自养微生物的生物氧化.ppt

自养微生物的生物氧化 营养物质在生物体内经氧化分解 最终生成CO2和H2O 并释放能量的过程称生物氧化 生物氧化的概念 生物氧化与体外氧化的相同点 生物氧化中物质的氧化方式有加氧 脱氢 失电子 遵循氧化还原反应的一般规律 物质在体内外氧化时所消耗的氧量 最终产物 CO2 H2O 和释放能量均相同 是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的 能量是逐步释放的 并储存于ATP中 代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O 有机酸脱羧产生CO2 生物氧化与体外氧化的不同点 生物氧化 体外氧化 能量是突然释放的 CO2 H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成 自养和异养生成ATP的氧化体系TheOxidationSystemofATPProducing 代谢物脱下的成对氢原子 2H 通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递 最终与氧结合生成水 这一系列酶和辅酶称为呼吸链 respiratorychain 又称电子传递链 electrontransferchain 组成递氢体和电子传递体 2H 2H 2e 呼吸链 一 异养微生物的生物氧化 呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别 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 逐步释放出能量后再交给最终电子受体 根据反应中电子受体不同分为两种类型 有氧呼吸无氧呼吸 呼吸作用 有氧呼吸以分子氧为最终受体的生物氧化除糖酵解过程外 还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O发酵面食的制作就即利用了微生物的有氧呼吸 无氧呼吸以无机物为最终电子受体的生物氧化过程化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递 最终交给无机氧化物NO3 NO2 SO4 或CO2的过程 无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体 在能量的分级释放中常伴随磷酸化作用 也能产生较多的能量 少于有氧呼吸 鬼火的产生 磷酸盐磷化氢 PH3 二 自养微生物的生物氧化 1 化能自养微生物的生物氧化2 光合微生物3 自养微生物能量产生与转换4 自养微生物的能量释放即耗能代谢 1 化能自养微生物的生物氧化CO2为主要或唯一碳源 以还原态无机化合物 NH4 NO2 H2S S H和Fe2 等 的生物氧化获得能量和还原力 H 的微生物称为化能自养微生物 硝化细菌硫细菌铁细菌氢细菌 化能自养微生物的生物氧化 1 氨的氧化NH3 亚硝酸 NO2 等无机氮化物可以被某些化能自养细菌用作能源 亚硝化细菌 将氨氧化为亚硝酸并获得能量硝化细菌 将亚硝氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起 在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐 避免亚硝酸积累所产生的毒害作用 这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用 在自然界中分布非常广泛 NH3 NO2 的氧化还原电势均比较高 以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少 而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生 因此这类细菌生长缓慢 平均代时在10h以上 2 硫的氧化硫细菌 sulfurbacteria 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 多硫酸盐和亚硫酸盐 作能源 硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸 主要是硫酸 因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降 有些硫细菌可以在很酸的环境 例如在pH低于1的环境中生长 3 铁的氧化从亚铁到高铁状态的铁氧化 对于少数细菌来说也是一种产能反应 但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用 因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3 Fe OH 3 以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌为例 亚铁 Fe2 只有在酸性条件 pH低于3 0 下才能保持可溶解性和化学稳定 当pH大于4 5 亚铁 Fe2 很容易被氧气氧化成为高价铁 Fe3 这就很好的解释了氧化亚铁硫杆菌 Thiobacillusferrooxidans 为什么要在酸性环境下生活 3 铁的氧化 氧化亚铁硫杆菌 Thiobacillusferrooxidans 在富含FeS2的煤矿中繁殖 产生大量的硫酸和Fe OH 3 从而造成严重的环境污染 