第五章 微生物的代谢
（ Microbial metabolism）
第一节 微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？
研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源 — ATP的过程。
最初能源有机物日光还原态无机物通用能源 ATP
化能异养型光能营养型化能自养型
ATP的结构一、化能异养微生物的生物氧化和产能
1,生物氧化的定义
发生在 活细胞内 的一系列 产能性 氧化反应的总称。
燃烧
生物体外 的氧化
2,生物氧化的形式,加氧,脱氢或失去电子；
3,生物氧化的过程,脱氢,递氢,受氢
4,生物氧化的结果,产 ATP,还原力 [H]和小分子代谢产物
（一）底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径
1,EMP途径 (糖酵解途径或己糖二磷酸途径 )
C6H12O6
2NADH2
2ATP
2丙酮酸己糖激酶
（ 1）
磷酸己糖异构酶（ 2）
磷酸果糖激酶（ 3）
醛缩酶（ 4）
磷酸丙糖异构酶（ 5）
3-磷酸甘油醛脱氢酶
（ 6）
磷酸甘油酸激酶（ 7）
磷酸甘油变位酶（ 8）
稀醇化酶（ 9）
丙酮酸激酶（ 10）
1） 是大多数生物所共有的基本代谢途径 ;
2） 有氧和无氧条件下都能进行 ;
有氧条件下,该途径与 TCA途径连接 ;
无氧条件下,丙酮酸被还原,形成乳酸等 发酵产物 ;
3） 该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点 (如磷酸二羟丙酮可还原成甘油,进入脂类代谢 ；
特点
2,HMP途径 (己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径 )
6C6H12O6
6CO2
35ATP
5葡糖 -6-磷酸
1） 是一条葡萄糖不经 EMP途径和 TCA循环而彻底氧化产能,
产还原力 [H]和许多中间代谢产物的途径；
2） 进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与,但实际只消耗一分子的葡萄糖；
3） 能产生大量的还原力 [H] （ 12个 NADPH2） ；
是合成脂肪酸,固醇等物质所需；
也可通过呼吸链产生大量能量；
4） 反应中有 C3-C7各种糖,使微生物可利用的碳源范围广；
5） 能产生多种重要的中间代谢产物 （ 如核苷酸,多种氨基酸,辅酶和乳酸等 ） 。
特点
3,ED途径 (2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸途径 )
2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸
C6H12O6
NADH2
1ATP
2丙酮酸
NADPH2
少数细菌 （ 如假单胞菌,根瘤菌和土壤杆菌等 ） 因缺少某些完整 EMP途径的一种替代途径,为微生物所特有 ；
反应步骤简单,通过 四步反应 可快速获得 2分子的丙酮酸；
产能效率低,1分子的葡萄糖仅产 1个 ATP；
可与 EMP,HMP和 TCA循环等各种代谢途径相连接,以满足微生物对能量,还原力和不同中间代谢产物的需要；
反应中有一个特征性酶 — KDPG醛缩酶 ；
特点
4.TCA循环 (三羧酸循环,Krebs循环或柠檬酸循环 )
1.丙酮酸脱氢酶复合体
2.柠檬酸合成酶
3.顺乌头酸酶
4.顺乌头酸酶
5.异柠檬酸脱氢酶
6.?-酮戊二酸脱氢酶7.琥珀酰 CO A
8.琥珀酸脱氢酶
9.延胡索酸酶
10.苹果酸脱氢酶
1丙酮酸
3CO2
15ATP
TCA循环由 10步酶促反应组成；
产能效率极高,是细胞产生 ATP的主要场所；
在微生物代谢中占有 枢纽 的地位；
提供生物合成所用碳架的重要来源；
与微生物大量发酵产物的生产密切相关 （ 如柠檬酸,
苹果酸,谷氨酸等 ） ；
特点
TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位四种脱氢途径的比较
EMP途径：
许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。 1分子葡萄糖经 10步反应产生 2分子丙酮酸,2分子 [H]和 2个 ATP；
该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；
HMP途径：
可与 EMP途径或 ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的 主要作用是用于 生物合成 。
ED途径：
少数细菌以该途径代替 EMP途径。 1分子葡萄糖经 4步反应产生 2分子丙酮酸,2分子 [H]和 1个 ATP；
TCA循环：
有氧条件下，丙酮酸经 TCA循环进一步代谢产能或用于合成。
（二）递氢 — 电子传递链
电子传递链
是指位于膜 （ 原核生物在细胞质内膜,真核微生物在线粒体内膜 ） 上,由一系列 氧化还原势呈梯度差的,链状排列的 电子传递体组成；
一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；
原核生物和真核生物的电子传递链组成不同,但二者的功能相似；
电子传递链的主要组分及传递顺序：
NAD(P)→FP→Fe?S→C OQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a 3
（三）受氢
经多种途径 脱氢 和 递氢 后，最终与 氢受体 结合并释放其中的能量。根据 受氢体 性质的不同，可把生物氧化分为 呼吸、无氧呼吸和发酵；
1,呼吸（有氧呼吸）
是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；
