微生物代谢课件

第五章第五章微生物的代谢微生物的代谢概述概述代谢（代谢（metabolism）是微生物细胞与外界环境不）是微生物细胞与外界环境不断进行物质交换的过程，是细胞内各种化学反应断进行物质交换的过程，是细胞内各种化学反应的总和。的总和。代谢代谢=物质代谢物质代谢 +能量代谢能量代谢物质代谢和能量代谢是不能割离开的！物质代谢和能量代谢是不能割离开的！分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢产能代谢产能代谢+耗能代谢耗能代谢 大分子大分子 小分子小分子 分解代谢分解代谢 产生能量产生能量代谢代谢 能能量代谢量代谢 物质代谢物质代谢 消耗能量消耗能量 合成代谢合成代谢 小分子小分子 大分子大分子代谢的相互关系按代谢产物在机体中作用不同分：按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢初级代谢是微生物从外界吸收各种营养物质，是微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生产维持生命活动所通过分解代谢和合成代谢，生产维持生命活动所需要的物质和能量的过程。产物包括：糖类、氨需要的物质和能量的过程。产物包括：糖类、氨基酸、脂肪酸、蛋白质、核酸等。基酸、脂肪酸、蛋白质、核酸等。次级代谢次级代谢是微生物在一定的生长时期，以初是微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体物质，合成一些非生命活动所级代谢产物为前体物质，合成一些非生命活动所必需的代谢物质。例如：抗生素、毒素、激素、必需的代谢物质。例如：抗生素、毒素、激素、色素、维生素等。色素、维生素等。其他的分类方式其他的分类方式一切生命活动都是耗能反应，因此，能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。量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的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的通用能源-ATP-ATP。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微生物光能微生物通用能源通用能源（ATPATP）第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢生物氧化生物氧化是发生在活细胞内的一系列是发生在活细胞内的一系列产能性的氧化反应的总和，即物质在细胞产能性的氧化反应的总和，即物质在细胞内经过一系列连续的氧化还原反应，内经过一系列连续的氧化还原反应，逐步逐步分解分解并释放能量的过程。能量并释放能量的过程。能量以高能键形以高能键形式贮藏在式贮藏在ATP分子内。分子内。P102一、异养微生物的生物氧化一、异养微生物的生物氧化绝大多数微生物是化能异养型，它们通过降解有绝大多数微生物是化能异养型，它们通过降解有机化合物来获得能量。机化合物来获得能量。化能异养型微生物进行能量代谢的最基本途径是化能异养型微生物进行能量代谢的最基本途径是葡萄糖降解。葡萄糖降解主要分为葡萄糖降解。葡萄糖降解主要分为EMP途径、途径、HMP途径、途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。途径、磷酸解酮酶途径。生物氧化过程中，发酵和呼吸都是先将葡萄糖降生物氧化过程中，发酵和呼吸都是先将葡萄糖降解为丙酮酸。解为丙酮酸。葡葡萄萄糖糖EMP途径途径HM途径途径ED途径途径磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径丙丙酮酮酸酸降解成小分子降解成小分子乙醇、乳酸乙醇、乳酸CO2、H2O发酵范畴发酵范畴呼吸范畴呼吸范畴糖酵解的糖酵解的4种途径种途径糖酵解糖酵解 生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解。过程称为糖酵解。EMP途径途径HM途径途径ED途径途径磷酸解酮酶途径磷酸解酮酶途径EMP途径又称糖酵解途径途径又称糖酵解途径。