第六章微生物的新陳代謝第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)微生物對有機物的分解第三節(jié)分解代謝和合成代謝的聯(lián)系第四節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例第五節(jié)微生物的代謝調節(jié)與發(fā)酵生產(chǎn)第一節(jié)微生物的能量代謝產(chǎn)能和耗能一、化能異養(yǎng)微生物的能量代謝

按照有無電子傳遞鏈，可將其分為底物水平磷酸化和電子傳遞磷酸化兩種類型。

1.底物水平磷酸化2.電子傳遞磷酸化

生物氧化的形式：與氧結合、脫氫、失去電子生物氧化的過程：脫氫、遞氫、受氫生物氧化的功能：產(chǎn)能、產(chǎn)還原力、產(chǎn)中間代謝物生物氧化的類型：呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵細菌的代謝產(chǎn)物（一）分解代謝產(chǎn)物和細菌的生化反應糖發(fā)酵試驗VP試驗甲基紅試驗枸櫞酸鹽利用試驗吲哚試驗硫化氫試驗尿素酶試驗自動化儀器分析VP試驗陰性陽性大腸桿菌：—產(chǎn)氣桿菌：+甲基紅試驗陽性陰性對照大腸桿菌：+產(chǎn)氣桿菌：—枸櫞酸利用試驗大腸桿菌：—產(chǎn)氣桿菌：+H2S試驗尿素酶試驗對照陽性陰性發(fā)酵是一種在厭氧條件下發(fā)生的、不具有以氧或無機物為電子受體的通過電子傳遞鏈傳遞電子的生物氧化過程。該發(fā)酵被稱為生理學發(fā)酵,與工業(yè)上所稱發(fā)酵完全不同。

工業(yè)上所說的發(fā)酵是指微生物在有氧或無氧條件下通過分解與合成代謝將某些原料物質轉化為特定微生物產(chǎn)品的過程。如酵母菌、蘇云金桿菌菌體生產(chǎn),抗生素發(fā)酵、乙醇發(fā)酵及檸檬酸發(fā)酵等。供微生物發(fā)酵的有機物質主要是葡萄糖和其它單糖1.發(fā)酵1、EMP途徑：EMP途徑反應步驟：（3）EMP途徑的終產(chǎn)物的去向：

2分子丙酮酸、2分子NADH+H+（4）EMP途徑的意義：提供能量和還原力；連接其它代謝途徑的橋梁；提供生物合成的中間產(chǎn)物；逆向合成多糖。反應過程：3、ED途徑：反應步驟：PK途徑--磷酸酮糖裂解途徑PK途徑(異型乳酸發(fā)酵)A.兩岐雙岐桿菌;B.明串珠菌乙醇發(fā)酵--酵母菌的乙醇發(fā)酵是一種應用與研究最早、發(fā)酵機制清楚的發(fā)酵類型。在發(fā)酵過程中,酵母菌利用EMP途徑將葡萄糖分解為丙酮酸,然后在丙酮酸脫羧酶催化下脫羧形成乙醛,乙醛在乙醇脫氫酶作用下被還原為乙醇。

在酵母菌的乙醇發(fā)酵中,發(fā)酵條件對發(fā)酵過程與產(chǎn)物影響很大。如發(fā)酵過程中的通氣狀況、培養(yǎng)基組成及pH控制均對發(fā)酵終產(chǎn)物產(chǎn)生影響。乙醇發(fā)酵是一種厭氧發(fā)酵,如將厭氧條件改為好氧條件,葡萄糖分解速度降低,乙醇生成停止。當重新返回厭氧條件時,葡萄糖分解加速,伴隨大量乙醇產(chǎn)生。巴斯德首先發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,故謂之巴斯德效應。

