第五章微生物的代謝

第五章微生物的代謝和發(fā)酵第一節(jié)代謝概論第二節(jié)微生物分解代謝第一節(jié)代謝概論第二節(jié)微生物分解代謝一、生物氧化二、異養(yǎng)微生物的生物氧化

底物脫氫的四種途徑

EMP途徑

HMP途徑

ED途徑

磷酸酮解途徑

有氧呼吸

無(wú)氧呼吸

三、自養(yǎng)微生物的生物氧化

微生物產(chǎn)能代謝四、能量轉(zhuǎn)換新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）的總和。

新陳代謝

=分解代謝+合成代謝

分解代謝：指復(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、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力的作用。

合成代謝：指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一起合成復(fù)雜的大分子的過(guò)程。第一節(jié)代謝概論代謝（metabolism）：細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱(chēng)代謝分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]按物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式分：分解代謝：指細(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。合成代謝：是指細(xì)胞利用簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中要消耗能量。物質(zhì)代謝：物質(zhì)在體內(nèi)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。能量代謝：伴隨物質(zhì)轉(zhuǎn)化而發(fā)生的能量形式相互轉(zhuǎn)化。按代謝產(chǎn)物在機(jī)體中作用不同分：初級(jí)代謝：

提供能量、前體、結(jié)構(gòu)物質(zhì)等生命活動(dòng)所必須的代謝物的代謝類(lèi)型；產(chǎn)物：氨基酸、核苷酸等。次級(jí)代謝：

在一定生長(zhǎng)階段出現(xiàn)非生命活動(dòng)所必需的代謝類(lèi)型；產(chǎn)物：抗生素、色素、激素、生物堿等。代謝意義一、代謝是生命的基本特征二、代謝通過(guò)代謝途徑完成三、代謝途徑是不平衡的穩(wěn)態(tài)體系四、代謝途徑的形式多樣五、代謝途徑有明確的細(xì)胞定位六、代謝途徑相互溝通七、代謝途徑間有能量關(guān)聯(lián)八、關(guān)鍵酶限制代謝途徑的流量

第二節(jié)微生物產(chǎn)能代謝最初能源有機(jī)物還原態(tài)無(wú)機(jī)物日光通用能源（ATP）一切生命活動(dòng)都是耗能反應(yīng)，因此，能量代謝是一切生物代謝的核心問(wèn)題。能量代謝的中心任務(wù)，是生物體如何把外界環(huán)境中的多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源------ATP。這就是產(chǎn)能代謝?；墚愷B(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營(yíng)養(yǎng)微生物在代謝過(guò)程中，微生物通過(guò)分解作用（光合作用）產(chǎn)生化學(xué)能。這些能量用于：1合成代謝2微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸3熱和光。無(wú)論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶反應(yīng)構(gòu)成的，前一部反應(yīng)的產(chǎn)物是后續(xù)反應(yīng)的底物。細(xì)胞能有效調(diào)節(jié)相關(guān)的反應(yīng)，生命活動(dòng)得以正常進(jìn)行。某些微生物還會(huì)產(chǎn)生一些次級(jí)代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)除有利于微生物生存外，還與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)。一、生物氧化生物氧化就是發(fā)生在或細(xì)胞內(nèi)的一切產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱(chēng)。生物氧化與燃燒的比較生物氧化的過(guò)程一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)：

①底物脫氫（或脫電子）作用（該底物稱(chēng)作電子供體或供氫體）

②氫（或電子）的傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）

③最后氫受體接受氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）生物氧化的形式:物質(zhì)與氧結(jié)合、脫氫脫電子三種

生物氧化的功能為：產(chǎn)能（ATP）、產(chǎn)還原力[H]產(chǎn)小分子中間代謝物異養(yǎng)微生物利用有機(jī)物，自養(yǎng)微生物則利用無(wú)機(jī)物，通過(guò)生物氧化來(lái)進(jìn)行產(chǎn)能代謝。在生物氧化過(guò)程中釋放的能量可被微生物直接利用，也可通過(guò)能量轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，還有部分能量以熱的形式被釋放到環(huán)境中。二、異養(yǎng)微生物的生物氧化發(fā)酵呼吸有氧呼吸厭氧呼吸生物氧化反應(yīng)1.發(fā)酵(fermentation)有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。有機(jī)化合物只是部分地被氧化，因此，只釋放出一小部分的能量。發(fā)酵過(guò)程的氧化是與有機(jī)物的還原偶聯(lián)在一起的。被還原的有機(jī)物來(lái)自于初始發(fā)酵的分解代謝，即不需要外界提供電子受體。

發(fā)酵的種類(lèi)有很多，可發(fā)酵的底物有碳水化合物、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過(guò)程稱(chēng)為糖酵解（glycolysis）糖酵解是發(fā)酵的基礎(chǔ)。

底物脫氫的四種途徑EMP途徑HMP途徑ED途徑磷酸解酮酶途徑葡萄糖降解代謝途徑（EMP、HMP、ED、PK途徑等。）

1）EMP途徑（糖酵解途徑、三磷酸己糖途徑）

葡萄糖

丙酮酸有氧：EMP途徑與TCA途徑連接；無(wú)氧：還原一些代謝產(chǎn)物，(專(zhuān)性厭氧微生物)產(chǎn)能的唯一途徑。

產(chǎn)能（底物磷酸化產(chǎn)能：（1）1，3—P--甘油醛3—P--甘油酸+ATP；（2）PEP丙酮酸+ATP10步反應(yīng)ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:預(yù)備性反應(yīng)bb:氧化還原反應(yīng)底物水平磷酸化底物水平磷酸化EMP途徑（Embden-Meyerhofpathway）EMP途徑意義：為細(xì)胞生命活動(dòng)提供ATP和NADH葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸EMP途徑關(guān)鍵步驟1.

葡萄糖磷酸化→1.6二磷酸果糖(耗能)2.

1.6二磷酸果糖→2分子3-磷酸甘油醛3.

3-磷酸甘油醛→丙酮酸總反應(yīng)式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH2+2ATPCoA↓丙酮酸脫氫酶

乙酰CoA，

進(jìn)入TCA分為兩個(gè)階段：1、3個(gè)分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脫氫酶和6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶等催化下經(jīng)氧化脫羧生成6個(gè)分子NADPH+H+，3個(gè)分子CO2和3個(gè)分子5-磷酸核酮糖2、5-磷酸核酮糖在轉(zhuǎn)酮酶和轉(zhuǎn)醛酶催化下使部分碳鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，經(jīng)三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最終生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。2）HMP途徑（磷酸戊糖途徑、旁路途徑）6-磷酸果糖出路：可被轉(zhuǎn)變重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途徑。甘油醛-3-磷酸出路：a、經(jīng)EMP途徑，轉(zhuǎn)化成丙酮酸，進(jìn)入TCA途徑b、變成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途徑。總反應(yīng)式：66-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O→56-磷酸葡萄糖+6CO2+12NADPH+12H++Pi

