新陳代謝：發(fā)生在活細胞中各種分解代謝（catabolism）和合成代謝（anabolism）總和。 新陳代謝=分解代謝+合成代謝

分解代謝：指復雜有機物分子經過分解代謝酶系催化，產生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式能量和還原力作用。

合成代謝：指在合成代謝酶系催化下，由簡單小分子、ATP形式能量和還原力一起合成復雜大分子過程。微生物的新陳代謝專題知識講座第1頁講授內容第一節(jié)微生物能量代謝一、化能異養(yǎng)微生物生物氧化和產能二、自養(yǎng)微生物產ATP和產還原力第二節(jié)分解代謝和合成代謝聯(lián)絡一、兩用代謝路徑二、代謝物回補次序第三節(jié)微生物獨特合成代謝一、自養(yǎng)微生物CO2固定二、生物固氮三、肽聚糖生物合成微生物的新陳代謝專題知識講座第2頁第一節(jié)微生物能量代謝有機物化能異養(yǎng)菌光能營養(yǎng)菌化能自養(yǎng)菌ATP日光（光能）還原態(tài)無機物最初能源微生物的新陳代謝專題知識講座第3頁一、化能異養(yǎng)微生物生物氧化生物氧化功效：ATP、[H]、小分子代謝物生物氧化形式：加氧、脫氫、失電子生物氧化過程：脫氫、遞氫、受氫

生物氧化類型：有氧呼吸、無氧呼吸、發(fā)酵微生物的新陳代謝專題知識講座第4頁微生物氧化形式生物氧化作用：細胞內代謝物以氧化作用釋放（產生）能量化學反應。氧化過程中能產生大量能量，分段釋放，并以高能鍵形式貯藏在ATP分子內，供需時使用。生物氧化方式：①和氧直接化合：

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O②失去電子：

Fe2+→Fe3++e-③化合物脫氫或氫傳遞:

CH3-CH2-OHCH3-CHONADNADH2微生物的新陳代謝專題知識講座第5頁生物氧化過程普通包含三個步驟：①底物脫氫（或脫電子）（該底物稱作電子供體或供氫體）②氫（或電子）傳遞（需中間傳遞體，如NAD、FAD等）③氫受體接收氫（或電子）（最終電子受體或最終氫受體）底物脫氫路徑1、EMP路徑2、HMP3、ED4、TCA微生物的新陳代謝專題知識講座第6頁一、化能異養(yǎng)微生物生物氧化（一）底物脫氫4條路徑

EMP路徑：糖酵解路徑

HMP路徑：戊糖磷酸路徑

ED路徑：2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸KDPG路徑

TCA循環(huán)：三羧酸循環(huán)路徑微生物的新陳代謝專題知識講座第7頁（一）底物脫氫4條路徑

1.EMP路徑：糖酵解路徑（10步反應）2ATP2NADH+H+2丙酮酸4ATP2ATP耗能階段產能階段C6為葡萄糖，C3為3-磷酸-甘油醛C6C3微生物的新陳代謝專題知識講座第8頁

EMP路徑是絕大多數(shù)生物所共有基本代謝路徑，因而也是酵母菌、真菌和多數(shù)細菌所含有代謝路徑。在有氧條件下，EMP路徑與TCA路徑連接，并經過后者把丙酮酸徹底氧化成CO2和H20。在無氧條件下，丙酮酸或其深入代謝后所產生乙醛等產物被還原，從而形成乳酸或乙醇等發(fā)酵產物。

微生物的新陳代謝專題知識講座第9頁

HMP路徑（hexosemonophosphatepathway）:已糖磷酸路徑、戊糖磷酸路徑、Warburg-Dickens路徑或磷酸葡萄糖酸路徑。這是一條葡萄糖不經EMP路徑和TCA路徑而得到徹底氧化，并能產生大量NADPH＋H+形式還原力和各種主要中間代謝物代謝路徑。

2.HMP路徑---6-磷酸葡萄糖酸路徑微生物的新陳代謝專題知識講座第10頁

HMP路徑可概括成三個階段：①葡萄糖分子經過幾步氧化反應產生核酮糖-5-磷酸和CO2；②核酮糖-5-磷酸發(fā)生同分異構化或表異構化（epimerization）而分別產生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸；③上述各種戊糖磷酸在沒有氧參加條件下發(fā)生碳架重排，產生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可經過以下兩種方式深入代謝：其一為經過EMP路徑轉化成丙酮酸再進入TCA循環(huán)進行徹底氧化，另一為經過果糖二磷酸醛縮酶和果糖二磷酸酶作用而轉化為己糖磷酸。

