微生物的新陈代谢与调节.ppt

微生物的新陈代谢与调节一,生物小分子合成生物大分子合成代谢（同化）耗能物质新陈代谢能量代谢代谢产能分解代谢（异化）生物大分子分解为生物小分子,新陈代谢的共同特点：（1）在温和条件下进行(由酶催化)；（2）反应步骤繁多，但相互配合、有条不紊、彼此协调，且逐步进行，表征了新陈代谢具有严格的顺序性；（3）对内外环境具有高度的调节功能和适应功能。,按物质转化方式分：分解代谢（异化作用）：指细胞将大分子物质（细胞的衰老物质和吸收的营养物质）降解成小分子物质，并产生一些中间产物作为合成细胞物质的基础原料，最终将废物排出体外，在这个过程中产生能量，一部分能量以热的形式散失，另一部分以高能磷酸键的形式贮存在三磷酸腺苷（ATP）中。,合成代谢（同化作用）：是指细胞利用简单的小分子物质（从外界吸收的营养物质）合成复杂大分子（新的细胞物质和贮藏物质）的过程。在这个过程中要消耗能量。是微生物生长、发育的物质基础。,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。这些能量是用于维持微生物的生理活动或合成代谢所需的。,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；是维持微生物正常生命活动的生理活性物质或能量的代谢。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（非细胞结构物质和维持微生物正常生命活动的非必需物质）所必需的代谢类型；产物：抗生素、色素、激素、生物碱、毒素维生素等。,微生物的代谢作用是微生物中的各种各样具有高度专一性的酶和酶系在常温、常压和pH中性的条件下，按一定的顺序进行，连续的生物化学反应。,微生物的能量代谢一、生物氧化能量代谢是新陈代谢中的核心问题。中心任务：把外界环境中的各种初级能源转换成对一切生命活动都能使用的能源ATP。,有机物（化能异养菌）最初能源日光（光能自养菌）通用能源无机物（化能自养菌）,分解代谢是物质在生物体中经过一系列的氧化还原反应，逐步分解并释放能量的过程。在生物氧化过程中释放的能量可为微生物直接利用或通过能量转换贮存在ATP中，以便逐步利用，也有部分能量以热能的形式释放到环境中。异养微生物利用有机物，自养微生物利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。,微生物氧化的形式生物氧化作用：细胞内代谢物以氧化作用释放（产生）能量的化学反应。氧化过程中能产生大量的能量，分段释放，并以高能键形式贮藏在ATP分子内，供需时使用。生物氧化的方式：和氧的直接化合：C6H12O6+6O26CO2+6H2O失去电子：Fe2+Fe3+e化合物脱氢或氢的传递:CH3-CH2-OHCH3-CHONAD,生物氧化的功能：产能(ATP)产还原力【H】小分子中间代谢物,生物氧化的过程一般包括三个环节：底物脱氢（或脱电子）作用（该底物称作电子供体或供氢体）氢（或电子）的传递（需中间传递体，如NAD、FAD等）最后氢受体接受氢（或电子）（最终电子受体或最终氢受体）,底物脱氢的途径1、EMP（己糖双磷酸降解或糖酵解）途径2、HMP（己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环）途径3、ED（2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸）途径4、TCA（三羧酸循环）,二、异氧微生物的生物氧化异氧微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中的电子受体的不同分为发酵和呼吸。同时呼吸又分为有氧呼吸和无氧呼吸。,（一）发酵在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。在发酵工业上，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。发酵底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最重要。,发酵途径：葡萄糖在厌氧条件下分解葡萄糖的产能途径主要有EMP（己糖双磷酸降解或糖酵解）途径、HMP（己糖单磷酸降解或磷酸戊糖循环）途径、ED（2酮3脱氧6磷酸葡萄糖酸）途径和PK（磷酸解酮酶）途径。,发酵类型：在上述途径中均有还原型氢供体NADH+H+和NADPH+H+产生，但产生的量并不多，如不及时使它们氧化再生，糖的分解产能将会中断，这样微生物就以葡萄糖分解过程中形成的各种中间产物为氢（电子）受体来接受NADH+H+和NADPH+H+的氢（电子），于是产生了各种各样的发酵产物。根据发酵产物的种类有乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、丁酸发酵、混合酸发酵、丁二醇发酵、及乙酸发酵等。,1、EMP途径,EMP途径分为两个阶段：第一阶段是无氧化还原反应和能量释放的准备阶段，生成两分子的中间代谢产物：甘油醛-3-磷酸。第二阶段发生氧化还原反应，合成ATP和形成两分子的丙酮酸。EMP途径为微生物的生理活动提供ATP和NADH，其中间产物为微生物的合成代谢提供碳骨架，在一定条件下可逆转合成多糖。,葡萄糖的酵解作用（简称：EMP途径),EMP途径特点：葡萄糖分子经转化成1，6二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP。2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。