第第 五五 章章 微生物的代谢新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指发生在 活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成 代谢(anabolism)的总和分解代谢酶系 复 杂 分 子 （有机物）简单分子+ ATP + H 合成代谢酶系第一节 微生物的能量代谢能量代谢的目的:能量代谢是新陈代谢中的核心问题 生物体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 能源ATP最初能源有机物化能异养菌日 光光能营养菌无机物化能自养菌通用能源（ATP ）一、化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢和失去电子3种生物氧化:发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称.生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）、和 受氢（或电子）3个阶段。产能（ATP） 生物氧化的功能： 产还原力H 产小分子中间代谢物呼吸 生物氧化的类型： 无氧呼吸 发酵有氧呼吸（一）底物脱氢的四种途径1、EMP途径2、HMP途径3、ED途径4、TCA循环底物脱氢的4条途径及其与递氢、受氢的联系1.糖酵解途径H2O （一）底物脱氢的四种途径1、EMP途径（糖酵解）EMPEMP途径在微生物生命活动中的重要性途径在微生物生命活动中的重要性l1.供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力；l2.连接TCA 、HMP和ED等途径的桥梁；l3.为生物合成提供了多种中间代谢物；l4.通过逆向反应合成多糖。2、HMP途径(磷酸戊糖途径）（一）葡萄糖的脱氢脱羧阶段（氧化阶段）（一）葡萄糖的脱氢脱羧阶段（氧化阶段）6-P葡萄糖+NADP+ 6-P葡萄糖酸内酯+ NADPH+H+ 6-P葡萄糖酸内酯 6-P葡萄糖酸（容易进行） 6-P葡萄糖酸+NADP+ 5-P核酮糖+CO2+NADPH+H+本阶段总反应： 6-P葡萄糖+2NADP+H2O 5-P-核酮糖+CO2+2NADPH+2H+6-P葡萄糖脱氢酶6-P葡萄糖酸内酯酶6-P葡萄糖酸 脱氢酶H2O2、HMP途径(磷酸戊糖途径）的两个阶段：（二）（二）非氧化非氧化的分子重排阶段的分子重排阶段5-磷酸核酮糖 5-P核糖5-磷酸核酮糖 5-P木酮糖（转酮酶的底物、连接EMP） 5-P木酮糖+5-P核糖 7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛 7-P景天庚酮糖+3-P甘油醛 6-P果糖+4-P赤藓糖 5-P木酮糖+4-P赤藓糖 6-P果糖+3-P甘油醛本阶段总反应：35-P核酮糖 26-P果糖 + 13-P甘油醛 65-P核酮糖 46-P果糖 + 23-P甘油醛P戊糖异构酶表异构酶转酮酶转醛酶转酮酶P戊酮糖为：为：65-P核酮糖H2O 56-葡萄糖磷酸磷酸HMPHMP途径的总反应式为：途径的总反应式为：l6葡糖-6-磷酸+12NADP+ +6H2O 5葡糖-6-磷酸+12 NADPH+ +12 H+6CO2+PiHMPHMP途径在微生物生命活动中的意义途径在微生物生命活动中的意义l1.提供戊糖磷酸、还原力-供应合成原料 ；l2. 提供C3C7碳源；l 3、ED途径(又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径）2-酮-3-脱氧-6磷酸葡萄糖EDED途径的意义：可细菌酒精发酵途径的意义：可细菌酒精发酵l细菌酒精发酵（与酵母菌酒精发酵比较）的优缺点：l代谢快、代谢副产物少、不需供氧；生长PH高（细菌 PH=5,酵母菌PH=3 、易被杂菌污染、对乙醇的耐受力低 （细菌：7%，酵母菌：10%）CoASHNADH +CO2FADH2H2ONADH+CO2NADH GTP草酰乙酸再生阶段柠檬酸的 生成阶段氧化脱羧阶段NAD+FADNAD+H2O、乙酰辅酶A NAD+4.TCA循环TCLTCL途径的意义途径的意义l产能高；l提供各种碳架原料以合成各种发酵产品 。葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率的特点和差别（二）递氢和受氢1、呼吸（respiration）又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能 方式，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢经完整的 呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源分子氧接受，产 生了水并释放出ATP形式的能量。电子传递链呼吸链中电子传递时自由能的下降呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH2 2e-NADH-0.32+0.82-0.1830.52kJ/molATP酶2、无氧呼吸（anaerobic respiration）又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源 无机氧化物的生物氧化。特点是底物经常规途径脱 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。 见P112硝酸盐呼吸：在无氧条件下，兼性厌氧微生物以硝酸盐作为最终 电子受体，把它还原成亚硝酸盐等物质的生物学过程，称为异化 性硝酸盐还原作用（Dissimilative）又称硝酸盐呼吸。2、无氧呼吸（anaerobic respiration）（1）硝酸盐呼吸(反硝化作用）（如地衣芽胞杆菌）（2）硫酸盐呼吸硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在 无氧 条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后， 经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢的 过程中与氧化磷酸化相偶联而获得ATP。最终产物是H2S（3）硫呼吸硫呼吸：以无机硫作为呼吸链的最终氢受体产生H2S的 生物氧化作用2、无氧呼吸（anaerobic respiration）（4）铁呼吸铁呼吸：呼吸链的末端受体是Fe3+。（5）碳酸盐呼吸碳酸盐呼吸：呼吸链的末端氢受体是CO2 或重 碳酸盐。（6）延胡索酸呼吸延胡索酸呼吸：呼吸链的末端氢受体是延胡索酸，琥 珀酸是还 原产物。2、无氧呼吸（anaerobic respiration）3、发酵（fermentation）发酵：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)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵大肠杆菌： (PH4.2)产气肠杆菌：(PH5.3)V.P.试验阳性 甲基红试验阴性（橙黄色）V.P.试验阴性 甲基红试验阳性（红色）（精氨酸）V.P试验甲基红试 验甲基红试验甲基红试验M.R甲基红PH4.2(红)6.2(黄) （2）HMP途径异型乳酸发酵 凡葡萄糖经发酵后除了主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和 CO2等多种产物的发酵。菌株有：肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌、两歧双 歧杆菌等经典途径 P119双歧杆菌途径P120（HK途径）利用葡萄糖：乳酸、乙醇、CO2、H2O利用核糖：乳酸、乙酸、 H2O利用果糖：乳酸、乙酸、 甘露醇、 CO2利用葡萄糖：乙酸、乳酸(肠膜明串珠菌等）（PK途径）双歧杆菌对人体的作用双歧杆菌对人体的作用l人体肠道内生活着400百多种细菌，重达1.2公斤 。细菌分为有害菌（致病菌）、有益菌（益生菌 ）、中和菌（调和菌），其中有益菌占50%，双 歧杆菌占有益菌的80%，约5公两。 l机体与其正常菌群是作为一个整体存在的，它们 相互依赖又相互制约，人类与栖居于肠道的双歧 杆菌的关系也是如此。