微生物的营养和代谢.pptx

5.1 微生物的营养物质和营养类型 细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用 。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料 。5.1.15.1.1营养物质及其功能从元素成分看，需要最多的是：C C、H H、O O、N N、P P、K K、GaGa、MgMg、S S、FeFe等1010种，且C C、H H、O O、N N、S S、P P还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。*第1页/共143页凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。碳素的主要作用是组成菌体细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。碳源分无机（COCO2 2及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类）。实验室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。5.15.1微生物的营养物质和营养类型1.1.碳源：第2页/共143页种类碳源物质说明糖葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。有机酸 糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等 与糖类比较效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pHpH下降。当环境中缺乏碳源物质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。醇乙醇 在低浓度条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，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第3页/共143页5.15.1微生物的营养物质和营养类型COCO2 2 COCO2 2 为自养微生物所利用。碳酸盐 NaHCONaHCO3 3、CaCOCaCO3 3等 为自养微生物所利用。其他 芳香族化合物、氰化物利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。天然气、石油、石油馏分、石蜡油等 烃 蛋白质、核酸等当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解利用。第4页/共143页2.2.氮源：能被微生物利用的含氮物质为氮源。氮素是构成微生物细胞基本物质蛋白质和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化细菌能利用氨作为氮源和能源）。氮源分无机（分子态氮、硝酸盐、铵盐等）和有机（尿素、氨基酸、蛋白质、蛋白胨、肉膏等）两大类。实验室培养微生物常用的氮源主要有：铵盐、硝酸盐、尿素、蛋白胨和牛肉膏等。发酵工业上常以豆饼粉、花生饼粉和玉米浆等作为微生物的氮源。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第5页/共143页原生营养:凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(营养缺陷型):):某些微生物由于合成能力发生障碍,所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。5.15.1微生物的营养物质和营养类型蛋白质蛋白质 N N N N2 2 2 2 固氮酶固氮酶(N(N(N(N2 2 2 2)固氮微生物固氮微生物NHNHNHNH4 4 4 4N N N N第6页/共143页3.3.矿质元素 矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质，可分为两大类，即大量元素(P(P、K K、MgMg、CaCa、S S、NaNa等)和微量元素(Fe(Fe、B B、CuCu、ZnZn、MoMo、Co)Co)。5.15.1微生物的营养物质和营养类型其主要功能是：构成微生物细胞的组成成分；作为酶的组成部分或维持酶的活性；调节细胞的渗透压、氢离子浓度、EhEh等；作为自养微生物的能源。第7页/共143页4.4.生长因子5.15.1微生物的营养物质和营养类型(表表)凡能调节微生物代谢活动的微量有机物质凡能调节微生物代谢活动的微量有机物质称为生长因子。包括维生素、氨基酸、核苷以称为生长因子。包括维生素、氨基酸、核苷以及未知成分。其作用是用来构成酶的辅基或辅及未知成分。其作用是用来构成酶的辅基或辅酶酶(是某些酶活性所必需的成分是某些酶活性所必需的成分)各种微生物所需生长因子的种类和数量是各种微生物所需生长因子的种类和数量是不一样的，如自养微生物和一些腐生性细菌、不一样的，如自养微生物和一些腐生性细菌、霉菌，能自己合成这类物质，不需外界供给；霉菌，能自己合成这类物质，不需外界供给；而有些微生物而有些微生物(根瘤菌、乳酸杆菌等根瘤菌、乳酸杆菌等)因缺乏合因缺乏合成这类物质的能力，必须外界供给才能生长。成这类物质的能力，必须外界供给才能生长。在实验室通常用作生长因子的物质有：酵母膏、在实验室通常用作生长因子的物质有：酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁、牛肉膏、米糠等。