特點(diǎn)：a

、不經(jīng)EMP途徑和TCA循環(huán)而得到徹底氧化，無(wú)ATP生成，b、產(chǎn)大量的NADPH+H+還原力；c、產(chǎn)各種不同長(zhǎng)度的重要的中間物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤蘚糖）d、單獨(dú)HMP途徑較少，一般與EMP途徑同存

e、HMP途徑是戊糖代謝的主要途徑。HMP途徑從6-磷酸-葡萄糖開(kāi)始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開(kāi)始降解的故稱(chēng)為單磷酸已糖途徑。HMP途徑與EMP途徑有著密切的關(guān)系，HMP途徑中的3-磷酸-甘油醛可以進(jìn)入EMP途徑，—磷酸戊糖支路。HMP途徑的一個(gè)循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個(gè)CO2、6個(gè)NADPH。一般認(rèn)為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量還原力（NADPH）和中間代謝產(chǎn)物。HMP途徑：葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖進(jìn)一步代謝有兩種結(jié)局：①磷酸戊糖經(jīng)轉(zhuǎn)酮—轉(zhuǎn)醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途徑的一些酶，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為丙酮酸。稱(chēng)為不完全HMP途徑。HMP途徑的總反應(yīng)：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+Pi②由六個(gè)葡萄糖分子參加反應(yīng)，經(jīng)一系列反應(yīng)，最后回收五個(gè)葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（徹底氧化成CO2

和水），稱(chēng)完全HMP途徑。HMP途徑關(guān)鍵步驟：1、葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸2、6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸核酮糖→5-磷酸木酮糖↓

5-磷酸核糖→參與核酸生成3、5-磷酸核酮糖→6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(進(jìn)入EMPHMP途徑的重要意義產(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。為核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。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)。

3）ED途徑

——2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途徑

1952年Entner-Doudoroff：嗜糖假單胞

過(guò)程：（4步反應(yīng)）

1葡萄糖

6-磷酸-葡萄糖

6-磷酸-葡糖酸

KDPG6-磷酸-葡萄糖-脫水酶3--磷酸--甘油醛+丙酮酸KDPG醛縮酶特點(diǎn):

a、步驟簡(jiǎn)單b、產(chǎn)能效率低：1ATPc、關(guān)鍵中間產(chǎn)物KDPG，特征酶：KDPG醛縮酶

細(xì)菌：銅綠、熒光假單胞菌,根瘤菌,固氮菌,農(nóng)桿菌,運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等。ED途徑ED途徑又稱(chēng)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(lài)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。ED途徑ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的。ED途徑過(guò)程：葡萄糖→→→KDPGKDPG醛縮酶甘油醛-3-磷酸丙酮酸EMP丙酮酸→

ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1NADH。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣ED途徑可不依賴(lài)于EMP與HMP而單獨(dú)存在ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟(jì)。ED途徑的特點(diǎn)葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化為2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸后，經(jīng)脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化成為丙酮酸。結(jié)果是1分子葡萄糖產(chǎn)生2分子丙酮酸，1分子ATP。ED途徑的特征反應(yīng)是關(guān)鍵中間代謝物2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途徑的特征酶是KDPG醛縮酶。反應(yīng)步驟簡(jiǎn)單，產(chǎn)能效率低。

此途徑可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)相連接，可互相協(xié)調(diào)以滿(mǎn)足微生物對(duì)能量、還原力和不同中間代謝物的需要。好氧時(shí)與TCA循環(huán)相連，厭氧時(shí)進(jìn)行乙醇發(fā)酵。ED途徑的總反應(yīng)（續(xù)）關(guān)鍵反應(yīng)：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脫水酶，KDPG醛縮酶相關(guān)的發(fā)酵生產(chǎn)：細(xì)菌酒精發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)：代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，菌體生成少，代謝副產(chǎn)物少，發(fā)酵溫度較高，不必定期供氧。缺點(diǎn)：pH5，較易染菌；細(xì)菌對(duì)乙醇耐受力低。4）PK途徑（磷酸酮解酶途徑）a、磷酸戊糖酮解酶途徑（腸膜明串珠菌、番茄乳桿菌、甘露醇乳桿菌、短桿乳桿菌）

G5-磷酸-木酮糖乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸1G乳酸+乙醇+1ATP

+NADPH+H+

G6-磷酸-果糖b、磷酸己糖酮解酶途徑——又稱(chēng)HK途徑（兩歧雙歧桿）

4-磷酸-赤蘚糖+乙酰磷酸特征性酶磷酸己糖酮解酶3--磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸

乙酸1G乳酸+1.5乙酸+2.5ATP

磷酸酮解途徑存在于某些細(xì)菌如明串珠菌屬和乳桿菌屬中的一些細(xì)菌中。進(jìn)行磷酸酮解途徑的微生物缺少醛縮酶，所以它不能夠?qū)⒘姿峒禾橇呀鉃?個(gè)三碳糖。磷酸酮解酶途徑有兩種：磷酸戊糖酮解途徑（PK）途徑磷酸己糖酮解途徑（HK）途徑磷酸己糖解酮途徑2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖同EMP4-磷酸-赤蘚糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸磷酸己糖解酮酶戊逆HMP途徑2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸乙酸激酶磷酸戊糖酮解途徑的特點(diǎn):①分解1分子葡萄糖只產(chǎn)生1分子ATP，相當(dāng)于EMP途徑的一半;②幾乎產(chǎn)生等量的乳酸、乙醇和CO2。磷酸己糖酮解途徑的特點(diǎn)：①有兩個(gè)磷酸酮解酶參加反應(yīng)；②在沒(méi)有氧化作用和脫氫作用的參與下，2分子葡萄糖分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脫氫酶的參與下轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?；乙酰磷酸生成乙酸的反?yīng)則與ADP生成ATP的反應(yīng)相偶聯(lián)；③每分子葡萄糖產(chǎn)生2.5分子的ATP；④許多微生物（如雙歧桿菌）的異型乳酸發(fā)酵即采取此方式。（五）三羧酸循環(huán)又稱(chēng)TCA循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。在絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物的呼吸代謝中起關(guān)鍵作用。其中大多數(shù)酶在真核生物中存在于線(xiàn)粒體基質(zhì)中，在細(xì)菌中存在于細(xì)胞質(zhì)中；只有琥珀酸脫氫酶是結(jié)合于細(xì)胞膜或線(xiàn)粒體膜上。主要產(chǎn)物：C3CH3CO~CoANADH+4HFADHGTP3CO2呼吸鏈呼吸鏈（底物水平）12ATP2ATPATP在物質(zhì)代謝中的地位：樞紐位置工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)物：檸檬酸、蘋(píng)果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸丙酮酸在進(jìn)入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進(jìn)入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。TCA循環(huán)的生理意義：（1）為細(xì)胞提供能量。（2）三羧酸循環(huán)是微生物細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)徹底氧化的共同代謝途徑。（3)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的樞紐。

TCA循環(huán)檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)1、循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。4、循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；5、生物體提供能量的主要形式；6、為人類(lèi)利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。遞氫、受氫和ATP的產(chǎn)生★經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶通過(guò)呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無(wú)機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能?！锔鶕?jù)遞氫特別是受氫過(guò)程中氫受體性質(zhì)的不同,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類(lèi)。發(fā)酵作用：沒(méi)有任何外源的最終電子受體的生物氧化模式；呼吸作用：有外源的最終電子受體的生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類(lèi)：

