第二节微生物的产能代谢
内容提示
能量代谢中的主能与递能分子
微生物的主要产能代谢途径与能量转换方式
微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解
EMP途径
HMP途径
ED途径
WD途径
Stickland反应
发酵与底物水平磷酸化
呼吸产能代谢
光合作用与光合磷酸化
在微生物的物质代谢中，与分解代谢相伴随的蕴含在营养物质中的能量逐步释放与转化的变化被称为产能代谢。可见产能代谢与分解代谢密不可分。任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢是生命活动的能量保障。微生物细胞内的产能与能量储存、转换和利用主要依赖于氧化还原反应。化学上，物质加氧、脱氢、失去电子被定义为氧化，而反之则称为还原。发生在生物细胞内的氧化还原反应通常被称为生物氧化。微生物的产能代谢即是细胞内化学物质经过一系列的氧化还原反应而逐步分解，同时释放能量的生物氧化过程。营养物质分解代谢释放的能量，一部分通过合成ATP 等高能化合物而被捕获，另一部分能量以电子与质子的形式转移给一些递能分子如NAD 、NADP 、FMN 、FAD 等形成还原力NADH 、NADPH 、FMNH 和FADH ，参与生物合成中需要还原力的反应，还有一部分以热的方式释放。另有一部分微生物能捕获光能并将其转化为化学能以提供生命活动所需的能量。种类繁多的微生物所能利用的能量有两类：一是蕴含在化学物质（营养物）中的化学能，二是光能。
微生物产能代谢具有丰富的多样性，但可归纳为两类途径和三种方式，即发酵、呼吸（含有氧呼吸和无氧呼吸）两类通过营养物分解代谢产生和获得能量的途径，以及通过底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation ）、氧化磷酸化(oxidation phosphorylation) 也称电子转移磷酸化(electron transfer phosphorylation) 和光合磷酸化(photo-phosphorylation) 三种化能与光能转换为生物通用能源物质（ATP ）的转换方式。
研究微生物的产能代谢就是追踪了解蕴含能量的物质降解途径和参与产能代谢的储能、递能分子捕获与释放能量的反应过程和机制。
一、能量代谢中的贮能与递能分子
（一）ATP
在与分解代谢相伴随的产能代谢中，起捕获、贮存和运载能量作用的重要分子是腺嘌呤核苷三磷酸，简称腺苷三磷酸（adenosine triphosphate, 即ATP ）。ATP 是由ADP （腺苷二磷酸）和无机磷酸合成的。ATP 、ADP 和无机磷酸广泛存在于细胞内，起着储存和传递能量的作用。因此, 也称为能量传递系统（energy-transmitting system ）。ATP 的分子结构式见下图4-1 。
图4-1 腺嘌呤核苷三磷酸（ATP ）的分子结构式
以ATP 形式贮存的自由能，用于提供以下各方面对能量的需要：①提供生物合成所需的能量。在生物合成过程中，ATP 将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，例如氨基酸，使这些元件活化，处于较高能态，为进一步装配成生物大分子蛋白质等作好准备。②是为细胞各种运动（如鞭毛运动等）提供能量来源。③为细胞提供逆浓度梯度跨膜运输营养物所需的自由能。④在DNA 、RNA 、蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，ATP 也以特殊方式起着递能作用等等。⑤在细胞进行某些特异性生物过程如固定氮素时提供能量。
当ATP 提供能量时，ATP 分子远端的g - 磷酸基团水解成为无机磷酸分子，ATP 分子失掉一个磷酰基而变为ADP 。ADP 在捕获能量的前提下，再与无机磷酸结合形成ATP 。ATP 和ADP 的往复循环是细胞储存和利用能量的基本方式。ATP 作为自由能的贮存物质，处于动态平衡的不断周转之中。一般情况下，在一个快速生长的微生物细胞内，ATP 一旦形成，很快就被利用，起着捕获与传递能量的作用。在一种微生物细胞中ATP 和ADP 总是以一定的浓度比例范围存在，以保证生命活动中用能与储能的正常进行。
能直接提供自由能的高能核苷酸类分子除ATP 外，还有GTP （鸟苷三磷酸）、UTP （尿苷三磷酸）以及CTP （胞苷三磷酸）等。GTP 为一些功能蛋白的活化、蛋白质的生物合成和转运等提供自由能。UTP 在糖原合成中可以活化葡萄糖分子。CTP 为合成磷脂酰胆碱等提供自由能等等。
（二）烟酰胺辅酶NAD 与NADP
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadenine dinucleotide, NAD ＋，辅酶I ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotidephosphate, NADP ＋，辅酶Ⅱ）为物质与能量代谢中起重要作用的脱氢酶的辅酶。作为电子载体，在能量代谢的各种酶促氧化- 还原反应中发挥着能量的暂储、运载与释放等重要功能。其氧化形式分别为NAD ＋和NADP ＋，在能量代谢氧化途径中作电子受体。还原形式为NADH 和NADPH ，在能量代谢还原途径中作电子供体（图4-2 ）。
依赖于NAD + 和NADP + 的脱氢酶至少催化 6 种不同类型的反应：简单的氢转移、氨基酸脱氨生成 a - 酮酸、 b - 羟酸氧化与随后 b - 酮酸中间物脱羧、醛的氧化、双键的还原和碳- 氮键的氧化（如二氢叶酸还原酶）等。NAD 也是参与呼吸链电子传递过程的重要分子，在多数情况下代谢物上脱下的氢先交给NAD + ，使之成为NADH 和H + ，然后把氢交给黄素蛋白中的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD ）或黄素单核苷酸（FMN ），再通过呼吸链的传递，最后交给氧等最终受氢体。但也存在另一种情况，即代谢物上的氢先交给NAD + 或NADP + ，生成还原型的NADH 或NADPH ，后者再去还原另一个代谢物。因此通过NAD + 或NADP + 的作用，可以使某些反应偶联起来。此外，NAD + 也是DNA 连接酶的辅酶，对DNA 的复制有重要作用，为形成3', 5'- 磷酸二酯键提供所需要的能量。可见辅酶I 与辅酶Ⅱ在细胞物质与能量代谢中起着不可替代的重要作用。
图 4 －2 烟酰胺辅酶的结构和氧化－还原状态氢负离子（H —：一个质子和两个电子）转移给
NAD + 生成NADH
（三）黄素辅酶FMN 与FAD
黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN ）和黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide ，FAD ）是核黄素(riboflavin ，即维生素B 2 ) 在生物体内的存在形式，是细胞内一类称为黄素蛋白的氧化还原酶的辅基，因此也称为黄素辅酶，其分子结构见图4-3 。核黄素是核醇与7, 8- 二甲基异咯嗪缩合物。由于在异咯嗪的 1 位和 5 位N 原子上具有两个活泼的双键，故易发生氧化还原反应。因此，它有氧化型和还原型两种形式，其分子结构与氧化还原机制见图
4-4 ，
图 4 －3 FMN 和FAD 的分子结构
黄素辅酶是比NAD + 和NADP + 更强的氧化剂，能被 1 个电子和 2 个电子途径还原，并且很容易被分子氧重新氧化。黄素辅酶可以 3 种不同氧化还原状态的任一种形式存在。完全氧化型的黄素辅酶为黄色，l max 为450 nm ，通过 1 个电子转移，可将完全氧化型的黄素辅酶转变成半醌（semiquinone ），半醌是一个中性基，l max 为570 nm ，呈蓝色；第二个电子转移将半醌变成完全还原型无色二氢黄素辅酶（见图4-4 ）。
图4-4 FAD 和FMN 的氧化还原型
黄素辅酶与许多不同的电子受体和供体一起，通过 3 种不同的氧化还原状态参与电子转移反应，在细胞的物质与能量代谢的氧化还原过程中发挥传递电子与氢的功能，促进糖、脂肪和蛋白质的代谢。
二、微生物的主要产能代谢途径与能量转换方式
微生物产能代谢可分为发酵、呼吸（含有氧呼吸与无氧呼吸）两类代谢途径，以及底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化三种化能与光能转换为生物通用能源的能量转换方式。
（一）微生物中自葡萄糖形成丙酮酸的糖酵解
微生物以葡萄糖为底物时都要经历将葡萄糖转化为丙酮酸的糖酵解过程。这一过程的代谢途径主要有EMP 、HMP 、ED 、PK 、HK 和Stickland 等途径。这些途径中释放的可被利用的能量，部分是通过底物水平磷酸化生成ATP 等，部分被转移至递能分子中形成还原力[ H ] 。在微生物中，进行能量代谢的途径具有丰富的多样性。
1 、EMP 途径及其终产物和发酵产能
EMP 途径(Embden — Meyerhof pathway) 以葡萄糖为起始底物，丙酮酸为其终产物，整个代谢途径历经10 步反应，分为两个阶段：
EMP 途径的第一阶段为耗能阶段。在这一阶段中，不仅没有能量释放，还在以下两部步反应中消耗 2 分子ATP ：在葡萄糖被细胞吸收运输进入胞内的过程中，葡萄糖被磷酸化，消耗了 1 分子ATP ，形成6- 磷酸葡萄糖；6- 磷酸葡萄糖进一步转化为6- 磷酸果糖后，再一次被磷酸化，形成1, 6- 二磷酸果糖，此步反应又消耗了 1 分子ATP 。而后，在醛缩酶催化下，1, 6- 二磷酸果糖裂解形成 2 个三碳中间产物：3- 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。在细胞中，磷酸二羟丙酮为不稳定的中间代谢产物，通常很快转变为3- 磷酸甘油醛而进入下步反应。
因此，在第一阶段实际是消耗了 2 分子ATP ，生成 2 分子3- 磷酸甘油醛；这一阶段为第二阶段的进一步反应做准备，故一般称为准备阶段。
EMP 途径的第二阶段为产能阶段。在这第二阶段中，3- 磷酸甘油醛接受无机磷酸被进一步磷酸化，此步以NAD + 为受氢体发生氧化还原反应，3- 磷酸甘油醛转化为1, 3- 二磷酸油甘酸；同时，NAD + 接受氢（2e + 2H + ）被还原生成NADH 2 。与磷酸己糖中的有机磷酸键不同，二磷酸甘油酸中的 2 个磷酸键为高能磷酸键，在1, 3- 二磷酸甘油酸转变成3- 磷酸甘油酸及随后发生的磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸的 2 个反应中，发生能量释放与转化，各生成 1 分子ATP 。EMP 途径的各个反应步骤见图4-5 。
