代谢ppt课件.ppt

1,第七章微生物的代谢,2,代谢概论,代谢是细胞内发生的各种化学反应的总称，它主要由分解代谢和合成代谢两个过程组成。,3,代谢概论,生物能量的转移中心ATPATP生成的具体方式如下：基质（底物）水平磷酸化：厌氧微生物和兼性厌氧微生物在此过程中，产生一种含高自由能的中间体，如含高能键的1,3-二磷酸甘油酸。这一中间体将高能键交给ADP，使ADP磷酸化而生成ATP。氧化磷酸化：好氧微生物在呼吸时，通过电子传递体系产生ATP的过程叫氧化磷酸化。光合磷酸化：指的是光能引起叶绿素、菌绿素或菌紫素逐出电子，通过电子传递产生ATP的过程。,4,代谢概论,5,6.1微生物的分解代谢,分解代谢：是物质上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，又称为生物氧化，是一个产能代谢过程。,6,生物氧化过程分为脱氢（或电子）、递氢（或电子）和受氢（或电子）三个阶段；生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力（H）和产小分子中间代谢物。,7,异养微生物的生物氧化,异养微生物氧化有机物的方式：根据氧化还原方式中电子受体的不同可分为发酵和呼吸两种类型；1、发酵2、呼吸呼吸可分为有氧呼吸和无氧呼吸两种方式。,8,异养微生物的生物氧化,发酵：广义的“发酵”：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”：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的代谢产物。在发酵条件下有机化合物只是部分地被氧化，故只释放出一小部分的能量；,9,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）,10,异养微生物的生物氧化,发酵过程的氧化是与有机物的还原偶联在一起；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。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（glycolysis），主要分为四种途径：EMP途径HMP途径ED途径磷酸解酮酶途径（PK途径/HK途径）,11,异养微生物的生物氧化,呼吸作用：微生物在降解底物的过程中，将释放出的电子交给NADP、FAD或FMN等电子载体，再经电子传递系统传给外源受体，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程，称为呼吸作用。其中，以分子氧作为最终电子受体的称为有氧呼吸，以氧以外的其他氧化型化合物作为最终电子受体的称为无氧呼吸。,12,异养微生物的生物氧化,呼吸作用与发酵作用的根本区别为：呼吸作用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。有氧呼吸无氧呼吸,13,无氧呼吸,无氧呼吸：某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸。无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是象NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等这类外源受体。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着磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。但由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,14,无氧呼吸,无氧呼吸的氧化底物一般为有机物，如葡萄糖、乙酸和乳酸等。它们被氧化为CO2，有ATP生成。无氧呼吸的特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物（个别是有机物延胡索酸）受氢。,15,自养微生物的生物氧化,异氧微生物与自养微生物在最初能源上尽管存在很大的差异，但它们生物氧化的本质却是相同的，即都包括脱氢、递氢和受氢三个阶段，其间经过与磷酸化反应相偶联，就可产生生命活动所需的通用电源-ATP。无论是化能无机营养型还是光能无机营养型的自养微生物，在它们生命活动中最重要的反应是将CO2先还原成CH2O水平的简单有机物，再进一步合成复杂的细胞成分。这是一个大量耗能和耗还原力H的过程。