玉米浆、肝浸液、麦芽汁、牛肉膏、米糠等。1111第8页/共143页维生素及其在代谢中的作用 化合物化合物 代谢中的作用代谢中的作用生物素生物素辅酶辅酶M M硫胺素硫胺素(B(B1 1 1 1)维生素维生素K K催化羧化反应的酶的辅酶催化羧化反应的酶的辅酶辅酶辅酶A A的前体的前体甲烷形成中的辅酶甲烷形成中的辅酶硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇硫胺素焦磷酸脱羧酶、转醛醇酶和转酮醇酶的辅酶酶和转酮醇酶的辅酶甲基醌类的前体，起电子载体甲基醌类的前体，起电子载体作用作用(如延胡索酸还原酶如延胡索酸还原酶)5.15.1微生物的营养物质和营养类型9 9泛 酸第9页/共143页微生物对生长素的需要分三类情况:5.15.1微生物的营养物质和营养类型要供给多种生长因素才能生长(常需要供给植物汁液、动物煮汁才能生长)。需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长;自养微生物不需外源供应;第10页/共143页5.5.水5.15.1微生物的营养物质和营养类型(1)(1)作用：是细胞的主要组成成分；直接参加各种代谢反应;是细胞吸收营养物质和排泄废物的介质；可调节菌体内的温度(水比热大有利吸热,散热)；水维持细胞膨压(控制细胞形态)；可供给菌体营养。微生物细胞含水约占细胞鲜重的70709090，水作用是多方面的。第11页/共143页(2)(2)水活度的表示方法 微生物生长所需的水活度通常在0.630.630.990.99之间，细菌水活度较高为0.80.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.60.6，水中溶质越高水活度越低。微生物可利用的水,用水活度来表示（a aw）a aw 是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压之比，即：a aw =P=P溶液/P/P纯水5.15.1微生物的营养物质和营养类型第12页/共143页大家知道把新鲜蔬菜晒干就不容易腐烂。这是因为蔬菜的水分减少了，引起蔬菜腐烂的微生物就不容易生长。微生物的生长必需水，但结合在分子内的水不能被微生物利用，只有游离的水才能被利用。采用“水活度”（aw）值这一概念来表示能被微生物利用的实际含水量。微生物所需要的水活度越高，在干燥的环境下就越不容易生长。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第13页/共143页一些微生物生长所需的最低aw值0.97-0.960.97-0.96革兰氏阴性杆菌革兰氏阴性杆菌 假单胞菌属（假单胞菌属（PseudomonasPseudomonas）不动杆菌属（不动杆菌属（AcinetoacterAcinetoacter）大肠埃希氏菌大肠埃希氏菌（E.coliE.coli）0.970.97 0.90-0.860.90-0.86革兰氏阴性球菌革兰氏阴性球菌 微球菌属（微球菌属（MicrococcusMicrococcus）0.90 0.90 金黄色葡萄球菌（金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureusStaphylococcus aureus）0.860.860.94-0.870.94-0.87酵母菌产朊假丝酵母（酵母菌产朊假丝酵母（Candida utilisCandida utilis）酿酒酵母（酿酒酵母（Candida utilisCandida utilis）0.940.94 德巴利酵母属（德巴利酵母属（DebaryomycesDebaryomyces）0.940.940.93-0.80霉菌 黑根霉（Rhizopus nigricans）0.93 扩展青霉（Penicillium expansum）0.77 展青霉（Penicillium patullum）0.80 黄曲霉（Aspergillus flavus）0.90 黑曲霉（Aspergillus niger）0.840.95-0.910.95-0.91大多数细菌大多数细菌 枯草芽孢杆菌（枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilisBacillus subtilis）梭菌属（梭菌属（ClostridiumClostridium）微细菌属（微细菌属（MicrobacteriumMicrobacterium）0.950.95 乳杆菌属（乳杆菌属（LactobacillusLactobacillus）链球菌属（链球菌属（StreptococcusStreptococcus）0.940.945.15.1微生物的营养物质和营养类型第14页/共143页5.1.25.1.2微生物的营养类型 根据微生物所需要的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为四大类：营营营营 养养养养 类类类类 型型型型光能无光能无光能无光能无机营养机营养机营养机营养型型型型光能有光能有光能有光能有机营养机营养机营养机营养型型型型化能无化能无化能无化能无机营养机营养机营养机营养型型型型化能有化能有化能有化能有机营养机营养机营养机营养型型型型 能能能能 源源源源主要碳源主要碳源主要碳源主要碳源氢或电子氢或电子氢或电子氢或电子 供体供体供体供体光能光能光能光能CO2CO2CO2CO2水或还水或还水或还水或还原态无原态无原态无原态无机物机物机物机物光能光能光能光能CO2CO2CO2CO2有机物有机物有机物有机物化学能化学能化学能化学能CO2CO2CO2CO2还原态还原态还原态还原态无机物无机物无机物无机物化学能化学能化学能化学能有机物有机物有机物有机物有机物有机物有机物有机物5.15.1微生物的营养物质和营养类型第15页/共143页1.1.