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1、淮阴师范学院生命科学学院杨威,第五章 微生物的新陈代谢,新陈代谢,简称代谢(metabolism)，是活细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。,分解代谢酶系 复杂分子 简单分子+ATP+H（有机物)合成代谢酶系,微生物代谢特点：1、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。,2023/7/5,2,淮阴师范学院生命科学学院,在代谢过程中，微生物通过分解作用（或光合作用）产生ATP形式的化学能。,这些能量用于：1、合成代谢；2、微生物的运动和运输；3、热和光,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相
2、关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。,2023/7/5,3,淮阴师范学院生命科学学院,物质代谢：物质在体内转化的过程。能量代谢：伴随物质转化而发生的能量形式相互转化.按代谢产物在机体中作用不同分：初级代谢：提供能量、前体、结构物质等生命活动所必须的代谢物的代谢类型；产物：氨基酸、核苷酸等。次级代谢：在一定生长阶段出现非生命活动所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱等,按物质转化方式分：分解代谢：指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在 这个过程中产生能量。合成代谢：是指细胞利用简单的小分子物质
3、合成复杂大分子的过程。在这个过程中要消耗能量。,2023/7/5,4,淮阴师范学院生命科学学院,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。,能量代谢的中心任务，是生物体如何把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。这就是产能代谢。,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）,2023/7/5,5,淮阴师范学院生命科学学院,第一节 微生物的能量代谢第二节 分解代谢和合成代谢的联系第三节 微生物独特合成代谢途径举例第四节 微生物的代谢调控与发酵生产,主要内容,2023/7/5
4、,6,淮阴师范学院生命科学学院,第一节微生物的能量代谢,研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物如何把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利用的通用能源ATP。,2023/7/5,7,淮阴师范学院生命科学学院,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化：指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。1、形式：物质与氧结合、脱氢、失去电子；2、过程：脱氢（或电子）、递氢、受氢；3、功能：产能（ATP）、产还原力H、产小分子中间代谢物；4、类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。,2023/7/5,8,淮阴师范学院生命科学学院,（一）底物脱氢的4条主要途径（以葡萄糖为例）,HMP,2023/7
5、/5,9,淮阴师范学院生命科学学院,1、EMP途径,EMP途径：又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途 径，是绝大多数生物所共有的一条主流代谢途径。专性厌氧微生物产能的唯一途径。EMP途径的生理功能：1）供应ATP形成的能量和NADH2形式的还原力；2）是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括TCA、HMP、ED途径等；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。若从EMP途径与人类生产实践的关系来看，则它与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切。,2023/7/5,10,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,11,淮阴师范学院生命科学学院,E
6、MP途径要点,一个总反应式：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H2O两个阶段：耗能阶段 产能阶段 C6 2C3 2丙酮酸-2ATP+4ATP三种产物：丙酮酸（2）、ATP（4-2）、NADH+H+（2）,2023/7/5,12,淮阴师范学院生命科学学院,EMP途径要点,四个产物去向：丙酮酸：进入TCA循环；还原产乳酸、乙醇等；ATP：营养物吸收和合成反应；NADH+H+：借氧化磷酸化产能。五个重要的酶：磷酸果糖激酶(3)，果糖二磷酸醛缩酶(4)，3-磷酸甘油醛脱氢酶(6)，磷酸甘油酸激酶(7)，烯醇化酶(9)。十个反应步骤。,202
7、3/7/5,13,淮阴师范学院生命科学学院,2、HMP途径（hexose monophosphate pathway）,HMP途径：又称己糖一磷酸途径、己糖一磷酸支路、WD途径、戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway）或磷酸葡萄糖酸途径(phosphogluconate pathway)。特点：葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。,2023/7/5,14,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,15,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,16,淮阴师范学院生命科学学院,HMP途径要点,一
8、个总反应式：6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi两种发生条件：有氧、无氧；三个阶段：葡萄糖 核酮糖-5-磷酸；戊糖异构；（重排）戊糖-磷酸 己糖-磷酸+丙糖-磷酸。,2023/7/5,17,淮阴师范学院生命科学学院,HMP途径要点,四种中间产物：（4、5碳）磷酸糖；甘油醛-3-磷酸；NADH+H+；CO2；五种产物去向：NADH+H+：借氧化磷酸化产能；甘油醛-3-磷酸：经EMP、TCA彻底氧化；生成（醛缩酶）己糖-磷酸；（4、5碳）磷酸糖：合成细胞壁；合成芳香氨基酸和核苷酸。六方面的意义。,2023/7/5,18,淮阴师范
9、学院生命科学学院,HMP途径在微生物生命活动中的意义,1）为核酸、核苷酸、FAD（FMN）、NAD(P)+、和CoA等的生物合成提供戊糖磷酸；途径中的赤藓糖4磷酸是合成芳香族、杂环族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸）的原料。2）产还原力：产生大量NADPH2形式的还原力，不仅可供脂肪酸、固醇等生物合成之需，还可供通过呼吸链产生大量能量。3）扩大碳源利用范围：为微生物利用C3C7多种碳源提供了必要的代谢途径。,2023/7/5,19,淮阴师范学院生命科学学院,4)作为固定CO2的中介：是光能自养微生物和化能自养微生物固定CO2的重要中介（HMP途径中的核酮糖5磷酸可形成核酮糖1，5二磷酸
