微生物学代谢.ppt

第五章第五章微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢新陈代谢简称代谢简称代谢(metabolism)(metabolism)，是活细胞内发生的各种，是活细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。复杂分子复杂分子简单分子简单分子+ATP+H分解代谢酶系分解代谢酶系复杂分子复杂分子简单分子简单分子+ATP+H（有机物有机物)合成代谢酶系合成代谢酶系微生物代谢特点：微生物代谢特点：1、代谢旺盛（强度高转化能力强）、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。、代谢类型多。在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作用）产生用）产生ATP形式的化学能。形式的化学能。这些能量用于：这些能量用于：1、合成代谢合成代谢；2、微生物的运、微生物的运动和运输；动和运输；3、热和光、热和光无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。是后续反应的底物。细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。进行。某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。切相关。广义的代谢广义的代谢-生命体进行的一切化学反应。生命体进行的一切化学反应。代谢分为能量代谢和物质代谢，分解代谢代谢分为能量代谢和物质代谢，分解代谢和合成代谢。和合成代谢。分解代谢：分解代谢：复杂营养物分解为简单化合物复杂营养物分解为简单化合物（异化作用）。（异化作用）。合成代谢：合成代谢：简单小分子合成为复杂大分子简单小分子合成为复杂大分子（同化作用）（同化作用）二者关系二者关系初级和次级代谢初级和次级代谢依据代谢产物在微生物中作用不同，又依据代谢产物在微生物中作用不同，又有初级代谢和次级代谢。有初级代谢和次级代谢。初级代谢：初级代谢：能使营养物转化为结构物质、能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或提供生长能量的一类具生理活性物质或提供生长能量的一类代谢。产物有小分子前体物、单体、多代谢。产物有小分子前体物、单体、多聚体等生命必需物质。聚体等生命必需物质。初级与次级代谢初级与次级代谢次级代谢：次级代谢：某些微生物中并在一定生长时某些微生物中并在一定生长时期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑期出现的一类代谢。产物有抗生素、酶抑制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动制剂、毒素、甾体化合物等，与生命活动无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必无关，不参与细胞结构，也不是酶活性必需，但对人类有用。需，但对人类有用。二者关系：先初后次，初级形成期也是生二者关系：先初后次，初级形成期也是生长期，只有大量生长，才能积累产物。长期，只有大量生长，才能积累产物。第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢化能异养微生物的化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化和产能自养微生物的自养微生物的生物氧化和产能生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式：生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程生物氧化的过程：脱氢（或脱氢（或e-）、递氢（或）、递氢（或e-）、受氢（或）、受氢（或e-）。）。生物氧化的功能：生物氧化的功能：产能（产能（ATP）、产还原力）、产还原力H、产小分子中间、产小分子中间代谢物。代谢物。生物氧化的类型：生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。呼吸、无氧呼吸、发酵。（一）底物脱氢的四条途径（一）底物脱氢的四条途径以以葡葡萄萄糖糖作作为为生生物物氧氧化化的的典典型型底底物物，在在生生物物氧氧化化的的脱脱氢氢阶阶段段中中，可可通通过过四四条条途途径径完完成成其其脱脱氢氢反反应应，并并伴伴随随还原力还原力H和能量的产生。和能量的产生。