第五章 微生物的代谢与发酵.ppt

1、Chap 5 微生物的新陈代谢 能量代谢 分解代谢和合成代谢的联系 微生物独特的合成代谢 代谢调节与发酵,细胞代谢简化图,1.微生物能量代谢 一、化能异养微生物的生物氧化和产能 （一）生物底物脱氢的主要途径,ED途径（糖酵解替代途径）,ED,途径概貌,总反应式： C6H12O6+Pi+NADP+NAD+ 2CH3COCOOH+ATP+NADPH+H+NADH+H+ 特点： 1）KDPG裂解关键反应 2）特征酶：KDPG醛缩酶 3）2丙酮酸分别来自KDPG裂解和3-磷甘油醛的转化 4）产能低（1molATP+NADPH+NADH/1molGlucose）,生物学意义 1）EMP途径的替代途径 2

2、)协调EMP、HMP、TCA途径 3）进行细菌酒精发酵,酒精发酵途径: 酵母菌:葡萄糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油 醛、磷酸二羟丙酮 丙酮酸乙醛 2乙醇 细菌：葡萄糖KDPG 丙酮酸、3-磷酸甘 油醛2丙酮酸乙醛2乙醇,（二）生物氧化中递氢和受氢,依据受氢体性质不同，生物氧化分：呼吸、无氧呼吸和发酵三种类型。,1、呼吸 （respiration） 呼吸链 最终受氢体（O2） 原核生物P/O=2,2、无氧呼吸（anaerobic respiration） 又称厌氧呼吸，一类呼吸链末端氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。 主要微生物类群： -反硝化细菌 -反硫化细菌 -甲烷细菌

3、等,无机氧化物为受氢体,有机物为受氢体,3、发酵（fermentation） 定义 广义：利用微生物生产有用代谢产物的一类生产方式。 狭义：在无氧条件干，底物脱干的氢未经呼吸链而直接交给某一内源性中间代谢物，以实现底物水平磷酸化的生物氧化反应。,（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵 （6种类型）,（2）通过HMP 途径的发酵 A.异型乳酸发酵经典途径 （磷酸转酮酶途径） B.异型乳酸发酵双歧杆菌途径,双歧杆菌途径(主要部分),（3）通过ED途径的发酵 （4）氨基酸发酵产能（Stickland反应）,底物水平磷酸化,二、自养微生物产ATP和产还原力 (一) 化能自养微生物,ATP和NADPH的产

4、生 E -0.06 0 0.26 0.28 0.82,还原性无机物氧化直接与呼吸链相联。其过程比异养菌（经EMP/TCA等）简单。 呼吸链的组分多样化。 产能效率（P/O）比异养菌低。,2、化能自养菌氧化产能的特点：,（二）光能营养微生物,1 非循环光合磷酸化,-产氧光合作用,特点： 1）电子传递非循环 2）有氧干进行（光解水产氧） 3）PSI和PSII 两个光合系统 4）反应中同时产生ATP和NADPH 5） H+质子来源于水的光解,细菌光合作用器,光合细菌培养物,2.循环光合磷酸化 1) 电子传递循环方式 2) 产ATP和NAD(P)H分 别进行 3) 不光解水、不产氧 4）还原力来自H2

5、S、H2 无机或有机物,- 不产氧光合微生物,光合细菌 (红螺菌目) Bacteria that contain bacteriochlorophyll and can use light as an energy source. When growing under illumination the organism are anaerobic And do not evolve o2 during photosynthesis. some are also capable of growing in the dark by Respiring with oxygen.,3、嗜盐菌紫膜光合磷

6、酸化 紫膜： 在低氧时，某些嗜盐菌合成含有菌视紫 红质蛋白的细胞膜，因颜色呈紫色，故称 为紫膜。,紫膜光合磷酸化（质子泵作用）,2 分解代谢和合成代谢的关系 两用代谢途径 代谢物回补顺序 能补充两用代谢途径中因合成而消耗 的中间产物的那些反应。,乙醛酸循环,3 微生物独特合成途径 一.自养微生物的CO2固定 Calvin 循环 厌氧乙酰COA途径 逆向TCA循环 羟基丙酸途径,Calvin 循环（略） 6CO2通过Calvin循环产生1 果糖6磷酸 2）核酮糖二磷酸羧化酶、磷酸核酮糖激酶为特征性酶 3）自养菌（生物）固定CO2的主要途径, 厌氧乙酰-辅酶A途径,逆向TCA循环,二、生物固氮 大

7、气中的分子氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。 生物固氮：130106吨 工业固氮：50106吨,（一）固氮微生物 1.自生固氮菌（Aztobacteria）,2.共生固氮菌 （豆科植物）Rhizobium （非豆科植物）,3.联合固氮 必须生长在植物根际、叶面或动物肠道等处才能进行固氮的微生物。,Frankia,二、固氮的生化机制 N2+8H+1824ATP2NH3+18-24ADP+1824Pi 1.条件 ATP 还原力和传递载体 ：NADPH Fd、Fld 还原底物（N2） Mg+ 厌氧微环境,固氮酶,2.活力测定乙炔还原法,3 固氮的生化途径,氨的去路,4.固氮酶的产氢反应（2H

8、+H2）,（三）固氮酶避氧机制 1.好气性自生固氮菌： -呼吸保护 -构象保护 2.蓝藻： -还原性异形胞 -其它,3.根瘤菌： -形成豆血红蛋白（存在于类菌体周膜内外）,三、微生物结构大分子-肽聚糖的合成,(一) 细胞质中的合成 1）N-乙酰葡萄糖胺-UDP、N-乙酰胞壁酸-UDP 葡萄糖N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸 N-乙酰葡萄糖胺-UDP N-乙酰胞壁酸 -UDP,2）由N-乙酰胞壁酸合成 “park”核苷酸, park”核苷酸： 即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，细菌细胞壁合成的重要中间体，由N-乙酰胞壁酸和丙氨酸、谷氨酸等在细胞质中合成形成。,(二) 在细胞膜中的合成： 产物： 肽聚糖单体（双糖肽亚单位） 载体：细菌萜醇,肽聚糖单体合成途径,(三) 膜外的组装 自溶素作用,转糖基化作用；转肽基作用,主要反应过程回顾,药物设计的意义 (肽聚糖合成的抑制) -青霉素： 竞争性抑制转肽酶活性中心 -环丝氨酸：抑制Park核苷酸5肽的合成 -万古霉素: 抑制肽聚糖单体与细菌萜醇 的解离 -杆菌肽：抑制肽细菌萜醇的去磷酸化,四、微生物次生代谢产物的合成 微生物次生代谢产物 在微生物生长的稳定期前后，由初生 代谢物为前体，通过复杂的代谢途径 合成的各种结构复杂的化学物质。,( 6-氨基青霉素烷酸),常见的抗生素,主要次生代谢途径