10、，在羧化酶的催化下可固定CO2）。5）连接EMP途径：通过与EMP途径的连接（在果糖1，6二磷酸和甘油醛3磷酸处），可为生物合成提供更多的戊糖。6）通过HMP途径可提供许多重要的发酵产物，如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸等。,HMP途径在微生物生命活动中的意义,2023/7/5,20,淮阴师范学院生命科学学院,3、ED途径（Entner-Doudoroff pathway）,ED途径:又称2酮3脱氧6磷酸葡糖酸(KDPG)途径。,2023/7/5,21,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,22,淮阴师范学院生命科学学院,ED反应中的关键反应,2023/7/5,23,淮阴师范学院生命科学学院
11、,1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脱水酶,3-磷酸-甘油醛+丙酮酸,KDPG醛缩酶,细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。,ED途径过程：（4步反应）,2023/7/5,24,淮阴师范学院生命科学学院,一个总反应式：C6H12O6+ADP+Pi+NAD+NADP+2CH3COCOOH+ATP+NADH+H+NADPH+H+两个关键和特点：关键反应：KDPG裂解为丙酮酸和3磷酸甘油醛；关 键 酶：KDPG醛缩酶；特 点：反应步骤简单；产能效率低。三条途径相连：EMP、HMP、TCA,ED途径的特点,2023/7/5,25,
12、淮阴师范学院生命科学学院,ED途径的特点,四步反应获丙酮酸：从葡萄糖获丙酮酸仅需四步。2分子丙酮酸的来历不同，其一由KDPG直接裂解形成；另一则由3磷酸甘油醛经EMP途径转化而来。五个产物去向：NADPH+H+：产能，产还原力；ATP：合成反应；NADH+H+：产能；丙酮酸：1.有氧时进入TCA循环；2.经细菌酒精发 酵产乙醇。,2023/7/5,26,淮阴师范学院生命科学学院,4、TCA循环（tricarboxylic acid cycle）,TCA循环:即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环(citric acid cycle)。特点：1）氧虽不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运
13、转；（关键酶：丙酮酸脱氢酶）2）每分子丙酮酸可产4个NADH、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，产能效率极高；3）TCA位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且还与人类的发酵生产紧密相关。,2023/7/5,27,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,28,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,29,EMP途径的总反应式为：C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP+2H2OHMP途径的总反应式为：6C6H12O6+12NADP+6H2O 5C
14、6H12O6+12NADPH+12H+6CO2+Pi ED途径的总反应式为：C6H12O6+NAD+NADP+ADP+Pi 2CH3COCOOH+ATP+NADH+H+NADPH+H+TCA循环的总反应式：CH3COCOOH4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O 3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP,四条途径总反应式的比较,2023/7/5,30,淮阴师范学院生命科学学院,四条途径产能效率比较,2023/7/5,31,淮阴师范学院生命科学学院,其他途径:如：PK途径（磷酸酮解酶途径）,1 G 乳酸+乙醇+1 ATP+NADPH+H+,2023/7/5,32,淮阴师范学院生命科学
15、学院,PK途径（磷酸酮解酶途径）,乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛,特征性酶 木酮糖酮解酶,乙醇,丙酮酸,乳酸,1 G 乳酸+乙醇+1 ATP+NADPH+H+,a、磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌）G 5-磷酸-木酮糖,2023/7/5,33,淮阴师范学院生命科学学院,磷酸己糖酮解酶途径又称HK途径（两歧双歧杆菌）,1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 ATP,2023/7/5,34,淮阴师范学院生命科学学院,G 6-磷酸-果糖,b、磷酸己糖酮解酶途径 又称HK途径（两歧双歧杆菌）,4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸,特征性酶 磷酸己糖酮解酶,3-磷酸甘油醛+乙酰磷酸,5
16、-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖,乙酸,戊糖酮解酶,6-磷酸-果糖,乳酸,乙酸,1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 ATP,2023/7/5,35,淮阴师范学院生命科学学院,二、递氢和受氢,贮存在生物体内葡萄糖等有机物中的化学潜能，经上述4条途径脱氢后，通过呼吸链（或称电子传递链）等方式传递，最终可与氧、无机或有机氧化物等氢受体相结合而释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是受氢体性质的不同，可把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型。,2023/7/5,36,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,37,淮阴师范学院生命科学学院,1、呼吸,呼吸:又称好（有）氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物
17、氧化或产能方式。特点：底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力 H 形式存在）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。氧化磷酸化：又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。,2023/7/5,38,淮阴师范学院生命科学学院,呼吸链：指位于原核生物细胞膜或者真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原电势呈梯度差的氢传递体（或者电子传递体）组成的一组链状传递顺序。能将氢或电子传给分子氧或其他有机、无机氧化物，并使它们还原。呼吸链的主要组分：NAD FP Fe-S CoQ Cytb.c.a.a3,20
