第五章微生物代谢(本科).ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第 五 章,chapter 5,微生物的代谢,Microbial metabolism,新陈代谢（,metabolism）,简称代谢，包括物质代谢和能量代谢。物质代谢又分为分解代谢（,catabolism）,和合成代谢(,anabolism),。能量代谢又分为产能代谢和耗能代谢。,分解代谢,catabolism,是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。,合成代谢,anabolism,是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。,分解代谢酶系,复 杂 分 子有机物）,简单分子,+ATP,+H,合成代谢酶系,微生物代谢,3,个特点,:,代谢旺盛,代谢类型多,代谢的调节既严格又灵活,.,本 章 目 录,第一节 微生物的产能代谢,第二节 微生物的自养代谢,第三节 微生物的固氮作用,第四节微生物细胞物质的合成与代谢调节,第一节 微生物的产能代谢,一、,发酵,fermentation,二、,发酵的类型,三、,呼吸作用,respiration,能量代谢是新陈代谢的核心问题,最初能源,有机物,化能异养菌,日 光,光能营养菌,无机物,化能自养菌,通用能源（,ATP）,异养微生物的生物氧化,:,异养微生物氧化有机物的方式，根据氧化还原反应中电子受体的不同可分成发酵,和,呼吸,两种类型，而呼吸又可分为,有氧呼吸,和,无氧呼吸,两种方式。,发酵,(fermentation),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。（以有机物作为最终电子受体的生物氧化过程。）,发酵的种类有很多，可,发酵的底物,有,糖类、有机酸、氨基酸,等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。,生物体内葡萄糖被降解成丙酮酸的过程称为,糖酵解,(,glycolysis,),，,主要分为四种途径：,EMP,途径,糖酵解,(,glycolysis,),、,HMP,途径,、,ED,途径,、,磷酸解酮酶途径,一、发酵,fermentation,1.1,底物脱氢的四种途径,1、糖酵解途径（,EMP,途径）,EMP pathway,2、,HMP,途径,HMP,pathway,3、,ED,途径,ED pathway,4、磷酸解酮酶途径,PK pathway or HK pathway,1、,EMP,途径（糖酵解）,EMP pathway,1.1,底物脱氢的四种途径,C,6,H,12,O,6,+2NAD,+,+2ADP+2Pi,+2NADH+2H,+,+2ATP+2H,2,O,2CH,3,COCOOH,EMP,途径,可为微生物的生理活动提供,ATP,和,NADH,，其,中间产物,又可为微生物的合成代谢提供碳骨架，并在一定条件下可逆转合成多糖。,2、,HMP,途径,HMP pathway,HMP,途径（磷酸戊糖途径，单磷酸己糖途径,):,一个,HMP,途径循环的结果为：,一般认为,HMP,途径不是产能途径，而是,为生物合成提供大量的还原力,(NADPH),和中间代谢产物,。多数微生物中具有,HMP,途径,.,3、,ED,途径,ED pathway,ED,途径,ED,途径,:,一分子葡萄糖经,ED,途径最后生成,两分子丙酮酸、一分子,ATP,、,分子,NADPH,和,NADH,。,ED,途径可不依赖于,EMP,和,HMP,途径而单独存在，但对于靠底物水平磷酸化获得,ATP,的厌氧菌而言，,ED,途径不如,EMP,途径经济。在,G,-,细菌中分布广泛。,特别是假单胞菌和某些固氮菌中较多存在。,磷酸解酮酶途径,：,是明串珠菌在进行异型乳酸发酵过程中分解己糖和戊糖的途径。