微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝3課件

第五章微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝

重點(diǎn)和難點(diǎn)：

微生物營(yíng)養(yǎng)類型，微生物的產(chǎn)能方式和微生物特有的合成代謝（生物固氮、肽聚糖合成、次生代謝產(chǎn)物）5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

細(xì)胞從外界環(huán)境中攝取化學(xué)物質(zhì)，使其在生長(zhǎng)過程中獲取生命活動(dòng)所需的能量及其結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生理過程稱為營(yíng)養(yǎng)或營(yíng)養(yǎng)作用。外界環(huán)境中可為細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)組分、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和良好生理環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)稱為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或養(yǎng)料。5.1.1營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其功能從元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10種，且C、H、O、N、S、P還是碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和核酸的成分。*

凡能共給微生物碳素營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)稱為碳源。碳素的主要作用是組成菌體細(xì)胞物質(zhì)和供給微生物生長(zhǎng)發(fā)育所需的能量。

碳源分無機(jī)（CO2及碳酸鹽）和有機(jī)碳源（糖類、有機(jī)酸類、油脂及烴類）。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有機(jī)酸等。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型1.碳源：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型CO2

CO2

為自養(yǎng)微生物所利用。碳酸鹽NaHCO3、CaCO3等為自養(yǎng)微生物所利用。其他芳香族化合物、氰化物利用這些物質(zhì)的微生物在環(huán)境保護(hù)方面有重要作用。利用烴的微生物細(xì)胞表面有一種由糖脂組成的特殊吸收系統(tǒng)，可將難溶的烴充分乳化后吸收利用。天然氣、石油、石油餾分、石蠟油等烴蛋白質(zhì)、核酸等當(dāng)環(huán)境中缺乏碳源物質(zhì)時(shí)，可被微生物作為碳源而降解利用。2.氮源：

能被微生物利用的含氮物質(zhì)為氮源。氮素是構(gòu)成微生物細(xì)胞基本物質(zhì)－蛋白質(zhì)和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化細(xì)菌能利用氨作為氮源和能源）。氮源分無機(jī)（分子態(tài)氮、硝酸鹽、銨鹽等）和有機(jī)（尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)、蛋白胨、肉膏等）兩大類。

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)微生物常用的氮源主要有：銨鹽、硝酸鹽、尿素、蛋白胨和牛肉膏等。發(fā)酵工業(yè)上常以豆餅粉、花生餅粉和玉米漿等作為微生物的氮源。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型原生營(yíng)養(yǎng):凡是以葡萄糖或其他有機(jī)化合物為唯一碳源和能源,以無機(jī)化合物為唯一氮源,能夠滿足碳、氮營(yíng)養(yǎng)需要的化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)微生物,統(tǒng)稱為原生營(yíng)養(yǎng)型。如果這種條件不能滿足營(yíng)養(yǎng)需要,則為缺陷營(yíng)養(yǎng)(營(yíng)養(yǎng)缺陷型):某些微生物由于合成能力發(fā)生障礙,所以在微生物培養(yǎng)時(shí)要添加某種或某幾種氨基酸或堿基等有機(jī)化合物才能生長(zhǎng)。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型蛋白質(zhì)

N2

固氮酶(N2)固氮微生物NH4—N4.生長(zhǎng)因子5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型(表)凡能調(diào)節(jié)微生物代謝活動(dòng)的微量有機(jī)物質(zhì)稱為生長(zhǎng)因子。包括維生素、氨基酸、核苷以及未知成分。其作用是用來構(gòu)成酶的輔基或輔酶(是某些酶活性所必需的成分)各種微生物所需生長(zhǎng)因子的種類和數(shù)量是不一樣的，如自養(yǎng)微生物和一些腐生性細(xì)菌、霉菌，能自己合成這類物質(zhì)，不需外界供給；而有些微生物(根瘤菌、乳酸桿菌等)因缺乏合成這類物質(zhì)的能力，必須外界供給才能生長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)室通常用作生長(zhǎng)因子的物質(zhì)有：酵母膏、玉米漿、肝浸液、麥芽汁、牛肉膏、米糠等。11維生素及其在代謝中的作用