有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無(wú)氧呼吸——最終電子受體是O2以外的

無(wú)機(jī)氧化物，如NO3-、SO42-等。呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵示意圖C6H12O6-[H]A-[H][H]B-[H]CA、B或CAH2，BH2或CH2-[H]（發(fā)酵產(chǎn)物：乙醇、CO2乳酸等）脫氫遞氫受氫經(jīng)呼吸鏈①呼吸②無(wú)氧呼吸③發(fā)酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH4概念：在生物氧化中發(fā)酵是指無(wú)氧條件下，底物脫氫后所產(chǎn)生的還原力不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給一內(nèi)源氧化性中間代謝產(chǎn)物的一類(lèi)低效產(chǎn)能反應(yīng)。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來(lái)生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物的一類(lèi)生產(chǎn)方式。發(fā)酵途徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖的產(chǎn)能途徑主要有EMP、HMP、ED和PK途徑。發(fā)酵類(lèi)型：在上述途徑中均有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產(chǎn)生，但產(chǎn)生的量并不多，如不及時(shí)使它們氧化再生，糖的分解產(chǎn)能將會(huì)中斷，這樣微生物就以葡萄糖分解過(guò)程中形成的各種中間產(chǎn)物為氫（電子）受體來(lái)接受NADH+H+和NADPH+H+的氫（電子），于是產(chǎn)生了各種各樣的發(fā)酵產(chǎn)物。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的種類(lèi)有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等。發(fā)酵作用

1、定義

廣義：利用微生物生產(chǎn)有用代謝一種生產(chǎn)方式。

狹義：厭氧條件下，以自身內(nèi)部某些中間代謝產(chǎn)物作為最終氫（電子）受體的產(chǎn)能過(guò)程

特點(diǎn)：1）通過(guò)底物水平磷酸化產(chǎn)ATP；2）葡萄糖氧化不徹底，大部分能量存在于發(fā)酵產(chǎn)物中；3）產(chǎn)能率低；4）產(chǎn)多種發(fā)酵產(chǎn)物。發(fā)酵（fermentantion）

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶※該乙醇發(fā)酵過(guò)程只在pH3.5~4.5以及厭氧的條件下發(fā)生。酵母菌的乙醇發(fā)酵：

當(dāng)發(fā)酵液處在堿性條件下，酵母的乙醇發(fā)酵會(huì)改為甘油發(fā)酵。原因：該條件下產(chǎn)生的乙醛不能作為正常受氫體，結(jié)果2分子乙醛間發(fā)生歧化反應(yīng)，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+

此時(shí)也由磷酸二羥丙酮擔(dān)任受氫體接受3-磷酸甘油醛脫下的氫而生成-磷酸甘油，后者經(jīng)-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2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：合理利用能源通風(fēng)對(duì)酵母代謝的影響現(xiàn)象：巴斯德效應(yīng)(ThePasteureffect)葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛

丙酮酸丙酮酸乙醇

乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等途徑：ED細(xì)菌的乙醇發(fā)酵酵母菌（在pH3.5-4.5時(shí)）的乙醇發(fā)酵~脫羧酶~脫氫酶

丙酮酸乙醛乙醇通過(guò)EMP途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)式為：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP

細(xì)菌(Zymomonasmobilis)的乙醇發(fā)酵通過(guò)ED途徑產(chǎn)生乙醇，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP細(xì)菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇發(fā)酵通過(guò)HMP途徑產(chǎn)生乙醇、乳酸等，總反應(yīng)如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇發(fā)酵：產(chǎn)物中僅有乙醇一種有機(jī)物分子的酒精發(fā)酵異型乙醇發(fā)酵：除主產(chǎn)物乙醇外，還存在有其它有機(jī)物分子的發(fā)酵。乙醇發(fā)酵發(fā)酵類(lèi)型

a、酵母型乙醇發(fā)酵

1G

2丙酮酸2乙醛+CO2

2乙醇+2ATP

條件：pH3.5~4.5,厭氧菌種：釀酒酵母、少數(shù)細(xì)菌（胃八疊球菌、解淀粉歐文氏菌等）

i、加入NaHSO4NaHSO4+乙醛磺化羥乙醛（難溶）ii、弱堿性（pH7.5）2乙醛1乙酸+1乙醇（歧化反應(yīng)）磷酸二羥丙酮作為氫受體，經(jīng)水解去磷酸生成甘——甘油發(fā)酵（EMP）---亞硫酸氫鈉必須控制亞適量（3%）

b、細(xì)菌型乙醇發(fā)酵

(發(fā)酵單胞菌和嗜糖假單胞菌)同型酒精發(fā)酵1G2丙酮酸

代謝速率高，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，發(fā)酵周期短等。缺點(diǎn)是生長(zhǎng)pH較高，較易染雜菌，并且對(duì)乙醇的耐受力較酵母菌低.

（ED）乙醇+

1ATP

異型酒精發(fā)酵(乳酸菌、腸道菌和一些嗜熱細(xì)菌）

1G2丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）乙醛乙醇甲酸+乙酰--CoA無(wú)丙酮酸脫羧酶而有乙醛脫氫酶

2）乳酸發(fā)酵

同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌、植物乳桿菌等）——EMP途徑（丙酮酸乳酸）

異型乳酸發(fā)酵（PK途徑）腸膜明串株菌（PK）產(chǎn)能：1ATP

雙歧雙歧桿菌（PK、HK）

產(chǎn)能：2G5ATP即1G2.5ATP

乳酸發(fā)酵乳酸細(xì)菌能利用葡萄糖及其他相應(yīng)的可發(fā)酵的糖產(chǎn)生乳酸，稱(chēng)為乳酸發(fā)酵。由于菌種不同，代謝途徑不同，生成的產(chǎn)物有所不同，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。

同型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)EMP途徑）

異型乳酸發(fā)酵：（經(jīng)HMP途徑）

雙歧桿菌發(fā)酵:（經(jīng)HK途徑—磷酸己糖解酮酶途徑）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）

2乳酸2丙酮酸2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADP同型乳酸發(fā)酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2異型乳酸發(fā)酵：同型乳酸發(fā)酵與異型乳酸發(fā)酵的比較Lactobacillusbrevis2ATP1乳酸1乙酸1CO2HMP異型Leuconostocmesenteroides1ATP1乳酸1乙醇1CO2HMP異型Lactobacillusdebruckii2ATP2乳酸EMP同型菌種代表產(chǎn)能/葡萄糖產(chǎn)物途徑類(lèi)型3)混合酸、丁二醇發(fā)酵a混合酸發(fā)酵：

——腸道菌（E.coli、沙氏菌、志賀氏菌等）1G丙酮酸乳酸乳酸脫氫酶

乙酰-CoA+甲酸丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸PEP羧化酶磷酸轉(zhuǎn)乙?；敢胰┟摎涿敢宜峒っ敢掖济摎涿敢宜嵋掖糆.coli與志賀氏菌的區(qū)別：葡萄糖發(fā)酵試驗(yàn)：E.coli、產(chǎn)氣腸桿菌

