全国高中生物竞赛辅导课件：第五章《微生物的代谢》.ppt

第五章微生物的代谢 第五章微生物的代谢 微生物在生长发育和繁殖过程中 需要不断地从外界环境中摄取营养物质 在体内经过一系列的生化反应 转变成能量和构成细胞的物质 并排出不需要的产物 这一系列的生化过程称为新陈代谢 微生物的代谢 metabolism 是指发生在微生物细胞中的分解代谢 catabolism 与合成代谢 anabolism 的总和 分解代谢 catabolism 指细胞将大分子物质降解成小分子物质 并在这个过程中产生能量 合成代谢 anabolism 指细胞利用小分子物质合成复杂大分子的过程 并在这个过程中消耗能量 在代谢过程中 微生物通过分解作用产生化学能 光合微生物还可将光能转化成化学能 这些能量用于 1 合成代谢 2 微生物的运动和运输 3 热和光 无论是分解代谢还是合成代谢 代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的 前一部反应的产物是后续反应的底物 细胞能有效调节相关的酶促反应 使生命活动得以正常进行 某些微生物在代谢过程中 除了产生其生命活动所必需的初级代谢产物和能量外 还会产生一些次级代谢产物 这些物质除有利于微生物生存 还与人类生产生活密切相关 一 生物氧化二 异养微生物的生物氧化三 自养微生物的生物氧化四 能量转换 第一节微生物的产能代谢 一 生物氧化 分解代谢实际上是物质在生物体内经过一系列连续的氧化还原反应 逐步分解并释放能量的过程 这个过程也称为生物氧化 是一个产能代谢过程 在生物氧化过程中释放的能量可被微生物直接利用 也可通过能量转换贮存在高能化合物 如atp 中 以便逐步被利用 还有部分能量以热的形式被释放到环境中 不同类型微生物进行生物氧化所利用的物质是不同的 异养微生物利用有机物 自养微生物则利用无机物 通过生物氧化来进行产能代谢 生物氧化的形式 某物质与氧结合 脱氢和失去电子3种 生物氧化的过程 脱氢 或电子 递氢 或电子 和受氢 或电子 生物氧化的功能 产能 atp 产还原力 产小分子中间代谢物生物氧化的类型 发酵 呼吸 有氧呼吸和无氧呼吸 二 异养微生物的生物氧化 异养微生物氧化有机物的方式 根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵和呼吸两种类型 而呼吸又可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式 一 发酵 fermentation 广义的 发酵 是指利用微生物生产有用代谢产物的一种生产方式 狭义的 发酵 是指在无外源电子受体的条件下 微生物细胞将有机物氧化释放的电子直接交给底物本身未完全氧化的某种中间产物 同时释放能量并产生各种不同代谢产物的过程 在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化 因此 只释放出一小部分的能量 发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起的 被还原的有机物来自于初始发酵的分解代谢 即不需要外界提供电子受体 在工业生产中常把好氧或兼性厌氧微生物在通气或厌气的条件下的产品生产过程统称为发酵 发酵 fermentation 1 发酵途径发酵的种类有很多 可发酵的底物有糖类 有机酸 氨基酸等 其中以微生物发酵葡萄糖最为重要 生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解 主要分为四种途径 emp途径 hmp途径 ed途径 磷酸解酮酶途径 2 发酵类型在糖酵解过程中生成的丙酮酸可被进一步代谢 在无氧条件下 不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物 根据发酵产物不同 发酵的类型主要有乙醇发酵 乳酸发酵 丙酮丁醇发酵 