微生物的营养和代谢.ppt

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1、第五章微生物的营养和代谢,重点和难点：微生物营养类型，微生物的产能方式和微生物特有的合成代谢（生物固氮、肽聚糖合成、次生代谢产物）,5.1 微生物的营养物质和营养类型,细胞从外界环境中摄取化学物质，使其在生长过程中获取生命活动所需的能量及其结构物质的生理过程称为营养或营养作用。外界环境中可为细胞提供结构组分、能量、代谢调节物质和良好生理环境的化学物质称为营养物质或养料。5.1.1营养物质及其功能从元素成分看，需要最多的是：C、H、O、N、P、K、Ga、Mg、S、Fe等10种，且C、H、O、N、S、P还是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸的成分。*,凡能共给微生物碳素营养的物质称为碳源。碳素的主要作

2、用是组成菌体细胞物质和供给微生物生长发育所需的能量。碳源分无机（CO2及碳酸盐）和有机碳源（糖类、有机酸类、油脂及烃类）。实验室培养微生物常用的碳源主要有：葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、甘油和一些有机酸等。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,1.碳源：,种类,碳源物质,说明,糖,葡萄糖、果糖、麦芽糖、蔗糖、淀粉、半乳糖、乳糖、甘露糖、纤维二糖、纤维素、半纤维素、甲壳素、木质素等,单糖优于双糖，己糖优于戊糖，淀粉优于纤维素，纯多糖优于杂多糖。,有机酸,糖酸、乳酸、柠檬酸、延胡索酸、低级脂肪酸、高级脂肪酸、氨基酸等,与糖类比较效果较差，有机酸较难进入细胞，进入细胞后会导致pH下降。当环境中缺乏碳源物

3、质时，氨基酸可被微生物作为碳源利用。,乙醇,在低浓度条件下被某些酵母菌和醋酸菌利用。,脂,脂肪、磷脂,主要利用脂肪，在特定条件下将磷脂分解为甘油和脂肪酸而加以利用。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,5.1,微生物的营养物质和营养类型,CO2,CO2,为自养微生物所利用。,碳酸盐,NaHCO3、CaCO3等,为自养微生物所利用。,其他,芳香族化合物、氰化物,利用这些物质的微生物在环境保护方面有重要作用。,利用烃的微生物细胞表面有一种由糖脂组成的特殊吸收系统，可将难溶的烃充分乳化后吸收利用。,天然气、石油、石油馏分、石蜡油等,烃,蛋白质、核酸等,当环境中缺乏碳源物质时，可被微生物作为碳源而降解

4、利用。,2.氮源：,能被微生物利用的含氮物质为氮源。氮素是构成微生物细胞基本物质蛋白质和核酸的主要成分，一般不提供能源（硝化细菌能利用氨作为氮源和能源）。氮源分无机（分子态氮、硝酸盐、铵盐等）和有机（尿素、氨基酸、蛋白质、蛋白胨、肉膏等）两大类。实验室培养微生物常用的氮源主要有：铵盐、硝酸盐、尿素、蛋白胨和牛肉膏等。发酵工业上常以豆饼粉、花生饼粉和玉米浆等作为微生物的氮源。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,原生营养:凡是以葡萄糖或其他有机化合物为唯一碳源和能源,以无机化合物为唯一氮源,能够满足碳、氮营养需要的化能有机营养微生物,统称为原生营养型。如果这种条件不能满足营养需要,则为缺陷营养(

5、营养缺陷型):某些微生物由于合成能力发生障碍,所以在微生物培养时要添加某种或某几种氨基酸或碱基等有机化合物才能生长。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,蛋白质,N2,固氮酶,(N2)固氮微生物,NH4N,3.矿质元素,矿质元素也是微生物生命活动所不可缺少的营养物质，可分为两大类，即大量元素(P、K、Mg、Ca、S、Na等)和微量元素(Fe、B、Cu、Zn、Mo、Co)。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,其主要功能是：,构成微生物细胞的组成成分；,作为酶的组成部分或维持酶的活性；,调节细胞的渗透压、氢离子浓度、Eh等；,作为自养微生物的能源。,4.生长因子,5.1,微生物的营养物质和营养类

