第五章-微生物的新陳代謝課件

目的：掌握不同微生物能量代謝的特點(diǎn)；了解微生物代謝的調(diào)節(jié)。重點(diǎn)：產(chǎn)能代謝，生物固氮和肽聚糖的合成。難點(diǎn)：生物固氮機(jī)制。第五章微生物的新陳代謝關(guān)于新陳代謝的幾個(gè)概念新陳代謝（Metabolism）發(fā)生在活細(xì)胞中的各種分解代謝和合成代謝的總和。合成代謝(Anabolism)(同化作用)在合成酶系催化作用下，由簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和[H]形式的還原力一起合成復(fù)雜大分子的過(guò)程。分解代謝(Catabolism)(異化作用)復(fù)雜的有機(jī)物分子通過(guò)分解代謝酶系的催化，產(chǎn)生簡(jiǎn)單小分子、ATP形式的能量和還原力的過(guò)程。主要內(nèi)容第一節(jié)微生物的能量代謝第二節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑第三節(jié)微生物的代謝調(diào)節(jié)和發(fā)酵生產(chǎn)主要內(nèi)容：一化能異養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝二化能自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝三光合自養(yǎng)微生物的產(chǎn)能代謝第一節(jié)微生物的能量代謝能量代謝的目的：生物體把外界環(huán)境中多種形式的最初能源轉(zhuǎn)換成對(duì)一切生命活動(dòng)都能使用的通用能源（ATP）。最初能源有機(jī)物還原態(tài)無(wú)機(jī)物日光化能異養(yǎng)微生物化能自養(yǎng)微生物光能營(yíng)養(yǎng)微生物ATP一化能異養(yǎng)微生物的生物氧化生物氧化（biologicaloxidation）在活細(xì)胞中的一系列產(chǎn)能性氧化反應(yīng)的總稱(chēng)。氧化的形式包括：得氧、脫氫和失去電子。過(guò)程包括脫氫(電子)、遞氫(電子)和受氫(電子)3個(gè)階段。功能：產(chǎn)ATP，[H]，小分子中間代謝產(chǎn)物。類(lèi)型：有氧呼吸、無(wú)氧呼吸和發(fā)酵。底物脫電子的四種方式以葡萄糖為例EMP途徑（占大多數(shù),又稱(chēng)糖酵解途徑）葡萄糖經(jīng)10步反應(yīng)后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相當(dāng)于8個(gè)ATP）HMP途徑（戊糖磷酸途徑）葡萄糖通過(guò)該途徑被徹底氧化，產(chǎn)生ADPH+H+及多種中間代謝產(chǎn)物。ED途徑是存在于某些缺乏EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，葡萄糖經(jīng)4步反應(yīng)后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。TCA循環(huán)丙酮酸經(jīng)10步反應(yīng)徹底氧化、脫羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2EMP途徑(Embden-MyerhpfPathway)總式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP→2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+2H2OC6→→→2C3

→→→→→2NADH+H+丙酮酸4ATP→2ATP→耗能階段產(chǎn)能階段2ATPEMP

途徑的意義EMP途徑的生理學(xué)功能①為合成代謝供應(yīng)ATP形式的能量和NADH2形式的還原力②為合成代謝提供多種中間代謝產(chǎn)物③連接三羧酸循環(huán)（TCA）、HMP途徑和ED途徑的橋梁④通過(guò)逆向反應(yīng)可進(jìn)行多糖合成EMP途徑與人類(lèi)的關(guān)系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的發(fā)酵HMP途徑：Pentosephosphatepathway，舊稱(chēng)HMP途徑(Hexosemonophasphatepathway)，此途徑存在于大多數(shù)生物體內(nèi)。C7C4C5C5C5C6C3C6C36C6→→→6C5

→→→

→5C6→經(jīng)一系列復(fù)雜反應(yīng)后→重新合成己糖12NADPH6CO2

→

→

→經(jīng)呼吸鏈36ATP1ATP

→35ATP總反應(yīng)式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+PiHMP途徑的意義微生物生命活動(dòng)：1.供應(yīng)合成原料提供戊糖磷酸：參與核酸、NAD+、NADP+、FAD、CoA等合成；赤蘚糖-4-磷酸：合成芳香族氨基酸2.產(chǎn)還原力：NADPH23.作為固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸4.擴(kuò)大碳源利用范圍：C3~C75.連接EMP途徑：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸生產(chǎn)實(shí)踐—可提供重要發(fā)酵產(chǎn)物核苷酸氨基酸輔酶乳酸多數(shù)好氧菌和兼性厭氧菌都存在HMP途徑，而且通常與EMP途徑同時(shí)存在。只有HMP而無(wú)EMP途徑的微生物較少，如弱氧化醋桿菌等。ED途徑（N.EntnerandM.Doudorroff)

