關于微生物學微生物的代謝第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四關于新陳代謝（metabolism）概念生物體從環境中攝取對自身有用的營養物質，同時排出對自身無用的物質的過程。

新陳代謝=分解代謝+合成代謝第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解代謝：在分解代謝酶系的催化作用下，復雜的有機物分子分解產生簡單分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和還原力（還原當量，[H]）。

合成代謝：在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子、ATP形式的能量和[H]形式的還原力一起合成復雜的大分子的過程。

第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝類型物質代謝分解代謝合成代謝能量代謝第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第一節微生物的能量代謝

有機物（化能異養菌）最初能源日光（光能營養菌）ATP

還原態無機物（化能自養菌）第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四一、生物氧化與產能

生物氧化：有機物在活細胞內分解成為小分子物質并伴隨能量產生的過程。形式：與氧結合，脫氫，失去電子過程：脫氫，遞氫，受氫功能：產能（ATP），產還原力[H]，產小分子中間代謝物類型：呼吸，無氧呼吸，發酵第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四底物脫氫的途徑1、EMP途徑又稱糖酵解途徑或已糖二磷酸途徑。過程：一分子葡萄糖經十步反應，最終產生2分子ATP，2分子丙酮酸和2分子NADH2。耗能階段產能階段2NADH2C62C32丙酮酸

2ATP4ATP2ATP第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四EMP途徑意義：提供ATP與還原力連接其它代謝途徑的橋梁為生物合成提供中間代謝物逆向反應可進行多糖合成第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、HMP途徑又稱已糖一磷酸途徑，戊糖磷酸途徑特點：葡萄糖不經EMP和TCA而徹底氧化，并能大量產生能量及還原力和中間代謝產物。

ATP12NADPH236ATP35ATP6C66C55C66CO2

第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四HMP途徑意義：提供合成原料，尤其是核酸原料產還原力固定CO2的中介擴大碳源利用范圍連接EMP途徑第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、ED途徑又稱2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG）途徑微生物所特有G經四步反應快速獲得丙酮酸。

2ATPATPATPNADH26ATPGKDPGNADPH22丙酮酸2酒精第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ED途徑特點：特征性反應：KDPG裂解丙酮酸與3磷酸甘油醛特征性酶：KDPG醛縮酶產能效率低下。可用于酒精發酵。第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四4、TCA循環三羧酸循環或Krebs循環或檸檬酸循環以2C為底物，十步循環產能及還原力1分子2C產3NADH2，1FADH2，1GTP第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四TCA循環特點：氧不直接參與，但有氧下進行大量產能位于分解和合成代謝的中心，聯結其它代謝。第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四遞氫和受氫有機物中的化學能經脫氫后，通過呼吸鏈等方式傳遞，最終與氧、有機或無機物等氫受體結合而釋放出其中的能量。根據遞氫特點和受氫體性質不同，將生物氧化分為有氧呼吸，無氧呼吸和發酵三類型。第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四有氧呼吸以分子氧作為最終電子受體的生物氧化過程。厭氧呼吸以無機氧化物作為最終電子受體的生物氧化過程。發酵以有機物為底物，以其中間代謝產物作為其電子受體的生物氧化過程。第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四1、呼吸作用（respiration，有氧呼吸）最普遍和最重要的生物氧化方式，底物氧化脫氫后，經完整的呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）遞氫，最終由分子氧按受氫并產生水和釋放能量（部分轉移到ATP中，部分以熱能的方式散失）。特點：有氧，氧化徹底，產能多第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四微生物類群：好氧菌或兼性厭氧菌。大多數細菌、全部真菌和原生動物（化能異養）氫細菌、硫細菌、硝化細菌分別利用氫、含硫無機物、氨或亞硝酸作為底物。第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、厭氧呼吸（anaerobicrespiration，無氧呼吸）化合物氧化脫下的氫和電子經一系列電子傳遞體最終交給無機氧化物的作用。氫和電子受體是NO3－，NO2－，SO4－，CO２等。厭氧呼吸的最終產物是水，CO2，生成ATP和較低還原力的無機物。生成的能量低于有氧呼吸。微生物類群：厭氧菌和兼性厭氧菌，如反硝化細菌，反硫化細菌，甲烷菌。第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四無機鹽呼吸硝酸鹽呼吸硫酸鹽呼吸硫呼吸鐵呼吸碳酸鹽呼吸第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四有機物呼吸延胡索酸呼吸甘氨酸呼吸氧化三甲胺呼吸第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、發酵作用（fermentation，發酵）指在無氧條件下，底物脫氫后產生的還原力[H]不經過呼吸鏈而直接交給某一內源性中間代謝產物的一類低效產能反應。微生物類群：主要的厭氧菌，有些兼性菌第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四關于同型發酵與異型發酵同型發酵：發酵產物為單一產物。異型發酵：發酵產物為多種產物。常見有乳酸發酵與酒精發酵第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四乳酸發酵類型途徑產物/1G產能/1G同型EMP2乳酸2ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP1乳酸，1乙酸，1CO22ATP1乳酸，1.5乙酸2.5ATP第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四酒精發酵類型途徑產物/1G產能/1G同型EMP2乙醇，2CO22ATPED2乙醇，2CO21ATP異型HMP1乳酸，1乙醇，1CO21ATP第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四Stickland反應氨基酸發酵產能的發酵方式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而實現生物氧化產能的獨特發酵類型。產能效率低，每分子氨基酸僅產1ATP。第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四巴斯德效應（Pasteur）主要進行發酵作用的菌在有氧存在則會發生呼吸抑制發酵的現象。酵母菌發酵生產酒精時若通入氧氣，則發酵作用下降，停止產生酒精而進行呼吸作用，葡萄糖利用速度大大降低，酒精生成被抑制。即發酵制酒時不能有氧存在。第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、自養微生物產ATP和還原力化能自養微生物：通過氧化無機底物獲得ATP與[H]來還原CO2。產能途徑主要借助于呼吸鏈的氧化磷酸化，因此化能自養菌一般都是好氧菌。如硝化細菌。第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四光能營養微生物真核生物：藻類及其它綠色植物產氧原核生物：藍細菌真細菌：光合細菌不產氧古生菌：嗜鹽菌第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四產能與還原力方式1、循環光合磷酸化存在于光合細菌中的原始光合作用機制。電子傳遞途徑屬循環方式產能與產還原力分別進行還原力來自無機氫供體不產氧第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、非循環光合磷酸化電子傳遞途徑屬非循環方式有氧條件下進行有PSI和PSII兩個光合系統產能與產還原力同時進行產氧第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、嗜鹽菌紫膜的光介導ATP合成光介導ATP合成無氧條件需紫膜蛋白紫膜：由細菌視紫紅質蛋白和類脂組成，能進行獨特的光合作用。細菌視紫紅質以視黃醛為輔基。第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第二節物質代謝物質代謝小分子物質有機物還原力有機物

