微生物的代谢

一、ATP的生成（复习）
光合磷酸化作用 光合色素为媒介 细菌视紫红质为媒介 氧化磷酸化作用 基质上脱下的电子([H])要通过电子传递
链进行传递，最终交给电子受体，并且 电子在传递过程中伴随ATP生成，这种 产生ATP的方式称为氧化磷酸化。分为 电子传递水平磷酸化和底物水平磷酸化
传统光合磷酸化作用
氨素营养与有机酸化合成氨基酸，形成多肽， 再形成蛋白质。
有氧呼吸作用
基质在氧化过程中放出的电子通过一系列电子载
体最终交给电子受体(o2)，并且电子在传递过
程中伴随ATP生成。这种产生ATP的方式也就是 氧化磷酸化。 微生物在有氧条件下培养，可以将葡萄糖完全氧 化成CO2和H20并产生38个ATP。在这种有氧呼吸 中除糖酵解作用外还有三羧酸循环与电子传递 链两部分化学反应。前者使葡萄糖完全氧化成 CO2，后者使脱下的电子交给分子氧生成水并伴 随有ATP生成。
Lactobacillus
aldolase
Heterolactic
Streptococcus
phosphoketolase 1
Entner-Doudoroff KDPG aldolase 2
Zymomonas
0
22
2
02
1
11
0
21
微生物单糖降解途径比较
Bacterium
Acetobacter aceti Agrobacterium tumefaciens Azotobacter vinelandii Bacillus subtilis Escherichia coli Lactobacillus acidophilus Leuconostoc mesenteroides Pseudomonas aeruginosa Vibrio cholerae Zymomonas mobilis
EMP HMP ED
-
+
-
-
-
+
-
-
+
major minor -
major minor -
+
-
-
-
+
-
minor -
minor major
-
major
-
+
2.丙酮酸的降解
①有氧代谢—三羧酸循环 ②无氧代谢—酒精发酵、乳酸发酵…
三羧酸循环
TCA、Krebs循环柠檬酸循环 产能 产代谢物 (生物代谢的中枢地位)
类型 乙醇发酵
微生物
酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) 解淀粉欧文氏菌(Erwinia amylovora) 运动发酵单胞菌 (Zymomonas mobilis)
甘油发酵
酿酒酵母
同形乳酸发酵 粪肠球菌 (Enterococcus faecalis)
异型乳酸发酵 混合酸发酵
Leabharlann Baidu
一、碳水化合物的分解
碳水化合物的微生物降解能力 1.单糖的降解
以葡萄糖为例，分析底物降解的三条途 径（EMP、HMP、ED） 2.丙酮酸的降解 ①有氧代谢—三羧酸循环 ②无氧代谢—酒精发酵、乳酸发酵
碳水化合物的微生物降解能力
多糖首先由胞外酶水解。最终都能生成单糖。 纤维素是植物细胞壁的重要成分，它可以被许
TCA
无氧代谢
丙酮酸的无氧代谢—— 生成乳酸、乙醇
其它物质的新陈代谢(复习)
二、蛋白质的代谢(腐败、腐化) 1.脱氨作用 2.脱羧作用
三、脂肪的代谢
脂肪的分解
脂肪的合成
蛋白质的代谢
分解代谢
蛋白质有氧条件下，分解为二氧化碳、氢和 氨
无氧条件下，不完全分解，形成氨基酸，有 机酸。
合成代谢
在细菌的乙醇发酵里，一个葡萄糖(通过ED途 径)最终转变成两个乙醇，放出两个CO2，同时 净产生一个ATP:(运动发酵单孢菌)
C6H12O6+ADP+H3PO4 2C2H50H+ATP+ 2C02+H20 异型乳酸(酒精)发酵：(肠膜明串珠菌)
(2)乳酸发酵
将葡萄糖(HMP途径)分解产生的丙酮酸还原成乳 酸的生物学过程。
意义
ED 途 径 图 示
微生物不同途径的产物
Pathway
Key enzyme Ethanol Lactate CO2 ATP
Embden-Meyerhof fructose1,6 diP 2
Saccharomyces aldolase
Embden-Meyerhof fructose1,6 diP 0
2H2O
HMP途径
