第五章 微生物的新陈代谢.ppt

目的：掌握不同微生物能量代谢的特点；了解微生物代谢的调节。重点：产能代谢，生物固氮和肽聚糖的合成。难点：生物固氮机制。,第五章微生物的新陈代谢,关于新陈代谢的几个概念,新陈代谢（Metabolism）发生在活细胞中的各种分解代谢和合成代谢的总和。,合成代谢(Anabolism)(同化作用)在合成酶系催化作用下，由简单小分子、ATP形式的能量和H形式的还原力一起合成复杂大分子的过程。分解代谢(Catabolism)(异化作用)复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单小分子、ATP形式的能量和还原力的过程。,主要内容第一节微生物的能量代谢第二节微生物独特合成代谢途径第三节微生物的代谢调节和发酵生产,主要内容：一化能异养微生物的产能代谢二化能自养微生物的产能代谢三光合自养微生物的产能代谢,第一节微生物的能量代谢,能量代谢的目的：生物体把外界环境中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）。,一化能异养微生物的生物氧化,生物氧化（biologicaloxidation）在活细胞中的一系列产能性氧化反应的总称。氧化的形式包括：得氧、脱氢和失去电子。过程包括脱氢(电子)、递氢(电子)和受氢(电子)3个阶段。功能：产ATP，H，小分子中间代谢产物。类型：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。,底物脱电子的四种方式以葡萄糖为例EMP途径（占大多数,又称糖酵解途径）葡萄糖经10步反应后生成2分子丙酮酸、2分子NADH+H+，2分子ATP。（即相当于8个ATP）HMP途径（戊糖磷酸途径）葡萄糖通过该途径被彻底氧化，产生ADPH+H+及多种中间代谢产物。,ED途径是存在于某些缺乏EMP途径的微生物中的一种替代途径，葡萄糖经4步反应后，生成丙酮酸、ATP、NADPH2、NADH2。TCA循环丙酮酸经10步反应彻底氧化、脱羧后，生成ATP,GTP,NADH2和CO2,EMP途径(Embden-MyerhpfPathway),总式：葡萄糖+2NAD+2Pi+2ADP2丙酮酸+2NADH+2H+2ATP+2H2O,2ATP,EMP途径的意义,EMP途径的生理学功能为合成代谢供应ATP形式的能量和NADH2形式的还原力为合成代谢提供多种中间代谢产物连接三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径的桥梁通过逆向反应可进行多糖合成EMP途径与人类的关系乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇的发酵,HMP途径：Pentosephosphatepathway，旧称HMP途径(Hexosemonophasphatepathway)，此途径存在于大多数生物体内。,C7,C4,C5,C5,C5,C6,C3,C6,C3,6C66C5,5C6,经一系列复杂反应后,重新合成己糖,12NADPH,6CO2,经呼吸链,36ATP,1ATP,35ATP,总反应式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+6CO2+Pi,HMP途径的意义,微生物生命活动：1.供应合成原料戊糖磷酸：核酸、NADP、FAD、CoA等赤藓糖-4-磷酸：芳香族氨基酸2.产还原力：NADPH23.作为固定CO2的中介：核酮糖-5-磷酸4.扩大碳源利用范围：C3C75.