第五章 微生物的代谢
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代谢概论微生物产能代谢耗能代谢微生物的代谢调节与发酵生产内容提要代谢概论
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代谢 (metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。
分解代谢合成代谢分解代谢（ catabolism）
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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。
一般可将分解代谢分为三个阶段：
寺地蛋白质 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）
合成代谢（ anabolism）
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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。
寺地
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在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）
产生化学能。 地这些能量用于,1 合成代谢 2微生物的运动和运输 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。
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微生物产能代谢 — 生物氧化异养微生物的 生物氧化自养微生物的 生物氧化生物氧化过程中的能量转化
Cncnc-micro
异养微生物的 生物氧化发酵呼吸作用什么是发酵发酵过程中底物脱氢的 途径发酵与人类生产生活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（ fermentation）
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
ATP
ADP
ATP
ADP
ADP
ATP
ADP
ATP
NAD+
NADH+H+
a
a,预备性反应 b
b,氧化还原反应
EMP途径意义：
为细胞生命活动提供 ATP 和 NADH
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
o
OHOH
CH2OH
OH
HO
o
OH
CH2OP
OHHO COOH
C=O
H-C-OH
H-C-OH
D CH2OP
CH2OH
o
OHOH
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-OH
H-C-OP
H
CH2OH
H-C-OH
H- C=O
H-C-OH
H-C-OH
CH2OP
5-磷酸 -核酮糖
C=O
HO-C-H
H-C-OH
H-C-OP
H
CH2OH
5-磷酸 -木酮糖 5-磷酸 -核糖
HMP
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。
HMP途径
ED途径
ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。
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途径在革兰氏阴性菌中分布较广
ED途径可不依赖于 EMP与 HMP而单独存在
ED途径不如 EMP途径经济。
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ED途径过程：
葡萄糖 → → → KDPG 甘油醛 -3-磷酸丙酮酸 → 丙酮酸EMPKDPG醛缩酶呼吸作用根据反应中氢受体不同分为两种类型
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有氧呼吸无氧呼吸以分子氧为最终受体的生物氧化
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
有氧呼吸（ aerobic respiration）
发酵面食的制作就即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
1/2O
2
H2O
脱氢酶 氧化酶
2H+
NAD FAD Q 细胞色素 bca1a3
基质 -H2
基质
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）
1978
Nobel 奖
ADP+Pi
膜内膜外
ATP
H+ H+
H2O
a
ATP
b
H+
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 化磷酸化有氧呼吸特点基质氧化彻底生成 CO2和 H2O,（ 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
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无氧呼吸 （ anaerobic respiration ）
以无机物为最终电子受体的生物氧化过程硝酸盐呼吸碳酸盐呼吸硫酸盐呼吸
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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硫酸盐呼吸 （ 反硫化作用 ）
有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（ H2或有机物,大部分不能利用 G)使硫酸盐还原成 H2S。
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－
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碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）
甲烷细菌 能在氢等物质的氧化过程中,把 CO2还原成甲烷,这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用 。
CO2+4H2 CH4+2H2O+ATP
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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
gg酸,一般细菌为甲基甲硫氨酸。
无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。
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各类 发酵与人类生产生活
（ 发酵小结 ）
工业概念 在工业生产中常把好氧或兼性厌寺 氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生有 产过程统称为发酵。
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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 。
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根据代谢产物和代谢途径不同,有各种不同的人 发酵类型,以下几种发酵最重要研究得最清楚上区 性乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丙酮丁醇发酵
G EMP 2丙酮酸 2乙醛 2乙醇丙酮酸脱羧酶
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C6H12O6 2C2H5OH＋ 2CO2 ＋ 2ATP
由 EMP途径中丙酮酸出发的发酵
（ 酵母菌乙醇发酵 ）
参与微生物：酵母菌
3-p-甘油醛 -H2
1,3-2P
甘油酸
2NAD
2NADH2
乙醇乙醛 (受氢体 )
脱氢酶酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式乙醇发酵特点发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物酶体系不完全，只有脱氢 E，没有氧化酶。
产生能量少,酵母乙醇发酵净产 2ATP,细菌
1ATP。 也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下 H使之还原成乙醇的过程 。
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酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件厌氧不含 NaHSO3
