第4章 微生物的生理(续)

30
20
10
2 e–
0
O2
H2O

产生能量
H+ H+ H+ H+ Cyt c
Q
V ATP 合成 酶 2 H+ + 1/2O2 FAD ADP + Pi ATP H+ 2 H2O

FADH2 NADH NAD+
NADH
1
3ATP
FADH2
2ATP
氧化磷酸化
糖酵解反应式：
C6H12O6 + 2NAD + 2Pi + 2ADP → 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
甲基红反应：产气肠杆菌产生的丁二醇是 中性，而大肠杆菌的产物中有多种有机酸 ，发酵液pH很低，甲基红实验结果为大肠 杆菌阳性，产气肠杆菌为阴性。
2、好氧呼吸

好氧呼吸是一种最普遍和最重要的生物 氧化方式，其特点是在有氧条件下，底 物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链 递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和 释放能量。
[H] 2NADH
丙酮酸 2ADP
（1）氧化基质：葡 萄糖
2ATP
（2）最终的受氢体 ：丙酮酸
2-磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
C6H12O6+2ADP+2Pi
2CH3CHOHCOOH+2ATP
异型乳酸发酵
PK途径
PK途径
发酵产物除了乳酸， 还有乙醇或乙酸
不同的发酵类型及其有关微生物
发酵类型
乙醇发酵 乳酸同型发酵 乳酸异型发酵 混合酸发酵 丁二醇发酵 丁酸发酵 丙酮-丁酸发酵 丙酸发酵

1、微生物产能的方式和种类

电能（电子移动产生）

化学能（氧化有机物和无机物的化学反应中释放 的能量） 机械能（鞭毛运动、细胞质流动等运动产生的）
光能（发光细菌产生的）

这些能量有的被用于合成反应和生命的其他活动， 有的以热量的形式散发，有的被贮存在ATP （三 磷酸腺苷）中。
2、生物能量的转移中心－ATP
产物
乙醇、CO2 乳酸 乳酸、乙酸、乙醇、CO2 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2、H2 丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2、 H2 丁酸、乙酸、CO2、H2 丁醇、丙醇、乙醇 丙酸
微生物
酵母菌属（Saccharomyces) 乳酸细菌属（Lactobacillus) 明串球菌属（Leuconostoc) 大肠埃希氏菌（Escherichia coli) 肠道杆菌（Aerobacter) 丁酸梭菌（Clostridium) 丙醇丁醇梭菌属（Clostridium) 丙酸杆菌属 （Propionibacterium)

呼吸链
NADH
50 2 e– NAD+
（1）NADH（烟 酰胺腺嘌呤二核苷 酸 ）氧化呼吸链
FADH2
2 e– FAD FAD Fe•S Q Cyt b Fe•S Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 IV
40
FMN Fe•S
（2）FADH2（黄 素腺嘌伶二核苷 酸 ）氧化呼吸链




1) 电子供体在特异性酶的作用下被氧化脱下电子，电子沿电 子传递链按电势由低到高传递，最后交给电子受体; 2) 在电子传递过程中,偶联H+由细菌胞质向胞外运输,形成跨 膜的H+浓度电势梯度,把化学能转化为电势能; 3) H+顺着浓度电势梯度,通过菌体膜上的F0 F1ATP酶分子上 的特殊通道流回细菌胞质,这个过程释放出的自由能偶联ATP 的合成。
混合酸发酵——用于细菌分类鉴定
V.P反应：反应过程中产生红色 化合物 葡萄糖→ 3-羟基丁酮→二乙酰 红色化合物 丁二醇发酵中的中间产物3-羟基 丁酮是V.P实验的基础。3-羟基 丁酮在碱性条件下被空气中的氧 气氧化成二乙酰，它能与精氨酸 的胍基反应生成红色物质。产气 肠杆菌产生大量3-羟基丁酮，结 果为阳性，大肠杆菌很少或不产 生3-羟基丁酮，结果为阴性。
问题：为什么是产生 38molATP?
能量利用率： 1mol葡萄糖分子完全氧化产生的总能量大约为2876 KJ。释放出来但没被利用的能量以热的形式散发掉。
发酵能量利用率：2ATP/238.3＝2×31.4/238.3＝26％ 好氧呼吸能量利用率：38ATP/2876＝38×31.4/2876＝42％
CH2CHO
NADH2
CH2CHO
H2 O
NAD
CH2COOH
CH2CH2OH
乳酸细菌：利用葡萄糖产生乳
酸的细菌。
葡萄糖
2ATP 2ADP 1,6-二磷酸果糖
乳酸发酵的类型
同型乳酸发酵
发酵产物只有 一种：乳酸
2NAD
乳酸
发酵特点
3-磷酸甘油醛
[O]
1,3-二磷酸甘油酸 2ADP 2ATP 3-磷酸甘油酸