ATP

分解代謝合成代謝第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解代謝糖代謝蛋白質代謝脂肪代謝核酸代謝第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四糖代謝1、淀粉的分解

直鏈淀粉（葡萄糖以α－１，4糖苷鍵相連）支鏈淀粉（主要也以α-1，4糖苷鍵相連，分支處葡萄糖以β－１，6糖苷鍵相連）水解酶：α-淀粉酶（在α-1，4糖苷鍵處切斷）；β-淀粉酶；葡萄糖淀粉酶一般先降解成為糊精，最后分解成為G。第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、纖維素的分解

是葡萄糖分子以β-1，4糖苷鍵相連的長鏈在纖維素酶（一些真菌和細菌），纖維二糖酶等作用下，最后分解成葡萄糖。第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、幾丁質的分解

N-乙酰氨基葡萄糖以β-1，4鍵相連的大分子化合物，不易分解。在幾丁質酶作用下，最后分解成N-乙酰氨基葡萄糖4、果膠質的分解在原果膠酶、果膠酶、果膠酸酶等作用下，最后分解成半乳糖醛酸。第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質代謝蛋白質的分解

真菌分解蛋白質的能力大于細菌；蛋白質水解酶作用下分解成多肽和氨基酸。多肽在肽酶（氨肽酶和羧肽酶）的作用下進一步分解成氨基酸。第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氨基酸的分解多數微生物都能分解氨基酸，氨基酸的分解主要有脫氨酶作用下的脫氨和脫羧酶作用下的脫羧兩種分解方式。第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四1、脫氨作用：一般氨基酸分解產生酮酸（如丙酮酸）和氨，酮酸進入產能的呼吸途徑，被進一步氧化產生能量。氨則參與合成作用，如重新合成其它氨基酸（如與α-酮戊二酸反應生成谷氨酸），或把氨排泄出去。第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ⅰ、氧化脫氨：（需氧微生物，氨基酸氧化酶和氨基酸脫氫酶）如CH3CHNH2COOH+1/2O2→CH3COCOOH+NH3ⅱ、還原脫氨（厭氧微生物中存在，氫化酶）如：HOOCCH2CHNH2COOH+2H→HOOCCH2CH2COOH+NH3第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ⅲ、脫水脫氨:

