第四章第四章 微生物的营养和培养基微生物的营养和培养基 4-1 微生物的微生物的6类营养要素类营养要素 4-2 微生物的营养类型微生物的营养类型 4-3 营养物质进入细胞的方式营养物质进入细胞的方式 4-4 培养基培养基碳源碳源氮源氮源能源能源无机盐无机盐生长因子生长因子水水光能自养光能自养光能异养光能异养化能自养化能自养化能异养化能异养 单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运送主动运送基团移位基团移位选用和设计培养基的原则和方法选用和设计培养基的原则和方法培养基的种类培养基的种类第第 五章五章 微生物的新陈代谢微生物的新陈代谢新陈代谢新陈代谢（代谢）（代谢）物质代谢物质代谢能量代谢能量代谢分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用）产能代谢产能代谢耗能代谢耗能代谢复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢酶系分解代谢酶系合成代谢酶系合成代谢酶系简单分子简单分子 ATPH第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 目的：最初能源目的：最初能源 通用能源通用能源？最初能源最初能源有机物有机物日日 光光还原态无机物还原态无机物化能自养菌化能自养菌光能营养菌光能营养菌化能异养菌化能异养菌通用能源通用能源(ATP)(ATP)生物能量转移的生物能量转移的中心中心一、化能异养微生物的生物氧化和产能一、化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化：生物氧化：概念：概念：发生在活细胞内的一系列发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应产能性氧化反应的总称。
的总称形式形式某物质与氧结合、脱氢和失去电子某物质与氧结合、脱氢和失去电子 过程：过程：脱氢脱氢(或电子或电子)、递氢、递氢(或电子或电子)和受氢和受氢(或电子或电子)功能：功能：产产ATP、产还原力、产还原力H和产小分子中间代谢物和产小分子中间代谢物 类型：类型：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵有氧呼吸、无氧呼吸和发酵 ATP生成的具体方式：生成的具体方式：底物（基质）水平磷酸化：底物（基质）水平磷酸化：厌氧和兼氧微生物在基质氧化过程中，产生一种厌氧和兼氧微生物在基质氧化过程中，产生一种高含能的中高含能的中间体间体，这一中间体将高能键交给，这一中间体将高能键交给ADPADP，使，使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP电子水平磷酸化：电子水平磷酸化：在电子传递过程中产生高能传递给在电子传递过程中产生高能传递给ADPADP生成生成ATPATP的过程包括的过程包括氧化磷酸化氧化磷酸化和和光合磷酸化光合磷酸化产能性生物氧化反应产能性生物氧化反应 ADP是能量的载体；是能量的载体；ATP-生物能量转移的中心和能量库，是短期的贮能生物能量转移的中心和能量库，是短期的贮能物质生物氧化的形式生物氧化的形式和氧的直接化合：和氧的直接化合：C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 2 6CO 6CO2 2+6H+6H2 2O O失去电子：失去电子：FeFe2+2+Fe Fe3+3+e +e-化合物脱氢化合物脱氢 CHCH3 3-CH-CH2 2-OH CH-OH CH3 3-CHO-CHONADNADNADHNADH2 2TPP（焦磷酸硫胺素）（焦磷酸硫胺素）:由由VB1转化转化 FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）:由由VB2转化转化 FAD（黄素腺嘌呤二（黄素腺嘌呤二核苷酸）核苷酸）:由由VB2转化转化 NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）:由由Vpp转化转化 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）:由由Vpp转化转化 一一)底物脱氢的底物脱氢的4条途径条途径 EMP途径、途径、HMP途径、途径、ED途径、途径、TCA循环循环1、EMP途径途径 概念概念 又称又称糖酵解糖酵解途径或途径或已糖二磷酸已糖二磷酸途径。
是绝大途径是绝大 多数微生多数微生物共有的一条基本代谢途径对专性厌氧物共有的一条基本代谢途径对专性厌氧(无氧呼吸无氧呼吸)的微生物，的微生物，EMP途径是唯一的途径途径是唯一的途径特点特点 葡萄糖葡萄糖 所含所含C原子只有原子只有部分氧化部分氧化，产能较少，产能较少 1分子葡萄糖约经分子葡萄糖约经10步反应转变成步反应转变成2分子丙酮酸、分子丙酮酸、2分分子子ATP和和2分子的分子的NADH+H+，能量利用率，能量利用率26%，74%为热能底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化ATPATPATPATP丙酮酸丙酮酸耗能过程耗能过程（C6C3）关键步骤关键步骤产能过程产能过程（C3C3）EMP途径的总反应式途径的总反应式总反应式：总反应式：葡萄糖葡萄糖+2NAD+2ADP+2Pi 2+2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸丙酮酸+2NADH+2NADH2 2+2ATP+2H+2ATP+2H2 2O O CoA CoA 丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶 乙酰乙酰CoACoA，进入进入TCATCA生理功能生理功能供应供应ATPATP形式的能量和形式的能量和NADHNADH2 2形式的还原力形式的还原力是连接其他几个重要代谢途径的桥梁是连接其他几个重要代谢途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应可进行多糖合成通过逆向反应可进行多糖合成与乙醇、乳酸、甘油和丁醇等的发酵生产关系密切与乙醇、乳酸、甘油和丁醇等的发酵生产关系密切2、HMP途径途径 概念概念 又称又称已糖一磷酸途径已糖一磷酸途径(支路支路)、戊糖磷酸途径戊糖磷酸途径、磷酸葡、磷酸葡萄糖酸途径或萄糖酸途径或WD途径。