,EMP途径关键步骤：（1）葡萄糖磷酸化1.6二磷酸果糖(耗能)（2）1.6二磷酸果糖2分子3-磷酸甘油醛（3）3-磷酸甘油醛丙酮酸总反应式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP2丙酮酸+2NADH2+2ATPCoA丙酮酸脱氢酶乙酰CoA，进入TCA,2、HMP途径,HMP途径：葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2。磷酸戊糖进一步代谢有两种结果。,磷酸戊糖经转酮转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸，称为不完全HMP途径。由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水），称完全HMP途径。,HMP途径降解葡萄糖的三个阶段HMP是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPH+H+形式的还原力和多种中间代谢产物的代谢途径。（1）葡萄糖经过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2。（2）核酮糖-5-磷酸发生同分异构化或表异构化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸。（3）上述各种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。,HMP途径关键步骤：,（1）葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸（2）6-磷酸葡萄糖酸5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖5-磷酸核糖参与核酸生成（3）5-磷酸核酮糖6-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛(进入EMP）,HMP途径的重要意义：（1）为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。（2）产生大量NADPH2，一方面为脂肪酸、固醇等物质的合成提供还原力，另方面可通过呼吸链产生大量的能量。（3）与EMP途径在果糖-1，6-二磷酸和甘油醛-3-磷酸处连接，可以调剂戊糖供需关系。,（4）途径中的赤藓糖、景天庚酮糖等可用于芳香族氨基酸合成、碱基合成、及多糖合成。（5）途径中存在3-7碳的糖，使具有该途径微生物的所能利用利用的碳源谱更为更为广泛。（6）通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸（异型乳酸发酵）等。（7）HMP途径在总的能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。,HMP途径不是产生ATP的有效机制。大多数好氧和兼性厌氧微生物中都具有HMP途径，而且在同一微生物中往往同时存在EMP和HMP途径，单独具有EMP或HMP途径的微生物较为少见。,3、ED途径ED途径存在于多种细菌中（革兰氏阴性菌中分布较广，特别是假单胞菌和固氮菌的某些菌株较多存在）。ED途径可不依赖于EMP和HMP途径而单独存在，是少数缺乏完整EMP途径的微生物的一种替代途径，未发现存在于其它生物中。,ATPADPNADP+NADPH2葡萄糖6-磷酸-葡萄糖6-磷酸-葡萄酸激酶（与EMP途径连接）氧化酶(与HMP途径连接)EMP途径3-磷酸-甘油醛脱水酶2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸EMP途径丙酮酸醛缩酶有氧时与TCA环连接无氧时进行细菌发酵,ED途径：,ED途径的特点：（1）葡萄糖经转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸后，经脱氧酮糖酸醛缩酶催化，裂解成丙酮酸和3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油醛再经EMP途径转化成为丙酮酸。结果是1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸，1分子ATP。（2）ED途径的特征反应是关键中间代谢物2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛。ED途径的特征酶是KDPG醛缩酶。,（3）反应步骤简单，产能效率低。（4）此途径可与EMP途径、HMP途径和TCA循环相连接，可互相协调以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢物的需要。好氧时与TCA循环相连，厌氧时进行乙醇发酵。,相关的发酵生产：细菌酒精发酵优点：代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，不必定期供氧。缺点：pH5，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低。,由表可见，在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。在某一具体条件下，拥有多条途径的某种微生物究竟经何种途径代谢，对发酵产物影响很大。,4、磷酸解酮酶途径存在于某些细菌如明串珠菌属和乳杆菌属中的一些细菌中。进行磷酸解酮途径的微生物缺少醛缩酶，所以它不能够将磷酸己糖裂解为2个三碳糖。磷酸解酮酶途径有两种：磷酸戊糖解酮酶途径（PK）途径磷酸己糖解酮酶途径（HK）途径,磷酸戊糖解酮酶途径（PK）途径的特点：分解1分子葡萄糖只产生1分子ATP，相当于EMP途径的一半；几乎产生等量的乳酸、乙醇和CO2。