《微生物学》教学课件：第五章 微生物的新陈代谢

1、1,微生物学,第五章 微生物的新陈代谢,2,概 述,新陈代谢（metabolism），简称代谢： 活细胞中一切有序化学反应的总和,代 谢,分解代谢 (catabolism),合成代谢 (anabolism),复杂分子 （有机物）,分解代谢酶系,合成代谢酶系,简单小分子,ATP,H,3,新陈代谢本质上的高度统一性（普通生物化学课程）,新陈代谢的多样性（微生物代谢的多样性或特殊性）本章的重点,4,微生物的能量代谢,微生物独特合成代谢途径举例,分解代谢和合成代谢的联系,微生物的新陈代谢,微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的新陈代谢,5,第一节 微生物的能量代谢,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代

2、谢是新陈代谢中的核心问题,研究能量代谢的根本目的，是追踪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,6,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光辐射能,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 微生物的能量代谢,7,一、生物氧化,生物氧化（biological oxidation）就是发生在活细胞内的一切产能性氧化反应的总称,生物氧化与燃烧的比较,8,生物氧化,形式：与氧结合、脱氢和失去电子,功能：产能（ATP）、产还原力H和 产小分子中间代谢产物,呼吸,无氧呼吸,发酵,脱氢 递氢 受氢,9,二、化能异养微生物的生

3、物氧化和产能,最初能源,有机物,化能异养微生物,通用能源 （ATP）,糖、有机酸、氨基酸等,以葡萄糖为例介绍微生物的生物氧化过程,10,（一）底物脱氢的4条途径,1. EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnas pathway），又称糖酵解途径（glycolysis）或己糖二磷酸途径（hexose diphosphate pathway）,是绝大多数生物所共有的主流代谢途径，存在于微生物的所有主要类群中。,11,EMP途径简化流程：2个阶段（耗能和产能）、3种产物、10个反应,3碳阶段 有氧化还原反应产能,总反应式： 1葡萄糖 +2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH+

4、2H+2ATP+2H2O,6碳阶段 无氧化还原反应耗能,12,EMP途径的生理功能： EMP是葡萄糖降解到丙酮酸的最常见途径 供应ATP形式的能量和NADH+H+（又表示为NADH2）形式的还原力 是连接其他几个重要代谢途径的桥梁，包括三羧酸循环（TCA）、HMP途径和ED途径等 为生物合成提供多种中间代谢产物 通过逆向反应可合成多糖 与乙醇、乳酸、甘油、丙酮和丁醇等的发酵生产关系密切,13,（一）底物脱氢的4条途径,2. HMP途径（hexose monophosphate pathway），即已糖一磷酸途径，有时也称戊糖磷酸途径、Warburg-Dickens途径或磷酸葡萄糖酸途径。,在多

5、数好氧菌和兼性厌氧菌中都存在HMP，而且通常与EMP途径同时存在。只有HMP而没有EMP的微生物很少,14,1. 葡萄糖分子通过几步氧化反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2,HMP途径分3个阶段：,2. 核酮糖-5-磷酸发生结构变化而分别产生核糖-5-磷酸和木酮糖-5-磷酸,3. 戊糖磷酸在没有氧参与的条件下发生碳架重排，产生了己糖磷酸和丙糖磷酸，然后丙糖磷酸可通过以下两种方式进一步代谢：其一为通过EMP途径转化成丙酮酸再进入TCA循环进行彻底氧化，另一为通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用而转化为己糖磷酸,EMP reaction,15,总反应式： 6 葡糖-6-磷酸12NADP+6H2O

6、5葡糖-6-磷酸12NADPH26CO2Pi,特点：葡萄糖不经EMP途径和TCA途径而得到彻底氧化，并能产生大量NADPHH+（又作NADPH2）形式的还原力和多种重要中间代谢物,HMP途径在微生物生命活动中有着极其重要的意义，具体见教材109页,16,（一）底物脱氢的4条途径,3. ED途径（ Entner-Doudoroff pathway ），又称2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸（KDPG ）途径,存在于某些缺乏完整EMP途径的微生物中的一种替代途径，为微生物所特有,此途径最早（1952）由Entner和Doudoroff两人在Pseudomonas saccharophila（嗜糖假单

7、胞菌）中发现，接着许多学者证明它在细菌中广泛存在。,17,ED途径,其特点是葡萄糖只经过4步反应即可快速获得由EMP途径须经|10步才能获得的丙酮酸,特征性化合物：2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸(KDPG) 特征性酶：KDPG醛缩酶,KDPG,丙酮酸,甘油醛-3-磷酸,特征性反应：,总反应式： 1葡萄糖 + ADP + Pi +NADP+ +NAD+ 2丙酮酸 +ATP +NADPH2 +NADH2,18,（一）底物脱氢的4条途径,4. TCA循环（tricarboxylic cycle），即三羧酸循环，又称Krebs循环或柠檬酸循环 ，是指由丙酮酸经过一系列环节作循环式反应而被彻底氧化、脱

