课件：第章微生物的代谢.ppt

本章重点：,本章难点：,1.化能异养微生物的能量代谢,2.肽聚糖的合成,1.发酵、有氧呼吸、无氧呼吸的区别,第五章 微生物的代谢,3.生物固氮,2019,-,1,新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。 新陈代谢 = 分解代谢 + 合成代谢,复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H,+,+,2019,-,2,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）,第一节 微生物的能量代谢,2019,-,3,生物氧化的过程：,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,底物脱氢(电子),氢(电子)的传递,最终氢受体接受氢(电子),EMP途径,HMP途径,ED 途径,TCA途径,微生物的能量代谢,2019,-,4,微生物的能量代谢,（一）脱氢,1、EMP途径,2019,-,5,微生物的能量代谢,2、HMP途径,2019,-,6,微生物的能量代谢,3、ED途径,2019,-,7,总反应式：,反应简式：,微生物的能量代谢,2019,-,8,特征反应：KDPG裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛； 特征酶：KDPG醛缩酶； 产物：两分子丙酮酸来历不同； 产能低：1摩尔葡萄糖经ED途径仅产生1摩尔ATP； 菌种：主要存在于Pseudomonas,ED途径的特点：,微生物的能量代谢,2019,-,9,微生物的能量代谢,4、TCA循环,在物质代谢中的地位：枢纽位置 工业发酵产物：柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸,2019,-,10,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH2等还原型辅酶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。,（二）递氢和受氢,微生物的能量代谢,生物氧化,发酵作用：不经呼吸链，没有外源电子受体,呼吸作用,有氧呼吸：经呼吸链，最终电子受体是O2,无氧呼吸：经部分呼吸链，最终电子受体 是O2以外的无机氧化物，如NO3-、SO42-等.,2019,-,11,概念:是以分子氧作为最终电子(或氢)受体的氧化过程；是最普遍、最重要的生物氧化方式。 途径：EMP,TCA循环 特点：必须经过电子传递链传递,由此可见， TCA循环与电子传递是有氧呼吸中两个主要的产能环节。,1. 有氧呼吸（aerobic respiration）,微生物的能量代谢,2019,-,12,电子传递与呼吸链,定义：由一系列氧化还原势不同的氢传递体组成的一组链状传递顺序。 部位：原核生物发生在细胞膜上，真核生物发生在线粒体内膜上。 成员：电子传递链中的电子传递体主要包括FMN、CoQ、细胞色素b、c1、c、a、a3和一些铁硫蛋白。,微生物的能量代谢,2019,-,13,微生物的能量代谢,2019,-,14,ATP 生 成 方 式,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,电子传递磷酸化,光合磷酸化,微生物的能量代谢,ATP产生方式：,2019,-,15,微生物的能量代谢,2. 无氧呼吸（anaerobic respiration）,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。,2019,-,16,微生物的能量代谢,无氧呼吸,硝酸盐呼吸,无机盐呼吸,有机物呼吸,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,氧化三甲胺呼吸,无氧呼吸的类型,反硝化作用,反硝化细菌,2019,-,17,微生物的能量代谢,3. 发酵 (Fermentation),发酵工业上，发酵是指任何利用厌氧或好氧微生物 来生产有用代谢产物的一类生产方式。,生物氧化中，发酵是指无氧条件下，底物脱氢后 所产生的还原力不经过呼吸链传递而 直接交给一内源氧化性中间代谢产物 的一类低效产能反应。,2019,-,18,C6H12O6 2CH3COCOOH 2CH3CHO 2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,（1）乙醇发酵,酵母菌的乙醇发酵：,微生物的能量代谢,2019,-,19,2乙醇,细菌的乙醇发酵（ED途径）,葡萄糖,K D P G,3-磷 酸甘 油醛,乙 醇,乙 醛,丙酮酸,丙酮酸,微生物的能量代谢,2019,-,20,乳酸细菌能利用葡萄糖及其他相应的可发酵的糖产生乳酸，称为乳酸发酵。 