图4-5 EMP 途径及某些微生物以丙酮酸为底物的发酵产能
综上所述，EMP 途径以 1 分子葡萄糖为起始底物，历经10 步反应，产生 4 分子ATP ，由于在反应的第一阶段消耗 2 分子ATP ，故净得 2 分子ATP ；同时生成 2 分子NADH 2 和为分子丙酮酸。
EMP 途径是微生物基础代谢的重要途径之一。必需指出，从现象看，似乎只要有源源不断的葡萄糖提供给细胞，它就可产生大量的ATP 、丙酮酸、NADH 2 。其实不然，因为，只要是氧化还原反应，其氧化反应与还原反应两者是相偶联与平衡的。在细胞内，EMP 途径的第二阶段始有底物释放电子的氧化反应发生，消耗 2 分子氧化态的NAD + ，产生 2 分子还原态的NADH 2 。但若要保持EMP 途径持续运行，必须有底物还原吸纳电子与氢，使NADH 2 氧化再生成氧化态NAD + ，以有足够的氧化型NAD + 作为受氢体再循环参与3- 磷酸甘油醛转化为1,3- 二磷酸油甘酸的脱氢氧化反应，从而保持氧化还原反应的持续平衡进行，同时不断生成ATP ，以供细胞生命活动中能量之所需。因此，在保证葡萄糖供给的条件下，胞内NADH 2 氧化脱氢（2e - + 2H + ）后，受氢体的来源与数量成为EMP 途径能否持续运行的决定性条件，否则，EMP 途径的运行将受阻。
在微生物中，使EMP 途径顺畅运行的受氢体主要有两类：
一是在有氧条件下，以氧作为受氢体。NADH 2 途经呼吸链脱氢氧化，最终生成H 2 O 和氧化态NAD + ，而在NADH 2 途经呼吸链过程中生成ATP （将在“呼吸作用”节中详述）。
二是在无氧条件下发酵时，以胞内中间代谢物为受氢体。还原态的NADH 2 被氧化，生成氧化态NAD + 和分解不彻底的还原态中间代谢产物。如在无氧条件下的乳酸细菌中，丙酮酸作为受氢体被还原成乳酸（见图4-5 第11 步反应）。又如在酵母细胞中，丙酮酸经脱羧生成乙醛与CO 2 后，在NADH 2 参与下，乙醛作为受氢体被还原生成乙醇和氧化态NAD + （见图4-5 第12 、13 步反应）。在一些肠细菌中还生成多种副产物（见图4-5 第14 、15 步反应）。
由上可知，微生物在无氧条件下的能量代谢，极为重要的是图4-5 中的第三阶段，即丙酮酸后的发酵。没有丙酮酸后的发酵，细胞在无氧条件下难于持续获得生长与代谢需要的能量，此即发酵产能的实质内涵。但ATP 的生成以EMP 途径的第二阶段为主，因此，EMP 是微生物在无氧条件下发酵产能的重要途径。
绝大多数微生物都有EMP 途径，包括大部分厌氧细菌，如梭菌（Clostridium ），螺旋菌（Spirillum ）等；兼性好氧细菌，如大肠杆菌（ E. coli ）；以及专性好氧细菌等。
EMP 途径及随后的发酵，能为微生物的代谢活动提供ATP 和NADH 2 外，其中间产物又可为微生物细胞的一系列合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。
2 ．HMP 途径
HMP 途径（hexose monophosphate pathway ）是从6- 磷酸葡萄糖为起始底物，即在单磷酸己糖基础上开始降解，故称为单磷酸己糖途径，简称为HMP 途径。HMP 途径与EMP 途径密切相关，因为HMP 途径中的3- 磷酸甘油醛可以进入EMP ，因此该途径又可称为磷酸戊糖支路。HMP 途径的反应过程见图4-6 。
HMP 途径也可分为两个阶段：
第一阶段即氧化阶段：从6- 磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解、氧化脱羧生成5- 磷酸核酮糖和二氧化碳。即图4-6 中(1) ～(4) 的阶段。
第二阶段即非氧化阶段：为磷酸戊糖之间的基团转移，缩合（分子重排）使6- 磷酸己糖再生。即图4-6 中(5) ～(13) 的阶段。
HMP 途径的特点：
①HMP 途径是从6- 磷酸葡萄糖酸脱羧开始降解的，这与EMP 途径不同，EMP 途径是在二磷酸己糖基础上开始降解的。
②HMP 途径中的特征酶是转酮酶和转醛酶。
转酮酶催化下面 2 步反应：
5- 磷酸木酮糖+ 5- 磷酸核糖3- 磷酸甘油+ 7- 磷酸景天庚酮糖
5- 磷酸木酮糖+ 4- 磷酸赤藓糖3- 磷酸甘油醛+ 6- 磷酸果糖转醛酶催化下面一步反应：
7- 磷酸景天庚酮糖+ 3- 磷酸甘油醛4- 磷酸赤癣糖+ 6- 磷酸果糖
③HMP 途径一般只产生NADPH 2 ，不产生NADH 2 。
④HMP 途径中的酶系定位于细胞质中。
HMP 途径的一个循环的结果是1 分子6- 磷酸葡糖糖最终转变成1 分子3- 磷酸甘油醛，3 分子CO 2 和6 分子NADPH 2 。
图4-6 HMP 途径
HMP 途径的生理功能主要有：
①为生物合成提供多种碳骨架。5- 磷酸核糖可以合成嘌呤、嘧啶核苷酸，进一步合成核酸，5- 磷酸核糖也是合成辅酶[ NAD （P ），FAD （FMN ）和CoA ] 的原料，4- 磷酸赤癣糖是合成芳香族氨基酸的前体。
②HMP 途径中的5- 磷酸核酮糖可以转化为 1 ，5- 二磷酸核酮糖，在羧化酶催化下固定二氧化碳，这对于光能自养菌和化能自养菌具有重要意义。
③为生物合成提供还原力（NADPH 2 ）。
大多数好氧和兼性厌氧微生物中都具有HMP 途径，而且在同一种微生物中，EMP 和HMP 途径常同时存在，单独具有EMP 或HMP 途径的微生物较少见。EMP 和HMP 途径的一些中间产物也能交叉转化和利用，以满足微生物代谢的多种需要。
微生物代谢中高能磷酸化合物如ATP 等的生成是能量代谢的重要反应，而并非能量代谢的全部。HMP 途径在糖被氧化降解的反应中，部分能量转移，形成大量的NADPH 2 ，为生物合成提供还原力，同时输送中间代谢产物。虽然 6 个6- 磷酸葡萄糖分子经HMP 途径，再生 5 个6- 磷酸葡萄糖分子，产生 6 分子CO 2 和P i ，并产生12 个NADPH 2 ，这12 个NADPH 2 如经呼吸链氧化产能，最终可得到36 个ATP 。HMP 途径的主要功能是为生物合成提供还原力和中间代谢产物，同时与EMP 一起，构成细胞糖分解代谢与有关合成代谢的调控网络。
3 ．ED 途径
ED 途径（Entner-Doudoroff pathway ）是恩纳（Entner ）和道特洛夫（Doudoroff ，1952 年）在研究嗜糖假单胞菌( Pseudomonas saccharophila ) 时发现的。
在这一途径中，6- 磷酸葡萄糖先脱氢产生6- 磷酸葡萄糖酸，后在脱水酶和醛缩酶的作用下，生成 1 分子3- 磷酸甘油醛和 1 分子丙酮酸。3- 磷酸甘油醛随后进人EMP 途径转变成丙酮酸。
1 分子葡萄糖经ED 途径最后产生
2 分子丙酮酸，以及净得各1 分子的ATP 、NADPH 2 和NADH 2 。ED 途径见图4-7 。
ED 途径的特点是：
①2- 酮-3- 脱氧-6- 磷酸葡萄糖酸（KDPG ）裂解为丙酮酸和3- 磷酸甘油醛是有别于其它途径的特征性反应。
②2- 酮-3- 脱氧-6- 磷酸葡萄糖酸醛缩酶是ED 途径特有的酶。
③ED 途径中最终产物，即 2 分子丙酮酸，其来历不同。 1 分子是由2- 酮-3- 脱氧-6- 磷酸葡萄糖酸直接裂解产生，另 1 分子是由磷酸甘油醛经EMP 途径获得。这 2 个丙酮酸的羧基分别来自葡萄糖分子的第一与第四位碳原子。
④1mol 葡萄糖经ED 途径只产生 1 mol ATP ，从产能效率言，ED 途径不如EMP 途径。
图4-7 ED 途径及其与EMP 、HMP 、TCA 关系
表4-6 示EMP 、HMP 、ED 途径的特点比较。
表4-6 EMP 、HMP 、ED 途径比较
在革兰氏阴性的假单胞菌属的一些细菌中，ED 途径分布较广，如嗜糖假单胞菌（Pseudomonas saccharophila ），铜绿假单细胞（Ps ．aeruginosa ），荧光假单胞菌（Ps. fluorescens ），林氏假单胞菌（Ps. lindneri ）等。固氮菌的某些菌株中也存在ED 途径。
表4-7 表明了EMP ，HMP 和ED 途径在某些微生物中存在的百分比。表中可见，HMP 途径一般是与EMP 途径并存，但ED 途径可不依赖于EMP 和HMP 途径而独立存在。
表4-7 EMP 、HMP 、ED 等糖代谢途径在微生物中的分布
微生物
不同途径的分布（％）
EMP HMP ED
啤酒酵母
产脱假丝酵母
灰色链霉菌
产黄青霉
大肠杆菌
藤黄八叠球菌
枯草杆菌
铜绿假单胞菌
氧化醋单胞菌
运动发酵单胞菌
嗜糖假单胞菌
88
66-81
97
77
72
70
74
-
-
-
-
12
19-34
323
28
30
26
29
100
-
-
-
-
-
-
-
-
-
71
-
100
100
4. WD 途径
WD 途径是由沃勃（Warburg ）、狄更斯（Dickens ）、霍克（Horecker ）等人发现的，故称WD 途径。由于WD 途径中的特征性酶是磷酸解酮酶（Phosphoketolase ），所以又称磷酸解酮酶途径。根据磷酸解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的叫PK 途径，把具有磷酸已糖解酮酶的叫HK 途径。
肠膜状明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides ），就是经PK 途径利用葡萄糖进行异型乳酸发酵生成乳酸、乙醇和CO 2 ( 图4-8) 。
图4-8 磷酸戊糖解酮酶（PK ）途径
而两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum ）则是利用磷酸已糖解酮酶途径分解葡萄糖产生乙酸和乳酸的，见图4-9 磷酸已糖解酮酶HK 途径。
图4-9 磷酸已糖解酮酶HK 途径
5. Stickland 反应
上述 4 条途径均是以糖类为起始底物的代谢途径。而早在1934 年，L. H. Stickland 发现，某些厌氧梭菌如生孢梭菌（Clostridium sporogenes ）等，可把一些氨基酸当作碳源、氮源和能源。这是以一种氨基酸作氢供体，另一种氨基酸作为氢受体进行生物氧化并获得能量的发酵产能方式。后将这种独特的发酵类型，称为Stickland 反应。Stickland 反应是经底物水平磷酸化生成ATP ，其产能效率相对较低。在Stickland 反应中，作为供氢体的有多种氨基酸，如丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸和色氨酸等，作为受氢体的主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、色氨酸和精氨酸等。Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的Stickland 反应途径见图4-10 。