1EMP途径途径（Embden-Meyerhofpathway，糖酵解途径，己糖二磷酸途径糖酵解途径，己糖二磷酸途径）葡萄糖葡萄糖葡糖葡糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-6-磷酸磷酸果糖果糖-1，6-二磷酸二磷酸1，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:耗能反应耗能反应bb:氧化还原反应氧化还原反应EMP途径意义：途径意义：为细胞生命活动提为细胞生命活动提供供ATP和和NADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化（1）EMP途径的主要反应途径的主要反应EMP途径的简图途径的简图C6为葡萄糖，为葡萄糖，C3为甘油醛为甘油醛-3-磷酸磷酸EMP途径的总反应途径的总反应:C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H20（2）EMP终产物的去向：终产物的去向：1）有有氧氧条条件件：2NADH+H+经经呼呼吸吸链链的的氧氧化化磷磷酸酸化化反反应应产生产生6ATP；2）无氧条件：发酵）无氧条件：发酵丙酮酸还原成乳酸；丙酮酸还原成乳酸；酵酵母母菌菌（酿酿酒酒酵酵母母）的的酒酒精精发发酵酵：丙丙酮酮酸酸脱脱羧羧为为乙乙醛，乙醛还原为乙醇。醛，乙醛还原为乙醇。（3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义途径在微生物生命活动中的重要意义1）供应）供应ATP形式的能量和还原力（形式的能量和还原力（NADH2）；）；2）是连接其他几个重要代谢的桥梁（）是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED途径）途径）3）为生物合成提供多种中间代谢物；）为生物合成提供多种中间代谢物；4）通过逆向反应可进行多糖合成。）通过逆向反应可进行多糖合成。（4）生产实践意义）生产实践意义与与乙乙醇醇、乳乳酸酸、甘甘油油、丙丙酮酮、丁丁醇醇等等的的发发酵酵生生产产关关系系密密切。切。HMP途径途径(戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径)（HexoseMonophophatePathway）HMPHMP途径：途径：葡萄糖经转化成葡萄糖经转化成6-6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸后，在后，在6-6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成催化下，裂解成5-5-磷酸戊糖和磷酸戊糖和COCO2 2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，磷酸戊糖经转酮磷酸戊糖经转酮转醛酶系催转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMPEMP途径的一些酶，进一步转化为途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。丙酮酸。称为称为不完全不完全HMPHMP途径途径。由六个葡萄糖分子参加反应，由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了萄糖分子，消耗了1 1分子葡萄糖分子葡萄糖（彻底氧化成（彻底氧化成COCO2 2 和水），称和水），称完完全全HMPHMP途径。途径。HMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段HMP是一条葡萄糖不经是一条葡萄糖不经EMP途径和途径和TCA循环循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径的代谢途径1.葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷磷酸和酸和CO22.核酮糖核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖磷酸和木酮糖-5-磷酸磷酸3.上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生上述各种戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸HMP途径关键步骤：途径关键步骤：1.葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸2.6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖5-磷酸核糖磷酸核糖参与核酸生成参与核酸生成3.5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛(进入进入EMP耗能阶段耗能阶段C62C3产能阶段产能阶段4 4ATP2ATP2C32丙酮酸丙酮酸2NADH2C C6 6H H1212O O6 6+2NAD+2NAD+2ADP+2Pi 2CH+2ADP+2Pi 2CH3 3COCOOH+2NADHCOCOOH+2NADH2 2+2H+2H+2ATP+2H+2ATP+2H2 2O OHMP途径的总反应途径的总反应6葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2O5葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+PiHMP途径的总反应途径的总反应HMP途径的重要意义途径的重要意义为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。