微生物的合成代谢
第五章 微生物的代谢
为混合酸发酵。
EMP
葡萄糖
乳酸、乙酸、甲酸 丙酮酸 乙醇 、CO2 、H2 琥珀酸
五 丙酮-丁醇发酵
——严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产 品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3：6：1）
——丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricum
2丙酮酸 2乙酰-CoA
缩合
乙酰-乙酰 CoA
• 为细胞生命活动提供ATP 和 NADH • 是连接其它几个重要代谢途径的桥梁 • 为生物合成提供多种中间代谢物
2. HM途径（磷酸戊糖支路， 单磷酸己糖途径)
ATP 12NADPH+H+ 36ATP 35ATP
6C6
6C5
经过系列反应后合成己糖 6CO2
5C6
C6为己糖或己糖磷酸;C5为核酮糖-5-磷酸;打方框的为终产物; NADPH+H+必须先由转氢酶将其上的氢转到NAD+上并变成 NADPH+H+后,才能进入呼吸链产ATP;
NADH + H+ NAD+
•异型乳酸发酵途径：肠膜明串珠菌，短乳杆菌
PK/ HK
葡萄糖
乳酸 + 乙醇 + CO2 + 1ATP
•双岐发酵途径：双岐杆菌
PK/ HK 葡萄糖 乳酸 + 乙酸 + CO2 + 2.5ATP
三 丙酸发酵（丙酸细菌，厌氧菌）
葡萄糖
EMP
丙酮酸
丙酸
乳酸
四 混合酸发酵
由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称
生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境
胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡
微生物的合成代谢
微生物合成代谢产生的某些物质具有抗菌、抗病毒和抗虫的 活性，可用于生物防治。
微生物合成代谢的种类与过程
初级代谢产物
指微生物生长所必需的物质，如氨基酸、核苷酸等，其合成过程与微生物生长紧密相关。
次级代谢产物
指非微生物生长所必需的物质，如抗生素、色素等，其合成过程不受微生物生长的影响。
微生物合成代谢过程
微生物复合肥
将微生物与化学肥料混合制成的肥料，可以 同时提供营养和改善土壤环境。
生物能源
生物柴油
利用微生物将油脂转化为生物柴油，可替代 化石燃料。例如，脂肪酸甲酯就是由微生物 将油脂转化而成的生物柴油。
生物氢气
利用光合微生物在光照条件下将二氧化碳和 水转化为氢气，可用于燃料电池等。
05
微生物合成代谢的未来展望
遗传学机制。
细胞膜通透性的调节
总结词
细胞膜通透性的调节是微生物合成代谢 调控的重要环节之一，通过改变细胞膜 的通透性来影响物质进出细胞的运输和 代谢。
VS
详细描述
细胞膜通透性的调节主要涉及到磷脂组成 和膜蛋白的活性。微生物可以通过改变磷 脂的组成和膜蛋白的活性来调节物质进出 细胞的运输。此外，一些小分子代谢物也 可以通过扩散作用进出细胞，因此细胞膜 通透性的调节对于维持微生物的正常生理 功能具有重要意义。
04
微生物合成代谢的应用
生物制药
抗生素
微生物可以产生抗生素，用于治 疗细菌感染。例如，青霉素就是 由霉菌产生的抗生素，可以抑制
细菌的生长。
激素
微生物可以生产激素，用于调节 生物体的生理活动。例如，胰岛 素就是由微生物生产的激素，用
于治疗糖尿病。
疫苗
微生物可以用于生产疫苗，预防 疾病的发生。例如，流感疫苗就 是通过培养流感病毒制成的，可 以刺激人体免疫系统产生抗体，
环境微生物学4-微生物的生理3代谢与合成
4
发光细菌监测毒性实验
2017/12/28
发光细菌监测毒性实验
学生正在做发光细菌实验
发光细菌发光检测仪读取六组数据
第四节 微生物的合成代谢
一、产甲烷菌的合成代谢
产甲烷菌利用1C和2C有机物产生CH4，利用其中间代谢产物 和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以 构成自身的细胞。
如：产甲烷菌同化CO2（逆三羧酸循环途径,见下图）。
系列步骤的总称。 好氧呼吸总反应式： C6H12O6 ＋ 6O2 ＋ 38ADP ＋ 38Pi → 6CO2 ＋ 6H2O ＋ 38ATP
1.三羧酸循环
淀 粉 、 蛋 白 质 和 脂 肪 水 解 与 三 羧 酸 循 环 和 乙 醛 酸 循 环 的 关 系
2.电子传递体系（呼吸链）
好氧呼吸以O2为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O， 并产生ATP。底物氧化释放的电子首先转移给NAD+，使之成为 NADH + H+，然后再转移给电子传递体系（呼吸链），最终到达 分子氧O2。 呼 吸 链 ： 有 氧 呼 吸 中 传 递 电 子 的 一 系 列 偶 联 反 应 ， 由 NAD 或 NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素等组成。其功能是传递电 子和产生ATP。
