1、第五章微生物的營養(yǎng)和代謝 重點和難點： 微生物營養(yǎng)類型，微生物的產(chǎn)能方式和微生物特有的合成代謝（生物固氮、肽聚糖合成、次生代謝產(chǎn)物）5.1 微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 細胞從外界環(huán)境中攝取化學物質(zhì)，使其在生長過程中獲取生命活動所需的能量及其結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生理過程稱為營養(yǎng)或營養(yǎng)作用 。外界環(huán)境中可為細胞提供結(jié)構(gòu)組分、能量、代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)和良好生理環(huán)境的化學物質(zhì)稱為營養(yǎng)物質(zhì)或養(yǎng)料 。 5.1.1營養(yǎng)物質(zhì)及其功能從元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10種，且C、H、O、N、S、P還是碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)和核酸的成分。 *凡能共給微生物碳素營養(yǎng)的物質(zhì)稱為碳源。 碳素

2、的主要作用是組成菌體細胞物質(zhì)和供給微生物生長發(fā)育所需的能量。 碳源分無機（CO2及碳酸鹽）和有機碳源（糖類、有機酸類、油脂及烴類） 。 實驗室培養(yǎng)微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有機酸等。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型1.碳源：種類碳源物質(zhì)說明糖葡萄糖、果糖、麥芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纖維二糖、纖維素、半纖維素、甲殼素、木質(zhì)素等單糖優(yōu)于雙糖，己糖優(yōu)于戊糖，淀粉優(yōu)于纖維素，純多糖優(yōu)于雜多糖。有機酸 糖酸、乳酸、檸檬酸、延胡索酸、低級脂肪酸、高級脂肪酸、氨基酸等 與糖類比較效果較差，有機酸較難進入細胞，進入細胞后會導致pH下降。當環(huán)境中缺乏碳源物質(zhì)時，

3、氨基酸可被微生物作為碳源利用。 醇乙醇 在低濃度條件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。 脂 脂肪、磷脂 主要利用脂肪，在特定條件下將磷脂分解為甘油和脂肪酸而加以利用。 5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型CO2 CO2 為自養(yǎng)微生物所利用。 碳酸鹽 NaHCO3、CaCO3等 為自養(yǎng)微生物所利用。 其他 芳香族化合物、氰化物利用這些物質(zhì)的微生物在環(huán)境保護方面有重要作用。利用烴的微生物細胞表面有一種由糖脂組成的特殊吸收系統(tǒng)，可將難溶的烴充分乳化后吸收利用。 天然氣、石油、石油餾分、石蠟油等 烴 蛋白質(zhì)、核酸等當環(huán)境中缺乏碳源物質(zhì)時，可被微生物作為碳源而降解利用。2.氮源：能

4、被微生物利用的含氮物質(zhì)為氮源。氮素是構(gòu)成微生物細胞基本物質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化細菌能利用氨作為氮源和能源）。氮源分無機（分子態(tài)氮、硝酸鹽、銨鹽等）和有機（尿素、氨基酸、蛋白質(zhì)、蛋白胨、肉膏等）兩大類。實驗室培養(yǎng)微生物常用的氮源主要有：銨鹽、硝酸鹽、尿素、蛋白胨和牛肉膏等。發(fā)酵工業(yè)上常以豆餅粉、花生餅粉和玉米漿等作為微生物的氮源。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型原生營養(yǎng): 凡是以葡萄糖或其他有機化合物為唯一碳源和能源, 以無機化合物為唯一氮源,能夠滿足碳、氮營養(yǎng)需要的化能有機營養(yǎng)微生物, 統(tǒng)稱為原生營養(yǎng)型。如果這種條件不能滿足營養(yǎng)需要, 則為缺陷營養(yǎng)(營養(yǎng)缺陷型): 某些

5、微生物由于合成能力發(fā)生障礙, 所以在微生物培養(yǎng)時要添加某種或某幾種氨基酸或堿基等有機化合物才能生長。 5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型蛋白質(zhì) N2 固氮酶(N2)固氮微生物NH4N3.礦質(zhì)元素 礦質(zhì)元素也是微生物生命活動所不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，可分為兩大類，即大量元素(P、K、Mg、Ca、S、Na等)和微量元素(Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co)。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型其主要功能是：構(gòu)成微生物細胞的組成成分；作為酶的組成部分或維持酶的活性；調(diào)節(jié)細胞的滲透壓、氫離子濃度、Eh等；作為自養(yǎng)微生物的能源。4.生長因子5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型(表) 凡能調(diào)節(jié)微生物代謝活動的微量有機物質(zhì)

6、稱為生長因子。包括維生素、氨基酸、核苷以及未知成分。其作用是用來構(gòu)成酶的輔基或輔酶(是某些酶活性所必需的成分) 各種微生物所需生長因子的種類和數(shù)量是不一樣的，如自養(yǎng)微生物和一些腐生性細菌、霉菌，能自己合成這類物質(zhì)，不需外界供給；而有些微生物(根瘤菌、乳酸桿菌等)因缺乏合成這類物質(zhì)的能力，必須外界供給才能生長。在實驗室通常用作生長因子的物質(zhì)有：酵母膏、玉米漿、肝浸液、麥芽汁、牛肉膏、米糠等。11維生素及其在代謝中的作用 化合物 代謝中的作用生物素輔酶M硫胺素(B1)維生素K催化羧化反應(yīng)的酶的輔酶輔酶A的前體甲烷形成中的輔酶硫胺素焦磷酸脫羧酶、轉(zhuǎn)醛醇酶和轉(zhuǎn)酮醇酶的輔酶甲基醌類的前體，起電子載體作用

