微生物学-第六章-微生物的代谢课件.ppt

代谢概论代谢概论代谢（代谢（metabolism）：）：细胞内发生的各种化学反应的总称细胞内发生的各种化学反应的总称代谢代谢分解代谢分解代谢(catabolism)合成代谢合成代谢(anabolism)复杂分子复杂分子（有机物）（有机物）分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢简单小分子简单小分子ATPH一、概述 葡萄糖降解代谢途径生物氧化：发酵作用 产能过程 呼吸作用（有氧或无氧呼吸）1、化能异养微生物的生物氧化与产能过程：脱氢（或电子）递氢（或电子）受氢（或电子）功能：产能（ATP）、还原力、小分子代谢产物等。第一节第一节 微生物的产能代谢微生物的产能代谢 将最初能源转换成通用的ATP过程生物氧化的生物氧化的形式形式：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种：某物质与氧结合、脱氢或脱电子三种生物氧化的生物氧化的功能功能为：为：产能（产能（ATP）、产还原力）、产还原力HH和产小分子中间代谢物和产小分子中间代谢物自养微生物利用自养微生物利用无机物无机物异养微生物利用异养微生物利用有机物有机物生物生物氧化氧化能量能量微生物直接利用微生物直接利用储存在高能化合物（如储存在高能化合物（如ATP）中）中以热的形式被释放到环境中以热的形式被释放到环境中二、葡萄糖降解代谢途径（EMPEMP、HMPHMP、EDED、PKPK途径等。）途径等。）1）EMP途径（糖酵解途径、三磷酸己糖途径）葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 有氧：有氧：EMPEMP途径与途径与TCATCA途径连接；途径连接；无氧：还原一些代谢产物，无氧：还原一些代谢产物，(专性厌氧微生物专性厌氧微生物专性厌氧微生物专性厌氧微生物)产能的唯一途径。产能的唯一途径。产能产能（底物磷酸化产能：底物磷酸化产能：（1 1）1 1，33 P P-甘油醛甘油醛 3 3 P-P-甘油酸甘油酸+ATPATP；（2 2）PEP PEP 丙酮酸丙酮酸+ATPATP10 步反应分为两个阶段：1、3个分子6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖在6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶等催化下经氧化脱羧生成6个分子NADPH+HNADPH+H+，3个分子CO2CO2和3个分子5-磷酸核酮糖2、5-5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖在转酮酶和转醛酶催化下使部分碳链进行相互转换，经三碳、四碳、七碳和磷酸酯等，最终生成2分子6-磷酸果糖和1分子3-磷酸甘油醛。2）HMP 途径（磷酸戊糖途径、旁路途径）6-6-6-6-磷酸果糖磷酸果糖磷酸果糖磷酸果糖出路：出路：可被转变重新形成可被转变重新形成6-6-磷酸葡糖磷酸葡糖，回到，回到磷酸戊磷酸戊糖糖途径。途径。甘油醛甘油醛甘油醛甘油醛-3-3-3-3-磷酸磷酸磷酸磷酸出路：出路：a a、经经EMPEMP途径，转化成丙酮酸，进入途径，转化成丙酮酸，进入TCA TCA 途径途径 b b、变成变成己糖磷酸己糖磷酸，回到磷酸戊糖途径。回到磷酸戊糖途径。总反应式：总反应式：6 6-6 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖+12NADP12NADP+3H+3H2 2O O 5 6-5 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 +6CO6CO2 2+12NADPH+12H+12NADPH+12H+Pi+Pi 特点：特点：a a 、不经、不经EMPEMP途径和途径和TCATCA循环而得到彻底氧化，无循环而得到彻底氧化，无ATPATP生成，生成，b b、产大量的产大量的NADPH+HNADPH+H+还原力还原力 ；c c、产各种不同长度的产各种不同长度的重要的中间物（重要的中间物（5-5-5-5-磷酸核糖磷酸核糖磷酸核糖磷酸核糖、4-4-磷酸磷酸-赤藓糖赤藓糖 ）d d、单独单独HMPHMP途径较少，一般与途径较少，一般与EMPEMP途径同存途径同存 e e、HMPHMP途径是戊糖代谢的主要途径途径是戊糖代谢的主要途径。3）ED途径 2-酮-3-脱氧-6-磷酸-葡萄糖酸裂解途径 1952年 Entner-Doudoroff：嗜糖假单胞嗜糖假单胞 过程：（4步反应）1 葡萄糖 6-磷酸-葡萄糖 6-磷酸-葡糖酸 KDPG6-磷酸-葡萄糖-脱水酶3-磷酸-甘油醛+丙酮酸KDPG醛缩酶醛缩酶特点:a、步骤简单 b、产能效率低：1 ATP c、关键中间产物 KDPG，特征酶：KDPG醛缩酶 细菌：铜绿、荧光假单胞菌,根瘤菌,固氮菌,农杆菌,运动发酵单胞菌等。