第5章-微生物的营养与代谢2.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,微生物的营养与代谢（下）,第,2,节 微生物的新陈代谢,新陈代谢,（,metabolism,）,简称代谢，是推动生物一切生命活动的动力源，通常泛指发生在活细胞中的各种,分解代谢,（,catabolism）,和,合成代谢,（,anabolism）,的总和，即：,新陈代谢 分解代谢 合成代谢,分解代谢,又称异化作用，是指复杂的有机物分子通过,分解代谢酶系,的催化产生,简单分子,、,能量,（一般以腺苷三磷酸即,ATP,形式存在）和,还原力,（,reducing power,，,一般用,H,来表示）的作用。,合成代谢,又称同化作用，是指在,合成酶系,的催化下，由,简单分子,、,ATP,形式的,能量,和,还原力,一起，共同合成复杂的生物大分子的过程。,复杂分子,（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,一切生物，在其新陈代谢的本质上具有高度的统一性和明显的多样性。,根据代谢过程中产生的代谢产物对生物体的作用不同，可分为：,初级代谢,次级代谢,初级代谢对生命活动是必须的，它存在于一切生物体内。,初级代谢,：,把营养物质转变成细胞的结构物质，或对机体具生理活性的物质，或为机体生长提供能量的物质的一类代谢类型。,初级代谢的产物称为,初级代谢产物,，具体包括：,例如丙酮酸、各种氨基酸、核苷酸等。,例如,ATP。,次级代谢,：,微生物在一定的生长时期（一般是稳定生长时期），以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动没有明确功能的物质的过程。,次级代谢并不普遍存在于生物界，也不存在于整个生长时期，即次级代谢并非生命活动所必须的。但,次级代谢产物,对人类是很重要的，例如抗生素、维生素、生长刺激素、色素、生物碱等。,第一节 微生物的能量代谢,一切生命活动都是耗能反应，,能量代谢,就成了新陈代谢中的,核心问题,。,研究能量代谢的根本目的，是追踪生物体如何把外界环境中的多种形式的,最初能源,（,primary energy sources）,转换成对一切生命活动都能利用的,通用能源,（,universal energy source）,-ATP。,最初,能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源,（,ATP）,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化,（,biological oxidation）：,就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。,生物氧化与燃烧的比较,生物氧化的形式,脱氢,失去电子,与氧结合,生物氧化的过程,递氢（或电子）,受氢（或电子）,脱氢（或电子）,生物氧化的类型,无氧呼吸,发酵作用,有氧呼吸,生物氧化的功能,产还原力,H,产小分子中间代谢物,产能（,ATP）,（一）底物脱氢的四条途径,以,葡萄糖,作为生物氧化的典型底物，它在脱氢阶段主要可通过,4条途径,完成其脱氢反应，并伴随,还原力,H,和,能量,的产生。,底物脱氢的四条途径,EMP,途径,HMP,途径,ED,途径,TCA,循环,link1,（二）递氢和受氢,贮存在生物体内,葡萄糖,等有机物中的化学能，经上述的4条途径脱氢后，经过,呼吸链,（或称,电子传递链,）等方式传递，最终与氧、无机或有机氧化物等,氢受体,（,hydrogen acceptor,或,receptor,）,相结合而释放出其中的能量。,发酵,根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化区分成3种类型。,呼吸,无氧呼吸,生物氧化,有氧呼吸,1.,呼吸作用,（respiration）,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,，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。,以,氧化型化合物,作为最终电子受体,有氧呼吸（,aerobic respiration）：,无氧呼吸（,anaerobic respiration）：,以,分子氧,作为最终电子受体,是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是底物脱氢后，脱下的氢（常以还原力,H,形式存在）经完整的,呼吸链,传递，最终被,外源分子氧,接受，产生了水并释放出,ATP,形式的能量,。,这是一种递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的生物氧化作用，是一种高效产能方式。