微生物的新陈代谢.ppt

第五章 微生物的新陈代谢,新陈代谢,简称代谢(metabolism)，是活细胞内发生的各种化学反应的总称。包括分解代谢和合成代谢。,分解代谢酶系,复杂分子 简单分子+ATP+H,分解代谢酶系 复杂分子 简单分子+ATP+H（有机物 合成代谢酶系,微生物代谢特点：1、代谢旺盛（强度高转化能力强）2、代谢类型多。,在代谢过程中，微生物通过分解作用（光合作用）产生化学能。地,这些能量用于：1 合成代谢 2微生物的运动和运输 3 热和光,无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶反应构成的，前一部反应的产物是后续反应的底物。,细胞能有效调节相关的反应，生命活动得以正常进行。,某些微生物还会产生一些次级代谢产物。这些物质除有利于微生物生存外，还与人类生产生活密切相关。,第一节 微生物的能量代谢,化能异养微生物的生物氧化和产能,自养微生物的生物氧化和产能,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,生物氧化的形式：某物质与氧结合、脱氢、失去电子。生物氧化的过程：脱氢（或电子）、递氢（或电子）、受氢（或电子）。生物氧化的功能：产能（ATP）、产还原力H、产小分子之间代谢物。生物氧化的类型：呼吸、无氧呼吸、发酵。,（一）底物脱氢的四条途径,以葡萄糖作为生物氧化的典型底物，在生物氧化的脱氢阶段中，可通过四条途径完成其脱氢反应，并伴随还原力H和能量的产生。,1 EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸,果糖-1，6-二磷酸,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,（1）EMP途径的主要反应,C6为葡萄糖，C3为甘油醛-3-磷酸,（2）EMP终产物的去向：,1）有氧条件：2NADH+H+经呼吸链的氧化磷酸化反应产生6ATP；2）无氧条件：丙酮酸还原成乳酸；酵母菌（酿酒酵母）的酒精发酵：丙酮酸脱羧为乙醛，乙醛还原为乙醇。（3）EMP途径在微生物生命活动中的重要意义供应ATP形式的能量和还原力（NADH2）；是连接其他几个重要代谢的桥梁（TCA、HMP、ED途径）为生物合成提供多种中间代谢物；通过逆向反应可进行多糖合成。（4）生产实践意义与乙醇、乳酸、甘油、丙酮、丁醇等的发酵产生关系密切。,2、HMP途径（戊糖磷酸途径、磷酸葡萄糖酸途径、WD途径）,葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而得到彻底氧化，并产生大量NADPH+H+形式的还原力及多种重要中间代谢产物。（1）HMP途径的主要反应,C6为葡萄糖，C5为核酮糖-5-磷酸,从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸已糖基础上开始降解的故称为单磷酸已糖途径。,HMP途径与EMP途径有着密切的关系，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径，磷酸戊糖支路。,HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。,HMP途径,（2）HMP途径的三个阶段,1）葡萄糖分子经过三步反应产生核酮糖-5-磷酸和CO2；,2）核酮糖-5-磷酸同分异构化或表异构化为核糖-5-磷酸和木糖-5-磷酸；,3）无氧参与条件下，几种戊糖发生碳架重排，产生己糖磷酸和丙糖磷酸。,丙糖磷酸可通过EMP途径转化为丙酮酸进入TCA循环，也可通过果糖二磷酸醛缩酶和果糖二磷酸酶的作用转化为己糖磷酸。,（3）HMP途径在微生物生命活动中的重要意义供应合成原料：提供戊糖-P、赤藓糖-P；产还原力：产生12NADPH2；作为固定CO2的中介：自养微生物CO2的中介（核酮糖-5-P在羧化酶的催化下固定CO2并形成核酮糖-15-二磷酸）；扩大碳源利用范围：为微生物利用C3C7多种碳源提供了必要的代谢途径；连接EMP途径：为生物合成提供更多的戊糖。（4）生产实践意义可提供许多重要的发酵产物（核苷酸、氨基酸、辅酶、乳酸等）。