微生物的新陈代谢-8学时.ppt

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1、上章教学回顾,第四章 微生物的营养和培养基4-1 微生物的6类营养要素4-2 微生物的营养类型4-3 营养物质进入细胞的方式4-4 培养基,碳源氮源能源无机盐生长因子水,光能自养光能异养化能自养化能异养,单纯扩散促进扩散主动运送基团移位,选用和设计培养基的原则和方法培养基的种类,第 五章 微生物的新陈代谢,一、教学目的与要求了解和掌握微生物的能量代谢和合成代谢，理解代谢调节机制二、教学内容：1、微生物的能量代谢()2、分解代谢和合成代谢的联系3、微生物独特合成代谢途径举例()4、微生物的代谢调节与发酵生产(),第 五章 微生物的新陈代谢,新陈代谢（代谢）,物质代谢,能量代谢,分解代谢（异化作用

2、）,合成代谢（同化作用）,产能代谢,耗能代谢,复杂分子（有机物）,分解代谢酶系,合成代谢酶系,简单分子,ATP,H,第一节 微生物的能量代谢,目的：最初能源 通用能源？,最初能源,有机物,日 光,还原态无机物,化能自养菌,光能营养菌,化能异养菌,通用能源(ATP),生物能量转移的中心,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化：概念：发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。形式某物质与氧结合、脱氢和失去电子过程：脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)功能：产ATP、产还原力H和产小分子中间代谢物类型：呼吸、无氧呼吸和发酵,ATP生成的具体方式：底物（基质）水平磷酸化：厌氧和兼氧微

3、生物在基质氧化过程中，产生一种高含能的中间体，这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷酸化生成ATP。电子水平磷酸化：在电子传递过程中产生高能传递给ADP生成ATP的过程。包括氧化磷酸化和光合磷酸化。,产能性生物氧化反应,ADP是能量的载体；ATP-生物能量转移的中心和能量库，是短期的贮能物质。,生物氧化的形式,和氧的直接化合：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O,失去电子：Fe2+Fe3+e-,化合物脱氢 CH3-CH2-OH CH3-CHO,NAD,TPP（焦磷酸硫胺素）:由VB1转化 FMN（黄素单核苷酸）:由VB2转化 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）:由VB2转化 NAD（烟酰胺腺

4、嘌呤二核苷酸）:由Vpp转化 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）:由Vpp转化,一)底物脱氢的4条途径,EMP途径、HMP途径、ED途径、TCA循环,1、EMP途径,概念又称糖酵解途径或已糖二磷酸途径。是绝大 多数微生物共有的一条基本代谢途径。对专性厌氧(无氧呼吸)的微生物，EMP途径是唯一的途径。特点葡萄糖 所含C原子只有部分氧化，产能较少1分子葡萄糖约经10步反应转变成2分子丙酮酸、2分子ATP和2分子的NADH+H+，能量利用率26%，74%为热能。,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,ATP,ATP,丙酮酸,耗能过程（C6C3）,关键步骤,产能过程（C3C3）,EMP途径的总反应式,总反

5、应式：葡萄糖+2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH2+2ATP+2H2O CoA 丙酮酸脱氢酶 乙酰CoA，进入TCA生理功能供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力是连接其他几个重要代谢途径的桥梁为生物合成提供多种中间代谢物通过逆向反应可进行多糖合成与乙醇、乳酸、甘油和丁醇等的发酵生产关系密切,2、HMP途径,概念又称已糖一磷酸途径(支路)、戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径或WD途径。特点6分子葡萄糖以6-磷酸葡萄糖的形式参与不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量的NADH+H+形式的还原力和多种重要中间代谢产物(如核苷酸、氨基酸、辅酶和乳酸(异型乳酸发酵)

6、等)。,有HMP途径的微生物中往往同时存在EMP途径，单独具有HMP途径的微生物少见。,凡葡萄糖经发酵后除产生乳酸外，还产生乙醇、乙醛和CO2等多种产物的发酵。,2、HMP途径,HMP途径降解葡萄糖的三个阶段1.葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO22.核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表型异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸3.上述各戊糖磷酸在无氧参与的情况下发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸,6-磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,EMP途径,HMP途径的总反应式,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O,HMP途径在微生物生命活动中意义重大：供应合成原料,5 葡萄糖-6

7、-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,作为固定CO2的中介,产大量还原力,扩大碳源利用范围连接EMP途径可提供许多重要的发酵产物。,概念又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG)裂解途径。是存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有。特点1分子葡萄糖只经过4步即可快速获得由EMP途径须10步反应才能形成的2分子丙酮酸，但只产1分子的ATP。,3、ED途径,3、ED途径,ED途径(关键步骤)KDPG：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸,KDPG醛缩酶,特征酶,6-PG(6-磷酸葡萄糖酸),3-磷酸甘油醛,丙酮酸,丙酮酸,6-PG 脱水酶,KDPG,1)乙