,磷酸己糖解酮酶途径（HK）途径的特点：有两个磷酸酮解酶参加反应；在没有氧化作用和脱氢作用的参与下，2分子葡萄糖分解为3分子乙酸和2分子3-磷酸-甘油醛，3-磷酸-甘油醛在脱氢酶的参与下转变为乳酸；乙酰磷酸生成乙酸的反应则与ADP生成ATP的反应相偶联；每分子葡萄糖产生2.5分子的ATP；许多微生物（如双歧杆菌）的异型乳酸发酵即采取此方式。,微生物能在不同条件下对不同物质或基本相同的物质进行不同的发酵，不同微生物对不同物质发酵可以得到不同的产物；不同微生物对同一物质进行发酵，或同一微生物在不同条件下进行发酵都可以得到不同的产物，所有这些都取决于微生物自身的代谢特点和发酵条件。,丙酮酸的发酵产物,酵母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,5、乙醇发酵酵母菌的乙醇发酵：,C6H12O6EMP2CH3COCOOH-2CO22CH3CHO乙醇脱氢酶2CH3CH2OH,NAD,NADH2,2ATP,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,当发酵液处在碱性条件下，酵母的乙醇发酵会改为甘油发酵。原因：该条件下产生的乙醛不能作为正常受氢体，结果2分子乙醛间发生歧化反应，生成1分子乙醇和1分子乙酸；CH3CHO+H2O+NAD+CH3COOH+NADH+H+CH3CHO+NADH+H+CH3CH2OH+NAD+,此时也由磷酸二羟丙酮担任受氢体接受3-磷酸甘油醛脱下的氢而生成-磷酸甘油，后者经-磷酸甘油酯酶催化，生成甘油。2葡萄糖2甘油+乙醇+乙酸+2CO2,细菌的乙醇发酵菌种：运动发酵单胞菌等途径：ED酵母菌（在pH3.5-4.5时）的乙醇发酵脱氢酶脱羧酶丙酮酸乙醛乙醇通过EMP途径产生乙醇，总反应式为：C6H12O6+2ADP+2Pi2C2H5OH+2CO2+2ATP,细菌(Zymomonasmobilis)的乙醇发酵通过ED途径产生乙醇，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi2乙醇+2CO2+ATP细菌(Leuconostocmesenteroides)的乙醇发酵通过HMP途径产生乙醇、乳酸等，总反应如下：葡萄糖+ADP+Pi乳酸+乙醇+CO2+ATP同型乙醇发酵：产物中仅有乙醇一种有机物分子的酒精发酵。异型乙醇发酵：除主产物乙醇外，还存在有其它有机物分子的发酵。,6、乳酸发酵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。由于菌种不同，代谢途径不同，生成的产物有所不同，将乳酸发酵又分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧杆菌发酵。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）双歧杆菌发酵：（经HK途径磷酸己糖解酮酶途径）,7、混合酸发酵埃希氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌属的一些菌通过EMP途径将葡萄糖转变成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H2和CO2等多种代谢产物，由于代谢产物中含有多种有机酸，故将其称为混合酸发酵。,发酵途径：葡萄糖琥泊酸草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰磷酸CO2H2乙酸,（二）呼吸作用呼吸作用是微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NAD（P）+、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源电子受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程。有氧呼吸是以分子氧作为最终电子受体。无氧呼吸是以氧化型化合物作为最终电子受体。,呼吸作用和发酵作用的区别：电子载体不是将电子直接传递给底物降解的中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量再交给最终电子受体。,发酵作用：没有任何外源的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用：有外源的最终电子受体的生物氧化模式；呼吸作用又可分为两类：有氧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。,1、有氧呼吸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：在有氧呼吸作用中，底物的氧化作用不与氧的还原作用直接偶联，而是底物在氧化过程中释放的电子先通过电子传递链（由各种电子传递体，如NAD,FAD,辅酶Q和各种细胞色素组成）最后才传递到氧。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。,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,TCA循环在微生物代谢中的枢纽地位,糖类,葡萄糖,丙酮酸,乙酰-CoA,乙醇,乳酸,丙酮,丁醇,丁二醇,EMP,B-氧化,脂肪,甘油,脂肪酸,蛋白质,氨基酸,ATP，各种有机酸，天冬氨酸，柠檬酸，谷氨酸,TCA循环的重要特点循环一次的结果是乙酰CoA的乙酰基被氧化为2分子CO2,并重新生成1分子草酰乙酸；整个循环有四步氧化还原反应，其中三步反应中将NAD+还原为NADH+H+，另一步为FAD还原；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；生物体提供能量的主要形式；为人类利用生物发酵生产所需产品提供主要的代谢途径。如柠檬酸发酵；Glu发酵等。