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微生物生理生化

研究生课程考试成绩单

（试卷封面）

院系

能源与环境学院

专业

环境科学与工程

学生姓名

查戎

学号

160506

课程名称

微生物生理生化基础

课程编号

S003307

授课时间

2016-2017学年秋学期1-12周

周学时

3

学分

2.0

简

要

评

语

总评成绩

（含平时成绩）

备注

任课教师签名：

日期：

注：

1.以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。

“简要评语”栏缺填无效。

2.任课教师填写后与试卷一起送院系研究生教务员处。

3.学位课总评成绩以百分制计分。

目录

1.微生物生理学3

1.1微生物的营养3

1.1.1微生物的营养需求3

1.1.2微生物的营养类型3

1.2微生物的生长与繁殖3

1.3微生物对环境的适应3

2.微生物生化代谢4

2.1微生物细胞的化学4

2.1.1细胞的化学元素4

2.1.2生物溶剂——水4

2.1.3细胞干物质的组成4

2.2微生物代谢4

2.2.1ATP的产生4

2.2.2糖代谢6

2.2.4氨基酸代谢8

2.3大分子的生物合成10

2.3.1核酸的合成10

2.3.2蛋白质的合成11

2.3.3多糖的合成11

2.4代谢调节12

2.4.1诱导与遏制13

2.4.2反馈抑制13

1.微生物生理学

微生物生理学实在对微生物学的研究过程中产生的，是对微生物学的研究从现象到本质的过渡。

1857年巴斯德在研究发酵的过程中发现某些细菌能导致乳酸发酵，创立了发酵的生物学理论；科赫发明了固体培养基从而实现了微生物的纯培养，并对细菌的染色技术进行了研究，他提出的科赫法则证明了一种特定的微生物是引起一种特定疾病的原因；俄国的维诺格拉德斯基在研究硫细菌的过程中发现了微生物的自养生活，阐明了微生物新的代谢类型；荷兰的贝格林克从土壤中成功分离了好氧固氮菌和根瘤菌。

德国的毕希纳发现引起发酵的不是酵母菌，而是细胞中的酒化酶；而雅各布和莫纳德则在研究了诱导酶形成的机制后提出乳糖操控子学说，标志着微生物生理学由能量转换、代谢类型的研究转向了代谢调控。

