第六章微生物代谢.ppt

第六章微生物的新陈代谢,新陈代谢（metabolism）简称代谢，泛指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢(anabolism)的总和,分解代谢酶系,复杂分子（有机物）,简单分子,+ATP,+H,合成代谢酶系,第一节微生物的能量代谢,能量代谢是新陈代谢的核心问题,最初能源,通用能源（ATP）,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。,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化就是发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应,生物氧化的过程有脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）3个阶段。,生物氧化的形式:与氧结合、脱氢和失去电子。,产能（ATP）生物氧化的功能：产还原力H产小分子中间代谢物,呼吸生物氧化的类型：无氧呼吸发酵,（一）底物脱氢的四种途径,1、EMP途径,2、HMP途径,3、ED途径,4、TCA循环,1、EMP途径（糖酵解）,2、HMP途径,磷酸戊糖进一步代谢有两种结局，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。,6葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,HMP途径的总反应,在多数好氧菌和兼性厌氧菌中都存在HMP途径，而且通常还与EMP途径同时存在。只有HMP途径而无EMP途径的微生物很少，如Acetobactersuboxydans(弱氧化醋杆菌)、Gluconobacteroxydans(氧化葡萄杆菌)Acetomonasoxydans(氧化醋单胞菌)。,HMP途径在微生物生命活动中意义重大：供应合成原料；产生还原力；作为固定CO2的中介（Calvin循环）通过与EMP途径的连接可为生物合成提供更多的戊糖。,3、ED途径,ED途径的总反应,关键反应：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸的裂解催化的酶：6-磷酸脱水酶，KDPG醛缩酶相关的发酵生产：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：生长pH高，较易染菌；细菌对乙醇耐受力低,4、TCA循环,TCA循环的重要特点,1、为糖、脂、蛋白质三大物质转化中心枢纽。2、循环中的某些中间产物是一些重要物质生物合成的前体；3、生物体提供能量的主要形式；4、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。,（二）递氢和受氢,经过上述4条途径脱氢后，通过呼吸链等方式传递，最终可与氧、无机氧或有机物等氢受体相结合而释放出其中的能量。,1.有氧呼吸（aerobicrespiration）,有氧呼吸：底物脱下的氢经完整的呼吸链传递，最终被分子氧接受，产生了水并释能量过程；是一种最普遍和最重要的生物氧化方式。途径：EMP和TCA,最终氢受体不同,发酵,呼吸,呼吸链是指位于原核生物细胞膜或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原电势呈梯度差的、链状排列的氢传递体。,功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处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。在传递过程中发生氧化磷酸化。,组成：NAD（P）FPFeSCoQCytbCytcCytaCyta3,氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）又称电子传递磷酸化，是指呼吸链的递氢和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。,呼吸链氧化磷酸化效率的高低可用P/O比（每消耗1mol氧原子所产生的ATPmol数）作定量表示。,底物水平磷酸化是在某种化合物氧化过程中直接把高能键磷酸根转移给ADP，使其生成ATP。,2、无氧呼吸（anaerobicrespiration）,又称厌氧呼吸，以无机氧化物作为最终电子（和氢）受体的氧化作用。,无机氧化物：如NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-等，少数为有机物，如延胡索酸。,在无氧呼吸过程中，电子供体和受体之间也需要细胞色素等中间电子递体，并伴随有磷酸化作用，底物可被彻底氧化，产能效率低。,3、发酵（fermentation）,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-内源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、HMP、ED途径。,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。,C6H12O62CH3COCOOH2CH3CHO2CH3CH2OH,NAD,NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,酵母菌的乙醇发酵,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,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；,此时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(Zymomonasmobilis)的乙醇发酵同型乙醇发酵：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,(2)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。同型乳酸发酵：（经EMP途径）异型乳酸发酵：（经HMP途径）,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,2ATP2ADP,LactococcuslactisLactobacillusplantarum,异型乳酸发酵：,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+NADH,NAD+NADH,ATPADP,乙醇乙醛乙酰CoA,2ADP2ATP,-2H,-CO2,(3)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。,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,丙酮酸甲酸裂解酶,乳酸脱氢酶,甲酸-氢裂解酶,磷酸转乙酰酶,乙酸激酶,PEP羧化酶,乙醛脱氢酶,+2H,pH6.2,（4）2,3-丁二醇发酵,葡萄糖乳酸丙酮酸乙醛乙酰CoA甲酸乙醇乙酰乳酸二乙酰3-羟基丁酮2,3-丁二醇,CO2H2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,2,3-丁二醇脱氢酶,肠杆菌、沙雷氏菌、和欧文氏菌属中的一些细菌具有-乙酰乳酸合成酶系而进行丁二醇发酵。,EMP,（5）Stickland反应,以一种氨基酸作供氢体，以另一种氨基酸作为受氢体而实现产能的独特发酵类型。,CH3,CHNH2,COOH,CH2NH2,COOH,+2,ADP+Pi,ATP,3CH3COOH+3NH3+CO2,1934年Stickland发现Closterdiumsporogenes（生孢梭菌）能利用一些氨基酸同时作为碳源、氮源和能源，,作为氢供体的氨基酸主要有：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等;作为氢受体的氨基酸主要有甘氨酸、脯氨酸、等。