途径特点特点 6分子葡萄糖以分子葡萄糖以6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖的形式参与不经的形式参与不经EMP途途径和径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量的循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量的NADH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢产物形式的还原力和多种重要中间代谢产物(如如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵异型乳酸发酵)等等)有有HMP途径的微生物中往往同时存在途径的微生物中往往同时存在EMP途径，单途径，单独具有独具有HMP途径的微生物少见途径的微生物少见凡凡葡萄糖葡萄糖经发酵后除产生经发酵后除产生乳酸乳酸外，还产外，还产生乙醇、乙醛和生乙醇、乙醛和COCO2 2等等多种产物多种产物的发酵2、HMP途径途径 HMP途径降解葡萄糖的三个阶段途径降解葡萄糖的三个阶段 1.葡萄糖经过几步氧化反应产生葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖核酮糖-5-磷酸磷酸和和CO2 2.核酮糖核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表型异构化而分别磷酸发生同分异构化或表型异构化而分别产生产生核糖核糖-5-磷酸磷酸和和木酮糖木酮糖-5-磷酸磷酸 3.上述各戊糖磷酸在上述各戊糖磷酸在无氧参与无氧参与的情况下发生碳架重排，的情况下发生碳架重排，产生产生己糖磷酸己糖磷酸和和丙糖磷酸丙糖磷酸6-6-磷酸果糖磷酸果糖 3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛EMPEMP途径途径HMP途径的总反应式途径的总反应式 6 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADP+6H2OHMPHMP途径在微生物生命活动中意义重大：途径在微生物生命活动中意义重大：供应合成原料供应合成原料 5 葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi作为固定作为固定COCO2 2的中介的中介产大量还原力产大量还原力扩大碳源利用范围扩大碳源利用范围连接连接EMPEMP途径途径可提供许多重要的发酵产物。
可提供许多重要的发酵产物概念概念 又称又称2-酮酮-3-脱氧脱氧-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径裂解途径是存在于某些缺乏完整是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种途径的微生物中的一种替代途径，为替代途径，为微生物所特有微生物所特有特点特点 1分子葡萄糖只经过分子葡萄糖只经过4步即可快速获得由步即可快速获得由EMP途径须途径须10步反应才能形成的步反应才能形成的2分子丙酮酸，但只产分子丙酮酸，但只产1分子的分子的ATP3、ED途径途径3、ED途径途径EDED途径途径(关键步骤关键步骤)KDPGKDPG：2-2-酮酮-3-3-脱氧脱氧-6-6-磷酸葡糖酸磷酸葡糖酸KDPGKDPG醛缩酶醛缩酶特征酶特征酶6-PG(6-PG(6-6-磷磷酸葡萄糖酸酸葡萄糖酸)3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸6-PG 6-PG 脱水酶脱水酶KDPGKDPG 1)乙酰乙酰-CoA生成生成4、TCA循环循环1 个个NADH+H+2分子分子NADH+H+2分子分子ATP4、TCA循环循环3 个个NADH+H+1个个FADH1个个ADP氧化氧化 2)TCA循环循环底物水平磷底物水平磷酸化酸化6C2C4C5C4、TCA循环循环 3)能量平衡能量平衡 1mol丙酮酸经丙酮酸经TCA产生产生4mol NADH+H+1molNADH+H+经电子传递氧化成经电子传递氧化成NAD可产生可产生3mol ATP，则，则共产生共产生12mol ATP。
琥珀酸辅酶琥珀酸辅酶A底物水平磷酸化，底物水平磷酸化，GTPGDP产生产生1mol ATP琥珀酸至延胡索酸琥珀酸至延胡索酸1molFADH2氧化生成氧化生成2mol ATP.故故1mol丙酮酸经丙酮酸经1次次TCA可生成可生成15mol ATP 1mol葡萄糖经葡萄糖经EMP途径可产生途径可产生2mol丙酮酸，裂解为丙丙酮酸，裂解为丙酮酸的过程中产生酮酸的过程中产生2NADH+H+和和2ATP，共，共8ATP，则则1mol葡萄糖经完葡萄糖经完EMP和和TCA共产生共产生38mol ATP4、TCA循环循环 4）特点）特点 氧不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转；氧不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转；产能效率极高，是生物体提供能量的主要形式；产能效率极高，是生物体提供能量的主要形式；为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的的前体；前体；为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径如谢途径如 柠檬酸、苹果酸、柠檬酸、苹果酸、GluGlu、延胡索酸和、延胡索酸和琥珀酸发酵等。
琥珀酸发酵等二）递氢和受氢二）递氢和受氢 经上述脱氢途径生成的经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等等还原型还原型辅酶辅酶或或辅基辅基通过呼吸链等方式进行通过呼吸链等方式进行递氢递氢，最终与，最终与受氢体受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能根据递氢特点尤其是受氢过程中根据递氢特点尤其是受氢过程中氢受体性质氢受体性质的不同，把的不同，把生物氧化区分为生物氧化区分为有氧呼吸有氧呼吸、无氧呼吸无氧呼吸和和发酵发酵3种类型种类型生物氧化生物氧化有氧呼吸：最终电子受体是分子氧有氧呼吸：最终电子受体是分子氧O O2 2无氧呼吸：最终电子受体是无氧呼吸：最终电子受体是O O2 2以外的以外的无机氧化物，如无机氧化物，如NONO3 3-、SOSO4 42-2-等等发酵：无外援的最终电子受体发酵：无外援的最终电子受体1、有氧呼吸、有氧呼吸 概念：概念：又称好氧呼吸，指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经又称好氧呼吸，指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经过完整的呼吸链（过完整的呼吸链（RC）或电子传递链（）或电子传递链（ETC）,最终传最终传递给递给外源分子氧外源分子氧，产生了水并释放，产生了水并释放ATP的生物氧化过程。
