第六章微生物代谢.ppt

第六章微生物代谢 本章目录 第一节微生物代谢概论第二节微生物产能代谢第三节微生物特有的合成代谢途径第四节微生物代谢与生产实践 第一节微生物代谢概论 微生物代谢是指微生物细胞所进行的一切化学反应和物理作用 分解代谢又称降解反应 是将大分子降解成小分子 并通常伴随着能量释放的过程 合成代谢又称生物合成 是指导致细胞分子和结构合成的任何反应 它是分子构建和成键过程 需要消耗能量 是将小分子物质合成较大和较复杂分子的过程 相关概念 微生物分解代谢与合成代谢相互关系 第二节微生物产能代谢 微生物产能代谢 fuelingreactions 微生物获得生物合成所需的前体代谢物 能量和还原力 并提供微生物细胞生命活动所需要能量的代谢过程 微生物产能代谢特点产能代谢的多样性 微生物作为一个类群能够通过氧化有机化合物 或氧化无机化合物 或通过俘获光能获得能量和还原力 化能异养作用 化能自养作用和光合作用 一 化能异养作用异养微生物利用有机物通过分解代谢途径 即生物氧化 进行产能代谢 在化能异养微生物的分解代谢途径中 能源有机物可以在有氧或厌氧条件下经脱氢 或电子 递氢 或电子 和受氢三个阶段合成ATP 产生还原力 H 和小分子中间代谢物 1 有氧呼吸有氧呼吸是一系列将葡萄糖转化为CO2并放出能量的反应 它依赖于自由氧作为电子和氢的最终受体 使用呼吸链细胞色素系统传递电子 氢 产生大量的ATP 有氧呼吸是许多细菌 真菌 原生动物和动植物的特征 因而与动植物一样 有着共同的代谢途径 如糖酵解途径 磷酸戊糖途径 三羧酸循环和呼吸电子传递链途径 这些共同的代谢途径构成了所谓的中心产能代谢 CentralFuelingMetabolism 1 中心产能代谢 糖酵解途径 磷酸戊糖途径 三羧酸循环 呼吸电子传递链途径 2 替代产能途径 脱氧酮糖酸途径 enter doudoroff ED 大多数细菌有糖酵解和磷酸戊糖途径 只有少数微生物利用ED途径代替糖酵解途径产能 存在于假单胞菌 根瘤菌 固氮菌 农杆菌和运动发酵单胞菌中 特点 a 步骤简单b 产能效率低 1ATPc 关键中间产物KDPG 特征酶 KDPG醛缩酶 磷酸酮解酶途径 phosphoketolasepathway PK 葡萄糖 ADP Pi 4NAD 丙酮酸 乙酸 CO2 ATP 4NADH 4H 主要存在于膜明串菌科 Leuconostocaceae 一些菌中 没有EMP HMP ED途径的细菌通过PK途径分解葡萄糖 在有O2条件下形成的丙酮酸进入三羧酸循环 无氧条件下进行异型乳酸发酵 2 无氧呼吸 无氧呼吸 anearairrespiration 又称厌氧呼吸 是指某些细菌在厌氧条件下 以含氧化合物替代自由氧作为最终电子受体 仍使用呼吸链细胞色素系统传递电子 氢 的呼吸作用 特点 无氧条件下 厌氧或兼性厌氧微生物的特殊呼吸作用 具有与好氧呼吸同样的中心代谢途径 EMP HMP TCA循环和呼吸链 不以分子氧作最终电子受体 而是以NO3 SO42 CO22 及延胡索酸等含氧化合物作为最终电子受体 1 硝酸盐呼吸又称反硝化作用 是指在无氧条件下 某些兼性厌氧菌以硝酸盐作为呼吸链最终氢受体 先由硝酸盐还原酶催化产生亚硝酸盐NO2 然后再逐步被还原成NO N2O和N2的过程 主要有铜绿假单胞菌 Pseudomonasaeruginosa 地衣芽孢杆菌 Bacilluslicheniformis 脱氮副球菌 paracoccusdenitrificans 等兼性厌氧菌 反硝化作用的生态学作用 硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸 土壤及水环境 好氧性机体的呼吸作用 氧被消耗而造成局部的厌氧环境 土壤中植物能利用的氮 硝酸盐NO3 还原成氮气而消失 从而降低了土壤的肥力 松土 排除过多的水分 保证土壤中有良好的通气条件 反硝化作用在氮素循环中的重要作用 硝酸盐是一种容易溶解于水的物质 通常通过水从土壤流入水域中 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 2 硫酸盐呼吸 又称硫酸盐还原 