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1、第三章 微生物的营养、代谢及生长,本章基本理论知识 1了解微生物的细胞化学组成. 2掌握微生物的营养要素及其功能。 3掌握微生物吸收营养物质四种方式的性质和特点。 4掌握微生物四大营养类型的划分依据及其微生物种类。,微生物同其他生物一样都是具有生命的，微生物细胞直接同生活环境接触并不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，微生物从环境中吸收营养物质并加以利用的过程即称为微生物的营养（nutrition）。,第一节 微生物细胞的化学组成和营养要素,营养物质是微生物构成菌体细胞的基本原料，也是获得能量以及维持其它代谢机能必须的物质基础。微生物吸收何种营养物
2、质取决于微生物细胞的化学组成。,一、微生物细胞的化学组成,分析微生物细胞的化学成分，发现微生物细胞与其他生物细胞的化学组成并没有本质上的差异。微生物细胞平均含水分80左右。其余20左右为干物质，在干物质中有蛋白质、核酸、碳水化合物、脂类和矿物质等。这些干物质是由碳、氢、氧、氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁等主要化学元素组成，其中碳、氢、氧、氮是组成有机物质的四大元素，大约占干物质的9097。其余的310是矿物质元素，这些矿质元素对微生物的生长也起着重要的作用。,二、微生物的营养物质及其生理功能,通过了解微生物的化学组成，可见微生物在新陈代谢活动中，必须吸收充足的水分以及构成细胞物质的碳源和氮以及钙、
3、镁、钾、铁等多种多样的矿质无素和一些必须的生长辅助因子，才能正常地生长发育。,二、微生物的营养物质及其生理功能,（一）水分 水分是微生物细胞的主要组成成分，大约占鲜重的7090。不同种类微生物细胞含水量不同。同种微生物处于发育的不同时期或不同的环境其水分含量也有差异，幼龄菌含水量较多，衰老和休眠体含水量较少。微生物所含水分以游离水和结合水两种状态存在，两者的生理作用不同。结合水不具有一般水的特性，不能流动，不易蒸发，不冻结，不能作为溶剂，也不能渗透。游离水则与之相反，具有一般水的特性，能流动，容易从细胞中排出，并能作为溶剂，帮助水溶性物质进出细胞。微生物细胞游离态的水同结合态的比例为41。 微
4、生物细胞中的结合态水约束于原生质的胶体系统之中，成为细胞物质的组成成份，是微生物细胞生活的必要条件。游离水是细胞吸收营养物质和排出代谢产物的溶剂及生化反应的介质；一定量的水分又是维持细胞渗透压的必要条件。由于水的比热高又是热的良导体，能有效地调节细胞内的温度。微生物如果缺乏水分，则会影响代谢作用的进行。,二、微生物的营养物质及其生理功能,（二）碳源物质 凡是可以被微生物利用，构成细胞代谢产物碳素来源的物质，统称为碳源物质。碳源物质通过细胞内的一系列化学变化，被微生物用于合成各代谢产物。微生物对碳素化合物的需求是极为广泛的，根据碳素的来源不同，可将碳源物质分为无机碳源物质和有机碳源物质。糖类是较
5、好的碳源，尤其是单糖（葡萄糖、果糖）、双糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖），绝大多数微生物都能利用。此外，简单的有机酸、氨基酸、醇、醛、酚等含碳化合物也能被许多微生物利用。所以我们在制作培养基时常加入葡萄糖、蔗糖作为碳源。淀粉、果胶、纤维素等，这些有机物质在细胞内分解代谢提供小分子碳架外，还产生能量供合成代谢需要的能量，所以部分碳源物质既是碳源物质，同时又是能源物质。 在微生物发酵工业中，常根据不同微生物的需要，利用各种农副产品如玉米粉、米糠、麦麸、马铃薯、甘薯以及各种野生植物的淀粉，作为微生物生产廉价的碳源。这类碳源往往包含了几种营养要素。,二、微生物的营养物质及其生理功能,（三）氮源物质 微生物细胞
6、中大约含氮513，它是微生物细胞蛋白蛋和核酸的主要成分。氮素对微生物的生长发育有着重要的意义，微生物利用它在细胞内合成氨基酸和碱基，进而合成蛋白质、核酸等细胞成分，以及含氮的代谢产物。无机的氮源物质一般不提供能量，只有极少数的化能自养型细菌如硝化细菌可利用铵态氮和硝态氮在提供氮源的同时，通过氧化产生代谢能。 微生物营养上要求的氮素物质可以分为三个类型： 1空气中分子态氮 只有少数具有固氮能力的微生物（如自生固氮菌、根瘤菌）能利用。 2无机氮化合物 如铵态氮（NH4+）、硝态氮（NO3-）和简单的有机氮化物（如尿素），绝大多数微生物可以利用。 3有机氮化合物 大多数寄生性微生物和一部分腐生性微生
