课程名称：微生物学 班级：生物工程1101 (第十四讲) 章节标题：第一节微生物的能量代谢 混合酸发酵及呼吸作用 第二节分解代谢与合成代谢的关系 目的要求：1.了解混合酸发酵和丙附-丁醇发酵的特点 2.了解呼吸作用的特点 3.了解自养微生物产还原力和ATP的特点 4.了解细茵光合色素的分类 教学重点：1.呼吸作用的特点 2.自养微生物产还原力和ATP的特点 教学难点：呼吸作用的特点 教学方法：多媒体讲授及讨论法 内容提要及课时分配： 1.混合酸及丙前丁醇发酵 20分钟 2.呼吸作用的类型及特点 25分钟 3.自养微生物产还原力和ATP的特点 50分钟 4.小结 5分钟 主讲教师：赵萌萌 授课日期：2013年4月11日 兰州交通大学化学与生物工程学院
第一节微生物的能量代谢 (3)混合酸发酵 埃希氏菌属(Fscherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)和志贺氏菌属 (Shigella)等胸细菌中的一些细菌，能利用葡萄糖进行混合酸发酵，通过发酵将 葡萄糖变成琥珀酸，乳酸、甲酸、2和C02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。 混合酸发酵具有重要的实际意义一用于细菌分类鉴定，基于下面两种反应。 ①.P.反应：某些细菌在发酵反应过程中生成的某些物质在培养基中会生 成红色化合物。如：产气肠杆菌在发酵葡萄糖是产生大量3-羟基丁酮，他在碱 性条件下氧化成二乙酰，二乙酰可以与蛋白胨中的精氨酸中的胍基反应，生成红 色化合物，故为V.P.试验阳性：大肠杆菌产生很少或不产3羟基丁酮，故为V.P 试验阴性，即不产生红色化合物。 ②甲基红反应：如果某些细南发酵时产生比较多的酸类物质会使甲基红指示 剂变色。大肠杆菌的发酵产物中有多种有机酸，发酵液PH很低，低于4.5，故 甲基红反应阳性：产气肠杆南菌产酸少，因此，甲基红反应为阴性。 通过以上两个反应，可以很直观的从培养基以及发酵液的外观大致判断细菌 的种类。 (4)丙酮-丁醇发酵：在葡萄糖的发酵产物中，以丙酮、丁醇为主的发酵称 为丙酮-丁醇发酵。有些细菌如丙酎丁醇梭菌能进行这种发酵。丙酮、丁醇是重 要的化工原料和有机溶剂。 (5)氨基酸的发酵产能一Stickland反应 利用氨基酸兼做碳源、氨源和能源。其产能机制是通过部分氨基酸（如丙氨 酸等)的氧化与另一些氨基酸（如甘氨酸等）的还原相偶联的发酵方式，这种以 一种氨基酸作氢供体和以另一种氨基酸作氢受体而产能的独特发酵类型，称为 Stickland反应。他是由1934年一位叫做Stickland的科学家发现的，因此而 命名。产能效率很低，每分子氨基酸产1个ATP。另外一种生物氧化反应叫做呼 吸。它是多数微生物产能的重要方式。 (二)呼吸 我们已经在上面讨论了葡萄糖分子在没有外源电子受体时的代谢过程。在这
个过程中，底物中所具有的能量只有一小部分被释放出来，并合成少量ATP。然 而，如果有氧或其它外源电子受体存在时，底物分子可被完全氧化为C02,且在 此过程中可合成的ATP的量大大多于发酵过程。这一过程就是呼吸过程，它是指 机制在氧化中释放电子，通过电子传递链，交给最终的电子受体氧或其他无机物， 并在此过程中产生ATP的生物化学过程。这是一种高效的产能方式。其中，以分 子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration),以无机物作为 最终电子受体的称为无氧呼吸(anaerobic respiration), 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 1、有氧呼吸 (1)过程：在有氧呼吸中，葡萄糖彻底分解为C02和20，形成大量ATP。该 分解过程分为两个阶段，在第1阶段，葡萄糖分解为2分子丙刷酸，由EMP、HP 和ED途径完成：第2阶段，丙刷酸通过三羧酸循环彻底分解，形成C02和H20,产 生大量ATP。三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)也称柠檬酸循环，是 绝大多数异养微生物在有氧条件下彻底分解丙酮酸等有机底物的重要方式，是微 生物物质代谢的枢纽，它将微生物的分解代谢和合成代谢连为一体。 与发酵相比，有氧呼吸释放出的能量较多，而且是逐步放出的，有利于能量 的充分利用，避免能量放出太快，对机体生长不利。 (2)呼吸链：是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上，有一系列 氧化还原势呈梯度差、呈链状排列的蛋白质酶类。 (3)氧化磷酸化 呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶连并产生ATP的作用。 有氧呼吸产能量多，一分子葡萄糖净产38个ATP。 2、无氧呼吸(anaerobic respiration) 以无机物为最终电子受体的生物氧化过程。进行无氧呼吸的是厌氧菌和兼性 厌氧菌。根据最终电子受体可分为： (l)硝酸盐呼吸(nitrate respiration)又称反硝化作用 (denitrification)