1. ATP的化学组成、功能
ATP(腺苷三磷酸)的分子结构式
细胞的能量循环
2.生成ATP的方式
（）基质(底物)水平磷酸化：微生物在基质氧化过程中，产 生一种含高自由能的中间体，如常1，3-二磷酸甘油酸。这一 中间体将能量→ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。此过程中底 物的氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP，称为底物水平磷酸 化。
光合作用（photosynthesis）是地球上进行得最大的有机合 成反应。将太阳能转化为化学能的过程经常用“CO2固定” 这一术语来表示。
不同营养类型微生物是如何进行合成代谢的
不同营养类型微生物是如何进行合成代谢的一、产甲烷菌的合成代谢产甲烷菌利用C1和C2有机物产生CO2、CH4，利用其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪、核酸等。
二、化能自养型微生物的合成代谢亚硝化细菌（氨氧化细菌）的合成代谢亚硝化细菌将NH4+氧化成NO2-：NH4+ + 1.5O2NO2- + 2H+ +H2O +271KJ硝化细菌的合成代谢硝化细菌将NO2-氧化为NO3-：NO2-+ 1/2O2NO3- + H+ + 77.4KJ硫氧化细菌硫细菌可以通过对无机硫、硫化氢及硫代硫酸盐的氧化而得到能量。
硫化氢先氧化为硫，硫再氧化为亚硫酸，再氧化为硫酸。
硫代硫酸盐先分解为硫和亚硫酸然后分别被氧化：H2S + 2O2SO42- + 2H + 794.5KJ铁氧化细菌铁细菌可以把Fe2+氧化为Fe3+，大部分是专性化能自养：Fe2+ + 1/4O2 + H+→Fe3+ + 1/2H2O + 44.4 KJ氢氧化细菌氢氧化细菌将H2氧化成水，并从中获得能量，用于同化二氧化碳：H2O + 1/2O2→H2O + 237.2 KJ三、光合作用（一）藻类的光合作用和呼吸作用蓝细菌和真核藻类在光照条件下，利用光合色素进行光合作用，从水的光解中获得H2，还原二氧化碳成[CH2O]n，与植物的光合作用相同。
在光合作用中，类胡萝卜素与叶绿素紧密结合，但不直接参与光合反应，起到捕捉光能并传递给叶绿素及保护叶绿素的功能。
（二）细菌的光合作用细菌的光合作用(1)绿硫细菌属的细菌：专性厌氧、专性光能自养菌，细胞内不积累硫粒。
CO2 + 2H2S 菌绿素[CH2O] + 2S +H2O(2)红硫细菌：细胞呈红色或具有多量红色与黄色类胡萝卜素，专性厌氧、专性无机营养菌，氧化H2S并在体内积累硫粒。
2CO2 + H2S + 2H2O 菌紫质2[CH2O] + H2SO4(3)氢单胞菌：CO2 + 2H2 细菌叶绿素-菌紫质[CH2O] + H2O（三）盐细菌的光合磷酸化（四）卡尔文循环分为三个阶段：CO2的固定、被固定的CO2的还原、CO2受体的再生（1）羧化反应：CO2的固定（特有的反应）：CO2 + 1，5-二磷酸核酮糖（3RuBP）→2×3-磷酸甘油酸（PGA）（2）还原反应：3-磷酸甘油酸+ 12NADPH + H+ →3-磷酸甘油醛+ NADP+ + 12Pi （3）CO2受体的再生：5－磷酸核酮糖转变为1，5-二磷酸核酮糖（3RuBP）。
微生物学-第六章-微生物的代谢课件
G
6-磷酸-果糖
特征性酶 磷酸己糖酮解酶
4-磷酸-赤藓糖 + 乙酰磷酸
6-磷酸-果糖
5-磷酸-木酮糖 ，5-磷酸-核糖
戊糖酮解酶
乙酸
3--磷酸甘油醛+ 乙酰磷酸
乳酸
乙酸
1 G 乳酸 + 1.5乙酸 + 2.5 ATP
三、发酵（fermentantion）
1、定义
广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。 狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢
氧化氮还原酶
反硝化意义：
1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；
2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。
硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）
——厌氧时，SO42- 、SO32-、S2O32- 等为末端电 子受体的呼吸过程。
特点：
a、严格厌氧； b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型； d、最终产物为H2S；
用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。