4）PK途径（磷酸酮解酶途径）a a、磷酸戊糖酮解酶途径磷酸戊糖酮解酶途径（肠膜明串珠菌、肠膜明串珠菌、番茄乳杆菌、甘露醇乳番茄乳杆菌、甘露醇乳杆菌、短杆乳杆菌杆菌、短杆乳杆菌 ）G 5-G 5-磷酸磷酸-木酮糖木酮糖 乙酰磷酸+3-磷酸-甘油醛特征性酶特征性酶 木酮糖酮解酶木酮糖酮解酶乙醇丙酮酸乳酸 1 G 乳酸+乙醇+1 ATP+NADPH+H+G 6-G 6-磷酸磷酸-果糖果糖b、磷酸己糖酮解酶途径又称HK途径（两歧双歧杆菌）4-磷酸-赤藓糖+乙酰磷酸特征性酶特征性酶 磷酸己糖酮解酶磷酸己糖酮解酶 3-磷酸甘油醛+乙酰磷酸5-磷酸-木酮糖，5-磷酸-核糖乙酸戊糖酮解酶戊糖酮解酶6-磷酸-果糖乳酸 乙酸1 G 乳酸+1.5乙酸+2.5 ATP 1、定义定义 广义：广义：利用微生物利用微生物生产有用代谢一种生产方式。生产有用代谢一种生产方式。狭义：狭义：厌氧条件下，以自身内部某些厌氧条件下，以自身内部某些中间代谢中间代谢 产物产物作为最终氢（电子）受体的产能过程作为最终氢（电子）受体的产能过程 特点：特点：1 1）通过底物水平磷酸化产）通过底物水平磷酸化产ATPATP；2 2）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于）葡萄糖氧化不彻底，大部分能量存在于 发酵产物中；发酵产物中；3 3）产能率低；）产能率低；4 4）产多种发酵产物。）产多种发酵产物。三、发酵（fermentantion）2、发酵类型1）乙醇发酵 a、酵母型乙醇发酵 1 G 2丙酮酸 2 乙醛+CO2 2 乙醇+2 ATP 条件：pH 3.54.5,厌氧菌种：酿酒酵母、少数细菌（胃八叠球菌、解淀粉欧文氏菌等）i、加入NaHSO4 NaHSO4+乙醛 磺化羟乙醛（难溶）ii、弱碱性（pH 7.5）2 乙醛 1 乙酸+1 乙醇 （歧化反应）磷酸二羟丙酮作为氢受体，经水解去磷酸生成甘甘油发酵（EMP）-亚硫酸氢钠必须控制亚适量（3%）b b、细菌型乙醇发酵、细菌型乙醇发酵 (发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌发酵单胞菌和嗜糖假单胞菌)同型酒精发酵同型酒精发酵 1 G 2 1 G 2 丙酮酸丙酮酸 代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长代谢速率高，产物转化率高，发酵周期短等。缺点是生长pHpH较高，较易染较高，较易染杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低杂菌，并且对乙醇的耐受力较酵母菌低.（ED）乙醇乙醇+1ATP 异型酒精发酵(乳酸菌、肠道菌和一些嗜热细菌）1 G 2 丙酮酸（丙酮酸甲酸解酶）（丙酮酸甲酸解酶）乙醛 乙醇乙醇甲酸甲酸+乙酰-CoA无丙酮酸脱羧酶而有乙醛脱氢酶 2）乳酸发酵乳酸发酵 同型乳酸发酵 （德氏乳杆菌、植物乳杆菌等）EMP途径（丙酮酸 乳酸）异型乳酸发酵（PK途径）肠膜明串株菌（PK）产能：1ATP 双歧双歧杆菌（PK、HK）产能：2G 5 ATP即 1G 2.5ATP 3)混合酸、丁二醇发酵a 混合酸发酵：肠道菌（E.coli、沙氏菌、志贺氏菌等）1 G丙酮酸乳酸乳酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 乙酰-CoA+甲酸甲酸丙酮酸甲酸解酶丙酮酸甲酸解酶草酰乙酸丙酸丙酸PEP羧化酶羧化酶磷酸转乙酰基酶磷酸转乙酰基酶乙醛脱氢酶乙醛脱氢酶乙酸激酶乙酸激酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乙酸乙酸 乙醇乙醇E.coli与志贺氏菌的区别：葡萄糖发酵试验：E.coli、产气肠杆菌 甲酸 CO2+H2 （甲酸氢解酶甲酸氢解酶、H+）志贺氏菌无此酶，故发酵G 不产气。CO2+H2 b b 丁二醇发酵（丁二醇发酵（2 2，3-3-丁二醇发酵）丁二醇发酵）肠杆菌、沙雷氏菌、欧文氏菌等丙酮酸乙酰乳酸3-羟基丁酮乙二酰红色物质（乙酰乳酸脱氢酶）（乙酰乳酸脱氢酶）（OHOH-、O O2 2）中性丁二醇丁二醇精氨酸胍基其中两个重要的鉴定反应：1、VP实验 2、甲基红（M.R）反应产气肠杆菌：V.P.试验（+），甲基红（-）E.coli：V.P.试验（-），甲基红（+）V.P.试验的原理：4）丙酮-丁醇发酵 严格厌氧菌进行的严格厌氧菌进行的 唯一能大规模生产的发酵唯一能大规模生产的发酵产品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例产品。