第七章微生物的代谢.ppt

第七章 微生物的代谢（Microbial metabolism）,第一节 微生物的能量代谢,微生物可利用的最初能源有哪些？,研究能量代谢的实质就是追踪微生物可利用的最初能源是如何转化并释放出一切生命活动的通用能源 ATP的过程。,ATP的结构,一、化能异养微生物的生物氧化和产能,1.生物氧化的定义发生在活细胞内的一系列产能性氧化反应的总称。燃烧生物体外的氧化,2.生物氧化的形式：加氧、脱氢或失去电子；3.生物氧化的过程：脱氢、递氢、受氢 4.生物氧化的结果:产ATP、还原力H和小分子代谢产物,（一）底物脱氢的四条途径,底物脱氢的四条途径,1.EMP途径(糖酵解途径或己糖二磷酸途径),1）是大多数生物所共有的基本代谢途径;2）有氧和无氧条件下都能进行;有氧条件下，该途径与TCA途径连接;无氧条件下，丙酮酸被还原，形成乳酸等发酵产物;3）该途径是糖代谢和脂类代谢的连接点(如磷酸二羟丙酮可还原成甘油，进入脂类代谢；,特点,2.HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径),1）是一条葡萄糖不经EMP途径和TCA循环而彻底氧化产能、产还原力H和许多中间代谢产物的途径；2）进行一次周转需要六分子的葡萄糖同时参与，但实际只消耗一分子的葡萄糖；3）能产生大量的还原力H（12个NADPH2）；是合成脂肪酸、固醇等物质所需；也可通过呼吸链产生大量能量；4）反应中有C3-C7各种糖，使微生物可利用的碳源范围广；5）能产生多种重要的中间代谢产物（如核苷酸、多种氨基酸、辅酶和乳酸等）。,特点,3.ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸途径),2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸,少数细菌（如假单胞菌、根瘤菌和土壤杆菌等）因缺少某些完整EMP途径的一种替代途径，为微生物所特有；反应步骤简单，通过四步反应可快速获得2分子的丙酮酸；产能效率低，1分子的葡萄糖仅产1个ATP；可与EMP、HMP和TCA循环等各种代谢途径相连接，以满足微生物对能量、还原力和不同中间代谢产物的需要；反应中有一个特征性酶KDPG醛缩酶；,特点,4.TCA循环(三羧酸循环、Krebs循环或柠檬酸循环),TCA循环由10步酶促反应组成；产能效率极高，是细胞产生ATP的主要场所；在微生物代谢中占有枢纽的地位；提供生物合成所用碳架的重要来源；与微生物大量发酵产物的生产密切相关（如柠檬酸、苹果酸、谷氨酸等）；,特点,TCA循环在微生物分解代谢和合成代谢中的枢纽地位,四种脱氢途径的比较,EMP途径：许多微生物都利用该途径对糖类进行分解代谢。1分子葡萄糖经10步反应产生2分子丙酮酸、2分子H和2个ATP；该途径定位在微生物细胞质中，有氧和无氧都能进行；HMP途径：可与EMP途径或ED途径同时存在，也能在有氧和无氧条件下发生。许多微生物通过该途径产能，但它的主要作用是用于生物合成。ED途径：少数细菌以该途径代替EMP途径。1分子葡萄糖经4步反应产生2分子丙酮酸、2分子H和1个ATP；TCA循环：有氧条件下，丙酮酸经TCA循环进一步代谢产能或用于合成。,（二）递氢 电子传递链,电子传递链是指位于膜（原核生物在细胞质内膜，真核微生物在线粒体内膜）上，由一系列氧化还原势呈梯度差的，链状排列的电子传递体组成；一个化合物的氧化还原势是其对电子亲和力的量度；原核生物和真核生物的电子传递链组成不同，但二者的功能相似；电子传递链的主要组分及传递顺序：NAD(P)FPFeSCOQCyt.bCyt.cCyt.aCyt.a3,（三）受氢,经多种途径脱氢和递氢后，最终与氢受体结合并释放其中的能量。