第五章 微生物的代谢与调节

第五章 微生物的代谢与调节 新陈代谢： 生物体进行的所有化学反应和物理反

应的总和。 微生物的代谢作用包括 : 合成代谢和分解代谢，或称同化作用和异

化作用。

合成代谢 在合成酶系的催化下，

由简单的小分子、 ATP 和还原力 [H] 一起合成复杂的生物的大分子的过程。

分解代谢 指复杂的有机分子

通过分解代谢酶系的催化产生简单分子、能量 (ATP) 、和还原力 [H] 的过程。

分解代谢的三个阶段

将大分子的营养物质降解成氨基酸、单糖、脂肪酸等小分子物质。

进一步降解成为简单的乙酰辅酶 A 、丙酮酸、及能进入 TCA 循环的中间产物。

将第二阶段的产物完全降解生成 CO2 ， 并将前面形成的还原力（ NADH2 ）通过呼吸吸链氧化、 同时形成大量的 ATP 。

合成代谢和分解代谢的关系

复杂分子 简单分子 +ATP+[H] ( 有机物 )

分解代谢酶系

合成代谢酶系

初级代谢和次级代谢 初级代谢： 能使营养物质转变成

机体的结构物质、或对机体具有生理活性作用的物质或为生长提供能量的一类代谢类型。

初级代谢产物

次级代谢： 存在于某些生物中 ,

并在它们一定生长时期内出现的代谢类型。

次级代谢产物： 抗生素、生长刺激素、

生物碱、色素等

第一节 微生物的能量代谢 新陈代谢中的核心问题： 能量代谢 能量代谢的中心任务： 是生物体如何把环境中多种形式的最初能源转

换成为对一切生命活动都能使用的通用能源。 生物体能量代谢的实质： 是 ATP 和酰基辅酶 A 、酰基磷酸等的生成和利

用问题。即 ATP 的生成和利用的问题。

化能异养菌有机物

光能营养菌日 光 通用能源

化能自氧菌无机物*

最初能源

(ATP)

能源的转化

一 . 化能异养微生物的生物氧化和产能

大分子物质的分解代谢1 、多糖的分解 淀粉 由各种胞外淀粉酶分解成葡萄糖（麦芽糖）后被吸收利用 - 淀粉酶：枯草杆菌，米曲霉 - 淀粉酶 ：巨大芽孢杆菌 葡萄糖淀粉酶 ：黑曲霉 异淀粉酶 纤维素 由复合的纤维素酶催化产生葡萄糖后被微生物吸收利用

2 、油脂的分解 通过脂酶将油脂分解成甘油和脂肪酸 甘油的利用 直接吸收后经磷酸化并转变为磷酸二羟丙酮 脂肪酸的利用 经 ω - 氧化途径产生乙酰 CoA 后被利用

三、蛋白质的分解 通过蛋白酶将蛋白质分解成肽，并可继续

分解成氨基酸 1 、氨基酸的直接利用 2 、氨基酸的脱氨分解利用 3 、氨基酸的脱羧分解

比 较 项 目 燃 烧 生 物 氧 化

步 骤 一 步 式 快 速 反 应 多 步 式 梯 级 反 应

条 件 激 烈 温 和

催 化 剂 无 酶

产 能 形 式 热 、 光 大 部 分 为 A T P

能 量 利 用 率 低 高

生物氧化与普通氧化反应的区别

一 . 化能异养微生物的生物氧化和产能

微生物生物氧化的产能模式

生物氧化的过程： 脱氢（或电子） 递氢（或电子） 受氢（或电子） 生物氧化的方式： 按照是否有最终外

源电子受体可分为呼吸和发酵。

发酵 没有任何外源的最终电

子受体的生物氧化模式。 呼吸 有外源的最终电子受

体的生物氧化模式。 呼吸又可分为有氧呼

吸和无氧呼吸。

（一）底物脱氢的四条途径 [ 葡萄糖糖（单糖）的降解 ]

葡萄糖 丙酮酸 途径 ------EMP 、 HMP 、 ED 、 PK

丙酮酸 ？产物 进行各种发酵，一般以产物来命名。

如：丙酮酸 二氧化碳

无氧条件下

三羧酸循环

有氧条件下

底物脱氢的四种途径

EMP途径

HMP途径

ED途径

磷酸解酮酶途径

EMP 途径（ Embden-Meyerhof pathway ）

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

ATPADP

ATPADP

ADPATP

ADPATP

NAD+

NADH+H+

a

a : 耗能阶段 b

b : 产能阶段

EMP 途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH ；桥梁；中间代谢产物；逆向合成多糖；与发酵产物有关。 底物水平磷酸化