2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途徑微生物特有與EMP途徑相連與EMP途徑相連有O2時(shí)與TCA相連無(wú)O2時(shí)進(jìn)行酒精發(fā)酵特點(diǎn)：特征性反應(yīng):KDPG裂解為丙酮酸和3-磷酸甘油醛特征性酶：KDPG酶終產(chǎn)物2分子丙酮酸的來(lái)歷不同：KDPG直接裂解和3-磷酸甘油醛經(jīng)EMP途徑轉(zhuǎn)化而來(lái)。產(chǎn)能效率底：1molATP/1molGlucose反應(yīng)式：葡萄糖+NAD++NADP+Pi+ADP→2丙酮酸+NADH+H++NADPH+H++ATP具有ED途徑的微生物（EMP途徑不完整的細(xì)菌所特有）Pseudomonassaccharophila(嗜糖假單胞桿菌)Ps.aeruginosa(銅綠假單胞桿菌)Ps.fluorescens(熒光假單胞桿菌)Ps.lindneri(林氏假單胞菌)Z.mobilis(運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌)Alcaligenseutrophus(真氧產(chǎn)堿菌)丙酮酸的代謝的多樣性EMP途徑，不完全的HMP途徑，ED途徑都可以產(chǎn)生丙酮酸，生成的丙酮酸：進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)一步氧化分解，產(chǎn)生還原力NADPH2，ATP和合成代謝所需要的小分子C架發(fā)酵作用Fermatation：細(xì)菌酒精發(fā)酵林氏發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌、運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等（微生物好氧菌），經(jīng)ED途徑，發(fā)酵葡萄糖生成丙酮酸，脫羧成乙醛，進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇的代謝。

TCA循環(huán)（Krebs循環(huán)）C2C6C6C6C5C4C4C4C4C4丙酮酸在進(jìn)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(jìn)入三羧酸循環(huán)。循環(huán)的結(jié)果是乙酰CoA被徹底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可產(chǎn)生12分子的ATP，草酰乙酸參與反應(yīng)而本身并不消耗。C3→→→CH3CO~CoA→FADH24NADH+H+1GTP3CO2呼吸鏈12ATP呼吸鏈2ATP1ATP底物水平從丙酮酸進(jìn)入循環(huán)：丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP15個(gè)ATP從乙酰-CoA進(jìn)入循環(huán)：乙酰-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O→2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP12個(gè)ATP（1）循環(huán)一次的結(jié)果是乙酰CoA的乙酰基被氧化為2分子CO2，并重新生成1分子草酰乙酸；（2）整個(gè)循環(huán)有四步氧化還原反應(yīng)，其中三步反應(yīng)中將NAD+還原為NADH+H+，另一步為FAD還原；（3）為糖、脂、蛋白質(zhì)三大物質(zhì)轉(zhuǎn)化中心樞紐。（4）循環(huán)中的某些中間產(chǎn)物是一些重要物質(zhì)生物合成的前體；（5）生物體提供能量的主要形式；（6）為人類(lèi)利用生物發(fā)酵生產(chǎn)所需產(chǎn)品提供主要的代謝途徑。如檸檬酸發(fā)酵。TCA循環(huán)的重要特點(diǎn)產(chǎn)能形式EMPHMPEDEMP+TCAATPGTP2122(2ATP)NADH+H+2(=6ATP)1(=3ATP)2+8*(=30ATP)NADPH+H+12(=36ATP)1(=3ATP)FADH22(=4ATP)凈產(chǎn)ATP835**736~38***葡萄糖經(jīng)不同途徑后的產(chǎn)能效率*在TCA循環(huán)的異檸檬酸至-酮戊二酸反應(yīng)中，有的微生物產(chǎn)生的是NADPH+H+**在葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸過(guò)程中消耗1ATP***真核生物的呼吸鏈組分在線粒體膜上，NADH+H+進(jìn)入線粒體要消耗2ATP。經(jīng)上述脫氫途徑生成的NADH、NADPH、FADH等還原型輔酶通過(guò)呼吸鏈等方式進(jìn)行遞氫，最終與受氫體（氧、無(wú)機(jī)或有機(jī)氧化物）結(jié)合，以釋放其化學(xué)潛能。遞氫和受氫ATP的產(chǎn)生生物氧化的三種類(lèi)型根據(jù)受氫體性質(zhì)的不同，生物氧化可分為三種類(lèi)型：呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵廣義發(fā)酵任何利用微生物來(lái)生產(chǎn)大量菌體或有用代謝產(chǎn)物或食品飲料的一類(lèi)生產(chǎn)方式狹義發(fā)酵在無(wú)氧等外源受氫體（外源最終電子受體）條件下，底物脫氫以后產(chǎn)生的還原力[H]未經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞而直接交給某一內(nèi)源中間代謝產(chǎn)物接受，以實(shí)現(xiàn)底物水平磷酸化產(chǎn)能的生物氧化反應(yīng)。C6H12O6