连接EMP途径：果糖-1,6-二磷酸，甘油醛-3-磷酸,生产实践重要发酵产物核苷酸氨基酸辅酶乳酸,ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径,与EMP途径相连,与EMP途径相连,有O2时与TCA相连,无O2时进行酒精发酵,特点：特征性反应:特征性酶：KDPG酶终产物2分子丙酮酸的来历不同产能效率底：1molATP/1molGlucose,反应式：葡萄糖+NAD+NADP+Pi+ADP2丙酮酸+NADH+H+NADPH+H+ATP,具有ED途径的微生物,Pseudomonassaccharophila(嗜糖假单胞杆菌)Ps.aeruginosa(铜绿假单胞杆菌)Ps.fluorescens(荧光假单胞杆菌)Ps.lindneri(林氏假单胞菌)Z.mobilis(运动发酵单胞菌)Alcaligenseutrophus(真氧产碱菌),丙酮酸的代谢的多样性,EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：进入TCA循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架发酵作用Fermatation,TCA循环,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。,从丙酮酸进入循环：丙酮酸+4NAD+FAD+GDP+Pi+3H2O3CO2+4(NADH+H+)+FADH2+GTP从乙酰-CoA进入循环：乙酰-CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3(NADH+H+)+FADH2+CoA+GTP,（1）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；（2）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；（3）为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。（4）循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；（5）生物体提供能量的主要形式；（6）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。,TCA循环的重要特点,葡萄糖经不同途径后的产能效率,*在TCA循环的异柠檬酸至-酮戊二酸反应中，有的微生物产生的是NADPH+H+*在葡萄糖转变为葡糖-6-磷酸过程中消耗1ATP*真核生物的呼吸链组分在线粒体膜上，NADH+H+进入线粒体要消耗2ATP。,经上述脱氢途径生成的NADH、NADPH、FADH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。,递氢和受氢ATP的产生,生物氧化的三种类型,根据受氢体性质的不同，生物氧化可分为三种类型：有氧呼吸无氧呼吸发酵,广义发酵任何利用微生物来生产大量菌体或有用代谢产物或食品饮料的一类生产方式狭义发酵在无氧等外源受氢体（外源最终电子受体）条件下，底物脱氢以后产生的还原力H未经过呼吸链传递而直接交给某一内源中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的生物氧化反应。C6H12O62CO2+2C2H5OH,（一）发酵(fermentation),发酵的特点,微生物部分氧化有机物获得发酵产物，释放少量能量；氢供体与氢受体(内源性中间代谢产物)均为有机物还原力H不经过呼吸链传递；产能方式：底物水平磷酸化反应。底物磷酸化：指在发酵过程中往往伴随着高能化合物生成，如EMP途径中的1，3-二磷酸甘油酸和磷酸烯醇氏丙酮酸，其可直接偶联ATP和GTP的产生。,发酵产能是厌氧和兼性好氧菌获取能量的主要方式。