PH小于 7.6
通过 ED途径进行的乙醇发酵
（细菌的乙醇发酵）
参与微生物,运动发酵单孢菌发酵途径,ED途径反应式,C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+ATP
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乳酸发酵指乳酸菌将 G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等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两种类型,同型乳酸发酵 异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 。
G PEP C3H6O3过 程：
反应式,C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP
关键酶：乳酸脱氢酶
2乳酸
2丙酮酸
+2ATP
乳酸发酵过程中 H由供体给受体的方式
3-P-甘油醛 -H2
1,3-2P甘油酸
2NAD
2NADH2
异型乳酸发酵 （ 通过 HMP途径 ）
发酵产物除乳酸外还有乙醇与 CO2。
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分子 G生成乳酸,乙醇,CO2各 1分子。
北方渍酸菜,南方泡菜是常见的乳酸发酵 。
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 。
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要加些盐,3— 5%NaCl浓度为好缸要刷净，并不要带进油污
PH值 3— 4为宜
某些细菌通过发酵将 G变成琥珀酸,乳酸甲酸,H2和 CO2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 。
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混合酸发酵混合酸发酵 ——用于细菌分类鉴定
V.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
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G 二乙酰 红色化合物3-羟基丁酮
V.P反应甲基红反应
E.aerogenes E.coli
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基质是被氧化的基质同时又是电子受体 。
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氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化自养微生物的生物氧化
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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 a3 0.5O
2+2H+
H2O
硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）
H2S + 0.5 O2 S + H2O + 能量
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S+1.5 O2 + H2O SO4— +2H++ 能量铁的氧化
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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
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单细胞蛋白单细胞蛋白种类生产所需原料单细胞蛋白用途单细胞蛋白特点细菌单细胞蛋白酵母单细胞蛋白单胞藻单细胞蛋白石油，天然气，氢
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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)
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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。
草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸
α- 酮戊二酸琥珀酰辅酶 A
琥珀酸延胡索酸苹果酸丙酮酸乙酰辅酶 A
GTP
GDP+Pi
三羧酸循 环底物水平磷酸化发生在呼吸作用过程中环式光合磷酸化非环式光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光合作用
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光合磷酸化 ( photophosphorylation)
环式光合磷酸化 （ cyclic photophosphorylation）
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。
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Cyt.bc1
e-
e-
e-
e-
环式光合磷酸化的光反应
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暗反应曲是是
2
光能转变的化学能
CO2 有机物ATPNADH
2
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只有一个光反应系统，有光反应和暗反应环式光合磷酸化特点不放氧
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消耗 ATP不产还原剂 NADH2，固定 CO2所需
NADH2来自电子传递
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
2H+ e-
NADPH+H+
Cyt.bc1
ADP+Pi
ATP
PC
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,产 ATP和 O2
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电子传递属非循环式的在有氧条件下进行紫膜光合磷酸化
（ photophosphorylation by purple membrance）
ATP酶紫 膜
H+ H
+ H+
-
++ + +
- - -
细胞壁红 膜H
+ADP
+Pi ATP
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
+PiATP
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耗能代谢细胞物质的合成其他耗能反应细胞物质的合成
CO2的固定生物固氮
CO2的同化糖类的合成氨基酸的合成
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生物固氮（ biological nitrogen fixation）
固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成
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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）
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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
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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
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
ⅠⅠ
Ⅰ
Ⅰ
..N NMo 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
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其他耗能反应运动运输发光微生物的代谢调节与发酵生产微生物的代谢调节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
AK
HSDH
