北京大学微生物微生物的新陈代谢
微生物的新陈代谢
微生物的新陈代谢8微生物的能量代谢代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。
分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。
合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。
合成代谢所利用的小分子物质来源于分解代谢过程中产生的中间产物或环境中的小分子营养物质。
在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。
微生物产生和利用能量及其与代谢的关系见。
一、化能异养微生物的生物氧化和产能分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程，这个过程也称为生物氧化，是一个产能代谢过程。
在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物(如A TP)中，以便逐步被利用，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。
不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。
生物氧化的形式：①和氧的直接化合 ②失去电子 ③化合物脱氢或氢的传递生物氧化的功能：产能(A TP)产还原力【H 】小分子中间代谢物生物氧化的过程：①底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）②氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD 、FAD 等）③最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）（一）底物脱氢的4条途径1、EMP 途径(糖酵解途径)整个EMP 途径大致对分为两个阶段。
第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。
第二阶段发生氧化还原反应，合成A TP 并形成两分子的丙酮酸。
O H H NADH ATP NAD ADP Pi 222222222++++→+++++丙酮酸葡萄糖EMP 途径可为微生物的生理活动提供A TP 和NADH ，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。
微生物 第五章 微生物的新陈代谢
第五章微生物的新陈代谢一、名词解释新陈代谢：是推动生物一切生命活动的动力源和各种生命物质的“加工厂”，是活细胞中一切有序化学反应的总和。
生物氧化：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应。
呼吸：是一种最重要最普遍的生物氧化或产能过程。
呼吸链：指位于原核微生物的细胞膜或真核生物的线粒体膜上，由一系列氧化还原势呈梯度差的，链状排列的递氢体或递电子体所组成的连续反应体系。
无氧呼吸：指的是呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数有机氧化物）的生物氧化。
发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后产生的还原力未经呼吸链传递而直接交给内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。
同型酒精发酵：酵母在无氧条件下，通过EMP途径，即葡萄糖→丙酮酸→乙醛→乙醇的过程，称为同型酒精发酵。
异型酒精发酵：细菌通过HMP途径进行，产生1分子乙醇和1分子乳酸，称为细菌异型酒精发酵。
Stickland反应：某些专性厌氧细菌如梭状芽孢杆菌、生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌在厌氧条件下生长时，以一种氨基酸作为底物进行氧化脱氢（即供氢体），脱下的氢（还原力）以另外一种氨基酸作为氢受体进行还原脱氨，两者偶联进行，实现生物氧化产能的发酵类型称为Stickland反应。
两用代谢途径：凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。
代谢回补顺序：是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的应。
乙醛酸循环：中间代谢物中存在乙醛酸的循环。
固氮酶：是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。
异形胞：某些丝状蓝藻所特有地变态营养细胞,是一种缺乏光合结构、通常比普通营养细胞大地厚壁特化细胞。
类菌体：根瘤菌进入宿主根部皮层细胞后，分化成膨大、形状各异、无繁殖能力，但具有很强固氮活性的细胞。
豆血红蛋白：豆科植物根瘤中发现的血红蛋白样红色蛋白质。
有抗氧化活性，可避免同类细菌中的固氮酶受到抑制，是共生固氮所必需的。
大学课程微生物第五章 微生物的代谢课件
(1) 由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 丙酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发，在
不同微生物中可进入不同的发酵途径，如同型酒精 发酵、同型乳酸发酵、混合酸发酵、2，3-丁二醇 发酵、丁酸型发酵等。
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由丙酮酸出发的6条发酵途径及其相应代谢产物
