微生物課件—代謝

1、第五章 微生物的新陳代謝,華東理工大學繼續(xù)教育學院課程——微生物學,2024/3/18,li,2,新陳代謝：廣義是指生物體與外界環(huán)境之間物質和能量的交換以及生物體內物質和能量的轉換。 無論是合成代謝還是分解代謝都包括物質代謝和能量代謝兩個方面的內容。,,新陳代謝 ＝ 分解代謝 ＋ 合成代謝,2024/3/18,li,3,一、合成代謝和分解代謝

2、合成代謝：在合成代謝酶系的催化下，由簡單小分子物質、ATP形式的能量、[H]形式的還原力合成自己新的有機物（糖類、脂類、蛋白質、核酸等），并貯存能量的過程。（耗能、貯能）。 分解代謝：生物體內的有機物（原有的有機物）通過分解代謝酶系的催化，分解成水、二氧化碳等簡單小分子物質，同時釋放能量ATP和還原力[H]。（耗能、產能）。,,復雜分子（有機物）,,,分解代謝,合成代謝,簡

3、單小分子,,ATP,[H],,一切生物，在其新陳代謝的本質上具有高度的統(tǒng)一性和明顯的多樣性。,能量,還原力,2024/3/18,li,5,合成代謝與分解代謝的關系：分解代謝為合成代謝提供所需要的能量和原料，而合成代謝則是分解代謝的基礎。,,2024/3/18,li,6,二、物質代謝和能量代謝 物質代謝：生物體與內外環(huán)境間進行的物質轉變與交換。

4、 （合成、分解） 能量代謝：生物體與內外環(huán)境間進行的能量轉換。

5、 （耗能、貯能、產能） 物質代謝與能量代謝的關系：在物質代謝的過程中伴隨著能量代謝的進行，這些能量一部分以熱的形式散失，一部分以高能磷酸鍵的形式貯存在三磷酸腺苷（ATP）中，用于維持微生物的生理活動或供合成代謝需要。,,第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的聯(lián)系,第四節(jié) 微生物的代謝調節(jié)與發(fā)酵生產,目錄,第一節(jié) 微生物的能量代謝,第三節(jié) 微生物的合成代謝途徑,研究能量代謝的根本目的，是追蹤生物體如何把

6、外界環(huán)境中的多種形式的最初能源（primary energy sources）轉換成對一切生命活動都能利用的通用能源（universal energy source）------ATP。,一切生命活動都是耗能反應，能量代謝就成了新陳代謝中的核心問題。,最初能源,,有機物,還原態(tài)無機物,日光,,,,化能異養(yǎng)微生物,化能自養(yǎng)微生物,光能自養(yǎng)微生物,,通用能源,（ATP）,,2024/3/18,li,10,1、概念 是指發(fā)生在活細

7、胞中的一系列產能性氧化還原反應（即參與反應的物質之間的電子轉移和氫的轉遞過程）的總稱。（實質：產能）,第一節(jié) 化能異養(yǎng)微生物產ATP和還原力,（一）生物氧化,一、化能異養(yǎng)微生物產ATP和還原力,2024/3/18,li,11,2、生物氧化與燃燒的比較,生物氧化的形式,脫氫,失去電子,某物質與氧結合,生物氧化的過程,生物氧化的類型,無氧呼吸,發(fā)酵,呼吸,生物氧化的功能,產還原力［H］,產小分子中間代謝物,產能（ATP）,（二）底物脫氫的四

8、條途徑,以葡萄糖作為生物氧化的典型底物，它在脫氫階段主要可通過4條途徑完成其脫氫反應，并伴隨還原力[H]和能量的產生。,底物脫氫的四條途徑,EMP途徑,HMP途徑,ED途徑,TCA循環(huán),2024/3/18,li,15,糖酵解途徑 過程（兩個階段） ① 1分子葡萄糖轉化成1分子1.6-二磷酸果糖后，在果糖二磷酸醛縮酶作用下，裂解為2 分子 3-磷酸甘油醛。 （耗2分子 ATP）

