（生物科技行业）第五章微生物的代谢第五章微生物的代谢一、代谢的概念1、代谢是细胞内发生的所有化学反应的总称，包括分解代谢和合成代谢，分解代谢产生能量，合成代谢消耗能量。
2、生物氧化：生物体内发生的壹切氧化仍原反应。
在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，仍有部分能量以热的形式被释放到环境中。
生物氧化的功能为：产能（ATP）、产仍原力[H]和产小分子中间代谢物。
3、异养微生物利用有机物，自养微生物则利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。
二、异养微生物产能代谢发酵生物氧化有氧呼吸呼吸无氧呼吸1、发酵：有机物氧化释放的电子直接交给本身未完全氧化的某种中间产物，同时释放能量且产生各种不同的代谢产物。
发酵过程中有机化合物只是部分地被氧化，因此，只释放出壹小部分的能量。
发酵过程的氧化是和有机物的仍原相偶联。
被仍原的有机物来自于初始发酵的分解代谢，即不需要外界提供电子受体。
发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。
生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）。
糖酵解是发酵的基础，主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。
主要发酵类型（1）酵母菌乙醇发酵的三种类型壹型发酵：GlucosePyrAlcohol二型发酵：当环境中存在NaHSO4，和乙醛结合，而不能受氢，不能形成乙醇。
磷酸二羟丙酮a-磷酸甘油甘油三型发酵：在碱性条件下，乙醛发生歧化反应产物：乙醇、乙酸和甘油。
（2）乳酸发酵同型乳酸发酵（EMP途径）：葡萄糖丙酮酸乳酸异型乳酸发酵（PK或HK途径，肠膜状明串珠菌）葡萄糖乳酸+乙酸或乙醇（HK途径）戊糖乳酸+乙酸（PK途径）俩歧双歧途径（PK+HK途径，俩歧双歧途杆菌）葡萄糖乳酸+乙酸（Hk和PK途径）（3）氨基酸发酵产能（Stickland反应）在少数厌氧梭菌如Clostridiumsporogenes,能利用壹些氨基酸同时当作碳源、氮源和能源，其机制是通过部分氨基酸的氧化和另壹些氨基酸的仍原向偶联，这种以壹种氨基酸做氢供体和以另壹种氨基酸做氢受体而发生的产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。
作为氢供体的氨基酸：Ala;Leu,Ile,Val,Phe,Ser,His,trp作为氢受体的氨基酸：Gly,Pro,Ori,OH-Pro,Arg,trp.发酵中能量产生发酵仅是专性厌氧菌和兼性厌氧菌在无氧条件下的壹种生物氧化方式，产能是以底物水平磷酸化形式。
底物水平磷酸化形式：在发酵过程中形成高能磷酸键化合物，将其高能磷酸根交给ADP而生成ATP的过程.2、呼吸作用：微生物在降解底物过程中，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，从而生成水或其它仍原型产物且释放出能量的过程，称为呼吸作用。
包括有氧呼吸（aerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体。
无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以氧化型化合物作为最终电子受体。
(1)有氧呼吸：葡萄糖经EMP途径和TAC循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。
TCA循环：电子传递系统：由壹系列氢和电子传递体组成的多酶氧化仍原体系。
NADH、FADH 以及其他仍原性载体上的氢原子，以质子和电子的形式在其上进行定向传递，其组成酶系是定向有序不对称的排列在细菌的细胞质膜上或真核生物的线粒体膜上。
电子传递系统有俩种功能：从电子供体接受电子且将电子传递给电子受体；二是合成ATP，且把电子传递过程中释放的部分能量保存起来。
（2）无氧呼吸：无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。
无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，且在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。
由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。
硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用。
有些菌可将NO2-进壹步将其仍原成N2，这个过程称为反硝化作用。
硝酸盐仍原菌的反硝化作用对农业生产及地球物质循环都具有重要意义。
1）反硝化作用可使土壤中植物能利用的氮（硝酸盐NO3-）仍原成氮气而消失，从而降低了土壤的肥力，对农业生产不利。
克服反硝化作用的有效方法之壹是松土，保持土壤的疏松状态，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件（此时菌行有氧呼吸）。
2）反硝化作用在氮素循环中也有重要作用。
硝酸盐是壹种容易溶解于水的物质，通常通过水从土壤流入水域中。
如果没有反硝化作用，硝酸盐将在水中积累，会导致水质变坏，和地球上氮素循环的中断。
三、自养微生物的生物氧化将CO2先仍原成[CH2O]水平的简单有机物，然后再进壹步合成复杂的细胞成分。
化能自养微生物所需的无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP。
如果作为电子供体的无机物的氧化仍原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生仍原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得仍原力。
1、氨的氧化：NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物能够被某些化能自养细菌用作能源。
亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸且获得能量。
硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸且获得能量。