（丙酮、丁醇、乙醇混合物，其比例3 3：6 6：1 1）丙酮丁醇梭菌丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutyricumClostridium acetobutyricum)2丙酮酸2乙酰-CoA乙酰-乙酰 CoA丙酮丙酮+CO2（CoA转移酶）转移酶）丁醇丁醇缩合 5）氨基酸的发酵产能（stickland反应）发酵菌体：生孢梭菌生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌、双 酶梭菌等。特点：氨基酸的氧化与另一些氨基酸还原相偶联；产能效率低（1ATP）氢供体（氧化）氨基酸：Ala、Leu、Ile、Val、His、Ser、Phe、Tyr、Try等。氢受体（还原）氨基酸：Gly、Pro、Arg、Met、Leo、羟脯氨酸等。氧化 丙氨酸丙酮酸-NH3NADNAD+NADHNADH乙酰-CoANADNAD+NADHNADH乙酸乙酸 +ATPATP甘氨酸乙酸乙酸甘氨酸-NH3还原四、呼吸（respiration）从葡萄糖或其他有机物质脱下的电子或氢 经过系列载体最终传递给外源O2或其他氧 化型化合物并产生较多ATP的生物氧化过程。有氧呼吸（aerobic respiration）无氧呼吸（anaerobic respiration）1 有氧呼吸 原核微生物：胞质中，仅琥珀酸脱氢酶在膜上 真核微生物：线粒体内膜上 2 个产能的环节：Kreb 循环、电子传递。TCA循环的生理意义：（1）为细胞提供能量。（2）三羧酸循环是微生物细胞内各种能源物质彻底氧化的共同代谢途径。（3)三羧酸循环是物质转化的枢纽。（1）TCA循环柠檬酸循环或Krebs循环 TCA 的补充途径 I 乙醛酸循环（TCA 循环支路）（异柠檬酸裂合酶）（异柠檬酸裂合酶）（乙酰（乙酰-CoACoA合成酶）合成酶）（苹果酸合成酶）苹果酸合成酶）乙酰-CoA异柠檬酸琥珀酸 +乙醛酸乙酸苹果酸Ii 丙酮酸、PEP等化合物固定CO2的方法Iii 厌氧、兼性厌氧微生物获得TCA 中间产物方式（2）电子传递链1）电子传递链载体:NADH脱氢酶黄素蛋白辅酶Q（CoQ）铁-硫蛋白及细胞色素类蛋白 在线粒体内膜中以4个载体复合物的形式从低氧化还原势的化合物到高氧化还原势的分子氧或其他无机、有机氧化物逐级排列。2）原核微生物电子传递链特点：最终电子受体多样：O2、NO3-、NO2-、NO-、SO42-、S2-、CO32-等；电子供体：H2、S、Fe2+、NH4+、NO2-、G、其他有机质等；含各种类型细胞色素：a、a1、a2、a4、b、b1、c、c1、c4、c5、d、o等；末端氧化酶：cyt a1、a2、a3、d、o，H2O2酶、过氧化物酶；呼吸链组分多变存在分支呼吸链：细菌的电子传递链更短并PO比更低，在电子传递链的几个位置进入链和通过几个位置的末端氧化酶而离开链。E.coli（缺氧）CoQ cyt.b556 cyt.o cyt.b558 cyt.d（抗氰化物）细胞色素0分支对氧亲和性低，是一种质子泵，在氧供应充足的条件下工作；细胞色素d分支对氧有很高的亲和性，因此在氧供应不足的情况下起作用。电子传递多样：CoQ cyt.也可不经过此途径。3）氧化磷酸化产能机制 化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说化学渗透学说-英国生物化学家PeterMitchell于1961年提出的。该假说认为电子传递链的组成导致质子从线粒体的基质向外移动，电子向内传递。质子传递可能是由于载体环或特定的质子泵的作用，驱动泵的能量来自电子传递。来自被氧化底物上的一对电子沿传递链转移时所产生的跨膜的电化学梯度（即质子动势Proton motiveforce,PMF)是ATP合成的原动力。当质子动势驱动被转移至膜间空键的质子返回线粒体基质中时，所释放的能量推动ADP磷酸化生成ATP。质子推动力（p）取决于跨膜的质子浓度（pH）和内膜两侧的电位差（）。特点：a常规途径脱下的氢，经部分呼吸链传递；b氢受体：氧化态无机物（个别：延胡索酸）c产能效率低。硝酸盐呼吸（反硝化作用）即硝酸盐还原作用 特点：a 有其完整的呼吸系统；b 只有在无氧条件下，才能诱导出反硝化作 用所需的硝酸盐还原酶A亚硝酸还原酶等 c 兼性厌氧 细菌：铜绿假单胞、地衣芽孢杆菌等。2 无氧呼吸（厌氧呼吸）硝酸盐作用硝酸盐作用同化性硝酸盐作用：同化性硝酸盐作用：NONO3 3-NH NH3 3-N -N R-NH R-NH2 2 异化性硝酸盐作用：异化性硝酸盐作用：无氧条件下，利用无氧条件下，利用NONO3 3 3 3-为最终氢受体为最终氢受体 NONO3 3-NO NO2 2 NO NO N N2 2O O N N2 2 反硝化意义：反硝化意义：1 1）使土壤中的氮（硝酸盐）使土壤中的氮（硝酸盐NO3-NO3-）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；）还原成氮气而消失，降低土壤的肥力；2 2）反硝化作用在氮素循环中起重要作用）反硝化作用在氮素循环中起重要作用。