微生物的新陳代謝專題知識講座第11頁6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O

5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP路徑總反應微生物的新陳代謝專題知識講座第12頁HMP路徑主要意義為核苷酸和核酸生物合成提供戊糖-磷酸。產生大量NADPH2，首先為脂肪酸、固醇等物質合成提供還原力，另方面可經過呼吸鏈產生大量能量。與EMP路徑在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸處連接，能夠調劑戊糖供需關系。路徑中赤蘚糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、堿基合成、及多糖合成。路徑中存在3~7碳糖，使含有該路徑微生物所能利用利用碳源譜更為更為廣泛。經過該路徑可產生許各種主要發(fā)酵產物。如核苷酸、若干氨基酸、輔酶和乳酸（異型乳酸發(fā)酵）等。微生物的新陳代謝專題知識講座第13頁3.ED路徑(KDPG路徑)-----4步反應ED路徑（Entner-Doudoroffpathway）又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）裂解路徑。此路徑最早（1952）由Entner和Doudoroff兩人在嗜糖假單胞菌Pseudomonassaccharophila中發(fā)覺，接著許多學者證實它在細菌中廣泛存在。ED路徑是少數(shù)缺乏完整EMP路徑微生物所含有一個替換路徑，在其它生物中還沒有發(fā)覺。其特點是葡萄糖只經過4步反應即可快速取得由EMP路徑須經10步才能取得丙酮酸。微生物的新陳代謝專題知識講座第14頁ED路徑是少數(shù)EMP路徑不完整細菌比如PseudomonasZymomonas等所特有利用葡萄糖替換路徑，其特點是利用葡萄糖反應步驟簡單，產能效率低（1分子葡萄糖僅產1分子ATP，為EMP路徑之半），反應中有一個6碳關鍵中間代謝物——KDPG。微生物的新陳代謝專題知識講座第15頁ED路徑特點葡萄糖經轉化為KDPG

后，經脫氧酮糖酸醛縮酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再經EMP路徑轉化成為丙酮酸。結果是1分子葡萄糖產生2分子丙酮酸，1分子ATP。關鍵中間代謝物KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛。特征酶是KDPG醛縮酶.反應步驟簡單，產能效率低.

此路徑可與EMP路徑、HMP路徑和TCA循環(huán)相連接，可相互協(xié)調以滿足微生物對能量、還原力和不一樣中間代謝物需要。好氧時與TCA循環(huán)相連，厭氧時進行乙醇發(fā)酵.微生物的新陳代謝專題知識講座第16頁由表可見，在微生物細胞中，有同時存在多條路徑來降解葡萄糖，有只有一個。在某一詳細條件下，擁有多條路徑某種微生物終究經何種路徑代謝，對發(fā)酵產物影響很大。微生物的新陳代謝專題知識講座第17頁4.TCA循環(huán)-----分解代謝和合成代謝樞紐又稱三羧酸循環(huán)、Krebs循環(huán)或檸檬酸循環(huán)。這是一個循環(huán)方式反應次序，絕大多數(shù)異養(yǎng)微生物氧化性（呼吸）代謝中起著關鍵性作用。在真核微生物中，TCA循環(huán)反應在線粒體內進行，其中大多數(shù)酶定位在線粒體基質中；在原核生物比如細菌中，大多數(shù)酶都存在于細胞質內。只有琥珀酸脫氫酶屬于例外，它在線粒體或細菌中都是結合在膜上。微生物的新陳代謝專題知識講座第18頁丙酮酸在進入三羧酸循環(huán)之先要脫羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸縮合成檸檬酸再進入三羧酸循環(huán)。循環(huán)結果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子乙酰CoA可產生12分子ATP，草酰乙酸參加反應而本身并不消耗。微生物的新陳代謝專題知識講座第19頁TCA循環(huán)主要特點1、循環(huán)一次結果是乙酰CoA乙?；谎趸癁?分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；2、整個循環(huán)有四步氧化還原反應，其中三步反應中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；3、為糖、脂、蛋白質三大物質轉化中心樞紐。4、循環(huán)中一些中間產物是一些主要物質生物合成前體；5、生物體提供能量主要形式；6、為人類利用生物發(fā)酵生產所需產品提供主要代謝路徑。如檸檬酸發(fā)酵；Glu發(fā)酵等。微生物的新陳代謝專題知識講座第20頁一、化能異養(yǎng)微生物生物氧化（二）遞氫與受氫★經上述脫氫路徑生成NADH、NADPH、FAD等還原型輔酶經過呼吸鏈等方式進行遞氫，最終與受氫體（氧、無機或有機氧化物）結合，以釋放其化學潛能★依據(jù)遞氫尤其是受氫過程中氫受體性質不一樣,把微生物能量代謝分為呼吸作用和發(fā)酵作用兩大類.發(fā)酵作用：沒有任何外援最終電子受體生物氧化模式呼吸作用：有外援最終電子受體生物氧化模式；★呼吸作用又可分為兩類：有氧呼吸——最終電子受體是分子氧O2;