它是以。它是以1分子葡萄糖分子葡萄糖为底物，约经过为底物，约经过10步反应而产生步反应而产生2分子丙酮酸和分子丙酮酸和2分子分子ATP的过程。的过程。在整个反应中，可概括成在整个反应中，可概括成两个阶段两个阶段（耗能和产能）、（耗能和产能）、三种产物三种产物（NADH+H+、丙酮酸和、丙酮酸和ATP）和）和10个个反应步骤反应步骤。EMP途径途径NADH+H+为还原为还原型烟酰胺腺嘌呤二型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，又称核苷酸磷酸，又称还原辅酶还原辅酶，有时，有时用用NADH2来表示。来表示。EMP途径是绝大多数微生物的基本代谢途径。途径是绝大多数微生物的基本代谢途径。产能效率低，产能效率低，1分子葡萄糖净产分子葡萄糖净产2个个ATP。EMP途径提供多种中间代谢产物，为合成代谢提供原料。途径提供多种中间代谢产物，为合成代谢提供原料。在一定条件下可以逆向合成多糖。在一定条件下可以逆向合成多糖。在有氧条件下，在有氧条件下，EMP途径与途径与TCA循环（三羧酸循环）连循环（三羧酸循环）连接，通过接，通过TCA循环把丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。循环把丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水。在无氧条件下，丙酮酸转变成各种发酵产物，与发酵工业在无氧条件下，丙酮酸转变成各种发酵产物，与发酵工业密切相关。例如，酵母菌将丙酮酸还原成乙醇；乳酸菌将密切相关。例如，酵母菌将丙酮酸还原成乙醇；乳酸菌将丙酮酸还原成乳酸。丙酮酸还原成乳酸。EMP途径的特点途径的特点1.发酵发酵在发酵工业上，是指任何利用好氧或厌氧微生物在发酵工业上，是指任何利用好氧或厌氧微生物来生产有用代谢产物的一类生产方式。来生产有用代谢产物的一类生产方式。在能量代谢中，发酵是指微生物在无氧条件下，在能量代谢中，发酵是指微生物在无氧条件下，将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完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，并产生全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。各种不同的代谢产物。发酵条件下，有机物只是发酵条件下，有机物只是部分氧化部分氧化，释放能量少释放能量少。无氧条件下，丙酮酸的去向无氧条件下，丙酮酸的去向乙醇等乙醇等乳酸等乳酸等丙酸丙酸混合酸混合酸发酵产物发酵产物2.呼吸呼吸呼吸呼吸 微生物在底物降解过程中，释放出的电微生物在底物降解过程中，释放出的电子经电子传递系统传给氧或外源电子受体，从而子经电子传递系统传给氧或外源电子受体，从而产生水或其他还原型产物，并释放出大量能量的产生水或其他还原型产物，并释放出大量能量的过程，称为呼吸作用。过程，称为呼吸作用。以分子氧作为最终电子受体的称为以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸有氧呼吸，以，以氧化型化合物作为最终电子受体的称为氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸无氧呼吸。呼吸和发酵的区别：发酵是将电子传递给呼吸和发酵的区别：发酵是将电子传递给代谢途代谢途径中的中间产物径中的中间产物；呼吸作用中，电子经电子传递；呼吸作用中，电子经电子传递系统交给系统交给外源电子受体外源电子受体（O2、NO3 、SO42）。）。（1）有氧呼吸有氧呼吸有氧呼吸过程中，丙酮酸经三羧酸循环（有氧呼吸过程中，丙酮酸经三羧酸循环（TCA循循环）被完全氧化成二氧化碳；脱下的电子经电子环）被完全氧化成二氧化碳；脱下的电子经电子传递链（呼吸链）的作用，与氧分子接合生产水；传递链（呼吸链）的作用，与氧分子接合生产水；并且产生大量的并且产生大量的ATP。（丙酮酸经。