6、型,(表),凡能调节微生物代谢活动的微量有机物质称为生长因子。包括维生素、氨基酸、核苷以及未知成分。其作用是用来构成酶的辅基或辅酶(是某些酶活性所必需的成分),各种微生物所需生长因子的种类和数量是不一样的，如自养微生物和一些腐生性细菌、霉菌，能自己合成这类物质，不需外界供给；而有些微生物(根瘤菌、乳酸杆菌等)因缺乏合成这类物质的能力，必须外界供给才能生长。,在实验室通常用作生长因子的物质有：酵母膏、玉米浆、肝浸液、麦芽汁、牛肉膏、米糠等。,11,维生素及其在代谢中的作用,5.1,微生物的营养物质和营养类型,9,泛 酸,微生物对生长素的需要分三类情况:,5.1,微生物的营养物质和营养类型,要供给

7、多种生长因素才能生长(常需要供给植物汁液、动物煮汁才能生长)。,需部分供给或部分供给生长素的前体才能生长;,自养微生物不需外源供应;,5.水,5.1,微生物的营养物质和营养类型,(1)作用：,是细胞的主要组成成分；,直接参加各种代谢反应;,是细胞吸收营养物质和排泄废物的介质；,可调节菌体内的温度(水比热大有利吸热,散热)；,水维持细胞膨压(控制细胞形态)；,可供给菌体营养。,微生物细胞含水约占细胞鲜重的7090，水作用是多方面的。,(2)水活度的表示方法,微生物生长所需的水活度通常在0.630.99之间，细菌水活度较高为0.8，酵母菌次之，耐旱的微生物水活度为0.6，水中溶质越高水活度越低。,

8、微生物可利用的水,用水活度来表示（aw）,aw 是指在相同的温度和压力下，溶液中水的蒸气压和纯水的蒸气压之比，即：,aw=P溶液/P纯水,5.1,微生物的营养物质和营养类型,大家知道把新鲜蔬菜晒干就不容易腐烂。这是因为蔬菜的水分减少了，引起蔬菜腐烂的微生物就不容易生长。微生物的生长必需水，但结合在分子内的水不能被微生物利用，只有游离的水才能被利用。采用“水活度”（aw）值这一概念来表示能被微生物利用的实际含水量。微生物所需要的水活度越高，在干燥的环境下就越不容易生长。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,一些微生物生长所需的最低aw值,革兰氏阴性杆菌 假单胞菌属（Pseudomonas）不动杆

9、菌属（Acinetoacter）大肠埃希氏菌（E.coli）0.97,革兰氏阴性球菌 微球菌属（Micrococcus）0.90 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）0.86酵母菌产朊假丝酵母（Candida utilis）酿酒酵母（Candida utilis）0.94 德巴利酵母属（Debaryomyces）0.94,0.93-0.80霉菌 黑根霉（Rhizopus nigricans）0.93 扩展青霉（Penicillium expansum）0.77 展青霉（Penicillium patullum）0.80 黄曲霉（Aspergillus flavus）0.

10、90 黑曲霉（Aspergillus niger）0.84,大多数细菌 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）梭菌属（Clostridium）微细菌属（Microbacterium）0.95 乳杆菌属（Lactobacillus）链球菌属（Streptococcus）0.94,5.1,微生物的营养物质和营养类型,5.1.2微生物的营养类型,根据微生物所需要的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为四大类：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,1.光能无机营养型(或称光能自养型),这类微生物是利用光作为生活所需要的能源，以CO2作为唯一或主要碳源，以无机物作为供氢体来还原CO2合成

11、细胞 的有机物质。如藻类和少数细菌(红硫细菌、绿硫细菌)，它们都含光和色素(叶绿素或细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素)，可以在完全无机的环境中生长，所以称光能无机营养型。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,但应注意，三大色素中，叶绿素或细菌叶绿素是主要的光合色素，而类胡萝卜素和藻胆素因不能单独进行光合作用而称为辅助色素，其主要功能是捕获光能转移到光反应中心，并保护膜系统免遭光氧化的破坏。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,CO2+H2O,CH2O+O2,光 能,叶绿素,CO2+2H2S,CH2O+2S+H2O,光能,细胞叶绿素,CO2+2H2A,CH2O+H2O+2A,光能,光合色素,光能自