图4-10 Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的Stickland 反应
（二）发酵与底物水平磷酸化
1 、发酵
发酵（fermentation ）有广义与狭义两种概念。广义的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下利用营养物生长繁殖并生产人类有用产品的过程。例如发酵工业上用苏云金芽孢杆菌等生产生物杀虫剂，利用酵母菌生产面包酵母或酒精，利用链霉菌生产抗生素等通称为发酵。而狭义的发酵仅仅是指微生物生理学意义上的，它一般是指微生物在无氧条件下利用底物代谢时，将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给底物本身未彻底氧化的中间产物，生成代谢产物并释放能量的过程。这里讨论的是狭义的发酵。
在发酵过程中，供微生物发酵的底物通常是多糖经分解而得到的单糖，以己糖和戊糖等糖类为多见，葡萄糖是发酵最为常用的底物，另有有机酸、氨基酸等。
在葡萄糖转化为丙酮酸后，厌氧微生物和无氧条件下的兼性厌氧微生物可以不同的途径将丙酮酸转化为多种发酵产物。乳酸细菌可以将丙酮酸还原为乳酸。酵母菌将丙酮酸脱羧形成乙醛，再由乙醛还原形成乙醇。丁酸弧菌属( Butyrivibrio ) 、真杆菌属( Eubacterium ) 和羧状芽孢杆菌属（Clostridium ）的一些种如丁酸羧菌（ C.butyricum ）、克氏羧菌( C.kluyveri ) 等，通过将丙酮酸脱羧并辅酶 A 化形成乙酰-CoA ，然后 2 个乙酰-CoA 缩合为乙酰乙酰CoA ，在经过多个步骤形成丁酸。也可由多种肠道细菌将丙酮酸发酵为包括甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、乙醇、丙三醇、2, 3- 丁二醇、3- 羟丁酮等多种有机酸和醇的混合酸。
2 、发酵途径中的底物水平磷酸化
在发酵途径中，通过底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation, SLP) 合成ATP ，是营养物质中释放的化学能转换成细胞可利用的自由能的主要方式。底物水平磷酸化是指ATP 的形成直接由一个代谢中间产物上的高能磷酸基团转移到ADP 分之上的作用，见图4-11 。
图4-11 底物水平磷酸化生成ATP 的反应
在上述发酵过程中，形成的富能中间产物如磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰CoA 等酰基类物，通过底物水平磷酸化形成ATP 。底物水平磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程的某些步骤中。如在EMP 途径中，1, 3- 二磷酸甘油酸转变为3- 磷酸甘油酸以及磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中，均通过底物水平磷酸化分别产生 1 分子ATP 。在三羧酸循环中（图4-13 ），琥珀酰辅酶 A 转变为琥珀酸时通过底物水平磷酸化生成 1 分子高能磷酸化合物GTP 。
3 、微生物发酵代谢的多样性
在无氧条件下发酵时，不同微生物在以糖类为底物的重要代谢途径中，其终端产物或中间产物进一步发酵产能代谢的途径呈现出丰富的多样性，即使同一微生物利用同一底物发酵时也可能形成不同的末端产物。
如酵母菌利用葡萄糖进行的发酵，可根据不同条件下代谢产物的不同分为三种类型：
Ⅰ型发酵：酵母菌将葡萄糖经EMP 途径降解生成 2 分子终端产物丙酮酸，后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使NADH 2 氧化生成NAD + ，同时乙醛被还原生成乙醇，这种发酵类型称为酵母的Ⅰ型发酵。
在酒精工业上，就是利用酿酒酵母（S. cerevisiae ）的Ⅰ型发酵，主要以淀粉等碳水化合物降解后的葡萄糖等可发酵性糖为底物生产酒精的。酿酒酵母细胞从细胞外每输入 1 分子葡萄糖，在无氧条件下，经EMP 途径及随后的反应，最终生成 2 分子乙醇与 2 分子的CO 2 ，并将乙醇与CO 2 从胞内排出至胞外发酵液中。在酿酒酵母细胞内，这一反应每运行一次，生成的4 分子ATP ，其中 2 分子在下一轮分别用于第一阶段的第一和第三步的耗能反应，其余 2 分子ATP 用于细胞生命活动的其它能量需要。而NAD + 作为受氢体和氢载体，在3- 磷酸甘油醛氧化生成1, 3- 二磷酸甘油酸和乙醛还原生成乙醇这两步反应之间往返循环，推动反应持续进行。同时还有大量的热能释放，使发酵液的温度上升。
Ⅱ型发酵：当环境中存在亚硫酸氢钠时，亚硫酸氢钠可与乙醛反应，生成难溶的磺化羟基乙醛，该化合物失去了作为受氢体使NADH 2 脱氢氧化的性能，而不能形成乙醇，转而使磷酸二羟丙酮替代乙醛作为受氢体，生成 a - 磷酸甘油，a - 磷酸甘油进一步水解脱磷酸生成甘油。此称为酵母的Ⅱ型发酵。这是利用酵母菌工业化生产甘油的“经典”途径。但在实际上，酵母所处环境中的高浓度亚硫酸氢钠可抑制酵母细胞的生长与代谢，致使甘油发酵效率低。在要求酵母生长代谢活力与甘油发酵效
率两者兼顾时，应控制较低浓度的亚硫酸氢钠，这样就不使100% 的乙醛与亚硫酸氢钠反应，生成磺化羟基乙醛，而尚有部分乙醛被还原生成乙醇。
Ⅲ型发酵：葡萄糖经EMP 途径生成丙酮酸，后脱羧生成乙醛，如处于弱碱性环境条件下(pH 7.6) ，乙醛因得不到足够的氢而积累，2 个乙醛分子间发生歧化反应，1 分子乙醛作为氧化剂被还原成乙醇，另 1 个则作为还原剂被氧化为乙酸。而磷酸二羟丙酮作为NADH 2 的氢受体，使NAD + 再生，产物为乙醇、乙酸和甘油。
Ⅱ型发酵与Ⅲ型发酵产能较少，一般在非生长情况下才能进行。
许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为乳酸细菌。根据产物的不同，乳酸发酵也有两种类型，即发酵产物只有乳酸的同型乳酸发酵和发酵产物除乳酸外还有乙酸、乙醇和CO 2 等的异型乳酸发酵。
（三）呼吸产能代谢
在物质与能量代谢中底物降解释放出的高位能电子，通过呼吸链（也称电子传递链）最终传递给外源电子受体O 2 或氧化型化合物，从而生成H 2 O 或还原型产物并释放能量的过程，称为呼吸或呼吸作用（respiration ）。在呼吸过程中通过氧化磷酸化合成ATP 。呼吸与氧化磷酸化是微生物特别是好氧性微生物产能代谢中形成ATP 的主要途径。在呼吸作用中，NAD 、NADP 、FAD 和FMN 等电子载体是呼吸链电子传递的参与者。因此，它们在呼吸产能代谢中发挥着更为重要的作用。
呼吸又可根据在呼吸链末端接受电子的是氧还是氧以外的氧化型物质，将它分为有氧呼吸与无氧呼吸两种类型。以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸(aerobic respiration) ，而以氧以外的外源氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸(anoxic respiration) 。
呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：呼吸作用中，电子载体不是将电子直接传递给被部分降解的中间产物，而是与呼吸链的电子传递系统相偶联，使电子沿呼吸链传递，并达到电子传递系统末端交给最终电子受体，在电子传递的过程中逐步释放出能量并合成ATP 。微生物通过呼吸作用能分解的有机物种类繁多，包括碳水化合物、脂肪酸、氨基酸和许多醇类等等。
1 、呼吸链与氧化磷酸化
呼吸链与氧化磷酸化紧密偶联，在产能代谢中起着不可替代的重要作用。
（ 1 ）呼吸链及其组分与分布
电子从NADH 或FADH 2 到O 2 的传递所经过的途径称为呼吸链(respiratory chain) ，也称电子传递链（electron transport chain ）。呼吸链主要由蛋白质复合体组成，大致分为 4 个部分，分别称为NADH-Q 还原酶（NADH-Q reductase ）、琥珀酸-Q 还原酶（succinate - Q reductase ）、细胞色素还原酶（cytochrome reductase ）和细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase ）。典型的呼吸链组分及其在链中的排列顺序、电子传递方向见下列流程与图4-12 。此外，还有一些非蛋白的电子载体，如脂溶性醌类等。
NAD(P)-FP( 黄素蛋白)- Fe-S( 铁硫蛋白)- CoQ （辅酶Q)-Cyt b-Cyt c -Cyt a-Cyt a3
图4-12 典型的呼吸链与ATP 合成酶复合体
图4-12 中复合体Ⅰ(complex Ⅰ) 为NADH-Q 还原酶，又称为NADH 脱氢酶(NADH dehydrogenase) ，简称为复合体Ⅰ，是一个MW 为88 000Da 的大蛋白质分子。FMN 、CoQ 、NAD 均为NADH-Q 还原酶的辅酶。NAD 是不与内膜紧密结合而自由扩散的电子传递链组分。此酶的作用是先与NADH 结合并将NADH 上的两个高势能电子转移到FMN 辅基上，使NADH 氧化，并使FMN 还原。
复合体Ⅱ(complex Ⅱ) 是琥珀酸-Q 还原酶，位于线粒体内膜的酶蛋白。完整的酶还包括柠檬酸循环中使琥珀酸氧化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。FADH 2 为该酶的辅基，在传递电子时，FADH 2 将电子传递给琥珀酸脱氢酶分子的铁- 硫蛋白。电子经过铁- 硫蛋白又传递给CoQ 从而进人了电子传递链。
复合体Ⅲ(complex Ⅲ) 为细胞色素还原酶，又称辅酶-Q 细胞色素 c 还原酶(coenzyme Q –cytochrome reductase) 、细胞色素bc 1 复合体（cytochrome bc 1 complex ）或简称bc 1 等。除了极少数的专性厌氧微生物(obligate anaerobes) 外，细胞色素几乎存在于所有的生物体内。细胞色素还原酶通过接受和送走电子的方式传递高势能的电子。