甲酸CO2+H2

（甲酸氫解酶、H+）志賀氏菌無(wú)此酶，故發(fā)酵G不產(chǎn)氣。CO2+H2

b丁二醇發(fā)酵（2，3--丁二醇發(fā)酵）

——腸桿菌、沙雷氏菌、歐文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羥基丁酮乙二酰紅色物質(zhì)（乙酰乳酸脫氫酶）（OH-、O2）中性丁二醇精氨酸胍基其中兩個(gè)重要的鑒定反應(yīng)：1、V．P．實(shí)驗(yàn)2、甲基紅（M.R）反應(yīng)產(chǎn)氣腸桿菌：V.P.試驗(yàn)（+），甲基紅（-）

E.coli：V.P.試驗(yàn)（-），甲基紅（+）V.P.試驗(yàn)的原理：

葡萄糖

乳酸

丙酮酸乙醛

乙酰CoA甲酸乙醇

乙酰乳酸

二乙酰3-羥基丁酮

2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脫羧酶2,3-丁二醇脫氫酶概念：腸桿菌、沙雷氏菌、和歐文氏菌屬中的一些細(xì)菌具有-乙酰乳酸合成酶系而進(jìn)行丁二醇發(fā)酵。發(fā)酵途徑：生化實(shí)驗(yàn)中M-R及V-P實(shí)驗(yàn)的鑒定原理EMP2,3-丁二醇發(fā)酵概念：埃希氏菌、沙門(mén)氏菌、志賀氏菌屬的一些菌通過(guò)EMP途徑將葡萄糖轉(zhuǎn)變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物，由于代謝產(chǎn)物中含有多種有機(jī)酸，故將其稱(chēng)為混合酸發(fā)酵。發(fā)酵途徑：

葡萄糖琥泊酸

草酰乙酸

磷酸烯醇式丙酮酸

乳酸

丙酮酸

乙醛

乙酰

CoA甲酸

乙醇

乙酰磷酸

CO2H2

乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脫氫酶甲酸-氫裂解酶磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脫氫酶+2HpH﹤6.2混合酸發(fā)酵4）丙酮-丁醇發(fā)酵

——嚴(yán)格厭氧菌進(jìn)行的唯一能大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）——丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰CoA丙酮

+CO2（CoA轉(zhuǎn)移酶）丁醇縮合5）氨基酸的發(fā)酵產(chǎn)能（stickland反應(yīng)）發(fā)酵菌體：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、雙酶梭菌等。特點(diǎn)：氨基酸的氧化與另一些氨基酸還原相偶聯(lián)；產(chǎn)能效率低（1ATP）氫供體（氧化）氨基酸：Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氫受體（還原）氨基酸：Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羥脯氨酸等。

氧化

丙氨酸丙酮酸-NH3NAD+NADH乙酰-CoANAD+NADH乙酸+ATP甘氨酸乙酸甘氨酸-NH3還原2.呼吸作用有氧呼吸（aerobicrespiration）：以分子氧作為最終電子受體無(wú)氧呼吸（anaerobicrespiration）：以氧化型化合物作為最終電子受體

電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。2.呼吸作用呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：概念：是以分子氧作為最終電子(或氫)受體的氧化。過(guò)程：是最普遍、最重要的生物氧化方式。途徑：EMP,TCA循環(huán)。特點(diǎn)：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不與氧的還原作用直接偶聯(lián)，而是底物在氧化過(guò)程中釋放的電子先通過(guò)電子傳遞鏈（由各種電子傳遞體，如NAD,FAD,輔酶Q和各種細(xì)胞色素組成）最后才傳遞到氧。

由此可見(jiàn)，

TCA循環(huán)與電子傳遞是有氧呼吸中兩個(gè)主要的產(chǎn)能環(huán)節(jié)。(1)有氧呼吸(1)有氧呼吸糖酵解作用有氧無(wú)氧葡萄糖丙酮酸發(fā)酵三羧酸循環(huán)各種發(fā)酵產(chǎn)物被徹底氧化生成CO2和水，釋放大量能量。定義：由一系列氧化還原勢(shì)不同的氫傳遞體組成的一組鏈狀傳遞順序。在氫或電子的傳遞過(guò)程中，通過(guò)與氧化磷酸化反應(yīng)發(fā)生偶聯(lián)，就可產(chǎn)生ATP形式的能量。部位：原核生物發(fā)生在細(xì)胞膜上，真核生物發(fā)生在線(xiàn)粒體內(nèi)膜上。成員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中的電子傳遞體主要包括FMN、CoQ、細(xì)胞色素b、c1、

c、a、a３和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子的順序，按照它們的氧化還原電勢(shì)大小排列，電子傳遞次序如下：電子傳遞與氧化呼吸鏈電子傳遞鏈1）電子傳遞鏈載體:NADH脫氫酶黃素蛋白輔酶Q（CoQ）鐵-硫蛋白及細(xì)胞色素類(lèi)蛋白在線(xiàn)粒體內(nèi)膜中以4個(gè)載體復(fù)合物的形式從低氧化還原勢(shì)的化合物到高氧化還原勢(shì)的分子氧或其他無(wú)機(jī)、有機(jī)氧化物逐級(jí)排列。

MH2→→

→NAD FMN C0Q b

(-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O

(+0.26)

(+0.28)(+0.82v)呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，所以，電子的傳遞方向是：NADH O2上式表明還原型輔酶的氧化，氧的消耗，水的生成。NADH+H+和FADH2的氧化，都有大量的自由能釋放。證明它們均帶電子對(duì)，都具有高的轉(zhuǎn)移勢(shì)能，它推動(dòng)電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉(zhuǎn)移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過(guò)程，故又稱(chēng)為氧化呼吸鏈。自EMP2NADH2自乙酰CoA2NADH2自TCA6NADH2自TCA2FADH2高能水平低氧化還原勢(shì)氧化態(tài)

還原態(tài)還原態(tài)

氧化態(tài)

氧化態(tài)

還原態(tài)還原態(tài)

氧化態(tài)氧化態(tài) 還原態(tài)

醌

脫氫酶NAD FADH2 H2ONADH2 FAD 1/2O2

+2H+低能水平高氧化還原勢(shì)FP Fe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3

氧化酶典型的呼吸鏈NAD：含有它的酶能從底物上移出一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，成為還原態(tài)NDAH+H+。FAD和FMN：黃素蛋白的輔基。鐵硫蛋白（Fe-S）：傳遞電子的氧化還原載體輔基為分子中的含鐵硫的中心部分。存在于呼吸鏈中幾種酶復(fù)合體中，參與膜上的電子傳遞。在固氮、亞硫酸還原、亞硝酸還原、光合作用、分子氫的激活和釋放以及鏈烷的氧化作用中也有作用。在呼吸鏈的“2Fe+2S”中心每次僅能傳遞一個(gè)電子。泛醌（輔酶Q）：脂溶性氫載體。廣泛存在于真核生物線(xiàn)粒體內(nèi)膜和革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上；革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和某些革蘭氏陰性細(xì)菌則含甲基萘醌。在呼吸鏈中醌類(lèi)的含量比其他組分多10~15倍，其作用是收集來(lái)自呼吸鏈各種輔酶和輔基所輸出的氫和電子，并將它們傳遞給細(xì)胞色素系統(tǒng)。細(xì)胞色素系統(tǒng)：位于呼吸鏈后端，功能是傳遞電子。微生物中重要的呼吸鏈組分ATP的結(jié)構(gòu)和生成2.