8、羧，形成CO2、H2O 和NADH2的过程,TCA循环,EMP途径ED途径,19,TCA循环,这是一种广泛存在于各种生物体中的重要生化反应，在各种好氧微生物中普遍存在。,在真核微生物中，TCA循环的反应在线粒体内进行，其中的大多数酶定位在线粒体的基质中； 在原核生物中，大多数酶都存在于细胞质内。 琥珀酸脱氢酶属于例外，它在线粒体或细菌中都是结合在膜上的。,20,氧化脱羧,TCA循环,丙酮酸,乙酰-CoA,4NADH2,FADH2,GTP,3CO2,12ATP,呼吸链,2ATP,呼吸链,ATP,底物水平,21,TCA循环的特点,虽然氧不直接参与反应，但必须在有氧条件下运转（ NAD+和FAD的再

9、生需氧 ） 产能的角度来看，每分子丙酮酸产生4个NADH2、1个FADH2和1个GTP，总共相当于15个ATP，产能效率极高 TCA循环在微生物物质代谢中的地位来看，它位于一切分解代谢和合成代谢中的枢纽地位，不仅可为微生物的生物合成提供各种碳架原料，而且与人类的发酵生产（如柠檬酸、苹果酸、延胡索酸、琥珀酸和谷氨酸等）紧密相关,22,（二）递氢和受氢,在生物体中，储存在葡萄糖等有机物中的化学能，经上述的多种途径脱氢后，经过呼吸链（respiratory chain, RC）又称电子传递链（electron transport chain, ETC）等方式递氢，最终与氧、无机或有机氧化物等氢受体（

10、hydrogen acceptor或receptor）结合，以释放其化学能。,23,（二）递氢和受氢,好氧呼吸,葡萄糖,A,B,C,CO2,-H,-H,-H,-H,经呼吸链, O2,H2O,NO3-, SO42-,CO2,NO2-, SO32-,CH4,A、B或C,无氧呼吸,发酵,AH2 , BH2 或CH2,（发酵产物：乙醇、乳酸等）,脱氢,递氢,受氢,24,（二）递氢和受氢,好氧呼吸,葡萄糖,A,B,C,CO2,-H,-H,-H,-H,经呼吸链, O2,H2O,NO3-, SO42-,CO2,NO2-, SO32-,CH4,A、B或C,无氧呼吸,发酵,AH2 , BH2 或CH2,（发酵产

11、物：乙醇、乳酸等）,脱氢,递氢,受氢,利用外源物质作为电子受体,没有外源电子受体参加,25,（二）递氢和受氢,1. 呼吸，是指底物按常规方式脱氢后，脱下的氢（常以还原力H的形式存在）经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，并产生水和释放ATP形式的能量的过程,递氢和受氢都必须在有氧条件下完成，又称好氧呼吸（aerobic respiration），是一种高效产能方式，也是一种最普遍又最重要的生物氧化或产能方式,26,呼吸链是指位于原核生物细胞膜上或真核生物线粒体膜上的、由一系列氧化还原电势呈梯度差的、链状排列的一组氢（或电子）传递体，其功能是把氢或电子从低氧化还原电势的化合物处逐级传递到高氧

12、化还原电势的分子氧或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。在氢或电子传递过程中，通过与氧化磷酸化反应相偶联，造成一个跨膜质子动势，进而推动了ATP的合成,呼吸链,27,呼吸链,ATP,ATP,ATP,O2,FP (黄素蛋白),NAD(P),FeS,CoQ(辅酶Q),Cytb,Cyt c,Cyt a,Cyt a3,ATP,ATP,ATP,脱氮副球菌的有氧呼吸链,在有氧呼吸中，1分子葡萄糖经EMP和TCA途径后，产生（ ）ATP,？,38,29,氧化磷酸化（oxidation phophorylation）又称电子传递链磷酸化，是指呼吸链的递氢（或电子）和受氢过程与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用

13、。,氧化磷酸化,ATP的形成,ATP形成机制：化学渗透学说 （生物化学）,30,（二）递氢和受氢,2. 无氧呼吸（anaerobic respiration）又称厌氧呼吸，是一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物（少数为有机氧化物）的生物氧化。这是一类在无氧条件下进行的、产能效率较低的特殊呼吸,其特点是底物按常规途径脱氢后，经部分呼吸链递氢，最终由氧化态的无机物或有机物受氢，并完成氧化磷酸化产能反应,根据呼吸链末端氢受体的不同，无氧呼吸分以下类型（多以最终电子受体而命名）：,硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸 硫呼吸 铁呼吸 碳酸盐呼吸,无氧呼吸,无机盐呼吸,有机物呼吸,延胡索酸呼吸 甘氨酸呼吸 氧化三甲