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酵母菌的乙醇发酵：
C6H12O6
EMP
NAD
ED途径的特点：
– ① 具有一特征性反应——KDPG裂解为丙酮酸和3-磷 酸甘油醛；
– ② 存在一特征性酶——KDPG醛缩酶； – ③ 其终产物2分子丙酮酸的来历不同，其一由KDPG
直接裂解形成，另一则由3-磷酸甘油醛经EMP途径转 化而来； – ④ 产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。
ED途径简图
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ED途径的反应细节 – 6-PG脱水酶: 6-磷
酸葡萄糖酸脱水酶
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ED途径的特点：
关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解 催化的酶：6-磷酸葡萄糖酸脱水酶，KDPG醛缩酶 相关的发酵生产：细菌酒精发酵
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：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。
2ATP
NADH2
2
乙醇脱氢酶
2CH3CH2OH
※该乙醇发酵过程只在pH3.5~4.5以及厌氧的条件下发生
当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发 酵。
原因为：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果 2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；
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TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位
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(二) 递氢与受氢
微生物新陈代谢
生物氢气
某些微生物能够利用光合作用或发酵作用产 生氢气，为氢能源的生产提供了新的途径。
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微生物新陈代谢的类型
01
02
03
有氧呼吸
微生物在有氧环境下，通 过氧化反应将有机物彻底 氧化分解，释放出能量。
无氧呼吸
微生物在无氧环境下，通 过发酵或无氧呼吸将有机 物氧化分解，释放出能量。
光合作用
某些光合细菌和藻类能够 利用光能将二氧化碳和水 转化为有机物，并释放出 氧气。
微生物新陈代谢的过程
的作用下进一步分解，释放大量能量。
无氧呼吸的产物
要点一
总结词
无氧呼吸的产物通常是二氧化碳、乙醇、乳酸等。
要点二
详细描述
在无氧呼吸过程中，有机物被氧化分解成不同的产物，例 如，葡萄糖在乳酸菌的无氧呼吸过程中被分解成乳酸，而 在酵母菌的无氧呼吸过程中则被分解成乙醇和二氧化碳。 这些产物对于微生物本身具有一定的生理意义，例如乳酸 可以降低细胞内的pH值，增强微生物的耐酸性；乙醇和二 氧化碳则可以作为微生物的能量来源和碳源。
无氧呼吸的能量转换
总结词
无氧呼吸的能量转换效率通常较低，但也有例外。
详细描述
无氧呼吸过程中释放的能量并不像有氧呼吸那样完全 、高效地转换为ATP中的化学能。因此，无氧呼吸的 能量转换效率通常较低。然而，有些微生物在无氧呼 吸过程中也能产生大量的能量，例如醋酸细菌的无氧 呼吸过程就可以产生大量的能量，其能量转换效率与 有氧呼吸相差无几。此外，一些微生物在无氧呼吸过 程中可以将部分能量转换为热能，以维持微生物自身 的温度。
发酵的产物
总结词
发酵的产物包括酒精、乳酸、乙酸、丁酸等，这些产物具有广泛的应用价值。
《微生物的新陈代谢》学习心得3篇
《微生物的新陈代谢》学习心得 (2)《微生物的新陈代谢》学习心得 (2)精选3篇（一）学习《微生物的新陈代谢》这门课程，让我对微生物的代谢过程有了更深入的了解。
以下是我学习这门课程的心得体会：首先，在学习过程中，我了解到微生物的新陈代谢主要分为两类，即有氧代谢和厌氧代谢。
有氧代谢是指微生物在氧气存在的条件下进行代谢，通过呼吸作用产生ATP能量；而厌氧代谢则是在缺氧或无氧条件下进行代谢，通过发酵过程产生ATP能量。
这让我意识到，微生物可以适应不同的环境条件来完成代谢过程。
其次，我了解到微生物的新陈代谢过程中，产生的代谢产物有很多种类，包括有机酸、醇类、气体、胞外酶等。
这些代谢产物在工业生产中有很多应用，例如，某些微生物可以产生乳酸，用于乳制品的发酵；某些微生物可以产生丙酮，用于溶剂的生产等。
这表明微生物的新陈代谢对于工业生产有着重要的应用价值。
此外，学习这门课程还让我了解到微生物的代谢过程是受到一系列控制机制的调控的。
例如，微生物的代谢过程会受到转录调控、翻译调控、修饰调控等多个层面的控制。
这让我认识到微生物的代谢过程是一个高度调控的系统，各个环节相互协调，实现代谢的正常进行。
最后，学习这门课程让我意识到微生物的新陈代谢对于环境污染的修复和资源利用具有重要意义。
例如，某些微生物可以通过降解有机物来减少环境中的污染物；某些微生物可以利用废弃物产生有用的化合物。
这让我明白到，通过研究微生物的新陈代谢，可以为环境保护和可持续发展做出贡献。
综上所述，学习《微生物的新陈代谢》这门课程让我对微生物的代谢过程有了深入的了解。