,二、自养微生物产ATP和产还原力,按能量来源不同可分为:,（一）化能自养微生物,还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机物而获得的,硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌,自养微生物氧化磷酸化效率低生长速率较低。,（二）光能营养微生物,1.环式光合磷酸化,紫色硫细菌绿色硫细菌紫色非硫细菌绿色非硫细菌,2.非环式光合磷酸化,3.嗜盐菌紫膜的光合作用,一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。,嗜盐菌细胞膜,红色部分（红膜）,紫色部分（紫膜）,主要含细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化的呼吸链载体,在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。,实验发现，在波长为550-600nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。,Halobacteriumhalobium(盐生盐杆菌)H.salinarium（盐沼盐杆菌）H.cutirubrum（红皮盐杆菌）。,第二节分解代谢和合成代谢的联系,一、两用代谢途径（amphibolicpathway）凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢途径，称为两用代谢途径。EMP、HMP、TCA。注意：在两用代谢途径中，合成途径并非分解途径的完全逆转；在真核生物中，分解代谢和合成代谢一般在不同的区域内分别进行。,二、代谢物回补顺序（anapleroticsequence）代谢物回补顺序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。回补方式：通过某些化合物的CO2固定作用，一些转氨基酶所催化的反应也能合成草酰乙酸和-酮戊二酸，通过乙醛酸循环,乙醛酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,琥珀酸,异柠檬酸,苹果酸,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA；然后在异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸琥珀酸+乙醛酸乙醛酸+乙酸苹果酸琥珀酸+乙酸异柠檬酸净反应：2乙酸苹果酸,第三节微生物独特的合成代谢途径,一、生物固氮,微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮,具有固氮作用的微生物近80个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌。,根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可以把它们分为三大类,自生固氮菌,共生固氮菌,联合固氮菌,a.自生固氮菌,一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物,自生固氮菌,好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等,兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等,厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、縁假单脃菌属等,b.共生固氮菌,必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物,共生固氮菌,非豆科：弗兰克氏菌属等,满江红：满江红鱼腥蓝细菌等,根瘤,豆科植物：根瘤菌属等,植物,地衣：鱼腥蓝细菌属等,c.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的生物,联合固氮菌,根际：生脂固氮螺菌芽胞杆菌属等,叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等,动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等,1固氮反应的条件,ATP,还原力H及其载体,固氮酶,镁离子,厌氧微环境,底物N2,2固氮的生化途径,3.好氧菌固氮酶避氧害机制（1）好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护指Azotobacteraceae(固氮菌科)的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，借此保护固氮酶。构象保护在高氧分压条件下，Azotobacterchroococcum(褐球固氮菌)固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象，称为构象保护。,（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异形胞的外膜较厚，具有阻止氧气进入细胞屏障作用；异形胞内缺乏产氧光合系统II，加上脱氢酶和氢化酶的活性高，使异形胞能维持很强的还原态；其中SOD酶的活性高，有解除氧毒害的功能。非异形胞蓝细菌固氮酶的保护它们缺乏独特保护机制，但却有相应的弥补方法，如Plectomena(织线蓝细菌属)能通过将固氮作用与光合作用进行时间分隔（白天光合，夜晚固氮）来达到；Trichodesmium（束毛蓝细菌属）通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应。,（3）豆科植物根瘤固酶的抗氧保护机制根瘤菌在纯培养下，一般不固氮，只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮。根瘤菌进入根毛后，成为类菌体（bacteroids）。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，创造出一个良好的氧、氮和营养环境。最重要的是些层膜的内外都存在着一种独特的豆血红蛋白(leghaemoglobin)。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作用，供以使游离O2维持在低而恒定的水平。,二、肽聚糖的合成,肽聚糖是绝大数原核生物细胞壁所含有的独特成分；它在细菌的生命活动中有着重要的功能。它是许多重要抗生素作用的物质基础。,根据反应部位的不同可分成三个合成阶段：,三、微生物次生代谢物的合成,1.概念,次生代谢是指微生物在生长到稳定期前后，以初级代谢产物为前体，合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。通过次生代谢途径合成的产物为次生代谢物。,2.种类,3.途径,糖代谢延伸途径,莽草酸延伸途径,氨基酸延伸途径,乙酸延伸途径,核苷酸、糖苷类、抗生素等,氯霉素等,抗生素、环丝氨酸等,抗生素、毒素等,4.初生代谢途径与次生代谢途径的联系,第三节微生物代谢的调控及在发酵工业中的应用,一、代谢调节(regulationofmetablism）,在大肠杆菌细胞中，同时存在着2500种左右的蛋白，其中上千种是催化正常新陈代谢的酶。,微生物的遗传体系中潜在着合成各种酶的能力，但是除了一部分是属于经常以高浓度存在的组成酶（constitutiveenzyme）外。大量的都是属于只有分解第底物或有关诱导物存在时才合成的诱导酶（inducedenzyme）。,微生物代谢的调节策略,1.酶活性的激活,酶活性的调节,在分解代谢途径中，后面的反应可被较前面的中间产物所促进。乳酸脱氢酶可被果糖1，6二磷酸所促进。,2.酶活性的抑制,反馈抑制（feedbackinhibition）代谢末端产物过量时，可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性，促使整个反应减慢或停止。,直线式代谢途径中的反馈抑制分支代谢途径中的反馈抑制同工酶调节协同反馈抑制合