14、胺呼吸,32,硝酸盐,氮源营养物,呼吸链的最终氢受体,无氧,同化性硝酸盐还原作用 (assimilative nitrate reduction),异化性硝酸盐还原作用 (dissimilative nitrate reduction) （硝酸盐呼吸）,亚硝酸、NO、N2O直至N2,还原,有氧或无氧,（1）硝酸盐呼吸 (nitrate respiration)，又称反硝化作用（denitrification）,33,（1）硝酸盐呼吸,能进行硝酸盐呼吸的细菌都是一些兼性厌氧微生物反硝化细菌，主要生活在土壤和水环境中，如地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、铜绿假单胞菌、脱氮硫杆菌等。无氧环境中存在硝酸盐时进

15、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。,无氧呼吸,34,反硝化作用的生态学作用：,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 硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,反硝化作用造成氮肥的损失 将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具重要作用 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。,无氧呼吸,35,（2）硫酸盐呼吸(sulfate r

16、espiration) ，是一类叫作硫酸盐还原菌（或反硫化细菌）的严格厌氧菌在无氧条件下获得能量的方式。硫酸盐呼吸的最终还原产物是H2S。,能进行硫酸盐呼吸的严格厌氧菌有：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠杆菌等,引起水稻秧苗的烂根等毒害,无氧呼吸,36,（3）硫呼吸(sulfhur respiration) ，以无机硫作为呼吸链的最终氢受体并产生H2S的生物氧化作用。,能进行硫呼吸的都是一些兼性或专性厌氧菌（如氧化乙酸脱硫单胞菌等）和一些古生菌（如脱硫球菌属和热变形菌属等）,无氧呼吸,37,（4）铁呼吸(iron respiration) ，以Fe3+作为呼吸链的最终氢受体的生物氧化作用

17、， Fe3+被还原为Fe2+。 在某些兼性或专性厌氧菌中发现，包括化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌。,（5）碳酸盐呼吸(carbonate respiration) ，以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。包括产甲烷菌产生甲烷的碳酸盐呼吸和产乙酸细菌产生乙酸的碳酸盐呼吸（见第八章）。均为厌氧菌。,无氧呼吸,38,（6）延胡索酸呼吸(fumarate respiration) ，以延胡索酸作为呼吸链的最终氢受体并产生琥珀酸的生物氧化作用,存在于一些兼性厌氧菌（如埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属和克氏杆菌属等肠杆菌）和一些厌氧菌（如拟杆菌属、丙酸杆菌属和产琥珀酸弧菌等）中,无氧呼

18、吸,39,无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。,无氧呼吸,40,无氧呼吸,在无氧条件下，某些微生物在没有氧、氮或硫作为呼吸作用的最终电子受体时，可以磷酸盐代替，其结果是生成磷化氢（PH3），一种易燃气体。当有机物腐败变质时，经常会发生这种情况。 若埋葬尸体的坟墓封口不严时，这种气体就很易逸出。农村的墓地通常位于山坡上，埋葬着大量尸体。在夜晚，气体燃烧会发出绿幽幽的光。长期以来人们无法正确地解释这种现象，将

19、其称之为“鬼火”。,有关“鬼火”的生物学解释,41,在呼吸作用中使用的一些常见电子受体,42,（二）递氢和受氢,3. 发酵（fermentation） 概念？,43,狭义的发酵概念：在无氧等外源氢受体的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H未经呼吸链传递而直接交给某一内源性中间代谢物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应。,广义的发酵概念：任何利用好氧性或厌氧性微生物来生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。,发酵的概念,发酵,44,发酵的类型,发酵,（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,乳酸,酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae),乙醇 CO2,同型酒精发酵

20、,德氏乳杆菌 （Lactobacillus delbruckii）,同型乳酸发酵,丙酸 琥珀酸 CO2,丙酸发酵,CO2 H2 甲酸 乙酸,谢氏丙酸杆菌 （Propionibacterium shermanii）,混合酸发酵,2,3丁二醇,产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）,CO2 H2 丁酸 丁醇 丙酮 2-丙醇 乙酸,2,3丁二醇发酵,丁酸丁醇发酵,丙酮丁醇梭菌 （Clostridium acetobutylicum ）,大肠杆菌（Escherichia coli ）,不同微生物利用丙酮酸形成的产物,丙酮酸,45,同型酒精发酵,2CO2,酿酒酵母（Saccharom

