多数大肠杆菌的特征。酵是多数大肠杆菌的特征。232.HMP途径（途径（戊糖磷酸途径）戊糖磷酸途径）(HexoseMonophosphatePathway)Pentose Phosphate Pathway2425HMPHMP途径：途径：葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸
12、葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮磷酸戊糖经转酮转醛酶系催转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途径的一些酶，进一步转化途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸，称为为丙酮酸，称为不完全不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子
13、消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），称和水），称完完全全HMPHMP途径。途径。26HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。HMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段27HMP途径关键步骤：途径关键步骤：1.葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡
14、萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3.5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMP286葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O5葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+PiHMP途径的途径的总反反应29HMP途径的重要意途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸；产生大量NADPH，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量；与EMP途径在果糖-1,6-二磷酸和甘油
15、醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系；途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成；途径中存在37碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛；通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等；HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。303.ED途径途径又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。裂解途径。1952年在年在Pseudomonassaccharophila中发现，后来中发现，后来证明存在于多种细菌中证明存在于多种细菌中
16、革兰氏阴性菌中分布较广）（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和和HMP途径而单独存在，途径而单独存在，是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。径，未发现存在于其它生物中。31ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸激酶激酶（与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶(与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛脱水酶脱水酶2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸丙酮酸丙酮酸醛缩酶醛缩酶有氧时与有氧时与
17、TCA连接连接无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵ED途径途径32ED途径途径特征性化合物特征性化合物：（KDPG）2-酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸特征性酶特征性酶：KDPG醛缩酶醛缩酶特征性反应特征性反应：KDPG裂解为丙裂解为丙酮酸和酮酸和3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛代谢产物代谢产物：2丙酮酸丙酮酸1ATP1NADH1NADPHGlycolytic pathway33ED途径的特点途径的特点反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低；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，循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中可互相协调以