,（1）,好氧呼吸,（aerobic respiration）,（2）,无氧呼吸,（anaerobic respiration）,又称,厌氧呼吸,，是一类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。,特点,是底物脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。,这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸。,根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分为下列几种类型：,硝酸盐呼吸,（,nitrate,respiration,）,又称反硝化作用（,denitrification,）,硫酸盐呼吸,（,sulfate respiration,）,硫呼吸,（,sulphur,respiration,）,铁呼吸,（,iron respiration,）,碳酸盐呼吸,（,carbonate respiration,）,延胡索酸呼吸,（,fumarate,respiration,）,link2,呼吸作用,（2）无氧呼吸,有关“鬼火”的生物学解释,（参见,P106）,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用,的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢,（,PH,3,），,一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发,生这种情况。,若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村,的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃,烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现,象，将其称之为“鬼火”。,2.,发酵,（,fermentation）（1）,定义,泛指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。,广义的发酵,指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,H,未经呼吸链传递而直接交某一,内源性中间代谢物,接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应，即：,狭义的发酵,不同的微生物通过发酵作用，积累的代谢产物是不一样的。根据主要代谢产物将微生物发酵分为以下几个类型。,（2）,微生物的发酵类型,乙醇发酵,乳酸发酵,丙酸发酵,混合酸发酵,丁二醇发酵,丁酸型发酵,乙醇发酵,酒精发酵是最古老的一种发酵，它在化工、医药及食品行业的用途广泛。,酵母菌只有在,pH3.54.5（,弱酸性,）,和厌氧条件下才能进行正常的酒精发酵，称之为,酵母菌的第一型发酵,。,酵母菌的第一型发酵,葡萄糖,2丙酮酸,EMP,途径,丙酮酸脱羧酶,2乙醛,2,CO,2,乙醇脱氢酶,2乙醇,NAD,+,NADH,2,NADH,2,NAD,+,关键酶,1分子,2分子,乙醇发酵对环境条件的变化十分敏感,乙醇发酵需在厌氧条件下进行。如果变成好氧条件，乙醇形成就停止，葡萄糖分解的速度减慢,巴斯德效应,。,A.O,2,的作用,巴斯德效应产生的原因,在好氧条件下:,(1),丙酮酸脱羧酶失活，丙酮酸脱氢酶系作用，进入,TCA,循环。,(2),高含量的,ATP,及柠檬酸别构抑制磷酸果糖激酶活性，减慢葡萄糖酵解速度,。,如果将发酵过程的,pH,值控制在,微碱性,（,pH7.6,左右）和厌氧条件下，酵母的乙醇发酵,甘油发酵，得到的产物主要是,甘油、少量的乙醇、乙酸和,CO,2,酵母菌的第三型发酵。,乙醇发酵所需的,pH,是,弱酸性,的，,pH3.54.5。,B.pH,的作用,葡萄糖,丙酮酸,EMP,途径,丙酮酸脱羧酶,乙醛,CO,2,磷酸甘油脱氢酶,乙醇,NAD,+,NADH,2,NADH,2,NAD,+,磷酸二羟丙酮,乙酸,3,P,甘油,甘油,EMP,途径,NAD,+,NADH,2,在,酵母菌的第三型发酵,中没有,ATP,产生，所以这种发酵是在静息细胞中进行的。,乙酸的产生会降低培养基的,pH,值，使,酵母菌的第三型发酵,重新回到正常的乙醇发酵，所以，如果产品需要的是甘油，一定要,控制好,pH,。,酵母菌在,亚适量的,NaHSO,3,（3）,作用下可进行,酵母菌的第二型发酵,生成,甘油和少量乙醇,。,C.,培养基成分的作用,葡萄糖,丙酮酸,EMP,途径,丙酮酸脱羧酶,乙醛,CO,2,磷酸甘油脱氢酶,NAD,+,NADH,2,NADH,2,NAD,+,磷酸二羟丙酮,3,P,甘油,甘油,EMP,途径,NAD,+,NADH,2,复合物,NaHSO,3,这里有少量的乙醇产生是为了维持菌体正常生长提供能量。