该途径的特征性酶是磷酸解酮酶，根据解酮酶的不同，把具有磷酸戊糖解酮酶的称为,PK,途径,，把具有磷酸己糖解酮酶的叫,HK,途径。,4、,磷酸解酮酶途径,在肠膜明串珠菌,(,Leuconostoc,mesenteroides,),中，利用,HK,途径,分解葡萄糖，产生甘油醛,-3-,磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛,-3-,磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用,PK,途径,，磷酸解酮糖酶催化木酮糖,-5-,磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛,-3-,磷酸。,二、发酵的类型,在无氧条件下，不同的微生物分解丙酮酸后会积累不同的代谢产物。根据发酵产物，发酵的类型主要有：,乙醇发酵,乳酸发酵,丁酸发酵,混合酸发酵,Stickland,反应,1,乙醇发酵,A,细菌的乙醇发酵,目前发现多种微生物可以发酵葡萄糖产生乙醇，,能进行乙醇发酵的微生物包括,酵母菌、根霉、曲霉和某些细菌,。,.,不同的细菌进行乙醇发酵时，其发酵途径也各不相同。,如运动发酵单胞菌,(,Zymomonas,mobilis,),和厌氧发酵单胞菌,(,Zymomonas,anaerobia),是利用,ED,途径分解葡萄糖为丙酮酸，最后得到乙醇，对于某些生长在极端酸性条件下的严格厌氧菌，如胃八叠球菌,(,arcina,ventriculi,),和肠杆菌,(,Enterobacteriaceae,),则是利用,EMP,途径进行乙醇发酵。,B,酵母菌的乙醇发酵,根据在不同条件下代谢产物的不同，可将酵母菌利用葡萄糖进行的发酵分为,三种类型,：,在酵母菌的乙醇发酵中，酵母菌可将葡萄糖经,EMP,途径降解为两分子丙酮酸，然后丙酮酸脱羧生成乙醛，乙醛作为氢受体使,NAD,+,再生，发酵终产物为乙醇，这种发酵类型称为,酵母的一型发酵,；,当存在亚硫酸氢钠时，乙醛不能作为,NADH,的受氢体，迫使磷酸二羟丙酮代替乙醛作为受氢体，生成,a,-,磷酸甘油，再生成甘油，称为,酵母的二型发酵,；,在弱碱性,(pH 7.6),时，两个乙醛分子间会发生歧化反应，分别生成乙醇和乙酸，氢受体则是磷酸二羟丙酮，发酵终产物为甘油、乙醇和乙酸，称为,酵母的三型发酵,。这种发酵方式不能产生能量，只能在非生长的情况下才进行。,2,乳酸发酵,乳酸发酵：,许多细菌能利用葡萄糖产生乳酸，这类细菌称为,乳酸细菌,。,根据产物的不同，乳酸发酵有二种类型：,同型乳酸发酵、异型乳酸发酵,。,A,同型乳酸发酵,其过程是：葡萄糖经,EMP,途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下被,NADH,还原为乳酸。由于终产物只有乳酸一种，故称为,同型乳酸发酵,。,B,异型乳酸发酵,在,异型乳酸发酵中，葡萄糖首先经,PK,途径分解，发酵终产物除乳酸以外还有一部分乙醇或乙酸。在肠膜明串珠菌,(,Leuconostoc,mesenteroides,),中，利用,HK,途径,分解葡萄糖，产生甘油醛,-3-,磷酸和乙酰磷酸，其中甘油醛,-3-,磷酸进一步转化为乳酸，乙酰磷酸经两次还原变为乙醇；当发酵戊糖时，则是利用,PK,途径,，磷酸解酮糖酶催化木酮糖,-5-,磷酸裂解生成乙酰磷酸和甘油醛,-3-,磷酸。,3,丁酸发酵,丁酸发酵：,某些专性厌氧菌，如梭菌属,(Clostridium),、丁酸弧菌属,(,Butyrivibrio,),、真杆菌属,(,Eubacterium,和梭杆菌属,(,Fusobacterium,),，能进行丁酸与丙酮,-,丁醇发酵。,在发酵过程中，葡萄糖经,EMP,途径降解为丙酮酸，接着在丙酮酸,-,铁氧还蛋白酶的参与下，将丙酮酸转化为乙酰辅酶,A,。