18、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。进行乙醇发酵。344.磷酸酮解途径磷酸酮解途径Phosphoketolasepathway，PK途径途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。些细菌中。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。个三碳糖。磷酸酮解酶途径有两种：磷酸酮解酶途径有两种：磷酸戊糖酮解途径（磷酸戊糖酮解途径（PK）途径途径磷酸己糖酮解途径
19、磷酸己糖酮解途径（HK）途径途径35磷酸戊糖酮解磷酸戊糖酮解核酮糖 5-P木酮糖 5-P磷酸戊糖酮解酶异构化作用ATP、NADH的产生？36磷酸戊糖磷酸戊糖酮解途径的特点解途径的特点:分解分解1分子葡萄糖只产生分子葡萄糖只产生1分子分子ATP，相当于相当于EMP途径的一半途径的一半;几乎产生等量的乳酸、乙醇和几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO237磷酸己糖解磷酸己糖解酮途径途径2葡萄糖葡萄糖2葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸6-磷酸果糖磷酸果糖6-磷酸磷酸-果糖果糖4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖乙酰磷酸乙酰磷酸2木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸2甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸2乙酰磷酸乙酰磷酸2乳酸乳酸2乙酸乙酸乙
20、酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸己糖解酮酶逆逆HMP途径途径同同EMP乙酸激酶乙酸激酶38v概念：概念：在在生物氧化中生物氧化中发酵是指无氧条件下，底物脱发酵是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一氢后所产生的还原力不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在内源氧化性中间代谢产物的一类低效产能反应。在发发酵工业上酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。产有用代谢产物的一类生产方式。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途
21、径主要有途径主要有EMP、HMP、ED和和PK途径。途径。v发酵类型：发酵类型：根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。酵、及乙酸发酵等。(二二)发酵作用发酵作用39酵母型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3丁二醇发酵丁酸发酵丙酮酸的发酵产物丙酮酸的发酵产物（一）乙醇（一）乙醇发酵酵401.乙醇乙醇发酵酵 Ethanol fermentationPyruvate+NADHEthanol+NAD+CO2Ethanolametabolicendprodu
22、ctToxictocellsProvidesreoxidationofNADHtoNADCarbonlost41 C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：酵母菌的乙醇发酵：概念概念菌种菌种途径途径特点特点发生条件发生条件该乙醇发酵过程只在该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。以及厌氧的条件下发生。42当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发甘油发酵酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果原因：该条件下产生的乙
23、醛不能作为正常受氢体，结果2分分子乙醛间发生歧化反应，生成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+此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的磷酸甘油醛脱下的氢而生成氢而生成-磷酸甘油，后者经磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。甘油。2葡萄糖葡萄糖2甘油甘油+乙醇乙醇+乙酸乙酸+2CO243细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵葡萄糖葡萄糖2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡
