微生物學(xué)教程課件

第六章微生物的代謝和發(fā)酵微生物的代謝和發(fā)酵新陳代謝(metabolism)：微生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。它主要由分解代謝和合成代謝兩個(gè)過(guò)程組成。

分解代謝代謝

合成代謝

分解代謝分解代謝：

復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單分子、ATP形式的能量和還原力[H]的作用（即細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生能量）。分解代謝（續(xù)）一般可將分解代謝分為三個(gè)階段：將蛋白質(zhì)、多糖及脂類等大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)；將第一階段產(chǎn)物進(jìn)一步降解成更為簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進(jìn)入三羧酸循環(huán)的某些中間產(chǎn)物，會(huì)產(chǎn)生一些ATP、NADH及FADH2。通過(guò)三羧酸循環(huán)將第二階段產(chǎn)物完全降解生成CO2，并產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2。合成代謝合成代謝：在合成代謝酶系的催化下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力[H]一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程（即細(xì)胞利用簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過(guò)程，此過(guò)程要消耗能量）。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來(lái)源于分解代謝過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

復(fù)雜分子簡(jiǎn)單分子+ATP+[H]分解代謝酶系合成代謝酶系第一節(jié)微生物的產(chǎn)能代謝能量代謝：是生物體如何把外界環(huán)境中多種形式的最初能源（有機(jī)物、日光、還原態(tài)無(wú)機(jī)物）轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源——ATP。

有機(jī)物日光ATP還原態(tài)無(wú)機(jī)物化能異養(yǎng)菌光能營(yíng)養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌生物氧化生物氧化：物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過(guò)程。是一個(gè)產(chǎn)能代謝過(guò)程。不同類型微生物進(jìn)行生物氧化所利用的物質(zhì)是不同的。異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物，自養(yǎng)微生物利用無(wú)機(jī)物，通過(guò)生物氧化來(lái)進(jìn)行產(chǎn)能代謝。生物氧化生物氧化：發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)。生物氧化的形式：某物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫或失去電子三種。生物氧化的過(guò)程：脫氫（或電子）、遞氫（或電子）和受氫（或電子）三個(gè)階段。生物氧化的功能：產(chǎn)能(ATP)、產(chǎn)還原力[H]和產(chǎn)小分子中間代謝物三種。一、異養(yǎng)微生物的生物氧化

（一）底物脫氫的四條主要途徑

EMP途徑(Embdem-Meyerhof-ParnasPathway)（糖酵解途徑(glycolysis)或己糖二磷酸途徑(hexose

diphosphatepathway)HMP途徑(己糖一磷酸途徑或戊糖磷酸途徑、磷酸葡萄糖酸途徑)ED途徑(2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄酸裂解途徑M所特有)三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán))1、EMP途徑(Embdem-Meyerhof-ParnasPathway)（糖酵解途徑(glycolysis)或己糖二磷酸途徑(hexosediphosphatepathway)：酶將葡萄糖降解成丙酮酸并伴隨著生成ATP的過(guò)程。絕大多數(shù)生物所共有的基本代謝途徑。反應(yīng)過(guò)程：以1分子葡萄糖為底物，經(jīng)10步反應(yīng)產(chǎn)生2分子丙酮酸和2分子ATP的過(guò)程。分兩個(gè)階段，三種產(chǎn)物，10個(gè)反應(yīng)步驟（需10種酶）。

EMP途徑10個(gè)反應(yīng)步驟：

①葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖(G-6-P)；

②

G-6-P轉(zhuǎn)化成6-磷酸果糖(F-6-P)；

③F-6-P磷酸化成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-2P)；④F-1,6-2P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮(DHAP)；

⑤

磷酸三碳糖的同分異構(gòu)化；前5步為耗能(準(zhǔn)備)階段，葡萄糖通過(guò)磷酸化分解成三碳糖，每分解一個(gè)己糖分子消耗2分子ATP。

EMP途徑

⑥

3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸；⑦

1,3-二磷酸甘油酸將磷?；鵄DP形成3-磷酸甘油酸ATP；⑧

3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變成2-磷酸甘油酸；

⑨2-磷酸甘油酸脫水形成磷酸烯醇式丙酮酸；

⑩磷酸烯醇式丙酮酸將磷酰基轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP和丙酮酸。后5步為產(chǎn)能階段，每分子三碳糖產(chǎn)生2分子ATP，共產(chǎn)生4分子ATP。EMP途徑EMP途徑的總反應(yīng)：C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2OEMP途徑EMP途徑：1分子葡萄糖降解成2分子丙酮酸，消耗2分子ATP，產(chǎn)生4分子ATP，凈得2分子ATP。無(wú)氧條件下，酵解共產(chǎn)生2ATP，2NADH將H交給2分子丙酮酸生成2分子乳糖，或還原丙酮酸的脫羧產(chǎn)物—乙醛而產(chǎn)生乙醇。有氧條件下，2NADH+H+經(jīng)呼吸鏈氧化成H2O可產(chǎn)生6分子ATP。１分子葡萄糖酵解共產(chǎn)生８ATP。2、HMP途徑HMP途徑(己糖一磷酸途徑或戊糖磷酸途徑、磷酸葡萄糖酸途徑)：

