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1、3、(1)淀粉、纤维素、果胶、蛋白质和脂肪被微生物降解的过程；（2）蛋白质的腐败与腐化；氨基酸的分解(脱氨作用和脱羧作用)；（3）吲哚试验的原理。,4、（1）酶在微生物生命活动中的作用； （2）胞内酶和胞外酶、固有酶和适应酶。 （3）酶的诱导与酶的阻遏、反馈抑制与反馈阻遏 （4）同工酶与变构酶。5、与食品有关的初级与次级代谢产物；初级代谢与次级代谢定义及两者关系。,第三章微生物的代谢,代谢是细胞内发生的各种生物化学反应的总称。,代谢,分解代谢(catabolism) 产生能量,合成代谢(anabolism) 消耗能量,复杂分子（有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,在微生物生命
2、的整个代谢过程中，指令系统是基因，作用系统是酶，调控系统是代谢产物，影响因素是外界环境。在细胞内各系统之间任何时候都处于相互统一、矛盾、协调和制约之中，是一个完美的自控体系。,能量代谢的中心任务是：生物体如何将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的通用能源-ATP。,最初能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源（ATP）,第一节 微生物的能量代谢,微生物生命活动需要的能量来源于微生物的呼吸作用。,生物氧化方式包括： 物质中加氧； C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 化合物脱氢； CH3-CH2-OH CH3
3、-CHO 失去电子； Fe2+ Fe3+ + e -生物氧化的功能为： 产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物。根据最终电子受体(氢受体)分为： 有氧呼吸、无氧呼吸与发酵,一、微生物的呼吸作用,P92,NAD,有氧呼吸：是氧化底物时，以分子氧作为最终电子受体的生物氧化过程。脱氢酶使基质脱氢，通过细胞色素C将电子和氢传递给氧，氧化酶使分子状态的氧活化，成为氢受体，最终产物为二氧化碳和水。,1.有氧呼吸(aerobicrespiration）,葡萄糖,糖酵解作用,丙酮酸,发酵,有氧,无氧,各种发酵产物,三羧酸循环,被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量,1.有氧呼吸,糖酵解和三羧酸循环形成
4、的NADH和FADH2 在EMP和TCA途径中，脱下的氢或释放出的电子经过电子传递链的传递作用，最后传递到O2，在电子传递过程中有ATP生成。 需氧菌和兼性厌氧菌在有氧条件下可以进行有氧呼吸，同时释放大量的能量。总反应式为：C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38Pi6CO2 + 6H2O + 38ATP,电子传递与氧化,电子传递链,电子传递系统具两种功能：,一是从电子供体接受电子(氢)并传递给电子 受体；二是将电子传递过程中释放的能量合成ATP，(又称氧化磷酸化)。 1分子葡萄糖通过有氧呼吸彻底氧化时，可产生38分子ATP。 其中包含底物水平磷酸化合成，但大部分由电子传递磷酸化合
5、成。,无氧呼吸：是指无机氧化物作为最终电子受体的生物氧化过程。无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，以氧化态的无机氧化物(如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等)为最终电子受体或氢受体，伴随氧化磷酸化作用，产生ATP。产生的能量不如有氧呼吸的多。某些厌氧和兼性厌氧菌在无氧条件下进行无氧呼吸；,2.无氧呼吸(anaerobic respiration),以NO3-为最终电子受体的无氧呼吸称硝酸盐呼吸。 也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。,只能接收2个电子，产能效率低；,NO2-对细胞有毒；,有些细菌可将NO2-进一步还原成N2，这个过程称为反硝化作用,硝酸盐呼