無氧呼吸——最終電子受體是無機氧化物，如NO3-、SO42-

微生物的新陳代謝專題知識講座第21頁微生物的新陳代謝專題知識講座第22頁1.呼吸-------完全電子呼吸鏈呼吸（respiration是最普遍和最主要生物氧化方式，特點是底物脫氫后，經完整呼吸鏈又稱電子傳遞鏈遞氫，最終由分子氧接收氫并產生水和釋放能量（ATP）。因為呼吸必須在有氧條件下進行，所以又稱有氧呼吸（aerobicrespiration）。呼吸鏈是指位于原核生物細胞膜上或真核生物線粒體膜上由一系列氧化還原勢不一樣氫傳遞體（或電子傳遞體）組成一組鏈狀傳遞次序，它能把氫或電子從低氧化還原勢化合物處傳遞給高氧化還原勢無機、有機氧化物，并使它們還原。在氫或電子傳遞過程中，經過與氧化磷酸化反應發(fā)生偶聯(lián)，就可產生ATP形式能量。微生物的新陳代謝專題知識講座第23頁電子傳遞與氧化呼吸鏈定義：由一系列氧化還原勢不一樣氫傳遞體組成一組鏈狀傳遞次序。在氫或電子傳遞過程中，經過與氧化磷酸化反應發(fā)生偶聯(lián)，就可產生ATP形式能量。部位：原核生物發(fā)生在細胞膜上，真核生物發(fā)生在線粒體內膜上組員：電子傳遞是從NAD到O2，電子傳遞鏈中電子傳遞體主要包含F(xiàn)MN、CoQ、細胞色素b、c1、c、a、a３和一些鐵硫旦白。這些電子傳遞體傳遞電子次序，按照它們氧化還原電勢大小排列，電子傳遞次序如下：微生物的新陳代謝專題知識講座第24頁MH2→→

→

NAD FMN C0Q b(-0.32v) (0.0v) C1 C a a3 O2 H2O(+0.26)(+0.28)(+0.82v)呼吸鏈中NAD+/NADHE0’值最小，而O2/H2OE0’值最大，所以，電子傳遞方向是：NADH O2上式表明還原型輔酶氧化，氧消耗，水生成。NADH+H+和FADH2氧化，都有大量自由能釋放。證實它們均帶電子對，都含有高轉移勢能，它推進電子從還原型輔酶順坡而下，直至轉移到分子氧。電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。微生物的新陳代謝專題知識講座第25頁呼吸鏈功效：一是傳遞電子；二是將電子傳遞過程中釋放能量合成ATP——這就是電子產能磷酸化作用（或稱氧化磷酸化作用）。微生物的新陳代謝專題知識講座第26頁ATP結構和生成能源物質：三磷酸腺苷（ATP）、磷酸肌酸（CP）、肌糖元、脂肪等

ATP又叫三磷酸腺苷，其結構式是：A—P～P～P

它是一個含有高能磷酸鍵有機化合物，它大量化學能就儲存在高能磷酸鍵中。

ATP是生命活動能量直接起源，但本身在體內含量并不高。人體預存ATP能量只能維持15秒，跑完100m后就全部用完，不足繼續(xù)經過呼吸作用等合成ATP。ATP生成方式:光合磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞磷酸化｛｛微生物的新陳代謝專題知識講座第27頁光合磷酸化:利用光能合成ATP反應.光合磷酸化作用將光能轉變成化學能,以用于從二氧化碳合成細胞物質.主要是光合微生物。光合微生物:藻類、藍細菌、光合細菌（包含紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。細菌光合作用與高等植物不一樣是，除藍細菌含有葉綠素、能進行水裂解進行產氧光合作用外，其它細菌沒有葉綠素，只有菌綠素或其它光合色素，只能裂解無機物（如H2、H2S等）或簡單有機物，進行不產氧光合作用。微生物的新陳代謝專題知識講座第28頁氧化磷酸化：利用化合物氧化過程中釋放能量生成ATP反應。氧化磷酸化生成ATP方式有兩種：底物水平磷酸化——不需氧電子傳遞磷酸化——需氧底物水平磷酸化：底物水平磷酸化是在某種化合物氧化過程中可生成一個含高能磷酸鍵化合物，這個化合物經過對應酶作用把高能鍵磷酸根轉移給ADP，使其生成ATP。這種類型氧化磷酸化方式在生物代謝過程中較為普遍。催化底物水平磷酸化酶存在于細胞質內微生物的新陳代謝專題知識講座第29頁底物水平磷酸化舉例：因為脫掉一個水分子，2一磷酸甘油酸低能酯鍵轉變?yōu)?一磷酸烯醇丙酮酸中高能烯醇鍵。這種高能連接磷酸能夠轉給ADP，產生ATP分子。在微生物代謝活動中，主要高能磷酸化合物除上述一些物質外，還有1，3一二磷酸甘油酸和乙酰磷酸等。微生物的新陳代謝專題知識講座第30頁