其特点是底物按常规方式脱氢后,经完整的呼吸链传递,最终被外源 分子氧 接受，释放能量；
递氢和受氢必须在 有氧 条件下进行，是一种 高效产能 方式；
高能水平
（低氧化还原势）
低能水平
（高氧化还原势）
典型的呼吸链
现在普遍接受的观点是 1978年诺贝尔奖获得者英国学者
P.Mitchell 于 1961年提出的化学渗透学说 (P110);
该学说认为生物的通用能源 -ATP 是由 跨膜的质子梯度差
（质子动势） 而产生的 ；
产生 ATP的机制？
头部颈部基部
ATP酶和 ATP的合成
是一类在 无氧条件 下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；
其特点是底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最终由氧化态的无机物 （少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；
2.无氧呼吸（厌氧呼吸）
比较各类无机盐呼吸的特点
根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型
无机盐呼吸
硝酸盐呼吸
硫酸盐呼吸
硫呼吸
铁呼吸
碳酸盐呼吸
有机物呼吸
延胡索酸呼吸
甘氨酸呼吸
氧化三甲胺呼吸
指在 无氧 的条件下，底物脱氢后所产生的还原力 [H],不经过呼吸链传递,而 直接交给 某一内源性 中间代谢产物 接受，以实现 底物水平磷酸化 产能的一类生物氧化反应；
能进行发酵的微生物是 专性厌氧菌 或 兼性厌氧菌 ;
其产能都是通过 底物水平磷酸化 反应，产能效率低 ;
能形成高能磷酸键的产物,
1,3-二磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
乙酰磷酸
琥珀酰 -CoA
3,发酵发酵类型 (P114)
1.通过 EMP途径进行的发酵
同型酒精、乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵 ;
2.通过 HMP途径进行的发酵
异型乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵 ;
3.通过 ED途径进行的发酵
细菌酒精发酵 (P106)
4.由氨基酸发酵产能 — Stickland反应
少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，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。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个 ATP；
Stickland反应机制
氧化磷酸化 — 在 呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生 ATP；
底物水平的磷酸化 — 通过形成含高能磷酸键的底物产能；
光合磷酸化 — 通过光能产生 ATP的磷酸化反应；
ATP的产生途径二、化能 自养 微生物的生物氧化和产能
特点：
生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；
是通过 氧化 某些 还原性的无机底物 （ NH4+,NO2-,H2S,S、
H2,Fe2+ 等）获得能量；
绝大多数是 好氧菌 ；
无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；
呼吸链的组分多样化；
产能效率低；
NAD← →FP← →C OQ ← →Cyt.c.c 1← →Cyt.a 1.aa3 →O 2
Cyt.b
H2 NO
2-S2O3
- Fe2+
ATP ATPATP
NH4+ S2- SO32-
无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位生物氧化过程 —硝化细菌为例
NO2- NO3-
NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3
-ATP -ATP -ATP +ATP
1/2O2
H2O
2H++2e- 2H++2e-
NH3+O2 H2O? NO2-
为什么化能自养微生物的产能效率、
生长速率和细胞产率都很低？
硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌 反硝化细菌化能自养微生物 化能异养微生物好氧微生物 兼性厌氧微生物有氧条件 下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸无氧条件 下利用硝酸盐作氢受体，
将其还原成 NO? N2
在自然界的物质合成过程中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用无机物呼吸反应及其产能三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌 — 循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌 — 紫膜光合作用非循环光合磷酸化
存在于光合细菌中的原始光合作用机制；
在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过 循环式 的电子传递途径产生 ATP；
在厌氧条件下进行，不产氧；
产 ATP和还原力 [H]分别进行；
还原力 [H]来自 H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；
具体反应途径,P122
循环光合磷酸化循环光合磷酸化的途径
ATP
