微生物的新陈代谢2

1、第二节：基本代谢（下）,丰富多彩的微生物产能方式,教学目标,掌握 呼吸链的概念、功能、组成、排列顺序 氧化磷酸化，P/O比的概念 ATP合成、偶联假说 原核生物ETC特点 无氧呼吸概念、类型 发酵概念、类型，重要发酵的过程和产物 化能自养菌的概念、类型 两种光和作用的比较 了解 其他内容,异养微生物的递氢和受氢,能量从NAD(P)H到ATP,第一部分,一、生物氧化的三种类型,生物氧化根据其受氢阶段受氢体的不同可 以分成（有氧）呼吸、无氧呼吸和发酵三 种形式。,The end,二、有氧呼吸,有氧呼吸(aerobic respiration)简称呼吸(respiration)，是一种最重要最普遍的

2、生物氧化过程。 其特点是底物按常规方式(EMP,HMP及TCA等)所脱之氢(NADH)经完整呼吸链RC,respiration chain,又称电子传递链( ETC,electron transport chain)传递,最终由O2接受氢形成水并释放能量(ATP)。 有氧呼吸是三种生物氧化中产能效率最高的方式。,1、呼吸链 （1）概念 呼吸链是指位于原核生物细胞膜或真核生物线 粒体膜上的一系列氧化还原电势呈梯度递减 的、线状排列的氢（或电子）传递体。 （2）功能 把氢（或电子）从低氧化还原电势的物质传递至高氧化还原的物质，完成生物氧化的后半部分。,二、有氧呼吸,二、有氧呼吸,在电子传递过程中同

3、时泵出质子（H+），造成跨膜质子梯动力（Protonmotive Force PMF），进行氧化磷酸化合成ATP。 （3）组成 醌类，主要为辅酶Q（CoQ） 辅酶或辅基类，包括NAD(P)、FAD/FMN 铁硫蛋白类（Fe-S） 细胞色素蛋白(Cyt)类，包括Cytb、c、a、a3,二、有氧呼吸,（4）排列顺序 在线粒体内膜或细胞膜上按氧化还原电势由 高到底的顺序紧密排列。 NAD(P)HFMN/FADFe-SCoQCytb CytcCytaCyta3,二、有氧呼吸,2、氧化磷酸化 （1）概念 电子传递和形成 ATP 的偶联机制称为氧化磷酸 化（Oxidative Phosphorylatio

4、n）或称电子转移 磷酸化 (Electron Transfer Phosphorylation, ETP) ，指电子在沿着电子传递链传递过程中所 伴随的，将 ADP 磷酸化而形成 ATP 的过程。,二、有氧呼吸,（2）电子传递过程中的能量变化 当电子从NADH2经ETC传递给O2时，其电位由 -0.32V变为+0.82V，电位改变： E= 0.82-(-0.32)= 1.14V 2mol电子产生能量（自由能改变）： G= nFE= -2961.14= -218.9kJ 即2mol电子经ETC传递释放的能量为-218.9KJ 在此过程中产生3molATP，而每molATP合成约 需30.5KJ的

5、能量，则在此过程中共储存能量：,二、有氧呼吸,30.53= 91.5 KJ 因此，这一电子传递过程的能量利用率为： 91.5/218.9= 42%，其余能量主要以热量形式放出 （3）P/O比 指每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数，用 来表示氧化磷酸化效率的高低。 P/O一般为3，但不同的生物或不同的底物会有所 不同。,二、有氧呼吸,（4）ATP的合成 ATP由包埋在线粒体内膜上的ATP合成酶 (ATPase)利用呼吸链电子传递产生质子梯动力， 以ADP和无机磷酸为原料合成。 其具体合成机制可由旋转催化假说予以解释，该 假说的基本内容如下： ATP合成酶由位于膜内的称为F0部分和位于膜