在電子傳遞磷酸化中，經過呼吸鏈傳遞電子，將氧化過程中釋放能量和ADP磷酸化偶聯(lián)起來，形成ATP。電子傳遞磷酸化其機制很多，當前仍在繼續(xù)研究中。至今能取得多數(shù)學者接收是1978年諾貝爾獎取得者英國學者P．Mitchell在1961年所提出化學滲透學說（chemiosmotichypothesis）。微生物的新陳代謝專題知識講座第31頁主要觀點：在氧化磷酸化過程中，經過呼吸鏈酶系作用，將底物分子上質子從膜內側傳遞至外側，從而造成了質子在膜兩側分布不均衡，即形成了質子梯度差（又稱質子動勢、pH梯度等）。這個梯度差就是產生ATP能量起源，因為它可經過ATP酶逆反應，把質子從膜外側再輸回到內側，結果首先消除了質子梯度差，同時就合成了ATP。微生物的新陳代謝專題知識講座第32頁2.無氧呼吸-------部分電子呼吸鏈ADP+PiATP硝酸鹽呼吸（反硝化）、硫酸鹽呼吸、鐵呼吸、碳酸鹽呼吸等又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端氫受體為外源無機氧化物（個別為有機氧化物）生物氧化。這是一類在無氧條件下進行產能效率較低特殊呼吸。其特點是底物按常規(guī)路徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)無機物（個別是有機物延胡索酸）受氫。微生物的新陳代謝專題知識講座第33頁無氧呼吸幾個類型（受體）硝酸鹽還原細菌在厭氧條件下以NO3-作電子受體C6H12O6＋6H2O6CO2＋24[H](脫H酶）24[H]+4NO32N2+12H2O（硝酸還原酶）E硫酸鹽細菌以SO42-為受體2CH3CHOHCOOH+H2SO42CH3COOH+2CO2+2H2O+H2S+能量嚴格厭氧大多數(shù)產甲烷細菌以CO2為受體4H2+CO2CH4+2H2O+能量微生物的新陳代謝專題知識講座第34頁3.發(fā)酵----無氧條件下含意較多：在生物氧化中發(fā)酵是指無氧條件下，底物脫氫后所產生還原力不經過呼吸鏈傳遞而直接交給內源氧化性中間代謝產物一類低效產能反應。在發(fā)酵工業(yè)上，發(fā)酵是指任何利用厭氧或好氧微生物來生產有用代謝產物一類生產方式微生物的新陳代謝專題知識講座第35頁發(fā)酵路徑：葡萄糖在厭氧條件下分解葡萄糖產能路徑主要有EMP、HMP、ED和PK路徑。發(fā)酵類型：在上述路徑中都有還原型氫供體——NADH+H+和NADPH+H+產生，但產生量并不多，如不及時氧化再生，糖分解產能將會中止，這么微生物就以葡萄糖分解過程中形成各種中間產物為氫（電子）受體來接收NADH+H+和NADPH+H+氫（電子），于是產生了各種各樣發(fā)酵產物。依據(jù)發(fā)酵產物種類有乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁二醇發(fā)酵、及乙酸發(fā)酵等發(fā)酵作用微生物的新陳代謝專題知識講座第36頁①酵母型酒精發(fā)酵②同型乳酸發(fā)酵③丙酸發(fā)酵④混合酸發(fā)酵⑤2,3—丁二醇發(fā)酵⑥丁酸發(fā)酵丙酮酸發(fā)酵微生物的新陳代謝專題知識講座第37頁

C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脫氫酶①酵母菌乙醇發(fā)酵：※該乙醇發(fā)酵過程只在pH3.5~4.5以及厭氧條件下發(fā)生。微生物的新陳代謝專題知識講座第38頁②細菌乙醇發(fā)酵葡萄糖2-酮-3-脫氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌種：運動發(fā)酵單胞菌等路徑：ED脫羧NADH2還原P106與酵母發(fā)酵不一樣微生物的新陳代謝專題知識講座第39頁乳酸發(fā)酵乳酸細菌能利用葡萄糖及其它對應可發(fā)酵糖產生乳酸，稱為乳酸發(fā)酵。因為菌種不一樣，代謝路徑不一樣，生成產物有所不一樣，將乳酸發(fā)酵又分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧桿菌發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵：（經EMP路徑）異型乳酸發(fā)酵：（經HMP路徑）雙歧桿菌發(fā)酵:（經HK路徑—磷酸己糖解酮酶路徑）微生物的新陳代謝專題知識講座第40頁葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸

2丙酮酸①同型乳酸發(fā)酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactisLactobacillusplantarum微生物的新陳代謝專題知識講座第41頁②異型乳酸發(fā)酵：葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2微生物的新陳代謝專題知識講座第42頁③雙歧發(fā)酵：6-磷酸果糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛2乳酸2乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADH2ATP2ADP2乙酸4ADP4ATP-2H-CO2ADPATP乙酰磷酸乙酸ADPATP雙歧桿菌Bifidobacteria經過HMP發(fā)酵葡萄糖路徑：2分子葡萄糖產生3分子乙酸、2分子乳酸微生物的新陳代謝專題知識講座第43頁微生物的新陳代謝專題知識講座第44頁微生物的新陳代謝專題知識講座第45頁二、自養(yǎng)微生物生物氧化（一）化能自養(yǎng)微生物生物氧化（二）光能微生物生物氧化微生物的新陳代謝專題知識講座第46頁（一）化能自養(yǎng)微生物生物氧化一些微生物能夠從氧化無機物取得能量，同化合成細胞物質，這類細菌稱為化能自養(yǎng)微生物。它們在無機能源氧化過程中經過氧化磷酸化產生ATP。氨氧化硫氧化鐵氧化氫氧化微生物的新陳代謝專題知識講座第47頁CO2-----作為能量順呼吸鏈--------ATP---------

-----部分作為無機供氫體逆呼吸鏈-----[H]---

[CH2O]NH4+NO2-H2SSH2Fe2+微生物的新陳代謝專題知識講座第48頁

H2HS-

NH4

、S2-、SO32-S2O3-

、S0

、Fe2+

NO2-

NAD

FPQ

Cyt.cc1

Cyt.a.aa3

O2ATPATPATP

無機底物脫氫后，氫或電子進入呼吸鏈部位，正向產生ATP，逆向消耗ATP產生還原力[H]微生物的新陳代謝專題知識講座第49頁化能自養(yǎng)菌普通都是好氧菌因為化能自養(yǎng)微生物產能效率低，以及固定CO2要消耗大量ATP，所以他們產能效率、生長速度、生長得率都很低。比如硝化細菌包含亞硝化細菌或氨氧化細菌：NH3------NO2-硝化細菌或亞硝酸細菌：NO2-------N03-都是氧化作用