硝酸盐作用
同化性硝酸盐作用：
NO3- NH3 - N R - NH2 异化性硝酸盐作用：
无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体
NO3- NO2 NO N2O N2
硝酸盐还原酶
亚硝酸还原酶
氧化亚氮还原酶
a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等； 末端氧化酶：
cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变 存在分支呼吸链：
细菌的电子传递链更短并P／O比更低，在电子传递链的几个位置进入链和 通过几个位置的末端氧化酶而离开链。 E.coli （缺氧） CoQ cyt.b556 cyt.o
微生物代谢产物的合成功能
微生物代谢产物的合成功能微生物代谢产物指的是微生物在生物过程中产生的物质。
这些物质具有不同的结构和功能，包括生物胺、生物碱、植物素和抗生素等。
微生物代谢产物具有广泛的应用领域，例如医药、食品、化妆品和能源等。
本文将重点介绍微生物代谢产物的合成和功能。
一、微生物代谢产物合成微生物代谢产物的合成受到许多因素的影响，包括外部环境、基因表达、代谢途径和营养物质等。
微生物代谢产物的合成需要特定的生物合成途径和相关酶。
目前，生物合成途径已经有很多研究成果，这些研究成果为微生物代谢产物合成提供了理论依据。
1、生物胺的合成生物胺是一类含有氨基甲酸基团的含氮欧赛代化合物。
它们是由赖氨酸、酪氨酸和组氨酸等氨基酸参与的代谢途径合成的。
这些氨基酸会先被转化成相应的酮酸，随后通过酸酐酶、胺基转移酶和脱羧酶等酶的作用，不断地合成生物胺。
2、生物碱的合成生物碱是一种含有氮杂环的极性化合物，它们的合成需要多个代谢途径和相关酶的参与。
首先，由芳香氨基酸和糖分解产生的二氢吡啶核苷酸与丙酮酸酯经过几个酶的作用，形成色胺素。
接着，色胺素通过羟化、剪切和环合等一系列反应，转化成生物碱。
3、植物素的合成植物素是一类含有特定骨架和活性基团的化合物，它们可以参与植物生长、发育和应激反应等生理过程。
植物素的合成主要经过三种途径：色胺途径、异戊二烯途径和油菜素途径。
其中，色胺途径合成的植物素种类最多，包括谷胱甘肽、色氨酸和赖氨酸等。
4、抗生素的合成抗生素是一类能够逆转细菌生长的药物。
它们的合成需要多种代谢途径和酶的参与。
目前，已经有很多抗生素的生物合成途径被鉴定出来，例如链霉素、青霉素和头孢菌素等。
二、微生物代谢产物的合成功能微生物代谢产物具有广泛的应用领域，包括医药、食品、化妆品和能源等。
下面将介绍一些重要的微生物代谢产物和它们的应用。
1、生物胺的应用生物胺可以用作调味剂和抗氧化剂。
大豆酱油是一种含有生物胺的食品，它可以增加食品的香味和口感。
此外，生物胺还可以保护细胞内核酸和蛋白质不被氧化。
第六章 微生物的代谢
+
3NAD+ + FAD+
+
3H2O
+
CoA
+ ATP +
FADH2 + 3NADH2
经过EMP和TCA循环，1分子葡萄糖被彻底氧化成水 和CO2，并可产生高达38分子的ATP。其总反应式如下：
C6H12O6
+
6O2
+
38ADP
+
38Pi
6CO2
+
6H2O
+
38ATP
在微生物的物质代谢中，TCA循环在分解代谢和合成 代谢中都占有枢纽地位，具有重要的生物学意义： （1）可产生多种有机酸，这些有机酸是合成细胞物质的
的营养物合成细胞自身大分子物质的过程。在同化作用过
程中产生能量(ATP)和还原力。
（2）分解代谢（Catabolism，异化作用）：指将细胞自 身的物质分解的过程。异化作用是耗能的过程。 微生物的代谢活动包括能量代谢和物质代谢。
第一节 能量代谢
微生物与其它生物一样，在生命活动过程中需要消 耗大量的能量，这些能量有的来自于物质代谢过程中产生 的化学能，有的来源于微生物细胞吸收的光能。无论何种 二、能量代谢的方式
4、三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA）
又称为柠檬酸环。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶的催化
下氧化脱羧并与辅酶A结合，形成乙酰辅酶A，同时产生1 进入TCA循环。TCA循环总反应式如下：
CH3COOCoA + ADP + Pi 2CO2
分子NADH2。然后，乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸，
C6H12O6+ADP+H3PO4 2CH3CH2OH+2CO2+ATP
4、微生物的合成代谢
（一）淀粉和糖原的合成
1.淀粉合成：引物是一个至少有四个葡萄糖 残基的寡聚糖，单糖的活化形式，在植物中 为UDP-葡萄糖，在细菌中是ADP-葡萄糖， 糖-磷酸键水解释放的能量用于淀粉合成：
在淀粉合成中，引物可以由麦芽糖在转葡萄 糖苷酶的作用下产生。