18、23/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,39,四个大的多分子复合体：.NADH脱氢酶；.琥珀酸脱氢酶；.细胞色素C还原酶；.细胞色素氧化酶。两个移动的载体：泛醌；细胞色素C。,2023/7/5,40,淮阴师范学院生命科学学院,呼吸链(电子传递链),2023/7/5,41,淮阴师范学院生命科学学院,ATP,ATP,ATP,2023/7/5,42,淮阴师范学院生命科学学院,线粒体电子传递链（还原电势）电子传递链载体:NADH脱氢酶辅酶Q（CoQ）黄素蛋白铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。,20
19、23/7/5,43,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,44,淮阴师范学院生命科学学院,原核微生物电子传递链特点：,最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-；电子供体：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等；含各种类型细胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；,2023/7/5,45,淮阴师范学院生命科学学院,原核微生物电子传递链特点：,呼吸链组分多变，存在分支呼吸链：细菌的电子传递链更短并PO比更低，可以在电子传递链的几个位
20、置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。E.coli：CoQ cyt.b556 cyt.o（缺氧）cyt.b558 cyt.d（抗氰化物）细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧充足的条件下工作；细胞色素d分支对氧亲和性高，在氧不足时起作用。电子传递多样：CoQ cyt.也可不经过此途径。,2023/7/5,46,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,47,化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis）,化学渗透学说：它由英国学者P.Mitchell于1961年提出，该学说认为：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链有关酶系的作用，可将底物分子
21、上的质子从膜的内侧传递到膜的外侧，从而造成了膜两侧质子分布不均匀，此即质子动势（Proton motive force,PMF质子动力，pH梯度）的由来，也是合成ATP的能量来源。通过ATP酶的逆反应可把势子从膜的外侧重新输回到膜的内侧，于是在消除质子动势的同时合了ATP。,2023/7/5,48,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,49,淮阴师范学院生命科学学院,四个大的多分子复合体：.NADH脱氢酶；.琥珀酸脱氢酶；.细胞色素C还原酶；.细胞色素氧化酶。两个移动的载体：泛醌；细胞色素C。,2023/7/5,50,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,51,淮阴师范学院生命科学
22、学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,52,2、无氧呼吸,无氧呼吸：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（少数为有机氧化物）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。特点：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或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应。,2023/7/5,53,淮阴师范学院生命科学学院,延胡索酸呼吸：延胡索酸 琥珀酸有机物呼吸 甘氨酸呼吸：甘氨酸 乙酸 氧化三甲胺呼吸：氧化三甲胺 三甲胺,2023/7/5,54,淮阴师范学院生命科学学院,有关“鬼火”的生物学解释,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为
23、呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将其称之为“鬼火”。,2023/7/5,55,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,56,有关无氧呼吸的几种主要类型P116-P117（自学）,3、发酵（fermentation）,发酵：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
24、谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类低效能生物氧化反应。,2023/7/5,57,淮阴师范学院生命科学学院,1)由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,2023/7/5,58,淮阴师范学院生命科学学院,1、乳酸细菌、芽孢杆菌2、酵母、发酵 单孢菌3、丙酸细菌4、肠杆菌、赛 式杆菌、芽 孢杆菌5、肠道细菌6、梭菌,2023/7/5,59,淮阴师范学院生命科学学院,2）通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵,1、异型乳酸发酵途径：（典型）ADP+PiATP 葡萄糖为底物：葡萄糖 乳酸+乙醇+CO2+H2O 2ADP+Pi2ATP 核糖为底物：核糖 乳酸+乙酸+H2O果糖为底物：果糖 乳酸+乙酸+甘露醇+CO
25、2 2.异型乳酸发酵双歧杆菌途径：2葡萄糖 3乙酸+2乳酸,2023/7/5,60,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,61,淮阴师范学院生命科学学院,异型乳酸发酵的“经典”途径,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,62,异型乳酸发酵的双歧杆菌途径,2）通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵,2023/7/5,63,淮阴师范学院生命科学学院,3）通过ED途径进行的发酵,细菌酒精发酵:通过将葡萄糖不同碳原子进行14C标记测定，三条途径乙醇上碳原子来源不同：1.酵母的同型酒精发酵（EMP）1，2；5，6；2.细菌的同型酒精发酵（ED）2，3；5，6；3.细菌的异型酒精发酵（HMP或PK）