12、养型念珠蓝细菌,5.1,微生物的营养物质和营养类型,2.光能有机营养型(光能异养型),5.1,微生物的营养物质和营养类型,这类微生物利用光作为能源，利用简单有机物作为供氢体以还原CO2合成细胞有机物质。如红螺细菌：,CH3CH3,CHOH+CO2,2CH3COCH3+CH2O+H2O,光 能,光合色素,(异丙醇),(丙酮),3.化能无机营养型(化能自养型),5.1,微生物的营养物质和营养类型,能从无机物氧化过程中获得能量，并以CO2作为唯一或主要碳源进行生长的微生物。如铁细菌、亚消化细菌、消化细菌、硫细菌和H细菌。,Fe+2 Fe+3+e+Q,2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+Q,2HN

13、O2+O2 2HNO3+Q,2S+3O2+H2O 2H2SO4+Q,CO2+4H CH2O+H2O,能量,4.化能有机营养型(化能异养型),5.1,微生物的营养物质和营养类型,这类微生物以有机化合物为碳源，利用有机化合物氧化过程中产生的能量为能源，以有机或无机含氮化合物为氮源，合成细胞物质。这类微生物称为化能异养微生物。其包含的种类最多。就已知的微生物中绝大多数细菌、全部真菌、原生动物及病毒都属于这一营养类型。,由于栖息场所和摄取养料不同，可将异养微生物分为腐生型和寄生型两大类：,腐生型：利用无生命的有机物获得营养物质。,寄生型：从活的寄生体内获取营养物质，如d病毒衣原体、立克次氏体等。,中间

14、类型（兼性腐生或兼性寄生）如结核杆菌、痢疾杆菌就是兼性寄生菌。,苏云金芽孢杆菌,5.1,微生物的营养物质和营养类型,5.1.3 培养基,培养基：按照微生物生长繁殖所需要的各种营养物质，用人工方法配制而成的营养基质。它是进行微生物学研究、生产微生物制品等的基础。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,1.培养基的配制原则,5.1,微生物的营养物质和营养类型,10-3-10-4 mol/L,10-6-10-8 mol/L,C/N=6:1,培养基一般包括碳源、氮源、无机盐和生长因子。(营养成分及其配比要恰当),培养基的浓度要恰当。,控制适当pH。,pH=4.5-6,pH=7-7.5,2.培养基的类型及

15、其应用,5.1,微生物的营养物质和营养类型,根据微生物的种类,按培养基的成分,按培养的用途,按培养基的物理状态,39,根据微生物的种类,细菌培养基,放线菌培养基,霉菌培养基,酵母培养基,5.1,微生物的营养物质和营养类型,26,按培养基的成分,根据培养基组成物质的化学成分是否完全了解，可将培养基分为：,合成培养基：用化学成分已知的营养物质配制而成的培养基。,天然培养基：用化学成分未知或不完全知道其化学成分的有机物质配制而成的培养基。,半合成培养基：在天然培养基中加入部分化学成分已知的营养物质或在合成培养基中加入部分化学成分未知或不完全知道其化学成分的有机物质配制而成的培养基。,5.1,微生物的

16、营养物质和营养类型,26,按培养基的物理状态,根据培养基制成后的物理状态的不同，可分为：,固体培养基,半固体培养基,液体培养基,5.1,微生物的营养物质和营养类型,琼脂固体培养基,明胶培养基,硅胶固体培养基,天然固体基质,固体培养基是：在液体培养基中加入凝固剂(1.5%-2.0%的琼脂)而制成的培养基。,半固体培养基：是在液体培养基中加入0.2%-0.7%的琼脂配制而成。,液体培养基：不加任何凝固剂而按比例配制成的营养液。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,琼脂是由红藻门石花菜江蓠等藻类中提取的胶体多糖。琼脂的化学成分为多聚半乳糖硫酸上下酯，熔点96，凝固点是4050。琼脂培养基可反复溶化凝

