《第5章微生物的代谢讲解ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章微生物的代谢讲解ppt课件.ppt（88页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第五章 微生物的代谢（Microbial metabolism）,什么是代谢？,细胞内发生的各种化学反应的总称，包括物质代谢和能量代谢；两者的关系：,能量代谢是代谢中的核心问题,生物体的通用能源ATP,第一节 微生物的能量代谢,微生物可利用的最初能源？,能量代谢的实质：追踪微生物利用的最初能源转换成通用能源 ATP的过程；,光 能：日光化学能：有机物和无机物,微生物的营养类型,化能自养微生物化能异养微生物光能自养微生物光能异养微生物,1.生物氧化的含义 2.生物氧化的过程脱氢、递氢、受氢3.生物氧化的结果 产ATP、还原力H和小分子代谢产物,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,1.生物氧化的含
2、义生物氧化是指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。燃烧：生物体外的氧化,有机物生物氧化与燃烧的比较,生物氧化的过程,（一）脱氢,（二）递氢,（三）受氢,（一）脱氢,葡萄糖的四条脱氢途径EMP途径(糖酵解途径或己糖二磷酸途径)HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径)ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径)TCA循环(三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环),1.EMP途径,1）是大多数生物所共有的基本代谢途径；2）有氧和无氧条件下都能进行；有氧条件下，该途径与TCA途径连接；无氧条件下，丙酮酸被还原形成乳酸等发酵产物；3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点；如磷酸二羟丙酮可还原
3、成甘油进入脂类代谢,特点,2.HMP途径,1）是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻底氧化产能、产还原力H和许多中间代谢产物的途径；2）进行一次周转需要6分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗1分子的葡萄糖；3）1分子的葡萄糖能产生12分子的NADPH2（参与许多物质的合成）；4）反应中有C3-C7各种糖，用于合成核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等。,3.ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径),由Enter和Doudoroff在嗜糖假单胞菌中发现；途径：葡萄糖 6磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸 KDPG 3磷酸甘油醛+丙酮酸,ED途径特点,是少数缺乏完整EMP途径微生物所具有的一种替代
4、途径，如假单胞菌、运动发酵单胞菌等；该途径反应步骤简单，通过四步反应即可获得2分子的丙酮酸；产能效率低，1分子的葡萄糖仅产1个ATP；反应中有一个特征性酶KDPG醛缩酶；可与EMP、HMP和TCA循环等代谢途径相连接；,具有ED途径的微生物,Pseudomonas saccharophila（嗜糖假单胞菌）Ps.Aeruginosa（铜绿假单胞菌）Ps.Fluorescens（荧光假单胞菌）Ps.Lindneri（林氏假单胞菌）Zymomonas Mobilis（运动发酵单胞菌）Alcalligenes.eutrophus（真养产碱菌）,细菌酒精发酵和酵母菌酒精发酵比较,细菌酒精优点代谢速率高
5、产物转化率高代谢副产物少发酵温度较高不必定期供氧细菌酒精缺点pH为5，容易染杂菌，而酵母菌为3；对乙醇的耐受力7%，酵母菌为8-10%,EMP、HMP与ED途径在微生物中分布,菌 名 EMP HMP ED 大肠杆菌 72 28 枯草杆菌 74 26 真养产碱菌 100 运动发酵单胞菌 100 嗜糖假单胞菌 100 铜绿假单胞菌 29 71 酿酒酵母 88 12 产朊假丝酵母 6681 1934 灰色链霉菌 97 3 产黄青霉 77 23,4.TCA循环,TCA循环由10步酶促反应组成；产能效率极高，是产生ATP的主要场所；在微生物代谢中占有枢纽的地位；提供生物合成所用碳架的重要来源；与微生物大