多糖转化为单糖才能用于发酵。微生物直接发酵的碳源物质主要是葡萄糖和其它单糖，以微生物发酵葡萄糖最为重要。,和底物脱氢的途径有关的和称为Stickland反应的四类重要发酵,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵通过HMP途径的发酵通过ED途径进行的发酵Stickland反应,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,由葡萄糖经EMP途径形成丙酮酸，进一步降解形成各种发酵产物（同型）酒精发酵（酿酒酵母）同型乳酸发酵（德氏乳杆菌）丙酸发酵（丙酸杆菌）混合酸发酵（大肠杆菌）2,3-丁二醇发酵（产气肠杆菌）丁酸发酵（丁酸梭菌）,由丙酮酸出发的6条发酵途径,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,方框内为发酵产物,由EMP途径中丙酮酸出发的发酵的意义,工业发酵:大规模生产这些代谢产物；菌种鉴定:发酵中的某些独特代谢产物是鉴定相应菌种的重要生化指标。V.P.实验（Vogos-Prouskauertest）产气肠杆菌(E.aerogenes)产生乙酰甲基甲醇，碱性条件下氧化成双乙酰，与含有胍基的精氨酸反应，产生特征性的红色反应（呈V.P.阳性），而E.coli(与产气肠杆菌近缘)呈V.P.阴性，故极易区别两菌。,通过HMP途径的发酵,异型乳酸发酵（Heterolacticfermentation）凡是葡萄糖经过发酵后除主要产生乳酸，还产生乙醇、乙酸和二氧化碳等多种产物的发酵进行异型乳酸发酵的微生物异型乳酸发酵的经典途径L.mesenteroides(肠膜明串珠菌)、L.cremoris(乳脂明串珠菌)、L.brevis(短乳杆菌)、L.fermentum(发酵乳杆菌)等异型乳酸发酵的双歧杆菌途径Bifidobacteriumbifidum,异型乳酸发酵的经典途径,异型乳酸发酵的双歧途径,2分子葡萄糖产生2分子乳酸，3分子乙酸，5分子ATP,氨基酸发酵产能Stickland反应,什么是Stickland反应？以一种氨基酸作底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体实现生物氧化产能的独特发酵类型。氢供体氨基酸丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、组氨酸、色氨酸、丝氨酸等氢受体氨基酸甘氨酸、脯氨酸、精氨酸、鸟氨酸,以丙氨酸和甘氨酸为例：丙氨酸+甘氨酸+ADP+Pi3乙酸+3NH3+CO2,进行Stickland反应的微生物C.sporogenes（生胞梭菌）C.botulinum（肉毒梭菌）C.sticklandii（斯氏梭菌）,该反应效率很低，一个分子的Aa只产生1个ATP。注：stickland反应对生长在厌氧和蛋白质丰富环境中的微生物非常重要，使其可以利用氨基酸作为碳源、能源和氮源，如生孢梭菌。,和发酵产物有关的重要的发酵类型,降解产物为乙醇（乙醇发酵）酵母菌和细菌可进行乙醇发酵。,葡萄糖,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,酵母菌，八叠球菌的乙醇发酵：EMP运动发酵单孢菌和厌氧发酵单孢菌乙醇发酵：ED,应用：酿酒,乙醇发酵、乳酸发酵、丙酸发酵、混合酸发酵、丁酸发酵等,注：酵母菌乙醇发酵中，发酵条件对发酵过程与产物影响很大。如发酵过程中的通气状况、培养基组成及pH控制均对发酵终产物产生影响。乙醇发酵是一种厌氧发酵,如将厌氧条件改为好氧条件，葡萄糖分解速度降低，乙醇生成停止，这种有氧呼吸抑制发酵的现象称为巴斯德效应。当重新返回厌氧条件时，葡萄糖分解加速，伴随大量乙醇产生。