6、外的称为F1部分及其两者之间的连接部分（也称颈部）组成。,二、有氧呼吸,F0头部由3个亚基和3个亚基组成，是催化活性中心。 3个亚基有3中不同构象，在内部质子流的推动下循环交替变化，每循环一次合成3分子ATP。 3、氧化磷酸化偶联的机制 可由化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis)予 以解释，主要内容是： 呼吸链的各个组分组成4个蛋白质复合体。,二、有氧呼吸,电子在传递过程中利用质子泵作用(proton pump)将质子泵至膜外，形成跨膜质子浓度差，即质子梯动力PMF。 质子由ATP合成酶流回膜内，同时推动ATP合成酶合成ATP。 4、原核生物ETC的特点 ETC位于细

7、胞质膜上； 电子供体多样，除NADH2外，还有H2等； 氢和电子载体有一定取代性；,二、有氧呼吸,ETC中电子或氢载体种类因细菌种类及培养条件不同可以改变； ETC有时出现分支；电子受体除O2外还有其它外源物质(NO3-1, SO4-2及延胡索酸等)。 总的来说是多变。,The end,大肠杆菌缺氧时的两种呼吸链,三、无氧呼吸,无氧呼吸(Anaerobic Respiration)也称厌氧呼吸，指底物所脱之氢由呼吸链传递给外源氧化态无机物型氢受体(少数为有机受氢体)的过程。 由于氧化还原电势的问题，无氧呼吸的产能效率较低。 其主要类型如下表：,无氧呼吸,无机盐呼吸,有机物呼吸*,硝酸盐呼吸,N

8、O2N2,硫酸盐呼吸,硫呼吸,碳酸盐呼吸,铁呼吸,SO4H2S,SH2S,Fe3+Fe2+,CO2CH3COOH,CO2CH4,产乙酸菌,产甲烷菌,反硝化细菌,硫酸盐还原菌,脱硫细菌,极少,HOOCCHCHCOOHH2HOOCCH 2CH2COOH 能量,极少，如延胡索酸呼吸：,The end,四、发酵,1、发酵的含义 发酵（Fermentation）有广义与狭义两种概念。 广义的发酵是指微生物在有氧或无氧条件下利用 营养物生长繁殖并生产人类有用产品的过程。而 狭义的发酵仅仅是指微生物生理学意义上的，它 一般是指微生物在无氧条件下利用底物代谢时， 将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给 底

9、物本身未彻底氧化的内源性中间产物，生成代 谢产物并释放能量的过程。,四、发酵,2、底物水平磷酸化 底物水平磷酸化 (Substrate Level Phosphorylation，SLP)是相对于氧化磷酸化而 言，指ATP 的形成直接由一个代谢中间产物上的 高能磷酸基团转移到 ADP 分子之上的作用，是 发酵产能的主要形式。,四、发酵,3、由EMP途径出发的发酵 发酵类型很多，以下拟从与EMP、HMP、ED和Stickland有关的4类重要的发酵作用加以说明。 由EMP途径出发的发酵，主要由丙酮酸作为起始底物，在不同的微生物中主要存在6种发酵类型： （1）同型酒精发酵 酿酒酵母等进行。丙酮酸直

10、接被还原为乙醇，是 研究的最早的发酵作用，也称酵母型发酵。,四、发酵,（2）同型乳酸发酵 由德氏乳杆菌等某些乳酸菌进行的简单乳酸发酵 （3）丙酸发酵 由某些丙酸杆菌进行的，通过部分TCA途径的发 酵，副产物琥珀酸 。 （4）混合酸发酵 大肠杆菌等进行，产物包括甲酸、乙酸、乙醇等 很多。 （5）2,3-丁二醇发酵,四、发酵,产气肠杆菌等进行，产物较多。 （6）丁酸型发酵 丙酮丁醇梭菌等进行，产物较多。 以上4种发酵代谢途径较复杂，产物类型较多，不做详细讨论。 4、由HMP途径出发的发酵 主要为异型乳酸发酵，即前述之WD途径。异型 乳酸发酵有经典途径和双歧途径两种。,四、发酵,5、通过ED途径进行