也叫做戊糖磷酸途径、己糖一磷酸途径、 WD途径、磷酸葡萄糖酸途径 特点
大量还原力和多种重要中间代谢产物
意义
提供戊糖、赤藓糖以及C3-C7的各类糖 提供NADPH2
HMP 路 径
ED途径
亦称为2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸裂解途径、 KDPG途径 特点
少数菌株的EMP替代途径 葡萄糖快速代谢成为丙酮酸 产能效率低
植物与微生物光合作用的差异
plant hotosynthesis bacterial photosynthesis
organisms
type of chlorophyll
Photosystem I (cyclic photophosphorylation) Photosystem I (noncyclic photophosphorylation) Produces O2 Photosynthetic electron donor
Escherichia Methanococcus
3.发酵作用
发酵(区别于工业上的概念)是厌氧微生物 在生长过程中获得能量的一种主要方式， 发酵过程中氧化不彻底，发酵的结果仍 积累某些有机物。大部分能量仍然留在 发酵产物中。
(1)乙醇发酵（酒精发酵） (2)乳酸发酵 (3)氨基酸发酵
由葡萄糖开始的各种类型发酵
肠膜状明串珠菌
双歧双歧杆菌(B. bifidum)
大肠杆菌(Escherichia coli)
丁二醇发酵
产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)
丙酮-丁醇发酵 丙酮-丁醇梭菌(C. acetobutylicum)
丁酸发酵
丁酸梭菌(Clostridium butylicum)
丙酸发酵
异型乳酸发酵
发酵后产生多种产物，包括乳酸、乙醇、CO2等。 肠膜明串珠菌、短乳杆菌、发酵乳杆菌
同型乳酸发酵
一分子葡萄糖产生两分子乳酸的过程 德氏乳杆菌、粪链球菌
发 酵 图 例
发酵类型(终产物及其菌株)
途径
EMP 葡 萄 糖
HMP ED
丙酮酸
5-磷酸 木酮糖 丙酮酸
脱羧 草酰 乙酸
呼吸链主要组分:
NAD(P)-FP-Fe.S-CoQ-Cyt.b-Cyt.c-Cyt.a-Cyt.a3
真核生物
原核生物
位置
线粒体膜
细胞质膜
载体的取代性 比较稳定
强
载体类型
稳定
易变化
环境因素
影响小
大
分支呼吸链
无
普遍有
P/O
较高
低
二、微生物氧化的方式*
根据电子的最终受体不同，可将微生物 的产能（氧化）方式分为：
乙酰 CoA
乙醛
琥珀酸
乙酰 CoA 乙酰乳 酸
乙酰乙 酰CoA
加氢 加氢 脱羧
氧化 脱羧
氧化 脱羧
终产物 乙醇 乳酸 丙酸
乙酸、乙 醇 2,3丁二 醇 乙酸 丁醇
丙酮 乙醇乳酸
乙醇
发酵类型 酵母型酒精同型乳酸丙酸发酵
丁酸型发酵
异型乳酸发 酵 细菌酒精-
菌株 啤酒酵母 德氏乳杆菌 丙酸杆菌
产气肠杆菌
丁酸羧菌 丁醇羧菌 丙酮丁醇羧菌
肠膜明串珠菌 发酵乳杆菌 运动发酵单胞 菌
(3)氨基酸发酵
亦Stickland以一种氨基酸作为氢供体， 另一种氨基酸作为氢受体的发酵类型。氨 基酸作为碳源、氮源和能源。 少数厌氧梭菌可以利用一些氨基酸， 例如：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌等 (供体：丙氨酸等；受体：甘氨酸等)
三、能量的利用
生物合成：能量利用的主要方面。1mol的 ATP约合成10.5g的干物质。
多真菌以及放线菌与细菌中的—些种分解与 利用。 淀粉以淀粉作为生长碳源与能源的微生物中， 它们能利用自身的淀粉酶，将其水解成双糖 与单糖，再被微生物吸收。 果胶、几丁质、木质素等等
1.单糖的降解
六碳糖中，葡萄糖和果糖是异养生物的主 要碳源和能源。葡萄糖降解为丙酮酸的 途径在微生物中比较普通。
EMP途径 HMP途径 ED途径
SO4
S or H2S
sulfate reduction
organism
Escherichia, Streptomyces Bacillus, Pseudomonas Desulfovibrio
Fumarate succinate