17、固而不改一落 变性质。绝大多数微生物不水解琼脂。,琼脂固体培养基：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,26,按培养的用途,加富培养基,选择培养基,鉴别不同微生物的培养基,保藏菌种培养基,基本培养基,5.1,微生物的营养物质和营养类型,5.1,微生物的营养物质和营养类型,按大多数微生物的营养需要配制一种培养基，称为基本培养基。再根据各种微生物的不同需要加入一、二种应用较广。如培养某种营养缺陷型菌株，先配制基本培养基，之后再加入缺陷型菌珠，需要的那种营养成分即可。,基本培养基：,32,是在培养基中加入血、血清、动植物组织提取物。用来培养要求较苛刻的某些异养微生物。,加富培养基：,5.1,微生物的

18、营养物质和营养类型,32,纤维分解菌 含石蜡的培养基 用蛋白质做唯一的氮源的培养基 缺氮培养基可分离到固氮微生物,选择培养基：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,32,如大肠杆菌，接种到葡萄糖肉汤、麦芽糖肉汤和乳糖肉汤中，它们可以分解这几种糖，并产酸产气。如在这三种培养基中接种伤寒杆菌。伤寒杆菌只能发酵葡萄糖和麦芽糖，不发酵乳糖，只产酸不产气。这样就把大肠杆菌和伤寒杆菌区别开，产气由产生的气泡观察到，产酸可由指示剂的颜色变化观察到。,鉴别不同微生物的培养基：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,检查乳品和饮用水中是否含有肠道致病菌，所用的伊红美兰培养基，是一种鉴别培养基。将大肠杆菌接种在伊红

19、美兰培养基上，当大肠杆菌发酵乳糖时，能使伊红美兰结合成黑色化合物，所以在这种培养基上长出来的大肠杆菌，呈紫黑色并带有金属光泽的小菌落，而产气杆菌在这种培养基上长出的是较大的棕色菌落。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,32,对于生产中使用的菌种保藏培养基，要求比较丰富的氮源，以防止菌种退化变质。,保藏菌种培养基：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,26,营养物质进入细胞的方式,5.1,微生物的营养物质和营养类型,单纯扩散（simple diffusion）,促进扩散（facilitated diffusion）,主动运输(active transport),基团移位(group trans

20、location),自由扩散,5.1,微生物的营养物质和营养类型,1.单纯扩散,单纯扩散(simple diffusion)特点：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,物质进入细胞的动力是细胞内外的浓度差。,这种运输方式不消耗能量,没有特异性，被运输物质不与膜上物质 发生任何反应，物质不发生化学变化。,2.促进扩散(facilitated diffusion),膜载体（载体蛋白）特点 有很强的特异性在运输过程中，本身不发生变化。能加快物质运输的速度。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内

21、卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,促进扩散过程：,有膜载体参加，膜载体（渗透酶）有特异性。运输葡萄糖的载体只运输葡萄糖。这种运输方式多发生在真核微生物，原核生物少见。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,促进扩散特点：,物质运输动力是细胞外的浓度差。,运输过程不消耗能量。,ATP,ADP+Pi,恢复原构像,再循环,耗能构像 改变,膜上,膜外,膜内,移位,结合,3.主动运输(active transport),5.1,微生物的营养物质和营养类型,主动运输特点：,5.1,微生物的营养物质和营养类型,被运送的物质可逆浓

22、度梯度进入细胞内。,要消耗能量，必需有能量参加。,有膜载体参加，膜载体发生构型变化,被运送物质不发生任何变化。,4.基团移位(group translocation),基团转位：是在研究糖的运输时发现的一 种主动运输方式。运输过程中需要能量，被运输的物质发生 化学变化的运输叫基团移位。许多糖就是靠基团移位进行运输的。这种运输方式是微生物通过磷酸转移酶系 统来运输营养物质的。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,5.1,微生物的营养物质和营养类型,基团移位,磷酸转移E系统（PTS）酶（非特异性）酶:酶c,酶a,酶b热稳定蛋白HPr（特异性）,5.1,微生物的营养物质和营养类型,PEPHPrMg+