循环光合磷酸化途径非循环光合磷酸化
是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；
电子的传递途径是 非循环式 的；
在有氧条件下进行，能产生氧气；
有两个光合系统；
PSI：含叶绿素 a，吸收光波为 P700，有利于红光吸收；
PSⅡ,含叶绿素 b，吸收光波为 P680，有利于蓝光吸收；
反应中可同时产 ATP、还原力 [H]和氧气；
产生具体反应途径,P124
蓝细菌的产氧光合作用比较项目 非循环光合磷酸化 循环光合磷酸化生物体 植物、藻类、蓝细菌 光合细菌叶绿素类型 叶绿素 a等 细菌叶绿素 a等
PSI 有 有
PSII 有 无氧的产生 有 无还原力 [H] 来自水的光解 来自 H2S等无机氢供体两种光合作用比较嗜盐菌 紫膜 的光合作用
嗜盐菌特有 的 无叶绿素 或 菌绿素 参与的独特光合作用；
嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出 红色 和 紫色 两个组分；
红膜,在 有氧 条件下可进行氧化磷酸化产能；
主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；
紫膜,在 缺氧 条件下，能利用光能的介导获得能量；
主要成分为细菌视紫红质和类脂；
细菌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；
第二节 分解代谢和合成代谢间的联系能量代谢分解代谢合成代谢 消耗能量简单小分子? 复杂分子物质代谢复杂大分子? 简单小分子释放能量分解代谢和合成代谢的关系
分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；
在长期的进化中，生物体通过 两用代谢途径 和 代谢回补顺序 使生物体有条不紊地正常运转；
联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物 有 12种 （ P126） ；
一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径；
但合成途径并非分解途径的完全逆转；
分解代谢和合成代谢一般在 不同的区域内 分别进行；
分解代谢和合成代谢的特点指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应；
不同的微生物或同种微生物在不同的碳源下有不同的代谢回补顺序；
与 EMP和 TCA循环有关的代谢回补顺序约有 10条，都围绕着
PEP和 OA这两种关键性的中间代谢产物来进行；
微生物特有的代谢回补顺序 — 乙醛酸循环它是 TCA循环的一条回补途径；
此循环中有两个关键酶,异柠檬酸裂合酶 和 苹果酸合成酶具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧微生物；
醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、酵母属、青霉属和黑曲霉等；
二、代谢回补顺序乙醛酸异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶乙醛酸循环示意图第三节 微生物 独特 合成代谢途径
一、自氧微生物的 CO2固定
（一） Calvin循环
是自养型生物固定 CO2的主要途径；
本途径含有两种特有的酶：
核酮糖二磷酸羧化酶；
磷酸核酮糖激酶；
（二）厌氧乙酰 -CoA途径
这种非循环式的 CO2固定机制主要存在于一些 化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；
整个反应的关键酶是 CO脱氢酶；
（三）逆向 TCA循环
一些 绿色硫细菌 固定 CO2的方式
特殊酶为柠檬酸裂合酶
（四）羟基丙酸途径
少数绿色硫细菌 以 H2或 H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种 CO2的固定机制；
其关键步骤是羟基丙酸的产生；
此类细菌无 Calvin循环和逆向 TCA循环途径；
指大气中的 分子氮 通过微生物 固氮酶 的催化还原成 氨 的过程；
生物界中只有 原核生物 的部分菌才具有 固氮 能力；
生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；
荷兰学者 Beijerinck 最早分离出共生固氮微生物 Rhizobium(根瘤菌属 ) ；
（一）固氮微生物的种类（ P134）
自生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)
共生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)
联合固氮菌 (associative nitrogen-fixer)
二、生物固氮 (Biological nitrogen fixation)
（二）固氮的生化机制
1.生物固氮反应的六大要素
ATP的供应；
还原力 [H]及其传递载体；
固氮酶；
还原底物 — N2；
镁离子；
严格的厌氧微环境；
微量凯氏定氮法、同位素法,乙炔还原法
2.固氮酶活力的测定
3.固氮的生化途径（ P136）
形成相应的氨基酸呼吸无氧呼吸发酵光合作用 NAD(P)H2
ATP
Fd
(Fld)
HN二 NH
N三 N
H2N-NH2
2NH3
固二氮酶还原酶组分 II
固二氮酶组分
I
ADP
+Pi
Mg2+
氧障
固氮酶对氧极端敏感；
组分 II（铁蛋白）：在空气中暴露 45s失活；
组分 I（钼铁蛋白）：半衰期 10min；
但大多数固氮菌都是好氧菌；
如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？
思 考?
