导图社区 微生物的新陈代谢
微生物的新陈代谢的思维导图，整理了微生物的能量代谢、分解代谢和合成代谢的联系、微生物独特合成代谢途径、微生物的代谢调节与发酵生产等内容，大家可以学起来哦。
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微生物的新陈代谢
微生物的能量代谢
化能异养微生物的生物氧化和产能
生物氧化
概念：
发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。
形式：
某物质与氧结合、脱氢和失去电子
过程：
脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)
功能：
产ATP、产还原力[H]和产小分子中间代谢物
类型：
呼吸、无氧呼吸和发酵
底物脱氢的4条途径
EMP途径
概念
又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径。是绝大 多数微生物共有的一条基本代谢途径。对专性厌氧(无氧呼吸)的微生物，EMP途径是唯一的途径。
特点
葡萄糖 所含C原子只有部分氧化，产能较少
1分子葡萄糖约经10步反应转变成2分子丙酮酸、2分子ATP和2分子的NADH+H+，能量利用率26%，74%为热能。
生理功能
①供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力
②是连接其他几个重要代谢途径的桥梁
③为生物合成提供多种中间代谢物
④通过逆向反应可进行多糖合成
⑤与乙醇、乳酸、甘油和丁醇等的发酵生产关系密切
HMP途径
又称已糖一磷酸途径(支路)、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径或WD途径。
6分子葡萄糖以6-磷酸葡萄糖的形式参与不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量的NADH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢产物(如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)等)。
有HMP途径的微生物中往往同时存在EMP途径，单独具有HMP途径的微生物少见。
在微生物生命活动中意义重大：
①供应合成原料
②产大量还原力
③作为固定CO2的中介
④扩大碳源利用范围
⑤连接EMP途径
可提供许多重要的发酵产物
ED途径
又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径。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。
特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）
特征酶是KDPG醛缩酶
2分子丙酮酸来历不同
反应步骤简单，产能效率低
结果
一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH2、1分子NADH 2
TCA循环
即三羧酸循环，又称Krebs循环、柠檬酸循环，是指由丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化、脱羧，形成CO2、H2O和NADH的过程。广泛存在于各种生物体内，在好氧性微生物中普遍存在
能量平衡
①1mol丙酮酸经TCA产生4molNADH+H+
1molNADH+H+经电子传递氧化成NAD可产生2.5mol ATP，则共产生10mol ATP。
②琥珀酸辅酶A底物水平磷酸化，GTP—GDP产生1mol ATP
③琥珀酸至延胡索酸1molFADH2氧化生成1.5mol ATP.
故1mol丙酮酸经1次TCA可生成12.5mol ATP
1mol葡萄糖经EMP途径可产生2mol丙酮酸，裂解为丙酮酸的过程中产生2NADH+H+和2ATP，共7ATP，
则1mol葡萄糖经完EMP和TCA共产生32mol ATP
氧不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转
产能效率极高，是生物体提供能量的主要形式
为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽
循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体
为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸、苹果酸、Glu、延胡索酸和琥珀酸发酵等。
递氢和受氢
经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH等还原型辅酶或辅基通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。
根据递氢特点尤其是受氢过程中氢受体性质的不同，把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型
呼吸
又称好氧呼吸，指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经过完整的呼吸链（RC）或电子传递链（ETC）,最终传递给外源分子氧，产生了水并释放ATP的生物氧化过程。是最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。
特点：
底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物氧化释放的电子先通过电子传递链最后才传递到氧。
无氧呼吸
又称厌氧呼吸。指在无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物以外源无机氧化物(少数为有机氧化物)作为末端氢受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。
底物脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。
类型
硝酸盐呼吸(反硝化作用)
同化性硝酸盐还原作用：
是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源的营养物。
异化性硝酸盐还原作用：
是在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它们还原成NO2-、NO、N2O直至N2的过程。即硝酸盐呼吸(反硝化作用)
硫酸呼吸(硫酸盐还原)
是一类称作硫酸盐还原细菌(反硫化细菌)的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式
硫酸盐为最终氢受体，最终产物为H2S
意义：
不利：造成水体和大气的污染，土壤植物烂根，土或水底金属管道腐蚀
有利：清除有机物污染，参与硫循环
硫呼吸(硫还原)
兼性或专性厌氧菌以无机硫作为呼吸最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。
铁呼吸(铁还原)
某些兼性或专性厌氧菌以Fe3+作为呼吸最终氢受体的生物氧化作用。
碳酸盐呼吸(碳酸盐还原)
专性厌氧菌以CO2或碳酸氢盐作为呼吸最终氢受体并产生甲烷或乙酸的生物氧化作用。
延胡索酸呼吸
兼性厌氧菌以延胡索酸等有机氧化物作为呼吸最终氢受体并产生琥珀酸的生物氧化作用。
意义
厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。
除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。
发酵
广义：指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。
狭义：指在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力[H]未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。
（1）通过底物水平磷酸化产ATP；
（2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于发酵产物中；
（3）产能率低；
（4）产生多种发酵产物。