（1）氧化磷酸化
微生物在好氧呼吸和无氧呼吸时，通过电子传递 体系产生ATP的过程。 递氢（电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联产 生ATP。
ATP生成的反应式

ADP+H3PO4 AMP+2H3PO4
ATP
ATP


（2）底物水平磷酸化
厌氧微生物和兼性厌氧微生物在底物氧化 过程中，产生一种含高自由能的中间体， 这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷 酸化而生成ATP。
电子传递体系的功能：
接受电子
合成ATP，把电子传递过程释放的能量贮存
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。 在好氧呼吸中，由EMP和TCA产生的［H］（ NADH+H+和FADH2 ），通过电子传递体系（呼吸链 ），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中， 产生ATP（称为氧化磷酸化）。
ADP+H3PO4 AMP+2H3PO4
ATP ATP
二、各种营养类型微生物的产能代谢
（一）化能异氧型微生物的产能代谢
（二）化能自氧型微生物的产能代谢 （三）光能自氧型微生物的产能代谢 （四）光能异氧型微生物的产能代谢
（一）化能异养型微生物的产能代谢

根据最终电子受体（受氢体）可将微生物呼 吸分为：发酵、好氧呼吸、无氧呼吸三种。
三羧酸循环（TCA）
（Krebs 循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）

丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoA与草酰乙 酸结合生成柠檬酸进入循环。

在循环过程中，乙酰CoA被氧化成 H2O 和CO2，并释放出大量能量。
呼吸链－电子传递链： 电子从电子亲和力低
（氧化能力弱）的电子传递体传向电子亲和力强 （氧化能力强）的传递体。 电子传递体系在细胞中的部位 原核微生物－－细胞质膜 真核微生物－－线粒体
– 乳酸发酵 – 混合酸发酵 – 丙酮丁醇发酵
自丙酮酸开始的各种发酵
葡萄糖
2ATP
2ADP 1,6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛
酵母菌的一型发酵
2NAD+
乙醇
发酵特点 （1）氧化基质：葡萄糖
[O]
1,3-二磷酸甘油酸 2ADP 2ATP 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸
[H] 2NADH
丙酮酸 脱羧酶 乙醛 丙酮酸 2ADP 2ATP
有机物 最 初 能 源
化能异养菌 化能自养菌 光能营养菌
还原态无机物 日光
ATP
通 用 能 源
ATP含有高能磷酸键（31.4KJ），但仅是能量的暂时贮存 物质，若要长期储存能量，ATP将转化成储能物，如聚β －羟基丁酸，淀粉等。
ATP的化学组成和功能
7.3千卡/摩尔
ATP(腺苷三磷酸)
3、ATP的生成方式
三羧酸循环反应式：
CH3COCOOH + 4NAD+ + Pi + GDP + FAD + 3H2O
→ 3CO2 + 4NADH + 4H+ + FADH2 + GTP GTP→ATP
好氧呼吸总反应式：
C6H12O6 + 6O2 ＋ 38Pi + 38ADP → 6CO2 + 6H2O + 38ATP
无氧呼吸的典型类型