,3、ED途径（2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径）,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，在革兰氏阴性菌中分布较广 葡萄糖只经过四步反应即可形成丙酮酸。ED途径可不依赖于EMP与HMP而单独存在。,ED途径结果：一分子葡萄糖经ED途径最后生成2分子丙酮酸、1分子ATP，1分子NADPH、1分NADH。,（1）ED途径的主要反应,（2）ED途径特点,1）KDPG（2-酮-3-脱氧-6-P-葡萄糖酸）裂解为丙酮酸和3-磷酸甘油醛；2）存在KDPG醛缩酶；3）两分子丙酮酸来历不同；4）产能效率低（1molATP/1mol葡萄糖）。5）可与EMP、HMP、TCA循环等代谢途径相连，可相互协调、满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要。,（3）细菌的酒精发酵（好氧菌运动发酵单胞菌）,丙酮酸脱羧为乙醛，被NADH还原为乙醇。,4、TCA循环（三羧酸循环、柠檬酸循环）,丙酮酸经过一系列循环式反应而彻底氧化脱羧，形成CO2、H2O和NADH2的过程。在各种好氧微生物中普遍存在。在真核微生物中在线粒体（基质）内进行；在原核生物中，在细胞质中进行。只有琥珀酸脱氢酶，在线粒体或原核细胞中都是结合在膜上。（1）TCA循环的主要反应,C3,GTP在核苷二磷酸激酶的催化下，将其末端磷酸基团转移给ADP生成ATP。,丙酮酸在进入三羧酸循环之先要脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸再进入三羧酸循环。循环的结果是乙酰CoA被彻底氧化成CO2和H2O，每氧化1分子的乙酰CoA可产生12分子的ATP，草酰乙酸参与反应而本身并不消耗。,（2）TCA循环的特点,1）氧虽不直接参与反应，但必须在有氧的条件下进行（NAD+和FAD再生时需氧）；2）每分子丙酮酸可产4 NADH2、1 FADH2、1 GTP，共相当于15 ATP，产能效率极高。3）位于一切分解代谢和合成代谢的枢纽地位，可为微生物的生物合成提供各种碳架原料。（3）生产实践意义与发酵生产紧密相关（柠檬酸、苹果酸、谷氨 酸、延胡索酸、琥珀酸等）。,5、葡萄糖经不同脱氢途径后的产能效率,（二）递氢和受氢,葡萄糖经四条途径脱下的氢，通过呼吸链（电子传递链）等方式传递，最终与氧、无机物或有机物等氢受体结合并释放出其中的能量。根据递氢特点尤其是氢受体性质的不同，可把生物氧化分为：呼吸、无氧呼吸、发酵三种类型。,呼吸、无氧呼吸和发酵示意图,C,6,H,12,O,6,-,H,A,-,H,H,B,-,H,C,A,、,B,或,C,AH,2,，,BH,2,或,CH,2,-,H,（,发酵产物：乙醇、,CO,2,乳酸等）,脱氢,递氢,受氢,经呼吸链,呼吸,无氧,呼吸,发酵,1/2,O,2,H,2,O,NO,3,-,，,SO,4,2,-,，,CO,2,NO,2,-,，,SO,3,2,-,，,CH,4,1、呼吸（好氧呼吸）,递氢和受氢都必须在有氧条件下完成的一种高效产能生物氧化作用。（1）特点1）底物脱下的氢（H）经完整的呼吸链传递；2）外源分子氧受氢；3）产生水并释放出ATP形式的能量。产能量多，一分子G净产38个ATP.4)基质彻底氧化生成CO2和H2O。（2）呼吸链1）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势呈梯度差的、链状排列的氢或电子的传递体。2）功能：把氢或电子从低氧化还原势的化合物处逐级传递到高氧化还原势的O2或其他无机、有机氧化物，并使它们还原。,典型的呼吸链,3）氧化磷酸化呼吸链的递氢（电子）和受氢（电子）与磷酸化反应相偶联并产生ATP的作用。,4）氧化磷酸化的机制化学渗透学说呼吸链在传递氢或电子的过程中，通过与氧化磷酸化作用的偶联，产生生物的通用能源ATP。目前获得多数学者接受的是化学渗透学说。,主要观点：在氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，将底物分子上的质子从膜的内侧传递至外侧，从而造成了质子在膜两侧分布的不均衡，即形成了质子梯度差（又称质子动势、pH梯度等）。这个梯度差就是产生ATP的能量来源，因为它可通过ATP酶的逆反应，把质子从膜的外侧再输回到内侧，结果一方面消除了质子梯度差，同时就合成了ATP。