微生物的新陈代谢.ppt

微生物的新陈代谢,全国中学生生物学竞赛纲要对微生物学部分的要求,分类：原核生物细菌门蓝藻门原绿藻门真核生物绿藻门结合菌门子囊菌门担子菌门病毒原核细胞的组成：形态学光养和化养生物技术：发酵免疫,微生物的新陈代谢,微生物代谢是指微生物细胞中进行的各种分解代谢和合成代谢的总和。分解代谢：又称异化作用，是指生物大分子通过酶的作用逐步降解成小分子物质并产生能量。合成代谢：又称同化作用，是指小分子物质在酶的作用下，消耗能量，合成复杂的生物大分子的过程。,特点：1.代谢旺盛2.方式多样3.代谢的严格调节4.生物固氮,一、微生物的代谢类型（一）自养型（二）异养型二、微生物的能量代谢（一）化能异养微生物的生物氧化和产能(二)自养微生物的产能代谢三、生物固氮,一、微生物的代谢类型,根据各类微生物的碳源不同，可将微生物代谢类型划分为自养型和异养型；又可根据各类微生物的能源不同，将自养型和异养型又分别划分为光能自养型和化能自养型、光能异养型和化能异养型等四种类型。,微生物的营养类型划分依据,微生物的营养类型,有机物,CO2,有机物,CO2,碳源,有机物,H2、H2SFe2+、NO2-,有机物,H2、H2SS、H2O,电子供体,绝大部分细菌、真菌,化学能(有机),化能异养型(化能有机异养型),氢细菌、硫化细菌、铁细菌、硝化细菌,化学能(无机),化能自养型(化能无机自养型),红螺细菌,光能,光能异养型(光能有机异养型),蓝藻、藻类、紫（绿）硫细菌,光能,光能自养型(光能无机自养型),举例,能源,营养类型,（一）自养型,1.光能自养型,真核生物：藻类及其他绿色植物产氧原核生物：蓝藻、原绿藻光能自养型生物不产氧（仅原核生物有）：光合细菌,（1）产氧的光合作用类型代表生物：蓝藻和原绿藻等。光合作用一定有叶绿素a参与，电子供体是水。,CO2+H2O（CH2O）+O2,光照叶绿素a,（2）不产氧的光合作用类型代表生物：紫硫细菌和绿硫细菌。含有菌绿素、类胡萝卜素和光合膜系统，不含叶绿素a，电子供体不是水。,CO2+2H2S（CH2O）+H2O+S,光照菌绿素,3CO2+2S+5H2O3（CH2O）+2H2SO4,光照菌绿素,2.化能自养型（1）需氧的化能自养型H2S+2O2SO42-+2H+能量2S+H2O+3O22SO42-+4H+能量S2O32-+H2O+2O22SO42-+2H+能量CO2+H2O(CH2O)+O2,酶,代表生物：硫细菌、铁细菌等。,（2）厌氧化能自养型,CO2+4H2（CH2O）+O2,如氢细菌和甲烷菌等少数细菌。,（二）异养型,以有机物作为碳源和电子供体的营养类型。1.光能异养型代表生物：紫色非硫细菌，利用甲醇作为碳源和电子供体。2CH3OH+CO23(CH2O)+H2O,2.化能异养型大多数微生物的营养类型。可分为寄生、腐生、兼性寄生或兼性腐生等类型。,二、微生物的能量代谢,研究能量代谢的根本目的，是要追踪生物如何把外界环境中的多种形式的最初能源转换成对一切生命活动都能利用的通用能源ATP。,生物氧化：指发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。1、形式：物质与氧结合、脱氢、失去电子；2、过程：脱氢（或电子）、递氢、受氢；3、功能：产能（ATP）、产还原力（H）、产小分子中间代谢物。葡萄糖脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出能量。,（一）化能异养微生物的生物氧化和产能,根据化能异养微生物生物氧化最终氢受体的不同，可把生物氧化分为：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。有氧呼吸是指生物氧化最终电子受体是O2；无氧呼吸的最终电子受体是外源无机氧化物或个别有机化合物（硝酸盐、硫酸盐、硫、延胡索酸）；发酵是指生物氧化最终电子受体是代谢中间产物。,4、类型：有氧呼吸、无氧呼吸、发酵,（1）有氧呼吸,特点a.底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递；b.外源分子氧受氢；c.产生水并释放出ATP形式的能量，产能量多。d.有机物彻底氧化生成CO2和H2O。呼吸链a.位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的由一系列氧化还原势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。b.功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2。,NADH氧化呼吸链存在3个偶联部位，P/O比值等于3，即产生3molATP。琥珀酸氧化呼吸链存在2个偶联部位，P/O比值等于2，即产生2molATP。,氧化磷酸化：是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP。P/O比值：是指物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数。,（2）氧化磷酸化的偶联机制,化学渗透假说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。,（3）无氧呼吸（厌氧呼吸）,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行的、呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化，产能效率较低。特点a.底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；b.最终由氧化态的无机物或有机物受氢（NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物）；c.