食品微生物第六章微生物的代谢

食品微生物第六章微生物的代谢知识回顾1.微生物细胞的化学组成与高等生物相同，包括碳、氢、氧、氮和各种矿质元素2.微生物的营养要素碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水3.根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为4种营养类型：光能无机自养型、光能有机异养型、化能无机自养型、化能有机异养型。第2页,共70页，2024年2月25日，星期天4.根据物质运输过程的特点，可将运输方式分为:自由扩散、协助扩散、主动运输和基团转移5.培养基：人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素。第3页,共70页，2024年2月25日，星期天6.选用和设计培养基的原则和方法原则：目的明确、营养协调、理化适宜、经济节约。方法：生态模拟、查阅文献、精心设计、试验比较。7.培养基的种类按培养基的成分（天然培养基、合成培养基、半合成培养基）第4页,共70页，2024年2月25日，星期天按培养基的物理状态（固体培养基、液体培养基、半固体培养基）根据培养基的功能（基础培养基、加富培养基、选择培养基、鉴别培养基）根据培养基的用途（种子培养基、发酵培养基、测定培养基、菌种保藏培养基）第5页,共70页，2024年2月25日，星期天基本内容：微生物代谢类型及其特点，合成代谢所需小分子化合物、能量和还原力产生来源，微生物细胞中特有的合成代谢，微生物次级代谢产物的合成。重点和难点：微生物的代谢类型，微生物细胞中特殊的合成代谢，次级代谢。第六章微生物的代谢第6页,共70页，2024年2月25日，星期天新陈代谢（metabolism）简称代谢，是细胞内发生的各种生物化学反应的总称。分解代谢复杂分子（有机物）小分子+ATP+[H]合成代谢物质代谢能量代谢产能代谢耗能代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)第7页,共70页，2024年2月25日，星期天第8页,共70页，2024年2月25日，星期天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9页,共70页，2024年2月25日，星期天一．生物氧化生物氧化的形式：物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的功能为：产能（ATP）、产还原力[H]和产小分子中间代谢物生物氧化能量微生物直接利用储存在高能化合物（如ATP）中以热的形式被释放到环境中化能自养微生物利用无机物化能异养微生物利用有机物第10页,共70页，2024年2月25日，星期天（一）化能自养微生物的生物氧化

好气型的化能自养菌以无机物作氧化基质，利用氧化无机物释放出来的能量进行生长。硝化细菌

硝化细菌在氧化NO2-

—→NO3-时获得能量供细胞生长NO2-＋1／2O2

—→NO3-＋18.5千卡硫化细菌

硫化细菌在氧化元素硫和硫化物为硫酸时获得能量供细胞生长。S＋3／2O2＋H2O—→SO4=＋2H+＋139.8千卡S=＋2O2

—→SO4=＋189.9千卡第11页,共70页，2024年2月25日，星期天生物氧化反应（二）化能异养微生物的生物氧化呼吸发酵有氧呼吸厌氧呼吸微生物主要的产能方式第12页,共70页，2024年2月25日，星期天1、呼吸作用（respiration）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，从而生成水或其他还原型产物并释放出能量的过程。第13页,共70页，2024年2月25日，星期天（1）有氧呼吸（aerobicrespiration）又称好氧呼吸，是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式，其特点是化合物氧化脱下的氢和电子经完整的呼吸链（电子传递链）传递，最终被外源分子氧接受，产生水并释放出ATP形式的能量。能进行有氧呼吸的微生物都是好氧菌和兼性厌氧菌。第14页,共70页，2024年2月25日，星期天（2）无氧呼吸(anaerobicrespiration)某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；无氧呼吸也叫厌氧呼吸，最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸等有机物。无氧呼吸需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程伴随有磷酸化作用，可产生较多的能量用于生命活动。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多。第15页,共70页，2024年2月25日，星期天硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体，也称为硝酸盐的异化作用（Dissimilative）。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第16页,共70页，2024年2月25日，星期天2、发酵(fermentation)发酵：是指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。呼吸与发酵的根本区别：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（氧或无机氧化物）。第17页,共70页，2024年2月25日，星期天化能营养型光能营养型底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化光合磷酸化ATP的产生二、能量的转换第18页,共70页，2024年2月25日，星期天1、底物水平磷酸化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，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。底物水平磷酸化既存在于发酵过程，也存在于呼吸作用过程。例如，在EMP途径中，1，3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸;磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸的过程中都分别偶联着一分子ATP的形成.第19页,共70页，2024年2月25日，星期天2、电子传递水平磷酸化物质在生物氧化过程中形成的NADH和NADH2可通过位于线粒体内膜和细菌质膜上的电子传递系统将电子传递给氧或其他氧化型物质，在这个过程中偶联着ATP的合成，这种产生ATP的方式又称为呼吸水平磷酸化。第20页,共70页，2024年2月25日，星期天