的生物氧化过程是最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式是最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式途径：途径：EMP,TCA循环循环 特点：特点：底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物底物氧化释放的电子先通过电子传递链氧化释放的电子先通过电子传递链最后才传递到氧最后才传递到氧呼吸链或电子传递链呼吸链或电子传递链 定义：定义：由一系列由一系列氧化还原势呈梯度差氧化还原势呈梯度差的链状排列的的链状排列的氢传递体氢传递体组成的一组链状传递顺序组成的一组链状传递顺序功能：功能：传递电子传递电子：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧分子氧或其他无机、有机氧化物化物，并使它们还原并使它们还原产生产生ATP：在传递过程中，通过与：在传递过程中，通过与氧化磷酸化反应氧化磷酸化反应发发生偶联，就可产生生偶联，就可产生ATP形式的能量形式的能量呼吸链或电子传递链呼吸链或电子传递链 部位：部位：原核生物在细胞膜上，真核生物粒体内膜上原核生物在细胞膜上，真核生物粒体内膜上 成员：成员：主要包括主要包括NAD(P)、FP 、Fe-S、CoQ、醌类和细胞色、醌类和细胞色素素b、c、a、a。
这些电子传递体传递电子的顺序，这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势由小到大排列按照它们的氧化还原电势由小到大排列脱氢酶辅酶，还原态为：脱氢酶辅酶，还原态为：NAD(P)H+H+NAD（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶，辅酶）NADP（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，辅酶，辅酶），），：黄素蛋白的辅基：黄素蛋白的辅基FAD：黄素腺苷酸二核苷酸磷酸：黄素腺苷酸二核苷酸磷酸 FMN：黄素单核苷酸：黄素单核苷酸 微生物中重要的呼吸链组分微生物中重要的呼吸链组分 成员：成员：氧化还原载体辅基，为分子中的含铁硫的中心部分存在氧化还原载体辅基，为分子中的含铁硫的中心部分存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递脂溶性氢载体广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏脂溶性氢载体广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌在呼吸链中醌类的含量比其他组分多细菌则含甲基萘醌在呼吸链中醌类的含量比其他组分多10151015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。
出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统位于呼吸链后端：位于呼吸链后端功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒功能：从泛醌中接受电子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中体膜或细胞膜外的溶液中氧化磷酸化产能机制氧化磷酸化产能机制 氧化磷酸化：氧化磷酸化：又称电子传递链磷酸化指将呼吸链在又称电子传递链磷酸化指将呼吸链在传递氢过程中传递氢过程中释放出的能量与释放出的能量与ADPADP磷酸化相耦联产生磷酸化相耦联产生ATPATP的过程产能机制：产能机制：多数学者接受的是化学渗透学说多数学者接受的是化学渗透学说在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pHpH梯度等）梯度等）这个梯度差就是产生这个梯度差就是产生ATPATP的能量来源，因为它可通过的能量来源，因为它可通过ATPATP酶的逆酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，另一方面就合成了子梯度差，另一方面就合成了ATPATP。
P/OP/O：每消耗：每消耗1mol1mol氧原子所产生的氧原子所产生的ATP molATP mol数数典型的呼吸链典型的呼吸链 自自EMP 2NADH2 自乙酰自乙酰CoA 2NADH2 自自TCA 6NADH2 自自TCA 2FADH2高能水平高能水平低氧化还原势低氧化还原势氧化态氧化态 还原态还原态氧化态氧化态 氧化态氧化态氧化态氧化态 还原态还原态还原态还原态 醌醌 氧化态氧化态 氧化态氧化态 还原态还原态 脱氢酶脱氢酶 NAD FADH2 H2O NADH FAD 1/2O2+2H+低能水平低能水平高氧化还原势高氧化还原势FPFe-S Cyt.b Cyt.c Cyt.a Cyt.a3 氧化酶氧化酶ATPATPATP2H琥珀酸琥珀酸反丁烯二酸反丁烯二酸2H+概念概念 又称厌氧呼吸指在无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微又称厌氧呼吸指在无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物以外源无机氧化物生物以外源无机氧化物(少数为有机氧化物少数为有机氧化物)作为末端氢作为末端氢受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸特点特点 底物脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无底物脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。
