环境微生物学4-微生物的生理3代谢与合成

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发光细菌监测毒性实验
2017/12/28
发光细菌监测毒性实验
学生正在做发光细菌实验
发光细菌发光检测仪读取六组数据
第四节 微生物的合成代谢
一、产甲烷菌的合成代谢
产甲烷菌利用1C和2C有机物产生CH4，利用其中间代谢产物 和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以 构成自身的细胞。
如：产甲烷菌同化CO2（逆三羧酸循环途径,见下图）。
系列步骤的总称。 好氧呼吸总反应式： C6H12O6 ＋ 6O2 ＋ 38ADP ＋ 38Pi → 6CO2 ＋ 6H2O ＋ 38ATP
1.三羧酸循环
淀 粉 、 蛋 白 质 和 脂 肪 水 解 与 三 羧 酸 循 环 和 乙 醛 酸 循 环 的 关 系
2.电子传递体系（呼吸链）
好氧呼吸以O2为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O， 并产生ATP。底物氧化释放的电子首先转移给NAD+，使之成为 NADH + H+，然后再转移给电子传递体系（呼吸链），最终到达 分子氧O2。 呼 吸 链 ： 有 氧 呼 吸 中 传 递 电 子 的 一 系 列 偶 联 反 应 ， 由 NAD 或 NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素等组成。其功能是传递电 子和产生ATP。
1. ATP的化学组成、功能
ATP(腺苷三磷酸)的分子结构式
细胞的能量循环
2.生成ATP的方式
（）基质(底物)水平磷酸化：微生物在基质氧化过程中，产 生一种含高自由能的中间体，如常1，3-二磷酸甘油酸。这一 中间体将能量→ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。此过程中底 物的氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP，称为底物水平磷酸 化。
光合作用（photosynthesis）是地球上进行得最大的有机合 成反应。将太阳能转化为化学能的过程经常用“CO2固定” 这一术语来表示。
1．藻类的光合作用（同绿色植物） 藻类进行非环式光合磷酸化作用（non-cyclic photophosphorylation） ，是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化 反应方式其特点为： ① 电子传递途径属非循环式； ② 在有氧条件下进行； ③ 有2个光合系统——PSⅠ和PSⅡ； ④ 反应中同时有ATP、还原力、O2产生； ⑤ 还原力来自H2O的光解。
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三、光合作用
1．藻类的光合作用（同绿色植物） 在有光的条件下，利用体内的色素（叶绿素、类胡萝卜 素、藻蓝素、藻红素等），从H2O的光解中获得H2，还 原CO2成[CH2O]。因与植物的光合作用相同，都是利用 CO2为碳源，H2O为供氢体合成有机物，构成自身细胞 物质，故称植物性光合作用。
①发酵; ②好氧呼吸; ③无氧呼吸。
（一）生物氧化的概念
无论是哪一种类型，其本质都是氧化还原反应，即在化 学反应中一种物质失去电子而被氧化，另一种物质得到电 子而被还原，微生物从中获得生命活动需要的能量。
生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程，有 以下几个差别：
在酶的作用下，常温常压的温和条件； 复杂有机物被氧化成二氧化碳、水和其他简单的物质； 产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）； 多步反应，产生许多中间产物；同时吸收和同化各种营养物质。
脱氢酶、脱羧酶、乙醇 低分子有
脱氢酶；辅酶：NAD+ 机物、
等
CO2、ATP
底物水平磷酸 化
238.3
好氧 呼吸
脱氢酶、脱羧酶、
底物水平磷酸
O2
NAD+ 、FAD、 辅酶Q、细胞色素等
CO2、 化；氧化磷酸
H2O、ATP
化
2876
无氧 呼吸
NO3- 、NO2-、 SO42- 、 CO32-
、CO2
脱氢酶、脱羧酶、硝酸 CO2、H2O、
环境微生物学
第4章 微生物的生理
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内容提示
本章就微生物的酶、营养以及微生物的代谢作了论述。酶是生 物催化剂，微生物的一切生命活动都离不开酶。营养物质的吸 收、分解和合成等一系列过程都是在酶的作用下进行的。新陈 代谢(metabolism）是微生物进行分解代谢（catabolism）和合 成代谢（anabolism）的总和。因为一切生命活动都是耗能反应 ，因此，能量代谢就成了新陈代谢的核心问题。微生物的能量 代谢是通过三种主要途径来实现的：发酵 、好氧呼吸和无氧呼 吸。
二、生物氧化的类型
在微生物体系中，能量的释放、ATP的生成都是通过生物 氧化实现的。根据最终电子受体（或最终受氢体）的不同， 可划分为3种类型：
