微生物的代谢市公开课获奖课件

1、第五章 微生物代谢生命科学学院馬匯泉第1页第1页代谢（metabolism）：生物体内生命所进行所有生化反应总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简朴小分子ATPH第2页第2页微生物通过度解代谢产生化学能，光合微生物可将光能转化成化学能。能力除用于合成代谢外，还可用于运动、运送，释放所有代谢路径都是由酶促反应构成，细胞通过各种方式调整酶促反应微生物还会产生次级代谢产物，这些次级代谢产物与人类生产与生活密切相关第3页第3页第一节 微生物产能代谢最初能源有机物还原态无机物日光化能异养微生物化能自养微生物光能营养微生物通用能源（ATP

2、）生物氧化是指物质在生物体内通过一系列连续氧化还原反应，逐步分解并释放能量过程第4页第4页第一节 微生物产能代谢一、异养微生物生物氧化生物氧化形式包括某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化功效为：产能（ATP）、产还原力H和产小分子中间代谢物分解代谢事实上是物质在生物体内通过一系列连续氧化还原反应，逐步分解并释放能量过程，这个过程就是生物氧化，是一个产能代谢过程。在生物氧化过程中释放能量可被微生物直接利用，也可通过能量转换储存在高能化合物（如ATP）中，以便逐步被利用，尚有部分能量以热形式被释放到环境中。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。 第5页第5页

3、第一节 微生物产能代谢二、异养微生物生物氧化生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸厌氧呼吸1、发酵(fermentation)有机物氧化释放电子直接交给底物本身未完全氧化某种中间产物，同时释放能量并产生各种不同代谢产物。有机物只是部分地被氧化，只释放出一小部分能量发酵过程氧化与有机物还原相偶联。被还原有机物来自于初始发酵分解代谢产物，即不需要外界提供电子受体。第6页第6页一、异养微生物生物氧化1、发酵(fermentation)发酵种类有诸多，可发酵底物有糖类、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为主要。生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵基础。主要有四种

4、路径：（1）EMP路径；（2）HM路径；（3）ED路径；（4）磷酸解酮酶路径。第7页第7页一、异养微生物生物氧化1、发酵(fermentation)何为“发酵”？第8页第8页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用微生物在降解底物过程中，将释放出电子交给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，从而生成水或其它还原型产物并释放出能量过程，称为呼吸作用。以氧化型化合物作为最后电子受体有氧呼吸（aerobic respiration）：无氧呼吸（anaerobic respiration）：以分子氧作为最后电子受体第9页第9页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用呼吸作用与

5、发酵作用主线区别： 电子载体不是将电子直接传递给底物降解中间产物，而是交给电子传递系统，逐步释放出能量后再交给最后电子受体。第10页第10页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用(1) 有氧呼吸葡萄糖糖酵解作用丙酮酸发酵有氧无氧各种发酵产物三羧酸循环被彻底氧化生成CO2和水，释放大量能量。第11页第11页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用 有氧呼吸： 电子传递链； 氧分子； (最后电子受体)第12页第12页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用第13页第13页一、异养微生物生物氧化2、呼吸作用（2）无氧呼吸一些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸最后电子受体不是氧，而是NO3-、NO

6、2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。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，也能产生较多能量用于生命活动。由于部分能量随电子转移传给最后电子受体，因此生成能量不如有氧呼吸产生多。第14页第14页第一节 微生物产能代谢二、自养微生物生物氧化化能无机营养型：从无机物氧化取得能量以无机物为电子供体这些微生物普通也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质化能自养微生物从对无机物生物氧化过程中取得生长所需要能量微生物普通都是：化能无机自养型微生物第15页第15页二、自养微生物生物氧化1、氨氧化 NH3、亚硝酸（NO2-

7、）等无机氮化物能够被化能自养细菌用作能源亚硝化细菌：硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并取得能量将亚硝氧化为硝酸并取得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生毒害作用。这类细菌在自然界氮素循环中起着主要作用，分布非常广泛第16页第16页二、自养微生物生物氧化2、硫氧化硫细菌（sulfur bacteria）能够利用一个或各种还原态或部分还原态硫化合物（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。俄国著名微生物学家Winogradsky杰出奉献：化能无机自养型微生物发觉：氧化无机物取得能量；没有光和叶绿素条件下也能同化CO2为细胞物质（能以C