24、萄糖酸3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸乙醇乙醇乙醛乙醛2乙醇乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED44v酵母菌（在酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵时）的乙醇发酵丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙醇乙醇通过通过EMPEMP途径产生乙醇，总反应式为：途径产生乙醇，总反应式为：C C6 6H H1212O O6 6+2ADP+2Pi 2C+2ADP+2Pi 2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+2ATP+2ATP细菌细菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇发酵的乙醇发酵通过通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：途
25、径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi乳酸乳酸+乙醇乙醇+CO2+ATPv细菌细菌(Zymomonasmobilis)的乙醇发酵的乙醇发酵通过通过ED途径产生乙醇，总反应如下：途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖葡萄糖+ADP+Pi2乙醇乙醇+2CO2+ATP脱羧酶脱羧酶脱氢酶脱氢酶同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵的发酵45利用Z.mobilis等细菌生产酒精优点：代谢速率高；产物转化率高；菌体生成
26、少 代谢副产物少；发酵温度高；缺点：PH=5较易染菌；耐乙醇力较酵母低46乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经同型乳酸发酵：（经EMPEMP途径）途径）异型乳酸发酵异型乳酸发酵：（经（经HMPHMP途径）途径）双歧杆菌发酵双歧杆菌发酵:（经（经PKPK途径途径磷酸己糖解酮酶
27、途径磷酸己糖解酮酶途径）2.乳酸乳酸发酵酵 47葡萄糖葡萄糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮2(1,3-二二-磷酸甘油酸）磷酸甘油酸）2乳酸乳酸2丙酮酸丙酮酸同型乳酸发酵同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcus lactisLactobacillus plantarum概念概念菌种菌种途径途径特点特点48异型乳酸异型乳酸发酵：酵：葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡磷酸葡萄糖酸萄糖酸5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛乳酸乳酸乙酰磷酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醇乙醛乙醛乙酰乙酰C
28、oA2ADP2ATP-2H概念概念菌种菌种途径途径特点特点-CO2HMP 途径49类型途径 产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillus debruckii异型HMP 1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostoc mesenteroides同型乳酸同型乳酸发酵与异型乳酸酵与异型乳酸发酵的比酵的比较50v概念概念：埃希埃希氏菌、沙门氏氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌菌、志贺氏菌属等通过属等通过EMP途径将葡萄糖途径将葡萄糖转变成琥珀酸、转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、乙醇、乙酸、H2和和CO2等多等多种代谢产物，种代谢产物，含有多种有机含有多种有机酸
29、故称为混酸，故称为混合酸发酵。合酸发酵。v发酵途径：发酵途径：葡萄糖葡萄糖琥泊酸琥泊酸草酰乙酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙酰乙酰CoA甲酸甲酸乙醇乙醇乙酰磷酸乙酰磷酸CO2H2乙酸乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH6.23.混合酸混合酸发酵酵 51葡萄糖葡萄糖乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸乙醛乙醛乙酰乙酰CoA甲酸甲酸乙醇乙醇 乙酰乳酸乙酰乳酸二乙酰二乙酰3-羟基丁酮羟基丁酮2,3-丁二醇丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：概念：肠杆菌、肠杆菌、沙雷氏菌、和沙雷