由EMP途径中丙酮酸出发的发酵
酵母型的乙醇发酵
酵母甘油发酵
酵母三型发酵
同型乳酸发酵
丙酮-丁醇发酵
通过HMP途径的发酵
异型乳酸发酵
凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵
异型乳酸发酵的“经典”途径
异型乳酸发酵的双歧杆菌途径
通过ED途径进行的发酵
细菌乙醇发酵
由氨基酸发酵产能
Stickland反应
是两个氨基酸的一个氨基酸作为氢供体，另一个氨基酸作为氢受体时的氧化-还原脱氨基反应。
氢供体氨基酸：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等
氢受体氨基酸：甘氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和甲硫氨酸等。
微生物都是专性厌氧梭菌，如生孢梭菌、肉毒梭菌等，但并不是所有梭菌都是进行Stickland反应 。
产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。
发酵中的产能反应
发酵仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能机制都是底物水平磷酸化，因而产能效率极低。
化能自养微生物的能量代谢
以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH4＋或NO2-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质的代谢。
产能的途径
主要是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，化能自氧菌一般都是好氧菌。
产能原理
上述几类无机底物不仅可作为最初能源产生ATP，而且其中有些底物(如NH4+、H2S、H2)还可作为无机氢供体。当这些无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式 形成还原CO2用的还原力[H]。这种情况，可以 理解成用抽水机把低水位的水重新回灌到高水位蓄水库时，要耗费大量电能作比喻来解释
①底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机物氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；
②呼吸链的组分为多样化，氢可以从任一组分直接进入呼吸链；
③产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。
种类
硝化细菌
能利用还原态无机氮化合物进行自养生长的细菌
分类：
分布于各种土壤和水体中，可分为亚硝化细菌（可把NH3氧化为NO2－）和硝化细菌（可把NO2－氧化为NO3－ ）
光能微生物的能量代谢
光能营养型生物
以光为能源，用CO2(光能自养)或有机碳化合物(光能异氧)作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷酸化)。
循环光合磷酸化
一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制。在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。
电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；
产能（顺电子流）与产还原力[H] （逆电子流）分别进行；
还原力来自H2S、H2、S、Fe2＋等无机或少数有机氢供体；
不产生氧。
非循环光合磷酸化
是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应
电子的传递途径属非循环式的；
在有氧条件下进行；
有PS Ⅰ和PSⅡ两个光合系统，分别吸收红光和蓝光；
反应中可同时产ATP(PSⅡ)、还原力[H](PS Ⅰ)和O2(PSⅡ)；
用于固定CO2的NADPH2中的[H]来自H2O分子的光解产物H+和电子。
嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成
嗜盐菌在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势，再由它来推动ATP酶合成ATP的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。
组分：
红膜: 含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分
紫膜：细菌视紫红质（细菌紫膜质）+ 类脂
视紫红质的功能：
吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵作用
比较
分解代谢和合成代谢的联系
两用代谢途径
代谢物回补顺序
微生物独特合成代谢途径
自养微生物CO2的固定
各种自养微生物获得的能量 CO2的固定
至今已了解的CO2的固定的有4条
Calvin（卡尔文）循环：固定CO2的主要途径
光能自养菌：蓝细菌和多数光合细菌等
化能自养菌：硫细菌、铁细菌、硝化细菌等
厌氧乙酰－CoA途径
化能自养菌：产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等
逆向TCA循环途径
在一些绿硫细菌中进行
羟基丙酸途径
只是少数绿硫细菌在以H2或H2S作电子供体时特有
生物固氮
是指固氮微生物依靠其固氮酶系催化大气中的分子氮还原形成氨的过程。
生物界中只有原核生物才具有固氮能力。其反应是一种极其温和的生化反应，比由人发明的化学固氮作用优越得多。
是地球上仅次于光合作用的第二个重要的生物合成反应
固氮微生物的种类
自生固氮菌：
不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮
好氧自生固氮菌：如固氮菌属、念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属
兼性厌氧自生固氮菌：如红螺菌属、红假单胞菌属
厌氧自生固氮菌：如巴氏梭菌属、绿假单胞菌属
共生固氮菌
必须与它种生物共生在一起才能进行固氮
根瘤：根瘤菌与豆科植物或非豆科植物
植物：地衣（念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属）、满江红鱼腥蓝细菌
联合固氮菌
必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮
肽聚糖的合成
合成特点：
①合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；
②合成过程中须有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与
合成过程：依发生部位分成三个阶段：
第一阶段：在细胞质中由葡萄糖在糖载体UDP（尿嘧啶二磷酸）作用下合成“Park”核苷酸：
第二阶段：在细胞膜上由“Park”核苷酸与N－乙酰葡萄糖胺在脂载体细菌萜醇作用下合成肽聚糖单体。
第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中并通过转糖基和转肽作用交联形成肽聚糖。
转糖基作用（形成β-1,4-糖苷键）
转肽作用（为青霉素所抑制）
微生物次生代谢物的合成
初生代谢和初生代谢产物
初生代谢(Primary metabolish)是指所有生物的共同的代谢途径。合成糖类，氪基酸类，普通的脂肪酸类，核酸类以及由它们形成的聚合物(多糖类、蛋白质类、RNA、DNA等等)。
这些对生物生存和健康必需的化合物就叫初生代谢产物(Primary metabolites)。主要生理作用是维持生存和繁衍后代。
次生代谢和次生代谢产物
次生代谢(Secondametablism)是指生物合成生命必须物质以外物质并储存次生代谢产物
微生物的代谢调节与发酵生产
微生物的代谢调节
代谢调节在发酵工业中的应用
应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节
赖氨酸发酵
肌苷酸的生产
应用抗反馈调节突变株解除反馈调节
控制细胞膜的渗透性
通过生理学手段控制细胞膜的渗透性
通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性