7、物需以有机氮化合物（蛋白质、氨基酸）为必需的氮素营养。 在实验室和发酵工业生产中，我们常常以铵盐、硝酸盐、牛肉膏、蛋白胨、酵母膏、鱼粉、血粉、蚕蛹粉、豆饼粉、花生饼粉作为微生物的氮源。,二、微生物的营养物质及其生理功能,（四）无机元素 微生物细胞中的矿物元素约占干重的310左右，它是微生物细胞结构物质不可缺少的组成成分和微生物生长不可缺少的营养物质。许多无机矿物质元素构成酶的活性基团或酶的激活剂；并具有调节细胞的渗透压，调节酸碱度和氧化还原电位以及能量的转移等作用。微生物需要的无机矿质元素分为常量元素和微量元素。 常量矿质元素是磷、硫、钾、钠、钙、镁、铁等。磷、硫的需要量很大，磷是微生物细胞中
8、许多含磷细胞成分，如核酸、核蛋白、磷脂、三磷酸腺苷（ATP）、辅酶的重要元素。硫是细胞中含硫氨基酸及生物素、硫胺素等辅酶的重要组成成分。钾、钠、镁是细胞中某些酶的活性基团，并具有调节和控制细胞质的胶体状态、细胞质膜的通透性和细胞代谢活动的功能。 微量元素有钼、锌、锰、钴、铜、硼、碘、镍、溴、钒等，一般在培养基中含有0.1mg/L或更少就可以满足需要。,第二节 微生物对营养物质的吸收,微生物不象动物那样具有专门的摄食器官，也不象植物那样具有根系吸收营养和水分，它们对营养物质的吸收是借助生物膜的半渗透性及其结构特点以几种不同的方式来吸收营养物质和水分的。如果营养物质是大分子的蛋白质、多糖、脂肪，微
9、生物则分泌出相应的酶（这类在细胞内产生，分泌到细胞发挥作用的酶称为胞外酶）将大分子降解成小分子后，再吸收利用。 各种物质对细胞质膜的透性不一样，就目前对细胞膜结构及其传递系统的研究，认为营养物质主要以以下几种方式透过细胞膜。,一、单纯扩散（simple diffusion）,这是通过细胞膜进行内外物质交换最简单的一种方式。营养物质通过分子的随机运动透过微生物细胞膜上的小孔进出细胞。其特点是 物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度）； 这是一种单纯的物理扩散作用，不需要能量； 一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡，细胞内外的物质交换达到动态平衡）； 单纯扩散是非特异性的，没
10、有运载蛋白质（渗透酶）参与，也不与膜上的分子发生反应，扩散的物质本身也不发生改变； 单纯扩散的物质主要是一些小分子物质，如一些气体（O2、CO2）、水、某些无机离子及一些水溶性小分子（甘油、乙醇等）。,二、促进扩散（facilitated diffusion）,除单纯扩散外，在细胞膜上还存在多种具有运载营养物质功能的特异性蛋白质，称为渗透酶。它们大多是诱导酶，当外界存在所需的营养物质时，能诱导细胞产生相应的渗透酶，每一种渗透酶能帮助一类营养物质的运输。 这种吸收方式的特点是依靠渗透酶与底物的亲和力的改变，达到携带营养物质的作用，具备以下特点： 物质由高浓度区向低浓度区扩散（浓度梯度）； 这是一
11、种单纯的物理扩散作用，不需要能量； 一旦细胞膜两侧的浓度梯度消失（即细胞内外的物质浓度达到平衡，细胞内外的物质交换达到动态平衡）； 现在已分离出有关葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、亮氨酸、精氨酸、酪氨酸、磷酸、Ca2+、Na+、K+等的载体蛋白，它们的分子量介于900040000Da之间，而且都是单体。 促进扩散是真核生物的普遍运输机制，如酵母菌运输糖类就是通过这种方式，在原核生物中却少见，在厌氧微生物中，促进扩散的过程常参与某些化合物的吸收和发酵产物的排出。,三、主动运输（active transport）,靠浓度梯度吸收营养物质显然不能满足高速生长繁殖的微生物的需要，事实上微生物细胞中有些营养物
12、质以高于细胞外的浓度在细胞内积累，如大肠杆菌在生长期中，当以乳糖作为碳源时，细胞内乳糖的浓度比周围环境高出500倍。 主动运输的特点是 营养物质的吸收不受浓度梯度的影响，并且多数情况是由低浓度向高浓度进行，是逆浓度梯度地被“抽”进细胞内的； 因此这个过程不仅需要渗透酶携带，渗透酶与底物有高度的特异性，其与底物的亲和力随渗透酶的构型而改变； 渗透酶构型的改变，需要消耗代谢能量，能量由腺三磷（ATP）提供，由于对其营养物质具有高度亲和力，并且特异性地与之结合，形成渗透酶-运载物质复合体。复合体旋转180从膜外方转移到细胞膜内表面，消耗代谢能量ATP，使渗透酶构型发生变化，亲和力减弱，于是被结合的物