23、2,酶磷酸HPr+丙酮酸,(在细胞质中进行),磷酸HPr糖 Mg+2,酶糖磷酸脂HPr,（在细胞膜上进行）,F3磷酸HPrF3磷酸3 HPr,F3磷酸3乳糖 Mg+酶 3乳糖3磷酸F,5.1,微生物的营养物质和营养类型,被运输的物质发生化学变化，被磷酸化需要能量。,5.1,微生物的营养物质和营养类型,基团转移运输特点：,需要磷酸酶系统进行催化,5.2 微生物的代谢,内容提要,代谢概论,微生物产能代谢,耗能代谢,微生物的代谢调节与发酵生产,5.2,微生物的代谢,5.2.1 代谢概论,代谢(metabolism)是细胞内发生的各种化学反应的总称。,分解代谢(catabolism),合成代谢(ana

24、bolism),5.2,微生物的代谢,分解代谢（catabolism）,分解代谢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。,蛋白质 多糖 脂类氨基酸 单糖 甘油，脂肪酸 丙酮酸/乙酰辅酶A CO2，H20，能量（三羧酸循环）,一般可将分解代谢分为三个阶段：,5.2,微生物的代谢,合成代谢（anabolism）,合成代谢指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。,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。,5.2,微生物的代谢,在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。,这些能量用于：1合成代谢

25、2微生物的运动和运输 3热和光,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。,5.2,微生物的代谢,5.2.2 微生物产能代谢生物氧化,1.异养微生物的生物氧化,2.自养微生物的生物氧化,3.生物氧化过程中的能量转化,5.2,微生物的代谢,1.异养微生物的生物氧化,(1)发酵,(2)呼吸作用,什么是发酵,发酵过程中底物脱氢的途径,发酵与人类生产生活,发酵是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交

26、给底物本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。,发酵（fermentation）,底物脱氢的四种途径,EMP途径,HMP途径,ED途径,PK途径,i.EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）(糖酵解途径),葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6-二磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP和 NADH,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,5-磷酸-木酮糖,6-磷酸-景天庚酮糖,6-磷酸-果糖,6-磷酸-葡萄糖,5-磷酸-核糖,3-磷酸-甘油醛,4-磷酸-

27、赤藓糖,6-磷酸-果糖,6-磷酸-葡萄糖,5-磷酸-木酮糖,3-磷酸-甘油醛,2i.HMP途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径）,从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。,HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径，磷酸戊糖支路。,HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。,3i.ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸裂解途径）,ED途径是在研究嗜糖假单

28、孢菌时发现的。,ED途径在革兰氏阴性菌中分布较广ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在ED途径不如EMP途径经济。,C6H12O6+ADP+Pi+NADP+NAD+,2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+,ED途径总反应式：,途径-磷酸解酮酶途径,PK,4i.,HK,磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为PK途径，把具有磷酸己糖解酮酶的叫HK途径。,5i.丙酮酸代谢的多样性,发酵与人类生产生活,工业概念在工业生产中常把好氧或兼性厌 氧微生物在通气或厌气的条件下的产

29、品生 产过程统称为发酵。,微生物能以好多种有机物作为发酵基质，但它以大都能转化成葡萄糖或葡萄糖的中间代谢产物而被微生物利用。,根据代谢产物和代谢途径不同，有各种不同的发酵类型，以下几种发酵是最重要且研究得最清楚的发酵类型：,i.乙醇发酵,2i.乳酸发酵,3i.混合酸发酵,4i.丙酮丁醇发酵,参与微生物：酵母菌,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,（酵母菌乙醇发酵）,丙酮酸脱羧酶,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,EMP,G,i.乙醇发酵,酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式,2NAD,2NADH2,乙醇,乙醛(受氢体),发酵基质氧化不彻底，发酵结果仍结果有机物 酶体系不完全，只有脱氢E，没有氧化酶。产

30、生能量少，酵母乙醇发酵净产2ATP，细菌1ATP。也就是丙酮酸直接接受糖酵解过程中脱下H使之还原成乙醇的过程。,乙醇发酵特点：,酵母菌乙醇发酵应严格控制三个条件：,厌氧,不含NaHSO3,PH小于7.6,通过ED途径进行的乙醇发酵,参与微生物：运动发酵单孢菌,发酵途径：ED途径,反应式：,2C2H5OH+2CO2+ATP,C6H12O6,（细菌的乙醇发酵）,2i.乳酸发酵：,两种类型：同型乳酸发酵 异型乳酸发酵,指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳 酸的过程。,细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我 们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵,进行乳酸发酵的都是细菌：