21、yces cerevisiae ）的酵母酒精发酵途径（EMP）,2丙酮酸,2乙醛,2乙醇,运动发酵单胞菌（Zymononas mobilis）的细菌酒精发酵途径（ED）,日本人肠内酵母感染导致醉酒,2NADH2,2NAD+,丙酮酸脱羧酶,乙醇脱氢酶,葡萄糖,ED,EMP,46,细菌乙醇发酵与酵母乙醇发酵的比较 优点：细菌代谢速率高，产物转化率高，菌体生成少，代谢副产物少，发酵温度较高，以及不必定期供氧等。 缺点：细菌生长pH较高（细菌pH5，酵母pH3）较易染菌；细菌耐乙醇力较酵母菌为低（细菌7.0，酵母810）。,47,由埃希氏菌属 (Escherichia)，沙门氏菌属 (Salmonel

22、la)，志贺氏杆菌属 (Shigella)等多种肠杆菌进行的发酵，产生大量的酸，是甲基红 (Methyl Red, M-R) 试验阳性的基础。,丙酮酸,甲酸 乙酰-CoA,H2 CO2,乙酰磷酸 乙酸 + ATP 乙醛 乙醇,混合酸发酵,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,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,大肠杆菌：,志贺氏菌：,48,由产气肠杆菌属（Enterobacter）、沙雷铁菌属（Serratia）、芽孢杆菌属（Bacillus）进行的发酵，是V-P试验 (Vogos-Prouskau

23、er test) 阳性的基础,2, 3-丁二醇发酵,CO2,-乙酰乳酸合成酶,-乙酰乳酸脱羧酶,丁二醇脱氢酶,2, 3-丁二醇,2丙酮酸,乙酰乳酸,3-羟基丁酮 (乙酰甲基甲醇),在强碱环境下可被氧化为二乙酰，二乙酰与有胍基的精氨酸反应，可产生特征性的红色反应，称V-P阳性,M-R试验结合V-P试验，是鉴定相应菌种的重要生化指标,CO2,49,由丁酸梭菌（Clostridium butyricum）、丁醇梭菌（Cl. butylicum）和丙酮丁醇梭菌（Cl. acetobutylicum）等厌氧梭菌进行的发酵,丁酸型发酵,丙酮酸,乙酰-CoA,H2,乙酰乙酰-CoA,乙酸,丁酸,丙酮,CO2

24、,2-丙醇,丁醇,丙酮丁醇梭菌所进行的丙酮、丁醇和乙醇发酵，是发酵工业史上迄今为止由严格厌氧菌所进行的唯一能大规模生产的发酵。,乙醇,50,丁酸型发酵,微生物学与第一次世界大战,一次世界大战，有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：,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,用于生产人造橡胶,用于生产无烟火药,英国: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,51,同型乳酸发酵,同型乳酸发酵 (homolactic fermentation) : 葡萄糖经发酵后，发酵产物只有乳酸，没有其他有机酸（EMP途

25、径）,德氏乳杆菌 (Lactobacillus delbruckii), 嗜酸乳杆菌(L. acidophilus)，乳酸乳球菌 （Lactococcus lactis）,52,发酵的类型,发酵,（2）由HMP途径的发酵异型乳酸发酵,异型乳酸发酵 (heterolactic fermentation) : 葡萄糖经发酵后除了产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物（HMP途径）,肠膜明串珠菌 (Leuconostoc mesenteroides), 乳脂明串珠菌 (LCremoris), 短乳杆菌 (Lactobacillus brevis), 发酵乳杆菌(L. Fermentum) 和

26、两歧双歧杆菌 (Bifidobacterium bifidum),“经典”途径,双歧杆菌途径,53,发酵的类型,发酵,（3）由ED途径的发酵细菌酒精发酵,见之前的同型酒精发酵中的对比,54,发酵的类型,发酵,（4）氨基酸发酵产能Stickland反应 当氨基酸兼作碳源、氮源和能源三功能化合物时，可以一种氨基酸作氢供体，以另一种氨基酸作氢受体进行生物氧化产能的独特发酵类型，称为Stickland反应。 存在于一些厌氧梭菌中，如生孢梭菌（Clostridium sporogenes）,氢供体 丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸、色氨酸等 氢受体 甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟

27、氨酸、精氨酸、色氨酸等,55,发酵,发酵中的产能反应底物水平磷酸化 发酵仅是专性厌氧菌或兼性厌氧菌在无氧条件下的一种生物氧化形式，其产能方式只是通过底物水平的磷酸化，因而产能效率很低 。,底物水平磷酸化（substrate level phosphorlation）：指物质在生物氧化过程中，底物因脱氢、脱水等作用而使能量在分子内部 重新分布，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。,56,发酵,发酵作用是厌氧菌获得能量的主要方式。有些兼性厌氧菌也能进行发酵作用，但是若有氧存在时则会发生呼吸抑制发酵的巴斯德效应（Pasteur effect）。,巴斯德效应：在利用酵母

