第五章 微生物的代谢和发酵

Electron donor
Electron acceptor
（１）硝酸盐呼吸（nitrate respiration） 又称反硝化作用，能进行硝酸盐呼吸的都是 一些兼性厌氧微生物——反硝化细菌，如地 衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、铜绿假单胞菌 等。 在通气不良的土壤中，反硝化作用会造成氮 肥的损失，其中间产物NO、N2O还会污染环 境,对农业生产是十分不利的，但对自然界的 氮素循环又是必不可少的。水生性的反硝化 细菌对环保意义重大（除去水体中的硝酸 盐，减少水体污染和富营养化）。
Aerobic oxidation——oxygen as terminal electron acceptor 由于呼吸必须在有氧的条件下进行，因此 又称有氧呼吸。
特点：底物脱下的氢[H]经完整的呼吸链（电 子传递链）传递，最终被外源O2接受，产生 H2O并释放出ATP形式的能量，是一种高效的 产能方式。
The Stickland Reaction
1分子丙氨酸作为氢供体，2分子甘氨 酸作为氢受体
（５）发酵中的产能反应 发酵仅指专性厌氧菌或兼性厌氧菌在 无氧条件下的一种生物氧化形式，其 产能机制都是底物水平的磷酸化反 应，因而产能效率极低。
二、自养微生物产ATP和产还原力 与异养微生物的生物氧化本质是相同 的，包括脱氢、递氢和受氢三个阶段， 通过与磷酸化反应相偶联，产生ATP。 但自养微生物的生物氧化与产能类型很 多，途径复杂。
Sometimes a "reverse e- flow" needed to produce NADH.
Electron Flow in Nitrobacter（硝 化杆菌属） Electron Transport Chain
化能自养微生物生长速率和生长得率? 低？ 产能机制效率低 固定（还原）CO2要大量耗能。
（二）光能营养微生物
1. 循环光合磷酸化 是一种存在于光合细菌中的原始光合作用 机制，因可在光能驱动下通过电子的循环 式传递而完成磷酸化产能反应而得名。
循环光合磷酸化特点： 电子传递途径属循环方式，即在光能的驱 动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似 呼吸链的循环又回到菌绿素，其间产生建立 了质子动势，产生1个ATP。 产ATP与产还原力 [H]分别进行。 还原力来自H2S等氢供体(H2O??) 不产氧 在供应ATP的条件下，能使外源氢供体逆电 子流产还原力，并由此与Calvin循环相连接。
（二）递氢和受氢
[H]经呼吸链（或电子传递链）等方式 传 递，最终与氧、无机或有机氧化物 结合而释放出其中的能量。 根据递氢的特点特别是受氢过程中氢 受体性质的不同，可以把生物氧化分为 呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。
（延胡索酸）
1、呼吸（respiration） 又称好氧呼吸（aerobic respiration），是一种 最普遍有最重要的生物氧化或产能方式。
Electron donor
Electron acceptor
２、无氧呼吸(anaerobic respiration) 又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受 体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物） 的生物氧化。 是一类在无氧条件下进行的、产能效
率较低的特殊呼吸。
根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧 呼吸分成许多类型。
无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系 呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以 从任一组分直接进入呼吸链 产能效率（P/O比）一般低于化能异养微 生物
Chemolithotrophy（chemoautotrophs）:
ATP formation——oxidation of inorganic