,氧化磷酸化产能机制,电子传递过程中能量(ATP)产生机制,化学渗透学说（1961，P.Mitchell）,5）呼吸链氧化磷酸化的效率,每消耗1 mol氧原子所产生的ATPmol数。用P/O作定量表示。原核生物呼吸链的P/O一般比真核细胞线粒体的低。,2、无氧呼吸（厌氧呼吸）,在无氧条件下进行的、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。产能效率较低。（1）特点 1）底物按常规脱下的氢经部分呼吸链传递；2）最终由氧化态的无机物或有机物受氢；3）氧化磷酸化产能。,某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下进行无氧呼吸；,无氧呼吸的最终电子受体不是氧，而是NO3-、NO2-、SO42-、S2O32-、CO2等无机物，或延胡索酸（fumarate）等有机物。,无氧呼吸也需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有磷酸化作用，也能产生较多的能量用于生命活动。,由于部分能量随电子转移传给最终电子受体，所以生成的能量不如有氧呼吸产生的多。,（2）无氧呼吸与有氧呼吸,（3）无氧呼吸的类型,根据呼吸链末端氢受体的不同，把无氧呼吸分成以下类型：,1）硝酸盐呼吸（反硝化作用、异化性硝酸盐还原作用）,无氧条件下，某些兼性厌氧微生物利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，并把它还原为NO2-、NO、N2O直至N2的过程。反硝化细菌：能进行硝酸盐呼吸的兼性厌氧菌。如：地衣芽孢杆菌、脱氮副球菌、脱氮硫杆菌等。造成土壤氮肥损失、NO和N2O会污染环境。,土壤及水环境,氧被消耗而造成局部的厌氧环境,松土，排除过多的水分，保证土壤中有良好的通气条件。,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。,反硝化作用的生态学作用：,好氧性机体的呼吸作用,硝酸盐还原细菌进行厌氧呼吸,反硝化作用在氮素循环中的重要作用,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。,2）硫酸盐呼吸,严格厌氧菌硫酸盐还原细菌（反硫化细菌）在厌氧条件下获取能量的方式。底物脱氢后，经呼吸链传递，最终由末端氢受体硫酸盐受氢，在递氢过程中与氧化磷酸化偶联产生ATP，最终的还原产物是H2S。硫酸盐还原细菌：脱硫脱硫弧菌、巨大脱硫弧菌、致黑脱硫肠状菌等。硫酸盐呼吸及其有害产物对植物根系不利。,3）硫呼吸,兼性或专性厌氧菌（氧化乙酸脱硫单胞菌）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。4）铁呼吸 某些兼性厌氧或专性厌氧的化能异养细菌、化能自养细菌和某些真菌所进行的呼吸链末端氢受体是Fe3+的无氧呼吸。,5）碳酸盐呼吸,以CO2或重碳酸盐作为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。根据其还原产物不同分成两类：产甲烷菌产生产生甲烷；产乙酸细菌产生乙酸。,6）延胡索酸呼吸,一些兼性厌氧菌所进行的还原延胡索酸（最终氢受体）为琥珀酸的厌氧呼吸。如：埃希氏菌属、变形杆菌属、沙门氏菌属、克氏杆菌属、丙酸杆菌属、产琥珀酸弧菌等。此外还有以：甘氨酸、二甲基亚砜、氧化三甲基胺等有机氧化物为呼吸链末端氢受体的无氧呼吸。,广义的发酵：泛指任何利用好氧性或厌氧性微生物生产有用代谢产物或食品、饮料的一类生产方式。狭义的发酵：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。,3 发酵（fermentation）,发酵类型很多，可发酵的底物有碳水化合物、有机酸、氨基酸等，其中以微生物发酵葡萄糖最为重要。（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵（2）通过HMP途径的发酵（3）通过ED进行的发酵细菌酒精发酵（4）由氨基酸发酵产能Stickland反应,（1）由EMP途径中丙酮酸出发的发酵,1）酵母菌的同型乙醇发酵参与微生物：酿酒酵母,酵母菌乙醇发酵过程中氢由供体给受体的方式,(2)乳酸发酵 同型乳酸发酵,指乳酸菌将G分解产生的丙酮酸逐渐还原成乳酸的过程,进行乳酸发酵的都是细菌：如德氏乳杆菌、嗜酸乳菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等。