,如果要利用,酵母菌的第二型发酵,来生产甘油，则培养基中的一定要,亚适量,NaHSO,3,（3）,，大量的,NaHSO,3,对酵母有毒害作用。,酵母菌的,酒精发酵,（,均在厌氧条件下,）,第三型发酵,pH7.6,左右（微碱性）,第一型发酵,pH3.54.5（,弱酸性,）,第二型发酵,亚适量,NaHSO,3,（3）,甘油、少量的乙醇、乙酸和,CO,2,甘油和少量乙醇,乙醇,通过酵母菌的三个类型发酵的分析，,可以看出工艺条件对发酵工业的重要性。,工艺条件不同，,发酵的产品性质和数量不同，,其他类型的发酵也是如此。,例如，味精的生产，即是谷氨酸发酵，,在生产中，,NH,4,+,的浓度直接影响谷氨酸的产量。,NH,4,+,浓度过高，产生的谷氨酸进一步转变成谷氨酰胺；,NH,4,+,浓度过低，产物不是谷氨酸而是它的前体,-,酮戊二酸。,工艺条件一定要控制在最佳状态才能获得高产量,！,酒精工业发展趋向,一 是利用废料、垃圾来代替淀粉原料，利用纤维素、半纤维素原料生产乙醇是当今研究的一个热点。,二 是应用高温菌种来生产，利用耐高酒精度的菌种来生产。,三 是用固定化细胞连续发酵。,四 是利用细菌来生产。例如，运动发酵单胞菌，它可利用,ED,途径分解葡萄糖，发酵成乙醇。,五 是在真空条件下边发酵边蒸馏，使发酵液中酒精浓度始终处于很低水平。,乳酸生产现在主要是化学合成，但化学合成法生产的乳酸是,DL,乳酸,，发酵法生产的是,L-,乳酸,。,目前发酵法生产乳酸的产酸水平普遍在910，中试报道也达到1214，国外的产酸水平是18。,乳酸发酵,全世界每年乳酸的消费量为1315万吨，我国的乳酸生产量11000吨。,乳酸发酵是由,乳酸菌,在,严格厌氧,的条件下进行的。乳酸菌是耐氧型的厌氧菌，,G,+,，,无芽孢，有杆菌、球菌等。,乳酸菌生长过程中需要多种生长因子，可分解葡萄糖产生大量的乳酸。,葡萄糖,2丙酮酸,EMP,途径,乳酸脱氢酶,2乳酸,NAD,+,NADH,2,NAD,+,A.,同型乳酸发酵,凡葡萄糖发酵后只产生2分子乳酸的发酵，称,同型乳酸发酵,（,homolactic,fermentation,）,。,葡萄糖,乙酰磷酸,PK,途径,乙醛,乳酸脱氢酶,乳酸,NADH,2,NAD,+,3,P,甘油醛,NAD,+,丙酮酸,乙醇,乙酸,CO,2,B.,异型乳酸发酵,凡葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和,CO,2,等多种产物的发酵称异型乳酸发酵,异型乳酸发酵,（,heterolactic,fermentation,）,。,这是一条在1960年代中后期才发现的,双歧杆菌,（,Bifidobacteria,）,通过,HMP,发酵葡萄糖的新途径。,C.,双歧杆菌途径,特点：,2分子葡萄糖3分子乙酸2分子乳酸5分子,ATP,乳酸发酵对我们食品工业和酿酒工业来说十分重要。例如，酸乳、泡菜、乳酪、酸奶油等的生产均通过乳酸发酵。甚至在香肠的制作中也需乳酸菌的参与。但在酿酒工业中乳酸菌是一重大污染菌。,丙酸发酵,丙酸是由,丙酸杆菌,（,Propionibacterium,spp,.,）,等菌的发酵产物，它具有与乙醇类似的刺激味。丙酸及其盐类对引起面包产生粘丝状物质的好气性芽孢杆菌有抑制作用，但对酵母无效，因此国内为广泛用于面包糕点的防腐。,混合酸发酵与丁二醇发酵,进行这类发酵的是肠道菌，不同的肠道菌具有不同的酶系来作用于丙酮酸，所以终产物是不同的。,以,大肠杆菌,为代表的一类肠道菌，例如，,埃希氏菌、志贺氏菌、沙门氏菌,等，发酵产物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有机酸和,CO,2,、H,2,，,所以称为,混合酸发酵,。,产气杆菌、枯草杆菌,等发酵产物主要是丁二醇，所以称之为,丁二醇发酵,。,丁酸发酵与丙酮、丁醇发酵,这类发酵是由专性厌氧菌,梭状芽孢杆菌,分解葡萄糖进行的。这类型发酵的终产物主要是丁酸、丙酮和丁醇。,葡萄糖,2丙酮酸,EMP,途径,丙酮酸铁氧还蛋白氧化酶,2,乙酰,CoA,丁醛脱氢酶,NAD,+,NADH,2,NADH,2,NAD,+,丁酰,CoA,丙酮,丁醛,丁醇,CO,2,NADH,2,NAD,+,丁醇脱氢酶,丁酸,CoA,转移酶,乙酸,乙酰,CoA,在丙酮、丁醇生发酵过程中，,pH,要控制在4.5以下。,与丁酸发酵相类似的是己酸发酵，丁酰,CoA,经过类似脂肪酸合成途径合成己酰,CoA,，,再生成己酸。己酸是一种香型物质，例如，白酒中大曲、特曲四溢的香气。乙酸还可作为食品添加剂。,呼吸作用与发酵作用的根本区别：,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。,二、自养微生物产,ATP,和产还原力,化能无机自养型微生物（无机物）,光能自养型微生物（日光辐射能）,生物合成起点是建立在对氧化程度极高的,CO,2,进行还原（即,CO,2,的固定）的基础上。,异养微生物,生物合成起点是建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。