微生物课件 第5章 微生物的代谢-jdh

第5章

微生物的代谢代谢概论代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子（有机物）分解代谢合成代谢简单小分子ATP[H]代谢概论第一节微生物产能代谢一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢的核心问题。能量代谢的中心任务，是生物体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使用的通用能源------ATP。这就是产能代谢。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）第一节微生物产能代谢一．生物氧化生物氧化就是：发生在细胞内的一切产能性氧化反应的总称

微生物产能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，这个过程就是生物氧化，是一个产能代谢过程。第一节微生物产能代谢一．生物氧化在生物氧化过程中释放的能量：1）可被微生物直接利用，2）也可储存在高能化合物（如ATP）中，3）还有部分能量以热的形式被释放到环境中。异养微生物：利用有机物，自养微生物：利用无机物，通过生物氧化来进行产能代谢。生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物第一节微生物产能代谢二、异养微生物的生物氧化生物氧化反应发酵呼吸有氧呼吸无氧呼吸1.发酵(fermentation)有机物氧化释放的电子直接交给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。（电子→中间产物）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。二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)发酵的种类有很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。（参见P103）生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为糖酵解（glycolysis）糖酵解是发酵的基础主要有四种途径：EMP途径、HMP途径、ED途径、磷酸解酮酶途径。1.发酵(fermentation)(1)EMP途径（Embden-Meyerhofpathway）（参见P103）日本人肠内酵母感染导致醉酒（P102）丙酸杆菌梭菌真杆菌二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)微生物学与第一次世界大战德国：（CarlNeuberg）丙酮酸CO2乙醛NADHNAD+乙醇磷酸二羟基丙酮NADHNAD+磷酸甘油甘油3%的亚硫酸氢钠（pH7）Saccharomyces

cerevisiae厌氧发酵酵母菌的一型和二型发酵(P106)（磺化羟基乙醛）第一次世界打战期间德国主要用这种方法生产甘油产量：1000吨/月目前的甘油生产方法：使用的微生物：Dunaliella

aslina（一种嗜盐藻类）胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)微生物学与第一次世界大战英国：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吨丙酮二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)微生物学与第一次世界大战英国：（ChaimWeizmann）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。（参见P107）二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)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。大肠杆菌：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（参见“微生物学实验”P115-125）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产酸不产气二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)大肠杆菌：产气气杆菌：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（“微生物学实验”P121）二、异养微生物的生物氧化1.发酵(fermentation)（2）HMP途径（3）ED途径（4）磷酸解酮酶途径自学！二、异养微生物的生物氧化2.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的过程，称为呼吸作用。(电子→电子载体)以氧化型化合物作为最终电子受体有氧呼吸（aerobicrespiration）：无氧呼吸（anaerobicrespiration）：以分子氧作为最终电子受体二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用呼吸作用与发酵作用的根本区别：

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。二、异养微生物的生物氧化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。二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用有氧呼吸：