光能无机营养型(或称光能自养型)这类微生物是利用光作为生活所需要的能源，以CO2CO2作为唯一或主要碳源，以无机物作为供氢体来还原CO2CO2合成细胞 的有机物质。如藻类和少数细菌(红硫细菌、绿硫细菌)，它们都含光和色素(叶绿素或细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)，可以在完全无机的环境中生长，所以称光能无机营养型。5.15.1微生物的营养物质和营养类型但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻胆素因不能单独进行光合作用而称为辅助胆素因不能单独进行光合作用而称为辅助色素，其主要功能是捕获光能转移到光反色素，其主要功能是捕获光能转移到光反应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。第16页/共143页5.15.1微生物的营养物质和营养类型COCO2 2 2 2+H+H2 2 2 2O O CH CH2 2 2 2O +OO +O2 2 2 2光光 能能叶绿素叶绿素COCO2 2 2 2+2H+2H2 2 2 2S SCHCH2 2 2 2O+2S+HO+2S+H2 2 2 2O O光能光能细胞叶绿素细胞叶绿素COCO2 2 2 2 +2H+2H2 2 2 2A ACHCH2 2 2 2O+HO+H2 2 2 2O+2AO+2A光能光能光合色素光合色素第17页/共143页光能自养型念珠蓝细菌5.15.1微生物的营养物质和营养类型第18页/共143页2.2.光能有机营养型(光能异养型)5.15.1微生物的营养物质和营养类型这类微生物利用光作为能源，利用简单有机物作为供氢体以还原COCO2 2 2 2合成细胞有机物质。如红螺细菌：CHCH3 3 3 3CHCH3 3 3 3CHOHCHOH+CO2CO22CH2CH3 3 3 3COCHCOCH3 3 3 3+CHCH2 2 2 2OO+H H2 2 2 2O O光光 能能光合色素光合色素(异丙醇异丙醇)(丙酮丙酮)第19页/共143页3.3.化能无机营养型(化能自养型)5.15.1微生物的营养物质和营养类型能从无机物氧化过程中获得能量，并以COCO2 2 2 2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。如铁细菌、亚消化细菌、消化细菌、硫细菌和H细菌。FeFeFeFe+2+2+2+2 Fe Fe Fe Fe+3+3+3+3 +e +e +e +e +Q2NH2NH2NH2NH3 3 3 3+3O+3O+3O+3O2 2 2 2 2HNO 2HNO 2HNO 2HNO2 2 2 2+2H+2H+2H+2H2 2 2 2O+O+O+O+Q2HNO2HNO2HNO2HNO2 2 2 2+O+O+O+O2 2 2 2 2HNO3+2HNO3+2HNO3+2HNO3+Q2S+3O2S+3O2S+3O2S+3O2 2 2 2+H+H+H+H2 2 2 2O 2HO 2HO 2HO 2H2 2 2 2SOSOSOSO4 4 4 4 +QCOCOCOCO2 2 2 2+4H CH+4H CH+4H CH+4H CH2 2 2 2O +HO +HO +HO +H2 2 2 2O O O O能量能量第20页/共143页4.4.化能有机营养型(化能异养型)5.15.1微生物的营养物质和营养类型 这类微生物以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。其包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数其包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类：腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如d d病毒衣原体、立克次氏体等。中间类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。第21页/共143页苏云金芽孢杆菌5.15.1微生物的营养物质和营养类型第22页/共143页5.1.3 5.1.3 培养基培养基：按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质，用人工方法配制而成的营养基质。它是进行微生物学研究、生产微生物制品等的基础。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第23页/共143页1.1.培养基的配制原则5.15.1微生物的营养物质和营养类型(1)(1)选择适宜的营养物质营养物质浓度及配比合适控制适当pHpH(4)(4)控制氧化还原电位(redox(redoxpotential)potential)(5)(5)原料来源的选择 (6)(6)灭菌处理第24页/共143页2.2.培养基的类型及其应用5.15.1微生物的营养物质和营养类型根据微生物的种类按培养基的成分按培养的用途 按培养基的物理状态3939第25页/共143页根据微生物的种类细菌培养基(肉质蛋白胨培养基础)放线菌培养基（高氏1 号合成培养基）霉菌培养基（麦芽汁培养基）酵母培养基（查氏合成培养基）5.15.1微生物的营养物质和营养类型2626第26页/共143页按培养基的成分 根据培养基组成物质的化学成分是否完全了解，可将培养基分为：合成培养基：用化学成分已知的营养物质配制而成的培养基。