7、(如延胡索酸還原酶)5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型9泛 酸微生物對生長素的需要分三類情況:5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型要供給多種生長因素才能生長(常需要供給植物汁液、動物煮汁才能生長)。需部分供給或部分供給生長素的前體才能生長;自養(yǎng)微生物不需外源供應(yīng); 5.水5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型(1)作用：是細胞的主要組成成分；直接參加各種代謝反應(yīng);是細胞吸收營養(yǎng)物質(zhì)和排泄廢物的介質(zhì)；可調(diào)節(jié)菌體內(nèi)的溫度(水比熱大有利吸熱,散熱) ；水維持細胞膨壓(控制細胞形態(tài)) ；可供給菌體營養(yǎng)。 微生物細胞含水約占細胞鮮重的7090，水作用是多方面的。(2)水活度的表示方法 微生物生長所需的水活度通常在0

8、.630.99之間，細菌水活度較高為0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度為0.6，水中溶質(zhì)越高水活度越低。 微生物可利用的水,用水活度來表示（aw）aw 是指在相同的溫度和壓力下，溶液中水的蒸氣壓和純水的蒸氣壓之比，即：aw =P溶液/P純水5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型大家知道把新鮮蔬菜曬干就不容易腐爛。這是因為蔬菜的水分減少了，引起蔬菜腐爛的微生物就不容易生長。微生物的生長必需水，但結(jié)合在分子內(nèi)的水不能被微生物利用，只有游離的水才能被利用。采用“水活度”（ aw ）值這一概念來表示能被微生物利用的實際含水量。微生物所需要的水活度越高，在干燥的環(huán)境下就越不容易生長。 5.1微生物的營養(yǎng)物

9、質(zhì)和營養(yǎng)類型一些微生物生長所需的最低aw值0.97-0.96革蘭氏陰性桿菌 假單胞菌屬（Pseudomonas） 不動桿菌屬（Acinetoacter） 大腸埃希氏菌（E.coli）0.970.90-0.86革蘭氏陰性球菌 微球菌屬（Micrococcus） 0.90 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）0.860.94-0.87酵母菌產(chǎn)朊假絲酵母（Candida utilis） 釀酒酵母（Candida utilis）0.94 德巴利酵母屬（Debaryomyces）0.940.93-0.80霉菌 黑根霉（Rhizopus nigricans）0.93 擴展青霉（Pe

10、nicillium expansum）0.77 展青霉（Penicillium patullum）0.80 黃曲霉（Aspergillus flavus） 0.90 黑曲霉（Aspergillus niger）0.840.95-0.91大多數(shù)細菌 枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis） 梭菌屬（Clostridium） 微細菌屬（Microbacterium）0.95 乳桿菌屬（Lactobacillus） 鏈球菌屬（Streptococcus）0.945.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型5.1.2微生物的營養(yǎng)類型 根據(jù)微生物所需要的能源和碳源的不同，可將微生物的營養(yǎng)類型分為四大類：

11、營 養(yǎng) 類 型光能無機營養(yǎng)型光能有機營養(yǎng)型化能無機營養(yǎng)型化能有機營養(yǎng)型 能 源主要碳源氫或電子 供體光能CO2水或還原態(tài)無機物光能CO2有機物化學能CO2還原態(tài)無機物化學能有機物有機物5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型1.光能無機營養(yǎng)型(或稱光能自養(yǎng)型) 這類微生物是利用光作為生活所需要的能源，以CO2作為唯一或主要碳源，以無機物作為供氫體來還原CO2合成細胞 的有機物質(zhì)。如藻類和少數(shù)細菌(紅硫細菌、綠硫細菌)，它們都含光和色素(葉綠素或細菌葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素)，可以在完全無機的環(huán)境中生長，所以稱光能無機營養(yǎng)型。 5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型但應(yīng)注意，三大色素中，葉綠素或細菌葉綠素是

12、主要的光合色素，而類胡蘿卜素和藻膽素因不能單獨進行光合作用而稱為輔助色素，其主要功能是捕獲光能轉(zhuǎn)移到光反應(yīng)中心，并保護膜系統(tǒng)免遭光氧化的破壞。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型CO2 + H2O CH2O + O2光 能葉綠素CO2 + 2H2SCH2O + 2S + H2O光能細胞葉綠素CO2 + 2H2ACH2O + H2O + 2A光能光合色素光能自養(yǎng)型念珠藍細菌5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型2.光能有機營養(yǎng)型(光能異養(yǎng)型)5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型這類微生物利用光作為能源，利用簡單有機物作為供氫體以還原CO2合成細胞有機物質(zhì)。如紅螺細菌：CH3CH3CHOH+CO22CH3COC