→2CO2+2C2H5OH（一）發(fā)酵(fermentation)發(fā)酵的特點(diǎn)微生物部分氧化有機(jī)物獲得發(fā)酵產(chǎn)物，釋放少量能量；氫供體與氫受體(內(nèi)源性中間代謝產(chǎn)物)均為有機(jī)物還原力[H]不經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞；產(chǎn)能方式：底物水平磷酸化反應(yīng)。底物磷酸化：指在發(fā)酵過(guò)程中往往伴隨著高能化合物生成，如EMP途徑中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶聯(lián)ATP和GTP的產(chǎn)生。發(fā)酵產(chǎn)能是厭氧和兼性好氧菌獲取能量的主要方式。多糖轉(zhuǎn)化為單糖才能用于發(fā)酵。微生物直接發(fā)酵的碳源物質(zhì)主要是葡萄糖和其它單糖，以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。和底物脫氫的途徑有關(guān)的和稱(chēng)為Stickland反應(yīng)的四類(lèi)重要發(fā)酵由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵通過(guò)HMP途徑的發(fā)酵通過(guò)ED途徑進(jìn)行的發(fā)酵Stickland反應(yīng)由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵由葡萄糖經(jīng)EMP途徑形成丙酮酸，進(jìn)一步降解形成各種發(fā)酵產(chǎn)物（同型）酒精發(fā)酵（釀酒酵母）同型乳酸發(fā)酵（德氏乳桿菌）丙酸發(fā)酵（丙酸桿菌）混合酸發(fā)酵（大腸桿菌）2,3-丁二醇發(fā)酵（產(chǎn)氣腸桿菌）丁酸發(fā)酵（丁酸梭菌）由丙酮酸出發(fā)的6條發(fā)酵途徑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)酵方框內(nèi)為發(fā)酵產(chǎn)物由EMP途徑中丙酮酸出發(fā)的發(fā)酵的意義工業(yè)發(fā)酵:大規(guī)模生產(chǎn)這些代謝產(chǎn)物；菌種鑒定:發(fā)酵中的某些獨(dú)特代謝產(chǎn)物是鑒定相應(yīng)菌種的重要生化指標(biāo)。V.P.實(shí)驗(yàn)（Vogos-Prouskauer

test）產(chǎn)氣腸桿菌(E.aerogenes)產(chǎn)生乙酰甲基甲醇，堿性條件下氧化成雙乙酰，與含有胍基的精氨酸反應(yīng)，產(chǎn)生特征性的紅色反應(yīng)（呈V.P.陽(yáng)性），而E.coli

(與產(chǎn)氣腸桿菌近緣)呈V.P.陰性，故極易區(qū)別兩菌。通過(guò)HMP途徑的發(fā)酵異型乳酸發(fā)酵（Heterolacticfermentation

）凡是葡萄糖經(jīng)過(guò)發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和二氧化碳等多種產(chǎn)物的發(fā)酵進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵的微生物異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑L.mesenteroides(腸膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳桿菌)、L.fermentum(發(fā)酵乳桿菌)等異型乳酸發(fā)酵的雙歧桿菌途徑Bifidobacteriumbifidum異型乳酸發(fā)酵的經(jīng)典途徑凡葡萄糖經(jīng)發(fā)酵后除主要產(chǎn)生乳酸外，還產(chǎn)生乙醇、乙酸和二氧化碳等多種產(chǎn)物的發(fā)酵。異型乳酸發(fā)酵的雙歧途徑特點(diǎn)：2分子葡萄糖產(chǎn)生2分子乳酸，3分子乙酸，5分子ATP同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵的比較ED途徑的發(fā)酵—細(xì)菌酒精發(fā)酵林氏發(fā)酵單胞菌、嗜糖假單胞菌、運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌等（微生物好氧菌），經(jīng)ED途徑，發(fā)酵葡萄糖生成丙酮酸，脫羧成乙醛，進(jìn)一步被NADH2還原為乙醇的代謝。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)能—Stickland反應(yīng)什么是Stickland反應(yīng)？以一種氨基酸作底物脫氫（氫供體），以另一種氨基酸作氫受體實(shí)現(xiàn)生物氧化產(chǎn)能的獨(dú)特發(fā)酵類(lèi)型。氫供體氨基酸丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、組氨酸、色氨酸、絲氨酸等氫受體氨基酸甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鳥(niǎo)氨酸以丙氨酸和甘氨酸為例：丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi→3乙酸+3NH3+CO2進(jìn)行Stickland反應(yīng)的微生物C.sporogenes（生胞梭菌）C.botulinum（肉毒梭菌）C.sticklandii（斯氏梭菌）該反應(yīng)效率很低，一個(gè)分子的Aa只產(chǎn)生1個(gè)ATP。注：stickland反應(yīng)對(duì)生長(zhǎng)在厭氧和蛋白質(zhì)豐富環(huán)境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作為碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。和發(fā)酵產(chǎn)物有關(guān)的重要的發(fā)酵類(lèi)型

