目標：重點掌握發酵、呼吸的概念、糖發酵的幾種途徑。理解微生物分解代謝、合成代謝的過程、特點。了解次級代謝。重點：ATP產生及糖發酵的幾種途徑，微生物發酵、呼吸的概念，分解代謝和合成代謝的關系。Chapter5-2

微生物代謝

第一節微生物的能量代謝微生物細胞所進行的化學反應總稱為代謝，與其它生物一樣，可分為物質代謝和能量代謝。

能量代謝包括：產能代謝、耗能代謝

物質代謝包括：分解代謝、合成代謝

復雜分子（有機物）分解代謝合成代謝簡單小分子ATP[H]分解代謝與產能代謝緊密相連；合成代謝與耗能代謝緊密相連。微生物的代謝離不開酶，無論是分解代謝還是合成代謝都必須在酶的催化作用下才能進行。

一切生命活動都是耗能反應，因此，能量代謝是一切生物代謝的核心問題。能量代謝的中心任務，是生物體如何把外界環境中的多種形式的最初能源轉換成對一切生命活動都能使用的通用能源------ATP，這就是產能代謝。最初能源有機物還原態無機物日光化能異養微生物化能自養微生物光能營養微生物通用能源（ATP）一、ATP的合成

除ATP外，能推動生物合成的其它高能化合物有：高能化合物能活化的生物合成作用GTP（三磷酸鳥嘌呤核苷－P～P～P）蛋白質UTP（三磷酸尿嘧啶核苷－P～P～P）肽聚糖CTP（三磷酸胞嘧啶核苷－P～P～P）磷脂dTPP(三磷酸胸腺嘧啶脫氧核苷－P～P～P)細胞壁脂多糖AC－SCOA(酰基硫COA)脂肪酸AC－COA(酰基COA)脂肪酸1.ATP的結構底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化光合磷酸化

2.細胞合成ATP的途徑底物水平磷酸化底物氧化生成高能磷酸鍵化合物的過程中，在相應酶的作用下高能磷酸基轉移到ADP上生成ATP。不需氧，不經過呼吸鏈。電子傳遞水平磷酸化物質氧化放出的電子在呼吸鏈中傳遞時，放出能量，生成ATP特點：物質氧化產生的質子和電子，通過一系列電子傳遞體，傳給最終電子受體，此過程中產生ATP.呼吸鏈的實質是電子傳遞鏈，各電子傳遞體依次排列構成電子傳遞鏈，鏈上各個氧化反應與磷酸化偶聯，氧化還原電位逐步增加。真核生物呼吸鏈位于線粒體內膜，原核生物位于細胞質膜上。細菌呼吸鏈的可能途徑

生物代謝時，每一步氧化作用，被氧化物都要脫去兩個氫原子，NAD和FAD是脫氫和氧化作用的載體。光合磷酸化⑴依賴細菌葉綠素的光合作用（環式光合磷酸化產生ATP）

如著色菌屬（Chromatium）和綠菌屬（Chlorobium）由于它們含有不同于葉綠素的菌綠素，因此這些光合細菌只有光反應系統Ⅰ。在光合作用時不放出氧氣，是不產氧光合作用，產生一個ATP。⑵依賴葉綠素的光合作用（非環式光合磷酸化產生ATP）

藍細菌具有和高等植物一樣的葉綠素分子，具有光反應系統Ⅰ和光反應系統Ⅱ,進行的是放氧性的光合作用，在該磷酸化中除產生ATP外還產生NADPH2

。

(3)依賴細菌視紫紅質的光合作用（借質子動力產生ATP）

鹽細菌能耐鹽，在有氧條件下行有氧呼吸，但當含氧量很低，在有光照的情況下，也能轉化光能為ATP，主要是因為它們的細胞膜含有細菌視紫紅質。在光的作用下，細菌視紫紅質將質子不斷地排出細胞外，借助質子動力而形成ATP。這是一種比較原始的產生ATP的方式。

二、微生物的產能代謝異養型微生物以有機物的氧化反應獲得能量，自養型微生物從光或無機物的氧化反應中得到能量。根據最終電子受體性質的不同，產能代謝分為

發酵、有氧呼吸和無氧呼吸1.發酵作用底物氧化時脫下的氫和電子經某些輔酶或酶的輔基（NAD、NADP、FAD）傳遞給底物未完全氧化的中間產物，同時釋放能量并產生各種代謝產物。ATP產生途徑：底物水平磷酸化電子受體：底物氧化的中間產物，不需分子氧的參與。特點：底物氧化不徹底，產能水平低。發酵是厭氧型細菌獲得能量的主要方式。有些兼性厭氧菌在無氧條件下也能進行發酵，但有氧存在時會發生呼吸作用，抑制發酵，稱巴斯德效應。包括乙醇發酵、乳酸發酵、丁酸發酵和丙酮丁醇發酵等。不同的微生物進行乙醇發酵的途徑和產物不同，主要有酵母菌的乙醇發酵和細菌的乙醇發酵