（1）硝酸盐呼吸－－NO3-作为最终电子受体 NO3-被还原成NO2-、N2O和N2，供氢体可以是葡 萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和NH3 该过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或硝酸盐还 原作用。 能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物－－反 硝化细菌。 生物处理中，可除去含氮化合物中的氮。
（2）最终的受氢体：乙醛
磷酸烯醇式丙酮酸
巴斯德效应
C6H12O6+2ADP+2Pi
2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
酵母菌的二型发酵
3%的亚硫酸氢钠（pH7） CO2
丙酮酸 乙醛 （磺化羟基乙醛） NADH 磷酸二羟丙酮 NAD+ 磷酸甘油
NADH
NAD+
乙醇
甘油
酵母菌的三型发酵
在碱性条件下，两分子乙醛之间发生岐化反应 ，即相互进行 氧化还原反应，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙醛被 还原为乙醇。
二、氧化还原反应，丙酮酸进一步发酵可产生乙 醇和CO2
葡萄糖的酵解
葡萄糖被分解为丙酮酸的过程称为糖酵解，
主要分为四种途径：EMP、HMP、ED、磷 酸解酮酶途径 。
糖 酵 解
生 成 乙 醇
糖酵解反应式：
C6H12O6 + 2NAD + 2Pi + 2ADP→2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
丙酮酸还原为乙醇反应式：
CH3COCOOH + NADH + H+ → CH3CH2OH + CO2
乙醇发酵总反应式：
C6H12O6 + 2Pi + 2ADP →2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP 238.3KJ
能量利用率：
根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不 同的发酵类型。
– 乙醇发酵




C6H12O6 + 4NO3- == 2N2 + 6CO2 + 6H2O + 1756KJ 5CH3COOH + 10 NO3- == 10CO2 + 6H2O + 4N2 + OH-

CH3OH + NO3- == 0.5N2 + 2H2O +CO2 6H2 + 4NO3- == N2 + 6H2O 2NH3 + 4NO3- == 1.5N2 + 3H2O 反硝化菌：地衣芽孢菌属、铜绿假单胞菌、脱氮球 菌、脱氮硫杆菌等，都是一些兼性厌氧微生物。
底物水平磷酸化作用与氧化磷酸化作用的区别：
底物水平磷酸化作用是指ATP的形成直接与一个中间代谢 物上的磷酸基团转移相偶联。 氧化磷酸化作用是指ATP的生成基于电子传递相偶联 的磷酸作用。
（3）光合磷酸化

光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电 子，通过电子传递体系产生ATP的过程。
ATP生成的反应式
3、无氧呼吸

定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机 氧化物，如NO3-、SO42-、CO32- 等（少数为有 机氧化物）的生物氧化。
氧化底物：一般为有机物，如葡萄糖、乙酸等， 被氧化为CO2，生成ATP。


主要微生物类群：反硝化细菌、反硫化细菌、 甲烷细菌、某些兼性厌氧菌。 根据呼吸链末端氢受体的不同，可有多种呼吸 类型。
AH2 + B → A + BH2
供氢体 受氢体
Leabharlann Baidu
AH2→A + 2H+ + 2e- 失去电子伴随脱氢
B + 2H+ + 2e-→BH2 得到电子伴随加氢或脱氧
1、发酵
定义：无外源电子受体的条件下，底物脱氢后所产生 的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交给某一内 源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能 的一类生物氧化反应。
第三节 微生物的产能代谢
新 陈 代 谢
同化作用 （合成代谢） 需要能量
细胞物质合成（营养被转变为机体组分）
产生能量 异化作用 （分解代谢） 营养物质分解
一、微生物的生物氧化和产能

微生物生物氧化的本质是氧化与还原的 统一过程，是细胞内一系列产能代谢的 总称。 此过程有能量的产生和转移；有还原力 [H]的产生以及小分子中间代谢产物的 产生。

有少量能量释放，多数能量仍保留在产物中。
发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、 氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。
乙醇发酵途径
两大步骤，三小步骤 一、糖酵解：（1）预备反应，不发生氧化还原反 应，消耗ATP，产物是3－磷酸甘油醛。（2）氧 化还原反应，产生ATP，产物为丙酮酸
仍然以葡萄糖为例子，讲解好氧呼吸过程
葡萄糖的好氧呼吸分为两个阶段：
1、糖酵解阶段，形成丙酮酸，即EMP途径酵
解阶段
2、丙酮酸有氧分解阶段，即三羧酸循环 （TCA循环）阶段

丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三 羧酸循环的中间环节。
丙酮酸脱氢酶系 O + CH3CCOOH + HS-C oA + NAD CH3C SCoA＋ CO2 ＋ NADH 丙酮酸 辅酶A 乙酰辅酶A O


（2）硫酸盐呼吸
异养型硫酸盐还原菌(严格厌氧菌)在无氧条件下 获取能量的方式； 特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末 端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷 酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸最终 还原产物是H2S。 生物处理中，该呼吸产生的H2S可以和某些重金 属离子结合形成硫化物沉淀，而除去水中重金 属污染。