13、H3+CH2O+H2O光 能光合色素(異丙醇)(丙酮)3.化能無機營養(yǎng)型(化能自養(yǎng)型)5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型能從無機物氧化過程中獲得能量，并以CO2作為唯一或主要碳源進行生長的微生物。如鐵細菌、亞消化細菌、消化細菌、硫細菌和H細菌。Fe+2 Fe+3 + e + Q2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + Q2HNO2 + O2 2HNO3 + Q2S + 3O2 + H2O 2H2SO4 + QCO2 + 4H CH2O + H2O能量4.化能有機營養(yǎng)型(化能異養(yǎng)型)5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 這類微生物以有機化合物為碳源，利用有機化合物氧化過程中產(chǎn)生的能量為能源，

14、以有機或無機含氮化合物為氮源，合成細胞物質(zhì)。這類微生物稱為化能異養(yǎng)微生物。其包含的種類最多。就已知的微生物中絕大多數(shù)細菌、全部真菌、原生動物及病毒都屬于這一營養(yǎng)類型。 由于棲息場所和攝取養(yǎng)料不同，可將異養(yǎng)微生物分為腐生型和寄生型兩大類：腐生型：利用無生命的有機物獲得營養(yǎng)物質(zhì)。寄生型：從活的寄生體內(nèi)獲取營養(yǎng)物質(zhì)，如d病毒衣原體、立克次氏體等。中間類型（兼性腐生或兼性寄生）如結(jié)核桿菌、痢疾桿菌就是兼性寄生菌。 蘇云金芽孢桿菌5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型5.1.3 培養(yǎng)基培養(yǎng)基： 按照微生物生長繁殖所需要的各種營養(yǎng)物質(zhì)，用人工方法配制而成的營養(yǎng)基質(zhì)。它是進行微生物學研究、生產(chǎn)微生物制品等的基礎(chǔ)。

15、5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型1.培養(yǎng)基的配制原則5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型(1)選擇適宜的營養(yǎng)物質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)濃度及配比合適控制適當pH(4)控制氧化還原電位(redoxpotential) (5)原料來源的選擇 (6)滅菌處理2.培養(yǎng)基的類型及其應(yīng)用5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型根據(jù)微生物的種類按培養(yǎng)基的成分按培養(yǎng)的用途 按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)39根據(jù)微生物的種類細菌培養(yǎng)基(肉質(zhì)蛋白胨培養(yǎng)基礎(chǔ)) 放線菌培養(yǎng)基（高氏1 號合成培養(yǎng)基）霉菌培養(yǎng)基（麥芽汁培養(yǎng)基）酵母培養(yǎng)基（查氏合成培養(yǎng)基）5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型26按培養(yǎng)基的成分 根據(jù)培養(yǎng)基組成物質(zhì)的化學成分是否完全了解，可將培養(yǎng)基

16、分為：合成培養(yǎng)基： 用化學成分已知的營養(yǎng)物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。天然培養(yǎng)基： 用化學成分未知或不完全知道其化學成分的有機物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。 半合成培養(yǎng)基： 在天然培養(yǎng)基中加入部分化學成分已知的營養(yǎng)物質(zhì)或在合成培養(yǎng)基中加入部分化學成分未知或不完全知道其化學成分的有機物質(zhì)配制而成的培養(yǎng)基。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型26按培養(yǎng)基的物理狀態(tài)根據(jù)培養(yǎng)基制成后的物理狀態(tài)的不同，可分為：固體培養(yǎng)基半固體培養(yǎng)基液體培養(yǎng)基5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型瓊脂固體培養(yǎng)基明膠培養(yǎng)基硅膠固體培養(yǎng)基天然固體基質(zhì)固體培養(yǎng)基是：在液體培養(yǎng)基中加入凝固劑(1.5%-2.0 %的瓊脂)而制成的培養(yǎng)基。半固體培養(yǎng)基：是在

17、液體培養(yǎng)基中加入0.2%-0.7 %的瓊脂配制而成。液體培養(yǎng)基：不加任何凝固劑而按比例配制成的營養(yǎng)液。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 瓊脂是由紅藻門石花菜江蘺等藻類中提取的膠體多糖。 瓊脂的化學成分為多聚半乳糖硫酸上下酯，熔點96，凝固點是4050。 瓊脂培養(yǎng)基可反復溶化凝固而不改變性質(zhì)。 絕大多數(shù)微生物不水解瓊脂。瓊脂固體培養(yǎng)基：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型26按培養(yǎng)的用途 加富培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)基鑒別不同微生物的培養(yǎng)基保藏菌種培養(yǎng)基基本培養(yǎng)基5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 按大多數(shù)微生物的營養(yǎng)需要配制一種培養(yǎng)基，稱為基本培養(yǎng)基。再根據(jù)各種微生物的不同需要