（丙酮酸经TCA循环彻底循环彻底氧化后可形成氧化后可形成15分子的分子的ATP）葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 二氧化碳二氧化碳+水水一分子葡萄糖经糖酵解和有氧呼吸后，可彻底分一分子葡萄糖经糖酵解和有氧呼吸后，可彻底分解成二氧化碳和水，并产生解成二氧化碳和水，并产生36或或38个个ATP。P109（2）无氧呼吸无氧呼吸无氧呼吸是厌氧和兼性微生物在无氧条件下进行无氧呼吸是厌氧和兼性微生物在无氧条件下进行的呼吸作用。的呼吸作用。无氧呼吸过程中，电子经电子传递链交给无氧呼吸过程中，电子经电子传递链交给NO3 、NO2 、SO42、S2O42、二氧化碳等含氧化、二氧化碳等含氧化合物。合物。无氧呼吸时，电子传递链比呼吸链（有氧呼吸电无氧呼吸时，电子传递链比呼吸链（有氧呼吸电子传递链）短，释放的能量也比有氧呼吸时少。子传递链）短，释放的能量也比有氧呼吸时少。二、自养微生物的生物氧化二、自养微生物的生物氧化从无机物的氧化获得能量，以无机物为电子供体。从无机物的氧化获得能量，以无机物为电子供体。一般也能以一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质。为唯一或主要碳源合成细胞物质。1.氨的氧化氨的氧化NH3、亚硝酸（、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些）等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源。化能自养细菌用作能源。亚硝化细菌亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量：将氨氧化为亚硝酸并获得能量硝化细菌硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量作用：作用：1 1、将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累、将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。所产生的毒害作用。2 2、在自然界的氮素循环中也、在自然界的氮素循环中也起着重要的作用，在自然界中分布非常广泛。起着重要的作用，在自然界中分布非常广泛。2.硫的氧化硫的氧化硫细菌（硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多聚硫酸盐和亚硫酸盐）元素硫、硫代硫酸盐、多聚硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。作能源。3.铁的氧化铁的氧化 氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌亚铁（亚铁（Fe2+）只有在酸性条件（）只有在酸性条件（pH低于低于3.0）下才）下才能保持可溶解性和化学稳定；当能保持可溶解性和化学稳定；当pH大于大于4.5，亚，亚铁（铁（Fe2+）很容易被氧气氧化成为高价铁（）很容易被氧气氧化成为高价铁（Fe3+）。）。第二节第二节 耗能代谢耗能代谢一、细胞物质合成一、细胞物质合成CO2固定、生物固氮、二碳化合物同化、糖类合固定、生物固氮、二碳化合物同化、糖类合成、氨基酸合成、核苷酸合成成、氨基酸合成、核苷酸合成二、其他耗能反应二、其他耗能反应运动、运输、生物发光运动、运输、生物发光共生固氮菌（根瘤菌）共生固氮菌（根瘤菌）第三节第三节 分解代谢和合成代谢分解代谢和合成代谢 物质代谢（新陈代谢）物质代谢（新陈代谢）=分解代谢分解代谢+合成代谢合成代谢分解代谢是复杂的营养物质分解成简单化合物并分解代谢是复杂的营养物质分解成简单化合物并释放出能量的过程。合成代谢是细胞利用简单的释放出能量的过程。合成代谢是细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子物质的过程，需要消小分子物质合成复杂大分子物质的过程，需要消耗能量。耗能量。一、分解代谢一、分解代谢糖类物质是异养微生物的主要碳素来源和能量来糖类物质是异养微生物的主要碳素来源和能量来源，包括各种多糖（淀粉、纤维素、半纤维素、源，包括各种多糖（淀粉、纤维素、半纤维素、果胶等）、双糖和单糖。果胶等）、双糖和单糖。