第4章 微生物的生理(续)

仍然以葡萄糖为例子，讲解好氧呼吸过程
葡萄糖的好氧呼吸分为两个阶段：
1、糖酵解阶段，形成丙酮酸，即EMP途径酵
解阶段
2、丙酮酸有氧分解阶段，即三羧酸循环 （TCA循环）阶段

丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三 羧酸循环的中间环节。
丙酮酸脱氢酶系 O + CH3CCOOH + HS-C oA + NAD CH3C SCoA＋ CO2 ＋ NADH 丙酮酸 辅酶A 乙酰辅酶A O
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 葡萄糖→ 3-羟基丁酮→二乙酰 红色化合物 丁二醇发酵中的中间产物3-羟基 丁酮是V.P实验的基础。3-羟基 丁酮在碱性条件下被空气中的氧 气氧化成二乙酰，它能与精氨酸 的胍基反应生成红色物质。产气 肠杆菌产生大量3-羟基丁酮，结 果为阳性，大肠杆菌很少或不产 生3-羟基丁酮，结果为阴性。
AH2 + B → A + BH2
供氢体 受氢体
AH2→A + 2H+ + 2e- 失去电子伴随脱氢
B + 2H+ + 2e-→BH2 得到电子伴随加氢或脱氧
1、发酵
定义：无外源电子受体的条件下，底物脱氢后所产生 的还原力［H］未经呼吸链传递而直接交给某一内 源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能 的一类生物氧化反应。


（2）硫酸盐呼吸
异养型硫酸盐还原菌(严格厌氧菌)在无氧条件下 获取能量的方式； 特点：底物脱氢后，经呼吸链递氢，最终由末 端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷 酸化作用相偶联而获得ATP。硫酸盐呼吸最终 还原产物是H2S。 生物处理中，该呼吸产生的H2S可以和某些重金 属离子结合形成硫化物沉淀，而除去水中重金 属污染。




1) 电子供体在特异性酶的作用下被氧化脱下电子，电子沿电 子传递链按电势由低到高传递，最后交给电子受体; 2) 在电子传递过程中,偶联H+由细菌胞质向胞外运输,形成跨 膜的H+浓度电势梯度,把化学能转化为电势能; 3) H+顺着浓度电势梯度,通过菌体膜上的F0 F1ATP酶分子上 的特殊通道流回细菌胞质,这个过程释放出的自由能偶联ATP 的合成。


（1）氧化磷酸化
微生物在好氧呼吸和无氧呼吸时，通过电子传递 体系产生ATP的过程。 递氢（电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联产 生ATP。
ATP生成的反应式

ADP+H3PO4 AMP+2H3PO4
ATP
ATP


（2）底物水平磷酸化
厌氧微生物和兼性厌氧微生物在底物氧化 过程中，产生一种含高自由能的中间体， 这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷 酸化而生成ATP。
（2）最终的受氢体：乙醛
磷酸烯醇式丙酮酸
巴斯德效应
C6H12O6+2ADP+2Pi
2CH3CH2OH+2CO2+2ATP
酵母菌的二型发酵
3%的亚硫酸氢钠（pH7） CO2
丙酮酸 乙醛 （磺化羟基乙醛） NADH 磷酸二羟丙酮 NAD+ 磷酸甘油
NADH
NAD+
乙醇
甘油
酵母菌的三型发酵
在碱性条件下，两分子乙醛之间发生岐化反应 ，即相互进行 氧化还原反应，一分子乙醛被氧化成乙酸，另一分子乙醛被 还原为乙醇。

呼吸链
NADH
50 2 e– NAD+
（1）NADH（烟 酰胺腺嘌呤二核苷 酸 ）氧化呼吸链
FADH2
2 e– FAD FAD Fe•S Q Cyt b Fe•S Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 IV
40
FMN Fe•S
（2）FADH2（黄 素腺嘌伶二核苷 酸 ）氧化呼吸链

有少量能量释放，多数能量仍保留在产物中。
发酵的种类有很多，可发酵的底物有糖类、有机酸、 氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。
乙醇发酵途径
两大步骤，三小步骤 一、糖酵解：（1）预备反应，不发生氧化还原反 应，消耗ATP，产物是3－磷酸甘油醛。（2）氧 化还原反应，产生ATP，产物为丙酮酸
电子传递体系的功能：
接受电子
合成ATP，把电子传递过程释放的能量贮存
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。 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）。
30
20
10
2 e–
0
O2
H2O