磷酸。产产生生大大量量NADPH2，一一方方面面为为脂脂肪肪酸酸、固固醇醇等等物物质质的的合合成成提提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。与与EMP途途径径在在果果糖糖-1，6-二二磷磷酸酸和和甘甘油油醛醛-3-磷磷酸酸处处连连接接，可可以调剂戊糖供需关系。以调剂戊糖供需关系。途途径径中中的的赤赤藓藓糖糖、景景天天庚庚酮酮糖糖等等可可用用于于芳芳香香族族氨氨基基酸酸合合成成、碱基合成、及多糖合成。碱基合成、及多糖合成。途途径径中中存存在在37碳碳的的糖糖，使使具具有有该该途途径径微微生生物物的的所所能能利利用用利利用的碳源谱更为更为广泛。用的碳源谱更为更为广泛。通通过过该该途途径径可可产产生生许许多多种种重重要要的的发发酵酵产产物物。如如核核苷苷酸酸、若若干干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。HMP途途径径在在总总的的能能量量代代谢谢中中占占一一定定比比例例，且且与与细细胞胞代代谢谢活活动对其中间产物的需要量相关。动对其中间产物的需要量相关。又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸（磷酸葡糖酸（KDPG）裂解途径。）裂解途径。1952年在年在Pseudomonassaccharophila中发现，后来中发现，后来证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）证明存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广）。ED途径可不依赖于途径可不依赖于EMP和和HMP途径而单独存在，途径而单独存在，是少数缺乏完整是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。径，未发现存在于其它生物中。（三）（三）ED途径途径ED途径途径ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖6-磷酸磷酸-葡萄酸葡萄酸激酶激酶（与与EMP途径连接途径连接）氧化酶氧化酶(与与HMP途径连接途径连接)EMP途径途径3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛脱水酶脱水酶2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸EMP途径途径丙酮酸丙酮酸醛缩酶醛缩酶有氧时与有氧时与TCA环连接环连接无氧时进行细菌发酵无氧时进行细菌发酵ED途径途径ED途径ED途径途径ED途径的特点途径的特点葡萄糖经转化为葡萄糖经转化为2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡萄糖酸后，磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-3-磷酸磷酸甘油醛，甘油醛，3-3-磷酸甘油醛再经磷酸甘油醛再经EMP途径途径转化成为丙酮转化成为丙酮酸。结果是酸。结果是1 1分子葡萄糖产生分子葡萄糖产生2 2分子丙酮酸，分子丙酮酸，1 1分子分子ATPATP。ED途径的特征反应是途径的特征反应是关键中间代谢物关键中间代谢物2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油磷酸甘油醛。醛。ED途径的特征酶是途径的特征酶是KDPG醛缩酶醛缩酶.反应步骤简单，产能效率低反应步骤简单，产能效率低.此途径可与此途径可与EMP途径、途径、HMP途径和途径和TCA循环相连循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌循环相连，厌氧时进行乙醇发酵氧时进行乙醇发酵.ED途径的总反应途径的总反应ATPC6H12O6ADPKDPGATP2ATPNADH2NADPH22丙酮酸丙酮酸6ATP2乙醇乙醇(有氧时经过呼吸链有氧时经过呼吸链)（无氧时进行细菌乙醇发酵）（无氧时进行细菌乙醇发酵）ED途径的总反应途径的总反应关键反应：关键反应：2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：催化的酶：6-磷酸脱水酶，磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶醛缩酶相关的发酵生产：细菌酒精发酵相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。供氧。缺点：缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低ATP有氧时经呼吸链6ATP无氧时进行发酵2乙醇2ATPNADH+H+NADPH+H+2丙酮酸ATPC6H12O6KDPGED途径的总反应（续）途径的总反应（续）4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。在膜上。（1）TCA循环的主要反应循环的主要反应C3GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成生成ATP。