第七章 微生物的代谢

1. 第七章 微生物的代谢 第一节 微生物的能量代谢第二节 微生物特有的合成代谢途径 第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 第四节 微生物代谢与生产实践

2. 分解代谢(catabolism) 代谢 合成代谢(anabolism) 代谢概论 　代谢（metabolism）： 细胞内发生的各种化学反应的总称 分解代谢 复杂分子 （有机物） [H] 简单小分子 ATP 合成代谢

3. 第一节 微生物的产能代谢 ——将最初能源转换成通用的ATP过程 一、概述 1、化能异养微生物的生物氧化与产能 过程：脱氢（或电子） 递氢（或电子）  受氢（或电子） 功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。 葡萄糖降解代谢途径 生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）

4. 生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种 生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物 微生物直接利用 生物 氧化 能量 储存在高能化合物（如ATP）中 以热的形式被释放到环境中 自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物

5. 2、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 代谢特点 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置 直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低； 4）生长缓慢，产细胞率低。

6. 3、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。 分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物 。 前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H’和电子形成还原力(NADPH+H’)

7. 二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED、PK途径等。）二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED、PK途径等。） 1）EMP途径（糖酵解途径、三磷酸己糖途径） 葡萄糖丙酮酸 有氧：EMP途径与TCA途径连接； 无氧：还原一些代谢产物， (专性厌氧微生物)产能的唯一途径。 产能（底物磷酸化产能： （1） 1，3— P--甘油醛  3 —P --甘油酸 + ATP； （2） PEP  丙酮酸 + ATP 10 步反应

8. 2）HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径） 分为两个阶段： 1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。

9. 6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。6-磷酸果糖出路：可被转变重新形成6-磷酸葡糖，回到磷酸戊糖途径。 甘油醛-3-磷酸出路： a、经EMP途径，转化成丙酮酸，进入TCA 途径 b、变成己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。 总反应式： 6 6-磷酸葡萄糖+12NADP++3H2O → 5 6-磷酸葡萄糖 + 6CO2+12NADPH+12H++Pi 特点： a、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成， b、产大量的NADPH+H+还原力 ； c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖 ） d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存 e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。

10. 3）ED途径 ——2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff ：嗜糖假单胞 过程： （4步反应） 1 葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡糖酸 6-磷酸-葡萄糖-脱水酶 KDPG 特点: a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。 KDPG醛缩酶 3--磷酸--甘油醛 + 丙酮酸

11. 4）PK途径（磷酸酮解酶途径） a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌 ） G 5-磷酸-木酮糖 特征性酶 木酮糖酮解酶 乙酰磷酸 + 3-磷酸-甘油醛 丙酮酸 乙醇 乳酸 1 G  乳酸 + 乙醇 + 1 ATP+ NADPH + H+

12. b、磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌）b、磷酸己糖酮解酶途径——又称HK途径（两歧双歧杆菌） 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 乙酸 戊糖酮解酶 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

13. 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 产物作为最终氢（电子）受体的产能过程 特点： 1）通过底物水平磷酸化产ATP； 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中； 3）产能率低； 4）产多种发酵产物。

14. 2、发酵类型 1） 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸  2 乙醛 + CO2  2 乙醇 + 2 ATP 条件：pH 3.5~4.5 , 厌氧 菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等） i、加入NaHSO4 NaHSO4 + 乙醛  磺化羟乙醛（难溶） ii、弱碱性（pH  7.5） 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 （歧化反应） 磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘——甘油发酵 （EMP） ---亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）

15. 乙醇 +1ATP b、细菌型乙醇发酵(发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) 同型酒精发酵 1 G 2 丙酮酸 代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pH较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低. （ED） 异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌） 1 G 2 丙酮酸 （丙酮酸甲酸解酶） 甲酸+ 乙酰-- CoA 无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶 乙醛  乙醇

16. 2）乳酸发酵 同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等） —— EMP途径（丙酮酸 乳酸） 异型乳酸发酵（PK途径） 肠膜明串株菌（PK） 产能 ：1ATP 双歧双歧杆菌（PK、HK） 产能：2G  5 ATP即 1G  2.5ATP