（三）好氧菌固氮酶避氧害机制
1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制
呼吸保护、构象保护
2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制
分化出特殊的还原性异形胞 ;
非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔
3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制
存在豆血红蛋白三、肽聚糖的合成
整个肽聚糖的合成过程约有 20步 (Staphylococcus aureus)
（一） 在细胞质中的合成
（二）在细胞膜中的合成
（三）在细胞膜外的合成
1,由葡萄糖合成 N-乙酰葡萄糖胺 和 N-乙酰胞壁酸
（一）在细胞质中的合成葡萄糖 -6-磷酸葡萄糖
ATP ADP
果糖 -6-磷酸
Gln Glu
葡糖胺 -6-磷酸 N-乙酰葡糖胺 -6-磷酸乙酰 CoA CoA
N-乙酰葡糖胺 -1-磷酸 UDP G
UTP PP
PEP Pi
缩合反应
NADPH NADP +
还原反应
UDP M
UDP- N-乙酰胞壁酸 -五肽即,Park”核苷酸
ATP ADP+Pi
D-Glu
UDP M
ATP ADP+Pi
L-Lys
UDP M
ATP ADP+Pi
L-Ala
UDP M UDP M
ATP ADP+Pi
D-Ala
D-Ala
2,由 N-乙酰胞壁酸合成,Park”核苷酸
G
（二）在细胞膜中的合成 — 肽聚糖单体的合成
转糖基化作用
转肽作用
（三）在细胞膜外的合成 (P142)
作业,
1,肽聚糖是如何合成？
2,哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？
3,青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的休止细胞有无作用？
四、微生物次生代谢物的合成
初生代谢产物
某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的代谢产物；
次生代谢产物
某些微生物生长到稳定期前后，以初生代谢产物为前体，
通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的代谢产物；
微生物次生代谢物的合成途径（ P143）
糖代谢延伸途径
莽草酸延伸途径
氨基酸延伸途径
乙酸延伸途径
抗生素
青霉素、链霉素、金霉素等
生长刺激剂
赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等
维生素
硫胺素、核黄素,B12、吡哆醛等
色素
花青素类、红曲素等
毒素
白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等
生物碱
麦角生物碱次级代谢产物的种类第四节 微生物的代谢调节与发酵生产
一、微生物的代谢调节
微生物细胞代谢的调节是通过 酶的调节 来实现的；
微生物细胞内酶的存在方式：
组成酶：在细胞内以较高的浓度存在；
诱导酶：底物和诱导物存在时才合成；
微生物细胞代谢调节方式
调节细胞膜对营养物的透性；
限制酶与底物的接触；
调节代谢流：
– 细调 —— 调节现成酶分子的催化活力（反馈抑制）；
– 粗调 —— 调节酶的合成量（诱导和阻遏）；
二、代谢调节在发酵工业中的应用
调节微生物生命活动的方法
生理水平
基因调控水平
代谢途径水平
如何积累人们所需要的有用代谢产物？
调节微生物的生理状态
营养类型和浓度
氧的供应
pH调节
前体和表面活性剂等
基因水平的调控
酶合成的阻遏
酶合成的诱导
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白调节基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因启动基因 P
大肠杆菌乳糖操纵子模型（负调节）
诱导物（乳糖）不存在转乙酰基酶调节基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白 乳糖诱导物
Β- 半乳糖苷酶渗透酶启动基因 P
诱导物（乳糖）存在
Β-半乳糖苷酶渗透酶转乙酰基酶
CRP
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白 乳糖调解基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因X
ATP
cAMP
葡萄糖启动基因 P
诱导物（乳糖）和阻遏物（葡萄糖）共同存在
1）应用 营养缺陷型菌株 解除正常的反馈调节
营养缺陷型（ P202）
举例 （赖氨酸发酵）
微生物初生代谢途径的调节方法天冬氨酸 天冬氨酸磷酸 天冬氨酸半醛 高丝氨酸苏氨酸甲硫氨酸赖氨酸
AK
HSDH
反馈阻遏 反馈抑制
2）应用 抗反馈调节的突变株 解除反馈调节
3）控制 细胞膜的透性
通过生理学手段控制细胞膜的渗透性
通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性
（ Microbial metabolism）
第一节 微生物的能量代谢微生物可利用的最初能源有哪些？