(1)乙醇發酵酵母菌的乙醇發酵細菌的乙醇發酵葡萄糖葡萄糖2ATP2CO2EM2丙酮酸2乙醛（CH3CHO）

2乙醇

ATPED2—酮—3—脫氧葡萄糖酸3-P甘油醛丙酮酸

2乙醇

CO2×22ATP上述乙醇發酵都靠基質水平磷酸化產生ATP，但酵母產能多，細菌產能少

乳酸發酵與牛奶變酸、制作泡菜和制作青貯飼料有關，進行乳酸發酵的微生物主要是細菌，分正型乳酸發酵和異型乳酸發酵二種。(2)乳酸發酵正型乳酸發酵：指發酵產物只有單一的乳酸葡萄糖2ATPEM丙酮酸×2乳酸×2C6H12O62乳酸+2ATP正型德氏乳桿菌異型乳酸發酵:

指發酵產物除乳酸外，還有其它的化合物丁酸梭狀芽孢桿菌（Clostridiumbutyricum）可以發酵葡萄糖得到丁酸。丙酮丁醇梭菌（Clostridiumacetobutylicum）可發酵葡萄糖產生丙酮、丁醇。

(3)丁酸發酵與丙酮丁醇發酵丙酮是制造炸藥的原料，丁醇是生產硝基纖維涂料的快干劑，工業上所利用的丙酮和丁醇既可通過發酵的方法獲得，亦可以從石油中制取

丙酮、丁醇的作用微生物學與第一次世界大戰有機溶劑丙酮和丁醇的需求增加：丙酮：生產無煙火藥當時的常規生產方法：對木材進行干熱分解大約80到100噸樺樹、山毛櫸、或楓木生產1噸丙酮丙酮丁醇羧菌發酵生產丙酮、丁醇（1915），每100噸谷物可以生產出12噸丙酮和24噸的丁醇。第一次世界大戰（1914-1918）爆發后，一名英籍猶太人查姆魏茲曼（ChaimWeizmann）幫助英國成功研制新型炸藥━━無煙炸藥，使在當時處于劣勢的英國反敗為勝。

產生ATP的另一種方式是呼吸作用，大多數微生物以此方式產生能量。呼吸作用按照最終電子受體的差別又分為有氧呼吸和無氧呼吸。2.呼吸作用細菌的有氧呼吸與真核生物的有氧呼吸基本相同，區別是，細菌的呼吸鏈位于細胞膜上，因此細菌的呼吸是在細胞膜上進行的，而真核生物是在線粒體中進行的。有氧呼吸微生物氧化底物時脫下的氫和電子經呼吸傳遞鏈，最終交給氧，并生成水和能量的過程。大多數微生物的產能方式,如需氧菌和兼性厭氧菌。有機物被微生物徹底氧化分解最后生成H2O，CO2并產生大量的ATP。C6H12O6+6O26CO2+6H2O+38/32ATP

ATP產生途徑：電子傳遞水平磷酸化電子受體：分子態氧(O2)

特點：底物徹底氧化，產能水平高。微生物氧化底物時脫下的氫和電子經呼吸傳遞鏈，最終交給無機物的過程。進行無氧呼吸的微生物主要是厭氧菌和兼性厭氧菌，他們的活動可造成反硝化作用、脫硫作用和甲烷發酵作用等。

無氧呼吸

ATP產生途徑：電子傳遞水平磷酸化電子受體：無機物NO3-、SO42-、

CO32-等

特點：底物徹底氧化，產能水平低。硝酸還原作用

硝酸還原細菌在分解有機物時利用基質脫下的H將硝酸鹽還原，在還原的過程中產生ATP，通過電子傳遞鏈產生2個ATP

。有些菌可將NO2-進一步將其還原成N2，稱為反硝化作用。能進行硝酸鹽呼吸的細菌被稱為硝酸還鹽原細菌，主要生活在土壤和水環境中，如假單胞菌、依氏螺菌、脫氮小球菌等。硝酸鹽呼吸：以硝酸鹽作為最終電子受體，也稱為硝酸鹽的異化作用（Dissimilative）只能接收2個電子，產能效率低；NO2-對細胞有毒；有些菌可將NO2-進一步將其還原成N2，這個過程稱為反硝化作用：碳酸鹽還原（甲烷生成）