亚硝酸还原酶亚硝酸还原酶氧化氮还原酶氧化氮还原酶氧化亚氮还原酶氧化亚氮还原酶硝酸盐还原酶硝酸盐还原酶 硫酸盐呼吸（硫酸盐还原）厌氧时，SO42-、SO32-、S2O32-等为末端电 子受体的呼吸过程。特点：a、严格厌氧；b、大多为古细菌 c、极大多专性化能异氧型，少数混合型；d、最终产物为H2S；SO42-SO32-SO2 S H2S e、利用有机质（有机酸、脂肪酸、醇类）作 为氢供体或电子供体；f、环境：富含SO42-的厌氧环境（土壤、海水、污水等）硫呼吸（硫还原）以元素以元素S S作为唯一的末端电子受体。作为唯一的末端电子受体。电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等电子供体：乙酸、小肽、葡萄糖等碳酸盐呼吸（碳酸盐还原）以以COCO2 2、HCOHCO3 3-为末端电子受体为末端电子受体 产甲烷菌产甲烷菌 利用利用H H2 2作电子供体（能源）、作电子供体（能源）、COCO2 2为为 受体，受体，产物产物CHCH4 4；产乙酸细菌产乙酸细菌 H H2 2/CO/CO2 2 进行无氧呼吸，产物进行无氧呼吸，产物为为乙酸乙酸。其他类型无氧呼吸 以以FeFe3+3+、MnMn2+2+许多有机氧化物等作为末许多有机氧化物等作为末 端电子受体的无氧呼吸。端电子受体的无氧呼吸。延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 +1 ATP+1 ATP。被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还被砷、硒化合物污染的土壤中，厌氧条件下生长一些还原硫细菌。原硫细菌。利用Desulfotomaculum auripigmentum还原AsO43-生产三硫化二砷（雌黄）作用：生物矿化和微生物清污第二节 微生物特有的合成代谢途径一、细菌的光合作用 真核生物：藻类及其他绿色植物 产氧 原核生物：蓝细菌光能营养型生物 不产氧（仅原核生物有）：光合细菌1、光合细菌类群1）产氧光合细菌好氧菌 各种绿色植物、藻类 蓝细菌：专性光能自养。(H2S环境中，只利用光合系统 I 进行不产氧作用)。2）不产氧光合细菌a、紫色细菌 只含菌绿素a 或 b。紫硫细菌（着色菌科）（紫硫细菌（着色菌科）（旧称红硫菌科）含紫色类胡萝卜素，菌体较大。S沉积胞内。氢供体：H2S、H2 或 有机物。H2S S SO42-；少数暗环境以S2O32-作为电子供体。氧化铁紫硫细菌（氧化铁紫硫细菌（Chromatium属）利用FeS,或Fe2+2+氧化产生Fe(OH)3沉淀紫色非硫细菌（红螺菌科）：紫色非硫细菌（红螺菌科）：旧认为不能利用硫化物作为电子供体；现知大多数亦能利用硫化物，但浓度不能高。b、绿色细菌（绿硫细菌）含较多的菌绿素c、d 或 e，少量 a。电子供体：硫化物 或 元素硫，S沉积胞外（类似紫色非硫细菌）；暗环境中不进行呼吸代谢，还可同化乙酸、丙酸、乳酸等简单有机物。2、细菌光合色素 1）叶绿素（chlorophyll）：680、440nm 2）菌绿素 a、b、c、d、e、g。a：与叶绿素 a 基本相似；850nm处。b：最大吸收波长8401030。3）辅助色素：提高光利用率 类胡萝卜素：藻胆素：篮细菌独有 藻红素（550nm）、藻蓝素（620 640 nm）藻胆蛋白：与蛋白质共价结合的藻胆素。3、细菌光合作用1）循环光合磷酸化 细菌叶绿素将捕获的光能传输给其反应中心叶绿素P870，P870吸收光能并被激发，使它的还原电势变得很负，被逐出的电子经过由脱镁菌绿素(bacteriopheophytin，Bph)、CoQ、细胞色素b和c组成的电子传递链传递返回到细菌叶绿素P870，同时造成了质子的跨膜移动，提供能量用于合成ATP。特点：a、光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素；b、产ATP和还原力H分别进行，还原力来自H2S等无机物；c、不产氧（O2）。光驱使下，电子自菌绿素上逐出后，经过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素产ATP和还原力分别进行.紫色细菌循环光合磷酸化过程 外源电子供体 H2S等无机物氧化放出电子，最终传至失电子的光合色素时与ADP磷酸化偶联产生ATP。特点：只有一个光合系统，光合作用释放的电子仅用于NAD+还原NADH，但电子传递不形成环式回路。