6、吸,在无氧条件下，最终电子受体是被氧化基质本身所产生，而未被氧化的中间产物既是被氧化的基质，又作为最终电子受体，而且作为最终电子受体的有机物是基质未被彻底氧化的中间产物。“发酵”在这里是指不需氧的产能代谢。由于发酵作用对有机物的氧化不彻底，发酵结果是积累有机物，只释放出较少能量。,3.发酵(fermentation),(1)狭义的发酵概念,(2)广义的发酵概念,在有氧或无氧条件下，利用好氧或兼性厌氧、厌氧微生物的新陈代谢活动，将有机物氧化转化为有用的代谢产物，从而获得发酵产品和工业原料的过程。它包括好氧呼吸、厌氧呼吸和发酵三个方面的过程。,专性好氧菌：在正常大气压下通过呼吸产能;兼性厌氧菌：以
7、呼吸为主，兼营发酵产能;微好氧菌 ：需在微量氧(氧分压13kPa)下生活; 微生物与氧的关系 :以呼吸为主，兼营厌氧呼吸产能耐氧菌：不需氧，只能以发酵产能，氧无毒害;专性厌氧菌：只能以发酵或无氧呼吸产能，氧有害或致死,二、不同呼吸类型的微生物,根据微生物的呼吸作用不同，所含的呼吸酶系统是否完全;作为最终电子受体的物质是否是氧;微生物与分子氧的关系不同，分成以下5种呼吸类型：,有氧条件下进行厌氧生活，生长不需要氧，分子氧对它们无毒；它们没有呼吸链，细胞内有超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶，但无过氧化氢酶；靠专性发酵获得能量。 乳酸菌多数是耐氧菌。例如：乳酸乳球菌乳酸亚种、粪肠球菌、乳酸乳杆菌
8、以及肠膜明串珠菌等,(1)耐氧菌(aerotolerant anaerobe),无氧或低氧化还原电位的环境下生长，分子氧对它们有毒，即使短期接触空气，也会抑制其生长甚至死亡；它们缺乏完整的呼吸酶系统，缺乏SOD和细胞色素氧化酶，多数还缺乏过氧化氢酶；靠发酵、无氧呼吸、循环光合磷酸化或甲烷发酵等提供所需能量。常见的有梭菌属、拟杆菌属、双歧杆菌属、消化球菌属、瘤胃球菌属、韦荣氏球菌属、脱硫弧菌属、甲烷杆菌属等。其中多数产甲烷细菌是极端厌氧菌。,(2)厌氧菌(anaerobe)分,一般厌氧菌 专性厌氧菌,有氧或无氧条件下均能生长，但有氧情况生长得更好；它们具有需氧菌和厌氧菌的两套呼吸酶系统，细胞含S
9、OD和过氧化氢酶；有氧时靠有氧呼吸产能，无氧时籍发酵产能。许多酵母菌、肠道细菌、硝酸盐还原菌(如脱氮小球菌)，人和动物的病原菌均属此类菌。肠杆菌科的各种细菌包括大肠杆菌、产气肠杆菌和普通变形杆菌等都是常见的兼性厌氧菌。,(3)兼性厌氧菌(facultative aerobe),(4)微好氧菌(microaerophilic bacteria),有氧和绝对厌氧条件均不能生长，只能在较低的氧分压下才能正常生长；具有完整的呼吸酶系统，通过呼吸链并以氧为最终氢受体，在(13)103Pa大气压下进行呼吸产能。例如，霍乱弧菌、发酵单胞菌属、氢单胞菌、少数拟杆菌属的种等属于此类菌。在摇瓶培养时，菌体生长于液
10、面以下数毫米处。,必须在有分子氧存在的条件下才能生长；具有完整的呼吸酶系统，细胞含 SOD和过氧化氢酶，通过呼吸链并以分子氧作为最终氢受体。在正常大气压(2104Pa)下进行好氧呼吸产能。多数细菌、放线菌、真菌属于此类菌。一般实验室和工业生产上常用摇瓶振荡或通气搅拌供给充足的氧气。,(5)专性好氧菌(strict aerobe),1971 在McCord 和Fridovich提出SOD的学说:他们认为，厌氧菌因缺乏SOD，故易被生物体内产生的超氧阴离子自由基而毒害致死;好氧菌因为细胞有SOD，剧毒的O2- 就被歧化成毒性稍低的H2O2，而后被H2O2酶分解为无毒的H2O。厌氧菌因为不能合成SO
11、D，又无H2O2酶，故无法使O2-歧化成H2O2而被O2-毒害致死。在有氧存在时形成的O2-就使其自身受到毒害。,厌氧菌的氧毒害机制,多数耐氧菌都能合成SOD，且有过氧化物酶，故剧毒的O2-可先歧化成有毒的H2O2，然后被过氧化物酶还原成无毒的H2O。 已有实验证明，对于兼性厌氧的E.coli，如果使之发生缺乏SOD的突变，它即成为“严格厌氧菌”，即E.coli短期接触氧被毒害致死。,耐氧菌生长不需要氧，却为何耐受氧气？,SOD能清除生物体内的O2-而受到医药界的极大关注外源SOD具有保护DNA、蛋白质和细胞膜的作用，使它们免遭O2-的破坏。对治疗类风湿性关节炎、白内障、膀胱炎、皮肤炎、红斑狼
