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2017/12/281环境微生物学第4章微生物的生理本章就微生物的酶、营养以及微生物的代谢作了论述。酶是生物催化剂，微生物的一切生命活动都离不开酶。营养物质的吸收、分解和合成等一系列过程都是在酶的作用下进行的。新陈代谢(metabolism）是微生物进行分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。因为一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢就成了新陈代谢的核心问题。微生物的能量代谢是通过三种主要途径来实现的：发酵、好氧呼吸和无氧呼吸。内容提示第一节微生物的酶第二节微生物的营养第三节微生物的能量代谢第四节微生物的合成代谢第三节微生物的能量代谢（一）生物氧化的概念微生物的生物氧化（biologicaloxidation）本质是氧化与还原的统一过程，是指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。这过程中有能量的产生和转移。微生物的生物氧化有三类：①发酵;②好氧呼吸;③无氧呼吸。一、微生物的生物氧化和产能（一）生物氧化的概念无论是哪一种类型，其本质都是氧化还原反应，即在化学反应中一种物质失去电子而被氧化，另一种物质得到电子而被还原，微生物从中获得生命活动需要的能量。生物氧化还原过程不同于一般的化学氧化还原过程，有以下几个差别：在酶的作用下，常温常压的温和条件；复杂有机物被氧化成二氧化碳、水和其他简单的物质；产生能量供给生物（合成、生命活动、热能）；多步反应，产生许多中间产物；同时吸收和同化各种营养物质。（二）生物能量的转移中心—ATP在微生物的生物氧化过程中，底物的氧化分解产生能量；同时，微生物将能量用于细胞组分的合成。在这两者之间存在能量转移的中心，即ATP。ATP是在发酵、好氧呼吸及无氧呼吸中生成的。微生物（包括各种生物）的能量的产生和转移大多数是通过ATP进行的。2017/12/282细胞的能量循环ATP(腺苷三磷酸)的分子结构式1.ATP的化学组成、功能2.生成ATP的方式（1）基质(底物)水平磷酸化：微生物在基质氧化过程中，产生一种含高自由能的中间体，如常1，3-二磷酸甘油酸。这一中间体将能量→ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。此过程中底物的氧化与磷酸化反应相偶联并生成ATP，称为底物水平磷酸化。（2）氧化磷酸化：微生物在氧化底物后产生的电子，通过电子传递体系传递，并产生ATP的过程叫氧化磷酸化。（3）光合磷酸化：光引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程叫光合磷酸化。产氧光合生物包括藻类和蓝细菌，它们依靠叶绿素通过非环式的光合磷酸化合成ATP。不产氧的光合细菌则通过环式光合磷酸化合成ATP。在微生物体系中，能量的释放、ATP的生成都是通过生物氧化实现的。根据最终电子受体（或最终受氢体）的不同，可划分为3种类型：①发酵—以分解过程中的中间代谢产物(低分子有机物)为最终电子受体②好氧呼吸—以O2为最终电子受体③无氧呼吸—以除O2外的无机化合物，如NO2-、NO3-、SO42-、CO32-及CO2等作为最终电子受体二、生物氧化的类型（一）发酵发酵是指在无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。1.乙醇发酵以葡萄糖的乙醇发酵为例，可分为两大步骤。a.不涉及氧化还原反应的预备性反应：葡萄糖（C6H12O6）→3-磷酸甘油醛；b.涉及氧化还原的反应：→丙酮酸（到此步称为糖酵解）→乙醛（CH3CHO）（二氧化碳）→乙醇（CH3CH2OH），总反应为：C6H12O6＋2Pi＋2ADP→2CH3CH2OH+2CO2＋2ATP（一）发酵（1）糖酵解：糖酵解（glycolysis）被认为是生物最古老、最原始获取能量的一种方式(底物水平磷酸化）。糖酵解途径几乎是所有具细胞结构的生物所共有的主要代谢途径，也是人们最早阐明的酶促反应系统。