化合物

代謝中的作用生物素輔酶M硫胺素(B1)維生素K催化羧化反應(yīng)的酶的輔酶輔酶A的前體甲烷形成中的輔酶硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉(zhuǎn)醛醇酶和轉(zhuǎn)酮醇酶的輔酶甲基醌類的前體，起電子載體作用(如延胡索酸還原酶)5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型9泛酸微生物對(duì)生長(zhǎng)素的需要分三類情況:5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型③要供給多種生長(zhǎng)因素才能生長(zhǎng)(常需要供給植物汁液、動(dòng)物煮汁才能生長(zhǎng))。②需部分供給或部分供給生長(zhǎng)素的前體才能生長(zhǎng);①自養(yǎng)微生物不需外源供應(yīng);

(2)水活度的表示方法微生物生長(zhǎng)所需的水活度通常在0.63－0.99之間，細(xì)菌水活度較高為0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度為0.6，水中溶質(zhì)越高水活度越低。微生物可利用的水,用水活度來表示（aw）aw是指在相同的溫度和壓力下，溶液中水的蒸氣壓和純水的蒸氣壓之比，即：aw

=P溶液/P純水5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型大家知道把新鮮蔬菜曬干就不容易腐爛。這是因?yàn)槭卟说乃譁p少了，引起蔬菜腐爛的微生物就不容易生長(zhǎng)。微生物的生長(zhǎng)必需水，但結(jié)合在分子內(nèi)的水不能被微生物利用，只有游離的水才能被利用。采用“水活度”（aw）值這一概念來表示能被微生物利用的實(shí)際含水量。微生物所需要的水活度越高，在干燥的環(huán)境下就越不容易生長(zhǎng)。

5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型一些微生物生長(zhǎng)所需的最低aw值0.97-0.96革蘭氏陰性桿菌假單胞菌屬（Pseudomonas）不動(dòng)桿菌屬（Acinetoacter）大腸埃希氏菌（E.coli）0.97

0.90-0.86革蘭氏陰性球菌微球菌屬（Micrococcus）0.90金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）0.860.94-0.87酵母菌產(chǎn)朊假絲酵母（Candidautilis）

釀酒酵母（Candidautilis）0.94

德巴利酵母屬（Debaryomyces）0.940.93-0.80霉菌黑根霉（Rhizopusnigricans）0.93

擴(kuò)展青霉（Penicilliumexpansum）0.77

展青霉（Penicilliumpatullum）0.80

黃曲霉（Aspergillusflavus）0.90

黑曲霉（Aspergillusniger）0.840.95-0.91大多數(shù)細(xì)菌枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）梭菌屬（Clostridium）

微細(xì)菌屬（Microbacterium）0.95

乳桿菌屬（Lactobacillus）

鏈球菌屬（Streptococcus）0.945.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型1.光能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(或稱光能自養(yǎng)型)

這類微生物是利用光作為生活所需要的能源，以CO2作為唯一或主要碳源，以無機(jī)物作為供氫體來還原CO2合成細(xì)胞的有機(jī)物質(zhì)。如藻類和少數(shù)細(xì)菌(紅硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌)，它們都含光和色素(葉綠素或細(xì)菌葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素)，可以在完全無機(jī)的環(huán)境中生長(zhǎng)，所以稱光能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型。