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 2
12
13
14
15
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
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代谢概论微生物产能代谢耗能代谢微生物的代谢调节与发酵生产内容提要代谢概论
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代谢 (metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。
分解代谢合成代谢分解代谢（ catabolism）
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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。
一般可将分解代谢分为三个阶段：
寺地蛋白质 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）
合成代谢（ anabolism）
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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。
寺地
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在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）
产生化学能。 地这些能量用于,1 合成代谢 2微生物的运动和运输 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。
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微生物产能代谢 — 生物氧化异养微生物的 生物氧化自养微生物的 生物氧化生物氧化过程中的能量转化
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异养微生物的 生物氧化发酵呼吸作用什么是发酵发酵过程中底物脱氢的 途径发酵与人类生产生活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（ fermentation）
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
ATP
ADP
ATP
ADP
ADP
ATP
ADP
ATP
NAD+
NADH+H+
a
a,预备性反应 b
b,氧化还原反应
EMP途径意义：
为细胞生命活动提供 ATP 和 NADH
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
o
OHOH
CH2OH
OH
HO
o
OH
CH2OP
OHHO COOH
C=O
H-C-OH
H-C-OH
D CH2OP
CH2OH
o
OHOH
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-OH
H-C-OP
H
CH2OH
H-C-OH
H- C=O
H-C-OH
H-C-OH
CH2OP
5-磷酸 -核酮糖
C=O
HO-C-H
H-C-OH
H-C-OP
H
CH2OH
5-磷酸 -木酮糖 5-磷酸 -核糖
HMP
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。
HMP途径
ED途径
ED途径是在研究嗜糖假单孢菌时发现的。
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途径在革兰氏阴性菌中分布较广
ED途径可不依赖于 EMP与 HMP而单独存在
ED途径不如 EMP途径经济。
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ED途径过程：
葡萄糖 → → → KDPG 甘油醛 -3-磷酸丙酮酸 → 丙酮酸EMPKDPG醛缩酶呼吸作用根据反应中氢受体不同分为两种类型
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有氧呼吸无氧呼吸以分子氧为最终受体的生物氧化
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
有氧呼吸（ aerobic respiration）
发酵面食的制作就即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
1/2O
2
H2O
脱氢酶 氧化酶
2H+
NAD FAD Q 细胞色素 bca1a3
基质 -H2
基质
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）
1978
Nobel 奖
ADP+Pi
膜内膜外
ATP
H+ H+
H2O
a
ATP
b
H+
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 化磷酸化有氧呼吸特点基质氧化彻底生成 CO2和 H2O,（ 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
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无氧呼吸 （ anaerobic respiration ）
以无机物为最终电子受体的生物氧化过程硝酸盐呼吸碳酸盐呼吸硫酸盐呼吸
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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硫酸盐呼吸 （ 反硫化作用 ）
有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（ H2或有机物,大部分不能利用 G)使硫酸盐还原成 H2S。
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－
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碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）
甲烷细菌 能在氢等物质的氧化过程中,把 CO2还原成甲烷,这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用 。
CO2+4H2 CH4+2H2O+ATP
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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
gg酸,一般细菌为甲基甲硫氨酸。
无芽孢、厌氧、氧化还原电位低。
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各类 发酵与人类生产生活
（ 发酵小结 ）
工业概念 在工业生产中常把好氧或兼性厌寺 氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生有 产过程统称为发酵。
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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 。
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根据代谢产物和代谢途径不同,有各种不同的人 发酵类型,以下几种发酵最重要研究得最清楚上区 性乙醇发酵 乳酸发酵 混合酸发酵 丙酮丁醇发酵
G EMP 2丙酮酸 2乙醛 2乙醇丙酮酸脱羧酶
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C6H12O6 2C2H5OH＋ 2CO2 ＋ 2ATP
由 EMP途径中丙酮酸出发的发酵
（ 酵母菌乙醇发酵 ）
参与微生物：酵母菌
3-p-甘油醛 -H2
1,3-2P
甘油酸
2NAD
2NADH2
乙醇乙醛 (受氢体 )
脱氢酶酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式乙醇发酵特点发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物酶体系不完全，只有脱氢 E，没有氧化酶。
产生能量少,酵母乙醇发酵净产 2ATP,细菌
1ATP。 也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下 H使之还原成乙醇的过程 。