NH3+O2+2H++2e---------NH2OH+H2ONH2OH+H2O---------------HNO2+4H++4e-

NO2-+H2O----亞硝酸氧化酶-----NO3-+2H++2e-

以上[H]都來自于水微生物的新陳代謝專題知識講座第50頁在NO2-氧化為NO3-過程中，氧來自水分子而非空氣。當NO2-+H2O→H2O·NO2-→NO3-+2H++2e時，因為NO2-氧化還原電位很高，故H+和e只能從與其相當Cyt．a1部位進入呼吸鏈。2H++2e假如順著呼吸鏈傳遞至O2，僅能產生1個ATP。而對CO2還原所需要大量還原力[H]則是經過H+

+e逆呼吸鏈傳遞并消耗大量ATP后才能形成。所以硝化細菌能量效率、生長速度和細胞產率很低，在硝化作用旺盛土壤中，只能找到極少許硝化細菌菌體。微生物的新陳代謝專題知識講座第51頁（二）光能營養(yǎng)微生物產能和[H]光合磷酸化(photophosphorylation)

利用光能合成ATP反應.光合磷酸化作用將光能轉變成化學能,以用于從二氧化碳合成細胞物質，主要是光合微生物：藻類、藍細菌、光合細菌（紫色細菌、綠色細菌和嗜鹽菌等）。

微生物的新陳代謝專題知識講座第52頁

光合色素：葉綠素chl、細菌葉綠素（菌綠素）Bchl、類胡蘿卜素、藻膽素

光合磷酸化實質就是將光能轉化為化學能過程，詳細過程為當一個葉綠素（菌綠素）分子吸收光量子后，被激活，釋放一個電子（氧化），釋放電子進入電子傳遞系統(tǒng)，在電子傳遞過程中釋放能量，產生ATP。環(huán)式光合磷酸化非環(huán)式光合磷酸化嗜鹽菌紫膜光合作用微生物的新陳代謝專題知識講座第53頁（1）環(huán)式光合磷酸化Cyclicphotophosphorylation光合細菌主要經過環(huán)式光合磷酸化作用產生ATP，這類細菌主要包含紫色硫細菌、綠色硫細菌、紫色非硫細菌和綠色非硫細菌。在光合細菌中，吸收光量子而被激活細菌葉綠素釋放出高能電子，于是這個細菌葉綠素分子即帶有正電荷。所釋放出來高能電子次序經過鐵氧還蛋白、輔酶Q、細胞色素b和f，再返回到帶正電荷細菌葉綠素分子。在輔酶Q將電子傳遞給細胞色素f過程中，造成了質子跨膜移動，為ATP合成提供了能量。在這個電子循環(huán)傳遞過程中，光能轉變?yōu)榛瘜W能，故稱環(huán)式光合磷酸化。環(huán)式光合磷酸化可在厭氧條件下進行，產物只有ATP，無NADP(H)，也不產生分子氧。微生物的新陳代謝專題知識講座第54頁（2）非環(huán)式光合磷酸化

高等植物和藍細菌與光合細菌不一樣，它們能夠裂解水，以提供細胞合成還原能力。它們含有兩種類型反應中心，連同天線色素、初級電子受體和供體一起組成了光合系統(tǒng)Ⅰ和光合系統(tǒng)Ⅱ，這兩個系統(tǒng)偶聯(lián)，進行非環(huán)式光合磷酸化。在光合系統(tǒng)Ⅰ中，葉綠素分子P700吸收光于后被激活，釋放出一個高能電子。這個高能電子傳遞給鐵氧還蛋白(Fd)，并使之被還原。還原鐵氧還蛋白在Fd：NADP+還原酶作用下，將NADP+還原為NADPH。在光合系統(tǒng)Ⅱ中，葉綠素分子P680吸收光子后，釋放出一個高能電子。先傳遞給輔酶Q，再經過一系列電子傳遞體，最終傳遞給系統(tǒng)Ⅰ，使P700還原。失去電子P680，靠水光解產生電子來補充。高能電子從輔酶Q到光合系統(tǒng)Ⅰ過程巾，可推進ATP合成。微生物的新陳代謝專題知識講座第55頁（3）嗜鹽菌紫膜光合作用

這是近年來才揭示只有嗜鹽菌才有無葉綠素或菌綠素參加獨特光合作用。嗜鹽菌是一類必須在高鹽（3.5～5.0mol／LNaCl）環(huán)境中才能生長古細菌（archaebacteria）。它們廣泛分布在鹽湖、曬鹽場或鹽腌海產品上，常見咸魚上紫紅斑塊就是嗜鹽菌細胞群。主要代表有Halobacteriumhalobium（鹽生鹽桿菌）和H.cutirubrum（紅皮鹽桿菌）等。微生物的新陳代謝專題知識講座第56頁