,（一）化能自养微生物,（,chemoautotrophs,）,化能自养微生物还原,CO,2,所需要的,ATP,和,H,是通过氧化,无机底物,，例如，,NH,4,+,、NO,2,-,、H,2,S、S,0,、H,2,和,Fe,2+,等而获得的。其产能途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，化能自养菌一般都是,好氧菌,。,化能自养微生物产能机制效率低、固定要大量耗能，因此他们的,产能效率、生长速率和生长得率,都很低。,化能自养微生物的能量代谢的3个特点,无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递；,呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；,产能效率即,P/O,比一般要低于化能异养微生物。,是广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养微生物。,硝化细菌,（,nitrifying bacteria）,亚硝化细菌（氨氧化细菌）,硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）,将,NH,4,+,氧化为,NO,2,-,并获得能量，,Eg,.,Nitrosomonas,（,亚硝化单胞菌属）,将,NO,2,-,氧化为,NO,3,-,并获得能量，,Eg,.,Nitrobacter,（,硝化杆菌属）,生理类型,这,类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，,在自然界中分布非常广泛。,这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。,亚硝化细菌,硝化细菌,（二）光能营养微生物,（,phototrophs,）,自然界中能进行光能营养的生物及其光合作用特点是：,光能营养型生物,产氧,不产氧,古生菌：嗜盐菌,真细菌：光合细菌（厌氧菌）,原核生物：蓝细菌,真核生物：藻类及其他绿色植物,1.,循环光合磷酸化,（cyclic,photophosphorylation,）,一种存在于,光合细菌,（,photosynthetic bacteria,）,中的原始光合作用机制，可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。,特 点：,电子传递途径属循环方式，,即在光能的驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了,ATP；,产,ATP,与产还原力,H,分别进行；,还原力来自,H,2,S,等的无机氢供体；,不产生氧。,特点：,进行不产氧光合作用（,anoxygenic,photosynthesis,），,即不能利用,H,2,O,作为还原,CO,2,时的氢供体，能利用还原态无机物（,H,2,S、H,2,）,或有机物作还原,CO,2,的氢供体。,具有循环光合磷酸化的生物，属于原核生物真细菌中的光合细菌，均是厌氧菌，分类上在,红螺菌目,（,Rhodospirillales,）,。,这是一类典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水中。,红螺菌目的光合细菌细胞内所含的,菌绿素,和,类胡萝卜素,的量和比例不同，可使菌体呈现出红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等不同颜色。,可利用有毒的,H,2,S,或污水中的有机物（脂肪酸、醇类等）作还原,CO,2,时的氢供体，用于污水净化；,产生的菌体可作饵料、饲料或食品添加剂等。,2.,非循环光合磷酸化,（,noncyclic,photophosphorylation,）,这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生,ATP,的磷酸化反应。,特 点：,电子的传递途径属非循环式的；,在有氧条件下进行；,有两个光合系统，其中的,PS（,含叶绿素,a）,可以利用红光，,PS,（含叶绿素,b）,可利用蓝光；,反应中同时有,ATP（,产自,PS,）、还原力,H（,产自,PS,）和,O,2,（,产自,PS,）产生；,还原力,NADPH,2,中的,H,是来自,H,2,O,分子光解后的,H,+,和,e,-,。,3.,嗜盐菌紫膜的光介导,ATP,合成,嗜盐菌,（,halophile,或,halophilic,bacteria,）,在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上,视黄醛,（,retinal,）,辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动式，由它来推动,ATP,酶合成,ATP，,即,光介导,ATP,合成,（,light-mediated ATP synthesis,）,。