《微生物的代谢重点》PPT课件.ppt

第五章 微生物的新陈代谢,代谢概论,代谢（metabolism）：,推动一切生命活动的动力源，细胞内发生的各种化学反应的总称。,代谢,分解代谢(catabolism) 异化作用,合成代谢(anabolism) 同化作用,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,新陈代谢的本质既存在高度的统一性，又存在明显的多样性。,微生物产生和利用能量及其与代谢的关系图,一、概述,葡萄糖降解代谢途径 生物氧化： 发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）,1、化能异养微生物的生物氧化与产能,第一节 微生物的产能代谢 将最初能源转换成通用的ATP过程,生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种,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,自养微生物利用无机物 异养微生物利用有机物,生物 氧化,能量,微生物直接利用,储存在高能化合物（如ATP）中,以热的形式被释放到环境中,生物氧化的过程：脱氢、递氢和受氢三种,2、化能自养微生物的生物氧化与产能 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 利用固定C02作为它们的碳源。其产能的途径主要也是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 代谢特点 1）无机底物脱下的氢（电子）从相应位置 直接进入呼吸链 2）存在多种呼吸链 3）产能效率低； 4）生长缓慢，产细胞率低。,3、光能自养或异氧微生物的产能代谢 指具有捕捉光能并将它用于合成ATP和产生NADH或NADPH的微生物。 分为不产氧光合微生物和产氧光合微生物 。 前者利用还原态无机物H2S，H2或有机物作还原C02的氢供体以生成NADH和NADPH。后者由H2O分子光解产物H和电子形成还原力(NADPH+H) （还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）,二、葡萄糖降解代谢途径（EMP、HMP、ED等。） 1）EMP途径（糖酵解途径、己糖二磷酸途径） 葡萄糖 丙酮酸 有氧：EMP途径与TCA途径连接；产生6ATP 无氧：还原一些代谢产物， (专性厌氧微生物)产能的唯一途径。,10 步反应,丙酮酸,乳酸：无氧,乙醛乙醇：无氧,与TCA连接，将丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水,分为两个阶段： 1、3个分子6-磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+H+，3个分子CO2和3个分子5-磷酸核酮糖 2、5-磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛（中间产物：核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸）。,2）HMP 途径（戊糖磷酸途径、己糖一磷酸途径）,HMP途径的总反应,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi,特点： a 、不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，无ATP生成， b、产大量的NADPH+H+还原力 ； c、产各种不同长度的重要的中间物（5-磷酸核糖、4-磷酸-赤藓糖 ） d、单独HMP途径较少，一般与EMP途径同存 e、HMP途径是戊糖代谢的主要途径。,3）ED（KDPG）途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff ：嗜糖假单胞菌 过程： （4步反应） 1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸,KDPG,6-磷酸-葡萄糖-脱氢酶,3-磷酸-甘油醛 + 丙酮酸,KDPG醛缩酶,特点: a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：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途径的总反应,C6H12O6+ADP+ Pi +NADP+ +NAD+ 2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+,1、定义 广义：利用微生物生产有用代谢一种生产方式。 狭义：厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢 产物作为最终氢（电子）受体的产能过程 特点： 1）通过底物水平磷酸化产ATP； 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中； 3）产能率低； 4）产多种发酵产物。,三、发酵（fermentantion）,2、发酵类型 1） 乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛 + CO2 2 乙醇 + 2 ATP 条件：pH 3.54.5 , 厌氧 菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等） i、加入NaHSO4 NaHSO4 + 乙醛 磺化羟乙醛（难溶） 甘油 ii、弱碱性（pH 7.5） 2 乙醛 1 乙酸 + 1 乙醇 （歧化反应） 磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘油甘油发酵,（EMP）,b、细菌型乙醇发酵 (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌) 同型酒精发酵 ：ED途径 G+2ADP+2Pi 2乙醇+2 CO2+2ATP,异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌） ：HMP途径 G+ADP+Pi 乳酸+乙醇+CO2+ATP,2）乳酸发酵 同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等） EMP途径（丙酮酸 乳酸） G+2ADP+2Pi 2乳酸+2ATP 异型乳酸发酵:除乳酸外还有乙醇、乙酸、CO2 肠膜明串株菌 产能 ：1ATP 双歧杆菌（HMP） 产能：2G 5 ATP即 1G 2.5ATP,3)混合酸、丁二醇发酵 a 混合酸发酵： 肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）,1 G,丙酮酸,乳酸,乳酸脱氢酶,磷酸转乙酰基酶,乙醛脱氢酶,乙酸激酶,乙醇脱氢酶,乙酸,乙醇,E.coli与志贺氏菌的区别： 葡萄糖发酵试验： E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2 + H2 （甲酸氢解酶、H+） 志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。,CO2 + H2,b 丁二醇发酵（2，3-丁二醇发酵） 肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等,丙酮酸,乙酰乳酸,3-羟基丁酮,乙二酰,红色物质,（乙酰乳酸脱氢酶）,（OH-、O2）,中性,丁二醇,精氨酸胍基,其中两个重要的鉴定反应： 1 、VP实验 2、甲基红（M.R）反应 产气肠杆菌： V.P.试验（+），甲基红（-） E.coli： V.P.试验（-），甲基红（+）,V.P.试验的原理：,4）氨基酸的发酵产能（stickland反应） stickland反应：以一种氨基酸作底物脱氢，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。 发酵菌体：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。 