ATP的生成方式:

微生物能量代謝活動(dòng)中所涉及的主要是ATP（高能分子）形式的化學(xué)能.

ATP是生物體內(nèi)能量的載體或流通形式.當(dāng)微生物獲得能量后,都是先將獲得的能量轉(zhuǎn)換成ATP.當(dāng)需要能量時(shí),ATP分子上的高能鍵水解,重新釋放出能量。光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化1.結(jié)構(gòu):｛｛光合磷酸化:利用光能合成ATP的反應(yīng)。光合磷酸化作用將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能,以用于從二氧化碳合成細(xì)胞物質(zhì).主要是光合微生物。光合微生物:藻類(lèi)、藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌（包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌和嗜鹽菌等）。細(xì)菌的光合作用與高等植物不同的是，除藍(lán)細(xì)菌具有葉綠素、能進(jìn)行水的裂解進(jìn)行產(chǎn)氧的光合作用外，其他細(xì)菌沒(méi)有葉綠素，只有菌綠素或其他光合色素，只能裂解無(wú)機(jī)物（如H2、H2S等）或簡(jiǎn)單有機(jī)物，進(jìn)行不產(chǎn)氧的光合作用。氧化磷酸化：利用化合物氧化過(guò)程中釋放的能量生成ATP的反應(yīng)。氧化磷酸化生成ATP的方式有兩種：底物水平磷酸化——不需氧電子傳遞磷酸化——需氧。底物水平磷酸化：

底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過(guò)程中可生成一種含高能磷酸鍵的化合物，這個(gè)化合物通過(guò)相應(yīng)的酶作用把高能鍵磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP，使其生成ATP。

這種類(lèi)型的氧化磷酸化方式在生物代謝過(guò)程中較為普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。

在電子傳遞磷酸化中，通過(guò)呼吸鏈傳遞電子，將氧化過(guò)程中釋放的能量和ADP的磷酸化偶聯(lián)起來(lái)，形成ATP。

呼吸鏈中的電子傳遞體主要由各種輔基和輔酶組成，最重要的電子傳遞體是泛琨（即輔酶Q）和細(xì)胞色素系統(tǒng)。在不同種類(lèi)的微生物中細(xì)胞色素的成員是不同的。

通過(guò)呼吸鏈生成的ATP數(shù)量主要是根據(jù)呼吸鏈成員的多少而不同，而呼吸鏈的組成因微生物種類(lèi)而異，如酵母菌可生成3個(gè)ATP，而細(xì)菌大約只生成1個(gè)ATP磷酸化作用是在電子自供體向最終受體的傳遞過(guò)程中發(fā)生的。從氧化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生的一對(duì)電子或氫原子向最終電子受體轉(zhuǎn)移時(shí)，中間經(jīng)過(guò)一系列電子傳遞體，每個(gè)電子傳遞體構(gòu)成一個(gè)氧化還原系統(tǒng)，這一系列電子傳遞體在不同生物中有其自己一定的排列次序，構(gòu)成一條電子傳遞鏈，因而稱(chēng)為呼吸鏈。流動(dòng)的電子通過(guò)呼吸鏈時(shí)逐步釋放出能量生成ATP。電子傳遞磷酸化呼吸鏈在傳遞氫或電子的過(guò)程中，通過(guò)與氧化磷酸化作用的偶聯(lián)，產(chǎn)生生物的通用能源——ATP。目前獲得多數(shù)學(xué)者接受的是化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)。主要觀(guān)點(diǎn)：在氧化磷酸化過(guò)程中，通過(guò)呼吸鏈酶系的作用，將底物分子上的質(zhì)子從膜的內(nèi)側(cè)傳遞至外側(cè)，從而造成了質(zhì)子在膜兩側(cè)分布的不均衡，即形成了質(zhì)子梯度差（又稱(chēng)質(zhì)子動(dòng)勢(shì)、pH梯度等）。這個(gè)梯度差就是產(chǎn)生ATP的能量來(lái)源，因?yàn)樗赏ㄟ^(guò)ATP酶的逆反應(yīng)，把質(zhì)子從膜的外側(cè)再輸回到內(nèi)側(cè)，結(jié)果一方面消除了質(zhì)子梯度差，同時(shí)就合成了ATP。氧化磷酸化產(chǎn)能機(jī)制（2）無(wú)氧呼吸概念：以無(wú)機(jī)氧化物（少數(shù)為有機(jī)氧化物）中的氧作為最終電子（和氫）受體的氧化作用。一些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸。無(wú)機(jī)氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等。在無(wú)氧呼吸過(guò)程中，電子供體和受體之間也需要細(xì)胞色素等中間電子遞體，并伴隨有磷酸化作用，底物可被徹底氧化，可產(chǎn)生較多能量，但不如有氧呼吸產(chǎn)生的能量多。如：以硝酸鉀為電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸時(shí)，可釋放出1796.14KJ自由能。某些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸；無(wú)氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等無(wú)機(jī)物，或延胡索酸（fumarate）等有機(jī)物。無(wú)氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分級(jí)釋放過(guò)程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。由于部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。（2）無(wú)氧呼吸（2）無(wú)氧呼吸能進(jìn)行硝酸鹽呼吸的細(xì)菌被稱(chēng)為硝酸還鹽原細(xì)菌，主要生活在土壤和水環(huán)境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽還原細(xì)菌被認(rèn)為是一種兼性厭氧菌，無(wú)氧但環(huán)境中存在硝酸鹽時(shí)進(jìn)行厭氧呼吸，而有氧時(shí)其細(xì)胞膜上的硝酸鹽還原酶活性被抑制，細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸。特點(diǎn)：a常規(guī)途徑脫下的氫，經(jīng)部分呼吸鏈傳遞；

b氫受體：氧化態(tài)無(wú)機(jī)物（個(gè)別：延胡索酸）c產(chǎn)能效率低。硝酸鹽呼吸（反硝化作用）即硝酸鹽還原作用特點(diǎn)：a有其完整的呼吸系統(tǒng)；b只有在無(wú)氧條件下，才能誘導(dǎo)出反硝化作用所需的硝酸鹽還原酶A亞硝酸還原酶等c兼性厭氧

細(xì)菌：銅綠假單胞、地衣芽孢桿菌等。無(wú)氧呼吸（厭氧呼吸）硝酸鹽作用同化性硝酸鹽作用：NO3-

NH3-NR-NH2

異化性硝酸鹽作用：無(wú)氧條件下，利用NO3-為最終氫受體NO3-NO2NON2ON2

反硝化意義：1）使土壤中的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮?dú)舛?，降低土壤的肥力?）反硝化作用在氮素循環(huán)中起重要作用。