复合体Ⅳ(complex Ⅳ) 为细胞色素氧化酶。细胞色素氧化酶又称为细胞色素 c 氧化酶（cytochrome c oxidase ）。其功能是接受细胞色素 c 传过来的电子并最终交给O 2 ，经过一系列反应生成H 2 O 。
在真核微生物中，呼吸链的成分大多位于线粒体内膜上，在原核生物中位于细胞质膜上。
（ 2 ）、电子传递与ATP 合成部位
电子传递和形成ATP 的偶联机制称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation ）或称电子转移磷酸化(electron transfer phosphorylation, ETP) 。氧化磷酸化是电子在沿着电子传递链传递过程中所伴随的，将ADP 磷酸化而形成ATP 的过程。
以NADH 为起端的电子传递链上，释放自由能的部位有 3 处：由复合体I 将NADH 放出的电子经FMN 传递给CoQ 的过程是第 1 个ATP 合成部位；第 2 个部位是复合体Ⅲ，它将电子
由CoQ 传递给细胞色素 c 的过程中合成ATP ；第 3 个ATP 合成部位是复合体Ⅳ，其将电子从细胞色素 c 传递给氧的过程中合成ATP 。
从图4-12 可见，FADH 2 氧化释放的电子未经FMN 而直接交给CoQ ，因为，琥珀酸-Q 还原酶将电子从FADH 2 转移到CoQ 上的标准氧还电势变化（电势差）所蕴含的自由能不足以合成一个ATP 。故该电子依次继续向细胞色素系统传递至Cyt c 的过程中才形成合成 1 个ATP 。因此，凡以FADH 2 所携带的高势能电子传经呼吸链仅生成 2 个ATP （见图4-12 用虚线表示的电子传递路径）。而NADH 所携带的高势能电子传经呼吸链生成 3 个ATP （见图4-12 用实线表示的电子传递路径）。故NADH 提供的电子，其P/O=3 ，而FADH 2 提供的电子，其P/O=2 。
（ 3 ）ATP 合成与ATP 合成酶
ATP 合成是一个复杂的过程。ATP 的合成是由一个位于线粒体、叶绿体、细菌内膜上的ATP 酶来完成的。这个复合体最初被称为线粒体ATP 酶（mitochondrial ATPase ）或称为H-ATP 酶（H + -ATPase ），现被称为ATP 合成酶（ATP synthase, ATPase ）。ATP 合成酶和电子传递酶类不同。电子传递所释放出的自由能必须通过ATP 合成酶转换成可保存的ATP 形式，这种能量的保存和ATP 合成酶对它的转换过程称为能量偶联（energy coupling ）或能量转换（energy conversion ）。ATPase 及其能量的转换见图4-13 所示。
ATPase 由位于膜内的称为F 0 部分和位于膜外的称为F 1 部分及其两者之间的连接部分（也称颈部）组成。膜外部分由 3 个 a 亚基和 3 个 b 亚基隔排依次围绕g 亚基相列组成，ATP 合成的活性位点在 b 亚基上。 b 亚基有3 个不同的构象，即空结合位点的构象、与ADP 和Pi 结合的构象和与ATP 结合的构象。g 也是连接 F 1 和 F 0 的颈部的主要亚基，d 和e 亚基也参与了这一组成。F 0 是位于膜内的一个质子通道。当膜内外形成质子梯度后，质子通过 F 0 质子通道进入 F 1 并驱动 a 亚基和 b 亚基围绕g 亚基作旋转运动，g 亚基与 3 种构象不同的 b 亚基依次接触， b 亚基的构象在与g 亚基的旋转接触过程中不断依次发生变化，即与底物ADP 和Pi 与空位点结合，催化合成ATP 并释放，循环往复。
电子传递与氧化磷酸化作用相偶联是一个不争的事实，但其中的机理问题仍未完全阐明。对此曾有三种假说，即：化学偶联假说（chemical coupling hypothesis ）、结构偶联假说（conformational
图4-13 ATPase 结构（ a ）及其ATP 合成（ b ）
（转引自沈萍主编《微生物学》，高等教育出版社，2000 ）
coupling hypothesis ）和由Michaell 提出的化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 。其中化学渗透假说已获得相对较多的实验证据支持并为较多学者所认同。
就目前所知，电子传递链上氧化磷酸化合成ATP 的大致机制是：电子在呼吸链传递产生的自由能，在特定的部位被称为质子泵（proton pump ）驱动H + 从基质跨过内膜到达膜间隙的一边，从而形成内膜两边电化学电势差，使基质的H ＋浓度低于膜间隙，因而基质形成负电势，而膜间隙形成正电势。这样就形成了电化学梯度即电动势（electromotive force, EMF ），此可称为质子动势或质子动力（protonmotive force, PMF ），这种质子动势蕴含的自由能作为动力，驱动位于内膜中的ATP 合成酶（复合体V ）将H + 从膜间隙一边经质子通道泵回至基质一边，在这一过程中将能量转移给ADP 与P i 合成ATP 。同时降低内膜两边的电化学电势差，并实现H + 的跨膜循环（见图4-12 和4- 13 ）。
（ 4 ）微生物中呼吸链的多样性
微生物作为生物三大类群之一，它是一个种类极其繁多生物世界，某些种类的进化程度差异比较大。这种根本的差异在呼吸链组成与结构等方面有所显现。尤其是异养与自养这两大类微生物的呼吸链组成与结构在某些种属间有较明显的不同，如真核微生物酵母菌具有组成与结构完整的呼吸链（如图4-12 所示），而一些营有氧或无氧呼吸获得能量的自养微生物中的某些代谢类型，其呼吸链较短，有的甚至只有1~2 类氧化还原酶系组成，它们把简单的无机物作为电子供体，这些电子供体直接与位于细胞质膜中的呼吸链组分偶联传递电子，进行氧化磷酸化生成ATP 。其呼吸链组分不全、长度较短，结果是氧化磷酸化生成ATP 的偶联位少，因此，电子流经呼吸链时产能少，根本原因是它们所能利用的无机电子供体所载有的能量大多数较少，这是导致自养型微生物生长比较缓慢的重要原因，见图4-15 。
2 、有氧呼吸产能途径
有氧呼吸也称好氧呼吸，它是最为普遍的生物氧化产能方式。微生物能量代谢中的有氧呼吸可根据呼吸基质即能源物质的性质分为两种类型，一是主要以有机能源物质为呼吸基质的化能异养型微生物中存在的有氧呼吸，二是以无机能源物质为呼吸基质的化能自养型微生物的有氧呼吸。这两种类型的呼吸作用的共同特点是它们的最终电子受体均为氧。
（ 1 ）以有机物为呼吸基质的有氧呼吸
常见的异养微生物最易利用的能源和碳源有葡萄糖等。葡萄糖经EMP 途径酵解形成的丙酮酸，在无氧的条件下经发酵转变成不同的发酵产物，如乳酸、乙醇和CO 2 等，并产生少量能量。但在环境有氧的条件下，细胞行有氧呼吸，丙酮酸先转变为乙酰CoA （acetyl-coenzymeA ，acetyl-CoA ），随即进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle ，简称TCA 循环) ，被彻底氧化生成CO 2 和水，同时释放大量能量，见图4-14 TCA 循环图。
从TCA 循环图与电子传递链产能反应（见图4-12 和4-14 ）可见，1 分子丙酮酸经TCA 循环而被彻底氧化，共释放出 3 分子CO 2 ，生成 4 分子的NADH 2 和 1 分子的FADH 2 ，通过底物水平磷酸化产生 1 分子的GTP 。而每分子NADH 2 经电子传递链，通过氧化磷酸化产生 3 分
子ATP ，每分子FADH 2 经电子传递链通过氧化磷酸化产生 2 分子ATP ，因此， 1 分子的丙酮酸经有氧呼吸彻底氧化，生成ATP 分子的数量为： 4 × 3+1 × 2+1 = 15 。
微生物行有氧呼吸时，葡萄糖的利用首先经EMP 途径生成 2 分子丙酮酸，并经底物水平磷酸化产生 4 分子ATP 和 2 分子NADH 2 。在有氧条件下，EMP 途径中生成 2 分子NADH 2 可进入电子传递链，经氧化磷酸化产生 6 分子ATP 。因此，在有氧条件下，微生物经EMP 途径与TCA 循环，通过底物水平磷酸化与氧化磷酸化，彻底氧化分解1mol 葡萄糖，共产生40mol ATP 。但在EMP 途径中，葡萄糖经 2 次磷酸化生成1, 6- 二磷酸果糖的过程中有 2 步为耗能反应，共消耗了 2 分子ATP ，故净得38mol ATP 。
已知ATP 水解为ADP 释放的能量约为31.8kJ ／mol ，故1mol 葡萄糖被彻底氧化约有 1 208kJ （31.8kJ × 38 ）的能量被转储于ATP 的高能磷酸键中。1mol 葡萄糖被彻底氧化为CO 2 和H 2 O 可释放的总能量约为2 822kJ 。因此好氧微生物通过有氧呼吸利用葡萄糖，其能量利用效率约为43 ％，其余的能量以热等形式散失。可见，生物机体在有氧条件下的能量利用效率极高。
图4-14 三羧酸循环（TCA ）
（ 2 ）以无机物为呼吸基质的有氧呼吸
好氧或兼性的化能无机自养型微生物能从无机化合物的氧化中获得能量。它们能以无机物如NH 4 、NO 2 - 、H 2 S 、S o 、H 2 和Fe 2+ 等为呼吸基质，把它们作为电子供体，氧为最终电子受体，电子供体被氧化后释放的电子，经过呼吸链和氧化磷酸化合成ATP ，为还原同化CO 2 提供能量。因此，化能自养菌一般是好氧菌。这类好氧型的化能无机自养型微生物分别属于氢细菌、硫化
细菌、硝化细菌和铁细菌等。它们广泛分布在土壤和水域中，并对自然界的物质转化起着重要的作用。这些微生物的产能途径见下列化学反应式：
化能自养微生物对底物的要求具有严格的专一性，即用作能源的无机物及其代谢途径缺乏统一性。如硝化细菌不能氧化无机硫化物，同样，硫化细菌也不能氧化氨或亚硝酸。
上述各种无机化合物不仅可作为最初的能源供体，而且其中有些底物（如NH 4 + 、H 2 S 、H 2 等）还可作为质子供体，通过逆呼吸链传递方式形成用于还原CO 2 的还原力（NADH 2 ），但这个过程需要提供能量，是一个消耗ATP 的反应。
与异养微生物比较，化能自养微生物的能量代谢有以下 3 个主要特点：①无机底物的氧化直接与呼吸链相偶联。即无机底物由脱氢酶或氧化还原酶催化脱氢或脱电子后，随即进人呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢有明显差异；②呼吸链更具多样性，不同的化能自养微生物呼吸链组成分与长短往往不一。③产能效率（即P/0 ）一般低于化能异养微生物。