9、 ② 2 分子3-磷酸甘油醛再轉化為2分子丙酮酸。 （產4分子 ATP）,1、EMP途徑,16,EMP途徑的意義提供ATP提供還原力(NADH)提供前體化合物6-磷酸葡萄糖磷酸三碳糖磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸,2024/3/18,li,17,戊糖磷酸途徑 過程（三個階段） ① 1分子葡萄糖經磷酸化生成6-磷酸葡萄糖，在脫氫酶作用下脫氫生成6-磷酸葡萄糖酸，在6-磷酸葡

10、萄糖酸脫氫酶作用下，再次脫氫降解為1分子CO2和1分子5-磷酸核酮糖。 ② 5-磷酸核酮糖發(fā)生結構變化形成5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖。 ③ 5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖在轉醛酶和轉酮酶的作用下，經一系列復雜反應又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（ 3-磷酸甘油醛 ），磷酸丙糖再經EMP途徑的第二階段反應轉為丙酮酸，也可通過糖酵解逆行轉化為磷酸己糖。,2、HMP途徑,糖,18,HMP途徑的意義 供應合成原料：

11、為核苷酸、核酸等的生物合成提供戊糖-磷酸。 擴大碳源利用范圍：由于在反應中存在著C3～C7的各種糖，使具有HMP途徑的微生物的碳源利用范圍更廣。 產生大量的NADPH2形式的還原力。 作為固定CO2的中介,2024/3/18,li,19,2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG)裂解途徑 是少數(shù)EMP途徑不完整的細菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。過程（三個階段）

12、① 1分子葡萄糖經過一系列的酶的催化轉化為1分子2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸(KDPG) 。 ② 1分子 KDPG在KDPG醛縮酶的作用下裂解為1分子3—磷酸甘油醛和1分子丙酮酸。 ③ 3—磷酸甘油醛進入EMP途徑。,3、ED途徑,20,ED途徑的意義 是少數(shù)EMP途徑不完整的細菌所特有的利用葡萄糖的替代途徑。 可與EMP途徑、HMP途徑和TCA循環(huán)等各種代謝途徑相連接，因此可以相互

13、協(xié)調，以滿足微生物對能量、還原力和不同中間代謝物的需要。,2024/3/18,li,21,三羧酸循環(huán)、檸檬酸循環(huán) 過程 指丙酮酸經過一系列循環(huán)式反應而徹底氧化、脫羧，形成CO2、H2O、NADH2的過程。 真核微生物在線粒體基質中、原核微生物在細胞質中進行。,4、TCA循環(huán),22,TCA循環(huán)的意義 在一切分解代謝和合成代謝中占有樞紐地位，產能效率極高，在各種好氧微生物中普遍存在，不僅是糖分解代謝的主要

14、途徑，也是脂肪、蛋白質分解代謝的最終途徑。 與微生物大量發(fā)酵產物如檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸和谷氨酸等的生產密切相關。,2024/3/18,li,23,葡萄糖經不同途徑脫氫后的產能效率,（三）遞氫和受氫,貯存在生物體內葡萄糖等有機物中的化學能，經上述的4條途徑脫氫后，經過呼吸鏈（或稱電子傳遞鏈）等方式傳遞，最終與氧、無機或有機氧化物等氫受體（hydrogen acceptor或receptor）相結合而釋放出其中的能量。,根據(jù)

15、遞氫特點尤其是氫受體性質的不同，可把生物氧化區(qū)分成3種類型,生物氧化,好氧呼吸,2024/3/18,li,26,1. 呼吸作用（respiration）,微生物在降解底物的過程中，將釋放出的電子交給NAD（P）+、FAD或FMN等電子載體，再經電子傳遞系統(tǒng)傳給外源電子受體，從而生成水或其它還原型產物并釋放出能量的過程，稱為呼吸作用。,以氧化型化合物作為最終電子受體,好氧呼吸（aerobic respiration）：,無氧呼吸（anae