在无氧条件下，某些厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链末端氢受体，把它还 原成亚硝酸、0（一氧化氮）、N20(一氧化二氮)、直至N2的过程，也称硝酸式 盐呼吸。 反硝化作用发生在有硝酸盐的土壤、水体、淤泥和废物处理等厌氧环境中 这种作用对农业是有害的。如果田间土壤板结或积水，反硝化作用强，容易损失 氮素。因此，保持土壤疏松，排除过多的水分，保持土壤良好通气，是防止反硝 化作用的有效措施。但是水生性反硝化细菌对环境保护有重大意义，能除去水中 的硝酸盐或亚硝酸盐以减少水休污染和富营养化，还可用于高浓度硝酸盐废水的 处理。 (2)硫酸盐呼吸(sulfate respiration.)又叫反硫化作用 把经呼吸链传递的氢交给硫酸盐这类末端氢受体的一种厌氧呼吸 硫酸盐还原的最终产物是2S,自然界中的大多数2S是由这一反应产生的 有些硫酸盐还原南如脱硫弧菌，以有机物为氧化基质(2或有机物，大部 分不能利用)使硫酸盐还原成2S。 硫酸盐还原发生在富含硫酸盐的厌氧生境，如土壤、海水、污水、温泉、油 井、硫矿、淤泥中，产物H2S不仅造成水体、大气的污染，还可以引起埋于土壤 或水下金属管道与建筑构件的腐蚀：水田中2S积紫过多会损害植物根系，产生 黑根，使水稻造成烂秧 (3)硫呼吸(sulphur respiration) 一种无氧呼吸类型 其过程为，无机硫作为无氧呼吸链的最终氢受体，结果硫被还原成H2S (4)碳酸盐呼吸(carbonate respiration)以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端 氢受体的无氧呼吸。 一类是产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸。 另一类为产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸。 甲烷细菌能在氢等物质的氧化过程中，把C02还原成甲烷。这种细菌在自然 界中分布很广，沼泽地、河底、湖底、海底的淤泥，还有反刍动物的胃中还有粪 池中都有分布。沼气发酵就是利用产甲烷细菌的作用产生沼气（主要成分为甲 烷)，甲烷的热燃烧值比较高，是解决目前能源不足的切实可行的办法，产沼气
后的粪水、粪渣都是优质的有机肥料。 (⑤)延胡索酸呼吸(fumarate respiration,):呼吸链末端氢受体为延胡索酸的 无氧呼吸。 某些微生物在没有氧、氮或硫等作为呼吸作用的最终电子受体时，还可以以 磷酸盐代替，结果是生成磷化氢(PH3),一种易燃气体。当有机物腐败变质时， 经常会发生这种情况。 那么我们可能听说过鬼火，尤其是在慕地，夜晚的时候会看到这种现象，是 真的有鬼火吗？真的有鬼吗？其实鬼火是有的，不过是鬼发出来的却是人们杜撰 出来的。如果埋葬尸体的坟慕封口不严，有机物发生腐败，就会有磷化氢这种气 体逸出。尤其是农村的目的通常位于山坡上，而且埋葬着大量的尸体。在夜晚， 气体非常容易发生自燃，而且燃烧时会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确 地解释这种现象，所以将它称为“鬼火”。 以上就是异养微生物生物氧化的类型，下面我们来学习另外一类自养微生物 的生物氧化。 二、自养微生物产ATP和还原力 有些微生物利用光或氧化无机物获得能量，以C02或碳酸盐为碳源生长，他 们是一群具有特殊生物合成能力的自养微生物。根据所利用的能源，可以分为光 能自养微生物和化能自养微生物 (一)化能自养微生物 首先我们要知道，这一类微生物还原CO2需要的ATP和还原力[H们通过氧化 无机底物来实现的。而且绝大多数化能自养菌是好氧菌，少数可进行厌氧生活的 化能自养菌，是利用以硝酸盐或碳酸盐代替氧的无氧呼吸。 化能自养细菌的能量代谢主要有三个特点： ①无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，无机底物脱氢或脱电子后，可以 直接进入呼吸链传递，而异氧微生物利用的有机底物要经过多条途径逐级脱氢。 ②呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可从任一组分进入呼吸链。 ③产能效率即P/0比一般要比异养微生物更低。 这一类微生物广泛存在于土壤和水中，对自然界物质转化起着重要作用，主 要有硝化细菌、硫化细菌、氢细菌、铁细菌等
