第四章 微生物的代谢3

同型发酵：通过EMP途径仅产生乳酸的发酵 异型发酵：通过HMP(PK)途径产生乳酸、乙醇、 乙酸等有机化合物的发酵 双歧发酵：双歧杆菌发酵葡萄糖产生乳酸
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常见的发酵种类： 由EMP途径中的丙酮酸出发的发酵:
乙醇发酵（一型发酵）、同型乳酸发酵、丙酸
发酵、 2,3-丁二醇发酵、 混合酸发酵、丁酸型
化能异养菌
光能营养菌 通用能源（ATP）
无机物
化能自养菌
能量代谢是新陈代谢的核心问题
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（一）化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧 化反应；
生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢和失 去电子3种；
生物氧化的过程有脱氢（或电子）、递氢（或电 子）、和受氢（或电子）3个阶段。
发酵
通过HMP途径的发酵:
异型乳酸发酵
通过ED途径进行的发酵：
细菌的酒精发酵（异型酒精发酵）
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同型乳酸发酵
2乳酸
2NAD+ 2NADH
2丙酮酸
4ATP 4ADP
2ATP 2ADP
3-磷酸 甘油醛
2( 1,3-二-磷酸甘油酸）
葡萄糖 磷酸二羟丙酮 Lactococcus lactis 乳链球菌
Lactobacillus plantarum 植物乳杆菌
一、电子传递过程
电子传递过程包括电子从还原型辅酶上通过 一系列 按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传 递链传递到氧的过程。 需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径， 所形成的还原型辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径 被重新氧化。还原型辅酶上的氢原子以质子形式脱下， 其电子沿着一系列的电子载体转移，最后转移到分子氧。 质子和离子型氧结合成水。在电子传递过程中释放出的大 量自由能则使ADP磷酸化成ATP。
1乳酸 异型 HMP 1乙醇 (WD) 1CO2 1乳酸 异型 HMP 1乙酸 (WD) 1CO2
2ATP
Lactobacillus brevis
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酒精（乙醇）发酵
酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵
~脱羧酶 丙酮酸 乙醛
~脱氢酶 乙醇
细菌(Zymomonas mobilis)的乙醇发酵
这条途径是在研究嗜糖假单胞菌的代谢时发现的，所以简称为ED途径。
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4.磷酸解酮酶途径
明串珠菌进行异型乳 酸发酵过程中分解己 糖（HK）和戊糖(PK) 的途径
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Байду номын сангаас
酵母菌发酵葡萄糖产生乙醇


一型发酵：终产物为乙醇 二型发酵：生成甘油 三型发酵：终产物为甘油、乙醇、乙酸
乳酸菌发酵葡萄糖产生乳酸
2H
2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸
2H 2ATP
3-磷酸甘油醛
丙酮酸
丙酮酸 2CO2 乙醇 2乙醇 乙醛
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混合酸发酵
概念：埃希氏 菌、沙门氏菌、 志贺氏菌属的一 些菌通过EMP途 径将葡萄糖转变 成琥珀酸、乳酸、 甲酸、乙醇、乙 酸、H2和CO2等 多种代谢产物， 由于代谢产物中 含有多种有机酸， 故将其称为混合 酸发酵。
酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的 能力。

甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄 糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者
则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液
中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。
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鉴别肠道细菌的V.P试验
鉴别原理
缩合 脱羧
2丙酮酸
乙酰乳酸
乙酰甲基甲醇
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5、铜原子：
位于线粒体内膜的细胞色素氧化酶上，形成 类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传 递电子。 6、细胞色素：
分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白 结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸 链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1， 其中a、a3含有铜原子。
第 四 章
微生物的代谢
新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指发生在 活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成 代谢(anabolism)的总和、 分解代谢酶系 复杂分子 简单分子 + ATP + [H] （有机物） 合成代谢酶系
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第一节 微生物的产能代谢
产能代谢是指物质在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 有机物 最初能源 日 光
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葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别
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根据脱氢后，递氢过程，尤其是受氢体的不同，生物氧化 可分为下列三种类型：
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1、呼吸（respiration）
又称好氧呼吸，其特点是底物常规方式脱氢后，
脱下的氢经完整的呼吸链又称电子传递链传递，最终
被外源分子氧接受，产生了水并释放出ATP形式的能
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3、辅酶Q：
是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电 子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）
和介于两者之者的自由基半醌（QH）。
4、铁硫蛋白：
在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合， 通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有FeS、2Fe-2S 和4Fe-4S三种类型
PEP羧化酶
葡萄糖
琥泊酸
草酰乙酸
磷酸烯醇式丙酮酸
乳酸脱氢酶 +2H
乳酸
乙醛脱氢酶
丙酮酸
丙酮酸甲酸裂解酶
乙醛
乙酰 CoA
磷酸转乙酰酶
甲酸
甲酸-氢裂解酶 pH﹤6.2
乙醇
乙酰磷酸
乙酸激酶
CO2
H2
乙酸
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鉴别肠道细菌的试验