机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应类型类型 硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、铁呼吸、碳酸盐硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸、延胡索酸呼吸、甘氨酸呼吸和氧化三甲胺呼吸呼吸、延胡索酸呼吸、甘氨酸呼吸和氧化三甲胺呼吸等2、无氧呼吸、无氧呼吸有机物呼吸有机物呼吸 类型类型 1)硝酸盐呼吸硝酸盐呼吸(反硝化作用反硝化作用)同化性硝酸盐还原作用：同化性硝酸盐还原作用：是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源的营养物源的营养物异化性硝酸盐还原作用：异化性硝酸盐还原作用：是在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作是在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它们还原成为呼吸链的最终氢受体，把它们还原成NO2-、NO、N2O直至直至N2的过程即硝酸盐呼吸的过程即硝酸盐呼吸(反硝化作用反硝化作用)2、无氧呼吸、无氧呼吸通过一种含钼的硝通过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐原为亚硝酸盐意义意义在农业上不利：造成氮肥损失；在农业上不利：造成氮肥损失；在环境保护方面：减少水体污染和富营养化，高浓在环境保护方面：减少水体污染和富营养化，高浓度硝酸盐废水处理，氮循环。
度硝酸盐废水处理，氮循环3、发酵、发酵 概念概念 广义：指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式广义：指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式狭义：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所狭义：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交某一内源性中未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化应类型类型 与与EMP、HMP、ED途径有关的发酵途径有关的发酵同型酒精发酵同型酒精发酵同型乳酸发酵同型乳酸发酵丙酸发酵丙酸发酵混合酸发酵混合酸发酵2,3-2,3-丁二醇发酵丁二醇发酵丁酸发酵丁酸发酵1）由）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵途径中丙酮酸出发的发酵同型乙醇发酵同型乙醇发酵 酵母型乙醇发酵酵母型乙醇发酵微生物主要是酵母菌微生物主要是酵母菌(如酿酒酵母如酿酒酵母)1 1葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸2 2乙醛乙醛2 2乙醇乙醇EMPEMP丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶+H+H+细菌型乙醇发酵细菌型乙醇发酵乳酸细菌、肠道细菌和一些高温细菌乳酸细菌、肠道细菌和一些高温细菌pH3.5-4.5pH3.5-4.51 1葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸2 2乙醛乙醛2 2乙醇乙醇EMPEMP+H+H+2 2乙酰乙酰CoACoA乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶同型乳酸发酵和混合酸发酵同型乳酸发酵和混合酸发酵 同型乳酸发酵同型乳酸发酵葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸2 2乳酸乳酸EMPEMP+H+H+乳酸乳球菌、植乳酸乳球菌、植物乳杆菌物乳杆菌 混合酸发酵混合酸发酵 埃希氏菌属、沙门氏菌属和志贺氏菌属中的一些细菌埃希氏菌属、沙门氏菌属和志贺氏菌属中的一些细菌发酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、发酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、CO2和和H2等多种有机酸等多种有机酸葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸乳酸丙酮酸甲丙酮酸甲酸氢解酶酸氢解酶甲酸甲酸乙酰乙酰-CoA-CoA乙醇乙醇乙酸乙酸COCO2 2、H H2 2O O磷酸烯醇磷酸烯醇式丙酮酸式丙酮酸琥珀酸琥珀酸2,3丁二醇发酵丁二醇发酵 丁二醇发酵丁二醇发酵肠杆菌属、沙雷氏菌属和欧文氏菌属中的一些肠杆菌属、沙雷氏菌属和欧文氏菌属中的一些产气肠杆产气肠杆菌菌具有具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵，其葡乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵，其葡萄糖发酵产物中有大量的丁二醇、更多萄糖发酵产物中有大量的丁二醇、更多H H2 2和和 COCO2 2和少量和少量乳酸、乙醇等。
乳酸、乙醇等葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸乳酸丙酮酸甲丙酮酸甲酸解酶酸解酶甲酸甲酸乙酰乙酰-CoA-CoA乙醇乙醇乙酸乙酸COCO2 2、H H2 2O O-乙酰乳酸合成酶乙酰乳酸合成酶乙酰乳酸乙酰乳酸-乙酰乳酸脱羧酶乙酰乳酸脱羧酶2,3-丁二醇脱氢酶丁二醇脱氢酶2,3-2,3-丁二醇丁二醇3-3-羟基丁酮羟基丁酮 （乙酰甲基甲醇）（乙酰甲基甲醇）二乙酰二乙酰碱碱鉴别肠道细菌的鉴别肠道细菌的V.P.试验试验鉴别原理鉴别原理 缩合缩合 脱羧脱羧 （3-3-羟基丁酮）羟基丁酮）2丙酮酸丙酮酸 乙酰乳酸乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇 碱性条件碱性条件 2,3-丁二醇丁二醇 二乙酰二乙酰 （与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物-CO2鉴别肠道细菌产酸产气（鉴别肠道细菌产酸产气（M.R）试验）试验 甲基红试验：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。