sulfatereduction 微生物在严格厌氧条件下以硫酸盐 SO42 作为末端电子受体的一类特殊呼吸作用 亚硫酸盐 SO32 硫代硫酸盐 S2O32 或其他氧化态硫化合物也可作为电子受体 硫酸盐还原细菌 sulfatereducingbacteria 厌氧古生菌 脱硫弧菌属 脱硫单胞菌属 脱硫球菌属 脱硫菌属 脱硫叶菌属 脱硫肠状菌属等 硫酸盐呼吸在自然界的硫素循环以及促进厌氧环境有机物循环及农业生产中具有重要作用 硫酸盐呼吸细菌的电子传递和能量产生途径Hmc 一种细胞色素复合物 cytochromecomlex APS 磷酸腺苷硫酸 adenosinephosphosulfate 3 硫呼吸以无机硫作为呼吸链末端氢受体而获得生长所需能量的一类无氧呼吸作用 硫呼吸细菌 兼性或专性厌氧细菌 例 氧化乙酸脱硫单胞菌 Desulfuromonasacetoxidans 能在厌氧条件下通过氧化乙酸为CO2和还原元素硫为H2S的偶联反应而生长 CH3COOH 2H2O 4S 2CO2 4H2S 4 碳酸盐呼吸 又称碳酸盐还原这是一类以CO2或碳酸盐 HCO3 作为呼吸链最终氢受体的无氧呼吸 根据还原产物不同分为两类 专性厌氧的产甲烷菌 methanogens methane producingbacteria 利用H2作为电子供体 以CO2作为末端电子受体 产物为甲烷 专性厌氧的乙酸菌 利用H2 CO2进行无氧呼吸产生乙酸 甲烷呋喃 MF 又称CO2还原因子 甲烷蝶呤 MP 又称F342因子 是一种含蝶呤环的产甲烷辅酶 辅酶M CoM 2 巯基乙烷磺酸 甲烷的载体 辅酶B CoB 7 巯基庚酰基丝氨酸磷酸 甲基还原酶的电子供体 辅酶F430 F430 含四氢吡咯结构的化合物 作用与CoM相似 辅酶F420 F420 黄素单核苷酸衍生物 提供双电子 甲烷菌的产甲烷作用与碳酸盐呼吸 一些氧化还原反应的电势 3 发酵作用狭义概念 发酵作用是指在缺氧的条件下 葡萄糖或其他碳水化合物的不完全氧化作用 并以其不完全分解产物作为电子 氢 的最终受体 不经过呼吸电子传递链直接接受电子 还原生成发酵产物 仅通过底物水平磷酸化产生少量的ATP 广义概念 利用微生物的作用来大规模生产各种产品的工业过程被称为发酵 尽管工业发酵甚至发生在有氧条件下 如抗生素 激素 维生素和氨基酸的生产 1 乙醇发酵 酵母型乙醇发酵酵母菌 Saccharomycescerevisiae 解淀粉欧文氏菌 Erwiniaamylovora 细菌型乙醇发酵发酵单胞菌 Zymomonasmobilis 嗜糖假单胞菌 Pseudomonassaccharophila 2 乳酸发酵 同型乳酸发酵经EMP途径发酵终产物只有乳酸如乳酸球菌 Lactococcuslactis 植物乳杆菌 Lactobacillusplantarum 异型乳酸发酵依靠PK途径发酵终产物乳酸 乙醇和CO2 短乳杆菌 Lactobacillusbreris 肠膜状明串珠菌 Leuconostocmesenteroides 3 丙酮 丁醇发酵 英国 有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加 丙酮 用于生产人造橡胶 丁醇 用于生产无烟火药 当时的常规生产方法 对木材进行干热分解大约80到100吨桦树 山毛榉 或枫木生产1吨丙酮 严格厌氧菌进行的唯一能大规模生产的发酵产品 丙酮 丁醇 乙醇混合物 其比例3 6 1 丙酮丁醇梭菌 Clostridiumacetobutyricum 丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮 丁醇 1915 每100吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇 4 混合酸发酵 产酸产气实验 大肠杆菌 不同微生物发酵产物的不同 也是细菌分类鉴定的重要依据 肠道菌E coli 志贺氏菌 Shigilla 丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸 甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2 