CO2
CH4
anaerobic respiration using an e- acceptor methanogenesis
yes
no
H2O
H2S, other sulfur
compounds or certain
organic compounds
细菌视紫红质的光和磷酸化
嗜盐细菌的细胞中 存在有紫膜，膜中 含有一种蛋白质， 叫做细菌视紫红质， 能吸收太阳光的能 量。
嗜盐菌的电镜照片
氧化磷酸化作用
生物氧化指细胞内一系列氧化反应的总称。微生 物体内发生的化学反应基本上都是氧化还原反 应。形式、过程、结果
Electron acceptors for respiration and methanogenesis in procaryotes
electron reduced end acceptor product
O2
H2O
name of process aerobic respiration
NO3
NO2, NH3 or N2 denitrification
第四章 微生物的代谢
概念合成代谢（同化作用）；分解代谢 （异化作用）；初级代谢；次级代谢
第一节 微生物的能量代谢 第二节 微生物的分解代谢 第三节 微生物的合成代谢 第四节 微生物的代谢调控与发酵生产
第一节 微生物的能量代谢
一、ATP的生成（复习） 1.光合磷酸化作用 2.氧化磷酸化作用 二、微生物氧化的方式 1.有氧呼吸作用 2.无氧呼吸作用 3.发酵作用 三、能量的利用
有氧呼吸
无氧呼吸作用
厌氧呼吸以除氧以外的物质如硝酸盐作为最终电 子受体。
以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称 为硝酸盐呼吸：
NO3-十2H+十2e
NO2-十H20
反应生成的NO2—可以被分泌到胞外，也可以进一
步被还原成N2，这个过程称为反硝化作用。亚 硝酸盐还可以经羟胺被还原成氨：
NO2- 还原NH20H还原NH3
丙酸细菌(Propionibacterium)
(1)酒精发酵 p145
在酵母菌的乙醇发酵里，一个葡萄糖(通过EMP 途径)最终转变成两个乙醇，放出两个CO2，同
时净产生两个ATP:(S. cerevisiae)
C6H12O6+2ADP+2H3PO4 2C2H50H+2ATP+ 2C02 + H20 巴斯德效应
呼吸 无氧呼吸 发酵
微 生 物 氧 化
呼吸作用（p135）
1.有氧呼吸作用是大多数微生物用来产生 能量(ATP)的一种方式，以分子氧作为 最终电子受体。呼吸链真、核生物有所 不同。
2.无氧呼吸作用亦厌氧呼吸作为最终电子 受体的物质NO3—，SO42-，或CO2等无机 物。（个别为延胡索酸等有机物）
plants, algae, cyanobacteria
chlorophyll a absorbs 650-750nm
present
purple and green bacteria
bacteriochlorophyll absorbs 800-1000nm present
present
absent
其它生命活动 生物发光
例如：转移发光基因，提高观赏性 产生生物热
第二节 微生物的分解代谢
一、碳水化合物的分解 1.单糖的降解（EMP、HMP、ED）* 2.丙酮酸的降解 ①有氧代谢—三羧酸循环 ②无氧代谢—酒精发酵、乳酸发酵(见前) 二、蛋白质的代谢(腐败、腐化) 1.脱氨作用 2.脱羧作用 三、脂肪的代谢
呼吸氧化过程中放出的电子会通过一系列电子载 体最终交给电子受体的生物学过程。据其中电 子最终受体的性质可将呼吸分为好氧呼吸与厌 氧呼吸两种类型。
发酵基质在氧化过程中放出的电子是直接交给有 机物的。
电子传递链(又称呼吸链)按载体的氧化还原电位 升高的顺序排列起的链。
电子传递链
真、原核生物呼吸链的区别
EMP途径(己糖二磷酸途径)
亦糖酵解生物界共有的途径
有氧的条件下与TCA相连，厌氧条件下 发酵。
葡萄糖形成6-磷酸葡萄糖时 好氧的酵母菌、真菌和一些假单孢菌 中(?) 兼性厌氧菌中(基团转运方式)
C6H12O6 +
2NAD + 2Pi
CH3COCOOH +
2NADH +
2[H] +
2ATP +