,这是一种直至1970年才发现的、,只在嗜盐菌中才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。,嗜盐菌是一类必须在高盐（3.55.0,molLNaCl,）,环境中才能正常生长的,古细菌,（,archaebacteria,）,，广泛分布在盐湖、晒盐场或盐腌海产品上，常见的咸鱼上的紫红斑块就是嗜盐菌的细胞群。,主要代表有,Halobacterium,halobium,（,盐生盐杆菌）和,H.,cutirubrum,（,红皮盐杆菌）等。,H.halobium,是一种能运动的杆菌，因其细胞内含类胡萝卜素而使细胞呈红色、桔黄色或黄色。该菌细胞膜的制备物中可分离出红色与紫色两个组份，前者主要含,红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白,等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分，一般称为,“红膜”,；,后者则在膜上呈斑片状（直径约0.5,m）,独立分布，其总面积约占细胞膜的50，这就是能进行独特光合作用的,紫膜,（,purple membrane,）,。,紫膜由称作,细菌视紫红质,（,细菌紫膜质,，,bacteriorhodopsin,）,的蛋白质（占75）和类脂（占25）组成，蛋白质与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种功能相似的蛋白,视紫红质（,rhodopsin,）,十分相似，两者都以紫色的视黄醛作辅基。,嗜盐菌紫膜光合磷酸化,（,photophosphorylation,by purple membrane,）,是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应。细菌的视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用，将反应中产生的质子一一逐出细胞膜外，从而使紫膜内外形成一个质子梯度差。根据“化学渗透学说”，此质子动式在驱使,H,+,通过,ATP,酶的孔道进入膜内以达到质子平衡时，就会产生,ATP。,当环境中,O2,浓度很低时，嗜盐菌无法利用氧化磷酸化来满足其正常的能量需要时，若光照条件适宜，它就能合成紫膜，并利用紫膜的光介导,ATP,合成机制获得必要的能量。,1.,EMP,途径,（,Embdem-Meyerhof-Parnas,Pathway,）,EMP,途径,又称,糖酵解途径,（,glycolysis,）,或,己糖二磷酸途径,（,hexose,diphosphate,pathway,）,，,是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。,在总反应中，可概括成,两个阶段,(耗能和产能)、,三种产物,(,NADHH,+,、,丙酮酸和,ATP),和,10个反应步骤,。,1分子葡萄糖为底物,10步反应,2分子丙酮酸,2分子,ATP,EMP,途径的总反应式为：,C,6,H,12,O,6,2NAD,+,2ADP2Pi2CH,3,COCOOH,2NADH,2H,+,2ATP2H,2,O,在其终产物中，2,NADHH,+,在有氧条件下,，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6,ATP；,在无氧条件下,，则可还原丙酮酸产生乳酸或还原丙酮酸的脱羧产物乙醛还原成乙醇。,EMP,途径,是多种微生物所具有的代谢途径，其产能效率虽低，但其生理功能极其,重要,：,供应,ATP,形式的能量和,NADH,2,形式的还原力；,是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（,TCA）、HMP,途径和,ED,途径等；,微生物合成提供多种中间代谢物；,通过逆向反应进行多糖合成。,从微生物发酵生产的角度来看，,EMP,途径与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。,2.,HMP,途径,（,hexose,monophosphate,pathway,）,HMP,途径,即,已糖,磷酸途径,、,己糖,磷酸支路,（,shunt,）,、,戊糖磷酸途径,（,pentose phosphate pathway,）,、,磷酸葡萄糖酸途径,（,phosphogluconate,pathway,）,或,WD,途径,（,Warburg-Dickens pathway）,。,1.氧化阶段：6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核糖,2.