,16,自养微生物的生物氧化,化能自养微生物的生物氧化和产能：在化能无机营养型微生物中，其所需能量ATP是通过还原态无机物通过生物氧化产生的；还原力H则是通过耗ATP的无机氢（H+e）的逆呼吸链传递而产生的；光能自养型微生物的生物氧化和产能：在光能自养型的微生物中，其ATP和H都是通过循环光合磷酸化，非循环光合磷酸化或通过紫膜的光合磷酸化作用而获得的。,17,硫细菌,18,化能自养型微生物的生物氧化和产能,铁的氧化：从亚铁到高铁状态的铁的氧化，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被利用。,19,光能自养型微生物的生物氧化和产能,光合作用：是自然界中一个极其重要的生物学过程，其实质是通过光合磷酸化将光能转变为化学能，以用于从CO2合成细胞物质。行光合作用的生物体除了绿色植物之外，还包括光合微生物，如藻类，蓝细菌和光合细菌（包括紫色细菌、绿色细菌、嗜盐菌）。它们利用光能维持生命，同时也为其他生物（如动物和异养微生物）提供赖以生存的有机物。,20,绿硫细菌,紫硫细菌,21,光能自养型微生物的生物氧化和产能,各种光合细菌都是原核生物，它们一齐被归纳在红螺菌目，它们不利用H2O作为还原CO2的氢供体，只能利用还原态的H2S、H2或有机物作为氢供体。故其光合作用中不产生O2。光合色素：光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：叶绿素或细菌叶绿素，类胡萝卜素和藻胆素。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，两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。,22,光能自养型微生物的生物氧化和产能,所有光合生物都有类胡萝卜素。类胡萝卜素虽然不直接参加光合作用，但它们有捕获光能的作用，能把吸收的光能高效地传给细菌叶绿素（或叶绿素）。而且这种光能同叶绿素（或细菌叶绿素）直接捕捉到的光能一样被用来进行光合磷酸化作用。此外，胡萝卜素还有两个作用：一是可以作为叶绿素所催化的光氧化反应的猝灭，以保护光合机构不受光氧化损伤，二是可能在细胞能量代谢方面起辅助作用。藻胆素类似胆汁的颜色，其化学结构与叶绿素相似，都含有四个吡咯环，但藻胆素没有长链植醇基，也没有镁原子，而且四个吡咯环是直链的。,23,光能自养型微生物的生物氧化和产能,24,光能自养型微生物的生物氧化和产能,光合单位：光合色素分布于两个“系统”，分别称为“光合系统I”和“光合系统II”。每个系统即为一个光合单位。这两个系统中的光合色素的成分和比例不同。一个光合单位由一个光捕获复合体和一个反应中心复合体组成。光捕获复合体含有菌绿素和类胡萝卜素，它们吸收一个光子后，引起波长最长的菌绿素（P870）激活，从而传给反应中心，激发态的P870可释放出一个高能电子。,25,光能自养型微生物的生物氧化和产能,光合磷酸化：是指光能转变为化学能的过程。当一个叶绿素分子吸收光量子后，叶绿素性质上即被激活，导致叶绿素（或细菌叶绿素）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。环式光合磷酸化（循环光合磷酸化）：一种存在于厌氧光合细菌中的利用光能产生ATP的磷酸化反应，由于它是一种在光驱动下通过电子的循环式传递而完成的磷酸化。这类细菌主要包括紫色硫细菌，绿色硫细菌，紫色非硫细菌和绿色非硫细菌。,26,光能自养型微生物的生物氧化和产能,循环光合磷酸化的特点是：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。产ATP与产还原力H分别进行。还原力来自H2S等的无机氢供体。不产生氧。,27,光能自养型微生物的生物氧化和产能,循环光合磷酸化的过程是：菌绿素分子在光照下被光量子所激并逐出电子，这时菌绿素分子带正电荷。被逐出的电子经铁氧还蛋白、泛醌、细胞色素b和细胞色素f组成的类似于呼吸链的电子传递链传递后，重新返回带正电荷的菌绿素分子，这是一个完整的循环过程，在此过程中的Cyt.b与Cyt.f间有ATP的合成。,28,光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.,紫色细菌循环光合磷酸化过程,29,外源电子供体H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。