总反应式为：总反应式为：乙酰乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH2+FADH2+CoA+GTP 丙酮酸在进入三羧丙酮酸在进入三羧酸循环之酸循环之先要脱羧生成先要脱羧生成乙酰乙酰CoACoA，乙酰乙酰CoACoA和和草酰乙酸缩合成柠檬草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰循环的结果是乙酰CoACoA被彻底氧化成被彻底氧化成COCO2 2和和H H2 2O O，每氧化每氧化1 1分子的乙酰分子的乙酰CoACoA可产生可产生1212分子的分子的ATPATP，草草酰乙酸参与反应而本身酰乙酸参与反应而本身并不消耗。并不消耗。（2）TCA循环的特点循环的特点1）氧氧虽虽不不直直接接参参与与反反应应，但但必必须须在在有有氧氧的的条条件件下进行（下进行（NAD+和和FAD再生时需氧）；再生时需氧）；2）每每分分子子丙丙酮酮酸酸可可产产4NADH2、1FADH2、1GTP，共相当于，共相当于15ATP，产能效率极高。，产能效率极高。3）位位于于一一切切分分解解代代谢谢和和合合成成代代谢谢的的枢枢纽纽地地位位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义）生产实践意义与与发发酵酵生生产产紧紧密密相相关关（柠柠檬檬酸酸、苹苹果果酸酸、谷谷氨氨酸、延胡索酸、琥珀酸等）。酸、延胡索酸、琥珀酸等）。5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率（二）递氢和受氢（二）递氢和受氢葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出其中的能量。体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：分为：呼吸、无氧呼吸、发酵呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。三种类型。呼吸、无氧呼吸和发酵示意图呼吸、无氧呼吸和发酵示意图C6H12O6-HA-HHB-HCA、B或或CAH2，BH2或CH2-H（发酵产物：乙醇、（发酵产物：乙醇、乳酸等）乳酸等）CO2脱氢脱氢递氢递氢受氢受氢经呼吸链经呼吸链呼吸呼吸无氧无氧呼吸呼吸发酵发酵1/2O2H2ONO3-，SO42-，CO2NO2-，SO32-，CH41 1、呼吸（好氧呼吸）、呼吸（好氧呼吸）递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。能生物氧化作用。（1）特点）特点1）底物脱下的氢（）底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递；）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分形式的能量。产能量多，一分子子G净产净产38个个ATP.4)基质彻底氧化生成基质彻底氧化生成CO2和和H2O。（2）呼吸链）呼吸链1）位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由）位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。子的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。并使它们还原。典型的呼吸链典型的呼吸链不论是真核生物不论是真核生物还是原核生物，还是原核生物，呼吸链的主要组呼吸链的主要组分都是类似的。分都是类似的。呼吸链氧化磷酸化的效率呼吸链氧化磷酸化的效率每消耗每消耗1mol氧原子所产生的氧原子所产生的ATPmol数。数。用用P/O作定量表示。作定量表示。从从NAD（P）H2进入呼吸链进入呼吸链2H产生产生3ATP，从，从FADH2进入呼吸链进入呼吸链2H产生产生2ATP。原核生物呼吸链的原核生物呼吸链的P/O一般比真核细胞线粒体一般比真核细胞线粒体的低。的低。原核生物呼吸链的特点原核生物呼吸链的特点存在于细胞膜上呼吸链中的氧还载体取代性强，如CoQ可被MK取代呼吸链中的氧还载体的数量在不同的种间，不同的环境条件下可增可减有分支呼吸链的存在，表现在来自不同的底物的还原力进入呼吸链时有不同的分支，不同的微生物细胞色素系统有别，如E.Coli在缺氧时，呼吸链分为两支，即Cyt.b556Cyt.o;Cyt.b558Cyt.d外源性呼吸和内源性呼吸正常情况下，微生物利用外界供给的能源进行呼吸-外源呼吸在外界没有能源供给的情况下，微生物利有自身的储存能源进行呼吸-内源呼吸2 2、无氧呼吸（厌氧呼吸）、无氧呼吸（厌氧呼吸）某些厌氧和兼性厌氧微生物某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（机氧化物）的生物氧化。产能效率较低（不如有氧不如有氧呼吸产生的多）呼吸产生的多）。