微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝第七章微生物的代謝微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝一、概念：代謝(metabolism)是細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱，它主要由分解代謝(catabolism)和合成代謝(anabolism)兩個(gè)過程組成。分解代謝是指細(xì)胞將大分子物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)，并在這個(gè)過程中產(chǎn)生能量。合成代謝是指細(xì)胞利用簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)合成復(fù)雜大分子的過程，在這個(gè)過程中要消耗能量。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝二、分解代謝的三個(gè)階段：第一階段是將蛋白質(zhì)、多糖及脂類等大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解成為氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質(zhì)；第二階段是將第一階段產(chǎn)物進(jìn)一步降解成更為簡(jiǎn)單的乙酰輔酶A、丙酮酸以及能進(jìn)入三羧酸循環(huán)的某些中間產(chǎn)物，在這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生一些ATP、NADH及FADH2；微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝第三階段是通過三羧酸循環(huán)將第二階段產(chǎn)物完全降解生成CO2，并產(chǎn)生ATP、NADH及FADH2。

第二和第三階段產(chǎn)生的ATP、NADH及FADH2通過電子傳遞鏈被氧化，可產(chǎn)生大量的ATP。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝合成代謝所利用的小分子物質(zhì)源于分解代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或環(huán)境。在代謝過程中，微生物通過分解代謝產(chǎn)生化學(xué)能，光合微生物還可將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，這些能量用于合成代謝、微生物的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸，另有部分能量以熱或光的形式釋放到環(huán)境中去。微生物產(chǎn)生和利用能量及其與代謝的關(guān)系圖微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝三、生物氧化:

分解代謝實(shí)際上是物質(zhì)在生物體內(nèi)經(jīng)過一系列連續(xù)的氧化還原反應(yīng)，逐步分解并釋放能量的過程，這個(gè)過程也稱為生物氧化，是一個(gè)產(chǎn)能代謝過程。

四、異養(yǎng)微生物的生物氧化:

根據(jù)氧化還原反應(yīng)中電子受體的不同可分成發(fā)酵和呼吸，而呼吸又分為有氧呼吸和無(wú)氧呼吸兩種方式。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝1.發(fā)酵(fermentation)是指微生物細(xì)胞將有機(jī)物氧化釋放的電子直接交給底物本身未完全氧化的某種中間產(chǎn)物，同時(shí)釋放能量并產(chǎn)生各種不同的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵的種類有很多，可發(fā)酵的底物有糖類、有機(jī)酸、氨基酸等，其中以微生物發(fā)酵葡萄糖最為重要。生物體內(nèi)葡萄糖被降解成丙酮酸的過程稱為糖酵解(glycolysis)，主要分為四種途徑：EMP途徑、HMP途徑、ED途徑、磷酸解酮酶途徑

。ED途徑（2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑）

存在于某些缺乏完整EMP途徑的微生物中的一種替代途徑，為微生物所特有，在革蘭氏陰性菌中分布較廣。葡萄糖只經(jīng)過四步反應(yīng)即可形成丙酮酸。ED途徑可不依賴于EMP與HMP而單獨(dú)存在。ED途徑結(jié)果：一分子葡萄糖經(jīng)ED途徑最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH2、1分NADH。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝丙酮酸代謝的多樣性

在糖酵解過程中生成的丙酮酸可被進(jìn)一步代謝。在無(wú)氧條件下，不同的微生物分解丙酮酸后會(huì)積累不同的代謝產(chǎn)物。乙醇發(fā)酵乳酸發(fā)酵丙酸發(fā)酵丁酸發(fā)酵混合酸發(fā)酵**微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝⑴目前發(fā)現(xiàn)多種微生物可以發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乙醇，能進(jìn)行乙醇發(fā)酵的微生物包括酵母菌、根霉、曲霉和某些細(xì)菌。

不同的細(xì)菌進(jìn)行乙醇發(fā)酵時(shí)，其發(fā)酵途徑也各不相同。如運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌(Zymomonas

mobilis)和厭氧發(fā)酵單胞菌(Zymomonasanaerobia)是利用ED途徑分解葡萄糖為丙酮酸，最后得到乙醇，對(duì)于某些生長(zhǎng)在極端酸性條件下的嚴(yán)格厭氧菌，如胃八疊球菌(arcina