1.1微生物的营养

1.1.1微生物的营养需求

微生物的营养需求分为碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水

1.1.2微生物的营养类型

微生物的营养类型分为光能无机营养型、光能有机营养型、化能无机营养型和化能有机营养型。

1.2微生物的生长与繁殖

分为延滞期、对数期、稳定期和衰亡期

1.3微生物对环境的适应

温度、高盐环境、氧气和pH对微生物的生长均有影响。

2.微生物生化代谢

2.1微生物细胞的化学

2.1.1细胞的化学元素

包括C,H,O,N,P,S,Na,K,Mg,Mn,Ca,Cl,Fe,Zn,Cu,Co,Ni,Mo,Se和W

2.1.2生物溶剂——水

分为游离水和结合水。

水时所有化学物质的溶剂，也参与了许多发生在细胞内的生化反应。

2.1.3细胞干物质的组成

分为碳水化合物、脂类、核酸、蛋白质、灰分物质。

2.2微生物代谢

2.2.1ATP的产生

微生物产生ATP有3种方式，即底物水平磷酸化，呼吸链（氧化）磷酸化和光合磷酸化。

（1）底物水平磷酸化

特点是：

底物在氧化的过程中生成含高能磷酸键的化合物，通过相应酶的作用将此高能磷酸根转移给ADP生成ATP。

这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中普遍发生，其通式：

X～P+ADP→X+ATP

碳水化合物是微生物最常用的能源，但蛋白质、类脂和核酸也可用作能源。

碳水化合物在氧化过程中可以提供大量电子。

图1-11底物水平磷酸化简图

（2）氧化磷酸化

通过呼吸链产生ATP的过程称为电子水平磷酸化或氧化磷酸化。

这种磷酸化的特点是当由物质氧化产生的质子和电子向最终电子受体转移时需经过一系列的氢和电子传递体，每个电子传递都是一个氧化还原过程。

这一系列氢和电子传递体在不同生物中大同小异，构成一条电子传递链，称为呼吸链。

流动的电子通过呼吸链时逐步放出能量，该能量可使ADP生成ATP。

在呼吸链中，氢和电子传递体主要由各种辅酶和辅基组成，呼吸链的这些酶系定向有序的，又不是对称的排列在真核微生物的线粒体内膜上，或排列在原核微生物的细胞质膜上。

原核生物和真核生物呼吸链含有类似的基本的氧化还原载体，就目前所知，呼吸链中主要的中间电子传递体成员是泛醌（CoQ）和细胞色素系统。

（3）光和磷酸化

光合磷酸化是光能转化为化学能的过程。

在这种转化中光和色素起着重要作用。

微生物中的蓝细菌、光合细菌以及嗜盐细菌的光合色素的光合磷酸化特点均有不同。

进行光合磷酸化的细菌分为三类：

蓝细菌、光合细菌、嗜盐细菌。

蓝细菌进行光合作用是依靠叶绿素。

和高等植物一样，蓝细菌在光合作用中还原CO2的电子是来自水的光解，并有氧的释放，并把这类光合作用称为放氧型光合作用，属非环式光合磷酸化，其特点是有由光合色素组成的Ⅰ与Ⅱ两个光反应系统。

光合细菌：

光合细菌包括紫细菌和绿细菌，它们是在厌氧条件下靠细菌叶绿素进行光合作用。

细菌叶绿素是光合细菌的光反应色素，它也是具有镁卟啉环的中心结构，但侧链不同于叶绿素，目前已发现有a、b、c、d、e等5种。

绿硫细菌的光反应中心色素主要是细菌叶绿素c、d和e。

嗜盐细菌：

其光合系统较一般光合细菌更简单，它不含细菌叶绿素，也不存在电子传递链，只具有唯一的色素蛋白，这就是存在于质膜中的细菌视紫红质构成，它是由视黄醛以烯醇式碱基与蛋白质的赖氨酸残基通过共价键相连而构成。

2.2.2糖代谢

糖酵解途径，又称EMP途径，即在无氧条件下，1mol葡萄糖逐步分解而产生2mol丙酮酸、2molNADH+H+和2molATP的过程。

糖酵解途径几乎是所以具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径。

EMP途径见图及反应步骤如图2-1、图2-2所示。

TCA循环，又称三羧酸循环，是丙酮酸有氧氧化过程的一系列步骤的总称。

在绝大多数一样微生物的呼吸代谢中起关键作用。

其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体基质中，在细菌中存在于细胞质中；只有琥珀酸脱氢酶是结合于细胞膜或线粒体膜上。

丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。

循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。

总反应式：

丙酮酸+4NAD++FAD+GDP+Pi+3H2O→3CO2+4（NADH+H+）+FADH2+GTP；

1）好氧呼吸

好氧呼吸是在有外在最终电子受体O2存在时，对底物的氧化过程。

它是一种最普遍和最重要的生物氧化方式，其特点是底物按常规方式脱氢，经完整的呼吸链传递氢，同时底物氧化释放出的电子也经过呼吸链传递给O2，O2得到电子被还原，与脱下的H结合成H2O，并释放能量（ATP）。