17. 丙酮酸甲酸解酶 乙酰-CoA +甲酸 PEP羧化酶 草酰乙酸 丙酸 3)混合酸、丁二醇发酵 a 混合酸发酵： ——肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等） CO2 + H2 乳酸脱氢酶 乳酸 磷酸转乙酰基酶 乙醛脱氢酶 1 G 丙酮酸 乙酸激酶 乙醇脱氢酶 乙酸 乙醇 E.coli与志贺氏菌的区别： 葡萄糖发酵试验： E.coli、产气肠杆菌 甲酸     CO2 + H2 （甲酸氢解酶、H+） 志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。

18. b 丁二醇发酵（2，3--丁二醇发酵） ——肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等 （乙酰乳酸脱氢酶） 丙酮酸 乙酰乳酸 3-羟基丁酮 （OH-、O2） V.P.试验的原理： 精氨酸胍基 红色物质 乙二酰 丁二醇 中性 其中两个重要的鉴定反应： 1 、V．P．实验 2、甲基红（M.R）反应 产气肠杆菌： V.P.试验（+），甲基红（-） E.coli： V.P.试验（-），甲基红（+）

19. 4）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 （CoA转移酶） 丙酮+CO2 丁醇

20. 5）氨基酸的发酵产能（stickland反应） 发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。 特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联； 产能效率低（1ATP） 氢供体（氧化）氨基酸： Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、 Try等。 氢受体（还原）氨基酸： Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。

21. NAD+ NAD+ NADH NADH 甘氨酸 乙酸 乙酸 + ATP -NH3 氧化丙氨酸 丙酮酸 乙酰-CoA 还原 甘氨酸 -NH3

22. 四、呼吸（respiration） ——从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 无氧呼吸（anaerobic respiration） 1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：Kreb 循环、电子传递。

23. （1）TCA循环柠檬酸循环或Krebs循环 TCA循环的生理意义： （1）为细胞提供能量。 （2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。 （3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。

24. TCA 的补充途径 I 乙醛酸循环（TCA 循环支路） （乙酰--CoA合成酶） 乙酸 乙酰-CoA 异柠檬酸 （异柠檬酸裂合酶） （苹果酸合成酶） 苹果酸 琥珀酸 + 乙醛酸 Ii 丙酮酸 、PEP等化合物固定CO2的方法 Iii 厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA 中间产物方式

25. （2）电子传递链 1）电子传递链载体: NADH脱氢酶 黄素蛋白 辅酶Q（CoQ） 铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。

26. 2）原核微生物电子传递链特点： 最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等； 电子供体： H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等； 含各种类型细胞色素： 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 cyt.b558  cyt.d（抗氰化物） 细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧供应充足的条件下工作 ；细胞色素d分支对氧有很高的亲和性，因此在氧供应不足的情况下起作用。 电子传递多样： CoQ  cyt.也可不经过此途径。

27. 3） 氧化磷酸化产能机制 ——化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说 化学渗透学说---英国生物化学家Peter．Mitchell于1961年提出的。 该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体环或特定的质子泵的作用，驱动泵的能量来自电子传递。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子动势Proton motiveforce,PMF)是ATP合成的原动力。当质子动势驱动被转移至膜间空键的质子返回线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。 质子推动力（Δp）取决于跨膜的质子浓度（ΔpH）和内膜两侧的电位差（Δψ）。

28. 2 无氧呼吸（厌氧呼吸） 特点： a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递； b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸） c产能效率低。 硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点： a 有其完整的呼吸系统； b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 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。

29. 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 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。     硝酸盐还原酶 氧化亚氮还原酶 亚硝酸还原酶 氧化氮还原酶

30. 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； SO42-  SO32-  SO2  S  H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体； f、环境： 富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）

31. 硫呼吸 （硫还原） ——以元素S作为唯一的末端电子受体。 电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等 碳酸盐呼吸（碳酸盐还原） ——以CO2、HCO3-为末端电子受体 产甲烷菌 —利用H2作电子供体（能源）、CO2为 受体，产物CH4； 产乙酸细菌 — H2 / CO2进行无氧呼吸，产物为乙酸。

32. 其他类型无氧呼吸 ——以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。 延胡索酸  琥珀酸 + 1 ATP 。 被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。 利用Desulfotomaculum auripigmentum还原AsO43- 生产三硫化二砷（雌黄） 作用：生物矿化和微生物清污