根据受氢体性质的不同，可把生物氧化分为呼吸、无氧呼吸和发酵；1.呼吸（有氧呼吸）是一种最普遍和最重要的生物氧化或产能方式；其特点是底物按常规方式脱氢后，经完整的呼吸链传递，最终被外源分子氧接受，释放能量；递氢和受氢必须在有氧条件下进行，是一种高效产能方式；,典型的呼吸链,现在普遍接受的观点是1978年诺贝尔奖获得者英国学者P.Mitchell 于1961年提出的化学渗透学说该学说认为生物的通用能源-ATP 是由跨膜的质子梯度差（质子动势）而产生的；,产生ATP的机制？,ATP酶和ATP的合成,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（少数为有机氧化物）受氢，并完成产能反应；,2.无氧呼吸（厌氧呼吸）,根据呼吸链末端氢受体的不同，可把无氧呼吸分成多种类型 无机盐呼吸 硝酸盐呼吸 硫酸盐呼吸 硫呼吸 铁呼吸 碳酸盐呼吸 有机物呼吸 延胡索酸呼吸 甘氨酸呼吸 氧化三甲胺呼吸,指在无氧的条件下，底物脱氢后所产生的还原力H，不经过呼吸链传递，而直接交给某一内源性中间代谢产物接受，以实现底物水平磷酸化产能的一类生物氧化反应；能进行发酵的微生物是专性厌氧菌或兼性厌氧菌;其产能都是通过底物水平磷酸化反应，产能效率低;能形成高能磷酸键的产物:1,3-二磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸乙酰磷酸琥珀酰-CoA,3.发酵,发酵类型,1.通过EMP途径进行的发酵同型酒精、乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后只产生一种代谢产物的发酵;2.通过HMP途径进行的发酵异型乳酸发酵凡葡萄糖经发酵后产生两种以上代谢产物的发酵;3.通过ED途径进行的发酵细菌酒精发酵 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氢供体，而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类型。此反应的产能效率极低，每分子氨基酸仅产一个ATP；,Stickland反应机制,氧化磷酸化 在呼吸链的递氢和受氢过程中与磷酸化反应相偶联产生ATP；底物水平的磷酸化 通过形成含高能磷酸键的底物产能；光合磷酸化 通过光能产生ATP的磷酸化反应；,ATP的产生途径,二、化能自养微生物的生物氧化和产能,特点：生物氧化也包括脱氢、递氢和受氢三个阶段；是通过氧化某些还原性的无机底物（NH4+、NO2-、H2S、S、H2、Fe2+等）获得能量；绝大多数是好氧菌；无机底物的氧化直接与呼吸链发生联系；呼吸链的组分多样化；产能效率低；,无机底物脱氢后电子进入呼吸链的部位,生物氧化过程硝化细菌为例,NO2-,NO3-,为什么化能自养微生物的产能效率、生长速率和细胞产率都很低？,硝化细菌和反硝化细菌的比较,无机物呼吸反应及其产能,三、光能营养型生物的生物氧化和产能,通过光能进行营养的生物,存在于光合细菌中的原始光合作用机制；在光能驱动下，电子从菌绿素分子逐出，通过循环式的电子传递途径产生ATP；在厌氧条件下进行，不产氧；产ATP和还原力H分别进行；还原力H来自H2S等无机氢供体，在逆电子流、耗能的情况下产生；,循环光合磷酸化,循环光合磷酸化的途径,循环光合磷酸化途径,非循环光合磷酸化,是各种绿色植物、藻类和蓝细菌所共有的产能方式；电子的传递途径是非循环式的；在有氧条件下进行，能产生氧气；有两个光合系统；PSI：含叶绿素a，吸收光波为P700，有利于红光吸收；PS：含叶绿素b，吸收光波为P680，有利于蓝光吸收；反应中可同时产ATP、还原力H和氧气；,蓝细菌的产氧光合作用,两种光合作用比较,嗜盐菌紫膜的光合作用,嗜盐菌特有的无叶绿素或菌绿素参与的独特光合作用；嗜盐菌的细胞膜制备物可分离出红色和紫色两个组分；红膜：在有氧条件下可进行氧化磷酸化产能；主要成分为类胡萝卜素、细胞色素和黄素蛋白等；紫膜：在缺氧条件下，能利用光能的介导获得能量；主要成分为细菌视紫红质和类脂；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的作用；,第二节 