,酵母菌利用葡萄糖进行发酵的三种类型型发酵：即正常的乙醇发酵，在弱酸性条件下进行，1分子葡萄糖经发酵产生2分子乙醇和2CO2;型发酵：乙醇发酵中，在发酵培养基中加入适量NaHSO3,发酵转变为甘油发酵，形成大量甘油和少量乙醇。型发酵：乙醇发酵中，将发酵液pH改成弱碱性(pH7.6),发酵主产物为甘油,伴随产生少量乙醇、乙酸和CO2。,糖化(糖化菌作用将淀粉-葡萄糖),发酵(酵母菌作用将葡萄糖-乙醇),蒸馏(得到乙醇,此外有杂醇油和酒糟),储藏,勾兑,白酒的制作,勾兑：将各种蒸出的酒，经品尝后，分析各自的优缺点，按照一定比例进行混合，使得成品酒具有独特的风格的操作,实际上是勾兑基础酒和调味2个操作的总称。,储藏：原因：储藏前的白酒具有刺激气味和辛辣味，不柔和，要储存半年以上才可饮用，储存的过程称为老熟。过程反应丙烯酸、硫化氢和硫醇等杂味物质的挥发，使得酒液品质变好，体积变小。发生一系列氧化、还原、酯化和缩合等化学反应，可减少酒液的刺激性。,葡萄,（加入二氧化硫，杀菌、溶解色素等）,浸渍和部分发酵,完成酒精发酵后去除酵母,葡萄酒,在橡木桶或其他容器中陈酿,澄清、罐装,红葡萄糖酒酿造工艺流程,葡萄汁和皮,红葡萄酒能降低许多疾病的患病率，尤其是心血管疾病。增加高密度脂蛋白含量，降低低密度脂蛋白含量；降低血栓形成，防止胆固醇沉积于血管内皮。长期适量饮用红葡萄酒，还能扩大动脉直径，增强动脉内皮细胞层的功能，使动脉更健康。增加心率变异的发生。研究发现，心率变异的减少与心脏病的危险度和死亡率增加成反比。所谓“适量”，是指男性不超过250毫升/天，女性不超过125毫升/天，因女性体内的乙醇脱氢酶活性仅为男性的一半。,葡萄,预处理、澄清,葡萄汁,酒精发酵，去除酵母,葡萄酒,陈酿,澄清，罐装,白葡萄酒的酿造工艺流程,白葡萄酒比红葡萄酒有更强大的杀菌作用。发挥杀菌作用的是含在白葡萄酒中的苹果酸和酒石酸等有机酸，而且酸性越大，杀菌效果就越强。杀菌机理是：有机酸的酸度越高就越容易进入细菌体内，产生杀菌效果。鱼、虾、贝等海产品附带的大肠杆菌，可以被白葡萄酒中的有机酸所杀死，这就是吃海鲜喝白葡萄酒不易发生食物中毒的原因。,红葡萄酒和白葡萄酒的主要区别,原料不同。根据所用葡萄品种的颜色不同：葡萄分为白色品种（白皮白肉）、红色品种（红皮白肉）和染色品种（红皮红肉）三大类；从发酵工艺上区分：白葡萄酒是用白葡萄汁发酵而成，红葡萄酒是用葡萄汁（液体部分）与葡萄皮渣（固体部分）混合发酵而成。从成分上分：丹宁是两者最重要的区别。从口味上分：如果说“酸”是白葡萄酒的个性，那么，“涩”就是红葡萄酒的个性。所以，红葡萄酒与白葡萄酒的主要差异在于它们之间的酚类物质的含量和种类的差异。,啤酒的酿造,润湿大麦和发芽,可溶性糖类的酶释放,干燥和压碎,（糖化桶中，酶活性进一步增强，麦芽糖、糊精和蛋白质释放并被分解）,加酒花，在酿造罐中加热,抑制有害有机体；酶灭活；来自酒花的风味化；,发酵前期：好氧后期：厌氧,酒精的发酵作用,储藏,包装为成品,煮糊化,糖化,过滤,巴氏灭菌,降解产物为乳酸（乳酸发酵）,葡萄糖,2丙酮酸,2乳酸,应用：利用乳酸菌生产酸性饮料、青贮饲料。分类：根据产物的不同可分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵和双歧发酵,过程：,乳酸发酵是在严格厌氧条件下完成的。乳酸菌缺少许多生长因子的合成能力,培养乳酸菌时,需加入一定量动植物组织浸出液或酵母浸出液。,同型乳酸发酵(德氏乳杆菌,通过EMP途径)终产物只有乳酸一种，故称为同型乳酸发酵。异型乳酸发酵:（肠膜明串珠菌，通过HMP途径)终产物：乳酸、乙醇、乙酸、CO2等。双歧发酵（双歧杆菌，通过HMP途径）终产物为乳酸和乙酸。