5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型但應(yīng)注意，三大色素中，葉綠素或細(xì)菌葉綠素是主要的光合色素，而類胡蘿卜素和藻膽素因不能單獨(dú)進(jìn)行光合作用而稱為輔助色素，其主要功能是捕獲光能轉(zhuǎn)移到光反應(yīng)中心，并保護(hù)膜系統(tǒng)免遭光氧化的破壞。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型CO2+H2O[CH2O]+O2光能葉綠素CO2+2H2S[CH2O]+2S+H2O光能細(xì)胞葉綠素CO2+2H2A[CH2O]+H2O+2A光能光合色素光能自養(yǎng)型念珠藍(lán)細(xì)菌5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型3.化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(化能自養(yǎng)型)5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型能從無機(jī)物氧化過程中獲得能量，并以CO2作為唯一或主要碳源進(jìn)行生長(zhǎng)的微生物。如鐵細(xì)菌、亞消化細(xì)菌、消化細(xì)菌、硫細(xì)菌和H細(xì)菌。Fe+2Fe+3+e+Q2NH3+3O22HNO2+2H2O+Q2HNO2+O22HNO3+Q2S+3O2+H2O2H2SO4+QCO2+[4H][CH2O]+H2O能量4.化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型(化能異養(yǎng)型)5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型這類微生物以有機(jī)化合物為碳源，利用有機(jī)化合物氧化過程中產(chǎn)生的能量為能源，以有機(jī)或無機(jī)含氮化合物為氮源，合成細(xì)胞物質(zhì)。這類微生物稱為化能異養(yǎng)微生物。其包含的種類最多。就已知的微生物中絕大多數(shù)細(xì)菌、全部真菌、原生動(dòng)物及病毒都屬于這一營(yíng)養(yǎng)類型。由于棲息場(chǎng)所和攝取養(yǎng)料不同，可將異養(yǎng)微生物分為腐生型和寄生型兩大類：腐生型：利用無生命的有機(jī)物獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。寄生型：從活的寄生體內(nèi)獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如d病毒衣原體、立克次氏體等。中間類型（兼性腐生或兼性寄生）如結(jié)核桿菌、痢疾桿菌就是兼性寄生菌。

蘇云金芽孢桿菌5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型1.培養(yǎng)基的配制原則5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型10-3-10-4mol/L

10-6-10-8mol/LC/N=6:1⑴培養(yǎng)基一般包括碳源、氮源、無機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子。(營(yíng)養(yǎng)成分及其配比要恰當(dāng))⑵培養(yǎng)基的濃度要恰當(dāng)。⑶控制適當(dāng)pH。pH=4.5-6pH=7-7.52.培養(yǎng)基的類型及其應(yīng)用5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型⑴根據(jù)微生物的種類⑵按培養(yǎng)基的成分⑷按培養(yǎng)的用途

⑶按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)39⑶按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)根據(jù)培養(yǎng)基制成后的物理狀態(tài)的不同，可分為：固體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型瓊脂固體培養(yǎng)基明膠培養(yǎng)基硅膠固體培養(yǎng)基天然固體基質(zhì)固體培養(yǎng)基是：在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑(1.5%-2.0%的瓊脂)而制成的培養(yǎng)基。半固體培養(yǎng)基：是在液體培養(yǎng)基中加入0.2%-0.7%的瓊脂配制而成。液體培養(yǎng)基：不加任何凝固劑而按比例配制成的營(yíng)養(yǎng)液。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

瓊脂是由紅藻門石花菜江蘺等藻類中提取的膠體多糖。瓊脂的化學(xué)成分為多聚半乳糖硫酸上下酯，熔點(diǎn)96℃，凝固點(diǎn)是40－50℃。瓊脂培養(yǎng)基可反復(fù)溶化凝固而不改一落變性質(zhì)。絕大多數(shù)微生物不水解瓊脂。瓊脂固體培養(yǎng)基：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型26⑷按培養(yǎng)的用途

加富培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基鑒別不同微生物的培養(yǎng)基保藏菌種培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

按大多數(shù)微生物的營(yíng)養(yǎng)需要配制一種培養(yǎng)基，稱為基本培養(yǎng)基。再根據(jù)各種微生物的不同需要加入一、二種應(yīng)用較廣。如培養(yǎng)某種營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，先配制基本培養(yǎng)基，之后再加入缺陷型菌珠，需要的那種營(yíng)養(yǎng)成分即可?；九囵B(yǎng)基：32

是在培養(yǎng)基中加入血、血清、動(dòng)植物組織提取物。用來培養(yǎng)要求較苛刻的某些異養(yǎng)微生物。加富培養(yǎng)基：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型32