,乳酸发酵的两种类型：同型乳酸发酵、异型乳酸发酵,细菌积累乳酸的过程 是典型的乳酸发酵。我们熟悉的牛奶变酸，生产酸奶，渍酸菜，泡菜，青贮饲料都是乳酸发酵,同型乳酸发酵,在糖的发酵中，产物只有乳酸的发酵称为同型乳酸发酵。,关键酶：乳酸脱氢酶,乳酸发酵过程中H由供体给受体的方式,（3）丙酸发酵,谢氏丙酸杆菌将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为丙酸的过程。,丙酮酸,某些细菌通过发酵将G变成琥珀酸，乳酸、甲酸、H2和CO2等多种代谢产物。由于代谢产物中含多种有机酸，因此将这种发酵称为混合酸发酵。大多数肠杆菌如大肠杆菌等均能进行混合酸发酵。,（4）混合酸发酵,混合酸发酵 用于细菌分类鉴定,甲基红反应：检验E.coli 经EMP途径的混合酸发酵。甲基红指示剂pH4.2红色,pH6.3橙黄色。产酸使指示剂变色。,（5）2，3-丁二醇发酵,产气肠杆菌将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为2，3-丁二醇的过程。,V.P反应：,（3羟基丁酮）,甲基红反应与V.P反应,（6）丁酸型发酵,由多种厌氧梭菌如：丁酸梭菌、丁醇梭菌和丙酮丁醇梭菌所进行的将G分解产生的丙酮酸逐渐转化为丁醇、丙酮的过程。,（2）通过HMP途径的发酵异型乳酸发酵,凡葡萄糖经发酵后除主要产生乳酸外，还产生乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵。肠膜明串珠菌、乳脂明串珠菌、短乳杆菌和两歧双歧杆菌进行异型乳酸发酵。,1）异型乳酸发酵的经典途径,2）异型乳酸发酵的双歧杆菌途径,3）同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较,（3）通过ED途径进行的乙醇发酵 细菌的乙醇发酵,参与微生物：运动发酵单孢菌,发酵途径：ED途径,反应式：C6H12O6,2C2H5OH+2CO2+ATP,糖酵解作用是各种发酵的基础，而发酵则是糖酵解过程的发展 发酵的结果仍积累某些有机物，说明基质的氧化过程不彻底 基质是被氧化的基质同时又是电子受体。,（4）由氨基酸发酵产能Stickland反应,少数厌氧梭菌以一种氨基酸作为底物脱氢（氢供体），以另一种氨基酸作氢受体而实现生物氧化产能的独特发酵方式。产能效率很低，每分子氨基酸仅产1 ATP。氢供体：丙AA、亮AA、异亮AA、缬AA、苯丙AA、丝AA、组AA、色AA等。氢受体：甘AA、脯AA、羟脯AA、鸟AA、精AA、色AA等。氨基酸发酵产能微生物：生孢梭菌、肉毒梭菌、斯氏梭菌。,（5）发酵中的产能反应,发酵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。其产能机制都是底物水平的磷酸化反应，与氧化磷酸化相比,产能效率极低。底物水平磷酸化可形成多种高能磷酸化合物,如:EMP途径中：1.3-二磷酸甘油酸、PEP；异型乳酸发酵中：乙酰磷酸 TCA循环中：琥珀酰-CoA等含高能磷酸键的产物。在厌氧菌的发酵过程中有很多反应可形成乙酰磷酸，乙酰磷酸经乙酸激酶的催化，就能完成底物水平磷酸化产能。,二、自养微生物的生物氧化（产ATP和产还原力）,自养微生物按其最初能源的不同，可分为两大类：1化能自养型微生物:氧化无机物而获得能量的微生物；化能自养微生物必须从氧化磷酸化所获得的能量中，花费一大部分ATP以逆呼吸链传递的方式把无机氢（H+e-）转变成还原力H；2光能自养型微生物:能利用日光辐射的微生物。在光能自养微生物中，ATP是通过循环光合磷酸化、非循环光合磷酸化或紫膜光合磷酸化产生的，而还原力H则是直接或间接利用这些途径产生的。,（一）化能自养微生物,化能自养微生物还原CO2所需要的ATP和H是通过氧化无机底物，例如NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和Fe2+等而获得的。