,凝固型酸奶的制备,原料鲜奶,脂肪含量标准化（加脱脂乳）,过滤除杂,接种,分装,发酵40-43，3-6h,迅速冷却（10）,冷藏和后熟,乳酸菌(嗜热乳链球菌,保加利亚乳杆菌,双歧乳杆菌等.),蔗糖的添加目的：缓和酸奶的酸味，改善口味，如果蔗糖含量加入过多，会使得调制乳渗透压的增加而阻碍乳酸菌的生长。,均质：经均质处理，乳脂肪被充分分散，酸奶不会发生脂肪上浮现象，酸奶的硬度和粘度都有所提高。灭菌：A将乳加热到90，保温5min，或在85下保温30min。B.在135下保温2-3s。,分装的原因：酸奶受到振动，乳凝状态易被破坏，因此不能在发酵罐中先发酵然后再进行分装；必须先将含有乳酸菌的牛乳培养基先分装到销售用的小容器中，加盖后送入恒温室培养，在塑料小容器中发酵制成酸奶。分装后，小容器上部留出的空隙要尽可能小，这样容器中内容物晃动幅度小，酸奶形态易保持完整。,冷藏和后熟冷藏条件：一般是2-5，最好是-10的冷藏室保存。保藏期间，因为牛乳凝固时会产生收缩力，导致乳清析出，但是低温时这种收缩力较弱，所以乳清不容易从酸奶中分离出来。另外，在低温保存过程中，香味物质开始形成，使得酸奶具有较浓的香味。,青贮饲料:利用作物秸杆,青草等,通过乳酸菌发酵,抑制了腐败微生物的生长,而制成的一种保鲜饲料.做法：将秸杆、青草在大池子中，在无氧条件下贮存。乳酸菌发酵产生乳酸，使pH降到4.0以下，抑制了腐败微生物的生长，保存了营养。其它厌氧微生物可产生一些维生素、氨基酸等，又增加了饲料的营养。,混合酸发酵降解产物为混合酸某些肠道细菌，发酵葡萄糖产生乳酸、乙酸、甲酸等多种有机酸和乙醇。不同细菌，其发酵产物不同，常用于细菌鉴定。例：E.coli的糖发酵试验E.coli甲基红试验（MR试验）,E.coli的糖发酵试验E.coli发酵葡萄糖，除产生有机酸外，还含有甲酸氢解酶，分解甲酸为CO2和H2，既产酸又产气。将培养液配制成碱性，加入溴甲酚紫(6.8-5.2,紫-黄)，同时放入小倒管。,甲基红试验（MR试验）E.coli发酵葡萄糖会产生大量的酸，使pH降到4.2以下，用甲基红(6.0-4.4,黄-红)为指示剂时，会发生颜色变化。所以E.coli的MR试验呈阳性。,V.P.试验（Vogos-Prouskauertest）用于鉴定一些菌种（如：用于区别产气肠杆菌和大肠杆菌）有些细菌如产气肠杆菌丁二醇发酵的中间产物3-羟基丁酮，在碱性条件下被空气氧化为二乙酰，二乙酰与蛋白胨中精氨酸上的胍基结合，形成红色的化合物。如产气杆菌，V.P试验阳性，而E.coli为阴性。,（二）有氧呼吸（aerobicrespiration）是一种最普遍又重要的生物氧化或产能方式。1特点有电子传递链(呼吸链)；因氧化彻底，产能多；最终电子受体是分子态的氧；能量的产生，有底物水平磷酸化，也有电子传递水平磷酸化。,2过程葡萄糖经过糖酵解（EMP途径）作用形成的丙酮酸，丙酮酸进入三羧酸循环(简称TCA循环)，被彻底氧化生成CO2和水，同时释放大量能量。,过程图,G,2丙酮酸,2乙酰CoA,2ATP+2NADH2,2NADH2+2CO2,呼吸链,6CO2+6H2O,36或38ATP,TCA,注：NADH2（被氧化）：3ATPGTP（被转化）：1ATPFADH2（被氧化）：2ATP,（三）无氧呼吸（anaerobicrespiration）,电子受体为氧化态的外源无机盐类，少数为有机氧化物。1特点：电子受体为NO3-、NO2-、SO42-、CO32-、延胡索酸（有机物）等在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用生成的能量不如有氧呼吸产生的多鬼火（磷化氢）,注：无氧呼吸和有氧呼吸一样需要细胞色素等电子传递体，在能量分级释放过程中伴随着磷酸化作用，也能产生很多能量，但只有部分能量随电子（或H）传递给氧化物，而且受体的氧化还原电位差都小于氧气，使得生成的能量不如有氧呼吸产生得多。