纖維分解菌含石蠟的培養(yǎng)基用蛋白質(zhì)做唯一的氮源的培養(yǎng)基缺氮培養(yǎng)基可分離到固氮微生物

選擇培養(yǎng)基：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型32

如大腸桿菌，接種到葡萄糖肉湯、麥芽糖肉湯和乳糖肉湯中，它們可以分解這幾種糖，并產(chǎn)酸產(chǎn)氣。如在這三種培養(yǎng)基中接種傷寒桿菌。傷寒桿菌只能發(fā)酵葡萄糖和麥芽糖，不發(fā)酵乳糖，只產(chǎn)酸不產(chǎn)氣。這樣就把大腸桿菌和傷寒桿菌區(qū)別開，產(chǎn)氣由產(chǎn)生的氣泡觀察到，產(chǎn)酸可由指示劑的顏色變化觀察到。鑒別不同微生物的培養(yǎng)基：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

檢查乳品和飲用水中是否含有腸道致病菌，所用的伊紅美蘭培養(yǎng)基，是一種鑒別培養(yǎng)基。將大腸桿菌接種在伊紅－美蘭培養(yǎng)基上，當(dāng)大腸桿菌發(fā)酵乳糖時(shí)，能使伊紅－美蘭結(jié)合成黑色化合物，所以在這種培養(yǎng)基上長(zhǎng)出來的大腸桿菌，呈紫黑色并帶有金屬光澤的小菌落，而產(chǎn)氣桿菌在這種培養(yǎng)基上長(zhǎng)出的是較大的棕色菌落。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型32

對(duì)于生產(chǎn)中使用的菌種保藏培養(yǎng)基，要求比較豐富的氮源，以防止菌種退化變質(zhì)。保藏菌種培養(yǎng)基：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型265.1.4營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的方式5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型單純擴(kuò)散（simplediffusion）促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)基團(tuán)移位(grouptranslocation)自由擴(kuò)散5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型1.單純擴(kuò)散單純擴(kuò)散(simplediffusion)特點(diǎn)：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型①物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的動(dòng)力是細(xì)胞內(nèi)外的濃度差。②這種運(yùn)輸方式不消耗能量③沒有特異性，被運(yùn)輸物質(zhì)不與膜上物質(zhì)發(fā)生任何反應(yīng)，物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)變化。2.促進(jìn)擴(kuò)散(facilitateddiffusion)膜載體（載體蛋白）特點(diǎn)有很強(qiáng)的特異性在運(yùn)輸過程中，本身不發(fā)生變化。能加快物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俣取?/p>

5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

膜載體在膜外與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)親合力強(qiáng)，與這種物質(zhì)結(jié)合，進(jìn)入細(xì)胞后親合力降低釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。像渡船一樣，膜外裝貨，膜內(nèi)卸貨，這種擴(kuò)散方式比單純擴(kuò)散速度快。膜內(nèi)外親合力的改變與載體分子構(gòu)型改變有關(guān)。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型促進(jìn)擴(kuò)散過程：

③有膜載體參加，膜載體（滲透酶）有特異性。運(yùn)輸葡萄糖的載體只運(yùn)輸葡萄糖。這種運(yùn)輸方式多發(fā)生在真核微生物，原核生物少見。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型促進(jìn)擴(kuò)散特點(diǎn)：①物質(zhì)運(yùn)輸動(dòng)力是細(xì)胞外的濃度差。②運(yùn)輸過程不消耗能量。

ATP

ADP+Pi

恢復(fù)原構(gòu)像再循環(huán)耗能構(gòu)像改變膜上膜外膜內(nèi)移位結(jié)合3.主動(dòng)運(yùn)輸(activetransport)5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型主動(dòng)運(yùn)輸特點(diǎn)：5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型①被運(yùn)送的物質(zhì)可逆濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。②要消耗能量，必需有能量參加。③有膜載體參加，膜載體發(fā)生構(gòu)型變化④被運(yùn)送物質(zhì)不發(fā)生任何變化。4.基團(tuán)移位(grouptranslocation)基團(tuán)轉(zhuǎn)位：是在研究糖的運(yùn)輸時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種主動(dòng)運(yùn)輸方式。運(yùn)輸過程中需要能量，被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的運(yùn)輸叫基團(tuán)移位。許多糖就是靠基團(tuán)移位進(jìn)行運(yùn)輸?shù)?。這種運(yùn)輸方式是微生物通過磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)來運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型膜外內(nèi)EⅡc糖糖-P