8、酰-CoA生成,4、TCA循环,1 个NADH+H+,2分子NADH+H+2分子ATP,4、TCA循环,3 个NADH+H+1个FADH1个ADP氧化,2)TCA循环,底物水平磷酸化,6C,2C,4C,5C,4、TCA循环,3)能量平衡1mol丙酮酸经TCA产生4molNADH+H+1molNADH+H+经电子传递氧化成NAD可产生3mol ATP，则共产生12mol ATP。琥珀酸辅酶A底物水平磷酸化，GTPGDP产生1mol ATP。琥珀酸至延胡索酸1molFADH2氧化生成2mol ATP.故1mol丙酮酸经1次TCA可生成15mol ATP1mol葡萄糖经EMP途径可产生2mol丙酮酸

9、，裂解为丙酮酸的过程中产生2NADH+H+和2ATP，共8ATP，则1mol葡萄糖经完EMP和TCA共产生38mol ATP。,4、TCA循环,4）特点氧不直接参与其中反应，但必须在有氧条件下运转；产能效率极高，是生物体提供能量的主要形式；为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如 柠檬酸、苹果酸、Glu、延胡索酸和琥珀酸发酵等。,二）递氢和受氢,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD等还原型辅酶或辅基通过呼吸链等方式进行递氢，最终与受氢体（氧、无机或有机氧化物）结合，以释放其化学潜能。

10、根据递氢特点尤其是受氢过程中氢受体性质的不同，把生物氧化区分为呼吸、无氧呼吸和发酵3种类型。,生物氧化,呼吸：最终电子受体是分子氧O2,无氧呼吸：最终电子受体是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等,发酵：无外援的最终电子受体,1、呼吸,概念：又称好氧呼吸，指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢经过完整的呼吸链（RC）或电子传递链（ETC）,最终传递给外源分子氧，产生了水并释放ATP的生物氧化过程。是最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式。途径：EMP,TCA循环特点：底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物氧化释放的电子先通过电子传递链最后才传递到氧。,呼吸链或电子传递链,定

11、义：由一系列氧化还原势呈梯度差的链状排列的氢传递体组成的一组链状传递顺序。功能：传递电子：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。产生ATP：在传递过程中，通过与氧化磷酸化反应发生偶联，就可产生ATP形式的能量。,呼吸链或电子传递链,部位：原核生物在细胞膜上，真核生物在线粒体内膜上成员：主要包括NAD(P)、FP、Fe-S、CoQ、醌类和细胞色素b、c、a、a。这些电子传递体传递电子的顺序，按照它们的氧化还原电势由小到大排列。NAD(P)：脱氢酶辅酶，还原态为：NAD(P)H+H+。NAD（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶）N

12、ADP（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，辅酶），FAD和FMN：黄素蛋白的辅基FAD：黄素腺苷酸二核苷酸磷酸 FMN：黄素单核苷酸,微生物中重要的呼吸链组分,成员：铁硫蛋白（Fe-S）：氧化还原载体辅基，为分子中的含铁硫的中心部分。存在于呼吸链中几种酶复合体中，参与膜上的电子传递。泛醌（辅酶Q）：脂溶性氢载体。广泛存在于真核生物线粒体内膜和革兰氏阴性细菌的细胞膜上；革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌则含甲基萘醌。在呼吸链中醌类的含量比其他组分多1015倍，其作用是收集来自呼吸链各种辅酶和辅基所输出的氢和电子，并将它们传递给细胞色素系统。细胞色素系统：位于呼吸链后端。功能：从泛醌中接受电

13、子，并将同等数目的质子推到线粒体膜或细胞膜外的溶液中。,细胞色素系统,分类：线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素，按其吸收光谱和氧还电位的差别分为cyt.a3，cyt.a，cyt.c,cyt.b和cyt.o等。细胞色素b，c，a，a3整合在一起存在。Cyta a3以复合物形式存在，称为细胞色素氧化酶（含有两个必需的铜原子）。由还原型a3将电子直接传递给分子氧。结构组成：以血红素为辅基，通过其卟啉分子中心铁原子的价电荷的变化而传递电子。cyt.a3是许多微生物的末端氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活分子氧。,氧化磷酸化产能机制,氧化磷酸化：又称电子传递链磷酸化。指将呼吸链在传递氢过