12、疮等疾病疗效较好，对辐射有保护作用还发现SOD还具有防治人体衰老、抗癌、治疗肺气肿以及解除苯中毒等一系列疗效。同时，不管何种给药方式，均无发现任何副作用。因此，它是一种很有前途的药用酶。,SOD的生理功能,多数微生物是化能异养型菌，葡萄糖是微生物最好的碳源和能源，可通过4条代谢途径，EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径完成脱氢反应，并伴随还原力H和能量的产生。,三、化能异养微生物的生物氧化,发酵的类型,EMP途径(糖酵解途径) HMP途径(磷酸戊糖支路) ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径) PK途径(磷酸戊糖解酮酶的途径) 或HK途径(磷酸己糖解酮酶的途径)等
13、。 双歧途径、 TCA途径,1.EMP途径,生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解，这是多数微生物共有的基本代谢途径。通过EMP途径，1分子葡萄糖经10步反应转变成2分子丙酮酸，产生2分子ATP和2分子NADH2。其总反应式为： C6H1206+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH2+2ATP+2H20,（1）酵母菌的酒精发酵 第一型发酵- 酒精发酵,酵母菌在无氧和酸性条件下(pH3.54.5) 经过EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸丙酮酸再由丙酮酸脱羧酶作用形成乙醛和CO2乙醛作为NADH2的氢受体，在乙醇脱氢酶的作用下还原为乙醇。2C2H5OH+2NADH22CH3
14、CH2OH+2NAD 乙醛 乙醇,第二型发酵甘油发酵,在酵母菌的发酵液中有亚硫酸氢钠它与乙醛加成生成难溶性硫化羟基乙醛迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为氢受体， 生成-磷酸甘油。后者在-磷酸甘油脱氢酶的催化下，再水解脱去磷酸生成甘油，使乙醇发酵变成甘油发酵。,啤酒酵母甘油发酵,丙酮酸,CO2,乙醛,NADH,NAD+,乙醇,磷酸二羟丙酮,NADH,NAD+,磷酸甘油,甘油,3%的亚硫酸氢钠（pH7.0）,（硫化羟基乙醛）,啤酒酵母酒精发酵,第三型发酵 甘油发酵,在偏碱性条件下(pH 7.6)，乙醛不能作为氢受体被还原成乙醇，而是2个乙醛分子发生歧化发应，1分子乙醛氧化成乙酸，另1分子乙醛还原成乙醇，
15、使磷酸二羟丙酮作为NADH2的氢受体，还原为-磷酸甘油，再脱去磷酸生成甘油，这称为碱法甘油发酵。这种发酵方式不产生能量。2葡萄糖2甘油 + 乙酸 + 乙醇 + CO2,（2）同型乳酸发酵,葡萄糖经乳酸菌的EMP途径，发酵产物只有乳酸，称同型乳酸发酵。进行同型乳酸发酵的微生物，如乳酸乳球菌乳酸亚种、乳酸乳球菌乳脂亚种、嗜热链球菌、德氏乳杆菌保加利亚亚种(旧称保加利亚乳杆菌)、嗜酸乳杆菌等。,乳酸发酵广泛应用于食品: 泡菜、酸菜、酸牛奶、乳酪以及青贮饲料等都是利用乳酸发酵的发酵制品。由于乳酸菌的代谢活动，积累乳酸，酸化环境，抑制其他微生物的生长，能使蔬菜、牛奶、青贮饲料等得以保存。近代工业多以淀粉
16、为原料，经糖化和德氏乳酸杆菌(L.delbrueckii)进行乳酸发酵生产纯乳酸。,（2）同型乳酸发酵,发酵后除生成乳酸外，还有乙醇(或乙酸)和CO2等多种发酵产物。一些短乳杆菌、发酵乳杆菌、两歧双歧杆菌、肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、根霉等进行异型乳酸发酵。因它们缺乏EMP途径中的关键性酶果糖二磷酸醛缩酶和异构酶，其葡萄糖的降解完全依赖于HMP途径和EMP途径的变异途径。即PK途径(磷酸戊糖解酮酶的途径)和HK途径(磷酸己糖解酮酶的途径),（3）异型乳酸发酵,（4）丙酸发酵和丁酸型发酵(略，详见P98),（5）混合酸发酵,能积累多种有机酸的葡萄糖发酵称为混合酸发酵，又称甲酸发酵。大多数肠道细菌