天然培养基：用化学成分未知或不完全知道其化学成分的有机物质配制而成的培养基。半合成培养基：在天然培养基中加入部分化学成分已知的营养物质或在合成培养基中加入部分化学成分未知或不完全知道其化学成分的有机物质配制而成的培养基。5.15.1微生物的营养物质和营养类型2626第27页/共143页按培养基的物理状态根据培养基制成后的物理状态的不同，可分为：固体培养基半固体培养基液体培养基5.15.1微生物的营养物质和营养类型第28页/共143页琼脂固体培养基明胶培养基硅胶固体培养基天然固体基质固体培养基是：在液体培养基中加入凝固剂(1.5%-2.0%(1.5%-2.0%的琼脂)而制成的培养基。半固体培养基：是在液体培养基中加入0.2%-0.7%0.2%-0.7%的琼脂配制而成。液体培养基：不加任何凝固剂而按比例配制成的营养液。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第29页/共143页 琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点9696，凝固点是40405050。琼脂培养基可反复溶化凝固而不改变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。琼脂固体培养基：5.15.1微生物的营养物质和营养类型2626第30页/共143页按培养的用途 加富培养基选择培养基鉴别不同微生物的培养基保藏菌种培养基基本培养基5.15.1微生物的营养物质和营养类型第31页/共143页5.15.1微生物的营养物质和营养类型 按大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称为基本培养基。再根据各种微生物的不同需要加入一、二种物质，应用较广。如培养某种营养缺陷型菌株，先配制基本培养基，之后再加入缺陷型菌珠需要的那种营养成 分即可。基本培养基：3232第32页/共143页 是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取物。用来培养要求较苛刻的某些异养微生物。加富培养基：5.15.1微生物的营养物质和营养类型3232第33页/共143页 纤维分解菌 含石蜡的培养基 用蛋白质做唯一的氮源的培养基 缺氮培养基可分离到固氮微生物 选择培养基：5.15.1微生物的营养物质和营养类型3232第34页/共143页 如大肠杆菌，接种到葡萄糖肉汤、麦芽糖肉汤和乳糖肉汤中，它们可以分解这几种糖，并产酸产气。如在这三种培养基中接种伤寒杆菌。伤寒杆菌只能发酵葡萄糖和麦芽糖，不发酵乳糖，只产酸不产气。这样就把大肠杆菌和伤寒杆菌区别开，产气由产生的气泡观察到，产酸可由指示剂的颜色变化观察到。鉴别不同微生物的培养基：5.15.1微生物的营养物质和营养类型第35页/共143页 检查乳品和饮用水中是否含有肠道致病菌，所用的伊红美兰培养基，是一种鉴别培养基。将大肠杆菌接种在伊红美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，呈紫黑色并带有金属光泽的小菌落，而产气杆菌在这种培养基上长出的是较大的棕色菌落。5.15.1微生物的营养物质和营养类型3232第36页/共143页 对于生产中使用的菌种保藏培养基，要求比较丰富的氮源，以防止菌种退化变质。保藏菌种培养基：5.15.1微生物的营养物质和营养类型2626第37页/共143页5.1.4营养物质进入细胞的方式5.15.1微生物的营养物质和营养类型1.1.单纯扩散（simple diffusionsimple diffusion）2.2.促进扩散（facilitated facilitated diffusiondiffusion）3.3.主动运输(active transport)(active transport)4.4.基团移位(group translocation)(group translocation)5252第38页/共143页自由扩散5.15.1微生物的营养物质和营养类型1.单纯扩散第39页/共143页单纯扩散(simple diffusion)特点：5.15.1微生物的营养物质和营养类型物质进入细胞的动力是细胞内外的物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差浓度差。这种运输方式这种运输方式不消耗能量不消耗能量没有特异性，被运输物质不与膜上物质没有特异性，被运输物质不与膜上物质 发生任何反应，发生任何反应，物质不发生化学变化物质不发生化学变化。3939第40页/共143页2.促进扩散(facilitated diffusion)膜载体（载体蛋白）特点 有很强的特异性在运输过程中，本身不发生变化。能加快物质运输的速度。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第41页/共143页 膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关。5.15.1微生物的营养物质和营养类型促进扩散过程：第42页/共143页 有膜载体参加，膜载体（渗透酶）有特异性。运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖。这种运输方式多发生在真核微生物，原核生物少见。5.15.1微生物的营养物质和营养类型促进扩散特点：促进扩散特点：物质运输动力是细胞外的浓度差。