特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联； 产能效率低（1ATP）,氧化 丙氨酸,丙酮酸,-NH3,乙酰-CoA,乙酸 + ATP,甘氨酸,-NH3,还原,CH3,CHNH2,COOH,+ 2,CH2NH2,CH2NH2,ADP+Pi ATP,3CH3COOH+3NH3+CO2,(丙氨酸)供体,(甘氨酸)受体,(乙酸),四、呼吸（respiration） 从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。 有氧呼吸（aerobic respiration） 无氧呼吸（anaerobic respiration） 1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：TCA 循环、电子传递。,TCA循环的生理意义： （1）为细胞提供能量。 （2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。 （3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。,（2）电子传递链 1）电子传递链载体: NAD(P)H脱氢酶 黄素蛋白(FP) 铁-硫蛋白 辅酶Q（CoQ） 细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以5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。,2） 氧化磷酸化产能机制 化学渗透假说 化学渗透学说-英国生物化学家PeterMitchell于1961年提出的。 在氧化磷酸化过程中,通过呼吸链有关酶系的作用,可将底物分子上的质子从膜内侧传递到膜的外侧,从而造成了膜两侧质子分布不均匀,此即质子动势的由来,也是合成ATP的能量来源.通过ATP酶的逆反应可把质子从膜的外侧重新回到膜的内侧,于是在消除质子动势的同时合成了ATP. 质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。,特点： a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递； b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸） c产能效率低。 硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点： a 有其完整的呼吸系统； b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A、亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。,2 无氧呼吸（厌氧呼吸）,同化性硝酸盐作用： 作为氮源营养物 NO3- NH3 - N R - NH2 异化性硝酸盐作用：还原 无氧条件下，利用NO3-为最终氢受体 NO3- NO2 NO N2O N2 反硝化意义： 1）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力； 2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。,亚硝酸还原酶,氧化氮还原酶,氧化亚氮还原酶,硝酸盐还原酶,硝酸盐呼吸（反硝化作用）,硫酸盐呼吸（硫酸盐还原） 厌氧时，SO42- 、SO32-、S2O32- 等为末端电 子受体的呼吸过程。 特点： a、严格厌氧； b、大多为古细菌 c、极大多数为专性化能异氧型，少数为混合型； d、最终产物为H2S； SO42- SO32- SO2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体； f、环境： 富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）,硫呼吸 （硫还原）, 以元素S作为唯一的末端电子受体。 电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等 最终产物为H2S，一般为厌氧菌。氧化乙酸脱硫单胞菌 碳酸盐呼吸（碳酸盐还原） 以CO2、HCO3- 为末端电子受体 产甲烷菌 利用H2作电子供体（能源）、CO2为 受体，产物CH4； 产乙酸细菌 H2 / CO2 进行无氧呼吸，产物为乙酸。,其他类型无氧呼吸 以Fe3+、Mn2+许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。 延胡索酸 琥珀酸 + 1 ATP 。 被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。,利用微生物还原AsO43- 生产三硫化二砷（雌黄） 作用：生物矿化和微生物清污,第二节 微生物特有的合成代谢途径 一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌 光能营养型生物 不产氧 （仅原核生物有）：光合细菌 1、光合细菌类群 1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。 (H2S环境中，只利用光合系统进行不产氧作用)。,2）不产氧光合细菌 a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。 紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科） 含紫色类胡萝卜素，菌体较大，沉积胞内。 氢供体：H2S、H2 或 有机物。 H2S S SO42- ； 少数暗环境以S2O32-作为电子供体。,氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+ 氧化产生Fe(OH)3沉淀,2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。 a ：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。 b：最大吸收波长8401030。 3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素： 藻胆素：蓝细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm） 藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。,3、细菌光合作用 1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素，吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。 特点： a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素； b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物； c、不产氧（O2）。,2）非循环光合磷酸化 特点： a、电子传递非循环式； b、在有氧的条件下进行； c、ATP、还原力、O2同时产生 当光反应中心的叶绿素吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)传递给NAD+（NADP）生成NADH（NADPH）+H(还原力)，而不是返回氧化型。,二、细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌： 通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。 产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。 最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。 固定C02作为它们的碳源。 最重要反应： CO2 还原成CH20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。,1 硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。 好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体， 在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。