26、2，3。,2023/7/5,64,淮阴师范学院生命科学学院,4）由氨基酸发酵产物Stickland反应 这种以一种氨基酸作底物脱氢（即氢供体），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，称为Stickland反应。此反应的产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。如：生孢梭菌用氨基酸作碳、氮、能源。以丙氨酸和甘氨酸间的发酵反应（Stickland反应）产能（产1ATP），它们的生化机制、总反应是：,2023/7/5,65,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,66,淮阴师范学院生命科学学院,Stickland反应。丙氨酸被氧化成乙酸，甘氨酸被用来氧化丙氨酸降解过程中产生的
27、NADH。此种发酵过程也产生一些ATP。,2023/7/5,67,淮阴师范学院生命科学学院,5）发酵中的产能反应,仅是专性或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式；其产能方式只是通过底物水平的磷酸化，产能效率很低；底物水平磷酸化可形成多种含高能磷酸键的产物，如乙酰磷酸等11种；发酵中很多反应可形成乙酰磷酸，并可经乙酸激酶催化，完成底物水平磷酸化产能：,2023/7/5,68,淮阴师范学院生命科学学院,生物氧化三种类型比较,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,69,二、自养微生物产ATP和产还原力,复杂的细胞成分是从CH2O、CO2等简单物质合成的，需大量耗能（ATP）和还原力H。自养
28、微生物也是通过脱氢、递氢和受氢的生物氧化过程偶联产生ATP。按其最初能源不同可分为两类：一类是化能无机自养型微生物，ATP还原态无机物的氧化；H无机氢逆传递产生（耗能）。另一类是光能自养型微生物，ATP、H利用日光辐射能，通过循环、非循环、紫膜光合磷酸化而获得。,2023/7/5,70,淮阴师范学院生命科学学院,1、化能自养微生物,它还原CO2所需要的ATP和H是通过无机底物的氧化，其产能的途径主要也是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，化能自养菌绝大多数是好氧菌。,2023/7/5,71,淮阴师范学院生命科学学院,无机底物氧化时，电子进入呼吸链位置：,除H2外的还原态无机物电位低于NAD
29、，氧化磷酸化效率很低。,2023/7/5,72,淮阴师范学院生命科学学院,它的能量代谢主要有3个特点：,1）无机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底物脱氢或脱电子后，可直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机底物的氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；2）呼吸链的组分更为多样化，氢或电子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。,2023/7/5,73,淮阴师范学院生命科学学院,产能效率，生长速率，生长得率比较低！,硝化细菌的能量代谢,亚硝化细菌：NH3-NO2-硝酸化细菌：NO2-NO3-硝化细菌可利用亚硝酸氧化酶把NO
30、2-氧化为NO3-，并引起电子流经过一段很短的呼吸链（从Cytc进）而产生少量ATP（1）。其反应式为：亚硝酸氧化酶 NO2-+H2O NO3-+2H+2e-（在细胞膜上）由于产还原力需大量耗能，故硝化作用旺盛的土壤中硝化菌很少。,2023/7/5,74,淮阴师范学院生命科学学院,2、光能自养微生物自然界中各类具光合作用生物的特点和差异：,2023/7/5,75,淮阴师范学院生命科学学院,一）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，因可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，故名。特点：1、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
31、吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；2、产能（ATP）与产还原力H分别进行；3、还原力来自H2S等无机氢供体；4、不产生氧。,2023/7/5,76,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,77,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,78,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,79,不产氧光合作用：利用还原态无机物或者有机物作为还原CO2的氢供体。典型的水生细菌，由于细胞色素含量不一样，出现不同颜色。广泛分布于缺氧的深层淡水或者海水中，可用于污水净化。,二）非循环光合磷酸化,这是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。
32、其特点为：1、电子的传递途径属非循环方式的；2、在有氧条件下进行；3、有PS和PS两个光合系统，PS含叶绿素a，反应中心的吸收波为P700，有利于红光吸收；PS 含叶绿素b，反应中心的吸收波为P680，有利于 蓝光吸收。4、反应中可同时产ATP、还原力（PS）和O2（PS）；5、还原力NADPH2中的H来自H2O分子的光解产物H和电子。,2023/7/5,80,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,81,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,82,淮阴师范学院生命科学学院,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
33、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，此即光介导ATP合成。嗜盐菌高盐（3.5-5.0mol/L NaCl）生长古生菌，其细胞膜制备物分红、紫部分。红色部分：含红色类胡萝卜素、细胞色素、黄素蛋白、等呼吸链载体；紫色部分：膜上呈片状（D：0.5微米）独立分布，占膜一半，称紫膜。,2023/7/5,83,淮阴师范学院生命科学学院,紫膜,紫膜能进行独特光合作用(无叶绿素或菌绿素参与)，其75%是细菌视紫红质的蛋白质，25%为类脂，以视黄醛作辅基。生长条件：光照和氧。黑暗无氧不能生存。获能途径：1）有氧存在下的氧化磷酸化；2）有光存在下的某种光合磷酸化。紫膜光合磷酸化
34、机制：光亮子驱动细菌视紫质的质子泵作用，H+出膜，紫膜内外的H+梯度差用来合成ATP；嗜盐菌只有在环境中O2浓度很低和有光照条件下才合成紫膜。（补足能量）紫膜光合磷酸化功能是最简单的光合磷酸化类型，是研究化学渗透学说的好模型。,2023/7/5,84,淮阴师范学院生命科学学院,ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。,2023/7/5,85,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,86,淮阴师范学院生命科学学院,第二节 分解代谢和合成代谢的联系,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,87,2