compounds(rather than glucose) Reducing power for CO2 fixation From the inorganic compound reverse electron transport reactions
2NADH+2H ++ 2ATP+ 2H2O+2Pyruvate
2、HMP途径 又称己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径或WD途 径。 与EMP途径有着密切的联系，因为HMP途径中 的3-磷酸甘油醛可以进入EMP ，因此该途径又可 称为磷酸戊糖支路。 虽然这条途径中产生NADPH的可经呼吸链氧化 产能，但这不是代谢中的主要方式。因此不能把 HMP途径看作是产生ATP的有效机制。
（一）化能自养微生物(Chemoautotrophs)
化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和[H] 是通过氧化无机底物，如 NH4+ 、 NO2－ 、 H2S、S 0 、 H2 、Fe2+等而获得的。 其产能途径也主要是通过氧化磷酸化，因 此化能自养菌一般都是好氧菌。
化能自养微生物能量代谢的特点：
对于运动发酵单胞菌这类微好氧菌，丙酮酸可 以脱羧形成乙醛，乙醛又可以进一步被 NADH2还原为乙醇。 细菌的酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化 率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度 较高，不必定期供氧。 缺点：生长pH较高（５），较易染菌，对乙 醇的耐受力较低（７% ）。
酒精耐受度
同型酒精发酵： 酵母菌酒精发酵（EMP）的酒精发酵 运动发酵单胞菌（ED）的酒精发酵 异型酒精发酵：肠膜明串珠菌（HMP） 的酒精发酵
３、发酵（fermentation）
•在生物氧化或能量代谢中发酵是指在 无氧等外源氢受体的条件下，底物脱 氢后所产生的还原力[H]不经呼吸链传 递而直接交给某一 内源性 中间代谢 产物，以实现底物水平磷酸化产能的 一类生物氧化反应。
Overview of fermentation
（１）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 微生物——获能 人类——获取大量代谢产物 发酵过程中的某些独特代谢产物是进行菌种 鉴定的重要生化指标 如：V.P.试验 产气肠杆菌产生３－羟基丁酮（乙酰甲基 甲醇），在碱性条件下可被氧化成二乙 酰，二乙酰可与精氨酸的胍基反应——红 色。
3、 ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG） 途径。 是少数EMP途径不完整的细菌所特有 的利用葡萄糖的替代途径，在革兰氏阴性菌 特别是假单胞菌 和固氮菌的某些菌株较多地 存在。 具有ED途径的细菌如：嗜糖假单胞菌、铜绿 假单胞菌、荧光假单胞菌、林氏假单胞菌、 运动发酵单胞菌、真养产碱菌。
（４）由氨基酸发酵产能——Stickland反应 以一种氨基酸作氢供体（底物），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。 氢供体（Ala Leu Ile Val Phe Ser His Trp） 氢受体(Gly Pro Arg Trp、羟脯氨酸、鸟氨 酸） 能进行Stickland反应的微生物：生孢梭菌、 肉毒梭菌、斯氏梭菌，都是专性厌氧的梭菌， 但并不是所有的梭菌都能进行Stickland反应。
多数好氧和兼性厌氧微生物都有HMP途 径，而且在同一微生物中往往同时存在EMP 和HMP途径，单独具有HMP途径的微生物较 少见，如弱氧化醋杆菌、氧化葡糖杆菌、氧化 醋单胞菌。 HMP途径可为生物合成提供大量的中间代 谢产物和还原力。
景天酮糖
转酮醇酶
HMP途径在微生物活动中的意义： （1）为核酸、核苷酸、NAD（P）+、FAD （FMN）、CoA的合成供应原料 （2）产大量NADPH形式的还原力 （3）作为固定二氧化碳的中介（核酮糖-5-磷 酸） （4）扩大碳源的利用范围 （5）连接EMP途径
醛缩酶
（３）通过ED途径进行的发酵 ——细菌的酒精发酵
in Zymomonas mobilis (运动发酵单胞菌) and Zymomonas anaerobia (厌氧发酵单胞菌).