电子传递链；

氧分子；

(最终电子受体)二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用二、异养微生物的生物氧化2.呼吸作用（2）无氧呼吸条件：某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；最终电子受体：无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。电子传递体：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有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。产能：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。（参见P109）2.呼吸作用（2）无氧呼吸2.呼吸作用（2）无氧呼吸1硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。只能接收2个电子，产能效率低；NO2-对细胞有毒；有些菌可将NO2-进一步将其还原成N2，这个过程称为反硝化作用：2.呼吸作用（2）无氧呼吸2硝酸盐还原细菌:能进行硝酸盐呼吸的细菌被称为硝酸盐还原细菌.主要生活在土壤和水环境中，如假单胞菌、依氏螺菌、脱氮小球菌等。硝酸盐还原细菌被认为是一种兼性厌氧菌，无氧但环境中存在硝酸盐时进行厌氧呼吸，而有氧时其细胞膜上的硝酸盐还原酶活性被抑制，细胞进行有氧呼吸。2.呼吸作用（2）无氧呼吸3反硝化作用的生态学意义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.呼吸作用（2）无氧呼吸4其它厌氧呼吸：2.呼吸作用（2）无氧呼吸4其它厌氧呼吸：延胡索酸呼吸：兼性厌氧，将延胡索酸还原成琥珀酸，以往都是把琥珀酸作为微生物的一般发酵产物来考虑。实际上在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是最终电子受体，而琥珀酸是还原产物。2.呼吸作用（2）无氧呼吸4其它厌氧呼吸：锰离子三价铁离子硒酸盐二甲亚砜砷酸盐三甲基胺延胡索酸甘氨酸2.呼吸作用（2）无氧呼吸厌氧呼吸的产能较有氧呼吸少，但比发酵多，它使微生物在没有氧的情况下仍然可以通过电子传递和氧化磷酸化来产生ATP，因此对很多微生物是非常重要的。除氧以外的多种物质可被各种微生物用作最终电子受体，充分体现了微生物代谢类型的多样性。第一节微生物产能代谢三．自养微生物的生物氧化化能无机营养型：从无机物的氧化获得能量以无机物为电子供体这些微生物一般也能以CO2为唯一或主要碳源合成细胞物质自养微生物从对无机物的生物氧化过程中获得生长所需要能量的微生物一般都是：化能无机自养型微生物化能异养微生物：ATP和还原力均来自对有机物的生物氧化化能自养微生物：无机物氧化过程中主要通过氧化磷酸化产生ATP如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，也在氧化磷酸化的过程中产生还原力，但大多数情况下都需要通过电子的逆向传递，以消耗ATP为代价获得还原力。第一节微生物产能代谢三．自养微生物的生物氧化第一节微生物产能代谢三．自养微生物的生物氧化三．自养微生物的生物氧化1、氨的氧化（参见P110）NH3、亚硝酸（NO2-）等无机氮化物可以被某些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获得能量将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量这两类细菌往往伴生在一起，在它们的共同作用下将铵盐氧化成硝酸盐，避免亚硝酸积累所产生的毒害作用。这类细菌在自然界的氮素循环中也起者重要的作用，在自然界中分布非常广泛。三．自养微生物的生物氧化1、氨的氧化亚硝化细菌：硝化细菌：三．自养微生物的生物氧化1、氨的氧化NH3、NO2-的氧化还原电势均比较高，以氧为电子受体进行氧化时产生的能量较少，而且进行合成代谢所需要的还原力需消耗ATP进行电子的逆呼吸链传递来产生，因此这类细菌生长缓慢，平均代时在10h以上。三．自养微生物的生物氧化2、硫的氧化（参见P110）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。俄国著名微生物学家Winogradsky的杰出贡献：化能无机自养型微生物的发现。氧化无机物获得能量；没有光和叶绿素的条件下也能同化CO2为细胞物质（能以CO2为唯一或主要碳源）2、硫的氧化硫细菌在进行还原态硫物质的氧化时会产酸（主要是硫酸），因此它们的生长会显著地导致环境的pH下降，有些硫细菌可以在很酸的环境，例如在pH低于1的环境中生长。三．自养微生物的生物氧化2、硫的氧化（参见P106）和硝化细菌一样，硫细菌也是通过电子的逆呼吸链传递来生成还原力。2、硫的氧化（参见P106）通过氧化磷酸化途径产生ATP（主要途径）底物水平磷酸化途径产生ATP（非主要途径）磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化一分子硫酸根产生2.5个ATP三．自养微生物的生物氧化3、铁的氧化（参见P110）以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）为例：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以被利用。因此该菌的生长会导致形成大量的Fe3+（Fe(OH)3）。氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）

为什么要在酸性环境下生活？3、铁的氧化（参见P107）亚铁（Fe2+）只有在酸性条件（pH低于3.0）下才能保持可溶解性和化学稳定；当pH大于4-5，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）

为什么要在酸性环境下生活？三．自养微生物的生物氧化3、铁的氧化以嗜酸性的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）为例：三．自养微生物的生物氧化3、铁的氧化氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus

ferrooxidans）在富含FeS2的煤矿中繁殖，产生大量的硫酸和Fe(OH)3，从而造成严重的环境污染。它的生长只需要FeS2及空气中的O2和CO2，因此要防止其破坏性大量繁殖的唯一可行的方法是封闭矿山，使环境恢复到原来的无氧状态。三．自养微生物的生物氧化4、氢的氧化（参见P111）氢是微生物细胞代谢中的常见代谢产物，很多细菌都能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量。能以氢为电子供体，以O2为电子受体，以CO2为唯一碳源进行生长的细菌被称为氢细菌：氢的氧化可通过电子和氢离子在呼吸链上的传递产生ATP和用于细胞合成代谢所需要的还原力（见P111）。氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其它有机物生长。三．自养微生物的生物氧化4、氢的氧化产甲烷菌（Methanogenesis）和产已酸菌（Acetogenesis）能以CO2或碳酸盐为电子受体和碳源进行生长。这类细菌是严格厌氧菌三．自养微生物的生物氧化4、氢的氧化有些细菌能通过对氢的氧化获得生长所需要的能量，但必需以有机物作为碳源进行生长，这类细菌被称为：mixotrophs化能自养微生物以无机物作为能源，一般产能效率低，生长慢，但从生态学角度看，它们所利用的能源物质是一般化能异养生物所不能利用的，因此它们与产能效率高、生长快的化能异养微生物之间并不存在生存竞争。三．自养微生物的生物氧化第一节微生物产能代谢四．能量转换（参见P111）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中四．能量转换第一节微生物产能代谢（参见P111）1、底物水平磷酸化（substratelevelphosphorylation）物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。四．能量转换第一节微生物产能代谢（参见P111）2、氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）四．能量转换第一节微生物产能代谢（参见P114）3、光合磷酸化（photophosphorylation）光能转变为化学能的过程：