13、质则被释放到细胞质中去。构型变化的渗透酶，再获得能量恢复原状，亲和力增强，结合位置朝向膜外，又可重复进行这种主动运输。 这种吸收方式是微生物物质运输的主要方式。,四、基团转位（group translocation）,在微生物对营养物质吸收的过程中，还有一种特殊的运输方式，叫基团转位。这种方式除具有主动运输的特点外，主要是被转运的物质改变了本身的性质，有化学基团转移到被转运的营养物质上面去。降低底物与载体的亲和力。 这种运输过程的磷酸转移酶系统包括酶、酶和热稳定蛋白（HPr）。酶是非特异性的，它们对许多糖都一样起作用。酶是膜上的结构酶，并能诱导产生，它对某一种糖具有特异性，只能运载某一种糖类，
14、酶同时起着渗透酶和磷酸转移酶的作用。HPr是热稳定的可溶性蛋白质，它能够象高能磷酸载体一样起作用。该酶系统催化的反应分两步进行：,四、基团转位（group translocation）,少量的 HPr 被磷酸烯醇丙酮酸 (PEP) 磷酸化： 酶 PEP + Hpr - 磷酸HPr+丙酮酸 磷酸HPr 将它的磷酰基传递给葡萄糖，同时将生成的6-磷酸葡萄糖释放到细胞质内。这步复合反应由酶催化。 酶 磷酸Hpr + 葡萄糖- 6-磷酸葡萄糖 + HPr,四、基团转位（group translocation）,基团转位可转运糖、糖的衍生物，如葡萄糖、甘露糖、果糖、N-乙酰葡萄糖胺和-半乳糖苷以及嘌呤、
15、嘧啶、碱基、乙酸（但不能输送氨基酸）等。这个运输系统主要存在于兼性厌氧菌的和厌氧菌中。但某些好氧菌，如枯草杆菌和巨大芽孢杆菌(B. megatherium)也利用磷酸转移酶系统将葡萄糖传送到细胞内。,第三节 微生物的营养类型,微生物在长期进化过程中，由于生态环境的影响，逐渐分化成各种营养类型。根据微生物要求碳源的性质和能量来源不同将微生物分为光能自养型、光能异养型、化能自养型和化能异养型四种营养类型。,一、光能自养型微生物 利用光能为能源，以二氧化碳（CO2）或可溶性的碳酸盐（CO32-）作为唯一的碳源或主要碳源。以无机化合物（水、硫化氢、硫代硫酸钠等）为氢供体，还原CO2，生成有机物质。光能
16、自养型微生物主要是一些蓝细菌、红硫细菌、绿硫细菌等少数微生物，它们由于含光合色素，能使光能转变为化学能(ATP）,供细胞直接利用。 光 蓝细菌 CO2+2H2O CH2O+H2O+O2 叶绿素 光 绿硫细菌 CO2+2H2S CH2O+H2O+2S 菌绿素 比较以上两反应，可写成以下通式： 光 CO2+2H2A CH2O+H2O+2A 光合色素,第三节 微生物的营养类型,二、化能自养微生物 这一类微生物的能源来自无机物氧化所产生的化学能，利用这种能量去还原CO2或者可溶性碳酸盐合成有机物质。 如亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌就可以分别利用氧化NH3、NO2-、Fe+、H2S和H2
17、产生的化学能来还原CO2，形成碳水化合物。 例如：亚硝酸细菌能从氧化氨为亚硝酸中获得能量，用以还原二氧化碳，形成碳水化合物。 亚硝酸细菌 2NH3+3O2+2H2O 2HNO2+4H+4OH-+能量 CO2+4H+ CH2O+H2O 这一类型的微生物完全可以生活在无机的环境中，分别氧化各自合适的还原态的无机物，从而获得同化CO2所需的能量。,第三节 微生物的营养类型,三、 光能异养型微生物 这种类型的微生物以光能为能源，利用有机物作为供氢体，还原CO2，合成细胞的有机物质。 例如深红螺菌（Rhodospirillum rubrum）利用异丙醇作为供氢体，进行光合作用并积累丙酮，这类微生物生长时
18、大多需要外源性的生长因素。 光 2 （CH3）2CHOH + CO2 2CH3COCH3+CH2O+H2O 光合色素 此菌在光和厌氧条件下进行上述反应。但在黑暗和好氧条件下又可能用有机物氧化产生的化学能推动代谢作用。,第三节 微生物的营养类型,四、化能异养型微生物 这种类型的微生物其能源和碳源都来自于有机物，能源来自有机物的氧化分解，ATP通过氧化磷酸化产生，碳源直接取自于有机碳化合物。它包括自然界绝大多数的细菌，全部的放线菌、真菌和原生动物。根据生态习性不同可将这种营养类型分为以下几种： 1腐生型 从无生命的有机物获得营养物质。 引起食品腐败变质的某些霉菌和细菌就属这一类型。如引起腐败的梭状