14、程中释放出的能量与ADP磷酸化相耦联产生ATP的过程。产能机制：多数学者接受的是化学渗透学说，主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，另一方面就合成了ATP。P/O：每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数,典型的呼吸链,ATP,ATP,ATP,2H,琥珀酸,反丁烯二酸,2H+,本次教学回顾及作业,教学回顾化能异养微生物的生物氧化和产能

15、生物氧化：概念、形式、过程、功能、类型。生物氧化过程 脱氢EMP、HMP、ED、TCA递氢与受氢呼吸（呼吸 链、氧化磷酸化）作业P148 3，6，8,上次教学回顾,化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化概念发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。,底物水平磷酸化电子水平磷酸化,形式某物质与氧结合、脱氢和失去电子过程脱氢(或电子)、递氢(或电子)和受氢(或电子)功能产ATP、产还原力H和产小分子中间代谢物类型呼吸、无氧呼吸和发酵,概念又称厌氧呼吸。指在无氧条件下，厌氧或兼性厌氧微生物以外源无机氧化物(少数为有机氧化物)作为末端氢受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸。特点底物脱氢后，经部分呼吸

16、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。类型硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、硫呼吸、铁呼吸、碳酸盐呼吸、延胡索酸呼吸、甘氨酸呼吸和氧化三甲胺呼吸等。,2、无氧呼吸,有机物呼吸,类型1)硝酸盐呼吸(反硝化作用)同化性硝酸盐还原作用：是在有氧或无氧条件下所进行的利用硝酸盐作为氮源的营养物。异化性硝酸盐还原作用：是在无氧条件下某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终氢受体，把它们还原成NO2-、NO、N2O直至N2的过程。即硝酸盐呼吸(反硝化作用)。,2、无氧呼吸,通过一种含钼的硝酸盐还原酶将其还原为亚硝酸盐。,意义在农业上不利：造成氮肥损失；在环境保护方面：减少水体污染和富

17、营养化，高浓度硝酸盐废水处理，氮循环。,类型2)硫酸呼吸(硫酸盐还原)概念：是一类称作硫酸盐还原细菌(反硫化细菌)的严格厌氧菌在无氧条件下获取能量的方式特点：硫酸盐为最终氢受体，最终产物为H2S意义：不利：造成水体和大气的污染，土壤植物烂根，土或水底金属管道腐蚀有利：清除重金属离子和有机物污染，参与硫循环,2、无氧呼吸,类型3)硫呼吸(硫还原)兼性或专性厌氧菌以无机硫作为呼吸最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。4)铁呼吸(铁还原)某些兼性或专性厌氧菌以Fe3+作为呼吸最终氢受体的生物氧化作用。5)碳酸盐呼吸(碳酸盐还原)专性厌氧菌以CO2或碳酸氢盐作为呼吸最终氢受体并产生甲烷或乙酸的生物氧化

18、作用。6)延胡索酸呼吸兼性厌氧菌以延胡索酸等有机氧化物作为呼吸最终氢受体并产生琥珀酸的生物氧化作用。,2、无氧呼吸,3、发酵,概念广义：指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式。狭义：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谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化应。类型与EMP、HMP、ED途径有关的发酵和Stickland反应,同型酒精发酵同型乳酸发酵丙酸发酵混合酸发酵2,3-丁二醇发酵丁酸发酵,1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,同型乙醇发酵,酵母型乙醇发酵微生物主要是酵母菌(如酿酒酵母),1葡萄糖,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇

19、,EMP,丙酮酸脱羧酶,+H+,细菌型乙醇发酵乳酸细菌、肠道细菌和一些高温细菌,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,+H+,甘油,3%NaHSO3或弱碱性pH7.5,1葡萄糖,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,EMP,+H+,2乙酰CoA,乙醛脱氢酶,同型乳酸发酵和混合酸发酵,同型乳酸发酵,葡萄糖,2丙酮酸,2乳酸,EMP,+H+,乳酸乳球菌、植物乳杆菌,混合酸发酵埃希氏菌属、沙门氏菌属和志贺氏菌属中的一些细菌发酵葡萄糖生成乳酸、甲酸、乙酸、琥珀酸、乙醇、CO2和H2等多种有机酸,葡萄糖,丙酮酸,EMP,乳酸脱氢酶,乳酸,丙酮酸甲酸氢解酶,甲酸,乙酰-CoA,乙醇,乙酸,CO2、H2O,磷酸烯醇式丙酮酸,琥珀酸