各种无机底物的氧化与呼吸链相偶联的具体位点，决定于被氧化无机底物的氧化还原电位，其氧化后释放的电子进入呼吸链的位置也不一样。上述这些还原态无机物中，除了H 2 的氧化还原电位比NAD + /NADH 对稍低外，其余都明显高于它。因此，化能自养微生物呼吸链氧化磷酸化效率（P/O 比）比较低。图4-15 所示的不同氧化还原电位的无机底物进入呼吸链的可能位点。
图4-15 无机底物氧化时氢或电子进入呼吸链的部位
正向传递产生ATP ，逆向传递则消耗ATP 并产生还原力「H]
3 、无氧呼吸产能途径
无氧呼吸亦称厌氧呼吸。某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下能进行无氧呼吸。在无氧呼吸中，作为最终电子受体的物质不是分子氧，而是NO 3 - 、NO 2 - 、SO 4 2- 、S 2 O 3 2- 、CO 2 等这类外源含氧无机化合物。与发酵不同，无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释
2011环境微生物学考研试题及答案一、名词解释 包含体： 细胞膜： 衣原体： 同宗配合： 酵母菌： 生态系统： 碳源： 拮抗： 菌种复壮： DNA的变性： DNA复制： 根际微生物： 物质流： 类菌体： 硝化细菌： 细菌活性污泥法： 生物反应器：
微生物细胞固定化： 堆肥化： 自生固氮作用： 二、是非题 原噬菌体是整合在宿主DNA上的DNA片段,它不能独立进行繁殖。() 细菌的异常形态是细菌的固有特征。（） 真核微生物比原核微生物更能在高温下生长。（） 芽孢是芽孢细菌的繁殖器官。（） 光合细菌和蓝细菌都是产氧的光能营养型微生物。() 用来固化细菌培养基的多糖是琼脂。() 微生物生长的衰亡期，细胞死亡速率超过细胞分裂速率。() 碱基腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶存在于RNA或DNA，但只RNA中有胸腺嘧啶。() 真菌最适的生长条件是有点碱性的。() 凡是影响微生物生长速率的营养成分均称为生长限制因子。() 三、选择题 1．大部分微生物___。
(a）是原生动物(b）帮助改善生活质量 (c)生活在海洋的底层(d)发现于外层空间 2.噬菌体是一种感染____的病毒。 （a）酵母菌（b）霉菌 （c）放线菌和细菌（d）原生动物 3.G＋菌由溶菌酶处理后所得到的缺壁细胞是___ （a）支原体(b)L型细菌(c)原生质体(d)原生质球 4.下列微生物中，______属于革兰氏阴性菌 （a）大肠杆菌(b)金黄葡萄球菌(c)巨大芽孢杆菌(d).肺炎双球菌5.下列能产游动孢子的霉菌是____。 （a）腐霉(b)毛霉 (c)赤霉(d)青霉 6.硝酸细菌依靠____方式产能。 （a）发酵作用(b)有氧呼吸(c)无氧呼吸(d)光合磷酸化 7.酵母菌适宜的生长pH值为____ (a)5.0-6.0(b)3.0-4.0(c)8.0-9.0(d)7.0-7.5 8.进人三羧酸循环进一步代谢的化学底物是____。 (a)乙醇(b)丙酮酸（c）乙酰CoA(d)三磷酸腺苷 9.称为微好氧菌的那些细菌能___生长。
第五章微生物的代谢 一、名词解释： 01.新陈代谢（metabolism）： 02.合成代谢（anabolism）： 03.分解代谢（catabolism）： 04.生物氧化（biological oxidation）： 05.呼吸作用（respiration）： 06.有氧呼吸（aerobic respiration）： 07.无氧呼吸（anaerobic respiration）： 08.发酵（fermentation）： 09.底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）： 10.氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）： 11.光合磷酸化（photophosphorylation）： 12.呼吸链（respiratory chain, RC）： 13.糖酵解（glycolysis）： 14.CO2的固定： 15.生物固氮： 16.Stickland反应： 17.初级代谢： 18.次级代谢： 二、填空题： 01.生物体内葡萄糖被降解为丙酮酸的过程称为（），主要分为四种途径：
（）、（）、（）和（）。 02.EMP途径中，第一阶段是一分子葡萄糖被裂解成2个三碳化合物，即 （）和（），并消耗掉2分子ATP。 03.EMP途径中，第二阶段甘油醛-3-磷酸转化为1, 3-二磷酸甘油酸是（） 反应，辅酶（）接受氢原子，形成（）。 04.分子的葡萄糖通过EMP途径可产生（）分子丙酮酸，（）分子 ATP和（）个NADH。 05.一分子葡萄糖经有氧呼吸彻底氧化可产生（）个ATP；每一分子葡萄 糖通过酵母菌进行乙醇发酵产生（）个ATP；通过德氏乳酸杆菌进行正型乳酸发酵可产生（）个ATP。 06.HMP途径的一个循环的最终结果是1分子葡萄糖-6-磷酸转变成（） 分子甘油醛-3-磷酸、（）分子CO2和（）分子NADH。 07.HMP途径可为合成代谢提供（）和（）。 08.ED途径是在研究嗜糖假单胞菌时发现的。通过该途径1分子葡萄糖最后生 成（）分子丙酮酸、（）分子ATP、（）分子NADPH和NADH。 09.ED途径中关键性酶是（）；HMP途径中的关键性酶是（）；EMP 途径中关键性酶是（）。 10.ED途径产生的物质有：（）、（）、（）和小分子碳架 （）、（）、（）、（）等。 11.磷酸解酮酶途径是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分（）和 （）途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。根据该酶的不同，把具
第十四授课单元 一、教学目的 使学生了解呼吸与发酵作用，重点讲解微生物代谢的特殊性，联系在食品和发酵生产上的应用，注意体现微生物不同发酵类型及代谢的特点。 二、教学内容（第六章微生物的新陈代谢 第一节微生物的产能代谢) 1. 代谢概论简单介绍新陈代谢的概念，同化作用和异化作用。 2. 微生物的产能代谢：重点介绍化能异养微生物生物氧化的三种产能方式，即发酵、有氧呼吸和无氧呼吸， 3. 介绍乙醇发酵（酵母菌的乙醇发酵途径和运动发酵单胞菌的乙醇发酵途径）、乳酸发酵（同型乳酸发酵和异型乳酸发酵）、甘油发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵及丁二醇发酵； 三、教学重点、难点及处理方法 重点:化能异养微生物生物氧化的三种产能方式，即发酵、有氧呼吸和无氧呼吸，介绍乙醇发酵（酵母菌的乙醇发酵途径和运动发酵单胞菌的乙醇发酵途径）、乳酸发酵（同型乳酸发酵和异型乳酸发酵）、甘油发酵、丙酮丁醇发酵、混合酸发酵及丁二醇发酵；由于学生在生物化学课程中已经学过各种代谢途径，因此在微生物学中不再作为重点讲解。本章内容主要使学生了解呼吸与发酵作用，重点讲解微生物代谢的特殊性，联系在食品和发酵生产上的应用，注意体现微生物不同发酵类型及代谢的特点。 难点: 化能异养微生物生物氧化的三种产能方式，即发酵、有氧呼吸和无氧呼吸的区别。尤其是发酵的概念, 学生只是在现实生活中知道这个名词, 但是不清楚其确切的生物学含义, 指在能量代谢或生物氧化中，在无氧条件下，底物（有机物）氧化释放的氢（或电子）不经呼吸链传递，而直接交给某种未完全氧化的中间产物的一类低效产能过程。实质: 底物水平磷酸化产生ATP. 另外, 联系食品和发酵生产上应用的发酵类型及代谢特点更有助于学生理解发酵的概念实质及发酵的特点. 有氧呼吸与无氧呼吸的概念, 并介绍无氧呼吸中硝酸根（反硝化作用）、硫酸根作为最终电子受体的呼吸特点，介绍不同呼吸类型的微生物。介绍化能自养微生物的生物氧化特点，光能自养微生物的光合磷酸化途径（循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化和嗜盐菌紫膜的光合作用）。 四、板书设计 第六章微生物的新陈代谢 第一节代谢概论 能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的 最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源------ATP。 这就是产能代谢。 有机物化能异养微生物 最初 能源还原态无机物化能自养微生物通用能源ATP 日光: 光能营养微生物 第二节糖的代谢
天津科技大学 二OO九年攻读硕士学位研究生入学考试 考试科目804微生物学（A） 一、名词解释（每小题2分，10个小题，共20分） 1、芽孢 2、趋化性 3、基内菌丝 4、基团转位 5、消毒 6、抗生素 7、巴斯德效应 8、松弛型质粒 9、移码突变 10、单克隆抗体 二、填空（每小题1分，50个空，共50分） 1、荷兰商人（）作为第一个制作显微镜的人，利用其自制的显微镜首先观察到了微生物。 2、大肠杆菌的学名为（），大肠杆菌经革兰氏染色后，菌体呈（）色。 3、革兰氏阴性细菌的细胞壁分内外两层，内层成分是（）；外层称外膜，成分是（）、（）和（）。 4、细菌细胞内的异染粒是（）的聚合物，其功能是贮藏（）和（）。 5、自然界产生抗生素最多的微生物类群是（），尤其是其中的（）属。 6、酵母菌最普遍的无性繁殖方式是（），有性繁殖方式是（）。 7、较为典型的产生匍匐菌丝和假根的代表菌是（）和（），假根的作用是（）。 8、病毒衣壳的对称体制有：（）对称、（）对称、（）对称。 9、噬菌体的核酸种类是（），其中由12个氨基酸组成的末端称为（）。 10、微生物的生长因子一般指以下三大类物质：（）、（）、（）。 11、在生物氧化和能量代谢中，发酵仅是指在（）条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经过（）传递而直接交给某一内源性中间代谢产物的一类低效产能反应。 12、控制连续培养的方法主要有两类，即恒化连续培养和恒浊连续培养，前者可以得到（）生长速率的细胞，后者可以得到（）生长速率的细胞。 13、巴斯德消毒法是基于（）菌的致死条件为62℃、15min而定的。 14、根据微生物与氧的关系，可将微生物分为好氧菌和厌氧菌两大类，其中好氧菌可细分为3类，即（）、（）和（）；厌氧菌可细分为2类。即（）和（）。 15、不涉及遗传物质结构改变而只发生在转录、转译水平上的表型变化，称为（）。 16、基因突变的自发性和不对应性曾有三个著名实验予于证明，它们是：（）、（）和（）。 17、在诱变育种中，出发菌株经诱变处理后常需要进行中间培养，目的在于（）。 18、与营养缺陷型有关的菌株有三种：从自然界分离到的任何菌种的原始菌株称为（）；它经过诱变剂处理后所发生的丧失某酶合成能力的菌株称为（）；再经回复突变或重组后的菌株称为（）。 19、常见的“三致”是指（）、（）和（）作用，目前检出某试样有否“三致”的简便、快速而高效的试验是（）。 20、细菌性病原体产生的毒素可分为（）和（）。 21、微生物种的学名一般以（）法表示。