我了解到微生物的新陈代谢可以适应不同的环境条件，产生多种代谢产物，受到多种控制机制的调控，并且对于环境修复和资源利用有着重要作用。
通过学习这门课程，我对微生物的代谢过程的重要性有了更深刻的认识，也增加了我对微生物研究的兴趣。
《微生物的新陈代谢》学习心得 (2)精选3篇（二）学习《微生物的新陈代谢》这门课程，让我对微生物的代谢过程有了更深入的了解，以下是我的学习心得：首先，我了解到微生物是一类非常庞大和多样的生物群体，它们可以在各种不同的环境中生存和繁殖。
微生物的新陈代谢
发酵作用：没有任何外援的最终电子受体的生物 氧化模式，其还原力[H]未经呼吸链传递而直接交 某一内源性中间代谢物接受实现底物水平磷酸化 产能；
呼吸作用：有外援的最终电子受体的生物 氧化模式。分为两类 ➢有氧呼吸——最终电子受体是分子氧O2; ➢无氧呼吸——最终电子受体是O2以外的 无机氧化物，如NO3-、SO42-等。
生物氧化特点： ➢细胞内的酶促反应 ➢氧化反应放能分段进行 ➢放能一部分以化学能形式储存于能量载体中 ➢真核生物氧化在线粒体中进行
➢原核生物在细胞膜上进行
生物氧化
➢生物氧化的形式： ➢生物氧化的功能：
• 加氧
• 产能（ATP）
• 脱氢
• 产还原力[H]
• 失去电子
• 产小分子中间代谢物
➢生物氧化的过程： ➢生物氧化的类型：
催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶
相关的发酵生产：细菌酒精发酵(一类由微好氧菌经 ED途径发酵生产乙醇的方法)
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：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低
4.TCA途径：
即三羧酸循环，指 由丙酮酸经过一系 列循环反应而彻底 氧化、脱羧，形成 CO2、H2O和 NADH2的过程。在 各种好氧微生物中 普遍存在。
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP+2H2O
特点：基本代谢途径，产能效率低，提供多种中间代谢物 作为合成代谢原料，有氧时与TCA环连接，无氧时丙酮 酸及其进一步代谢产物乙醛被还原成各种发酵产物，与 发酵工业有密切关系。
EMP途径意义
➢ 具有EMP途径的微生物 ·多种微生物的代谢途径，产能效率低，生理功 能重要
微生物的新陈代谢(4)
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氢的传递体——NAD+和NADP+
❖ NAD+和NADP+：即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ）和 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（辅酶Ⅱ ），二者是各种不需 氧脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用；它们可 以接受2个[H]而还原为NADH2或NADPH2。
❖ NADH2在细胞内，一是通过呼吸链最终将氢传递给受体， 释放能量合成ATP；另一是作为生物合成还原剂；
ED途径是少数缺乏完整EMP途径的微生物所具有 的一种替代途径。其特点是葡萄糖只经过4步反应 即可快速获得由EMP途径须经10步才能获得的丙 酮酸。
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ED 途 径
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ED途径的总反应
ATP C6H12O6
KDPG
2ATP
ATP
NADH+H+
NADPH+H+
2丙酮酸
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EMP、HMP和ED途径的特点 （葡萄糖降解为丙酮酸）
❖ 1、EMP途径 ❖ 2、HMP途径 ❖ 3、ED途径 ❖ 4、TCA循环
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1.EMP途径或糖酵解途径
❖ 分解葡萄糖最普遍的途径。 ❖ 该途径中葡萄糖转化为1，6-二磷酸果糖后开
始降解，又称为二磷酸己糖途径。
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路障
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TCA循环
EMP 途径
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EMP途径的简图
耗能阶段
第五章 微生物的新陈代谢 （Microbial metabolism ）
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1
❖ 第一节 能量代谢 ❖ 第二节 分解代谢和合成代谢的联系 ❖ 第三节 微生物独特的合成代谢 ❖ 第四节 微生物的代谢调节与发酵生产
北京大学 微生物 第八讲微生物的新陈代谢(二PPT课件
➢三要素的产生
ATP的产生 NADH2或(NADPH2)的产生
▪化能自养菌
▪化能自养菌产NADPH2：是在消耗ATP的情况 下反向电子传递产生
▪光能自养菌
非循环光合磷酸化可产生NADPH2
➢化能自养微生物的能量代谢特点
1.无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系 2.呼吸组分更为多样化。