（1）特点）特点1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（）最终由氧化态的无机物或有机物受氢（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等无机物，或延胡索酸等有机物）等有机物）；3）氧化磷酸化产能。）氧化磷酸化产能。（2）无氧呼吸的类型）无氧呼吸的类型根据呼吸链末端根据呼吸链末端氢受体的不同，氢受体的不同，把无氧呼吸分成把无氧呼吸分成以下类型：以下类型：1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、N2O直至直至N2的过程。的过程。反硝化细菌：反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、造成土壤氮肥损失、NO和和N2O会污染环境。会污染环境。NO3-被还原成NO2-，N2O和N2供氢体可以为葡萄糖，乙酸，甲醇等有机物也可以是H2和NH3无氧呼吸链比有氧呼吸链短反硝化呼吸链中有脱氢酶，脱羧酶，硝酸还原酶和细胞色素b参加。2）硫酸盐呼吸）硫酸盐呼吸严格厌氧菌严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最，最终的还原产物是终的还原产物是H2S。呼吸链中只有细胞色素呼吸链中只有细胞色素c硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。菌、致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。3）硫呼吸）硫呼吸兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的的生物氧化作用。生物氧化作用。4）铁呼吸）铁呼吸某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是受体是Fe3+的无氧呼吸。的无氧呼吸。5）碳酸盐呼吸）碳酸盐呼吸以以CO2或或CO作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同分成两类：根据其还原产物不同分成两类：产甲烷菌产生产生甲烷；（以氢气为供氢体）产甲烷菌产生产生甲烷；（以氢气为供氢体）产乙酸细菌产生乙酸（以乙醇为供氢体）产乙酸细菌产生乙酸（以乙醇为供氢体）CO2+4H2CH4+2H2O+ATP产甲烷细菌产甲烷的生物化学特性产甲烷细菌产甲烷的生物化学特性产甲烷细菌代谢中特异性辅酶产甲烷细菌代谢中特异性辅酶产甲烷细菌具有其他任何微生物所没有的独特辅酶F420、F430、辅酶M、因子B、CDR因子（CO2还原因子）等生物化学成分。它们在甲烷形成中具有极为重要的作用。从不同基质形成甲烷的生化反应从不同基质形成甲烷的生化反应产甲烷细菌能利用的基质范围很窄，就单个种来说就更少，有些种仅能利用1种基质。产甲烷细菌所能利用的基质大多为最简单的一碳或二碳化合物，如CO2、CH3OH、HCOOH、CH3COOH、甲胺类等，极个别种可利用三碳异丙醇。乙酸是形成甲烷的关键性底物，约有70%的甲烷来源于乙酸。6 6）延胡索酸呼吸）延胡索酸呼吸一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。呼吸。广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。方式。狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。3 3、发酵、发酵（fermentation）底物水平磷酸化底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。过程中。物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联化合物而这些化合物可直接偶联ATP或或GTP的合成。的合成。这种产生这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。化。发酵类型很多发酵类型很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。（1）由）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵（2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵（3）通过）通过ED进行的发酵进行的发酵细菌酒精发酵细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能）由氨基酸发酵产能Stickland反应反应GEMP2丙酮酸丙酮酸2乙醛乙醛2乙醇乙醇丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶C6H12O62C2H5OH2CO22ATP（1）由）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵1）酵母菌的同型乙醇发酵）酵母菌的同型乙醇发酵参与微生物：酿酒酵母参与微生物：酿酒酵母2 2）乳酸发酵）乳酸发酵 同型乳酸发酵同型乳酸发酵指乳酸菌将指乳酸菌将G分解产生的分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程进行乳酸发酵的都是细菌。