30、氏菌、和欧文氏菌属中欧文氏菌属中的一些细菌具的一些细菌具有有-乙酰乳酸乙酰乳酸合成酶合成酶系而进系而进行丁二醇发酵。行丁二醇发酵。发酵途径：发酵途径：EMP4.2,3-丁二酸丁二酸发酵酵 52鉴别肠道道细菌的菌的V.P.试验鉴别原理鉴别原理缩合缩合脱羧脱羧2丙酮酸丙酮酸乙酰乳酸乙酰乳酸乙酰甲基甲乙酰甲基甲醇醇碱性条件碱性条件2,3-丁二醇丁二醇二乙酰二乙酰（与培养基蛋白胨中精氨酸的胍基结合）（与培养基蛋白胨中精氨酸的胍基结合）红色化合物红色化合物-CO253鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红鉴别肠道细菌的产酸产气、甲基红（M.R）试验试验v产酸产气试验：产酸产气试验：Escherichia与与Sh
31、igella在利用葡萄糖进在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。后者则因无此酶，不具有产气的能力。v甲基红试验甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH4.5产气杆菌：pH4.5
32、54甲基红试验甲基红试验:甲基红是甲基红是pH指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸指示剂，由于大肠埃希氏菌产酸较多，较多，pH可低至可低至4.2，用甲基红指示剂可显示出来，而丁，用甲基红指示剂可显示出来，而丁二醇是中性化合物，反应阴性。二醇是中性化合物，反应阴性。阳阳性性阴阴性性对对照照大肠杆菌：大肠杆菌：+产气杆菌：产气杆菌：-55（三）好氧呼吸（三）好氧呼吸当当存存在在外外在在的的最最终终电电子子受受体体分分子子氧氧时时，底底物物可可全全部部氧氧化化成成二二氧氧化化碳碳和和水水，产产生生ATP，这这一一氧氧化化作作用用称称为好氧呼吸（或呼吸作用）。为好氧呼吸（或呼吸作用）。在在好好氧氧呼呼吸吸过过
33、程程中中，底底物物在在氧氧化化过过程程中中释释放放的的电电子子转转移移给给NAD，NAD还还原原成成NADH2，电电子子转转移移到到电电子子传传递链最终传递给递链最终传递给O2，生成生成H2O。在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：在好氧呼吸中，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：a、经、经EMP途径酵解，形成中间产物途径酵解，形成中间产物丙酮酸丙酮酸；b、丙酮酸通过丙酮酸通过TCA循环彻底氧化。循环彻底氧化。56TCA循循环环：也也称称柠柠檬檬酸酸循循环环。由由丙丙酮酮酸酸乙乙酰酰化化形形成成乙乙酰酰CoA，乙乙酰酰CoA进进入入三三羧羧酸酸循循环环，被被彻彻底底氧氧化化为为CO2、H2O。
34、乙乙酰酰CoA是是一一个个重重要要的的中中间间产产物物，它它的的乙乙酰酰基基与与草草酰酰乙乙酸酸结合生成柠檬酸。结合生成柠檬酸。57Overview of the citric acid cycle.The citric acid cycle oxidizes two-carbon units,producing two molecules of CO2,one molecule of GTP,and high energy electrons in the form of NADH and FADH2.581mol丙酮酸经丙酮酸经TCA产生产生3molCO2。好氧呼吸中好氧呼吸中1mol葡萄
35、葡萄糖分子氧化分解可得到糖分子氧化分解可得到38molATP（4NAD3+1FAD2+1GTP2+2ATP+1NADP3），利利用能量的效率大约是用能量的效率大约是42%，其余的能量以热的形式散发掉。，其余的能量以热的形式散发掉。59葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别60好氧呼吸：好氧呼吸：外源性呼吸外源性呼吸微生物利用外界供给的能源进行呼吸；微生物利用外界供给的能源进行呼吸；内内源源性性呼呼吸吸利利用用自自身身内内部部贮贮存存的的能能源源物物质质（如如多多糖糖、脂脂肪肪、PHB等等）进进行行呼呼吸吸，呼呼吸吸速速度度取取决决于于细细胞胞的
36、的原原有有营养水平。营养水平。好好氧氧呼呼吸吸能能否否进进行行取取决决于于氧氧的的体体积积分分数数是是否否达达到到0.2%，低于此不能进行。，低于此不能进行。61（四）厌氧呼吸（四）厌氧呼吸厌厌氧氧呼呼吸吸中中最最终终电电子子受受体体不不是是氧氧而而是是无无机机化化合合物物如如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及及CO2等等。氧氧化化底底物物是是有有机机物物如如葡葡萄萄糖糖、乙乙酸酸、乳乳酸酸，被被氧氧化化为为CO2，产生产生ATP。氧化态有机物如氧化态有机物如延胡索酸延胡索酸可作为最终电子受体。可作为最终电子受体。621、以以NO3-作为最终电子受体作为最终电子受体供供氢氢体体可可以