20、,2,3丁二醇发酵,丁二醇发酵肠杆菌属、沙雷氏菌属和欧文氏菌属中的一些产气肠杆菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵，其葡萄糖发酵产物中有大量的丁二醇、更多H2和 CO2和少量乳酸、乙醇等。,葡萄糖,丙酮酸,EMP,乳酸脱氢酶,乳酸,丙酮酸甲酸解酶,甲酸,乙酰-CoA,乙醇,乙酸,CO2、H2O,-乙酰乳酸合成酶,乙酰乳酸,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,2,3-丁二醇,3-羟基丁酮（乙酰甲基甲醇）,二乙酰,碱,鉴别肠道细菌的V.P.试验,鉴别原理 缩合 脱羧（3-羟基丁酮）2丙酮酸 乙酰乳酸 乙酰甲基甲醇 碱性条件 2,3-丁二醇 二乙酰（与培养基中精氨酸的胍基结合）红色化合物,-

21、CO2,鉴别肠道细菌产酸产气（M.R）试验,产酸产气试验：Escherichia与Shigella在利用葡萄糖进行发酵时，前者具有甲酸氢解酶，可在产酸的同时产气，后者则因无此酶，不具有产气的能力。甲基红试验：大肠杆菌与产气气杆菌在利用葡萄糖进行发酵时，前者可产生大量的混合酸，后者则产生大量的中性化合物丁二醇，因此在发酵液中加入甲基红试剂时，前者呈红色，后者呈黄色。,丙酮-丁醇发酵,丙酮丁醇梭菌在EMP 途径上进行丙酮-丁醇发酵,葡萄糖,丙酮酸,EMP,乙酰-CoA,乙酰-乙酰-CoA,丙酮,丁醇,脱CoA、脱羧,还原脱水、还原脱CoA和第三次还原,异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，

22、还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵。异型乳酸发酵的“经典”途径,2）通过HMP途径的发酵,葡萄糖,5-磷酸核酮酸,5-磷酸木酮糖,HMP,差向异构酶,-1ATP,乳酸、乙醇,CO2,核糖,乳酸、乙酸,2H2O和2ATP,1H2O和1ATP,果糖,乳酸、乙酸,2H2O和2ATP,异型乳酸发酵的双岐杆菌途径2分子葡萄糖可产生3分子乙酸、2分子乳酸和5分子ATP,同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较,3）通过ED途径进行的发酵,细菌乙醇发酵,1葡萄糖,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,ED,丙酮酸脱羧酶,+H+,比传统的酵母乙醇发酵有较多的优点代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温

23、度较高，不必定期供氧等缺点是生长pH值较高（细菌约 pH 5，酵母菌为pH 3），较易染杂菌，并对乙醇的耐受力较酵母菌低（细菌约 耐7%乙醇，酵母菌为8%10%）。,4）由氨基酸发酵产能,Stickland反应是两个氨基酸的一个氨基酸作为氢供体，另一个氨基酸作为氢受体时的氧化-还原脱氨基反应。氢供体氨基酸：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等氢受体氨基酸：甘氨酸、脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和甲硫氨酸等。微生物都是专性厌氧梭菌，如生孢梭菌、肉毒梭菌等，但并不是所有梭菌都是进行Stickland反应。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1个ATP。,二、化能自养微生物的能量代

24、谢,概念以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用H2、H2S、Fe2+、NH4或NO2-等无机物作为电子供体使CO2还原成细胞物质的代谢。产能的途径主要是借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应，因此，化能自氧菌一般都是好氧菌。,二、化能自养微生物的能量代谢,产能原理上述几类无机底物不仅可作为最初能源产生ATP，而且其中有些底物(如NH4+、H2S、H2)还可作为无机氢供体。当这些无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式 形成还原CO2用的还原力H。这种情况，可以 理解成用抽水机把低水位的水重新回灌到高水位蓄水库时，要耗费大量电能作比喻来解释。,二、化能自养微生物的能量代

25、谢,NH4NO2-H2S H2SFe2+,作为最终能源,部分为无机氢供体,二氧化碳的固定,化能自氧微生物还原CO2时ATP和H的来源,二、化能自养微生物的能量代谢,在所有还原态无机物中，除了H2氧化还原电位比NAD/NADH对稍低些外，其余都明显高于它，因此在各种无机底物进行氧化时，都必须按其相应氧化还原势 的位置进入呼吸链，由此必然造成化能自养微生物呼吸链具有很低的氧化磷酸化效率(P/O 比)。,NAD,FP,Q Cyt.b,Cyt.cc1,O2(NO3-),ATP,ATP,ATP,H2,HS-,NH4+,SO32-,S2-,Fe2+,S2O3-,S0,NO2-,二、化能自养微生物的能量代谢