降解產(chǎn)物為乙醇（乙醇發(fā)酵）酵母菌和細(xì)菌可進(jìn)行乙醇發(fā)酵。葡萄糖2丙酮酸2乙醛2乙醇脫羧酶酵母菌，八疊球菌的乙醇發(fā)酵：EMP運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌和厭氧發(fā)酵單孢菌乙醇發(fā)酵：ED應(yīng)用：釀酒乙醇發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、丙酸發(fā)酵、混合酸發(fā)酵、丁酸發(fā)酵等乙醇脫氫酶注：酵母菌乙醇發(fā)酵中，發(fā)酵條件對(duì)發(fā)酵過(guò)程與產(chǎn)物影響很大。如發(fā)酵過(guò)程中的通氣狀況、培養(yǎng)基組成及pH控制均對(duì)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，這種有氧呼吸抑制發(fā)酵的現(xiàn)象稱(chēng)為巴斯德效應(yīng)。當(dāng)重新返回厭氧條件時(shí)，葡萄糖分解加速，伴隨大量乙醇產(chǎn)生。酵母菌利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵的三種類(lèi)型Ⅰ型發(fā)酵：即正常的乙醇發(fā)酵，在弱酸性條件下進(jìn)行，1分子葡萄糖經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生2分子乙醇和2CO2;Ⅱ型發(fā)酵：乙醇發(fā)酵中，在發(fā)酵培養(yǎng)基中加入適量NaHSO3,發(fā)酵轉(zhuǎn)變?yōu)楦视桶l(fā)酵，形成大量甘油和少量乙醇。Ⅲ型發(fā)酵：乙醇發(fā)酵中，將發(fā)酵液pH改成弱堿性(pH7.6),發(fā)酵主產(chǎn)物為甘油,伴隨產(chǎn)生少量乙醇、乙酸和CO2。（二）有氧呼吸（aerobicrespiration）是一種最普遍又重要的生物氧化或產(chǎn)能方式。1特點(diǎn)有電子傳遞鏈(呼吸鏈)；因氧化徹底，產(chǎn)能多；最終電子受體是分子態(tài)的氧；能量的產(chǎn)生，有底物水平磷酸化，也有電子傳遞水平磷酸化。2過(guò)程葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解（EMP途徑）作用形成的丙酮酸，丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)(簡(jiǎn)稱(chēng)TCA循環(huán))，被徹底氧化生成CO2和水，同時(shí)釋放大量能量。

過(guò)程圖G2丙酮酸2乙酰CoA2ATP+2NADH22NADH2+2CO2呼吸鏈6CO2+6H2O36或38ATPTCA6NADH2+2FADH24CO2+2CoA+2GTP注：NADH2（被氧化）：3ATPGTP（被轉(zhuǎn)化）：1ATPFADH2（被氧化）：2ATP（三）無(wú)氧呼吸（anaerobicrespiration）

電子受體為氧化態(tài)的外源無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，少數(shù)為有機(jī)氧化物。1特點(diǎn)：電子受體為NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、延胡索酸（有機(jī)物）等在能量分級(jí)釋放過(guò)程中伴隨有磷酸化作用生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多鬼火（磷化氫）注：無(wú)氧呼吸和有氧呼吸一樣需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，在能量分級(jí)釋放過(guò)程中伴隨著磷酸化作用，也能產(chǎn)生很多能量，但只有部分能量隨電子（或H）傳遞給氧化物，而且受體的氧化還原電位差都小于氧氣，使得生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生得多。無(wú)氧呼吸中電子的傳遞方向：NAD(P)→FP（黃素蛋白）→Fe.S蛋白→CoQ→Cytb→Cytc→Cyta→Cyta3。無(wú)氧呼吸的主要類(lèi)型2.1硝酸鹽呼吸（反硝化作用或脫氮作用）反硝化細(xì)菌（兼性厭氧微生物，如地衣芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、脫氮硫桿菌等）以硝酸鹽作為最終氫受體，NO3-還原成NO2-、N2O、N2等的過(guò)程。對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：可消除水域中N素的富集（赤潮和水華）；有害：N素?fù)p失，污染環(huán)境（NO和N2O）2.2