产酸产气 志贺氏菌 丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸 但不能使甲酸裂解产生H2和CO2 产酸不产气 大肠杆菌 产气肠杆菌 V P 试验阳性甲基红试验阴性 V P 试验阴性甲基红试验阳性 5 丁二醇发酵 2 3 丁二醇发酵 产气杆菌 二 无机化能自养作用 一些微生物能够以无机物作为能源 通过无机电子供体的氧化 从无机底物上脱下的氢 电子 直接进入呼吸链而到达最终电子受体O2 并通过氧化磷酸化产生ATP 这种生物氧化与产能方式被称为化能自养作用 无机底物脱下的氢 电子 从相应位置直接进入呼吸链 存在多种呼吸链 产能效率低 生长缓慢 产细胞率低 代谢特点 CO2还原成 CH2O 简单有机物 进一步合成复杂细胞成分大量耗能 耗还原力的过程 1 氨的氧化 根据氧化无机化合物种类 硝化细菌 硫细菌 铁细菌 氢细菌 2 硫的氧化 3 铁的氧化 4 氢的氧化 1 硝化细菌土壤中的氨被氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用 nitrification 氨氧化细菌 ammonia oxidizingbacteria 将氨氧化成亚硝酸盐亚硝化单胞菌属 Nitrosomonas 亚硝化球菌属 Nitrosococcus 和亚硝化螺菌属 Nitrosospira NH3 O2 NADH H NH2OH H2O FNAD 无能量产生 NH2OH O2 NO2 H2O H 产生1分子ATP 亚硝酸氧化细菌 氧化亚硝酸盐生成硝酸盐硝化杆菌属 Nitrobacter 硝化刺菌属 Nitrospina 和硝化球菌属 Nitrococcus 2NO2 O2 2NO3 产生1分子ATP 硝化菌对亚硝酸的氧化作用和电子传递链 NOR 亚硝酸氧化还原酶 又称氧化氢细菌 hydrogenoxidizingbacteria 是一类利用氢作为能源的细菌类群 主要有假单胞菌属 产碱杆菌属 Alcaligenes 副球菌属 芽孢杆菌属 黄杆菌属 Flavobacterium 水螺菌属 Aquaspirillum 分支杆菌属 Mycobacterium 和诺卡氏菌属 Nocardia 等 氧化4分子H2产生1分子ATP 2 氢细菌 3 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 大多数硫杆菌 脱下的H e 经Cyt c部位进入呼吸链 而脱氮硫杆菌从FP或Cyt b水平进入 硫杆菌对还原性硫化物的氧化作用和电子传递链 4 铁细菌 嗜酸氧化亚铁硫杆菌 Acidithiobacillusferrooxidans Fe2 的氧化作用和电子传递链 能氧化Fe2 成为Fe3 并产能的细菌被称为铁细菌 ironbacteria 或铁氧化细菌 ironoxidizingbacteria 多数为专性化能自养 少数兼性化能自养 产能低 微生物捕捉光能并将光能转化为化学能的过程称为光合作用 微生物进行的光合作用占地球上光合作用的50 以上 微生物光合作用多样性 三 光合作用 不产氧光合作用 anoxygenicphotosynthesis 产氧光合作用 oxygenicphotosynthesis 嗜盐菌紫膜的光合作用 紫硫细菌的循环光合磷酸化过程 1 不产氧光合作用 不产氧光合微生物类群 绿细菌 绿色硫细菌和绿色非硫细菌 紫细菌 紫色硫细菌和紫色非硫细菌 特点 光合色素 菌绿素 缺少光合系统II 不以水为电子供体 不产氧 循环光合磷酸化产生ATP 产ATP和还原力 H 分别进行 均为厌氧菌 2 产氧光合作用产氧光合微生物主要有蓝细菌和微藻两大类群 该类光合微生物含有叶绿素a 利用非循环光合磷酸化反应产生ATP 以水作为最终电子受体获得NADPH 在水氧化的同时产生O2 因而被称为产氧光合作用 特点 光合色素为叶绿素 电子传递非循环式 存在PSII和PSI两个光合系统 ATP 还原力 H O2同时产生 有氧进行 3 