16、robic respiration）：,以分子氧O2作為最終電子受體,,是一種最普遍又最重要的生物氧化或產能方式，其特點是底物按常規(guī)方式脫氫后，脫下的氫（常以還原力[H]形式存在）經完整的呼吸鏈傳遞，最終被外源分子氧接受，產生了水并釋放出ATP形式的能量。,這是一種遞氫和受氫都必須在有氧條件下完成的生物氧化作用，是一種高效產能方式。,（1）好氧呼吸（aerobic respiration）,（2）無氧呼吸（anaerobic respi

17、ration）,又稱厭氧呼吸，是一類呼吸鏈末端的氫受體為外源無機氧化物（少數(shù)為有機氧化物）的生物氧化。特點是底物按常規(guī)途徑脫氫后，經部分呼吸鏈遞氫，最終由氧化態(tài)的無機物或有機物受氫，并完成氧化磷酸化產能反應。,這是一類在無氧條件下進行的、產能效率較低的特殊呼吸。,根據(jù)呼吸鏈末端氫受體的不同，可把無氧呼吸分為下列幾種類型：,在無氧條件下，某些兼性厭氧微生物利用硝酸鹽作為呼吸鏈的最終氫受體，把它還原成亞硝酸、NO、N2O直至N2的過程，稱硝

18、酸鹽呼吸或反硝化作用。,① 硝酸鹽呼吸,是一類稱作硫酸鹽還原細菌（或稱反硫化細菌）的嚴格厭氧菌在無氧條件下獲取能量的方式。,② 硫酸鹽呼吸,底物脫氫后，經呼吸鏈遞氫，最終由末端氫受體硫酸鹽受氫，在遞氫過程中與氧化磷酸化作用相偶聯(lián)而獲得ATP。硫酸鹽呼吸的最終產物是H2S。,以無機硫作為呼吸鏈的最終氫受體并產生H2S的生物氧化作用。,③ 硫呼吸,兼性或專性厭氧菌，例如，Desulfuromonas acetoxidans

19、 （氧化乙酸脫硫單胞菌）,④ 鐵呼吸,在某些專性厭氧菌和兼性厭氧菌（包括化能異養(yǎng)細菌、化能自養(yǎng)細菌和某些真菌）中發(fā)現(xiàn)，其呼吸鏈末端的氫受體是Fe3+。,⑤ 碳酸鹽呼吸,根據(jù)其還原產物的不同，可分為兩種類型，一類是產甲烷菌產生甲烷的碳酸鹽呼吸，一類為產乙酸細菌產生乙酸的碳酸鹽呼吸。,是一類以CO2或重碳酸鹽作為呼吸鏈末端氫受體的無氧呼吸。,⑥ 延胡索酸呼吸,在延胡索酸呼吸中，延胡索酸是末端氫受體，而琥珀酸則是延胡索酸的還原產物。,

20、2. 發(fā)酵（fermentation）（1）定義,泛指任何利用好氧或厭氧微生物來生產有用代謝產物或食品、飲料的一類生產方式。,廣義的發(fā)酵,指在無氧等外源氫受體的條件下，底物脫氫后所產生的還原力[H]未經呼吸鏈傳遞而直接交某一內源性中間代謝物接受，以實現(xiàn)底物水平磷酸化產能的一類生物氧化反應。,狹義的發(fā)酵,不同的微生物通過發(fā)酵作用，積累的代謝產物是不一樣的。根據(jù)主要代謝產物將微生物發(fā)酵分為以下幾個類型。,（2）微生物的發(fā)酵類型,① 乙

21、醇發(fā)酵,② 乳酸發(fā)酵,③ 丙酸發(fā)酵,④ 混合酸發(fā)酵,⑤ 丁二醇發(fā)酵,⑥ 丁酸型發(fā)酵,酵母菌的酒精發(fā)酵（均在厭氧條件下）,,第Ⅲ型發(fā)酵——pH7.6左右（微堿性）,第Ⅰ型發(fā)酵——pH3.5～4.5（弱酸性）,第Ⅱ型發(fā)酵——亞適量NaHSO3（3％）,甘油、少量的乙醇、乙酸和CO2,甘油和少量乙醇,乙醇,① 乙醇發(fā)酵,乳酸生產現(xiàn)在主要是化學合成，但化學合成法生產的乳酸是DL－乳酸，發(fā)酵法生產的是L-乳酸。 目前發(fā)酵法生產