底物水平磷酸化

6- 磷酸 - 葡萄糖

5- 磷酸 - 木酮糖 5- 磷酸 - 核糖 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

3- 磷酸 - 甘油醛

4- 磷酸 - 赤藓糖6- 磷酸 - 果糖 3- 磷酸 - 甘油醛

oOH

OH

CH2OH

OH

HO

o

OH

CH2OP

OHHO

COOH C=O

H-C-OHH-C-OHD CH2OP

CH2OH

oOH

OH

CH2OP

OHHO

ATP ADP NAD(P)+

NADH+H+

NAD(P)+

NADH+H+

葡萄糖 6- 磷酸 - 葡糖酸6- 磷酸 - 葡萄糖 5- 磷酸 - 核酮糖

C=O H-C-OH

H-C-OHH-C-OP H

CH2OH

H-C-OHH- C=O

H-C-OHH-C-OH

CH2OP

5- 磷酸 - 核酮糖

C=OHO-C-H

H-C-OHH-C-OP H

CH2OH

5- 磷酸 - 木酮糖 5- 磷酸 - 核糖

HMP途 径

无氧

进入 EMP 或形成己糖磷酸

HMP （ WD ）途径

从 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。HMP 途径与 EMP 途径有着密切的关系， HMP 途径中的3- 磷酸 - 甘油醛可以进入 EMP 途径， — 磷酸戊糖支路。

HMP 途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖 -6- 磷酸转变成一分子甘油醛 -3- 磷酸、 3 个 CO2 、 6 个 NADPH 。一般认为 HMP 途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（ NADPH ）和中间代谢产物；为自养微生物固定 CO2 的中介；扩大碳源利用范围；生产中可提供核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸等发酵产物。

HMP 途径不经 EMP 和 TCA 途径，将葡萄糖彻底氧化。

多数微生物、动物、植物存在 HMP ，常与 EMP 同存。

ED 途径（ 2- 酮 -3- 脱氧 -6- 磷酸葡糖酸途径， KDPG ）

ED 途径

ED 途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的，还有荧光、铜绿、林氏、真氧产碱菌， ED 途径在革兰氏阴性菌中分布较广，几种真菌有。是 EMP 途径不完全的替代途径。

ED 途径结果：一分子葡萄糖经 ED 途径最后生成 2分子丙酮酸、 1 分子 ATP ， 1 分子 NADPH 、 1 分 NADH 。ED 途径可不依赖于 EMP 与 HMP 而单独存在，丙酮

酸有氧进 TCA ，无氧脱羧为乙醛，进一步还原为乙醇ED 途径不如 EMP 途径经济，产能少。

ED 途径过程：

葡萄糖→ → →KDPG 甘油醛 -3- 磷酸丙酮酸 →丙酮酸EMPKDPG

醛缩酶

4 、磷酸解酮酶途径 （ 1 ）磷酸戊糖解酮酶途径 -PK

（ 2 ）磷酸己糖解酮酶途径 -HK

如：肠膜明串珠菌利用 HK 途径将葡萄糖分解为乳酸和乙酸，利用 PK 途径将戊糖分解为乳酸和乙醇。

5 、 TCA 循环

糖酵解途径的产物中葡萄糖碳原子的分布

（二）递氢和受氢贮存在生物体内的葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述 4 条途径脱氢后，通过呼吸链（或电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。

根据递氢特点及氢受体性质，把生物氧化区分为：呼吸和发酵两种类型。

109图 5-11

1 、呼吸作用

根据反应中氢受体不同分为两种类型

Microbiology

有氧呼吸

无氧呼吸

1 、呼吸作用 （ 1 ）有氧呼吸 aerobic respiration

以分子氧作为最终电子（和氢）受体的生物氧化作用，称为有氧呼吸。

除糖酵解过程外，还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应

需氧和兼性厌氧微生物在有氧条件下进行有氧呼吸。

化能异氧菌： 化能自养菌：

有氧呼吸中还存在两种形式： 一种是彻底氧化；如发酵面食的制作即利用了微生物的有氧呼吸

另一种是非典型的，底物被直接氧化。

有氧呼吸特点： 基质氧化彻底生成 CO2 和 H2

O ，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。

E 系完全，分脱氢 E 和氧化E两种 E 系。

产能量多，一分子 G净产 38个 ATP

氧化磷酸化

电子传递

递氢体

递氢体 -H2

还原态细胞色素 -H2

氧化态细胞色素

1/2O2

H2O

脱氢酶 氧化酶

2H+

NAD FAD Q 细胞色素 bca1a3

基质 -H2

基质

呼吸链 respiratory chain电子传递连 electron transport chain

呼吸链： 由一系列氧化还原

电势从低到高呈梯度差的链状排列的氢（或电子）传递体组成，其功能是把氢或电子传递。

呼吸链的位置 呼吸链传递电子的结

果

化学渗透学说（ chemiosmotic hypothesis)

P.Mitchell 1961年提出 认为在氧化磷酸化

过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，即形成质子动势。通过 ATP 酶的逆反应可把质子从膜外侧重新输回到膜内侧，同时合成 ATP 。

F0

F1ATP

膜

膜内

膜外 2H +

ADP+ Pi ATP+H2O

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

膜内膜外

ATP

H+

H+

H2O

a

ATP

bH+

H+

c

H+

H+

ADP

电子传递过程中能量 (ATP) 产生机制

构象变化偶联假说（ 1997 ， P.Boyer ）

1997 Nobel 奖

氧 化磷酸化

释 放 能 量 与 磷 酸 化 过 程 相 偶 联 3 8 A D T + 3 8 P i 3 8 A T PC 6 H 1 2 O 6 + 6 O 2 6 C O 2 + 6 H 2 O释 放 能 量 不 与 磷 酸 化 过 程 相 偶 联