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酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件厌氧不含 NaHSO3
PH小于 7.6
通过 ED途径进行的乙醇发酵
（细菌的乙醇发酵）
参与微生物,运动发酵单孢菌发酵途径,ED途径反应式,C6H12O6 2C2H5OH+2CO2+ATP
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乳酸发酵指乳酸菌将 G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程进行乳酸发酵的都是细菌：如短乳杆菌，乳链球菌等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两种类型,同型乳酸发酵 异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 。
G PEP C3H6O3过 程：
反应式,C6H12O6+2ADP+Pi 2C3H6O3+2ATP
关键酶：乳酸脱氢酶
2乳酸
2丙酮酸
+2ATP
乳酸发酵过程中 H由供体给受体的方式
3-P-甘油醛 -H2
1,3-2P甘油酸
2NAD
2NADH2
异型乳酸发酵 （ 通过 HMP途径 ）
发酵产物除乳酸外还有乙醇与 CO2。
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分子 G生成乳酸,乙醇,CO2各 1分子。
北方渍酸菜,南方泡菜是常见的乳酸发酵 。
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 。
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要加些盐,3— 5%NaCl浓度为好缸要刷净，并不要带进油污
PH值 3— 4为宜
某些细菌通过发酵将 G变成琥珀酸,乳酸甲酸,H2和 CO2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 。
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混合酸发酵混合酸发酵 ——用于细菌分类鉴定
V.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
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G 二乙酰 红色化合物3-羟基丁酮
V.P反应甲基红反应
E.aerogenes E.coli
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基质是被氧化的基质同时又是电子受体 。
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氨的氧化硫的氧化铁的氧化氢的氧化自养微生物的生物氧化
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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 a3 0.5O
2+2H+
H2O
硫细菌的 能量代谢（硫的氧化）
H2S + 0.5 O2 S + H2O + 能量
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S+1.5 O2 + H2O SO4— +2H++ 能量铁的氧化
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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
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单细胞蛋白单细胞蛋白种类生产所需原料单细胞蛋白用途单细胞蛋白特点细菌单细胞蛋白酵母单细胞蛋白单胞藻单细胞蛋白石油，天然气，氢
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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)
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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。
草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸草酰琥珀酸
α- 酮戊二酸琥珀酰辅酶 A
琥珀酸延胡索酸苹果酸丙酮酸乙酰辅酶 A
GTP
GDP+Pi
三羧酸循 环底物水平磷酸化发生在呼吸作用过程中环式光合磷酸化非环式光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光合作用
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光合磷酸化 ( photophosphorylation)
环式光合磷酸化 （ cyclic photophosphorylation）
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。
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Cyt.bc1
e-
e-
e-
e-
环式光合磷酸化的光反应
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暗反应曲是是
2
光能转变的化学能
CO2 有机物ATPNADH
2
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只有一个光反应系统，有光反应和暗反应环式光合磷酸化特点不放氧
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消耗 ATP不产还原剂 NADH2，固定 CO2所需
NADH2来自电子传递
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
2H+ e-
NADPH+H+
Cyt.bc1
ADP+Pi
ATP
PC
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,产 ATP和 O2
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电子传递属非循环式的在有氧条件下进行紫膜光合磷酸化
（ photophosphorylation by purple membrance）
ATP酶紫 膜
H+ H
+ H+
-
++ + +
- - -
细胞壁红 膜H
+ADP
+Pi ATP
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
+PiATP
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耗能代谢细胞物质的合成其他耗能反应细胞物质的合成
CO2的固定生物固氮
CO2的同化糖类的合成氨基酸的合成
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生物固氮（ biological nitrogen fixation）
固氮微生物根瘤菌和根瘤的形成
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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）
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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
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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
Ⅱ
Ⅱ
Ⅱ
ⅠⅠ
Ⅰ
Ⅰ
..N NMo 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
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其他耗能反应运动运输发光微生物的代谢调节与发酵生产微生物的代谢调节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
AK
HSDH
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 2
12
13
14
15
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
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