,绿硫细菌和绿色细菌,30,光能自养型微生物的生物氧化和产能,非环式光合磷酸化（即非循环光合磷酸化）：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特点是：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，光合系统I（含叶绿素a）可利用红光，光合系统II（含叶绿素b）可利用蓝光；反应中同时有ATP（产自系统II）、还原力（产自系统I）和O2产生；还原力NADPH中的H来自H2O光解后的H+和e-。,31,光能自养型微生物的生物氧化和产能,非循环光合磷酸化的过程是：H2O通过水解作用产生了1/2O2+2H+2e-，其中的电子经过两个电子传递系统（I和II）接连传递，最终将电子传递给了NADP接受，于是产生了NADPHH+，为还原CO2提供了还原力，同时，在电子传递过程中还有两处发生光合磷酸化反应，产生供CO2还原用的ATP。在两个传递系统中，系统II有O2和ATP产生，系统I则有NADPH和ATP产生。,32,蓝细菌等的产氧光合作用非循环光合磷酸化过程,33,光能自养型微生物的生物氧化和产能,嗜盐菌紫膜的光合作用：一种70年代才揭示的只有嗜盐菌才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。嗜盐菌是一类必须在高盐（3.5-5.0mol/LNaCl）环境中才能生长的古细菌。细菌视紫红质与叶绿素相像，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。根据化学渗透学说，这一质子动势在驱使H+通过ATP合成酶进入膜内而得到平衡时，就可合成细胞的通用能源ATP。,34,嗜盐菌紫膜的光合作用,35,6.2微生物特有的合成代谢,6.2.1肽聚糖的生物合成1.在细胞质中合成2.在细胞膜中合成3.在细胞膜外合成,36,6.2.2CO2的固定1.自养微生物对CO2的固定（1）卡尔文循环（2）还原性三羧酸循环（只有在少数光合细菌如嗜硫代硫酸盐细菌。）2.异养微生物对CO2的固定,37,二碳化合物的同化,三羧酸循环是产能反应和生物合成的重要代谢环节，其中的有机酸可被微生物利用，作为电子的供体和能源。但三羧酸循环只有在受体分子草酰乙酸在每次循环后都能得到再生的情况下才能进行。微生物可利用回补途径来解决这一矛盾。回补途径：能补充兼用代谢途径（如三羧酸循环）中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的反应。不同的微生物以及在不同条件下具有不同的回补途径，主要有乙醛酸循环途径和甘油酸途径。,38,6.2.3生物固氮,生物固氮的定义：一些特殊类群的原核生物能够将分子态氮还原成氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物将氮还原为氨的过程就是生物固氮。固氮微生物的种类：具有固氮作用的微生物近50个属，包括细菌、放线菌和蓝细菌。目前尚未发现真核微生物具有固氮作用。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：自生固氮体系、共生固氮体系和联合固氮体系。,39,固氮微生物种类,40,固氮的生化机制,固氮的必要条件：ATP的供应。固氮过程需要消耗大量的能量。这些ATP是由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合作用所提供的。还原力H及其载体：固氮过程中所需要的大量还原力H或电子是由NAD(P)H所提供，它们由电子载体铁氧还蛋白或黄素氧还蛋白传递至铁蛋白。此外，H2、丙酮酸、甲酸、连二亚硫酸盐或异柠檬酸等也可在不同微生物中作为氢供体。Fd或Fld是一类在低氧化还原势下的电子传递体。Fd是一种铁硫蛋白，而Fld是一种黄素蛋白。固氮酶：它含有两种成分组分I（P1）和组分II（P2），其中组分I是真正的“固氮酶”，又称钼铁蛋白或钼铁氧还蛋白。而组分II实质上是一种“固氮酶还原酶”，又称铁蛋白或固氮铁氧还蛋白。还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）镁离子严格的厌氧微环境,41,生物固氮,固氮的生化途径：固氮的总反应式是：N2+6e-+6H+12ATP=2NH3+12ADP+12Pi整个固氮过程主要有以下几个环节：一是由Fd或Fld向氧化型组分II的铁原子提供一个电子，使其还原；二是还原型的组分II与ATP-Mg结合后，改变了自己的构象；三是组分I在含Mo的位点上与分子氮结合，并与组分II-Mg-ATP复合物反应，形成一个1:1的复合物，即固氮酶；四是在固氮酶分子上，有一个电子从组分II-Mg-ATP复合物转移到组分I的铁原子上，使组分II重新转变为氧化态，同时ATP也就水解成ADP+Pi；五是通过以上电子转移过程连续6次的运转，才可使组分I释放出2个NH3分子。