在某些菌中，合成的途径有所不同。
支链淀粉是在直链的基础上形成的。
第四章 微生物的合成代谢
微生物利用能量代谢所产生的能量、中间产物 以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物 质的过程称合成代谢。
自养型微生物以CO2为碳源，以无机物为电子供体； 异养型微生物则以有机物为碳源和电子供体。
生物合成三要素
能量 还原力 NADP+NADH 小分子前体物
在利用蔗糖合成葡聚糖或果聚糖时，只要通过转糖 基作用就能延长多糖的链，此过程中利用的能量只是 蔗糖分子中糖苷键的能量的转化，不需要消耗ATP。
（三）纤维素的合成
纤维素是真菌和植物的细胞壁的组分。
有些细菌如胶醋杆菌(A.xylinum)的细胞外粘 液层中也含有纤维素，这说明胶醋杆菌也能 合成纤维素。胶醋杆菌合成纤维素的方式与 合成淀粉的方式相似，只不过引物是小分子 纤维素，单糖的活化形式是UDP-葡萄糖。
透明质酸的合成也需要小分子引物，供体 则为UDP-N-乙酰葡萄糖胺和UDP-葡萄糖醛 酸，两者交替向引物上转移糖苷，从而合 成大分子的透明质酸。
葡萄糖醛酸由葡萄糖氧化而成，氧化前葡 萄糖必须变成UDP-葡萄糖的形式。
（二）肽聚糖的合成
1.双糖肽单位合成（细胞质中）:N-乙酰葡萄 糖胺(NAG)、N-乙酰胞壁酸(NAMA)的生成和 N-乙酰胞壁酸短肽的合成，以及由NAG、 NAMA和短肽构成的双糖短肽单位的生成等。
第三章微生物代谢
合成。
四、调节的方式
(1)、 直链式或不分支代谢途径的调节
末段产物浓度变化,对该生物合成途径中的关键
酶进行反馈调节。 (2)、分支生物合成途径的调节 a. 同工酶反馈调节
同工酶的反馈抑制 • 同功酶是指能催化同一生化反应，但它们的结构稍有不同，可分
别被相应的末端产物抑制的一类酶。
• 特点是：途径中第一个反应被两个不同的酶所催化，一个酶被H
前体的种类：
• • • • • • • • •
糖和糖苷 氨基酸：色氨酸、络氨酸等 C1化合物：甲基 脂肪酸 嘌呤、嘧啶 短链脂肪酸：乙酸、丙酸、丁酸等 异戊二烯单位：甲羟戊酸等 环己醇：肌醇 脒基：精氨酸
前体的作用：
• 起抗生素建筑材料的作用 • 例如：丙酮酸可诱导氨基酸的合成，是肽
类抗生素、头孢、青霉素等合成的重要物 质。 • 诱导抗生素生物合成的作用 • 例如：过量的赖氨酸可增加头霉素的发酵 单位，丙醇和丙酸可促进红霉素的生产。
(4) 氮代谢物的调节
• 许多次级代谢产物的生物合成同样受到氮分解产物的
影响。黄豆饼粉等利用较慢的氮源，可以防止和减弱 氮代谢物的阻遏作用，有利于次级代谢产物的合成； 而以无机氮或简单的有机氮等容易利用的氮作为氮源 （铵盐、硝酸盐、某些氨基酸）时，能促进菌体的生 长，却不利于次级代谢产物的合成。
• 例如，易利用的铵盐有利于灰色链霉菌迅速生长，但
二、调节的机制：
酶活性调节和酶合成调节
1、微生物代谢调节的部位
（1）、通道 能克服细胞膜屏障的某些输送系统，受ATP的影 响和透性酶的调节。
（2）、通量
原核生物控制代谢物通量的方法--调节现
有酶量（关键酶的合成或降解速率）和改变酶
分子活性。
05、微生物代谢
不经 呼吸链
发酵
有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的递氢与受氢
在递氢、受氢中，根据氢受体性质的不同，异养微生物的 生物氧化可分为有氧呼吸、无氧呼吸和发酵三类。
有氧呼吸、无氧呼吸、发酵的特点比较
生物氧化 递氢方式 的类型 末端氢受体 对O2的 要求 有氧 无氧 无氧 产能 效率 高 较低
有氧呼吸 完整呼吸链 外源性分子氧 递 氢
氧化磷酸化产能
有氧呼吸
无氧呼吸 有 机 物 氧 化 (化能异养型微生物) 底物磷酸化产能：发酵 无 机 物 氧 化：氧化磷酸化产能 (化能自养型微生物) 有氧呼吸 无氧呼吸
3、还原力[ H ]的来源
化能异养型微生物：有机物氧化脱氢产生
化能自养型微生物：无机物氧化后通过消耗ATP的 逆呼吸链电子传递产生
部分呼吸链 外源性无机氧 无氧呼吸 递 氢 化物(或有机物) 发酵
不经呼吸链, 内源性中间 直接受氢 代谢有机物
很低
只有 底物磷酸化
1、有氧呼吸（aerobic respiration）
有氧呼吸：底物脱氢后，经完整呼吸链传递，最终 被作为末端氢受体的外源性分子氧接受 产生水并释放能量的生物氧化过程。
（1）硝酸盐呼吸（反硝化作用）
硝酸盐呼吸：以NO3-作为末端氢受体的无氧呼吸。
末端氢受体： NO3末端氢受体的还原产物：（N02[H] 呼吸链 ATP N03N02-
N0
N20
N20
） N2
N0
N2 + H2O
进行硝酸盐呼吸的细菌：反硝化细菌（硝酸盐还原菌） 反硝化细菌属于兼氧菌，有氧时进行有氧呼吸， 无氧时进行硝酸盐呼吸，如：地衣芽孢杆菌。 硝酸盐还原 同化性硝酸盐还原：以N03- 作为氮源。不属于硝酸盐呼吸。
6第六章 微生物的代谢
发酵的类型
1.由EMP途径中丙酮酸出发的发酵