1. Calvin循环（植物、蓝细菌、化能自养菌） 2. 厌氧乙酰----CoA途径 3. 还原性TCA循环 4. 羟基丙酸途径
1. Calvin循环
羧化反应： 核酮糖-1，5二磷酸+CO2----- 2×3-磷酸甘油酸 还原反应 3-磷酸甘油酸(ATP—NADPH)-----甘油醛-3-磷酸 CO2受体的再生 核酮糖-5-磷酸+ATP -----核酮糖-1，5二磷酸
3. 联合固氮菌 生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行的固氮的微生物
固氮反应的6大要素（p136)
➢ATP ➢还原力氢 ➢固氮酶 ➢还原底物-----N2 ➢镁离子 ➢严格的厌氧反应
➢固氮过程中的电子传递
➢固氮初产物—氨的去路
由α-酮酸经氨基化作用生成氨基酸
➢好氧菌固氮酶避氧害的机制
2. 厌氧乙酰----CoA途径（P131--------图5-13）
总反应 4H2+2CO2------CH3COOH+2H2O
CH3 甲基来源 CO2
COOH 羧基的来源
该反应以H2做电子供体，先分别把2CO2还原成乙酸 的甲基和羧基
3. 还原性TCA循环
丙酮酸 NADH
乙酰辅酶A
各种细胞物质
两者竞争结合转肽酶的活性中心，青霉素的结合 导致单体间不能形成肽桥。因此，合成的肽聚糖的细胞 机械强度降低，细胞容易死亡。
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❖电子传递链的流向有严格的顺序，传递体的成员不能 缺少，顺序也不可颠倒------------有严格的组织顺序和定 位关系
❖根据接受代谢脱下来的氢的初始的受体不同 ▪NADH电子传递链(3个ATP)
NAD+
FMNH2 CoQ
Cyt (Fe2+) O2
NADH2 FMN CoQH2 ▪FADH2电子传递链(2个ATP)
利于ADP和Pi结合 使结合的ADP和Pi 形成ATP 使ATP释放
通过呼吸链有关酶系的作用，将底物分子上质子从膜 的内侧传递到膜的外侧，造成膜内外两侧质子分布的不 均匀，成为合成ATP能量的来源。
通过ATP合成酶 的逆反应消除质子动势，产生ATP
➢能够实现脱氢的物质代谢过程
EMP途径（糖酵解） HMP途径 ED 途径 TCA途径
➢发酵产能的几种方式
❖由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 ❖通过HMP途径的发酵（p116-表5-3） ❖通过ED途径的发酵 （p105） ❖由氨基酸的发酵产能 （p118-图5-17）
➢乙醇发酵
➢乳酸发酵
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二. 细菌的代谢产物
（一）分解代谢产物和细菌的生化反应
➢VP试验 ➢甲基红试验 ➢吲哚试验
阴性
阳性
VP 试 验
大肠杆菌：— 产气杆菌：+
阳性
阴性
甲 基 红 试 验
对照
大肠杆菌：+ 产气杆菌：—
吲 哚 试 阳性 验
大肠杆菌：+ 产气杆菌：—
➢光合磷酸化产能
➢循环光合磷酸化的特点
1.菌绿素有两种状态 2.产能ATP与产还原力分别进行 3.还原力来自于无机氢供体 4.不产氧
1.产生一个ATP 2.在供应条件下，使外源的供氢体逆电子流产还原力氢
❖硝酸盐呼吸（同化性硝酸盐还原作用） （异化性硝酸盐还原作用）
❖硫酸盐呼吸 ❖硫呼吸 ❖铁呼吸 ❖碳酸盐呼吸 ❖延胡索酸呼吸
➢发酵产能
不需要分子态的氧气作为电子受体的氧化作用 1. 产能方式：底物水平的磷酸化 2. 电子受体：底物形成的中间产物又作为受氢体 接受氢形成新产物，不需要氧气参加. 3. 底物去向：底物氧化不彻底，只释放部分能量
可产生NADH或NADPH
进入电子传递链
➢糖类的降解
❖多糖大分子--------单糖，以葡萄糖为主， 微生物降解葡萄糖除为微生物提供生长所需 要的能量外，还为合成代谢提供小分子化合 物C架和还原力NADH2和NADPH2
➢EMP途径
➢HMP途径
➢ED途径
缺乏完整EMP 途径的一种代替 途径，微生物特 有的。
➢能量的利用
❖用于细胞内物质的合成 ❖用于微生物的生命活动，主动运输，鞭毛的运动 ❖生物发光 ❖产生热量
第一节 微生物的能量代谢
细胞内所进行的一切反应统称代谢
合成物质 物质代谢 分解物质
能量代谢 产生能量 消耗能量
➢ATP产生的主要方式
光合磷酸化 ➢氧化磷酸化---------电子传递链 有机物质氧化磷酸化
供氢------递氢--------受氢 （受体不同）
➢底物水平磷酸化
呼吸；厌氧呼吸；发酵
➢NAD电子传递链
Cyt (Fe3+) H2O
延胡索酸 琥珀酸
FADH2 ----------------------------------------------
FAD
➢原核生物电子传递链有以下几个特 点
➢化学渗透假说------氧化磷酸化形成ATP机制
ATP合成酶
基部（线粒体内膜） 头部（伸向膜内）----催化中心 颈部
➢依赖叶绿素的光合作用
➢非循环光合磷酸化
特点： 1. 电子途径属于非循环式的 2. 在有氧的条件下进行 3. 有两个光合系统PsⅠ和 PsⅡ 4. 反应产生能量（PsⅡ)还原力产自（ PsⅠ）和O2 5. 还原力的[H]来自于H2O分子的光解产物H+和电子
➢依赖细菌视紫红质的光合作用
➢光能营养型微生物的光合磷酸化比较
特点：
G 只经过4步 反应，形成 丙酮酸
➢TCA循环途径
➢几种途径的代谢产物
➢根据最终的氢受体不同 厌氧呼吸-----无机氧化物（少数有机氧化物）
❖发酵 （狭义） 某一内源性中间代谢产物
➢无氧呼吸（P112)
定义：指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物。 （少数为有机物）的生物氧化.