研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源 — ATP的过程。
最初能源有机物日光还原态无机物通用能源 ATP
化能异养型光能营养型化能自养型
ATP的结构一、化能异养微生物的生物氧化和产能
1,生物氧化的定义
发生在 活细胞内 的一系列 产能性 氧化反应的总称。
燃烧
生物体外 的氧化
2,生物氧化的形式,加氧,脱氢或失去电子；
3,生物氧化的过程,脱氢,递氢,受氢
4,生物氧化的结果,产 ATP,还原力 [H]和小分子代谢产物
（一）底物脱氢的四条途径底物脱氢的四条途径
1,EMP途径 (糖酵解途径或己糖二磷酸途径 )
C6H12O6
2NADH2
2ATP
2丙酮酸己糖激酶
（ 1）
磷酸己糖异构酶（ 2）
磷酸果糖激酶（ 3）
醛缩酶（ 4）
磷酸丙糖异构酶（ 5）
3-磷酸甘油醛脱氢酶
（ 6）
磷酸甘油酸激酶（ 7）
磷酸甘油变位酶（ 8）
稀醇化酶（ 9）
丙酮酸激酶（ 10）
1） 是大多数生物所共有的基本代谢途径 ;
2） 有氧和无氧条件下都能进行 ;
有氧条件下,该途径与 TCA途径连接 ;
无氧条件下,丙酮酸被还原,形成乳酸等 发酵产物 ;
3） 该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点 (如磷酸二羟丙酮可还原成甘油,进入脂类代谢 ；
特点
2,HMP途径 (己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径 )
6C6H12O6
6CO2
35ATP
5葡糖 -6-磷酸
1） 是一条葡萄糖不经 EMP途径和 TCA循环而彻底氧化产能,
产还原力 [H]和许多中间代谢产物的途径；
2） 进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与,但实际只消耗一分子的葡萄糖；
3） 能产生大量的还原力 [H] （ 12个 NADPH2） ；
是合成脂肪酸,固醇等物质所需；
也可通过呼吸链产生大量能量；
4） 反应中有 C3-C7各种糖,使微生物可利用的碳源范围广；
5） 能产生多种重要的中间代谢产物 （ 如核苷酸,多种氨基酸,辅酶和乳酸等 ） 。
特点
3,ED途径 (2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸途径 )
2-酮 -3-脱氧 -6-磷酸葡萄糖酸
C6H12O6
NADH2
1ATP
2丙酮酸
NADPH2
少数细菌 （ 如假单胞菌,根瘤菌和土壤杆菌等 ） 因缺少某些完整 EMP途径的一种替代途径,为微生物所特有 ；
反应步骤简单,通过 四步反应 可快速获得 2分子的丙酮酸；
产能效率低,1分子的葡萄糖仅产 1个 ATP；
可与 EMP,HMP和 TCA循环等各种代谢途径相连接,以满足微生物对能量,还原力和不同中间代谢产物的需要；
反应中有一个特征性酶 — KDPG醛缩酶 ；
特点
4.TCA循环 (三羧酸循环,Krebs循环或柠檬酸循环 )
1.丙酮酸脱氢酶复合体
2.柠檬酸合成酶
3.顺乌头酸酶
4.顺乌头酸酶
5.异柠檬酸脱氢酶
6.?-酮戊二酸脱氢酶7.琥珀酰 CO A
8.琥珀酸脱氢酶
9.延胡索酸酶
10.苹果酸脱氢酶
1丙酮酸
3CO2
15ATP
TCA循环由 10步酶促反应组成；
产能效率极高,是细胞产生 ATP的主要场所；
在微生物代谢中占有 枢纽 的地位；
提供生物合成所用碳架的重要来源；
与微生物大量发酵产物的生产密切相关 （ 如柠檬酸,
苹果酸,谷氨酸等 ） ；
特点
TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位四种脱氢途径的比较
EMP途径：
许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。 1分子葡萄糖经 10步反应产生 2分子丙酮酸,2分子 [H]和 2个 ATP；
该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；
HMP途径：
可与 EMP途径或 ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的 主要作用是用于 生物合成 。
ED途径：
少数细菌以该途径代替 EMP途径。 1分子葡萄糖经 4步反应产生 2分子丙酮酸,2分子 [H]和 1个 ATP；
TCA循环：
有氧条件下，丙酮酸经 TCA循环进一步代谢产能或用于合成。
（二）递氢 — 电子传递链
电子传递链
是指位于膜 （ 原核生物在细胞质内膜,真核微生物在线粒体内膜 ） 上,由一系列 氧化还原势呈梯度差的,链状排列的 电子传递体组成；
一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；
原核生物和真核生物的电子传递链组成不同,但二者的功能相似；
电子传递链的主要组分及传递顺序：
NAD(P)→FP→Fe?S→C OQ→Cyt.b→Cyt.c→Cyt.a→Cyt.a 3
（三）受氢
经多种途径 脱氢 和 递氢 后，最终与 氢受体 结合并释放其中的能量。根据 受氢体 性质的不同，可把生物氧化分为 呼吸、无氧呼吸和发酵；
1,呼吸（有氧呼吸）
是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；