37、以是是葡葡萄萄糖糖、乙乙酸酸、甲甲醇醇等等有有机机物物，也也可可以以是是H2和和NH3。NO3-接接受受电电子子后后变变成成NO2-、N2的的过过程程叫叫脱脱氮氮作作用用，也也叫叫反反硝硝化化作作用用或或硝硝酸酸盐盐还还原原作作用用，能能进进行行硝硝酸酸盐盐还还原原的的细细菌通常称为硝酸盐还原细菌菌通常称为硝酸盐还原细菌.脱氮作用分两步：a、NO3-NO2-（硝酸还原酶）；b、NO2-N2有机物生物氧化时产生的有机物生物氧化时产生的NADH2、FADH2中的中的H2通过通过硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给硝酸盐还原菌电子传递将电子传递给NO3-、NO2-、NO、N2O使相应化学物质还原。由于使
38、相应化学物质还原。由于NO2-/NO3-氧化还原电位氧化还原电位较低，比较低，比H2O/1/2O2低得多，因此电子通过上述的电子传低得多，因此电子通过上述的电子传递链只能产生递链只能产生2个个ATP。632、以以SO42-为最终电子受体为最终电子受体某某些些硫硫酸酸盐盐还还原原菌菌如如脱脱硫硫弧弧菌菌以以有有机机物物作作为为氧氧化化的的基基质质，释释放放的的电电子子可可使使SO42-还还原原为为H2S。硫硫酸酸盐盐还还原原菌菌不不以以葡葡萄萄糖糖而而是是其其他他细细菌菌的的发发酵酵产产物物主主要要是是乳乳酸酸为为生生物物氧氧化基质，氧化不彻底，积累乙酸。化基质，氧化不彻底，积累乙酸。2CH3C
39、HOHCOOH+2H2O2CH3COOH+CO2+8（H）SO42-+8（H）S2-+4H2O当当SO42-还还原原为为H2S时时，通通过过电电子子传传递递链链产产生生ATP，其其呼吸链只有细胞色素呼吸链只有细胞色素C。643、以以CO2和和CO为为最最终终电电子子受受体体碳碳酸酸盐盐还还原原（甲甲烷烷生生成）成）这这是是产产甲甲烷烷细细菌菌的的特特点点。产产甲甲烷烷细细菌菌都都能能以以CO2为为碳碳源源，利利用用甲甲醇醇、乙乙醇醇、甲甲酸酸、乙乙酸酸、H2等等作作为为供供氢氢体体，将将CO2还原还原CH4。CO2在在甲甲酰酰-MFR脱脱氢氢酶酶作作用用下下获获得得2个个电电子子，首首先先与与
40、MFR反反应应生生成成甲甲酰酰-MFR，而而后后甲甲酰酰基基转转移移到到四四氢氢甲甲烷烷喋喋呤呤，形形 成成 CHO-H4MPT，第第 二二 步步 是是 水水 解解 脱脱 氢氢 得得 到到CH2=H4MPT，还还原原得得到到CH3-H4MPT，在在辅辅酶酶M参参与与下下，甲甲基基移移到到辅辅酶酶M上上形形成成CH3-S-CoM，最最后后还还原原酶酶将将甲甲基基还还原得到原得到CH4。6566三、微生物发光现象三、微生物发光现象明亮发光杆菌67发发光光细细菌菌含含有有虫虫荧荧光光素素酶酶和和长长链链脂脂肪肪族族醛醛（如如月月桂桂醛醛）。发光过程包括电子传递和能量转移。发光过程包括电子传递和能量转
41、移。发光细菌的发光过程是一种发光细菌的发光过程是一种光呼吸过程光呼吸过程，是电子传递链，是电子传递链上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，上的一个侧支即还原型的黄素单核苷酸，FMNH2充当反充当反应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光应的底物，萤光酶起催化作用，长链脂肪醛起作改变萤光酶构造的酶构造的“修饰修饰”作用。萤光酶通过分子氧催化作用。萤光酶通过分子氧催化FMNH2和脂肪醛和脂肪醛(RCHO)的氧化，产生磷光。的氧化，产生磷光。68发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量发光细菌是兼性厌氧菌，对氧很敏感，即使氧含量很微时也可发光，因此可用于测定溶液中的微量氧。很微时也可发光
42、因此可用于测定溶液中的微量氧。发光细菌对一些毒物很敏感。发光细菌对一些毒物很敏感。外界条件和培养基成分外界条件和培养基成分pH，温度，氧浓度变化会影温度，氧浓度变化会影响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，抗响细菌的发光，而有毒的化学物质，重金属离子，抗生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，故生素，化学治疗剂，农药等同样会影响细菌发光，故采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是可采用发光细菌作为敏感的指标物测定有毒有害物是可能的。能的。69Acute toxicity assay using bioluminescent bacteriaA simple method for
43、 toxicity screeningViability assessment 70四、四、微生物的合成代谢微生物的合成代谢71一、产甲烷菌的合成代谢一、产甲烷菌的合成代谢产产甲甲烷烷菌菌利利用用C1和和C2有有机机物物产产生生CO2、CH4，利利用用其其中中间间代代谢谢产产物物和和能能量量物物质质ATP合合成成蛋蛋白白质质、多多糖糖、脂肪、核酸等。脂肪、核酸等。特点特点：1、产甲烷细胞需要、产甲烷细胞需要ATP较异养菌少，大约是一半较异养菌少，大约是一半2、产产甲甲烷烷菌菌产产能能量量低低，以以H2/CO2为为基基质质产产生生CH4131KJ，以乙酸为基质产生以乙酸为基质产生CH432.5K