无氧呼吸中电子的传递方向：NAD(P)FP（黄素蛋白）Fe.S蛋白CoQCytbCytcCytaCyta3。,无氧呼吸的主要类型,2.1硝酸盐呼吸（反硝化作用或脱氮作用）反硝化细菌（兼性厌氧微生物，如地衣芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、脱氮硫杆菌等）以硝酸盐作为最终氢受体，NO3-还原成NO2-、N2O、N2等的过程。对农业和环境的影响有利：可消除水域中N素的富集（赤潮和水华）；有害：N素损失，污染环境（NO和N2O）,2.2硫酸盐呼吸（反硫化作用）反硫化细菌（严格厌氧菌，如巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等）以SO42-为最终氢受体，使SO42-还原成H2S，并产生ATP。对农业和环境的影响有利：水域中，使S素以H2S的形式返回大气，避免S素大量聚集。有害：导致土壤硫素损失；引起水稻烂根；金属管道的腐蚀；饮用水的污染。,硫呼吸（专性或兼性厌氧菌）以无机硫为呼吸链最终电子受体并产生H2S的作用。是兼性或专性厌氧菌。铁呼吸（专性或兼性厌氧菌）末端电子受体为Fe3+，在专性或兼性厌氧菌中存在。延胡索酸呼吸（兼性厌氧菌）以延胡索酸为末端电子受体，生成琥珀酸。,碳酸盐呼吸:是CO2或碳酸盐作为呼吸链末端H受体。产甲烷菌的碳酸盐呼吸是产甲烷细菌(专性厌氧菌，古生菌)在厌氧条件下，利用H2还原CO2产生细胞物质，能利用CO2作为电子受体产生ATP和CH4。对农业和环境的影响：产沼气；肥料：沼气渣。,注：沼气的产生并不只是产甲烷菌参与，还有一些发酵性细菌、产氢产乙酸细菌的参与，并且具有阶段性。,有氧呼吸、无氧呼吸与发酵的比较,复习旧知识：化能异养微生物的主要脱氢方式和产能方式？,三种氧化产能方式的比较,1化能自养微生物一般为好氧菌，能在氧化无机物过程中，通过电子传递链氧化磷酸化获得能量，电子受体O2，通过逆呼吸链传递产生还原力，消耗能量。2产能方式硝化作用硫化作用铁的氧化氢的氧化,新知识：二化能自养微生物产能方式,化能自养的机理,2.1硝化作用（氨的氧化）NH3或亚硝酸(NO2-)被硝化细菌氧化产生能量。硝化细菌包括硝化细菌和亚硝化细菌。硝化细菌的特点：专性好氧,G，无芽孢，分布广泛，对氧化基质有严格的专一性；亚硝化细菌和硝化细菌是互生菌；严格的专性化能自养，且大多数是专性无机营养型，不能在有机培养基上生长。,硝化作用对农业和环境的影响有利：氨氧化为硝酸以及大量的硝态氮化肥为作物生长提供氮素营养，有利于产量提高。有害：但硝酸盐的溶解性强（比铵盐强），易随雨水流入江、河、湖、海中，它不仅大大降低肥料的利用率（硝酸盐氮肥一般是40%），而且会引起水体的富营养化，进而导致“水华”或“赤潮”等严重污染危害（大面积发生就很难治理）。,过程：,NH3,NO2-+ATP,NO2-,NO3-+ATP,2.2硫化作用硫化合物(包括硫化物、单质硫、硫代硫酸盐、硫酸盐和亚硫酸盐)被硫细菌能够利用产生能量最后生成H2SO4的过程。对农业和环境的影响产生SO42-，作为植物直接吸收的S素物质；解除H2S毒害和除臭使土壤的微域环境酸化，促进难溶S素的有效化，但同时可能导致作物酸害。,2.3铁的氧化少数细菌能将亚铁氧化到高铁状态并产生能量的反应，如氧化亚铁硫杆菌。氧化亚铁硫杆菌存在于酸性环境中，因为亚铁仅在酸性条件下是稳定的。,2.4氢的氧化(氢细菌)通过氧化氢获得能量。H细菌G-，兼性化能自氧菌，利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。,三光合自养微生物的光合磷酸化,(一)光合微生物类群蓝细菌，光合细菌，嗜盐细菌1光合细菌：均为原核生物，红螺菌目。1.1所含色素菌绿素和类胡罗卜素，两种比例不同，使菌体呈红橙、绿、紫及褐等不同颜色。