26、,特点：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物脱氢或脱电子后，直接进入呼吸链传递，这与异养微生物对葡萄糖等有机物氧化要经过多条途径逐级脱氢明显不同；呼吸链的组分为多样化，氢可以从任一组分直接进入呼吸链；产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。种类主要分为氢细菌、硝化细菌、硫细菌和铁细菌等,二、化能自养微生物的能量代谢,硝化细菌概念：能利用还原无机氮化合物进行自养生长的细菌分类：分布于各种土壤和水体中，可分为亚硝化细菌（可把NH3氧化为NO2）和硝化细菌（可把NO2氧化为NO3）,NH3O22H2e-,NH2OHH2O+NAD+,NH2OHO2,NO2-+H2O+

27、H+,2NO2-O2,2NO3-,亚硝化细菌,硝化细菌,氨单加氧酶,羟胺氧还酶,亚硝酸氧化酶,本次教学回顾及作业,教学回顾第一节 微生物的能量代谢化能异养微生物的生物氧化和产能生物氧化过程 递氢与受氢2、无氧呼吸（经呼吸 链、氧化磷酸化）；3、发酵（未经呼吸 链、底物磷酸化、类型（由EMP、HMP、ED和Stickland反应）化能自养微生物的能量代谢概念、产能途径（经呼吸链、氧化磷酸化）、特点 作业 P148 13，17、18,上次教学回顾,第一节 微生物的能量代谢化能异养微生物的生物氧化和产能递氢和受氢2、无氧呼吸（经部分呼吸链、氧化磷酸化)3、发酵（未经呼吸链、底物磷酸化)与EMP、HM

28、P、ED有关的发酵和Stickland反应化能自养微生物的能量代谢概念、产能途径（经呼吸链、氧化磷酸化）、特点,三、光能微生物的能量代谢,光能营养型生物以光为能源，用CO2(光能自氧)或有机碳化合物(光能异氧)作为碳源，通过电子传递产生ATP(光合磷酸化)。为一个异质的大类群。,产氧,不产氧,真核生物:,原核生物:,藻类及其他绿色植物,蓝细菌,真细菌：,古生菌：,光合细菌(厌氧菌),嗜盐菌,光能营养型生物,1、循环光合磷酸化,概念一种存在于光合细菌中的原始光合作用机制。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。特点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

29、类仅呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP；产能（顺电子流）与产还原力H（逆电子流）分别进行；还原力来自H2S、H2、S、Fe2等无机氢供体；不产生氧。,循环光合磷酸化反应图示,e-,红光或红外线(能源),Bph,QA,Q库,Cyt bc2,Cyt bc1,P870*,P870,QB,外源H2,逆电子传递（耗能）,NAD(P),NAD(P)H2,外源电子供体（H2S、S2O22、SO、Fe2等）,e-,e-,e-,e-,e-,NDPPi,ATP,氢供体,碳源,红螺菌目的主要科目,特点：进行不产氧光合作用，即不能利用H2O而能利用还原态无机物（H2S、H2）或有机物作为还原CO2时的氢供体

30、。,红螺菌目,红螺菌亚目(紫色细菌),绿菌亚目(绿色细菌),着色菌科(紫硫细菌),红螺菌科(紫非硫细菌),绿菌科,绿弯菌科,紫非硫细菌不能氧化元素S成为硫酸盐，少数种虽能氧化硫化物成为硫酸盐，但没有中间产物S形成;能氧化硫化物可产生元素S，但细胞内不贮存S;是兼性光能营养菌，大多数还能固氮。,也称绿硫细菌，是严格厌氧的专性光养细菌，利用硫化物或元素硫为氢供体。,光能异养菌,光能自养菌,2、非循环光合磷酸化,概念是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。,光能自养菌,特点电子的传递途径属非循环式的；在有氧条件下进行；有PS 和PS两个光合系统，分别吸收红光和蓝光；反应中

31、可同时产ATP(PS)、还原力H(PS)和O2(PS)；用于固定CO2的NADPH2中的H来自H2O分子的光解产物H+和电子。,环,产,质,（,子,电,Q库,QB,用,循,环,电,子,流,e-,光合系统(能源),P680*,P680,QA,Pc,Cyt bf,P700*,光合系统(能源),P700,ph,Fe-S,Fd,NAD(P),NAD(P)H2,NDPPi,ATP,H2O,-O2,1,2,2H（供形成NAD(P)H2）,）,（,产,质,子,动,势,用,）,e-,e-,非循环光合磷酸化反应图示,(氢供体),碳源,动,子,势,循,流,非,3、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成,概念嗜盐菌在无氧条件