机体为双歧杆菌的定植提 供了许多有利条件，而双歧杆菌在肠道中成为优 势菌群又对维护机体的健康具有重要意义。 你了解吗？1 1屏障作用屏障作用l l某些内源性菌是革兰氏阳性杆菌和球菌与肠粘膜密切结合，在肠粘膜的某些部位形成一 层，称之为膜菌群，而条件致病性的兼性厌氧菌则存在于肠腔中。双歧杆菌通过磷壁酸 与肠粘膜上皮细胞相互作用密切结合，与其他厌氧菌一起共同占据肠粘膜表面，形成一 个生物学屏障，构成肠道的定植抗力，阻止致病菌、条件致病菌的定植和入侵。 双歧杆菌在维持正常的肠蠕动方面具有重要作用，而正常的肠蠕动是阻止致病菌在肠 道中定植的一个重要手段。如当使用蠕动抑制剂之后，再感染痢疾杆菌时，可造成致命 的后果。无菌动物肠道的蠕动、运送和排空能力均较弱,肠腔内偏碱性，Eh较高。而普 通动物肠道中，由于双歧杆菌等专性厌氧菌产酸，肠腔内处于酸性环境，Eh较低,具有 调节肠道正常蠕动、维持生理功能的作用.对致病菌的拮抗作用,也是双歧杆菌构成生物 屏障的一个重要因素.试管内试验证实它对痢疾杆菌、伤寒杆菌、乙型副伤寒杆菌、变 形杆菌、致病性大肠杆菌、产气荚膜梭菌、绿脓杆菌、葡萄球菌以及对某些真菌如白色 念珠菌具有拮抗作用，其机理主要是双歧杆菌发酵糖产生大量醋酸与乳酸，降低ph和Eh ，抑制致病菌生长。此外，双歧杆菌还产生细胞外糖苷酶，可以降解肠粘膜上皮细胞的 复杂多糖。由于这些糖是潜在致病菌的受体，也是结合细菌毒素的受体，所以通过这种 酶的作用可以阻止潜在致病菌及其毒素对肠粘膜上皮细胞的粘附。 2 2营养作用营养作用l 双歧杆菌可以合成多种维生素:如硫胺素、核黄素 、尼克酸、吡哆醇、泛酸、叶酸、维生素B12。当某 些因素造成肠道菌群失调时，明显地表现出维生素缺 乏，证实了肠道菌群特别是占优势的双歧杆菌等为机 体提供各种维生素的重要意义。l双歧杆菌对某些营养物质的吸收还具有促进作用 :这是因为双歧杆菌与其他厌氧菌产生的酸使环境中的 pH和Eh下降，有利于二价铁、维生素D及钙的吸收。 而无菌动物肠道内，缺乏细菌性代谢，Eh较高，不利 于吸收二价铁，所以易于发生低血色素性贫血。 3 3抗肿瘤作用抗肿瘤作用l 当将大肠杆菌、粪链球菌及两株副腐败梭菌的特定菌与无菌小鼠 肠联后，造成100%的小鼠发生肝肿瘤。若上述四株菌再加上长双歧 杆菌与无菌小鼠肠联后，则使肝肿瘤发生率由100%下降到46%。上 述实验说明肠道内某些细菌可以产生致癌因子，而另外一些细菌如 双歧杆菌可能具有清除这些致癌因子的能力。双歧杆菌尚具有降解 N-亚硝胺的作用。双歧杆菌除降解致癌因子，抑制肿瘤发生外，还 对已经形成的肿瘤具有抑制作用。康白（1987）报告青春双歧杆菌 DM8504对小鼠H22肿瘤有抑制作用，对小鼠艾氏腹水癌有抗癌活 性。将H22瘤细胞接种小鼠，于两天后经尾静脉注射一定量青春双 歧杆菌DM8504活菌，每天1次，连续5天，对照组注射生理盐水。 自接种瘤细胞后16天处死，平均瘤重，实验组与对照组有非常显著 差异（P0.01）.不仅活菌有抗肿瘤作用,而且死菌也有作用.如 Sekine报告，加热杀死的婴儿双歧杆菌的细胞壁具有抗肿瘤作用， 作用的强弱与细胞壁的完整性有关，完整的比受到破坏的细胞壁作 用强。抗肿瘤的机理是通过激活吞噬细胞的吞噬活性，而不具有直 接的细胞毒作用。 4 4增强机体的非特异和特异性免疫反应增强机体的非特异和特异性免疫反应l 双歧杆菌能够激活机体吞噬细胞的吞噬活性，提高抗感 染能力。康白等（1987）利用青春双歧杆菌DM8504死的 和活的菌液（30亿/ml）分别给小鼠注射，每天注射1次， 连续3天，注射量分别为0.1、0.2、0.3ml作为实验组。以 同样方法注射死的大肠杆菌液（30亿/ml），作为对照。 对免疫后5天测定吞噬细胞对鸡红细胞的吞噬率、吞噬指 数和脾脏指数研究表明：双歧杆菌活菌对巨噬细胞有明显 的激活作用。双歧杆菌在肠道定植，相当于自然自动免疫 ，可诱发机体的特异性免疫反应。将长双歧杆菌分别与无 菌的BALB/c小鼠（nu/+）和裸鼠(nu/nu)肠联后，从两种鼠 的肠系膜淋巴结、肝、肾中，均能分离出双歧杆菌，这种 易位现象到第四周时，在nu/+小鼠中被终止，此时，利用 巨噬细胞移动抑制试验等证明，nu/+小鼠已经建立了对这 种易位的抵抗力。而nu/nu裸鼠，由于不能建立细胞免疫 ，始终不能制止易位。体液免疫在两种鼠中均能建立