1、产能方式无机物氧化 通过氧化还原态的无机底物（脱H或e-）实现的。借助于经过呼吸链的氧化磷酸化反应产ATP，化能自养菌一般都是好氧菌（以O2为受氢体），极少厌氧菌。2、最初能源：NH+4、NO+2、H2S、S0、H2和Fe2+等无机底物不仅可作为最初能源产生ATP，而且其中有些底物还可作为无机氢供体。3、还原力H的产生：无机氢在充分提供ATP能量的条件下，可通过逆呼吸链传递的方式形成还原CO2还原力H。,4、化能自养菌的呼吸链,还原态的无机物中，H2的氧化还原电位比NAD+/NADH对稍低些，其余都明显高于它。因此，各种无机底物进行氧化时，必须按其相应的氧化还原势的位置进入呼吸链，由此化能自养菌呼吸链只具有很低的氧化磷酸化效率（P/O）。,由于化能自养微生物产H以及固定CO2要大量耗ATP，因此它们的产能效率、生长速率和生长得率都很低。,5、化能自养微生物能量代谢的主要特点,无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系，即由脱氢酶或氧化还原酶催化的无机底物脱氢或电子后，可直接进入呼吸链传递；呼吸链的组分更为多样化，氢或电子可以从任一组分直接进入呼吸链；产能效率即P/O比一般要低于化能异养微生物。,6、硝化细菌的能量代谢,（1）硝化细菌 广泛分布于各种土壤和水体中的化能自养菌。从生理类型来看，硝化细菌分为两类：1）亚硝化细菌（氨氧化细菌）:可把NH3氧化成NO-2，Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)；2）硝化细菌（亚硝酸氧化细菌）:可把NO-2氧化为NO-3，Nitrobacter（硝化杆菌属）由亚硝化细菌引起的反应为：NH3 HNO2 氨单加氧酶 NH3+O2+2H+2e-NH2OH+H2O（在细胞膜上）羟胺氧还酶 NH2OH+H2O HNO2+4H+4e-（在周质上）,硝化细菌利用亚硝酸氧化酶和来自H2O的氧把NO2-氧化为NO3-，并引起电子流经过很短的一段呼吸链而产生少量ATP。,能量转化,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),光合磷酸化(photophosphorylation),底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),底物水平磷酸化既存在于发酵过程中也存在于呼吸过程中。,物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成。这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,草酰琥珀酸,-酮戊二酸,琥珀酰辅酶A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,GTP,GDP+Pi,三羧酸循 环,底物水平磷酸化发生在呼吸作用过程中,（二）光能营养微生物 光合磷酸化(photophosphorylation),光能营养生物及其光合作用特点：,环式光合磷酸化,非环式光合磷酸化,嗜盐菌紫膜的光合作用,光能营养微生物的光合作用类型,在光能自养微生物中，通过：,产生ATP，直接或间接利用这些途径产生还原力H。,1、循环光合磷酸化,光合细菌中的原始光合作用机制，在光能驱动下能通过电子的循环式传递而完成磷酸化产能反应。特点：电子传递途径属循环方式：在光能驱动下，电子从菌绿素分子上逐出，通过类似呼吸链的循环，又回到菌绿素，其间建立了质子动势并产生了1个ATP；产能（ATP）与产还原力H分别进行；还原力来自H2S等无机氢供体；不产生氧，即不能利用H2O作为还原CO2时的氢供体；光合磷酸化与固定CO2的Calvin循环相联接。,Cyt.bc1,e-,e-,e-,e-,环式光合磷酸化的光反应,QA,Bph,Cyt.c2,QB,Q库,e-,P870*,P870,e-,外源电子供体H2S、S0和Fe2+等,ADP+Pi,ATP,NAD(P),NAD(P)H2,外源H2,逆电子传递,（耗能）,红光或红外线,循环光合磷酸化产能的生物,原核生物真细菌中的光合细菌，厌氧菌，分类位置红螺菌目。特点：细胞内含菌绿素和类胡萝卜素，因量和比例的不同，呈现红、橙、蓝绿、紫红、紫或褐等颜色；典型的水生细菌，广泛分布于缺氧的深层淡水或海水中；可用于污水净化；菌体可作SCP。