乙酰辅酶,A,再经一系列反应生成丁酸或丁醇和丙酮,。,4,混合酸发酵,混合酸发酵,：某些肠杆菌，能够利用葡萄糖进行混合酸发酵。,葡萄糖先经,EMP,途径分解为丙酮酸，然后由不同的酶系将丙酮酸转化成不同的产物,，,如乳酸、乙酸、甲酸、乙醇、,CO,2,和氢气，还有一部分磷酸烯醇式丙酮酸用于生成琥珀酸；有的则将丙酮酸转变成乙酰乳酸，乙酰乳酸经一系列反应生成丁二醇。,发酵终产物还有甲酸、乳酸、乙醇,等。,以一种氨基酸作供氢体，以另一种氨基酸作为受氢体而实现产能的独特发酵类型。,CH,3,CHNH,2,COOH,CH,2,NH,2,COOH,+2,ADP+Pi,ATP,3,CH,3,COOH+3NH,3,+CO,2,5 Stickland,反应,三、,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，称为呼吸作用。,呼吸作用与发酵作用的根本区别在于：,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。,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，其特点是底物常规方式脱氢后，脱下的氢经,完整,的呼吸链又称电子传递链传递，最终被外源,分子氧,接受，产生了水并释放出,ATP,形式的能量。,1,、有氧呼吸,又称厌氧呼吸，指一类呼吸链末端的氢受体为外源无机氧化物的生物氧化。特点是底物经常规途径脱氢后，,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。,2,、无氧呼吸（,anaerobic respiration,）,硝酸盐呼吸：以硝酸盐作为最终电子受体的生物学过程，,也称为异化性硝酸盐还原作用（,Dissimilative）。,（1硝酸盐呼吸,（2）硫酸盐呼吸,硫酸盐呼吸：是一类称作硫酸盐还原细菌的严格厌氧菌在无氧 条件下获取能量的方式，其特点是底物脱氢后，,经呼吸链递氢，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，将硫酸盐还原为,H,2,S,在递氢的过程中与氧化磷酸化相偶联而获得,ATP。,CH,3,CHOHCOOH+H,2,SO,4,2CH,3,COOH+2CO,2,+2H,2,O+H,2,S,（,3,）碳酸盐呼吸,碳酸盐呼吸：呼吸链的末端氢受体是,CO,2,或碳酸盐。使碳酸盐还原产生甲烷,主要反应如下：,4CH,3,OH CO,2,+2H,2,O+3CH,4,4HCOOH 3CO,2,+2H,2,O+CH,4,2CH,3,CH,2,OH+CO,2,2CH,3,COOH+CH,4,CH,3,COOH CO,2,+CH,4,CO,2,+4H,2,2H,2,O+CH,4,第二节 微生物的自养代谢,一化能自养微生物,chemoautotrophy,二光能自养微生物,photoautotrophy,还原,CO,2,所需要的,ATP,和,H,是通过氧化无机物而获得的,NH,4,+,、NO,2,-,、H,2,S、S,0,、H,2,、Fe,2+,等,呼吸链的氧化磷酸化反应,硝化细菌、铁细菌、硫细菌、氢细菌 等属于化能自养类型,一化能自养微生物,chemoautotrophy,能从无机物的氧化中获得能量，以,CO,2,或碳酸盐作为唯一或主要碳源的微生物称为化能自养型微生物,chemoautotrophy,光能,自,养微生物,产氧,不产氧,真核生物：藻类,原核生物：蓝细菌,真细菌：光合细菌,古细菌：嗜盐菌,二光能自养微生物,photoautotrophy,光合色素,光合色素,是光合生物所特有的色素，是将光能转化为化学能的关键物质。共分三类：,叶绿素,(,chl,),或细菌叶绿素,(,Bchl,),，类胡萝卜素和藻胆素,。