硫酸鹽呼吸（反硫化作用）反硫化細(xì)菌（嚴(yán)格厭氧菌，如巨大脫硫弧菌、致黑脫硫腸狀菌等）以SO42-為最終氫受體，使SO42-還原成H2S，并產(chǎn)生ATP。對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：水域中，使S素以H2S的形式返回大氣，避免S素大量聚集。有害：導(dǎo)致土壤硫素?fù)p失；引起水稻爛根；金屬管道的腐蝕；飲用水的污染。

硫呼吸（專(zhuān)性或兼性厭氧菌）以無(wú)機(jī)硫?yàn)楹粑溩罱K電子受體并產(chǎn)生H2S的作用。是兼性或?qū)Ｐ詤捬蹙ｈF呼吸（專(zhuān)性或兼性厭氧菌）

末端電子受體為Fe3+，在專(zhuān)性或兼性厭氧菌中存在。延胡索酸呼吸（兼性厭氧菌）

以延胡索酸為末端電子受體，生成琥珀酸。碳酸鹽呼吸:

是CO2或碳酸鹽作為呼吸鏈末端H受體。產(chǎn)甲烷菌的碳酸鹽呼吸是產(chǎn)甲烷細(xì)菌(專(zhuān)性厭氧菌，古生菌)在厭氧條件下，利用H2還原CO2產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)，能利用CO2作為電子受體產(chǎn)生ATP和CH4。對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響：產(chǎn)沼氣；肥料：沼氣渣。注：沼氣的產(chǎn)生并不只是產(chǎn)甲烷菌參與，還有一些發(fā)酵性細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的參與，并且具有階段性。有氧呼吸、無(wú)氧呼吸與發(fā)酵的比較呼吸類(lèi)型有氧呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵氧化基質(zhì)有機(jī)物有機(jī)物有機(jī)物最終電子受體O2無(wú)機(jī)氧化物、延胡索酸氧化型中間代謝產(chǎn)物醛、酮等產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2ONO2、N2還原型中間代謝產(chǎn)物醇、酸產(chǎn)能多次之少電子傳遞鏈完整不完整無(wú)，底物水平磷酸化三種氧化產(chǎn)能方式的比較發(fā)酵有氧呼吸無(wú)氧呼吸最終電子受體有機(jī)物分子氧無(wú)機(jī)氧化物電子傳遞鏈無(wú)有有產(chǎn)能量少多較多氧化磷酸化底物水平底物水平、電子傳遞水平底物水平、電子傳遞水平1化能自養(yǎng)微生物一般為好氧菌，能在氧化無(wú)機(jī)物過(guò)程中，通過(guò)電子傳遞鏈氧化磷酸化獲得能量，電子受體O2，通過(guò)逆呼吸鏈傳遞產(chǎn)生還原力，消耗能量。2產(chǎn)能方式硝化作用硫化作用鐵的氧化氫的氧化二化能自養(yǎng)微生物產(chǎn)能方式化能自養(yǎng)的機(jī)理2.1硝化作用（氨的氧化）

NH3或亞硝酸(NO2-)被硝化細(xì)菌氧化產(chǎn)生能量。硝化細(xì)菌包括硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌。硝化細(xì)菌的特點(diǎn)：

專(zhuān)性好氧,

G＋，無(wú)芽孢，分布廣泛，對(duì)氧化基質(zhì)有嚴(yán)格的專(zhuān)一性；亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌是互生菌；嚴(yán)格的專(zhuān)性化能自養(yǎng)，且大多數(shù)是專(zhuān)性無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型，不能在有機(jī)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。

硝化作用對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響有利：氨氧化為硝酸以及大量的硝態(tài)氮化肥為作物生長(zhǎng)提供氮素營(yíng)養(yǎng)，有利于產(chǎn)量提高。有害：但硝酸鹽的溶解性強(qiáng)（比銨鹽強(qiáng)），易隨雨水流入江、河、湖、海中，它不僅大大降低肥料的利用率（硝酸鹽氮肥一般是40%），而且會(huì)引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)而導(dǎo)致“水華”或“赤潮”等嚴(yán)重污染危害（大面積發(fā)生就很難治理）。

過(guò)程：NH3亞硝化菌NO2-+ATPNO2-硝化菌NO3-+ATP2.2

硫化作用硫化合物(包括硫化物、單質(zhì)硫、硫代硫酸鹽、硫酸鹽和亞硫酸鹽)

被硫細(xì)菌能夠利用產(chǎn)生能量最后生成H2SO4的過(guò)程。對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境的影響產(chǎn)生SO42-，作為植物直接吸收的S素物質(zhì)；解除H2S毒害和除臭使土壤的微域環(huán)境酸化，促進(jìn)難溶S素的有效化，但同時(shí)可能導(dǎo)致作物酸害。2.3鐵的氧化少數(shù)細(xì)菌能將亞鐵氧化到高鐵狀態(tài)并產(chǎn)生能量的反應(yīng)，如氧化亞鐵硫桿菌。氧化亞鐵硫桿菌存在于酸性環(huán)境中，因?yàn)閬嗚F僅在酸性條件下是穩(wěn)定的。2.4氫的氧化(氫細(xì)菌)