28、发酵葡萄糖生产酒精时，若通入O2则发酵作用下降，停止产生酒精而进行呼吸作用，葡萄糖的利用速度大大降低，酒精生成被抑制。这种现象首先由巴斯德发现，称巴斯德效应。,57,一、生物氧化,呼吸、无氧呼吸和发酵的比较,58,三、自养微生物产ATP和产还原力,自养微生物,化能无机自养型微生物 （对无机物进行氧化而获得能量）,光能自养型微生物 （利用日光辐射能）,生物合成的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,生物合成的起点是建立在对氧化还原水平适中的有机碳直接利用的基础上,59,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光辐射能,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营

29、养微生物,通用能源 （ATP）,60,（一）化能无机自养微生物(chemolithautotrophs) 简称化能自养微生物(chemoautotrophs),化能自养（chemoautotrophs） 碳 源：以无机碳（CO2或碳酸盐）作为唯一或主要碳源 电子供体：H2, NO2-, NH4+, H2S和Fe2+等无机物 能源物质：H2, NO2-, NH4+, H2S和Fe2+等无机物,主要的微生物类群 硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌,61,1、硝化细菌,亚硝化细菌：将氨氧化为亚硝酸并获得能量,硝化细菌：将亚硝酸氧化为硝酸并获得能量,硝化细菌,以氨、亚硝酸等还原态无机氮化合物为能源而生

30、长的细菌,硝化细菌与亚硝化细菌常常伴生在一起，在其共同作用下将氨氧化为硝酸，这个过程称为硝化作用。 可以避免亚硝酸盐的积累产生的毒害作用。 这类菌分布非常广泛，在自然界中氮素循环中起着非常重要的用。,62,硝化细菌电子传递链中的电子流。硝化细菌边行正常的电子传递产生质子动势供ATP 合成用(示意图的右边分支) .一些质子动势也被用来将电子从亚硝酸逆着还原电势梯度流向NAD+ ( 左边分支),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10 h以上。,63

31、,2、硫细菌,硫氧化细菌是一类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）作能源的细菌。化能自养，分布很广，在自然界无机硫氧化过程中起主要作用。包括硫杆菌属（Thiobacillus）、硫小杆菌属、硫化叶菌属（Sulfolobus）等。,硫氧化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。,64,2、硫细菌,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。,65,3、化能自养型微生物产ATP和产还原力的特点,无机物的氧化

32、直接与呼吸链发生联系 呼吸链的组分更多样化，氢或电子可以从任一组分进入呼吸链 产能效率一般低于化能异养微生物,产ATP,NAD+ FP Q Cyt.cc1 Cyt.a1aa3 O2 (NO3-),HS-,SO32-,S2O3-,Cyt.b,ATP,ATP,ATP,H2,NO2-,NH4+,S2-,Fe2+,S0,66,3、化能自养型微生物产ATP和产还原力的特点,如果作为电子供体的无机物的氧化还原电位足够低，则在氧化过程中直接产生还原力 大多数情况下都需要通过电子的逆呼吸链传递，以消耗ATP为代价获得生成还原力,产还原力H,67,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光辐射能,化能异养微生物,化

33、能自养微生物,光能营养微生物,通用能源 （ATP）,第一节 微生物的能量代谢,68,（二）光能营养微生物 （phototrophs）,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,真细菌：光合细菌（厌氧菌）,古生菌：嗜盐菌,69,（二）光能营养微生物,光合生物细胞利用光能驱动光合链的电子传递使ADP磷酸化形成ATP的生物学过程。是光合细胞吸收光能后转换成化学能的一种贮存形式。,能量转换光合磷酸化（photophosphorylation）,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,70,1. 循环光合磷酸化（cyclic photophospho

34、rylation）是一种存在于厌氧性光合细菌（photosynthetic bacteria）中的原始光合作用机制，可在光能驱动下通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。,特 点： 电子传递属循环方式 产能（ATP）与产还原力H分别进行 不是利用H2O，而是利用还原态无机物（H2, H2S）或有机物作还原CO2的氢供体，还原力通过电子的逆向传递产生 不产生氧,71,紫色非硫细菌的光合作用,72,绿色硫细菌的光合作用,73,具有循环光合磷酸化的生物分别属于原核生物细菌域不同门中的光合细菌。因细胞内含菌绿素和类胡萝卜素的量和比例不同，菌体呈现红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等不同颜色。 典型的水生细菌

35、，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水中。,生态及生产意义,不产氧光合作用可利用有毒的H2S或污水中的有机物（脂肪酸、醇类等）作还原CO2的氢供体，可用于污水净化,菌体可作饵料、饲料或食品添加剂,74,特 点： 电子传递属非循环式 在有氧条件下进行 有PS和PS两个光合系统 反应中可同时产能ATP、还原力H和O2 还原力NADPH2中的H来自H2O的光解产物H+和电子,2. 非循环光合磷酸化（non-cyclic photophosphorylation）各种绿色植物（包括藻类）和蓝细菌所共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应，即通常所说的光合作用。,75,绿色植物的光合作用,76,3. 嗜盐菌紫膜的