19、芽孢杆菌、毛霉、根霉、曲霉等。 2寄生型 必须寄生在活的有机体内，从寄主体内获得营养物质才能生活称为寄生，这类微生物叫寄生微生物。,第四节 培养基（medium）,为了研究和利用微生物，必须人为地创造适宜的环境培养微生物，培养基是指经人工配制而成的适合微生物生长繁殖和积累代谢产物所需要的营养基质。我们配制培养基不但需要根据不同微生物的营养要求，加入适当种类和数量的营养物；并要注意一定的碳氮比例（C/N）；还要调节适宜的酸碱度（pH）；保持适当的氧化还原电位和渗透压。,一、配制培养基的基本原则,配制微生物的培养基，主要考虑以下几个因素：,（一）符合微生物菌种的营养特点： 不同的微生物对营养有着不
20、同的要求，所以，在配制培养基时，培养基的营养搭配及搭配比例首先要考虑到这一点。 营养的要求主要是对碳素和氮素的性质，如果是自养型的微生物则主要考虑无机碳源，如果是异样型的微生物，主要提供有机碳源物质；除碳源物质外，还要考虑加入适量的无机矿物质元素；有些微生物菌种在培养时还要求加入一定的生长因子。 除营养物质要求外，还要考虑营养成分的比例适当，其中碳素营养与氮素营养的比例很重要。C/N 比是指培养基中所含 C 原子的摩尔浓度与 N 原子的摩尔浓度之比，不同的微生物菌种要求不同的 C/N 比。,一、配制培养基的基本原则,（二）适宜的理化条件 除营养成分外，培养基的理化条件也直接影响微生物的生长和正
21、常代谢，其中主要有： 1pH 微生物一般都有它们适宜的生长pH 范围，细菌的最适pH 一般在pH 78范围，放线菌要求pH 7.58.5范围，酵母菌要求pH 3.86.0, 霉菌的适宜pH 为4.05.8。 由于微生物在代谢过程中，不断地向培养基中分泌代谢产物，影响培养基的pH变化，在配制培养基时，要加入一定的缓冲物质，通过培养基中的这些成分发挥调节作用，常用的缓冲物质主要有磷酸盐类和碳酸钙。 2渗透压 由于微生物细胞膜是半通透膜，外有细胞壁起到机械性保护作用，要求其生长的培养基具有一定的渗透压，所以营养成分的浓度要适当，不是越高越好。,二、培养基的类型,（一）根据成分划分 1天然培养基(co
22、mplex medium; undefined medium) 是利用一些天然的动植物组织器官和抽提物，如牛肉膏、蛋白胨、麸皮、马铃薯、玉米浆等制成。它们的优点是取材广泛，营养全面而丰富，制备方便，价格低廉，适宜于大规模培养微生物之用。缺点是成分复杂，每批成分不稳定。我们实验室常用的牛肉膏蛋白胨培养基便是这种类型。 2合成培养基(defined medium; synthetic medium) 是利用已知成分和数量的化学物质配制而成。此类培养基成分精确，重复性强，一般用于实验室进行营养代谢、分类鉴定和选育菌种等工作。缺点是配制较复杂，微生物在此类培养基上生长缓慢，加上价格较贵，不宜用于大规模
23、生产。如实验室常用的高氏1号培养基，察氏培养基。 3半合成培养基(semi-defined medium) 用一部分天然物质作为碳氮源及生长辅助物质，又适当补充少量无机盐类，这样配制的培养基叫半合成培养基。如实验室常用的马铃薯蔗糖培养基。半合成培养基应用最广，能使绝大多数微生物良好地生长。,二、培养基的类型,（二）根据物理状态划分 1液体培养基(liquid medium) 把各种营养物质溶解于水中，混合制成水溶液，调节适宜的pH，成为液体状态的培养基质。该培养基有利于微生物的生长和积累代谢产物，常用于大规模工业化生产和观察微生物生长特征和研究生理生化特性。 2固体培养基(solid medi
24、um) 一般采用天然固体营养物质，如马铃薯块、麸皮等作为培养微生物的营养基质。亦有在液体培养基中加入一定量的凝固剂，如琼脂（1.5%2.0%）、明胶等煮沸冷却后，使凝成固体状态，常用来观察、鉴定和分离纯化微生物。 3. 半固体培养基(semi-solid medium) 加入少量凝固剂（0.50.8的琼脂）则成半固体状态的培养基叫半固体培养基，常用来观察细菌的运动，鉴定菌种噬菌体的效价滴定和保存菌种。,二、培养基的类型,（三）根据用途划分 1. 加富培养基(enriched medium) 根据培养菌种的生理特性加入有利于该种微生物生长繁殖所需要的营养物质，使微生物生长旺盛，如加入血、血清等以