好氧呼吸是好氧菌或兼性厌氧菌在好氧条件下的主要产能方式。

好氧呼吸以葡萄糖为例，葡萄糖的氧化分解分为两个阶段：

①葡萄糖的酵解（EMP途径）：

葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸；②TCA循环：

丙酮酸进入三羧酸循环（TCA）被彻底氧化成水和CO2，同时释放出大量能量。

在TCA循环过程中，丙酮酸完全氧化为三个分子的CO2，同时生成四分子的NADH和一分子FADH2。

NADH和FADH2可以通过电子传递系统重新被氧化，由此每一氧化一分子NADH可生成三个分子ATP，每氧化一分子FADH2可生成两分子ATP。

另外琥珀酰辅酶A在氧化成延胡索酸时，包含着底物水平磷酸化作用，由此产生一分子GTP，随后GTP转化ATP。

因此每一次TCA循环可生成15分子ATP。

此外在糖酵解过程中产生的两分子NADH可经电子传递链系统重新被氧化，产生6分子ATP。

在葡萄糖转变为两个分子丙酮酸时还可借底物水平磷酸化生成两分子ATP。

因此需氧微生物在完全氧化葡萄糖的过程中总共可得到38分子的ATP。

好氧呼吸可分为外源性呼吸和内源性呼吸。

在正常情况下，微生物利用外界供给的能量进行呼吸，如果外界没有供给能量，而利用自身内部储存的能源物质进行呼吸，则为内源呼吸。

2）无氧呼吸

无氧呼吸又称厌氧呼吸，是一类电子传递体系末端的受氢体为外源无机氧化物的生物氧化。

这是一类在无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。

其特点是底物按常规脱氢后，经部分电子传递体系递氢，最终有氧化态的无机物受氢。

根据呼吸链末端的最终受氢体的不同，可将无氧呼吸分为硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、碳酸盐呼吸和延胡索酸呼吸等多种类型。

3）发酵

无外在电子受体时，底物脱氢后所产生的还原力[H]不经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。

此过程中有机物仅发生部分氧化，以它的中间代谢产物（即分子内的低分子有机物）为最终电子受体，释放少量能量，其余的能量保留在最终产物中。

根据发酵最终产物的不同，将发酵分为乙醇发酵、乳酸同型发酵、乳酸异型发酵、混合酸发酵。

微生物的各种发酵类型均以葡萄糖作为起始底物，第一步都是先进行糖酵解，其产物是丙酮酸，然后在不同类型的微生物参与下，才按照各种发酵类型继续发酵。

丙酮酸是EMP途径关键产物。

从丙酮酸开始，在各种微生物的发酵作用下，生成各种最终产物。

2.2.4氨基酸代谢

微生物对氨基酸的分解，主要是脱氨作用和脱羧基作用。

a.脱氨作用

脱氨方式随微生物种类、氨基酸种类以及环境条件的不同而不同。

1氧化脱氨：

这种脱氨方式须存有氧气参加的条件下进行，专性厌氧菌不能进行氧化脱氨。

微生物催化氧化脱氨的酶有两类：

一类是氨基酸氧化酶，以FAD或FMN为辅基；另一类是氨基酸脱氢酶，以NAD或NADP作为氢载体。

氧化脱氨生成的酮酸一般不积累，而被微生物继续转化成羟酸或醇，如丙氨酸氧化脱氨生成丙酮酸，丙酮酸可借TＣA循环而继续氧化，化学反应式如下：

②还原脱氨：

还原脱氨在无氧条件下进行，生成饱和脂肪酸。

能进行还原脱氨的微生物是专性厌氧菌和兼性厌氧菌。

腐败的蛋白质中常分离到饱和脂肪酸便是由相应的氨基酸生成，如梭状芽抱杆菌可使丙氨酸还原脱氨成丙酸，化学反应式如下：

③水解脱氨：

不同氨基酸经水解脱氨生成不同的产物。

同种氨基酸水解之后也可形成不同的产物氨酸水解之后可形成乳酸，也可形成乙醇，化学反应式如下：

④减饱和脱氨：

氨基酸在脱氨的同时，其α、β键减饱和，结果生成不饱和酸，如天冬氨酸减饱和脱氨生成延胡素酸。

⑤脱水脱氨：

含羟基的氨基酸在脱水过程中脱氨、如丝氨酸脱水后，经α－氨基丙烯酸、α－亚氨基丙酸，再水解脱氨成丙酮酸，化学反应如下：

b.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酌的作用下，催化氨基酸脱按生成有机胶和二氧化碳。

2.3大分子的生物合成

2.3.1核酸的合成

·DNA的生物合成

DNA合成按半保留复制方式开始于特殊的起点，单向或双向进行，相对分子质量小的环状DNA可以滚环式复制，DNA复制需要DNA聚合酶、RNA聚合酶、解链蛋白、解螺旋蛋白、多核苦酸连接酶和RNA引物等。