它的生长只需要FeS2及空气中的O2和CO2 因此要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山 使环境恢复到原来的无氧状态 4 氢的氧化很多细菌能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量 能以氢为电子供体 以O2为电子受体 以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌 它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2 化能自养微生物以无机物作为能源 产能效率低 生长慢 但从生态学角度看 它们所利用的能源物质是一般异养生物所不能利用的 因此它们与产能效率高 生长快的异养微生物之间并不存在生存竞争 二 自养微生物的生物氧化 化能无机营养型 从无机物的氧化获得能量 以无机物为电子供体 这些微生物一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质 自养微生物 从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需要能量的微生物一般都是 化能无机自养型微生物 复杂分子 有机物 分解代谢 合成代谢 简单小分子 ATP H 自养微生物的合成代谢 将CO2先还原成 CH2O 水平的简单有机物 然后再合成复杂的细胞成分 化能异养微生物 ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化 化能自养微生物 无机物氧化过程中通过氧化磷酸化产生ATP 如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低 也在氧化磷酸化的过程中产生还原力 但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递 以消耗ATP为代价获得还原力 2 光合微生物光合细菌类群细菌光合色素细菌光合作用 光合作用实质是通过光合磷酸化将光能转化为化学能 以用于从二氧化碳合成细胞物质 产氧光合细菌蓝细菌紫色细菌和绿色细菌不产氧光合细菌原绿植物纲 细菌光合色素1 叶绿素或细菌叶绿素2 类胡萝卜素3 藻胆素 细菌光合作用依靠菌绿素的光合作用依靠叶绿素的光合作用依靠菌视紫红质的光合作用 光合磷酸化 光合磷酸化是指光能转变为化学能的过程 3 自养微生物的能量产生与转换 化能营养型 光能营养型 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于ATP中 氧化磷酸化 体内ATP生成的方式 氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化 生成ATP 又称为偶联磷酸化 二 氧化磷酸化的偶联机制 1 化学渗透假说 chemiosmotichypothesis 电子经呼吸链传递时 可将质子 H 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧 产生膜内外质子电化学梯度储存能量 当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 1 底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 物质在生物氧化过程中 常生成一些含有高能键的化合物 而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成 底物水平磷酸化 substratelevelphos phorylation 是底物分子内部能量重新分布 生成高能键 使ADP磷酸化生成ATP的过程 草酰乙酸 柠檬酸 异柠檬酸 草酰琥珀酸 酮戊二酸 琥珀酰辅酶A 琥珀酸 延胡索酸 苹果酸 丙酮酸 乙酰辅酶A GTP GDP Pi 三羧酸循环 底物水平磷酸化发生在呼吸作用过程中 ATP的生成和利用 光合磷酸化光能转变为化学能的过程 当叶绿素分子吸收光量子时 叶绿素性质上即被激活 导致其释放一个电子而被氧化 释放出的电子在电子传递系统中的传递过程中逐步释放能量 这就是光合磷酸化的基本动力 光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生ATP 光能营养型生物 产氧 不产氧 真核生物 藻类及其它绿色植物 原核生物 蓝细菌 仅原核生物有 光合细菌 3 光合磷酸化 photophosphorylation 细菌叶绿素具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构 二者的区别在于侧链基团的不同 以及由此而导致的光吸收特性的差异 这两幅图是叶绿素a和细菌叶绿素a的结构 两者均是镁 胆色烷 两分子除了绿色和黄色标记部分外均相同 中间的镁原子以蓝色标记展出 a 绿色莱茵衣藻细胞的吸收谱 在680和430nm的峰取决于叶绿素a 在480nm的峰取决于类胡萝卜素 b 叶绿素紫色细菌红假单胞菌细胞的吸收谱 在870 800 590 360nm的峰取决于细菌叶绿素a 在525 475nm的峰取决于类胡萝卜素 光合磷酸化 光合磷酸化分为环式光合磷酸化 非环式光合磷酸化 紫膜光合磷酸化 3 光合磷酸化 1 环式光合磷酸化光合细菌主要通过环式光合磷酸化作用产生ATP在光能的驱动下 