NADH电子传递链第21页,共70页，2024年2月25日，星期天（1）环式光合磷酸化

④不产生氧③还原力来自H2S等无机物②产能与产还原力分别进行①电子传递途径属循环方式

3、光合磷酸化（光能营养型微生物产能）第22页,共70页，2024年2月25日，星期天（2）非环式光合磷酸化④还原力来自H2O的光解③同时产生还原力、ATP和O2②有PSⅠ和PS

Ⅱ2个光合系统①有氧条件下进行第23页,共70页，2024年2月25日，星期天（3）嗜盐菌紫膜的光合磷酸化一种嗜盐菌特有，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电子传递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。第24页,共70页，2024年2月25日，星期天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：细菌视紫红质（紫色）具有质子泵功能，在光量子驱动下将膜内产生的H+排至细胞膜外，使紫膜内外形成质子梯度差；膜外质子通过膜上的ATP合成酶进入膜内，平衡膜内外质子梯度差时合成ATP

。第25页,共70页，2024年2月25日，星期天第二节微生物的分解代谢自然界中的微生物绝大多数是化能异养型微生物，这些微生物从外界吸收营养物质以后，通过细胞中的酶进行分解代谢产生能量ATP、小分子有机物和还原力。微生物进行合成代谢的前体物ATP是合成代谢所必需的能量的主要源泉第26页,共70页，2024年2月25日，星期天一、大分子有机物的降解碳水化合物的降解：

淀粉的降解：淀粉－－→葡萄糖纤维素的降解：纤维素－－→葡萄糖半纤维素的降解：半纤维素－－→单糖+糖醛酸果胶质的降解：果胶－－→半乳糖醛酸+甲醇木质素的降解木质素的化学结构较复杂，它是由许多芳香族亚基缩合而成的聚合物。木质素―――→乙酸+琥珀酸第27页,共70页，2024年2月25日，星期天含N有机物的降解：

蛋白质的降解蛋白质―→多肽―→AA―→CO2+NH4

几丁质的降解

几丁质―→寡聚糖――→N-乙酰葡萄糖胺→乙酸+葡萄糖胺――→葡萄糖+NH3

尿素的降解尿素+2H2O―→（NH4）2CO3―→2NH3+CO2＋H2O第28页,共70页，2024年2月25日，星期天含磷有机物的降解：

卵磷脂――→甘油―→P-甘油―→EMP

脂肪酸―→乙酰COA―→TCA

胆碱―→NH3+CO2+有机酸

磷酸

核酸――→核苷酸――→磷酸+核苷→嘌呤+嘧啶卵磷脂酶

核酸酶核苷酸酶第29页,共70页，2024年2月25日，星期天含S有机物的降解：胱氨酸+3H2O+1/2O2→2乙酸+2CO2+2H2S+2NH3油脂的降解：

油脂―――→脂肪酸－－－→乙酰COA→TCA

甘油＋Pi－－→P－甘油→EMP

烃类物质的降解：

甲烷是最简单的烃类物质，能被甲基营养菌作C源利用。脂肪酶第30页,共70页，2024年2月25日，星期天二、已糖的降解（自学）多糖类大分子降解最终产生单糖，其中以葡萄糖为主。微生物降解葡萄糖除为微生物提供生长所需要的能量外，还为合成代谢提供小分子化合物作C架和还原力NADH2或NADPH2。

第31页,共70页，2024年2月25日，星期天己糖降解到丙酮酸的途径EMP途径（Embden－MyerhofPathway）第32页,共70页，2024年2月25日，星期天PP途径Pentosephosphatepathway,旧称HMP途径(Hexosemonophasphatepathway），此途径存在于大多数生物体内。第33页,共70页，2024年2月25日，星期天ED途径2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径这一途径主要局限于接合单胞菌属的一些细菌。

葡萄糖+NAD++NADP++Pi+ADP→2丙酮酸＋NADH+NADPH+2H++ATPED途径为该类细菌的合成代谢提供：能量：ATP还原力：NADH2+NADPH2

