微生物的代谢-第二章微生物的纯培养和显微技术

第五章微生物的代谢微生物产能代谢耗能代谢微生物代谢的调节微生物次级代谢与次级代谢产物代谢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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。分解代谢一般可分为三个阶段：第一阶段：是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质。分解代谢一般可分为三个阶段：第二阶段：是将第一阶段产物进一步降解成更为简单的乙酰辅酶A、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH及FADH2。分解代谢第三阶段：是通过三羧酸循环将第二阶段产物完全降解生成CO2，并产生ATP、NADH及FADH2。第二和第三阶段产生的NADH和FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。分解代谢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。合成代谢（anabolism）代谢在代谢过程中，微生物通过分解作用产生化学能。这些能量用于：合成代谢；微生物的运动和运输；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。第一节微生物产能代谢异养微生物的生物氧化自养微生物的生物氧化能量转换生物氧化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。生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物生物氧化特点•在活体细胞中进行，需酶参加;温和条件;复杂的氧化还原过程；能量逐步释放，以ATP形式储存和转运。一、异养微生物的生物氧化根据氧化还原反应中电子受体的不同可分为发酵和呼吸两种类型。呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸。发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交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代谢产物。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出小部分的能量。发酵糖酵解糖酵解：生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程。主要分为四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnaspathway）是以一分子葡萄糖为底物，约经过10步反应而产生2分子丙酮酸和2分子ATP的过程。在其总反应中，可概括成两个阶段（耗能和产能）、三种产物（2NADH+H+、丙酮酸和ATP）和10个反应步骤。EMP途径活化移位氧化磷酸化己糖异构酶果糖二磷酸醛缩酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油酸激酶甘油酸变位酶烯醇酶丙酮酸激酶磷酸果糖激酶葡萄糖激活的方式葡萄糖6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖ATPADPEE1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟基丙酮1,3-二磷酸甘油酸ATPADPEEENADNADHPiE丙酮酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸ATPADPEEH2OEEATPADPEMP途径HM途径：单磷酸已糖途径这是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢物的代谢途径。中间产物包括：5-磷酸核糖用于核酸及辅酶的合成；4-磷酸赤藓糖用于芳香族AA（苯丙AA、色AA等）的合成。6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖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3-磷酸-甘油醛4-磷酸-赤藓糖6-磷酸-果糖3-磷酸-甘油醛oOHOHCH2OHOHHOoOHCH2OPOHHOCOOHC=OH-C-OHH-C-OHDCH2OPCH2OHoOHOHCH2OPOHHOATPADPNAD(P)+NADH+H+NAD(P)+NADH+H+葡萄糖6-磷酸-葡糖酸6-磷酸-葡萄糖5-磷酸-核酮糖C=OH-C-OHH-C-OHH-C-OPHCH2OHH-C-OHH-C=OH-C-OHH-C-OHCH2OP5-磷酸-核酮糖C=OHO-C-HH-C-OHH-C-OPHCH2OH5-磷酸-木酮糖5-磷酸-核糖HM途径ED途径：ED途径：2-酮-3脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径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，在其他生物中还没有发现。其特点是葡萄糖只经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。一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分子NADH。只有少数细菌利用此途径，且产能较少，效率低。ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸~~激酶（与EMP途径连接）~~氧化酶(与HM途径连接)EMP途径3-磷酸-甘油醛~~脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸丙酮酸~~醛缩酶有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵ED途径葡萄糖三条降解途径在不同微生物中的分布菌名EMP（%）HM（%）ED（%）酿酒酵母8812—产朊假丝酵母66~8119~34—灰色链霉菌973—产黄青霉7723—大肠杆菌7228—铜绿假单胞菌—2971嗜糖假单胞菌——100枯草杆菌7426—氧化葡萄糖杆菌—100—真养产碱菌——100运动发酵单胞菌——100藤黄八叠球菌7030—磷酸解酮酶途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌在进行异型乳酸发酵过程中分解已糖和戊糖的途径。