是一條葡萄糖不經(jīng)EMP和TCA途徑而得以徹底氧化，并產(chǎn)生大量NADPH+H+

形式的還原力和多種重要中間代謝物的代謝途徑。HMP途徑HMP途徑：①葡萄糖分子經(jīng)脫氧、脫羧產(chǎn)生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸可同分異構(gòu)化產(chǎn)生5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖；③戊糖磷酸（無(wú)氧時(shí)）發(fā)生碳架重排生成己糖磷酸(F-6-P)和丙糖磷酸(3-磷酸甘油醛)。6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途徑的總反應(yīng)HMP途徑的重要意義為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。產(chǎn)生大量NADPH2，一方面為脂肪酸、固醇等物質(zhì)的合成提供還原力，另方面可通過(guò)呼吸鏈產(chǎn)生大量的能量。與EMP途徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，可以調(diào)劑戊糖供需關(guān)系。途徑中的赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。途徑中存在3~7碳的糖，使具有該途徑微生物的所能利用利用的碳源譜更為更為廣泛。通過(guò)該途徑可產(chǎn)生許多種重要的發(fā)酵產(chǎn)物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。HMP途徑在總的能量代謝中占一定比例，且與細(xì)胞代謝活動(dòng)對(duì)其中間產(chǎn)物的需要量相關(guān)。又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途徑。1952年在Pseudomonassaccharophila中發(fā)現(xiàn)，后來(lái)證明存在于多種細(xì)菌中（革蘭氏陰性菌中分布較廣）。ED途徑可不依賴于EMP和HMP途徑而單獨(dú)存在，是少數(shù)缺乏完整EMP途徑的微生物的一種替代途徑，未發(fā)現(xiàn)存在于其它生物中。3、ED途徑ED途徑

ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸

~~激酶

（與EMP途徑連接）

~~氧化酶

(與HMP途徑連接)EMP途徑3-磷酸-甘油醛~~脫水酶

2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途徑丙酮酸~~醛縮酶

有氧時(shí)與TCA環(huán)連接無(wú)氧時(shí)進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵

ED途徑4、TCA循環(huán)三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán))：在有氧條件下，將酵解產(chǎn)生的丙酮酸氧化脫羧形成CoA，再經(jīng)一系列氧化、脫羧，最終生成CO2和H2O并產(chǎn)生能量的過(guò)程。TCA途徑：①

乙酰CoA與草酰乙酸縮合形成檸檬酸；②檸檬酸異構(gòu)化生成異檸檬酸；③異檸檬酸氧化脫羧生成-酮戊二酸；④-酮戊二酸氧化脫羧成為琥珀酰輔酶A；⑤琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)化成琥珀酸，并產(chǎn)生GTP；⑥琥珀酸脫氫生成延胡索酸；⑦延胡索酸被水化生成蘋果酸；⑧蘋果酸脫氫生成草酰乙酸。（二）遞氫和受氫生物氧化根據(jù)遞氫特別是受氫過(guò)程中氫受體性質(zhì)的不同，可分為（有氧）呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵三種。（有氧）呼吸(respiration)：底物按常規(guī)方式脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量(ATP)。1、有氧呼吸微生物中重要的呼吸鏈組分：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和黃素單核苷酸(FMN)鐵硫蛋白(Fe-S)泛醌(輔酶Q)細(xì)胞色素系統(tǒng)2、無(wú)氧呼吸(anaerobicrespiration)是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無(wú)機(jī)氧化物（個(gè)別為有機(jī)氧化物）的生物氧化。是一類在無(wú)氧條件下進(jìn)行的產(chǎn)能效率較低的特殊呼吸。底物按常規(guī)途徑脫氫后，經(jīng)部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無(wú)機(jī)物（個(gè)別是延胡索酸）受氫。無(wú)氧呼吸的類型硝酸鹽呼吸(nitraterespiration)—反硝化作用(denitrification)：硫酸鹽呼吸(sulfaterespiration)：硫呼吸(sulphurrespiration)：碳酸鹽呼吸(carbonaterespiration)：延胡索酸呼吸(fumaraterespiration)：硝酸鹽呼吸（反硝化作用）3、發(fā)酵(fermentation)在無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力[H]不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類低效產(chǎn)能反應(yīng)。由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵:酵母型酒精發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵丁酸型發(fā)酵2,3-丁二醇發(fā)酵酒精發(fā)酵（Alcoholicfermentation）乙醛同型乳酸發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵（Mixedacidfermentation）甲酸Othertypesoffermentation通過(guò)HMP途徑的發(fā)酵—異型乳酸發(fā)酵：