,细菌叶绿素,具有和高等植物中的叶绿素相类似的化学结构，两者的区别在于侧链基团的不同，以及由此而导致的光吸收特性的差异。,1.环式光合磷酸化,环式光合磷酸化,特点：,光合细菌,主要通过环式光合磷酸化作用产生,ATP,，,这类细菌主要包括,紫色硫细菌,、,绿色硫细菌,、,紫色非硫细菌,和,绿色非硫细菌,。环式光合磷酸化可在厌氧条件下进行，产物只有,ATP,，无,NADP(H),，也不产生分子氧。,不产生氧,还原力来自,H,2,S,等无机物,产能与产还原力分别进行,电子传递途径属循环方式,还原力来自,H,2,O,的光解,同时产生还原力、,ATP,和,O,2,有,PS,和,PS,2,个光合系统,特点：,有氧条件下进行,蓝细菌进行非环式光合磷酸化，反应式为：,有的光合细菌只有一个光合系统，但也以非环式光合磷酸化的方式合成,ATP,，反应式为：,2.非环式光合磷酸化,第三节 微生物的固氮作用,一、生物固氮,二固氮反应的条件,三固氮的生化途径,四、固氮菌的抗氧机制,微生物将氮还原为氮化合物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,自生固氮微生物,共 生固氮微生物,联合固氮微生物,一、生物固氮,一类不依赖与它种生物共生而能独立进行固氮的生物,自生固氮微生物,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、縁假单胞菌属等,1.,自生固氮微生物,必须与它种生物共生在一起才能进行固氮的生物,共生固氮微生物,非豆科：弗兰克氏菌属等,满江红：满江红鱼腥 蓝细菌等,根瘤,豆科植物：根瘤菌属等,植物,地衣：鱼腥蓝细菌属等,2.,共生固氮微生物,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生物,联合固氮微生物,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,3.,联合固氮微生物,ATP,还原力,H,及其载体,固氮酶,镁离子,厌氧微环境,底物,N,2,固定,1mol N,2,需要消耗,10,15mol ATP,含,、,两种组分，组分,为钼铁蛋白,(MF),或钼铁氧还蛋白,(,MoFd,),，是真正的“固氮酶”；组分,为铁蛋白,(F),，是固氮酶还原酶。,二固氮反应的条件,总反应：,N,2,+6e+6H+12ATP,2NH,3,+12ADP+12Pi,三固氮的生化途径,四、固氮菌的抗氧机制,固氮酶的两个蛋白组分对氧极端敏感，一旦遇氧就可发生不可逆失活。组分,(,铁蛋白,),在空气中暴露,45,秒其酶活丧失一半，组分,在空气中的活性半衰期约为,10min,。,不同固氮微生物的钼铁蛋白具有不同的氧敏感性。,大多数固氮菌为好氧菌，它们需要氧气进行呼吸和产能。固氮菌在长期的进化中形成了许多巧妙的机制，解决了细胞 需氧和固氮酶厌氧的矛盾。不同固氮菌的抗氧机制不同。,好氧自生固氮菌的保护机制,-,这类固氮菌的抗氧方式主要有两种：,呼吸保护和构象保护,。固氮菌以较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态，以保护固氮酶不受氧损伤，该抗氧方式称为,呼吸保护。,构象保护,指固氮菌处于高氧分压环境下时，其固氮酶能形成,1,个无固氮活性但能防止氧损伤的特殊构象。该构象是由固氮酶与蛋白质或磷脂等稳定因子结合形成的。,呼吸与构象两种保护互相协调，形成“双保险”机制。在一般含氧条件下，呼吸保护就可除去多余氧；若还有 过量分子氧，可利用构象保护使固氮酶免遭损害。,第四节微生物细胞物质的合成与代谢调节,一、微生物合成代谢的原料,二、肽聚糖合成,三、代谢调节,微生物细胞物质的合成是一个耗能过程，需要产能代谢产生的,ATP,和还原力,(NADPH+H,+,),在微生物细胞物质的合成过程中，首先是合成各种前体物质，如单糖、氨基酸等，然后进一步合成大分子物质，如蛋白质、核酸等。