大分子糖类物质必须由相应的酶类分解为双糖、大分子糖类物质必须由相应的酶类分解为双糖、单糖后才能进入微生物的分解代谢。单糖后才能进入微生物的分解代谢。例如，各种淀粉酶（例如，各种淀粉酶（-淀粉酶、淀粉酶、-淀粉酶、糖化淀粉酶、糖化酶等）可将淀粉水解成葡萄糖。酶等）可将淀粉水解成葡萄糖。（一）糖类物质的分解（一）糖类物质的分解多糖多糖 单糖单糖 丙酮酸丙酮酸 H2O、CO2（二）蛋白质和氨基酸的分解（二）蛋白质和氨基酸的分解 蛋白质蛋白质 短肽短肽 氨基酸氨基酸蛋白酶蛋白酶肽酶肽酶R CH COOHNH2R CH COOHNH2脱羧作用脱羧作用脱氨作用脱氨作用（三）脂肪类物质的分解（三）脂肪类物质的分解一般情况下，微生物首先利用环境中容易利用的一般情况下，微生物首先利用环境中容易利用的营养物质（结构简单、分子量小的）；当环境中营养物质（结构简单、分子量小的）；当环境中只有脂肪类物质时，微生物才分解利用脂肪来生只有脂肪类物质时，微生物才分解利用脂肪来生长和获取能量。长和获取能量。微生物分解和利用脂肪一般比较缓慢。微生物分解和利用脂肪一般比较缓慢。脂肪酸被彻底氧化后可以产生大量的能量，例如：脂肪酸被彻底氧化后可以产生大量的能量，例如：1分子分子16C的饱和脂肪酸被彻底氧化时可获得的饱和脂肪酸被彻底氧化时可获得130个个ATP。（四）与分解代谢有关的生化试验（四）与分解代谢有关的生化试验不同种类的微生物能产生不同的酶类，因此，不不同种类的微生物能产生不同的酶类，因此，不同的微生物能够利用的营养物质是不同的。即使同的微生物能够利用的营养物质是不同的。即使是针对相同的营养物质，不同的微生物有不同的是针对相同的营养物质，不同的微生物有不同的利用方法（导致最终产物不同）。利用方法（导致最终产物不同）。人为的设计一些培养基和检测方法，可以人为的设计一些培养基和检测方法，可以比较方比较方便的便的了解微生物的生理过程。了解微生物的生理过程。1.糖类发酵实验糖类发酵实验培养基：葡萄糖发酵管、乳糖发酵管等培养基：葡萄糖发酵管、乳糖发酵管等指示剂：溴甲酚紫指示剂：溴甲酚紫原理：糖类原理：糖类 有机酸，有机酸，pH ，指示剂由紫，指示剂由紫变黄变黄 有机酸有机酸 气体气体方法：糖发酵管方法：糖发酵管 观观察结果察结果 接种，培养接种，培养35，1824h葡萄糖发酵管配方：葡萄糖发酵管配方：牛肉膏牛肉膏 3g蛋白胨蛋白胨 10gNaCl 5g葡萄糖葡萄糖 5g溴甲酚紫溶液溴甲酚紫溶液 0.1ml 蒸馏水蒸馏水 1000ml1.糖类发酵实验糖类发酵实验结果判断和表示方法结果判断和表示方法黄色黄色/无气体无气体 A 或或 +黄色黄色/有气体有气体 AG 或或 +紫色紫色 N 或或 2.甲基红试验（甲基红试验（MR试验）试验）培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）指示剂：甲基红指示剂：甲基红原理：糖类原理：糖类 丙酮酸丙酮酸 有机酸，有机酸，pH 指示剂变色，黄指示剂变色，黄 红红 方法：方法：结果判断和表示方法结果判断和表示方法 红色红色 +橙黄色橙黄色 2.甲基红试验（甲基红试验（MR试验）试验）3.枸橼酸盐利用试验枸橼酸盐利用试验培养基：枸橼酸盐培养基培养基：枸橼酸盐培养基指示剂：溴麝香草酚蓝（指示剂：溴麝香草酚蓝（BTB）原理：枸橼酸盐原理：枸橼酸盐 碳酸盐，碳酸盐，pH 指示剂变色，绿色指示剂变色，绿色 蓝色蓝色结果判断和表示方法结果判断和表示方法 培养基颜色变蓝培养基颜色变蓝 +培养基颜色不变（绿）培养基颜色不变（绿）又称柠檬酸钠，在食品、饮料工又称柠檬酸钠，在食品、饮料工业中用作风味剂、稳定剂；在医业中用作风味剂、稳定剂；在医药工业中用作抗血凝剂、化痰药药工业中用作抗血凝剂、化痰药和利尿药。和利尿药。枸橼酸盐培养基配方：枸橼酸盐培养基配方：枸橼酸钠枸橼酸钠 2gNaCl 5g磷酸二氢铵磷酸二氢铵 1gMgSO4 0.2g磷酸氢二钾磷酸氢二钾 1g溴麝香草酚兰溶液溴麝香草酚兰溶液 3ml琼脂琼脂 20g蒸馏水蒸馏水 1000ml枸橼酸盐利用试验枸橼酸盐利用试验4.吲哚试验（靛基质试验）吲哚试验（靛基质试验）培养基：蛋白胨水培养基培养基：蛋白胨水培养基试剂：靛基质试剂试剂：靛基质试剂原理：色氨酸原理：色氨酸 吲哚吲哚+靛基质试剂靛基质试剂 玫瑰吲哚（红色）玫瑰吲哚（红色）结果判断和表示方法结果判断和表示方法 变红变红 +“不变色不变色”对二氨基苯甲醛对二氨基苯甲醛蛋白胨水培养基配方：蛋白胨水培养基配方：胰蛋白胨胰蛋白胨 20gNaCl 5g 蒸馏水蒸馏水 1000ml4.