產甲烷菌在利用甲酸、甲醇、甲胺、乙酸、H2/CO2

生成甲烷時，可能通過①跨膜質子運動；②電子傳遞磷酸化;③底物水平磷酸化合成ATP

硫酸還原作用脫S弧菌等分解有機物氧化放出的電子可使SO42-逐步還原為H2S。這類細菌通常以乳酸作為氧化基質，但氧化不徹底，最終積累有機物—乙酸，并放出H2S。

除底物水平磷酸化外，還可能通過電子傳遞鏈產生ATP。

1、用于生物合成消耗能量

2、一些其他生命活動消耗能量：如運動、

物質吸收、細胞繁殖等

3、生物發光消耗能量

4、有些以熱的形式散失三、能量的利用第三節微生物的分解代謝基質在體內經過一系列氧化還原反應，逐步分解并釋放能量的過程，又稱生物氧化。己糖是微生物主要的碳源和能源，己糖的分解是微生物體內最重要的分解代謝。無氧條件

己糖部分氧化

有機酸或醇+少量能量有氧條件糖酵解丙酮酸乙酰輔酶A三羧酸循環CO2+H2O+大量能量發酵一．己糖的分解1.已糖降解生成丙酮酸的途徑(雙磷酸己糖途徑)(1)EMP途徑為合成代謝提供了：能量：2ATP還原力：2NADH2

小分子碳架化合物：6—P葡萄糖P一二羥丙酮3一P甘油酸P—烯醇式丙酮酸丙酮酸(2)PP途徑(磷酸戊糖途徑,PentosePhosphatePathway；又稱HMP途徑)②特點該途徑在大多數微生物體內存在。在許多細菌和真菌中HMP途徑與EMP途徑共同存在，不同菌種中，二者所占比例不同。是葡萄糖降解產生五碳糖的重要途徑，與核酸合成密切相關。其它中間產物(如赤蘚糖、景天糖、3-P-甘油醛等)也能滿足多種代謝需要。產生較多NADPH2，進入呼吸鏈，產生能量。

還原力：

NADPH2×2

小分子碳架化合物：

5—P核糖（合成核酸的前體物）

4—P赤蘚糖（合成芳香aa前體物）

HMP途徑主要為合成代謝提供：

ED途徑為該類細菌的合成代謝提供：

能量：ATP

還原力：NADH2，NADPH2

小分子C架：a.6—P葡萄糖

b.3—P甘油酸

c．P—烯醇式丙酮酸

d．丙酮酸一般存在于好氧生活的G—菌中，主要局限于假單胞菌屬的一些細菌，產能不高。(3)己糖磷酸途徑(ED途徑,Entner-Doudoroffpathway)二、丙酮酸的代謝丙酮酸的代謝途徑有氧：TCA循環，TricarboxylicAcidCycle

無氧：發酵(酒精發酵；乳酸發酵；丁酸發酵和丙酮丁醇發酵)TCA循環EMP途徑，ED途徑生成的丙酮酸進入TCA

，進一步氧化分解，產生還原力NADPH2，ATP和合成代謝所需要的小分子C架。微生物分解代謝的主要途徑，先由丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A，再進入TCA。具體過程見圖。TCA循環為合成代謝

提供：能量:GTPATP還原力:

NADH2

NADPH2FADH2

小分子C架：乙酰COAα-酮戊二酸

琥珀酰COA

烯醇式草酰乙酸TCA的特點循環中生成一系列二羥基酸和三羥基酸(二羥基酸：檸檬酸、順烏頭酸；三羥基酸：α-酮戊二酸

、蘋果酸)，它們與氨基酸和各種堿基的合成有關。通過三羧酸循環，碳水化合物徹底氧化成H2O和CO2，產生大量能量。丙酮酸的無氧代謝途徑包括酒精發酵；乳酸發酵；丁酸發酵等第四節微生物的合成代謝合成代謝就是微生物將簡單的無機物或者有機物用體內的各種酶促反應合成生物大分子即菌體物質的過程。又稱同化作用。微生物的合成代謝可以概括為三個階段：

1．產生三要素

2.合成前體物

3.合成大分子

1．ATP的產生：一、三要素的產生生物合成三要素

微生物的分解代謝為合成代謝提供了能量、還原力和小分子碳架化合物，三者合稱生物合成三要素。底物水平、電子傳遞水平、光合磷酸化產生2.還原力NADH2或NADPH2的產生①EMP、TCA途徑產生NADH生物合成