亞硝酸還原酶氧化氮還原酶氧化亞氮還原酶硝酸鹽還原酶土壤及水環(huán)境氧被消耗而造成局部的厭氧環(huán)境松土，排除過(guò)多的水分，保證土壤中有良好的通氣條件。硝酸鹽是一種容易溶解于水的物質(zhì)，通常通過(guò)水從土壤流入水域中。如果沒(méi)有反硝化作用，硝酸鹽將在水中積累，會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)變壞與地球上氮素循環(huán)的中斷。反硝化作用的生態(tài)學(xué)作用：好氧性機(jī)體的呼吸作用硝酸鹽還原細(xì)菌進(jìn)行厭氧呼吸反硝化作用在氮素循環(huán)中的重要作用土壤中植物能利用的氮（硝酸鹽NO3-）還原成氮?dú)舛В瑥亩档土送寥赖姆柿?。有關(guān)“鬼火”的生物學(xué)解釋在無(wú)氧條件下，某些微生物在沒(méi)有氧、氮或硫作為呼吸作用的最終電子受體時(shí)，可以磷酸鹽代替，其結(jié)果是生成磷化氫（PH3），一種易燃?xì)怏w。當(dāng)有機(jī)物腐敗變質(zhì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生這種情況。若埋葬尸體的墳?zāi)狗饪诓粐?yán)時(shí)，這種氣體就很易逸出。農(nóng)村的墓地通常位于山坡上，埋葬著大量尸體。在夜晚，氣體燃燒會(huì)發(fā)出綠幽幽的光。長(zhǎng)期以來(lái)人們無(wú)法正確地解釋這種現(xiàn)象，將其稱(chēng)之為“鬼火”。硫酸鹽呼吸（硫酸鹽還原）——厭氧時(shí)，SO42-、SO32-、S2O32-等為末端電子受體的呼吸過(guò)程。特點(diǎn)：

a、嚴(yán)格厭氧；b、大多為古細(xì)菌c、極大多專(zhuān)性化能異氧型，少數(shù)混合型；d、最終產(chǎn)物為H2S；SO42-SO32-SO2SH2Se、利用有機(jī)質(zhì)（有機(jī)酸、脂肪酸、醇類(lèi)）作為氫供體或電子供體；f、環(huán)境：富含SO42-的厭氧環(huán)境（土壤、海水、污水等）

硫呼吸（硫還原）

——以元素S作為唯一的末端電子受體。電子供體：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸鹽呼吸（碳酸鹽還原）

——以CO2、HCO3-為末端電子受體產(chǎn)甲烷菌—利用H2作電子供體（能源）、CO2為受體，產(chǎn)物CH4；產(chǎn)乙酸細(xì)菌—H2/CO2進(jìn)行無(wú)氧呼吸，產(chǎn)物為乙酸。

其他類(lèi)型無(wú)氧呼吸

——以Fe3+、Mn2+許多有機(jī)氧化物等作為末端電子受體的無(wú)氧呼吸。延胡索酸琥珀酸+1ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厭氧條件下生長(zhǎng)一些還原硫細(xì)菌。利用Desulfotomaculumauripigmentum還原AsO43-生產(chǎn)三硫化二砷（雌黃）作用：生物礦化和微生物清污厭氧呼吸的產(chǎn)能較有氧呼吸少，但比發(fā)酵多，它使微生物在沒(méi)有氧的情況下仍然可以通過(guò)電子傳遞和氧化磷酸化來(lái)產(chǎn)生ATP，因此對(duì)很多微生物是非常重要的。除氧以外的多種物質(zhì)可被各種微生物用作最終電子受體，充分體現(xiàn)了微生物代謝類(lèi)型的多樣性。三．自養(yǎng)微生物的生物氧化化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型：這些微生物一般也能以CO2為唯一或主要碳源合成細(xì)胞物質(zhì)以無(wú)機(jī)物為電子供體從無(wú)機(jī)物的氧化獲得能量從對(duì)無(wú)機(jī)物的生物氧化過(guò)程中獲得生長(zhǎng)所需要能量的微生物一般都是：化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型微生物自養(yǎng)微生物化能異養(yǎng)微生物：化能自養(yǎng)微生物：復(fù)雜分子（有機(jī)物）分解代謝合成代謝簡(jiǎn)單小分子ATP[H]自養(yǎng)微生物的合成代謝：

將CO2先還原成[CH2O]水平的簡(jiǎn)單有機(jī)物，然后再進(jìn)一步合成復(fù)雜的細(xì)胞成分。ATP和還原力均來(lái)自對(duì)有機(jī)物的生物氧化無(wú)機(jī)物氧化過(guò)程中主要通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP如果作為電子供體的無(wú)機(jī)物的氧化還原電位足夠低，也在氧化磷酸化的過(guò)程中產(chǎn)生還原力，但大多數(shù)情況下都需要通過(guò)電子的逆向傳遞，以消耗ATP為代價(jià)獲得還原力。NH3、亞硝酸（NO2-）等無(wú)機(jī)氮化物可以被某些化能自養(yǎng)細(xì)菌用作能源。將氨氧化為亞硝酸并獲得能量將亞硝氧化為硝酸并獲得能量1、氨的氧化亞硝化細(xì)菌：硝化細(xì)菌：微生物產(chǎn)能代謝這兩類(lèi)細(xì)菌往往伴生在一起，在它們的共同作用下將銨鹽氧化成硝酸鹽，避免亞硝酸積累所產(chǎn)生的毒害作用。這類(lèi)細(xì)菌在自然界的氮素循環(huán)中也起者重要的作用，在自然界中分布非常廣泛。1硝化細(xì)菌

能氧化氮的化能無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌

桿狀、橢圓形、球形、螺旋形或裂片狀，且它們可能有極生或周生鞭毛。

好氧、沒(méi)有芽孢的革蘭氏陰性有機(jī)體，在細(xì)胞質(zhì)中有非常發(fā)達(dá)的內(nèi)膜復(fù)合體。

將氨氧化成硝酸鹽的過(guò)程稱(chēng)為硝化作用。

a、亞硝化細(xì)菌NH3+O2+2H+NH2OH+H2OA氨單加氧酶羥氨氧化酶HNO2+4H++4e-b、硝化細(xì)菌NO2-+H2O

亞硝酸氧化酶NO3-+2H++2e-根據(jù)它們氧化無(wú)機(jī)化合物的不同也稱(chēng)氨氧化細(xì)菌(產(chǎn)生1分子ATP)硫細(xì)菌（硫氧化細(xì)菌）

——利用H2S、S02、S2O32-等無(wú)機(jī)硫化物進(jìn)行自養(yǎng)生長(zhǎng),主要指化能自氧型硫細(xì)菌大多數(shù)硫桿菌，脫下的H+（e-）經(jīng)cyt.c部位進(jìn)入呼吸鏈；而脫氮硫桿菌從FP或cyt.b水平進(jìn)入。