运输过程不消耗能量。3939第43页/共143页 ATP ADP+Pi 恢复原构像再循环耗能构像 改变膜上膜外膜内移位结合3.3.主动运输(active transport)(active transport)5.15.1微生物的营养物质和营养类型第44页/共143页主动运输特点：5.15.1微生物的营养物质和营养类型被运送的物质被运送的物质可逆浓度梯度进入可逆浓度梯度进入细胞内。细胞内。要消耗能量，要消耗能量，必需有能量参加。必需有能量参加。有膜载体参有膜载体参加，膜载体发生加，膜载体发生构型变化构型变化 被运送物质不被运送物质不发生任何变化。发生任何变化。3939第45页/共143页4.4.基团移位(group translocation)(group translocation)基团转位：是在研究糖的运输时发现的一 种主动运输方式。运输过程中需要能量，被运输的物质发生 化学变化的运输叫基团移位。许多糖就是靠基团移位进行运输的。这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系 统来运输营养物质的。5.15.1微生物的营养物质和营养类型第46页/共143页5.15.1微生物的营养物质和营养类型第47页/共143页膜外内Ec糖糖-P FF-PP-HPrHPrPEP丙酮酸E基团移位磷酸转移E E系统（PTSPTS）酶（非特异性）酶:酶c,c,酶a,a,酶bb热稳定蛋白HPrHPr（特异性）5.15.1微生物的营养物质和营养类型第48页/共143页PEPPEPPEPPEPHPrHPrHPrHPrMgMgMgMg+2 +2 +2 +2 ,酶酶磷酸磷酸HPr+HPr+HPr+HPr+丙酮酸丙酮酸(在细胞质中进行在细胞质中进行)磷酸磷酸HPrHPrHPrHPr糖糖 MgMgMgMg+2+2+2+2,酶酶糖糖磷酸脂磷酸脂HPrHPrHPrHPr（在细胞膜上进行）（在细胞膜上进行）F F F F 3 3 3 3磷酸磷酸HPrHPrHPrHPrF F F F3 3 3 3磷酸磷酸3 HPr 3 HPr 3 HPr 3 HPr F F F F3 3 3 3磷酸磷酸3 3 3 3乳糖乳糖 MgMgMgMg+酶酶 3 3 3 3乳糖乳糖3 3 3 3磷酸磷酸F5.15.1微生物的营养物质和营养类型第49页/共143页 被运输的物质发生化学变化，被磷酸化需要能量。5.15.1微生物的营养物质和营养类型基团转移运输特点：基团转移运输特点：需要磷酸酶系统进行催化3939第50页/共143页5.2 5.2 微生物的代谢第51页/共143页内容提要内容提要5.2.1 5.2.1 代谢概论5.25.2微生物的代代谢谢5.2.3 5.2.3 耗能代谢5.2.2 5.2.2 微生物产能代谢第52页/共143页5.2.1 代谢概论代谢概论代谢(metabolism)(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。1.分解代谢(catabolism)2.合成代谢(anabolism)5.25.2微生物的代代谢谢第53页/共143页1.1.分解代谢（catabolismcatabolism）分解代谢指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量(ATP)(ATP)。蛋白质 多糖 脂类氨基酸 单糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2 ，H20，能量（三羧酸循环）一般可将分解代谢分为三个阶段：一般可将分解代谢分为三个阶段：5.25.2微生物的代代谢谢54第54页/共143页2.合成代谢（合成代谢（anabolism）合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。5.25.2微生物的代代谢谢第55页/共143页 在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。这些能量用于：1 1合成代谢 2 2微生物的运动和运输 3 3热和光 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，生命活动得以正常进行。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切相关。5.25.2微生物的代代谢谢53第56页/共143页5.2.2 5.2.2 微生物产能代谢生物氧化1.异养微生物的异养微生物的生物氧化生物氧化2.自养微生物的自养微生物的生物氧化生物氧化3.3.生物氧化过程中的能量转化生物氧化过程中的能量转化5.25.2微生物的代代谢谢53第57页/共143页1.异养微生物的异养微生物的生物氧化生物氧化(1)发酵发酵(2)呼吸作用呼吸作用什么是发酵什么是发酵发酵过程中底物脱氢的发酵过程中底物脱氢的途径途径发酵与人类生产生活发酵与人类生产生活微生物的代代谢谢5.25.258第58页/共143页 发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。