2018环境微生物学考研试题及答案一、名词解释 包含体： 细胞膜： 衣原体： 同宗配合： 酵母菌： 生态系统： 碳源： 拮抗： 菌种复壮： DNA的变性： DNA复制： 根际微生物： 物质流： 类菌体： 硝化细菌： 细菌活性污泥法： 生物反应器： 微生物细胞固定化： 堆肥化：
自生固氮作用： 二、是非题 原噬菌体是整合在宿主DNA上的DNA片段,它不能独立进行繁殖。( > 细菌的异常形态是细菌的固有特征。( > 真核微生物比原核微生物更能在高温下生长。( > 芽孢是芽孢细菌的繁殖器官。( > 光合细菌和蓝细菌都是产氧的光能营养型微生物。( > 用来固化细菌培养基的多糖是琼脂。( > 微生物生长的衰亡期，细胞死亡速率超过细胞分裂速率。( > 碱基腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶存在于RNA或DNA，但只RNA中有胸腺嘧啶。( > 真菌最适的生长条件是有点碱性的。( > 凡是影响微生物生长速率的营养成分均称为生长限制因子。( > 三、选择题 1.大部分微生物___。 (a>是原生动物(b>帮助改善生活质量 (c>生活在海洋的底层(d>发现于外层空间 2.噬菌体是一种感染____的病毒。 (a>酵母菌(b>霉菌 (c>放线菌和细菌(d>原生动物 3.G+菌由溶菌酶处理后所得到的缺壁细胞是___
(a>支原体(b>L型细菌(c>原生质体(d>原生质球 4.下列微生物中，______属于革兰氏阴性菌 (a>大肠杆菌(b>金黄葡萄球菌(c>巨大芽孢杆菌(d>.肺炎双球菌 5.下列能产游动孢子的霉菌是____。 (a>腐霉(b>毛霉 (c>赤霉(d>青霉 6.硝酸细菌依靠____方式产能。 (a>发酵作用(b>有氧呼吸(c>无氧呼吸(d>光合磷酸化 7.酵母菌适宜的生长pH值为____ (a>5.0-6.0(b>3.0-4.0(c>8.0-9.0(d>7.0-7.5 8.进人三羧酸循环进一步代谢的化学底物是____。 (a>乙醇(b>丙酮酸(c>乙酰CoA(d>三磷酸腺苷 9.称为微好氧菌的那些细菌能___生长。 (a>在高浓度盐中(b>在低浓度氧中 (c>没有ATP或葡萄糖(d>只在有病毒时 10.深层穿刺接种细菌到试管固体培养基中____。 (a>提供厌氧菌生长条件(b>除去代谢废物的一个机会 (c>增加氧气(d>增加钾和钠离子的数目 11.微生物分批培养时，在延迟期_____ (a>微生物的代谢机能非常不活跃(b>菌体体积增大 (c>菌体体积不变(d>菌体体积减小 12.下面所有特征皆适用于胞嘧啶和胸腺嘧啶，除了___之外。
微生物的代谢及其调控
1微生物的代谢 微生物代谢包括微生物物质代谢和能量代谢。 1.1微生物物质代谢 微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。 1.1.1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。—般可将分解代谢分为TP。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；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；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ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。 1.1.1.1大分子有机物的分解 （1）淀粉的分解 淀粉是许多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。一般天然淀粉中，直链淀粉约占20％，支链淀粉约占80％。直链淀粉为α一l、4糖苷键组成的直链分子；支链淀粉只是在支点处由α—1、6糖苷键连接而成。 微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。它的种类很多，作用方式及产物也不尽相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括β—淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。 以液化型淀粉酶为例，这种酶可以任意分解淀粉的。α-l、4糖苷键，而不能分解α-1、6糖苷键。淀粉经该酶作用以后，黏度很快下降，液化后变为糊精，最终产物为糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。由于这种酶能使淀粉表现为液化，淀
微生物学试题库 微生物学试题（一） 一、写出下列名词解释的中文翻译及作出解释 1.Gram positive bacteria 2.parasporal crystal 3 ,colony 4, life cycle 5,capsule6,endospore 二、简答题 1，试述微生物与当代人类实践的重要关系？ 2，简述革兰氏染色的机制？ 3.微生物有哪五大共性？其中最基本的是哪一个？为什么？ 三、填空(每空1分,共15分) 1.真核微生物核糖体类型为 _______ 。 2.大肠杆菌长为2.0μm,宽为0.5μm,其大小表示为_____ 。 3.研究细菌遗传、代谢性能常采用_____ 时期的细胞。 4.酵母菌细胞壁的主要成份_____和_______。 5.侵染寄主细胞后暂不引起细胞裂解的噬菌体称________ 。 6.微生物细胞的主要组成元素是______，_____，_______和_______。 7.食用菌是由 ______和 ____ 组成。 8.用物理或化学方法杀死物品上大部分微生物的过程称 ______ 。 9.细菌细胞的碳、氮营养比为______。 10.根瘤菌可与_________共生固氮 四、学名互译 1.A.niger 2.B.subtilis 3. B.thuringiensis 4. A.oryzae 微生物学试题（一）答案： 一，1，革兰氏阳性菌：细菌经革兰氏染色染色后最终染成紫色的菌 2，伴胞晶体：少数芽孢杆菌，在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形，方形，或不规则形的碱溶性蛋白质晶体称为半胞晶体 3，菌落：当单个细菌细胞或者一小堆同种细胞接种到固体培养基表面，当它占有一定的发展空间并处于适宜的培养条件下时，该细胞就会迅速生长繁殖并形成细胞堆，此即菌落。4，生命周期：指的是上一代生物个体经过一系列的生长，发育阶段而产生下一代个体的全部过程。 5，荚膜：包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的透明胶状物质 6，芽孢：某些细菌在其生长发育的后期，在细胞内形成的一个圆形或椭圆形，厚壁，含水量低，抗逆性强的休眠构造。 二，1，①在微生物与工业发展的关系上，通过食品罐藏防腐，酿造技术的改造，纯种厌氧发酵的建立，液体深层通气搅拌大规模培养技术的创建以及代谢调控发酵技术的发明，使得古老的酿造技术迅速发展成工业发酵新技术； ②微生物在当代农业生产中具有十分显著的作用，例如，以菌治害虫和以菌治植病的生物防治技术；以菌增肥效和以菌促生长的微生物增产技术；以菌做饲料和以菌当蔬菜的单细胞蛋白和食用菌生产技术；以及以菌产沼气等生物能源技术。 ③微生物与环境保护的关系越来越受到当代全人类广泛的重视。微生物是占地球面积70%以上的海洋和其他水体中光合生产力的基础；是一切食物链的重要环节；是污水处理中的关键角色；是生态农业中最重要的一环；是自然界重要元素循环的首要推动者；以及是环境污染和监测的重要指示生物；等等。 ④微生物与在食品上的应用。调味品，发酵食品，酸乳，蔬菜加工。 ⑤微生物在医药方面的应用。抗菌素，维生素。 ⑥微生物在能源生产方面也有重要的作用。2，G+细菌由于其细胞壁较厚，肽聚糖网层次多和交联致密，故遇脱色剂乙醇处理时，因失水而使得网孔缩小再加上它不含类脂，故乙醇的处理不会溶出缝隙，因此能把结晶紫和碘的复合物牢牢留在壁内，使得其保持紫色。反之，革兰氏阴性细菌因其细胞壁较薄，外膜层内酯含量高，肽聚糖层薄和交联度差，遇脱色剂乙醇后，以类脂为主的外膜迅速溶解，这时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘的复合物的溶出，因此细胞退成无色。这时，再经沙黄等红色燃料复染，就使革兰氏阴性细菌呈现红色。而革兰氏阳性细菌则保留最初的紫色。3. 微生物的五大共性：（一）体积小，面积大 （二）吸收多，转化快 （三）生长旺，繁殖快 （四）适应强，易变异 （五）分布广，种类多 其中最基本的是微生物的多样性，原因是：微生物因其体积小，重量轻和数量多等原因，可以到处传播以至达到“无孔不入”的地步。不论在动，植物体内外，还是土壤，河流，空气，平原，高山，深海，污水，垃圾，海底淤泥，冰川，盐湖，沙漠，甚至油井，酸性矿水和岩层下，都有大量与其相适应的各类微生物在活动着。 三．填空 1. 80S 2. 0.5μm x2.0μm3对数生长 4.葡聚糖和甘露聚糖。 5.温和噬菌体6蛋白质，核酸，类脂和碳水化合物 7. 营养菌丝,生殖菌丝豆科植物共生固氮 8 灭菌。9. 6/1 10.豆科植物 四．1.黑曲霉 2. 枯草芽孢杆菌 3. 苏云金芽孢杆菌4. 米曲霉 微生物学试题（二） 是非题（共10分。只需注明“对”或“错”） 1.大多数嗜热菌的G-C含量高于中温菌。 2.大肠杆菌属低等原核生物，所以其遗传物质只是一条松散的环状双链DNA，不存在DNA高级结构。 3.当菌体生长、氧吸收和糖利用的比速度下降时，青霉素的合成达到最高值。 4.初生F’菌株和次生F’菌株都属于部分二倍体。 5.分批培养时，细菌首先经历一个适应期，此期间细胞处于代谢活动的低潮，所以细胞数目并不增加。 6.渗透酶( permease)属于诱导酶，而其它种类的酶往往属于组成酶。 7.恒化培养与恒浊培养的区别在于前者的培养物群体始终处于对数生长期。 8.将HR病毒的外壳蛋白与TMV病毒的RNA混合，去感染烟草，则会出现TMV型病灶。若在感染前，用TMV抗体处理，则会钝化病毒，不出现TMV型病灶。 9.霉菌的基因重组常发生于准性生殖时，较少出现在有性生殖过程中。 10.营养物跨膜的主动运输必需依靠载体和能量，而被动扩散不需要载体和能量。 二填充题（30分） 1 突变率10-10表示_ _ _ _ a_ _ _ 。 2 我们常采用_ _ a_ _ _ 浓度的NaCl 或0.1M_ _ _ b_ _ _ 来稀释菌液或清洗菌体细胞。因为_ _ c_ _ _ 。 3 在有机物为基质的生物氧化反应中，以氧为电子传递最终受体的方式称_ _ _ _ a_ _ _ _ ；以无机氧化物为最终电子受体的称_ _ b_ _ ；以有机物为最终电子受体的称_ _ _ _ c_ _ _ _ 。 4 常见的菌种保藏方法有_ _ _ _ a_ _ _ _ 、_ _ _ b_ _ _ 和_ _ _ c_ _ _ 等，其中_ _ _ d_ _ 方法保藏菌种的时间最长久。