44、J3、能利用外源能利用外源ATP催化自身反应产生大量内源催化自身反应产生大量内源ATP合成代谢三要素合成代谢三要素小分子物质、还原力、小分子物质、还原力、ATP72二、生物固氮二、生物固氮 微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮具有固氮作用的微生物近具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌线菌和蓝细菌根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类可以把它们分为三大类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73a.自生固氮菌自生固氮菌一类不依赖与它
45、种生物共生而能独立进行固氮一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物的生物自自生生固固氮氮菌菌好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等74b.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共共生生固固氮氮菌菌非豆科：弗兰克氏菌属等非豆科：弗兰克氏菌属等满江红：满江红鱼腥满江红：满江红鱼腥蓝细菌等蓝细菌等根根瘤瘤豆科植物：根瘤菌属等豆科植物：根瘤
46、菌属等植植物物地衣：鱼腥蓝细菌属等地衣：鱼腥蓝细菌属等75c.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：生脂固氮螺菌芽胞杆菌属等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761固氮反应的条件固氮反应的条件 ATP 还原力还原力H及其载体及其载体固氮酶固氮酶镁离子镁离子厌氧微环境厌氧微环境底物底物N277三、化能自养型微生物的合成代谢三、化能自养型微生物的合成代谢1、
47、亚硝化细菌亚硝化细菌（氨氧化细菌）的合成代谢（氨氧化细菌）的合成代谢NH4+氧氧化化为为羟羟胺胺，羟羟胺胺氧氧化化为为NO2-。羟羟胺胺在在脱脱氢氢酶酶作作用用下下，释释放放两两个个电电子子，经经电电子子传传递递后后最最终终传传给给O2，并产生能量：并产生能量：NH4+1.5O2NO2-+2H+H2O+271KJ硝硝化化细细菌菌包包括括硝硝化化杆杆菌菌属属、硝硝化化刺刺菌菌属属、硝硝化化球球菌菌属属。将将NO2-氧氧化化为为NO3-。NO2-氧氧化化为为NO3-的的氧氧来来自自H2O，而而不是不是O2：NO2-+1/2O2NO3-+H+77.4KJ2、硝化细菌硝化细菌的合成代谢的合成代谢783
48、硫氧化细菌硫氧化细菌硫硫细细菌菌可可以以通通过过对对无无机机硫硫、硫硫化化氢氢及及硫硫代代硫硫酸酸盐盐的的氧氧化化而而得得到到能能量量。硫硫细细菌菌分分为为光光能能自自养养和和化化能能自自养养，化化能能自自养养通通常常称称为为无无色色硫硫细细菌菌以以区区别光能自养硫细菌。别光能自养硫细菌。硫硫化化氢氢先先氧氧化化为为硫硫，硫硫再再氧氧化化为为亚亚硫硫酸酸，再再氧氧化化为为硫硫酸。硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分别被氧化：酸。硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分别被氧化：H2S+2O2SO42-+2H+794.5KJ794、铁氧化细菌铁氧化细菌铁铁细细菌菌可可以以把把Fe2+氧氧化化为为Fe3
49、利利用用这这个个过过程程所所产产生生的的能能量量和和还还原原力力同同化化二二氧氧化化碳碳进进行行自自养养生生长长，这这类类细细菌菌有有硫硫杆杆菌菌属属、氧氧化化亚亚铁铁杆杆菌菌、嘉嘉利利翁翁氏氏菌菌、纤纤发发菌菌属属等等。大部分是专性化能自养。大部分是专性化能自养。Fe2+1/4O2+H+Fe3+1/2H2O+44.4KJ80815、氢氧化细菌氢氧化细菌氢氢氧氧化化细细菌菌是是一一群群将将H2氧氧化化成成水水，并并从从中中获获得得能能量量，用用于于同同化化二二氧氧化化碳碳的的细细菌菌。主主要要是是好好氧氧的的兼兼性性化化能能自自养养菌菌，少少数数是是厌厌氧氧或或兼兼性性厌厌氧氧菌菌，G-。
50、不不仅仅能能从从氢氢的的氧氧化化中中得得到到能能量量，还还能能利利用用有有机物作为碳源和能源。机物作为碳源和能源。H2+1/2O2H2O+237.2KJ82四、光合作用四、光合作用（一）藻类的光合作用和呼吸作用（一）藻类的光合作用和呼吸作用绿绿色色植植物物或或光光合合细细菌菌利利用用光光能能将将二二氧氧化化碳碳转转化化成成有机化合物的过程称为光合作用。有机化合物的过程称为光合作用。蓝蓝细细菌菌和和真真核核藻藻类类在在光光照照条条件件下下，利利用用光光合合色色素素进进行行非非环环式式光光合合磷磷酸酸化化，从从水水的的光光解解中中获获得得H2，还还原二氧化碳成原二氧化碳成CH2On，与植物的光合作