FⅢFⅢ-PP-HPrHPrPEP丙酮酸EⅠ基團(tuán)移位磷酸轉(zhuǎn)移E系統(tǒng)（PTS）酶Ⅰ（非特異性）酶Ⅱ:酶Ⅱc,酶Ⅱa,酶Ⅱb熱穩(wěn)定蛋白HPr（特異性）5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型PEP＋HPrMg+2,酶Ⅰ磷酸—HPr+丙酮酸(在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行)磷酸—HPr＋糖Mg+2,酶Ⅱ

糖—磷酸脂＋HPr（在細(xì)胞膜上進(jìn)行）F

Ⅲ＋3磷酸－HPrFⅢ－3磷酸＋3HPrFⅢ－3磷酸＋3乳糖Mg++酶Ⅱ3乳糖－3磷酸＋FⅢ5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型

被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，被磷酸化需要能量。5.1微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)類型基團(tuán)轉(zhuǎn)移運(yùn)輸特點(diǎn)：需要磷酸酶系統(tǒng)進(jìn)行催化5.2微生物的代謝內(nèi)容提要代謝概論微生物產(chǎn)能代謝耗能代謝微生物的代謝調(diào)節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)5.2微生物的代謝5.2.1代謝概論代謝(metabolism)是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱。分解代謝(catabolism)合成代謝(anabolism)5.2微生物的代謝分解代謝（catabolism）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)過程中產(chǎn)生能量。蛋白質(zhì)多糖脂類氨基酸單糖甘油，脂肪酸丙酮酸/乙酰輔酶ACO2，H20，能量（三羧酸循環(huán)）一般可將分解代謝分為三個(gè)階段：5.2微生物的代謝合成代謝（anabolism）合成代謝指細(xì)胞利用小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程，并在這個(gè)過程中消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。5.2微生物的代謝在代謝過程中，微生物通過分解作用（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，還與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)。5.2微生物的代謝5.2.2微生物產(chǎn)能代謝—生物氧化1.異養(yǎng)微生物的生物氧化2.自養(yǎng)微生物的生物氧化3.生物氧化過程中的能量轉(zhuǎn)化5.2微生物的代謝1.異養(yǎng)微生物的生物氧化(1)發(fā)酵(2)呼吸作用①什么是發(fā)酵②發(fā)酵過程中底物脫氫的途徑③發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活

發(fā)酵是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物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。①發(fā)酵（fermentation）②底物脫氫的四種途徑EMP途徑HMP途徑ED途徑PK途徑

i.EMP途徑（Embden-Meyerhofpathway）(糖酵解途徑)葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6-二磷酸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磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:預(yù)備性反應(yīng)bb:氧化還原反應(yīng)

EMP途徑意義：為細(xì)胞生命活動(dòng)提供ATP和NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化5-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖3-磷酸-甘油醛2i.HMP途徑（磷酸戊糖途徑，單磷酸己糖途徑）

從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開始降解的故稱為單磷酸已糖途徑。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。3i.ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸裂解途徑）ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時(shí)發(fā)現(xiàn)的。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨(dú)存在ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟(jì)。C6H12O6+ADP+Pi+NADP++NAD+

2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H++NADH+H+ED途徑總反應(yīng)式：途徑-----磷酸解酮酶途徑PK4i.HK磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據(jù)解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途徑。5i.丙酮酸代謝的多樣性③發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活工業(yè)概念在工業(yè)生產(chǎn)中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。

微生物能以好多種有機(jī)物作為發(fā)酵基質(zhì)，但它以大都能轉(zhuǎn)化成葡萄糖或葡萄糖的中間代謝產(chǎn)物而被微生物利用。根據(jù)代謝產(chǎn)物和代謝途徑不同，有各種不同的發(fā)酵類型，以下幾種發(fā)酵是最重要且研究得最清楚的發(fā)酵類型：i.乙醇發(fā)酵2i.乳酸發(fā)酵3i.混合酸發(fā)酵4i.丙酮丁醇發(fā)酵C6H12O62C2H5OH＋2CO2＋2ATP參與微生物：酵母菌由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵（酵母菌乙醇發(fā)酵）丙酮酸脫羧酶2丙酮酸2乙醛2乙醇EMPGi.乙醇發(fā)酵酵母菌乙醇發(fā)酵過程中氫由供體給受體的方式3-p-甘油醛-H21，3-2P甘油酸脫氫酶2NAD2NADH2乙醇乙醛(受氫體)發(fā)酵基質(zhì)氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果仍結(jié)果有機(jī)物酶體系不完全，只有脫氫E，沒有氧化酶。產(chǎn)生能量少，酵母乙醇發(fā)酵凈產(chǎn)2ATP，細(xì)菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解過程中脫下H使之還原成乙醇的過程。乙醇發(fā)酵特點(diǎn)：酵母菌乙醇發(fā)酵應(yīng)嚴(yán)格控制三個(gè)條件：