C 6 H 1 2 O 6 + H 2 O + O 2 C 6 H 1 2 O 7 + H 2 O 2

青霉

氧化酶

（ 2 ）无氧呼吸 anaerobic respiration 指以无机氧化物（如

NO3- ， NO2

- ， SO4- ，

S2O3- 或 CO2 等）代替

分子氧作为最终电子受体的生物氧化作用。

一些厌氧微生物和兼性厌氧微生物在无氧条件下有无氧呼吸

无氧呼吸产生的 ATP比有氧呼吸少。

硝酸盐呼吸（反硝化作用）

NO N2

亚硝酸还原细菌

2HNO3 2HNO2 2NOH N2O N2

2NH2OH 2NH3

基质 -H2

基质

辅酶

辅酶 -H2

脱氢酶

NO2-

NO3-

硝酸盐还原细菌

一系列酶

最终电子受体为无机物：NO32-、SO4

2- 反硝化作用（denitrification）：由硝酸盐逐渐还原成分子氮的过程 硝酸盐还原细菌：硝酸盐呼吸（异化性硝酸盐还原作用） NO3

－+2H++2e— NO2—+H2O

C6H12O6+12NO3— 6H2O+6CO2+12NO2

—

反硝化细菌为兼性厌氧微生物，如铜绿假单胞菌，脱氮副球菌

硫酸盐呼吸（ sulfate respiration ）反硫化作用

有些硫酸盐还原菌（反硫化细菌）如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（ H2 或有机物，大部分不能利用 G) 将底物脱下的氢经呼吸链传递给硫酸盐，使硫酸盐还原成 H2S ，并在递氢中与氧化磷酸化作用偶联而得 ATP 。反硫化细菌以次获得能量。

反硫化细菌为严格厌氧菌，如脱硫脱硫弧菌。 乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下 8 个 H ，使硫

酸盐还原为 H2S 。

SO42－＋ 8H 4H2O＋ S2－

碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）

能在氢等物质的氧化过程中，以 CO2 、 、重碳酸盐为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。据还原产物不同分为，产甲烷菌将 CO2 、 、重碳酸盐还原成甲烷，产乙酸菌将 CO2 、 、重碳酸盐还原成乙酸。

专性厌氧菌。

CO2+4H2 CH4+2H2O+ATP

甲烷细菌特点：

产甲烷细菌细胞壁不含肽聚糖 产甲烷 DNA 分子量比一般细菌少 2－ 3倍 产甲烷细菌 tRNA 分子中的 JφC 的 T 被 U取代。 产甲烷细菌起始 tRNA 所携带的 AA 为甲硫氨

酸， 一般细菌为甲基甲硫氨酸。 无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。

Microbiology

硫呼吸（ sulphur respiration ）：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生 H2S 的生物氧化作用。兼性或专性厌氧菌。

铁呼吸（ iron respiration ）：兼性或专性厌氧菌（异养、自养、某些真菌）

最终电子受体为有机物：延胡索酸呼吸 延胡索酸 +[2H] 琥珀酸 兼性厌氧菌。如埃希氏菌属、沙门氏菌属。 还有类似的以有机氧化物作无氧环境下呼吸链的末端氢受体的例子，如甘氨酸（还原为乙酸）、二甲基亚砜（ DMSO ，还原为二甲基硫化物）、氧化三甲基胺（三甲基胺）。

无机物氧化：细菌：氢细菌、铁细菌、硫化细菌、硝酸盐细菌能源物质 : 氢气、 铁、硫或硫化物 , 氨或亚硝酸盐例：硫化细菌

S 2 - + 2 H 2 O S O 42 - + 1 8 9 . 9 千 卡

S + 3 / 2 O 2 + H 2 O S O 42 - + 2 H + + 1 3 9 . 8 千 卡

2 、发酵作用（ fermentation) （狭义的）在没有外源最终

电子受体时，底物脱氢后所产生的 [H] 不经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物的一类生物氧化作用叫发酵作用。

电子供体和电子受体： 都是有机化合物的生物氧

化作用。 通过底物水平磷酸化并提供

ATP 。 发酵过程释放的能量：

各种微生物都能进行发酵模式的生物氧化，除进行无氧呼吸的厌氧微生物外，发酵作用是许多厌氧微生物取得能量的唯一方式。

需氧微生物在进行有氧呼吸的过程中也要经过发酵阶段，但在这种情况下，糖的利用速度要比无氧时慢。

呼吸作用与发酵作用的比较 相同点： 氧化时，底物上脱下的氢和电子都和相同的载体结合，

形成 NADH 和 FADH 。 不同点： NADH 和 FADH上的电子和氢的去路不同。 消耗 1 分子葡萄糖产生的 ATP数量不同。

发酵类型很多，这里只介绍与 EMP 、 HMP 、 ED途径有关的几类重要发酵类型

（ 1 ）由 EMP 途径的丙酮酸出发的发酵酵母酒精发酵

正型乳酸发酵谢氏丙酸杆菌的丙酸发酵

大肠杆菌进行的混合酸发酵，pH6.2 产酸不产气

丙酮酸甲酸裂解酶

丙酮酸脱羧酶

乳酸脱氢酶

两分子丙酮酸缩合

产气肠杆菌的 2 ， 3-丁二醇发酵

碱，氧化为二乙酰 与胍基成红色， V.P试验

丁酸、丁醇、丙酮丁醇羧菌的丁酸型发酵（厌氧菌）

硫解酶丙酮酸脱氢酶

乙酰甲基甲酸

大肠杆菌： VP阴性， M-R阳性（产酸 pH4 ，甲基红黄变红）产气肠杆菌： VP阳性， M-R阴性 pH5.3

①乙醇发酵

酵母菌乙醇发酵 :