25、培养营养要求比较苛刻的微生物。加富培养基主要用于菌种的保存或用于菌种的分离筛选。 2. 选择培养基(selectic medium) 根据某种或某一类微生物特殊的营养要求，配制而成的培养基，如纤维素选择培养基。还有在培养基中加入对某种微生物有抑制作用，而对所需培养菌种无影响的物质，如在分离霉菌时常在培养基中加入抗生素。 3. 鉴别培养基(differencial medium) 根据微生物的代谢特点通过指示剂的显色反应用以鉴定不同微生物的培养基。,第五节 微生物的代谢,微生物同其他生物一样都是具有生命的，新陈代谢作用贯穿于它们生命活动的始终，新陈代谢作用包括合成代谢（同化作用）和分解代谢（异化
26、作用）。 微生物细胞直接同生活环境接触，微生物不停地从外界环境吸收适当的营养物质，在细胞内合成新的细胞物质和贮藏物质，并储存能量，即同化作用，这是其生长、发育的物质基础； 同时，又把衰老的细胞物质和从外界吸收的营养物质进行分解变成简单物质，并产生一些中间产物作为合成细胞物质的基础原料，最终将不能利用的废物排出体外，一部分能量以热量的形式散发，这便是异化作用。 在上述物质代谢的过程中伴随着能量代谢的进行，在物质的分解过程中，伴随着能量代谢。这些能量一部分以热的形式散失，一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷（ATP）中，这些能量主要用于维持微生物的生理活动或供合成代谢需要。,第五节 微生物的代
27、谢,根据微生物代谢过程中产生的代谢产物在微生物体内的作用不同，又可将代谢分成初级代谢与次级代谢两种类型。 初级代谢是指能使营养物质转换成细胞结构物质、维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。 初级代谢的产物成为初级代谢产物。 次级代谢是指某些微生物进行的非细胞结构物质和维持其正常生命活动的非必须物质的代谢。如一些微生物积累发酵产物的代谢过程（抗生素、毒素、色素等）。,一、 微生物的能量代谢,微生物在生命活动中需要能量，它主要是通过生物氧化而获得能量。所谓生物氧化就是指细胞内一切代谢物所进行的氧化作用。它们在氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能磷酸键形式储藏在ATP分子内，供
28、需要时用。,（一）微生物呼吸（生物氧化）类型,根据在底物进行氧化时，脱下的氢和电子受体的不同，微生物的呼吸可以分为三个类型，即：好氧呼吸、厌氧呼吸、发酵。,好氧呼吸(aerobic respiration) 以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程，称为好氧呼吸。许多异养微生物在有氧条件下，以有机物作为呼吸底物，通过呼吸而获得能量。以葡萄糖为例，通过EMP途径和TCA循环被彻底氧化成二氧化碳和水，生成38个ATP，化学反应式为： C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi-6CO2+6H2O+38ATP,微生物呼吸（生物氧化）类型,厌氧呼吸(anaerobic respiration) 以无机
29、氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程，称为厌氧呼吸。能起这种作用的化合物有硫酸盐、硝酸盐和碳酸盐。这是少数微生物的呼吸过程。例如脱氮小球菌利用葡萄糖氧化成二氧化碳和水，而把硝酸盐还原成亚硝酸盐（故称反硝化作用），反应式如下： C6H12O6+12NO36CO2+6H2O+12NO2+429000卡,微生物呼吸（生物氧化）类型,（三） 发酵作用(fermentation) 如果电子供体是有机化合物，而最终电子受体也是有机化合物的生物氧化过程称为发酵作用。在发酵过程中，有机物既是被氧化了基质，又是最终的电子受体，但是由于氧化不彻底，所以产能比较少。酵母菌利用葡萄糖进行酒精发酵，只释放2.26105
30、J热量，其中只有9.6104J贮存于ATP中，其余又以热的形式丧失，反应式如下： C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP,（二）生物氧化链,微生物从呼吸底物脱下的氢和电子向最终电子受体的传递过程中，要经过一系列的中间传递体，并有顺序地进行，它们相互“连控”如同链条一样，故称为呼吸链（生物氧化链）。它主要由脱氢酶、辅酶Q和细胞色素等组分组成。它主要存在于真核生物的线粒体中；在原核生物中，则和细胞膜、中间体结合在一起。它的功能是传递氢和电子，同时将电子传递过程中释放的能量合成ATP。,（三）ATP的产生,生物氧化的结果不仅使许多还原型辅酶得到了再生，而且更重要的是为生物