18、加入一、二種物質(zhì)，應(yīng)用較廣。如培養(yǎng)某種營養(yǎng)缺陷型菌株，先配制基本培養(yǎng)基，之后再加入缺陷型菌珠需要的那種營養(yǎng)成 分即可。基本培養(yǎng)基：32 是在培養(yǎng)基中加入血、血清、動植物組織提取物。用來培養(yǎng)要求較苛刻的某些異養(yǎng)微生物。加富培養(yǎng)基：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型32 纖維分解菌 含石蠟的培養(yǎng)基 用蛋白質(zhì)做唯一的氮源的培養(yǎng)基 缺氮培養(yǎng)基可分離到固氮微生物 選擇培養(yǎng)基：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型32 如大腸桿菌，接種到葡萄糖肉湯、麥芽糖肉湯和乳糖肉湯中，它們可以分解這幾種糖，并產(chǎn)酸產(chǎn)氣。如在這三種培養(yǎng)基中接種傷寒桿菌。 傷寒桿菌只能發(fā)酵葡萄糖和麥芽糖，不發(fā)酵乳糖，只產(chǎn)酸不產(chǎn)氣。這樣就把大腸桿菌

19、和傷寒桿菌區(qū)別開，產(chǎn)氣由產(chǎn)生的氣泡觀察到，產(chǎn)酸可由指示劑的顏色變化觀察到。鑒別不同微生物的培養(yǎng)基：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 檢查乳品和飲用水中是否含有腸道致病菌，所用的伊紅美蘭培養(yǎng)基，是一種鑒別培養(yǎng)基。將大腸桿菌接種在伊紅美蘭培養(yǎng)基上，當大腸桿菌發(fā)酵乳糖時，能使伊紅美蘭結(jié)合成黑色化合物，所以在這種培養(yǎng)基上長出來的大腸桿菌，呈紫黑色并帶有金屬光澤的小菌落，而產(chǎn)氣桿菌在這種培養(yǎng)基上長出的是較大的棕色菌落。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型32 對于生產(chǎn)中使用的菌種保藏培養(yǎng)基，要求比較豐富的氮源，以防止菌種退化變質(zhì)。保藏菌種培養(yǎng)基：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型265.1.4營養(yǎng)物質(zhì)進入細胞

20、的方式5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型1.單純擴散（simple diffusion）2.促進擴散（facilitated diffusion）3.主動運輸(active transport)4.基團移位(group translocation)52自由擴散5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型1. 單純擴散單純擴散(simple diffusion)特點：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型物質(zhì)進入細胞的動力是細胞內(nèi)外的濃度差。這種運輸方式不消耗能量沒有特異性，被運輸物質(zhì)不與膜上物質(zhì) 發(fā)生任何反應(yīng)，物質(zhì)不發(fā)生化學變化。392. 促進擴散(facilitated diffusion)膜載體（載體蛋白）特

21、點 有很強的特異性在運輸過程中，本身不發(fā)生變化。 能加快物質(zhì)運輸?shù)乃俣取?5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 膜載體在膜外與營養(yǎng)物質(zhì)親合力強，與這種物質(zhì)結(jié)合，進入細胞后親合力降低釋放營養(yǎng)物質(zhì)。像渡船一樣，膜外裝貨，膜內(nèi)卸貨，這種擴散方式比單純擴散速度快。 膜內(nèi)外親合力的改變與載體分子構(gòu)型改變有關(guān)。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型促進擴散過程： 有膜載體參加，膜載體（滲透酶）有特異性。運輸葡萄糖的載體只運輸葡萄糖。這種運輸方式多發(fā)生在真核微生物，原核生物少見。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型促進擴散特點：物質(zhì)運輸動力是細胞外的濃度差。運輸過程不消耗能量。39 ATP ADP + Pi 恢復原構(gòu)像再

22、循環(huán)耗能構(gòu)像 改變膜上膜外膜內(nèi)移位結(jié)合3.主動運輸(active transport)5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型主動運輸特點：5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型被運送的物質(zhì)可逆濃度梯度進入細胞內(nèi)。 要消耗能量，必需有能量參加。有膜載體參加，膜載體發(fā)生構(gòu)型變化 被運送物質(zhì)不發(fā)生任何變化。394.基團移位(group translocation)基團轉(zhuǎn)位：是在研究糖的運輸時發(fā)現(xiàn)的一 種主動運輸方式。運輸過程中需要能量，被運輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生 化學變化的運輸叫基團移位。許多糖就是靠基團移位進行運輸?shù)?。這種運輸方式是微生物通過磷酸轉(zhuǎn)移酶系 統(tǒng)來運輸營養(yǎng)物質(zhì)的。 5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型5.1微生

23、物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型膜外內(nèi)Ec糖糖-P FF-PP-HPrHPrPEP丙酮酸E基團移位磷酸轉(zhuǎn)移E系統(tǒng)（PTS）酶（非特異性）酶: 酶c,酶a,酶b熱穩(wěn)定蛋白HPr（特異性）5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型PEPHPrMg+2 ,酶磷酸HPr + 丙酮酸(在細胞質(zhì)中進行)磷酸HPr糖 Mg+2,酶糖磷酸脂HPr（在細胞膜上進行）F3磷酸HPrF3磷酸3 HPr F3磷酸3乳糖 Mg+酶 3乳糖3磷酸F5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型 被運輸?shù)奈镔|(zhì)發(fā)生化學變化，被磷酸化需要能量。5.1微生物的營養(yǎng)物質(zhì)和營養(yǎng)類型基團轉(zhuǎn)移運輸特點：需要磷酸酶系統(tǒng)進行催化395.2 微生物的代謝內(nèi)容提要5.2.1 代