丙酮酸EMP途径的关键产物，由丙酮酸出发，在 不同微生物中可进入不同的发酵途径，如：同型酒 精发酵、同型乳酸发酵、丙酸发酵、混合酸发酵、 丁酸发酵等。
2.通过HMP途径的发酵——异型乳酸发酵 （heterolactic fermentation）凡葡萄糖发酵后产生乳 酸、乙醇（乙酸）和CO2等多种产物的发酵即异型 乳酸发酵；相对的如只产生2分子乳酸的发酵则称 同型乳酸发酵（homolactic fermentation）
第六章 微生物的代谢
Microbial metabolism
概述
新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞 中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢 （anabolism）的总和。
分解代谢又称异化作用，指复杂的有机分子在分解代谢 酶系的催化下产生简单分子、能量和还原力的作用。
TCA循环在微生物生命活动中的意义：
（1）彻底氧化，为微生物生长提供大量的能 量。 （2） 位于一切分解代谢与合成代谢的中枢地 位，为有机物的合成提供大量的原料。 （3）工业生产中可利用这一途径生产柠檬酸、 苹果酸、琥珀酸、谷氨酸等工业原料。
6.1.1.2 递氢和受氢
在生物体中，贮存在葡萄糖等有机物中 的化学能，经上述的多种途径脱氢后， 经过呼吸链等方式递氢，最终与受氢体 （氧、无机物或有机物）结合，以释放 其化学潜能。
1.EMP途径（Embdem-Meyerhof-Parnas pathway）或糖酵解途径（Glycolysis Pathway ）
是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。
1分子葡萄糖，经10步反应，产生2分子丙酮 酸 苷、酸）2分和子2N分A子DAHT2（P。还原型烟酰胺腺嘌呤二核
食品微生物学-第四章 微生物的代谢
第四节 微生物独特的合成代谢
1 自养微生物的CO2固定： CO2是自养微生物的唯一碳源，异养微生物将CO2作 为辅助碳源，将空气中的CO2同化成细胞物质的过程，称为CO2的固定作用。
自养微生物+ CO2
细胞物质（糖）同化有卡尔文循环、
还原性三羧酸循环、还原性的单羧酸循环三个途径。
异养微生物+ CO2
双歧杆菌： C6H12O6 3CH3COOH + 2.5ATP
2CH3CHOHCOOH +
乳糖发酵：
乳糖 葡萄糖
C6H12 O6 + 半乳糖
异构化成
第二节 自养微生物的生物氧化
一些微生物可以从氧化无机物获得能量，同化合成细胞物质，这类 细菌称为化能自养微生物，它们在无机能源氧化过程中通过氧化 磷酸化产生ATP。能进行光能营养的微生物真菌中有藻类及原核 生物中蓝细菌。
3 柠檬酸发酵：关于柠檬酸的发酵，目前大多数的学者认为柠檬酸并非只有 TCA循环产生，还可由葡萄糖经EMP途径生存丙酮酸，丙酮酸羧化反应形成草 酰乙酸，与乙酰辅酶A形成柠檬酸。
葡萄糖
磷酸稀醇式丙酮酸
草酰乙酸
CO2
柠檬酸
丙酮酸
乙酰辅酶A
4 乳酸发酵：乳酸是乳酸菌发酵的最终产物。乳酸菌的种类有许多，发酵的方 式有正型乳酸发酵和异型乳酸发酵两种。
（3）发酵作用（fermentation）：广义的发酵最早是指 从不断冒泡并产生有用发酵产物的一些自然现象开始的；目 前发酵泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢 产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵是指在无氧 等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]经 呼吸链传递而直接交中间代谢物，以实现底物水平磷酸化产 能的一类生物氧化反应。
微生物合成代谢的基本条件
微生物合成代谢的基本条件包括：
氮源：微生物合成代谢需要足够的氮源，例如蛋白质、氨基酸等，以支持微生物细胞的生长和代谢活动。
碳源：微生物合成代谢需要碳源，例如葡萄糖、淀粉等，以供给微生物细胞进行能量产生和合成有机物。
磷源：微生物合成代谢需要磷源，以供给微生物细胞进行核酸和磷脂等生物分子的合成。
氧气：微生物合成代谢需要氧气，以支持微生物细胞进行有氧呼吸和代谢活动。
但某些微生物也可以在无氧条件下进行代谢活动。
适宜的温度和pH值：不同微生物有不同的温度和pH值适宜范围，微生物合成代谢需要在适宜的温度和pH值下进行。
无毒和无害的环境：微生物合成代谢需要在无毒和无害的环境中进行，以避免微生物细胞受到不良影响。
综上所述，微生物合成代谢的基本条件包括氮源、碳源、磷源、氧气、适宜的温度和pH值以及无毒和无害的环境。
这些条件为微生物细胞提供了必要的物质和环境支持，从而实现有机物的合成和细胞生长。
微生物第四章
第四章微生物的代谢代谢（metabolism）：也称新陈代谢，指生物体内进行的全部化学反应的总和。