同型乳酸发酵：（经EMP途径） 异型乳酸发酵：（经HMP途径）,（2）乳酸发酵,微生物的能量代谢,2019,-,21,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,Lactococcus delbruckii Lactobacillus plantarum,概念 菌种 途径 特点,微生物的能量代谢,2019,-,22,异型乳酸发酵：,微生物的能量代谢,Leuconostoc mesenteroides,2019,-,23,同型乳酸发酵与异型乳酸发酵的比较,微生物的能量代谢,2019,-,24,(3)混合酸发酵,菌种：埃希氏菌属、沙门氏菌属、志贺氏菌属 特点：产生各种有机酸，使培养液pH降低； 途径：EMP 大肠菌群在进行混合酸发酵的同时，会产生气体,所以发酵葡萄糖产酸产气：,HCOOH,CO2 H2,甲酸氢解酶,微生物的能量代谢,2019,-,25,(4)丁二醇发酵,菌种：肠杆菌属、沙雷氏菌属、欧文氏菌属； 产物：2，3丁二醇、更多H2和CO2,微生物的能量代谢,2019,-,26,相关试验,糖发酵试验：细菌对各种糖的分解能力及代谢产物不同，可借以鉴别细菌。细菌分解糖产酸用符号“+”表示；细菌分解糖产酸又产气，用符号“”表示；细菌不能分解糖时用符号“-”表示。细菌的糖发酵试验结果见,微生物的能量代谢,2019,-,27,甲基红试验(methyl red test,MR)：细菌使丙酮酸脱羧后形成中性产物，甲基红指示剂呈桔黄色，为甲基红试验阴性；细菌分解糖产生丙酮酸，培养液呈酸性pH5.4，指示剂甲基红呈红色，称甲基红试验阳性.,微生物的能量代谢,2019,-,28,VP试验(Voges-Proskauer test,VP)：细菌能使丙酮酸脱羧、氧化（在碱性溶液中）生成二乙酰，后者可与含胍基的化合物反应，生成红色化合物称为VP试验阳性。,微生物的能量代谢,2019,-,29,二、化能自养微生物的能量代谢,（一）、化能自养微生物的类型,1、铁细菌,2Fe2+,2Fe3+,Cytc,1/2O2,CoQ,NAD+,NADH + H+,2e-,-ATP,-ATP,2019,-,30,化能自养微生物的能量代谢,问题1,为什么Fe2+的电子只能从Cytc进入呼吸链？,Fe3+氧化性较强，只有氧化态的Cytc才能氧化Fe2+ 得到Fe3+,2019,-,31,化能自养微生物的能量代谢,问题2,每产生1分子NADH + H+ ，需消耗多少Fe2+ ？,6分子,2019,-,32,化能自养微生物的能量代谢,2、硫细菌,硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多聚硫酸盐和亚硫酸盐）作能源。,俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：发现化能无机自养型微生物硫细菌。,土壤微生物学的奠基人,2019,-,33,化能自养微生物的能量代谢,S2-,S,S0,S,S2O32-,SO42-,SO32-,硫化物-巯基复合物,e-,2e-,呼吸链 Cytb,呼吸链 Cytc,2019,-,34,化能自养微生物的能量代谢,问题3,地下金属管道为何容易腐蚀？,好氧的硫细菌 H2S H2SO4,厌氧的硫酸盐还原细菌 SO42- H2S,2019,-,35,化能自养微生物的能量代谢,问题4,中国古代劳动人民的伟大贡献之一湿法冶金与 化能自养微生物之间有何关系？,2019,-,36,化能自养微生物的能量代谢,低品位铜矿,CuSO4 S,Cu FeSO4,Fe屑,浸矿剂,氧化亚铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌,细菌冶金的具体过程,2019,-,37,化能自养微生物的能量代谢,浸矿,浸矿剂H2SO4、Fe2(SO4)3将低品位铜矿变成CuSO4,浸矿剂再生,置换,Fe屑置换出Cu,由好氧的氧化亚铁硫杆菌将Fe2+氧化成Fe3+，氧化硫硫杆菌将S氧化成H2SO4。,2019,-,38,化能自养微生物的能量代谢,3、氢细菌,4、硝化细菌,自学,2019,-,39,（二）、化能自养微生物能量代谢的特点,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电子后，可直接进入呼吸链传递； 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； 产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。,化能自养微生物的能量代谢,2019,-,40,第四节 微生物的合成代谢,所谓合成作用就是微生物将简单的无机物或者有机物用体内的各种酶促反应合成生成大分子即菌体物质的过程。 微生物的合成代谢可以概括为三个阶段,产生三要素：能量、还原力、小分子化合物,合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸,合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖,2019,-,41,三要素的产生,ATP的产生：发酵作用 呼吸作用 无机物氧化 光合磷酸化 NADH2 （或NADPH2）的产生 : 光能自养菌： 非环式光合磷酸化可产 NADPH2。