嗜鹽菌因細胞內含類胡蘿卜素而使細胞呈紅色、桔黃色或黃色。它們細胞膜可分成紅色與紫色兩部分，前者主要含細胞色素和黃素蛋白等用于氧化磷酸化呼吸鏈載體，后者則十分特殊，在膜上呈斑片狀（直徑約0.5μm）獨立分布，其總面積約占細胞膜面積二分之一，這就是能進行獨特光合作用紫膜。含量占紫膜75％是一個稱作細菌視紫紅質（bacteriorhodopsin）蛋白質，它與人眼視網膜上柱狀細胞中所含一個蛋白質—視紫紅質（rhodopsin）十分相同，二者都以紫色視黃醛（retinal）作輔基。微生物的新陳代謝專題知識講座第57頁

近年來，人們對視紫紅質功效作了研究并取得了重大發(fā)覺。嗜鹽菌能夠生長在光照和氧都具備條件下，但不能生長在二者都不存在情況下。這就說明，嗜鹽菌最少可經過兩條路徑獲取能量，一條是有氧存在下氧化磷酸化路徑，另一條是有光存在下某種光合磷酸化路徑。試驗還發(fā)覺，在波長為550～600nm光照下，其ATP合成速率最高，而這一波長范圍恰與細菌視紫紅質吸收光譜相一致。

當前認為，細菌視紫紅質與葉綠素相象，在光量子驅動下，含有質子泵作用，這時它將產生H+推出細胞膜外，使紫膜內外造成一個質子梯度差。依據(jù)化學滲透學說，這一質子動勢在驅使H+經過ATP合成酶進入膜內而得到平衡時，就可合成細胞通用能源ATP。

微生物的新陳代謝專題知識講座第58頁主要特點：不經過電子傳遞，直接產生ATP微生物的新陳代謝專題知識講座第59頁意義：嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功效發(fā)覺，使在經典葉綠素和菌綠素所進行光合磷酸化之外又增添了一個新光合作用類型。紫膜光合磷酸化是迄今所知道最簡單光合磷酸化反應，這是研究化學滲透作用一個極好試驗模型，對它研究正在大力開展。對其機制揭示，將是生物學基本理論中又一項重大突破，并無疑會對人類生產實踐比如太陽能利用和海水淡化等帶來巨大推進力。微生物的新陳代謝專題知識講座第60頁第二節(jié)分解代謝和合成代謝關系分解代謝與合成代謝二者聯(lián)絡緊密，互不可分。

微生物的新陳代謝專題知識講座第61頁一、兩用代謝路徑

凡在分解代謝和合成代謝中均含有功效路徑，稱為兩用代謝路徑。EMP路徑、HMP路徑和TCA循環(huán)等都是主要兩用代謝路徑。微生物的新陳代謝專題知識講座第62頁二、代謝回補次序

又稱代謝賠償路徑或填補路徑。

指能補充兩用代謝路徑中因合成代謝而消耗中間代謝產物那些反應。（生物合成中所消耗中間產物若得不到補充，循環(huán)就會中止。）經過這種機制，一旦主要產能路徑中某種關鍵中間代謝物必須被大量用作生物合成原料而抽走時，仍可確保能量代謝正常進行。

不一樣種類微生物或同種微生物在不一樣碳源條件下，有不一樣代謝回補次序。

微生物的新陳代謝專題知識講座第63頁主要圍繞EMP路徑中PEP和TCA循環(huán)中OA這兩種關鍵性中間代謝物來進行?；匮a路徑與EMP路徑和TCA循環(huán)相關回補次序約有10條。微生物的新陳代謝專題知識講座第64頁一些微生物所特有代謝回補次序。是TCA循環(huán)一條回補路徑。能夠利用乙酸微生物含有乙酰CoA合成酶，它使乙酸轉變?yōu)橐阴oA。然后乙酰CoA在異檸檬酸裂合酶和蘋果酸合成酶作用下進入乙醛酸循環(huán)。

乙醛酸循環(huán)主要反應：

異檸檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸蘋果酸琥珀酸+乙酸→→→異檸檬酸凈反應：2乙酸蘋果酸乙醛酸循環(huán)（乙醛酸支路）微生物的新陳代謝專題知識講座第65頁乙醛酸循環(huán)含有乙醛酸循環(huán)微生物普遍是好氧菌。如以乙酸為唯一碳源一些細菌：醋桿菌屬、固氮菌屬、產氣腸桿菌、脫氮副球菌、熒光假單胞菌、和紅螺菌屬等；真菌中酵母菌屬、青霉屬和黑曲霉等。微生物的新陳代謝專題知識講座第66頁第三節(jié)微生物獨特合成代謝路徑舉例一、自養(yǎng)微生物CO2固定二、生物固氮三、微生物結構大分子——肽聚糖生物合成四、微生物次生代謝物合成微生物的新陳代謝專題知識講座第67頁一、自養(yǎng)微生物CO2固定

各種自養(yǎng)微生物在其生物氧化包含氧化磷酸化、發(fā)酵和光合磷酸化中獲取能量主要用于CO2固定。在微生物中，至今已了解CO2固定路徑有4條。兩類自養(yǎng)生物固定CO2條件和路徑微生物的新陳代謝專題知識講座第68頁二、生物固氮

