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1、微生物的代谢微生物的代谢知识回顾知识回顾1. 微生物细胞的化学组成微生物细胞的化学组成与高等生物相同，包括碳、氢、氧、氮和各种矿与高等生物相同，包括碳、氢、氧、氮和各种矿质元素质元素2. 微生物的营养要素微生物的营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水3. 根据碳源、能源及电子供体性质的不同根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将可将微生物分为微生物分为4种营养类型：种营养类型：光能无机自养型、光光能无机自养型、光能有机异养型、化能无机自养型、化能有机异养能有机异养型、化能无机自养型、化能有机异养型。型。4.根据物质运输过程的特点根据物质运输过程的特
2、点，可将运输方可将运输方式分为式分为:自由扩散、协助扩散、主动运输和自由扩散、协助扩散、主动运输和基团转移基团转移5. 培养基：培养基：人工配制的，适合微生物生长人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素。养要素。6. 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原则：原则：目的明确、营养协调、理化适宜、经济目的明确、营养协调、理化适宜、经济节约。节约。方法：方法：生态模拟、查阅文献、精心设计、试验生态模拟、查阅文献、精心设计、试验比较。比较。7.
3、培养基的种类培养基的种类按培养基的成分按培养基的成分（天然培养基、合成培养基、（天然培养基、合成培养基、半合成培养基）半合成培养基）按培养基的物理状态按培养基的物理状态（固体培养基、液体（固体培养基、液体培养基、半固体培养基）培养基、半固体培养基）根据培养基的功能根据培养基的功能（基础培养基、加富培（基础培养基、加富培养基、选择培养基、鉴别培养基）养基、选择培养基、鉴别培养基）根据培养基的用途根据培养基的用途（种子培养基、发酵培（种子培养基、发酵培养基、测定培养基、菌种保藏培养基）养基、测定培养基、菌种保藏培养基）基本内容：基本内容：微生物代谢类型及其特点，合成代谢所需小微生物代谢类型及其特点
4、，合成代谢所需小分子化合物、能量和还原力产生来源，微生物细分子化合物、能量和还原力产生来源，微生物细胞中特有的合成代谢，微生物次级代谢产物的合胞中特有的合成代谢，微生物次级代谢产物的合成。成。重点和难点：重点和难点：微生物的代谢类型，微生物细胞中特殊的合微生物的代谢类型，微生物细胞中特殊的合成代谢，次级代谢。成代谢，次级代谢。微生物的代谢微生物的代谢新陈代谢（新陈代谢（metabolism）简称代谢，是细胞简称代谢，是细胞内发生的各种生物化学反应的总称。内发生的各种生物化学反应的总称。分解代谢分解代谢复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）小分子小分子 + ATP + H合成代谢合成代谢物质代谢物
5、质代谢能量代谢能量代谢产能代谢产能代谢耗能代谢耗能代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)第一节第一节 微生物产能代谢微生物产能代谢一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中多种形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-ATPATP。这就是产能代谢。这就是产能代谢。最初最初能源能源有机物有机物还原态无机物还原态
6、无机物日光日光化能异养微生物化能异养微生物化能自养微生物化能自养微生物光能营养微生物光能营养微生物通用能源通用能源（ATP）一生物氧化一生物氧化生物氧化的形式：生物氧化的形式：物质与氧结合物质与氧结合、脱氢或脱电子三种脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：生物氧化的功能为：产能（产能（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生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如储存在高能化合物（如ATP）中中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中化能自养微生物利用化能自养微生物利用无机物无机物化能异养微生物利用化能异养微生物利用有机物有机
7、物（一）化能自养微生物的生物氧化（一）化能自养微生物的生物氧化 好气型的化能自养菌以无机物作氧化基质，利好气型的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。用氧化无机物释放出来的能量进行生长。 硝化细菌硝化细菌 硝化细菌在氧化硝化细菌在氧化NONO2 2- - NO NO3 3- -时获得能量供细胞生长时获得能量供细胞生长 NO NO2 2- - 1 12O2O2 2 NONO3 3- - 18.518.5千卡千卡 硫化细菌硫化细菌 硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。 S S3 32O2O2
8、2H H2 2O OSOSO4 4= =2H2H+ +139.8139.8千卡千卡 S S= =2O2O2 2 SOSO4 4= = 189.9189.9千卡千卡 生物氧生物氧化反应化反应（二）化能异养微生物的生物氧化（二）化能异养微生物的生物氧化呼吸呼吸发酵发酵有氧呼吸有氧呼吸厌氧呼吸厌氧呼吸微生物主要的产能方式微生物主要的产能方式1、呼吸作用（、呼吸作用（respiration）呼吸作用呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子 交给交给NAD(P)+、FAD或或FMN等电子载体，再等电子载体，再 经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成经
9、电子传递系统传给外源电子受体，从而生成 水或其他还原型产物并释放出能量的过程。水或其他还原型产物并释放出能量的过程。（1） 有氧呼吸（有氧呼吸（aerobic respiration）又称好氧呼吸又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其化或产能方式，其特点特点是化合物氧化脱下的氢和是化合物氧化脱下的氢和电子经完整的呼吸链（电子传递链）传递，最终电子经完整的呼吸链（电子传递链）传递，最终被被外源分子氧外源分子氧接受，产生水并释放出接受，产生水并释放出ATP形式的能形式的能量。量。能进行有氧呼吸的微生物都是好氧菌和兼性能进行有氧呼吸的微生物都是好氧菌