进行磷酸酮解途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸解酮酶途径有两种：磷酸戊糖解酮酶途径（PK）途径磷酸己糖解酮酶途径（HK）途径没有EMP、HMP和ED途径的细菌通过PK、HK途径分解葡萄糖。葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖酸5-P-核酮糖5-P-木酮糖3-P-甘油醛丙酮酸乙酰磷酸乙酰CoA乙醛ATPADPNAD+NADH+H+CO2乳酸乙醇异构化作用NAD+NADH+H+磷酸戊糖解酮酶CoAPi2ADP+Pi2ATP-2H-2H-2HNAD+NADH+H+磷酸戊糖解酮酶途径磷酸己糖解酮酶途径2葡萄糖2葡萄糖-6-磷酸6-磷酸果糖6-磷酸-果糖4-磷酸-赤藓糖乙酰磷酸2木酮糖-5-磷酸2甘油醛-3-磷酸2乙酰磷酸2乳酸2乙酸乙酸磷酸己糖解酮酶磷酸戊糖解酮酶逆HMP途径同EMP乙酸激酶☆发酵类型在上述途径中均有还原型氢供体——NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵及乙酸发酵等。①酵母型酒精发酵②同型乳酸发酵③丙酸发酵④混合酸发酵⑤2,3—丁二醇发酵⑥丁酸发酵丙酮酸的发酵产物C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OH（乙醇）NADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶酵母菌的乙醇发酵：※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：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；2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2酵母菌的甘油发酵：细菌的乙醇发酵葡萄糖2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸3-磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸乙醇乙醛2乙醇2CO22H2H+ATP2ATP菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED细菌的乙醇发酵同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵乳酸发酵乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HM途径）双歧杆菌发酵:（经HK途径—磷酸己糖解酮酶途径）葡萄糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2(1,3-二-磷酸甘油酸）2乳酸2丙酮酸同型乳酸发酵2NAD+2NADH4ATP4ADP2ATP2ADPLactococcuslactis乳酸乳球菌Lactobacillusplantarum胚芽乳杆菌、植物乳杆菌异型乳酸发酵葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛乳酸乙酰磷酸NAD+NADHNAD+NADHATPADP乙醇乙醛乙酰CoA2ADP2ATP-2H-CO2同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较类型途径产物产能/葡萄糖菌种代表同型EMP2乳酸2ATPLactobacillusdebruckii乳杆菌异型HMP(WD)1乳酸1乙醇1CO21ATPLeuconostocmesenteroides肠膜明串珠菌异型HMP(WD)1乳酸1乙酸1CO22ATPLactobacillusbrevis短乳杆菌混合酸发酵概念：埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。发酵途径：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2乙酸丙酮酸甲酸裂解酶乳酸脱氢酶甲酸-氢裂解酶磷酸转乙酰酶乙酸激酶PEP羧化酶乙醛脱氢酶+2HpH﹤6.22,3-丁二醇发酵葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸二乙酰碱性条件3-羟基丁酮2,3-丁二醇CO2H2-乙酰乳酸合成酶-乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶概念：肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。发酵途径：EMP鉴别肠道细菌的V.P.试验——乙酰甲基甲醇试验鉴别原理缩合脱羧2丙酮酸乙酰乳酸乙酰甲基甲醇碱性条件2,3-丁二醇二乙酰（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物-CO2鉴别肠道细菌的产酸产气和甲基红（M.R）试验产酸产气试验：Escherichia（大肠杆菌属）与Shigella（志贺氏菌属）在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。大肠杆菌：产酸较多，使pH﹤4.5产气杆菌：pH﹥4.5吲哚试验有些细菌含有色氨酸酶，能分解蛋白胨中的色氨酸生成吲哚(靛基质)。吲哚本身没有颜色，不能直接看见，但当加入对二甲基氨基苯甲醛试剂时，该试剂与吲哚作用，形成红色的玫瑰吲哚。IMViC试验：=吲哚（I）、甲基红（M）、V.P.试验（Vi）柠檬酸盐利用（C）共四项试验。用以将大肠杆菌与其形状十分相近的肠杆菌属的细菌鉴别开来。吲哚试验甲基红试验V.P.试验柠檬酸盐利用大肠杆菌++--产气杆菌--++呼吸作用生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化反应，最终生成HO2、CO2或其他产物，并且释放出能量的总过程。有氧呼吸无氧呼吸以氧分子作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸。有氧呼吸C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O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发酵面食的制作即利用了微生物的有氧呼吸三羧酸循环丙酮酸乙酰CoA草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸柠檬酸琥珀酰CoA异柠檬酸NAD(P)H+H+CO21GTPFADH2NADH+H+加入2CNADH+H+CO2NADH+H+定义：在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O,并以ATP形式贮备大量能量的代谢系统电子传递链：由烟酰胺脱氢酶类，黄素蛋白类，铁硫蛋白，辅酶