（一）分解代谢：细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在此过程中产生能量的过程。
不同营养类型的微生物进行分解代谢所利用的物质不同，异氧微生物利用的是有机物，自养微生物利用的是无机物。
（二）合成代谢：细胞利用简单的小分子物质合成复杂的大分子物质，并在此过程中贮藏能量的过程。
（三）物质代谢：物质在体内进行转化的过程。
（四）能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化的过程。
（五）初级代谢：能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。
产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。
（六）次级代谢：某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢。
产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。
合成代谢和分解代谢的关系1.分解代谢为合成代谢提供能量和原料，保证正常合成代谢的进行，合成代谢又为分解代谢创造更好的条件。
2.合成代谢和分解代谢都是由一系列连续的酶促反应构成的，前一步反映的产物是后续反应的底物。
微生物代谢的特点1.代谢旺盛（代谢强度高、转化能力强）2.代谢类型多样化（导致营养类型的多样化）3.某些微生物在代谢过程中除产生其生命活动必须的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物，次级代谢产物与人类生产与生活密切相关，是微生物学的重要研究领域。
4.微生物的代谢作用使得微生物在自然界的物质循环中起着极其重要的作用。
第一节微生物的能量代谢第二节微生物的物质代谢第三节微生物代谢的调节第四节微生物次级代谢与次级代谢产物第一节微生物的能量代谢微生物能量代谢是指微生物把环境提供的能源或本身储存的能源转变为微生物生命活动所需能源的过程。
微生物的产能代谢是指生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，又称生物氧化。
微生物合成和代谢的模型和技术
微生物合成和代谢的模型和技术微生物对于生物科技的发展起着至关重要的作用。
微生物的合成和代谢模型以及相关技术，不仅可以提高物质的生产效率，还可以为新药物研发提供途径，同样对环境治理有着很大的意义。
一、微生物合成模型微生物合成物质的能力是生物合成领域的重要研究方向之一。
微生物利用特定酶催化反应模型，在代谢途径中产生不同种类的生物活性分子，这些分子有潜在的医学和工业应用价值。
例如，聚羟基烷酸（PHA）是一种由许多细菌和一些真菌合成的可生物降解的聚合物。
它以其良好的可加工性、生物相容性和可生物降解性而在医学、食品和包装等方面得到广泛应用。
可持续生产生物可降解的PHA，可以大大减缓环境危害，对保护生境具有重要意义。
二、微生物代谢模型不同的微生物可以通过代谢酶的作用合成各种有机物。
有机物的生产通过调节微生物代谢途径的通路和酶活性进行实现。
另一个例子，植物生长素（IAA）是一种重要的植物激素，既具有调节植物生长发育的功能，也对植物对生态环境的适应和应对起重要作用。
大肠杆菌等细菌可以通过代谢途径合成IAA，这些菌株对经济作物植物的生长发育有积极作用，另一方面也对植物的生态环境有着积极作用。
三、微生物代谢工程与基因工程相比，代谢工程包括精密的调控微生物代谢网络途径的流量，调节酶活性和代谢产物通量等。
这种方法可用于提高某些微生物的生产效率，并可以促进一些特定化合物的生产。
例如，酪氨酸是一种天然产物，对生物体具有非常重要的功能，例如调节肌肉生长和免疫调节。
通过代谢工程技术，人工调节大肠杆菌的代谢网络通路，制造出高产酪氨酸的菌株，对于医药和食品工业都有非常大的重要意义。
四、微生物合成与代谢技术微生物合成与代谢技术是将微生物对有价值物质的代谢功能进行精良建模，并利用高通量分析、基因编辑和合成生物学技术对微生物进行优化改造的一种方法。
通过这种方法，可以制作出高效、低成本的药物、燃料和化学品。
例如，最近的一项研究利用微生物合成氢氧化钠，该研究通过一系列的代谢工程和生物机器学习技术，预测出了一种新的微生物代谢通路，该通路能够产生氢氧化钠。
微生物合成代谢通路
微生物合成代谢通路
微生物合成代谢通路包括一系列生物化学反应过程，由多个基因编码催化，如糖酵解通路、三羧酸循环通路等。
这些通路可将环境中的无机物、有机物等转化为细胞内的有机小分子，并产生能量。
以糖酵解通路为例，其过程包括：
1.葡萄糖被磷酸化，生成葡糖-6-磷酸；
2.葡糖-6-磷酸被氧化为1，6-二磷酸果糖；
3.1，6-二磷酸果糖裂解为两分子磷酸丙糖；
4.磷酸丙糖在NAD+的参与下，通过三步反应生成丙酮酸；
5.丙酮酸在NADH的参与下，被还原为乙醇或乳酸，同时释放二氧化碳。