24、謝概論5.2微生物的代謝5.2.3 耗能代謝5.2.2 微生物產(chǎn)能代謝5.2.1 代謝概論代謝(metabolism)是細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學反應(yīng)的總稱。1.分解代謝(catabolism) 2.合成代謝(anabolism) 5.2微生物的代謝1.分解代謝（catabolism）分解代謝指細胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個過程中產(chǎn)生能量(ATP) 。蛋白質(zhì) 多糖 脂類氨基酸 單糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰輔酶A CO2 ，H20，能量（三羧酸循環(huán)）一般可將分解代謝分為三個階段：5.2微生物的代謝542.合成代謝（anabolism）合成代謝指細胞利用小分子物質(zhì)合成復雜大分子的過程，并

25、在這個過程中消耗能量。合成代謝所利用的小分子物質(zhì)來源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境中的小分子營養(yǎng)物質(zhì)。5.2微生物的代謝 在代謝過程中，微生物通過分解作用（光合作用）產(chǎn)生化學能。這些能量用于：1合成代謝 2微生物的運動和運輸 3熱和光 無論是分解代謝還是合成代謝，代謝途徑都是由一系列連續(xù)的酶反應(yīng)構(gòu)成的，前一部反應(yīng)的產(chǎn)物是后續(xù)反應(yīng)的底物。 細胞能有效調(diào)節(jié)相關(guān)的反應(yīng)，生命活動得以正常進行。 某些微生物還會產(chǎn)生一些次級代謝產(chǎn)物。這些物質(zhì)除有利于微生物生存外，還與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)。5.2微生物的代謝535.2.2 微生物產(chǎn)能代謝生物氧化1. 異養(yǎng)微生物的生物氧化2.自養(yǎng)微生物的生物氧化3.生

26、物氧化過程中的能量轉(zhuǎn)化5.2微生物的代謝531.異養(yǎng)微生物的生物氧化(1)發(fā)酵(2)呼吸作用什么是發(fā)酵發(fā)酵過程中底物脫氫的途徑發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活微生物的代謝5.258 發(fā)酵是指微生物細胞將有機物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵（fermentation）59微生物的代謝5.2底物脫氫的四種途徑i.EMP途徑2i.HMP途徑3i.ED途徑4i.PK途徑微生物的代謝5.2 i.EMP途徑（Embden-Meyerhof pathway）(糖酵解途徑) 葡萄糖葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1，6- 二磷酸1，3-二磷酸甘油酸3-磷

27、酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羥丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+ NADH+H+aa :預(yù)備性反應(yīng)bb :氧化還原反應(yīng) EMP途徑意義：為細胞生命活動提供ATP和 NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化61微生物的代謝5.25-磷酸-木酮糖6-磷酸-景天庚酮糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核糖3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤蘚糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸- 木酮糖3-磷酸- 甘油醛2i.HMP途徑（磷酸戊糖途徑，單磷酸己糖途徑） 微生物的代謝5.2從6-磷酸-葡萄糖開始，即在單磷酸已糖基礎(chǔ)上開始降解的故稱為單磷酸已

28、糖途徑。HMP途徑與EMP途徑有著密切的關(guān)系，HMP途徑中的3-磷酸-甘油醛可以進入EMP途徑， 磷酸戊糖支路。HMP途徑的一個循環(huán)的最終結(jié)果是一分子葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成一分子甘油醛-3-磷酸、3個CO2、6個NADPH。一般認為HMP途徑不是產(chǎn)能途徑，而是為生物合成提供大量還原力（NADPH）和中間代謝產(chǎn)物。61微生物的代謝5.23i. ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸裂解途徑）ED途徑是在研究嗜糖假單孢菌時發(fā)現(xiàn)的。ED途徑在革蘭氏陰性菌中分布較廣；ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨存在；ED途徑不如EMP途徑經(jīng)濟。C6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD+ 2CH3C

29、OCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+ED途徑總反應(yīng)式：61微生物的代謝5.24i.磷酸解酮酶途徑 PKHK 磷酸解酮酶途徑是明串珠菌在進行異型乳酸發(fā)酵過程中分解己糖和戊糖的途徑。該途徑的特征性酶是磷酸解酮酶，根據(jù)解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的稱為PK途徑，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途徑。 微生物的代謝5.2途徑5i. 丙酮酸代謝的多樣性59微生物的代謝5.2發(fā)酵與人類生產(chǎn)生活工業(yè)概念在工業(yè)生產(chǎn)中常把好氧或兼性厭氧微生物在通氣或厭氣的條件下的產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。 微生物的代謝5.2 微生物能以好多種有機物作為發(fā)酵基質(zhì)，但它以大都能轉(zhuǎn)化成葡萄糖或葡萄糖的中間代謝產(chǎn)物而被微