如德氏乳杆菌、嗜酸乳进行乳酸发酵的都是细菌。如德氏乳杆菌、嗜酸乳菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。乳酸发酵的两种类型：乳酸发酵的两种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵同型乳酸发酵、异型乳酸发酵细菌积累乳酸的过程细菌积累乳酸的过程是典型的乳酸发酵。如：牛是典型的乳酸发酵。如：牛奶奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料等。变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料等。同型乳酸发酵同型乳酸发酵在在糖糖的的发发酵酵中中，产产物物只只有有乳乳酸酸的的发发酵酵称称为为同同型型乳乳酸酸发酵。发酵。GPEPC3H6O3过过程：程：进行同型乳酸发酵的细菌：德氏乳杆菌、进行同型乳酸发酵的细菌：德氏乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。H反应式反应式：C6H12O6+2ADP+Pi2C3H6O3+2ATP3）丙酸发酵）丙酸发酵谢氏丙酸杆菌谢氏丙酸杆菌将将G分解产生的丙酮酸逐渐分解产生的丙酮酸逐渐转化为丙酸的过程。转化为丙酸的过程。丙酮酸丙酮酸某某些些细细菌菌通通过过发发酵酵将将G变变成成琥琥珀珀酸酸，乳乳酸酸、甲甲酸酸、H2和和CO2等多种代谢产物。等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。4 4）混合酸发酵）混合酸发酵混合酸发酵混合酸发酵 用于细菌分类鉴定用于细菌分类鉴定甲基红反应甲基红反应：检验：检验E.coli 经经EMP途径的混合酸发途径的混合酸发酵。甲基红指示剂酵。甲基红指示剂pH4.2红色红色,pH6.3橙黄色。橙黄色。产酸使指示剂变色。产酸使指示剂变色。5）2，3-丁二醇发酵丁二醇发酵产气肠杆菌产气肠杆菌将将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为分解产生的丙酮酸逐渐转化为2，3-丁二醇丁二醇的过程。的过程。V.P反应反应细菌的鉴定：细菌的鉴定：（3羟基丁酮）羟基丁酮）6）丁酸型发酵）丁酸型发酵由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮丁醇梭菌所进行的将丁醇梭菌所进行的将G分解产生的丙酮酸逐渐转分解产生的丙酮酸逐渐转化为丁醇、丙酮的过程。化为丁醇、丙酮的过程。（2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵异型乳酸发酵异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和乙酸和CO2等多种产物的发酵。等多种产物的发酵。肠肠膜膜明明串串珠珠菌菌、乳乳脂脂明明串串珠珠菌菌、短短乳乳杆杆菌菌和和两两歧歧双双歧杆菌进行异型乳酸发酵。歧杆菌进行异型乳酸发酵。1）异异型型乳乳酸酸发发酵酵的的经经典典途途径径2）异异型型乳乳酸酸发发酵酵的的双双歧歧杆杆菌菌途途径径3）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较（3）通过）通过ED途径进行的乙醇发酵途径进行的乙醇发酵细菌的乙醇发酵细菌的乙醇发酵参与微生物参与微生物：运动发酵单孢菌：运动发酵单孢菌发酵途径：发酵途径：ED途径途径反应式：反应式：C6H12O62C2H5OH+2CO2+ATPGED2丙酮酸丙酮酸2乙醛乙醛2乙醇乙醇丙酮酸丙酮酸脱羧酶脱羧酶H糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展解过程的发展发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化过程不彻底化过程不彻底基质是被氧化的基质同时又是电子受体基质是被氧化的基质同时又是电子受体。（4 4）由氨基酸发酵产能）由氨基酸发酵产能Stickland反应反应少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1ATP。氢供体：丙氢供体：丙AA、亮、亮AA、异亮、异亮AA、缬、缬AA、苯丙、苯丙AA、丝丝AA、组、组AA、色、色AA等。等。氢受体：甘氢受体：甘AA、脯、脯AA、羟脯、羟脯AA、鸟、鸟AA、精、精AA、色色AA等。等。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。（5）发酵中的产能反应）发酵中的产能反应发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物发酵是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式。氧化形式。其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧化磷酸化相比化磷酸化相比,产能效率极低。产能效率极低。