微生物的合成代谢一、糖类的生物合成 微生物生长中既有分解糖类的能量代谢，又有从简单化合物合成糖类，构成细胞生长所哦需的单糖、多糖等。单糖很少以游离形式存在一般多糖或多聚糖及少量糖磷酸酯和糖核苷酸形式存在。,1、单糖的生物合成 合成单糖的途径是通过EMP途径逆行合成葡萄糖-6-磷酸，再转化为其他糖。葡萄糖的合成是单糖合成的中心环节。自养微生物合成葡萄糖的前体来源：通过卡尔文循环可产生甘油醛-3-磷酸，通过还原的核酸环可得到草酸乙酸或乙酰辅酶A。,异养微生物合成葡萄糖的前体来源：利用乙酸为碳源经乙醛酸循环产生草酸乙酸；利用乙醇酸、草酸、甘氨酸为碳源时通过甘油酸途径生成甘油醛-3-磷酸；利用乳酸为碳源时，可直接氧化成丙酮酸；可将糖氨基酸脱去氨基后作为合成葡萄糖的前体。,2、多糖的生物合成 微生物细胞内所含的多聚糖包括同多糖单（由相同的单糖分子聚合而成，如糖原、纤维素等）和杂多糖（由不同的单糖分子聚合而成，如肽聚糖）。多糖的合成不仅是分解的逆转，而是以一种核苷糖为起始物，接着糖单位逐个添加在多糖链的末端。促进合成的能量是由核苷糖中高能-磷酸键水解中得到。,二、脂肪酸的生物合成 微生物利用乙酰CoA与二氧化碳等物质合成脂肪酸。（合成必须借助对热、对酸稳定的酰基载体蛋白ACP）乙酰CoA先与二氧化碳羧化反应生成丙二酰CoA，再经过转移酶作用转到ACP上，生成丙二酰-ACP。脂肪酸链周期性的延长，每一周期增加2个由丙二酰CoA提供的碳原子，并释放一个二氧化碳。,三、氨基酸和核苷酸的生物合成 1、氨基酸的生物合成 对于不能从环境中获得的氨基酸需要其他途径合成。氨基酸的合成包括各氨基酸碳骨架的合成和氨基的合成。碳骨架来自糖代谢的中间产物；氨来自于外界环境、体内含氮化合物的分解、固氮作用合成、硝酸还原作用合成；同时微生物从环境中吸收硫酸盐经过一系列的还原反应作为硫的供体。,氨基酸合成的主要方式：（1）氨基化作用：-酮酸与氨反应形成相应的氨基酸，这是氨基酸同化的主要途径。能直接吸收氨合成氨基酸的-酮酸只有-酮戊二酸和丙酮酸；延胡索酸通过双键打开连接-氨基；谷氨酸通过酰胺键生成谷氨酰胺。,（2）通过转氨基作用：在转氨酶作用下使一种氨基酸的氨基转移给酮酸形成新的氨基酸，是氨基酸合成代谢和分解代谢中极重要的反应，普遍存在于微生物体中，可以消耗含量过剩的氨基酸，得到含量较少的氨基酸。（3）由糖代谢的中间产物为前体合成氨基酸 指20种氨基酸可以通过糖代谢的中间产物经一系列的反应合成。根据前体的不同可分成6组。,2、核苷酸的生物合成 作为核酸的基本结构单位，是由碱基、戊糖、磷酸组成。根据碱基不同分成嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸。（1）嘌呤核苷酸的生物合成 微生物合成嘌呤核苷酸的方式有两种：由各种小分子化合物，全新合成次黄嘌呤核苷酸，再转化为其他嘌呤核苷酸；由自由碱基或核苷组成相应的嘌呤核苷酸。,（2）嘧啶核苷酸的生物合成 微生物合成嘧啶核苷酸的方式有两种：由小分子化合物全新合成尿嘧啶核苷酸，再转化为其他 嘧啶核苷酸；以完整的嘧啶或嘧啶核苷分子，组成嘧啶核苷酸。（3）脱氧核苷酸的生物合成 脱氧核苷酸是由核苷酸糖基第二碳上的-OH还原为H而成，是一个耗能的过程，不同的微生物脱氧过程在不同的水平上进行。