电子从菌绿素分子上逐出后 通过类似呼吸链的循环 又回到菌绿素 其间产生了ATP 不是利用H2O 而是利用还原态的H2 H2S等作为氢供体 进行不产氧的光合作用电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动 为ATP的合成提供了能量 细菌叶绿素吸收光量子而被激活释放出高能电子 此时细菌叶绿素分子即带有正电荷 释放出的高能电子依次通过醌铁蛋白 辅酶Q 细胞色素b和细胞色素c组成的电子传递链 再返回到带正电的细菌叶绿素分子 使叶绿素分子回复到原来的状态 2 非环式光合磷酸化这是各种绿色植物 藻类和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应 非环式光合磷酸化的反应式 2NADP 2ADP 2Pi 2H2O 2NADPH 2H 2ATP O2 非环式光合磷酸化特点 电子的传递途径属非循环式的 在有氧条件下进行 有两个光合系统 其中的色素系统 含叶绿素a 可以利用红光 色素系统 含叶绿素b 可利用蓝光 反应中同时有ATP 还原力 H 产自系统 和O2产生 非环式光合磷酸化过程 在光合系统 中叶绿素分子P700吸收光子后被激活 释放一个高能电子并传递给铁氧还蛋白 铁氧还蛋白在还原酶作用下将NADP 还原为NADPH 在光合系统 中叶绿素分组P680吸收光子后释放出高能电子 然后传递给辅酶Q 再传递给光合系统 使P700还原 而P680失去的电子靠水的光解产生电子来补充 高能电子从辅酶Q到光合系统 的过程中 可推动ATP的合成 紫膜光合磷酸化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 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紫膜中的菌视紫素在光量子的驱动下 具有质子泵的作用 这时它将产生的H 推出细胞膜外 使紫膜内外造成一个质子梯度差 3 光合磷酸化 photophosphorylation 嗜盐菌紫膜的光合作用 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 四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成 4 自养微生物的能量释放即耗能代谢 的固定 生物固氮 的固定 的固定 将空气中 的同化成细胞物质的过程 自养微生物对CO2的固定卡尔文循环 Calvincycle 还原性三羧酸循环途径厌氧乙酰 CoA途径羟基丙酸途径 卡尔文循环 Calvincycle 的三个阶段羧化反应3个核酮糖 1 5 二磷酸通过核酮糖二磷酸羧化酶将3个CO2固定 并转变成6个3 磷酸甘油酸分子 还原反应3 磷酸甘油酸还原成3 磷酸甘油醛 通过逆向EMP途径产生 CO2受体的再生1个3 磷酸甘油醛通过EMP途径的逆转形成葡萄糖 其余5个分子经复杂的反应再生出3个核酮糖 1 5 二磷酸分子 还原性三羧酸循环途径 4C 厌氧乙酰 CoA途径 羟基丙酸途径 生物固氮 1 固氮微生物最早发现的固氮微生物是共生的根瘤菌属和自生的固氮菌属 它们分别于1886年和1901年由荷兰学者M Beijerinck所分离 目前已知所有固氮微生物即固氮菌都属于原核生物和古生菌类 在分类上隶属于固氮菌科 根瘤菌科 红螺菌目 甲基球菌科 蓝细菌以及芽孢杆菌属和梭菌属中的部分菌种 自1886年首次分离共生固氮的根瘤菌起 至今已发现的固氮微生物多达80余属 1992年 从其生态类型分 固氮菌可分3类 1 自生固氮菌指一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的微生物 2 共生固氮菌指必须与它种生物共生在一起时才能进行固氮的微生物 3 联合固氮菌指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微生物 固氮微生物 生物固氮生命所需氮的最终来源是无机氮 而目前仅发现一些特殊类群的原核生物能将分子氮转化为氨 微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮 某些细菌 放线菌 蓝细菌 尚未发现真核生物具有固氮作用 固氮的生化机制 生物固氮是一个具有重大理论意义和实用价值的生化反应过程 1960年 J E Carnahan等人从巴氏梭菌中提取到具有固氮活性的无细胞抽提液 并实现了分子氮还原为氨 使生物固氮的研究有了突破性进展 1 生物固氮反应的6要素 1 ATP的供应 2 还原力 H 及其传递载体 H 由低电位势的电子载体铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白传递至固氮酶上 3 固氮酶固氮酶是一种复合蛋白 由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成 固二氮酶是一种含铁和钼的蛋白 铁和钼组成一个称为 FeMoCo 的辅因子 它是还原N2的活性中心 而固二氮酶还原酶则是一种只含铁的蛋白 某些固氮菌处于不同生长条件下时 还可合成其它不含钼的固氮酶 称作 替补固氮酶 具有适应在极度缺钼环境下还能正常进行生物固氮的功能 4 还原底物 N2 5 镁离子 6 严格的厌氧微环境 固氮的生化过程 固氮的过程是一个非常消耗能量的过程 固定1分子的N2需消耗12 16分子的ATP和6 8个电子 这种能量和电子变化主要原因是是否考虑固氮酶产H2过程 如果