Found
Glucose
Pyruvate
CO2
NADH
NAD
Acetaldehyde
Ethanol
Zymomonas: alcoholic fermentation
第五章
微生物的新陈代谢
一、化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能氧化 反应。（或与氧结合，或脱氢或失去电子） 生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或 电子）、受氢（或电子） 功能：产能（ATP）、产还原力[H]、产生小分 子中间代谢物。 生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。
乙酰乳酸 3-羟基丁酮
发酵单胞菌
德氏乳杆菌同型乳酸发酵
肠杆菌属Enterobacter）沙雷氏菌属（serratia） 变形菌属
Fermentation products are the key to separate the enteric bacteria
Methyl red test
（２）通过HMP途径的发酵——异型乳 酸发酵（heterolactic fermentation）
（２）硫酸盐呼吸（sulfate respiration） 是一类严格厌氧菌——硫酸盐还原细菌 （或反硫化细菌如脱硫脱硫弧菌、巨大 脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌）在无氧条 件下获取能量的方式。最终还原产物为 H2S。 在浸水或通气不良的土壤中，厌氧微生 物的硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根 系十分不利。
（一）底物脱氢的四条主要途径 •以葡萄糖作为底物： •1、EMP途径 •2、HMP途径 •3 、 ED途径 •4、三羧循环
1、EMP途径 又称糖酵解途径或己糖二磷酸途径。是绝大 多数微生物所共有的基本代谢途径。
在有氧条件下，EMP途径与TCA途径连接，
并通过后者把丙酮酸彻底氧化成CO2和H2O。 在无氧条件下，丙酮酸或其进一步代谢后所 产生的乙醛等产物被还原，从而形成乳酸或 乙醇等发酵产物。 与乳酸、丙酮、丁醇、甘油、乙醇等的生产 关系密切。
（５）碳酸盐呼吸（carbonate respiration）
•是一类以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端 氢受体的无氧呼吸。 •根据其还原产物不同可分为两类：产甲烷 菌产生甲烷的碳酸盐呼吸和产乙酸细菌产 生乙酸的碳酸盐呼吸。
Leabharlann Baidu
（６）延胡索酸呼吸（fumarate respiration）
•以延胡索酸作为呼吸链末端的氢受体，还原 产生琥珀酸。 •能进行延胡索酸呼吸的都是一些兼性厌氧 （如埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属 和克氏杆菌属）或厌氧菌（如拟杆菌属、丙 酸杆菌属和产琥珀酸弧菌属的一些细菌） （7）还有一些有机氧化物，如甘氨酸、二甲 亚砜、氧化三甲基胺等也可作为呼吸链末端 的氢受体。
脱镁菌绿素 NADH2
外源电子供体H2S等
具有循环光合磷酸化的生物，都是光合 细菌，如红螺菌目的细菌。（分布于缺氧 的深层淡水或或海水中，可用于污水的净 化） 菌体因所含菌绿素和类胡萝卜素的比例 不同而呈现不同的颜色。 Cyclic photophosphorylation is part of Photosystem I (PS I). It is perhaps the earliest way cells formed ATP.
The Entner-Doudoroff pathway, the major means of glucose catabolism in pseudomonads
KDPG醛缩酶
4、TCA循环
•即三羧循环，又称Krebs循环或柠檬酸循 环。在各种好氧微生物中普遍存在。 •氧虽不直接参与，但必须在有氧条件下 进行（NAD+和FAD再生需氧） •每个丙酮酸可产生4NADH+H+、 FADH2、1GTP，总共相当于 12.5ATP。 •TCA位于分解代谢和合成代谢的枢纽。
（３）硫呼吸（sulphur respiration） •以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产 生H2S的生物氧化作用。 •能进行硫呼吸的都是一些兼性或专性厌 氧菌，如氧化乙酸脱硫单胞菌。
（４）铁呼吸（ion respiration)
•在某些专性厌氧菌和兼性厌氧菌中存 在。其呼吸链末端的氢受体是Fe3+ 。
异型乳酸发酵：凡葡萄糖经发酵后除主 要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和CO2等 多种产物的发酵，称异型乳酸发酵。如肠 膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌、 发酵乳杆菌、两歧双歧杆菌。 同型乳酸发酵：葡萄糖发酵只产生２分 子乳酸。（经EMP途径）
The fermentation of glucose in homofermentative and heterofermentative lactic acid bacteria