35、023/7/5,88,淮阴师范学院生命科学学院,1、两用代谢途径(amphibolic pathway)凡在分解代谢和合成代谢中具有双重功能的代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。2、代谢物回补顺序(anaplerotic sequence)又称代谢物补偿途径或添补途径，是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的那些反应。,2023/7/5,89,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,90,在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转。在分解代谢和合成代谢的相应代谢步骤中，往往还包含了不同的中间代谢物。在
36、真核生物中，分解和合成一般在不同的分隔区域内进行，而原核生物由于体积小，间隔程度低，反应的控制大多在简单的酶分子水平上进行。,如：:通过等十条回补顺序，回补草酰乙酸（OA）和磷酸烯醇丙酮酸（PEP）。,2023/7/5,91,淮阴师范学院生命科学学院,PEP,Py,TCA 的补充途径 乙醛酸循环（TCA 循环支路）,（异柠檬酸裂合酶）,（乙酰-CoA合成酶）,（苹果酸合成酶）,乙酰-CoA,异柠檬酸,琥珀酸+乙醛酸,乙酸,苹果酸,i 丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法ii 厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA 中间产物方式,2023/7/5,92,淮阴师范学院生命科学学院,MS为苹果酸合酶ICL
37、为异柠檬酸裂合酶,2023/7/5,93,淮阴师范学院生命科学学院,第三节、微生物独特合成代谢途径举例,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,94,CO2固定生物固氮肽聚糖合成次生代谢产物合成,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,95,一、自养微生物的CO2固定 各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。CO2固定的途径有：Calvin循环、厌氧乙酰CoA途径、逆向TCA循环途径和羟基丙酸途径。,1、卡尔文循环（Calvin cycle）,Calvin循环又称Calvin-Benson循环、核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环。这
38、一循环是光能自养生物和化能自养生物固定CO2的主要途径。,2023/7/5,96,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,97,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,98,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,99,2、厌氧乙酰辅酶A途径,厌氧乙酰辅酶A途径：又称活性乙酸途径，出现在能利用氢的严格厌氧菌（产甲烷菌、硫酸盐还原菌、产乙酸菌等）中，它们不存在卡尔文循环，由乙酰辅酶A途径固定CO2。总反应：4H2+2CO2 CH3COOH+2H2O关键酶：CO脱氢酶最终产物：丙酮酸、乙酸。,2023/7/5,100,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5
39、,101,淮阴师范学院生命科学学院,3、还原性TCA途径,少数光合细菌（如嗜硫代硫酸盐绿菌）的CO2通过琥珀酰CoA的还原性羧化作用而被固定。关键酶：柠檬酸裂合酶,2023/7/5,102,淮阴师范学院生命科学学院,4、羟基丙酸（循环）途径,总反应式：2CO2+4H+3ATP 乙醛酸+H2O电子供体：H2、H2S关键步骤：羟基丙酸的产生。耗ATP、H，CO2固定。产物：乙酰CoA：继续循环；乙醛酸：合成细胞物质。,2023/7/5,103,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,104,淮阴师范学院生命科学学院,重排,二、生物固氮（biological nitrogen fixation）
40、,生物固氮是指大气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程，生物界中只有原核生物才具有固氮能力。一）固氮微生物1、自生固氮菌（free-living nitrogen-fixer）指一类不依赖与它种生物共生而独立进行固氮的微生物。2、共生固氮菌（symbiotic nitrogen-fixer）指必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物。3、联合固氮菌（associative nitrogen-fixer）指必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。,2023/7/5,105,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,106,2023
41、/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,107,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,108,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,109,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,110,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,111,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,112,二）固氮的生化机制,1、生物固氮反应的6要素1）ATP的供应2）还原力H及其传递载体3）固氮酶（nitrogenase）4）还原底物N25）镁离子6）严格的厌氧微环境2、测定固氮酶活力的乙炔还原法3、固氮的生化途径4、固氮酶的产氢反应,2023/7/5,113,淮阴师范学院生命科学学院,2023
42、/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,114,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,115,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,116,2 乙炔还原法,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,117,NH4+a-酮酸相应的氨基酸 如丙酮酸丙氨酸；a-戊二酮酸谷氨酸。,2023/7/5,118,淮阴师范学院生命科学学院,3 固氮机制及氨的利用,2023/7/5,119,淮阴师范学院生命科学学院,固氮机制,4 固氮酶的产氢反应,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,120,（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1）呼吸保护2）构象保护2、蓝细菌固氮酶