,2、非循环光合磷酸化,各种绿色植物、藻类和蓝细菌共有的利用光能产生ATP的磷酸化反应。特点：电子的传递途径属非循环式的，电子须经PSII和PSI两个系统接力传递；有 PSI 和 PSII 2个光合系统，PSI 含叶绿素a，反应中心的吸收光波为“P700”，有利于红光吸收，PSII含叶绿素b，反应中心的吸收光波为“P680”，有利于蓝光吸收；在有氧条件下进行；反应中可同时产ATP（来自PSII，Cyt bf和Pc间产生1个ATP）、还原力H（产自PSI）和O2（产自PSII，H2O经光解产生的1/2O2）；还原力NADPH2中的H来自H2O分子的光解产物H+和电子。,非环式光合磷酸化,P700,P680,3、嗜盐菌紫膜的光借导ATP合成,（1）嗜盐菌紫膜 嗜盐菌：一类必须在高盐（3.5 5.0 mol/L NaCl）环境中才能生长的古细菌。细胞内富含类胡萝卜素而呈红、橘黄、黄色。其细胞膜可分离出：红膜：红色，含类胡萝卜素、cyt、Fp等用于氧化磷酸化反应的呼吸链载体成分；紫膜：由称作细菌视紫红质的蛋白质和类脂组成，能进行独特的光合作用。细菌视紫红质的功能与叶绿素相似，能吸收光能，并在光量子的驱动下起着质子泵作用。,（2）光介导ATP合成,在无氧条件下，利用光能所造成的紫膜蛋白上视黄醛辅基构象的变化，可使质子不断驱至膜外，从而在膜两侧建立一个质子动势（即梯度差），根据化学渗透学说，这一质子动势在驱动H+通过ATP酶的孔道进入膜内以达到质子平衡时，就会产生ATP。此即光介导ATP合成。只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，这时，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。,（2）光介导ATP合成紫膜光合磷酸化（photophosphorylation by purple membrance）,细胞壁,红 膜,顺式,膜外,膜内,紫膜,反式,H+,H+,紫膜光合磷酸化,第二节 分解代谢和合成代谢的关系,分解代谢与合成代谢两者联系紧密，互不可分。,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途径，称为两用代谢途径。EMP途径、HMP途径和TCA循环等都是重要的两用代谢途径。二、代谢回补顺序 又称代谢补偿途径或填补途径。指能补充两用代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢产物的那些反应。通过这种机制，一旦重要产能途径中的某种关键中间代谢物必须被大量用作生物合成原料而抽走时，仍可保证能量代谢的正常进行。不同种类的微生物或同种微生物在不同的碳源条件下，有不同的代谢回补顺序。与EMP途径和TCA循环有关的回补顺序约有10条。,TCA循环等重要功能除产能外，为一些氨基酸和其它化合物的合成提供了中间产物；生物合成中所消耗的中间产物若得不到补充，循环就会中断；回补方式：通过某些化合物的CO2固定作用，一些转氨基酶所催化的反应也能合 成草酰乙酸和-酮戊二酸，通过乙醛酸循环,回补途径,通过某些化合物的CO2固定作用使三羧酸循环的中间产物得到回补：丙酮酸羧化酶：CO2+丙酮酸+ATP+H2O 草酰乙酸+ADP+Pi磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶:CO2+PEP+H2O 草酰乙酸+H3PO4苹果酸酶:CO2+丙酮酸+NADPH+H+苹果酸+NADP+,为了能够在己糖或戊糖的中间代谢物上进行好氧生长，异养微生物至少要具备上述几种酶之种的一个酶。,CO2固定作用补充TCA环的中间产物,Mg+,能够利用乙酸的微生物具有乙酰CoA合成酶，它使乙酸转变为乙酰CoA。是TCA循环的一条回补途径。然后乙酰CoA在异柠檬酸裂合酶和苹果酸合成酶的作用下进入乙醛酸循环。乙醛酸循环的主要反应：异柠檬酸 琥珀酸+乙醛酸 乙醛酸+乙酸 苹果酸 琥珀酸+乙酸 异柠檬酸 净反应：2乙酸 苹果酸,乙醛酸循环（乙醛酸支路）,乙醛酸循环,具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸为唯一碳源的一些细菌：醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌、和红螺菌属等；真菌中的酵母菌属、青霉属和黑曲霉等。