31、体的生命活动获得了能量。ATP的产生就是电子从起始的电子供体经过呼吸链至最终电子受体的结果。 利用光能合成ATP的反应，称为光合磷酸化。利用生物氧化过程中释放的能量，合成ATP的反应，称为氧化磷酸化，生物体内氧化磷酸化是普遍存在的，有机物降解反应和生成物合成反应通过氧化还原而偶联起来，使能量得到产生、保存和释放。 微生物通过氧化磷酸化生成ATP的方式有两种：,（三）ATP的产生,（一）底物水平磷酸化 在底物水平磷酸化中，异化作用的中间产物的高能磷酸转移给ADP，形成ATP，如下述反应： 磷酸烯醇丙酮酸 + ADP丙酮酸 + ATP,（三）ATP的产生,（二）电子传递磷酸化 在电子传递磷酸化中，
32、通过呼吸链传递电子,将氧化过程中释放的能量和ADP的磷酸化偶联起来，形成ATP。一个NAD分子，通过呼吸链进行氧化，可以产生3个ATP分子。它分别在三个位置，各产生一个ATP。第1个ATP大约在辅酶和黄素蛋白之间；第2个ATP大约在细胞色素b和c1之间；在第3个ATP大约在细胞色素c和a之间。,二、 微生物的分解代谢,地球上最丰富的有机物是纤维素，半纤维素，淀粉等糖类物质，自然界中微生物赖以生存的主要也是糖类物质，人们培养微生物，进行食品加工和工业发酵等也是以糖类物质为主要的碳源和能源物质。 微生物的糖代谢是微生物代谢的一个重要方面，掌握这方面的知识，对于认识自然界不同的微生物类群，以及搞好微
33、生物的培养利用都是重要的基础知识。,（一）微生物糖代谢的途径,微生物糖代谢的主要途径有： EMP途径（Embden-Meverhef-Parnus Pathway）， HMP途径（Hexose-Mono-Phosphate Pathway）， E.D途径（Entner-Doudorof Pathway）， Pk途径（Phosphoketolase pathway），等四种。,1.EMP途径,EMP途径也称已糖双磷酸降解途径或糖酵解途径。这个途径的特点是当葡萄糖转化成1.6-二磷酸果糖后，在果糖二磷酸醛缩酶作用下，裂解为两个3化合物，再由此转化为2分子丙酮酸。EMP途径的过程由以下10个连续反应
34、组成：,(己糖激酶) 葡萄糖 + ATP-6-磷酸葡萄糖 + ADP （磷酸己糖异构酶） 6-磷酸葡萄糖 - 6-磷酸果糖 (磷酸己糖激酶) 6-磷酸果糖 + ATP - 1,6- 磷酸果糖 + ADP （醛缩酶） 1,6-二磷酸果糖-磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 （磷酸丙糖异构酶） 磷酸二羟丙酮 - 3-磷酸甘油醛,（3-磷酸甘油醛脱氢酶） 3-磷酸甘油醛 + NAD + H3PO4 1,3-二磷酸甘油酸 + NADH （3-磷酸甘油酸激酶） 1,3-二磷酸甘油酸 + ADP 3- 磷酸甘油酸 + ATP （磷酸甘油酸变位酶） 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 （烯醇化酶） 2-磷酸甘油酸
35、磷酸烯醇式丙酮酸 + H2O (丙酮酸激酶) 磷酸烯醇式丙酮酸 +ADP 丙酮酸 + ATP 总反应式为： C6H12O62NAD+2(ADP+Pi) 2CH3COCOOH+2ATP+2NADH2,关于EMP途径的讨论,EMP 途径是生物体内6磷酸葡萄糖转变为丙酮酸的最普遍的反应过程， EMP 途径的关键酶是磷酸已糖激酶和果糖二磷酸醛缩酶，许多微生物都具有EMP途径。但EMP途径往往是和HMP途径同时存在于同一种微生物中，以EMP途径作为唯一降解途径的微生物极少，只有在含有牛肉汁酵母膏复杂培养基上生长的同型乳酸细菌可以利用EMP作为唯一降解途径。EMP途径的生理作用主要是为微生物代谢提供能量（
36、即ATP），还原剂（即NADH2）及代谢的中间产物如丙酮酸等。,关于EMP途径的讨论,在EMP途径的反应过程中所生成的NADH2不能积累，必须被重新氧化为NAD后，才能保证继续不断地推动全部反应的进行。NADH2重新氧化的方式，因不同的微生物和不同的条件而异。 厌氧微生物及兼厌氧性微生物在无氧条件下，NADH2的受氢体可以是丙酮酸，如乳酸细菌所进行的乳酸发酵，也可以是丙酮酸的降解产物乙醛，如酵母的酒精发酵等。 好氧性微生物和在有氧条件下的兼厌氧性微生物经EMP途径产生的丙酮酸进一步通过三羧酸循环，被彻底氧化，生成CO2，氧化过程中脱下的氢和电子经电子传递链生成H2O和大量ATP。 三羧酸循环（