,递氢、受氢和ATP的产生经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FAD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。根据递氢特别是受氢过程中氢受体性质的不同,把微生物能量代谢分为呼吸作用和发酵作用两大类。,2、无氧呼吸一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（个别为有机氧化物）的生物氧化，是一种无氧条件下进行的产能效率较低的特殊呼吸。,无氧呼吸的类型：硝酸盐呼吸：NO3-NO2-,NO,N2硫酸盐呼吸：SO42-SO32-,S3O62-,S2O32无机盐呼吸H2S硫呼吸：S0S-2碳酸盐呼吸：CO2,HCO3-CH3COOHCO2,HCO3-CH4延胡索酸呼吸：延胡索酸琥珀酸,柠檬酸发酵菌种：能产生柠檬酸的菌种很多，但以霉菌为主，其中又以黑曲霉产生柠檬酸的能力较强，并能利用多种碳源，故常是生产上使用的菌种。发酵机理：细胞内有三羧酸循环和乙醛酸循环；柠檬酸合成酶活力较高，而乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶可被某些因素，如金属离子的缺乏，受到抑制，这有利于柠檬酸的积累。,柠檬酸发酵工艺流程：发酵液的pH值对柠檬酸生成影响很大；pH2-3时，发酵产物主要是柠檬酸；pH值中性或碱性时，会产生较多草酸和葡萄糖酸；可往培养基中加入亚铁氰化钾或采取育种手段改造菌种，使乌头酸酶或异柠檬酸脱氢酶缺失或尽量降低活性，以阻碍TCA循环的正常进行，从而增加柠檬酸的积累。,谷氨酸发酵谷氨酸发酵菌种：CorynebacteriumpekinenseCorynebacteriumglutamicumBrevibacteriumflavu,谷氨酸发酵机理：谷氨酸以-酮戊二酸为碳架；当以糖质为发酵原料时，合成途径包括EMP,HMP,TCA循环,乙醛酸循环等；谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化酶活力很弱或缺少，而谷氨酸脱氢酶的活力要很高；生物素是谷氨酸产生菌必需的一种维生素，在谷氨酸生物合成中起着重要作用，缺乏或量太高都会使谷氨酸合成受阻。生物素通过影响细胞膜的通透性而影响谷氨酸发酵。,三、自养微生物的生物氧化还原CO2时ATP和H的来源,顺呼吸链传递,CO2NH4+,NO2-,H2S,SATP,(最初能源)耗H产ATP,逆呼吸链传递,S,H2,Fe2+NAD(P)H2,（无机氢供体）耗ATP产H,CH2O,（一）氨的氧化NH3同亚硝酸（NO2-）可以做能源的最普通的无机氮化合物，能被硝化细菌氧化，硝化细菌可分为2个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸的过程分为2个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸。硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性细菌，以分子氧为最终电子受体，绝大多数是专性无机营养型。,（二）硫的氧化硫杆菌能利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化物作能源。H2S首先氧化成元素硫，再被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中偶联产生4个ATP。亚硫酸盐的氧化分为两条途径：一是直接氧化成SO42-的途径，由亚硫酸盐-细胞色素C还原酶和末端细胞色素系统催化，产生1个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化1分子SO32-产生2.5个ATP。,（三）铁的氧化从亚铁到高铁的氧化，对少数细菌而言是一种产能反应，但只有少数的能量可被利用。在低PH环境中利用亚铁氧化时放出的能量生长，在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动ATP的合成。,（四）氢的氧化氢细菌都是一些革兰氏阴性的兼性化能自养菌。能利用分子氢氧化产生的能量，同化CO2，也能利用其他有机物生长。氢细菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生ATP。多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶（颗粒状氧化酶：驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度，为ATP的合成提供动力；可溶性氢化酶：催化氢的氧化，使NAD+还原，所生成的NADH主要用于CO2的还原。）,四、能量转移在产能代谢过程中，微生物通过底物水平磷酸化和氧化磷酸化将某种物质氧化释放的能量存于ATP等高能分子中，对光合微生物可通过光合磷酸化将光能转变为化学能存于ATP中。ATP的生成方式,光合磷酸化氧化磷酸化,底物水平磷酸化电子传递磷酸化,1、底物水平磷酸化底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中可生成一种含高能磷酸键的化合物，这个化合物通过相应的酶作用把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。这种类型的氧化磷酸化方式在生物代谢过程中较为普遍。催化底物水平磷酸化的酶存在于细胞质内。,2、氧化磷酸化氧化磷酸化：利用化合物氧化过程中释放的能量生成ATP的反应。氧化磷酸化生成ATP的方式有两种：底物水平磷酸化-不需氧；电子传递磷酸化-需氧。,底物水平磷酸化举例：由于脱掉一个水分子，2一磷酸