绿硫细菌和绿色细菌 2 2）非循环光合磷酸化）非循环光合磷酸化 特点：特点：a a、电子传递非循环式；、电子传递非循环式；b b、在有氧的条件下进行；、在有氧的条件下进行；c c、存在两个光合系统、存在两个光合系统 d d、ATPATP、还原力、还原力、O O2 2同时产生同时产生 当光反应中心当光反应中心I I的叶绿素的叶绿素P700P700吸收光量子能量后释放的电子，经吸收光量子能量后释放的电子，经过黄素蛋白和铁氧还蛋白过黄素蛋白和铁氧还蛋白(Fd)(Fd)传递给传递给NAD+NAD+（NADPNADP）生成）生成NADHNADH（NADPHNADPH）+H+H(还原力还原力)，而不是返回氧化型，而不是返回氧化型P700P700。光合系。光合系统统IIII将电子提供给氧化型将电子提供给氧化型P700P700，并产生，并产生ATPATP。光合系统光合系统IIII天线色素吸收光能并激发天线色素吸收光能并激发P680P680放出电子，然后还原脱放出电子，然后还原脱镁叶绿素镁叶绿素a(a(脱镁叶绿素脱镁叶绿素a a是是2 2个氢原子取代中心镁原子的叶绿素个氢原子取代中心镁原子的叶绿素a)a)，经过由质体醌，经过由质体醌(plastoquinone(plastoquinone，PQ)PQ)、Cyt.bCyt.b、Cyt.fCyt.f和质体蓝和质体蓝素素(plastocyanin(plastocyanin，PC)PC)组成的电子传递链到氧化型组成的电子传递链到氧化型 P700P700（不返（不返回氧化型回氧化型P680P680），而氧化型），而氧化型P680P680从水氧化成从水氧化成0202过程中得到电子。过程中得到电子。在光系统在光系统中，电子由中，电子由PQPQ经经Cyt.bCyt.b传递给传递给Cyt.fCyt.f时与时与ADPADP磷酸化偶磷酸化偶联产生联产生ATPATP。蓝细菌等的产氧光合作用非循环光合磷酸化过程 3）依靠菌视紫红质的光合作用无叶绿素或菌绿素参与的独特的光合作用，是迄今为止最简单的光合磷酸化反应。极端嗜盐古细菌 菌视紫红质：以“视黄醛”（紫色）为辅基。与叶绿素相似，具质子泵作用。与膜脂共同构成紫膜；埋于红色细胞膜（类胡 萝卜素）内。ATP合成机理：视黄醛吸收光，构型改变，质子泵到膜外，膜内外形成质子梯度差和电位梯度差，是ATP合成的原动力，驱动ATP酶合成ATP。二、细菌化能自养作用细菌化能自养作用 化能无机营养型细菌：通常是化能自养型细菌，一般是好氧菌。产能的途径主要是借助于无机电子供体(能源物质)的氧化，从无机物脱下-的氢(电子)直接进入呼吸链通过氧化磷酸化产生ATP。最普通的电子供体是氢、还原型氮化合物、还原型硫化合物和亚铁离子(Fe2)。利用卡尔文循环固定C02作为它们的碳源。最重要反应：CO2 还原成CH20水平的简单有机物，进一步合成复杂细胞成分 大量耗能、耗还原力的过程。化能自养细菌的能量代谢化能自养细菌的能量代谢特点：特点：无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸无机底物脱下的氢（电子）从相应位置直接进入呼吸链氧化磷酸化产能。链氧化磷酸化产能。电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。电子可从多处进入呼吸链，所以呼吸链有多种多样。产能效率，即氧化磷酸化效率产能效率，即氧化磷酸化效率(P(P0 0值值)通常要比化能通常要比化能异养细菌的低。异养细菌的低。生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱生长缓慢，产细胞率低。有以下特点：无机底物上脱下的氢下的氢(电子电子)直接进入呼吸链。直接进入呼吸链。1 1 硝化细菌硝化细菌 能氧化氮的化能无机营养型细菌能氧化氮的化能无机营养型细菌杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。杆状、椭圆形、球形、螺旋形或裂片状，且它们可能有极生或周生鞭毛。好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，好氧、没有芽孢的革兰氏阴性有机体，在细胞质中有非常发达的内膜复合体。在细胞质中有非常发达的内膜复合体。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。a a、亚硝化细菌亚硝化细菌 NHNH3 3 3 3+O+O2 2 2 2+2H+NH+2H+NH2 2 2 2OH+HOH+H2 2 2 2O O A氨单加氧酶羟氨氧化酶HNO2+4H+4e-b、硝化细菌NO2-+H2O 亚硝酸氧化酶NO3-+2H+2e-根据它们氧化无机化合物的不同也称氨氧化细菌(产生1分子ATP)2 2 氢细菌（氧化氢细菌）氢细菌（氧化氢细菌）能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化能利用氢作为能源的细菌组成的生理类群称氢细菌或氢氧化细菌细菌(hydrogen oxidizing bacteriahydrogen oxidizing bacteria)。