30、生物利用。 根據(jù)代謝產(chǎn)物和代謝途徑不同，有各種不同的發(fā)酵類型，以下幾種發(fā)酵是最重要且研究得最清楚的發(fā)酵類型：i.乙醇發(fā)酵2i.乳酸發(fā)酵3i.混合酸發(fā)酵4i.丙酮丁醇發(fā)酵59微生物的代謝5.2C6H12O6 2C2H5OH2CO2 2ATP參與微生物：酵母菌由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵（酵母菌乙醇發(fā)酵）丙酮酸脫羧酶2丙酮酸2乙醛2乙醇EMPGi.乙醇發(fā)酵微生物的代謝5.2酵母菌乙醇發(fā)酵過程中氫由供體給受體的方式3-p-甘油醛-H21，3-2P甘油酸脫氫酶2NAD2NADH2乙醇乙醛(受氫體)微生物的代謝5.2 發(fā)酵基質(zhì)氧化不徹底，發(fā)酵結(jié)果仍有有機物 酶體系不完全，只有脫氫E，沒有氧化酶。 產(chǎn)生

31、能量少，酵母乙醇發(fā)酵凈產(chǎn)2ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解過程中脫下H使之還原成乙醇的過程。乙醇發(fā)酵特點：微生物的代謝5.2酵母菌乙醇發(fā)酵應(yīng)嚴格控制三個條件： 厭 氧 不含NaHSO3PH小于7.6微生物的代謝5.2通過ED途徑進行的乙醇發(fā)酵參與微生物 ：運動發(fā)酵單孢菌發(fā)酵途徑：ED途徑 反應(yīng)式：2C2H5OH+2CO2+ATPC6H12O6（細菌的乙醇發(fā)酵）69微生物的代謝5.22i.乳酸發(fā)酵： 兩種類型：同型乳酸發(fā)酵 異型乳酸發(fā)酵指乳酸菌將G分解產(chǎn)生的丙酮酸逐漸還原成乳 酸的過程。細菌積累乳酸的過程是典型的乳酸發(fā)酵。我 們熟悉的牛奶變酸，生產(chǎn)酸奶，漬酸菜， 泡菜，青貯飼料都是乳酸發(fā)酵進行

32、乳酸發(fā)酵的都是細菌：如短乳桿菌，乳鏈 球菌等 微生物的代謝5.2同型乳酸發(fā)酵： 在糖的發(fā)酵中，產(chǎn)物只有乳酸的發(fā)酵稱為同型乳酸發(fā)酵，青貯飼料中的乳鏈球菌發(fā)酵即為此類型。過 程：PEPC3H6O3G關(guān)鍵酶：乳酸脫氫酶微生物的代謝5.22乳酸2丙酮酸+2ATP乳酸發(fā)酵過程中H由供體給受體的方式3-P-甘油醛-H21,3-2P甘油酸2NAD2NADH2微生物的代謝5.2異型乳酸發(fā)酵（通過HMP途徑）乳酸發(fā)酵細菌不破壞植物細胞，只利用植 物分泌物生長繁殖。發(fā)酵產(chǎn)物除乳酸外還有乙醇與CO2。青貯飼料中短乳桿菌發(fā)酵即為異型乳酸發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵結(jié)果：1分子G生成乳酸、乙醇、 CO2各1分子。 北方漬酸菜，南

33、方泡菜是常見的乳酸發(fā)酵 。微生物的代謝5.2要加些鹽，3-5%NaCl濃度為好， 缸要刷凈，并不要帶進油污。 695.2微生物的代謝漬酸菜應(yīng)做好以下幾點必須控制不被雜菌感染要創(chuàng)造適合乳酸發(fā)酸的厭氧環(huán)境條件PH值34為宜3i.混合酸發(fā)酵某些細菌通過發(fā)酵將G變成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多種代謝產(chǎn)物。由于代謝產(chǎn)物中含多種有機酸，因此將這種發(fā)酵稱為混合酸發(fā)酵。大多數(shù)腸桿菌如大腸桿菌等均能進行混合酸發(fā)酵。微生物的代謝5.2V.P反應(yīng) ：反應(yīng)過程中產(chǎn)生紅色化合物甲基紅反應(yīng) ：產(chǎn)酸使指示劑變色混合酸發(fā)酵 用于細菌分類鑒定E.aerogenesE.coliV.P反應(yīng)甲基紅反應(yīng)+-3-羥基丁酮二乙酰紅色

34、化合物G69微生物的代謝5.24i.丙酮丁醇發(fā)酵丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)在EMP途徑的基礎(chǔ)上進行丙酮-丁醇發(fā)酵微生物的代謝5.2發(fā)酵小結(jié)：c.基質(zhì)是被氧化的基質(zhì)，同時又是電子受體。a.糖酵解作用是各種發(fā)酵的基礎(chǔ)，而發(fā)酵則是糖酵解過程的發(fā)展 b.發(fā)酵的結(jié)果仍積累某些有機物，說明基質(zhì)的氧化過程不徹底 59微生物的代謝5.2(2)呼吸作用根據(jù)反應(yīng)中氫受體不同分為兩種類型： 微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。 有氧