光合细菌为典型水生菌，广泛分布于深层(缺氧)淡水与海水中。,注：光合色素可分为三类：叶绿素(chl)或细菌叶绿素（Bchl），类胡萝卜素和藻胆素。但所有光合生物都有类胡萝卜素，其有捕获光能的作用，能把吸收的光能高效地传给细菌叶绿素（或叶绿素）。,1.2光合细菌分类根据所含细菌叶绿素（Bchl）种类不同分三类:绿硫细菌:含Bchlc.d.e.以H2S,H2为供H体,还原CO2。红硫细菌:含Bchla.b.以H2S为供H体.红螺菌:含Bchla.b.以有机物为供H体,有些以H2,H2S为供H体.,2嗜盐细菌兼性光能菌，属嗜盐菌科(Halobacteriaceae)的盐杆菌属(Halobacterium)。嗜盐细菌在生理上具有高度特异性：能在高浓度的饱和盐溶液(3.55.0mol/LNaCl)中栖息，细胞酶在2mol/L的盐浓度中才能保持活性与稳定性。,光合磷酸化的实质就是将光能转化为化学能的过程，具体过程为当一个叶绿素（菌绿素）分子吸收光量子后，被激活，释放一个电子（氧化），释放的电子进入电子传递系统，在电子传递过程中释放能量，产生ATP。按照光合磷酸化中电子的流动路线及ATP形成方式，可分为：,（二）光合磷酸化分类,1循环光合磷酸化1.1紫硫细菌、绿硫细菌、紫色非硫细菌、绿色非硫细菌。1.2是厌氧光合细菌通过光驱动下的电子循环式传递，在传递过程中形成ATP的过程。,1.3循环光和磷酸化的特点：电子传递途径属循环方式，即在光能驱动下，电子从菌绿素上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间产生了ATP;在供应ATP的条件下，可以产生还原力。产ATP和还原力H分开进行，不产O2。还原力（NADPH2）来自H2S等无机氢供体，是反向电子传递产生的。反向电子传递:是逆着电子传递系统，将e从低能量(高电位)向高能量(低电位)传递。此过程消耗能量。反向e传递用的e来源于菌体外的一些物质如H2S,Fe2+，其它硫化物等.,BchlP870,红光或紫外光,激发态菌绿素,QB,Cytbc1,Cytc2,环式光合磷酸化,Bph,NAD(P),NAD(P)H2,外源电子供体,外源H2,消耗ATP,QA,Q库,2非循环光合磷酸化同时产生ATP、H和O2，H来源于H2O。蓝细菌、藻类及各种绿色植物2.1有两个光反应系统系统:产生还原力。系统:产生ATP。2.2具体过程,非循环光合磷酸化特点：电子传递的途径属于非循环式的；在有氧条件下进行；有PS和PS两个光合系统：有PS含有叶绿素a，反应中心的吸收光波为P700，有利于红光吸收，PS含有叶绿素b,反应中心的吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；反应中可同时产生ATP、还原力H和O2；还原力NADPH2中的H来自H2O分子的的光解产物H+和电子。,ChlP700,ChlP680,FeS-Pr,Fd,NADPH2,NADP,QB,Pc,e-,Ph,H2O,2e-+2H+1/2O2,e-,系统,系统,QA,Q库,cytbf,注：Ph为褐藻素，Pc为质体蓝素，Fd为铁氧还蛋白,总结:水光解后产生的电子并产生O2，经系统、传递给NADP，在提供H的条件下，生成NADPH2，在传递过程中生成ATP.反应式：2NADP+2ADP+2Pi+2H2O2NADPH2+2ATP+O2,3紫膜光合磷酸化嗜盐菌在无叶绿素和菌绿素参与下，利用吸收光能产生ATP的过程，是目前所知道的最简单的光合磷酸化。,嗜盐菌细胞膜分为红膜与紫膜两部分。红膜：主要成分为细胞色素、黄素蛋白和类胡萝卜素，进行经典的电子传递磷酸化；紫膜：进行光合磷酸化。含有细菌视紫红质，与人眼视网膜上柱状cell中所含的视紫红质蛋白相似，都含有紫色物质视黄醛。