兼性化能自养菌兼性化能自养菌 主要有假单胞菌属、产碱杆菌属主要有假单胞菌属、产碱杆菌属(Alcaligenes)(Alcaligenes)、副球菌属、芽、副球菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属孢杆菌属、黄杆菌属(Flavobacterium)(Flavobacterium)、水螺菌属、水螺菌属(Aquaspirillum)(Aquaspirillum)、分支杆菌属、分支杆菌属(Mycobacterium)Mycobacterium)和诺卡氏菌属和诺卡氏菌属(Nocardia)(Nocardia)等。等。产能：产能：2H2H2 2+O+O2 2 2 H 2 H2 2O O 合成代谢反应：合成代谢反应：2H2H2 2 +CO +CO2 2 CH CH2 2O +HO +H2 2O O。氢细菌的自氧作用 第一步：产能反应，氧化4分子H。产生1分子ATP；第二步：合成代谢反应，用所产生的ATP还原C02构成细胞物质CH2O和生长。在Ralstonia eutropha中存在两种氢酶，一种膜结合氢酶涉及质子动势而细胞质中的氢酶为Calvin cycle 提供还原力NADH。3 3 硫细菌（硫氧化细菌）硫细菌（硫氧化细菌）利用利用H H2 2 2 2S S、S0S02 2 2 2、S S2 2 2 2O O3 3 3 32-2-2-2-等无机硫化物进行自养生等无机硫化物进行自养生长长,主要指化能自氧型硫细主要指化能自氧型硫细菌菌 大多数硫杆菌，脱下的大多数硫杆菌，脱下的H H+（e e-）经）经cyt.ccyt.c部位进入呼部位进入呼吸链；吸链；而脱氮硫杆菌从而脱氮硫杆菌从FPFP或或 cyt.bcyt.b水平进入。水平进入。嗜酸型嗜酸型硫细菌硫细菌能氧化元素能氧化元素硫和还原性硫化物外，还硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子能将亚铁离子(Fe(Fe2 2)氧化氧化成铁离子成铁离子(Fe(Fe3 3)。产能途径第一阶段，H2S、S0和S2O32等硫化物被氧化为SO32第二阶段，形成的SO32进一步氧化为SO42和产能。1、由细胞色素亚硫酸氧化酶将SO32直接氧化成为SO42，并通过电子传递磷酸化产能，普遍存在于硫杆菌中。2、磷酸腺苷硫酸(adenosine phosphosulfate，APS)途径。在这条途径中，亚硫酸与腺苷单磷酸反应放出2个电子生成一种高能分子APS，放出的电子经细胞电子传递链的氧化磷酸化产生ATP。由腺苷酸激酶的催化，每氧化1分子SO32产生15分子ATP。4 4 铁细菌和细菌沥滤铁细菌和细菌沥滤 (1)(1)铁细菌铁细菌（多数为化能自养，少数兼性厌氧，多数为化能自养，少数兼性厌氧，产能低。）产能低。）定义：能氧化定义：能氧化FeFe2 2成为成为FeFe3 3并产能的细菌被称并产能的细菌被称为铁细菌为铁细菌(iron bacteriairon bacteria)或铁氧化细菌或铁氧化细菌(iron iron oxidizing bacteriaoxidizing bacteria)。包括亚铁杆菌属。包括亚铁杆菌属(FerrobacillusFerrobacillus)、嘉利翁氏菌属、嘉利翁氏菌属(GallionellaGallionella)、纤发菌属、纤发菌属(LeptothrixLeptothrix)、泉、泉发菌属发菌属(CrenothrixCrenothrix)和球衣菌属和球衣菌属(SphaerotilusSphaerotilus)的成员。的成员。有些氧化亚铁硫杆菌有些氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus Thiobacillus frrooxidansfrrooxidans)和硫化叶菌的一些成员，除了能和硫化叶菌的一些成员，除了能氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离氧化元素硫和还原性硫化物外，还能将亚铁离子子(Fe(Fe2 2)氧化成铁离子氧化成铁离子(Fe(Fe3 3)，所以它们既是，所以它们既是硫细菌硫细菌硫细菌硫细菌，也是，也是铁细菌铁细菌铁细菌铁细菌。大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性大多数铁细菌为专性化能自养，但也有兼性化能自养的。化能自养的。大多数铁细菌还是嗜酸性的。大多数铁细菌还是嗜酸性的。铁细菌的细胞产率也相当低铁细菌的细胞产率也相当低 铁氧化细菌呼吸链的氧化磷酸化的产能途径(2)细菌沥滤 利用嗜酸性氧化铁和硫细菌氧化矿物中硫和硫化物的能力，让其不断制造和再生酸性浸矿剂，将硫化矿中重金属转化成水溶性重金属硫酸盐而从低品位矿中浸出的过程。又称细菌浸出或细菌冶金。