35、呼吸無氧呼吸 呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。 能通過呼吸作用分解的有機物包括某些碳氫化合物、脂肪酸和許多醇類。 58微生物的代謝5.2在呼吸作用中，以分子氧為最終受體的生物氧化稱為有氧呼吸(aerobic respiration)。 C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobic respiration）發(fā)酵面食的制作就是利用了微生物的有氧呼吸。除糖酵解過程外，還包括三羧循還和電子傳遞鏈兩部分反應(yīng)。微生物的代謝5.2電子傳遞基質(zhì)-H2基質(zhì)脫氫酶遞氫體遞氫體-H2還原

36、態(tài)細胞色素-H2細胞色素bca1a3氧化態(tài)細胞色素1/2O2H2O2H+氧化酶NAD FAD Q微生物的代謝5.2電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機制化學滲透學說（1961，P.Mitchell） 1978Nobel 獎ADP+Pi膜內(nèi)膜膜外2H +F0F1ATPATP+H2O微生物的代謝5.2cH+H+ADPcaH+H+H2O膜外膜內(nèi)bH+H+ADP+ PiATPATP氧 化磷酸化1997Nobel 獎構(gòu)象變化偶聯(lián)假說（1997，P.Boyer）電子傳遞過程中能量(ATP)產(chǎn)生機制微生物的代謝5.2 基質(zhì)氧化徹底生成CO2和H2O，（少數(shù)氧化不徹底，生成小分子量的有機物，如 醋酸發(fā)酵）。 E

37、系完全，分脫氫E和氧化E兩種E系。 產(chǎn)能量多，一分子G凈產(chǎn)38個ATP有氧呼吸特點：84微生物的代謝5.2無氧呼吸（anaerobic respiration ）在呼吸作用中，以氧化型化合物作為最終電子受體的生物氧化過程稱為無氧呼吸(anaerobic respiration)。 i. 硝酸鹽呼吸2i.硫酸鹽呼吸3i.碳酸鹽呼吸84微生物的代謝5.2NO2-NO3-硝酸鹽還原細菌一系列酶NON2亞硝酸還原細菌基質(zhì)-H2 基質(zhì)輔酶輔酶-H2脫氫酶一系列酶2HNO32HNO22NOHN2ON22NH2OH2NH3i. 硝酸鹽呼吸（反硝化作用）90微生物的代謝5.2 有些硫酸鹽還原菌如脫硫弧菌，以有

38、機物為氧化基質(zhì)（H2或有機物，大部分不能利用G)使硫酸鹽還原成H2S。 乳酸常被脫硫弧菌氧化成乙酸，并脫下8個H，使硫酸鹽還原為H2S。 2i.硫酸鹽呼吸（反硫化作用）SO428H 4H2OS290微生物的代謝5.2 甲烷細菌能在氫等物質(zhì)的氧化過程中，把CO2還原成甲烷，這就是碳酸鹽呼吸又稱甲烷生成作用。 CO2+4H2CH4+2H2O+ATP3i.碳酸鹽呼吸（甲烷生成作用）90微生物的代謝5.22.自養(yǎng)微生物的生物氧化(1)氨的氧化(2)硫的氧化(4)氫的氧化(3)鐵的氧化微生物的代謝5.258(1)硝化細菌的能量代謝（氨的氧化）NH3 NO2亞硝酸菌NH3+1.5 O2 NO2 +H2O

39、+ H+ + 65.1 NO2 NO3硝 酸 菌NO2-+0.5O2 NO3 + 18.1NO2-+H2ONO3-+2H2e-細胞色素a1細胞色素a3H2O0.5O2+2H+微生物的代謝5.294(2)硫細菌的 能量代謝（硫的氧化）H2S + 0.5 O2 S + H2O + 能量S+1.5 O2 + H2O SO4 +2H+ 能量微生物的代謝5.294(3)鐵的氧化 從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵的氧化，對于少數(shù)細菌來說也是一種產(chǎn)能反應(yīng)，但從這種氧化中只有少量的能量可以被利用。亞鐵的氧化僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus ferrooxidans)中進行了較為詳細的研究。 微生物的代

40、謝5.294(4)氫細菌的 能量代謝（氫的氧化）H2+0.5 O2 H2O + 能量用途:用于生產(chǎn)單細胞蛋白微生物的代謝5.2943.生物氧化過程中的能量轉(zhuǎn)化(1)底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)(2)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)(3)光合磷酸化( photophosphorylation)58微生物的代謝5.2(1)底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成。這種產(chǎn)生ATP等高能

41、分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中， 也存在于呼吸過程中。微生物的代謝5.2草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸草酰琥珀酸- 酮戊二酸琥珀酰輔酶A琥珀酸延胡索酸蘋果酸丙酮酸乙酰輔酶AGTPGDP+Pi三羧酸循 環(huán)底物水平磷酸化發(fā)生在呼吸作用過程中微生物的代謝5.299(2)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 通過呼吸鏈產(chǎn)生ATP的過程稱為電子傳遞水平磷酸化或氧化磷酸化。 這種磷酸化的 特點是當由物質(zhì)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子和電子向最終電子受體轉(zhuǎn)移時需經(jīng)過一系列的氫和電子傳遞體，每個 傳遞體都是一個氧化還原系統(tǒng)。這一系列的氫和電子傳遞體在不同生物中大同小異，構(gòu)成