,草酰乙酸,柠檬酸,琥珀酸,异柠檬酸,苹果酸,延胡索酸,乙醛酸,乙酰CoA,乙酰CoA,乙酸,乙酸,乙醛酸循环,具有乙醛酸循环的微生物普遍是好氧菌。如以乙酸为唯一碳源的一些细菌：醋杆菌属、固氮菌属、产气肠杆菌、脱氮副球菌、荧光假单胞菌、和红螺菌属等；真菌中的酵母菌属、青霉属和黑曲霉等。,第三节 微生物独特合成代谢途径举例,一、自养微生物的CO2固定二、生物固氮三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成,一、自养微生物的CO2固定,各种自养微生物在其生物氧化包括氧化磷酸化、发酵和光合磷酸化中获取的能量主要用于CO2的固定。在微生物中，至今已了解的CO2固定的途径有4条。,二、生物固氮,生物固氮作用：将大气中分子态氮通过微生物固氮酶的催化而还原成氨的过程。大气中90%以上的分子态氮，都是由微生物固定成氮化物的，生物固氮是地球上仅次于光合作用的生物化学反应。（一）固氮微生物(nitrogen fixing organisms,diazotrophs）80余属，全部为原核生物（包括古生菌），主要包括细菌、放线菌和蓝细菌。根据固氮微生物与高等植物及其他生物的关系，可将它们分为以下3类：1、自生固氮微生物 2、共生固氮微生物 3、联合固氮微生物,独立生活状况下能够固氮的微生物。生活在土壤或水域中，能独立地进行固氮，但并不将氨释放到环境中，而是合成氨基酸，组成自身蛋白质。自生固氮微生物的固氮效率较低，每消耗1克葡萄糖大约只能固定1020毫克氮。,与其它生物形成共生体，在共生体内进行固氮的微生物。只有在与其他生物紧密地生活在一起的情况下，才能固氮或才能有效地固氮；并将固氮产物氨，通过根瘤细胞酶系统的作用，即时运送给植物体各部，直接为共生体提供氮源。同时，共生体系的固氮效率比自生固氮体系高得多，每消耗1克葡萄糖大约能固定280毫克氮。,根瘤(Nodle)的形成,满江红鱼星藻,地衣,生活在高等植物根际、与高等植物之间有较强的专一性，但不形成根瘤的固氮微生物的固氮作用。联合固氮作用是固氮微生物与植物之间存在的一种简单共生现象。它既不同于典型的共生固氮作用，也不同于自生固氮作用。这些固氮微生物仅存在于相应植物的根际，不形成根瘤，但有较强的专一性，固氮效率比在自生条件下高。通常在水域环境中，共生性固氮系统不常见。大量的氮主要靠自由生活的微生物固定，在有氧区主要是蓝细菌的作用，在无氧区主要是梭菌的作用。,1、生物固氮反应的6要素,（二）固氮的生化机制,生物固氮总反应：,固二氮酶（dinitrogenase）（组份）：是还原氮气的活性中心。固氮酶除了能催化N2 NH3，还可催化H H2、C2H2 C2H4。,固氮酶：是一种复合蛋白，由固二氮酶和固二氮酶还原酶两种相互分离的蛋白构成。,固二氮酶还原酶（dinitrogenase reductase）（组份）：是一种只含铁的蛋白。,2、固氮的生化途径,氧障,呼 吸无氧呼吸发 酵光合作用,NAD(P)H+H+,Fd,还原剂,ADP+Pi Mg2+,ATP-Mg,Mo Mo,2NH3,底物,能量,产物,自生固氮菌固氮的生化途径细节,N2分子经固氮酶的催化而还原成NH3后，就可与相应的酮酸结合，形成各种氨基酸。,（三）好氧菌固氮酶避害机制,固氮酶的两个蛋白组分对氧极其敏感，一旦遇氧就很快导致不可逆的失活。固氮生化反应都必须受活细胞中各种“氧障”的严密保护。大多数固氮微生物都是好氧菌，在长期进化过程中，已进化出适合在不同条件下保护固氮酶免受氧害的机制。1、好氧性自生固氮菌的抗氧保护机制（1）呼吸保护 固氮菌科的菌种能以极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状态，保护固氮酶。（2）构象保护 在高氧分压条件下，Azotobacter vinelandii（维涅兰德固氮菌）和A.chroococcum（褐球固氮菌）等的固氮酶能形成一个无固氮活性但能防止氧害的特殊构象。,2、蓝细菌固氮酶的抗氧保护机制,蓝细菌在光照下会因光合作用放出的氧而使细胞内氧浓度急剧增高。分化出特殊的还原性异形胞：缺乏产氧光合系统，脱氢酶和氢化酶的活性高，维持很强的还原态；SOD活性高，解除氧的毒害；呼吸强度高，可消耗过多的氧。