非氧化阶段：磷酸戊糖分子重排,HMP,途径的总反应式为：,6,葡糖-6-磷酸12,NADP,+,6H,2,O,5,葡糖-6-磷酸12,NADPH,12H,+,12CO,2,Pi,HMP,途径,在微生物生命活动中有着极其重要的,意义,，具体表现在：,供应合成原料：,为核酸、核苷酸、,NAD(P),+,、FAD(FMN),和,CoA,等的生物合成提供戊糖-磷酸；途径中的赤藓糖-4-磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料；,产还原力：,产生大量的,NADPH,2,形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量之需；,作为固定的,CO,2,中介：,是光能自养微生物和化能自养微生物固定,CO,2,的重要中介；,扩大碳源利用范围：,微生物利用,C,3,C,7,多种碳源提供了必要的代谢途径；,连接,EMP,途径：,通过与,EMP,途径的连接，微生物合成提供更多的戊糖。,从微生物发酵生产的角度来看，通过,HMP,途径可提供许多重要的发酵产物，例如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。,3.,ED,途径,（,Entner-Doudoroff,pathway,）,ED,途径,又称,2,-酮-,3,-脱氧-,6,-磷酸葡糖酸,（,KDPG,）,裂解途径,。最早由,Entner,和,Doudoroff,两人（1952）在,Pseudomonas,saccharophila,（,嗜糖假单胞菌）中发现，故名。这是存在于某些缺乏完整,EMP,途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。,ED,途径特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由,EMP,途径须经10步才能获得的丙酮酸。,ED,途径的总反应式为：,C,6,H,12,O,6,ADPPiNADP,+,NAD,+,2CH,3,COCOOH,ATP,NADPHH,+,NADHH,+,4.,TCA,循环,（,tricarboxylic,acid cycle）,三羧酸循环,又称,TCA,循环,、,Krebs,循环,或,柠檬酸循环,（,citric acid cycle,）,，这是一个广泛存在于各种生物体中的重要生物化学反应，在各种好氧微生物中普遍存在。,真核微生物,，,TCA,循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中；,原核微生物，,例如细菌中，大多数酶都存在于细胞质内。只有琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。,是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧、形成,CO,2,、H,2,O,和,NADH,2,的过程。,整个,TCA,循环,的总反应式为：,丙酮酸,4,NAD,+,FADGDPPi3H,2,O3,CO,2,FADH,2,GTP,4(NADHH,+,),TCA,循环的特点有,：,氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转（,NAD,+,和,FAD,再生时需氧,）；,每分子丙酮酸可产4个,NADHH,+,、1,个,FADH,2,和,GTP，,总共相当于15个,ATP，,因此产能效率极高；,TCA,位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，还与人类的发酵生产紧密相关。,又称,电子传递链,（,electron transport chain，,ETC）,，,是指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（或电子）传递体。,呼吸链,（,respiratory chain,，RC）,低氧化还原势的化合物,高氧化还原势化合物,Eg,.,分子氧或其他无机、有机氧化物,通过与氧化磷酸化反应相偶联,跨膜质子动势,推动了,ATP,的合成,氢或电子,逐级传递,（1）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（,NAD）,和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（,NADP）,（2）,黄素腺嘌呤二核苷酸（,FAD）,和黄素单核苷酸（,FMN）,（3）铁硫蛋白（,Fe-S）,（4）泛醌（辅酶,Q）,（5）细胞色素系统,递氢体或递电子体,NAD,或,NADP,FAD,或,FMN,铁硫蛋白,泛醌,细胞色素系统,ATP,ATP,ATP,氧化磷酸化,（,oxidative,phosphorylation,）,又称,电子传递链磷酸化,，,是指呼吸链的递氢（或递电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生,ATP,的作用。递氢、受氢即氧化过程造成了跨膜的质子梯度差即质子动势，进而质子动势再推动,ATP,酶合成,ATP。