36、光介导ATP合成（又称紫膜光合磷酸化） 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（purple membrane protein）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势，再由它来推动ATP合酶合成ATP。,一种只有嗜盐菌才有的，在厌氧光照条件下，无叶绿素或细菌菌绿素参与的独特的光合作用。是迄今所知的最简单的光合磷酸化反应。,77,嗜盐菌：一类必须在高盐环境中才能正常生长的古生菌，广泛分布于盐湖、晒盐场或盐腌海产品上。主要代表有盐生盐杆菌（Halobacterium halob

37、ium）、盐沼盐杆菌（H. salinarium）和红皮盐杆菌（H. cutirubrum）,78,嗜盐菌细胞膜,紫色部分（紫膜）,红色部分（红膜）,主要含红色类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分,膜上呈斑片状（直径约0.5 m）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，能进行独特光合作用,79,微生物的能量代谢,微生物独特合成代谢途径举例,分解代谢和合成代谢的联系,微生物的新陈代谢,微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的新陈代谢,微生物的能量代谢内容回顾,运动、营养物质的运输所需的能量,代谢产物,生物合成所需能量,最初能源,分解代谢,合成代谢,营

38、养物,大分子和其他细胞成分,代谢细胞内发生的所有化学反应的总称。它包括分解代谢和合成代谢，分解代谢中分子复杂性降低，产生自由能；通过光合作用和无机营养物的氧化作用亦可获得自由能。合成代谢需要利用自由能以增加分子的复杂性,分解代调中为更有效地利用酶系，各种营养物汇集到少数几条公共途径分解（这几条代谢途径分解各种营养物）：EMP、HMP、ED途径、TCA循环,三羧酸循环是营养物好氧氧化成CO2的最终途径,微生物的能量代谢内容回顾,分解代谢中释放的大部分能量通过具有较负还原电势的电子载体将电子传递到具有较正还原电势的电子载体的方式产生，所以好氧呼吸比厌氧分解代谢更有效产能,很多不同的电子受体可用于分

39、解代谢：内源有机分子（发酵） ，O2（好氧呼吸）、除O2以外的氧化型的外源无机物和有机分子（厌氧呼吸）。此外，有机物和还原型无机物能用作电子传递链和ATP合成的电子供体。微生物分解代谢在营养物多样性和产生有效能量的机理方面是独特的,微生物的能量代谢内容回顾,83,质子动势是通过氧化反应和光合作用产生的，它被用来驱动ATP 的产生和为运输以及细菌运动提供动力,在光合作用中，捕捉的光能将电子推到较负还原电势或较高能量水平上，然后这些被激发的电子在电子传递期间用于产生ATP和NADPH或 NADH,微生物的能量代谢内容回顾,84,微生物的能量代谢,微生物独特合成代谢途径举例,分解代谢和合成代谢的联系

40、,微生物的新陈代谢,微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的新陈代谢,85,第二节 分解代谢和合成代谢的联系,最初能源,有机能源,分解代谢,CO2+分解代谢产物,生长繁殖+ 合成代谢产物,细胞组分,合成代谢,小分子营养物,ATP,H,中间代谢物,O2,合成代谢与分解代谢的功能及其相互联系,中间代谢产物的重要性,异养生物,各种中间代谢物,CO2,有机物,葡萄糖-1-P 葡萄糖-6-P 二羟丙酮-P 甘油酸-3-P 烯醇式丙酮酸 丙酮酸,EMP,HMP,TCA,氨基酸,核苷酸,维生素等,加氮源,蛋白质,核酸,单糖类,脂肪酸,其他成分,多糖,脂质,自养生物,CO2,核糖-5-P 赤藓糖-4-P,乙酰-C

41、oA 草酰乙酸 -酮戊二酸 琥珀酰-CoA,连接合成代谢与分解代谢的中间代谢物有12种,87,一、两用代谢途径 凡在分解代谢和合成代谢中均具有功能的代谢 途径叫两用代谢途径。如EMP，HMP，TCA,葡萄糖,2丙酮酸,EMP途径,糖异生作用（gluconeogenesis）,如何解决分解代谢和合成代谢都要利用这些中间代谢产物的矛盾,?,88,两用代谢途径中合成途径与分解途径的关系 合成途径并非分解途径的完全逆转，即某一反应的逆反应并不总是由同样的酶进行催化 在两种代谢的相应代谢步骤中，往往还包含了完全不同的代谢产物 真核生物中，两种代谢一般在不同的分隔区域内进行,89,二、代谢物回补顺序 又称