① 发酵—以分解过程中的中间代谢产物(低分子有机 物)为最终电子受体 ② 好氧呼吸—以O2为最终电子受体 ③ 无氧呼吸—以除O2外的无机化合物，如NO2-、 NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作为最终电子受体
4.乙醛酸循环
在好氧呼吸中，除进行三羧酸循环外，有的细菌还可利用 乙酸盐进行乙醛酸循环，如三羧酸循环图中虚线所示。 乙醛酸循环可以从异柠檬酸进入，将其裂解为乙醛酸和琥 珀酸，琥珀酸可进入三羧酸循环，乙醛酸乙酰化后形成苹果 酸也可进入三羧酸循环。由此弥补一些中间产物的不足，有 时也把乙醛酸循环称为TCA循环的支路。
例如，以NO3-为最终电子受体的情况： 0.5C6H12O6 + 2HNO3→3CO2 + N2 + 3H2O + 2[H]+能量 释放总能量为1756kJ ,得到2mol ATP。
上述过程被称为反硝化作用，或硝酸盐还原作用。
硝酸盐呼吸
NO3-
NO2-、NO、N2O、N2
硫酸盐呼吸
SO42-、S3O62-、S2O32-、H2S、 SO42-
无机盐呼吸
S2-
无
硫呼吸
氧
S0 CH3COOH
呼 吸
碳酸盐呼吸
产乙酸细菌
CO2、HCO3-
延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）
产甲烷菌 琥珀酸
延胡索酸
CH4 CO2、HCO3-
三、三种生物氧化类型比较（以葡萄糖为例）
生物氧 最终电子受体
化类型
参与反应的酶
最终 产物
产ATP 方式
释放总 能量/kJ
乙醇 发酵
中间代谢 产物
C6H12O6＋2Pi＋2ADP → 2CH3CH2OH + 2CO2＋2ATP
（一）发酵
（1）糖酵解：
糖酵解（glycolysis）被认为是生物最古老、最原始获
取能量的一种方式(底物水平磷酸化）。糖酵解途径几乎是
糖
所有具细胞结构的生物所共有的主要代谢途径，也是人们
酵
最早阐明的酶促反应系统。
解
总反应：
不同的发酵类型及其有关微生物
发酵类型
产物
微生物
乙醇发酵 乳酸同型发酵
乙醇、CO2 乳酸
酵母菌属（Saccharomyces） 乳酸细菌属（Lactobacillus）
乳酸异型发酵 乳酸、乙醇、乙酸、CO2 明串珠菌属（Leuconostoc） 混合酸发酵 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、 大肠埃希氏菌(Escherichia coli)
还原酶、硫酸还原酶； NH3、N2、
辅酶：NAD+、细胞色 H2S、
素b、c等
CH4、
ATP
底物水平磷酸 化；氧化磷酸
化
反硝化： 1756
反硫化： 1125
四、微生物的发光机制
发光细菌含两种特殊的成分:(虫)荧光素酶和长链脂肪族醛。 发光过程（下图）：
发光细菌被应用在环境监测及其他领域。
发光细菌的电子流途径
（二）生物能量的转移中心—ATP
在微生物的生物氧化过程中，底物的氧化分解产生能 量；同时，微生物将能量用于细胞组分的合成。在这两 者之间存在能量转移的中心，即ATP。 ATP是在发酵、好氧呼吸及无氧呼吸中生成的。微生 物（包括各种生物）的能量的产生和转移大多数是通过 ATP进行的。
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（二）好氧呼吸
好氧呼吸（aerobic respiration）是有外在最终电子受体（ O2）存在时，对底物（能源）的氧化。它是一种最普遍和最 重要的生物氧化方式。
以葡萄糖为例，葡萄糖的好氧呼吸分两阶段： ① 经EMP（糖酵解）途径 → 丙酮酸； ② 三羧酸循环（TCA）:三羧酸循环是丙酮酸有氧氧化过程的一
1molGDP＋Pi → GTP → 1mol ATP 电子传递磷酸化（氧化磷酸化）
4mol(NADH+H+) ×3=12mol ATP 15mol ATP FADH2×2 = 2mol ATP 因为1mol丙酮酸产生15molATP，1mol葡萄糖酵解为2mol丙酮酸，所以共 产生30molATP, 则：1mol葡萄糖完全氧化总共产生38 mol ATP。
在好氧呼吸中，由EMP和TCA产生的［H］（NADH+H+和 FADH2 ），通过电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧，形 成水。在这一传递过程中，产生ATP（称为氧化磷酸化）。
自 EMP 2NADH+2H+
自乙酰 CoA 2NADH+2H+
自 TCA 6NADH+6H+
自 TCA 2FADH2
（2）氧化磷酸化：微生物在氧化底物后产生的电子，通过电 子传递体系传递，并产生ATP的过程叫氧化磷酸化。
（3）光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子 ，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。产氧光合生物 包括藻类和蓝细菌，它们依靠叶绿素通过非环式的光合磷酸化 合成ATP。不产氧的光合细菌则通过环式光合磷酸化合成ATP 。
丁二醇发酵
CO2、H2 丁二醇、乳酸、乙酸、
气杆菌属（Aerobacter）
乙醇、 CO2、H2