其特点是底物按常规方式脱氢后,经完整的呼吸链传递,最终被外源 分子氧 接受，释放能量；
递氢和受氢必须在 有氧 条件下进行，是一种 高效产能 方式；
高能水平
（低氧化还原势）
低能水平
（高氧化还原势）
典型的呼吸链
现在普遍接受的观点是 1978年诺贝尔奖获得者英国学者
P.Mitchell 于 1961年提出的化学渗透学说 (P110);
该学说认为生物的通用能源 -ATP 是由 跨膜的质子梯度差
（质子动势） 而产生的 ；
产生 ATP的机制？
头部颈部基部
ATP酶和 ATP的合成
是一类在 无氧条件 下进行的、产能效率较低的特殊呼吸；
其特点是底物按常规途径脱氢后,经部分呼吸链递氢,最终由氧化态的无机物 （少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；
2.无氧呼吸（厌氧呼吸）
比较各类无机盐呼吸的特点
根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型
无机盐呼吸
硝酸盐呼吸
硫酸盐呼吸
硫呼吸
铁呼吸
碳酸盐呼吸
有机物呼吸
延胡索酸呼吸
甘氨酸呼吸
氧化三甲胺呼吸
指在 无氧 的条件下，底物脱氢后所产生的还原力 [H],不经过呼吸链传递,而 直接交给 某一内源性 中间代谢产物 接受，以实现 底物水平磷酸化 产能的一类生物氧化反应；
能进行发酵的微生物是 专性厌氧菌 或 兼性厌氧菌 ;
其产能都是通过 底物水平磷酸化 反应，产能效率低 ;
能形成高能磷酸键的产物,
1,3-二磷酸甘油酸
磷酸烯醇式丙酮酸
乙酰磷酸
琥珀酰 -CoA
3,发酵发酵类型 (P114)
1.通过 EMP途径进行的发酵
同型酒精、乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵 ;
2.通过 HMP途径进行的发酵
异型乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵 ;
3.通过 ED途径进行的发酵
细菌酒精发酵 (P106)
4.由氨基酸发酵产能 — Stickland反应
少数厌氧梭菌以一种氨基酸作氢供体，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。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个 ATP；
Stickland反应机制
氧化磷酸化 — 在 呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生 ATP；
底物水平的磷酸化 — 通过形成含高能磷酸键的底物产能；
光合磷酸化 — 通过光能产生 ATP的磷酸化反应；
ATP的产生途径二、化能 自养 微生物的生物氧化和产能
特点：
生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；
是通过 氧化 某些 还原性的无机底物 （ NH4+,NO2-,H2S,S、
H2,Fe2+ 等）获得能量；
绝大多数是 好氧菌 ；
无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；
呼吸链的组分多样化；
产能效率低；
NAD← →FP← →C OQ ← →Cyt.c.c 1← →Cyt.a 1.aa3 →O 2
Cyt.b
H2 NO
2-S2O3
- Fe2+
ATP ATPATP
NH4+ S2- SO32-
无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位生物氧化过程 —硝化细菌为例
NO2- NO3-
NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3
-ATP -ATP -ATP +ATP
1/2O2
H2O
2H++2e- 2H++2e-
NH3+O2 H2O? NO2-
为什么化能自养微生物的产能效率、
生长速率和细胞产率都很低？
硝化细菌和反硝化细菌的比较硝化细菌 反硝化细菌化能自养微生物 化能异养微生物好氧微生物 兼性厌氧微生物有氧条件 下利用氨或亚硝酸盐作主要生存能源，形成亚硝酸或硝酸无氧条件 下利用硝酸盐作氢受体，
将其还原成 NO? N2
在自然界的物质合成过程中起重要作用在自然界的氮素循环中发挥作用无机物呼吸反应及其产能三、光能营养型生物的生物氧化和产能通过光能进行营养的生物光能营养型生物产氧不产氧真核生物：藻类、绿色植物原核生物：蓝细菌真细菌：光合细菌 — 循环光合磷酸化古生菌：嗜盐菌 — 紫膜光合作用非循环光合磷酸化
存在于光合细菌中的原始光合作用机制；
在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过 循环式 的电子传递途径产生 ATP；
在厌氧条件下进行，不产氧；
产 ATP和还原力 [H]分别进行；
还原力 [H]来自 H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；
具体反应途径,P122
循环光合磷酸化循环光合磷酸化的途径
ATP
循环光合磷酸化途径非循环光合磷酸化
是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；
