第一节反馈抑制和阻遏
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
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
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。
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
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
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。
多糖的分解。我们在这里说的糖，并不只是平常所说的有甜味的糖，主要指的是淀粉、纤维素、半纤维素以及果胶质、几丁质等，它们是由许多简单的糖化合物分子聚合在一起形成的。淀粉的分解是由微生物产生的淀粉酶催化完成的，因为淀粉是由许多葡萄糖分子聚合而成的，所以最终把淀粉分解，产生葡萄糖、麦芽糖等。纤维素的分解。纤维素是地球上最丰富的多糖类化合物，是由许多葡萄糖分子聚合而成的长链大分子。许多微生物能够分泌分解纤维素的酶，土壤微生物产生的纤维素酶分解农作物秸杆，最终产生葡萄糖。半纤维素的分解。半纤维素的结构与组成随植物的种类或存在部位不同而异，微生物分解半纤维素的酶也多种多样。半纤维素分解后产生木糖、阿拉伯糖等等。果胶质的分解。果胶质是构成植物细胞间质的主要物质，分解果胶的微生物主要是一些细菌和真菌，分解果胶质后产生一些有机酸和醇类化合物。几丁质的分解。几丁质又称甲壳质，是真菌细胞壁和昆虫体壁的组成成分，也是甲壳类动物，如虾、蟹的外壳主要成分。它们是不易被分解的含氮多糖物质，一般生物都不能分解它，只有一些细菌和放线菌能分解和利用它。几丁质首先被几丁质酶分解成为甲壳二糖，后者被甲壳二糖酶分解成为N-乙酰氨基葡萄糖。木质素的分解。木质素是植物体内含量仅次于纤维素和半纤维素的一个组分，一般占植物干重的15—20%，在木材中可占30%左右。木质素的化学结构非常复杂，但在自然界中，仍然有一些微生物能够分解该类物质，其中，以担子菌的分解能力最强。担子菌分解木质素时，还常同时分解纤维素、半纤维素等物质。脂肪的分解。微生物对脂肪的分解主要依赖于脂肪酶的作用，产生甘油和脂肪酸。在有氧条件下，脂肪酸可被彻底氧化，并释放出大量能量。蛋白质的分解。蛋白质是由氨基酸组成的大分子量的化合物，种类繁多。微生物中产生的蛋白酶可将蛋白质分解为片段较小的肽，然后再由肽酶将肽分解成为氨基酸。微生物产生的蛋白酶大多数可以分泌到细胞外面，称为胞外酶，但肽酶有胞外酶，也有不向外分泌而只存在于细胞内的胞内酶。微生物也能分解组成蛋白质的氨基酸，形成胺类和醇类。
微生物的代谢及其调控 微生物的代谢，指微生物在存活期间的代谢活动。微生物在代谢过程中，会产生多种多样的代谢产物。根据代谢产物与微生物生长繁殖的关系，可以分为初级代谢产物和次级代谢产物两类。初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。 微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖。脂类、维生素等。在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同。此外，初级代谢产物的合成在不停地进行着，任何一种产物的合成发生障碍都会影响微生物正常的生命活动，甚至导致死亡。 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素。毒素、激素、色素等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，它们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。其中，抗生素是一类具有特异性抑菌和杀菌作用的有机化合物，种类很多，常用的有链霉素、青霉素、红霉素和四环素等。总之，这些代谢产物都是在微生物细胞的调节下，有步骤地产生的。 从物质代谢过程中可知，酶在细胞内是分隔着分布的。代谢上有关的酶，常常组成一个酶体系，分布在细胞的某一组分中，例如,糖酵解酶系和糖元合成、分解酶系存在于胞液中；三羧酸循环酶系和脂肪酸β-氧化酶系定位于线粒体；核酸合成的酶系则绝大部分集中在细胞核内。这样的酶的隔离分布为代谢调节创造了有利条件，使某些调节因素可以较为专一地影响某一细胞组分中的酶的活性，而不致影响其他组分中的酶的活性，从而保证了整体反应的有序性。一些代谢物或离子在各细胞组分间的穿梭移动也可以改变细胞中某些组分的代谢速度。 微生物的分解代谢 微生物在生命活动中，能将复杂的大分子物质分解为小分子的可溶性物质，并有能量转变过程，这种物质转变称为分解代谢。大多数微生物都能分解糖和蛋白质，少数微生物能分解脂类。