生物固氮作用：將大氣中分子態(tài)氮經過微生物固氮酶催化而還原成氨過程。大氣中90%以上分子態(tài)氮，都是由微生物固定成氮化物，生物固氮是地球上僅次于光合作用生物化學反應。（一）固氮微生物

80余屬，全部為原核生物（包含古生菌），主要包含細菌、放線菌和藍細菌。

依據(jù)固氮微生物與高等植物及其它生物關系，可將它們分為以下3類：

1、自生固氮微生物

2、共生固氮微生物

3、聯(lián)合固氮微生物微生物的新陳代謝專題知識講座第69頁1、自生固氮菌

獨立生活情況下能夠固氮微生物。生活在土壤或水域中，能獨立地進行固氮，但并不將氨釋放到環(huán)境中，而是合成氨基酸，組成本身蛋白質。自生固氮微生物固氮效率較低，每消耗1克葡萄糖大約只能固定10~20毫克氮。微生物的新陳代謝專題知識講座第70頁2、共生固氮菌

與其它生物形成共生體，在共生體內進行固氮微生物。只有在與其它生物緊密地生活在一起情況下，才能固氮或才能有效地固氮；并將固氮產物氨，經過根瘤細胞酶系統(tǒng)作用，及時運輸給植物體各部，直接為共生體提供氮源。共生體系固氮效率比自生固氮體系高得多，每消耗

1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。微生物的新陳代謝專題知識講座第71頁3、聯(lián)合固氮菌

聯(lián)合固氮作用是固氮微生物與植物之間存在一個簡單共生現(xiàn)象。它既不一樣于經典共生固氮作用，也不一樣于自生固氮作用。這些固氮微生物僅存在于對應植物根際，不形成根瘤，但有較強專一性，固氮效率比在自生條件下高。

通常在水域環(huán)境中，共生性固氮系統(tǒng)不常見。大量氮主要靠自由生活微生物固定，在有氧區(qū)主要是藍細菌作用，在無氧區(qū)主要是梭菌作用。微生物的新陳代謝專題知識講座第72頁1、生物固氮反應6要素固氮酶ATP供給還原力及其傳遞載體還原底物—N2鎂離子嚴格厭氧微環(huán)境（二）固氮生化機制2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮總反應：微生物的新陳代謝專題知識講座第73頁固二氮酶還原酶（dinitrogenasereductase）（組份Ⅱ）：是一個只含鐵蛋白。微生物的新陳代謝專題知識講座第74頁ATPADP+P(Fe4S4)2.2e-

Fd.2e-

Fd(Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo2NH3N22、固氮生化路徑氧障呼吸無氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H+H+1）Fd向氧化型固二氮酶還原酶Fe提供1個e，變?yōu)檫€原型2）還原型固二氮酶還原酶與ATP-Mg結合，改變構象3）固二氮酶在Mo上與分子氮結合，并與固二氮酶還原酶-ATP-Mg結合，形成完整固氮酶4）電子轉移，形成氧化型固二氮酶還原酶，同時形成ADP5）連續(xù)6次，固二氮酶放出2個NH3微生物的新陳代謝專題知識講座第75頁N2分子經固氮酶催化而還原成NH3后，就可與對應酮酸結合，形成各種氨基酸。微生物的新陳代謝專題知識講座第76頁（三）好氧菌固氮酶避害機制

固氮酶兩個蛋白組分對氧極其敏感，一旦遇氧就很快造成不可逆失活。固氮生化反應都必須受活細胞中各種“氧障”嚴密保護。大多數(shù)固氮微生物都是好氧菌，在長久進化過程中，已進化出適合在不一樣條件下保護固氮酶免受氧害機制。

1、好氧性自生固氮菌抗氧保護機制（1）呼吸保護固氮菌科菌種能以極強呼吸作用快速將周圍環(huán)境中氧消耗掉，使細胞周圍微環(huán)境處于低氧狀態(tài)，保護固氮酶。（2）構象保護在高氧分壓條件下，Azotobactervinelandii（維涅蘭德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等固氮酶能形成一個無固氮活性但能預防氧害特殊構象。微生物的新陳代謝專題知識講座第77頁2、藍細菌固氮酶抗氧保護機制藍細菌光照下會因光合作用放出氧而使細胞內氧濃度急劇增高⑴分化出特殊還原性異形胞：缺乏產氧光合系統(tǒng)Ⅱ，脫氫酶和氫化酶活性高，維持很強還原態(tài)；SOD活性高，解除氧毒害；呼吸強度高，可消耗過多氧。⑵非異形胞藍細菌固氮酶保護:能經過將固氮作用與光合作用進行時間上分隔來到達；經過束狀群體中央處于厭氧環(huán)境下細胞失去能產氧光合系統(tǒng)II，方便于進行固氮反應；經過提升過氧化物酶和SOD活性來除去有毒過氧化合物。3、豆科植物根瘤菌抗氧保護機制只有當嚴格控制在微好氧條件下時，才能固氮；根瘤菌還能在根毛皮層細胞內快速分裂繁殖，隨即分化為膨大而形狀各異、不能繁殖、但有很強固氮活性類菌體。許多類菌體被包在一層類菌體周膜中，膜內外有能與O2結合豆血紅蛋白。微生物的新陳代謝專題知識講座第78頁三、肽聚糖合成