還原糖分解中的中間產物，呼吸鏈→ATP

產生發酵產物

②由HMP途徑產生的NADPH→生物合成

3.小分子碳架化合物的產生微生物在分解代謝中為合成代謝提供的作C架的小分子化合物有以下十二種主要物質：

小分子化合物來

源合成物及作用1—P葡萄糖EMP途徑戊糖6—P葡萄糖多糖、半乳糖的分解核苷酸、核糖5—P核糖HMP途徑核苷酸，脫氧核苷酸4—P赤蘚糖HMP途徑環式aaP—烯醇式丙酮酸EMP途徑環式aa，氨基糖，運輸糖進入細胞丙酮酸EMP，不完全HMP，ED途徑aa3—P甘油酸EMP途徑aa琥珀酰COATCA環aa，卟啉烯醇式草酰乙酸TCA環aa磷酸二羥丙酮EMP途徑甘油

脂肪乙酰COA丙酮酸降解，脂肪酸分解脂肪酸，aaα—酮戊二酸TCA環aa大分子有機物的合成首先要有前體物，前體物是微生物利用分解代謝中所獲得的小分子C架，ATP和NADPH2合成的。前體物主要有：氨基酸；氨基糖；核苷酸；單糖；脂肪酸二、大分子前體物的合成1．氨基酸的合成⑴

由α—酮酸經氨基化作用生成

NH3+α-酮戊二酸谷氨酸⑵由轉氨作用形成谷氨酸+丙酮酸α-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+草酰乙酸α-酮戊二酸+天冬氨酸谷氨酸脫氫酶谷丙轉氨酶谷草轉氨酶⑶

由初生aa生成次生aa⑷

生物固N作用核苷酸由戊糖、堿基和磷酸三部分組成。2．核苷酸的生物合成許多單糖是構成微生物細胞多糖的組成成份。對于異養型微生物，這些單糖通常由外源性單糖通過互變產生。

藍細菌等自養微生物在以CO2作碳源進行生長時，單糖由卡爾文循環途徑合成（亦稱三C糖途徑或二磷酸核酮糖途徑）。3．單糖的生物合成單糖(細胞外)P-單糖(細胞內)磷酸基團轉位CO2-(CH2O)n–卡爾文循環自養微生物：以CO2為唯一碳源

CO2＋H＋＋能量-(CH2O)n-

碳源通常來自有機碳，少量碳源來自CO2：異養微生物：

磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+CO2草酰乙酸卡爾文循環PEP羧化酶無機養料的同化1、CO2的同化：硝酸鹽同化還原：見于大多數細菌、絲狀真菌和酵母

NO3－→NO2－→NH3→有機氮(氨基酸)

分子態氮的同化：

N2+H＋+能量→

2NH32、氮素的同化：固氮微生物固氮作用：一些固N微生物能將分子氮固定為NH3,再通過酶的作用轉變為氨基酸。3、硫素的同化：

硫酸鹽同化還原：在無氧條件下，以SO42-為無氧呼吸的電子受體,最終將SO42-還原為H2S

，見于異化硫酸鹽還原菌，如：脫硫弧菌，脫硫葉菌

SO42-+ATP+NADPH+NADH→…→H2S→H2S加到絲氨酸→半胱氨酸四、大分子物質的合成蛋白質的生物合成核酸的生物合成脂類物質的合成（1）磷脂的生物合成（2）聚羥基丁酸的生物合成多糖的合成（1）肽聚糖的生物合成（2）磷壁酸的生物合成肽聚糖的生物合成肽聚糖的生物合成是一個復雜的過程第五節次生代謝物和抗生素次生代謝是微生物在一定的生長期（通常是在生長的后期或者穩定期）合成一些對微生物本身沒有明顯作用的物質代謝；或者說是通過支路代謝合成各種產物,稱為次生代謝。一、次生代謝產物：微生物通過支路代謝合成的產物稱次生代謝產物。按其生物學功能，分為抗生素、激素、毒素、維生素和色素五大類。二、抗生素

抗生素（antibiotic）是由微生物產生或合成的一類能抑制或殺死另一類微生物的化學藥劑。多數是由抗生菌產生的次生代謝產物。次生代謝產物的特點：次生代謝產物對微生物本身沒有明確生理功能,不是生命活動必需物質，不參與細胞組成。許多次生代謝產物可以為人類所利用，如抗生素、激素、毒素、生物堿、色素等。發現：1928年，英國Fleming在研究葡萄球菌時，發現含菌平板上污染了點青霉之后，在點青霉菌落周圍的葡萄球菌被溶解，出現透