葡萄糖發(fā)酵后產(chǎn)生乳酸、乙醇（或乙酸）和CO2等多種產(chǎn)物的發(fā)酵—異型乳酸發(fā)酵。如一些異型發(fā)酵乳酸桿菌。通過(guò)ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵：

細(xì)菌酒精發(fā)酵（如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌）。酒精發(fā)酵的三種類型：

酵母的同型酒精發(fā)酵：通過(guò)EMP途徑

葡萄糖+2ADP+2Pi→2乙醇+2CO2+2ATP細(xì)菌的同型酒精發(fā)酵：通過(guò)ED途徑

葡萄糖+ADP+Pi→2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌的異型酒精發(fā)酵：通過(guò)HMP途徑

葡萄糖+ADP+Pi→乳酸+乙醇+CO2+ATP氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能－Stickland

反應(yīng)：

以一種氨基酸作氫供體和以另一種氨基酸作氫受體而產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類型。其產(chǎn)能效率很低，1分子氨基酸僅產(chǎn)1ATP。如少數(shù)厭氧梭菌（生孢梭菌、肉毒梭菌等）。發(fā)酵中的產(chǎn)能反應(yīng)：只通過(guò)底物水平的磷酸化，固產(chǎn)能效率很低。概念：有氧條件下，發(fā)酵作用受抑制的現(xiàn)象（或氧對(duì)發(fā)酵的抑制現(xiàn)象）。意義：合理利用能源機(jī)理：◆通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響通風(fēng)（有氧呼吸）缺氧（發(fā)酵）酒精生成量耗糖量/單位時(shí)間細(xì)胞的繁殖低（接近零）少旺盛高多很弱至消失巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)現(xiàn)象：

葡萄糖

6-磷酸-葡萄糖

6-磷酸-果糖

1,6-二磷酸果糖磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸乙酰CoA檸檬酸草酰乙酸磷酸果糖激酶(PFK)丙酮酸激酶己糖激酶

-------ATP、檸檬酸

●

--------ADP,AMP

——6-磷酸-葡萄糖——磷酸烯醇式丙酮酸●———1,6-二-磷酸-果糖巴斯德效應(yīng)（續(xù)）二、自養(yǎng)微生物的生物氧化、產(chǎn)能和CO2

固定

自養(yǎng)微生物的生物氧化同樣分脫氫、遞氫、受氫三個(gè)階段。

借助于經(jīng)過(guò)呼吸鏈的氧化磷酸化反應(yīng)產(chǎn)能。能量代謝的特點(diǎn)：無(wú)機(jī)底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系；呼吸鏈組分更為復(fù)雜多樣化，氫或電子可從任一組分進(jìn)入呼吸鏈；產(chǎn)能效率一般比異養(yǎng)微生物更低。

化能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型光能自養(yǎng)型的微生物中，其ATP和[H]可通過(guò)以下幾種方式獲得：循環(huán)光合磷酸化非循環(huán)光合磷酸化通過(guò)紫膜的光合磷酸化光合磷酸化：由光照引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過(guò)程。按電子傳遞的方式，光合磷酸化可分為兩種類型：循環(huán)式光合磷酸化非循環(huán)光合磷酸化光合作用非循環(huán)式光合磷酸化循環(huán)式光合磷酸化循環(huán)光合磷酸化：一種存在于厭氧光合細(xì)菌中的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)，是一種在光驅(qū)動(dòng)下通過(guò)電子的循環(huán)式傳遞而完成的磷酸化。非循環(huán)光合磷酸化：是各種綠色植物、藻類和藍(lán)細(xì)菌所共有的利用光能產(chǎn)生ATP的磷酸化反應(yīng)。光合磷酸化紫膜：嗜鹽菌的細(xì)胞膜制備物分紅色和紫色，紫色部分在膜上呈斑片狀獨(dú)立分布，約占細(xì)胞膜面積的一半，即為能進(jìn)行獨(dú)特光合作用（無(wú)葉綠素或菌綠素參與）的紫膜。細(xì)菌視紫紅質(zhì)（其作用與葉綠素相象）占紫膜含量75%。嗜鹽菌只有在環(huán)境中O2濃度很低和有光照條件下才合成紫膜。嗜鹽菌可通過(guò)兩條途徑獲取能量：有氧存在下的氧化磷酸化途徑；有光存在下的某種光合磷酸化途徑。嗜鹽菌紫膜的光合作用2.自養(yǎng)微生物的CO2固定CO2固定：將空氣中CO2同化成細(xì)胞物質(zhì)的過(guò)程，稱為CO2的固定作用。自養(yǎng)微生物同化CO2所需的能量來(lái)自光能或無(wú)機(jī)物氧化所得的化學(xué)