17、，如大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、产气肠杆菌等均能进行混合酸发酵。先经EMP途径将葡萄糖分解为丙酮酸，在不同酶的作用下，丙酮酸分别转变成甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、CO2和H2等。 CH3COCOOH + CoASH CH3COSCoA + HCOOH 丙酮酸 甲酸,产气肠杆菌也能进行混合酸发酵，不过分解葡萄糖产生的丙酮酸又可缩合、脱羧生成乙酰甲基甲醇(3-羟基丁酮)，后者还原成2,3-丁二醇。乙酰甲基甲醇在碱性环境中易被氧化成二乙酰，二乙酰与蛋白胨中的精氨酸的胍基作用，生成红色化合物。故产气肠杆菌V.P试验阳性。若加入-萘酚和少量肌酸或肌酐可促进此反应进行。大肠杆菌无此反应，V.P试验阴性，故可与产
18、气肠杆菌区别,混合酸发酵V.P试验,大肠杆菌：,产气气杆菌：,V.P.试验阳性甲基红试验阴性,V.P.试验阴性甲基红试验阳性,混合酸发酵V.P试验,大肠杆菌发酵葡萄糖，由于产酸量较多pH降至4.2以下，发酵液中加入甲基红指示剂呈红色，为甲基红试验阳性。产气肠杆菌发酵葡萄糖，由于产酸量较少，加入甲基红指示剂，发酵液呈橙黄色，为甲基红试验阴性。在食品卫生检验时常以大肠杆菌、产气肠杆菌等的存在作为粪便污染食品指示菌，故甲基红试验、V.P试验均是肠道细菌常用的鉴定方法,混合酸发酵甲基红试验,肠道细菌的混合酸发酵特性对鉴定菌种有实际意义,大肠杆菌在厌氧条件下可合成甲酸氢解酶，在酸性条件下(pH6.2)将
19、由丙酮酸裂解产生的甲酸分解为CO2和H2，故大肠杆菌能发酵葡萄糖产酸又产气。而志贺氏菌因无此酶，不能使丙酮酸裂解产生的甲酸分解为CO2 和H2 ，故志贺氏菌发酵葡萄糖只产酸而不产气。在菌种鉴定的生化反应试验中，可通过葡萄糖发酵试验将是否产酸产气的细菌区别开来。,在EMP途径终反应中， 2NADH2在有氧条件下，可经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6 ATP，而在无氧条件下，则可将丙酮酸还原成乳酸，或将丙酮酸脱羧成乙醛，后者还原为乙醇。EMP途径的特征性酶是1,6-二磷酸果糖醛缩酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解生成两个三碳化合。2个3-磷酸甘油醛经磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶作用下生成2分子丙酮酸。丙
20、酮酸是EMP途径的关键产物，由它出发在不同的微生物中可进行多种发酵。（参见P 127图3-2）,2.HMP途径,能产生大量NADPH2形式还原力和重要中间代谢产物而并非产能的代谢途径。(略，详见P128图3-3),3.磷酸解酮酶途径,某些乳酸细菌进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶。 根据解酮酶的不同，将具有磷酸戊糖解酮酶的途径叫PK途径。将具有磷酸己糖解酮酶的途径叫HK途径。,PK途径(略，详见P129,130)(2)HK途径(略，详见130),4、双歧途径,两歧双歧乳酸杆菌(Bifidobacterium bifidum)、双叉乳酸杆菌(Lactobacillus bifidum)等双歧杆菌对葡萄糖的代谢也可归入异型乳酸发酵，但与其他乳酸菌异型发酵不同。(略，代谢途径详见P131图3-5)它们通过HK途径将2分子葡萄糖发酵产生2分子乳酸和3分子乙酸，并产生5分子ATP，总反应式为： 2C6H12O6 +5ADP+5Pi2CH3CHOHCOOH+3CH3COOH+5ATP 葡萄糖 乳酸 乙酸,5.ED途径,又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径。它是少数缺乏完整EMP途径的细菌所特有的利用葡萄糖的替代途径。(略,详见P129图3-4),