合成特點：①合成機制復雜，步驟多（20步），且合成部位幾經轉移②合成過程中須要有能夠轉運與控制肽聚糖結構元件載體（UDP和細菌萜醇）參加。合成過程：依發(fā)生部位分成三個階段：細胞質階段：合成派克（Park）核苷酸細胞膜階段：合成肽聚糖單體細胞膜外階段：交聯(lián)作用形成肽聚糖結構微生物的新陳代謝專題知識講座第79頁葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸ATP ADPGln Glu葡糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡糖胺-6-磷酸乙酰CoACoAN-乙酰胞壁酸-UDP磷酸烯醇式丙酮酸PiNADPH NADPN-乙酰葡糖胺-1-磷酸

N-乙酰葡糖胺-UDPUTPPPi第一階段：細胞質內合成Park核苷酸注：UDP，尿嘧啶二磷酸，糖載體微生物的新陳代謝專題知識講座第80頁第二階段：肽聚糖單體合成G-M-P-P-類脂

M-P-P-類脂

UDPUDP-G ②

UDP ①UDP-M

P-類脂 Pi⑤

P-P-類脂桿菌肽④ 萬古霉素

5甘氨酰-tRNA③ 5tRNA插入至膜外肽聚糖合成處G-M-P-P-類脂微生物的新陳代謝專題知識講座第81頁第三階段：交聯(lián)作用微生物的新陳代謝專題知識講座第82頁肽聚糖生物合成與一些抗生素作用機制一些抗生素能抑制細菌細胞壁合成，不過它們作用位點和作用機制是不一樣。①

-內酰胺類抗生素（青霉素、頭孢霉素）：是D-丙氨酰-D-丙氨酸結構類似物，二者相互競爭轉肽酶活性中心。當轉肽酶與青霉素結合后，雙糖肽間肽橋無法交聯(lián)，這么肽聚糖就缺乏應有強度，結果形成細胞壁缺損細胞，在不利滲透壓環(huán)境中極易破裂而死亡。②桿菌肽：能與十一異戊烯焦磷酸絡合，所以抑制焦磷酸酶作用，這么也就阻止了十一異戊烯磷酸糖基載體再生，從而使細胞壁（肽聚糖）合成受阻。微生物的新陳代謝專題知識講座第83頁（一）次生代謝物

一些微生物生長到穩(wěn)定時前后，以結構簡單、代謝路徑明確、產量較大初生代謝物前體，經過復雜次生代謝路徑所合成各種結構復雜化學物。多與人類醫(yī)藥生產和保健親密相關。四、微生物次生代謝物合成微生物的新陳代謝專題知識講座第84頁1、次生代謝物分子結構復雜、代謝路徑獨特、在生長后期合成、產量較低、生理功效不很明確（尤其是抗生素）、其合成普通受質粒控制；

2、形態(tài)結構和生活史越復雜微生物（如放線菌和絲狀真菌），其次生代謝物種類也就越多；

3、次生代謝物種類極多，如抗生素，色素，毒素，生物堿，信息素，動、植物生長促進劑以及生物藥品素等；

4、次生代謝物化學結構復雜，分屬各種類型如內酯、大環(huán)內酯、多烯類、多炔類、多肽類、四環(huán)類和氨基糖類等；

5、合成路徑復雜，以各種初生代謝路徑，如糖代謝、TCA循環(huán)、脂肪代謝、氨基酸代謝以及萜烯、甾體化合物代謝等為次生代謝路徑基礎。（二）次生代謝特點微生物的新陳代謝專題知識講座第85頁次生代謝路徑于初生代謝路徑聯(lián)絡（三）微生物次生代謝物合成路徑

1、糖代謝延伸路徑

由糖類轉化、聚合產生多糖類、糖苷類和核酸類化合物，深入轉化而形成核苷類、糖苷類和糖衍生物類抗生素；

2、莽草酸延伸路徑

由莽草酸分支路徑產生氯霉素等；

3、氨基酸延伸路徑

由各種氨基酸衍生、聚合形成各種含氨基酸抗生素，如多肽類抗生素、β-內酰胺類抗生素、D-環(huán)絲氨酸和殺腺癌菌素等；

4、乙酸延伸路徑

分2條支路：

（1）乙酸經縮合后形成聚酮酐，進而合成大環(huán)內酯類、四環(huán)素類、灰黃霉素類抗生素和黃曲霉毒素；

（2）經甲羥戊酸合成異戊二烯類，深入合成主要植物生長刺激素——赤霉素或真菌毒素——隱杯傘素等。微生物的新陳代謝專題知識講座第86頁第四節(jié) 微生物代謝調控與發(fā)酵生產本節(jié)提要：微生物代謝過程中自我調整酶活性調整酶合成調整代謝調控理論應用微生物的新陳代謝專題知識講座第87頁微生物代謝過程中自我調整☆微生物代謝調整系統(tǒng)特點：準確、可塑性強，細胞水平代謝調整能力超出高等生物。成因：細胞體積小，所處環(huán)境多變。舉例：大腸桿菌細胞中存在2500種蛋白質，其中上千種是催化正常新陳代謝酶。每個細菌細胞體積只能容納10萬個蛋白質分子，所以每種酶平均分配不到100個分子。怎樣處理合成與使用效率經濟關系？處理方式：組成酶（constitutiv