31、如短乳杆菌，乳链 球菌等,同型乳酸发酵：,在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵，青贮饲料中的乳链球菌发酵即为此类型。,过 程：,PEP,C3H6O3,G,关键酶：乳酸脱氢酶,乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式,异型乳酸发酵（通过HMP途径）,乳酸发酵细菌不破坏植物细胞，只利用植物分泌物生长繁殖。,发酵产物除乳酸外还有乙醇与CO2。,青贮饲料中短乳杆菌发酵即为异型乳酸发酵。,异型乳酸发酵结果：1分子G生成乳酸，乙醇，CO2各1分子。,北方渍酸菜，南方泡菜是常见的乳酸发酵。,渍酸菜应做好以下几点 必须控制不被杂菌感染 要创造适合乳酸发酸的厌氧环境条件 要加些盐，35%NaCl浓度为好

32、缸要刷净，并不要带进油污 PH值34为宜,3i.混合酸发酵,某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸甲酸、H2和CO2等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。,V.P反应：反应过程中产生红色化合物,甲基红反应：产酸使指示剂变色,混合酸发酵 用于细菌分类鉴定,E.aerogenes,E.coli,V.P反应,甲基红反应,+,+,-,-,3-羟基丁酮,二乙酰,红色化合物,G,4i.丙酮丁醇发酵,丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)在EMP途径的基础上进行丙酮-丁醇发酵,发酵小结：,c.基质是被

33、氧化的基质，同时又是电子受体。,a.糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展,b.发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化过程不彻底,(2)呼吸作用,根据反应中氢受体不同分为两种类型：,微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD(P)+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。,有氧呼吸,无氧呼吸,呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体。,能通过呼吸作用分解的有机物包括某些碳氢化合物、脂肪酸和

34、许多醇类。,在呼吸作用中，以分子氧为最终受体的生物氧化称为有氧呼吸(aerobic respiration)。,C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O,有氧呼吸（aerobic respiration）,发酵面食的制作就是利用了微生物的有氧呼吸,除糖酵解过程外，还包括三羧循还和电子传递链两部分反应,电子传递,基质-H2,基质,脱氢酶,递氢体,递氢体-H2,还原态细胞色素-H2,细胞色素bca1a3,氧化态细胞色素,1/2O2,H2O,2H+,氧化酶,NAD FAD Q,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,化学渗透学说（1961，P.Mitchell）,1978Nobel 奖,ADP+Pi

35、,膜内,膜,膜外,2H+,F0,F1ATP,ATP+H2O,c,a,H+,H+,H2O,膜外,膜内,b,H+,H+,ADP+Pi,ATP,ATP,氧 化磷酸化,1997Nobel 奖,构象变化偶联假说（1997，P.Boyer）,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,基质氧化彻底生成CO2和H2O，（少数氧化不彻底，生成小分子量的有机物，如 醋酸发酵）。E系完全，分脱氢E和氧化E两种E系。产能量多，一分子G净产38个ATP,有氧呼吸特点：,无氧呼吸（anaerobic respiration）,在呼吸作用中，以氧化型化合物作为最终电子受体的生物氧化过程称为无氧呼吸(anaerobic resp

36、iration)。,硝酸盐呼吸,碳酸盐呼吸,硫酸盐呼吸,一系列酶,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,有些硫酸盐还原菌如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质（H2或有机物，大部分不能利用G)使硫酸盐还原成H2S。乳酸常被脱硫弧菌氧化成乙酸，并脱下8个H，使硫酸盐还原为H2S。,硫酸盐呼吸（反硫化作用）,SO428H 4H2OS2,甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把CO2还原成甲烷，这就是碳酸盐呼吸又称甲烷生成作用。,碳酸盐呼吸（甲烷生成作用）,2.自养微生物的生物氧化,氨的氧化,硫的氧化,氢的氧化,铁的氧化,5.2 微生物的能量代谢,5.2.1细胞中的氧化还原反应与能量产生,AH2 2H+2e+A(氧化),B