底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物,如如:EMP途径中：途径中：1.3-二磷酸甘油酸、二磷酸甘油酸、PEP；异型乳酸发酵中：乙酰磷酸异型乳酸发酵中：乙酰磷酸TCA循环中：琥珀酰循环中：琥珀酰-CoA等含高能磷酸键的产物。等含高能磷酸键的产物。在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙酰在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙酰磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。微生物与氧微生物与氧与分子氧的不同关系与分子氧的不同关系与分子氧的不同关系与分子氧的不同关系1、好氧微生物、好氧微生物aerobic有氧条件下生长，进行有氧呼吸。有氧条件下生长，进行有氧呼吸。2、厌氧微生物、厌氧微生物anaerobic不需分子氧，进行无氧呼吸或发酵。不需分子氧，进行无氧呼吸或发酵。专性厌氧菌专性厌氧菌只能在无氧条件下生长，分子氧只能在无氧条件下生长，分子氧对其有害。主要梭菌、产甲烷细菌、脱硫弧菌。对其有害。主要梭菌、产甲烷细菌、脱硫弧菌。耐气厌氧菌（耐气厌氧菌（aerotolerant)无论有氧无氧，无论有氧无氧，都进行发酵，分子氧无害。如乳酸菌。都进行发酵，分子氧无害。如乳酸菌。3、兼性厌氧微生物、兼性厌氧微生物facultativeanaerobic有氧与无氧条件下均能生长，但以不同氧化有氧与无氧条件下均能生长，但以不同氧化方式获得能量。方式获得能量。如酵母菌、一些肠道菌、反硝化细菌。如酵母菌、一些肠道菌、反硝化细菌。酵母菌酒精发酵时通入氧气，发酵减慢，停酵母菌酒精发酵时通入氧气，发酵减慢，停止产生乙醇，葡萄糖消耗速率下降，氧对发止产生乙醇，葡萄糖消耗速率下降，氧对发酵的这种抑制现象称为酵的这种抑制现象称为巴斯德效应。巴斯德效应。4、微好氧微生物、微好氧微生物microaerophilic在氧浓度较低条件下生长，进行有氧呼吸在氧浓度较低条件下生长，进行有氧呼吸。氧的危害氧的危害O2+eO2超氧阴离子自由基超氧阴离子自由基有一些酶可解除危害。有一些酶可解除危害。SOD过氧化氢酶过氧化氢酶过氧化物酶过氧化物酶好氧菌好氧菌+专性厌氧菌专性厌氧菌耐气厌氧菌耐气厌氧菌+兼性厌氧菌兼性厌氧菌+微好氧菌微好氧菌+二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化（产（产ATP和产还原力）和产还原力）自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：1化能自养型微生物化能自养型微生物:氧化无机物而获得能量的微生物。氧化无机物而获得能量的微生物。化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费一大部分花费一大部分ATP以逆呼吸链传递的方式把无机氢以逆呼吸链传递的方式把无机氢（H+e-）转变成还原力）转变成还原力H。2光能自养型微生物光能自养型微生物:能利用日光辐射的微生物。能利用日光辐射的微生物。在光能自养微生物中，在光能自养微生物中，ATP是通过循环光合磷酸化、非是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力H则是直接或间接利用这些途径产生的。则是直接或间接利用这些途径产生的。（一）化能自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化化能自养微生物还原化能自养微生物还原CO2所需要的所需要的ATP和和H是通是通过氧化无机底物，例如过氧化无机底物，例如NH+4、NO-2、H2S、S0、H2和和Fe2+等而获得的。等而获得的。1、产能方式、产能方式无机物氧化无机物氧化通过氧化还原态的无机底物（脱通过氧化还原态的无机底物（脱H或或e-）实现的。）实现的。借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产ATP。化能自养菌一般都是好氧菌（以化能自养菌一般都是好氧菌（以O2为受氢体），为受氢体），极少厌氧菌。极少厌氧菌。2、最初能源：、最初能源：NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和和Fe2+等无机底物不仅可作等无机底物不仅可作为最初能源产生为最初能源产生ATP，而且其中有些底物还可作为无机，而且其中有些底物还可作为无机氢供体。氢供体。3、还原力、还原力H的产生：的产生：无机氢在充分提供无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原传递的方式形成还原CO2的还原力的还原力H。化能自养微生物还原化能自养微生物还原CO2时时ATP和和H的来源的来源4、化能自养菌的呼吸链、化能自养菌的呼吸链还原态的无机物中，还原态的无机物中，H2的氧化还原电位比的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低对稍低些，其余都明显高于它。些，其余都明显高于它。各种无机底物进行氧化时，必须按其相应的氧化还原势的位各种无机底物进行氧化时，必须按