总反应：C6H12O6+2NAD++2Pi+2ADP──2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP（2）生成乙醇:糖酵解终产物中的2NADH+2H+把丙酮酸的脱羧产物乙醛还原为乙醇。生成乙醇糖酵解2017/12/283从丙酮酸开始，通过各种微生物不同的发酵作用，产生各种不同的产物。如：混合酸发酵、丁二醇发酵、丙酸发酵等。乙醇发酵的能量利用效率为：（一）发酵发酵类型产物微生物乙醇发酵乙醇、CO2酵母菌属（Saccharomyces）乳酸同型发酵乳酸乳酸细菌属（Lactobacillus）乳酸异型发酵乳酸、乙醇、乙酸、CO2明串珠菌属（Leuconostoc）混合酸发酵乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、大肠埃希氏菌(Escherichiacoli)CO2、H2丁二醇发酵丁二醇、乳酸、乙酸、气杆菌属（Aerobacter）乙醇、CO2、H2丁酸发酵丁酸、乙酸、CO2、H2丁酸梭菌(Clostridiumbutylicum)丙酮-丁醇发酵丁醇、丙酮、乙醇梭菌属（Clostridium）丙酸发酵丙酸丙酸杆菌属(Propionibacterium)不同的发酵类型及其有关微生物（二）好氧呼吸好氧呼吸（aerobicrespiration）是有外在最终电子受体（O2）存在时，对底物（能源）的氧化。它是一种最普遍和最重要的生物氧化方式。以葡萄糖为例，葡萄糖的好氧呼吸分两阶段：①经EMP（糖酵解）途径→丙酮酸；②三羧酸循环（TCA）:三羧酸循环是丙酮酸有氧氧化过程的一系列步骤的总称。好氧呼吸总反应式：C6H12O6＋6O2＋38ADP＋38Pi→6CO2＋6H2O＋38ATP1.三羧酸循环淀粉、蛋白质和脂肪水解与三羧酸循环和乙醛酸循环的关系2.电子传递体系（呼吸链）好氧呼吸以O2为最终电子受体，底物被全部氧化成CO2和H2O，并产生ATP。底物氧化释放的电子首先转移给NAD+，使之成为NADH+H+，然后再转移给电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧O2。呼吸链：有氧呼吸中传递电子的一系列偶联反应，由NAD或NADP、FAD或FMN、辅酶Q、细胞色素等组成。其功能是传递电子和产生ATP。在好氧呼吸中，由EMP和TCA产生的［H］（NADH+H+和FADH2），通过电子传递体系（呼吸链），最终到达分子氧，形成水。在这一传递过程中，产生ATP（称为氧化磷酸化）。电子传递体系（呼吸链）自EMP自乙酰CoA自TCA自TCA2NADH+2H+2NADH+2H+6NADH+6H+2FADH22017/12/2843.产能效率a.葡萄糖酵解为丙酮酸经EMP途径产生：2mol(NADH+H+)×3=6molATP，底物水平磷酸化产生2molATP,共产生8molATPb.三羧酸循环反应:CH3COCOOH+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP底物水平磷酸化：1molGDP＋Pi→GTP→1molATP电子传递磷酸化（氧化磷酸化）4mol(NADH+H+)×3=12molATP15molATPFADH2×2=2molATP因为1mol丙酮酸产生15molATP，1mol葡萄糖酵解为2mol丙酮酸，所以共产生30molATP,则：1mol葡萄糖完全氧化总共产生38molATP。4.乙醛酸循环在好氧呼吸中，除进行三羧酸循环外，有的细菌还可利用乙酸盐进行乙醛酸循环，如三羧酸循环图中虚线所示。乙醛酸循环可以从异柠檬酸进入，将其裂解为乙醛酸和琥珀酸，琥珀酸可进入三羧酸循环，乙醛酸乙酰化后形成苹果酸也可进入三羧酸循环。由此弥补一些中间产物的不足，有时也把乙醛酸循环称为TCA循环的支路。（三）无氧呼吸(分子外的无氧呼吸)无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢体为外源无机氧化物的生物氧化。这是一类在无氧下进行的产能效率较低的（对好氧呼吸而言）特殊呼吸。其特点是底物按常规脱氢后，经部分电子传递体系递氢，最终由氧化态的无机物（个别为有机物）受氢。