DNA开始合成时需要RNA聚合酶在DNA上辨认起始点，再由解链蛋白使DNA双链分开，由解螺旋蛋白迅速解旋。

DNA双链打开后，在RNA聚合酶的作用下合成RNA片段（约50—100个核苷酸长度）作为引物，先在DNA聚合酶Ⅲ的作用下，分别以两条DNA链为模板从5’至3’，在引物上合成1000—2000个核苷酸的DNA片段（冈崎片段），再由DNA聚合酶I水解除去RNA引物，由多核苷酸连接酶将片段连成DNA长链，见图1-6。

·RNA的合成

①DNA指导下的RNA合成（转录）：

在RNA聚合酶的催化下，4种核苷三磷酸聚合成与模板DNA互补的RNA。

依赖DNA的RNA生物合成有4种功能不同的核糖核酸；转移RNA、信使RNA、核蛋白体RNA和（噬菌体RNA）。

②RNA指导下的RNA的合成（RNA复制）：

由依赖RNA的RNA聚合酶催化，以病毒RNA为模板，4种核苷三磷酸为原料合成病毒RNA。

2.3.2蛋白质的合成

蛋白质生物合成的机制较复杂，大约需要200种生物大分子，其中包括tRNA、mRNA、核糖体、可溶性蛋白质因子等参加。

蛋白质合成的过程大致分为3个阶段：

（1）氢基酸的激活。

每一种氨基酸均须由特异性的活化酶体系激活变为活化型的氨酰—tRNA后才能用于合成蛋白质，这类酶称为氨酰—tRNA合成酶。

（2）肽链合成的起动和肽链的延长。

蛋白质合成的起始过程很复杂，主要有3种起始因子（IFl，2，3）参与反应。

起始完成即进入延长阶段，有3个延长因子（Tu、Ts、GTP）参与反应。

他分三步：

氨酰—tRNA与核糖体的结合反应，转肽反应，核糖体的移位反应。

（3）肽链合成的终止和释放。

肽链的合成终止于mRNA上的终止密码于UAA、UAG和UGA，终止反应需要Rl、R2和R3辅助因子。

2.3.3多糖的合成

微生物的多糖与多糖衍生物都是由单糖或单糖衍生物通过糖苷化作用合成的。

微生物的多糖种类很多，如纤维素、几丁质、多聚葡萄糖、多聚甘露糖、肽聚糖、脂多糖等，它们的结构十分复杂，分子大小、合成途径都各不相同。

在此以金黄色葡萄球菌细胞壁肽聚糖的合成途径为例，简单阐述肽聚糖的生物合成过程。

构成肽聚糖骨架的生物合成和装配过程可分为3个阶段，如图1-9。

肽聚糖生物合成的第一阶段在细胞质中进行。

出葡萄糖逐步合成UDP—N—乙酰葡萄糖胺（UDP—GNAc）和UDP—N—乙酰胞壁酸（UDP—MuNAc）；再由N—乙酰细胞壁酸合成A—乙酰胞壁酸五肽，是将氨基酸逐个加到UDP—A—乙酰胞壁酸上的。