1.硝化细菌：这是我们研究较多的一类细菌。这一类化能自养细菌可以 N3+、亚硝酸(NO2-)等无机氮化物作为能源。亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸 并获得能量。 硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量。 亚硝酸菌NH+1.502- --02-+H20+H+65.1 硝酸菌N02+0.502---N03-+18 上述两类细菌常伴生在一起，统称为硝化细菌。在它们的共同作用下将铵盐 氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积紫所产生的毒害作用。土壤中的有机氮化物一般不 能被植物吸收利用，必须经腐败菌的氨化作用分解成氨才能被植物吸收。氨被硝 化细菌氧化成硝酸也可被植物吸收，但易随水流失。亚硝酸有毒，积崇过多对作 物根系有毒害。因此，尤其是在水田施用铵态氮肥必须深施，防止氨氧化成硝酸， 早地应通气良好，避免亚硝酸积紫产生毒害。 2.硫化细南(sulfur bacteria) 能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、 硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐等)作为能源。 H2S+0.502 s+H20+能量 S+1.502+H0 S042+2r+能量 这种细菌将硫化物或元素硫氧化成硫酸，导致环境中pH值明显下降，有的 可下降到2以下。产生的硫酸可以用于湿法治金，但也可使金属管道（如自来水 管)腐蚀，造成危害。 3.氢细南 氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过对氢的氧化获得 生长所需要的能量。 氢细菌是能以氢为电子供体，以02为电子受体，以C02 为唯一碳源进行生长的细菌。 +0.502--一H20+能量 氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成 代谢所需要的还原力。氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它 们能利用分子氢氧化产生的能量同化C02,也能利用其它有机物生长。 4.铁细菌
这类细菌在将亚铁氧化成高铁的反应中获得能量。 从亚铁到高铁状态的铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从 这种氧化中只有少量的能量可以被利用。氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans)在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OD3,从而 造成严重的环境污染。 (二)光能自养微生物 这一类微生物具有叶绿素、细菌叶绿素、类胡萝卜素和藻胆色素等光合色素 能进行光合作用，以C02作为唯一碳源或主要碳源。他们可见光能转变为化学能 并伴随有ATP的生成。 (1)分类 根据所含色素不同，光能自养微生物可分为： 1、产氧光合细菌 (1)蓝细南 (2)原绿植物纲—原绿蓝细菌属、原绿丝蓝细菌属 2、不产氧光合细菌：紫色细菌、绿色细菌、阳光细菌 (1)绿色细菌：主要存在于沟、塘、湖、硫泉、河等含硫化物的有光的次表 层厌氧区中，代表是绿硫细菌。不能在无光条件下生长。 (2)紫色细菌：常见于湖泊和含硫温泉的有光的次表层厌氧区，代表是红硫 细菌和红螺细菌。他们的细胞中除含有叶绿素以外，并具有红色和黄色的类胡萝 卜素。 (3)蓝细菌：和一般藻类相似。主要生活在淡水表层中，海水表层中也有， 对营养要求不高。 (2)细菌光合色素 光合色素是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共 分三类：叶绿素(chI)或细菌叶绿素(Bchl),类胡萝卜素和藻胆素。 1、叶绿素(chl) 蓝细菌依靠叶绿素进行光合作用，它主要含有叶绿素。它们具有和高等植 物中的叶绿素相类似的化学结构，两者的区别在于侧链基团的不同，以及由此而 导致的光吸收特性的差异。蓝细菌的叶绿素吸收红光和蓝光透射绿光而呈绿色