电子的传递途径是 非循环式 的；
在有氧条件下进行，能产生氧气；
有两个光合系统；
PSI：含叶绿素 a，吸收光波为 P700，有利于红光吸收；
PSⅡ,含叶绿素 b，吸收光波为 P680，有利于蓝光吸收；
反应中可同时产 ATP、还原力 [H]和氧气；
产生具体反应途径,P124
蓝细菌的产氧光合作用比较项目 非循环光合磷酸化 循环光合磷酸化生物体 植物、藻类、蓝细菌 光合细菌叶绿素类型 叶绿素 a等 细菌叶绿素 a等
PSI 有 有
PSII 有 无氧的产生 有 无还原力 [H] 来自水的光解 来自 H2S等无机氢供体两种光合作用比较嗜盐菌 紫膜 的光合作用
嗜盐菌特有 的 无叶绿素 或 菌绿素 参与的独特光合作用；
嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出 红色 和 紫色 两个组分；
红膜,在 有氧 条件下可进行氧化磷酸化产能；
主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；
紫膜,在 缺氧 条件下，能利用光能的介导获得能量；
主要成分为细菌视紫红质和类脂；
细菌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；
第二节 分解代谢和合成代谢间的联系能量代谢分解代谢合成代谢 消耗能量简单小分子? 复杂分子物质代谢复杂大分子? 简单小分子释放能量分解代谢和合成代谢的关系
分解代谢与合成代谢的联系紧密，互不可分；
在长期的进化中，生物体通过 两用代谢途径 和 代谢回补顺序 使生物体有条不紊地正常运转；
联结分解代谢和合成代谢的重要中间代谢产物 有 12种 （ P126） ；
一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径；
但合成途径并非分解途径的完全逆转；
分解代谢和合成代谢一般在 不同的区域内 分别进行；
分解代谢和合成代谢的特点指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应；
不同的微生物或同种微生物在不同的碳源下有不同的代谢回补顺序；
与 EMP和 TCA循环有关的代谢回补顺序约有 10条，都围绕着
PEP和 OA这两种关键性的中间代谢产物来进行；
微生物特有的代谢回补顺序 — 乙醛酸循环它是 TCA循环的一条回补途径；
此循环中有两个关键酶,异柠檬酸裂合酶 和 苹果酸合成酶具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧微生物；
醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、酵母属、青霉属和黑曲霉等；
二、代谢回补顺序乙醛酸异柠檬酸裂合酶苹果酸合成酶乙醛酸循环示意图第三节 微生物 独特 合成代谢途径
一、自氧微生物的 CO2固定
（一） Calvin循环
是自养型生物固定 CO2的主要途径；
本途径含有两种特有的酶：
核酮糖二磷酸羧化酶；
磷酸核酮糖激酶；
（二）厌氧乙酰 -CoA途径
这种非循环式的 CO2固定机制主要存在于一些 化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；
整个反应的关键酶是 CO脱氢酶；
（三）逆向 TCA循环
一些 绿色硫细菌 固定 CO2的方式
特殊酶为柠檬酸裂合酶
（四）羟基丙酸途径
少数绿色硫细菌 以 H2或 H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种 CO2的固定机制；
其关键步骤是羟基丙酸的产生；
此类细菌无 Calvin循环和逆向 TCA循环途径；
指大气中的 分子氮 通过微生物 固氮酶 的催化还原成 氨 的过程；
生物界中只有 原核生物 的部分菌才具有 固氮 能力；
生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；
荷兰学者 Beijerinck 最早分离出共生固氮微生物 Rhizobium(根瘤菌属 ) ；
（一）固氮微生物的种类（ P134）
自生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)
共生固氮菌 (free-living nitrogen-fixer)
联合固氮菌 (associative nitrogen-fixer)
二、生物固氮 (Biological nitrogen fixation)
（二）固氮的生化机制
1.生物固氮反应的六大要素
ATP的供应；
还原力 [H]及其传递载体；
固氮酶；
还原底物 — N2；
镁离子；
严格的厌氧微环境；
微量凯氏定氮法、同位素法,乙炔还原法
2.固氮酶活力的测定
3.固氮的生化途径（ P136）
形成相应的氨基酸呼吸无氧呼吸发酵光合作用 NAD(P)H2
ATP
Fd
(Fld)
HN二 NH
N三 N
H2N-NH2
2NH3
固二氮酶还原酶组分 II
固二氮酶组分
I
ADP
+Pi
Mg2+
氧障
固氮酶对氧极端敏感；
组分 II（铁蛋白）：在空气中暴露 45s失活；
组分 I（钼铁蛋白）：半衰期 10min；
但大多数固氮菌都是好氧菌；
如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？
思 考?