发酵（发酵（fermentation）59微生物的代代谢谢5.25.2第59页/共143页底物脱氢的四种途径i.i.EMPEMP途径2i.2i.HMPHMP途径3i.3i.EDED途径4i.PK途径微生物的代代谢谢5.25.2第60页/共143页 i.i.EMPEMP途径（Embden-Meyerhof pathway）(糖酵解途径)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-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮甘油醛-3-磷酸ATPADPATPADPADPATPADPATPNAD+NADH+H+aa:预备性反应bb:氧化还原反应 EMPEMP途径意义：为细胞生命活动提供ATPATP和 NADHNADH底物水平磷酸化底物水平磷酸化61微生物的代代谢谢5.25.2第61页/共143页5-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-赤藓糖6-磷酸-果糖6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖3-磷酸-甘油醛2i.HMP2i.HMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径）微生物的代代谢谢5.25.2第62页/共143页从6-6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。HMPHMP途径与EMPEMP途径有着密切的关系，HMPHMP途径中的3-3-磷酸-甘油醛可以进入EMPEMP途径，磷酸戊糖支路。HMPHMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-3-磷酸、3 3个COCO2 2、6 6个NADPHNADPH。一般认为HMPHMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPHNADPH）和中间代谢产物。61微生物的代代谢谢5.25.2第63页/共143页3i.ED3i.ED途径（2-2-酮-3-3-脱氧-6-6-磷酸葡糖酸裂解途径）ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广；途径在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与与HMP而单独存在；而单独存在；ED途径不如途径不如EMP途径经济。途径经济。C6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD+2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+ED途径总反应式：途径总反应式：61微生物的代代谢谢5.25.2第64页/共143页4i.磷酸解酮酶途径 PKHK 磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。微生物的代代谢谢5.25.2途径第65页/共143页5i.5i.丙酮酸代谢的多样性59微生物的代代谢谢5.25.2第66页/共143页发酵与人类生产生活工业概念在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵。微生物的代代谢谢5.25.2第67页/共143页 微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物而被微生物利用。根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的发酵类型，以下几种发酵是最重要且研究得最清楚的发酵类型：i.乙醇发酵2i.乳酸发酵3i.混合酸发酵4i.丙酮丁醇发酵59微生物的代代谢谢5.25.2第68页/共143页C6H12O6 2C2H5OH2CO2 2ATP参与微生物：酵母菌由EMP途径中丙酮酸出发的发酵（酵母菌乙醇发酵）丙酮酸脱羧酶2 2丙酮酸2 2乙醛2 2乙醇EMPG Gi.i.乙醇发酵微生物的代代谢谢5.25.2第69页/共143页酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式3-p-3-p-甘油醛-H-H2 21 1，3-2P3-2P甘油酸脱氢酶2NAD2NAD2NADH2NADH2 2乙醇乙醛(受氢体)微生物的代代谢谢5.25.2第70页/共143页 发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍有有机物 酶体系不完全，只有脱氢E E，没有氧化酶。产生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP2ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H H使之还原成乙醇的过程。乙醇发酵特点：微生物的代代谢谢5.25.2第71页/共143页酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件：厌 氧 不含NaHSO3PH小于7.6微生物的代代谢谢5.25.2第72页/共143页通过EDED途径进行的乙醇发酵参与微生物：运动发酵单孢菌发酵途径：ED途径 反应式：2C2H5OH+2CO2+ATPC6H12O6（细菌的乙醇发酵）6969微生物的代代谢谢5.25.2第73页/共143页2i.2i.2i.2i.乳酸发酵：乳酸发酵：两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵指乳酸菌将G G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳 酸的过程。细菌积累乳酸的过程是典型的乳酸发酵。