吲哚试验吲哚试验5.VP试验试验培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）培养基：葡萄糖蛋白胨水培养基（葡胨水）试剂：试剂：VP试剂（试剂（VP甲液和甲液和VP乙液）乙液）原理：原理：结果判断和表示方法：结果判断和表示方法：培养基颜色变红培养基颜色变红 +培养基颜色不变（或变棕色）培养基颜色不变（或变棕色）葡萄糖葡萄糖红色化合物红色化合物二乙酰二乙酰丙酮酸丙酮酸乙酰甲基甲醇乙酰甲基甲醇胍基胍基碱碱性性O O2 2+5.VP试验试验注意：注意：若滴加甲液和乙若滴加甲液和乙液后没有变色，液后没有变色，不能马上判断结不能马上判断结果为阴性。果为阴性。乙酰甲基甲醇在碱性条件下被氧化需要一段时间。再放入培养箱培养24h以后，判断结果。IMViC试验试验 大肠大肠 产气产气 I 吲哚吲哚 +M 甲基红甲基红 +Vi VP +C 枸橼酸盐枸橼酸盐 +吲哚吲哚甲基红甲基红VPVP枸橼酸盐枸橼酸盐IMViC试验试验大肠杆菌大肠杆菌产气杆菌产气杆菌6.硫化氢试验硫化氢试验原理：原理：含硫氨基酸含硫氨基酸 H2S+Fe2+FeS +Pb2+PbS黑色黑色沉淀沉淀7.尿素酶试验尿素酶试验培养基：尿素培养基（培养基：尿素培养基（pH6.8）指示剂：酚红指示剂：酚红原理：尿素原理：尿素 NH3，pH 指示剂变色：桔黄色指示剂变色：桔黄色 红色红色结果判断和表示方法结果判断和表示方法 培养基颜色变红培养基颜色变红 +培养基颜色不变（桔黄）培养基颜色不变（桔黄）尿素培养基配方：尿素培养基配方：蛋白胨蛋白胨 1gNaCl 5g葡萄糖葡萄糖 1g磷酸二氢钾磷酸二氢钾 2g尿素尿素 终终浓度浓度2%酚红溶液酚红溶液 3ml蒸馏水蒸馏水 1000ml7.尿素酶试验尿素酶试验8.复合生化试验复合生化试验动力靛基质尿素酶试验动力靛基质尿素酶试验 MIUMIU克氏双糖铁培养基试验克氏双糖铁培养基试验 KIAKIA动力靛基质尿素酶试验动力靛基质尿素酶试验 MIUMIUMIUMIU培养基配方：培养基配方：胰蛋白胨胰蛋白胨 10g10gNaCl 5gNaCl 5g葡萄糖葡萄糖 1g1g磷酸二氢钾磷酸二氢钾 2g2g尿素尿素 终浓度终浓度2%2%酚红溶液酚红溶液 2ml2ml琼脂琼脂 3g3g蒸馏水蒸馏水 1000ml1000ml动力靛基质尿素酶试验动力靛基质尿素酶试验 MIUMIU结果判断结果判断 模糊模糊 +清晰清晰 红色红色 +无变化无变化 红色红色 +无变化无变化 看穿刺线看穿刺线加靛基质试剂加靛基质试剂看培养基颜色看培养基颜色克氏双糖铁培养基试验克氏双糖铁培养基试验 KIAKIA培养基配方：培养基配方：蛋白胨蛋白胨 20g 乳糖乳糖 10g牛肉膏牛肉膏 3g 葡萄糖葡萄糖 1g酵母膏酵母膏 3g 硫酸硫酸亚铁亚铁铵铵 0.3gNaCl 5g 硫代硫酸钠硫代硫酸钠 0.5g酚红溶液酚红溶液 6ml 琼脂粉琼脂粉 13g蒸馏水蒸馏水 1000ml可以观察四种生化结果：可以观察四种生化结果：是否利用葡萄糖是否利用葡萄糖 是否利用乳是否利用乳糖糖是否产生是否产生H2S 是否产生气体是否产生气体pH 7.4克氏双糖铁琼脂培养基试验克氏双糖铁琼脂培养基试验 KIAKIA上上红红/下下红红 上上红红/下下黄黄上上黄黄/下下红红上上黄黄/下下黄黄葡葡萄萄糖糖乳乳糖糖四种可能出现的颜色四种可能出现的颜色高层斜面高层斜面接种方法接种方法原理原理指示剂：酚红指示剂：酚红克氏双糖铁琼脂培养基试验克氏双糖铁琼脂培养基试验 KIAKIA结果判断和表示方法结果判断和表示方法例：大肠杆菌在例：大肠杆菌在KIAKIA上的生化表现为：上层黄色，上的生化表现为：上层黄色，下层黄色，培养基断裂，无黑色沉淀。下层黄色，培养基断裂，无黑色沉淀。再例：变形杆菌在再例：变形杆菌在KIAKIA上的生化表现为：上层红色，上的生化表现为：上层红色，下层黄色，有黑色沉淀，培养基没有断裂，也没下层黄色，有黑色沉淀，培养基没有断裂，也没有产生气泡。有产生气泡。表示方法：表示方法：AG/AG,表示方法？表示方法？