37、+2H+2e BH2(还原),AH2+B A+BH2(氧化还原),2H+2e-H2,E0/=-421mV,1/2O2+2H+2e-H2O,E0/=+816mV,5.2,微生物的能量代谢,5.2.2 高能化合物和ATP的合成,1.细胞中的高能化合物,2.细胞合成ATP的途径,底物水平磷酸化,这种磷酸化的特点即在底物氧化过程中生成含高能磷酸键的化合物，通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。X P+ADP X+ATP,氧化磷酸化,通过呼吸链产生ATP的过程称为电子传递水平磷酸化或氧化磷酸化。这种磷酸化的 特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列的氢和电子传递

38、体，每个 传递体都是一个氧化还原系统。这一系列的氢和电子传递体在不同生物中大同小异，构成一条链，称其为呼吸链。流动的电子通过呼吸链时逐步释放出能量，该能量可使ADP生成ATP。,光合磷酸化,光合磷酸化是将光能转变为化学能的过程。在这种转化过程中光合色素起着重要作用。微生物中蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有所不同。,5.2.3 微生物细胞中能量的释放和利用,1.发酵作用 2.有氧呼吸 3.无氧呼吸 4.ATP的作用,5.3 微生物的分解代谢,复杂有机物质，通过一系列分解代谢酶系的催化，产生能量(ATP)和小分子物质的过程称为分解代谢。,5.3.1 己糖的分解,糖酵解途径

39、和三羧酸循环 葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过4个阶段：糖酵解 生成乙酰辅酶A 三羧酸循环 进入呼吸链产能。,1.糖酵解的EM途径,是指在不需要氧的条件下一分子葡萄糖经转化成1，6-二磷酸果糖后，在醛缩酶催化下，裂解并由此生成2分子丙酮酸的过程。(见图),2.乙酰辅酶A的生成,丙酮酸脱氢酶系CH3COCOOH+CoASH+NAD+(丙酮酸)(辅酶A)CH3COScoA+H+CO2(乙酰辅酶A)(丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转乙酰基酶、二氢硫辛酸脱氢酶),3.三羧酸循环(TCA循环),此循环是从乙酰辅酶A与草酰乙酸综合形成柠檬酸开始的，它是葡萄糖降解成丙酮酸后进一步彻底氧化的过程。(见图),4.

40、进入呼吸链产能,在此步骤中，三羧酸循环中生成的NADH和FADH2进入呼吸链，将H+和电子交给O2生成水并生成能量。经过以上四个阶段后，在理想条件下，1分子葡萄糖被彻底氧化为H2O和CO2，可共计产生38个ATP。(EM途径产生8个、生成乙酰辅酶A时产生6个、TCA循环共产生24个ATP)。,5.3.2 丙酮酸代谢的多样性,5.4 微生物的合成代谢,微生物的合成代谢(也称同化作用)是指从简单的小分子物质合成复杂的大分子物质(如蛋白质、核酸、多糖和脂类等化合物)的过程。合成作用必需具备三要素：小分子前体物质、能量和还原力。而这三要素主要从分解代谢(异化作用)中获得。,5.4.1 无机养料的同化,

41、1.二氧化碳的同化 CO2是自养微生物的唯一碳源。异养微生物也能利用CO2作为补尝的碳源。将空气中的CO2同化成为细胞有机物的过程称为CO2的同化。(CO2的固定)自养微生物对CO2的固定：总反应如下 ATP6CO2+12NADPH C6H12O6+12NADP+酶,异养微生物对CO2的固定,2.硝酸盐的同化还原,NO3-+NADPH+H+NO2-+H2O+NADP+NO2-NH2OH NH3 NADPH+H+NADP+NADPH+H+NADP+,3.分子态氮的同化,生物固氮：微生物将分子态氮(N2)还原为氨(NH3)的过程。N2+8e+8H+nATP NH3+H2+Nadp+nPi 固氮酶：

42、是氮气还原的生物催化剂。其分子量很大，一般都含有2种蛋白组分：钼铁蛋白和铁蛋白。前者由4个亚单位组成，分子量200-240KDa，含2个Mo原子，302Fe原子，还含有大致相等的不稳定的S原子；后者由2 个亚单位组成，分子量57-72KDa,4个Fe原子和4个不稳定的S原子。作用的条件：两组分结合后才起固氮作用；能量问题以及电子供体和载体；氧的影响；氨的阻抑效应问题。,氮分子的还原过程,氮分子的还原需要氢和电子，其来源因不同固氮微生物而异。如厌氧的巴氏梭菌靠丙酮酸裂解；光合细菌通过光合磷酸化获得电子；好氧的固氮菌则是通过TCA循环等来获得；在共生的根瘤类菌体中，有大量贮藏物质-聚-羟基丁酸，它