----混合酸與丁二醇發(fā)酵--埃希氏菌屬(Fscherichia)、沙門氏菌屬(Salmonella)和志賀氏菌屬(Shigella)等腸細菌中的一些細菌,能利用葡萄糖進行混合酸發(fā)酵:葡萄糖經(jīng)EMP途徑分解為丙酮酸,該酸在不同酶催化下進一步轉化為乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、CO2和H2,部分磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)固定1CO2后轉化為琥珀酸。腸桿菌屬(Enterobacter)和沙雷氏菌屬(Serratia)中的一些細菌,能利用葡萄糖進行丁二醇發(fā)酵:形成大量丁二醇和氣體,產(chǎn)生少量酸(圖6—11)。在混合酸和丁二醇發(fā)酵中,除琥珀酸由PEP轉化而來外,其余發(fā)酵產(chǎn)物均由丙酮酸衍變而成。

2.呼吸呼吸：底物按常規(guī)脫氫后，經(jīng)完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧接受氫并產(chǎn)生水和釋放能量（ATP）的過程。外源氫受體為O2時的呼吸稱為有氧呼吸,外源氫受體為特定無機氧化物(NO31-,SO42-,HCO31-)的呼吸稱為無氧呼吸。

TCA循環(huán)反應步驟：有一些重要的工業(yè)發(fā)酵產(chǎn)品如谷氨酸和檸檬酸,也是通過TCA循環(huán)生產(chǎn)的。谷氨酸是蛋白質的一種重要成分。谷氨酸鈉是重要的調味品——味精，過去用酸法水解小麥面筋或大豆蛋白來生產(chǎn)?，F(xiàn)在用微生物發(fā)酵法以葡萄糖為原料大量生產(chǎn)。谷氨酸由α—酮戍二酸通過轉氨基形成，α—酮戍二酸是TCA循環(huán)的中間體。當TCA循環(huán)在α—酮戍二酸合成后的下一步反應處受阻時，α—酮戍二酸就在細胞內(nèi)大量累積，進而通過轉氨作用合成大量谷氨酸，分泌到細胞外部的發(fā)酵液中(圖6-18)。目前谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)的菌種為谷氨酸棒桿菌(Corynebacteriamglatamicum)。

----也稱厭氧呼吸，指將葡萄糖等有機底物在厭氧脫氫途徑所脫之氫由呼吸鏈傳遞給外源氧化態(tài)無機物型氫受體(特殊有機受氫體為延胡索酸)的過程。無氧呼吸是一類呼吸鏈末端氫受體為外源無機氧化物(個別為有機物)的生物氧化，產(chǎn)能效率較低。按呼吸鏈末端的外源氫受體不同，無氧呼吸分為多種類型(圖6—19)。3.無氧呼吸硝酸鹽呼吸

硫酸鹽呼吸

硫呼吸

碳酸鹽呼吸

延胡索酸呼吸

二、化能自養(yǎng)微生物的能量代謝化能自養(yǎng)菌是一類從無機物的氧化中得到能量(ATP)和還原力(NADH2或NADPH2)，再通過卡爾文循環(huán)同化CO2的微生物。氫細菌、硝化細菌、硫化細菌和鐵細菌三、光能微生物的能量代謝1.光合微生物類群----藍細菌

----光合細菌

----嗜鹽細菌–

按照光合磷酸化中電子的流動路線及ATP形成方式，光合磷酸化分為環(huán)式光合磷酸化、非環(huán)式光合磷酸化及紫膜光合磷酸化3種類型。

----環(huán)式光合磷酸化-非環(huán)式光合磷酸化紫膜光合磷酸化H.halobium是一種能運動的桿菌。其細胞因內(nèi)含類胡蘿素而呈紅色、桔黃或黃色。該菌細胞膜制備物分為紅色與紫色兩部分。紅色部分的主要成分為細胞色素和黃素蛋白，這些組分構成ETC，進行經(jīng)典的電子傳遞磷酸化；紫色部分十分特殊，在膜上呈斑片狀分布，這些斑片就是能進行獨特光合作用的紫膜，其面積約占質膜總積的1/2。占紫膜物質組成約75%的蛋白組分稱細菌視紫紅質，與人眼視網(wǎng)膜上柱狀細胞中所含的視紫紅質蛋白相似，兩者都含有紫色物質視黃醛。嗜鹽菌的紫膜及其光合磷酸化