在这个过程中，两分子NAD+被还原为NADH，并参与了三羧酸循环等后续反应。
这些反应过程有助于微生物从环境中获取能量，并转化为细胞内的有机物储存起来。
微生物生物合成及代谢产物研究
微生物生物合成及代谢产物研究微生物是一种微小的生物体，但是它们却有着极为丰富的生物合成及代谢产物，这些产物在医药、食品、农业等领域都有着广泛的应用。
因此，微生物的生物合成及代谢产物的研究一直是微生物研究的热点之一。
一、微生物生物合成产物的研究现状微生物生物合成产物的研究可以追溯到20世纪50年代，当时的研究主要集中在抗生素和维生素等化合物方面。
随着科技的进步和研究的深入，人们发现微生物还能合成一些其他的化合物，如抗肿瘤化合物、免疫调节剂等。
从而为人们提供了更多的合成源和药物开发的可能性。
目前市场上的抗生素、维生素以及其他药物，很大一部分都是从微生物中提取出来的。
比如，来自链霉菌的青霉素和甲基四环素、来自放线菌的链霉素以及来自链霉菌的曲霉素等等。
这些微生物生物合成产物已经成为治疗多种疾病，如感染、肝炎、肺结核、癌症等疾病的主要药物之一。
二、微生物生物代谢产物的研究现状微生物生物代谢产物是指微生物细胞在生长和代谢过程中，产生的一系列次级代谢产物。
这些代谢产物具有广泛的生物活性和药用价值。
目前市场上许多已经成功商业化的药物，如白芷、当归、酸模等都是来自微生物代谢产物。
在微生物生物代谢产物的研究和开发方面，人们主要研究代谢产物的结构、分离、纯化和鉴定等方面，以便加速药物的开发与生产。
目前，已经有不少的微生物代谢产物商业化成功，如大蒜素、紫杉醇、环孢素等等。
三、微生物生物合成及代谢产物的应用微生物生物合成及代谢产物在医药、食品、农业等领域都有着广泛的应用。
其中，医药领域是应用最广泛的一个领域。
许多药物，如激素、抗生素、维生素、抗肿瘤药等，都是从微生物中提取出来的。
微生物除了能够合成这些药物以外，还能够合成一些免疫调节剂，如B倍半胱氨酸等，对提高机体免疫功能有着重要的作用。
除了在医药领域的应用之外，微生物生物合成及代谢产物还被广泛地应用于食品、农业等领域。
比如，纳豆中的纳豆菌、豆豉中的豆豉菌等微生物都有着重要的功效。
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微生物合成反应的类型 微生物合成反应类型
微生物合成代谢的原料 微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力 NAD(P)H2
来源：
小分子物质、 能量和还原力 NAD(P)H2
直接自外界环境中吸取 从分解代谢中获得。
细胞中的分解代谢是合成代 谢的基础，二者密切相关。
（1）还原力--主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即 NADPH2或NADH2，这两种物质在转氢酶作用下可以互换。
• 多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核苷糖为 起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的末端。促进 合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸键水解中得到。
微生物同化碳源总结（C1）
• 无机碳：CO2，碳酸盐 （如前）
• 甲烷营养菌(methanotrophs)能氧化甲烷取得碳 源和能量。好氧性的，但形态各异。根据细胞内部结构和碳素同
微生物同化碳源总结（C2）
• 利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸； • 利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途
径生成甘油醛-3-磷酸； • 利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸； • 可将氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前体。
微生物同化碳源总结（C3-7）
• EMP • HMP • ED • WD
形成这些前体物的小分子碳架主要有12种：乙酰CoA、磷酸二羟丙酮、3磷酸甘油醛、PEP、丙酮酸、4-磷酸赤藓糖、α-酮戍二酸、琥珀酸、草酰 乙酸、5-磷酸核糖、6-磷酸果糖及6-磷酸葡萄糖，它们可通过单糖酵解途 径及呼吸途径由单糖等物质产生
合成代谢内容
1、ATP的利用（能量） 2、CO2的固定 （前体） 3、糖类的合成 4、脂类的合成 5、生物固氮 6、氨基酸、核苷酸、核酸、蛋白 质的合成 7、其他生物活性物质的合成
• 还原的单羧酸环
（在克氏梭菌中；关
键酶，丙酮酸合成酶， 丙酮酸-甲酸裂解酶； 不需要ATP，只供给 还原型铁氧环蛋白）