,42,生物固氮,注意：以上过程中，固氮酶必须始终受活细胞中各种“氧障”的严密保护，以防固氮酶遇氧分子而发生不可逆的失活。,43,生物固氮,44,生物固氮,固氮酶的氢反应：固氮酶除能催化N2NH3外，还具有催化2H+H2反应的氢酶活性。当固氮酶生活在缺N2条件下时，其固氮酶可将H+全部还原成H2；在有N2条件下，固氮酶也总是只把75%的还原力H去还原N2，而把另外25的H以形成H2的方式浪费掉，然而，在大多数的固氮酶中，还含有另一种经典的氢酶，它能将被固氮酶浪费的分子氢重新激活，以回收一部分还原力H和ATP。N2+8H+8e+16Mg-ATP2NH3+H2+16Mg-ADP+16Pi,45,好氧性固氮菌的防氧机制,固N酶遇氧不可逆失活（组分I，半衰期10；组分II，45丧失一半活性）（1）自身固N菌a呼吸保护：固N菌科的固N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。b构象保护：高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N活性但能防止氧损伤的特殊构象。构象保护的蛋白质Fe-s蛋白II氧压增高，固氮酶与Fes蛋白II结合，构象变化，丧失固N能力；氧浓度降低，蛋白自酶上解离,46,好氧性固氮菌的防氧机制,(2)蓝细菌保护固N酶机制a、分化出特殊的还原性异形胞适宜固氮作用的细胞I、厚壁，物理屏障；II、缺乏氧光合系统II，脱氧酶、氢酶活性高；III、SOD活性很高；IV、呼吸强度高；b、非异形胞蓝细菌固N酶的保护缺乏独特的防止氧对固N酶的损伤机制I、固N、光合作用在时间上分隔开织线蓝菌属（黑暗：固N；光照：光合作用）II、形成束状群体（束毛蓝菌属）：利于固N酶在微氧环境下固NIII、提高胞内过氧化酶、SOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）,47,好氧性固氮菌的防氧机制,（3）根瘤菌保护固N酶机制I、豆科植物的共生菌以类菌体形式存在于根瘤中类菌体周膜：豆血红蛋白，可与氧可逆结合（高时结合，低时释放）豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血红素有根瘤菌基因编码。II、非豆科植物共生菌含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白）Frankin放线菌：营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞。,48,6.3其他耗能反应：运动、运输、生物发光,由细菌细胞产能反应形成ATP和质子动力，被消耗在各种途径中。许多能量用于新的细胞组分的生物合成，另外溶质的运动性细胞器的活动、跨膜运输以及生物发光也是重要的生物耗能过程。运动：在真核微生物中，鞭毛和纤毛均具有ATP酶，水解ATP产自由能，成为运动所需的动力。而在细菌的鞭毛未发现ATP酶。可能其运动的能量来自于细胞内的质子动力。鞭毛的基部起着能量转化器的作用，将能量从细胞质或细胞膜传送到鞭毛，推动鞭毛运动。,49,其他耗能反应：运动、运输、生物发光,运输：微生物细胞具有很大的表面积，可以很快地从外界吸收大量的营养物质，满足自身代谢的需要。营养物质跨膜运输的四种机制（扩散、促进扩散、主动运输和膜泡运输）中的主动运输和膜泡运输都是需要消耗能量。生物发光：许多活的生物体，包括某些细菌、真菌和藻类都能够发光。尽管它们的发光机制不同，但在所有例子中，发光都包含着能量的转移。先形成一种分子的激活态，当这种激活态返回到基态时即发出光来。应用：鉴于发光细菌对氧的灵敏度高，可将它用于测定溶液中的微量氧。,50,6.4微生物次级代谢与次级代谢产物,6.4.1定义初级代谢指一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程。该过程所产生的产物即为初级代谢产物，如氨基酸、核苷类，以及酶或辅酶等。如食品酿造业中的酒类、食醋、味精、酸奶、酸菜的生产，都是对微生物初级代谢产物的利用。,51,次级代谢是指微生物在一定的生长时期，以初级代谢产物为前体，合成一些对于该微生物没有明显的生理功能且非其生长和繁殖所必需的物质的过程。这一过程的产物，即为次级代谢产物，如抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等。,52,6.4.2次级代谢产物的特点（1）种类繁多（2）化学结构复杂（3）代谢途径独特（4）以初级代谢产物为前体，生理功能不很明确，各种初级代谢途