42、代谢物补偿途径或添补途径，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,与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约10条，围绕EMP途径中的磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolypyruvate, PEP）和TCA循环中的草酰乙酸（oxaloacetate, OA）这两种关键性中间代谢产物进行（见P132）,90,乙醛酸循环（glyoxylate cycle） 又称乙醛酸支路，因循环中存在乙醛酸这一关键中间代谢物而得名。是高等植物和微生物所特有的一条代谢途径，可作为TCA循环的回补途径。,存在于好氧微生物中，例如可用乙酸作唯一碳源生长的一些细菌，包括醋杆菌属 (Acetobac

43、gter)、固氮菌属 (Azotobacter) 、大肠杆菌、产气肠杆菌、脱氮副球菌等；真菌中有酵母属 (Saccharomyces)、青霉属 (Penicillium) 和黑曲霉 (Aspergillus niger),91,异柠檬酸,琥珀酸 +,乙醛酸,ICL,乙醛酸+,乙酰-CoA,苹果酸 +,CoA,MS,关键中间代谢物,关键反应,关键酶,异柠檬酸裂合酶,苹果酸合成酶,92,微生物的能量代谢,微生物独特合成代谢途径举例,分解代谢和合成代谢的联系,微生物的新陈代谢,微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的新陈代谢,93,第三节 微生物独特合成代谢途径举例,微生物特有的、重要的和有代表性的合成

44、代谢途径,一切生物共有的重要物质的合成代谢知识 （生物化学课程）,自养微生物的CO2固定,生物固氮,细胞壁肽聚糖的合成,微生物次生代谢物的合成,94,一、 自养微生物的CO2固定,将CO2还原为细胞物质的过程称为CO2的固定,微生物CO2固定的途径 Calvin循环（Calvin cycle） 逆向TCA循环（reverse TCA cycle） 厌氧乙酰-CoA途径（anaerobic acytyl-CoA pathway） 羟基丙酸途径（hydroxypropionate pathway）,95,（一） Calvin循环 又称为核酮糖二磷酸途径或还原性戊糖磷酸循环，是光能/化能自养微生物固

45、定CO2的主要途径,该途径特有的酶 核酮糖二磷酸羧化酶-加氧酶（ribulose 1, 5-biphosphate carboxylase-oxygenase, RuBisCO） 磷酸核酮糖激酶（phosphoribulokinase) 生物 光能自养生物：绿色植物、蓝细菌、光合细菌 化能自养生物：硝化细菌、硫细菌、铁细菌,96,羧化反应（固定CO2 ） 还原反应（将羧基还原为醛基） 再生反应（CO2受体核酮糖-1,5-二磷酸的再生）,（一） Calvin循环,分为3个阶段：,97,（一） Calvin循环,羧化反应,核酮糖-1, 5-二磷酸 + CO2 甘油酸-3-磷酸,RuBisCO,CO

46、2的受体,固定CO2,98,还原反应,RuBisCO,甘油酸-3-磷酸,甘油酸-1, 3-二磷酸,甘油醛-3-磷酸,消耗ATP,消耗 H,（一） Calvin循环,将羧基还原为醛基,99,（一） Calvin循环,再生反应,CO2受体的再生,核酮糖-5-磷酸,甘油醛-3-磷酸,核酮糖-1, 5-二磷酸,糖分子重排,磷酸核酮糖激酶,ATP,100,（一） Calvin循环,甘油醛-3-磷酸,己糖,缩合,聚合,还原,氧化,甘油,乙酰-CoA,羧酸,氨基酸,氨基化,聚合,蛋白质,酯化,磷脂、脂肪、油,双糖（蔗糖等）,多糖（淀粉、纤维素等）,以产生1个葡萄糖计， Calvin循环的总反应式 6CO2

47、+ 12NAD(P)H2 + 18ATP C6H12O6 + 12NAD(P)+ + 18ADP + 18Pi + 6H2O,101,（二）逆向TCA循环 又称还原性TCA循环,代表生物：绿菌属（Chlorobium）的绿色硫细菌（green sulfur bacteria）,102,ATP,ATP,103,（三）厌氧乙酰-CoA途径 又称活性乙酸途径。为非循环式CO2固定途径，主要存在于一些产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养菌中。,关键酶：CO脱氢酶,104,（四）羟基丙酸途径 少数绿色非硫细菌（绿弯菌属Chloroflexus） 在以H2或H2S作电子供体进行自养生活时所特有的一种

48、CO2固定机制。,关键产物： 羟基丙酸,丙酰-CoA,乙醛酸,3-羟基丙酸,甲基丙二酰-CoA,105,二、 生物固氮,生物固氮（biological nitrogen fixation）是指大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。,生物界中只有原核生物才具固氮能力,106,（一） 固氮微生物 最早发现的是共生的根瘤菌属和自生的固氮菌属，至2006年已发现固氮微生物200余属。 根据生态类型（与其他生物之间的关系）分为：,自生固氮菌（free-living nitrogen-fixer）不依赖与他种生物共生而能独立进行固氮（所有营养类型和呼吸类型的都有） 共生固氮菌（symbio