（大腸桿菌,酵母菌，含羧基的氨基酸中，脫水酶）如：CH2OHCHNH2COOH→CH3COCOOH+NH3ⅳ、水解脫氨：（一些真菌和細菌中,水解酶）RCHNH2COOH+H2O→RCHOHCOOH(羥酸)+NH3第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四ⅴ、氧化還原脫氨：某些厭氧菌（如酵母菌和梭菌），使一對氨基酸一個脫羧，另一個氨基酸脫氨——Stickland反應。第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、脫羧基作用：某些細菌和真菌，氨基酸脫羧酶，專一性很高,一般一種氨基酸一種脫羧酶，而且只對L-型氨基酸起作用，輔酶是磷酸吡哆醛。RCHNH2COOH→RCH2NH2（胺）+CO2

第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四組氨酸脫羧形成組胺（histamine）又稱組織胺，有降低血壓的作用，還是胃液分泌的刺激劑。酪氨酸脫羧形成的酪胺（tyramine）有升高血壓的作用。絕大多數胺類對動物有毒。但體內有胺氧化酶，能將胺氧化成醛和氨，醛進一步氧化成脂肪酸，氨則可合成尿素等，又可形成新的氨基酸。第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四脂肪代謝脂肪的分解

在脂肪酶作用下，脂肪分解成甘油和脂肪酸。甘油經EMP途徑和TCA循環降解。脂肪酸被氧化（β-氧化過程），每次脫下2C，最終形成乙酰COA，進入TCA，最后形成CO2和H2O，并生成大量的ATP。(如軟脂酸16:0，形成8個乙酰CoA，每分子乙酰CoA進入TCA產生12ATP，所以共形成96個ATP，加上β-氧化過程形成乙酰CoA凈生成的33個，共凈生成129個ATP)第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解脂肪的微生物種類不多，真菌中的青霉菌、曲霉菌、白地霉和鐮刀菌等，細菌中的假單胞菌、分枝桿菌和靈桿菌能致脂肪食品腐敗。第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四其它有機化合物分解

烴類（甲烷、乙烷、丙烷和其它高級烴類）分解：假單胞桿菌>分枝桿菌、棒狀桿菌、假絲酵母其它酵母。苯等芳香族化合物：假單胞桿菌等細菌、曲霉菌和酵母菌等真菌，加氧酶的催化，氧化裂解苯環，產生一系列產物可以加入TCA，產生能量。烴類和石油類等資源豐富，利用某些能獲得石油蛋白、烴類蛋白微生物和分解農藥等有機有害物質的微生物意義重大。第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四合成代謝糖的合成蛋白質的合成脂肪的合成核酸的合成第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四分解代謝與合成代謝的聯系兩者聯系緊密，互不可分維持正常生命活動所必須，缺一不可由中間代謝物來聯結兩種代謝，中間代謝物有12種。通過兩用代謝途徑和代謝回補順序兩種方式進行。第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四兩用代謝途徑凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的代謝途徑稱為兩用代謝途徑。EMP、HMP和TCA循環都是重要的兩用代謝途徑。兩用代謝途徑中，分解與合成并不是簡單互逆，途徑中有不同的中間代謝物，真核生物中一般在不同的分隔區域分別進行。第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四代謝回補順序又稱代謝物補償途徑或添補途徑，指能補充兩用代謝途徑中因合成代謝而消耗的中間代謝物的那些反應。保證在重要產能途徑中某些關鍵中間代謝物用于合成后，能量代謝能夠正常進行。某些微生物所特有的乙醛酸循環。第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第三節微生物的合成代謝途徑一切生物所共有的重要物質如蛋白質、核酸、糖類和脂類、維生素等的合成代謝知識是生物化學課程的重點討論內容。需要小分子物質為原材料，能量，還原力（如NADH）。第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四一、生物固氮指某些微生物通過其體內固氮酶系的作用將分子氮轉變為氨的過程。