32、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的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。组分：红膜:含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分紫膜：细菌视紫红质（细菌紫膜质）+类脂视紫红质的功能：吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵作用,光能自养菌,H+,嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成反应,膜外,膜内,质子动势,紫膜上的视黄醛辅基从反式变为顺式,紫膜,红膜,ATP酶,ADP+Pi,ATP,H+,H+,H+,紫膜,光,H+,讨论1,自养与异养微生物生物合成区别,有机碳,微生物自身营养

33、物,（氧化还原水平适中）,CO2,（氧化程度极高）,异养微生物,自养微生物,两类自养微生物固定CO2区别,需要消耗大量的能量,化能自养微生物的氧化磷酸化,光能自养微生物的光合磷酸化,ATP,H,CO2,CH2O,Calvin循环乙酰CoA途径还原性TCA途径羟基丙酸途径,讨论2,不同类型微生物能量代谢比较,第二节分解代谢与合成代谢的联系,一、两用代谢途径凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径。如EMP、HMP和TCA循环。合成途径并非分解途径的完全逆转在分解代谢与合成代谢途径的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的中间代谢物在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的分隔区域内分别进行；

34、原核生物则在简单的酶分子水平上进行控制。,第二节分解代谢与合成代谢的联系,二、代谢物回补途径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。通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢产物必须被大量用作生物合成原料而被抽走时，仍可保证能量代谢正常进行。不同的微生物种类或同种微生物在不同的碳源下，有不同的代谢物回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序有10条，其中关键中间代谢产物分别为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和草酰乙酸。某些微生物所特有的乙醛酸循环（乙醛酸支路）的关键中间代谢产物为乙醛酸，,第三节微生物独特合成代谢,一、自养微生物CO

35、2的固定二、生物固氮三、肽聚糖的合成四、微生物次生代谢物的合成,一、自养微生物CO2的固定,各种自养微生物获得的能量CO2的固定,至今已了解的CO2的固定的有4条Calvin（卡尔文）循环：固定CO2的主要途径光能自养菌：蓝细菌和多数光合细菌等化能自养菌：硫细菌、铁细菌、硝化细菌等厌氧乙酰CoA途径化能自养菌：产乙酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等逆向TCA循环途径在一些绿硫细菌中进行羟基丙酸途径。只是少数绿硫细菌在以H2或H2S作电子供体时特有,二、生物固氮,概念是指固氮微生物依靠其固氮酶系催化大气中的分子氮还原形成氨的过程。意义生物界中只有原核生物才具有固氮能力。其反应是一种极其温和的生化反应

36、，比由人发明的化学固氮作用优越得多。是地球上仅次于光合作用的第二个重要的生物合成反应,一）固氮微生物的种类,自生固氮菌：不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮好氧自生固氮菌：如固氮菌属、念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属兼性厌氧自生固氮菌：如红螺菌属、红假单胞菌属厌氧自生固氮菌：如巴氏梭菌属、绿假单胞菌属共生固氮菌必须与它种生物共生在一起才能进行固氮根瘤：根瘤菌与豆科植物或非豆科植物植物：地衣（念珠蓝细菌属、鱼腥蓝细菌属）、满江红鱼腥藻联合固氮菌必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮,根瘤(Nodle)的形成,地衣,满江红鱼腥藻,二）固氮的生化机制,1、生物固氮反应的6要素1）ATP的供应固

37、定1分子氮需耗费1824分子的ATP，这些能量是由呼吸、厌氧呼吸、发酵和光合磷酸化作用提供的2）还原力H及其传递载体由NAD（P）HH提供，由低电位势的电子载体铁氧还蛋白（Fd）和黄素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶3）固氮酶：固二氮酶（Fe、Mo）固二氮酶还原酶(Fe)4）还原底物N25）镁离子）严格的厌氧微环境,二）固氮的生化机制,2、固氮的生化途径固氮酶的形成阶段1个电子经载体（Fd或Fld）传递到组分的铁原子上形成还原型组分，它先与ATP-Mg结合成变构的组分-Mg-ATP复合物；再与此时已与分子氮结合的组分一起形成1:1的复合物固氮酶。固氮阶段固氮酶分子的1个电子从组分-Mg-ATP复

38、合物转移到组分的铁上，由此再转移钼结合的活化分子氮。通过6次这样的电子运转，才可将1分子氮还原2分子氨。组分-Mg-ATP复合物转移掉电子后恢复成氧化型，同时ATP水解成ADP。实际上，在此过程中8个电子转移，其中的2个电子以H2的形式用去。,分子氨再通过P137图5-35的生化途径与相应的酮酸结合，形成各种氨基酸，再进一步合成蛋白质和其他成分。,Mo Mo,自生固氮菌固氮的生化途径细节,Fd,还原剂,ADP+Pi Mg2+,ATP-Mg,2NH3,底物,能量,产物,Mo Mo,自生固氮菌固氮的生化途径细节,Fd,还原剂,ADP+Pi Mg2+,ATP-Mg,2NH3,底物,能量,产物,二）固