42、一條鏈，稱其為呼吸鏈。流動的電子通過呼吸鏈時逐步釋放出能量，該能量可使ADP生成ATP。99 i.環(huán)式光合磷酸化2i.非環(huán)式光合磷酸化3i.嗜鹽菌紫膜的光合作用(3)光合磷酸化(photophosphorylation) 光合磷酸化是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能的過程。在這種轉(zhuǎn)化過程中光合色素起著重要作用。微生物中藍細菌、光合細菌以及嗜鹽細菌的光合色素的光合磷酸化特點均有所不同。微生物的代謝5.299i.環(huán)式光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）代表微生物光合作用部位光合作用特點紅螺菌科紅硫菌科綠硫菌科菌綠素光反應(yīng)和暗反應(yīng)組成,只有一個光反應(yīng)系統(tǒng)不放氧。 微生物的代謝5.2

43、Cyt.bc1e-e-e-e-環(huán)式光合磷酸化的光反應(yīng)QABphCyt.c2QBQ庫e-P870*P870e-外源電子供體H2S等ADP+PiATPNAD(P)NAD(P)H2外源H2逆電子傳遞微生物的代謝5.2環(huán)式光合磷酸化的暗反應(yīng)光能轉(zhuǎn)變的化學能CO2有機物ATPNADH2微生物的代謝5.2只有一個光反應(yīng)系統(tǒng)，有光反應(yīng)和暗反應(yīng)環(huán)式光合磷酸化特點： 不放氧消耗ATP不產(chǎn)還原劑NADH2，固定CO2所需NADH2來自電子傳遞微生物的代謝5.21042i.非環(huán)式光合磷酸化（non-cyclic photophosphorylation）微生物的代謝5.2非環(huán)式光合磷酸化特點兩個光反應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)還原劑N

44、ADH2，產(chǎn)ATP和O2電子傳遞屬非循環(huán)式的在有氧條件下進行微生物的代謝5.21043i.紫膜光合磷酸化（photophosphorylation by purple membrance）ATP酶紫 膜H+H+H+-+-細胞壁紅 膜H+ADP+PiATP微生物的代謝5.2微生物的代謝5.21045.2.3 耗能代謝1.細胞物質(zhì)的合成2.其他耗能反應(yīng)微生物的代謝5.21.細胞物質(zhì)的合成(1)CO2的同化（固定）(2)生物固氮(3)大分子前體物質(zhì)的合成(4)微生物合成的次生代謝產(chǎn)物111微生物的代謝5.2(1)CO2的同化（固定） CO2是自養(yǎng)微生物的唯一碳源。異養(yǎng)微生物也能利用CO2作為補嘗的碳

45、源。 將空氣中的CO2同化成為細胞有機物的過程稱為CO2的同化。(CO2的固定)微生物的代謝5.2自養(yǎng)微生物對CO2的固定微生物的代謝5.2異養(yǎng)微生物對CO2的固定112微生物的代謝5.2(2)生物固氮（biological nitrogen fixation）i.固氮微生物2i.根瘤菌和根瘤的形成3i.固氮作用生化機制4i.好氧菌固氮酶避氧害機制112微生物的代謝5.2i.固氮微生物(nitrogen fixing organisms ,diazotrophs）自生固氮菌好氧自生固氮菌固氮菌屬巴氏芽孢梭菌厭氧自生固氮菌兼性厭氧自生固氮菌克雷伯氏菌屬聯(lián)合固氮菌 根際、葉面、動物腸道等處 的固氮

46、微生物共生固氮菌滿江紅魚腥藻根瘤植物豆科植物地衣118微生物的代謝5.22i.根瘤菌和根瘤的形成根瘤菌形態(tài)根瘤菌特點根瘤的形成感染性專一性有效性微生物的代謝5.2根毛彎曲松馳變軟根瘤菌侵入根毛根瘤形成吲哚乙酸色氨酸植物分泌微生物根瘤(Nodle)的形成微生物的代謝5.2地衣微生物的代謝5.2滿江紅魚星藻微生物的代謝5.21183i.固氮的生化機制生物固氮反應(yīng)的6要素固氮酶 ATP的供應(yīng)還原力及其傳遞載體還原底物 N2鎂離子嚴格的厭氧微環(huán)境微生物的代謝5.2固氮酶 固氮酶：是氮氣還原的生物催化劑。其分子量很大，一般都含有2種蛋白組分：-鉬鐵蛋白：由4個亞單位組成，分子量200-240KDa，含2個Mo原子，302Fe原子，還含有大致相等的不穩(wěn)定的S原子； -鐵蛋白：由2 個亞單位組成，分子量57-72KDa,4個Fe原子和4個不穩(wěn)定的S原子。作用的條件：兩組分結(jié)合后才起固氮作用；能量問題以及電子供體和載體；氧的影響；氨的