小分子C架：6-P葡萄糖3-P甘油酸

P-烯醇式丙酮酸丙酮酸第34页,共70页，2024年2月25日，星期天丙酮酸的代谢的多样性EMP途径，不完全的HMP途径，ED途径都可以产生丙酮酸，生成的丙酮酸：①进入TCA（Tricarboxylicacidcycle）循环进一步氧化分解，产生还原力NADPH2，ATP和合成代谢所需要的小分子C架。②发酵作用Fermatatiom第35页,共70页，2024年2月25日，星期天TCA循环：第36页,共70页，2024年2月25日，星期天第三节微生物的合成代谢合成代谢就是微生物将简单的无机物或有机物用体内的各种酶促反应合成大分子物质的过程。微生物的合成代谢可以概括为三个阶段：

产生三要素：能量、还原力、小分子化合物合成前体物：氨基酸、单糖、氨基糖、脂肪酸、核苷酸合成大分子：蛋白质、核酸、脂肪、多糖第37页,共70页，2024年2月25日，星期天一、三要素的产生(合成代谢第一阶段）ATP、NADH2（或NADPH2）的产生

化能自养菌化能自养菌产NADPH2是在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生。光能自养菌

非环式光合磷酸化可产NADPH2。进行环式光合磷酸化时，可以在消耗ATP的情况下通过反向电子传递产生NADPH2。

第38页,共70页，2024年2月25日，星期天化能异养菌葡萄糖――→2NADH2+2ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→NADH2

+NADPH2+ATP+2丙酮酸

葡萄糖――→2NADPH2+5-P核酮糖+CO2

3葡萄糖―――――→6NADPH2

+NADH2

+丙酮酸+3CO2

丙酮酸――→NADPH2

+3NADH2+FADH2

+GTP+3CO2EMPEDHMP不完全HMPTCA一、三要素的产生(合成代谢第一阶段）第39页,共70页，2024年2月25日，星期天小分子碳架化合物的产生

一、三要素的产生(合成代谢第一阶段）第40页,共70页，2024年2月25日，星期天二、前体物的合成（第二阶段）合成大分子有机物首先要有前体物，前体物由微生物利用分解代谢中所获得的小分子C架、ATP和NADPH2合成。前体物主要有：①

单糖

②

氨基酸

③

氨基糖

④

核苷酸

⑤

脂肪酸第41页,共70页，2024年2月25日，星期天三、微生物独特的合成代谢途径（一）生物固氮（自学）

微生物将氮还原为氨的过程称为生物固氮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菌共生固氮菌联合固氮菌第42页,共70页，2024年2月25日，星期天1.自生固氮菌一类不依赖于它种生物共生而能独立进行固氮的微生物自生固氮菌好氧：固氮菌属、氧化亚铁硫杆菌属、蓝细菌等兼性厌氧：克雷伯氏菌属、红螺菌属等厌氧：巴氏梭菌、着色菌属、假单脃菌属等第43页,共70页，2024年2月25日，星期天2.共生固氮菌必须与它种生物共生才能进行固氮的微生物共生固氮菌非豆科：弗兰克氏菌属等满江红：满江红与鱼腥蓝细菌等共生根瘤豆科植物：根瘤菌属等植物地衣：真菌和藻类组合的复合有机体，鱼腥蓝细菌属等第44页,共70页，2024年2月25日，星期天地衣-鱼腥蓝细菌第45页,共70页，2024年2月25日，星期天满江红-鱼腥蓝细菌第46页,共70页，2024年2月25日，星期天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的微生物联合固氮菌根际：生脂固氮螺菌芽胞杆菌属等叶面：克雷伯氏菌属、固氮菌属等动物肠道：肠杆菌属、克雷伯氏菌属等第47页,共70页，2024年2月25日，星期天4.固氮反应的条件：6要素ATP

还原力[H]及其载体固氮酶

镁离子

厌氧微环境

底物N2第48页,共70页，2024年2月25日，星期天(1)ATP的供应①固氮过程需要消耗大量的能量：由于N2分子中存在3个共价键，其结构极端稳固，要打开就得花费巨大能量。②固氮酶对ATP具有高度专一性：其它高能磷酸化合物不能参与固氮反应。③ATP由呼吸、厌氧呼吸、发酵或光合磷酸化产生；ATP来源于底物水平磷酸化、氧化磷酸化、光合磷酸化；自生固氮菌能源少，因此固氮量低；共生固氮菌靠宿主供能，固氮量高。第49页,共70页，2024年2月25日，星期天(2)还原力[H]及其载体①Fd：是一种铁硫蛋白，含等摩尔铁和不稳态硫，参与固氮、光合作用以及释放和利用氢气的反应。②Fld：是一种黄素蛋白，每分子Fld中含1分子FMN，不含金属或不稳态硫，在许多反应中有取代Fd的功能。