C 6 H 1 2 O 6 + 2 A D P 2 C 2 H 5 O H + 2 A T P + 2 C O 2 + 2 H 2 O

极酸条件下的严格厌养菌如胃八叠球菌和肠杆菌也可通过 EMP进行乙醇发酵（丙酮酸甲酸裂解酶而不是丙酮酸脱羧酶）。

酵母酒精发酵

酵母乙醇发酵的类型

条件 受氢体 ATP 主要产物 Ⅰ 正常（脱羧） 乙醛 2 乙醇（同型酒精发酵，酵母一型发酵） Ⅱ 加亚硫酸氢钠 磷酸二羟丙酮 甘油（酵母二型发酵） Ⅲ pH7.6 碱性条件 磷酸二羟丙酮 甘油、 乙醇 、乙酸（酵母三型发酵）

注意： 代谢的途径、条件、受氢体和产物的不同。

②乳酸发酵 有三种类型： 同型、异型乳酸发酵，双歧发酵（途径不同） 一些能利用葡萄糖产酸的细菌称乳酸细菌。

同型乳酸发酵：终产物只有乳酸一种。丙酮酸为电子受体。 保加利亚乳杆菌、德氏乳杆菌、植物乳杆菌 C6H12O6+2ADP 2C3H6O3+2ATP+2H2O

乳酸脱氢酶

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

同型乳酸发酵途径

3. 混合酸发酵

微生物将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、氢气、二氧化碳等多种产物的生物学过程。

4. 丁二醇发酵

微生物发酵葡萄糖得到大量的丁二醇与少量的乳酸 、乙酸、二氧化碳、氢气等产物的代谢过程。

区分大肠杆菌和产气杆菌的方法

Voges-proskauer 试验（ V.P 反应）

将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，于 37℃培养 24小时，加入与培养基等量的 VP试剂，置 37℃保温 30 分钟，呈红色者为阳性，不呈红色者为阴性。

VP 反应结果： 产气杆菌为阳性 , 大肠杆菌

的为阴性

甲基红试验（ M.R. 反应）

将细菌接种至葡萄糖蛋白胨水培养基中，置 37℃培养 48 小时，然后沿管壁加入甲基红指示剂 , 呈红色者为阳性 , 不呈红色者为阴性。

MR 反应的结果： 大肠杆菌为阳性，产气

杆菌为阴性

5. 丁酸发酵 CoASH CoASH

丙酮酸 乙酰辅酶 A 乙酰乙酰辅酶 A

乙酸 乙酰辅酶 A

丁酰辅酶 A 丁酸

6. 丙酮丁醇发酵 丙酮丁醇梭状芽孢杆菌

丙酮酸 乙酰辅酶 A 乙酰乙酰辅酶 A

丙酮 乙酰乙酸

丙酮酸 丁酸 丁醛 丁醇

7. 多元醇发酵 ( 高渗酵母 )

葡萄糖

6- 磷酸葡萄糖

EMP HMP

磷酸丙糖 5- 磷酸核酮糖

乙醇 +

二氧化碳甘油 D-阿拉伯糖醇

（ 2 ）由 HMP 途径的丙酮酸出发的发酵

异型乳酸发酵：葡萄糖发酵后产生乳酸、乙醇（或乙酸）和 CO2 等多种产物的发酵。

经典：肠膜明串珠菌、发酵乳杆菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌

葡萄糖 乳酸 + 乙酸（或乙醇） +CO2 （ Hk ） 戊糖 乳酸 + 乙酸 +H2O （ PK ） 双歧发酵途径：是两歧双歧杆菌发酵葡萄糖产乳酸的途

径。 2 葡萄糖产 2乳酸、 3 乙酸和 5ATP途径：同型是 EMP；异型是 HMP

异型乳酸发酵的经典途径

（ 3 ）由 ED 途径的丙酮酸出发的发酵

细菌酒精发酵 (ED ，运动单胞菌 ):

C6H12O6+ADP 2C2H5OH+ATP+2CO2+H2O 丙酮酸脱羧酶

厌氧

（ 4 ）氨基酸发酵产能 -stickland 反应

stickland 反应是以一种氨基酸作底物脱氢（即氢供体），而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类型。

