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1、主讲人：秦玉丽 信阳农专,第五章 微生物的代谢,第五章 微生物的代谢,知识目标： 了解微生物代谢的定义和类型、微生物代谢的特点 掌握微生物代谢和呼吸类型 掌握化能异养微生物的生物氧化与产能 了解微生物代谢的调节 能力目标： 了解细菌鉴定中常用的主要生理生化反应试验法及其原理,第一节 代谢概论,一、微生物代谢的定义 广义的代谢是指生命体进行的一切化学反应。 微生物代谢是微生物活细胞中各种生化反应的总称。微生物的代谢（metabolism）分为物质代谢和能量代谢。物质代谢包括分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)。能量代谢包括产能代谢和耗能代谢。,分解代谢（catabol
2、ism）又称异化作用，是指复杂的有机物大分子物质通过分解代谢酶系的催化降解成简单小分子物质、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用H来表示）的作用，为产能过程。 合成代谢（anabolism）又称同化作用，与分解代谢正好相反，是指在合成代谢酶系的催化下，细胞利用小分子物质、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂大分子的过程，并在这个过程中消耗能量。,分解代谢与合成代谢的含义及其间的关系可简单地表示为：, 简单分子+ATP+H,二、微生物代谢的特点 微生物的代谢与其他生物有许多相同之处和相异之处。微生物代谢的特点是代谢旺盛，代谢类型多样，代谢调节的严格性和灵活性，自我
3、调节能力强，易于人工控制，从而使微生物在自然界物质循环和生态系统中起着十分重要的作用。,第二节 微生物对自然界有机物质的分解,一、纤维素的分解 分解纤维素的微生物有：细菌、放线菌、真菌。其中分解能力较强的微生物主要是真菌，如木霉（Trichod erma）、根霉（Rhizopus）、黑曲霉及青霉（Penicillium）等，由于霉菌产纤维酶的能力较强，培养简单，一般作为纤维素酶生产菌。,分解纤维素的酶有两类：细胞表面酶和外酶。,纤维素在微生物分泌的纤维素酶的作用下将维生素分解成纤维二糖，纤维二糖在纤维二糖酶的作用下水解成葡萄糖。,纤维素酶也是由许多密切相关酶组成的酶系。该酶系由酶（E1）、酶（
4、E2）和酶（E3）3种类型的酶组成。,E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的1，4糖苷键，产物为寡糖； E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖； E3为葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。,E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的1，4糖苷键，产物为寡糖； E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖； E3为葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。,E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的1，4糖苷键，产物为寡糖； E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端
5、开始，逐步水解纤维素为纤维二糖； E3为葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。,E1是内断型葡聚糖水解酶，可以任意水解纤维素分子内部的1，4糖苷键，产物为寡糖； E2为外断型葡聚糖水解酶，从纤维素分子的非还原性末端开始，逐步水解纤维素为纤维二糖； E3为葡萄糖苷酶，能将纤维二糖水解为葡萄糖。,E1和E2的酶活性受纤维二糖与葡萄糖反馈抑制，E3活性受葡萄糖反馈抑制。在适宜条件下，纤维素在E1、E2及E3的联合作用下完全水解，产生大量葡萄糖，纤维素酶的作用模式如下所示。,天然纤维素,水合非结晶纤维素,纤维二糖+葡萄糖,葡萄糖,E1,E2,E3,二、淀粉的分解和糖发酵 淀粉在植物种子中含量很高，分为