第五章微生物的代谢 计划学时：3 重点：微生物的产能代谢：发酵、有氧呼吸、无氧呼吸，酵母菌乙醇发酵，次级代谢初级代谢，代谢调节。 第一节代谢概论 代谢（metalsolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。 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。一般可将分解代谢分为三个阶段（图5-1）：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，产生大量的ATP。 合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。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（图5-2）或环境中的小分子营养物质。 在代谢过程中，微生物通过分解代谢产生化学能，光合微生物还可将光能转换成化学能，这些能量除用于合成代谢外，还可用于微生物的运动和运输，另有部分能量以热或光的形式释放到环境中去。微生物产生和利用能量及其与代谢的关系见图5-3。 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促反应构成的，前一步反应的产物是后续反应的底物。细胞通过各种方式有效地调节相关的酶促反应，来保证整个代谢途径的协调性与完整性，从而使细胞的生命活动得以正常进行。 某些微生物在代谢过程中除了产生其生命活动所必需的初级代谢产物和能量外，还会产生一些次级代谢产物，这些次级代谢产物除了有利于这些微生物的生存外，还与人类的生产与生活密切相关，也是微生物学的一个重要研究领域。 第二节微生物产能代谢 一．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。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，还有部分能量以热的形式被释放到环境中。不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的，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．异养微生物的生物氧化 异养微生物将有机物氧化，根据氧化还原反应中电子受体的不同，可将微生物细胞内发生的生物氧化反应分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸又可分为有氧呼吸和厌氧呼吸两种方式。 1. 发酵
第五章微生物的代谢 一、目的要求 掌握微生物代谢和呼吸类型，调控方式。 二、教学内容 1．微生物能量代谢 2．微生物独特的代谢途径 3．微生物代谢的调控 4．微生物次级代谢与次级代谢产物 三、重点与难点内容 微生物代谢的调节、次级代谢及产能方式。 四、教学方法 采用多媒体教学 新陈代谢（metabolism）简称代谢，是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。分解代谢是指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用；合成代谢与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]式的还原力一起合成复杂的大分子的过程. 第一节微生物的能量代谢 能量代谢的中心任务是生物体如何把外界环境中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。对微生物来说，它们可利用的最初能源有三大类即：有机物、日光和还原态无机物。 一、异养微生物的生物氧化 生物氧化是发生在活细胞内的一系列产能性氧反应的总称。生物氧化的形式包括某物质与氧结合、脱氢或失去电子；生物氧化的过程可分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能则有产能、产还原力和产小分子中间代谢物三种。异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型，而呼吸以可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。 1．发酵
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成氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，因此只释放出一小部分的能量。发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的。被还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，可发酵的底物有糖类、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，主要分为四种途径：EMP、HMP、ED、磷酸解酮酶途径。 （1）E MP途径 整个EMP途径大致可分为两个阶段。第一阶段可认为是不涉及氧化还原反应及能量释放的准备阶段，只是生成两分子的主要中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二个阶段发生氧化还原反应，合成ATP并形成两分子的丙酮酸。在糖酵解过程中，有两分子ATP用于糖的磷酸化，但合成出四个分子的ATP，因此每氧化一个分子的葡萄糖净得两个ATP。 在两分子的1，3-二磷酯甘油酸的合成过程中，两分子NAD+被还成为NADH。然而，细胞中的NAD+供应是有限的，假如所有的NAD+都转化为NADH，葡萄糖的氧化就得停止。因为甘油-3-磷酸的氧化反应只有在NAD+存在时才能进行。这一路径可以通过将丙酮酸还原，使NADH 氧化重新成为NAD+而得以克服。例如在酵母细胞中丙酮酸被还原成为乙醇，并伴有CO2的释放。而在乳酸菌细胞中，丙酮酸被还原成乳酸。