原理：a、浸矿剂的生成 2S +3O2+2H2O 2H2SO4 4FeSO4+2H2SO4+O2 2Fe2（SO4）3+2 H2Ob、低品位铜矿中铜以CuSO4形式浸出 CuS+2 Fe2（SO4）3+2H2O+O2 CuSO4 +4FeSO4+2H2SO4 c、铁屑置换CuSO4中的铜 CuSO4+Fe FeSO4+Cu 适于次生硫化矿和氧化矿的浸出，浸出 率达70%80%。1、固氮微生物的种类 一些特殊类群的原核生物原核生物能够将分子态氮还原为氨，然后再由氨转化为各种细胞物质。微生物利用其固氮酶系催化大气中的分子氮还原成氨的过程称为固氮作用固氮作用。自生固氮菌自生固氮菌：独立固氮（氧化亚铁硫杆菌等）共生固氮菌：与它种生物共生才能固氮 形成根瘤及其他形式 联合固氮菌：必须生活在植物根际、叶面或动物 肠道等处才能固氮的微生物。根际芽孢杆菌属；叶面固氮菌属。三、固氮作用2、固氮机制1 1）固氮反应的条件）固氮反应的条件 a a ATPATP的供应：的供应：1 mol N1 mol N2 2 10 15 ATP 10 15 ATP b b 还原力还原力HH及其载体及其载体 氢供体：氢供体：H H2 2、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。、丙酮酸、甲酸、异柠檬酸等。电子载体：铁氧还蛋白（电子载体：铁氧还蛋白（FdFd）或黄素氧）或黄素氧 还蛋白（还蛋白（FldFld）。c c 固氮酶固氮酶固氮酶固氮酶 组分组分 I I：真正：真正“固氮酶固氮酶”，又称，又称钼铁蛋钼铁蛋 白白（MFMF）、）、钼铁氧还蛋白钼铁氧还蛋白（MoFdMoFd）组分II：固氮酶还原酶，不含钼，又称固氮酶还原酶，不含钼，又称铁蛋白铁蛋白、固氮、固氮 铁氧还蛋白（铁氧还蛋白（AzoFdAzoFd）特性：特性：对氧极为敏感；需有对氧极为敏感；需有MgMg2+2+的存在；的存在；专一性：除专一性：除N N2 2外，可还原其他一些化合物外，可还原其他一些化合物 C C2 2H H2 2 C C2 2H H4 4；2H2H+H H2 2 ；N N2 2O O N N2 2；HCN HCN CH CH4 4+NH+NH3 3 （乙炔反应：乙炔反应：可用来测知酶活）可用来测知酶活）d d 还原低物还原低物N N2 2：NHNH3 3存在时会抑制固氮作用存在时会抑制固氮作用。N2+2e+6H+（18 24）ATP 2NH3+H2+（18 24）ADP+18 24 Pi a、固氮酶的形成 e 组分II 组分II（e）MgATP 组分I +N2 IN2 b、固氮阶段 N2*2NH3+H2 即 75%还原力用来还原N2，25%的还原力 以H2形式浪费2）固氮生化过程 Fd，Fld+固氮酶（1：1复合物）固氮生化途径3、好氧性固氮菌的防氧机制 固固N N酶遇氧不可逆失活酶遇氧不可逆失活 （组分（组分I I，半衰期，半衰期1010；组分；组分II II，45”45”丧失一半活性）丧失一半活性）（1 1）自身固）自身固N N菌菌 a a 呼吸保护呼吸保护 固固N N菌科的固菌科的固N N菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。菌以极强的呼吸作用消耗掉环境中的氧。b b 构象保护构象保护 高氧分压环境，固氮酶能形成一无固高氧分压环境，固氮酶能形成一无固N N活性但能防止氧损伤的活性但能防止氧损伤的特殊构象。特殊构象。构象保护的蛋白质构象保护的蛋白质 Fe-sFe-s蛋白蛋白II II 氧压增高氧压增高氧压增高氧压增高，固氮酶固氮酶与与FesFes蛋白蛋白II II结合，构象变化，丧失固结合，构象变化，丧失固N N能能力；力；氧氧氧氧浓度降浓度降低低低低，蛋白自酶上解离，蛋白自酶上解离(2)(2)蓝细菌保护固蓝细菌保护固N N酶机制酶机制 a a 分化出特殊的还原性分化出特殊的还原性异形胞异形胞（适宜固氮作用的细胞）适宜固氮作用的细胞）I I、厚壁，物理屏障；、厚壁，物理屏障；II II、缺乏氧光合系统、缺乏氧光合系统II II，脱氧酶、氢酶活性高；，脱氧酶、氢酶活性高；IIIIII、SODSOD活性很高；活性很高；IVIV、呼吸强度高、呼吸强度高 b b 非异形胞蓝细菌固非异形胞蓝细菌固N N酶的保护酶的保护 缺乏独特的防止氧对固缺乏独特的防止氧对固N N酶的损伤机制。酶的损伤机制。I I、固固N N、光合作用在光合作用在时间上分隔时间上分隔开开 织线蓝菌属（黑暗：固织线蓝菌属（黑暗：固N N；光照：光合作用）光照：光合作用）II II、形成形成束状群体束状群体（束毛蓝菌属），利于固束毛蓝菌属），利于固N N酶在微氧环境下固酶在微氧环境下固N N IIIIII、提高胞内过提高胞内过氧化酶、氧化酶、SODSOD的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）的活力，解除氧毒（粘球蓝菌属）I、豆科植物的共 生菌 以类菌体形式存在于根瘤中 类菌体周膜：豆血红蛋白，可与氧可逆结合 （高时结合，低时释放）豆血红蛋白：蛋白部分由植物基因编码；血 红素有根瘤菌基因编码。