,第三节 微生物的代谢调节,微生物代谢调节系统的特点：精确、可塑性强，细胞水平的代谢调节能力超过高等生物。成因：细胞体积小，所处环境多变。微生物细胞代谢是通过控制酶的作用来实现的，分为酶合成的调节（调节酶分子的合成量）和酶活性调节（调节酶分子的活性）两种。分别是在遗传和酶化学水平上进行的。,一、酶合成的调节,通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，是基因水平上的调节，属于粗放的调节，间接而缓慢。,（一）酶合成调节的类型1.诱导：是酶促分解底物或产物诱使微生物细胞合成分解代谢途径中有关酶的过程。微生物通过诱导作用而产生的酶称为诱导酶（为适应外来底物或其结构类似物而临时合成的酶类）。如：E.coli在含乳糖的培养基中合成-半乳糖苷酶和半乳糖苷渗透酶等。,组成酶：不依赖底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：EMP途径的一些酶。诱导酶：依赖于底物或底物结构类似物的存在而合成的酶。如：乳糖酶。诱导物：底物或结构类似物，如：异丙基-D-硫代半乳糖苷。诱导作用的类型：同时诱导：诱导物加入后，微生物能同时诱导出几种酶的合成，主要存在于短的代谢途径中。顺序诱导：先合成能分解底物的酶，再合成分解各中间代谢物的酶达到对复杂代谢途径的分段调节。,2.阻遏,是阻碍代谢过程中包括关键酶在内的一系列酶的合成的现象，从而更彻底地控制和减少末端产物的合成。阻遏作用的类型：（1）末端产物阻遏：由于终产物的过量积累而导致生物合成途径中酶合成的阻遏的现象，常常发生在氨基酸、嘌呤和嘧啶等这些重要结构元件生物合成的时候。例如过量的精氨酸阻遏了参与合成精氨酸的许多酶的合成。,（2）分解代谢物阻遏：当微生物在含有两种能够分解底物的培养基中生长时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶的合成的现象。最早发现于大肠杆菌生长在含葡萄糖和乳糖的培养基时,故又称葡萄糖效应。分解代谢物阻遏导致出现“二次生长”.直接作用者是优先利用的碳源的中间代谢物实质是：因代谢反应链中某些中间代谢物或末端代谢物的过量积累而阻遏代谢中一些酶的合成的现象。,（二）酶合成调节的机制,1、操纵子：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括启动基因，操纵基因和结构基因三部分。启动基因是一种能被依赖于DNA的RNA多聚酶所识别的碱基顺序，是RNA多聚酶的结合部位和转录起始点；操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的一段碱基顺序，能与阻遏物相结合，决定结构基因的转录是否进行；结构基因决定某一多肽的DNA模板，由其上的碱基顺序转录出对应mRNA,再通过核糖体转译出相应的酶。（编码蛋白质的DNA序列）,一个操纵子的转录，合成一个mRNA分子。操纵子分为两类：诱导型操纵子和阻遏型操纵子。诱导型操纵子：当存在诱导物时，其转录频率才最高，并转译出大量诱导酶，出现诱导现象。阻遏型操纵子：当缺乏辅阻遏物时，其转录频率才最高，由阻遏型操纵子所编码的酶的合成，只有通过除去阻遏作用才能启动。,2、调节基因：用于编码组成型调节蛋白的基因，一般远离操纵子,但在原核生物中,可以位于操纵子旁边,编码调节蛋白。,3、效应物：诱导物是起始酶诱导合成的物质，如乳糖等；（与调节蛋白结合，抑制其与操纵基因 的结合促进转录进行）；辅阻遏物是阻遏酶产生的物质，如氨基酸和核苷酸等；（调节蛋白结合，促进其与操纵基因的结合抑制转录进行）；它们都是小分子信号物质，常被总称为效应物，可与调节蛋白相结合以使后者发生变构作用，并进一步提高或降低与操纵基因 的结合能力。