厭氧

不含NaHSO3PH小于7.6通過ED途徑進(jìn)行的乙醇發(fā)酵參與微生物：運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌發(fā)酵途徑：ED途徑

反應(yīng)式：2C2H5OH+2CO2+ATPC6H12O6（細(xì)菌的乙醇發(fā)酵）2i.乳酸發(fā)酵：

兩種類型：：同型乳酸發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵指乳酸菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸還原成乳酸的過程。細(xì)菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。我們熟悉的牛奶變酸，生產(chǎn)酸奶，漬酸菜，泡菜，青貯飼料都是乳酸發(fā)酵進(jìn)行乳酸發(fā)酵的都是細(xì)菌：如短乳桿菌，乳鏈球菌等同型乳酸發(fā)酵：在糖的發(fā)酵中，產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵，青貯飼料中的乳鏈球菌發(fā)酵即為此類型。過

程：PEPC3H6O3G關(guān)鍵酶：乳酸脫氫酶2乳酸2丙酮酸+2ATP乳酸發(fā)酵過程中H由供體給受體的方式3-P-甘油醛-H21,3-2P甘油酸2NAD2NADH2異型乳酸發(fā)酵（通過HMP途徑）乳酸發(fā)酵細(xì)菌不破壞植物細(xì)胞，只利用植物分泌物生長(zhǎng)繁殖。發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇與CO2。青貯飼料中短乳桿菌發(fā)酵即為異型乳酸發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵結(jié)果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。北方漬酸菜，南方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵。漬酸菜應(yīng)做好以下幾點(diǎn)

必須控制不被雜菌感染要?jiǎng)?chuàng)造適合乳酸發(fā)酸的厭氧環(huán)境條件要加些鹽，3—5%NaCl濃度為好缸要刷凈，并不要帶進(jìn)油污PH值3—4為宜3i.混合酸發(fā)酵某些細(xì)菌通過發(fā)酵將G變成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物。由于代謝產(chǎn)物中含多種有機(jī)酸，因此將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。大多數(shù)腸桿菌如大腸桿菌等均能進(jìn)行混合酸發(fā)酵。V.P反應(yīng)：反應(yīng)過程中產(chǎn)生紅色化合物甲基紅反應(yīng)：產(chǎn)酸使指示劑變色混合酸發(fā)酵——用于細(xì)菌分類鑒定E.aerogenesE.coliV.P反應(yīng)甲基紅反應(yīng)++--3-羥基丁酮二乙酰紅色化合物G4i.丙酮丁醇發(fā)酵丙酮丁醇梭菌(Clostridiumacetobutylicum)在EMP途徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行丙酮--丁醇發(fā)酵發(fā)酵小結(jié)：c.基質(zhì)是被氧化的基質(zhì)，同時(shí)又是電子受體。a.糖酵解作用是各種發(fā)酵的基礎(chǔ)，而發(fā)酵則是糖酵解過程的發(fā)展b.發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機(jī)物，說明基質(zhì)的氧化過程不徹底(2)呼吸作用根據(jù)反應(yīng)中氫受體不同分為兩種類型：

微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。有氧呼吸無氧呼吸呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：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。能通過呼吸作用分解的有機(jī)物包括某些碳?xì)浠衔?、脂肪酸和許多醇類。在呼吸作用中，以分子氧為最終受體的生物氧化稱為有氧呼吸(aerobicrespiration)。