产能效率低， 1 分子氨基酸只产 1ATP 。少数厌氧梭菌，如肉毒梭菌 氢供体：苯丙氨酸、丙氨酸、组氨酸、色氨

酸等 氢受体：甘氨酸、脯氨酸、色氨酸等

（ 5 ） . 发酵产物的类型及其发酵特点 发酵类型： 偶联型、 部分偶联型、非偶联型； 划分的依据： 发酵产物形成的速度和菌体生长速度之间的关系。

Ⅰ. 与生长偶联型产物的合成

菌体类： 菌体增加与碳源利用平

行，且两者之间存定量关系。如酵母、蘑菇菌丝、苏云金杆菌的培养。

糖类厌氧发酵 代谢产物的积累与菌体增长平行，且与消耗碳源之间有准量关系。如酒精与乳酸发酵。

酵母、酒精与乳酸发酵

Ⅱ. 中间型产物合成 ( 部分偶联）

发酵特点 菌体生长速度减低或停止

后产物较快合成。（生长也可能有第二个高峰。）

产量与碳源的消耗无准量关系，但产物往往是菌体氧化代谢的主流产物，所以产量一般均高。

如丙酮丁醇发酵，柠檬酸发酵。

丙酮丁醇、柠檬酸发酵

Ⅲ. 与生长不偶联型产物的合成 发酵特点： 菌体生长速度减低或停止后产物较快合成。

产量与碳源的消耗无准量关系，产量远低于消耗碳源的量，

如抗生素和维生素的合成

核黄素和链霉素发酵

实验七 合成培养基中不同葡萄糖浓度、 NH4

Cl浓度、 pH 对大肠杆菌生长的影响 大肠杆菌培养基： 葡萄糖 5g ， （ NH4 ） H2PO41g ，

MgSO4·7H2O 0.2g, K2HPO41g,

NaCl 5g, 水 1000ml,

pH 7.0~7.2 NH4Cl浓度 : 将培养基中（ NH4 ） H2PO41g改为 KH2P

O4 1g, NH4Cl 分别为 0.1, 0.5, 0.9, 1.3, 1.7 g/1000ml

葡萄糖浓度 : 1, 3, 5, 7, 9 g/1000ml pH 分别为 5, 6, 7, 8, 9 配置培养基、调 pH ，灭菌，接种，培养、结果检测、

结果分析

二、自养微生物产 ATP 和产还原力 ATP 和还原力产生 :

化能无机自养型微生物：从氧化磷酸化获得能量，并花费一大部分 ATP逆呼吸链传递的方式把无机氢转变为还原力 [H] 。

光能自养型微生物： ATP 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 [H]则是直接或间接利用这些途径产生的

ATP 和还原力去向： 主要用于 CO2固定，主要通过 Calvin 循环，

乙酰 -CoA 途径，还原性 TCA 途径，羟基丙酸途径固定 CO2 。

氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化

（一）化能自养微生物的生物氧化

Microbiology

无机底物不仅为最初能源，有的可为无机氢供体。

硝化细菌的能量代谢（氨的氧化）

NH3 NO2—亚硝酸菌

NO2—

NO3—硝 酸 菌

NH3+1.5 O2 NO2— +H2O + H+ + 65.1

NO2-+0.5O2 NO3— + 18.1

NO2- + H2O

NO3 - + 2H

2e -细胞色素 a 1

细胞色素 a30.5O2+2H+

H2O

硝化细菌分两类：亚硝化细菌或氨氧化细菌或亚硝酸细菌；硝化细菌或亚硝酸氧化细菌或硝酸菌

硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）

H2S + 0.5 O2 S + H2O + 能量

Microbiology

S+1.5 O2 + H2O SO4— +2H++ 能量

氢细菌的 能量代谢（氢的氧化）

H2+0.5 O2 H2O + 能量

用途 : 用于生产单细胞蛋白

Microbiology

化能自养微生物与异养微生物相比的能量代谢比的三个特点：①脱氢酶或氧化还原酶催化无机底物脱氢或脱电子直接进入呼吸链，不需逐级脱氢，②呼吸链组分更多样化，③产能效率一般低于化能异养微生物。

因还原态的无机物氧化还原电位不同，在其氧化时，都必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链。所以化能自养微生物呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率（ P/O比），如氧化 1 分子的氨，只产生 2ATP 。而固定CO2要大量耗能。化能自养微生物产能效率、生长速率、生长得率都较低。

（一）光能自养微生物的产能代谢

光能营养生物：藻类、植物、蓝细菌、光合细菌、嗜盐菌

能量转化

底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)

氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)

光合磷酸化( photophosphorylation)

Microbiology

Microbiology

底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation)

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。

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 ATP 或 GTP 的合成。这种产生ATP 等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。

Microbiology

光合磷酸化 ( photophosphorylation)

嗜盐菌紫膜的光合作用

非环式光合磷酸化

环式光合磷酸化

代 表 微 生 物

光合作用部位

光合作用特点

红螺菌科、红硫菌科、绿硫菌科，不产氧光合作用

菌绿素

由光反应和暗反应组成 ,只有一个光反应系统不放氧。

Microbiology

1 、环式光合磷酸化cyclic photophosphorylation

Cyt.bc1

e-e-

e-

e-

QA

Bph

Cyt.c2

QB

Q库

e-

P870*

P870

e-

外源电子供体 H2S 等

ADP+Pi

ATP

NAD(P)