混合酸发酵等 二 呼吸 呼吸是微生物中最普遍和最重要的生物氧化方式和主要的产能方式 呼吸是指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较多能量的过程 其中 以分子氧作为最终电子受体的呼吸称为有氧呼吸 以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的呼吸称为无氧呼吸 呼吸与发酵的根本区别在于 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 1 有氧呼吸 respiration 最普遍 最重要的生物氧化或产能方式除糖酵解过程外 还包括三羧酸循环和电子传递链两部分反应 在发酵过程中 葡萄糖经过糖酵解作用形成的丙酮酸在厌氧条件下转变成不同的发酵产物 而在有氧呼吸过程中 丙酮酸进入三羧酸循环 tca 被彻底氧化成水和co2 同时释放出大量能量 产能量多 一分子葡萄糖净产38个atp 2 无氧呼吸 anaerobicrespiration 在厌氧条件下 某些厌氧或兼性厌氧微生物以n03 n02 s042 s2032 c02等外源无机氧化物或有机氧化物 延胡索酸等 作为最终电子受体时发生的一类产能效率低的特殊呼吸 无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体 并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用 也能产生较多的能量用于生命活动 无氧呼吸有以下类型 1 硝酸盐呼吸 2 硫酸盐呼吸 3 硫呼吸 4 铁呼吸 5 碳酸盐呼吸 6 延胡索酸呼吸 以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程通常称为 硝酸盐呼吸 no3 2h 2e no2 h2o反应生成的no2 可以被分泌到胞外 也可以进一步被还原成n2 这个过程称为反硝化作用 反硝化作用会导致土壤中植物可利用氮 no3 的消失 从而降低了土壤肥力 对农业生产不利 如果没有反硝化作用 硝酸盐将在水中积累 会导致水质变坏与地球上氮素循环的中断 三 自养微生物的生物氧化 自然界存在一类微生物 能以无机物作为氧化的基质 并利用该物质在氧化过程中放出的能量进行生长 这类微生物就是好氧型的化能自养微生物 它们分别属于氢细菌 硫化细菌 硝化细菌和铁细菌 这些细菌广泛分布在土壤和水域中 并对自然界物质转化起着重要的作用 微生物不同 用作能源的无机物也不相同 例如氢细菌 铁细菌 硫化细菌和硝化细菌可分别利用氢气 铁 硫或硫化物 氨或亚硝酸盐等无机物作为它们生长的能源物质 这些物质在氧化过程中放出的电子有的可以通过氧化水平磷酸化的方式产生atp 有的则以底物水平磷酸化的方式产生atp 四 能量转换 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而释放的能量储存于atp高能分子中 对光合微生物而言 则可通过光合磷酸化将光能转变为化学能储存于atp中 微生物细胞的代谢调节主要有两种类型 第二节微生物的代谢调节 酶活性调节 调节的是已有酶分子的活性 酶合成的调节 调节的是酶分子的合成量 在酶化学水平上发生的 在遗传学水平上发生的 一 酶合成的调节 根据酶合成的方式 细胞内的酶可分为两大类 一类是组成酶 它们的合成不受环境条件的影响 它们的合成速度是恒定的 且总是存在于细胞内 另一类是诱导酶 受环境条件影响 只有当环境中存在某一类营养物时 细胞才合成能分解这类营养物的酶 粗调 以酶的合成系统为基础的酶量调节 包括底物对酶合成系统的诱导作用和产物对酶合成系统的阻遏作用 酶的诱导生成 如某些细菌只有生长在含淀粉的培养基中才能产生淀粉酶 诱导酶只有在诱导剂存在时才生成 当除去诱导剂后 酶的合成便停止了 由于酶诱导生成的调节 使得微生物只有在需要时才合成某种酶 不需要时便不合成 