非异形胞蓝细菌固氮酶的保护 能通过将固氮作用与光合作用进行时间上的分隔来达到；通过束状群体中央处于厌氧环境下的细胞失去能产氧的光合系统II，以便于进行固氮反应；通过提高过氧化物酶和SOD的活性来除去有毒过氧化合物。3、豆科植物根瘤菌的抗氧保护机制 只有当严格控制在微好氧条件下时，才能固氮；根瘤菌还能在根毛皮层细胞内迅速分裂繁殖，随后分化为膨大而形状各异、不能繁殖、但有很强固氮活性的类菌体。许多类菌体被包在一层类菌体周膜中，膜的内外有能与O2结合的豆血红蛋白。,三、微生物结构大分子肽聚糖的生物合成,肽聚糖的合成过程约有20步，根据它们反应部位的不同，可分成在细胞质中、细胞膜上和细胞膜外3个合成阶段。,（一）在细胞质中的合成,1、由葡萄糖合成N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸,2、由N-乙酰胞壁酸合成“Park”核苷酸,“Park”核苷酸即UDP-N-乙酰胞壁酸五肽，合成过程如下：,（二）在细胞膜中的合成,由“Park”核苷酸合成肽聚糖单体是在细胞膜上进行的。,（三）在细胞膜外的合成,从焦磷酸类脂载体上卸下来的肽聚糖单体，会被运送到细胞膜外正在活跃合成肽聚糖的部位。原有的肽聚糖分子成了新合成分子的引物。,青霉素的抑菌机制,转肽作用可被青霉素所抑制。作用机制是：1、青霉素是肽聚糖单体五肽尾末端的D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，即：2、两者可相互竞争转肽酶的活力中心。转肽酶一旦被青霉素结合，前后2个肽聚糖单体间不能形成肽桥，肽聚糖缺乏机械强度，由此产生了原生质体或球状体之类的细胞壁缺损细菌。青霉素的作用机制是抑制肽聚糖分子中肽桥的生物合成，对于生长繁殖旺盛阶段的细菌具有明显的抑制作用，对处于生长停滞状态的休止细胞，却无抑制作用。,四、微生物次生代谢物的合成,（一）次生代谢物 某些微生物生长到稳定期前后，以结构简单、代谢途径明确、产量较大的初生代谢物前体，通过复杂的次生代谢途径所合成的各种结构复杂的化学物。多与人类的医药生产和保健密切相关。（二）次生代谢的特点 1、次生代谢物分子结构复杂、代谢途径独特、在生长后期合成、产量较低、生理功能不很明确（尤其是抗生素）、其合成一般受质粒控制；2、形态构造和生活史越复杂的微生物（如放线菌和丝状真菌），其次生代谢物的种类也就越多；3、次生代谢物的种类极多，如抗生素，色素，毒素，生物碱，信息素，动、植物生长促进剂以及生物药物素等；4、次生代谢物的化学结构复杂，分属多种类型如内酯、大环内酯、多烯类、多炔类、多肽类、四环类和氨基糖类等；5、合成途径复杂，以各种初生代谢途径，如糖代谢、TCA循环、脂肪代谢、氨基酸代谢以及萜烯、甾体化合物代谢等为次生代谢途径的基础。,次生代谢途径于初生代谢途径的联系,（三）微生物次生代谢物合成途径,1、糖代谢延伸途径 由糖类转化、聚合产生的多糖类、糖苷类和核酸类化合物，进一步转化而形成核苷类、糖苷类和糖衍生物类抗生素；2、莽草酸延伸途径 由莽草酸分支途径产生氯霉素等；3、氨基酸延伸途径 由各种氨基酸衍生、聚合形成多种含氨基酸的抗生素，如多肽类抗生素、-内酰胺类抗生素、D-环丝氨酸和杀腺癌菌素等；4、乙酸延伸途径 分2条支路：（1）乙酸经缩合后形成聚酮酐，进而合成大环内酯类、四环素类、灰黄霉素类抗生素和黄曲霉毒素；（2）经甲羟戊酸合成异戊二烯类，进一步合成重要的植物生长刺激素赤霉素或真菌毒素隐杯伞素等。,第四节 微生物的代谢调节与发酵生产,微生物的代谢调节,应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节,天冬氨酸,天冬氨酸 磷酸,天冬氨酸 半醛,高丝氨酸,苏氨酸,甲硫氨酸,C.glutamicum的代谢调节与赖氨酸生产,赖氨酸,AK,HSDH,应用营养缺陷型菌株解除正常的反馈调节,核糖-5-磷酸,肌苷酸,C.glutamicum的IMP合成途径和代谢调节,核糖-5-磷酸 焦磷酸,核糖胺-5-磷酸,腺苷酸琥珀酸,腺苷酸,黄苷酸,鸟苷酸,1,2,12,13,14,15,应用抗反馈调节突变株解除反馈调节,控制细胞膜的渗透性,生物素,生物素是乙酰-CoA 羧化酶的辅基,生物素 磷脂 膜透性 调节,