我 们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链 球菌等 微生物的代代谢谢5.25.2第74页/共143页同型乳酸发酵：同型乳酸发酵：在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。过 程：PEPPEPC C3 3H H6 6O O3 3G G关键酶：乳酸脱氢酶微生物的代代谢谢5.25.2第75页/共143页2 2乳酸2 2丙酮酸+2ATP+2ATP乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式3-P-3-P-甘油醛-H-H2 21,3-2P1,3-2P甘油酸2NAD2NAD2NADH2NADH2 2微生物的代代谢谢5.25.2第76页/共143页异型乳酸发酵（通过HMPHMP途径）乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植 物分泌物生长繁殖。发酵产物除乳酸外还有乙醇与COCO2 2。青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。异型乳酸发酵结果：1 1分子G G生成乳酸、乙醇、COCO2 2各1 1分子。北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵 。微生物的代代谢谢5.25.2第77页/共143页要加些盐，3-5%NaCl3-5%NaCl浓度为好，缸要刷净，并不要带进油污。69695.25.2微生物的代代谢谢渍酸菜应做好以下几点渍酸菜应做好以下几点必须控制不被杂菌感染要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件PHPH值3 34 4为宜第78页/共143页3i.3i.混合酸发酵某些细菌通过发酵将G G变成琥珀酸，乳酸甲酸、H H2 2 2 2和COCO2 2 2 2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。微生物的代代谢谢5.25.2第79页/共143页V.PV.P反应 ：反应过程中产生红色化合物甲基红反应：产酸使指示剂变色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E.aerogenes E.coliV.P反应甲基红反应+-3-羟基丁酮二乙酰红色化合物G6969微生物的代代谢谢5.25.2第80页/共143页4i.4i.丙酮丁醇发酵丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicumClostridium acetobutylicum)在EMPEMP途径的基础上进行丙酮-丁醇发酵微生物的代代谢谢5.25.2第81页/共143页发酵小结：c.c.c.c.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。a.a.a.a.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 b.b.b.b.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 5959微生物的代代谢谢5.25.2第82页/共143页(2)(2)呼吸作用根据反应中氢受体不同分为两种类型：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。有氧呼吸无氧呼吸 呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物、脂肪酸和许多醇类。5858微生物的代代谢谢5.25.2第83页/共143页在呼吸作用中，以分子氧为最终受体的生物氧化称为有氧呼吸(aerobic respiration)(aerobic respiration)。C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O有氧呼吸（aerobic respiration）发酵面食的制作就是利用了微生物的有氧呼吸。除糖酵解过程外，还包括三羧循还和电子传递链两部分反应。微生物的代代谢谢5.25.2第84页/共143页电子传递基质-H2基质脱氢酶递氢体递氢体-H2还原态细胞色素-H2细胞色素bca1a3氧化态细胞色素1/2O2H2O2H+氧化酶NAD FAD Q微生物的代代谢谢5.25.2第85页/共143页电子传递过程中能量(ATP)产生机制化学渗透学说（1961，P.Mitchell）1978Nobel 奖ADP+Pi膜内膜膜外2H 2H+F0F1ATPATP+H2O微生物的代代谢谢5.25.2第86页/共143页cH+H+ADPc caH+H+H2O膜外膜内b bH+H+ADP+PiATPATP氧 化磷酸化19971997Nobel Nobel 奖构象变化偶联假说（1997，P.Boyer）电子传递过程中能量(ATP)产生机制微生物的代代谢谢5.25.2第87页/共143页 基质氧化彻底生成COCO2 2和H H2 2O O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。E E系完全，分脱氢E E和氧化E E两种E E系。产能量多，一分子G G净产3838个ATPATP有氧呼吸特点：有氧呼吸特点：8484微生物的代代谢谢5.25.2第88页/共143页无氧呼吸（anaerobic respiration anaerobic respiration anaerobic respiration anaerob