（三）好氧菌固氮酶避氧害机制
1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制
呼吸保护、构象保护
2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制
分化出特殊的还原性异形胞 ;
非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔
3.豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制
存在豆血红蛋白三、肽聚糖的合成
整个肽聚糖的合成过程约有 20步 (Staphylococcus aureus)
（一） 在细胞质中的合成
（二）在细胞膜中的合成
（三）在细胞膜外的合成
1,由葡萄糖合成 N-乙酰葡萄糖胺 和 N-乙酰胞壁酸
（一）在细胞质中的合成葡萄糖 -6-磷酸葡萄糖
ATP ADP
果糖 -6-磷酸
Gln Glu
葡糖胺 -6-磷酸 N-乙酰葡糖胺 -6-磷酸乙酰 CoA CoA
N-乙酰葡糖胺 -1-磷酸 UDP G
UTP PP
PEP Pi
缩合反应
NADPH NADP +
还原反应
UDP M
UDP- N-乙酰胞壁酸 -五肽即,Park”核苷酸
ATP ADP+Pi
D-Glu
UDP M
ATP ADP+Pi
L-Lys
UDP M
ATP ADP+Pi
L-Ala
UDP M UDP M
ATP ADP+Pi
D-Ala
D-Ala
2,由 N-乙酰胞壁酸合成,Park”核苷酸
G
（二）在细胞膜中的合成 — 肽聚糖单体的合成
转糖基化作用
转肽作用
（三）在细胞膜外的合成 (P142)
作业,
1,肽聚糖是如何合成？
2,哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制位点？
3,青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的休止细胞有无作用？
四、微生物次生代谢物的合成
初生代谢产物
某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的代谢产物；
次生代谢产物
某些微生物生长到稳定期前后，以初生代谢产物为前体，
通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的代谢产物；
微生物次生代谢物的合成途径（ P143）
糖代谢延伸途径
莽草酸延伸途径
氨基酸延伸途径
乙酸延伸途径
抗生素
青霉素、链霉素、金霉素等
生长刺激剂
赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等
维生素
硫胺素、核黄素,B12、吡哆醛等
色素
花青素类、红曲素等
毒素
白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲霉毒素等
生物碱
麦角生物碱次级代谢产物的种类第四节 微生物的代谢调节与发酵生产
一、微生物的代谢调节
微生物细胞代谢的调节是通过 酶的调节 来实现的；
微生物细胞内酶的存在方式：
组成酶：在细胞内以较高的浓度存在；
诱导酶：底物和诱导物存在时才合成；
微生物细胞代谢调节方式
调节细胞膜对营养物的透性；
限制酶与底物的接触；
调节代谢流：
– 细调 —— 调节现成酶分子的催化活力（反馈抑制）；
– 粗调 —— 调节酶的合成量（诱导和阻遏）；
二、代谢调节在发酵工业中的应用
调节微生物生命活动的方法
生理水平
基因调控水平
代谢途径水平
如何积累人们所需要的有用代谢产物？
调节微生物的生理状态
营养类型和浓度
氧的供应
pH调节
前体和表面活性剂等
基因水平的调控
酶合成的阻遏
酶合成的诱导
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白调节基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因启动基因 P
大肠杆菌乳糖操纵子模型（负调节）
诱导物（乳糖）不存在转乙酰基酶调节基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白 乳糖诱导物
Β- 半乳糖苷酶渗透酶启动基因 P
诱导物（乳糖）存在
Β-半乳糖苷酶渗透酶转乙酰基酶
CRP
RNA聚合酶 CRP,cAMP受体蛋白 乳糖调解基因 R CRP-cAMP 操纵基因 O lacZ lacY lacA
结构基因X
ATP
cAMP
葡萄糖启动基因 P
诱导物（乳糖）和阻遏物（葡萄糖）共同存在
1）应用 营养缺陷型菌株 解除正常的反馈调节
营养缺陷型（ P202）
举例 （赖氨酸发酵）
微生物初生代谢途径的调节方法天冬氨酸 天冬氨酸磷酸 天冬氨酸半醛 高丝氨酸苏氨酸甲硫氨酸赖氨酸
AK
HSDH
反馈阻遏 反馈抑制
2）应用 抗反馈调节的突变株 解除反馈调节
3）控制 细胞膜的透性
通过生理学手段控制细胞膜的渗透性
通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性