33. 第二节 微生物特有的合成代谢途径 一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌 光能营养型生物 不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌 1、光合细菌类群 1）产氧光合细菌——好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。 (H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。

34. 2）不产氧光合细菌 a、紫色细菌 ——只含菌绿素a 或 b。 紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科） 含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。 氢供体：H2S、H2或 有机物。 H2S  S  SO42-； 少数暗环境以S2O32-作为电子供体。 氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+ 氧化产生Fe(OH)3沉淀

35. 紫色非硫细菌（红螺菌科）： 旧认为不能利用硫化物作为电子供体；现知大多数亦能利用硫化物，但浓度不能高。 b、绿色细菌（绿硫细菌） 含较多的菌绿素c、d 或 e ，少量 a 。 电子供体：硫化物 或 元素硫，S沉积胞外（类似紫色非硫细菌）；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。

36. 2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素—— a、b、c、d、e、g。 a ：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。 b：最大吸收波长840~1030。 3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素： 藻胆素：篮细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620~ 640 nm） 藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。

37. 3、细菌光合作用 1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。 特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素； b、产ATP和还原力[H]分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2）。

38. 紫色细菌循环光合磷酸化过程 光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.

39. 绿硫细菌和绿色细菌 外源电子供体—— H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。 特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。

40. 2）非循环光合磷酸化 特点： a、电子传递非循环式； b、在有氧的条件下进行； c、存在两个光合系统 d、ATP、还原力、O2同时产生 当光反应中心I的叶绿素P700吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP’）生成NADH（NADPH）+H’(还原力)，而不是返回氧化型P700。光合系统II将电子提供给氧化型P700，并产生ATP。 光合系统II天线色素吸收光能并激发P680放出电子，然后还原脱镁叶绿素a(脱镁叶绿素a是2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)，经过由质体醌(plastoquinone，PQ)、Cyt.b、Cyt.f和质体蓝素(plastocyanin，PC)组成的电子传递链到氧化型 P700（不返回氧化型P680），而氧化型P680从水氧化成02过程中得到电子。在光系统Ⅱ中，电子由PQ经Cyt.b传递给Cyt.f时与ADP磷酸化偶联产生ATP。

41. 蓝细菌等的产氧光合作用——非循环光合磷酸化过程

42. 3）依靠菌视紫红质的光合作用 无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。 ——极端嗜盐古细菌 菌视紫红质： 以“视黄醛”（紫色）为辅基。 与叶绿素相似，具质子泵作用。 与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡 萝卜素）内。

43. ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。

44. 二、细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌： 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2＋)。 利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。 最重要反应： CO2 还原成[CH20]水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 ——大量耗能、耗还原力的过程。

45. 化能自养细菌的能量代谢特点： ①无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。 ②电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。 ③产能效率，即氧化磷酸化效率(P／0值)通常要比化能异养细菌的低。 ④生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢(电子)直接进入呼吸链。

46. A氨单加氧酶 羟氨氧化酶 HNO2 +4H+ +4e- b、硝化细菌 亚硝酸氧化酶 NO3-+ 2H+ +2e- NO2- + H2O 根据它们氧化无机化合物的不同 1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体， 在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。 a、亚硝化细菌 NH3 +O2 + 2H+ NH2OH + H2O 也称氨氧化细菌 (产生1分子ATP)

47. 2 氢细菌（氧化氢细菌） 能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)。 兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。 产能： 2H2 + O2— 2 H2O合成代谢反应：2H2 + CO2— [ CH2O ] + H2O。

48. 氢细菌的自氧作用 第一步：产能反应，氧化4分子H。产生1分子ATP； 第二步：合成代谢反应，用所产生的ATP还原C02构成细胞物质[CH2O]和生长。 在Ralstonia eutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvin cycle提供还原力NADH。

49. 3 硫细菌（硫氧化细菌） ——利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌 大多数硫杆菌，脱下的H+（e-）经cyt.c部位进入呼吸链； 而脱氮硫杆菌从FP或 cyt.b水平进入。 嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2＋)氧化成铁离子(Fe3＋)。