嗜酸型硫細(xì)菌能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)。產(chǎn)能途徑第一階段，H2S、S0和S2O32－等硫化物被氧化為SO32－第二階段，形成的SO32－進(jìn)一步氧化為SO42－和產(chǎn)能。1、由細(xì)胞色素－亞硫酸氧化酶將SO32－直接氧化成為SO42－，并通過(guò)電子傳遞磷酸化產(chǎn)能，普遍存在于硫桿菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosinephosphosulfate，APS)途徑。在這條途徑中，亞硫酸與腺苷單磷酸反應(yīng)放出2個(gè)電子生成一種高能分子APS，放出的電子經(jīng)細(xì)胞電子傳遞鏈的氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32－產(chǎn)生1．5分子ATP。俄國(guó)著名微生物學(xué)家Winogradsky的杰出貢獻(xiàn)：化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型微生物的發(fā)現(xiàn)：氧化無(wú)機(jī)物獲得能量；沒(méi)有光和葉綠素的條件下也能同化CO2為細(xì)胞物質(zhì)（能以CO2為唯一或主要碳源）2、硫的氧化硫細(xì)菌（sulfurbacteria）能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作能源。亞鐵（Fe2+）只有在酸性條件（pH低于3.0）下才能保持可溶解性和化學(xué)穩(wěn)定；當(dāng)pH大于4-5，亞鐵（Fe2+）很容易被氧氣氧化成為高價(jià)鐵（Fe3+）；氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）在富含F(xiàn)eS2的煤礦中繁殖，產(chǎn)生大量的硫酸和Fe(OH)3，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。它的生長(zhǎng)只需要FeS2及空氣中的O2和CO2，因此要防止其破壞性大量繁殖的唯一可行的方法是封閉礦山，使環(huán)境恢復(fù)到原來(lái)的無(wú)氧狀態(tài)。氫細(xì)菌（氧化氫細(xì)菌）

能利用氫作為能源的細(xì)菌組成的生理類(lèi)群稱(chēng)氫細(xì)菌或氫氧化細(xì)菌(hydrogenoxidizingbacteria)。兼性化能自養(yǎng)菌主要有假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬、芽孢桿菌屬、黃桿菌屬(Flavobacterium)、水螺菌屬(Aquaspirillum)、分支桿菌屬(Mycobacterium)和諾卡氏菌屬(Nocardia)等。

產(chǎn)能：2H2+O2—2H2O

合成代謝反應(yīng)：

2H2+CO2—[CH2O]+H2O。

氫細(xì)菌的自氧作用

第一步：產(chǎn)能反應(yīng)，氧化4分子H。產(chǎn)生1分子ATP；

第二步：合成代謝反應(yīng)，用所產(chǎn)生的ATP還原C02構(gòu)成細(xì)胞物質(zhì)[CH2O]和生長(zhǎng)。在Ralstoniaeutropha中存在兩種氫酶，一種膜結(jié)合氫酶涉及質(zhì)子動(dòng)勢(shì)而細(xì)胞質(zhì)中的氫酶為Calvincycle

提供還原力NADH。4鐵細(xì)菌和細(xì)菌瀝濾

(1)鐵細(xì)菌（多數(shù)為化能自養(yǎng)，少數(shù)兼性厭氧，產(chǎn)能低。）

定義：能氧化Fe2＋成為Fe3＋并產(chǎn)能的細(xì)菌被稱(chēng)為鐵細(xì)菌(ironbacteria)或鐵氧化細(xì)菌(ironoxidizingbacteria)。包括亞鐵桿菌屬(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌屬(Gallionella)、纖發(fā)菌屬(Leptothrix)、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)和球衣菌屬(Sphaerotilus)的成員。有些氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusfrrooxidans)和硫化葉菌的一些成員，除了能氧化元素硫和還原性硫化物外，還能將亞鐵離子(Fe2＋)氧化成鐵離子(Fe3＋)，所以它們既是硫細(xì)菌，也是鐵細(xì)菌。大多數(shù)鐵細(xì)菌為專(zhuān)性化能自養(yǎng)，但也有兼性化能自養(yǎng)的。大多數(shù)鐵細(xì)菌還是嗜酸性的。鐵細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率也相當(dāng)?shù)丸F氧化細(xì)菌呼吸鏈的氧化磷酸化的產(chǎn)能途徑

(2)細(xì)菌瀝濾——利用嗜酸性氧化鐵和硫細(xì)菌氧化礦物中硫和硫化物的能力，讓其不斷制造和再生酸性浸礦劑，將硫化礦中重金屬轉(zhuǎn)化成水溶性重金屬硫酸鹽而從低品位礦中浸出的過(guò)程。又稱(chēng)細(xì)菌浸出或細(xì)菌冶金。原理：a、浸礦劑的生成

2S+3O2+2H2O—2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O2—2Fe2（SO4）3+2H2Ob、低品位銅礦中銅以CuSO4形式浸出CuS+2Fe2（SO4）3+2H2O+O2—CuSO4

+4FeSO4+2H2SO4

c、鐵屑置換CuSO4中的銅CuSO4+Fe—FeSO4+Cu

——適于次生硫化礦和氧化礦的浸出，浸出率達(dá)70%~80%。

1、固氮微生物的種類(lèi)

一些特殊類(lèi)群的原核生物能夠?qū)⒎肿討B(tài)氮還原為氨，然后再由氨轉(zhuǎn)化為各種細(xì)胞物質(zhì)。微生物利用其固氮酶系催化大氣中的分子氮還原成氨的過(guò)程稱(chēng)為固氮作用。

自生固氮菌：獨(dú)立固氮（氧化亞鐵硫桿菌等）共生固氮菌：與它種生物共生才能固氮形成根瘤及其他形式聯(lián)合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)物腸道等處才能固氮的微生物。根際—芽孢桿菌屬；葉面—固氮菌屬。固氮作用固氮機(jī)制1）固氮反應(yīng)的條件aATP的供應(yīng)：1molN2—10~15ATPb還原力[H]及其載體氫供體：H2、丙酮酸、甲酸、異檸檬酸等。電子載體：鐵氧還蛋白（Fd）或黃素氧還蛋白（Fld）。c固氮酶

組分I：真正“固氮酶”，又稱(chēng)鉬鐵蛋白（MF）、鉬鐵氧還蛋白（MoFd）組分II：固氮酶還原酶，不含鉬，又稱(chēng)鐵蛋白、固氮鐵氧還蛋白（AzoFd）特性：對(duì)氧極為敏感；需有Mg2+的存在；專(zhuān)一性：除N2外，可還原其他一些化合物

C2H2—C2H4；2H+—H2；N2O—N2；HCN—CH4+NH3（乙炔反應(yīng)：可用來(lái)測(cè)知酶活）d還原低物N2：NH3存在時(shí)會(huì)抑制固氮作用。

N2+2e+6H++（18~24）ATP—2NH3+H2+（18~24）ADP+18~24Pi

a、固氮酶的形成

e—組分II—組分II（e）—Mg—ATP

組分I+N2—I—N2

b、固氮階段

N2*—2NH3+H2即75%還原力用來(lái)還原N2，25%的還原力以H2形式浪費(fèi)固氮生化過(guò)程

Fd，F(xiàn)ld+固氮酶（1：1復(fù)合物）固氮生化途徑好氧性固氮菌的防氧機(jī)制固N(yùn)酶遇氧不可逆失活（組分I，半衰期10’；組分II，45”喪失一半活性）