C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O①有氧呼吸（aerobicrespiration）發(fā)酵面食的制作就是利用了微生物的有氧呼吸除糖酵解過程外，還包括三羧循還和電子傳遞鏈兩部分反應(yīng)電子傳遞基質(zhì)-H2基質(zhì)脫氫酶遞氫體遞氫體-H2還原態(tài)細(xì)胞色素-H2細(xì)胞色素bca1a3氧化態(tài)細(xì)胞色素1/2O2H2O2H+氧化酶NADFADQ電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說（1961，P.Mitchell）

1978Nobel獎(jiǎng)ADP+Pi膜內(nèi)膜膜外2H+F0F1ATPATP+H2OcH+H+ADPcaH+H+H2O膜外膜內(nèi)bH+H+ADP+PiATPATP氧化磷酸化1997Nobel獎(jiǎng)構(gòu)象變化偶聯(lián)假說（1997，P.Boyer）電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機(jī)制基質(zhì)氧化徹底生成CO2和H2O，（少數(shù)氧化不徹底，生成小分子量的有機(jī)物，如醋酸發(fā)酵）。E系完全，分脫氫E和氧化E兩種E系。產(chǎn)能量多，一分子G凈產(chǎn)38個(gè)ATP有氧呼吸特點(diǎn)：②無氧呼吸（anaerobicrespiration）在呼吸作用中，以氧化型化合物作為最終電子受體的生物氧化過程稱為無氧呼吸(anaerobicrespiration)。硝酸鹽呼吸碳酸鹽呼吸硫酸鹽呼吸NO2-NO3-硝酸鹽還原細(xì)菌一系列酶NON2亞硝酸還原細(xì)菌基質(zhì)-H2

基質(zhì)輔酶輔酶-H2脫氫酶一系列酶2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3硝酸鹽呼吸（反硝化作用）

有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有機(jī)物為氧化基質(zhì)（H2或有機(jī)物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個(gè)H，使硫酸鹽還原為H2S。

硫酸鹽呼吸（反硫化作用）SO42－＋8H4H2O＋S2－

甲烷細(xì)菌能在氫等物質(zhì)的氧化過程中，把CO2還原成甲烷，這就是碳酸鹽呼吸又稱甲烷生成作用。

CO2+4H2CH4+2H2O+ATP碳酸鹽呼吸（甲烷生成作用）2.自養(yǎng)微生物的生物氧化氨的氧化硫的氧化氫的氧化鐵的氧化5.2微生物的能量代謝5.2.1細(xì)胞中的氧化還原反應(yīng)與能量產(chǎn)生AH22H++2e+A(氧化)B+2H++2eBH2(還原)AH2+BA+BH2(氧化還原)2H++2e-H2E0/=-421mV1/2O2+2H++2e-H2OE0/=+816mV5.2微生物的能量代謝5.2.2高能化合物和ATP的合成

1.細(xì)胞中的高能化合物2.細(xì)胞合成ATP的途徑⑴底物水平磷酸化

這種磷酸化的特點(diǎn)即在底物氧化過程中生成含高能磷酸鍵的化合物，通過相應(yīng)酶的作用將此高能磷酸根轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP。

X~P+ADPX+ATP

⑵氧化磷酸化

通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP的過程稱為電子傳遞水平磷酸化或氧化磷酸化。

這種磷酸化的特點(diǎn)是當(dāng)由物質(zhì)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子和電子向最終電子受體轉(zhuǎn)移時(shí)需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個(gè)傳遞體都是一個(gè)氧化還原系統(tǒng)。這一系列的氫和電子傳遞體在不同生物中大同小異，構(gòu)成一條鏈，稱其為呼吸鏈。流動(dòng)的電子通過呼吸鏈時(shí)逐步釋放出能量，該能量可使ADP生成ATP。⑶光合磷酸化

光合磷酸化是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程。在這種轉(zhuǎn)化過程中光合色素起著重要作用。微生物中藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌以及嗜鹽細(xì)菌的光合色素的光合磷酸化特點(diǎn)均有所不同。5.2.3微生物細(xì)胞中能量的釋放和利用

1.發(fā)酵作用2.有氧呼吸3.無氧呼吸

4.ATP的作用5.3微生物的分解代謝

復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)，通過一系列分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生能量(ATP)和小分子物質(zhì)的過程稱為分解代謝。5.3.1己糖的分解