ventriculi)和腸桿菌(Enterobacteriaceae)則是利用EMP途徑進(jìn)行乙醇發(fā)酵。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝根據(jù)在不同條件下代謝產(chǎn)物的不同，可將酵母菌利用葡萄糖進(jìn)行的發(fā)酵分為三種類型：在酵母菌的乙醇發(fā)酵中，酵母菌可將葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為兩分子丙酮酸，然后丙酮酸脫羧生成乙醛，乙醛作為氫受體使NAD+再生，發(fā)酵終產(chǎn)物為乙醇，這種發(fā)酵類型稱為酵母的一型發(fā)酵；微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝當(dāng)存在亞硫酸氫鈉時(shí)，乙醛不能作為NADH的受氫體，迫使磷酸二羥丙酮代替乙醛作為受氫體，生成a-磷酸甘油，再生成甘油，稱為酵母的二型發(fā)酵；在弱堿性(pH7.6)時(shí)，兩個(gè)乙醛分子間會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，分別生成乙醇和乙酸，氫受體則是磷酸二羥丙酮，發(fā)酵終產(chǎn)物為甘油、乙醇和乙酸，稱為酵母的三型發(fā)酵。這種發(fā)酵方式不能產(chǎn)生能量，只能在非生長(zhǎng)的情況下才進(jìn)行。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝⑵乳酸發(fā)酵：許多細(xì)菌能利用葡萄糖產(chǎn)生乳酸，這類細(xì)菌稱為乳酸細(xì)菌。根據(jù)產(chǎn)物的不同，乳酸發(fā)酵有三種類型：同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵和雙歧發(fā)酵。同型乳酸發(fā)酵的過程是：葡萄糖經(jīng)EMP途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下被NADH還原為乳酸。由于終產(chǎn)物主要有乳酸一種，故稱為同型乳酸發(fā)酵。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝在異型乳酸發(fā)酵中，葡萄糖首先經(jīng)PK途徑分解，發(fā)酵終產(chǎn)物除乳酸以外還有一部分乙醇或乙酸。在腸膜明串珠菌(Leuconostoc

mesen-teroides)中，利用HK途徑分解葡萄糖，產(chǎn)生甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛-3-磷酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乳酸，乙酰磷酸經(jīng)兩次還原變?yōu)橐掖迹划?dāng)發(fā)酵戊糖時(shí)，則是利用PK途徑，磷酸解酮糖酶催化木酮糖-5-磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛-3-磷酸。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝雙歧發(fā)酵是兩歧雙歧桿菌(bifidobacterium

bifidum)發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生乳酸的一條途徑。此反應(yīng)中有兩種磷酸酮糖酶參加反應(yīng)，即果糖-6-磷酸磷酸酮糖酶和木酮糖-5-磷酸磷酸酮糖酶分別催化果糖-6-磷酸和木酮糖-5-磷酸裂解產(chǎn)生乙酰磷酸和丁糖-4-磷酸及甘油醛-3-磷酸和乙酰磷酸。⑶丙酸發(fā)酵在無(wú)氧條件下，丙酸細(xì)菌將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酸的過程稱為丙酸發(fā)酵。丙酸發(fā)酵的產(chǎn)物除了丙酸外，還有乙酸。引起丙酸發(fā)酵的丙酸細(xì)菌多見于動(dòng)物腸道及乳制品中，常見的丙酸細(xì)菌有付氏丙酸細(xì)菌、薛氏丙酸細(xì)菌、乳酪丙酸細(xì)菌等。丙酸細(xì)菌除了能利用葡萄糖外，還可利用甘油和乳酸進(jìn)行丙酸發(fā)酵。⑷丁酸發(fā)酵在無(wú)氧條件下，由嚴(yán)格厭氧的梭狀芽孢桿菌屬中的丁酸細(xì)菌所進(jìn)行的一類發(fā)酵，其發(fā)酵特點(diǎn)是產(chǎn)物中都有丁酸。不同丁酸細(xì)菌的最終發(fā)酵產(chǎn)物除了有丁酸外，還可分別產(chǎn)生乙酸、乙醇、丁醇、丙酮、異丙醇等。丁酸細(xì)菌可分為下列幾個(gè)類群：丁酸梭菌群、果膠丁酸梭菌群、纖維丁酸梭菌群等。⑸混合酸及丁二醇發(fā)酵能夠進(jìn)行混合酸發(fā)酵的微生物主要是一些腸道細(xì)菌，例如大腸桿菌、志賀氏菌、產(chǎn)氣桿菌等。它們?cè)跓o(wú)氧條件下可把葡萄糖發(fā)酵為乙酸、乳酸、琥珀酸等多種有機(jī)酸，所以稱為混合酸發(fā)酵。產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗(yàn)、甲基紅試驗(yàn)鑒別腸道細(xì)菌的產(chǎn)酸產(chǎn)氣