,4、调节蛋白 调节蛋白是一类变构蛋白。阻遏物与阻遏物蛋白二者都是由调节基因编码产生特异性调节蛋白；它俩是一类低分子量变构蛋白，有两个结合位点，一个与操纵基因结合，另一位点可与效应物结合；当调节蛋白与效应物结合后，就发生变构作用，变构后与操纵基因的结合能力可提高或下降。（有活性可与O结合；无活性不与O结合）阻遏物:能在没有诱导物时与操纵基因结合的调节蛋白；阻遏物蛋白:只能在有辅阻遏物存在时才能与操纵基因结合。,第二节 酶活性的调节 通过改变现成的酶分子活性来调节新陈代谢的速率的方式。是酶分子水平上的调节，属于精细的调节。（一）调节方式：包括两个方面1、酶活性的激活：在代谢途径中后面的反应可被较前面的反应产物所促进的现象；常见于分解代谢途径。如：粗糙脉孢霉的异柠檬酸脱氢酶的活性受柠檬酸促进2、酶活性的抑制：包括竞争性抑制和反馈抑制。反馈：指反应链中某些中间代谢产物或终产物对该途径关键酶活性的影响。,凡使反应速度加快的称正反馈；凡使反应速度减慢的称负反馈（反馈抑制）；反馈抑制主要表现在某代谢途径的末端产物过量时可反过来直接抑制该途径中第一个酶的活性。主要表现在氨基酸、核苷酸合成途径中。特点：作用直接、效果快速、末端产物浓度降低时又可解除。,（二）反馈抑制的类型,1.直线式代谢途径中的反馈抑制：,苏氨酸脱氨酶苏氨酸-酮丁酸 异亮氨酸 反馈抑制 其它实例：谷氨酸棒杆菌的精氨酸合成,2.分支代谢途径中的反馈抑制：在分支代谢途径中，反馈抑制的情况较为复杂，为了避免在一个分支上的产物过多时不致同时影响另一分支上产物的供应，微生物发展出多种调节方式。主要有：同功酶的调节，顺序反馈，协同反馈，积累反馈调节等。,（1）同功酶调节,定义：催化相同的生化反应，而酶分子结构有差别的一组酶。意义：在一个分支代谢途径中，如果在分支点以前的一个较早的反应是由几个同功酶催化时，则分支代谢的几个最终产物往往分别对这几个同功酶发生抑制作用。-某一产物过量仅抑制相应酶活，对其他产物没影响。,举例：大肠杆菌的天冬氨酸族氨基酸合成的调节。,（2）协同反馈抑制,定义：分支代谢途径中几个末端产物同时过量时才能抑制共同途径中的第一个酶的一种反馈调节方式。举例：天冬氨酸族氨基酸合成中天冬氨酸激酶受赖氨酸和苏氨酸的协同反馈抑制和阻遏。,（3）合作反馈抑制,定义：两种末端产物同时存在时，共同的反馈抑制作用大于二者单独作用之和。举例：在嘌呤核苷酸合成中，磷酸核糖焦磷酸酶受AMP和GMP（和IMP）的合作反馈抑制，二者共同存在时，可以完全抑制该酶的活性。而二者单独过量时，分别抑制其活性的70%和10%。,（4）积累反馈抑制,定义：每一分支途径末端产物按一定百分比单独抑制共同途径中前面的酶，所以当几种末端产物共同存在时它们的抑制作用是积累的，各末端产物之间既无协同效应，亦无拮抗作用。,（5）顺序反馈抑制,一种终产物的积累,导致前一中间产物的积累，通过后者反馈抑制合成途径关键酶的活性，使合成终止。,举例：枯草芽孢杆菌芳香族氨基酸合成的调节,（三）反馈抑制的机制 反馈抑制的主要方式在于最终产物对反应途径中第一个酶即变构酶或调整酶的抑制。,变构酶为一种变构蛋白，酶分子空间构象的变化 影响酶活。其上具有两个以上立体专一性不同的接受部位，一个是活性中心，另一个是调节中心。,活性位点:与底物结合,变构位点:,与抑制剂结合,构象变化,不能与底物结合 与激活剂结合,构象变化,促进与底物结合,代谢调节在发酵工业中的应用,调节微生物生命活动的方法生理水平基因调控水平代谢途径水平如何积累人们所需要的有用代谢产物？调节微生物的生理状态营养类型和浓度氧的供应pH调节前体和表面活性剂等基因水平的调控酶合成的阻遏酶合成的诱导,