呈红色，后者呈黄色丙酮丙酮-丁醇发酵丁醇发酵 丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌在在EMP 途径上进行丙酮途径上进行丙酮-丁醇发酵丁醇发酵葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸EMPEMP乙酰乙酰-CoA-CoA乙酰乙酰-乙酰乙酰-CoA-CoA丙酮丙酮丁醇丁醇 脱脱CoACoA、脱羧、脱羧还原脱水、还原脱还原脱水、还原脱CoACoA和第三次还原和第三次还原 异型乳酸发酵异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和乙酸和COCO2 2等多种产物的发酵等多种产物的发酵异型乳酸发酵的异型乳酸发酵的“经典经典”途径途径2）通过）通过HMP途径的发酵途径的发酵葡萄糖葡萄糖5-5-磷酸磷酸核酮酸核酮酸5-5-磷酸磷酸木酮糖木酮糖HMPHMP差向异构酶差向异构酶-1ATP-1ATP乳酸、乙醇乳酸、乙醇COCO2 2核糖核糖乳酸、乙酸乳酸、乙酸2H2H2 2O O和和2ATP2ATP1H1H2 2O O和和1ATP1ATP果糖果糖乳酸、乙酸乳酸、乙酸2H2H2 2O O和和2ATP2ATP异型乳酸发酵的双岐杆菌途径异型乳酸发酵的双岐杆菌途径2 2分子葡萄糖可产生分子葡萄糖可产生3 3分子乙酸、分子乙酸、2 2分子乳酸和分子乳酸和5 5分子分子ATPATP同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较类型类型同型同型异型异型途径途径EMPHMP产物产物/1葡萄糖葡萄糖2乳酸乳酸1乳酸、乳酸、1乙醇乙醇1CO21乳酸、乳酸、1乙酸乙酸1CO21乳酸、乳酸、1.5乙酸乙酸产能产能/1葡萄糖葡萄糖2ATP1ATP2ATP2.5ATP菌种代表菌种代表德氏乳杆菌、粪链球菌德氏乳杆菌、粪链球菌肠膜明串球菌肠膜明串球菌短乳杆菌短乳杆菌两岐双岐杆菌两岐双岐杆菌3）通过）通过ED途径进行的发酵途径进行的发酵 细菌乙醇发酵细菌乙醇发酵1 1葡萄糖葡萄糖2 2丙酮酸丙酮酸2 2乙醛乙醛2 2乙醇乙醇EDED丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶+H+H+比传统的酵母乙醇发酵有较多的优点比传统的酵母乙醇发酵有较多的优点代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧等少，发酵温度较高，不必定期供氧等缺点是缺点是生长生长pHpH值较高值较高（细菌约（细菌约 pH 5pH 5，酵母菌为，酵母菌为pH 3pH 3），），较易染杂菌，并较易染杂菌，并对乙醇的耐受力较酵母菌低对乙醇的耐受力较酵母菌低（细菌约（细菌约 耐耐7%7%乙醇，酵母菌为乙醇，酵母菌为8%8%10%10%）。
4）由氨基酸发酵产能）由氨基酸发酵产能 Stickland反应反应 是两个氨基酸的一个氨基酸作为氢供体，另一个氨基酸是两个氨基酸的一个氨基酸作为氢供体，另一个氨基酸作为氢受体时的氧化作为氢受体时的氧化-还原脱氨基反应还原脱氨基反应氢供体氢供体氨基酸：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、氨基酸：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等组氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等 氢受体氢受体氨基酸：甘氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和甲氨基酸：甘氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和甲硫氨酸等硫氨酸等微生物都是微生物都是专性厌氧梭菌专性厌氧梭菌，如生孢梭菌、肉毒梭菌等，如生孢梭菌、肉毒梭菌等，但并不是所有梭菌都是进行但并不是所有梭菌都是进行Stickland反应反应产能效率很低，每分子氨基酸仅产产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个个ATP二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢 概念概念 以以CO2或或碳酸盐碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH4或或NO2-等等无机物无机物作为电子供体作为电子供体使使CO2还原成细胞物质的代谢。
还原成细胞物质的代谢产能的途径产能的途径 主要是借助于经过呼吸链的主要是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化氧化磷酸化反应，因此，反应，因此，化能自氧菌一般都是化能自氧菌一般都是好氧菌好氧菌二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢 产能原理产能原理 上述几类上述几类无机底物无机底物不仅可作为不仅可作为最初能源最初能源产生产生ATP，而且，而且其中有些底物其中有些底物(如如NH4+、H2S、H2)还可作为还可作为无机氢供体无机氢供体当这些当这些无机氢无机氢在充分提供在充分提供ATP能量的条件下，可通过能量的条件下，可通过逆逆呼吸链传递呼吸链传递的方式的方式 形成还原形成还原CO2用的用的还原力还原力H这种情况，可以情况，可以 理解成用抽水机把低水位的水重新回灌到理解成用抽水机把低水位的水重新回灌到高水位蓄水库时，要耗费大量电能作比喻来解释高水位蓄水库时，要耗费大量电能作比喻来解释二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢NHNH4 4NONO2 2-H H2 2S S H H2 2S SFeFe2+2+作为最终能源作为最终能源部分为无机氢供体部分为无机氢供体二氧化碳的固二氧化碳的固定定化能自氧微生物还原化能自氧微生物还原COCO2 2时时ATPATP和和HH的来源的来源二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢 在所有在所有还原态无机物还原态无机物中，除了中，除了H2氧化还原电位比氧化还原电位比NAD/NADH对稍低些外，其余都明显高于它，因此在各种无对稍低些外，其余都明显高于它，因此在各种无机底物进行氧化时，都必须按其相应机底物进行氧化时，都必须按其相应氧化还原势氧化还原势 的位置的位置进入进入呼吸链呼吸链，由此必然造成，由此必然造成化能自养微生物化能自养微生物呼吸链具有呼吸链具有很低很低的氧化磷酸化效率的氧化磷酸化效率(P/O 比比)。