2.细菌叶绿素 多数光合细菌依靠这种菌绿素进行光合作用。结构与叶绿索a基本相似，旨 在几处稍有差异。 3、辅助色索： 类胡萝卜素：虽然不直接参加光合反应，但它们有捕获光能的作用，能把吸 收的光能高效地传给细菌叶绿素（或叶绿素）。所有光合生物都有类胡萝卜素。 藻胆素：因具有类似胆汁的颜色而得名，其化学结构与叶绿素相似，都含有 四个毗咯环，但藻胆素没有长链植醇基，也没有镁原子，而且四个毗咯环是直链 的。也是将捕获的光能传给叶绿素。 (3)细菌光合作用 1、依靠菌绿素的光合作用 这就是书上讲的循环光合磷酸化(cyclic photophosphorylation): 它是一种存在于厌氧光合细南中的利用日光能产生ATP的碳酸化反应，由于 它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化，故称光合磷酸化 这类细南主要包括紫色硫细菌、绿色硫细菊、紫色非硫细菊和绿色非硫细菌， 循环式光合磷酸化是在厌氧条件下进行，产物只有ATP,无NADP(),也不 产生分子氧。所以它是不产氧的光合作用。只有一个光和系统 特点： (1)光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP:即通过电子的循环 式传递完成产能反应。电子传递开始于菌绿素，最后又返回菌绿素。 (2)不是利用H20,而是利用还原态的2、H2S等作为还原C02的氢供体 进行不产氧的光合作用： (3)菌绿素经日光照射后形成激发态，逐出的电子通过呼吸链传递后重新 被菌绿素接受。电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了 能量： (4)通过电子的逆向传递产生还原力。 进行这种光合作用的微生物大多是水生微生物，广泛分布于深层淡水或海水 中，由于他们可以利用有毒的2S作为还原C02的氢供体，因此可用于污水净化。 2、依靠叶绿素的光合作用：非循环光合磷酸化是各种绿色植物、藻类和
蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应 2NADP++2ADP+2Pi+2H20-2NADPH+2H++2ATP+02 特点： 电子的传递途径属非循环式的 在有氧条件下进行： 有两个光合系统 反应中同时有ATP(产自系统1)还原力和氧气产生 (5)还原力NADPH22中的[H是来自H20分子光解后的H+和e-。 3、依靠菌视紫红质的光合作用 首先了解一下细菌视紫红质(bacteriorhodopsin):极端暗盐古生菌不含菌 绿素或叶绿素，而是依靠其特有的视紫红质进行光合作用。盐生盐杆菌在低氧浓 度下合成称为菌视紫红质的蛋白质，紫色的菌视紫红质散埋于含类胡萝卜素的红 色细胞膜内与膜脂一起形成一块块紫色斑块一紫膜。菌视紫红质占紫膜75%， 是一种蛋白质，它与人眼视网膜上柱状细胞中所含的一种蛋白质一视紫红质 (rhodopsin)十分相似，但因为存在于细菌中，所以叫菌视紫红质 嗜盐菌在无叶绿素和菌绿素参与的条件下吸收光能产生ATP的过程称为紫 膜光合磷酸化。这是目前所知道的最简单的光合磷酸化，与经典由叶绿素、菌绿 素所进行的光合磷酸化不同，是一种新发现的光合类型，仅存在于嗜盐细菌中。 暗盐菌可通过两条途径获取能量，一条是有氧存在下的氧化磷酸化途径，另一条 是有光存在下的这种光合磷酸化途径 细菌视紫红质具有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的+排至细胞 膜外，使紫膜内外形成质子梯度：这种质子动势驱动膜上的ATP合成酶合成ATP 第二节分解代谢和合成代谢的关系 在这一节里，我们要知道在上一节我们学习的生物氧化过程是一种分解代谢 的过程，但是，只要生物体中存在着分解代谢就一定同时存在着合成代谢，他们 是相辅相承，密不可分的，只有这样生物体才能生长繁殖。 然而，在生物体内这两种代谢常常是同时进行的，而且有很多共用的中间产 物，这就导致了在代谢途径地进行过程中两者常常会互相影响、互相制约。例如： 为进行合成代谢，生物体必须从各分解代谢途径中抽取大量的中间代谢产物以满
足其合成细胞基本物质一糖类、氨基酸、嘌呤、嘧啶等的需要，这样一来就造成 了分解代谢不能正常进行。 因此，生物体为了解决这种矛盾在长期的生存进化过程中就形成了同时具有 分解代谢和合成代谢功能的代谢途径，称为两用代谢途径。像EMP、WP、TCA 循环都是属于两用代谢途径，他们可以将分解代谢的产物逆转合成他的起始物， 还可以逆转合成一些分解代谢的中间产物。有了这种两用代谢途径的存在，分解 代谢和合成代谢就可以有条不紊的进行。这是一个解决矛盾的办法。 另外，除了通过两用代谢途径来解决矛盾以外呢，生物体还发展了一套中间 代谢物的回补顺序。它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 物的那些反应。通过这种机制，一旦重要的分解产能途径中某种关键中间代谢物 必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保持能量代谢的正常进行。 关于代谢物的回补顺序在不同的微生物种类中是不一样的，这里我们主要了 解两用代谢途径和中间代谢物的回补顺序的概念