嗜盐菌紫膜的光合作用某些极端嗜盐古生菌不含叶绿素或菌绿素 依靠其特有的菌视紫红质在光驱动下合成ATP 这种无叶绿素或菌绿素参与的特殊光合磷酸化反应 是迄今为止最简单的光合作用 光合作用部位 细胞膜上的紫膜区域光合作用分子 菌视紫红质蛋白 以 视黄醛 紫色 为辅基 也有作者认为嗜盐菌不含有叶绿素或细菌叶绿素 因而不能算作是一种光合作用 而将之称作光介导ATP合成作用 Light mediatedATPsynthesis 嗜盐菌紫膜光合作用机理 第三节微生物特有的合成代谢途径 一 自养微生物的CO2固定作用 1 卡尔文循环 Calvin cycle 所有好氧化能自养细菌 紫细菌和蓝细菌 藻类 关键酶磷酸核酮糖激酶 phosphoribulokinase 核酮糖二磷酸羧化酶 ribulose bisphosphatecarboxylase 每固定3CO2 产生1甘油醛 3 P 2 反向三羧酸循环 reverseTCAcycle 关键酶铁氧还蛋白 ferredoxin 柠檬酸裂解酶 citratelyase 绿色硫细菌 某些硫酸还原细菌以及许多古生菌 3 乙酰 CoA途径 acetyl CoApathway 某些厌氧无机化能自养菌 硫酸盐还原菌 产乙酸菌以及许多古生菌如产甲烷菌等 将2CO2转变成1乙酰 CoA关键酶是乙酰 CoA合成酶电子供体来源于H2 4 羟基丙酸循环 hydroxypropionicacidcycle 绿色非硫菌固定CO2的唯一途径 将2分子CO2转变成1分子的乙醛酸 二 固氮作用生物固氮 biologicalnitrogenfixation 是指微生物将大气中的分子态氮还原成氨的过程 1 固氮微生物仅在原核微生物确认 有近50多个属和100多种 1 自生固氮菌 不依赖于其它生物而独立进行固氮作用 好氧自生固氮菌 如固氮菌属 念珠蓝细菌属 厌氧自生固氮菌 如巴氏梭菌 2 共生固氮菌 只有与它生物共生在一起时 才能够进行固氮作用 根瘤 共生固氮菌与植物共生形成的一种特殊固氮结构 如与豆科植物共生的根瘤菌属 非豆科植物共生的弗兰氏菌属 非根瘤 如鱼腥蓝细菌属与满江红 一种水稻栽培中重要的水生蕨类植物 共生固氮 3 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作用 如植物根际存在的一些芽孢杆菌属 植物叶面存在的一些拜叶林克氏菌属 2 固氮作用机制 关键酶 固氮酶固氮酶分子组成 铁年蛋白 Feprotein 和钼铁蛋白 MoFeprotein 两种蛋白成分组成的复合体 铁蛋白 仅含有铁离子钼铁蛋白 含有铁离子和钼离子 钼 铁离子存在于一种称作 MoFeCo 的辅助因子结构中 实际上固氮作用过程中的N2还原反应就发生在这个钼铁中心 固氮酶活性需要有Mg2 的存在 固氮酶对氧极为敏感 固氮作用必须在严格厌氧条件下进行 固氮作用需要消耗ATP 固氮作用需要消耗NAD P H H 3 好氧固氮菌的固氮酶保护机制 1 快速消除所产生的氧 很多固氮菌利用较强呼吸强度迅速消耗固氮酶周围的氧 豆科植物根瘤菌的类菌体周膜上存在一种能与氧发生可逆性结合的豆血红蛋白 氧浓度高时与氧结合 氧浓度低时又可释放出氧 从而既保证了类菌体生长所需的氧 又不致对其固氮酶产生氧伤害 2 在空间上进行氧阻隔 如根瘤菌 Azobobactervinelandii 在高浓度氧气存在时诱导菌体产生阻滞O2扩散进入细胞的粘液层 许多蓝细菌产生具有特殊保护结构的细胞类型异形胞 将固氮酶分隔在其中 3 在时间上进行氧阻隔 如非异形胞蓝细菌Plectomena将固氮作用和光合作用分不同时间段进行 4 固氮酶构像保护作用 如褐球固氮菌等 具有一种构象保护蛋白质 在氧分压增高时 它与固氮酶结合 固氮酶构象发生改变并丧失固氮活力 一旦氧浓度降低 该蛋白便从酶分子上解离 固氮酶恢复原有的构象和固氮能力 三 肽聚糖的合成 第一阶段 在细胞质中 形成UDP NAM 五肽 Park 核苷酸 肽键形成过程没有tRNA和核糖体参与 金黄色葡萄球菌的肽聚糖合成为例 第二阶段 细胞膜上 需类脂载体细菌萜醇参与 一种55碳醇 使肽聚糖成分移动穿过疏水性膜 当2条多糖链间形成五甘氨酸肽桥时 通