,其一是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为,氮源营养物,，称为,同化性硝酸盐还原作用,（,assimilative nitrate reduction,）,；,硝酸盐呼吸,，又称反硝化作用（,denitrification,）,硝酸盐在微生物生命活动中具有两种功能,其二是在无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的,最终氢受体,，把它还原成亚硝酸、,NO、N,2,O,直至,N,2,的过程，称为,异化性硝酸盐还原作用,（,dissimilative nitrate reduction,）,，,又称,硝酸盐呼吸,或,反硝化作用,。,两个还原过程的,共同特点,是硝酸盐都要经过一种,含钼的硝酸盐还原酶,将其还原为亚硝酸。,兼性厌氧微生物反硝化细菌,，,例如，,Bacillus,licheniformis,（,地衣芽孢杆菌），,Paracoccus,denitrificans,（,脱氮小球菌），,Pseudomonas,aeruginosa,（,铜绿假单胞菌）等。,在通气不良的土壤中，反硝化作用会造成氮肥的损失，其中间产物,NO,和,N,2,O,会污染环境。,是一类称作,硫酸盐还原细菌,（或称反硫化细菌）的,严格厌氧菌,在无氧条件下获取能量的方式。,硫酸盐呼吸,特点：,底物脱氢后，经呼吸链递氢，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作用相偶联而获得,ATP。,硫酸盐呼吸的最终产物是,H,2,S,。,严格厌氧菌，例如，,Desulfovibrio,desulfuricans,（,脱硫脱硫弧菌），,Dgigas,（,巨大脱硫弧菌），,Desulfotomaculum,nigrificans,（,致黑脱硫肠状菌）等。,在浸水或通气不良的土壤中，厌氧微生物的硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系生长十分不利。,以,无机硫,作为呼吸链的最终氢受体并产生,H,2,S,的生物氧化作用。,硫呼吸,兼性或专性厌氧菌，,例如，,Desulfuromonas,acetoxidans,（,氧化乙酸脱硫单胞菌）,铁呼吸,在某些,专性厌氧菌,和,兼性厌氧菌,（包括化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌）中发现，其呼吸链末端的氢受体是,Fe,3,+,。,碳酸盐呼吸,根据其还原产物的不同，可分为两种类型，,一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸，,一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。,是一类以,CO,2,或,重碳酸盐,作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。,延胡索酸呼吸,在延胡索酸呼吸中，,延胡索酸,是末端氢受体，而,琥珀酸,则是延胡索酸的还原产物。,兼性厌氧细菌，,例如，,Escherichia,（,埃希氏杆菌属）、,Proteus,（,变形杆菌属）、,Salmonella,（,沙门氏菌属）、,Klebsiella,（,克氏杆菌属）等肠杆菌；,厌氧细菌，,例如，,Bacteroides,（,拟杆菌属）、,Propionibacterium,（,丙酸杆菌属）、,Vibriosuccinogenes,（,产琥珀酸弧菌）等。,第,3,节 分解代谢和合成代谢的联系,分解代谢与合成代谢在生物体内是偶联进行的，它们之间的关系是对立统一的。,分解代谢与合成代谢的关系图,联接分解代谢与合成代谢的中间代谢物有,12种,。,小节：,产能代谢与呼吸作用,呼吸作用的化学本质是产能代谢中基质将脱下的氢（电子）转移给受氢体（电子受体）的过程。,根据最终受氢（电子）体的不同，微生物的呼吸类型划分为三类：,发酵、无氧呼吸和有氧呼吸。,微生物的产能代谢就是通过上述三类氧化还原反应（呼吸作用）来实现的。,异养生物的生物氧化,EMPTCA,电子传递链,思考题,何谓营养物质、营养和代谢？,按照生理需要划分，微生物需要哪些营养物质？,简述微生物的四种基本营养类型。,简述微生物摄取营养物质的四种基本方式。,何谓培养基？简述配制培养基的原则和培养基的种类。,试比较呼吸、厌氧呼吸和发酵的特点。,简述糖酵解途径和三羧酸循环。,简述测定微生物生长的各种方法。,什么叫细菌生长曲线？可分哪几个生长阶段？各有什么特点？,微生物有哪些温度类型？各有何特点？,为啥每种生物都有一定的生长温度范围？为何高温微生物耐高温？,简述高温消毒或灭菌的方法。,何谓嗜酸微生物和嗜碱微生物？,根据微生物与氧气的关系，可将微生物分为几种类型？为啥厌氧菌对氧气敏感？,何谓,DNA,？何谓基因？何谓,DNA,的双螺旋结构？,简述原核微生物的基因重组方式。,