11、的发酵 即前述之细菌酒精发酵。 6、由氨基酸发酵产能Stickland反应 少数厌氧梭菌进行的氨基酸之间的氧化还原发酵 形式，产能效率低下。,The end,自养微生物产ATP和还原力,来自光和无机物的电子,第二部分,化能无机自养型微生物（无机物） 光能自养型微生物（日光辐射能）,生物合成起点是建立在对氧化程度极高的CO2进行还原（即CO2的固定）的基础上。,异养微生物,生物合成起点是建立在对氧化还原水平适中的有机碳源直接利用的基础上。,自养微生物的产能模式,一、化能自养微生物,化能自养菌是一类从无机物的氧化中得到能量(ATP)和还原力(NADH2或NADPH2)，再通过卡尔文循环（或其他CO

12、2同化途径，详后）同化CO2的微生物。 化能自养菌有专性和兼性之分。 化能自养菌与进行无氧呼吸的微生物是完全不同的两个类群，不可混淆。 例如：进行铁呼吸的细菌和“铁细菌”完全不同。后者是利用Fe2+为能源，将其氧化成Fe3+并从中获得能量。,一、化能自养微生物,化能自养菌主要有4大类：氢细菌、硝化细菌、硫化细菌和铁细菌。 化能自养菌因呼吸链短且要花费一定能量用于逆ETC传递电子产生固定CO2等需要的还原力，所以生长速度很慢。,无机底物脱氢后，氢或电子进入呼吸链的部位,ATP,NADH2,The end,二、光能自养微生物,二、光能自养微生物,光能营养微生物大多数是自养的。 如果从另一个角度分类

13、（以光系统），则光能营养微生物可以分成循环式光合磷酸化的微生物和进行非循环式光合磷酸化的微生物。这两种光合作用有本质的区别，见下表：,两种光合作用比较,循环式光合磷酸化,非循环式光合磷酸化,非循环光合磷酸化两个系统的作用,嗜盐菌紫膜的光介导ATP合成,嗜盐菌（halophile或halophilic bacteria）在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛 （retinal）辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动式，由它来推动ATP酶合成ATP，即光介导ATP合成（light-mediated ATP synthesis）。,这是一种直至1970年才发现的、只

14、在嗜盐菌中 才有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用。,当环境中O2浓度很低时，嗜盐菌无法利用氧化磷酸化来满足其正常的能量需要时，若光照条件适宜，它就能合成紫膜，并利用紫膜的光介导ATP合成机制获得必要的能量。,二、光能自养微生物,同氧化磷酸化系统的ETC一样，光合磷酸化系统的ETC实际也是由一系列紧密排列的蛋白质为核心构成的，见下图：,两种电子传递系统的主体蛋白质,The end,分解代谢与合成代谢的联系,两种特殊的代谢途径,第三部分,合成代谢必须从分解代谢的中间代谢物开始（教材p126图527）。 生物细胞通过两用代谢途径和代谢回补顺序解决了这一矛盾。 两用代谢途径是指在分解代谢和合成代谢

15、中均有功能的代谢途径。 代谢回补顺序是指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应途径。,The end,生物氧化作用：细胞内代谢物通过氧化作用释放能量的一系列化学反应的总称。,醌类，脂溶性小分子载氢体，维生素B族衍生物。,FMN/FAD,NAD(P)H,铁硫蛋白的Fe-S中心结构 铁硫蛋白(Fe-S)是传递电子的氧化还原载体。这类小分子蛋白的辅基中含有铁硫。电子的传递是通过铁的氧化还原过程Fe+3+ e Fe+2完的。在很多其他的氧化还原酶系统中也存在铁硫中心结构。,Cys,Cys,Cys,Cys,S,Fe,Fe,S,S,S,S,S,肽链,肽链,两种铁硫蛋白的核心结构,细胞色素系