这对微生物新陈代谢是十分经济有利的 酶生成的阻遏 1 终产物阻遏 这种现象在氨基酸 维生素和核苷酸等合成途径中普遍存在 图 蛋氨酸反馈阻遏大肠杆菌合成蛋氨酸的酶的生成 onemorekiss 2 分解代谢物阻遏如 1942年研究大肠杆菌对各种不同混合碳源的利用时发现 当葡萄糖存在时 细菌不利用其他糖 葡萄糖效应是由葡萄糖的某种分解代谢物引起的 这种代谢物阻遏了能够产生该物质的酶的生成 酶生成的阻遏 酶诱导的操纵子模型 酶阻遏的色氨酸操纵子模型 机制 以代谢途径和酶分子结构为基础的酶活调节 包括底物对酶的激活和终产物对酶的反馈抑制 二 酶活性的调节 细调 激活 在某一代谢途径里 某个能引起起限速反应的酶的活性又受某种代谢产物浓度的控制 即代谢产物浓度高能抑制该酶的活性 导致该产物不能继续合成 如果代谢产物浓度降低 该酶的活性恢复 有利于这种代谢产物的继续合成 这种通过代谢产物浓度来控制代谢产物合成的调节方式称为酶活性的反馈调节 直线式代谢途径反馈抑制同功酶调节分支代谢途径合作反馈抑制协同反馈抑制累加反馈抑制顺序反馈抑制 直线式代谢途径 单一末端产物的抑制 分支代谢途径中的两个末端产物 不能直接抑制代谢途径中的第一个酶 而是分别抑制分支点后的反应步骤 造成分支点上中间产物的积累 这种高浓度的中间产物再反馈抑制第一个酶的活性 因此 只有当两个末端产物都过量时 才能对途径中的第一个酶起到抑制作用 枯草芽孢杆菌合成芳香族氨基酸的代谢途径就采取这种方式进行调节 顺序反馈抑制 顺序反馈抑制 e 同功酶是指能催化同一种化学反应 但其酶蛋白本身的分子结构组成却有所不同的一组酶 其特点是 在分支途径中的第一个酶有几种结构不同的一组同功酶 每一种代谢终产物只对一种同功酶具有反馈抑制作用 只有当几种终产物同时过量时 才能完全阻止反应的进行 这种调节方式的著名的例子是大肠杆菌天门冬氨酸族氨基酸的合成 有三个天门冬氨酸激酶催化途径的第一个反应 分别受赖氨酸 苏氨酸 甲硫氨酸的调节 同功酶的调节 abcfg 同工酶的反馈抑制 累加反馈抑制 在分支代谢途径中 任何一种末端产物过量时都能对共同途径中的第一个酶起抑制作用 而且各种末端产物的抑制作用互不干扰 当各种末端产物同时过量时 它们的抑制作用是累加的 累积反馈抑制最早是在大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的调节过程中发现的 该酶受8个最终产物的积累反馈抑制 8个最终产物同时存在时 酶活力完全被抑制 abcfg 累加反馈抑制 协同反馈抑制 在分支代谢途径中 几种末端产物同时都过量 才对途径中的第一个酶具有抑制作用 若某一末端产物单独过量则对途径中的第一个酶无抑制作用 例如 在多粘芽孢杆菌合成赖氨酸 蛋氨酸和苏氨酸的途径中 终点产物苏氨酸和赖氨酸协同抑制天门冬氨酸激酶 协同反馈抑制 这种控制体系与协同反馈有类似的地方 但是在这个体系中 终端产物还有较弱的独立控制的作用 因此 当所有的终端产物同时过剩时 会导致其抑制的程度比这些终端产物各自单独时的总和更大 合作反馈抑制 合作反馈抑制 机制 激活 反馈抑制 酶活性调节的机制目前主要是用酶的变构理论来解释 这种理论认为受最终代谢产物调节的酶是一种变构酶 这种酶分子上有两个中心 一个是与底物结合的活性中心 又称催化中心 一个是与末端产物结合的调节中心 又称抑制中心 当末端产物过量时 末端产物与调节中心结合 导致酶分子构型发生改变 破坏了酶的活性中心 因而酶的活性降低或丧失 反应停止 当末端产物浓度降低时 同调节中心结合的末端产物被释放出来 导致酶的活性中心形成 酶的活性恢复 反应进行 合成代谢产物 这样通过末端代谢产物胞内浓度的变化 控制变构酶的活性变化 调节代谢产物的合成 应用 利用微生物的代谢调控能力的自然缺损或通过人为方法获得突破代谢调控的变异株 生产积累有关代谢物 理想的工业微生物 生产菌种 对某种代谢产物的合成往往不受控制系统的限制 因此能合成比其自身生长的需求量更多的