,在生化中已介绍过物质的合成，这里只介绍肽聚糖的生物合成。,微生物合成作用需要小分子物质、能量和还原力,NAD(P)H,种原料。,（）还原力,主要指还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸类物质，即,NADPH,2,或,NADH,2,。,还原力,NADPH2,或,NADH2,通过发酵或呼吸过程形成,（）小分子前体碳架物质,-,这类物质指直接被机体用来合成细胞物质基本组成成分的前体物,(,氨基酸、核苷酸及单糖等,),。形成这些前体物的小分子碳架主要有,12,种：,乙酰,CoA,、磷酸二羟丙酮、,3-,磷酸甘油醛、,PEP,、丙酮酸、,4-,磷酸赤藓糖、,-,酮戊二酸、琥珀酸、,一、微生物合成代谢的原料,草酰乙酸、,5-,磷酸核糖、,6-,磷酸果糖及,6-,磷酸葡萄糖，,它们可通过单糖酵解途径及呼吸途径由单糖等物质产生。,（）能量,-,微生物合成代谢所需能量来自发酵、呼吸和光合磷酸化过程形成的,ATP,和其他高能化合物。,微生物特有的结构性生物大分子物质种类较多。原核微生物细胞壁中的肽聚糖、磷壁酸，真核微生物细胞壁中的葡聚糖、甘露聚糖及几丁质大多为微生物特有的细胞物质。肽聚糖是绝大多数,原核生物细胞壁的独特组分。,它对维持细菌细胞结构和正常生命活动起着重要作用。许多抗生素如,青霉素、头孢霉素的抗菌作用,就是通过阻止肽聚糖合成实现的。,肽聚糖是由“双糖五肽”单体聚合而成的网状大分子。合成反应在,细胞质、细胞膜及细胞膜外,3,个部位进行。,二、肽聚糖合成,1.,在细胞质中合成“单糖五肽”,首先由葡萄糖合成,N-,乙酰葡萄糖胺,G,和,N-,乙酰胞壁酸,M,，进而合成“单糖五糖”。,N-,乙酰胞壁酸形成后进一步合成“单糖五肽”，其中丙氨酸二肽合成的两步反应均可被环丝氨酸,(,恶唑霉素,),抑制,2.,在细胞膜中合成双糖五肽和甘氨酸肽桥,-,细胞膜是疏水性的，细胞质中合成的单糖五肽是亲水性的。要使单糖五肽进入质膜，并在质膜上完成“双糖五肽”合成及与甘氨酸“五肽桥”连接，最后将肽聚糖单体,(,双糖五肽,-,甘氨酸五肽桥复合体,),插入到细胞膜外的细胞壁生长点处，必须通过一种称为细菌萜醇,(,bactopreno,l),的类脂作载体才能完成。,该类脂除用作肽聚糖合成的载体外，还参与微生物多种胞外多糖和脂多糖的生物合成，如细菌的磷壁酸、脂多糖，细菌和真菌的纤维素，以及真菌的几丁质和甘露聚糖等。,3.,在细胞膜外连接“编织成肽聚糖网”,肽聚糖单体在细胞膜上合成后经类脂载体运至膜外，在细胞壁引物,(,6,个肽聚糖的小胞壁片,),的存在下发生转糖基和转肽作用，使肽聚糖单体在纵横,2,维方向上不断连接、扩展，最后形 成球状或杆状的肽聚糖“网袋”。转糖基作用指肽聚糖单体的,N-,乙酰葡萄糖胺与胞壁引物上 的,N-,乙酰胞壁酸之间通过,-1,，,4,键连接，使多糖链横向延伸,1,个双糖单位。,转肽酶的转肽作用可被青霉素抑制，导致两个肽聚糖单体的短肽链不能通过甘氨酸五肽桥交联，合成的肽聚糖网无纵向连接“桥”，形成缺乏正常强度的缺损细胞壁及异常细胞或球质体。在低渗透压环境中，这些异常细胞极易破裂而死亡。青霉素能阻止肽聚糖网形成，对处于生长繁殖旺盛期的细菌具有明显的抑制作用，对已形成的细胞则无抑制作用。,微生物细胞代谢的调节主要是通过控制酶的作用来实现的,调节类型,酶合成调节,酶活性调节,调节的是已有酶分子的活性，是在酶化学水平上发生的。包括酶的激活和反馈抑制。,调节的是酶分子的合成量，是在遗传学水平上发生的。包括酶合成的诱导和酶合成的阻遏。,三、代谢调节,第五次练习,一、名词解释,发酵、有氧呼吸、无氧呼吸、生物固氮,二、微生物代谢有哪些特点？,三、微生物发酵途径有哪些？试比较它们的异同。,四、列表比较有氧呼吸、无氧呼吸和发酵的异同。,五、根据固氮微生物与高等植物以及其他生物的关系，可分为,、,、,。,