,ATP,2019,-,42,化能自养菌产NADPH2 : 是在消耗 ATP 的情况下通过反向电子传递产生。,2019,-,43,化能异养菌产还原力： 葡萄糖 2 NADH2 + 2ATP + 2丙酮酸 葡萄糖 NADH2 + NADPH2 + ATP + 2丙酮酸 葡萄糖 2NADPH2 + 5-P 核酮糖 + CO2 葡萄糖 6NADPH2 + NADH2 +丙酮酸 + 3CO2 丙酮酸3 NADPH2 + NADH2 + FADH2 + GTP + 3CO2,EMP,ED,HMP,不完全HMP,TCA,2019,-,44,小分子碳架化合物的产生,2019,-,45,前体物的合成,要合成大分子有机物首先要有前体物，前体物是微生物利用分解代谢中所获得的小分子C架、ATP 和NADPH2合成的。前体物主要有： 单糖 氨基酸 氨基糖 核苷酸 脂肪酸,2019,-,46,A.Calvin循环(植物、蓝细菌和化能自养细菌) B.活性乙酸途径 C.还原三羧酸循环（光合细菌） D.羟基丙酸途径,一、CO2的固定,（一）自养微生物CO2的固定,2019,-,47,Calvin循环,Calvin 循 环,2019,-,48,活性乙酸途经,四氢叶酸,甲基四氢叶酸,2019,-,49,还原三羧酸循环,2019,-,50,羥基丙酸途径,2019,-,51,异养微生物的碳源只有少量来自CO2， 异养微生物主要靠生成四碳二羧酸来补 充TCA循环的中间产物。 磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+ CO2 草酰乙酸+Pi 丙酮酸 + CO2 + ATP 草酰乙酸+Pi 丙酮酸 + CO2+NADH+H+ 苹果酸+NAD+,PEP羧化酶,丙酮酸羧化酶,苹果酸酶,（二）异养微生物对CO2的固定,2019,-,52,一些固N微生物能将分子氮固定为 NH3，再通过酶的作用转变为氨基酸。,（一）固氮微生物,1、自生固氮菌，如Azotobacter 2、共生固氮菌，如Rhizobium 3、联合固氮菌，如Azospirillum,2019,-,53,（二）固氮的生化反应,N2+8e-+8H+nATP,固氮酶,2NH3+H2+nATP+nPi,2019,-,54,（三）固氮的必要条件,（1）ATP的供应,（2）还原力及其载体,（3）固氮酶,（4）Mg2+,（5）N2,（6）严格厌氧环境,固氮酶的底物多样性,固氮酶的组成,固氮酶的氧敏感性,固氮酶的互补性,2019,-,55,（四）固氮过程的电子传递,2019,-,56,1、氨关闭效应 2、电子传递抑制剂 3、竞争性抑制,（五）固氮酶的防氧保护,（六）固氮过程的抑制,1、呼吸保护和构象保护 2、异形胞保护 3、类菌体周膜中的豆血红蛋白保护,2019,-,57,多糖生物合成的三个特点： 无模板 起始阶段需要引物 糖核苷酸为糖基载体 在原核微生物细胞中，细胞壁中有二种特殊的化合物即肽聚糖，磷壁酸，它是细菌细胞壁的组成成分。,三、肽聚糖的合成,2019,-,58,2019,-,59,2019,-,60,2019,-,61,概念： 所谓次生代谢是微生物在一定的生长期（通常是在生长的后期或者稳定生长期）里合成一些对微生物本身没有明显作用的物质的代谢过程。它是微生物在正常代谢途径不畅通时，增强了一些支路代谢的结果。,四、微生物的次级代谢,2019,-,62,微生物代谢产物比较,是,否,一直产生,生长到一定阶段产生,否,是,细胞内,细胞内或外,氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等,抗生素、毒素、激素、色素,均在微生物细胞的调节下，有步骤产生,2019,-,63,特点： （1）次级代谢以初级代谢为前提，并且受初级代谢的调节。 （2）次级代谢一般在菌体生长后期发生。 （3）次级代谢中酶专一性低。 （4）次级代谢的菌株有特异性。 （5）次级代谢与染色体外遗传有关。 次级代谢产物包括： 抗生素 、激素、毒素、色素、维生素、生物碱、信息素等,2019,-,64,抗生素 抗生素是对它种微生物有抑制或者杀伤作用的一大类次生代谢产物。 -内酰胺类抗生素 氨基环醇类抗生素 大环内酯类抗生素 四环类抗生素 糖肽类抗生素 烯大环内酯类抗生素 聚醚类抗生素 核苷类抗生素 安莎环类抗生素 蒽环类抗生素,2019,-,65,生长刺激素 这是一类刺激植物生长的生理活性物质。如镰刀菌产生的赤霉素就是这类物质的典型代表，赤霉素目前用于杂交水稻制种中，它可刺激稻穗伸长后便于授粉。 毒素 是某些微生物在一定的条件下产生的对动植物和人有毒害的化合物。毒素大多数是蛋白质，如白喉杆菌产生的白喉毒素，破伤风梭菌在厌氧条件下产生的破伤风毒素，苏云金杆菌产生的能杀虫的苏云金素。,2019,-,66,维生素 这是指某些微生物在特定的条件下产生的大大超过本身需要量的那种维生素，如酵母菌产生的B族维生素，醋酸菌合成维生素C，某些霉菌积累维生素B2 。 色素 一些微生物在代谢过程中产生的有色次生代谢产物，这些产物积累在细胞内或者分泌于细胞外。如灵杆菌产生的花青素使菌落呈红色。红曲霉产生的红曲素不仅使菌体呈紫色，并分泌于体外，在食品上用作着色剂。,2019,-,6