第50页,共70页，2024年2月25日，星期天(3)固氮酶

①结构即钼铁蛋白，由二个α大亚基和二个β小亚基组成，分子量为220—250KD，每分子钼铁蛋白含2个钼原子，24—32个铁原子及相应数目的不稳态硫原子，它们组成3个中心：P中心，由4个[4Fe4S]（4铁4硫原子簇）组成，（它通过半胱氨酸—SH巯基与蛋白质连接）是传递电子的通路；M中心，由铁钼辅因子（FeMoCo）组成，是固氮酶活性中心；此外，还有一个S中心。第51页,共70页，2024年2月25日，星期天②固氮酶的特性1)固氮酶是一种复合酶系统：钼铁蛋白∶铁蛋白=1∶2，单独存在时均不表现出固氮活性。2)不同来源固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白可以交叉组合。亲缘关系和生理类型近的互补组合能力强，反之，则不易组合或组合后不具催化性。第52页,共70页，2024年2月25日，星期天②固氮酶的特性3)对氧敏感：固氮酶两组分蛋白很不稳定，对氧敏感，且铁蛋白还易受冷失活。（氧不可逆破坏固氮酶组分的结构，铁蛋白比钼铁蛋白敏感，厌氧菌比好氧菌敏感；铁蛋白在0—4℃下易失活。）4)底物多样性：固氮酶是多功能的氧化还原酶，可还原N2和分子末端具有NN、CN或CC的三键的多样类型的底物，如叠氮化合物、氧化亚氮、氰和氰化物、烷烯腈、乙炔、丙二烯等。第53页,共70页，2024年2月25日，星期天(4)还原性底物N2_——是固氮酶唯一具有生理意义的底物(5)镁离子用来形成Mg+-ATP复合物。Mg+-ATP与[Fe]（固二氮酶还原酶中的Fe原子）结合，使[Fe]构型改变，降低氧化还原电位，

形成[Mg+-ATP][MoFe]（固二氮酶）复合体后,[Mg+-ATP]才能水解，推动电子从[Fe]传至[MoFe]。[Mg+-ATP]的结合与水解是协同的，并调控着单向电子流。(6)严格的厌氧微环境

第54页,共70页，2024年2月25日，星期天5.固氮过程严格的厌氧微环境2NH3+H2+18~24ADP+18~24PiN2+8[H]+18~24ATP生物固氮总反应：第55页,共70页，2024年2月25日，星期天产物去向：分子氮经固氮酶催化后还原成NH3，并与相应的酮酸结合而形成各种氨基酸，再进一步可合成蛋白质和其它有关化合物。自生固氮菌不能储存，也不分泌，很快同化；共生固氮菌分泌至根瘤细胞中为植物所利用。第56页,共70页，2024年2月25日，星期天6.好氧固氮菌固氮酶的抗氧机制固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。第57页,共70页，2024年2月25日，星期天（1）好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制呼吸保护

固氮菌科的菌种能以极强的呼吸作用迅速将周围环境中的氧消耗掉，使细胞周围微环境处于低氧状态，保护固氮酶。构象保护在高氧分压条件下，Azotobactervinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。第58页,共70页，2024年2月25日，星期天（2）蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制1）分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统Ⅱ，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。2)非异形胞蓝细菌固氮酶的保护:能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到(黑暗下固氮，光照下进行光合作用)

。蓝细菌光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高第59页,共70页，2024年2月25日，星期天（3）豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制

1）纯培养时，只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；

2）根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜的内外有能与O2结合的豆血红蛋白。第60页,共70页，2024年2月25日，星期天根据发生部位可将合成过程分成三个阶段：细胞质阶段，合成派克（Park）核苷酸；细胞膜阶段，合成肽聚糖单体；细胞膜外阶段，交联作用形成肽聚糖。

（二）肽聚糖合成第61页,共70页，2024年2月25日，星期天第一阶段：在细胞质中合成N-乙酰胞壁酸五肽