根据呼吸链末端的最终受氢体的不同，可将无氧呼吸分成硝酸盐呼吸（NO3-→NO2-、NO、N2O）、硫酸盐呼吸（SO42-→SO32-、H2S）、碳酸盐呼吸（CO2、HCO3-→CH3COOH、CH4）和延胡索酸呼吸（延胡索酸→琥珀酸）等多种类型。例如，以NO3-为最终电子受体的情况：0.5C6H12O6+2HNO3→3CO2+N2+3H2O+2[H]+能量释放总能量为1756kJ,得到2molATP。上述过程被称为反硝化作用，或硝酸盐还原作用。无氧呼吸无机盐呼吸硝酸盐呼吸硫酸盐呼吸碳酸盐呼吸NO2-、NO、N2O、N2NO3-SO42-、S3O62-、S2O32-、H2S、SO42-硫呼吸S2-S0产乙酸细菌产甲烷菌CH3COOHCO2、HCO3-CH4CO2、HCO3-延胡索酸呼吸（产琥珀酸细菌）琥珀酸延胡索酸生物氧化类型最终电子受体参与反应的酶最终产物产ATP方式释放总能量/kJ乙醇发酵中间代谢产物脱氢酶、脱羧酶、乙醇脱氢酶；辅酶：NAD+等低分子有机物、CO2、ATP底物水平磷酸化238.3好氧呼吸O2脱氢酶、脱羧酶、NAD+、FAD、辅酶Q、细胞色素等CO2、H2O、ATP底物水平磷酸化；氧化磷酸化2876无氧呼吸NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、CO2脱氢酶、脱羧酶、硝酸还原酶、硫酸还原酶；辅酶：NAD+、细胞色素b、c等CO2、H2O、NH3、N2、H2S、CH4、ATP底物水平磷酸化；氧化磷酸化反硝化：1756反硫化：1125三、三种生物氧化类型比较（以葡萄糖为例）发光细菌含两种特殊的成分:(虫)荧光素酶和长链脂肪族醛。发光过程（下图）：发光细菌被应用在环境监测及其他领域。发光细菌的电子流途径四、微生物的发光机制2017/12/285发光细菌监测毒性实验学生正在做发光细菌实验发光细菌发光检测仪读取六组数据发光细菌监测毒性实验第四节微生物的合成代谢产甲烷菌利用1C和2C有机物产生CH4，利用其中间代谢产物和能量物质ATP合成蛋白质、多糖、脂肪和核酸等物质，用以构成自身的细胞。如：产甲烷菌同化CO2（逆三羧酸循环途径,见下图）。一、产甲烷菌的合成代谢产甲烷菌同化CO2的途径→嗜热自养甲烷杆菌;┅┅→巴氏甲烷八叠球菌各种化能自养型微生物的合成代谢的合成途径不同，如硫氧化细菌的合成代谢为：H2S+2O2→SO42-+2H++795kJCO2+4[H]→[CH2O]+H2O其余内容见教材。二、化能自养型微生物的合成代谢三、光合作用光合作用（photosynthesis）是地球上进行得最大的有机合成反应。将太阳能转化为化学能的过程经常用“CO2固定”这一术语来表示。1．藻类的光合作用（同绿色植物）藻类进行非环式光合磷酸化作用（non-cyclicphotophosphorylation），是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应方式其特点为：①电子传递途径属非循环式；②在有氧条件下进行；③有2个光合系统——PSⅠ和PSⅡ；④反应中同时有ATP、还原力、O2产生；⑤还原力来自H2O的光解。2017/12/286三、光合作用1．藻类的光合作用（同绿色植物）在有光的条件下，利用体内的色素（叶绿素、类胡萝卜素、藻蓝素、藻红素等），从H2O的光解中获得H2，还原CO2成[CH2O]。因与植物的光合作用相同，都是利用CO2为碳源，H2O为供氢体合成有机物，构成自身细胞物质，故称植物性光合作用。总反应式为：CO2+H2O→[CH2O]+O2三、光合作用2．细菌的光合作用环式光合磷酸化（cyclicphotophosphorylation）是光合细菌的主要途径。环式磷酸化只有一个光合系统,但不等于光合系统Ⅰ。三、光合作用2．细菌的光合作用其特点为：①在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出后，通过类似呼吸链的传递循环，又回到菌绿素，其间产生ATP；②产ATP与产还原力[H]分别进行；③还原力来自H2S等供氢体；④不产生O2。反应式为：nADP+nPi→nATP具有环式光合磷酸化的生物，都属于原核生物中的光合细菌，它们都是厌氧菌。细菌光合作用