6、量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；,TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位,四种脱氢途径的比较,EMP途径：许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡萄糖经10步反应产生2分子丙酮酸、2分子NADH2和2个ATP。有氧和无氧条件下都能进行；HMP途径：可与EMP途径或ED途径同时存在，有氧和无氧条件下均可进行。该途径的主要作用是生物合成；,四种脱氢途径的比较,ED途径：少数微生物（某些细菌）以该途径替代EMP途径。1分子葡萄糖经4步反应产生2分子丙酮酸、2分子NADH2和1个ATP；TCA循环：有氧条件下，丙酮酸经该途径进一步代谢产能或用于合成。,（二）
7、递氢,呼吸链（电子传递链）是指位于膜上（原核生物在细胞膜内膜，真核微生物在线粒体内膜），由一系列氧化还原势呈梯度差（按照电子亲和力递增顺序排列）的电子传递体组成（递氢体和电子传递体）；原核和真核生物的电子传递链组成不同，但功能相似；,复合体I,复合体II,Cyt c,复合体III,复合体,复合物催化两个电子从NADH转移到CoQ，电子在传递时，伴随着4个质子从膜内移至膜间隙；复合物只催化电子从琥珀酸转移到CoQ，不涉及质子的转移；复合物催化电子从CoQ传递到Cytc，每次循环只转移一个电子，同时协调1个质子跨膜转运；复合物催化电子从Cytc转移到O2，使O2还原成H2O，每转移一对电子，在基质
8、侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。,现在普遍接受的观点化学渗透学说该学说是英国学者P.Mitchell 于1961年提出；1978年获得诺贝尔奖,ATP产生的机制,化学渗透假说,电子传递过程中导致膜内外出现质子浓度差，在H+浓度梯度的驱动下，通过ATP酶“孔道”返回到膜内时，驱动 ATP 合成。,头部F1：由5种多肽33组成水溶性球蛋白，每个亚基具有一个ATP合成的催化位点；基部F0：由3种多肽a1b2cn 组成疏水蛋白复合体嵌入内膜，形成跨膜质子通道；,ATP 合酶的结构,三个亚基的不同构象,O开放型；L疏松型；T紧密结合型,当质子从 FO 流至膜的F1时，和亚基在质子流的推动下旋转
9、，调节亚基的构象发生 变化，释放ATP。,（三）受氢,经多种途径脱氢和递氢后，最终与氢受体结合并释放其中的能量；根据氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸（有氧呼吸）无氧呼吸发酵,1.呼吸（有氧呼吸）,是一种最重要的生物氧化或产能方式；递氢和受氢在有氧条件下进行，是一种高效产能方式；其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，最终被外源的分子氧接受并释放能量；,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途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；,2.无氧呼吸（厌氧呼吸）,无氧呼吸的类型,指在无氧的条件下，底物脱
10、氢后所产生的还原力H，不经过呼吸链传递，而直接交给某一内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是专性厌氧菌或兼性厌氧菌;其产能都是通过底物水平磷酸化反应，产能效率低；,3.发酵,能形成高能磷酸键的产物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA,发酵类型,1.通过EMP途径进行的发酵同型发酵（酒精、乳酸）凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过HMP途径进行的发酵异型发酵（乳酸）凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;,发酵类型,3.通过ED途径进行的发酵细菌酒精发酵4.由氨基酸发酵产能Stickland反应少数厌氧梭