通過(guò)氧化氫獲得能量。

H細(xì)菌

G-，兼性化能自氧菌，利用分子氫氧化產(chǎn)生的能量同化CO2，也能利用其它有機(jī)物生長(zhǎng)。

三光合自養(yǎng)微生物的光合磷酸化(一)光合微生物類(lèi)群藍(lán)細(xì)菌，光合細(xì)菌，嗜鹽細(xì)菌1光合細(xì)菌：均為原核生物，紅螺菌目。1.1所含色素菌綠素和類(lèi)胡羅卜素，兩種比例不同，使菌體呈紅橙、綠、紫及褐等不同顏色。光合細(xì)菌為典型水生菌，廣泛分布于深層(缺氧)淡水與海水中。注：光合色素可分為三類(lèi)：葉綠素(chl)或細(xì)菌葉綠素（Bchl），類(lèi)胡蘿卜素和藻膽素。但所有光合生物都有類(lèi)胡蘿卜素，其有捕獲光能的作用，能把吸收的光能高效地傳給細(xì)菌葉綠素（或葉綠素）。1.2光合細(xì)菌分類(lèi)根據(jù)所含細(xì)菌葉綠素（Bchl）種類(lèi)不同分三類(lèi):綠硫細(xì)菌:含Bchlc.d.e.

以H2S,H2為供H體,還原CO2。紅硫細(xì)菌:含Bchla.b.

以H2S為供H體.紅螺菌:含Bchla.b.

以有機(jī)物為供H體,有些以H2,H2S為供H體.2嗜鹽細(xì)菌兼性光能菌，屬嗜鹽菌科(Halobacteriaceae)的鹽桿菌屬(Halobacterium)。嗜鹽細(xì)菌在生理上具有高度特異性：能在高濃度的飽和鹽溶液(3.5～5.0mol/LNaCl)中棲息，細(xì)胞酶在2mol/L的鹽濃度中才能保持活性與穩(wěn)定性。

光合磷酸化的實(shí)質(zhì)就是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，具體過(guò)程為當(dāng)一個(gè)葉綠素（菌綠素）分子吸收光量子后，被激活，釋放一個(gè)電子（氧化），釋放的電子進(jìn)入電子傳遞系統(tǒng)，在電子傳遞過(guò)程中釋放能量，產(chǎn)生ATP。

按照光合磷酸化中電子的流動(dòng)路線及ATP形成方式，可分為：環(huán)式光合磷酸化(原始、電子的循環(huán)傳遞)非環(huán)式光合磷酸化（電子傳遞非環(huán)式）嗜鹽菌紫膜的光合作用（嗜鹽菌紫膜光合磷酸化）（二）光合磷酸化分類(lèi)1循環(huán)光合磷酸化1.1紫硫細(xì)菌、綠硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌、綠色非硫細(xì)菌。1.2

是厭氧光合細(xì)菌通過(guò)光驅(qū)動(dòng)下的電子循環(huán)式傳遞，在傳遞過(guò)程中形成ATP的過(guò)程。

1.3循環(huán)光和磷酸化的特點(diǎn)：電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即在光能驅(qū)動(dòng)下，電子從菌綠素上逐出，通過(guò)類(lèi)似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產(chǎn)生了ATP;在供應(yīng)ATP的條件下，可以產(chǎn)生還原力。產(chǎn)ATP和還原力[H]分開(kāi)進(jìn)行，不產(chǎn)O2。還原力（NADPH2）來(lái)自H2S等無(wú)機(jī)氫供體，是反向電子傳遞產(chǎn)生的。

反向電子傳遞:是逆著電子傳遞系統(tǒng)，將e從低能量(高電位)向高能量(低電位)傳遞。此過(guò)程消耗能量。反向e傳遞用的e來(lái)源于菌體外的一些物質(zhì)如H2S,Fe2+，其它硫化物等.BchlP870紅光或紫外光激發(fā)態(tài)菌綠素QBCytbc1Cytc2e-環(huán)式光合磷酸化Bphe-e-NAD(P)NAD(P)H2e-ATPADP+Pi外源電子供體外源H2消耗ATP逆電子傳遞QAQ庫(kù)2非循環(huán)光合磷酸化