四、能量消耗

1.合成耗能2.主動運輸耗能3.細胞運動4.發(fā)光

第四節(jié)微生物獨特合成代謝途徑舉例一、自養(yǎng)微生物的CO2固定（一）Calvin循環(huán)（Calvincycle）（二）厭氧乙酰-CoA途徑（anaerobicacytyl-CoApathway）（三）逆向TCA循環(huán)（reverseTCAcycle）（四）羥基丙酸途徑（hydroxypropionatepathway）二、生物固氮（biologicalnitrogenfixation）（一）固氮微生物1、自生固氮菌：Azotobacter,Alcaligenes,Klebsiella,Paenibacillus2、共生固氮菌：Rhizobium,Frankia3、聯(lián)合固氮菌：Azospirllium,Klebsiella,PaenibacillusN2+H2=NH3Ni300（二）固氮的生化機制1、生物固氮反應的6要素①ATP的供應②還原力[H]及其傳遞載體③固氮酶：固二氮酶（組分Ⅰ）和固二氮酶還原酶（組分Ⅱ）④還原底物⑤鎂離子⑥嚴格的厭氧微環(huán)境2、測定固氮酶活力：乙炔還原法3、固氮的生化途徑：P136。4、固氮酶的產(chǎn)氫反應：P137。（三）好氧菌固氮酶避氧害機制：好氧性自生固氮菌的抗氧保護機制：呼吸保護（固氮菌科），構象保護（Av）二、肽聚糖合成

肽聚糖合成的三個階段及其主要中間代謝物

(G為葡萄糖，○G為N-乙酰葡糖胺，□M為N-乙酰胞壁酸)微生物次級代謝與次級代謝產(chǎn)物初級代謝：次級代謝：一類與生物生存有關的、涉及到產(chǎn)能代謝和耗能代謝的代謝類型，普遍存在于一切生物中。

微生物從外界吸收各種營養(yǎng)物質，通過分解代謝和合成代謝，生成維持生命活動所必需的物質和能量的過程，稱為初級代謝。某些生物為了避免在初級代謝過程某種中間產(chǎn)物積累所造成的不利作用而產(chǎn)生的一類有利于生存的代謝類型?？梢哉J為是某些生物在一定條件下通過突變獲得的一種適應生存的方式。

次級代謝只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代謝途徑和代謝產(chǎn)物因生物不同而不同，就是同種生物也會由于培養(yǎng)條件不同而產(chǎn)生不同的次級代謝產(chǎn)物。通過次級代謝合成的產(chǎn)物通常稱為次級代謝產(chǎn)物，大多是分子結構比較復雜的化合物。根據(jù)其作用，可將其分為抗生素、激素、生物堿、毒素及維生素等類型。

例如某些青霉、芽孢桿菌和黑曲霉在一定的條件下可以分別合成青霉素、桿菌肽和檸檬酸等次級代謝產(chǎn)物。Raulin培養(yǎng)基：

葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸銨0.27%、磷酸氫二銨0.04%、硫酸鎂0.027%硫酸銨0.017%、硫酸鋅0.005%、硫酸亞鐵0.005%Czapek——Dox培養(yǎng)基：

葡萄糖5%、硝酸納0.2%、磷酸氫二鉀0.1%、氯化鉀0.05%、硫酸鎂0.05%、硫酸亞鐵0.001%不同的微生物可產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物：用于青霉菌的二種培養(yǎng)基：相同的微生物在不同條件下產(chǎn)生不同的初級代謝產(chǎn)物