D—环丝氨酸可使丙氨酸消旋酶失活，阻止L—丙氨酸变为D—丙氨酸，导致N—乙酰胞壁酸三肽积累，最终导致细胞壁裂解。

肽聚糖生物合成的第二阶段包括N—乙酰葡萄糖胺与N—乙酰胞壁酸五肽的结合生成肽聚糖单体和类脂载体的再生。

这一阶段在细胞质膜k上进行。

类脂载体C55类异戊二烯醇通过两个磷酸基与N—乙酰胞壁酸分子相连，N—乙酰葡萄糖胺从UDP—N—乙酸葡萄糖胺转到UDP—N—乙酰胞壁酸上。

双糖五肽亚单位在细胞膜内表面合成后，由于类脂载体的结合，使亲水分广转变成亲脂分。

使它能顺利通过疏水性很强的细胞膜转移到膜外，同时释放出载体C55类脂。

它在焦磷酸化酶的作用，水解脱磷酸，回复原状，又重新作载体。

肽聚糠生物合成的第三阶段在细胞壁中进行。

新合成的肽聚糖单体被运送到现有细胞壁生长点，肽聚糖单体与现有的细胞壁残余分子间先发生转糖基作用，使多糖链横向延伸1个双糖单位。

再通过转肽酶的转肽作用，使前后两条多糖链的甲肽尾五甘氨酸肽的游离氨基与乙肽尾的第四个氨基酸的羧基结合形成一个肽键，使多糖间发生交联，这一步反应称为转肽作用。

这时，乙肽尾从原有的五肽变成正常肽聚糖分子中的四肽尾了。

2.4代谢调节

微生物在正常的生命活动中，不断地从外界吸收营养物质，然后进行一系列的分解与合成反应，以获得建造自身的物质和能量。

这些生化反应通常是十分复杂而又非常迅速。

在正常情况下，这些反应非常协调地进行，并且具有适应外界环境变化的本领，这一切依靠微生物的调节系统来实现的。

代谢调节有4种调节方式：

1）细胞透性的调节。

细胞质膜直接影响物质的吸收和代谢产物的分泌，从而影响到细胞内代谢的变化，质膜透性的调节是微生物代谢调节的重要方式，由它控制着营养物质的吸收；2）代谢途径区域化。

原核微生物细胞结构虽然简单，他也划分出不同的区域，对于某一代谢途径有关的酶系则集中某一区域，以保证这一代谢途径的酶促反应顺利进行，避免了其它途径的干扰。

；3）代谢流向的控制。

微生物在不同条件下可以通过控制各代谢途径中某个酶促反应的速率来控制代谢物的流向，从而保持机体代谢的平衡，这种控制按这两种方式进行。

其中可逆反应由一个关键酶控制，逆单向反应由两种酶控制；4）代谢速度的控制。

在不可逆反应中，微生物通过调节酶的活性和酶量来控制代谢物的流量。

酶活性和酶量是代谢调节的核心。

微生物代谢的自动调节机制是通过自然选择逐步完善的，而微生物的代谢离不开酶，酶的控制室微生物代谢的主要调节手段。

因此，微生物代谢调节主要是酶量和酶活性的调节，即酶合成的诱导与阻遏，酶功能的抑制与激活。

前者是在遗传学水平上发生的，涉及到基因的表达和阻遏，后者是在酶化学水平上发生的，涉及到酶的别构调节和共价修饰对酶活性的影响。

此外，细胞膜的透性对代谢调节也有具有重要的意义。

了解微生物的代谢调节系统不仅有理论意义，更重要的是能有目的地改造微生物和为微生物提供最合适的环境条件，是微生物能最大限度地生产人类所需的代谢产品。

2.4.1诱导与遏制

1）顺序诱导

第一种酶的底物会诱导第一种酶的合成，第—种酶的产物又可诱导第二种酶的合成．依此类推合成—系列的酶，再依次合成分解中间代谢物的酶，以达到对较复杂代谢途径的分段调节。

2）同时诱导

即加入一种诱导别后，微生物能同时或几乎同时合成几种酶，它主要存在于较短的代谢途径中、合成这些酶的基因由同一个操纵子所控制。

在某代谢这样中，当末端产物过量时，微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成，从而彻底地控制代谢，减少末端产物生成，这种现象称为酶合成的阻遏；可被阻遏的酶称为阻遏酶。

阻遏的生理学功能是节约生物体内有限的养分和能量。

酶合成的阻遏主要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种类型。

2.4.2反馈抑制

反馈抑制的作用机制不同于竞争性抑制作用。

反馈抑制的抑制物和活性中心结合，使酶蛋白的空间构型发生变化，也没有相应的调节基因参与作用。

反馈抑制分为协同反馈抑制、累计反馈抑制、同功酶反馈抑制。

参考文献

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