（1）自身固N(yùn)菌

a呼吸保護(hù)固N(yùn)菌科的固N(yùn)菌以極強(qiáng)的呼吸作用消耗掉環(huán)境中的氧。b構(gòu)象保護(hù)高氧分壓環(huán)境，固氮酶能形成一無(wú)固N(yùn)活性但能防止氧損傷的特殊構(gòu)象。構(gòu)象保護(hù)的蛋白質(zhì)——Fe-s蛋白II

氧壓增高，固氮酶與Fe—s蛋白II結(jié)合，構(gòu)象變化，喪失固N(yùn)能力；

氧濃度降低，蛋白自酶上解離藍(lán)細(xì)菌保護(hù)固N(yùn)酶機(jī)制

a分化出特殊的還原性異形胞（——適宜固氮作用的細(xì)胞）

I、厚壁，物理屏障；II、缺乏氧光合系統(tǒng)II，脫氧酶、氫酶活性高；III、SOD活性很高；IV、呼吸強(qiáng)度高

b非異形胞藍(lán)細(xì)菌固N(yùn)酶的保護(hù)

——缺乏獨(dú)特的防止氧對(duì)固N(yùn)酶的損傷機(jī)制。

I、固N(yùn)、光合作用在時(shí)間上分隔開(kāi)——織線(xiàn)藍(lán)菌屬（黑暗：固N(yùn)；光照：光合作用）II、形成束狀群體（束毛藍(lán)菌屬），利于固N(yùn)酶在微氧環(huán)境下固N(yùn)

III、提高胞內(nèi)過(guò)氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球藍(lán)菌屬）I、豆科植物的共生菌——以類(lèi)菌體形式存在于根瘤中

類(lèi)菌體周膜：豆血紅蛋白，可與氧可逆結(jié)合（高時(shí)結(jié)合，低時(shí)釋放）

豆血紅蛋白：蛋白部分由植物基因編碼；血紅素有根瘤菌基因編碼。II、非豆科植物共生菌——含植物血紅蛋白（功能相似豆血紅蛋白）Frankin放線(xiàn)菌：

營(yíng)養(yǎng)菌絲末端膨大的泡囊類(lèi)似異形胞。

根瘤菌保護(hù)固N(yùn)酶機(jī)制

四．能量轉(zhuǎn)換化能營(yíng)養(yǎng)型光能營(yíng)養(yǎng)型底物水平磷酸化氧化磷酸化通過(guò)光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存于A(yíng)TP中1、底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）物質(zhì)在生物氧化過(guò)程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。2、氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過(guò)程：當(dāng)一個(gè)葉綠素分子吸收光量子時(shí)，葉綠素性質(zhì)上即被激活，導(dǎo)致其釋放一個(gè)電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過(guò)程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動(dòng)力。3、光合磷酸化（photophosphorylation）光合磷酸化和氧化磷酸化一樣都是通過(guò)電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生ATP光能營(yíng)養(yǎng)型生物真核生物：藻類(lèi)及其它綠色植物原核生物：藍(lán)細(xì)菌（僅原核生物有）：光合細(xì)菌3、光合磷酸化（photophosphorylation）產(chǎn)氧不產(chǎn)氧細(xì)菌光合作用1）循環(huán)光合磷酸化

細(xì)菌葉綠素將捕獲的光能傳輸給其反應(yīng)中心葉綠素P870，P870吸收光能并被激發(fā)，使它的還原電勢(shì)變得很負(fù)，被逐出的電子經(jīng)過(guò)由脫鎂菌綠素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、細(xì)胞色素b和c組成的電子傳遞鏈傳遞返回到細(xì)菌葉綠素P870，同時(shí)造成了質(zhì)子的跨膜移動(dòng)，提供能量用于合成ATP。特點(diǎn)：a、光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過(guò)類(lèi)似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素；b、產(chǎn)ATP和還原力[H]分別進(jìn)行，還原力來(lái)自H2S等無(wú)機(jī)物；c、不產(chǎn)氧（O2）。光驅(qū)使下，電子自菌綠素上逐出后，經(jīng)過(guò)類(lèi)似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素產(chǎn)ATP和還原力分別進(jìn)行.紫色細(xì)菌循環(huán)光合磷酸化過(guò)程

外源電子供體——H2S等無(wú)機(jī)物氧化放出電子，最終傳至失電子的光合色素時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。特點(diǎn)：只有一個(gè)光合系統(tǒng)，光合作用釋放的電子僅用于NAD+還原NADH，但電子傳遞不形成環(huán)式回路。綠硫細(xì)菌和綠色細(xì)菌

非循環(huán)光合磷酸化

特點(diǎn)：a、電子傳遞非循環(huán)式；b、在有氧的條件下進(jìn)行；c、存在兩個(gè)光合系統(tǒng)d、ATP、還原力、O2同時(shí)產(chǎn)生

當(dāng)光反應(yīng)中心I的葉綠素P700吸收光量子能量后釋放的電子，經(jīng)過(guò)黃素蛋白和鐵氧還蛋白(Fd)傳遞給NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(還原力)，而不是返回氧化型P700。光合系統(tǒng)II將電子提供給氧化型P700，并產(chǎn)生ATP。

光合系統(tǒng)II天線(xiàn)色素吸收光能并激發(fā)P680放出電子，然后還原脫鎂葉綠素a(脫鎂葉綠素a是2個(gè)氫原子取代中心鎂原子的葉綠素a)，經(jīng)過(guò)由質(zhì)體醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和質(zhì)體藍(lán)素(plastocyanin，PC)組成的電子傳遞鏈到氧化型P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680從水氧化成02過(guò)程中得到電子。在光系統(tǒng)Ⅱ中，電子由PQ經(jīng)Cyt.b傳遞給Cyt.f時(shí)與ADP磷酸化偶聯(lián)產(chǎn)生ATP。藍(lán)細(xì)菌等的產(chǎn)氧光合作用——非循環(huán)光合磷酸化過(guò)程依靠菌視紫紅質(zhì)的光合作用無(wú)葉綠素或菌綠素參與的獨(dú)特的光合作用，是迄今為止最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)?！獦O端嗜鹽古細(xì)菌

菌視紫紅質(zhì)：

以“視黃醛”（紫色）為輔基。與葉綠素相似，具質(zhì)子泵作用。與膜脂共同構(gòu)成紫膜；埋于紅色細(xì)胞膜（類(lèi)胡蘿卜素）內(nèi)。

ATP合成機(jī)理：視黃醛吸收光，構(gòu)型改變，質(zhì)子泵到膜外，膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度差和電位梯度差，是ATP合成的原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)ATP酶合成ATP。3、光合磷酸化（photophosphorylation）細(xì)菌葉綠素具有和高等植物中的葉綠素相類(lèi)似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，二者的區(qū)別在于側(cè)鏈基團(tuán)的不同，以及由此而導(dǎo)致的光吸收特性的差異。3、光合磷酸化（photophosphorylation）復(fù)習(xí)思考題1名詞解釋發(fā)酵(fermentation)呼吸作用氧化磷酸化底物水平磷酸化2,糖酵解是__

__，主要有

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