异样型CO2固定主要是合成TCA环的中间产物，教材上讲了 有6中酶包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧 基激酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧基转磷酸化酶，丙酮酸羧化酶， 苹果酸梅，异柠檬酸脱氢酶。
M的合成代谢
微生物的合成主要指与细胞结构、生长和生命活动有关的生 物大分子物质的合成，这些物质包括蛋白质、核酸、多糖及 脂类等化合物。在微生物的合成代谢中有许多过程与其他生 物是基本相同的，如蛋白质、脂类和核酸等物质的合成，在 前面微生物学和生物化学中已作了专门介绍。
本节仅介绍微生物合成过程的原料、基本路线及微生物合成 特殊的反应。
3、1 葡萄糖的生物合成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 合成途径是通过EMP途径 逆行合成葡萄糖
• 葡萄糖的合成是单糖合成的 中心环节
• 其他前体物合成（进入）糖 的途径—
• 自养微生物合成葡萄糖的前 体来源：通过卡尔文循环可 产生甘油醛-3-磷酸，通过 还原的羧酸环可得到草酸乙 酸，乙酰辅酶A或甲酸。
• 异养微生物：
利用乙酸为碳源经乙醛酸循环 产生草酸乙酸； 利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳 源时通过甘油酸途径生成甘油醛
各自特点（有机物受体）
• 卡尔文循环 （该循环关键（特证）酶1，5—二磷酸
核酮糖羧化酶，1，7-二磷酸景天庚酮糖磷酸酯酶和5磷酸 核酮糖激酶；关键中间物1,5-二磷酸核酮糖(RuBP)；步骤，
固定、还原、再生）
卡尔文循环中的能量转移 3CO2+5H2O+9ATP+6NADPH→GAP+9ADP+6NADP
糖异生途径是由非碳化合物前体合 成新的葡萄糖分子的过程。
戊糖是己糖脱去一个碳原子而得到的。
脱氧核糖
多糖分为同多糖和杂多 糖两种类型。多糖的合 成是分解反应的逆转。 当葡萄糖-6-磷酸逆向进 入多糖合成途径时， UDP-葡萄糖发挥了重要 的作用。它是葡萄糖的 活化形式，它与核苷糖 起始物作用，把糖单位 逐个加在多糖链的末端。 下面就以糖原的合成为 例加以说明。
化途径可以将其分为两个主要类型。第一型吸收同化一碳化合物是经由 独特的核酮糖一磷酸循环途径，第二型是由“丝氨酸途径”吸收同化C1 中间物质。
• 甲基营养菌(methylotmphs)能够利用Cl化合物作 为唯一碳源的微生物。许多甲基营养菌也是甲烷营养菌。
二者的区别是，甲基营养菌需要的碳化物比CO2的还原性高，有 些种能够利用甲醇、甲胺进行生长，但不能利用甲烷，它们属于 化能有机营养微生物，如生丝微菌(Hyphomicrobium)、假单胞菌、 芽胞杆菌和弧菌等属中的一些种。甲烷营养菌则既能利用甲烷， 也能利用更为氧化的一碳化合物，如甲酸，但不能利用具有C--C 键的物质
1、ATP的利用
• 用于生物合成 （一个概念 YATP，两层含义） • 维持能量 • 物质转运 • 产热 • 运动 • ATP库 • 转换为其它三磷酸核苷
2、CO2的固定
自养型
CO2的固定 异样型
二磷酸核酮糖环（卡尔文环） 还原的三羧酸环 （乙酰CoA环） 还原的单羧酸环
主要是合成TCA环的中间产物
Solomon，et.al.，2002
• 还原的三羧酸环 （光合细菌；关键酶，丙酮酸合
成酶，a –酮戊二酸合成酶；循环一次固定4个CO2，合 成一分子草酰乙酸，消耗3ATP，2个NADPH和一个 FADH）
短还原羧酸环（无丙酮酸合成酶，只有a –酮戊二酸
合成酶，每循环固定2分子CO2，生成1分子乙酰CoA）
化能异养微生物 ： 通过发酵或呼吸过程形成
化能自养型细菌：
氢酶催化H2形成NAD(P)H2 （氢细菌等）
电子逆转，在消耗ATP的前提下，电子通 过在电子传递链上的逆转过程(由高电位向 低电位流动)产生NAD(P)H2
（2） 小分子前体碳架物质--这类物质指直接被机体用 来合成细胞物质基本组成成分的前体物(氨基酸、核苷酸 及单糖等)。
另外，在脂肪酸合成，核苷酸合成中也有固定 CO2的作用
3、糖类的生物合成
• 微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有从简单 化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的单糖、多糖 等。单糖很少以游离形式存在一般多糖或多聚糖及少 量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在
• 合成单糖的途径是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷 酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单糖合成的中 心环节