这俩类细菌往往伴生在壹起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。
这类细菌在自然界的氮素循环中起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。
NH3、NO2-的氧化仍原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的仍原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长缓慢，平均代时在10h之上。
2、硫的氧化：硫细菌（sulfurbacteria）能够利用壹种或多种仍原态或部分仍原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。
硫细菌在进行仍原态硫的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌能够在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。
和硝化细菌壹样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成仍原力。
3、铁的氧化：以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）为例：从亚铁到高铁状态的铁氧化，对于少数细菌来说也是壹种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量能够被利用。
因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+（Fe(OH)3）。
氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。
4、氢的氧化：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。
能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯壹碳源进行生长的细菌被称为氢细菌：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仍原力。
氢细菌都是壹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CO2，也能利用其它有机物生长。
化能自养微生物以无机物作为能源，壹般产能效率低，生长慢，但从生态学角度见，它们所利用的能源物质是壹般化能异养生物所不能利用的，因此它们和产能效率高、生长快的化能异养微生物之间且不存在生存竞争。
四．能量转换1、底物水平磷酸化物质在生物氧化过程中，常生成壹些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP 或GTP的合成。
2、氧化磷酸化物质在生物氧化过程中形成的NADH和FADH通过位于线粒体和细菌膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化性物质,在这个过程中偶连ATP的生成.3、光合磷酸化当壹个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其释放壹个电子而被氧化，释放出的电子在电子传递系统中逐步释放能量，这就是光合磷酸化的基本动力。
光合磷酸化和氧化磷酸化壹样都是通过电子传递系统产生ATP。
光能营养型生物产氧真核生物：藻类及其它绿色植物原核生物：蓝细菌不产氧（仅原核生物有）：光合细菌（1）环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP。
不是利用H2O，而是利用仍原态的H2、H2S等作为仍原CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；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。
（2）非环式光合磷酸化：产氧型光合作用，绿色植物、蓝细菌等以裂解水，提供细胞生长的仍原能力。
含有俩种类型的反映中心，连同天线色素、初级电子受体和供体壹起构成了光合系统PI和PII，这俩个系统偶联，进行非环式光合磷酸化。
非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2（3）非环式光合磷酸化绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）NAD++H2S+ADP+PiNADPH+H++ATP+S（4）嗜盐菌紫膜的光合作用壹种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参和的独特的光合作用。
嗜盐菌的细胞膜可分成红色和紫色二部分，前者主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体，后者在膜上呈斑片状独立分布，其总面积约占细胞膜的壹半，这就是能进行独特光合作用的紫膜。
含量占紫膜75%是壹种称为细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白质，它和人眼视网膜上的柱状细胞中所含的壹种蛋白质—视紫红质（rhodpsin）十分相似，二者都以紫色的视黄醛（retinal）作为辅基。
目前认为，细菌视紫红质和叶绿素相似，在光量子的驱动下，具有质子泵的作用，产生质子的跨膜运输而形成ATP。
嗜盐菌只有在环境中氧浓度很低和有光照的条件下才能合成紫膜。
这时，通过正常的氧化磷酸化已无法满足其能量需要，转而由紫膜的光合磷酸化来提供。
通过紫膜的光能转化而建立的质子梯度除了可驱动ATP合成，仍可为嗜盐菌在高盐环境中建立跨膜的钠离子电化学梯度，且由此完成壹系列的生理生化功能。
五、耗能代谢1、合成代谢：微生物利用分解代谢产生的能量、中间产物以及从外界吸收的小分子，合成复杂的细胞物质的过程。
合成代谢需要能量：ATP和质子动力。
中间产物：丙酮酸、乙酰辅酶A、草酰乙酸和三磷酸甘油醛等。
合成小分子物质：糖类、氨基酸、脂肪酸、嘌呤、嘧啶等。
2、兼用代谢途径：微生物细胞在正常生长情况下，需要从分解代谢途径中取得大量中间代谢物才能满足其合成细胞物质的基本需要。
对分解代谢来讲，需要回补中间代谢产物。
在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的途径，称兼用代谢途径。