11、菌以一种氨基酸作氢供体，而以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵类型。,呼吸、无氧呼吸和发酵的示意图,二、化能自养微生物的生物氧化和产能,包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；氢供体是还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+等）；绝大多数化能自养微生物是好氧菌如硝化杆菌属；,无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化；产能效率低；,硝化细菌产ATP和还原力H,NO2-,NO3-,NADH2 FP Cyt.b Cyt.c Cyt.a1 Cyt.aa3,-ATP-ATP+ATP,1/2O2 H2O,2H+2e-2H+2e-NH3+O2 H2O NO2-,为什
12、么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？,硝化细菌和反硝化细菌的比较,三、光能营养型生物的生物氧化,存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；产ATP和还原力H分别进行；能以有毒的H2S作为氢供体 污水净化；具体反应途径：P122,循环光合磷酸化,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产能方式；电子的传递途径是非循环式的；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；PSI：含叶绿素a，吸收光波P700，有利于红光吸收PS：含叶绿素b，吸收光波P680，有利于蓝光吸收反应中
13、可同时产ATP、还原力H和氧气；具体反应途径：P124,两种光合作用比较,嗜盐菌紫膜的光合作用,嗜盐菌是一类在高盐环境中生长的古生菌；无叶绿素或菌绿素参与；在无氧条件下，利用光能通过紫膜上视黄醛辅基构象的改变，逐出质子，形成质子动势；细胞膜上有红色和紫色两个组分（各占50%）；红膜：在有氧条件下进行氧化磷酸化产能；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等,紫膜：环境中氧气浓度很低时，利用紫膜的光能介导合成能量；主要成分为细菌视紫红质和类脂；细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵的作用；是最简单的光合磷酸化反应。,第三节 微生物独特合成代谢途径,自氧微生物的C
14、O2固定途径Calvin循环厌氧乙酰-CoA途径逆向TCA循环羟基丙酸途径,Calvin循环：化能自养生物和光能自养生物固定CO2的主要途径；厌氧乙酰-CoA途径：主要存在于一些化能自养菌中，如产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等；逆向TCA循环：绿色硫细菌固定CO2的方式；羟基丙酸途径：少数绿色硫细菌以H2或H2S作电子供体时所特有的一种CO2的固定机制；,指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化还原成氨的过程；生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应；只有原核生物的部分菌才具有固氮能力；荷兰学者Beijerinck 最早分离出共生固氮微生物Rhizobium(根瘤菌属)；,二、生物固氮(B
15、iological nitrogen fixation),固氮微生物的种类（P134）,自生固氮菌(free-living nitrogen-fixer)共生固氮菌(symbiotic nitrogen-fixer)联合固氮菌(associative nitrogen-fixer),（二）固氮的生化机制,1.生物固氮反应的六大要素,ATP的供应；还原力H及其传递载体；固氮酶钼铁蛋白和铁蛋白；还原底物 N2；镁离子；严格的厌氧微环境；,微量凯氏定氮法、同位素法、乙炔还原法,2.固氮酶活力的测定,3.固氮的生化途径（P136）,固氮酶对氧极端敏感；组分II（铁蛋白）：在空气中暴露45s失活；组分I
16、（钼铁蛋白）：半衰期10min；但大多数固氮菌都是好氧菌；,如何解决微生物既需要氧又须防止氧对固氮酶损伤的矛盾？,思 考?,（三）好氧菌固氮酶避氧害机制,1.好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护、构象保护2.蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制分化出特殊的还原性异形胞;非异形胞的蓝细菌采用固氮作用和光合作用进行时间上的分隔3.根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制豆科植物共生根瘤菌 存在豆血红蛋白非豆科植物共生根瘤菌 存在植物血红蛋白或泡囊,三、肽聚糖的合成(Staphylococcus aureus),整个肽聚糖的合成过程约有20步（一）在细胞质中的合成（二）在细胞膜中的合成（三）在细胞膜外的合成,1.由葡萄糖