6、直链淀粉与支链淀粉两种。直链淀粉是由250300个葡萄糖分子通过-1,4糖苷键连接而成的线性大分子聚合物，分子量约60000，通常卷曲为螺旋形。支链淀粉是由1300个以上的葡糖通过-1,4和-1,6糖苷键连接而成的大分子聚合物，分子量大于20万。,1.-淀粉酶(-amlase) -淀粉酶又称液化型淀粉酶。在适宜条件下，该酶能从淀粉分子内部不规则切断-1,4糖苷键，但不能切断-1,6及邻近-1,6糖苷键的-1,4糖苷键，难于切断淀粉分子两端的-1,4糖苷键。因此，-淀粉酶催化直链淀粉分解的产物为寡糖与麦芽糖的混合物，催化支链淀粉分解的产物为带有-1,6糖苷键的糊精 、麦芽糖和葡萄糖。,2.-淀粉
7、酶 -淀粉酶作用于淀粉的-1,4糖苷键，从淀粉分子非还原性末端开始，以麦芽糖为单位切断-1,4糖苷键，不能切断-1,6糖苷键，也不能越过-1,6糖苷键去切断分子中间的-1,4糖苷键，故该酶作用于淀粉的产物为麦芽糖，带分支侧链的寡糖及界限糊精。该酶催化淀粉降解形成的产物麦芽糖在光学构型上为-型，故称之-淀粉酶；,3.糖化酶与异淀粉酶 糖化酶从淀粉分子的非还原性末端以葡萄糖为单位水解-1,4糖苷键，产物为葡萄糖；不能水解-1，6糖苷键。异淀粉酶能水解-1,6糖苷键。微生物产生的淀粉酶中，细菌产生的主要是-淀粉酶，霉菌产生的主要为异淀粉酶。,三、果胶质的分解 果胶质是构成植物细胞间质的组分，含量虽然
8、不多，但也是植物的重要组成分，果胶质由半乳糖醛酸单体聚合而成。聚合态半乳糖醛酸称为果胶酸，果胶酸羧基甲基化的产物称果胶，果胶又分为可溶性果胶与不溶性果胶（又称原果胶）。,果胶质能被多种细菌和真菌分解。细菌中的厌气性蚀果胶梭菌和费新尼亚梭菌，如好气性浸麻芽孢杆菌等均能分解果胶质。果胶分解过程如下：,原果胶(不溶解),可溶性果胶,可溶果胶+水,果胶酸+甲醇,果胶酸+水,半乳糖醛酸,四、木质素和芳香族化合物的分解 木质素是植物木质化组织的重要成分，禾本科秸秆含木质素20%左右，木质素的化学结构不十分清楚。据现有研究，木质素是由以苯环为核心带有丙烷支链的一种或多种芳香族化合物（苯丙烷、松柏醇等）氧化缩
9、合而成的，是难分解的物质，一般不彻底分解，而是形成中间产物积累。,能分解木质素的微生物主要是担子菌纲的一些种类，如干朽菌（Merulius）、多孔菌（Polyporus）及伞菌（Agaricus）等属的一些种。木质素在土壤中分解缓慢。好气条件下的分解速度较快。真菌分解木质素的能力较细菌强。,五、蛋白质和氨基酸的分解 1.蛋白质的分解 蛋白质是许多氨基酸通过肽键连接而成的大分子聚合物，不能直接进入微生物细胞。在蛋白酶与肽酶作用下，蛋白质水解为肽及氨基酸，氨基酸直接进入细胞后参与细胞内的一系列脱羧、脱氨等复杂的生化反应。氨基酸主要作为微生物生长的氮源，在碳、能源不足时也可用作碳源与能源物质。,蛋白
10、酶是一种胞外酶。不同的蛋白质需要不同的蛋白酶催化才能降解。如明胶、酪蛋白、胶原蛋白和角蛋白分别由明胶蛋白酶、酪蛋白酶、胶原蛋白酶及角蛋白酶水解。微生物不同，分解利用蛋白质的能力不同。真菌分解蛋白质的能力较细菌强，且能利用天然蛋白质。大多数细菌不能利用天然蛋白质，只能利用某些变性蛋白及蛋白胨、肽等蛋白质的降解产物，这与大多数细菌能合成肽酶有关。,微生物分解蛋白质可以分为两个阶段：,第一个阶段：,多肽,蛋白质,氨基酸,第二个阶段： 在酶的作用下，使氨基酸进一步分解。,2.氨基酸的分解 氨基酸通常是被微生物直接用于合成细胞物质，但在厌氧与缺少碳源的条件下，也能被某些细菌用作能源和碳源。微生物分解利用
11、氨基酸主要是通过脱氨作用和脱羧作用。,（1）脱氨作用 脱氨的方式主要有氧化脱氨基（如大肠杆菌）、还原脱氨基（如梭状芽孢杆菌）、水解脱氨基（如酵母菌）、氧化还原脱氨基（如某些梭菌）4种。,氧化脱氨基作用（普遍存在于动、植物中） 在有氧作用下，氨基酸进行氧化脱氨作用，产物是-酮酸和氨（每消耗1分子氧，产生2分子-酮酸和2分子氨）。,CH3CHNH2COOH + 1/2O2,CH3COCOOH + NH3,丙氨酸,丙酮酸,还原脱氨基 在无氧条件下，氨基酸在氢化酶的参与下以还原方式脱氨生成有机酸和氨。,HOOCCH2CHNH2COOH,HOOCCH=CHCOOH + NH3,天冬氨酸,丁烯二酸,水解脱