当一个叶绿素分子吸收光量子时，叶绿素性质上即被激活，导致其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。光合磷酸化和氧化磷酸化一样都是通过电子传递系统产生ATP四．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）：光合细菌四．能量转换（参见P114）3、光合磷酸化（photophosphorylation）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，二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。四．能量转换（参见P114）3、光合磷酸化（photophosphorylation）不产氧光合作用的反应中心为P870四．能量转换（参见P115）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，而是利用还原态的H2、H2S等作为还原CO2的氢供体，进行不产氧的光合作用；电子传递的过程中造成了质子的跨膜移动，为ATP的合成提供了能量。通过电子的逆向传递产生还原力；四．能量转换（参见P115）3、光合磷酸化（photophosphorylation）非环式光合磷酸化的反应式：2NADP+＋2ADP＋2Pi＋2H2O→2NADPH＋2H+＋2ATP＋O2（2）非环式光合磷酸化产氧型光合作用（绿色植物、蓝细菌）四．能量转换（参见P116）3、光合磷酸化（photophosphorylation）（2）非环式光合磷酸化绿色细菌的非环式光合磷酸化（不产氧型光合作用）NAD++H2S+ADP+PiNADPH+H++ATP+Shvchl四．能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜的光合作用一种只有嗜盐菌才有的，无叶绿素或细菌叶绿素参与的独特的光合作用。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的呼吸链载体在膜上呈斑片状（直径约0.5mm）独立分布，其总面积约占细胞膜的一半，主要由细菌视紫红质组成。四种生理类型的微生物在不同光照和氧下的ATP合成实验发现，在波长为550-600nm的光照下，嗜盐菌ATP的合成速率最高，而这一波长范围恰好与细菌视紫红质的吸收光谱相一致。四．能量转换3、光合磷酸化（photophosphorylation）（3）嗜盐菌紫膜的光合作用紫膜的光合磷酸化是迄今为止所发现的最简单的光合磷酸化反应第一节微生物产能代谢四．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中第二节耗能代谢第三节微生物代谢的调节自学！第四节微生物次级代谢与次级代谢产物一、次级代谢与次级代谢产物一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢的代谢类型，普遍存在于一切生物中。初级代谢：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，生成维持生命活动所必需的物质和能量的过程，称为初级代谢。（参见P125）某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得的一种适应生存的方式。通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。次级代谢：一、次级代谢与次级代谢产物（参见P126）初级代谢与初级代谢的关系：初级代谢系统、代谢途径和初级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的一种基本代谢类型。1、存在范围及产物类型不同象病毒这类非细胞生物虽然不具备完整的初级代谢系统，但它们仍具有部分的初级代谢系统和具有利用宿主代谢系统完成本身的初级代谢过程的能力。次级代谢只存在于某些生物（如植物和某些微生物）中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。例如某些青霉、芽孢杆菌和黑曲霉在一定的条件下可以分别合成青霉素、杆菌肽和柠檬酸等次级代谢产物。不同的微生物可产生不同的次级代谢产物相同的微生物在不同条件下产生不同的次级代谢产物用于青霉菌的二种培养基：Raulin培养基：葡萄糖5%、酒石酸0.27%、酒石酸铵0.27%、磷酸氢二铵0.04%、硫酸镁0.027%硫酸铵0.017%、硫酸锌0.005%、硫酸亚铁0.005%Czapek——Dox培养基：葡萄糖5%、硝酸纳0.2%、磷酸氢二钾0.1%、氯化钾0.05%、硫酸镁0.05%、硫酸亚铁0.001%灰黄青霉在Czapek——Dox培养基上培养时可以合成灰黄霉素，在Raulin培养基上培养时则合成褐菌素（fulvicacid）；产黄青霉在Raulin中培养时可以合成青霉酸。但在Czapek——Dox中培养则不产青霉酸。次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间体或代谢产物衍生而来，但它的骨架碳原子的数量和排列上的微小变化，如氧、氮、氯、硫等元素的加入，或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生各种各样的次级代谢产物，并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似的不同成分的混合物。例如，目前已知的新霉素有4种，杆菌肽、多粘菌素分别有有10多种，而放线菌素有20多种等。Penicillium

urticae在含有0.5×10-8M的锌离子的Czapek——Dox培养基里培养时合成的主要次级代谢产物是6-氨基水杨酸，但在含0.5×10-6M的锌离子的Czapek——Dox培养基里培养时不合成6-氨基水杨酸，但可以合成大量的龙胆醇、甲基醌醇和棒曲霉素。一、次级代谢与次级代谢产物（参见P126）初级代谢与初级代谢的关系：1、存在范围及产物类型不同2、对产生者自身的重要性不同初级代谢产物，如单糖或单糖衍生物、核苷酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，蛋白质、核酸、多糖、脂类等通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的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。次级代谢产物对于产生者本身来说，不是机体生存所必需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍。不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。次级代谢产物一般对产生者自身的生命活动无明确功能，不是机体生长与繁殖所必需的物质，也有人把超出生理需求的过量初级代谢产物也看作是次级代谢产物。次级代谢产物通常都分泌到胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。一、次级代谢与次级代谢产物（参见P126）初级代谢与初级