N2+6e-+6H++ATP→2NH3+ADP+Pi所有生物幾乎都需要依賴固氮生物固定大氣中的氮而生存，因而生物固氮對維持自然界的氮循環起著極為重要的作用。微生物的固氮量每年大約為2×1011Kg。第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四固氮微生物的種類1886，M.W.Beijerinck分離到共生固氮的根瘤菌；現50多屬100多種，都是原核生物。自生固氮菌：能獨立進行固氮的微生物共生固氮菌：必須與它種生物共生在一起才能固氮的微生物聯合固氮菌：必須生活在植物根際、葉面或動物腸道等處才能進行固氮的微生物。第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四固氮反應的必要條件⑴ATP的供應⑵還原力[H]及其載體⑶固氮酶：鐵蛋白（固二氮酶還原酶）、鉬鐵蛋白（固二氮酶）構成。⑷還原底物N2（有NH3存在時會抑制固氮作用）⑸鎂離子⑹嚴格的厭氧微環境第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四固氮的生化途徑Fd或Fld向鐵蛋白鐵原子提供1電子鐵蛋白與ATP-Mg結合，構象改變分子氮與鉬鐵蛋白結合，并與鐵蛋白復合物結合，組成完整的固氮酶電子從鐵蛋白復合物轉到鉬鐵蛋白鐵原子上，ATP水解六次運轉，鉬鐵蛋白釋放2分子氨消耗8電子還原一分子氮（2電子轉到氫）第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、氨基酸的生物合成

微生物合成氨基酸幾條途徑：氨基化作用：酮酸+氨→氨基酸

α-酮戊二酸+NH3→谷氨基轉氨作用：氨基從一個氨基酸轉向另一個化合物谷氨酸+丙酮酸→α-酮戊二酸+丙氨酸天冬氨酸+α-酮戊二酸→草酰乙酸+谷氨酸由初生氨基酸合成次生氨基酸初生氨基酸：甘氨酸、谷氨酸、天門冬氨酸次生氨基酸：由這三種初生AA形成的相應的其它氨基酸第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四三、蛋白質的合成合成條件：需要模板鏈：mRNA

攜帶氨基酸者：tRNA

每種氨基酸都對應有一種以上的tRNA，它們都具有反密碼子（tRNA的反密碼子對應mRNA的密碼子而言的），tRNA的功能是：專一性識別并運載某一氨基酸；識別mRNA上的密碼子。第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質合成場所：核糖體

在原核細胞（細菌）中，核糖體可以游離形式存在，也可以與mRNA結形成串狀的多核糖體。70S核糖體可以解離為50S和30S兩個亞基。

30S亞基能單獨與mRNA結合形成形成30S核糖體-mRNA復合體，該復合體又可與tRNA專一地結合，50S亞基不能專一地與mRNA結合，但可非專一地與tRNA結合，50S亞基上有兩個結合位點：氨酰基位點（A位點）與肽酰基位點（P位點）。第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質合成過程：

（一）起始密碼子（起始信號）首先識別合成起始區域，起始密碼子常是AUG，少數GUG，在起始密碼子上游約有10個核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列（稱為Shine-Dalgarno序列）第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四（二）70S起始復合物的形成1、起始氨基酸和起始tRNA：原核細胞中多肽的合成從甲硫氨酸開始，以N-甲酰甲硫氨酰-tRNA（簡為fMet-tRNA）形式起始。2、70S起始復合物的形成大腸桿菌中，mRNA首先與核糖體的30S亞基結合，形成mRNA-30S-IF3復合物，該復合物再進一步與fMet-tRNA、GTP相結合，形成一個30S起始復合物：即30S核糖體-mRNA-fMet-tRNA第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四30S起始物再與50S亞基結合，形成有生物學功能的70S起始復合物。fMet-tRNA占據核糖體的P位點，空著的A位點則準備接受另一個氨酰tRNA。為肽鏈的延伸作準備。

70S起始復合物中，tRNA上的反密碼子要與mRNA上的起始密碼子AUG（GUG）相配對，以保證讀碼無誤。第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四（三）肽鏈的延伸（1）一個新進入的氨酰-tRNA結合到70S核糖體的A位點（2）肽鏈的形成：肽酰基從P位點轉移到A位點，同時形成新肽鍵。（3）移位：核糖體沿mRNA（5‘→3’）作相對移動。每次移動為一個密碼子，移位的結果是原來A位點上的肽酰tRNA又回到P位點，原來P位點上的無負載的tRNA離開核糖體。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四（四）肽鏈合成的終止與釋放對mRNA上的肽鏈終止密碼子識別：UAA，UAG，UGA

第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四四、核酸的合成RNA和DNA：由五碳糖、磷酸和堿基組成。DNA的堿基四種：A、T、C、G；RNA的堿基：A、U、C、G1、核苷酸的合成：

細胞內由小分子物質合成而來；吸收環境中現成的嘌呤和嘧啶及其核苷。第66頁，共76頁，2023年，2