同時(shí)產(chǎn)生ATP、[H]和O2，[H]來(lái)源于H2O。

藍(lán)細(xì)菌、藻類(lèi)及各種綠色植物

2.1有兩個(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)系統(tǒng)Ⅰ:產(chǎn)生還原力。系統(tǒng)Ⅱ:產(chǎn)生ATP。2.2

具體過(guò)程非循環(huán)光合磷酸化特點(diǎn)：電子傳遞的途徑屬于非循環(huán)式的；在有氧條件下進(jìn)行；有PSⅠ和PSⅡ兩個(gè)光合系統(tǒng)：有PSⅠ含有葉綠素a，反應(yīng)中心的吸收光波為P700，有利于紅光吸收，PSⅡ含有葉綠素b,反應(yīng)中心的吸收光波為P680，有利于藍(lán)光吸收；反應(yīng)中可同時(shí)產(chǎn)生ATP、還原力[H]和O2；還原力NADPH2中的[H]來(lái)自H2O分子的的光解產(chǎn)物H+和電子。ChlP700ChlP680Fe·S-PrFdNADPH2NADPQBPce-

PhH2O2e-+2H++1/2O2Mn2+

e-

系統(tǒng)Ⅰ系統(tǒng)Ⅱ紅光藍(lán)光QAQ庫(kù)cytbf注：Ph為褐藻素，Pc為質(zhì)體藍(lán)素，F(xiàn)d為鐵氧還蛋白ATP總結(jié):水光解后產(chǎn)生的電子并產(chǎn)生O2，經(jīng)系統(tǒng)Ⅱ、Ⅰ傳遞給NADP，在提供[H]的條件下，生成NADPH2，在傳遞過(guò)程中生成ATP.反應(yīng)式：2NADP++2ADP+2Pi+2H2O2NADPH2+2ATP+O23紫膜光合磷酸化嗜鹽菌在無(wú)葉綠素和菌綠素參與下，利用吸收光能產(chǎn)生ATP的過(guò)程，是目前所知道的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化。嗜鹽菌細(xì)胞膜分為紅膜與紫膜兩部分。紅膜：主要成分為細(xì)胞色素、黃素蛋白和類(lèi)胡蘿卜素，進(jìn)行經(jīng)典的電子傳遞磷酸化；紫膜：進(jìn)行光合磷酸化。含有細(xì)菌視紫紅質(zhì)，與人眼視網(wǎng)膜上柱狀cell中所含的視紫紅質(zhì)蛋白相似，都含有紫色物質(zhì)視黃醛。紫膜光合磷酸化的機(jī)理光量子驅(qū)動(dòng)下，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在將反應(yīng)中產(chǎn)生的H+排至細(xì)胞膜外，使紫膜內(nèi)外形成質(zhì)子梯度；該梯度差驅(qū)使H+通過(guò)膜上的ATP合成酶中的孔道進(jìn)入膜內(nèi)，平衡膜內(nèi)外質(zhì)子差額，并產(chǎn)生ATP。注：環(huán)境中O2濃度高時(shí)，嗜鹽菌以光合磷酸化產(chǎn)能，濃度很低時(shí)，可以在光照條件下合成紫膜，通過(guò)紫膜光合磷酸化合成ATP。

紫膜光合磷酸化主要特點(diǎn)：不經(jīng)過(guò)電子傳遞，直接產(chǎn)生ATP意義：嗜鹽菌紫膜光合磷酸化功能的發(fā)現(xiàn)，使在經(jīng)典的葉綠素和菌綠素所進(jìn)行光合磷酸化之外又增添了一種新的光合作用類(lèi)型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最簡(jiǎn)單的光合磷酸化反應(yīng)，這是研究化學(xué)滲透作用的一個(gè)極好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)它的研究正在大力開(kāi)展。對(duì)其機(jī)制的揭示，將是生物學(xué)基本理論中的又一項(xiàng)重大突破，并無(wú)疑會(huì)對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)實(shí)踐例如太陽(yáng)能的利用和海水的淡化等帶來(lái)巨大的推動(dòng)力。四能量消耗主要用于合成細(xì)胞物質(zhì)與代謝產(chǎn)物，還用于維持生命、生物發(fā)光或放出生物熱。

1合成耗能大分子細(xì)胞物質(zhì)合成及代謝產(chǎn)物合成消耗的總能量。如CO2的固定，生物固氮，糖類(lèi)、蛋白質(zhì)和核酸的合成。2主動(dòng)運(yùn)輸和膜泡運(yùn)輸耗能3細(xì)胞運(yùn)動(dòng)真核生物中鞭毛和纖毛都具有ATP酶（可水解ATP產(chǎn)生能量）。但目前尚未在細(xì)菌鞭毛中發(fā)現(xiàn)該酶。4發(fā)光：發(fā)光細(xì)菌能將細(xì)胞內(nèi)貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。

分解代謝與合成代謝的功能及相互聯(lián)系因乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán)：在異檸檬酸裂解酶的催化下,異檸檬酸被直接分解為乙醛酸,乙醛酸又在乙酰輔酶A參與下,由蘋(píng)果酸合成酶催化生成蘋(píng)果酸,蘋(píng)果酸再氧化脫氫生成草酰乙酸的過(guò)程.