NAD(P)H2

外源 H2

逆电子传递

环式光合磷酸化的光反应

环式光合磷酸化的暗反应

2

光能转变的化学能

CO2有机物ATP

NADH2

Microbiology

光合细菌的循环光合磷酸化产能反应的特点： ①电子传递方式属循环式，只有一个光反应系统，有光反应和暗反应，其间产生 ATP 。　　②产能与产还原力分别进行　　③还原力来自 H2S 或有机供氢体，不是水　　④不产氧

e-QAPh QB Q库

FdFp e-e-e-Fe.S

ADP+PiATP

e-

叶绿素 a

叶绿素 a+

e-

Ⅰ

叶绿素 b

叶绿素 b+

Ⅱ

H20

1/202

Mn 2+

2H+ e-

NADPH+H+

Cyt.bc1

ADP+PiATP

PC

2 、非环式光合磷酸化 non-cyclic photophosphorylation

非环式光合磷酸化特点

两个光反应系统产还原剂 NADH2光合系统Ⅰ，产 ATP 和 O2

（光合系统Ⅱ）Microbiology

电子传递属非循环式的在有氧条件下进行

3 、嗜盐菌紫膜光合磷酸化

嗜盐菌：有氧时氧化磷酸化获能。 O2 浓度低时（无氧），若光适宜，

能合成紫膜，并利用光能造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动 ATP 酶合成 ATP ，即为光介导ATP 合成机制（紫膜光合磷酸化）。

紫膜光合磷酸化（ photophosphorylation by purple membrance ）

ATP 酶

紫 膜

H+ H+ H+

-

++ + +

- - -

细胞壁 红 膜 （类胡萝卜素等）

H+ADP+Pi

ATP

（细菌视紫红质）

PNH

+N+

P

N P

NH

+P

顺式

膜外

膜内

紫膜

反式

H+

H+

+ + + + + + +

— — — — — — —

紫膜光合磷酸化H+

ADP+Pi

ATP

第二节分解代谢和合成代谢的联系

两者密不可分，有 12 种中间代谢物联接，合成代谢消耗的分解代谢的中间代谢物由两用代谢途径和代谢回补顺序的方式补充。

乙醛酸循环为某些微生物所特有，异柠檬酸异柠檬酸裂合酶分解为乙醛酸和琥珀酸，乙醛酸在苹果酸合酶催化下与乙酰 Co-A 形成苹果酸。醋杆菌属、固氮菌属、产气杆菌属、荧光假单胞菌属、红螺菌属；酵母菌、青霉属、曲霉属。

自学

第三节 微生物独特合成代谢途径

一、自养微生物的 CO2固定 自养微生物生物氧化获得的能量用于 CO2

固定。微生物中有四条途径。即： 1 、 Calvin 循环：化能自养、光能自养微

生物 CO2固定主要途径。 2 、厌氧乙酰 -CoA 途径：非循环式，产

乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌。

3 、还原性（逆向） TCA 途径 绿菌属的一些绿色硫细菌。

4 、羟基丙酸途径固定 CO2

绿弯菌属的一些绿色硫细菌，在以 H2 或 H2S 作电子供体进行自养生活时特有的固定 CO2 机制。

Microbiology

其他耗能反应

运动运输发光

二、生物固氮 生物固氮：大气氮经微生物固氮酶催化成氨的过

程。原核。（一）固氮微生物： 134 ，自生、共生、联合（二）固氮的生化机制 钼铁蛋白、铁蛋白 1 、 生物固氮 6要素： 135 2 、测定固氮酶活力的乙炔还原法 2H+ + 2e- H2

C2H2 C2H4( 三）好氧菌固氮酶避氧害机制

生物固氮（ biological nitrogen fixation ）

固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成

Microbiology

固氮作用生化机制好氧菌固氮酶避氧害机制

固氮微生物(nitrogen –fixing organisms ,diazotrophs ）

Microbiology

自生固氮菌好氧自生固氮菌 固氮菌属

巴氏芽孢梭菌厌氧自生固氮菌兼性厌氧自生固氮菌

联合固氮菌 根际、叶面、动物肠道等处的固氮微生物

共生固氮菌满江红鱼腥藻

根瘤植物

豆科植物地衣

根瘤菌和根瘤的形成

根瘤菌形态

根瘤菌特点根瘤的形成

感染性专一性有效性

根瘤 (Nodle) 的形成

植物 色氨酸分泌 微生物 吲哚乙酸

根毛弯曲松驰变软

根瘤菌侵入根毛 根瘤形成

地衣

满江红鱼星藻

固氮的生化途径

Microbiology

固氮的生化机制

生物固氮反应的 6要素

测定固氮酶活力的乙方法

固氮酶的产氢反应

固氮酶

ATP 的供应还原力及其传递载体

还原底物— N2镁离子严格的厌氧微环境

固二氮酶（ dinitrogenase ）（组份Ⅰ）

固二氮酶还原酶（ dinitrogenase reductase ）（组份Ⅱ）

ATP ADP+P

电子来源丙 酮 酸 (Fe4S4)2.2e- Fd.2e-

Fd (Fe4S4)2

FeMoCo.2e-

FeMoCo

2NH3

N2

固氮的生化途径（自生固氮菌）

2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8H+18~24ATP

氧障

Ⅱ Ⅱ

ⅡⅡ

Ⅱ

ⅠⅠ

Ⅰ

Ⅰ..