8、O2为唯一或主要碳源）第17页第17页2、 硫氧化通过氧化磷酸化路径产生ATP（主要路径）底物水平磷酸化路径产生ATP（非主要路径）磷酸腺苷硫酸氧化路径，每氧化一分子硫酸根产生2.5个ATP第18页第18页二、自养微生物生物氧化3、铁氧化 以嗜酸性氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）为例：从亚铁到高铁状态铁氧化，对于少数细菌来说也是一个产能反应，但从这种氧化中只有少许能量能够被利用。因此该菌生长会造成形成大量Fe3+ （Fe(OH)3）。氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans） 为何要在酸性环境下生活？第19页第19页3、铁氧化 亚铁

9、（Fe2+）只有在酸性条件（pH低于3.0）下才干保持可溶解性和化学稳定；当pH不小于45，亚铁（Fe2+）很容易被氧气氧化成为高价铁（Fe3+）氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans） 为何要在酸性环境下生活？第20页第20页4、氢氧化氢细菌（G-兼性化能自养菌）能利用分子氢氧化产生能量同化CO2。氢细菌细胞膜上有泛醌、维生素K2及细胞色素等呼吸链组分。有两种与氢氧化相关酶：颗粒状氧化酶；可溶性氧化酶。第21页第21页第一节 微生物产能代谢三、能量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中第22页第22页三、能量

10、转换第一节 微生物产能代谢1、底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP合成。底物水平磷酸化即存在于发酵过程中，也存在于呼吸作用过程中。第23页第23页三、能量转换第一节 微生物产能代谢2、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）物质在生物氧化过程中形成NADH和FADH2可通过位于线粒体内膜或细菌质膜上电子传递系统将电子传递给氧或其它氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP合成。 第24页第24页三、能量转换第一节 微生物产能代谢3、光合磷酸化（ph

11、otophosphorylation）光能转变为化学能过程： 当一个叶绿素分子吸取光量子时，叶绿素性质上即被激活，造成其释放一个电子而被氧化，释放出电子在电子传递系统中传递过程中逐步释放能量，这就是光合磷酸化基本动力。光合磷酸化和氧化磷酸化同样都是通过电子传递系统产生ATP第25页第25页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）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）：光合细菌第26页第26页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）细菌叶绿素含有和高等植物中叶绿素相类似化学结构，二者区分在于

12、侧链基团不同，以及由此而造成光吸取特性差异。第27页第27页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（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不是利用H2O，而是利用还原态H2 、 H2S等作为还原CO2氢供体，进行不产氧光合作用；电子传递过程中造成了质子跨膜移动，为ATP合成提供了能量。通过电子逆向传递产生还原力；第28页第28页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）非环式光合磷酸化反应式：2NADP+2ADP2Pi2H2O2NADPH2H+2ATPO2（2）非环式光合磷酸化产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）

13、第29页第29页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（2）非环式光合磷酸化绿色细菌非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）NAD+H2S+ADP+Pi NADPH+H+ATP+Shvchl第30页第30页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜光合作用一个只有嗜盐菌才有，无叶绿素或细菌叶绿素参与独特光合作用。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呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径约0.5 mm）独立分布，其总面积约占细胞膜二分之一，主要由细菌视紫红质构成。四种生理类型微生物在不

14、同光照和氧下ATP合成试验发觉，在波长为550-600 nm光照下，嗜盐菌ATP合成速率最高，而这一波长范围正好与细菌视紫红质吸取光谱相一致。第31页第31页三、能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜光合作用紫膜光合磷酸化是迄今为止所发觉最简朴光合磷酸化反应第32页第32页第一节 微生物产能代谢三、能量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中第33页第33页第二节 耗能代谢是指从简朴小分子物质合成复杂大分子物质。必须具备三个要素：小分子前体物质、能量和还原力。分解代谢与合成代谢密切相关。分解代谢与