对于原核生物细胞，丙酮酸的还原途径是多样的，但有点是一致的：NADH必须重新被还原成NAD+，使得酵解过程中的产能反应得以进行。 EMP途径可为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定的条件下可逆转合成多糖。 （2）H MP HMP途径是从葡萄糖-6-磷酸开始的，HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸，三分子CO2和六分子NADPH。一般认为HMP途径合成不是产能途径，而是为生物合成提供大量的还原力（NADPH）和中间代谢产物。如核酮糖-5-磷酸是合成核酸，某些辅酶及组氨酸的原料。另外HMP途径中产生的核酮糖-5-磷酸，还可以转化为核酮糖-1，5-二磷酸，在羧化酶作用下固定CO2，对于光能自养菌、化通自养菌具有重要意义。虽然这条途径中产
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。
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
1.微生物代谢工程定义、研究内容和研究手段。 定义：通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性功能，运用重组DNA技术来创造新的化合物。 研究内容：生物合成相关代谢调控和代谢网络理论；代谢流的定量分析；代谢网络的重新设计；中心代谢作用机理及相关代谢分析；基因操作。 研究手段：代谢工程综合了基因工程、微生物学、生化工程等领域的最新成果。因此，在研究方法和技术方面主要有下列三大常用手段： (1)检测技术：常规的化学和生物化学检测手段都可用于代谢工程的研究，如物料平衡、同位素标记示踪法、酶促反应动力学分析法、光谱学法、生物传感器技术。 (2)分析技术：采用化学计量学、分子反应动力学和化学工程学的研究方法并结计算机技术，阐明细胞代谢网络的动态特征与控制机理，如稳态法、扰动法、组合法和代谢网络优化等。 (3) 基因操作技术：在代谢工程中，代谢网络的操作实质上可以归结为基因水平上的操作：涉及几乎所有的分子生物学和分子遗传学实验技术，如基因和基因簇的克隆、表达、调控，DNA 的杂交检测与序列分析，外源DNA的转化，基因的体内同源重组与敲除，整合型重组DNA 在细胞内的稳定维持等。 2.代谢改造思路和代谢设计原理。 代谢改造思路： 根据微生物的不同代谢特性，常采用改变代谢流、扩展代谢途径和构建新的代谢途径三种方法。 (1)改变代谢途径的方法：加速限速反应，增加限速酶的表达量，来提高产物产率。改变分支代谢途径流向，提高代谢分支点某一分支代谢途径酶活力，使其在与其它的分支代谢途径的竞争中占据优势，从而提高目的代谢产物的产量。 (2)扩展代谢途径的方法：在宿主菌中克隆和表达特定外源基因，从而延伸代谢途径，以生产新的代谢产物和提高产率。扩展代谢途径还可使宿主菌能够利用自身的酶或酶系消耗原来不消耗的底物。 (3)转移或构建新的代谢途径：通过转移代谢途径、构建新的代谢途径等方法来实现。 代谢设计原理： 现存代谢途径中改变增加目的产物代谢流：增加限速酶编码基因的拷贝数；强化关键基因的表达系统；提高目标途径激活因子的合成速率；灭活目标途径抑制因子的编码基因；阻
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他 生物之间相互的关系。固氮体系可以分为 、 和 3种。 10．次级代谢是微生物生长至 或 ，以 为前体，合成一些对微 生物自身生命活动无明确生理功能的物质的过程。次级代谢产物大多是分子结构比较复杂的 化合物，如 、 、 、 、 及 等多种类别。 三、选择题（4个答案选1） 1．化能自养微生物的能量来源于（ ）。 A ．有机物 B ．还原态无机化合物 C ．氧化态无机化合物 D ．日光 2．下列葡萄糖生成丙酮酸的糖酵解途径中，（ ）是最普遍的、存在于大多数生物体 内的一条主流代谢途径。 A ．EMP 途径； B ．HEP 途径； C ．E D 途径；D ．WD 途径 3．下列葡萄糖生成丙酮酸的糖酵解途径中，（ ）是存在于某些缺乏完整EMP 途径 的 A ．EMP 途径； B ．HEP 途径； C ． E D 途径；D ． WD 途径 4．酵母菌和运动发酵单胞菌乙醇发酵的区别是（ ）。 A ．糖酵解途径不同 B ．发酵底物不同 C ．丙酮酸生成乙醛的机制不同 D ．乙醛生成乙醇的机制不同 5．由丙酮酸开始的其他发酵过程中，主要产物是丁酸、丁醇、异丙醇的发酵的是（ ）。 A ．混合酸发酵 B ．丙酸发酵 C ．丁二醇发酵 D ．丁酸发醇 6、下列代谢方式中，能量获得最有效的方式是（ ）。 A ．发酵 B ．有氧呼吸 C ．无氧呼吸 D ． 化能自养 7．青霉素抑制金黄色葡萄球菌肽聚糖合成的（ ）。 A ．细胞膜外的转糖基酶 B ．细胞膜外的转肽酶 C ．细胞质中的“Park ”核苷酸合成 D ．细胞膜中肽聚糖单体分子的合成 8．下面对于好氧呼吸的描述（ ）是正确的。 A ．电子供体和电子受体都是无机化合物 B ．电了供体和电子受体都是有机化合物 C ．电子供体是无机化合物，电子受体是有机化合物 D ．电子供体是有机化合物，电子受体是无机化合物 9．无氧呼吸中呼吸链末端的氢受体是（ ）。 A ．还原型无机化合物 B ．氧化型无机化合物 C ．某些有机化合物 D ．氧化型无机化合物和少数有机化合物 10.硝化细菌是（ ）。 A ．化能自养菌，氧化氨生成亚硝酸获得能量 B ．化能自养菌，氧化亚硝酸生成硝酸获得能量 C ．化能异养菌，以硝酸盐为最终的电子受体