产生能量
H+ H+ H+ H+ Cyt c
Q
V ATP 合成 酶 2 H+ + 1/2O2 FAD ADP + Pi ATP H+ 2 H2O

FADH2 NADH NAD+
NADH
1
3ATP
FADH2
2ATP
氧化磷酸化
糖酵解反应式：
C6H12O6 + 2NAD + 2Pi + 2ADP → 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
三羧酸循环（TCA）
（Krebs 循环、克雷伯斯循环、柠檬酸循环）

丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoA与草酰乙 酸结合生成柠檬酸进入循环。

在循环过程中，乙酰CoA被氧化成 H2O 和CO2，并释放出大量能量。
呼吸链－电子传递链： 电子从电子亲和力低
（氧化能力弱）的电子传递体传向电子亲和力强 （氧化能力强）的传递体。 电子传递体系在细胞中的部位 原核微生物－－细胞质膜 真核微生物－－线粒体
二、氧化还原反应，丙酮酸进一步发酵可产生乙 醇和CO2
葡萄糖的酵解
葡萄糖被分解为丙酮酸的过程称为糖酵解，
主要分为四种途径：EMP、HMP、ED、磷 酸解酮酶途径 。
糖 酵 解
生 成 乙 醇
糖酵解反应式：
C6H12O6 + 2NAD + 2Pi + 2ADP→2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
无氧呼吸的典型类型

（1）硝酸盐呼吸－－NO3-作为最终电子受体 NO3-被还原成NO2-、N2O和N2，供氢体可以是葡 萄糖、乙酸、甲醇等有机物，也可以是H2和NH3 该过程叫脱氮作用，也叫反硝化作用或硝酸盐还 原作用。 能进行硝酸盐呼吸的都是兼性厌氧微生物－－反 硝化细菌。 生物处理中，可除去含氮化合物中的氮。
ADP+H3PO4 AMP+2H3PO4
ATP ATP
二、各种营养类型微生物的产能代谢
（一）化能异氧型微生物的产能代谢
（二）化能自氧型微生物的产能代谢 （三）光能自氧型微生物的产能代谢 （四）光能异氧型微生物的产能代谢
（一）化能异养型微生物的产能代谢

根据最终电子受体（受氢体）可将微生物呼 吸分为、乙酸、乙醇、CO2 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、CO2、H2 丁二醇、乳酸、乙酸、乙醇、CO2、 H2 丁酸、乙酸、CO2、H2 丁醇、丙醇、乙醇 丙酸
微生物
酵母菌属（Saccharomyces) 乳酸细菌属（Lactobacillus) 明串球菌属（Leuconostoc) 大肠埃希氏菌（Escherichia coli) 肠道杆菌（Aerobacter) 丁酸梭菌（Clostridium) 丙醇丁醇梭菌属（Clostridium) 丙酸杆菌属 （Propionibacterium)
甲基红反应：产气肠杆菌产生的丁二醇是 中性，而大肠杆菌的产物中有多种有机酸 ，发酵液pH很低，甲基红实验结果为大肠 杆菌阳性，产气肠杆菌为阴性。
2、好氧呼吸

好氧呼吸是一种最普遍和最重要的生物 氧化方式，其特点是在有氧条件下，底 物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链 递氢，最终由分子氧接受氢并产生水和 释放能量。




C6H12O6 + 4NO3- == 2N2 + 6CO2 + 6H2O + 1756KJ 5CH3COOH + 10 NO3- == 10CO2 + 6H2O + 4N2 + OH-

CH3OH + NO3- == 0.5N2 + 2H2O +CO2 6H2 + 4NO3- == N2 + 6H2O 2NH3 + 4NO3- == 1.5N2 + 3H2O 反硝化菌：地衣芽孢菌属、铜绿假单胞菌、脱氮球 菌、脱氮硫杆菌等，都是一些兼性厌氧微生物。
有机物 最 初 能 源
化能异养菌 化能自养菌 光能营养菌
还原态无机物 日光
ATP
通 用 能 源
ATP含有高能磷酸键（31.4KJ），但仅是能量的暂时贮存 物质，若要长期储存能量，ATP将转化成储能物，如聚β －羟基丁酸，淀粉等。
ATP的化学组成和功能
7.3千卡/摩尔
ATP(腺苷三磷酸)
3、ATP的生成方式
丙酮酸还原为乙醇反应式：
CH3COCOOH + NADH + H+ → CH3CH2OH + CO2
乙醇发酵总反应式：
C6H12O6 + 2Pi + 2ADP →2CH3CH2OH + 2CO2 + 2ATP 238.3KJ
能量利用率：