15、合成代谢区分：1、酶系不同；2、能量不同；3、发生区域不同第34页第34页一、细胞物质合成 1、CO2固定：卡尔文循环、还原性TCA 2、 生物固氮 3、二碳化合物同化 4、糖类合成 5、氨基酸合成 6、核苷酸合成二、其它耗能反应 1、运动 2、营养物质运送 3、生物发光第35页第35页固氮微生物最早发觉固氮微生物是共生根瘤菌属和自生固氮菌属，它们分别于1886年和19由荷兰学者M.Beijerinck所分离。第36页第36页当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，在分类上从属于固氮菌科、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部分菌种。自1886年初次分

16、离共生固氮根瘤菌起，至今已发觉固氮微生物多达80余属（1992年）。从其生态类型分，固氮菌可分3类：第37页第37页1、自生固氮体系指一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮微生物。2、共生固氮体系指必须与它种生物共生在一起时才干进行固氮微生物。3、联合固氮体系指必须生活在植物根际、叶面或动物肠道等处才干进行固氮微生物。 第38页第38页固氮生化机制生物固氮是一个含有重大理论意义和实用价值生化反应过程。1960年，J.E.Carnahan等人从巴氏梭菌中提取到含有固氮活性无细胞抽提液，并实现了分子氮还原为氨，使生物固氮研究有了突破性进展。1、生物固氮反应6要素（1）ATP供应 第39页第39页

17、（2）还原力H及其传递载体 H由低电位势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 固氮酶是一个复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离蛋白组成。固二氮酶是一个含铁和钼蛋白，铁和钼组成一个称为“FeMoCo”辅因子，它是还原N2活性中心。而固二氮酶还原酶则是一个只含铁蛋白。一些固氮菌处于不同生长条件下时，还可合成其它不含钼固氮酶，称作“替补固氮酶”，含有适应在极度缺钼环境下还能正常进行生物固氮功效。（4）还原底物N2（5）镁离子（6）严格厌氧微环境第40页第40页二、其它耗能反应：运送、运动、生物发光1、运动含有鞭毛细菌能够运动，尚有些细菌能够滑动。水解ATP产生自由

18、能，成为运动动力。2、营养物质运送积极运送和膜泡运送需要消耗能量。3、生物发光许多细菌、真菌都能够发光，包括着能量转移。第41页第41页第三节 微生物代谢调整微生物细胞内各种代谢反应错综复杂，各个反应过程之间互相制约，彼此协调，可随环境条件改变而快速改变反应速度。微生物细胞代谢调整主要是通过控制酶作用实现。微生物细胞代谢调整主要有两种类型：酶活性调整；酶合成调整。第42页第42页一、酶活性调整是指一定数量酶，通过其分子构象或分子结构改变来调整其催化反应速率。能够使微生物细胞对环境改变做出快速反应。酶活性调整受各种原因影响，底物性质和浓度、环境因子以及其它酶存在都有也许激活或控制酶活性。酶活性调

19、整方式主要有两种：第43页第43页1、变构调整反应产物积累会克制催化这个反应酶活性。这是由于反应产物与酶结合克制了底物与酶活性中心结合。在一个由多步反应构成代谢路径中，末端产物通常会反馈克制该路径第一个酶，这种酶被称为变构酶。变构酶通常是某一代谢路径第一个酶或是催化某一关键反应酶。第44页第44页2、修饰调整是通过共价调整酶来实现。共价调整酶通过修饰酶催化其多肽链上一些基团进行可逆共价修饰，使之处于活性与非活性互变状态，从而造成调整酶活化与克制，以克制代谢速度和方向。修饰调整是体内主要调整方式，有许多处于分支代谢路径，对代谢流量起调整作用关键酶 属于共价调整酶。酶促共价修饰是酶分子共价键发生了