39、氮的生化机制,3、固氮酶的产氢反应固氮酶除能催化N2形成NH3外，还具有催化H+为H2的氢化酶活性。在缺N2时，固氮酶可将H+全部还原为H2释放；在有N2时，固氮酶也只能用75%的H去还原N2，而将另外25%的H以产H2方式浪费掉。在大多数固氮菌中，还存在另一种经典的氢化酶，它能将被固氮酶浪费了的分子氢重新激活，以回收一部分H和ATP。,固氮酶,氢化酶,二）固氮的生化机制,3、好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制1）好氧性自生固氮的抗氧保护机制呼吸保护（固氮菌科）；构象保护（褐球固氮菌等）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细胞壁很厚，缺乏PS，而且有高脱氢酶和氢化酶活力和超氧

40、化岐化酶力，有阻止氧进入细胞的屏障作用。非异形胞蓝细菌固氮酶的保护将固氮作用与光合作用分开，如织线蓝细菌属；在束状群体中央失去PS 的细胞中进行固氮作用，如束毛蓝细菌属；提高细胞内过氧化物酶或SOD的活性以解除氧毒害，如粘球蓝细菌属。,二）固氮的生化机制,3、好氧固氮菌防止氧伤害其固氮酶的机制3）根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制纯培养时不固氮，只有当严格控制在微好氧条件下才能固氮；根瘤菌浸入根毛后，会刺激内皮层细胞分裂繁殖而迅速繁殖，最后分化形成不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体周膜中，维持着一个良好的氧、氮和营养环境。最重要的是此层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白（由根瘤菌和豆科植

41、物共生时诱导产生）。豆血红蛋白通过氧化态（Fe3+）和还原态（Fe2+）间的变化可发挥“缓冲剂”的作用，借以使游离O2维持在低而恒定的水平上，使根瘤中的豆血红蛋白结合O2:游离氧10 000:1水平上。,本次教学回顾及作业,教学回顾第一节 微生物的能量代谢光能微生物的能量代谢循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成第二节 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自养微生物的CO2固定生物固氮（）固氮微生物、固氮的生化机制、好氧菌固氮酶避氧害机制作业 P148 23，31、35,上次教学回顾,第一节 微生物的能量代谢光能微生物的能量代谢第二节 分解代谢和合

42、成代谢的联系第三节 微生物独特合成代谢途径举例自养微生物的CO2固定生物固氮（）,循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化、嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成,固氮微生物固氮的生化机制好氧菌固氮酶避氧害机制,三、肽聚糖的生物合成,合成特点：合成机制复杂，步骤多，且合成部位几经转移；合成过程中须有能够转运与控制肽聚糖结构元件的载体（UDP和细菌萜醇）参与。合成过程：依发生部位分成三个阶段：第一阶段：在细胞质中由葡萄糖在糖载体UDP（尿嘧啶二磷酸）作用下合成“Park”核苷酸：第二阶段：在细胞膜上由“Park”核苷酸与N乙酰葡萄糖胺在脂载体细菌萜醇作用下合成肽聚糖单体。第三阶段：已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞

43、壁生长点中并通过转糖基和转肽作用交联形成肽聚糖。转糖基作用（形成-1,4-糖苷键）转肽作用（为青霉素所抑制）,图5-36,第一阶段：在细胞质中的合成,1、由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸自N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸开始，以后的N-乙酰葡萄糖胺、N-乙酰胞壁酸，以及胞壁酸五肽，都是与糖载体UDP结合的；、由N-乙酰胞壁酸合成“park”核苷酸,由葡萄糖合成G-UDP和M-UDP,、由N-乙酰胞壁酸-UDP合成“Park”核苷酸,图5-37,肽聚糖的四肽尾,第二阶段：在细胞膜中的合成,由“Park”核苷酸和N-乙酰葡萄糖胺-UDP合成肽聚糖单体双糖肽亚单位。这一阶段中有一种称为细菌萜醇