17、合成 N-乙酰葡萄糖胺和 N-乙酰胞壁酸,（一）在细胞质中的合成,UDP-N-乙酰胞壁酸-五肽即“Park”核苷酸,2.由 N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,G,（二）在细胞膜中的合成肽聚糖单体的合成,转糖基化作用,（三）在细胞膜外的合成(P142),转肽作用,作业:,1.肽聚糖是如何合成？哪些化学因子可抑制肽聚糖的合成？抑制作用的位点？3.青霉素的抑菌机制？它对处于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对于生长停滞状态的休止细胞有无作用？（P142）,四、微生物次生代谢物的合成,初生代谢产物某些微生物生长到一定阶段形成的结构简单、产量较大的代谢产物；次生代谢产物某些微生物生长到稳定期
18、前后，以初生代谢产物为前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的产量较低、结构复杂的代谢产物；,次生代谢物的特点,分子结构复杂；代谢途径独特；在生长后期合成；产量较低；生理功能不很明确；合成一般受质粒控制。,微生物次生代谢物的合成途径（P143）糖代谢延伸途径莽草酸延伸途径氨基酸延伸途径乙酸延伸途径,抗生素 青霉素、链霉素、金霉素等；生长刺激剂 赤霉素、吲哚乙酸、奈乙 酸等；维生素 硫胺素、核黄素、VB12、吡哆醛等；色素 花青素类、红曲素等；毒素 白喉毒素、破伤风毒素、肉毒毒素、黄曲 霉毒素等；生物碱 麦角生物碱等；,次级代谢产物的种类,第四节 微生物的代谢调节与发酵生产,一、微生物的代谢调节微生
19、物细胞代谢的调节是通过酶的调节来实现的；微生物细胞内酶的存在方式：组成酶：在细胞内以较高的浓度存在；诱导酶：底物和诱导物存在时才合成；,调节细胞膜对营养物的透性；限制酶与底物的接触；调节代谢流等：,微生物细胞代谢调节方式,二、代谢调节在发酵工业中的应用,调节微生物生命活动的方法生理水平的调节代谢途径水平基因水平的调控,生理水平的调节,营养类型和浓度氧的供应pH调节前体和表面活性剂等,代谢途径水平的调节,细调 调节现成酶分子的催化活力粗调 调节酶的合成量,代谢产物的累积方法,应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节；应用抗反馈调节的突变株解除反馈调节；控制细胞膜的透性；通过生理学手段控制细胞膜的渗透
20、性控制生物素的浓度和添加适量青霉素通过细胞膜缺损突变而控制其渗透性应用油酸缺陷型菌株,应用谷氨基酸棒杆菌的高丝氨酸缺陷型菌株累积赖氨酸,应用黄色短杆菌突变株累积苏氨酸,原核生物基因调控主要发生在转录水平；转录调控的基本单元是操纵子；原核基因表达的正或负调控系统的定义：没有调节蛋白存在的情况下，操纵子对于新加入的调节蛋白的反应情况；,基因水平的调控,正调控(positive control)没有调节蛋白存在时，基因是关闭的，当加入调节蛋白分子后，基因活性开启，能进行转录；负调控(negative control)在没有调节蛋白时基因表达具有转录活性，一旦加入调节蛋白，则基因活性被关闭，转录受到抑
21、制；,大肠杆菌乳糖操纵子包括：调节基因启动基因操纵基因结构基因,阻遏蛋白,调节基因 I,CAP,操纵基因O,lacZ,lacY,lacA,结构基因,大肠杆菌乳糖操纵子模型（负调节）,诱导物（乳糖）不存在,转乙酰基酶,调节基因I,CAP,操纵基因O,lacZ,lacY,lacA,结构基因,RNA聚合酶,CAP：,cAMP受体蛋白,乳糖诱导物,-半乳糖苷酶,渗透酶,启动基因 P,诱导物（乳糖）存在,CRP,RNA聚合酶,CAP：,cAMP受体蛋白,乳糖,调解基因R,CAP-cAMP,操纵基因O,lacZ,lacY,lacA,结构基因,X,ATP,cAMP,葡萄糖,乳糖和葡萄糖共同存在,二次生长现象葡萄糖效应,葡萄糖抑制乳糖操纵子的原理,大肠杆菌在既有葡萄糖又有乳糖的条件下，只利用葡萄糖，而不利用乳糖；因为有葡萄糖存在时，腺苷酸环化酶活性降低，导致ATP无法转变而成cAMP；只有细胞内有足够的cAMP时，CAP才与cAMP形成复合物，与启动子相结合。,