兩個(gè)關(guān)鍵酶：異檸檬酸裂合酶（ICL）和蘋(píng)果酸合酶（MS）意義：1、乙醛酸循環(huán)特有的功能是實(shí)現(xiàn)了脂肪向糖類(lèi)的轉(zhuǎn)變,而在三羧酸循環(huán)中是不能實(shí)現(xiàn)的.2、乙醛酸循環(huán)提高了生物體利用乙酰-CoA的能力。只要極少量的乙酰草酸做引物，乙醛酸循環(huán)就可以持續(xù)運(yùn)行，不斷產(chǎn)生琥珀酸，為T(mén)CA回補(bǔ)四碳單位。第三節(jié)微生物獨(dú)特合成代謝途徑一自養(yǎng)微生物的CO2固定二生物固氮三肽聚糖的合成四、次生代謝（略）一、自養(yǎng)微生物的CO2固定（重點(diǎn)：關(guān)鍵酶和微生物代表種類(lèi)）

Calvin循環(huán)、厭氧乙酰－COA途徑、逆向TCA循環(huán)和羥基丙酸途徑。

能源來(lái)源于光能或無(wú)機(jī)物氧化所得的化學(xué)能。（一）Calvin循環(huán)（光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)M固定CO2的主要途徑）代表：綠色植物、藍(lán)細(xì)菌、多數(shù)光合細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌。兩種關(guān)鍵酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。三個(gè)階段：羧化反應(yīng)、還原反應(yīng)和CO2受體的再生。(1)第1階段3分子CO2固定成3-磷酸甘油酸(2)第2階段3-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦视腿?3-磷酸(3)第3階段從丙糖磷酸再生核酮糖-1，5-二磷酸（二）厭氧乙酰－COA途徑乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌。關(guān)鍵酶：CO脫氫酶，催化CO2還原為CO的反應(yīng)：CO2+H2=

CO+H2O厭氧乙酰－COA途徑乙酰COACH3-CO-XCO2CO2CH3-B12CO-X乙酸CO2丙酮酸CO脫氫酶（三）逆向TCA循環(huán)1在綠色硫細(xì)菌中存在。2以草酰乙酸為CO2受體，每循環(huán)一周摻入2個(gè)CO2分子，并還原成乙酰COA，然后再固定1個(gè)CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。3特殊酶：檸檬酸裂合酶。（四）羥基丙酸途徑1存在于少數(shù)綠色硫細(xì)菌中。2乙酰COA為起始物質(zhì)，經(jīng)過(guò)2次羧化，最后形成乙酰COA和乙醛酸，乙酰COA重新進(jìn)入循環(huán)，乙醛酸最為合成細(xì)胞物質(zhì)的原料。3關(guān)鍵步驟：羥基丙酸的產(chǎn)生。二生物固氮

微生物通過(guò)固氮酶將N2轉(zhuǎn)變成為NH3的過(guò)程。生物固氮主要在三方面進(jìn)行研究用實(shí)驗(yàn)的方法提高主要農(nóng)作物的固氮能力。模擬固氮酶，使工業(yè)生產(chǎn)N肥在常溫、常壓下進(jìn)行。選擇利用高效、優(yōu)質(zhì)的固氮微生物做為生物肥料（根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。（一）固氮微生物主要是原核微生物(細(xì)、放、藍(lán)等近50個(gè)屬)。1自生固氮菌:如圓褐固氮菌。2共生固氮菌:一般能形成特殊的結(jié)構(gòu)，如根瘤菌。3聯(lián)合固氮菌:必須生活在植物根際、葉面或動(dòng)物腸道等處,一般不形成特殊結(jié)構(gòu)。（生脂固氮螺菌）圓褐固氮菌根瘤菌（二）生物固氮的條件1能量ATP的提供2還原力[H]及其傳遞體：[H]由鐵氧還蛋白(Fd)或黃素氧還蛋白(Fld)傳遞至固氮酶上。3固氮酶：固二氮酶（組分Ⅰ，含鐵和鉬）和固二氮酶還原酶（組分Ⅱ，含鐵）組成，兩者在一起時(shí)才具有固氮作用。另外，“替補(bǔ)固氮酶”。4還原底物：N2

5鎂離子6嚴(yán)格的厭氧微環(huán)境：固氮酶的高度氧敏感性。（三）固氮的生化機(jī)制呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵光合作用NAD(P)H2ATPFd(Fld)