NADFPQ Cyt.bCyt.cc1Cyt.a1.aa3O2(NO3-)ATPATPATPH2HS-NH4+SO32-S2-Fe2+S2O3-S0NO2-二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢 特点：特点：底物的氧化底物的氧化直接直接与呼吸链发生联系，即由与呼吸链发生联系，即由脱氢酶脱氢酶或或氧化还原酶氧化还原酶催化的无机物脱氢或脱电子后，直接进入催化的无机物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机物氧化呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机物氧化要经过多条途径要经过多条途径逐级脱氢逐级脱氢明显不同；明显不同；呼吸链的组分呼吸链的组分为多样化，氢可以从任一组分直接进入呼吸链；为多样化，氢可以从任一组分直接进入呼吸链；产产能效率即能效率即P/O比一般要比一般要低于低于化能异养微生物化能异养微生物种类种类 主要分为氢细菌、主要分为氢细菌、硝化细菌硝化细菌、硫细菌和铁细菌等、硫细菌和铁细菌等二、化能自养微生物的能量代谢二、化能自养微生物的能量代谢 硝化细菌硝化细菌 概念：概念：能利用还原能利用还原无机氮无机氮化合物进行自养生长的细菌化合物进行自养生长的细菌 分类：分类：分布于各种土壤和水体中，可分为分布于各种土壤和水体中，可分为亚硝化细菌亚硝化细菌（可把（可把NH3氧化为氧化为NO2）和）和硝化细菌硝化细菌（可把（可把NO2氧化为氧化为NO3）NHNH3 3O O2 22H2H2e2e-NHNH2 2OHOHH H2 2O+NADO+NAD+NHNH2 2OHOHO O2 2NONO2 2-+H+H2 2O+HO+H+2NO2NO2 2-O O2 22NO2NO3 3-亚硝化细菌亚硝化细菌硝化细菌硝化细菌氨单加氧酶氨单加氧酶羟胺氧还酶羟胺氧还酶亚硝酸氧化酶亚硝酸氧化酶本次教学回顾及作业本次教学回顾及作业 教学回顾教学回顾 第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的生物氧化和产能 生物氧化过程生物氧化过程 递氢与受氢递氢与受氢2、无氧呼吸、无氧呼吸（经呼吸（经呼吸 链、氧化磷酸化）链、氧化磷酸化）；3、发酵、发酵（未经呼吸（未经呼吸 链、底物磷酸化、类型（由链、底物磷酸化、类型（由EMP、HMP、ED和和Stickland反应）反应）化能自养微生物的能量代谢化能自养微生物的能量代谢 概念、产能途径（经呼吸链、氧化磷酸化）概念、产能途径（经呼吸链、氧化磷酸化）、特点、特点 作业作业 P148 13，17、18上次教学回顾上次教学回顾 第一节第一节 微生物的能量代谢微生物的能量代谢 化能异养微生物的生物氧化和产能化能异养微生物的生物氧化和产能递氢和受氢递氢和受氢 2、无氧呼吸、无氧呼吸（经部分呼吸链、氧化磷酸化（经部分呼吸链、氧化磷酸化)3、发酵、发酵（未经呼吸链未经呼吸链、底物磷酸化、底物磷酸化)与与EMP、HMP、ED有关的发酵和有关的发酵和Stickland反应反应 化能自养微生物的能量代谢化能自养微生物的能量代谢概念、产能途径（概念、产能途径（经呼吸链、经呼吸链、氧化磷酸化氧化磷酸化）、特点）、特点三、光能微生物的能量代谢三、光能微生物的能量代谢 光能营养型生物光能营养型生物 以以光光为能源，用为能源，用CO2(光能自氧光能自氧)或有机碳化合物或有机碳化合物(光光能异氧能异氧)作为碳源，通过电子传递产生作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷光合磷酸化酸化)。
为一个异质的大类群为一个异质的大类群产氧产氧不产氧不产氧真核生物真核生物:原核生物原核生物:藻类及其他绿色植物藻类及其他绿色植物蓝细菌蓝细菌真细菌：真细菌：古生菌：古生菌：光合细菌光合细菌(厌氧菌厌氧菌)嗜盐菌嗜盐菌光能营养型生物光能营养型生物1、循环光合磷酸化、循环光合磷酸化 概念概念 一种存在于一种存在于光合细菌光合细菌中的原始光合作用机制在光能中的原始光合作用机制在光能驱动下通过电子的驱动下通过电子的循环式传递循环式传递而完成而完成磷酸化产能磷酸化产能反应特点特点 电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素菌绿素分子上逐出，通过类仅呼吸链的循环，又回到分子上逐出，通过类仅呼吸链的循环，又回到菌绿素菌绿素，其间产生了，其间产生了ATP；产能产能（顺顺电子流）电子流）与产与产还原力还原力H（逆逆电子流）电子流）分别分别进行；进行；还原力来自还原力来自H2S、H2、S、Fe2等无机氢供体；等无机氢供体；不产生不产生氧循环光合磷酸化反应图示循环光合磷酸化反应图示e-红光或红外线红光或红外线(能源能源)BphQAQ Q库库Cyt bc2Cyt bc1P870*P870QB外源外源H H2 2逆电子传递逆电子传递（耗能）耗能）NAD(P)NAD(P)NAD(P)HNAD(P)H2 2外源电子供体外源电子供体（H H2 2S S、S S2 2O O2 22 2、S SO O、FeFe2 2等）等）e-e-e-e-e-NDPNDPPiPiATPATP氢供体氢供体碳源碳源红螺菌目的主要科目红螺菌目的主要科目 特点：特点：进行进行不产氧光合作用不产氧光合作用，即不能利用，即不能利用H2O而能利用还原而能利用还原态态无机物无机物（H2S、H2）或）或有机物有机物作为还原作为还原CO2时的氢时的氢供体。
供体红螺菌目红螺菌目红螺菌亚目红螺菌亚目(紫色细菌紫色细菌)绿菌亚目绿菌亚目(绿色细菌绿色细菌)着色菌科着色菌科 (紫硫细菌紫硫细菌)红螺菌科红螺菌科(紫非硫细菌紫非硫细菌)绿菌科绿菌科绿弯菌科绿弯菌科紫非硫细菌不能氧化紫非硫细菌不能氧化元元素素S S成为硫酸盐，少数种成为硫酸盐，少数种虽能氧化虽能氧化硫化物硫化物成为硫酸成为硫酸盐，但没有中间产物盐，但没有中间产物S S形形成成;能氧化硫化物可产生元能氧化硫化物可产生元素素S S，但细胞内不贮存，但细胞内不贮存S;S;是是兼性兼性光能营养菌，大光能营养菌，大多数还能多数还能固氮也称也称绿硫细菌绿硫细菌，是，是严格厌氧严格厌氧的的专性专性光养细菌，光养细菌，利用利用硫化物硫化物或元素或元素硫硫为氢供体为氢供体光能异养菌光能异养菌光能自养菌光能自养菌2、非循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化 概念概念 是各种是各种绿色植物绿色植物、藻类藻类和和蓝细菌蓝细菌所共有的利用光能产所共有的利用光能产生生ATP的磷酸化反应的磷酸化反应光能自养菌光能自养菌 特点特点 电子的传递途径属电子的传递途径属非循环式非循环式的；的；在有氧条件下进行；在有氧条件下进行；有有PS 和和PS两个光合系统，分别吸收红光和蓝光；两个光合系统，分别吸收红光和蓝光；反应中可同时产反应中可同时产ATP(PS)、还原力、还原力H(PS)和和O2(PS)；用于固定用于固定CO2的的NADPH2中的中的H来自来自H2O分子的光解分子的光解产物产物H+和电子。