N N

Mo Mo

+ H

Mo N

NMo

Fd

Fd.

还原剂ADP+Pi Mg2+

ATP-Mg

ATP-Mg

ATP Mg2+Mo Mo

2NH3

底物能量

产物N N

自生固氮菌固氮的生化途径细节

三、肽聚糖的生物合成

第四节微生物的代谢调节

微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节系统，以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高度协调地进行及其复杂的新陈代谢反应。

代谢调节的方式： 调节细胞膜对营养物质的透性 调节酶的定位以限制它与相应底物的接触 调节代谢流 *

一 . 物质代谢的相互关系 P306-308

微生物氨基酸与丙酮酸、乙酰辅酶 A 和 TCL环中间产物的关系

碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢途径之的关系

二 . 微生物代谢调节的部位

1. 原核微生物 细胞膜， 酶， 酶与底物相对位置；2. 真核微生物 细胞膜与细胞器膜， 酶， 酶与底物的相对位置

及间隔状况；

3. 微生物酶的调节

对酶的产生和降解的调节

对已经存在的酶的活性的调节

（ 1 ）酶合成的的调节

组成酶： 是一类对环境不敏感的酶，这类酶在细胞内的合成量相对比较稳定。适应酶： 是一类对环境敏感

的酶，它们响应环境条件而合成或终止合成。

酶合成调节机制 诱导和阻遏：操纵子假说 操纵子 (启动基因、操纵

基因、结构基因 ) 调节基因 效应物 调节蛋白

适应酶又可分为诱导酶和阻遏酶酶

诱导酶 只有当其分解底物或有

关诱导物存在时才，会合成的酶。

机制 诱导物与一种调节基团编码的活性的阻遏物可逆地结合，从而解除后者对该酶结构基团的转录的阻塞。

阻遏酶（阻遏酶的合成作用）

分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分

解底物存在时，利用快的那种底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。

末端产物阻遏 指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。

例如：葡萄糖对乳糖诱导酶的阻遏作用半乳糖操纵子（诱导） 3’ ， 5’ 单磷酸腺苷酸 复合物 cAMP-CRP 激活启动子， RNA 多聚酶才能与启动子结合。

葡萄糖能降低 cAMP 在胞内的浓度，因而阻遏了诱导酶的合成

（ 2 ）酶活性的调节 酶活性调节是指一定数

量的酶，通过其分子构象或分子结构来调节其催化反应的速率。

影响酶活性的因素 酶活性的调节方式 变构调节 修饰调节

调节酶特点： 由两个或两个以上亚基组成，

每个酶分子至少有一个具有活性中心和一个调节中心，

某些只由一条多肽链组

成的酶则只存在催化部位和调节部位。

变构酶 通常是某一代谢途

径的第一个酶或是催化某一关键反应的酶。

它属于调节酶，有一个催化中心和一个调节中心。

共价调节酶 通过修饰酶催化其多肽

链上某些基团进行可逆的共价修饰，使之处于活性和非活性的互变状态，从而导致调节酶活化或抑制。

例如：

真核细胞中丙酮酸脱氢酶

磷酸化 去磷酸化

高活性状态 低活性状态

变构调节（激活和抑制）

激活：

+

激活剂 无活性形式 活性形式

抑制：

底物

酶 酶

（ 3 ）能荷对酶活力的调节

能荷是一个人为设定的、能表示细胞能量状态的参数，它是产生或利用高能磷酸根的代谢途径的主要调节因素。

巴斯德效应： 在有氧情况下，由于呼吸作用，酒精 产量大大下降，糖的消耗速率大幅减慢。

能荷 =[ATP]+1/2[ADP]

[ATP]+[ADP]+[AMP]

通氧 [ATP] [柠檬酸 ]

能荷

异柠檬酸脱氢酶活性

磷酸果糖激酶活性

[6— 磷酸葡萄糖 ]

基团移位吸收葡萄糖速率

(4) 阻尼 (attenuation)