43、的抗氧保护机制1）分化出特殊的还原性异形胞2）非异形胞蓝细菌固氮酶的保护3、豆科植物根瘤固氮酶的抗氧保护机制,2023/7/5,121,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,122,生物固氮的几点说明,是除光合作用外的最重要的生化反应；基本形式：N2 NH3 氨基酸等有机物 蛋白质等细胞组分；互生固氮酶：一种缺钼时可固氮的后备酶。铁、铁钒蛋白；N N 三键稳定性很高，离解能940J；放H2现象：原因不清，可能是固氮机制决定。浪费2个电子（25%），氢酶可回收；氮固定过程受NH3、O2抑制。,2023/7/5,123,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮
44、阴师范学院生命科学学院,124,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,125,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,126,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,127,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,128,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,129,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,130,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,131,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,132,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,133,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,134,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,13
45、5,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,136,四、微生物次生代谢物的合成,微生物的次生代谢物（secondary metabolite）：是指某些微生物生长到稳定期前后，以结构 简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物作前体，通过复杂的次生代谢途径合成的各种结构复杂的化学物。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、生理功能不很明确以及其合成一般受质粒控制等。,2023/7/5,137,淮阴师范学院生命科学学院,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,138,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,139,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,140,
46、2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,141,糖延伸,莽草酸延伸,氨基酸延伸,乙酸延伸,第四节 微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的代谢调节 微生物细胞有着一整套可塑性极强和极精确的代谢调节（regulation of metabolism）系统，以确保上千种酶能准确无误、有条不紊和高度协调地进行极其复杂的新陈代谢反应。,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,142,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,143,微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。举例：大肠杆菌细胞中存在2500种蛋白质，其中上千种 是
47、催化正常新陈代谢的酶。每个细菌细胞的体积只能容纳10万个蛋白质分子，所以每种酶平均分配不到100个分子。如何解决合成与使用效率的经济关系？解决方式：组成酶（constitutive enzyme）经常以高浓度存在，其它酶都是诱导酶（inducible enzyme），在底物或其类似物存在时才合成，诱导酶的总量占细胞总蛋白含量的10%。,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,144,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,145,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,146,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,147,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,148,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,149,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,150,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,151,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,152,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,153,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,154,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,155,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,156,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,157,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,158,总结,2023/7/5,淮阴师范学院生命科学学院,159,