氧化磷酸化产能。,类型,反硝化作用,一些兼性厌氧菌在无氧条件下进行硝酸盐呼吸，将有机物彻底氧化，氧化过程中所脱下的电子经部分电子传递链，最后交给NO3-，NO3-被还原为NO2-，并释放较少能量。如果NO3-最终被还原为N2，则称为反硝化作用。C6H12O6+12NO3-6H2O+6CO2+12NO2-,广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力(H)未经呼吸链传递而直接交某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。,(4)发酵,底物水平磷酸化：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。,底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。与氧化磷酸化相比，产能效率极低。,(二)自养微生物的产能代谢,自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：1化能自养型微生物：氧化无机物而获得能量的微生物。如硝化细菌、亚硝化细菌。,亚硝化细菌NH3+O2NO2-+H2O+H+硝化细菌NO2-+O2NO3-,2光能自养型微生物：能利用光能的微生物。共同特点：具有光合色素，能够进行光合作用，通过光合磷酸化将光能转化为化学能，用于固定CO2，合成有机物。,（1）环式光合磷酸化,（2）非环式光合磷酸化,（3）嗜盐菌紫膜的光合作用,光能营养微生物的光合作用类型：,（1）环式（循环式）光合磷酸化,光合细菌中的原始光合作用机制，在光能驱动下能通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。特点：电子传递途径属循环方式：在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间建立了质子动势并产生了1个ATP；产能（ATP）与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等无机氢供体；不产生氧，即不能利用H2O作为还原CO2时的氢供体。,（2）非循环光合磷酸化,各种绿色植物、藻类和蓝细菌共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点：电子的传递途径属非循环式的，电子须经PSII和PSI两个系统接力传递；PSI含叶绿素a，反应中心为“P700”，有利于红光吸收；PSII含叶绿素b，反应中心为“P680”，有利于蓝紫光吸收；在有氧条件下进行；反应中可同时产ATP、还原力H和O2；还原力NADPH2中的H来自H2O分子的光解产物H+和电子。,（3）嗜盐菌紫膜的光合磷酸化,嗜盐菌：一类必须在高盐环境中才能生长的古细菌。在有氧条件下通过氧化磷酸化产生ATP，在有光条件下通过光合磷酸化产生ATP，光合色素主要是细菌视紫红质。,细胞壁,在光的作用下，质子不断被排出细胞外，形成质子电化学梯度并合成ATP。这种光合磷酸化的特点是在没有电子传递系统存在下进行的。,ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子被泵到膜外，膜内外形成质子浓度差和电势差，是ATP合成的原动力，驱动ATP合酶合成ATP。,微生物利用其固氮酶催化大气中的分子氮还原成氨的过程。生物界中只有原核生物才具有固氮能力。,三、生物固氮,1、固氮微生物（1）自生固氮菌：指一类不依赖与它种生物共生而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。,生物固氮反应的6要素,2、固氮的生化机制,生物固氮总反应：,2、固氮机制,1）固氮反应的条件aATP的供应b还原力H及其载体H由铁氧还蛋白（Fd）或黄素氧还蛋白（Fld）传递至固氮酶上。c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（组分I）：真正“固氮酶”，是还原氮气的活性中心，含有Fe和Mo，又称钼铁蛋白、钼铁氧还蛋白,固二氮酶还原酶（组份）：是一种只含铁的蛋白，又称铁蛋白。,2）固氮生化过程,几点说明,生物固氮是除光合作用外的最重要的生化反应；基本形式：N2NH3氨基酸等有机物蛋白质等细胞组分；氮固定过程受NH3、O2抑制。,历年全国联赛试题,（2002）以有机物为反应物的生物氧化反应中，主要以外源无机氧化物作为最终电子受体，称为A好氧呼吸B无氧呼吸C发酵D分子内呼吸（2002）固氮酶中含有的金属元素为ACo与FeBPd与FeCPt与FeDMo与Fe（2004）固氮菌中的固氮酶复合物可将大气中的氮，转变成植物可利用形式的氮，固氮酶复合物的产物是A氨B亚硝酸盐C硝酸盐D氨基酸（2006）有关生物固氮，下列表述哪种正确？A生物固氮仅由原核生物进行B固氮酶只能用GTP为能源C固氮产物为谷氨酸D所有蓝藻都能固氮,B,D,A,A,（2006）你发现一种植物可以在没有固定态氮条件生长，但当你加入一些氯霉素在培养基中后，该植物就不能在无氮源培养基中生长了。这时你如果加入一些硝酸钠，植物恢复生长。这种植物可能是：A满江红B大豆C小叶苔D都可能（2006）硝化作用是指将氨转变成硝酸盐，反硝化作用是指A将氨转变成分子氮B将氨转变成亚硝酸盐C将硝酸盐转变成分子氮D将亚硝酸盐转变成硝酸盐,D,C,（2000）光能营养型微生物是指能够以日光作为能源的微生物。（）（2002）真菌与细菌一样，均存在需氧型和专性厌氧型。（）（2002）无氧呼吸是专型厌氧菌所特有的一种生物氧化形式。（）,（2002）下列微生物以哪种方式产能？紫色硫细菌A好氧呼吸乳酸杆菌B光合磷酸化枯草杆菌C发酵（2004，多选）下列哪些关于生物固氮的说法是正确的?A固