氨基酸生物合成途径中的酶的合成受相应的氨基酰 -tRNA浓度的控制

当有过量的氨基酰 -tRNA 存在时，转录仍被引发，但在第一个结构基因被转录之前即终止转录。

阻遏控制的是转录的发动 阻尼控制的是结构基因的转录的终止

(5) 通过 rRNA 实现的调控 酶的转译受 rRNA 形成的控制

某一氨基酸缺乏

PPGPP合成

rRNA合成受阻

核糖体水平低

酶的转译减慢

激活该氨基酸合成的操纵子、酶蛋白等

4. 微生物膜的调节

发酵工业上用的菌株对细胞膜透性的要求：

容许营养物质进入细胞，

对中间产物的透性不大，

目的产物形成后可以尽快透

过细胞膜进入环境。

对膜本身的调节 谷氨酸发酵 菌株：生物素缺陷型（ VH

- ）• 限量添加生物素• 过量添加生物素，异柠檬酸裂合

酶几乎没有活性。• 饱和脂肪酸及其衍生物对生物素

有拮抗作用 细胞壁对透性的影响• 限量添加青霉素 在对数期添加，能触发随后的谷

氨酸的分泌。

5. 微生物代谢调节模式分支合成途径调节

分支途径中的反馈抑制 协同反馈抑制 合作反馈抑制 累积反馈抑制 顺序反馈抑制 同功酶

三 . 代谢的人工控制及其发酵工业上的应用 代谢的人工控制： 人为地打破微生

物细胞内代谢的自动调节，使细胞的代谢朝人们所希望的方向进行。

1.遗传学的方法 应用特定的营养缺陷

型菌株 应用抗反馈调节突变株，即结构类似物抗性突变株

1 、应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节

核糖 -5- 磷酸 肌苷酸

C.glutamicum 的 IMP 合成途径和代谢调节

核糖 -5- 磷酸 焦磷酸

核糖胺-5- 磷酸

腺苷酸琥珀酸

腺苷酸

黄苷酸

鸟苷酸

1 212

13

14

15

谷氨酸棒杆菌中筛选 Hser- 突变株，可积累 Lys 。

协同反馈抑制 筛选特定的缺陷

型菌株可以解除协同反馈抑制

Thr- 和 Hser- 菌株的比较

菌体细胞生长时期必须限量添加相应是生长因子。

AK

HSDS

应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节

天冬氨酸 天冬氨酸 磷酸

天冬氨酸 半醛

高丝氨酸

苏氨酸

甲硫氨酸

C.glutamicum 的代谢调节与赖氨酸生产

赖氨酸

为反馈抑制 为阻遏

AKHSDH

营养缺陷型菌株的筛选 对野生型的谷氨酸棒杆菌

进行诱变处理 从突变株中定向筛选 Hser-

突变株 渗漏 Hser-突变株• 细胞能合成 Hser ，但合成的

量仅能维持细胞的最低生长，胞内的浓度达不到进行反馈调节的浓度。

• 优点

缺陷型菌株的判别 （在不同培养基上的生

长情况）MM MM+Lys CM

— + +

天冬氨酸

高丝氨酸

苏氨酸 甲硫氨酸

B.Flavum 抗性菌株高产苏氨酸的代谢调节

赖氨酸

指反馈抑制 指反馈阻遏

天冬氨酸-

P

天冬氨酸半醛

1

2

3

应用抗反馈调节突变株解除反馈调节

筛选具有 AECr谷氨酸棒杆菌突变株可积累赖氨酸

合成的自动调节机制 结构类似物的作用机制 初级代谢产物 它在细胞中的合成和去路 ,

对应的结构类似物的作用， 当培养基中添加过量的 AE

C 时，多数的细胞会因为饥饿而死亡；少数细胞会发生基因突变，解除反馈调节而存活。

AEC 是 Lys 的空间结构类似物

两者的异同点

Lys Pro.

AEC

酶

解除反馈抑制： Lys 、 AEC 与变构酶的调节中心结合，使该酶的催化中心构像发生改变，

从而使酶活性降低，形成反馈抑制。 编码该酶调节中心的结构基因发生突变，从而使调节中心的空间构像发

生变化， AEC 和 Lys不能与调节中心结合，从而解除反馈抑制。 解除反馈阻遏： Lys 、 AEC 辅阻遏物与调节基因合成的调节蛋白结合，使之有活性，从而阻遏酶的合成。

当调节基因发生突变，使 AEC不能与调节蛋白结合，就无法阻遏酶的合成。即解除了 Lys 对该酶的反馈阻遏。

抗结构类似物突变株的筛选方法 将诱变以后的菌悬液涂布在特定的培养基上（加入过量的 AEC 、同时培养基中没有（ Lys) ，在此平板上长出的菌落即为 AECr 菌株。

验证长出的突变株是否真正解除的反馈调节。

其它可能出现 AECr

突变的情况例如： 细胞膜对 AEC透性的改

变 细胞内出现分解 AEC 的

酶

筛选突变株中常用的几种结构类似物

积累的物质 结构类似物 Arg 刀豆氨酸 Phe 对 -氟苯丙氨酸、噻恩基丙氨酸 Try 5-甲基色氨酸、 6-甲基色氨酸 Val α- 氨基丁酸盐 Ile Val Met α- 氨基 -4- 乙硫基丁酸 腺嘌呤 2,6- 乙氨基嘌呤 尿嘌呤 5-氟尿嘌呤

营养缺陷型回复突变株 营养缺陷型的机制 营养缺陷型回复突变株的机制 催化中心回复到原来 调节中心不回复 利用这类突变株积累特定代谢产物的可能性

2. 生物化学方法

控制发酵过程的环境因子 控制细胞膜的透性

添加前体绕过调节点

通过添加 C ，可大量积累 D

D

A B C

E F

控制细胞膜的渗透性

生物素生物素是乙酰 -CoA 羧化酶的辅基

乙酰 -CoA 羧化酶 脂肪酸

生物素 磷脂 膜透性 调节

青霉素Microbiology

代谢调节在发酵工业中的应用

应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节控制细胞膜的渗透性