37、Tricarboxylic Acid Cycle ，TCA）的总反应式为： C6H12O66O2+38(ADP+Pi) 6 CO2+6 H2O +38ATP,2.HMP途径,也称已糖单磷降解途径或磷酸戊糖循环。这个途径的特点是当葡萄糖经一次磷酸化脱氢生成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶作用下，再次脱氢降解为1分子CO2和1分子磷酸戊糖。磷酸戊糖的进一步代谢较复杂，由3分子磷酸已糖经脱氢脱羧生成的3分子磷酸戊糖, 3分子磷酸戊糖之间，在转酮酶和转醛酶的作用下，又生成2分子磷酸己糖和一分子磷酸丙糖，磷酸丙糖再经EMP途径的后半部反应转为丙酮酸，这个反应过程称为HMP途径。反应步骤可分为
38、以下十一步反应：,2.HMP途径,己糖激酶 葡萄糖 + ATP - 6-磷酸葡萄糖 + ADP 磷酸葡萄糖脱氢酶 6-磷酸葡萄糖 + NADP - 6-磷酸葡萄糖内酯 + NADPH2 内酯酶 6-磷酸葡萄糖内酯 + H2O - 6-磷酸葡萄糖酸 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 6-磷酸葡萄糖酸 + NADP - 5-磷酸核酮糖+ NADPH2 + CO2,2.HMP途径,2.HMP途径, 3-磷酸甘油醛-磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛-1,6-二磷酸果糖 磷酸酯酶 1,6-二磷酸果糖 - 6-磷酸果糖 + H3PO4 6-磷酸果糖 - 6-磷酸葡萄糖 完全HMP途径的总反应式为： 6-磷酸葡萄糖 +
39、7H2O + 12NADP - 6CO2+ 12NADPH2+ H3PO4,3.ED途径,也称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径，在醛缩酶（KDPGaldolase）的作用下，裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP途径的后半部反应转化为丙酮酸。,(二)多糖的分解,多糖的种类很多，这里主要讨论淀粉、纤维素、果胶质的分解。,（一）淀粉的分解 淀粉是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。 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。淀粉酶是水解淀粉糖苷键一类酶的总称，它的种类有以下几种： 1液化型淀粉酶（又称-淀粉酶） 淀粉-极限糊精 2
40、糖化型淀粉酶 其将淀粉水解为麦芽糖或葡萄糖，故称为糖化型淀粉酶。 （1）-淀粉酶（淀粉1,4-麦芽糖苷酶）。 淀粉-麦芽糖 （2）糖化酶（淀粉1,4、1,6-葡萄糖苷酶）。淀粉-葡萄糖 3异淀粉酶（淀粉1,6-糊精酶）。 淀粉-直链淀粉 此酶可以分解淀粉中的-1,6-糖苷键，生成较短的直链淀粉。 微生物产生的淀粉酶广泛用于粮食加工、食品工业、发酵、纺织、医药、轻工、化工等行业。,(二)多糖的分解,(二) 纤维素的分解 纤维素酶是一类纤维素水解酶的总称。它由c1酶、cx酶和纤维二糖酶组成，其水解过程如下： C 1酶 Cx1 Cx2酶 纤维二糖酶 天然纤维素-水合纤维素分子- 纤维二糖 - 葡萄糖
41、 生产纤维素酶的菌种常有绿色木霉、康氏木霉、某些放线菌和细菌。我国采用绿色木霉、木素木霉为菌种，进行了研究、试制。 纤维素酶在为开辟食品及发酵工业原料新来源，提高饲料的营养价值，综合利用农村的农付产品方面将会起着积极的作用，具有重要的经济意义。,(二)多糖的分解,(三) 果胶质的分解 果胶是植物细胞的间隙物质，使邻近的细胞壁相连，是半乳糖醛酸以-1,4糖苷键结合成直链状分子化合物。其羧基大部分形成甲基酯，而不含甲基酯的称为果胶酸。 果胶在浆果中最丰富。它的一个重要特点是在酸和糖存在下，可以形成果冻。食品厂利用这一性质来制造果浆、果冻等食品；但对果汁加工、葡萄酒生产引起榨汁困难。 果胶酯酶 聚半
42、乳糖醛酸酶 果胶- 甲醇+果胶酸- 半乳糖醛酸,(三)蛋白质的分解,1.蛋白质的分解 蛋白质是由氨基酸组成的分子巨大、结构复杂的化合物。它们不能直接进入细胞。微生物利用蛋白质，首先分泌蛋白酶至体外，将其分解为大小不等的多肽或氨基酸等小分子化合物后再进入细胞。通式如下： 蛋白酶 蛋白质 多肽、氨基酸 产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等中均有。不同的菌种可以产生不同的蛋白酶，例如黑曲霉主要生产酸性蛋白酶。短小芽孢杆菌用于生产碱性蛋白酶。不同的菌种也可生产功能相同的蛋白酶，同一个菌种也可产生多种性质不同的蛋白酶。,2.氨基酸的分解,微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。,1脱氨作