和电子环环产产质质（子子电电Q Q库库QB用用循循环环电电 子子流流e-光合系统光合系统(能源能源)P680*P680QAPc Cyt bfP700*光合系统光合系统(能源能源)P700phFe-SFdNAD(P)NAD(P)H2NDPNDPPiPiATPATPH2O-O2122H2H（供形成（供形成NAD(P)HNAD(P)H2 2）（产产 质质子子动动势势用用）e-e-非循环光合磷酸化反应图示非循环光合磷酸化反应图示(氢供体氢供体)碳源碳源动动子子势势循循流流非非3、嗜盐菌紫膜的光介导、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成合成 概念概念 嗜盐菌嗜盐菌在在无氧无氧条件下，利用光能所造成的条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白紫膜蛋白上上视视黄醛黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个膜两侧建立一个质子动势质子动势，再由它来推动，再由它来推动ATP酶合成酶合成ATP的的无叶绿素无叶绿素或或菌绿素菌绿素参与的独特光合作用参与的独特光合作用组分：组分：红膜红膜:含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分化磷酸化反应的呼吸链载体成分 紫膜紫膜：细菌细菌视紫红质视紫红质（细菌紫膜质细菌紫膜质）+类脂类脂 视紫红质视紫红质的功能：的功能：吸收光能吸收光能，并在，并在光量子光量子的驱动下起着的驱动下起着质子泵质子泵作用作用光能自养菌光能自养菌H H+嗜盐菌紫膜的光介导嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成反应合成反应膜外膜外膜内膜内质子动势质子动势紫膜上的紫膜上的视黄醛视黄醛辅基辅基从从反式反式变为变为顺式顺式紫膜紫膜红膜红膜ATPATP酶酶ADP+PiADP+PiATPATPH H+H H+H H+紫膜紫膜光光H H+讨论讨论1 自养与异养微生物自养与异养微生物生物合成生物合成区别区别有机碳有机碳微生物自微生物自身营养物身营养物（氧化还原水平适中）（氧化还原水平适中）COCO2 2（氧化程度极高）（氧化程度极高）异养微生物异养微生物自养微生物自养微生物 两类自养微生物两类自养微生物固定固定CO2区别区别需要消耗大量需要消耗大量的的能量能量化能自养化能自养微生物的微生物的氧化磷酸化氧化磷酸化光能自养光能自养微生物的微生物的光合磷酸化光合磷酸化ATPATPHHCOCO2 2CHCH2 2O OCalvinCalvin循环循环乙酰乙酰CoACoA途径途径还原性还原性TCATCA途径途径羟基丙酸途径羟基丙酸途径讨论讨论2 不同类型微生物能量代谢比较不同类型微生物能量代谢比较比较项目比较项目化能异养菌化能异养菌化能自养菌化能自养菌光能营养菌光能营养菌能源能源有机物有机物无机物无机物光能光能基本基本C源源同能源同能源CO2CO2CO2及简单有机物及简单有机物氢供体氢供体同能源同能源同能源同能源无机物或有机物无机物或有机物产能途径产能途径脱氢、递氢和受氢脱氢、递氢和受氢脱氢、递氢和脱氢、递氢和受氢受氢脱氢、递氢和受氢脱氢、递氢和受氢产能类型产能类型呼吸、无氧呼吸和发呼吸、无氧呼吸和发酵酵产能方式产能方式底物水平磷酸化底物水平磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化、光介光合磷酸化、光介导导ATP产能数量产能数量变化大变化大（238ATP）较低（较低（1ATP）较低（较低（1ATP）第二节分解代谢与合成代谢的联系第二节分解代谢与合成代谢的联系 一、两用代谢途径一、两用代谢途径 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。
如凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径如EMP、HMP和和TCA循环合成途径合成途径并非并非分解途径的分解途径的完全逆转完全逆转在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的完全不同的中间代谢物中间代谢物在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的分隔区域内在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的分隔区域内分别进行；原核生物则在简单的酶分子水平上进行控制分别进行；原核生物则在简单的酶分子水平上进行控制第二节分解代谢与合成代谢的联系第二节分解代谢与合成代谢的联系 二、代谢物回补途径二、代谢物回补途径 又称又称代谢物补偿途径代谢物补偿途径或或添补途径添补途径是指能补充两用代谢是指能补充两用代谢途径中因途径中因合成代谢合成代谢而消耗的而消耗的中间代谢物中间代谢物的那些反应的那些反应通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢产物关键中间代谢产物必须被大量用作生物合成原料而被抽走时，仍可保证能量代谢必须被大量用作生物合成原料而被抽走时，仍可保证能量代谢正常进行正常进行。
不同的微生物种类或同种微生物在不同的微生物种类或同种微生物在不同的碳源不同的碳源下，有不下，有不同的代谢物回补顺序同的代谢物回补顺序与与EMP途径和途径和TCA循环有关的回补顺序有循环有关的回补顺序有10条，其中关键中间条，其中关键中间代谢产物分别为代谢产物分别为磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和）和草酰乙酸草酰乙酸某些微生物所特有的乙某些微生物所特有的乙醛酸循环（乙醛酸支路醛酸循环（乙醛酸支路）的关键中间代）的关键中间代谢产物为谢产物为乙醛酸乙醛酸，第三节第三节微生物独特合成代谢微生物独特合成代谢 一、自养微生物一、自养微生物CO2的固定的固定 二、生物固氮二、生物固氮 三、肽聚糖的合成三、肽聚糖的合成 四、微生物次生代谢物的合成四、微生物次生代谢物的合成一、自养微生物一、自养微生物CO2的固定的固定 各种自养微生物获得的能量各种自养微生物获得的能量CO2的固定的固定 至今已了解的至今已了解的CO2的固定的固定的有的有4条条 Calvin（卡尔文）循环：固定（卡尔文）循环：固定CO2的主要途径的主要途径光能自养菌光能自养菌：蓝细菌：蓝细菌和多数和多数光合细菌光合细菌等等化能自养菌化能自养菌：硫细菌、铁细菌、硝化细菌：硫细菌、铁细菌、硝化细菌等等 厌氧乙酰厌氧乙酰CoA途径途径化能自养菌化能自养菌：产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌：产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等等 逆向逆向TCA循环途径循环途径在一些在一些绿硫细菌绿硫细菌中进行中进行 羟基丙酸羟基丙酸途径。