20、改变。这是一个体内较经济代谢调整方式。酶促共价修饰对调整信号具放大效应，其催化效率比别构酶调整要高。第45页第45页二、分支合成路径调整在有两种或两种以上末端产物分支代谢路径中，调整方式较为复杂。其共同特点是每个分支路径末端产物控制分支点后第一个酶，同时每个末端产物又对整个路径第一个酶有部分克制作用，分支代谢反馈调整方式有各种。第46页第46页1、同工酶是指能催化同一个化学反应，但其酶蛋白本身分子结构组成却有所不同一组酶。特点是：在分支路径中第一个酶有几个结构不同一组同功酶，每一个代谢终产物只对一个同功酶含有反馈克制作用，只有当几个终产物同时过量时，才干完全制止反应进行。第47页第47页2、协

21、同反馈克制在分支代谢路径中，几种末端产物同时都过量，才对路径中第一个酶含有克制作用。若某一末端产物单独过量则对路径中第一个酶无克制作用。第48页第48页3、累积反馈克制在分支代谢路径中，任何一个末端产物过量时都能对共同路径中第一个酶起克制作用，并且各种末端产物克制作用互不干扰。当各种末端产物同时过量时，它们克制作用是累加。累积反馈克制最早是在大肠杆菌谷氨酰胺合成酶调整过程中发觉，该酶受8个最后产物积累反馈克制。8个最后产物同时存在时，酶活力完全被克制。第49页第49页4、顺序反馈克制分支代谢路径中两个末端产物，不能直接克制代谢路径中第一个酶，而是分别克制分支点后反应环节，造成份支点上中间产物积

22、累，这种高浓度中间产物再反馈克制第一个酶活性。因此，只有当两个末端产物都过量时，才干对路径中第一个酶起到克制作用。第50页第50页第四节、微生物次级代谢与次级代谢产物一类与生物生存相关、涉及到产能代谢和耗能代谢代谢类型，普遍存在于一切生物中。初生代谢：微生物从外界吸取各种营养物质，通过度解代谢和合成代谢，生成维持生命活动所必需物质和能量过程，称为初生代谢。 一些微生物为了避免在初生代谢过程某种中间产物积累所造成不利作用而产生一类有助于生存代谢类型。能够认为是一些微生物在一定条件下通过突变取得一个适应生存方式。 通过次生代谢合成产物通常称为次生代谢产物，大多是分子结构比较复杂化合物。依据其作用，

23、可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次生代谢：第51页第51页初生代谢与初生代谢关系： 初生代谢系统、代谢路径和初生代谢产物在各类生物中基本相同。它是一类普遍存在于各类生物中一个基本代谢类型。1、存在范围及产物类型不同 像病毒这类非细胞生物即使不具备完整初生代谢系统，但它们仍含有部分初生代谢系统和含有利用宿主代谢系统完毕本身初生代谢过程能力。 次生代谢只存在于一些生物（如植物和一些微生物）中，而且代谢路径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会因为培养条件不同而产生不同次生代谢产物。第52页第52页初级代谢与初级代谢关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者本身主要性不同

24、初生代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们构成各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少物质，只要在这些物质合成过程某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止、重则导致机体发生突变或死亡。次生代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需物质，即使在次生代谢某个环节上发生障碍。不会造成机体生长停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次生代谢产物能力。次生代谢产物普通对产生者本身生命活动无明确功效，不是机体生长与繁殖所必需物质，也有些人把超出生理需求过量初生代谢产物也看作是次生代谢产物。次生代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体分化有一定关系，并在同其它生物生

25、存竞争中起着主要作用。许多次生代谢产物通常对人类和国民经济发展有重大影响。第53页第53页初生代谢与次生代谢关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者本身主要性不同3、同微生物生长过程关系显著不同初生代谢自始至终存在于一切生活机体中，同机体生长过程呈平行关系；次生代谢则是在机体生长一定时期内（通常是微生物对数生长久末期或稳定时）产生，它与机体生长不呈平行关系，普通可显著地表现为机体生长久和次生代谢产物形成期二个不同时期。第54页第54页初生代谢与次生代谢关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者本身主要性不同3、同微生物生长过程关系显著不同4、对环境条件改变敏感性或遗传稳定性上显著不同初生代谢产物对环境条件改变敏感性小（即遗传稳定性大），而次生代谢产物对环境条件改变很敏感，其产物合成往往因环境条件改变而停止。第55页第55页初级代谢与初级代谢关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生