产酸产气试验： Escherichia与Shigella在 利用葡
萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产
碱性条件
二乙酰
（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物
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产气杆菌：
V.P.试验阳性 甲基红试验阴性 V.P.试验阴性 甲基红试验阳性
大肠杆菌：
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（二）递氢和受氢
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（三）电子传递与氧化呼吸链
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物的一类生产方式。
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一、发酵（将葡萄糖降解为丙酮酸）
糖酵解(四种途径) 1、EMP途径
2、HMP途径
3、ED途径
4、磷酸解酮酶
生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解
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1、EMP途径
第一阶段只是生成两分子的 主要中间代谢产物：3-磷酸甘 油醛与磷酸二羟丙酮。此阶段 的反应并不涉及电子转移； 第二阶段发生氧化还原反应， 释放能量合成ATP，同时形成 两分子的丙酮酸。
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3、ED途径
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ED 途径的特点是：
① 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸（ KDPG ）裂解为丙酮酸和 3- 磷酸 甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。 ② 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶是 ED 途径特有的酶。 ③ ED 途径中最终产物，即 2 分子丙酮酸，其来历不同。 1 分子是由 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另 1 分子是由磷酸甘油 醛经 EMP 途径获得。这 2 个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一 与第四位碳原子。 ④ 1mol 葡萄糖经 ED 途径只产生 1 mol ATP ，从产能效率看， ED 途 径不如 EMP 途径。
通过ED途径产生乙醇，总反应如下：
葡萄糖+ADP+Pi 2乙醇+2CO2+ATP
细菌(Leuconostoc mesenteroides)的乙醇发酵
通过WD途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下： 葡萄糖+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP
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②细菌的乙醇发酵
菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED
葡萄糖 +ATP
化。
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（1）硝酸盐呼吸
以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为异 化性硝酸盐还原作用（Dissimilative）。
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（2）硫酸盐呼吸
是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧 条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，经呼 吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢的 过程中与氧化磷酸化相偶联而获得ATP。
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产能（ATP） 生物氧化的功能： 产还原力[H] 产小分子中间代谢物 呼吸 生物氧化的类型： 无氧呼吸 发酵
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发酵（fermentation）
定义： 是指无氧条件下，底物脱氢后所产生的还原力 不经过呼吸链传递而直接交给一内源氧化性中间代 谢产物的一类低效产能反应。在发酵工业上，发酵 是指任何利用厌氧或好氧微生物来生产有用代谢产
（3）硫呼吸
以无机硫作为呼吸链的最终氢受体产生H2S的生
物氧化作用.
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（4）铁呼吸
呼吸链的末端受体是Fe3+。
（5）碳酸盐呼吸
吸链的末端氢受体是CO2 或重碳酸盐。
（6）延胡索酸呼吸
呼吸链的末端氢受体是延胡索酸，琥珀酸是 还原产物。
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（二）、自养微生物生物氧化
一些微生物可以氧化无机物获得能量， 同化合成细胞物质，称为化能自养微生 物。
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三、HMP途径—异型乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后除了主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和 CO2等多种产物的发酵。 利用葡萄糖：乳酸、乙醇、CO2、H2O 经典途径
利用核糖：乳酸、乙酸、 H2O
利用果糖：乳酸、乙酸、 甘露醇、 CO2
双歧杆菌途径
利用葡萄糖：乙酸、乳酸
菌株有：肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌、两歧双 歧杆菌等。
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电子传递
部位：电子传递链在真核细胞发生在线粒体内膜上， 在原核细胞发生在质膜上。 成员 ：呼吸链电子载体主要有：NAD+、黄素蛋白、 辅酶Q 、铁硫蛋白、铜原子、细胞色素等。
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1、NAD+ 即烟酰胺嘌呤二核苷酸，是体内很多脱氢 酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链。 2、黄素蛋白： 含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或 FAD可接受2个电子2个质子。呼吸链上具 有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为 辅基的琥珀酸脱氢酶。
逆HMP途径
2木酮糖-5-磷酸
磷酸己糖解酮酶戊
乙酸激酶
2甘油醛 -3-磷酸
2乙酰磷酸
2乳酸
2乙酸
乙酸 20
同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较
类型 途径 同型 EMP 产物 2乳酸 产能/葡萄糖 2ATP 1ATP 菌种代表 Lactobacillus debruckii Leuconostoc mesenteroides
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化能自养微生物 还原CO2所需要的ATP和[H]是通过氧化无机物而 获得的。
NH4+、NO2-、H2S、S0、H2、Fe2+等
呼吸链的氧化磷酸化反应 硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自 养类型
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能量转化
一、底物水平磷酸化
指在分解代谢过程中，底物因脱氢、脱水等作 用而使能量在分子内部重新分布，形成高能磷酸 化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成 ATP的过程。
量。是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式.
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TCA循环
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2、无氧呼吸（anaerobic respiration）
又称厌氧呼吸，一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧 化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下
进行的产能效率较低的特殊呼吸。
是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧
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乙醇
ATP ADP NAD+ NADH
乙醛
乙酰CoA
NAD+ NADH
乙酰磷酸
葡萄糖
6-磷酸 葡萄糖
6-磷酸葡 5-磷酸 萄糖酸 -CO2 木酮糖 3-磷酸 -2H 甘油醛
2ADP 2ATP
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乳酸
双歧发酵：
2葡萄糖
同EMP
磷酸己糖解酮途径
2葡萄糖-6-磷酸
磷酸己糖解酮酶
6-磷酸果糖
6-磷酸-果糖 4-磷酸-赤藓糖 乙酰磷酸
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MH2
NAD
(-0.32v)
FMN
C 0Q
b
(0.0v)
C1
C
a
a3
O2
(+0.82v)
H2O
(+0.26)
(+0.28)
呼吸链中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值 最大，所以，电子的传递方向是从NADH Ｏ２。 电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程又称为 氧化呼吸链。
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EMP途径提供 ATP和NADH
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2、HMP（戊糖磷酸途径 ）
大多数好氧和兼性厌氧菌都存在HM途径， 且往往与EMP途径同时存在。
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HMP途径的重要意义

为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。 产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力， 另方面可通过呼吸链产生大量的能量。 与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊 糖供需关系。 途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、 及多糖合成。 途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源 谱更为更为广泛。 通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、 辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。 HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中 间产物的需要量相关