甲基紅（M.R）試驗(yàn)產(chǎn)酸產(chǎn)氣試驗(yàn)：

Escherichia與Shigella在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者具有甲酸氫解酶，可在產(chǎn)酸的同時(shí)產(chǎn)氣，后者則因無(wú)此酶，不具有產(chǎn)氣的能力。甲基紅試驗(yàn)：大腸桿菌與產(chǎn)氣氣桿菌在利用葡萄糖進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，前者可產(chǎn)生大量的混合酸，后者則產(chǎn)生大量的中性化合物丁二醇，因此在發(fā)酵液中加入甲基紅試劑時(shí)，前者呈紅色，后者呈黃色。大腸桿菌：產(chǎn)酸較多，使pH﹤4.5產(chǎn)氣桿菌：pH﹥4.5產(chǎn)氣桿菌在無(wú)氧條件下進(jìn)行發(fā)酵葡萄糖時(shí)，除將一部分丙酮酸按混合酸發(fā)酵的類型進(jìn)行外，大部分丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥基丁酮，再還原為2,3-丁二醇。稱為丁二醇發(fā)酵。3-羥基丁酮在堿性條件下易被氧化為二乙酰，可與精氨酸反應(yīng)，形成紅色化合物——V.P.試驗(yàn)。鑒別腸道細(xì)菌的V.P.試驗(yàn)鑒別原理

縮合脫羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇

堿性條件

2,3-丁二醇二乙酰

（與培養(yǎng)基中精氨酸的胍基結(jié)合）紅色化合物-CO2微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝2.呼吸作用：微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD(P)+、FAD或FMN等電子載體，再經(jīng)電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其他還原型產(chǎn)物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別在于：電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產(chǎn)物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。若以分子氧作為最終電子受體的稱為有氧呼吸(aerobicrespiration)。若以氧化型化合物作為最終電子受體的稱為無(wú)氧呼吸(anaerobicrespiration)。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝有氧呼吸過程中，丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle，簡(jiǎn)稱TCA循環(huán))，被徹底氧化生成CO2和水，同時(shí)釋放大量能量。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝某些厭氧和兼性厭氧微生物在無(wú)氧條件下進(jìn)行無(wú)氧呼吸。無(wú)氧呼吸的最終電子受體不是氧，而是像NO3-、NO2-、SO42-、CO2等這類外源受體。無(wú)氧呼吸也需要細(xì)胞色素等電子傳遞體，并在能量分級(jí)釋放過程中伴隨有磷酸化作用，也能產(chǎn)生較多的能量用于生命活動(dòng)。但僅部分能量隨電子轉(zhuǎn)移傳給最終電子受體，所以生成的能量不如有氧呼吸產(chǎn)生的多。五、自養(yǎng)微生物的生物氧化：

一些微生物可以從氧化無(wú)機(jī)物獲得能量，同化合成細(xì)胞物質(zhì)，這類細(xì)菌稱為化能自養(yǎng)微生物。氨的氧化硫的氧化鐵的氧化氫的氧化微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝氨的氧化NH3和NO2-是可以用作能源的最普通的無(wú)機(jī)氮化合物，能被硝化細(xì)菌所氧化。硝化細(xì)菌可分為兩個(gè)亞群：亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝硝化細(xì)菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌，以分子氧為最終電子受體，且大多數(shù)是專性無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型。它們的細(xì)胞都具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，這有利于增加細(xì)胞的代謝能力。硝化細(xì)菌無(wú)芽孢，多數(shù)為二分裂殖，生長(zhǎng)緩慢，平均代時(shí)在10h以上，分布非常廣泛。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝硫的氧化硫桿菌能夠利用一種或多種還原態(tài)或部分還原態(tài)的硫化合物(包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽)作能源。H2S首先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細(xì)胞色素系統(tǒng)氧化成亞硫酸鹽，放出的電子在傳遞過程中可以偶聯(lián)產(chǎn)生四個(gè)ATP。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42-的途徑，由亞硫酸鹽-細(xì)胞色素c還原酶和末端細(xì)胞色素系統(tǒng)催化，產(chǎn)生一個(gè)ATP；二是經(jīng)磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化一分子SO32-產(chǎn)生2.5個(gè)ATP。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝鐵的氧化從亞鐵到高鐵狀態(tài)的鐵的氧化，對(duì)于少數(shù)細(xì)菌來(lái)說(shuō)也是一種產(chǎn)能反應(yīng)。亞鐵的氧化僅在嗜酸性的氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillus

ferrooxidans)中進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。在低pH環(huán)境中這種菌能利用亞鐵氧化時(shí)放出的能量生長(zhǎng)。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝氫的氧化氫細(xì)菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)菌。氫細(xì)菌的細(xì)胞膜上有泛醌、維生素K2及細(xì)胞色素等呼吸鏈組分。在氫細(xì)菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞系統(tǒng)，電子在呼吸鏈傳遞過程中產(chǎn)生ATP。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝在多數(shù)氫細(xì)菌中有兩種與氫的氧化有關(guān)的酶。一種是位于壁膜間隙或結(jié)合在細(xì)胞質(zhì)膜上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應(yīng)：該酶在氧化氫并通過電子傳遞系統(tǒng)傳遞電子的過程中，可驅(qū)動(dòng)質(zhì)子的跨膜運(yùn)輸，形成跨膜質(zhì)子梯度為ATP的合成提供動(dòng)力；另一種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD+還原的反應(yīng)。所生成的NADH主要用于CO2的還原。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝六、能量轉(zhuǎn)換：在產(chǎn)能代謝過程中，微生物通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化將某種物質(zhì)氧化而釋放的能量?jī)?chǔ)存于ATP等高能分子中，對(duì)光合微生物而言，則可通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存于ATP中。

光合作用：光合磷酸化微生物ATP的產(chǎn)生

底物磷酸化

生物氧化

氧化磷酸化

微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝1.底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)物質(zhì)在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產(chǎn)生ATP等高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于發(fā)酵過程中，也存在于呼吸作用過程中。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝例如，在EMP途徑中，1，3-二磷酸甘油酸轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸岬倪^程中都分別偶聯(lián)著一分子ATP的形成；在三羧酸循環(huán)過程中，琥珀酰輔酶A轉(zhuǎn)變?yōu)殓晁釙r(shí)偶聯(lián)著一分子GTP的形成。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝2.氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)物質(zhì)在生物氧化過程中形成的NADH和FADH2可通過位于線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌質(zhì)膜上的電子傳遞系統(tǒng)將電子傳遞給氧或其他氧化型物質(zhì)，在這個(gè)過程中偶聯(lián)著ATP的合成，這種產(chǎn)生ATP的方式稱為氧化磷酸化。一分子NADH和FADH2可分別產(chǎn)生3個(gè)和2個(gè)ATP。3.光合磷酸化光合磷酸化是指光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程。當(dāng)一個(gè)葉綠素分子吸收光量子時(shí)，葉綠素性質(zhì)上即被激活，導(dǎo)致葉綠素(或細(xì)菌葉綠素)釋放一個(gè)電子而被氧化，釋放出的電子在電子傳遞系統(tǒng)中的傳遞過程中逐步釋放能量，這就是光合磷酸化的基本動(dòng)力。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝光合磷酸化(photophosphorylation)光合作用，實(shí)質(zhì)是通過光合磷酸化將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，以用于從CO2合成細(xì)胞物質(zhì)。行光合作用的生物體除了綠色植物外，還包括光合微生物，如藻類、藍(lán)細(xì)菌和光合細(xì)菌(包括紫色細(xì)菌、綠色細(xì)菌、嗜鹽菌等)。它們利用光能維持生命，同時(shí)也為其他生物(如動(dòng)物和異養(yǎng)微生物)提供了賴以生存的有機(jī)物。微生物的營(yíng)養(yǎng)和代謝環(huán)式光合磷酸化

光合細(xì)菌主要通過環(huán)式光合磷酸化作用產(chǎn)生ATP，這類細(xì)菌主要包括紫色硫細(xì)菌、綠色硫細(xì)菌、紫色非硫細(xì)菌和綠色非硫細(xì)菌。環(huán)式光合磷酸化可在厭氧條件下進(jìn)行，產(chǎn)物只有ATP，無(wú)NADP(H)，也不產(chǎn)生分子氧。非環(huán)式光合磷酸化

高等植物和藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行非環(huán)式光合磷酸化。七、微生物對(duì)氧氣需求的類型自然界的微生物對(duì)氧的需求各不相同，這主要由它們的呼吸方式?jīng)Q定的。根據(jù)對(duì)氧氣的需求不同，可把自然界微生物分為五種類型：（1）好氧性微生物它們以有氧呼吸的方式獲得能量。多數(shù)霉菌、放線菌、某些細(xì)菌等。（2）厭氧性微生物