II、非豆科植物共生菌 含植物血红蛋白（功能相似豆血红蛋白）Frankin放线菌：营养菌丝末端膨大的泡囊类似异形胞。c 根瘤菌保护固N酶机制 四、肽聚糖的合成 1 1 在细胞质中的合成在细胞质中的合成UDP-UDP-胞壁酸胞壁酸5 5肽肽 a G a G G-UDP G-UDP，M-UDPM-UDP G G 6-P-6-P-果糖果糖 6-6-P-P-葡糖胺葡糖胺 N-N-乙酸葡糖胺乙酸葡糖胺-1-1-磷酸磷酸 N-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-UDP UDP N-N-乙酰胞壁酸乙酰胞壁酸-UDPUDP b M b M合成合成“Park”Park”核苷酸核苷酸 （UDP-M-5UDP-M-5肽）肽）UDPUDP作为糖载体作为糖载体 D-Val-D-ValD-Val-D-Val为环丝氨酸（恶唑霉素）阻断；为环丝氨酸（恶唑霉素）阻断；N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸亲水性化合物 肽聚糖单体亚单位的合成 载体：细菌萜醇（类脂载体）C55类异戊二烯醇（含11个异戊二烯单位）穿膜的同时与G结合，接上肽桥，此外，类脂载体还参与胞外多糖、脂多糖的合 成（磷壁酸、纤维素、几丁质、甘露聚糖等）万古霉素，杆菌肽所抑制这些反应 2 细胞膜中的合成“Park”核苷酸合成肽聚糖单体细胞膜上细胞质双糖肽位于细胞膜外细胞壁生长点处3 膜外的合成 a a、多糖链的伸长（多糖链的伸长（横向横向连接）：连接）：肽糖单体肽糖单体+引物（引物（6868肽糖单位）肽糖单位）多多 糖链横向延伸糖链横向延伸1 1双糖单位。双糖单位。b b、相邻多糖链相联（相邻多糖链相联（纵向纵向连接）：连接）：2 2D-Val D-Val M-4 M-4肽肽 +D-Val+D-Val 甲肽尾五甘氨酸肽的游离甲肽尾五甘氨酸肽的游离NHNH与乙肽尾与乙肽尾 D-ValD-Val（第（第4 4个氨基酸）个氨基酸）游离游离COOHCOOH转肽作用：转肽作用：青霉素所抑制。青霉素为青霉素所抑制。青霉素为D-Val-D-ValD-Val-D-Val结构类结构类 似物，竞争转肽酶似物，竞争转肽酶转糖基（形成转糖基（形成-1，4糖苷键）糖苷键）转糖基作用和转肽作用 第三节第三节 微生物次级代谢与次级代谢产物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、次级代谢与次级代谢产物 一一般般将将微微生生物物通通过过代代谢谢活活动动所所产产生生的的自自身身繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质和和能能量量的的过过程程，称称为为初初级级代代谢谢,该该过过程程所所产产生生的的产产物物即即为为初初级级代代谢谢产产物物，如如氨氨基基酸酸、核核苷苷类类，以以及及酶酶或或辅辅酶酶等。等。次次级级代代谢谢是是指指微微生生物物在在一一定定的的生生长长时时期期，以以初初级级代代谢谢产产物物为为前前体体，合合成成一一些些对对于于该该微微生生物物没没有有明明显显的的生生理理功功能能且且非非其其生生长长和和繁繁殖殖所所必必需需的的物物质质的的过过程程。这这一一过过程程的的产产物物，即即为为次次级级代代谢谢产产物物，如如抗抗生生素素、激激素素、生生物物碱碱、毒毒素及维生素等。素及维生素等。次次级级代代谢谢与与初初级级代代谢谢关关系系密密切切，初初级级代代谢谢的的关关键键性性中中间间产产物物往往往往是是次次级级代代谢谢的的前前体体，比比如如糖糖降降解解过过程程中中的的乙乙酰酰-CoA-CoA是是合合成成四四环环素素、红红霉霉素素的的前前体体；一一般般菌菌体体的的次次级级代代谢谢在在对对数数生生长长后后期期或稳定期间进行，受环境条件的影响；或稳定期间进行，受环境条件的影响；次次级级代代谢谢产产物物的的合合成成，因因菌菌株株不不同同而而异异，但但与与分分类类地地位位无无关关；与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。与次级代谢的关系密切的质粒则控制着多种抗生素的合成。次级代谢产物次级代谢产物在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微在微生物生命活动过程中的产生极其微量，对微生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，生物本身的生命活动没有明显作用，当次级代谢途径被阻断时，菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们菌体生长繁殖仍不会受到影响，因此，它们没有一