10、和兼性厌氧菌。厌氧菌。（2）无氧呼吸）无氧呼吸(anaerobic respiration)某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸也叫厌氧呼吸，无氧呼吸也叫厌氧呼吸，最终电子受体不是氧最终电子受体不是氧，而是，而是NONO3 3- -、NONO2 2- -、SOSO4 42-2-、S S2 2O O3 32-2-、COCO2 2等无机物，或延胡索酸等有机物。等无机物，或延胡索酸等有机物。无氧呼吸需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放无氧呼吸需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程伴随有过程伴随有磷酸化磷酸化作用，可
11、产生较多的作用，可产生较多的能量能量用于生命活动。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多。能量不如有氧呼吸多。硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体最终电子受体，也称为硝酸盐的异化，也称为硝酸盐的异化作用（作用（Dissimilative）。）。有些菌可将有些菌可将NONO2 2- -进一步将其还原成进一步将其还原成N N2 2，这个过程称为这个过程称为反硝化作用反硝化作用2、发酵、发酵(fermentation)发酵：发酵：是指微生物细胞将有机物氧化释放的电子是指微生物细胞将有
12、机物氧化释放的电子直接直接交给底物本身未完全氧化的某种交给底物本身未完全氧化的某种中间产物中间产物，同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。同时释放能量并产生各种不同的代谢产物。呼吸与发酵呼吸与发酵的的根本区别：根本区别：电子载体不是将电子直电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体递系统，逐步释放出能量后再交给最终电子受体（氧或无机氧化物）。（氧或无机氧化物）。化能营养型化能营养型光能营养型光能营养型底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化光合磷酸化光合磷酸化ATPA
13、TP的产生的产生二、能量的转换二、能量的转换1 1、底物水平磷酸化、底物水平磷酸化物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可的化合物，而这些化合物可直接偶联直接偶联ATP或或GTP的合成的合成，这种产生，这种产生ATP等高能分子的方式称为等高能分子的方式称为底物底物水平磷酸化水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程，。底物水平磷酸化既存在于发酵过程，也存在于呼吸作用过程。也存在于呼吸作用过程。例如，在例如，在EMP途径中，途径中，1，3-二磷酸甘油酸转变为二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸;磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸
14、的磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子过程中都分别偶联着一分子ATP的形成的形成.2、电子传递水平磷酸化、电子传递水平磷酸化物质在生物氧化过程中形成的物质在生物氧化过程中形成的NADH和和NADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的的电子传递系统电子传递系统将电子传递给将电子传递给氧氧或或其他氧化其他氧化型物质型物质，在这个过程中偶联着，在这个过程中偶联着ATP的合成，的合成，这种产生这种产生ATP的方式又称为的方式又称为呼吸水平磷酸化呼吸水平磷酸化。 NADHNADH电子传递链电子传递链（1）环式光合磷酸化）环式光合磷酸化 不产生氧不产生氧还
15、原力来自还原力来自H2S等无机物等无机物产能与产还原力分别进行产能与产还原力分别进行电子传递途径属循环方式电子传递途径属循环方式 3、光合磷酸化（光能营养型微生物产能）、光合磷酸化（光能营养型微生物产能） （2）非环式光合磷酸化）非环式光合磷酸化 还原力来自还原力来自H2O的光解的光解同时产生还原力、同时产生还原力、ATP和和O2有有PS和和PS 2个个光合系统光合系统有氧条件下进行有氧条件下进行（3 3）嗜盐菌紫膜的光合磷酸化嗜盐菌紫膜的光合磷酸化一种嗜盐菌特有，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的一种嗜盐菌特有，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。光合作用。嗜盐菌嗜盐菌细胞膜细胞膜红色部
16、分（红膜）红色部分（红膜）紫色部分（紫膜）紫色部分（紫膜）主要含细胞色素和黄素主要含细胞色素和黄素蛋白等用于电子传递磷蛋白等用于电子传递磷酸化的呼吸链载体酸化的呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径在膜上呈斑片状（直径约约0.50.5mmmm）独立分布，其独立分布，其总面积约占细胞膜的一总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红半，主要由细菌视紫红质组成。质组成。紫膜的光合磷酸化是迄紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应：的光合磷酸化反应：细细菌视紫红质（紫色）具菌视紫红质（紫色）具有质子泵功能，在光量有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的子驱动下将膜内产生的H+H+排至细胞膜外，使紫排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度差；膜内外形成质子梯度差；膜外质子通过膜上的膜外质子通过膜上的ATPATP合成酶进入膜内，合成酶进入膜内，平衡膜内外质子梯度差平衡膜内外质子梯度差时合成时合成ATPATP 。自然界中的微生物绝大多数是自然界中的微生物绝大多数是化能异养型化能异养型微生物，微生物，这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过细胞这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过