16、统 细胞色素系统是一系列含铁卟啉的血红蛋白，主要存在于好氧微生物中。细胞色素系统位于呼吸链的末端，它们的功能是传递电子，不传递氢。细胞色素能通过分子中心Fe3+与Fe2+之间化合价的变化传递电子。按吸收光谱和氧化还原电位不同将细胞色素分为多种类型，如Cyta、Cytb、Cytc、Cytaa3及Cyto等，它们均以血红素作辅基。ETC最末端能被直接氧化的细胞色素称为细胞色素氧化酶。Cyta3就是许多微生物的细胞色素氧化酶，能催化4个电子还原氧的反应，激活氧分子：O2+4Fe2+2O2-+4Fe3+,细胞色素系统的血红素辅基(血红素A) （铁中心卟啉环）,细胞色素b、c和c1结构,呼吸链组分排列顺

17、序,呼吸链组分排列顺序,ATP合成酶的构造和工作原理,逆时针旋转120,构象变化,ATP合成酶的旋转催化，亚基的3种构象：Open,Loose,Tight,电子传递与ATP的合成,除醌类外，均为含有辅酶(NADH,FMN/FAD)或辅基(血红素,Fe-S中心)的蛋白质。真核生物只有2条ETC。,ETC的四个复合体,化学渗透假说原理示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,+ + + + + + + + +,C6H12O6 2CH3COCOOH 2C

18、H3CHO 2CH3CH2OH,2NAD,2NADH2,-2CO2,EMP,2ATP,乙醇脱氢酶,酵母菌的乙醇发酵,该乙醇发酵过程只在pH3.54.5以及厌氧的条件下发生。,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,2( 1,3-二磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸发酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2ATP 2ADP,乳酸脱氢酶,丙酮酸,乳酸,不同微生物发酵葡萄糖形成的主要产物,1.酵母菌；2.粪链球菌；3.大肠杆菌；4.产吲哚气杆菌(Aer obacler indologees)；5.阿拉伯糖丙酸杆菌(Propionibacierium arabinosum)；6.雷氏丁酸

19、杆菌(Butyibacierium rettgeri)；7.丁基梭菌(Clostridiumbu lylicum)；8.丙酮丁醇梭菌(Clo.acelobutylicum),混合酸发酵与丁二醇发酵的产物,异型乳酸发酵,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,EMP,HMP,HMP,同型乳酸发 酵后半段,磷酸戊糖解酮酶,乙醇脱氢酶,1mol葡萄糖产: 1mol乳酸1mol乙醇(1mol乙酸) 1molCO21(2)molATP,C

20、oA,无机磷酸,PK,HK,磷酸解酮酶途径。图示两种解酮酶。 此即双歧杆菌进行的双歧乳酸发酵。,1mol葡萄糖产: 1mol乳酸1.5mol乙酸2.5molATP,ED途径,ATP 有氧时经呼吸链 6ATP 无氧时 进行发酵 2乙醇,2ATP NADH+H+ NADPH+H+ 2丙酮酸,ATP C6H12O6KDPG,ED途径的总反应,细菌的乙醇发酵,葡萄糖,2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸,3-磷酸甘油醛 丙酮酸,丙酮酸,乙醛 乙醛,2乙醇,2CO2,2H,2H,ATP,2ATP,菌种：运动发酵单胞菌等 途径：ED,KDPG醛缩酶,1mol葡萄糖产: 2mol乙醇 2molCO2 1mo

21、lATP,Clostridium sporogenes 中以丙氨酸为供氢体和以甘氨酸为受氢体的Stickland反应,根据碳源、能源及电子供体性质的不同，可将微生物分为：,光能无机(自养)型(photolithoautotrphy),光能有机(异养)型(photoorganoheterotrphy),化能无机(自养)型(chemolithoautotrphy),化能有机(异养)型(chemoorganoheterotrophy),3化能无机自养型（化能自养型）,生长所需要的能量来自无机物氧化过程中放出的化学能；,以CO2或碳酸盐作为唯一或主要碳源进行生长时，利用 H2、H2S、Fe2+、NH3或NO2-等作为电子供体使CO2还原 成细胞物质。,化能无机自养型只存在于微生物中，可在完全无机及无 光的环境中生长。它们广泛分布于土壤及水环境中,参 与地球物质循环；,无氧呼吸,无机盐呼吸,有机物呼吸*,硝酸盐呼吸,