49、tic nitrogen-fixer）必须与他种生物共生在一起形成共生体时才能固氮（与豆科植物的根共生的根瘤菌和非豆科植物的根共生的弗兰克氏菌属；与地衣和满江红共生的蓝细菌） 联合固氮菌（associative nitrogen-fixer）必须生活在植物根际、叶面或动物肠道才能固氮 （见P137）,107,（二） 固氮的生化机制,N2,2 NH3,能量ATP的供体（N2:ATP=1:18-24） 还原力H及其传递载体：还原力由NAD(P)H2提供;传递载体：铁氧还蛋白( Fd )，黄素氧还蛋白( Fld ) 固氮酶（nitrogenase）（固二氮酶和固二氮还原酶） 底物N2 Mg2+ 严格

50、的厌氧微环境,1. 生物固氮反应的六要素,108,2. 固氮的生化机制,固氮酶（nitrogenase）,109,Fd向铁蛋白提供1个电子，使其由氧化型变成还原型,还原型的铁蛋白结合ATP-Mg复合物，改变构象,钼铁蛋白在活性中心的Mo位点上与N2结合，并与铁蛋白- ATP-Mg复合物反应，形成完整的固氮酶,电子从铁蛋白- ATP-Mg复合物转移到钼铁蛋白的Fe上，铁蛋白恢复到氧化型，ATP水解为ADP,110,（3） 固氮酶的产氢反应,N2 + 8H+ + 8e- +16ATP,2NH3+H2 + 16ADP +16Pi,4H+,H2,氢化酶 （hydrogenase）回收氢,111,（4）

51、 测定固氮酶活力的乙炔还原法,反应中，乙炔和乙烯量的微小变化可以灵敏地被气相色谱仪检测出来。该方法灵敏度高、设备较简单、成本低廉、操作方便，成为研究固氮的实验室的常规方法。,112,（4） 测定固氮酶活力的乙炔还原法,113,（三）好氧菌固氮酶避氧害机制,固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感 半衰期：铁蛋白45 S， 钼铁蛋白10 min,已知的大多数固氮微生物都是好氧菌,好氧生化反应（呼吸） 矛盾 厌氧生化反应（固氮）,114,（三）好氧菌固氮酶避氧害机制（P140-141）,1. 好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制 呼吸保护：极强的呼吸作用迅速消耗氧 构象保护：固氮酶形成一个无固氮活性但能防止氧害

52、的特殊构象（铁硫蛋白II）,2. 蓝细菌（放氧性光合生物）固氮酶的抗氧保护机制 分化出特殊的还原性异形胞 非异形胞蓝细菌固氮酶的保护,115,（三）好氧菌固氮酶避氧害机制,3. 豆科植物根瘤菌固氮酶的抗氧保护机制 豆血红蛋白,红色含铁蛋白，包括血红蛋白和球蛋白2种成分。通过氧化态（Fe3+）和还原态（ Fe2+ ）间的变化发挥“缓冲剂”作用，使游离氧维持在低而恒定的水平,类菌体,根部皮层,类菌体周膜,116,三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成,肽聚糖（peptidoglycan）是真细菌细胞壁中的特有成分 实例金黄色葡萄球菌（G+）,整个合成过程经历20个步骤。 根据反应部位的不同，分,11

53、7,（一） 在细胞质中的合成 葡萄糖 UDP-N-乙酰胞壁酸,能被环丝氨酸（恶唑霉素）所抑制,UDP-N-乙酰胞壁酸（UDP-NAM）,“Park”核苷酸,尿苷二磷酸糖载体,UDP-N-乙酰葡糖胺（UDP-NAG）,UDP-N-乙酰胞壁酸五肽,118,（二） 在细胞膜中的合成,“Park”核苷酸,肽聚糖单体,类脂载体细菌萜醇 含11个异戊二烯单位的C55类异戊二烯醇，通过焦磷酸分子与N-乙酰胞壁酸相接，使糖的中间代谢物呈现出很强的疏水性，顺利通过细胞膜而转移到膜外,亲水性分子,能被万古霉素和杆菌肽所抑制,119,（三） 在细胞膜外的合成,肽聚糖单体,肽聚糖链的延伸和交联,120,（三） 在细胞膜外的合成,肽聚糖单体,转糖基作用多糖链在横向上延伸一个多糖单位 转肽作用两个糖基间的肽侧链和肽桥的交联,肽聚糖链的延伸和交联,121,青霉素作用于细菌细胞壁的机制,122,青霉素-内酰胺环结构与D-丙氨酸末端结构相似，从而能占据 D-丙氨酸的位置与转