43、用 脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同，也不一样。主要有以下几种：,(1) 氧化脱氨。在酶催化下，氨基酸在氧化脱氢的同时释放游离氨，这一过程即氧化脱氨。 这种脱氨方式须在有氧气条件下进行。专性厌氧菌不能进行氧化脱氨。微生物催化氧化脱氨的酶有两类：一类是氨基氧化酶，以FAD或FMN为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以NAD或NADP作为氢的载体，交给分子态氧。反应式如下： 2R-CHNH2-COOH + O2 -2R-CO-COOH + 2NH3,（2）还原脱氨。还原脱氨在无氧条件下进行，脱氨生成饱和脂肪酸。 能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。腐败的蛋白质中常分离到饱和
44、脂肪酸便是由相应的氨基酸生成。如大肠杆菌可使甘氨酸还原脱氨成乙酸，反应式如下： NADH2 NAD HOOC-CHNH2-COOH - CH3COOH + NH3 + CO2,（3）水解脱氨。不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物，反应通式如下： 水解酶 R-CHNH2 -COOH + H2O - R-CHOH-COOH + NH3 有些细菌可以水解色氨酸生成吲哚，吲哚可以与二甲基氨基苯甲醛反应生成红色的玫瑰吲哚，因此可根据细菌能否分解色氨酸产生吲哚来鉴定菌种,（4）减饱和脱氨（直接脱氨）。氨基酸在脱氨的同时，其.键减饱和，结果生成不饱和酸。例如天门冬氨酸减饱
45、和脱氨生成延胡索酸，反应式如下： 天门冬氨酸裂解酶 HOO-CH2-CHNH2-COOH - HOOC-CH=CH-COOH + NH3,(四)脂肪和脂肪酸的分解,（二）脂肪酸的分解 微生物分解脂肪酸主要是通过-氧化途径。-氧化是由于脂肪酸氧化断裂发生在-碳原子上而得名。在氧化过程中，能产生大量的能量，最终产物是乙酰辅酶。而乙酰辅酶A 是进入三羧酸循环的基本分子单元。,三、 微生物独特的合成代谢,所谓合成代谢，是指微生物利用能量将简单的无机或有机的小分子前体物质同化成高分子或细胞结构物质；合成代谢时，必须具备三个条件，那就是代谢能量、小分子前体物质和还原基, 只有具备了这三个基本条件，合成代谢
46、才能进行。 微生物的合成代谢，有其独特的代谢途径，但多数代谢过程与高等生物相同或类似，如蛋白质的合成、核算的合成。由于微生物蛋白质的合成和核酸的合成基本同一般生物的生化过程，限于篇幅，这里主要要求对微生物独特的肽聚糖的生物合成代谢途径有所了解。,第六节 微生物发酵的代谢途径,由于微生物种类繁多，能在不同条件下对不同物质或对基本相同的物质进行不同的发酵。而不同微生物对不同物质发酵时可以得到不同的产物，不同的微生物对同一种物质进行发酵，或同一种微生物在不同条件下进行发酵都可得到不同的产物，这些都取决于微生物本身的代谢特点和发酵条件，现将食品工业中常见的微生物及其发酵途径介绍如下：,一、醋酸发酵,参
47、与醋酸发酵的微生物主要是细菌，统称为醋酸细菌。 好氧性的醋酸细菌: 例如纹膜醋酸杆菌（Acetobacter aceti）， 氧化醋酸杆菌（Acetobacter oxydans）， 巴氏醋酸杆菌（Acetobacer pasteurianus）， 氧化醋酸单胞菌（Acetomonas oxydans）等； 厌氧性的醋酸细菌: 例如热醋酸梭菌（Clostriolium themoacidophilus）， 胶醋酸杆菌（Acetobacter xylinum）等。 好氧性的醋酸细菌进行好氧性醋酸发酵； 厌氧性的醋酸细菌进行厌氧性醋酸发酵。,好氧性的醋酸发酵是制醋工业的基础。制醋原料或酒精接种醋酸细菌后，即可发酵生成醋酸发酵液供食用，醋酸发酵液还可以经提纯制成一种重要的化工原料冰醋酸。厌氧性的醋酸发酵是我国用于酿造糖醋的主要途径。,二、柠檬酸发酵,能够累积柠檬酸的霉菌以曲霉属(Aspergillus)，青霉属(Penic