微生物代谢调节 录入时间:2010-8-12 9:49:35 来源：青岛海博《微生物工程》 一、初级代谢调节 包括酶合成的调节和酶活性的调节。 （一）酶合成调节（教材：P27） 酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（在原核生物中主要在转录水平上）的代谢调节。凡是能促进酶合成的调节称为诱导；而能阻碍酶合成的调节称为阻遏。 1、酶合成调节的类型 （1）、酶合成的诱导（induction） 组成酶：不依赖于酶底物或类似物的存在而合成；如葡萄糖转化为丙酮酸过程中的各种酶 诱导酶：依赖于某种底物或底物的结构类似物的存在而合成；如大肠杆菌乳糖利用酶 诱导剂可以是诱导酶的底物，也可是底物的结构类似物，也可以不是该酶的作用底物。 酶的诱导可分两种： A、同时诱导：当诱导物加入后，同时或几乎同时诱导几种酶的合成；主要存在于短的代谢途径中。 B、顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再依次合成分解各中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。 （2）、酶合成的阻遏(repression) A、末端产物阻遏 (end-product repression):指由某代谢途径末端产物过量积累而引起的阻遏。 B、分解代谢物阻遏 (catabolite repression)：指两种碳源（或氮源）分解底物同时存在时，细胞利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关分解酶合成的现象。 2、酶合成调节机制：操纵子模型 （二）酶活性调节（教材：P23） 1、酶合成调节类型：激活和抑制 2、酶活性调节机制 （1）共价修饰调节：指蛋白质分子中的一个或多个氨基酸残基与一化学基团共价连接或解开，使其活性改变的作用，分可逆和不可逆两种。 可逆共价修饰：有些酶存在活性和非活性两种状态，它们可以通过另一种酶的催化作共价修饰而互相转换。如: 糖原磷酸化酶通过激酶和磷酸酯酶来调节活性；磷酸化形式有活性，去磷酸化形式无活性。 不可逆共价修饰：典型的例子是酶原激活——无活性的酶原被相应的蛋白酶作用，切去一小段肽链而被激活。 酶可逆共价修饰的意义： ① 因酶构型的转换是由酶催化的，故可在很短的时间内经信号启动，触发生成大量有活性的酶； ② 这种修饰作用可更易控制酶的活性以响应代谢环境的变化。 （2）变构或别构(allosterism)效应：变构或别构效应是指一种小分子物质与一种蛋白质分子发生可逆的相
部分招生单位研究生入学历年考试真题 2004年北京师范大学攻读硕士研究生入学考试试题 一、名词解释（每题3分，共45分） 1．试验2．包膜J．胞吞作用4．不亲和性5．质粒6．端粒 7．附加体8．感染复数9．回文结构10.末端重复11.轻链12.噬菌体 展示13.卫星14.致育因子15.原毒素 二、简要回答题（每题5分，共45分） 1．说明控制微生物生长繁殖的主要方法及原理。 2．病毒粒子及其基因组的基本结构是什么？ 3．以简要的图示和文字说明酿酒酵母菌的生活史。 4．溶源性细菌有哪些特性？ 5．什么是细菌群体的生长曲线？它在生产上有哪些应用？ 6．病毒壳体结构有哪几种对称形式？病毒粒子主要结构类型有哪些？ 7．固氮微生物中大多为好氧菌，它们如何保证固氮酶既不被氧灭活，又能提 供必要的氧产生进行固氮？ 8．说明红硫细菌，枯草杆菌，硝化细菌的营养及获能方式。 9．什么是病毒的一步生长曲线？该曲线中各时期的特点是什么？ 三、试验设计（每题15分，共30分）
1．设计一个实验程序，以确保在对未知菌进行革兰氏染色时操作正确，结果 可靠。 2．设计一套从自然界筛选分离一株对聚氯联苯类农药降解能力高的菌株的 方案。 四、问答题（每题15分，共30分） 1．什么是营养缺陷型？如何从诱变菌株中筛选出营养缺陷型。 2．光合细菌有哪几类？细菌的光合作用与绿色植物的光合作用之间有什么 不同？ 2005年北京师范大学攻读硕士研究生入学考试试题 一、名词解释（每题3分，共45分） 1．半抗原2．表型3．病毒入胞4．病毒因子5．超敏反应6．反向末 端重复7．分段基因组8．富集培养9．干扰素 .感受态细胞11.核壳 12.类囊体13.免疫原性14．原养型15．微生物传感器 二、简要回答题（每题5分，共45分） 1．是微生物的遗传物质吗？为什么？
常见微生物的代谢方式 马丽甘肃省临夏回民中学(731100) 微生物种类繁多，代谢方式多样，本文将一些常见微生物的代谢方式归纳如下。所涉及生物中，除特别标注外，其它均为原核生物。 1、光能自养需氧型 这类微生物以光为能源，以CO2为主要碳源，适合生存于有氧环境，如：蓝藻、衣藻（原生生物）。 2、化能自养需氧型 这类微生物以无机化学能为能源，以CO2为主要碳源，适合生存于有氧环境，如：铁细菌、无色硫细菌、硝化细菌。 3、光能自养厌氧型 这类微生物如：绿硫菌，以光为能源，以CO2为主要主要碳源；有光合色素，进行光合作用获取生长所需要的能量；以无机物如H2、H2S、S等作为供氢体或电子供体，使CO2还原为细胞物质。适合生存于无氧环境。 4、化能异养需氧型 这类微生物的能源和碳源均来自于有机物，适合生存于有氧环境，真菌和绝大多数的细菌都是这一类型，常见的有：霉菌（真核生物）、草履虫及变形虫（原生生物）、放线菌、根瘤菌、圆褐固氮菌、肺炎双球菌、结核杆菌、霍乱弧菌、炭疽杆菌、麻风杆菌、黄色短杆菌、土壤农杆菌、枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、谷氨酸棒状杆菌等。 5、化能异养厌氧型 这类微生物的能源和碳源也是均来自于有机物，但是只有在缺氧的条件下才能很好的生长，如：乳酸菌、甲烷杆菌、反硝化细菌、破伤风杆菌、幽门螺旋杆菌。 6、化能异养兼性厌氧型 这类微生物的能源和碳源也是均来自于有机物，在有氧和无氧的条件下均能生长，如：大肠杆菌、酵母菌（真核生物）、金黄色葡萄糖球菌、支原体、酿脓链球菌。 7、兼性营养需氧型 这类微生物比较少见，如：裸藻，又叫眼虫（原生生物），适合生存于有氧环境，它在含有有机物的水中，能够靠细胞膜吸取水里的有机物“食物”，过着动物式的化能异养生活。但是同时，眼虫的细胞中具有含叶绿素的叶绿体，在无有机物的情况下，能够自己制造营养物质进行光合作用。因此兼有光能自养和化能异养的代谢方式。 8、兼性营养兼性厌氧型 这类微生物也是比较少见，如：红螺菌，它的同化方式是兼性营养型，以光为能源，以二氧化碳为主要碳源，以水或其他无机物作为供氢体，进行光合作用，还原CO2合成有机物。属于光能自养；或者以光为能源，以有机物为主要碳源，并且以有机物作为供氢体进行光合作用，同化有机物形成自身物质，属于光能异养。而它的异化方式也是兼性的，在湖泊、池塘的淤泥中进行厌氧呼吸；而在废水处理体系中却是需氧的。
南开大学2002年研究生入学考试试题（微生物遗传学部分共50分） 一．名词解释（6分） 1．Cointegrate 2．lsogenic Strain 二．填空（每空0.5分，共10分） 1．一株E.coli经一种诱变剂处理后，表型为lac-pro-，可能的原因是（1）或（2），如果要证明是哪一种，可检测这株菌的（3）。 2．无论是（4）还是（5），所有的原噬菌体都与寄主染色体同步复制。 3．真核微生物基因中有（6）和（7）之分，证明基因是不连续的。 4．严格的讲，应将能引起普遍性转导的噬菌体称为（8），能引起特异性转导的噬菌体称为（9）。5．在微生物中，突变型的诱发是一个复杂的过程，以紫外线诱发突变为例，至少有五个步骤，它们依次是： （10）、（11）、（12）、（13）、（14）。 6．S.Benzer巧妙的利用了噬菌体T4rII突变型的（15），及（16）与野生型的T4有明显的区别而设计了互补实验。通过比较突变基因的（17）和（18）的表型效应来确定一个（19），其在染色体上的位置称为（20）。 三．问答题（34分） 1．以粗糙麦孢菌为例，叙述其在有性生殖方面与高等生物的区别及其用于遗传学研究的优越性。（8分） 2．在进行λ噬菌体感染实验时，通常加入微量的麦芽糖培养细菌，请解释实验原理。（5分）3．有一株F+的E.coli，基因型为lac-/F-lac+，将其涂布在含有IPTG和X-gal的平板上，将平板分别放置 30°C和42°C培养，培养48小时后观察两组的实验结果发现：30°C培养的平板，其菌落大小正常均为蓝色菌落，而在42°C培养的平板中仅发现极少的菌落，虽然也是蓝色，但菌落很小。请从遗传上解释这些蓝色小菌落形成的原因。（5分） 4．Lederberg能发现并解释E.coli的接合重组现象，原因是设计出了第一流的实验，请从客观和主观上分析他成功的关键。（6分） 5．控制沙门氏菌鞭毛相变异，即鞭毛蛋白成分由H1型变为H2型或反之的现象，是一种特殊的基因调节方式，解释这一调节机制的学说称为翻转机制（flip-flop mechanism），请描述这一机制。（图是亦可）（5分） 6．E.coli的局部二倍体细胞laxA-/laxA+，仍然无SOS应答能力，说明laxA-在这一局部细胞中呈显性。解释这一实验结果，并解释laxA 基因的作用机制。（5分） 南开大学2002年研究生入学考试试题（微生物生理部分共50分） 一．解释下列词语及缩写（16分） 1．CspA 2．SRPR 3．RNaseD 4．CheA 5．Cold box 6．PapC 7．Eucaryotes 8．Cooperative feedback inhibition 二．问答题（20分） 1．肠膜状明串珠菌经何种途径利用葡萄糖？此途径的特点和终产物是什么?