,紫膜光合磷酸化的机理光量子驱动下，细菌视紫红质在将反应中产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度；该梯度差驱使H+通过膜上的ATP合成酶中的孔道进入膜内，平衡膜内外质子差额，并产生ATP。注：环境中O2浓度高时，嗜盐菌以光合磷酸化产能，浓度很低时，可以在光照条件下合成紫膜，通过紫膜光合磷酸化合成ATP。,紫膜光合磷酸化,主要特点：不经过电子传递，直接产生ATP,意义：嗜盐菌紫膜光合磷酸化功能的发现，使在经典的叶绿素和菌绿素所进行光合磷酸化之外又增添了一种新的光合作用类型。紫膜的光合磷酸化是迄今所知道的最简单的光合磷酸化反应，这是研究化学渗透作用的一个极好的实验模型，对它的研究正在大力开展。对其机制的揭示，将是生物学基本理论中的又一项重大突破，并无疑会对人类的生产实践例如太阳能的利用和海水的淡化等带来巨大的推动力。,四能量消耗主要用于合成细胞物质与代谢产物，还用于维持生命、生物发光或放出生物热。1合成耗能大分子细胞物质合成及代谢产物合成消耗的总能量。如CO2的固定，生物固氮，糖类、蛋白质和核酸的合成。,2主动运输和膜泡运输耗能3细胞运动真核生物中鞭毛和纤毛都具有ATP酶（可水解ATP产生能量）。但目前尚未在细菌鞭毛中发现该酶。4发光：发光细菌能将细胞内贮存的化学能转化为光能。,第二节微生物独特合成代谢途径,一自养微生物的CO2固定二生物固氮三肽聚糖的合成四、次生代谢（略）,一、自养微生物的CO2固定（重点：关键酶和微生物代表种类）Calvin循环、厌氧乙酰COA途径、逆向TCA循环和羟基丙酸途径。能源来源于光能或无机物氧化所得的化学能。（一）Calvin循环（光能自养和化能自养M固定CO2的主要途径）代表：绿色植物、蓝细菌、多数光合细菌、硫细菌、铁细菌、硝化细菌。两种关键酶：核酮糖二磷酸羧化酶（RuBisCO）和磷酸核酮糖激酶。三个阶段：羧化反应、还原反应和CO2受体的再生。,（二）厌氧乙酰COA途径乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。关键酶：CO脱氢酶，催化CO2还原为CO的反应：CO2+H2=CO+H2O,厌氧乙酰COA途径,（三）逆向TCA循环1在绿色硫细菌中存在。2以草酰乙酸为CO2受体，每循环一周掺入2个CO2分子，并还原成乙酰COA，然后再固定1个CO2分子合成丙酮酸、丙酸等。3特殊酶：柠檬酸裂合酶。,（四）羟基丙酸途径1存在于少数绿色硫细菌中。2乙酰COA为起始物质，经过2次羧化，最后形成乙酰COA和乙醛酸，乙酰COA重新进入循环，乙醛酸最为合成细胞物质的原料。3关键步骤：羟基丙酸的产生。,二生物固氮,微生物通过固氮酶将N2转变成为NH3的过程。生物固氮主要在三方面进行研究用实验的方法提高主要农作物的固氮能力。模拟固氮酶，使工业生产N肥在常温、常压下进行。选择利用高效、优质的固氮微生物做为生物肥料（根瘤菌肥料和固氮菌肥料）。,（一）固氮微生物主要是原核微生物(细、放、蓝等近50个属)。1自生固氮菌:如圆褐固氮菌。2共生固氮菌:一般能形成特殊的结构，如根瘤菌。3联合固氮菌:必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处,一般不形成特殊结构。（生脂固氮螺菌）,圆褐固氮菌,根瘤菌,（二）生物固氮的条件1能量ATP的提供2还原力H及其传递体：H由铁氧还蛋白(Fd)或黄素氧还蛋白(Fld)传递至固氮酶上。3固氮酶：固二氮酶（组分，含铁和钼）和固二氮酶还原酶（组分，含铁）组成，两者在一起时才具有固氮作用。另外，“替补固氮酶”。4还原底物：N25镁离子6严格的厌氧微环境：固氮酶的高度氧敏感性。,（三）固氮的生化机制,注：总共需要8个电子，固氮过程中，其中有两个消耗在固氮