22、乳酸的產酸水平普遍在9～10％，中試報道也達到12～14％，國外的產酸水平是18％。,乳酸發(fā)酵是由乳酸菌在嚴格厭氧的條件下進行的。乳酸菌是耐氧型的厭氧菌，G+，無芽孢，有桿菌、球菌等。乳酸菌生長過程中需要多種生長因子，可分解葡萄糖產生大量的乳酸。,② 乳酸發(fā)酵,③ 丙酸發(fā)酵,丙酸是由丙酸桿菌（Propionibacterium spp.）等菌的發(fā)酵產物，它具有與乙醇類似的刺激味。丙酸及其鹽類對引起面包產生粘絲狀物質的好氣性芽孢桿菌有抑

23、制作用，但對酵母無效，因此國內為廣泛用于面包糕點的防腐。,④ 混合酸發(fā)酵與丁二醇發(fā)酵,進行這類發(fā)酵的是腸道菌，不同的腸道菌具有不同的酶系來作用于丙酮酸，所以終產物是不同的。,以大腸桿菌為代表的一類腸道菌，例如，埃希氏菌、志賀氏菌、沙門氏菌等，發(fā)酵產物主要是甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸等有機酸和CO2、H2，所以稱為混合酸發(fā)酵。,產氣桿菌、枯草桿菌等發(fā)酵產物主要是丁二醇，所以稱之為丁二醇發(fā)酵。,⑤丁酸發(fā)酵與丙酮、丁醇發(fā)酵,這類發(fā)酵是由專性厭

24、氧菌梭狀芽孢桿菌分解葡萄糖進行的。這類型發(fā)酵的終產物主要是丁酸、丙酮和丁醇。,物質在生物氧化過程中，常生成一些含有高能鍵的化合物，而這些化合物可直接偶聯(lián)ATP或GTP的合成，這種產生ATP高能分子的方式稱為底物水平磷酸化。,（5）發(fā)酵的產能反應,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,呼吸作用與發(fā)酵作用的根本區(qū)別：,電子載體不是將電子直接傳遞給底物降解的中間產物，而是交給電子傳遞系統(tǒng)，逐步釋放出能量后再交給最終電子受體。,二、自養(yǎng)微生物產ATP

25、和產還原力,化能無機自養(yǎng)型微生物（無機物）光能自養(yǎng)型微生物（日光輻射能）,,生物合成起點是建立在對氧化程度極高的CO2進行還原（即CO2的固定）的基礎上。,異養(yǎng)微生物,生物合成起點是建立在對氧化還原水平適中的有機碳源直接利用的基礎上。,,,（一）化能自養(yǎng)微生物（chemoautotrophs）,化能自養(yǎng)微生物還原CO2所需要的ATP和[H]是通過氧化無機底物，例如，NH4+、NO2-、H2S、S0、H2和Fe2+等而獲得的。其產能途徑

26、主要也是借助于經過呼吸鏈的氧化磷酸化反應，化能自養(yǎng)菌一般都是好氧菌。,化能自養(yǎng)微生物產能機制效率低、固定要大量耗能，因此他們的產能效率、生長速率和生長得率都很低。,化能自養(yǎng)微生物的能量代謝的3個特點① 無機底物的氧化直接與呼吸鏈發(fā)生聯(lián)系，即由脫氫酶或氧化還原酶催化的無機底物脫氫或脫電子后，可直接進入呼吸鏈傳遞；② 呼吸鏈的組分更為多樣化，氫或電子可以從任一組分直接進入呼吸鏈；③ 產能效率即P/O比一般要低于化能異養(yǎng)微生物。,（二）

27、光能營養(yǎng)微生物（phototrophs）,自然界中能進行光能營養(yǎng)的生物及其光合作用特點是：,光能營養(yǎng)型生物,產氧,不產氧,古生菌：嗜鹽菌,真細菌：光合細菌（厭氧菌）,原核生物：藍細菌,真核生物：藻類及其他綠色植物,,,,1. 循環(huán)光合磷酸化（cyclic photophosphorylation）,一種存在于光合細菌（photosynthetic bacteria）中的原始光合作用機制，可在光能驅動下通過電子的循環(huán)式傳遞而完成磷酸化產能