糖酵解途徑和三羧酸循環(huán)

葡萄糖在有氧條件下的分解過程主要經(jīng)過4個(gè)階段：①糖酵解②生成乙酰輔酶A③三羧酸循環(huán)④進(jìn)入呼吸鏈產(chǎn)能。1.糖酵解的EM途徑

是指在不需要氧的條件下一分子葡萄糖經(jīng)轉(zhuǎn)化成1，6-二磷酸果糖后，在醛縮酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的過程。(見圖)2.乙酰輔酶A的生成

丙酮酸脫氫酶系CH3COCOOH+CoASH+NAD+

(丙酮酸)(輔酶A)

CH3CO~ScoA+H++CO2

(乙酰輔酶A)

(丙酮酸脫氫酶、二氫硫辛酸轉(zhuǎn)乙?；?、二氫硫辛酸脫氫酶)3.三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))

此循環(huán)是從乙酰輔酶A與草酰乙酸綜合形成檸檬酸開始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后進(jìn)一步徹底氧化的過程。(見圖)4.進(jìn)入呼吸鏈產(chǎn)能

在此步驟中，三羧酸循環(huán)中生成的NADH和FADH2進(jìn)入呼吸鏈，將H+和電子交給O2生成水并生成能量。

經(jīng)過以上四個(gè)階段后，在理想條件下，1分子葡萄糖被徹底氧化為H2O和CO2，可共計(jì)產(chǎn)生38個(gè)ATP。(EM途徑產(chǎn)生8個(gè)、生成乙酰輔酶A時(shí)產(chǎn)生6個(gè)、TCA循環(huán)共產(chǎn)生24個(gè)ATP)。5.3.2丙酮酸代謝的多樣性5.4微生物的合成代謝

微生物的合成代謝(也稱同化作用)是指從簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜的大分子物質(zhì)(如蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類等化合物)的過程。

合成作用必需具備三要素：小分子前體物質(zhì)、能量和還原力。而這三要素主要從分解代謝(異化作用)中獲得。5.4.1無機(jī)養(yǎng)料的同化1.二氧化碳的同化

CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為補(bǔ)嘗的碳源。將空氣中的CO2同化成為細(xì)胞有機(jī)物的過程稱為CO2的同化。(CO2的固定)自養(yǎng)微生物對(duì)CO2的固定：總反應(yīng)如下

ATP6CO2+12NADPHC6H12O6+12NADP+

酶異養(yǎng)微生物對(duì)CO2的固定2.硝酸鹽的同化還原

NO3-+NADPH+H+

NO2-+H2O+NADP+

NO2-NH2OHNH3

NADPH+H+NADP+NADPH+H+NADP+

3.分子態(tài)氮的同化生物固氮：微生物將分子態(tài)氮(N2)還原為氨(NH3)的過程。

N2+8e+8H++nATPNH3+H2+Nadp+nPi

⑴固氮酶：是氮?dú)膺€原的生物催化劑。其分子量很大，一般都含有2種蛋白組分：鉬鐵蛋白和鐵蛋白。前者由4個(gè)亞單位組成，分子量200-240KDa，含2個(gè)Mo原子，30±2Fe原子，還含有大致相等的不穩(wěn)定的S原子；后者由2個(gè)亞單位組成，分子量57-72KDa,4個(gè)Fe原子和4個(gè)不穩(wěn)定的S原子。

作用的條件：①兩組分結(jié)合后才起固氮作用；②能量問題以及電子供體和載體；③氧的影響；④氨的阻抑效應(yīng)問題。⑵氮分子的還原過程

氮分子的還原需要?dú)浜碗娮?，其來源因不同固氮微生物而異。如厭氧的巴氏梭菌靠丙酮酸裂解；光合?xì)菌通過光合磷酸化獲得電子；好氧的固氮菌則是通過TCA循環(huán)等來獲得；在共生的根瘤類菌體中，有大量貯藏物質(zhì)---聚β-羥基丁酸，它能為固氮作用提供電子。(圖)4.硫酸鹽的同化還原ATP+SO4腺苷磷酸硫酸酐+PPiATP+腺苷磷酸硫酸酐磷酸腺苷磷酸硫酸+ADP