44、的类脂载体参与 这是一种由11个类异戊烯单位组成的C35 类异戊烯醇。它通过两个磷酸基与N-乙酰胞壁酸五肽分子相连，使其呈现出很强的疏水性，从而能顺利通过疏水性很强的细胞膜而转移到膜外，在膜上与N-乙酰葡萄糖胺结合，并在L-Lys上接上五肽“桥”(Gly)5,形成双糖亚单位。这一阶段的详细步骤如下图所示。其中的反应与分别为万古霉素和杆菌肽所阻断。,肽聚糖单体的合成,UDPUDP-G,UDPUDP-M,杆菌肽,万古霉素,5 甘氨酰-tRNA 5 tRNA,插入至膜外肽 聚糖合成处,亲水性,疏水性,第三阶段：在细胞膜外的合成,已合成的肽聚糖单体插在细胞膜外的细胞壁生长点中，并交联形成肽聚糖。第一步

45、：通过转糖基作用使多糖链伸长双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架（至少含6-8个肽聚糖单体分子）中，使多糖链延伸一个双糖单位；第二步：通过转肽酶的转肽作用使相邻多糖链交联转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第二个D-丙氨酸的游离羧基与相邻甘氨酸五肽的游离氨基间形成肽键而实现交联。,图5-39,自溶素作用下,肽聚糖的生物合成与某些抗生素的作用机制,-内酰胺类抗生素(青霉素、头孢霉素)是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者相互竞争转肽酶的活性中心。当转肽酶与青霉素结合后，双糖肽间的肽桥无法交联，这样的肽聚糖就缺乏应有的强度，结果形成细胞壁

46、缺损的细胞，在不利的渗透压环境中极易破裂死亡。杆菌肽：能与11异戊烯焦磷酸络合，因此抑制焦磷酸酶的作用，这样也就阻止了11异戊烯磷酸类脂载体的再生，从而使细胞壁（肽聚糖）的合成受阻。,细菌萜醇,四、微生物次生代谢物的合成,初生代谢和初生代谢产物初生代谢(Primary metabolish)是指所有生物的共同的代谢途径。合成糖类，氪基酸类，普通的脂肪酸类，核酸类以及由它们形成的聚合物(多糖类、蛋白质类、RNA、DNA等等)。这些对生物生存和健康必需的化合物就叫初生代谢产物(Primary metabolites)。主要生理作用是维持生存和繁衍后代。次生代谢和次生代谢产物次生代谢(Seconda

47、metablism)是指生物合成生命必须物质以外物质并储存次生代谢产物的过程。,四、微生物次生代谢物的合成,1、次生代谢物概念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所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、其合成一般受质粒控制等种类极多。与人类的医药生产和保健工作关系密切合成以各种初生代谢途径为基础，为适应环境而合成的。,四、微生物次生代谢物的合成,2、次生代谢物合成途径,糖代谢延伸途径,多糖类糖苷类核酸类,HMP,糖衍生物类抗生素糖苷类抗生素核苷类抗生素,莽草酸

48、延伸途径,莽草酸分支途径,氯霉素等,氨基酸延伸途径,多肽类抗生素内酰胺类抗生素氨基酸衍生物类,芳香族氨基酸脂肪族氨基酸等,衍生,聚合,乙酸延伸途径,聚酮酐,甲羟戊酸,缩合,异戊二烯类,大环内酯类抗生素四环素类灰黄霉类黄曲霉毒素,二萜：赤霉素类倍半萜：隐杯伞素,第四节微生物的代谢调节与发酵生产,一、微生物的代谢调节二、代谢调节在发酵工业中的应用,一、微生物的代谢调节,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

49、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%。,一、微生物的代谢调节,调节方式：1、调节细胞膜对营养物的透性控制营养物质透过细胞膜进入细胞；2、通过酶的定位控制酶与底物的接触 3、调节代谢流控制代谢物流向(),1.调节细胞膜对营养物的透性 如：只有当速效碳源或氮源耗尽时，微生物才合成迟效碳源或氮源的运输系统与分解该物质的酶系统。,2.通过酶的定位控制酶与底物的接触1）真核微生物酶定位在相应细胞器

50、上；细胞器各自行使某种特异的功能；2）原核微生物在细胞内划分区域集中某类酶行使功能：与呼吸产能代谢有关的酶位于膜上；蛋白质合成酶和移位酶位于核糖体上；同核苷酸吸收有关的酶在G-菌的周质区。,3.控制代谢物流向：(通过酶促反应速度来调节)1)可逆反应途径由同种酶催化，可由不同辅基或辅酶控制代谢物流向：如:两种Glu脱氢酶：以NADP为辅酶 Glu合成 以NAD为辅酶 Glu分解 2)通过调节酶的活性或酶的合成量：关键酶:某一代谢途径中的第一个酶或分支点后的第一个酶。粗调：调节酶的合成量 细调：调节现有酶分子的活性 3)通过调节产能代谢速率。,二、代谢调节在发酵工业中的应用,工业发酵的目的：大量积