28、反應。,特 點：①電子傳遞途徑屬循環(huán)方式，即在光能的驅動下，電子從菌綠素分子上逐出，通過類似呼吸鏈的循環(huán)，又回到菌綠素，其間產生了ATP；②產ATP與產還原力[H]分別進行；③還原力來自H2S等的無機氫供體；④不產生氧。,2. 非循環(huán)光合磷酸化（noncyclic photophosphorylation）,這是各種綠色植物、藻類和藍細菌所共有的利用光能產生ATP的磷酸化反應。,特 點：①電子的傳遞途徑屬非循環(huán)式的；②在

29、有氧條件下進行；③有兩個光合系統(tǒng)，其中的PSⅠ（含葉綠素a）可以利用紅光， PSⅡ（含葉綠素b）可利用藍光；④反應中同時有ATP（產自PSⅡ）、還原力[H]（產自PSⅠ）和O2（產自PSⅡ）產生；⑤還原力NADPH2中的[H]是來自H2O分子光解后的H+和e-。,第二節(jié) 分解代謝和合成代謝的聯(lián)系,聯(lián)接分解代謝與合成代謝的中間代謝物有12 種,59,一、生物合成三要素　　1、能量 由ATP供給 ，產能機制有三種：氧化磷酸

30、化、底物水平磷酸化、光合磷酸化。 2、還原力 還原力主要指NADH2 和NADPH2 。 3、小分子前體物 除 CO2外，通常指糖代謝過程中產生的中間代謝物 。,60,1、概念 凡在分解代謝和合成代謝中均具有功能的途徑。如EMP、HMP、TCA等。 2、特點 ① 在兩用代謝途徑中，合成途徑并非分解途徑的完全逆轉，即某

31、一反應的逆反應并不是總是用同一種酶來進行催化。 ② 在分解與合成代謝途徑的相應代謝步驟中，往往還包含了完全不同的中間代謝物。 ③ 在真核生物中，合成代謝和分解代謝一般在不同的分隔區(qū)域中進行，即合成代謝一般在細胞質中進行，而分解代謝則多在線粒體、微粒體和溶酶體中進行，這就有利于兩者可同時有條不紊地運轉。,二、兩用代謝途徑,第三節(jié) 微生物獨特合成代謝途徑,自養(yǎng)微生物的CO2 固定生物固氮細胞壁肽聚糖的合成微生物次

32、生代謝物的合成,1. 自養(yǎng)微生物的CO2 固定,CO2 固定的途徑有4 條：Calvin 循環(huán)厭氧乙酰-CoA 途徑逆向TCA 循環(huán)途徑羥基丙酸途徑,2024/3/18,li,63,又稱核酮糖二磷酸途徑、還原性戊糖磷酸途徑、3碳循環(huán)，是光能自養(yǎng)微生物、化能自養(yǎng)微生物固定CO2的主要途徑。 （1）Calvin循環(huán)的總反應式,1、 Calvin循環(huán),li,64,特征酶： ① 核酮糖二磷酸羧化酶 ② 核酮糖磷酸

33、激酶,羧化反應,還原反應,CO2受體的再生,（2）Calvin循環(huán)的過程,2024/3/18,li,65,2、厭氧乙?！o酶A途徑 又稱活性乙酸途徑，這種非循環(huán)式的CO2的固定機制主要存在于產乙酸菌、硫酸鹽還原菌和產甲烷菌等化能自養(yǎng)細菌中。,li,66,3、逆向TCA循環(huán)途徑 又稱還原性TCA循環(huán)，是一些綠硫細菌進行光能自氧時所獨有的一種CO2固定機制?？偡磻?2CO2 + 8[H] + ATP