12、氨基 在无氧条件下，氨基酸在水解酶的参与下被水解生成羟酸和氨。,CH3CHNH2COOH + H2O,CH3CHOHCOOH + NH3,丙氨酸,乳酸,羟酸脱羧生成一元醇，或氨基酸在水解过程中同时伴随有脱羧过程，生成一元醇、氨和二氧化碳。,CH3CHNH2COOH + H2O,CH3CH2OH + CO2 + NH3,丙氨酸,乙醇,有些微生物如大肠杆菌、变形杆菌等使色氨酸水解脱氨基生成吲哚、丙酮酸和氨，当吲哚与对二甲基氨基苯甲醛试剂反应则生成红色的玫瑰吲哚。 大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌等能水解胱氨酸或半胱氨酸生成硫化氢，在培养基中加入硫酸亚铁或醋酸铅等重金属盐，接种细菌经培养后则出现黑色的硫化
13、铁或硫化铅，为硫化氢反应阳性。这两个反应常用于细菌的鉴定。,氧化还原脱氨基反应 当培养基中的碳源物质与能源物质缺乏时，某些梭菌在厌氧条件下通过此反应获得能量。在这一反应中，一种氨基酸作为供氢体氧化脱氨，另一种氨基酸作为受氢体还原脱氨，生成相应的有机酸、酮酸、NH3，并放出能量。根据实验表明，作供氢体的氨基酸有丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸等，作受氢体的有甘氨酸、脯氨酸和鸟氨酸等。,（2）氨基酸的脱羧基作用 氨基酸脱羧多见于腐败细菌和真菌中。不同氨基酸在相应氨基酸脱羧酶的作用下，催化氨基酸脱羧生成有机胺和二氧化碳：,R-CHNH2COOH,R-CH2NH2 + CO2,氨基酸脱羧酶具有高度专一
14、性，几乎是一种脱羧酶只分解一种氨基酸。利用这一特性可以通过微量测压计测定放出CO2的量分析某一氨基酸的含量和测定脱羧酶的活力。,六、有机农药的分解 农药在土壤中的降解降解包括光化学降解、化学降解和微生物降解等。农药进入土壤后，土壤微生物也会利用这些有机农药为能源，通过脱卤、脱烃、氧化、还原、环裂解和缩合等作用进行降解作用，使各种有机农药彻底分解成CO2，最后消失。 土壤中脱氨的微生物种类很多，好气性大芽孢杆菌、枯草杆菌，厌气性的如腐败梭菌。此外还有细菌、放线菌、真菌。,第三节 微生物的产能代谢 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量转换成对一切生命活动都能使用的通用能源A
15、TP。微生物可利用的最初能源有有机物、日光和还原态无机物三大类，这三类最初能源的转化释放ATP的过程可以简单表示如下：,一、异养微生物的产能代谢 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。,（一）发酵（fermentation） 广义的“发酵”是指利用微生物生产有用代谢产物的一
16、种生产方式，如醋酸发酵，柠檬酸发酵等。 狭义的“发酵”是指在厌氧条件下微生物细胞内发生的一种氧化还原反应，是在无外源电子受体的条件下，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全氧化的某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程。,1.发酵的途径 发酵的种类有很多，可供微生物发酵的有机物质有糖类、有机酸、氨基酸等，多糖转化为单糖才能用于发酵，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。微生物中能进行厌氧生活的主要是细菌，葡萄糖在细菌细胞中的厌氧分解途径主要有4种：己糖双磷酸降解或糖酵解（EMP）途径、己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环（HMP）途径、2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（ED）途径、磷酸解酮酶（PK）途径。,许多细菌可发酵葡萄糖，形成各种代谢产物。对某种微生物来说，其细胞内葡萄糖的厌氧分解以某一途径为主，另一途径为辅，少数微生物仅有一条途径（见表5-1）