灰黃青素在Czapek——Dox培養(yǎng)基上培養(yǎng)時可以合成灰黃霉素，在Raulin培養(yǎng)基上培養(yǎng)時則合成褐菌素（fulvicacid）；

產(chǎn)黃青霉在在Raulin中培養(yǎng)時可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培養(yǎng)則不產(chǎn)青霉酸。

Penicilliumurticae在含有0.5×10-8M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時合成的主要次級代謝產(chǎn)物是6-氨基水楊酸，但在含0.5×10-6M的鋅離子的Czapek——Dox培養(yǎng)基里培養(yǎng)時不合成6-氨基水楊酸，但可以合成大量的龍膽醇、甲基醌醇和棒曲霉素。

次級代謝產(chǎn)物雖然也是從少數(shù)幾種初級代謝過程中產(chǎn)生的中間體或代謝產(chǎn)物衍生而來，但它的骨架碳原子的數(shù)量和排列上的微小變化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在產(chǎn)物氧化水平上的微小變化都可以導致產(chǎn)生各種各樣的次級代謝產(chǎn)物，并且每種類型的次級代謝產(chǎn)物往往是一群化學結構非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4種，桿菌肽、多粘菌素分別有10多種，而放線菌素有20多種等。對產(chǎn)生者自身的重要性不同

初級代謝產(chǎn)物，如單糖或單糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等單體以及由它們組成的各種大分子聚合物，蛋白質、核酸、多糖、脂類等通常都是機體生存必不可少的物質，只要在這些物質的合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止、重則導致機體發(fā)生突變或死亡。

次級代謝產(chǎn)物對于產(chǎn)生者本身來說，不是機體生存所必需的物質，即使在次級代謝的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙。不會導致機體生長的停止或死亡，至多只是影響機體合成某種次級代謝產(chǎn)物的能力。

次級代謝產(chǎn)物一般對產(chǎn)生者自身的生命活動無明確功能，不是機體生長與繁殖所必需的物質，也有人把超出生理需求的過量初級代謝產(chǎn)物也看作是次級代謝產(chǎn)物。

次級代謝產(chǎn)物通常都分泌到胞外，有些與機體的分化有一定的關系，并在同其它生物的生存競爭中起著重要的作用。許多次級代謝產(chǎn)物通常對人類和國民經(jīng)濟的發(fā)展有重大影響。同微生物生長過程的關系明顯不同

初級代謝自始至終存在于一切生活的機體中，同機體的生長過程呈平行關系；

次級代謝則是在機體生長的一定時期內(nèi)（通常是微生物的對數(shù)生長期末期或穩(wěn)定期）產(chǎn)生的，它與機體的生長不呈平行關系，一般可明顯地表現(xiàn)為機體的生長期和次級代謝產(chǎn)物形成期二個不同的時期。對環(huán)境條件變化的敏感性或遺傳穩(wěn)定性上明顯不同

初級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件的變化敏感性小（即遺傳穩(wěn)定性大），而次級代謝產(chǎn)物對環(huán)境條件變化很敏感，其產(chǎn)物的合成往往因環(huán)境條件變化而停止。

另外，催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶往往是一些誘導酶，它們是在產(chǎn)生菌對數(shù)生長末期或穩(wěn)定生長期里，由于某種中間代謝產(chǎn)物積累而誘導機體合成的一種能催化次級代謝產(chǎn)物合成的酶，這些酶通常因環(huán)境條件變化而不能合成。

相對來說催化初級代謝產(chǎn)物合成的酶專一性強，催化次級代謝產(chǎn)物合成的某些酶專一性不強，因此在某種次級代產(chǎn)物合成的培養(yǎng)基中加入不同的前體物時，往往可以導致機體合成不同類型的次級代謝產(chǎn)物。

初級代謝是次級代謝的基礎，它可以為次級代謝產(chǎn)物合成提供前體物和所需要的能量；

初級代謝產(chǎn)物合成中的關鍵性中間體也是次級代謝產(chǎn)物合成中的重