第五章微生物能量代谢 一、选择题(只选一项，将选项的的字母填在括号内) 1．下列哪种微生物能分解纤维素？( B ) A金黄色葡萄球菌B青霉C大肠杆菌D枯草杆菌 2．下列哪种产能方式其氧化基质、最终电子受体及最终产物都是有机物?( A ) A发酵B有氧呼吸C无氧呼吸D光合磷酸化 3．硝化细菌的产能方式是( D ) A发酵B有氧呼吸C无氧呼吸D无机物氧化 4．微生物在发酵过程中电子的最终受体是(A) A有机物B有机氧化物C无机氧化物D．分子氧 5．乳酸发酵过程中电子最终受体是( B ) A乙醛B丙酮 C O2 D NO3ˉ 6．硝酸盐还原菌在厌氧条件下同时又有硝酸盐存在时，其产能的主要方式是( C ) A发酵B有氧呼吸C无氧呼吸D无机物氧化 7．下列哪些不是培养固氮菌所需要的条件?( A ) A培养基中含有丰富的氮源B厌氧条件C提供A TP D提供［H］ 8．目前认为具有固氮作用的微生物都是( D ) A真菌B蓝细菌C厌氧菌D原核生物 9．代谢中如发生还原反应时，( C )。 A从底物分子丢失电子B通常获得大量的能量 C 电子加到底物分子上D底物分子被氧化 10．当进行糖酵解化学反应时，( D )。 (a)糖类转变为蛋白质 (b)酶不起作用 (c)从二氧化碳分子产生糖类分子 (d)从一个单个葡萄糖分子产生两个丙酮酸分子 11．微生物中从糖酵解途径获得( A )ATP分子。 (a)2个 (b)4个 (c)36个 (d)38个 12．下面的叙述( A )可应用于发酵。 (a)在无氧条件下发生发酵 (b)发酵过程发生时需要DNA (c)发酵的一个产物是淀粉分子 (d)发酵可在大多数微生物细胞中发生 13．进入三羧酸循环进一步代谢的化学底物是( C )。 (a)乙醇 (b)丙酮酸 (c)乙酰CoA (d)三磷酸腺苷 14．下面所有特征适合于三羧酸循环，除了( D )之外。 分子以废物释放 (b)循环时形成柠檬酸 (a)C0 2 (c)所有的反应都要酶催化 (d)反应导致葡苟糖合成 15．电子传递链中( A )。 (a)氧用作末端受体 (b)细胞色素分子不参加电子转移 (c)转移的一个可能结果是发酵 (d)电子转移的电子来源是NADH 16．化学渗透假说解释( C )。 (a)氨基酸转变为糖类分子 (b)糖酵解过程淀粉分子分解为葡萄糖分子 (c)捕获的能量在ATP分子中 (d)用光作为能源合成葡萄糖分子 17．当一个NADH分子被代谢和它的电子通过电子传递链传递时，( C )。 (a)形成六个氨基酸分子 (b)产生一个单个葡萄糖分子 (c)合成三个ATP分子 (d)形成一个甘油三酯和两个甘油二酯 18．己糖单磷酸支路和ED途径是进行( C )替换的一个机制。
一、金属离子或镁离子的意义 无机盐是微生物生长必不可少的一类营养物。它们为机体提供 必需的金属元素。这些金属元素在机体中的生理作用：参与酶 的组成、调节酶的活性、维持细胞结构的稳定性、调节与维持 细胞的渗透压平衡、控制细胞的氧化还原电位和作为某些微生 物生长的能源物质等。 ①镁离子可以抵消磷酸链上的负电作用，减少了酶和多磷酸核 苷链的作用；②磷酸基上镁离子和氧原子的相互作用，可以保 证核苷酸的构造，确保其与酶的特异性结合；③镁离子可以在 ATP-Mg复合体和酶之间提供额外的作用位点，从而提高结合 力。 二、生长曲线 是指细菌等单细胞微生物，以细胞增长数的对数值为纵坐标， 以培养时间为横坐标作图时，可以绘出一个曲线，此曲线称为 生长曲线。 比生长速率μ：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌 体比生长速率。它是表征微生物生长速率的一个参数，也是发 酵动力学中的一个重要参数。 推算过程假定在任何时间（t），微生物细胞数目的增长速 率（dN/dt）正比于已经存在的总细胞数目（N），则得：dN/dt=μN。 经积分得：lnNt-lnN0=μt，对于一倍增时间，t=td ，Nt=2N0 的培养物：ln2N0-lnN0=μtd。易得：μ=l n2/td 。参数含义
μ——比生长速率，单位h-1 t——时间，单位h N——任 何时间处微生物细胞量Nt——开始培养t时间过后生物细胞 量N0——开始时微生物细胞量td——倍增时间，即为微 生物细胞量变为原来的两倍所需的时间 意义：比生长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比，它与微生物的生命活动有关，特别是在抗生素合成阶段，比生 长速率过大，菌体量增加过多，代谢向菌体合成的方向发展， 不利于合成抗生素。因此，必须将菌体比生长速率控制在一定 范围内，以便使抗生素的生产速率维持在较高的水平。实际上 比生长速率是生长与死亡速率平衡的综合反映。 （μ=1/N*dN/dt）在对数生长期，μ是一个常数，这时 ln(N2/N1)=μt 代时generation time；doubling time，又称世代时间。当微生物 处于生长曲线的指数期(对数期)时，细胞分裂一次所需平均时 间，也等于群体中的个体数或其生物量增加一倍所需的平均时 间。 三、周质空间 细菌细胞周质又称膜间质，指位于大肠杆菌( Escher ichia col i ) 等革兰氏阴性细菌细胞内膜和外膜之间的夹层空间，其大小随 环境与胞质间渗透压的变化而改变，约占整个细胞体积的24% -40%。外膜上存在较多非特异性的孔道蛋白( porins) ，能够允
云南大学2003年硕士研究生入学考试试题 ·(答案必须写在答题纸）A卷专业，考试科目:微生物学 一、填空题(共30空，每空叉分，共30分) 1·大多数病毒粒子是由和括， " 和三种。组成，亚病毒包 3·根据微生物所需要的碳源和能源不同，可将微生物的营养类型分为，，四种类型。 4·单细胞微生物典型的生长曲线可分为一，;一一一@@，一一·一一一和四个时期。 5·"原核微生物的基因重组方式有，， 7·转座因子主要有"， 8··传染的三种可能结局是一一和，·和三大类。 完成下列内容(共5题， 1·黑曲霉青霉属3·枯草芽抱杆菌 ·-4·假单胞菌5·Saccharomyces cerevisia 名词解释(共8题，每题5分，共40分) 芽抱活性污泥菌落培养基包涵体类毒素和抗毒素7·消毒与灭菌8·溶源转变 四、问答题(共5题，每题皿分，共50分) 1·以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为例，说明这两种细菌在细胞壁肤聚糖的化学成分和细胞壁结构方面的特点。" ·2·试述微生物的独特生物学特性和对其研究的独特方法。 3·什么是免疫应答，免疫应答的主要过程分为哪几个阶段? 4·严格好氧细菌的生命活动离不开分子氧，而分子氧对厌氧细菌会造成毒害，请分别阐明其原因。 5·古细菌被称为"第三生物"，主要是因为它与真细菌和真核生物有着极大的不同点，请说明这些特点、五、实验设计(共1题，每题20分，共20分) 设计一个有效的实验方案，在实验室内，用诱变的方法筛选得到大肠杆菌的组氨酸营养缺陷型(Escherichia coli his --)菌株。说明实验依据的相关原理和主要的实验步骤。 云南大学2004年硕士研究生入学考试试题 (答案必须写在答题纸上) A卷 考试科目:微生物学 一、填空题(每空1·5分，共60分) 1·硝酸盐作为微生物的氮源营养物时，这种作用被称为但是在浸水土壤中，芽抱杆菌属、硫杆菌属(拉丁文: )、假单胞菌属等类群的部分种类会将它作为来使用，将其还原为，这种作用被称为。 2·在20世纪70年发现，当环境的氧浓度低且光照条件适宜时，盐杆菌属(拉丁文: )的一些种类能合成由75呢的和25%的组成的紫膜。其利用光能导致的构象变化来 建立膜两测的质子动势并合成ATP, 3·能独立生活的最小型原核生物是，尽管没有细胞壁但因细胞膜含有而显得比较坚韧。4·已知的大部分昆虫病毒可在宿主细胞内形成光镜下呈多角形的包涵体，主要成分为，内部包含有数目不等的病毒颗粒。昆虫病毒包涵体种类主要有、莉。 5，描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线称为，主要反映了不同噬菌体的、·和三和重要特征参数。 6·在核酸水平万基因组大小一般可用·一二一、一二和一-一¨二作单位，一个基因大小平均在范围0
8,11,27,35 1．炭疽芽孢杆菌(bacillus thuringiensis)：属于需氧芽孢杆菌属，能引起牛、羊、马等动物及人类的炭疽病。这种细菌通常以内孢子之形态出现在土壤中，并可借此状态存活数十年之久，一旦由牲畜摄入，孢子便开始在动物体内大量复制，最后造成死亡，随后于尸体中仍能继续繁殖，当细菌将宿主养分用尽，又可重回睡眠态的孢子。 链霉菌属（Streptomyces）拉丁字母(拉丁字母翻译成汉语)：（07年，15年）放线菌目的一科。基内菌丝不断，气生菌丝通常发育良好，形成长的孢子丝。孢子不能转动，外鞘上常有疣、刺或毛发等状饰物。 2．地衣（3）：真菌和光合生物（绿藻或蓝细菌）之间稳定而又互利的共生联合体，真菌是主要成员，其形态及后代的繁殖菌依靠真菌。也就是说地衣是一类专化性的特殊真菌。 3．子囊孢子（3）：子囊菌亚门的真菌产生于子囊中经减数分裂后形成有性孢子，子囊指的是两性细胞接触以后形成的囊状结构。 4．球状体(P27) 5．生长因子（07,13,15）(P47) 6古生菌（07,13）: .古菌（11,14）古生菌：又称为古细菌（archaeobacteria）或称古菌生物按流行的3域分类观点可分为古生菌域、细菌域以及真核生物域。古生菌和细菌属于原核生物，它们没有完整的细胞核。真核生物包括动植物、霉菌等。古生菌是地球进化早期产生的微生物，能适应极端环境，例如在强酸下生长的Thermoplasma （最佳生长pH=2）还有能在沸水中生长的Pyrobolus。古生菌成为和细菌域、真核生物域并驾齐驱的三大类生物之一。 7.抗代谢物(P87) 8.免疫酶蛋白 9.bacillus thuringiensis （09,10）: 炭疽芽孢杆菌 10.底物水平磷酸化（P70） 11.命名模式 12.类病毒(P103) 13.次级代谢（09,14）（P71） 14.蓝细菌(拉丁文) :Cyanobacteria,或蓝绿藻。(P182) 曾被称为蓝藻或蓝绿藻，是一类分布很广、含有叶绿素a，无鞭毛，能够以水作为供氢体和
第六章微生物的代谢习题及参考答案 一、名词解释 1．发酵 2．呼吸作用 3．有氧呼吸 4．无氧呼吸 5．异型乳酸发酵 6．生物固氮 7．硝化细菌 8．光合细菌 9．生物氧化 10．初级代谢产物： 11．次级代谢产物： 12．巴斯德效应： 13．Stickland反应： 14．氧化磷酸化 二、填空题 1．微生物的4种糖酵解途径中，是存在于大多数生物体内的一条主流代谢途径；是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有；是产生4碳、5碳等中间产物，为生物合成提供多种前体物质的途
径。 2．同型乳酸发酵是指葡萄糖经 途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的 作用下被NADH 还原为乳酸。异型乳酸发酵经 、 和 途径分 解葡萄糖。代谢终产物除乳酸外，还有 。 3．微生物在糖酵解生成丙酮酸基础上进行的其他种类的发酵有丁二醇发酵、混合酸发 酵、 发酵和 发酵等。丁二醇发酵的主要产物是 ， 发 酵的主要产物是乳酸、乙酸、甲酸、乙醇。 4．产能代谢中，微生物通过 磷酸化和 磷酸化将某种物质氧化而释放 的能量储存在ATP 等高能分子中；光合微生物则通过 磷酸化将光能转变成为化学 能储存在ATP 中。 磷酸化既存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程中。 5．呼吸作用与发酵作用的根本区别是呼吸作用中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 系统，逐步释放出能量后再交给 。 6．巴斯德效应是发生在很多微生物中的现象，当微生物从 转换到 下， 糖代谢速率 ，这是因为 比发酵作用更加有效地获得能量。 7．无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是外源电子受体，像 22322423、CO O 、S 、SO 、NO NO ----等无机化合物，或 等有机化合物。 8．化能自养微生物氧化 而获得能量和还原力。能量的产生是通过 磷酸化形式，电子受体通常是O 2。电子供体是 、 、 和 ， 还原力的获得是逆呼吸链的方向进行传递， 能量。 9．微生物将空气中的N 2还原为NH 3的过程称为 。该过程中根据微生物和其
1微生物的代谢 微生物代谢包括微生物物质代谢和能量代谢。 1.1微生物物质代谢 微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各种分解代谢与合成代谢的总和。 1.1.1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。—般可将分解代谢分为TP。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；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；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ATP、NADH及FADH2通过电子传递链被氧化，可产生大量的ATP。 1.1.1.1大分子有机物的分解 （1）淀粉的分解 淀粉是许多种微生物用作碳源的原料。它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。一般天然淀粉中，直链淀粉约占20％，支链淀粉约占80％。直链淀粉为α一l、4糖苷键组成的直链分子；支链淀粉只是在支点处由α—1、6糖苷键连接而成。 微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。它的种类很多，作用方式及产物也不尽相同，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包括β—淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。 以液化型淀粉酶为例，这种酶可以任意分解淀粉的。α-l、4糖苷键，而不能分解α-1、6糖苷键。淀粉经该酶作用以后，黏度很快下降，液化后变为糊精，最终产物为糊精、麦芽糖和少量葡萄糖。由于这种酶能使淀粉表现为液化，淀粉