途径只是少数只是少数绿硫细菌绿硫细菌在以在以H2或或H2S作电子供体时特有作电子供体时特有二、生物固氮二、生物固氮 概念概念 是指是指固氮微生物固氮微生物依靠其依靠其固氮酶系固氮酶系催化大气中的分子催化大气中的分子氮还原形成氨的过程氮还原形成氨的过程意义意义 生物界中只有生物界中只有原核生物原核生物才具有固氮能力其反应是才具有固氮能力其反应是一种极其温和的生化反应，比由人发明的化学固氮一种极其温和的生化反应，比由人发明的化学固氮作用优越得多作用优越得多是地球上仅次于是地球上仅次于光合作用光合作用的的第二个第二个重要的生物合成重要的生物合成反应反应一）固氮微生物的种类一）固氮微生物的种类 自生固氮菌：自生固氮菌：不依赖不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮与它种生物共生而能独立进行固氮好氧好氧自生固氮菌：如自生固氮菌：如固氮菌属固氮菌属、念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属兼性厌氧兼性厌氧自生固氮菌：如自生固氮菌：如红螺菌属红螺菌属、红假单胞菌属、红假单胞菌属厌氧厌氧自生固氮菌：如自生固氮菌：如巴氏梭菌属巴氏梭菌属、绿假单胞菌属、绿假单胞菌属 共生固氮菌共生固氮菌 必须必须与它种生物与它种生物共生共生在一起才能进行固氮在一起才能进行固氮根瘤根瘤：根瘤菌根瘤菌与豆科植物或非豆科植物与豆科植物或非豆科植物植物：植物：地衣地衣（念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属）、）、满江红鱼腥藻满江红鱼腥藻 联合固氮菌联合固氮菌 必须必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮根瘤根瘤(Nodle)的形成的形成植物植物色氨酸色氨酸分泌分泌微生物微生物吲哚乙酸吲哚乙酸根毛弯曲根毛弯曲松驰变软松驰变软根瘤菌根瘤菌侵入侵入根毛根毛根瘤根瘤形成形成地衣地衣满江红鱼腥藻满江红鱼腥藻二）固氮的生化机制二）固氮的生化机制 1、生物固氮反应的、生物固氮反应的6要素要素 1）ATP的供应的供应固定固定1分子氮需耗费分子氮需耗费1824分子的分子的ATP，这些能量是由呼吸、厌氧，这些能量是由呼吸、厌氧呼吸、发酵和光合磷酸化作用提供的呼吸、发酵和光合磷酸化作用提供的 2）还原力）还原力H及其传递载体及其传递载体由由NAD（P）HH提供，由低电位势的电子载体提供，由低电位势的电子载体铁氧还蛋白铁氧还蛋白（Fd）和和黄素氧还蛋白（黄素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶传递至固氮酶 3）固氮酶：固二氮酶（）固氮酶：固二氮酶（Fe、Mo）固二氮酶还原酶）固二氮酶还原酶(Fe)4）还原底物）还原底物N2 5）镁离子）镁离子）严格的厌氧微环境）严格的厌氧微环境二）固氮的生化机制二）固氮的生化机制 2、固氮的生化途径、固氮的生化途径 固氮酶的形成阶段固氮酶的形成阶段1个电子个电子经经载体载体（Fd或或Fld）传递到）传递到组分组分的铁原子上形成的铁原子上形成还原型组分还原型组分，它先与，它先与ATP-Mg结合成变构的结合成变构的组分组分-Mg-ATP复合物；再与此时已与分子氮结合的组分复合物；再与此时已与分子氮结合的组分一起形成一起形成1:1的复合物的复合物固氮酶。
固氮酶固氮阶段固氮阶段固氮酶固氮酶分子的分子的1个电子个电子从从组分组分-Mg-ATP复合物转移到组分复合物转移到组分的的铁铁上，由此再转移上，由此再转移钼钼结合的活化结合的活化分子氮分子氮通过6次这样次这样的电子运转，才可将的电子运转，才可将1分子氮还原分子氮还原2分子氨分子氨组分组分-Mg-ATP复合物转移掉电子后恢复成氧化型，同时复合物转移掉电子后恢复成氧化型，同时ATP水解成水解成ADP实际上，实际上，在此过程中在此过程中8个电子转移，其中的个电子转移，其中的2个电子以个电子以H2的的形式用去形式用去分子氨再通过分子氨再通过P137图图5-35的生化途径与相应的的生化途径与相应的酮酸酮酸结合，形结合，形成各种成各种氨基酸氨基酸，再进一步合成，再进一步合成蛋白质蛋白质和和其他成分其他成分Mo MoMo Mo自生固氮菌自生固氮菌固氮的生化途径固氮的生化途径细节细节.N NN NMoMoMoMo +H HMoMoN NN NMoMoFdFdFdFd.还原剂还原剂ADP+Pi MgADP+Pi Mg2+2+ATP-MgATP-MgATP-MgATP-MgATP MgATP Mg2+2+2NH2NH3 3底物底物能量能量产物产物N NN NMo MoMo Mo自生固氮菌自生固氮菌固氮的生化途径固氮的生化途径细节细节.N NN NMoMoMoMo +H HMoMoN NN NMoMoFdFdFdFd.还原剂还原剂ADP+Pi MgADP+Pi Mg2+2+ATP-MgATP-MgATP-MgATP-MgATP MgATP Mg2+2+2NH2NH3 3底物底物能量能量产物产物N NN N2NH3+H2+1824ADP+1824PiN2+8H+1824ATP二）固氮的生化机制二）固氮的生化机制 3、固氮酶的、固氮酶的产氢产氢反应反应 固氮酶固氮酶除能催化除能催化N2形成形成NH3外，还具有催化外，还具有催化H+为为H2的的氢化酶氢化酶活性。
活性在缺在缺N2时，固氮酶可将时，固氮酶可将H+全部还原为全部还原为H2释放；释放；在有在有N2时，固氮酶也只能用时，固氮酶也只能用75%的的H去还原去还原N2，而将，而将另外另外25%的的H以产以产H2方式浪费掉方式浪费掉在大多数在大多数固氮菌固氮菌中，还存在另一种经典的中，还存在另一种经典的氢化酶氢化酶，它能将被固氮酶浪费了的分子氢重新激活，以回收它能将被固氮酶浪费了的分子氢重新激活，以回收一部分一部分H和和ATP固氮酶固氮酶氢化酶氢化酶二）固氮的生化机制二）固氮的生化机制 3、好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制、好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制 1）好氧性自生固氮的抗氧保护机制）好氧性自生固氮的抗氧保护机制呼吸保护（呼吸保护（固氮菌科固氮菌科）；构象保护（）；构象保护（褐球固氮菌褐球固氮菌等）等）2）蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制）蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制分化出特殊的还原性分化出特殊的还原性异形胞异形胞 细胞壁很厚，缺乏细胞壁很厚，缺乏PS，而且有高，而且有高脱氢酶脱氢酶和和氢化酶氢化酶活力和活力和超氧化岐化酶超氧化岐化酶力，。