34、 乙酰-COA,,li,67,4、 羥基丙酸途徑 是少數(shù)綠硫細菌在以H2或H2S作電子供體進行光能自氧時所獨有的一種CO2固定機制。總反應式： 2CO2 + 4[H] + 3ATP 乙醛酸,,68,2 生物固氮 1、概念 生物固氮是指大氣中的分子氮通過微生物固氮酶的催化還原成氨的過程，生物界中只有原核生物才有固氮能力。（N2 NH3 ）

35、2、研究生物固氮的意義 （1）可在常溫常壓下進行固氮反應； （2）生物固氮量高，不流失、不污染、利用率高； （3）化學模擬生物固氮，爭取常溫常壓下合成氨，可為農業(yè)生產開辟肥源； （4）加深對生命起源和生物共生作用的認識。,,69,3、固氮微生物 （1）概念 具有利用分子氮作為唯一氮源的能力，即將分子氮還原成氨，進一步把氨同化成氨基酸和蛋白質的一類微生物，叫固氮微生物。 （2）特點

36、 ① 種類多； ② 皆為原核生物，且大多為好氧菌； ③ 生理類型多； ④ 分布廣； ⑤ 分類高度分散； ⑥ 都含有固氮酶，具有固氮活性，但在有氧條件下固氮酶失活，故固氮過程厭氧。,li,70,4、固氮的生化機制 （1）生物固氮反應的六要素 ① ATP 固氮過程需要消耗大量的能量（N2:ATP=1:18-24），能量A

37、TP由氧化磷酸化、底物水平磷酸化、光合磷酸化產生。 ② 還原力[H]及其載體 固氮過程需要消耗大量的還原力（ N2:[H]=1:8 ），以NAD(P)H2的形式提供。 [H]由載體Fd（鐵氧還蛋白）或Fld（黃素氧還蛋白）傳遞到固氮酶 上。,71,③ 固氮酶 a、固氮酶是一種復合酶系統(tǒng)，由固二氮酶（是種含鐵和鉬的蛋白酶，又稱組分Ⅰ）、固二氮酶還原酶（是種只含鐵的蛋白酶，又稱組分Ⅱ ）兩種成分構

38、成 ，單獨存在時均不表現(xiàn)出固氮活性。 b、對氧敏感：固氮酶兩組分蛋白很不穩(wěn)定，對氧敏感，在有氧條件下失去活性，且鐵蛋白還易受冷失活。 ④ 還原性底物N2 ⑤ 鎂離子：用來形成Mg2+-ATP復合物　　 ⑥ 嚴格的厭氧微環(huán)境,2024/3/18,li,72,3 微生物結構大分子—肽聚糖的合成 1、肽聚糖的結構,2024/3/18,li,73,2、肽聚糖的合成

39、 約20步，可分成在細胞質中、細胞膜上、細胞膜外3個合成階段，需1個多糖引物。 （以金黃色葡萄球菌為例）,2024/3/18,li,74,（1）在細胞質中合成——“Park”核苷酸 ① 由葡萄糖合成N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸 ② 由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸 （2）在細胞膜中合成——由“Park”核苷酸合成肽聚糖單體 （3）在細胞膜

40、外的合成 ——肽聚糖單體交聯(lián)合成細胞壁肽聚糖,75,4 微生物次生代謝產物的合成 1、概念 初生代謝產物：在菌體對數(shù)生長期產生，是菌體生長繁殖所必需的產物。如，氨基酸、核酸、蛋白質、糖類等。 特點：結構簡單、代謝途徑明確、產量較大。 次生代謝產物：菌體在穩(wěn)定期前后合成的一些具有特定功能的產物。如，抗生素、生物堿、細菌毒素、植物生長因子等。 特點：種類繁多、

41、結構復雜、代謝途徑獨特、在生長后期合成、產量較低、生理功能不很明確，其合成一般受質?？刂?。,2024/3/18,li,76,2、微生物次生代謝物合成途徑 （1）糖代謝延伸途徑 （2）莽草酸延伸途徑 （3）氨基酸延伸途徑 （4）乙酸延伸途徑,第四節(jié) 微生物的代謝調節(jié)與發(fā)酵生產,代謝調節(jié)的方式： 可調節(jié)細胞膜對營養(yǎng)物的透性 通過酶的定位以限制它與相應底物的接觸 調節(jié)