43、能为固氮作用提供电子。(图),4.硫酸盐的同化还原,ATP+SO4 腺苷磷酸硫酸酐+PPi ATP+腺苷磷酸硫酸酐 磷酸腺苷磷酸硫酸+ADP NADPH+H+NADP+磷酸腺苷磷酸硫酸 磷酸腺苷磷酸+SO3-NADH+H+NAD+H2S+H2O,5.4.2大分子前体物质的合成,1.碳水化合物的合成 自养微生物所需的碳水化合物是CO2经卡尔文氏循环而合成；大多数化能异养微生物利用葡萄糖等碳水化合物作为能源和形成氨基酸等简单化合物的骨架。作为前体分子，细胞中最重要的是六碳糖(葡萄糖)和五碳糖(核糖和脱氧核糖)。,2.氨基酸的合成,途径二：由GS(谷氨酰胺合成酶)和GOGAT(谷氨酸合成酶)共同催化

44、，铵离子连接到L-谷氨酸上形成谷氨酰胺，再在GOGAT进行转氨作用，将谷氨酰胺的一个氨基转移给-酮戊二酸而形成2分子谷氨酸。,3.核苷酸的生物合成 核苷酸是核酸(DNA和RNA)的建筑块，也是一些辅酶的组分，如NAD、FAD和辅酶A，还是糖原等大分子生物合成中活化的中间物。核苷酸的结构在前已作介绍，其合成很复杂，在此不作阐述。,5.4.3 细胞结构成分大分子物质的合成,1.多糖的生物合成 UDP葡糖焦磷酸化酶 UTP+G-1-P UDPG+PPi(尿苷-3-磷酸)(葡萄糖-1-磷酸)(尿苷二磷酸葡萄糖)转葡糖基酶 UDPG+(葡萄糖)n(葡萄糖)n+1+UDP,2.肽聚糖的合成和细胞壁的增长,

45、5.4.4微生物合成的次生代谢产物,根据次生代谢产物作用不同,主要可以分为：1.毒素 微生物在代谢过程中可产生一 些对动植物细胞有毒杀作用的物质称为毒素。毒素大多是蛋白质物质，如肉毒梭菌产生的肉毒素、破伤风梭菌产生的破伤风毒素、痢疾杆菌产生的各种内外毒素等。还有一些微生物杀虫剂，就是利用微生物的繁殖和毒素的存在而使害虫致死。,2.抗生素 能抑制他种微生物生长及活动,大多数放线菌以及某些真菌、细菌都能产生抗生素，如点青霉和灰黄青霉产生的青霉素，是二十世纪三十年代发现的第一种抗生素。迄今报道的抗生素已有2500-3000种，但由于对动物的毒性或副作用等原因，目前真正具有实用价值的却只有青霉素、链霉

46、素、四环素类、红霉素、新生霉素、利福平、放线菌素等60多种。但近年来，农用抗生素如井岗霉素、春日霉素、庆丰霉素、灭瘟素等已在植物病害防治、森林保护等方面发挥了一定的作用。,3.生长刺激素 是一种高度生理活性 物质，是微生物产生的可以刺激动植物生长或性器官发育的一类物质。如赤霉菌产生的赤霉素。4.色素 许多微生物能产生各种有色物质。如黏质赛氏杆菌产生的灵菌红素。,谢谢各位,思考题：5-1 微生物的营养物质主要包括哪些？各有何功能？5-2 根据微生物所需的能源和碳源的不同，可将微生物的营养类型分为几种？各有何特点？5-3 什么是培养基？其配制原则是什么？根据营养物质的不同来源可将培养基分为几种？根据培养基制成后的物理状态的不同又可将培养基分为几种？5-4 细胞中的高能化合物主要是什么？5-5 细胞合成ATP的途径有哪些？5-6 ATP有何作用？5-7 葡萄糖在有氧条件下的分解过程主要经过哪四个阶段？5-8 次生代谢产物是如何合成的？主要包括哪些？各有何作用？,