,a、亚硝化细菌 NH3 +O2 + 2H+ NH2OH + H2O,根据它们氧化无机化合物的不同,也称氨氧化细菌 (产生1分子ATP),2 氢细菌（氧化氢细菌） 能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌(hydrogen oxidizing bacteria)。 兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)、水螺菌属(Aquaspirillum)、分支杆菌属(Mycobacterium)和诺卡氏菌属(Nocardia)等。 产能： 2H2 + O2 2 H2O 合成代谢反应： 2H2 + CO2 CH2O + H2O。,3 硫细菌（硫氧化细菌）,利用H2S、S02、S2O32-等无机硫化物进行自养生长,主要指化能自氧型硫细菌 嗜酸型硫细菌能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3)。,产能途径 第一阶段，H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为SO32 第二阶段，形成的SO32进一步氧化为SO42和产能。 1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将SO32直接氧化成为SO42，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。 2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32产生1.5分子ATP。,4 铁细菌和细菌沥滤 (1) 铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。） 定义：能氧化Fe2成为Fe3并产能的细菌被称为铁细菌(iron bacteria)或铁氧化细菌(iron oxidizing bacteria)。包括亚铁杆菌属(Ferrobacillus)、嘉利翁氏菌属(Gallionella)、纤发菌属(Leptothrix)、泉发菌属(Crenothrix)和球衣菌属(Sphaerotilus)的成员。 有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus frrooxidans)和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子(Fe2)氧化成铁离子(Fe3)，所以它们既是硫细菌，也是铁细菌。 大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。 大多数铁细菌还是嗜酸性的。 铁细菌的细胞产率也相当低,(2) 细菌沥滤 利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。 原理： a、浸矿剂的生成 2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 4FeSO4 + 2H2SO4 + O2 2Fe2（SO4）3 + 2 H2O b、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS + 2 Fe2（SO4）3 + 2H2O + O2 CuSO4 + 4FeSO4 +2H2SO4 c、铁屑置换CuSO4中的铜 CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu 适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70% 80%。,1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用。 自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等） 共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌： 必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。 根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。,三、固氮作用,2、固氮机制,1）固氮反应的条件 a ATP的供应： 1 mol N2 10 15 ATP b 还原力H及其载体 氢供体：H2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。 电子载体：铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧 还蛋白（Fld） 。 c 固氮酶 组分 I ：真正“固氮酶”，又称钼铁蛋 白（MF）、钼铁氧还蛋白（MoFd）,组分II：,固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白、固氮 铁氧还蛋白（AzoFd） 特性： 对氧极为敏感；需有Mg2+的存在； 专一性：除N2外，可还原其他一些化合物 C2H2 C2H4； 2H+ H2 ； N2O N2 ；HCN CH4 + NH3 （乙炔反应：可用来测知酶活） d 还原底物N2： NH3存在时会抑制固氮作用。,N2 + 2e + 6H+ +（18 24）ATP 2NH3 + H2 +（18 24）ADP + 18 24 Pi 固氮阶段 N2* 2NH3 + H2 即 75% 还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费,2）固氮生化过程,第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物 次级代谢与次级代谢产物 一般将微生物通过代谢活动所产生的自身繁殖所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢,该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。 次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。,次级代谢与初级代谢关系密切，初级代谢的关键性中间产物往往是次级代谢的前体，比如糖降解过程中的乙酰-CoA是合成四环素、红霉素的前体；一般菌体的次级代谢在对数生长后期或稳定期间进行，受环境条件的影响； 次级代谢产物的合成，因菌株不同而异，但与分类地位无关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。 次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一般性的生理功能，也不是生物体生长繁殖的必需物质，但对其它生物体往往具有不同的生理活性作用，因此，人们利用这些具有各种生理活性的次级代谢产物生产具有应用价值的药物。,一、微生物代谢产物的利用 利用微生物代谢过程中产生的众多代谢产物生产各种发酵产品。 按照积累产物类型： 初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶； 次级代谢产物，抗生素、激素、生物碱、毒素及维生 素等。 按照发酵类型： 自然发酵：酒精、乳酸等， 代谢控制发酵：终端产物，赖氨酸、鸟苷酸、腺苷酸等； 中间产物，柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、 高丝氨酸、肌苷酸、黄苷酸等；,第四节 微生物代谢与生产实践,发酵条件的控制 人们通过对微生物菌种营养和培养条件的控制生产所要的目的产品: 1）培养条件：温度、pH值、渗透压的控制； 2）营养成分的控制：葡萄糖浓度、碳氮比、生长因子、无机离子等； 3）溶解氧的控制：通气量，搅拌等。,微生物代谢与代谢工程,近年来，基因工程的不断发展，也为微生物代谢在发酵生产的应用提供了新的方法。 人们通过分子生物学技术和DNA重组技术, 可以定向地对细胞代谢途径进行修饰或引入新的反应，以改进产物的生成或改变细胞的代谢特性。但这些改进都是与微生物的基因调控和代谢调控及生化工程相结合来实现的。 利用DNA重组技